Stereokimia Dasar

2013 BOOK REPORT SINTESIS STEREOKIMIA NAMA KELOMPOK : 1. 2. 3. 4. MUHAMAD GHADAFI (113234019) ARIEF NUR S. (113234023) NUR CHALIM (11323420 ) FATIKHATUR RIFKA (113234212) KIMIA A & B 2011 5/17/2013 2.1.3. Konfigurasi pada Atom Tetrahedral Karbon dan atom lain dengan hibridisasi sp3 memiliki geometri mendekati tetrahedral. Dengan pengecualian penyimpangan kecil pada sudut ikatannya, masing-masing substituen berada dalam posisi geometris yang sama. Namun demikian, ada ciri stereokimia penting yang terkait dengan pusat tetrahedral. Jika keempat substituen berbeda, maka substituen dapat disusun dalam dua cara yang berbeda. Dua cara pengaturan yang berbeda tersebut merupakan bayangan cermin satu sama lain, tetapi mereka tidak dapat diimpitkan. Setiap objek yang tidak dapat diimpitkan pada bayangannya disebut kiral. Molekul (atau benda lainnya) yang tidak kiral disebut sebagai akiral, yang merupakan kebalikan dari kiral. Atom tetrahedral dengan empat substituen yang tidak sama, kemudian, menghasilkan dua stereoisomer. Dari dua stereoisomer itu salah satunya disebut stereogenic centers, kadang-kadang disingkat menjadi stereocenters. Istilah lama yang digunakan khusus untuk karbon kiral adalah karbon asimetrik. Kiralitas di stereogenic centers ditentukan oleh aplikasi aturan prioritas Cahn-Ingold-Prelog, seperti yang dijelaskan untuk ikatan rangkap. Keempat atom ligan(substituen) yang tidak sama ditentukan prioritasnya dengan urutan menurun 1 > 2 > 3 > 4. Molekul itu kemudian digambar dengan gugus prioritas terendah ditempatkan di belakang stereocenter dan menjauhi pembaca. Dua macam pengaturan dapat disusun untuk tiga substituen lainnya. Gugus berdasarkan urutan prioritasnya dapat diputar searah jarum jam atau berlawanan arah. Konfigurasi searah jarum jam adalah R (untuk rektus) dan arah berlawanan jarum jam adalah S (untuk sinister). 1 Dua gambar cermin molekul yang tidak dapat diimpitkan disebut pasangan enantiomer dan masing-masing molekul adalah enantiomer satu sama lain. Masing-masing enantiomer memiliki kemiripan sifat dalam keadaan akiral. Mereka memiliki kelarutan yang sama, sifat fisik, dan spektroskopi dan reaktivitas kimia yang sama terhadap reagen akiral. Namun, mereka memiliki sifat yang berbeda dalam keadaan kiral. Enantiomer-enantiomer Itu bereaksi dengan laju yang berbeda terhadap reagen kiral dan memberikan respon secara berbeda terhadap katalis kiral. Biasanya enantiomer menyebabkan respon fisiologis yang berbeda, karena reseptor biologi adalah kiral. Misalnya, bau R-(minyak spearmint (tanaman permen)) dan S-(minyak biji jintan) enantiomer dari carvone sangat berbeda. Kegunaan enantiomer dari obat-obatan sering kali berbeda. Enantiomer juga berbeda dalam sifat fisik tertentu, yaitu rotasi bidang terpolarisasi cahaya. Kedua enantiomer memutar cahaya yang sama, tetapi 2 berlawanan arah. Sifat memutar bidang terpolarisasi cahaya disebut aktivitas optik, dan besarnya rotasi dapat diukur dengan instrumen yang disebut polarimeter. Rotasi itu dikenal sebagai α, tergantung pada kondisi pengukuran, termasuk konsentrasi, panjang jalur, pelarut, dan panjang gelombang cahaya yang digunakan. Rotasi yang merupakan karakteristik dari suatu enantiomer disebut rotasi spesifik dan dilambangkan dengan [α]589, di mana subskrip menunjuk panjang gelombang cahaya. Rotasi α pada setiap panjang gelombang berhubungan dengan [α]λ berdasarkan persamaan dimana c adalah konsentrasi dalam g/100ml dan l adalah panjang jalur dalam decimeter. Tergantung pada bagaimana cara memperolehnya, sampel senyawa kiral dapat mengandung hanya satu enantiomer atau bisa campuran keduanya. Senyawa enantiomer murni disebut sebagai homokiral atau enantiomurni. Campuran 1:1 enantiomer memiliki rotasi nol (karena rotasi yang disebabkan oleh dua enantiomer justru saling menghilangkan satu sama lain) dan disebut campuran rasemik atau rasemat. Sebuah campuran rasemik memiliki sifat karakteristik tersendiri dalam keadaan padat. Rasemat ini berbeda titik leleh dan kelarutannya dengan enansiomer murni, karena campuran rasemik dapat membentuk struktur kristal yang berbeda dari enantiomer murni. Sebagai contoh, Gambar 2.1 menunjukkan perbedaan ikatan hidrogen dan susunan kristal intermolekul yang berbeda pada ( + / -) dan (-) 2,5-diazabisiklo [2.2.2] okta-3,6-dion. Komposisi campuran enantiomer dinyatakan dengan enantiomeric excess, disingkat ee, yang merupakan persentase kelebihan enantiomer utama (major) terhadap enansiomer minor: 3 Alternatif lain, e.e. dapat dinyatakan dalam bentuk fraksi mol masing-masing enantiomer: Kemurnian optik, istilah lama, secara numerik identik. Kemurnian optik menyatakan observed rotation (rotasi yang diobservasi) (αobs) , relatif terhadap rotasi enantiomer murni. Karena dua enantiomer saling menghilangkan satu sama lain, rotasi adalah hasil dari (% Mayor-% Minor) × [α]λ. Jika [α]λ diketahui, pengukuran α didapat dari kemurnian optik dan enantiomeric excess dengan rumus: 4 Ada beberapa cara lain untuk mengukur e.e., termasuk spektroskopi NMR, kromatografi, dan elektroforesis kapiler. Pengukuran rotasi sebagai fungsi dari panjang gelombang berguna dalam studi struktural bertujuan untuk menentukan konfigurasi dari molekul kiral. Teknik ini disebut optical rotatory dispersion (ORD), dan grafik yang dihasilkan dari rotasi vs panjang gelombang disebut kurva ORD. Bentuk kurva ORD ditentukan oleh konfigurasi molekul dan penyerapan spektrum. Dalam banyak kasus, kurva ORD dapat digunakan untuk menentukan konfigurasi molekul dengan cara membandingkan dengan molekul serupa yang konfigurasinya telah diketahui. Gambar 2.2 menunjukkan Spektrum UV, ORD, dan CD dari garam ion sulfonium sebagai enantiomer murni. Zat kiral juga menunjukkan penyerapan cahaya terpolarisasi melingkar (memutar) yang berbeda. Hai ini disebut circular dichroism (CD) dan secara kuantitatif dinyatakan sebagai eliptisitas molekul θ, Di mana dan adalah koefisien berkurangnya intensitas cahaya terpolarisasi melingkar kiri dan kanan (extinction coefficients): Eliptisitas molekul sama dengan rotasi spesifik karena dua enantiomer memiliki nilai yang berlawanan di setiap panjang gelombang. Dua enantiomer juga menunjukkan spektrum CD dengan tanda yang berbeda. Suatu senyawa dengan beberapa pita penyerapan dapat menunjukkan pita positif dan negatif. Gambar 2.3 menggambarkan kurva CD untuk kedua enantiomer 2-amino-1-fenil-1-propanon. 5 6 2.1.4. Molekul dengan Kelipatan Pusat stereogenik Molekul dapat memiliki beberapa pusat stereogenik, termasuk ikatan ganda dengan konfigurasi E atau Z dan atom tetrahedral asimetris. Jumlah stereoisomer maksimum yang dapat dihasilkan dari n pusat stereogenik adalah 2 n. Ada beberapa cara untuk mewakili molekul dengan beberapa pusat stereogenik. Pada saat ini, metode yang paling umum dalam kimia organik untuk menggambarkan molekul dalam konformasi diperpanjang dengan rantai terpanjang sejajar horizontal. Kemudian substituen menunjuk arah kedalam atau keluar dan naik atau turun di setiap sisi tetrahedral dari substitusi,yang diwakili oleh ikatan garis baji dan garis putus-putus. Empat kemungkinan stereoisomer dari 2,3,4-trihydroxybutanal ditunjukkan dengan cara ini pada Gambar 2.4. Konfigurasi di setiap pusat ditentukan sebagai R atau S. Isomer juga dapat dicirikan sebagai syn atau anti. 7 dua substituen yang berdekatan menunjuk ke arah yang sama (atau keluar) adalah syn, sedangkan yang menunjuk dalam arah yang berlawanan adalah anti. Untuk molekul dengan lebih dari satu pusat stereogenik, pasangan harus enansiomerik memiliki konfigurasi yang berlawanan di setiap pusat. Kedua hubungan enansiomer ditunjukkan pada Gambar 2.4. Ada empat pasangan lain yang tidak memenuhi persyaratan ini,tetapi struktur masih stereoisomer. Molekul yang stereoisomer tetapi tidak enantiomer disebut diastereomer, dan empat dari hubungan ini ditunjukkan dalam Gambar 2.4. Molekul yang diastereomer memiliki konstitusi yang sama (konektivitas) tetapi berbeda dalam konfigurasi pada satu atau lebih dari pusat stereogenik. Posisi dua diastereomer yang memiliki konfigurasi yang berbeda disebut epimerik. Sebagai contoh, anti-2R,3R dan syn2R,3S stereoisomer memiliki konfigurasi yang sama di C (2), tetapi epimerik di C (3). Tidak ada yang unik tentang cara di mana molekul pada Gambar 2.4 diposisikan, kecuali penggambaran konvensional diperpanjang rantai horizontal. Sebagai contoh, tiga representasi lain di bawah ini juga menggambarkan anti-2R, 3S stereoisomer. 8 Cara lain untuk mewakili molekul dengan beberapa stereocenters adalah dengan rumus proyeksi fischer. Rantai utama molekul selaras secara vertikal, dengan (oleh konvensi) yang paling teroksidasi diletakkan paling atas dari rantai di atas. Substituen yang di tampilkan horizontal ke arah pembaca. Dengan demikian ikatan karbon-karbon vertikal jauh dari penampil sepanjang atom karbon. Rumus proyeksi Fischer mewakili suatu konformasi eklips secara keseluruhan dari rantai vertikal. Karena proyeksi ikatan horizontal dari bidang kertas, setiap reorientasi struktur tidak harus mengubah bentuk ini. Rumus proyeksi fischer dapat reorientasi hanya dalam bidang kertas. Rumus proyeksi Fischer menggunakan sistem alternatif untuk menentukan kiralitas. Kiralitas tertinggi bernomor kiral pusat (yang paling jauh dari teroksidasi terminus, yaitu, yang paling dekat dengan bagian bawah dalam orientasi konvensional), ditetapkan sebagai D atau L, tergantung pada apakah itu seperti D-atau L-enantiomer gliseraldehida, yang merupakan senyawa referensi. Dalam orientasi konvensional, D-substituen berada di sebelah kanan dan L-substituen yang ke kiri. Konfigurasi relatif dari substituen berdekatan dalam rumus proyeksi Fischer yang ditunjuk erythro jika mereka berada di sisi yang sama dan threo jika mereka berada di seberang samping. Stereokimia dari stereocenters yang berdekatan juga dapat berguna diwakili 9 oleh rumus proyeksi Newman. Gambar 2.5 menunjukkan 2,3,4-trihydroxybutanal (sekarang juga dengan nama karbohidratnya, erythrose dan threose) sebagai rumus proyeksi Fischer maupun yang selanjutnya dan representasi Newman. Karena rumus proyeksi Fischer mewakili konformasi yang terhalang rantai karbon, orientasi relatif dari dua substituen berdekatan berlawanan dari representasi lanjutan yang terhubung. Substituen berdekatan yang anti di representasi lanjutan yang berada di sisi yang sama dari rumus proyeksi Fischer, sedangkan yang berdekatan dengan substituen yang syn dalam representasi lanjutan adalah di sisi berlawanan dalam Proyeksi Fischer. Seperti dengan representasi lanjutan, sepasang enansiomerik diwakili oleh rumus proyeksi Fischer yang memiliki konfigurasi yang berlawanan di semua pusat stereogenik (Digambarkan sebagai kiri atau kanan.) 10 2.1.5. Jenis lain dari Pusat stereogenik Meskipun atom karbon asimetris diganti dari yang paling umum tipe pusat stereogenik dalam senyawa organik, beberapa jenis lain stereogenik pusat juga ditemui. Ion-ion Nitrogen tetravalen (amonium) dan fosfor (Fosfonium) adalah ekstensi yang jelas. Fosfin oksida adalah juga tetrahedral dan kiral jika ketiga substituen (selain oksigen) yang berbeda. Tidak begitu jelas adalah kasus sulfur dan senyawa fosfor trivalen, termasuk garam sulfonium, sulfoksida, dan fosfina. Heteroatom dalam struktur ini sekitar tetrahedral, dengan pasangan elektron menempati salah satu tetrahedral posisi. Karena ada hambatan energi yang relatif tinggi untuk inversi ini tetrahedral molekul, mereka dapat diperoleh sebagai enantiomer murni. Senyawa nitrogen trivalen juga sekitar tetrahedral dalam bentuk. Dalam kasus ini, Namun, penghalang untuk inversi adalah kecil dan senyawa-senyawa tidak dapat dipisahkan sebagai enantiomer murni pada suhu normal. Allenes (lihat hal. 6 untuk pembahasan ikatan pada allenes) dapat menjadi kiral. Sebuah Allene memiliki substituen tidak identik pada kedua karbon sp2 memberikan gambar cermin yang sama. 11 Molekul dengan bentuk analog sekrup juga kiral, karena mereka dapat memakai tangan kanan atau kidal. Ada beberapa jenis molekul di mana faktor sterik memaksakan bentuk seperti sekrup. Sebuah kasus yang sangat penting adalah senyawa 1,1-Binaphthyl. Interaksi sterik antara hidrogen 2 dan 8’ mencegah molekul-molekul dari bentuk planar, dan sebagai hasilnya, ada dua bentuk gambar cermin yang mungkin. Satu contoh yang sangat penting adalah 2,2’- Diol, yang disebut BINOL. Lain jenis penting meliputi 1,1’-binaphthyl diphosphines, seperti BINAP. BINOL dan BINAP merupakan ligan kiral berguna dalam senyawa organologam yang berfungsi sebagai katalis untuk hidrogenasi dan reaksi lainnya. Dalam Bagian 2.5.1.1, kita membahas bagaimana senyawa seperti BINOL dan BINAP telah digunakan untuk mengembangkan katalis hidrogenasi enantioselektif. Sebuah contoh spektakuler sekrup berbentuk pilinan adalah hexahelicene, di mana enam cincin benzena menyatu tidak bisa planar dan menimbulkan tangan kanan dan kidal enantiomer. Rotasi spesifik [ ]589 adalah sekitar 3.700. Hexahelicene dapat raseminasi dengan pemanasan. Peningkatan vibrasi molekul memungkinkan dua cincin terminal menyelinap melewati satu sama lain. Energi aktivasi yang dibutuhkan adalah 36,2 kkal / mol. 12 Banyak senyawa spiro kiral. Dalam struktur spiro, dua cincin berbagi atom bersama-sama. Jika cincin tidak berisi bidang simetri, senyawa spiro adalah kiral. Contohnya adalah S-(+)-spiro [3,3] hepta-1,5-diena. E-siklo alkena juga kiral. E-siklo oktena adalah contoh yang baik. Pemeriksaan struktur bawah menggunakan model molekul menunjukkan bahwa dua bayangan cermin tidak dapat dihimpitkan. E-siklo oktena dikenakan keadaan termal. Gerakan molekul memungkinkan ikatan rangkap menyelinap melalui ring, memberikan enantiomer tersebut. Lebih besar dan lebih fleksibel cincin, semakin mudah prosesnya. Tingkat keadaan telah diukur untuk E-siklooktena, E-siklo nonena, dan E-siklo dekena. Untuk Esiklooktena waktu paruh adalah 1 jam pada 183,90C. Energi aktivasi adalah 35,6 kkal / mol. E-siklononena, jauh lebih cepat. Waktu paruh adalah 4 menit pada 00C, dengan energi aktivasi sekitar 20 kkal / mol. E-siklo dekena pada rilis dari platinum kiral kompleks yang digunakan untuk persiapan. 2.1.6. Hubungan antara Kiralitas dan Simetri Molekul yang memiliki unsur-unsur simetri tertentu merupakan molekul tidak kiral, karena unsur simetri memastikan bahwa bentuk-bentuk gambar cermin 13 yang saking menghimpit. Contoh yang paling umum adalah bidang simetri, yang membagi molekul menjadi dua bagian yang memiliki penempatan identik substituen di kedua sisi molekul. Contoh sederhana dapat ditemukan pada setiap atom tetrahedral dengan dua substituen yang identik. Misalnya, dalam 2-propanol. Molekul membagi 2-H dan kelompok 2-OH dan dua gugus metil adalah identik. Molekul lebih rumit juga dapat memiliki bidang simetri. Misalnya, tiga stereoisomer asam tartarat (asam 2,3-dihydroxybutanedioic). Dua ini kiral tapi yang ketiga adalah akiral. Dalam stereoisomer akiral, substituen terletak berhadapan satu sama lain sedemikian rupa untuk menghasilkan bidang simetri. Senyawa yang mengandung dua atau lebih pusat stereogenik tapi punya bentuk simetri disebut bentuk meso. Karena mereka akiral, mereka tidak memutar bidang cahaya terpolarisasi. Perhatikan bahwa struktur proyeksi Fischer asam mesotartaric mengungkapkan bidang simetri. 14 Unsur simetri kurang umum adalah pusat simetri, yang merupakan titik dalam molekul yang berorientasi ke segala arah garis bertemu dengan struktur ketika diproyeksikan dalam arah yang berlawanan. Misalnya, trans, trans, cis-2,4dikloro-1,3-dimethylcyclobutane memiliki pusat simetri, tetapi tidak ada bidang simetri. Hal ini disebut akiral. Contoh lain yang sangat mencolok adalah nonactin antibiotik. Menyelesaikan masalah 2.15 untuk menetapkan sifat simetri di nonactin. Berbagai di- dan polysubstituted senyawa siklik memberikan contoh lain dari molekul yang memiliki bidang simetri. Karena kiralitas tergantung pada konfigurasi, tidak konformasi, molekul siklik dapat direpresentasikan sebagai struktur planar untuk memudahkan adanya elemen simetri. Struktur planar jelas menyampaikan hubungan antara substituen cis dan trans. Skema 2.1 memberikan beberapa contoh dari kedua kiral dan akiral dimethylcycloalkanes. Perhatikan bahwa dalam beberapa senyawa terdapat keduanya baik pusat dan bidang simetri. Entah unsur simetri memastikan bahwa molekul adalah akiral. 15 16