Bab 9 Stereokimia. Luthfan Irfana Budi Arifin. Slaid kuliah Kimia Organik I untuk mhs S1 Kimia semester 3

Transkripsi

1 Slaid kuliah Kimia Organik I untuk mhs S1 Kimia semester 3 Bab 9 Stereokimia Luthfan Irfana Budi Arifin Bagian Kimia Organik Departemen Kimia FMIPA-IPB

2 TIU TIK

3 Daftar Pustaka: Hart H, Craine LE, Hart DJ Kimia Organik: Suatu Kuliah Singkat. Achmadi SS, penerjemah; Jakarta: Erlangga. Terjemahan dari: Organic Chemistry: A Short Course. Ed. ke-11. Bab 5. McMurry J Organic Chemistry. Ed. ke-7. Belmont: Brooks/Cole. Bab 9.

4 Pendahuluan Pernahkah Anda perhatikan? Sepasang sarung tangan Beberapa alat musik punya sifat ketanganan Barack Obama menulis dengan tangan kiri

5 Sumber:

6 9.1 Kiralitas & Enantiomer Setiap objek memiliki bayangan cermin. Objek yang tidak dapat diimpitkan (superimposable) dengan bayangan cerminnya dikatakan kiral. Kedua tangan kita adalah bayangan cermin yang tak identik objek kiral. Sebaliknya objek akiral identik dan karena itu, berimpit dengan bayangan cerminnya.

7 9.1 Kiralitas & Enantiomer Molekul organik dan biologis juga dapat memiliki sifat ketanganan (handedness) ini. CH 3 X dan CH 2 XY dapat diimpitkan dengan bayangan cermin masing-masing molekul akiral CHXYZ tak dapat diimpitkan dengan bayangan cerminnya molekul kiral Anda memerlukan model molekul untuk memahami hal ini.

8 Secara umum, kiralitas dimiliki oleh objek/molekul yang tidak memiliki bidang simetri. Bidang Simetri BUKAN Bidang Simetri Pusat kiralitas Asam propanoat (akiral) Asam laktat (kiral)

9 Secara khusus, atom C tetrahedral akan kiral jika mengikat 4 atom/gugus berbeda. Misalnya, 2-kloropropana akiral, sedangkan 2-klorobutana kiral.

10 9.1 Kiralitas & Enantiomer Molekul organik kiral dan bayangan cerminnya yang tidak identik disebut sepasang enantiomer. Asam (+)-Laktat Asam (-)-Laktat Tidak cocok Tidak cocok Tidak cocok

11 9.1 Kiralitas & Enantiomer Contoh molekul kiral lainnya: C5 pusat kiralitas Substituen pada karbon 5 5-bromodekana

12 Latihan 1: Manakah di antara 2 molekul di samping yang kiral? Latihan 2: Tandai * pusat(-pusat) kiralitas pada setiap senyawa berikut: karvon (minyak spearmint) nutkaton (minyak jeruk bali)

13 9.2 Keaktifan Optis Pengamatan Jean-Baptiste Biot (awal abad ke-19) Bidang cahaya terpolarisasi-bidang terputar saat melalui larutan senyawa organik tertentu Senyawa tersebut dikatakan aktif optis Arah & besar sudut rotasi diukur oleh polarimeter Cahaya takterpolarisasi Cahaya terpolarisasi Sumber cahaya Polarisator Tabung contoh berisi larutan molekul organik Analisator Pengamat

14 9.2 Keaktifan Optis Molekul yang memutar bidang cahaya terpolarisasi ke kanan disebut dekstrorotatori ( ) kiri disebut levorotatori ( ) Besar sudut rotasi teramati ( ) bergantung pada Struktur molekul Konsentrasi molekul dalam tabung contoh Panjang tabung contoh Panjang gelombang cahaya terpolarisasi Suhu

15 9.2 Keaktifan Optis Agar aktivitas optis berbagai zat dapat dibandingkan, digunakan besaran rotasi spesifik: t α λ l α c (pelarut) dengan = sudut rotasi (dari polarimeter) l = panjang tabung contoh (dm) c = konsentrasi (g/ml) t = suhu larutan (biasanya suhu kamar) = panjang gelombang sinar [biasanya garis D (kuning) dari lampu uap Na ( = 589,6 nm)]

16 9.2 Keaktifan Optis Sepasang enantiomer t sama, hanya berbeda tanda (-) - asam laktat ( )- asam laktat o o 25 C 25 C α 3,33(H O) α D 3,33(H2O) D 2

17 Contoh Soal 9.1 Menghitung Rotasi Optis Sebanyak 1,20 g contoh kokaina, [ ] D = 16 o, dilarutkan dalam 7.50 ml kloroform lalu dituang ke dalam tabung contoh sepanjang 5.00 cm. Berapakah sudut rotasi teramati ( )? Jawab: t α λ 16 o α (pelarut) l c α (0,500 dm) 1,20 g 7,50 ml = 1,28 o (CHCl 3 ) kokaina

18 9.2 Keaktifan Optis Louis Pasteur (1884) Dua jenis kristal yang dihasilkan dari natrium amonium tartrat adalah bayangan cermin yang tidak identik penemuan enantiomer 100% Kristal Kiri Aktif optis 100% Kristal Kanan Aktif optis

19 Soal-soal Latihan Problem Problem , 9.72, 9.73

20 9.3 Aturan Urutan: Penamaan R-S 1. Dengan aturan CIP, urutkan prioritas keempat gugus yang melekat pada pusat kiralitas (baca kembali penamaan E-Z). 2. Posisikan gugus yang prioritasnya paling rendah ke belakang. 3. Amati, 180 o dari posisi gugus tadi, arah perputaran dari gugus yang tertinggi prioritasnya ke yang kedua lalu ke yang ketiga. (a) searah jarum jam (R): rectus (b) berlawanan arah jarum jam (S): sinister

21 Setelah menentukan peringkat prioritas Cermin Putar menjadi seperti ini Putar menjadi seperti ini Gugus terendah (4) berada di belakang Gugus terendah (4) berada di belakang Konfigurasi R Konfigurasi S

22 Contoh 1: penentuan prioritas Asam ( )-laktat 1 penentuan konfigurasi searah jarum jam Konfigurasi R

23 Contoh 2: (S)-gliseraldehida [(S)-( )-2,3-dihidroksipropanal] [α] D = 8.7 Contoh 3: (S)-alanina [Asam (S)-( )-2-aminopropanoat] [α] D = 8.5

24 Contoh Soal 9.2 Gambarkan struktur (R)-2-klorobutana. 1. Tuliskan struktur 2D, urutkan prioritas gugus-gugus pada pusat kiralitas. Prioritas Cl > CH 2 CH 3 > CH 3 > H 2. Gambarlah dengan H (gugus prioritas terendah) menjauhi Anda, dan letakkan 3 gugus sisanya (Cl CH 2 CH 3 CH 3 ) searah jarum jam (R). atau

25 Latihan: 1. Tentukan konfigurasi (R atau S) pada pusat stereogenik dalam (a) HC O (b) CO 2 H (c) HO C H CH 3 H 2 N C H CH 2 SH CH 3 H C H 2 N CH 2 2. Gambarkan struktur: (a) (S)-2-fenilbutana (b) (R)-3-metil-1-pentena (c) (S)-3-metilsiklopentena

26 9.3 Aturan Urutan: Penamaan R-S Konfigurasi R-S mutlak; konfigurasi (+)/( ) relatif. Konfigurasi mutlak dipastikan dengan spektroskopi sinar-x (Bijvoet, 1951) Tidak ada hubungan nyata antara konfigurasi mutlak dan relatif. Contoh: CO 2 H C CH 3 H OH (R)-( )-asam laktat CH 3 OH H + CO 2 CH 3 C CH 3 H OH (R)-(+)-metil laktat

27 Soal-soal Latihan Problem Problem 9.27, 9.28, 9.30, , 9.50, 9.51,

28 9.4 Senyawa dengan >1 Pusat Kiralitas: Diastereomer & Senyawa Meso n pusat kiralitas maksimum 2 n stereoisomer * * asam 2-amino-3-hidroksibutanoat 2 pusat kiralitas maks 4 stereoisomer Stereoisomer (A) 2R, 3R (B) 2S, 3S (C) 2R, 3S (D) 2S, 3R A dan B, C dan D: pasangan enantiomer (bayangan cermin) A dan C, A dan D, B dan C, atau B dan D: bukan bayangan cermin DIASTEREOMER

29 Asam 2-amino-3-hidroksibutanoat Enantiomer Enantiomer

30 Perhatikan! Enantiomer Konfigurasi berlawanan di setiap pusat kiralitas Diastereomer Konfigurasi berlawanan di sebagian pusat kiralitas Epimer Konfigurasi berlawanan hanya di 1 pusat kiralitas kolestanol koprostanol Epimer

31 * * asam tartarat Enantiomer Enantiomer?

32 bidang simetri senyawa meso akiral IDENTIK! Senyawa Meso

33 Latihan: 1. Buaya dewasa mengeluarkan senyawa berikut dari kelenjar kulitnya sebagai feromon komunikasi untuk bersarang atau kawin. O Tandai pusat kiralitasnya dengan tanda *. Gambarkan semua kemungkinan stereoisomer dari senyawa ini? 2. a) Tunjukkan bahwa trans-1,2-dimetilsiklopentana dapat berada dalam bentuk enantiomer kiral. b) Apakah cis-1,2-dimetilsiklopentana juga kiral? Jelaskan.

34 Soal-soal Latihan Problem Problem 9.29, , 9.49, 9.52, 9.53, 9.57, 9.58, 9.65,

35 9.5 Campuran Rasemik (Rasemat): Resolusi Enantiomer Campuran rasemik (dilambangkan (+) atau (d,l): campuran sepasang enantiomer dengan nisbah 50:50 Campuran rasemik tidak aktif optis: rotasi (+) dari salah satu enantiomer tepat ditiadakan oleh rotasi ( ) yang sama besar dari enantiomer lainnya. Campuran rasemik umumnya sulit dipisahkan: Sifat akiral identik (tl, td,, dan berbagai jenis spektrum). Kelarutan dalam pelarut biasa yang akiral juga identik.

36 9.5 Campuran Rasemik (Rasemat): Resolusi Enantiomer Teknik kristalisasi bertingkat Pasteur umumnya tidak berhasil baik. Metode resolusi lazim digunakan: (a) Campuran direaksikan dengan suatu reagen kiral. (b) Dihasilkan sepasang produk diastereomer yang dapat dipisahkan dengan metode kimia biasa. (c) Reagen kiral diregenerasi & enantiomer dipisahkan. R S + R R - R S - R R - R dan S - R R + R S + R

37 Contoh: Rasemat asam kiral direaksikan dengan amina kiral. Resolusi tidak terjadi jika digunakan reagen yang akiral:

38 9.6 Stereokimia Reaksi: Hidrasi Alkena (1) Alkena akiral Alkohol kiral: 1-butena (akiral) (S)-2-butanol (50%) (R)-2-butanol (50%) (2) Alkena kiral Alkohol dengan pusat kiral baru: (R)-4-metil-1-heksena (1 pusat kiral) (2S,4R)- 4-metil-2-heksanol (2 pusat kiral) (2R,4R)- 4-metil-2-heksanol

39 (1) Mekanisme Reaksi Adisi H 2 O pada 1-Butena Serangan dari atas Kemungkinan Serangan atas = bawah Cermin (S)-2-Butanol (50%) Kation sec-butil (akiral) Serangan dari bawah (R)-2-Butanol (50%)

40 (2) Mekanisme Reaksi Adisi H 2 O pada (R)-4-Metil-1-heksena Alkena Kiral Kation Kiral Peluang serangan atas bawah Sisi atas bawah Atas Bawah Komposisi produk tidak 50:50 (2S,4R)-4-Metil-2-heksanol (2R,4R)-4-Metil-2-heksanol

41 9.6 Stereokimia Reaksi: Hidrasi Alkena Aturan umum: Pembentukan pusat kiral dari reaksi antara 2 reaktan akiral akan menghasilkan produk rasemat. Produk aktif optis hanya akan didapat dari reaktan/lingkungan yang aktif optis. Misalnya, reaksi biologis enzimatik: akonitase cis-akonitat (akiral) (2R,3S)-isositrat

42 9.6 Stereokimia Reaksi: Hidrasi Alkena Aturan umum: Pembentukan pusat kiral baru pada reaktan kiral akan menghasilkan campuran diastereomerik tidak 50:50. Sisi dengan halangan ruang lebih kecil lebih mudah diserang. Pusat kiral pertama tidak terpengaruh dan akan tetap berkonfigurasi R (bila reaksi tidak mengubah prioritas relatif).

43 Soal-soal Latihan Problem Problem , 9.66, 9.67, 9.74,

44 9.7 Kiralitas pada Nitrogen, Fosforus, dan Sulfur Atom N, P, dan S trivalen dengan 3 atom/gugus berbeda kiral. Pasangan elektron bebas menjadi gugus keempat yang berbeda dalam geometri-elektron tetrahedral. Interkonversi payung tertiup-angin atom N trivalen sangat cepat tidak mungkin mengisolasi salah satu enantiomer. Cermin Cepat

45 9.7 Kiralitas pada Nitrogen, Fosforus, dan Sulfur Interkonversi atom P dan S trivalen lebih lambat fosfina atau garam sulfonium kiral stabil dan dapat diisolasi. Prioritas terendah Metionina (R)-metilpropilfenilfosfina (stabil beberapa jam, 100 o C) Adenosina (S)-S-adenosilmetionina (stabil beberapa hari, rt)

46 9.8 Prokiralitas Molekul prokiral: molekul akiral yang dapat diubah menjadi Contoh pusat prokiralitas sp 2 : kiral dalam 1 tahap reaksi prokiral H 2 Pd/C kiral butanon (prokiral) 2-butanol (kiral) Enantiomer 2-butanol yang dihasilkan bergantung pada sisi/ muka karbonil planar yang bereaksi.

47 9.8 Prokiralitas Tentukan prioritas ketiga gugus yang terikat pada C sp 2. Tentukan arah putaran prioritas Muka yang menghasilkan putaran searah jarum jam muka Re (mirip R) taksearah jarum jam muka Si (mirip S) muka Re (searah jarum jam) Produk adisi pada muka Re (S)-2-butanol atau muka Si (taksearah jarum jam) Produk adisi pada muka Si (R)-2-butanol

48 9.8 Prokiralitas Contoh pusat prokiralitas sp 3 : Pusat prokiralitas Pusat kiralitas substitusi dgn 2 H Memahami prokiralitas akan diperlukan dalam mempelajari stereotopisitas pada kuliah Penentuan Struktur Molekul.

49 9.8 Prokiralitas Contoh prokiralitas pada sistem hayati:

50 Soal-soal Latihan Problem Problem 9.63, 9.64,

51 9.9 Kiralitas di Alam Walaupun sifat fisisnya sama, sepasang enantiomer biasanya memiliki sifat biologis yang berbeda, bahkan tak jarang berlawanan. ( )-limonena (aroma jeruk) ( )-limonena (aroma pinus) (R)-asparagina manis [isomer (S)-nya pahit] (S)-karvon aroma harum jintan [(R): berbau mentol]

52 Obat-obatan kiral: (S)-fluoksentina (pencegah migrain) rasemat antidepresan (R)-talidoimida zat sedatif & hipnotik [(S): teratogen ampuh] (S)-naproksen obat antiradang [(R): racun hati] (R,R)-kloramfenikol antibiotik [(S,S): bukan antibakteri]

53

54 (S,S)-paklobutrazol zat pengatur tumbuh tanaman [(R,R): fungisida)] Feromon seks kumbang jantan (enantiomernya inaktif) ( )-benzopirildiol sangat karsinogenik [(+): tidak)] (R)-timolol penyekat adrenergik [(S): tidak efektif)]

55 Tubuh memiliki reseptor tertentu untuk setiap fungsi biologis. Reseptor tersebut umumnya kiral. Hanya senyawa dengan stereokimia yang cocok dengan stereokimia reseptor dalam tubuh akan diikat. Enantiomer (kiri) Enantiomer (kanan) Tidak cocok Reseptor (Kiri) Reseptor (Kiri)

56 (S)-JimiHendrix CERMIN (R)-JimiHendrix Terima kasih Jangan lupa untuk mengulang kembali materi ini sebelum Anda tidur!