Elementi hiralnosti molekula

• Centar (atom za koji su vezani ligandi u takvom

prostornom rasporedu da onemogućavaju poklapanje sa

strukturom koja se odnosi kao lik u ogledalu)

• Osa (1. osa oko koje su vezani ligandi u takvom

prostornom rasporedu da onemogućavaju poklapanje sa

strukturom koja se odnosi kao lik u ogledalu i 2. osa oko

koje je molekul uvijen tako da se ne može poklopiti sa

molekulom koji je uvijen u suprotnom smeru poput navoja

na šrafu)

• Ravan (ravan oko koje su vezani ligandi u takvom

prostornom rasporedu da onemogućavaju poklapanje sa

strukturom koja se odnosi kao lik u ogledalu)

1

2

Stereocentar (stereogeni centar, hiralni centar) se

označava zvezdicom

• Centrohiralna

jedinjenja su ona koja

imaju hiralni centar

• Hiralni centri mogu biti:

četvorokoordinacioni C,

Si, Ge, N, P i As;

trokoordinacioni S, P,As,

Sb i azot sa fiksiranom

strukturom, kao i atomi

metala u nekim

kompleksima.

• Atom za koji je vezan set liganada u takvom prostornom rasporedu da onemogućava poklapanje sa slikom u ogledalu je hiralni centar.

• Stereogeni centar je atom takav da promena mesta bilo koja dva supstituenta vezana za njega pretvara to jedinjenje u njegov stereoizomer.

• Ranije korišćeni naziv je asimetrični centar.

• Stereogeni četvorokoordinacioni atom je onaj koji je vezan za 4

razlučita liganda.

3

Osa hiralnosti: aksijalno hiralna

jedinjenja (bifenili i aleni)

4

Atropizomerija

5

Atropizomerija

6

Atropizomerija

7

Atropizomerija

8

Atropizomerija

9

Atropizomerija

10

Atropizomerija

11

Atropizomerija

12

atropizomerija

13

Atropizomerija

14

Atropizomerija

15

Aksijalnohiralna jedinjenja

16

Aksijalnohiralna jedinjenja

17

Aksijalnohiralna jedinjenja

18

Aksijalnohiralna jedinjenja

19

Aksijalnohiralna jedinjenja

20

Aksijalnohiralna jedinjenja

21

Helikoidnost (osa hiralnosti)

• Hiralnost spiralnih ili jedinjenja oblika zavrtnja.

• Spirala se uvrće ili u smeru suprotnom od smera kretanja kazaljke na satu, ili u smeru kretanja kazaljke na satu

• Posmatra se iz pravca ose oko koje se vrši uvrtanje

October 2, 2002 MBB 222/ Lecture 12 12

Topoisomerase ITopoisomerase I

22

Helikoidno hiralna jedinjenja (enantiomeri

heksahelicena)

23

paraciklofani

ansa jedinjenja

trans-ciklokten

24

Konfiguracija: apsolutna, relativna Konfiguracija je prostorni raspored atoma ili grupa na hiralnom

C-atomu ili na položajima oko fiksiranog dela molekula

izuzimajući prostorni raspored koji je posledica rotacije oko

proste veze za koju je energetska barijera manje od 14 – 24

kcal/mol.

Relativna konfiguracija – ako apsolutna nije poznata,

zasnovana na hemijskoj interkonverziji iz/ ili u poznato

jedinjenje ili u odnosu na drugi hiralni centar u istom

jedinjenju.

Apsolutna konfiguracija – tačan raspored supstituenata na

hiralnom C-atomu. Obično se određuje kristalografskom

analizom, mada može i hemijskim transformacijama u odnosu

na jedinjenje čija je apsolutna konfiguracija poznata.

Optička aktivnost, (+) ili (-), ne definiše prostorni raspored

supstituenata na hiralnom C-atomu !! 25

Eksperimentalno enantiomeri se mogu razlikovati

instrumentalnim metodama analize: • Difrakcionim (anomalno rasipanje X-zraka talasne

dužine bliske koju apsorpcije neki od elemenata u kristalu),

• Merenjem ugla rotacije ili

• Merenjem promena ugla rotacije u zavisnosti od promene talasne dužine. Enantiomeri daju krive koje se odnose, u odnosu na apscisu, kao predmet i njegov lik u ogledalu. Metoda se zove ¨Optička rotaciona disperzija¨ a dobijena kriva ORD kriva.

• Jednoznačno imenovanje stereoizomera je bitan deo stereohemijskih osnova.

26

Fischer-ova konvencija. D, L- nomenklatura

stereoizomera. Relativna konfiguracija

• Fischer-ova konvencija se zasniva na korelaciji stereogenog centra sa (+)-gliceraldehidom koji je izabran za standard. Ovom enantiomeru je pripisana konfiguracija sa OH grupom sa desne strane Fischer-ove formule orijentisane tako da se aldehidna grupa (supstituent najvišeg oksidacionog stanja) nalazi na vrhu formule.

• Difrakcijom X-zraka na kristalima natrijumrubidijum-tartarata dokazano je da je nasumice izbrana struktura (+)-gliceraldehida tačna (1951. godine).

• Koristi se u hemiji ugljenih hidrata i amino kiselina.

27

D, L- nomenklatura stereoizomera

CH2OH

OHH

CHO

CH2OH

OH H

CHO

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

28

Korelacija strukture gliceraldehida i vinske kiseline

HOH

OHH

COOH

COOH

CH2

HOH

COOH

COOH

NH3

CH2

HOH

COOH

CONH2

CH2NH

2

HOH

COOHHNO

2

CH2OH

HOH

COOH

CH2OH

HOH

CHO

HI

redukcija bilo

koje OH-grupe

NaOCl

HgO

HO -

L-(-)-glicerinaldehid

(-)-vinska kiselina L-(-)-jabučna kiselina

L-(+)-glicerinska kiselina 29

COORb

OHH

HOH

COONa

COORb

OH

HOH

COONa

H

Na,Rb-so (+)-vinska kiselina

Apsolutna konfiguracija (+)-vinske kiseline je određena 1951

difrakcijom X-zrakova na natrijum-rubidijumovoj soli

(+)-vinske kiseline. To je potvrdilo i apsolutnu konfiguraciju

(+)-gliceraldehida.

30

Pravila za određivanje konfiguracije po D,L-sistemu

• Napisati Fischer-ovu formulu jedinjenja postavljajući

supstituent najvišeg oksidacionog stanja na vrhu

• Kod monosaharida posmatra se hiralni centar koji je najudaljeniji od

karbonilne grupe. Često se stavlja oznaka Dg i Lg da se naglasi

standard u odnosu na koji je izvršeno određivanje.

• Ako je supstituent na hiralnom centru sa desne strane Fischer-ove

projekcije radi se o D izomeru a ako je sa leve strane radi se o L

izomeru.

• D i L su stereodeskriptori koji se odvajaju crticom od ostatka imena,

velika slova veličine malih slova u ostatku naziva

31

Relativna konfiguracija dva susedna stereogena centra se

može označiti prefiksima: eritro ili treo.

• Eritro izomer ima raspored supstituenata na susednim streogenim centrima jednak rasporedu supstituenata u eritrozi (sa iste strane ugljenikovog niza).

• Treo izomer ima raspored supstituenata na susednim streogenim centrima jednak rasporedu supstituenata u treozi (sa suprotnih strana ugljenikovog niza).

32

D/L-Nomenklatura se koristi uglavnom kod

monosaharida i amino kiselina

33

D, L -nomenklatura

CH3

OH H

COOH

CH3

H Br

COOH N3

-

CH3

H

COOH

N3

CH3

H

COOH

NH2

Pt/H2

HO -

Dokaz strukture aminokiselina

L-(+)-mlečna kiselina

L-(+)-alanin 34

Priroda je izabrala L- amino kiseline

• Posmatra se hiralni C atom koji je u susedstvu karboksilne grupe. Mogu se, ali ne moraju, koristiti stereodeskriptori Ds i Ls da se naglasi da je referentno jedinjenje serin. Ako je amino grupa na levoj strani Fischer-ove formule radi se o L-izomeru, a ako je na desnoj strani reč je o D-izomeru.

COOH

C

CH2OH

H2N H

L-serin

H2N

CH2

C

NH2

O

H

COOH

L-asparagin35

Nomenklatura stereoizomera

• Problem jednoznačne nomenklature

stereoizomera rešila su tri evropska

hemičara: R. S. Cahn, C. K. Ingold i V.

Prelog uvodeći sistem (konvenciju)

poznatu pod imenom R-S

nomenklatura (1956. godine).

Christopher Ingold (1899-1970) 36

R,S nomenklatura centrohiralnih jedinjenja

• Za određivanje konfiguracije centrohiralnih jedinjenja poštujemo dva pravila:

• Sekvenciona pravila

• Pravilo posmatranja (The Viewing Rule).

• Primenom sekvencionog pravila određujemo prioritete supstituenata.

• The Viewing Rule kaže da hiralni centar mora biti posmatran sa suprotne strane od strane supstituenta sa najmanjim prioritetom.

• Ako prioritet opada u smeru kretanja kazaljke na satu radi se o R konfiguraciji

• Ako prioritet opada u smeru suprotnom od smera kretanja kazaljke na satu radi se o S konfiguraciji.

37

38

39

40

Sekvenciona pravila

41

42

R,S-nomenklatura Sekvenciona pravila

1. Prioritet se određuje na osnovu rednog broja atoma

direktno vezanog za hiralan C-atom. Viši prioritet ima

atom sa većim rednim brojem. (Izotopi istog elementa imaju

veći prioritet ako imaju veću masu, ako je to jedina tačka razlike

nakon primene ostalih pravila). Nevezivnom elektronskom paru se

pripisuje redni broj nula.

•Prioritet supstituenata se označava malim slovima: a, b, c, d ili

a,b,d e ili brojevima 1,2,3,4.

Cl

H

Br COOH

Br > Cl > C > H 43

R,S-nomenklatura

Sekvenciona pravila

2. Ako su atomi vezani direktno za hiralan C-atom identični,

prioritet se određuje na osnovu rednog broja sledećeg atoma

u supstituentima upoređujući najpre atome najvišeg prioriteta

CH2

H

CH3

OH

CH3

HO > CH2CH3 > CH3 > H

44

3. Dvostruke i trostruke veze se tretiraju kao zasićene tako da se na

svakom od atoma u dvostrukoj ili trostrukoj vezi docrtaju još

jedna ili dve veze i za njih se veže udvostručeni atom s drugog

kraja veze. Udvostručeni atom se tretira kao atom za koji su

vezana još tri liganda sa rednim brojem nula. Udvostručeni

(fantomski) atom beleži se u zagradi ili sa indeksom 0.

C

O

C

O

(O)

(C)

CC

N

C

N

N0

C0

N0

C0

a. b.

45

R,S nomenklatura, sekvenciona

pravila

I realni i multiplicirani atom se tretiraju

jednako sem u slučaju kada je to jedina

tačka razlike posle primene svih ostalih

pravila. U tom slučaju multiplicirani atom

ima manji prioritet u odnosu na realni

atom iste vrste.

46

Kod cikličnih jedinjenja, ako se prioritet ne može odrediti do

tačke kada se posmatrana grana počne duplicirati, za

zadnji atom u grani se veže fantomski atom jednak

onome sa kojim je raskinuta veza.

O

CH2OCH2CH3

CH2CH2OCH2CH3

C(C0 )H2COH2CH2C

CH2OCH2CH3

CH2CH2OCH2CH3

CH2OCH2CH2(C0 )1

2

4

32

3

4

1

a. b. c.

47

48

49

Aromatični prsteni se posmatraju kao Kekule-ove

strukture.

C

C

C0 C0

50

Pravilo posmatranja (The Viewing Rule)

• (R)-2-butanol

• Oznake konfiguracije se pišu u italic-u, u zagradi i odvajaju se crticom od ostatka imena. 51

R,S nomenklatura centrohiralnih jedinjenja u

kojima hiralni centar ima nevezivni elektronski

par

• Prilikom određivanja prioriteta nevezivnom

elektronskom paru se pripisuje najmanji

prioritet. Tretira se kao fantomski

supstituent sa atomskim brojem 0.

52

Energetska barijera* za trisupstituisane fosfine je oko 30-35

kcal/mol. Fosfor jr stereogeni centar ako je vezan za tri

različita supstituenta.

• (R)-fenilmetilpropilfosfin

* Ako je energetska barijera za konverziju jednog oblika u drugi veća od 16-20 kcal/mol njihovo poluvreme života je dovolno da se mogu okarakterisati kao različiti stereizomeri.

PH3C Ph

CH2CH2CH3

d

HHHC CCC0

C

CCHH

a

b

c

c

a

b

53

Trokoordinacioni azot u acikličnim aminima nije

stereogeni centar zbog male energetske barijere za

planarno prelazno stanje. Ako je struktura amina

fiksirana u krutim cikličnim sistemima tada je azot

hiralni centar (azot u Troger-ovoj bazi).

N

N

H3C CH3

Troger-ova baza 54

R,S-nomenklatura

Određivanje konfiguracije, Fischer-ova formula.

Supstituent najmanjeg prioriteta mora biti ispod ravni papira.

B

E

DA R-konfiguracija

S-konfiguracija

B

E

AD

A > B > D > E55

R,S-nomenklatura (Fischer-ove formule)

HO > CHO > CH2OH > H R

Zamena mesta

po parovima

Zamena mesta za

tri supstituenta

H

CH2OH

OH CHO

H

CH2OH

CHOOH

H

CH2OH

OH CHO

OH

H CH2OH

CHO

OH CH2OH

H

CHO

R 56

Jedinjenja sa dva i više hiralnih C-atoma

Maksimalan broj stereoizomera:

2n (n = broj hiralnih C-atoma)

OHH

OHH

CH2OH

CHO

OH H

OH H

CH2OH

CHO

HOH

OHH

CH2OH

CHO

H OH

OH H

CH2OH

CHO

(-)-eritroza (+)-eritroza (-)-treoza (+)-treoza

eritro treo

X

Y

X

Y

57

Jedinjenja sa dva i više hiralnih C-atoma

Broj stereoizomera kod jedinjenja sa konstituciono istim

hiralnim C-atomima je manji od 2n .

Vinska kiselina ima tri izomera.

(-)-vinska kiselina (+)-vinska kiselina mezo oblik

S R R

S S R

S

R

Oba oblika imaju ravan simetrije;

Rotacijom u ravni papira za 180o

prelaze jedan u drugi.

Mezo jedinjenje je ahiralni stereoizmer iz grupe stereoizomera u kojoj je makar jedan

stereoizomer hiralan.

OHH

OHH

COOH

COOH

OH H

OH H

COOH

COOH

HOH

OHH

COOH

COOH

H OH

OH H

COOH

COOH

58

Jedinjenja sa dva i više hiralnih C-atoma

-pseudhiralan C-atom-

identični molekuli

mezo oblik

HOH

O HH

O HH

CO O H

CO O H

H O H

OH H

OH H

CO O H

CO O H

HOH

O HH

O HH

CO O H

CO O H

H O H

OH H

OH H

CO O H

CO O H

HOH

O HH

HOH

CO O H

CO O H

H O H

OH H

H O H

CO O H

CO O H

HOH

HOH

HOH

CO O H

CO O H

H O H

H O H

H O H

CO O H

CO O H

mezo oblik 59

Jedinjenja sa dva i više hiralnih C-atoma

-pseudohiralan C-atom-

S

R

pseudohiralan C-atom

HOH

OHH

HOH

COOH

COOH

-vezan za četri različita supstituenta

od kojih su dva konstituciono ista

ali konfiguraciono različita

s

Konfiguracija se opisuje stereodeskriptorima r i s (mala

slova, italic, u zagradi). Važe sva pravila kao i za RS

konfiguraciju dopunjena sekvencionim pravilom da R

ima veći prioritet od S 60

Pseudohiralan C atom

• Hiralni centar, C4, ima S-konfiguraciju jer supstituent sa hiralnim centrima iste konfiguracije ima prednost u odnosu na supstituent sa hiralnim centrima različitih konfiguracija (S,SR,S). Ovo pravilo ima prednost u odnosu na pravilo da supstituent R-konfiguracije ima prednost u odnosu na supstituent S-konfiguracije.

OHH

OHH

OHH

OHH

COOH

OHH

COOH

S

R

r

1

2

3

4

5

6

7

R

S

OHH

OHH

OHH

OHH

COOH

HHO

COOH

S

R

1

2

3

4

5

6

7

S

a. b.

S

S

61

1.Odrediti prioritet supstituenata alkenskog sistema primenjujući

sekvenciono pravilo

2. Ako se supstituenti istog prioriteta nalaze sa iste strane dvostruke veze

radi se o Z izomeru (zusammen= zajedno).

3. Ako se supstituenti istog prioriteta nalaze sa suprotnih strana dvostruke

veze radi se o E izomeru (entgegen= across).

4. Z i E se beleže u italic-u, u zagradi i odvajaju crticom od ostatka imena

• (E)-2-hlor-2-butene • (Z)-2-hlor-2-butene

Konfiguracija alkena

62

• (Z)-3-etilpent-3-en-1-in

Nomenklatura alkena

63

Nomenklatura alkena

• (E)-2-(metoksimetil)-2-butenal

64

Cis, trans-nomenklatura alkena

• Ponekad se još uvek koristi cis, trans nomenklatura alkena koji imaju iste ili slične supstituente na susednim C atomima alkenskog sistema.

• Cis izomer ima iste ili slične supstituente sa iste strane dvogube veze.

• Trans izomer ima iste ili slične supstituente sa suprotne strana dvogube veze.

65

Cis, trans-nomenklatura alkena

Cis izomer ima iste ili slične supstituente sa iste strane dvogube veze.

Trans izomer ima iste ili slične supstituente sa suprotne strana dvogube

veze.

Geometrijski izomeri

Ovi izomeri ne pokazuju optičku aktivnost

sem ako za dvogubu vezu nije vezan ostatak koji ima neki hiralni element

• Trans-1,2-etandikarboksilna kiselina (fumarna kiselina)

• cis-1,2-etandikarboksilna

kiselina (maleinska

kiselina) 66

*Sin, anti nomenklatura oksima

C N NC

NCC N

R

H OH

R

H

OH

CH3

C2H5OH

CH3

C2H5

OH

sin- aldoksim

(E)-anti- aldoksim

(Z)-

anti-etilmetilketoksim

(E)-

sin-etilmetilketoksim

(Z)-

• Kod aldoksima sin

konfiguracija se pripisuje

stereoizomeru koji ima H i

OH sa iste strane dvogube

veze.

• Kod ketoksima sin

konfiguracija se pripisuje

ako su OH i alkil grupa

koja se prva navodi u

imenu sa iste strane

dvogube veze.

67

68

69

Nomenklatura cikličnih jedinjenja

70

71

Stereoizomerizam cikličnih jedinjenja

a

Me

Me

H

H

HMe

Me Me Me

H

H

H

Enantiomers Meso compound

71

© 2013 Pearson Education, Inc.

Configuration in Cyclic

Compounds

Chapter 5 72

73

Ciklična jedinjenja sa parnim brojem atoma u prstenu

nisu optički aktivana ako imaju supstituente na

atomima najduže dijagonale zbog ravni simetrije.

(1) 1,4-Dimethylclohexanes

Me

Me

Me

Meplane of symmetry

cis-1,4-Dimethyl

cyclohexane

trans-1,4-Dimethyl

cyclohexane 73

74

(2) 1,3 -Dimethylcyclohexanes

MeMeMeMe

no symmetrical plane

symmetrical plane

cis-1,3-Dimethylcyclohexane trans-1,3-Dimethylcyclohexane

74

75

R,S nomenklatura aksijalno hiralnih jedinjenja • Strukturu posmatramo uzduž ose hiralnosti

• Bez obzira na to sa kojeg kraja ose gledamo

• Bliži par liganada dobija prve dve pozicije po sekvencionim pravilima

• Dalji par dobija preostale dve

• Posmatramo sa suprotne strane od supstituenta sa najmanim prioritetom

• (R)-2,3-pentadien

• Ligandi najvišeg prioriteta na bližem (1) i udaljenijem kraju (3) kumulenskog dela molekula. Ako prioritet opada u smeru kretanja kazaljke na satu radi se o P (plus) konfiguraciji a ako opada u suprotnom o M (minus). Podudaranje Ra i M, kao i Sa i P konfiguracije je opšte.

76

Konfiguracija bifenila

NO2

COOH

HOOC

O2N

O2N

HOOC

COOH

NO2

NO2

COOH

NO2HOOC

1

2

3

4

1

2

34

77

78

Nomenklatura aksijalnohiralnih jedinjenja

79

80

Konfiguracija heksahelicena (osa hiralnosti,

helikoidno hiralna jedinjenja).

H

H

H

H

H

H

H

H

(M)-heksahelicen (P)-heksahelicen

81

P konfiguracija (prednost opada u smeru kretanja kazaljke na

satu prateći kraće rastojanje)

M konfiguracija (prednost opada u smeru suprotnom od smera

kretanja kazaljke na satu prateći kraće rastojanje)

Bliži kraj ima prednost nad udaljenijim.

Planarno hiralna jedinjenja • Hiralna ravan

molekula je ravan koja je tako locirana da uvođenje supstituenta u toj ravni eliminiše ravan simetrije koja je normalna na tu ravan.

• Planarno hiralna jedinjenja su: trans-ciklookten, neka ansa jedinjenja, paraciklofani i drugi.

C

H

C

H

C

H

C

H

O

O

(CH2)n

CH2

CH2

COOH

HOOC

82

Planarno hiralna jedinjenja

• Hiralna ravan

• A. ansa jedinjenja (n≤10)

• B. paraciklofani [2.2]

• C. trans-ciklookten

• R, S

• P, M

COOH

OO

H2C CH2

(CH2)6

COOH

H2C CH2

H2CCH2

H

H

12

3

12

3

1

23

a. b.c.

83

R,S nomenklatura planarno-hiralnih jedinjenja

• Odredi se pilot-atom. To je atom koji nije u hiralnoj ravni ali je vezan za atom koji je u

hiralnoj ravni. Ako postoji više mogućnosti bira se onaj atom koji je najbliži atomu višeg

prioriteta u skaldu sa sekvencionim pravilima.

• Odredi se niz od tri atoma u hiralnoj ravni po sekvencionim pravilima, počevši od atoma

neposredno vezanog za pilot-atom.

• Ako prioriteti opadaju u smeru kretanja kazaljke na satu, posmatrano od pilot atoma,

jedinjenje ima R konfiguraciji. Ako prioritet opada u suprotnom smeru od smera kretanja

kazaljke na satu radi se o S konfiguraciji.

84

• Za označavanje stereohemije planarnih jedinjenja se mogu se, ali ne moraju, koristiti i stereodeskriptori: Rp i Sp.

• Konfiguracija planarno hiralnih jedinjenja se može označiti i stereodeskriptorima P i M.

• Posmatra se opadanje prioriteta iz pravca pilot atoma.

• Ako prioritet opada u smeru kretanja kazaljke na satu radi se o P konfiguraciji, a ako opada u suprotnom o M. Podudaranje Rp i P, kao i Sp i M konfiguracije je opšte.

85

R, S nomenklatura paraciklofana (ako je pilot atom ispod hiralne ravni konfiguracija je suprotna od

određene posmatranjem odozgo)

86

Hiralna ravan je ravan u kojoj se nalazi supstituent

87

Ako postoje supstituenti u obe ravni, hiralna ravan je ravan u kojoj se

nalazi supstituent većeg prioriteta. Atom van ravni hiralnosti bliži atomu

većeg prioriteta je pilot atom

88 (X>Y)

89

Atom van ravni hiralnosti bliži atomu većeg

prioriteta je pilot atom