4.6
يمكن للجزيئات التي تمتلك مراكز كيرالية متعددة أن تحمل عددًا كبيرًا من الأيزومرات الفراغية. على سبيل المثال، في حين أن بعض الجزيئات مثل 2-بيوتانول لها…
تذكر أن المركز اللولبي في الجزيء ، كما هو الحال في (R) -2-butanol ، هو ذرة رباعية السطوح مع أربعة بدائل مختلفة. تحتوي بعض الجزيئات ، مثل البيوتان -2،3-ديول ، على مراكز لولبية متعددة.
في حين أن الجزيئات التي تحتوي على مركز لولبي واحد فقط تكون دائما لولبية ، فإن الجزيئات ذات المراكز اللولبية المتعددة قد يكون لها تكوينات خشبية.
يحتوي الجزيء الذي يحتوي على n مراكز لولبية له 2n تكوين ممكن. إذا كان من الممكن تركيب أي تكوين على تكوين آخر ، فإن هذين التكوينين يمثلان نفس الجزيء. وبالتالي ، قد يكون هناك عدد أقل من الأيزومرات الفراغية المميزة من التكوينات الممكنة.
على سبيل المثال ، يحتوي البوتان 2،3-ديول على مركزين لوليين وأربعة تكوينات محتملة. تكوينات RR و SS هي صور معكوسة لبعضها البعض ، حيث يتم عكس تكوين كل مركز لولبي.
على الرغم من أن المطابقات الأقل طاقة لا تبدو وكأنها صور معكوسة بشكل عام ، إلا أن كل مركز لولبي لا يزال صورة طبق الأصل لشريكه.
هنا ، لا توجد طريقة لتدوير تكوينات RR و SS لجعلها قابلة للتفوق ، حتى في مطابقاتها الأقل ملاءمة من حيث الطاقة ولكنها معكوسة تماما. وبالتالي ، فهي زوج متماثل.
الزوج الآخر من التكوينات ، RS و SR ، قابل للتركيب بعد دوران 180 درجة ؛ أي أنهما نفس الجزيء. ومن ثم ، فإن البيوتان -2،3-ديول يحتوي على ثلاثة أيزومرات فراغية مميزة فقط ، أحدها أشيرال. يسمى هذا الأيزومر الفراغي المخطط الميزو.
تحتوي جميع مركبات الميزو تقريبا على مستوى من التماثل أو مركز تناسق. تتحول هذه الجزيئات إلى صورها المرآة عن طريق دوران 180 درجة.
ومع ذلك ، فإن الجزيء الذي يحتوي على مراكز لولبية متعددة يفتقر إلى هذه العناصر لا يزال قابلا للتركيب على صورته المعكوسة عن طريق دوران أقل من 180 درجة. في حالة وجود أي دوران من هذا القبيل ، يمثل كلا التكوينين نفس مركب الميز.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: How many stereoisomers can a molecule with multiple chiral centers have?
A molecule with n chiral centers has 2n possible configurations. For example, butane-2,3-diol with two chiral centers can have 2² = 4 possible configurations. However, not all configurations represent distinct stereoisomers because some may be superposable mirror images. Butane-2,3-diol actually has only three distinct stereoisomers despite four possible configurations.
Q2: What is a meso compound and how does it relate to molecular symmetry?
A meso compound is an achiral stereoisomer with multiple chiral centers that possesses a plane of symmetry or center of symmetry. These molecules are transformed into their mirror images by a 180° rotation, making them superposable on their mirror images. Meso-tartaric acid is a famous example of a meso compound with two chiral centers.
Q3: Why are RR and SS configurations of butane-2,3-diol enantiomers?
The RR and SS configurations are mirror images of each other because each chiral center's configuration is inverted. They cannot be superposed through any rotation, even when considering less energetically favorable but exactly mirrored conformations. This non-superposability makes them an enantiomeric pair.
Q4: How do RS and SR configurations differ from RR and SS in butane-2,3-diol?
RS and SR configurations are superposable after a 180° rotation, meaning they represent the same molecule rather than distinct stereoisomers. In contrast, RR and SS configurations cannot be superposed by any rotation. This distinction explains why butane-2,3-diol has only three distinct stereoisomers instead of four.
Q5: Why are molecules with only one chiral center always chiral?
A single chiral center precludes any symmetry in the molecule, preventing the existence of a plane of symmetry, center of symmetry, or improper axis of rotation. Without these symmetry elements, the molecule cannot be superposed on its mirror image, making it inherently chiral. This contrasts with molecules having multiple chiral centers, which may be achiral.
Q6: How does an improper axis of rotation make a molecule achiral?
An improper axis of rotation is an axis about which rotation creates a mirror image of the molecule in a plane perpendicular to that axis. When a molecule with multiple chiral centers lacks a plane or center of symmetry but possesses an improper axis, it remains achiral because it is still superposable on its mirror image through this rotational mechanism.
Q7: What determines whether a molecule with multiple chiral centers is chiral or achiral?
Chirality of molecules with multiple chiral centers depends on molecular symmetry evaluation. If the molecule has a plane of symmetry, center of symmetry, or improper axis of rotation, it is achiral. Without these symmetry elements, the molecule is chiral. Understanding isomerism constitutional isomers and stereoisomers is essential for determining overall molecular chirality.