Isomerie organischer Verbindungen

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Isomerie organischer Verbindungen
Organische Verbindungen können, bei gleicher Summenformel, sehr unterschiedliche Strukturen besitzen.
Moleküle mit gleicher Summenformel aber unterschiedlicher Struktur nennt man Isomere.
Arten der Isomerie
Konstitutionsisomere (K1)
Stellungsisomere
Strukturisomere
Bei Strukturisomeren sind unterschiedliche
funktionelle Gruppen ausgebildet.
Die gleichen funktionellen Gruppen sind an unterschiedliche
Atome des Kohlenstoffgerüsts gebunden.
Beispiel: Ethanol - Dimethylether
Beispiel: -Alanin - -Alanin
Die Stereochemie spielt in der Biochemie eine wichtige Rolle. Aminosäuren und Zucker sind chiral, sie
besitzen asymmetrische Kohlenstoffatome.
Die belebte Natur ist chiral (asymmetrisch)!
Enantiomere besitzen gleiche physikalische und chemische Eigenschaften, sie sind jedoch optisch aktiv.
Treten zwei chirale Verbindungen miteinander in Wechselwirkung, z.B. Enzym und Substrat, laufen
unterschiedliche Reaktionen ab, je nachdem welches Enantiomer des Substrats angeboten wurde: Enzyme
sind stereoselektiv..
Stereoisomerie
cis(Z)-trans(E)-Isomere
Enantiomere - Diastereomere
D-L-Konfiguration (K2)
Benachbarte Substituenten an
Doppelbindungen oder Ringen können zwei
verschiedene Anordnungen aufweisen.
Besitzt das Molekül ein Chiralitätszentrum, ergeben sich
zwei verschiedene Konfigurationen, die sich wie Bild und
Spiegelbild verhalten (= Enantiomere). Sind mehrere
Chiralitätszentren vorhanden, kommen noch Diastereomere
dazu.
Beispiel: Maleinsäure - Fumarsäure
Beispiel: D- / L-Alanin (Enantiomere)
Srereoisomerie: Konformation (K3)
Konformere können durch Rotation um
C-C-Einfachbindungen
ineinander
umgewandelt werden.
A
A
B
B
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

Strukturisomerie
Beide abgebildeten Verbindungen besitzen die Summenformel C 2H6 O. Die Atome lassen sich zu
diesen zwei Strukturen anordnen.
Beide Substanzen weisen zwar das gleiche Molekulargewicht auf, unterscheiden sich aber
erheblich in ihrem chemischen Verhalten und ihren physikalischen Eigenschaften:
Dimethylether
“Ether“
Ethanol
“Alkohol“
Siedepunkt:
- 23°C
78,5°C
Aggregatzustand (StB):
gasförmig
flüssig
Löslichkeit in Wasser:
gering
unbegrenzt


Stellungsisomerie
Stellungsisomerie kann bei Kohlenstoffketten, die aus mindestens zwei Atomen bestehen, und bei
Ringen auftreten. Funktionelle Gruppen sind an unterschiedlichen Atomen des Kohlenstoffgerüstes
gebunden. Als Beispiel sei hier die Aminobuttersäure genannt, von der es drei Isomere gibt:
Die Benennung kann, wie im vorliegenden Fall, durch Voranstellen eines griechischen Buchstaben
vor den Trivialnamen oder durch die systematische Bezeichnung erfolgen:
-Aminobuttersäure = 2-Amino-butansäure; -Aminobuttersäure = 3-Amino-butansäure

-Aminobuttersäure = 4-Amino-butansäure
Bei aromatischen Systemen mit 2
Substituenten werden meist die
Präfixe
ortho- (o), meta- (m) und para- (p)
verwendet:
o(rtho)-Xylol = 1,2-Dimethylbenzen
m(eta)-Xylol = 1,3-Dimethylbenzen
p(ara)-Xylol = 1,4-Dimethylbenzen
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Stereoisomerie
Im Gegensatz zu Strukturisomeren sind bei Stereoisomeren die Bindungsverhältnisse identisch.
Die Isomere unterscheiden sich durch die Lage der Baugruppen am selben C-Atom.

 cis-trans-Isomerie (geometrische Isomerie)
Während um C-C-Einfachbindungen eine freie Drehbarkeit gegeben ist, ist dies bei C=CDoppelbindungen nicht der Fall. Für Substituenten an den beiden C-Atomen gibt es daher zwei
verschiedene Anordnungsmöglichkeiten, die mit cis und trans bzw. Z (für zusammen) und E (für
entgegen) bezeichnet werden.
cis-trans-Isomerie bei Ring-Systemen
Auch bei Ringen wird die relative Stellung benachbarter Substituenten durch die Präfixe cis und
trans bezeichnet. Da der Ring gewinkelt ist (bei Cyclohexan vorzugsweise in der SesselKonformation vorliegt), steht bei der cis-Konfiguration stets ein Substituent axial und einer
äquatorial. Bei der trans-Konfiguration stehen entweder beide axial oder beide äquatorial.

 Chiralität - optische Isomerie
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Beim sp -hybridisierten Kohlenstoffatom weisen die vier Bindungen in die Ecken eines Tetraeders.
Sind vier verschiedene Atome bzw. Gruppen an ein C-Atom gebunden, gibt es zwei
Konfigurationen, d.h. zwei unterschiedliche Möglichkeiten, diese Gruppen anzuordnen. Man nennt
ein solches C-Atom ein asymmetrisches C-Atom (da sich durch das Atom keine Spiegelebene
legen lässt) oder Chiralitäts-Zentrum. (Chiralität von grch. "Händigkeit").
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Besitzt ein Molekül ein solches chirales C-Atom, existieren zwei Konfigurations-Isomere, die
sich wie Bild und Spiegelbild verhalten: die zwei Enantiomere.
Enantiomere unterscheiden sich nicht in ihrem chemischen Verhalten und, mit Ausnahme ihrer
optischen Aktivität, auch nicht in physikalischen Eigenschaften. Unterschiede gibt es jedoch in
ihrem biochemischen Verhalten, denn im Organismus kommt es zu Wechselwirkungen mit
anderen chiralen Molekülen, bei denen die Konfiguration einen wesentlichen Einfluss hat.
Befinden sich in einem Molekül mehrere asymmetrische C-Atome, gibt es zu jedem dieser
Chiralitätszentren zwei Anordnungsmöglichkeiten. Es ergeben sich dadurch 2n Stereoisomere
(n = Zahl der chiralen C-Atome im Molekül). Man unterscheidet nun Enantiomere (die sich wie Bild
und Spiegelbild verhalten) und Diastereomere.
Enantiomere: Bild - Spiegelbild
Enantiomere verhalten sich wie Bild und
Spiegelbild. Die isomeren Moleküle können
durch Drehung nicht zur Deckung gebracht
werden.
http://www2.chemie.uni-erlangen.de/projects/vsc/chemie-mediziner-neu/isomerie/enantiomere.html
Die Enantiomere sind optisch aktiv: Sie drehen die Polarisationsebene linear polarisierten Lichtes
(bei gleicher Konzentration) um den gleichen Wert aber in entgegengesetzte Richtung.
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Eigenschaften von Enantiomeren
Die beiden Enantiomere unterscheiden sich in den meisten physikalischen und chemischen
Eigenschaften nicht. Sie besitzen gleiche Schmelz- und Siedepunkte, die gleiche Dichte und
gehen (mit nicht-chiralen Reaktionspartnern) die gleichen chemischen Reaktionen ein.
Die einzige physikalische Eigenschaft, in der sich die Enantiomere unterscheiden, ist die
optische Aktivität.
Unterschiede gibt es aber in der Reaktivität mit anderen chiralen Verbindungen. Besonders
deutlich wird dies bei enzymkatalysierten Reaktionen. Die meisten Enzyme setzen nur eines
der Enantiomere um, das andere Isomer bleibt unverändert.
Enantiomere unterscheiden sich in den Reaktionen mit anderen chiralen Verbindungen,
insbesondere in ihrem Verhalten gegenüber Enzymen
Optische Aktivität
Elektromagnetische Wellen, zu denen auch das sichtbare Licht gehört, sind Transversalwellen,
d.h. sie schwingen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. In einem "normalen" Lichtstrahl kommen
alle Schwingungsrichtungen vor. Durch einen Polarisationsfilter können bis auf eine alle
Schwingungsrichtungen absorbiert werden, wodurch man linear polarisiertes Licht erhält.
Leitet man linear polarisiertes Licht durch die Lösung einer chiralen Substanz, wird die
Polarisationsebene gedreht. Diese Eigenschaft nennt man optische Aktivität. Ein Enantiomer
dreht die Ebene nach rechts - dies wird mit (+) bezeichnet - das andere Enantiomer um den
gleichen Wert nach links: (-). Beispielsweise ist die D-Glucose rechtsdrehend (+), die L-Glucose
entsprechend linksdrehend (-). Bei der Fructose ist die D-Form dagegen linksdrehend!
Der Drehwinkel (
) hängt dabei von der eingesetzten Verbindung, der Konzentration (c) und der
Schichtdicke (d) ab. Als substanzspezifischer Wert wird die "Spezifische Drehung" definiert:
Drehwinkel bei bei c = 1 g/ml und d = 10 cm.
Bei einem 1:1-Gemisch beider Enantiomere hebt sich die Drehung auf, ein solches Gemisch nennt
man racemisches Gemisch oder Racemat.
http://www.quarks.de/dyn/10437.phtml
http://www.physik.fu-berlin.de/physlab/Skripte/Polarimetrie.pdf
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Projektion & Nomenklatur
Um die dreidimensionalen chiralen Moleküle abbilden zu können, müssen für die Darstellung
einige Regeln festgelegt werden, damit aus dem zweidimensionalen Bild die Konfiguration
abgelesen werden kann. Meist bedient man sich dabei der FISCHER-Projektion.
D-Glycerinaldehyd
Bei der F ISCHER-Projektion wird die längste Kohlenstoffkette senkrecht angeordnet, wobei das
höchstoxidierte C-Atom oben steht. (COOH > CHO > CH2OH > CH 3) Die Kette wird nun so
gedreht, dass vom betrachteten chiralen C-Atom aus die Atome der Kette (d.h. hier -CHO und CH2 OH) hinter die Zeichenebene weisen. Die seitlichen Substituenten (in unserem Fall -H und
-OH) zeigen nach vorn. Nun wird das Molekül "flachgedrückt".
Steht der Substituent rechts, bezeichnet man die Konfiguration mit D, steht er links mit L.
Abgebildet ist der D-Glycerinaldehyd, er gehört zur "D-Reihe" der Aldosen.
Für Aminosäuren und Zucker ist bis heute die D-/L-Nomenklatur nach E. FISCHER üblich. Bei
Aminosäuren richtet sich die Einteilung nach der Stellung der Aminogruppe, bei den Zuckern nach
der Stellung der OH-Gruppe am „untersten“ chiralen (asymmetrischen) C-Atom..

 R,S-Nomenklatur
Die FISCHER-Projektion mit der D,L-Nomenklatur wird insbesondere bei Aminosäuren und
Zuckern angewandt und ist hier auch zweckmäßig. Bei vielen Substanzen, insbesondere dann,
wenn mehrere Heteroatome (d.h. nicht C oder H) an ein Kohlenstoffatom gebunden sind, ist die
D,L-Nomenklatur nicht anwendbar. Für diese Fälle wurde von CAHN, INGOLD und PRELOG die
R,S-Nomenklatur für die absolute Konfiguration eingeführt.
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Zunächst wird für die Substituenten eine "Rangordnung" aufgestellt, deren Grundlage die
Ordnungszahl liefert. Je höher die Ordnungszahl, desto höher die Priorität. In unserem Fall: O = 8
= höchste Priorität (1), H = 1 = niedrigste Priorität (4), C = 6 kommt 2x vor. Die beiden C-Atome
werden nun nach deren Bindungspartnern unterschieden. Gibt es hier Unterschiede in der
Ordnungszahl, hat wiederum die höhere Ordnungszahl Priorität. Sind in beiden Gruppen die
gleichen Atome enthalten, wird die Summe gebildet, wobei doppelt gebundene Atome doppelt
zählen: -CHO = 2 x 8 + 1 = 17, -CH2 OH = 8 + 2 x 1 = 10. Die Aldehydgruppe ist somit höherrangig
als die CH2 OH-Gruppe.  -CHO = (2), -CH2 OH = (3).
Nun wird das Molekül so gedreht, dass der Substituent mit der niedrigsten Priorität (4) - in
unserem Beispiel der Wasserstoff - nach hinten weist, die drei übrigen Substituenten zeigen
dann nach vorn.
Beschreibt man nun einen Kreis, ausgehend von (1) über (2) nach (3), so kann dieser rechts = in
Uhrzeigerrichtung oder links herum = gegen den Uhrzeigersinn verlaufen. Läuft er im
Uhzeigersinn, bezeichnet man die Konfiguration mit R (von lat. rectus = rechts), im anderen Fall
mit S (lat. sinister = links). D-Glycerinaldehyd besitzt R-Konfiguration. Aufgrund der
unterschiedlichen Konventionen müssen sich D- und R-Formen nicht grundsätzlich entsprechen!
In der R,S-Nomenklatur muss jedes Chiralitätszentrum extra angegeben werden.


Milchsäure
In der Natur treten beide Enantiomere der Milchsäure auf. Milchsäure (Lactat) wird insbesondere
aus Brenztraubensäure (Pyruvat) gebildet, wenn der anaerobe Weg der Glycolyse beschritten
wird. Pyruvat wird dabei von Oxidoreduktasen (also Enzymen, die Redox-Reaktionen katalysieren)
zu Lactat reduziert, wobei NADH zu NAD + oxidiert wird.
D-Milchsäure
L-Milchsäure
COOH
H
C
OH
CH3
linksdrehend (-)
COOH
HO
C
H
CH3
rechtsdrehend (+)
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In den meisten Milchsäurebakterien (solche Bakterien sind beispielsweise an der Herstellung von
Sauerkraut, sauren Gurken und Sauermilch-Produkten beteiligt) entsteht in der Regel die D(-)Milchsäure.
Im Muskelgewebe der Säuger (also auch beim Menschen) wird bei mangelnder Sauerstoffzufuhr
L(+)-Milchsäure erzeugt. Diese kann, sobald ausreichend Sauerstoff zur Verfügung steht, wieder
zu Pyruvat oxidiert und weiter aerob abgebaut werden.
Bestimmte Joghurt-Kulturen liefern ebenfalls L(+)-Milchsäure. Diese werden teilweise als
bekömmlicher angesehen, eindeutige Beweise hierfür stehen aber noch aus. Im Organismus
können beide Formen der Milchsäure resorbiert und weiter verarbeitet werden.


Diastereomere
Diastereomere treten auf, wenn in einem Molekül mehrere chirale Kohlenstoffatome vorhanden
sind. Da für jedes C-Atom zwei Konfigurationen möglich sind, ergibt sich als Gesamtzahl an
Stereoisomeren bei n chiralen C-Atomen: 2n. Zu jeder Verbindung gibt es jedoch nur ein Isomer,
das genau dem Spiegelbild entspricht, das Enantiomer.
Von den gezeigten Stereoisomeren kommt nur L-Threonin in der Natur vor.
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Während sich - mit Ausnahme der optischen Aktivität - die physikalischen und chemischen
Eigenschaften der Enantiomere nicht unterscheiden, gibt es bei den Eigenschaften der
Diastereomere zum Teil deutliche Abweichungen.
Ein analoges Beispiel für Stereoisomere mit zwei Chiralitätszentren sind die Tetrosen (siehe
Kohlenhydrate!).
Während sich das D/L-System immer auf das ganze Molekül bezieht, hier also L-Threonin
abgebildet ist, müssen R bzw. S für jedes chirale C-Atom getrennt angegeben werden. Dies wird
hier für L-Threonin gezeigt. Am zweiten und am dritten C-Atom befinden sich jeweils vier
verschiedene Substituenten, eine OH- oder NH2 -Gruppe, zwei weitere C-Atome und jeweils ein HAtom. Diesen werden jeweils die verschiedenen Prioritäten (abhängig von der Ordnungszahl)
zugeordnet. Danach wird das Molekül wieder so gedreht, daß der Substituent mit niedrigster
Priorität (in beiden Fällen der Wasserstoff) nach hinten weist. An C2 verläuft der Weg (1) -(2)-(3)
nun gegen den Uhrzeigersinn, hier liegt also S-Konfiguration vor, an C3 geht es im Uhrzeigersinn,
also liegt dort R-Konfiguration vor.
L-Threonin kann somit auch als 2S,3R-Threonin bezeichnet werden.
Diastereomere unterscheiden sich in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften,
Enantiomere nur in der Drehrichtung des polarisierten Lichts.
D-Threonin
L-Threonin
D-Allothreonin
L-Allothreonin
Schmelzpunkt:
Zers.: 250°C
Zers.: 250°C
276°C
276°C
[]D20:
+ 33,9°
- 33,9°
- 9,0°
+ 9,0°
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Stereoisomere der Glucose
Glucose besitzt vier chirale Kohlenstoffatome. Sie gehört zur Gruppe der Aldohexosen (Zucker mit
einer Aldehydgruppe und insgesamt sechs C-Atomen). Bei vier Chiralitätszentren ergeben sich
24 = 16 Stereoisomere, es gibt also 16 verschiedene Aldohexosen.
Eines dieser Isomeren ist die D-Glucose. Zur D-Glucose gibt es ein Enantiomer, die L-Glucose.
D-Glucose und L-Glucose verhalten sich wie Bild und Spiegelbild. Die anderen 14 Aldohexosen
sind zur D-Glucose (und somit auch zur L-Glucose) Diastereomere.
Die D-Fructose ist kein Stereoisomer zur Glucose. Die Fructose gehört zu den Ketosen, besitzt
also eine Keto-Gruppe im Molekül. Sie ist somit eine strukturisomere Verbindung zur Glucose.
Weinsäure
Obwohl die Weinsäure zwei asymmetrische Kohlenstoffatome besitzt, existieren nur drei
Stereoisomere:

 R,R-Weinsäure = (+)-Weinsäure; S,S-Weinsäure = (-)-Weinsäure ;

 R,S-Weinsäure = meso-Weinsäure
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Bei der Weinsäure tragen beide chiralen C-Atome die gleichen Substituenten. Liegt an C2 RKonfiguration und an C3 S-Konfiguration vor, besitzt das Molekül eine Spiegelebene. D.h. die
2R,3S- und die 3R,2S-Konfiguration sind äquivalent. Bei der Fischer-Projektion können die beiden
Formen durch eine 180°-Drehung zur Deckung gebracht werden. Solche Moleküle nennt man
meso-Formen. Sie sind insgesamt gesehen nicht chiral und daher auch nicht optisch aktiv.
R,R(+)- und S,S(-)-Weinsäure sind Enantiomere, die meso-Weinsäure zu ihnen ein Diastereomer
Geruch & Geschmack
Auch die Rezeptoren für die verschiedenen Aromastoffe sind aus Proteinen aufgebaut und somit
chiral. Es wundert daher nicht, dass bei chiralen Molekülen die beiden Enantiomere sich im
Geruch unterscheiden. Das gleiche gilt für die Rezeptoren der Geschmackseindrücke "süß" und
"bitter". "Sauer" und "salzig" werden dagegen durch Ionen hervorgerufen.
Beispiel:
L-Phenylalanin ist eine essentielle
proteinogene Aminosäure. Nur dieses
Enantiomer kommt im Organismus vor
L-Phenylalanin
Geschmack: bitter
D-Phenylalanin
Geschmack: süß

 Konformationsisomerie
Konformere lassen sich durch Drehung um C-C-Einfachbindungen ineinander überführen. Diese
Drehung wird jedoch durch die Abstoßung der Elektronenhüllen der Substituenten gehemmt, zur
Überwindung wird Energie benötigt. Bei Raumtemperatur besitzen die meisten Moleküle genügend
Energie, um Drehungen um C-C-Bindungen auszuführen.
Zur Darstellung der Konformere bedient man sich oft der NEWMANProjektion. Das Molekül wird entlang der zu beschreibenden Bindung
betrachtet. Das zum Betrachter weisende C-Atom wird durch einen
Kreis dargestellt, von dessen Zentrum die drei Bindungen zu den
Substituenten ausgehen. Das hintere C-Atom wird vom vorderen
verdeckt, seine Bindungen sind nur außerhalb des Kreises sichtbar.
In der gestaffelten (staggered) Konformation sind die Substituenten
bzw. H-Atome am weitesten voneinander entfernt. Dies ist die
energieärmste, stabilste Anordnung, am energier eichsten ist die
ekliptische (verdeckte).
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Konformationsisomerie: Cyclohexan
Beim Cyclohexan ist durch den Ringschluss die Drehbarkeit um die C-C-Bindungen zusätzlich
erschwert. Am stabilsten = energieärmsten ist die Sessel-Konformation, bei der an allen sechs
Bindungen eine gestaffelte Anordnung erreicht ist. Als metastabile Konformationen kommen
Twist-Formen vor.
Ist das Cyclohexan substituiert, sind auch die Sesselkonformationen energetisch unterscheidbar.
Die Konformation ist dann energieärmer und damit stabiler, wenn sich große Substituenten in
äquatorialer Position befinden:
Cyclohexandiol wurde bereits als Beispiel für cis-trans-Isomerie vorgestellt. Beim cis-Isomeren
befindet sich in beiden möglichen Konformationen eine OH-Gruppe in äquatorialer und die andere
in axialer Position. Beide Formen sind energetisch gleichwertig. Bei den trans-Isomeren sind
entweder beide in axialer (= ungünstig) oder beide in äquatorialer Position (= günstiger).