c: Geschwindigkeit im Medium Die optische Aktivität einer Substanz führt zu einer unterschiedlichen Brechung von rechts ) und links ( R

Transkript

1 4 Chiroptische Eigenschaften chiraler Verbindungen 4.1 Allgemeines Wenn ein ichtstrahl in ein anderes Medium eintritt, ändert sich seine Ausbreitungsgeschwindigkeit. Man spricht von ichtbrechung. Der Brechungsindex wird definiert als: c 0 Brechungsindex η =, c0 : Geschwindigkeit im Vakuum c c: Geschwindigkeit im Medium Die optische Aktivität einer Substanz führt zu einer unterschiedlichen Brechung von rechts ( η R ) und links ( R ) η polarisiertem icht. Es gilt daher: ηr η. Auf diesem Effekt beruht sowohl die optische Aktivität einer Verbindung als auch die Bestimmung der absoluten Konfiguration mittels RD (ptische Rotations Dispersion). Die CD (Circular Dichroismus) hingegen beruht auf dem Unterschied in der ichtabsorption von rechts- und links-polarisiertem icht. ( R ε ε ). ε : molarer Extinktionskoeffizient E = ε c d ambert-beersche Gesetz Was ist icht? icht ist eine elektromagnetische Strahlung, die mit einem zeitabhängigen elektrischen und magnetischen Feld assoziiert ist. Man unterscheidet zwischen drei Arten: Isotropes icht: ichtwellen oszillieren in allen Richtungen (a) Anisotropes icht: ichtwellen oszillieren nur in einer Ebene. (linear polarisiert) (b) Circular polarisiertes icht: Der elektrische Feldvektor folgt einer helicalen Bewegung. Wie eine Helix, die in Richtung des Beobachters geschoben wird.

2 inear polarisiertes icht wird technisch realisiert durch eine Kombination von links und rechts circular polarisiertem icht das sich kohärent fortbewegt. Mit Hilfe des linear polarisierten ichts ist es möglich chemische Verbindungen in zwei Gruppen einzuteilen. Zum einen Verbindungen in ösung, die die Ebene des linear polarisierten ichts nicht drehen. Sie sind optisch inaktiv. Zum anderen Verbindungen, die die Ebene des linear polarisierten ichts drehen. Man bezeichnet diese Verbindungen als optisch aktiv. 4.2 Drehwert Der spezifische Drehwert einer Substanz ist eine stoffspezifische Konstante und ist ein Maß für die optische Aktivität dieser Substanz. Der Drehwert wird als α bezeichnet und wird mit Hilfe eines Polarimeters bestimmt (siehe Abbildung). Dieses Polarimeter erzeugt links- und rechts circular polarisiertes icht, welches durch Überlagerung linear polarisiertes icht ergibt. Durchdringt linear polarisiertes icht ein optisch aktives Medium, so wird das links bzw. rechts circular polarisierte icht unterschiedlich gebrochen, da c c. Im Experiment wird daher die Polarisationsebene linear polarisierte icht durch die Brechung nach links oder rechts gedreht. R Es gilt: 1800 l α = ( η η R ) (in deg.) λ0 η : Brechungsindex l: Weglänge der Küvette in Dezimeter meist l = 1 dm = 10 cm

3 λ 0 : Wellenlänge im Vakuum in cm Beispiel: Na-D inie λ = 589 nm 2-Butanol α = 11.2 (Messwert) T = 20 C l = 1 dm R = Es folgt daher: ( η η ) 7 = Die Brechungsindices η R und η unterscheiden sich also nur um einen sehr kleinen Betrag. Für den spezifischen Drehwert gilt: T α [ α ] λ = in [deg cm 2 g -1 ] g l( dm) c 3 cm Der spezifische Drehwert ist eine tabellierbare Stoffkonstante. Die Angabe des spezifischen Drehwertes erfolgt folgendermaßen: T [ α ] = 10.8 ± 0.1 ( c = 5.77, 95% Ethanol) λ Experimentell kann man α = ± n 180 nicht unterscheiden. Will man das Vorzeichen der Drehung genau bestimmen, so verändert man hierzu die Weglänge l im Experiment. Man misst mit unterschiedlichen Kürvetten. Dies ist aber meist nicht nötig. Bei einem Vergleich ähnlicher Verbindungen vergleicht man häufig die Molare Drehung Φ. [ Φ] T λ = [ α ] T λ M 100 M: Molekulargewicht 4.3 Die ptische Rotations Dispersion (RD) Bei der Methode der RD wird die Änderung der molaren Drehung [ Φ ] mit der Wellenlänge des eingestrahlten ichtes gemessen. Statt nur mit der Na-D inie einzustrahlen, wird im RD-Experiment die Wellenlänge durchgestimmt. Gemessen wird die spezifischen Drehung [ α ]. Die daraus resultierende molare Drehung [ ] Φ wird als Funktion der Wellenlänge aufgetragen. Hat die Verbindung gar keine Absorption im Wellenlängenbereich des eingestrahlten lichtes, erhält man folgendes RD-Spektrum:

4 Man sieht, dass die molare Drehung betragsmässig zunimmt, wenn die Wellenlänge des eingestrahlten linear polarisierten ichtes abnimmt. bwohl es bei RD um Brechung und nicht um Absorption geht, kann man im Bereich der Absorption der untersuchten Verbindung eine Anomalie beobachten. Beim Absorptionsmaximum geht Cotton-Effekt (CE). [ Φ] durch 0. Diese Anomalie des 0-Durchgangs nennt man

5 In der Abbildung dargestellt ist das Absorbtionsspektrum von (+)-Campher mit einem schwachen (ε =32) Absorbtionsmaximum bei 292 nm. Das RD-Spektrum zeigt die Anomalie. Man unterscheidet zwei unterschiedliche Cotton Effekte. Positiver Cotton Effekt: [ Φ] nimmt erst zu, mit abnehmender Wellenlänge dann ab. Negativer Cotton Effekt: [ Φ] nimmt erst ab, mit abnehmender Wellenlänge dann wieder zu. In beiden Fällen ergibt sich ein 0-Durchgang nahe dem Absorptionsmaximum. Der Cotton Effekt zeigt deutlich, dass das Vorzeichen der Drehung per se nicht mit der absoluten Konfiguration korreliert werden kann. Wir sehen auch, dass [ α ] umso kleiner wird je langwelliger man misst. Es gibt also chirale Verbindungen, die nur einen sehr kleinen Drehwert besitzen. Vor allem, wenn viel langwelliger als die langwelligste Absorption gemessen wird. Ein Beispiel für eine chirale Verbindung, die trotzdem keinen Drehwert bei 578 nm hat ist unten gezeigt. C 2 H 5 C 6 H C 13 4 H 9 [α] 578 = 0 C 3 H 7

6 Wenn man keinen Drehwert mißt, heißt das also nicht zwingend, das die Verbindung achiral ist. 4.4 CD (Circularer Dichroismus) und Berechnungen der absoluten Konformation Beim RD Experiment misst man Unterschiede in der Brechung von rechts- und linkspolarisiertem icht und somit Unterschiede in der Geschwindigkeit der ichtausbreitung. Beim CD Experiment hingegen geht es um die ungleiche Absorption von rechts und links circular polarisierten icht. Aus dem linear polarisierten icht wird deshalb elliptisch polarisiertes icht. Beim CD- Experiment bestimmt man also nicht nur die spezifische Drehung sondern man misst auch die Intensitätsunterschiede von links- und rechts-linear polarisiertem icht. Die Messung von ε R und ε sind sehr aufwendig, da die Unterschiede sehr klein sind. CD-Spektrometer sind daher teuere und empfindliche Geräte. Das unten stehende Bild verdeutlicht das Experiment. Die Elliptizität Ψ ist definiert als: weiteren unterscheidet man zwischen: Spezifischer Elliptizität: [ ] Und Molarer Elliptizität: [ ] b tan Ψ =. Bei kleiner Elliptizität gilt tan Ψ = Ψ. Des a Ψ Ψ = [10-1 deg cm 2 g -1 ] c l [ Ψ] M θ = [10 deg cm 2 mol -1 ] 100 c: Konzentration l: änge der Küvette M: Molekulargewicht

7 Fazit: Wenn linear polarisiertes icht durch ein chirales Medium fällt, gilt: η = η η 0 Drehung der Ebene des polar. ichts R ε = ε ε 0 Elliptizität des polar. ichts R Im Beispiel unten sieht man das Absorbtionsspektrum von (+)-Campher und die gemessene molare Elliptizität (CD-Effekt) sowie das RD-Spektrum. Unten ist nocheinmal die Beziehung zwischen der Absorption, dem CD-Effekt ( ε # ε R )

8 und dem RD-Spektrum gezeigt. Positiver Cotton-Effekt ε positiv ( ε ε R ) Negativer Cotton-Effekt ε negativ ( ε ε R ) }Definition Im CD sind es die Chromophore, die in einer chiralen Umgebung den CD-Effekt verursachen. hne Chromophor keine Absorbtion und damit auch kein CD-Effekt. Im RD-Spektrum hingegen geht es um Brechungsindices. 4.5 Die ktantenregel Im Prinzip lässt sich durch ab initio Verfahren aus dem gemessenen CD-Spektrum die absolute Konfiguration bestimmen. Die heutigen Rechen-Verfahren reichen dafür aber noch nicht aus. Deshalb gibt es empirische oder semiempirische Regeln, sogenannte Sektoren- und Helizitätsregeln die es uns ermöglichen die absolute Konfiguration unbekannter Verbindungen zu ermitteln. Diese Methoden ergänzen die Möglichkeiten der anomalen Dispersion oder der Kristallisation. Für diese Rgeln gelten die folgenden Vorraussetzungen: Man muss die Konstitution und Konformation eines Moleküls kennen um aus den CD- Spektren die Konfiguration ableiten zu können. Die Berechnungen beruhen darauf, dass durch das eingestrahlte, circular-polarisierte icht, die Elektronen in der absorbierenden Gruppe in eine cyclische Bahn gebracht werden. Man unterscheidet: Achirale Gruppen in einer chiralen Umgebung. Diese ergeben schwache CD-Effekte.

9 C, C C, -N2 Chirale Chromophore wie Helicene, Binaphthyle, etc. Diese ergeben sehr starke CD- Effekte. Diese Tabelle zeigt typische Chromophore, deren ε -Werte und die CD-Effekte Wellenlänge UV CD g Nummer λ nm ε ε 3 ε g = ( x10 ) ε Übergang CH 3 3-Methylcyclohexanone * n π * n σ 3s ( ) (-)-b-pinene x x } * π x π x π * x π y (+)-Hexahelicene x x *c π π *c π π (+) NH 2 NH x10 4 6x } * π π couplet In den Sektorenregeln, wie z.b. in der ktantenregel, wird der Raum um eine chromophore, achirale Gruppe in Sektoren eingeteilt. Dann werden die Substituenten relativ zu ihren Beiträgen zum CD Signal eingestuft. Die ktandenregel generalisiert das Vorzeichen des CE-Signals einer Carbonylgruppe bei 300 nm. n π Übergang. (siehe nachfolgende Zeichnung).

10 R S X H X X + CE - CE X Sektor für negative CE Sektor für positiv CE Wie bereits erwähnt wird in der ktandenregel der Raum um die Carbonylgruppe in acht Sektoren eingeteilt. Jedes Atom in der Nähe zur Carbonylgruppe beeinflusst das CD-Signal der chromophoren C= Gruppe und bestimmt somit das Vorzeichen des CE-Signals. Die nachfolgende Abbildung verdeutlicht die Einteilung in die acht Sektoren. Das inkshändige Koordinatensystem xy schneidet das π *-rbital der C= Gruppe. Die Sektoren sind mit (+) oder ( ) gekennzeichnet. Substituenten, die in einem solchen Sektor liegen führen zu einem (+) oder einem (-) CD Beitrag zum Gesamtspektrum. Anwendung der ktandenregel auf Cyclohexanon:

11 Die Substituenten C und alle Halogene außer F sowie S beeinflussen das CE-Signal wie oben diskutiert. Weitere Beispiele: Anwendung der ktandenregel auf die Stereoide. Stereoide sind sehr starre Verbindungen mit gut definierter Konformation. Sie eignen sich gut zur Bestimmung der absoluten Konfiguration mit Hilfe der ktandenregel. Im Fall 3 liegt der Großteil der Reste um die C= Gruppe herum in negativen Sektoren. Tatsächlich misst man ein negatives CD-Signal (siehe unten). Im Fall der Verbindungen 4 und 5 sind die großen Reste in positiven Sektoren. Entsprechend positiv ist der gemessene CD-Effekt. (siehe unten)

12 Neben der hier besprochenen ktandenregel gibt es weitere Sektoren- und Helizitätsregeln. 4.6 Exzitonengekoppelte CD Spektren Stehen zwei Chromophore in einer Nachbarschaft (ohne direkte Kopplung) in einer chiralen Umgebung so erfolgt eine Exzitonen Kopplung Davydov-Splitting. Z.B. zwei Aromaten mit π π Übergängen. In jedem Fall ist die Basis der Kopplung eine Dipol-Dipol Wechselwirkungen der elektrischen Übergangsdipolmomente der beiden beteiligten Chromophore.

13 Im CD beobachtet man nahe der UV-Absorptionsbande ein CD Dublett. Ist die relative Konfiguration zweier chiraler Zentren zueinander bekannt, so kann die absolute Konfiguration aus dem Exzitonengekoppelten CD-Spektrum ermittelt werden. JACS 2001, 123, JACS 2001, 123, Die Bestimmung der absoluten Konfiguration von Molekülen die primäre Amine oder sekundäre H Gruppen neben einem stereogenen Zentrum besitzen, kann mit Hilfe excitonengekoppelter CD-Spektren erfolgen. Zunächst wird das Amin oder der Alkohol mit einer Säure zu einem Ester bzw. einem Amid umgestzt. R 2 HX R 1 H + H H N NH 2 M H H N NH 2 XH = H XH = NH 2

14 Im Anschluß an diese Derivatisierung erfolgt die Komplexierung des derivatisierten Diamins mit einem Bis-Zn Porphyrin, das eine starke Exziton-Kopplung aufweist. A CD = +170 Positves CD couplet (CD-Paar) H M A CD = +130 = CH 3 M = C 6 H 5 M H A CD = -121 = CH 3 M = C 6 H 5 Die Konfiguration des iganden bestimmt die Konformation des Porphyrin-Wirt-Moleküls. Die Enantiomere führen im Komplex zu einer unterschiedlichen Anordnung der Porphyrine zueinander. Dieses ergibt unterschiedliche Vorzeichen bei den chiroptischen Phänomenen. Das Standardkriterium zur Charakterisierung von Enantiomeren ist [ ] = T λ α (+)(-). Die Zuordnung der Konfiguration zu einem Enantiomeren heißt eine Korrelation herzustellen von α > 0 und α < 0 mit R oder S. 4.7 Absolute Konfiguration durch normale Röntgenbeugung In Abwesenheit der zuerst von Bijovet ausgenutzten anomalen Röntgenstreuung lässt sich per Röntgenstrahlung nur die relative Konfiguration zweier chiraler Zentren ermitteln.

15 Ist die absolute Konfiguration eines Zentrums bekannt, kann die andere dann abgeleitet werden. H 2 N CH C CH 2 SH H CH CH 3 I H 2 N C* H Absolute Konfiguration bekannt. H 2 2 CH 2 Im Kristall ableitbar. S* Das ermöglicht es und die chirale Verbindung durch eine chemische Verknüpfung oder die Bildung von Salzen mit bekannten chiralen Basen oder Säuren zu derivatisieren. Diese Derivate müssen dann kristallisiert werden. H HN + H CH Mandelit Mandelsäure Das Beugungsexperiment ergibt die nebenstehende Röntgenstrukturanalyse Gelingt dieses für einige Schlüsselverbindungen, so lässt sich vieles durch chemische Korrelation ableiten! Bsp.:

16 H H CH CH CH 3 H H + Cl Ac CCH 3 H CCH 3 SCl 2 Zn HCl (+)-Weinsäure H + H CH NH 3 NaBr H CH Hofmann Säureamid Abbau H 2 CH NH 2 (+)-Apfelsäure NaBr Na/Hg H CH CH 3 (-)-Milchsäure damit: H CH 3 CH H + EtH Ag 2 CH 3 I CH 3 CEt MgBr MgBr (+)-Milchsäure H CH 3 NaH, CS 2 CH 3 I H 2 /Pd (+) Korrelation H H 2 /Pt H Ag 2 EtI Et TosCl ialh 4 Et H Ag 2 EtI ialh 4 H HC H CH (-)-Mandelsäure