Konfiguracja absolutna

Z Wikipedii

Konfiguracja absolutna (inaczej bezwzględna) to jednoznaczny sposób rozróżniania i nazewnictwa izomerów optycznych, a ściśle biorąc ustalania rzeczywistej konfiguracji podstawników przy centrach chiralności w enancjomerach i diastereoizomerach. W dużym uproszczeniu, konfiguracja absolutna jest sposobem jednoznacznego zapisu stwierdzającego czy określony enancjomer, a szerzej otoczenie każdego asymetrycznego atomu węgla jest "prawe" albo "lewe".

Enancjomery, jeden z rodzajów izomerów optycznych związków chemicznych różnią się między sobą tak jak lewa i prawa dłoń lub lewo i prawoskrętna skorupa ślimaka, tj. są chiralne i mają się do siebie tak jak lustrzane odbicie do odbijanego przedmiotu. W przypadku związków organicznych ich chiralność wynika najczęściej z faktu występowania czterech różnych podstawników przy centralnym atomie węgla. Dokładne ustalenie wzajemnego umiejscowienia tych podstawników w przestrzeni decyduje o tym, z którym z dwóch enancjomerów ma się do czynienia. W odróżnieniu jednak od skorupy ślimaka, którego "prawo-" i "lewoskrętność" jest łatwo ustalić w intuicyjny sposób, jednoznaczne nazewnictwo enancjomerów wymaga przyjęcia złożonego zbioru zasad, które są opisane poniżej.

Spis treści 1 Konfiguracja absolutna a aktywność optyczna 2 Konwencje nazewnicze konfiguracji absolutnej 2.1 Konwencja D-L (Fischera) 2.2 Konwencja Cahna-Ingolda-Preloga (R-S) 3 Praktyczne znaczenie konfiguracji absolutnej 4 Zobacz też 5 Przypisy 6 Bibliografia

[edytuj] Konfiguracja absolutna a aktywność optyczna

Często spotykane w biochemii oznaczanie typów enancjomerów (+) i (-) wynika bezpośrednio z tego, jak one skręcają płaszczyznę monochromatycznego światła spolaryzowanego o długości odpowiadającej tzw. pierwszej linii sodowej (por. skręcalność właściwa), natomiast nic nie mówi o ich konfiguracji absolutnej. Enancjomery (+) skręcają to światło w prawo, zaś (-) w lewo. Stąd oznaczenie to nazywa się często konfiguracją względną.

Konfiguracja absolutna cząsteczki może być określona bezpośrednio w wyniku badań metodą rentgenografii strukturalnej lub pośrednio - poprzez przeprowadzenie jej syntezy asymetrycznej z substratów o wcześniej ustalonej konfiguracji absolutnej. Nie da się jej natomiast wywieść wprost z samych badań skręcalności światła, choć istnieją próby dokonywania tego za pomocą obliczeń ab initio lub DFT^[1].

W wielu grupach organicznych związków chemicznych zbierany przez lata materiał porównawczy pozwala jednak z dużą precyzją przewidzieć konfigurację absolutną na podstawie kierunku skręcania światła. Na przykład w chemii steroidów istnieje tzw. reguła oktantów pozwalająca powiązać absolutną konfigurację cząsteczki z jej aktywnością optyczną. Podobne reguły znane są także dla aminokwasów i węglowodanów^[2].

[edytuj] Konwencje nazewnicze konfiguracji absolutnej

Stosuje się dwie konwencje:

• D-L (z aldehydem glicerynowym jako wzorcem) - tzw. konwencja Fischera
• R-S albo Cahna, Ingolda i Preloga

[edytuj] Konwencja D-L (Fischera)

Konwencja używana najczęściej do określania konfiguracji węglowodanów i aminokwasów. Cząsteczkę aldehydu glicerynowego prawoskrętnego (takiego, który skręca płaszczyznę światła spolaryzowanego w prawo) należy ustawić tak aby grupa -CHO znalazła się na górze, -OH po prawej stronie, -CH₂OH na dole, a -H po lewej. Ponadto grupy -H i -OH powinny znajdować się nad powierzchnią rysunku, a -CHO i -CH₂OH pod nią. W ten sposób otrzymuje się strukturę aldehydu D-glicerynowego.

Każdy związek o takim ułożeniu podstawników jest izomerem D. W przypadku cukrów o tym, czy związek jest D czy L decyduje ułożenie grup -OH i -H najbliższych grupie -CH₂OH (przy przedostatnim atomie węgla, licząc od grupy -CHO). Cukry w przyrodzie to D-cukry. W przypadku α-aminokwasów grupę -COOH ustawia się zamiast -CHO, -NH₂ zamiast -OH, a grupę charakterystyczną dla każdego aminokwasu zamiast grupy -CH₂OH.

Aminokwasy tworzące białka to L-aminokwasy, sporadycznie występują D-aminokwasy, jednak nie w połączeniach białkowych. Wybór aldehydu glicerynowego jako wzorca nie był przypadkowy, twórca tej konwencji Hermann Emil Fischer sprowadził problem absolutnej konfiguracji cukrów do znalezienia absolutnej konfiguracji właśnie tego związku. Zupełnie dowolnie założył, że prawoskrętny aldehyd glicerynowy ma w tej konwencji grupę -OH po stronie prawej, co okazało się słuszne dopiero po przeprowadzeniu badań rentgenograficznych.

[edytuj] Konwencja Cahna-Ingolda-Preloga (R-S)

Jest to metoda uniwersalna, którą można zastosować do wszystkich związków z asymetrycznymi atomami. Powstała ona w latach 50. XX w. w wyniku uzgodnień między trzema pionierami badań nad stereochemią:

• Vladimira Preloga
• Christophera Kelka Ingolda i
• Roberta Sidneya Cahna^[3][4].

Ustalanie konfiguracji absolutnej wokół danego centrum chiralności przeprowadza się zgodnie z następującymi regułami:

1. kolejności pierwszeństwa podstawników przyłączonych do atomu stanowiącego centrum chiralności
2. podstawnik o najniższym pierwszeństwie (D na rys. 1) musi znajdować się jak najdalej od obserwatora
3. jeśli układ pozostałych podstawników jest taki, że patrząc od strony obserwatora należy wodzić okiem od podstawnika o największym pierwszeństwie (A) do trzeciego w kolejności (C) zgodnie z kierunkiem wskazówek zegara to konfiguracja absolutna jest oznaczana literą R (do łac. rectus - prawy) , a gdy odwrotnie literą S (od łac. sinister - lewy).

Np.: w przypadku enancjomeru z jednym centrum chiralności o czterech podstawnikach A,B,C i D, których kolejność pierwszeństwa jest A>B>C>D, należy go ustawić w przestrzeni tak aby podstawnik D znalazł się najdalej z tyłu, a potem patrząc od frontu wodzić wzrokiem od podstawnika o największym pierwszeństwie do podstawnika o najmniejszym. Gdy wykonuje się wówczas ruch w prawo jest to konfiguracja R, a gdy w lewo S.

W ramach konwencja Cahna-Ingolda-Preloga istnieje pięć reguł ustalania kolejności podstawników:

1. W pierwszej instancji jest to liczba atomowa (l.a) atomu podstawnika, który jest bezpośrednio przyłączony do centrum chiralności. Oznacza to np.: że w sytuacji, gdy podstawniki są czterema różnymi pojedynczymi atomami (np.: jod (I, l.a = 57), brom (Br, l.a = 35), chlor (Cl, l.a= 17), wodór (H, l.a = 1) ich kolejność jest następująca: I > Br > Cl > H.
2. W wypadku występowania izotopów, o pierwszeństwie decyduje ich większa liczba masowa.
3. Jeśli podstawniki łączą się z centrum chiralności tymi samymi atomami, to bierze się pod uwagę kolejne atomy przyłączone bezpośrednio do atomu, którym cały podstawnik łączy się z centrum chiralności. Jeśli i te mają tę samą liczbę atomową, należy wziąć pod uwagę kolejne, dalsze atomy, aż w końcu dojdzie się do takiej pary atomów, z których jeden ma większą liczbę atomową od drugiego.
4. Gdy dalsze atomy są połączone wiązaniami wielokrotnymi, liczy się je jakby były połączone wiązaniami pojedynczymi, tyle że wiele razy. Na przykład z dwóch podstawników -A=B i -A-B, podstawnik -A=B będzie pierwszy, gdyż A łączy się z atomem B "dwa razy" podczas gdy podstawnik -A-B tylko "raz".
5. Gdy w podstawnikach występują ugrupowania cykliczne, a wcześniejsze reguły nie pozwoliły ustalić kolejności, decyduje o tym ta para dwóch różnych atomów w obu podstawnikach, które dzieli najmniejsza liczba wiązań chemicznych od centrum chiralności.

Przykład

Cząsteczka 4-bromo-3-chloro-1-jodopentanu:

zawiera cztery podstawniki wokół centrum chiralności (czerwony atom węgla):

• 2-jodoetylowy: ICH₂CH₂-
• 1-bromoetylowy: CH₃CHBr-
• chlorkowy: Cl-
• wodorkowy: H-

Zgodnie z regułą 1. pierwszy w kolejności jest podstawnik chlorkowy, (Cl), bo atom chloru ma większą liczbę atomową od węgla i wodoru. Ostatni w kolejności jest atom wodoru. Ustalenie kolejności podstawnika 2-jodoetylowego w stosunku do 1-bromoetylowego wymaga zastosowania reguły 3., gdyż jod ma co prawda większą liczbę atomową od chloru, ale jest dalej odsunięty od centrum chiralności. Zgodnie z regułą 3. podstawnik 1-bromoetylowy ma pierwszeństwo, gdyż atomowi bromu podstawionemu do atomu węgla, który jest bezpośrednio przyłączony do centrum chiralności odpowiada w podstawniku 2-jodoetylowym atom wodoru. Ostateczna kolejność podstawników wygląda zatem tak:

chlorkowy > 1-bromoetylowy > 2-jodoetylowy > wodorkowy

[edytuj] Praktyczne znaczenie konfiguracji absolutnej

Konfiguracja absolutna związków organicznych występujących w naturze decyduje o ich aktywności biologicznej. Zazwyczaj z dwóch enancjomerów określonego związku chemicznego (np. glukoza) tylko jeden z nich jest produkowany przez żywe organizmy i spełnia swoją biologiczną funkcję. Drugi jest obojętnie odrzucany przez organizm lub silnie toksyczny. Stąd ustalanie konfiguracji absolutnej związków organicznych ma duże znaczenie praktyczne. Zajmuje się tym stereochemia.

Na przykład jeden z enancjomerów (R) leku przeciwbólowego o nazwie talidomid ma pożądane działanie lecznicze, zaś drugi (S) jest silnym mutagenem powodującym choroby genetyczne, występujące u potomstwa. W organizmach ulega racemizacji (częściowej przemianie w drugi enancjomer), w wyniku czego nawet podawanie jedynie formy R nie jest bezpieczne. Obecnie talidomid stosowany jest pod ścisłym nadzorem jako lek przeciwnowotworowy (wykorzystując jego własności angiostatyczne)^[5].

[edytuj] Zobacz też

Izomeria geometryczna

Przypisy

[edytuj] Bibliografia

• R.T. Morrison, R.N. Boyd, Chemia Organiczna, PWN, W-wa, 1985, t. 1, str. 170-173, ISBN 83-01-05253-8
• J. March, Advanced Organic Chemistry 3Ed. ISBN 0-471-85472-7