Stereochemie - medchem.uni-erlangen.de Stereochemie.pdf · Stereochemie – spezielle „Sicht“ auf die Chemie, keine eigentliche Teildisziplin – abgeleitet von „stereo“ =

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.


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


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.


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.


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


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


Konformationen von Butan:


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


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 :


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


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


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


CYCLOPENTAN: Planares Cyclopentan weist eine sehr hohe Pitzer-Ringspannung auf. Aufgrund der tatsächlich eingenommenen envelope-Konformation ist die Spannung allerdings deutlich verringert.


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.


Konformationen des Cyclohexans:


Monosubstituierte Cyclohexane:

starke 1,3-diaxiale Wechselwirkungen

axial

äquatorial

schwächere WWs = energetisch günstiger


Disubstituierte Cyclohexane:

cis

trans

energetisch äquivalent

diaxiale Konformation ist energetisch ungünstiger


NH

Bicyclo[2.2.2]octan

Bicyclo[2.2.1]heptan

Adamantan Tropan

CH3

CH3

kein endo/exo

Überbrückte Ringsysteme:

CH3

CH3


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.


endo/exo-Konfiguration:

OH

OH

O

CH3H

O

HCH3

NH

N

ClN

H

NCl

Epibatidin

EXO ENDO

Documents

Stereochemie - medchem.uni-erlangen.de Stereochemie.pdf · Stereochemie – spezielle „Sicht“ auf die Chemie, keine eigentliche Teildisziplin – abgeleitet von „stereo“ =