IZOMERIA DE CONFIGURATIE

1. Izomeria optica (enantiomeria)

Izomeria de configuraie apare atunci cnd

compuii au aceeai constituie dar pot avea aranjri

spaiale (configuraii) diferite.

n funcie de diferenele de configuraie care

pot s apar ntre izomeri exista diferite tipuri de

izomerie de configuratie.

Izomeria optic apare atunci cnd moleculele

nu prezint elemente de simetrie nalte; prezena

unor astfel de elemente de simetrie determin

existena a numai unei singure configuraii posibile

pentru o anumit constituie; absena unor astfel de

elemente de simetrie face posibil apariia mai multor

configuraii diferite.

Formule perspectivice ale diclorometanului

rezultate prin rotirea n jurul legturii C H cu cte 600;

formulele care rezult reprezint molecule indentice;

formulele a i d sunt inverse, adic una este imaginea

n oglind a celeilalte dar se pot suprapune prin

micri de rotaie i translaie, adic sunt

imagini de oglindire superpozabile ceea ce

nseamn c sunt identice.

HCl

Cl

H

Cl

H

HCl

H

H

ClCl

ClH

Cl

H

a b c d

Litere majuscule bidimensionale care sunt

imagini de oglinire superpozabile (A i O) i

nesuperpozabile (C i B).

A C BOA O

BC

Cele dou mini, dreapta i stnga, care puse

fa n fa sunt imagini de oglindire. Ele nu sunt ns

superpozabile, pentru c la ncercarea de suprapunere

a lor printr-o micare de translaie ele nu se suprapun,

ceea ce nseamn c sunt obiecte tridimensionale

diferite

Obiectele tridimensionale care nu se suprapun

cu imaginea lor de oglindire sunt denumite obiecte

chirale i care prezint proprietatea denumit

chiralitate.

Condiia pentru ca s apar enantiomeria

(izomeria optic) este ca o molecul s prezinte

chiralitate, ceea ce nseamn ca s nu fie

superpozabil cu imaginea ei de oglindire.

Sunt cteva cazuri n care structura i geometria

unei molecule permit apariia chiralitii:

Cel mai frecvent este cazul unor molecule care

au un atom hibridizat sp3 de care sunt legai patru

substitueini diferii. Cnd acest atom este carbonul

(cum este n majoritatea compuilor organici) atunci

acest atom este denumit atom de carbon asimetric

i este notat ntr-o molecul cu simbolul: C*.

Compuii care au un astfel de atom prezint

chiralitate central.

Cele dou imagini de oglindire nesuperpozabile

(a i b), care sunt cei doi izomeri optici (enantiomeri)

ai compusului C*HClBrF; c i d sunt formule rezultate

prin rotirea n jurul legturii C H din izomerul b.

FCl

Br

H

FBr

Cl

H

F

H

ClBr

Cl

H

BrF

t=600

t=1200

a b c d

Enantiomeria rezultat prin prezena unui atom de

carbon asimetric (centrul de chiralitate), apare frecvent

la o serie de compui naturali;

glicerinaldehida si acidul lactic sunt molecule chirale:

formulele lor perspectivice i proiective Fischer:

H

CH=O

HO

HOH2C HOH

CH3

COOH

HOH

CH2OH

CH=O

H

COOH

HO

H3C

CH=O

CH2OH

HHO

COOH

CH3

HHO

CH=O

CH2OH

OHH

COOH

CH3

OHH

glicerinaldehida acidul lactic

Proprietatile enantiomerilor

Cei doi izomeri care apar atunci cnd o molecul prezint chiralitate au aceeai constituie, au practic aceleai proprieti fizice i chimice. Diferenierea dintre cei doi enantiomeri se poate face doar prin interaciunea lor cu un factor chiral, cum este lumina polarizat. Singura diferen care apare este sensul de rotire al planului luminii polarizate,

care se numete activitate optic: + -

cuva solutie

detector

dextrogir levogir

Activitatea optic a unui enantiomer se exprim prin activitatea specific, [a]D msurat la 20

0C, care

este definit ca unghiul de rotaie al planului luminii polarizate pentru o soluie de 1g/cm3, la o lungime cuvei de 1dm:

Un amestec n cantiti egale format din cei doi enantiomeri nu rotete planul de polarizare i este optic inactiv prin compensare intermolecular. Un astfel de amestec (nu este o substan pur) se numete amestec racemic Nu exist o relaie simpl ntre activitatea optic i configuraie.

D

20=

c.l

COOH

CH3

HHO

COOH

CH3

OHH

CH3

HHO

CH3

OHH

CH3

H

CH3

H CH3O

COONa COONa COOCH3 COOCH3

OCH3

acid (-) lactic acid (+) lactic sarea de sodiu eterul-esterul metilic

D20

: +3,50 +6,50 -96,50-3,50 -6,50 +96,50

p.t: 26-270 26-270

Nu exist o relaie simpl ntre activitatea optic i configuraie.

Stabilirea configuraiei enantiomerilor

Determinarea configuraiei unui anumit enantiomer

nu este posibil doar prin simpla msurare a activitii optice;

pentru a rezolva aceast problem s-a recurs iniial

(nainte de a fi cunoscute metode directe de msurare)

la metode indirecte prin care s-a determinat o

configuraie relativ:

Convenia Fischer-Rosanoff pentru specificarea configuraiei relative (convenia D-L);

Conform acestei convenii s-a ales o substan de referin (care prezint enantiomerie) pentru care s-a atribuit n mod arbitrar o anumit configuraie pentru cei doi enantiomeri: (+)-glicerinaldehida (enatiomerul dextrogir); n formula de proiecie Fischer grupa OH este aezat n partea dreapt fa de linia vertical, care reprezint catena atomilor de carbon i Configuraia acesteia este denumit cu litera D.

n mod similar, cellalt enantiomer care are grupa OH

n stnga va fi (-)-glicerinaldehida i configuraia ei este notat

cu litera L; notaiile D i L sunt doar o denumire a configuraiei

i nu reprezint i activitatea optic, o mrime msurat

experimental. De aceea, conform acestei convenii,

enantiomerul dextrogir al glicerinaldehidei va fi denumit

D-(+)-glicerinaldehida iar enantiomerul levogir va fi denumit

L-(-)-glicerinaldehida

HCH=O

HO

HOH2CHOH

CH2OH

CH=O

CH=O

CH2OH

HHO

CH=O

CH2OH

OHH

D-(+)-glicerinaldehida L-(-)-glicerinaldehida

Pentru a atribui configuraii relative i altor compui, convenia Fischer-Rosanoff stabilete urmtoarele reguli:

-Orice compus care prezint izomerie optic i care poate fi obinut din (+)-glicerinaldehid sau care poate fi transformat n (+)-glicerinaldihid prin reacii n care nu este afectat atomul de carbon asimetric, are aceeai configuraie a atomului de carbon asimetric ca i (+)-glicerinaldehida;

- n mod similar orice compus care poate fi obinut sau

transformat n (-)-glicerinaldehid are configuraia atomului

de carbon asimetric aceeai cu (-)-glicerinaldehida.

- Toi compuii pentru care, prin aceste transformri chimice, s-a stabilit configuraia D la atomul de carbon asimetric, fac parte din seria configurativ D iar cei care au configuraia L fac parte din seria configurativ L.

Stabilirea configuraiei acidului (-)-lactic printr-o serie de reacii prin care poate fi obinut din (+)-gicerinaldehida. Toi compuii au configuraia D i fac parte din seria configurativ D.

CH=O

CH2OH

OHH

COOH

CH2OH

OHH

COOH

CH2Br

OHH

COOH

CH3

OHHBr2/H2O PBr3

Zn/HCl

-HBr

D-(+)-glicerinaldehida acid D-(-)-3-bromolacticacid D-(-)-gliceric acid D-(-)-lactic

Metoda permite stabilirea doar a configuraiilor relative

deoarece convenia iniial presupune atribuirea arbitrar

a unei anumite configuraii enantiomerului dextrogir al

glicerinaldehidei; ca urmare probabilitatea ca toate

configuraiile stabilite astfel s fie adevrate este de 50%;

configuraiei absolute prin difracia de raze X la monocristale;

Aplicat pentru un compus optic activ (acidul (+)-tartric sub

form de sare de rubidiu i potasiu) s-a artat c acest izomer

steric al acidului tartric, care prin convenia Fischer-Rosanoff

a fost ncadrat n seria D, i avnd configuraia relativ denumit

ca acid D-(+)-tartric, are ntr-adevr configuraia absolut

corespunztoare cu cea relativ.

Ca urmare s-a confirmat faptul c toate configuraiile

determinate prin convenia Fischer-Rosanoff sunt i

configuraii absolute, (+)-glicerinaldehida are i n realitate

configuraia propus iniial ca fiind cea relativ.

Convenia Cahn Ingold Prelog pentru specificarea

configuraiilor absolute

Cahn, Ingold i Prelog au propus o nou regul de atribuire i denumire a configuraiilor absolute ale izomerilor sterici denumit prescurtat regula C.I.P, Pentru atribuirea configuraiilor izomerilor optici i ai diastereoizomerilor optici regula se mai numete i regula R-S, iar pentru denumirea diastereoizomerilor cis-trans ea este denumit regula E-Z.

n ambele cazuri, pornind de la o configuraie cunoscut, se aplic urmtoarele etape:

1. Stabilirea tipului de izomerie de configuraie (enantiomerie, diastereoizomerie optic, diastereoizomerie cis-trans);

2. Stabilirea ordinei de succesiune a substituenilor

(denumii liganzi) legai de elementul de chiralitate.

Aceast etap se face folosind regula standard

de succesiune:

- se consider n prima etap numai atomii din prima sfer

de liganzi care sunt de fapt atomii legai direct de elementul

de chiralitate; se consider c au prioritate (notat n ordine

cu cu cifre: 1> 2> 3> 4 sau cu litere: a> b> c> d) atomii cu

numrul atomic cel mai mare;

- Atunci cnd exist doi sau mai muli atomi identici n prima sfer de liganzi se analizeaz atomii din sfera a doua de liganzi, adic atomii care sunt legai de cei din prima sfer de liganzi. i n acest caz au prioritate atomii cu numr de ordine mai mare;

- pentru grupele obinuite care se gsesc n muli compui organici cu un centru de chiralitate, ordinea de succesiune va fi:

-CHCl2 > -CH2Cl -COOH -CH=O -CH2OH -C(CH3)3 -CH=CH2 -CH2CH3 -CH3> > > > > > > >C CH-

3. Se aeaz fiecare atom de carbon asimetric (reprezentat

prin formula perspectivic tetraedric sau modelul mecanic)

n aa fel nct substituentul cu prioritatea cea mai mic s fie

aezat n spate, n partea opus observatorului.

4. Se examineaz ordinea celorlali trei substitueni n funcie de prioritatea lor (de la 1 la 2 i apoi la 3); dac ordinea corespunde cu sensul acelor ceasornicului atunci configuraia este denumit R (de la cuvntul latin rectus dreapta) iar dac ordinea substituenilor este invers sensului acelor ceasornicului atunci configuraia este denumit S (de la sinister stnga). Dac sunt mai muli atomi de carbon asimetrici n molecul se stabilete i se denumete n acest mod configuraia fiecruia n parte.

EXEMPLE

FCl

Br

H

Ordinea de prioritate a substutuentilor: 1-Br; 2-Cl; 3-F; 4-H

2

13

4

ClF

H

BrC2

axa C2;1800

ClF

H

Br1

23

4

RS

1

23

4

HCH=O

OHCH2OH HO

CH=O

CH2OHH

Ordinea de prioritate a substutuentilor: 1-OH; 2-CH=O; 3-CH2OH; 4-H

600

2 2

1

1

3

3 44 OH

CH=O

HOH2CH 1

2

4

3R S

CH=O

CH2OH

OHH

CH=O

CH2OH

HHO

D L

Configuraia R a glicerinaldehidei corespunde cu

configuraia D stabilit prin convenia D-L, iar

configuraia S corespunde cu L:

2. DIASTEREOIZOMERIA

Diastereoizomeria, sau izomeria steric de distan apare

la compuii care prezint izomerie de configuraie atunci cnd

izomerii difer prin distana dintre atomi sau grupe de atomi care

nu sunt legate direct ntre ele i care sunt legate de obicei de

atomi de carbon (sau ali atomi) vecini (n poziie vicinal);

Toi stereoizomerii care nu se gsesc ntre ei n relaia odiect-imagine n oglind (deci care nu sunt enantiomeri) se numesc diastereoizomeri.

Diastereoizomeria poate s apar att la compui care

prezint chiralitate ct i la compui achirali; ea este de dou

feluri: diastereoizomeria optic i diastereoizomeria cis-trans

Diastereoizomeria optic

Diastereoizomeria optic apare la compui care au mai multe elemente de chiralitate n molecul.

Stabilirea tipului i numrului de izomeri sterici posibili:

- dac ntr-o molecul sunt mai multe elemente de chiralitate,

fiecare dintre acestea poate duce la dou configuraii diferite

care sunt imagini de oglindire nesuperpozabile;

- dac ntr-o molecul exist n elemente de chiralitate i fiecaruia i corespund dou configuraii diferite, atunci numrul total de configuraii diferite pentru ntreaga molecul va fi de 2n. Aceste configuraii diferite vor izomeri de configuraie sau izomeri sterici. Dintre aceti izomeri sterici pot s existe i izomeri optici (enantiomeri) atunci cnd configuraiile lor reprezint imagini n oglind nesuperpozabile.

- un compus care are dou centre de chiralitate, fiecare dintre

acestea putnd avea cele dou configuraii R sau S

(conform notaiei R-S), numrul de izomeri va fi dat de numrul

de combinaii posibile adic, n acest caz: 22 = 4.

Pentru tetroz, un compus natural din clasa monozaharidelor

i care are doi atomi de carbon asimetrici (C2 i C3):

OH

O=CH - C*H - C*H - CH2OH

OH

1 2 3 4

tetroza (2,3,4-trihidroxibutanal)

Izomer/configuratie

I II III IV

C2 R S R SC3 R S S R

Regula de succesiune:C2: 1. -OH 2. -CH=O 3. -CH(OH)-CH2OH 4. -H

C2: 1. -OH 2. -CH(OH)-CH=O 3. -CH2OH 4. -H

Formulele de configuraie ale celor patru izomeri sterici:

se reprezint pe rnd configuraiile fiecrui atom de carbon, conform regulii R-S i innd cont de ordinea de succesiune a substituenilor:

HOCHO

H

HOCH2OH

H

HOH

CHO

HOH

CH2OH

HHOOHC

HHO

HOH2C

HOH

CHO

HHO

HOH2C HOH

CH2OH

HHOOHC

I(R,R) II(S,S) III(R,S) IV(S,R)

D-(-)-treoza

2R,3R-tetroza 2S,3S-tetroza 2R,3S-tetroza 2S,3R-tetroza2R,3R-tetroza

21 4

31

2

4

3

R

R

CHO

OHH

OH

CH2OH

H

CHO

HHO

H

CH2OH

HO

CHO

OHH

H

CH2OH

HO

CHO

HHO

OH

CH2OH

H

L-(+)-treozaL-(+)-eritrozaD-(-)-eritroza

Izomerii I i II i respectiv III i IV reprezint imagini n oglind nesuperpozabile i sunt enantiomeri intre perechile I sau II i III sau IV nu este relaie n oglind, ca urmare, fiecare dintre perechile de enantiomeri reprezint cte un diastereoizomer. Aceti diastereoizomeri au atomi de carbon chirali i de aceea sunt numii diastereoizomeri optici.

n general, pentru un compus care prezint n atomi de carbon asimetrici (sau elemente de chiralitate) vor fi

2n izomeri

Exceptii sunt compuii care au doi sau mai muli atomi de

carbon asimetrici, dar care au aceeai patru substitueni fiecare

(chiralitate egala) ca de exemplu acidul tartric:

OH

HOOC - C*H - C*H - COOH

OH

1 2 3 4

(acid 2,3-dihidroxibutandioic)

Regula de succesiune:

C2: 1. -OHC3: 2. -COOH 3. -CH(OH)-COOH 4. -H

acid tartric

Formulele de perspectivice i proiective pentru izomerii de configuraie ai acidului tartric.

HOCOOH

H

HOOCOH

H

HOH

COOH

HOH

COOH

HHO

HOOC

OHH

HOOC

HOH

COOH

HHO

HOOC HOH

COOH

HHO

HOOC

I(R,R) II(S,S) III(R,S) IV(S,R)1

4

2

3

4

1

32

R

R

acid 2R,3R- tartric acid 2R,2R- tartric acid 2S,3S- tartric acid 2R,3S- tartric acid 2S,3R- tartric

COOH

OHH

H

COOH

HO

COOH

HHO

OH

COOH

H

COOH

OHH

OH

COOH

H

COOH

HHO

H

COOH

HO

acid mezo-tartricAcid L-(-)-tartricacid D-(+)-tartric

HOCOOH

H

HOCOOH

H

14

2

3

4

2

31

R

S

acid 2R,3S- tartric

Analiza relaiilor dintre izomerii de configuraie ai acidului tartric:

izomerii I i II sunt enantiomeri: formulele III i IV sunt identice

i reprezint un singur izomer care este diastereoizomer cu

perechea de enantiomeri I i II. Acest diastereoizomer prezint

un plan de simetrie, i nu este chiral; ca urmare el este optic

inactiv; astfel de diastereoizomeri sunt numii forme mezo.

Pentru acidul tartric nu vor fi 4 ci doar trei izomeri i anume:

o pereche de enantiomeri i un izomer mezo, care este

diastereoizomer cu perechea de enantiomeri.

Proprietile diastereoizomerilor

Datorit faptului c diastereoizomerii au distane diferite ntre atomii sau grupele care nu sunt legai direct, energia lor intern este diferit i ca urmare proprietile fizice i unele proprieti chimice sunt diferite.

Proprieti fizice i chimice ale acizilor tartrici:

Proprietate Acid (+) tartric

(2R,3R)

Acid (-) tartric

(2S,3S)

Acid mezo-tartric

(2R,3S)

[]D la 200 n ap +11,98 -11,98 0

p.t. 0C 170 170 160

Solubilitate g/100cm3; ap; 200C 139 139 125

Constanta de aciditate K1.103 1,17 1,17 0,77

Diastereoizomeria cis-trans (izomeria geometric)

Acest tip de diastereoizomerie apare la compuii care au un

element de structur rigid n molecul reprezentat printr-un plan

determinat de prezena unei legturi duble sau a unui ciclu;

fa de acest plan, substituenii care sunt legai de doi dintre

atomii care definesc acest plan, pot s fie aezai de o parte

sau de pri opuse ale planului.

Atunci cnd substituenii de la fiecare atom al legturii duble sunt diferii ntre ei, sunt posibile dou configuraii diferite care reprezint cei doi diastereoizomeri.

Condiia ca s apar configuraii diferite este ca ce doi substitueni de la fiecare atom de carbon s fie diferii:

C C

ac

bd

c d

a bC C

ad

bc

Cnd sunt numai doi substitueni izomerii se numesc cis,

cel cu substituenii de aceeai parte i trans cel cu substituenii

de pri opuse:

C C

HH

H3C CH3

C C

HCH3

H3C H

C C

HH

HOOCCOOH

C C

HOOCH

HCOOH

cis-2-butena trans-2-butenaacid maleic

(cis)

acid fumaric

(trans)

Cnd sunt mai muli substitueni diferii trebuie specificat

care sunt n cis i care n trans:

C C

H3C-H2C H

H3C CH3

C C

H2C-H3C CH3

H3C H

cis(metil,metil)-3-metil-2-pentena trans(metil,metil)-3-metil-2-pentena

a b

Specificarea configuraiei diastereoizomerilor cis-trans

Pentru cazurile simple (cte doi substitueni identici la fiecare

atom de carbon din dubla legtur) specificarea configuraiei se

face dup regula prezentat mai sus: cis este izomerul n care

substituenii sunt de aceeai parte i trans pentru substituenii

de pri opuse;

pentru cazurile cu trei sau patru grupe diferite,se folosete

tot regula Cahn-Ingold-Prelog (C.I.P.), care, n acest caz, este

denumit i regula E-Z.

Aplicarea regulii CIP se utilizeaz tot regula de succesiune a substituenilor n acest caz stabilindu-se prioritatea substituenilor pentru fiecare pereche legat de cei doi atomi de carbon (substituenii vor avea astfel prioritatea 1 sau 2 la fiecare atom de carbon).

Dac substituenii cu prioritatea 1 (cea mai mare) de la cei doi atomi de carbon sunt de aceeai parte (adic n cis) configuraia este notat cu Z iar dac, aceti substitueni sunt de pri opuse, configuraia se noteaz cu E; se noteaz astfel configuraiile pentru fiecare legtur dubl din molecul.

Proprietile diastereoizomerilor cis-trans

Diastereoizomerii cis-trans ca i diastereoizomerii optici difer prin energia intern a moleculelor i prin aezazarea n spaiu a grupelor care nu sunt legate direct. Ca urmare vor avea proprieti fizice diferite: puncte de topire, puncte de fierbere, densitate, solubilitate i eventual i rotaia specific diferit (n cazul compuilor ciclici care prezinta i diastereoizomerie optic).

Diastereoizomerii pot fi separai prin metode fizice obinuite (recristalizare, distilare, cromatografie).

Diastereoizomerii au i unele proprieti chimice diferite mai ales cele care depind de poziia reciproc a substituenilor din cei doi izomeri.

Cei doi izomeri ai acidului 1,2-etendicarboxilici acidul maleic si acidul fumaric

au att constantele de aciditate diferite dar se comport i diferit la nclzire peste

punctul de topire:

C C

HOOCH

HCOOH

acid maleic

(cis)

acid fumaric

(trans)

anhidrida maleica

(anhidrida cicilica)

C C

C

H H

O

OH

C O

HO

C

C

O

C

C

H H

OO

t>1000

-H2O

t>3000descompunere

Interconversia diastereoizomerilor cis-trans are loc n

general mai uor dect cea a enantiomerilor (racemizarea)

sau a diastereoizomerilor optici; n ambele cazuri este

necesar ruperea i reformarea a dou legturi covalente;

n cazul enantiomerilor i diastereoizomerilor optici legturile

care intervin sunt legturi s ale unor atomi de carbon

hibridizai sp3, n cazul diastereoizomerilor cis-trans este

suficient scindarea legturii p ceea ce are loc mult mai uor:

C C

H H

HOOC COOHC C

H H

HOOC COOH

H C C

H COOH

HOOC H

HC C

HOOC H

H COOHacid fumaric

(trans)

+H+

+H+ 1800

acid maleic

(cis)

-H+

IZOMERIA DE CONFIGURATIE

2. Diastereoizomeria