Chiralitätszentrum X X

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1 hiralitätszentrum Die weitaus meisten chiralen Verbindungen ist deswegen chiral, weil sie sog. asymmetrische Kohlenstoffatome enthalten. Dies sind tetraedrisch konfigurierte -Atome mit vier verschiedenen Liganden (keine Symmetrieelemente außer 1, Punktgruppe 1 ). Allerdings muss festgehalten werden, dass asymmetrische Kohlenstoffatome keineswegs die einzige Möglichkeit sind, zentrochirale Verbindungen zu konstruieren. Streng genommen ist ein hiralitätszentrum gar kein Atom, sondern nur ein Punkt im Raum. Es ist der Punkt (rot markiert), an dem sich alle 3 -Achsen in einem symmetrischen Tetraeder (mit vier gleichen Liganden) schneiden. Auch andere Atome als, z.b. N, P, S, Se u.a. können am rt des hiralitätszentrums stehen. Es gibt sogar Moleküle, bei denen am rt des hiralitätszentrums gar kein Atom steht. Für alle diese Fälle werden im Folgenden Beispiele gezeigt. 3 X X X X T d (Tetraeder) 5 hiralitätszentrum 1

2 c c Moleküle mit einem asymmetrischen Kohlenstoffatom enthalten ein -Atom mit vier verschiedenen Liganden. Es reicht, wenn diese sich nur da- * * a d b d durch unterscheiden, dass es sich um Isotope (z.b. b a 1 und 2 ) handelt. Solche Moleküle existieren in zwei Formen, Bild und Spiegelbild, genannt Enantiomere. Der auch heute noch gelegentlich verwendete Begriff Antipoden sollte vermieden werden, weil er eine falsche Analogie herstellt. Wenn sich einer von zwei Zwillingen in Mitteleuropa befindet und der andere aber in Neuseeland, sind sie zwar Antipoden (um gedreht), aber keine Spiegelbilder. Die Anfänge der Stereochemie reichen weit bis ins 19. Jahrhundert zurück (Pasteur, van t off, LeBel), und schon um die Jahrhundertwende hat man sich bemüht, Bezeichnungsweisen einzuführen, mit denen man Enantiomere differenzieren kann. Die erste dieser Nomenklaturen wurde von Emil Fischer (rechts; hemie-nobelpreis 1903) vorgeschlagen, der damit chirale Zuckermoleküle benannt hat. 5 hiralitätszentrum 2

3 Dies ist die D,L-Nomenklatur zur Bezeichnung der Absolutkonfiguration. Sie sei am Beispiel des Glycerinaldehyds erläutert: * 2 Glycerinaldehyd ist 2,3-Dihydroxypropanal. Es enthält ein hiralitätszentrum (*). Seine beiden Enantiomere sind die Referenzverbindungen für alle Zucker. Man kann sie auch als Triosen bezeichnen. 1. Schritt: Die Kohlenstoffkette muss senkrecht stehen. 2. Schritt: Das höchstoxidierte Ende der Kette muss nach oben. 2 5 hiralitätszentrum 3

4 3. Schritt: Die anderen Atome/Substituenten stehen waagerecht. Zeigt die -Gruppe nach rechts, handelt es sich um D-Glycerinaldehyd ( D von dexter = rechts) 2 4. Schritt: (Einführung der 3. Dimension): In der FISER-Projektion liegen senkrechte Substituenten hinter die Zeichenebene (gestrichelt), waagerechte (Keile) ragen daraus hervor hiralitätszentrum 4

5 Das Spiegelbild ist L-Glycerinaldehyd, bei dem die -Gruppe nach links ( L von laevus = links) zeigt. Wichtige Regel: Austausch zweier Substituenten egal welcher führt zum Spiegelbild. Zweimaliger Austausch bringt zurück zum riginal: 2 σ (Weitere Files mit Anwendungen auf Zucker siehe Skripten 5a 5e.) 5 hiralitätszentrum 5

6 Faustregel: Da es für einen Neuling schwierig sein mag, sich die Voraussetzungen der FISER- Projektion zu merken, hier eine Eselsbrücke: Die Mücke oben vorwärts schreitet, sie hat die Flügel ausgebreitet. Wer dort sie lebend noch kann schauen, der sieht sie unten platt gehauen. Wenn das dem Molekül passiert, dann ist s nach FISER projiziert. (nach A. Wolf, Albstadt-Sigmaringen) 5 hiralitätszentrum 6

7 Die FISER-Nomenklatur funktioniert gut bei Zuckern und Aminosäuren, und dort hat sie sich auch bis heute erhalten. Jedoch gibt es viele andere Moleküle, auf die sie ohne Aufstellen immer neuer Zusatzregeln nicht anwendbar ist; (z.b. bei verzweigten Kohlenstoffgerüsten). Aus diesem Grund wurde in der Mitte des 20. Jahrhunderts eine ganz neue Regel eingeführt (AN, INGLD und PRELG, IP-Regel), die auf irgendwelche strukturellen Prämissen jenseits des hiralitätszentrums verzichtet. ier geht es nur um das hiralitätszentrum selbst und die Natur bzw. Struktur der vier verschiedenen Liganden, denen nach einer Sequenzregel Prioritäten zugeordnet werden. Das macht die Regel von der Struktur des Moleküls vollkommen unabhängig. Für die neue Regel wurden natürlich auch neue Deskriptoren gebraucht; es sind dies R (für rectus, rechts) und S (für sinister, links). Man nennt die Regel daher auch die R,S-Nomenklatur. Die Anwendung der IP-Regel (Sequenzregel) erfolgt in zwei Schritten: (a) Ermittlung der Sequenz Zunächst werden die vier voneinander verschiedenen Substituenten a, b, c und d nach ihrer Priorität geordnet; a habe die höchste, d die niedrigste. Das Kriterium für die Priorität ist die rdnungszahl (Z) des am asymmetrischen Kohlenstoff- 5 hiralitätszentrum 7

8 atom (*) befindlichen Substituenten bzw. dieses Atom, wenn der Substituent aus mehr als einem Atom besteht. Je höher die rdnungszahl, umso höher die Priorität, also z.b.: Br > l > S > F > > N > > Befinden sich am * zwei Isotope des gleichen Elements, hat das mit der größeren Masse die höhere Priorität, also z.b. 2 > 1 (Deuterium vor leichtem Wasserstoff). Tragen aber zwei (oder mehrere) Substituenten das gleiche erste Atom, z.b: in - 3 und - 2-3, müssen die Atome der nächsten Generation miteinander verglichen werden. Dabei handelt es sich um die Atome, die an den jeweiligen ersten Atomen hängen. Bei - 3 sind dies drei Wasserstoffatome (Kombination der Z: 111), bei dagegen ein und zwei (Kombination der Z: 611). Dasjenige Atom mit der höchsten Z (nicht Z-Summen!) gibt den Ausschlag (hier 6), also: > - 3. Bei solchen Abschätzungen werden Doppelbindungen wie zwei einzelne Bindungen zu, Dreifachbindungen wie drei Bindungen zu behandelt. 5 hiralitätszentrum 8

9 (b) Ermittlung der Deskriptoren R und S Der Tetraeder wird nun wie ein Steuerrad (grün) im Auto angesehen. Der Substituent niedrigster Priorität ( d ) steht nach hinten weg auf der Nabe des Steuerrads, während die anderen drei ( a bis c ) auf dem Steuerrad platziert sind: c c b * a d a * b d Läuft man beim Gang von a nach b nach c und zurück nach a im Uhrzeigersinn, hat der Kohlenstoff R-Konfiguration. Läuft man gegen den Uhrzeigersinn, ist die Konfiguration S. Merke: Man hat wie schon bei der Fischer-Nomenklatur auf diese Weise die Absolutkonfiguration benannt. Man sagt nicht nur, welche Interatom-Abstände und -Winkel im Molekül existieren (Relativkonfiguration), man legt auch fest, was Bild und was Spiegelbild ist. 5 hiralitätszentrum 9

10 Nun stellt sich die Frage: Benennen kann man alles, aber woher weiß man, welche Absolutkonfiguration bei einer gegebenen Substanz nun wirklich vorliegt? Dazu gibt es heute zahlreiche Möglichkeiten. Fast immer jedoch sind dies Relativmethoden, d.h. man bezieht sich auf ein Vorläufermolekül, bei dem die Absolutkonfiguration bekannt ist. Dies sich beziehen kann durch chemische Korrelation erfolgen (strukturelle Modifikation, bis ein bekanntes Molekül erhalten wird), aber auch durch Vergleich physikalischer Eigenschaften. Das älteste und zugleich einfachste Verfahren dieser letzteren Kategorie, das auch heute noch vielfach angewendet wird, ist die Bestimmung der ptischen Aktivität (siehe Skript 9): Enantiomere haben den gleichen Absolutwert der optischen Drehung, aber unterschiedliche Vorzeichen. Nun ist leider das Vorzeichen nicht in einfach durchschaubarer Weise mit der Absolutkonfiguration des Moleküls zu verbinden. Man muss also wie oben beschrieben Korrelationen zu Verbindungen mit bekannter Absolutkonfiguration und gleichzeitig bekanntem Drehsinn schaffen. Relativmethoden brauchen jedoch immer einen Prototyp, dessen Eigenschaften entweder bekannt sind oder wenn sie nicht bekannt sind einfach festgelegt werden müssen. Genau in der letzteren Situation war E. FISER, als er die Absolut- 5 hiralitätszentrum 10

11 konfiguration seines Prototyps, des Glycerinaldehyds, mit dem Drehsinn der optischen Drehung verbinden musste. Er ordnete willkürlich mit einer Wahrscheinlichkeit von 50%, die richtige Korrelation gewählt zu haben dem Glycerinaldehyd- Enantiomer mit dem positiven Drehsinn (+) die D-Konfiguration zu. Alle später publizierten Absolutkonfiguration bezogen sich letztlich auf diese Zuordnung! 2 D-(+)- 2-2 R- Erst in den 50er Jahren gelang es BIJVET, mit ilfe der anomalen Röntgenbeugung eine Absolutkonfiguration direkt zu bestimmen. Und siehe da, Fischer hatte seinerzeit zufällig Recht! Die wissenschaftliche Gemeinschaft hatte Glück gehabt, denn andererenfalls hätten alle bis dahin veröffentlichten Absolutkonfigurationen viele Tausende! umgedreht werden müssen. Ein Jahrzehnte währendes haos wäre unvermeidlich gewesen. 5 hiralitätszentrum 11

12 Weitere Beispiele für zentrochirale Verbindungen: F 3 N R- l S 3 Ph R- P l 3 Ph R- I Br R- l Im Falle des Aziridins können die Enantiomere nur deshalb isoliert werden, weil durch den stark gespannten, dreigliedrigen Ring sowie durch die hohe Elektronegativität des l die normalerweise bei Aminen sehr leicht eintretende Konfigurationsinversion (Racemisierung) bei Raumtemperatur noch nicht eintritt. Sulfoxide und Phosphine haben eine höhere Inversionsbarriere als Amine und sind bei Raumtemperatur normalerweise konfigurationsstabil. Das Adamantanderivat (rechts) hat ein hiralitätszentrum an einem Raumpunkt ( ), an dem sich kein Atom befindet. 5 hiralitätszentrum 12