Autor: Beata Szwagrzyk Izomeria optyczna 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. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 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). 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Zagadnienia Izomeria Rodzaje izomerii; „miejsce” izomerii optycznej 1 2 3 4 Izomeria 5 6 7 Rodzaje izomerii; „miejsce” izomerii optycznej 8 9 10 Izomeria optyczna 11 12 13 Najważniejsze pojęcia – uczniowskie „zmory” 14 15 Prezentacja przeznaczona jest dla: uczniów szkół średnich jako samouczek nauczycieli 16 Ciekawostki 17 18 19 20

C3H6O I Z O M E R I A propanal (aldehyd) propanon (keton) 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.: propanal (aldehyd) propanon (keton) C3H6O WZÓR SUMARYCZNY: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

I Z O M E R I A przestrzenna (stereoizomeria) konstytucyjna (strukturalna) -izomery różnią się kolejnością i sposobem powiązania atomów w cząsteczce -izomery, mając tą samą konstytucję, różnią się rozmieszczeniem atomów w przestrzeni łańcuchowa (szkieletowa) położenia funkcyjna (metameria) diastereo-izomeria optyczna (enancjomeria) podstawnika (podstawienia) wiązania wielokrotnego geometryczna (cis-trans) inne 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

wzory stereochemiczne WAŻNE POJĘCIA Kliknij gdziekolwiek poza kształtami, a poznasz je w kolejności zaproponowanej przez autorkę lub na wybranym obiekcie, jeśli sam chcesz zadecydować o „kie-runku zwiedzania”. 1 2 3 izomery optyczne 4 diastereoizomery 5 asymetryczny atom węgla 6 7 8 9 enancjomery 10 chiralność 11 wzory stereochemiczne 12 13 14 15 16 racemat odmiana mezo- 17 18 konfiguracja D i L 19 20

Oczywiście, że chiralne! CHIRALNOŚĆ to nieidentyczność przedmiotu z jego lustrzanym odbiciem (niemożność nałożenia na odbicie lustrzane). 1 2 3 Wskazówka! Obiekt jest chiralny, jeśli nie posiada płaszczyzny ani środka symetrii (może mieć osie symetrii). 4 Pomyśl – chiralne czy achiralne? 5 6 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!)? 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Oczywiście, że chiralne! 20

chiralne 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 achiralne 20

ENANCJOMERY (IZOMERY OPTYCZNE) - to po prostu chiralne cząsteczki, a więc dwa izomery będące swoimi lustrzanymi odbiciami Cząsteczka jest chiralna tylko wtedy, jeśli posiada przynajmniej jedno centrum chiralności (warunek konieczny, ale niewystarczający – patrz: forma mezo). Najważniejszym centrum chiralności jest asymetryczny atom węgla (C*) – węgiel tetraedryczny, połączony z czterema różnymi podstawnikami, np.: lustro 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Aby zmienić konfigurację wystarczy zamienić miejscami dwa podstawniki. Para izomerów optycznych (enancjomerów) różni się konfiguracją (czyli rozmieszczeniem podstawników) wokół każdego atomu C* np.: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 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). 15 16 17 18 19 20 Właściwości enancjomerów chemiczne fizyczne

Właściwości fizyczne enancjomerów są takie same z wyjątkiem oddziaływania ze światłem spolaryzowanym. 1 światło niespolaryzowane (drgania we wszystkich płaszczyznach) światło spolaryzowane (drgania tylko w jednej płaszczyżnie) 2 3 4 5 6 Enancjomery skręcają płaszczyznę polaryzacji (o ten sam kąt ale w przeciwnych kierunkach!) – są optycznie czynne. 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Enancjomer prawoskrętny (+) Enancjomer lewoskrętny (-) 17 18 19 Uwaga! Równomolowa mieszanina obu enancjomerów – tzw. mieszanina racemiczna (racemat) () jest oczywiście optycznie nieczynna, podobnie jak substancje achiralne (skręcalność obydwu enancjomerów jest wzajemnnie równoważona). 20

POLARYMETR Jest przyrządem służacym do badania czynności optycznej i pomiaru kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji przez roztwór badanej substancji. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Jego główne części to: źródło światła polaryzator (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) 16 17 18 19 20

 -kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji (wielkość kąta, o jaki należy obrócić analizator, aby skompensować skręcenie) płaszczyzna polaryzacji światła po przejściu przez substancję optycznie czynną płaszczyzna polaryzacji światła padającego 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 [], czyli liczba stopni, o jaką została skręcona płaszczyzna polaryzacji światła w rurce o długości 1dm, zawierającej 1g badanego związku w 1cm3 roztworu, co obliczamy ze wzoru:  - 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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Właściwości chemiczne enancjomerów są również identyczne z wyjątkiem reakcji ze związkami optycznie czynnymi. ? Dlaczego 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. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Wzory stereochemiczne czyli – jak rysować stereoizomery? 1 2 Można tak: 3 Kwas L-(+)-mlekowy 4 5 6 7 Kwas D-(-)-mlekowy 8 9 10 11 wiązania poziome skierowane są przed płaszczyznę rzutowania 12 Ale znacznie prościej tak (wzory rzutowe Fischera): 13 łańcuch główny rysujemy w pionie, a wiązania pionowe są skierowane za płaszczyznę rzutowania bardziej utleniona grupa – u góry 14 15 16 17 18 19 20 Kwas L-(+)-mlekowy Kwas D-(-)-mlekowy Co oznaczają litery D i L?

Konfiguracja D i L. Wzorzec: aldehyd L-(-)-glicerynowy 2 1 2 3 4 5 6 C H O 2 7 8 9 10 11 12 aldehyd L-(-)-glicerynowy (łac. laevus – lewy; grupa –OH po lewej stronie atomu węgla) aldehyd D-(+)-glicerynowy (łac. dexter – prawy; grupa –OH po prawej stronie atomu węgla) 13 14 15 16 17 Jeśli jakiś enancjomer można przekształcić w aldehyd L-glicerynowy lub z niego otrzymać, to przypisujemy mu symbol L (analogicznie D). 18 19 20 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).

DIASTEREOIZOMERIA Kwas L-(+)-winowy Kwas D-(-)-winowy Kwas mezo-winowy * Kwas L-(+)-winowy Kwas D-(-)-winowy Kwas mezo-winowy diastereoizomery enancjomery diastereoizomery Diastereoizomery – stereoizomery nie będące swoimi lustrzanymi odbiciami (różnią się konfiguracją nie wszystkich centrów asymetrii). Uwaga! Ostatnia cząsteczka posiada płaszczyznę symetrii !!! Pomimo obecności asymetrycznych atomów węgla (aż dwóch) jest achiralna. Taki izomer nazywamy formą mezo-. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Liczba stereoizomerów Liczba par enancjomerów 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.: n Liczba stereoizomerów Liczba par enancjomerów Przykład substancji 1 2 2,3-dichlorobutanal 3 fruktoza (odmiana łańcuchowa) 4 2 1 bromochlorofluorometan 4 2 8 4 16 8 glukoza (odmiana łańcuchowa) Brakujące elementy uzupełnisz kolejnymi kliknięciami 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Glukoza i jej stereoizomery D-alloza D-altroza D-mannoza 1 * * 2 3 4 5 6 7 8 D-glukoza 9 10 D-guloza D-idoza D-galaktoza D-taloza 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 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.

CIEKAWOSTKI 1 2 Organizmy są stereoselektywne, tzn. wytwarzają lub wykorzystują do swoich celów tylko konkretne enancjomery! Na przykład: 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!. 3 4 5 6 7 8 9 kwas L-(+)– mlekowy powstaje z glikogenu podczas pracy mięśni, powodując „zakwasy”, podczas gdy kwas D-(-)– mlekowy jest produktem fermentacji mlekowej cukrów, zachodzącej tam, gdzie coś ulega kwaszeniu - znajduje sie w kiszonej kapuście, ogórkach czy kwaśnym mleku (powstaje racemat). 10 (-) – karwon nadaje zapach mięcie ogrodowej, (+) – karwon jest składnikiem olejku kminkowego 11 Wszystkie naturalne cukry należą do szeregu konfigu-racyjnego D, a aminokwasy białkowe do szeregu L! 12 13 14 15 16 17 18 19 Następny proszę 20 Następną proszę!