1

GEOMETRIJA ORGANSKIH MOLEKULA

DefinisanjeDefinisanje prirodnih organskih jedinjenja je problem za čije rešavanje je potrebno poznavanje niza faktora.

2

Redosled aktivnosti

1- Izolovanje supstance u čistom stanju

� složenost smeša u prirodi� sinteza takoñe daje složene smeše

Upotreba raznih metoda� kristalizacija� destilacija� hromatografija

2-Registrovanje podataka

2.1. Osnovni vizuelni podaci

� agregatno stanje

� obojenost

� kristalni oblik

� miris i sl.

3

2-Registrovanje podataka

2.2. Odreñivanje fizičkih veličina

� temperatura ključanja

� temperatura topljenja

� indeks prelamanja

� gustina

� specifični ugao skretanja

3-Odreñivanje sastava (kompozicije)

Utvrñivanje koji elementi (kvalitativno) i u

kom odnosu (kvantitativno) ulaze u sastav

jedinjenja

� molarna masa

� empirijska formula jedinjenja

4

4-Odreñivanje strukture (konstitucije)

Utvrñivanje tačnog redosleda kojim su različiti

atomi vezani jedan za drugi u molekulu.

Klasične metode se zasnivaju na:

4.1. Analizi i

4.2. Sintezi.

5

Analiza se zasniva na transformacijama ispitivanog jedinjenja kontrolisanim

reakcijama razgradnje, do prostijih jedinjenja i njihovim uporeñivanjem sa odgovarajućim jedinjenjima dobijenim sintezom.

Sinteza se zasniva na dobijanju željenog jedinjenja polazeći od

jednostavnijih, definisanih organskih jedinjenja i izvodeći strogo kontrolisane reakcije.

Savremene metode:

4.3. Analiza preko funkcionalnih grupa

4.4. Upotreba instrumentalnih metoda

(UV, IR, NMR, MS i dr.)

6

5-Odreñivanje konfiguracijemolekula

� Konfiguracija - prostorni raspored pojedinih elemenata koji ulaze u sastav molekula

� Neposredna veza sa simetrijom molekula, odnosno asimetrijom

Elementi simetrije i operacijesimetrije

� Neophodan uslov da bi neko telo bilo simetrično

je da sadrži ose i ravni simetrije, u odnosu na

koje mogu da nastanu transformacije tela, koje

dovode do toga da se telo posle transformacije

podudari sa telom pre transformacije.

� Ovakve ose i ravni se zovu elementi simetrije, a

transformacije operacije simetrije.

7

Osa simetrije

� Osa simetrije nekog tela je prava kojaprolazi kroz telo i obrtanjem oko ove osemože da se uspostavi stanje koje je ekvivalentno početnom stanju.

�Obrtanjem tela oko oko neke ose simetrije za

ugao 2π (360 o), stanje ekvivalentno

početnom može da se uspostavi jednom ili

više puta (n) – ose simetrije n-tog reda.

Osa simetrije

C6 osa, prolazi kroz centar prstena i

upravna je na ravan molekula. Sadrži i

tri C2 ose duž C-H veza i tri C2 ose koje

polove C-C veze

C3 osa, prolazi kroz atom bora, a

upravna je na ravan molekula

C2 osa, uzduž veze C=C

Coo u pravcu veza O-C-OO=C=O

H

H

H

H

H

H

B F

F

F

H

HH

H

8

Ravan simetrije

� Ravan simetrije nekog tela je zamišljena ravan koja deli telo na dva jednaka dela tako da se oni odnose jedan prema drugom kao predmet i lik u ogledalu.

Ravan simetrije

metan dihlormetan bromhlormetan bromfluorhlormetan

6 2 1 0

9

6-Odreñivanje konformacijemolekula

Podatak neophodan za definisanje

organskih molekula u prostoru i odnosi se

na oblik koji molekul zauzima.

Tačno definisanje svih postojećih veza

(dužine) i odgovarajućih valentinih uglova

(difrakcija X-zraka).

ZAKLJUZAKLJUČČAKAK

Organski molekul je definisan sledećim osnovnim faktorima:

1. Sastavom (kompozicijom)

2. Strukturom (konstitucijom)

3. Konfiguracijom i

4. Konformacijom. ““4 K4 K””

10

� Prva dva pojma se odnose samo na kvantitativan sastav i način meñusobnog povezivanja elemenata u molekulu.

� Za shvatanje 3. i 4. pojma potrebno je tzv. prostorno shvatanje organskih molekula i to se može nazvati geometrija organskih molekula.

� Stereohemija je još širi pojam i obuhvata i dinamiku izvoñenja organskih hemijskih reakcija u prostoru.

Stereoizomeri

A. Konstutucioni (strukturni) izomeri

Jedinjenja identične molekulske formule koja se razlikuju po redosledu vezivanja pojedinačnih atoma

CH

CH3

CH3

CH3

C

CH3

CH3

CH3

CH3 CH

CH3

CH3

CH2CH

3

2CH3OCH

3CH

3CH

2OH3. C2H6O

3CH3CH

2CH

2CH

2CH

32. C5H12

2CH3CH

2CH

2CH

31. C4H10

broj izomera

11

4. C3H6O9+2OH

OH

O

H OOH

OO

OHO

prop-1-en-2-ol prop-2-en-1-ol

propanal metilviniletar ciklopropanol

metiloksiran 2-propanon

prop-1-en-ol oksetan

*

Stereoizomeri

Jedinjenja kod kojih su atomi povezani na isti način, ali se razlikuju po svom prostornom rasporedu

1. cis-2-buten (Z) trans-2-buten (E)

Primeri: A. Relativno stabilni izomeri (Z, E)

2. cis-1,3-dimetilciklopentan (Z) trans-1,3-dimetilciklopentan (E)

12

B. Postoje stereoizomeri koji se uravnotežavaju velikom brzinom(govori se o konformerima ili rotamerima)

H

CH3

H H

CH3

H

H H

CH3

H

H

CH3

anti-rotamer butana

gauche-rotamer butana

Konformacije cikloheksana

stolica

kada

13

Aksijalni i ekvatorijalni vodonikovi atomi

a

a

ee

molekulska osa

CH3

CH3

ekvatorijalni metilcikloheksan aksijalni metilcikloheksan

H

H

14

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

cis- (e,a) trans- (e,e) trans- (a,a)

Konformacioni izomeri 1,2-dimetilcikloheksana

X Y

Cis-1,3-disupstituisani cikloheksan

1-3-diaksijalne interakcije

15

OHOH

NHCNH2

OHH

2NCHN

OHOH

OH

NHCNH2

HOH

NHCNH2

OH

NH

NHNH NH

Konformacija streptidina

O

OH

OH

OH

OH

O

OH

OH

OHOH

CH2OH CH

2OH

Konformacione formule αααα-(a) i ββββ-glukopiranoze (b)

(a) (b)

16

O

ee

e

e

e OCH

2OH

e

e

e

H

OHOH2C

e

a

a

a

a

ea

a

a

a

a αβ

α

β

(a) (b)(c)

Uporedne formule piranoznih oblika ugljenih hidrataa) po Haworth-u,b) po Fisher-u,c) Konformaciona formula

H

H

H

H

a) b)

Prostorni rasporedi trans- (a) i cis-dekalina (b) po Mohr-u

17

H

H

H

H

a)b)

12

345

6

7 8

9

10

12

34

5

6

7

8

9

10

Prostorni razmeštaj trans- (a) i cis-dekalina (b)

A B

C

*

*

**

Obeležavanje skeleta perhidrofenantrena

Policiklični sistemi

18

H

H

H H H

H

HH

a) b)

Obeležavanje konfiguracije perhidrofenantrenaa) trans-anti-transb) cis-syn-cis

a) b)

Konformacija dva od šest stereoizomera perhidrofenantrenaa) trans-anti-trans (R, S)b) cis-syn-cis (meso)

19

Konformacija steroidnih sistema

R

A B

C D1

2

3

45

6

7

8

9

10

1112

13

1415

16

17

18

19

Obeležavanje skeleta steroida

R

H

H H

H

H

H

R

H

H

H

H

a) b)

58

9

10

13141

Steroidi 5 αααα-serijea) konfiguraciona formulab) konformaciona formula

20

R

H

H H

H

H

R

H

H

H

H

H

a) b)

58

9

10

1314

1

Steroidi 5 ββββ-serijea) konfiguraciona formulab) konformaciona formula

C. Enantiomeri(enantos, grč. nasuprot)

Parovi molekula koji se odnose kao predmet i njegov lik u ogledalu i ne mogu se poklopiti jedan sa drugim. Takva jedinjenja su hiralna.

BrBr2

hν

(-HBr)

*

21

BrH

HH

BrH

HH

ravan refleksije

* *

H

Br ClF

H

BrClF

* *

Cahn-Inglod-Prelog sistem: R,S-

sistem

C C

C C

a

b

cd

a

b

cd

a

b c

a

bc

RS

22

Fisherovim projekcionim formulama definisana je apsolutna konfiguracija

CH3CH

2Br

H

CH3

12

3

4

12

3

4

S

CH3CH

2Br

H

CH3

12

3

4

12

3

4

R

supstituentnajmanjeg prioritetau vertikalnompoložaju

Diastereomeri

CH3

BrH

H

CH3

Cl

CH3

Br H

H

CH3

Cl

CH3

Br H

Cl

CH3

H

CH3

BrH

Cl

CH3

H

enantiomeri

enantiomeri

diastereomeri

R

S

R

R

R

S

S

S

(2S,3S)-2-brom-3-hlorbutan (2R,3R)-2-brom-3-hlorbutan

(2S,3R)-2-brom-3-hlorbutan(2R,3S)-2-brom-3-hlorbutan

23

Cis- trans-izomeri su ciklični

diastereomeri

H

Br

Cl

H

H

Br

Cl

H

H

Br

H

Cl

H

Br

H

Cl

R

S

S

S

S

R

R

R

Odreñivanje stereohemije

R,R-stereoizomera

Br HH Cl

CH2

ClHC

Br H

CH2

BrHC

Cl H

1 2

C1 je R C2 je R

12

okreniteprsten daH bude pozadi

rotirati

24

Postojanje više od dva stereocentra uslovljava

postojanje većeg broja diastereomera

predmet:

lik u ogledalu: R

SRRR

SSS

RR

R R

R

R

R

R

S

SS

S S

S

S

S

Jedinjenje sa n stereocentara može imati maksimalno2n stereoizomera

Mezo-jedinjenja

CH3

BrH

H

CH3

Br

CH3

Br H

H

CH3

Br

CH3

Br H

Br

CH3

H

CH3

BrH

Br

CH3

H

enantiomeri

enantiomeri?

diastereomeri

R

S

R

R

R

S

S

SNe! Identični su!

(mezo)

(2R,3R)-2,3-dibrombutan(2S,3S)-2,3-dibrombutan

(R,S)-2,3-dibrombutan

25

Ciklična jedinjenja mogu biti mezo

H

Br

Br

H

H

Br

Br

H

H

Br

H

Br

R

S

S

S

R

R

1R,2S isto kao 1S,2R

Primer: vinska kiselina

OHH

HOH

COOH

COOH

OH H

H OH

COOH

COOH

OH H

OH H

COOH

COOHR

S

R

R

S

S

2,3-dihidroksibutan-dikiselina

26

Racemski oblici i optička čistoća

Ekvimolarna smesa R i S enantiomera naziva se racemska smeša.

Delimično racemizovane smeše imaju specifičnu rotaciju (α):

[α]/[α]max=p

gde je [α]max specifična rotacija čistog enantiomera.

Rotaciona moć racemske smeše je 0 i optička čistoća je p=0.

Čist enantiomer ima optičku čistoću p=1.

Optička čistoća

Kada je p poznato tada je moguće izračunati sastav smeše enantiomera E+/E-

−+

−+

+

−=

EE

EEp

Količnik se naziva enantiomerna čistoća, a E+ je enantiomer u višku.

p

p

E

E

−

+=

−

+

1

1

27

Enantiomerni višak

Optička čistoća (%)=[α]/[α]max=[(R-S)/(R+S)]x100=

=[R/(R+S)-S/(R+S)]x100=enantiomerni višak (%)

Izračunavanje enantiomernog viška iz GC ili NMR podataka:

1

1

.(%).

+

−

=

S

R

S

R

ve

28

Dijagrami temperature topljenja konglomerata (a) i racemata (b)

Razdvajanje racemske smeše

• Mehaničko• Biološko• Hemijsko

R i S oblik su hemijski reaktivni u istoj meri i mogu da reaguju i sa

optički aktivnim jedinjenjima

29

XR +XS

YS

XRYS +XSYS

XRYSXSYS

XS + YSXR + YS

XR XS

Racemska smeša

Razdvajanje diastereomera

Raskidanje veze

Razdvajanje i regeneracija YS

CH

NH2

COO

OHH

HOH

COOH

CH3N

H

CH3

C CH COO

OHH

HOH

COOH

C CH

CH3N

H

CH3

CNH2

H

CH3

C CH

C CH

CNH2

H

CH3

CH3CHC

racemski (R,S)-3-butin-2-amin

(+)-vinska kiselina,

voda, nekoliko dana

_ + _ +

+

R S

(+)-tartaratna so R-aminakristališe iz rastvora

(-)-tartaratna so S-aminaostaje u mat. lugu

K2CO3, H2O K2CO

3, H

2O

R S

(+)-R-3-butin-2-amin (-)-S-3-butin-2-amin

Razlaganje 3-butin-2-amina

[α]=+24.4o [α]=-24.1o

[α]=+53.2o [α]=-52.7ot.k. 82-84 oC

30

Primeri nekih hiralnih proizvoda u prirodi

1. Alanin (2-aminopropanska kiselina)

Esencijalna amino kiselina, u jednom enantiomernom obliku (L)

C

H

COOH

CH3

NH2

H

CH3

NH2

COOH

*

S-alanin

2. Mlečna kiselina (2-hidroksipropanska kiselina)

U krvnoj i mišićnoj tečnosti, jedan enantiomer

U kiselom mleku i nekom voću, smesa enantiomera

C

H

COOH

OH

CH3

H

CH3

OHCOOH

H

CH3

OHHOOC

*

L (S) D (R)

31

3. Karvon (((2-metil-5-)1-metiletenil)-2-cikloheksenon)

Stereocentar je u šestočlanom prstenu

Karvon je sastojak raznih etarskih ulja aromatičnih biljaka: kima, miroñije, bosiljka ...

O

H

O

H

* *

Miris kima i miroñije Miris bosiljka

Nastajanje različitihprostornih rasporeda

poli αααα-olefina transadicijom

A. Izotaktički,B. Ataktički,C. Sindiotaktički,D. Stereo-blok.