Uvod
Stereokemija je grana kemije koja proučava trodimenzijsku strukturu molekula. Jedno od najvažnijih svojstava molekula u živom svijetu je njihova trodimenzijska struktura i raspored atoma u prostoru. Samo ona molekula koja ima odgovarajući raspored atoma u prostoru, može se vezati za odgovarajući receptor i pokrenuti biokemijsku reakciju. Zbog toga je neophodno znati razlikovati i imenovati takve molekule.
Stereokemija je grana kemije koja proučava trodimenzijsku strukturu molekula.
Jedno od najvažnijih svojstava molekula u živom svijetu je
njihova trodimenzijska struktura i raspored atoma u prostoru.
Samo ona molekula koja ima odgovarajući raspored atoma u prostoru može se
vezati za odgovarajući receptor i pokrenuti biokemijsku reakciju.
Zbog toga je neophodno znati razlikovati i imenovati takve molekule.
Vezivanje molekule inzulina na membranski receptor
Određivanje formule spoja i prostornog razmještaja atoma u molekuli važno je za razumijevanje svojstava spoja. Atomi ugljika se u organskim spojevima mogu povezivati na različite načine zbog čega se javljaju izomeri (grč. isos - isti, jednak; meros - dio). Izomeri imaju jednake molekulske formule, a različit raspored atoma u molekuli. Različiti način povezivanja ili pak, različiti raspored atoma u molekuli dovodi do razlike u fizikalnim, kemijskim i biološkim svojstvima spoja. Prisjetimo se različitih skupina izomera.
Određivanje formule spoja i prostornog razmještaja atoma u molekuli je važno za razumijevanje svojstava spoja.
Atomi ugljika se u organskim spojevima mogu povezivati na različite načine.
Zbog toga se javljaju izomeri (grč. isos - isti, jednak; meros - dio).
Izomeri imaju jednake molekulske formule, a različit raspored atoma u molekuli.
Različiti način povezivanja ili pak, različiti raspored atoma u molekuli dovodi do razlike
u fizikalnim, kemijskim i biološkim svojstvima spoja.
Prisjetimo se različitih skupina izomera.
Stereoizomeri imaju jednak slijed kovalentnih veza, a različiti raspored atoma ili skupina atoma u prostoru. Molekule mogu biti takve da se bilo kakvim pomicanjem u prostoru ne mogu preklopiti sa svojom zrcalnom slikom. Za takve molekule kažemo da su kiralne.
Stereoizomeri imaju jednak slijed kovalentnih veza,
a različiti raspored atoma ili skupina atoma u prostoru.
Molekule mogu biti takve da se bilo kakvim pomicanjem u prostoru
ne mogu preklopiti sa svojom zrcalnom slikom.
Za takve molekule kažemo da su kiralne.
Stereoizomeri, koji se odnose kao predmet i slika u zrcalu, nazivaju se enantiomeri (grč. enantios - suprotan; grč. meros - dio). To su kiralne molekule koji se odnose kao predmet i njegova zrcalna slika te se ne mogu prekriti čak ni nakon rotacije oko jednostruke kovalentne veze.
Organska molekula je kiralna kada su na središnji ugljikov atom vezani različiti atomi ili skupine atoma. Takav ugljik je , a naziva se kiralni ili stereogeni centar. U nekoj molekuli moguć je veći broj stereogenih centara.
Na asimetrični atom ugljika (*) vezana su četiri različita atoma ili skupine atoma (R1, R2, R3 i R4). Asimetrični se ugljikov atom u nekoj molekuli uobičajeno označava zvjezdicom.
Molekula može imati više asimetričnih ugljikovih atoma. Svaki takav atom ugljika je stereogeni centar. Prema broju stereogenih centara može se predvidjeti ukupni broj stereoizomera.
broj mogućih stereoizomera:
[latex]2^{\mathit{n}}[/latex]
(n = broj asimetričnih atoma ugljika)
Zadatak:
Odredite asimetrični ugljikov atom u sljedećim spojevima.
Rješenje:
Za razliku od molekula s jednim kiralnim središtem koje su asimetrične, kod molekula koje sadrže nekoliko kiralnih središta može se dogoditi da je molekula zapravo simetrična, pa i akiralna. Akiralna molekula je molekula koja se može preklopiti sa svojom zrcalnom slikom.
Kod molekula koje sadrže nekoliko kiralnih središta može se dogoditi da je molekula zapravo simetrična, pa i akiralna.
Za razliku od njih, molekule s jednim kiralnim središtem su asimetrične.
Akiralna molekula je molekula koja se može preklopiti sa svojom zrcalnom slikom.
Sve molekule kroz koje se može provući os simetrije su akiralne premda mogu sadržavati dva ili više asimetričnih ugljika. Takve se molekule nazivaju mezo-spojevi.
Problemski zadatak
Koristeći rotirajući trodimenzijski model molekule mezo-spoja dostupan na mrežnom mjestu 1 proučite koliko enantiomera ima i kakva im je struktura.
Zadatak:
Odaberite koje su od sljedećih molekula akiralne jer se kroz njih može provući os simetrije.
Rješenje:
Kiralne molekule imaju uglavnom slična kemijska i fizička svojstva, ali različito biološko djelovanje, miris, okus i optičku aktivnost. Zbog toga je posebno važno razlikovati i pravilno imenovati sve enantiomere.
Označivanje konfiguracije enantiomera
Razmještaj atoma nekog spoja u prostoru naziva se njegovom konfiguracijom. Konfiguracija se ne može promijeniti rotacijom oko jednostrukih veza u molekuli. Dvije zrcalno simetrične molekule, odnosno dva enantiomera, imaju prema tome suprotne konfiguracije. Da bi se znalo o kojem se enantiomeru radi, dogovorena su pravila označavanja apsolutne konfiguracije. Pravila prema kojima se određuje apsolutna konfiguracija neke kiralne molekule predložili su organski kemičari R. S. Cahn, C. K. Ingold i V. Prelog, a poznata su kao CIP-sustav (CIP - pravila prioriteta ili R,S-konvencija). Prema CIP-sustavu koristi se dogovoreni sustav oznaka i pravila za određivanje prioriteta atoma ili skupina vezanih na kiralna središta.
Razmještaj atoma nekog spoja u prostoru naziva se njegovom konfiguracijom.
Konfiguracija se ne može promijeniti rotacijom oko jednostrukih veza u molekuli.
Dvije zrcalno simetrične molekule, odnosno dva enantiomera, imaju prema tome suprotne konfiguracije.
Da bi se znalo o kojem se enantiomeru radi, dogovorena su pravila označavanja apsolutne konfiguracije.
Pravila prema kojima se određuje apsolutna konfiguracija neke kiralne molekule predložili su
organski kemičari R. S. Cahn, C. K. Ingold i V. Prelog.
Ta pravila poznata su kao CIP-sustav (CIP - pravila prioriteta ili R,S-konvencija).
Prema CIP-sustavu koristi se dogovoreni sustav oznaka i pravila za
određivanje prioriteta atoma ili skupina vezanih na kiralna središta.
Molekula se zarotira tako da je skupina najmanjeg prioriteta (4) okrenuta u suprotnu stranu od promatrača. Preostali se supstituenti povežu u smjeru opadajućeg prioriteta (1-2-3).
Ako su preostali supstituenti povezani u smjeru kazaljke na satu, radi se o R- (lat. rectus - desno) konfiguraciji, a ako su povezani suprotno od smjera kazaljke na satu, radi se o S- (lat. sinister - lijevo) konfiguraciji.
Problemski zadatak
Koristeći trodimenzijski rotirajući model kiralne molekule i klinaste formule dostupne na mrežnim stranicama (mrežno mjesto 2; mrežno mjesto 3 i mrežno mjesto 4), odredite apsolutne konfiguracije prikazanih molekula.
Zadatak:
Imenujte hipotetski spoj prikazan na slici. Zadani spoj bi mogli dobiti supstitucijom atoma vodika atomima halogena u molekuli metana. Odredite apsolutnu konfiguraciju spoja.
Rješenje:
(R)-bromfluorjodklormetan
Kiralne su molekule jer zakreću ravninu polarizirane svjetlosti.
Stereoizomeri i optička aktivnost
Još početkom 19. stoljeća fizičari su otkrili da neke tvari dobivene iz biološkog materijala zakreću ravninu polarizirane svjetlosti, odnosno, da su optički aktivne. Za određivanje optičke aktivnosti molekule koristi se polarimetar.
Ako uzorak zakreće ravninu polarizirane svjetlosti u smjeru kretanja kazaljke na satu, kažemo da zakreće udesno što se obilježava (+). Zakretanje u suprotnom smjeru, ulijevo, obilježava se (–).
zakreću ravninu polarizirane svjetlosti za isti iznos, ali u različitim smjerovima. Smjesa koja se sastoji od jednakih količina R- i S- enantiomera zove se racemična smjesa ili racemat. Takva je smjesa optički inaktivna, tj. ne zakreće ravninu polarizirane svjetlosti, a označuje se (±) ili (R,S).
Ako uzorak zakreće ravninu polarizirane svjetlosti u smjeru kretanja kazaljke na satu,
kažemo da zakreće udesno što se obilježava (+).
Zakretanje u suprotnom smjeru, ulijevo, obilježava se (–).
Enantiomeri zakreću ravninu polarizirane svjetlosti za isti iznos, ali u različitim smjerovima.
Smjesa koja se sastoji od jednakih količina R- i S- enantiomera zove se racemična smjesa ili racemat.
Takva je smjesa optički inaktivna, tj. ne zakreće ravninu polarizirane svjetlosti.
Označuje se (±) ili (R,S).
Kiralne molekule u svakodnevnom životu
Molekule koje se javljaju u prirodi pojavljuju se gotovo uvijek kao jedan enantiomer. Poznate su neke molekule koje imaju dva enantiomera, a za koje je utvrđeno kako jedan enantiomer kod čovjeka djeluje povoljno, a drugi je često inaktivan ili ima štetno djelovanje na organizam.
Organizam je građen od kiralnih molekula proteina, nukleinskih kiselina, ugljikohidrata, lipida i dr. Svaki enantiomer koji pokreće biokemijsku reakciju ima specifične receptore na koje se veže. Samo onaj enantiomer koji prostorno odgovara receptoru bit će prepoznat i pokrenut će reakciju u organizmu.
Molekule koje se javljaju u prirodi pojavljuju se gotovo uvijek kao jedan enantiomer.
Poznate su neke molekule koje imaju dva enantiomera.
Za te molekule je utvrđeno kako jedan enantiomer kod čovjeka djeluje povoljno,
a drugi je često inaktivan ili ima štetno djelovanje na organizam.
Organizam je građen od kiralnih molekula proteina, nukleinskih kiselina, ugljikohidrata, lipida i dr.
Svaki enantiomer koji pokreće biokemijsku reakciju ima specifične receptore na koje se veže.
Samo onaj enantiomer koji prostorno odgovara receptoru bit će prepoznat i pokrenut će reakciju u organizmu.
Enantiomeri se razlikuju po okusu, mirisu i biološkom djelovanju. Kao primjer može poslužiti molekula karvona. Karvon ili 2-metil-5-(prop-1-en-2-il)cikloheks-2-en-1-on je sastojak eteričnog ulja kima, kopra i metvice. Molekula karvona ima jedan asimetrični ugljikov atom i stoga dva enantiomera različitih bioloških svojstava.
Enantiomeri se razlikuju po okusu, mirisu i biološkom djelovanju.
Kao primjer može poslužiti molekula karvona.
Karvon ili 2-metil-5-(prop-1-en-2-il)cikloheks-2-en-1-on je sastojak eteričnog ulja kima, kopra i metvice.
Molekula karvona ima jedan asimetrični ugljikov atom i stoga dva enantiomera različitih bioloških svojstava.
Brojni su sintetički spojevi također građeni od kiralnih molekula, primjerice lijekovi. Najčešće je samo jedan enantiomer lijek. Tako se, primjerice, spoj (S)-ketamin koristi kao anestetik, a (R)-ketamin djeluje halucinogeno.
