Jak liczyć stereoizomery: reguła 2ⁿ, związki mezo, enancjomery i diastereoizomery

Najważniejsze definicje

• Stereoizomery mają te same atomy połączone w tej samej kolejności, ale inaczej rozmieszczone w przestrzeni.
• Centrum stereogeniczne (centrum chiralności) to zwykle atom węgla z czterema różnymi podstawnikami. Oznacza się je jako R lub S.
• Stereogeniczne wiązanie podwójne ma dwie różne grupy na każdym atomie węgla. Oznacza się je jako E lub Z.
• Enancjomery to nienakładalne odbicia lustrzane. Każde centrum stereogeniczne jest odwrócone.
• Diastereoizomery to stereoizomery, które nie są odbiciami lustrzanymi. Izomery cis/trans są diastereoizomerami.
• Związek mezo ma centra stereogeniczne, ale jest achiralny, bo ma wewnętrzną płaszczyznę symetrii.

Reguła 2ⁿ i kiedy zawodzi

Każdy element stereogeniczny ma dwie możliwości, więc n elementów daje co najwyżej 2ⁿ stereoizomerów. Reguła daje dokładną odpowiedź tylko wtedy, gdy cząsteczka nie ma symetrii. Gdy dwie połowy cząsteczki są takie same, sprawdź:

• Formy mezo: (2R,3S) w cząsteczce symetrycznej to to samo co (2S,3R) i jest swoim własnym odbiciem lustrzanym.
• Identyczne układy: w heksa-2,4-dienie (2E,4Z) to to samo co (2Z,4E), więc są 3 izomery zamiast 4.
• Centra pseudoasymetryczne: w pentano-2,3,4-triolu C3 jest centrum stereogenicznym tylko wtedy, gdy C2 i C4 mają przeciwne konfiguracje. Oznacza się je jako r lub s. Łącznie są 4, a nie 8.

Skrót dla symetrycznych łańcuchów z n centrami stereogenicznymi: jeśli n jest parzyste, liczba wynosi 2ⁿ⁻¹ + 2^(n/2 − 1); jeśli n jest nieparzyste, wynosi 2ⁿ⁻¹. Dla kwasu winowego (n = 2): 2 + 1 = 3.

Jak korzystać z generatora stereoizomerów

1. Otwórz generator stereoizomerów.
2. Narysuj cząsteczkę w edytorze lub wklej SMILES do pola i naciśnij Enter. Możesz też nacisnąć przykład, np. Kwas winowy, Glukoza (łańcuch otwarty) lub Heksa-2,4-dien. Naciśnij Znajdź stereoizomery, aby uruchomić ponownie.
3. Odczytaj liczbę: liczbę centrów stereogenicznych i wiązań E/Z, limit 2ⁿ i rzeczywistą liczbę.
4. Przejrzyj grupy: Enantiomer pairs (mirror images), Meso compounds i Achiral stereoisomers (cis/trans, E/Z). Każdy rysunek ma oznaczenia R/S i E/Z.
5. Skorzystaj z tabeli How each pair is related, aby zobaczyć, które pary są enancjomerami, a które diastereoizomerami.
6. Jeśli Twój SMILES ustala niektóre centra za pomocą @ lub @@, pasujące izomery są oznaczone jako your input. Naciśnij Otwórz w MolDraw pod dowolną strukturą, aby ją edytować.

Narzędzie sprawdza każdy układ i porównuje je za pomocą kanonicznego kodu uwzględniającego stereochemię, więc nigdy nie liczy tej samej cząsteczki dwa razy.

Rozwiązane przykłady

1. Butan-2-ol: 2

C2 ma podstawniki H, OH, CH₃ i CH₂CH₃. Jedno centrum stereogeniczne, 2¹ = 2: (R) i (S), para enancjomerów.

2. 2,3-Dibromobutan: 3

Dwa centra stereogeniczne z tymi samymi podstawnikami. (2R,3R) i (2S,3S) to enancjomery. (2R,3S) ma płaszczyznę symetrii: mezo. Łącznie 3.

3. 2,3-Dibromopentan: 4

Oba końce się różnią (CH₃ i CH₂CH₃), więc forma mezo nie jest możliwa. 2² = 4: dwie pary enancjomerów.

4. Glukoza w formie łańcuchowej: 16

C2, C3, C4 i C5 to centra stereogeniczne, a końce (CHO i CH₂OH) się różnią. 2⁴ = 16 aldoheksoz: 8 D i 8 L. D-glukoza to (2R,3S,4R,5R).

5. 1,2-Dimetylocykloheksan: 3

Izomer cis ma płaszczyznę symetrii (mezo, (1R,2S)). Trans jest chiralny: (1R,2R) i (1S,2S). Dla porównania 1,4-dimetylocykloheksan ma tylko izomery cis i trans i żaden z nich nie jest chiralny.

Tabela podsumowująca

Częste błędy

• Podawanie 2ⁿ dla cząsteczki symetrycznej bez sprawdzenia form mezo.
• Zapominanie, że wiązania podwójne E/Z liczą się do n.
• Uznawanie za stereogeniczne wiązania C=C w małym pierścieniu albo atomu węgla CH₂ lub C(CH₃)₂.
• Nazywanie (2R,3S) i (2S,3R) dwoma związkami, gdy cząsteczka jest symetryczna.
• Przekonanie, że wszystkie diastereoizomery mają centra stereogeniczne. cis- i trans-but-2-en też są diastereoizomerami.
• Uznawanie atomu azotu aminy za centrum stereogeniczne. Ulega on zbyt szybkiej inwersji.

Wskazówki egzaminacyjne

• JEE i NEET: pytania o „całkowitą liczbę stereoizomerów” często ukrywają formę mezo lub wiązanie E/Z. Wypisz kombinacje R/S i skreśl duplikaty.
• AP i A-level: izomery optyczne wymagają centrum chiralności; związek mezo jest optycznie nieczynny, choć ma centra chiralności.
• Chemia organiczna na studiach: oceniaj chiralność za pomocą grup punktowych: cząsteczka z płaszczyzną symetrii (σ) lub środkiem symetrii (i) jest achiralna. Narzędzie do wyznaczania grupy punktowej pokazuje te elementy w 3D.
• Enancjomery mają identyczne temperatury topnienia i widma NMR, a diastereoizomery nie. Dlatego diastereoizomery można rozdzielić krystalizacją lub chromatografią.

Powiązane narzędzia i przewodniki

Powiązane narzędzia

Powiązane poradniki