KİRAL MOLEKÜLLERDE KONFİGÜRASYONUN

BELİRLENMESİHazırlayan: Ünzile KELEŞTEMUR

Kiral bileşiklerin konfigürasyonlarının belirlenmesi üç başlık altında toplanmıştır.

BİRİNCİ VE İKİNCİ BAŞLIKLAR SIRASI İLE KİRAL MERKEZ TAŞIYAN BİLEŞİKLERİN VE KİRAL MERKEZ TAŞIMAYAN ANCAK KİRAL OLAN BİLEŞİKLERİN CHAN-INGOLD-PRELOG SİSTEMİ İLE KONFİGÜRASYONLARININ BULUNMASINI, ÜÇÜNCÜSÜ İSE CHAN-INGOLD-PRELOG SİSTEMİ DIŞINDA KONFİGÜRASYONLARI İFADE EDEN SİSTEMLERİ İÇERMEKTEDİR.

Kiral bileşiklerin konfigürasyonlarının belirlenmesi üç başlık altında toplanmıştır.

Birinci ve ikinci başlıklar sırası ile kiral merkez taşıyan bileşiklerin ve kiral merkez taşımayan ancak kiral olan bileşiklerin Chan-Ingold-Prelog sistemi ile konfigürasyonlarının bulunmasını,

Üçüncüsü ise Chan-Ingold-Prelog sistemi dışında konfigürasyonları ifade eden sistemleri içermektedir.

KİRAL MERKEZ İÇEREN MOLEKÜLLER

Tek Kiral Merkez İçeren Moleküller

Tetrahedral bir atoma 4 ayrı atom veya grup bağlı ise bu atom kiral atomdur (stereojenik atomdur).

Chan-Ingold-Prelog sistemine göre stereojenik merkeze bağlı atom veya gruplara önceliklerine göre 1 den 4’e kadar numara verilmesidir. En yüksek öncelikli gruba 1, en az öncelik taşıyan gruba ise 4 numaraları verilir.

Numaralandırmadan sonra 4 nolu atom (en düşük öncelikli atom) en arkaya gelecek yönde moleküle bakılır. Öncelikli grup olan 1 numaradan başlayarak 1-2-3 gruplarını içine alacak şekilde bir daire çizildiği hayal edildiğinde, daireyi çizmek için saat ibresinin dönme yönü kullanılıyor ise bu enantiyomere R, saat ibresinin ters yönü kullanılıyorsa S konfigürasyonundadır denir.

Aşağıda verilen A formülüne 4 numaralı grup arkada kalacak şekilde bakıldığında moleküldeki grupların B yapısındaki biçimde yerleşmiş olduğu görülür.

Grupların öncelik sırasını belirlemek için Chan-Ingold-Prelog kuralları aşağıda verilmektedir:

Atomların kütle sayıları arttıkça öncelik sıraları artar.

O > N > C > 3H > 2H > 1H

I > Br > Cl > F

Eğer stereojenik merkeze bağlı iki grubun merkeze bağlı ilk atomları aynı ise bu atomlara bağlı grupların öncelikleri dikkate alınarak gruplara öncelik numarası verilir. Öncelik sırası için aşağıda verilen sıra kullanılır.

CCCC > CCCH > CCHH > CHHH

COOO > COOC > COCC > CCCC

• Aşağıda verilen diol bileşiğinde a karbon atomuna C*-CCH bağlı iken b karbon atomuna C*-CHH bağlıdır ve öncelik a karbonundadır.

• Aşağıda verilen asetalde 1 nolu grupta (C*-CCH), 2 nolu grupta (C*-O-CCHH) bulunmaktadır. Dolayısıyla öncelik isopropoksi grubundadır. Propil grubu (C*-CCHH-CCHH) yapısına sahip iken etil grubu (C*-CCHH-CHHH) yapısındadır, dolayısı ile öncelik n-propildedir.

• Eğer bir atom çoklu bir bağa bağlı ise, çoklu bağda yer alan her iki atom da o çoklu bağ sayısı kadar bağ yapmış sayılır. Hidrojen hariç bütün atomların valansları 4’e tamamlanır. Tamamlamak için ilave edilen atomların valans değeri “0” olarak kabul edilir ve bunlar gerçek atomlara kıyasla daha düşük önceliğe sahiptirler. Bu atomlara fantom (hayalet) atom denir. Genellikle hem fantom hem de gerçek atomların her ikisi de gerçek olarak kabul edilir. Ancak tek çözüm gerçek ve fantom atomun önceliğinin belirlenmesi olduğunda fantom atomun daha az önceliği olduğu kabul edilir. Örneğin ter-butil grubu ile alkinil grubunu kıyaslarsak her ne kadar alkinil grubunda fantom atomlar varsa da sonra gelen grup C (C0C0C), C (H H H) grubuna göre öncelikli olduğundan alkinil grubu daha önceliklidir.

• Propenil grubu ve isobutil grubunun önceliklerini kıyasladığımızda, öncelik kararının asimetrik merkezden sonra 3. karbona bağlı gruplarla verilebileceği görülmektedir, çünkü daha önce belirtildiği gibi 2. karbonda bulunan C000 ve CHHH grupları eşdeğer kabul edilmektedir.

• Bazı grupları azalan öncelik sırasına göre dizersek;

• COOH ˃ COPh ˃ COMe ˃ CHO ˃ CH(OH)2 ˃ o-tollil ˃ m-tollil ˃ p-tollil ˃ fenil ˃ CCH ˃ ter-butil ˃ siklohekzil ˃ vinil ˃ isopropil ˃ benzil ˃ alil ˃ n-pentil ˃ etil

• Azot atomunun stereojenik merkez olması durumunda yani üç ayrı grubun bağlı olması halinde 4. grubu serbest elektron çifti oluşturur.

• Fischer projeksiyon formülleri tetrahedral karbonu kağıt üzerinde iki boyutta göstermeye dayanan bir sistemdir. Doğada yer alan hemen hemen bütün amino asitler glisin hariç asimetrik merkeze sahiptir ve bu asimetrik merkez de çoğu amino asitte S (L) konfigürasyonundadır. Fischer projeksiyonu ile çizilen bir amino asitte karboksil grubu ve R grubu dikey bağda yer aldığında H grubu solda, amino grubu da sağda ise R (D-) amino asit, amino grubu solda ise S (L-) amino asit olarak tanımlanır.

Benzer gösterim karbonhidratlar için de geçerlidir. Örneğin, glukozdaki en büyük karbon sayılı kiral merkezde hidrojen solda hidroksil grubu sağda ise bu enantiyomere (D-) glukoz adı verilir.

Karbonhidratlar ve aminoasitler dışında çok ender de olsa Fischer gösterimleri D-/L- kavramları olmaksızın kullanılabilir. Fischer projeksiyon formülü ile yazılmış moleküllerin R/S konfigürasyonlarının bulunması için Wedge formülleri için kullanılan yöntemden biraz farklı bir yöntem kullanılır. Bunun için asimetrik merkeze bağlı gruplara Chan-Ingold-Prelog sistemine göre öncelik verilir. Eğer 4 nolu grup dikey çizgide yer alıyorsa (yani kağıt düzleminin arkasında ise) 1, 2, 3 sırası izlenerek hayali daire çizilir. Bu daire çizilirken saat ibresinin dönme yönü kullanılırsa konfigürasyon R, tersi kullanırsa S olarak tanımlanır.

Eğer 4 nolu grup yatay bağlarda yani kağıt düzleminin önünde ise gerçek konfigürasyon bulunan konfigürasyonun tersidir.

Fischer projeksiyon formülünde asimetrik merkez etrafında 900 lik dönüş ve 2 grubun yer değiştirmesi orijinal yapının konfigürasyonunun değişimine neden olur.

Eğer gruplardan biri sabit tutulup diğerlerinin yerleri aynı sıra içerisinde 900 değiştirilirse, konfigürasyon değişmez.

BİRDEN FAZLA KİRAL MERKEZ TAŞIYAN BİLEŞİKLERDE İZOMER

SAYISI

Bir molekülün iki kiral merkez taşıdığı durumlarda, her karbonun konfigürasyonu ele alınarak sınıflandırılırsa 4 izomer elde edilir.

Daha önce belirtildiği gibi enantiyomerler kiral bir bileşik ile farklı reaksiyon hızı ile tepkimeye girerlerken, kiral olmayan bir molekül ile verdikleri tepkimenin reaksiyon hızları aynıdır. Bunun nedenini şöyle açıklayabiliriz; Bir reaksiyona R ve S enantiyomerleri ile başlandığını düşünelim. R enantiyomerinin (B) gibi kiral olmayan bir bileşik ile verdiği aktiflenmiş kompleks, S enantiyomerinin aynı molekül ile verdiği aktiflenmiş kompleksin ayna hayalidir. Enantiyomerler özdeş özelliklere sahip olduklarından aktiflenmiş komplekslerin enerjileri, dolayısıyla oluşum reaksiyon hızları da aynıdır.

R + B → R-B

Enantiyomer çifti

S + B → S-B

Bir moleküldeki kiral merkez sayısı arttıkça stereoizomer sayısı artar. Oluşabilecek en fazla stereoizomer sayısı 2n formülü ile bulunur. Bu formülde n kiral merkez sayısıdır. İki kiral merkez taşıyan bir bileşikte en fazla 4 stereoizomer vardır. Örneğin 3-klor-2-butanol iki kiral merkeze sahip olduğundan bu bileşiğin 4 adet stereoizomeri olabilir. Bu stereoizomerler aşağıda fischer ve wedge formülleri ile gösterilmektedir:

Tartarik asitin stereoizomerleri incelendiğinde iki kiral merkeze sahip olmasına rağmen 4 adet stereoizomeri olmadığı görülür. Tartarik asitin 3 stereoizomeri vardır. Bunun nedeni, her iki karbon atomuna bağlı 3 grubun da aynı olması nedeni ile stereoizomerlerden birinin simetri düzlemine (aynı zamanda simetri merkezine) sahip olmasıdır. Bu şekilde en az iki kiral merkez taşımalarına rağmen optikçe aktif olmayan stereoizomerlere mezo bileşikleri denir.

KİRAL MERKEZ TAŞIMAYAN ASİMETRİK MOLEKÜLLERDE

KONFİGÜRASYONUN BELİRLENMESİ

Bazı organik moleküller kiral merkeze sahip olmamalarına rağmen bir kiral eksene veya kiral düzleme göre asimetriktirler. Bu tür bileşiklerin konfigürasyonlarının belirlenmesi için Chan-Ingold-Prelog sistemi olduğu şekli ile kullanılamaz, modifiye edilmesi gerekir. Çünkü Chan-Ingold-Prelog sistemi kiral merkez taşıyan moleküllere uygulanmaktadır. Allenler, akliliden sikloalkanlar, spiranlar, biariller kiral eksene sahip bileşiklerdir. Helisenler, siklofanlar, trans-sikloolefinler ve metallosenler ise kiral düzleme sahip bileşiklerdir.

Kiral eksene göre optikçe aktivite gösteren moleküller, ‘gerilmiş’ (extended) tetrahedrona sahip bileşikler olarak tanımlanırlar. Normal bir tetrahedral atom (A) yapısı ile gösterilmiştir. Eğer A yapısındaki a ve d atomları iki uçtan çekilerek bağ boyları uzatılırsa (B) yapısı elde edilir ve bu yapıya gerilmiş tetrahedron denir. Bu durum, (B) yapısının ayna hayali (C yapısı) ile çakışmadığı zaman geçerlidir. B yapısının ayna hayali olan C yapısını x-y ekseni etrafında döndürdüğümüzde elde edilen (D) yapısı (B) yapısı ile çakışmadığından bileşik optikçe aktiftir. Dolayısıyla (B) yapısı kiral merkez taşımaz ama bir kiral eksene sahiptir (x-y).

Kiral Eksene Sahip Bileşiklerde Konfigürasyonun Belirlenmesi

Dört farklı grup taşıyan bir alleni ele alalım. Bu durumda tetrahedronun 4 köşesinde farklı gruplar yer almaktadır. Allene bağlı 4 grubun a-d olarak önceliklendirilip konfigürasyonun bulunması tamamen yanlıştır. Çünkü gerilmiş tetrahedronda C* - Cd (d, A yapısından görüldüğü gibi en arkada yer alan en küçük öncelikli grup) bağ ekseni olmadığından moleküle hangi açıdan bakılacağı belli değildir. Bu durumda kiral eksene sahip bileşiklerin konfigürasyonlarını bulmak için Chan-Ingold-Prelog sistemi yeterli olamamaktadır ve ilave bir kurala ihtiyaç vardır. Yeni ilave kurala göre: yakın ve uzak grup tanımı yapılır ve yakın grupları uzak gruplar takip eder, yakın grupların önceliği vardır. Yakın gruplar moleküle bakış yönüne göre en önde olan gruplardır. Aşağıda verilen allende gözün baktığı yönde yakın gruplar metil ve hidrojen, uzak gruplar ise etil ve hidrojendir. Benzer şekilde alkilidensiklohekzanda yakın gruplar hidrojen ve metil, uzak gruplar hidrojen ve karboksil gruplarıdır.

Yukarıda verilen tanımlamaları kullanarak kiral merkez taşımadığı halde kiral olan bileşiklerin konfigürasyonlarını bulmak için iki yöntem kullanılır. Bunlardan birincisi moleküle bağlı grupları gerilmiş tetrahedrona yerleştirmeksizin konfigürasyonun bulunması, diğeri ise gerilmiş tetrahedrondan yararlanarak konfigürasyonun bulunmasıdır.

Gerilmiş tetrahedron kullanmadan ve Chan-Ingold-Prelog sistemine eklenen yeni kuralı da uygulayarak konfigürasyonun bulunması;

Aşağıda formülü verilen allene sol taraftan bakıldığı düşünülürse: allende ilk karşılaştığımız gruplar yani yakın olan gruplar hidrojen ve metil gruplarıdır. Bu grupların kağıt düzlemine dik bir planda yer aldığını düşünerek dikey bir düz çizgi çizilir ve gruplar bulundukları yere göre düz çizginin altına ve üstüne yerleştirilir. Bu iki gruba Chan-Ingold-Prelog sistemine göre 1 ve 2 şeklinde öncelik sırası (yakın grupların önceliği olduğundan 1 ve 2 numaraları daima öndeki gruplara, yani düz çizgide bulunan gruplara) verilir. Daha sonra uzaktaki gruplar kesikli bir yatay çizgiye bulundukları pozisyona göre yerleştirilir ve 3 ile 4 olarak öncelik numaraları verilir. Sonra 1 – 2 – 3 şeklinde hayali bir çember çizilir ve çizim yönü saat ibresinin yönünde ise Ra ve Sa (a: axial) eksene göre kiralite olduğunu belirtmek için kullanılır. Aynı moleküle sağ taraftan baktığımızda da sonuç değişmeyecektir.

Kiral eksen taşıyan bileşiklerde konfigürasyonlarının belirlenmesi için bu bileşikleri helisen gibi kabul edip helisenler için uygulanan M ve P işaretleme sistemi de kullanılabilir. M, P okuması daha çok moleküldeki helis yapısından kaynaklanan düzleme göre asimetrik bileşiklerde konfigürasyonun tanımı için kullanılır. Örneğin hekzahelisende molekülün bir ucu diğerinin üstündedir. Öndeki (üstteki) uçtan başlayıp alttaki (arkadaki) uca giderken kullanılan yön saat ibresi yönünde ise P (plus), saat ibresinin ters yönünde ise M (minus) işaretlemesi yapılır. Trans-siklookten de benzer şekilde tanımlanabilir.

Kiral eksen taşıyan bileşiklerde R/S konfigürasyonunun bulunması için yukarıda verilen temel açıklamaların uyarlaması olan diğer bir yöntem gerilmiş tetrahedron yardımı ile konfigürasyonun bulunmasına dayanır:Bu sistemde wedge gösterimi ile hazırlanan moleküller gerilmiş tetrahedrona yerleştirilirler. Yerleştirme sırasında plandaki grupların ve planın önündeki / arkasındaki grupların doğru olarak yerleştirilmesine dikkat edilmelidir.

Allen ve biaril sistemlerinde plan gözün tam karşısına alınacak şekilde bakılarak tetrahedronun köşeleri plan önü, plan arkası ve plan olmak üzere işaretlenir. Planın önündeki gruptan başlayarak plandaki öncelikli gruba sonra da planda yer alan ikinci öncelikli gruba doğru hayali bir çember çizilir ve çemberin çizim yönüne göre R/S tanımları yapılır. Planın önündeki grup, planın arkasındaki gruptan küçükse bulunan konfigürasyonun tersi alınır.

Aşağıda verilen allende Br ve H plandaki gruplar, metil ise planın önündeki gruptur. Gerilmiş tetrahedrona plan gözün karşısına alınarak bakılır ve konfigürasyon bulunur.

KİRAL DÜZLEME SAHİP BİLEŞİKLERDE KONFİGÜRASYONUN

BELİRLENMESİ

Kiral düzlem moleküldeki atomların çoğunu içeren ancak hepsini içermeyen düzlem olarak tanımlanabilir. Zaten kiralite en az bir atomun bu düzlemde yer almamasından kaynaklanmaktadır.

(I) bileşiğinin konfigürasyonunun bulunması için öncelikle kiral düzlemin belirlenmesi gerekir. Bu bileşikteki kiral düzlem benzen halkasının bulunduğu düzlemdir. Düzlem belirlendikten sonra Pilot atom adı verilen atom belirlenmelidir. Pilot atomun belirlenmesi için moleküle planın dışından bakılır ve plana en yakın olan atom seçilir. Seçilebilecek birden fazla atom var ise, Chan-Ingold-Prelog sistemine göre planda yer alan gruplardan öncelikli olana yakın olan atom pilot atom olarak seçilir ve ok ile işaretlenir. Pilot atomdan sonra gelen atomlara sırası ile a, b, c harfleri verilir (yine öncelikli gruplara dikkat edilir). Hayali çember a-b-c yönünde çizilirken saat ibresinin yönü kullanılıyor ise konfigürasyon Rp, ters yön kullanılıyorsa Sp tanımları yapılır. Rp ve Sp gösterimleri plana göre kiralite olduğunu belirtmek için kullanılmaktadır.

(II) molekülünde kiral düzlem daha fazla sübstitüent taşıyan benzen halkasının yani aşağıdaki benzen halkasının bulunduğu düzlemdir. Pilot atom olarak sağ taraftaki metilen grubunun seçilmesinin nedeni plandaki benzen halkasında bulunan karboksil grubudur.

Bu bileşiklerde de helisenlere ait M, P sistemi kullanılabilir. R ve S sistemi için kullanılan sistem aynen uygulanır. Ancak eksene göre simetrik bileşiklerin aksine Rp, P gösterimine, Sp ise M gösterimine karşılık gelir.