49
Stereohemija i Mehanizmi organskih reakcija UVOD

Stereohemija i Mehanizmi organskih reakcija UVOD za organsku hemiju i biohemiju... · Provjera znanja i ocjenjivanje Kriterij Bodovi Uslov Pohađanje nastave 5 3 Angažman na nastavi

  • Upload
    others

  • View
    72

  • Download
    1

Embed Size (px)

Citation preview

Stereohemija i

Mehanizmi organskih

reakcija

UVOD

Osnovna literatura

1. E. Eliel, S. Wilen, L. Mander, Stereochemistry of organic compounds, Wiley-Interscience, 1994.

2. H. B. Kagan, Organska stereohemija, Hemijski fakultet, Beograd, 2003.

3. F. A. Carey, R. J. Sundberg, Advanced organic chemistry. Part A: Structure and mechanisms, Springer, 2007.

Pomoćna literatura

1. M. Lj. Mihailović, Osnovi teorijske organske hemije i stereohemije, Građevinska knjiga, 1972.

2. S. H. Pine, J. B. Hendrickson, D. J. Cram, G. S. Hammond, Organska kemija, Školska knjiga, 1984.

3. R. T. Morrison, R. N. Boyd, Organska kemija,Školska knjiga, 1979.

4. P. C. Volhardt, N. E. Schore, Organska hemija, Data status, 2004.

Provjera znanja i ocjenjivanje

Kriterij Bodovi Uslov

Pohađanje nastave 5 3

Angažman na nastavi 10 5

Test I 45 25

Završni test 40 22

Ukupno 100 55

Stereohemija

• Pojam stereohemija sadrži prefiks „stereo“ koji

potiče od grčke riječi „stereos“=prostor.

• Stereohemija-“hemija u prostoru“

• Pojam stereohemija prvi put upotrijebili Le Bel

i van‘t Hoff (1874)

-Hipoteze u vezi sa asimetričnim ugljikovim

atomom

Stereohemija

• Dvodimenzionalna hemija „na hartiji“ mnogo

pomaže hemičaru ali često nije dovoljna za

objašnjenje reakcija odnosno reakcionih

mehanizama

• Imala značajnu ulogu u razvoju hemije

• U 19.vijeku hemičari su ispitivali molekule

kristalografski –indirektno donosili zaključke o

strukturi molekula

Stereohemija

• Paster 1848. godine, na osnovu znanja iz

kristalografije razdvojio dva kristalna oblika

natrijum-amonijumove dvostruke soli vinske

kiseline (dobivene iz racemske smjese vinske

kiseline)

• Dva kristalna oblika predmet i njegov lik u

ogledalu

• Oba kristalna oblika ponasaju se kao predmet i

njegov lik u ogledalu

Stereohemija

• Ovo prvo razlaganje jednog racemskog

jedinjenja u dvije komponente, demonstriralo je

vrlo vaznu izomeriju, Opticku izomeriju

• La Bel I vant Hoff ispitivali

- cetiri valence ugljikovog atoma

- kvaterne amonijeve soli

- Amin oksidi

- Sulfooksidi

- Arsenoksidi

Stereohemija

• APLIKACIJA STEREOHEMIJE U

- FARMACEUTSKOJ INDUSTRIJI

- MEDICINI

Stereohemija

• Problemi stereohemije su dijelimicno usli u sve

oblasti hemije:

- Neorgansku

- Organsku

- Fizicku hemiju

• Tesko je povuci granice izmedju pojedinih

disciplina

Stereohemija

• Posljednjih godina uvodjenjem fizickih metoda

organska hemija je dozivjela buran napredak i

duboko je izmjenila svoj izgled.

Stereohemija

• U svim oblastima hemije stereohemija se

proucava iz dvostrukog aspekta

1. Statickog

2. Dinamickog

Staticka stereohemija

• Sakuplja sve podatke o molekulskoj strukturi

tj. o uzajamnom polozaju atoma u prostoru

• Molekula u mnogim slucajevima nije kruta i

moze da mijenja svoj oblik u zavisnosti od:

- temperature i

- prirode supstituenta

• Ova odstupanja, koja uglavnom pocivaju na

rotaciji oko proste veze, ispituju se pomocu

konformacione analize.

Stereohemija

• Stereohemija omogucava predvidjanje broja

stereoizomera koji odgovaraju jednoj planarnoj

formi

• Pronadjene su metode za istrazivanje

stereohemije molekula.

Ove metode su neophodne za hemiju prirodnih

proizvoda tj.za potpunu karakterizaciju nekog

izolovanog jedinjenja

Stereohemija

• Interes za ovakva istrazivanja nije samo

akademski

• Ako je neka supstanca npr.terapeutski aktivna,

ona moze biti od posebnog znacaja.

Poznavanje strukture te supstance, omogucava

parcijalnu ili totalnu sintezu u industrijskim

razmjerama

Stereohemija

Primjer: kortizon

• 1945. godine u cijelom svijetu je bilo samo

nekoliko mg ove supstance

• 1947. god.otkriveno je njegovo antiinflamatorno

dejstvo

• 1950. godine sintetiziran je kortizon iz zucnih

kiselina u kilogramskim kolicinama

Dinamicka stereohemija

• Bavi se reaktivnoscu molekula

• Ako je poznat sterni tok neke reakcije:

• tada se zna i stereohemija nagradjenih

molekula, a cesto i

• reakcioni put i

• geometrija prelaznog stanja

Stereospecificnost

• Treba da karakterise modernu organsku sintezu

• To je cesto tezak problem za rjesavanje u

dinamickoj stereohemiji

Znacaj sterne kontrole pri sintezi:

• Npr.penicilin moze postojati u 23=8 razlicitih

stereoizomera, od kojih samo jedan ima zeljeno

antibioticko dejstvo.

• Period 1970-1994. godine date

mnoge efikasne metode za

asimetricnu sintezu, a narocito za

asimetricnu katalizu, a to

omogucava ostvarenje industrijske

sinteze enantiomerno cistih

jedinjenja.

Istrazivanja dinamicke stereohemije su neophodna

da bi se dobile korisne informacije o reakcionim

mehanizmima:

• Jonske

• Radikalske

• Fotohemijske

• Enzimatske

21

Stereochemistry and Drug Action

Why do chiral molecules react differently with biological molecules?

A A A B

C B C A

A’ A’ A’ B’

C’ B’ C’ A’

R S

22

• FDA (The Food and Drug

Administration) zahtjeva da se

lijekovi proizvode u

• enantiomerno cistom obliku ili

• da se dokaze rigoroznim

testovima da su oba

enantiomerna oblika sigrurna za

upotrebu.

Vaznost stereohemije u dejstvu lijekova

• Primjer: Mnogi lijekovi u psihijatrijskoj praksi su smjese enantiomera

• Za neke terapeutike, struktura jednog enantiomera, moze dato bolju bioraspolozivost, poboljsanu tarapeutski efekat i/ili bolju farmakokinetiku nego smjesa enantiomera.

• Takodjer, drugi enantiomerni oblik moze imati toksican efekat ili nema dejstvo uopste.

• U nekim slucajevima, racemska smjesa pokazuje bolju aktivnost neko pojedinacno enantiomeri.

Stereohemija

Istorijski primjer: Walden-ova inverzija.

• Jos 1903. godine u svojim radovima o opticki

aktivnim molekulama Walden dokazao da u

nekim nukleofilnim supstitucijama (kasnije

nazvane SN2-supstitucije), supstrat podlijeze

inverziji konfiguracije (tj. vrsi se "izvrtanje"

prvobitnog tetraedra)

Stereohemija

• Pomocu konformacione analize, mogu se

analizirati molekulske strukture, ukoliko su

moguce rotacije oko odredjenih veza.

• Oblik molekula moze jako da varira, odredjene

konformacije su znatno stabilnije od drugih,

• u mnogim slucajevima hemijska reaktivnost

zavisi od konformacije molekula.

Stereohemija

Znacaj stereohemije:Nobel-ove nagrade:

• 1969. Barton i Hassel

(za konformacionu analizu)

• 1975. Cornforth i Prelog

(sterni tok enzimatskih reakcija i reakcija u

kojima ucestvuju cisto organski sistemi).

28

• Izomerija

• Konstitucionalni izomeri

• Stereoizomeri

• Enantiomeri

• Diasteromeri

• Konfiguracijski izomeri

• Cis-trans izomeri

Važni pojmovi u stereohemiji

29

• Hiralne molekule

• Stereocentar

• Predstavljanje trodimenzionalnih molekula u dvije dimenzije

• Odnos između enantiomera

• Principi polarimetrije

• Fischerove projekcije

• Nomenklatura enantiomera - R i Skonfiguracije, CIP-sistem

• Racemizacija…

Važni pojmovi u stereohemiji

Molekulski modeli i predstavljanje

molekula na hartiji

• Dugo vremena su hemicari stvarnom

obliku molekula pridavali manji znacaj

• Nekad je postojao samo interes iskljucivo

za formule jedinjenja u ravni.

• Ali, tokom razvitka moderne hemije,

postalo je neophodno podrobno

istrazivanje molekulske geometrije da bi

se objasnile ili predvidjele fizicko-

hemijske osobine proucavanih molekula.

• Istrazivanja molekulskih modela cesto

omogucavaju da se izvrse predvidjanja o:

• Povlastenim oblicima (konformacijama)

• Rastojanju izmedju atoma koji nisu

medjusobno vezani

• Sternoj specificnosti u susjedstvu

funkcionalnih grupa

• Mogucnostima sterne izomerije

Princip molekulskih modela

Uglavnom se koriste dvije vrste

modela I to:

• “izduzeni“

• “kompaktni modeli“

33

34

Molekulski modeliMolekula metana

skeletni model model pomoću

kuglica i štapića

kalotni model elektrostatička

potencijalna

mapa superponirana

na model pomoću

kuglica i štapića.

Crvena boja

označava najveću, a

plava najmanju

elektronsku gustinu

35

Ime Strukturna formula Kondenzirana formula Model s kuglicama

i štapićima

Metan

Etan

Propan

Butan

36

metan etan propan

37

38

Grafičko predstavljanje molekula

A

ED

B

A

D

E B

A

D

BE

A A

D DB B

A

BD

BD

A

A

A

D B

D B

A

D B

BD

A

A

A

D B

D B

Klinaste formule

A

ED

B

A

D

E B

A

D

BE

A A

D DB B

A

BD

BD

A

A

A

D B

D B

A

D B

BD

A

A

A

D B

D B

39

A

ED

B

A

D

E B

A

D

BE

A A

D DB B

A

BD

BD

A

A

A

D B

D B

A

D B

BD

A

A

A

D B

D B

A

ED

B

A

D

E B

A

D

BE

A A

D DB B

A

BD

BD

A

A

A

D B

D B

A

D B

BD

A

A

A

D B

D B

A

ED

B

A

D

E B

A

D

BE

A A

D DB B

A

BD

BD

A

A

A

D B

D B

A

D B

BD

A

A

A

D B

D B

A

ED

B

A

D

E B

A

D

BE

A A

D DB B

A

BD

BD

A

A

A

D B

D B

A

D B

BD

A

A

A

D B

D B

Grafičko predstavljanje molekula

Fischerove formule

40

A

ED

B

A

D

E B

A

D

BE

A A

D DB B

A

BD

BD

A

A

A

D B

D B

A

D B

BD

A

A

A

D B

D B

Grafičko predstavljanje molekula

Dijagonalne formule

41

A

ED

B

A

D

E B

A

D

BE

A A

D DB B

A

BD

BD

A

A

A

D B

D B

A

D B

BD

A

A

A

D B

D B

Grafičko predstavljanje molekula

Newmanove formule

A

ED

B

A

D

E B

A

D

BE

A A

D DB B

A

BD

BD

A

A

A

D B

D B

A

D B

BD

A

A

A

D B

D B

A

ED

B

A

D

E B

A

D

BE

A A

D DB B

A

BD

BD

A

A

A

D B

D B

A

D B

BD

A

A

A

D B

D B

• Izomeri:

imaju istu molkulsku formulu a

razlicitu strukturu

ZADATAK

• Nacrtaj formule svih mogućih

izomera molekulske formule

C4H10!

RJESENJE:

C4H10

1. Butan CH3CH2CH2CH3

2. 2-metilpropan CH(CH3)3

• Nacrtaj formule svih mogućih

izomera molekulske formule

C2H6O!

Rjesenje C2H6O :

1. Etanol CH3CH2OH

2. Metoksimetan (dimetileter)

CH3OCH3

46

• Nacrtaj formule svih mogućih

izomera molekulske formule

C3H6O!

Primjeri za vježbu...

47

• Postoji 9 konstitucionalnih izomera

empirijske formule C3H6O.

• Međutim, pošto dva od ovih izomera

postoje kao parovi stereoizomera,

ukupan broj izomera je 11!

Primjeri za vježbu...

48

(R)-Metiloksiran(S)-Metiloksiran Aceton Propen-2-ol

(Z)-Prop-1-en-1-ol(E)-Prop-1-en-1-ol Propanal

Metoksieten Prop-2-en-1-ol Oksetan Ciklopropanol

CH3 O

H

CH3 OH

H

OH

HCH3

(E)-Prop-1-en-1-ol (Z)-Prop-1-en-1-olPropanal

O

CH3

O

CH3

(S)-Metiloksiran (R)-Metiloksiran