WYKŁAD V

KONFORMACJA A IZOMERIA. STRUKTURA ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH

Konformacja a izomeria

• zmiana konformacji cząsteczki moŜe 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

• róŜne związki (struktura i właściwości) o tym samym wzorze sumarycznym

• wyróŜniamy:

– izomery konstytucyjne

– stereoizomery

• izomery konstytucyjne – atomy są za sobą inaczej połączone wiązaniami

• stereoizomery – atomy są tak samo połączone, ale róŜnią się rozmieszczeniem w przestrzeni Izomeria konstytucyjna (strukturalna)

• łańcuchowa

• połoŜeniowa

• funkcyjna

Węglowodory

• składają się wyłącznie z węgla i wodoru

• wyróŜniamy alkany, alkeny, alkiny, cykloalka(e)ny, węglowodory aromatyczne Alkany

• wzór ogólny: CnH2n+2

• wszystkie węgle sp3

• kąty między kierunkami wiązań 109,5º

• kształt: czworościan foremny (wielokrotny)

Alkany – odmiany konformacyjne

• występują juŜ w dwuwęglowych alkanach

• etan moŜe 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 moŜliwa jest dla związków o 4 lub więcej atomach węgla, np. n-butan i izo-butan (2-metylobutan)

– cząsteczka butanu moŜe teŜ 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

• wzór ogólny: CnH2n

• przynajmniej dwa atomy węgla sp2 (więcej niŜ dwa: alkadieny, alkatrieny)

• kąty między kierunkami wiązań z udziałem węgli sp2 120º

• kształt całkowicie lub częściowo płaski

Izomeria strukturalna

Przykłady

• penten i heksen

penten-1

izomeria połoŜeniowa

penten-2

heksen-1

heksen-2

izomeria połoŜeniowa

heksen-3

– 36 –

• penten

2-metylobuten-2

izomeria łańcuchowa

penten-2

Cykloalkany

• wszystkie węgle sp3

• w obu atomach kąty pomiędzy wiązaniami są zbliŜone 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

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, gdyŜ ma niŜszą energię) R

R

pozycja aksjalna

pozycja ekwatorialna

• wiązania poza pierścieniem są w połoŜeniu aksjalnym = osiowym (6) i ekwatorialnym = równikowym (6)

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

• duŜy podstawnik = duŜa przewaga odmiany krzesełkowej z podstawnikiem w połoŜeniu ekwatorialnym, np. metylocykloheksan

CH3

CH3

5%

95%

• mały podstawnik = mniejsza przewaga odmiany krzesełkowej z podstawnikiem w połoŜeniu ekwatorialnym, np. fluorocykloheksan

F

F

40%

60%

Im większy jest podstawnik, tym częściej zajmuje on połoŜenie ekwatorialne.

Struktury rezonansowe

• występują, gdy cząsteczka ma taki rozkład elektronów, Ŝe moŜe 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



 →

=

– 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 β

Stereoizomeria

• geometryczna ( cis- trans)

• optyczna

Izomeria geometryczna cis-trans

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

• przyczyną moŜe 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

• warunkiem koniecznym aby wystąpiła izomeria geometryczna cis-trans w związkach łańcuchowych jest obecność róŜnych podstawników przy kaŜdym 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

• 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

• 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

– kaŜda z nich posiada grupę metylową w pozycji aksjalnej, a druga w pozycji ekwatorialnej

• 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

• dwa połączone pierścienie sterydowe

– kaŜdy moŜe mieć róŜną konformację

– najbardziej prawdopodobna jest konformacja krzesełkowa

– moŜliwe 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

• cztery połączone pierścienie sterydowe

– kaŜdy moŜe mieć róŜną konfigurację

– najbardziej prawdopodobna jest konformacja krzesełkowa

– na kaŜdym z trzech połączeń moŜliwe 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







 →

CH3

CH3



←wi 

el

e 

eta 

pow

H C

3

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

H

Cl

3N

H

NH

3N

3

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 róŜnymi podstawnikami Cl

Br

bromochlorofluorometan

ma jeden asymetryczny atom węgla

C

C

Br

H

Cl

H

JeŜeli ustawimy fluor i wodór w tym samym

F

F

połoŜeniu to brom i chlor będą w innym połoŜeniu

w obu izomerach.

• obecność jednego asymetrycznego (chiralnego) atomu węgla 

 → 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

• wiązanie pionowe do tyłu

D

• najbardziej utleniony węgiel u góry

H

OH

• podstawnik po prawej – konfiguracja D

D

• podstawnik po lewej – konfiguracja L

H

OH

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 – róŜnią się konfiguracją wszystkich asymetrycznych atomów węgla

• diastereoizomery – róŜnią 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

• cząsteczka z jednym centrum asymetrii jest zawsze asymetryczna

• cząsteczka z kilkoma centrami asymetrii moŜe być asymetryczna lub symetryczna Przykłady

• kwas winowy

2 asymetryczne atomy węgla = 22 = 4 „moŜliwe” 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 –

• 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

• 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 α

Właściwości izomerów optycznych

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

• diastereoizomery mają róŜne 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

• obecność asymetrycznych atomów węgla oraz brak symetrii wewnętrznej są warunkami aktywności optycznej – związki asymetryczne nie muszą wykazywać czynności optycznej, jeŜeli mają wewnętrzną płaszczyznę symetrii

• strumień światła spolaryzowanego przechodzący przez roztwór związku wykazującego czynność optyczną moŜe zostać skręcony w prawo (+) lub w lewo (–)

• jest to jedyna właściwość fizyczna, którą róŜnią się od siebie zarówno diastereoizomery jak i enancjomery

• konfiguracja D związku czynnego optycznie nie oznacza, Ŝe 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 oŜywionego

• znakomita większość związków organicznych w organizmach Ŝywych jest asymetryczna

• chociaŜ związki te mogą istnieć w postaci wielu stereoizomerów, zwykle tylko jeden z nich występuje w przyrodzie

• świat oŜywiony jest chiralny (asymetryczny)

• tylko jeden z enancjomerów aldehydu glicerynowego – aldehyd D-glicerynowy pasuje do miejsca wiąŜącego na powierzchni enzymu

– 44 –

Asymetryczność leków

• synteza leków równieŜ uwzględnia asymetryczność świata oŜywionego CH3

CH3

HOOC

CH3

HOOC

CH3

OCH

3

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 –