4.6
מולקולות שיש להן מספר מרכזים כיראליים יכולות ליצור מספר רב של סטריאואיזומרים. לדוגמה, בעוד שלחלק מהמולקולות כמו 2-בוטנול יש מרכז כיראלי אחד, המוגדר כא…
נזכיר כי מרכז כיראלי במולקולה, כגון ב-(R)-2-בוטאנול, הוא אטום טטרהדרלי בעל ארבעה מחליפים שונים. למולקולות, כגון בוטאן-2,3-דיול, יש מרכזים כיראליים מרובים.
בעוד מולקולות עם מרכז כיראלי אחד בלבד הן תמיד כיראליות, מולקולות עם מרכזים כיראליים מרובים עשויות להיות תצורות אכילאליות.
למולקולה עם n מרכזים כיראליים יש 2n תצורות אפשריות. אם ניתן להחליף תצורה כלשהי בתצורה אחרת, שתי תצורות אלה מייצגות את אותה מולקולה. לכן, ייתכנו פחות סטריאואיזומרים מובחנים מאשר תצורות אפשריות.
לדוגמה, לבוטאן-2,3-דיול יש שני מרכזים כיראליים וארבע תצורות אפשריות. תצורות RR ו-SS הן תמונת ראי זו של זו, כאשר התצורה של כל מרכז כיראלי הפוכה.
למרות שהקונפורמציות בעלות האנרגיה הנמוכה ביותר שלהם אינן נראות כתמונות מראה באופן כללי, כל מרכז כיראלי הוא עדיין תמונת המראה של בן זוגו.
כאן, אין דרך לסובב את תצורות RR ו-SS כדי להפוך אותן לסופר-פוזיטיביות, אפילו בקונפורמציות הפחות טובות אנרגטית אך בדיוק משוקפות. לפיכך, הם זוג אננטיומרי.
זוג התצורות האחרות, RS ו-SR, ניתנות להרכבה לאחר סיבוב של 180 מעלות; כלומר, הן אותה מולקולה. לפיכך, לבוטאן-2,3-דיול יש רק שלושה סטריאואיזומרים נפרדים, שאחד מהם הוא אצ'יראלי. סטריאואיזומר אכיללי זה נקרא תרכובת מזו.
כמעט לכל תרכובות המזו יש מישור של סימטריה או מרכז סימטריה. מולקולות כאלה הופכות לתמונות המראה שלהן על ידי סיבוב של 180 מעלות.
עם זאת, מולקולה עם מרכזים כיראליים מרובים החסרים יסודות אלה עדיין עשויה להיות ניתנת להחלפה על תמונת המראה שלה על ידי סיבוב של פחות מ -180 מעלות. אם קיים סיבוב כזה, שתי התצורות מייצגות את אותה תרכובת מזו.
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.