Stereochemie und Konformation

Stereochemie
Die Stereochemie befasst sich mit der Untersuchung
von
Eigenschaften
und
Reaktionen
chemischer
Verbindungen auf Grundlage und unter besonderer
Berücksichtigung der räumlichen Struktur.
–
spezielle „Sicht“ auf die Chemie, keine
eigentliche Teildisziplin
–
abgeleitet von „stereo“ = griech. für
körperliche, räumlich
–
Unterteilung : - statische Stereochemie
- dynamische Stereochemie
Stereochemie und die Sinne
• Der Geruchsinn
O
O
Carvon
Limonen
Orange
(Gummi)
Zitrone
Kümmel
• Der Geschmacksinn
COOH
NH2
CONH2
bitter
COOH
Asparagin
NH2
CONH2
süß
Minze
Stereochemie und Arzneimittel
Der Contergan-Skandal:
„Es gab einmal den Wunschtraum von der harmlosen und
völlig ungefährlichen Schlaftablette: Contergan wurde
rezeptfrei an Millionen von Frauen - darunter auch viele
Schwangere
in
der
Bundesrepublik
Deutschland
abgegeben. Aus dem Wunschtraum entwickelte sich ein
Albtraum.
5.000
Kinder
wurden
mit
schwersten
Missbildungen geboren, nur die Hälfte überlebte. Weltweit
sind 12.000 Contergan-Opfer registriert. Erst 1961 wurde
die Horror-Pille von ihrem rheinländischen Hersteller, der
"Grünenthal Chemie", vom deutschen Markt genommen.
(aus einer Programmankündigung für eine Dokumentation der ARD 2003)
Thalidomid
Das grausame Spiegelbild
schlafinduzierend
teratogen
Stereochemie und
pharmakologische Wirkung
• Thalidomid:
Original: schlafinduzierend
Spiegelbild: teratogen
• Methylphenylbarbitursäure:
Original: narkotisch
Spiegelbild: krampferregend
• Propranolol:
Original: ß-Blocker
Spiegelbild: Contraceptivum
• Penicillamin:
Original: Antiarthriticum
Spiegelbild: extrem toxisch
Stereochemie = nobelpreiswürdig
Chemie-Nobelpreis 2001
K. Barry Sharpless
für seine Arbeiten über
katalytische asymmetrische
Oxidationen
Ryoji Noyori
William S. Knowles
für ihre Arbeiten über asymmetrische Hydrierungsreaktionen
Stereochemie
Das Handwerkszeug
Konstitution
Definiert die Art und
Reihenfolge
der
in
einem Molekül vorhandenen Bindungen
und Atome
Konfiguration
Definiert die räumliche
Anordnung der Atome
ohne Berücksichtigung
der verschiedenen Anordnungen, die durch
Rotation um Einfachbindungen erhalten werden.
Konformation
Bezeichnet die genaue,
durch
Drehung
um
Einfachbindungen einstellbare
räumliche
Anordnung der Atome
eines Moleküls.
Konstitution
Wieviele Atome welcher Art sind wie
miteinander verknüpft?
•
Die Darstellung der Konstitution wird mit Hilfe
von Strukturformeln realisiert.
•
Summenformel reichen zur Darstellung der
Strukturformel nicht aus.
Es sind Isomere möglich !
Isomerie
Isomere
sind Verbindungen gleicher Summenformel,
die sich jedoch bezüglich Konstitution,
Konfiguration oder Konformation unterscheiden.
Konstitutionsisomere sind isomere Verbindungen, die sich in
ihrer Konstitution unterscheiden. Sie
werden unterteilt in:
-
funktionelle Isomere
Positionsisomere
Gerüstisomere
Tautomere
Valenzisomere
Funktionelle Isomerie
Funktionelle Isomere
enthalten bei gleicher Summenformel
unterschiedliche funktionelle Gruppen.
OH
O
OH
Diethylether
O
Diisopropylketon
n-Butanol
Cyclohexylmethanol
O
OH
O
Phenylessigsäure
H
Anisaldehyd
OH
2-(p-Aminophenyl)-ethanol
O
COOH
O
O
H2N
O
N
H
3-Acetyl-2,5-dimethylpyrrol
Caprolacton
H
N
Hexensäure
NH2
NH2
N
Phenylhydrazin
Pyridylmethylamin
Positionsisomerie
Positionsisomere
enthalten bei gleicher Summenformel ein
identisches Grundgerüst, an dem die Substituenten
an verschiedenen Positionen angeknüpft sind.
OH
OH
Isobutanol
n-Butanol
OH
O
OH
OH
O
O
O
HO
2-(2-Hydroxyphenyl)- 2-(4-Hydroxyphenyl)essigsäure
essigsäure
OH
O
NH2
OH
O
Caprolacton
Oxepan-4-on
NH2
NH2
H2N
2-(p-Aminophenyl)-ethanol
2-Amino-2-phenyl
ethanol
1-Naphtylamin
2-Naphtylamin
Gerüstisomerie
Gerüstisomere
Methylbutan
Anthracen
sind Positionsisomere deren unterschiedlich
angeordnete Substituenten keine
funktionellen Gruppen bzw. Heteroatome sind.
n-Pentan
Phenantren
Decalin
Hexatrien
Tetramethylcyclohexan
3-Methylenpenta-1,4-dien
Tautomerie
Tautomere
sind im Gleichgewicht stehende Isomere, die durch
Verschieben von σ- und π-Bindungen ineinander
überführt werden können. Meist unterscheiden sich
tautomere Formen in der Stellung eines Protons und
der
Lage
einer
Doppelbindung
(prototrope
Tautomerie).
X
X
Y
H
H
Y
Keto-Enol-Tautomerie
O
O
H
H
H
H
Keto-Form
Enol-Form
OH
O
Aceton
> 99%
O
Acetessigsäureester
O
EtO
O
OH
EtO
~ 50%
OH
O
1,3-Cyclohexadion
O
O
5%
Weitere Tautomerie-Arten
Imin-EnaminTautomerie
N
N
H
H
Imin-Form
Lactim-LactamTautomerie
O
H
N
Lactim-Form
Valenztautomerie
(Valenzisomerie)
H
H
Enamin-Form
O
N
H
Lactam-Form
Übersicht zur Isomerie
Isomere
Konstitutionsisomere
Funktionelle Isomerie
Positionsisomerie
Gerüstisomerie
Tautomerie
Valenzisomerie
Stereoisomere
Konfigurationsisomere
Konformationsisomere
Enantiomere
Sessel/Wanne
Diastereomere
coplanar
eclipsed
staggered
Konfigurationsisomere
Konfigurationsisomere
zeigen
bei
gleicher
Konstitution unterschiedliche räumliche Anordnungen ihrer Atome, wobei Rotationen um
Einfachbindungen unberücksichtigt bleiben.
Beachte:
Konfigurationsisomere sind immer auch Stereoisomere. Stereoisomere sind aber nicht zwangsläufig Konfigurationsisomere!
Konfigurations- versus
Konformationsisomere
Konfigurationsisomere
Cl
H
Cl
OH
H
OH
Konformationsisomere
Konformationsisomere
geringe
Energiebarriere
Cl
H
OH
Konfigurationsisomere
H
hohe Energiebarriere
Cl
OH
Stereoisomere: Eine Einteilung
Einteilung nach Stabilität:
• Dynamische Stereoisomere sind in der Lage sich
ineinander umzuwandeln. Meist handelt es sich hierbei um
Konformationsisomere.
• Statische
Stereoisomere
existieren
als
„greifbare“
Verbindungen
nebeneinander.
Dies
ist
meist
bei
Konfigurationsisomeren der Fall.
Einteilung nach Spiegelbildlichkeit:
• Verhalten sich zwei Stereoisomere wie Bild und Spiegelbild,
werden sie Enantiomere genannt.
• Zwei
nicht
spiegelbildliche
Diastereomere genannt.
Stereoisomere
werden
Statische und dynamische
Stereoisomere
Konformere als Enantiomere
Cl
H
H
Cl
H
H3C
H
Cl
H
H
H
CH3
H
Meist besteht eine Gleichgewicht
zwischen
den
unterschiedlichen Konformeren
und damit auch zwischen den
Enantiomeren.
Konfigurationsisomere als Enantiomere
Cl
HO
OH
H
Cl
CH3
Cl
H
OH
CH3
Enatiomere
Konformationsisomere stehen in der Regel
nicht
miteinander
im
Gleichgewicht.
Unter
dem
Einfluss von chem. Reagenzien
ist u.U. Racemisierung möglich.
Enantiomere
•
verhalten sich wie Bild und Spiegelbild.
•
sind in keiner Weise miteinander zur Deckung zu bringen.
•
sind chiral. Chiralität ist die notwendige und
hinreichende Bedingung für das Auftreten von
Enantiomeren.
•
zeigen in achiraler Umgebung identisches chemisches
Verhalten.
•
zeigen gleiche physikalische Eigenschaften (Schmelzpunkt, Siedepunkt, Brechungsindex, Dichte usw.);
Ausnahme: Richtung, in der sie die Schwingungsebene
von linear polarisiertem Licht drehen (optische Aktivität).
•
können Konfigurations- oder Konformationsisomere
darstellen.
Die optische Drehung
Chiralität
Jedes Objekt, das mit seinem Spiegelbild nicht zu
Deckung gebracht werden kann, besitzt Chiralität.
Achirale Objekte sind mit ihrem Spiegelbild identisch.
Chirale Objekte:
• Gesicht
• Schraube
• Schallplatte
• Schrift
• Milchsäure-Moleküle
Zentrale Chiraliät
• Tritt bei Molekülen auf, die ein Chiralitätszentrum
besitzen.
• Das Chiralitätszentrum ist meist ein asymmetrisches
C-Atom (genauer: asymmetrisch substituiert).
Seltener findet man asymmetrisch substituierte N-, Soder P- Atome.
• Das Asymmetriezentrum ist tetraedrisch von vier
unterschiedlichen Liganden umgeben.
d
c
a
a
a
C
C
C
b
d
c
b
b
c
d
Beispiele zentraler Chiralität
Br
Bromchlorfluormethan
Br
H
Cl
H
F
OH
1-Phenylethanol
CH3
H
2-Cyclohexenol
OH
F
Cl
HO
H
H
H3C
HO
H
Beispiele zentraler Chiralität an
Heteroatomen
N-Ethyl-N-methyldihydro1,4-oxazin
+ CH3
H3C
N
H3C +
N
O
O
..S
Methylphenylsulfoxid
O
O
CH3
H3C
CH3
..
S
Cl
Cl
Cl
Cyclophosphamid
O
Cl
N
P
NH
N
O
O
P
HN
O
Symmetrie
Symmetrieelemente:
Symmetrieelemente dienen zur Charakterisierung
Einteilung der verschiedenen Formen der Symmetrie.
und
Man unterscheidet:
• Symmetrieachsen
Cn
Operation: Drehung
• Symmetrieebenen
σ
Operation: Spiegelung
• Symmetriezentren
i
Operation: Inversion
• Drehspiegelachsen
Sn
Operation: Drehspiegelung
Achsensymmetrie I
Cn :
n= 360°/α
α ist der Winkel, um den das Molekül um die
Symmetrieachse gedreht werden muss,
sodass wieder die Ausgangssituation erreicht
wird.
C1-Symmetrie = Identität = trivial
180°
120°
72°
60°
Achsensymmetrie II
Ein achsensymmetrisches Molekül ist nicht zwangsläufig
achiral !!
Me
Et
H
H
Et
Me
Et
Me
H
H
Me
Et
Spiegelsymmetrie
Eine Symmetrieebene s ist eine Spiegelebene, die
das Molekül so in zwei Hälften teilt, dass jede
Hälfe das Spiegelbild der jeweils anderen darstellt.
H3C
CH3
Cl
Cl
H
H
Strukturen mit Spiegelsymmetrie sind achiral aber
nicht asymmetrisch!
Punktsymmetrie
Eine Symmetriezentrum i überführt jeden Punkt in
einem
Molekül
durch
Spiegelung
in
einen
identischen Punkt.
Strukturen mit Punktsymmetrie sind achiral aber
nicht asymmetrisch!
Drehspiegelachsen Sn
Drehspiegelung: Das Molekül wird an einer Achse um
360/n Grad gedreht und anschließend an einer zu dieser
Achse senkrechten Ebenen gespiegelt.
Drehspiegelachse S1: Drehung um 360° und anschließende
Spiegelung
entspricht der Spiegelebene.
Drehspiegelachse S2: Drehung um 180° und anschließende
Spiegelung
entspricht einem Symmetriezentrum.
Konfigurationsbestimmung an
stereogenen Zentren
Die Bezeichnung der absoluten Konfiguration an stereogenen
Zentren erfolgt i. A. nach der Konvention, die von R. S.
Cahn, C. Ingold und V. Prelog 1951 eingeführt wurde.
Durch diese Cahn-Ingold-Prelog- (CIP-) Konvention
wurde eine universell anwendbare Nomenklatur stereogener
Zentren durch Benennung der vorliegenden Konfiguration mit
R (lat. rectus = rechts) oder S (lat. sinister = links)
geschaffen.
Neben der CIP-Konvention ist v.a. für Zucker, Aminosäuren
sowie einige andere Naturstoffe die von Emil Fischer
definierte traditionelle Einteilung (Fischer-Konvention)
nach D- und L-Konfiguration gebräuchlich.
CIP-Konvention
Grundidee: Die Bezeichnung der Konfiguration mit R oder S
erfolgt auf der Basis der Prioritätsreihenfolge der
Substituenten am Chiralitätszentrum. Diese muss mit Hilfe
genau definierter Regeln festgelegt werden.
Anwendbarkeit: Die CIP-Konvention ist auch bei Molekülen
mit mehreren Chiralitätszentren anwendbar. Darüberhinaus
ist sie die Grundlage der Konfigurationsbestimmung nach E
und Z (cis und trans), z.B. an C-C-Doppelbindungen.
CIP-Konvention:
Die Vorgehensweise
1. Die Substituenten des stereogenen Zentrums werden mit
Prioritäten belegt. Hierbei gilt:
• Nichtbindende
Priorität.
Elektronenpaare
haben
die
niedrigste
• Die Priorität der Substituenten steigt mit der Ordnungszahl
des direkt am Chiralitätszentrum gebundenen Atoms.
• Ist die Ordnungszahl gleich, steigt die Priorität
zunehmender Atommasse (bei Isotopen z.B 13C > 12C).
mit
2. Sind zwei oder mehr Substituenten nach Anwendung von
Schritt 1 noch gleichwertig, werden die Atome in der
nächsten Sphäre (= zwei Bindungen vom stereogenen
Zentrum entfernt) betrachtet und nach den unter Schritt 1
dargelegten Regeln eingeteilt.
CIP-Konvention:
Die Vorgehensweise
Beispiel für Schritt 1 und 2:
Nach Ordnungszahlen
der direkt gebundenen
Atome einteilen
H
O
Cl
H
O
CH3
H
a
d
O b'
Cl
H
Ob
CH3
Betrachtung der
zweiten Sphäre
H
a
O
Cl
c
H
d
O
b CH3
Zwischen OH und OCH3
ist in dieser 1. Sphäre keine
Entscheidung möglich.
CIP-Konvention:
Die Vorgehensweise
3. Sind alle Prioritäten zugeordnet, wird das Molekül so
betrachtet, dass der Substituent mit niedrigsten Priorität
vom Betrachter abgewendet ist.
4. Sinkt die Priorität der drei dem Betrachter zugewandten
Substituenten im Uhrzeigersinn, so handelt es sich
definitionsgemäß um die R-Konfiguration. Sinkt die Priorität
entgegen dem Uhrzeigersinn, so handelt es sich um die SKonfiguration.
CIP-Konvention:
Die Vorgehensweise
Beispiel für Schritt 3 und 4:
a
H
Cl
d
O
O
H c
b
CH3
Drehung
a
H
Cl
OH
c
b
OMe
Betrachtung der
Sustituenten a-c
a
b
OMe
Cl
OH
c
R-Konfiguration
Anwendung der CIP-Konvention
H3C
OH
CHO
HOCH2
*
H
c
CHO
HOCH2
b
H
c Hd
H3C
H
CHO
a
a
H3C
CH3
CH2OH
OHC
"Gas geben"
"Gas geben"
OHC
a
CHO
CH2OH
CHO
H3C
CH2OH
b
a
a
CH3
OHC
CH2OH
b
b
R
S
c
CH3
CH2OH
H
d
c
c
a
OHC
b
d
H
d
CH3 c
CH2OH
b
„Spezialregeln I“
Beim Wechsel in die nächsthöhere Sphäre folgt
man immer dem Weg des „höherwertigen“
Atoms.
Cl
H
Br
Cl
BrBr
*
I
F
OH
Cl
F
I
H
C H
H C Br
H
H C Br Br C H
F
F
H
Cl
C
C
C
C
C
C
C H
H
H
H
D
H
H
H
„Spezialregeln II“
Mehrfachbindungen werden gemäß dem u.g. Schema
aufgelöst. Die dabei auftretenden Phantomatome
haben immer eine niedrigere Priorität als die
entsprechenden realen Atome.
Regel:
Bei der Auflösung wird
jedes
Atom
einer
Doppelbindung
(Dreifachbindung) mit einem
(zwei) Phantom-atomen
ergänzt, das der Atomspezies auf der anderen
Seite
der
Mehrfachbindung entspricht.
Prioritätenliste
Übungen
OH
Cl
H2N
CH3
OMe
O
CH3
OH
O
D
O
N
O
ClCH2
H3C
O
Me
CH3
N
+
CH2CH3
N
O
N
H
O
COOH
CH3
Et
OH
Rechte Hand-Regel
• Zuordnung der CIP-Prioritäten a, b, c, d für die
Substituenten an einem asymmetrischen KohlenstoffAtom.
• Die rechte Hand wird so gehalten, dass der Daumen
die C*-d-Bindungsachse darstellt und in Richtung des
Substituenten d deutet.
• Die Finger werden in Richtung der absteigenden
Priorität der Substituenten a, b und c gekrümmt.
• Ist dies (aus anatomischen Gründen) nicht möglich, so
liegt die S-Konfiguration vor.
• Gelingt dies, so liegt die R-Konfiguration vor.
Axiale Chiralität
• Ein
Chiralitätszentrum
ist
keine
notwendige
Voraussetzung für das Auftreten von Chiralität. Anstelle
des Asymmetriezentrums kann auch einen Chiralitätsachse
die Chiralität induzieren.
• Axiale Chiralität tritt auf bei: Allenen, Spiranen und
Biphenyl-Verbindungen.
Axiale Chiralität bei
Allenen und Spiranen:
Axiale Chiralität
• Allene und Spirane sind chiral, wenn sie jeweils zwei ungleiche
Liganden an den Achsenenden tragen.
• Die Substituenten an den beiden Molekülenden liegen (im
Gegensatz zu Olefinen) in paarweise zueinander senkrechten
Ebenen.
• Verlängert man das Cumulen- bzw. Spiransystem, so tritt
abwechselnd E/Z-Isomerie und Enantiomerie auf.
A
A
B
A
B
C C
C C
B
B
A
A
C C C
A
B
E/Z-Isomere
B
A
C C C C
Enantiomere
B
B
A
A
B
E/Z-Isomere
B
A
C C C
A
B
C C C C
B
A
Axiale Chiralität
•
Axiale Chiralität tritt auch bei ortho-substituierten
Biarylen auf.
•
Bei den Enatiomeren handelt es sich hierbei um
Konformationsisomere, die sich aufgrund der
sperrigen ortho-Substituenten nicht ineinander
umwandeln können.
•
Die bei Biarylen auftretende Form von Isomerie wird
auch Atropisomerie genannt.
Br
H2N
Br
NH2
H3C
Cl
CH3
Cl
Planare Chiralität
Verbindungen mit einer Chiralitätsebene findet man v.a. bei
den Ansaverbindungen (Henkelverbindungen), bei ArylMetall-Komplexen und den trans-Cycloalkenen.
Ansaverbindung
Aryl-ChromKomplex
trans-Cycloocten
Helicität
Die Helicität stellt einen Sonderfall der axialen Chiralität dar.
Sie tritt v.a. bei Proteinen (α-Helix) und der DNA
(Doppelhelix) auf.
Verbindungen mit mehreren
stereogenen Zentren
Moleküle mit n verschiedenen Asymmetriezentren (z.B.
asymmetrischen C-Atomen), können maximal 2n
Stereoisomere und 2n/2 Enantiomerenpaare bilden.
n = 2 : Zwei stereogene Zentren führen zu 4 Stereoisomeren.
Diese bilden 2 Enantiomerenpaare.
Vertreter der beiden unterschiedlicher Enantiomerepaare sind zueinander diastereomer.
NH2
NH2
Enatiomere
OH
OH
Diastereomere
Diaste-
NH2
OH
Diastereomere
reomere
Enatiomere
NH2
OH
Diastereomere
Diastereomere:
• sind Stereoisomere, die sich zueinander nicht wie Bild
und Spiegelbild verhalten.
• haben unterschiedliche physikalische Eigenschaften
(Dichte, Schmelzpunkt, Dipolmoment, Löslichkeit usw.)
• zeigen aufgrund gleicher Funktionalitäten meist
ähnliche chemische Eigenschaften (Säure/Base-Stärke,
Redox-Verhalten usw.)
• sind nicht zwangsläufig chiral.
Zentral-chirale Diastereomere
zeigen an mindestens einem Chiralitätszentrum die
gleiche
und
an
mindestens
einem
weiteren
Chiralitätszentrum die umgekehrte Konfiguation.
Mesoformen
Von
Molekülen
mit
zwei
gleichartig
substituierten
Asymmetriezentren existieren drei Stereoisomere. Neben den
Enantiomeren (R,R) und (S,S) ist die Mesoform (R,S) möglich.
Da das (R,S)-konfigurierte Stereoisomer aufgrund der
Molekülsymmetrie mit dem (S,R)-Isomer identisch ist, handelt
es sich bei dieser Mesoform um eine achirale Verbindung.
HOOC
OH
HO
COOH
HOOC
OH
HO
COOH
HOOC
OH
HO
COOH
HOOC
OH
HO
COOH
L-(-)-Weinsäure
(2S, 3S)
D-(+)-Weinsäure
(2R, 3R)
Enantiomere
meso-Weinsäure
optisch inaktiv
Die Fischer-Konvention
• Von Emil Fischer eingeführte Konvention zur Konfigurationszuordnung von Enantiomeren zu den Symbolen D (dextro=rechts)
und L (levo=links).
• Als Bezugssystem dient Glycerinaldehyd (für Zucker) oder Serin
(für Aminosäuren).
• Grundlage für die Konfigurationszuordnung ist die Überführung
eines
dreidimensionalen
Kohlenstoff-Tetraeders
in
eine
zweidimensionale Ebenen (Fischer-Projektion).
Hierbei gilt:
1. Die längste Kohlenstoffkette wird vertikal angeordnet.
2. Das C1-Atom bzw. das höheroxidierte Kettenende wird oben
angeordnet.
3. Die horizontal stehenden Gruppen symbolisieren die nach vorne,
d.h. dem Betrachter zugewandten Liganden. (Die Enden der
senkrechten Kette zeigen demnach vom Betrachter weg.).
Die Fischer-Konvention
aus: Roth-Müller-Folkers: Stereochemie der Arzneistoffe
Die Fischer-Konvention
CHO
HO
CHO
HO
H
H
CHO
HO
CH3
H
CH3
L-Glycerinaldehyd
CH3
CHO
H
OH
CH3
CHO
H
CHO
H
OH
CH3
CHO
H
OH
CH3
D-Glycerinaldehyd
CH3
OH
CHO
HO
H
CH3
Ableitung der CIP-Nomenklatur
aus der Fischer-Projektion
KeilstrichProjektion
FischerProjektion
COOH
COOH
Milchsäure
H
OH
=
H
CH3
OH
b
=
CH3
D-Konfiguration
H2N
H
CH2SH
L-Konfiguration
c
H3C
OH
H
a
R-Konfiguration
COOH
COOH
Cystein
COOH
=
H2N
H
CH2SH
c
=
COOH
b
HSCH2
H2N a
H
R-Konfiguration
Ableitung der CIP-Nomenklatur
aus der Fischer-Projektion
90°
H
HO
H3C
L-Konfiguration
H
OH
CH3
HOOC
H
OH
H
CH3
b
c
OH
OH
COOH
H3C
HOOC
S-Konfiguration
Austausch
COOH
CH3
COOH
H
CH3
HO
OH
OH
COOH
a
CH3
HOOC
H
H
HOOC
CH3
Stereochemie wichtiger Naturstoffe:
1. Monosaccharide
•
•
•
•
•
•
Zucker sind Polyhydroxyketone oder -aldehyde.
In der Regel handelt es sich um optisch aktive Moleküle.
Die stereochemische Nomenklatur erfolgt meist nach der
Fischer-Konvention.
Natürliche Zucker gehören fast ausnahmslos der D-Reihe an.
Je nach Anzahl der C-Atome werden die Zucker in Triosen (3),
Tetrosen (4), Pentosen (5) und Hexosen (6) unterteilt.
Für die Zuordnung zur D- bzw- L-Reihe ist das
höchstnumerierte (unterste) C-Atom ausschlaggebend.
CHO
ta
CHO
OH
R
S
HO
H
S
R
H
H
OH
R
S
HO
H
H
OH
R
S
HO
H
H
tü
HO
ta
ta
CH2OH
D-Glucose
H
OH
CH2OH
L-Glucose
Stereochemie wichtiger Naturstoffe:
1. Monosaccharide
Stereochemie wichtiger Naturstoffe:
1. Monosccharide
Stereoisomere Monosaccharide I :
•
Die korrespondierenden Zucker der D- und L-Reihe sind
Enantiomere, d.h. sie sind an allen symmetrischen C-Atomen
umgekehrt konfiguriert.
•
Stereoisomere Zucker unterschiedlichen Namens (z.B.
Glucose/Mannose/Galactose) sind Diastereomere.
•
Diastereomere Zucker, die sich in ihrer Konfiguration an
nur einem C-Atom unterscheiden, werden EPIMERE genannt.
EPIMERE sind Diastereomere, deren Konfiguration sich an einem von
mehreren asymmetrischen C-Atomen unterscheiden.
EPIMERISIERUNG ist der Vorgang einer Konfigurationsumkehr an
einem von mehreren Chiralitätszentren.
Stereochemie wichtiger Naturstoffe:
1. Monosccharide
Stereoisomere Monosaccharide II :
Diastereomere Zucker, die sich nur in der Konfiguration am C1-Atom
unterscheiden werden ANOMERE genannt. Anomere gehören
demnach zur Gruppe der Epimere.
Die Konfiguration am anomeren C-Atom wird mit α bzw. β
bezeichnet.
H
H
OH
O
H C OH
HO C H
H C OH
H C OH
CH2OH
CH2O
H
CH2OH
OH
OH
OH
H
OH
H
H CHO
OH
H
OH
H
α-D-Glucose
OH
OH
CH2O
OH
H
FISCHER-Projektion
O
H
O
H
OH
β-D-Glucose
H
OH
HAWORTH-Projektion
Stereochemie wichtiger Naturstoffe:
1. Monosccharide
MUTAROTATION:
Unter Mutarotation versteht man die Änderung der optischen
Drehung aufgrund einer Epimerisierung.
Für
die
Mutarotation
von
Monosacchariden
ist
die
Gleichgewichtsreaktion zwischen Aldehyd- (bzw. Keto-) und
Halbacetalform verantwortlich.
H
CH2O
O
OH
OH
H
H
H
OH
OH
CH2OH
H
OH
H
OH
H
H
OH
CH2O
O
CHO
OH
OH
OH
H
OH
H
OH
H
α-D-Glucose
β-D-Glucose
[α]D = +112,2
[α]D = +18,7
36 %
64 %
[α]D = +52,6
Stereochemie wichtiger Naturstoffe:
erythro und threo
CHO
CHO
H
C
OH
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
CH2OH
CH2OH
D-(-)-Erythrose
D-(+)-Threose
NO2
H3C
HO
H
HO
N
H
H
H
CH3
L-erythro-Ephedrin
H
NHCOCHCl2
CH2OH
D-threo-Chloramphenicol
Stereochemie wichtiger Naturstoffe:
2. Aminosäuren
COOH
H2N
H
R
R
H2N
COOH
• Alle 20 proteinogenen Aminosäuren sind L-konfiguriert. Die LKonfiguration nach Fischer entspricht hier der S-Konfiguration
nach CIP (Ausnahme: Cystein; R=CH2SH).
• Es sind auch natürlich vorkommende
mehreren
Chiralitätszentren
bekannt
Hydroxyprolin).
Aminosäuren
(Beispiel:
mit
4-
• Alle α-Aminocarbonsäuren (mit Ausnahme von Gycin; R=H)
sind chiral.
Proteinogene Aminosäuren
Trennung von Racematen
Verfahren:
•
Kristallisation
mit
anschließender
Kristalltrennung
(Handauslese)
•
Bildung
diastereomerer
Salze
mit
Hilfe
chiraler
Säuren (z.B. Weinsäure, Äpfelsäure, Mandel- säure)
bzw.
Basen (z.B Chinin)
Trennung von Racematen
•
Kovalente Derivatisierung mit chiralen Reagenzien
(z.B. Mosher`s Säure, Phenylethylisocyanat).
F3C
OMe
Cl
O
Moshers Säurechlorid (MTPA-Cl)
•
•
N
C
O
Phenylethylisocyanat (PEI)
Bildung diastereomerer Salze mit Hilfe chiraler Säuren
(z.B. Weinsäure, Äpfelsäure, Mandelsäure) bzw.
Basen (z.B Chinin)
Chromatographie an chiralen Phasen (z.B. CelluloseDerivate, Stärke, Cyclodextrine, Proteine, Metallkomplexe).
Trennung von Racematen
•
Biochemische Trennung mit Hilfe von Enzymen.
H3C
CH3
H
S
OMe
O
H3C
Pferdeleberesterase
H3C
CH3
H
S
O
H3C
IbuprofenMethylester
•
OMe
IbuprofenMethylester
H
MeO
CH3
CH3
R
O
CH3
Pferdeleberesterase
HO
H
CH3
CH3
R
O
CH3
Ibuprofen
Kinetische Racematspaltung aufgrund unterschiedlicher
Reaktionsgeschwindigkeiten bei der Umsetzung mit
chiralen Reagenzien oder Katalysatoren (asymmetrische
Synthese).
Topizität
Topizität befaßt sich mit den räumlichen (topischen)
Beziehungen von Liganden (Atomen, Atomgruppen)
gleicher Konstitution am selben intakten Molekül.
Hierbei differenziert man zwischen den beiden
intramolekularen
Beziehungen
homotop
und
heterotop.
Homotopie
Sind zwei identische Substituenten x an einem tetraedrischen
C-Atom von zwei ebenfalls identischen, aber von x
verschiedenen Substituenten y umgeben, so werden sie als
homotop bezeichnet.
Sie sind stereochemisch äquivalent und somit nicht
unterscheidbar.
H
Prüfung auf Homotopie:
Durch Ersetzen des einen bzw.
des anderen Substituenten x
im Molekül durch einen
Platzhalter D erhält man zwei
fiktive Moleküle. Sind diese
Moleküle identisch, so sind die
betrachteten Gruppen
homotop.
Cl
H
H
Cl
D
D
identisch
Cl
Cl
Cl
H
Cl
Heterotopie
Sind zwei identische Substituenten x an einem tetraedrischen
C-Atom von zwei nicht identischen, von x verschiedenen
Substituenten y umgeben, so werden sie als heterotop
bezeichnet.
Sie sind stereochemisch nicht äquivalent und somit
unterscheidbar.
Prüfung auf Heterotopie:
H
Durch Ersetzen des einen bzw.
des anderen Substituenten x
im
Molekül
durch
einen
Platzhalter D erhält man zwei
fiktive Moleküle. Sind diese
Moleküle nicht identisch, so
sind die betrachteten Gruppen
heterotop.
H
Cl
H
D
D
identisch
Cl
Cl
H
Stereoheterotopie
Alternative Substitution zweier Liganden
Substitutionsprodukte
sind identisch.
Substitutionsprodukte
sind nicht identisch.
homotop
heterotop
Substitutionsprodukte
konstitutionell
identisch.
Substitutionsprodukte
konstitutionell nicht
identisch.
stereoheterotop
Substitutionsprodukte
spiegelbildlich.
enantiotop
konstitutop
Substitutionsprodukte
nicht spiegelbildlich.
diasterotop
Stereoheterotopie
•
•
•
•
•
Stereoheterotope Liganden werden in die Kategorien
enantiotop und diastereotop unterteilt.
Enantiotop sind zwei identische Liganden eines
tetraedrischen C-Atoms dann, wenn sie von zwei
nicht identischen Liganden umgeben sind, die
selbst kein Asymmetriezentrum tragen.
Trägt mindestens eines der nicht identischen
Liganden ein Asymmetriezentrum, spricht man von
Diastereotopie.
Wird einer von zwei enantiotopen Liganden gegen
einen anderen Subtituenten ausgetauscht, so erhält
man Enantiomere. (Enantiotopie = Prochiralität).
Der Austausch von diastereotopen Liganden führt zu
Diastereomeren.
Enantiotopie (Prochiralität)
H
H
CH3
HO
H
CH3
Enantiomere
H
OH
CH3
Diastereotopie
NRR'
COOH
H
HH
H
H
X
NRR'
COOH
NRR'
COOH
X
Diastereomere
X
NRR'
COOH
Diastereomere
X
NRR'
COOH
Prochiralität
am trigonalen C-Atom
•
•
•
Die beiden Halbräume oberhalb und unterhalb (bzw.
links
und
rechts)
eines
trigonalen
C-Atoms
von
Aldehyden
und
unsymmetrischen
Ketonen
sind
heterotop.
Bei Anlagerungsreaktionen wird die Carbonylfunktion in
ein tetragonales, asymmetrisches C-Atom umgewandelt,
wobei zwei stereoisomere Moleküle enstehen können.
Die beiden Seiten der Carbonylebenen werden als
enantiofacial bezeichnet.
HO-R
enatiofaciale
Halbräume
O
OR
OH
Enantiomere
R-OH
OH
OR
Die Cram`sche Regel
•
Die Umsetzung von prochiralen Verbindungen mit
enantiotoper Struktur in chirale Produkte führt in achiraler
Umgebung stets zu
Racematen.
•
Bei Reaktionen an diastereotopen Gruppen kann das
bereits
im
Molekül
vorhandene
Asymmetriezentrum
die
Umsetztung derart beeinflussen, dass bevorzugt eines der beiden
möglichen Diastereomere gebildet wird.
Cram`sche Regel: Aufgrund der absoluten Konfiguration des
stereogenen Zentrums eines chiralen Aldehyds oder Ketons kann
bei nukleophilen Additionen an die Carbonylfunktion die absolute
Konfiguration des entstehenden (zweiten) stereogenen Zentrums
vorhergesagt werden.
Bürgi-Dunitz-Winkel
Die Cram`sche Regel
M
G
M
O
R
K
R
K
M
G
O
O
O
M
G
G
R K
K R
Nu
Nu
M
OH
Nu
HO
Nu
G
G
K
M
R
R
M
G
K Nu
OH
G
M
OH
R
K
R
Nu
K
Stereochemie und Konformation
Energie
Konformationen acyclischer Moleküle
Diederwinkel
Konformationsbezeichnungen Diederwinkel
Stereochemie und Konformation
Konformationen von Butan:
Stereochemie und Konformation
Konformationen ungesättigter acyclischer Moleküle
Konformationen
des Propen
H
H
H
Ethen
H
CH3
Propen
H
H
H
Blickrichtung
CHH2
H
H
CH2
H
H
H
ekliptisch
HH
in der Halbierenden
Stereochemie und Konformation
Konformationen mehrfach ungesättigter Kohlenwasserstoffe
H
Butadien :
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
s-trans
transoid
anti-periplanar
H
s-cis
cisoid
syn-periplanar
H
H
H
H
gauche
H H
Stereochemie und Konformation
s-cis/s-trans-Isomerie
Die Konformation zweier konjugierter Doppelbindungen wird bei
synperiplanarer Anordnung als s-cis, bei antiperiplanarer
Anordnung als s-trans bezeichnet.
X
O
O
X
O
O
H
H
O
O
Stereochemie und Konformation
Isomerie bei Carbonsäureamiden
Bei der Isomerie von Carbonsäureamiden handelt es sich um E/ZIsomerie (nicht s-cis/s-trans-Isomerie).
O
R
O
N
R'
+
R
N
R''
R''
N-Methylformamid
N-Methylacetamid
O
H
O
O
N
CH3
R'
H
N
H
H
CH3
H3C
O
N
H
CH3
H3C
N
H
CH3
Z
E
Z
E
90%
10%
97%
3%
Stereochemie und Konformation
Rotationsbarrieren
Stereochemie und Konformation
Die konformative Spannung, die durch Wechselwirkungen von
ekliptischen H-Atomen bzw. anderen Substituenten entsteht
und zur Destabilisierung v.a. kleiner Ringe führt, wird PitzerSpannung genannt.
H
H
H
H
H
H
Stereochemie und Konformation
CYCLOPENTAN: Planares Cyclopentan weist eine sehr hohe
Pitzer-Ringspannung
auf.
Aufgrund
der
tatsächlich
eingenommenen envelope-Konformation ist die Spannung
allerdings deutlich verringert.
Stereochemie und Konformation
CYCLOHEXAN: Eine planare Konformation im Cyclohexan
würde zu einem Innenwinkel von 120° führen, was wiederum
eine beträchtlicher Baeyer-Spannung erzeugen würde.
Experimentell weist aber dieses Molekül einen Winkel von
109.5° und keine Ringspannung auf. Das Molekül bevorzugt
eine sesselförmige Konformation, in der alle Bindungen
gestaffelt vorliegen.
Stereochemie und Konformation
Konformationen des Cyclohexans:
Stereochemie und Konformation
Monosubstituierte Cyclohexane:
axial
äquatorial
starke 1,3-diaxiale
Wechselwirkungen
schwächere WWs =
energetisch günstiger
Stereochemie und Konformation
Disubstituierte Cyclohexane:
cis
energetisch äquivalent
trans
diaxiale Konformation ist
energetisch ungünstiger
Stereochemie und Konformation
Überbrückte Ringsysteme:
HN
Bicyclo[2.2.1]
heptan
kein
endo/exo
CH3
Bicyclo[2.2.2]
octan
Adamantan
Tropan
H3C
H3C
CH3
Stereochemie und Konformation
endo/exo-Konfiguration:
•
Bei substituierten verbrückten Ringsystemen gibt es zwei
Möglichkeiten der räumlichen Stellung des Substituenten.
•
endo-Konfiguration liegt dann vor, wenn der Substituent
näher bei der längeren der beiden unsubstituierten
Brücken liegt.
•
Falls die unsubstituierten Brücken gleich lang sind,
bezeichnet man diejenigen Konfiguration als endo, bei
der der
Substituent näher bei der funktionellen Gruppe steht.
•
Die jeweils entgegengesetzte Konfiguration wird als exo
bezeichnet.
Stereochemie und Konformation
endo/exo-Konfiguration:
HO
OH
H
EXO
CH3
O
H
H
H3C
ENDO
O
H
Cl
N
N
N
Epibatidin
N
Cl