3-Stereo-isomeren - Samenvatting Biomoleculen PDF

Preview

Summary

Download 3-Stereo-isomeren - Samenvatting Biomoleculen PDF

Description

3

Stereo-isomerie: schijnbaar hetzelfde, ruimtelijk verschillend

3.1 Chiraliteit en symmetrie Stereo-isomeren  Het verschijnsel waarbij een structuurformule niet eenduidig is, doordat er meerdere, ruimtelijke verschillende moleculen (conformaties) beantwoorden. o Geometrische isomeren  Symmetrisch  Richting van hun groepen ten opzichte van ringen of π -bindingen.  Cis/trans isomeren o Optische isomeren  Bezitten chiraliteit  Opeenvolging van hun groepen in de ruimtelijke opbouw rond een Catoom.  Asymmetrisch

3.1.1 Chiraliteit   

Een voortschrijdende, draaiende beweging  schroevende (spiraal) structuur  chiraliteit. Verschillen van hun spiegelbeeld (kunnen niet tot bedekking worden gebracht). Beeld en spiegelbeeld zijn twee verschillende moleculen!

3.1.2 Symmetrische en asymmetrische moleculen 

Asymmetrische moleculen o Hebben in geen enkele conformatie een inwendig symmetrievlak o Kunnen in geen enkele conformatie hun spiegelbeeld bedekken o Verschillen dus van hun spiegelbeeld o Zijn chiraal/optisch actief

3.2 Geometrische isomerie 3.2.1 Voorwaarden 



Structuur aanwezig die aanleiding geeft tot meerdere richtingen van substituenten t.o.v. een ring van 𝜎-bindingen / een π -vlak. o Starre structuren: geen geometrische isomerie (kunnen maar één richting aannemen).  VB: een benzeenring (vlak) , een alkyn (drievoudige binding  lineair) Geschikte substitutie: op beide C-atomen van de dubbele binding, of op min 2 Catomen van een ring, moet telkens 2 verschillende groepen staan.

3.2.2 Cis-trans isomerie ten gevolge van een dubbele binding  

Rond dubbele binding  vrije rotatie verhinderd  bepaalde richtingen vastgelegd worden ten opzichte van elkaar. Twee C-atomen van dubbele binding elk verschillende groepen dragen  stereoisomerie mogelijk.



Indien één van de substituenten op C1 identiek is aan een van op C2: o Cis-isomeer: identieke substituenten aan dezelfde kant van het π -vlak staan o Trans-isomeer: identieke substituenten aan verschillende kanten staan van het π -vlak. H H3C

H H3C

H ci sbut een

CH3

CH3

t r ansbut een

H



Indien 4 verschillende groepen ingeplant zijn op een dubbele binding: o Cis-isomeer: de groepen met de langste koolstofketen aan dezelfde kant staan t.o.v. de π -binding. o Trans-isomeer: de groepen met de langste koolstofketen aan weerszijden staan t.o.v. de π -binding.



#geometrische isomeren = 2n (max)  n #dubbele bindingen is met verschillende substituenten aan elk uiteinde.

3.2.3 Cis-trans isomerie op een ringsysteem   

Cis  substituenten staan aan dezelfde kant van de ring Trans  substituenten staan aan weerszijden van de ring Drieringen  altijd vlak Me of

t r ans 1, 2d i met h y l c y c l opr opaan

Me

Cl Cl of

Cl

c i s 1, 2di c hl or oc y c l opr opaan

Cl R ( Denot at i e

bet ek ent:s ubs t i t uëntv óórhetv l ak )

R ( Denot at i e

bet ek ent:s ubs t i t uëntac ht erhetv l ak )

Grotere ringen  herleiden tot hun (energetisch weinig) vlakke ringconformatie om het isomeer te herkennen.



Me

Me of

Me

Door verandering van conformatie kan men nooit van isomeer veranderen!

Me

of

t r ans 1, 2di met h y l c y cl obut aan

Cl

I I

Me

Cl Cl Me of

Me Cl

I I I

I c i s 1c hl oor 2met h y l c y c l ohe x aan



Gecondenseerde ringen

3.3 Optische activiteit – optische isomerie 3.3.1 Optische isomeren 

Optische isomeren is ontstaan doordat asymmetrische moleculen de eigenschap bezitten om het polarisatievlak van gepolariseerd licht te draaien  optisch actief  één van de weinige eigenschappen waar beeld en spiegelbeeld verschillen!

3.3.2 Gepolariseerd licht    

Elektromagnetische golf Verkregen via polarisator Één voortplantingsrichting meer waarschijnlijk dan de andere Polarisatievlak: vlak met maximale lichtintensiteit (evenwijdig met pol a r i s a t or trillingsrichting). pol a r i s a t i e vl a k



ni e tge pol a r i s e e r d a l l er i c ht i nge n v ó ó r

l i ne a i rge pol a r i s e e r d é é nt r i l l i ngs r i c ht i ng

na

det r i l l i ngs v e c t orv a nl i n e a i rge pol a r i s e e r dl i c ht ka nge z i e nwor de na l sdev e c t o r i ë l es omv a n t we ev e c t or e ndi ei nt e ge nge s t e l dez i ndr a a i e n

3.3.3 Optische activiteit 



Het draaien van het polarisatievlak van gepolariseerd licht over een welbepaalde hoek. o Symmetrische moleculen: geen optische activiteit (evenveel rechts als linksdraaiend) o Asymmetrische moleculen: optische activiteit Hoek α waarover het polarisatievlak verdraaid wordt, is afhankelijk van het soort moleculen en van de concentratie α =[ α ] . c .l o o o



[ α ] = specifieke draaiing per g en per dm c : concentratie in g/mL l : afgelegde weg van het licht in dm

Enantiomeren: o Asymmetrische moleculen die elkaars spiegelbeeld zijn. Ze hebben een tegenovergestelde optische activiteit, ze draaien het polarisatievlak over dezelfde hoek, maar in tegengestelde richting. o Dezelfde bindingen, dezelfde bindingsafstanden, dezelfde bindingshoeken, dezelfde zwakke interacties tussen de groepen  dezelfde energie-inhoud (even stabiel) en dezelfde fysische en chemische eigenschappen. o Wijzerzin = + o Tegenwijzerzin = -

3.3.4 Racemische mengsels 



Racemisch mengsel: mengsel met 50% van de ene vorm en 50% van de andere vorm  niet optisch actief omwille van uitwendige compensatie (evenveel moleculen die het polarisatievlak in wijzerzin draaien als in tegenwijzerzin). Racemisatie: verschijnsel waarbij de optische antipoden in elkaar worden omgezet met vorming van een optisch inactief racemisch mengsel.

3.3.5 Oorsprong van chiraliteit  

Te wijten zijn aan één of meer aanwijsbare C-atomen  AKA’s (asymmetrische koolstofatomen). Moleculaire asymmetrie: er kan geen specifiek atoom aangeduid worden dat de chiraliteit introduceert.

3.4 Asymmetrische koolstofatomen 3.4.1 Wanneer is een koolstofatoom asymmetrisch?  

AKA sp3-hybdrisatie waarop 4 verschillende substituenten staan Beeld en spiegelbeeld kunnen niet tot bedekking gebracht worden!

3.4.2 De Cahn-Ingold-Prelog nomenclatuur – bepaling van de absolute configuratie 

Prioriteitsvolgorde: 4 groepen die op het AKA gebonden zijn kent men de letters a, b, d en e toe.

1. 4 atomen kent men de letters van a tot e toe naar dalend atoomgetal. 2. Twee of meer atomen identiek  onderscheid door atoomgetallen te beschouwen van alle atomen die rechtstreeks op deze identieke atomen gebonden zijn. 3. Nieuwe gelijkheid  verder tot ongelijkheid in atoomgetallen bekomt. 4. Atomen met dubbele binding  2x in beschouwing nemen. 5. Verschillende isotopen rond C-atoom  kijken naar atoommassa’s in plaats van naar atoomgetallen. 



Denkbeeldige schroefbeweging van a over b naar d, vanuit het asymmetrisch koolstofatoom in de richting van e. o Wijzerzin: R-configuratie o Tegenwijzerzin: S-configuratie De correlatie tussen het teken van de optische draaiing en de absolute configuratie is niet eenduidig. R

S

e

e

C a

d

d

b

C a

b

s pi e ge l vl ak

3.4.3 De Fischer-nomenclatuur 

ENKEL VOOR SUIKERS EN AMINOZUREN  verbinding afgeleid van glyceraldehyde. O

H C CHOH CH2OH

gl y cer al dehyde



O

H C

OH

O C

) CHOH ( n CH2OH sui ker

CHNH 2 R ami no zuu

Fisher-projectie: C-keten verticaal en lineair met carbonylgroep bovenaan.



OH-groep of NH2-groep van AKA verst verwijderd van de carbonylfunctie: o D-vorm: rechts o L-vorm: links

3.4.4 Verband tussen de twee nomenclatuurwijzen 

Overgang zijdelingse projectie naar Fisher-projectie 30°

A

B

CHO C H

30°

CHO C

OH CH 2 OH

H

H

C

D

CHO

CHO

C

OH CH2OH

H

OH

CH2OH

OH

CH2OH

R( +)gl yc er al deh y de



C

D-gl y c er al dehy de

Fisher-projectie: horizontale bindingen liggen voor het vlak van het papier en verticale bindingen liggen er achter. o Draaien over 90°  NIET toegelaten o Draaien over 180°  verandert niets aan de absolute configuratie o Onpaar aantal maal omwisselen verandert de absolute configuratie, paar aantal maal omwisselen verandert de absolute configuratie niet. D

E

CHO

F

OH

OH 2°x

1°x H

C

OH

H

CH2OH

C

CHO

H

CH2OH

C

CH2OH

CHO

Rvor m

OH( a)

H

C

OH

CHO ( b)

CH2OH ( d)

Svor m

H

( a)

C

CH2OH ( d)

CHO ( b)

Rvor m

3.4.5 Moleculen met meerdere, niet-gelijkaardige AKA’s 

Meerdere asymmetrische C-atomen  meer optische isomeren mogelijk (niet allemaal elkaars spiegelbeeld).

 



RR en SS vormen zijn spiegelbeelden van elkaar, evenals de RS en SR vormen  2 paren van enantiomeren. Diastereoisomeren: o Optische isomeren die geen spiegelbeeld zijn van elkaar. o Verschillen in absolute configuratie rond één of meer AKA’s, maar niet rond alle AKA’s. o  Verschil in bindingshoeken en afstanden tussen de groepen in twee diastereoisomeren. o RR – RS o RR – SR o SS – RS o SS – SR o Epimeren: verschillen in absolute configuratie van 1 AKA. Moleculen met n niet gelijkwaardige AKA’s: o Er 2n optische isomeren zijjn o Die 2 aan 2 elkaars spiegelbeeld zijn (enantiomeren).

3.4.6 Moleculen met gelijkaardige AKA’s – mesovormen   

Gelijkaardige AKA’s  twee aan twee identieke substituenten #optische isomeren < 2n Mesovormen: o Moleculen die minstens één paar AKA’s hebben waarvan de 4 substituenten 2 aan 2 identiek zijn en waarbij bovendien de absolute configuraties rond die 2 AKA’s tegengesteld zijn van elkaar. o Optisch inactief  symmetrische structuur bezitten + inwendige compensatie. o Per mesovorm: één optisch isomeer minder dan 2 n I I I I I I I V

H HO

HOOC

COOH

H OH

RR

HOOC

H OH

H HO

COOH

SS

H HO

HOOC

COOH

OH H

HOOC

H OH

HO H

RS

COOH

SR me sov o r m

3.4.7 Toepassingen op enkele cyclische koolwaterstoffen 3.4.7.1 Dimethylcyclopropaan  2 plaatsisomeren  Besluit: 4 verschillende isomeren 1

3

1

2

3

1, 1di met hy l c y cl opr opaan

2

1, 2di met hy l c l yc l opr opaan ( 1, 2



1, 3)

Optische isomerie o 2 gelijkaardige AKA’s  3 optische isomeren o Besluit  1,1-dimethylcyclopropaan  meso-1,2- dimethylcyclopropaan (cis-1,2- dimethylcyclopropaan)  R,R-1,2- dimethylcyclopropaan  S,S-1,2- dimethylcyclopropaan 1, 2di met hyl cycl opr opaan

meso -

( het ci si someer )

R, R-

( eent r ansi someer )

S, S-

( eenandert r ansi someer )

3.4.7.2 Dichloorcyclohexaan  4 verschillende plaatsisomeren  Stereoisomeren  Negen verschillende isomeren o 4 optisch actief o 2 mesovormen

3.4.7.3 Trihydroxycyclohexaan  7 isomeren o 4 optisch actief o 2 mesovormen OH

OH

OH

HO

OH

HO

HO

HO

1, 1, 2-

OH

R1, 1, 2-

S1, 1, 2-

OH

OH HO

HO

1, 1, 3- OH

1, 1, 3- OH

HO

OH

HO

OH 1, 2, 3-

OH HO

OH

OH

OH

ci s, ci s1, 2, 3-

t r ans , t r ans1, 2, 3-

meso

meso

HO

OH HO

OH

OH HO S, S1, 2, 3-

R, R1, 2, 3-

3.4.8 Toepassingen op de structuur van monosachariden 3.4.8.1 Algemene structuur van lineaire monosachariden  Lineaire ketens met 3-7 koolstofatomen  Één C-atoom draagt een carbonylgroep (C=O), andere dragen een OH-groep  Carbonylgroep eindstandig  aldehyde (aldosen), anders ketosen  Één of meer AKA’s o n AKA’s  2n optisch actieve isomeren (2 aan 2 elkaars spiegelbeeld = enantiomeren)  Eenvoudigste suikers o Andere monosachariden worden hieruit afgeleid  extra OH-groepen toevoegen net onder carbonylfunctie H

C

O CH2OH

CHOH

C O

CH2OH

CH2OH a ce t o n



Absolute configuratie (D of L)  op basis van laatste AKA (Fisher-projectie) o OH rechts = D-enantiomeer o OH links = L-enantiomeer CHO

CHO H

OH CH2OH

Dgl y cer a l de hyd e

 

HO

H CH2OH

L gl y c er a l deh yd e

Grotere suikers  laatste AKA (hoogste nummer) Glucose: 2 tegengestelde kant van 3,3 tegengestelde kant van 4 en 4 dezelfde kant als 5.

3.4.8.2 Cyclische structuur van suikers  Hemi-acetaal vorming: Reactieve carbonylfuncties ( π -binding naar heteroatoom)  mogelijkheid om een intramoleculaire reactie te ondergaan met een OH-groep verder op het C-skelet. a l d h y d e

h e mi a c e t a l

 O

HC

H

O a l c o h o l

O

HC  O

H

Reactieve C=O π -binding omgezet in stabielere C-O σ -binding.

 

Glycosidische OH / anomere groep: nieuw gevormde OH (verantwoordelijk voor belangrijke mutarotatiereacties bij suikers). Zesringen: o Pyranosen o Carbonylgroep reageert met OH-functie op positie 5

O HC OH

HC

OH

OH HO

HO

O OH

OH H

O

CH2OH

CH2OH

Dgl ucopyr anose



Vijfringen o Furanosen o Carbonylgroep reageert met OH-functie op positie 4

O CH

HO CH OH

OH HO

H

O

HO

O OH

OH

CH2OH

OH CH 2 Dgl ucof ur anose

Ringsluiting  C-atoom van de vroegere carbonylgroep wordt een AKA (stereogeen centrum)  2 mogelijke isomeren (anomeren)  totaal optische isomeren x2.  Fisher-projectie o α -isomeer: nieuw gevormde glycosidische OH aan dezelfde zijde als OH op laatste AKA o β -isomeer: nieuw gevormde glycosidische OH aan tegengestelde zijde als OH op laatste AKA  Haworth-projectie o α -isomeer: glycosidische OH aan tegengestelde kant eindstandige CH2OH o β -isomeer: glycosidische OH aan dezelfde kant eindstandige CH2OH Van Fisher tot Haworth / Saw-Horse 



Stabielste isomeren o 6 ringen stabieler (Pitzerspanning) o β -D-glucopyranose meest stabiel want alle substituenten in stoelvorm staan equatoriaal.

3.5 Moleculaire asymmetrie   

Geen bedekking van spiegelbeeld Rechtshandige helix ( α -helix) Linkshandige helix ( β -helix)

Myoglobine  

Kronkelende spiraal α -helix

DNA 

Dubbele rechtsdraaiende α -helix...