1

SSTTEERREEOOIIZZOOMMEERRIIJJAA

▪ Izomeri su jedinjenja iste molekulske formule:

1. Konstitucioni (strukturni) izomeri – razlikuju se po strukturi tj. po redosledu vezivanja atoma:

1.1. Izomerija niza

butan 2-metilpropan(n-butan) (izobutan)

(C4H10)

1.2. Izomerija položaja

Cl

Cl

1-hlorpropan 2-hlorpropan(n-propil-hlorid) (izopropil-hlorid)

(C3H7Cl)

1.3. Izomerija funkcionalnih grupa

OH O

(C2H6O)

etanol metoksimetan

(etil-alkohol) (dimetil-etar)

2

2. Stereoizomeri (prostorni izomeri) – izomeri čiji su atomi vezani na isti način, ali se razlikuju po svom prostornom rasporedu:

2.1. Cis- trans-izomeri

cis- trans-

1,4-dimetilcikloheksan

cis- trans-

2-buten

H

CH3

H

CH3 H

CH3

CH3

H

diekvatorijalni konformer diaksijalni konformer

e

a

e

a

trans-1,4-dimetilcikloheksan

2.2. Konformacioni izomeri

CH3

H H

HH

CH3

CH3

H HH

H CH3

anti-rotamer butana

gauche-rotamer butana

H

CH3

H

CH3

ekvatorijalni aksijalnimetilcikoheksan

e

a

3

Neki osnovni pojmovi u stereohemiji

● Hiralnost

● Hiralni centar

● Enantiomeri

● Diastereomeri

● Apsolutna konfiguracija (R,S–sistem)

● Relativna konfiguracija (D,L–sistem)

● Optička aktivnost

4

HIRALNOST

▪ Hiralnost je osobina da se 2 predmeta odnose kao predmet i njegov lik u ogledalu i ne mogu se poklopiti jedan sa drugim.

▪ Enantios, grčki, nasuprot.

▪ Ahiralnost je osobina da se 2 predmeta odnose kao predmet i njegov lik u ogledalu i mogu se poklopiti jedan sa drugim.

5

HIRALNI I AHIRALNI MOLEKULI

� Hiralni molekuli:

• molekuli koji se ne mogu poklopiti sa svojim likom u ogledalu.

▪ Parovi molekula koji se odnose kao predmet i njegov lik u ogledalu i ne mogu se poklopiti su enantiomeri.

▪ Takva jedinjenja su hiralna.

Primer: mlečna kiselina

C

H

OH

COOHCH3*

stereocentar ili aisimetrican atom(vezan za 4 razlicita supstituenta)

C

HCH

3

OH

COOH

C

HCH

3

OH

COOH

C

HOH

CH3

COOH

* * *

(A) (B) (B')ravan refleksije

rotacija za 180o

(osa rotacije: veza C-COOH)*

translacija

■ Strukture A i B' se NE mogu poklopiti – NISU identične.

■ A i B su ENANTIOMERI (enantios, grčki, suprotan) – stereoizomeri koji se meñusobno odnose kao predmet i njegov NEpoklopivi lik u ogledalu.

6

▪ Da bi se preveli jedan u drugi neophodno je raskinuti veze.

▪ Molekuli sa 1 stereocentrom su uvek hiralni! ▪ Molekuli sa više stereocentara ne moraju biti hiralni.

� Ahiralni molekuli:

• molekuli koji se mogu poklopiti sa svojim likom u ogledalu.

H

HClCl

H

H ClCl

H

HClCl

A i B' se mogu poklopiti

ogledaloA B

rotacija B za 180o

B'

translacija(ravan refleksije)

7

▪ Hiralni i ahiralni molekuli se razlikuju prema tome da li imaju ili nemaju ravan simetrije:

• zamišljena ravan koja deli molekul na 2 jednake polovine koje se odnose jedna prema drugoj kao predmet i lik u ogledalu.

� hiralni molekuli nemaju ravan simetrije

� ahiralni molekuli imaju najmanje 1 ravan simetrije.

metan hlormetan dihlormetan bromhlormetan bromfluorhlormetan

6 ravni 3 ravni 2 ravni 1 ravan nijedna ahiralan ahiralan ahiralan ahiralan hiralan

8

OPTIČKA AKTIVNOST

▪ Jedina fizička osobina po kojoj se razlikuju ENANTIOMERI je interakcija sa planarno polarizovanom svetlosti tj. obrtanje ravni planarno polarizovane svetlosti.

enantiomer Pravac zakretanja ugla polarizovane svetlosti

oznaka

dekstrotatorni U pravcu kretanja kazaljke na časovniku

(+)-enantiomer

levorotatorni Suprotno kretanju kazaljke na časovniku

(–)-enantiomer

▪ Enantiomeri se nazivaju i optički izomeri (antipodi), a fenomen optička aktivnost.

▪ Optička rotacija se odreñuje polarimetrom.

Na lampa

λ = 583 nm

9

▪ Specifična rotacija optički aktivnog molekula:

• fizička konstanta karakteristična za taj molekul (kao i Tt, tačka Tklj i ρ).

CH2CH

3

CH3Br

H

CH2CH

3

CH3 Br

H

(-)-2-brombutan (+)-2-brombutan

[α]D25 = -23,1o [α]D

25 = +23,1o

▪ Enantiomeri obrću ravan polarizovane svetlosti:

• za isti ugao ali

• u suprotnim smerovima.

▪ Smesa istih količina (+)- i (–)- enantiomera je optički NEaktivna i naziva se racemska smesa.

▪ Racemska smesa se označava simbolom (±).

10

OZNAČAVANJE KONFIGURACIJE ENANTIOMERA

� APSOLUTNA konfiguracija: R,S–sistem

� RELATIVNA konfiguracija: D,L–sistem

���� APSOLUTNA konfiguracija: R,S–sistem

▪ Stvarni prostorni (trodimenzioni) raspored atoma u molekulu.

▪ Nema direktne veze izmeñu znaka zakretanja polarizovane svetlosti i strukture enantiomera.

▪ Apsolutna konfiguracija se odreñuje:

• eksperimentalno rentgenostrukturnom analizom (ispitivanjem supstance pomoću x-zraka),

• hemijskom korelacijom (hemijskim transformacijama) sa jedinjenjem čija je apsolutna konfiguracija poznata.

▪ R,S–sistem: Cahn–Ingold–Prelog (1956. god).

▪ Kako se obeležava okruženje asimetričnog C–atoma (stereocentra)?

▪ Rangiranje sva 4 supstituenta na asimetričnom C–atomu.

▪ Prioritet se odreñuje sekvencionim pravilima.

▪ a – najveći prioritet; b – drugi prioritet; c – treći prioritet; d – najniži prioritet.

▪ Supstituent sa najnižim prioritetom se postavi što dalje od posmatrača.

11

▪ Dva moguća rasporeda ostala tri supstituenta prema opadajućem prioritetu:

OOddrreeññiivvaannjjee pprriioorriitteettaa ssuuppssttiittuueennaa sseekkvveenncciioonniimm pprraavviilliimmaa

▪ Pravilo 1: Prioritet se odreñuje prema atomskim brojevima vezanih atoma – atom većeg atomskog broja ima prednost.

C

H

CH3Br

I H C

I

CH3

Br

C

I

CH3 Br

a

bc

da

b

c

d

(R)-1-brom-1-jodetan

AB = atomski broj

AB=1

AB=53

AB=35

AB=6

isto je što i

12

▪ Pravilo 2: Ukoliko su dva supstituenta istog prioriteta (kada se porede atomi vezani direktno za stereocentar):

• rangiraju se elementi duž niza u supstituentu, dok se ne doñe do atoma na kome je moguće razlikovati prioritete izmeñu dva niza.

C

H

H

H C

H

H

C

H

H

Hmetil

nižeg prioritet od

etilniži viši

C

H

H

C C

C

H

C

etil

niži

1-metiletil

viši

(izopropil)

jednaki

nižeg prioritet od

H3

H3 H3

C

H

H

C

H

C

H

C

H

H

C

H

C

C

niži viši

jednaki

butil 2-metilpropil

(izobutil)

nižeg prioritet od

H3

H3H2CH3

C

C

C

CC

H

H

C

H

C

C

(izobutil)

2-metilpropil 1,1-dimetiletil

(terc-butil)

nižeg prioritet od

H3 H3

H3H3

H3

13

▪ Odluka o prioritetu donosi se na mestu razlikovanja duž inače sličnog supstituentskog niza (konstitucija ostatka niza je nevažna).

▪ Kada se doñe do mesta grananja supstituentskog niza, izabere se grana višeg prioriteta.

I

CH CH

2CH

3CH

3

C(CH3)3

CH

CH2CH

3

CH(CH3)2

a

b

c

d

a

b

cd

(R)-2-jodbutan (S)-3-etil-2,2,4-trimetilpentan

14

▪ Pravilo 3: Dvostruke i trostruke veze tretiraju se kao da su zasićene, a broj njihovih atoma se udvostručuje ili utrostručuje.

C

H

C

C

H

R

C

C C

H H

R

C C R C

C

C

C

C

R

C

C

O

H

C

O

OH

H

C

O

O

C

OH

C

O

O

C

tretira se kao

tretira se kao

tretira se kao

tretira se kao

OH

CH

CH2OH

CHO

CH

CH

CH3

OH

CH2

a

b

c

a

b

c

dd

R R

15

FFiisscchheerr––oovvee pprroojjeekkcciioonnee ffoorrmmuullee

▪ Dvodimenzionalne projekcije trodimenzionalnih modela molekula.

▪ Predstavljanje 2 enantiomera A i B Fscher–ovim projekcionim formulama:

CC

C C

a

bc

d

a

bc

d

c

d

a

b

c

a

b

c

d

b

d

a

b

c

d

trodimenzionalnimodel

a

klinasta struktura

Fischer-ova

projekcionaformula

horizontalne crte: veze usmerene ka posmatracu

vertikalne crte: veze usmerene od posmatraca

A B

���� Važno: Nedozvoljene transformacije sa Fischer–ovim projekcionim formulama menjaju konfiguraciju hiralnog centra u strukturnoj formuli!!!

16

▪ Neke od dozvoljenih transformacija:

1. Rotacija u projekcionoj ravni (ravni papira) za 180°:

I

H

Br

Cl

Br

Cl

I

H

R

rotacija za 180o

isto kaoR

2. Zamena mesta 3 supstituenta u grupi:

I

H

Br

Cl

Br

I

H

Cl

Cl

I

Br

H

R

isto kao

R

isto kao

R

3. Zamena mesta 4 supstituenta (2 para):

I

H

Br

Cl

H

I

Cl

Br

Br

Cl

I

H

R

isto kao

R

isto kao

R

17

▪ Neke od nedozvoljenih (pogrešnih) transformacija:

1. Zamena mesta dva supstituenta (1 par):

I

H

Br

Cl

H

I

Br

Cl

H

I

Cl

Br

R S R

2. Rotacija u projekcionoj ravni (ravni papira) za 90° ili 270°:

I

H

Br

Cl

Cl

I

H

Br

H

Br

Cl

I

R SS

rotacija za 90orotacija za 270o

▪ Fischer–ovim projekcionim formulama je definisana apsolutna konfiguracija (supstituent najmanjeg prioriteta u jednoj od vertikalnih pozicija):

OH

CH2CH

3

CH3

H

OH

H

CH3

CH2CH

3

RS

d

a c

b

d

a c

b

18

JJeeddiinnjjeennjjaa ssaa 22 iillii vviiššee sstteerreeoocceennttaarraa

▪ Konfiguracije svakog stereocentra mogu biti R- ili S-, te mogu postojati različite izomerne strukture.

1. Hiralni C-atomi sadrže različite supstituente

▪ Za n stereocentara, broj stereoizomera = 2n.

CH3

BrH

H

CH3

Cl

CH3

Br H

H

CH3

Cl

CH3

Br H

Cl

CH3

H

CH3

BrH

Cl

CH3

H

CH3

CH

Br

CH

Cl

CH3

CH3

CH3

ClHBr

H

CH3

CH3

HClBr

H

CH3

CH3

HClH

Br

CH3

CH3

ClHH

BrR

S

R

R

R

S

S

S

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

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

2-brom-3-hlorbutan

* *

predmet

lik u ogledalu

R S

S R

22 = 4 stereoizomera

enantiomeri

diastereomeri

enantiomeri

S S

RS

R R

R S

▪ Npr. (2R,3R)-izomer enantiomeran je (2S,3S)-jedinjenju i istovremeno je diastereomeran (2S,3R)- i (2R,3S)-strukturama.

19

▪ Stereoizomeri koji se ne odnose kao predmet i lik u ogledalu, i zbog toga nisu enantiomeri, zovu se DIASTEREOMERI (dia, grčki, preko).

Diastereomeri

� Različiti molekuli sa različitim fizičkim i hemijskim osobinama,

� Mogu se odvojiti jedan od drugog:

• frakcionom destilacijom,

• kristalizacijom ili

• hromatografijom.

▪ 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

R

cis-1-brom-2-hlorciklobutan

R

S

S

R

trans-1-brom-2-hlorciklobutan

22 = 4 stereoizomera

20

2. Hiralni C-atomi sadrže iste supstituente

▪ Za n stereocentara, broj stereoizomera < 2n.

CH3

BrH

H

CH3

Br

CH3

Br H

H

CH3

Br

CH3

Br H

Br

CH3

H

CH3

BrH

Br

CH3

H

CH3

CH

Br

CH

Br

CH3

enantiomeri

enantiomeri?

diastereomeri

R

S

R

R

R

S

S

S

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

(2S,3R)-

2,3-dibrombutan

* *3 stereoizomera

Ne! Identicni su!

(mezo)(2R,3S)-

(2S,3R)- isto kao (2R,3S)-

▪ (S,R)-stereoizomer je AHIRALAN i nije optički aktivan, iako ima 2 stereocentra.

▪ Jedinjenje koje sadrži 2 (ili više od 2) stereocentra, a koje se može preklopiti sa svojim likom u ogledalu, zove se mezo-jedinje (mezo, grčki, srednji).

▪ Mezo-jedinja sadrže ravan simetrije.

CH3

H Br

H

CH3

BrR

S

mezo-2,3-dibrombutan

21

Primer: vinska kiselina

H OH

OH H

COOH

COOH

OH H

H OH

COOH

COOH

OH H

OH H

COOH

COOH

OHH

OHH

COOH

COOH

S

S

R

R

2,3-dihidroksibutan-dikiselina (vinska k.)

R

S

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

3 stereoizomera

(2S,3R)-

R

S

mezo-vinska k.

(2R,3S)-

Oba oblika imaju ravan simetrije;Rotacijom u ravni papira za 180o

prelaze jedan u drugi.

(2R,3S)- isto kao (2S,3R)-

22

▪ Cis- trans-izomeri su ciklični diastereomeri.

H

Br

Br

H

H

Br

Br

H

H

Br

H

Br

R

S

S

S

R

R

trans-1,2-dibromciklobutan

cis-1,2-dibromciklobutan

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

3 stereoizomera

▪ Trans-izomer 1,2-dibromciklobutana je hiralan.

▪ Cis-izomer je mezo-jedinjenje i optički je neaktivan.

23

���� Relativna konfiguracija: D,L–sistem

▪ D,L–sistem počiva na hemijskoj korelaciji sa konfiguracijom (+)-gliceraldehida.

▪ (+)-Gliceraldehid je izabran kao referentni standard – označen je kao D-gliceraldehid (D se odnosi na relativni raspored supstituenata).

▪ Drugi enantiomer je nazvan L-gliceraldehid.

C

HOH

HOH2C

CHO

CH

CH2OH

OH

CHO

D-gliceraldehid

(+)-gliceraldehid (-)-gliceraldehid

L-gliceraldehid

**

▪ Ili prikazano Fischer-ovom projekcionom formulom:

OH H

CH2OH

CHO

H OH

CH2OH

CHO

D-(+)-gliceraldehid L-(-)-gliceraldehid

▪ Konfiguracija D-(+)-gliceraldehida:

• OH grupa sa desne strane formule,

• aldehidna grupa (supstituent najvišeg oksidacionog stanja) na vrhu formule.

24

▪ Izvode se hemijske transformacije koje NE menjaju konfiguraciju streocentra!

Primer 1: Sinteza mlečne k. iz D-(+)-gliceraldehida

H OH

CH2OH

CHO

H OH

CH2OH

COOH

H OH

CH2Br

COOH

H OH

CH3

COOHBr2

H2O

PBr3 Zn, H+

D-(+)-gliceraldehid D-(-)-mlecna k.D-(-)-glicerinska k. D-(-)-3-brom--2-hidroksipropanska k.

▪ Mada je D-gliceraldehid dekstrotatorni, nema direktne veze izmeñu znaka zakretanja polarizovane svetlosti i konfiguracije enantiomera.

▪ Na osnovu odreñene konfiguracije D-(–)-mlečne k., njen enantiomer L-(+)-mlečna k. je lik u ogledalu:

H OH

CH3

COOH

OH H

CH3

COOH

D-(-)-mlecna k. L-(+)-mlecna k.

25

Primer 1: Sinteza vinske k. iz D-(+)-gliceraldehida

H OH

CH2OH

CHO

H OH

H OH

CH2OH

CN

H OH

H OH

CH2OH

COOH

H OH

H OH

COOH

COOH

OH H

H OH

CH2OH

CN

OH H

H OH

CH2OH

COOH

OH H

H OH

COOH

COOH

D-(+)-gliceraldehid

HCNmezo-vinska k.

Ba(OH)2 HNO3

D-(-)-vinska k.

Ba(OH)2 HNO3

▪ Na osnovu odreñene konfiguracije D-(–)-vinske k., njen enantiomer L-(+)-vinska k. je lik u ogledalu:

OH H

H OH

COOH

COOH

H OH

OH H

COOH

COOH

D-(-)-vinska k. L-(+)-vinska k.

▪ D,L–sistem još uvek zadržan kod šećera i aminokiselina.

26

SSTTEERREEOOHHEEMMIIJJAA HHEEMMIIJJSSKKIIHH RREEAAKKCCIIJJAA

▪ Dobijanje hiralne strukture iz ahiralnog polaznog materijala kao rezultat daje racemsku smesu.

1. Bromovanje butana (radikalski lančani mehanizam)

C

Br

CH3

CH2CH

3

H

C

CH3

CH2CH

3HH

H CCH

3

CH2CH

3

CH CH

3

Br

CH2CH

3

ahiralan

Br2

butan

Br -HBr.

C

.

*

(S)-2-brombutan

(R)-2-brombutan

Br+.

Br+.

hiralan

hiralan

Racemska smesa

ahiralan

radikal

*

planaran

27

2. Elektrofilna adicija HBr na cis- ili trans-2-buten (jonski mehanizam)

C

Br

HCH

2CH

3

CH3

CCH

3H

Br

CH2CH

3

CH3

CH

CH2CH

3

CH CH CH3

CH3

Br

*

(R)-2-brombutan

(S)-2-brombutan

hiralan

hiralan

Racemska smesa

-

C

ahiralan

karbokatjon

+

cis- ili trans-2-buten

H+

ahiralan

*

planaran

28

3. Cijanhidrinska reakcija (nukleofilna adicija cijanovodonika na acetaldehid)

C O

H

CH3

CCH

3

HOH

CN

C

O

CH3

HCH

3C

H

OH

CN

CH3

C

H

OH

COOH

CH

CH3

OH

CN

CCH

3 OH

CNC

CH3

OH

CN

CH

CH3

OH

COOH

CCH

3

HOH

COOH

CN:_

*

H+ H+

(R)-acetaldehid-cijanohidrin

KCN

H2O/H2SO4

acetaldehid( )-acetaldehid-cijanohidrin

* *

+-

H , H2O+

( )+- -mlecna k.

hiralan hiralan

ahiralan

ahiralan

Prilaz cijanidnog jona (nukleofila)je moguc sa bilo koje strane molekula!!

*

S R

(S)-acetaldehid-cijanohidrin

H , H2O+

H , H2O+

**

(S)-mlecna k. (R)-mlecna k.hiralan hiralan

29

RRaazzllaaggaannjjee:: rraazzddvvaajjaannjjee eennaannttiioommeerraa

▪ Čiste enantiomere hiralnog jedinjenja je moguće dobiti razlaganjem racemata (racemske smese) u enantiomere.

▪ Najčešće se razlaganje racemata bazira na konverziji u smešu diastereomera, dodatkom optički čistog regensa (S- ili R- konfiguracije).

XR

YS

XS+

XR +YS XS

opticki cist reagens YS

racemska smesa (enantiomera):komponente imaju iste fizicke osobine

diastereomeri: komponente imaju razlicite fizicke osobine

razdvajanje distereomera(frakciona kristalizacija, destilacija ili hromatografija)

XR YS YSXS

raskidanje raskidanje

XR XS+ YS+ YS

razdvajanje i regenerisanjeYS

razdvajanje i regenerisanje YS

XR XScist cist

30

CH

NH2

COO

OHH

HOH

COOH

H3N

H

CH3

C CH COO

OHH

HOH

COOH

C CH

H3N

H

CH3

NH2

H

CH3

C CH

C CH

NH2

H

CH3

H OH

OH H

COOH

COOH

CH3CHC

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

(+)-vinska k.,H2O, nekoliko dana

_ + _ +

+

R S

(+)-tartaratna so R-amina (-)-tartaratna so S-amina

K2CO3, H2O K2CO3, H2O

R S

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

47 % 51 %

R

kristališe iz rastvora ostaje u mat. lugu

[α] = +24,4D

22 oC[α] = -24,1

D

22 oC

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

[α] = +53,2D

22 oC[α] = -53,2

D

22 oC

t.k. 82-84 oC t.k. 82-84 oC

R