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Stereochemie
– spezielle „Sicht“ auf die Chemie, keine eigentliche Teildisziplin
– abgeleitet von „stereo“ = griech. für körperliche, räumlich
– Unterteilung : - statische Stereochemie - dynamische Stereochemie
Die Stereochemie befasst sich mit der Untersuchung von Eigenschaften und Reaktionen chemischer Verbindungen auf Grundlage und unter besonderer Berücksichtigung der räumlichen Struktur.
Stereochemie und die Sinne
Limonen
Zitrone Orange(Gummi)
O O
Carvon
Kümmel Minze
• Der Geruchsinn
• Der Geschmacksinn
NH2
COOH
CONH2
NH2
COOH
CONH2
Asparagin
bitter süß
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 Ryoji Noyori William S. Knowles
für seine Arbeiten über katalytische asymmetrische Oxidationen
für ihre Arbeiten über asymmetrische Hydrierungs-reaktionen
Stereochemie Das Handwerkszeug
Konstitution Konfiguration Konformation
Definiert die Art und Reihenfolge der in einem Molekül vor-handenen Bindungen und Atome
Definiert die räumliche Anordnung der Atome ohne Berücksichtigung der verschiedenen An-ordnungen, die durch Rotation um Einfach-bindungen erhalten wer-den.
Bezeichnet die genaue, durch Drehung um Einfachbindungen ein-stellbare 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.
O OH
OH
O
H
O
O
OH
NH2 NH
O
O
OOCOOH
NH
NH2
N
NH2
OH
Diethylether n-Butanol Diisopropylketon Cyclohexylmethanol
Phenylessigsäure Anisaldehyd Caprolacton Hexensäure
2-(p-Aminophenyl)-ethanol 3-Acetyl-2,5-dimethyl- Phenylhydrazin Pyridylmethylamin pyrrol
Positionsisomerie
Positionsisomere enthalten bei gleicher Summenformel ein identisches Grundgerüst, an dem die Substituenten an verschiedenen Positionen angeknüpft sind.
OH
OH
OH
OOH
OH
NH2
OO
NH2
NH2OH
NH2
O
OOH
OOH
Isobutanol n-Butanol
2-(2-Hydroxyphenyl)- 2-(4-Hydroxyphenyl)- Caprolacton Oxepan-4-on essigsäure essigsäure
2-(p-Aminophenyl)-ethanol 2-Amino-2-phenyl 1-Naphtylamin 2-Naphtylamin ethanol
Gerüstisomerie
Gerüstisomere sind Positionsisomere deren unterschiedlich angeordnete Substituenten keine funktionellen Gruppen bzw. Heteroatome sind.
Methylbutan n-Pentan Decalin Tetramethyl- cyclohexan
Anthracen Phenantren Hexatrien 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).
Y
X
H Y
XH
Keto-Enol-Tautomerie
O
H H
OH
H
O OH
O
O
OH
O
OO
EtO
OHO
EtO
Keto-Form Enol-Form
Aceton
1,3-Cyclohexadion
Acetessig-säureester
> 99%
5%
~ 50%
Weitere Tautomerie-Arten
N
H H
NH
HImin-Form Enamin-Form
Imin-Enamin-Tautomerie
O
N
H
Lactim-Form Lactam-Form
Lactim-Lactam-Tautomerie
O
NH
Valenztautomerie(Valenzisomerie)
Übersicht zur Isomerie
Isomere
Konstitutionsisomere
Funktionelle Isomerie Positionsisomerie Gerüstisomerie Tautomerie Valenzisomerie
Stereoisomere
Konfigurations- isomere Enantiomere Diastereomere
Konformations- isomere Sessel/Wanne coplanar eclipsed staggered
Konfigurationsisomere
Konfigurationsisomere zeigen bei gleicher Konstitution unterschiedliche räumliche Anord-nungen ihrer Atome, wobei Rotationen um Einfachbindungen unberücksichtigt bleiben.
Beachte:
Konfigurationsisomere sind immer auch Stereo-isomere. Stereoisomere sind aber nicht zwangs-läufig Konfigurationsisomere!
Konfigurations- versus Konformationsisomere
ClOH
H Cl
OHH
OHCl H OH
ClH
Konformations-isomere
Konformations-isomere
Konfigurations-isomere
Konfigurations-isomere
hohe Energiebarriere
geringe
Energie-
barriere
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 Stereoisomere werden Diastereomere genannt.
Statische und dynamische Stereoisomere
Cl H
H
ClH
HCH3 CH3
HClH
H H
OH
Cl
CH3
OHH
Cl
CH3
OHClH
Konformere als Enantiomere
Konfigurationsisomere als Enantiomere
Meist besteht eine Gleich-gewicht zwischen den unterschiedlichen Konformeren und damit auch zwischen den Enantiomeren.
Enatiomere Konformations-isomere 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 (Schmelz- punkt, 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-, S- oder P- Atome.
• Das Asymmetriezentrum ist tetraedrisch von vier unterschiedlichen Liganden umgeben.
C
a
bc
dC
a
bc
d Cb
cd
a
Beispiele zentraler Chiralität
Br
HCl
F
Br
HCl
F
CH3
OHH
CH3
OH H
H OH HOH
Bromchlorfluormethan
1-Phenylethanol
2-Cyclohexenol
Beispiele zentraler Chiralität an Heteroatomen
O
NCH3CH3
O
NCH3 CH3
SCH3
O
SCH3
O
NH
PO
N
ClCl
O
NH
PO
N
ClCl
O
N-Ethyl-N-methyldihydro- 1,4-oxazin
Methylphenylsulfoxid... .
Cyclophosphamid
+ +
Symmetrie
Symmetrieelemente: Symmetrieelemente dienen zur Charakterisierung und Einteilung der verschiedenen Formen der Symmetrie.
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° 60° 72°
Achsensymmetrie II
Ein achsensymmetrisches Molekül ist nicht zwangsläufig achiral !!
H EtMe
Me
Et
H H MeEt
Et
Me
H
Spiegelsymmetrie
Eine Symmetrieebene s ist eine Spiegelebene, die das Molekül so in zwei Hälften teilt, dass jede Hälfe das Spiegelbild der jeweils anderen darstellt.
Strukturen mit Spiegelsymmetrie sind achiral aber nicht asymmetrisch!
CH3CH3
H
ClCl
H
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 Elektronenpaare haben die niedrigste Priorität.
• Die Priorität der Substituenten steigt mit der Ordnungszahl des direkt am Chiralitätszentrum gebundenen Atoms. • Ist die Ordnungszahl gleich, steigt die Priorität mit zunehmender Atommasse (bei Isotopen z.B 13C > 12C). 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:
H
O
OClCH3
H
H
O
OClCH3
H
H
O
OClCH3
H
Nach Ordnungszahlen der direkt gebundenen Atome einteilen
d
b
a b' Zwischen OH und OCH3ist in dieser 1. Sphäre keineEntscheidung möglich.
Betrachtung der zweiten Sphäre
d
c b
a
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 S-Konfiguration.
CIP-Konvention: Die Vorgehensweise
Beispiel für Schritt 3 und 4:
H
O
OClCH3
H
Cl
OH
OMeH Cl
OH
OMed
c
ba Drehung
a
b
c
Betrachtung derSustituenten a-c
a
c
b
R-Konfiguration
Anwendung der CIP-Konvention
HOCH2
H
CH3 CHO CH2OH
H
CH3OHC
CH2OH
CH3 CHO CH3
CH2OH
OHC
R S
CHO
OH
*
HOCH2
H
CH3 CHO CH2OH
H
CH3OHC
CH3
CH2OH
HCHO CH3
CH2OH
HOHC
a
b
c
dd
a
b
c
a a dd
bb
c c
bb
aac c
"Gas geben" "Gas geben"
„Spezialregeln I“
CH
DCC
C
HC
C
HC
Br HBrH
CC
C CF
H
F
HHI
Cl
HH
HHCl
HBrH
H
OH
I
FCl
F
Br
BrCl
Br
*
Beim Wechsel in die nächsthöhere Sphäre folgt man immer dem Weg des „höherwertigen“ Atoms.
„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 (Drei-fachbindung) mit einem (zwei) Phantom-atomen ergänzt, das der Atom-spezies auf der anderen Seite der Mehrfach-bindung entspricht.
Prioritätenliste
Übungen
NH2 Cl
OMe CH3 CH3O
OH
OH
D
N
O
ONH
O
OO
CH3
COOH
O
CH2CH3CH3
CH3ClCH2N
EtMe
N
+
OH
Rechte Hand-Regel
• Zuordnung der CIP-Prioritäten a, b, c, d für die Substituenten an einem asymmetrischen Kohlenstoff-Atom.
• 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.
C CA
B B
AC C
A
B A
B
C CB
AC
AB
CCB
AC
AB
C CB
ACC
A
BC C
A
BCC
A
B
E/Z-Isomere
E/Z-Isomere
Enantiomere
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.
CH3
NH2
Br
ClCH3
NH2
Br
Cl
Planare Chiralität
Verbindungen mit einer Chiralitätsebene findet man v.a. bei den Ansaverbindungen (Henkelverbindungen), bei Aryl-Metall-Komplexen und den trans-Cycloalkenen.
Ansaverbindung
Aryl-Chrom-Komplex
trans-Cyclo- octen
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 Enantio- merepaare sind zueinander diastereomer.
OH
NH2
OH
NH2
NH2
OH
NH2
OH
Diaste-reomere
Enatio-mere
Enatio-mere
Diaste-reomere
Diaste- reomere
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.
OH
OH COOH
COOHOH
OHHOOC
HOOC OH
OH COOH
COOHOH
OHHOOC
HOOC
L-(-)-Weinsäure (2S, 3S)
D-(+)-Weinsäure (2R, 3R)
Enantiomere
meso-Weinsäure
optisch inaktiv
Die Fischer-Konvention • Von Emil Fischer eingeführte Konvention zur Konfigurations-zuordnung 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
HOH CH3
CHO CH3
HOH
CHO
CH3
OHH
CHO
CH3
HOH
CHO
L-Glycerinaldehyd
OHH CH3
CHO CH3
OHH
CHO
CH3
HOH
CHO
CH3
OHH
CHO
D-Glycerinaldehyd
Ableitung der CIP-Nomenklatur aus der Fischer-Projektion
CH3
OHH
COOH
=CH3
OHH
COOH
OHH
CH3
COOH=
a
b
c
Fischer-Projektion
Keilstrich-Projektion
D-Konfiguration R-Konfiguration
CH2SH
HNH2
COOH
=CH2SH
HNH2
COOH
HNH2
HSCH2
COOH=
a
b
c
L-Konfiguration R-Konfiguration
Milchsäure
Cystein
Ableitung der CIP-Nomenklatur aus der Fischer-Projektion
OH
CH3HOOCH
CH3
OH
COOH
H
CH3
OH
COOH
H
OH
CH3HOOC
H
CH3
OH
COOH
H
CH3
OH
COOH
H
OH
CH3HOOC
OH
CH3
HHOOC
a
b c
S-KonfigurationL-Konfiguration
90°
Austausch
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.
OHH
HOH
OHH
OHH
CH2OH
CHO
OH H
H OH
OH H
OH H
CH2OH
CHO
R S
R S
R S
S R
ta
tü
ta
ta
D-Glucose 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.
CCCC
OHHHOHOHOH
HH
CH2OH
OH
OHCHO
OH
H
H
OHOH
HCH2OH
O H
OH
H
OH
OH
HOH
HCH2O
O OH
H
H
OH
OH
HOH
HCH2O
α-D-Glucose
β-D-Glucose
HAWORTH-ProjektionFISCHER-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.
OH
CHO
OH
H
H
OHOH
H
CH2OHO H
OH
H
OH
OH
HOH
HCH2O
O OH
H
H
OH
OH
HOH
HCH2O
α-D-Glucose β-D-Glucose[α]D = +18,7[α]D = +112,2
36 % 64 %[α]D = +52,6
Stereochemie wichtiger Naturstoffe: erythro und threo
C
C
CH2OH
CHO
OHH
OHH
C
C
CH2OH
CHO
HOH
OHH
OH H
H NHCOCHCl2CH2OH
NO2
OH H
NH
H
CH3
CH3
D-(-)-Erythrose D-(+)-Threose
L-erythro-Ephedrin D-threo-Chloramphenicol
Stereochemie wichtiger Naturstoffe: 2. Aminosäuren
• Alle 20 proteinogenen Aminosäuren sind L-konfiguriert. Die L-Konfiguration nach Fischer entspricht hier der S-Konfiguration nach CIP (Ausnahme: Cystein; R=CH2SH). • Es sind auch natürlich vorkommende Aminosäuren mit mehreren Chiralitätszentren bekannt (Beispiel: 4-Hydroxyprolin). • Alle α-Aminocarbonsäuren (mit Ausnahme von Gycin; R=H) sind chiral.
HNH2
R
COOH
NH2
R
COOH
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).
• Bildung diastereomerer Salze mit Hilfe chiraler Säuren (z.B. Weinsäure, Äpfelsäure, Mandelsäure) bzw. Basen (z.B Chinin) • Chromatographie an chiralen Phasen (z.B. Cellulose- Derivate, Stärke, Cyclodextrine, Proteine, Metall- komplexe).
O
ClF3C OMe
NC
O
Moshers Säurechlorid (MTPA-Cl) Phenylethylisocyanat (PEI)
Trennung von Racematen • Biochemische Trennung mit Hilfe von Enzymen. • Kinetische Racematspaltung aufgrund unterschiedlicher Reaktionsgeschwindigkeiten bei der Umsetzung mit chiralen Reagenzien oder Katalysatoren (asymmetrische Synthese).
CH3
CH3
O
HCH3OMe
CH3
CH3
O
H CH3MeO
CH3
CH3
O
HCH3OMe
CH3
CH3
O
H CH3OH
Ibuprofen-Methylester
S R
Pferdeleber-esterase
Ibuprofen-Methylester
S R
Ibuprofen
Pferdeleber-esterase
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.
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.
HH
ClCl
DH
ClCl
HD
ClCl
identisch
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:
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.
HH
Cl
DH
Cl
HD
Cl
identisch
Stereoheterotopie
Alternative Substitution zweier Liganden
Substitutionsprodukte sind identisch.
Substitutionsprodukte sind nicht identisch.
homotop heterotop Substitutionsprodukte
konstitutionell nicht identisch.
Substitutionsprodukte konstitutionell
identisch.
stereoheterotop konstitutop Substitutionsprodukte
spiegelbildlich. Substitutionsprodukte nicht spiegelbildlich.
enantiotop 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)
CH3
HH
CH3
HOH
CH3
OHHEnantiomere
Diastereotopie
NRR'
COOHHH
HH H
NRR'
COOH
X
NRR'
COOH
X
NRR'
COOH
X NRR'
COOH
X
Diastereomere
Diastereomere
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.
O
OH
OR
OR
OHR-OH
HO-R
Enantiomereenatiofaciale Halbräume
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
O
RK
MGO
RK
GM
M
K
G
O
R
Nu Nu
M
K
G
OH
R
Nu
K
M
G
O
R
K
M
G
OH
NuR
K
MG OH
R NuK
GM OH
RNu
Stereochemie und Konformation
Konformationen acyclischer Moleküle
Ener
gie
Diederwinkel
Konformationsbezeichnungen - Diederwinkel
Stereochemie und Konformation
Konformationen von Butan:
Stereochemie und Konformation
Konformationen ungesättigter acyclischer Moleküle
CH2
H
H
H H
CH2
H
HH
H
H
H
H
H
CH3
H
H
H
ekliptisch in der Halbierenden
Blickrichtung
Konformationen des Propen Ethen Propen
Stereochemie und Konformation
Konformationen mehrfach ungesättigter Kohlenwasserstoffe
H
H
H
H
H
H
H
H
H
HH
H
HH
H
HH
H
s-trans s-cistransoid cisoidanti-periplanar syn-periplanar
gauche
Butadien :
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 OH
O
OO
H
Stereochemie und Konformation
Isomerie bei Carbonsäureamiden
Bei der Isomerie von Carbonsäureamiden handelt es sich um E/Z-Isomerie (nicht s-cis/s-trans-Isomerie).
R N
O
R'
R''R N
+
O
R'
R''
H N
O
CH3
HH N
O
H
CH3
CH3 N
O
CH3
HCH3 N
O
H
CH3
N-Methylformamid N-Methylacetamid
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 Pitzer-Spannung genannt.
H HHH 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:
starke 1,3-diaxiale Wechselwirkungen
axial
äquatorial
schwächere WWs = energetisch günstiger
Stereochemie und Konformation
Disubstituierte Cyclohexane:
cis
trans
energetisch äquivalent
diaxiale Konformation ist energetisch ungünstiger
Stereochemie und Konformation
NH
Bicyclo[2.2.2]octan
Bicyclo[2.2.1]heptan
Adamantan Tropan
CH3
CH3
kein endo/exo
Überbrückte Ringsysteme:
CH3
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:
OH
OH
O
CH3H
O
HCH3
NH
N
ClN
H
NCl
Epibatidin
EXO ENDO