Stereochemie organických sloučenin 55
4. Úvod do stereochemie organických sloučenin
Konformační stereoisomery lze vzájemně převést rotací kolem vazby (např.
konformery butanu). Proměna konfiguračních isomerů je energeticky náročnější,
vyžaduje přerušení chemických vazeb.
Pravidlo posloupnosti
Pro určení a slovní vyjádření konfigurace na stereogenním centru je potřeba
substituenty okolo stereogenního centra hierarchicky seřadit podle pravidla posloupnosti,
formulovaného R. S. Cahnem, C. K. Ingoldem a V. Prelogem. Při
určování priority substituentů se postupně posuzují skupiny atomů počínaje
atomem s volnou valencí, které jsou od tohoto atomu vzdáleny stejný počet
vazeb. Násobné vazby jsou nahrazeny virtuálními atomy na obou koncích zaniklé
násobné vazby (na obrázku uvedeny v závorkách). Pro atomy priorita
klesá s hmotností nuklid`u, nejniší prioritu má volný elektronový pár.
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)
Chiralita, deskriptory absolutní konfigurace
Chirální stereoisomery (enantiomery) jsou ve vztahu neztotožnitelných zrcadlových
obrazů. Všechny ostatní stereoisomery se označují jako diastereomery.
Chiralita může být vyvolána přítomností tzv. prvků chirality:
Centrální chiralita – centrem chirality je nejčastěji čtyřmi různými skupinami
substituovaný atom uhlíku. Centrum chirality ale nemusí být obecně
totožné s atomem, např. u derivátů adamantanu leží v prostoru uprostřed molekuly.
Pro označení absolutní konfigurace se používají deskriptory R a S, které
se uvádějí v závorce před celým názvem sloučeniny (s případnými lokanty, pokud
je center více), odděleny od názvu spojovníkem.
56 Stereochemie organických sloučenin
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
Axiální chiralita je spojena se čtyřmi substituenty, které neleží v jedné rovině.
Prvkem chirality je osa, která leží na spojnicích dvojic substituentů. Pro
popsání absolutní konfigurace používáme deskriptory Ra a Sa, tato konfigurace
nezávisí na směru pohledu na osu.
Sa
Cl
Br Cl
Br 2
1 2'
1' 2
1
2'1'
1 2 1' 2'
C C
Cl
H
C
H
CH3
C C
1
2
C
2'
1' 1
2
2'1'
1 2 1' 2'
Ra
Planární chiralita se vyznačuje dvěma různými substituenty, které leží ve
stejné rovině, a dalším substituentem mimo tuto rovinu.
Některým chirálním látkám chybí jakýkoliv prvek chirality, jejich chiralita
je způsobena chirální stavbou z achirálních částí. Nejznámějším příkladem
jsou molekuly se šroubovicovým uspořádáním, např. heliceny. Smysl otáčení
šroubovice popíšeme pomocí deskriptoru P, pokud se při pohybu po šroubovici
k jejímu vzdálenějšímu konci pohybujeme ve smyslu otáčení hodinových
ručiček (pravotočivá šroubovice). Pokud je smysl otáčení opačný, označíme
šroubovici deskriptorem M (levotočivá šroubovice). Deskriptory P/M lze také
popsat prostorové uspořádání chirálních konformací.
Stereochemie organických sloučenin 57
Deskriptory konfigurace na dvojné vazbě a cyklu
Deskriptory cis a trans slouží k popisu stereoisomerů, které se liší pozicí skupin
na dvojné vazbě nebo u cyklických sloučenin pozicí skupin vůči referenční
rovině určené atomy cyklu. V případě alkenů jsou však preferovány univerzálnější
deskriptory E a Z, protože deskriptory cis/trans lze použít jen tehdy,
když porovnáváme dvojici stejných substituentů. Naopak u cyklických sloučenin
nemůžeme použít deskriptory E/Z. Priority skupin při srovnávání určujeme
podle CIP pravidel.
(Z - zusammen)(E - entgegen)
H
H
H3C
CH3
trans-but-2-en
(E)-but-2-en
Ph
H
Ph
H
cis-stilben
(Z)-stilben
H3C
Cl
H
H
(E)-1-chlorprop-1-en
ale
pouze OHHO
cis-cyklohexan-1,4-diol
Endo a exo jsou deskriptory pro prostorové uspořádání substituentů bicyklických
systémů. Při určování pozice substituentu se řídíme jeho orientací vůči
delšímu ze zbývajících dvou můstků:
exo
endo
exo
endo
endoexo
exo
endo
delší vetev
>
Fischerova projekce
Nejčastěji používána pro znázornění prostorového uspořádání sacharidů a podobných
derivátů.
COOH
HHO
COOH
CH3
HHO
HOOC
H3C
OH
H
CH3
O
H
H
OH
H
HO
OH
H
OH
CHO
OHH
OHH
HHO
CH2OH
58 Stereochemie organických sloučenin
Příklady:
1. Určete vztah mezi páry struktur:
H
CH3
H3C
H3C CH3
CH3
CH3
CH3
CHO
OHH
HHO
HHO
CHO
CHO
OHH
OHH
OHH
CHO
C
H3C
H CH3
H
C
H
H3C
CH3
H
F
Cl
DH
H
Cl
FD
N
N
N
N
F
F
F
F
H
D
HH
H
D
H
D
H H
a) b) c)
e)
g)
d)
h)
f)
D
2. Všechny chirální biogenní aminokyseliny mají stejné prostorové uspořádání
na α atomu uhlíku. Až na jednu aminokyselinu je toto uspořádání
popsáno deskriptorem absolutní konfigurace S. Která aminokyselina je
touto výjimkou?
COOH
R NH2
H
3. Určete absolutní konfiguraci u následujících sloučenin:
H
H OH
OH
HH3C
a) b)
O
Cl
Cl
c)
S
H
H3C
NH2
H3C N
O
CH3
CH3
d)
S
O
H3C
f)
NH
O
HO
g)
COOH
ClH
COOH
OHH3C
h) i) j)
e)
O
H
CH3
O
O
O
O
O
Stereochemie organických sloučenin 59
H
H3C Cl
H3C
OH
CN
CH3
H
CH3
COOH
OHH
k) l)
CH3
CH3
H3C
CH3
O
H
CH3H3C
CONH2
CH2OH
FH3C
m) n) o)
p) q) r) s)
CHO
CH2OH
HO
H
H
CH3
CH3
F
H3C
H3C
H
OH
CH3
H3C
H
H Cl
H
ClH
t) u)
C C C
H
COOHCl
H
v) x)
CCl3H
Cl
Cl
4. Překleslete z/do Fischerovy projekce, určete absolutní konfiguraci a sloučeniny
nazvěte!
HOOC COOH
OH
OH
Fa) b) c)
HOOC
H3CO
H
OH
COOHH
CH2OH
HHS
CH3H
OHH
CCl3 d)
CH3
H F
OH
COOHH3C
5. Bod tání levotočivé kyseliny vinné je 172 ◦
C, bod tání kyseliny meso-vinné
je 165 ◦
C. Vypočtěte teplotu tání pravotočivé kyseliny vinné!
OH
OH
OH
O
HO
O
kys. vinná
6. Směs (R) a (S)-1-fenylethan-1-aminů vykazuje hodnotu optické otáčivosti
[α]D = +12◦
. Tabelovaná hodnota specifické optické otáčivosti
(S)-1-fenylethan-1-aminu při stejné teplotě je −30◦
. Vypočítejte procentuální
zastoupení jednotlivých enantiomerů ve směsi a enantiomerní
přebytek (e.e.)!
7. Nakreslete:
(a) (S)-methyl-3-hydroxypentanoát
(b) (R)-3-ethoxycyklohexan-1-on
60 Stereochemie organických sloučenin
(c) (2R,3S)-2-brom-3-hydroxybutan-1,4-dinitril
(d) (2R,3E)-pent-3-en-2-ol
8. Vytvořte plný systematický název kafru včetně stereochemických deskrip-
torů!
OH3C
CH3H3C
Kafr
9. Nakreslete struktury isomerních nenasycených chloridů C5H9Cl, které
vyhovují následujícím požadavkům:
(a) Není opticky aktivní ani neexistuje ve formě cis–trans isomerů
(b) Poskytuje cis–trans isomery a zároveň není opticky aktivní
(c) Neposkytuje cis–trans isomery a je opticky aktivní
(d) Poskytuje cis–trans isomery a je opticky aktivní
10. Nakreslete strukturní vzorce všech isomerů následujících derivátů cyklohexanu!
Pokud jsou chirální, vyznačte dvojice enantiomerů:
(a) 1-aminocyklohexan-1-ol
(b) 2-aminocyklohexan-1-ol
(c) 3-aminocyklohexan-1-ol
(d) 4-aminocyklohexan-1-ol
11. Ibuprofen existuje ve formě dvou enantiomerů, léčivé účinky však má
pouze S-enantiomer. Pokuste se vysvětlit tyto rozdílné biologické účinky
enantiomerů, které se jinak neliší svými fyzikálními vlastnostmi.
H3C
CH3
OH
O
CH3
CH3
CH3
HO
O
CH3
(S)-Ibuprofen - analgetikum (R)-Ibuprofen - neaktivní
Stereochemie organických sloučenin 61
Autorské řešení příkladů:
1. a. Konstituční isomery, b. diastereomery, c. diastereomery, d. diastereomery,
e. identické molekuly, f. enantiomery, g. enantiomery, přesto však
můžeme uvedený derivát ethanu považovat za achirální sloučeninu díky
rychlé racemizaci (přechodu mezi konformery), která vyplývá z malé
energetické bariéry procesu, h. enantiomery.
2. Cystein. Díky atomu síry dojde ke změně pořadí priorit substituentů.
3. a. S; b. (R,R); c. R; d. R; e. R; f. S; g. R; h. (2R,3R); i. Sa; j. R;
k. S; l. R; m. (R,R); n. (S,R); o. R; p. R; q. S; r. R; s. (2R,3R); t. M ;
u. (2R,3R); v. Sa; x. R.
4. (a) (2R,3S,4S)-2-fluor-3,4-dihydroxypentan-1,5-diová kyselina
(b) (2S,3S)-2-hydroxy-3-methoxybutan-1,4-butandiová kyselina
(c) (2R,3S,4R)-5,5,5-trichlor-3-methyl-2-sulfanylpentan-1,4-diol
(d) (2S,3S)-3-fluor-2-hydroxy-2-methylbutanová kyselina
COOH
H F
HHO
H OH
COOH
a) b) c) d)
COOH
HO H
OCH3H
COOH
HO
CCl3
OH
CH3
SH COOH
HO CH3
HF
CH3
5. Enantiomery se neliší teplotou tání, proto pravotočivá kyselina vinná
taje při 172 ◦
C.
6. Směs obsahuje 70 % (R)-1-fenylethan-1-aminu a 30 % (S)-1-fenylethan-1-aminu.
Enantiomerní přebytek e.e. = 0,40.
7. Řešení
a) b) c)
H3C
O
O
CH3
OH
O
O CH3
C
C
N
N
Br
OH
d)
H3C
H
H
OH
CH3
8. (1R,4R)-1,7,7-trimethylbicyklo[2.2.1]heptan-2-on.
62 Stereochemie organických sloučenin
9. Řešení:
b)
c)
CH3
CH3H
Cl H
H
H
Cl
H
H
H
H3C
H3C
Cl
CH3H
H3C Cl
H
H3C
H
Cl
H3C CH3
H
H
H3C CH3
Cl
H
CH3
H
Cl
H
Cl
H
CH3Cl
Cl
H
H
H3C
CH3
H
H
H
Cl
H3C
H
H
H
H3C
Cl
H H
H
CH3Cl
d)
H
H
H3C
CH3
Cl
H CH3
H
CH3
Cl
a)
CH3
CH3Cl
H3C H
H
Cl
H3C
H
H
Cl
CH3
H3C
10. Řešení:
a)
NH2HO
b)
NH2
OH
NH2
OH
NH2
OH
NH2
OH
cis trans
c)
NH2 NH2 NH2NH2
cis trans
OH OH OH OH
d)
OH
NH2
OH
NH2
cis trans
Stereochemie organických sloučenin 63
11. Podstatou analgetických a protizánětlivých účinků ibuprofenu je jeho
schopnost inhibovat aktivitu obou forem enzymu COX (cyklooxygenasy),
který se podílí na biosyntéze prostaglandinů. Některé z prostaglandinů
se podílejí na regulaci zánětlivých procesů nebo zvyšují citlivost neuronů
k podnětům bolesti. Enzym COX je složen z opticky aktivních
aminokyselin a existuje jako jeden stereoisomer. Komplexy jednotlivých
enantiomerů ibuprofenu s enzymem jsou ve vzájemném diastereomerním
vztahu, liší se svou stabilitou a pevností.