KONFORMACIONA ANALIZA I acikličnih i cikličnih mol.50

KONFORMACIONA ANALIZA

KONFORMACIONA ANALIZA je deo stereohemije koji proučava konformacije jedinjenja u osnovnom i ekscitovanom stanju i konformacije prelaznih stanja.

KONFORMACIJA je ma koji od neograničenog broja trenutnih prostornih oblika koje može zauzeti jedan molekul određene konstitucije i konfiguracije pri rotaciji oko prostih veza.

KONFORMACIONA IZOMERIJA je izomerija koja se javlja kao posledica otežane rotacije oko jednostruke veze.

KONFORMACIJE ZASIĆENIH ACIKLIČNIH SISTEMA Stepeničasta konformacija etana predstavljena dijagonalnom, klinastom i

Newmanovom formulom:

H

H HH

H H

C C

H

HH H

HH

H

H HH

HH

Eklipsna konformacija etana predstavljena dijagonalnom, klinastom i Newmanovom formulom:

C C

H H

H HH H

H

H H

H

HHH

H

H

H

HH

Eclipsed conformation:

Staggered conformation image right in Newman projection:

Njuman-ova projekciono-perspektivna formula iz odgovarajuće dijagonalne formule:

H3C

Br H

C6H5

HBr

C6H5

Br HCH3

HBr

Pretvaranje Fišerove formule u Njumanovu

CH3

H Br

CH3

H Cl

Br

CH3

H

CH3

H Cl CH3

HBrCH3

H Cl180o

rotacijaugljenika

iza za 180o

CH3

H Br

CH3

H Cl

Prostorna formula iz koje se izvodi Fischerova projekciona formula predstavlja molekul u svojoj eklipsnoj konformaciji.

Fišerova projekciona formula predstavlja molekul u svojoj eklipsnoj konformaciji.

Medjusobna pretvaranja različitih formula

C C

H3C

C6H5H

H

Br

Br

H3C

Br H

C6H5

HBr

C6H5

Br HCH3

HBr

C C

H3C C6H5

Br HH Br

H3C

BrH C6H5

HBr C6H5

Br H

CH3

H Br

C6H5

Br H

CH3

H Br

C6H5

BrH

CH3

H Br

Fischer projection formula represents the molecule in its eclipsed conformation.

Torziona kriva etana Torzioni ugao (τ) je ugao između susednih veza.

Torziona kriva propana

stepeničasta

Torziona kriva butanaKonformeri su ap, +sk i –sk konformacije sa minimumom energije. Njihove energije su minimumi na dijagramu.Konformacije sa maksimumom energije su prelazna stanja.

synclinal or gauche

The term "gauche" refers to conformational isomers (conformers) where two vicinal groups are separated by a 60° torsion angle. IUPAC defines groups as gauche if they have a "synclinal alignment of groups attached to adjacent atoms".

synclinal or gauche

KONFORMACIONI IZOMERI (KONFORMERI) - konformacije sa minimumima energije u kome se nalaze molekuli nekog jedinjenja u osnovnom stanju.

Energetska barijera 16 - 20 kcal/mol - izomeri se mogu izolovati.

Conformers of butane, shown in Newman projection. The two gauche as well as the anti form are staggered conformations.

synclinal or gauche

Vladimir Savic

Konformacije acikličnih jedinjenja

Konformeri

- konformeri

Konformeri – konformacije sa minimumom energije kod jedinjenja date konstitucije i konfiguracije

Konformacioni izomeri prelaze jedan u drugi rotacijom oko C-C veze

Me

H HH

Me

H

Me

H H

H Me

H

Me

H HH

H

Me

Me

H H

H H

Me

NAJPOVOLJNIJA KONFORMACIJA DUGAČKOG UGLJOVODONIČNOG NIZA

Viši ugljovodonici otvorenog niza, sa sp3-C-atomima, posmatraju se kao niz n-butanovih jedinica u anti-periplanarnoj konformaciji. Svaka C-C veza analizira se kao centralna C-C veza n-butana.

Faktori koji utiču na veličinu potencijalne energije (ukupnog napona VT)

neke konformacije

Van der Waals-ov napon (VV) su repulzivna dejstva usled “nedozvoljene” blizine supstituenata u istom molekulu koji nisu direktno vezani medju sobom.

Torzioni (Pitzer-ov) napon (VP) predstavlja repulzivna dejstva izmedju parova veza na susednim C-atomima u istom molekulu koja zavise od torzionog ugla.

Ugaoni (Baeyer-ov) napon (VB) se javlja usled deformacije (sužavanja ili proširivanja) valencionih uglova u prstenu od normalnog tetraedarskog ugla.

Napon koji se javlja usled deformacije dužina veza je VF.

VT = VV + VP + VB + VF

Kod jedinjenja sa polarnim grupama– nevalencione elektrostatičke interakcije tipa dipol-dipol utiču na

stabilnost konformacije; interakcije privlačenja snižavaju energiju konformacije i povećavaju njenu stabilnost, a interakcije odbijanja deluju suprotno.

KONFORMACIJE NEZASIĆENIH ACIKLIČNIH SISTEMA

Suprotno očekivanju C=O i C=C veze su eklipsne sa H-atomima na susednom zasićenom C-atomu. Objašnjenje su savijene dvostruke veze C=O ili C=C koje su stepeničaste u odnosu na C-H veze na susednom C-atomu (banana veze). Kod propionaldehida objašnjenje su savijene veze C=O ili privlačenje izmedju dipola (parcijalno pozitivno naelektrisanje na CH3 i parcijalno negativno na O-atomu iz C=O)

H

H

HH

O

H

H

HH

CH2

H

H3C

HH

O

C OH

O CH3

C OH

O H

C OH

H2C CH3

acetaldehid propen propionaldehid

metil-vinil-etarmravlja kiselinametilformijat

Bent bond ( savijena veza) also known as banana bond, is a term in organic chemistry that refers to a type of covalent chemical bond with a geometry somewhat reminiscent (podseća) of a banana. The term itself is a general representation of electron density or configuration resembling a similar "bent" structure within small ring molecules, such as cyclopropane (C3H6) or as a representation of double or triple bonds within a compound that is an alternative to the sigma and pi bond model.

One of the first bent bond theories for cyclopropane was the so-called Coulson-Moffitt model (1947)

Depiction of the banana bonds in cyclopropane

C

The conformation of simple alkenes can be considered by beginning with

propene. There are two families of conformations available to terminal alkenes: eclipsed and bisected conformations, as shown below for propene. The eclipsed conformation is preferred by about 2 kcal/mol and represents a barrier to rotation of the methyl group. A simple way to relate the propene rotational barrier to that of ethane is to regard the bond as a “banana bond” . The bisected conformation of propene is then seen to correspond to the eclipsed conformation of ethane, while the more stable eclipsed conformation corresponds to the staggered conformation of ethane.

In propanal, it is the methyl group, rather than the hydrogen, that is eclipsedwith the carbonyl group in the most stable conformation. When the alkyl substituent becomes too sterically demanding, the hydrogen-eclipsed conformation becomes more stable. This is the case with 3,3-dimethylbutanal.

Etanal, propanal i drugi aldehidi

SISTEMI SA KONJUGOVANIM DVOSTRUKIM VEZAMA

KONFORMACIJE DIENSKIH SISTEMA

C C

H2C CH2

H H

C C

H2C

CH2H

H

s-cis- s-trans-

s-trans oblik stabilniji od s-cis oblika za 2 kcal/mol

Energetska barijera rotacije iznosi 4,9 kcal/mol

SISTEMI SA IZOLOVANIM DVOSTRUKIM VEZAMA

C C

H

H C

H

C

H H

C

H H

HOmega-6 masna kiselina: cis,cis-linolna kiselina. Omega-6 kiseline mogu imati negativan uticaj na zdravlje ukoliko su u velikom višku u odnosu na omega-3 kiseline.

Omega-3 masna kiselina:cis,cis,cis-linolenska kiselina. Omega-3 kiseline povoljno utiču na prevenciju karcinoma, kardiovaskularnih obolenja, imuni sistem, zdravlje mozga itd.

Optimalan odnos omega-6 prema omega-3 u pravilnoj ishrani treba da je 4:1 ili niži.

eritro-enantiomeri treo-enantiomeri

(S,R) (R,S) (S,S) (R,R)

Konformacije eritro i treo diastereoizomera

Stilbenhlorhidrin:

C6H5

H OH

C6H5

Cl H

C6H5

HO H

C6H5

H Cl

C6H5

H OH

C6H5

H Cl

C6H5

HO H

C6H5

Cl H

Relativne konfiguracije:

Eritro konfiguracija - Dva jednaka (ili slična) supstituenta u Fischer-ovoj projekcionoj formuli se nalaze sa iste strane.

CHO

C OHH

C OHH

CH2OH

eritroza

R

C ba

C da

R'

C6H5

C OHH

C ClH

C6H5

opšta formula stilben-hlorhidrin

Treo konfiguracija - Dva jednaka (ili slična) supstituenta u Fischer-ovoj projekcionoj formuli se nalaze na suprotnim stranama.

CHO

C HHO

C OHH

CH2OH

treoza

R

C ab

C da

R'

C6H5

C HHO

C ClH

C6H5

opšta formula stilben-hlorhidrin

Pretvaranje konfiguracione Fischer-ove formule u konformacione perspektivne ili Newman-ove projekcione formule u cilju analize stabilnosti eritro i treo diastereoizomera. Prostorna formula iz koje se izvodi Fischerova projekciona formula predstavlja molekul u najnestabilnijoj eklipsnoj konformaciji tj. u sin-periplanarnoj konformaciji.

Prostorna formula iz koje se izvodi Fischerova projekciona formula predstavlja molekul u najnestabilnijoj eklipsnoj konformaciji tj. u sin-periplanarnoj konformaciji.

Konfiguraciona i konformaciona izomerija kod vinske kiseline

Kod (+)- i (-)-vinske kiseline nijedan od konformera nema ravan ili centar simetrije, pa su molekuli hiralni i optički aktivni. Mezo vinska kiselina u konformeru (a) ima centar simetrije, a konformeri (b) i (c)=(c’) su enantiomerni konformeri koji se nalaze u ravnotežnom odnosu 1:1 i predstavljaju racemsku modifikaciju koja se ne može razložiti. Dakle, i na osnovu konformacione analize mezo vinska kiselina ne postoji u enantiomernim oblicima.

COOH

C OHH

C HHO

COOH

COOH

C HHO

C OHH

COOH

COOH

C OHH

C OHH

COOH

(+) (-) mezo

KONFORMACIJE CIKLIČNIH SISTEMA

Veličina prstena Tip Napon

3 - 4 Mali Veliki (3 > 4)

5 -7 Uobičajeni Mali

8 - 10 Srednji Veliki (max = 10)

12 - Veliki Mali

KONFORMACIJA CIKLOPROPANA

Baeyer - veze savijene toliko da međusobno zaklapaju ugao od 60o

VT = VB + VP VT = 27,6 kcal/mol

Reaktivnost slična kao kod nezasićenih jedinjenja.

Kvantno-mehanička teorija – “banana” veze - osa veze se ne poklapa sa internuklearnom osom i ta osa nije prava već izlomljena linija.

CH2H2C

O

CH2H2C

N

CH2H2C

S

Hetilenoksid etilenimin etilensulfid

Derivati ciklopropana

ne pokazuje cis-trans ne pokazuje cis-trans izomeriju; izomeriju;

pokazuje enantiomerijune pokazujeenantiomeriju

COOH

H

COOH

H

CH3

CH3

*

CH3

CH3

COOH

H*

pokazuje cis-trans izomeriju; pokazuje enantiomeriju

pokazuje cis-trans izomeriju; trans izomer pokazuje enantiomeriju

COOH

H

CH3

H*

CH3

H

COOH

H*

COOH

H

H

CH3

*

H

CH3

COOH

H** * * *

COOH

H

COOH

H**

COOH

H

H

HOOC**

H

COOH

COOH

H**

KONFORMACIJE CIKLOBUTANA

Baeyer - planaran molekul sa uglovima između C–C veza od 90o

Planarna konformacija

Spektroskopski podaci i podaci elektronske difrakcije - neplanaran molekul sa uvijenom konformacijom

uvijena konformacija

VB uvijene konformacije > VB planarne konformacije

VP uvijene konformacije < VP planarne konformacije

VT uvijene konformacije < VT planarne konformacije

Monosupstituisani ciklobutan

Disupstituisani ciklobutan

cis-1,3-trans-1,2-

Disupstituisani cikloalkani sa parnim brojem C-atoma u

prstenu, kada se supstituenti nalaze na suprotnim stranama

prstena ne pokazuju enantiomeriju, tj. ne mogu postojati u

optički aktivnim oblicima.

HH

H H

COOH

CH3

HH3C

HH

H H

COOH

H

HH3C

HH

H H

COOH

CH3

HH

ne pokazuje cis-trans izomeriju

pokazuje cis-trans izomeriju

HH

H H

COOH

H

HHOOC

HH

H H

COOH

COOH

HH

pokazuje cis-trans izomeriju

KONFORMACIJE CIKLOPENTANA

Baeyer - planaran molekul sa uglovima izmedju C–C veza od 108o VB 0VT = VP

VP = 14-15 kcal/mol

Nađeno VT = 6,5 kcal/mol

Molekul se nalazi u neplanarnim (uvijenim) konformacijama. VB 0

Oblik koverte Polustoličasti oblik

“Pseudorotacija” - zbog pokretljivosti u molekulu svi C-atomi zauzimaju jedan za drugim položaje izvan ravni ostala četiri ili tri ugljenikova atoma.

Slični konformacioni odnosi važe i za ciklopentanon i petočlane prstenove s heteroatomima.

Z=O tetrahidrofuranZ=S tetrahidrotiofen Z=NH pirolidin

KONFORMACIJE CIKLOHEPTANA

Konformacija kade konformacija stolice

Najstabilnija konformacija – uvijena stolica

KONFORMACIJE SISTEMA SREDNJE VELIČINE (8-10 C-atoma)

Transanularni (Prelogov) napon - van der Waals-ova repulzivna dejstva između vodonikovih atoma koji se nalaze na suprotnim stranama u prstenu, ali na malom rastojanju jedni od drugih.

annulus (lat) - prsten

Intraanularni atomi - atomi orijentisani ka unutrašnjosti prstena.

Ekstraanularni atomi - atomi orijentisani izvan prstena.

Transanularne reakcije - reakcije između intraanularnih atoma.

Najstabilnija konformacija ciklooktana - krevet-stolica:

Najstabilnija konformacija ciklononana:

Kod supstituisanih ciklodekana favorizovana je

ona krevet-stolica-krevet konformacija koja ima

maksimalan broj ekstraanularnih supstituenata.

Najstabilnija konformacija ciklodekana - krevet-stolica-krevet sa istaknutim intraanularnim H-atomima sa transanularnim naponom

valencioni uglovi = 113-120o

VB 5 kcal/molVP 4 kcal/molVV 3 kcal/mol VT 12 kcal/mol

KONFORMACIJE VELIKIH PRSTENOVA

Ciklododekan (CH2)12 - kvadrat sa po jednim n-butanovim segmentom na svakoj strani, pri čemu su atomi na uglovima zajednički za dva segmenta.

Cikloeikosan (CH2)20 - po termohemijskoj stabilnosti i reakcionoj sposobnosti sličan acikličnim ugljovodonicima normalnog niza.

eíkosi (grčki) - dvadeset

MUSKON, (R)-3-metil-ciklopentadekanon, – feromon mošusnog jelena.

MAKROCIKLIČNI MOŠUSI

Prirodni mošus – feromon bizamskog pacova, mošusnog jelena, mošusne patke, mošusne kornjače.

Najnoviji makrociklični mošusi

1. Date molekule koji su prikazani Njumanovim projekcionim formulama prikažite Fišerovim projekcionim formulama.

CH3

Br HCHO

OHHCH3

HO HCH3

H2N H

2. Newman-ovom formulom prikažite najstabilniju konformaciju 1-hlor-2-brom-etana

3. Newman-ovim projekcionim formulama prikažite strukture kako je dole opisano:

(a) eklipsnu konformaciju 2,2,3,3-tetrametilbutana, posmatranu u odnosu na C2-C3 vezu,

(b) stepeničastu konformaciju propana, posmatranu u odnosu na C1-C2 vezu.