Kimia Sekolah — Kelas 1 sampai 12 · Grades 1–12

39Stereokimia: Kiralitas dan Isomer

Daun mint hijau dan biji jintan Belanda baunya sama sekali tidak mirip: yang satu berbau segar seperti permen karet, yang lain berbau hangat seperti roti gandum hitam. Padahal molekul yang menimbulkan kedua bau itu sama-sama karvon, yang tersusun atas atom-atom yang sama, terikat dalam urutan yang sama. Kedua karvon itu hanya berbeda seperti tangan kiri berbeda dari tangan kanan: yang satu adalah bayangan cermin yang lain. Hidung kita, yang tersusun atas molekul-molekul yang juga “bertangan”, dapat membedakan keduanya. Bab ini belajar melihat molekul dalam tiga dimensi.

Yang sudah kamu ketahui

Bentuk molekul, serta baji yang menggambarkannya di dalam ruang (Bab 24). Isomer struktur (Bab 32). Gugus fungsi (Bab 33).

Mint hijau dan jintan Belanda: dua molekul yang saling bayangan cermin, dua bau.

39.1 Molekul di dalam ruang

Definisi 39.1 (Stereoisomer)

Yang disebut stereoisomer adalah molekul-molekul dengan rumus yang sama dan urutan atom terikat yang sama, yang hanya berbeda dalam susunan atom-atomnya di dalam ruang.

Definisi 39.2 (Representasi Cram)

Dalam representasi Cram sebuah atom karbon dengan empat ikatan tunggal, dua ikatan digambar pada bidang kertas sebagai garis biasa, membentuk sudut, ikatan yang mengarah ke pembaca sebagai baji pejal, dan ikatan yang mengarah menjauh sebagai baji putus-putus.

39.2 Kiralitas

Definisi 39.3 (Kiral, karbon asimetris)

Sebuah benda atau molekul disebut kiral jika tidak dapat ditumpangtindihkan dengan bayangan cerminnya, seperti tangan. Atom karbon yang terikat pada empat atom atau gugus yang berbeda disebut karbon asimetris; karbon itu sering ditandai dengan bintang.

Proposisi 39.4 (Satu karbon asimetris membuat molekul kiral)

Molekul dengan tepat satu karbon asimetris bersifat kiral.

Bukti. Diterima tanpa bukti: menukar dua dari keempat gugus berbeda di sekitar karbon asimetris menghasilkan bayangan cerminnya, dan tidak ada rotasi seluruh molekul yang dapat mengembalikannya, karena keempat gugus itu semuanya berbeda. ∎

Definisi 39.5 (Enantiomer, campuran rasemat)

Dua stereoisomer yang saling bayangan cermin dan tidak dapat ditumpangtindihkan disebut enantiomer. Campuran dua enantiomer dalam jumlah yang sama disebut campuran rasemat.

Kedua enantiomer asam laktat, CH3-CH(OH)-COOH, dalam representasi Cram. Karbon pusatnya asimetris (H, OH, CH3, COOH). Tidak ada rotasi yang mengubah A menjadi B: keduanya berbeda seperti tangan kiri dan tangan kanan. — Kedua enantiomer asam laktat, $\ce{CH3-CH(OH)-COOH}$ , dalam representasi Cram. Karbon pusatnya asimetris ( $\ce{H}$ , $\ce{OH}$ , $\ce{CH3}$ , $\ce{COOH}$ ). Tidak ada rotasi yang mengubah A menjadi B: keduanya berbeda seperti tangan kiri dan tangan kanan.

Metode 39.6 (Apakah sebuah molekul kiral?)

Carilah karbon asimetris: karbon dengan empat gugus yang berbeda. Tidak ada: molekul itu (dalam buku ini) tidak kiral.
Tepat satu: molekul itu kiral.
Dua atau lebih: carilah bidang yang membelah molekul menjadi dua belahan yang saling bayangan cermin, dalam salah satu bentuknya; jika bidang itu ada, molekulnya tidak kiral, jika tidak ada, molekulnya kiral.

Catatan 39.7 (Sifat sama, bau berbeda)

Dua enantiomer memiliki suhu leleh dan suhu didih yang sama, kelarutan yang sama, spektrum yang sama: setiap pengukuran yang dilakukan dengan sesuatu yang tidak kiral memberikan hasil yang sama bagi keduanya. Keduanya hanya berbeda ketika bertemu dengan sesuatu yang kiral, seperti cahaya terpolarisasi, yang diputar keduanya ke arah berlawanan, atau reseptor di hidung: karvon yang satu berbau mint hijau, enantiomernya berbau jintan Belanda.

39.3 Diastereomer

Definisi 39.8 (Diastereomer)

Stereoisomer yang tidak saling bayangan cermin disebut diastereomer. Berbeda dengan enantiomer, diastereomer memiliki sifat fisika yang berbeda.

Proposisi 39.9 (Menghitung stereoisomer)

Molekul dengan $n$ karbon asimetris memiliki paling banyak $2^n$ stereoisomer. Jumlahnya lebih sedikit jika molekul itu memiliki dua belahan yang serupa: salah satu kombinasinya lalu memiliki bidang cermin dan tidak kiral (bentuk meso).

Bukti. Setiap karbon asimetris dapat mengambil dua susunan, tidak bergantung pada karbon lainnya: $2 \times 2 \times \dots \times 2 = 2^n$ kombinasi. Jika dua kombinasi merupakan molekul yang sama, jumlahnya berkurang. ∎

Ketiga stereoisomer asam tartrat. L dan D adalah enantiomer; masing-masing merupakan diastereomer bentuk meso, yang memiliki bidang cermin dalam salah satu bentuknya: tiga stereoisomer, bukan 22 = 4. — Ketiga stereoisomer asam tartrat. L dan D adalah enantiomer; masing-masing merupakan diastereomer bentuk meso, yang memiliki bidang cermin dalam salah satu bentuknya: tiga stereoisomer, bukan $2^2 = 4$ .

Sejarah — Pasteur memilah kristal dengan tangan, 1848

Pada tahun 1848, ahli kimia muda Louis Pasteur mengamati dengan kaca pembesar kristal-kristal sebuah garam “asam rasemat”, suatu bentuk asam tartrat yang tidak memutar cahaya terpolarisasi ke arah mana pun. Ia memperhatikan bahwa kristal-kristal itu terdapat dalam dua bentuk yang saling bayangan cermin, dan ia memilahnya satu per satu dengan pinset. Setelah dilarutkan, tumpukan yang satu memutar cahaya terpolarisasi ke kanan, yang lain ke kiri dengan besar yang sama: asam rasemat ternyata campuran dua molekul yang saling bayangan cermin. Molekul, simpulnya, dapat bertangan.

Louis Pasteur (1822–1895), dipotret oleh Paul Nadar.

39.4 Isomer Z dan E

Definisi 39.10 (Isomer Z dan E)

Jika setiap karbon sebuah ikatan rangkap $\ce{C=C}$ membawa dua atom atau gugus yang berbeda, ada dua stereoisomer, karena ikatan rangkap tidak dapat berotasi. Pada setiap karbon, gugus yang atomnya terikat langsung pada karbon itu memiliki nomor atom lebih besar mendapat prioritas. Jika kedua gugus prioritas berada pada sisi yang sama dari ikatan rangkap, isomernya disebut Z; jika keduanya berada pada sisi yang berlawanan, isomernya disebut E.

Metode 39.11 (Z atau E?)

Periksalah bahwa setiap karbon ikatan rangkap membawa dua gugus yang berbeda; jika tidak, tidak ada isomeri Z/E.
Pada setiap karbon, berikan prioritas kepada gugus yang atom pertamanya memiliki nomor atom lebih besar (aturan lengkap untuk nilai yang sama diberikan dalam buku Tahun Pertama universitas).
Sisi yang sama: Z. Sisi berlawanan: E.

Kedua stereoisomer but-2-ena. Pada setiap karbon, CH3 (karbon, Z = 6) mendapat prioritas atas H (Z = 1). Keduanya diastereomer: titik didihnya berbeda. — Kedua stereoisomer but-2-ena. Pada setiap karbon, $\ce{CH3}$ (karbon, $Z = 6$ ) mendapat prioritas atas $\ce{H}$ ( $Z = 1$ ). Keduanya diastereomer: titik didihnya berbeda.

39.5 Konformasi

Definisi 39.12 (Konformasi)

Atom-atom sebuah molekul dapat berotasi di sekitar ikatan tunggal. Setiap susunan yang dicapai melalui rotasi semacam itu disebut konformasi molekul itu. Konformasi-konformasi sebuah molekul bukan isomer: semuanya terus-menerus berubah satu menjadi yang lain pada suhu kamar.

Dua konformasi etana, CH3-CH3, dilihat sepanjang ikatan C-C: karbon depan adalah titik pusat, karbon belakang adalah lingkaran. Konformasi goyang, dengan atom-atom yang saling paling berjauhan, adalah yang paling stabil. — Dua konformasi etana, $\ce{CH3-CH3}$ , dilihat sepanjang ikatan $\ce{C-C}$ : karbon depan adalah titik pusat, karbon belakang adalah lingkaran. Konformasi goyang, dengan atom-atom yang saling paling berjauhan, adalah yang paling stabil.

Catatan 39.13 (Mengapa hal ini penting)

Makhluk hidup tersusun atas molekul-molekul kiral (protein, gula), dan reseptor serta enzim yang tersusun atas molekul itu membedakan enantiomer: dua enantiomer dapat berbeda jauh dalam bau, rasa, atau khasiatnya sebagai obat. Itulah sebabnya ahli kimia yang membuat obat dengan sebuah karbon asimetris harus tahu enantiomer mana yang dibuatnya, dan menguji masing-masing.

39.6 Latihan

Latihan 39.1 ★

Manakah di antara molekul-molekul ini yang memiliki karbon asimetris? Tandailah dengan bintang. Butan-2-ol $\ce{CH3-CH(OH)-CH2-CH3}$ ; propan-2-ol $\ce{CH3-CH(OH)-CH3}$ ; 2-klorobutana; asam laktat $\ce{CH3-CH(OH)-COOH}$ .

Solusi

Solusi Latihan 39.1.

Butan-2-ol: karbon 2 ( $\ce{H}$ , $\ce{OH}$ , $\ce{CH3}$ , $\ce{CH2CH3}$ ). Propan-2-ol: tidak ada (karbon 2 membawa dua $\ce{CH3}$ yang identik). 2-Klorobutana: karbon 2. Asam laktat: karbon 2 ( $\ce{H}$ , $\ce{OH}$ , $\ce{CH3}$ , $\ce{COOH}$ ).

Latihan 39.2 ★

Apakah setiap isomer ini Z atau E?

Solusi

Solusi Latihan 39.2.

Yang pertama: kedua $\ce{Cl}$ (berprioritas atas $\ce{H}$ ) pada sisi yang sama: Z. Yang kedua: di kiri, $\ce{CH3}$ berprioritas, sisi atas; di kanan, $\ce{CH2CH3}$ berprioritas, sisi bawah: E.

Latihan 39.3 ★

Manakah yang kiral: sarung tangan, sendok, sekrup, kubus? Manakah di antara molekul $\ce{CH2Cl2}$ dan $\ce{CHFClBr}$ yang kiral?

Solusi

Solusi Latihan 39.3.

Kiral: sarung tangan, sekrup. Tidak kiral: sendok, kubus (masing-masing memiliki bidang cermin). $\ce{CHFClBr}$ kiral (empat atom berbeda pada karbon); $\ce{CH2Cl2}$ tidak.

Latihan 39.4 ★

Apa itu campuran rasemat? Dalam kasus karvon, apakah campuran itu berbau mint hijau, jintan Belanda, atau keduanya?

Solusi

Solusi Latihan 39.4.

Campuran dua enantiomer dalam jumlah yang sama. Karvon rasemat mengandung kedua enantiomer, sehingga hidung menerima kedua bau sekaligus.

Latihan 39.5 ★

Dapatkah but-1-ena $\ce{CH2=CH-CH2-CH3}$ berupa isomer Z dan E? Mengapa?

Solusi

Solusi Latihan 39.5.

Tidak: karbon 1 membawa dua atom yang identik, $\ce{H}$ dan $\ce{H}$ ; menukar keduanya menghasilkan molekul yang sama.

Latihan 39.6 ★★

Gambarlah kedua enantiomer butan-2-ol dalam representasi Cram, dengan sebuah cermin di antara keduanya.

Solusi

Solusi Latihan 39.6.

cermin

Latihan 39.7 ★★

Berapa stereoisomer yang dimiliki molekul-molekul ini: 2-klorobutana; 2,3-diklorobutana $\ce{CH3-CHCl-CHCl-CH3}$ ; pent-2-ena $\ce{CH3-CH=CH-CH2-CH3}$ ?

Solusi

Solusi Latihan 39.7.

2-Klorobutana: 2 (satu karbon asimetris). 2,3-Diklorobutana: 3 (dua karbon asimetris dengan belahan yang serupa: sepasang enantiomer dan sebuah bentuk meso). Pent-2-ena: 2 (Z dan E).

Latihan 39.8 ★★

Tentukan apakah pasangan-pasangan ini enantiomer, diastereomer, atau molekul yang sama: asam L- dan D-tartrat; asam L- dan meso-tartrat; (Z)- dan (E)-but-2-ena; asam meso-tartrat dan bayangan cerminnya sendiri.

Solusi

Solusi Latihan 39.8.

Enantiomer; diastereomer; diastereomer; molekul yang sama (asam meso-tartrat dapat ditumpangtindihkan dengan bayangan cerminnya).

Latihan 39.9 ★★

Butana, $\ce{CH3-CH2-CH2-CH3}$ , dilihat sepanjang ikatan tengahnya. Gambarlah konformasi goyang dengan kedua gugus $\ce{CH3}$ saling berseberangan, dan sebuah konformasi eklips dengan keduanya saling berhadapan. Manakah yang lebih stabil? Mengapa?

Solusi

Solusi Latihan 39.9.

Dalam konformasi goyang dengan gugus $\ce{CH3}$ yang saling berseberangan, gugus-gugus besar itu sejauh mungkin satu sama lain: konformasi itu paling stabil. Dalam konformasi eklips, kedua $\ce{CH3}$ saling berhadapan dan saling berdesakan.

Latihan 39.10 ★★

Asam meso-tartrat memiliki dua karbon asimetris tetapi tidak kiral. Jelaskan, dengan memakai bidang cerminnya.

Solusi

Solusi Latihan 39.10.

Kedua belahannya, masing-masing $\ce{CH(OH)COOH}$ , saling bayangan cermin: sebuah bidang di antara kedua karbon pusat membelah molekul itu menjadi dua belahan yang saling bayangan cermin. Molekul dengan bidang cermin adalah bayangan cerminnya sendiri: tidak kiral.

Latihan 39.11 ★★

Gambarlah dan namailah isomer Z dan E pent-2-ena.

Solusi

Solusi Latihan 39.11.

(Z)-pent-2-ena dan (E)-pent-2-ena .

Latihan 39.12 ★★★

2,3-Dibromobutana $\ce{CH3-CHBr-CHBr-CH3}$ memiliki dua karbon asimetris. Gambarlah stereoisomer-stereoisomernya dalam representasi zigzag yang dipakai untuk asam tartrat, lalu tunjukkan bahwa salah satunya adalah bentuk meso.

Solusi

Solusi Latihan 39.12.

Sama seperti asam tartrat, dengan $\ce{Br}$ sebagai ganti $\ce{OH}$ dan $\ce{CH3}$ sebagai ganti $\ce{COOH}$ : kedua $\ce{Br}$ pejal, keduanya putus-putus (sepasang enantiomer), serta satu pejal satu putus-putus, yang memiliki bidang cermin: bentuk meso. Tiga stereoisomer.

Latihan 39.13 ★★★

Sebuah molekul obat memiliki satu karbon asimetris. Sintesisnya menghasilkan campuran rasemat, tetapi hanya satu enantiomer yang cocok dengan reseptor kiral tempat obat itu harus bekerja. Berapa bagian obat rasemat itu yang aktif? Berikan dua cara agar ahli kimia dapat berbuat lebih baik.

Solusi

Solusi Latihan 39.13.

Setengahnya. Ahli kimia dapat memisahkan kedua enantiomer (seperti Pasteur, dengan cara lain), atau hanya membuat enantiomer yang berguna, dengan reaksi yang juga kiral (katalis kiral, enzim, bahan awal yang kiral).

Latihan 39.14 ★★★

Heksa-2,4-diena, $\ce{CH3-CH=CH-CH=CH-CH3}$ , memiliki dua ikatan rangkap, yang masing-masing dapat berupa Z atau E. Berapa stereoisomernya? (Waspadailah simetri molekulnya.)

Solusi

Solusi Latihan 39.14.

Tiga: (2E,4E), (2Z,4Z), dan (2E,4Z), yang terakhir merupakan molekul yang sama dengan (2Z,4E) jika dibaca dari ujung yang lain.

Latihan 39.15 ★★★

Sebuah molekul gula memiliki tiga karbon asimetris dan tidak memiliki simetri. Paling banyak berapa stereoisomer yang dapat dimilikinya? Berapa pasang enantiomer itu? Berapa diastereomer yang dimiliki setiap stereoisomer?

Solusi

Solusi Latihan 39.15.

$2^3 = 8$ stereoisomer, yaitu 4 pasang enantiomer. Setiap stereoisomer memiliki satu enantiomer dan $8 - 2 = 6$ diastereomer.

39.7 Soal: Kristal-kristal Pasteur

Soal 39.1

Soal akhir pekan — asam tartrat memiliki dua karbon asimetris: berapa stereoisomer yang sebenarnya dimilikinya?

Bentuk-bentuk asam tartrat, $\ce{HOOC-CH(OH)-CH(OH)-COOH}$ , berperan menentukan dalam penemuan bahwa molekul dapat bertangan. Asam L-tartrat meleleh pada sekitar $169\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

Bagian I — Molekulnya.

Berikan rumus molekul asam tartrat dan massa molarnya.
Sebutkan gugus-gugus fungsinya, dan berapa banyak masing-masing.
Atom karbon mana yang asimetris? Daftarlah keempat gugus pada masing-masing karbon itu.
Menurut aturan dalam bab ini, paling banyak berapa stereoisomer yang dapat dimilikinya?

Bagian II — Stereoisomer-stereoisomernya.

Pada gambar zigzag asam L-tartrat, apakah gugus-gugus $\ce{OH}$ digambar dengan baji pejal atau baji putus-putus?
Gambarlah bayangan cerminnya. Dapatkah keduanya ditumpangtindihkan? Namailah bayangan cermin itu.
Gambarlah bentuk dengan satu baji pejal dan satu baji putus-putus. Putarlah bentuk itu dalam pikiranmu di sekitar ikatan tengahnya, lalu temukan sebuah bidang cermin.
Apakah bentuk ini kiral? Apa namanya?
Jelaskan mengapa asam tartrat hanya memiliki tiga stereoisomer.
Tentukan apakah L dan D, lalu L dan meso, merupakan enantiomer atau diastereomer.

Bagian III — Sifat-sifatnya.

Pada suhu berapa asam D-tartrat meleleh? Mengapa?
Haruskah asam meso-tartrat meleleh pada suhu yang sama? Mengapa?
Karvon menunjukkan bahwa dua enantiomer dapat berbeda baunya. Mengapa hidung dapat membedakan keduanya sedangkan termometer tidak?
Campuran rasemat asam L- dan D-tartrat: apakah campuran itu zat murni? Apakah campuran itu aktif optis secara keseluruhan?

Bagian IV — Pasteur.

Garam rasemat Pasteur memberikan kristal dengan dua bentuk yang saling bayangan cermin. Apa isi setiap kristal?
Dari $10.0\,\mathrm{g}$ garam rasemat, berapa massa setiap jenis kristal yang dapat ia harapkan?
Mengapa bentuk meso tidak pernah muncul di antara kristal-kristal itu?
Bagaimana ia dapat memeriksa, setelah pemilahan, bahwa kedua tumpukan itu enantiomer?
3-Klorobutan-2-ol, $\ce{CH3-CHCl-CH(OH)-CH3}$ , juga memiliki dua karbon asimetris. Berapa stereoisomernya? Mengapa molekul itu tidak kehilangan satu stereoisomer seperti asam tartrat?
Nyatakan jawaban akhirnya: berapa stereoisomer yang dimiliki asam tartrat?

Solusi

Solusi Soal 39.1.

1. $\ce{C4H6O6}$ ; $M = 4 \times 12.0 + 6 \times 1.0 + 6 \times 16.0 = 150.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ .

2. Dua gugus karboksil (asam) dan dua gugus hidroksil (alkohol).

3. Kedua karbon pusat, masing-masing terikat pada $\ce{H}$ , $\ce{OH}$ , $\ce{COOH}$ , dan $\ce{CH(OH)COOH}$ .

4. $2^2 = 4$ .

5. Keduanya dengan baji pejal.

6. Kedua $\ce{OH}$ dengan baji putus-putus; bayangan itu tidak dapat ditumpangtindihkan dengan L: itulah asam D-tartrat, enantiomernya.

7. Jika diputar di sekitar ikatan tengahnya sehingga kedua $\ce{OH}$ menghadap ke arah yang sama, molekul itu memiliki sebuah bidang di antara kedua karbon pusatnya yang mencerminkan belahan yang satu ke belahan yang lain.

8. Tidak: itulah asam meso-tartrat.

9. Dari keempat kombinasi (pejal, pejal), (putus-putus, putus-putus), (pejal, putus-putus), (putus-putus, pejal), dua yang terakhir merupakan molekul yang sama, yaitu bentuk meso, karena kedua belahan molekulnya serupa.

10. L dan D: enantiomer. L dan meso: diastereomer.

11. Juga pada $169\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : enantiomer memiliki sifat fisika yang sama.

12. Tidak: senyawa itu diastereomer L, senyawa lain dengan sifat-sifatnya sendiri.

13. Reseptor di hidung bersifat kiral dan dapat membedakan bayangan cermin; termometer, yang tidak kiral, tidak dapat.

14. Tidak, campuran itu terdiri atas dua senyawa; secara keseluruhan campuran itu tidak aktif optis, karena kedua enantiomernya saling meniadakan.

15. Hanya satu enantiomer: setiap kristal hanya tersusun atas L atau hanya atas D.

16. Masing-masing $5.0\,\mathrm{g}$ .

17. Bentuk meso adalah senyawa lain, bukan bagian dari campuran rasemat L dan D.

18. Dengan melarutkan setiap tumpukan: larutan-larutannya memutar cahaya terpolarisasi dengan besar yang sama ke arah yang berlawanan (dan kristal-kristalnya saling bayangan cermin).

19. Empat: kedua karbon asimetrisnya membawa gugus yang berbeda ( $\ce{Cl}$ pada yang satu, $\ce{OH}$ pada yang lain), sehingga tidak ada kombinasi yang memiliki bidang cermin, dan tidak ada dua kombinasi yang merupakan molekul yang sama.

20. Tiga: L, D, dan meso.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 852 istilah di glosarium