Autor:Beata Szwagrzyk

Prezentacja może służyć jako:• samouczek dla uczniów szkół średnich• materiał do powtórzenia i usystematyzowania wiadomości• pomoc dydaktyczna dla nauczyciela chemii, wprowadzającego trudny temat izomerii optycznej.

Między slajdami poruszamy się klikając w dowolnym miejscu myszką (wówczas pojawi się następny slajd, w kolejności zaproponowanej przez autorkę prezentacji) lub klikając na wybranym obiekcie (o jego dostępności świadczy rączka, pojawiająca się po najechaniu nań myszą).Ponadto w każdej chwili możesz przejść do dowolnego slajdu, wybierając jego numer z listy widocznej po lewej stronie lub u dołu slajdu. Numer aktualnie wyświetlanego slajdu jest wyróżniony kolorem niebieskim. Aby przerwać oglądanie prezentacji naciśnij klawisz Esc (o ile nie oglądasz jej w przeglądarce internetowej – wówczas x w prawym górnym rogu).

1

6

345

789

101112131415

2019181716

2

ZagadnieniaIzomeria

Rodzaje izomerii; „miejsce” izomerii optycznejIzomeria optyczna

Najważniejsze pojęcia – uczniowskie „zmory”Ciekawostki

1

6

345

789

101112131415

2019181716

2

Jest to zjawisko istnienia związków chemicznych o identycznym wzorze sumarycznym, ale różniących się budową – strukturą cząsteczek. Związki takie nazywamy izomerami.

Izomeria występuje bardzo powszechnie w świecie związków organicznych, np.:

I Z O M E R I A

CH3 CH2 CO

H

CH3C

CH3

O

propanal (aldehyd) propanon (keton)

WZÓR SUMARYCZNY: C3H6O

1 3 4 5 7 8 9 10 11 12 13 14 15 20191817162 6

I Z O M E R I A

konstytucyjna

(strukturalna)

przestrzenna (stereoizomer

ia)-izomery różnią się kolejnością i sposobem powiązania atomów w cząsteczce

-izomery, mając tą samą konstytucję, różnią się rozmieszczeniem atomów w przestrzeni

1 3 4 5 7 8 9 10 11 12 13 14 15 20191817162 6

przestrzenna (stereoizomer

ia)

geometryczna (cis-trans)

optyczna (enancjomeri

a)

diastereo-izomeria

inne

łańcuchowa (szkieletow

a)

położenia

funkcyjna (metameria

)

podstawnika (podstawieni

a)

wiązania wielokrotneg

o

izomery optyczne

chiralność

diastereoizomery

enancjomery

konfiguracja D i L

asymetryczny atom węgla

wzory stereochemiczne

racemat

odmiana

mezo-

WAŻNE POJĘCIAKliknij gdziekolwiek poza kształtami, a poznasz je w kolejności zaproponowanej przez autorkę lub na wybranym obiekcie, jeśli sam chcesz zadecydować o „kie-runku zwiedzania”.

1

6

345

789

101112131415

2019181716

2

to nieidentyczność przedmiotu z jego lustrzanym odbiciem (niemożność nałożenia na odbicie lustrzane).

Pomyśl – chiralne czy achiralne?

Wskazówka!Obiekt jest chiralny,

jeśli nie posiada płaszczyzny ani

środka symetrii (może mieć osie symetrii).

Oczywiście, że

chiralne!

Zauważ, że prawy but jest odbiciem lustrzanym lewego (jeśli masz wątpliwości, to ściągnij bambosze, podejdź do lustra i porównaj jeden z nich z lustrzanym odbiciem drugiego). A czy są takie same (spróbuj założyć np. prawy na lewą nogę!)?

CHIRALNOŚĆ1

6

345

789

101112131415

2019181716

2

chiralne

achiralne

1

6

345

789

101112131415

2019181716

2

ENANCJOMERY (IZOMERY OPTYCZNE)- to po prostu chiralne cząsteczki, a więc dwa izomery będące swoimi lustrzanymi odbiciami

Najważniejszym centrum chiralności jest asymetryczny atom węgla (C*) – węgiel tetraedryczny, połączony z czterema różnymi podstawnikami, np.:

Cząsteczka jest chiralna tylko wtedy, jeśli posiada przynajmniej jedno centrum chiralności (warunek konieczny, ale niewystarczający – patrz: forma mezo).

lustro

C

H

FBrCl

C

H

F BrCl

* *

1 3 4 5 7 8 9 10 11 12 13 14 15 20191817162 6

Para izomerów optycznych (enancjomerów) różni się konfiguracją (czyli rozmieszczeniem podstawników) wokół każdego atomu C* np.:

Aby zmienić konfigurację wystarczy zamienić miejscami

dwa podstawniki.

Właściwości enancjomerów

fizyczne chemiczne

To są enancjomery – są lustrzanymi odbiciami (różnią się konfiguracjami obu centrów asymetrii).

Ta cząsteczka nie jest lustrza-nym odbiciem żadnej z nich (różni się konfiguracją tylko

jednego centrum).

1

6

345

789

101112131415

2019181716

2

enancjomerów są takie same z wyjątkiem oddziaływania ze światłem spolaryzowanym.

światło niespolaryzowane (drgania we wszystkich

płaszczyznach)

światło spolaryzowane (drgania tylko w jednej

płaszczyżnie)

Enancjomery skręcają płaszczyznę polaryzacji (o ten sam kąt ale w przeciwnych kierunkach!) – są optycznie czynne.

Enancjomer prawoskrętny (+)

Enancjomer lewoskrętny (-)

Uwaga!Równomolowa mieszanina obu enancjomerów – tzw. mieszanina racemiczna (racemat) () jest oczywiście optycznie nieczynna, podobnie jak substancje achiralne (skręcalność obydwu enancjomerów jest wzajemnnie równoważona).

Właściwości fizyczne

1

6

345

789

101112131415

2019181716

2

POLARYMETRJest przyrządem służacym do badania czynności optycznej i pomiaru kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji przez roztwór badanej substancji.

Jego główne części to:źródło światłapolaryzator (polaryzuje światło – polaryzator foliowy, tzw.polaroid lub odpowiednio przygotowany kryształ substancji dwójłomnej, np. pryzmat nikola),rurka polarymetryczna (wypełniona roztworem badanej substancji) analizator (przez jego obrót, aż do momentu uzyskania maksymalnego natężenia światła, możemy określić kąt skręcenia)

1

6

345

789

101112131415

2019181716

2

płaszczyzna polaryzacji światła padającego

płaszczyzna polaryzacji światła po przejściu przez substancję optycznie czynną

-kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji (wielkość kąta, o jaki należy obrócić analizator, aby skompensować skręcenie)

Dla danej temperatury i długości fali wielkość kąta zależy od rodzaju substancji oraz liczby cząsteczek znajdujących się na drodze wiązki światła podczas jej przechodzenia przez rurkę polarymetryczną. Zdolność danej substancji do wykazywania czynności optycznej określa tzw. skręcalność właściwa [], czyliliczba stopni, o jaką została skręcona płaszczyzna polaryzacji światła w rurce o długości 1dm, zawierającej 1g badanego związku w 1cm3 roztworu, co obliczamy ze wzoru:

d l*

- obserwowany kąt skręcenia (ze znakiem „+” dla substancji prawoskrętnych, a „-” dla lewoskrętnych) l – długość rurki [dm] d – gęstość czystej cieczy lub stężenie roztworu [g/cm3]

np. skręcalność właściwa -glukozy wynosi +1120, a -fruktozy –133,50

Pomiary polarymetryczne umożliwiają identyfikację substancji oraz określenie ich stężenia w roztworze (zastosowanie m.in. w przemyśle cukrowniczym).

1 3 4 5 7 8 9 10 11 12 13 14 15 20191817162 6

enancjomerów są również identyczne z wyjątkiem reakcji ze związkami optycznie czynnymi.

Ponieważ chiralność może być stwierdzona tylko w kontakcie z innym obiektem chiralnym.

Spróbuj: I. Złapać szklankę (obiekt achiralny) raz prawą, a raz lewą ręką (chiralne!).II. Nałożyć pieciopalczastą , np. prawą rękawiczkę (chiralna) na prawą, a następnie – lewą rękę.

Widzisz różnicę?

Podobnie - enancjomery reagują z tą samą łatwością z substancjami achiralnymi, a z różną – z chiralnymi.

Dlaczego

Właściwości chemiczne

1 3 4 5 7 8 9 10 11 12 13 14 15 20191817162 6

Wzory stereochemiczneczyli – jak rysować stereoizomery?

Można tak:

Ale znacznie prościej tak (wzory rzutowe Fischera):

KwasL-(+)-mlekowy

KwasD-(-)-mlekowy

COOH

C

CH3

HO H

COOH

C

CH3

H OH

Kwas L-(+)-mlekowy

Kwas D-(-)-mlekowy

bardziej utleniona

grupa – u góryłańcuch główny

rysujemy w pionie, a wiązania pionowe są skierowane za

płaszczyznę rzutowania

wiązania poziome

skierowane są przed

płaszczyznę rzutowania

Co oznaczają litery D i L?

1

6

345

789

101112131415

2019181716

2

Konfiguracja D i L.

CHO

CH2OH

HCHO CH OH

CH2OH

CHO

HOH

C

CHO

CH2OHC

CHO

HOH2COH

H

Wzorzec:Wzorzec:

aldehyd L-(-)-glicerynowyaldehyd L-(-)-glicerynowy(łac. laevus – lewy; grupa –OH po lewej stronie atomu węgla)

aldehyd D-(+)-glicerynowyaldehyd D-(+)-glicerynowy(łac. dexter – prawy; grupa –OH po prawej stronie atomu węgla)

Jeśli jakiś enancjomer można przekształcić w aldehyd L-glicerynowy lub z niego otrzymać, to przypisujemy mu symbol L (analogicznie D).

1

6

345

789

101112131415

2019181716

2

Prznależność do szeregu D lub L i kierunek skręcenia (+ lub -) to cechy niezależne! Symbole D i L stosuje się głównie w przypadku aminokwasów i cukrów. Na studiach poznasz bardziej uniwersalną metodę określania konfiguracji absolutnej (wg reguł Cahna – Ingolda – Preloga).

DIASTEREOIZOMERIACOOH

C

C

COOH

OH

HO

H

H

COOH

C

C

COOH

H

H

HO

OH

COOH

C

C

COOH

OH

H

H

OH

*

*

*

*

*

*

enancjomerydiastereoizomery

diastereoizomery

Diastereoizomery – stereoizomery nie będące swoimi lustrzanymi odbiciami (różnią się konfiguracją nie wszystkich centrów asymetrii).

Kwas L-(+)-winowy Kwas D-(-)-winowy Kwas mezo-winowy

Ostatnia cząsteczka posiada płaszczyznę symetrii !!! Pomimo obecności asymetrycznych atomów węgla (aż dwóch) jest

achiralna. Taki izomer nazywamy formą mezo-.

Uwaga!

1 3 4 5 7 8 9 10 11 12 13 14 15 20191817162 6

LICZBA STEREOIZOMERÓW

1 3 4 5 7 8 9 10 11 12 13 14 15 20191817162 6

n Liczba stereoizomerów

Liczba par enancjomerów Przykład substancji

12 2,3-dichlorobutanal

3 fruktoza (odmiana łańcuchowa)

4

LICZBA STEREOIZOMERÓW

Jeśli cząsteczka posiada n asymetrycznych atomów węgla, to jej wzorowi odpowiada 2n stereoizomerów, co stanowi 2n/2 par enancjomerów (lub mniej – w przypadku form mezo-) np.:

bromochlorofluorometan

glukoza (odmiana łańcuchowa)

248

16

124

8

Brakujące elementy uzupełnisz kolejnymi kliknięciami

Glukoza i jej stereoizomeryCHO

C

C

C

C

H

OH

OH

CH 2OH

H OH

HO

H

H

****

****

****

****

****

****

****

****

D-glukoza

CHO

C

C

C

C

OH

OH

OH

CH 2OH

H OH

H

H

H

D-alloza

CHO

C

C

C

C

OH

OH

OH

CH 2OH

HO H

H

H

H

D-altroza

CHO

C

C

C

C

H

OH

OH

CH 2OH

HO H

HO

H

H

D-mannozaCHO

C

C

C

C

OH

H

OH

CH 2OH

H OH

H

HO

H

D-guloza

CHO

C

C

C

C

OH

H

OH

CH 2OH

HO H

H

HO

H

D-idoza

CHO

C

C

C

C

H

H

OH

CH 2OH

H OH

HO

HO

H

D-galaktoza

CHO

C

C

C

C

H

H

OH

CH 2OH

HO H

HO

HO

H

D-taloza

Są to tylko D-stereoizomery (grupa –OH po prawej stronie najniższego asymetrycznego atomu węgla), będące diastereoizomerami. Każdemu z nich odpowiada jeszcze enancjomer L – razem 8*2=24 czyli 16 stereoizomerów.

1

6

345

789

101112131415

2019181716

2

1

6

345

789

101112131415

2019181716

2

Następną proszę!

Organizmy są stereoselektywne, tzn. wytwarzają lub wykorzystują do swoich celów tylko konkretne enancjomery! Na przykład:

(-) – karwon nadaje zapach mięcie ogrodowej, (+) – karwon jest składnikiem olejku kminkowego

kwas L-(+)– mlekowy powstaje z glikogenu podczas pracy mięśni, powodując „zakwasy”, podczas gdykwas D-(-)– mlekowy jest produktem fermentacji mlekowej cukrów, zachodzącej tam, gdzie coś ulega kwaszeniu - znajduje sie w kiszonej kapuście, ogórkach czy kwaśnym mleku (powstaje racemat).

Wszystkie naturalne cukry należą do szeregu konfigu-racyjnego D, a aminokwasy białkowe do szeregu L!

Chemik, syntezując jakąś substancję w probówce może otrzymać jedynie

mieszaninę racemiczną. Aby uzyskać jeden z enancjomerów musi ją bardzo mozolnie rozdzielać na składniki lub oddając hołd

niezrównanej naturze – użyć na jednym z etapów enancjomeru wyprodukowanego

przez organizm żywy!.

Następny proszę