Isomerisatie

Isomerisatieis eenchemische reactiewaarbij het hoofdproduct eenisomeeris van de belangrijkstereactant.^[1]Bij isomerisatieverandert de ruimtelijke ordening van moleculaire groepen.Dergelijke reacties zijn vooral belangrijk bij organische verbindingen, als gevolg van het voorkomen van meer reactieve verbindingen en atomen in vergelijking met anorganische verbindingen: zie bijvoorbeeld koolstof-koolstof dubbele bindingen, carbonylgroepen en bijvoorbeeldimines.Hierdoor ontstaan bijvoorbeelddiastereomerenofenantiomeren.Isomerisaties kunnen eenstaps of meerstaps zijn, al dan niet gekatalyseerd. Een intramoleculaire isomerisatie waarbij bindingen worden gemaakt of verbroken is een bijzonder geval vanomlegging.Omlegging valt niet noodzakelijkerwijs onder isomerisatie.

Soorten isomerisatiereacties

Racemisatie

Racemisatieis een isomerisatiereactie waarbij uitgaande van één bepaald isomeer, een mengsel van isomeren (enantiomeren of diastereomeren) bekomen wordt. De samenstelling van dit mengsel wordt bepaald door hetthermodynamisch evenwicht.Resolutieis het scheiden van een racemisch mengsel in zijn componenten.

Piramidale inversie

Piramidale inversie wordt gekarakteriseerd door de aanwezigheid van een niet gebonden elektronenpaar aan een sp³gehybridiseerd atoom.Een dergelijke situatie komt voor bijaminen,fosfinenen bepaalde zwavelverbindingen. Gedurende de inversie gaat het sp³gehybridiseerd atoom over naar een sp²hybridisatie met het vrije elektron in het ontstane p-orbitaal. Volgens de ValentieSchilElectronenPaarRepulsie theorie (kortwegVSEPR) is dit niet voordelig en kost deze overgang naar de sp²-toestand energie. Deze energie komt terug vrij bij het omklappen. De geometrieën van de isomeren verhouden zich als beeld en spiegelbeeld.

Voorstelling van piramidale inversie, met reactieschema en energiediagramma, aan een N-atoom met vrij elektronenpaar.

In-vlakinversie

In-vlakinversie aan sp²gehybridiseerd stikstofatoom. Deze inversie is analoog aan de piramidale inversie met een sp-hybridisatie in de transitiestoestand.

Voorstelling van in-vlakinversie, met reactieschema en energiediagramma, aan een N-atoom metvrij elektronenpaar.

Gekatalyseerde isomerisaties

Gekatalyseerde isomerisaties zijn altijd meerstapsreacties, waarbij vertrekkend van één isomeer dikwijls verschillende isomeren kunnen ontstaan. De evenwichtsconcentraties zijn afhankelijk van de energie-inhoud of ook devormingsenthalpievan de betrokken producten. Dergelijke isomerisaties zijn vaak ongewenst bij de (stereoselectieve)organische synthese.Bijvoorbeeld:

zuur gekatalyseerde isomerisatie: een proton addeert aan een vrij elektronenpaar of een dubbele binding. In de molecule ontstaat een positieve lading, waardoor bindingssterktes en ladingsverdelingen in de doelmolecule veranderen (de geconcentreerde lading stabiliseert door uitsmeren over een groter volume, over verschillende bindingen die elk partieel geladen zijn). Na een eventuele omlegging of verplaatsing van functionele groepen zal stabilisatie optreden door afgifte van het opgenomen proton. De optredende verplaatsing van de positieve lading (en dus van de functionele groepen) is onderhevig aan deMarkovnikov-regel.
basisch gekatalyseerde isomerisatie: analoog aan de zuur gekatalyseerde isomerisatie. Een proton wordt geabsorbeerd waardoor in de molecule een negatieve lading ontstaat.

Voorbeeld van zuur-gekatalyseerde isomerisatie.

Enzymatische isomerisatie

Enzymen zijn eiwitten of proteïnen die uitermate geschikt zijn om reacties (en dus ook isomerisaties) tekatalyseren.Ze versnellen reacties in levende wezens door via een alternatief reactiemechanisme deactiveringsenergiete verlagen. Vaak ontstaat in biologisch opeenvolgende reacties ofwel een racemisch mengsel ofwel een zuiver isomeer dat niet onmiddellijk bruikbaar is. Indien enzymen isomerisaties niet konden katalyseren zou in deze gevallen respectievelijk de helft of de volledige hoeveelheid product onbruikbaar zijn. Enzymen verhogen als dusdanig de efficiëntie van het materiaalgebruik in bio-organismen.

Licht-geïnduceerde isomerisatie

Sommige licht-geïnduceerde isomerisaties zijn atypische vormen van isomerisatiereacties. Voorbeelden van deze categorie isomerisaties is de cis-trans conversie van alkenen. Bij dezeradicaalreactiewordt een foton opgenomen waarbij de dubbele binding in een geëxciteerde toestand terechtkomt. Vanuit deze transitietoestand kan de molecule met evenveel kans relaxeren naar de cis- of transvorm. Beide vormen hebben een ander absorptiespectrum, en indien men een golflengte kan kiezen die door de ene vorm geabsorbeerd wordt en niet door de andere, dan kan men het volledige startproduct omzetten in de andere vorm. Indien zo een golflengte niet kan gekozen worden wordt eenevenwichtstoestandbekomen. Zie ook het voorbeeld van de omzetting van trans-stilbeenin cis-stilbeen:

Deze reactie wordt onder andere gebruikt voor het licht-geïnduceerd aanmaken vanfenantreenmetcyclohexaanalsoplosmiddel.Gesubstitueerd stilbeen geeft dan aanleiding tot gesubstitueerde fenantrenen.

Herkennen van isomerisaties

Isomerisaties brengen een aantal veranderingen in eigenschappen met zich mee. Zo nemen de ontstane isomeren elk met een verschillende snelheid deel aan de erop volgende scheikundige reacties. Bovendien zullen enantiomeren vaak bijuitkristallisatiekristallen vormen elkaarsspiegelbeeldzijn. Isomerisaties herkent men experimenteel bijvoorbeeld met de volgende technieken:

polarografie:isomeren met een stereocenter zullengepolariseerd lichtafbuigen. Met eenpolarimetermeet men deze afbuigingshoek. Elk isomeer heeft zijn eigen polarisatiehoek (enantiomeren hebben een tegengestelde hoek). Bij isomerisatie verandert deze draaiingshoek langzaam.Racemisatievan een enantiomeer zorgt er bijvoorbeeld voor dat de draaiingshoek volledig verdwijnt.
spectroscopie:spectroscopische methoden onderzoeken de interactie vanelektromagnetische stralingvan verschillende energieën met de moleculen. De optredende interacties geven productspecifieke en/of structurele informatie over de onderzochte producten:
- Ramanspectroscopie:onderzoekt de energieverschillen tussen devibratie-energieniveaus. Ramanspectroscopie herkent isomeren, daar Ramanspectroscopie gevoelig is voor veranderingen in kristalstructuur, bindingsplaats,... Zo geeft een cis-gesubstitueerde koolstof-koolstof dubbele binding een signaal rond 1655 cm⁻¹terwijl een trans-gesubstitueerde koolstof-koolstof dubbele binding een signaal geeft rond 1670 cm⁻¹.
- NMR spectroscopie:is over het algemeen gevoelig voor veranderingen in de chemische omgeving van atomen (vooral kernen zoals¹H en¹³C worden specifiek onderzocht met NMR in de organische chemie). Structurele veranderingen (zoals deze afkomstig van isomerisaties) geven aanleiding tot een verandering in de gemeten NMR-shifts.

Energetische aspecten

DeGibbs vrije energieof energie-inhoud van isomeren is veelal gelijk of ruwweg gelijk. Daardoor komen de betrokken isomeren dikwijls in ongeveer gelijke percentages (percentages volgens deBoltzmann-verdeling) voor:

${\frac {N_{1}}{N_{0}}}={\frac {g_{1}}{g_{0}}}e^{-{\frac {\Delta E_{\text{v}}}{k_{\text{B}}T}}}$

met:

N_{0}

het aantal atomen in de grondtoestand

N_{1}

het aantal atomen in de aangeslagen toestand

g_{0}

de ontaarding in de grondtoestand

g_{1}

de ontaarding in de aangeslagen toestand

\Delta E_{\text{v}}

de grootte van het energieverschil tussen de beschouwde energieniveaus

k_{\text{B}}

deboltzmannconstante

T

de temperatuur inkelvin

Deformule van Arrheniusgeeft het verband van de reactiesnelheid met de temperatuur:

k=Ae^{\frac {-E_{\text{A}}}{RT}}

met:

k:constante voor de reactie
A:factor of defrequentiefactorspecifiek voor elke reactie.Ahangt af van de kans dat de moleculen op de juiste manier in botsing zullen komen.
E_A:activeringsenergie
R:molairegasconstante
T:temperatuur inkelvin

Wanneer deactiveringsenergiedus laag is, zijn isomeren gemakkelijk in elkaar om te zetten. Stereoisomeren die in elkaar eenvoudig omgezet kunnen worden door rotatie rond een binding, noemt menconformatie-isomeren.Stereoisomeren die niet eenvoudig in elkaar om te zetten zijn door een simpele rotatie (hetzij door de activeringsenergie, hetzij doordat groepen een andere bindingsplaats hebben), noemt menconfiguratie-isomeren.Dus, naargelang de isomerisatie zeer snel ( $\Delta G^{0,\neq }$ < 100 kJ/mol) of traag ( $\Delta G^{0,\neq }$ > 100 kJ/mol) gebeurt spreekt men respectievelijk van conformatie-isomeren (of conformaties, conformeren) en configuraties. Daarom komt bij sommige moleculen isomerisatie spontaan voor bij kamertemperatuur. Is de activatie-energie echter hoog, dus een trage isomerisatie bij kamertemperatuur, dan kan men de producten als afzonderlijk beschouwen en herkennen. Deze producten hebben een andere ruimtelijke ordening van hun moleculaire groepen, en men noemt de beide structuren dan ook stereoisomeren. Voorbeelden:

lage activatie-energie en snelle isomerisatie: piramidale inversie bij carbanionen (negatieve lading op een koolstofatoom) en aminen
hoge activatie-energie en trage isomerisatie: piramidale inversie bij fosfinen (activatie-energie rond 120 kJ/mol)
zeer hoge activatie-energie:sulfoxides(activatie-energie rond 160 kJ/mol)

Belang van isomerisaties

Iemand die betrokken is bijspectroscopie,analytische chemieoforganische synthesedient zich altijd bewust te zijn van mogelijke isomerisatie. Soms heeft dit totaal geen belang. In andere gevallen is isomerisatie eerder nadelig, zoals in bijvoorbeeld de stereoselectieve synthese: in dit geval gaat de waarde van het geproduceerde goed verloren door isomerisatie. In dit geval moeten de uitgevoerde synthesestappen zo gekozen worden dat verdere reacties de reeds uitgevoerde stappen niet nutteloos maken. Zie hierbij ook:convergente synthese,katalyseenbeschermende groepen.

In weer andere gevallen is isomerisatie dan weer uiterst gevaarlijk zoals gebleken is bij het geneesmiddelsoftenon.Daar waar het isomeer farmaceutisch actief is, is het andere isomeerteratogeen.

In nog andere gevallen is isomerisatie dan weer gewenst, om een zo hoog mogelijk rendement te bekomen. In organismen wordt zo op sommige ogenblikken veel van 1 isomeer gebruikt, terwijl op andere momenten of in andere cellen wellicht een overmaat van een ander isomeer verbruikt wordt. Zie bijvoorbeeld glucose in planten: dit wordt zowel gebruikt voor het leveren van energie in deKrebs-cyclus,als voor de productie vanzetmeel(gemaakt uit α-D-glucose) en voor de productie vancellulose(gemaakt van β-D-glucose) in (wellicht) weer andere cellen.

Ten slotte vindt isomerisatie een toepassing bij de grootschalige productie van benzine. Hetoctaangetalvan de benzine wordt verhoogd door lineaire koolwaterstoffen met een laag octaangetal om te zetten naar vertakte isomeren met een hoog octaangetal.

Zie ook

Bronnen, noten en/of referenties

(en)Andrew Streitweiser, Clayton H., Hethcock, Edward M. Kasour-Introduction to organic chemistry,Fourth Edition, Prentice Hall Inc., 1998,ISBN 0-13-973850-9

↑definitie "isomerization":DOI:10.1351/goldbook.I03295

[1] tie "isomerization":DOI:10.1351/goldbook.I03295

[1]