Zadanie 22

Treść zadania

Przeprowadzono dwie reakcje: propan-2-onu oraz butan-2-onu — każda z borowodorkiem sodu. W jednej z tych przemian otrzymano mieszaninę enancjomerów.

Zadanie 22. (0–1)

Rozstrzygnij, w której reakcji — z propan-2-onem czy z butan-2-onem — otrzymano mieszaninę enancjomerów. Odpowiedź uzasadnij.

Rozstrzygnięcie: ............

Uzasadnienie: ............

Źródło: arkusz CKE MCHP-R0-100-2505. Otwórz oryginalny PDF

Rozwiązanie

Rozstrzygnięcie: mieszanina enancjomerów powstaje w reakcji z butan-2-onem.

Uzasadnienie:

Propan-2-on (aceton) → propan-2-ol:

Substrat: CH₃-CO-CH₃.
Produkt: CH₃-CH(OH)-CH₃ = 2-propanol.
Atom C₂ (z OH) jest połączony z: CH₃, CH₃, H, OH = ma dwa identyczne podstawniki (2 × CH₃) → NIE jest centrum chiralności → produkt NIE ma enancjomerów (jest achiralny).

Butan-2-on → butan-2-ol:

Substrat: CH₃-CO-CH₂-CH₃.
Produkt: CH₃-CH(OH)-CH₂-CH₃ = 2-butanol.
Atom C₂ (z OH) jest połączony z: CH₃, C₂H₅ (CH₂CH₃), H, OH = wszystkie 4 podstawniki różne → centrum chiralności (asymetryczny atom C) → produkt ma 2 enancjomery (R i S).

NaBH₄ jest niechiralnym reduktorem → atakuje grupę C=O z obu stron z równym prawdopodobieństwem → powstaje mieszanina racemiczna 1:1 (50% R + 50% S).

W przypadku butan-2-onu → mieszanina enancjomerów (R)-butan-2-ol + (S)-butan-2-ol w stosunku 1:1.

W przypadku propan-2-onu → tylko jeden produkt (achiralny), bez enancjomerów.

Typowy błąd / pułapka

Pułapka — niewłaściwa identyfikacja centrum chiralności. Stereo-centrum (chiralny C) = C połączony z 4 różnymi podstawnikami. Klucz: porównaj wszystkie 4 grupy wokół C.

Pułapka — pomylenie kierunku. Aceton (CH₃-CO-CH₃) ma symetrię wokół C=O → po redukcji centrum C ma dwa identyczne CH₃ → brak chiralności. Butan-2-on (CH₃-CO-CH₂CH₃) ma asymetrię → po redukcji 4 różne grupy → chiralność.

Pułapka — racemiczna mieszanina. NaBH₄ niechiralny → R:S = 1:1 (racemat). Chiralny reduktor (np. enzym, BINAL-H) → preferencja jednej formy.

Strona arkusza CKE z trescia zadania

Zadanie 22 - enancjomery z NaBH4 — Strona 26 arkusza CKE 2025 PR chemia - zadanie 22 (chiralność po redukcji ketonów). Na podstawie: CKE 2025 Oryginalny PDF CKE, str. 26

Klucz pojęciowy — chiralność i enancjomery

Chiralność = cząsteczka nie nakłada się ze swoim lustrzanym odbiciem.

Stereocentrum (chiralny atom C) = atom C połączony z 4 różnymi podstawnikami.

Enancjomery = pary chiralnych cząsteczek, lustrzane odbicia, nieidentyczne. Mają takie same właściwości fizyczne (T_topnienia, T_wrzenia, gęstość) ALE:

Skręcają płaszczyznę światła spolaryzowanego w przeciwnych kierunkach (R: + dextro lub - lewo; S: vice versa).
Reakcje z chiralnymi cząsteczkami mogą być różne (np. enzymy działają na 1 enancjomer).

Racemat = mieszanina 50:50 enancjomerów R i S. Nie skręca światła (efekty się znoszą).

Analiza: propan-2-ol vs butan-2-ol

Propan-2-ol (CH₃-CH(OH)-CH₃):

C₂ (z OH): otoczony CH₃, CH₃, H, OH.
2 identyczne podstawniki (CH₃) → NIE chiralny → achiralny.
Brak enancjomerów.

Butan-2-ol (CH₃-CH(OH)-CH₂-CH₃):

C₂ (z OH): otoczony CH₃ (mała grupa), CH₂CH₃ (większa), H, OH.
4 różne podstawniki → C₂ jest stereocentrum → chiralny.
2 enancjomery: (R)-butan-2-ol i (S)-butan-2-ol.

Mechanizm: niechiralny NaBH₄ daje racemat

NaBH₄ = mała symetryczna cząsteczka (tetraedr) → niechiralna.

Atak na C grupy C=O: hydrydek (H⁻) z BH₄⁻ atakuje C z dwóch stron (od góry lub od dołu płaszczyzny C=O) z równym prawdopodobieństwem.

Wynik: produkty (R) i (S) powstają w stosunku 1:1 (racemat).

Sumaryczne skręcenie światła = 0 (racemat nieoptycznie czynny).

Mechanizm: jak otrzymać czysty enancjomer?

Sposoby otrzymywania jednego enancjomera:

Synteza asymetryczna (chiralne reduktory, np. BINAL-H, Corey CBS).
Enzymy (dehydrogenazy bakteryjne) — biologicznie chiralne.
Rozdział racematu (resolution): krystalizacja diastereomerów, chromatografia chiralna.
Chiral pool synteza z naturalnych chiralnych substratów (cukry, aminokwasy).

Klucz pojęciowy — znaczenie enancjomerii w farmacji

90% leków to chiralne związki. Często tylko 1 enancjomer jest aktywny:

Lek	Aktywny enancjomer	Nieaktywny
Ibuprofen	(S) = aktywny przeciwzapalny	(R) — nieaktywny
Thalidomid (Contergan)	(R) = sedatyw	(S) = teratogeniczny (deformacje płodu!)
Lewotyroksyna (T4)	(S, L) = naturalna, aktywna	(R, D) — nieaktywna
Penicylina	tylko (D) - aktywna	(L) - nieaktywna

Tragedia Thalidomidu (lata 60.) — racemat sprzedawany jako lek na poranne nudności w ciąży. (S)-enancjomer powodował malformacje płodu. ~10 000 dzieci urodzonych z deformacjami. Lekcja: enancjomery mogą być drastycznie różne w działaniu biologicznym.

Punktacja CKE

22. 1 pkt — butan-2-on + uzasadnienie odwołujące się do stereocentrum (4 różne grupy).

Po co to umieć

Chiralność w naturze:

Cukry — w naturze prawie wyłącznie D-cukry (D-glukoza, D-fruktoza).
Aminokwasy — w naturze prawie wyłącznie L-aminokwasy (poza glicyną, niechiralną).
DNA — prawoskrętna helisa (forma B-DNA).

Origin of homochirality = niewyjaśniony problem biochemii. Dlaczego życie wybrało D-cukry + L-aminokwasy? Teorie: katalityczne meteoryty, polaryzacja kosmiczna, autokataliza.

Chiralność w przemyśle farmaceutycznym:

FDA wymaga osobnego testowania każdego enancjomera dla nowych leków.
Synteza asymetryczna = Nobel 2001 (Knowles, Noyori, Sharpless).
Enzymy w syntezie = “green chemistry”, stosowane w produkcji leków.

Chiralne katalizatory:

BINAP (Noyori, asymetryczne uwodornianie) — Nobel 2001.
Sharpless asymetryczne epoksydowanie olefin (R/S diastereomery).
Kataliza enzymatyczna w syntezie statyn, antybiotyków.

Test polariskopowy — prosty sposób identyfikacji chiralnych związków: jeśli substancja skręca polarisację, jest chiralna i nie jest racematem.