IZOMERIA DE CONFIGURATIE
1. Izomeria optica (enantiomeria)
Izomeria de configuraie apare atunci cnd
compuii au aceeai constituie dar pot avea aranjri
spaiale (configuraii) diferite.
n funcie de diferenele de configuraie care
pot s apar ntre izomeri exista diferite tipuri de
izomerie de configuratie.
Izomeria optic apare atunci cnd moleculele
nu prezint elemente de simetrie nalte; prezena
unor astfel de elemente de simetrie determin
existena a numai unei singure configuraii posibile
pentru o anumit constituie; absena unor astfel de
elemente de simetrie face posibil apariia mai multor
configuraii diferite.
Formule perspectivice ale diclorometanului
rezultate prin rotirea n jurul legturii C H cu cte 600;
formulele care rezult reprezint molecule indentice;
formulele a i d sunt inverse, adic una este imaginea
n oglind a celeilalte dar se pot suprapune prin
micri de rotaie i translaie, adic sunt
imagini de oglindire superpozabile ceea ce
nseamn c sunt identice.
HCl
Cl
H
Cl
H
HCl
H
H
ClCl
ClH
Cl
H
a b c d
Litere majuscule bidimensionale care sunt
imagini de oglinire superpozabile (A i O) i
nesuperpozabile (C i B).
A C BOA O
BC
Cele dou mini, dreapta i stnga, care puse
fa n fa sunt imagini de oglindire. Ele nu sunt ns
superpozabile, pentru c la ncercarea de suprapunere
a lor printr-o micare de translaie ele nu se suprapun,
ceea ce nseamn c sunt obiecte tridimensionale
diferite
Obiectele tridimensionale care nu se suprapun
cu imaginea lor de oglindire sunt denumite obiecte
chirale i care prezint proprietatea denumit
chiralitate.
Condiia pentru ca s apar enantiomeria
(izomeria optic) este ca o molecul s prezinte
chiralitate, ceea ce nseamn ca s nu fie
superpozabil cu imaginea ei de oglindire.
Sunt cteva cazuri n care structura i geometria
unei molecule permit apariia chiralitii:
Cel mai frecvent este cazul unor molecule care
au un atom hibridizat sp3 de care sunt legai patru
substitueini diferii. Cnd acest atom este carbonul
(cum este n majoritatea compuilor organici) atunci
acest atom este denumit atom de carbon asimetric
i este notat ntr-o molecul cu simbolul: C*.
Compuii care au un astfel de atom prezint
chiralitate central.
Cele dou imagini de oglindire nesuperpozabile
(a i b), care sunt cei doi izomeri optici (enantiomeri)
ai compusului C*HClBrF; c i d sunt formule rezultate
prin rotirea n jurul legturii C H din izomerul b.
FCl
Br
H
FBr
Cl
H
F
H
ClBr
Cl
H
BrF
t=600
t=1200
a b c d
Enantiomeria rezultat prin prezena unui atom de
carbon asimetric (centrul de chiralitate), apare frecvent
la o serie de compui naturali;
glicerinaldehida si acidul lactic sunt molecule chirale:
formulele lor perspectivice i proiective Fischer:
H
CH=O
HO
HOH2C HOH
CH3
COOH
HOH
CH2OH
CH=O
H
COOH
HO
H3C
CH=O
CH2OH
HHO
COOH
CH3
HHO
CH=O
CH2OH
OHH
COOH
CH3
OHH
glicerinaldehida acidul lactic
Proprietatile enantiomerilor
Cei doi izomeri care apar atunci cnd o molecul prezint chiralitate au aceeai constituie, au practic aceleai proprieti fizice i chimice. Diferenierea dintre cei doi enantiomeri se poate face doar prin interaciunea lor cu un factor chiral, cum este lumina polarizat. Singura diferen care apare este sensul de rotire al planului luminii polarizate,
care se numete activitate optic: + -
cuva solutie
detector
dextrogir levogir
Activitatea optic a unui enantiomer se exprim prin activitatea specific, [a]D msurat la 20
0C, care
este definit ca unghiul de rotaie al planului luminii polarizate pentru o soluie de 1g/cm3, la o lungime cuvei de 1dm:
Un amestec n cantiti egale format din cei doi enantiomeri nu rotete planul de polarizare i este optic inactiv prin compensare intermolecular. Un astfel de amestec (nu este o substan pur) se numete amestec racemic Nu exist o relaie simpl ntre activitatea optic i configuraie.
D
20=
c.l
COOH
CH3
HHO
COOH
CH3
OHH
CH3
HHO
CH3
OHH
CH3
H
CH3
H CH3O
COONa COONa COOCH3 COOCH3
OCH3
acid (-) lactic acid (+) lactic sarea de sodiu eterul-esterul metilic
D20
: +3,50 +6,50 -96,50-3,50 -6,50 +96,50
p.t: 26-270 26-270
Nu exist o relaie simpl ntre activitatea optic i configuraie.
Stabilirea configuraiei enantiomerilor
Determinarea configuraiei unui anumit enantiomer
nu este posibil doar prin simpla msurare a activitii optice;
pentru a rezolva aceast problem s-a recurs iniial
(nainte de a fi cunoscute metode directe de msurare)
la metode indirecte prin care s-a determinat o
configuraie relativ:
Convenia Fischer-Rosanoff pentru specificarea configuraiei relative (convenia D-L);
Conform acestei convenii s-a ales o substan de referin (care prezint enantiomerie) pentru care s-a atribuit n mod arbitrar o anumit configuraie pentru cei doi enantiomeri: (+)-glicerinaldehida (enatiomerul dextrogir); n formula de proiecie Fischer grupa OH este aezat n partea dreapt fa de linia vertical, care reprezint catena atomilor de carbon i Configuraia acesteia este denumit cu litera D.
n mod similar, cellalt enantiomer care are grupa OH
n stnga va fi (-)-glicerinaldehida i configuraia ei este notat
cu litera L; notaiile D i L sunt doar o denumire a configuraiei
i nu reprezint i activitatea optic, o mrime msurat
experimental. De aceea, conform acestei convenii,
enantiomerul dextrogir al glicerinaldehidei va fi denumit
D-(+)-glicerinaldehida iar enantiomerul levogir va fi denumit
L-(-)-glicerinaldehida
HCH=O
HO
HOH2CHOH
CH2OH
CH=O
CH=O
CH2OH
HHO
CH=O
CH2OH
OHH
D-(+)-glicerinaldehida L-(-)-glicerinaldehida
Pentru a atribui configuraii relative i altor compui, convenia Fischer-Rosanoff stabilete urmtoarele reguli:
-Orice compus care prezint izomerie optic i care poate fi obinut din (+)-glicerinaldehid sau care poate fi transformat n (+)-glicerinaldihid prin reacii n care nu este afectat atomul de carbon asimetric, are aceeai configuraie a atomului de carbon asimetric ca i (+)-glicerinaldehida;
- n mod similar orice compus care poate fi obinut sau
transformat n (-)-glicerinaldehid are configuraia atomului
de carbon asimetric aceeai cu (-)-glicerinaldehida.
- Toi compuii pentru care, prin aceste transformri chimice, s-a stabilit configuraia D la atomul de carbon asimetric, fac parte din seria configurativ D iar cei care au configuraia L fac parte din seria configurativ L.
Stabilirea configuraiei acidului (-)-lactic printr-o serie de reacii prin care poate fi obinut din (+)-gicerinaldehida. Toi compuii au configuraia D i fac parte din seria configurativ D.
CH=O
CH2OH
OHH
COOH
CH2OH
OHH
COOH
CH2Br
OHH
COOH
CH3
OHHBr2/H2O PBr3
Zn/HCl
-HBr
D-(+)-glicerinaldehida acid D-(-)-3-bromolacticacid D-(-)-gliceric acid D-(-)-lactic
Metoda permite stabilirea doar a configuraiilor relative
deoarece convenia iniial presupune atribuirea arbitrar
a unei anumite configuraii enantiomerului dextrogir al
glicerinaldehidei; ca urmare probabilitatea ca toate
configuraiile stabilite astfel s fie adevrate este de 50%;
configuraiei absolute prin difracia de raze X la monocristale;
Aplicat pentru un compus optic activ (acidul (+)-tartric sub
form de sare de rubidiu i potasiu) s-a artat c acest izomer
steric al acidului tartric, care prin convenia Fischer-Rosanoff
a fost ncadrat n seria D, i avnd configuraia relativ denumit
ca acid D-(+)-tartric, are ntr-adevr configuraia absolut
corespunztoare cu cea relativ.
Ca urmare s-a confirmat faptul c toate configuraiile
determinate prin convenia Fischer-Rosanoff sunt i
configuraii absolute, (+)-glicerinaldehida are i n realitate
configuraia propus iniial ca fiind cea relativ.
Convenia Cahn Ingold Prelog pentru specificarea
configuraiilor absolute
Cahn, Ingold i Prelog au propus o nou regul de atribuire i denumire a configuraiilor absolute ale izomerilor sterici denumit prescurtat regula C.I.P, Pentru atribuirea configuraiilor izomerilor optici i ai diastereoizomerilor optici regula se mai numete i regula R-S, iar pentru denumirea diastereoizomerilor cis-trans ea este denumit regula E-Z.
n ambele cazuri, pornind de la o configuraie cunoscut, se aplic urmtoarele etape:
1. Stabilirea tipului de izomerie de configuraie (enantiomerie, diastereoizomerie optic, diastereoizomerie cis-trans);
2. Stabilirea ordinei de succesiune a substituenilor
(denumii liganzi) legai de elementul de chiralitate.
Aceast etap se face folosind regula standard
de succesiune:
- se consider n prima etap numai atomii din prima sfer
de liganzi care sunt de fapt atomii legai direct de elementul
de chiralitate; se consider c au prioritate (notat n ordine
cu cu cifre: 1> 2> 3> 4 sau cu litere: a> b> c> d) atomii cu
numrul atomic cel mai mare;
- Atunci cnd exist doi sau mai muli atomi identici n prima sfer de liganzi se analizeaz atomii din sfera a doua de liganzi, adic atomii care sunt legai de cei din prima sfer de liganzi. i n acest caz au prioritate atomii cu numr de ordine mai mare;
- pentru grupele obinuite care se gsesc n muli compui organici cu un centru de chiralitate, ordinea de succesiune va fi:
-CHCl2 > -CH2Cl -COOH -CH=O -CH2OH -C(CH3)3 -CH=CH2 -CH2CH3 -CH3> > > > > > > >C CH-
3. Se aeaz fiecare atom de carbon asimetric (reprezentat
prin formula perspectivic tetraedric sau modelul mecanic)
n aa fel nct substituentul cu prioritatea cea mai mic s fie
aezat n spate, n partea opus observatorului.
4. Se examineaz ordinea celorlali trei substitueni n funcie de prioritatea lor (de la 1 la 2 i apoi la 3); dac ordinea corespunde cu sensul acelor ceasornicului atunci configuraia este denumit R (de la cuvntul latin rectus dreapta) iar dac ordinea substituenilor este invers sensului acelor ceasornicului atunci configuraia este denumit S (de la sinister stnga). Dac sunt mai muli atomi de carbon asimetrici n molecul se stabilete i se denumete n acest mod configuraia fiecruia n parte.
EXEMPLE
FCl
Br
H
Ordinea de prioritate a substutuentilor: 1-Br; 2-Cl; 3-F; 4-H
2
13
4
ClF
H
BrC2
axa C2;1800
ClF
H
Br1
23
4
RS
1
23
4
HCH=O
OHCH2OH HO
CH=O
CH2OHH
Ordinea de prioritate a substutuentilor: 1-OH; 2-CH=O; 3-CH2OH; 4-H
600
2 2
1
1
3
3 44 OH
CH=O
HOH2CH 1
2
4
3R S
CH=O
CH2OH
OHH
CH=O
CH2OH
HHO
D L
Configuraia R a glicerinaldehidei corespunde cu
configuraia D stabilit prin convenia D-L, iar
configuraia S corespunde cu L:
2. DIASTEREOIZOMERIA
Diastereoizomeria, sau izomeria steric de distan apare
la compuii care prezint izomerie de configuraie atunci cnd
izomerii difer prin distana dintre atomi sau grupe de atomi care
nu sunt legate direct ntre ele i care sunt legate de obicei de
atomi de carbon (sau ali atomi) vecini (n poziie vicinal);
Toi stereoizomerii care nu se gsesc ntre ei n relaia odiect-imagine n oglind (deci care nu sunt enantiomeri) se numesc diastereoizomeri.
Diastereoizomeria poate s apar att la compui care
prezint chiralitate ct i la compui achirali; ea este de dou
feluri: diastereoizomeria optic i diastereoizomeria cis-trans
Diastereoizomeria optic
Diastereoizomeria optic apare la compui care au mai multe elemente de chiralitate n molecul.
Stabilirea tipului i numrului de izomeri sterici posibili:
- dac ntr-o molecul sunt mai multe elemente de chiralitate,
fiecare dintre acestea poate duce la dou configuraii diferite
care sunt imagini de oglindire nesuperpozabile;
- dac ntr-o molecul exist n elemente de chiralitate i fiecaruia i corespund dou configuraii diferite, atunci numrul total de configuraii diferite pentru ntreaga molecul va fi de 2n. Aceste configuraii diferite vor izomeri de configuraie sau izomeri sterici. Dintre aceti izomeri sterici pot s existe i izomeri optici (enantiomeri) atunci cnd configuraiile lor reprezint imagini n oglind nesuperpozabile.
- un compus care are dou centre de chiralitate, fiecare dintre
acestea putnd avea cele dou configuraii R sau S
(conform notaiei R-S), numrul de izomeri va fi dat de numrul
de combinaii posibile adic, n acest caz: 22 = 4.
Pentru tetroz, un compus natural din clasa monozaharidelor
i care are doi atomi de carbon asimetrici (C2 i C3):
OH
O=CH - C*H - C*H - CH2OH
OH
1 2 3 4
tetroza (2,3,4-trihidroxibutanal)
Izomer/configuratie
I II III IV
C2 R S R SC3 R S S R
Regula de succesiune:C2: 1. -OH 2. -CH=O 3. -CH(OH)-CH2OH 4. -H
C2: 1. -OH 2. -CH(OH)-CH=O 3. -CH2OH 4. -H
Formulele de configuraie ale celor patru izomeri sterici:
se reprezint pe rnd configuraiile fiecrui atom de carbon, conform regulii R-S i innd cont de ordinea de succesiune a substituenilor:
HOCHO
H
HOCH2OH
H
HOH
CHO
HOH
CH2OH
HHOOHC
HHO
HOH2C
HOH
CHO
HHO
HOH2C HOH
CH2OH
HHOOHC
I(R,R) II(S,S) III(R,S) IV(S,R)
D-(-)-treoza
2R,3R-tetroza 2S,3S-tetroza 2R,3S-tetroza 2S,3R-tetroza2R,3R-tetroza
21 4
31
2
4
3
R
R
CHO
OHH
OH
CH2OH
H
CHO
HHO
H
CH2OH
HO
CHO
OHH
H
CH2OH
HO
CHO
HHO
OH
CH2OH
H
L-(+)-treozaL-(+)-eritrozaD-(-)-eritroza
Izomerii I i II i respectiv III i IV reprezint imagini n oglind nesuperpozabile i sunt enantiomeri intre perechile I sau II i III sau IV nu este relaie n oglind, ca urmare, fiecare dintre perechile de enantiomeri reprezint cte un diastereoizomer. Aceti diastereoizomeri au atomi de carbon chirali i de aceea sunt numii diastereoizomeri optici.
n general, pentru un compus care prezint n atomi de carbon asimetrici (sau elemente de chiralitate) vor fi
2n izomeri
Exceptii sunt compuii care au doi sau mai muli atomi de
carbon asimetrici, dar care au aceeai patru substitueni fiecare
(chiralitate egala) ca de exemplu acidul tartric:
OH
HOOC - C*H - C*H - COOH
OH
1 2 3 4
(acid 2,3-dihidroxibutandioic)
Regula de succesiune:
C2: 1. -OHC3: 2. -COOH 3. -CH(OH)-COOH 4. -H
acid tartric
Formulele de perspectivice i proiective pentru izomerii de configuraie ai acidului tartric.
HOCOOH
H
HOOCOH
H
HOH
COOH
HOH
COOH
HHO
HOOC
OHH
HOOC
HOH
COOH
HHO
HOOC HOH
COOH
HHO
HOOC
I(R,R) II(S,S) III(R,S) IV(S,R)1
4
2
3
4
1
32
R
R
acid 2R,3R- tartric acid 2R,2R- tartric acid 2S,3S- tartric acid 2R,3S- tartric acid 2S,3R- tartric
COOH
OHH
H
COOH
HO
COOH
HHO
OH
COOH
H
COOH
OHH
OH
COOH
H
COOH
HHO
H
COOH
HO
acid mezo-tartricAcid L-(-)-tartricacid D-(+)-tartric
HOCOOH
H
HOCOOH
H
14
2
3
4
2
31
R
S
acid 2R,3S- tartric
Analiza relaiilor dintre izomerii de configuraie ai acidului tartric:
izomerii I i II sunt enantiomeri: formulele III i IV sunt identice
i reprezint un singur izomer care este diastereoizomer cu
perechea de enantiomeri I i II. Acest diastereoizomer prezint
un plan de simetrie, i nu este chiral; ca urmare el este optic
inactiv; astfel de diastereoizomeri sunt numii forme mezo.
Pentru acidul tartric nu vor fi 4 ci doar trei izomeri i anume:
o pereche de enantiomeri i un izomer mezo, care este
diastereoizomer cu perechea de enantiomeri.
Proprietile diastereoizomerilor
Datorit faptului c diastereoizomerii au distane diferite ntre atomii sau grupele care nu sunt legai direct, energia lor intern este diferit i ca urmare proprietile fizice i unele proprieti chimice sunt diferite.
Proprieti fizice i chimice ale acizilor tartrici:
Proprietate Acid (+) tartric
(2R,3R)
Acid (-) tartric
(2S,3S)
Acid mezo-tartric
(2R,3S)
[]D la 200 n ap +11,98 -11,98 0
p.t. 0C 170 170 160
Solubilitate g/100cm3; ap; 200C 139 139 125
Constanta de aciditate K1.103 1,17 1,17 0,77
Diastereoizomeria cis-trans (izomeria geometric)
Acest tip de diastereoizomerie apare la compuii care au un
element de structur rigid n molecul reprezentat printr-un plan
determinat de prezena unei legturi duble sau a unui ciclu;
fa de acest plan, substituenii care sunt legai de doi dintre
atomii care definesc acest plan, pot s fie aezai de o parte
sau de pri opuse ale planului.
Atunci cnd substituenii de la fiecare atom al legturii duble sunt diferii ntre ei, sunt posibile dou configuraii diferite care reprezint cei doi diastereoizomeri.
Condiia ca s apar configuraii diferite este ca ce doi substitueni de la fiecare atom de carbon s fie diferii:
C C
ac
bd
c d
a bC C
ad
bc
Cnd sunt numai doi substitueni izomerii se numesc cis,
cel cu substituenii de aceeai parte i trans cel cu substituenii
de pri opuse:
C C
HH
H3C CH3
C C
HCH3
H3C H
C C
HH
HOOCCOOH
C C
HOOCH
HCOOH
cis-2-butena trans-2-butenaacid maleic
(cis)
acid fumaric
(trans)
Cnd sunt mai muli substitueni diferii trebuie specificat
care sunt n cis i care n trans:
C C
H3C-H2C H
H3C CH3
C C
H2C-H3C CH3
H3C H
cis(metil,metil)-3-metil-2-pentena trans(metil,metil)-3-metil-2-pentena
a b
Specificarea configuraiei diastereoizomerilor cis-trans
Pentru cazurile simple (cte doi substitueni identici la fiecare
atom de carbon din dubla legtur) specificarea configuraiei se
face dup regula prezentat mai sus: cis este izomerul n care
substituenii sunt de aceeai parte i trans pentru substituenii
de pri opuse;
pentru cazurile cu trei sau patru grupe diferite,se folosete
tot regula Cahn-Ingold-Prelog (C.I.P.), care, n acest caz, este
denumit i regula E-Z.
Aplicarea regulii CIP se utilizeaz tot regula de succesiune a substituenilor n acest caz stabilindu-se prioritatea substituenilor pentru fiecare pereche legat de cei doi atomi de carbon (substituenii vor avea astfel prioritatea 1 sau 2 la fiecare atom de carbon).
Dac substituenii cu prioritatea 1 (cea mai mare) de la cei doi atomi de carbon sunt de aceeai parte (adic n cis) configuraia este notat cu Z iar dac, aceti substitueni sunt de pri opuse, configuraia se noteaz cu E; se noteaz astfel configuraiile pentru fiecare legtur dubl din molecul.
Proprietile diastereoizomerilor cis-trans
Diastereoizomerii cis-trans ca i diastereoizomerii optici difer prin energia intern a moleculelor i prin aezazarea n spaiu a grupelor care nu sunt legate direct. Ca urmare vor avea proprieti fizice diferite: puncte de topire, puncte de fierbere, densitate, solubilitate i eventual i rotaia specific diferit (n cazul compuilor ciclici care prezinta i diastereoizomerie optic).
Diastereoizomerii pot fi separai prin metode fizice obinuite (recristalizare, distilare, cromatografie).
Diastereoizomerii au i unele proprieti chimice diferite mai ales cele care depind de poziia reciproc a substituenilor din cei doi izomeri.
Cei doi izomeri ai acidului 1,2-etendicarboxilici acidul maleic si acidul fumaric
au att constantele de aciditate diferite dar se comport i diferit la nclzire peste
punctul de topire:
C C
HOOCH
HCOOH
acid maleic
(cis)
acid fumaric
(trans)
anhidrida maleica
(anhidrida cicilica)
C C
C
H H
O
OH
C O
HO
C
C
O
C
C
H H
OO
t>1000
-H2O
t>3000descompunere
Interconversia diastereoizomerilor cis-trans are loc n
general mai uor dect cea a enantiomerilor (racemizarea)
sau a diastereoizomerilor optici; n ambele cazuri este
necesar ruperea i reformarea a dou legturi covalente;
n cazul enantiomerilor i diastereoizomerilor optici legturile
care intervin sunt legturi s ale unor atomi de carbon
hibridizai sp3, n cazul diastereoizomerilor cis-trans este
suficient scindarea legturii p ceea ce are loc mult mai uor:
C C
H H
HOOC COOHC C
H H
HOOC COOH
H C C
H COOH
HOOC H
HC C
HOOC H
H COOHacid fumaric
(trans)
+H+
+H+ 1800
acid maleic
(cis)
-H+
IZOMERIA DE CONFIGURATIE
2. Diastereoizomeria