สเตอรโอเคม (Stereochemistry)
บทท 6
6.1 บทนา สเตอรโอเคม (Stereochemistry) เปนวชาทศกษาเกยวกบโครงสรางสามมตของโมเลกล
โครงสรางทวไปของสารประกอบอนทรยทเขยนบนกระดาษนน เราจะเหนแคโครงสรางทเปนสองมต แตโครงสรางทแทจรงของโมเลกลเปนรปสามมต แมวาเราจะมวธเขยนแสดงโครงสรางโมเลกลเปนสามมต เชน Sawhorse projections, Newman projections, Wedge projections เปนตน แตการมองโครงสรางทเขยนบนแผนกระดาษไมเพยงพอทจะทาใหนกศกษาเขาใจอยางถองแทถงโครงสรางทแทจรงของโมเลกลของสาร เพอใหนกศกษาไดเหนภาพพจนทแทจรงของโมเลกลของสาร เราจะใหนกศกษาทดลองทาแบบจาลองโมเลกลของสารประกอบอนทรยดวยตนเอง ไดเหนตาแหนงตางๆ ของอะตอมภายในโมเลกล และรปรางทแทจรงของโมเลกลของสาร
6.2 ชนดของไอโซเมอร ไอโซเมอร คอ สารตางชนดกนทมสตรโมเลกลเหมอนกน ไอโซเมอรถกจาแนกออก
เปนชนดตางๆ ดงน Isomers structural isomers conformational Stereoisomers isomers enantiomers diastereoisomers
geometrical isomers
CM 328 57
6.2.1 ไอโซเมอรเชงโครงสราง (Structural isomers) คอไอโซเมอรทมโครงสราง (สองมต) ตางกน เชน Skeletal isomers เชน
CH3CH2CH2CH3CH3 CH3
CH
CH3 n-Butane Isobutene Positional isomers เชน
CH3CH2CH2Cl CH3CH3
CHCl
1-Chloropropane 2-chloropropane Functional isomers เชน
CH2CH2OH CH
3O CH3
Ethanol Dimethyl ether
6.2.2 คอนฟอรเมชนนลไอโซเมอร(Conformational isomers) เปนไอโซเมอรทเกดขนจากการหมนรอบพนธะเดยวซงทาใหตาแหนงของอะตอมภาย
ในโมเลกลเปลยนแปลงไปจากเดม เชน
Acyclic compounds Ethane
H
H
H
H
HH
H
H H
H
HH
H
H
H
H H
H
HH H
H HH
sawhorse Newman Sawhorse Newman Eclipsed staggered
CM 328 58
n-Butane
H
H H
CH3
HH
3C
H
CH3
H
H3C
HH
H
CH3
H
H H
CH3
CH3H H
H HCH3
H
CH3
CH3
H
H CH3
H
CH3H
H
H
CH3
HH
CH3H
CH3
H3C
HH
H
HHH
(sp) (ac) (sc) (ap)
Cyclic compounds
Cyclopropane Cyclobutane
Envelope half-chair Cyclopentane
Twist-boatChair Boat Cyclohexane
CM 328 59
6.3 สเตอรโอไอโซเมอร (Stereoisomers) เปนสารประกอบทมสตรโมเลกลเหมอนกน แตตางกนทการจดตวของอะตอมในอวกาศ
(space) การจดตวดงกลาวนกคอการจดตวทเปนรปสามมต การจดตวทเปนรปสามมตนเราเรยกวา คอนฟกเรชน ดงนน สเตอรโอไอโซเมอรกคอโมเลกลทมคอนฟกเรชนตางกน
X
C
YA
B
X YA B
การจดตวของอะตอมหรอหมรอบๆ อะตอมทเปนศนยกลาง เชน คารบอน ถาอะตอมทมาจบกบคารบอนตางกนทง 4 ตว เราเรยกคารบอนซงเปนศนยกลางของรปเตตตระฮดรลวา ศนยไครล (chiral center) หรอ asymmetric carbon atom และสารประกอบนจะมสเตอรโอไอโซเมอรได 2 ตวทมคอนฟกเรชนตางกน
สารประกอบทมศนยไครล 1 ศนย สารประกอบทมศนยไครล 1 ศนยจะมสเตอรโอไอโซเมอรได 2 ตว สเตอรโอไอโซเมอร
นมความสมพนธเปนภาพในกระจกเงาของกนและกน เราเรยกสารประกอบ 2 ตวนวา อแนนตโอเมอร (Enantiomers)
CHO
CHO
CH3
CHO
C
CH3
OHH
CHO
ClCCl
CH3
CHO
C
CH3
ClClH
ก กระจก ข ค กระจก ง
อแนนตโอเมอร ก และ ข เปนสารคนละตว ค และ ง เปนสารตวเดยวกน
(มศนยไครล 1 ศนย) (ไมมศนยไครล ไมมอแนนตโอเมอร )
CM 328 60
อแนนตโอเมอรทง 2 ตว (ก และ ข) ไมสามารถซอนทบกนสนท (non-superimposable) แต ถาสารประกอบใดมหมแทนทหรออะตอมทจบกบคารบอนซากน โมเลกลนนจะไมมอแนนตโอเมอร เพราะอแนนตโอเมอร 2 ตวน (ค และ ง) เปนสารตวเดยวกนและสามารถซอนทบกนไดสนท (super-imposable) เราเรยกสารประกอบ (ค หรอ ง) วา มโซเมอร (mesomer)
สารประกอบทมศนยไครลมากกวา 1 ศนย สารประกอบทมศนยไครลมากกวา 1 ศนย จะมจานวนสเตอรโอไอโซเมอรมากกวา 2 ตว
ในกรณทเปนศนยไครลทตางกน(หมทจบกบศนยไครลไมซากน) จานวนสเตอรโอไอโซเมอรท
เปนไปไดคอ 2n โดย n เปนจานวนศนยไครลทแตกตางในโมเลกลนน ตวอยางเชน
ไดแอสเตอรโอไอโซเมอร
CHO CHO
C H
C C
H HO
CH2OH
OHC
HHOOHH
CHO CHO
H
C C
HO H
CH2OH CH2OH
C
HHO
OH
H
CH2OH
C
OH
กระจก กระจก อแนนตโอเมอร อแนนตโอเมอร ไดแอสเตอรโอไอโซเมอร
ไดแอสเตอรโอไอโซเมอร
สรป : สเตอรโอไอโซเมอรทงหมดม 4 รป มอแนนตโอเมอร 2 ค
สาหรบสารประกอบทมศนยไครลหลายศนยทเหมอนกน(คอศนยไครลเหลานมหมทจบ
อยเหมอนกน) สารประกอบดงกลาวจะมจานวนสเตอรโอไอโซเมอร < 2n ตวอยางเชน
CM 328 61
COOHC
H
COOH
OHC
OHHCOOH COOH
OH
C C
HO CH
COOH COOH
HC
HHOOHH
กระจก มโซเมอร อแนนตโอเมอร
ไดแอสเตอรโอไอโซเมอร ไดแอสเตอรโอไอโซเมอร
สรป : สเตอรโอไอโซเมอรทงหมดม 3 รป คอ อแนนตโอเมอร 1 คและมโซเมอร 1 ตว
สารประกอบทมศนยไครลแตโมเลกลมระนาบสมมาตรจะไมมอแนนตโอเมอร เพราะสารประกอบดงกลาวและอแนนตโอเมอรของมนเปนสารตวเดยวกน เราเรยกสารดงกลาวนวา มโซเมอร (mesomer)
6.4 คณสมบตของอแนนตโอเมอร อแนนตโอเมอร 2 ตวทมโครงสรางเปนภาพในกระจกเงาของกนและกนมคณสมบตท
สามารถหมนหรอเบยงเบนระนาบแสงโพลาไรสได สารทมคณสมบตดงกลาว เราเรยกวา สารออปตกลลแอกตฟ (optically active compounds) หรอเปนสารทมออปตกลแอกตวต (optical activity)
อแนนตโอเมอร 2 ตวน มคณสมบตทางกายภาพเหมอนกนแทบทกประการ แตจะมความแตกตางอย 2 ประการ คอ 1. หมนหรอเบยงเบนระนาบแสงโพลาไรสไปในทศทางตรงกนขามกน โดยตวหนงจะหมนระนาบ
แสงไปทางขวา เรยกชอนาหนาวา “dextrorotatory” หรอ “d” หรอ “+” สวนอกตวหนงหมน
ระนาบแสงไปทางซาย เรยกชอนาหนาวา “levorotatory” หรอ “l” หรอ “−” ตวอยางเชน กรดแลกตก (Lactic acid)
CM 328 62
COOH
HO C H
CH3
COOH
H C O
CH3
H
d -lactic acid หรอ (+)-lactic acid l -lactic acid หรอ (-)-lactic acid
2. ถานาอแนนตโอเมอร 2 ตวนไปทาปฏกรยากบรเอเจน (reagent) หรอ สารทออปตกลลแอกตฟ (optically active) อแนนตโอเมอร 2 ตวนจะทาปฏกรยาดวยอตราเรวทตางกน เชน R
NH2
CH COOH ไมเกดปฏกรยา
R
NH2
CH COOH
D-enantiomer
R
D-aminooxidase
L- enantiomer
O2 , H2O2
C OHD-aminooxidase
O2 , H2O2
H2O
O
NH3+ +
6.5 ฟชเชอรโปรเจกชน (Fisher projection) เปนวธเขยนโมเลกลสามมตทเสนอแนะโดย Emil Fisher(1891) ฟชเชอรโปรเจกชน
เขยนงายโดยเพยงลากเสนตดกนเปนมมฉาก จดตดของเสนตงฉากเปนตาแหนงของคารบอนอะตอม หมทอยในแนวนอน(ดานขวาและซาย)จะอยเหนอระนาบของกระดาษ สวนหมในแนวตง(ดานบนและลาง)จะอยใตระนาบของกระดาษ
CH3
COOH
CHO H C
CH3
HO H
COOH
CH3
HO H
COOH
Wedge projection Fisher projection
CM 328 63
CH3
COOH
CH C
CH3
H OH
COOH
H
CH3
OH
COOH
OH
Wedge projection Fisher projection
การเปลยนแปลงตาแหนงของหมทมาจบกบคารบอนทเปนศนยไครล อาจทาใหเปลยน เปนสารใหมซงไมใชสารเดม จงตองทราบวธทถกตองในการยายหมตางๆ รอบๆ ศนยไครล
การหมนฟชเชอรโปรเจกชนเปนมม 180o ในระนาบของกระดาษสามารถทาไดโดยสตรทเปลยนไปยงคงเปนของสารตวเดม เชน
1.
หมน 1800
ในระนาบของกระดาษ
CH3CH
COOH
OH
CH3
C H
COOH
HO
2. การตรงหมใดหมหนงไวแลวหมนอกสามหมตามหรอทวนเขมนาฬกาสามารถทาไดโดยสตรเหลานยงคงเปนของสารตวเดมอย
CH3
OH
COOH
H CH3
OH
COOH
H
CH3
OH
COOHH
CH3
HO
COOH
H
6.6 คอนฟกเรชนสมบรณ (Absolute configuration) 6.6.1 ระบบ RS R และ S ใชนาหนาชอของสารเพอบอกคอนฟกเรชนสมบรณ (Absolute configuration)
ของศนยไครลโดยอาศยหลกของ sequence rule ในกรณทศนยไครลเปนคารบอนอะตอม การพจารณาอะตอมทงสตวทจบกบศนยไครลโดยตรง ใหวางอะตอมทม priority ตาสดใหไกลจาก ตาของคนมองมากทสด สวนอกสามอะตอมทเหลอใหเรยงลาดบตาม sequence rule โดยเรยง
CM 328 64
จากเลขอะตอม(atomic number)สงไปตา ถาการเรยงลาดบของสามอะตอมนวนตามเขมนาฬกา คอนฟกเรชนสมบรณจะเปน R แตถาวนทวนเขมนาฬกา คอนฟกเรชนสมบรณจะเปน S ถาเลขอะตอมเทากน ใหเปรยบเทยบเลขมวลและถาเทากนอก ใหพจารณาอะตอมตวถดไป
R-2-Butanol S-2-Butanol
Priority : - OH > -CH2CH3 > -CH3 > H
CHO CHO
H
C C
HO H
CH3CH
3
C
HHO
OH
H
C
OH
(2R , 3S)-Butanol (2S , 3R)-Butanol
การเรยงลาดบของอะตอมและหมตางๆตาม sequence rule เปนดงน : I > Br > Cl > S > P > F > O > N > C > D(deuterium) > H
−C(CH3)3 > −CCH(CH3)2 > −CH2CH3 > −CH3
CO
CO
NH2CO
RCO
HCO
> > > >OR OH
C N > C C CH CH2>H
CM 328 65
6.6.2 ระบบ DL เปนระบบทใชบอกคอนฟกเรชนสมบรณแบบเกาทใชเรยกสารประกอบประเภทคารโบ
ไฮเดรต และกรดอะมโน โดยการพจารณาจากฟชเชอรโปรเจคชนของโมเลกลทมโครงสรางแบบ R1 – CHX – R2 กอนอนใหจดหมทมระดบออกซเดชนสงกวาอยดานบน ถาหม X (กรณของคารโบไฮเดรด, X = OH; สวนกรณของกรดอะมโน, X = NH2) อยทางขวามอ ใหมคอนฟกเรชนสมบรณเปน D แตถาหม X อยทางซายมอ ใหมคอนฟกเรชนสมบรณเปน L เชน
CHO
CH
CH2OH
OH
CHO
C H
CH2OH
HO
กระจก
D-(+)-glyceraldehyde L-(−)-glyceraldehyde
HO
CHO
OHHHHOOHHOHH
CH2OHD-(+)-Glucose
COOH
HNH2
OHHCH3
COOH
HCH3
L-(+)-ThreonineL-(+)-Lactic acid
2
5
(พจารณาจากหม NH2 ท C2 (พจารณาจากกหม OH ท C5
ซงเปนศนยไครลสาดบตาสด) ซงเปนศนยไครลสาดบสงสด)
6.7 Cis-trans isomers
6.7.1 ระบบ EZ ใชเรยกสารประกอบทเปนจโอเมตรกลปไอโซเมอร (geometrical isomers) หรอซส-
ทรานส-ไอโซเมอร (cis - trans isomers) วธการคอ เปรยบเทยบ priority ของหมแทนททงสองทจบกบคารบอนแตละตวของพนธะคตามsequence rule ถาหมแทนท 2 หมทม priority
CM 328 66
C C
Br Cl
CH3I Br ม priority สงกวา CH3
E-1-bromo-2-chloro-2-iodo-propene I มpriority สงกวา Cl Br และ I อยดานตรงขามกน
HH3C
H
CH3
HCC
H3C
HCC
CH3 Z - 2 -Butene E - 2 –Butene
หรอ Cis -2 – Butene trans – 2 - Butene
H H H CH3 H3C CH3 H3C H Z- หรอ Cis- E- หรอ trans- 1,2 –Dimethylcyclopropane
6.7.2. ระบบ re-si เปนระบบทใชเรยกดานสองดาน (faces) ของสารประกอบทมพนธะค เนองจากสารประกอบ
เหลานเปนรปแบนราบ การเรยกชอดานสองดาน (หนาและหลงหรอบนและลาง) ของสารประกอบเหลานทาไดโดยมองโมเลกลจากดานใดดานหนง แลวเรยงลาดบอะตอมหรอหมแทนททจบกบคารบอนตาม sequence rule
CM 328 67
มองจากดานหลง
มองจากดานหนา
ดานหนา
XY
ZC
ดานหลง
C
X
Z
C
X
Y ZY
si re
ถาเปนพนธะค C=C การเรยกชอตามระบบ re-si โดยพจารณาคารบอนทละตว (เรยงลาดบจาก 1 ไป 2)
re-si มองจากดานบน si-si มองจากดานบน
C CHOOC COOH
H HC C
H COO
HOOC H
H1 2 1 2
si - re มองจากดานลาง re-re มองจากดานลาง
maleic acid fumaric acid
CM 328 68
ระบบ αβ 6.8 ใชบอกตาแหนงของหมแทนทในสารประกอบบางประเภท เชน นาตาล และโดยเฉพาะอยาง
ยงใน steroid อะตอมหรอหมแทนททอยใตระนาบของกระดาษเปนตาแหนง α [เขยนเปนเสน
ประในรปแบนราบ (steroid) หรอตาแหนง axial ในรปสามมต(รปบนซาย)] สวนอะตอมหรอหม แทนททอยเหนอระนาบของกระดาษเปนตาแหนงβ[เขยนเปนเสนหนาทบในรปแบนราบ(steroid)
หรอตาแหนง equatorial ในรปสามมต (รปบนขวา) ]
O
H
OH
H
OH
H
OHOHH
H
OH
O
H
OH
H
OH
H
HOHH OH
OH
α- D-(+)- glucopyranose β - D-(+)- glucopyranose
CH3
CH3
HO
H
H
COOH
H
H
OH
α steroid (รปแบนราบ) β
6.9 Symmetry elements และ Chirality คณสมบตความสมมาตรของโมเลกลสามารถพจารณาไดจาก symmetry elements ซง
สามารถใชประกอบในการพจารณา ไครลลต (chirality) ของโมเลกลได symmetry elements ทสาคญประกอบดวย
1. ระนาบสมมาตร (A plane of symmetry หรอ σ plane) เปนระนาบทแบงโมเลกลออกเปน 2 สวน แตละสวนเปนภาพในกระจกเงาของกนและ
กนหรออาจเรยกวา เปนระนาบกระจกเงา ตวอยางเชน
CM 328 69
COOH
C
H
COOH
OHC
OHHσ
2. ศนยสมมาตร (A center of symmetry หรอ i)
เปนจดกงกลาง หรอ จด i ของโมเลกลซงโมเลกลนมอะตอมทเหมอนกนอยตรงกนขามกนและเมอลากเสนจากจดนไปยงอะตอมทงสอง จะมระยะหางทเทากน
HO CL
OH
i
Cl
3. แกนหมน-สะทอนกลบ (rotation-reflection axis หรอ Sn)
เปนแกนนาซงเมอหมนโมเลกลรอบแกนนเปนมม แลวใชกระจกเงาสะทอนภาพใน
แนวตงฉากกบแกนหมน ภาพของโมเลกลในกระจกเงาจะเหมอนกบโมเลกลกอนหมนทกประการ n
0360
เชน
H
Cl
Cl
H
Cl
H
Cl
HC S4
CM 328 70
4. แกนหมนสมมาตร (axis of symmetry หรอ Cn , n > 1)
เปนแกนหมนทเมอหมนโมเลกลรอบแกนหมนเปนมม (n > 1) จะไดโมเลกลท
เหมอนเดมทกประการ คอ เหมอนกบโมเลกลตอนกอนหมน ตวอยางเชน n
0360
CHCH3
C2H5HC
C2H5
CH3
C2
คณสมบตความสมมาตร และ ไครลลตของโมเลกล
โมเลกลทอะไครล (achiral molecule) คอโมเลกลทประกอบดวย symmetry elements ตอไปน
1. ระนาบสมมาตร (σ) 2. ศนยสมมาตร ( i ) 3. แกนหมนสะทอนกลบ (Sn)
โมเลกลทไครล (chiral molecule) คอ 1. โมเลกลทประกอบดวย symmetry element คอ แกนหมนสมมาตร (Cn , n > 1 ) 2. โมเลกลทไมม symmetry elements คอโมเลกลทประกอบดวย point group C1
6.10 ออปตกล แอกตวต(Optical activity) สารประกอบทไครลสามารถหมนระนาบแสงโพลาไรสได สารประกอบเหลานอาจอยใน
รปบรสทธของแขง ของเหลว หรอกาซบรสทธ สารประกอบทมคณสมบตดงกลาวเปนสารประ กอบทออปตกลลแอกตฟ (optically active compound) หรอมออปตกลแอกตวต (optical activity)
CM 328 71
สารประกอบออปตกลลแอกตฟอาจเปนสารประกอบตอไปน คอ 1. เปนสารประกอบทม chiral center อยางนอยหนงตว ตวอยางเชน
CH3
CH
CH3
CHO
C6H5C6H5
OH H
กระจก [α] = +42.9o (neat) [α] = - 42.9o (neat) 27
D27D
1-Phenylethanol
หรอ 2. เปนสารประกอบทไมม chiral center แตมความไมสมมาตรของโมเลกล สารเหลานกเปนสารไครลเชนกน ตวอยางเชน
6.11 เรโซลชนของสารผสมราซมก (Resolution of racemic mixture )
สารผสมราซมก ประกอบดวย อแนนตโอเมอรสองตวทมปรมาณเทากนมาผสมกน สารผสมราซมกไมสามารถหมนระนาบแสงโพลาไรส เนองจากอแนนตโอเมอรตวหนงหมนระนาบแสงโพลาไรสไปทางขวา อกตวหนงหมนระนาบแสงไปทางซายดวยมมทเทากน คาการหมนจง
Paracyclophane Ansa derivative
Trans-cyclo-octene Hexahelicene
CM 328 72
(+) – B – (+) – A (+) – B ⎯⎯⎯ →⎯regenerate
(±) – B + 2 (+) – A แยก
Racemic chiral
Mixture reagent (−) – B – (+) – A (-) – B ⎯⎯⎯ →⎯regenerate
Diastereoisomers
สารผสมราซมกทเปนกรดอนทรย แยกไดโดยเปลยนใหเปนเกลอไดแอสเตอรโอไอโซเมอร (diastereomeric salts) โดยการทาปฏกรยากบเบสอนทรย เชน เอมนทมoptically pure) แลวแยกเกลอไดแอสเตอรโอไอโซเมอรออกจากกนดวยการตกผลกลาดบสวน
สารผสมราซมกทเปนเบสอนทรยกใหทาปฏกรยากบกรดอนทรยท optically pure แลวแยกเกลอไดแอสเตอรโอไอโซเมอรออกจากกนดวยวธธรรมดา
R′NH2 + R∗COOH (±)-R′+Ν H3
−OOCR∗ (±)-เบส กรด เกลอไดแอสเตอรโอไอโซเมอร แยก
(+)-R′ H3−OOCR∗ (−)-R′
+Ν
+Ν H3
−OOCR∗
สารละลาย NaOH เจอจาง สารละลาย NaOH เจอจาง
R∗COO-Na+ + (+)-R′NH2 R∗COO
-Na+ + (−)-R′NH2
CM 328 73
สารผสมราซมกทเปนกลาง ใหเปลยนเปนอนพนธของกรดหรอเบสกอน แลวจงเปลยน เปนเกลอไดแอสเตอรโอไอโซเมอร เชน ราซมกแอลกอฮอลใหทาปฏกรยากบ phthalic anhydride กอนได racemic hydrogen phthalate ester ซงยงมหมกรดอย จงใหทาปฏกรยากบบรซน (brucine)ทบรสทธ จะไดเกลอไดแอสเตอรโอไอโซเมอรแลวแยกออกโดยการตกผลก นาผลกทไดมาไฮโดรไลสดวยกรดเพอแยกบรซนออก แลวไฮโดรไลสดวยเบส จะไดแอลกอฮอลทออปตกลลแอกตฟกลบคนมา(รปท6.1)
C
CH3O
C
O
+ CHC6H13(+)
O
COOH
C OO
CH
2-Octanol
CH3
C6H13OH
COO-Brucine-(-)
C OO
CH
CH3
C6H13-(+)
(-)-Brucine
(+)
เกลอไดแอสเตอรโอไอโซเมอร
COO-Brucine-(-)
C OO
CH
CH3
C6H13-(+)
COO-Brucine-(-)
C O CH
CH3
C6H13
O
HCl
COO-Brucine-(-)
C OO
CH
CH3
C6H13-(+) OH-CH3CHC6H13(+)
2-Octanol
OH
(+)
+
รปท 6.1 เรโซลชนของราซมกแอลกอฮอล
แยกเกลอไดแอสเตอรโอไอโซเมอร
COO-
(-)
COO-
CM 328 74
6.12 โพลารมเตอร (Polarimeter) เปนเครองมอทใชวดออปตกลแอกตวตของสาร สวนประกอบของโพลารมเตอรมดงน :
แหลงกาเนดแสง, Nicol prism ทเปนโพลาไรเซอร (polarizer), หลอดบรรจสารและ Nicol prism ทเปนตววเคราะห (analyzer)
รปท 6.2 สวนประกอบของโพลารมเตอร
แสงจากแหลงกาเนดซงสนไปทกทศทกทาง เมอผาน Nicol prism แสงจะสนอยใน
ระนาบเดยวซงเรยกวา plane-polarised light ในขณะทหลอดบรรจสารวางเปลา เราจะเหนแสงมความเขมสงสด ถาหมน analyzerไป แสงจะคอยๆมวลงจนกระทงมวทสด ถาหมนanalyzer ไปท 90O จดทมดทสดคอจดศนย (zero point)
ถาใสสารตวอยางในหลอดแลวไมมการเปลยนแปลงความเขมของแสงจากจดศนย แสดงวา สารนน optically inactive แตถาสารนนหมนระนาบแสงโพลาไรส จะเหนแสงสวางขน ใหหมน analyzer ไปจนกวาจะเหนแสงมวทสด(ทจดศนย) มมทหมน analyzer ไป คอ α องศา ถามมทหมนไปอยในทศตามเขมนาฬกา แสดงวา สารนหมนระนาบแสงไปทางขวา เราเรยกสารนวา dextrorotatory isomer หรอ d-isomer แตถาหมน analyzer ไปทางซายจงจะถงจดศนย แสดงวา สารนหมนระนาบแสงไปทางซาย เราเรยกสารนวา levorotatory isomer หรอ l-isomer
ในทางปฏบต การสงเกตจดศนยทาไดยาก เพอใหการวดจดศนยทาไดดขน คอจดเครอง มอใหเหนแสงเปนสองสวน ถาถงจดศนยจะเหนแสงในสองสวนนมความเขมเทากน ( ดรปท 6.1)
CM 328 75
ถามการขยบ analyzer เพยงเลกนอย แสงสวนหนงจะสวางขนหรอมดกวาอกสวนหนง การวดจดศนยโดยการเปรยบเทยบความเขมของแสง ทาใหวดไดแมนยากวาอยางนอย 0.01O ในขณะทการวดโดยวธสงเกตจดทมวทสดมความแมนยาตา( 5O)
±
±
(ก) (ข) (ค)
รปท 6.3 การปรบ analyzer รป (ก) และ (ค) เปนการปรบทไมถกตอง สวนรป (ข) เปน การปรบทถกตอง
6.13 Optical rotation
ถาสารตวอยาง (ในรปของเหลวบรสทธหรอสารละลายทรความเขมขนแนนอน) ทใสในหลอดบรรจสารสามารถหมนระนาบของแสงโพลไรสได เราเรยกสารนวา เปนสารทออปตกลลแอกตฟ
ขนาดของมมทหมนไป (optical rotation) ขนกบ 1. ความยาวของหลอดบรรจสาร(ความยาวของสารละลายทแสงผาน) 2. อณหภม 3. ความเขมขนของสาร(ถาปนสารละลาย) 4. ตวทาละลาย 5. ความยาวคลนของแสงทใชวด ทนยมใชคอ sodium D line (5893Å) และ mercury
green line (5461 Å)
Specific rotation คอ optical rotation ทวดโดยใชความเขมขนของสาร 1 กรมใน 1 มลลลตรของตวทาละลายและใชหลอดบรรจสารยาว 1 เดซเมตร
คาของ specific rotation สาหรบสารละลาย สามารถคานวณจากสตรดงน
[α] = tD
obs.
C I
α×
CM 328 76
[α] Dt คอ specific rotation
αobs. คอ มมทวดไดจากการทดลอง(องศา)
t คอ อณหภมขณะวด
C คอ ความเขมขนของสารละลายหนวยเปนกรมตอมลลลตร l คอ ความยาวของหลอดบรรจสารหนวยเปนเดซเมตร
คอ ความยาวคลนของแสงทใชวดคอ sodium D line (5893Å) D
คาของ specific rotation สาหรบของเหลวบรสทธ สามารถคานวณจากสตรดงน
[α] = tD
obs.
d I
α×
d คอ ความหนาแนนของของเหลวบรสทธหนวยเปนกรมตอมลลลตร
เครองหมาย (+) และ (−) และขนาดของมมทหมนระนาบแสงโพลาไรส ไมสามารถบอกขอมลเกยวกบโครงสรางสามมตของโมเลกล คาของ optical rotation เปรยบไดกบคณ สมบตทางกายภาพทวไปของสาร เชน จดเดอด จดหลอมเหลว ซงเปนตวชเอกลกษณบางประการของสาร การทมคา optical rotation เปนศนยไมไดหมายถงสารท optically inactiveเพยงอยางเดยว แตยงหมายถงสารผสมราซมกกได
6.14 สารผสมราซมก , Optical purity และ Enantiomeric excess ถาเรามสารผสมของ d และ l ไอโซเมอรในอตราสวน 50 : 50 คา optical rotation ท
วดไดคอศนย เนองจากการหมนระนาบแสงโพลาไรสของ d ไอโซเมอรถกหกลางโดย l ไอโซเมอรทมปรมาณเทากน แตมทศทางตรงกนขาม สารผสมน optically inactive และมชอเรยกวา สารผสมราซมกโมดฟเคชน (racemic modification) สารผสมราซมกมความหมายแตกตางกนเลกนอย กลาวคอ เปนสารผสมของผลกของสองอแนนตโอเมอรทมปรมาณเทากน อยางไรกตาม โดยทวไปมกนยมเรยกวา“สารผสมราซมก” ถาสารผสมเปนอแนนตโอเมอรทม d- หรอ (+)-ไอโซเมอรมากกวา l หรอ (−)-ไอโซเมอร optical rotation ของสารผสมจะเปน (+) กลาวคอ สารผสมจะหมนระนาบแสงไปทางขวา แตมมทวดไดจะนอยกวาอแนนตโอเมอรบรสทธ ในสาร
ผสมทม d และ l ไอโซเมอร specific rotation สทธทวดได คอ [α]net
[α]net = fd [αd] + fl [αl]
CM 328 77
โดย fd และ fl เปนสดสวนของ d และ l ไอโซเมอร ตามลาดบ สวน [αd] และ [αl] เปน
specific rotation ของ d และ l ไอโซเมอรทบรสทธ เนองจาก fl = 1 – fd และ [αl] = –[αd] ดงนน
[α]net = fd [αd] + (1 – fd ) [–αd]
= fd [αd] – [αd ] + fd [αd]
= [αd] (2 fd – 1) ถา d ไอโซเมอร > l ไอโซเมอร
และ [α]net = [αl] (2 fl – 1) ถา l ไอโซเมอร > d ไอโซเมอร
เราเรยก (2 fd – 1) และ (2 fl – 1) วา “enantiomeric excess” (ee) หรอ optical purity
ของสารผสม Optical purity ยงสามารถคานวณไดจาก
Optical purity (%) = [ ][ ]
obs.
max .
100α
×α
[α]obs. = specific rotation ทวดไดจากการทดลอง
[α]max = specific rotation ของอแนนตโอเมอรบรสทธ
CM 328 78
การทดลองท 6.1 แบบจาลองโมเลกล ( Molecular model )
บทนา การศกษาสเตอรโอเคมซงเปนการศกษาโครงสรางสามมตของโมเลกลในบทน เราจะใชแบบจาลองของอะตอมและพนธะมาตอกนเปนโมเลกล เพอใหนกศกษาไดเขาใจถงภาพพจนทแทจรงของโมเลกล แบบจาลองทใชในการทดลองนทาจากพลาสตกประกอบดวยตวแบบอะตอมและหลอดซงแทนพนธะ กาหนดใหตวแบบอะตอมมสตางๆ และใชแทนอะตอมตอไปน
สขาว เปน ไฮโดรเจนอะตอม สดา เปน คารบอนอะตอม สแดง เปน ออกซเจนอะตอม สนาเงน เปน ไนโตรเจนอะตอม ตวแบบอะตอมเหลานมกานเลกๆ ยนออกมาเพอใชเสยบหลอดซงแทนพนธะ มมระหวาง
กานเลกๆ เหลานเปนมมพนธะซงมคาตามความเปนจรงโดยกาหนดไวดงน คารบอน sp3-ไฮบรไดส มมมพนธะ 109.5O คารบอน sp2-ไฮบรไดส มมมพนธะ 120O คารบอน sp-ไฮบรไดส มมมพนธะ 180O
ความยาวพนธะ ความยาวพนธะเปนผลบวกรศมของพนธะโคเวเลนต (covalent bonding radii) ของ
สองอะตอมทกอพนธะกน รศมโคเวเลนตสาหรบพนธะเดยวของอะตอม H , C , N และ O มคา 0.3 , 0.77 , 0.70 และ 0.67 Å ตามลาดบ รศมโคเวเลนตของพนธะคจะสนกวาของพนธะเดยว รศมโคเวเลนตของพนธะค C , N , O มคา 0.70 , 0.62 และ 0.55 Å ตามลาดบ ความยาวพนธะระหวางอะตอมตางๆ แสดงอยในตาราง 6.1
การกาหนดความยาวของหลอดพลาสตก ไมจาเปนตองถกตองทสดสาหรบการสรางแบบ จาลองโมเลกลของสารประกอบอนทรย ตราบใดทการจดวางตาแหนงของอะตอมภายในโมเลกลถกตอง และการเลอกใชความยาวของหลอดใหสอดคลองกบความเปนจรง เชน พนธะเดยวจะตองมความยาวมากกวาพนธะค และพนธะคกมความยาวมากกวาพนธะสาม เปนตน ทาใหสามารถสรางแบบจาลองทแสดงรปรางของโมเลกลทใกลเคยงกบความเปนจรง
CM 328 79
ตารางท 6.1 ความยาวพนธะ ความยาวพนธะ (Å)
พนธะเดยว พนธะค พนธะสาม C – H 1.09 C = C 1.35 C ≡ C 1.2 N – H 1.00 C = N 1.30 C ≡ N 1.16 O – H 0.96 C = O 1.22 C – C 1.54 C – N 1.47 C – O 1.43 C – Cl 1.76 C – Br 1.94 C – I 2.14
แบบจาลองทใชในการทดลองนกาหนดความยาวของพนธะเปนดงน คอ พนธะ C – C ,
C – N และ C – O ประมาณ 1.5 Å สวนความยาวของพนธะ C – H , N – H และ O – H ประมาณ 1 Å สาหรบหลอดพลาสตกทตดไดกาหนดความยาวไวดงน 5 ซม. แทนพนธะ C – C , C – N และ C – O
ซม. แทนพนธะ C = C , C = N และ C = O 3.5 3 ซม. แทนพนธะ C – H , N – H และ O – H
วธทดลอง ใหนกศกษาทาแบบจาลองของโมเลกลตอไปน โดยใชสของตวแบบอะตอมและความ
ยาวพนธะตามทกาหนดไวขางตนและตอบคาถามในแตละขอ
1. สารประกอบอะไซครก (Acyclic compounds)
1. สรางแบบจาลองของโมเลกลของ H2O และ CH4 รปรางของโมเลกล H2O และ CH4 เปนแบบใด เขยนโครงสรางแบบ Wedge projection
ลงบนกระดาษ 2. สรางแบบจาลองของโมเลกลของEthane (CH3 – CH3) และ 1-Bromo-2-chloro-
ethane (Cl – CH2 – CH2 – Br) พจารณาดวา โดยการหมนรอบพนธะเดยว C – C โมเลกลของ
CM 328 80
ก. Sawhorse projections ข. Newman projections 3. สรางแบบจาลองจากฟชเชอรโปรเจกชน (Fischer projections) ของโมเลกล
ตอไปน
Br
CH2Br
CH2Cl
Br
H
BrCl
CH3
CH3CH3
CH3
Br
C C
CC
H
HHH
C
(ก) (ข) (ค)
3.1 จงเขยนสารประกอบขางบนนในรป Wedge projection 3.2 สารประกอบขางบนนมศนยไครล (Chiral center) กศนยและสามารถมสเตอรโอ ไอโซเมอรไดกรป 3.3 กาหนดคอนฟกเรชนสมบรณ (Absolute configurations) ของทกศนยไครลตามระบบ RS 3.4 สารประกอบตวใดออปตกลลแอกทฟ (Optically active) 3.5 สารประกอบแตละตวมมโซเมอร (Mesomer) หรอไม มโซเมอรออปตกลลแอกทฟหรอไม เพราะเหตใด
4. Lactic acid มสเตอรโอไอโซเมอรได 2 รป คอ
COOH COOH
CH3
CH3
HO OHH HC C
(+)-Lactic acid (-)-Lactic acid
CM 328 81
4.1 (+)– Lactic acid อาจเรยกวา d– Lactic acid ใชหรอไม และ (−)– Lactic acid อาจเรยกอกอยางหนงวาอะไร 4.2 (+)– และ (−)– หมายความวาอะไร 4.3 กาหนดคอนฟกเรชนสมบรณของ Lactic acid ทง 2 ไอโซเมอรตามระบบ RS 4.4 วาดรปสามมตของ (+)– Lactic acid ในรป Wedge projections ตอไปน
C C
5. D-(+)-Glucose สวนใหญอยในรปวงไพราโนส (puranose ring) และสวนนอยอยในรปวงเปดในสภาวะสมดล
5.1 ใหนกศกษาสรางแบบจาลองของ D-(+)- Glucose จากฟชเชอรโปรเจกชน (รปเปด) จากนนแสดงการเชอมตอออกซเจนของหม OH ทตาแหนง C-5 กบหมคารบอนล
ท C-1 ของหม CHO เพอใหเกดเปนวงไพราโนส [D-(+ )-Glucopyranose ]
5.2 บดรปหกเหลยมของ D-(+)-Glucopyranose เปนรปเกาอ (Chair form) พจารณาจากตาแหนงของหม OH ท C-1 วากลโคส เปน α- หรอ β- D-(+)-Glucopyranose
CM 328 82
6. สรางแบบจาลองของสารประกอบไบฟนล (Biphenyls) ตอไปน
พจารณาวา ไบฟนลตวใด Optically active หรอ Optically inactive เพราะเหตใด
7. สรางแบบจาลองของสารประกอบแอลลน (Allenes)
C CCCCH
3H HH
CH3H
CH CH3
HH
CH3 CH3C CC C
(ก) (ข) (ค)
พจารณาวา แอลลนตวใด Optically active หรอ Optically inactive เพราะเหตใด 8. ใหนกศกษาทาแบบจาลองของจโอเมตรกลไอโซเมอร (Geometrical isomers) ตอไปน ก. 2 ,4- Hexadiene สารประกอบนมจโอเมตรกลไอโซเมอรกรป เขยนจโอเมตรกลไอโซเมอรทกรปและเรยกชอตามระบบ EZ ใหนกศกษาหมนพนธะเดยวทอยระหวางพนธะคทงสอง จะเหนคอนฟอรเมชนของจโอเมตรกลปไอโซเมอรเหลานในรป S–cis (cisoid) และ S-trans (transoid)
CH2H2C
CH2
CH2 S-cis S-trans
คอนฟอรเมชนสองแบบน แบบไหนเสถยรกวา ข. 2 , 4 –Heptadiene
สารประกอบนมจโอเมตรกลไอโซเมอรกรป เขยนจโอเมตรกลปไอโซเมอรทงหมด ในรป S – trans และเรยกขอตามระบบ EZ
CM 328 83
2. สารประกอบไซครก (Cyclic compounds) 1. ไซโคลเฮกเซน (Cyclohexane) สรางแบบจาลองของไซโคลเฮกเซน (Cyclohexane) ซงม 3 conformers คอ Chair conformer , Boat comformer และ Twist-boat conformer
Twist-boatChair Boat
ใหนกศกษาตอโมเลกลของไซโคลเฮกเซนรป Chair conformer จากนนบดไปเปนรป Boat comformer และบดเปน Chair conformer อกครงหนง กลาวคอ ไซโคลเฮกเซนรป Chair อยได 2 รป ปรากฏการณนเรยกวา ring flip โดยผานรป boat
Chair Boat Chair
1.1 การเปลยนจาก Conformer หนง ไปเปนอก conformer หนงนนเกดจากการหมนรอบพนธะเดยวใชหรอไม
1.2 ใสอกษร a ทตาแหนง axial และ e ทตาแหนง equatorial ตาแหนงของพนธะ axial และ equatorial เปลยนแปลงอยางไร หลงการเกด ring flip
1.3 เปรยบเทยบความเสถยรของ Chair conformer และ boat conformer 1.4 บด boat conformer ไปเปน twist boat conformer เปรยบเทยบความเสถยรของ
สอง Conformers น 2. ไซโคลเฮกเซนทมหมแทนท 2.1 สรางแบบจาลองของ Chair conformers ของ methylcyclohexane สารประกอบน
ม conformers ไดกรปและรปไหนเสถยรกวา
CM 328 84
2.2 สรางแบบจาลองของ Chair conformers ของ Cis- และ Trans-isomers ของ 1,2-; 1,3- และ 1,4–Dimethylcyclohexane Cis และ trans-isomers เหลาน ม Conformers ไดกรปและรปไหนเสถยรกวา
2.3 สรางแบบจาลองของ Chair conformer ของ tert- butylcyclohexane สารประกอบนม conformer ไดกรป
3. สรางแบบจาลองของ Cis- และ trans– Decalin
H H
HH cis – decalin trans –decalin
3.1 Cis– และ trans– decalin มก conformers เขยนแสดง conformers ทงหมด 3.2 Cis– decalin หรอ trans- decalin เสถยรกวา เพราะเหตใด
4. หาจานวนสเตอรโอไอโซเมอรทงหมดทเปนไปไดของ 3,5-Dichlorocyclohexanol และ 3-Bromo-5-chlorocyclohexanol
Br
OH
Cl
Cl
OH
Cl
3,5- Dichlorocyclohexanol 3-Bromo-5-chlorocyclohexanol
4.1 หาจานวนจโอเมตรกลไอโซเมอรทงหมดของ 3,5-Dichlorocyclohexanol และ 3-Bromo-5-chlorocyclohexanol เขยนสตรโครงสรางทงหมดเปนรปแบนราบ 4.2 จโอเมตรกลไอโซเมอรแตละรปมอแนนตโอเมอรหรอไม นบจานวนสเตอรโอไอไซ เมอรทงหมด
CM 328 85
5. กรดคอลก (Cholic acid) เปนกรดในนาด (bile acid) ทพบในรางกายมนษย มสตรโครงสราง ดงน
CH3
CH3
H
H
HOH
COOH
HO
CH3
3 7
1217
Cholic acid
5.1 เขยนรปสามมตหรอสตรคอนฟอรเมชนของกรดคอลก(กรดนาด)
5.2 หม OH ของวง A อยตาแหนงอะไร (α- หรอ β-) หม OH อยทตาแหนงดงกลาวเสถยรหรอไม เพราะเหตใด
5.3 หาจานวนสเตอรโอไอโซเมอรทงหมดของกรดคอลก 6. สรางแบบจาลองของ 2– norborneol ([2.2.1] heptan–2–ol)
OH
a. 2–norborneol มจโอเมตรกลไอโซเมอรไดกรป เขยนสตรโครงสรางและบอกชอของจโอเมตรกลไอโซเมอรทงหมด b. 2–norborneol มศนยไครลกศนยและมสเตอรโอไอโซเมอรกรป เหตใดจานวนสเตอรโอไอโซเมอรจงไมตรงกบททานายไว
CM 328 86
7. หา symmetry elements ในสารประกอบตอไปน พจารณาจาก symmetry elements ทสารประกอบเหลานมอย แลวตดสนวา เปนสารประกอบ chiral หรอ achiral H H
COOH
Cl H
ClH Cl
Cl H
Cl
H COOH
COOH HCOOH
HH
Cl
H
OH
HOOHCl
HO HO
OHH
H H
H
HOH OH
H
H
H
OH
OH
HH
OH
OHH
CH2
O2N
HOOC
NO2
HOOC
NO2
HOOCNO2
HOOC
CH2CH2
CH2
COOH
O
O
(CH2)n
COOH
CM 328 87
แบบฝกหด 1. หา Absolute configurations ตามระบบ RS ของสารประกอบตอไปน
ก. ข.
CH
3
Cl
CH2
CH2OH
NH2 HC C6H5
H
H
ค. ง.
C
CH2CH3
Cl
CH3CH
2
H
CH3CH
2C
CHO
HO H
จ. ฉ.
H
H
H
H
COOH
CH2Br
CHO
BrCl
CH3
Br HO
2. สารประกอบตอไปน คใดเปน Structural isomers และคใดเปน Stereoisomers
ก. CH3CH2
C6H5CH2COCH3C6H5OCCH2CH3
OOข.
CM 328 88
ค. CH3NH H2N CH2 CH3
CH3
ง. H OH HO H
จ.
Cl ClClCl
3. ขอความตอไปน ขอใดถกใหเขยน T และขอใดผดใหเขยน F หนาขอนน .........สารประกอบทมศนยไครลหลายศนยเปนสารประกอบไครล
สารประกอบทมแกนหมนสมมาตร(Cn ,n > 1) เพยงอยางเดยวเปนสารประกอบไครล ......... ........สารประกอบทมแกนหมนสมมาตรและมระนาบสมมาตรเปนสารประกอบอะไครล .........สารประกอบทไมมองคประกอบสมมาตรเลยเปนสารประกอบอะไครล .........คานาหนา dl บอกคอนฟกเรชนของสาร .........คานาหนา cis / trans บอกคอนฟกเรชนของสาร .........สารประกอบทเปนcisและ trans isomers กนสมพนธเปนไดแอสเตอรโอไอโซเมอร .........Tertiary amine ทมหมแทนทสามหมทตางกนมาเกาะอยเปนสารประกอบไครล .........สารประกอบ erythro และ threo เปน structural isomers .........สารประกอบ meso เปนสารประกอบอะไครล
สารประกอบ meso มคอแนนตโอเมอร ......... .........Boat conformer ของไซโคลเฮกเซนมความเครยดเชงมม .........สารประกอบ Bicyclic ประเภท Bridgering เชน norborneol มจานวนสเตอรโอไอโซ
เมอรเทากบ 2n โดย n เปนศนยไครลทงหมดทโมเลกลมอย ........Norborneol มจานวนสเตอรโอไอโซเมอรเทากบ 8 ........Norborneol มจานวนจโอเมตรกลปโอไอโซเมอรนอยกวาททานายไวตามทฤษฎเนองจาก พนธะเดยวบางพนธะในโมเลกลของสารนถกตรงกบทและไมอาจเปลยนแปลงตาแหนงได
CM 328 89
การทดลองท 6.2 เรโซลชนของสารผสมราซมก(±)-แอลฟา-ฟนลเอทลเอมน
(Resolution of racemic mixture (±)-α-Phenylethylamine)
ในหองปฏบตการ ปฏกรยาระหวางสารประกอบอะไครลกบรเอเจนตทอะไครลจะไดผลตภณฑเปนสารอะไครล ตวอยางเชน การเตรยม 1-ฟนลเอทลเอมนจากปฏกรยาระหวาง อะซโตฟโนนและแอมโมเนยมฟอรเมต ปฏกรยานเรยกวา Leukart reaction
Ph-C-CH3H-C-ONH4
Ph-CH-CH3
NH2
( )-Phenylethylamine
CO2 H2O
O O
Acetophenone ammonium formate +-
ปฏกรยานมสารตงตนเปนสารอะไครลทงค แมวา 1-ฟนลเอทลเอมนทเกดปฏกรยานจะมศนยไครล แตเนองจากผลตภณฑทเกดเปนสารผสมราซมก มปรมาณของ (+) และ (−)-1-ฟนลเอทลเอมนเทากน สารผสมราซมกไมสามารถหมนระนาบแสงโพลาไรส จงเปนสารทออปตกลลอนแอกตฟ (optically inactive)
วธการทใชในการแยก (+)-α-phenylethylamine และ (−)-α-phenylethylamine จากสารผสมราซมก คอ
นา (±)–α-phenylethylamine มาทาปฏกรยากบ (+)-tartaric acid ทออปตกลลแอกตฟ 1. 2. จะไดเกลอแอมโมเนยมซงเปนสารผสมไดแอสเตอรโอไอโซเมอรสองตว
3. นาสารผสมไดแอสเตอรโอไอโซเมอรสองตวนมาตกผลกในเมทานอล ผลกทไดเปน (−)-α-
phenylethylamine-(+)-hydrogentartrate สวน(+)-α-phenylethylamine-(+)-hydrogentartrate อยในฟลเทรด นาผลกทไดมาทาปฏกรยากบโซเดยมไฮดรอกไซด จะได (−)-α-phenylethylamine กลบคนมา 4.
สกด (−)-α-phenylethylamine ดวยอเทอร แลวนามากลนใหบรสทธ 5.
6. สวนฟลเทรดนามาทาปฏกรยากบโซเดยมไฮดรอกไซดเชนกน จะได (+)-α-phenylethylamine
CM 328 90
CH3 (±)- Ph –CH – NH2 สารผสมราซมก
COOHCH
COOHHHOOH
C
(+)-Tartaric acid
CH3
Ph CH-OOC COOHOH
NH3
+CHCH(+)
OH
(+)-α-phenylethylamine-(+)-hydrogentartrate (เกลอไดแอสเตอรโอไอโซเมอร)
CH3
Ph CH-OOC COOHOH
NH3
+CHCH(-)
OH+
(−)-α-phenylethylamine-(+)-hydrogentartrate (เกลอไดแอสเตอรโอไอโซเมอร)
ตกผลกในเมทานอล ผลก ฟลเทรต เกลอไดแอสเทอรโอไอโซเมอร เกลอไดแอสเทอรโอไอโซเมอร
NaOH NaOH
CH3 CH3
(+)- Ph –CH –NH2 + (+)–sodium tartrate (-)- Ph –CH –NH2 + (+)–sodium tartrate
(+)-α-Phenylethylamine (-)-α-Phenylethylamine
CM 328 91
วธทดลอง
การเตรยม (±) -α-phenylethylamine 1.
Ph-C-CH3
O2HCOONH4 Ph-CH-NH-C-H
CH3HClH
2O Ph-CH-NH2 HCl
α−Phenylethyl formamide
Ph-CH-NH2
CH3
CH3
NaOH
O
(±)-α-phenylethylamine
ผสมอะซโตฟโนน 72 กรม (0.6 โมล) กบแอมโมเนยมฟอรเมต 12 กรม (2 โมล) ในขวดกนกลมขนาด 250 มลลลตร เตม boiling chip สก 4-5 ชน จดเครองมอสาหรบกลนโดยใช Claisen Still head ใช heating mantle หรอ oil bath ใหความรอนกบขวดกนกลม สารผสมในขวดกนกลมจะหลอมแลวแยกออกเปนสองชน สารผสมนจะรวมเปนเนอเดยวกนเมออณหภมเพมเปน 150-155 OC ใหความรอนตอไปจนถงอณหภม185 OC เปนเวลา 2 ชวโมง ในระหวางทใหความรอน อะซโตฟโนน นาและแอมโมเนยมฟอรเมตจะกลนออกมา หยดใหความรอนชว คราว แยกอะซโตฟโนนทกลนออกมา (ชนบน) เทกลบเขาไปในขวดกลน ใหความรอนอกครงท 180-185 OC เปนเวลา 3 ชวโมง แลวปลอยใหเยนลง
เทสารผสมจากขวดกลนใสในกรวยแยกขนาด 250 มลลลตร เขยากบนา 2 ครงๆ ละ
75 มลลลตร เพอขจดแอมโมเนยมฟอรเมตใหเขาไปอยในชนนา แลวเทชนα-phenylethyl formamideกลบเขาไปในขวดกลนเดม สวนชนนาใหเอามาสกดดวยโทลอน 2 ครงๆ ละ 20 มลลลตร แลวเทชนโทลอนกลบเขาไปในขวดกลนเดมเชนกน
เตมกรดเกลอเขมขน 75 มลลลตรและใส boiling chip สก 4-5 ชนลงในขวดกลนท
บรรจ α-phenylethyl formamide อย ทาการกลนในตควนจนกระทงมโทลอนออกมาสก 40
มลลลตร จดเครองมอใหมเปนการตมกลน ทาการตมกลนเปนเวลา 40 นาท ขนตอนน α-
phenylethyl formamide จะถกไฮโดรไลสเปน α-phenylethylamine hydrochloride เมอขวดกลนเยนลง เทสารผสมใสในกรวยแยก สกดดวยโทลอน 4 ครงๆ ละ 20 มลลลตร
เพอขจดอะซโตฟโนนทเหลออย ในชนนาม α-phenylethylamine hydrochloride ใหเทใสขวดกนกลมขนาด 500 มลลลตร เตมสารละลายโซเดยมไฮดรอกไซด (62.5 กรมในนา 125 มลลลตร)
CM 328 92
เรโซลชนของ (±) -α-phenylethylamine ( Resolution of (±)-α-phenyl- 2. ethylamine)
ก. การแยก (−) -α-phenylethylamine ละลาย (+)-tartaric acid 12.5 กรม (0.083 โมล) ในเมทานอล (เปนพษและตดไฟงาย!)
75 มลลลตร ใสใน Erenmeyer flask ขนาด 250 มลลลตร โดยอนบนอางนารอน [(+)-tartaric
acid ละลายในเมทานอล แตสารละลายจะยงคงขนอยและความขนนไมมผลตอปฏกรยา] เท
(±)-α-phenylethylamine 10 กรม (0.082 โมล) ทละลายในเมทานอล 75 มลลลตร ลงไปในสารละลายของ (+)-tartaric acid อยางชาๆ อนสารละลายจนเกอบเดอด ปลอยใหสารผสมเยน
ลงโดยแชในอางนาแขง (−)−α-phenylethylamine − (+)−hydrogentartrate ตกผลกมลกษณะคลายรปเขม (ดหมายเหต 1) นาสารผสมไปอนอกครงหนงจนเกอบเดอด ปดปาก flask ดวยบกเกอรเพอปองกนมใหเมทานอลระเหย แลวปลอยคางคนใหเยนลงชาๆ ถาผลกทไดยงคงมรปเขมไมใชรปปรซม นาสารผสมไปอนอกและปลอยใหตกผลกชาๆ
กรองผลกดวยวธกรองดดแลวลางดวยเมทานอลเยน 10 มล. ถามเวลา ปลอยใหผลกแหงในอากาศ ปรมาณผลกทนาจะไดคอ 8.5 กรม (77%) จดหลอมเหลว 190-200 OC
นาผลกทไดมาใสในขวดกนกลมแลวเตมสารละลาย 10% NaOH ชาๆ ถาสารละลายไมแยกเปนสองชน ใหใสมากกวาน นาสารละลายทไดไปกลนแบบธรรมดา ใหไดของเหลวกลนออกมาประมาณ 25 มล.
นาของเหลวทกลนไดเทลงในกรวยแยก ไขชนลางทเปนชนเอเควยสทงอยางระมดระวงแลวเทเอมนใส flask ทชงนาหนกไวแลว (ดหมายเหต 2) เอมนเปยกทไดควรมประมาณ 5 กรม
(η 1.5222) เตม anhydrous potassium carbonate 2-4 กรม คารบอเนตจะเกดเปนชนกงของเหลวอยชนลางโดยมเอมนลอยอยขางบน ชงนาหนก flaskทมสารผสมเอมน-โพแทสเซยม
20D
คารบอเนตกอน(ถาชนเอมนขนใหเทลงในหลอดแกวและเซนตรฟวจเพอดงของแขงลงมา)
CM 328 93
ดดเอมนออกจาก flask ดวยปเปต(ทง)อยางระมดระวงลงในหลอดโพลารมเตอร (ดหมายเหต 3) ชงนาหนกของ flask ทมสารผสมเอมน-โพแทสเซยมคารบอเนตเหลออยเพอหานาหนกของเอมนทใสในหลอดโพลารมเตอร เตมใหเตมชองวางทเหลอของหลอดโพลารมเตอรดวยเมทานอล ระวงอยาใหเกดฟองอากาศอยภายใน วด optical rotation ของสารละลายเอมน คานวณคา specific rotation และoptical purity หมายเหต 1 ผลกรปเขม (จดหลอมเหลว 168–170 OC เปนผลกของสารผสมทประกอบดวย ไดแอสเตอรโอไอโซเมอรทงสองตว ถาเอมนถกแยกออกมาผลกผสมนจะม [ = –19O ถง –21O ]20
Dα
หมายเหต 2 ถาตองทงเอมนไวขามคน ควรปด flask ดวยจกแกว อยาใชจกคอก เพราะเอมนทาปฏกรยากบจกคอกเกดสารกงของเหลวซงอาจปนเปอนผลตภณฑ หมายเหต 3 กอนจะถงขนตอนของโพลารมเตอร ตองเรยนรวธใชโพลารมเตอรเสยกอน คา
ของ Optical rotation ทวดไดจะมคานอย (∼–8O ถง –9O) สาหรบสารละลายของเอมน 2.1 กรมละลายในเมทานอล 6.8 มล. ในเซลลยาว 10 ซม. ดงนน จงตองวด blank (เซลลทใสเฉพาะเมทานอล) กอนทาการวด optical rotation ของสารละลายเอมน
คณสมบตทางกายภาพของ(± ) -α-phenylethylamine และ( −) -α-phenylethylamine
[ ]α D จดเดอด(oC) การละลาย
(±) -α-phenylethylamine 184 -186 0O H2O (ไมละลาย), CH3OH (ละลาย)
(+) – Tartaric acid - +12.0O(20 OC) H2O (ละลาย), CH3OH (ละลาย)
( − ) -α-phenylethylamine 184 -186 - 40.3O(22 OC) H2O (ไมละลาย), CH3OH (ละลาย)
CM 328 94
แบบฝกหด
1. จงเขยน R- และ S-คอนฟกเรชนของ α-phenylethylamine ในรปฟชเชอร
2. จะเกดอะไรขนเมอ (±)-α-phenylethylamine ทาปฏกรยากบ meso-tartaric acid 3. ถา R อแนนตโอเมอรของสารไครลตวหนงวด optical rotation ไดเทากบ 2.70O ทวนเขม
นาฬกา อณหภมขณะวดคอ 25O ใชแสงของ sodium D line ความเขมขนของสารคอ 0.120 กรมตอมลลลตรและความยาวของหลอดบรรจสารตวอยางคอ 10 ซม.
(ก) จงเขยนสญลกษณทใชแทน specific rotation (ข) จงคานวณคาของ specific rotation ของ R อแนนตโอเมอรน
(ค) Specific rotation ของ S อแนนตโอเมอรมคาเปนเทาไรและมทศทางเปนอยางไร (ง) จงหาoptical rotationของ R อแนนตโอเมอร(ทความยาวคลนและอณหภมเดยวกน)
สาหรบความเขมขนและหลอดบรรจสารเปน 0.041 กรมตอมลลลตรและ 20 ซม.ตามลาดบ
4. d ไอโซเมอรบรสทธของสารประกอบไครลตวหนงม [α] = +55O ถามสารผสมของสาร
ประกอบนวดคา [α] สทธเทากบ –11O
tD
tD
(ก) อแนนตโอเมอรตวไหนมมากกวาในสารผสมน (ข) จงหา enantiomeric excess หรอ optical purity ของไอโซเมอรในขอ(ก)
(ค) จงหาสดสวนของไอโซเมอรทงสองในสารผสมน 5. จงเขยนแผนผงแสดงการแยก (เรโซลชน) ของ (±)-hydratropic acid (C6H5-CHCH3COOH)
CM 328 95