KAPITEL 9. STEREOKJEMI.

Transkript

1 KAPITEL 9. STEREOKJEMI.

2 1. ENANTIOMERE OG DET TETRAEDERISKE KARBONATOMET. T65, T66, T67 Når fire ulike grupper er bundet til et karbonatom er to forskjellige plasseringer mulig. Disse to måtene å plassere de fire gruppene på er speilbilder av hverandre. Molekyler som er speilbilder av hverandre er enantiomere. 2. ÅRSAKEN TIL AT MOLEKYLER SOM ER SPEILBILDER AV VERANDRE IKKE ER LIKE: KIRALITET.T68 Molekyler som ikke kan legges over speilbilde sitt er kirale. Et molekyl er ikke kiralt dersom det inneholder et symmetriplan. Et molekyl uten symmetriplan er kiralt. Et karbon bundet til fire forskjellige grupper er et kiralt senter. -C 2- og -C 3 enheter er akirale. Oppgave 9.1 vilke av følgende objekt er kirale? A En skrutrekker Akiral B En skrue Kiral C En bønne Kiral D En sko Kiral E En hammer Akiral Oppgave 9.2 vilke av følgende molekyler er kirale? Molekylmodeller kan være et nyttig hjelpemiddel for å løse oppgaven. O O N N N toluen Koniin O Fenobarbital Koniin og fenobarbital 2

3 Oppgave 9.3 Sett en stjerne ved kirale senter i følgende molekyl. O O * * * Mentol Oppgave 9.4 * * Kamfer O * * N * Dextromethorfhan Alanin, en aminosyre som fins i proteiner, er kiralt. Tegn to enantiomer av alanin. uk standard konvensjoner for heltrukne, kileformede og stiplede linjer. C 3 C 3 COO N 2 OOC 2 N 3. OPTISKE AKTIVITET T69 Løsninger av visse substanser dreier planpolarisert lys. Vi sier at disse stoffene er optisk aktive. vor mye lyset dreies kan måles med et polarimeter. En forbindelse som dreier planpolarisert lys mot høyre er høyredreiende. En forbindelse som dreier planpolarisert lys mot venstre er venstredreiende. 4. SPESIFIKK ROTASJON vor mye lyset dreies avhenger av konsentrasjon, lysveien og bølgelengden. Spesifikk rotasjon er observert rotasjon i en prøve med konsentrasjon 1 g/ml, lyslengde 1 dm og lys med bølgelengde 589 nm Spesifikk rotasjon er en fysisk konstant karakteristisk for en gitt optisk aktiv substans. Oppgave 9.5 1,50 g koniine, et giftige ekstrakt fra hemlock, ble løst i 10,0 ml etanol og overført en celle med lengde 5,00 cm. Den observerte rotasjon av natrium D-linja var 1,21º. Beregn [α] D for koniine. uk formelen [ α ] D = α l C 3

4 der [α] D er spesifikk rotasjon α er observert rotasjon l veilengde i cellen, dm C konsentrasjon, g/ml er er α = 1,21º l = 5,00 cm = 0,500 dm C = 1,50 g/10,0 ml = 0,150 g/ml 1,21 0,500 0,150 [ α ] = = + 16, 1 D N Giften i Sokrates giftbeger. Koiine, (S)-2-propylpiperidin 5. PASTEURS OPPDAGELSE AV ENANTIOMERE. Pasteur oppdaget to forskjellige typer krystaller i en løsning som han fordampet. Krystallene var speilbilder av hverandre. Løsninger av de to typer av krystaller var optisk aktive og deres spesifikke rotasjon var lik i størrelse, men hadde motsatt fortegn. Pasteur postulerte at noen forbindelser av kirale og oppdaget fenomenet enantiomere. 6. REGLER FOR ANGIVELSE AV SPESIFIKK KONFIGURASJON T70, T71, T72 Gi prioritet til gruppene etter Cahn-Ingold-Prelog reglene Orienter molekylet slik at gruppen med lavest prioritet, gruppe 4, peker bakover. Tegn en krum pil fra gruppe 1 til gruppe 2 til gruppe 3. Dersom pilen går med klokka er kiraliteten R, dersom pilen går mot klokka er kiraliteten S. Oppgave 9.6 Gi prioritet til følgende substituenter: a. -, -, -C 2C 3, -C 2C 2O Fra høy til lav 4

5 -, -C 2C 2O, -C 2C 3, - Regel 1. har lavest og har høyest prioritet. Regel 2. -C 2C 2O har høyere prioritet enn -C 2C 3, b. -CO 2, -CO 2C 3, -C 2O, -O Fra høy til lav -O, -CO 2C 3, -CO 2, -C 2O Regel 3. -CO 2 betraktes som C bundet til tre O mens i -C 2O er C bundet til 1 O c. -CN, -C 2N 2, -C 2NC 3, -N 2 Fra høy til lav -N 2, -CN, -C 2NC 3, -C 2N 2, d. -, C 2, -Cl, C 2Cl Fra høy til lav -,, -Cl, C 2, C 2Cl Oppgave 9.7 a. Forestill deg at du ser på molekylet og gruppen med lavest prioritet peker bakover. Du ser fra øvre høyre av molekylet og du ser gruppe 1 til venstre, gruppe 3 til høyre og gruppe 2 nederst. Man kan tegne piler fra 1 til 2 fra 2 til 3 og fra 3 til 1. Konfigurasjon er S. b. R c. S Oppgave 9.8 Assigner R eller S konfigurasjon til hvert av følgende molekyl. C 3 COO 3 C O COO N 2 C 3 CN 5

6 Følgende fremgangsmåte kan benyttes for å assignere R, S-konfigurasjon til kirale senter, Trinn 1. For hvert kirale senter ranger substituentene etter Cahn-Ingold-Prelog systemet. Substituent Prioritet COO 2 -C Trinn 2. Som i oppgave 9.7. Tenk at du ser mot molekylet slik at gruppen med lavest prioritet peker bakover. Fra ditt synspunkt tegner du piler fra gruppe 1 til gruppe 2 til gruppe 3 og merk retningen av rotasjon. Molekylet har S konfigurasjon. b. Substituent Prioritet. -O 1 -COO 2 -C Molekylet har S konfigurasjon. c. Substituent Prioritet. -N 2 1 -CN 2 -C Molekylet har R konfigurasjon. Oppgave 9.9 Substituent Prioritet. -O 1 -C 2C 2C 3 2 6

7 -C (S)-pentan-2-ol O C C 3 C 2 C 2 C 3 Oppgave 9.10 Substituent Prioritet. -N 2 1 -COO 2 - C 2C 2SC S 7. DIASTEREOMERE T73 Et molekyl med to forskjellige kirale senter har fire mulige stereoisomere. Det er to enantiomere par. En stereoisomer fra et par er diastereoisomer med begge stereoisomer i det andre parret. Diastereomere er stereoisomere som ikke er speilbilder. Oppgave 9.11 Assigner R,S konfigurasjon til hvert kirale senter i følgende molekyl. vilke er enantiomere og hvilke er diastereomere? C 3 C 3 C 3 C 3 O 3 C C 3 3 C O C 3 O O R R S, R R, S S, S Første bokstav refererer til konfigurasjon rundt det øverste karbonatomet Oppgave 9.12 Kloramfenikol, et kraftig antibiotika som ble isolert i 1949 fra Streptomyces venezuelae bakterien, er aktiv mot et bredt spekter av bakterieinfeksjoner og er spesielt brukbar mot tyfus. Assigner R,S konfigurasjon i de kirale senter i kloramfenikol. 7

8 R O NCOCCl R 2 C 2 O Oppgave 9.13 Assigner R, S konfigurasjon til de kirale senter i aminosyren isoleucin. S C 3 OOC S C 2 C 3 2 N 8. MESO FORBINDELSER T74 En mesoforbindelse er en forbindelse med to kirale senter og et indre speilplan. En mesoforbindelse er akiral til tross for at den har to kirale senter. Oppgave 9.14 vilke av følgende forbindelser er mesoforbindelser? O O O O C 3 C 3 3 C For å bestemme om en struktur representerer en mesoforbindelse forsøker man å finne et speilplan. O O (b) og (c) er ikke mesoforbindelser. C 3 R S C 3 Oppgave 9.15 vilke av følgende forbindelser har en mesoforbindelse? a. 2,3-dibrombutan b. 2,3-dibrompentan 8

9 * c. 2,4-dibrompentan Dersom et molekyl skal kunne eksistere som en mesoforbindelse må det ha et symmetriplan. 2,3- dibrombutan kan eksistere som et enantiomert par eller som en mesoforbindelse avhengig av konfigurasjon på karbon 2 og 3. b. 2,3-dibrompentan har ikke noe symmetriplan. c. 2,4-dibrompentan kan eksistere som en mesoforbindelse. Oppgave 9.16 Vil følgende struktur representere en mesoform? Dersom dette er tilfelle, vis symmetriplanet. Dette molekylet representerer en mesoforbindelse. Symmetriplanet går gjennom karbonet som har -O gruppen og mellom de to karbonatomene i ringen som er bundet til metylgrupper. 3 C 3 C O 9. MOLEKYLER MED MER ENN TO KIRALE SENTER Et molekyl med n kirale senter kan maksimalt ha 2 n kirale stereoisomere Oppgave 9.17 vor mange kirale senter er det i morfin? vor mange stereoisomere er i prinsippet mulig? N * * * * O O O Morfin har fem kirale senter og kan i prinsippet ha 2 5 stereoisomere. Mange av disse er for spent til at de kan eksistere. 10. RASEMISKE BLANDINGER OG OPPLØSNING AV RASEMISKE BLANDINGER. Oppgave 9.18 vilke stereoisomere vil resultere fra reaksjon mellom (±)-melkesyre og (S)-1-fenyletylamin og hva er sammenhengen mellom dem? 9

10 Et R,S salt R COO C O 3 O OOC S C 3 } C 3 C 2 N COO- C O 3 O -OOC C 3 C 3 C + 3 N C 3 C + 3 N Et S,S salt De to saltene som er produkt i reaksjonen har konfigurasjon (R,S) og (S,S) og er diastereomere. 11. FYSISKE EGENSKAPER TIL STEREOISOMERE Enantiomere har identiske fysiske egenskaper, men unntak av rotasjon av planpolarisert lys. Fysiske egenskaper til mesoforbindelser, diastereomere og rasemiske blandinger er forskjellige fra hverandre og fra egenskapene til enantiomere. 12. EN KORT REPETISJON AV ISOMERI T75 Strukturisomere er molekyler med samme summeformel, menatomene bundet sammen forskjellig. Skjelletisomere har forskjellig karbonskjellet. Funksjonelle isomere har forskjellige funksjonelle grupper. Posisjonsisomere har funksjonelle grupper i forskjellige posisjoner. I stereoisomere er atomene bundet sammen på samme måte, men med forskjellig geometri. Enantiomere er speilbilder av hverandre. Diastereomere er stereoisomere som ikke er speilbilder av hverandre Oppgave 9.19 Konfigurasjonsdiastereoisomere Cis-trans isomere har forskjellige arrangement av substituenter rundt en dobbeltbinding eller i en ring. vilke typer isomere er følgende par? (a) 10

11 Cl Cl (S)-5-klorheks-2-en Klorsykloheksan Disse to forbindelsene er konstitusjonelle isomere. (b) (2R,3R)-dibrompentan og (2S,3R)-dibrompentan er diastereomere. 13. FISER PROJEKSJONER En Fisher projeksjon representerer et tetraederisk karbon som et par av perpendikulære linjer orisontale linjer representerer bindinger som kommer ut av planet. Vertikale linjer representerer bindinger som går ned i planet. Et molekyl kan representeres med mange Fisher projeksjoner. For å manipulere og på den måten sammenligne Fisher projeksjoner er det to tillatte bevegelser. En Fisher projeksjon kan roteres 180º, men ikke 90º eller 270º. En gruppe kan holdes på plass, mens de tre andre roteres med eller mot klokka. For å se om to Fisher projeksjoner representere samme enantiomer gjør man de tillatte bevegelser til to grupper i en projeksjon kan legges over to grupper av en annen projeksjon. Dersom de to andre gruppene også sammenfaller, vil Fisher projeksjonene representere samme enantiomer. Dersom de to andre gruppene ikke sammenfaller, vil de to Fisher projeksjonene representere forskjellige enantiomere. Oppgave 9.20 vilke av følgende Fisher projeksjoner representerer samme enantiomer? COO COO C 3 O 3 C O C 3 OOC C 3 O COO O A B C D A og B er identiske og enatiomere med C og D som også er identiske. Oppgave

12 Er følgende par av Fisher projeksjoner de samme eller er de enantiomere? a C 3 Cl OC Cl CO C 3 Enantiomere b. C 2 O CO O O C 2 O CO Oppgave 9.22 Enantiomere Omdann følgende tetraederiske representasjon av (S)-2-klorbutan til en Fisher projeksjon. Cl 3 C C 2 C 3 Cl C 3 C 2 C ASSIGNERING AV R,S KONFIGURASJON TIL FISER PROJEKSJONER Gi substuentene prioritet på vanlig måte Utfør en av de to tillatte bevegelser for å sette substituenten med lavest prioritet øverst på Fisher projeksjonen. Bestem retningen på rotasjonen av pilen som går fra gruppe 1 til gruppe 2 til gruppe 3. Oppgave 9.23 A B C COO C 3 C 3 O C 2 C 3 O CO C 3 S S R 12

13 Oppgave 9.24 Tegn følgende molekyl og avgjør om det har S eller R konfigurasjon OC 2 C 3 Cl R-konfigurasjon. 15. STEREOKJEMI I REAKSJONER: ADDISJON AV TIL ALKENER. Når adderes til et akiralt alken dannes en rasemisk blanding av produkter. Et akiralt karbokation intermediat kan angripes av - på begge sider for å produsere en rasemisk blanding. Transition state som dannes fra overside og underside angrep har samme energi. 16. STEREOKJEMI I REAKSJONER: ADDISJON AV 2 TIL ALKENER. 2 kan adderes til begge sider av en dobbeltbinding for å danne et bromoniumion. I tilfelle med cis-but-2-en vil addisjon av - til bromoniumionet gi (2S,3S) og (2R,3R) i like stor mengder, en rasemisk blanding. I tilfelle med trans-but-2-en vil addisjon av - til bromoniumionet gi meso-2,3-dibrombutan. Reaksjon mellom to akirale reaktanter gir alltid et optisk inaktiv produkt enten rasemisk eller meso. Oppgave 9.25 Addisjon av 2 til et usymmetrisk alken som cis-heks-2-en gir en rasemisk blanding selv om angrep av - på et usymmetrisk bromoniumion intermediat ikke er like sannsynlig på begge sider. (Det er mindre sterisk hindring, d. v. s. lettere å angripe bromoniumionet på det karbon som er knyttet til metyl enn på det karbon som er knyttet til propyl.) Forklar det observerte stereokjemiske resultatet. C 3 C 2 C 2 C 3 2S,3S minor C 3 C 2 C 2 C 3 C 3 C 3 C 2 C 2 2R,3R major 13

14 C 3 C 2 C 2 C 3 2R,3R minor C 3 C 2 C 2 C 3 C 3 C 2 C 2 2S,3S major C 3 Oppgave 9.26 Forutsi de stereokjemisk utbyttet av reaksjon mellom 2 med trans-heks-1-en og forklar dine resonnement. C 3 C 2 C 2 C 3 C 2 C 2 C 3 C 3 C 2 C 2 2R,3Sminor C 3 C 3 2S,3R major C 3 C 3 C 2 C 2 C 3 C 2 C 2 C 3 C 2 C 2 2S,3R minor C 3 C 3 2R,3S major Produktet av bromering av trans-heks-2-en er en rasemisk blanding av (2S,3R)-2,3-dibromheksan og (2R,3S)-2,3-dibromheksan. Den rasemiske blandingen i denne oppgaven er diastereomer til blandingen fra cis-heks-2-en 17. STEREOKJEMI I REAKSJONER: ADDISJON AV TIL KIRALE ALKENER. Når + adderer til et kiralt alken dannes et kiralt karbokation. Det kirale senteret berøres ikke av reaksjonen. Angrep av - på karbokationet skjer ikke med like stor sannsynlighet fra begge sider, og det resulterende produktet er en optisk aktivt blanding av distereomere bromalkaner. 14

15 Oppgave 9.27 vilke produkter danne fra reaksjonen mellom med rasemisk (±)-4-metylheks-1-en? va kan du si om den relative mengde av produkter? Er produktblandingen optisk aktiv? (2S,4S) stereoisomeren er enantiomer til (2R,4R) isomeren og transition state som leder til dannelse av disse to isomere er lik. Disse dannes derfor i lik mengde. Et liknende argument kan benyttes for (2R, 4S) og (2S, 4R) som også dannes i like mengder. Produktet fra reaksjonen mellom og startmaterialet ( er derfor en rasemisk blanding og det er fire mulig produkt. 2S,4S ) + ( 2R,4R ) Merk at forholdet ikke er 50:50. Likevel er produktblandingen optisk ( 2R,4S) + ( 2S,4R) inaktiv da de enantiomere dannes i like stor mengder. C 3 C C (S)-4-metyl-1-heksen C 3 C C 3 C 3 C C 3 (2S, 4S)-2-brom-4-metylheksan C 3 C C 3 (2R, 4S)-2-brom-4-metylheksan Oppgave 9.28 vilke produkter dannes fra reaksjonen mellom og 4-metylsyklopenten? va kan du si om den relative mengden av produkter? 1R, 3S 1S, 3S 1S, 3R 1R, 3R To enantiomere karbokation dannes. ver karbokation kan angripes av bromid enten fra topp eller bunn og det dannes fire stereoisomere 1-brom-3-metylsyklopentan. 18. KIRALITET AV ANDRE ATOMER ENN KARBON. Andre element med tetraederiske atomer kan også være kirale senter. Trivalent nitrogen kan, teoretisk, være kiralt, men hurtig inversjon av det ledige elektronpar på nitrogen omdanner en enantiomer til den andre. 19. KIRALITET I NATUREN. T76 Forskjellige enantiomere av kirale molekyler har forskjellige egenskaper i naturen. (+)-limonen lukter appelsin, mens (-)-limonen lukter sitron. Rasemiske fluxetin er et antidepressivt middel, mens S enantiomerer er effektiv mot migrene. I naturen må molekyler passe inn i en reseptor, og kun en enantiomer vil vanligvis passe. 15