Zoita Berinde, Introducere in stereochimie, Ed. Cub Press 22, Baia Mare, 2000Capitolul 6DIASTEREOIZOMERIAAacums-aartatncapitolul1,oriceizomeriestericcenupoatefi desemnatdreptenantiomerieestediastereo(izo)merie.Lafelcai enentiomeria, diastereomeria este determinat att de factori conformaionali ct i de factori configuraionali, ceea ce duce la urmtoarea clasificare:Conformaional sau torsionaldatorit polichiralitii (optica)DiastereomeriaConfiguraional legturi dublecis-transfa decicluri 6.1. Diastereoizomeria torsionalDiastereoizomeria torsional este tipul de diastereoizomerie care poate s apar ca urmare a torsiunii sau rotaiei (mai mult sau mai puin libere) atomilor (mpreunculiganziilor)legaintreeiprintr-olegtursimpl.Se caracterizeazdeciprinexistenaizomerilortorsionali(torsiomeri)numiii izomeri rotaionali (rotameri). n figura 45 sunt prezentate conformaiile stabile ale butanului:HCH3HHHCH3 HH3CHHHCH3HHCH3HHCH3a)b) c)64Fig.45 Conformeri intercalai ai butanuluiSevedecdistaneledintreatomiinelegaidirectunuldealtul ( )H H CH H CH CHd d d ; ;3 3 3nu sunt aceleai n toi conformerii. Varierea unghiului de torsiune| poateduceastfellaceamaisimplformdediastereoizomerie, diastereoizomeriatorsionalsaurotaional.Acesttipdediastereoizomerie corespundeatropizomerieiderivailordedifenilscindalibinenantiomeri.n cazulprezentatnfigura45,conformeriia)ib)suntenantiomeri,ntimpce oricaredintreacetiaestecuc)diastereoizomer.Lipsaactivitiiopticela substanedeacestfelsedatoreazprezeneidecantitiegaledinformele enantiomere, prin transformarea rapid a unui conformer n altul. Uncazparticulardediastereoizomerietorsionalestecelalrotaiei restrnsenjuruluneilegturisimplecuprinsentredoudublelegturi conjugateadictorsiunea 2 2sp sp .Datoritconjugrii-,posibildoarn cazulcoplanaritiilegturilorduble,obligmolecula,butadieneideexemplu, sadopteconformaiileplanarea)ib)reprezentateTnfigura46denumiteconformaie s-trans sau transoid respectiv conformaie s-cis sau cisoid:Fig.46 Conformaiile planare ale butadieneiFormas-trans,a)estemaistabildectformas-cis,b).Latemperatura camerei,majoritateamoleculelorbutadieneiseafldecinformas-trans,dar proporia de form s-cis crete cu temperatura.Numruldiastereizomerilor,pentrucazulgeneralaluneisubstanecun posibiliti de localizare a izomeriei "torsionale" n molecul, este egal cu 2n. In cazul 2,4-hexadienei n = 3 (2 posibiliti pentru cele dou legturi duble i una pentrulegturasimpl)ideciartrebuisexiste23=8diastereoizomeri. C HHCHCHCHHCHHCHCHCHHa) b)65Datoritsimetrieimoleculei,existdoar6diastereoizomeri,ceiprezenin figura 47:Fig.47 Izomerii torsionali ai 2,4-hexadieneiDeidiastereoizomeriitorsionalinupotfi izolaiaranjamentulrotaional algruprilornjurullegturilorsimplearetotuiuneorioinfluenmarcant asupra reactivitii chimice.6.2. Diastereoizomeria compuilor cu doi sau mai muli atomi de carbon chiraliStructurilecareconindousaumaimulte(ngeneraln)centrede chiralitatepotexistasubformaa2nizomerioptici,reprezentnd2n/2sau2n-1perechideenantiomeri.Dincei2nizomerioptici,toiceicarenuseaflunul fa de altul n relaie de enantiomerie sunt diastereoizomeri. Fiecare izomer are deci 2n-2 diastereoizomeri. Fiecare pereche de enantiomeri formeaz un amestec C CHCHHH3CCHCH3trans,s-trans, trans trans,s-cis, transH3CHCHCCHCH3HCCHCHH3CHCCCH3Hcis,s-trans, cis CHH3CCHC HCH3C HC CHC HCH CH3HH3CH3CHCHCHCCHCH3cis, s-trans, trans cis, s-cis, trans cis, s-cis, cis66racemic. Vor exista deci 2n-1amestecuri racemice posibile pentru o structur cu n atomi asimetrici.Moleculacuunsingurcarbonasimetricare21=2stereoizomeri,adic doar o pereche de enantiomeri.6.2.1. Diastereoizomeria compuilor aciclici cu dou elemente de chiralitateCompuii cu dou elemente de chiralitate prezint dou situaii distincte: Compuincareelementeledechiralitatesuntdiferiteicompuicuelemente identice.6.2.1.1. Compui cu doi atomi de carbon asimetrici costitutividiferiintr-omoleculcudoiatomidecarbonasimetriciconstitutividiferii(fig.48) fiecareatomdecarbonpoateaveafieconfiguraieR fieS aacsuntposibile urmtoarele configuraii ale moleculei:Fig.48 Configuraiile celor doi atomi de carbon ai eritrozeii tetrozeiStereoizomerii1cu2alctuiescoperechedeenantiomeriideciun amestecracemiclafelistereoizomerii3cu4.Formele1i2nusunt enantiomerii formelor3 sau 4, fiindc nu se comport fa deele ca obiectul i imaginea n oglind. Izomerii 1 i 2 sunt deci diastereoizomerii formelor 3 i 4. HOHCH2OHH COHCHOC(+) - Treoza(-) - TreozaCCHOCCH2OHHHOOHH CCHOC HCH2OHHHO H(+)- EritrozaOH HO HCH2OHCCHOC OH(-) -Eritroza;CCR2R1H aaH-67Fiecare izomer va avea 22- 2 = 2 diastereoizomeri (1 are ca diastereoizomer pe 3 i 4; 2 pe 3 i 4; 3 pe 1 i 2; 4 pe 1 i 2).Convenional,aacums-aartatn5.3.1,stereoizomerii1i2sunt numite forme eritro, iar stereoizomerii 3 i 4 forme treo. Tabel nr.4. Configuraiile celor doi atomi de carbon asimetriciai eritrozei i treozeiCarbon asimetric Configuraie*C2R S S R*C3R S R SIzomer 1 2 3 4ntimpceenantiomeriiauproprietifiziceichimiceidentice(cu excepiasensuluirotaieioptice), diastereoizomeriisedeosebescprin proprietile lor, ntocmai ca izomerii de structur obinuite.6.2.1.2. Compui cu doi atomi de carbon asimetrici constitutiv identiciMoleculelecudoiatomidecarbonasimetricivecini,avndfiecaretrei substitueniidenticicuaiceluilaltatom,,* *R C C Rab ab prezintnumaitrei stereoizomeri separabili: 2 enantiomeri +, sau (d, l ) i izomerul mezo.Un exemplu clasic de molecul cu dou centre chirale avnd cei doi atomi de carbon asimetrici substituii identic, l reprezint acidul tartric. n figura 49 sunt reprezentai cei doi enantiomeri, acidul ()-tartric sau 2 (S), 3(S) -dihidroxi-1,4-butandioic respectiv acidul (+)-tartric sau 2 (R), 3 (R) -dihidroxi-1,4-butandioicalturi deacidulmezotartric,2(R),3(S)-dihidroxi-1,4-butandioic.Deiposeddoiatomidecarbonasimetrici,acidulmezotartricnu prezint activitate optic deoarece molecula sa are un plan de simetrie (Cs).Din analizaconfiguraieicelordoiatomidecarbonasimetriciidenticirezultc acetia auconfiguraii opusei decirotaia dextropir provocat deunuldin ei 68estecompensat(anulat)derotaialevogiraceluide-aldoilea.Neaflmde fapt n faa unui caz de inactivitate optic prin compensaie intermolecular.Fig.49 Diastereoizomerii treo i eritro (mezo) ai acidului tartricConfiguraiile atomilor de carbon asimetrici sunt date n tabelul 5.Tabelul nr.5. Configuraiile celor doi atomi de carbon asimetrici ai acidului tartricCarbon asimetric Configuraie*C2R S R*C3R S SIzomer 1 2 3Enantiomeriiau toate proprietile fizice i chimice identce, (cu excepia rotaieispecifice),pecndlaracemiciilaizomerulmezoacesteproprieti difer.6.2.2. Diastereoizomeria compuilor aciclici cu trei elemente de chiralitateSe difereniaz i n acest caz dou situaii:a)cndceletreicentredechiralitatesuntdiferiteinaceastsituaie numrul izomerilor optici este 23= 8.b)cndgruprilenechiraledelacapetele moleculeisuntidentice,avnd ca rezultat existena n molecul a doi atomi de carbon chirali identici, care aduc dupsineapariiaunuiatomdecarbonpseudoasimetric (pseudochiral). Numrul izomerilor optici scade sub 8.COOHCC H OHHO HCOOHAcid(+) -tartricCOOHOH HH HO CCCOOHAcid(-) -tartricCOOHOH HOH H CCCOOHCOOHH HOH HO CCCOOHacidul mezotartric;69n cazul a) cei 8 izomeri optici sunt alctuii din 4 perechi de enantiomeri ifiecareenantiomeraiuneiperechiestediastereoizomernraportcuceilali izomeri.Sedifereniazuncazspecialdediastereoizomeri:epimeri.Doi diastereoizomericaredifercaiconfiguraielaunsingurcentruasimetricse numesc epimeri. n figura 50 sunt date formulele de proiecie Fischer pentru trei stereoizomeri (din cei 8) ai unei alopentoze:Fig. 50 Stereoizomeri ai unei alopentozePerechile de compui 1 i 2, 1 i 3, 2 i 3 sunt exemple de epimeri.Acidultrihidroxiglutaric,exemplutipicpentrucazulb),prezint4 stereoizomeri:2enantiomerii2izomeriinactivisaudoumezoforme (figura 51):Fig.51 Stereoizomerii acidului trihidroxiglutaricAtomuldecarbonmijlociupoatefiasimetricatuncicndconfiguraiile atomilor2i4suntdiferitecanstereoizomerii1i2isimetricicnd OHCCH2OHH OHH CHCHOC OH H CCHOHOC HCCH2OHH OHOHHCCH2OHH OHHO CHCHOC OHD-(-) RibozaD-(-)-Arabinoza D-(-)-Xiloza123OH CCOOHHC HCCOOHH OHOHCCOOHH OHOH C HHCOOHCOH34 Acizimezo-trihidroxiglutarici Acizi (+) si (-) trihidroxiglutarici12 OH CCOOHHCHCCOOHHO HOH HCCOOHH OHHO CHOCOOHC H70configuraiile carbonilor 2 i 4 sunt aceleai ca n cazul izomerilor 3 i 4. Acest atom de carbon se numete pseudoasimetric, iar configuraiile lui se noteaz cu r sau s, spre a le deosebi de simbolurile R i S folosite pentru atomii asimetrici (Tabelul nr.6).Tabelul nr.6.Configuraiile celor trei atomi de carbon asimetrici ai acidului hidroxiglutaricCarbon asimetric Configuraie*C2R S R R*C3- - s r*C4R S S SIzomer 1 2 mezo3mezo46.3. Diastereoizomeria cis-transDiastereoizomeriacis-transsaugeomericestegeneratfiedeexistena uneilegturidublefieaunuiciclu.Izomeriacis-transdatoratlegturiiduble poate fi considerat ca i un caz limit al diastereoizomeriei torsionale, deoarece nsilegturadublpoateficonsideratcauncazextremdempiedicarea torsiunii(libereirotaii).Diastereoizomeriacis-transmaiestenumitdeunii autori diastereoizomerie fr liber rotaie. 6.3.1. Diastereoizomeria cis-trans (Z-E) a compuilor cu legturi dublePentrucaodubllegturspoatprezentaizomeriecis-trans (geometric), ea trebuie s aib la fiecare capt doi substuitueni diferii ntre ei, ca n cazurile de mai jos:CABCABCYXCABC CABBACABCXYDoi izomeriDoi izomeri71Numrul de izomeri geometrici care au aceeai structur de baz crete cu numruldedublelegturicarendeplinesccondiiademaisus[iestedatde relaia:Numr de izomeri geometrici = 2n, unde: n = numrul de duble legturi cu substitueni diferii la fiecare capt.De exemplu, 1-fenil-1,3-pentadien, 3 5 6CH CH CH CH CH H C = = , va prezenta 4 izomeri geometrici (22= 4) i sunt reprezentai prin formulele:Numrulizomerilorscadelatreidacceidoiradicalidinmoleculsunt identici(nexempluldatC6H5- senlocuietecu-CH3sauinvers),deoarece izomerultrans-cisdevineidenticcucelcis-trans.Izomeriicis-transnuse comport unul fa de altul ca obiectul i imaginea sa de oglindire, ei sunt deci diastereoizomeri.ncazulizomerieicis-trans,dacunuldintresubstitueniconineun element de chiralitate, pe lng izomeria cis-trans se manifest i fenomenul de enantiomerie care duce la dublarea numrului de stereoizomeri. Deexemplu 4 cloro 2 - pentena;va prezenta4 stereoizomeri:C CHC6H5HCHCCH3HC6H5HCCHHCCCH3Hcis, cis - 1 -fenil -1,3 -pentadiena trans, trans - 1 - fenil- 1,3-pentadienaCCHCHHC6H5CHCH3C6H5HC CHCHCHCH3cis, trans -1- fenil-1,3-pentadienatrans, cis -1- fenil-1,3-pentadienaH3C CH CH CHClCH372Cumulenelecunumrimpardelegturiduble,avndcaietena substitueniidelacapeteledublelorlegturinacelaiplan,potdanaterela izomeri cis-trans:Desemnarea configuraiei atomilor dublu legai s-a fcut pentru compuii coninnd duble legturi carbon-carbon cu ajutorul prefixelor stereochimice cis, desemnndaranjareaadougrupedeaceeaiparteadubleilegturiitrans, aranjarea opus a grupelor fa de dubla legtur aa cum se poate vedea i din exempleledemaisus.Folosireaacestuisistemdedesemnareaconfiguraiei devineambigupentrualcheneletrisubstituiteiimposibilpentrualchenele tetrasubstituitecusubstituenidiferiiR1R2C=CR3R4.S-apropus(Blackwood .a., 1968) un sistem nou, lipsit de ambiguiti, bazat pe regula secvenei Cahn-Ingold-Prelog, cunoscut ca sistemul E-Z (entgegen- zusammen). Regulile pentru desemnarea configuraiei Z sau E sunt urmtoarele:1) pentrufiecaredubllegturcetrebuiedescrisconfigurativse determincaredintreceledougrupeataatelafiecaredintreatomii dublulegaiauprioritateaceamainalt,potrivitreguliisecvenei Cahn-Ingold-Prelog;C CHRC CHR;C CHRC CRHcis transcistransCCH3C HC H ClCH3HCCH CH3C Cl HCH3H HCCH3C HC Cl HCH3CCH CH3C H ClCH3H732) acea configuraie n care cele dou grupe de rang cel mai mare sunt de aceeaiparteadubleilegturiestedesemnatdreptZ;acea configuraie n care cele dou grupe sunt de pri opuse este E.n figura 52 este indicat aplicarea acestui sistem:Fig. 52 Sistemul Z-E. Descreterea rangului substituenilorR1 > R2 i R3 >R4Avantajele conveniei Z-E:1) elimin ambiguitatea desemnrii configuraiei alchenelor trisubstituite, cum ar fi 3-metil-2-pentena:n cazul folosirii sistemului cis-trans, alchena E a fost desemnat drept cis (indicarea poziiei celor doi substitueni identici).2) permitedesemnareaconfigurativaalchenelortetrasubstituitecutoi substitueniidiferiintreei,pentrucarenuexistauregulidedesemnarea configuraieinliteraturamaiveche.nexempleleurmtoares-ausubliniat substituenii cu prioritate de la fiecare capt al legturii duble:Acid (Z)- 2 metil 2- butenoic (E) 1 bromo-1-cloro-3-fenilpropenCR3R4CR4R3CR1R2R2R1CZ EC CHCH3H3CH3C CH2CH2H3CC CCH3HH3CEZC CCH2H BrClC CCOOHCH3HH3CC6H5743) permiteindicareaframbiguitiageometrieifiecreidublelegturi din compuii polienici:4) se poate aplica i n nomenclatura oximelor, eliminnd prefixele sin i anticareduceauladoualternativedenomenclatur,cumseobservdin exemplul urmtor:- denumiri vechi: metil-sin-etilcetoxim sau anti-metil-etilcetoximDiastereoizomeriicisitranssedeosebescntreeiattprinproprietile lorfizice,ctichimice,acestediferenieriputndfiutilizatepentrustabilirea configuraiei lor. 6.3.2. Diastereoizomeria cis-trans (Z-E) a compuilor cu structur ciclicSuntposibiliizomericis-transiatuncicndmoleculaconinenlocul unei duble legturi un ciclu saturat. Acesta mpiedic libera rotaie, ntocmai ca idublalegtur,ideterminnmoleculunplan,fadecaresuntaezai substituenii.Suntdeciposibiliiaiciizomericisitrans.Encazulacidului ciclohexan-dicarboxilic ace[tia sunt:C CCHH3CHHCCClCH2CCH3HCOOHAcid 3- (E-1-cloro-1-propenil ) -3Z, 5E -heptadienoicCC2H5H3CNOH(Z) - Butanon oximaAcizii cis si trans-ciclohexan -1,4 -dicarboxiliciHOOCHHCOOHHHOOCHCOOH75Att la compuii liniari, ct i la compuii ciclici, se aplic aceleai principii stereochimice. Prezena unui singur substituent la un inel carbociclic saturat (de exemplu metilciclohexan) nu poate crea o molecul asimetric, pe cnd doi substitueni convenabil plasai pot da natere la stereoizomeri. Astfel n compuii ciclici disubstituii cei doi substitueni pot fi orientai cis sau trans unul fa de altul n raport cu planul moleculei. Izomerul cis este diastereoizomer fa de izomerul trans, deoarece ei nu se afl n raport de obiect i imaginea n oglind (figura 53):Fig.53 Chiralitatea diastereoizomerilor cis i trans ciclicintr-uncicludetreiatomi(figura53)cei doiatomi decarbon substituii suntchirali.Dacceidoisubstitenisuntdiferii,numruldeenantiomerieste egal cu 2n. Izomerul trans va da doi enantiomeri i un racemic; izomerul cis va da cea de-a doua pereche de enantiomeri i racemicul respectiv. Dacceidoisubstitueniaiineluluiciclopropanicsuntidentici, diastereoizomerultransvaaveadoienantiomeri(iunracemic),iar diastereoizomerulcisvacorespundeformeimezo,decivaexistaun singur izomer. n cazul n care n molecul exist mai muli atomi de carbon asimetrici numrul total de stereoizomeri va fi 2n-1.XXXXX XX Xtanscis enantiomeri mezoYXYXYX YXenantiomerienantiomeri 76Spreexemplu,ncazul1,2,3-tricloro-1-metilciclopentanuluiapartreiatomi asimetrici i deci vor exista 23-1= 4 izomeri:Moleculeleconstituionalsimetriceprezintoreducereanumruluide diastereoizomeri datorit superpozabilitii unora dintre ei. Astfel1,2,3-triclorociclopentanulvaaveadoartreidiastereoizomeri avnd atomii 1,3 constituional identici:Dac vreunul dintre diastereoizomeri este chiral, atunci el se prezint sub forma a doi enantiomeri.Revenind la exemplul 1,2,3-tricloro-1- metilciclopentanului, toi cei patru diastereoizomerisuntchirali,decinrealitatevorexistapatruperechideenantiomeri,prinurmarentotal8stereoizomeri.ntreacesteperechiexisto relaie de diastereoizometrie. ncazul1,2,3-triclorciclopentanuluins,numaiprimuldintre diastereoizomeri este chiral (izomerul 1) el prezentnd doi enantiomeri. n total vor fi deci 4 stereoizomeri. nceprivetespecificareaconfiguraieincazulsistemelorciclice, disubstituite seutilizeazdescriptorii cis itrans.Astfel, denumireadecis 1,3-diclorociclopentan sau trans 1,3-dimetilciclopentan este univoc;OOO Otrans -1,3 -Dimetilciclopentancis -1,3 - DiclorociclopentanH3CCH3ClCl77Dac ns apar mai mulide doi substitueni la un astfel de sistem ciclic, sedesemneazunsubstituentdereferiniseaplicdescriptoriicis-trans relativlaacestligand.Substituentuldereferinestecelcarencadrul sistemului de nomenclatur internaional (IUPAC) este prioritar.Astfelncazuldiclorciclohexanolului,substituentuldereferineste grupa hidroxil (n desemnarea configuraiei se folosete r):ClOHCltrans - 2, trans - 4 - Diclorociclohexan - r -1- ol