WYKŁAD V

KONFORMACJA A IZOMERIA. STRUKTURA ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH





Konformacja a izomeria

�ó zmiana konformacji cząsteczki mo�śe nastąpić przez obrót wokół wiązania łączącego dwa atomy centralne

�ó przekształcenie jednego izomery w inny wymaga rozerwania przynajmniej jednego wiązania kowalencyjnego i powstania innego

�ó odmiany konformacyjne nie są izomerami





Izomery

�ó ró�śne związki (struktura i właściwości) o tym samym wzorze sumarycznym

�ó wyró�śniamy:

– izomery konstytucyjne

– stereoizomery

�ó izomery konstytucyjne – atomy są za sobą inaczej połączone wiązaniami

�ó stereoizomery – atomy są tak samo połączone, ale ró�śnią się rozmieszczeniem w przestrzeni Izomeria konstytucyjna (strukturalna)

�ó łańcuchowa

�ó poło�śeniowa

�ó funkcyjna





Węglowodory

�ó składają się wyłącznie z węgla i wodoru

�ó wyró�śniamy alkany, alkeny, alkiny, cykloalka(e)ny, węglowodory aromatyczne Alkany

�ó wzór ogólny: CnH2n+2

�ó wszystkie węgle sp3

�ó kąty między kierunkami wiązań 109,5º

�ó kształt: czworościan foremny (wielokrotny)





Alkany – odmiany konformacyjne

�ó występują ju�ś w dwuwęglowych alkanach

�ó etan mo�śe 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 ( �ą = 12kJ/mol)

�ó izomeria łańcuchowa mo�śliwa jest dla związków o 4 lub więcej atomach węgla, np. n-butan i izo-butan (2-metylobutan)

– cząsteczka butanu mo�śe te�ś mieć wiele konformacji



– 35 –



O



O

odmiany konformacyjne

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

H C

3

CH2

CH2

H2C

CH2

odmiany konformacyjne

H2C

CH3



CH3





CH3

H2C

CH3

odmiany konformacyjne

H C

3

CH

CH2

CH3

H C



3

CH

CH3





CH3

CH3

izomery

H C

CH

3

2

CH

CH2

CH3 H C

CH



3

2

CH2

CH

CH3





Alkeny

�ó wzór ogólny: CnH2n

�ó przynajmniej dwa atomy węgla sp2 (więcej ni�ś dwa: alkadieny, alkatrieny)

�ó kąty między kierunkami wiązań z udziałem węgli sp2 120º

�ó kształt całkowicie lub częściowo płaski





Izomeria strukturalna

Przykłady

�ó penten i heksen



penten-1



izomeria poło�śeniowa

penten-2





heksen-1



heksen-2

izomeria poło�śeniowa



heksen-3



– 36 –

�ó penten

2-metylobuten-2

izomeria łańcuchowa



penten-2





Cykloalkany

�ó wszystkie węgle sp3

�ó w obu atomach kąty pomiędzy wiązaniami są zbli�śone do tetraedrycznych Izomeria funkcyjna

Przykład





heksan

heksen-2 (-1 lub -3)



cykloheksan



izomeria funkcyjna

�ó heksan nie jest izomerem cykloheksanu

�ó 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

R

H

2

R1

alkohol

eter



O

O

R

C

R1

C

H

R2

aldehyd

keton





O

O

R

C

R1

C

OH

OR2

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�ś ma ni�śszą energię) R



R





pozycja aksjalna

pozycja ekwatorialna





�ó wiązania poza pierścieniem są w poło�śeniu aksjalnym = osiowym (6) i ekwatorialnym = równikowym (6)

�ó energia przejścia od jednej formy krzesełkowej do drugiej 42kJ/mol

�ó du�śy podstawnik = du�śa przewaga odmiany krzesełkowej z podstawnikiem w poło�śeniu ekwatorialnym, np. metylocykloheksan

CH3

CH3



5%

95%



�ó mały podstawnik = mniejsza przewaga odmiany krzesełkowej z podstawnikiem w poło�śeniu ekwatorialnym, np. fluorocykloheksan

F

F



40%

60%

Im większy jest podstawnik, tym częściej zajmuje on poło�śenie ekwatorialne.





Struktury rezonansowe

�ó występują, gdy cząsteczka ma taki rozkład elektronów, �śe mo�śe być przedstawiona jako hybryda wielu struktur, w których jądra atomów zawsze występują w tej samej pozycji

�ó struktury rezonansowe benzenu nie są ani izomerami ani odmianami konformacyjnymi



�Łż

�Łż �ął

=





– 38 –

Tautomeria

�ó 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 β





Stereoizomeria

�ó geometryczna ( cis- trans)

�ó optyczna





Izomeria geometryczna cis-trans

�ó występuje w związkach, w których zahamowana jest swobodna rotacja wokół wiązania między atomami

�ó przyczyną mo�śe być istnienie wiązania podwójnego (związki nienasycone) lub istnienie pierścienia (cykloalkany)





H

CH

H

H

H

3

H C

3

C

C

C

C

C

C

H

CH

H C

CH

H

CH

3

3

3

3





izomery strukturalne





izomery geometryczne



�ó warunkiem koniecznym aby wystąpiła izomeria geometryczna cis-trans w związkach łańcuchowych jest obecność ró�śnych podstawników przy ka�śdym z atomów węgla, połączonych wiązaniem podwójnym





Izomery cis-trans a konformacja

H

H

izomeria geometryczna:

TAK

C

C

Cl

konformacja:

NIE

Cl





H

H

izomeria geometryczna:

NIE

C

C

H

CH

konformacja:

TAK

2CH3





H

H

izomeria geometryczna:

TAK

C

C

H C

konformacja:

TAK

3

CH3





– 39 –

Izomery cis-trans pochodnych cykloalkanów

�ó 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 C

CH

H C

H

3

3

3

H

H



H

CH3

cis

trans





Konformacja a izomeria w cykloalkanach

�ó analiza konformacyjna cis-1,4-dimetylocykloheksanu H C

CH

3

3

H

H



CH



3

CH3

H

H

H C

CH

3

3

H

H





dwie równocenne konformacje

– ka�śda z nich posiada grupę metylową w pozycji aksjalnej, a druga w pozycji ekwatorialnej

�ó analiza konformacyjna trans-1,4-dimetyloheksanu

H C

H

3

H

CH3

CH



3

H

H

H C

3

H

CH3

CH

H

3





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



�ó dwa połączone pierścienie sterydowe

– ka�śdy mo�śe mieć ró�śną konformację

– najbardziej prawdopodobna jest konformacja krzesełkowa

– mo�śliwe są dwa izomery geometryczne cis i trans

– 40 –



CH3

R

CH

H

3

H

H

H

R

CH3

H



trans-trans-trans

CH



3

CH3 R H

CH3

H



H

steroid

H

H



cis-trans-cis



�ó cztery połączone pierścienie sterydowe

– ka�śdy mo�śe mieć ró�śną konfigurację

– najbardziej prawdopodobna jest konformacja krzesełkowa

– na ka�śdym z trzech połączeń mo�śliwe dwa połączenia pierścienia cis lub trans

– wiele izomerów geometrycznych





Podsumowując

cis





odmiana konformacyjna

odmiana konformacyjna



trans





Izomery cis-trans w organizmie

CH3

CH

CH

3

3

CH3

H C

3

CH3

CH

CH

3

3

CH3

CH3



β-karoten – źródłem witaminy A są karoteny (wiązanie podwójne trans) CH

CH

3

3

CH3

OH

CH3

CH3



witamina A – aldehyd witaminy A retinal ma wiązanie cis



– 41 –





CH

CH

3

3

CH3

H C

3

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.

CH

CH

3

3

CH

CH

3

3

CH3

swiatlo

OH



�Łż

�Łż

�Łż

�Łż �ął



CH3

CH3

�Łż

�ą�wi �Łż

el

e �Łż

eta �Łż

pow�Łż

H C

3

CH3

CH3



O





Izomery cis-trans w związkach nieorganicznych

�ó niektóre syntetyczne leki są aktywne tylko w postaci jednego z izomerów cis-trans, np. cis-Pt jest aktywna, podczas gdy trans-Pt jest nieaktywna

H

Cl

3N

H

NH

3N

3

Pt

Pt

H3N

Cl

Cl

Cl



cis-Pt

trans-Pt





Izomeria optyczna

�ó atomy w izomerii optycznej są tak samo ze sobą połączone, ale inaczej rozmieszczone w przestrzeni

�ó warunkiem koniecznym, aby wystąpiła izomeria optyczna jest obecność asymetrycznego atomu węgla o hybrydyzacji sp3 połączonego z czterema ró�śnymi podstawnikami Cl

Br

bromochlorofluorometan

ma jeden asymetryczny atom węgla

C

C



Br

H

Cl

H

Je�śeli ustawimy fluor i wodór w tym samym

F



F



poło�śeniu to brom i chlor będą w innym poło�śeniu

w obu izomerach.



�ó obecność jednego asymetrycznego (chiralnego) atomu węgla �Łż

�Łż �ął dwa izomery optyczne –

enancjomery (lustrzane odbicia)



konfiguracja D

konfiguracja L

CH3

CH3

OH

H

C

OH

O

H

C

H

C

H C

H

3

CH2

CH2

CH2CH3

CH3

CH



3



2-butanol

enancjomery





– 42 –





Wzory rzutowe Fischera

Przykład – kwas 2,3-dihydroksymasłowy

COOH

�ó wiązanie pionowe do tyłu

D

�ó najbardziej utleniony węgiel u góry

H

OH

�ó podstawnik po prawej – konfiguracja D

D

�ó podstawnik po lewej – konfiguracja L

H

OH

CH3





Izomeria optyczna

�ó obecność 1 asymetrycznego atomu C = 2 izomery optyczne (enancjomery)

�ó obecność n asymetrycznych atomów C = maksymalnie 2n izomerów optycznych (enancjomerów + diastereoizomerów)

– enancjomery (lustrzane odbicia)

– diastereoizomery (izomery optyczne nie będące enancjomerami)

�ó enancjomery – ró�śnią się konfiguracją wszystkich asymetrycznych atomów węgla

�ó diastereoizomery – ró�śnią 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

O

H

H

H

OH

O

H

H

H

OH

O

H

H

O

H

H

H

OH

CH2OH

CH

CH

CH



2OH

2OH

2OH

D L

L D





erytroza

treoza





dwie pary enancjomerów, oba enancjomery erytrozy są diastereoizomerami treozy Izomeria optyczna

�ó cząsteczka z jednym centrum asymetrii jest zawsze asymetryczna

�ó cząsteczka z kilkoma centrami asymetrii mo�śe być asymetryczna lub symetryczna Przykłady

�ó kwas winowy

2 asymetryczne atomy węgla = 22 = 4 �śmo�śliwe” izomery optyczne, ale istnieją tylko 3

COOH

COOH

COOH

COOH

O

H

H

H

OH

O

H

H

H

OH

H

OH

O

H

H

O

H

H

H

OH

COOH

COOH

COOH

COOH



D L





płaszczyzna symetrii wewnątrz cząsteczki

enancjomery

związek mezo – brak enancjomerów





– 43 –





�ó 1,2-cyklopentadiol

OH

H

H

O

H

OH

O

H

H

OH

OH

H



H

H





cis-1,2-pentadiol

trans-1,2-cyklopentadiol (enancjomery)

związek mezo z dwoma

centrami asymetrii



�ó ryboza

CH2OH O

OH

CH2OH O

H

H

H

H

H

H

H

H

OH

OH

OH



OH

OH



izomer cis

izomer trans

anomer β

anomer �ą





Właściwości izomerów optycznych

�ó enancjomery mają identyczne właściwości fizyczne i chemiczne w achiralnym środowisku (np. woda)

�ó diastereoizomery mają ró�śne właściwości fizyczne i chemiczne COOH

COOH

COOH

O

H

H

O

H

H

H

OH



O

H

H

H

OH

O

H

H

COOH

COOH

COOH

temperatura wrzenia (ºC)

146

174

174

pK1

3,23

2,98

2,98



�ó obecność asymetrycznych atomów węgla oraz brak symetrii wewnętrznej są warunkami aktywności optycznej – związki asymetryczne nie muszą wykazywać czynności optycznej, je�śeli mają wewnętrzną płaszczyznę symetrii

�ó strumień światła spolaryzowanego przechodzący przez roztwór związku wykazującego czynność optyczną mo�śe zostać skręcony w prawo (+) lub w lewo (–)

�ó jest to jedyna właściwość fizyczna, którą ró�śnią się od siebie zarówno diastereoizomery jak i enancjomery

�ó konfiguracja D związku czynnego optycznie nie oznacza, �śe będzie on prawoskrętny, np. D-fruktoza skręca płaszczyznę światła spolaryzowanego w lewo

�ó mieszanina równych ilości izomeru prawo- i lewoskrętnego nie wykazuje czynności optycznej i nazywana jest racematem lub mieszaniną recemiczną





Znaczenie dla świata o�śywionego

�ó znakomita większość związków organicznych w organizmach �śywych jest asymetryczna

�ó chocia�ś związki te mogą istnieć w postaci wielu stereoizomerów, zwykle tylko jeden z nich występuje w przyrodzie

�ó świat o�śywiony jest chiralny (asymetryczny)

�ó tylko jeden z enancjomerów aldehydu glicerynowego – aldehyd D-glicerynowy pasuje do miejsca wią�śącego na powierzchni enzymu

– 44 –

Asymetryczność leków

�ó synteza leków równie�ś uwzględnia asymetryczność świata o�śywionego CH3

CH3

HOOC

CH3

HOOC

CH3

OCH



3

ibuprofen

naproxen



�ó ten ibuprofen jest aktywnym środkiem przeciwbólowym i przeciwgorączkowym; jego enancjomer nie

�ó ten naproxen jest środkiem przeciwbólowym; jego enancjomer jest toksyczny dla wątroby





– 45 –