IChO 1980 · Theory problem 4

Organic chemistry, stereochemistry: an acid C5H8O2, its hydrogenation and bromination

Download PDFIChO 1980

(Organic chemistry, stereochemistry)

Carbonic acid A with an overall formula of \(\ce{C5H8O2}\) yields two geometric isomers, cis (A') and trans (A''). On hydrogenation with \(\ce{Pt/H2}\) the same racemic carboxyl acid B is obtained from both stereoisomers that can be separated into enantiomers (+)-B and (-)-B.

A' and A'' rapidly react with one mole of bromine in \(\ce{CCl4}\) in the dark at 20 °C to yield C.

Problems:

4.1 What is the constitution of A and B?

4.2 Write the stereo formulae for A' and A'' and the Fischer projection formulae for the enantiomer B (not considering the signs (+) or (-)).

4.3 How many stereo isomers of C are simultaneously formed when A' and A'' are treated with bromine?

4.4 Briefly, give reasons for your answer to c).

4.5 Write the Fischer projection formulae and one Newman projection formula (conformation) for all the stereoisomers of C. Denote those that are mutually enantiomeric and diastereoisomeric.

Official English text of the problem.

Answers

For the \(A'/A''\) labels below, cis/trans refers to the two methyl groups.

4.1: A is 2-methylbut-2-enoic acid, CC=C(C)C(=O)O. B is 2-methylbutanoic acid, CCC(C)C(=O)O.
4.2: \(A'\) is (E)-2-methylbut-2-enoic acid, O=C(O)/C(C)=C/C; \(A''\) is (Z)-2-methylbut-2-enoic acid, O=C(O)/C(C)=C\C. The enantiomers of B are (R)-2-methylbutanoic acid, O=C(O)[C@H](C)CC, and (S)-2-methylbutanoic acid, O=C(O)[C@@H](C)CC. Their projections are specified below.
4.3: Two enantiomers from each pure alkene; four stereoisomers altogether. The \(E\) alkene gives \((2R,3S)/(2S,3R)\), and the \(Z\) alkene gives \((2R,3R)/(2S,3S)\).
4.4: Bromination is stereospecific anti addition. The product has two stereogenic centers and no meso form; each alkene gives a racemic pair.
4.5: The four products are stereoisomers of 2,3-dibromo-2-methylbutanoic acid, O=C(O)C(Br)(C)C(Br)C. Their stereochemical SMILES, Fischer projections, and Newman conformations are tabulated below. The enantiomeric pairs are \((2R,3S)/(2S,3R)\) and \((2R,3R)/(2S,3S)\); every pairing between these two pairs is diastereomeric.

Solution

4.1 — Identification of A and B

The degree of unsaturation of A is

\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(5)+2-8}{2}=2. \]

The carboxyl carbonyl accounts for one degree of unsaturation. The geometric isomerism and rapid bromine-addition reaction identify an alkene double bond as the other, in the intended alkene chemistry of this problem.

Hydrogenation gives a saturated acid of formula \(\ce{C5H10O2}\). Its resolvability into enantiomers requires a stereogenic center. With only five carbon atoms, the required four different substituents are carboxyl, ethyl, methyl, and hydrogen. Thus B is 2-methylbutanoic acid, CCC(C)C(=O)O:

\[ \ce{HOOC-CH(CH3)-CH2-CH3}. \]

Restoring a double bond to this carbon skeleton must produce an alkene with two different substituents on each double-bond carbon. This places the double bond between C2 and C3:

\[ \ce{HOOC-C(CH3)=CH-CH3}. \]

Therefore A is 2-methylbut-2-enoic acid, CC=C(C)C(=O)O.

Hydrogenation with molecular hydrogen, [H][H], over platinum is balanced as

\[ \ce{HOOC-C(CH3)=CH-CH3 + H2 ->[Pt] HOOC-CH(CH3)-CH2-CH3}. \]

C3 becomes a methylene group, so the original geometric distinction disappears. C2 becomes stereogenic; hydrogenation in an achiral environment gives equal amounts of the two enantiomers of B from either alkene.

4.2 — Geometric structures of A and Fischer projections of B

Number the carboxyl carbon C1. To specify the alkene drawings, place C2 on the left and C3 on the right, joined by a horizontal double bond. Place the substituents above and below it as follows:

Form	Name and stereochemical SMILES	Above C2; above C3	Below C2; below C3
\(A'\), methyl groups cis	(E)-2-methylbut-2-enoic acid, `O=C(O)/C(C)=C/C`	\(\ce{COOH}\); \(\ce{H}\)	\(\ce{CH3}\); \(\ce{CH3}\)
\(A''\), methyl groups trans	(Z)-2-methylbut-2-enoic acid, `O=C(O)/C(C)=C\C`	\(\ce{COOH}\); \(\ce{CH3}\)	\(\ce{CH3}\); \(\ce{H}\)

For the \(E/Z\) assignments, the higher-priority substituent is \(\ce{COOH}\) at C2 and \(\ce{CH3}\) at C3. Consequently, cis methyl groups correspond to \(E\), whereas trans methyl groups correspond to \(Z\).

For the Fischer projections of B, put \(\ce{COOH}\) at the top and \(\ce{CH2CH3}\) at the bottom. Horizontal bonds point toward the viewer; vertical bonds point away.

Enantiomer	Left substituent	Right substituent	Stereochemical SMILES
(R)-2-methylbutanoic acid	\(\ce{H}\)	\(\ce{CH3}\)	`O=C(O)[C@H](C)CC`
(S)-2-methylbutanoic acid	\(\ce{CH3}\)	\(\ce{H}\)	`O=C(O)[C@@H](C)CC`

The priority order is

\[ \ce{COOH}>\ce{CH2CH3}>\ce{CH3}>\ce{H}. \]

These projections are mirror images. Their \(R/S\) configurations do not determine which has positive or negative optical rotation.

4.3 — Number of bromination products

Bromine, BrBr, adds across the double bond in carbon tetrachloride, ClC(Cl)(Cl)Cl, in the dark at \(20\,^\circ\mathrm{C}\):

\[ \ce{HOOC-C(CH3)=CH-CH3 + Br2 -> HOOC-C(Br)(CH3)-CH(Br)-CH3}. \]

Thus one mole of A consumes one mole of bromine. The product C is 2,3-dibromo-2-methylbutanoic acid, O=C(O)C(Br)(C)C(Br)C, with formula \(\ce{C5H8Br2O2}\).

Both C2 and C3 are stereogenic. The product has no internal symmetry that could produce a meso form, so its total number of stereoisomers is

\[ 2^2=\boxed{4}. \]

Stereospecific anti addition gives:

Starting alkene	Products
\(A_E\), here \(A'\)	\((2R,3S)\) and \((2S,3R)\), in equal amounts
\(A_Z\), here \(A''\)	\((2R,3R)\) and \((2S,3S)\), in equal amounts

Therefore, each separately brominated geometric isomer gives two stereoisomers, while bromination of a mixture containing both gives all four. The relative amounts of the two racemic pairs depend on the starting mixture.

4.4 — Reasons for the stereochemical outcome

Under the stated conditions, electrophilic bromination is anti addition: the two new carbon–bromine bonds form on opposite faces of the original double bond.

For either planar alkene, the two mirror-related addition pathways are equally probable in the achiral reaction environment. They therefore give equal amounts of two enantiomers.

Changing the starting alkene from \(E\) to \(Z\) changes the relative configuration produced by anti addition, giving the other enantiomeric pair. No product is meso because the two stereogenic centers have different substituent sets: C2 bears a carboxyl group and a methyl group, whereas C3 bears a hydrogen and a methyl group.

4.5 — Fischer projections, Newman projections, and relationships

For every Fischer projection of C, draw the vertical backbone in this order:

\[ \ce{COOH}\quad\text{at the top},\qquad \mathrm{C2},\qquad \mathrm{C3},\qquad \ce{CH3}\quad\text{at the bottom}. \]

The table specifies every horizontal substituent. As usual, horizontal bonds point toward the viewer and vertical bonds point away.

Stereoisomer of 2,3-dibromo-2-methylbutanoic acid	C2: left / right	C3: left / right	Stereochemical SMILES
\((2R,3S)\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\)	`O=C(O)[C@](Br)(C)[C@@H](Br)C`
\((2S,3R)\)	\(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)	\(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\)	`O=C(O)[C@@](Br)(C)[C@H](Br)C`
\((2R,3R)\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\)	\(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\)	`O=C(O)[C@](Br)(C)[C@H](Br)C`
\((2S,3S)\)	\(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\)	`O=C(O)[C@@](Br)(C)[C@@H](Br)C`

The configuration assignments use these priority orders:

\[ \begin{aligned} \mathrm{C2}:&\quad \ce{Br}>\ce{CH(Br)CH3}>\ce{COOH}>\ce{CH3},\\ \mathrm{C3}:&\quad \ce{Br}>\ce{C(Br)(CH3)COOH}>\ce{CH3}>\ce{H}. \end{aligned} \]

At C2, the neighboring brominated carbon outranks the carboxyl carbon because its attached-atom list begins with bromine, which outranks oxygen.

For the Newman projections, look from C2 toward C3, with C2 represented by the front dot and C3 by the rear circle. Use clock positions as seen by the viewer:

Front bonds occupy 12, 4, and 8 o’clock.
Rear bonds occupy 2, 6, and 10 o’clock.

The following table specifies one staggered conformation for each stereoisomer:

Configuration	Front C2: 12 / 4 / 8 o’clock	Rear C3: 2 / 6 / 10 o’clock
\((2R,3S)\)	\(\ce{COOH}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{H}\)
\((2S,3R)\)	\(\ce{COOH}\) / \(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\)	\(\ce{H}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)
\((2R,3R)\)	\(\ce{COOH}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)	\(\ce{H}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)
\((2S,3S)\)	\(\ce{COOH}\) / \(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{H}\)

These clock positions specify conformations, which the stereochemical SMILES do not encode. Rotation about the C2–C3 single bond changes the conformation without changing configuration; “anti addition” describes the reaction’s addition faces.

The enantiomeric pairs are

\[ \boxed{(2R,3S)\ \longleftrightarrow\ (2S,3R)} \]

and

\[ \boxed{(2R,3R)\ \longleftrightarrow\ (2S,3S)}. \]

Each member of the first pair is diastereomeric with each member of the second pair.

The solution was checked against the official solution.

IChO 1980 · Theorieaufgabe 4

Organische Chemie, Stereochemie: eine Säure C5H8O2, ihre Hydrierung und Bromierung

PDF herunterladenIChO 1980

(Organische Chemie, Stereochemie)

Die Carbonsäure A mit der Summenformel \(\ce{C5H8O2}\) liegt in zwei geometrischen Isomeren vor, cis (A') und trans (A''). Bei der Hydrierung mit \(\ce{Pt/H2}\) entsteht aus beiden Stereoisomeren dieselbe racemische Carbonsäure B, die in die Enantiomere (+)-B und (-)-B getrennt werden kann.

A' und A'' reagieren in \(\ce{CCl4}\) im Dunkeln bei 20 °C rasch mit einem Mol Brom zu C.

Aufgaben:

4.1 Welche Konstitution haben A und B?

4.2 Zeichnen Sie die Stereoformeln für A' und A'' sowie die Fischer-Projektionsformeln für die Enantiomere von B (ohne Berücksichtigung der Vorzeichen (+) oder (-)).

4.3 Wie viele Stereoisomere von C entstehen gleichzeitig, wenn A' und A'' mit Brom behandelt werden?

4.4 Begründen Sie kurz Ihre Antwort auf c).

4.5 Zeichnen Sie die Fischer-Projektionsformeln und jeweils eine Newman-Projektionsformel (Konformation) für alle Stereoisomere von C. Kennzeichnen Sie, welche zueinander enantiomer und welche diastereomer sind.

Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.

Antworten

Bei den nachstehenden Bezeichnungen \(A'/A''\) bezieht sich cis/trans auf die beiden Methylgruppen.

4.1: A ist 2-Methylbut-2-ensäure, CC=C(C)C(=O)O. B ist 2-Methylbutansäure, CCC(C)C(=O)O.
4.2: \(A'\) ist (E)-2-Methylbut-2-ensäure, O=C(O)/C(C)=C/C; \(A''\) ist (Z)-2-Methylbut-2-ensäure, O=C(O)/C(C)=C\C. Die Enantiomere von B sind (R)-2-Methylbutansäure, O=C(O)[C@H](C)CC, und (S)-2-Methylbutansäure, O=C(O)[C@@H](C)CC. Ihre Projektionen sind nachstehend angegeben.
4.3: Zwei Enantiomere aus jedem reinen Alken; insgesamt vier Stereoisomere. Das \(E\)-Alken ergibt \((2R,3S)/(2S,3R)\), das \(Z\)-Alken ergibt \((2R,3R)/(2S,3S)\).
4.4: Die Bromierung ist eine stereospezifische anti-Addition. Das Produkt besitzt zwei stereogene Zentren und keine meso-Form; jedes Alken ergibt ein racemisches Paar.
4.5: Die vier Produkte sind Stereoisomere der 2,3-Dibrom-2-methylbutansäure, O=C(O)C(Br)(C)C(Br)C. Ihre stereochemischen SMILES, Fischer-Projektionen und Newman-Konformationen sind nachstehend tabellarisch aufgeführt. Die Enantiomerenpaare sind \((2R,3S)/(2S,3R)\) und \((2R,3R)/(2S,3S)\); jede Paarung zwischen diesen beiden Paaren ist diastereomer.

Lösung

4.1 — Identifizierung von A und B

Der Ungesättigtheitsgrad von A beträgt

\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(5)+2-8}{2}=2. \]

Die Carbonylgruppe der Carboxylgruppe trägt einen Ungesättigtheitsgrad bei. Die geometrische Isomerie und die rasche Bromaddition weisen im Rahmen der in dieser Aufgabe zugrunde gelegten Alkenchemie auf eine Alken-Doppelbindung als Ursache des zweiten Ungesättigtheitsgrades hin.

Die Hydrierung ergibt eine gesättigte Säure der Formel \(\ce{C5H10O2}\). Ihre Trennbarkeit in Enantiomere setzt ein stereogenes Zentrum voraus. Bei nur fünf Kohlenstoffatomen sind die erforderlichen vier verschiedenen Substituenten eine Carboxylgruppe, eine Ethylgruppe, eine Methylgruppe und ein Wasserstoffatom. Somit ist B 2-Methylbutansäure, CCC(C)C(=O)O:

\[ \ce{HOOC-CH(CH3)-CH2-CH3}. \]

Durch Wiedereinführen einer Doppelbindung in dieses Kohlenstoffgerüst muss ein Alken entstehen, bei dem jedes der beiden Doppelbindungs-Kohlenstoffatome zwei verschiedene Substituenten trägt. Daher liegt die Doppelbindung zwischen C2 und C3:

\[ \ce{HOOC-C(CH3)=CH-CH3}. \]

Folglich ist A 2-Methylbut-2-ensäure, CC=C(C)C(=O)O.

Die ausgeglichene Reaktionsgleichung für die Hydrierung mit molekularem Wasserstoff, [H][H], an Platin lautet

\[ \ce{HOOC-C(CH3)=CH-CH3 + H2 ->[Pt] HOOC-CH(CH3)-CH2-CH3}. \]

C3 wird zu einer Methylengruppe, sodass der ursprüngliche geometrische Unterschied verschwindet. C2 wird stereogen; die Hydrierung in einer achiralen Umgebung ergibt aus jedem der beiden Alkene gleiche Mengen der beiden Enantiomere von B.

4.2 — Geometrische Strukturen von A und Fischer-Projektionen von B

Bezeichnen Sie das Carboxyl-Kohlenstoffatom als C1. Um die Alkenzeichnungen eindeutig festzulegen, ordnen Sie C2 links und C3 rechts an, verbunden durch eine waagerechte Doppelbindung. Ordnen Sie die Substituenten darüber und darunter wie folgt an:

Form	Name und stereochemischer SMILES	Oberhalb von C2; oberhalb von C3	Unterhalb von C2; unterhalb von C3
\(A'\), Methylgruppen cis	(E)-2-Methylbut-2-ensäure, `O=C(O)/C(C)=C/C`	\(\ce{COOH}\); \(\ce{H}\)	\(\ce{CH3}\); \(\ce{CH3}\)
\(A''\), Methylgruppen trans	(Z)-2-Methylbut-2-ensäure, `O=C(O)/C(C)=C\C`	\(\ce{COOH}\); \(\ce{CH3}\)	\(\ce{CH3}\); \(\ce{H}\)

Für die \(E/Z\)-Zuordnung ist der Substituent mit der höheren Priorität an C2 \(\ce{COOH}\) und an C3 \(\ce{CH3}\). Folglich entsprechen cis-ständige Methylgruppen der \(E\)-Konfiguration, während trans-ständige Methylgruppen der \(Z\)-Konfiguration entsprechen.

Ordnen Sie für die Fischer-Projektionen von B \(\ce{COOH}\) oben und \(\ce{CH2CH3}\) unten an. Waagerechte Bindungen zeigen zum Betrachter hin, senkrechte Bindungen vom Betrachter weg.

Enantiomer	Linker Substituent	Rechter Substituent	Stereochemischer SMILES
(R)-2-Methylbutansäure	\(\ce{H}\)	\(\ce{CH3}\)	`O=C(O)[C@H](C)CC`
(S)-2-Methylbutansäure	\(\ce{CH3}\)	\(\ce{H}\)	`O=C(O)[C@@H](C)CC`

Die Prioritätsreihenfolge lautet

\[ \ce{COOH}>\ce{CH2CH3}>\ce{CH3}>\ce{H}. \]

Diese Projektionen sind Spiegelbilder voneinander. Ihre \(R/S\)-Konfigurationen legen nicht fest, welches Enantiomer eine positive oder negative optische Drehung aufweist.

4.3 — Anzahl der Bromierungsprodukte

Brom, BrBr, wird in Tetrachlormethan, ClC(Cl)(Cl)Cl, im Dunkeln bei \(20\,^\circ\mathrm{C}\) an die Doppelbindung addiert:

\[ \ce{HOOC-C(CH3)=CH-CH3 + Br2 -> HOOC-C(Br)(CH3)-CH(Br)-CH3}. \]

Somit verbraucht ein Mol A ein Mol Brom. Das Produkt C ist 2,3-Dibrom-2-methylbutansäure, O=C(O)C(Br)(C)C(Br)C, mit der Formel \(\ce{C5H8Br2O2}\).

Sowohl C2 als auch C3 sind stereogen. Das Produkt besitzt keine innere Symmetrie, die eine meso-Form ermöglichen würde, sodass sich für die Gesamtzahl seiner Stereoisomere ergibt:

\[ 2^2=\boxed{4}. \]

Die stereospezifische anti-Addition ergibt:

Ausgangsalken	Produkte
\(A_E\), hier \(A'\)	\((2R,3S)\) und \((2S,3R)\), in gleichen Mengen
\(A_Z\), hier \(A''\)	\((2R,3R)\) und \((2S,3S)\), in gleichen Mengen

Somit ergibt jedes getrennt bromierte geometrische Isomer zwei Stereoisomere, während die Bromierung eines Gemisches, das beide enthält, alle vier ergibt. Die relativen Mengen der beiden racemischen Paare hängen vom Ausgangsgemisch ab.

4.4 — Begründung des stereochemischen Ergebnisses

Unter den angegebenen Bedingungen ist die elektrophile Bromierung eine anti-Addition: Die beiden neuen Kohlenstoff–Brom-Bindungen entstehen auf entgegengesetzten Seiten der ursprünglichen Doppelbindung.

Für jedes der beiden planaren Alkene sind die beiden spiegelbildlichen Additionswege in der achiralen Reaktionsumgebung gleich wahrscheinlich. Sie ergeben daher gleiche Mengen zweier Enantiomere.

Der Wechsel des Ausgangsalkens von \(E\) zu \(Z\) verändert die durch anti-Addition erzeugte relative Konfiguration, sodass das andere Enantiomerenpaar entsteht. Kein Produkt ist eine meso-Verbindung, da die beiden stereogenen Zentren unterschiedliche Substituentensätze besitzen: C2 trägt eine Carboxylgruppe und eine Methylgruppe, während C3 ein Wasserstoffatom und eine Methylgruppe trägt.

4.5 — Fischer-Projektionen, Newman-Projektionen und Beziehungen

Zeichnen Sie für jede Fischer-Projektion von C das senkrechte Grundgerüst in dieser Reihenfolge:

\[ \ce{COOH}\quad\text{oben},\qquad \mathrm{C2},\qquad \mathrm{C3},\qquad \ce{CH3}\quad\text{unten}. \]

Die Tabelle gibt alle waagerecht angeordneten Substituenten an. Wie üblich zeigen waagerechte Bindungen zum Betrachter hin und senkrechte Bindungen vom Betrachter weg.

Stereoisomer der 2,3-Dibrom-2-methylbutansäure	C2: links / rechts	C3: links / rechts	Stereochemischer SMILES
\((2R,3S)\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\)	`O=C(O)[C@](Br)(C)[C@@H](Br)C`
\((2S,3R)\)	\(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)	\(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\)	`O=C(O)[C@@](Br)(C)[C@H](Br)C`
\((2R,3R)\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\)	\(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\)	`O=C(O)[C@](Br)(C)[C@H](Br)C`
\((2S,3S)\)	\(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\)	`O=C(O)[C@@](Br)(C)[C@@H](Br)C`

Für die Konfigurationszuordnungen werden diese Prioritätsreihenfolgen verwendet:

\[ \begin{aligned} \mathrm{C2}:&\quad \ce{Br}>\ce{CH(Br)CH3}>\ce{COOH}>\ce{CH3},\\ \mathrm{C3}:&\quad \ce{Br}>\ce{C(Br)(CH3)COOH}>\ce{CH3}>\ce{H}. \end{aligned} \]

An C2 hat das benachbarte bromierte Kohlenstoffatom eine höhere Priorität als das Carboxyl-Kohlenstoffatom, weil seine Liste gebundener Atome mit Brom beginnt, das eine höhere Priorität als Sauerstoff besitzt.

Blicken Sie für die Newman-Projektionen von C2 in Richtung C3, wobei C2 durch den vorderen Punkt und C3 durch den hinteren Kreis dargestellt wird. Verwenden Sie Uhrzeigerpositionen aus Sicht des Betrachters:

Die vorderen Bindungen nehmen die Positionen 12, 4 und 8 Uhr ein.
Die hinteren Bindungen nehmen die Positionen 2, 6 und 10 Uhr ein.

Die folgende Tabelle gibt für jedes Stereoisomer eine gestaffelte Konformation an:

Konfiguration	Vorderes C2: 12 / 4 / 8 Uhr	Hinteres C3: 2 / 6 / 10 Uhr
\((2R,3S)\)	\(\ce{COOH}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{H}\)
\((2S,3R)\)	\(\ce{COOH}\) / \(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\)	\(\ce{H}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)
\((2R,3R)\)	\(\ce{COOH}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)	\(\ce{H}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)
\((2S,3S)\)	\(\ce{COOH}\) / \(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{H}\)

Diese Uhrzeigerpositionen legen Konformationen fest, die in den stereochemischen SMILES nicht kodiert sind. Eine Drehung um die C2–C3-Einfachbindung verändert die Konformation, ohne die Konfiguration zu ändern; „anti-Addition“ beschreibt die Seiten, von denen aus die Addition bei der Reaktion erfolgt.

Die Enantiomerenpaare sind

\[ \boxed{(2R,3S)\ \longleftrightarrow\ (2S,3R)} \]

und

\[ \boxed{(2R,3R)\ \longleftrightarrow\ (2S,3S)}. \]

Jedes Mitglied des ersten Paares ist zu jedem Mitglied des zweiten Paares diastereomer.

Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.

IChO 1980 · Teori sorusu 4

Organik kimya, stereokimya: C5H8O2 formüllü bir asit, hidrojenlenmesi ve bromlanması

PDF indirIChO 1980

(Organik kimya, stereokimya)

Kaba formülü \(\ce{C5H8O2}\) olan karbonik asit A, cis (A') ve trans (A'') olmak üzere iki geometrik izomere sahiptir. \(\ce{Pt/H2}\) ile hidrojenleme sonucunda her iki stereoizomerden de, (+)-B ve (-)-B enantiyomerlerine ayrılabilen aynı rasemik karboksilik asit B elde edilir.

A' ve A'', karanlıkta ve 20 °C'de \(\ce{CCl4}\) içinde bir mol bromla hızla tepkimeye girerek C'yi oluşturur.

Sorular:

4.1 A ve B'nin yapıları nedir?

4.2 A' ve A'' için stereokimyasal formülleri ve B'nin enantiyomerleri için Fischer izdüşüm formüllerini ((+) veya (-) işaretlerini dikkate almadan) yazınız.

4.3 A' ve A'' bromla tepkimeye sokulduğunda C'nin kaç stereoizomeri eş zamanlı olarak oluşur?

4.4 c) şıkkına verdiğiniz cevabın gerekçelerini kısaca belirtiniz.

4.5 C'nin tüm stereoizomerleri için Fischer izdüşüm formüllerini ve birer Newman izdüşüm formülünü (konformasyonunu) yazınız. Birbirleriyle enantiyomerik ve diastereoizomerik ilişkide olanları belirtiniz.

Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.

Cevaplar

Aşağıdaki \(A'/A''\) etiketlerinde cis/trans, iki metil grubunun birbirine göre konumunu belirtir.

4.1: A, 2-metilbut-2-enoik asittir, CC=C(C)C(=O)O. B, 2-metilbutanoik asittir, CCC(C)C(=O)O.
4.2: \(A'\), (E)-2-metilbut-2-enoik asittir, O=C(O)/C(C)=C/C; \(A''\), (Z)-2-metilbut-2-enoik asittir, O=C(O)/C(C)=C\C. B'nin enantiyomerleri (R)-2-metilbutanoik asit, O=C(O)[C@H](C)CC, ve (S)-2-metilbutanoik asittir, O=C(O)[C@@H](C)CC. İzdüşümleri aşağıda belirtilmiştir.
4.3: Her saf alkenden iki enantiyomer; toplamda dört stereoizomer oluşur. \(E\) alkeni \((2R,3S)/(2S,3R)\), \(Z\) alkeni ise \((2R,3R)/(2S,3S)\) verir.
4.4: Bromlama, stereospesifik bir anti katılmadır. Ürünün iki stereojenik merkezi vardır ve mezo biçimi yoktur; her alken bir rasemik çift verir.
4.5: Dört ürün, 2,3-dibromo-2-metilbutanoik asidin, O=C(O)C(Br)(C)C(Br)C, stereoizomerleridir. Stereokimyasal SMILES gösterimleri, Fischer izdüşümleri ve Newman konformasyonları aşağıdaki tablolarda verilmiştir. Enantiyomerik çiftler \((2R,3S)/(2S,3R)\) ve \((2R,3R)/(2S,3S)\)'dir; bu iki çift arasındaki her eşleşme diastereomeriktir.

Çözüm

4.1 — A ve B'nin belirlenmesi

A'nın doymamışlık derecesi

\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(5)+2-8}{2}=2. \]

Karboksil grubunun karbonili bir doymamışlık derecesine karşılık gelir. Soruda esas alınan alken kimyası çerçevesinde, geometrik izomerlik ve hızlı brom katılma tepkimesi, diğer doymamışlığın bir alken çift bağı olduğunu gösterir.

Hidrojenleme, \(\ce{C5H10O2}\) formüllü doymuş bir asit verir. Bu asidin enantiyomerlerine ayrılabilmesi, bir stereojenik merkez bulunmasını gerektirir. Yalnızca beş karbon atomu bulunduğundan, gerekli dört farklı sübstitüent karboksil, etil, metil ve hidrojendir. Dolayısıyla B, 2-metilbutanoik asittir, CCC(C)C(=O)O:

\[ \ce{HOOC-CH(CH3)-CH2-CH3}. \]

Bu karbon iskeletine yeniden bir çift bağ yerleştirildiğinde, çift bağdaki her karbonun iki farklı sübstitüent taşıdığı bir alken oluşmalıdır. Bu nedenle çift bağ C2 ile C3 arasına yerleşir:

\[ \ce{HOOC-C(CH3)=CH-CH3}. \]

Dolayısıyla A, 2-metilbut-2-enoik asittir, CC=C(C)C(=O)O.

Platin üzerinde moleküler hidrojenle, [H][H], gerçekleşen hidrojenleme tepkimesinin denkleştirilmiş hâli şöyledir:

\[ \ce{HOOC-C(CH3)=CH-CH3 + H2 ->[Pt] HOOC-CH(CH3)-CH2-CH3}. \]

C3 bir metilen grubuna dönüşür; böylece başlangıçtaki geometrik farklılık ortadan kalkar. C2 stereojenik hâle gelir; akiral bir ortamda hidrojenleme, her iki alkenden de B'nin iki enantiyomerini eşit miktarlarda verir.

4.2 — A'nın geometrik yapıları ve B'nin Fischer izdüşümleri

Karboksil karbonunu C1 olarak numaralandırın. Alken çizimlerini tanımlamak için C2'yi sola, C3'ü sağa yerleştirin ve aralarında yatay bir çift bağ çizin. Sübstitüentleri bu bağın üstüne ve altına aşağıdaki gibi yerleştirin:

Biçim	Adı ve stereokimyasal SMILES gösterimi	C2'nin üstünde; C3'ün üstünde	C2'nin altında; C3'ün altında
\(A'\), metil grupları cis	(E)-2-metilbut-2-enoik asit, `O=C(O)/C(C)=C/C`	\(\ce{COOH}\); \(\ce{H}\)	\(\ce{CH3}\); \(\ce{CH3}\)
\(A''\), metil grupları trans	(Z)-2-metilbut-2-enoik asit, `O=C(O)/C(C)=C\C`	\(\ce{COOH}\); \(\ce{CH3}\)	\(\ce{CH3}\); \(\ce{H}\)

\(E/Z\) atamalarında, önceliği daha yüksek olan sübstitüent C2'de \(\ce{COOH}\), C3'te ise \(\ce{CH3}\)'tür. Bu nedenle cis konumundaki metil grupları \(E\)'ye, trans konumundaki metil grupları ise \(Z\)'ye karşılık gelir.

B'nin Fischer izdüşümleri için \(\ce{COOH}\) grubunu en üste, \(\ce{CH2CH3}\) grubunu en alta yerleştirin. Yatay bağlar gözlemciye doğru, düşey bağlar ise gözlemciden uzağa yönelir.

Enantiyomer	Soldaki sübstitüent	Sağdaki sübstitüent	Stereokimyasal SMILES gösterimi
(R)-2-metilbutanoik asit	\(\ce{H}\)	\(\ce{CH3}\)	`O=C(O)[C@H](C)CC`
(S)-2-metilbutanoik asit	\(\ce{CH3}\)	\(\ce{H}\)	`O=C(O)[C@@H](C)CC`

Öncelik sırası şöyledir:

\[ \ce{COOH}>\ce{CH2CH3}>\ce{CH3}>\ce{H}. \]

Bu izdüşümler birbirlerinin ayna görüntüleridir. \(R/S\) konfigürasyonları, hangisinin pozitif veya negatif optik çevirme gösterdiğini belirlemez.

4.3 — Bromlama ürünlerinin sayısı

Brom, BrBr, karbon tetraklorür, ClC(Cl)(Cl)Cl, içinde, karanlıkta ve \(20\,^\circ\mathrm{C}\)'de çift bağa katılır:

\[ \ce{HOOC-C(CH3)=CH-CH3 + Br2 -> HOOC-C(Br)(CH3)-CH(Br)-CH3}. \]

Böylece bir mol A, bir mol brom tüketir. C ürünü, formülü \(\ce{C5H8Br2O2}\) olan 2,3-dibromo-2-metilbutanoik asittir, O=C(O)C(Br)(C)C(Br)C.

Hem C2 hem de C3 stereojeniktir. Üründe mezo bir biçim oluşturabilecek iç simetri bulunmadığından, toplam stereoizomer sayısı

\[ 2^2=\boxed{4}. \]

Stereospesifik anti katılma şu ürünleri verir:

Başlangıç alkeni	Ürünler
\(A_E\), burada \(A'\)	Eşit miktarlarda \((2R,3S)\) ve \((2S,3R)\)
\(A_Z\), burada \(A''\)	Eşit miktarlarda \((2R,3R)\) ve \((2S,3S)\)

Dolayısıyla ayrı ayrı bromlanan her geometrik izomer iki stereoizomer verir; her ikisini de içeren bir karışımın bromlanması ise dördünün tamamını verir. İki rasemik çiftin göreli miktarları başlangıç karışımına bağlıdır.

4.4 — Stereokimyasal sonucun gerekçeleri

Belirtilen koşullarda elektrofilik bromlama bir anti katılmadır: iki yeni karbon–brom bağı, başlangıçtaki çift bağın zıt yüzlerinde oluşur.

Her iki düzlemsel alken için de, birbirinin ayna görüntüsü olan iki katılma yolunun gerçekleşme olasılığı akiral tepkime ortamında eşittir. Bu nedenle iki enantiyomeri eşit miktarlarda verirler.

Başlangıç alkeninin \(E\)'den \(Z\)'ye değiştirilmesi, anti katılmayla oluşan göreli konfigürasyonu değiştirerek diğer enantiyomerik çifti verir. İki stereojenik merkez farklı sübstitüent kümelerine sahip olduğundan hiçbir ürün mezo değildir: C2 bir karboksil grubu ve bir metil grubu taşırken, C3 bir hidrojen ve bir metil grubu taşır.

4.5 — Fischer izdüşümleri, Newman izdüşümleri ve aralarındaki ilişkiler

C'nin her Fischer izdüşümü için düşey iskeleti şu sırayla çizin:

\[ \ce{COOH}\quad\text{en üstte},\qquad \mathrm{C2},\qquad \mathrm{C3},\qquad \ce{CH3}\quad\text{en altta}. \]

Tabloda yatay konumdaki tüm sübstitüentler belirtilmiştir. Her zamanki gibi, yatay bağlar gözlemciye doğru, düşey bağlar ise gözlemciden uzağa yönelir.

2,3-dibromo-2-metilbutanoik asidin stereoizomeri	C2: sol / sağ	C3: sol / sağ	Stereokimyasal SMILES gösterimi
\((2R,3S)\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\)	`O=C(O)[C@](Br)(C)[C@@H](Br)C`
\((2S,3R)\)	\(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)	\(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\)	`O=C(O)[C@@](Br)(C)[C@H](Br)C`
\((2R,3R)\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\)	\(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\)	`O=C(O)[C@](Br)(C)[C@H](Br)C`
\((2S,3S)\)	\(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\)	`O=C(O)[C@@](Br)(C)[C@@H](Br)C`

Konfigürasyon atamalarında şu öncelik sıraları kullanılır:

\[ \begin{aligned} \mathrm{C2}:&\quad \ce{Br}>\ce{CH(Br)CH3}>\ce{COOH}>\ce{CH3},\\ \mathrm{C3}:&\quad \ce{Br}>\ce{C(Br)(CH3)COOH}>\ce{CH3}>\ce{H}. \end{aligned} \]

C2'de, komşu bromlanmış karbonun önceliği karboksil karbonununkinden yüksektir; çünkü bu karbona bağlı atomların listesi, oksijenden daha yüksek önceliğe sahip olan bromla başlar.

Newman izdüşümleri için C2'den C3'e doğru bakın; C2 öndeki noktayla, C3 ise arkadaki çemberle gösterilir. Gözlemcinin gördüğü saat konumlarını kullanın:

Öndeki bağlar saat 12, 4 ve 8 konumlarındadır.
Arkadaki bağlar saat 2, 6 ve 10 konumlarındadır.

Aşağıdaki tablo, her stereoizomer için bir şaşırtmalı konformasyon belirtir:

Konfigürasyon	Öndeki C2: saat 12 / 4 / 8	Arkadaki C3: saat 2 / 6 / 10
\((2R,3S)\)	\(\ce{COOH}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{H}\)
\((2S,3R)\)	\(\ce{COOH}\) / \(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\)	\(\ce{H}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)
\((2R,3R)\)	\(\ce{COOH}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)	\(\ce{H}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)
\((2S,3S)\)	\(\ce{COOH}\) / \(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{H}\)

Bu saat konumları, stereokimyasal SMILES gösterimlerinin kodlamadığı konformasyonları belirtir. C2–C3 tek bağı etrafında dönme, konfigürasyonu değiştirmeden konformasyonu değiştirir; “anti katılma” ise tepkimede katılmanın gerçekleştiği yüzleri tanımlar.

Enantiyomerik çiftler

\[ \boxed{(2R,3S)\ \longleftrightarrow\ (2S,3R)} \]

\[ \boxed{(2R,3R)\ \longleftrightarrow\ (2S,3S)}. \]

İlk çiftin her bir üyesi, ikinci çiftin her bir üyesiyle diastereomerik ilişkidedir.

Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.

IChO 1980 · Problema teórico 4

Química orgánica, estereoquímica: un ácido C5H8O2, su hidrogenación y bromación

Descargar PDFIChO 1980

(Química orgánica, estereoquímica)

El ácido carbónico A, de fórmula molecular \(\ce{C5H8O2}\), presenta dos isómeros geométricos, cis (A') y trans (A''). Por hidrogenación con \(\ce{Pt/H2}\), a partir de ambos estereoisómeros se obtiene el mismo ácido carboxílico racémico B, que puede separarse en los enantiómeros (+)-B y (-)-B.

A' y A'' reaccionan rápidamente con un mol de bromo en \(\ce{CCl4}\), en la oscuridad y a 20 °C, para dar C.

Cuestiones:

4.1 ¿Cuál es la constitución de A y B?

4.2 Escriba las fórmulas estereoquímicas de A' y A'' y las fórmulas de proyección de Fischer de los enantiómeros de B (sin tener en cuenta los signos (+) o (-)).

4.3 ¿Cuántos estereoisómeros de C se forman simultáneamente cuando A' y A'' se tratan con bromo?

4.4 Justifique brevemente su respuesta a c).

4.5 Escriba las fórmulas de proyección de Fischer y una fórmula de proyección de Newman (conformación) para todos los estereoisómeros de C. Indique cuáles son enantiómeros entre sí y cuáles son diastereoisómeros.

Enunciado traducido del texto oficial en inglés.

Respuestas

En las designaciones \(A'/A''\) que se utilizan a continuación, cis/trans se refiere a los dos grupos metilo.

4.1: A es el ácido 2-metilbut-2-enoico, CC=C(C)C(=O)O. B es el ácido 2-metilbutanoico, CCC(C)C(=O)O.
4.2: \(A'\) es el ácido (E)-2-metilbut-2-enoico, O=C(O)/C(C)=C/C; \(A''\) es el ácido (Z)-2-metilbut-2-enoico, O=C(O)/C(C)=C\C. Los enantiómeros de B son el ácido (R)-2-metilbutanoico, O=C(O)[C@H](C)CC, y el ácido (S)-2-metilbutanoico, O=C(O)[C@@H](C)CC. Sus proyecciones se especifican más adelante.
4.3: Dos enantiómeros a partir de cada alqueno puro; cuatro estereoisómeros en total. El alqueno \(E\) da \((2R,3S)/(2S,3R)\), y el alqueno \(Z\) da \((2R,3R)/(2S,3S)\).
4.4: La bromación es una adición anti estereoespecífica. El producto tiene dos centros estereogénicos y ninguna forma meso; cada alqueno da un par racémico.
4.5: Los cuatro productos son estereoisómeros del ácido 2,3-dibromo-2-metilbutanoico, O=C(O)C(Br)(C)C(Br)C. Sus SMILES estereoquímicos, proyecciones de Fischer y conformaciones de Newman se presentan en las tablas siguientes. Los pares de enantiómeros son \((2R,3S)/(2S,3R)\) y \((2R,3R)/(2S,3S)\); cualquier pareja formada por un miembro de cada uno de estos dos pares es una pareja de diastereoisómeros.

Solución

4.1 — Identificación de A y B

El grado de insaturación de A es

\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(5)+2-8}{2}=2. \]

El carbonilo del grupo carboxilo representa un grado de insaturación. La isomería geométrica y la rápida reacción de adición de bromo identifican un doble enlace de alqueno como la otra insaturación, en el contexto de la química de alquenos que se plantea en este problema.

La hidrogenación da un ácido saturado de fórmula \(\ce{C5H10O2}\). La posibilidad de resolverlo en enantiómeros exige un centro estereogénico. Con solo cinco átomos de carbono, los cuatro sustituyentes diferentes necesarios son carboxilo, etilo, metilo e hidrógeno. Por tanto, B es el ácido 2-metilbutanoico, CCC(C)C(=O)O:

\[ \ce{HOOC-CH(CH3)-CH2-CH3}. \]

Al restituir un doble enlace en este esqueleto carbonado debe obtenerse un alqueno con dos sustituyentes diferentes en cada carbono del doble enlace. Esto sitúa el doble enlace entre C2 y C3:

\[ \ce{HOOC-C(CH3)=CH-CH3}. \]

Por lo tanto, A es el ácido 2-metilbut-2-enoico, CC=C(C)C(=O)O.

La ecuación ajustada de la hidrogenación con hidrógeno molecular, [H][H], sobre platino es

\[ \ce{HOOC-C(CH3)=CH-CH3 + H2 ->[Pt] HOOC-CH(CH3)-CH2-CH3}. \]

C3 se convierte en un grupo metileno, por lo que desaparece la distinción geométrica original. C2 se convierte en un centro estereogénico; la hidrogenación en un entorno aquiral da cantidades iguales de los dos enantiómeros de B a partir de cualquiera de los dos alquenos.

4.2 — Estructuras geométricas de A y proyecciones de Fischer de B

Numere el carbono del carboxilo como C1. Para especificar los dibujos de los alquenos, coloque C2 a la izquierda y C3 a la derecha, unidos por un doble enlace horizontal. Coloque los sustituyentes por encima y por debajo de él de la siguiente manera:

Forma	Nombre y SMILES estereoquímico	Encima de C2; encima de C3	Debajo de C2; debajo de C3
\(A'\), grupos metilo en cis	Ácido (E)-2-metilbut-2-enoico, `O=C(O)/C(C)=C/C`	\(\ce{COOH}\); \(\ce{H}\)	\(\ce{CH3}\); \(\ce{CH3}\)
\(A''\), grupos metilo en trans	Ácido (Z)-2-metilbut-2-enoico, `O=C(O)/C(C)=C\C`	\(\ce{COOH}\); \(\ce{CH3}\)	\(\ce{CH3}\); \(\ce{H}\)

Para las asignaciones \(E/Z\), el sustituyente de mayor prioridad es \(\ce{COOH}\) en C2 y \(\ce{CH3}\) en C3. En consecuencia, los grupos metilo en cis corresponden a \(E\), mientras que los grupos metilo en trans corresponden a \(Z\).

Para las proyecciones de Fischer de B, coloque \(\ce{COOH}\) arriba y \(\ce{CH2CH3}\) abajo. Los enlaces horizontales apuntan hacia el observador; los enlaces verticales se alejan de él.

Enantiómero	Sustituyente izquierdo	Sustituyente derecho	SMILES estereoquímico
Ácido (R)-2-metilbutanoico	\(\ce{H}\)	\(\ce{CH3}\)	`O=C(O)[C@H](C)CC`
Ácido (S)-2-metilbutanoico	\(\ce{CH3}\)	\(\ce{H}\)	`O=C(O)[C@@H](C)CC`

El orden de prioridad es

\[ \ce{COOH}>\ce{CH2CH3}>\ce{CH3}>\ce{H}. \]

Estas proyecciones son imágenes especulares. Sus configuraciones \(R/S\) no determinan cuál tiene rotación óptica positiva o negativa.

4.3 — Número de productos de bromación

El bromo, BrBr, se adiciona al doble enlace en tetracloruro de carbono, ClC(Cl)(Cl)Cl, en la oscuridad y a \(20\,^\circ\mathrm{C}\):

\[ \ce{HOOC-C(CH3)=CH-CH3 + Br2 -> HOOC-C(Br)(CH3)-CH(Br)-CH3}. \]

Así, un mol de A consume un mol de bromo. El producto C es el ácido 2,3-dibromo-2-metilbutanoico, O=C(O)C(Br)(C)C(Br)C, de fórmula \(\ce{C5H8Br2O2}\).

Tanto C2 como C3 son centros estereogénicos. El producto no tiene ninguna simetría interna que pueda dar lugar a una forma meso, por lo que su número total de estereoisómeros es

\[ 2^2=\boxed{4}. \]

La adición anti estereoespecífica da:

Alqueno de partida	Productos
\(A_E\), aquí \(A'\)	\((2R,3S)\) y \((2S,3R)\), en cantidades iguales
\(A_Z\), aquí \(A''\)	\((2R,3R)\) y \((2S,3S)\), en cantidades iguales

Por lo tanto, cada isómero geométrico bromado por separado da dos estereoisómeros, mientras que la bromación de una mezcla que contenga ambos da los cuatro. Las cantidades relativas de los dos pares racémicos dependen de la mezcla de partida.

4.4 — Razones del resultado estereoquímico

En las condiciones indicadas, la bromación electrófila es una adición anti: los dos nuevos enlaces carbono–bromo se forman en caras opuestas del doble enlace original.

Para cualquiera de los dos alquenos planos, las dos vías de adición relacionadas por reflexión especular son igualmente probables en el entorno aquiral de la reacción. Por ello, dan cantidades iguales de dos enantiómeros.

Cambiar el alqueno de partida de \(E\) a \(Z\) cambia la configuración relativa producida por la adición anti y da el otro par de enantiómeros. Ningún producto es meso porque los dos centros estereogénicos tienen conjuntos de sustituyentes diferentes: C2 lleva un grupo carboxilo y un grupo metilo, mientras que C3 lleva un hidrógeno y un grupo metilo.

4.5 — Proyecciones de Fischer, proyecciones de Newman y relaciones

Para cada proyección de Fischer de C, dibuje la cadena principal vertical en este orden:

\[ \ce{COOH}\quad\text{arriba},\qquad \mathrm{C2},\qquad \mathrm{C3},\qquad \ce{CH3}\quad\text{abajo}. \]

La tabla especifica todos los sustituyentes horizontales. Como es habitual, los enlaces horizontales apuntan hacia el observador y los enlaces verticales se alejan de él.

Estereoisómero del ácido 2,3-dibromo-2-metilbutanoico	C2: izquierda / derecha	C3: izquierda / derecha	SMILES estereoquímico
\((2R,3S)\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\)	`O=C(O)[C@](Br)(C)[C@@H](Br)C`
\((2S,3R)\)	\(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)	\(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\)	`O=C(O)[C@@](Br)(C)[C@H](Br)C`
\((2R,3R)\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\)	\(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\)	`O=C(O)[C@](Br)(C)[C@H](Br)C`
\((2S,3S)\)	\(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\)	`O=C(O)[C@@](Br)(C)[C@@H](Br)C`

Las asignaciones de configuración utilizan estos órdenes de prioridad:

\[ \begin{aligned} \mathrm{C2}:&\quad \ce{Br}>\ce{CH(Br)CH3}>\ce{COOH}>\ce{CH3},\\ \mathrm{C3}:&\quad \ce{Br}>\ce{C(Br)(CH3)COOH}>\ce{CH3}>\ce{H}. \end{aligned} \]

En C2, el carbono bromado vecino tiene mayor prioridad que el carbono del carboxilo porque su lista de átomos enlazados comienza con bromo, que tiene mayor prioridad que el oxígeno.

Para las proyecciones de Newman, mire desde C2 hacia C3, con C2 representado por el punto delantero y C3 por el círculo trasero. Utilice las posiciones de las horas de un reloj tal como las ve el observador:

Los enlaces delanteros ocupan las posiciones de las 12, las 4 y las 8.
Los enlaces traseros ocupan las posiciones de las 2, las 6 y las 10.

La siguiente tabla especifica una conformación alternada para cada estereoisómero:

Configuración	C2 delantero: posiciones de las 12 / 4 / 8	C3 trasero: posiciones de las 2 / 6 / 10
\((2R,3S)\)	\(\ce{COOH}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{H}\)
\((2S,3R)\)	\(\ce{COOH}\) / \(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\)	\(\ce{H}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)
\((2R,3R)\)	\(\ce{COOH}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)	\(\ce{H}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)
\((2S,3S)\)	\(\ce{COOH}\) / \(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{H}\)

Estas posiciones del reloj especifican conformaciones, que los SMILES estereoquímicos no codifican. La rotación alrededor del enlace sencillo C2–C3 cambia la conformación sin cambiar la configuración; «adición anti» describe las caras por las que se produce la adición en la reacción.

Los pares de enantiómeros son

\[ \boxed{(2R,3S)\ \longleftrightarrow\ (2S,3R)} \]

\[ \boxed{(2R,3R)\ \longleftrightarrow\ (2S,3S)}. \]

Cada miembro del primer par es diastereoisómero de cada miembro del segundo par.

La solución se comprobó con la solución oficial.

IChO 1980 · 理论题 4

有机化学、立体化学：酸 C5H8O2 及其氢化与溴化

下载 PDFIChO 1980

（有机化学、立体化学）

分子式为 \(\ce{C5H8O2}\) 的羧酸 A 有两种几何异构体，即顺式（A'）和反式（A''）。用 \(\ce{Pt/H2}\) 进行氢化时，这两种立体异构体均生成同一种外消旋羧酸 B，它可拆分为对映异构体 (+)-B 和 (-)-B。

A' 和 A'' 在 20 °C、避光条件下，在 \(\ce{CCl4}\) 中与一摩尔溴迅速反应，生成 C。

问题：

4.1 A 和 B 的构造是什么？

4.2 写出 A' 和 A'' 的立体结构式以及 B 的对映异构体的费歇尔投影式（不考虑 (+) 或 (-) 符号）。

4.3 用溴处理 A' 和 A'' 时，同时生成多少种 C 的立体异构体？

4.4 简要说明你对 c) 的回答的理由。

4.5 写出 C 的所有立体异构体的费歇尔投影式，并为每一种写出一个纽曼投影式（构象）。指出哪些互为对映异构体，哪些互为非对映异构体。

题目译自官方英文原文。

答案

对于下文的 \(A'/A''\) 标记，顺式/反式是相对于两个甲基而言的。

4.1: A 是 2-甲基-2-丁烯酸，CC=C(C)C(=O)O。B 是 2-甲基丁酸，CCC(C)C(=O)O。
4.2: \(A'\) 是 (E)-2-甲基-2-丁烯酸，O=C(O)/C(C)=C/C；\(A''\) 是 (Z)-2-甲基-2-丁烯酸，O=C(O)/C(C)=C\C。B 的对映异构体是 (R)-2-甲基丁酸，O=C(O)[C@H](C)CC，以及 (S)-2-甲基丁酸，O=C(O)[C@@H](C)CC。它们的投影式在下文给出。
4.3: 每种纯烯烃生成两种对映异构体；总共四种立体异构体。\(E\) 型烯烃生成 \((2R,3S)/(2S,3R)\)，\(Z\) 型烯烃生成 \((2R,3R)/(2S,3S)\)。
4.4: 溴化是立体专一性的反式加成。产物有两个立体中心，且不存在内消旋体；每种烯烃均生成一对外消旋的对映异构体。
4.5: 四种产物均为 2,3-二溴-2-甲基丁酸的立体异构体，O=C(O)C(Br)(C)C(Br)C。它们的立体化学 SMILES、费歇尔投影式和纽曼构象列于下表。对映异构体对为 \((2R,3S)/(2S,3R)\) 和 \((2R,3R)/(2S,3S)\)；从这两对中各取一种所组成的任意一对均互为非对映异构体。

解答

4.1 — 确定 A 和 B

A 的不饱和度为

\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(5)+2-8}{2}=2. \]

羧基中的羰基占一个不饱和度。在本题所涉及的烯烃化学范围内，几何异构现象和迅速发生的溴加成反应表明，另一个不饱和度来自烯烃双键。

氢化生成分子式为 \(\ce{C5H10O2}\) 的饱和酸。该酸可拆分为对映异构体，因此必须具有一个立体中心。由于只有五个碳原子，所需的四种不同取代基为羧基、乙基、甲基和氢。因此，B 是 2-甲基丁酸，CCC(C)C(=O)O：

\[ \ce{HOOC-CH(CH3)-CH2-CH3}. \]

在此碳骨架上恢复一个双键时，所得烯烃的每个双键碳原子上都必须连有两种不同的取代基。因此，双键位于 C2 和 C3 之间：

\[ \ce{HOOC-C(CH3)=CH-CH3}. \]

因此，A 是 2-甲基-2-丁烯酸，CC=C(C)C(=O)O。

以铂为催化剂、用分子氢 [H][H] 进行氢化的配平反应式为

\[ \ce{HOOC-C(CH3)=CH-CH3 + H2 ->[Pt] HOOC-CH(CH3)-CH2-CH3}. \]

C3 变为亚甲基，因此原有的几何构型差异消失。C2 成为立体中心；在非手性环境中进行氢化时，无论使用哪一种烯烃，都会生成等量的 B 的两种对映异构体。

4.2 — A 的几何结构与 B 的费歇尔投影式

将羧基碳编号为 C1。为明确烯烃结构图的画法，将 C2 放在左侧，C3 放在右侧，用水平双键连接。将取代基按下表置于双键的上方和下方：

形式	名称与立体化学 SMILES	C2 上方；C3 上方	C2 下方；C3 下方
\(A'\)，甲基呈顺式	(E)-2-甲基-2-丁烯酸，`O=C(O)/C(C)=C/C`	\(\ce{COOH}\)；\(\ce{H}\)	\(\ce{CH3}\)；\(\ce{CH3}\)
\(A''\)，甲基呈反式	(Z)-2-甲基-2-丁烯酸，`O=C(O)/C(C)=C\C`	\(\ce{COOH}\)；\(\ce{CH3}\)	\(\ce{CH3}\)；\(\ce{H}\)

判定 \(E/Z\) 构型时，C2 上优先级较高的取代基为 \(\ce{COOH}\)，C3 上优先级较高的取代基为 \(\ce{CH3}\)。因此，甲基呈顺式对应于 \(E\)，而甲基呈反式对应于 \(Z\)。

对于 B 的费歇尔投影式，将 \(\ce{COOH}\) 置于顶端，\(\ce{CH2CH3}\) 置于底端。水平键朝向观察者；竖直键背向观察者。

对映异构体	左侧取代基	右侧取代基	立体化学 SMILES
(R)-2-甲基丁酸	\(\ce{H}\)	\(\ce{CH3}\)	`O=C(O)[C@H](C)CC`
(S)-2-甲基丁酸	\(\ce{CH3}\)	\(\ce{H}\)	`O=C(O)[C@@H](C)CC`

优先级顺序为

\[ \ce{COOH}>\ce{CH2CH3}>\ce{CH3}>\ce{H}. \]

这两个投影式互为镜像。它们的 \(R/S\) 构型不能决定哪一种的旋光度为正、哪一种为负。

4.3 — 溴化产物的数目

在 \(20\,^\circ\mathrm{C}\)、避光条件下，溴 BrBr 在四氯化碳 ClC(Cl)(Cl)Cl 中加成到双键上：

\[ \ce{HOOC-C(CH3)=CH-CH3 + Br2 -> HOOC-C(Br)(CH3)-CH(Br)-CH3}. \]

因此，一摩尔 A 消耗一摩尔溴。产物 C 为 2,3-二溴-2-甲基丁酸，O=C(O)C(Br)(C)C(Br)C，分子式为 \(\ce{C5H8Br2O2}\)。

C2 和 C3 均为立体中心。产物不具有能够产生内消旋体的内部对称性，因此其立体异构体总数为

\[ 2^2=\boxed{4}. \]

立体专一性的反式加成生成：

起始烯烃	产物
\(A_E\)，此处为 \(A'\)	\((2R,3S)\) 和 \((2S,3R)\)，等量
\(A_Z\)，此处为 \(A''\)	\((2R,3R)\) 和 \((2S,3S)\)，等量

因此，每种几何异构体单独溴化时生成两种立体异构体，而含有两种几何异构体的混合物溴化时则生成全部四种。两对外消旋对映异构体的相对含量取决于起始混合物的组成。

4.4 — 产生该立体化学结果的原因

在给定条件下，亲电溴化是反式加成：两个新形成的碳—溴键分别在原双键的相反两面形成。

对于任一种平面烯烃，在非手性反应环境中，两条互为镜像的加成途径发生的概率相同。因此，它们生成等量的两种对映异构体。

将起始烯烃由 \(E\) 型改为 \(Z\) 型，会改变反式加成所产生的相对构型，从而得到另一对对映异构体。产物中没有内消旋体，因为两个立体中心所连接的取代基组合不同：C2 连有羧基和甲基，而 C3 连有氢和甲基。

4.5 — 费歇尔投影式、纽曼投影式及异构关系

对于 C 的每一个费歇尔投影式，按以下顺序画出竖直主链：

\[ \ce{COOH}\quad\text{位于顶端},\qquad \mathrm{C2},\qquad \mathrm{C3},\qquad \ce{CH3}\quad\text{位于底端}. \]

下表明确列出每个水平方向的取代基。按惯例，水平键朝向观察者，竖直键背向观察者。

2,3-二溴-2-甲基丁酸的立体异构体	C2：左 / 右	C3：左 / 右	立体化学 SMILES
\((2R,3S)\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\)	`O=C(O)[C@](Br)(C)[C@@H](Br)C`
\((2S,3R)\)	\(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)	\(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\)	`O=C(O)[C@@](Br)(C)[C@H](Br)C`
\((2R,3R)\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\)	\(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\)	`O=C(O)[C@](Br)(C)[C@H](Br)C`
\((2S,3S)\)	\(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\)	`O=C(O)[C@@](Br)(C)[C@@H](Br)C`

构型判定采用以下优先级顺序：

\[ \begin{aligned} \mathrm{C2}:&\quad \ce{Br}>\ce{CH(Br)CH3}>\ce{COOH}>\ce{CH3},\\ \mathrm{C3}:&\quad \ce{Br}>\ce{C(Br)(CH3)COOH}>\ce{CH3}>\ce{H}. \end{aligned} \]

在 C2 处，相邻的溴代碳原子的优先级高于羧基碳，因为其所连接原子的排序列表以溴开头，而溴的优先级高于氧。

对于纽曼投影式，沿 C2 指向 C3 的方向观察，用前方的点表示 C2，用后方的圆表示 C3。采用观察者所见的钟面位置：

前方的键位于 12、4 和 8 点钟方向。
后方的键位于 2、6 和 10 点钟方向。

下表为每种立体异构体指定了一个交叉式构象：

构型	前方 C2：12 / 4 / 8 点钟方向	后方 C3：2 / 6 / 10 点钟方向
\((2R,3S)\)	\(\ce{COOH}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{H}\)
\((2S,3R)\)	\(\ce{COOH}\) / \(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\)	\(\ce{H}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)
\((2R,3R)\)	\(\ce{COOH}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)	\(\ce{H}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)
\((2S,3S)\)	\(\ce{COOH}\) / \(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{H}\)

这些钟面位置明确了构象，而立体化学 SMILES 并不编码构象信息。绕 C2–C3 单键旋转会改变构象而不改变构型；“反式加成”描述的是反应中发生加成的两个面。

对映异构体对为

\[ \boxed{(2R,3S)\ \longleftrightarrow\ (2S,3R)} \]

和

\[ \boxed{(2R,3R)\ \longleftrightarrow\ (2S,3S)}. \]

第一对中的每个成员与第二对中的每个成员均互为非对映异构体。

解答已与官方解答核对。

IChO 1980 · Теоретическая задача 4

Органическая химия, стереохимия: кислота C5H8O2, её гидрирование и бромирование

Скачать PDFIChO 1980

(Органическая химия, стереохимия)

Карбоновая кислота A с молекулярной формулой \(\ce{C5H8O2}\) существует в виде двух геометрических изомеров: цис (A') и транс (A''). При гидрировании с \(\ce{Pt/H2}\) из обоих стереоизомеров получается одна и та же рацемическая карбоновая кислота B, которую можно разделить на энантиомеры (+)-B и (-)-B.

A' и A'' быстро реагируют с одним молем брома в \(\ce{CCl4}\) в темноте при 20 °C с образованием C.

Вопросы:

4.1 Каково строение A и B?

4.2 Напишите стереохимические формулы A' и A'' и проекционные формулы Фишера для энантиомеров B (без учёта знаков (+) или (-)).

4.3 Сколько стереоизомеров C одновременно образуется при обработке A' и A'' бромом?

4.4 Кратко обоснуйте свой ответ на c).

4.5 Напишите проекционные формулы Фишера и по одной проекционной формуле Ньюмена (конформации) для всех стереоизомеров C. Укажите, какие из них являются энантиомерами и диастереоизомерами по отношению друг к другу.

Условие переведено с официального английского текста.

Ответы

В приведённых ниже обозначениях \(A'/A''\) цис/транс относится к двум метильным группам.

4.1: A — 2-метилбут-2-еновая кислота, CC=C(C)C(=O)O. B — 2-метилбутановая кислота, CCC(C)C(=O)O.
4.2: \(A'\) — (E)-2-метилбут-2-еновая кислота, O=C(O)/C(C)=C/C; \(A''\) — (Z)-2-метилбут-2-еновая кислота, O=C(O)/C(C)=C\C. Энантиомеры B — (R)-2-метилбутановая кислота, O=C(O)[C@H](C)CC, и (S)-2-метилбутановая кислота, O=C(O)[C@@H](C)CC. Их проекции заданы ниже.
4.3: Два энантиомера из каждого чистого алкена; всего четыре стереоизомера. Алкен \(E\) даёт \((2R,3S)/(2S,3R)\), а алкен \(Z\) — \((2R,3R)/(2S,3S)\).
4.4: Бромирование представляет собой стереоспецифическое анти-присоединение. Продукт имеет два стереогенных центра и не имеет мезо-формы; каждый алкен даёт рацемическую пару.
4.5: Четыре продукта являются стереоизомерами 2,3-дибром-2-метилбутановой кислоты, O=C(O)C(Br)(C)C(Br)C. Их стереохимические SMILES, проекции Фишера и конформации в проекциях Ньюмена приведены в таблицах ниже. Энантиомерные пары — \((2R,3S)/(2S,3R)\) и \((2R,3R)/(2S,3S)\); любые два изомера, взятые по одному из каждой из этих пар, являются диастереомерами.

Решение

4.1 — Установление строения A и B

Степень ненасыщенности A равна

\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(5)+2-8}{2}=2. \]

Карбонильная группа карбоксила обусловливает одну степень ненасыщенности. Геометрическая изомерия и быстрая реакция присоединения брома указывают на то, что в рамках предполагаемой в этой задаче химии алкенов вторая степень ненасыщенности обусловлена двойной связью алкена.

Гидрирование даёт насыщенную кислоту с формулой \(\ce{C5H10O2}\). Возможность её разделения на энантиомеры требует наличия стереогенного центра. При наличии всего пяти атомов углерода необходимыми четырьмя различными заместителями являются карбоксил, этил, метил и водород. Таким образом, B — 2-метилбутановая кислота, CCC(C)C(=O)O:

\[ \ce{HOOC-CH(CH3)-CH2-CH3}. \]

Восстановление двойной связи в этом углеродном скелете должно дать алкен с двумя различными заместителями при каждом атоме углерода двойной связи. Следовательно, двойная связь расположена между C2 и C3:

\[ \ce{HOOC-C(CH3)=CH-CH3}. \]

Поэтому A — 2-метилбут-2-еновая кислота, CC=C(C)C(=O)O.

Уравнение гидрирования молекулярным водородом, [H][H], на платине имеет вид

\[ \ce{HOOC-C(CH3)=CH-CH3 + H2 ->[Pt] HOOC-CH(CH3)-CH2-CH3}. \]

C3 превращается в метиленовую группу, поэтому исходное геометрическое различие исчезает. C2 становится стереогенным центром; гидрирование в ахиральной среде даёт равные количества двух энантиомеров B из любого из двух алкенов.

4.2 — Геометрическое строение A и проекции Фишера для B

Обозначим карбоксильный атом углерода как C1. Для задания рисунков алкенов расположим C2 слева, а C3 справа, соединив их горизонтальной двойной связью. Расположим заместители над и под ней следующим образом:

Форма	Название и стереохимический SMILES	Над C2; над C3	Под C2; под C3
\(A'\), метильные группы в цис-положении	(E)-2-метилбут-2-еновая кислота, `O=C(O)/C(C)=C/C`	\(\ce{COOH}\); \(\ce{H}\)	\(\ce{CH3}\); \(\ce{CH3}\)
\(A''\), метильные группы в транс-положении	(Z)-2-метилбут-2-еновая кислота, `O=C(O)/C(C)=C\C`	\(\ce{COOH}\); \(\ce{CH3}\)	\(\ce{CH3}\); \(\ce{H}\)

При определении конфигураций \(E/Z\) старшим заместителем при C2 является \(\ce{COOH}\), а при C3 — \(\ce{CH3}\). Следовательно, цис-расположение метильных групп соответствует \(E\), тогда как транс-расположение метильных групп соответствует \(Z\).

Для проекций Фишера B расположим \(\ce{COOH}\) сверху, а \(\ce{CH2CH3}\) снизу. Горизонтальные связи направлены к наблюдателю, вертикальные — от него.

Энантиомер	Левый заместитель	Правый заместитель	Стереохимический SMILES
(R)-2-метилбутановая кислота	\(\ce{H}\)	\(\ce{CH3}\)	`O=C(O)[C@H](C)CC`
(S)-2-метилбутановая кислота	\(\ce{CH3}\)	\(\ce{H}\)	`O=C(O)[C@@H](C)CC`

Порядок старшинства:

\[ \ce{COOH}>\ce{CH2CH3}>\ce{CH3}>\ce{H}. \]

Эти проекции являются зеркальными отражениями друг друга. Их конфигурации \(R/S\) не определяют, у какого энантиомера оптическое вращение положительное, а у какого — отрицательное.

4.3 — Число продуктов бромирования

Бром, BrBr, присоединяется по двойной связи в тетрахлорметане, ClC(Cl)(Cl)Cl, в темноте при \(20\,^\circ\mathrm{C}\):

\[ \ce{HOOC-C(CH3)=CH-CH3 + Br2 -> HOOC-C(Br)(CH3)-CH(Br)-CH3}. \]

Таким образом, один моль A расходует один моль брома. Продукт C — 2,3-дибром-2-метилбутановая кислота, O=C(O)C(Br)(C)C(Br)C, с формулой \(\ce{C5H8Br2O2}\).

И C2, и C3 являются стереогенными центрами. Продукт не обладает внутренней симметрией, которая могла бы обусловить существование мезо-формы, поэтому общее число его стереоизомеров равно

\[ 2^2=\boxed{4}. \]

Стереоспецифическое анти-присоединение даёт:

Исходный алкен	Продукты
\(A_E\), здесь \(A'\)	\((2R,3S)\) и \((2S,3R)\) в равных количествах
\(A_Z\), здесь \(A''\)	\((2R,3R)\) и \((2S,3S)\) в равных количествах

Следовательно, каждый геометрический изомер при отдельном бромировании даёт два стереоизомера, тогда как бромирование смеси, содержащей оба изомера, даёт все четыре. Соотношение количеств двух рацемических пар зависит от состава исходной смеси.

4.4 — Причины стереохимического результата

В указанных условиях электрофильное бромирование представляет собой анти-присоединение: две новые связи углерод–бром образуются с противоположных сторон исходной двойной связи.

Для каждого из плоских алкенов два зеркально связанных пути присоединения равновероятны в ахиральной реакционной среде. Поэтому они дают равные количества двух энантиомеров.

Переход от исходного алкена \(E\) к алкену \(Z\) изменяет относительную конфигурацию, возникающую при анти-присоединении, и даёт другую энантиомерную пару. Ни один продукт не является мезо-формой, поскольку два стереогенных центра имеют разные наборы заместителей: C2 несёт карбоксильную и метильную группы, тогда как C3 несёт водород и метильную группу.

4.5 — Проекции Фишера, проекции Ньюмена и стереоизомерные отношения

Для каждой проекции Фишера C изобразим вертикальную цепь в следующем порядке:

\[ \ce{COOH}\quad\text{сверху},\qquad \mathrm{C2},\qquad \mathrm{C3},\qquad \ce{CH3}\quad\text{снизу}. \]

В таблице указаны все горизонтальные заместители. Как обычно, горизонтальные связи направлены к наблюдателю, а вертикальные — от него.

Стереоизомер 2,3-дибром-2-метилбутановой кислоты	C2: слева / справа	C3: слева / справа	Стереохимический SMILES
\((2R,3S)\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\)	`O=C(O)[C@](Br)(C)[C@@H](Br)C`
\((2S,3R)\)	\(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)	\(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\)	`O=C(O)[C@@](Br)(C)[C@H](Br)C`
\((2R,3R)\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\)	\(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\)	`O=C(O)[C@](Br)(C)[C@H](Br)C`
\((2S,3S)\)	\(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\)	`O=C(O)[C@@](Br)(C)[C@@H](Br)C`

Для определения конфигураций используются следующие порядки старшинства:

\[ \begin{aligned} \mathrm{C2}:&\quad \ce{Br}>\ce{CH(Br)CH3}>\ce{COOH}>\ce{CH3},\\ \mathrm{C3}:&\quad \ce{Br}>\ce{C(Br)(CH3)COOH}>\ce{CH3}>\ce{H}. \end{aligned} \]

При C2 соседний бромированный атом углерода имеет более высокий приоритет, чем карбоксильный атом углерода, поскольку список связанных с ним атомов начинается с брома, который старше кислорода.

Для проекций Ньюмена будем смотреть от C2 к C3; C2 изображается передней точкой, а C3 — задней окружностью. Используем положения на циферблате так, как их видит наблюдатель:

Передние связи расположены в положениях 12, 4 и 8 часов.
Задние связи расположены в положениях 2, 6 и 10 часов.

Следующая таблица задаёт по одной заторможенной конформации для каждого стереоизомера:

Конфигурация	Передний C2: 12 / 4 / 8 часов	Задний C3: 2 / 6 / 10 часов
\((2R,3S)\)	\(\ce{COOH}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{H}\)
\((2S,3R)\)	\(\ce{COOH}\) / \(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\)	\(\ce{H}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)
\((2R,3R)\)	\(\ce{COOH}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)	\(\ce{H}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)
\((2S,3S)\)	\(\ce{COOH}\) / \(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{H}\)

Эти положения на циферблате задают конформации, которые не кодируются стереохимическими SMILES. Вращение вокруг одинарной связи C2–C3 изменяет конформацию, не изменяя конфигурацию; «анти-присоединение» описывает стороны, с которых происходит присоединение в ходе реакции.

Энантиомерные пары:

\[ \boxed{(2R,3S)\ \longleftrightarrow\ (2S,3R)} \]

\[ \boxed{(2R,3R)\ \longleftrightarrow\ (2S,3S)}. \]

Каждый представитель первой пары является диастереомером каждого представителя второй пары.

Решение проверено по официальному решению.

IChO 1980 · مسألة نظرية 4

الكيمياء العضوية، الكيمياء الفراغية: حمض C5H8O2 وهدرجته وبرومته

تنزيل PDFIChO 1980

(الكيمياء العضوية، الكيمياء الفراغية)

لحمض الكربونيك A ذي الصيغة الإجمالية \(\ce{C5H8O2}\) متماكبان هندسيان، سيس (A') وترانس (A''). وعند الهدرجة باستخدام \(\ce{Pt/H2}\)، يُحصَل من كلا المتماكبين الفراغيين على الحمض الكربوكسيلي الراسيمي نفسه B، الذي يمكن فصله إلى المتماكبين المرآتيين (+)-B و(-)-B.

يتفاعل A' وA'' بسرعة مع مول واحد من البروم في \(\ce{CCl4}\) في الظلام عند 20 °C ليعطيا C.

المطلوب:

4.1 ما البنية الدستورية لكل من A وB؟

4.2 اكتب الصيغ الفراغية لكل من A' وA'' وصيغ إسقاط فيشر للمتماكبين المرآتيين لـ B (دون النظر إلى الإشارتين (+) أو (-)).

4.3 كم عدد المتماكبات الفراغية لـ C التي تتكون في آن واحد عند معالجة A' وA'' بالبروم؟

4.4 علّل بإيجاز إجابتك عن c).

4.5 اكتب صيغ إسقاط فيشر وصيغة إسقاط نيومان واحدة (هيئة توافقية) لجميع المتماكبات الفراغية لـ C. وحدّد أيّها متماكبات مرآتية بعضها لبعض وأيّها متماكبات فراغية غير مرآتية بعضها لبعض.

نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.

الإجابات

فيما يتعلق بالرمزين \(A'/A''\) أدناه، يشير الوصف سيس/ترانس إلى مجموعتي الميثيل.

4.1: A هو حمض 2-ميثيل بوت-2-ينويك، CC=C(C)C(=O)O. وB هو حمض 2-ميثيل بوتانويك، CCC(C)C(=O)O.
4.2: \(A'\) هو حمض (E)-2-ميثيل بوت-2-ينويك، O=C(O)/C(C)=C/C؛ و\(A''\) هو حمض (Z)-2-ميثيل بوت-2-ينويك، O=C(O)/C(C)=C\C. والمتماكبان المرآتيان لـ B هما حمض (R)-2-ميثيل بوتانويك، O=C(O)[C@H](C)CC، وحمض (S)-2-ميثيل بوتانويك، O=C(O)[C@@H](C)CC. وتُحدَّد إسقاطاتهما أدناه.
4.3: متماكبان مرآتيان من كل ألكين نقي؛ وأربعة متماكبات فراغية إجمالًا. يعطي الألكين \(E\) المتماكبين \((2R,3S)/(2S,3R)\)، ويعطي الألكين \(Z\) المتماكبين \((2R,3R)/(2S,3S)\).
4.4: البرومة إضافة مضادّة نوعية فراغيًا. يحتوي الناتج على مركزين مولِّدين للتصاوغ الفراغي وليس له شكل ميزو؛ ويعطي كل ألكين زوجًا راسيميًا.
4.5: النواتج الأربعة هي متماكبات فراغية لـ حمض 2,3-ثنائي برومو-2-ميثيل بوتانويك، O=C(O)C(Br)(C)C(Br)C. وتَرِد في الجداول أدناه تمثيلاتها بصيغة SMILES المحدِّدة للكيمياء الفراغية، وإسقاطات فيشر، وهيئات نيومان التوافقية. والزوجان المرآتيان هما \((2R,3S)/(2S,3R)\) و\((2R,3R)/(2S,3S)\)؛ وكل اقتران بين عضو من أحد الزوجين وعضو من الآخر يشكّل زوجًا من المتماكبات الفراغية غير المرآتية.

الحل

4.1 — تحديد هوية A وB

درجة عدم الإشباع في A هي

\[ \mathrm{DBE}=\frac{2(5)+2-8}{2}=2. \]

تمثّل مجموعة الكربونيل في الكربوكسيل درجة واحدة من عدم الإشباع. ويشير التصاوغ الهندسي وتفاعل إضافة البروم السريع إلى أن الدرجة الأخرى ترجع إلى رابطة ألكينية مزدوجة، في إطار كيمياء الألكينات المقصودة في هذه المسألة.

تعطي الهدرجة حمضًا مشبعًا صيغته \(\ce{C5H10O2}\). وتستلزم قابليته للفصل إلى متماكبين مرآتيين وجود مركز مولِّد للتصاوغ الفراغي. ومع وجود خمس ذرات كربون فقط، فإن المستبدلات الأربعة المختلفة المطلوبة هي الكربوكسيل والإيثيل والميثيل والهيدروجين. لذا فإن B هو حمض 2-ميثيل بوتانويك، CCC(C)C(=O)O:

\[ \ce{HOOC-CH(CH3)-CH2-CH3}. \]

يجب أن تؤدي إعادة رابطة مزدوجة إلى هذا الهيكل الكربوني إلى ألكين يحمل مستبدلين مختلفين على كل ذرة كربون من ذرتي الرابطة المزدوجة. وهذا يضع الرابطة المزدوجة بين C2 وC3:

\[ \ce{HOOC-C(CH3)=CH-CH3}. \]

إذن A هو حمض 2-ميثيل بوت-2-ينويك، CC=C(C)C(=O)O.

تُمثَّل الهدرجة بالهيدروجين الجزيئي، [H][H]، على البلاتين بالمعادلة الموزونة

\[ \ce{HOOC-C(CH3)=CH-CH3 + H2 ->[Pt] HOOC-CH(CH3)-CH2-CH3}. \]

تصبح C3 مجموعة ميثيلين، فيزول التمايز الهندسي الأصلي. وتصبح C2 مركزًا مولِّدًا للتصاوغ الفراغي؛ وتعطي الهدرجة في وسط غير كيرالي كميتين متساويتين من المتماكبين المرآتيين لـ B انطلاقًا من أيٍّ من الألكينين.

4.2 — البنى الهندسية لـ A وإسقاطات فيشر لـ B

رقِّم كربون الكربوكسيل بالرمز C1. ولتحديد رسومات الألكين، ضع C2 على اليسار وC3 على اليمين، واربطهما برابطة مزدوجة أفقية. وضع المستبدلات فوقها وتحتها كما يأتي:

الشكل	الاسم وصيغة SMILES المحدِّدة للكيمياء الفراغية	فوق C2؛ فوق C3	تحت C2؛ تحت C3
\(A'\)، مجموعتا الميثيل في وضع سيس	حمض (E)-2-ميثيل بوت-2-ينويك، `O=C(O)/C(C)=C/C`	\(\ce{COOH}\)؛ \(\ce{H}\)	\(\ce{CH3}\)؛ \(\ce{CH3}\)
\(A''\)، مجموعتا الميثيل في وضع ترانس	حمض (Z)-2-ميثيل بوت-2-ينويك، `O=C(O)/C(C)=C\C`	\(\ce{COOH}\)؛ \(\ce{CH3}\)	\(\ce{CH3}\)؛ \(\ce{H}\)

لتعيين \(E/Z\)، يكون المستبدل الأعلى أولوية هو \(\ce{COOH}\) عند C2 و\(\ce{CH3}\) عند C3. ومن ثم، يقابل وضع سيس لمجموعتي الميثيل التشكيل \(E\)، في حين يقابل وضع ترانس لمجموعتي الميثيل التشكيل \(Z\).

في إسقاطي فيشر لـ B، ضع \(\ce{COOH}\) في الأعلى و\(\ce{CH2CH3}\) في الأسفل. تتجه الروابط الأفقية نحو الناظر، وتتجه الروابط الرأسية بعيدًا عنه.

المتماكب المرآتي	المستبدل الأيسر	المستبدل الأيمن	صيغة SMILES المحدِّدة للكيمياء الفراغية
حمض (R)-2-ميثيل بوتانويك	\(\ce{H}\)	\(\ce{CH3}\)	`O=C(O)[C@H](C)CC`
حمض (S)-2-ميثيل بوتانويك	\(\ce{CH3}\)	\(\ce{H}\)	`O=C(O)[C@@H](C)CC`

ترتيب الأولوية هو

\[ \ce{COOH}>\ce{CH2CH3}>\ce{CH3}>\ce{H}. \]

هذان الإسقاطان صورتان مرآتيتان. ولا يحدّد التشكيلان \(R/S\) أيّهما ذو دوران ضوئي موجب وأيّهما ذو دوران ضوئي سالب.

4.3 — عدد نواتج البرومة

يُضاف البروم، BrBr، عبر الرابطة المزدوجة في رباعي كلوريد الكربون، ClC(Cl)(Cl)Cl، في الظلام عند \(20\,^\circ\mathrm{C}\):

\[ \ce{HOOC-C(CH3)=CH-CH3 + Br2 -> HOOC-C(Br)(CH3)-CH(Br)-CH3}. \]

وهكذا يستهلك مول واحد من A مولًا واحدًا من البروم. والناتج C هو حمض 2,3-ثنائي برومو-2-ميثيل بوتانويك، O=C(O)C(Br)(C)C(Br)C، وصيغته \(\ce{C5H8Br2O2}\).

كلٌّ من C2 وC3 مركز مولِّد للتصاوغ الفراغي. ولا يمتلك الناتج تناظرًا داخليًا يمكن أن ينتج عنه شكل ميزو، لذا فإن العدد الكلي لمتماكباته الفراغية هو

\[ 2^2=\boxed{4}. \]

تعطي الإضافة المضادّة النوعية فراغيًا:

الألكين الابتدائي	النواتج
\(A_E\)، وهو هنا \(A'\)	\((2R,3S)\) و\((2S,3R)\)، بكميتين متساويتين
\(A_Z\)، وهو هنا \(A''\)	\((2R,3R)\) و\((2S,3S)\)، بكميتين متساويتين

إذن يعطي كل متماكب هندسي يُبروم على حدة متماكبين فراغيين، بينما تعطي برومة مزيج يحتوي على كليهما المتماكبات الأربعة جميعها. وتعتمد الكميات النسبية للزوجين الراسيميين على المزيج الابتدائي.

4.4 — أسباب النتيجة الفراغية

في الظروف المذكورة، تكون البرومة الإلكتروفيلية إضافة مضادّة: إذ تتكوّن رابطتا الكربون–البروم الجديدتان على وجهين متقابلين من الرابطة المزدوجة الأصلية.

لكلٍّ من الألكينين المستويين، يكون مسارا الإضافة المرتبطان بعلاقة مرآتية متساويين في الاحتمال في وسط التفاعل غير الكيرالي. ولذلك يعطيان كميتين متساويتين من متماكبين مرآتيين.

يؤدي تغيير الألكين الابتدائي من \(E\) إلى \(Z\) إلى تغيير التشكيل النسبي الناتج عن الإضافة المضادّة، فيعطي الزوج المرآتي الآخر. ولا يكون أي ناتج من نوع ميزو لأن المركزين المولِّدين للتصاوغ الفراغي يحملان مجموعتين مختلفتين من المستبدلات: تحمل C2 مجموعة كربوكسيل ومجموعة ميثيل، بينما تحمل C3 هيدروجينًا ومجموعة ميثيل.

4.5 — إسقاطات فيشر وإسقاطات نيومان والعلاقات

في كل إسقاط فيشر لـ C، ارسم السلسلة الرئيسية الرأسية بهذا الترتيب:

\[ \ce{COOH}\quad\text{في الأعلى},\qquad \mathrm{C2},\qquad \mathrm{C3},\qquad \ce{CH3}\quad\text{في الأسفل}. \]

يحدّد الجدول كل مستبدل أفقي. وكالمعتاد، تتجه الروابط الأفقية نحو الناظر وتتجه الروابط الرأسية بعيدًا عنه.

المتماكب الفراغي لحمض 2,3-ثنائي برومو-2-ميثيل بوتانويك	C2: اليسار / اليمين	C3: اليسار / اليمين	صيغة SMILES المحدِّدة للكيمياء الفراغية
\((2R,3S)\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\)	`O=C(O)[C@](Br)(C)[C@@H](Br)C`
\((2S,3R)\)	\(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)	\(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\)	`O=C(O)[C@@](Br)(C)[C@H](Br)C`
\((2R,3R)\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\)	\(\ce{H}\) / \(\ce{Br}\)	`O=C(O)[C@](Br)(C)[C@H](Br)C`
\((2S,3S)\)	\(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{H}\)	`O=C(O)[C@@](Br)(C)[C@@H](Br)C`

تُستخدم ترتيبات الأولوية الآتية لتعيين التشكيلات:

\[ \begin{aligned} \mathrm{C2}:&\quad \ce{Br}>\ce{CH(Br)CH3}>\ce{COOH}>\ce{CH3},\\ \mathrm{C3}:&\quad \ce{Br}>\ce{C(Br)(CH3)COOH}>\ce{CH3}>\ce{H}. \end{aligned} \]

عند C2، تتقدّم ذرة الكربون المجاورة الحاملة للبروم على كربون الكربوكسيل في الأولوية لأن قائمة الذرات المرتبطة بها تبدأ بالبروم، الذي يتقدّم على الأكسجين في الأولوية.

في إسقاطات نيومان، انظر من C2 نحو C3، بحيث تُمثَّل C2 بالنقطة الأمامية وC3 بالدائرة الخلفية. استخدم مواضع الساعة كما يراها الناظر:

تشغل الروابط الأمامية مواضع الساعة 12 و4 و8.
تشغل الروابط الخلفية مواضع الساعة 2 و6 و10.

يحدّد الجدول الآتي هيئة توافقية متناوبة واحدة لكل متماكب فراغي:

التشكيل	C2 الأمامية: مواضع الساعة 12 / 4 / 8	C3 الخلفية: مواضع الساعة 2 / 6 / 10
\((2R,3S)\)	\(\ce{COOH}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{H}\)
\((2S,3R)\)	\(\ce{COOH}\) / \(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\)	\(\ce{H}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)
\((2R,3R)\)	\(\ce{COOH}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)	\(\ce{H}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{Br}\)
\((2S,3S)\)	\(\ce{COOH}\) / \(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\)	\(\ce{Br}\) / \(\ce{CH3}\) / \(\ce{H}\)

تحدّد مواضع الساعة هذه هيئات توافقية لا ترمّزها صيغ SMILES المحدِّدة للكيمياء الفراغية. ويغيّر الدوران حول الرابطة الأحادية C2–C3 الهيئة التوافقية دون تغيير التشكيل؛ أما «الإضافة المضادّة» فتصف وجهي الإضافة في التفاعل.

الزوجان المرآتيان هما

\[ \boxed{(2R,3S)\ \longleftrightarrow\ (2S,3R)} \]

\[ \boxed{(2R,3R)\ \longleftrightarrow\ (2S,3S)}. \]

كل عضو من الزوج الأول متماكب فراغي غير مرآتي لكل عضو من الزوج الثاني.

تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.