ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΙΣΟΜΕΡΕΙΑ Λαφαζάνης Ιωάννης Δρ. Χημικός Μηχανικός

Παράδειγμα 1 ο : Να βρεθούν τα άκυκλα ισομερή της ένωσης με τύπο C 5 H 10

Άρα έχουμε 4 αλδεΰδες και 3 κετόνες, συνολικά 7 ισομερή

ΕΝΑΝΤΙΟΜΕΡΕΙΑ ΣΤΗ ΦΥΣΗ (ΧΕΙΡΙΚΑ ή ΧΕΙΡΟΜΟΡΦΑ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΑ) Υπάρχουν αντικείμενα στη φύση των οποίων το κατοπτρικό είδωλο δεν μπορεί να ταυτιστεί στο χώρο με αυτά. Τα αντικείμενα αυτά ονομάζονται χειρόμορφα ή χειρικά και υπάρχουν σε δύο μορφές που έχουν σχέση ειδώλου-αντικειμένου. Τέτοια παράδειγμα αντικειμένου είναι το χέρια μας. Εάν το αριστερό μας χέρι πλησιάσει ένα καθρέπτη το είδωλο του είναι το δεξί μας χέρι. Εάν προσπαθήσουμε να φέρουμε το αριστερό χέρι (αντικείμενο) και το δεξί (είδωλο) στην ίδια θέση στο χώρο (υπέρθεση) θα δούμε ότι δεν μπορούν να ταυτιστούν.

Χειρομορφία εμφανίζουν τα αντικείμενα εκείνα τα οποία δεν έχουν επίπεδο συμμετρίας. Επίπεδο συμμετρίας θεωρείται το επίπεδο εκείνο το οποίο χωρίζει το αντικείμενο, ώστε το μισό να είναι το κατοπτρικό είδωλο του άλλου μισού. Αντικείμενα τα οποία έχουν επίπεδο συμμετρίας (π.χ μια κωνική φιάλη) ταυτίζονται με τα κατοπτρικά τους είδωλα και χαρακτηρίζονται ως μη χειρόμορφα.

ΕΝΑΝΤΙΟΜΕΡΕΙΑ ΣΤΙΣ ΟΡΓΑΝΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ (ΧΕΙΡΟΜΟΡΦΑ ΜΟΡΙΑ) Οργανικά μόρια τα οποία δεν έχουν επίπεδο συμμετρίας (χειρόμορφα μόρια) εμφανίζονται σε δύο στερεοϊσομερείς μορφές που έχουν σχέση ειδώλου- αντικειμένου. Οι δύο αυτές μορφές ονομάζονται εναντιομερή και το φαινόμενο εναντιομέρεια. Για να παρουσιάζει μια ένωση εναντιομέρεια απαραίτητη προϋπόθεση είναι να υπάρχει στο μόριο της ένα τουλάχιστον άτομο άνθρακα, το οποίο να συνδέεται με τέσσερις διαφορετικές ομάδες ή άτομα (η ένωση αυτή χαρακτηρίζεται και ως οπτικά ενεργή). Το άτομο του άνθρακα το οποίο είναι συνδεδεμένο με τέσσερις διαφορετικές ομάδες αποτελεί ένα ασύμμετρο ή στερεογονικό κέντρο και συμβολίζεται ως C*.

ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΕΝΑΝΤΙΟΜΕΡΩΝ (κατά FISCHER) Για την απεικόνιση και την ονομασία των δύο εναντιομερών μορφών ήταν απαραίτητος ο ορισμός μιας ένωσης ως πρότυπο. Ο E. Fischer όρισε ως πρότυπη ένωση το πιο απλό σάκχαρο, την γλυκεριναλδεΰδη. Η γλυκεριναλδεΰδη περιέχει ένα ασύμμετρο άτομο C και η απεικόνιση των δύο εναντιομερών στο επίπεδο είναι: Η μορφή που φέρει το υδροξύλιο (ΟΗ) από την αριστερή πλευρά του ασύμμετρου άνθρακα ονομάζεται L-γλυκεριναλδεΰδη, ενώ η μορφή που φέρει το υδροξύλιο (ΟΗ) από δεξιά ονομάζεται D-γλυκεριναλδεΰδη. Η γλυκεριναλδεΰδη χρησιμοποιείται ως μόριο αναφοράς για την απεικόνιση των εναντιομερών κυρίως στα σάκχαρα, τα αμινοξέα και τα υδροξυοξέα.

Παράδειγμα: Να απεικονίσετε και να ονομάσετε τα εναντιομερή του αμινοξέoς αλανίνη: H 2 NCH(CH 3 )COOH Γράφουμε το αμινοξύ σε σχήμα σταυρού με τον ασύμμετρο άνθρακα στο κέντρο αυτού. Στο επάνω μέρος τοποθετείται καρβοξυλομάδα (ομάδα με το μεγαλύτερο βαθμό οξείδωσης) ενώ οριζόντια η αμινομάδα (ΝΗ 2 ) και το υδρογόνο με τα οποία συνδέεται ο ασύμμετρος άνθρακας. Η μορφή που έχει την αμινομάδα αριστερά είναι η L-αλανίνη, ενώ η μορφή που έχει την αμινομάδα δεξιά είναι η D-αλανίνη (σε αντιστοιχία με τη θέση της υδροξυλομάδας στη γλυκεριναλδεΰδη)

ΑΠΟΛΥΤΗ ΣΤΕΡΕΟΧΗΜΙΚΗ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΕΝΑΝΤΙΟΜΕΡΩΝ Μολονότι οι τύποι απεικόνισης εναντιομερών κατά Fischer είναι ιδιαίτερα εύχρηστοι δεν αποδίδουν την πραγματική τρισδιάστατη δομή των χειρόμορφων οργανικών μορίων. Για το λόγο αυτό αναπτύχθηκε μια μέθοδος για τη τρισδιάστατη απεικόνιση (στερεοαπεικόνιση) η οποία βασίζεται στους κανόνες προτεραιότητας των Cahn- Ingold-Prelog. Κατά τη μέθοδο αυτή οι τέσσερις διαφορετικές ομάδες του ασύμμετρου άνθρακα κατατάσσονται σε σειρά προτεραιότητας -I>-Br>-Cl>-OH>-NH 2 >-COOH>-CHO>CH 2 OH>-C(CH 3 ) 3 >-CH 2 CH 3 >-CH 3 >-H Η λογική της παραπάνω σειράς είναι ότι πάντα προηγείται η ομάδα εκείνη η οποία συνδέεται με το ασύμμετρο κέντρο άνθρακα με άτομο με το μεγαλύτερο ατομικό αριθμό (I>-Br>-Cl>F>O>Ν>C>H). Εφόσον ο ασύμμετρος άνθρακας συνδέεται μέσω του ίδιου στοιχείου με ομάδα ατόμων τότε συγκρίνουμε τους ατομικούς αριθμούς των δευτέρων κατά σειρά ατόμων κ.ο.κ. Άτομα τα οποία συνδέονται με πολλαπλούς δεσμούς θεωρείται ότι συνδέονται με ίσο αριθμό ατόμων με απλό δεσμό (π.χ C=O ισοδυναμεί με O-C-O).

Αφού καθοριστεί η σειρά προτεραιότητας των ομάδων σχεδιάζεται ο στερεοχημικός τύπος του μορίου, ώστε η ομάδα με τη μικρότερη προτεραιότητα να κατευθύνεται πίσω από το επίπεδο του χαρτιού (στικτή γραμμή). Με τον τρόπο αυτό προκύπτουν δύο απεικονίσεις: Η απεικόνιση στην οποία οι ομάδες από τη μεγαλύτερη προς τη μικρότερη προτεραιότητα (1 → 2 → 3) ακολουθούν τη φορά των δεικτών του ρολογιού αντιστοιχεί στο εναντιομερές R (Rectus δηλαδή δεξιό). Η απεικόνιση στην οποία ο προσανατολισμός των ομάδων έχει φορά αντίθετη της κίνησης των δεικτών αντιστοιχεί στο S-εναντιομερές (από το λατινικό Sinister δηλ. αριστερό).

Με βάση των παραπάνω τρόπο μπορούμε να προσδιορίσουμε τις στερεοαπεικονίσεις των εναντιομερών του γαλακτικού οξέος. CH3-CH(OH)-COOH Αρχικά προσδιορίζεται η προτεραιότητα των τεσσάρων ομάδων του ασύμμετρου άνθρακα με βάση τη σειρά Cahn-Ingold-Prelog : -OH>-COOH>-CH3>-H Σχεδιάζονται οι στερεοχημικοί τύποι:

 ΣΗΜΑΣΙΑ ΤΗΣ ΕΝΑΝΤΙΟΜΕΡΕΙΑΣ Οι εναντιομερείς μορφές μιας ένωσης (οπτικοί αντίποδες) έχουν τις ίδιες φυσικές ιδιότητες (σημείο τήξης, σημείο ζέσεως, διαλυτότητα) αλλά διαφέρουν ως προς τη φορά στροφής του πολωμένου φωτός. Ο αντίποδας που στρέφει το πολωμένο φως προς τα δεξιά συμβολίζεται με (+) ενώ ο αντίποδας που στρέφει το πολωμένο φως προς τα αριστερά με (-). Θα πρέπει επίσης να τονιστεί ότι η φορά στροφής του πολωμένο φωτός (+) ή (-) δε σχετίζεται με τη R ή S απεικόνιση. Για παράδειγμα η S-(+)-αλανίνη είναι δεξιόστροφη ενώ η S-(-)-γλυκεριναλδεύδη είναι συμπτωματικά αριστερόστροφη. Ισομοριακό μίγμα των δύο εναντιομερών μορφών δεν στρέφει το πολωμένο φως και ονομάζεται ρακεμικό μίγμα. Στη φύση συνήθως υπάρχει κυρίως μία από τις δύο εναντιομερείς μορφές μιας ένωσης. Έτσι τα αμινοξέα υπάρχουν κυρίως στην L-μορφή ενώ τα σάκχαρα είναι κυρίως D-μορφής.

Αυτό αποδίδεται στο ότι η σύνθεση των οργανικών μορίων στους ζωντανούς οργανισμούς καταλύονται από ένζυμα. Τα ένζυμα συνήθως εμφανίζουν υψηλή στερεοεξειδίκευση. Αυτό σημαίνει ότι μόνο η μία από τις δυο εναντιομερείς μορφές μιας ουσίας μπορεί να αναγνωριστεί και να αντιδράσει με το ένζυμο. Επιπλέον το προϊόν της ενζυμικής αντίδρασης είναι ένα από τα δύο εναντιομερή.

Επίσης η βιολογική δραστικότητα ενός μορίου (δηλαδή η επίδραση του στον οργανισμό) εξαρτάται από τη μορφή (D- ή L-) αυτού. Αυτό εξηγείται από το ότι για να ασκήσει τη βιολογική του δράση το μόριο θα πρέπει να διαθέτει τη κατάλληλη τρισδιάστατη μορφή προκειμένου να αναγνωριστεί από τον υποδοχέα του οργανισμού (π.χ. ένζυμα). Παράδειγμα είναι ή ένωση Dopa η οποία απαντά είτε στη μορφή L- Dopa ή D-Dopa. Από τις δύο μορφές η L-Dopa χρησιμοποιείται ως φάρμακο στη νόσο του Parkinson ενώ D- μορφή δεν έχει κανένα αποτέλεσμα στον οργανισμό.

 ΔΙΑΣΤΕΡΕΟΜΕΡΕΙΑ Όπως είδαμε μια ένωση που έχει ένα ασύμμετρο άτομο άνθρακα, υπάρχει σε δύο μορφές που έχουν σχέση ειδώλου-αντικειμένου και ονομάζονται εναντιομερείς. Στην περίπτωση όμως που μία ένωση έχει περισσότερους από έναν ασύμμετρους άνθρακες τότε η ένωση αυτή έχει περισσότερες από δύο στερεομερείς μορφές.

Όπως φαίνεται παραπάνω η ένωση αυτή υπάρχει σε τέσσερις στερεομερείς μορφές. Οι μορφές 1-2 καθώς και οι 3-4 έχουν σχέση ειδώλου-αντικειμένου και είναι μεταξύ τους εναντιομερείς. Όλα τα υπόλοιπα ζεύγη (το 1-3, το 1-4, το 2-3 και το 2-4) δεν είναι εναντιομερή (αφού δεν έχουν σχέση ειδώλου-αντικειμένου) και ονομάζονται διαστερεομερή. Γενικά όσες στερεομερείς ενώσεις δεν είναι εναντιομερείς μεταξύ τους, χαρακτηρίζονται ως διαστερεομερείς. Σε μια ένωση που έχει v αριθμό ασύμμετρων ατόμων άνθρακα, ο συνολικός αριθμός των διαστερεομερών μπορεί να είναι το πολύ 2 v. Δηλαδή αν στο μόριο μιας ένωσης υπάρχουν 2 ασύμμετρα κέντρα τότε μπορούν να υπάρχουν το πολύ 2 2 =4 στερεομερείς μορφές.

Παράδειγμα Να βρεθούν οι στερεομερείς μορφές της ένωσης HOCH 2 -CH(OH)-CH(OH)-CH=O. Η ένωση αυτή έχει δύο ασύμμετρα άτομα άνθρακα. Έχει τέσσερα στερεομερή εκ των οποίων ανά δύο είναι εναντιομερή μεταξύ τους ενώ όλα τα υπόλοιπα ζεύγη είναι διαστερεομερή.

Όπως είπαμε προηγουμένως μια ένωση με v ασύμμετρα κέντρα μπορεί να έχει 2^v στερεομερείς μορφές. Στην περίπτωση όμως που η ένωση έχει επίπεδο συμμετρίας τότε τα στερεομερή είναι λιγότερα από 2 2. Παράδειγμα Να βρείτε τα στερεομερή του τρυγικού οξέος HOOC-CH(OH)-CH(OH)-COOH. Το μόριο αυτό έχει δύο ασύμμετρα κέντρα αλλά εμφανίζει μόνο 3 στερεομερή. Η μορφές D- και L- τρυγικό είναι εναντιομερείς. Αντίθετα η μεσομορφή έχει εσωτερικό επίπεδο συμμετρίας και είναι μη χειρική. Ο χαρακτηρισμός D ή L γίνεται με βάση τη θέση της υδροξυλομάδας του τελευταίου ασύμμετρου άνθρακα.

4.3.6 Γεωμετρική ισομέρεια Όπως μάθαμε στο διπλό δεσμό ( > C = C <) ο ένας δεσμός είναι σ (σίγμα) και ο άλλος π (πι). Ο π (πι) δεσμός εμποδίζει την ελεύθερη περιστροφή των ατόμων του άνθρακα γύρω από το διπλό δεσμό και αυτό αποτελεί τη βασική αιτία για την εμφάνιση στερεοϊσομέρειας. Η στερεοϊσομέρεια αυτής της μορφής προϋποθέτει την παρουσία σε κάθε άτομο άνθρακα του διπλού δεσμού δύο διαφορετικών υποκαταστατών. Δηλαδή γεωμετρική ισομέρεια μπορούν να παρουσιάσουν οι ενώσεις του τύπου αβC=Cαβ, αβC=Cβγ και αβC=Cγδ, θεωρώντας ως α, β, γ και δ διαφορετικές ομάδες με τις οποίες συνδέονται τα άτομα C του διπλού δεσμού. Αντίθετα ενώσεις του τύπου α2C=Cα2, α2C=Cαβ και α2C=Cβγ δεν παρουσιάζουν γεωμετρική ισομέρεια.

cis-2-βουτένιοtrans-2-βουτένιο Αν πάρουμε για παράδειγμα το 2-βουτένιο, αυτό εμφανίζεται σε δύο στερεοϊσομερείς μορφές:

Παράδειγμα Να εξετάσετε εάν το 1-προπένιο εμφανίζει γεωμετρικά ισομερή Ο συντακτικός τύπος του είναι CH 2 =CH-CH 3 άρα είναι του τύπου α 2 C=Cαβ και δεν εμφανίζει γεωμετρική ισομέρεια. Αυτό άλλωστε μπορείτε να το δείτε εάν προσπαθήσετε να φτιάξετε τα γεωμετρικά του ισομερή Παρατηρώντας προσεχτικά τις παραπάνω ενώσεις μπορείτε να δείτε ότι οι δύο ενώσεις ταυτίζονται αφού η μία προκύπτει από την άλλη με μια απλή περιστροφή. Άρα το 1-προπένιο δεν έχει γεωμετρικά ισομερή. Δουλεύοντας με τον ίδιο τρόπο μπορούμε να αποδείξουμε ότι ούτε οι ενώσεις του τύπου α 2 C=Cβγ εμφανίζουν γεωμετρική ισομέρεια.

Συμβολισμός γεωμετρικών ισομερών (κατά Cahn-Ingold-Prelog ) Στην περίπτωση που οι άνθρακες του διπλού δεσμού έχουν τρεις ή τέσσερις διαφορετικούς υποκατάστατες τότε τα γεωμετρικά τους ισομερή δε μπορούν να ονομαστούν cis και trans. Για αυτό ορίσθηκε ένα νέο σύστημα για την ονοματολογία των γεωμετρικών ισομερών. Σύμφωνα με αυτό, συγκρίνονται οι δύο ομάδες κάθε ατόμου άνθρακα που συμμετέχει στο διπλό δεσμό και κατατάσσονται σε σειρά προτεραιότητας ως εξής: -I>-Br>-Cl>-OH>ΝΗ 2 >-COOH>-CHO>CH 2 OH>CH 2 CH 3 >-CH 3 >-Η Η λογική της παραπάνω σειράς είναι ότι πάντα προηγείται η ομάδα εκείνη η οποία συνδέεται με τον άνθρακα του διπλού δεσμού με άτομο με το μεγαλύτερο ατομικό αριθμό (I>-Br>-Cl>F>O>Ν>C>H). Εφόσον ο άνθρακας του διπλού δεσμού συνδέεται μέσω του ίδιου στοιχείου με ομάδα ατόμων τότε συγκρίνουμε τους ατομικούς αριθμούς των δευτέρων κατά σειρά ατόμων κ.ο.κ.. Άτομα τα οποία συνδέονται μα πολλαπλούς δεσμούς θεωρείται ότι συνδέονται με ίσο αριθμό ατόμων με απλό δεσμό (π.χ C=O ισοδυναμεί με O-C-O).

Παράδειγμα: Η ένωση CH 3 (OH)C=CHCH 2 CH 3 έχει τα εξής γεωμετρικά ισομερή Βάση της παραπάνω σειράς, από τις δύο ομάδες (CH 3 - και –OH) με τις οποίες είναι ενωμένο το πρώτο άτομο άνθρακα του διπλού δεσμού, η υδροξυλομάδα παίρνει τον αριθμό 1 ενώ η μεθυλομάδα τον αριθμό 2. Όμοια ενεργούμε και για τις ομάδες του δεύτερου ατόμου άνθρακα του διπλού δεσμού. Έτσι η αιθυλομάδα (CH 3 CH 2 -) παίρνει τον αριθμό 1’ αφού προηγείται του Η που παίρνει τον αριθμό 2’. Η μορφή στην οποία οι ομάδες με τον ίδιο αριθμό βρίσκονται στην ίδια πλευρά ονομάζεται Z (δηλαδή cis-) ενώ η άλλη μορφή ονομάζεται Ε (δηλαδή trans-).

Παράδειγμα: Το 1-χλωρο-1-βρωμο-2-φθορο-αιθένιο CClBr = CHF Στο παραπάνω παράδειγμα έχουμε: 1 το 9 F, 2 το 1 Η, 1΄ το 35 Br, 2΄ το 17 Cl. Αν οι υποκαταστάτες 1 και 1΄ είναι στο ίδιο μέρος του επιπέδου, η στερεοαπεικόνιση χαρακτηρίζεται ως Ζ (από το Zusammen = μαζί στα Γερμανικά), ενώ αν βρίσκονται στην αντίθετη μεριά, η στερεοαπεικόνιση χαρακτηρίζεται ως Ε (από το Entgegen = αντίθετα στα Γερμανικά). Δηλαδή:

Εύρεση γεωμετρικών ισομερών ενώσεων με δύο διπλούς δεσμούς. Στην περίπτωση που έχουμε δύο διπλούς δεσμούς ενεργούμε χωριστά για τον κάθε διπλό δεσμό για να βρούμε τα γεωμετρικά ισομερή. Αρχικά θα πρέπει να ελέγξουμε εάν και οι δύο διπλοί δεσμοί πληρούν τις προϋποθέσεις για την εμφάνιση γεωμετρικής ισομέρειας.

Όπως είδαμε προηγουμένως όταν μια ένωση έχει δύο διπλούς δεσμούς (και εφόσον και οι δύο διπλοί πληρούν τις προϋποθέσεις της γεωμετρικής ισομέρειας) παρουσιάζει τέσσερα γεωμετρικά ισομερή (cis-cis, cis-trans, trans-trans, trans- cis). Στην περίπτωση όμως που μία ένωση με δύο διπλούς δεσμούς είναι συμμετρική τότε τα γεωμετρικά ισομερή είναι τρία αφού το cis-trans και trans-cis ταυτίζονται. Παράδειγμα: Να βρείτε τα γεωμετρικά ισομερή της CH 3 CH=CH-CH=CHCH 3 Εάν παρατηρήσετε προσεχτικά η cis-trans και η trans-cis μορφές ταυτίζονται οπότε μόνο μια από τις δύο μπορεί να υπάρχει. Τελικά υπάρχουν 3 γεωμετρικά ισομερή.

 ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΩΝ ΙΣΟΜΕΡΩΝ Τα γεωμετρικά ισομερή παρουσιάζουν διαφορές τόσο στις φυσικές όσο και στις χημικές τους ιδιότητες. Ιδιαίτερα σημαντικές είναι διαφορές στις φυσικές ιδιότητες: Σημείο ζέσεως (η cis μορφή εμφανίζει υψηλότερο από ότι η trans) Σημείο τήξης ( η trans μορφή έχει υψηλότερο από ότι η cis) Διαλυτότητα (η trans είναι πιο δυσδιάλυτη σε πολικούς διαλύτες από ότι η cis) Διπολική ροπή ( η trans έχει μικρότερη από τη cis) Χαρακτηριστικά παραδείγματα είναι το βουτενοδιικό οξύ απαντά στη cis μορφή και ονομάζεται μηλεϊνικό καθώς και σε trans μορφή και ονομάζεται φουμαρικό.

Επίσης αξίζει να αναφέρουμε ότι τα ακόρεστα και πολυακόρεστα λιπαρά οξέα που υπάρχουν στα φυτικά έλαια απαντούν κυρίως στη cis μορφή. To 9-Δεκαοκτενικό οξύ το οποίο είναι το κυριότερο λιπαρό οξύ του ελαιόλαδου απαντά κυρίως στη cis μορφή (ελαϊκό οξύ) και ελάχιστα στη trans (ελαϊδικό). Όπως θα δούμε παρακάτω η διαμόρφωση του διπλού δεσμού των ακόρεστων λιπαρών οξέων καθορίζει και την φυσική κατάσταση των λιπαρών υλών.  ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ  Οργανική χημεία. John Mc Murry (τόμος Ι & ΙΙ)  Οργανική χημεία Ν. Ε. Αλεξάνδρου-Α. Γ. Βάρβογλη  Σημειώσεις ¨Θεωρία Οργανικής Χημείας & Δομικής Βιοχημείας¨, Ψυλινάκη Εμμανουήλ, Σητεία 2010