Isomerie Diastereomere

Folie271
Isomerie
Konstitutions- bzw. Strukturisomere:
gleiche Summenformel, unterschiedliche Verknüpfung der Atome:
Beispiele:
C2 H6 O :
H3 C O CH 3
H3 C CH 2 OH
Ethanol
Dimethylether
C4 H10 :
H3 C CH 2 CH 2 CH 3
H3 C CH CH 3
CH 3
Isobutan
n-Butan
Stereoisomere:
gleiche Summenformel, gleiche Verknüpfung der Atome, aber in unterschiedlicher Raumrichtung.
Beispiele für Stereoisomere:
H
H3 C
H
H
CH 3
cis- oder Z-2-Buten
H
H3 C
CH 3
H
trans- oder E-2-Buten
Br
Br
Br
H
trans-1,2-Dibromcyclohexan
H
Br
H
cis-1,2-Dibromcyclohexan
Diastereomere
Folie272
Beispiele für Stereoisomere:
H3 C CH 2 CH CH 3
Cl
2-Chlorbutan
H3 C CH COOH
OH
Milchsäure
H3 C CH 2
H
H3 C
H
H
C
C
Cl
CH 3
H3 C
Cl
CH 2CH3
COOH
COOH
C
C
Bild
OH
HO
H
CH 3
Spiegelbild
- stereogenes Zentrum
nicht deckungsgleich
Enantiomere
Physikalische Eigenschaften von Enantiomeren
Beispiel:
2-Methyl-1-butanol: CH 3 CH 2
Chiralitätszentrum
H
C CH 2 OH
CH 3
H
H
C
CH 3 CH 2
CH 2 OH
HO
CH 2
[α ]20
D
[α ]20
D
+ 128.9°C
1.4107
0.8193 g/ml
+ 5.756°
CH 2
CH 3
CH 3
CH 3
Sdp.
nD
d
C
+ 128.9°C
1.4107
0.8193 g/ml
- 5.756°
ist die spezifische Drehung bei 20°C. D ist die Wellenlänge des bei der Messung
verwendeten linear polarisierten Lichtes: Natrium-D-Linie bei 5893 Å.
Chiralität – Optische Aktivität
1815
1848
Entdeckung der optischen Aktivität durch Biot
Trennung der optisch inaktiven Traubensäure in die optisch aktive
(+)- und (-)-Weinsäure durch Pasteur
Folie273
Polarimeter (schematischer Aufbau)
Folie274
Lichtquelle
Polarisator
(Nicol- Prisma oder Polaroid-Filter
[α ]=
Probenrohr
α
l⋅d
[ °]
[dm][g/ml]
[α] - spezifische Drehung
α - beobachtete Drehung
l - Länge des Probenrohres in dm
d - Dichte bei Messungen in Substanz
Konzentration in g/ml bei Messungen in Lösung
Analysator
(Nicol-Prisma oder Polariod-Filter)
Auge (oder Photozelle)
Chirale Strukturen
chiral (griechisch cheir – Hand bzw. Händigkeit)
Folie275
Folie276
Chirale Strukturen
normale
Schnecke
Bulismus perversus (tropische Landschnecke)
1, links gewundenes Gehäuse, 2, rechts gewundenes Gehäuse
Folie277
O
O
H2 N
OH
NH 2
HO
H NH 2 O
O H2 N H
S
bitter
Asparagin
süß
O
H
S
N
O
N
O
n-C4H 9
CH 3
H3 C
O
C6 H5
O
Krampfanfall
O
O
Barbitursäure-Der.
H
O
N
S
R
O
O
C6 H5 n-C4H 9
R
narkotisch
H
H
O
N
N
Contergan
H
N
O
N
H
extrem teratogen
N
O
R
O
keine Mißbildungen
CH 3
CH 3
S
R
H3 C
CH 2
Geruch nach Zitrone
H2 C
Limonen
CH 3
Geruch nach Orange
H3 C
SS
OH
H
N
HO
CH 3
N
H
OH
Tubercolostaticum
H3 C
N
H
Ethambutol
H3 C CH 3
HO 2C
SH
NH 2
Antiarthriticum
Penicillamin
S
CO 2H
NH 2
I
HO 2C
O
H2 N
I
I
OH R
I
I
Schilddrüsen-Hormon
Thyroxin
O
OH
β-Blocker
N
H
Antihypocholesterinicum
H3 C
CH 3
S
R
I
O
HO
RR
extrem toxisch
I
I
CH 3
HO
Blindheit
H3 C CH 3
CO 2H
HS
NH 2
S
Folie278
H
N
CH 3
H3 C
Propranolol
N
H
O
OH
Contraceptivum
R
Folie279
Enantiomere Übergangszustände
H
H
C
C2 H5
CH 3
CH 2
OH
(+)
H2 C
C2 H5
OH
CH 3
(-)
H+ X
H+ X
δ−
X
C
H
H
C
C2 H5
CH 3
CH 2
HOH
δ+
H2 C
HOH
δ+
C
δ−
X
Die Übergangszustände der beiden Eliminierungsreaktionen sind wie die Grundzustände enantiomer
zueinander und damit identisch in allen physikalischen
und chemischen Eigenschaften mit Ausnahme der
optischen Aktivität.
C2 H5
CH 3
X
(-)
Bild
A
(+) A
Spiegelbild
Enantiomere Ü.Z. energiegleich
CH 3 CH 2
H3 C
C CH 2 + H2 O
CH 2 CH 3
H2 C C
+ H2 O
CH 3
2-Methyl-1-buten
X
Folie280
Das Racemat
ist das (50:50)-Gemisch von zwei Enantiomeren.
Racemat-Bildung:
CH 3 CH 2 CH 2 CH 3
hν
Cl2
- HCl
CH 3 CH 2 CH CH 3 + CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 Cl
Cl
n-Butylchlorid
sec.-Butylchlorid
Cl
a)
Cl
a)
Cl
b)
Cl
H
C
C2 H 5
H
Cl
(-)
C2 H 5
CH 3
50
C 2 H5
CH 3
50
C
CH 3
H
b)
(+)
C
Cl
Enantioselektive Synthese (bevorzugte Bildung eines Enantiomeren)
Diastereomere Übergangszustände sind energieungleich und besitzen unterschiedliche
Eigenschaften, so dass eine Reaktion bevorzugt sein kann.
[(+) – X
(-) – A]
[(+) – A
(+) – X]
chiral
Diastereomere
Übergangszustände
chiral
[(+) – A
(-) – X]
Enantiomer
Folie281
Folie282
Racemat-Trennung
Beispiele für Racemat-Trennung:
OH
CH 3 C COOH
H
(±) - Milchsäure
H3 C CH 2 CH COOH
(±) - 2-Phenylbutansäure
chirale Hilfsreagenzien: (-)-Brucin, (-)-Strychnin, (-)-Chinin, (+)-Cinchonin
(Alkaloid-Basen) für die Trennung von chiralen Säuren.
(±) R NH 2
racemische Amine
lassen sich z. B. m it optisch aktiver (-)-Apfelsäure trennen HO OC CH 2 CH CO OH
OH
Allgemeine Regel:
Ein Racemat wird durch ein optisch aktives Hilfsreagenz in ein Gemisch von Diastereomeren
umgewandelt, bei dem eine Trennung möglich ist.
Sequenzregeln zur Bezeichnung der absoluten Konfiguration
nach Cahn, Ingold und Prelog
R, S-Nomenklatur
Folie283
b
b
d
d
C
c
c
a
C
a
"S"
"R"
(Rectus-Rechts)
im Uhrzeigersinn
(Sinister-Links)
im Gegenuhrzeigersinn
1) Ist das Chiralitätszentrum mit vier verschiedenen Atomen verknüpft, so hängt die Reihenfolge von
der Atomnummer ab. Dabei hat das Atom mit der höchsten Atomnummer den Vorrang, bei Isotopen
das Atom mit der höheren Massenzahl.
b
Cl
Beispiele:
dH
dH
C
a I
C
SO 3H
c
cD
>
17Cl
>
Br
a
"S"
"R"
53 I
b
CH 3
16 S
>
1H
35 Br
>
6C
>
2
1H
(=D) >
1
1H
2) Wenn die Rangordnung nicht nach Regel 1) entschieden werden kann, werden die Atomnummern
der folgenden Atome verglichen, in dem man immer weiter vom Chiralitätszentrum weggeht bis eine
Entscheidung möglich ist.
Cl > C, C > H
d
H
b
c
Cl > CHH > HHH > H
CH3 CH2 C CH2 H
Cl
a
b
CH3
d
CH3 H
c
CH C CH2 CH3
Cl
a
Folie284
Cl > CCH > CHH > H
3) Die Atome einer Doppel- und Dreifachbindung werden wie zwei bzw. drei einfach gebundene Atome gewertet.
C A =
C A =
C A
A C
A C
C A
A C
CH 3
z. B.
CH CH 2
>
CH
CH 3
CH CH 2
C
C
H
b
C
d H
O
OH a
CH 2OH
c
O
H
b
CH O
C
dH
H
C
C
OH
HO CH 2
OH > CH=O > CH 2OH > H
HO
a
c
CH 2OH
"R"
CH O
CH O
O C
Folie285
D und L – Reihe
D
CH=O
dH
OH a
CH O
H
HO
CH 2OH
c
C
CH 3
c
CH O
COOH
C
OH
HO
CH 2OH
b
CH O
a
HO
dH
H
CH 2OH
O CH
S-(-)
H
COOH
C
CH 3
dH
CH 2OH
NH 2
CH 3
NH 2
H
CH 2OH
c
R-(+)-Glycerinaldehyd
H
a
H2N
C
CO 2H
C
OH
C
L
NH 2 a
dH
CH 2OH
CH O
H
D
b
COOH
L
b
b
COOH
C
CH 3
c
R- Alanin
NH 2
H
CH 3
a
NH 2
b
HOOC
C
CH 3
c
S-Alanin
H
Relative Konfigurationszuordnung
COOH
COOH
Oxidation
CHO
H
OH
H
OH
Reduktion
CH 2OH
D-(-)-Glycerinsäure
CH 2OH
CH 3
D-(-)-Milchsäure
CH 3
CH 3
D-(+)-Glycerinaldehyd
Reduktion
H
HO
OH
OH
H
Oxidation
OH
H
CH 2OH
COOH
CH 2OH
COOH
H
CH 3
L-(+)-Propandiol
H
HO
CH 3
L-(+)-Milchsäure
Folie286
Folie287
Zwei und mehrere Chiralitätszentren
(Maximalzahl der Stereoisomeren: 2n n – Zahl der Chiralitätszentren
ery thro
CHO
R
OH
H
R
H
OH
Di aste reom ere
CHO
HO S
HO S
H
H
D-(-)-Erythrose
L-(+)
CHO
CHO
HO
H
CH 2OH
CH 2OH
thr eo
S H
H R
S
R
OH HO
CH 2 OH
[O]
COOH
COOH
HO S
R
HO
H
H
COOH
Bild und Spiegelbild
identisch: achiral
HO
H
COOH
S H
H R
S
R
OH HO
COOH
(-)-Weinsäure
OH
H
COOH
(+)
Enantiomere
meso-Weinsäure
nicht optisch aktiv
meso: Schmp. 146-148°C
L-(+)
Enantiomere
[O]
COOH
n = 2:
22 = 4
CH 2OH
D-(-)-Threose
Enantiomere
COOH
R
OH
H
S
H
OH
OH
H
Diastereomere
Racemat: Schmp. 168-170°C
(1:1)-Mischung
Folie288
Nucleophile Substitution
Nu
+
geladenes
Nucleophil
R X
Alkylhalogenid
R Nu
+ X
(X = Cl, Br, I)
HO
R OH
Alkohol
R O
R O R
Ether
R S
R S R
Thioalkohol
I
X
H Nu +
neutrales
Nucleophil
H
O
H
R
O
- Halogenid
R X
R
I
R Nu H
X
Alkyliodid
-H X
R X - Alkylhalogenid
R Nu
R OH
R O R
H
H3 N
R NH 2
prim.
RNH2
R NHR
sec.
R2 N
R NR 2
tert.
Amine
H
R3 N
R NR 3
X
quartäres Ammoniumsalz
Nucleophile Substitution
SN2-Reaktion: bimolekulare Reaktion Kinetik 2. Ordnung
H3 C Br +
Methylbromid
k2
OH
H3 C OH
+
Br
Methanol
Reaktionsgeschwindigkeit: R.G. = -
d[CH3 Br]
= k2 [CH3 Br] [ OH]
dt
SN1-Reaktion: monomolekulare Reaktion Kinetik 1. Ordnung
(H 3C) 3C Br +
t-Butylbromid
OH
k1
Reaktionsgeschwindigkeit: R.G. = -
(H 3C) 3C OH
+
Br
t-Butanol
d[(H3C)3C-Br]
= k1 [(H3C)3-Br]
dt
Folie289
Folie290
Mechanismus der SN2 - Reaktion
C6 H13 CH Br
CH 3
2-Bromoctan
chiral
+
k2
OH
C6 H13 CH OH + Br
CH 3
2-Octanol
chiral
Konfigurationszuordnung
H3 C
H
H3 C
C
Br
H
C6 H13
R-(-)-2-Bromoctan
25
C6 H13
R
C6 H13
R-(-)-2-Octanol
R-(-)-2-Bromoctan
H3 C
H
gleiche relative Konfigurationen
[α ] D = -9.9°
Experiment:
C
OH
25
[α ] D = -34.6°
HO
C
Br
δHO
OH
+
- Br
CH 3
C
S-(+)-2-Octanol
δBr
CH 3
HO
H
C6 H13
pentavalenter Übergangszustand
C
+
H
C6 H13
S
Br
SN2 - Reaktion: konzentierter Prozess unter Umkehr (Inversion) der Konfiguration am Reaktionszentrum.
Reaktivität:
H3 C Br > R CH 2 Br > R2 CH Br > R3 C Br
prim.
sec.
tert.
zunehmende, sterische Abstoßung
im pentavalenten Übergangszustand.
Mechanismus der SN1 - Reaktion
(CH3) 3C Br
(CH3) 3C
+
k1
(CH3) 3C
+
Br
Heterolyse
langsam
Carbeniumion: reaktive Zwischenstufe
geschwindigkeitsbestimmender Schritt
OH
schnell
(CH3) 3C OH
Reaktivität: wird bestimmt durch die Stabilität der Carbeniumionen
R3 C
tert.
>
R 2 CH
sec.
> R-CH 2
prim.
>
CH 3
Methylkation
abnehmende Reaktivität
Vergleich von SN2- und SN1-Reaktionen
Methyl- und primäre Alkylhalogenide: meist SN2
tertiäre Alkylhalogenide: meist SN1
sekundäre Alkylhalogenide: SN1 und SN2 meist konkurrierend
Folie291
Energiediagramm einer SN2- Reaktion (A) und einer SN1-Reaktion (B)
Folie292