Wissenschaftliche Fachliteratur und Lehrbücher

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1 Wissenschaftliche Fachliteratur und Lehrbücher Lehrbuch «rganische hemie» Satz, Umbruch, Druckvorbereitung

2 Stereochemie Anordnung von Atomen im Raum und die Stereochemie von Additionsreaktionen 5.1 is/trans-isomere hiralität Asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome Isomere mit einem asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatom Asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome und Stereozentren Das Zeichnen von Enantiomeren Die Benennung von Enantiomeren: Das R, S-System ptische Aktivität Die Messung einer spezifischen Drehung Enantiomerenüberschuss Isomere mit mehr als einem asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatom Mesoverbindungen Nomenklatur für Isomere mit mehr als einem asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatom Reaktionen von Verbindungen mit einem asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatom Die absolute Konfiguration des (+)-Glycerinaldehyds Die Trennung von Enantiomeren Stickstoff- und Phosphorchiralitätszentren Stereochemie von Reaktionen: Regioselektive, stereoselektive und stereospezifische Reaktionen Die Stereochemie der elektrophilen Addition an Alkene Der stereochemische Verlauf enzymkatalysierter Reaktionen Die Unterscheidung von Enantiomeren durch biologische Moleküle Zusammenfassung Schlüsselbegriffe Übungen ÜBERBLIK

3 5 STEREEMIE ANRDNUNG VN ATMEN IM RAUM UND DIE STEREEMIE VN ADDITINSREAKTINEN nicht überlagerungsfähige Spiegelbilder AUF GRUNDLAGEN AUFBAUEN Abschnitt 5.1 Verbindungen, die aufgrund ihrer zyklischen Struktur oder einer Doppelbindung nur eingeschränkt rotationsfähig sind, können über cis-/trans- Isomere verfügen (2.14 und 3.4). Wir lernen in diesem Kapitel, dass diese Isomere eine von zwei möglichen Varianten der Stereoisomere darstellen. Abschnitt 5.7 Stereoisomere mit asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatomen werden mithilfe des gleichen Prioritätensystems benannt wie E- und Z-Isomere (3.5). Abschnitt 5.19 In Kapitel 4 haben Sie gelernt, wie man das auptprodukt der elektrophilen Additionsreaktion eines Alkens identifiziert. In diesem Kapitel werden Sie lernen, wie man die Stereoisomere dieses Produkts bestimmt. Abschnitt 5.19 Ein positiv geladenes Kohlenstoffatom ist sp 2 -hybridisiert; folglich liegen die drei Atome, die an es gebunden sind, in einer Ebene. Diese Struktur beeinflusst die Stereoisomere, die in Reaktionen mit einem arbokation- Intermediat gebildet werden. Verbindungen, die dieselbe Summenformel aufweisen, aber nicht identisch sind, werden Isomere genannt. Die Isomere zerfallen in zwei auptklassen: Die Konstitutionsisomere und die Stereoisomere. Konstitutionsisomere unterscheiden sich in der Art und Weise, in der ihre Atome miteinander verknüpft sind (siehe Kapitel 2, Einführung). Ethanol und Dimethylether sind ein Beispiel für die Konstitutionsisomerie, weil die Verbindungen identische Summenformeln besitzen ( 2 6 ), die Atome in jeder der beiden Verbindungen aber unterschiedlich verknüpft sind. Das Sauerstoffatom im Ethanol ist an ein Kohlenstoff- und an ein Wasserstoffatom gebunden, wohingegen das Sauerstoffatom im Dimethylether an zwei Kohlenstoffatome gebunden ist. 238

4 5.1 is/ trans-isomere Konstitutionsisomere l 3 2 Ethanol und 3 3 Dimethylether l 1-hlorbutan und hlorbutan n-pentan und Isopentan 3 3 Aceton und 3 2 Propanal Anders als die Atome der Konstitutionsisomere sind die Atome der Stereoisomere auf die gleiche Weise miteinander verknüpft. Stereoisomere (die auch Konfigurationsisomere genannt werden) unterscheiden sich in der Art und Weise, in der die Atome im Raum angeordnet sind. Stereoisomere sind unterschiedliche Verbindungen, die sich nicht bereitwillig ineinander umwandeln. Sie können daher getrennt werden. Man unterscheidet zwei Arten von Stereoisomeren: Die cis/trans-isomere und Isomere, die hiralitätszentren enthalten. Isomere Konstitutionsisomere Stereoisomere cis-/trans- Isomere Isomere mit hiralitätszentren Nach einer Wiederholung der cis/ trans-isomere werden wir uns Isomeren zuwenden, die hiralitätszentren enthalten die einzigen Stereoisomere, die wir noch nicht kennen gelernt haben. Anschließend werden wir uns wieder den bereits aus Kapitel 4 bekannten Reaktionen zuwenden und für diejenigen von ihnen, als deren Produkte Stereoisomere gebildet werden können, ermitteln, welche dies sind. ÜBUNG 1 cis-2-penten cis-2-penten (a) Zeichnen Sie drei Konstitutionsisomere mit der Summenformel 3 8. (b) Wie viele Konstitutionsisomere der Summenformel 4 10 lassen sich zeichnen? is/ trans-isomere 5.1 is/trans-isomere, die man auch geometrische Isomere nennt, ergeben sich aus einer eingeschränkten Rotationsfähigkeit. Eine eingeschränkte Rotation kann entweder durch eine Doppelbindung oder eine zyklische Struktur verursacht sein. Wir haben bereits gesehen, dass ein Alken wie 2-Penten als Resultat der eingeschränkten Rotation um eine Kohlenstoff Kohlenstoff-Doppelbindung in Form von cis- und trans-isomeren vorkommen kann (siehe Abschnitt 3.4). Beim cis-isomer stehen die Wasserstoffatome auf derselben Seite der Doppelbindung, wohingegen beim trans-isomer die Wasserstoffatome auf gegenüberliegenden Seiten der Doppelbindung stehen. Erinnern Sie sich daran, dass bei komplexeren Molekülen anstelle von cis und trans Z bzw. E verwendet werden. trans-2-penten trans-2-penten 239

5 5 STEREEMIE ANRDNUNG VN ATMEN IM RAUM UND DIE STEREEMIE VN ADDITINSREAKTINEN 3D-Moleküle: cis-2-penten, trans-2-penten Zyklische Verbindungen können ebenfalls als cis- und trans-isomere vorliegen (siehe Abschnitt 2.14). Beim cis-isomer stehen die Wasserstoffatome auf derselben Seite des Ringes, wohingegen beim trans-isomer die Wasserstoffatome auf gegenüberliegenden Seiten des Ringes stehen. l cis-1-om-3-chlorcyclobutan l trans-1-om-3-chlorcyclobutan cis-1,4-dimethylcyclohexan 3 trans-1,4-dimethylcyclohexan ÜBUNG 2 Zeichnen Sie das cis- und das trans-isomer der folgenden Verbindungen: (a) 3-exen; (b) 2-Methyl-3-hepten; (c) 1-om-4-chlorcyclohexan; (d) 1-Ethyl-3-methylcyclobutan. hiralität 5.2 chirale bjekte rechte and linke and Warum können Sie Ihren rechten Schuh nicht auf den linken Fuß ziehen? Warum können Sie Ihren rechten andschuh nicht auf die linke and stülpen? Dies ist so, weil ände, Füße, Schuhe und andschuhe in einer rechtshändigen und einer linkshändigen Form existieren. Ein bjekt, von dem eine rechtshändige und eine linkshändige Form existiert, ist chiral. Das Wort chiral leitet sich von dem griechischen Wort cheir ab, das and bedeutet. Beachten Sie, dass hiralität (ändigkeit) eine Eigenschaft eines bjektes als Ganzem ist. Ein chirales bjekt besitzt nicht überlagerungsfähige Spiegelbilder. Mit anderen Worten: Sein Spiegelbild ist mit dem bjekt nicht identisch. Eine and ist chiral, da wir, wenn wir die rechte and in einem Spiegel betrachten, nicht die rechte and sehen; wir sehen die linke and ( Abbildung 5.1). Im Gegensatz hierzu ist ein Stuhl nicht chiral er sieht im Spiegel genauso aus. bjekte, die nicht chiral sind, werden als achiral (= nichtchiral) bezeichnet. Ein achirales bjekt besitzt ein überlagerungsfähiges Spiegelbild. Einige andere achirale bjekte wären z.b. ein Tisch, eine Gabel und ein Glas. achirale bjekte Abbildung 5.1: Einsatz eines Spiegels zum hiralitätstest. Ein chirales bjekt ist nicht mit seinem Spiegelbild identisch Bild und Spiegelbild sind nicht deckungsgleich. Ein achirales bjekt ist identisch mit seinem Spiegelbild sie sind deckungsgleich. 240

6 5.3 Asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome ÜBUNG 3 Welche der folgenden bjekte sind chiral? (a) eine Tasse mit dem Wort DAD auf einer Seite des Griffs (b) eine Tasse mit dem Wort MM auf einer Seite des Griffs (c) eine Tasse mit dem Wort DAD auf der dem Griff gegenüberliegenden Seite (d) eine Tasse mit dem Wort MM auf der dem Griff gegenüberliegenden Seite (e) ein Schubkarren (f) eine Fernbedienung (g) ein Nagel (h) eine Schraube ÜBUNG 4 (a) Nennen Sie fünf Großbuchstaben, die chiral sind. (b) Nennen Sie fünf Großbuchstaben, die achiral sind. Asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome 5.3 Nicht nur makroskopische bjekte können chiral sein, Moleküle können es auch. Das Merkmal, das am häufigsten der hiralität eines Moleküls zugrunde liegt, ist ein asymmetrisch substituiertes Kohlenstoffatom. Andere molekulare Merkmale, die hiralität zur Folge haben, sind relativ selten und sprengen den Rahmen dieses Buches. Sie können jedoch eines dieser Merkmale in Übung 96 kennen lernen. Ein asymmetrisch substituiertes Kohlenstoffatom (auch hiralitätszentrum; der Begriff asymmetrisches Kohlenstoffatom sollte vermieden werden, da er suggeriert, dass das -Atom selbst nicht symmetrisch ist) ist ein Kohlenstoffatom, an das vier unterschiedliche Bindungspartner gebunden sind. Das asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatom ist in den nachfolgenden Verbindungen durch einen Stern gekennzeichnet. So ist beispielsweise das markierte Kohlenstoffatom im 4-ctanol asymmetrisch substituiert, weil es vier unterschiedliche Bindungspartner trägt (,, und ). Man beachte, dass die Unterschiede in den Bindungspartnern des asymmetrisch substituierten -Atoms nicht notwendigerweise diesem direkt benachbart sind. So sind etwa ein Propyl- und ein Butylrest verschieden, selbst wenn die Stelle, an der der Unterschied zum Tragen kommt, um einiges vom asymmetrisch substituierten -Atom entfernt liegt. Das markierte -Atom im 2,4-Dimethylhexan ist ein asymmetrisch substituiertes -Atom, weil es vier unterschiedliche Gruppen bzw. Atome trägt: einen Methyl-, einen Ethyl-, einen Isobutylrest und ein Wasserstoffatom. MERKE! Ein Molekül mit einem asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatom ist chiral. * ctanol * omobutan 3 * ,4-Dimethylhexan ein asymmetrisch substituiertes Kohlenstoffatom 241

7 5 STEREEMIE ANRDNUNG VN ATMEN IM RAUM UND DIE STEREEMIE VN ADDITINSREAKTINEN ÜBUNG 5 Welche der folgenden Verbindungen besitzt ein asymmetrisch substituiertes Kohlenstoffatom? 3 (a) l (c) (e) 3223 (b) (d) 3 2 (f) N 2 ÜBUNG 6 (mit Lösung) Tetracyclin ist ein eitbandantibiotikum, weil es gegen eine breite Palette von Bakterien aktiv ist. Wie viele asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome (hiralitätszentren) besitzt das Tetracyclinmolekül? Lösung Nur sp 3 -hybridisierte -Atome können hiralitätszentren sein, da ein asymmetrisch substituiertes -Atom vier unterschiedliche Bindungspartner haben muss. Als Erstes lokalisiert man daher alle sp 3 -hybridisierten -Atome des Tetracyclins. Sie sind in der Formel rot beziffert. Das Tetracyclin hat neun solche sp 3 -hybridisierten -Atome. Vier von ihnen (Nummern 1, 2, 5 und 8) sind nicht asymmetrisch substituiert, da sie nicht an vier unterschiedliche Bindungspartner geknüpft sind. Das Tetracyclin besitzt somit fünf asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome N Tetracyclin 2 3 N 2 Isomere mit einem asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatom 5.4 Eine Verbindung mit einem asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatom wie das 2-ombutan kann in Form zweier verschiedener Stereoisomere vorkommen. Die beiden Isomere sind analog zu einer rechten und einer linken and. Stellen Sie sich einen Spiegel zwischen den beiden Isomeren vor; beachten Sie, dass die beiden Spiegelbilder des jeweils anderen sind. Die beiden Stereoisomere sind nicht deckungsgleiche Spiegelbilder sie sind unterschiedliche Moleküle. * ombutan Spiegel die beiden Isomere des 2-ombutans Enantiomere 242

8 5.5 Asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome und Stereozentren Nicht deckungsgleiche, spiegelbildliche Moleküle werden Enantiomere genannt (enantion, gr. gegenüber ). Die beiden Stereoisomere des 2-ombutans sind Enantiomere. Ein Molekül, das ein Spiegelbild besitzt, mit dem es nicht zur Deckung zu bringen ist, ist wie jedes andere bjekt, das ein nicht überlagerungsfähiges Spiegelbild aufweist, chiral. Jedes der Enantiomere eines Enantiomerenpaares ist chiral. Man vergesse dabei nicht, dass hiralität eine Eigenschaft des Moleküls als Ganzem ist. Ein Molekül, das ein Spiegelbild besitzt, mit dem es zur Deckung zu bringen ist, ist wie jedes andere bjekt, das ein überlagerungsfähiges Spiegelbild aufweist, achiral. Um zu erkennen, dass ein achirales Molekül mit seinem Spiegelbild zur Deckung gebracht werden kann (d. h. dass es sich um identische Moleküle handelt), lässt man das achirale Bild im Geiste im Uhrzeigersinn rotieren ein chirales Molekül 3 nicht deckungsgleiche Spiegelbilder Enantiomere ein achirales Molekül deckungsgleiche Spiegelbilder identische Moeküle INWEIS FÜR DIE STUDIERENDEN Machen Sie eine Pause und überzeugen Sie sich davon, dass die beiden 2- ombutanisomere nicht identisch sind, indem Sie Kugel-Stab-Modelle bauen, für die Sie vier unterschiedlich gefärbte Kugeln benutzen, die die vier verschiedenen Substituenten, die an das asymmetrisch substituierte -Atom gebunden sind, repräsentieren.versuchen Sie nun, diese zur Deckung zu bringen. MERKE! Ein chirales Molekül besitzt ein Spiegelbild, mit dem es nicht deckungsgleich ist. Ein achirales Molekül besitzt ein Spiegelbild, mit dem es deckungsgleich ist. ÜBUNG 7 Welche der Verbindungen aus Übung 5 kann in Form von Enantiomeren vorkommen? Asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome und Stereozentren 5.5 Ein Stereozentrum (auch als stereogenes Zentrum bezeichnet) ist ein Atom, an welchem die Vertauschung von zwei Bindungspartnern (Atomen oder Gruppen) zu einem Stereoisomer führt. Folglich gehören zu den Stereozentren sowohl asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome, bei denen die Vertauschung zweier Bindungspartner zu einem Enantiomer führt, als auch sp 2 - und sp 3 -hybridisierte Kohlenstoffatome, bei denen die Vertauschung zweier Bindungspartner ein cis- in ein trans-isomer bzw. ein Z- in ein E-Isomer überführt. Das bedeutet, dass zwar alle asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatome Stereozentren sind, nicht aber alle Stereozentren asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome sein müssen. asymmetrisch Stereozentrum Stereozentrum substituiertes Kohlenstoffatom 3 l Stereozentrum 243

9 5 STEREEMIE ANRDNUNG VN ATMEN IM RAUM UND DIE STEREEMIE VN ADDITINSREAKTINEN MERKE! Die ausgemalten Keile repräsentieren Bindungen, die aus der Papierebene auf den Betrachter zuragen. Die gestrichelten Keile repräsentieren Bindungen, die aus der Papierebene nach hinten, vom Betrachter wegragen. Stellen Sie, wenn Sie eine perspektivische Formel zeichnen, sicher, dass die beiden in der Papierebene liegenden Bindungen einander benachbart sind; weder der ausgefüllte Keil noch der gestrichelte Keil sollten dazwischengezeichnet werden. MERKE! Bei einer Fischer-Projektion ragen die horizontalen Linien aus der Papierebene in Richtung auf den Betrachter zu heraus; die vertikalen Linien erstrecken sich hinter die Papierebene, vom Betrachter weg. Das Zeichnen von Enantiomeren 5.6 hemiker zeichnen Enantiomere entweder mit ilfe perspektivischer Formeln oder in Form von Fischer-Projektionen. Perspektivische Formeln stellen zwei der Bindungen des asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatoms in der Papierebene dar, eine Bindung in Form eines ausgefüllten Keils, der aus dem Papier hervorragen soll und die vierte Bindung als gestrichelten Keil, der hinter die Papierebene, vom Betrachter weg, weisen soll. Sie können das erste Enantiomer zeichnen, indem Sie die vier Bindungspartner des asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatoms in einer beliebigen Anordnung zeichnen. Das zweite Enantiomer ergibt sich dann, wenn man das Spiegelbild des ersten Enantiomers zeichnet perspektivische Formeln der Enantiomere des 2-ombutans Eine andere Art der Darstellung der dreidimensionalen Anordnung von an ein asymmetrisch substituiertes Kohlenstoffatom gebundenen Atomen und/oder Gruppen ist die Fischer-Projektion. Sie wurde im ausgehenden 19. Jahrhundert von dem deutschen hemiker Emil Fischer (siehe Abschnitt 21.10) ersonnen. In einer Fischer- Projektion wird das asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatom durch den Schnittpunkt zweier senkrecht aufeinander stehender Linien symbolisiert; die horizontalen Linien symbolisieren Bindungen, die aus der Papierebene auf den Betrachter zuweisen; die vertikalen Linien symbolisieren Bindungen, die vom Betrachter weg hinter die Papierebene ragen. Eine Kette von Kohlenstoffatomen wird gemeinhin in vertikaler Anordnung gezeichnet, wobei konventionsgemäß das oberste Kohlenstoffatom, das -1, das am höchsten oxidierte -Atom der betreffenden Verbindung darstellt. asymmetrisch substituiertes 3 Kohlenstoffatom Fischer-Projektionen der Enantiomere des 2-ombutans Um Enantiomere mit ilfe der Fischer-Projektion darzustellen, wird das erste Enantiomer gezeichnet, indem man die vier Bindungspartner des asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatoms auf beliebige Weise zeichnet. Das zweite Enantiomer erhält man, indem man zwei der Bindungspartner gegeneinander vertauscht. Es spielt ÜBUNG 8 Zeichnen Sie Enantiomere für die folgenden Verbindungen: (a) in Form von perspektivischen Formeln (b) in Form von Fischer-Projektionen l

10 5.7 Die Benennung von Enantiomeren: Das R,S-System dabei keine Rolle, welches Paar man vertauscht. Bauen Sie Modelle, um sich davon zu überzeugen, dass dies richtig ist. Es ist am günstigsten, die Atome oder Gruppen der horizontal gezeichneten Bindungen gegeneinander zu vertauschen, da die Enantiomere auf dem Papier dann unmittelbar wie Bild und Spiegelbild aussehen. Beachten Sie, dass die wechselseitige Vertauschung von zwei Atomen oder Gruppen das andere Enantiomer liefert gleichgültig, ob man perspektivische Formeln oder Fischer-Projektionen zur Darstellung benutzt. Die nochmalige wechselseitige Vertauschung von zwei Atomen oder Gruppen führt wieder zum ursprünglichen Molekül zurück. Die Benennung von Enantiomeren: Das R, S-System 5.7 Wie können wir die unterschiedlichen Stereoisomere einer Verbindung wie 2-ombutan so benennen, dass wir wissen, wovon wir reden? Wir benötigen ein Nomenklatursystem, das die Anordnung der Atome oder/und Gruppen an einem asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatom angibt. In der hemie benutzt man dafür die Buchstaben R und S. Für jedes Enantiomerenpaar mit einem asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatom gilt, dass eines die R-Konfiguration und das andere die S-Konfiguration besitzen wird. Das R, S-System wurde von den hemikern R. ahn,. Ingold und V. Prelog entwickelt und wird deshalb auch als ahn-ingold-prelog-nomenklatur bezeichnet. Schauen wir uns zunächst an, wie sich die Konfiguration einer Verbindung ermitteln lässt, wenn man ein dreidimensionales Modell der Verbindung zur Verfügung hat. BIGRAPIE Robert Sidney ahn ( ) wurde in England geboren und schloss sein Studium in ambridge, England, mit dem Grad M.A. ab. Er erwarb einen Doktorgrad in Naturphilosophie in Frankreich. Er war erausgeber der Fachzeitschrift Journal of the hemical Society (London). BIGRAPIE 1 rdnen Sie die Atome und/oder Gruppen, die an das hiralitätszentrum gebunden sind, in der Reihenfolge ihrer Prioritäten. Die relativen Prioritäten ergeben sich aus den rdnungszahlen der Atome, die direkt mit dem hiralitätszentrum verbunden sind. Je höher die rdnungszahl, desto höher die Priorität. Dies sollte Sie an die Art und Weise erinnern, wie beim E, Z-System die Prioritäten zugewiesen wurden (siehe Abschnitt 3.5). In der Tat wurde das Verfahren der Prioritätszuweisung zuerst für das R,S-System entwickelt und dann später für das E,Z- System übernommen. diese Stellung besitzt die höchste Priorität diese Stellung besitzt die niedrigste Priorität Sir hristopher Ingold ( ) wurde in Ilford (GB) geboren und von Elisabeth II. zum Ritter geschlagen. Er war Professor für hemie an der Universität von Leeds ( ) und am University ollege der Universität London ( ). BIGRAPIE Wladimir Prelog ( ) wurde in Sarajewo (Bosnien) geboren wurde er am Institut für Technologie in Prag zum Dr. ing. promoviert. Er unterrichtete von an der Universität Zagreb, bevor er in die Schweiz emigrierte.dort war er Professor an der Eidgenössischen Technischen ochschule in Zürich. Für seine Forschungsarbeiten, die zu einem besseren Verständnis der chemischen Reaktionen in lebenden rganismen führten, wurde ihm 1975 der Nobelpreis für hemie (zusammen mit John ornforth; siehe Abschnitt 5.20) zuerkannt. 245

11 5 STEREEMIE ANRDNUNG VN ATMEN IM RAUM UND DIE STEREEMIE VN ADDITINSREAKTINEN MERKE! Das Molekülmodell wird so ausgerichtet, dass die Gruppe / das Atom mit der niedrigsten Priorität vom Betrachter wegweist. Falls ein Pfeil, der vom Bindungspartner mit der höchsten Priorität zum Bindungspartner mit der zweithöchsten Priorität in Richtung des Uhrzeigersinns weist, besitzt das Molekül an diesem hiralitätszentrum die R-Konfiguration. 2 Richten Sie das Molekül so aus, dass die Gruppe oder das Atom mit der niedrigsten Priorität (4) vom Betrachter wegweist. Zeichnen Sie dann einen gedachten Pfeil, der von der Gruppe oder dem Atom mit der höchsten Priorität (1) zu der Gruppe oder dem Atom mit der nächst niedrigeren Priorität (2) weist. Falls der Richtungssinn des Pfeiles im Uhrzeigersinn liegt, besitzt das hiralitätszentrum die R-Konfiguration (R steht für rectus, lat. rechts ). Falls die Pfeilspitze in Gegenrichtung zum Uhrzeigersinn weist, besitzt das asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatom (das hiralitätszentrum) die S-Konfiguration (S steht für sinister, lat. links ). 1 im Uhrzeigersinn = R-Konfiguration Falls Sie vergessen sollten, welche Konfiguration welche ist, stellen Sie sich vor, dass Sie ein Auto fahren und das Lenkrad im Uhrzeigersinn nach rechts (R) drehen, um eine Rechtskurve zu machen oder gegen den Uhrzeigersinn nach links, um links abzubiegen. Drehung nach rechts ÜBUNG 9 Welche der folgenden Molekülmodelle sind identisch? Drehung nach links A B D 3D-Moleküle: (R )-2-ombutan; (S )-2-ombutan Falls Sie ein gut entwickeltes Raumvorstellungsvermögen besitzen, sind die beiden obigen Regeln alles, was Sie brauchen, um festzustellen, ob ein asymmetrisch substituiertes Kohlenstoffatom eines zweidimensional gezeichneten Moleküls die R- oder die S- Konfiguration besitzt. Sie müssen lediglich im Geiste das Molekül so herumdrehen, dass die Gruppe oder das Atom mit der niedrigsten Prioriät (der 4.) von Ihnen wegweist; dann zeichnen Sie vor Ihrem geistigen Auge den Pfeil von dem Bindungspartner mit der höchsten zum Bindungspartner mit dem nachfolgenden (zweithöchsten) Prioritätsrang. Falls Sie Schwierigkeiten dabei haben, sich räumliche Beziehungen bildlich vorzustellen und Sie keinen Zugang zu Molekülmodellen haben, werden es Ihnen die folgenden Regeln erlauben, die Konfiguration eines asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatoms zu bestimmen, ohne das Molekül im Geiste erscheinen und rotieren lassen zu müssen. Schauen wir zuerst, wie Sie die Konfiguration einer Verbindung ermitteln können, die in Form einer perspektivischen Formel dargestellt ist. Als Beispiel werden wir ermitteln, welches Enantiomer des 2-ombutans in der R- und welches in der S-Konfiguration vorliegt die Enantiomere des 2-ombutans 246

12 5.7 Die Benennung von Enantiomeren: Das R,S-System 1 rdnen Sie die Atome und/oder Gruppen, die an das hiralitätszentrum gebunden sind, in der Reihenfolge ihrer Prioritäten. In dem folgenden Enantiomerenpaar besitzt das om die höchste Priorität (1), die Ethylgruppe die zweithöchste Priorität (2), die Methylgruppe die nächstniedrigere (3) und das Wasserstoffatom die niedrigste (4). Blättern Sie zu Abschnitt 3.5 zurück, falls Ihnen unklar ist, wie diese Prioritätsfolge festgelegt wird Falls die Bindung zu dem Bindungspartner (Gruppe oder Atom) mit der niedrigsten Priorität durch einen gestrichelten Keil symbolisiert wird, zeichnen Sie einen Pfeil, ausgehend vom Bindungspartner mit der höchsten Priorität (1) in Richtung auf den Bindungspartner mit der zweithöchsten Priorität (2) zu. Falls der Pfeil in die Richtung des Uhrzeigerumlaufs zeigt, besitzt die Verbindung die R-Konfiguration; falls er in die Gegenrichtung zeigt, besitzt sie die S-Konfiguration. 3 Falls die Bindung zu dem Bindungspartner mit der niedrigsten Priorität (4) nicht durch einen gestrichelten Keil symbolisiert wird, vertauschen Sie zwei Gruppen, so dass die Bindung zu Substituent (4) durch den gestrichelten Keil wiedergegeben wird. Fahren Sie dann fort, wie unter Nr. 2 oben angegeben: Zeichnen Sie einen Pfeil, ausgehend vom Bindungspartner mit der höchsten Priorität (1) zum Bindungspartner mit der nächstniedrigeren Priorität (2). Da Sie zwei der Substituenten vertauscht haben, bestimmen Sie jetzt die Konfiguration des Enantiomers der ursprünglichen Verbindung. Falls der Pfeil jetzt in Uhrzeigerrichtung weist, besitzt das Enantiomer (mit den vertauschten Bindungspartnern) die R-Konfiguration, was bedeutet, dass das Ursprungsmolekül die S-Konfiguration besitzt. Falls der Pfeil im Gegensatz dazu in Gegenuhrzeigerrichtung weist, besitzt das Enantiomer (mit den vertauschten Bindungspartnern) die S-Konfiguration, und das Ursprungsmolekül besitzt die R-Konfiguration (S)-2-ombutan (R)-2-ombutan Wie ist hier die Konfiguration? die Bindung zur Gruppe mit der niedrigsten Priorität wird durch einen gestrichelten Keil symbolisiert Umklappen 3 und dieses Molekül besitzt R-Konfiguration; folglich besaß es S-Konfiguration, bevor die Gruppen vertauscht wurden 4 MERKE! Im Uhrzeigersinn spezifiziert die Konfiguration R, falls die Bindung zum Substituenten mit der niedrigsten Priorität durch den gestrichelten Keil symbolisiert wird. Gegen den Uhrzeigersinn spezifiziert die Konfiguration S, falls die Bindung zum Substituenten mit der niedrigsten Priorität durch den gestrichelten Keil symbolisiert wird. 4 Beim Zeichnen des Pfeiles, der von Bindungspartner 1 zu Bindungspartner 2 verläuft, können Sie den Bindungspartner mit der niedrigsten Priorität (4) passieren, jedoch nie den Bindungspartner mit der nächstniedrigeren Priorität (3). 247

13 5 STEREEMIE ANRDNUNG VN ATMEN IM RAUM UND DIE STEREEMIE VN ADDITINSREAKTINEN ÜBUNG 10 Geben Sie für die folgenden Molekülstrukturen an, ob sie in der R- oder der S-Konfiguration vorliegen: (a) (b) (c) (d) l Schauen wir uns nunmehr an, wie man die Konfiguration einer Verbindung ermittelt, die in Form einer Fischer-Projektion dargestellt ist. 1 2 rdnen Sie die Atome und/oder Gruppen, die an das hiralitätszentrum gebunden sind, in der Reihenfolge ihrer Prioritäten. Zeichnen Sie einen Pfeil von dem Atom /der Gruppe mit der höchsten Priorität (1) zu der Gruppe oder dem Atom mit der nächstniedrigeren Priorität (2). Falls der Pfeil in Uhrzeigerrichtung verläuft, besitzt das Enantiomer die R-Konfiguration; falls er gegen die Richtung des Uhrzeigers verläuft, besitzt das Enantiomer die S-Konfiguration unter der Voraussetzung, dass die Gruppe oder das Atom mit der niedrigsten Priorität (4) sich an einer vertikal dargestellten, also vom Betrachter wegweisenden, Bindung befindet. 1 l (R)-3-hlorhexan l (S)-3-hlorhexan MERKE! Im Uhrzeigersinn spezifiziert die Konfiguration R, falls die Bindung zum Substituenten mit der niedrigsten Priorität durch eine vertikal verlaufende Linie symbolisiert wird. MERKE! Im Uhrzeigersinn spezifiziert die Konfiguration S, falls die Bindung zum Substituenten mit der niedrigsten Priorität durch eine horizontal verlaufende Linie symbolisiert wird. 3 Falls die Bindung zu der Gruppe oder dem Atom mit der niedrigsten Priorität durch eine horizontale Linie die eine auf den Betrachter zuweisende Bindung symbolisiert dargestellt wird, wird die Antwort, die durch den Richtungssinn des Pfeiles angegeben wird, der korrekten Antwort entgegengesetzt sein. Falls beispielsweise der Pfeil in Uhrzeigerrichtung verläuft, also andeutet, dass das hiralitätszentrum die R-Konfiguration besitzt, liegt tatsächlich die S-Konfiguration vor. Falls die Pfeilrichtung gegen den Uhrzeigersinn weist, also andeutet, dass das hiralitätszentrum die S-Konfiguration besitzt, liegt in Wahrheit die R-Konfiguration vor. In dem folgenden Beispiel befindet sich der Bindungspartner mit der niedrigsten Priorität an einer in der Fischer-Projektion horizontal dargestellten Linie. Der Uhrzeigersinn zeigt dann die S-Konfiguration an und nicht die R-Konfiguration (S)-2-Butanol (R)-2-Butanol 248

14 5.7 Die Benennung von Enantiomeren: Das R,S-System 4 Beim Zeichnen des Pfeiles, der von Bindungspartner 1 zu Bindungspartner 2 verläuft, können Sie den Bindungspartner mit der niedrigsten Priorität (4) passieren, jedoch nie den Bindungspartner mit der nächstniedrigeren Priorität (3). ÜBUNG 11 (S)-Milchsäure (R)-Milchsäure Geben Sie für die folgenden Molekülstrukturen an, ob sie in der R- oder der S-Konfiguration vorliegen: (a) 3 2 ( 3 ) (c) MERKE! Wenn man zwei Fischer-Projektionen vergleicht, um abzulesen, ob sie gleich oder verschieden sind, dürfen sie nie um 90 rotiert oder gespiegelt werden, da dies die Verbindung in ihr Enantiomer überführt. Eine Fischer-Projektion kann in der Papierebene um 180 rotiert werden; das Molekül verändert sich dadurch nicht. (b) (d) STRATEGIEN ZUR PRBLEMLÖSUNG Identifizierung von Enantiomeren Repräsentieren die folgenen Strukturen identische Moleküle oder Enantiomerenpaare? 3 und Der leichteste Weg festzustellen, ob zwei Moleküle Enantiomere (also nicht zur Deckung zu bringen) oder identische (zur Deckung zu bringende) Moleküle sind, besteht darin, ihre Konfigurationen zu ermitteln. Falls eines die R-Konfiguration und das andere die S-Konfiguration besitzt, handelt es sich um Enantiomere. Falls beide die R- oder beide die S-Konfiguration besitzen, handelt es sich um identische Moleküle. Da die linke Struktur die S-Konfiguration und die rechte die R-Konfiguration besitzt, können wir folgern, dass es sich um Enantiomere handelt. Fahren Sie nun mit Übung 12 fort. ÜBUNG 12 (mit Lösung) Repräsentieren die folgenden Molekülstrukturen identische Moleküle oder Enantiomerenpaare? (a) und (b) 2 l 3 l 2 3 und (c) 2 3 und 3 2 (d) l und 3 l 2 3 Lösung zu 12(a) Die erste unter (a) abgebildete Struktur besitzt die S-Konfiguration, die zweite Struktur besitzt die R-Konfiguration. Da sie entgegengesetzte Konfigurationen aufweisen, handelt es sich um ein Enantiomerenpaar. 249

15 5 STEREEMIE ANRDNUNG VN ATMEN IM RAUM UND DIE STEREEMIE VN ADDITINSREAKTINEN STRATEGIEN ZUR PRBLEMLÖSUNG Zeichnung eines Enantiomers mit der gewünschten Konfiguration (S)-Alanin ist eine in der Natur vorkommende Aminosäure. Zeichnen Sie seine Struktur unter Verwendung einer perspektivischen Formel. 3 + N 3 Alanin Zeichnen Sie zunächst die Verbindungen am asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatom. Denken Sie daran, dass die beiden Bindungen in der Papierebene aneinander angrenzen müssen. Setzen Sie die Gruppe mit der niedrigsten Priorität an den gestrichelten Keil. Setzen Sie die Gruppe mit der höchsten Priorität an irgendeine der verbleibenden Bindungen. + N 3 Da Sie ein S-Enantiomer zeichnen sollen, zeichnen Sie als Nächstes einen gegen den Uhrzeigersinn gekrümmten Pfeil von der Gruppe mit der höchsten Priorität zur nächstmöglichen Bindung und setzen Sie die Gruppe mit der nächsthöchsten Priorität an diese Bindung. Setzen Sie den verbleibenden Substituenten an die letzte verfügbare Bindung. Fahren Sie nun mit Übung 13 fort. + N 3 + N 3 3 ÜBUNG 13 Zeichnen Sie perspektivische Formeln der folgenden Verbindungen: (a) (S)-2-hlorbutan; (b) (R)-1,2-Dibrombutan. ÜBUNG 14 Weisen Sie den folgenden Sätzen von Gruppen und Atomen relative Prioritäten zu: (a) (b) 3 2 (c) ( 3 ) l (d) ptische Aktivität 5.8 BIGRAPIE William Nicol ( ) wurde in Schottland geboren und war Professor an der Universität von Edinburgh. Er entwickelte das erste Prisma, das linear polarisiertes Licht erzeugte. Er ersann außerdem Methoden, um dünne Scheiben von Werkstoffen für mikroskopische Untersuchungen zu gewinnen. Enantiomere haben viele Eigenschaften gemeinsam: Sie besitzen dieselben Siedepunkte, dieselben Schmelzpunkte und dieselben Löslichkeiten. In der Tat sind alle physikalischen Eigenschaften von Enantiomeren gleich, mit Ausnahme derer, die davon abhängen, wie die Bindungspartner des asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatoms im Raum angeordnet sind. Eine dieser Eigenschaften, die bei Enantiomeren nicht gleich ist, ist die Art und Weise, in der sie mit polarisiertem Licht wechselwirken. Was ist polarisiertes Licht? Normales Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen, die in allen Richtungen oszillieren. Linear polarisiertes Licht (oft einfach als polarisiertes Licht bezeichnet) oszilliert hingegen nur in einer Ebene, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Lichtwelle liegt. Polarisiertes Licht wird erzeugt, indem man 250

16 5.8 ptische Aktivität normales Licht durch einen Polarisator z.b. eine polarisierende Linse oder ein Nicol-Prisma schickt. Lichtquelle Lichtwellen schwingen in alle Richtungen normales Licht Fortpflanzungswelle der Lichtwelle Polarisator Lichtwellen schwingen in einer einzelnen Ebene linear polarisiertes Licht BIGRAPIE Jean-Baptiste Biot ( ) wurde in Frankreich geboren und wurde wegen Teilnahme an den Aufständen der französischen Revolution ins Gefängnis gesperrt (er war im Jahr der Revolution 15 Jahre alt). Er wurde später Professor für Mathematik an der Universität von Beauvais und danach Professor für Physik am ollège de France. Von Louis XVIII. wurde er in die französische Ehrenlegion berufen. Man kann den Effekt des polarisierten Lichtes zum Beispiel mit polarisierenden Sonnenbrillen demonstrieren. Sonnenbrillen mit polarisierenden Gläsern lassen nur Licht durch, das in einer Ebene der Polarisationsebene schwingt. Dadurch blenden sie Reflexionen wirkungsvoller aus als nicht polarisierende Sonnenbrillen. Jean-Baptise Biot hat im Jahr 1815 entdeckt, dass bestimmte natürlich vorkommende organische Substanzen wie ampher oder Terpentin in der Lage sind, die Ebene des polarisierten Lichtes zu drehen. Er bemerkte, dass einige Verbindungen die Polarisationsebene im Uhrzeigersinn, andere im Gegenuhrzeigersinn verdrehen, und noch andere die Polarisationsebene überhaupt nicht veränderten. Er sagte voraus, dass die Fähigkeit, die Polarisationsebene zu drehen, auf irgendeine Asymmetrie der Moleküle zurückzuführen sei. Van t off und Le Bel fanden später heraus, dass die molekulare Asymmetrie mit Verbindungen einherging, die ein oder mehrere asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome enthalten. Wenn polarisiertes Licht durch eine Lösung einer achiralen Verbindung geschickt wird, tritt das Licht mit unveränderter Polarisationsrichtung wieder aus der Lösung aus. Eine achirale Verbindung dreht die Polarisationsebene nicht. Sie ist optisch inaktiv. Fortpflanzungsrichtung der Lichtwelle die Polarisationsebene ist unverändert Polarisator Lichtquelle normales Licht linear polarisiertes Licht Probenröhrchen mit einer achiralen Verbindung linear polarisiertes Licht Wenn polarisiertes Licht jedoch durch eine Lösung einer chiralen Verbindung geschickt wird, tritt das Licht mit veränderter Polarisationsebene wieder aus der Lösung aus. Eine chirale Verbindung dreht also die Polarisationsebene des Lichtes. Eine chirale Verbindung kann die Polarisationsebene im Uhrzeigersinn oder dem Uhrzeigersinn entgegengesetzt verdrehen. Falls ein Enantiomer die Polarisationsebene im Uhrzeigersinn dreht, so dreht das andere Enantiomer (das molekulare Spiegelbild der Verbindung) die Polarisationsebene um exakt denselben Betrag in entgegengesetzter Richtung (gegen den Uhrzeigersinn). 251

17 5 STEREEMIE ANRDNUNG VN ATMEN IM RAUM UND DIE STEREEMIE VN ADDITINSREAKTINEN Fortpflanzungsrichtung der Lichtwelle die Polarisationsebene wurde gedreht Polarisator Lichtquelle normales Licht linear polarisiertes Licht Probenröhrchen mit einer chiralen Verbindung linear polarisiertes Licht BIGRAPIE Jacobus endricus van t off ( ), ein niederländischer hemiker, war Professor für hemie an der Universität von Amsterdam und später an der Universität von Berlin. Für seine Forschungsarbeiten über Lösungen wurde ihm 1901 der erste Nobelpreis für hemie verliehen. BIGRAPIE Joseph Achille Le Bel ( ), ein französischer hemiker, erbte das Familienvermögen, was es ihm ermöglichte, sein eigenes Labor einzurichten. Er und van t off gelangten unabhängig voneinander zu der Erkenntnis der Ursache der optischen Aktivität bestimmter chemischer Verbindungen. bgleich van t offs Erklärung genauer war als die Le Bels, werden die Leistungen beider hemiker anerkannt. Eine Verbindung, die die Polarisationsebene verändert (dreht), wird optisch aktiv genannt. Anders ausgedrückt: hirale Verbindungen sind optisch aktiv, und achirale Verbindungen sind optisch inaktiv. Falls eine optisch aktive Verbindung die Polarisationsebene im Uhrzeigersinn dreht, wird sie rechtsdrehend (dextrorotatorisch) genannt. Dieser Umstand wird durch das Symbol ( +) angezeigt. Falls eine optisch aktive Verbindung die Polarisationsebene gegen den Uhrzeigersinn dreht, wird sie linksdrehend (lävorotatorisch) genannt. Dieser Umstand wird durch das Symbol ( ) angezeigt. Die Präfixe dextro und lävo entstammen dem Lateinischen und bedeuten rechts bzw. links. In der chemischen Literatur werden gelegentlich auch die Symbole d und l anstelle von (+) und ( ) benutzt, um den Drehsinn anzugeben. Man darf (+) und ( ) nicht mit R und S verwechseln. Die Symbole (+) und ( ) bezeichnen die Richtung, in die eine optisch aktive Verbindung die Polarisationsebene des Lichtes dreht, während die Symbole R und S die Anordnung von Gruppen an einem hiralitätszentrum (asymmetrisch substituiertes -Atom) angeben. Einige Verbindungen mit R-Konfiguration sind rechtsdrehend (+), andere linksdrehend ( ). Wir können, wenn wir uns die Molekülstruktur einer Verbindung ansehen, sagen, ob sie die R- oder die S-Konfiguration besitzt, aber der einzige Weg, um herauszufinden, ob die Verbindung rechts- oder linksdrehend ist, besteht darin, sie in einem Polarimeter zu vermessen, einem Gerät, das die Richtung und das Ausmaß der Drehung der Polarisationsebene misst. Beispielsweise besitzen (S)-Milchsäure und (S)-Natriumlactat dieselbe Konfiguration, doch ist die (S)-Milchsäure rechtsdrehend, während das (S)-Natriumlactat linksdrehend ist. Wenn wir die Richtung kennen, in die eine optisch aktive Verbindung die Polarisationsebene dreht, können wir die Symbole (+) bzw. ( ) zu ihrem Namen hinzufügen. ÜBUNG 15 3 (S)-(+)-Milchsäure 3 Na + (S)-( )-Natriumlactat (a) Ist (R)-Milchsäure rechtsdrehend oder linksdrehend? (b) Ist (R)-Natriumlactat rechtsdrehend oder linksdrehend? 252

18 5.9 Die Messung einer spezifischen Drehung Die Messung einer spezifischen Drehung 5.9 Abbildung 5.2 zeigt eine vereinfachte Darstellung der Arbeitsweise eines Polarimeters. Da das Ausmaß der Rotation mit der Wellenlänge des Lichtes variiert, muss die Lichtquelle des Polarimeters monochromatisches Licht (Licht einer einzigen Wellenlänge) aussenden. Die meisten Polarimeter verwenden das Licht einer Natriumdampflampe (die Wellenlänge der so genannten D-Linie, 589 nm; siehe Abschnitt 12.16). In einem Polarimeter durchquert das monochromatische Licht einen Polarisator, aus dem es als polarisiertes Licht austritt. Das polarisierte Licht durchquert dann ein leeres Probengefäß (oder alternativ eines mit einem optisch inaktiven Lösungsmittel) und tritt mit unveränderter Polarisationsebene wieder aus. Das Licht wird dann zu einem Analysator geleitet. Der Analysator besteht aus einem zweiten Polarisator und befindet sich in einem kular, an das eine Stellschraube mit Gradeinteilung angeschlossen ist. Wenn mit dem Polarimeter gemessen wird, wird der Analysator solange gedreht, bis das kularbild für den Betrachter vollständig dunkel erscheint. In dieser Stellung befindet sich der zweite Polarisator im rechten Winkel zum ersten, so dass überhaupt kein Licht hindurchtritt. Diese Analysatorstellung dient als Referenz- bzw. Nullpunkt. Fortpflanzungsrichtung der Lichtwelle Abbildung 5.2: Schematischer Aufbau eines Polarimeters. α normales Licht linear polarisiertes Licht Probenröhrchen mit einer chiralen Verbindung linear polarisiertes Licht Polarisator Lichtquelle Analysator Betrachter Die zu vermessende Probe wird dann in das Probengefäß gefüllt. Falls die Probensubstanz optisch aktiv ist, wird sie die Polarisationsebene drehen. Der Analysator wird dann nicht mehr alles Licht verschlucken, so dass Licht in das Auge des Betrachters fällt. Der Experimentator verändert dann solange die Stellung des Analysators (2. Polarisator), bis kein Licht mehr durchtritt. Das Ausmaß der Stellungsänderung des Analysators lässt sich dann an der Gradeinteilung der Stellschraube ablesen. Der Wert gibt die Differenz zwischen der optisch inaktiven Referenzsubstanz und der optisch aktiven Probensubstanz an. Dieser Wert wird als beobachtete Drehung (a) bezeichnet und wird in Winkelgraden ( ) angegeben. Die beobachtete Drehung hängt von der Menge optisch aktiver Moleküle ab, denen das Licht beim Durchqueren der Substanz ausgesetzt ist. Dies hängt von der Konzentration der Probensubstanz und von der Schichtdicke der Substanzprobe (dem Durchmesser der Probenkammer) ab. Die beobachtete Drehung hängt weiterhin von der Temperatur und von der Wellenlänge der Lichtquelle ab. Jede optisch aktive Verbindung weist eine charakteristische spezifische Drehung auf. Die spezifische Drehung ist der Winkel in Grad der Drehung einer Lösung von 1,0 g der Verbindung pro ml Lösung in einer Probenkammer von 10 cm Länge bei einer spezifizierten Temperatur und einer spezifizierten Wellenlänge.* Die spezifi- * Im Gegensatz zu der in Grad gemessenen beobachteten Drehung hat die spezifische Drehung eine Einheit von 10 1 deg cm 2 /g 1. In diesem Buch wird die spezifische Drehung ohne Einheit angegeben. Wenn Licht durch zwei polarisierte Linsen gefiltert wird, die im 90 -Winkel zueinander stehen, dringt nichts von dem Licht durch. 253

19 5 STEREEMIE ANRDNUNG VN ATMEN IM RAUM UND DIE STEREEMIE VN ADDITINSREAKTINEN Tabelle 5.1 Spezifische Drehungen von in der Natur vorkommenden Verbindungen holesterin 31,5 Kodein 136 Kokain 16 Morphin 132 Penicillin V +233 Progesteron (weibliches Geschlechtshormon) +172 Saccharose +66,5 Testosteron (männliches Geschlechtshormon) +109 sche Drehung lässt sich aus der beobachteten Drehung unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnen: T [ ] = l c [a] ist die spezifische Drehung, T ist die Temperatur in, l ist die Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes (falls die D-Linie des Natriums zur Anwendung kommt, wird dies durch den Index D angzeigt), a ist die beobachtete Drehung; l ist die Länge der Probenkammer in Dezimetern; c ist die Konzentration der Probensubstanz in Gramm pro Milliliter (g/ml) Lösung. Für ein Enantiomer wurde die spezifische Drehung beispielsweise mit +5,75 bestimmt. Da sein molekulares Spiegelbild die Polarisationsebene des Lichtes um den gleichen Betrag, aber in entgegengesetzter Richtung dreht, beträgt die spezifische Drehung des anderen Enantiomeren 5,75. Die spezifischen Drehungen einiger gängiger Verbindungen können Sie der Tabelle 5.1 entnehmen. (R)-2-Methyl-1-butanol 2 (S)-2-Methyl-1-butanol 2 [ ] 20 = +5,75 [ ] 20 = 5,75 D D Eine Mischung gleicher Mengen zweier Enantiomere wie (R)-( )-Milchsäure und (S)-(+)-Milchsäure wird racemisches Gemisch oder Racemat genannt. Racemate drehen die Ebene des polarisierten Lichtes nicht. Sie sind optisch inaktiv, weil für jedes Molekül, das die Polarisationsebene in die eine Richtung dreht, ein spiegelbildliches anderes existiert, das die Polarisationsebene in die Gegenrichtung dreht. Als Ergebnis tritt das Licht aus einem racemischen Gemisch mit unveränderter Polarisationsrichtung aus. Das Symbol (;) wird zur Kennzeichnung eines Racemates verwendet. (;)-2-ombutan bezeichnet daher eine äquimolare Mischung von (+)-2-ombutan und ( )-2-ombutan. ÜBUNG 16 Die beobachtete Drehung von 2,0 g einer Verbindung in 50 ml Lösung in einer Polarimeterröhre von 50 cm Länge wurde zu +13,4 bestimmt. Wie groß ist die spezifische Drehung der Verbindung? ÜBUNG 17 (S)-(+)-Mononatriumglutamat ist ein Geschmacksverstärker, der in vielen Lebensmitteln Verwendung findet. Manche Menschen reagieren allergisch auf das Natriumglutamat und leiden unter Kopf- und Thoraxschmerzen sowie einem allgemeinen Schwächegefühl. Fast food enthält oftmals beträchtliche Mengen Mononatriumglutamat, das auch ausgiebig in der chinesischen Küche eingesetzt wird. Das Mononatriumglutamat hat eine spezifische Drehung von +24. Na + (S)-(+)-Mononatriumglutamat 2 2 N 3 (a) Wie groß ist die spezifische Drehung von (R)-( )-Mononatriumglutamat? (b) Wie groß ist die spezifische Drehung eines racemischen Gemisches von Mononatriumglutamat? + 254

20 5.10 Enantiomerenüberschuss Enantiomerenüberschuss 5.10 b eine bestimmte Probe enantiomerenrein ist oder aus einem Enantiomerengemisch besteht, lässt sich mit ilfe der beobachteten spezifischen Drehung (also der für eine spezifische Probe gemessenen spezifischen Drehung) ermitteln. Eine enantiomerenreine Probe (was bedeutet, dass nur ein Enantiomer in der Probe vorliegt) von (S)-(+)- 2-ombutan wird beispielsweise eine spezifische Drehung von + 23,1 haben, da die spezifische Drehung von (S)-(+)-2-ombutan eben +23,1 beträgt. Falls jedoch die 2-ombutanprobe eine beobachtete spezifische Drehung von 0 aufweist, so wissen wir, dass die Verbindung in Form eines Racemates vorliegt. Falls die beobachtete spezifische Drehung einen positiven Wert von weniger als 23,1 besitzt, so können wir daraus schließen, dass ein Enantiomerengemisch vorliegt, und dass dieses Gemisch mehr von dem Enantiomer mit der S-Konfiguration enthält als von dem Enantiomer mit der R-Konfiguration. Aus der beobachteten spezifischen Drehung können wir den Enantiomerenüberschuss der Probe / des Gemisches errechnen, der uns Aufschluss darüber gibt, wie viel Überschuss eines Enantiomers darin vorliegt: Enantiomerenüberschuss = beobachtete spezifische Drehung spezifische Drehung des reinen Enantiomers * 100% at beispielsweise eine 2-ombutanprobe eine beobachtete spezifische Drehung von + 9,2, so beträgt ihre optische Reinheit 0,40 oder 40%. Mit anderen Worten: 40% des Gemisches bestehen aus einem Überschuss eines einzelnen Enantiomers. Enantiomerenüberschuss = + 9,2 +23,1 * 100% = 40% Falls ein Gemisch einen enantiomeren Überschuss von 40% aufweist, sind 40% des Gemisches ein Überschuss des S-Enantiomers und 60% sind ein racemisches Gemisch. Die älfte des racemischen Gemisches plus die Menge des S-Enantiomerenüberschusses ist gleich der Menge des S-Enantiomers, die in dem Gemisch anwesend sind. Daher sind 70% der Mischung das S-Enantiomer ( 1 2 * ), und 30% sind das R-Enantiomer. ÜBUNG 18 (+)-Mandelsäure hat eine spezifische Drehung von Wie groß wäre die beobachtete spezifische Drehung der folgenden Gemische: (a) 25% ( )-Mandelsäure und 75% (+)-Mandelsäure (b) 50% ( )-Mandelsäure und 50% (+)-Mandelsäure (c) 75% ( )-Mandelsäure und 25% (+)-Mandelsäure ÜBUNG 19 Naproxen ist eine nichtsteroidale antientzündliche Substanz. Das Naproxen weist in hloroform eine spezifische Drehung von +66 auf. Ein kommerzielles Präparat ergibt sich als ein Gemisch, das 97% optische Reinheit aufweist. (a) Besitzt Naproxen die R- oder die S-Konfiguration? (b) Welcher Prozentsatz jedes Enantiomers lässt sich aus dem kommerziellen Präparat gewinnen? 255

21 5 STEREEMIE ANRDNUNG VN ATMEN IM RAUM UND DIE STEREEMIE VN ADDITINSREAKTINEN ÜBUNG 20 (mit Lösung) Eine Lösung, die durch Vermischung von 10 ml einer 0,10 M Lösung eines R-Enantiomers mit 30 ml einer 0,10 M Lösung eines S-Enantiomers hergestellt wurde, hatte eine beobachtete spezifische Drehung von +4,8. Wie groß ist die spezifische Rotation jedes der Enantiomere? Lösung 1 Millimol (mmol; 10,0 ml * 0,10 M) des R-Enantiomers wird mit 3 (30 ml * 0,10 M) mmol des S-Enantiomers vermischt. 1 mmol des R-Enantiomers + 1 mmol des S-Enantiomers bilden 2 mmol eines racemischen Gemisches. 2 mmol des S-Enantiomers bleiben übrig. 2 von 4 mmol bilden den Überschuss des S-Enantiomers ( 2 4 = 0,50). Die Lösung besitzt einen Enantiomerenüberschuss von 50%. Enantiomerenüberschuss = beobachtete spezifische Drehung spezifische Drehung des reinen Enantiomers * 100% 50% = +4,8 x x = +4,8 * 2 x = +9,6 * 100% Das S-Enantiomer besitzt eine spezifische Drehung von +9,6. Das R-Enantiomer besitzt eine spezifische Drehung von 9,6. Isomere mit mehr als einem asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatom 5.11 Viele organische Verbindungen besitzen mehr als ein asymmetrisch substituiertes Kohlenstoffatom. Je mehr asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome eine Verbindung aufweist, desto mehr Stereoisomere sind für die Verbindung möglich. Falls wir wissen, wie viele asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome eine Verbindung besitzt, können wir die maximal mögliche Zahl von Stereoisomeren für die Verbindung berechnen: Eine Verbindung kann ein Maximum von 2 n Stereoisomeren haben (vorausgesetzt, sie hat keine anderen Stereozentren), wobei n gleich der Zahl der asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatome ist. Beispielsweise besitzt 3-hlor-2-butanol zwei asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome. Daher kann es bis zu vier (2 2 = 4) Stereoisomere haben. Die vier Stereoisomere sind sowohl als perspektivische Formeln als auch als Fischer-Projektionen wiedergegeben. * * 3 3 l 3-hlor-2-butanol l l l l 4 Erythro-Enantiomere Threo-Enantiomere perspektivische Formeln der Stereoisomere des 3-hlor-2-butanols (gestaffelt) 256

22 5.11 Isomere mit mehr als einem asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatom Stereoisomere des 3-hlor-2-butanols 3 l l Erythro-Enantiomere l 3 3 l Threo-Enantiomere Fischer-Projektionen der Stereoisomere des 3-hlor-2-butanols 3D-Moleküle: (2R,3S)-3-hlor-2-butanol; (2S,3R)-3-hlor-2-butanol; (2S,3S)-3-hlor-2-butanol; (2R,3R)-3-hlor-2-butanol. Die vier Stereoisomere des 3-hlor-2-butanols bestehen aus zwei Enantiomerenpaaren. Die Stereoisomere 1 und 2 sind Spiegelbilder, die nicht deckungsgleich sind. Diese sind daher enantiomer zueinander. Die Stereoisomere 3 und 4 sind ebenfalls Enantiomere. Die Stereoisomere 1 und 3 sind nicht identisch, und sie sind auch nicht Bild und Spiegelbild. Solche Stereoisomere werden als Diastereomere bezeichnet. Diastereomere sind Stereoisomere, die keine Enantiomere sind. Die Paare 1 & 4, 2 & 3, sowie 2 und 4 sind ebenfalls diastereomer zueinander. is/trans-isomere werden ebenfalls als Diastereomere eingestuft, da sie Stereoisomere, aber keine Enantiomere sind. Enantiomere verfügen über identische physikalische Eigenschaften (außer im inblick auf die Wechselwirkung mit polarisiertem Licht) sowie identische chemische Eigenschaften; sie reagieren mit der gleichen Geschwindigkeit mit einem gegebenen achiralen Reagenz. Diastereomere weisen unterschiedliche physikalische Eigenschaften (unterschiedliche Schmelz- und Siedepunkte, unterschiedliche Löslichkeiten, unterschiedliche spezifische Drehwinkel usw.) sowie unterschiedliche chemische Eigenschaften auf; sie reagieren mit derselben achiralen Substanz mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Wenn man Fischer-Projektionen für Stereoisomere mit zwei benachbarten asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatomen (wie die für das 3-hlor-2-butanol) zeichnet, werden die Enantiomere, bei denen die sich entsprechenden Substituenten auf derselben Seite des Moleküls stehen, als Erythro-Enantiomere bezeichnet (siehe Abschnitt 21.3). Die, bei denen die sich entsprechenden Gruppen auf verschiedenen Seiten des Moleküls stehen, heißen Threo-Enantiomere. 1 und 2 sind somit die Erythro- Enantiomere des 3-hlor-2-butanols (die Wasserstoffatome stehen auf derselben Seite), während die Enantiomere 3 und 4 die Threo-Enantiomere sind. In jeder der hier abgebildeten Fischer-Projektionen ragen die horizontal gezeichneten Bindungen aus der Papierebene auf den Betrachter zu, und die vertikal gezeichneten Bindungen hinter die Papierebene, weg vom Betrachter. Die Gruppen (oder Atome) können um die Kohlenstoff Kohlenstoff-Einfachbindungen frei rotieren, aber die Fischer-Projektionen zeigen die Stereoisomere in ihren verdeckten Konformationen (eclipsed). Eine Fischer-Projektion stellt die dreidimensionale Struktur des Moleküls in sehr stark abstrahierter Form dar, und sie stellt das Molekül in einer relativ instabilen, verdeckten Konformation dar. Die meisten hemiker bevorzugen daher die Darstellung durch perspektivische Formeln, da diese die Struktur der Moleküle in einer stabileren, gestaffelten Konformation wiedergeben, so dass sie eine akkuratere Vorstellung von der Struktur vermitteln. Wenn perspektivische Formeln gezeichnet werden, MERKE! Diastereomere sind Stereoisomere, die keine Enantiomere sind. 257

23 5 STEREEMIE ANRDNUNG VN ATMEN IM RAUM UND DIE STEREEMIE VN ADDITINSREAKTINEN um Stereoisomere in ihrer weniger stabilen, verdeckten Konformation darzustellen, kann man leicht sehen wie die verdeckten Konformationen der Fischer-Projektionen zeigen, dass bei den Erythro-Isomeren gleiche Gruppen auf derselben Seite stehen. Wir werden sowohl perspektivische Formeln wie auch Fischer-Projektionen benutzen, um die Anordnung von Gruppen und Atomen, die an hiralitätszentren gebunden sind, bildlich darzustellen. 3 l l 1 2 Erythro-Enantiomere l 3 l 4 Threo-Enantiomere perspektivische Formeln der Stereoisomere des 3-hlor-2-butanols (verdeckt) 3 1-om-2-methylcyclopentan besitzt ebenfalls zwei asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome und vier Stereoisomere. Weil die Verbindung zyklisch ist, können die Substituenten entweder in der cis- oder in der trans-konfiguration vorliegen. Das cis- Isomer existiert als Enantiomerenpaar, und das trans-isomer existiert auch als Enantiomerenpaar. 3 3 cis-1-om-2-methylcyclopentan 3 3 trans-1-om-2-methylcyclopentan ÜBUNG 21 Die folgende Verbindung besitzt nur ein asymmetrisch substituiertes Kohlenstoffatom. Warum besitzt die Verbindung vier Stereoisomere? * ÜBUNG 22 Ist die folgende Aussage zutreffend? Eine Verbindung kann maximal 2 n Stereoisomere haben, wobei n der Zahl der Stereozentren entspricht. ÜBUNG 23 (a) Stereoisomere mit zwei asymmetrisch substituierten -Atomen werden genannt, falls die Konfigurationen an beiden asymmetrisch substituierten -Atomen des einen Isomers den Konfigurationen der asymmetrisch substituierten -Atome des anderen Isomers entgegengesetzt sind. (b) Stereoisomere mit zwei asymmetrisch substituierten -Atomen werden genannt, falls die Konfigurationen an beiden asymmetrisch substituierten -Atomen des einen Isomers die gleichen sind wie die Konfigurationen der asymmetrisch substituierten -Atome des anderen Isomers. (c) Stereoisomere mit zwei asymmetrisch substituierten -Atomen werden genannt, falls eines der asymmetrisch substituierten -Atome in beiden Isomeren die gleiche Konfiguration besitzt und das andere asymmetrisch substituierte -Atom in beiden Isomeren die entgegengesetzte Konfiguration aufweist. 258

24 5.11 Isomere mit mehr als einem asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatom ÜBUNG 24 Das in der Natur vorkommende Stereoisomer von holesterin ist holesterin (a) Wie viele asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome besitzt das holesterinmolekül? (b) Welches ist die maximale Stereoisomerenzahl, die das holesterin haben könnte? ÜBUNG 25 Zeichnen Sie die Stereoisomere der folgenden Aminosäuren. Geben Sie die Enantiomerenund Diastereomerenpaare an N N 3 Leucin Isoleucin 1-om-3-methylcyclobutan besitzt keine asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatome. Das -1 trägt ein om- und ein Wasserstoffatom, seine beiden anderen Bindungspartner sind jedoch identische Gruppen ( 2 ( 3 ) 2 ). Das -3 trägt eine Methylgruppe und ein Wasserstoffatom, seine beiden anderen Bindungspartner sind jedoch wiederum identisch. Da die Verbindung kein Kohlenstoffatom mit vier unterschiedlichen Bindungspartnern enthält, kommt es nur in Form zweier Stereoisomere vor das cis- und das trans-isomer. Diese cis- und trans-isomere besitzen keine enantiomeren Gegenstücke. 3 cis-1-om-3-methylcyclobutan 3 trans-1-om-3-methylcyclobutan 1-om-3-methylcyclohexan besitzt zwei asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome. Das Kohlenstoffatom, das an ein Wasserstoff- und an ein omatom gebunden ist, ist weiterhin an zwei unterschiedliche kohlenstoffhaltige Gruppen gebunden ( 2 ( 3 ) und ( 3 ) 2 ); es handelt sich also um ein asymmetrisch substituiertes -Atom. Das Kohlenstoffatom, das an ein Wasserstoffatom und an eine Methylgruppe gebunden ist, ist auch an noch zwei weitere, verschiedene kohlenstoffhaltige Gruppen gebunden, so dass auch dieses -Atom asymmetrisch substituiert ist. diese beiden Gruppen sind verschieden asymmetrisch substituiertes Kohlenstoffatom * * 3 asymmetrisch substituiertes Kohlenstoffatom 259

25 5 STEREEMIE ANRDNUNG VN ATMEN IM RAUM UND DIE STEREEMIE VN ADDITINSREAKTINEN Da die Verbindung zwei hiralitätszentren besitzt, existieren vier Stereoisomere. Für das cis-isomer lassen sich Enantiomere zeichnen; das Gleiche gilt für das trans-isomer. Jedes der Stereoisomere ist ein chirales Molekül. 3 3 cis-1-om-3-methylcyclohexan 3 3 trans-1-om-3-methylcyclohexan 1-om-4-methylcyclohexan besitzt keine asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatome. Darum besitzt die Verbindung nur ein cis- und ein trans-isomer. 3 cis-1-om-4-methylcyclohexan 3 trans-1-om-4-methylcyclohexan ÜBUNG 26 Zeichnen Sie für die folgenden Verbindungen alle Stereoisomere, die möglich sind: (a) 2-hlor-3-hexanol; (b) 2-om-4-hlorhexan; (c) 2,3-Dichlorpentan; (d) 1,3-Dibrompentan. ÜBUNG 27 Zeichnen Sie die Stereoisomere von 1-om-3-chlorcyclohexan. ÜBUNG 28 Welche von allen yclooctanen mit einem hlor- und einem Methylsubstituenten, die möglich sind, besitzen keinerlei asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome? STRATEGIEN ZUR PRBLEMLÖSUNG Zeichnung von Enantiomeren und Diastereomeren Zeichnen Sie je ein Enantiomer und ein Diastereomer für die folgende Verbindung: oder A B Es gibt zwei Möglichkeiten, ein Enantiomer zu zeichnen. Sie können die Konfiguration aller asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatome ändern, indem Sie wie in A aus allen gestrichelten Keilen ausgefüllte machen und umgekehrt. der Sie können wie in B einfach das Spiegelbild der gegebenen Verbindung zeichnen. Beachten Sie, dass A und B identische Moleküle sind, da es sich bei beiden um Enantiomere der gegebenen Verbindung handelt. Ein Diastereomer zeichnen Sie, indem Sie die Konfiguration nur eines der asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatome ändern, wie in. Fahren Sie nun mit Übung 29 fort. 260

26 5.12 Mesoverbindungen ÜBUNG 29 Zeichen Sie je ein Diastereomer für die folgenden Verbindungen: (a) 3 (b) l l (c) 3 3 (d) Mesoverbindungen 5.12 In den Beispielen, die wir soeben erörtert haben, besitzt jede Verbindung mit zwei asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatomen vier Stereoisomere. Einige Verbindungen mit zwei asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatomen besitzen jedoch nur drei Stereoisomere. Dies ist der Grund, warum in Abschnitt 5.9 betont wurde, dass die maximale Zahl von Stereoisomeren einer Verbindung mit n asymmetrisch substituierten -Atomen 2 n beträgt (unter der Voraussetzung, dass keine anderen Stereozentren vorhanden sind), statt nur zu behaupten, dass eine Verbindung mit n asymmetrisch substituierten -Atomen 2 n -Stereoisomere besitzt. Ein Beispiel für eine Verbindung mit zwei asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatomen, die nur drei Stereoisomere besitzt, ist das 2,3-Dibrombutan ,3-Dibrombutan 3 perspektivische Formeln der Stereoisomere des 2,3-Dibrombutans (gestaffelt) Das fehlende Isomer ist das Spiegelbild von 1, da 1 mit seinem Spiegelbild identisch ist. Dies lässt sich am besten erkennen, wenn man entweder perspektivische Formeln in der verdeckten Konformation oder Fischer-Projektionen betrachtet perspektivische Formeln der Stereoisomere des 2,3-Dibrombutans (verdeckt) Fischer-Projektionen der Stereoisomere des 2,3-Dibrombutans Es ist offensichtlich, dass 1 und sein Spiegelbild identisch sind, wenn man die perspektivischen Formelbilder in der verdeckten Konformation betrachtet. Um sich zu überzeugen, dass die Fischer-Projektion von 1 und ihr Spiegelbild identische Moleküle wiedergeben, lässt man das Spiegelbild um 180 rotieren. Erinnern Sie sich: Man kann Fischer-Projektionen nur durch Rotation um 180 in der Papierebene bewegen. 261

27 5 STEREEMIE ANRDNUNG VN ATMEN IM RAUM UND DIE STEREEMIE VN ADDITINSREAKTINEN deckungsgleiche Spiegelbilder deckungsgleiche Spiegelbilder MERKE! Eine Mesoform besitzt zwei oder mehr asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome und eine Symmetrieebene. Eine chirale Verbindung kann keine Symmetrieebene besitzen. Das Stereoisomer 1 wird als Mesoverbindung (= Mesoform der Verbindung) bezeichnet. Ungeachtet der Tatsache, dass eine Mesoverbindung asymmetrisch substituierte -Atome besitzt, handelt es sich um ein achirales Molekül, da es mit seinem Spiegelbild deckungsgleich ist. Die Vorsilbe meso ist dem Griechischen entlehnt und bedeutet mittig / in der Mitte. Eine Mesoform lässt sich daran erkennen, dass sie zwei oder mehr asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome und eine Symmetrieebene besitzt. Eine Symmetrieebene zerschneidet das Molekül in zwei älften, wobei die eine älfte das Spiegelbild der anderen ist. Ein Molekül mit einer Symmetrieebene hat kein Enantiomer. Vergleichen Sie das Stereoisomer 1, das eine Symmetrieebene und damit kein Enantiomer besitzt, mit dem Stereoisomer 2, das keine Symmetrieebene und damit ein Enantiomer besitzt. Falls eine Verbindung eine Symmetrieebene besitzt, wird sie auch dann nicht optisch aktiv sein und kein Enantiomer haben, wenn sie asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome enthält. Symmetrieebene Stereoisomer Mesoverbindungen MERKE! Falls eine Verbindung eine Symmetrieebene besitzt, wird sie auch dann nicht optisch aktiv sein, wenn sie asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome enthält. Falls eine Verbindung mit zwei asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatomen über die gleichen vier Bindungspartner an jedem der asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatome verfügt, ist eines der Stereoisomere der Verbindung eine Mesoform. Es ist leicht zu erkennen, ob eine Verbindung mit zwei asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatomen ein Stereoisomer besitzt, das eine Mesoverbindung ist: Die vier Atome und/oder Gruppen, die an die asymmetrisch substituierten -Atome gebunden sind, sind identisch mit den vier Atomen oder/und Gruppen an dem anderen asymmetrisch substituierten -Atom. Eine Verbindung mit den gleichen vier Atomen und/oder Gruppen an zwei asymmetrisch substituierten -Atomen kann in Form dreier Stereoisomerere vorliegen: Eine davon wird eine Mesoform sein, und die beiden anderen werden Enantiomere sein. 3 3 eine Mesoverbindung 3 3 eine Mesoverbindung Enantiomere Enantiomere 3 262

28 5.12 Mesoverbindungen Im Fall zyklischer Verbindungen ist das cis-isomer die Mesoform, und das trans-isomer kommt in Form von Enantiomeren vor. 3 3 cis-1,3-dimethylcyclopentan eine Mesoverbindung trans-1,3-dimethylcyclopentan ein Enantiomerenpaar cis-1,2-dibromcyclohexan eine Mesoverbindung trans-1,2-dibromcyclohexan ein Enantiomerenpaar Die vorangegangene perspektivische Formel des cis-1,2-dibromcyclohexans legt die Vermutung nahe, dass die Verbindung eine Symmetrieebene besitzt. Das yclohexan ist jedoch kein planes Sechseck es existiert überwiegend in der Sesselkonformation, und das Sesselkonformer des cis-1,2-dibromcyclohexans weist keine Symmetrieebene auf. Nur die viel weniger stabile Bootskonformation des cis-1,2-dibromcyclohexans besitzt eine Symmetrieebene. Ist cis-1,2-dibromcyclohexan also eine Mesoverbindung? Die Antwort ist ja. Solange irgendein Konformer einer Verbindung eine Symmetrieebene aufweist, ist die Verbindung achiral, und eine achirale Verbindung mit zwei asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatomen ist eine Mesoverbindung. keine Symmetrieebene Symmetrieebene Sesselkonformation Bootkonformation Dies gilt auch für azyklische Verbindungen. Wir haben gerade gesehen, dass 2,3-Dibrombutan eine achirale Mesoform ist, da es eine Symmetrieebene besitzt. Um erkennen zu können, dass es eine Symmetrieebene besitzt, mussten wir die relativ instabile verdeckte Konformation betrachten. Die stabilere, gestaffelte Konformation hat dagegen keine Symmetrieebene. 2,3-Dibrombutan ist jedoch immer noch eine Mesoverbindung, da es ein Konformer mit einer Symmetrieebene besitzt. Symmetrieebene 3 keine Symmetrieebene verdeckte Konformation gestaffelte Konformation 263

29 5 STEREEMIE ANRDNUNG VN ATMEN IM RAUM UND DIE STEREEMIE VN ADDITINSREAKTINEN STRATEGIEN ZUR PRBLEMLÖSUNG Identifizierung von Stereoisomeren einer Verbindung, die Mesoformen sind Welche der folgenden Verbindungen besitzt ein Stereoisomer, das eine Mesoform ist? (a) 2,3-Dimethylbutan; (b) 3,4-Dimethylhexan; (c) 2-om-3-methylpentan; (d) 1,3-Dimethylcyclohexan; (e) 1,4-Dimethylcyclohexan; (f) 1,2-Dimethylcyclohexan; (g) 3,4 Diethylhexan; (h) 1-om-2-methylcyclohexan. Prüfen Sie jede Verbindung, um zu ergründen, ob es die notwendigen Voraussetzungen für die Existenz einer Mesoform erfüllt. Verfügt sie also über zwei asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome mit den gleichen vier Substituenten an jedem asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatom? Die Verbindungen A, E und G besitzen kein Stereoisomer, die eine Mesoform ist, weil sie keine asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatome enthalten A 3 E G Die Verbindungen und verfügen jeweils über zwei asymmetrisch substituierte -Atome. Die besitzen kein Stereoisomer, das eine Mesoform ist, weil die beiden asymmetrisch substituierten -Atome nicht über die gleichen Bindungspartner verfügen Die Verbindungen B, D und F verfügen über ein Stereoisomer, dass eine Mesoform ist: Sie besitzen zwei asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome, und jedes asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatom ist an die gleichen vier Atome und/oder Gruppen gebunden B 3 3 D 3 Das Isomer, das die Mesoform ist, ist dasjenige, das eine Symmetrieebene besitzt, wenn eine azyklische Verbindung in ihrer verdeckten Konformation gezeichnet wird (B) oder wenn eine zyklische Verbindung mit einem planaren Ring gezeichnet wird (D und F). 3 F 3 3 Fahren Sie nun mit Übung 30 fort oder 3 B D F ÜBUNG 30 Welche der folgenden Verbindungen verfügt über ein Stereoisomer, das eine Mesoform ist? (a) 2,4-Dibromhexan; (c) 2,4-Dimethylpentan; (e) 1,4-Dichlorcyclohexan; (b) 2,4-Dibrompentan; (d) 1,3-Dichlorcyclohexan; (f) 1,2-Dichlorcyclobutan ÜBUNG 31 (mit Lösung) Welche der folgenden Verbindungen sind chiral? l 3 l 3 l 3 l 3 l 3 l 3 264

30 5.13 Nomenklatur für Isomere mit mehr als einem asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatom Lösung Um chiral zu sein, darf das Molekül nicht über eine Symmetrieebene verfügen. Darum sind nur die folgenden Verbindungen chiral. 3 l l 3 In der obersten Reihe von Verbindungen ist nur die dritte Verbindung chiral. Die erste, die zweite und die vierte Verbindung verfügen jede über eine Symmetrieebene. In der unteren Reihe von Verbindungen sind die erste und die dritte Verbindung chiral. Die zweite und die vierte Verbindung besitzen jeweils eine Symmetrieebene. ÜBUNG 32 Zeichnen Sie alle Stereoisomere aller folgenden Verbindungen: (a) 1-om-2-methylbutan; (b) 1-hlor-3-methylpentan (c) 2-Methyl-1-propanol (d) 2-om-1-butanol (e) 3-hlor-3-methylpentan (f) 3-om-2-butanol (g) 3,4-Dichlorhexan (h) 2,4-Dichlorpentan (i) 2,4-Dichlorheptan (j) 1,2-Dichlorcyclobutan (k) 1,3-Dichlorcyclohexan (l) 1,4-Dichlorcyclohexan (m) 1-om-2-hlorcyclobutan (n) 1-om-3-hlorcyclobutan Nomenklatur für Isomere mit mehr als einem asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatom 5.13 Falls eine Verbindung mehr als ein asymmetrisch substituiertes Kohlenstoffatom aufweist, müssen die Schritte zur Bestimmung der Konfiguration (R oder S) für jedes asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatom einzeln durchgeführt werden. Lassen Sie uns dies beispielhaft an einem der Stereoisomere des 3-om-2-butanols durchführen. 3 3 ein Stereoisomer des 3-om-2-butanols Als Erstes wird die Konfiguration am -2 bestimmt. Die -Gruppe besitzt die höchste Priorität, das -3 (das an, und gebundene -Atom) besitzt die nächstniedrigere. Die Methylgruppe ( 3 ) besitzt die nächstniedrigere Priorität, und das -Atom die niedrigste. Da die Bindung zum Bindungspartner mit der niedrigsten Priorität ( ) mit einem gestrichelten Keil dargestellt ist, können wir unmittelbar einen Pfeil vom Bindungspartner mit der höchsten Priorität zu dem Bindungspartner mit der zweithöchsten Priorität zeichnen. Da die Pfeilrichtung gegen den Uhrzeigersinn verläuft, ist die Konfiguration am -2 S S

31 5 STEREEMIE ANRDNUNG VN ATMEN IM RAUM UND DIE STEREEMIE VN ADDITINSREAKTINEN Wir müssen nun die Konfiguration am -3 bestimmen. Da die Bindung zu dem Bindungspartner mit der niedrigsten Priorität ( ) nicht durch einen gestrichelten Keil symbolisiert wird, müssen wir es vorübergehend durch die Vertauschung von zwei Gruppen/Atomen in diese Position bringen. 3 2 R Der Pfeil, der vom Bindungspartner mit der höchsten Priorität ( ) zum Bindungspartner mit der nächstniedrigeren Priorität (das an, und gebundene -Atom) weist, zeigt in die Gegenuhrzeigerrichtung, was auf die S-Konfiguration hindeutet. Da wir aber vor dem Einzeichnen des Pfeiles zwei Gruppen bzw. Atome vertauscht haben, besitzt das -3 die entgegengesetzte Konfiguration, also die R-Konfiguration. Das Isomer trägt also die Bezeichnung (2S, 3R)-3-om-2-butanol. (2S,3R)-3-om-2-butanol S 3 R 3 Fischer-Projektionen von Verbindungen mit zwei asymmetrisch substituierten -Atomen lassen sich auf ähnliche Weise benennen. Dazu müssen Sie nur die Regeln, die Sie für die Fischer-Projektionen mit einem hiralitätszentrum gelernt haben, auf jedes asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatom anwenden. Beim -2 weist der Pfeil von dem Bindungspartner mit der höchsten Priorität zum Bindungspartner mit der zweithöchsten Priorität in Uhrzeigerrichtung, was R-Konfiguration nahelegt. Da jedoch die Gruppe mit der niedrigsten Priorität durch einen horizontalen Bindungsstrich symbolisiert ist, kommen wir zu der Folgerung, dass am -2 die S-Konfiguration gegeben ist (siehe Abschnitt 5.7). S Durch Wiederholung dieser Schritte für das -3 gelangen Sie zu dem Ergebnis, dass dieses R-Konfiguration aufweist. Der vollständige Name des Isomers ist also (2S,3R)- 3-om-2-butanol. 2 (2S,3R)-3-om-2-butanol 4 3 R Die vier Stereoisomere des 3-om-2-butanols sind im Folgenden mit vollständigen chemischen Bezeichnungen wiedergegeben. Nehmen Sie sich einige Minuten Zeit, um die Namen zu überprüfen und ihre Richtigkeit zu verifizieren. ÜBUNG 33 Zeichnen und benennen Sie die vier Stereoisomere des 1,3-Dichlor-2-butanols unter Verwendung von: (a) perspektivischen Formeln; (b) Fischer-Projektionen. 266

32 5.13 Nomenklatur für Isomere mit mehr als einem asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatom 3 3 (2S,3R)-3-om- 2-butanol 3 3 (2S,3R)-3-om- 2-butanol 3 3 (2R,3S)-3-om- 2-butanol 3 (2R,3S)-3-om- 2-butanol 3 3 (2S,3S)-3-om- 2-butanol perspektivische Formeln der Stereoisomere des 3-om-2-butanols 3 3 (2S,3S)-3-om- 2-butanol 3 (2R,3R)-3-om- 2-butanol Beachten Sie, dass Enantiomere an beiden asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatomen (hiralitätszentren) entgegengesetzte Konfigurationen aufweisen, während Diastereomere an einem der hiralitätszentren die gleiche, an dem anderen entgegengesetzte Konfigurationen besitzen. Die Weinsäure besitzt drei Stereoisomere, weil jedes ihrer beiden asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatome (beide hiralitätszentren) den gleichen Satz von vier Bindungspartnern aufweist. Die Mesoform der Weinsäure und das Enantiomerenpaar tragen die nachfolgend aufgeführten exakten Bezeichnungen (2R,3S)-Weinsäure (2R,3R)-Weinsäure (2S,3S)-Weinsäure eine Mesoverbindung ein Enantiomerenpaar perspektivische Formeln der Stereoisomere der Weinsäure Fischer-Projektionen der Stereoisomere des 3-om-2-butanols 3 3 (2R,3R)-3-om- 2-butanol (2R,3S)-Weinsäure eine Mesoverbindung (2R,3R)-Weinsäure (2S,3S)-Weinsäure ein Enantiomerenpaar Fischer-Projektionen der Stereoisomere der Weinsäure Die physikalischen Eigenschaften der drei Stereoisomere der Weinsäure sind in Tabelle 5.2 zusammengestellt. Die Mesoform und jedes der beiden Enantiomere bilden Tabelle 5.2 Physikalische Eigenschaften der Stereoisomere der Weinsäure Schmelzpunkt spezifische Löslichkeit ( ) Drehung (g/100 g 2 bei 15 ) (2R,3R)-(+)-Weinsäure , (2S,3S)-( )-Weinsäure , (2R,3S)-(Weinsäure)* (;)-Weinsäure * meso-weinsäure 267

33 5 STEREEMIE ANRDNUNG VN ATMEN IM RAUM UND DIE STEREEMIE VN ADDITINSREAKTINEN jeweils ein Diastereomerenpaar. Man beachte, dass die physikalischen Eigenschaften der Enantiomere sich gleichen, wohingegen die physikalischen Eigenschaften der Diastereomeren verschieden sind. Beachten Sie weiterhin, dass die physikalischen Eigenschaften des Racemats sich von den physikalischen Eigenschaften der Enantiomere unterscheiden. ÜBUNG 34 hloramphenicol ist ein eitspektrum-antibiotikum, das besonders gut zur Behandlung von Typhus geeignet ist. Wie lauten die Konfigurationen aller asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatome des hloramphenicols? 2 Nl 2 N 2 hloramphenicol STRATEGIEN ZUR PRBLEMLÖSUNG Zeichnung perspektivischer Formeln einer Verbindung mit zwei asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatomen Zeichnen Sie perspektivische Formeln von (2S,3R)-3-hlor-2-pentanol. Zeichnen Sie zunächst die Verbindung und vernachlässigen Sie dabei die Konfiguration an asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatomen. Zeichnen Sie die Bindungen an den asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatomen. ingen Sie an jedem der asymmetrisch substituierten -Atome den Bindungspartner mit der niedrigsten Priorität an der durch den gestrichelten Keil symbolisierten Bindung an. l hlor-2-pentanol ingen Sie bei jedem der asymmetrisch substituierten -Atome den Bindungspartner mit der höchsten Priorität an einer Bindung an, so dass ein Pfeil, der zum Bindungspartner mit der nächstniedrigeren Priorität weist, im Uhrzeigersinn verläuft, falls die R-Konfiguration gewünscht ist, und im Gegenuhrzeigersinn, falls die S-Konfiguration gewünscht ist. ingen Sie die verbleibenden Substituenten (Bindungspartner) an den letzten noch freien Bindungen an l (2S,3R)-3-hlor-2-pentanol Fahren Sie nun mit Übung 35 fort. S R l ÜBUNG 35 Zeichnen Sie perspektivische Formeln der folgenden Verbindungen: (a) (S)-3-hlor-1-pentanol; (c) (2R,2R)-3-Methyl-2-pentanol; (b) (2R,2R)-2,3-Dibrompentan; (d) (R)-1,2-Dibrombutan. 268

34 5.14 Reaktionen von Verbindungen mit einem asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatom ÜBUNG 36 Die Aminosäure Threonin hat vier Stereoisomere. Das in der Natur vorkommende Isomer ist (2S,3R)-Threonin. Welche der nachfolgenden Strukturen stellt dieses Isomer dar? 3 + N N 3 3 Stereoisomere des Threonins + N N ÜBUNG 37 Benennen Sie die nachfolgenden Verbindungen vollständig: (a) l l (b) 3 2 (c) (d) l l 3 Reaktionen von Verbindungen mit einem asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatom 5.14 Wenn eine Verbindung, die ein asymmetrisch substituiertes Kohlenstoffatom enthält, eine Reaktion eingeht, hängt das Schicksal der Konfiguration an dem asymmetrisch substituierten -Atom von der Reaktion ab. Falls die Reaktion keine der vier Bindungen des asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatoms auflöst, verändern sich die relativen Positionen der an das asymmetrisch substituierte -Atom gebundenen Gruppen nicht. Wenn beispielsweise (S)-1-hlor-3-methylpentan mit ydroxydionen reagiert, wird das hloratom gegen ausgetauscht (wir werden in Abschnitt 8.2 sehen, warum dieser Austausch stattfindet). Das Edukt und das Produkt besitzen dieselbe relative Konfiguration, da die Reaktion nicht zur Auflösung irgendeiner der Bindungen des asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatoms führt. Das bedeutet, dass sich die 3 2 -Gruppe auf der linken Seite befindet, die 3 -Gruppe an einem ausgefüllten Keil und das -Atom an einem gestrichelten Keil. MERKE! Falls eine Reaktion nicht zur Auflösung einer Bindung zum asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatom führt, werden das Edukt und das Produkt dieselbe relative Konfiguration besitzen. 2 2 l (S)-1-hlor-3-methylpentan (S)-3-Methyl-1-pentanol Ein Wort der Warnung: Falls die vier an das asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatom gebundenen Gruppen ihre relativen Positionen beibehalten, muss ein S-Reaktant nicht notwendigerweise zu einem S-Produkt führen, wie es im obigen Beispiel der Fall war. Im nachfolgenden Beispiel behalten die Gruppen ihre relativen Positionen im Verlauf der Reaktion bei. Daher haben Reaktant und Produkt dieselbe relative Konfiguration. Das Edukt besitzt jedoch die S-Konfiguration, wohingegen das Produkt die R-Konfiguration aufweist. bwohl die Gruppen ihre relativen Positionen beibehalten haben, haben sich die relativen Prioritäten gemäß der ahn-ingold-prelog-regeln verändert (siehe Abschnitt 3.5). Die Änderung der Prioritäten nicht eine Ände- 269

35 5 STEREEMIE ANRDNUNG VN ATMEN IM RAUM UND DIE STEREEMIE VN ADDITINSREAKTINEN rung der Positionen der Gruppen ist es, die dazu führt, dass aus einem S-Reaktant ein R-Produkt wird. 2 2 Pd/ (S)-3-Methylhexen (R)-3-Methylhexan MERKE! Falls eine Reaktion zur Auflösung einer Bindung am asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatom führt, lässt sich die Konfiguration des / der Produkte(s) nicht vorhersagen, wenn nicht der Mechanismus der Reaktion bekannt ist. Reaktant und Produkt besitzen in diesem Beispiel die gleiche relative Konfiguration, aber sie unterscheiden sich in ihren absoluten Konfigurationen das Edukt hat S-Konfiguration, wohingegen das Produkt die R-Konfiguration aufweist. Die tatsächliche Konfiguration wird die absolute Konfiguration genannt, um anzuzeigen, dass die Konfiguration im absoluten Sinn bekannt ist statt in relativem Sinn. Die absolute Konfiguration einer Verbindung zu kennen, bedeutet, zu wissen, ob sie die S- oder die R-Konfiguration besitzt. Zu wissen, dass zwei Verbindungen dieselbe relative Konfiguration besitzen, bedeutet, dass ihre Substituenten dieselben relativen Positionen einnehmen. Wir haben soeben gesehen, dass das Produkt falls die Reaktion nicht zur Auflösung von Bindungen am asymmetrisch substituierten -Atom führt dieselbe relative Konfiguration aufweisen wird. Falls aber andererseits die Reaktion zur Auflösung von Bindungen am asymmetrisch substituierten -Atom führt, kann das Produkt die gleiche relative Konfiguration wie der Reaktant besitzen oder aber die entgegengesetzte relative Konfiguration. Welches der Produkte tatsächlich gebildet wird, hängt vom Mechanismus der Reaktion ab. Wir können daher nicht vorhersagen, welche Konfiguration ein Produkt besitzen wird, solange wir nicht den Mechanismus der Reaktion kennen Y Z + + Y 3 3 Z Z besitzt die gleiche relative Konfiguration wie der Reaktant besitzt eine dem Reaktanten entgegengesetzte relative Konfiguration ÜBUNG 38 (mit Lösung) (S)-( )-2-Methyl-1-butanol soll in (+)-2-Methylbutansäure umgesetzt werden, ohne irgendeine Bindung am asymmetrisch substituierten -Atom aufzulösen. Wie ist die Konfiguration von ( )-2-Methylbutansäure? Lösung (S)-( )-2-Methyl-1-butanol (+)-2-Methylbutansäure Wir wissen, dass (+)-2-Methylbutansäure die dargestellte relative Konfiguration besitzt, da sie aus (S)-( )-2-Methyl-1-butanol ohne uch von Bindungen am asymmetrisch substituierten -Atom entstanden ist. Daher wissen wir, dass (+)-2-Methylbutansäure S-Konfiguration besitzt. Wir können somit schließen, dass ( )-2-Methylbutansäure R-Konfiguration besitzt. 270

36 5.15 Die absolute Konfiguration des (+)-Glycerinaldehyds ÜBUNG 39 Das Stereoisomer von 1-Iod-2-Methylbutan mit S-Konfiguration dreht die Ebene des polarisierten Lichtes gegen den Uhrzeigersinn. Die folgende Reaktion führt zu einem Alkohol, der die Ebene des polarisierten Lichtes im Uhrzeigersinn dreht. Wie lautet die Konfiguration von ( )-2-Methyl-1-butanol? 2 I I Die absolute Konfiguration des (+)-Glycerinaldehyds 5.15 Glycerinaldehyd besitzt ein asymmetrisch substituiertes Kohlenstoffatom und kommt daher in zwei stereoisomeren Formen vor. Die absolute Konfiguration des Glycerinaldehyds war bis 1951 nicht bekannt. Bis zu diesem Datum wussten die hemiker nicht, ob (+)-Glycerinaldehyd die R- oder die S-Konfiguration besitzt, obwohl man willkürlich entschieden hatte, dass er die R-Konfiguration besitzt. Es gab eine 50:50- hance, dass man damit richtig lag. 2 (R)-(+)-Glycerinaldehyd 2 (S)-( )-Glycerinaldehyd Die Konfigurationen vieler organischer Verbindungen wurden ermittelt, indem man sie aus (+)-Glycerinaldehyd oder aus ( )-Glycerinaldehyd synthetisiert, oder in (+)- Glycerinaldehyd oder ( )-Glycerinaldehyd überführt hat, wobei immer Reaktionen eingesetzt wurden, die nicht zur Auflösung von Bindung am asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatom führten. Beispielsweise konnte ( )-Milchsäure mit (+)-Glycerinaldehyd durch die folgenden Reaktionen in Beziehung gesetzt werden. Daher wurde gefolgert, dass die Konfiguration der ( )-Milchsäure die unten dargestellte ist. Da vorausgesetzt wurde, dass (+)-Glycerinaldehyd das R-Enantiomer ist, waren die diesen Molekülen zugewiesenen Konfigurationen relative Konfigurationen, keine absoluten Konfigurationen. Sie bezogen sich auf (+)-Glycerinaldehyd und erfolgten unter der Annahme, dass (+)-Glycerinaldehyd R-Konfiguration besitzt. g N 2 NaN 2 Zn N (+)-Glycerinaldehyd ( )-Glycerinsäure (+)-Isoserin ( )-3-om-2- hydroxypropansäure ( )-Milchsäure Im Jahr 1951 setzten die niederländischen hemiker J. M. Bijovoet, A. F. Peerdeman und A. J. van Bommel die Röntgenkristallographie und eine neue Technik namens anomale Dispersion ein und ermittelten, dass das Natriumrubidiumsalz der (+)-Weinsäure R,R-Konfiguration besaß. Da (+)-Weinsäure aus ( )-Glycerinaldehyd synthetisiert werden konnte, musste ( )-Glycerinaldehyd das S-Enantiomer sein. Die Annahme, dass (+)-Glycerinaldehyd die R-Konfiguration besaß, erwies sich daher als richtig! 271

37 5 STEREEMIE ANRDNUNG VN ATMEN IM RAUM UND DIE STEREEMIE VN ADDITINSREAKTINEN mehrere Schritte R 2 S R Die Arbeiten dieser hemiker lieferten unmittelbar die absoluten Konfigurationen all der Verbindungen, deren relative Konfigurationen durch ihre Beziehung zum (+)- Glycerinaldehyd ermittelt worden waren. Die ( )-Milchsäure besitzt daher die auf der Vorseite dargestellte Konfiguration. Falls (+)-Glycerinaldehyd das S-Enantiomer gewesen wäre, müsste ( )-Milchsäure die entgegengesetzte Konfiguration besitzen. ÜBUNG 40 Wie lauten die absoluten Konfigurationen der folgenden Verbindungen? (a) ( )-Glycerinsäure; (b) (+)-Isoserin; (c) ( )-Glycerinaldehyd; (d) (+)-Milchsäure. ÜBUNG 41 BIGRAPIE Welche der folgenden Aussagen trifft zu? (a) Falls zwei Verbindungen dieselbe relative Konfiguration besitzen, so weisen sie auch dieselbe absolute Konfiguration auf. (b) Falls zwei Verbindungen dieselbe relative Konfiguration besitzen und die absolute Konfiguration einer von ihnen bekannt ist, lässt sich die absolute Konfiguration der anderen bestimmen. (c) Ein R-Reaktant führt immer zu einem S-Produkt. Die Trennung von Enantiomeren 5.16 Der französische hemiker und Mikrobiologe Louis Pasteur ( ) war der Erste, der nachweisen konnte, dass Mikroorganismen bestimmte Krankheiten verursachen.von der französischen Weinindustrie beauftragt zu ergründen, warum Wein bei der Alterung manchmal sauer wird, wies er nach, dass bestimmte Mikroorganismen dazu führen, dass der Traubensaft gärt, wobei Wein entsteht, durch die aber auch der Wein mit der Zeit sauer wird. Ein sachtes Erhitzen des Weins nach der Gärung ein Vorgang, der heute ihm zu Ehren Pasteurisierung heißt tötet die rganismen ab, so dass der Wein nicht sauer werden kann. Enantiomere können nicht durch die gebräuchlichen Trenntechniken wie fraktionierte Destillation oder Kristallisation voneinander getrennt werden, weil ihre identischen Siedepunkte und Löslichkeitswerte dazu führen, dass sie bei der Destillation gleichzeitig übertreten und gleichzeitig kristallisieren. Louis Pasteur war der Erste, dem es gelang, ein Enantiomerenpaar erfolgreich zu trennen. Bei seiner Arbeit mit Kristallen des Natriumammoniumtartrats fiel ihm auf, dass die Kristalle nicht identisch waren einige der Kristalle waren Rechtshänder, andere Linkshänder. Er trennte mit größter Gewissenhaftigkeit die beiden Kristallsorten mit einer Pinzette. Er fand dann experimentell heraus, dass eine Lösung der rechtshändigen Kristalle die Ebene des polarisierten Lichtes im Uhrzeigersinn drehten, während eine Lösung der linkshändigen Kristalle die Ebene des polarisierten Lichtes im Gegenuhrzeigersinn drehte. Na + Na N 4 4 N Pasteur war zu diesem Zeitpunkt erst 26 Jahre alt und in wissenschaftlichen Kreisen weitgehend unbekannt. Er war wegen der Korrektheit seiner Beobachtungen besorgt, da nur wenige Jahre zuvor der deutsche rganochemiker Eilhardt Mitscherlich 272

38 5.17 Stickstoff- und Phosphorchiralitätszentren berichtet hatte, dass Kristalle desselben Salzes allesamt identisch seien. Pasteur teilte seine Befunde sogleich Jean-Baptise Biot (siehe Abschnitt 5.8) mit und wiederholte das Experiment in Biots Anwesenheit. Biot war überzeugt, dass Pasteur erfolgreich die Enantiomere des Natriumammoniumtartrates getrennt hatte. Pasteurs Experiment führte zur Einführung eines neuen chemischen Begriffes. Die Weinsäure (deren Salze Tartrate heißen) wird aus Weintrauben gewonnen, und so wurde sie als racemische Säure bezeichnet (racemus ist das lateinische Wort für Weintraube ). Als Pasteur herausfand, dass die Weinsäure (engl. tartaric acid) tatsächlich ein Enantiomerengemisch war, nannte er dieses ein racemisches Gemisch. Seither nennt man eine Mischung aus gleichen Anteilen von Enantiomeren racemisches Gemisch (siehe Abschnitt 5.9). Die Trennung von Enantiomeren wird als Racematspaltung bezeichnet. Später erkannten hemiker, wieviel Glück Pasteur gehabt hatte. Natriumammoniumtartrat bildet nämlich nur unter ganz bestimmten Bedingungen asymmetrische Kristalle genau unter jenen Bedingungen, die Pasteur angewandt hatte. Unter anderen experimentellen Bedingungen werden die symmetrischen Kristalle gebildet, die Mitscherlich in die Irre geführt hatten. Um mit Pasteur zu sprechen: Der Zufall begünstigt nur einen vorbereiteten Geist! Die Enantiomerentrennung von and, wie Pasteur sie vollführt hatte, ist keine universell anwendbare Methode, um ein Racemat zu trennen, da nur wenige Verbindungen asymmetrische Kristalle bilden. Bis vor kurzer Zeit war die Trennung von Enantiomeren ein mühsamer Prozess. Man musste die Enantiomere in Diastereomere überführen. Diastereomere lassen sich trennen, weil sie unterschiedliche physikalische Eigenschaften haben (siehe Abschnitt 5.11). Nach der Trennung wurden die einzelnen Diastereomere wieder in die ursprünglichen Enantiomere umgewandelt. Glücklicherweise können Enantiomere mittlerweile durch eine relativ einfache Technik getrennt werden, die man hromatographie nennt. Bei dieser Methode wird das zu trennende Gemisch in einem Lösungsmittel aufgelöst und die Lösung durch eine Säule geschickt, die mit einem Stoff gefüllt ist, der dazu neigt, organische Verbindungen zu adsorbieren. Falls die hromatographiesäule mit einem chiralen Material befüllt ist, kann man erwarten, dass die beiden Enantiomere mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch die Säule wandern, da sie verschiedene Affinitäten für das chirale Säulenmaterial besitzen werden, so wie eine rechte and eine höhere Affinität zu einem rechten andschuh besitzt. Das eine Enantiomer wird also vor dem anderen am Ende der Säule erscheinen. Da die Enantiomerentrennung heute relativ einfach ist, werden viele Arzneimittel als einzelne Enantiomere und nicht mehr als racemische Mischungen angeboten (siehe Abschnitt 5.10). Das chirale Material ist ein Beispiel für eine chirale Sonde es kann zwischen Enantiomeren unterscheiden. Ein Polarimeter (siehe Abschnitt 5.9) ist ein weiteres Beispiel für eine chirale Sonde. In Abschnitt 5.21 werden wir zwei Sorten biologischer Moleküle kennen lernen, die chirale Sonden sind Enzyme und Rezeptoren. BIGRAPIE Eilhardt Mitscherlich ( ) war ein deutscher hemiker, der zunächst Medizin studiert hatte, was ihm erlaubte, nach Asien zu reisen und so seinem Interesse für orientalische Sprachen nachzugehen. Später erlag er der Faszination für die hemie. Er war Professor für hemie an der Universität Berlin und schrieb ein erfolgreiches Lehrbuch der hemie, das 1829 veröffentlicht worden ist. Kaliumhydrogentartratkristalle ein in der Natur vorkommendes Salz, das man in Weintrauben findet. Weintrauben sind ungewöhnlich, weil sie große Mengen an Weinsäure erzeugen, während die meisten Früchte Zitronensäure erzeugen. Kaliumhydrogentartrat wird manchmal beim Kochen anstelle von Essig oder Zitronensaft verwendet. Stickstoff- und Phosphorchiralitätszentren 5.17 Auch andere als asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome können hiralitätszentren sein. Wenn ein Atom wie ein Stickstoff- oder Phosphoratom vier unterschiedliche Gruppen gebunden hat und eine tetraedrische Struktur einnimmt, ist es ein hiralitätszentrum. Eine Verbindung mit einem hiralitätszentrum kann in Form von Enantiomeren existieren, und die Enantiomere lassen sich trennen. 273

39 5 STEREEMIE ANRDNUNG VN ATMEN IM RAUM UND DIE STEREEMIE VN ADDITINSREAKTINEN Enantiomere N N + Enantiomere P P Falls eine der vier Gruppen, die an das N-Atom gebunden sind, ein freies Elektronenpaar ist, können die Enantiomere nicht getrennt und isoliert werden, da sie sich bei Raumtemperatur rasch ineinander umwandeln. Dieses Phänomen wird als Amininversion bezeichnet. Ein Weg, die Amininversion bildlich darzustellen, ist, sie sich als einen Regenschirm vorzustellen, der in einem Sturm umgestülpt wird. Übergangszustand sp 3 sp 2 R 1 N R 1 R3 R 2 N p-rbital R 3 R 2 R 1 N R 3 R 2 sp 3 Amininversion Bei der Amininversion tritt ein Übergangszustand ein, in dessen Verlauf das sp 3 -hybridisierte Stickstoffatom zu einem sp 2 -hybridisierten Stickstoffatom wird. Die drei an das sp 2 -Atom gebundenen Gruppen liegen in einer Ebene mit Bindungswinkeln von 120 und das einsame Elektronenpaar befindet sich in einem p-rbital. Die invertierten und die nicht invertierten Aminmoleküle sind Enantiomere, doch sie können nicht getrennt werden, da die Amininversion so rasch abläuft. Die zur Amininversion benötigte Energie beträgt etwa 6 kcal/mol (25 kj/mol) das ist ungefähr doppelt so viel Energie, wie für eine Rotation um eine -Einfachbindung benötigt wird, aber immer noch so wenig, dass die Enantiomere bei Zimmertemperatur problemlos ineinander überführt werden können. Das einsame Elektronenpaar ist für die Inversion notwendig, da quaternäre Ammoniumionen, also solche mit vier Stickstoffbindungen und folglich keinem einsamen Elektronenpaar, nicht invertieren können. ÜBUNG 42 Verbindung A besitzt zwei Stereoisomere, die Verbindungen B und existieren als Einzelverbindungen. Geben Sie eine Erklärung N l N l N A B Stereochemie von Reaktionen: Regioselektive, stereoselektive und stereospezifische Reaktionen 5.18 In Kapitel 4 haben wir gelernt, dass Alkene elektrophile Additionsreaktionen eingehen und haben die verschiedenen Reagenzientypen betrachtet, die an Alkene addiert werden. Wir haben darüber hinaus den schrittweisen Vorgang, durch den sich diese Reaktionen vollziehen (den Mechanismus der Reaktion), untersucht, und wir 274

40 5.18 Stereochemie von Reaktionen: Regioselektive, stereoselektive und stereospezifische Reaktionen haben ermittelt, welche Produkte gebildet werden. Wir haben jedoch die Stereochemie der Reaktionen außer Acht gelassen. Die Stereochemie ist ein Gebiet, das sich mit der Struktur von Molekülen in den drei Dimensionen des Raumes befasst. Wenn wir den stereochemischen Verlauf einer Reaktion untersuchen, beschäftigen uns die folgenden Fragen: 1 2 Falls ein Reaktionsprodukt in Form von zwei oder mehr Stereoisomeren existieren kann, führt dann die Reaktion zur Bildung eines einzelnen Stereoisomers, zur Bildung eines bevorzugten Satzes von Stereoisomeren oder zur Bildung aller möglichen Stereoisomere? Falls Stereoisomerie beim Reaktanten möglich ist, reagieren dann alle Stereoisomere unter Bildung derselben stereoisomeren Produkte, oder führt jede Reaktantform zu einem anderen Stereoisomer oder einem unterschiedlichen Satz von Stereoisomeren? Bevor wir den stereochemischen Verlauf der elektrophilen Addition untersuchen können, müssen wir uns zuvor mit einigen Begriffen vertraut machen, die bei der Beschreibung des stereochemischen Verlaufs von Reaktion zum Tragen kommen. In Abschnitt 4.4 haben wir gelernt, dass eine regioselektive Reaktion eine solche ist, bei der zwei Konstitutionsisomere als Produkte aus einer Reaktion hervorgehen können, eines der Isomere aber in größerer Menge erhalten wird als das andere. Eine regioselektive Reaktion selektiert mit anderen Worten auf ein bestimmtes Konstitutionsisomer. Erinnern Sie sich daran, dass eine Reaktion mäßig regioselektiv, hochgradig regioselektiv oder vollständig regioselektiv verlaufen kann, abhängig davon, in welchen relativen Mengen die Konstitutionsisomere in der betreffenden Reaktion gebildet werden. MERKE! Eine regioselektive Reaktion führt zur Bildung einer größeren Menge eines Konstitutionsisomers gegenüber einem anderen. eine regioselektive Reaktion A B + Konstitutionsisomere es wird mehr B als gebildet Stereoselektivität ist ein ähnlich gearteter Begriff, doch bezieht er sich auf die bevorzugte Bildung eines Stereoisomers anstelle eines Konstitutionsisomers. Falls eine Reaktion, die eine Kohlenstoff Kohlenstoff-Doppelbindung oder ein hiralitätszentrum im Produkt erzeugt, zur bevorzugten Bildung eines Stereoisomers gegenüber einem anderen führt, handelt es sich um eine stereoselektive Reaktion. Sie selektiert mit anderen Worten auf ein bestimmtes Stereoisomer. Abhängig vom Grad der Bevorzugung eines bestimmten Stereoisomers, lässt sich eine Reaktion als mäßig stereoselektiv, hochgradig stereoselektiv oder vollständig stereoselektiv beschreiben. MERKE! Eine stereoselektive Reaktion führt zur Bildung einer größeren Menge eines Stereoisomers im Vergleich zu einem anderen. eine stereoselektive Reaktion Stereoisomere A B + es wird mehr B als gebildet Eine Reaktion heißt stereospezifisch, wenn der Reaktant in Form von Stereoisomeren vorkommen kann und jeder stereoisomere Ausgangsstoff zu einem stereochemisch verschiedenen Produkt oder einem stereochemisch verschiedenen Satz von Produkten führt. MERKE! Bei einer stereospezifischen Reaktion führt jedes Stereoisomer zur Bildung eines stereochemisch unterschiedlichen Produktes oder eines stereochemisch unterschiedlichen Satzes von Produkten. 275

41 5 STEREEMIE ANRDNUNG VN ATMEN IM RAUM UND DIE STEREEMIE VN ADDITINSREAKTINEN stereospezifische Reaktionen Stereoisomere A B D Stereoisomere MERKE! Eine stereospezifische Reaktion ist auch stereoselektiv. Eine stereoselektive Reaktion ist nicht notwendigerweise auch stereospezifisch. In der vorausgegangenen Reaktion führt Stereoisomer A zur Bildung von Stereoisomer B, aber nicht von D; die Reaktion ist also nicht nur stereospezifisch, sondern darüber hinaus auch stereoselektiv. Alle stereospezifischen Reaktionen sind somit auch stereoselektiv. Es sind jedoch umgekehrt nicht alle stereoselektiven Reaktionen auch stereospezifisch, weil es stereoselektive Reaktionen gibt, bei denen die Edukte keine -Doppelbindungen oder asymmetrisch substituierte -Atome besitzen und somit nicht als Stereoisomere vorliegen können. Die Stereochemie der elektrophilen Addition an Alkene 5.19 Da wir nunmehr mit der elektrophilen Addition sowie mit Stereoisomeren vertraut sind, können wir die beiden Konzepte vereinen und uns dem stereochemischen Verlauf der elektrophilen Addition zuwenden. Wir wenden uns mit anderen Worten den Stereoisomeren zu, die im Verlauf der in Kapitel 4 diskutierten elektrophilen Additionen gebildet werden. In Kapitel 4 haben wir gelernt, dass bei der Reaktion eines Alkens mit einem elektrophilen Reagenz wie das auptprodukt der Reaktion dasjenige ist, bei dem das Elektrophil ( + ) an dasjenige sp 2 -hybridisierte -Atom gebunden wird, das die größere Zahl -Atome gebunden hält, und das Nucleophil ( ) an das andere sp 2 -Kohlenstoffatom gebunden wird. Beispielsweise ist das auptprodukt der Reaktion von Propen mit das 2-ompropan. Dieses besondere Produkt besitzt keine Stereoisomere, da es kein asymmetrisch substituiertes -Atom enthält. Daher muss uns der stereochemische Verlauf dieser Reaktion nicht weiter kümmern Propen 2-ompropan auptprodukt Falls jedoch die Reaktion zu einem Produkt mit einem hiralitätszentrum führt, müssen wir wissen, welche Stereoisomere gebildet werden. Beispielsweise führt die Reaktion von mit 1-Buten zu 2-ombutan einer Verbindung mit einem asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatom. Wie lautet die Konfiguration des Produktes? Erhalten wir das R-Enantiomer, das S-Enantiomer, oder beide? Buten 2-ombutan asymmetrisch substituiertes Kohlenstoffatom Bei der Erörterung des stereochemischen Verlaufs der elektrophilen Addition werden wir zunächst Reaktionen betrachten, die zu einem Produkt mit einem hiralitätszentrum führen. Danach werden wir Reaktionen betrachten, die zu einem Produkt mit zwei hiralitätszentren führen. 276

42 5.19 Die Stereochemie der elektrophilen Addition an Alkene Additionen, die ein asymmetrisch substituiertes Kohlenstoffatom erzeugen Wenn ein Reaktant, der kein hiralitätszentrum enthält, eine Reaktion durchläuft, die zur Bildung eines Produktes mit einem hiralitätszentrum führt, ist das Produkt ein racemisches Gemisch. Beispielsweise führt die Reaktion von 1-Buten mit zu gleichen Teilen von (R)-2-ombutan und (S)-2-ombutan. Eine elektrophile Addition, die von einem Edukt ohne jedes asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatom zu einem Produkt mit einem asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatom führt, ist nicht stereoselektiv, da sie nicht auf ein bestimmtes Stereoisomer selektiert. Warum ist das so? Wir werden sehen, dass man ein racemisches Gemisch erhält, wenn wir die Struktur des im ersten Schritt der Reaktion gebildeten arbokations untersuchen. Das positiv geladene Kohlenstoffatom ist sp 2 -hybridisiert, also liegen die drei an es gebundenen weiteren Atome in einer Ebene (siehe Abschnitt 1.10). Wenn sich das omidion dem positiv geladenen -Atom von oberhalb der Ebene nähert, wird das eine Enantiomer gebildet; wenn es sich aber von unterhalb der Molekülebene nähert, wird das andere Enantiomer gebildet. Da das omidion von beiden Seiten der Molekülebene einen gleich guten Zugang hat, werden durch die Reaktion gleiche Mengen des R- und des S-Enantiomers gebildet. nähert sich von oberhalb der Ebene (S)-2-ombutan nähert sich von unterhalb der Ebene (R)-2-ombutan ÜBUNG 43 (a) Ist die Reaktion von 2-Buten mit regioselektiv? (b) Ist sie stereoselektiv? (c) Ist sie stereospezifisch? (d) Ist die Reaktion von 1-Buten mit regioselektiv? (e) Ist sie stereoselektiv? (f) Ist sie stereospezifisch? ÜBUNG 44 Welche Stereoisomere entstehen bei jeder der folgenden Reaktionen? (a) l (c) 3 (b) (d)

43 5 STEREEMIE ANRDNUNG VN ATMEN IM RAUM UND DIE STEREEMIE VN ADDITINSREAKTINEN Falls eine Reaktion ein asymmetrisch substituiertes -Atom in einer Verbindung erzeugt, die bereits ein hiralitätszentrum besitzt, wird ein Diastereomerenpaar gebildet. Sehen wir uns als Beispiel die folgende Reaktion an: Da keine der Bindungen an dem asymmetrisch substituierten -Atom des Eduktes im Verlauf der Additionsreaktion mit aufgelöst wird, ändert sich die Konfiguration an diesem asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatom nicht. Das omidion kann sich der planaren carbokationischen Zwischenstufe sowohl von oben als auch von unten her nähern. Dabei wird ein neues hiralitätszentrum geschaffen; es werden also zwei Stereoisomere gebildet. Die Stereoisomere sind Diastereomere, da eines der asymmetrisch substituierten -Atome in beiden Isomeren dieselbe Konfiguration besitzt und an dem anderen asymmetrisch substituierten -Atom in den beiden Isomeren entgegengesetzte Konfigurationen vorliegen. neues asymmetrisch Stereoisomere Konfiguration substituiertes Kohlenstoffatom l ändert sich nicht l l l S R (R)-3-hlor-1-buten Diastereomere Da die Produkte der vorausgegangenen Reaktion Diastereomere sind, muss der Übergangszustand, der zu ihnen führt, ebenfalls diastereomer sein. Die beiden Übergangszustände werden folglich nicht die gleiche Stabilität besitzen, so dass die beiden Diastereomere in unterschiedlichen relativen Mengen gebildet werden. Die Reaktion ist stereoselektiv von dem einen Stereoisomer wird mehr gebildet als von dem anderen. Additionen, die zur Bildung von Produkten mit zwei hiralitätszentren führen Wenn ein Reaktant, der keine asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatome enthält, eine Reaktion durchläuft, die zur Bildung eines Produktes mit zwei hiralitätszentren führt, sind die Stereoisomere, die gebildet werden, vom Mechanismus der Reaktion abhängig. Additionen mit einer carbokationischen oder einer radikalischen Zwischenstufe Falls als Ergebnis einer Addition mit einem arbokation als Intermediat zwei asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome erzeugt werden, können als Produkte vier Stereoisomere entstehen cis-3,4-dimethyl-3-hexen neue asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome + l l 3 3-hlor-3,4-Dimethylhexan perspektivische Formeln der Stereoisomere des Produktes l l l 2 3 Fischer-Projektionen der Stereoisomere des Produktes l l l l

44 5.19 Die Stereochemie der elektrophilen Addition an Alkene Im ersten Schritt der Reaktion kann das Wasserstoffion die Ebene der doppelt gebundenen Kohlenstoffatome des Alkens von oberhalb oder unterhalb angreifen, um das arbokation zu bilden. Nachdem das arbokation gebildet ist, kann das hloridion sich dem positiv geladenen -Atom von oben oder von unten her nähern. Als Endergebnis können vier Stereoisomere entstehen: Das Wasserstoffion und das hloridion können sich oben/oben, oben/unten, unten/oben und unten/unten addieren. Wenn die beiden Substituenten an dieselbe Seite der Doppelbindung addiert werden, spricht man von einer syn-addition. Wenn die beiden Substituenten an gegenüberliegende Seiten der Doppelbindung addiert werden, spricht man von einer anti-addition. Man beobachtet bei Additionen an Alkene, die über ein arbokation als Zwischenstufe verlaufen, sowohl syn- wie anti-additionen. Da die vier Stereoisomere, die aus einem cis-alken entstehen, mit den vier Stereoisomeren, die aus einem trans-alken entstehen, identisch sind, ist die Reaktion nicht stereospezifisch. Stereochemischer Verlauf der Wasserstoffaddition Bei einer katalytischen ydrierung sitzt das Alken auf der berfläche des metallischen Katalysators, und beide Wasserstoffatome addieren sich auf derselben Seite an die Doppelbindung (siehe Abschnitt 4.11). Die Addition von 2 an ein Alken ist darum eine syn-addition. Pt Addition von 2 ist eine syn-addition Falls die Addition von Wasserstoff an ein Alken zu einem Produkt mit zwei asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatomen führt, werden nur zwei der vier theoretisch möglichen Stereoisomere gebildet, weil nur die syn-addition ablaufen kann. Die anderen beiden Stereoisomere müssten aus der anti-addition hervorgehen. Ein Stereoisomer resultiert aus der Addition beider -Atome von oberhalb der Ebene der Doppelbindung her; das andere Stereoisomer resultiert aus der Addition beider -Atome von unterhalb der Ebene. Das spezielle Stereoisomerenpaar, das gebildet wird, hängt davon ab, ob der Reaktant ein cis- oder ein trans-alken ist. Die syn-addition von 2 an ein cis-alken führt nur zur Bildung des Erythro-Enantiomers. In Abschnitt 5.11 haben wir gelernt, dass die Erythro-Enantiomere diejenigen sind, bei denen in der verdeckten Konformation identische Gruppen auf derselben Seite einer Kette von Kohlenstoffatomen stehen D D D + = D + Pt/ D D D D D D cis-2,3-dideuterio- 2-penten Erythro-Enantiomere perspektivische Formeln (verdeckte Konformere) Erythro-Enantiomere perspektivische Formeln (gestaffelte Konformere) 3 3 D D + D D Erythro-Enantiomere Fischer-Projektionen 279

45 5 STEREEMIE ANRDNUNG VN ATMEN IM RAUM UND DIE STEREEMIE VN ADDITINSREAKTINEN Falls jedes der beiden asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatome an die gleichen vier Substituenten gebunden ist, wird anstelle der Erythro-Enantiomere eine Mesoform gebildet. sich also auch um eine stereoselektive Reaktion, weil nicht alle möglichen Isomere gebildet werden; beispielsweise werden in der nachfolgenden Reaktion nur die Threo- Enantiomere gebildet D = Pt/ D D D D D 2 3 cis-2,3-dideuterio- Mesoverbindung 2-penten Im Gegensatz dazu führt die syn-addition von 2 an ein trans-alken nur zur Bildung der Threo-Enantiomere. Die Wasserstoffaddition ist somit eine stereospezifische Reaktion das bei der Addition an ein cis-isomer gebildete Produkt ist ein anderes als das Produkt, das man bei der Addition an ein trans-isomer bekommt. Es handelt 3 D D trans-2,3-dideuterio- 2-penten 2 Pt/ 3 D D = 2 3 D 3 3 D 2 3 Threo-Enantiomere perspektivische Formeln (verdeckte Konformere) D D D Threo-Enantiomere perspektivische Formeln (gestaffelte Konformere) D D D + D D Threo-Enantiomere Fischer-Projektionen Wenn das Produkt eine zyklische Verbindung ist, führt die Addition von 2 nur zur Bildung des cis-enantiomers, da sich die beiden Wasserstoffatome auf der gleichen Seite der Doppelbindung anlagern. Pt/ ( 3 ) ( 3 ) 2 3 ( 3 ) 2 1-Isopropyl-2-methylcyclopenten Jedes der beiden asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatome im Produktmolekül der folgenden Reaktion ist an die gleichen vier Substituenten gebunden. Die syn-addition führt darum zur Bildung einer Mesoform. D D 1,2-Dideuteriocyclopenten + 2 Pt/ D D 280

46 5.19 Die Stereochemie der elektrophilen Addition an Alkene INTERGRUND Zyklische Alkene Zyklische Alkene mit weniger als acht Kohlenstoffatomen im Ring, wie etwa yclopenten und yclohexen, kommen nur in der cis- Form vor, da sie nicht genug Kohlenstoffatome besitzen, um eine trans-ständige Doppelbindung einbauen zu können. Es ist daher nicht notwendig, die Vorsilbe cis in ihren Namen anzugeben. Bei Ringen mit acht oder mehr -Atomen ist cis/ trans-isomerie möglich, so dass die Konfiguration der Verbindung im Namen angegeben werden muss. yclopenten yclohexen cis-ycloocten trans-ycloocten ÜBUNG 45 (a) Welche Stereoisomere werden bei der folgenden Reaktion gebildet? Pd/ (b) Welches Stereoisomer wird in größerer Ausbeute gebildet? Stereochemischer Verlauf der Addition einer Peroxycarbonsäure Die Addition einer Peroxycarbonsäure an ein Alken, bei der ein Epoxid entsteht (siehe Abschnitt 4.9) ist eine konzertierte Reaktion: Das Sauerstoffatom lagert sich gleichzeitig an die beiden sp 2 -hybridisierten Kohlenstoffatome an. Folglich muss es sich um eine syn-addition handeln. R ein Alken ein Epoxid die Addition einer Peroxycarbonsäure ist eine syn-addition Das Sauerstoffatom kann sich von oberhalb oder unterhalb der Ebene nähern, welche die Doppelbindung enthält. Deshalb werden bei der Addition einer Peroxycarbonsäure an ein Alken zwei Stereoisomere gebildet. Die syn-addition an ein cis-alken bildet die cis-enantiomere. Da nur die syn-addition vorkommt, ist die Reaktion stereoselektiv cis-2-penten R Die syn-addition an ein trans-alken bildet die trans-enantiomere trans-2-penten R

47 5 STEREEMIE ANRDNUNG VN ATMEN IM RAUM UND DIE STEREEMIE VN ADDITINSREAKTINEN Bei der Addition einer Peroxycarbonsäure an cis-2-buten entsteht eine Mesoform jedes der beiden asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatome ist mit den gleichen vier Gruppen verbunden (siehe Abschnitt 5.12). R cis-2-buten ÜBUNG 46 (a) Welches Alken benötigt man, um die folgenden Verbindungen zu synthetisieren? (b) Welches andere Epoxid entsteht dabei? Stereochemischer Verlauf der ydroborierung-xidation Die Addition von Boran an ein Alken (siehe Abschnitt 4.10) ist ebenfalls eine konzertierte Reaktion. Das Bor und das ydridion werden gleichzeitig an die beiden sp 2 - Kohlenstoffatome der Doppelbindung addiert. Da die beiden Teilchen zeitgleich addiert werden, müssen sie sich an dieselbe Seite der Doppelbindung addieren. Die Addition von Boran an ein Alken ist daher wie die Addition von Wasserstoff eine syn-addition. B B 2 B 3 die Addition von Boran ist eine syn-addition Wenn das Alkylboran durch die Reaktion mit Wasserstoffperoxid und ydroxidionen oxidiert wird, nimmt die -Gruppe genau die Position ein wie die Borgruppe, die sie ersetzt. Folglich entspricht die ydroborierung-xidation insgesamt einer syn- Addition von Wasser an eine Kohlenstoff Kohlenstoff-Doppelbindung. B ein Alkylboran ein Alkohol die ydroborierung-xidation ist eine syn-addition von Wasser Da nur die syn-addition abläuft, ist die ydroborierung-xidation stereoselektiv nur zwei der vier möglichen Stereoisomere werden gebildet. Wie wir bei der Addition von 2 an ein ycloalken gesehen haben, resultiert die syn-addition in der Bildung von nur demjenigen Enantiomerenpaar, bei dem die neu hinzugetretenen Gruppen auf derselben Seite des Ringes stehen. 282

48 5.19 Die Stereochemie der elektrophilen Addition an Alkene 1. B 3 /TF , 2 2, ÜBUNG 47 Welche Stereoisomere würde man aus der ydroborierung-xidation der folgenden Verbindungen erhalten? (a) yclohexen; (b) 1-Ethylcyclohexen; (c) 1,2-Dimethylcyclopenten; (d) cis-2-buten. Additionen mit einem omoniumion als Zwischenstufe Falls als Ergebnis einer Additionsreaktion mit einem omoniumion als Zwischenstufe zwei asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome erzeugt werden, wird nur ein Enantiomerenpaar gebildet. Die Addition von 2 ist mit anderen Worten eine stereoselektive Reaktion. Die Addition von 2 an das cis-alken führt nur zur Bildung der Threo-Enantiomere l 2 3 cis-2-penten Threo-Enantiomere perspektivische Formeln Threo-Enantiomere Fischer-Projektionen In gleicher Weise führt die Addition von 2 an ein trans-alken nur zur Bildung der Erythro-Enantiomere. Da das cis- und das trans-isomer verschiedene Produkte ergeben, ist die Reaktion sowohl stereospezifisch als auch stereoselektiv l trans-2-penten Erythro-Enantiomere perspektivische Formeln 23 Da die Addition von 2 an ein cis-alken zur Bildung der Threo-Enantiomere führt, wissen wir, dass die Addition von 2 ein Beispiel für eine anti-addition ist, weil im Fall der syn-addition an ein cis-alken die Erythro-Enantiomere gebildet worden wären. Die Addition von 2 verläuft anti, weil die Zwischenstufe der Reaktion ein zyklisches omoniumion ist (siehe Abschnitt 4.7). Nachdem das omoniumion gebildet Erythro-Enantiomere Fischer-Projektionen 283

49 5 STEREEMIE ANRDNUNG VN ATMEN IM RAUM UND DIE STEREEMIE VN ADDITINSREAKTINEN das zyklische omoniumion bildet sich durch die Reaktion von 2 mit cis-2-buten ist, blockiert das verbrückte omatom diese Seite des Ions. Als Folge hiervon muss das negativ geladene omidion sich von der entgegengesetzten Seite her nähern und dabei entweder den grünen oder den roten Pfeilen folgen. Die beiden omatome addieren sich also an gegenüberliegenden Seiten der Doppelbindung. Da nur die anti-addition von 2 auftreten kann, entstehen nur zwei der vier theoretisch möglichen Stereoisomere. lagert sich an die Seite des Moleküls an, die derjenigen entgegengesetzt ist, an der + sich anlagert + die omatome lagern sich an entgegengesetzten Seiten der Doppelbindung an die Addition von 2 ist eine anti-addition Falls die beiden asymmetrisch substituierten -Atome im Produktmolekül jeweils die gleichen vier Substituenten tragen, sind die Erythro-Isomere gleich und bilden eine Mesoverbindung. Die Addition von 2 an trans-2-buten führt also zur Bildung einer Mesoform. 3 3 trans-2-buten 2 3 = 2 l eine Mesoverbindung perspektivische Formel Symmetrieebene 3 3 eine Mesoverbindung Fischer-Projektion Da nur anti-addition auftritt, führt die Addition von 2 an ein yclohexen(derivat) nur zur Bildung der Enantiomere, bei denen die omatome auf gegenüberliegenden Seiten des Ringes stehen. 2 2 l 2 + Eine Zusammenfassung der Stereochemie der Produkte, die man aus Additionsreaktionen an Alkenen erhält, können Sie Tabelle 5.3 entnehmen. Ein Weg, um zu ermitteln, welche Stereoisomere man aus vielen Reaktionen, die zur Bildung eines Produktes mit zwei asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatomen führen, erhält, gibt die Eselsbrücke IS-SYN-ERYTR an, die leicht zu behalten ist, weil alle drei Begriffe den gleichen Aussagesinn haben: Auf derselben Seite. Man kann zwei der Begriffe beliebig austauschen, jedoch nicht nur einen einzigen. Zum Beispiel sind TRANS-ANTI-ERYTR, TRANS-SYN-ERYTR und IS-ANTI- TRE erlaubt, TRANS-SYN-ERYTR ist hingegen nicht erlaubt. Falls Sie also 284

50 5.19 Die Stereochemie der elektrophilen Addition an Alkene Stereochemischer Verlauf der Additionsreaktionen von Alkenen Reaktion Typ der Addition Gebildete Stereoisomere Tabelle 5.3 Additionen, die ein asymmetrisch substituiertes Kohlenstoffatom im Produktmolekül erzeugen 1. Falls das Edukt kein asymmetrisch substituiertes Kohlenstoffatom enthält, wird ein Enantiomerenpaar gebildet (gleiche Mengen R- und S-Isomer). 2. Falls das Edukt ein asymmetrisch substituiertes Kohlenstoffatom enthält, werden ungleiche Mengen eines Diastereomerenpaares gebildet. Additionen, die zwei asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome im Produktmolekül erzeugen Addition von Reagenzien, die zur Bildung syn- und anti- Man erhält bis zu vier Stereoisomere* einer carbokationischen oder radikalischen (die cis- und trans-isomere desselben Produktes) Zwischenstufe führen Addition von Wasserstoff ( 2 ) syn- cis Erythro-Enantiomere* Addition von Boran (B 3 ) trans Threo-Enantiomere Addition vom om ( 2 ) anti- cis Threo-Enantiomere trans Erythro-Enantiomere* * Falls die beiden asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatome die gleichen Substituenten tragen, resultiert eine Mesoform anstelle des Erythro-Enantiomerenpaares. einen cis-reaktanten haben, der eine Addition von 2 durchmacht (die anti verläuft), erhalten Sie die Threo-Produkte, wenn die Produkte azyklisch sind, und die trans-produkte, wenn die Produkte zyklisch sind. Diese Eselsbrücke funktioniert für alle Reaktionen, die zu einem Produkt führen, dessen Struktur durch die Vorsilben Threo- bzw. Erythro- oder cis- bzw. trans- beschrieben werden kann. ÜBUNG 48 Die Reaktion von 2-Ethyl-1-penten mit 2, mit 2 + Pt/ oder mit B 3, gefolgt von führt zu einem Racemat. Erklären Sie, warum Sie in jedem der Fälle ein Racemat erhalten. ÜBUNG 49 Wie könnten Sie am Beispiel des trans-2-butens nachweisen, dass die Addition von om ( 2 ) mit einem zyklischen omoniumion als Zwischenstufe statt einem arbokation als Zwischenstufe abläuft? 285

51 5 STEREEMIE ANRDNUNG VN ATMEN IM RAUM UND DIE STEREEMIE VN ADDITINSREAKTINEN STRATEGIEN ZUR PRBLEMLÖSUNG Vorhersage der Stereoisomere, die man aus der Additionsreaktion von Alkenen erhält Welche Stereoisomere würden Sie aus den folgenden Reaktionen erhalten: (a) 1-Buten + l; (c) cis-3-epten + 2 (b) yclohexen + ; (d) trans-3-exen + 2 Beginnen Sie, die Produkte ohne Rücksicht auf ihre Konfigurationen zu zeichnen, um zu überprüfen, ob die Reaktionen zur Erzeugung asymmetrisch substituierter -Atome geführt haben. Bestimmen Sie dann die Konfigurationen der Produkte; achten Sie dabei falls notwendig auf die Konfiguration des Ausgangsstoffes (Reaktant), wie viele asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome erzeugt worden sind, sowie auf den Mechanismus der Reaktion. Beginnen wir mit Übung (a). (a) Das Reaktionsprodukt besitzt ein hiralitätszentrum; es werden also gleiche Mengen des R- und des S-Enantiomers gebildet. (b) l 3 Das Produkt weist keine asymmetrisch substituierten -Atome auf; es gibt also auch keine Stereoisomere. (c) l 2 3 l In diesem Produktmolekül sind zwei asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome erzeugt worden. Da der Reaktant das cis-isomer ist und die Addition von 2 anti verläuft, werden die Threo-Enantiomere gebildet (d) In diesem Produktmolekül sind zwei asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome erzeugt worden. Da das Edukt das trans-isomer ist und die Addition von 2 anti verläuft, würde man Erythro-Enantiomere erwarten. Da die beiden asymmetrisch substituierten -Atome aber an die gleichen vier Gruppen gebunden sind, ist das Erythro-Produkt eine Mesoform. Es wird daher nur ein Stereoisomer gebildet oder Fahren Sie nun mit Übung 50 fort oder ÜBUNG 50 Geben Sie die Konfigurationen der Produkte an, die Sie aus den folgenden Reaktionen erhalten würden: (a) trans-2-buten + + Peroxid; (d) cis-3-exen + ; (b) (Z)-3-Methyl-2-penten + ; (e) cis-2-penten + 2 ; (c) (Z)-3-Methyl-2-penten + + Peroxid; (f) 1-exen + 2. ÜBUNG 51 Wenn 2 an ein Alken mit unterschiedlichen Substituenten an jedem der beiden sp 2 -hybridisierten Kohlenstoffatome wie cis-2-epten addiert wird, erhält man gleiche Mengen der beiden Threo-Enantiomere, obwohl die Wahrscheinlichkeit für einen erfolgreichen Angriff des omidions auf das sterisch weniger gehinderte Kohlenstoffatom des omoniumions größer ist. Geben Sie eine Erklärung dafür, warum dennoch gleiche Mengen der Stereoisomere gebildet werden. 286

52 5.20 Der stereochemische Verlauf enzymkatalysierter Reaktionen ÜBUNG 52 (a) Welche Produkte würde man aus der Addition von 2 an yclohexen erhalten, falls das Lösungsmittel Wasser anstelle von Dichlormethan ( 2 l 2 ) wäre? (b) Schlagen Sie einen Mechanismus für die Reaktion vor. ÜBUNG 53 Welche Stereoisomere würden Sie als Produkte der nachfolgenden Reaktionen erwarten? (a) l 2 (d) l 2 (b) Pt/ (e) Pt/ (c) l 2 (f) Pt/ ÜBUNG 54 BIGRAPIE (a) Welches ist das auptprodukt der Reaktion von Propen mit 2 plus einem Überschuss hlorid (l )? (b) Geben Sie die relativen Mengen der Stereoisomere, die man erhalten würde, an. Der stereochemische Verlauf enzymkatalysierter Reaktionen 5.20 Die mit Lebewesen einhergehende hemie wird als Biochemie bezeichnet. Wenn Sie Biochemie studieren, studieren Sie die Strukturen und Funktionen der Moleküle, die in der belebten Welt vorkommen, und die Reaktionen, die bei der Synthese und beim Abbau dieser Verbindungen auftreten. Da die Verbindungen in den lebenden rganismen organische Verbindungen sind, überrascht es nicht, dass viele Reaktionen, denen wir in der rganischen hemie begegnen auch beim Studium der hemie biologischer Systeme wieder auftauchen. Lebende Zellen enthalten keine Moleküle wie l 2, oder B 3, so dass man nicht erwarten würde, Additionen solcher Verbindungen an Alkene in biologischen Systemen anzutreffen. Lebende Zellen enthalten jedoch Wasser und saure Katalysatoren, und so unterliegen die Alkene, die man in biologischen Systemen findet, der säurekatalysierten Addition von Wasser (siehe Abschnitt 4.5). Die in biologischen Systemen ablaufenden organischen Reaktionen werden durch Enzyme katalysiert. Enzymkatalysierte Reaktionen sind fast immer vollständig stereoselektiv. Enzyme katalysieren mit anderen Worten Reaktionen, die zur Bildung nur eines Stereoisomers führen. Beispielsweise führt die katalytische Wirkung des Enzyms Fumarase das die Addition von Wasser an Fumarat (Anion der Fumarsäure) Für seine Untersuchungen enzymkatalysierter Reaktionen wurde John ornforth im Jahr 1975 der Nobelpreis für hemie verliehen (zusammen mit Wladimir Prelog; siehe Abschnitt 5.6) in Australien geboren, studierte ornforth an der Universität von Sydney und wurde in England an der Universität von xford zum Ph.D. promoviert. Seine wesentlichen wissenschaftlichen Arbeiten führte John ornforth in den Laboratorien des medizinischen Forschungsrates (MR, Medical Research ouncil) Großbritanniens und in den Laboratorien der Firma Shell Research Ltd. durch. Er wurde 1977 in Großbritannien in den Adelsstand erhoben. 287

53 5 STEREEMIE ANRDNUNG VN ATMEN IM RAUM UND DIE STEREEMIE VN ADDITINSREAKTINEN BIGRAPIE vermittelt nur zur Bildung von (S)-Malat (Anion der Apfelsäure), einer Verbindung mit einem hiralitätszentrum. Fumarat + 2 Fumarase hiralitätszentrum 2 (S)-Malat Es entsteht jedoch nur dieses Produkt; das R-Enantiomer wird nicht gebildet. Grundlegende Arbeiten zur Stereochemie enzymkatalysierter Reaktionen wurden von Frank Westheimer durchgeführt. Westheimer wurde 1912 in Baltimore (Maryland, USA) geboren und erhielt seine Postgraduiertenausbildung in arvard. Er war Mitglied des Lehrkörpers der Universität von hicago und kehrte später als Professor für hemie nach arvard zurück. 2 (S)-Malat Eine enzymkatalysierte Reaktion führt nur zur Bildung eines Stereoisomers, weil die Bindungsstelle des Enzyms selbst chiral ist. Der chirale Bindungsort schränkt die Anlieferung von Reagenzien auf lediglich eine Seite der funktionellen Gruppe des Reaktanten (des Substrates) ein. Folglich wird nur ein Stereoisomer gebildet. Enzymkatalysierte Reaktionen sind außerdem stereospezifisch ein Enzym katalysiert im Regelfall die Reaktion nur eines Stereoisomers. Beispielsweise katalysiert die Fumarase die Addition von Wasser nur an der Fumarsäure (dem trans-isomer), nicht aber an der Maleinsäure (dem cis-isomer). Maleat + 2 Fumarase keine Reaktion Ein Enzym ist in der Lage, zwischen zwei Stereoisomeren zu unterscheiden, da nur einer von ihnen eine Struktur besitzt, die in die Bindungsstelle des Enzyms passt. ÜBUNG 55 (a) Welches wäre das Produkt der Reaktion von Fumarat/Fumarsäure mit Wasser ( 2 ), falls + anstelle der Fumarase als Katalysator eingestzt würde? (b) Welches wäre das Produkt der Reaktion von Malat/Apfelsäure mit Wasser ( 2 ), falls + anstelle der Fumarase als Katalysator eingestzt würde? Die Unterscheidung von Enantiomeren durch biologische Moleküle 5.21 Enzyme und Rezeptoren können zwischen Enantiomeren unterscheiden, da beide Proteine und folglich chirale Moleküle sind. Enzyme Wenn Enantiomere mit einem achiralen Reagenz reagieren, dann reagieren beide Enantiomere mit gleicher Geschwindigkeit, weil sie dieselben chemischen Eigenschaften besitzen. ydroxidionen, die achirale Reagenzien sind, etwa reagieren mit (R)-2-ombutan mit derselben Geschwindigkeit, mit der sie mit (S)-2-ombutan reagieren. 288

54 5.21 Die Unterscheidung von Enantiomeren durch biologische Moleküle Da ein Enzym ein chirales Reagenz ist, kann es nicht nur zwischen cis- und trans- Isomeren wie Maleat und Fumarat unterscheiden (siehe Abschnitt 5.20), sondern auch zwischen Enantiomeren. Es kann bei einer Reaktion ein Enantiomer bevorzugen. In der hemie wird diese Eigenschaft von Enzymen zur Trennung von Enantiomeren genutzt. Das Enzym D-Aminosäureoxidase beispielsweise katalysiert nur die Reaktion des R-Enantiomers und lässt das S-Enantiomer unangetastet. Das Produkt einer enzymkatalysierten Reaktion kann leicht von dem nicht umgesetzten Enantiomer abgetrennt werden. + R N 2 R-Enantiomer 2 N R S-Enantiomer D-Aminosäureoxidase Wie wir gesehen haben, kann ein Enzym zwischen Enantiomeren sowie zwischen cis- und trans-isomeren unterscheiden, weil seine Bindungsstelle chiral ist. Das Enzym bindet also nur das Stereoisomer, dessen Struktur in die chirale Bindungsstelle passt. In Abbildung 5.3 bindet das Enzym das R-Enantiomer, aber nicht das S-Enantiomer. Beim Letztgenannten befinden sich die Substituenten nicht an der richtigen Stelle, so dass es nicht an das Enzym binden kann. Genauso, wie in einen rechtshändigen andschuh nur die rechte and passt, reagiert ein Enzym nur mit einem bestimmten Stereoisomer (siehe Abschnitt 5.20). R N oxidiertes R-Enantiomer + 2 N R nicht umgesetztes S-Enantiomer R-Enantiomer S-Enantiomer Abbildung 5.3: Schematisches Diagramm, das zeigt, warum nur ein Enantiomer von einem Enzym gebunden wird. Ein Enantiomer passt in die Bindungsstelle, das andere nicht. Bindungsstelle des Enzyms Bindungsstelle des Enzyms Das Problem der Enantiomerentrennung kann umgangen werden, falls eine Synthese so ausgeführt wird, dass präferenziell nur eines der Enantiomere gebildet wird. Zu diesem Zweck werden nichtenzymatische chirale Katalysatoren entwickelt, die die Synthese des einen Enantiomers im großen Überschuss gegenüber dem anderen bewirken. Falls eine Reaktion mit einem Reagenz durchgeführt wird, das kein asymmetrisch substituiertes Kohlenstoffatom besitzt und zur Bildung eines Produktes mit einem asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatom führt, so wird ein racemisches Gemisch des Produktes gebildet. So liefert beispielsweise die katalytische ydrierung von 2-Ethyl-1-penten gleiche Mengen der beiden Enantiomere, da der Wasserstoff ( 2 ) mit gleicher Leichtigkeit auf beiden Seiten der Doppelbindung angeliefert werden kann (siehe Abschnitt 5.19). MERKE! Ein achirales Reagenz reagiert mit beiden Enantiomeren gleichartig. Eine Socke, die achiral ist, passt auf jeden der beiden Füße. Ein chirales Reagenz reagiert mit jedem Enantiomer anders. Ein Schuh, der chiral ist, passt nur auf einen Fuß Pd/ (R)-3-Methylhexan (S)-3-Methylhexan 50% 50% 289

55 5 STEREEMIE ANRDNUNG VN ATMEN IM RAUM UND DIE STEREEMIE VN ADDITINSREAKTINEN Falls jedoch das Metall mit einem chiralen organischen Molekül komplexiert wird, wird das 2 nur an eine Seite der Doppelbindung herangeführt. Ein solcher chiraler Katalysator, der Ru(II) als Metall und BINAP (2,2 -Bis(diphenylphosphino)-1,1 -binaphtyl) als chirales Molekül einsetzt, ist verwendet worden, um (S)-Naproxen das aktive Prinzip in mehreren frei verkäuflichen nichtsteroiodalen Entzündungshemmern zu synthetisieren, und das mit mehr als 98%igem Enantiomerenüberschuss (R)-BINAP Ru(II) 3 3 (S)-Naproxen > 98% ee ÜBUNG 56 Welcher Prozentsatz des S-Enantiomers wird in der obigen Synthese erhalten? Rezeptoren Ein Rezeptor ist ein Protein, der ein bestimmtes Molekül bindet. Da ein Rezeptor chiral ist, wird er ein Enantiomer besser bilden als das andere, genauso wie wir das eben für die Enzyme gelernt haben. Da ein Rezeptor im Regelfall nur ein Enantiomer erkennt, können jedem Enantiomer unterschiedliche physiologische Eigenschaften zufallen. Rezeptoren auf der Außenseite von Nervenzellen in der Nase sind beispielsweise in der Lage, geschätzte Gerüche, mit denen sie in Kontakt kommen, wahrzunehmen und zu unterscheiden. (R)-( )-arvon findet sich im ätherischen Öl der Minze Mentha spicata; (S)-(+)-arvon ist der auptbestandteil des Kümmelöls. Der Grund dafür, dass diese beiden Enantiomere so unterschiedlich riechen, ist, dass jedes in einen anderen Rezeptor hineinpasst [ α] 20 2 (R)-( )-arvon Pfefferminzöl = 62,5 [ α] 20 = +62,5 Viele Medikamente üben ihre physiologische Wirkung durch Bindung an zelluläre Rezeptoren aus. Falls der Wirkstoff ein asymmetrisch substituiertes Kohlenstoffatom enthält, kann der Rezeptor bevorzugt eines der Enantiomere binden. Enantiomere können daher dieselbe physiologische Aktivität, dieselbe physiologische Aktivität in unterschiedlichen Stärken oder sehr verschiedene physiologische Aktivitäten aufweisen. 3 D D 2 (S)-(+)-arvon Kümmelöl 290

56 5.21 Die Unterscheidung von Enantiomeren durch biologische Moleküle EMIE UND LEBEN Die Enantiomere des Thalidomids Thalidomid wurde 1956 in Europa und Kanada als Sedativum (Schlafmittel) zugelassen. Es war in über 40 Ländern erhältlich, bekam jedoch in den USA keine Zulassung, da Frances. Kelsey, eine Ärztin der Food and Drug Administration (FDA) auf zusätzlichen Tests bestanden hatte (siehe auch Abschnitt 30.4). Das rechtsdrehende Isomer hat stärkere sedative Eigenschaften, aber das verkaufte Medikament war ein racemisches Gemisch. Es wurde jedoch nicht erkannt, dass das linksdrehende Isomer hochgradig teratogen (Missbildungen erzeugend) ist, bis man herausfand, dass Frauen, die das Medikament im Verlauf der ersten drei Monate einer Schwangerschaft eingenommen hatten, oft Kinder mit einem weiten Spektrum an Missbildungen, wie z.b. deformierten Gliedmaßen, zur Welt brachten. Mehr als Kinder litten an den Folgen des Mittels. Es stellte sich schließlich heraus, dass auch das rechtsdrehende Isomer eine schwache teratogene Wirkung besitzt und dass die beiden Enantiomere sich im Körper racemisieren. Es ist daher nicht abschließend geklärt, ob die ausschließliche Verabreichung des rechtsdrehenden Isomers die Schwere der Missbildungen vermindert hätte doch es ist wenig wahrscheinlich. Thalidomid, das vom Markt genommen worden war, ist neuerdings mit Einschränkungen zur Behandlung der Lepra und des Melanom-autkrebses wieder zugelassen worden. N N hiralitätszentrum Thalidomid EMIE UND LEBEN hirale Medikamentenwirkstoffe Bis vor gar nicht langer Zeit sind die meisten Medikamente als racemische Wirkstoffgemische vermarktet worden, da die Kosten für eine Enantiomerentrennung hoch sind. Im Jahr 1992 brachte die FDA eine Verlautbarung in Umlauf, die die Medikamentenhersteller dazu ermunterte, in neuerer Zeit erzielte Fortschritte auf den Gebieten der Synthese und der Trenntechniken einzusetzen, um enantiomerenreine Wirkstoffe zu entwickeln. eute sind ein Drittel aller Medikamente enantiomerenrein. Nicht zuletzt konnten Pharmafirmen dadurch die Anzahl ihrer Patente erhöhen, indem sie ein Medikament, das bereits als Racemat auf dem Markt war, nun enantiomerenrein entwickelte. Wenn ein Racemat zum Verkauf kommen soll, fordert die FDA, dass beide Enantiomere auf ihre Wirkung getestet werden, da sie sehr unterschiedliche Eigenschaften haben können. So haben Tests ergeben, dass (S)-(+)-Ketamin ein vierfach stärkeres Anästhetikum ist als (R)-( )-Ketamin und dass was noch bedeutsamer ist die störenden Nebenwirkungen nur mit dem (R)-( )-Enantiomer einherzugehen scheinen. Die Aktivität von Ibuprofen, einem populären Antischmerzmittel, beruht in erster Linie auf dem (S)-(+)- Enantiomer. Die FDA hat Besorgnis hinsichtlich der Vermarktung als Einzelenantiomer geäußert, da mögliche Überdosierungen befürchtet werden. eroinabhängige können im Rahmen einer Ersatztherapie mit ( )-a-acetylmethadol für einen Zeitraum für 72 Stunden behandelt werden im Vergleich zu 24 Stunden beim racemischen Methadon. Dies bedeutet, dass die Patienten weniger häufig Arzt oder Klinik aufsuchen müssen und eine einzige Verabreichung den Patienten über ein ganzes Wochenende bringen kann. Die Verschreibung eines enantiomerenreinen Medikaments verhindert, dass Patienten in ihrem Stoffwechsel das weniger wirksame Enantiomer umsetzen und reduziert damit die Möglichkeit von Nebenwirkungen. Ferner können nun Medikamente angewendet werden, deren Verabreichung als Racemat aufgrund der Toxizität eines der Enantiomere bisher ausgeschlossen war. Beispielsweise kann die Wilson-Krankheit heute mit (S)-Penicillamin behandelt werden, obwohl (R)-Penicillamin zu Erblindung führt. ÜBUNG 57 Limonen kommt in zwei unterschiedlichen Stereoisomeren vor. Das R-Enantiomer kommt in rangen, das S-Enantiomer in Zitronen vor. Welches der folgenden beiden Moleküle kommt in rangen vor? (+)-Limonen ( )-Limonen Dr. Frances. Kelsey wird von Präsident John F. Kennedy dafür ausgezeichnet, dass sie verhindert hat, dass Thaladomid in den USA auf den Markt kommt. 291