2 - Uni Heidelberg

214
14. Stereochemie
Bereits am Anfang der Vorlesung einige Grundbegriffe:
Konformation, Enantio- und Diastereomerie
Jetzt nochmals systematisch und genauer
a) Symmetrie und Chiralität
α) Symmetrieelemente
- Symmetrieelemente 1. Art: Drehachsen Cn
C2
H
O
C3 120°
180°
H3C
CH3
H3C
H
C2
CH3
CH3
ad15-01.cw2
Cn: Drehung um (360°/n) ergibt Identität
- Symmetrieelemente 2. Art: Spiegelungen
Symmetrie-Ebene (σ)
Symmetrie-Zentrum (i)
4-zählige Drehspiegelachse (S4)
σ
σ
H
O
H
σ
H3C
CH3
ad15-01.cw2
- Punktsymmetriegruppe
Gesamtheit aller Symmetrieelemente: Gruppentheorie
215
β) Chiralität
•
Chiralität
(chiral)
Händigkeit
(händig)
Nicht-Deckbarkeit von
Bild und Spiegelbild
•
Chirale Objekte:
Hand
Schuh
Schnecke
Schraube
Aminosäure-Molekül
(z.B. Alanin)
Propeller
Bedingung für Chiralität
Objekt darf keine
Spiegelebene
Symmetriezentrum
S4-Achse
besitzen
Achtung: Objekt darf Drehachsen besitzen (Propeller sind Chiral)
asymetrisch ≠ chiral !
Objekt ist asymetrisch, wenn kein Symmetrieelement vorhanden ist.
•
achiral
= nicht chiral
achirale Objekte:
Würfel (ohne Augen !)
Methan-Molekül
Mensch idealisiert
•
Chiralitätszentrum
tetraedrisches Atom mit
4 materiell oder geometrisch
verschiedenen Liganden
H
H3C
C
COOH
Cl
Chiral.CW3
216
γ) Enantiomere, Helizität
- Moleküle mit Chiralitätszentrum
Chiralitätszentrum: Atom mit vier verschiedenen
Substituenten
H
COOH
H C H
H C H
H
H
achiral
achiral
COOH
H C H
CH3
achiral
(prochiral)
COOH
H C OH
COOH
HO C H
CH3
CH3
chiral !
ad15-01.cw2
- Chirale Moleküle ohne Chiralitätszentrum
Allene
Cl
H
Cl
Cl
C C C
Cl
C C C
H
H
H
Biphenyle
A
A A
A
≠ Sp.-B.
B
B B
B
Helices (Schrauben)
Hexahelicen
ad15-01.cw2
217
b) Stereoisomerie, Unterscheidung von Enantiomeren
α) Übersicht
Klassifizierung von Isomeren
Isomere
Konstitutionsisomere
Stereoisomere
Konstitutionsisomere
gleiche Bruttoformel,
unterschiedliche Verbundenheit
(=Topologie)
Stereoisomere
gleiche Konstitution,
unterschiedlicher räumlicher
Aufbau
Stereoisomere werden nach zwei verschiedenen Kriterien
subklassifiziert:
Stereoisomere
Symmetrie
Enantiomere
(Bild Spiegelbild)
Umwandlungsart
Umwandlung durch:
Diastereo(iso)mere
(sonstige)
Stereoisomere
Konformationsisomere
Konfigurationsisomere
(Drehung um
Einfachbindungen)
(Sonstiges, z.B.
Bindungsbruch
Org06-07.CW3
Diese Klassifizierungen sind nicht abhängig von der Energie !
218
β) Diastereomere
Alle Eigenschaften verschieden (Schmelzpunkt, Siedepunkt,
Löslichkeit)
Grund: Interne Atomabstände verschieden.
Cl
Cl
Cl
Cl
γ) Enantiomere
- Achirale Umgebung
Alle Eigenschaften gleich (Schmelzpunkt, Siedepunkt,
Löslichkeit)
Grund: Interne Atomabstände gleich
σ
Cl
Cl
Cl
Cl
Konsequenz: Synthese 1:1-Gemisch (racemisches Gemisch)
σ
Ph
O
H3C
ad15.cw2
NaBH4
Ph
H3C
H
OH
Ph
+
H3C
1 : 1
Racemisches Gemisch
OH
H
219
- Chirale Umgebung
Enantiomere verschieden, Beispiel:
σ
L-Hand
R-Hand
Enantiomere
σ
R-Hand
R-Handschuh
L-Hand
R-Handschuh
Diastereomere
ad15.cw2
Konsequenzen:
Linkshänder: Warum haben Linkshänder Probleme im
täglichen Leben?
Physiolog. Eigenschaften
Geruch, Beispiele Carvon und Limonen:
σ
σ
O
O
R
S
Minze
Kümmel
R
S
Orange
Zitrone
ad15-02.cw2
Biosynthese, Stereoselektivität
COOH
C O
CH3
achiral
"H "
Enzym
NADH
COOH
HO C H
CH3
nur !
ad15-02.cw2
220
Optische Drehung
gew. Licht
lin.-pol. Licht
Pol.-Filter
ad15-02.cw2
= rac. Gem.
R
S
circ.-pol. Licht
Konsequenz:
1 Enantiomer XS bildet unterschiedliche WW:
XS CS
Dia
XS CR ....
ad15-02.cw2
Nicol-Prisma
Lichtquelle
Meßröhre
Nicol-Prisma
Polarisator
Analysator
mit Teilkreis Okular
=> unterschiedlicher Brechungsindex für Scirc v. Rcirc
= Drehung Polarisations-Ebene = optische Aktivität
α = f (Temp., λ, c, d)
T
[α] λ =
α
c·d
α [° ]
c [g/ml]
d [dm]
ad15-02.cw2
Org15_00.cw2
221
c) Absolute Konfiguration: R/S- und D/L-Nomenklatur
(ein Chiralitätszentrum)
α) R/S-Nomenklatur
1
H
6
H
H3C C F
9
F C CH3
Cl
Cl
17
Ad15-03.cw2
•
Priorität Ligand nach Ordnungszahl: Cl > F > C > H
•
Blick: vom Zentrum zum niedrigster Ligand (H)
•
Sinn verbleibender Liganden
Uhrzeigersinn:
R (rectus)
Antiuhrzeigersinn: S (sinister)
H
H3C
F
C
S
R / S = absolute K.
Cl
Ad15-03.cw2
β) Fischer-Projektion, D/L-Nomenklatur
Fischer-Projektion
Projektion eines Tetraeders in folgender Weise auf die
Papierebene:
COOH
COOH
H2N
H
CH3
(Alanin)
H2N
H
CH3
Ad15-03.cw2
222
DL-Nomenklatur
•
C-Kette vertikal, Gruppe höherer Ordnungszahl oben
•
Substituenten H u. X (OH, NH2, Hal) horizontal
X rechts: D
,
X links: L
Beispiel:
H
O
H3C
H
OH
H
O
HO
H
CHO
HO
H
CH3
CH3
L
Ad15-03.cw2
d) Verbindungen mit mehreren Chiralitätszentren
α) Konstitutionell verschiedene Zentren
COOH
CH(OH)
2 Möglichk.
2 Möglichk.
CH2OH
2 · 2 = 22 = 4
CH(OH)
Ad15-03.cw2
Möglichkeiten:
(S,S)
en
(R,R)
dia
dia
dia
(R,S)
en
(S,R)
Ad15-03.cw2
Allg.: bei n Zentren: 2n Stereoisomere paarweise enantiomer
223
Verbindungen mit mehreren Chiralitätszentren, die nicht
konstitutionsäquivalent sind
• Allgemein Verbindungen mit n nicht
konstitutionsäquivalenten
Zentren: 2n Stereoisomere
• Dieses gilt für zyklische und offenkettige Verbindungen
CH3
H C OH
H C OH
n
2
2 = 2 = 4 Stereoisomere
CH3
H C OH
H C OH
4
2 = 16 Stereoisomere
8 Enantiomerenpaare
H C OH
H C OH
H C OH
HOH2C
O
CH2OH
HO
OH
HO
OH
5
2 = 32 Stereoisomere
Org15_03.cw2
• Die relative und absolute Konfiguration wird durch Drehung
um Einfachbindungen nicht geändert, daher unabhängig von
der Konformation definiert
• Alle Stereoisomeren sind chiral
224
Verbindungen mit konstitutionsäquivalenten Chiralitätszentren
Atome sind konstitutionsäquivalent, wenn sie identisch verbunden sind
(bildlich: sie sind ununterscheidbar in einem Molekülmodell, das aus farbigen Kugeln [=
Atome, Farbe = Ordnungszahl] und Bindfäden besteht)
Konsequenzen:
• Die Zahl der Stereoisomeren ist kleiner als 2n
(n = Zahl Chiralitätszentren)
• Es treten chirale und achirale Stereoisomere auf
• Mesoform = achirale Verbindung mit mehreren Chiralitätszentren
Beispiel:
H
Br
C-1/C-2
konstitutionsäquivalent
1
2
+ Br2
H
mögliche
Stereoisomere:
3!
Br
H
(meso)
Br
(R,S) u
H
Br
Br
Br
Br
Br
(R,R) l
(S,S) l
Org15_04.cw2
HO
CH3
OH
HO
OH
H
OH
H
OH
H
O
CH3
CH3
H
COOH
H
4
2
2
2
konstitutions-äquiv. Z
?
?
?
?
Stereoisomere
H
O
Org15_04.cw2
225
β) Konstitutionell gleiche Zentren
Bekanntestes Beispiel Weinsäuren:
COOH
CH(OH)
CH(OH)
konstit.
Äquiv.
H
H
Cl Cl
COOH
Ad15-03.cw2
Wieviele Stereoisomere? Alle Möglichkeiten durchgehen:
COOH
σ
COOH
H C OH
HO C H
H C OH
HO C H
COOH
COOH
meso-W.
achiral, Fp. 170 °C
Ad15-03.cw2
COOH
HO C H
H C OH
COOH
H C OH
HO C H
COOH
D(S,S)
COOH
L-W.
(R,R)
Fp. 139 °C
[α] D = +12
−12
Analog Dichlor-Cyclopentan, 3 Isomere: meso, (R,R), (S,S)
e) Trennung von Enantiomeren
Prinzip: wie Handschuhe / Hände
es müssen Diastereomere gebildet, diese getrennt, dann wieder
gespalten werden
besonders günstig: Salze
226
Beispiel Trennung Enantiomere der Mandelsäure:
COOH
COOH
H C OH
Ph
HO C H
Ph
(R)
(S)
rac-Mandelsäure
CH3
H C NH2
Ph
(S)-Phenylethylamin
Durchführung:
EN
RR
COOH
RS
R S'
RR
COO
R S'
NH3
COOH
NH2
RS
COO
R S'
NH3
leicht löslich
schwer löslich
1. Umkrist.
R S'
2. HCl
aus Kristallisat: RR
COOH
aus Mutterlauge:
RS
COOH
NH3
Ad15-03.cw2
227
z.B.:
H OH CO2H
H 2N
+
HO2 C
3-Butin-2-amin
racemisch, beide
Enantiomere 1:1
H OH CO 2HO 2C
.
H 3N H
H OH
(+)-Weinsäure
+
H OH CO2 - H3 N H
.
HO2 C
H OH
H OH
diastereomere Salze
kristallisiert aus und
kann dann abf iltriert werden
K2CO3
H 2N H
(R)-(+)-3-Butin-2-amin
bleibt in Lösung
K2CO3
H 2N H
(S)-(-)-3-Butin-2-amin
228
Trennung von Enantiomeren
a) In einigen wenigen Fällen findet sog. „spontane
Racematspaltung“ statt:
Enantiomere kristallisieren in getrennten Kristallen aus
(Konglomerat). Die einzelnen Kristalle sind enantiomorph
und können manuell getrennt werden (mühsam !)
Historisches Beispiel:
L. Pasteur 1848
Trennung des racemischen Salzes Natrium-Ammoniumtartrat (Salz der Weinsäure)
b) Allgemeiner ist die Bildung diastereomerer Derivate, deren
Trennung und Rückspaltung.
Beispiel:
DIA
O
H
H
OH
CH2OH
(R)
O
H
HO
H
CH2OH
(S)
CH3
H
NH2
Ph
(S)
CH3
CH3
H
H
N
Ph
H
OH
H
CH2OH
(S,R)
(S,S)
1. Umkrist. oder
Chromatographie
2. H2O / H
O
H
H
OH
CH2OH
Dutch Resolution
(vgl. Internet)
Ph
HO
CH2OH
Glycerinaldehyd
EN
Org15_04.cw2
+
N
+ Amin
O
H
HO
H
CH2OH
+ Amin
229
Enzymatische Racematspaltung
CO2 CH3
CO2 CH3
PLE
H2 O
CO2 CH 3
CO2 H
> 98.5% dieses Enantiomers
< 1.5% des Spiegelbildes
=> Enantiomeren-Überschuß
(enantiomer ic excess)
ee [%] =
CO2 CH 3
R-S
R+S
.
100 = 97%
CO2 CH 3
+
Racemat
PLE
H2 O
CO 2CH3
CO2 H
+
ee jedes der beiden Produkte
(die jetzt keine Stereoisomere
sondern völlig verschiedene
Verbindungen darstellen) ist
> 98% (also mehr als 99%
des jeweiligen Enantiomers)