Chiralność i izomeria przestrzenna alkanów

Oprócz izomerii konstytucyjnej, drugim ważnym rodzajem izomerii jest izomeria przestrzenna. Izomery przestrzenne to związki, które mają taki sam wzór sumaryczny, taki sam szkielet węglowy, te same grupy funkcyjne (położone tak samo), ale różnią się budową przestrzenną cząsteczki – wzajemnym rozmieszczeniem poszczególnych jej fragmentów w przestrzeni. Rozróżniamy 2 rodzaje izomerów przestrzennych: diastereoizomery oraz enancjomery. Enancjomery to szczególny rodzaj izomerów przestrzennych – enancjomerami nazywamy dwie cząsteczki chemiczne, które są wzajemnie odbiciami lustrzanymi (tak jak np. prawa i lewa dłoń). Diastereoizomerami nazywamy wszystkie izomery przestrzenne, które nie są względem siebie enancjomerami. Wyróżniamy kilka rodzajów diastereoizomerów, są one opisane poniżej.

Enancjomery i chiralność

Istnienie par enancjomerów (cząsteczek, które są względem siebie odbiciami lustrzanymi) związane jest ze zjawiskiem chiralności. Chiralność (gr. Cheiros – dłoń) to zjawisko polegające na braku symetrii płaszczyznowej – przedmiot chiralny nie posiada płaszczyzny symetrii. W życiu codziennym możemy wyróżnić cały szereg przedmiotów chiralnych tak jak np. nasze stopy czy dłonie.Lludzka dłoń nie posiada płaszczyzny symetrii, a dłoń prawa jest lustrzanym odbiciem dłoni lewej. Podobnie jest dla częsteczek chemicznych – chiralne są cząsteczki chemiczne, które nie posiadają płaszczyzny symetrii. Każda cząsteczka chiralna może występować w postaci dwóch enancjomerów.

O chiralności cząsteczki chemicznej decyduje zazwyczaj obecność tzw. asymetrycznego atomu węgla (zwanego również centrum stereogenicznym lub centrum chiralnym). Asymetryczny atom węgla to taki, do którego przyłączone są cztery różne podstawniki. Można to pokazać na przykładzie najprostszego chiralnego alkanu łańcuchowego, 3-metyloheksanu. Asymetryczny atom węgla to trzeci atom głównego łańcucha, do którego przyłączona jest grupa metylowa. Są przy nim  4 różne podstawniki: grupa metylowa, grupa etylowa, grupa propylowa oraz atom wodoru (patrz rysunek poniżej). Na rysunkach przedstawiających wzory chemiczne, asymetryczne atomy węgla oznaczamy gwiazdką (jak poniżej).

 3-metyloheksan


Związki chiralne mają zdolność do skręcania płaszczyzny polaryzacji światła spolaryzowanego, właściwość ta jest określana mianem skręcalności optycznej. Przeciwne enancjomery skręcają płaszczyznę polaryzacji światła o takie same kąty, ale w przeciwnych kierunkach, stąd początkowo oznaczano je według tego kierunku, jako „+” i  „-”, na przykład kwas (+)-winowy i kwas (-)-winowy. Mieszanina składająca się z równych ilości obydwu enancjomerów nie skręca płaszczyzny polaryzacji światła. Taka mieszanina nazywana jest mieszaniną racemiczną (racematem).

Konfiguracja centrów stereogenicznych

Oznaczanie poszczególnych enancjomerów według kierunku skręcania światła spolaryzowanego miało duże znaczenie historyczne, jednak jest problematyczne, ponieważ ten kierunek nie zależy w prosty sposób od struktury związków, a nazywanie enancjomerów „+” i „-” jest niemożliwe, gdy nie możemy zmierzyć ich skręcalności optycznej. Dlatego ustalono system nazewnictwa enancjomerów oparty na kolejności podstawników przy centrum stereogenicznym. W systemie tym, konfigurację danego centrum stereogenicznego oznaczamy jako R lub S, postępując według procedury podanej poniżej:

  1. Należy ustalić „starszeństwo” podstawników przy centrum chiralnym według reguł Cahna-Ingolda-Preloga:

    1. -Weź pod uwagę 4 atomy związane bezpośrednio z centrum chiralnym i określ ich ważność w kolejności malejącej liczby atomowej. Atom o największej liczbie atomowej – najważniejszy

    2. -Jeżeli reguła 1) nie dała rozstrzygnięcia, porównaj liczby atomowe kolejnych atomów w podstawnikach

    3. -Atomy związane wiązaniami wielokrotnymi uważa się za jednoznaczne z atomem o tej samej liczbie pojedynczo związanych atomów

  2. Następnie, należy przerysować nazywany związek tak, aby najmniej ważny atom przy centrum chiralnym był u góry (patrz-rysunek poniżej). Uważaj, aby nie zamienić konfiguracji podstawników, przerysowując

  3. Jeżeli „starszeństwo” pozostałych trzech podstawników rośnie zgodnie z ruchem wskazówek zegara – mamy enancjomer S, natomiast jeżeli „starszeństwo” rośnie przeciwnie do ruchu wskazówek zegara – enancjomer R (patrz rysunek)

chiralność - konfiguracja R/S

Tak wyznaczoną konfigurację nazywamy konfiguracją absolutną danego centrum stereogenicznego. Jeżeli cząsteczka ma więcej niż jeden asymetryczny atom węgla, w podobny sposób można wyznaczyć konfigurację dla wszystkich centrów. Wtedy enancjomerami są cząsteczki mające przeciwną konfigurację na wszystkich centrach (np. R,R,R i S,S,S dla 3 centrów)

 

Diastereoizomery

Diastereoizomery to takie izomery przestrzenne, które nie są względem siebie enancjomerami, jak np. cukry proste mannoza i glukoza (mają one większą liczbę asymetrycznych atomów węgla, różnią się konfiguracją absolutną tylko na niektórych z nich). Diastereoizomerami są również związki mające różną konfigurację podstawników przy wiązaniu podwójnym (opisane szerzej w temacie Wiązanie podwójne – izomeria E/Z).

Polecamy również:

  • Izomeria alkanów – izomery konstytucyjne – przykłady, zadania

    Izomery to związki chemiczne posiadające taki sam skład pierwiastkowy, ale różniące się strukturą chemiczną. Zależnie od różnicy w strukturze, wyróżniamy różne typy izomerii, np. izomerię konstytucyjną, izomerię przestrzenną czy izomerię optyczną. Więcej »

  • Spalanie alkanów

    Alkany spalają się w zalezoności od ilości dostępnego tlenu do wody i dwutlenku węgla, wody i tlenku węgla lub wody i sadzy. Więcej »

  • Zastosowanie alkanów

    Alkany znajdują szereg zastosowań w przemyśle – jako składniki  ropy naftowej i gazu ziemnego stanowią podstawowe surowce energetyczne. Oprócz produkcji różnego rodzaju paliw (olej napędowy, benzyna, oleje opałowe, LPG i inne), alkany znajdują szerokie zastosowanie jako lotne... Więcej »

Komentarze (0)
Wynik działania 4 + 3 =
Ostatnio komentowane
Czyli,powiedzenie Polak Węgier dwa bratanki,nie jak się nie odnoszą względem pochodzen...
• 2022-06-16 19:03:58
ekstra
• 2022-06-18 17:12:40
ok
• 2022-06-08 15:52:28
dzięks
• 2022-06-06 19:26:13
Ale proste
• 2022-06-06 14:23:48