background image

1

polaryzacja światła, stanowi podstawę metod chiralooptycznych:

™

polarymetria 

™

dyspersja skręcalności optycznej (ORD) 

™

spektroskopii dichroizmu kołowego (CD)

α π/λ ( 

n

L

– n

R

)

gdzie: n

L

, n

R

– współczynniki refrakcji

λ – długość fali [nm]

100

]

[

]

[

M

x

T

T

λ

λ

α

=

Φ

gdzie: – masa molowa

[

α

– skręcalność właściwa

krzywe dyspersji skręcalności optycznej 
(ORD – ang. Optical Rotatory Dispersion
)

zależność skręcalności właściwej 

α

lub skręcalności molowej 

Φ

od 

długości fali 

λ

KRZYWA ANOMALNA

background image

2

DICHROIZM KOŁOWY (CD – ang. circular dichroism)

Ψ = (π/λ )(κ

L

κ

R

)

ELIPTYCZNOŚĆ

Ψ – arc-tangens ze 

stosunku małej i wielkiej osi elipsy, 
kreślonej przez wektor siły pola 
elektrycznego światła 
spolaryzowanego eliptycznie

gdzie: 

κ

L

,

κ

R

– współczynniki absorpcji składowych 

światła spolaryzowanego kołowo w lewo i prawo

λ – długość fali [nm]

Miara wielkości efektów dichroizmu kołowego jest 
współczynnik 

∆ε, który wyraża różnicę molowych 

współczynników absorpcji lewego i prawego, 
kołowo spolaryzowanego promieniowania:

∆ε = ε

L

− ε

R

Θ = 3 300∆ε

ELIPTYCZNOŚĆ MOLOWA

Θ

gdzie: 

ε

L

ε

R

– molowe  współczynniki absorpcji 

światła kołowo spolaryzowanego w lewo i 
prawo

background image

3

KRZYWE DICHROIZMU KOŁOWEGO 
(krzywe efektu Cottona)

zmiana różnicy molowych współczynników absorpcji 
promieniowania kołowo spolaryzowanego w lewo i w 
prawo (

∆ε) w funkcji długości fali 

λ

λ

(ORD) = 

λ

max

(CD) 

silniej absorbowana 
składowa lewoskrętna

ε

L

ε

R

dodatni efekt Cottona

silniejsza absorpcja składowej prawoskrętnej

ujemny efekt Cottona krzywej CD 

ε

L

ε

R

background image

4

Fizyczną podstawą zjawisk chiralooptycznych są wzbudzenia 
elektronów optycznie czynnych chromoforów wbudowanych w 
cząsteczki, zwane wzbudzeniami optycznie czynnymi. W optycznie 
czynnych chromoforach występuje asymetryczne rozmieszczenie 
elektronów. Miarą asymetrii rozkładu gęstości elektronowej 
chromoforu jest tzw.  siła rotatora R. 

Siła rotatora definiowana jest jako iloczyn skalarny 
magnetycznego i elektrycznego dipolowego 
momentu przejścia:

)

,

cos(

m

m

R

µ

µ

=

gdzie:           – elektryczny dipolowy moment przejścia

– magnetyczny dipolowy moment przejścia 

µ

m

CHROMOFOR

(gr. chroma – kolor, phoros – użyczający)

™

grupa atomów, w których zlokalizowane są elektrony biorące 

udział we wzbudzeniu

™

fragment cząsteczki zmieniający swoje właściwości pod 

wpływem wzbudzenia (np. geometrię, rozkład ładunku czy 
polaryzację)

background image

5

Podział chromoforów ze względu na symetrię oraz moc rotatora:

chromofor chiralny (zwany też dyssymetrycznym) 

− spotykany w 

niepłaskich układach 

π−elektronowych 

™

optycznie czynny sam w sobie

™

bardzo silny efekt Cottona, praktycznie nie zależy od innych 

centrów chiralności

R

R'

R

R'

C

O

C

O

HEKSAHELICEN

BIARYLE

1,3-ENONY

1,3-DIENY

Podział chromoforów ze względu na symetrię oraz moc rotatora:

chromofory achiralne (zwane symetrycznymi), mające 
płaszczyznę lub środek symetrii

np. grupy: karbonylowa i karboksylowa, pierścień benzenowy, 
wiązanie podwójne znajdujące się w alkenach pozbawionych 
naprężeń

™

efekt Cottona jest konsekwencją chiralnych zaburzeń powstających 

w chromoforze podczas wzbudzeń elektronowych  

Takie zaburzenia mogą być wywołane przez: 
™

podstawniki dyssymetrycznie umiejscowione w pobliżu chromoforu

™

chiralny szkielet cząsteczki.

O

O

RO

O

RNH

O

O

background image

6

Podział chromoforów ze względu na symetrię oraz moc rotatora:

chromofory wykazujące sprzężenie ekscytonowe

dwa lub więcej chromoforów charakteryzujących się dużym 
molowym współczynnikiem ekstynkcji (

ε rzędu kilku tysięcy) 

oraz znajdujących się w przestrzeni w pobliżu siebie tworzy 
układ chiralny

O

R'

CHROMOFORY

III STREFA

II STREFA

I STREFA

atomy wszystkich sfer wnoszą wkład do znaku i 
intensywności efektu Cottona

™

największy udział, który zwykle determinuje ten znak, 

pochodzi od chiralnego chromoforu (I sfera)

™

wkład kolejnych sfer staje się coraz mniejszy, im 

bardziej są one oddalone od chromoforu

background image

7

CHROMOFOR

elementy cząsteczki odpowiedzialne za absorpcję, np.

zakres widzialny – chromofor jest odpowiedzialny za barwę substancji

wiązania pojedyncze (

σ→σ*)

wiązania podwójne (

π→π*)

wiązania potrójne (

π→π*)

niewiążące pary elektronowe (

n

π*)

0

energia

π ∗

σ ∗

π 

σ 

n

Schemat poziomów energetycznych oraz możliwości przejść elektronowych

ENERGIA PRZEJŚCIA ELEKTRONOWEGO

σ

σ

n

σ

π

π

n

π

σ

σ

n

σ

π

π

n

π

DŁUGOŚĆ FALI ABSORBOWANEGO PROMIENIWANIA

background image

8

C

O

C

O

π/π

n

CHROMOFOR KARBONYLOWY

E

n

π∗

π

STAN PODSTAWOWY 

S

0

SINGLETOWY    

STAN WZBUDZONY 

S

1

TRIPLETOWY    

STAN WZBUDZONY 

T

1

SINGLETOWY    

STAN WZBUDZONY 

S

2

π*

π*

π – π

Typy półempirycznych reguł korelujących znak i wielkość efektu 
Cottona z geometrią cząsteczki

™

reguły sektorów

™

reguły helikalności (lub chiralności)

CHROMOFORY SYMETRYCZNE  

CHROMOFORY CHIRALNE

background image

9

REGUŁA OKTANTÓW DLA NASYCONYCH KETONÓW

wiąże stereochemię ze znakiem i wielkością efektu Cottona dla przejścia 
elektronowego n

π

* w grupie karbonylowej

(

λ

max 

ok. 300 nm)

O

y

x

z

_

_

_

_

+

+

+

OKTANTY PRZEDNIE

OKTANTY TYLNE

płaszczyzny węzłowe orbitali n i 

π*

KLASYCZNA REGUŁA OKTANTÓW –
CYKLOHEKSANON W KONFORMACJI KRZESŁOWEJ

xz

yz

+

+

_

_

O

eq

eq

eq

eq

ax

ax

ax

ax

ax

eq

1.

cząsteczkę cykloheksanonu umieszcza się w układzie 
współrzędnych tak, aby atomy węgli: karbonylowego, C2 i C6 
leżały w płaszczyźnie yz

2.

rzutujemy wzdłuż wiązania C=O, czyli osi z

OKTANTY TYLNE

KIERUNEK RZUTOWANIA

_

_

+

+

C

3

C

2

eq

eq

ax

ax

C

5

C

6

O

C

4

ax

ax

eq

eq

ax

eq

™

atomy i grupy leżące na płaszczyznach węzłowych nie wnoszą udziału do efektu Cottona

™

podstawniki znajdujące się blisko tych powierzchni mają na niego mały wpływ

™

wkład podstawników do efektu Cottona maleje wraz ze wzrostem odległości 

podstawników od grupy karbonylowej.

background image

10

_

_

+

+

yz

xz

O

CH

3

xz

yz

+

_

_

O

H

3

C

+

R

O

CH

3

R

O

CH

3

CH

3

O

C

5

C

6

C

3

C

2

O

C

4

H

3

C

C

3

C

2

O

C

4

C

5

C

6

CH

3

(+) efekt Cottona

(–) efekt Cottona

KLASYCZNA REGUŁA OKTANTÓW – CYKLOHEKSANON W KONFORMACJI KRZESŁOWEJ

CHIRALNY

Djerassi C., et al. J. Amer. Chem. Soc.1962 84 4552

Widma CD 5

α-cholestan-3-onu (- - -) i 5α-cholestan-1-onu (⋅ – ⋅ – ⋅ –) w metanolu

(+) efekt Cottona

(–) efekt Cottona

krótkofalowe 

przejście elektronowe

maskuje przejście 

elektronowe n-

π*

C

5

C

4

O

C

C

2

C

1

CH

3

C

9

C

6

C

8

C

7

C

13

C

11

C

C

12

C

16

C

CH

3

C

8

H

17

C

8

H

17

H

O

3

8

9

15

11

O

C

8

H

17

H

1

7

12

14

C

3

C

2

O

C

4

C

9

C

C

5

CH

3

C

6

C

7

C

8

C

11

C

13

C

12

C

C

CH

3

C

16

C

8

H

17

PRZEDNI OKTANT

background image

11

O

CH

3

xz

yz

+

+

_

_

C

5

C

6

C

3

C

2

O

C

4

H

3

C

O

∆ε

298nm

+ 0.6

O

CH

3

_

_

+

+

yz

xz

C

3

C

2

O

C

4

H

3

C

C

5

C

6

O

∆ε

298nm

+ 0.29

„ODWRÓCONA” REGUŁA OKTANTÓW

REGUŁY HELIKALNOŚCI

stosowane np. do 

α,β− lub β,γ−nienasyconych ketonów

O

O

C

O

O

O

C

O

C

koplanarne C = C – C = O

REGUŁA ANTYOKTANTÓW 

o odwróconych znakach 

niekoplanarne C = C – C = O

wiązania podwójne

s

trans

wiązania podwójne

s

cis

wielkość i znak efektu Cottona determinuje chiralność I sfery 

czyli helikalność chromoforu obejmującego grupę

karbonylową oraz sprzężone z nią wiązanie podwójne C=C 

background image

12

REGUŁY HELIKALNOŚCI

O

C

O

C

P

M

helikalność P

(+) efekt Cottona

helikalność M

(–) efekt Cottona

SPRZĘŻENIE EKSCYTONOWE

dwa lub więcej chromoforów charakteryzujących się dużym 
molowym współczynnikiem ekstynkcji (

ε rzędu kilku tysięcy) 

oraz znajdujących się w przestrzeni w pobliżu siebie tworzy 
układ chiralny. 

niekolinearne wektory elektrycznych momentów przejść dwóch takich 
chromoforów oddziałują ze sobą w ten sposób, że poziom energetyczny 
odpowiadający stanowi wzbudzonemu rozszczepia się

X

0

X*

Y

0

Y*

IZOLOWANY CHROMOFOR

IZOLOWANY CHROMOFOR

X*

Y

X

Y*

E

µ

01

µ

0

1

α

β

CHROMOFORY SPRZEZONE

  SPRZEZENIE 
EKSCYTONOWE

background image

13

SPRZĘŻENIE EKSCYTONOWE

REGUŁA CHIRALNOŚCI EKSCYTONOWEJ

(-)

(+)

krótkofalowy efekt Cottona – znak dodatni (+)
długofalowy efekt Cottona – znak ujemny (–)

krótkofalowy efekt Cottona – znak ujemny (–) 
długofalowy efekt Cottona – znak dodatni (+)

chiralność dodatnia (+)

chiralność ujemnej (–)

background image

14

HO

H

HO

H

H

OH

H

OH

H

H

HO

HO

H

OH

H

OH

(-

θ)

(+

θ)

Me

2

N

O

O

H

O

H

O

Me

2

N

NMe

2

O

O

O

H

O

H

NMe

2

(-)

(+)

λ 295 nm ∆ε +44  

λ 320 nm ∆ε −83 

λ 295 nm ∆ε −44  

λ 320 nm ∆ε +83 

Byun Y. S., Ligthner D. A. J. Org. Chem. 1991 56 6027

SPRZĘŻENIE EKSCYTONOWE – USTALANIE KONFIGURACJI ABSOLUTNEJ

ANALIZA KONFORMACYJNA

Djerassi C. Proc. Chem. Soc. 1964 314 

O

CH

3

Cl

O

H

3

C

Cl

O

Cl

H

3

C

C

5

C

6

Cl

C

3

C

2

O

C

4

H

3

C

C

3

C

2

O

C

4

Cl

C

5

C

6

CH

3

background image

15

ANALIZA KONFORMACYJNA

Djerassi C. Proc. Chem. Soc. 1964 314 

O

H

3

C

O

i

Pr

H

3

C

i

Pr

O

i

Pr

CH

3

O

C

5

C

6

i

Pr

C

3

C

2

O

C

4

H

3

C

C

3

C

2

O

C

4

i

Pr

C

5

C

6

CH

3

C

3

H

3

C

C

2

i

Pr

O

C

6

C

5

ε

λ

[nm]

λ

max

BATOCHROMOWE

HIPSOCHROMOWE

Przesunięcie pasma absorpcji w kierunku:

fal dłuższych, tzw. czerwone

fal krótszych, tzw. niebieskie

background image

16

ε

λ

[nm]

λ

max

HIPOCHR

O

M

O

W

Y

HIPERCHRO

MO

WY

Efekty zmiany intensywności pasma absorpcji:

efekt hipochromowy –

zmniejszanie intensywności

efekt hipsochromowy –

zwiększanie intensywności