Stereochemie Přednáška č. 3
Nomenklatura sloučenin obsahujících centrum chirality a jednoduchou osu symetrie
Typ molekuly
prvek symetrie
Cabcd
žádný
Caabc
σ
Caabb
C2 + σ
Caaab
C3 +3σ
Caaaa
4C3 + 3C2 + 6σ
Molekuly typu Caabb b
a
b
C a
HOOCHN
C
b
H2NOC
a
a
NH-COOH
HN
CONH2
OC
C
b
O C
H N
N H
C O
CO NH
Určování konfigurace: 4
NH CO
4
1
CO NH NH CO 2
3
R
CO
NH
NH
CO
3
CO CO NH NH 2
NH CO
1
S
Při určování konfigurace molekuly postupujeme takto:
1. Preferovanému substituentu v libovolném kruhu přiřadíme nejvyšší preferenci 1 2. Stejnému substituentu v druhém kruhu přiřadíme preferenci 2 3. Dalšímu substituentu v prvním kruhu přiřadíme preferenci 3 4. Stejnému substituentu v druhém kruhu přiřadíme preferenci 4
Molekuly typu Caaab c
b
a
b
a
a
a
a
a
c
c
H
H
1
H
3
2
Určování konfigurace:
H
1
nebo
3
H
2
nebo
2
3
1
2,4,5,7,8,9b-Hexahydro-1H-phenalene konfigurace R
1
H
3
2
H
1
nebo
3
nebo
2
3
2,4,5,7,8,9b-Hexahydro-1H-phenalene konfigurace S
Při určování konfigurace pak postupujeme takto: 1. Kterýkoliv ze skupiny stejných ligandů označíme jako 1 2. Ostatní preference jsou pak přiřazeny podle pravidel CIP 3. Je-li atom vodíku nahrazen atomem či skupinou s vyšší preferencí než má uhlík, pak se pořadí ostatních substituentů posouvá
H
1
2
Molekuly typu Caaaa.
a A a B
B a A a
(CH2)n
(CH2)n
Určování konfigurace:
4 (CH2)n
A
B 2
3
B A
1
3 (CH2)n
nebo
(CH2)n
A
B 1
B A
1
4
2
(CH2)n
B
(CH2)n
nebo
A
3
B A
2
2
4
B
(CH2)n
(CH2)n
nebo
A
4
1
B A
3
S konfigurace (vespirenes)
Při určování konfigurace pak postupujeme takto: 1. Libovolný ligand na centrálním atomu označíme preferencí 1
2. Ligand, který sdílí spolu s atomem 1 preferovanější kruh A označíme preferencí 2 3. Ligand, který sdílí spolu s atomem 1 méně preferovaný kruh B označíme preferencí 4. Čtvrtý substituent označíme preferencí 4
(CH2)n
Molekuly s dvěma a více chirálními centry • Acyklické konstitučně nesymetrické chirální molekuly COOH
COOH H2N C H H C NH2
H2N C H H C NH2
CH3
CH3
CH3 H C
F
H C Br Br
rùzná konstituce
C H
H C Cl CH3
CH3 H C
F
H C Br Br
C H
H C Cl CH3
rùzná konstituce
• Každé chirální centrum může existovat v konfiguraci R nebo S. • Počet stereoizomerů je dán hodnotou 2n, kde n je počet chirálních center. • Počet racemických párů je dán hodnotou 2 (n-1). • Každý stereoizomer má k sobě jeden enantiomer a 2n-2 diastereoizomerů. CH3 Cl
C H
H C Cl
H C Br
Br
C H
CH3
H C Cl
Cl
C H
H C Br
Br
C H
CH3
CH3
CH3
CH3
2R, 3R
2S, 3S
2S, 3R
2R, 3S
Br CH3 Cl
CH3
CH3
H
H
H CH3
CH3 H
Cl
(+) a (-) threo formy
Br
Br CH3
CH3 H
Cl
H
H
CH3
CH3 Cl
(+) a (-) erythro formy
H
Br CH3
CH3 Cl
CH3
C H
H C Cl
H C Br H C
F
Br
C H
F
C H
CH3
CH3 enantiomer
CH3 Cl
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
C H
Cl
C H
Cl
C H
H C Cl
H C Cl
H C Cl
H C Br
Br
C H
Br
C H
H C Br
H C Br
H C Br
H C F
F
C H
H C F
H C F
F
F
C H CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
C H CH3
diastereoizomery
Diastereoizomery se mohou lišit na jednom chirálním centru, pak jsou nazývány epimery
Nomenklatura diastereoizomerů Erythro a threo CH3 H2N C H
Pref a parf
CH3
c
H C NH2
b
H C NH2
H C NH2
CH3
CH3
C
C
a
x
2,3-diaminobutan
c b
threo
erythro
z y
z y
a Re
x Si
„pref“ (priority reflective) - diastereoizomery tvořené dvěma různými částmi Re-Si nebo Si-Re „parf“ (priority antireflective) - diastereoizomery tvořeny dvěma stejnými částmi Re-Re nebo Si-Si
Syn a anti O 3
R
2
5
R´
4
2,3-anti -3,4-syn-4,5-anti
Správnější a přesnější je však v těchto případech použití CIP nomenklatury.
H3C
OH
H3C
N
NH-CS-NH2 N
H
H syn
H3C
H3C
N H
N OH
H
NH-CS-NH2
anti
Správnější a přesnější je však v těchto případech použití Z,E nomenklatury.
• Konstitučně symetrické chirální molekuly nižší počet stereoizomerů než je hodnota 2n - přítomnost mesoformy CH3
CH3
CH3
CH3
H
Cl
Cl
H
H
Cl
Cl
H
H
Cl
Cl
H
Cl
H
H
Cl
CH3
CH3
CH3
meso forma (identické achirální molekuly)
COOH H C OH
COOH HO C H
CH3
enantiomery (opticka aktivní neidentické molekuly)
COOH
COOH
H C OH
H C OH
HO C H
H C OH
H C OH
HO C H
H C OH
H C OH
H C OH
COOH
COOH
COOH
C
D
COOH A
B
HO C H
Pojem mesoformy nelze použít pro označení struktury ve skupině stereoisomerů, ve které nejsou žádné chirální stereoisomery
COOH H C OH
COOH HO C H
COOH
COOH
H C OH
H C OH
HO C H
H C OH
H C OH
HO C H
H C OH
H C OH
H C OH
COOH
COOH
COOH
C
D
COOH
B
A (R)
(S)
3
3
HO C H
H C OH
(R) 3
H C OH
HO C H
(R) 3
HO C H
(R)
(S)
(S)
(S)
A
B
C
D
nestereogenní centrum
stereogenní centrum
COOH
COOH
COOH
H C OH
H C OH
H C OH
HO C H HO C H COOH
H C OH
180 o
HO C H
HO C H HO C H
COOH
COOH
A
COOH HO C H H C OH
COOH
COOH
HO C H HO C H
HO C H 180 o
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
COOH
COOH
COOH
B
Uhlíkem číslo 3 neprochází žádný prvek symetrie, leží tedy v chirálním prostředí a nazývá se proto chirotopický.
COOH
COOH
H C OH
H C OH
H C OH
HO C H
H C OH
H C OH
COOH
COOH
C
COOH
COOH
H C OH
H C OH
HO C H
H C OH
H C OH
H C OH
COOH
COOH
D
Stereogenní, achirotopické - pseudoasymetrické centrum
OH OH
OH OH
OH OH
OH OH
OH
OH
OH OH
enanciomerní formy inositu
Existuje v osmi diastereoizomerních formách, z nichž pouze jedna může tvořit enanciomerní pár. Ostatních sedm izomerů tvoří mesoformu, mající jednu nebo více rovin symetrie. Me
Me
Me
OH
Me *
*
*
*
*
Me O
* H
*
COOH
*
Me
H3C
O twistan
substituovaný adamantan
Nemůže dojít k tvorbě stereoizomeru ze stérických důvodů – existuje pouze jako enanciomerní pár.
Shrnutí 1. Pokud jsou na centrální atom vázány čtyři různé substituenty a výsledný útvar tvoří pravidelné tetraedrální uspořádání, pak je centrální atom chirální a molekula je opticky aktivní. Záměnou dvou substituentů mezi sebou vzniká z jednoho enantiomeru opačný. 2. Pokud molekula obsahuje více chirálních center, může tvořit diastereoizomery, z nichž každý může mít k sobě enantiomer. Některé diastereoizomery však mohou tvořit mesoformu, která není opticky aktivní a nemá k sobě enantiomerní protějšek 3. Se zvětšujícím se počtem chirálních center roste i počet možných stereoizomerů, jejich počet je snižován tvorbou mesoforem. Konstitučně symetrické molekuly s lichým počtem chirálních center mohou mít jedno pseudoasymetrické centrum.
4. Molekuly mohou mít stereogenní centrum, pokud hypotetickou záměnou dvou substituentů na tomto centru dojde ke vzniku jiného stereoizomeru. Molekuly mohou mít chirotopické centrum, pokud toto centrum není součástí žádného prvku symetrie s výjimkou jednoduché osy symetrie. Pojmy stereogenní a chirotopický spolu nijak nesouvisí
5. Kromě kvartérního uhlíku mohou vykazovat chiralitu i jiné atomy, jako je dusík, fosfor, křemík nebo arsen. Pokud jsou tyto prvky trojvazné, je čtvrtým substituentem volný elektronový pár. 6. Dva enantiomery se liší pouze ve směru stáčení lineárně polarizovaného světla a v reaktivitě s chirálními činidly či v chirálním prostředí dva diastereoizomery se liší ve všech svých fyzikálně chemických vlastnostech a v reaktivitě. 7. Pro popis jednotlivých stereoizomerů se používá buďto Fischerovy nomenklatury, která není jednoznačná, ale velmi zažitá zejména v chemii cukrů a aminokyselin nebo CIP nomenklatury (R,S nomenklatura), která je jednoznačná pro všechny opticky aktivní sloučeniny 8. Pro achirální molekuly typu olefinů je možno použít nomenklaturu cis, trans, která není jednoznačná v případě přítomnosti třech nebo čtyřech různých substituentů. Proto se používá jednoznačná nomenklatura Z,E. Ta nahrazuje i často nejednoznačnou nomenklaturu syn a anti u oximů či hydrazonů karbonylových sloučenin. 9. Achirální molekuly mající dva, tři nebo čtyři stejné substituenty mohou ztratit symetrii, pokud mezi dvěma stejnými substituenty dojde ke vzniku můstku. Takovéto molekuly ztrácejí roviny symetrie a vzniká u nich centrum chirality.
10. Cyklické molekuly vykazují zpravidla vyšší symetrii než molekuly acyklické, proto se snižuje i počet jejich stereoizomerů. Ten může být dále snížen díky stérickým důvodům u některých bicyklických sloučenin.
