SZERVES KÉMIA: BEVEZETÉS SZTEREOKÉMIA. Debreceni Egyetem ÁOK Orvosi Vegytani Intézet

Átírás

1 SZERVES KÉMIA: BEVEZETÉS SZTEREOKÉMIA Debreceni Egyetem ÁOK Orvosi Vegytani Intézet

2 A szén allotróp módusulatai a) gyémánt b) grafit c) amorf szén (nincs ábrázolva)

3 A grafénő egyetlen atom vastagságú grafitréteg Andre Geim és Konstantin Novoselov a Manchesteri Egyetem tudósainak ítélték oda megosztva a évi fizikai Nobeldíjat. A tudósok a kétdimenziós grafénre, vagyis az egyetlen atom vastagságú grafitrétegre vonatkozó előremutató kísérleteiért érdemelték ki az elismerést.

4 Fullerének Buckminster Fuller, építészmérnök 1996

5 Az ikozohedrális szerkezetű fullerén 540, a család egyik nagy tagja Szén-nanocsövek A fullerének és nanocsövek intenzív anyagtudományi kutatások tárgyai: számos elektronikai, nanotechnológiai, orvosi stb. alkalmazás lehetősége adott.

6 Szerves kémia A szerves, ill. organikus elnevezésnek tudománytörténeti okai vannak. A szerves anyagok képződéséhez csak az élő szervezetekben megtalálható életerő (vis vitalis) szükséges. F. Wöhler kísérlete (1828): O N 4 l AgNO hő + 2 N--N 2 ammóniumklorid szervetlen ezüstklorid ezüstcianát karbamid szerves + Agl

7 SZERVES VEGYÜLETEK Nyílt láncú (alifás) vegyületek Zárt láncú (gyűrűs, ciklusos) vegyületek Izociklusos vegyületek eterociklusos vegyületek Aliciklusos vegyületek Aromás vegyületek

8 Szerves vegyületek csoportosítása Telítetlen szénhidrogének Aromás vegyületek alkén alkin aromás benzol vegyület eteroaromás vegyületek N piridin

9 alogén, oxigén, kén és nitrogén tartalmú csoportok X O O alkil-halogenid alkohol éter S S tiol tioéter N amin

10 A szénhez kett s kötéssel kapcsolódó elektronegatív atomok O O aldehid keton 3 S S 2 3 tioaldehid tioketon 3 3 N imin 3

11 Karbonsavak és származékaik O O O O 3 l 3 O 3 OR 3 N 2 savklorid karbonsav észter amid S 3 OR tioészter

12 Funkciós csoportok Funkciós csoport: a molekula azon része, melyre a vegyület tulajdonságai visszavezethetőek. A funkciós csoportok jellemzői, hogy hasonló kémiai reakciókban vesznek részt, függetlenül a molekula többi részétől; meghatározzák a molekula fizikai és kémiai tulajdonságait; szerkezetük alapján csoportosíthatóak a szerves vegyületek; a vegyületek nevezéktanának is meghatározó elemei.

13 Elektroneltolódások a szerves molekulákban A molekulákat felépítő atomok eltérő elektronegativítása miatt a kovalens kötés polárissá válik. Az elektroneltolódás két típusát különböztetjük: Induktív hatás, I X Y d+ d- d- d+ X Y (a molekula s-vázán jelentkezik) Konjugációs hatás, K (a p-kötéseken figyelhető meg)

14 Szerves kémiai reakciók áttekintése 1. árom alapvető típust különböztetünk meg: Addíciós reakció két molekula egyesül Eliminációs reakció egy molekula két részre bomlik Szubsztitúciós reakció egyik atom vagy atomcsoport helyettesítődik új atommal vagy csoporttal

15 Szerves kémiai reakciók áttekintése 2. omolízis

16 eterolízis karbanion hidrogénion karbéniumion halogenid eterolízis p-kötéseken is bekövetkezhet

17 Kémiai Nobel-díj 1994: Oláh György a karbokation kémia kidolgozásáért" 1927-ben született Budapesten, 1956-ban hagyta el Magyarországot. Jelenlegi munkahelye: University of Southern alifornia, Los Angeles, A, USA szupersavak szuperelektrofilek

18 szubsztitúció gyökös mechanizmus S R ionos mechanizmus elektrofil S E nukleofil S N monomolekuláris bimolekuláris

19 Az ionos mechanizmusú reakciók Az elektrofil reaktáns (elektronszegény) nukleofil (elektrongazdag) partnerrel lép kölcsönhatásba. A legtöbb kation elektrofil. A legtöbb anion nukleofil. A Lewis savak elektrofilek. A Lewis bázisok nukleofilek.

20 Szerves kémia = szénvegyületek kémiája A szén négy kovalens kötés létesítésre képes. A szénatom kovalens kötést létesít számos atommal:, O, N, P, S és további nemfémes elemekkel (nemes gázok kivételével). A szénatom részvételével kialakulhatnak: a. láncok (egyenes vagy elágazó), b. gyűrűk. A szénatom többszörös kovalens kötést alkothat másik szénatommal, oxigénatommal vagy nitrogénatommal. Számos szénvegyület (szerves vegyület) izomer formákban létezik.

21 Sztereokémia

22 AZ IZOMÉRIA LEET SÉGEI IZOMEREK (azonos összegképletű, de eltérő szerkezetű vegyületek) Konstitúciós izomerek (az atomok kapcsolódási sorrendje eltérő) Sztereoizomerek (eltérés a közvetlenül nem kapcsolódó atomok helyzetében) Enantiomerek (tükörképek, királis molekulák) Diasztereomerek (nem tükörképek)

23 Sztereokémia A molekulák térszerkezetét vizsgálja ami meghatározóan fontos számos szerves vegyületben, a biokémiai folyamatokban vagy a molekuláris biológiában Az etánmolekula térszerkezete legnagyobb távolság tetraéderes konstitúció konfiguráció konformáció (nem térszerkezet) (térszerkezet egy atom körül) (közvetlenül nem kapcsolódó atomok helyzete) Térszerkezet = konstitúció + konfiguráció + konformáció

24 Konformáció Közvetlenül nem kapcsolódó atomok vagy atomcsoportok relatív helyzete a molekulában. A konformerek az egyes kötések mentén történő elfordulás során alakulnak ki (energiaminimumok), egyszeres kötések körüli forgással egymásba átalakulhatnak. fedő nyitott Stabilabb konformáció

25 Sztereoizomerek azonos konstitúcióval (vagyis az atomok kapcsolódási sorrendje azonos), de eltérő térszerkezettel rendelkeznek. Konformációs izomerek: a megfelelő kötés körüli rotációval egymásba átalakíthatóak nyitott és fedő konformáció (pl. etán) nyújtott és ferde konformáció (pl. bután) szék-kád konformáció (pl. ciklohexán) Konfigurációs izomerek: egymásba nem alakíthatóak át cisz és transz izomerek E és Z izomerek enantiomerek: tükörképi sztreoizomerek (egymással fedésbe nem hozható tükörképek) diasztereomerek: sztereoizomerek, amelyek nem tükörképek

26 Enantiomerek fedésbe nem hozható molekulapárok (optikai izomereknek is nevezik) W W X Z Y Y Z X Louis Pasteur a borkősav kristályait vizsgálva javasolta, hogy a kristályokat felépítő molekulák hasonlóan a kristályokhoz egymás tükörképei. Mindegyik kristály csak az egyik molekulát, enantiomert tartalmazza.

27 királis (kézszerű) molekulák enantiomerek Br F l F l Br bal kéz tükörképek jobb kéz fedésbe nem hozható fedésbe nem hozhatóak enantiomerek (tükörképei egymásnak) királis molekulák (kézszerűek) kiralitáscentrumok van Azt a tetraéderes szénatomot, amelynek a négy szubsztituense eltérő királis szénatomnak nevezzük.

28 Királis szénatomok Tetraéderes szénatom 4 különböző szubsztituenssel: királis szénatom. Tükörképe eltérő vegyület (enantiomer).

29 Perspektivikus képletek A királis molekulák konfigurációjának szemléltetésére legalkalmasabbak az atomok térbeli elhelyezkedését bemutató modellek. A perspektivikus képletek a térszerkezet síkban való ábrázolását szolgálják. Emil Fischer ( ) kémiai Nobel-díj a szénhidrátok és purin vegyületek területén végzett úttörő munkáságért (1902) A barbitursav szintézise Az enzim-szubsztrát komplex kulcszár modellje Szénhidrátok térszerkezete

30 A Fischer-féle perspektivikus képletek kétdimmenziós ábrázolása a háromdimmenziós molekuláknak Tetraéderes szénmolekula síkba vetítése A Fischer vetítés elképzelése:

31 Perspektivikus képletek E. Fischer javaslatára bevezetett képletekből a térszerkezet pontosan rekonstruálható. A királis szénatom kerül a tengelykeresztbe.. A vízszintes vegyértékek a síkból kifelé mutatnak. A függőleges vegyértékek pedig a sík mögé mutatnak. S-tejsav 3D-rajz S-tejsav perspektivikus képlet

32 Fischer szabályok a van szénlánc, akkor az függőlegesen elhelyezkedő szubsztituens legyen. A legmagasabb oxidációs állapotú szénatom felül legyen. A molekula rotációja 180 -kal nem változtatja meg a térszerkezetet. Tilos 90 -kal forgatni! (A másik enantiomert kapjuk ugyanis meg.) A síkból történő kiforgatás is tilos!

33 Fischer szabályok A molekula rotációja 180 -kal nem változtatja meg a térszerkezetet. O 2 O = 3 O 3 O 2 = 3 O 2 O = O O 2 3 Tilos 90 -kal forgatni!

34 Relatív és abszolút konfiguráció 1951 előtt csak a relatív konfigurációkat (D vagy L) ismerték. a a szénhidrátoknak vagy az aminosavaknak ugyanaz a relatív konfigurációja, mint a (+)-gliceraldehidnek, akkor D; és ha ugyanaz, mint a (-)-gliceraldehidnek, akkor L konfigurációjúak voltak. Röntgen-krisztallográfia alapján megismertük az abszolút konfigurációkat: D megfelel az R-nek, míg L az S-nek. Nincs összefüggés a molekula forgatási irányával.

35 L- és D-gliceraldehid O O O O O 2 O 2 O O O O O 2 O 2 L(-)-gliceraldehid D(+)-gliceraldehid

36 Optikai aktivitás (-) D-tejsav D-Lactic acid (+) L-tejsav L-Lactic acid balra forgató(-): az óramutató járásával ellentétes jobbra forgató(+): az óramutató járásával megegyező

37 D és L konfiguráció * O O 2 O D-(+)-glyceraldehyde D-(+)-gliceraldehid OO 2 N => * 2 2 OO L-(+)-glutamic acid L-(+)-glutaminsav O O O O * O 2 O D-(+)-glucose D-(+)-glükóz

38 Abszolút relatív konfiguráció Abszolút konfiguráció Pontos sztereokémiai leírása a molekulának az atomok térbeli elhelyezkedésével; R (rectus, latin jobb) és S (sinister, latin bal). Relatív konfiguráció Két molekula térszerkezete között fennálló viszony O 3 (+) 2-metil-1-butanol + PBr Br 3 (-) 1-bromo-2-metil-bután ugyanaz a relatív konfiguráció

39 Abszolút konfigurációő ahn-ingold-prelog szabályok Az abszolút konfiguráció megadja az atomok pontos elhelyezkedését a térben. A királis szénatom szubsztituenseit sorrendbe állítjuk (prioritás: ). A molekulát szemből nézve a legkisebb prioritású (4) szubsztituens a papír síkja mögé kerül. a a szubsztituensek sorrendje az óramutató járásával megegyezik, akkor R konfiguráció; az óramutató járásával ellentétes, akkor S konfiguráció R konfiguráció configuration Sconfiguration konfiguráció

40 (-) tejsav savanyodó tejben R Prioritások -O (1) -OO (2) - 3 (3) - (4) (+) tejsav izomban képződik S

41 Az enantiomerek sajátságaiő optikai aktivitás Az enantiomerek fizikai tulajdonságai azonosak (pl. olvadáspont, forráspont, sűrűség), kivéve,hogy a síkban poláros fény eltérő kölcsönhatásba lép a kétféle enantiomerrel. Az enantiomerek tehát optikai izomerek. polarizátor minta síkban polarizált fény jobbra forgató (d) or (+) balra forgató (l) or ( ) optikailag inaktív optikailag aktív

42 Fajlagos forgatóképesség hőmérséklet mért forgatás (º) [ ] T D = cl optikai úthossz (dm) nátrium D vonala koncentráció (g/ml) 27 Pl. (+)-2-butanol [ ] = º D ( )-2-butanol 13.5º

43 Több kiralitás centrummal rendelkez molekulák Enantiomerek, Diasztereomerek, Mezo vegyületek

44 Enantiomerek és diasztereomerek Enantiomerek azok a sztereoizomerek, amelyek egymásnak teljes tükörképi párjai. Fizikai-kémiai tulajdonságai azonosak, csak az optikai aktivitásuk és az enzimekhez való kapcsolódásuk más. Diasztereomerek részleges tükörképi párok, amelyekben egyes kiralitás centrumok körül a csoportok elrendezése azonos. Különböző fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek (pl.:oldhatóság), ezért szétválaszthatóak (desztillációval, kromatográfiával, kristályositással stb). n kiralitás centrum 2 n lehetséges sztereoizomerek

45 Két vagy több kiralitás centrum esetén Enantiomerek és diasztereomerek Pl.: 3 3 O Br 2 2 = 4 lehetséges sztereoizomer 3 3 Br Br 3 Br Br 3 O O O O 3 enantiomerek 3 3 enantiomerek 3 diasztereomerek

46 Két vagy több kiralitás centrum esetén 3 3 Br Br 2 2 = 4 lehetséges sztereoizomer 3 3 Br Br 3 Br 3 Br 3 Br Br 3 Br Br 3 3 szimmetriasík enantiomerek azonos vegyületek mezo molekulák diasztereomerek

47 Diasztereomerek Olyan sztereoizomerek, amelyek nem tükörképek: pl. cisz-transz izoméria. belső tükörsík cisz-2-butén transz-2-butén

48 Molekulák több kiralitáscentrummal enantiomerek diasztereomerek

49 Racém elegyek A kétféle enantiomer (D- és L) ekvimoláris elegye (50% D és 50% L). Jelölés: ( ) Nincs optikai aktivitásuk. Kémiai reakciókban legtöbbször a racém elegy képződik.

50 Racém elegyek képz dése

51

52 Racém elegyek elválasztása A racém elegyet királis vegyülettel reagáltatjuk, így diasztereomer vegyületpár keletkezik, amelyik már könnyen elválasztható.

53 Racém elegyek elválasztása A racem elegyet optikailag aktív enantiomerrel reagáltatjuk: O O 2 + N 2 3 O 2-3 ( + - ) + N O 2 - pure enantiomer + N 3 3 A képződött sók diaszteromer vegyületpárok és pl. fizikai módszerekkel elválaszthatóak.

54 Az enzimek sztereospecifikusak Az enzim szubsztrátkötő helyére csak az egyik enantiomer kötődik (kulcs-zár hasonlat)

55 Diaszteromerek tulajdonságai A diasztereomerek fizikai tulajdonságai (pl. olvadáspont, forráspont, sűrűség) különbözőek. Ezért könnyen elválaszthatóak. Az enantiomerek sajátságai azonosak, csak a síkban poláros fény lép eltérő kölcsönhatásba a kétféle enantiomerrel. Az enantiomereket nagyon nehéz elválasztani.

56 Sztereoizomerek Optikai aktivitás királis szénatom nélkül is létrejöhet: allének spiro vegyületek A A B B B B A A hexahelicén

57 Allének Királis molekulaalkat királis szénatom nélkül. sp-hibridállapotú szénatomokat tartalmaznak az alábbi elrendeződésben: -==- A szélső szénatomok két különböző szubsztituenst tartalmaznak. a b b a

58 Atropizoméria Egyes atomcsoportok nagy térigénye miatt a s-kötés tengelye körül a szabad elfordulás gátolt. OO 2 N 6,6'-diamino-bifenil-2,2'-dikarbonsav N 2 OO OO 2 N OO N 2 enantiomerek

59 Sztereokémia jelent ségeő királis molekulák és a biológiai hatás * OO 3 3 S * OO N 2 ibuprofén (gyulladásgátló, fájdalom- és lázcsillapító) (S) hatásos, (R) hatástalan O O 2 penicillamin (krónikus arthritis) (S) hatásos, (R) toxikus 3 * OO metildopa (vérnyomás csökkentő - Dopegyt) (S) hatásos, (R) hatástalan

60 Sztereokémia fontosságaő királis molekulák és a biológiai hatás Thalidomid (ontergan-botrány) teratogén!!! nyugtatószer