Stereochemie
Přednáška 8
Korelace založená na asymetrické syntéze
pokud je vytvořeno nové chirální centrum v molekule, která již jedno nebo vice
chirálních center obsahuje, pak vznikají dva diastereoizomery v nestejném množství
Cramovo pravidlo
pokud karbonylová skupina ketonu vázaná na chirální centrum podléhá nukleofilní
adici s organokovovým činidlem nebo hydridem, vznikají dva diastereoizomery, kde
jeden z nich převládá
R´
b
RM
M
O
R
RL
a
RS
RM
HO
R´ RS
R
RL
RM
R´
RS
R
HO
RL
a
Al
CH3
Ph
C COCH3
+ LiAlH4
H3C
H
O
H
H
J
CH3
C CHO
H
CH3
H
Ph
H
CH3
CH3
Ph
Ph
HO
+ CH3MgI
H3C
threo (70%)
a
Mg
CH3
O
H
HO
Ph
H
Ph
CH3
CH3
H
H
erythro (67%)
Cyklický model
R´
M
O
RL
R
O Me
RS
HO
OCH3
R´
RL
RS
C C OH
CH3
RL
>
OCH3
OH
R
RS
CH3
Li
O Ph
Ph
R
+
R´
O
+ CH3Li
O
HO
Ph
Ph
Ph
OH
Ph
CH3
CH3
CH3
meso (92%)
Dipolarní model
M
RL
O
R´
Rs
HO
RL
R
RL
R
O
R´
X
RS
H3B
Bun
Et
+
R´
R RS
X
Et
O
C C Cl
RL
O
H
H
NaBH4
Bun
H
Cl
HO
Cl
Et
H
H
Bun
Prelogovo pravidlo
maj.
O
H
Ph
HO
HO Me
O
MeMgX
O H
O
Ph
O H
min
(-)-menthol
maj.
O
HO
RS
C
RL
O
Ph
O
RM
RS
RL
HO Me
RM
Ph
min
OH
O
RS < RM < RL
R - (-)-atrolaktinová kyselina
COOH
Me
HO
H
OH
Ph
Horeauova metoda
PhCHEt
RM
HO C H
+
O
O
CHEtPh
O
kinetické rozlišení
Et
H
Ph
RL
R
COOH
(±) nadbytek
S-(+)
Konfigurace molekul s axiální a planární chiralitou
bifenyly
O
COOH COOH
CH2Br CH2Br
NO2
NO2
NO2
NO2
NO2
NO2
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
NH2
NH2
Cl
Cl
COOH COOH
alleny
konfigurace propargylalkoholu
Me
SOCl2
OH
C
But
O
Me
C
But
C C H
Claisenův přesmyk
Me
OH
C
But
Me
O
C
But
C C H
O
S
Cl
Me
C C
But
C C H
H
C
Cl
C
H
Me
C
OHC
Me
H
C C H
Me
CMe2
C
C C
H
Diels-Alderova reakce
HOOC
H
H
C
HOOC
HOOC C
+
O
HOOC
H
H
Přeměna allenových kyselin na bromolaktony
H
Br
R
C C C
Ph
H
COOH
S-(+)
Br2
KMnO4
R
Ph
O
O
R
Ph
COOH
OH
S-(+)
Relativní konfigurace diastereoizomerů
1. Porovnání fyzikálních vlastností
Auwerovo-Skitovo pravidlo
koreluje b.v., d, nD s relativní konfigurací monocyklických sloučenin
“ mezi dvěma acyklickými epimery, které se neliší znatelně v dipólovém
momentu, má isomer s vyšší enthalpií vyšší b.v., d, nD”
CH3
CH3
H3C
H3C
cis
trans
b.v.
120,1 oC
124,5 oC
d424
0,7620
0,7806
nD25 1,4206
1,4284
Dipólové pravidlo (van Arkelovo)
pokud se dva isomery liší znatelně v dipólovém momentu, pak isomer s vyšším
dipólovým momentem má vyšší b.v., d, nD.
ClCH=CHCl (cis>trans)
CH3CH=CHCl , CH3CH=CHCN (trans >cis)
Porovnání bodů varu
strukturně odvozené sloučeniny byly korelovány s mateřskou molekulou a počtem a
povahou přítomných substituentů
Tx = To + ∑a
To = b.v. mateřské molekuly
a = příspěvek různých substituentů:
CH3e : a = + 19,1 o
CH3a : a = + 23 o
další subst.: vicinální CH3e,e a= +4,2 o
vicinální CH3a,e a= +3,1 o
geminální CH3
a= -5,7 o
trans 1,2-dimethylcyklohexan: 81,5 + 2x19,1 + 4,2 = 123,9 oC
naměřeno: 123,4 oC
Porovnání b.t., pKa
mezi cis a trans isomerem obvykle platí, že trans má vyšší b.t., nižší rozpustnost v
inert. rozpouštědlech a kyselinách, nižší Ka
H
Me
COOH
COOH
H
H3C
180
b.t. 72 o
H
COOH
COOH
H
CH3
CH3
15,5 o
o
3,63.10-5
4,2.10-5
Ka 2.10-5
H
COOH
HOOC
H
COOH
H
H
COOH
K1
>
K1
K2
<
K2
105 o
12,4.10-5
Dipólový moment
• pro sloučeniny XHC=CHX, kde X je skupina nebo atom s konickou symetrií platí, že μT = 0, μC > 0
• pokud X různé, ale stejně polární (Cl, Br) μC > μT
• pokud X různé s různou polaritou, možný malý rozdíl nebo opačně
H
H
Cl
Cl
1,85 D
IR
1590
(cm -1) 697
H
Cl
Cl
Cl
H
Cl
H
H
Me
H
H
Me
0,00 D
1,71 D
1,97 D
895
1660
1675
Elektronová spektra
často se rozliší Z,E izomery ve sloučeninách, kde dvojná vazba je v konjugaci s
jinými skupinami.
HB
HA
HA
295 nm
280 nm
29 000
10 000
ppm
ppm
HB
Konformace
- konformace molekuly se mění, hovoříme pak o jednotlivých konformerech nebo též
rotamerech.
- studium fyzikálních a chemických vlastností molekul ve smyslu jejich konformerů se
pak nazývá konformační analýza.
Molekulární mechanismus a konformace
Rychlost a rovnováha reakce je ovlivněna třemi faktory:
• stérickými efekty
• elektrostatickými efekty
• resonančními efekty
Celková energie odpovídající sterickému uspořádání molekuly
ES´ = E(α) + E(l) + E(θ) + E(r)
E(α) – energie způsobená deformací vazebných úhlů
E(l) – energie způsobená roztahováním a stahováním molekuly
E(θ) – energie způsobená torzním bráněním
E(r) – nevazebná interakce vyplývající z van der Waalsových sil
E(α) = kα/2 (α-αo)2 ~ 0,04 (α-αo)2 kJ mol-1úhel-2
kα – silová konstanta
αo – optimální vazebný úhel
α – aktuální vazebný úhel
Velikost hodnoty E(α) je asi 0,04 kJ mol-1 pro deformaci úhlu o 1o.
E(l) = kl/2 (l-lo)2 ~ 145.103 (l-lo)2 kJ mol-1nm-2
kl – silová konstanta
lo – optimální vazebná délka
l – aktuální vazebná délka
Velikost hodnoty E(l) je asi 3,6 kJ mol-1 pro změnu vazebné délky o 0,005 nm
E(θ) = ½ Eo (1+cos n θ)
Eo – torzní energetická bariéra
θ – velikost torzního úhlu
n – periodicita
Pro ethan je energetická bariéra vyjádřena hodnotou energie E(θ) asi 12.0 - 12.5 kJ mol-1.
E( r) = - A/r6 + B/r12
nebo
-A/r6 + Be-μr
A,B – konstanty závislé na povaze interagujících jader
r-van der Walsovy poloměry
Konformace ethanu, propanu a n-butanu.
CH3-CH3
H
H
H
H
H
H
H
H
HH
H
H
MeCH2-CH3
Me
H
H
H
H
H
H Me
H
H
H
H
Me2CH-CH3
Me
H
H
Me
H Me
H
H
H
H
Me3C-CH3
H
Me
Me
H
H
Me
H Me
H
Me
Me
H
H
Me
12.0 kJ mol -1 14.0 kJ mol -1 16.2 kJ mol -1 19.5 kJ mol -1
diagram
konformační energie - rozdíl v potenciální energii mezi nejstabilnějším a nejméně
stabilním konformerem
Zastooupení jednotlivých konformerů je dáno velmi dobře známou reakční isotermou
∆Go = -RTlnK
∆Go = ∆Ho - T∆So
∆Go – změna volné energie v základním stavu
K – poměr stabilnějšího a méně stabilního konformeru
butan: ∆Go 1,6 kJ mol-1, což odpovídá poměru anti a gauche konformeru 1:2.
Klyne-Prelogova terminologie pro torzní úhly
1. Torsní úhel má poněkud jiný význam než úhel dihedrální. Zatímco dihedrální úhel je
úhel mezi dvěmi rovinami definovanými A-X-Y a X-Y.B v molekule A-X-Y-B, torzní úhel je
úhel, který svírají skupiny A a B přes vazbu X-Y. Oproti dihedrálnímu úhlu je torzní úhel
definován i směrem. Označení (+) se užívá, pokud je pořadí skupin A a B po směru
hodinových ručiček, označení (-) pak pro pořadí opačné. Torzní úhel může vyjádřen
kladnou hodnotou v rozmezí 0 - 360 o, ale častěji se používají menší hodnoty s prefixem
(+) a (-).
2. Pro určení torzního úhlu je nutné definovat dvě referenční skupiny na každém konci vazby.
Tyto skupiny určíme podle následujících kritérií:
• pokud jsou všechny substituenty v souboru různé, používá se sekvenční pravidlo
• pokud jsou v souboru skupin dvě stejné skupiny, vybere se jako referenční skupina ta, která je
odlišná.
• pokud jsou všechny tři skupiny na vazbě stejné, vybere se jako referenční skupina ta, která tvoří
nejmenší torzní úhel.
3. Určující skupina na předním atomu v Newmanově projekci se umísťuje nahoru. Torzní
úhel je pak vyjádřen souborem třech termínů:
(+) a (-) pro rotaci v rozmezí 0 – 180o po směru, resp. proti směru hodinových ručiček
syn pro hodnoty v rozmezí 0 – 90o a anti pro hodnoty 90 – 180o v obou směrech
periplanární, vyjadřující téměř planární, klinální vyjadřující téměř identické uspořádání
± sp
áln
o
-30
0o
30o
60o
-s
yn
-60o
90o
-
ti
an
- ac
-150o
180o
150o
± anti - periplanární
± ap
kl
i
n
á
lní
á
klin
120o
-120o
+
a
nti
-
lní
-90o
+ sc
í
áln
klin
-k
lin
- sc
yn
+s
í
± syn -periplanární
+ ac
Me Me
H
H
H
H
± sp
Me
H
Me
H
H
H
- sc
Me O
Me
H
H
H
+ sc
Me
H
H Me
H
H
H
Me
- ac
HO
H Me
Me
H
H
H
+ ac
H
H
Me
Me
H
H
± ap
HO
H H H
H H Me
Me H H
(±) sp
(+) ac
(-) ac
Fyzikální metody konformační analýzy
1.Termodynamické metody
enthalpie, entropie, tepelná kapacita
Metoda je nejvhodnější pro molekuly s relativně malou energ. bariérou (cca 20 kJ mol-1).
spalné teplo - informace o velikosti pnutí v cyklu, sledování poměru židličkových a vaničkových
konformerů cyklohexanů.
ustanovení chemické rovnováhy. Poměr dvou diastereoizomerů v rovnovážném stavu je určen
na základě měření některých spektrálních či separačních metod.
2. Dipólový moment
Celkový dipólový moment molekuly je pak dán součtem dipólových momentů jednotlivých
konformerů
μ2 = n1μ12 + n2μ22 (pro dva konformery)
μ1 – dipólový moment jednoho konformeru
μ2 - dipólový moment druhého konformeru
n1 – molární frakce jednoho konformeru
n2 – molární frakce druhého konformeru
1,2-dichloroethan: dipólový moment anti formy =0, gauche forma = 3.2 D
V plynném stavu má 1,2-dichlorethan dipólový moment 1.12 D odpovídající složení 88% anti formy
a 12% gauche formy.
3. Spektroskopické metody
Stabilita většiny konformerů je obecně velmi nízká. Rychlost přeměny lze vypočítat z Eyringovy
rovnice.
-
k = K (kBT/h) e
G RT
G RT = RT eNh
K – transmisní koeficient
R – plynová konstanta
kB – Boltzmannova konstanta
T – teplota ve stupních Kelvina
h – Planckova konstanta
N – Avogadrovo číslo
∆G‡ - aktivační energie
Pro energetickou bariéru 20 kJ mol-1, je rychlost konverze asi 109 sec-1 za laboratorní teploty.
Metoda
Time scale (sec-1)
metoda
Time scale (sec-1)
Elektronová
10-20
Spektroskopie ve
10-14
difrakce
viditelné oblasti
Neutronová difrakce 10-18
IR-Raman
10-14
Mikrovlnná
10 -10
X-ray difrakce
10-18
spektroskopie
UV spektroskopie
10-15
NMR
10-1 – 10-9
Rentgenová difrakce
- výhody: přesný obraz kompletní struktury, včetně meziatomových vzdáleností,
vazebných úhlů a konformačních detailů.
- nevýhody: látka musí vytvořit poměrně velký krystal, nesouměřitelnost s chováním
dané látky v roztoku.
Elektronová difrakce
- první metoda, která potvrdila židličkovou konformaci cyklohexanu.
- kompletní informace o struktuře a konformaci sloučenin, ale tentokrát v plynném
stavu.
Neutronová difrakce
- určení energetické bariéry několika jednoduchých molekul, které nejsou měřitelné
pomocí IČ nebo Ramanovy spektroskopie kvůli zakázaným přechodům.
- komplementární k rentgenové difrakci, kdy může v některých případech lokalizovat
vodíky, které nejsou RTG difrakcí zachytitelné.
Infračervená a Ramanova spektroskopie
-v inračervené spektroskopii je důležitým faktorem změna dipólového momentu
- Ramanově spektroskopii se projevují látky, u nichž dochází ke změně polarizace.
- nelineární molekuly obsahující n různých atomů dávají vznik maximálnímu počtu 3n-6
základních frekvencí. Pokud je ve spektru větší počet pásů, svědčí to o přítomnosti
směsi konformerů.
- intenzita příslušných pásů pak vypovídá o jejich přibližném zastoupení, např 1,2dibromethan měřený v pevném stavu vykazuje pásy pouze pro anti-konformer. Převod
do skupenství kapalného - objevují se rovněž pásy pro gauche-konformer.
- Pro případ komplexních molekul lze vyjádřit jejich zastoupení pomocí rovnice
Ag
ng
K=
na = A
a
a
g
Ag , Aa – intenzity pásů jednotlivých konformerů (gauche a anti)
αg, αa – molární extinkční koeficienty konformerů (gauche a anti)
- IČ rozlišuje volnou OH skupinu a OH skupinu vázanou vodíkovou vazbou.
Download

null