Dinamika stereohemija H209 o o o o o

Dinamička stereohemija (H-209) o o o o o Fond časova: 3+2 (teorijske vežbe) ESPB: 7 Semestar: prvi ili treći Predavanja - Gordana Stojanović Vežbe – Gordana Stojanović Potpis: minimum 60% predavanja Način polaganja: pismeno (tri kolokvijuma) Cilj i zadaci: Sticanje znanja o prostornom oblicima organskih molekula i uticaj na njihove hemijske i fizičke osobine kao i na tok i brzinu hemijskih reakcija. 1

Literatura: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Predavanja G. Stojanović, Organska stereohemija, PMF-Niš, 2007 E. Eliel, S. Wilen, L. Mander, Stereochemistry of Organic Compounds, A Wiley-Interscience publication, New York, 1994. F. A. Carey, R. J. Sundberg, Advanced Organic Chemistry (Part A: Structure and Mechanisms, Chapters: 1, 2, 3, 10), 2 nd Ed. , Plenum press, New York, 1984. H. B. Kagan, Organska stereohemija, Univerzitet u Beogradu, Hemijski fakultet, Beograd, 1995. O. Stojanović, M. Mišić-Vuković, N. Stojanović, Geometrija organskih molekula, Tehnološko-metalurški fakultet, Beograd, 1975. M. Lj. Mihailović, Osnovi teorijske organske hemije i stereohemije, Beograd, 1975. 2

Pomoćna: 1. S. H. Pine, J. B. Hendrickson, D. J. Cram, G. S. Hammond, Organska hemija, Zagreb, 1984. 2. R. T. Morrison, R. N. Boyd, Organska hemija, Zagreb, 1979. 3. K. P. C. Vollhardt, N. E. Schore, Organska hemija, Beograd 1996. 4. M. Jones, Organic Chemistry, 2 nd Ed. , W. Norton & Company, New York, 2000. 5. J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, P. Wothers, Organic Chemistry, Oxford University Press, Oxford, 2001. 3

Nastavni sadržaj: 1. Uvod (fizički molekulski modeli, stereoformule), 2. Konfiguraciona analiza, 3. Konformaciona analiza i 4. Periciklične reakcije. 4

Stereohemija -proučava prostorni raspored atoma/atomskih grupa u molekulu Stereohemija Statička Proučava strukturu molekula u prostoru Dinamička Proučava stereohemijski tok reakcija -“stereos” - prostor (termin upotrebljen prvi put 1874. g. od strane Le Bel-a i van , t Hoff-a) 5

Neki od faktori koji utiču na prostorni izgled molekula -dužina veze, kovalentni poluprečnici (ra) C-C 1. 53 A, C=C 1. 32 A, CC 1. 18 A -valencioni uglovi sp 3 109 o, sp 2 120 o, sp 180 o -van der Waals-ov poluprečnik (rw) 6

Molekulski modeli o Molekul metana. a. skeletni model; b. model pomoću kuglica i štapića; c. kalotni model i d. elektrostatička potencijalna mapa superponirana na model pomoću kuglica i štapića. Crvena boja označava najveću, a plava najmanju elektronsku gustinu. 7

Grafičko predstavljane molekula Klinaste formule Fisher-ove formule Dijagonalne formule Newman-ove formule 8

Konvertovanje stereoformula 9

10

Konvertovanje stereoformula Fisher-ova formula Dijagonalna formula Newman-ova formula 11

Pravila za pisanje Fisher-ovih formula o Najduži niz C atoma je na vertikalnoj liniji. o C atom najvišeg oksidacionog stanja ja na vrhu o Rotacija za 180 u ravni je dozvoljena o Rotacija za 90 nije dozvoljena. Chapter 5 12

Dozvoljene operacije sa Fisher-ovim formulama 1. Obrtanje formule u ravni papira za 180 o ne menja konfiguraciju 13

Dozvoljene operacije sa Fisher-ovim formulama 2. Grupno premeštanje tri supstituenta sa nepromenjenim položajem četvrtog 14

Dozvoljene operacije sa Fisher-ovim formulama 3. Zamena mesta supstituentima po parovima 15

overall A even numbers of R, S changing operation Fischer Projection A identical B Fischer Projection odd numbers of R, S changing operation enantiomers B 16 16

Stereoizomerija -kod jedinjenja iste konstitucije ali različite konfiguracije (konfiguracija – prostorni raspored supstituenata) Stereoizomerija Enantiomerija Stereoizomeri koji se odnose kao predmet i lik u ogledalu (ne mogu se preklopiti) Dijastereoizomerija svi stereoizomeri koji nisu enantiomeri 17

Izomerija Chapter 5 18

Neka organska jedinjenja rotiraju ravan planarno polarizovane svetlosti – optički su aktivna (tečna i u rastvoru-svojstvo molekula). Aparat za merenje optičke aktivnosti - polarimetar 19

20

21

22

Planarno polarizovana svetlost – oscilacije elektromagnetnih talasa samo u jednoj ravni 23

Princip rada polarimetra Svetlost predstavlja oscilirajuće električno i magnetno polje, oscilirajuće u svim pravcima normalnim na pravac prostiranja svjetlosti. Svetlost propuštena kroz polarizator oscilira samo u jednom pravcu. Kao polarizator se mogu koristiti razni anizotropni kristali, ili sintetski materijali. Ako se polarizirana svjetlost propusti kroz cilindar koji sadrži jedan enantiomer ili smješu dva enantiomera u nejednakim količinama, ravan polarizirane svetlosti je zakrenuta za određeni ugao u jednu od dve strane. U slučaju da se svjetlost propušta kroz jednaku količinu enantiomera, ravan se ne pomiče i izgleda kao da je uzorak optički neaktivan. 24

Ugao rotacije o Dekstrorotatorni (desnogiri, +) – rotira ravan u smeru kretanja kazaljke na satu Levorotatorni (levogiri, -) - rotira ravan u smeru suprotnom od kretanja kazaljke na satu o Ugao rotacije zavisi od: koncentracije, rastvarača, dužine kivete, temperature, talasne dužine izvora svetlosti o Specifična rotacija – fizička konstanta optički aktivnog jedinjenja 25

Specifična rotacija (najčešće se koristi natrijumova D linja (589 nm) Rastvorena supstanca l(dm); c (g/m. L): Čista tečna supstanca: 26

Molarna rotacija – upoređivanje rotacija jedinjenja različitih molekulskih masa = M/100 o - molarna rotacija, o M - molekulska masa o - specifična rotacija 27

Nije svejedno koji enantiomer o Enzimi prepoznaju enatiomere:

29

30

31

Enantiomeri imaju različitu fiziološku aktivnost Jedan takav primer je često spominjani lijek talidomid koji je 60 -tih godina izazvao katastrofalne posljedice kod trudnica koje su ga uzimale kao sedativ. Talidomid je u trećem mjesecu trudnoće izazvao zastoj u razvoju ploda, što je za posljedicu imalo rođenje djece sa Disimelia sindromom. 32

Optičku aktivnost pokazuju hiralni molekuli o Optičku aktivnost se određuje eksperimentalno polarimetrom o Hiralnost molekula se određuje na osnovu elemenata simetrije o Simetričnost – osobina poklapanja objekta nakon određenog kretanja u odnosu na neki geometrijski oblik sa prvobitnim 33

Predmeti koji se ne mogu preklopiti sa svojom slikom u ogledalu su hiralni 34 34

Predmeti koji se mogu preklopiti sa svojom slikom u ogledalu su ahiralni 35 35

Elementi i operacije simetrije Osa simetrije (Cn), rotacija Ravan simetrije (s), refleksija Centar simetrije (i), refleksija Naizmenična osa simetrije ili rotaciono-refleksiona osa (Sn), rotacija, refleksija Hiralni molekuli nemaju refleksione elemente simetrije, a mogu biti: Asimetrični – nemaju ravan, centar i naizmeničnu osu simetrije i Disimetrični – imaju osu simetrije drugog reda 36

Elementi simetrije Ravan simetrije (s) - ravan koja deli molekul na dve polovine, koje se odnose kao predmet i lik u ogledalu 37

Elementi simetrije Centar simetrije (i) - tačka kroz koju prolaze prave koje spajaju ekvivalentne supstituente na istim rastojanjima od centra simetrije 38

Elementi simetrije Osa simetrije (Cn) Prava oko koje molekul rotira, - osa n-reda oko koje se rotira molekul za 360 o/n -glavna osa je osa najvišeg reda C 3 120 o C 6 60 o 39

Elementi simetrije Naizmenična osa simetrije ili rotaciono-refleksiona osa (Sn) - molekul poseduje ovu osu simetrije n-reda ako obrtanjem za ugao 360 o/n oko te ose, a zatim refleksijom kroz ravan, upravnu na tu osi, daje strukturu identičnu polaznoj S 2 A 180 o B C 40

Molekul koji ima 4 različita supstituenta vezana za C atom tetredarske strukture ima dva steroizomera koji se odnose kao predmet i lik u ogledalu 41

Symmetry judgement-a simple method A chiral molecule does NOT have a plane of symmetry An achiral one does 42 42

• Molekuli koji se odnose kao predmet i lik u ogledalu su enantiomeri Atom za koji su vezana četiri različita liganda se naziva hiralni (asimetrični) centar 43

Osobine enantiomera mlečna kiselina - iste fizičke osbine (tačke topljenja, ključanja. . . ) -rotiraju ravan planarno polarizovanog svetla za isti ugao - ali na suprotne strane (d ili (+)-enantiomer desno, l ili (-)-enantiomer levo) - ista hemijska reaktivnost, osim u reakcijama sa hiralnim reagensima 44

Rastvor koji sadrži jednake količine (+) i (-) jedinjenja ne rotira ravan polarizovene svetlosti - racemat 45

Optička čistoća, enantiomerni višak Enantiomerna čistoća, enantiomerni višak % enentiomerne čistoće = molovi (+) enantiomera – molovi (-) enantiomera molovi (+) enantiomera + molovi (-) enantiomera X 100 U slučaju smese u kojoj je (+) enantiomer u višku Optička čistoća % optičke čistoće = specifična rotacija enantiomerne smese X 100 specifična rotacija jednog čistog izomera 46

Izmerena vrednost optičke aktivnosti Primer: rastvora 2 -brombutana je +11, 53 o , a specifična rotacija je [a]D= ± 23, 1 % optičke čistoće = +11, 53 o x 100 = 50% 23, 1 Rastvor sadrži: 50% čistog (+)-enantiomera i 50% čistog (+)-enantiomera 50% smese( 25% (+) i 25% (-)-enantiomera) U smesi se nalazi: 50% + 25% (+)-enantiomera (75%) i 25% (-)-enantiomera

Optical Activity • For unequal amounts of enantiomers, the enantiomeric excess (% ee) can be determined from the optical rotation • For a mixture of 70% (R) and 30% (S), what is the % ee? Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Inc. All rights reserved. 5 -48 Klein, Organic Chemistry 2 e

Optical Activity • If the mixture has an optical rotation of +4. 6, use the formula to calculate the % ee and the ratio of R/S