Isomers

ไอโซเมอริซึมของสารประกอบอนิทรีย์

ไอโซเมอร์

ไอโซเมอร์เชิงสเตอริโอ

ไอโซเมอร์เชิงสายโซ่คาร์บอน

ไอโซเมอร์เชิงตาํแหน่งของหมู่ฟังกช์นั

ไอโซเมอร์เชิงโครงสร้าง

ไอโซเมอร์เชิงเรขาคณิต ไอโซเมอร์เชิงแสง

ไอโซเมอร์เชิงชนิดของหมู่ฟังกช์นั

1. ไอโซเมอรเ์ชิงโครงสร้าง (Structural isomer) สารอนิทรยีท์ี�มสีตูรโมเลกุลเหมอืนกนัแต่มสีตูรโครงสรา้งต่างกนั แบง่ไดเ้ป็น1.1 ไอโซเมอรเ์ชงิสายโซ่คารบ์อน (skeleton isomer)1.2 ไอโซเมอรเ์ชงิตาํแหน่งของหมูฟ่งักช์นั (positional isomer)1.3 ไอโซเมอรเ์ชงิชนิดของหมูฟ่งักช์นั (functional isomer)

2. ไอโซเมอรเ์ชิงสเตอริ (Stereo isomer) เป็นไอโซเมอรท์ี�มโีครงแบบ (configuration) ต่างกนัคอืมกีารจดัเรยีงอะตอมในที�วา่งต่างกนั (การจดัตาํแหน่งของอะตอมใน 3 มติแิตกต่างกนั) แบง่ไดเ้ป็น 2 ชนิด คอื2.1 ไอโซเมอรเ์ชงิเรขาคณิต (geometrical isomer)2.2 ไอโซเมอรเ์ชงิแสง (optical isomer)

1. ไอโซเมอรเ์ชิงโครงสร้าง (Structural isomer) 1.1 ไอโซเมอรเ์ชิงสายโซ่คารบ์อน (skeleton isomer)

– ไอโซเมอรท์ี�มกีารจดัเรยีงตวัของคารบ์อนในโครงสรา้งหลกัต่างกนั – คารบ์อนอะตอมอาจต่อกนัเป็นเสน้ตรงหรอืเป็นแบบกิ�งสาขา– จาํนวนไอโซเมอรจ์ะเพิ�มขึEนเมื�อจาํนวนคารบ์อนเพิ�มขึEน เชน่

C5H12 ม ี3 ไอโซเมอร ์ C6H14 ม ี5 ไอโซเมอร ์C7H16 ม ี9 ไอโซเมอร ์ C8H18 ม ี18 ไอโซเมอร ์C9H20 ม ี35 ไอโซเมอร์ C10H22 ม ี75 ไอโซเมอร์– สารที�เป็นไอโซเมอรเ์ชงิโครงสรา้งกนัจะมสีมบตัทิางกายภาพและทางเคมตี่างกนั

Structural Isomers1. a) b)

Butane (C4H10) 2-methylpropane (C4H10) CH3 CH2 CH2 CH3 CH3 CH CH3

CH3

จงเขียนไอโซเมอรข์อง C7H16

hexane 2-methylpentane 3-methylpentane

2,3-dimethylbutane2,2-dimethylbutane

ไอโซเมอร์ชนิดโครงสร้างของ C5

H12

และจุดเดือด

1.2 ไอโซเมอรเ์ชิงตาํแหน่งของหมู่ฟังกช์นั (positional isomer)

– ไอโซเมอรท์ี�เกดิจากหมูฟ่งักช์นันลัมาเกาะกบัอะตอมของคารบ์อนในโครงสรา้งหลกัที�ตําแหน่งต่างกนั

– เชน่ C3H8O ม ีpositional isomer ที�เป็นแอลกอฮอล ์2 ไอโซเมอร์

H2C

CH2

H3C OHCH

CH3H3C

OH

1.3 ไอโซเมอรเ์ชิงชนิดของหมู่ฟังกช์นั (functional isomer)

• ไอโซเมอรท์ี�มหีมูฟ่งักช์นันลัต่างกนั เป็นสารอนิทรยีต์่างชนิดกนัที�มสีตูรโมเลกุลเหมอืนกนัแต่สตูรโครงสรา้งต่างกนั

• ตวัอยา่ง เชน่ แอลกอฮอล ์กบั อเีทอร ์ที�มสีตูรโมเลกุล C2H6O เป็น functional isomer กนั

• แอลดไีฮด ์กบั คโีตน ที�มสีตูรโมเลกุล C3H6O เป็น functional isomer กนั

O

C CH2H CH3

O

C CH3H3C

propanal propanone

H2C

H3C

O

CH3H3C OH

Structural Isomers1. a) b)

Butane (C4H10) 2-methylpropane (C4H10) 2.

CH2 C CH3

CH3

CH2 CH CH2 CH3 CH3 CH CH CH3

CH2

CH2

CH2

CH2

CHCH2

CH2

CH3

1-butene 2-butene

2-methylpropene cyclobutane methylcyclopropane

CH3 CH2 CH2 CH3 CH3 CH CH3

CH3

3. a) C4H8 has more isomers because the position of the double affects the name and because ring structures can be drawn.

4.

O

C C C

H

H

H

H

H

H

aldehydeH

C C C

H

H

H

H

O

H

ketone

OH

C C C

H

H

H

H

H

H

C C C

H

H

H

OH

H C

C

CH

H

H H

H

OH

alcohols

C C

O

H

H CH3

H

ether

C O C C

H

H

H

H H

H

2. ไอโซเมอรเ์ชิงสเตอริ (Stereo isomer)

2.1 ไอโซเมอรเ์ชิงเรขาคณิต (geometrical isomer)

• เป็นไอโซเมอรท์ี�มกีารจดัเรยีงของหมูแ่ทนที�ในโครงสรา้งที�เป็นวงหรอืในพนัธะคู่ต่างกนั

• เชน่ ไอโซเมอรแ์บบ ซสิ-ทรานส ์(cis-trans isomer) ซึ�งเป็นการพจิารณาวา่ H หรอืหมูท่ี�เหมอืนกนัอยูใ่นระนาบเดยีวกนัหรอืต่างระนาบกนั (ลา่งและบนระนาบของพนัธะคู)่

C C

CH3

H

H3C

H

C C

H

CH3

H3C

H

cis- 2-butene trans-2-butene

C=C

CH3 C2H5

ClH

สารอนิทรีย์นี!มี Geometrical isomer

เป็นอะไร และมีชื#อว่าอะไร

ในการพิจารณา Geometrical isomer ต้องดูที# C=C พบวา่พนัธะเดี'ยวทั)ง 4 มีหมู่ที'ไม่เหมือนกนัเลย

ในกรณีนี)จะเรียกเป็น cis หรือ trans ไม่ได ้ ต้องเรียกเป็น E หรือ Zในการพิจารณาวา่เป็น E หรือ Z ตอ้งมีความรู้เรื'องSequence rules

เพื'อที'จะจดัลาํดบัอะตอมหรือหมู่ตาม priority

Sequence rules

1 เรียงตามเลขอะตอม ใครมากกว่าจะมี priority สูงกว่า เช่น

35Br > 17Cl > 8O > 7N > 6C > 1H

(ส่วนใหญ่จะสอดคล้องกบันํ!าหนักอะตอม)

2 ถ้าข้อ 1 ยงัไม่ได้ ให้พจิารณาอะตอมถดัไปทลีะอะตอม

3สําหรับหมู่ที#เป็น multiple bond เช่น พนัธะคู่หรือพนัธะสามให้คดิแยกแต่ละพนัธะเป็นพนัธะเดี#ยวหมดทุกพนัธะ เช่น

-C=O

H

-C=C-

H H

-C-O

H

O Cคิดแยกเป็น

-C-C-

H H

C Cคิดแยกเป็น

เมื'อเขา้ใจ Sequence rules แลว้ใหพ้ิจารณาที' C=C โดยแบ่งโมเลกลุเป็น 2 ขา้งซา้ย-ขวา

แลว้แยกเปรียบเทียบหมู่ทั)งสองวา่หมู่ใดมี priority สูงกวา่จะเป็น Hi

และหมู่ที'มี priority ตํ'ากวา่จะเป็น L

C=CCH3 C2H5

ClH

Hi

L Hi

L

แลว้พิจารณารวมดูทั)งสองขา้งวา่ถา้หมู่ที'มี priority เป็น Hi หรือ L อยูข่า้งเดียวกนัเรียกวา่ Z

ถา้หมู่ที'มี priority เป็น Hi หรือ L อยูค่นละขา้งกนัเรียกวา่ E

ในกรณีนี)พบวา่อยูค่นละดา้นกนัจึงเป็น E-isomerE-3-chloro-2-pentene

E หรือ Z ?ออ้..เป็น Z-isomer

C=CCH3

ClCH3CH2

CH2OHL

Hi Hi

L

C=CCH3

CH(CH3)2H

CH2OHHi

L

Hi

L

อยูด่า้นเดียวกนั จึงเป็น Z-isomerZ

Z

2.2 ไอโซเมอรเ์ชิงแสง (optical isomer)

• เป็นไอโซเมอรท์ี�มคีวามไวต่อการบดิระนาบแสงโพลาไรซ ์(polarized light) ทั EงนีEเนื�องจากความไมส่มมาตรหรอือสมมาตร (asymmetry) ในโมเลกุล

• ถา้ C อะตอมใดต่อกบัอะตอมหรอืหมูอ่ะตอมที�แตกต่างกนัทั Eง 4 หมู ่เรยีกวา่ คารบ์อนไครลั (chiral carbon)

• ถา้ C อะตอมใดต่อกบัอะตอมหรอืหมูอ่ะตอมที�ไมแ่ตกต่างกนัทั Eง 4 หมู ่เรยีกวา่ คารบ์อนอะไครลั (achiral carbon)

CH

Br

Cl

H3C

CH

Br

H3C

H3C

*

คาร์บอนไครัล คาร์บอนอะไครัล

โมเลกลุอะไครลั (Achiral molecule)

• เมื�อฉายแสงโพลาไรซผ์า่นสารละลายของโมเลกุลอะไครลั ระนาบของแสงโพลาไรซ ์(plane of polarized light) จะไมม่กีารเปลี�ยนแปลง เพราะวา่โมเลกุลอะไครลัไมไ่ดห้มนุระนาบของแสงโพลาไรซ ์

• โมเลกุลอะไครลัเป็นสารที�ไมม่อีนัตรกริยิากบัแสง (optically inactive)

โมเลกลุไครลั (Chiral molecule)• แต่เมื�อฉายแสงโพลาไรซผ์า่นสารละลายของโมเลกุลไครลั โมเลกุลเอไครลัจะมี

การหมนุระนาบของแสงโพลาไรซ ์ซึ�งอาจจะหมนุระนาบของแสงตามเขม็นาฬกิาหรอืทวนเขม็นาฬกิา

• โมเลกุลไครลัเป็นสารที�เกดิอนัตรกริยิากบัแสงได ้(optically active)

โมเลกลุอะไครัล (ซอ้นทบักนัได)้ โมเลกลุไครัล (ซอ้นทบักนัไม่ได)้

โมเลกลุอะไครัล (Achiral carbon)• เมื'อหมุนโมเลกลุที'เป็นภาพในกระจกเงาแลว้ไดเ้ป็นตวัเดิม จึงสามารถซอ้นทบักนัได ้

(superimposible)โมเลกุลไครัล (Chiral carbon)• เมื'อหมุนแลว้โมเลกลุที'เป็นภาพในกระจกเงา ไม่ไดเ้ป็นตวัเดิม จึงไม่สามารถซอ้นทบักนัได ้

(non-superimposible)

CH

H3C

H

Br

CH

H3C

Cl

Br

CH

CH3

H

Br

CH

CH3

Cl

Br

Chirality CenterCarbon has four different groups attached

COOH

HOCH3

H

-(-)-Lactic acid

OH CH3

COOH

H

R หรือ S ?สาํหรับคนที'เขา้ใจยากเพราะดูสามมิติไม่เก่ง

ใหเ้ริ'มจากการแปลงเป็น fischer projection ก่อนโดยพิจารณาหมู่ที'ชี) เขา้ OH

และหมู่ที'ชี)ออกจากจอ CH3

ดึงใหอ้ยูใ่นแนวชี)ออกจากจอคือแนวนอนสาํหรับอีก 2 หมู่จะอยูใ่นแนวดิ'ง

จากนั)นใหเ้รียงลาํดบัหมู่ตาม priority

ตาม Sequence rules เป็น 1, 2, 3 และ 4ถา้หมู่ที# 4 อยู่ในแนวดิ#งแลว้ใหน้บั 1, 2 และ 3

ถา้หมุนตามเขม็นาฬิกาเป็น R

ถา้หมุนทวนเขม็นาฬิกาเป็น S

1

2

3

4

ตามเข็มนาฬิกาเป็น R

Br

NCH

CH3

NC H

Br

CH3

1

2

3

4

เมื'อแปลงเป็น fischer projection แลว้เรียงลาํดบัหมู่ตาม priority เป็น 1, 2, 3 และ 4

ทวนเขม็นาฬิกาเป็น Sตามเขม็นาฬิกาเป็น R

นบัไดเ้ป็นทวนเขม็นาฬิกา ควรเป็น S แต่ ลาํดบัที' 4 ยงัไม่อยูใ่นแนวดิ'ง (ยงัไม่ไกลตาเรา)

ดงันั)นจึงตอ้งตอบตรงขา้มคือเป็น R

H CH2CH3

CH=CH2

CO2H

2

4

1

3

CH=CH2

H

CH2CH3

CO2H

ตามเขม็นาฬิกาเป็น R

เมื'อแปลงเป็น fischer projection แลว้เรียงลาํดบัหมู่ตาม priority เป็น 1, 2, 3 และ 4

นบัไดเ้ป็นตามเขม็นาฬิกา ควรเป็น R

แต่ ลาํดบัที' 4 ยงัไม่อยูใ่นแนวดิ'ง (ยงัไม่ไกลตาเรา)ดงันั)นจึงตอ้งตอบตรงขา้มคือเป็น S

ทวนเขม็นาฬิกาเป็น Sลองหยบิกระดาษมาทาํเองก่อนนะค่ะ

ทบทวนใหน้ิดกไ็ด้1. แปลงเป็น fischer projection

2. เรียงลาํดบัหมู่ตาม priority เป็น 1, 2, 3 และ 43. อยา่ลืมถา้หมู่ที' 4 ไม่ไดอ้ยูใ่นแนวดิ'งจะตอบเลยได้ไหม?

สรุป ถา้ใครดู 3 มิติเป็นกไ็ม่ตอ้งแปลงเป็น Fischer projection ตอบไดเ้ลยแต่ถา้ใครดูไม่คล่องควรจะเปลี'ยนเป็น Fischer projection จะช่วยได้

อยา่ลืมวา่ลาํดบัที' 4 ตอ้งอยูใ่นแนวดิ'ง (ไกลตาเรา) จึงตอบได้ถา้ลาํดบัที' 4 อยูใ่นแนวนอน (ยงัไม่ไกลตาเรา) ตอบตรงขา้ม

26

Diastereomers• stereoisomers ที#ไม่เป็น mirror images กนัและกนั• มสีมบัตทิางกายภาพต่างกนั• เป็นสารต่างชนิดกนั• โมเลกลุที#มมีากกว่าหนึ#ง chiral centers• สารที#ม ีn chiral center มไีด้ทั!งหมด 2n

stereoisomers• สารที#ม ี2 chiral center มไีด้ทั!งหมด 4

stereoisomers

27

C BrH

CH3

C

C2H5

BrH

1

CBr H

CH3

C

C2H5

Br H

2

C HBr

CH3

C

C2H5

BrH

3

CH Br

CH3

C

C2H5

Br H

4

Enantiomer

Enantiomer

Diastereomer Diastereomer

28

Meso compounds• โมเลกลุที#มี 2 chiral centers อาจจะมีไม่ครบ 4

stereoisomers• เช่น 2,3-dibromobutane มีได้ทั!งหมด 3 stereoisomersCH3CHCHCH3

Br Br

* *

C HBr

CH3

C

CH3

BrH

CH Br

CH3

C

CH3

Br H

C BrH

CH3

C

CH3

BrH

CBr H

CH3

C

CH3

Br H

A B C D

29

C HBr

CH3

C

CH3

BrH

A

CH Br

CH3

C

CH3

Br H

B

C BrH

CH3

C

CH3

BrH

C

Enantiomer

Moso compound

Diastereomer Diastereomer

30

การเรียกชื#อสารที#มีมากกว่าหนึ#ง chiral centers• พจิารณา configuration ทลีะ chiral center ว่าเป็น (S) หรือ

(R) แล้วระบุตาํแหน่งลงในชื#อเรียกสารนั!น• Stereoisomer A ของ 2,3-dibromobutane มี C-2 และ C-3

เป็น chiral centers มี configuration เป็นแบบ (R) ทั!งคู่

(2R, 3R)-2,3-dibromobutaneC HBr

CH3

C

CH3

BrH

(R)

(R)

31

(1R,2S)-(-)-Ephedrine

C(R)

HHO

C(S)

HCH3NH

CH3

C(S)

H OH

C(R)

H NHCH3

CH3

C(S)

OHH

C(S)

HCH3NH

CH3

C(R)

HO H

C(R)

H NHCH3

CH3

(1S,2S)-(+)-Pseudophedrine

(1S,2R)-(+)-Ephedrine

(1R,2R)-(-)-Pseudophedrine

eg. cis-2-butene trans-2-butene

HC C

H3C CH3

H HC C

H3C H

CH3

configuration – the arrangement in space of the four different groups about a chiral center.

How do we show configurations?

“wedge” formulas Fischer projections“cross structures”use only for chiral centers!

Br

FHCl

Br

F ClH

CH3

HBr Cl

CH3

HClBr

Br

FCl H

1

2

3

4OH

CH2BrCH3H

1

2

34

CH2CH3

HCH=CH2Br1 2

3

4

21

3

12

3

R S

With group #4 rotated away:

Cl

BrH F

1

2

34Cl

BrF

1

2

3

rotate #4 away

(S)-configuration

Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 36, 1057 (1997).

absolute configuration for bromochlorofluoromethane:

Br Br

Cl H H Cl

F F

(R)-(-)- (S)-(+)-

* * * *aldohexose CH2-CH-CH-CH-CH-CH=O

OH OH OH OH OH

n chiral centers � 2n maximum stereoisomers

n = 4 � 24 = 16 stereoisomers

* *2,3-dichloropentane CH3CHCHCH2CH3

Cl Cl

n = 2 � 22 = 4 stereoisomers

diastereomers – non-mirror image stereoisomers.

(the physical and chemical properties of diastereomers are different.)

CH3

H Cl

CH2

H Cl

CH3

Cl H

CH2

Cl H

CH3

H Cl

CH2

Cl H

CH3

Cl H

CH2

H Cl

CH3 CH3 CH3 CH3

I II III IV

I & II are enantiomers; III & IV are enantiomers; I & III are diastereomers; I & IV are diastereomers…

CH3

CH2

HH Cl

Cl

CH3

C

CH Cl 14

H,H,H

Cl,C,H2

3

13

2

(S)-

C

CH Cl 14

C,H,H3

2

12

3

(R)-

Cl,C,H

(2S,3R)-2,3-dichloropentane

CH3

H Cl

CH2

H Cl

CH3

Cl H

CH2

Cl H

CH3

H Cl

CH2

Cl H

CH3

Cl H

CH2

H Cl

CH3 CH3 CH3 CH3

(2S,3R)- (2R,3S)- (S,S)- (R,R)-

* *2,3-dichlorobutane CH3CHCHCH3

Cl Cl

meso-compound – a compound that has chiral centers but is not chiral (optically inactive).

CH3

H Cl

CH3

H Cl

CH3

Cl H

CH3

Cl H

CH3

H Cl

CH3

Cl H

CH3

Cl H

CH3

H Cl

I II III