Dr Niko Radulovi vanredni profesor Dr Polina Blagojevi

Dr Niko Radulović, vanredni profesor Dr Polina Blagojević, vanredni profesor Dipl. hem. Marija Denić, asistent ORGANSKA HEMIJA II

Izomerija C 4 H 8 O � Konstitucioni i funkcionalni izomeri � Položajni izomeri (regioizomeri) � Stereoizomeri (geometrijski i optički izomeri; dijastereoizomeri i enantiomeri)

Kan-Ingold-Prelogov sistem (CIP sistem) Prioriteti liganada (atomi ili grupe atoma) se dodeljuju u skladu sa njihovom topologijom (rastojanje od stereogenog centra; tzv. „uporedne sfere“) i sekvencionim pravilima (Angewandte Chemie, 21(8), 567 -583, 1982). Ona se zajedno mogu sumirati na sledeći način (data su prema redosledu po kome treba da se primenjuju): 1. Polazeći od stereogenog centra, napravi se molekulski graf kako je prikazano na slikama sa strane. Atomi bliži stereogenom centru/stereogenom elementu imaju viši prioritet od udaljenijih (n-ta uporedna sfera ima viši prioritet od (n+1)-ve sfere, tj. , u primerima datim ispod, sfera I>sfera II> sfera III) (sekvenciono pravilo 0).

Kan-Ingold-Prelogov sistem (CIP sistem) Dvogube i trogube veze se tretiraju kao dve, tj. tri proste, vezane za isti atom. Formalno, dvoguba veza se „raskine”, a umesto nje se svakom od atoma koji su njome bili povezani doda po jedna prosta veza. Na kraj „dodate” proste veze, dopiše se atom koji se nalazio na suprotnom kraju raskinute veze. Slično je i za trogubu vezu. Ovi „duplirani”, tj. multiplicirani atomi se navode u zagradama. Svakom realnom ili multipliciranom atomu izuzev vodoniku se dodaje onolliki broj (0 -3) takozvanih fantomskih atoma (imaginarni atomi sa atomskim brojem 0; označavaju se simbolom „ 0“), koliko je potrebno da formalno grade četiri proste veze.

Kan-Ingold-Prelogov sistem (CIP sistem) 2. U okviru sfera istog ranga atomi sa višim atomskim brojevima imaju veći prioritet (npr. O N C H; sekvenciono pravilo 1). Pri dodeli prioriteta i slobodni elektronski par, gde to ima smisla, takođe se tretira kao ligand, a dodeljuje mu se najniži prioritet (atomski broj mu je nula i ima manju masu od ma kog jezgra; formalno, istog je ranga kao fantomski atom). Prioritet slobodnog elektronskog para je manji i od prioriteta dodatih atoma iz prethodnog pravila. Uprvoj uporednoj sferi nalaze atomi C, H, Cl i F. U skladu sa sekvencionim pravilom 1, njihov prioritet opada sledećim redosledom: Cl>F>C>H. Svi ovi atomi imaju veći prioritet od onih koji su u drugoj uporednoj sferi (sekvenciono pravilo 0), npr. od atoma Br.

Kan-Ingold-Prelogov sistem (CIP sistem) 3. Onda kada su za hiralni centar različiti ligandi direktno vezani preko iste vrste atoma, poredjenje liganada se proširuje na atome koji nisu direktno vezani za centralni atom (hiralni centar): prelazak na višu sferu. Prioriteti se dodeljuju na osnovu prve tačke razlike u strukturi liganda, koja omogućava njihovo međusobno razlikovanje. Ako ni u ovoj sferi nismo doneli odluku, prelazimo na sledeću sferu, prateći put najvišeg prioriteta (sekvenciono pravilo 1). Ukoliko prateći put najvišeg prioriteta nismo mogli da donesemo odluku, vraćamo se na početnu sferu (n=1) i onda dalje tražimo razlike prateći sledeće po prioritetu puteve i tako redom. Prioriteti ugljenikovih atoma (n-ta uporedna sfera) opadaju sledećim redosledom (oznake u superskriptu se odnose na vrstu atoma iz (n + 1)-ve sfere, direktno vezanih za dati C-atom iz n-te sfere): COOO COOC COCC COHH CCCC CCCH CCHH CHHH U prvoj uporednoj sferi su tri C atoma (COHH , COHH CCHH) i H-atom. Da bi se razlikovala dva COHH iz prve uporedne sfere, prelazi se na drugu uporednu sferu i to preko puta najvišeg prioriteta: OC 00 OH 00 („ 0“ su fantomski atomi, tj. slobodni elektronski parovi sa atoma kiseonika). Odavde sledi da prioritet grupa vezanih za stereogeni centar opada sledećim redosledom -CH 2 OCH 3 CH 2 OH -CH 2 CH 3. Koja grupa ima veći prioritet, izopropil- ili vinil-grupa?

Kan-Ingold-Prelogov sistem (CIP sistem) 4. Onda kada na osnovu ispred navedenih pravila nije moguće doneti odluku koja grupa ima veći prioritet, treba se vratititi početak i potražiti prvu razliku između grupa na osnovu koje bi se donela odluka. Pritom, uzima se da : a) jezgra sa višim masama imaju veći prioritet (npr. tricijum ima viši prioritet od deuterijuma i 3 2 1 protijuma, H H H) (sekvenciono pravilo 2; ovo potpravilo se primenjuje isključivo ako prioriteti ne mogu da se dodele na osnovu sekvencionog pravila 1: npr. I (A=53) ima viši prioritet od Te (A=52), uprkos manjoj masi najzastupljenijih izotopa); b) fantomski ili multiplicirani atomi imaju manji prioritet od realnih. 5. Kada se dva liganda razlikuju jedino po konfiguraciji određenog(ih) stereogenog(ih) elemen(a)ta, uzima se da: a) Z (seqcis) ima prioritet nad E (seqtrans) (sekvenciono pravilo 3). Zbog slučajeva gde je nemoguće dodeliti seqcis/seqtrans deskriptore ukoliko se uzme da su oni ekvivalentni sa Z/E, predloženo je (Angewandte Chemie, 21(8), 567 -583, 1982) da se posmatra međusobni stereohemijski odnos hiralnog centra i liganda višeg prioriteta vezanog za drugi kraj dvogube veze (sa iste strane = seqcis, sa različitih strana = seqtrans); b) Kod liganada koji imaju više stereogenih centara, takozvani „isti parovi“ (eng. like pairs; obeležavaju se deskriptorima lk, l, Lk) su višeg prioriteta nego tzv. „različiti parovi“ (eng. unlike pairs; obeležavaju se deskriptorima ul, u, Ul): RR, SS RS, SR; PP, MM PM, MP; RM, SP RP, SM; MR, PS MS, PR; r s (sekvenciono pravilo 4; za detalje pogledajte ispred pomenutu publikaciju); c) R S, a M P (sekvenciono pravilo 5). Pri dodeli prioriteta se zaustavljamo na prvoj tački razlike.

cis/trans-Izomerija i E/Z-konvencija Referentna ravan (svetlo siva boja) molekula etena. Referentna ravan je normalna na ravan u kojoj leže C-atomi povezani dvostrukom vezom, i vodonikovi atomi direktno za njih vezani (u ovom slučaju ravan molekula, tamno plava boja) Dva stereoizomera koja se međusobno razlikuju isključivo u položaju atoma u odnosu na određenu (referentnu) ravan, i to onda kada su ti atomi deo (suštinski ili formalno) rigidnog strukturnog fragmenta molekula (dvoguba veza, prsten), opisuju se pomoću stereodeskriptori cis i trans ili E i Z. cis–dve iste, negeminalne grupe sa iste strane referentne ravni trans–dve iste, negeminalne grupe sa različitih strana referentne ravni Z (od nemačkog zusammen, zajedno)-dve negeminalne grupe istog prioriteta sa iste strane referentne ravni E (od nemačkog entgegen, nasuprot)-dve negeminalne grupe istog prioriteta sa iste strane referentne ravni Referentna ravan za cikloheksan. Cikloheksan nije planarni molekul, te se za referentnu uzima „približna” ravan molekula. Oni supstituenti koji se (formalno) nalaze na osi normalnoj na referentnu ravan cikloheksanovog prstena su tzv. aksijalni/pseudoaksijalni atomi/grupe (a), dok su oni koji se približno nalaze u referentnoj ravni tzv. ekvatorijalni/pseudoekvatorijalni atomi/grupe (e) Prioritet atoma koji se nalaze na dvoguboj vezi opada sledećim redosledom: I Cl F. Dakle, na jednom kraju dvogube veze atom većeg prioriteta je Cl, a na drugom I. Dakle, konfiguracija dvogube veze E. Obratite pažnju da je ovo istovremeno i cis-izomer (oba atoma hlora su sa iste strane referentne ravni). Drugim rečima, deskriptori E i trans, odnosno Z i cis nisu ekvivalentni. (E)-1 -Fluor-1, 2 -dihlor-2 -jodeten odnosno cis-1 -Fluor-1, 2 -dihlor-2 -jodeten

R/S-Izomerija. Centrohiralna jedinjenja Enantiomeri su strukture koje nisu identične, već se odnose kao predmet i lik u ogledalu. Strukture su hiralne onda kada se ne mogu preklopiti sa svojim likom u ogledalu. One nemaju refleksionih elemenata simetrije (npr. ravan simetrije). Ahiralne strukture se mogu preklopiti sa svojim likom u ogledalu. Centrohiralna jedinjenja sadrže bar jedan stereogeni centar (ugljenikov ili neki drugi atom) vezana četiri različita liganda.

Konfiguracija i konformacija Različite konfiguracije: “prelazak” jednog enantiomera ili geometrijskog izomera u drugi iziskuje mnogo energije Različite konformacije: “prelazak” jednog 3 D rasporeda u drugi ne iziskuje mnogo energije Rotacija oko proste veze nije uvek slobodna (npr. supstituisani bifenili)

R/S-Izomerija. Određivanje konfiguracije centrohiralnih jedinjenja Kada su za stereogeni centar (ugljenikov ili neki drugi atom) vezana četiri različita liganda (a, b, c i d), čiji prioritet opada sledećim redosledom a>b>c>d, određivanje konfiguracije se vrši na sledeći način: - Molekul se posmatra sa suprotne strane u odnosu na liganda najmanjeg prioriteta (d), Dalje, posmatra se „putanja” a – b – c (tzv. trijadna, tj. tripodalna stereogena jedinica). Ukoliko prioriteti preostala tri liganda opadaju duž pomenute putanje u smeru kretanja kazaljke na časovniku, konfiguracija stereocentra je „R” (od latinskog rectus, desno, pravo), Ukoliko prioriteti liganda a, b i c opadaju u smeru suprotnom kretanju kazaljke na satu, konfiguracija stereocentra je „S”(od latinskog sinister, levo, loše).

R/S-Izomerija. Određivanje konfiguracije centrohiralnih jedinjenja (S)-1 -Brom-1 -etanol (R)-Tetrahidropiran-2 -ol (S, S)-1, 2 -Cikloheksandiol trans-1, 2 -Cikloheksandiol (S)-3 -(Etoksimetil)tetrahidrofuran (relativna stereohemija) (1 S, 2 R, 4 S)-4 -Hlor-2 -((R)-1((1 S, 2 S, 4 R)-4 -hlor 2 -hidroksicikloheksil)etil) cikloheksanol (S)-(Metilsulfinil)benzen (R)-1 -Brom-1 -hloretan (S)-(8 -Heksil-6 -pentiltetradekan-7 -il)cikloheksan ili (S)-7 -Cikloheksil-8 -heksil-6 -pentiltetradekan

Osobine enatriomera. Specifična rotacija. U ahiralnoj sredini, enantiomeri se ponašaju jednako. Npr. isto reaguju sa ahiralnim reagensima, imaju iste tačke topljenja, ključanja, iste MS, IR, NMR spektre, istu rastvorljivost i sl. Različito se ponašaju u hiralnoj sredini. Npr. ako jedan enantiomer obrće ravan planarnopolarizovane svetlosti za ugao + α ((+)-enantiomer; dekstrorotatorni enantiomer), drugi je rotira za ugao – α ((-)-enantiomer; levorotatorni enantiomer) (oprtčka rotacija), drugačije reaguju sa drugim hiralnim jedinjenjima (npr. receptori), i sl. T [a]D= a/lc

Osobine enatriomera. Racemske smeše D/L-enantiomeri: konfiguracija hiralnog centra kao kod D/L-gliceraldehida. Ne postoji (jednostavna) veza između +/-, R/S i D/L, tj. ugao rotacije se ne može (direktno) predvideti na osnovu strukture Smeše koje sadrže jednake količine dva enantiomera su racemske smeše. One ne rotiraju ravan planarno-polarizovane svetlosti (nisu optički aktivne). Smeše koje sadrže različite količine enantiomera su optički aktivne. Optička rotacija zavisi od sastava, tj. tzv. enantiomernog viška (ee, ukupna razlika u molskim udelima dva enantiomera u smeši). ee= 100(e 1 -e 2)/(e 1+e 2), e 1>e 2 ee-enantiomerni višak, e 1, e 2 -količine jednog i drugog enantiomera

Dijastereoizomeri Stereoizomeri koji se medjusobno ne odnose kao predmet i lik u ogledalu su dijastereomeri. Oni mogu biti hiralni ili ahiralni (nemaju ili imaju ravan simetrije). Fizičke i hemijske osobine dijastereomera se razlikuju. Enantiomeri imaju istu relativnu stereohemiju a različitu apsolutnu stereohemiju. Dijastereoizomeri imaju različitu i relativnu stereohemiju. Dijastereomeri koji se razlikuju u konfiguraciji samo jednog hiralnog centra su epimeri.

Dijastereoizomeri “Pretvaranje” jednog u drugi enantiomer: menja se konfiguracija svih hiralnih centara. “Pretvaranje” jednog u drugi dijastereoizomer: menja se konfiguracija pojedinih hiralnih centara.

Dijastereoizomeri. mezo-Jedinjenja Za strukturu sa n hiralnih centara, maksimalan broj stereoizomera je 2 n. Onda kada je struktura nekih hiralnih centara jednaka, jedinjenje može imati ravan dimetrije, te se broj mogućih stereoizomera smanjuje. Jedinjenja koja uprkos tome što imaju stereogene centre nisu hiralna (imaju ravan simetrije), nazivaju se mezo-jedinjenjima.

Razdvajanje enantiomera. Rezolucija Preko dijastereomernih derivata

Razdvajanje enantiomera. Rezolucija Preko dijastereomernih derivata

Razdvajanje enantiomera. Rezolucija Pomoću hiralne kolone Enantiomeri putuju različitom brzinom kroz kolonu napakovanu hiralnom stacionarnom fazom

Nedefinisana stereohemija. Relativna stereohemija: : rel-, egzo/endo, sin/anti Onda kada kod centrohiralnih jedinjenja ne znamo kakva je konfiguracija nekog od hiralnih centara (nije definisana stereohemija), koristimo stereodeskriptor ξ (čita se „ksi”). Onda kada nije poznata apsolutna (znamo o kom tačno enantiomeru je reč), već samo relativna konfiguracija hiralnih centara molekula koriste se stereodeskriptori R* i S* (čita se r zvezda, s zvezda). U složenijim slučajevima, zvezdice („asterisk“) iza deskriptora se se mogu izostaviti, i umesto njih se imenu jedinjenja dodaje prefiks rel- (za relativno). ili (3ξ, 9αH)-2, 3 -Dihidro-5(10 9)-abeoergolin Značenje stereodeskriptora „anti“, „sin“, „egzo“ i „endo“ za biciklo[x. y. z]alkane (x ≥ y > z > 0) (1 R*, 2 R*)-1 -Brom-2 -fluorcikloheksan ili rel-(1 R, 2 R)-1 -Brom-2 -fluorcikloheksan ili trans-1 -Brom-2 -fluorcikloheksan Kada su kod cik-cak formule u svestepeničastoj konformaciji dve grupe sa iste strane ravni u kojoj leži ugljenični niz molekula, izomer je sin. Uprotivnom, on je anti. Značenje ovih, kao i stereodeskriptora egzo i endo kod bicikličnih jedinjenja je dato na slici. Pored ovih, kod bicikličnih jedinjenja se često koriste i

Relativna stereohemija: eritro/treo Ako dva susedna hiralna ugljenikova atoma imaju dva ista liganda, dok je treći različit, isomer je eritro onda kada bi jedinjenje bilo mezo- u slučaju da je i treći ligand isti. U suprotnom, isomer je treo. Prostije, izomer je eritro kada su isti ligandi sa iste strane Fišerove formule, a treo kada su sa suprotnih. Ako je jedinjenje predstavljeno cik-cak formulom erito-izomer je onaj kod koga su isti supstituenti sa različitih strana (anti) ravni u kojoj se nalazi skelet molekula. Jasno je da ukoliko su ovi supstituenti sa istih strana pomenute ravni, isomer je treo (sin). 2, 3 -Dihidroksibutanska kiselina (13 a/13 a’ i 13 b/13 b’ se odnose na različite dijastereoizomere, prikazane i Fišerovim (13 a, 13 b) i cik-cak formulama (13 a’, 13 b’)) ima dva susedna hiralna centra (C-2 i C-3). I jedan i drugi imaju po dva ista liganda: vodonikov atom i alkoholnu grupu. Kada bi treći ligand bio isti (npr. ako bi COOH-grupa sa C-2 bila zamenjena metil-grupom), onda bi 13 a bilo mezo-jedinjenje (molekul bi imao ravan simetrije). U Fišerovoj formuli ovog dijastereoizomera isti supstituenti su sa iste strane, a u cik-cak formuli su sa suprotnih strana ravni u kojoj leži skelet molekula, te je to eritro-izomer. Slično, 13 b/13 b’ je treo-izomer. eritro-2, 3 -Dihidroksibutanska kiselina ili bolje (2 R, 3 R)- 2, 3 -Dihidroksibutanska kiselina (13 a) treo-2, 3 -Dihidroksibutanska kiselina ili bolje (2 R, 3 S)- 2, 3 -Dihidroksibutanska kiselina (13 b) Obratite pažnju na to da eritro/treo govore samo o relativnoj stereohemiji: pomoću njih razlikujemo različite dijastereoizomere, ali ne i enantiomere. I 2 S, 3 S izomer je, takođe, eritro, kao što se treo može iskoristiti i za 2 S, 3 R.

Stereodeskriptori kojima se opisuju različite konformacije Značenje stereodeskriptora sc (sinklinalno, goš), ac (antiklinalno), sp (sinperiplanarno) i ap (antiperiplanarno); posmatra se ugao između supstituenta A 1 (C-A 1 veza je data kao podebljana linija na A-C) i B 2 (veza C-B 2 je data kao podebljana linija na A, tj. „obična“ linija na B i C) Značenje stereodeskriptora s-cis i strans

Zadaci za vežbanje � Odredite konfiguraciju za svako od niže navedenih jedinjenja. � Da li su niže navdena jedinjenja hiralna? Obrazložite svoj odgovor.

Zadaci za vežbanje � Prodiskutujte stereohemiju niže navedenih jedinjenja (nacrtajte sve dijastereomere, odredite koji od njih su hiralni). � Nacrtajte sve dijastereomere inozitola (1, 2, 3, 4, 5, 6 -cikloheksanheksaol). Koji od njih su mezo-jedinjenja? � 28 mg bademove kiseline je rastvoreno u 1 ml etanola i prebačeno u polarimetrijsku ćeliju dužine 10 cm. Izmerena optička rotacija na 20 o. C (Na D linija) je iznosila -4. 35 o. Odredite specifičnu rotaciju ovog jedinjenja.

OSNOVNO ZNANJE ! � CIP sistem � Tipovi izomerije � Određivanje konfiguracije