Stereochemia W naszym życiu codziennym spotykamy wiele przedmiotów, których lustrzane odbicie nie daje się nałożyć na ten przedmiot. Przykładem może być nasza dłoń. Odbiciem w lustrze lewej dłoni jest dłoń prawa. W żaden sposób nie da się ich nałożyć na siebie. Przeciwieństwem są przedmioty, dla których lustrzane odbicie da się nałożyć na przedmiot. Przykładem może być poniższa zlewka. Wystarczy odbicie lustrzane obrócić wokół zaznaczonej osi o 180o, by zlewki nałożyły się na siebie. Stereochemia

Stereochemia Przy bliższym przyjrzeniu się tym przedmiotom łatwo zauważymy, że dla tych przedmiotów, które są symetryczne, odbicie lustrzane jest identyczne z nim samym. Natomiast dla tych, które są niesymetryczne odbicie lustrzane nie jest identyczne z przedmiotem. Przedmiot symetryczny, to znaczy, że posiada jakiś element symetrii. Takim elementem symetrii może być na przykład płaszczyzna symetrii lub środek symetrii. Zlewka ma płaszczyznę symetrii, która dzieli ją na pół i dlatego jej obraz lustrzany da się na nią nałożyć. Dla tych cząsteczek, które nie mają żadnego elementu symetrii, czyli są asymetryczne, odbicie lustrzane nie nakłada się na przedmiot. Stereochemia

Stereochemia Podobnie może być z cząsteczkami związków organicznych. Niektóre z nich będą identyczne ze swoim odbiciem lustrzanym, jak np. 1-chloroprpopan, dla innych odbicie lustrzane będzie różne od nich samych, jak np. 2-chlorobutan: model cząsteczki 1-chloropropanu wzór perspektywiczny związku wzór perspektywiczny 2-chlorobutanu model cząsteczki 2-chlorobutanu Stereochemia

Stereochemia W przypadku 2-chlorobutanu obydwa izomery mają identyczną konstytucję, lecz różnią się rozmieszczeniem atomów w przestrzeni. Izomerię tego typu jak pamiętamy z przypadku dipodstawionych cykloheksanu nazywamy stereoizomerią. Takie cząsteczki, które nie są identyczne ze swoim odbiciem lustrzanym nazywamy cząsteczkami chiralnymi, a parę takich cząsteczek, czyli cząsteczkę i jej odbicie lustrzane nazywamy enancjomerami. Enancjomery mają identyczne właściwości chemiczne i fizyczne. Różnią się tylko kierunkiem skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego. Jeden z nich skręca płaszczyznę światła spolaryzowanego w prawo, a drugi o dokładnie taki sam kąt w lewo. O takich związkach mówimy, że są optycznie aktywne. A priori nie można jednak przewidzieć kierunku skręcanaia płaszczyzny światła spolaryzowanego. Oczywiście odczynniki, które same są optycznie aktywne reagują z enancjomerami z różną szybkością i dają różne produkty, czyli rozróżniają je, podobnie jak światło spolaryzowane. Stereochemia

Izomeria Pomiędzy związkami mającymi identyczny wzór cząsteczkowy mogą zachodzić następujące zależności: Stereochemia

Izomeria Stereoizomery, które nie są wzajemnymi odbiciami lustrzanymi nazywają się diastereoizoemrami. Pomiędzy stereoizomerami mogą zachodzić następujące zależności: Stereochemia

W przypadku 2-chlorobutanu atom węgla połączony jest z czterema różnymi podstawnikami. Taki atom węgla został nazwany atomem asymetrycznym lub centrum stereogennym. Cząsteczka, która nie nakłada się na swoje lustrzane odbicie nazywana jest cząsteczką chiralną, lecz o atomie asymetrycznym nie możemy powiedzieć, że jest chiralny ponieważ chiralność jest własnością cząsteczek a nie atomów. Jednakże, mimo że obecność czterech różnych podstawników często powoduje, że związek jest chiralny, to wcale to nie jest warunek konieczny, ani wystarczający chiralności cząsteczki. Twierdzenie to oznacza, że znane są związki, które posiadają asymetryczny atom węgla i mimo tego nie są chiralne, oraz znane są również związki pozbawione asymetrycznego atomu węgla, a mimo tego są chiralne. Stereochemia

Cząsteczka posiadająca środek symetii Warunkiem koniecznym i wystarczającym by cząsteczka związku była chiralna jest brak płaszczyzny (s), środka symetrii (i) i osi inwersyjnej (S) w cząsteczce. Bez większego błędu można jednak wypowiedzieć tę tezę w odniesieniu tylko do płaszczyzny symetrii i środka symetrii, ponieważ dwukrotna oś inwersyjna jest tożsama ze środkiem symetrii. Niewiele jest znanych związków, które nie mają płaszczyzny symetrii ani środka symetrii, natomiast mają oś inwersyjną wyższego rzędu. Jeżeli cząsteczka nie posiada żadnych elementów symetrii, mówimy o niej, że jest asymetryczna. Obecność osi obrotu powoduje, że jest ona dysymetryczna, lecz nadal chiralna. Oś inwersyjna jest elementem symetrii złożony z obrotu i odbicia w płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu Cząsteczka posiadająca środek symetii Stereochemia

Obecność tylko jednego asymetrycznego węgla powoduje, że cząsteczka jest zawsze asymetryczna, czyli chiralna. Elementy symetrii cząsteczki musimy jednak zawsze rozpatrywać gdy w cząsteczce znajduje się więcej niż jeden asymetryczny atom węgla. Kwas mezowinowy, mimo że posiada dwa asymetryczne atomy węgla nie jest chiralny: Kwas mezowinowy posiada płaszczyznę symetii s prostopadłą do wiązania C-C i dzielącą je na pół. Nie jest więc chiralny. Stereochemia

(lcs –ilość centrów stereogenicznych). 1,3‑dichloropropadien jest chiralny mimo, że nie posiada asymetrycznego atomu węgla: 1,3-dichloropropadien jest chriralny, ponieważ nie posiada żadnego elementu symetrii. Jest cząsteczką asymetryczną. Asymetryczny atom węgla, skumulowane dwa wiązania podwójne, wiązanie podwójne lub pierścień noszą nazwę centrów stereogenicznych. Ilość możliwych stereoizomerów n dla związku można obliczyć ze wzoru n=2lcs (lcs –ilość centrów stereogenicznych). Stereochemia

Nazewnictwo związków chiralnych Mimo, że enancjomery mają identyczną konstytucję, oraz identyczne właściwości chemiczne i fizyczne (poza kierunkiem skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego i reakcji z innymi odczynnikami chiralnymi), nie mogą mieć identycznej nazwy. Związki te różnią się rozmieszczeniem podstawników przy centrum stereogenicznym, czyli konfiguracją i w nazwie takiego związku musimy to uwzględnić. Problem nazewnictwa cząsteczek z uwzględnieniem konfiguracji został opracowany przez Cahna-Ingolda-Preloga (CIP). System nazewnictwa podany przez nich nazywa się systemem RS lub określeniem absolutnej konfiguracji. W celu określenia absolutnej konfiguracji należy: ponumerować podstawniki wg reguł pierwszeństwa podstawnik o najniższym pierwszeństwie (nr 4) ustawić jak najdalej od patrzącego (za płaszczyzną w której znajduje się centrum stereogeniczne). Stereochemia

Reguły pierwszeństwa: atomy o wyższych liczbach atomowych mają pierwszeństwo przed atomami których liczby atomowe są mniejsze. W przypadku izotopów o pierwszeństwie decyduje liczba masowa jeżeli zastosowanie powyższej reguły dla atomów bezpośrednio związanych z centrum asymetrii nie pozwala jednoznacznie uporządkować podstawników wg pierwszeństwa, to rozpatruje się następne atomy, nie połączone bezpośrednio z centrum asymetrii sposób postępowania wobec grup zawierających wiązania podwójne lub potrójne polega na zamianie wiązania wielokrotnego na dwa lub trzy wiązania pojedyncze. Np. grupę >C=O traktuje się jako: , gdzie atomy w nawiasach są powtórzeniem atomów związanych podwójnie. Stereochemia

Stereochemia

Stereochemia