Stereokemi: 3D-kemi, stereoisomerer og kiralitet — definition
Stereokemi: Lær om 3D-kemi, stereoisomerer og kiralitet — forstå molekylers rumlige opbygning, effekt på reaktivitet og biologiske egenskaber.
Stereokemi er studiet af, hvordan molekyler påvirkes af den måde, hvorpå deres atomer er anbragt i rummet. Det er også kendt som 3D-kemi, da ordet stereo betyder tredimensionel. Ved hjælp af stereokemi kan kemikere finde ud af forholdet mellem forskellige molekyler, der er sammensat af de samme atomer. De kan også undersøge virkningen på de fysiske eller biologiske egenskaber, som disse relationer giver molekylerne. Når disse relationer har indflydelse på molekylernes reaktivitet, kaldes det dynamisk stereokemi. I praksis betyder det, at to stoffer med samme kemiske formel og samme forbindelsesrækkefølge kan have helt forskellige smagsindtryk, lugt, farmakologi eller materialeegenskaber, netop fordi deres atomer sidder forskelligt i rummet.
I kemi har nogle molekyler mere end én isomer. Det betyder, at molekyler kan have forskellige former, selv om alle formerne består af de samme atomer. Der findes to slags isonomere. Konstituerende isomerer har de samme atomer, men de er forbundet forskelligt. Stereoisomerer har de samme atomer, de er forbundet på samme måde, men atomerne er arrangeret forskelligt i rummet. En vigtig del af stereokemien er studiet af chirale molekyler. Disse molekyler ser næsten identiske ud, bortset fra at det ene molekyle er spejlbillede af det andet. Til disse spejlbilleder hører ofte begreberne enantiomerer (par af spejlbilleder) og diastereomerer (stereoisomerer, der ikke er spejlbilleder af hinanden).
I de fleste kemiske bindinger kan atomerne i et molekyle bevæge sig frit rundt uden at bryde bindingerne. Når et molekyle har en dobbeltbinding eller en ringstruktur, kan molekylet opdeles i forskellige isomerer. Det er molekyler med den samme kemiske struktur, men med forskellige former. Eksempler på dette er cis/trans- (eller E/Z-) isomeri i alkenstoffer og konformationsisomeri i cyclohexan, hvor ringens 'flip' ændrer substituenternes relatifle placering uden at bryde bindinger.
Undersøgelsen af stereokemiske problemer dækker hele spektret af organisk, uorganisk, biologisk, fysisk og supramolekylær kemi. Studiet er centralt for forståelsen af enzymers selektivitet, lægemidlers aktivitet, smag og lugt samt materialers optiske og mekaniske egenskaber.
Typer af stereoisomerer
- Enantiomerer: Spejlbilledisomerer, som ikke kan drejes til at være identiske (ikke-superponérbare). De har samme fysiske egenskaber bortset fra drejningsretningen af polariseret lys og ofte forskellig biologisk aktivitet.
- Diastereomerer: Stereoisomerer, der ikke er spejlbilleder af hinanden. De kan have meget forskellige smelte- og kogepunkter, opløseligheder og reaktivitet.
- Meso-forbindelser: Molekyler med flere stereocentre, der alligevel er indre spejlsymmetriske og derfor optisk inaktive.
- Konformationsisomerer: Varianter som skyldes rotation om enkeltbindinger (fx staggered vs. eclipsed) eller ringflip i cyclohexan; disse kan være i hurtig ligevægt ved stuetemperatur.
- Atropisomerer: Isomerer med begrænset rotationsfrihed omkring en bindingsakse, fx visse biphenylsystemer, der fungerer som stereoisomerer på grund af hæmmet rotation.
Kiralitet og stereocentre
Kiralitet opstår ofte, når et stereocenter (typisk et sp3-kulstof) er bundet til fire forskellige substituenter. Sådanne centre betegnes også stereogene centre. I mere avancerede tilfælde kan kiralitet komme fra stereogene akser eller plan (f.eks. i helicale molekyler eller visse komplekse organiske strukturer).
For at angive absolut konfiguration bruger man typisk R/S-systemet (Cahn–Ingold–Prelog-reglerne) for stereocentre og E/Z-systemet for dobbeltbindinger. Disse nomenklaturer gør det muligt entydigt at beskrive et molekyles tredimensionelle opbygning.
Dynamisk stereokemi og reaktivitet
Dynamisk stereokemi omhandler, hvordan stereokemien ændres under kemiske reaktioner eller ved intern rotation. Eksempler:
- Epimerisering: ændring af konfiguration ved et enkelt stereocenter under basiske eller sure forhold.
- Walden inversion: inversion af et stereocenter under bestemte substitutionsreaktioner.
- Konformationsændringer: påvirker ofte reaktivitet ved at gøre visse positioner mere eller mindre tilgængelige for reagens.
Bestemmelse af stereokemi
Der er flere eksperimentelle metoder til at bestemme stereokemi:
- Polarimetri: måling af optisk rotation for at skelne og kvantificere enantiomerer.
- Røntgenkrystallografi: direkte bestemmelse af atomernes positioner i et krystal og dermed absolut konfiguration.
- NMR-spektroskopi: ofte i kombination med chirale hjælpeakitiver eller komplekser, som differentierer enantiomerer.
- Chiral kromatografi (HPLC/GC): separation og kvantificering af enantiomerer.
- Cirkulær dikroisme (CD): information om optiske egenskaber og konformationer, især i biomolekyler.
Vigtigheden af stereokemi
Stereokemi er afgørende i farmaci, biokemi, materialekemi og fødevarekemisk industri. Enantiomerer kan have meget forskellig biologisk effekt — et velkendt eksempel er thalidomid, hvor den ene enantiomer var effektiv mod morgenkvalme, mens den anden forårsagede alvorlige fosterskader. Andre eksempler er smagsforskelle mellem R- og S-carvone (spearmint vs. karve) og den enantiospecifikke binding af lægemidler til enzymer eller receptorer.
Stereokemi forbinder således struktur med funktion: forståelsen af 3D-arrangementet af atomer i molekyler er nødvendig for at forudsige og kontrollere deres egenskaber og anvendelser.
De forskellige typer af isomerer. Stereokemi er studiet af stereoisomerer
Historie
Louis Pasteur var den første, der studerede stereokemi. Han observerede i 1849, at vinsyresalte fra vinfremstillingsudstyr kunne rotere i plan polariseret lys, men at salte fra andre kilder ikke kunne rotere i plan polariseret lys. Denne egenskab var den eneste forskel mellem de to typer salt. Den skyldes optisk isomeri. I 1874 opdagede Jacobus Henricus van 't Hoff og Joseph Le Bel, at forskellen skyldtes den måde, hvorpå atomerne var bundet til kulstof i en tetraedrisk (firefløjet) form.
Anvendelse af stereokemi
Stereokemi var vigtig for opklaringen af thalidomid-katastrofen i 1960'erne. Thalidomid er et lægemiddel, der først blev fremstillet i 1957 i Tyskland. Læger brugte det til at behandle morgenkvalme hos gravide kvinder. Senere viste det sig, at stoffet forårsagede misdannelser hos spædbørn. Den ene isomer af stoffet var ufarlig, men den anden forårsagede alvorlige genetiske skader på embryonerne. I menneskekroppen undergår thalidomid racemisering: selv om kun en af de to stereoisomerer kommer ind i et menneskelegeme, ændrer kroppen noget af det til den anden. Thalidomid-katastrofen fik regeringerne til at teste lægemidler mere omhyggeligt. Udvalgte mennesker tager først nye lægemidler i et forsøg (klinisk forsøg), før lægemidlet gøres tilgængeligt for offentligheden. Thalidomid bruges nu som behandling af spedalskhed. Kvinder skal bruge det sammen med præventionsmidler for at forhindre graviditet.
Beskrivelse af et molekyls stereokemi
Når et atom kan have andre atomer forbundet med det på mere end én måde, kaldes det et stereocenter. Hvis et kulstofatom f.eks. har fire forskellige grupper knyttet til sig, bliver det et stereocenter.
Cahn-Ingold-Prelog prioritetsreglerne er en del af et system til beskrivelse af et molekyls stereokemi. De rangordner atomerne omkring et stereocenter på en standardiseret måde. Dette gør det muligt at beskrive disse atomers relative placering i molekylet meget klart. En Fischer-projektion er en forenklet måde at vise stereokemien omkring et stereocenter på.
Projektion af et tetraedrisk molekyle på en plan overflade.
Visualisering af en Fischer-projektion.
Relaterede sider
- Chiralitet (kemi)
- Stereokemi af alkaner
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er stereokemi?
A: Stereokemi er studiet af, hvordan molekyler påvirkes af den måde, hvorpå deres atomer er anbragt i rummet. Det er også kendt som 3D-kemi, da ordet stereo betyder tredimensionel.
Spørgsmål: Hvordan kan kemikere bruge stereokemi?
A: Ved hjælp af stereokemi kan kemikere finde ud af forholdet mellem forskellige molekyler, der er sammensat af de samme atomer. De kan også undersøge virkningen på de fysiske eller biologiske egenskaber, som disse relationer giver molekylerne. Når disse relationer har indflydelse på molekylernes reaktivitet, kaldes det dynamisk stereokemi.
Spørgsmål: Hvad er isomerer?
Svar: I kemi har nogle molekyler mere end én isomer. Det betyder, at molekyler kan have forskellige former, selv om alle formerne består af de samme atomer. Der findes to slags isomerer; konstitutionelle isomerer, som har de samme atomer, men de er forbundet på forskellig vis, og stereoisomerer, som har de samme atomer, de er forbundet på en lignende måde, men med forskellige arrangementer i rummet.
Spørgsmål: Hvad betyder chiral?
A: Chiral betyder, at et molekyle har to spejlbilleder, der ser næsten identiske ud, bortset fra at det ene er en spejling af et andet molekyle.
Spørgsmål: Hvordan påvirker dobbeltbindinger og ringstrukturer molekyler?
Svar: Når et molekyle har en dobbeltbinding eller en ringstruktur, kan det sorteres i forskellige typer isomerer - molekyler med kemiske strukturer, men med forskellige former på grund af forskelle i arrangementet i rummet.
Sp: Hvilket område dækker stereokemiske problemer?
Svar: Undersøgelsen af stereokemiske problemer dækker alle aspekter af organisk, uorganisk, biologisk, fysisk og supramolekylær kemi.
Søge