STEREOCHEMISTRY Part II By Parinya Theramongkol , Ph.D. Department of Chemistry Faculty of Science , Khon Kaen University 12/2/2018 Parinya T.C211.2008

Chirality of Molecules SYMMETRY Point of Symmetry Plane of Symmetry Axis of Symmetry . 12/2/2018 Parinya T.C211.2008

! Plane of Symmetry สิ่งใดที่มีระนาบแห่งสมมาตร (plane of Symmetry) สิ่งนั้นจะสามารถซ้อนทับได้สนิททุกประการ (superimpose) กับรูปเสมือนในกระจกเงา (mirror image) ! 12/2/2018 Parinya T.C211.2008

สิ่งที่ไม่มีระนาบแห่งสมมาตร Chirality Chiral (handedness) : มีลักษณะแบบมือ (มีซ้าย-มีขวา) Chiral object สิ่งที่ไม่สามารถซ้อนทับได้สนิททุกประการกับรูปเสมือนในกระจกเงา สิ่งที่ไม่มีระนาบแห่งสมมาตร 12/2/2018 Parinya T.C211.2008

sp3carbon atom ที่มีกลุ่มทั้งสี่แตกต่างกัน ENANTIOMERS Stereoisomers ที่เกิดจากโมเลกุลแบบ chiral ซึ่งจะ ไม่ซ้อนทับได้สนิททุกประการ กับโมเลกุลที่เป็น รูปเสมือนในกระจกเงาของมัน (mirror image) โมเลกุลแบบ chiral CHIRAL CARBON CENTER sp3carbon atom ที่มีกลุ่มทั้งสี่แตกต่างกัน 12/2/2018 Parinya T.C211.2008

Nonsuperimposable mirror Chiral Carbon Atom ที่จริงควรเรียกว่า Chiral carbon center เพราะ สิ่งที่เป็น chiral คือ โมเลกุลที่มี carbon atom แบบนั้น chiral carbon center Nonsuperimposable mirror image 12/2/2018 Parinya T.C211.2008

การวาดรูปเพื่อแสดง chiral center แบบ 3-D 12/2/2018 Parinya T.C211.2008

คุณสมบัติของ Enantiomers Chemical Physical โดยทั่วไป..เหมือนกัน เกือบทุกประการ ยกเว้น ทำปฏิกริยากับ Chiral molecules ทิศทางการบิดเบน ระนาบของแสงแบบ Plane-polarized 12/2/2018 Parinya T.C211.2008

Plane-polarized Light electric field vectors are all aligned in the same direction 12/2/2018 Parinya T.C211.2008

Polarized Light Polarized light consists of individual photons whose electric field vectors are all aligned in the same direction. Ordinary light is unpolarized because the photons are emitted in a random manner, while laser light is polarized because the photons are emitted coherently. When light passes through a polarizing filter, the electric field interacts more strongly with molecules having certain orientations. This causes the incident beam to separate into two beams, whose electric vectors are perpendicular to each other. A horizontal filter absorbs photons whose electric vectors are vertical (above). The remaining photons are absorbed by a second filter turned 90° to the first. At other angles the intensity of transmitted light is proportional to the square of the cosine of the angle between the two filters. In the language of quantum mechanics, polarization is called state selection. Because photons have only two states, light passing through the filter separates into only two beams. Microsoft Illustration "Polarized Light," Microsoftฎ Encartaฎ 96 Encyclopedia. ฉ 1993-1995 Microsoft Corporation. All rights reserved. 12/2/2018 Parinya T.C211.2008

เมื่อ plane-polarized light ส่องผ่านสารละลายของ enantiomer เกิดการบิดเบนของระนาบแสง (optical rotation) Levorotatory = บิดซ้าย (-) บิดขวา (+) = dextrorotatory a - + 12/2/2018 Parinya T.C211.2008

Enantiomers : Optical isomers ทั้งนี้เพราะเมื่อสารใดสามารถ บิดเบนระนาบของ plane-polarized light ได้ จะถือว่ามี สมบัติเป็นสารที่ optically active Polarimeter : เครื่องมือที่ใช้วัดการบิดเบนระนาบของ plane-polarized light Specific rotation : ค่าการบิดเบนมีหน่วยเป็น องศา (o) เมื่อใช้สารละลายเข้มข้น 1.00 กรัม / ml โดยใช้หลอดบรรจุสารยาว 1 dm ณ อุณหภูมิ และความยาวคลื่นของแสงที่ใช้ซึ่งระบุค่าแน่นอน (ปกติใช้แสง จากหลอดโซเดียม ความยาวคลื่น 589.3 nm , D-line) 12/2/2018 Parinya T.C211.2008

วิธีคำนวณค่า specific rotation 20 [ ] D = lc 20 [ ] a D = specific rotation ของ sodium D-line ที่ 20oC a = ค่า rotation ที่วัดได้ ณ 20oC l = cell length มีหน่วยเป็น dm c = ความเข้มข้น มีหน่วยเป็น g/ml 12/2/2018 Parinya T.C211.2008

Relative & Absolute Configuration ที่ chiral carbon center opposite configurations 20 [ ] a D = +8.7 o 20 [ ] a D = -8.7 o 12/2/2018 Parinya T.C211.2008

chiral center ไม่เปลี่ยนแปลง Relative configuration : การเปรียบเทียบลำดับของการจัดเรียงกลุ่มที่ chiral center อันหนึ่ง กับ chiral center อีกอันหนึ่ง (ซึ่งรู้ configuration มาก่อน) chiral center ไม่เปลี่ยนแปลง oxidation (-)- glyceric acid มี relative configuration เหมือน (+)-glyceraldehyde 12/2/2018 Parinya T.C211.2008

Assignment of Configuration The (R) & (S) System Absolute configuration สามารถระบุได้ 2 แบบ คือ ... 1. (R) = rectus = right : กลุ่มที่มีลำดับความสำคัญเรียงตัวจาก มากไปหาน้อยแบบตามเข็มนาฬิกา 2. (S) = sinister = left : กลุ่มที่มีลำดับความสำคัญเรียงตัวจาก มากไปหาน้อยแบบทวนเข็มนาฬิกา การพิจารณาลำดับความสำคัญ (order of priority) ใช้ sequence rules (Cahn - Ingold - Prelog) ที่เรียนมาแล้ว 12/2/2018 Parinya T.C211.2008

วิธีกำหนดแบบของ configuration ที่ chiral center 1. หาลำดับความสำคัญของกลุ่มทั้งสี่ตาม sequence rules 2. จัดโมเลกุลให้กลุ่มที่มีลำดับความสำคัญต่ำสุด ชี้ไปด้านหลัง 3. เริ่มจากกลุ่มที่ลำดับความสำคัญสูงสุด เขียนลูกศร วนไปทางกลุ่มที่มีความสำคัญรองลงไป 4. ถ้าลูกศร วนตามเข็มนาฬิกา = (R) ถ้าลูกศร วนทวนเข็มนาฬิกา = (S) 12/2/2018 Parinya T.C211.2008

(R)-Bromochlorofluoromethane Example #2 Step 1 Step 2 #3 #1 #4 Step 3 Step 4 = ตามเข็มนาฬิกา = (R) (R)-Bromochlorofluoromethane 12/2/2018 Parinya T.C211.2008

(R)-(+)-glyceraldehyde #1 #3 #2 (R)-(+)-glyceraldehyde 12/2/2018 Parinya T.C211.2008

More examples 12/2/2018 Parinya T.C211.2008

Racemic mixture Racemic mixture หรือ racemic modification : ของผสมที่ประกอบ ด้วยคู่ enantiomers อย่างละเท่าๆกัน เขียนสัญญลักษณ์เป็น ( ) + _ Optical rotation = 0o Resolution หรือ resolving Optically inactive Levorotatory enantiomer Dextrorotatory enantiomer 12/2/2018 Parinya T.C211.2008

Chiral drugs Tradename : Motrin , Advil , Nuprin Activity : analgesic , antiinflammatory (reduce swelling and inflammation) Present situation : prepared ,sold , administered as racemic mixtures. Q. Ibuprofen มี chiral center กี่แห่ง ? อยู่ที่ไหน ? 12/2/2018 Parinya T.C211.2008

Fact 1 : only the (S)-enantiomer is biologically active ! Fact 2 : the (R)-enantiomer is biologically inert ! Fact 3 : body converts (R)-enantiomer to active (S)-enantiomer Q. โครงสร้างของ (S)-enantiomer เป็นอย่างไร ? 12/2/2018 Parinya T.C211.2008

Activity : sedative , anti-nausea (morning sickness) Thalidomide baby dog ? Thalidomide baby Activity : sedative , anti-nausea (morning sickness) Past situation : prepared ,sold , administered as racemic mixtures. During 1959 - 1962 , in Europe and Great Britain Over 2,000 cases of serious birth defects in children born to women who took it while pregnant ! 12/2/2018 Parinya T.C211.2008

Fact 1 : only the (R)-enantiomer has the desired drug activity ! Fact 2 : the (S)-enantiomer is a mutagen ! Q. โครงสร้างของ (R)-enantiomer เป็นอย่างไร ? 12/2/2018 Parinya T.C211.2008

โมเลกุลที่มี chiral centers > 2 mirror I II III IV 12/2/2018 Parinya T.C211.2008

จำนวน stereoisomers ที่มากที่สุด = ? จำนวน stereoisomers ที่มากที่สุด = 2n เมื่อ n = จำนวน chiral centers ในโมเลกุล ถ้า n = 2 , จำนวน stereoisomers ที่มากที่สุด = 22 = 4 ความสัมพันธ์ระหว่าง stereoisomers เหล่านี้ เป็นอย่างไร ? 12/2/2018 Parinya T.C211.2008

diastereomers enantiomers enantiomers diastereomers I II III IV 12/2/2018 Parinya T.C211.2008

Diastereomers คืออะไร ? Diastereomers คือ optical isomers ที่ไม่เป็น รูปเสมือนในกระจกเงา และมีคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีแตกต่างกัน ลองพิจารณา 2,3-butanediol ดูบ้าง ... 12/2/2018 Parinya T.C211.2008

MESO COMPOUND (meso form) Plane of symmetry I II III IV Identical ! MESO COMPOUND (meso form) คือ stereoisomer ที่มี chiral centers แต่มีระนาบแห่งสมมาตรอยู่ภายในโมเลกุล และมี optical rotation = 0o 12/2/2018 Parinya T.C211.2008