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複数のキラル中心を持つ分子は、多数の立体異性体体を生成する可能性があります。 たとえば、2-ブタノールのような一部の分子には、4 つの異なる置換基が結合した四面体炭素原子として定義されるキラル中心が 1 つありますが、ブタン-2,3-ジオールのようないくつかの分子には複数のキラル中心があります。 n…
(R)-2-ブタノールのような分子内のキラル中心は、4つの異なる置換基を持つ四面体原子であることを思い出してください。ブタン-2,3-ジオールなどの一部の分子は、複数のキラル中心を持っています。
キラル中心が1つしかない分子は常にキラルですが、キラル中心が複数ある分子はアキラルな配置を持つことがあります。
n個のキラル中心を持つ分子は、2個の可能な配置を持っています。ある配置を別の配置に重ね合わせることができる場合、その2つの配置は同じ分子を表します。したがって、可能な構成よりも明確な立体異性体が少なくなる可能性があります。
例えば、ブタン-2,3-ジオールは、2つのキラル中心と4つの可能な配置を有する。 RRとSSの配置は、各キラル中心の配置が反転しているため、互いの鏡像です。
それらの最も低いエネルギーのコンフォメーションは全体的に鏡像ではないように見えますが、各キラル中心は依然としてそのパートナーの鏡像です。
ここでは、RRとSSの構成を回転させて、エネルギー的には好ましくないが正確にミラーリングされたコンフォメーションであっても、それらを重ね合わせ可能にする方法はありません。したがって、それらはエナンチオマーペアです。
他の配置のペアであるRSとSRは、180°回転した後、つまり同じ分子に重ね合わせることができます。したがって、ブタン-2,3-ジオールには3つの異なる立体異性体しかなく、そのうちの1つはアキラルです。このアキラル立体異性体をメソ化合物といいます。
ほとんどすべてのメソ化合物は、対称面または対称中心を持っています。このような分子は、180°回転することで鏡像に変換されます。
しかし、キラル中心が複数ある分子でも、これらの元素を欠いていても、180°未満の回転で鏡像上に重ね合わせることができる可能性があります。そのような回転が存在する場合、両方のコンフィギュレーションは同じメソコンパウンドを表します。
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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.