IChO 1995 · Theory problem 3
Glyceraldehyde and its cyclic dimer
1,3-Dihydroxyacetone can be converted to glyceraldehyde. On standing this glyceraldehyde changes spontaneously into a six member cyclic dimer \(\ce{C6H12O6}\). The infrared spectrum of the dimer shows no absorption peak between 1600 – 1800 \(\mathrm{cm^{-1}}\) and the dipole moment of the dimer is determined to be zero.
3.1 Write the Fischer projection structural formula(e) for the resulting glyceraldehyde and indicate configuration using D(+) and/or L(-).
3.2 Write the structural formula for the reaction intermediate of the conversion of 1,3-dihydroxyacetone to glyceraldehyde.
3.3 Write the structural formula for the dimer.
3.4 Using Haworth projection formula represent the possible stereoisomers which fit the dipole moment data.
3.5 Denote each chiral carbon atom in the above formulae with \(R\) or \(S\).
Official English text of the problem.
Answers
-
3.1: A racemic mixture of D(+)-glyceraldehyde, (2R)-2,3-dihydroxypropanal,
O=C[C@H](O)CO, and L(-)-glyceraldehyde, (2S)-2,3-dihydroxypropanal,O=C[C@@H](O)CO. In their Fischer projections, place \(\ce{CHO}\) above and \(\ce{CH2OH}\) below; \(\ce{OH}\) is on the right for D(+) and on the left for L(-). -
3.2: The 1,2-enediol, prop-1-ene-1,2,3-triol, \(\ce{HO-CH=C(OH)-CH2OH}\),
OC=C(O)CO. -
3.3: The cyclic bis-hemiacetal 3,6-bis(hydroxymethyl)-1,4-dioxane-2,5-diol,
O1C(O)C(CO)OC(O)C1CO. Its ring sequence is O1–C2–C3–O4–C5–C6; C2 and C5 bear \(\ce{OH}\), while C3 and C6 bear \(\ce{CH2OH}\). -
3.4: Two centrosymmetric, meso stereoisomers satisfy the dipole-moment condition:
I: (2R,3R,5S,6S)-3,6-bis(hydroxymethyl)-1,4-dioxane-2,5-diol, O1[C@@H](O)[C@@H](CO)O[C@H](O)[C@@H]1CO. Each adjacent hydroxyl/hydroxymethyl pair is cis.
II: (2S,3R,5R,6S)-3,6-bis(hydroxymethyl)-1,4-dioxane-2,5-diol, O1[C@H](O)[C@@H](CO)O[C@@H](O)[C@@H]1CO. Each adjacent hydroxyl/hydroxymethyl pair is trans.
- 3.5: D(+)-glyceraldehyde is \(R\); L(-)-glyceraldehyde is \(S\). For ring positions C2, C3, C5, C6, respectively, dimer I is \(R,R,S,S\), and dimer II is \(S,R,R,S\). The enediol has no chiral carbon atoms.
Solution
3.1 — Glyceraldehyde formation and Fischer projections
The starting compound, 1,3-dihydroxyacetone (1,3-dihydroxypropan-2-one), OCC(=O)CO, is achiral. Conversion of its ketone group into a terminal aldehyde creates a stereogenic centre at C2. With no chiral reagent or catalyst specified, the two enantiomers form in equal amounts.
Draw the Fischer projections with the carbon chain vertical:
| Position | D(+)-glyceraldehyde | L(-)-glyceraldehyde |
|---|---|---|
| Top | \(\ce{CHO}\) | \(\ce{CHO}\) |
| Left of central carbon | \(\ce{H}\) | \(\ce{OH}\) |
| Right of central carbon | \(\ce{OH}\) | \(\ce{H}\) |
| Bottom | \(\ce{CH2OH}\) | \(\ce{CH2OH}\) |
As usual for Fischer projections, horizontal bonds point toward the viewer and vertical bonds point away. The mixture is racemic and therefore has zero net optical rotation.
3.2 — The reaction intermediate
The ketose–aldose conversion proceeds through the enediol:
\[ \ce{HOCH2-C(=O)-CH2OH <=> HO-CH=C(OH)-CH2OH <=> O=CH-CH(OH)-CH2OH}. \]
Each species has molecular formula \(\ce{C3H6O3}\), so both steps are balanced tautomerizations.
In the first step, proton transfers and redistribution of the carbonyl \(\pi\) electrons generate the C1–C2 double bond and the second hydroxyl group. In the second step, the terminal hydroxyl oxygen forms the aldehyde carbonyl while C2 receives a proton.
C2 is planar in the enediol. Protonation from its two faces produces the two glyceraldehyde configurations equally. The intermediate’s E/Z geometry need not be specified for this conclusion.
3.3 — Connectivity of the cyclic dimer
The missing carbonyl absorption indicates that the aldehyde groups have been consumed. Each glyceraldehyde molecule supplies:
- Its aldehyde carbon as a hemiacetal carbon.
- Its C2 hydroxyl oxygen as an ether oxygen in the ring.
The C2 hydroxyl oxygen of one molecule attacks the aldehyde carbon of the other; the carbonyl \(\pi\) electrons move onto oxygen, and proton transfer gives a hemiacetal. The corresponding reaction between the remaining hydroxyl and aldehyde groups closes the ring.
Each molecule contributes two carbons and one oxygen to the ring, giving six ring atoms. The connectivity, with the final carbon bonded back to the initial oxygen, is
\[ \text{cyclic }\left[ \ce{O-CH(OH)-CH(CH2OH)-O-CH(OH)-CH(CH2OH)} \right]. \]
Thus the product is the cyclic bis-hemiacetal identified in Answer 3.3. Its two former carbonyl oxygens are now hydroxyl oxygens.
The balanced dimerization is
\[ \ce{2 O=CH-CH(OH)-CH2OH <=> C6H12O6}. \]
No water is eliminated. Formation of the two hemiacetal linkages preserves all atoms of the two monomers.
3.4 — Haworth projections and the zero dipole moment
Use the following precise Haworth convention:
- Viewed from above the ring, the atoms run clockwise as O1–C2–C3–O4–C5–C6.
- Draw O1 at the upper right, C2 at the right, C3 at the lower right, O4 at the lower left, C5 at the left, and C6 at the upper left.
- “Up” and “down” mean above and below the ring plane. At each substituted carbon, its hydrogen points to the opposite face.
An inversion centre at the ring centre exchanges O1 with O4, C2 with C5, and C3 with C6. Therefore, corresponding substituents must occupy opposite faces:
\[ \ce{OH}\text{ at C2 opposite to }\ce{OH}\text{ at C5}, \] \[ \ce{CH2OH}\text{ at C3 opposite to }\ce{CH2OH}\text{ at C6}. \]
The two distinct Haworth projections are:
| Dimer | C2–\(\ce{OH}\) | C3–\(\ce{CH2OH}\) | C5–\(\ce{OH}\) | C6–\(\ce{CH2OH}\) |
|---|---|---|---|---|
| I | Up | Up | Down | Down |
| II | Down | Up | Up | Down |
In I, each adjacent hydroxyl/hydroxymethyl pair lies on the same face; in II, each pair lies on opposite faces. Reversing all four up/down entries does not give additional stereoisomers: the resulting configurations are equivalent after exchanging the two identical halves.
These configurations permit centrosymmetric chair conformations, with corresponding side chains also related by inversion. Since inversion reverses a dipole vector while leaving such a molecule unchanged,
\[ \boldsymbol{\mu}=-\boldsymbol{\mu} \quad\Longrightarrow\quad \boldsymbol{\mu}=0. \]
Both structures are meso and contain one D-glyceraldehyde residue and one L-glyceraldehyde residue. Haworth projections and stereochemical SMILES specify their configurations; they do not imply that the actual ring is flat.
3.5 — Absolute configurations
For glyceraldehyde, the priorities at C2 are
\[ \ce{OH}>\ce{CHO}>\ce{CH2OH}>\ce{H}. \]
The aldehyde carbon outranks the hydroxymethyl carbon because the carbonyl double bond is treated as attachment to two oxygens in the CIP comparison. Applying these priorities to the Fischer projections gives D(+): \(R\) and L(-): \(S\).
For the dimer:
- At C2 and C5: ring oxygen \(>\) hydroxyl oxygen \(>\) neighbouring ring carbon \(>\) hydrogen. The ring oxygen outranks the hydroxyl oxygen because it is attached to carbon rather than hydrogen.
- At C3 and C6: ring oxygen \(>\) neighbouring hemiacetal carbon \(>\) hydroxymethyl carbon \(>\) hydrogen. The hemiacetal carbon has two oxygen neighbours, whereas the hydroxymethyl carbon has only one.
With the clockwise Haworth convention defined above, an up hydroxyl at C2/C5 gives \(R\), and an up hydroxymethyl group at C3/C6 also gives \(R\). Down gives \(S\).
| Structure | C2 | C3 | C5 | C6 |
|---|---|---|---|---|
| Dimer I | \(R\) | \(R\) | \(S\) | \(S\) |
| Dimer II | \(S\) | \(R\) | \(R\) | \(S\) |
The original glyceraldehyde stereocentres become C3 and C6 without changing configuration. The two additional stereocentres, C2 and C5, arise during hemiacetal formation.
The solution was checked against the official solution.
IChO 1995 · Theorieaufgabe 3
Glycerinaldehyd und sein cyclisches Dimer
1,3-Dihydroxyaceton kann in Glycerinaldehyd umgewandelt werden. Beim Stehenlassen wandelt sich dieser Glycerinaldehyd spontan in ein sechsgliedriges cyclisches Dimer \(\ce{C6H12O6}\) um. Das Infrarotspektrum des Dimers zeigt keine Absorptionsbande zwischen 1600 – 1800 \(\mathrm{cm^{-1}}\), und das Dipolmoment des Dimers wird zu null bestimmt.
3.1 Geben Sie die Strukturformel(n) des entstehenden Glycerinaldehyds in der Fischer-Projektion an und kennzeichnen Sie die Konfiguration mit D(+) und/oder L(-).
3.2 Geben Sie die Strukturformel des Reaktionszwischenprodukts bei der Umwandlung von 1,3-Dihydroxyaceton in Glycerinaldehyd an.
3.3 Geben Sie die Strukturformel des Dimers an.
3.4 Stellen Sie mithilfe der Haworth-Projektion die möglichen Stereoisomere dar, die mit den Angaben zum Dipolmoment vereinbar sind.
3.5 Kennzeichnen Sie jedes chirale Kohlenstoffatom in den obigen Formeln mit \(R\) oder \(S\).
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
-
3.1: Ein racemisches Gemisch aus D(+)-Glycerinaldehyd, (2R)-2,3-Dihydroxypropanal,
O=C[C@H](O)CO, und L(-)-Glycerinaldehyd, (2S)-2,3-Dihydroxypropanal,O=C[C@@H](O)CO. In den Fischer-Projektionen steht \(\ce{CHO}\) oben und \(\ce{CH2OH}\) unten; \(\ce{OH}\) steht bei D(+) rechts und bei L(-) links. -
3.2: Das 1,2-Endiol, Prop-1-en-1,2,3-triol, \(\ce{HO-CH=C(OH)-CH2OH}\),
OC=C(O)CO. -
3.3: Das cyclische Bis-Halbacetal 3,6-Bis(hydroxymethyl)-1,4-dioxan-2,5-diol,
O1C(O)C(CO)OC(O)C1CO. Die Abfolge der Ringatome ist O1–C2–C3–O4–C5–C6; C2 und C5 tragen \(\ce{OH}\), während C3 und C6 \(\ce{CH2OH}\) tragen. -
3.4: Zwei zentrosymmetrische meso-Stereoisomere erfüllen die Bedingung für das Dipolmoment:
I: (2R,3R,5S,6S)-3,6-Bis(hydroxymethyl)-1,4-dioxan-2,5-diol, O1[C@@H](O)[C@@H](CO)O[C@H](O)[C@@H]1CO. Jedes benachbarte Hydroxy-/Hydroxymethylgruppenpaar ist cis angeordnet.
II: (2S,3R,5R,6S)-3,6-Bis(hydroxymethyl)-1,4-dioxan-2,5-diol, O1[C@H](O)[C@@H](CO)O[C@@H](O)[C@@H]1CO. Jedes benachbarte Hydroxy-/Hydroxymethylgruppenpaar ist trans angeordnet.
- 3.5: D(+)-Glycerinaldehyd ist \(R\); L(-)-Glycerinaldehyd ist \(S\). Für die Ringpositionen C2, C3, C5, C6 in dieser Reihenfolge hat Dimer I die Konfiguration \(R,R,S,S\) und Dimer II die Konfiguration \(S,R,R,S\). Das Endiol besitzt keine chiralen Kohlenstoffatome.
Lösung
3.1 — Bildung von Glycerinaldehyd und Fischer-Projektionen
Die Ausgangsverbindung 1,3-Dihydroxyaceton (1,3-Dihydroxypropan-2-on), OCC(=O)CO, ist achiral. Die Umwandlung ihrer Ketogruppe in eine endständige Aldehydgruppe erzeugt an C2 ein stereogenes Zentrum. Da kein chirales Reagenz und kein chiraler Katalysator angegeben ist, entstehen die beiden Enantiomere in gleichen Mengen.
Zeichnen Sie die Fischer-Projektionen mit senkrechter Kohlenstoffkette:
| Position | D(+)-Glycerinaldehyd | L(-)-Glycerinaldehyd |
|---|---|---|
| Oben | \(\ce{CHO}\) | \(\ce{CHO}\) |
| Links vom zentralen Kohlenstoffatom | \(\ce{H}\) | \(\ce{OH}\) |
| Rechts vom zentralen Kohlenstoffatom | \(\ce{OH}\) | \(\ce{H}\) |
| Unten | \(\ce{CH2OH}\) | \(\ce{CH2OH}\) |
Wie bei Fischer-Projektionen üblich, weisen die horizontalen Bindungen zum Betrachter hin und die vertikalen Bindungen vom Betrachter weg. Das Gemisch ist racemisch und zeigt daher insgesamt keine optische Drehung.
3.2 — Das Reaktionszwischenprodukt
Die Ketose-Aldose-Umwandlung verläuft über das Endiol:
\[ \ce{HOCH2-C(=O)-CH2OH <=> HO-CH=C(OH)-CH2OH <=> O=CH-CH(OH)-CH2OH}. \]
Jede Spezies hat die Summenformel \(\ce{C3H6O3}\), sodass beide Schritte stöchiometrisch ausgeglichene Tautomerisierungen sind.
Im ersten Schritt entstehen durch Protonenübertragungen und Umlagerung der \(\pi\)-Elektronen der Carbonylgruppe die C1–C2-Doppelbindung und die zweite Hydroxygruppe. Im zweiten Schritt bildet das Sauerstoffatom der endständigen Hydroxygruppe die Aldehyd-Carbonylgruppe, während C2 ein Proton aufnimmt.
C2 ist im Endiol planar. Die Protonierung von seinen beiden Seiten erzeugt die beiden Glycerinaldehyd-Konfigurationen in gleichem Maße. Für diese Schlussfolgerung muss die E/Z-Geometrie des Zwischenprodukts nicht festgelegt werden.
3.3 — Konnektivität des cyclischen Dimers
Die fehlende Carbonylabsorption zeigt, dass die Aldehydgruppen umgesetzt wurden. Jedes Glycerinaldehydmolekül liefert:
- Sein Aldehyd-Kohlenstoffatom als Halbacetal-Kohlenstoffatom.
- Das Sauerstoffatom seiner C2-Hydroxygruppe als Ether-Sauerstoffatom im Ring.
Das Sauerstoffatom der C2-Hydroxygruppe eines Moleküls greift das Aldehyd-Kohlenstoffatom des anderen an; die \(\pi\)-Elektronen der Carbonylgruppe werden auf das Sauerstoffatom verschoben, und durch Protonenübertragung entsteht ein Halbacetal. Die entsprechende Reaktion zwischen den verbleibenden Hydroxy- und Aldehydgruppen schließt den Ring.
Jedes Molekül trägt zwei Kohlenstoffatome und ein Sauerstoffatom zum Ring bei, sodass sich sechs Ringatome ergeben. Die Konnektivität, bei der das letzte Kohlenstoffatom wieder an das erste Sauerstoffatom gebunden ist, lautet
\[ \text{cyclisch }\left[ \ce{O-CH(OH)-CH(CH2OH)-O-CH(OH)-CH(CH2OH)} \right]. \]
Das Produkt ist somit das in Antwort 3.3 angegebene cyclische Bis-Halbacetal. Seine beiden ehemaligen Carbonyl-Sauerstoffatome sind nun Hydroxy-Sauerstoffatome.
Die ausgeglichene Dimerisierungsgleichung lautet
\[ \ce{2 O=CH-CH(OH)-CH2OH <=> C6H12O6}. \]
Es wird kein Wasser abgespalten. Bei der Bildung der beiden Halbacetalverknüpfungen bleiben alle Atome der beiden Monomere erhalten.
3.4 — Haworth-Projektionen und das Dipolmoment null
Verwenden Sie die folgende präzise Haworth-Konvention:
- Von oben auf den Ring gesehen verlaufen die Atome im Uhrzeigersinn in der Reihenfolge O1–C2–C3–O4–C5–C6.
- Zeichnen Sie O1 oben rechts, C2 rechts, C3 unten rechts, O4 unten links, C5 links und C6 oben links.
- „Oben“ und „unten“ bedeuten oberhalb und unterhalb der Ringebene. An jedem substituierten Kohlenstoffatom zeigt das Wasserstoffatom auf die entgegengesetzte Seite.
Ein Inversionszentrum in der Ringmitte vertauscht O1 mit O4, C2 mit C5 und C3 mit C6. Daher müssen entsprechende Substituenten auf entgegengesetzten Seiten liegen:
\[ \ce{OH}\text{ an C2 gegenüber von }\ce{OH}\text{ an C5}, \] \[ \ce{CH2OH}\text{ an C3 gegenüber von }\ce{CH2OH}\text{ an C6}. \]
Die beiden unterschiedlichen Haworth-Projektionen sind:
| Dimer | C2–\(\ce{OH}\) | C3–\(\ce{CH2OH}\) | C5–\(\ce{OH}\) | C6–\(\ce{CH2OH}\) |
|---|---|---|---|---|
| I | Oben | Oben | Unten | Unten |
| II | Unten | Oben | Oben | Unten |
In I liegt jedes benachbarte Hydroxy-/Hydroxymethylgruppenpaar auf derselben Seite; in II liegen die beiden Gruppen jedes Paares auf entgegengesetzten Seiten. Die Umkehrung aller vier Oben/Unten-Einträge ergibt keine zusätzlichen Stereoisomere: Die resultierenden Konfigurationen sind nach Vertauschung der beiden identischen Hälften äquivalent.
Diese Konfigurationen ermöglichen zentrosymmetrische Sesselkonformationen, bei denen auch die entsprechenden Seitenketten durch Inversion ineinander übergehen. Da eine Inversion einen Dipolvektor umkehrt, ein solches Molekül jedoch unverändert lässt, gilt
\[ \boldsymbol{\mu}=-\boldsymbol{\mu} \quad\Longrightarrow\quad \boldsymbol{\mu}=0. \]
Beide Strukturen sind meso-Verbindungen und enthalten einen D-Glycerinaldehydrest und einen L-Glycerinaldehydrest. Haworth-Projektionen und stereochemische SMILES legen ihre Konfigurationen fest; sie bedeuten nicht, dass der tatsächliche Ring eben ist.
3.5 — Absolute Konfigurationen
Für Glycerinaldehyd lauten die Prioritäten an C2
\[ \ce{OH}>\ce{CHO}>\ce{CH2OH}>\ce{H}. \]
Das Aldehyd-Kohlenstoffatom hat eine höhere Priorität als das Hydroxymethyl-Kohlenstoffatom, da die Carbonyl-Doppelbindung beim CIP-Vergleich als Bindung an zwei Sauerstoffatome behandelt wird. Die Anwendung dieser Prioritäten auf die Fischer-Projektionen ergibt D(+): \(R\) und L(-): \(S\).
Für das Dimer gilt:
- An C2 und C5: Ring-Sauerstoffatom \(>\) Hydroxy-Sauerstoffatom \(>\) benachbartes Ring-Kohlenstoffatom \(>\) Wasserstoffatom. Das Ring-Sauerstoffatom hat eine höhere Priorität als das Hydroxy-Sauerstoffatom, da es an Kohlenstoff statt an Wasserstoff gebunden ist.
- An C3 und C6: Ring-Sauerstoffatom \(>\) benachbartes Halbacetal-Kohlenstoffatom \(>\) Hydroxymethyl-Kohlenstoffatom \(>\) Wasserstoffatom. Das Halbacetal-Kohlenstoffatom hat zwei benachbarte Sauerstoffatome, während das Hydroxymethyl-Kohlenstoffatom nur eines hat.
Bei der oben definierten Haworth-Konvention mit Anordnung im Uhrzeigersinn ergibt eine nach oben gerichtete Hydroxygruppe an C2/C5 die Konfiguration \(R\), und eine nach oben gerichtete Hydroxymethylgruppe an C3/C6 ergibt ebenfalls \(R\). Eine Ausrichtung nach unten ergibt \(S\).
| Struktur | C2 | C3 | C5 | C6 |
|---|---|---|---|---|
| Dimer I | \(R\) | \(R\) | \(S\) | \(S\) |
| Dimer II | \(S\) | \(R\) | \(R\) | \(S\) |
Die ursprünglichen Stereozentren des Glycerinaldehyds werden zu C3 und C6, ohne ihre Konfiguration zu ändern. Die beiden zusätzlichen Stereozentren C2 und C5 entstehen bei der Halbacetalbildung.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1995 · Teori sorusu 3
Gliseraldehit ve halkalı dimeri
1,3-Dihidroksiaseton, gliseraldehide dönüştürülebilir. Bu gliseraldehit bekletildiğinde kendiliğinden altı üyeli halkalı bir dimere, \(\ce{C6H12O6}\), dönüşür. Dimerin kızılötesi spektrumunda 1600 – 1800 \(\mathrm{cm^{-1}}\) arasında hiçbir soğurma piki görülmez ve dimerin dipol momentinin sıfır olduğu belirlenmiştir.
3.1 Oluşan gliseraldehidin Fischer izdüşümü yapı formülünü (formüllerini) yazınız ve konfigürasyonunu D(+) ve/veya L(-) kullanarak belirtiniz.
3.2 1,3-Dihidroksiasetonun gliseraldehide dönüşümündeki tepkime ara ürününün yapı formülünü yazınız.
3.3 Dimerin yapı formülünü yazınız.
3.4 Dipol momenti verilerine uyan olası stereoizomerleri Haworth izdüşümü formülünü kullanarak gösteriniz.
3.5 Yukarıdaki formüllerde her bir kiral karbon atomunu \(R\) veya \(S\) ile belirtiniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
-
3.1: D(+)-gliseraldehit, (2R)-2,3-dihidroksipropanal,
O=C[C@H](O)CO, ve L(-)-gliseraldehit, (2S)-2,3-dihidroksipropanal,O=C[C@@H](O)CO, bileşiklerinin rasemik karışımı. Fischer izdüşümlerinde \(\ce{CHO}\) grubunu üste, \(\ce{CH2OH}\) grubunu alta yerleştiriniz; \(\ce{OH}\), D(+) için sağda, L(-) için soldadır. -
3.2: 1,2-Enediol, prop-1-en-1,2,3-triol, \(\ce{HO-CH=C(OH)-CH2OH}\),
OC=C(O)CO. -
3.3: Halkalı bis-hemiasetal 3,6-bis(hidroksimetil)-1,4-dioksan-2,5-diol,
O1C(O)C(CO)OC(O)C1CO. Halka atomlarının sırası O1–C2–C3–O4–C5–C6 şeklindedir; C2 ve C5, \(\ce{OH}\) taşırken C3 ve C6, \(\ce{CH2OH}\) taşır. -
3.4: Simetri merkezine sahip iki mezo stereoizomer dipol momenti koşulunu sağlar:
I: (2R,3R,5S,6S)-3,6-bis(hidroksimetil)-1,4-dioksan-2,5-diol, O1[C@@H](O)[C@@H](CO)O[C@H](O)[C@@H]1CO. Her bir komşu hidroksil/hidroksimetil çifti cis konumundadır.
II: (2S,3R,5R,6S)-3,6-bis(hidroksimetil)-1,4-dioksan-2,5-diol, O1[C@H](O)[C@@H](CO)O[C@@H](O)[C@@H]1CO. Her bir komşu hidroksil/hidroksimetil çifti trans konumundadır.
- 3.5: D(+)-gliseraldehit \(R\); L(-)-gliseraldehit \(S\) konfigürasyonundadır. Sırasıyla C2, C3, C5, C6 halka konumları için dimer I, \(R,R,S,S\), dimer II ise \(S,R,R,S\) konfigürasyonundadır. Enediolde kiral karbon atomu yoktur.
Çözüm
3.1 — Gliseraldehit oluşumu ve Fischer izdüşümleri
Başlangıç bileşiği 1,3-dihidroksiaseton (1,3-dihidroksipropan-2-on), OCC(=O)CO, akiraldir. Keton grubunun uç konumda bir aldehit grubuna dönüşmesi, C2'de bir stereojenik merkez oluşturur. Herhangi bir kiral reaktif veya katalizör belirtilmediğinden, iki enantiyomer eşit miktarlarda oluşur.
Fischer izdüşümlerini karbon zinciri dikey olacak şekilde çiziniz:
| Konum | D(+)-gliseraldehit | L(-)-gliseraldehit |
|---|---|---|
| Üst | \(\ce{CHO}\) | \(\ce{CHO}\) |
| Merkezdeki karbonun solu | \(\ce{H}\) | \(\ce{OH}\) |
| Merkezdeki karbonun sağı | \(\ce{OH}\) | \(\ce{H}\) |
| Alt | \(\ce{CH2OH}\) | \(\ce{CH2OH}\) |
Fischer izdüşümlerinde alışıldığı üzere, yatay bağlar gözlemciye doğru, dikey bağlar ise gözlemciden uzağa yönelir. Karışım rasemiktir ve bu nedenle net optik çevirmesi sıfırdır.
3.2 — Tepkime ara ürünü
Ketoz–aldoz dönüşümü enediol üzerinden ilerler:
\[ \ce{HOCH2-C(=O)-CH2OH <=> HO-CH=C(OH)-CH2OH <=> O=CH-CH(OH)-CH2OH}. \]
Her bir türün molekül formülü \(\ce{C3H6O3}\) olduğundan, her iki basamak da denkleştirilmiş tautomerleşme tepkimeleridir.
İlk basamakta, proton aktarımları ve karbonil \(\pi\) elektronlarının yeniden dağılımı C1–C2 çift bağını ve ikinci hidroksil grubunu oluşturur. İkinci basamakta, uçtaki hidroksil oksijeni aldehit karbonilini oluştururken C2 bir proton alır.
C2, enediolde düzlemseldir. İki yüzünden gerçekleşen protonlanma, gliseraldehidin iki konfigürasyonunu eşit miktarlarda oluşturur. Bu sonuca varmak için ara ürünün E/Z geometrisinin belirtilmesi gerekmez.
3.3 — Halkalı dimerin bağlanma düzeni
Karbonil soğurmasının bulunmaması, aldehit gruplarının tepkimede tüketildiğini gösterir. Her bir gliseraldehit molekülü şunları sağlar:
- Hemiasetal karbonu olarak kendi aldehit karbonunu.
- Halkadaki bir eter oksijeni olarak C2'deki hidroksil oksijenini.
Bir molekülün C2'deki hidroksil oksijeni, diğer molekülün aldehit karbonuna saldırır; karbonil \(\pi\) elektronları oksijene geçer ve proton aktarımı bir hemiasetal oluşturur. Kalan hidroksil ve aldehit grupları arasında gerçekleşen karşılık gelen tepkime halkayı kapatır.
Her bir molekül halkaya iki karbon ve bir oksijen katar; böylece halka altı atomdan oluşur. Son karbonun başlangıçtaki oksijene bağlanmasıyla oluşan bağlanma düzeni şöyledir:
\[ \text{halkalı }\left[ \ce{O-CH(OH)-CH(CH2OH)-O-CH(OH)-CH(CH2OH)} \right]. \]
Dolayısıyla ürün, Cevap 3.3'te tanımlanan halkalı bis-hemiasetaldir. Önceden karbonil oksijeni olan iki oksijeni artık hidroksil oksijenidir.
Denkleştirilmiş dimerleşme tepkimesi şöyledir:
\[ \ce{2 O=CH-CH(OH)-CH2OH <=> C6H12O6}. \]
Su ayrılmaz. İki hemiasetal bağının oluşumu sırasında iki monomerin tüm atomları korunur.
3.4 — Haworth izdüşümleri ve sıfır dipol momenti
Aşağıda kesin olarak tanımlanan Haworth gösterim kuralını kullanınız:
- Halkaya yukarıdan bakıldığında atomlar saat yönünde O1–C2–C3–O4–C5–C6 sırasıyla dizilir.
- O1'i sağ üste, C2'yi sağa, C3'ü sağ alta, O4'ü sol alta, C5'i sola ve C6'yı sol üste çiziniz.
- “Yukarı” ve “aşağı”, halka düzleminin üstünü ve altını ifade eder. Sübstitüent taşıyan her karbonda hidrojen karşı yüze yönelir.
Halkanın merkezindeki bir inversiyon merkezi O1 ile O4'ü, C2 ile C5'i ve C3 ile C6'yı yer değiştirir. Bu nedenle, birbirine karşılık gelen sübstitüentler karşı yüzlerde bulunmalıdır:
\[ \ce{OH}\text{ C2'de, karşı yüzde }\ce{OH}\text{ C5'te}, \] \[ \ce{CH2OH}\text{ C3'te, karşı yüzde }\ce{CH2OH}\text{ C6'da}. \]
Birbirinden farklı iki Haworth izdüşümü şöyledir:
| Dimer | C2–\(\ce{OH}\) | C3–\(\ce{CH2OH}\) | C5–\(\ce{OH}\) | C6–\(\ce{CH2OH}\) |
|---|---|---|---|---|
| I | Yukarı | Yukarı | Aşağı | Aşağı |
| II | Aşağı | Yukarı | Yukarı | Aşağı |
I'de, her bir komşu hidroksil/hidroksimetil çifti aynı yüzde bulunur; II'de ise her bir çift karşı yüzlerde bulunur. Dört yukarı/aşağı yöneliminin tamamının tersine çevrilmesi ek stereoizomerler vermez: oluşan konfigürasyonlar, özdeş iki yarı yer değiştirdiğinde eşdeğerdir.
Bu konfigürasyonlar, birbirine karşılık gelen yan zincirlerin de inversiyonla birbirine dönüştüğü, simetri merkezine sahip sandalye konformasyonlarına izin verir. İnversiyon, böyle bir molekülü değiştirmeden bırakırken dipol vektörünü tersine çevirdiğinden,
\[ \boldsymbol{\mu}=-\boldsymbol{\mu} \quad\Longrightarrow\quad \boldsymbol{\mu}=0. \]
Her iki yapı da mezodur ve bir D-gliseraldehit kalıntısı ile bir L-gliseraldehit kalıntısı içerir. Haworth izdüşümleri ve stereokimyasal SMILES gösterimleri bunların konfigürasyonlarını belirtir; gerçek halkanın düzlemsel olduğu anlamına gelmez.
3.5 — Mutlak konfigürasyonlar
Gliseraldehit için C2'deki öncelik sırası şöyledir:
\[ \ce{OH}>\ce{CHO}>\ce{CH2OH}>\ce{H}. \]
Aldehit karbonu, hidroksimetil karbonundan daha yüksek önceliğe sahiptir; çünkü CIP karşılaştırmasında karbonil çift bağı, iki oksijene bağlanma olarak ele alınır. Bu öncelikler Fischer izdüşümlerine uygulandığında D(+): \(R\) ve L(-): \(S\) elde edilir.
Dimer için:
- C2 ve C5'te: halka oksijeni \(>\) hidroksil oksijeni \(>\) komşu halka karbonu \(>\) hidrojen. Halka oksijeni, hidrojene değil karbona bağlı olduğu için hidroksil oksijeninden daha yüksek önceliğe sahiptir.
- C3 ve C6'da: halka oksijeni \(>\) komşu hemiasetal karbonu \(>\) hidroksimetil karbonu \(>\) hidrojen. Hemiasetal karbonunun iki oksijen komşusu varken hidroksimetil karbonunun yalnızca bir oksijen komşusu vardır.
Yukarıda tanımlanan saat yönündeki Haworth gösterim kuralına göre, C2/C5'te yukarı yönelmiş bir hidroksil \(R\) konfigürasyonunu, C3/C6'da yukarı yönelmiş bir hidroksimetil grubu da \(R\) konfigürasyonunu verir. Aşağı yönelim \(S\) konfigürasyonunu verir.
| Yapı | C2 | C3 | C5 | C6 |
|---|---|---|---|---|
| Dimer I | \(R\) | \(R\) | \(S\) | \(S\) |
| Dimer II | \(S\) | \(R\) | \(R\) | \(S\) |
Başlangıçtaki gliseraldehit stereomerkezleri, konfigürasyonları değişmeden C3 ve C6 hâline gelir. Ek iki stereomerkez, C2 ve C5, hemiasetal oluşumu sırasında ortaya çıkar.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1995 · Problema teórico 3
El gliceraldehído y su dímero cíclico
La 1,3-dihidroxiacetona puede convertirse en gliceraldehído. Al dejarlo reposar, este gliceraldehído se transforma espontáneamente en un dímero cíclico de seis miembros \(\ce{C6H12O6}\). El espectro infrarrojo del dímero no muestra ningún pico de absorción entre 1600 – 1800 \(\mathrm{cm^{-1}}\) y se determina que el momento dipolar del dímero es cero.
3.1 Escriba la fórmula o las fórmulas estructurales en proyección de Fischer del gliceraldehído resultante e indique la configuración utilizando D(+) y/o L(-).
3.2 Escriba la fórmula estructural del intermedio de reacción de la conversión de la 1,3-dihidroxiacetona en gliceraldehído.
3.3 Escriba la fórmula estructural del dímero.
3.4 Mediante fórmulas de proyección de Haworth, represente los posibles estereoisómeros compatibles con los datos del momento dipolar.
3.5 Designe cada átomo de carbono quiral de las fórmulas anteriores con \(R\) o \(S\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
-
3.1: Una mezcla racémica de D(+)-gliceraldehído, (2R)-2,3-dihidroxipropanal,
O=C[C@H](O)CO, y L(-)-gliceraldehído, (2S)-2,3-dihidroxipropanal,O=C[C@@H](O)CO. En sus proyecciones de Fischer, sitúe \(\ce{CHO}\) arriba y \(\ce{CH2OH}\) abajo; \(\ce{OH}\) queda a la derecha para D(+) y a la izquierda para L(-). -
3.2: El 1,2-enediol, prop-1-eno-1,2,3-triol, \(\ce{HO-CH=C(OH)-CH2OH}\),
OC=C(O)CO. -
3.3: El bis-hemiacetal cíclico 3,6-bis(hidroximetil)-1,4-dioxano-2,5-diol,
O1C(O)C(CO)OC(O)C1CO. La secuencia de su anillo es O1–C2–C3–O4–C5–C6; C2 y C5 llevan \(\ce{OH}\), mientras que C3 y C6 llevan \(\ce{CH2OH}\). -
3.4: Dos estereoisómeros meso centrosimétricos satisfacen la condición del momento dipolar:
I: (2R,3R,5S,6S)-3,6-bis(hidroximetil)-1,4-dioxano-2,5-diol, O1[C@@H](O)[C@@H](CO)O[C@H](O)[C@@H]1CO. Cada par adyacente de hidroxilo/hidroximetilo es cis.
II: (2S,3R,5R,6S)-3,6-bis(hidroximetil)-1,4-dioxano-2,5-diol, O1[C@H](O)[C@@H](CO)O[C@@H](O)[C@@H]1CO. Cada par adyacente de hidroxilo/hidroximetilo es trans.
- 3.5: El D(+)-gliceraldehído es \(R\); el L(-)-gliceraldehído es \(S\). Para las posiciones del anillo C2, C3, C5, C6, respectivamente, el dímero I es \(R,R,S,S\), y el dímero II es \(S,R,R,S\). El enediol no tiene átomos de carbono quirales.
Solución
3.1 — Formación del gliceraldehído y proyecciones de Fischer
El compuesto de partida, la 1,3-dihidroxiacetona (1,3-dihidroxipropan-2-ona), OCC(=O)CO, es aquiral. La conversión de su grupo cetona en un aldehído terminal crea un centro estereogénico en C2. Al no especificarse ningún reactivo ni catalizador quiral, los dos enantiómeros se forman en cantidades iguales.
Dibuje las proyecciones de Fischer con la cadena carbonada en vertical:
| Posición | D(+)-gliceraldehído | L(-)-gliceraldehído |
|---|---|---|
| Arriba | \(\ce{CHO}\) | \(\ce{CHO}\) |
| A la izquierda del carbono central | \(\ce{H}\) | \(\ce{OH}\) |
| A la derecha del carbono central | \(\ce{OH}\) | \(\ce{H}\) |
| Abajo | \(\ce{CH2OH}\) | \(\ce{CH2OH}\) |
Como es habitual en las proyecciones de Fischer, los enlaces horizontales apuntan hacia el observador y los verticales se alejan de él. La mezcla es racémica y, por tanto, tiene una rotación óptica neta nula.
3.2 — El intermedio de reacción
La conversión cetosa–aldosa transcurre a través del enediol:
\[ \ce{HOCH2-C(=O)-CH2OH <=> HO-CH=C(OH)-CH2OH <=> O=CH-CH(OH)-CH2OH}. \]
Cada especie tiene la fórmula molecular \(\ce{C3H6O3}\), de modo que ambas etapas son tautomerizaciones ajustadas.
En la primera etapa, las transferencias de protones y la redistribución de los electrones \(\pi\) del carbonilo generan el doble enlace C1–C2 y el segundo grupo hidroxilo. En la segunda etapa, el oxígeno del hidroxilo terminal forma el carbonilo del aldehído mientras C2 recibe un protón.
C2 es plano en el enediol. La protonación por sus dos caras produce las dos configuraciones del gliceraldehído en igual proporción. No es necesario especificar la geometría E/Z del intermedio para llegar a esta conclusión.
3.3 — Conectividad del dímero cíclico
La ausencia de absorción del carbonilo indica que los grupos aldehído se han consumido. Cada molécula de gliceraldehído aporta:
- Su carbono aldehídico como carbono hemiacetálico.
- El oxígeno de su hidroxilo en C2 como oxígeno de éter en el anillo.
El oxígeno del hidroxilo en C2 de una molécula ataca al carbono aldehídico de la otra; los electrones \(\pi\) del carbonilo se desplazan hacia el oxígeno y la transferencia de un protón da lugar a un hemiacetal. La reacción correspondiente entre los grupos hidroxilo y aldehído restantes cierra el anillo.
Cada molécula aporta dos carbonos y un oxígeno al anillo, lo que da lugar a seis átomos en el anillo. La conectividad, con el último carbono enlazado de nuevo al oxígeno inicial, es
\[ \text{cíclico }\left[ \ce{O-CH(OH)-CH(CH2OH)-O-CH(OH)-CH(CH2OH)} \right]. \]
Por tanto, el producto es el bis-hemiacetal cíclico identificado en la Respuesta 3.3. Sus dos antiguos oxígenos carbonílicos son ahora oxígenos de hidroxilo.
La dimerización ajustada es
\[ \ce{2 O=CH-CH(OH)-CH2OH <=> C6H12O6}. \]
No se elimina agua. La formación de los dos enlaces hemiacetálicos conserva todos los átomos de los dos monómeros.
3.4 — Proyecciones de Haworth y momento dipolar nulo
Utilice la siguiente convención precisa de Haworth:
- Vistos desde encima del anillo, los átomos se suceden en sentido horario como O1–C2–C3–O4–C5–C6.
- Dibuje O1 en la parte superior derecha, C2 a la derecha, C3 en la parte inferior derecha, O4 en la parte inferior izquierda, C5 a la izquierda y C6 en la parte superior izquierda.
- «Arriba» y «abajo» significan por encima y por debajo del plano del anillo. En cada carbono sustituido, su hidrógeno apunta hacia la cara opuesta.
Un centro de inversión en el centro del anillo intercambia O1 con O4, C2 con C5 y C3 con C6. Por tanto, los sustituyentes correspondientes deben ocupar caras opuestas:
\[ \ce{OH}\text{ en C2 opuesto a }\ce{OH}\text{ en C5}, \] \[ \ce{CH2OH}\text{ en C3 opuesto a }\ce{CH2OH}\text{ en C6}. \]
Las dos proyecciones de Haworth distintas son:
| Dímero | C2–\(\ce{OH}\) | C3–\(\ce{CH2OH}\) | C5–\(\ce{OH}\) | C6–\(\ce{CH2OH}\) |
|---|---|---|---|---|
| I | Arriba | Arriba | Abajo | Abajo |
| II | Abajo | Arriba | Arriba | Abajo |
En I, cada par adyacente de hidroxilo/hidroximetilo se encuentra en la misma cara; en II, cada par se encuentra en caras opuestas. Invertir las cuatro indicaciones de arriba/abajo no da lugar a estereoisómeros adicionales: las configuraciones resultantes son equivalentes tras intercambiar las dos mitades idénticas.
Estas configuraciones permiten conformaciones de silla centrosimétricas, en las que las cadenas laterales correspondientes también están relacionadas por inversión. Puesto que la inversión invierte un vector dipolar y deja inalterada una molécula de este tipo,
\[ \boldsymbol{\mu}=-\boldsymbol{\mu} \quad\Longrightarrow\quad \boldsymbol{\mu}=0. \]
Ambas estructuras son meso y contienen un residuo de D-gliceraldehído y uno de L-gliceraldehído. Las proyecciones de Haworth y los SMILES estereoquímicos especifican sus configuraciones; no implican que el anillo real sea plano.
3.5 — Configuraciones absolutas
Para el gliceraldehído, las prioridades en C2 son
\[ \ce{OH}>\ce{CHO}>\ce{CH2OH}>\ce{H}. \]
El carbono aldehídico tiene mayor prioridad que el carbono del hidroximetilo porque el doble enlace del carbonilo se trata como una unión a dos oxígenos en la comparación CIP. Al aplicar estas prioridades a las proyecciones de Fischer se obtiene D(+): \(R\) y L(-): \(S\).
Para el dímero:
- En C2 y C5: oxígeno del anillo \(>\) oxígeno del hidroxilo \(>\) carbono vecino del anillo \(>\) hidrógeno. El oxígeno del anillo tiene mayor prioridad que el oxígeno del hidroxilo porque está unido a un carbono en lugar de a un hidrógeno.
- En C3 y C6: oxígeno del anillo \(>\) carbono hemiacetálico vecino \(>\) carbono del hidroximetilo \(>\) hidrógeno. El carbono hemiacetálico tiene dos oxígenos vecinos, mientras que el carbono del hidroximetilo solo tiene uno.
Con la convención de Haworth en sentido horario definida anteriormente, un hidroxilo hacia arriba en C2/C5 da \(R\), y un grupo hidroximetilo hacia arriba en C3/C6 también da \(R\). Hacia abajo da \(S\).
| Estructura | C2 | C3 | C5 | C6 |
|---|---|---|---|---|
| Dímero I | \(R\) | \(R\) | \(S\) | \(S\) |
| Dímero II | \(S\) | \(R\) | \(R\) | \(S\) |
Los centros estereogénicos originales del gliceraldehído pasan a ser C3 y C6 sin cambiar de configuración. Los dos centros estereogénicos adicionales, C2 y C5, se originan durante la formación del hemiacetal.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1995 · 理论题 3
甘油醛及其环状二聚体
1,3-二羟基丙酮可转化为甘油醛。静置时,该甘油醛会自发转变为六元环状二聚体 \(\ce{C6H12O6}\)。该二聚体的红外光谱在 1600 – 1800 \(\mathrm{cm^{-1}}\) 之间没有吸收峰,且测得其偶极矩为零。
3.1 写出所生成甘油醛的 Fischer 投影结构式,并用 D(+) 和/或 L(-) 标明构型。
3.2 写出 1,3-二羟基丙酮转化为甘油醛的反应中间体的结构式。
3.3 写出该二聚体的结构式。
3.4 用 Haworth 投影式表示符合偶极矩数据的可能立体异构体。
3.5 用 \(R\) 或 \(S\) 标明上述各式中的每个手性碳原子。
题目译自官方英文原文。
答案
-
3.1: D(+)-甘油醛,即 (2R)-2,3-二羟基丙醛,
O=C[C@H](O)CO,与 L(-)-甘油醛,即 (2S)-2,3-二羟基丙醛,O=C[C@@H](O)CO,组成的外消旋混合物。在它们的 Fischer 投影式中,将 \(\ce{CHO}\) 置于上方,\(\ce{CH2OH}\) 置于下方;D(+) 的 \(\ce{OH}\) 在右侧,L(-) 的 \(\ce{OH}\) 在左侧。 -
3.2: 1,2-烯二醇,即丙-1-烯-1,2,3-三醇,\(\ce{HO-CH=C(OH)-CH2OH}\),
OC=C(O)CO。 -
3.3: 环状双半缩醛 3,6-双(羟甲基)-1,4-二氧六环-2,5-二醇,
O1C(O)C(CO)OC(O)C1CO。其环上原子的排列顺序为 O1–C2–C3–O4–C5–C6;C2 和 C5 上连有 \(\ce{OH}\),而 C3 和 C6 上连有 \(\ce{CH2OH}\)。 -
3.4: 两种具有对称中心的内消旋立体异构体满足偶极矩条件:
I: (2R,3R,5S,6S)-3,6-双(羟甲基)-1,4-二氧六环-2,5-二醇,O1[C@@H](O)[C@@H](CO)O[C@H](O)[C@@H]1CO。每一对相邻的羟基与羟甲基均为顺式。
II: (2S,3R,5R,6S)-3,6-双(羟甲基)-1,4-二氧六环-2,5-二醇,O1[C@H](O)[C@@H](CO)O[C@@H](O)[C@@H]1CO。每一对相邻的羟基与羟甲基均为反式。
- 3.5: D(+)-甘油醛为 \(R\) 构型;L(-)-甘油醛为 \(S\) 构型。按环上位置 C2、C3、C5、C6 的顺序,二聚体 I 的构型依次为 \(R,R,S,S\),二聚体 II 的构型依次为 \(S,R,R,S\)。烯二醇没有手性碳原子。
解答
3.1 — 甘油醛的生成及 Fischer 投影式
起始化合物 1,3-二羟基丙酮(1,3-二羟基丙-2-酮),OCC(=O)CO,是非手性的。其酮基转化为末端醛基时,会在 C2 处产生一个立体中心。由于题目未指定使用任何手性试剂或催化剂,两种对映异构体将等量生成。
绘制 Fischer 投影式时,将碳链竖直放置:
| 位置 | D(+)-甘油醛 | L(-)-甘油醛 |
|---|---|---|
| 顶端 | \(\ce{CHO}\) | \(\ce{CHO}\) |
| 中心碳原子左侧 | \(\ce{H}\) | \(\ce{OH}\) |
| 中心碳原子右侧 | \(\ce{OH}\) | \(\ce{H}\) |
| 底端 | \(\ce{CH2OH}\) | \(\ce{CH2OH}\) |
按照 Fischer 投影式的通常约定,横向键朝向观察者,纵向键背向观察者。该混合物为外消旋混合物,因此净旋光度为零。
3.2 — 反应中间体
酮糖与醛糖之间的转化经由烯二醇进行:
\[ \ce{HOCH2-C(=O)-CH2OH <=> HO-CH=C(OH)-CH2OH <=> O=CH-CH(OH)-CH2OH}. \]
各物种的分子式均为 \(\ce{C3H6O3}\),因此两步均为配平的互变异构反应。
第一步中,质子转移和羰基 \(\pi\) 电子的重新分布生成 C1–C2 双键和第二个羟基。第二步中,末端羟基的氧原子形成醛羰基,同时 C2 接受一个质子。
烯二醇中的 C2 具有平面构型。从其两侧发生质子化,会等量生成两种构型的甘油醛。得出这一结论无需指定中间体的 E/Z 几何构型。
3.3 — 环状二聚体的连接方式
缺少羰基吸收峰表明醛基已被消耗。每个甘油醛分子提供:
- 其醛基碳原子,作为半缩醛碳原子。
- 其 C2 上羟基的氧原子,作为环内的醚氧原子。
一个分子中 C2 上羟基的氧原子进攻另一个分子的醛基碳原子;羰基 \(\pi\) 电子转移至氧原子上,再经质子转移生成半缩醛。剩余羟基与醛基之间发生相应反应,使环闭合。
每个分子向环提供两个碳原子和一个氧原子,形成含六个原子的环。其连接方式如下,其中末端碳原子与起始氧原子相连:
\[ \text{环状 }\left[ \ce{O-CH(OH)-CH(CH2OH)-O-CH(OH)-CH(CH2OH)} \right]. \]
因此,产物为答案 3.3 中指出的环状双半缩醛。原先的两个羰基氧原子现在成为羟基氧原子。
配平后的二聚反应为
\[ \ce{2 O=CH-CH(OH)-CH2OH <=> C6H12O6}. \]
反应没有脱去水。两个半缩醛连接的形成保留了两个单体的全部原子。
3.4 — Haworth 投影式与零偶极矩
采用如下明确的 Haworth 投影约定:
- 从环的上方观察,环上原子按顺时针方向依次排列为 O1–C2–C3–O4–C5–C6。
- 将 O1 画在右上方,C2 画在右侧,C3 画在右下方,O4 画在左下方,C5 画在左侧,C6 画在左上方。
- “上”和“下”分别表示环平面的上方和下方。在每个带有取代基的碳原子上,氢原子均指向相反的一侧。
以环中心为反演中心的反演操作会使 O1 与 O4、C2 与 C5、C3 与 C6 相互交换。因此,对应的取代基必须位于环平面的相反两侧:
\[ \ce{OH}\text{ 在 C2 处与 }\ce{OH}\text{ 在 C5 处的取向相反}, \] \[ \ce{CH2OH}\text{ 在 C3 处与 }\ce{CH2OH}\text{ 在 C6 处的取向相反}. \]
两种不同的 Haworth 投影式为:
| 二聚体 | C2–\(\ce{OH}\) | C3–\(\ce{CH2OH}\) | C5–\(\ce{OH}\) | C6–\(\ce{CH2OH}\) |
|---|---|---|---|---|
| I | 上 | 上 | 下 | 下 |
| II | 下 | 上 | 上 | 下 |
在 I 中,每一对相邻的羟基与羟甲基均位于同一侧;在 II 中,每一对均位于相反两侧。将全部四个上/下取向反转不会产生额外的立体异构体:交换两个相同的半部后,所得构型彼此等同。
这些构型允许分子采取具有对称中心的椅式构象,其中对应侧链也通过反演相互对应。由于反演使偶极矩矢量反向,却使这样的分子保持不变,
\[ \boldsymbol{\mu}=-\boldsymbol{\mu} \quad\Longrightarrow\quad \boldsymbol{\mu}=0. \]
这两种结构均为内消旋体,且均含有一个 D-甘油醛残基和一个 L-甘油醛残基。Haworth 投影式和立体化学 SMILES 指定了它们的构型,并不意味着实际的环是平面的。
3.5 — 绝对构型
对于甘油醛,C2 处各基团的优先顺序为
\[ \ce{OH}>\ce{CHO}>\ce{CH2OH}>\ce{H}. \]
醛基碳原子的优先级高于羟甲基碳原子,因为在 CIP 比较中,羰基双键按碳原子连接两个氧原子处理。将这一优先顺序应用于 Fischer 投影式,可得 D(+): \(R\) 和 L(-): \(S\)。
对于二聚体:
- 在 C2 和 C5 处: 环内氧原子 \(>\) 羟基氧原子 \(>\) 相邻的环内碳原子 \(>\) 氢原子。环内氧原子的优先级高于羟基氧原子,因为前者连接的是碳原子,而后者连接的是氢原子。
- 在 C3 和 C6 处: 环内氧原子 \(>\) 相邻的半缩醛碳原子 \(>\) 羟甲基碳原子 \(>\) 氢原子。半缩醛碳原子与两个氧原子相邻,而羟甲基碳原子仅与一个氧原子相邻。
按照上述顺时针 Haworth 投影约定,C2/C5 处向上的羟基对应 \(R\) 构型,C3/C6 处向上的羟甲基也对应 \(R\) 构型。向下则对应 \(S\) 构型。
| 结构 | C2 | C3 | C5 | C6 |
|---|---|---|---|---|
| 二聚体 I | \(R\) | \(R\) | \(S\) | \(S\) |
| 二聚体 II | \(S\) | \(R\) | \(R\) | \(S\) |
原甘油醛的立体中心成为 C3 和 C6,构型保持不变。另外两个立体中心 C2 和 C5 在半缩醛形成过程中产生。
解答已与官方解答核对。
IChO 1995 · Теоретическая задача 3
Глицеральдегид и его циклический димер
1,3-Дигидроксиацетон можно превратить в глицеральдегид. При стоянии этот глицеральдегид самопроизвольно превращается в шестичленный циклический димер \(\ce{C6H12O6}\). В инфракрасном спектре димера отсутствует полоса поглощения в интервале 1600 – 1800 \(\mathrm{cm^{-1}}\), а его дипольный момент, как установлено экспериментально, равен нулю.
3.1 Напишите структурную формулу (формулы) образующегося глицеральдегида в проекции Фишера и укажите конфигурацию с помощью обозначений D(+) и/или L(-).
3.2 Напишите структурную формулу промежуточного продукта реакции превращения 1,3-дигидроксиацетона в глицеральдегид.
3.3 Напишите структурную формулу димера.
3.4 Изобразите в проекции Хеуорса возможные стереоизомеры, согласующиеся с данными о дипольном моменте.
3.5 Обозначьте каждый хиральный атом углерода в приведённых выше формулах символом \(R\) или \(S\).
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
-
3.1: Рацемическая смесь D(+)-глицеральдегида, (2R)-2,3-дигидроксипропаналя,
O=C[C@H](O)CO, и L(-)-глицеральдегида, (2S)-2,3-дигидроксипропаналя,O=C[C@@H](O)CO. В их проекциях Фишера расположите \(\ce{CHO}\) сверху, а \(\ce{CH2OH}\) снизу; группа \(\ce{OH}\) находится справа для D(+) и слева для L(-). -
3.2: 1,2-Ендиол, проп-1-ен-1,2,3-триол, \(\ce{HO-CH=C(OH)-CH2OH}\),
OC=C(O)CO. -
3.3: Циклический бис-полуацеталь 3,6-бис(гидроксиметил)-1,4-диоксан-2,5-диол,
O1C(O)C(CO)OC(O)C1CO. Последовательность атомов в его кольце: O1–C2–C3–O4–C5–C6; при C2 и C5 находятся группы \(\ce{OH}\), а при C3 и C6 — группы \(\ce{CH2OH}\). -
3.4: Условию о дипольном моменте удовлетворяют два центросимметричных мезо-стереоизомера:
I: (2R,3R,5S,6S)-3,6-бис(гидроксиметил)-1,4-диоксан-2,5-диол, O1[C@@H](O)[C@@H](CO)O[C@H](O)[C@@H]1CO. В каждой соседней паре гидроксильная и гидроксиметильная группы находятся в цис-положении.
II: (2S,3R,5R,6S)-3,6-бис(гидроксиметил)-1,4-диоксан-2,5-диол, O1[C@H](O)[C@@H](CO)O[C@@H](O)[C@@H]1CO. В каждой соседней паре гидроксильная и гидроксиметильная группы находятся в транс-положении.
- 3.5: D(+)-глицеральдегид имеет конфигурацию \(R\); L(-)-глицеральдегид — \(S\). Для положений кольца C2, C3, C5, C6, соответственно, димер I имеет конфигурации \(R,R,S,S\), а димер II — \(S,R,R,S\). Ендиол не содержит хиральных атомов углерода.
Решение
3.1 — Образование глицеральдегида и проекции Фишера
Исходное соединение, 1,3-дигидроксиацетон (1,3-дигидроксипропан-2-он), OCC(=O)CO, ахирально. Превращение его кетонной группы в концевую альдегидную группу приводит к возникновению стереогенного центра при C2. Поскольку хиральный реагент или катализатор не указан, оба энантиомера образуются в равных количествах.
Изобразим проекции Фишера, расположив углеродную цепь вертикально:
| Положение | D(+)-глицеральдегид | L(-)-глицеральдегид |
|---|---|---|
| Сверху | \(\ce{CHO}\) | \(\ce{CHO}\) |
| Слева от центрального атома углерода | \(\ce{H}\) | \(\ce{OH}\) |
| Справа от центрального атома углерода | \(\ce{OH}\) | \(\ce{H}\) |
| Снизу | \(\ce{CH2OH}\) | \(\ce{CH2OH}\) |
Как обычно в проекциях Фишера, горизонтальные связи направлены к наблюдателю, а вертикальные — от него. Смесь рацемическая, поэтому её суммарное оптическое вращение равно нулю.
3.2 — Промежуточный продукт реакции
Превращение кетозы в альдозу протекает через ендиол:
\[ \ce{HOCH2-C(=O)-CH2OH <=> HO-CH=C(OH)-CH2OH <=> O=CH-CH(OH)-CH2OH}. \]
Каждое соединение имеет молекулярную формулу \(\ce{C3H6O3}\), поэтому обе стадии представляют собой таутомерные превращения с сохранением атомного баланса.
На первой стадии переносы протонов и перераспределение \(\pi\)-электронов карбонильной группы приводят к образованию двойной связи C1–C2 и второй гидроксильной группы. На второй стадии атом кислорода концевой гидроксильной группы образует альдегидную карбонильную группу, а C2 присоединяет протон.
В ендиоле атом C2 имеет плоское окружение. Протонирование с двух сторон этой плоскости приводит к образованию обеих конфигураций глицеральдегида в равных количествах. Для этого вывода не требуется уточнять E/Z-геометрию промежуточного продукта.
3.3 — Порядок соединения атомов в циклическом димере
Отсутствие полосы поглощения карбонильной группы указывает на то, что альдегидные группы вступили в реакцию. Каждая молекула глицеральдегида предоставляет:
- Атом углерода своей альдегидной группы в качестве полуацетального атома углерода.
- Атом кислорода своей гидроксильной группы при C2 в качестве эфирного атома кислорода в кольце.
Атом кислорода гидроксильной группы при C2 одной молекулы атакует альдегидный атом углерода другой; \(\pi\)-электроны карбонильной группы переходят на кислород, а перенос протона приводит к образованию полуацеталя. Аналогичная реакция между оставшимися гидроксильной и альдегидной группами замыкает кольцо.
Каждая молекула вносит в кольцо два атома углерода и один атом кислорода, так что кольцо содержит шесть атомов. Порядок соединения атомов, при котором последний атом углерода связан с первым атомом кислорода, имеет вид
\[ \text{циклический }\left[ \ce{O-CH(OH)-CH(CH2OH)-O-CH(OH)-CH(CH2OH)} \right]. \]
Таким образом, продукт представляет собой циклический бис-полуацеталь, указанный в ответе 3.3. Два его атома кислорода, ранее входившие в состав карбонильных групп, теперь являются атомами кислорода гидроксильных групп.
Уравнение димеризации с соблюдением атомного баланса имеет вид
\[ \ce{2 O=CH-CH(OH)-CH2OH <=> C6H12O6}. \]
Вода не отщепляется. При образовании двух полуацетальных связей сохраняются все атомы двух мономеров.
3.4 — Проекции Хеуорса и нулевой дипольный момент
Используем следующие точные правила изображения проекций Хеуорса:
- При взгляде на кольцо сверху атомы располагаются по часовой стрелке в последовательности O1–C2–C3–O4–C5–C6.
- Изобразим O1 справа вверху, C2 справа, C3 справа внизу, O4 слева внизу, C5 слева и C6 слева вверху.
- «Вверх» и «вниз» означают выше и ниже плоскости кольца. При каждом замещённом атоме углерода атом водорода направлен в противоположную сторону от плоскости кольца.
Центр инверсии в центре кольца меняет местами O1 и O4, C2 и C5, а также C3 и C6. Следовательно, соответствующие заместители должны находиться по разные стороны плоскости кольца:
\[ \ce{OH}\text{ при C2 противоположна }\ce{OH}\text{ при C5}, \] \[ \ce{CH2OH}\text{ при C3 противоположна }\ce{CH2OH}\text{ при C6}. \]
Две различные проекции Хеуорса имеют следующий вид:
| Димер | C2–\(\ce{OH}\) | C3–\(\ce{CH2OH}\) | C5–\(\ce{OH}\) | C6–\(\ce{CH2OH}\) |
|---|---|---|---|---|
| I | Вверх | Вверх | Вниз | Вниз |
| II | Вниз | Вверх | Вверх | Вниз |
В I гидроксильная и гидроксиметильная группы каждой соседней пары расположены по одну сторону плоскости кольца; в II группы каждой пары расположены по разные стороны. Одновременная замена всех четырёх направлений «вверх/вниз» на противоположные не даёт дополнительных стереоизомеров: полученные конфигурации эквивалентны после перестановки двух одинаковых половин.
Эти конфигурации допускают центросимметричные конформации кресла, в которых соответствующие боковые цепи также связаны операцией инверсии. Поскольку инверсия меняет направление вектора дипольного момента на противоположное, оставляя такую молекулу неизменной,
\[ \boldsymbol{\mu}=-\boldsymbol{\mu} \quad\Longrightarrow\quad \boldsymbol{\mu}=0. \]
Обе структуры являются мезо-формами и содержат один остаток D-глицеральдегида и один остаток L-глицеральдегида. Проекции Хеуорса и стереохимические записи SMILES задают их конфигурации; они не подразумевают, что реальное кольцо плоское.
3.5 — Абсолютные конфигурации
Для глицеральдегида порядок старшинства заместителей при C2 следующий:
\[ \ce{OH}>\ce{CHO}>\ce{CH2OH}>\ce{H}. \]
Альдегидный атом углерода имеет более высокий приоритет, чем атом углерода гидроксиметильной группы, поскольку при сравнении по правилам CIP двойная связь карбонильной группы рассматривается как связь с двумя атомами кислорода. Применение этого порядка старшинства к проекциям Фишера даёт D(+): \(R\) и L(-): \(S\).
Для димера:
- При C2 и C5: атом кислорода кольца \(>\) атом кислорода гидроксильной группы \(>\) соседний атом углерода кольца \(>\) водород. Атом кислорода кольца имеет более высокий приоритет, чем атом кислорода гидроксильной группы, поскольку он связан с углеродом, а не с водородом.
- При C3 и C6: атом кислорода кольца \(>\) соседний полуацетальный атом углерода \(>\) атом углерода гидроксиметильной группы \(>\) водород. Полуацетальный атом углерода имеет два соседних атома кислорода, тогда как атом углерода гидроксиметильной группы — только один.
При принятом выше расположении атомов по часовой стрелке в проекции Хеуорса направленная вверх гидроксильная группа при C2/C5 даёт конфигурацию \(R\), и направленная вверх гидроксиметильная группа при C3/C6 также даёт конфигурацию \(R\). Направлению вниз соответствует конфигурация \(S\).
| Структура | C2 | C3 | C5 | C6 |
|---|---|---|---|---|
| Димер I | \(R\) | \(R\) | \(S\) | \(S\) |
| Димер II | \(S\) | \(R\) | \(R\) | \(S\) |
Исходные стереоцентры глицеральдегида становятся C3 и C6 без изменения конфигурации. Два дополнительных стереоцентра, C2 и C5, возникают при образовании полуацеталя.
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1995 · مسألة نظرية 3
الغليسرألدهيد وثنائي وحداته الحلقي
يمكن تحويل 1,3-ثنائي هيدروكسي الأسيتون إلى الغليسرألدهيد. وعند ترك هذا الغليسرألدهيد، يتحول تلقائيًا إلى ثنائي وحدات حلقي ذي حلقة سداسية الأعضاء \(\ce{C6H12O6}\). لا يُظهر طيف الأشعة تحت الحمراء لثنائي الوحدات أي قمة امتصاص بين 1600 – 1800 \(\mathrm{cm^{-1}}\)، وقد وُجد أن عزم ثنائي القطب لثنائي الوحدات يساوي صفرًا.
3.1 اكتب الصيغة أو الصيغ البنائية بإسقاط فيشر للغليسرألدهيد الناتج، وحدد التكوين الفراغي باستخدام D(+) و/أو L(-).
3.2 اكتب الصيغة البنائية للوسيط التفاعلي في تحويل 1,3-ثنائي هيدروكسي الأسيتون إلى الغليسرألدهيد.
3.3 اكتب الصيغة البنائية لثنائي الوحدات.
3.4 مثّل، باستخدام صيغة إسقاط هاوورث، المتماكبات الفراغية الممكنة التي تتوافق مع بيانات عزم ثنائي القطب.
3.5 عيّن كل ذرة كربون كيرالية في الصيغ السابقة بالرمز \(R\) أو \(S\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
-
3.1: مزيج راسيمي من D(+)-غليسرألدهيد، (2R)-2,3-ثنائي هيدروكسي بروبانال،
O=C[C@H](O)CO، وL(-)-غليسرألدهيد، (2S)-2,3-ثنائي هيدروكسي بروبانال،O=C[C@@H](O)CO. في إسقاطي فيشر لهما، ضع \(\ce{CHO}\) في الأعلى و\(\ce{CH2OH}\) في الأسفل؛ تكون \(\ce{OH}\) على اليمين في D(+) وعلى اليسار في L(-). -
3.2: 1,2-إينديول، بروب-1-ين-1,2,3-تريول، \(\ce{HO-CH=C(OH)-CH2OH}\)،
OC=C(O)CO. -
3.3: ثنائي الهيمي أسيتال الحلقي 3,6-بيس(هيدروكسي ميثيل)-1,4-ديوكسان-2,5-ديول،
O1C(O)C(CO)OC(O)C1CO. تسلسل ذرات حلقته هو O1–C2–C3–O4–C5–C6؛ تحمل C2 وC5 مجموعتي \(\ce{OH}\)، بينما تحمل C3 وC6 مجموعتي \(\ce{CH2OH}\). -
3.4: يحقق متماكبان فراغيان من نوع ميزو، لهما مركز تناظر، شرط عزم ثنائي القطب:
I: (2R,3R,5S,6S)-3,6-بيس(هيدروكسي ميثيل)-1,4-ديوكسان-2,5-ديول، O1[C@@H](O)[C@@H](CO)O[C@H](O)[C@@H]1CO. كل زوج متجاور من مجموعتي الهيدروكسيل والهيدروكسي ميثيل يكون في وضع سيس.
II: (2S,3R,5R,6S)-3,6-بيس(هيدروكسي ميثيل)-1,4-ديوكسان-2,5-ديول، O1[C@H](O)[C@@H](CO)O[C@@H](O)[C@@H]1CO. كل زوج متجاور من مجموعتي الهيدروكسيل والهيدروكسي ميثيل يكون في وضع ترانس.
- 3.5: تكوين D(+)-غليسرألدهيد هو \(R\)؛ وتكوين L(-)-غليسرألدهيد هو \(S\). عند مواضع الحلقة C2، C3، C5، C6، على الترتيب، تكون تكوينات ثنائي الوحدات I هي \(R,R,S,S\)، وتكوينات ثنائي الوحدات II هي \(S,R,R,S\). لا يحتوي الإينديول على ذرات كربون كيرالية.
الحل
3.1 — تكوّن الغليسرألدهيد وإسقاطات فيشر
المركب الابتدائي، 1,3-ثنائي هيدروكسي الأسيتون (1,3-ثنائي هيدروكسي بروبان-2-ون)، OCC(=O)CO، غير كيرالي. يؤدي تحويل مجموعة الكيتون فيه إلى مجموعة ألدهيد طرفية إلى نشوء مركز مولّد للتصاوغ الفراغي عند C2. وبما أنه لم يُحدَّد أي كاشف أو حفاز كيرالي، يتكوّن المتماكبان المرآتيان بكميتين متساويتين.
ارسم إسقاطي فيشر بحيث تكون السلسلة الكربونية رأسية:
| الموضع | D(+)-غليسرألدهيد | L(-)-غليسرألدهيد |
|---|---|---|
| الأعلى | \(\ce{CHO}\) | \(\ce{CHO}\) |
| يسار ذرة الكربون المركزية | \(\ce{H}\) | \(\ce{OH}\) |
| يمين ذرة الكربون المركزية | \(\ce{OH}\) | \(\ce{H}\) |
| الأسفل | \(\ce{CH2OH}\) | \(\ce{CH2OH}\) |
كما هو معتاد في إسقاطات فيشر، تتجه الروابط الأفقية نحو الناظر، وتتجه الروابط الرأسية بعيدًا عنه. المزيج راسيمي، ولذلك يكون صافي دورانه الضوئي صفرًا.
3.2 — الوسيط التفاعلي
يجري التحول من الكيتوز إلى الألدوز عبر الإينديول:
\[ \ce{HOCH2-C(=O)-CH2OH <=> HO-CH=C(OH)-CH2OH <=> O=CH-CH(OH)-CH2OH}. \]
لكل نوع كيميائي الصيغة الجزيئية \(\ce{C3H6O3}\)، لذا فإن كلتا الخطوتين تمثلان تحولًا توتومريًا موزونًا.
في الخطوة الأولى، تؤدي انتقالات البروتونات وإعادة توزيع إلكترونات \(\pi\) للكربونيل إلى تكوين الرابطة المزدوجة C1–C2 ومجموعة الهيدروكسيل الثانية. وفي الخطوة الثانية، تكوّن ذرة أكسجين الهيدروكسيل الطرفية مجموعة كربونيل الألدهيد، بينما تستقبل C2 بروتونًا.
تكون C2 مستوية في الإينديول. وتؤدي البروتنة من وجهيها إلى إنتاج تكويني الغليسرألدهيد بالتساوي. ولا يلزم تحديد الهندسة الفراغية E/Z للوسيط للوصول إلى هذا الاستنتاج.
3.3 — ترابط ذرات ثنائي الوحدات الحلقي
يشير غياب امتصاص الكربونيل إلى أن مجموعات الألدهيد قد استُهلكت. يقدّم كل جزيء من الغليسرألدهيد:
- ذرة كربون الألدهيد فيه لتصبح ذرة كربون هيمي أسيتال.
- ذرة أكسجين مجموعة الهيدروكسيل عند C2 فيه لتصبح ذرة أكسجين إيثرية في الحلقة.
تهاجم ذرة أكسجين مجموعة الهيدروكسيل عند C2 في أحد الجزيئين ذرة كربون الألدهيد في الجزيء الآخر؛ فتنتقل إلكترونات \(\pi\) للكربونيل إلى الأكسجين، ويعطي انتقال البروتون هيمي أسيتال. ويؤدي التفاعل المناظر بين مجموعتي الهيدروكسيل والألدهيد المتبقيتين إلى إغلاق الحلقة.
يسهم كل جزيء بذرتي كربون وذرة أكسجين واحدة في الحلقة، فتتكون الحلقة من ست ذرات. ويكون تسلسل الترابط، مع ارتباط ذرة الكربون الأخيرة بذرة الأكسجين الأولى لإغلاق الحلقة، كما يلي
\[ \text{حلقي }\left[ \ce{O-CH(OH)-CH(CH2OH)-O-CH(OH)-CH(CH2OH)} \right]. \]
إذن، الناتج هو ثنائي الهيمي أسيتال الحلقي المحدد في الإجابة 3.3. وقد أصبحت ذرتا الأكسجين اللتان كانتا في مجموعتي الكربونيل ذرتي أكسجين في مجموعتي هيدروكسيل.
معادلة تكوّن ثنائي الوحدات الموزونة هي
\[ \ce{2 O=CH-CH(OH)-CH2OH <=> C6H12O6}. \]
لا يُحذف أي ماء. ويحافظ تكوّن رابطتي الهيمي أسيتال على جميع ذرات الوحدتين الأحاديتين.
3.4 — إسقاطات هاوورث وانعدام عزم ثنائي القطب
استخدم الاصطلاح الدقيق الآتي لإسقاط هاوورث:
- عند النظر إلى الحلقة من الأعلى، تتتابع الذرات مع عقارب الساعة وفق التسلسل O1–C2–C3–O4–C5–C6.
- ارسم O1 في أعلى اليمين، وC2 في اليمين، وC3 في أسفل اليمين، وO4 في أسفل اليسار، وC5 في اليسار، وC6 في أعلى اليسار.
- تعني «أعلى» و«أسفل» فوق مستوى الحلقة وتحته. وعند كل ذرة كربون تحمل مستبدلًا، تتجه ذرة الهيدروجين المرتبطة بها نحو الوجه المقابل.
يُبادل مركز الانقلاب الواقع في مركز الحلقة O1 مع O4، وC2 مع C5، وC3 مع C6. ولذلك يجب أن تقع المستبدلات المتناظرة على وجهين متقابلين:
\[ \ce{OH}\text{ عند C2 تقابل }\ce{OH}\text{ عند C5}, \] \[ \ce{CH2OH}\text{ عند C3 تقابل }\ce{CH2OH}\text{ عند C6}. \]
إسقاطا هاوورث المتميزان هما:
| ثنائي الوحدات | C2–\(\ce{OH}\) | C3–\(\ce{CH2OH}\) | C5–\(\ce{OH}\) | C6–\(\ce{CH2OH}\) |
|---|---|---|---|---|
| I | أعلى | أعلى | أسفل | أسفل |
| II | أسفل | أعلى | أعلى | أسفل |
في I، يقع كل زوج متجاور من مجموعتي الهيدروكسيل والهيدروكسي ميثيل على الوجه نفسه؛ وفي II، تقع مجموعتا كل زوج على وجهين متقابلين. ولا يؤدي عكس الاتجاهات الأربعة أعلى/أسفل جميعها إلى متماكبات فراغية إضافية: فالتكوينات الناتجة متكافئة بعد مبادلة النصفين المتماثلين.
تتيح هذه التكوينات اتخاذ هيئات كرسي ذات مركز تناظر، بحيث ترتبط السلاسل الجانبية المتناظرة أيضًا بعلاقة انقلاب. وبما أن الانقلاب يعكس متجه عزم ثنائي القطب مع إبقاء مثل هذا الجزيء دون تغيير، فإن
\[ \boldsymbol{\mu}=-\boldsymbol{\mu} \quad\Longrightarrow\quad \boldsymbol{\mu}=0. \]
كلا التركيبين من نوع ميزو، ويحتوي على بقية واحدة من D-غليسرألدهيد وبقية واحدة من L-غليسرألدهيد. تحدد إسقاطات هاوورث وسلاسل SMILES المبيّنة للكيمياء الفراغية تكويناتهما؛ ولا تعني أن الحلقة الفعلية مسطحة.
3.5 — التكوينات المطلقة
بالنسبة إلى الغليسرألدهيد، تكون الأولويات عند C2 كما يلي
\[ \ce{OH}>\ce{CHO}>\ce{CH2OH}>\ce{H}. \]
تتقدم ذرة كربون الألدهيد في الأولوية على ذرة كربون الهيدروكسي ميثيل، لأن الرابطة المزدوجة للكربونيل تُعامَل بوصفها ارتباطًا بذرتي أكسجين في المقارنة وفق قواعد CIP. ويعطي تطبيق هذه الأولويات على إسقاطي فيشر D(+): \(R\) وL(-): \(S\).
بالنسبة إلى ثنائي الوحدات:
- عند C2 وC5: أكسجين الحلقة \(>\) أكسجين الهيدروكسيل \(>\) كربون الحلقة المجاور \(>\) الهيدروجين. يتقدم أكسجين الحلقة في الأولوية على أكسجين الهيدروكسيل لأنه مرتبط بالكربون بدلًا من الهيدروجين.
- عند C3 وC6: أكسجين الحلقة \(>\) كربون الهيمي أسيتال المجاور \(>\) كربون الهيدروكسي ميثيل \(>\) الهيدروجين. لذرة كربون الهيمي أسيتال ذرتا أكسجين مجاورتان، بينما لذرة كربون الهيدروكسي ميثيل ذرة أكسجين مجاورة واحدة فقط.
وفق اصطلاح هاوورث ذي الترتيب مع عقارب الساعة المحدد أعلاه، تعطي مجموعة هيدروكسيل متجهة إلى أعلى عند C2/C5 التكوين \(R\)، وتعطي مجموعة هيدروكسي ميثيل متجهة إلى أعلى عند C3/C6 التكوين \(R\) أيضًا. أما الاتجاه إلى أسفل فيعطي \(S\).
| التركيب | C2 | C3 | C5 | C6 |
|---|---|---|---|---|
| ثنائي الوحدات I | \(R\) | \(R\) | \(S\) | \(S\) |
| ثنائي الوحدات II | \(S\) | \(R\) | \(R\) | \(S\) |
تصبح المراكز الفراغية الأصلية للغليسرألدهيد C3 وC6 دون تغير في التكوين. وينشأ المركزان الفراغيان الإضافيان، C2 وC5، أثناء تكوّن الهيمي أسيتال.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.