Transcript No Slide Title

STEREOCHEMISTRY
Part II
By
Parinya Theramongkol , Ph.D.
Department of Chemistry
Faculty of Science , Khon Kaen University
7/21/2015
Parinya T.C211.2008
1
Chirality of Molecules
SYMMETRY
Point of Symmetry
Plane of Symmetry
Axis of Symmetry
.
7/21/2015
Parinya T.C211.2008
2
Plane of Symmetry
สิ่ งใดที่มีระนาบแห่ งสมมาตร (plane of Symmetry)
สิ่ งนั้นจะสามารถซ้ อนทับได้ สนิททุกประการ (superimpose)
กับรู ปเสมือนในกระจกเงา (mirror image)
!
7/21/2015
Parinya T.C211.2008
3
Chirality
Chiral (handedness) : มีลกั ษณะแบบมือ (มีซ้าย-มีขวา)
Chiral object
สิ่ งที่ไม่ สามารถซ้ อนทับได้ สนิททุกประการกับรู ปเสมือนในกระจกเงา
สิ่ งที่ไม่ มีระนาบแห่ งสมมาตร
7/21/2015
Parinya T.C211.2008
4
ENANTIOMERS
Stereoisomers ทีเ่ กิดจากโมเลกุลแบบ chiral ซึ่งจะ
ไม่ ซ้อนทับได้ สนิททุกประการ กับโมเลกุลทีเ่ ป็ น
รู ปเสมือนในกระจกเงาของมัน (mirror image)
โมเลกุลแบบ chiral
CHIRAL CARBON CENTER
sp3carbon atom ที่มีกลุ่มทั้งสี่ แตกต่างกัน
7/21/2015
Parinya T.C211.2008
5
Chiral Carbon Atom
ที่จริงควรเรียกว่ า Chiral carbon center เพราะ สิ่ งที่เป็ น chiral คือ
โมเลกุลทีม่ ี carbon atom แบบนั้น
chiral carbon
Nonsuperimposable mirror
center
image
7/21/2015
Parinya T.C211.2008
6
การวาดรู ปเพือ่ แสดง chiral center แบบ 3-D
Cl
Cl
F
F
Br
Br
H
H
Cl
Cl
F
F
Br
Br
H
H
7/21/2015
Parinya T.C211.2008
7
คุณสมบัตขิ อง Enantiomers
Chemical
Physical
โดยทัว่ ไป..เหมือนกัน เกือบทุกประการ
ยกเว้ น
ทาปฏิกริยากับ
Chiral molecules
7/21/2015
Parinya T.C211.2008
8
Plane-polarized Light
7/21/2015
Parinya T.C211.2008
electric field vectors are all aligned
9 in the
same direction
Polarized Light
Polarized light consists of individual photons whose electric field vectors are all aligned in the
same direction. Ordinary light is unpolarized because the photons are emitted in a random
manner, while laser light is polarized because the photons are emitted coherently. When light
passes through a polarizing filter, the electric field interacts more strongly with molecules
having certain orientations. This causes the incident beam to separate into two beams, whose
electric vectors are perpendicular to each other. A horizontal filter absorbs photons whose
electric vectors are vertical (above). The remaining photons are absorbed by a second filter
turned 90° to the first. At other angles the intensity of transmitted light is proportional to the
square of the cosine of the angle between the two filters. In the language of quantum mechanics,
polarization is called state selection. Because photons have only two states, light passing
through the filter separates into only two beams.
Microsoft Illustration
"Polarized Light," Microsoftฎ Encartaฎ 96 Encyclopedia. ฉ 1993-1995 Microsoft Corporation. All rights
reserved.
7/21/2015
Parinya T.C211.2008
10
เมือ่ plane-polarized light ส่ อง
ผ่ านสารละลายของ enantiomer
เกิดการบิดเบนของระนาบแสง (optical rotation)
Levorotatory = บิดซ้าย (-)
บิดขวา (+) = dextrorotatory
-
7/21/2015
Parinya T.C211.2008
a
+
11
Enantiomers :
Optical isomers ทั้งนีเ้ พราะเมื่อสารใดสามารถ บิดเบนระนาบของ
plane-polarized light ได้ จะถือว่ ามี สมบัตเิ ป็ นสารที่ optically
active
Polarimeter :
เครื่องมือทีใ่ ช้ วดั การบิดเบนระนาบของ plane-polarized light
Specific rotation :
ค่ าการบิดเบนมีหน่ วยเป็ น องศา (o) เมื่อใช้ สารละลายเข้ มข้ น
1.00 กรัม / ml โดยใช้ หลอดบรรจุสารยาว 1 dm ณ อุณหภูมิ
และความยาวคลืน่ ของแสงทีใ่ ช้ ซึ่งระบุค่าแน่ นอน (ปกติใช้ แสง
จากหลอดโซเดียม ความยาวคลืน่ 589.3 nm , D-line)
7/21/2015
Parinya T.C211.2008
12
วิธีคานวณค่ า specific rotation
[ a D20
] =
[ a D20
]
7/21/2015
=
a
lc
specific rotation ของ sodium D-line ที่ 20oC
a
=
ค่ า rotation ทีว่ ดั ได้ ณ 20oC
l
c
=
cell length มีหน่ วยเป็ น dm
=
ความเข้ มข้ น มีหน่ วยเป็ น g/ml
Parinya T.C211.2008
13
Relative & Absolute Configuration
Absolute configuration คือลาดับการจัดเรียงตัวของกลุ่มทั้งสี่
ที่ chiral carbon center
opposite
configurations
CHO
H
CHO
OH
HO
CH 2OH
CH 2OH
( + ) - g ly c e r a ld e h y d e
[ a D20
] =
7/21/2015
H
( - ) - g ly c e r a ld e h y d e
+8.7 o
[ a D20
] =
Parinya T.C211.2008
-8.7 o
14
Relative configuration : การเปรียบเทียบลาดับของการจัดเรียงกลุ่ม
ที่ chiral center อันหนึ่ง กับ chiral center อีกอันหนึ่ง (ซึ่งรู้
configuration มาก่ อน)
chiral center ไม่เปลี่ยนแปลง
CHO
H
OH
O
oxidation
CH 2OH
H
C-OH
OH
CH 2OH
( - ) - g ly c e r ic a c id
( + ) - g ly c e r a ld e h y d e
(-)- glyceric acid มี relative configuration เหมือน
(+)-glyceraldehyde
7/21/2015
Parinya T.C211.2008
15
Assignment of Configuration
The (R) & (S) System
Absolute configuration สามารถระบุได้ 2 แบบ คือ ...
1. (R) = rectus = right: กลุ่มทีม่ ีลาดับความสาคัญเรียงตัวจาก
มากไปหาน้ อยแบบตามเข็มนาฬิ กา
2. (S) = sinister = left: กลุ่มทีม่ ีลาดับความสาคัญเรียงตัวจาก
มากไปหาน้ อยแบบทวนเข็มนาฬิ กา
การพิจารณาลาดับความสาคัญ (order of priority)
ใช้ sequence rules (Cahn - Ingold - Prelog) ทีเ่ รียนมาแล้ ว
7/21/2015
Parinya T.C211.2008
16
วิธีกาหนดแบบของ configuration ที่ chiral center
1. หาลาดับความสาคัญของกลุ่มทั้งสี่ ตาม sequence rules
2. จัดโมเลกุลให้ กลุ่มทีม่ ลี าดับความสาคัญตา่ สุ ด ชี้ไปด้ านหลัง
3. เริ่มจากกลุ่มทีล่ าดับความสาคัญสู งสุ ด เขียนลูกศร
วนไปทางกลุ่มทีม่ ีความสาคัญรองลงไป
4. ถ้ าลูกศร วนตามเข็มนาฬิ กา = (R)
ถ้ าลูกศร วนทวนเข็มนาฬิ กา = (S)
7/21/2015
Parinya T.C211.2008
17
Example
#2
Step 1
#3
Step 2
Cl
Cl
F
#1
Cl
Br
F
Br
Cl
H
F
Br
H
Step 3
Step 4
Cl
H
Br
7/21/2015
Br
H
#4
H
= ตามเข็มนาฬิกา
= (R)
F
(R)-Bromochlorofluoromethane
Parinya T.C211.2008
18
CHO
CHO
H
OH
H
OH
CH2OH
CH2OH
(+)-glyceraldehyde
#3
#1
H
OH
HOH 2C
OH
OHC
H
CH2OH
CHO
#2
7/21/2015
(R)-(+)-glyceraldehyde
Parinya T.C211.2008
19
More examples
OH
NH 2
CH3
H
H
O
H
7/21/2015
Parinya T.C211.2008
20
Racemic mixture
Racemic mixture หรือ racemic modification : ของผสมทีป่ ระกอบ
ด้ วยคู่ enantiomers อย่ างละเท่ าๆกัน เขียนสั ญญลักษณ์ เป็ น ( ) +
_
Optical rotation = 0o
Optically inactive
Resolution หรือ resolving
Levorotatory enantiomer
7/21/2015
Dextrorotatory enantiomer
Parinya T.C211.2008
21
Chiral drugs
CH3
CH3
COOH
H3C
Ibuprofen
Tradename : Motrin , Advil , Nuprin
Activity : analgesic , antiinflammatory
(reduce swelling and inflammation)
Present situation : prepared ,sold , administered as racemic mixtures.
Q. Ibuprofen มี chiral center กี่แห่ง ? อยูท่ ี่ไหน ?
7/21/2015
Parinya T.C211.2008
22
CH3
CH3
COOH
H3C
Ibuprofen
Fact 1 : only the (S)-enantiomer is biologically active !
Fact 2 : the (R)-enantiomer is biologically inert !
Fact 3 : body converts (R)-enantiomer to active (S)-enantiomer
Q. โครงสร้างของ (S)-enantiomer เป็ นอย่างไร ?
7/21/2015
Parinya T.C211.2008
23
Thalidomide baby dog ?
Thalidomide baby
O
H
O
N
N
O
O
Thalidomide
Activity : sedative , anti-nausea (morning sickness)
Past situation : prepared ,sold , administered as racemic mixtures.
During 1959 - 1962 , in Europe and Great Britain
Over 2,000 cases of serious birth defects in children born to women who took
it while pregnant !
7/21/2015
Parinya T.C211.2008
24
O
H
O
N
N
O
O
Thalidomide
Fact 1 : only the (R)-enantiomer has the desired drug activity !
Fact 2 : the (S)-enantiomer is a mutagen !
Q. โครงสร้างของ (R)-enantiomer เป็ นอย่างไร ?
7/21/2015
Parinya T.C211.2008
25
โมเลกุลที่มี chiral centers > 2
H3C
Br H
3 2
CH 3
H OH
mirror
CH 3
2
HO
H
3
H
Br
CH 3
( 2 R ,3 R )
I
7/21/2015
3 -B r o m o -2 -b u ta n o l
CH 3
H
Br
CH 3
CH 3
OH
HO
H
H
OH
H
Br
H
H
Br
CH 3
CH 3
( 2 S ,3 S )
( 2 R ,3 S )
( 2 S ,3 R )
II
III
IV
Parinya T.C211.2008
CH 3
26
จานวน stereoisomers ทีม่ ากทีส่ ุ ด = ?
จานวน stereoisomers ทีม่ ากทีส่ ุ ด =
2n
เมื่อ n = จานวน chiral centers ในโมเลกุล
ถ้ า n = 2 , จานวน stereoisomers ทีม่ ากทีส่ ุ ด = 22 = 4
ความสั มพันธ์ ระหว่ าง stereoisomers เหล่ านี้ เป็ นอย่ างไร ?
7/21/2015
Parinya T.C211.2008
27
diastereomers
CH3
2
HO
3
H
CH3
CH3
H
Br
H
Br
CH3
OH
HO
H
H
OH
H
Br
H
H
Br
CH3
CH3
(2R,3R)
(2S,3S)
I
II
CH3
(2R,3S)
III
enantiomers
CH3
(2S,3R)
IV
enantiomers
diastereomers
7/21/2015
Parinya T.C211.2008
28
Diastereomers คืออะไร ?
Diastereomers คือ optical isomers ทีไ่ ม่ เป็ น รู ปเสมือนใน
กระจกเงา และมีคุณสมบัตทิ างกายภาพและเคมีแตกต่ างกัน
ลองพิจารณา 2,3-butanediol ดูบา้ ง ...
H3C
OH H
2
3
H
CH 3
OH
2 ,3 - B u t a n e d io l
7/21/2015
Parinya T.C211.2008
29
Plane of symmetry
CH3
2
HO
3
H
CH3
H
OH
CH3
(2R,3R)
I
H
HO
CH3
CH3
OH
HO
H
H
OH
H
HO
H
H
OH
CH3
CH3
CH3
(2S,3R)
(2R,3S)
(2S,3S)
III
II
IV
Identical !
MESO COMPOUND (meso form)
คือ stereoisomer ที่มี chiral centers แต่ มีระนาบแห่ ง
สมมาตรอยู่ภายในโมเลกุล และมี optical rotation = 0o
7/21/2015
Parinya T.C211.2008
30