Stereochemie - Állatorvostudományi Egyetem · Brom-chlor-fluor Milchsäure 2-Butanol-methan, CHBrClF: (2-Hydroxypropansäure) H C Br Cl F H C COOH OH CH3 H C CH2CH3 OH CH3 Chiralität.

Stereochemie

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Stereochemie:

ein Zweig der chemischen Wissenschaft, der sich mit derdreidimensionalen Struktur der Moleküle beschäftigt

Stereoisomerie: unterschiedliche räumliche Anordnungen der Atome oderAtomgruppe in einem Molekül bei gleichartiger Verkettung der Atome

Arten der Stereoisomerie

geometrische (oder cis-trans) Isomerie

Konfigurationsisomerie

unterschiedliche Anordnungen der Atome oderAtomgruppe um ein Zentralatom

C C

CH3

CH3

H

H H H

CH3CH3

CC

3linke Hand rechte Hand

CH3X und CH2XY : sie lassen sich mit dem Spiegelbildzur Deckung bringen

CHXYZ:es läßt sich mit dem Spiegelbildnicht zur Deckung bringen

Linke Hand und rechte Handlassen sich nicht miteinander zurDeckung bringen.

CH3X

CH2XY

CHXYZ

Moleküle und die Spiegelbilder

Spiegel

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Moleküle vom Typ CH3X und CH2XY lassen sich mit ihren Spiegelbildernzur Deckung bringen. Gegenstand und sein Spiegelbild sind identisch.

Ein Molekül von Typ CHXYZ läßt sich nicht mit seinemSpiegelbild zur Deckung bringen.

Die lefte Hand läßt sich nicht mit der rechten Hand zur Deckung bringen.

Molekül CHXYZ und sein Spiegelbild sind unterschiedlich.

Diese unterschiedliche Müleküle werden Enantiomere oder Spiegelbildisomeregenannt.Enantiomere: Stereoisomere, die zueinander in Beziehung „Gegenstand-Spiegelbild”

stehen, die miteinander nicht zur Deckung bringen lassen

enantio (griech.) = entgegengesetzt

Moleküle und die Spiegelbilder

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Symmetrie - Disymmetrie

Symmetrieebene:eine hypothetische Ebene, die den Gegenstand oder ein Molekül so zerlegt,dass die eine Hälfte Spiegelbild deranderen ist.

a./ Ein Gegenstand, wie ein Erlenmeyer-Kolben, hat eineSymmetrieebene, die durch den Gegenstand durchgeht.

b./ Ein Objekt, wie eine Hand hat keine Symmetrieebene.

Moleküle, die mit ihren Spiegelbildern identisch sind, sind achiral.

Ein Molekül ist chiral, wenn es keine Symmetrieebene hat.

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Voraussetzung des Auftretens der Enantiomere:Vorliegen eines C-Atoms, das mit vier verschiedenen Atomen oderAtomgruppen verbunden ist. C-Atom dieser Art wird als Chiralitätszentrumbezeichnet (chirales C-Atom, asymmetrisches C-Atom).

Chirale Verbindung: läßt sich nicht mit ihrem Spiegelbild zur Deckung bringen. Molekül und sein Spiegelbild: Enantiomerenpaar

cheir (griech.) = Hand

Chirale Verbindungen: Verbidungen, die keine Symmetrieelemente(-Ebene oder -Zentrum) besitzen

Beispiele:

Brom-chlor-fluor Milchsäure 2-Butanol-methan, CHBrClF: (2-Hydroxypropansäure)

CH

Br

Cl

F

CH

COOH

OH

CH3

CH

CH2CH3

OH

CH3

Chiralität

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Eigenschaften der Enantiomere

- elementare Zusammensetzung: identisch

- Reihenfolge der Atome: identisch (d.h. sie sind keine Konstitutionsisomere)

- physikalische Eigenschaften:-Schmelzpunkt-Siedepunkt-Dichte-Löslichkeit-Dipolmoment-Verbrennungswärme (Energie-Inhalt)-usw.

identisch

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Optische Aktivität

Optische Aktivität: ist die Fähigkeit einer Substanz, die Ebene des polarisiertenLichts zu drehen

Ein Enantiomer zeigt optische Aktivität, und ist daher optisch aktiv.

normalesLicht

polarisiertesLicht

PolarisatorLichtquelle

KüvetteLösung des opt.aktiven Stoffes

Analysator

Bestimmung der opt. Aktivität mit Polarimeter

Winkel der Drehung

Optische Aktivität:Zahlenwerte der opt. Aktivität der beiden Enantiomere sind gleich,Vorzeichen: entgegengesetzt (positiv, bzw. negativ)

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Optische Aktivität der Enantiomere

Die optische Aktivität, i.e. Drehung α des polarisiereten Lichts hängt von der

- Konzentration c der Lösung der optisch aktiven Substanz (g/100 cm3)- Länge l der Polarimeter-Küvette (dm) ab.

wo die specifische Drehung der optisch aktiven Substanz istα D25

α D25 hängt von der

- Natur der Substanz,- Wellenlänge des Lichts, und- Temperatur ab.

(Die Bestimmungen werden am meisten mit einer Natrium-Lampe bei derWellenlänge 589 nm durchgeführt. Spektrumslinie NaD = 589 nm.)

α = α D25 c . l

100.

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Specifische Drehung der Enantiomere

Das eine von den Enantiomeren dreht nach rechts um einen Winkel +α(rechtsdrehende Form),

das andere nach links um einen Winkel -α(linksdrehende Form).

z.B. 2-Butanol α D25 = -13,89o und α

D25 = +13,89o

Zahlreiche Naturstoffe pflanzlicher oder tierischer Herkunftkommen in optisch aktiver Form vor.

Gemische von Enantiomeren im Verhältnis 1:1 werden als Razemgemischebezeichnet. Die Razemgemische sind optisch inaktiv (intermolekulare Kompensation).

α D25 α

D25Verbindung Verbindung

Campher +44,26 Rübenzucker +66,47

Morphin -132 Cholesterin -31,5

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Fischer-ProjektionsformelnD,L Konfigurationsbezeichnung (relative und absolute Konfiguration)

Emil Fischer (1852-1919)

C

CHO

CH2OH

OHH

D(+)-Glycerinaldehyd

Eine Kette von C-Atomen wird von oben nach unten gezeichnet,wobei das am stärksten oxidierte Atom oben steht

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CHO

CH OH

CH2OH

CHO

CHO H

CH2OH

D(+)-Glycerinaldehyd L(-)-Glycerinaldehyd

Dem rechtsdrehenden Enantiomer wurde willkürlich die Projektion mit dem nach rechts zeigenden OH-Rest zugeteilt und diese daherals D-Konfiguration (lat. dexter: „rechts“) bezeichnet, ohne dassman wissen konnte, ob dies der Realität entsprach.

COOH

CH NH2

CH3

COOH

CH2N H

CH3

L(+)-AlaninD(-)-Alanin

Relative Konfiguration

Relative und absolute Konfiguration

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Absolute Konfiguration am chiralen (asymmetrischen) C-AtomCIP- System (Cahn, Ingold, Prelog)

Absolute Konfiguration: genaue räumliche Anordnung der Atome oderAtomgruppe um ein Chiralitätszentrum

Beschreibung der absoluten Konfiguration

1. Sequenz-RegelDie vier Liganden am asymmetrischen C-Atom werden nach fallenderOrdnungszahl (nach ihrer Priorität) geordnet.

CHBr

Cl

F

Priorität: 1 – Brom (Br)2 – Chlor (Cl) 3 – Fluor (F)4 – Wasserstoff (H)

z.B. Betrachtung

von dieser Seite

Bestimmung der absoluten Konfiguration: physikalische Methoden(Röntgenstrukturanalyse)

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wichtige Bemerkung:

Die Deskriptoren R und S bezeichnen das + oder - Vorzeichen der optischen Drehung nicht!

(S)-Brom-chlor-fluor-methan(R)-Brom-chlor-fluor-methan

(1) BrC(4)H

Br (1)Cl (2)

F (3) (3) F

(2) Cl

H (4)C

Chiralitätsregel

Man betrachtet das Tetraedermodell dieser chiralen Verbindung in der Weise, dassdas Atom mit der niedrigsten Priorität (in diesem Falle H) nach rückwärts gerichtet ist.Man bestimmt die Reihenfolge 1 – 2 – 3 !

1 – 2 – 3: im Uhrzeigersinn R- Konfiguration

1 – 2 – 3: entgegen dem Uhrzeigersinn SS configuration

(rectus = rechts)

(sinister = left)

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Diastereoisomerie

Anzahl der Stereoisomeren, wenn das chirale Molekül n Chiralitätszentrenhat: 2n

Enantiomere Enantiomere

Diastereomere

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Diasteromere

sind keine Spiegelbildisomere

Im allgemeinen:mindestens ein Chiralitätszentrum muss gleiche, mindestens ein Chiralitätszentrum muss entgegengesetzteKonfiguration besitzen

2R,3R 2S,3S

2R,3S 2S,3RPaare der Enantiomeren

Physikalische Eigenschaften der Diastereomeren sind unterschiedlich!

Löslichkeit, Schmelzpunkt, usw., und auch die optische Drehung!

Diastereomere

2R,3R 2S,3S

2R,3S 2S,3R

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Meso-Verbindungen

zwei Chiralitätszentren mit gleichen Substituenten,

mögliche Kombinationen(Stereoisomere): R - R

S - SR - SS - R

Enantiomerenpaare

diese Isomere sind gleich und optisch inaktiv =meso-Verbindung

+12o -12oα D25 α

D25

Schmp. 168-170oC Schmp. 168-170oC Schmp. 146-48oC

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zwei Chiralitatszentren mit gleichen Substituenten, aber mitentgegengesetzter Konfiguration

optisch inaktive Moleküle(intramolekulare Kompensation)

meso-Weinsäure

identische Verbindungen Symmetrieebene der meso-Weinsäure

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Trennung der Spiegelbild-Kristalle vomracemischem Natrium-Ammonium-Tartrat(kristalline Forme der Enantiomere sindunterschiedlich)

Erste Racematspaltung durch Pasteur (1847)

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Trennung der Enantiomeren (Spaltung von Razemgemischen)

Racemgemisch optisch aktiverHilfstoff

A(+)A(-) B(+) Gemisch

von DiastereomerenA(+)B(+)

A(-)B(+)

Grundlage: Überführung der Enantiomeren in ein Diastereomerengemischmit einem fremden optisch aktiven Hilfsstoff

A(+) A(-)Reine Enantiomere

A(+)B(+) A(-)B(+)Getrennte Diastereomere

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Andere Methode der Razematspaltung

- enzymatische Spaltung durch Mikroorganismen

- chromatographische Trennung mit chiralen stationären Phasen- Säulenchromatographie: z.B. mit Cellulose (Trennmaterial)- Gaschromatographie: chirale Flüssigkeiten als stationäre Phase

Optisch aktive Hilfsstoffe bei der Razematspaltung

Zu razemischen Basen: optisch aktive Säuren, z.B. Weinsäure, Mandelsäure

Zu razemischen Säuren: optisch aktive Basen, z.B. Brucine, Strychnin, Cinchonin

oder optisch aktive Alkohole, z.B. Menthol

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Unterschiedliche biologische Wirkung der Enantiomeren

z.B. unterschiedlicher Geruch

z.B. unterschiedliche physiologische Wirkung

(Pfefferminzöl) (Kummelöl)

CH2C

HH2NHO

HO COOH CH2

OH

OHC

HOOC

NH2H

Arznei in der Behandlung der Parkinson-Krankheit

keine biologische Wirkung(S)-(-)-DOPA

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Contergan-Skandal

Racemisierung