Chapter 5: Stereochemistry & Chirality - Indiana...

23
C341/Fall 2011 Chapter 5: Stereochemistry Page 1 of 23 Chapter 5: Stereochemistry & Chirality 1. Chiral & Achiral Compounds Identifying Stereocenters 2. Naming Stereocenters – employing R & S configurations 3. Diastereomers Molecules with two or more stereocenters 4. Properties of Stereoisomers & Optical Activity Of course I would want you to do all the problems at the end of the chapter, but your doing the following problems would be a bare minimum: 5.325.23, 5.365.42, 5.455.51, 5.535.57 Stereoisomers – WHERE DO THEY FIT INTO THE BIG PICTURE?

Transcript of Chapter 5: Stereochemistry & Chirality - Indiana...

C341/Fall 2011 Chapter 5: Stereochemistry

Page 1 of 23

Chapter 5: Stereochemistry & Chirality  

1. Chiral & Achiral Compounds ‐ Identifying Stereocenters 

2. Naming Stereocenters – employing R & S configurations 

3. Diastereomers ‐ Molecules with two or more stereocenters 

4. Properties of Stereoisomers & Optical Activity  

 Of course I would want you to do all the problems at the end of the chapter, but your doing the following problems would be a bare minimum:  

5.32‐5.23, 5.36‐5.42, 5.45‐5.51, 5.53‐5.57  Stereoisomers – WHERE DO THEY FIT INTO THE BIG PICTURE? 

 

 

C341/Fall 2011 Chapter 5: Stereochemistry

Page 2 of 23

Why does stereochemistry matter? 

 

 

 

 

(R)-limoneneOrange smell

(S)-limoneneLemon smell  

 

C341/Fall 2011 Chapter 5: Stereochemistry

Page 3 of 23

Thalidomide – an example of enantiomers having different properties 

 

  o Thalidomide was released  in 1956 as a mild sedative used  to  treat nausea  in pregnant women.  (Withdrawn  from  the market  in  1961 once it was discovered thalidomide was a human teratogen.)  

o As little as one dose could cause a significant birth defect administered in the 1st trimester.   

o Between 10,000‐20,000 infants were born with birth defects to women who ingested thalidomide during pregnancy.  

o In 1998, it was re‐released for leprosy selling over $300M in sales.  

o In  Sept  2010,  the  FDA  awarded  the  1st Kelsey  award  after  the  woman  (Dr. Frances Oldham Kelsey) who refused the application  for  thalidomide  into  the  US due to need for more testing.   

 

C341/Fall 2011 Chapter 5: Stereochemistry

Page 4 of 23

Aspartame®  is a sweetening agent (Equal) that  is more than a 180 times sweeter than sucrose. Only the R‐enantiomer is desired as the S‐enantiomer does not have the correct shape to fit the binding site of the 'sweetness' receptors on the tongue.  Neotame (NutraSweet) is between 7,000‐13,000 times sweeter than sucrose. 

ON

HO

O NH2

O

H O

                Aspartame            Neotame 

 

Ibuprofen       

o R – enantiomer is relatively “inactive” in the body 

o S – enantiomer is 160 times more active as a pain killer! 

 Naproxen Sodium 

 

C341/Fall 2011 Chapter 5: Stereochemistry

Page 5 of 23

1.  Chiral & Achiral Compounds 

Chirality is encountered in a host of everyday examples where asymmetry exists: 

 Chiral =  

A simplified rule applies to tetrahedrally‐bonded carbons, where all four substituents  are  different,  the  carbon  is  a  called  stereocenter  =  chiral center. 

o If  there  are  two equivalent  groups on  the  same  carbon,  that  carbon CANNOT be a stereocenter.  

 

       Achiral =  

C341/Fall 2011 Chapter 5: Stereochemistry

Page 6 of 23

How do you identify a chiral compound? 

           

              

                         

HO HO

OH

C341/Fall 2011 Chapter 5: Stereochemistry

Page 7 of 23

Q:  Identify all the stereocenters in the following molecules. 

 

   TAXOL  is a potent anticancer natural product  (with activity against a number of leukemias and solid  tumors  in  the breast, ovary, brain, and  lung  in humans) was isolated from the bark of the pacific yew in 1971. 

 Rifampin  is  a  bactericidal  antibiotic  drug  isolated  from  a  sample  of  soil  coming from  a pine wood on  the  French Riviera.    It  is used primarily  for  treatment  for treatment of tuberculosis and inactive meningitis. 

C341/Fall 2011 Chapter 5: Stereochemistry

Page 8 of 23

Let’s practice drawing mirror images and testing for superimposability 

        

    

    

  

Cl

C341/Fall 2011 Chapter 5: Stereochemistry

Page 9 of 23

2.  Assigning R & S Stereocenters  A. Assign priority to the four atoms attached to the stereocenters. 

a. Each atom is assigned a priority based on atomic number.  Heavier isotopes get higher priority. 

 

b. If priority cannot be assigned based solely on atomic number, then look at the next atom attached.  Priority is assigned by the first point of difference. 

 

c. Atoms participating in multiple bonds are considered to be bonded to the equivalent number of similar atoms by a single bond. 

 B. Orient the molecule in space so that the lowest priority is directed away 

from you.  

C. “Read” the groups projected toward you in order from highest to lowest.   

Groups in a clockwise fashion → R         (R stands for Latin, rectus = correct) 

Groups in a counterclockwise fashion → S        (S stands for Latin sinister = left) 

C341/Fall 2011 Chapter 5: Stereochemistry

Page 10 of 23

Practice assigning R or S configurations: 

  

    OH

O

OH

        OH

O

OH

                                      

 

OH

       

O

              

ClO

H2N

C341/Fall 2011 Chapter 5: Stereochemistry

Page 11 of 23

Practice assigning R or S configurations: 

What if the 4th priority is IN the plane of the paper?  Then what do you do?   

           Naming compounds with stereochemistry:  

C341/Fall 2011 Chapter 5: Stereochemistry

Page 12 of 23

Work with your neighbor(s) to answer these old exam problems: 

 

 

 

 

 

 

C341/Fall 2011 Chapter 5: Stereochemistry

Page 13 of 23

3.  Diastereomers ‐‐ Molecules with TWO or MORE stereocenters 

 “How many different configurations can one obtain with more than one chiral center in a molecule?”  o The possible number of stereoisomers for any molecule is     .  Chymotrypsin – digestive enzyme found in intestines and secreted by the pancreas of mammals that catalyze the hydrolysis of proteins during digestion.  

o It has 251 stereocenters, with 2251 possible stereoisomers! But only one is synthesized and utilized in mammals! 

  Draw  all  possible  stereoisomers  for  the  following compound: 

OH

C341/Fall 2011 Chapter 5: Stereochemistry

Page 14 of 23

Diastereomers 

 

  

 

 

C341/Fall 2011 Chapter 5: Stereochemistry

Page 15 of 23

Fischer Projections 

Fischer projections are used usually when molecules have more than one chiral  center  in  the  backbone.    They  impart  three  dimensional information in a two dimensional method.   

  

CHO

H OH

H OH

CH2OH

CHO

HO H

HO H

CH2OH

A B

CHO

H OH

HO H

CH2OH

CHO

HO H

H OH

CH2OH

C D    

C341/Fall 2011 Chapter 5: Stereochemistry

Page 16 of 23

Assign an R or S configuration  to each stereocenter and determine  the relationships between them. 

 

          How many stereoisomers do you expect for the following molecule?  How many enantiomers and how many diastereomers? 

 

   

C341/Fall 2011 Chapter 5: Stereochemistry

Page 17 of 23

What if a molecule has a plane of symmetry in one stereoisomer?   

 

Meso Compounds =        

 Assign an R or S configuration  to each stereocenter and determine  the relationships between them. 

 For example:  

CH3

H Br

Br H

CH3

CH3

H Br

H Br

CH3

1 2

CH3

Br H

H Br

CH3

CH3

Br H

Br H

CH3

3 4 

HO OH

mirrorplane

C341/Fall 2011 Chapter 5: Stereochemistry

Page 18 of 23

How many stereoisomers exist for the following molecules? 

    

             

         

C341/Fall 2011 Chapter 5: Stereochemistry

Page 19 of 23

Draw an enantiomers or diastereomer for the following compounds: 

 

    

   

Cl

    

   

Br

 

C341/Fall 2011 Chapter 5: Stereochemistry

Page 20 of 23

4.  Properties of Stereoisomers & Optical Activity 

 o  Enantiomers have identical physical properties, i.e. the same melting point, boiling point, and solubility in standard solvents.   

o  “Optical activity” =   

 

 

 

C341/Fall 2011 Chapter 5: Stereochemistry

Page 21 of 23

Polarimeter: 

   

  o Optical activity is based on temperature.  For example, the compound below is levorotatory (‐) at 20°C, while at 100°C, it is dextrorotatory (+). 

  

C341/Fall 2011 Chapter 5: Stereochemistry

Page 22 of 23

When  chemists  run  a  reaction,  do  they  always  end  up  preparing  a mixture that is 50:50 mixture of each enantiomer?  Enantiomeric excess (ee) is a way to describe the product composition of a mixture of enantiomers:      For a mixture of 70% (R) and 30% (S), what is the % ee?         If the mixture has an optical rotation of +4.6, use the formula to calculate the % ee and the ratio of R/S.  

    

C341/Fall 2011 Chapter 5: Stereochemistry

Page 23 of 23

Separating enantiomers is difficult but can be done physically: 

 Chiral resolving agents: 

• The differing physical properties of diastereomers allow them to be more easily separated. 

  

• Chiral chromatography is often used to separate compounds.