Slaid kuliah Kimia Organik I untuk mhs S1 Kimia semester 3
Bab 9 Stereokimia Luthfan Irfana Budi Arifin Bagian Kimia Organik Departemen Kimia FMIPA-IPB
TIU TIK
Daftar Pustaka: Hart H, Craine LE, Hart DJ. 2003. Kimia Organik: Suatu Kuliah Singkat. Achmadi SS, penerjemah; Jakarta: Erlangga. Terjemahan dari: Organic Chemistry: A Short Course. Ed. ke-11. Bab 5.
McMurry J. 2008. Organic Chemistry. Ed. ke-7. Belmont: Brooks/Cole. Bab 9.
Pendahuluan Pernahkah Anda perhatikan? Sepasang sarung tangan
Beberapa alat musik punya sifat ketanganan
Barack Obama menulis dengan tangan kiri
Sumber: http://faculty.wcas.northwestern.edu/brian-odom/motivation.html
9.1 Kiralitas & Enantiomer Setiap objek memiliki bayangan cermin. Objek yang tidak dapat diimpitkan (superimposable) dengan bayangan cerminnya dikatakan kiral.
Kedua tangan kita adalah bayangan cermin yang tak identik objek kiral.
Sebaliknya objek akiral identik dan karena itu, berimpit dengan bayangan cerminnya.
9.1 Kiralitas & Enantiomer Molekul organik dan biologis juga dapat memiliki sifat ketanganan (handedness) ini.
CH3X dan CH2XY dapat diimpitkan dengan bayangan cermin masing-masing molekul akiral
CHXYZ tak dapat diimpitkan dengan bayangan cerminnya molekul kiral
Anda memerlukan model molekul untuk memahami hal ini.
Secara umum, kiralitas dimiliki oleh objek/molekul yang tidak memiliki bidang simetri.
Bidang Simetri
BUKAN Bidang Simetri
Pusat kiralitas
Asam propanoat (akiral)
Asam laktat (kiral)
Secara khusus, atom C tetrahedral akan kiral jika mengikat 4 atom/gugus berbeda. Misalnya, 2-kloropropana akiral, sedangkan 2-klorobutana kiral.
9.1 Kiralitas & Enantiomer Molekul organik kiral dan bayangan cerminnya yang tidak identik disebut sepasang enantiomer.
Asam (-)-Laktat
Asam (+)-Laktat
Tidak cocok Tidak cocok Tidak cocok
9.1 Kiralitas & Enantiomer Contoh molekul kiral lainnya: C5 pusat kiralitas
5-bromodekana
Substituen pada karbon 5
Latihan 1: Manakah di antara 2 molekul di samping yang kiral? Latihan 2:
Tandai * pusat(-pusat) kiralitas pada setiap senyawa berikut:
karvon (minyak spearmint)
nutkaton (minyak jeruk bali)
9.2 Keaktifan Optis Pengamatan Jean-Baptiste Biot (awal abad ke-19) – Bidang cahaya terpolarisasi-bidang terputar saat melalui larutan senyawa organik tertentu – Senyawa tersebut dikatakan aktif optis – Arah & besar sudut rotasi diukur oleh polarimeter Cahaya takterpolarisasi Cahaya terpolarisasi
Sumber cahaya
Polarisator Tabung contoh berisi larutan molekul organik
Pengamat Analisator
9.2 Keaktifan Optis Molekul yang memutar bidang cahaya terpolarisasi ke – kanan disebut dekstrorotatori () – kiri disebut levorotatori () Besar sudut rotasi teramati () bergantung pada
Struktur molekul Konsentrasi molekul dalam tabung contoh Panjang tabung contoh
Panjang gelombang cahaya terpolarisasi Suhu
9.2 Keaktifan Optis Agar aktivitas optis berbagai zat dapat dibandingkan, digunakan besaran rotasi spesifik:
α
t λ
α (pelarut) l c
dengan = sudut rotasi (dari polarimeter) l = panjang tabung contoh (dm) c = konsentrasi (g/mL) t = suhu larutan (biasanya suhu kamar)
= panjang gelombang sinar [biasanya garis D (kuning) dari lampu uap Na ( = 589,6 nm)]
9.2 Keaktifan Optis Sepasang enantiomer t sama, hanya berbeda tanda
(-) - asam laktat
( ) - asam laktat
α
αD25 C
25 o C D
3,33 (H2O)
o
3,33 (H2O)
Contoh Soal 9.1 Menghitung Rotasi Optis Sebanyak 1,20 g contoh kokaina, []D = 16o, dilarutkan dalam 7.50 mL kloroform lalu dituang ke dalam tabung contoh sepanjang 5.00 cm. Berapakah sudut rotasi teramati ()?
Jawab:
α
t λ
α (pelarut) l c
α (CHCl ) 3 1,20 g (0,500 dm) 7,50 mL = –1,28o
16 o
kokaina
9.2 Keaktifan Optis Louis Pasteur (1884) Dua jenis kristal yang dihasilkan dari natrium amonium tartrat adalah bayangan cermin yang tidak identik penemuan enantiomer
100% Kristal Kiri Aktif optis
100% Kristal Kanan Aktif optis
Soal-soal Latihan • Problem 9.1–9.6 • Problem 9.31–9.37, 9.72, 9.73
9.3 Aturan Urutan: Penamaan R-S 1. Dengan aturan CIP, urutkan prioritas keempat gugus yang melekat pada pusat kiralitas (baca kembali penamaan E-Z).
2. Posisikan gugus yang prioritasnya paling rendah ke belakang. 3. Amati, 180o dari posisi gugus tadi, arah perputaran dari gugus yang tertinggi prioritasnya ke yang kedua lalu ke yang ketiga. (a) searah jarum jam → (R): rectus (b) berlawanan arah jarum jam → (S): sinister
Setelah menentukan peringkat prioritas
Cermin
Putar menjadi seperti ini
Putar menjadi seperti ini
Gugus terendah (4) berada di belakang
Gugus terendah (4) berada di belakang
Konfigurasi R
Konfigurasi S
Contoh 1: penentuan prioritas
4 2
3 1
Asam ()-laktat penentuan konfigurasi
searah jarum jam
Konfigurasi R
Contoh 2:
(S)-gliseraldehida [(S)-()-2,3-dihidroksipropanal] [α]D = 8.7
Contoh 3:
(S)-alanina [Asam (S)-()-2-aminopropanoat] [α]D = 8.5
Contoh Soal 9.2 Gambarkan struktur (R)-2-klorobutana. 1. Tuliskan struktur 2D, urutkan prioritas gugus-gugus pada pusat kiralitas. Prioritas −Cl > −CH2CH3 > −CH3 > −H 2. Gambarlah dengan H (gugus prioritas terendah) “menjauhi” Anda, dan letakkan 3 gugus sisanya (Cl → CH2CH3 → CH3) searah jarum jam (R). atau
Latihan: 1. Tentukan konfigurasi (R atau S) pada pusat stereogenik dalam (a)
HC O C HO
(b)
H CH3
CO2H H2 N
2. Gambarkan struktur:
(a) (S)-2-fenilbutana (b) (R)-3-metil-1-pentena (c) (S)-3-metilsiklopentena
C
H
CH2SH
CH3
(c) H H2N
C CH2
9.3 Aturan Urutan: Penamaan R-S Konfigurasi R-S mutlak; konfigurasi (+)/(–) relatif. Konfigurasi mutlak dipastikan dengan spektroskopi sinar-X (Bijvoet, 1951) Tidak ada hubungan nyata antara konfigurasi mutlak dan relatif. Contoh:
CO2CH3
CO2H C H
CH3 OH
(R)-()-asam laktat
CH3OH +
H
C H
CH3 OH
(R)-(+)-metil laktat
Soal-soal Latihan • Problem 9.7–9.11 • Problem 9.27, 9.28, 9.30, 9.42–9.48, 9.50, 9.51, 9.54–9.56
9.4 Senyawa dengan >1 Pusat Kiralitas: Diastereomer & Senyawa Meso n pusat kiralitas → maksimum 2n stereoisomer
*
*
asam 2-amino-3-hidroksibutanoat
2 pusat kiralitas maks 4 stereoisomer Stereoisomer (A) 2R, 3R | (B) 2S, 3S (C) 2R, 3S | (D) 2S, 3R
A dan B, C dan D: pasangan enantiomer (bayangan cermin) A dan C, A dan D, B dan C, atau B dan D: bukan bayangan cermin DIASTEREOMER
Asam 2-amino-3-hidroksibutanoat
Enantiomer
Enantiomer
Perhatikan! Enantiomer • Konfigurasi berlawanan di setiap pusat kiralitas
Diastereomer • Konfigurasi berlawanan di sebagian pusat kiralitas
Epimer • Konfigurasi berlawanan hanya di 1 pusat kiralitas
kolestanol
koprostanol
Epimer
*
*
asam tartarat
Enantiomer
Enantiomer?
bidang simetri
senyawa meso akiral
IDENTIK! Senyawa Meso
Latihan: 1. Buaya dewasa mengeluarkan senyawa berikut dari kelenjar kulitnya sebagai feromon komunikasi untuk bersarang atau kawin. O
Tandai pusat kiralitasnya dengan tanda *. Gambarkan semua kemungkinan stereoisomer dari senyawa ini? 2. a) Tunjukkan bahwa trans-1,2-dimetilsiklopentana dapat berada dalam bentuk enantiomer kiral.
b) Apakah cis-1,2-dimetilsiklopentana juga kiral? Jelaskan.
Soal-soal Latihan • Problem 9.12–9.17 • Problem 9.29, 9.38–9.41, 9.49, 9.52, 9.53, 9.57, 9.58, 9.65, 9.75–9.79
9.5 Campuran Rasemik (Rasemat): Resolusi Enantiomer Campuran rasemik (dilambangkan (+) atau (d,l): campuran sepasang enantiomer dengan nisbah 50:50 Campuran rasemik tidak aktif optis: rotasi (+) dari salah satu enantiomer tepat ditiadakan oleh rotasi (–) yang sama besar dari enantiomer lainnya.
Campuran rasemik umumnya sulit dipisahkan: Sifat akiral identik (tl, td, , dan berbagai jenis spektrum). Kelarutan dalam pelarut biasa yang akiral juga identik.
9.5 Campuran Rasemik (Rasemat): Resolusi Enantiomer Teknik kristalisasi bertingkat Pasteur umumnya tidak berhasil baik. Metode resolusi lazim digunakan: (a) Campuran direaksikan dengan suatu reagen kiral. (b) Dihasilkan sepasang produk diastereomer yang dapat dipisahkan dengan metode kimia biasa. (c) Reagen kiral diregenerasi & enantiomer dipisahkan. R S
+ R
R-R S-R
R-R
R+R
dan
S-R
S+R
Contoh: Rasemat asam kiral direaksikan dengan amina kiral.
Resolusi tidak terjadi jika digunakan reagen yang akiral:
9.6 Stereokimia Reaksi: Hidrasi Alkena (1) Alkena akiral Alkohol kiral:
1-butena (akiral)
(S)-2-butanol (50%)
(R)-2-butanol (50%)
(2) Alkena kiral Alkohol dengan pusat kiral baru:
(R)-4-metil-1-heksena (1 pusat kiral)
(2S,4R)4-metil-2-heksanol
(2R,4R)4-metil-2-heksanol
(2 pusat kiral)
(1) Mekanisme Reaksi Adisi H2O pada 1-Butena Serangan dari atas
Kemungkinan Serangan atas = bawah
Cermin
(S)-2-Butanol (50%)
Kation sec-butil (akiral)
Serangan dari bawah
(R)-2-Butanol (50%)
(2) Mekanisme Reaksi Adisi H2O pada (R)-4-Metil-1-heksena Alkena Kiral
Peluang serangan
Kation Kiral
atas bawah
Sisi atas bawah Atas
(2S,4R)-4-Metil-2-heksanol
Bawah
Komposisi produk tidak 50:50
(2R,4R)-4-Metil-2-heksanol
9.6 Stereokimia Reaksi: Hidrasi Alkena Aturan umum:
Pembentukan pusat kiral dari reaksi antara 2 reaktan akiral akan menghasilkan produk rasemat. Produk aktif optis hanya akan didapat dari reaktan/lingkungan yang aktif optis. Misalnya, reaksi biologis enzimatik:
akonitase cis-akonitat (akiral)
(2R,3S)-isositrat
9.6 Stereokimia Reaksi: Hidrasi Alkena Aturan umum:
Pembentukan pusat kiral baru pada reaktan kiral akan menghasilkan campuran diastereomerik tidak 50:50. Sisi dengan halangan ruang lebih kecil lebih mudah diserang. Pusat kiral pertama tidak terpengaruh dan akan tetap berkonfigurasi R (bila reaksi tidak mengubah prioritas relatif).
Soal-soal Latihan • Problem 9.18–9.22 • Problem 9.59–9.62, 9.66, 9.67, 9.74, 9.80– 9.82
9.7 Kiralitas pada Nitrogen, Fosforus, dan Sulfur Atom N, P, dan S trivalen dengan 3 atom/gugus berbeda kiral. Pasangan elektron bebas menjadi “gugus” keempat yang berbeda dalam geometri-elektron tetrahedral. Interkonversi “payung tertiup-angin” atom N trivalen sangat cepat
Cermin
tidak mungkin mengisolasi salah satu enantiomer.
Cepat
9.7 Kiralitas pada Nitrogen, Fosforus, dan Sulfur Interkonversi atom P dan S trivalen lebih lambat fosfina atau garam sulfonium kiral stabil dan dapat diisolasi. Prioritas terendah
Metionina
(R)-metilpropilfenilfosfina (stabil beberapa jam, 100 oC)
Adenosina
(S)-S-adenosilmetionina (stabil beberapa hari, rt)
9.8 Prokiralitas Molekul prokiral: molekul akiral yang dapat diubah menjadi kiral dalam 1 tahap reaksi Contoh pusat prokiralitas sp2: prokiral
H2
kiral
Pd/C butanon (prokiral)
2-butanol (kiral)
Enantiomer 2-butanol yang dihasilkan bergantung pada sisi/ muka karbonil planar yang bereaksi.
9.8 Prokiralitas Tentukan prioritas ketiga gugus yang terikat pada C sp2. Tentukan arah putaran prioritas 1 2 3. Muka yang menghasilkan putaran searah jarum jam muka Re (mirip R) taksearah jarum jam muka Si (mirip S) Produk adisi pada muka Re
muka Re (searah jarum jam)
(S)-2-butanol atau
muka Si (taksearah jarum jam)
Produk adisi pada muka Si
(R)-2-butanol
9.8 Prokiralitas Contoh pusat prokiralitas sp3: Pusat prokiralitas
Pusat kiralitas
substitusi dgn 2H
Memahami prokiralitas akan diperlukan dalam mempelajari stereotopisitas pada kuliah Penentuan Struktur Molekul.
9.8 Prokiralitas Contoh prokiralitas pada sistem hayati:
Soal-soal Latihan • Problem 9.23–9.26 • Problem 9.63, 9.64, 9.68–9.71
9.9 Kiralitas di Alam Walaupun sifat fisisnya sama, sepasang enantiomer biasanya memiliki sifat biologis yang berbeda, bahkan tak jarang berlawanan.
()-limonena (aroma jeruk)
(R)-asparagina → manis [isomer (S)-nya pahit]
()-limonena (aroma pinus)
(S)-karvon → aroma harum jintan [(R): berbau mentol]
Obat-obatan kiral:
(S)-fluoksentina (pencegah migrain) rasemat antidepresan
(S)-naproksen → obat antiradang [(R): racun hati]
(R)-talidoimida → zat sedatif & hipnotik [(S): teratogen ampuh]
(R,R)-kloramfenikol → antibiotik [(S,S): bukan antibakteri]
(S,S)-paklobutrazol →
Feromon seks kumbang jantan
zat pengatur tumbuh tanaman
(enantiomernya inaktif)
[(R,R): fungisida)]
(–)-benzopirildiol → sangat
(R)-timolol → penyekat adrenergik
karsinogenik [(+): tidak)]
[(S): tidak efektif)]
Tubuh memiliki reseptor tertentu untuk setiap fungsi biologis. Reseptor tersebut umumnya kiral. Hanya senyawa dengan stereokimia yang cocok dengan stereokimia reseptor dalam tubuh akan diikat. Enantiomer (kiri)
Enantiomer (kanan)
Tidak cocok
Reseptor (Kiri)
Reseptor (Kiri)
CERMIN
(S)-JimiHendrix
(R)-JimiHendrix
Terima kasih Jangan lupa untuk mengulang kembali materi ini sebelum Anda tidur!
