Izomeria optyczna - Notatki - Chemia, Notatki'z Chemia. University of Podlasie in Siedlce
hannibal00
hannibal008 March 2013

Izomeria optyczna - Notatki - Chemia, Notatki'z Chemia. University of Podlasie in Siedlce

PDF (379.5 KB)
6 strona
1000+Liczba odwiedzin
Opis
Notatki dotyczące tematów z dziedziny chemii: izomeria optyczna, definicja.
20punkty
Punkty pobierania niezbędne do pobrania
tego dokumentu
Pobierz dokument
Podgląd3 strony / 6
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
Izomeria optyczna

Izomeria optyczna

Światło widzialne w swej istocie jest falą elektromagnetyczną, czyli rozchodzącymi się

w przestrzeni polami: elektrycznym i magnetycznym. Cząsteczka chemiczna, zbudowana

z atomów - a więc dodatnich jąder i poruszających się wokół nich ujemnych elektronów,

także wytwarza w swoim otoczeniu zmienne pola elektryczne i magnetyczne. Pola

elektryczne i magnetyczne cząsteczki i fali elektromagnetycznej mogą oddziaływać ze

sobą i prowadzić do zjawisk, z których najpopularniejsze to załamanie i odbicie światła,

przy przechodzeniu z jednego ośrodka do drugiego, wszelkie zjawiska należące do

dziedziny zwanej spektroskopią oraz zjawisko skręcenia płaszczyzny drgań promienia

świetlnego. Aby móc makroskopowo zaobserwować to ostatnie zjawisko konieczne jest

spełnienie dwóch co najmniej warunków:

 Po pierwsze należy "uporządkować" drgania wiązki światła (fali

elektromagnetycznej).

Wiązka światła emitowana przez źródło składa się z fal drgających we wszystkich

kierunkach prostopadłych do kierunku rozchodzenia się wiązki. W takim przypadku nie

jesteśmy w stanie zauważyć zmiany płaszczyzny drgań, tak jak nie zauważymy

przekręcania o jakiś kąt płaszczyzny koła. Jeżeli jednak wiązkę światła spolaryzujemy,

tzn. uporządkujemy drgania wszystkich fal w jednej płaszczyźnie, wówczas każdą

zmianę tej płaszczyzny możemy w dość prosty sposób wychwycić.

Jeżeli na rysunku powyżej nie wyróżnilibyśmy jednej płaszczyzny drgań kolorem

czerwonym, nie bylibyśmy w stanie zauważyć, że drgania składowych promieni w

wiązce na rysunku prawym zostały skręcone w lewo o 22,5°, w stosunku do rysunku po

lewej.

Polaryzacje światła możemy przeprowadzić, przepuszczając wiązkę światła

docsity.com

niespolaryzowanego (jak wyżej) przez odpowiedni ośrodek krystaliczny (np. tzw.

pryzmat Nicola - patrz podręcznik fizyki). Wiązka opuszczająca taki kryształ jest już

wiązką spolaryzowaną, tzn. wszystkie jej składowe drgają w jednej płaszczyźnie.

Po drugie, spolaryzowaną wiązkę należy przepuścić przez ośrodek optycznie czynny.

Jeżeli ośrodek nie zawiera cząsteczek asymetrycznych, tzn. takich, których nie da się

nałożyć na siebie przez odpowiednie obroty w przestrzeni (brak płaszczyzny symetrii), to

z rachunku prawdopodobieństwa wynika, że zawsze znajdą się w tym ośrodku dwie

cząsteczki tak ułożone w przestrzeni, że będą w stosunku do siebie jak odbicia lustrzane.

Promień światła spolaryzowanego przechodząc przez taki układ (najczęściej roztwór)

zostaje przez jedną cząsteczkę z takiej pary skręcony w lewo, a przez drugą w prawo,

dokładnie o taki sam kąt. W efekcie po przejściu przez taki ośrodek i zaistnienie w nim

"parzystych" procesów skręcenia płaszczyzny drgań w lewo i w prawo, opuszcza ośrodek

drgając w tej samej płaszczyźnie co przed wniknięciem do ośrodka. Tak więc cząsteczki

substancji o symetrycznej budowie skręcają płaszczyznę polaryzacji wiązki

spolaryzowanej, tylko, że tak samo w lewo jak i w prawo i efekt sumaryczny wynosi

zero. Mówimy, że substancja (ośrodek) nie jest optycznie czynny.

Ośrodek optycznie czynny zawiera cząsteczki asymetryczne, zaś asymetria najczęściej

spowodowana jest występowaniem w tych cząsteczkach atomu (atomów) węgla o

hybrydyzacji sp 3 , łączących się z czterema różnymi podstawnikami. Takich dwóch

cząsteczek nie da się ułożyć względem siebie tak, by stanowiły swoje lustrzane odbicie.

Oczywiście każdy inny przypadek braku płaszczyzny symetrii w cząsteczce (oprócz

obecności węgla asymetrycznego), też powoduje, że dana substancja wykazuje

aktywność optyczną. Na przykład pochodne bifenylu, jeżeli podstawione są w pozycjach

2,6 objętościowymi podstawnikami są optycznie czynne, ze względu na asymetrię całej

cząsteczki, wynikającą z braku możliwości swobodnej rotacji wokół wiązania łączącego

pierścienie:

Spolaryzowany promień przechodząc przez ośrodek zawierający asymetryczne

cząsteczki nie spotka nigdy na swojej drodze pary cząsteczek skręcających identyczne

lecz w przeciwnych kierunkach, co w efekcie spowoduje, że opuszczając taki ośrodek

będzie drgał w innej płaszczyźnie, niż wtedy gdy do tego ośrodka wnikał. Mówimy, że

nastąpiło skręcenie płaszczyzny polaryzacji.

docsity.com

Wielkość efektu skręcenia płaszczyzny drgań światła spolaryzowanego zależy przede

wszystkim od trzech czynników:

ilości cząsteczek na drodze promienia (a więc stężenia i długości drogi światła

spolaryzowanego), "mocy" oddziaływania cząsteczki (jej pola elektrycznego i

magnetycznego) i długości fali promieniowania spolaryzowanego. Standaryzując dwa

z trzech parametrów odpowiedzialnych za wielkość efektu skręcenia płaszczyzny

polaryzacji, dla każdej substancji optycznie czynnej uzyskujemy charakterystyczną dla

niej wielkość określającą jej siłę oddziaływania ze światłem spolaryzowanym i nazywana

skręcalnością właściwą.

Skręcalnością właściwą nazywamy kąt, o jaki zostałaby skręcona płaszczyzna

polaryzacji, gdyby spolaryzowana wiązka światła sodowego (linii D) przeszła przez

roztwór związku optycznie czynnego o stężeniu 1 g/cm 3 i grubości warstwy 1 dm.

Z powyższego wynika, że wielkość kąta skręcenia roztworu związku o skręcalności

właściwej D wynosi

 = D·l·c

gdzie l - grubość warstwy (drogi optycznej) w decymetrach, a c - stężenie w g/cm 3

Technika oznaczania stężenia roztworu na podstawie jego skręcalności nosi nazwę

polarymetrii i służy najczęściej do oznaczania cukrów. Kąt skręcenia (tak jak i

skręcalność właściwa) może być dodatnia lub ujemna. Jak wynika z wzoru na wielkość

kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji, jeżeli zwiększamy stężenie to musi rosnąć

wielkość kąta skręcenia (jego wartości bezwzględnej). Ponieważ każdy konkretny kąt

możemy podać jako dodatni (liczony zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara) lub

ujemny (liczony w kierunku odwrotnym do ruchu wskazówek zegara) powyższe

kryterium (wzrost kąta wraz ze wzrostem stężenia) stosujemy do określenia znaku

skręcalności. Jeżeli dla mniejszego stężenia odczytamy na skali polarymetru np.  = 160°

a dla stężenia większego 140°, będzie to oznaczało, że musimy przyjąć, że pierwsza

skręcalność to nie 160° a (160° - 360°) = -200°, zaś druga to (140°-360°) = -220°. Tym

sposobem została zachowana zasada wzrostu bezwzględnej wartości kąta wraz ze

wzrostem stężenia i określony znak skręcalności (także właściwej) - minus.

Związki wykazujące właściwość skręcania płaszczyzny drgań światła spolaryzowanego

charakteryzuje najczęściej jeszcze jedna cecha - konfiguracja. Cztery różne podstawniki,

połączone w węglem asymetrycznym (zwanym też centrum chiralności), mogą być w

przestrzeni ułożone względem siebie na dwa różne sposoby. To wzajemne usytuowanie

podstawników określamy nazwą konfiguracji cząsteczki i przypisujemy im nazwy:

konfiguracja D i konfiguracja L. Litery D i L, określające przeciwstawne konfiguracje,

docsity.com

wzięły się z łacińskich określeń kierunków: prawy-lewy (dexter-laevus), lecz ich

ewentualna zgodność z kierunkiem skręcalności jest tylko przypadkiem. Trzeba to

wyraźnie powiedzieć: konfiguracja L nie ma żadnego związku ze skręcalnością

ujemną, a konfiguracja D z dodatnią. Natomiast często konfiguracja i skręcalność

"plączą się" ze względu na podobieństwo nazwy i fakt, że przeciwstawne konfiguracje

cząsteczek danego związku mają także przeciwne kierunki skręcalności - i tylko o takim

powiązaniu skręcalności i konfiguracji powinniśmy pamiętać.

Konfiguracja (jej nazwa) bierze się z porównania konfiguracji danej cząsteczki z

konfiguracją aldehydu glicerynowego, którym to konfiguracjom arbitralnie i umownie

przypisano litery D i L. Jeżeli konfiguracja określanej cząsteczki jest taka, jakby

cząsteczka ta powstała przez chemiczne przekształcenia cząsteczki aldehydu

glicerynowego o konfiguracji D, prowadzone bez rozrywania wiązań, to uznamy, że

cząsteczka ta ma konfigurację D. Jeśli wywieść ją możemy z cząsteczki aldehydu

glicerynowego o konfiguracji L - przypiszemy jej również konfigurację L. Ten sposób

przypisywania konfiguracji nie jest do końca jednoznaczny, bo prowadząc

przekształcenia różnymi drogami z tej samej konfiguracji wyjściowej (np. D-aldehydu

glicerynowego) można dojść do przeciwstawnych konfiguracji badanej substancji - a

więc jak to już nie raz bywało, czasem konfiguracja przyjęta jest zgodnie z zasadą a

czasem zgodnie z historią. Jeżeli przyjmiemy, że kwas glicerynowy to pochodna

aldehydu glicerynowego, w którym utleniono grupę aldehydową, to otrzymamy

przeciwną konfigurację cząsteczki tego kwasu, niż gdybyśmy uznali, że kwas ten powstał

przez i utlenienie grupy CH2OH do karboksylowej i zredukowanie grupy aldehydowej

do alkoholowej (CHO —> CH2OH)

docsity.com

Dwa kwasy (po prawej stronie rysunku) wyprowadzone z tej samej konfiguracji

aldehydu glicerynowego mają przeciwne konfiguracje, a zgodnie z regułą oba powinny

być oznaczone taką samą konfiguracją jak wyjściowy aldehyd !!

Jeżeli przy tak podobnych związkach są już pewne kłopoty z jednoznacznością

określenia konfiguracji, to co dopiero w przypadku, gdy związki są od siebie bardzo

odległe, jeśli chodzi o strukturalne podobieństwo.

Podając nazwę danej odmiany izomerycznej podajemy zatem i przypisaną jej

konfigurację i rzeczywisty kierunek skręcalności np.: kwas L(+)-glicerynowy lub D(-)-

glicerynowy.

Jeżeli w związku występuje więcej niż jedno centrum asymetrii ilość izomerów

optycznych osiąga wartość 2 n , gdzie n - ilość centrów asymetrii. Każde centrum

asymetrii ma swoja "indywidualną" konfigurację, a każdy z izomerów charakteryzuje się

"swoją" wartością kąta skręcenia. Para izomerów o identycznej wartości bezwzględnej

skręcalności, lecz przeciwnych kierunkach tworzy parę enancjomerów (odbić

lustrzanych), pozostałe określamy w stosunku do nich nazwą diastereoizomerów.

Ponieważ w przypadku wielu związków, szczególnie tych o bardziej złożonej

strukturze, wyprowadzenie ich konfiguracji L lub D od konfiguracji aldehydu

glicerynowego jest trudne i często niejednoznaczne (patrz wyżej), wprowadzono

określanie konfiguracji bezwzględnej, określanej literami R i S.

Określanie konfiguracji R, S związku nie bazuje na podobieństwie do konfiguracji

wzorca, jak to ma miejsce w przypadku konfiguracji D i L. W najkrótszym ujęciu

ustalenie konfiguracji bezwzględnej polega na wykonaniu kolejnych czynności:

 ustalamy, według dość jasnych reguł, tzw. reguł pierwszeństwa, kolejność

„ważności” każdego z czterech podstawników w centrum chiralności;

 ustawiamy cząsteczkę tak, żeby podstawnik najmniej znaczący przy atomie

chiralnym (np. atom wodoru) znalazł się jak najdalej od nas. Jeżeli teraz, idąc od

grupy o najwyższej „ważności” do grupy o kolejno niższych „ważnościach”

posuwamy się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, to konfiguracje określamy jako

R. W przeciwnym razie występuje konfiguracja S.

Niech za prosty przykład posłuży

bromo-chloro-metanol

docsity.com

węgiel brom - chlor - tlen (S)

(wodór za płaszczyznę rysunku) brom - chlor - tlen (R)

(wodór za płaszczyznę rysunku)

wodór

tlen

chlor

brom

O kolejności w hierarchii ważności podstawników decyduje wielkość masy atomowej

atomów połączonych z centrum chiralności. Jeśli te atomy są identyczne (częsty

przypadek - atomy węgla) to o kolejności decyduje następny atom podstawnika (o

największej masie) itd.

Pierwszą pozycję ("najważniejszy") otrzymuje atom tlenu (16), potem mamy dwa atomy

węgla (12); przesuwamy się więc dalej i spotykamy atom tlenu =O, karbonylowy, na

węglu "czerwonym" (pozycja 2 w hierarchii ważności) i atom tlenu alkoholowy -O- na

węglu "niebieskim" (pozycja 3); najniższą masę ma atom wodoru - pozycja 4.

docsity.com

komentarze (0)
Brak komentarzy
Bądź autorem pierwszego komentarza!
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
Docsity is not optimized for the browser you're using. In order to have a better experience we suggest you to use Internet Explorer 9+, Chrome, Firefox or Safari! Download Google Chrome