195 14. Stereochemie Bereits am Anfang der Vorlesung einige Grundbegriffe: Konformation, Enantio- und Diastereomerie Jetzt nochmals systematisch und genauer a) Symmetrie und hiralität α) Symmetrieelemente - Symmetrieelemente 1. Art: Drehachsen n 3 120 2 180 3 3 3 3 3 2 ad15-01.cw2 n : Drehung um (360 /n) ergibt Identität - Symmetrieelemente 2. Art: Spiegelungen Symmetrie-Ebene () Symmetrie-Zentrum (i) 4-zählige Drehspiegelachse (S 4 ) 3 3 ad15-01.cw2 - Punktsymmetriegruppe Gesamtheit aller Symmetrieelemente: Gruppentheorie
196 β) hiralität hiralität ändigkeit (chiral) (händig) Nicht-Deckbarkeit von Bild und Spiegelbild hirale bjekte: and Schuh Schnecke Schraube Aminosäure-Molekül (z.b. Alanin) Propeller Bedingung für hiralität bjekt darf keine Spiegelebene Symmetriezentrum S 4 -Achse besitzen Achtung: bjekt darf Drehachsen besitzen (Propeller sind hiral) asymetrisch chiral! bjekt ist asymetrisch, wenn kein Symmetrieelement vorhanden ist. achiral = nicht chiral achirale bjekte: Würfel (ohne Augen!) Methan-Molekül Mensch idealisiert hiralitätszentrum tetraedrisches Atom mit 4 materiell oder geometrisch verschiedenen Liganden 3 l hiral.w3
197 γ) Enantiomere, elizität - Moleküle mit hiralitätszentrum hiralitätszentrum: Atom mit vier verschiedenen Substituenten 3 achiral achiral achiral (prochiral) 3 3 ad15-01.cw2 chiral! - Moleküle ohne hiralitätszentrum Allene l l l l Biphenyle A A A B B A B B Sp.-B. elices (Schrauben) exahelicen ad15-01.cw2
198 b) Stereoisomerie, Unterscheidung von Enantiomeren α) Übersicht Klassifizierung von Isomeren Isomere Konstitutionsisomere Stereoisomere gleiche Bruttoformel, unterschiedliche Verbundenheit (=Topologie) gleiche Konstitution, unterschiedlicher räumlicher Aufbau Stereoisomere werden nach zwei verschiedenen Kriterien subklassifiziert: Symmetrie Stereoisomere Enantiomere (Bild Spiegelbild) Diastereo(iso)mere (sonstige) Umwandlungsart Stereoisomere Umwandlung durch: (Drehung um Einfachbindungen) Konstitutionsisomere Stereoisomere Konformationsisomere Konfigurationsisomere (Sonstiges, z.b. Bindungsbruch rg06-07.w3 Diese Klassifizierungen sind nicht abhängig von der Energie!
199 β) Diastereomere Alle Eigenschaften verschieden (Schmelzpunkt, Siedepunkt, Löslichkeit) Grund: Interne Atomabstände verschieden. l l l l γ) Enantiomere - Achirale Umgebung Alle Eigenschaften gleich (Schmelzpunkt, Siedepunkt, Löslichkeit) Grund: Interne Atomabstände gleich l l l l Konsequenz: Synthese 1:1-Gemisch (racemisches Gemisch) 3 NaB 4 3 + 3 ad15.cw2 1 : 1 Racemisches Gemisch
200 - hirale Umgebung Enantiomere verschieden, Beispiel: R-and L-and Enantiomere R-and R-andschuh L-and R-andschuh Konsequenzen: Diastereomere ad15.cw2 Linkshänder: Warum haben Linkshänder Probleme im täglichen Leben? ysiolog. Eigenschaften Geruch, Beispiele arvon und Limonen: S R R S Minze Kümmel range Zitrone ad15-02.cw2 Biosynthese, Stereoselektivität " " Enzym NAD 3 3 achiral nur! ad15-02.cw2
201 ptische Drehung gew. Licht lin.-pol. Licht Pol.-Filter = rac. Gem. ad15-02.cw2 R S circ.-pol. Licht Konsequenz: 1 Enantiomer X S bildet unterschiedliche WW: X S S Dia X S R... ad15-02.cw2 Nicol-Prisma Meßröhre Nicol-Prisma Lichtquelle Polarisator Analysator mit Teilkreis kular rg15_00.cw2 => unterschiedlicher Brechungsindex für S circ v. R circ = Drehung Polarisations-Ebene = optische Aktivität α = f (Temp., λ, c, d) T [α] = α λ c d α [ ] c [g/ml] d [dm] ad15-02.cw2
202 c) Absolute Konfiguration: R/S- und D/L-Nomenklatur (ein hiralitätszentrum) α) R/S-Nomenklatur 6 3 1 l 17 F 9 F 3 l Ad15-03.cw2 Priorität Ligand nach rdnungszahl: l > F > > Blick: vom Zentrum zum niedrigster Ligand () Sinn verbleibender Liganden Uhrzeigersinn: R (rectus) Antiuhrzeigersinn: S (sinister) 3 F S R / S = absolute K. l Ad15-03.cw2 β) Fischer-Projektion, D/L-Nomenklatur Fischer-Projektion Projektion eines Tetraeders in folgender Weise auf die Papierebene: 2 N 3 2 N 3 (Alanin) Ad15-03.cw2
203 DL-Nomenklatur -Kette vertikal, Gruppe höherer rdnungszahl oben Substituenten u. X (, N 2, al) horizontal X rechts: D, X links: L Beispiel: 3 Ad15-03.cw2 3 3 L d) Verbindungen mit mehreren hiralitätszentren α) Konstitutionell verschiedene Zentren () () 2 Ad15-03.cw2 2 Möglichk. 2 Möglichk. 2 2 = 2 2 = 4 Möglichkeiten: (S,S) en (R,R) dia dia dia (R,S) en (S,R) Ad15-03.cw2 Allg.: bei n Zentren: 2 n Stereoisomere paarweise enantiomer
204 Verbindungen mit mehreren hiralitätszentren, die nicht konstitutionsäquivalent sind Allgemein Verbindungen mit n nicht konstitutionsäquivalenten Zentren: 2 n Stereoisomere Dieses gilt für zyklische und offenkettige Verbindungen 3 2 n = 2 2 = 4 Stereoisomere 3 2 2 4 = 16 Stereoisomere 8 Enantiomerenpaare 2 2 5 = 32 Stereoisomere rg15_03.cw2 Die relative und absolute Konfiguration wird durch Drehung um Einfachbindungen nicht geändert, daher unabhängig von der Konformation definiert Alle Stereoisomeren sind chiral
205 Verbindungen mit konstitutionsäquivalenten hiralitätszentren Atome sind konstitutionsäquivalent, wenn sie identisch verbunden sind (bildlich: sie sind ununterscheidbar in einem Molekülmodell, das aus farbigen Kugeln [= Atome, Farbe = rdnungszahl] und Bindfäden besteht) Konsequenzen: Die Zahl der Stereoisomeren ist kleiner als 2 n (n = Zahl hiralitätszentren) Es treten chirale und achirale Stereoisomere auf Mesoform = achirale Verbindung mit mehreren hiralitätszentren Beispiel: + Br 2 1 2 Br Br -1/-2 konstitutionsäquivalent mögliche Stereoisomere: 3! (meso) Br Br Br (R,S) u Br (R,R) l Br (S,S) l Br rg15_04.cw2 3 3 3 4 2 2 2 konstitutions-äquiv. Z???? Stereoisomere rg15_04.cw2
206 β) Konstitutionell gleiche Zentren Bekanntestes Beispiel Weinsäuren: () () konstit. Äquiv. l l Ad15-03.cw2 Wieviele Stereoisomere? Alle Möglichkeiten durchgehen: meso-w. achiral, Fp. 170 D- L-W. (S,S) (R,R) Fp. 139 Ad15-03.cw2 [α] = +12 D 12 Analog Dichlor-yclopentan, 3 Isomere: meso, (R,R), (S,S) e) Trennung von Enantiomeren Prinzip: wie andschuhe / ände es müssen Diastereomere gebildet, diese getrennt, dann wieder gespalten werden besonders günstig: Salze
207 Beispiel Trennung Enantiomere der Mandelsäure: (R) (S) rac-mandelsäure 3 N 2 (S)-enylethylamin Durchführung: EN R R R S R S ' N 2 R R R S ' N 3 R S R S ' N 3 schwer löslich leicht löslich 1. Umkrist. 2. l R S ' N 3 aus Kristallisat: R R aus Mutterlauge: R S Ad15-03.cw2
208 z.b.: 2 N 3-Butin-2-amin racemisch, beide Enantiomere 1:1 + 2 2 (+)-Weinsäure 2 2 -. 3N + 2 2 -. 3N diastereomere Salze kristallisiert aus und kann dann abf iltriert werden bleibt in Lösung K 2 3 K 2 3 2 N 2 N (R)-(+)-3-Butin-2-amin (S)-(-)-3-Butin-2-amin
209 Trennung von Enantiomeren a. In einigen wenigen Fällen findet sog. spontane Racematspaltung statt: Enantiomere kristalliesieren in getrennten Kristallen aus (Konglomerat). Die einzelnen Kristalle sind enantiomorph und können manuell getrennt werden (mühsam!) istorisches Beispiel: L. Pasteur 1848 Trennung des racemischen Salzes Natrium-Ammonium-tartrat (Salz der Weinsäure) b. Allgemeiner ist die Bildung diastereomerer Derivate, deren Trennung und Rückspaltung. Beispiel: 2 2 3 N 2 (S) 3 N 2 3 N (R) (S) (S,R) (S,S) DIA + 2 Glycerinaldehyd EN 1. Umkrist. oder hromatographie 2. 2 / 2 2 rg15_04.cw2 + Amin + Amin
210 Enzymatische Racematspaltung 2 3 2 3 PLE 2 2 3 2 > 98.5% dieses Enantiomers < 1.5% des Spiegelbildes => Enantiomeren-Überschuß (enantiomer ic excess) ee [%] = R-S R+S. 100 = 97% 2 3 + 2 3 Racemat PLE 2 2 + 2 3 ee jedes der beiden Produkte (die jetzt keine Stereoisomere sondern völlig verschiedene Verbindungen darstellen) ist >98%(alsomehrals99% des jeweiligen Enantiomers)