1 IZOMERIA OPTYCZNA

Znaczenie izomerii optycznej.

Izomeria optyczna to zjawisko bardzo rozpowszechnione w przyrodzie. Odgrywa niezwykle ważną rolę np. w biochemii. Można śmiało powiedzieć, że większość kluczowych substancji chemicznych, uczestniczących w procesach życiowych, to izomery optyczne.

Co więcej, organizmy żywe tolerują zwykle tylko jeden rodzaj izomeru optycznego każdej substancji. Przykłady:

w ludzkim organizmie, w biosyntezie białka, aktywne są tylko tzw. „L-aminokwasy”.

w ludzkim organizmie przyswajalne są tylko „D-cukry”,

tylko jeden izomer optyczny glukozy ogrywa rolę w metabolizmie organizmów

tylko jeden z izomerów optycznych cholesterolu, spośród ponad dwustu, jest włączony do procesów biochemicznych.

tylko jeden izomer optyczny „witaminy C” jest witaminą,

tylko jeden izomer adrenaliny działa mocno pobudzająco.

w zakwaszonych mięśniach (po nadmiernym, gwałtownym wysiłku) występuje tylko jeden z izomerów optycznych kwasu mlekowego.

inny izomer optyczny kwasu mlekowego tworzy się w procesie biochemicznego utleniania i rozpadu cukrów.

w kwaśnym mleku, serze i kiszonej kapuście oraz kiszonych ogórkach występuje mieszanina obu izomerów optycznych kwasu mlekowego.

Inny izomer optyczny tej samej substancji jest albo obojętny dla organizmu i nie bierze udziału

w procesach biochemicznych, albo jest szkodliwy – powoduje inny przebieg reakcji. Skutki dla żywego organizmu mogą być wówczas katastrofalne.

Świadomość tego faktu jest niezbędna przy opracowywaniu nowych leków. Jeśli znana jest

biochemiczna strona zaburzeń funkcji organizmu, można ustalić jaka substancja powinna przywrócić kontrolę nad przebiegiem procesu. Współcześnie tworzone leki powinny być podobne do naturalnych substancji biochemicznych, a dokładnie tych, których rolę mają pełnić lub wspomagać w organizmie. Podobieństwo dotyczyć musi także rodzaju izomeru optycznego. Znane są niestety, w najnowszej historii farmakologii, tragiczne w skutkach przypadki, kiedy to wprowadzono do użytku leki zawierające niewłaściwy rodzaj izomeru. Przywołać wystarczy niesławny „talidomid” – lek o działaniu uspokajającym, nasennym, skuteczny zwłaszcza w przypadku mdłości i polecany, w latach pięćdziesiątych dwudziestego wieku, kobietom w ciąży. Jeden izomer – ten „właściwy”, przebadany dokładnie przez naukowców, nie powodował żadnych, ubocznych skutków, drugi – nieostrożnie wprowadzony do leku produkowanego na skalę przemysłową, powodował bardzo poważne zmiany w rozwoju płodu – był mutagenny, spowodował więc potworne zniekształcenia u wielu noworodków.

Izomery optyczne często różnią się także cechami fizycznymi, dla których znajdować mogą praktyczne zastosowanie. Inny może być np. zapach różnych izomerów optycznych tej samej substancji. Np. „limonen”- jeden izomer ma zapach cytryny inny pomarańczy. „Mentol” – jeden izomer ma, oczekiwany, zapach mięty, inny izomer – raczej nie wskazany, przykry zapach stęchlizny. Mięta ogrodowa zawdzięcza swój zapach także substancji o nazwie „karwon”, ale taki zapach ma tylko jeden z izomerów optycznych. Drugi izomer „karwonu” nadaje zapach kminkowi. Jak widać o izomerach optycznych pamiętać muszą także producenci substancji zapachowych.

2 IZOMERIA I IZOMERY

Związki o jednakowym składzie cząsteczki (o tym samym wzorze sumarycznym), ale o innej

strukturze cząsteczki (tj. także o innych właściwościach) to izomery. Zjawisko występowania związków w postaci izomerów to izomeria.

Wyróżnić można następujące rodzaje izomerii: I. IZOMERIA KONSTYTUCYJNA (STRUKTURALNA):

izomery różnią się kolejnością atomów w cząsteczce. Należą do tego rodzaju następujące przypadki izomerii:

» izomeria szkieletowa izomery różnią się strukturą szkieletu, tj. łańcucha głównego np.

izomery łańcuchowe czyli o łańcuchach prostych i rozgałęzionych, izomery położeniowe tj. o różnym położeniu wiązania wielokrotnego (np. w alkenach);

» izomeria podstawnikowa izomery różnią się miejscem podstawnika niewęglowego np. atomu chlorowca czy grupy hydroksylowej;

» izomeria funkcyjna, nazywana metamerią izomery różnią się strukturą grupy funkcyjnej, np. aldehydy i ketony.

II. IZOMERIA PRZESTRZENNA STEREOIZOMERIA:

izomery różnią się przestrzennym układem atomów, przy tej samej konstytucji.

Należą tu następujące przypadki:

» izomeria „cis trans” oznaczana także „Z E” izomery różnią się kształtem łańcucha głównego (łódkowy lub krzesełkowy) w sąsiedztwie wiązania podwójnego np. w alkenach lub także w peptydach albo też położeniem podstawników względem płaszczyzny pierścienia np. cykloalkanu;

» izomeria optyczna nazywana także „enancjomerią”, zjawisko występowania związku chemicznego, czynnego optycznie, w postaci stereoizomerów różniących się kierunkiem lub wielkością kąta skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego.

3 CZYNNOŚĆ OPTYCZNA SUBSTANCJI

Niektóre związki chemiczne mają właściwość skręcania płaszczyzny światła

spolaryzowanego. Właściwość tę nazywa się czynnością optyczną. Zdolność taką wykazują substancje optycznie czynne.

Światło naturalne (niespolaryzowane), jako fala elektromagnetyczna, składa się z fal

drgających, rozchodzących się w przestrzeni, jednakowo we wszystkich kierunkach wzdłuż kierunku rozchodzenia się fali. Schematycznie można to pokazać następująco:

Po przejściu światła przez urządzenie optyczne nazywane polaryzatorem, światło

(spolaryzowane) rozchodzi się już tylko w jednej płaszczyźnie: (polaryzator działa bowiem jak układ szczelin przepuszczających tylko te fale, których

płaszczyzna drgań jest idealnie równoległa do szczeliny)

Jeżeli na drodze światła spolaryzowanego ustawi się próbkę substancji optycznie czynnej (w standaryzowanym roztworze), to nastąpi odchylenie płaszczyzny światła spolaryzowanego od

pierwotnego kierunku, w prawo (+) lub w lewo (), o pewien kąt, charakterystyczny dla danej substancji (w danych warunkach).

Zaznaczyć przy tym należy, że:

nie każda substancja chemiczna jest optycznie czynna, ale właściwość ta jest bardzo rozpowszechniona w przyrodzie zwłaszcza wśród związków biochemicznych;

czynność optyczna związków wynika z budowy ich cząsteczek

substancje optycznie czynne skręcające płaszczyznę światła spolaryzowanego w prawo określa się jako prawoskrętne (+), a substancje skręcające płaszczyznę światła spolaryzowanego w lewo

jako lewoskrętne ()

pomimo, że można teoretycznie przewidzieć, czy substancja jest optycznie czynna, czy nie, znając strukturę jej cząsteczki (na podstawie np. badań rentgenowskich), to w żaden sposób nie można teoretycznie określić kierunku skręcania światła (w prawo, czy w lewo) tj. czy substancja jest prawoskrętna, czy lewoskrętna, tym samym nie można też przewidzieć o jaki kąt skręcane będzie światło; ustala się to jedynie przez pomiar;

współcześnie skręcalność substancji optycznie czynnych bada się rutynowo, w standardowych warunkach, przy pomocy prostych urządzeń optycznych nazywanych polarymetrami.

obserwator

kąt

skręcania

płaszczyzny

światła

(w lewo)

PO

LA

RY

ZA

TO

R

SU

B.

OP

TY

CZ

NIE

CZ

YN

NA

4

przyrząd ten składa się ze źródła światłą, rurki, do której wprowadza się badaną substancję i dwóch układów optycznych (polaryzatora i analizatora). Gdy polaryzator i analizator są odpowiednio ustawione względem siebie i nie ma między nimi substancji optycznie czynnej, to światło dociera do oka obserwatora. Jeżeli zaś między polaryzatorem a analizatorem znajduje się badana substancja to natężenie światła dochodzącego do obserwatora maleje, gdyż następuje skręcenie płaszczyzny polaryzacji. Dopiero po odpowiednim ponownym ustawieniu analizatora, czyli obróceniu go z powrotem o odpowiedni kąt, światło ponownie dociera do oka obserwatora. Ten kąt obrotu jest zarazem kątem skręcania płaszczyzny polaryzacji i miarą czynności optycznej badanej substancji.

W celu określenia kąta skręcania płaszczyzny światła jako właściwości charakterystycznej dla danego związku wyznacza się tzw skręcalność właściwą (α)

5 CHIRALNOŚĆ CZĄSTECZKI

Powodem czynności optycznej związku chemicznego jest asymetria jego cząsteczki Wiele przedmiotów w codziennym otoczeniu człowieka występuje parami, przy czym jeden

stanowi lustrzane odbicie drugiego. Jednocześnie każdy z nich jest inny tak, że dowolny obrót jednego nigdy nie pozwoli uzyskać drugiego z nich.

Istnienie dwóch, przestrzennych struktur o tej samej konstytucji, stanowiących wzajemne

lustrzane odbicie, ale tak, że jednej nie da się, przez żaden dowolny obrót, nałożyć na drugą, jest bezwzględnym warunkiem występowania izomerii optycznej. Przykłady obiektów chiralnych:

Człowiek i jego lustrzane odbicie (zegarek nie na lewej a na prawej ręce; serce po prawej stronie i inne narządy wewnętrzne)

Dłoń prawa jest lustrzanym odbiciem dłoni lewej, przy czym każda jest inna. Żaden, dowolny obrót dłoni prawej nigdy nie uczyni z niej lewej.

stopy, uszy, buty, rękawiczki

Taka cecha fizyczna, polegająca na tym, że nie można nałożyć przedmiotu na jego własne lustrzane odbicie, nazywana jest chiralnością (od greckiego słowa cheir = ręka).

Kryterium chiralności danego obiektu jest brak w nim płaszczyzny symetrii. Te obiekty,

które są symetryczne (posiadają płaszczyznę symetrii) będą achiralne

Chiralność występuje często wśród cząsteczek związków organicznych. Używa się następujących pojęć:

cząsteczka chiralna tj. taka, której nie da się nałożyć na jej własne lustrzane odbicie (nienakładalna na lustrzane odbicie, nieidentyczna z lustrzanym odbiciem);

cząsteczka achiralna tzn., że nie jest chiralna, a zatem jest identyczna z własnym, lustrzanym odbiciem; (kształt stożka, walca, kuli, tetraedru)

substancja chiralna tj. zbudowana z cząsteczek chiralnych;

substancja achiralna tj. zbudowana z cząsteczek, które nie są chiralne. Trzeba rozróżniać pojęcia:

chiralność to cecha fizyczna pojedynczej cząsteczki;

czynność optyczna to właściwość fizyczna substancji, w mierzalnych ilościach Pojęcia te powiązane są ze sobą w następujący sposób:

jeżeli jest czynność optyczna (stwierdzona przez pomiar), to z pewnością substancja zbudowana jest z chiralnych cząsteczek;

jeżeli są chiralne cząsteczki, to czynność optyczna może wystąpić, ale nie musi.

6 CENTRUM CHIRALNOŚCI

Współcześnie można, na podstawie badań (np. rentgenowskich), ustalić dokładnie strukturę

cząsteczki, w tym także jej geometrię. Można więc przedstawić graficznie strukturę cząsteczki każdego z izomerów optycznych badanej substancji.

Wiadomo stąd, że zwykle cząsteczki chiralne zawierają tzw. centrum chiralności.

Jest to atom węgla (czasem innego pierwiastka) związany tetraedrycznie, tj. czterema pojedynczymi wiązaniami, z czterema różnymi podstawnikami (atomami, grupami atomów).

Można to, w najprostszym przypadku, przedstawić schematycznie w następujący sposób:

(e)

(d)

(a)

(b) C

(e)

(d)

(a)

(b)C

C

(a)

(d)

(b) (e)

C

(a)

(d)

(b)(e)

C

(a)

(d)

(b) (e)

C

(a)

(d)

(b)(e)

Zauważyć można, na podstawie przedstawionych rysunków, że jeżeli w cząsteczce jest jedno centrum chiralności, to istnieć mogą dwie struktury, stanowiące nienakładalne, lustrzane odbicie, a zatem cząsteczka taka jest chiralna. Mogą więc istnieć dwa izomery optyczne.

UWAGA: 1. Znane są złożone substancje optycznie czynne zbudowane z chiralnych cząsteczek,

które nie zawierają centrum chiralności. 2. Znane są też substancje zawierające w cząsteczce kilka centrów chiralności, a mimo

to zbudowane z achiralnych cząsteczek i nie wykazujące czynności optycznej.

Atom węgla, który stanowi centrum chiralności nazywany też jest „asymetrycznym atomem węgla”.

We wzorach substancji zbudowanych z chiralnych cząsteczek centrum chiralności zaznacza

się gwiazdką (). Np.:

kwas mlekowy

CH3CHCOOH

OH

C

COOH

CH3

H OH

7

2-bromopropan-1-ol

CH3CHCH2OH

Br

C

CH2OH

CH3

BrH

1-fenyloetanol

C6H5CHCH3

OH

C

CH3

H OH

ENANCJOMERY

Dwa izomery przestrzenne, z których jeden zbudowany jest z cząsteczek stanowiących

nienakładalne, lustrzane odbicie cząsteczek drugiego to enancjomery.

Są to izomery, których cząsteczki stanowią swoje lustrzane odbicie.

Enancjomery posiadają taką samą strukturę, różnią się rozmieszczeniem podstawników w przestrzeni (konfiguracją).

Zjawisko występowania związków w postaci enancjomerów nazywane jest enancjomerią.

Każdy z enancjomerów zbudowany jest z cząsteczek chiralnych i każdy jest substancją optycznie czynną.

Właściwości enancjomerów:

1. Niemal wszystkie właściwości fizyczne enancjomerów, tej samej substancji, są jednakowe, ale zawsze enancjomery różnią się kierunkiem skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego:

jeden w prawo(+), drugi w lewo (), o ten sam kąt, charakterystyczny dla danej substancji.

2. Enancjomery mogą także różnić się barwą, zapachem lub smakiem. 3. W środowisku achiralnym wszystkie właściwości chemiczne enancjomerów są jednakowe, ale

zupełnie odmiennie zachowują się te izomery w reakcjach z udziałem innych substancji chiralnych, to znaczy:

» zasadniczo inna jest szybkość reakcji enancjomerów tej samej substancji, z inną substancją chiralną (jeden z izomerów może nawet praktycznie nie reagować),

» inna jest rozpuszczalność obu enancjomerów w tym samym, chiralnym rozpuszczalniku, wobec tego inne stężenie i przez to inna szybkość reakcji,

» chiralny katalizator inaczej zmienia szybkość reakcji każdego z enancjomerów z achiralnym reagentem,

» w wyniku reakcji enancjomerów z inną chiralną substancją tworzyć się mogą także inne izomery optyczne produktu, w tym sensie inny więc będzie kierunek reakcji.

Różnice we właściwościach enancjomerów są przyczyną różnego ich występowania, innego

ich znaczenia w przyrodzie lub też innego ich zastosowania.

Mieszanina równych ilości (tj. równomolowa) enancjomerów tej samej substancji to tzw.

mieszanina racemiczna czyli racemat. Mieszanina ta jest optycznie nieczynna, pomimo występowania w niej chiralnych cząsteczek.

Oznaczana jest symbolem (+/). Znajdują się w niej takie same ilości enancjomerów skręcających

płaszczyznę światła spolaryzowanego w prawo (+) ja i w lewo ().

8

(e)

(a)

(b)

(d)

WZORY PRZESTRZENNE

Ponieważ o rodzaju izomeru optycznego (przestrzennego) decyduje przestrzenny układ atomów lub grup atomów wokół centrum chiralności, to istnieje problem z przedstawieniem wzoru izomeru, na płaszczyźnie.

W literaturze najbardziej rozpowszechnione są trzy sposoby umownego przedstawiania wzorów przestrzennych.

C

(a)

(d)

(b)(e)

C

(a)

(d)

(b)(e)

1 WZORY RZUTOWE FISCHERA (PROJEKCJA FISCHERA)

W celu narysowania takiego wzoru należy rzutować cząsteczkę na płaszczyznę papieru w sposób prostokątny, tak aby:

atom centralny (centrum chiralności) leży w płaszczyźnie papieru, w punkcie przecięcia się linii pod kątem prostym

wiązania leżące przed (lub za) płaszczyzną rysunku, tj. skierowane ku obserwatorowi, zaznaczone są na rysunku poziomo,

wiązania schowane nad (lub pod) płaszczyznę, tj. skierowane od obserwatora, zaznaczone są pionowo.

Na przykład: bromochlorojodometan

H

I

Br

ClC

C

Br

Cl

IH

Jeżeli cząsteczka zawiera więcej atomów węgla, to łańcuch węglowy ustawić należy pionowo, umieszczając atom węgla, od którego zaczyna się numerację łańcucha głównego (czyli C

1) na górze.

W linii pionowej umieszcza się główny łańcuch węglowy, a w linii poziomej podstawniki Na przykład: aldehyd glicerynowy

CH2CHCHO

OH OH

H

HO

CHO

CH2OHC

C

CHO

CH2OH

OHH

kwas winowy HOOCCHCHCOOH

OH OH

C

C

OHH

OHH

COOH

COOH

9

2 WZORY STEREOCHEMICZNE Rysując wzór stereochemiczny:

umieszcza się atom centralny (centrum chiralności) w centrum rysunku

dwa podstawniki, np. „a” i „b”, w płaszczyźnie rysunku,

trzeci podstawnik, np. „d”, umieszcza się przed płaszczyzną rysunku,

czwarty, np. „e”, - za płaszczyzną rysunku Stosuje się przy tym następujące, umowne oznaczenia: linia o normalnej grubości oznacza wiązanie w płaszczyźnie rysunku. linia pogrubiona lub klin (poszerzony w kierunku obserwatora) oznaczają wiązanie wysunięte przed płaszczyznę rysunku, linia przerywana oznacza wiązanie schowane za płaszczyzną rysunku Na przykład: bromochlorofluorometan CHBrClF

aldehyd glicerynowy CH2CHCHO

OH OH

C

CHO

OH

CH2OHH

kwas winowy HOOCCHCHCOOH

OH OH

C

C

COOHH

COOHH

HO

OH

10

H

CHO

OH

CH2OH

H

Br

Cl

I

3 WZORY PERSPEKTYWICZNE Tworząc wzór perspektywiczny:

atom centralny (centrum chiralności) umieszcza się w płaszczyźnie rysunku, zamiast centrum rysuje się kółko,

wiązania wysunięte przed płaszczyznę rysunku zaznacza się ukośnymi kreskami wchodzącymi do wnętrza kółka,

wiązania schowane za płaszczyzną rysunku zaznacza się ukośnymi kreskami dotykającymi jedynie zewnętrznej krawędzi kółka.

Na przykład: bromochlorojodometan CHBrClI aldehyd glicerynowy CH2CHCHO

OH OH

kwas winowy HOOCCHCHCOOH

OH OH

KONFIGURACJA CENTRUM CHIRALNOŚCI

Konfiguracją centrum chiralności (konfiguracją chiralnej cząsteczki) nazywa się rozmieszczenie podstawników w przestrzeni wokół centrum chiralności.

Współcześnie możliwe jest, na podstawie badań (np. rentgenowskich, krystalograficznych, przy pomocy mikroskopu elektronowego), ustalenie rzeczywistego, przestrzennego układu atomów (grup atomów) w cząsteczce. Na tej podstawie można określić konfigurację centrum chiralności.

Stosuje się powszechnie dwa, zupełnie niezależne, umowne systemy określania konfiguracji

cząsteczek chiralnych:

system konfiguracji względnej D–L, przez porównanie do wzorca, tj. aldehydu glicerynowego

system konfiguracji absolutnej R–S przez określenie „starszeństwa” (kolejności) podstawników

OH H

H OH

COOH

COOH

11

1 KONFIGURACJA WZGLĘDNA D–L

System ten, zaproponowany przez Fischera ok. roku 1885, stosowany jest także współcześnie, ale tylko w ograniczonym zakresie. Przede wszystkim do określania konfiguracji hydroksykwasów, aminokwasów i cukrów. Za wzorzec do określania konfiguracji centrum chiralności przyjmuje się aldehyd glicerynowy

CH2CHCHO

OH OH

(wzory wg Fischera)

C

CHO

CH2OH

HO H

C

CHO

CH2OH

OHH

aldehyd L-glicerynowy aldehyd D-glicerynowy L (od „loevus”) – po lewej stronie, D (od „dexter”) – po prawej stronie

Cechą szczególną jest położenie grupy OH przy asymetrycznym atomie węgla o najwyższym lokancie (cząsteczki ustawione muszą być zgodnie z regułami pisania wzorów wg.Fischera):

Izomery o konfiguracji D i L, tej samej substancji, stanowią wzajemnie nienakładalne lustrzane odbicie, czyli są enancjomerami.

W celu określenia konfiguracji w cząsteczkach danego izomeru optycznego badanej substancji, należy:

zapisać wzór rzutowy wg. Fischera (zgodnie z poznanymi regułami),

grupę funkcyjną będącą chemicznym odpowiednikiem grupy aldehydowej (tj. taką grupę, którą można otrzymać z grupy aldehydowej, na drodze przemian chemicznych) umieścić nad centrum chiralności,

odczytać położenie grupy –OH (lub jej chemicznego odpowiednika), porównując do wzorca.

Konfiguracja zgodna z konfiguracją aldehydu D-glicerynowego oznacza przynależność

badanego izomeru do szeregu konfiguracyjnego D. Na przykład: kwas D-mlekowy L-seryna D-2-bromopropan-1-ol

C

COOH

CH3

H OH

C

COOH

CH2OH

H2N H

C

CH2OH

CH3

BrH

W przypadku cząsteczki zawierającej kilka centrów chiralności można osobno określić konfigurację każdego centrum. Często przy tym konieczny jest obrót wzoru o 180

o.

Na przykład:

kwas winowy HOOCCHCHCOOH

OH OH

C

C

OHH

OHH

COOH

COOH

12

górne centrum chiralności:

C

?

OHH

COOH

- konfiguracja D (grupa –OH po prawej stronie), dolne centrum chiralności:

?

C OHH

COOH

konieczny obrót o 180o tak, aby grupa odpowiadająca grupie aldehydowej umieszczona była

nad centrum chiralności

?

CHO H

COOH

- konfiguracja L (grupa –OH po lewej stronie)

Górna część cząsteczki jest lustrzanym odbiciem dolnej, zatem przeciwna konfiguracja.

W przypadku cukrów, gdzie większość związków zbudowana jest z wielocentrowych cząsteczek chiralnych, przyjęto umownie zasadę, że za konfigurację całej cząsteczki uznaje się konfigurację jedynie ostatniego centrum chiralności.

Podstawą podziału na izomery D i L jest występowanie grupy OH przy przedostatnim atomie węgla w cząsteczce cukru. Odmiana D ma grupę hydroksylową po prawej stronie.

UWAGA:

Badając różne substancje optycznie czynne nie stwierdzono żadnej korelacji pomiędzy konfiguracją cząsteczek chiralnych, a kierunkiem skręcania przez nie płaszczyzny światła spolaryzowanego. Oznacza to, że np. izomer o konfiguracji D, jednej substancji, może skręcać światło

w prawo (+), a w przypadku innej substancji, izomer o tej samej konfiguracji tj. D w lewo (). Podobnie izomery o konfiguracji L. Kierunek skręcania światła spolaryzowanego określa się jedynie na podstawie pomiarów, a rodzaj konfiguracji umownie, na podstawie wzorów, zgodnie z opisanymi regułami. Łatwo zauważyć, że nie każdy związek chemiczny można porównać do aldehydu glicerynowego. Często nie da się określić analogii podstawników. Wynika stąd ograniczenie zastosowania tego systemu.

Wszystkie aminokwasy białkowe posiadają konfigurację L

13

2 KONFIGURACJA ABSOLUTNA R–S. O ile system określania konfiguracji D–L znajduje tylko ograniczone zastosowanie, to zaproponowany w latach pięćdziesiątych XX wieku, przez Cahna, Ingloda i Preloga, system R–S jest uniwersalny. Z tego powodu jest, obecnie, powszechnie stosowany, wypierając z użycia system D–L. Określenie konfiguracji centrum chiralności przy zastosowaniu systemu R – S, wymaga ustalenia „starszeństwa” (kolejności) podstawników połączonych z badanym centrum. Stosuje się tu reguły oparte na liczbach atomowych:

„starszy” jest ten podstawnik, który związany jest z centrum chiralności atomem pierwiastka o większej liczbie atomowej

na przykład:

-Cl -OH -CH3 -H Z = 17 Z = 8 Z = 6 Z = 1 czyli kolejność według „starszeństwa”: „najstarszy” -Cl, UWAGA: liczy się numer pierwiastka w układzie okresowym, a nie jego masa atomowa,

w przypadku dwóch podstawników, w których pierwszy pierwiastek (tzn. ten, którego atom jest bezpośrednio związany z centrum chiralności) jest ten sam, to o „starszeństwie” decyduje suma liczb atomowych pierwiastków, których atomy są z tym pierwszym pierwiastkiem bezpośrednio związane,

na przykład: -CH3 H -CH2–CH3 H

-CH -CCH3

H H (1) Z = 6, (2) 1 + 1 + 1 = 3 (1) Z = 6, (2) 1 + 1 + 6 = 8 czyli podstawnik etylowy jest „starszy” od metylowego

jeżeli pierwszy pierwiastek jest ten sam oraz atom pierwiastka stojącego w drugiej kolejności związany jest z pierwszym, wiązaniem wielokrotnym (podwójnym, potrójnym), to liczbę atomową drugiego pierwiastka mnoży się odpowiednio (razy dwa lub trzy)

na przykład:

-CHO

-C

O

H -COOH

-C

O

O-H (1) Z = 6 (2) 8

. 2 + 1 = 17 (1) Z = 6 (2) 8

. 2 + 8 = 24

czyli podstawnik karboksylowy jest „starszy” od aldehydowego

14

„Starszeństwo” (kolejność) najczęściej spotykanych podstawników ilustruje tablica:

Kolejność: od „najstarszego”

Podstawnik

Liczba atomowa (Z)

atomu 1. atomu / atomów 2.

1. -I jodkowy 53

2. -Br bromkowy 35

3. -Cl chlorkowy 17

4. -SO3H sulfonowy 16

5. -F fluorkowy 9

6. -OCH3 eterowy 8 6

7. -OH hydroksylowy 8 1

8. -NO2 nitrowy 7 8 . 4 = 32

9. -NH2 aminowy 7 1 + 1 = 2

10. -COOH karboksylowy 6 8 . 2 + 8 = 24

11. -CHO aldehydowy 6 8 . 2 + 1 = 17

12. -CH2OH alkoholowy 6 8 + 1 + 1 = 10

13. -CH2-CH3 etylowy 6 6 + 1 + 1 = 8

14. -CH3 metylowy 6 1 + 1 + 1 = 3

15. -H wodorowy 1

Konfigurację w systemie R–S określa się na podstawie wzoru stereochemicznego. Należy, badając konfigurację danego enancjomeru, zapisać jego wzór stereochemiczny, ale

tak, aby „najmłodszy” (o najniższej liczbie atomowej) podstawnik – zwykle jest to atom wodoru – umieszczony był za płaszczyzną rysunku (z tyłu, najdalej od obserwatora).

Pozostałe trzy podstawniki (trzy punkty) wyznaczają płaszczyznę.

Jeżeli przejście kolejno, wg. „starszeństwa”, od podstawnika „starszego” do „młodszego”, odbywa się zgodnie z ruchem wskazówek zegara (tj. ruch w prawo), to konfigurację taką określa się jako R (od „rectus” – prawy).

Jeżeli przejście odbywa się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara (tj. w lewo), to konfigurację taką określa się S (od „sinister” – lewy).

Na przykład: bromochlorojodometan CHBrClI

C

I

Cl

BrH

C

Br

Cl

IH

w prawo, czyli konfiguracja R w lewo, czyli konfiguracja S R-bromochlorojodometan S-bromochlorojodometan

15

aldehyd glicerynowy CH2CHCHO

OH OH

C

CHO

OH

CH2OHH

C

CHO

CH2OH

OHH

w prawo R w lewo S aldehyd R-glicerynowy aldehyd S-glicerynowy

kwas winowy HOOCCHCHCOOH

OH OH

C

C

COOHH

OHH

HO

COOH

???? Konfiguracja górnej części cząsteczki: S R!!, dolnej części także: S R!!, zatem w

przypadku tego izomeru kwasu winowego górna część już nie jest lustrzanym odbiciem dolnej części.

16

PORÓWNUJĄC OBA SYSTEMY, ZAUWAŻYĆ NALEŻY, ŻE:

1. Jeżeli zamienimy miejscami dwa podstawniki, przy tym samym centrum chiralności, we wzorze przedstawiającym jedną konfigurację, to otrzymamy wzór obrazujący przeciwną konfigurację (lustrzane odbicie).

Na przykład:

aldehyd D-glicerynowy aldehyd L-glicerynowy

C

CHO

CH2OH

OHH

C

CHO

CH2OH

HO H

S-butan-2-ol R-butan-2-ol

C

CH3

OH

C2H5H

C

CH3

C2H5

OHH

2. Nie ma żadnej korelacji między systemami określania konfiguracji D–L oraz R–S. Oznacza to, że konfiguracja D, określona przy pomocy wzoru Fischera, wcale nie musi odpowiadać konfiguracji R, określonej przy pomocy wzoru stereochemicznego. Jednakże w wielu, zwłaszcza prostych, przypadkach występuje zgodność obu systemów: D („po prawej stronie”) odpowiada R („prawy”) L („po lewej stronie”) odpowiada S („lewy”) jest to jednak analogia przypadkowa i stanowczo nie można uznać tego za regułę.

3. Istnieje sposób transponowania wzoru Fischera na wzór stereochemiczny i odwrotnie.

Dzięki temu można porównywać konfigurację określoną niezależnie w obu systemach.

Przykład 1.:

kwas mlekowy CH3CHCOOH wzór Fischera: kwas D-mlekowy

OH

C

COOH

CH3

H OH

a) należy zamienić podstawniki: H oraz CH3 tak, aby podstawnik wodorowy (czyli „najmłodszy”) znalazł się we wzorze Fischera na dole, konfiguracja została zamieniona na przeciwną (L)

C

COOH

H

H3C OH

b) należy zamienić miejscami dwa, dowolne podstawniki (za wyjątkiem –H) tak, aby odtworzyć początkową konfigurację (D)

C

COOH

H

HO CH3

17

c) należy zapisać wzór stereochemiczny (obrócić cząsteczkę) tak, że

górny podstawnik (COOH) pozostaje na swoim miejscu (teraz umieszczony jest w płaszczyźnie rysunku),

podstawnik po prawej stronie (CH3) umieszczony jest także w płaszczyźnie rysunku,

podstawnik po lewej (OH) – przed płaszczyzną,

podstawnik dolny (H) – za płaszczyzną,

*** taka operacja oznacza jedynie obrót cząsteczki, nie zamienia się miejscami podstawników, zatem zachowana jest ta sama konfiguracja.

C

COOH

OH

CH3H

d) teraz już można określić konfigurację absolutną, wg. poznanych reguł:

kolejność od „najstarszego”: (1) OH, (2) COOH, (3) –CH3

przejście od (1) (2) (3) w prawo (zgodnie z ruchem wskazówek zegara)

czyli konfiguracja R: kwas R-mlekowy

Przykład 2.

alanina CH3CHCOOH wzór stereochemiczny: S-alanina

NH2

C

COOH

CH3

NH2H

kolejność od „najstarszego”: (1) NH2 (2) COOH (3) CH3

a) należy zapisać wzór Fischera (obrócić cząsteczkę) tzn:

podstawnik wysunięty przed płaszczyznę (CH3), zapisać po lewej stronie (co, wg Fischera, oznacza także wysunięty przed płaszczyznę),

podstawnik schowany za płaszczyznę (H) – na dole, (czyli wg Fischera także za płaszczyznę)

podstawnik na górze (w płaszczyźnie) (COOH) pozostaje zapisany na górze wzoru (wg Fischera oznacza to za płaszczyzną rysunku)

drugi podstawnik w płaszczyźnie (NH2) zostaje zapisany po prawej stronie ( wg Fischera przed płaszczyzną),

*** taka operacja w oznacza jedynie obrót cząsteczki, nie zamienia się miejscami podstawników, zatem zachowana jest ta sama konfiguracja.

C

COOH

H

H3C NH2

18

b) należy zamienić miejscami podstawnik wodorowy (H) z podstawnikiem odpowiednio po stronie lewej lub prawej tak, aby łańcuch węglowy ustawić pionowo (tu: z –CH3), nastąpi przy tym zamiana konfiguracji na przeciwną (R),

C

COOH

CH3

H NH2

c) należy zamienić miejscami podstawniki po stronie lewej i po prawej tak, aby przywrócić pierwotną konfigurację (S),

C

COOH

CH3

H2N H

d) teraz już można określić konfigurację względem aldehydu glicerynowego, wg. poznanych reguł:

grupa COOH jest odpowiednikiem grupy aldehydowej i znajduje się nad centrum chiralności

grupa NH2 jest odpowiednikiem grupy OH i znajduje się po lewej stronie

czyli konfiguracja L: L-alanina Przykład 3.

butan-2-ol CH3CHCH2CH3

OH

C

CH3

C2H5

OHH

C

CH3

H

OHH5C2

C

CH3

H

HO C2H5

C

CH3

OH

C2H5H

konfiguracja D konfiguracja S Przykład 4.

Aldehyd Dglicerynowy ma konfigurację R

19

DIASTEREOIZOMERIA

Związek optycznie czynny zawierający w cząsteczce kilka centrów chiralności, występować może w postaci większej liczby izomerów optycznych. Jeżeli w cząsteczce występuje „n” centrów chiralności, a każde z nich może mieć dwie różne konfiguracje, to maksymalnie może istnieć

2n

izomerów.

Wzór ten sprawdza się jedynie wówczas, gdy chiralne atomy węgla w cząsteczce są nierównocenne, tzn. takie, w których zestawy podstawników przy obu asymetrycznych atomach są różne.

Na przykład: aldotetroza

CHO

C

C

CH2OH

H OH

H OH

CHO

C

C

CH2OH

HOH

HOH

CHO

C

C

CH2OH

OHH

HOH

CHO

C

C

CH2OH

HO H

H OH

zawiera w cząsteczce 2 centra chiralności, zatem możliwe jest istnienie 22 = 4 izomerów optycznych

Jeżeli jednak możliwe jest występowanie takiej struktury, w której obecna jest płaszczyzna symetrii, przez co górna część cząsteczki jest lustrzanym odbiciem dolnej (czyli tak zwana forma „mezo”), to liczba izomerów optycznych będzie zmniejszona.

Odmiany mezo są to diastereoizomery posiadające płaszczyznę symetrii, są one nieczynne optycznie. Przykładem takiej sytuacji jest kwas winowy (kwas 2,3-dihydroksybutanodiowy):

są tu obecna dwa centra chiralności, można by oczekiwać czterech izomerów optycznych

jednakże występuje forma, w której istnieje płaszczyzna symetrii

(1)

C

C

OHH

OHH

COOH

COOH (2)

C

C

HO H

HO H

COOH

COOH kwas mezowinowy

kwas D,L-winowy (konfiguracja obu centrów jest przeciwna)

dwa wzory tożsame (1) = (2) (czyli ta sama struktura), obrót jednego wzoru o 180o daje wzór drugi

gdyż, jest tu płaszczyzna symetrii (prostopadła do płaszczyzny rysunku), której ślad zaznaczony jest linią przerywaną, górna część cząsteczki jest lustrzanym odbiciem dolnej części;

(3)

C

C

OHH

HHO

COOH

COOH (4)

C

C

HO H

H OH

COOH

COOH kwas D,D-winowy kwas L,L-winowy

struktura przedstawiona wzorem (3) stanowi lustrzane odbicie (4)

żaden obrót struktury (3) nie daje (4)

20

W efekcie istnieją tylko trzy izomery optyczne kwasu winowego. Wśród nich można wskazać:

parę enancjomerów – są to izomery optyczne, z których każdy jest inny, a przy tym stanowią one wzajemnie nienakładalne, lustrzane odbicie: (3) i (4)

formę mezo – struktura, w której występuje płaszczyzna symetrii taka, że górna część jest lustrzanym odbiciem dolnej (dwukrotnie ten sam wzór, zapisany po obrocie o 180

o): (1) = (2)

UWAGA: forma „mezo” nie wykazuje czynności optycznej, a jej cząsteczki nie wykazują chiralności, pomimo, że są tu obecne centra chiralności, ale jest tu taka sama liczba fragmentów o strukturze skręcającej światło w jednym kierunku, i tyle samo – w przeciwnym, o ten sam kąt (struktury lustrzane),

dwie pary tzw. diastereoizomerów:

jeden enancjomer – forma mezo: (3) i np. (1)

drugi enancjomer – forma mezo: (4) i np. (2)

DIASTEREOIZOMERY są to zupełnie różne izomery optyczne, przy czym żaden nie jest lustrzanym odbiciem drugiego.

diastereoizomery różnią się nie tylko kierunkiem, ale i kątem skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego,

diatereoizomery, w przeciwieństwie do enancjomerów, różnią się także innymi właściwościami (np. Ttop i Twrz) czy gęstość.

Zjawisko występowania związków w postaci diastereoizomerów nazywane jest diastereoizomerią.

Diastereoizomeria występuje w przypadku substancji zawierających kilka centrów chiralności w strukturze cząsteczki.

Do diastereoizomerów zaliczają się również izomery geometryczne cis trans Przykład 1. aldoheksozy

Posiadają cztery asymetryczne atomy węgla, więc tworzą 16 izomerów optycznych

CHO

C

C

C

C

CH2OH

H OH

OH H

H OH

H OH

D-glukoza

CHO

C

C

C

C

CH2OH

HOH

OHH

HOH

HOH

L-glukoza

są to struktury enancjomeryczne, gdyż jedna stanowi lustrzane odbicie drugiej (wzajemnie nienakładalne),

CHO

C

C

C

C

CH2OH

H OH

OH H

H OH

H OH

D-glukoza

CHO

C

C

C

C

CH2OH

OH H

OH H

OH H

H OH

D-taloza

są to struktury diastereoizomeryczne, gdyż żaden z tych izomerów nie jest lustrzanym odbiciem drugiego, a są to zupełnie inne izomery.

21

Przykład 2. Butan-2,3-diol:

zawiera dwa centra chiralności, są one jednak równocenne gdyż zawierają identyczne

podstawniki

wzory Fischera izomerów:

liczba stereoizomerów: 3 ponieważ enancjomery (3) i (4) są identyczne

Przykład 3. 2,3-dichloropentan

Zawiera dwa centra chiralności

Liczba stereoizomerów: 4

Enancjomery stanowiące swe lustrzane odbicia to: (1) i (2) oraz (3) i (4)

Diastereoizomery, czyli stereoizomery, które nie są swoimi lustrzanymi odbiciami, a należą do tej samej substancji to: (1) i (3) oraz (2) i (3) oraz (1) i (4) oraz (2) i (4).

22

EPIMERY

Są to diastereoizomery, które różnią się konfiguracją tylko przy jednym, asymetrycznym atomie węgla:

ANOMERY

Są to diastereoizomery formy pierścieniowej węglowodanów, różniące się konfiguracją przy pierwszym atomie węgla w aldozach i drugim atomie węgla w ketozach.

Dzięki temu określa się formy izomeryczne cukrów: α i β

Forma α grupa OH znajduje się pod płaszczyzną pierścienia

Forma β grupa OH znajduje się nad płaszczyzną pierścienia

W roztworze wodnym następuje stałe przekształcanie się wzajemne anomerów α i β jest to zjawisko charakterystyczne dla monosacharydów i nosi nazwę mutarotacji.

Formy anomeryczne różnią się między sobą wartością kąta skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego. W miarę postępowania zjawiska mutarotacji skręcalność osiąga wartość +53

0.

23