WYKA
AD V
KONFORMACJA A IZOMERIA. STRUKTURA ZWI
ZKÓW ORGANICZNYCH
Konformacja a izomeria
" zmiana konformacji cząsteczki mo\
e nastąpić przez obrót wokół wiązania łączącego dwa atomy
centralne
" przekształcenie jednego izomery w inny wymaga rozerwania przynajmniej jednego wiązania
kowalencyjnego i powstania innego
" odmiany konformacyjne nie są izomerami
Izomery
" ró\
ne związki (struktura i właściwości) o tym samym wzorze sumarycznym
" wyró\
niamy:
 izomery konstytucyjne
 stereoizomery
" izomery konstytucyjne  atomy są za sobą inaczej połączone wiązaniami
" stereoizomery  atomy są tak samo połączone, ale ró\
nią się rozmieszczeniem w przestrzeni
Izomeria konstytucyjna (strukturalna)
" łańcuchowa
" poło\
eniowa
" funkcyjna
Węglowodory
" składają się wyłącznie z węgla i wodoru
" wyró\
niamy alkany, alkeny, alkiny, cykloalka(e)ny, węglowodory aromatyczne
Alkany
" wzór ogólny: CnH2n+2
" wszystkie węgle sp3
" kąty między kierunkami wiązań 109,5�
" kształt: czworościan foremny (wielokrotny)
Alkany  odmiany konformacyjne
" występują ju\
w dwuwęglowych alkanach
" etan mo\
e istnieć w nieskończonej liczbie odmian konformacyjnych
H
H H
H
H H
H
H H
C
C
H H
H H
H H
H H
H H H
H
odmiana naprzeciwległa odmiana naprzemianległa
jest bardziej stabilna ( " = 12kJ/mol)
" izomeria łańcuchowa mo\
liwa jest dla związków o 4 lub więcej atomach węgla, np. n-butan i
izo-butan (2-metylobutan)
 cząsteczka butanu mo\
e te\
mieć wiele konformacji
 35 
 O
odmiany konformacyjne
O
O
O
n-butan
n-butan
O H
izomery izomery
H
izo-butan
Konformacja a izomeria łańcuchowa
Przykład
Które z par są izomerami, a które odmianami konformacyjnymi?
H3C CH2
H3C CH2 CH2
H2C CH2
odmiany konformacyjne
H2C CH3
CH3
CH3 H2C CH3
odmiany konformacyjne
H3C CH CH2 CH3 H3C CH CH3
CH3 CH3
izomery
H3C CH2 CH CH2 CH3 H3C CH2 CH2 CH CH3
Alkeny
" wzór ogólny: CnH2n
" przynajmniej dwa atomy węgla sp2 (więcej ni\
dwa: alkadieny, alkatrieny)
" kąty między kierunkami wiązań z udziałem węgli sp2 120�
" kształt całkowicie lub częściowo płaski
Izomeria strukturalna
Przykłady
" penten i heksen
penten-1
izomeria poło\
eniowa
penten-2
heksen-1
heksen-2 izomeria poło\
eniowa
heksen-3
 36 
" penten
2-metylobuten-2
izomeria łańcuchowa
penten-2
Cykloalkany
" wszystkie węgle sp3
" w obu atomach kąty pomiędzy wiązaniami są zbli\
one do tetraedrycznych
Izomeria funkcyjna
Przykład
heksan heksen-2 (-1 lub -3)
cykloheksan
izomeria funkcyjna
" heksan nie jest izomerem cykloheksanu
" heksen-2 (-1 lub -3) jest izomerem cykloheksanu
Rodzaje związków organicznych będących dla siebie izomerami funkcyjnymi
C C
wiązanie podwójne
związek cykliczny
O
O
R H
R2 R1
alkohol
eter
O
O
R1 C
R C
R2
H
aldehyd
keton
O
O
R1 C
R C
OR2
OH
kwas karboksylowy
ester
 37 
Izomeria strukturalna
Przykład  bromochlorocykloheksan
Br
Br
Br
Cl
Cl
Cl
orto-bromochlorocykloheksan meta-bromochlorocykloheksan para-bromochlorocykloheksan
Odmiany konformacyjne
odmiana krzesełkowa
odmiana łódkowa
(odmiana ta jest bardziej stabilna, gdy\
ma ni\
szą energię)
R
R
pozycja aksjalna pozycja ekwatorialna
" wiązania poza pierścieniem są w poło\
eniu aksjalnym = osiowym (6) i ekwatorialnym = równikowym (6)
" energia przejścia od jednej formy krzesełkowej do drugiej 42kJ/mol
" du\
y podstawnik = du\
a przewaga odmiany krzesełkowej z podstawnikiem w poło\
eniu
ekwatorialnym, np. metylocykloheksan
CH3
CH3
5% 95%
" mały podstawnik = mniejsza przewaga odmiany krzesełkowej z podstawnikiem w poło\
eniu
ekwatorialnym, np. fluorocykloheksan
F
F
40% 60%
Im większy jest podstawnik, tym częściej zajmuje on poło\
enie ekwatorialne.
Struktury rezonansowe
" występują, gdy cząsteczka ma taki rozkład elektronów, \
e mo\
e być przedstawiona jako hybryda
wielu struktur, w których jądra atomów zawsze występują w tej samej pozycji
" struktury rezonansowe benzenu nie są ani izomerami ani odmianami konformacyjnymi
�ł =
�ł
 38 
Tautomeria
" odwracalna wędrówka atomu wodoru i wiązania podwójnego
HO O HO O HO O
C C C
C O C O C OH
H C H H C H H C
H H H
forma ketonowa forma enolowa
ruchliwe atomy
wodoru przy węglu �
Stereoizomeria
" geometryczna (cis-trans)
" optyczna
Izomeria geometryczna cis-trans
" występuje w związkach, w których zahamowana jest swobodna rotacja wokół wiązania między
atomami
" przyczyną mo\
e być istnienie wiązania podwójnego (związki nienasycone) lub istnienie pierścienia
(cykloalkany)
H CH3 H H H3C
H
C C C C C C
H
H CH3 H3C CH3 CH3
izomery strukturalne
izomery geometryczne
" warunkiem koniecznym aby wystąpiła izomeria geometryczna cis-trans w związkach łańcuchowych jest
obecność ró\
nych podstawników przy ka\
dym z atomów węgla, połączonych wiązaniem podwójnym
Izomery cis-trans a konformacja
H H
izomeria geometryczna: TAK
C C
NIE
Cl Cl konformacja:
H H
izomeria geometryczna: NIE
C C
TAK
H CH2CH3 konformacja:
H H
izomeria geometryczna: TAK
C C
TAK
H3C CH3 konformacja:
 39 
Izomery cis-trans pochodnych cykloalkanów
" warunkiem koniecznym, aby wystąpiła izomeria cis-trans w związkach jest obecność podstawnika
(grupa zastępująca atomy wodoru) przy dwóch atomach węgla w łańcuchu
Przykład  1,4-dimetylocykloheksan
H
H3C CH3 H3C
H CH3
H H
cis trans
Konformacja a izomeria w cykloalkanach
" analiza konformacyjna cis-1,4-dimetylocykloheksanu
H3C CH3
H H
CH3
CH3
H
H
CH3
H3C
H
H
dwie równocenne konformacje
 ka\
da z nich posiada grupę metylową w pozycji aksjalnej, a druga w pozycji ekwatorialnej
" analiza konformacyjna trans-1,4-dimetyloheksanu
H3C H
H CH3
CH3
H
H
H3C
CH3
H
H
CH3
konformacje nie są równocenne
 bardziej stabilna jest konformacja, w której obie grupy metylowe są w pozycji ekwatorialnej
Izomeria geometryczna steroidów
H
H
H
H
trans cis
" dwa połączone pierścienie sterydowe
 ka\
dy mo\
e mieć ró\
ną konformację
 najbardziej prawdopodobna jest konformacja krzesełkowa
 mo\
liwe są dwa izomery geometryczne cis i trans
 40 
CH3 R
H
CH3 H
H H
CH3R
H
trans-trans-trans
CH3
CH3
R
H
CH3 H
H
steroid
H
H
cis-trans-cis
" cztery połączone pierścienie sterydowe
 ka\
dy mo\
e mieć ró\
ną konfigurację
 najbardziej prawdopodobna jest konformacja krzesełkowa
 na ka\
dym z trzech połączeń mo\
liwe dwa połączenia pierścienia cis lub trans
 wiele izomerów geometrycznych
Podsumowując
cis
odmiana konformacyjna odmiana konformacyjna
trans
Izomery cis-trans w organizmie
CH3
CH3 CH3 CH3
H3C
CH3
CH3 CH3 CH3
CH3
�-karoten  z
ródłem witaminy A są karoteny (wiązanie podwójne trans)
CH3 CH3 CH3
OH
CH3
CH3
witamina A  aldehyd witaminy A retinal ma wiązanie cis
 41 
CH3 CH3
CH3
H3C
CH3
O
11-cis-retinal  retinal + opsyna = białko rodopsyna (purpura wzrokowa)
Światło powoduje zmianę konfiguracji cis w trans. Widzimy obrazy po zmianie konfiguracji i redukcji
grupy aldehydowej do alkoholowej. Enzymy ponownie utleniają grupę alkoholową i przekształcają
izomer trans w cis.
CH3 CH3
CH3 CH3 CH3
�łswiatlo
�ł�ł
�ł
OH
CH3
CH3
wiele
�!�ł�łetapow�ł H3C
�ł�ł
�ł
CH3
CH3
O
Izomery cis-trans w związkach nieorganicznych
" niektóre syntetyczne leki są aktywne tylko w postaci jednego z izomerów cis-trans, np. cis-Pt jest
aktywna, podczas gdy trans-Pt jest nieaktywna
H3N Cl
H3N NH3
Pt
Pt
H3N Cl
Cl Cl
cis-Pt trans-Pt
Izomeria optyczna
" atomy w izomerii optycznej są tak samo ze sobą połączone, ale inaczej rozmieszczone
w przestrzeni
" warunkiem koniecznym, aby wystąpiła izomeria optyczna jest obecność asymetrycznego atomu
węgla o hybrydyzacji sp3 połączonego z czterema ró\
nymi podstawnikami
Cl Br bromochlorofluorometan
ma jeden asymetryczny atom węgla
C C
Br H Cl H Je\
eli ustawimy fluor i wodór w tym samym
F F
poło\
eniu to brom i chlor będą w innym poło\
eniu
w obu izomerach.
" obecność jednego asymetrycznego (chiralnego) atomu węgla �ł dwa izomery optyczne 
�ł
enancjomery (lustrzane odbicia)
konfiguracja D konfiguracja L
CH3 CH3
OH
H C OH HO C H
C
H3C H CH2 CH2
CH2CH3
CH3 CH3
2-butanol enancjomery
 42 
Wzory rzutowe Fischera
Przykład  kwas 2,3-dihydroksymasłowy
COOH
" wiązanie pionowe do tyłu
D
H OH
" najbardziej utleniony węgiel u góry
" podstawnik po prawej  konfiguracja D D
H OH
" podstawnik po lewej  konfiguracja L
CH3
Izomeria optyczna
" obecność 1 asymetrycznego atomu C = 2 izomery optyczne (enancjomery)
" obecność n asymetrycznych atomów C = maksymalnie 2n izomerów optycznych
(enancjomerów + diastereoizomerów)
 enancjomery (lustrzane odbicia)
 diastereoizomery (izomery optyczne nie będące enancjomerami)
" enancjomery  ró\
nią się konfiguracją wszystkich asymetrycznych atomów węgla
" diastereoizomery  ró\
nią się konfiguracją jednego węgla, ale nie wszystkich
Przykład  2,3,4-trihydroksybutanal
2 asymetryczne atomy węgla = 22 = 4 izomery optyczne
CHO CHO CHO CHO
H OH HO H H OH HO H
H OH HO H HO H H OH
CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH
D L L D
erytroza treoza
dwie pary enancjomerów, oba enancjomery erytrozy są diastereoizomerami treozy
Izomeria optyczna
" cząsteczka z jednym centrum asymetrii jest zawsze asymetryczna
" cząsteczka z kilkoma centrami asymetrii mo\
e być asymetryczna lub symetryczna
Przykłady
" kwas winowy
2 asymetryczne atomy węgla = 22 = 4  mo\
liwe izomery optyczne, ale istnieją tylko 3
COOH COOH COOH
COOH
HO H H OH HO H
H OH
H OH HO H HO H
H OH
COOH COOH COOH
COOH
D L
płaszczyzna symetrii wewnątrz cząsteczki
enancjomery
związek mezo  brak enancjomerów
 43 
" 1,2-cyklopentadiol
OH H H HO OH HO
H OH OH H H H
cis-1,2-pentadiol
trans-1,2-cyklopentadiol (enancjomery) związek mezo z dwoma
centrami asymetrii
" ryboza
CH2OH OH CH2OH H
O O
H H H H
H H H OH
OH OH OH OH
izomer cis izomer trans
anomer � anomer ą
Właściwości izomerów optycznych
" enancjomery mają identyczne właściwości fizyczne i chemiczne w achiralnym środowisku
(np. woda)
" diastereoizomery mają ró\
ne właściwości fizyczne i chemiczne
COOH COOH COOH
HO H HO H H OH
HO H H OH HO H
COOH COOH COOH
temperatura wrzenia (�C) 146 174 174
pK1 3,23 2,98 2,98
" obecność asymetrycznych atomów węgla oraz brak symetrii wewnętrznej są warunkami aktywności
optycznej  związki asymetryczne nie muszą wykazywać czynności optycznej, je\
eli mają
wewnętrzną płaszczyznę symetrii
" strumień światła spolaryzowanego przechodzący przez roztwór związku wykazującego czynność
optyczną mo\
e zostać skręcony w prawo (+) lub w lewo ( )
" jest to jedyna właściwość fizyczna, którą ró\
nią się od siebie zarówno diastereoizomery jak
i enancjomery
" konfiguracja D związku czynnego optycznie nie oznacza, \
e będzie on prawoskrętny,
np. D-fruktoza skręca płaszczyznę światła spolaryzowanego w lewo
" mieszanina równych ilości izomeru prawo- i lewoskrętnego nie wykazuje czynności optycznej
i nazywana jest racematem lub mieszaniną recemiczną
Znaczenie dla świata o\
ywionego
" znakomita większość związków organicznych w organizmach \
ywych jest asymetryczna
" chocia\
związki te mogą istnieć w postaci wielu stereoizomerów, zwykle tylko jeden z nich
występuje w przyrodzie
" świat o\
ywiony jest chiralny (asymetryczny)
" tylko jeden z enancjomerów aldehydu glicerynowego  aldehyd D-glicerynowy pasuje do miejsca
wią\
ącego na powierzchni enzymu
 44 
Asymetryczność leków
" synteza leków równie\
uwzględnia asymetryczność świata o\
ywionego
CH3 CH3
HOOC CH3 HOOC
CH3 OCH3
ibuprofen naproxen
" ten ibuprofen jest aktywnym środkiem przeciwbólowym i przeciwgorączkowym; jego enancjomer nie
" ten naproxen jest środkiem przeciwbólowym; jego enancjomer jest toksyczny dla wątroby
 45