Chemie pro fyzikální obory Jaromír Literák Přírodovědecká fakulta Masarykovy univerzity 3. dubna 2017 Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška Stereochemie O HO HO N CH3 morfin Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška Stereochemie O HO HO N CH3 morfin Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška Stereochemie O HO HO N CH3 N CH3 O O CH3 morfin pethidin Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška Stereochemie O HO HO N CH3 O HO O N CH3 H3C morfin kodein Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška Konformace ethanu H H H H HH H HH H HH H HH H HH H H H H HH H HH H HH H H H CH3 HH H HH H HH H H H H H H Konformace – jakékoliv prostorové uspořádání molekuly odvozené otočením kolem σ-vazby Konformer (konformační izomer) – lokální minimum Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška Konformace butanu H H CH3 CH3 HH H3C HH CH3 HH H CH3 H CH3 HH CH3 H H CH3 HH H HH3C CH3 HH H H3C H CH3 HH H3C HH CH3 HH H3C CH3 H H H H Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška Velikost pnutí cyklů u cykloalkanů 115,1 110,1 25,95 0,42 25,95 40,59 52,73 51,89 47,29 17,16 21,76 7,95 7,95 8,37 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 velikost kruhu 0 50 100 150 kJ/mol Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška Cyklohexan Cyklohexan Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška Cyklohexan Axiální a ekvatoriální vazby axiální ekvatoriální Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška 1,3-Diaxiální interakce H RH 1,3-diaxiální interakce CH3 CH3 ∆G° = –7,31 kJ mol–1 Sterická náročnost vybraných substituentů1 R A / (kJ mol−1 ) R A / (kJ mol−1 ) -D 0,025 -CH3 7,31 -F 1,05–1,75 -C2H5 7,52 -Cl 2,22–2,69 -CH(CH3)2 9,28 -Br 2,02–2,81 -C(CH3)3 19,74–20,58 -I 1,97–2,56 -CF3 10,08–10,5 -OH 2,52–4,37 -C6H5 11,76 -NH2 5,17–7,14 -C6H11 9,24 -N(CH3)2 6,3–8,82 -CH=CH2 6,3–7,14 -NO2 4,62 -COOH 5,88 1 Zdroj: Eliel, E. L., Wilen, S. H.: Stereochemistry of Organic Compounds, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1994. Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška Variabilita bariéry konformačního pohybu H HH H H H H H H H H H 12 kJ mol-1 30 kJ mol-1 H N O CH3 H 85 kJ mol-1 H N O H CH3 H3C CH3 CH3 268 kJ mol-1 H3C H3C H3C CH3 CH3 H3C CH3 109 kJ mol-1 H3C CH3 Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška Priony Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška Izomerie Izomery? Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška Izomerie H2C CH3 C6H12 H3C O OH H H3C O OH C3H6O2 CH3 H3C H3C CH3 C4H8 Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška Izomerie Zdrojem rozdílného prostorového uspořádání může být: konformace – prostorové uspořádání odvoditelné otáčením kolem σ-vazeb. konfigurace – prostorové uspořádání, které nelze odvodit konformačním pohybem. Stereogenní centrum – část molekuly, která podmiňuje existenci stereoizomerů. CH3 H3C H3C CH3 ? trans-but-2-en (E)-but-2-en cis-but-2-en (Z)-but-2-en Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška Chiralita „Objekt neztotožnitelný se svým zrcadlovým obrazem χειρ – ruka Fenomén projevující se na mnoha úrovních – od chirality makroskopických objektů (enantiomorfy), přes chiralitu molekul (enantiomery) po chiralitu matematických objektů. Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška 1783 – Immanuel Kant diskutuje předměty, které zrcadlením poskytují neztotožnitelné obrazy. poč. 19. století – francouzští fyzici Arago a Biot popisují stáčení roviny polarizovaného světla pří průchodu krystalem křemene a některými kapalinami organického původu. 1848 – Louis Pasteur rozdělil mechanicky krystaly vinanu sodno-amonného na enantiomery. Ukázal na spojitost chirality (dissymetrie) a optické aktivity, které byly do té doby spojeny s krystaly, s vlastnostmi jednotlivých molekul. Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška 1874 – J. H. van ’t Hoff a J. Le Bel: tetraedrické uspořádání vazeb vycházejících z atomu uhlíku, chiralita spojena se čtyřmi různými substituenty atomu uhlíku. 1884 – lord Kelvin zavádí pojem chiralita, jak jej dnes známe. „Atribut jakéhokoliv geometrického útvaru nebo množiny bodů, jehož obraz v ideálním zrcadle s ním nelze ztotožnit. 1891 až 1894 – Hermann Emil Fischer určil konfiguraci všech známých cukrů a předpověděl existenci dalších možných isomerů. CH2OH H OH O H Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška 1951 – poprvé určena absolutní konfigurace chirální molekuly vinanu sodno-rubidného (Johannes Martin Bijvoet). „The result is that Emil Fisher’s convention, which assigned the configuration of FIG. 2 to the dextrorotatory acid appears to answer the reality. 1956 – předpověď (Lee a Yang) a experimentální prokázání (Wu) porušení parity slabé interakce. Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška Centrální chiralita Centrum chirality – nejčastěji atom uhlíku nesoucí čtyři rozdílné substituenty. COOH HO COOH HO HOOC OHHOOC OH COOH HO COOH HO Určující je přítomnost roviny symetrie v molekule. Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška Centrální chiralita 4 1 3 2 1 2 3 S (lat. sinister) 4 1 2 3 1 3 2 R (lat. rectus) H Br F Cl Cl H F Br 1 2 3 4 4 3 2 1 Pravidlo posloupnosti (R. S. Cahn, C. K. Ingold a V. Prelog) C N C (N) (N) N (C) (C) C CH2 C C H (C) H H (C) jako jako CH CH3 CH3 jako C C C H H H H H H H 1 2 3 (C) H (CCH) (HHHHHH) Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška Axiální chiralita C C C CH3 HH3C H CCC H3C H CH3 H Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška Vlastnosti enantiomerů Enantiomery se neliší svými fyzikálně chemickými vlastnostmi – s výjimkou stáčení roviny polarizovaného světla (?). Br2 Br Br Br Br + 50 % recemát 50 % Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška Vlastnosti enantiomerů Ale: CH3 CH3 OO CH3H2C CH2H3C (R)-karvon máta (S)-karvon kmín CH3 CH3HOOC CH3 H3C CH3 COOH CH3 (S)-ibuprofen analgetikum (R)-ibuprofen neaktivní Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška Homochiralita života H O OHH HHO OHH OHH CH2OH D-cukry H2N H R OHO L-aminokyseliny Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška Původ homochirality Syntéza biomolekul v chirálním fyzikálním poli – absolutní asymetrická syntéza Autokatalytická amplifikace N N O H + Zn CH3 CH3H3C H3C N N O Zn CH3 CH3 H3C CH3 autokatalyzátor Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška Původ homochirality Náhoda – efekt malého počtu molekul Krystalizace ve formě racemické sloučeniny Rozdílné vlastnosti enantiomerů ∆E = 1 × 10−17 kT Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška Pravá a falešná chiralita Laurence D. Barron – pravá a falešná chiralita Energetická degenerace enantiomerů zaniká pouze v prostředí, které vykazuje pravou chiralitu, což znamená, že systém může existovat ve dvou enantiomerních stavech, které jsou převoditelné prostorovou inverzí, ale ne kombinací časové inverze a otočení. Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška Pravá a falešná chiralita Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška t -t Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška t -t Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška Pravá a falešná chiralita Paralelní vektory E a B (P. Curie 1894)? E B Míchání směsi v gravitačním poli Země? Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška V jakém vztahu jsou následující dvojice molekul? CH3 CH3 CH3 CH2 CH3 CH3 (+)-α-pinen (+)-β-pinen 1 Identické 2 Konstituční izomery 3 Enantiomery 4 Diastereomery Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška V jakém vztahu jsou následující dvojice molekul? H3C CH3 CH3 H3C CH3 CH3 1 Identické 2 Konstituční izomery 3 Enantiomery 4 Diastereomery Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška V jakém vztahu jsou následující dvojice molekul? H3C CH3 OH H3C OH CH3 1 Identické 2 Konstituční izomery 3 Enantiomery 4 Diastereomery Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška V jakém vztahu jsou následující dvojice molekul? CH3 CH3 1 Identické 2 Konstituční izomery 3 Enantiomery 4 Diastereomery Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška V jakém vztahu jsou následující dvojice molekul? F Cl Br H Br H F Cl 1 Identické 2 Konstituční izomery 3 Enantiomery 4 Diastereomery Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška V jakém vztahu jsou následující dvojice molekul? H3C CH3 OH OH H3C OH OH CH3 1 Identické 2 Konstituční izomery 3 Enantiomery 4 Diastereomery Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška V jakém vztahu jsou následující dvojice molekul? Cl Cl 1 Identické 2 Konstituční izomery 3 Enantiomery 4 Diastereomery Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška V jakém vztahu jsou následující dvojice molekul? F F F F F F 1 Identické 2 Konstituční izomery 3 Enantiomery 4 Diastereomery Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška V jakém vztahu jsou následující dvojice molekul? H H CH3 CH3 HH H H3C H CH3 HH H3C CH3 1 Identické 2 Konstituční izomery 3 Enantiomery 4 Diastereomery Jaromír Literák Chemie pro fyzikální obory – 3. přednáška