7.2 Στερεοϊσομέρεια (εναντιοστερεομέρεια και διαστερεομέρεια)

(7.2)

Στερεοϊσομέρεια
(εναντιοστερεομέρεια και διαστερεομέρεια)

Γενικά

Ισομέρεια έχουμε όταν δύο ή περισσότερες ενώσεις με τον ίδιο μοριακό τύπο έχουν διαφορές στις ιδιότητες τους (φυσικές και χημικές). Μια μορφή ισομέρειας είναι και η στερεοϊσομέρεια, όπου οι ισομερείς ενώσεις (στερεοϊσομερείς) έχουν τον ίδιο συντακτικό τύπο αλλά διαφορετική στερεοχημική διάταξη. Η στερεοϊσομέρεια μπορεί να διακριθεί σε δύο μεγάλες κατηγορίες την εναντιομέρεια και τη διαστερεομέρεια. Η γεωμετρική ισομέρεια (cis-trans ισομέρεια), σύμφωνα με την ταξινόμηση αυτή, εντάσσεται στη διαστερεομέρεια. Η παραπάνω διάκριση απεικονίζεται διαγραμματικά στο παρακάτω σχήμα:
εικόνα

Εναντιομέρεια - Χειρόμορφα ή χειρικά μόρια

Αν πάρουμε για παράδειγμα το πλαστικό ομοίωμα της παλάμης ενός χεριού, μπορούμε χωρίς δυσκολία να πούμε αν η παλάμη αυτή ανήκει σε δεξί ή αριστερό χέρι. Αυτό οφείλεται στο ότι οι δύο παλάμες μας δεν είναι με τον ίδιο τρόπο διαμορφωμένες στο χώρο, παρ’ όλο που έχουν τον ίδιο αριθμό δακτύλων, τοποθετημένων με την ίδια ακριβώς σειρά. Γι’ αυτό και το δεξί γάντι μπαίνει στο δεξί χέρι και αντίστοιχα το αριστερό γάντι στο αριστερό χέρι. Οι παλάμες μας, δηλαδή, παρ’ όλο που δεν είναι απολύτως ίδιες, έχουν κάποια συγκεκριμένη σχέση μεταξύ τους.
Αν το δεξί χέρι πλησιάσει ένα επίπεδο καθρέφτη, το είδωλό του μέσα στον καθρέφτη θα είναι το αριστερό χέρι. Δηλαδή, η διάταξη των δύο χεριών στο χώρο δεν είναι τυχαία, αλλά έχουν σχέση ειδώλου προς αντικείμενο σ’ επίπεδο καθρέφτη.

ΣΧΗΜΑ 7.14 Οι παλάμες των χεριών μας έχουν σχέση ειδώλου προς αντικείμενο, χωρίς να συμπίπτουν μεταξύ τους.

Υπάρχουν και άλλα αντικείμενα που παρουσιάζουν αυτή τη σχέση ειδώλου προς αντικείμενο π.χ. ένα ζευγάρι παπούτσια, ένα ζευγάρι βίδες με ανάποδες «βόλτες» κλπ. Τα σώματα αυτά ονομάζονται χειρόμορφα ή χειρικά. Υπάρχουν βέβαια και αντικείμενα που δεν είναι χειρικά π.χ. μια σκάλα, ένα τραπέζι κλπ. (βλέπε σχήμα 5.15).
εικόνα

ΣΧΗΜΑ 7.15 Υπάρχουν αντικείμενα χειρικά (πάνω σειρά) και μη χειρικά (κάτω σειρά).

Το αριστερό χέρι δε ταυτίζεται με το δεξί (κατοπτρικό είδωλο) με υπέρθεση.
εικόνα

Τεστ χειρομορφίας. Αν το είδωλο είναι διαφορετικό από το αντικείμενο, τότε το σώμα είναι χειρικό (πχ παλάμη). Αν το είδωλο ταυτίζεται με το αντικείμενο (π.χ. καρέκλα), τότε το σώμα είναι μη χειρικό).

Αντίστοιχα, στη χημεία υπάρχουν μόρια χειρικά και μόρια μη χειρικά .

Χειρικά ( ή χειρόμορφα) ονομάζονται τα μόρια τα οποία δεν ταυτίζονται με το κατοπτρικό τους είδωλα. Αυτό σημαίνει ότι μιας ένωση της οποίας τα μόρια είναι χειρικά απαντά σε δύο μορφές, τα εναντιομερή. Το δε αντίστοιχο είδος της στερεοϊσομέρειας ονομάζεται εναντιομέρεια.

Μια ένωση χωρίς χειρικότητα δεν εμφανίζει εναντιομέρεια. Δηλαδή, η χειρικότητα αποτελεί την αναγκαία και ικανή συνθήκη για την ύπαρξη της εναντιομέρειας.
Μια ένωση για να παρουσιάζει εναντιομέρεια πρέπει να στερείται επιπέδου συμμετρίας. Στις οργανικές ενώσεις αυτό συμβαίνει συνήθως όταν στο μόριο της ένωσης περιέχεται τουλάχιστον ένα άτομο άνθρακα που συνδέεται με τέσσερις διαφορετικές ομάδες.

Ένα άτομο άνθρακα το οποίο είναι συνδεδεμένο με τέσσερις διαφορετικές ομάδες, αποτελεί ένα ασύμμετρο ή στερεογονικό κέντρο και συμβολίζεται με C*.

Να ξεκαθαρίσουμε ότι η χειρομορφία είναι μια ιδιότητα που αφορά ολόκληρο το μόριο, ενώ το στερεογονικό κέντρο αποτελεί την αιτία της χειρομορφίας.
εικόνα

ΣΧΗΜΑ 7.16 Η παρουσία στερεογονικού κέντρου (ασύμμετρου κέντρου) στο μόριο μιας ένωσης οδηγεί σε δύο εναντιομερείς ενώσεις.

Παράδειγμα 7.1
Ποιες από τις παρακάτω ενώσεις έχουν στερεογονικό (ή ασύμμετρο) κέντρο. Όπου υπάρχει αυτό να σημειωθεί κατάλληλα.

α) 1-προπανόλη
γ) βουτανικό οξύ

β) 2-βουτανόλη
δ) 2-μεθυλοβουτανικό οξύ

ΑΠΑΝΤΗΣΗ

α) CH₃CH₂CH₂OH
β)
εικόνα

Δεν έχει ασύμμετρο άτομο άνθρακα
Ο σημειωμένος C* είναι ασύμμετρος και οι τέσσερις διαφορετικές ομάδες είναι -Η, -ΟΗ, -CH₃, -CH₂CH₃-

• Επίπεδο συμμετρίας αντικειμένου( μορίου) ονομάζεται το επίπεδο που χωρίζει το αντικείμενο (μόριο) με τέτοιο τρόπο, ώστε το μισό μόριο να αποτελεί ακριβές είδωλο του άλλου μισού.

γ) CH₃CH₂CH₂COOH
δ)
εικόνα

Δεν έχει ασύμμετρο κέντρο άνθρακα
Ο σημειωμένος C* είναι ασύμμετρος και οι τέσσερις διαφορετικές ομάδες είναι -Η, -CH₃, -COOH, -CH₂CH₃-

Εφαρμογή
Ποιες από τις παρακάτω ενώσεις περιέχουν ασύμμετρο κέντρο άνθρακα, όπου υπάρχει αυτό, να σημειωθεί κατάλληλα.

α) 1-χλωροβουτάνιο
γ) 2-μεθυλοβουτανάλη

β) 2-βρωμοπεντάνιο
δ) 1-εξένιο

Στερεοχημική απεικόνιση R και S

Όπως αναφέραμε, μια οργανική ένωση με ένα ασύμμετρο άτομο άνθρακα (C*) έχει δύο στερεοϊσομερή. Ας πάρουμε για παράδειγμα το 2-υδροξυπροπανικό οξύ (γαλακτικό οξύ). Η ένωση αυτή, λόγω του ασύμμετρου ατόμου άνθρακα που διαθέτει απαντά σε δύο μορφές (εναντιομερείς). Αυτό εύκολα μπορεί να διαπιστωθεί με τη χρήση μοριακών μοντέλων, της μορφής που παρουσιάζονται στο σχήμα 5.17.
εικόνα

ΣΧΗΜΑ 7.17 Απεικόνιση εναντιομερών του γαλακτικού οξέος με μοριακά μοντέλα. Όπως φαίνεται οι ενώσεις αυτές έχουν σχέση αντικειμένου- κατοπτρικού ειδώλου, χωρίς να ταυτίζονται με υπέρθεση.

Γενικά, όμως, η απεικόνιση στερεοχημικών τύπων (στερεοαπεικόνιση) κατ’ αυτό τον τρόπο δεν είναι εύκολη, ιδιαίτερα αν η ένωση είναι πολύπλοκη. Στη δεκαετία του ’50, οι Cahn, Ingold και Prelog ανέπτυξαν μια μέθοδο για το τη στερεοαπεικόνιση μιας ένωσης. Η μέθοδος στηρίζεται σε ορισμένους κανόνες, με βάση τους οποίους οι υποκαταστάτες (άτομα ή ομάδες ατόμων) του ασύμμετρου ατόμου άνθρακα διατάσσονται με μια ορισμένη σειρά «προτεραιότητας». Με βάση τη διάταξη αυτή καθορίζεται η στερεοαπεικόνιση της ένωσης
Ας πάρουμε για παράδειγμα το μόριο του βρωμοφθοροχλωρομεθανίου (CHFClBr). Στο μόριο αυτό, το ασύμμετρο άτομο του άνθρακα συνδέεται με τέσσερα διαφορετικά άτομα: το Η, το Br, το F και το Cl. Τα άτομα αυτά διατάσσονται σύμφωνα με τον εξής κανόνα:

1^ος κανόνας προτεραιότητας των υποκαταστατών που συνδέονται με C*

Το άτομο που συνδέεται με το C* και έχει το μεγαλύτερο ατομικό αριθμό κατατάσσεται πρώτο (1), ακολουθεί το (2) με τον αμέσως μεγαλύτερο ατομικό αριθμό, το (3) με τον αμέσως μεγαλύτερο, ενώ το άτομο με το χαμηλότερο ατομικό αριθμό χαρακτηρίζεται τέταρτο (4).

Έτσι, στην περίπτωσή μας, το Br (με ατομικό αριθμό 35) προηγείται όλων των άλλων, το Cl (με ατομικό αριθμό 17) προηγείται των υπόλοιπων δύο και το F (με ατομικό αριθμό 9) προηγείται του Η (με ατομικό αριθμό 1). Έτσι, συμβολικά έχουμε: Br > Cl > F > H. Επιπλέον, ο υποκαταστάτης που προηγείται όλων των άλλων χαρακτηρίζεται 1, ο αμέσως επόμενος 2, ο άλλος 3, και αυτός με την ελάχιστη προτεραιότητα 4. Δηλαδή,

Ας δούμε τώρα ένα άλλο παράδειγμα: Στο μόριο του 1-φθορο-1-χλωροαιθανίου (CH₃CHFCl) υπάρχει μια διαφορά από το προηγούμενο παράδειγμα: ο ένας από τους τέσσερις υποκαταστάτες που συνδέονται με το ασύμμετρο άτομο του άνθρακα δεν είναι άτομο, αλλά μια ομάδα ατόμων. Στην περίπτωση αυτή η σειρά προτεραιότητας καθορίζεται με βάση τους ατομικούς αριθμούς μόνο των ατόμων που συνδέονται άμεσα με το ασύμμετρο άτομο του άνθρακα. Έτσι, στη συγκεκριμένη περίπτωση, θα ενδιαφερθούμε μόνο για τον ατομικό αριθμό του άνθρακα που υπάρχει στο μεθύλιο, αφού αυτός είναι που συνδέεται με το ασύμμετρο άτομο του άνθρακα. H σειρά λοιπόν προτεραιότητας των υποκαταστατών είναι: Cl > F > C ( του -CH₃) > Η. Δηλαδή,

Στο μόριο, όμως, της 2-βουτανόλης ο πρώτος κανόνας δεν επαρκεί για τον καθορισμό της προτεραιότητας των υποκαταστατών. Γεννάται δηλαδή το ερώτημα, ποιος υποκαταστάτης προηγείται, το μεθύλιο ή το αιθύλιο;

Γενικά, όταν δύο (ή και περισσότερα) άτομα από αυτά που συνδέονται με το ασύμμετρο άτομο του άνθρακα είναι όμοια, οπότε ο βασικός κανόνας δεν επαρκεί για τον καθορισμό προτεραιότητας των υποκαταστατών, εξετάζουμε τι συνδέεται άμεσα με το καθένα από αυτά τα όμοια άτομα. Στην περίπτωση της 2-βουτανόλης, ο άνθρακας του CH₃- συνδέεται με τρία άτομα υδρογόνου (Η, Η, Η), ενώ ο άνθρακας-1 του CH₃CΗ₂- συνδέεται με ένα άτομο άνθρακα και δύο άτομα υδρογόνου (C, H, H). H πρώτη τριάδα προκρίνεται της δεύτερης, επειδή ο ατομικός αριθμός του άνθρακα είναι μεγαλύτερος του Η, γι’αυτό και το CH₃CH₂- προηγείται του CH₃-. Έτσι έχουμε:

O (του –ΟΗ) > C (του –CH₂CH₃) > C (του –CH₃) > H

Συνοψίζοντας, έχουμε:

2^ος κανόνας προτεραιότητας των υποκαταστατών που συνδέονται με C*

Αν η σχετική προτεραιότητα δύο ομάδων δε μπορεί να προσδιοριστεί με βάση τον κανόνα 1, τότε συγκρίνουμε τους ατομικούς αριθμούς των δεύτερων κατά σειρά ατόμων κάθε υποκαταστάτη. Αν είναι αναγκαίο συνεχίζουμε και στο τρίτο ή τέταρτο άτομο, ώσπου να καταλήξουμε σε κάποιο σημείο διαφοροποίησης.

Προσδιορισμός απεικόνισης R και S

Έχοντας προσδιορίσει τη σειρά προτεραιότητας των τεσσάρων ομάδων του ασύμμετρου ατόμου άνθρακα, μπορούμε να απεικονίσουμε στερεοχημικά μια ένωση, ακολουθώντας την παρακάτω διαδικασία. Προσανατολίζουμε το μόριο, ώστε ο υποκαταστάτης με τη μικρότερη προτεραιότητα (4) να βρεθεί στην πάνω θέση. Κρατάμε το ένα χέρι μας με τα δάχτυλα κλειστά, αλλά τον αντίχειρα τεντωμένο, ώστε να κατευθύνεται στον υποκαταστάτη με την ελάχιστη προτεραιότητα (4). Αν χρησιμοποιούμε το δεξί μας χέρι και τα δάχτυλα κλείνουν προς την κατεύθυνση των τριών ομάδων με ελαττούμενη προτεραιότητα (1→2→3), τότε η εξεταζόμενη στερεοαπεικόνιση του χειρικού μορίου χαρακτηρίζεται ως R (από τη λατινική λέξη Rectus, δηλαδή δεξιό). Αν χρησιμοποιούμε το αριστερό

μας χέρι και τα δάχτυλα μας κλείνουν προς την κατεύθυνση των ομάδων με ελαττούμενη προτεραιότητα (1→2→3) τότε, η εξεταζόμενη στερεοαπεικόνιση του χειρικού μορίου χαρακτηρίζεται ως S (από τη λατινική λέξη Sinister, δηλαδή αριστερό). Όλη αυτή η διαδικασία απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα.

ΣΧΗΜΑ 7.18 Εικονική παρουσίαση της διαδικασίας για τον προσδιορισμό της στερεοαπεικόνισης ενός χειρικού μορίου.

Παρακάτω δίνεται σχηματικά ο προσδιορισμός της στερεοαπεικόνισης των δύο εναντιομερών μορφών του γαλακτικού οξέος.
εικόνα

ΣΧΗΜΑ 7.19 Εικονική παρουσίαση της διαδικασίας για τον προσδιορισμό της στερεοαπεικόνισης του γαλακτικού οξέος.

Ιδιότητες εναντιομερών - Στροφική ικανότητα - Ρακεμικά μίγματα

Τα εναντιομερή έχουν τις ίδιες φυσικές ιδιότητες (π.χ. το ίδιο σημείο ζέσεως, το ίδιο σημείο τήξεως, την ίδια διαλυτότητα). Διαφέρουν μόνο ως προς τη φορά στροφής του πολωμένου φωτός. Τι είναι όμως πολωμένο φως;
Το φως θεωρείται κύμα το οποίο δονείται σε απεριόριστο αριθμό επιπέδων που περνούν από τη γραμμή διάδοσης του.

Πολωμένο είναι το φως του οποίου οι ταλαντώσεις γίνονται μόνο σ’ ένα από τα δυνατά επίπεδα που περνάει από τη γραμμή διάδοσής του.

Το πολωμένο φως ονομάζεται και επίπεδα πολωμένο φως. Το κοινό φως μετατρέπεται σε επίπεδα πολωμένο φως αν διέλθει μέσα από ένα φακό Polaroid ή από πρίσμα Nicol.
εικόνα

ΣΧΗΜΑ 7.20
α. Μετατροπή κοινού φωτός σε επίπεδα πολωμένο φως.
β. η οπτικά ενεργή ουσία στρέφει το επίπεδο του πολωμένου φωτός

Οπτικά ενεργή ουσία είναι η ουσία που στρέφει το επίπεδο του πολωμένου φωτός.
Τα εναντιομερή στρέφουν το επίπεδο του πολωμένου φωτός κατά αντίθετες γωνίες.

Τα εναντιομερή, δηλαδή, στρέφουν το επίπεδα πολωμένο φως κατά την ίδια απόλυτη τιμή, αλλά με αντίθετο σημείο στροφής. Το ένα στρέφει το επίπεδο πολωμένου φωτός προς τα δεξιά ως προς τον παρατηρητή και χαρακτηρίζεται με το πρόσημο (+) και το άλλο αριστερά και χαρακτηρίζεται με ένα (-). Δεν μπορούμε από τη στερεοχημική διάταξη να προβλέψουμε αν μια οπτικά ενεργή ένωση στρέφει δεξιά (+) ή αριστερά (-) το επίπεδο του πολωμένου φωτός. Υπάρχουν ενώσεις R που είναι (+), οπότε οι αντίστοιχες S είναι (-), αλλά υπάρχουν και ενώσεις R που είναι (-), οπότε οι αντίστοιχες S είναι (+).
Η γωνία στροφής προσδιορίζεται πάντοτε πειραματικά.

Το ισομοριακό μίγμα των δύο εναντιομερών δεν έχει στροφική ικανότητα και ονομάζεται ρακεμικό μίγμα.

Αν τα επίπεδα πόλωσης του φωτός είναι κάθετα μεταξύ τους, τότε το φως δεν περνάει σχεδόν καθόλου (όπως συμβαίνει στα γυαλιά ηλίου).

Πολωσίμετρο – Ειδική στροφική ικανότητα

Η μέτρηση της γωνίας στροφής του πολωμένου φωτός γίνεται με ένα όργανο που λέγεται πολωσίμετρο. Το όργανο αυτό περιλαμβάνει μια πηγή φωτός, δύο φακούς Polaroid και μεταξύ των δύο φακών υπάρχει σωλήνας στον οποίο προσθέτουμε την προς εξέταση οπτικά ενεργό ουσία, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

εικόνα

ΣΧΗΜΑ 7.21 Σχηματική παρουσίαση ενός πολωσίμετρου. Η οπτικά ενεργή ουσία στρέφει το επίπεδο του πολωμένου φωτός.

Η γωνία στροφής, όπως μετριέται με το πολωσίμετρο, είναι ανάλογη της συγκέντρωσης της οπτικά ενεργής ουσίας καθώς και του μήκους της κυψελίδας στην οποία εισάγεται το δείγμα. Η γωνία στροφής εξαρτάται επίσης από το μήκος κύματος του χρησιμοποιούμενου φωτός και τη θερμοκρασία του εξεταζόμενου διαλύματος. Για συγκριτικούς λόγους χρησιμοποιείται η ειδική στροφή [α]. Κάθε οπτικά ενεργή ουσία έχει τη δική της χαρακτηριστική ειδική στροφική ικανότητα ή ειδική στροφή.
Η ειδική στροφική ικανότητα μιας οπτικά ενεργούς ουσίας συμβολίζεται με [α]_λ^{^Τ} όπου Τ είναι η απόλυτη θερμοκρασία στην οποία γίνεται η μέτρηση και λ το μήκος κύματος του πολωμένου φωτός. Η ειδική στροφική ικανότητα υπολογίζεται από τη σχέση:

α: η μετρούμενη κατά το πείραμα γωνία στροφής.
l: το μήκος του σωλήνα του πολωσιμέτρου που περιέχει το διάλυμα σε dm (στην πραγματικότητα είναι ο αριθμός των dm).
c: η συγκέντρωση του διαλύματος του δείγματος σε g/mL (στην πραγματικότητα είναι ο αριθμός των g/mL).

Παράδειγμα 7.3
Σε διάλυμα όγκου 10 ml περιέχονται 2 g οπτικά ενεργούς ουσίας και εισάγονται σε δοχείο πολωσιμέτρου μήκους 100 cm. Η παρατηρούμενη κατά το πείραμα γωνία στροφής είναι + 13,4°. Ποια είναι η ειδική στροφική ικανότητα της ουσίας;
ΛΥΣΗ

Εφαρμογή
Διάλυμα οπτικά ενεργούς ουσίας (Α) έχει όγκο 50 mL και περιέχει 5 g ουσίας. Εισάγεται σε δοχείο πολωσιμέτρου που έχει μήκος 40 cm και κατά το πείραμα παρατηρείται στροφή του επιπέδου πόλωσης κατά –8,2°. Ποια είναι η ειδική στροφική ικανότητα της Α;

(-32,8^o)

Ενώσεις με 2 ή περισσότερα ασύμμετρα άτομα C* - Διαστερεομέρεια

Είδαμε ότι αν στο μόριο μιας ένωσης υπάρχει ένα ασύμμετρο άτομο C*, τότε η ένωση αυτή μπορεί να έχει δύο στερεοϊσομερείς μορφές, που είναι οπτικοί αντίποδες. Οι ισομερείς αυτές ενώσεις ονομάζονται εναντιομερείς και η μία χαρακτηρίζεται R και η άλλη S.
Όταν, όμως, στο μόριο μιας ένωσης υπάρχουν 2 ή περισσότερα ασύμμετρα άτομα , σε πόσες στερεοϊσομερείς μορφές μπορεί να βρίσκεται η ένωση; H απάντηση είναι:

Αν στο μόριο μιας ένωσης υπάρχουν ν ασύμμετρα άτομα C*, ο συνολικός αριθμός των στερεοϊσομερών μορφών αυτής της ένωσης είναι το πολύ 2^ν.

Έτσι, αν στο μόριο μιας ένωσης υπάρχουν 3 ασύμμετρα άτομα (C*), η ένωση αυτή μπορεί να βρίσκεται σε 2³ = 8 το πολύ στερεοϊσομερείς μορφές. Λέμε το πολύ, γιατί όπως θα δούμε στη συνέχεια σε κάποιες περιπτώσεις μπορεί να βρίσκεται σε λιγότερες από 8, π.χ. σε 7 ή 6, ποτέ όμως σε περισσότερες από οκτώ.
Ας θεωρήσουμε τώρα την ένωση 2,3-διχλωροπεντάνιο.
Η ένωση περιέχει στο μόριό της δύο ασύμμετρα άτομα C* και απαντά σε τέσσερις στερεοϊσομερείς μορφές, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα:
εικόνα

Προφανώς το ζεύγος Ι και II είναι εναντιομερή. Το ίδιο ισχύει για το ζεύγος ΙΙΙ και IV. Τα υπόλοιπα ζεύγη, όπως το I και το III, δεν είναι εναντιομερή και χαρακτηρίζονται ως διαστερεομερή.

Τα διαστερεομερή έχουν αντίθετες στερεοαπεικονίσεις σε ορισμένα (ένα ή περισσότερα) ασύμμετρα κέντρα, ενώ σε ορισμένα άλλα ασύμμετρα κέντρα έχουν την ίδια στερεοαπεικόνιση. Αντίθετα, τα εναντιομερή έχουν αντίθετες στερεοαπεικονίσεις σε όλα τα ασύμμετρα κέντρα.

Γενικά, όσες στερεομερείς ενώσεις δεν είναι εναντιομερείς μεταξύ τους, χαρακτηρίζονται διαστερεομερείς. Δηλαδή, στερεομερή που δεν είναι κατοπτρικά είδωλα το ένα του άλλου ονομάζονται διαστερομερή.

Οι διαστερεοϊσομερείς ενώσεις, αντίθετα από τις εναντιομερείς, έχουν σημαντικές διαφορές στις φυσικές τους ιδιότητες και αρκετές διαφορές στις χημικές. Συνοψίζοντας, μπορούμε να πούμε:

Αν δύο στερεοϊσομερείς ενώσεις είναι οπτικοί αντίποδες είναι εναντιομερείς, αν δεν είναι, είναι διαστερεοϊσομερείς.

Μεσομορφή
Όταν στο μόριο μιας ένωσης υπάρχουν δύο ασύμμετρα άτομα C*, η ένωση αυτή δε βρίσκεται πάντοτε σε τέσσερις στερεοϊσομερείς μορφές, μπορεί να βρίσκεται σε τρεις. Αυτό συμβαίνει όταν τα δύο ασύμμετρα άτομα είναι ομοειδώς ασύμμετρα, δηλαδή, οι υποκαταστάτες του ενός είναι οι ίδιοι με τους υποκαταστάτες του άλλου.
Ας θεωρήσουμε το 2,3-διχλωροβουτάνιο
Η ένωση αυτή έχει τις παρακάτω τέσσερις στερεοϊσομερείς μορφές.
εικόνα

Οι δομές Ι και ΙΙ χαρακτηρίζονται ως εναντιομερείς. Οι δομές ΙΙΙ και ΙV συμπίπτουν, αφού το μόριο έχει επίπεδο συμμετρίας, άρα είναι μη χειρικό. Η τελευταία αυτή δομή είναι οπτικά ανενεργή και ονομάζεται μεσομορφή.
Δηλαδή, το 2,3-διχλωροβουτάνιο δεν εμφανίζεται σε τέσσερις, αλλά σε τρεις στερεοϊσομερείς μορφές.
Με την ίδια λογική, υπάρχουν ενώσεις με τρία ή περισσότερα ασύμμετρα άτομα C*, στις οποίες υπάρχουν τέτοια επίπεδα συμμετρίας, οπότε τα στερεοϊσομερή είναι λιγότερα από όσα προβλέπει ο τύπος 2^ν.

Εμφάνιση μεσομορφής, λόγω του εσωτερικού επιπέδου συμμετρίας στο μόριο της ένωσης.

Παράδειγμα 7.4
Πόσες στερεοϊσομερείς μορφές έχουν οι παρακάτω ενώσεις:
α. 2-βρωμοπεντάνιο
β. 2,3-διβρωμοπεντάνιο
γ. 2,4-διβρωμοπεντάνιο
δ. 3-βρωμοπεντάνιο

ΑΠΑΝΤΗΣΗ

α.	έχουμε ένα ασύμμετρο , άρα στην ένωση αντιστοιχούν δύο στερεοχημικοί τύποι
β.	έχουμε δύο ασύμμετρα , άρα 2² = 4 στερεοϊσομερή
γ.	έχουμε δύο ομοειδώς ασύμμετρα άτομα με ίδιους υποκαταστάτες, άρα 3 στερεοϊσομερή.
δ.	Δεν έχει ασύμμετρο άτομο άνθρακα, δεν παρουσιάζει στερεοϊσομέρεια, άρα η ένωση αυτή έχει μία μόνο στερεοδιάταξη.

Εφαρμογή
Πόσες στερεοϊσομερείς μορφές έχουν οι παρακάτω ενώσεις:
α. 2-πεντανόλη
β. 2,3-πεντανοδιόλη
γ. 2,4-διχλωροπεντάνιο
δ. 3-πεντανόλη

(α. 2, β. 4, γ. 3, δ.1)

Γεωμετρική ισομέρεια

Όπως μάθαμε στο διπλό δεσμό ( > C = C < ) ο ένας δεσμός είναι σ (σίγμα) και ο άλλος π (πι). Ο π (πι) δεσμός εμποδίζει την ελεύθερη περιστροφή των ατόμων του άνθρακα γύρω από το διπλό δεσμό και αυτό αποτελεί τη βασική αιτία για την εμφάνιση στερεοϊσομέρειας. Η στερεοϊσομέρεια αυτής της μορφής προϋποθέτει την παρουσία σε κάθε άτομο άνθρακα του διπλού δεσμού δύο διαφορετικών υποκαταστατών.
Αν πάρουμε για παράδειγμα το 2-βουτένιο, αυτό εμφανίζεται σε δύο στερεοϊσομερείς μορφές.

Η πρώτη μορφή όπου δύο όμοιες ομάδες (τα δύο υδρογόνα) είναι από το ίδιο μέρος του επιπέδου, ονομάζεται cis και η άλλη μορφή, όπου δύο όμοιες ομάδες (τα δύο υδρογόνα) δεν είναι από την ίδια πλευρά, ονομάζεται trans. Αυτή η περίπτωση στερεοϊσομέρειας ονομάζεται γεωμετρική και απαντά μόνο σε οργανικές ενώσεις που έχουν διπλό δεσμό > C = C < εφ’ όσον καθένα από τα άτομα του C συνδέεται με δύο διαφορετικούς υποκαταστάτες.
εικόνα

ΣΧΗΜΑ 7.22 H γεωμετρική ισομέρεια με μοριακά μοντέλα. Αριστερά έχουμε το cis-1,2 διχλωροβουτένιο και δεξιά το trans -1,2 διχλωροβουτένιο.

Υπάρχουν όμως περιπτώσεις, όπου εμφανίζεται γεωμετρική στερεοϊσομέρεια, χωρίς όμως να μπορούν να χαρακτηριστούν οι ενώσεις ως cis και trans. Παράδειγμα φέρνουμε το 2-χλωρο-2-πεντένιο,

το οποίο εμφανίζει τα παρακάτω γεωμετρικά ισομερή.

Βασική αιτία για την εμφάνιση της γεωμετρικής ισομέρειας είναι η αδυναμία περιστροφής των ατόμων άνθρακα περί τον άξονα του διπλού δεσμού.
Ακριβώς γι’ αυτό στα αλκάνια, λόγω της ελεύθερης περιστροφής, είναι αδύνατον να εμφανιστεί γεωμετρική ισομέρεια.

• Oι cis - trans στερεομερείς μορφές επειδή δεν είναι οπτικοί αντίποδες μπορούν να χαρακτηριστούν ως διαστερεομερείς.

• Στην Οργανική Χημεία εμφανίζονται και άλλες περιπτώσεις γεωμετρικής στερεοϊσομέρειας, που δε θα μας απασχολήσουν.

Ζ και Ε στερεοχημική διάταξη

Σήμερα υπάρχει ένας γενικότερος τρόπος χαρακτηρισμού των γεωμετρικά ισομερών ως Ζ ή Ε. Το 1-χλωρο-1-βρωμο-2-φθορο-αιθένιο CClBr = CHF προφανώς απαντά σε δύο στερεοχημικούς τύπους:

που δεν μπορούν να χαρακτηριστούν cis, trans. Σήμερα, τα γεωμετρικά ισομερή τα διακρίνουμε σε Ζ και Ε, λαμβάνοντας υπ’ όψη τη γνωστή σειρά προτεραιότητας των υποκαταστατών. Έτσι, χαρακτηρίζουμε ως 1, 2 και 1΄, 2΄ τους υποκαταστάτες που είναι ενωμένοι με κάθε άτομο C του διπλού δεσμού. Χαρακτηρίζουμε 1 τον υποκαταστάτη που έχει το μεγαλύτερο ατομικό αριθμό, ανάμεσα στους δύο υποκαταστάτες του πρώτου άνθρακα του διπλού δεσμού, (1^η προτεραιότητα) και 2 αυτόν με το μικρότερο ατομικό αριθμό (2^η προτεραιότητα). Με την ίδια λογική, χαρακτηρίζουμε και τους υποκαταστάτες του άλλου ατόμου άνθρακα του διπλού δεσμού ως 1΄ και 2΄. Στο παραπάνω παράδειγμα έχουμε: 1 το ₉F, 2 το Η, 1΄ το ₃₅Br, 2΄ το ₁₇Cl.
Αν οι υποκαταστάτες 1 και 1΄ είναι στο ίδιο μέρος του επιπέδου, η στερεοαπεικόνιση χαρακτηρίζεται ως Ζ (από το Zusammen = μαζί στα Γερμανικά), ενώ αν βρίσκονται στην αντίθετη μεριά, η στερεοαπεικόνιση χαρακτηρίζεται ως Ε (από το Entgegen = αντίθετα στα Γερμανικά). Δηλαδή:

Παράδειγμα 7.5
Σε ποιο από τα ισομερή διχλωροαιθένια εμφανίζεται γεωμετρική στερεοϊσομέρεια;
ΑΠΑΝΤΗΣΗ
Τα διχλωροαιθένια είναι:,br>

α. CH₂ = CCl₂
β. CHCl = CHCl

1,1-διχλωροαιθένιο
1,2-διχλωροαιθένιο

Στο (α), κάθε άτομο C του διπλού δεσμού δεν είναι ενωμένο με δύο διαφορετικούς υποκαταστάτες, άρα δεν εμφανίζει γεωμετρική ισομέρεια. Στο (β), κάθε άτομο C του διπλού δεσμού είναι ενωμένο με δύο διαφορετικούς υποκαταστάτες και εμφανίζει γεωμετρική στερεοϊσομέρεια.

Εφαρμογή
Να γραφούν οι συντακτικοί τύποι των αλκενίων με μοριακό τύπο C₅H₁₀ και να σημειωθεί σε ποια ή σε ποιες δομές εμφανίζεται γεωμετρική στερεοϊσομέρεια.