1

SSTTEERREEOOIIZZOOMMEERRIIJJAA

▪ Izomeri su jedinjenja iste molekulske formule:

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

a. Izomerija niza CH3

CH3CH2CH2CH3

butanCH3CHCH3

2-metilpropan

(C4H10)

b. Izomerija položaja

Cl CH2CH2CH3

Cl

1-hlorpropan 2-hlorpropan

CH3CHCH3(C3H7Cl)

c. Izomerija funkcionalnih grupa

OH O CH3CH3CH2

etanol(etil-alkohol)

CH3

metoksimetan(dimetil-etar)

(C2H6O)

d. Tautomeri (nalaze se u ravnoteži)

CH3 C

O

H CH2 C

OH

H (C2H4O)

keto-oblik enolni-oblik

2

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

a. Enantiomeri – predmet i njegov lik u ogledalu ne mogu se poklopiti.

CH

CH3OH

COOH

CH

CH3OH

COOH

* *

b. Diastereomeri – ne odnose se kao predmet i njegov lik u ogledalu.

Primer: Cis- i trans-izomeri (geometrijski izomeri)

cis- trans-

1,4-dimetilcikloheksan

cis- trans-

2-buten

Ne odnose se kao predmet i lik u ogledalu

c. Konformeri (konformacioni izomeri) takođe su primeri stereoizomera.

CH3

H H

HH

CH3

CH3

H HH

H CH3

anti-rotamer butana

gauche-rotamer butana

H

CH3 H

CH3ekvatorijalni aksijalni

metilcikoheksan

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

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.

4

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

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.

5

Primer: mlečna kiselina

C

H

OH

COOHCH3*

stereocentar ili aisimetrican atom(vezan za 4 razlicita supstituenta)

CH

CH3OH

COOH

CH

CH3OH

COOH

CH

OHCH3

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 međusobno odnose kao predmet i njegov NEpoklopivi lik u ogledalu. ▪ Da bi se preveli jedan u drugi neophodno je raskinuti veze.

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)

6

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

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

hiralni molekuli nemaju ravan simetrije ahiralni molekuli imaju najmanje 1 ravan

simetrije.

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

metan hlormetan dihlormetan bromhlormetan bromfluorhlormetan 6 ravni 3 ravni 2 ravni 1 ravan nijedna

ahiralan ahiralan ahiralan ahiralan hiralan

7

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 određuje polarimetrom.

Na lampa

λ = 583 nm

8

▪ Specifična rotacija optički aktivnog molekula:

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

CH2CH3

CH3BrH

CH2CH3

CH3 BrH

(-)-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 (±).

9

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 između znaka zakretanja polarizovane svetlosti i strukture enantiomera.

▪ Apsolutna konfiguracija se određuje:

• 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 određuje sekvencionim pravilima.

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

10

▪ Pravilo posmatranja – hiralni centar mora biti posmatran sa suprotne strane od strane supstituenta sa najnižim prioritetom!

▪ Supstituent sa najnižim prioritetom se postavi što dalje od posmatrača! ▪ Dva moguća rasporeda ostala tri supstituenta prema opadajućem prioritetu:

OOddrreeđđiivvaannjjee pprriioorriitteettaa ssuuppssttiittuueennaa sseekkvveenncciioonniimm pprraavviilliimmaa ▪ Pravilo 1: Prioritet se određuje prema atomskim brojevima (Z) vezanih atoma – atom većeg Z ima prednost.

C

H

CH3BrI H C

I

CH3

Br

C

I

CH3 Br

a

bc

da

b

c

d

(R)-1-brom-1-jodetan

isto je što i

Z(H) = 1, Z(C) = 6,Z(Br) = 35, Z(I) = 53

I > Br > C > H

11

▪ 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 dođe do atoma na kome je moguće razlikovati prioritete između 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

12

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

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

I

CH CH2CH3

CH3

C(CH3)3

CH

CH2CH3

CH(CH3)2

a

b

c

d

a

b

cd

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

13

▪ Pravilo 3: Dvostruke i trostruke veze tretiraju se kao da su zasićene, a broj njihovih atoma se udvostručuje ili utrostručuje – docrta se još jedna ili dve veze na svakom od atoma u nezasićenoj vezi i za njih se veže udvostručeni, fantomski, atom sa drugog kraja veze.

▪ Fantomski atom, zamišljeni atom koji ima atomski broj Z = 0. Obeležava se indeksom "0" ili se stavi u oblu zagradu.

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

C

O

H

O

C

C

O

OH

O

C

tretira se kao

tretira se kao

tretira se kao

tretira se kao

Fantomski atom ima MANJI prioritet od realnog, iste vrste, SAMO ukoliko je to JEDINO mesto razlikovanja nakon primene svih ostalih sekvencionih pravila!Inace se tretiraju jednako.

( )

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

( )

( )

( )

OH

CH

CH2OHCHO

CH

CH

CH3

OH

CH2

a

b

c

a

b

cdd

R R

14

FFiisscchheerr––oovvee pprroojjeekkcciioonnee ffoorrmmuullee

▪ Dvodimenzionalne projekcije trodimenzionalnih modela molekula.

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

CC

C C

a

bcd

a

bc

d

c

d

a

b

c

a

b

c

d

b

d

a

b

c

d

trodimenzionalnimodel

a

klinasta struktura

Fischer-ovaprojekciona

formula

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!!!

15

▪ 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

Risto kao

Risto kao

R

3. Zamena mesta 4 supstituenta (2 para):

I

H

Br

Cl

H

I

Cl

Br

Br

Cl

I

H

Risto kao

Risto kao

R

16

▪ 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

CH2CH3

CH3

H

OH

H

CH3

CH2CH3

RSd

a c

b

d

a c

b

17

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.

18

▪ 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

19

2. Hiralni C-atomi sadrže iste supstituente

▪ Za n stereocentara, broj stereoizomera < 2n.

CH3 CH3

HBrBr

H

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

CH3 CH3

BrHBr

H

CH3 CH3

HBrH

Br

CH3 CH3

BrHH

BrRS

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 S R R

R S

▪ (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

20

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)-

21

▪ 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.

22

SSTTEERREEOOHHEEMMIIJJAA HHEEMMIIJJSSKKIIHH RREEAAKKCCIIJJAA

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

1. Bromovanje butana (radikalski lančani mehanizam)

C

Br

CH3CH2CH3

H

C

CH3

CH2CH3HH

H CCH3

CH2CH3

CH CH3

Br

CH2CH3

ahiralan

Br2

butan

Br -HBr.

C

.

*

(S)-2-brombutan

(R)-2-brombutan

Br+.

Br+.

hiralan

hiralan

Racemska smesa

ahiralan

radikal

*

planaran

23

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

C

Br

HCH2CH3

CH3

CCH3 H

Br

CH2CH3

CH3 CH

CH2CH3

CH CH CH3CH3

Br

*

(R)-2-brombutan

(S)-2-brombutanhiralan

hiralan

Racemska smesa

-C

ahiralan

karbokatjon

+

cis- ili trans-2-buten

H+

ahiralan

*

planaran

24

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

25

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] = -24,1D

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

26

ZADATAK Pomoću Fischer-ove projekcione formule prikažite (3S,4S)-3,4-dibromheksan. Označite prioritet grupa na svakom C-atomu i način razmišljanja.

C2H5

BrH

H

C2H5

Br

C2H5

HBr

R'

Br

Br

R'

BrH

C2H5

R'

C2H5Br

H

R'

C2H5Br

H

S

3

4

(3S,4S)-3,4-dibromheksan

R' = CH(Br)C2H5

CH3CH2CHCHCH2CH3

3 4 S

a

c

b

d a

d

c

b(S)

33 44a

c

b

d a

d

c

b(S)

ZADATAK Pomoću Fischer-ove projekcione formule prikažite (3S,4R)-3,4-dibromheksan. Označite prioritet grupa na svakom C-atomu i način razmišljanja.

C2H5

BrH

Br

C2H5

H

C2H5

BrH

R'

Br

Br

R'

BrH

C2H5

R'

C2H5Br

H

R'

BrH5C2

H

R

3

4

(3S,4R)-3,4-dibromheksan

R' = CH(Br)C2H5

CH3CH2CHCHCH2CH3

3 4 S

a

c

b

d a

d

c

b(S)

33 44 a

c

b

d a

d

c

b(R)

27

ZADATAK 1. Prikažite 1-brom-1-jodetan klinastim formulama (oba enantiomera) a zatim klinaste formule prevedite u Fischer-ove:

klinaste:

C

HI

CH3

Br

C

HI

CH3

Br

**

Fischer-ove:

CH3

Br

I

H

I

Br

CH3

Hravan refleksije

1.1. Odredite apsolutnu konfiguraciju enantiomerima iz zadatka 1, označite prioritet supstituenata i objasnite način razmišljanja. Kod klinastih formula, pri određivanju konfiguracije, formulu orijentišite u skladu sa "pravilom posmatranja":

klinaste:

CCH3 I

Br

CI CH3

Br

C

HI

CH3

Br

C

HI

CH3

Br

ac

b

ac

b

S R

a

c

b

d

a

c

b

d**

Prioritet opada u nizu I > Br > C > H, prema 1. sekvenc. pravilu, čime je određen prioritet supstituenata a, b, c, i d.

..................... Klinastu formulu obavezno

orijentisati u skladu sa pravilom posmatranja!

Fischer-ove:

CH3

Br

I

H

I

Br

CH3

H

ac

b

d

a c

b

d

S R

U konkretnom primeru, apsolutna konfiguracija se može odrediti bez dodatnih transformacija (supst. najmanjeg prioriteta je u vertikalnoj poziciji, na dnu formule)!

..................... U nekim slučajevima je Fischer-

ovu projekcionu formulu potrebno transformisati (koristeći dozvoljene tranformacije) tako da se može odrediti apsolutna konfiguracija!