Stereochemia i centrum stereogeniczne

1. Jak przedstawiać budowę związków w 3D ?

Zaczniemy od tego, że wciąż musimy się nauczyć języka chemii organicznej. Tym razem potrzebujemy narzędzia, który przedstawi nam cząsteczkę w 3D (w trójwymiarowym świecie). Pamiętamy przecież (metoda VSEPR), że np. taka cząsteczka metanu, CH4 , ma budowę tetraedryczną. Napisanie wzoru strukturalnego takiej cząsteczki np. w taki sposób jak poniżej jest dla niej nieco krzywdzące.

Można powiedzieć, że metan został narysowany w ,,prostacki sposób”. W rzeczywistości bliższy prawdzie będzie taki rysunek :

Metan o budowie tetraedru.

Tego jednak po pierwsze nie rysuje się jakoś bardzo łatwo, a co najważniejsze − jest to zbyt czasochłonne. Dlatego chemicy organicy potrzebowali opracować narzędzie, które pokaże nam cząsteczkę w przestrzeni. Za chwilę dostaniemy zatem coś, co pomoże nam pokazać, że jakieś wiązanie i atom przybliżają się do nas (wychodzi z kartki papieru), a inne oddalają się.

Oto rodzaje kresek (wiązań), których używa się w chemii organicznej, aby przedstawić przestrzenne ułożenie cząsteczki.

Klin, linia przerywana, konwencja rysowania 3D
Różne sposoby przedstawiania wiązań w chemii organicznej, które uwzględnia ułożenie w przestrzeni.

I teraz możemy już narysować naszą cząsteczkę metanu po organicznemu :

Konwencja, której będziemy używać w chemii organicznej z wykorzystaniem linii przerywanej i klinu.

Zobaczmy też, jak wygląda model takiej cząsteczki :

Widzimy, że trzy atomy leżą w jednej płaszczyźnie (na biurku)
Inna perspektywa tej samej cząsteczki.

2. Różne ułożenie cząsteczek w przestrzeni

Zobaczmy teraz, co się stanie jeśli zamienimy jeden atom wodoru na inny atom, niech to będzie chlor. Pytanie, które chcemy sobie postawić, to czy ma to znaczenie, gdzie wstawimy atom chloru? Teoretycznie mamy jakby trzy możliwości, bo albo dajemy go na linii przerywanej, na klinie albo na zwykłej linii. Sprawdźmy, co się wtedy dzieje :

Na siłę można podstawić chlor jeszcze w miejsce tego czwartego wodoru, ale od razu widać, że jest to dokładnie taka sama opcja jak trzecia tu narysowana.

Widzimy, że nie ma to absolutnie żadnego znaczenia. Wystarczy obrócić cząsteczkę (nie rozrywamy żadnych wiązań, więc wszystko jest w porządku) i okazuje się, że te wszystkie cząsteczki są takie same.

Zobaczmy teraz na zamianę dwóch atomów wodoru, na dwa różne atomy, niech to będzie chlor i brom.

Tutaj złudne może się wydawać to, że jakieś dwa podstawniki nie są obok siebie, co by stwarzało dużo możliwości różnego ułożenia tego chloru i bromu. Zobacz jeszcze na wyjaśnienie tutaj[1].

Jak widzimy, to wciąż nie ma znaczenia. No dobra, to zobaczmy jeszcze tylko co się stanie, jak zamienimy trzeci atom wodoru (na cokolwiek innego, np. fluor), dzięki czemu do atomu węgla będą przyłączone cztery różne podstawniki. Spójrzmy od razu na modele.

Te dwa związki nie są takie same, pomimo tego, że są zbudowane z tych samych atomów (izomery). Widzimy, że czarne, czerwone i żółte kule są ułożone tak samo, ale biała i niebieska już są ułożone inaczej. Takie związki, które są różnie ułożone w przestrzeni nazywamy stereoizomerami.

Inna perspektywa, która również może być pomocna w tym, aby dostrzec, że nasze dwa powyższe związki nie są takie same jest tutaj[2].

Odkryliśmy coś nowego, coś bardzo ciekawego! Okazuje się, że są związki, które składają się dokładnie z takich samym atomów (= izomery) i mało tego, mają dokładnie takie samo połączenie atomów (atomy łączą się ze sobą w dokładnie taki sam sposób, tutaj jeden węgiel z jednym wodorem, fluorem, chlorem i bromem), a jednak są inne, ponieważ inne jest ich ułożenie (ustawienie) w przestrzeni. Dlatego też takie związki nazywamy stereoizomerami.

Co więcej, sami doszliśmy nawet do tego, że aby taki stereoizomer powstał, to musimy mieć atom węgla, który będzie miał cztery różne (dowolne) podstawniki. Tylko wtedy mamy możliwość otrzymania różnych stereoizomerów.

3. Centrum stereogeniczne ma dużo synonimów

Centrum stereogeniczne to taki atom (najczęściej węgla[3]), do którego są przyłączone cztery różne podstawniki. Inaczej nazywany też centrum chiralności lub centrum asymetrii. Jeśli cząsteczka posiada takie centrum to nazywamy ją chiralną[4].

Definicja centrum stereogenicznego.

Poćwiczmy zatem − spośród pokazanych poniżej związków wskaż te, które są chiralne i zaznacz gwiazdką (*) centrum stereogeniczne.

Znajdź centra stereogeniczne.

Cząsteczki, które są chiralne zaznaczono w ramce. Czwarty przykład jest dość trikowy, ale zauważ, że oba podstawniki są takie same (dla atomów węgla połączonych czy to z chlorem czy z bromem).

Czwarty przykład jest dość trikowy, ale zauważ, że oba podstawniki są takie same (dla atomów węgla połączonych czy to z chlorem czy z bromem).

4. W cząsteczkach może być wiele centrów

Im większa cząsteczka tym w sumie większa szansa, że gdzieś pojawi się centrum stereogeniczne. Nic także nie stoi na przeszkodzie, żeby w jednej cząsteczce znalazło się ich więcej niż jedno, a na tą liczbę generalnie nie ma żadnego limitu. Przykładowo doskonale znany Ci cukier glukoza ma aż cztery takie centra chiralności!

Glukoza ma aż cztery centra stereogeniczne.

Trzeba znać także wzór, który pozwala na obliczenie ile możliwych stereoizomerów występuje dla cząsteczki.

Jeśli w cząsteczce znajduje się x centrów stereogenicznych, to ma ona maksymalnie 2x różnych stereoizomerów.

Wzór ten wynika z rachunku prawdopodobieństwa. Dojdziesz do tego na lekcjach matmy.


[1] Ja tak miałem podczas nauki stereochemii, być może Ty też masz taki problem. Wydawało mi się, że te dwa podstawniki zaznaczone niżej nie są obok siebie. Tutaj wychodzi po prostu ułomność rysunków na papierze, które są przecież płaskimi rysunkami, więc faktycznie nie oddają wiernie tego, co w rzeczywistości jest w przestrzeni. Dlatego tak ciągle pcham Ci w oczy te modele, bo one naprawdę ułatwiają zrozumienie tematu! Czy w szkole pokazują Wam modele, gdy to opracowujecie ?

Mylne wrażenie o tetraedrze jakiego możesz doświadczać przez to, że jest on relatywnie nieudolnie rysowany przez nas na kartce.

[2] Nie tylko atom węgla może stanowić centrum stereogeniczne. Popularny jest jeszcze fosfor, chociaż na maturze coś takiego to raczej tylko z informacją wstępną, ale warto mieć świadomość, w końcu jedynym kryterium jest cztery różne podstawniki.

[3] Poniżej próba nałożenia na siebie tych dwóch cząsteczek − widzimy że niebieskie, czarne i żółte kule się zgadzają, ale biała i czerwona są jakby zamienione. Nie da się obrócić tej cząsteczki tak, aby otrzymać drugą. To są rzeczywiście dwa różne związki.

Inna perspektywa może się okazać pomocna.

[4] Nie jest to jedyne kryterium chiralności. Możemy mieć sytuację, w której pomimo występowania centrum stereogenicznego związek nie będzie chiralny, np. ze względu na obecność płaszczyzny symetrii (tak zwany związek mezo). Można też w drugą stronę, są związki, które nie mają centrum stereogenicznego, a mimo to są chiralne (np. niektóre alleny).

Leave a Reply

%d bloggers like this: