weiteres Beispiel für Stereoisomere: Enantiomere Spiegelebene

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1 Stereoisomere - Isomerie I: Konstitutionsisomere (siehe oben) - Isomerie II: Konformationsisomere (Konformere, siehe oben) - Isomerie III: Stereoisomere; Stereoisomere weisen eine identische Konstitution (Art der Verknüpfung der Atome in Molekül) auf, unterscheiden sich aber in der räumlichen Anordnung der Atome Beispiel cis/trans-isomere (vgl. cis- und trans-decalin) trans-1,2-dichlorcyclobutan cis-1,2-dichlorcyclobutan weiteres Beispiel für Stereoisomere: Enantiomere I I omchloriodmethan auch omchloriodmethan Wenn Bild und Spiegelbild sich NIT zur Deckung bringen lassen, ist die Verbindung chiral und es existieren zwei Stereoisomere (namentlich Bild und Spiegelbild), die Enantiomere oder Spiegelbildisomere genannt werden. Lassen sich dagegen Bild und Spiegelbild zur Deckung bringen, ist die Verbindung achiral.

2 Befinden sich drei verschiedene Substituenten an einem tetraedrischen Kohlenstoffatom (also sind von den VIER Substituenten ZWEI gleich) besitzt das Molekül selbst eine und ist damit achiral. Dies gilt auch für mehr gleiche Substituenten., und liegen in der Ebene omchlormethan Nur wenn sich VIER verschiedene Substituenten an einem tetraedrischen Kohlenstoffatom befinden, liegt ein sogenanntes hiralitätszentrum vor. Eine Grundvoraussetzung für hiralität ist das fehlen einer und eines Symmetriezentrums im Molekül. Symmetriezentrum Spielt hiralität in der Natur eine Rolle? Viele Naturstoffe sind hiral (z.b. die Steroide, Arachidonsäure, Vitamin B 12, die Sie bereits kennen gelernt haben) und nur eines der Enantiomere (Stereoisomere) hat die gewünschte biologische Wirkung. Darum hat z.b. bei der Produktion von Arzneimitteln die erstellung enantiomerenreinen Materials eine hohe Priorität, das andere Enantiomer könnte z.b. unerwünschte Nebenwirkungen aufweisen. Entscheidend für die Erkennung eines Enantiomers

3 (sowohl im biologischen System als auch im Reagenzglas) ist eine DREIPUNKT- Wechselwirkung; nur wenn das Substrat an drei Punkte des chiralen Moleküls bindet, kann zwischen den beiden Enantiomeren unterschieden werden. z.b. Aminosäuren R 2-3 N + kennzeichnet ein hiralitätszentrum für R ungleich ; wenn R = liegt das achirale Glycin vor z.b. Milchsäure 3 2 z.b. D-Glycerinaldehyd Wie unterscheiden sich Enantiomeren? Enantiomere besitzten die gleichen skalaren physikalischen Eigenschaften (also Eigenschaften, die nur durch eine Zahl festgelegt werden, z.b. Schmelzpunkt, Siedepunkt, Dipolmoment, Moleküldurchmesser...), weisen aber unterschiedliche vektorielle physikalische Eigenschaften auf (dies läßt sich am besten anhand der Drehung der Polarisationsebene von Licht, der optischen Aktivität, zeigen).

4 normales Licht, beliebig orientiert polarisiertes Licht, orientiert polarisiertes Licht, aber die Polarisationsebene ist um den Winkel α gedreht a Lichtquelle d c b Polarisator, läßt nur Licht einer bestimmten Schwingungsrichtung durch Meßzelle mit optisch aktiver Substanz Analysator [α] λ Temp = α l. c [α] ist der spezifische Drehwert (bezogen auf eine bestimmte Temperatur und eine bestimmte Wellenlänge des Lichts) (Analysator: Ausgangsstellung wie der Polarisator. Das Licht geht durch. Wird nun die optisch aktive Verbindung eingefüllt, kommt kein Licht mehr durch den Analysator. Dieser wird nun soweit gedreht, bis er das Licht wieder durchläßt. Der Winkel, um den gedreht wird, ist der gemessene Drehwert α) Reaktionen, bei denen neue stereogene Zentren gebildet werden 2 h. ν : 1 - Gemisch, ein RAEMAT (der Begriff stammt von der Traubensäure, acidum racemicum, bei der dieses Phänomen der optischen Inaktivität trotz vorhandensein chiraler Verbindungen erstmalig beobachtet wurde)

5 Absolute Konfiguration Zur Beschreibung der räumlichen Anordnung der Substituenten am tetraedrischen Kohlenstoffatom, der absoluten Konfiguration, durch Stereodiskriptoren wurde von ahn, Ingold und Prelog das ahn-ingold-prelog-system (IP-System) entwickelt. Die IP-Regeln zum Auffinden des Stereodiskriptors (die Sequenzregeln) stellen Nomenklaturvorschriften dar. a a d b c c b d a a b c c b S R

6 Die Sequenzregeln Einteilung der Substituenten nach höchster und niedrigster Priorität. 1. öhere rdnungszahl => höhere Priorität >?? > 2. öhere Atommasse eines Isotops => höhere Priorität z.b. D > D = Deuterium 3. Bei gleicher Priorität in der Kette weitergehen, bis eine höhere Priorität aufgefunden wird. > > > Doppel- und Dreifachbindungen werden wie gesättigte Verbindungen behandelt R R R z.b. wird behandelt wie

7 Was, wenn in einer Verbindung mehrere hiralitätszentren vorliegen? 2 h. ν (Racemat) (Racemat) 2-hlor-3-brombutan (Gemisch von Stereoisomeren) (2R,3R) Enantiomere (2S,3S) Diastereomere Diastereomere Diastereomere (2R,3S) Enantiomere (2S,3R) Stereoisomere Enantiomere (Bild/Spiegelbild) Diastereomere (alle anderen Stereoisomere)

8 Bei n hiralitätszentren in einer Verbindung gibt es 2 n mögliche Stereoisomere! Ausnahme: Wenn eines der Stereoisomere eine meso-verbindung ist, reduziert sich die Zahl möglicher Stereoisomere wie man am Beispiel der Weinsäure, einer Dicarbonsäure mit zwei -Gruppen, zeigen kann: 2 2 Weinsäure (kommt in Wein und Früchten vor) Mischung aus (2S,3S) und (2R,3R) ist die Traubensäure (2S,3S) Enantiomere (2R,3R) (2S,3R) KEINE Enantiomere! Die Moleküle lassen sich zur Deckung bringen. (2S,3R) Da sich an beiden hiralitätszentren die gleichen Substituenten befinden, hat das Molekül selbst eine und es handelt sich damit um eine meso-verbindung Bei zwei hiralitätszentren mit den gleichen Substituenten gibt es also nur drei Stereoisomere

9 Genauere Betrachtung der oben bereits besprochenen Reaktionen a) Radikalische omierung von Butan Enantiomere und damit energiegleiche Übergangszustände (2S) 2 3 planares, achirales Radikal stereodifferenzierender Schritt (2R) b) Radikalische hlorierung von 2-ombutan. - Übergangszustand ÜZ Diastereomere und damit energetisch unterschiedliche Übergangszustände 2 3 (2S,3R) keine 75% chirales Radikal stereodifferenzierender Schritt (2R,3R) % Übergangszustand ÜZ2

10 Energie E ÜZ2 ÜZ1 Edukt Produkte Reaktionskoordinate RK

11 Trennung von Enantiomeren a) Spontane Kristallisation der Enantiomere (selten) b) Spaltung mit ilfe eines chiralen ilfstoffs (stöchiometrische Mengen des ilfsstoffs) 2 N Butin-2-amin racemisch, beide Enantiomere 1:1 2 (+)-Weinsäure N N diastereomere Salze kristallisiert aus und kann dann abfiltriert werden bleibt in Lösung K 2 3 K N 2 N (R)-(+)-3-Butin-2-amin (S)-(-)-3-Butin-2-amin

12 c) Katalytische Spaltung durch einen chiralen Katalysator Beispiel: Desymmetrierung einer meso-verbindung durch Schweineleberesterase (PLE) 2 3 PLE > 98.5% dieses Enantiomers < 1.5% des Spiegelbildes => Enantiomeren-Überschuß (enantiomeric excess) ee [%] = R - S R + S. 100 = 97% Beispiel: Racematspaltung durch die selektive ydrolyse nur eines Enantiomers eines Racemats Racemat PLE ee jedes der beiden Produkte (die jetzt keine Stereoisomere sondern völlig verschiedene Verbindungen darstellen) ist > 98%

13 Warum Trennt man Enantiomere? Ein vielzitiertes Musterbeispiel für die Notwendigkeit, Wirkstoffe in enantiomerenreiner Form herzustellen: N N N N (+)-Thalidomid (Schlafmittel) (-)-Thalidomid verursacht Mißbildungen ("ontergan-katastrophe")

14 Auch können verschiedene Enantiomere völlig unterschiedliche Eigenschaften besitzen, wie folgende Aromastoffe beweisen: (R)-(+)-Limonen rangenaroma (S)-(-)-Limonen Zitronenaroma (S)-(+)-arvon Minze (R)-(-)-arvon Kümmel Die obigen Aromastoffe dokumentieren eines: (+) und (-) kennzeichnen den optischen Drehsinn und sind experimentelle Größen. (R) und (S) sind nur Nomenklaturvorschriften. Es gibt keinen Zusammenhang zwischen (+)/(-) und (R)/(S), es ist nicht vorhersagbar ob z.b. das (R)-Isomer einen (+) oder einen (-)-Drehsinn aufweist.