4.6
Cząsteczki posiadające wiele centrów chiralnych mogą pozwolić sobie na dużą liczbę stereoizomerów. Na przykład, podczas gdy niektóre cząsteczki, takie…
Przypomnijmy, że centrum chiralne w cząsteczce, takie jak (R)-2-butanol, jest atomem czworościennym z czterema różnymi podstawnikami. Niektóre cząsteczki, takie jak butano-2,3-diol, mają wiele centrów chiralnych.
Podczas gdy cząsteczki z tylko jednym centrum chiralnym są zawsze chiralne, cząsteczki z wieloma centrami chiralnymi mogą mieć konfiguracje achiralne.
Cząsteczka z n centrami chiralnymi ma 2n możliwych konfiguracji. Jeśli jakaś konfiguracja może być nałożona na inną, te dwie konfiguracje reprezentują tę samą cząsteczkę. W związku z tym może być mniej wyraźnych stereoizomerów niż możliwych konfiguracji.
Na przykład butan-2,3-diol ma dwa centra chiralne i cztery możliwe konfiguracje. Konfiguracje RR i SS są swoimi lustrzanymi odbiciami, ponieważ konfiguracja każdego centrum chiralnego jest odwrócona.
Chociaż ich konformacje o najniższych energiach nie wydają się być ogólnie lustrzanymi odbiciami, każde centrum chiralne jest nadal lustrzanym odbiciem swojego partnera.
Tutaj nie ma możliwości obrócenia konfiguracji RR i SS tak, aby były superpozycyjne, nawet w ich mniej korzystnych energetycznie, ale dokładnie lustrzanych konformacjach. Są więc parą enancjomeryczną.
Druga para konfiguracji, RS i SR, nakłada się na siebie po obrocie o 180°, to znaczy, że są to te same cząsteczki. W związku z tym butan-2,3-diol ma tylko trzy odrębne stereoizomery, z których jeden jest achiralny. Ten achiralny stereoizomer nazywany jest związkiem mezo.
Prawie wszystkie związki mezo mają płaszczyznę symetrii lub środek symetrii. Takie cząsteczki są przekształcane w swoje lustrzane odbicia przez obrót o 180°.
Jednak cząsteczka z wieloma centrami chiralnymi, która nie ma tych pierwiastków, nadal może być nałożona na swoje lustrzane odbicie przez obrót mniejszy niż 180°. Jeśli taka rotacja istnieje, obie konfiguracje reprezentują ten sam związek mezo.
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.