Dit zijn mijn aantekeningen van lezing 15 van Harvard’s Chemistry 20: Organic Chemistry cursus, gegeven door Dr. Ryan Spoering op 6 maart 2015.
Optische rotatie
Het feit dat enantiomeren gepolariseerd licht differentieel roteren, is een nuttige eigenschap voor het bepalen van de samenstelling van een mengsel, dat ergens tussen racemisch (50/50) en puur (alle één enantiomeer).
Voor chirale moleculen kun je een waarde opzoeken die 20D heet. 20D betekent de rotatie bij 20 ° C, met een weglengte van 1 dm, onder een natriumlicht waarbij λ = 581 nm (de natrium D-lijn, vandaar de D). Deze hoeveelheid, samen met de parameters c = concentratie in g / ml en l = padlengte, stelt je in staat om de werkelijke rotatie α af te leiden, op grond van de vergelijking 20D = α / (cl).
| ratio | α | ee |
|---|---|---|
| 100: 0 | +12 | 100% |
| 90:10 | +9.6 | 80% |
| 50:50 | 0 | 0% |
Merk op dat in een 90:10 mengsel, de 10 10 van de 90 annuleert, dus je krijgt slechts 80% van de rotatie die je zou hebben in het 100: 0 mengsel, voor een 80 % ee.
Pasteur en wijnsteenzuur
In 1848 bestudeerde Pasteur twee schijnbaar verwante stoffen, wijnsteenzuur en racemisch zuur. Wijnsteenzuur is een natuurlijke substantie die soms uitkristalliseert uit wijn, en het is rechtsdraaiend. Racemisch zuur was een industrieel bijproduct dat in alle opzichten identiek leek aan wijnsteenzuur, behalve dat het geen optische rotatie had. Pasteur was een vitalist en was erg geïnteresseerd in het ophelderen van de fysieke basis van wat leven onderscheidde van niet-leven. Hij vermoedde dat optische rotatie specifiek was voor vitale kracht, omdat veel natuurlijke producten optisch actief waren, terwijl synthetische producten dat bijna nooit waren.
Pasteur synthetiseerde natriumammonium racemisch zuur en kristalliseerde het vervolgens. Het vormde een stapel van twee verschillende soorten kristallen, die macroscopisch verschillend waren. Met een pincet en een primitieve microscoop uit 1848 kon je de stapel daadwerkelijk uit elkaar halen in twee afzonderlijke stapels kristallen, die macroscopische spiegelbeelden van elkaar waren. Als je de twee stapels vervolgens opnieuw zou oplossen, zou elk optisch actief zijn, maar in tegengestelde richting.
We weten nu dat maar heel weinig racemische mengsels zich op deze manier gedragen. De overgrote meerderheid zal een racemisch kristal vormen; slechts een handvol vormt afzonderlijke kristallen. Bovendien, zelfs als je dit weet, is het eigenlijk best moeilijk om het experiment van Pasteur te reproduceren.
Wijnsteenzuur en zijn enantiomeer missen vlakke symmetrie, hoewel ze elk een tweevoudige rotatiesymmetrie hebben. Er bestaat geen vlak waarover je wijnsteenzuur kunt reflecteren en er toch overheen kunt leggen. Het molecuul is dus chiraal. Als u zich echter voorstelt dat de z-as uit het scherm steekt, kunt u het molecuul 180 ° rond die as draaien en het vervolgens over elkaar heen leggen. Dit heet C2-symmetrie. Wijnsteenzuur heeft ook een diastereomeer genaamd meso-wijnsteenzuur. Dit molecuul heeft een symmetrievlak en is daarom achiraal. Over het algemeen wordt elke verbinding zoals deze, met stereogene koolstofatomen maar ook een symmetrievlak, een mesoverbinding genoemd.
Stereospecificiteit bij synthese
Er zijn drie belangrijke strategieën voor het bereiden van een enkel enantiomeer. Vandaag bespreken we een beroemd voorbeeld dat betrekking heeft op twee van deze drie methoden:
De mensen, zoals Walter White , die pure dextromethamfetamine willen synthetiseren voor commerciële verkoop, hebben twee methoden ontwikkeld: chirale pool en resolutie.
Chirale pool
Bij de chirale pool-methode steel je stereogene centra uit de natuur. De natuur levert ons een enorme pool van chirale moleculen die we als uitgangsmateriaal kunnen gebruiken. In het geval van dextromethamfetamine kun je beginnen met (-) – efedrine of (+) – pseudo-efedrine en de hydroxylgroep verwijderen via een zeer gevaarlijke reactie:
Oplossing
Omdat inspanningen op het gebied van drugshandhaving het steeds moeilijker hebben gemaakt om grote hoeveelheden pseudo-efedrine te verkrijgen, zijn mensen meer overgegaan op de oplossingsmethode. Bij deze methode synthetiseer je eerst een racemisch mengsel:
Vervolgens scheid je het door een enantiomeerzuiver molecuul toe te voegen zoals (+ )-wijnsteenzuur. (+) – wijnsteenzuur vormt met elk enantiomeer zouten, maar de twee zouten hebben verschillende fysische eigenschappen, dus onder zorgvuldige omstandigheden kun je alleen dextromethamfetamine laten uitkristalliseren.
Dit is echter een verspilling, aangezien je hoogstens 50% opbrengst krijgt, en in de praktijk is het moeilijk om zelfs zoveel te krijgen.
Chiraliteit zonder stereogene koolstof
De volgende keer zullen we moleculen bespreken die chiraliteit hebben zonder stereogene koolstof. Deze zijn meestal niet stabiel en wisselen elkaar vrij snel uit. Hier is een voorbeeld met een stereogene stikstof:
Er zijn ook rare voorbeelden waarbij een molecuul nog geen enkel stereogeen centrum heeft slaagt in het algemeen chiraal te zijn. Gauche-butaan heeft bijvoorbeeld axiale chiraliteit, hoewel geen enkele koolstof stereogeen is. Het converteren ook snel:
