Niezależnie od tego, czy jesteś studentem, badaczem, czy profesjonalistą, umiejętność rysowania projekcji Fischera jest niezbędna. Struktury te pomagają wizualizować strukturę molekularną substancji chemicznej i ułatwiają wiele prac związanych z chemią.
Ogólne zasady rysowania projekcji Fischera
Na początku XX wieku młody chemik Emil Fischer zaproponował metodę rysowania struktur stereochemicznych w postaci dwuwymiarowej. Metoda ta nosi nazwę projekcji Fischera.
Metoda projekcji Fischera jest stosowana do ilustracji stereochemii węglowodanów. Jest ona prosta i można ją wykonać bez specjalistycznego sprzętu. Stosuje się ją głównie w chemii organicznej i biochemii – ta informacja została podana przez redaktora serwisu spawam.pl. IUPAC odradza stosowanie projekcji Fischera w biochemii, ponieważ rysunki mogą być mylące. Nie są one dokładne dla większości cząsteczek. Możliwe jest jednak przekształcenie projekcji Fischera na diagramy liniowe, o ile rysunek jest zgodny z podstawowymi zasadami.
Projekcja Fischera polega na narysowaniu monosacharydu z wiązaniami poziomymi zorientowanymi w kierunku widza i pionowymi zorientowanymi od widza. Pierwsza nachylona linia służy do przedstawienia wiązania między dwoma atomami węgla. Druga linia nachylona reprezentuje wiązanie pomiędzy dwoma atomami wodoru i grupą hydroksylową. Pozostałe atomy węgla są dołączone do dolnych części pionowych linii. Pierwszy atom węgla znajduje się na górze.
Metoda projekcji Fischera jest używana do rysowania struktur stereochemicznych, takich jak monosacharydy i aminokwasy. Rzuty Fischera pozwalają nam również na porównywanie zestawów związków. Oprócz porównywania stereochemii, można je również wykorzystać do zobrazowania centrum chiralnego węgla. Monosacharyd ma cztery unikalne wiązania, z których każde jest związane z jednym węglem. Na przykład, przedostatni węgiel D-cukru jest pokazany z atomem wodoru po lewej stronie i grupą hydroksylową po prawej.
Aby stworzyć projekcję Fischera, należy najpierw obrócić cząsteczkę o 180 stopni w przestrzeni. Pierwsza grupa priorytetowa jest umieszczona na górze, a drugie i trzecie podstawniki priorytetowe są umieszczone po obu jej stronach. Dolna grupa priorytetowa jest zorientowana w kierunku widza. Następnie cząsteczkę można obrócić ponownie, tak aby prawa i lewa grupa były zorientowane z dala od widza. Po uzyskaniu takiego obrotu można przystąpić do rysowania rzutu Fischera.
Projekcja Fischera jest przydatna do ilustrowania monosacharydów, aminokwasów i innych cząsteczek z wieloma centrami chiralnymi. Jednak nie jest on dokładny dla większości cząsteczek organicznych. Można je wykorzystać do porównania zestawów związków, ale trzeba nauczyć się korzystać z tej techniki i unikać błędów.
Rzuty Fischera są stosowane przede wszystkim do ilustracji monosacharydów. Służą do identyfikacji centrum chiralnego i stereochemii węglowodanów w postaci dwuwymiarowej. Mogą być jednak zaadaptowane dla innych typów cząsteczek. Są szczególnie pomocne przy porównaniach stereochemicznych związków z wieloma centrami chiralnymi. Nie są dokładne dla cząsteczek o otwartych łańcuchach. Mogą być jednak łatwo przystosowane do rysowania struktur tetraedrycznych.
Projekcja Fischera jest jednym z najwcześniejszych rozwiązań rysowania trójwymiarowych cząsteczek na dwuwymiarowej kartce. Jego twórcą był Emil Fischer, który w 1902 roku otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Może być jednak trudna do uchwycenia, dlatego ważne jest poznanie jej podstaw. Ważne jest również, aby wiedzieć, że projekcja Fischera nie może być obrócona o 90 stopni bez zmiany stereoizomerii.
Konwersja struktury linii wiązań do odpowiadającej jej projekcji Fischera
Struktura molekularna jest jednym z najważniejszych aspektów chemii, a konwersja struktury linii wiązań do odpowiadającej jej projekcji Fischera może być trudnym zadaniem. Projekcja Fischera jest wizualną reprezentacją trójwymiarowej cząsteczki organicznej w przestrzeni dwuwymiarowej. Rysunki te składają się z monosacharydów i są wykorzystywane z wielu powodów, w tym do identyfikacji centrów chiralnych w związkach organicznych. Pomagają również w generowaniu algebraicznych struktur cząsteczek tetraedrycznych.
Najlepszym sposobem na opanowanie rzutu Fischera jest praktyka. Jednym z kluczowych pojęć jest użycie notacji linii kreskowanych, które są szczególnie przydatne w związkach z wieloma centrami chiralnymi. Struktury te są zwykle określane jako konformery rozłożone i są najczęstszym typem cząsteczki próbnej. Ten typ struktury jest często przedstawiany w rzucie rombowym, podczas gdy prostsza wersja tego rysunku pokazywałaby cząsteczkę w stanie pełnego zaćmienia. Czasami studenci są uczeni, aby najpierw narysować konformer w pełni zaćmiony, a dopiero później resztę struktury. Ta metoda może być mniej niż idealna, szczególnie w przypadku mniejszych cząsteczek.
Projekcja Fischera jest również przydatna do pokazania trójwęglowej aldozy, takiej jak D-gliceraldehyd pokazany na poniższym wykresie. Na rysunku przedstawiono cztery wiązania do chiralnych atomów węgla, każdy innym kolorem. Czerwona kulka to tlen, a biała to wodór. Każdy z tych atomów jest przyłączony do atomu węgla znajdującego się na dole pionowej linii. Najbardziej znacząca jest jednak czarna kulka, która jest węglem.
Projekcja Fischera ma trzy główne elementy: centrum chiralne, stereocentrum i odpowiadający mu enancjomer. Każdemu z tych chiralnych centrów przypisany jest numer priorytetowy, za pomocą którego można określić, które z nich jest najważniejsze. Na przykład grupa Cl jest najważniejsza, a grupa CH najmniej ważna. Najważniejsza z nich powinna znajdować się po lewej stronie Fischera. Grupa OH powinna być po prawej stronie.
Najważniejszy jest również enancjomer, a rzut Fischera wykorzystuje szereg konwencji, aby to pokazać. W najbardziej podstawowym przykładzie wszystkie wiązania poziome powinny być skierowane na zewnątrz strony. W bardziej skomplikowanym przypadku cząsteczka może być obrócona o 90o w obrębie płaszczyzny. Jest to sprytne posunięcie, ale może nie być odpowiednie dla wszystkich związków. Użyteczny jest również konformer rozłożony w czasie, ponieważ daje bardziej realistyczny obraz relacji konfiguracyjnych pomiędzy różnymi ligandami a chiralnym węglem. Dodatkowo, pomiędzy dwoma konformerami o lustrzanych relacjach rysowana jest linia lustrzana.
Chociaż projekcja Fischera nie jest najbardziej efektywną reprezentacją trójwymiarowej cząsteczki, to z pewnością jest najbardziej efektowna. Pozwala chemikowi łatwo zwizualizować centra chiralne związku organicznego i przypisać im priorytet liczbowy. Chiralny węgiel jest również klasyfikowany na dwa typy, w oparciu o względne pozycje wyżej położonych podstawników.
Znajdowanie enancjomerów cząsteczki w projekcji Fischera
Użycie projekcji Fischera jest efektywnym sposobem wizualizacji konfiguracji 3D cząsteczki. Można go użyć do porównania diastereomerów, stereoizomerów i centrów chiralnych. Ma ona jednak swoje ograniczenia. Oznacza to, że nie zawsze jest przydatna, gdy próbujemy ustalić relacje między różnymi cząsteczkami. W przeciwieństwie do innych metod rysowania cząsteczek, nie jest możliwe obrócenie rzutu Fischera o 90 stopni. Oznacza to, że molekuła nie będzie lustrzanym odbiciem samej siebie.
Jednak projekcje Fischera są dobrym sposobem na wizualizację podstawników. W szczególności dobrym przykładem są węglowodany. Węglowodany to rodzina związków z wieloma centrami chiralnymi. Każde centrum chiralne jest oznaczone oddzielnie. Centra te mogą nie pokrywać się idealnie, ale są wystarczająco blisko siebie, aby móc określić enancjomer danego związku.
Najprostszym cukrem jest gliceraldehyd. Jego chiralnym centrum jest centralny atom węgla, który pełni rolę centrum chiralnego. To centrum chiralne jest połączone z czterema innymi atomami, które również są oznaczone jako centra chiralne. Centra te są klasyfikowane jako prawo- lub lewoskrętne na podstawie ich względnych pozycji w cząsteczce.
Jednym z najważniejszych zastosowań projekcji Fischera jest porównywanie enancjomerów związków. Możliwe jest obrócenie jednego z trzech podstawników, a to może pomóc w ustaleniu, który enancjomer jest właściwy. Dzieje się tak, ponieważ projekcje Fischera szeregują podstawniki zgodnie ze schematem szeregowania Cahn-Ingold-Prelog. Zazwyczaj grupa funkcyjna o najwyższym priorytecie jest umieszczona na dole Y najbliżej ciebie, podczas gdy druga jest umieszczona na dole Y najdalej od ciebie.
Oprócz przydatności do porównywania enancjomerów, projekcje Fischera są również przydatne do określania chiralności konkretnych węgli. Dokonuje się tego poprzez obrót stereogenicznego węgla do orientacji projekcji Fischera. Pozwala to zobaczyć centrum chiralne jako krzyż, a nie jako płaską cząsteczkę z 90 kątami wiązań. Jest to szczególnie przydatne przy rysowaniu węglowodanów, ponieważ węglowodany mają wiele centrów chiralnych.
Pierwsza nachylona linia w rzucie Fischera reprezentuje wiązanie pomiędzy dwoma atomami węgla. Pozostałe węgle są umieszczone po obu stronach węgla stereogenicznego. Węgle te należą do rodziny “L”. Węgle te są zwykle postrzegane jako dwa wiązania w płaszczyźnie i są również klasyfikowane jako prawo- lub lewoskrętne.
Rzut Fischera może być obrócony o pełne 180 stopni, ale nie o 90 stopni. Nie zmienia to jednak znaczenia rysunku. Zazwyczaj enancjomer zmieni się po obróceniu struktury Fischera, więc najlepiej starać się unikać obracania. Nie jest to jednak sprawa prosta. Łatwo jest popełnić błąd przy próbie obracania struktury Fischera.
Oprócz wyświetlania centrum chiralnego, projekcja Fischera wyświetla również priorytet podstawników. Podstawnik o najniższym priorytecie jest umieszczony najdalej od oka. Priorytet podstawników jest również wskazywany przez kształt cząsteczki. Na przykład grupa utleniona na szczycie cukru jest najważniejsza, natomiast grupy H i OH są umieszczone po obu stronach centrum stereogenicznego.
