4. Stereoisomerie. ! Diastereomer hier: allg. alle Stereosiomere, die keine Enantiomere sind! Organische Chemie I LA / J. C.

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1 4. Stereoisomerie! Diastereomer hier: allg. alle Stereosiomere, die keine Enantiomere sind! Organische Chemie I LA / J. C. Brendel 1

2 Stereoisomerie andere Darstellungsmöglichkeit: ISOMERE Konstitutionsisomere Stereoisomere Strukturisomere Stellungsisomere Konfigurationsisomer Konformere (Rotamere) cis/trans- Isomere ( -Diastereomere) Enantiomere* Diastereomere # *Bedingung: Vorhandensein eines asymmetrischen Zentrums (chirales C-Atom). # Diastereomer hier: Molekül mit mehreren asymmetrischen Zentren (auch: chirales Diastereomer). Organische Chemie I LA / J. C. Brendel 2

3 Stereoisomerie noch eine andere Darstellungsmöglichkeit: Kategorie Variante Gemeinsamkeiten Unterschiede Überführung durch Lösen von Bindg. Konstitutionsisomere Summenformel Struktur Ja Stereoisomere Konfigurationsisomere Diastereomere Enantiomere Summenformel + Struktur Räumliche Anordnung Räumliche Anordnung, aber wie Bild u. Spiegelbild Ja Ja Konformere Räumliche Stellung Nein Organische Chemie I LA / J. C. Brendel 3

4 Isomerie - Begriffe Konstitutionsisomerie Konstitutionsisomere besitzen die selbe Summenformel aber unterscheiden sich in ihrer Konstitution (= Verknüpfung der Atome untereinander, verschiedene Konnektivität). Beispiele: 1-Propanol 2-Propanol Methyl-ethylether Siedepunkt: 97 C 82 C 8 C Oxidation: zum Aldehyd zum Keton keine Reaktion Konstitutionsisomere besitzen unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften! Organische Chemie I LA / J. C. Brendel 4

5 Isomerie - Begriffe Tautomerie Tautomere sind Isomere, die durch Wanderung einzelner Atome oder Atomgruppen schnell ineinander übergehen. Sie stehen in einem chemischen Gleichgewicht zueinander. Eine Isolierung der Tautomere ist oft nicht möglich (schnelles Gleichgewicht). Wandernde Gruppe häufig ein Proton (Prototropie) oder einwertige Anionen (Cl -, OH -, AcO - ; Anionotropie). Zwischen den Tautomeren steht ein (Reaktions)doppelpfeil! (Nicht mit Mesomerie verwechseln!) Keto-Enol-Tautomerie Oxo-Cyclo-Tautomerie Organische Chemie I LA / J. C. Brendel 5

6 Isomerie - Begriffe Stereoisomerie Stereoisomere besitzen die gleiche Summenformel und Konnektivität, unterscheiden sich jedoch in der räumlichen Anordnung der Substituenten. A) Konformationsisomere Durch Drehung um Einfachbindungen ineinander überführbar. Rotationsbarriere (ausreichend hohe E A ) führt zu Konformeren (Rotameren). B) Konfigurationsisomere Räumliche Anordnung der Atome lässt sich NICHT durch Rotation um Einfachbindungen ineinander umwandeln! Einteilung in Enantiomere und (chirale) Diastereomere. (cis/trans-isomere zählen ebenfalls zu den Konfigurationsisomeren). Organische Chemie I LA / J. C. Brendel 6

7 Isomerie - Begriffe Begriffe und Merksätze Enantiomere sind Stereoisomere, die sich zueinander wie Bild und Spiegelbild verhalten. Sie haben die gleichen physikalischen und chemischen Eigenschaften (Schmelzpunkte, Siedepunkte, etc.). Sie unterscheiden sich nur in ihrer Wechselwirkung mit polarisiertem Licht ( optische Aktivität) Diastereomere sind Stereoisomere, die sich nicht wie Bild und Spiegelbild verhalten. Sie haben unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften. Es gilt: 1. Zwei Stereoisomere können nicht gleichzeitig enantiomer und diastereomer zueinander sein. 2. Von einem bestimmten Molekül existieren immer nur zwei Enantiomere; es kann aber mehrere Diastereomere geben. 3. Konfigurationsisomere treten immer bei Molekülen mit mindestens einem Chiralitätselement auf. 4. Bei Verbindungen mit n Chiralitätselementen existieren insgesamt 2 n Stereoisomere. Organische Chemie I LA / J. C. Brendel 7

8 Chiralität Jedes Objekt, das nicht mit seinem Spiegelbild zur Deckung gebracht werden kann ist chiral! (Ein achirales Objekt hat ein kongruentes Spiegelbild.) Es existieren verschiedene Chiralitätselemente (-arten): Chiralitätszentren (chirale C-Atome) Chiralitätsachsen oder Helices Chiralitätsebenen i Louis Pasteur und die Weinsäurekristalle. s. auch: Organische Chemie I LA / J. C. Brendel 8

9 Chiralität Beispiel: Paare von Molekülen, die sich zueinander spiegelbildlich verhalten, bezeichnet man als ENANTIOMERE. Ein 1:1 Gemisch beider Enantiomere bezeichnet man als RACEMAT oder racemisches Gemisch. Organische Chemie I LA / J. C. Brendel 9

10 Symmetrie Spiegelebene Drehachse H 2 O Inversionszentrum Benzol Organische Chemie I LA / J. C. Brendel 10

11 Chiralitätszentrum Besitzt das betrachtete Molekül eine Symmetrieebene oder ein Symmetriezentrum? chiral Chiralitätszentrum achiral Besitzt das Molekül weder eine Symmetrieebene noch ein Symmetriezentrum, so ist es chiral! Es besitzt ein Chiralitätszentrum, das chirale C-Atom! Merke: Ein asymmetrischer/chiraler Kohlenstoff trägt vier verschiedene Substituenten! Er wird mit einem * markiert. sp 2 - und sp-hybridisierte Kohlenstoffe sind keine asymmetrischen Kohlenstoffe! Organische Chemie I LA / J. C. Brendel 11

12 Optische Aktivität Enantiomere besitzen gleiche Schmelzpunkte, Siedepunkte und Dichten (allg. gleiche physikalische Eigenschaften), unterscheiden sich jedoch in ihrer Wechselwirkung mit linear polarisiertem Licht. Trifft linear polarisiertes Licht auf eine Probe eines (reinen) Enantiomers, wird dessen Schwingungsebene um einen gewissen Betrag in eine Richtung (im oder gegen den Uhrzeigersinn) gedreht. Das andere Enantiomer dreht die Schwingungsebene genau um den selben Betrag in die entgegengesetzte Richtung. Aufbau und Wirkungsweise eines Polarimeters: Organische Chemie I LA / J. C. Brendel 12

13 Optische Aktivität a) Drehung im Uhrzeigersinn = rechtsdrehend = (+)-Enantiomer b) Drehung entgegen Uhrzeigersinn = linksdrehend = (-)-Enantiomer Messung der optischen Drehung: [α] = spezifische Drehung l = Länge der Kuvette α = Drehwinkel c = Konzentration der Lösung T = Temperatur [K] λ = Wellenlänge des einfallenden Lichts Aus dem Drehwinkel einer Mischung beider Enantiomere kann man die optische Reinheit bestimmen: Eine 1:1-Mischung beider Enantiomere (Racemat) besitzt einen Drehwinkel von 0. Es ist optisch inaktiv! Enantiomeren-Überschuss: (enantiomeric excess) Organische Chemie I LA / J. C. Brendel 13

14 Nomenklatur Verwendete Schreibweisen: Tetraeder-Schreibweise Keil-Schreibweise FISCHER-Projektion Nomenklaturen: D,L-Nomenklatur (Zucker, Aminosäuren) RELATIVE Konfiguration (bezieht sich nur auf die Konfiguration eines asymmetrischen C-Atoms) R,S-Nomenklatur (Regeln von CAHN, INGOLD und PRELOG CIP-Regeln) ABSOLUTE Konfiguration Absolute Konfiguration kann für jedes asymmetrische C-Atom bestimmt werden. Organische Chemie I LA / J. C. Brendel 14

15 Nomenklatur D,L-Nomenklatur und FISCHER-Projektion Zur Beschreibung der relativen Konfiguration von optisch aktiven Zuckern. D,L-Nomenklatur (älteres System) Glycerinaldehyd ist der einfachste chirale Zucker. 1 asymmetrisches Zentrum 2 Stereoisoemere (Enantiomere) Rechtsdrehende Form wurde willkürlich D-Form genannt, die linksdrehende heisst L-Form. Emil FISCHER ( ) Fischer-Projektion Keilstrichformel Fischer-Projektion Keilstrichformel H CHO OH CH 2 OH H CHO OH CH 2 OH HO CHO H CH 2 OH HO CHO H CH 2 OH (R)-(+)-Glycerinaldehyd [D-(+)-Glycerinaldehyd] (S)-(+)-Glycerinaldehyd [L-(+)-Glycerinaldehyd] Alle Verbindungen die mit (nicht konfigurationsverändernden) chemischen Reaktionen in D-Glycerinaldehyd überführt werden konnten, wurden auch D genannt. D und L haben nichts mit der Drehrichtung (+,-) des polarisierten Lichts zu tun! Organische Chemie I LA / J. C. Brendel 15

16 Nomenklatur Bestimmung der Zugehörigkeit zur D- oder L-Reihe bei Zuckern vertikale Anordnung der Kohlenstoffkette am höchsten oxidierte Gruppe steht oben Bezugssubstanz ist Glycerinaldehyd Betrachtung der absoluten Konfiguration des am weitesten von der C=O-Gruppe entfernt stehenden asymmetrischen C-Atoms der Zuckerkette: D-Form (wie bei D-Glycerinaldehyd) = OH rechts L-Form (wie bei L-Glycerinaldehyd) = OH links!bei Molekülen mit mehreren Stereozentren (= mehrere Stereoisomere Enantiomere und Diastereomere) können die einzelnen chiralen C-Atome nicht nacheinander mit D oder L benannt werden! Diastereomere erhalten so einzelne Namen! Beispiel:!Hexosen besitzen 4 chirale C-Atome und somit 16 Stereoisomere, d.h. 8 Enantiomerpaare! Organische Chemie I LA / J. C. Brendel 16

17 Absolute Konfiguration CAHN-INGOLD-PRELOG-Konvention (R,S-System) Bestimmung der absoluten Konfiguration anhand der R,S-Sequenzregeln: 1. Auffinden der Stereozentren 2. Festlegung der Priorität (Prioritätenreihenfolge der Substituenten, a>b>c>d): 1. Anhand der Ordnungszahl (höhere Ordnungszahl höhere Priorität) z. B. I > Br > Cl > S > F > O > N > C > H 2.Bei gleicher Ordnungszahl anhand der Atommasse ( Isotope) z. B. T > D > H 3. Bei gleicher Ordnungszahl und Masse anhand der daran gebundenen Atome bzw. Atomgruppen (2., 3. usw. Sphäre) Doppel- bzw. Dreifachbindungen zählen als zwei bzw. drei Bindungen stereochemische Unterschiede: Z vor E (cis vor trans) und R vor S. Rekursives Bestimmen der Prioritäten bis zum Unterschied 3. Darstellung und Bestimmung Betrachtung entlang der Achse C-d (niedrigste Priorität nach hinten ) Drehrichtung im Uhrzeigersinn R Drehrichtung entgegen Uhrzeigersinn S Organische Chemie I LA / J. C. Brendel 17

18 Absolute Konfiguration CAHN-INGOLD-PRELOG-Konvention (R,S-System) Aus: Basisbuch Organische Chemie Carsten Schmuck, Pearson Verlag 2013 Organische Chemie I LA / J. C. Brendel 18

19 Absolute Konfiguration FISCHER-Projektion und CIP Kohlenstoffkette wird vertikal geschrieben. Kohlenstoff mit der höchsten Oxidationszahl wird nach oben geschrieben (siehe Kohlehydrate und Aminosäuren). Vertikale Bindungen weisen vom Betrachter weg. Horizontale Bindungen sind auf den Betrachter gerichtet. FISCHER-Projektion bei einem Stereozentrum: Drehung um 180 (360, ) ergibt dasselbe Molekül, Drehung um 90 (270, ) ergibt das zugehörige Enantiomer! Eine (drei, fünf, ) Vertauschung(en) von je zwei Substituenten ergibt das Enantiomer! Zwei (vier, sechs, ) Vertauschungen von je zwei Substituenten ergeben dasselbe Molekül. Organische Chemie I LA / J. C. Brendel 19

20 Absolute Konfiguration FISCHER-Projektion und doppelter Substituententausch Bestimmung der absoluten Konfiguration aus einer FISCHER-Projektion: Bestimmung der Reihenfolge der Substituenten (Sequenzregel) a,b,c,d Austauschen zweier Substituenten, so dass der Substituent mit niedrigster Priorität (d) oben steht. Vertauschen eines beliebigen anderen Paares (damit die Konfiguration wieder die ursprüngliche wird). a, b, c im Uhrzeigersinn = R a, b, c entgegen Uhrzeigersinn = S Beispiel: Organische Chemie I LA / J. C. Brendel 20

21 Mehrere Stereozentren Für n Stereozentren ergeben sich 2 n Stereoisomere. Beispiel: 2-Brom-3-chlorbutan n =2 4 Stereosiomere (RR, RS, SR, SS) Jedes Stereoisomer ist das Enantiomer EINES der drei anderen (sein Spiegelbild) und gleichzeitig das Diastereomer der beiden übrigen. Zwei Verbindungen sind nur dann Enantiomere, wenn sie an ALLEN Stereozentren entgegengesetzte Konfiguration haben! Organische Chemie I LA / J. C. Brendel 21

22 Mesoverbindungen Beispiel: Weinsäure Spiegelebene (2S,3S)-Weinsäure D-(-)-Weinsäure (2R,3R)-Weinsäure L-(+)-Weinsäure meso-weinsäure (achiral) Mehrere Stereozentren Mesoverbindungen cyclische Stereosiomere Beispiel: 1,2-Dibromcyclobutan RR und SS sind Enantiomere (chiral, optisch aktiv). RS = SR (identisch) Spiegelebene meso-form (achiral, optisch inaktiv). Organische Chemie I LA / J. C. Brendel 22

23 Stereochemie bei Reaktionen Beispiel: radikalische Bromierung von Butan Substitution an C2 ergibt neues Stereozentrum! Das Ersetzen des einen H an C2 gegen Brom ergibt das eine Enantiomer, der Austausch des anderen H dessen Spiegelbild. Die Wasserstoffe an C2 sind ein enantiotop! (Die Umgebung des einen H ist genau das Spiegelbild der Umgebung des anderen). Racemische Mischung der Produkte! Organische Chemie I LA / J. C. Brendel 23

24 Stereochemie bei Reaktionen Beispiel: radikalische Chlorierung von (S)-2-Brombutan Substitution an C3 ergibt zweites Stereozentrum! Das Ersetzen der beiden H von C3 gegen Chlor ergibt die beiden Diastereomere des 2-Brom-3- chlorbutans in ungleichen Mengen aufgrund der Chiralität von C2. Die Wasserstoffe an C3 sind diastereotop! (Bei ihrer Substitution werden Diastereomere gebildet.) Die Reaktion ist stereoselektiv ein Stereoisomer wird bevorzugt! Organische Chemie I LA / J. C. Brendel 24

25 Racemat-Trennung Wechselwirkung des Racemats von X mit enantiomerenreinem Y S ergibt Diastereomere (Salze, Amide, )! Diese kann man aufgrund ihrer unterschiedlichen (physikalischen und chemischen) Eigenschaften trennen! Abschließend wird Y wieder abgespalten und die reinen Enantiomere von X erhalten! Organische Chemie I LA / J. C. Brendel 25

26 Chirale Naturstoffe In der Natur durch Biosynthese gebildet. In der Regel enantiomerenrein! Die Gesamtheit chiraler Naturstoffe wird als chiral pool bezeichnet. Terpene Alkaloide Steroide Kohlenhydrate Diosgenin Menthol Morphin Aminosäuren Bausteine der Peptide und Proteine Glucose Alanin 26 Organische Chemie I LA / J. C. Brendel 26

27 R S Trotz (fast) identischer physikalischer und chemischer Eigenschaften können Enantiomere bei der Wechselwirkung mit einem Substrat sehr unterschiedliches Verhalten zeigen: Unterschiedlicher Geruch Unterschiedlicher Geschmack Unterschiedliche pharmakologische, biologische Wirkung Rezeptor-Wirkung eines Enzyms Substrat passt in die spezifische Bindungsstelle des Enzyms (Reaktion läuft ab). SCHLÜSSEL-SCHLOSS-PRINZIP Substrat passt nicht in die spezifische Bindungsstelle des Enzyms. Keine Reaktion! Organische Chemie I LA / J. C. Brendel 27

28 R S Beispiel: Terpene Beispiel: Ibuprofen Organische Chemie I LA / J. C. Brendel 28

29 R S Beispiel: Contergan Wirkstoff (S)-Thalidomid Teratogen (Missbildungen) (R)-Thalidomid Schlafmittel Zwischen als Schlafmittel an Schwangere verschrieben. Über 9000 Kinder mit Missbildungen geboren. Ab 1962 verboten. In vivo Umwandlung der Enantiomeren ineinander. Organische Chemie I LA / J. C. Brendel 29

30 Zusammenfassung Begriffe: Konstitution Tautomerie Stereoisomere Konformation Konfiguration Grundlagen: Chiralität Symmetrie Enantiomere Diastereomere Meso-Verbindungen Racemat FISCHER-Projektion CIP-Projektion Prochiralität (Enantio- und Diastereotopie) Organische Chemie I LA / J. C. Brendel 30