Isomerisatie

Isomerisatie is een chemische reactie waarbij het hoofdproduct een isomeer is van de belangrijkste reactant. Bij isomerisatie verandert 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 bijvoorbeeld imines. Hierdoor ontstaan bijvoorbeeld diastereomeren of enantiomeren. Isomerisaties kunnen eenstaps of meerstaps zijn, al dan niet gekatalyseerd. Een intramoleculaire isomerisatie waarbij bindingen worden gemaakt of verbroken is een bijzonder geval van omlegging. Omlegging valt niet noodzakelijkerwijs onder isomerisatie.

Soorten isomerisatiereacties

Racemisatie

Racemisatie is 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 het thermodynamisch evenwicht. Resolutie is 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 sp³ gehybridiseerd atoom. Een dergelijke situatie komt voor bij aminen, fosfinen en bepaalde zwavelverbindingen. Gedurende de inversie gaat het sp³ gehybridiseerd atoom over naar een sp² hybridisatie met het vrije elektron in het ontstane p-orbitaal. Volgens de ValentieSchilElectronenPaarRepulsie theorie (kortweg VSEPR) 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 sp² gehybridiseerd 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 met vrij 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 de vormingsenthalpie van 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 de Markovnikov-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) te katalyseren. Ze versnellen reacties in levende wezens door via een alternatief reactiemechanisme de activeringsenergie te 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 deze radicaalreactie wordt 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 een evenwichtstoestand bekomen. Zie ook het voorbeeld van de omzetting van trans-stilbeen in cis-stilbeen:

Deze reactie wordt onder andere gebruikt voor het licht-geïnduceerd aanmaken van fenantreen met cyclohexaan als oplosmiddel. 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 bij uitkristallisatie kristallen vormen elkaars spiegelbeeld zijn. Isomerisaties herkent men experimenteel bijvoorbeeld met de volgende technieken:

• polarografie: isomeren met een stereocenter zullen gepolariseerd licht afbuigen. Met een polarimeter meet men deze afbuigingshoek. Elk isomeer heeft zijn eigen polarisatiehoek (enantiomeren hebben een tegengestelde hoek). Bij isomerisatie verandert deze draaiingshoek langzaam. Racemisatie van een enantiomeer zorgt er bijvoorbeeld voor dat de draaiingshoek volledig verdwijnt.
• spectroscopie: spectroscopische methoden onderzoeken de interactie van elektromagnetische straling van verschillende energieën met de moleculen. De optredende interacties geven productspecifieke en/of structurele informatie over de onderzochte producten:
  • Ramanspectroscopie: onderzoekt de energieverschillen tussen de vibratie-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⁻¹ terwijl 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 zoals ¹H en ¹³C 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

De Gibbs vrije energie of energie-inhoud van isomeren is veelal gelijk of ruwweg gelijk. Daardoor komen de betrokken isomeren dikwijls in ongeveer gelijke percentages (percentages volgens de Boltzmann-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

$k_{\text{B}}$ de boltzmannconstante

$T$ de temperatuur in kelvin

De formule van Arrhenius geeft het verband van de reactiesnelheid met de temperatuur:

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

met:

• k: constante voor de reactie
• A: factor of de frequentiefactor specifiek voor elke reactie. A hangt af van de kans dat de moleculen op de juiste manier in botsing zullen komen.
• E_A: activeringsenergie
• R: molaire gasconstante
• T: temperatuur in kelvin

Wanneer de activeringsenergie dus laag is, zijn isomeren gemakkelijk in elkaar om te zetten. Stereoisomeren die in elkaar eenvoudig omgezet kunnen worden door rotatie rond een binding, noemt men conformatie-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 men configuratie-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 bij spectroscopie, analytische chemie of organische synthese dient 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, katalyse en beschermende groepen.

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

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 de Krebs-cyclus, als voor de productie van zetmeel (gemaakt uit α-D-glucose) en voor de productie van cellulose (gemaakt van β-D-glucose) in (wellicht) weer andere cellen.

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

Zie ook

• Chemische reactie
• Chiraal centrum
• Eutectisch punt
• Isomeer
• Kinetiek
• Polarimeter
• Racemisatie
• Resolutie
• Tautomeer

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

---