Stereokimia | 20

UNIT 2

STEREOKIMIA HASIL PEMBELAJARAN Di akhir unit ini, anda diharap dapat 1. Membezakan geometri isomer. 2. Membina isomer struktur. 3. Membezakan isomer rantai, kedudukan dan kumpulan berfungsi. 4. Menentukan perbezaan stereoisomer molekul. 5. Memahami isomer geometri dan isomer optik molekul.

PETA KONSEP TAJUK

2.1 Struktur Isomer

Struktur isomer ialah perbezaan dalam susunan dalam rantai induk atau berbeza dari segi kumpulan

berfungsi. Struktur isomer merujuk kepada cara atom atau kumpulan atom disusun dalam ruang tetapi

sebatian-sebatian ini masih mempunyai formula molekul yang sama. Contohnya isomer dengan struktur

bagi sebatian dengan formula molekul C5H10 adalah seperti berikut;

Keisomeran

Stereoisomer

Isomer geometri

Isomer optik

Suhu Ketumpatan Isipadu

Keisomeran struktur

Stereokimia | 21

2.2 Stereoisomer Pengajian mengenai molekul-molekul dalam ruang tiga dimensi, iaitu bagaimana atom-atom dalam suatu molekul disusun dalam ruang satu relatif terhadap yang lain. Terdapat dua jenis stereoisomer; a) Konformasi susunan, dan b) Keisomeran struktur a) Konformasi susunan Susunan atom atau kumpulan atom yang terikat oleh ikatan sigma (ikatan tunggal) dalam ruang secara berlainan akibat putaran atom/kumpulan atom tersebut yang mengelilingi ikatan tersebut. Struktur yang terbentuk dari putaran ini disebut sebagai konformasi. Konformasi susunan dapat diperjelaskan dengan menggunakan model molekul 3 dimensi.

Isomer Struktur

rantai induk

kumpulan berfungsi

kedudukan kumpulan berfungsi

Stereokimia | 22

C C

H

HH

H

H

H

C C

H H

HHH

H

Konformasi gerhana Konformasi terpirau Konformasi juga dapat ditunjukkan dalam bentuk 2 dimensi; 1. Struktur Kekuda Ikatan pada setiap atom ditunjukkan dalam bentuk garis lurus. 2. Projeksi Newman Ikatan bagi karbon di hadapan merupakan titik tengah bagi cabang tiga, manakala karbon belakang adalah bulatan di belakang. Jenis-jenis konformasi Konformasi terpirau perbezaan sudut ikatan tunggal bagi karbon hadapan dan karbon di belakang adalah 600. Sebatian yang berada dalam keadaan konformasi terpirau adalah paling stabil kerana atom-atom berada jauh antara satu sama lain.

H

H H

H

HHH

H

H

H

HH

Stereokimia | 23

tteennaaggaa

gerhana

terpirau

12.1 kJ/mol

0 kJ/mol

Konformasi gerhana sebatian dalam keadaan konformasi gerhana berada dalam keadaan paling tidak stabil kerana atom-atom hampir antara satu sama lain dan seolah-olah bertindihan. Sudut ikatan bagi ikatan karbon hadapan dan karbon belakang adalah 00. Contoh; C2H6 Konformasi terpirau adalah konformasi yang paling stabil bagi etana bila ikatan C-H berada paling jauh antara satu sama lain di mana = 60. Konformasi paling kurang stabil bila ke semua C-H berada pada kedudukan paling dekat iaitu kedudukan konformasi gerhana, = 0. Ini adalah kerana kesan regangan antara atom-atom. Kesan regangan ialah tenaga berlebihan yang wujud dalam keadaan konformasi

gerhana berikutan tarikan antara awan elektron dalam ikatan (12.1 kJ/mol).

Stereokimia | 24

Contoh; C4H10 Konformasi Butana Lihat menerusi ikatan C2-C3

Pada kedudukan konformasi anti, kumpulan metil yang terikat dengan dua atom karbon berada paling jauh antara satu sama lain (sudut ikatan C-H = 1800). Putaran sebanyak 2400 pada ikatan C2-C3 menunjukkan konformasi adalah gerhana. Kedudukan terpirau dengan kumpulan metil berada 600 antara satu sama lain dikenali sebagai konformasi gauche.

CH3

H H H H

CH3

CH3 CH3

H H H

H

CH3 H

H H CH3 H

CH3

CH3

H H

H H

CH3

CH3 H H H

H

CH3

H

CH3

H H

H

(0o) Anti (180o)

Gerhana (240o)

mula

tamat

Gauche (60o)

CH3 CH2 CH2 CH3

Gerhana (120o) Gauche (300o)

Stereokimia | 25

cis-2-Butena trans-2-Butena

C

H 3 C

C

H

CH3

C

H H

C

H H 3 C

CH3

Tenaga paling rendah apabila sebatian berada dalam kedudukan konformasi anti. Paras tenaga berada pada tahap sederhana pada konformasi gauche. Kesan sterik adalah kesan tolakan yang wujud bila atom-atom berada hampir antara satu sama. b) Keisomeran Struktur Terbahagi kepada 2, iaitu; i) Isomer geometri ii) Isomer optik i) Isomer geometri Isomer geometri terbit dalam sebatian yang mengandungi ikatan ganda dua atau struktur siklik. Dikenali juga sebagai isomer cis-trans. Dalam sebatian ini, tiada putaran bebas pada ikatan ganda dua atau dalam gelang siklik. Isomer cis dua atom atau kumpulan atom yang sama berada pada sisi yang sama. Isomer trans dua atom atau kumpulan atom yang sama berada pada sisi yang bertentangan.

Stereokimia | 26

(1) (6) (7) (8)

-CH2-H -CH2-CH3 -CH2-NH2 -CH2-OH

Lebih diutamakan

2.2.1 Sistem E-Z Istilah cis-trans digunakan untuk menunjukkan stereokimia bagi alkena yang mempunyai dua atom atau kumpulan atom yang berbeza. Sekiranya alkena berkenaan mempunyai tiga atau empat atom yang berlainan, istilah E atau Z digunakan. Cara penentuan E-Z (peraturan Cahn, Ingold, Prelog) 1. Keutamaan ditentukan mengikut nombor atom. Lebih besar nombor atom, lebih tinggi keutamaan atom atau penukarganti itu. 2. Jika keutamaan tidak dapat ditentukan, lihat pada atom kedua. 3. Bagi atom yang berikatan ganda dua atau tiga, dianggap terikat dengan ikatan tunggal dan nombor atom didarab dangan bilangan ikatan berganda yang asal. 4. Kumpulan yang mempunyai keutamaan yang tinggi pada sisi yang sama, ia dikenali sebagai konfigurasi Z (zusammen). 5. kumpulan yang mempunyai keutamaan yang tinggi pada sisi yang bertentangan, ia dikenali sebagai konfigurasi E (entgegen).

Z (zusammen) E (entgegen)

C

higher

C

higher

lower lower

C

lower higher

C

lower higher

(53) (35) (17) (16) (8) (7) (6) (1)

-H -CH3 -NH2 -OH -SH -Cl -Br -I .

Lebih diutamakan

Stereokimia | 27

HH H

CH3

CH2CH3

H3C

1

2

3

4

Br H

1 23

45

B r

C l C l

F

2.2.2 Isomer cis-trans dalam sikloalkana Putaran dalam sebatian sikloalkana terhad disebabkan oleh struktur gelang. Struktur gelang dianggap mempunyai dua muka dan satah simetri dibahagian tengah gelang. Kumpulan penukarganti ditentukan mengikut jarak kedudukan yang sama. Contoh sebatian yang diberi menunjukkan dua perbezaan antara cis dan trans. 2.3 Keisomeran Optik Kekiralan adalah molekul yang mempunyai karbon kiral dan tidak bertindih sempurna dengan imej cerminnya. (seperti yang ditunjukkan tapak tangan). Satah simetri akan membahagikan suatu molekul kepada dua di mana kedua-duanya adalah imej antara satu sama lain. Molekul yang mempunyai satah simetri tetapi objek dan imej cermin yang sama dikenali sebagai akiral.

Imej cermin: Pantulan cermin sesuatu objek. Objek yang tidak bertindih sempurna dengan imej cermin di sebut molekul kiral. Manakala, objek yang bertindih sempurna dengan imej cerminnya di sebut molekul akiral. Molekul akiral mempunyai sekurang-kurangnya satu satah simetri. Molekul dengan satah simetri yang mempunyai imej cermin yang sama dengan objek dikatakan sebagai tidak kiral atau akiral.

trans-1-bromo-3-etilsiklopentana cis-1,3-dimetilsiklobutana

Lapisan kertas dianggap

sebagai satah simetri

Stereokimia | 28

F

BrClCl

ClClBr

F

BrFH

Cl

Satah simetri ialah suatu satah khayalan yang membahagikan suatu molekul bagi menghasilkan dua belah molekul dan bayang-bayang antara satu sama lain. Molekul yang mempunyai satah simetri adalah tidak kiral. 2.3.1 Pusat kiral Pusat kiral ialah titik molekul yang mana empat atom atau kumpulan atom terikat kepada karbon kiral. Molekul kiral biasanya mempunyai sekurang-kurangnya satu pusat kiral sahaja. Jenis-jenis stereoisomer; Boleh dibahagikan kepada dua kategori umum; 1. Enantiomer 2. Diastereomer Enantiomer ialah stereoisomer yang molekulnya mempunyai imej cermin yang tidak bertindih sempurna antara satu sama lain.

Asid laktik Diastereomer ialah stereoisomer yang molekulnya tidak mempunyai imej cermin antara satu sama lain.

Kewujudan atom yang sama terikat pada karbon akiral

Struktur karbon kiral adalah

tetrahedral dan terikat dengan

empat kumpulan yang berbeza.

Pusat kiral

Cl Cl

Br

H

H

Br

Satah simetri

C

C

HO CH

3

H

O HO

C

C

OH H

3 C

H

O OH

Stereokimia | 29

2.3.2 Unjuran Fisher Projeksi Fisher : Gambar rajah dua dimensi yang menunjukkan konfigurasi pusat kiral.

Garisan mendatar ikatan yang menunjukan ke hadapan Garisan menegak ikatan yang menunjukkan ke belakang Titik persilangan antara garisan menegak dan melintang adalah pusat kiral.

Asid laktik Cara melukis projeksi Fisher; 1. Ikatan yang mengunjur ke belakang garisan menegak. 2. Ikatan yang mengunjur ke hadapan garisan melintang. 3. Lukiskan struktur molekul dalam bentuk dua dimensi. 2.3.3 Penamaan Enantiomer R,S Mengikut peraturan Cahn, Ingold, Prelog 1. Keutamaan diberikan kepada setiap atom yang terikat dengan pusat kiral berdasarkan nombor atom.

Lebih besar nombor atom, lebih tinggi keutamaan atom atau penukarganti itu.

C O O H

C

C

H

H C H 3

N H 2

O H

C O O H

C

C

H

H O H C H 3

H 2 N

(53) (35) (17) (16) (8) (7) (6) (1)

-H -CH3 -NH2 -OH -SH -Cl -Br -I .

Lebih diutamakan

C

C O O H

H

O H C H 3

C O O H

C H 3

H O H C

C O O H

H

O H C H 3

C O O H

C H 3

H O H

Stereokimia | 30

(1) (6) (7) (8)

-CH2-H -CH2-CH3 -CH2-NH2 -CH2-OH

Lebih diutamakan

2 arah jam arah lawan

jam

(rectus) (sinister)

1 2

4

3

C C

1

4

3

R S

2. Jika keutamaan tidak dapat ditentukan, lihat pada atom kedua.

3. Bagi atom yang berikatan ganda dua atau tiga, dianggap terikat dengan ikatan tunggal dan nombor

atom didarab dangan bilangan ikatan berganda yang asal. Langkah-langkah penamaan sebatian enantiomer. 1. Tentukan pusat kiral. 2. Tentukan keutamaan 1 hingga 4 bagi setiap kumpulan penukarganti. 3. Kumpulan penukarganti dengan keutamaan yang paling rendah (4) diunjurkan ke belakang. 4. Tentukan putaran berdasarkan keutamaan 1 hingga 3. 5. Jika putaran mengikut arah jam - R (Rectus), manakala putaran lawan jam - S (sinister).

2.4 Sebatian Meso Sebatian meso ialah suatu sebatian yang tidak aktif optik di mana molekulnya adalah tidak kiral walaupun mengandungi pusat kiral. Contoh seperti struktur di bawah:

Stereokimia | 31

Asid tartarik 2R, 3S dan 2S, 3R adalah sama berdasarkan wujudnya satah simetri yang berserenjang dengan ikatan C-C. Pasangan B adalah sebatian meso manakala pasangan A adalah enantiomer. Sifat-sifat Sebatian Stereokimia Pasangan enantiomer mempunyai sifat fizikal dan kimia yang sama. Pasangan diastereomer adalah sebatian yang berbeza, maka sifat fizikal dan kimianya juga berbeza. Sebatian meso mempunyai sifat fizikal dan kimia yang berbeza dengan enantiomernya.

A :

B :

C l C l

H H 3 C

H C H 3

C l C l

H H 3 C

H C H 3

Satah cermin cermin

C O O H

C

C

H

H O H C O O H

O H

2 R , 3 S 2 S , 3 R

2 R , 3 R 2 S , 3 S

C O O H

C

C

H

O H H C O O H

O H C O O H

C

C

H

H O H C O O H

H O

C O O H

C

C

H

O H C O O H

H O

H

Stereokimia | 32

Latihan 1. Untuk soalan-soalan berikut, tentukan jawapan yang sesuai untuk maksud yang diberikan. Pusat kiral, Kekiralan, Diastereomer, Enantiomer, Sebatian meso, Aktif optik, (i) ____________________ menggambarkan molekul organik yang memutarkan lampu polarimeter. (ii) ____________________ adalah molekul yang mempunyai karbon kiral dan tidak bertindih sempurna

dengan imej cerminnya. (iii) ____________________ adalah molekul dimana stereoisomernya tidak mempunyai imej cermin . (iv) ____________________ ialah atom karbon yang terikat dengan empat (4) atom atau kumpulan atom

yang berlainan. (v) ____________________ ialah molekul yang mengandungi pusat kiral dan satah cermin. (vi) ____________________ mempunyai formula molekul yang sama tetapi berbeza susunan dalam ruang. 2. 3. Pertimbangkan pentana. Dengan melihat selari dengan ikatan C2-C3;

(i) Lukiskan projeksi Newman bagi konformasi yang paling stabil.

(ii) Lukiskan projeksi Newman bagi konformasi yang paling tidak stabil.

(iii) Lukiskan graf tenaga melawan darjah putaran pada ikatan C2-C3.

Jawapan

Stereokimia | 33

1. (i) Aktif optik

(ii) Kekiralan (iii) Diastereomer (iv) Pusat kiral (v) Sebatian meso (vi) Stereoisomer

2. (a) R, S

(b) S, S (c) R (d) S

3. c) i) ii)

iii) graf tenaga vs darjah putaran

Rujukan

Smith, J. G. (2008). Organic Chemistry (2nd. ed.). New York: Mc Graw Hill.

Bruice, P. Y. (2011). Organic Chemistry (6th. ed.). New Jersey: Pearson Educational Hall.

Solomon, T. W. G. (2008). Organic Chemistry (9th. ed.). New York: John Wiley & Sons.

McMurry, J. (2006). Organic Chemistry (6th. ed.): USA: Brooks/Cole Publishing Company.

Sudut putaran

tenaga

0o 60

o 120

o 180

o 240

o 300

o 360

o