Konfiguracja absolutna

Konfiguracja absolutna[1], konfiguracja bezwzględna – jednoznaczny sposób rozróżniania i nazewnictwa izomerów konfiguracyjnych[2], a ściśle biorąc ustalania rozmieszczenia w przestrzeni podstawników w enancjomerach i diastereoizomerach.

Enancjomery, jeden z rodzajów izomerów konfiguracyjnych związków chemicznych, różnią się między sobą tak jak lewa i prawa dłoń lub lewo- i prawoskrętna skorupa ślimaka, czyli mają się do siebie tak jak lustrzane odbicie do odbijanego przedmiotu. W przypadku związków organicznych ich chiralność wynika najczęściej z faktu występowania zestawu (albo zestawów) czterech różnych podstawników przy jednym atomie (lub większej liczbie atomów) węgla, czyli istnienia centrum (albo centrów) chiralności. 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, której „prawoskrętność” i „lewoskrętność” jest łatwo ustalić w intuicyjny sposób, jednoznaczne nazewnictwo enancjomerów wymaga przyjęcia zbioru zasad, które są opisane poniżej.

Konwencja Cahna-Ingolda-Preloga

Jest to metoda uniwersalna, którą można zastosować do wszystkich związków, których cząsteczki posiadają centrum (albo centra) chiralności. Powstała ona w latach 50. XX wieku w wyniku uzgodnień między trzema pionierami badań nad stereochemią:

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 pierwszym rysunku) 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, to literą S (od łac. sinister – lewy).
Konfiguracja R i S
Enancjomery bromochlorofluorometanu. Po lewej cząsteczka o konfiguracji S, po prawej o konfiguracji R. Pierwszeństwo podstawników według reguły nr 1: Br > Cl > F > H
Enancjomery cyklofosfamidu: R (po lewej) i S (po prawej). Pierwszeństwo podstawników według reguł nr 1 i 3: OR > O > NR2 > NHR

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 konwencji Cahna-Ingolda-Preloga istnieją następujące reguły ustalania pierwszeństwa:

  1. W pierwszej instancji jest to liczba atomowa (l.a.) atomu podstawnika, który jest bezpośrednio przyłączony do centrum chiralności. Oznacza to na przykład, że w sytuacji, gdy podstawniki są czterema różnymi pojedynczymi atomami (np. jod (I, l.a. = 53), brom (Br, l.a. = 35), chlor (Cl, l.a. = 17), wodór (H, l.a. = 1) ich kolejność jest następująca: I > Br > Cl > H. Jeżeli jednym z podstawników jest wolna para elektronowa, to przypisuje się jej l.a. = 0.
  2. W wypadku występowania izotopów, o pierwszeństwie decyduje ich większa liczba masowa.
  3. Jeśli podstawniki łączą się z centrum chiralności atomami tego samego pierwiastka, to bierze się pod uwagę kolejne atomy przyłączone bezpośrednio do atomu, którym cały podstawnik łączy się z centrum chiralności (czyli rozpatrujemy kolejną sferę koordynacyjną). Jeśli i te zestawy są takie same, należy wziąć pod uwagę kolejne, dalsze atomy, aż w końcu dojdzie się do takich zestawów atomów, z których jeden posiada przynajmniej jeden atom, który ma większą liczbę atomową od wszystkich atomów w drugim zestawie, albo większą liczbę atomów o największej liczbie atomowej. Porównajmy na przykład grupy: metylową i etylową. Kolejne sfery koordynacyjne dla grupy metylowej to: (C) --> (H, H, H); zaś dla etylowej: (C) --> (C, H, H) --> (H, H, H). Różnica pojawia się w drugiej sferze koordynacyjnej, a więc według reguł CIP grupa etylowa jest ważniejsza od metylowej.
  4. Gdy dalsze atomy są połączone wiązaniami wielokrotnymi, liczy się je jakby były połączone wiązaniami pojedynczymi, ale 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” (dokładniej: podstawnik −A=B jest równoważny układowi −A(B−A)B). Warto zaznaczyć, że mimo iż wiązanie P=O zapisuje się jako wiązanie wielokrotne, traktuje się je jak wiązanie pojedyncze P+
    O
    . Stąd podstawnik OR > O dla cyklofosfamidu na ilustracji[5].
  5. Jeżeli podstawniki różnią się jedynie konfiguracją absolutną na centrach chiralności, pierwszeństwo przypisuje się podstawnikowi R.

Przykład

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

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 lub pomiar jądrowego efektu Overhausera dla diastereomerycznej pochodnej. Nie da się jej natomiast wywieść wprost z samych badań skręcalności światła, choć istnieją próby dokonywania tego za pomocą pomiarów skręcalności światła sprzężonych z jej obliczeniami ab initio lub DFT[6].

W wielu grupach organicznych związków chemicznych zbierany przez lata materiał porównawczy pozwala jednak z dużym prawdopodobieństwem 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[7].

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.

Zobacz też

Przypisy

  1. Praca zbiorowa, The International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). Compendium of Chemical Terminology (the "Gold Book") (1997) - absolute configuration (A00020), A.D. McNaught, A. Wilkinson, S.J. Chalk (red.), wyd. 2, Oxford: Blackwell Scientific Publications, ISBN 0-9678550-9-8 [dostęp 2021-03-28].
  2. The International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), IUPAC - configuration (stereochemical) (C01249), goldbook.iupac.org [dostęp 2021-03-28].
  3. R.S. Cahn, C.K. Ingold, V. Prelog. The specification of asymmetric configuration in organic chemistry. „Experientia”. 12 (3), s. 81–94, 1956. DOI: 10.1007/BF02157171. 
  4. R.S. Cahn, C.K. Ingold, V. Prelog. Specification of Molecular Chirality. „Angew. Chem. Int. Ed. Engl.”. 5 (4), s. 385–415, 1966. DOI: 10.1002/anie.196603851. 
  5. Fundamentals of the Stereochemistry of Organophosphorus Compounds, [w:] Oleg I. Kolodiazhnyi, Asymmetric Synthesis in Organophosphorus Chemistry: Synthetic Methods, Catalysis, and Applications, Weinheim, Germany: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2016, s. 1–34, DOI10.1002/9783527341542.ch1, ISBN 978-3-527-34154-2 [dostęp 2021-01-14] (ang.).
  6. PJ. Stephens, FJ. Devlin, JR. Cheeseman, MJ. Frisch i inni. Determination of absolute configuration using ab initio calculation of optical rotation. „Chirality”. 15 (S1), s. S57-S64, 2003. DOI: 10.1002/chir.10270. PMID: 12884375. 
  7. Laurence D. Barron: Molecular Light Scattering and Optical Activity. Wyd. 2. Cambridge University Press, 2004, s. 291-394. ISBN 978-0-521-81341-9.

Bibliografia

  • Robert T. Morrison, Robert N. Boyd: Chemia organiczna. T. 1. Warszawa: PWN, 1985, s. 170-173. ISBN 83-01-04166-8.
  • Jerry March: Advanced Organic Chemistry. Wyd. 3. Wiley, 1985, s. ?. ISBN 0-471-85472-7.

Media użyte na tej stronie

Wikimedal POL.svg
Autor: Olek Remesz (wiki-pl: Orem, commons: Orem), Licencja: CC-BY-SA-3.0
Wikimedal, ze wstążką w kolorach polskiej flagi. Symbol Artykułu na Medal na Polskiej Wikipedii.
Cyclophosphamide Enantiomers V.1.svg
Autor: , Licencja: CC0
Cyclophosphamide_Enantiomers

(±)-Cyclophosphamide

(RS)-(±)-Cyclophosphamide
4-bromo-3-chloro-1-iodopentane.svg
Structural formula of the chemical compound 4-bromo-3-chloro-1-iodopentane
R S configuration.svg
Autor: unknown, Licencja: CC-BY-SA-3.0
Chiral.svg
이성질체