Chapter 05 - Stereo Chemistry

‫פרק ‪ - 5‬סטריאוכימיה‬ ‫תרכובות שאינן זהות אך בעלות אותה נוסחה מולקולרית קרויות איזומרים‪ .‬איזומרים מתחלקים לשתי קבוצות‪ :‬איזומרים מבניים‬ ‫ואיזומרים אופטיים‪ .‬איזומרים מבניים נבדלים באופן בו מחוברים האטומים‪ .‬לדוגמא‪ ,‬אתנול ודימתיל אתר הם איזומרים מבניים מכיוון‬ ‫שהם בעלי אותה נוסחה מולקולרית ‪ ,C2H6O‬אך האטומים בכל תרכובת מחוברים בצורה שונה‪ .‬החמצן באתנול מחובר לפחמן ומימן‪,‬‬ ‫בעוד שהחמצן בדימתיל אתר מחובר לשני פחמנים‪.‬‬ ‫בניגוד לאטומים באיזומרים מבניים‪ ,‬האטומים באיזומרים אופטיים מחוברים‬ ‫באופן זהה‪ .‬סטריאואיזומרים נבדלים באופן בו האטומים שלהם מסודרים‬ ‫במרחב‪ .‬סטריאואיזומרים הנם תרכובות שונות שלא מחליפות צורה בקלות ולכן‬ ‫ניתן להפריד ביניהם‪ .‬ישנם ‪ 2‬סוגים של סטריאואיזומרים‪:‬‬ ‫א( איזומרי ציס‪/‬טרנס‬ ‫ב( איזומרים בעלי מרכזים כִּיראלים‪.‬‬ ‫‪ .1‬איזומרי ציס‪/‬טרנס‬ ‫איזומרי ציס‪/‬טרנס )נקראים גם איזומרים גיאומטריים( נובעים מרוטציה מוגבלת‪ .‬רוטציה מוגבלת נגרמת ע"י קשר כפול או ע"י מבנה‬ ‫טבעתי‪ .‬כתוצאה מרוטציה מוגבלת סביב קשר פחמן‪-‬פחמן כפול‪ ,‬אלקֵן כגון ‪-2‬פנטֵן יכול להתקיים בצורת ציס או בצורת טרנס‪ .‬באיזומר‬ ‫ציס‪ -‬המימנים מצויים באותו צד של הקשר הכפול‪ ,‬בעוד שבאיזומר טרנס המימנים מצויים בצדדים מנוגדים של הקשר הכפול‪ .‬תרכובות‬ ‫ציקליות גם יכולות להופיע בצורת ציס‪/‬טרנס‪ .‬באיזומר ציס‪ ,‬המימנים מצויים באותו צד של הטבעת‪ ,‬בעוד שבאיזומר טרנס המימנים‬ ‫מצויים בצדדים מנוגדים של הטבעת‪.‬‬

‫‪ .2‬כּיראליות‬ ‫מדוע לא ניתן לשים את נעל שמאל על רגל ימין? מדוע לא ניתן להכניס את יד ימין‬ ‫לכפפת יד שמאל? זאת משום שידיים‪ ,‬רגליים‪ ,‬נעליים‪ ,‬כפפות – בעלי צורה ימנית‬ ‫וצורה שמאלית‪ .‬אובייקט בעל צורה ימנית וצורה שמאלית הינו כיראלי )‪.(chiral‬‬ ‫לאובייקט כיראלי בבואת ראי השונה מצורתו האמיתית‪ .‬אם נסתכל על יד שמאל‬ ‫בראי‪ -‬תשתקף לנו יד ימין‪ .‬לעומת זאת‪ ,‬כיסא אינו כיראלי‪ -‬צורתו האמיתית דומה‬ ‫להשתקפותו במראה‪ .‬לאובייקטים שאינם כיראלים קוראים אכיראלים )‪.(achiral‬‬ ‫‪ .3‬פחמנים אסימטרים‪ ,‬מרכזים כיראלים וסטריאומרכזים‬ ‫לא רק אובייקטים הם כיראלים‪ ,‬אלא גם מולקולות‪ .‬התכונה השכיחה ביותר שמקנה למולקולה כיראליות היא פחמן אסימטרי‪.‬‬ ‫פחמן אסימטרי‪ -‬אטום פחמן המחובר ל‪ 4-‬קבוצות שונות‪ .‬מסומן ע"י כוכבית )*(‬ ‫הפחמן המסומן ב‪ 4-‬אוקטנול הוא אסימטרי משום שהוא מחובר ל‪ 4-‬קבוצות שונות‪: H,OH, CH3(CH2)2, CH3(CH2)3 :‬‬

‫*‬

‫‪CH3CH2CH2CHCH2CH2CH2CH3‬‬ ‫‪OH‬‬

‫השוני אינו נובע רק מהאטומים הקרובים לפחמן האסימטרי‪ ,‬אלא מהקבוצה השלמה המחוברת אליו‪ .‬קבוצת פרופיל‬ ‫וקבוצת בוטיל נחשבות לשתי קבוצות שונות‪ ,‬למרות שהשוני ביניהם מופיע רחוק מהפחמן האסימטרי‪.‬‬

‫שימו לב‪ :‬רק פחמנים בעלי היברידיזציה ‪ sp3‬יכולים להיות אסימטרים‪ :‬פחמנים בהיברידיזציה ‪ sp‬או ‪ sp2‬אינם יכולים להיות אסימטרים‬ ‫משום שלא מחוברות אליהם ‪ 4‬קבוצות‪.‬‬ ‫פחמן אסימטרי ידוע גם כמרכז כיראלי‪ .‬גם אטומים אחרים‪ ,‬כגון חנקן או זרחן‪ ,‬יכולים להיות מרכזים כיראלים‪ -‬כאשר הם מחוברים ל‪4-‬‬ ‫קבוצות שונות‪ .‬במילים אחרות‪ ,‬פחמן אסימטרי הוא רק סוג אחד של מרכז כיראלי‪ .‬מרכזים כיראלים שייכים לקבוצה נרחבת יותר‬ ‫הקרויה סטריאומרכזים‪.‬‬ ‫‪ .4‬איזומרים עם פחמן אסימטרי אחד‬ ‫תרכובת בעלת פחמן אסימטרי אחד‪ ,‬כגון ‪-2‬ברומובוטאן‪ ,‬יכולה להתקיים כשני סטריאואיזומרים שונים‪ .‬שני האיזומרים אנלוגיים ליד‬ ‫ימין ויד שמאל‪ -‬כל איזומר הוא בבואת ראי של האיזומר השני‪ .‬שני האיזומרים הללו קרויים אננטיומרים‪ ,‬וחשוב לזכור שהם מולקולות‬ ‫שונות‪ .‬מולקולה בעלת בבואת ראי שונה מצורתה היא כיראלית‪ ,‬כלומר כל אננטיומר הוא כיראלי‪ .‬מולקולה בעלת בבואת ראי דומה‬ ‫לצורתה היא אכיראלית‪ .‬ולכן אם למולקולה יש שתי צורות אננטיומריות‪ -‬סימן שהיא כיראלית‪ .‬כיראליות היא תכונה של כל המולקולה‪.‬‬

‫‪ .5‬ציור אננטיומרים‬ ‫כימאים מציירים אננטיומרים ע"י היטלים פשוטים או ע"י היטלי פישר‪.‬‬ ‫א‪ .‬היטל פשוט‪ -‬מציג שני קשרים של הפחמן האסימטרי על מישור הדף‪ ,‬קשר שלישי כקו בולט היוצא אל מחוץ הדף‪ ,‬וקשר רביעי‬ ‫כקו מקווקו הנכנס אל תוך הדף‪ .‬את האננטיומר הראשון מציירים ללא סדר מסוים של הקשרים‪ ,‬ואת האננטיומר השני יש לצייר‬ ‫כבבואת הראי של האננטיומר הראשון‪.‬‬

‫ב‪ .‬היטל פישר‪" -‬קיצור דרך" להצגת הסידור התלת ממדי של הקבוצות המחוברות לפחמן האסימטרי‪ .‬בהיטל פישר‪ ,‬הפחמן‬ ‫האסימטרי ממוקם בצומת בין ‪ 2‬קווים‪ :‬קו מאוזן‪ ,‬המייצג קשרים הפונים מחוץ לדף )לכיוון הצופה( וקו מאונך‪ ,‬המייצג קשרים‬ ‫שפונים לתוך הדף )הרחק מהצופה(‪ .‬שרשרת פחמנית תופיע תמיד במאונך‪ ,‬כאשר ‪ C-1‬מצוי בצמרת‪.‬‬ ‫ע"מ לצייר אננטיומרים בשיטת היטלי פישר‪ ,‬יש לצייר את האננטיומר הראשון ללא סדר מסוים של הקשרים‪ .‬את האננטיומר‬ ‫השני יש לצייר ע"י החלפה של ‪ 2‬אטומים או ‪ 2‬קבוצות‪ .‬לא משנה אילו שתי קבוצות מחליפים‪ ,‬אך עדיף להחליף את הקבוצות‬ ‫שעל הקו המאוזן מכיוון שבאופן זה קל יותר לראות את בבואת הראי‪.‬‬

‫דגש‪ :‬החלפת ‪ 2‬מתמירים תמיד תיתן את האננטיומר השני‪ -‬בין אם מציירים היטלים פשוטים ובין אם מציירים היטלי פישר‪ .‬החלפה‬ ‫נוספת תחזיר אותנו למולקולה המקורית‪.‬‬ ‫סטריאומרכז – אטום בו החלפת ‪ 2‬קבוצות נותנת סטריאואיזומר‪ .‬אלו סטריאומרכזים הכרנו עד כה?‬ ‫• פחמנים אסימטריים‪ ,‬בהם החלפת ‪ 2‬קבוצות נותנת אננטיומר‪.‬‬ ‫• פחמנים בהם החלפת ‪ 2‬קבוצות הופכת איזומר ציס לטרנס ולהיפך‪.‬‬ ‫• פחמנים בהם החלפת ‪ 2‬קבוצות הופכת איזומר ‪ E‬ל‪ Z-‬ולהיפך‪.‬‬ ‫‪ .6‬הגדרת אננטיומרים‪ :‬נומנקלטורה של שיטת ‪S,R‬‬ ‫דרושה שיטה הנותנת שמות לסטריאואיזומרים של תרכובות כגון ‪-2‬ברומובוטאן‪ ,‬כך שנוכל לדעת על איזה סטריאואיזומר מדובר‪.‬‬ ‫במילים אחרות‪ ,‬דרושה שיטה של נומנקלטורה שמגדירה את הקונפיגורציה של הקבוצות סביב הפחמן האסימטרי‪ .‬כימאים משתמשים‬ ‫באותיות ‪ S‬ו‪ R-‬לציין קונפיגורציה זו‪ .‬עבור כל זוג אננטיומרים עם פחמן אסימטרי אחד‪ ,‬יהיה סטריאואיזומר בעל קונפיגורציה ‪R‬‬ ‫וסטריאואיזומר בעל קונפיגורציה ‪ .S‬כיצד קובעים את הקונפיגורציה?‬ ‫)א( נתחיל עם מודל תלת ממדי‪:‬‬ ‫‪ (1‬דרג את הקבוצות לפי סדר עדיפות סביב הפחמן האסימטרי‪.‬‬ ‫המספר האטומי של האטומים הקשורים ישירות לפחמן האסימטרי קובע את העדיפות של הקבוצה‪ .‬ככל‬ ‫שהמספר האטומי גבוה יותר‪ ,‬כך גדלה עדיפות הקבוצה‪) .‬שימו לב לדמיון בין כלל זה לבין הכלל לקביעת‬ ‫סדרי עדיפויות באיזומרי ‪ .Z,E‬מדובר באותה מערכת כללים(‬ ‫‪ (2‬כוון את המולקולה כך שהקבוצה בעלת העדיפות הנמוכה ביותר )‪ (4‬פונה לתוך הדף‪.‬‬ ‫צייר חץ מהקבוצה בעלת העדיפות העליונה )‪ (1‬דרך הקבוצה בעלת העדיפות השניה )‪(2‬‬ ‫לקבוצה בעלת העדיפות השלישית )‪.(3‬‬ ‫אם החץ מצביע בכיוון השעון – לאטום האסימטרי יש קונפיגורציה ‪.R‬‬ ‫אם החץ מצביע נגד כיוון השעון – לאטום האסימטרי יש קונפיגורציה ‪.S‬‬ ‫למי שמסתבך‪ ,‬מומלץ לקשר את הנומנקלטורה לנהיגה‪ :‬ע"מ לפנות ימינה )‪ ,(Right‬נסובב‬ ‫את ההגה לכיוון השעון‪...‬‬

‫‪1‬‬ ‫)ב( נמשיך עם היטל פשוט של האננטיומרים של ‪ 2‬ברומובוטָן‪:‬‬ ‫‪ .1‬דרג את הקבוצות לפי סדר עדיפות סביב הפחמן האסימטרי‪.‬‬ ‫בדוגמא שלנו‪ -‬לברום יש את המספר האטומי הגבוה ביותר ולכן הוא מס' ‪ .1‬אחריו תגיע קב' האתיל )‪,(2‬‬ ‫המתיל )‪ (3‬ובסוף המימן )‪.(4‬‬ ‫‪ .2‬אם הקבוצה בעלת העדיפות הנמוכה ביותר קשורה לאטום האסימטרי בקו מקווקו‪ -‬יש לצייר חץ‬ ‫מהקבוצה בעלת העדיפות העליונה )‪ (1‬דרך הקבוצה בעלת העדיפות השניה )‪ (2‬לקבוצה השלישי )‪.(3‬‬ ‫אם החץ מצביע בכיוון השעון – לאטום האסימטרי יש קונפיגורציה ‪.R‬‬ ‫אם החץ מצביע נגד כיוון השעון – לאטום האסימטרי יש קונפיגורציה ‪.S‬‬ ‫‪ .3‬אם הקבוצה בעלת העדיפות הנמוכה ביותר לא קשורה לאטום האסימטרי בקו‬ ‫מקווקו‪ -‬יש להחליף בין הקווים כך שקו שהיה בולט הוא כעת מקווקו ולהיפך‪ .‬אח"כ יש‬ ‫לחזור לכלל ‪ 2‬ולקבוע את סוג הקונפיגורציה‪ .‬אולם‪ ,‬מצאנו את הקונפיגורציה של‬ ‫האננטיומר של המולקולה המקורית )בגלל ההחלפה(‪ .‬ולכן‪ ,‬אם התקבלה קונפיגורציה ‪,R‬‬ ‫למולקולה המקורית יש קונפיגורציה ‪ S‬ולהיפך‪.‬‬

‫‪4‬‬ ‫‪3‬‬

‫‪2‬‬

‫דגש‪ :‬ניתן לצייר חץ מקבוצה ‪ 1‬לקבוצה ‪ 2‬דרך קבוצה ‪ ,4‬אך לא דרך קבוצה ‪.3‬‬ ‫)ג( כעת נסתכל על היטל פישר של תרכובת‪:‬‬ ‫‪ .1‬דרג את הקבוצות לפי סדר עדיפות סביב הפחמן האסימטרי‪.‬‬

‫‪1 Cl‬‬ ‫‪2‬‬

‫‪ .2‬אם הקבוצה בעלת העדיפות הנמוכה נמצאת על קו מאונך‪ -‬יש לצייר חץ מהקבוצה בעלת‬ ‫העדיפות העליונה )‪ (1‬דרך הקבוצה בעלת העדיפות השניה )‪ (2‬לקבוצה השלישי )‪.(3‬‬ ‫‪(R)-3-chlorohexane‬‬ ‫אם החץ מצביע בכיוון השעון – לאטום האסימטרי יש קונפיגורציה ‪.R‬‬ ‫אם החץ מצביע נגד כיוון השעון – לאטום האסימטרי יש קונפיגורציה ‪.S‬‬

‫‪CH2CH2CH3‬‬

‫‪4 H‬‬

‫‪(S)-2-butanol‬‬

‫‪ .3‬אם הקבוצה בעלת העדיפות הנמוכה ביותר נמצא על קו מאוזן‪ -‬הקונפיגורציה שנקבל ע"י‬ ‫ציור החץ תהיה הפוכה לזו האמיתית‪ .‬אם החץ יצביע לכיוון השעון‪ ,‬מה שמעיד על קונפיגורציה ‪,R‬‬ ‫הקונפיגורציה האמיתית של התרכובת היא ‪ S‬ולהיפך‪.‬‬

‫‪CH3CH2‬‬

‫‪1‬‬ ‫‪OH‬‬

‫‪CH3‬‬

‫‪3‬‬ ‫‪4H‬‬

‫‪CH2CH3‬‬ ‫‪2‬‬ ‫קל להבחין באננטיומרים במידה ונתונים מודלים תלת‪-‬ממדיים‪ .‬אולם‪ ,‬סביר להניח שאנחנו נקבל מודל דו‪-‬ממדי‪ ,‬בו ההבחנה אינה כ"כ‬ ‫פשוטה‪ .‬לכך‪ ,‬יש לקבוע האם המולקולות זהות או אננטיומריות ע"י מציאת הקונפיגורציה שלהן‪ .‬אם לאחת יש קונפיגורציה ‪ R‬ולשניה‬ ‫קונפיגורציה ‪ – S‬הן אננטיומריות‪ .‬אם לשתיהן יש קונפיגורציה ‪ R‬או קונפיגורציה ‪ – S‬הן זהות‪.‬‬ ‫חשוב לזכור‪ :‬לעולם אין לסובב היטל פישר ב‪ ! 90° -‬ניתן לסובבו רק ב‪ 180° -‬על מישור הדף‪.‬‬

‫‪ .7‬פעילות אופטית‬ ‫לאננטיומרים תכונות משותפות רבות‪ :‬נקודת רתיחה‪ ,‬נקודת היתוך ומסיסות‪ .‬בעצם‪ ,‬כל התכונות הפיזיקליות של אננטיומרים זהות‪ ,‬מלבד‬ ‫אלו שנובעות מהאופן בו מסודרות הקבוצות המחוברות לפחמן האסימטרי במרחב‪ .‬לדוגמא‪ ,‬תכונה אחת שאינה זהה אצל זוג אננטיומרים‬ ‫היא האופן בו הם מגיבים עם אור מקוטב‪.‬‬ ‫אז מהו בעצם אור מקוטב? אור רגיל מכיל גלים אלקטרומגנטים הנעים בכל הכיוונים‪ .‬לעומת זאת‪ ,‬אור המישור המקוטב )או אור מקוטב‬ ‫לקיצור( נע במישור אחד בלבד‪ ,‬כאשר הוא עובר דרך נתיב התפשטות‪ .‬אור מקוטב נוצר ע"י העברת אור רגיל דרך ‪ polarizer‬כגון‬ ‫עדשה מקוטבת או פריזם ‪.Nicol‬‬

‫כאשר אור מקוטב עובר דרך תמיסה של מולקולות אכיראליות‪ ,‬הוא יוצא מהתמיסה עם מישור הקיטוב ההתחלתי שלו‪.‬‬ ‫תרכובות אכיראליות אינן מסובבות את מישור הקיטוב ולכן הן אינן פעילות אופטית‪.‬‬

‫‪3‬‬

‫לעומת זאת‪ ,‬כאשר אור מקוטב עובר דרך תמיסה של מולקולות כיראליות‪ ,‬הוא יוצא עם מישור קיטוב חדש‪ .‬לכן‪ ,‬תמיסה כיראלית‬ ‫מסובבת את מישור הקיטוב‪ .‬תרכובת כיראלית יכולה להסיט את מישור הקיטוב בכיוון השעון או נגד כיוון השעון‪ .‬אם אננטיומר מסובב‬ ‫את מישור הקיטוב בכיוון השעון – בבואת הראי שלו תסובב את מישור הקיטוב בדיוק באותה זווית רק נגד כיוון השעון‪.‬‬ ‫תרכובות כיראליות מסובבות את מישור הקיטוב ולכן הן פעילות אופטית‪.‬‬

‫תרכובת כיראלית יכולה להסיט את מישור האור המקוטב בכיוון השעון )‪ (+‬או )‪ (D‬ונגד כיוון השעון )‪ (-‬או )‪.(L‬‬ ‫אין להתבלבל בין )‪ (-),(+‬לבין ‪ R‬ו‪:S-‬‬ ‫‪ (-),(+) .1‬או )‪ : (L),(D‬מציינים את הכיוון בו התרכובת הכיראלית מסיטה את מישור האור המקוטב‪.‬‬ ‫‪ : S,R .2‬מציינים את הסידור המרחבי של הקבוצות סביב הפחמן האסימטרי‪.‬‬ ‫ישנן תרכובות בעלות קונפיגורציה ‪ R‬אשר מסובבות את האור בכיוון )‪ ,(+‬וישנן תרכובות ‪ R‬המסובבות את האור בכיוון )‪ .(-‬ידיעת‬ ‫הקונפיגורציה ‪ S‬או ‪ R‬של תרכובת כיראלית אינה מספיקה ע"מ לקבוע את הכיוון בו תסובב התרכובת את מישור האור המקוטב‪ .‬הדרך‬ ‫היחידה לדעת היא ע"י ניסויים‪ .‬אם מצאנו את הכיוון בו מסיטה התרכובת את האור המקוטב‪ ,‬ניתן להוסיף )‪ (+‬או )‪ (-‬לשמה‪.‬‬ ‫הזווית בה תרכובת כיראלית מסיטה את מישור האור המקוטב ניתנת למדידה ע"י ‪] .polarimeter‬הספר מסביר על אופן פעולתו של ה‪-‬‬ ‫‪[.polarimeter‬‬ ‫תערובת המכילה כמויות שוות של שני אננטיומרים קרויה תערובת רצמית )‪ .(racemic mixture‬תערובות רצמיות לא מסובבות את‬ ‫מישור האור המקוטב‪ .‬הן אינן פעילות מבחינה אופטית משום שלכל מולקולה שמסובבת את מישוב הקיטוב בכיוון אחד‪ ,‬יש מולקולה‬ ‫דמוית‪-‬מראה שמסובבת את מישור הקיטוב בכיוון ההפוך‪ .‬כתוצאה מכך‪ ,‬האור יוצא מתערובת רצמית עם מישור הקיטוב איתו נכנס‪.‬‬ ‫הסימול )‪ (±‬נועד לסמן תערובת רצמית‪ .‬לדוגמא‪-2-(±) :‬ברומובוטאן מציין תערובת של )‪-2-(+‬ברומובוטאן וכמות שווה של )‪-2-(-‬‬ ‫ברומוטָן‪.‬‬ ‫‪ .8‬טוהר אופטי ועודף אננטיומרי )דלגו על חלק זה!(‬ ‫ניתן לקבוע אם מדגם מסוים מכיל אננטיומר אחד או תערובת אננטיומרים ע"י ‪ .observed specific rotation‬לדוגמא‪ ,‬מדגם טהור‬ ‫מבחינה אננטיומרית )= יש רק אננטיומר אחד( של ‪ (s)-(+)-2-bromobutane‬יהיה בעל ‪ observed specific rotation‬של ‪ .23.1°‬אם‬ ‫למדגם של ‪-2‬ברומובוטאן יהיה ‪ observed specific rotation‬של ‪ ,0°‬נדע כי התערובת היא תערובת רצמית‪ .‬אם למדגם יהיה‬ ‫‪ observed specific rotation‬חיובי אך קטן מ‪ ,23.1° -‬נדע כי בידנו תערובת של אננטיומרים וכי כמות האננטיומר בעל קונפיגורציה ‪S‬‬ ‫גדולה מכמות האננטיומר בעל קונפיגורציה ‪.R‬‬ ‫האופטי‬ ‫הטוהר‬ ‫את‬ ‫לחשב‬ ‫מה‪ ,observed specific rotation -‬ניתן‬ ‫‪observed specific rotation‬‬ ‫= ‪optical purity‬‬ ‫של תערובת‪:‬‬ ‫‪specific rotation of the pure enantiomer‬‬ ‫לדוגמא‪ ,‬למדגם של ‪-2‬ברומובוטאן יש ‪ observed specific rotation‬של ‪ ,9.2°‬אז הטוהר האופטי שלו הוא ‪.[9.2/23.1 =0.4] 0.4‬‬ ‫במילים אחרות המדגם ‪ 40%‬טהור מבחינה אופטית‪ ,‬או ‪ 40%‬מהתערובת מכילים עודף של אננטיומר אחד‪.‬‬ ‫היות וה‪ observed specific rotation -‬חיובי‪ ,‬אנו יודעים שהתרכובת מכילה עודף של ‪ .(s)-(+)-2-bromobutane‬העודף האננטיומרי‬ ‫מציין כמה עודף של ‪ (s)-(+)-2-bromobutane‬יש‬ ‫בתערובת‪ .‬כל עוד התרכובת טהורה מבחינה כימית‪ ,‬עודף‬ ‫אננטיומרי וטוהר אופטי יהיו זהים‪.‬‬

‫אם לתערובת יש ‪ 40%‬עודף אננטיומרי‪ ,‬אז ‪ 40%‬מהתערובת הם עודף אננטיומר ‪ S‬ו‪ 60% -‬מהתערובת הם תערובת רצמית‪.‬‬ ‫חצי מהתערובת הרצמית ועוד כמות אננטיומר ‪ S‬העודף שווה לכמות אננטיומר ‪ S‬בתערובת‪ .‬לכן‪ 70% ,‬מהתערובת הם אננטיומר ‪S‬‬ ‫)‪ (60+40*0.5‬ו‪ 30% -‬הם אננטיומר ‪.R‬‬ ‫‪ .9‬איזומרים בעלי יותר מפחמן אסימטרי אחד‬ ‫לתרכובות אורגניות רבות יש יותר מפחמן אסימטרי אחד‪ .‬ככל שיש יותר פחמנים אסימטריים‪ ,‬כך קיימים יותר סטריאואיזומרים‬ ‫אפשריים לתרכובת‪ .‬אם ידוע מספר הפחמנים האסימטריים בתרכובת‪ ,‬ניתן לחשב את המספר המקסימלי של סטריאואיזומרים‪.‬‬ ‫תרכובת יכולה להכיל מקסימום של ‪ 2n‬סטריאואיזומרים )בהנחה ואין סטריאומרכזים אחרים(‪ ,‬כאשר ‪ n‬הוא מספר הפחמנים‬ ‫האסימטריים‪.‬‬ ‫לדוגמא‪-3 :‬כלורו‪-2-‬בוטנול מכיל ‪ 2‬פחמנים אסימטריים‪ .‬מכאן שהמספר המקסימלי של סטריאואיזומרים שלו הנו ‪.(22=4) 4‬‬

‫* *‬ ‫‪CH3CHCHCH3‬‬ ‫‪Cl OH‬‬ ‫ארבעת הסטריאואיזומרים של ‪-3‬כלורו‪-2-‬בוטנול מכילים ‪ 2‬זוגות אננטיומרים‪ :‬סטריאואיזומרים ‪ 1,2‬הם בבואות ראי‪ ,‬ולכן הם‬ ‫אננטיומרים‪ .‬סטריאואיזומרים ‪ 3,4‬הם גם אננטיומרים‪ .‬סטריאואיזומרים ‪ 1,3‬אינם זהים‪ ,‬אך הם לא בבואות ראי אחד של השני‪.‬‬ ‫סטריאואיזומרים מסוג זה קרויים דיאסטריומרים‪.‬‬ ‫דיאסטריומרים‪ :‬סטריאואיזומרים שאינם אננטיומרים‪.‬‬ ‫מספרים ‪ 1‬ו‪ 2 , 4-‬ו‪ 2 ,3-‬ו‪ 4-‬הם גם דיאסטריומרים‪) .‬גם איזומרי ציס‪/‬טרנס נחשבים דיאסטריומרים משום שהם סטריאואיזומרים‬ ‫שאינם אננטיומרים(‪.‬‬ ‫לאננטיומרים תכונות פיזיקליות זהות )מלבד פעילות אופטית( וגם תכונות כימיות זהות )הם מגיבים באותו קצב עם מגיב אכיראלי(‪.‬‬ ‫לדיאסטריומרים תכונות פיזיקליות שונות )נק' רתיחה‪ ,‬נק' היתוך‪ ,‬מסיסות וכו'( וגם תכונות כימיות שונות )הם מגיבים בקצב שונה עם‬ ‫מגיב אכיראלי(‪.‬‬ ‫כאשר מציירים היטלי פישר לסטריאואיזומרים עם ‪ 2‬פחמנים אסימטרים צמודים )כגון ‪-3‬כלורו‪-2-‬בוטנול(‪ ,‬אננטיומרים עם קבוצות‬ ‫זהות באותו צד של השרשרת הפחמנית נקראים ‪ .erythro enantiomers‬אלו עם קבוצות זהות בצדדים מנוגדים נקראים ‪threo‬‬ ‫‪ .enantiomers‬מכאן ש‪ 1,2 -‬הם ‪) erythro enantiomers‬המימנים באותו צד(‪ ,‬בעוד ש‪ 3,4 -‬הם ‪.threo enantiomers‬‬ ‫אבל‪ ,‬היטל פישר לא מראה את המבנה התלת‪-‬ממדי של מולקולה‪ ,‬אלא מציג את המולקולה בקונפורמציה ‪ eclipsed‬לא יציבה יחסית‪.‬‬ ‫לכן‪ ,‬כימאים מעדיפים להשתמש בהיטלים פשוטים‪ ,‬משום שהם מראים את המולקולה במבנה התלת‪-‬ממדי היציב שלה‪ -‬קונפורמציה‬ ‫‪ ,staggered‬וכך מקבלים תמונה מדויקת יותר של המבנה‪ .‬כאשר מצייגים את הסטריאואיזומרים במצבם הפחות יציב )‪ (eclipsed‬ע"י‬ ‫היטלים פשוטים‪ ,‬ניתן לראות בבירור כי ‪ erythro isomers‬בעלי קבוצות זהות באותו הצד‪.‬‬

‫‪-1‬ברומו‪-2-‬מתילציקלופנטאן מכיל שני פחמנים אסימטרים ולכן ‪ 4‬סטריאואיזומרים‪ .‬מאחר והתרכובת ציקלית‪ ,‬המתמירים יכולים להיות‬ ‫בקונפיגורציה ציס או בקונפיגורציה טרנס‪ .‬לאיזומר ציס יש זוג אננטיומרים‪ ,‬ולאיזומרים טרנס יש זוג אננטיומרים‪.‬‬ ‫לתרכובת ‪-1‬ברומו‪-3-‬מתילציקלופנטאן אין פחמן אסימטרי‪ ,‬ולכן יש לה רק שני סטריאואיזומרים‪ :‬ציס וטרנס‪ .‬לאיזומרי ציס‪/‬טרנס אין‬ ‫אננטיומרים‪.‬‬

‫‪-1‬ברומו‪-3-‬מתילציקלוהקסאן מכיל ‪ 2‬פחמנים אסימטרים ולכן ‪ 4‬סטריאואיזומרים‪ .‬מכיוון שהתרכובת טבעתית‪ ,‬המתמירים יכולים‬ ‫להופיע הן בצורת ציס והן בצורת טרנס‪ .‬איזומר ציס מכיל ‪ 2‬אננטיומרים‪ ,‬ואיזומר טרנס מכיל ‪ 2‬אננטיומרים‪.‬‬ ‫‪H‬‬

‫‪H‬‬ ‫‪H‬‬

‫*‬

‫‪H‬‬ ‫‪CH 3‬‬

‫* ‪these two groups‬‬ ‫‪are different‬‬

‫‪H‬‬

‫‪CH 3‬‬ ‫‪Br‬‬

‫‪Br‬‬

‫‪Br‬‬

‫‪H‬‬

‫‪H‬‬

‫טרנס ‪-1‬ברומו‪-3-‬מתילציקלוהקסאן‬

‫‪CH3‬‬

‫‪H‬‬

‫‪H‬‬ ‫‪H‬‬

‫‪Br‬‬

‫‪Br‬‬ ‫‪CH 3‬‬

‫‪CH 3‬‬

‫ציס ‪-1‬ברומו‪-3-‬מתילציקלוהקסאן‬

‫‪-1‬ברומו‪-4-‬מתילציקלוהקסאן לא מכיל פחמן אסימטרי‪ ,‬אך הוא בעל סטריאומרכז ולכן יש לו ‪ 2‬סטריאואיזומרים‪ :‬ציס וטרנס‪ .‬לאיזומרי‬ ‫ציס‪/‬טרנס אין אננטיומרים‪.‬‬ ‫‪ .10‬תרכובות מיזו )‪(meso‬‬ ‫בדוגמאות לעיל‪ ,‬כל תרכובת המכילה ‪ 2‬פחמנים אסימטריים בעלת ‪ 4‬סטריאואיזומרים‪ .‬אולם‪ ,‬יש תרכובות המכילות ‪ 2‬פחמנים‬ ‫אסימטריים ורק ‪ 3‬סטריאואיזומרים )לכן הודגש כי ‪ 2n‬הוא המספר המקסימלי(‪ .‬האיזומר ה"חסר" הוא למעשה איזומר בעל בבואת ראי‬ ‫הזהה לחלוטין למולקולה המקורית‪.‬‬ ‫לדוגמא ‪-2,3‬דיברומובוטאן‪:‬‬ ‫‪Br‬‬ ‫‪H‬‬

‫‪CH3‬‬ ‫‪CH3‬‬

‫‪3‬‬

‫‪H‬‬ ‫‪Br‬‬

‫‪H‬‬ ‫‪Br‬‬

‫‪CH3‬‬ ‫‪CH3‬‬

‫‪2‬‬

‫‪Br‬‬ ‫‪H‬‬

‫‪Br‬‬ ‫‪Br‬‬

‫‪CH3‬‬

‫‪H‬‬ ‫‪H‬‬

‫‪CH3‬‬

‫‪1‬‬

‫ניתן לראות ע"י היטלי פישר‪ ,‬שתרכובת מס' ‪ 1‬ודמותה במראה הנן זהות לחלוטין‪.‬‬ ‫אם נסובב את המולקולה ב‪ ,180° -‬כפי שמותר לעשות בהיטלי פישר‪ ,‬נקבל‬ ‫בבואת ראי של המולקולה המקורית‪ .‬משום שלא שינינו את הסידור המרחבי של‬ ‫האטומים‪ ,‬ניתן להסיק שתרכובת זו וזוגתה האננטיומרית הן למעשה אותה‬ ‫מולקולה‪ .‬תרכובת בעלת תכונה זו נקראת תרכובת מִיזוׁ‪.‬‬

‫תרכובת מיזו – תרכובת בעלת לפחות ‪ 2‬פחמנים אסימטריים שאינה פעילה אופטית‪ ,‬כלומר אכיראלית‪ .‬ניתן לזהות תרכובת מיזו ע"י‬ ‫מישור סימטרייה‪.‬‬ ‫אם לתרכובת יש מישור סימטרייה – היא לא תהיה פעילה אופטית אפילו‬ ‫אם היא בעלת פחמנים אסימטריים‪.‬‬ ‫מישור סימטרייה חותך את המולקולה לשניים‪ ,‬כאשר חצי אחד הוא בבואת‬ ‫הראי של החצי השני‪ .‬אי לכך‪ ,‬למולקולה אין מקבילה אננטיומרית‪.‬‬ ‫קל לזהות מתי לתרכובת בעלת ‪ 2‬פחמנים אסימטריים יש סטריאואיזומר שהוא תרכובת מיזו‪ :‬ארבעת הקבוצות שקשורות לפחמן‬ ‫אסימטרי אחד זהות לארבעת הקבוצות שקשורות לפחמן האסימטרי השני‪ .‬תרכובת מסוג זה תהיה בעלת ‪ 3‬סטריאואיזומרים‪ :‬אחד יהיה‬ ‫מיזו‪ ,‬והשנים האחרים יהיו אננטיומרים‪.‬‬ ‫במקרה של תרכובות טבעתיות‪ ,‬איזומר הציס יהיה תרכובת המיזו‪ ,‬ואילו‬ ‫איזומרי הטרנס יופיע כאננטיומרים‪← .‬‬ ‫בדוגמא של ‪ 1,2‬דיברומוציקלוהקסאן‪ ,‬הנושא מעט מסתבך משום‬ ‫שציקלוהקסאן לא מופיע בצורה טבעתית אחת אלא בשתי קונפורמציות‪:‬‬ ‫כיסא וסירה‪:‬‬ ‫קונפורמצית סירה‪ -‬יציבה פחות אך בעלת מישור סימטריה‪.‬‬ ‫קונפורמצית כיסא‪ -‬יציבה יותר אך ללא מישור סימטריה‪.‬‬ ‫האם תרכובת זו עדיין נחשבת למיזו? התשובה היא כן‪.‬‬

‫‪plane of‬‬ ‫‪symmetry‬‬ ‫‪No plane of‬‬ ‫‪symmetry‬‬

‫כל עוד צורה אחת של התרכובת בעלת מישור סימטרייה‪ ,‬התרכובת תהיה‬ ‫אכיראלית‪ ,‬ותרכובת אכיראלית בעלת לפחות ‪ 2‬פחמנים אסימטריים היא תרכובת מיזו‪.‬‬

‫כנ"ל לגבי תרכובות לא ציקליות‪-2,3 .‬דיברומובוטאן היא תרכובת מיזו אכיראלית מאחר ויש לה מישור סימטרייה‪ .‬ע"מ להבחין במישור‬ ‫זה‪ ,‬הבטנו בקונפורמר ה‪ eclipsed -‬הפחות יציב יחסית‪ .‬אילו היינו מסתכלים בקונפורמר ה‪ staggered -‬היציב יותר‪ ,‬לא היינו רואים‬ ‫מישור סימטרייה‪ .‬התרכובת הינה עדיין תרכובת מיזו משום שלקונפורמר אחד לפחות יש מישור סימטרייה‪.‬‬ ‫‪ .11‬נומנקלטורת ‪ R,S‬עבור איזומרים בעלי יותר מפחמן אסימטרי אחד‬ ‫אם לתרכובת יש יותר מפחמן אסימטרי אחד‪ ,‬נשתמש בצעדים הדרושים ע"מ לקבוע קונפיגורציה ‪ R‬או ‪ S‬לכל פחמן אסימטרי בנפרד‪.‬‬ ‫לפניכם כמה איזומרים של אותה תרכובת‪:‬‬ ‫הספר נותן מעט דוגמאות שלא נוכל להעביר לדפים‬ ‫אלו מאחר ואין לנו את התמונות הדרושות‪.‬‬ ‫אין חומר חדש‪ ,‬אך יש לציין שהמספרים המודגשים‬ ‫)‪ (2S,3R‬מציינים את מספר הפחמן על שרשרת האב‪,‬‬ ‫כלומר לפחמן מס' ‪ 2‬יש קונפיגורציה ‪ S‬ולפחמן מס' ‪3‬‬ ‫יש קונפיגורציה ‪.R‬‬

‫שימו לב כי לאננטיומרים יש קונפיגורציות שונות בשני הפחמנים האסימטרים‪ ,‬בעוד שלדיאסטריאומטרים יש קונפיגורציה זהה בפחמן‬ ‫אסימטרי אחד וקונפיגורציה שונה בפחמן האסימטרי האחר‪.‬‬ ‫ל‪ tartaric acid -‬יש ‪ 3‬סטריאואיזומרים היות ולשני הפחמנים‬ ‫האסימטרים שלה מחוברים ‪ 4‬מתמירים זהים‪] .‬ציור של תרכובת‬ ‫מיזו וזוג האננטיומרים מופיע בספר בעמוד ‪[.206‬‬ ‫התכונות הפיזיקליות של שלושת הסטריאואיזומרים של ‪tartaric‬‬ ‫‪ acid‬מופיעים בטבלה‪ .‬תרכובת המיזו וכל אחד מהאננטיומרים‬ ‫הם דיאסטריאומרים‪.‬‬ ‫שימו לב שהתכונות הפיזיקליות של האננטיומרים זהות‪ ,‬בעוד שהתכונות הפיזיקליות של הדיאסטריאומרים שונות‪ .‬כמוכן‪ ,‬התכונות‬ ‫הפיזיקליות של התערובת הרצמית שונות מהתכונות הפיזיקליות של האננטיומרים‪.‬‬ ‫‪ .12‬תגובות של תרכובות עם פחמן אסימטרי‬ ‫כאשר תרכובת שמכילה פחמן אסיטרי עוברת ריאקציה‪ ,‬גורלה של הקונפיגורציה של הפחמן האסימטרי תלוי בריאקציה‪ .‬אם הריאקציה‬ ‫לא שוברת את אחד מהקשרים לפחמן האסימטרי‪ ,‬אז המיקום היחסי של הקבוצות סביב הפחמן האסימטרי לא משתנה‪ .‬לדוגמא‪ ,‬כאשר‬ ‫‪ (S)-1-chloro-3-methylhexane‬מגיב עם יון הידרוקסיד‪ ,‬קבוצת ‪ OH‬מחליפה את ‪ .Cl‬למגיב ולתוצר יש את אותה הקונפיגורציה‬ ‫היחסית משום שהריאקציה לא שברה אף אחד מקשריו של הפחמן האסימטרי‪.‬‬

‫‪CH2CH2CH2OH‬‬

‫‪CH2CH2CH2Cl‬‬

‫‪H‬‬ ‫‪CH3‬‬

‫‪CH3CH2‬‬

‫‪OH-‬‬

‫‪H‬‬ ‫‪CH3‬‬

‫‪CH3CH2‬‬

‫אבל‪ :‬אפילו אם ארבעת הקבוצות המחוברות לפחמן האסימטרי שומרות על מיקומן היחסי‪ ,‬אין זה אומר בהכרח שהקונפיגורציה תישמר!‬

‫בדוגמא הבאה‪ ,‬הקבוצות שמרו על מיקומן היחסי סביב הפחמן האסימטרי‪ ,‬אך הקונפיגורציה של המולקולה השתנתה מאחר והעדיפות‬ ‫היחסית השתנתה‪ .‬שינוי בעדיפות הקבוצות עלול לגרום לשינוי הקונפיגורציה‪.‬‬ ‫‪CH2CH3‬‬ ‫‪H‬‬ ‫‪CH3‬‬

‫‪H2‬‬ ‫‪Pd/C‬‬

‫‪CH3CH2CH2‬‬

‫‪(R)-3-methylhexane‬‬

‫‪CH2‬‬

‫‪CH‬‬

‫‪H‬‬ ‫‪CH3‬‬

‫‪CH3CH2CH2‬‬

‫‪(S)-3-methylhexene‬‬

‫בדוגמא לעיל‪ ,‬לתוצר ולמגיב יש את אותה הקונפיגורציה היחסית‪ ,‬אך לא אותה קונפיגורציה אבסולוטית )‪ .(S,R‬כאשר לשתי תרכובות‬ ‫יש את אותה הקונפיגורציה היחסית‪ ,‬הכוונה שהמיקום היחסי של הקבוצות המחוברות לפחמן האסימטרי זהה‪.‬‬ ‫כאשר ריאקציה שוברת קשר לפחמן האסימטרי‪ ,‬התוצר יכול להיות בעל קונפיגורציה יחסית זהה או שונה‪ .‬אלו תוצרים יתקבלו תלוי‬ ‫במכניזם של הריאקציה‪ .‬לכן‪ ,‬לא ניתן לנבא את הקונפיגורציה של תוצר אלא אם כן אנו יודעים את המכניזם של הריאקציה‪.‬‬ ‫‪ .17‬מרכזים כיראלים‪ :‬חנקן וזרחן‬ ‫אטומים אחרים מלבד פחמנים אסימטרים יכולים להיות מרכזים כיראלים‪ .‬כאשר אטום כגון חנקן או זרחן מחובר ל‪ 4-‬קבוצות שונות‬ ‫וצורתו הגיאומטרית טטראהדרלית‪ ,‬אז הוא מרכז כיראלי‪ .‬תרכובת עם מרכז כיראלי יכולה להתקיים כאננטיומרים‪ ,‬אותם ניתן להפריד‪.‬‬ ‫‪CH3‬‬ ‫‪Br‬‬‫‪H N+‬‬ ‫‪CH2CH2CH3‬‬ ‫‪CH3CH2‬‬

‫‪CH3‬‬ ‫‪H‬‬ ‫‪CH2CH3‬‬

‫‪N+‬‬

‫‪O‬‬

‫‪Br‬‬‫‪CH3CH2CH2‬‬

‫‪H P‬‬ ‫‪OCH2CH3‬‬ ‫‪CH3O‬‬

‫‪O‬‬ ‫‪H‬‬ ‫‪OCH3‬‬

‫‪P‬‬

‫‪CH3CH2O‬‬

‫אם אחת הקבוצות המחוברות לחנקן היא זוג אלקטרונים לא קושר‪ ,‬אז לא ניתן להפריד בין האננטיומרים מאחר והם מחליפים צורה‬ ‫במהירות אדירה בטמפרטורת החדר‪ .‬הדבר נקרא ‪.amine inversion‬‬

‫‪ .18‬סטריאוכימיה של ריאקציות‪ :‬רג'יוסלקטיביות‪ ,‬סטריאוסלקטיביות וריאקציות סטריאוספציפיות‬ ‫סטריאוכימיה היא התחום בכימיה שעוסק במבנה התלת‪-‬ממדי של מולקולות‪ .‬כאשר לומדים את הסטריאוכימיה של ריאקציה מסוימת‪,‬‬ ‫מעוניינים בשאלות הבאות‪:‬‬ ‫‪ (1‬אם תוצר הריאקציה יכול להתקיים כ‪ 2-‬סטריאואיזומרים או יותר‪ ,‬איזה סטריאואיזומר תיתן הריאקציה‪ -‬סטריאואיזומר אחד‬ ‫מסוים‪ ,‬מערכת של סטריאואיזומרים או את כולם?‬ ‫‪ (2‬אם מגיב הריאקציה יכול להתקיים כ‪ 2-‬סטריאואיזומרים או יותר‪ ,‬האם כל הסטריאואיזומרים מגיבים ליצירת אותו תוצר‬ ‫סטריאואיזומרי או האם כל מגיב יוצר סטריאואיזומר שונה‪/‬מערכת סטריאואיזומרים שונה?‬ ‫מושגים חשובים‪:‬‬ ‫)א( רג'יוסלקטיביות‪ :‬ראינו בפרק ‪ 4‬כי ריאקציה רג'יוסלקטיבית היא ריאקציה בה ‪ 2‬איזומרים מבניים יכולים להתקבל כתוצרים‪ ,‬אך‬ ‫אחד מועדף על פני השני )כלומר נוצר יותר(‪ .‬במילים אחרות‪ ,‬תגובה רג'יוסלקטיבית בוחרת באיזומר מבנה מסוים‪ .‬להזכירכם‪ ,‬ריאקציה‬ ‫יכולה להיות רג'יוסלקטיבית במידה מתונה‪ ,‬במידה גבוהה או רג'יוסלקטיבית לחלוטין‪ ,‬בהתאם לכמויות היחסיות של איזומרים מבניים‬ ‫שנוצרו בריאקציה‪.‬‬

‫)ב( סטריאוסלקטיביות‪ :‬מושג דומה‪ ,‬אך מתייחס לצורה המועדפת של הסטריאואיזומרים מאשר איזומרים מבניים‪ .‬אם בריאקציה‬ ‫שמייצרת קשר פחמן‪-‬פחמן כפול או פחמן אסימטרי מתקבלת כמות גדולה יותר של סטריאואיזומר אחד על פני השני‪ ,‬אז הריאקציה‬ ‫סטריאוסלקטיבית‪ .‬במילים אחרות‪ ,‬תגובה סטריאוסלקטיבית בוחרת בסטריאואיזומר מסוים‪ .‬בהתאם למידת ההעדפה לסטריאואיזומר‬ ‫מסוים‪ ,‬הריאקציה יכולה להיות סטריאוסלקטיבית במידה מתונה‪ ,‬במידה גבוהה או סטריאוסלקטיבית לחלוטין‪.‬‬

‫)ג( סטריאוספציפיות‪ :‬ריאקציה היא סטריאוספציפית אם המגיב יכול להתקיים כסטריאואיזומרים‪ ,‬וכל מגיב סטריאואיזומרי מוביל‬ ‫לתוצר סטריאואיזומרי שונה או מערכת של תוצרים סטריאואיזומרים שונים‪.‬‬

‫בדוגמא‪ ,‬סטריאואיזומר ‪ A‬יוצר סטריאואיזומר ‪ B‬אך לא ‪ ,D‬אז הריאקציה היא סטריאוסלקטיבית וגם סטריאוספציפית‪.‬‬ ‫כל הריאקציות הסטריאוספציפיות הן סטריאוסלקטיביות‪ ,‬אך לא כל הריאקציות הסטריאוסלקטיביות הן סטריאוספציפיות‪.‬‬ ‫)היות ויש תגובות סטריאוסלקטיביות בהן למגיב אין קשר פחמן‪-‬פחמן כפול או פחמן אסימטרי‪ ,‬ולכן הוא אינו יכול להתקיים‬ ‫כסטריאואיזומרים‪(.‬‬