Chem. Listy 93, 294 - 305 (1999)

CHIRALITA A POJMY S NÍ SOUVISEJÍCÍ

Referáty

OTAKAR ČERVINKA

Ústav organické chemie, Vysoká škola chemicko-technologic-ká, Technická 5, 166 28 Praha 6

Došlo dne l.X. 1998

Klíčová slova: chiralita, symetrie, asymetrie, selektivita reakcí

Při diskusi otázek optické aktivity se setkáváme častos pojmy symetrie, asymetrie, disymetrie, chiralita, dále s vý-razy, které jsou od těchto termínů odvozeny jako je pseudo-asymetrie, centrální, axiální a planární chiralita, prochiralita.Nověji stereogenní jednotka, stereogenní centrum, prostereo-genita a pod. Jak uvidíme dále, není tento stručný výčet pojmův žádném směru úplný. Přesto, že jde o termíny klíčovéhovýznamu, jsou často užívány konfusním způsobem. V tomtočlánku se pokusím uvést na pravou míru některé nejasnosti, sekterými se můžeme při jejich užívání setkat'"7.

K znázornění stereochemických představ používáme pro-storových vzorců konformačních či konfiguračních, v per-spektivním znázornění nebo v určité projekci (StereochemicalFormula, Stereoformula), případně modelů (např. Dreidingo-vy, Fieserovy, kalotové a jiné) či grafických výstupů počítačo-vých programů. Nejznámější je projekce Newmanova a u mo-lekul s více atomy cik-cak projekce, uváděné někdy pod spo-lečným názvem „Sawhorse Projection". U makrocyklickýchsloučenin se používá méně známá projekce5 „Wedge Projec-tion". Konfigurace znázorňujeme např. pomocí vzorců ve Fi-scherově projekci (v literatuře uváděná též jako Fischerova--Tollensova projekce). Tato vyžaduje dodržení určitých pravi-del. Atomy nebo skupiny atomů připojené k tetraedrálnímuatomu jsou promítány do roviny papíru v takové orientaci, žeatomy nebo skupiny promítané nad a pod středovým atomemleží za rovinou papíru a atomy promítané vlevo a vpravo od stře-dového atomu leží před rovinou papíru. Hlavní řetězec je orien-tován svisle s atomem s nejnižším lokantem nahoře (schéma 1).

Rozdílnost mezi skutečnými molekulami a jejich prosto-rovými vzorci vystihují výrazy enantiomerie a diastereomeriea u jejich modelů enantiomorfie a diastereomorfie. „Morphicnomenklatuře" se používá zejména při diskusi týkajícící sejednotlivých skupin či fragmentů. V matematickém pojetí seliší konstituční izomery v topologických, diastereoizomeryv geometrických a enantiomery v topografických vlastnos-tech. Prostorová struktura organické sloučeniny se systema-ticky vyjadřuje jedním, nebo více afixy (přídavky), které seobecně nazývají stereodeskriptory. Tyto afixy se přidávajík názvu sloučeniny, který sám o sobě nevyjadřuje stereoche-mickou konfiguraci, a který se odvozuje podle přijatých no-menklaturních pravidel. Výjimku tvoří některé triviální názvy,které již v sobě zahrnují vlastní stereochemickou konfiguraci.

Geometrické vlastnosti vystihují deskriptory cis/trans, E/Z,synlanti, exolendo, topografické vlastnosti stereodeskriptoryRIS, RelSi, výjimečně D/L. Píšeme je kurzívou nebo malými

písmeny, pouze symboly D a L značíme stojatými písmenylatinkou.

Definice základních pojmů

Vyjdeme ze základního pojmu a tím je s y m e t r i e .Symetrii molekuly pro danou konfiguraci, případně konfor-maci můžeme popsat pomocí operací symetrie podle odpoví-dajících prvků symetrie. Těmito prvky jsou jednoduchá rotač-ní osa symetrie Cn, rovina symetrie o, střed symetrie ; a rotač-ně-reflexní osa Sn. Operace symetrie, které provádíme podleuvedených prvků jsou otáčení kolem osy, zrcadlení v roviněsymetrie, inverze kolem středu symetrie a otáčení kolem osyse současným zrcadlením v rovině kolmé na osu otáčení.

Molekula může mít více prvků symetrie najednou. Tytoprvky vytvářejí grupu. Poněvadž se při prováděných operacíchsymetrie nemění těžiště molekuly, hovoříme o bodové grupě.V chemické literatuře jsou bodové grupy symetrie obvykleznačeny Schoenfliesovou notací, která řadí molekuly podlepřítomných prvků symetrie do několika typů.

Schéma 1

294

Chem. Listy 93, 294 - 305 (1999) Referáty

Pro naše další úvahy jsou nejdůležitější bodové grupy C\,C.(, Q. Sloučeniny tam patřící nemají rotační osu. Grupa C\nemá žádný prvek symetrie, patří sem asymetrické sloučeniny.Grupa C, má pouze jednu rovinu symetrie (je identická s jed-nočetnou rotačně-reflexní osou symetrie S\). Grupa C, mápouze střed symetrie (je identický s dvoučetnou rotačně-ref-lexní osou symetrie Sý-

Otáčením modelu kolem rotační osy symetrie o úhel 360Ynpřevedeme model ke krytí se sebou samým. Jmenovatel nudává tzv. četnost osy.

R o v i n a s y m e t r i e je definována jako rovina roz-dělující molekulu na dvě části, které jsou k sobě ve vztahu jakopředmět ke svému zrcadlovému obrazu.

S t ř e d s y m e t r i e molekuly si představujeme tak, žena prodloužené spojnici kteréhokoliv atomu molekuly musíležet stejný atom v téže vzdálenosti od středu v jaké ležípůvodní atom.

M o l e k u l a m á n - č e t n o u r o t a č n ě r e f l e x n í o s us y m e t r i e , převede-li se otáčením o úhel 3607n kolem této

osy do stavu, jehož zrcadlový obraz podle roviny na tuto osukolmý je identický s původním stavem molekuly8"'' (schéma 2).

A s y m e t r i e jako geometrická vlastnost, vylučuje jakou-koliv symetrii. Předmět, např. molekulu v dané konfiguracinebo konformaci, můžeme proto nazvat asymetrickou pouzetehdy, nemá-li žádný prvek symetrie. Termínu asymetrie bylopoužíváno ve dvou obsahově rozdílných významech. Jednakjako protikladu pojmu symetrie, jednak jako podmínky proexistenci enantiomerů. Použití v prvém významu tohoto slovaje zcela korektní. Model, který žádnou z operací symetrienemůžeme přivést ke krytí, nazýváme oprávněně asymetric-kým, a příslušnou vlastnost asymetrií. Příkladem může býtatom uhlíku se čtyřmi různými substituenty, který je uhlíkemasymetrickým.

Molekuly, které jsou zrcadlovými obrazy jedna druhé,nazýváme enantiomery (schéma 3).

Starší označení o p t i c k é a n t i p o d y (i afixů d- a /-)dnes již nepoužíváme (Optical antipodes obsolete synonymfor enantiomers - usage strongly discouraged).

Schéma 2

Schéma 3

295

Chem. Listy 93, 294 - 305 (1999) Referáty

Důvodem proto je skutečnost, že antipod představuje útvarvzniklý pouhým otočením o 180° a není zrcadlovým obra-zem útvaru původního. Nedoporučuje se též používat názvuo p t i c k é i z o m e r y , neboť fenomén enantiomerie nenínezbytně spojen s optickou aktivitou (ORD křivka závislostioptické otáčivosti na vlnové délce prochází často nulovouhodnotou).

Enantiomery rozlišujeme v názvu sloučenin afixem (+)nebo (-), vztahujícím se ke smyslu otáčení roviny polarizova-ného světla definované vlnové délky, nejčastěji při sodíkovéčáře. Enantiomery se strukturně vzájemně liší a b s o l u t n ík o n f i g u r a c í . Řekneme-li o nějaké sloučenině že známejejí absolutní konfiguraci, rozumíme tím, že víme, která zedvou v úvahu přicházejících struktur danému enantiomerupřísluší. Jednoznačným a zcela obecným způsobem vyjádřeníznámé absolutní konfigurace je nakreslení obrazu molekuly,případně v určité konvenční projekci. Ve spojení s názvemsloučeniny používáme jednoznačného, dnes obecně přijatéhozáznamu R a S, uváděného před názvem sloučeniny a známéhojako k o n v e n c e R I S nebo C I P s y s t é m (cit.12"16).CIP algoritmus byl upraven pro počítačové zpracování17. Po-kud molekula obsahuje více než jedno centrum chirality apli-kuje se tento postup na každé centrum chirality a konfiguracemolekuly se vyjadřuje souborem R a S afixů. V názvechsloučenin se symboly R a S umisťují v závorkách, případněspolu s jejich lokanty před úplný název sloučeniny, nebopatřičného substituentu, od kterých se oddělují rozdělovačipomlčkou. Afixů D a L, vyjadřujícími absolutní konfiguraci(Fischerova-Rosanoffova konvence) používáme dosud u cu-krů, aminokyselin a peptidů. Pro cukry použijeme afixů vyjad-řujících relativní konfiguraci (gluko, arabino, atd) v kombinacis afixy D, L, vyjadřujícími absolutní konfiguraci.

Stereogenní centra se známou relativní, nikoliv však abso-lutní konfigurací se označují arbitrálně afixy R* nebo S* a v pří-

padě potřeby se uvádějí s patřičnými lokanty. Postupuje sepodle pravidel R/S systému. V názvu uvedený prvý afix máarbitrálně označení R*. Ve složitějších případech mohou býthvězdičky u afixů vynechány a potom se před celý názevumisťuje afix rel- zmenající relativní) např. [(\R ,3S )-l-brom--3-chlorcyklohexen nebo re/-(l.R,3/?,5/?)-l-brom-3-ch]or-5-ni-trocyklohexan].

Stereoizomery, které nejsou enantiomery, nazýváme d i a -s t e r e o i z o m e r y , případně e p i m e r y . (Epimers-dia-stereoisomers that háve the opposite configuration at only oneof two or more tetrahedral stereogenic centers present in therespective molecular entities.) Diastereoizomery mohou býtchirální i achirální (schéma 4).

Sloučeniny, které obsahují stejný počet enantiomerníchskupin identicky vázaných, ale žádné další chirální skupiny,nazýváme m e s o - s l o u č e n i n a m i . Jejich molekuly ma-jí rovinu symetrie a jsou proto achirální. Rotační příspěvekkaždé z chirálních skupin je kompenzován příspěvkem odpo-vídající enantiomerní skupiny. Afix meso- je tištěn kurzívoua oddělen krátkou pomlčkou od zbytku názvu (schéma 5).

Každou látku, bez ohledu na její skupenství, obsahujícíekvimolekulární množství enantiomerních molekul nazývámer a c e m á t (značíme rao, racem-, nebo RS či SR. Asymetrieje tedy postačující podmínkou pro existenci enantiomeru,nikoliv však podmínkou nutnou. Používání pojmu asymetriejako podmínky pro existenci enantiomeru není možné protopokládat za korektní. Nutnou a postačující podmínkou v tomtosměruje nemožnost převést model molekuly v identický útvarzrcadlením v rovině. Takový model má potom ke svémuobrazu v zrcadle stejný vztah jako pravá ruka k levé. Jehosymetrie je silně omezena, nesmí zahrnovat rovinu, rotačněreflexní osu, ani střed symetrie.

Z operací symetrie jsou proto vyloučeny všechny operacezahrnující zrcadlení. Takový model, který nemá než nejvýše

Schéma 4

Schéma 5

296

Chem. Listy 93, 294 - 305 (1999) Referáty

jednoduchou osu symetrie, nazýváme c h i r á l n í m a přísluš-nou vlastnost, postačující a nutnou k existenci enantiomerů,c h i r a 1 i t o u 18"22. Je tedy zřejmé, že asymetrická molekulaje vždy útvarem chirálním, ale chirální molekula nemusí býtnutně asymetrickou. Molekuly, které jsou ztotožnitelné sesvým obrazem jsou a c h i r á l n í (viz schéma 5). Tuto, natřírozměrné stavbě molekul založenou definici opticky aktiv-ních sloučenin, vyslovil již Pasteur, pouze místo chiralitypoužil výrazu d i s y m e t r i e .

Chiralita je odvozena od řeckého slova chiros - ruka.Podle Whyta bylo pojmu chiralita poprvé použito ve vědeckéliteratuře v oboru fyziky lordem Kelvinem na přelomu století.O jeho zavedení a rozšíření v organické chemii se zasloužilimnohem později především Cahn, Ingold a Prelog studiemio specifikaci molekulární chirality.

Podle nomenklaturní komise IUPAC je nutno považovattermín disymetrie za zastaralý synonym chirality a nedoporu-čuje se jej nadále používat (dissymmetry-obsolescent syno-nym for chirality). Neuvážené by proto bylo přisuzovat disy-metrii dokonce jiný význam. Všechny chirální molekuly jsoumolekuly látek separovatelných v enantiomery a naopak,všechny molekuly opticky aktivních sloučenin jsou chirální.Jinak řečeno, chirální je racemát i oba enantiomery. Na tutoskutečnost se často zapomíná. Problém jak slovně vyjádřittento fakt není dosud uspokojivě vyřešen. Několika autorypoužitý termín homochirální pro čisté enantiomery není nej-vhodnější. (Use of homochiral as a synonym of enantiomeri-cally pure is strongly discouraged.) Výraz scalemic jako sy-nonym pro nonracemic je třeba zcela vyloučit!

Nejpřijatelnějším se ukazuje název chirální neracemickésloučeniny, propagovaný Seebachem23. Jeho podporou je logoposledního katalogu7 Sigma-Aldrich nazvané „Chiral Nonra-cemic Compounds". Sluší se připomenout, že máme na myslichiralitu individuální molekuly, nikoliv souboru molekul jakov případě chirálního krystalu (např. křemene), nebo v achirál-ním krystalu racemické kyseliny vinné. Diskuse chirality mo-lekuly předpokládá, že je definována alespoň dočasně jejíneměnná konfigurace nebo konformace. Molekula pohyblivésloučeniny je chirální tehdy, a pouze tehdy, jestliže jsou chi-rální všechny možné její konformace (schéma 6).

Jak jsme již uvedli, atom vázaný tetraedrálně ke čtyřemrůzným atomům nebo skupinám atomů, z nichž žádná nenízrcadlovým obrazem některé z ostatních nazýváme a s y -m e t r i c k ý a t o m . Asymetrický atom můžeme označit zas t ř e d c h i r a l i t y . Střed chirality je abstrakcí pojmuasymetrický atom. V tomto středu pochopitelně nemusí ležetžádný reálný atom. Nutnou podmínkou však je, aby rozloženíatomů kolem středu chirality bylo ve všech třech rozměrechrůzné. Příklademje vhodně substituovaný derivát adamantanu(IV). Obecně pojem střed chirality není vázán na tetraedrální

strukturu, může se rovněž vyskytovat vázán např. v oktaed-rální struktuře nebo v tetragonální pyramidě. Jestliže můžemeoznačit atom, kterým je určitá skupina vázána, ke zbytkumolekuly, za střed chirality, můžeme nazývat celou skupinuchirální. Je ovšem nutno zdůraznit, že chiralita je vlastnostícelé molekuly a použitím pojmu chirální skupina se dopustímeurčité nepřesnosti.

V molekule může být přítomno i více středů chirality, buďtotožných, nebo strukturně různých, nebo konečně strukturnětotožných, ale opačného smyslu chirality (chirality sense-theproperty that distinguishes enantiomorphs. The expression„opposite chirality" is short for „opposite chirality sense").Přítomnost stejného počtu strukturně totožných středů chira-lity opačného smyslu činí ovšem celou molekulu achirální,pokud není přítomen další nepárovaný střed chirality.

Jako p s e u d o a s y m e t r i c k ý atom (výraz pseudo-chirální atom se nevžil, Helmchen doporučuje poněkud ne-zvyklé značení stereogenní jednotka 2. typu) označujemetakový tetraedrální atom, k němuž jsou připojeny dvě enantio-merní skupiny (+)-a a (-)-a a dva další atomy nebo jejichskupiny b, c (různé od skupiny a vzájemně různé a nikolivenantiomerní). Jeho konfiguraci značíme r nebo s, přičemž Rmá přednost před S. Prostorová orientace kolem pseudoasy-metrického atomu se nemění zrcadlením. U chirálního atomuse orientace vždy mění. Molekuly obsahující pseudoasymet-rický uhlík mohou být chirální nebo achirální. Achirální jemolekula tehdy, jsou-li oba ligandy b a c achirální. Je-li jedennebo oba z ligandů b a c chirální, je celá molekula chirální.Molekula je také chirální, jestliže b a c jsou enantiomernískupiny. V tomto případě ovšem nejde podle výše uvedenédefinice o molekulu s pseudoasymetrickým uhlíkem (schéma 7).

Asymetrický atom je považován za stereogenní centrumči jednotku (stereogen) či centrum chirality (Stereogenic unit/stereogen/within a molecular entity that may be consideredafocusof stereoisomerism) a tento název by jej měl v budouc-nu nahradit. Mislow a Siegel24'25 (1984) zavedli do literaturydva nové pojmy: c h i r o t o p i c i t u a s t e r e o g e n i t u .Atom je chirotopický, pokud jeho okolí je chirální nebo asy-metrické. Pokud je jeho okolí achirální jde o atom achiroto-pický. Chirotopicita je čistě geometrickou vlastností atomu.Naproti tomu stereogenita závisí na způsobu napojení vazeb.Atom je stereogenní (stereocentrum) pokud přemístění jaké-hokoliv páru vazeb vede k rozdílnému stereoizomeru. Pokudtomu tak není, jedná se o atom nestereogenní.

Není při tom nutné, aby chirotopický atom byl atomemstereogenním a naopak (schéma 8).

A x i á l n í c h i r a l i t a j e stereoizomerie spočívajícív neplanárním uspořádání čtyř skupin v párech kolem osychirality. Zahrnuje izomerii allenů abC = C = Ccd, abC = C =Cab (V), alkylidencykloalkanů (VI), spiranových sloučenin(VII), adamantoidů (VIII) a diarylů (IX). Všechny typy slou-čenin patřící do této kategorie mají společnou vlastnost: osu

Molekula ethanu je achirální, protože kromě řady chirálníchkonformací typu / může zaujmout i dvě achirální konformace // a ///.Schéma 6

297

Chem. Listy 93, 294 - 305 (1999) Referáty

H H H(R) | W I 1 (S)

HOOC —Č — * C — C — COOHi i i

HO HO OHachirální

H H(R) | (r) I

HOOC-C — *ČI I

HO CH2

C H 3 — C - C

H

chirální1 C pseudoasymetrický atom

HÍ(S)

-C-COOH

OH

(+)•

X\

Schéma 7

(-)-a b-(+)chirální struktura bez pseudoasymetrického atomu

Prostorová orientace atomů kolem pseudoasymetrického atomu se nemění zrcadlením.U chirálního atomu naproti tomu se orientace vždy mění.

chirality, odvoditelnou z čtyřčetné rotačně reflexní osy syme-trie zrušením této symetrie (Helmchen používá název stereo-genní osa - stereogenic axis).

P l a n á r n í c h i r a l i t a řeší podobný případ. Za rovi-nu chirality vybereme rovinu, v níž leží největší počet atomů.Příkladem může být např. (E)-cyklookten (X), (rovinou chira-lity je zde dvojná vazba a na ni vázané atomy) nebo monosub-stituované paracyklofany (XI), (rovinou chirality je substituo-vaný aromatický kruh) nebo chirální metaloceny.

H e 1 i c i t a je zvláštním případem chirality se kterým sesetkáváme u sloučenin s helikální strukturou. Tyto vytvá-řejí helix (šroubovici, nesprávně spirálu), která je definovánaa) osou, b) smyslem závitu (tj. chiralitou) a c) chodem závitu(tj. poměrem parametrů určujících posun ve směru osy a rotacíkolem osy). Od obecné chirality se tedy liší dvěma dalšími

298

Chem. Listy 93, 294 - 305 (1999) Referáty

znaky a) a c). Pravotočivá helix (značíme P, XII) spojuje posunpodél osy ve směru od pozorovatele s otáčením souhlasnýms pohybem hodinových ručiček. Levotočivá helix (značíme M,XIII) spojena naopak s otáčením proti pohybu hodinovýchručiček). Nejznámějším příkladem chirality diskutované v ter-mínech helicity jsou sekundární struktury peptidických ře-tězců (pravotočivá a-helix řetězců složených z L-a-amino-kyselin přísluší symbol P), heliceny, propelery a konformačníizomery. V některých případech máme možnost použít jaksymbolů chirality, tak i helicity.

Achirální molekulu, obsahující alespoň jeden pár struktur-ních prvků, který může být rozlišen pouze ve srovnání s chi-rálním referenčním systémem, nazýváme p r o c h i r á l n í .Taková molekula jeví prochiralitu2627. Můžeme-li pokládatprvky v uvedeném páru za nestejné, stává se celá molekulachirální. Za centrum prochirality (doporučuje se používat pro-stereogenní centrum) můžeme pokládat achirální atom, jestli-že by byl chirálním, kdybychom dva nerozlišitelné substitu-enty pokládali za rozdílné. Pro tetraedrální atom splňuje tutopodmínku struktura Caabc, ve které žádná ze skupin a, b neboc není enantiomerní s některou z ostatních.

Z identického páru substituentů v prochirálním uspořádáníoznačíme afixem pro-R ten, který by vedl k /?-konfiguraci,kdybychom jej pokládali za nadřazený druhému (aniž se měnípriorita obou ke vztahu ke dvěma zbylým ligandům). Druhýpak je označen pro-S. Narazili jsme na jeden zásadní rozdílv přiřazování symbolů chirality a prochirality. Zatím co v pr-vém případě odvozený symbol specifikuje prostorové uspořá-dání na středu chirality a jednotlivým ligandům na něm nepří-sluší žádný zvláštní symbol, je symbol prochirality sice rovněžodvozen pro střed prochirality, ale přiřazuje se jednomu z li-gandů. Přitom středu není možné přiřadit žádný symbol (sché-ma 9).

pro-RIpro-S systém je používán především biochemiky,alternativní způsob značení prostereoizomerie používá Re/Sideskriptorů, vhodných k popisu jak stereoizomerie, tak i ste-rického průběhu reakcí4 (tabulka I).

Zcela analogicky je možno posuzovat případy, kdy prv-kem prochirality je osa. Atom sloučeniny typu Xaabc nemusíbýt vždy prochirální. Obsahuje-li pár ligandů a element chira-

299

lity a jsou-li vnějším porovnáním enantiomerní, stává se atomX centrem pseudoasymetrie. Molekuly obsahující centrumpseudoasymetrie jsou achirální, pokud jsou achirální ligandyb a c . Obsahují-li oba tyto ligandy, nebo i jen jeden z nichelement chirality, je získaná sloučenina chirální. Sloučeninymající o s u (XIV) nebo r o v i n u (XV) p s e u d o a s y -m e t r i e připravil Prelog .

U sloučenin cyklických, složených ze stejného množstvíelementů opačné chirality a uspořádaných do kruhu tak, žejejich charakter a tím i druh vzájemného napojení dovolu-je rozlišit též smysl či směr jejich cyklické posloupnosti. Té-to podmínce vyhovují dva typy chirálních elementů: -Xabca -Xab. Prelog a Gerlach nazvali tento zvláštní druh cykloste-reoizomerie c y k l o e n a n t i o m e r i í , případně c y k 1 o -d i a s t e r e o i z o m e r i í 2 9 . Cyklická permutace dvou cen-ter s chiralitou R nebo S, v jednoduchých případech téhoželementu chirality a ve složitějších případech různých elemen-tů chirality k cyklostereoizomerním sloučeninám, které mo-hou být meso-formami nebo enantiomerními či diastereoizo-merními sloučeninami (schéma 10).

Jednoduché a názorné příklady této izomerie najdemeu cyklopeptidů.

V poslední době se setkáváme v oblasti supramolekulárníchemie s pojmem k r y p t o c h i r a l i t a . I když se jedná

Chem. Listy 93, 294 - 305 (1999) Referáty

Schéma 10 Směr vazby je určen šipkou, jejíž špička směřuje k dusíku peptido vé vazby —CO —> NH— .

o výraz výstižný, je třeba vyčkat až bude vymezena oblast jehopoužitelnosti.

Dosud často používaný termín g e o m e t r i c k é i z o -m e r y (geometrie isomers) pro izomerii na dvojné vazbě(abC = Ccd, abC = NX, aN = Na, aN = Nb) se doporučujenahradit výrazy izomery na dvojné vazbě (double bond iso-mers), (Helmchen používá označení stereogenní dvojná vazba- stereogenic double bond), cis/trans izomery nebo jedno-značně ZIE izomery {ZIE Isomers). V názvech sloučenin vy-jádříme relativní prostorové uspořádání na jedné nebo vícedvojných vazbách pomocí stereodeskriptorů Z a E. Stereode-skriptory Z a £ se píší kursivou, velkými písmeny, umisťují sev závorce před celý název sloučeniny, od něhož se oddělujípomlčkou. Obsahuje-li molekula několik dvojných vazeb,potom se před celý afix Z nebo E dává lokant příslušné dvojnévazby. Např. (£)-but-2-en, (2£,4Z)-hexa-2,4-dienová kyseli-na. Pokud jsou dva substituenty stejné (abC = Ccc) potomjeden z páru stejných skupin označíme deskriptorem pro-E,přisoudíme-li jí arbitrálně podle CIP principu prioritu naddruhou stejnou skupinou c (stereodeskriptor celé molekulybude E), druhé stejné skupině c přísluší pak deskriptor pro-Z.Deskriptorů ZIE nelze použít k označení cis/trans polohysubstituentů na kruhu. Nedoporučuje se používat deskriptorůsynlanti u izomerie na dvojné vazbě aN = Na. K označeníkonformací 1,3-dienů používáme deskriptorů s-cisls-trans a ni-koliv cisoidltransoid.

Deskriptorů erythrolthreo je dovoleno používat u slouče-nin s nerozvětveným uhlíkatým řetězcem typu R-CHX-CHY--R' podle definice užívané u sacharidů.

Deskriptory endo-, exo-, syn-, anti- se používají5 k ozna-čení relativní orientace skupin vázaných na ne větvící se atomybicyklo[x,y,z]alkanů (x>y>z>0).

Přehled nejdůležitějších stereochemických termínů

Při studiu reakčních mechanismů se setkáváme velmi čas-to s termíny selektivita a specifita. Ze stereochemického hle-diska hovoříme o stereoselektivitě (enantioselektivitě, diaste-reoselektivitě), obdobně pak o stereospecifitě. Zatím co pojemstereoselektivita je používán jednoznačně, stereospecifita jemnohdy vykládána různým způsobem. Pokud při chemickéreakci vzniká jeden stereoizomer (enantiomer, diastereoizo-mer) v přebytku, reakce probíhá stereoselektivně (enantiose-

lektivně, diastereoselektivně). Aby nedošlo nejasnostem, do-poručuje se používat pojmu stereospecifita pouze tak, jak jidefinoval Eliel. Reakce je stereospecickou pouze tehdy, pokudvýchozí sloučeniny, stericky rozlišitelné (různí se konfigura-cí), poskytují různé stereoizomerní produkty.V žádném pří-padě by neměla být stereospecifita spojována s vysoce stereo-selektivními reakcemi či s reakcemi poskytujícími produkts 100 % ee.

S e p a r a c e e n a n t i o m e r ů b y měla nahradit dosudpoužívané výrazy štěpem racemátů na enantiomery či optickéantipody, rezoluce racemátů a pod.

R a c e m i z a c e představuje nevratnou tvorbu racemátůz neracemické chirální výchozí sloučeniny.

E n a n t i o m e r i z a c e znamená přeměnu jednoho enan-tiomeru v druhý.

Při sledování separace enantiomerů a při studiu enantiose-lektivních reakcí je nutné znát složení směsi enantiomerů.Slouží k tomu měření optické otáčivosti (pokud známe optic-kou otáčivost jednoho enantiomerů) nebo moderní analytickémetody, využívající skutečnosti, že enantiomery jsou rozliši-telné za chirálních neracemických podmínek (nejčastěji sepoužívá chromatografických metod na chirálních neracemic-kých nosičích a chirálních neracemických posuvových činidelv NMR spektroskopii).

E n a n t i o m e r n ě č i s t o u (enantiopure, enantiome-rically pure) je látka, která obsahuje pouze jeden enantiomer30.Pokud použijeme jiných metod než měření optické otáčivosti,vyjadřujeme složení směsi enantiomerů e n a n t i o m e r -n í m p ř e b y t k e m ee (Enantiomeric Excess ee a Enanti-omeric Ratio). V prvém případě poměr vystihuje optickáčistota, optický výtěžek (Optical Purity, op, optical yield). Obatermíny nelze zaměňovat.

D i a s t e r e o s e l e k t i v i t u vyjadřuje d i a s t e r e o -i z o m e r n í p ř e b y t e k (diastereoisomeric excess, de)n e b o d i a s t e r e o i z o m e r n í p o m ě r (diastereoisome-ric ratio, dr).

E n a n t i o m e r n í n a d b y t e k (Enantiomeric Ex-cess) (méně vhodný termín je enantioselektivní výtěžek)

(m+, ni-je množství (+) a (-) enantiomerů)

300

Chem. Listy 93, 294 - 305 (1999) Referáty

O p t i c k á č i s t o t a (Optical Purity) (méně vhodnýtermín je optický výtěžek)

D i a s t e r e o i z o m e r n í p o m ě r (Diastereoisome-ric ratio)

(mi, m2, ... je množství diastereoizomerů Dj, D2, ...)

E n a n t i o s e l e k t i v n í ( a s y m e t r i c k é ) r e -a k c e jsou reakce, při nichž vzniká jeden enantiomer v pře-bytku.

D i a s t e r e o s e l e k t i v n í r e a k c e představují re-akce, při nichž vzniká jedna z možných diastereoizomerníchsloučenin v přebytku.

Izumi a Tai3' zavedli klasifikaci enantio- a diastereoselek-tivních reakcí (Izumi-Tai System) na základě konceptu stereo-topicity.

E P C - s y n t h e s i s . Tento název použil v roce 1980

Diagram pro odvozování konformačních předpon(poloha sp = synperiplanární, se = synklinální,

ac = antiklinální, ac = antiperiplanární)

Seebach32pro všechny způsoby přípravy pouze jednoho enan-tiomeru. Patří sem separace enantiomerů, přeměna enantio-merně čisté látky v konečnou sloučeninu bez racemizacea stereoselektivní reakce vedoucí pouze k jednomu enantio-merů (pokud je výchozí sloučenina snadno dostupná, získanáizolací z přírodního materiálu, setkáváme se v literatuře33

s názvem ex-chiral-pool synthesis.D i a s t e r e o i z o m e r i z a c e (Diastereomerization) pře-

měna jednoho diastereoizomerů v druhý.E p i m e r i z a c e (Epimerization) - změna konfigurace

na jednoduché stereogenní jednotce.K o n f o r m a c e je definována helicitou a torsními úhly,

bez ohledu na energetický obsah.K o n f o r m e r ( k o n f o r m a č n í i z o r a e r ) - t o -

Schéma 11

pořadí priority, (o) = fantom atom, bližší viz citace

Schéma 13

Schéma 12

301

Chem. Listy 93, 294 - 305 (1999) Referáty

to označení používáme pro molekulární species představujícíenergetické minimum. K specifikaci konformerů slouží kon-vence Klyna-Preloga34 (schéma 11).

R o t a m e r , jeden z konformerů, u něhož pozorujemeomezenou rotaci kolem jednoduché vazby

,, I n - O u t " i z o m e r i e - izomerie vyskytující seu bicyklických sloučenin s dostečně dlouhými můstky, v nichžvazby nebo volné elektronové páry na větvících se atomechmohou zaujmout polohu vně nebo uvnitř molekuly5 (sché-ma 12).

T o p o l o g i c k á i z o m e r i e . V poslední době sesetkáváme i ve stereochemii s termíny jako topologie moleku-ly, topologické vlastnosti. V nejširším slova smyslu je topolo-gie část matematiky, která se zabývájevem spojitosti. Přesnějiřečeno termín „topologie molekuly" a výrazy podobné nelzepovažovat za příliš vhodné, správnější by bylo nemluvit o to-pologii molekuly, nýbrž o jejím zkoumání na základě teoriegrafů. Topologické představy se objevily ve stereochemii vespojitosti s přípravou a zkoumáním nových neobvyklých che-mických sloučenin - katenanů, rotaxanů a uzlů. Provlékneme-li jednu molekulu druhou, získáme novou sloučeninu, tvořící

nový jediný celek, který není spojen chemickou vazbou. Ta-kové spojení nazýváme topologickou vazbou a nová molekulapředstavuje topologický izomer. Takto spojené molekuly ne-musí být dvě, ale může jich být i více. Formálně sem můžemezařadit i klatráty, metaloorganické klastry, kryptáty a jinésystémy. V nich existují chemické interakce mezi částicíuvnitř systému a jejím okolím. Topologické uspořádání mole-kuly se mění pseudorotací (příkladem může být vzájemnápřeměna konformací cyklopentanu či Berry ho pseudorotace3).

T o p o l o g i c k á c h i r a l i t a j e důsledkem existenceurčitých molekulárních grafů v trojrozměrném prostoru. Dů-sledkem toho je, že topologická chiralitaje vlastností vnější.Mezi chiralitou odvozenou z našich prostorových představ,diskutovanou pomocí molekulových modelů, prostorovýchvzorců a chiralitou topologickou jsou základní rozdíly. Topo-logická chiralita se vztahuje výlučně na její molekulový grafa není nezbytně odrazem fyzikálně realistického modelu. Dajíse zkonstruovat modely, některé dokonce i připravit, které jsou„klasicky" chirální a „topologicky" achirální. To je myslímdůvodem proto, abychom o tomto způsobu vyjadřování ste-reochemických představ věděli a věřili, že průkopníci na tom-

Schéma 14 Topické souvislosti mezi reagujícími stranami přítomných funkčních skupin

302

Chem. Listy 93, 294 - 305 (1999) Referáty

to dosud nezoraném poli najdou srozumitelnou mluvu i pro„klasicky" erudované stereochemiky. Zájemci se mohou blížeseznámit s topologií v řadě s tímto problémem souvisejícíchprací35-58

Jedním z koncepčních pokroků ve stereochemii bylo zjiš-tění, že ligandy v molekulách lze definovat v termínech jejichintramolekulárních souvislostí. Pokud jsou ligandy v konsti-tučně rozdílném okolí, považujeme je za konstitučně hete-rotopní, pokud jsou v stereoizomerně rozlišitelném okolí,nazýváme j e h e t e r o t o p i c k ý m i l i g a n d y . Speci-fičtěji pojato, stereoheterotopické ligandy jsou e n a n t i o -t o p i c k ý m i , pokud jejich náhradou jinými ligandy zí-skáme enantiomery (enantitopické skupiny vázané k centruX(AABC) nebo k centru X(ABCD) značíme deskriptory Renebo Si odpovídajících chirotopických poloprostorů ohrani-čených trojúhelníkem ABC, v němž leží specifikované ligan-dy (schéma 1 3 ) a d i a s t e r e o t o p i c k ý m i , pokud tatosubstituce vede k diastereoizomerům. Konečně ligandy, které

jsou v konstitučně identickém okolí a poskytují uvedenousubstitucí stericky nerozlišitelné sloučeniny, jsou ekvivalent-ní nebo h o m o t o p i c k ý m i l i g a n d y . Nutno pozna-menat, že homotopické ligandy lze vyměnit pomocí Cn operace-mi symetrie a enantiotopické ligandy Sn operacemi symetrie.Naproti tomu diastereotopickč ligandy s konstitučními ligan-dami nelze vyměnit žádnou z operací symetrie (schéma 14,15).

Specifikace sterického průběhu enantioselektivnícha diastereo-selektivních reakcí

Specifikace sterického průběhu stereoselektivních reakcívyužívá deskriptorů R/S, umožňujících specifikovat chiralituna vznikajících stereogenních centrech a deskriptorů Re/Sizavedených k popisu ataku činidla na přítomná trigonálnícentra výchozí sloučeniny. Kombinací obou deskriptorů zís-káme dvojice stejného počátečního písmena (Re,Re:R,R:S,S:

Schéma 15

303

Chem. Listy 93, 294 - 305 (1999) Referáty

Tabulka IINejčastější typy diastereoselektivních reakcí

304

Chem. Listy 93, 294 - 305 (1999) Referáty

305

Si,Si:R,Re:S,Si) označovanou jako „like" Ik nebo 1. V případě 29. Červinka O.: Chem. Listy 61, 1198 (1967).kombinace Re,Si:R,S:Re,S:R,S:S,R:Si,R použijeme názvu „un- 30. Shurig V.: Enantiomer 1, 139 (1996).like" ul nebo u. Konvenci lze použít i u reakcí sloučenin 31. SeebachD., HungerbiihlerE.: Synthesesof Enantiomeri-vykazujících axiální, planární chiralitu či helicitu. Kombinace cally Pure Compounds (EPC-Syntheses) v Modern Syn-„like" je zde R,M:S,P:M,Re a P,Si, „unlike" R,P:S,M:P,Re thetic Methods 1980 (Sheffold R., ed.), str. 94. Salle-a.M,Si (cit.16-59). V této souvislosti se nedoporučuje používat -Sauerlander, Frankfurt 1980.dřívější značení re/si (cit.60) (tabulka II, III). 32. Izumi Y., Tai A.: Stereo-differentiating Reactions. Aca-

demie Press, New York 1977.Podstatná část referátu byla přednesena na konferenci 33. Seebach D., Kalinowski H. O.: Nachr. Chem. Tech. 24,

„Pokroky v organické, bioorganické afarmaceutické chemii", 415 (1976).Liblice 10.-12. listopadu 1997. Pro srovnání jsou uvedeny 34. Klyne W., Prelog V.: Experientia 16, 521 (1960).některé termíny a definice anglicky. 35. Wassermann E.: J. Am. Chem. Soc. 82, 4433 (1960).

36. Frisch H. L„ Wassermann E.: J. Am. Chem. Soc: 83,LITERATURA 3789 (1961).

37. Gutman I., Trinajstič N.: Topics Curr. Chem. 42,49 (1973).1. Bláha K.: Chem. Listy 65, 823(1971). 38. Simmons H. E., Maggio J. E.: Tetrahedron Lett. 22,2. Červinka O.: Chemie organických sloučenin, str. 7.1. 287(1981).

SNTLPraha 1985. 39. PaquetteL. A., VazeuxM.: Tetrahedron Lett. 22,291 (1981).3. Eliel E. L., Wilen S. H.: Stereochemistry of Organic 40. WalbaD. M., Richards R. M., Haltiwanger R.C.: J. Am.

Compounds, str. 1191. Wiley, New York 1994. Chem. Soc. 104, 3219 (1982).4. HelmchenG.: Nomenclature and Vocabulary in Organic 41. Simon J.: J. Comput. Chem. 8, 718 (1987).

Stereochemistry v Houben-Weyl, Methods of Organic 42. Flapan E.: Pac. J. Math. 129, 57 (1987).Chemistry (Helmchen G., Hoffmann R. W., Mulzer J., 43. Dmitrijev I. S.: Molekuly bez chemických vazeb. Úvod doSchaumann E., ed.), E 21 a-c, Stereoselective Synthesis. chemické topologie. SNTL, Praha 1988.Thieme, Stuttgart-New York 1995. 44. Kuck D., Schuster A.: Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 27,

5. MoosG. P.: Pure Appl. Chem. 68, 2193(1996). 1192(1988).6. HelmchenG.: Enantiomer 2, 315 (1997). 45. Dietrich-Buchecker C. O., Sauvage J. P: Angew. Chem.7. Definitions ofTerms in Stereochemistry, katalog Chiral Int. Ed. Engl. 28, 189 (1989).

Nonracemic Compounds. SIGMA-ALDRICH 1998. 46. Du S. M., Seeman N. C: J. Am. Chem. Soc. 114, 96528. DmitrijevI.S.:5ymefneveíveíemoZete;.SNTL,Prahal979. (1992).9. Fišer J.: Úvod do molekulové symetrie (Aplikace teorie 47. Stewart L, Golubitsky M.: Fearful Symmetry, str. 37.

grup v chemii). SNTL, Praha 1980. Blackwell, Oxford 1992.10. Papoušek D.: Chem. Listy 77, 673 (1983). 48. Walba D. M., Richards R. M., Haltiwanger R. C: New.11. Heilbronner E„ Dunitz J. D.: Reflections on Symmetry. J. Chem. 17, 661 (1993).

Helv. Chim. Acta Publishers, Basel 1993. 49. Flapan E., SeemanN. C: J. Chem. Soc, Chem. Commun.12. Cahn R. S., Ingold C. K„ Prelog V.: Angew. Chem. 78, 1995, 2249.

413 (1966); Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 5, 385 (1966). 50. RapenneG.,Dietrich-BucheckerC,Sauvage J.P.: J. Am.13. Bláha K., Červinka O.: Chem. Listy 61, 897 (1967). Chem. Soc. 118, 10932 (1996).14. ČervinkaO., Bláha K.: Chem. Listy 61, 1029(1967). 51. LiangCh.,MislowK.: J.Am. Chem. Soc. 117,4201 (1995).15. Bláha K., Červinka O.: Chem. Listy 61, 1481 (1967). 52. Mislow K.: Croat. Chem. Acta. 69, 485 (1996).16. Prelog V., Helmchen G.: Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 53. Chambron J. C, Sauvage J. P., Mislow K.: J. Am. Chem.

21, 567 (1982). Soc. 119, 9558 (1997).17. Gann L., Gasteiger J.: Software-Entwicklung Chemie 1, 54. Mao C, Sun W., Seeman N. C: Nature 386, 136 (1997).

str. 17. Springer, Heidelberg 1985 a citace zde uvedené. 55. Rybenkov V. V., UllspergerC, Vologodskii A. V., Coz-18. Dugundji J., Kopp R., Marquarding D., Ugi I.: Topics in zarelli N. R.: Science 277, 690 (1997).

Current Chemistry 75, Organic Chemistry and Theory. 56. Liang C, Mislow K.: Croat. Chim. Acta. 70, 735 (1997).Springer Verlag, Berlin 1978. 57. Mauksch M., von Ragué Schleyer P.: Angew. Chem. Int.

19. Ruch E.: Acc. Chem. Res. 5, 49 (1972). Ed. Engl. 36, 1856 (1997).20. BudaA.B.,MislowK.:J.Amer.Chem.Soc.7/4,6006(1992). 58. Jonas J.: Chem. Listy 93, 223 (1999).21. BudaA. S., Auf derHeyde T., Mislow K.: Angew. Chem. 59. Seebach D., Prelog V.: Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 27,

Int. Ed. Engl. 31, 989 (1992). 654 (1982).22. Jonas J.: Chem. Listy 90, 410 (1996). 60. Červinka O.: Chem. Listy 61, 1307 (1967).23. Seebach D.: Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 29, 1320

(1990); citace 436. O. Červinka (Institute of Organic Chemistry, Institute of24. Mislow K., Siegel J.: J. Am. Chem. Soc. 106, 3319 (1984). Chemical Technology, Prague): Chirality and Its Relation-25. Dagani R.: Science 11,21 (1984). ship to Other Terms26. Hanson K. R.: J. Am. Chem. Soc. 88, 2731 (1966).27. ElielE.L.: Organic Chemistry. Akademie Verlag, Berlin 1982. Basic principles of symmetry are given in brief to provide28. Helmchen G., Prelog V.: Helv. Chim. Acta 55, 2599, a starting point to the discussion chirality and its relationship

2612 (1972). to other important terms in organic stereochemistry.