Stereocontrol and Ring Formation (Stereokontrol dan Pembentukan Cincin)

Stereocontrol and Ring Formation

(Stereokontrol dan Pembentukan Cincin)

A. Alkene Stereochemistry and the E,Z Designation

Sistem penamaan cis-trans hanya berlaku pada alkena yang disubstitusi oleh senyawa yang memiliki dua substituen selain hidrogen pada ikatan rangkap. Dengan ikatan ganda trisubstitusi dan tetrasubstitusi, metode ini diperlukan untuk menggambarkan geometri ikatan rangkap pada alkena. (Trisubstitusi berarti tiga substituen selain hidrogen pada ikatan rangkap; Tetrasubstitusi berarti empat substituen selain hidrogen pada ikatan rangkap).

Metode yang digunakan untuk menggambarkan stereokimia alkena disebut sistem E,Z dan menggunakan aturan urutan Cahn-Ingold-Prelog. Berikut aturan dalam menentukan geometri ikatan rangkap :

Aturan 1

Mempertimbangkan masing-masing karbon berikatan rangkap secara terpisah. Melihat dua substituen yang melekat dan memberi urutan sesuai dengan prioritas (nomor atom dari atom pertama substituen). Atom dengan nomor atom yang lebih tinggi memiliki prioritas yang lebih tinggi daripada atom dengan nomor atom yang lebih rendah.

Aturan 2

Jika prioritas tidak dapat dicapai berdasarkan nomor atom pertama dalam dua substituen, maka lihat nomor atom kedua, ketiga atau keempat yang jauh dari ikatan rangkap sampai perbedaan pertama ditemukan.

Aturan 3

Atom berikatan rangkap setara dengan atom berikatan tunggal dengan jumlah yang sama.

Begitu kedua substituen yang terikat pada setiap atom karbon berikatan rangkap telah ditentukan yang paling tingginya (prioritasnya), maka : jika kelompok-kelompok dengan peringkat yang lebih tinggi pada setiap karbon berada pada sisi yang sama dari ikatan rangkap, maka alkena dikatakan memiliki geometri Z (Zusammen (Jerman) yang berarti “bersama”). Dan jika kelompok-kelompok dengan peringkat yang lebih tinggi berada di sisi yang berlawanan, alkena memiliki geometri E (Entgegen (Jerman) yang berarti "lawan").

Terdapat istilah enantiomer dan diastereomer dalam stereokimia. Enantiomer adalah molekul-molekul yang non-superimposable mirror image (tidak dapat dihimpitkan dengan bayangan cerminnya). Diastereomer adalah stereoisomer yang bukan bayangan cermin satu dengan yang lainnya, mereka mirip tetapi tidak identik. Sedangkan enantiomer harus mempunyai bayangan cermin (kebalikan) pada seluruh atom C khiral.

B. Some Principles in Control of Stereochemistry

Stereokontrol untuk cincin sikloheksana dalam kimia organik sebagian besar difokuskan pada posisi preferensial aksial/ekuatorial substituen pada cincin. Stereokontrol makrosiklik difokuskan pada pemodelan substitusi dan reaksi dari cincin dalam kimia organik, dimana unsur-unsur stereogenik jarak jauh memberikan pengaruh konformasi yang cukup untuk mengarahkan hasil reaksi.

Chiral auxiliaries

Chiral auxiliary yang baik bersifat murah, kedua enantiomer tersedia, mudah dipasang, mudah dilepas, efektif dalam induksi dan lain-lain. Sifat yang menjadi sangat sedikit diperhatikan adalah setelah reaksi terjadi para diastereomer harus dipisahkan. Misalkan kita memiliki chiral auxiliary 70 dengan enantiomer (ee) lebih dari 96% yang bereaksi untuk menghasilkan produk 71 dengan 74% kelebihan diastereomerik (de) dan dihidrolisis menjadi produk 72.

ee 71 memiliki 98% enantiomer 71a dan 2% enantiomer 71b. Lalu terdapat 87% diastereomer 71 dan 13% diastereomer 73. Rasio 71a hingga 71b akan menjadi 98 hingga 2 seperti rasio 73a hingga 73b. Rasio 71a hingga 73a adalah 87 hingga 13, dimana hal yang sama juga berlaku pada enansiomer lain dalam reaksi sehingga rasio 71b hingga 73b juga 87 hingga 13. Jumlah relatif masing-masing dari keempat struktur dapat ditentukan.

Hal yang berbeda akan terjadi jika diastereomer dipisah terlebih dahulu sebelum dihidrolisis, dimana keduanya 73a dan 73b akan dibuang. Oleh karena itu, ee menjadi 96%. Hal ini menunjukkan betapa pentingnya memisahkan diastereomer itu. Hal yang juga terjadi yaitu de bisa menjadi 0%.

The Horeau principle

Dalam contoh berikut ini, akan ditingkatkan ee dari senyawa 36. Misalkan terdapat alkohol 36a dan enansiomernya 36b dalam rasio 85:15 sebanyak 70%. Jika alkohol direaksikan dengan oksalil-klorida maka dua molekul alkohol bereaksi dengan masing-masing molekul oksalil klorida menghasilkan dua diastereomer. Satu memiliki enansiomer 75a dan 75b dan yang lainnya adalah achiral 74.

Diastereomer 74 dihilangkan untuk meningkatkan 75a dan sejumlah kecil 75b dalam rasio 97:3. Jika ester-ester ini dibelah, maka kita memiliki alkohol 36 dengan kadar 94% yang cukup meningkat.

Streocontrol in acyclic system

Faktor penting yang perlu diperhatikan dalam controlling stereochemistry yaitu :

1. Regioselektivitas (Markovnikov vs anti-Markovnikov)

Jika reaksi menghasilkan kation, maka dihasilkan orientasi Markovnikov. Namun, jika reaksi menghasilkan radikal, maka dihasilkan orientasi anti Markovikov.

2. Retensi vs Inversi konfigurasi

3. Selektivitas cis-trans

Penambahan reagen tertentu pada ikatan karbon rangkap tiga dari alkuna (seperti melalui reaksi hidrogenasi, halogenasi, dll) dapat menyebabkan ismer cis atau trans pada alkena yang terbentuk.

4. Selektivitas syn-anti

5. Efek Khelasi Heteroatom

Salah satu cara untuk mengontrol diastereoselektivitas adalah mengambil keuntungan dari efek chelating gugus heteroatom tetangga (efek gugus yang berdekatan) dengan reagen tertentu, yang bisa diilustrasikan dengan reaksi alkohol alilik kiral dengan asam peroksida.

Stereocontrol in cyclic system

1. Regioselektivitas

Jika reaksi menghasilkan kation, maka dihasilkan orientasi Markovnikov. Namun, jika reaksi menghasilkan radikal, maka dihasilkan orientasi anti Markovikov.

2. Bredt’s rule (Hukum Bredt)

Regioselektivitas penting dalam pembentukan ikatan rangkap dalam reaksi eliminasi. Sistem jembatan kecil pada ikatan rangkap trans akan melanggar Bredt’s rule. 

C. Formation of Cyclic Compounds : via Cyclic Transition States

Cycloadditions (Sikloadisi)

Sikloadisi sangat kuat terjadi ketika penyerangan ke formasi terkontrol dari beberapa pusat stereogenik.

Reaksi diatas adalah reaksi Diels-Alder. Reaksi Diels-Alder merupakan cara terbaik untuk memperkenalkan beberapa pusat kiral baru dalam sekaligus. Contoh diatas produknya adalah asam rasemat 3. Wajah dienofil 2 adalah enansiotopik; jika serangan diena dari satu sisi 4a, maka didapat satu enansiomer (R)-3 dan jika diserang dari sisi 4b maka didapat (S)-3. Namun, sama sekali tidak penting sisi mana dari diena 1 yang bereaksi karena wajahnya homotopik.

Pada reaksi antara E,E-diena 5 dan asam tak jenuh 6 dapat diharapkan untuk memberikan tambahan produk 7. Produk ini rasemik (±)-7 karena tidak membentuk enansiomer tunggal. Selektivitas dalam reaksi diatas berasal dari dua sumber (1) aspek stereospesifik, dimana stereokimia dalam bahan awal muncul dalam produk. Artinya, hubungan trans antara R dan CO₂H dalam asam tak jenuh 6 muncul di produk 7 sebagai hubungan trans. Diktat stereospesifik yang sama memastikan bahwa kedua gugus metil diena 5 berakhir pada sisi yang sama dalam produk. Gugus metil saling mentransformasikan satu sama lain dalam produk hanya jika kita memulai dengan E,Z-diena. (2) aspek stereoselektif, dimana reaksi ini disebut sebagai endo-selektivitas. Pada selektivitas endo yang normal, kelompok yang menarik elektron dari dienofil akan lebih suka berada didekat dengan diena elektronik.

Ketika 5 bereaksi dengan 8, kita tahu bahwa kedua gugus metil harus berada di sisi yang sama dari molekul dan dua gugus CO₂Me harus berada di sisi yang sama juga dari molekul.

Memprediksi hasil stereokimia dari reaksi Diels-Alder mudah setelah diketahui keadaan transisi yang mungkin terjadi. Triknya adalah mengidentifikasi semua kelompok yang berada di sisi yang sama dari cincin beranggota enam. Gambar diatas menunjukkan satu cara untuk melakukannya dimana ikatan disisi kanan dibesar-besarkan dan ditempatkan dalam sebuah kotak. Setelah cincin baru beranggota enam telah dibuat, kelompok-kelompok ini tetap berada di pihak yang sama. Dalam hal ini semua atom hidrogen berada di sisi yang sama dan produk adalah 10.

Question ???

1. Mengapa setelah reaksi stereokimia terjadi, diastereomer harus dipisahkan sebelum dilakukan tahap selanjutnya?

2. Bagaimana cara memprediksi hasil stereokimia dari reaksi Diels-Alder?

REFERENSI

Aznam, N. 2007. Kimia Organik Fisik. Yogyakarta : UNY.

https://en.wikipedia.org/wiki/Macrocyclic_stereocontrol

McMurry, J.E. 2012. Organic Chemistry, Eighth Edition. USA : Cengage Learning.

Tokorayama, T., M. Tsukamoto dan H. Iio. 1984. “Remarkable Stereocontrol Observed in the Ring Formation by Intramolecular Hosomi-Sakurai Reaction”. Tetrahedron Letters. Vol 25 (44) : 5067-5070.

Wyatt, P dan S. Warren. 2007. Organic Synthesis: Strategy and Control. England : John Wiley & Sons Ltd,.