4.6
Молекулы с несколькими хиральными центрами
Молекулы, обладающие несколькими хиральными центрами, могут содержать большое количество стереоизомеров. Например, в то время как некоторые молекулы,…
Вспомним, что хиральный центр в молекуле, такой как в (R)-2-бутаноле, представляет собой тетраэдрический атом с четырьмя различными заместителями. Некоторые молекулы, такие как бутан-2,3-диол, имеют несколько хиральных центров.
В то время как молекулы только с одним хиральным центром всегда являются хиральными, молекулы с несколькими хиральными центрами могут иметь ахиральные конфигурации.
Молекула с n хиральными центрами имеет 2n возможных конфигураций. Если какая-либо конфигурация может быть наложена на другую, то эти две конфигурации представляют одну и ту же молекулу. Таким образом, различных стереоизомеров может быть меньше, чем возможных конфигураций.
Например, бутан-2,3-диол имеет два хиральных центра и четыре возможные конфигурации. Конфигурации RR и SS являются зеркальными отражениями друг друга, так как конфигурация каждого хирального центра инвертирована.
Хотя их конформации с самой низкой энергией в целом не кажутся зеркальными отражениями, каждый хиральный центр по-прежнему является зеркальным отражением своего партнера.
Здесь нет возможности поворачивать конфигурации RR и SS, чтобы сделать их суперпозиционными, даже в их менее энергетически благоприятных, но точно зеркальных конформациях. Таким образом, они представляют собой энантиомерную пару.
Другая пара конфигураций, RS и SR, могут быть наложены после поворота на 180°, то есть представляют собой одну и ту же молекулу. Следовательно, бутан-2,3-диол имеет только три различных стереоизомера, один из которых является ахиральным. Этот ахиральный стереоизомер называется мезосоединением.
Почти все мезосоединения имеют плоскость симметрии или центр симметрии. Такие молекулы превращаются в свои зеркальные отражения вращением на 180°.
Тем не менее, молекула с несколькими хиральными центрами, в которой отсутствуют эти элементы, все еще может быть наложена на свое зеркальное отражение при вращении менее чем на 180°. Если такое вращение существует, то обе конфигурации представляют одно и то же мезосоединение.
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.