Sheila R. Buxton Stanley M. Roberts
Einführung in die Organische Stereochemie
Aus dem Programm _____________ _ Chemie
Adalbert Wollrah Organische Chemie Ein Lehrbuch für Lehramts- und Nebenfachstudenten
J.M.G. Cowie Chemie und Physik der Polymere
Daniel C. Harris Lehrbuch der Quantitativen Analyse
Manfred Gey Instrumentelle Bioanalytik
Michael J. Hollas Moderne Methoden in der Spektroskopie
Lesley Smart, Elaine Moore Einführung in die Festkörperchemie
Heinz Schmidkunz Statische Biochemie und Dynamische Biochemie Lern- und Übungssoftware (je eine CD-ROM)
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Sheila R. Buxton Stanley M. Roberts
Einführung in die Organische Stereochemie Mit 351 Bildern und 51 Übungsaufgaben
Aus dem Englischen übersetzt von A. Stephen K. Hashmi
Mit einem Geleitwort von Johann Mulzer
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Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Buxton, Sheila R.: Einführung in die Organische Stereochemie: mit 51 Übungsaufgaben/Sheila R. Buxton; Stanley M. Roberts. Aus dem Engl. übers. von Stephen K. Hashmi. Mit einem Geleitw. von Johann Mulzer.
Einheitssacht.: Organic stereochemistry <dt.> ISBN 978-3-528-06996-4 ISBN 978-3-663-09876-8 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-09876-8
Originalausgabe: © Addison Wesley Longman Limited 1996, all Rights Reserved.
This Translation of Guide to Organic Stereochemistry: From Methane to Macromolecules, First Edition is published by arrangement with Addison Wesley Longman Limited, London.
Alle Rechte vorbehalten ©Springer Fachmedien Wiesbaden 1999 Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden 1999
Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
http:j jwww.vieweg.de
Konzeption und Layout des Umschlags: Ulrike Weigel, www.CorporateDesignGroup.de
Gedruckt auf säurefreiem Papier
ISBN 978-3-528-06996-4
V
Vorwort
Die Stereochemie ist eines der wichtigsten wissenschaftlichen Konzepte, aber auch eines der am schwierigsten zu erfassenden Gebiete der Chemie. Ihre Bedeutung zeigt sich nicht nur in der Chemie, sondern auch in vielen anderen Naturwissenschaften. Um zu einem guten Verständnis der Stereochemie und ihrer Auswirkungen zu gelangen, muß man zu dreidimensionalem Denken fahig sein und sich eine umfangreiche und oft verwirrende Terminologie aneignen.
Einführung in die Organische Stereochemie ist nicht als ein umfassendes Lehrbuch gedacht. Wir wollten ein Buch schreiben, daß den Anfänger Schritt für Schritt weiterführt und auch einen Einblick darin gewährt, wie stereochemisches Wissen bei der Planung einer Synthesestrategie und dem Erklären der Ergebnisse einiger Reaktionen angewendet wird.
Die ersten Kapitel wurden auf Studenten des Studienganges Chemie zugeschnitten, sind aber auch für Studenten der Biochemie oder Medizin, insofern ein stereochemisches Bewußtsein, aber keine komplexeren Details notwendig sind, geeignet. Diese Kapitel decken die Identifikation und Zuordnung verschiedener Eigenschaften chiraler organischer Moleküle ab und erfordern, von allgemeinen chemischen Grundkenntnissen abgesehen, keinerlei stereochemisches Vorwissen.
Die folgenden Kapitel sind mehr auf den fortgeschrittenen Studenten im Hauptstudium zugeschnitten. Hier wird ein Verständnis der Vorhersagbarkeit durch stereochemische Modelle wie der Cramschen Regel geschaffen, anspruchsvollere stereochemische Begriffe wie Topizität oder Stereoselektivität sind hier von Bedeutung.
Nach sorgfältiger Abwägung haben wir uns entschlossen, am Ende des Buches einige der schwierigen und zu weiterem Nachdenken anregenden, stereochemischen Themen zu diskutieren. Das letzte Kapitel zeigt dann auf, wie diese Techniken für die Synthese zweier komplexer chiraler Naturstoffe genutzt werden. Da dies vermutlich hauptsächlich für Doktoranden interessant ist, ist dieses Kapitel in Bezug auf das chemische Vorwissen anspruchsvoller abgefaßt. Wie oben erwähnt, zielt Einführung in die Organische Stereochemie nicht auf eine umfassende Darstellung ab. Für Leser, die mehr über dieses Gebiet wissen wollen, empfehlen wir nachdrücklich das hervorragende Werk "Stereochemistry of Organic Compounds" von Eliel und Wilen, dessen deutsche Übersetzung "Organische Stereochemie" vor kurzem erschienen ist.
Was auch immer der Ausbildungsstand des Lesers dieses Buches ist- zu einem raten wir unbedingt: Der Text sollte in Verbindung mit einem Molekülbaukasten studiert werden. Das Konstruieren der Modelle chiraler Moleküle und der Vergleich ihrer verschiedenen stereochemischen Formen ist für ein vollständiges Verständnis der stereochemischen Konzepte unverzichtbar. Es ist oft erstaunlich, wie Sachverhalte, die in zwei Dimensionen auf einem Blatt Papier nur schwer dargestellt werden können, anhand eines dreidimensionalen Molekülmodells sofort kristallklar erscheinen. Während des Verfassens dieses Buches haben wir eine Reihe verschiedener Baukästen getestet und festgestellt, daß selbst ein sehr simpler und preiswerter Bausatz für das Verständnis eine enorme Hilfe sein kann.
VI Geleitwort
In jedem Kapitel gibt es eine Reihe von Fragen, die manchmal Punkte berühren, die
sonst im Kapitel nicht zur Sprache gekommen sind. Sie sollen den Leser dazu anregen, das
Gelernte anzuwenden - daher ist es wichtig zu versuchen, die Aufgaben zu lösen.
Geleitwort
Sheila R. Buxton Stanley M. Roberts
1996
Heutzutage ist die Stereochemie auf jedem Gebiet der Organischen Chemie von Bedeutung. Die dabei verwendeten Konzepte und Begriffe wie Konfiguration, Konformation, Enantio
mere, Diastereomere, Prochiralität und Pseudoasymmetriezentrum sind abstrakt und vielfach nicht nur für den Anfänger verwirrend. Während dieses Feld der Chemie als nach wie
vor aktuelle Forschungsrichtung immer umfangreicher wird und Originalarbeiten, Über
sichtsartikel und Lehrbücher für Fortgeschrittene in ständig wachsender Zahl vorliegen, wächst die Lücke zwischen den ausgefeilten Anwendungen und dem in den Grundvorlesungen und Standard-Lehrbüchern der Organischen Chemie gelehrten Stoff.
Das Buch von Buxton und Roberts schlägt hier eine Brücke. Es ermöglicht dem "stereochemisch nicht vorbelasteten" Anfänger, in kurzer Zeit von den Grundbegriffen und Prinzi
pien bis hin zu modernsten Anwendungen einen Überblick über das Gebiet zu erlangen, ohne daß sich dieser erst durch tausend oder mehr Seiten arbeiten muß. Auch für Studenten anderer naturwissenschaftlicher Fächer wie Biochemie, Biologie, Medizin, Pharmazie, Lebensmittelchemie etc., die mit Chemie als Nebenfach in Berührung kommen, dürfte dies einen einfachen Weg zu einem Einblick in stereochemische Zusammenhänge darstellen. Hierbei ist sicherlich von besonderem Interesse, daß Aspekte aus Biologie und Medizin bei der Diskussion der Auswirkungen der Stereochemie berücksichtigt werden. Ich wünsche dem Werk weite Verbreitung.
Johann Mulzer 1999
VII
Inhaltsverzeichnis
1 Die Gestalt einfacher Moleküle 1
1.1 Methan 1
1.2 Hybridisierung 2
1.3 Ethen und Ethin 2
1.4 Moleküle, die andere Elemente als Kohlenstoff beinhalten 5
1.5 Konformation 8 1.5 .1 Ethan 8 1.5.2 Butan 9 1.5.3 Unsymmetrisch substituierte Alkane 11
1.6 Konformationen cyclischer Moleküle 12 1.6.1 Cyclohexan 12 1.6.2 Substituenten am Cyclohexan 13 1.6.3 Cyclohexen und Cyclohexanon 15 1.6.4 Kleinere Ringe 15 1.6.5 Cyclopropan 16 1.6.6 Polycyclische Verbindungen 17 1.6.7 Heterocyclische Ringsysteme 17
Literatur 19
2 Chiralität in Molekülen mit asymmetrisch substituierten, tetraedrischen Zentren 20
2.1 Chirale Moleküle mit einem stereogenen Zentrum: Enantiomere 21 2.1.1 Optische Aktivität 21 2.1.2 Spezifische Drehung 22 2.1.3 Racemate 23
2.2 Chirale Moleküle mit zwei stereogenen Zentren: Diastereomere 23 2.2.1 Reaktion von Enantiomeren mit chiralen Reagenzien 23 2.2.2 Die Cahn-lngold-Prelog (CIP) Sequenzregel 25
VIII Inhaltsverzeichnis
2.3 Pseudoasymmetriezentren und meso-Verbindungen 2.3.1 meso-Verbindungen
29 29 30 2.3.2 Pseudoasymmetriezentren
2.4 Prochiralitätszentren 2.4.1 pro-R, pro-S
2.5 Symmetrieachsen
31 32
33
2.6 Die Darstellung dreidimensionaler Moleküle in zwei Dimensionen 34
Literatur 36
3 Nomenklatur und Stereochemie von Aminosäuren und einfachen Kohlenhydraten 37
3.1 Stereochemische Deskriptoren: OlL-Nomenklatur und Fischer-Projektion 37
3.2 Nomenklatur und Stereochemie von C4-Kohlenhydraten und Weinsäure 39
3.3 Cs· und C6-Kohlenhydrate 40
Literatur 48
4 Chiralität in Systemen, die kein stereogenes Kohlenstoffatom aufweisen 49
4.1 Punktchiralität 49 4.1.1 Tertiäre Amine und Phosphane 49 4.1.2 Phosphanoxide, Aminoxide und Sulfoxide 50
4.2 Axiale Chiralität 51 4.2.1 Allene 51 4.2.2 Biphenyle und Binaphthyle 53
4.3 Helicale Strukturen 55 4.3.1 Polynucleotide 57 4.3.2 Polyaminosäuren 57 4.3.3 Biaryle und Allene 59
Literatur 62
IX
5 Stereoisomerie an Bindungen mit eingeschränkter Drehbarkeit: cis-trans-lsomerie 63
5.1 Stereochemie in cyclischen Systemen 63 5.1.1 cis-trans-Nomenklatur 63 5.1.2 exo-endo-, syn-anti-Nomenklatur 66
5.2 Stereoisomerie an Doppelbindungen 68 5.2.1 E,Z-Nomenklatur 68 5.2.2 Strukturen mit partieller Bindungsordnung 71
5.3 cis-trans-Isomerie, Enantiomerie und Diastereomerle 72
5.4 cis-trans-Isomerie in Stickstoffverbindungen 74
Literatur 75
6 Analyse und Trennung von Stereoisomeren 76
6.2 Bestimmung der Verhältnisse der Stereoisomere 76 6.1.1 NMR-Spektroskopie 76 6.1.2 NMR und Isomerenverhältnisse 79
6.2 Isomerentrennung 86
6.3 Identifikation einzelner Stereoisomerer 89 6.3.1 NMR-Spektrokopie 89 6.3.2 Optische Aktivität 90 6.3.3 Kristallstrukturanalyse 91 6.3.4 Der Cotton-Effekt 93
Literatur 99
7 Racemisierung und Racematspaltung 1 00
7.1 Racemisierung 100
7.2 Racematspaltung 103
Literatur 111
X Inhaltsverzeichnis
8 Einige einfache Reaktionen von Carbonylverbindungen 112
8.1 Die Carbonylgruppe 112
8.2 Nucleophiler Angriff auf acyclische Carbonylverbindungen 116 8.2.1 Cramsche Regel 116 8.2.2 Die Felkin-Ahn-Regel 116
8.3 Verklammerungs-Effekte bei nucleophilen Reaktionen an Carbonylgruppen 119
8.4 Die Aldolreaktion 120
Literatur 124
9 Stereochemie einiger wichtiger zu Alkenen führender Reaktionen 125
9.1 Eliminierungsreaktionen 125
9.2 Wittig- und verwandte Reaktionen 129
9.3 Reaktionen von Sulfonen 136
Literatur 139
10 Einige Reaktionen einfacher Alkene 140
10.1 Bromierungen 140
10.2 Reaktionen mit Osmiumtetroxid 147
10.3 Epoxidierung von Alkeneo 148
10.4 Reaktionen von Alkeneo mit Carbenen 149
Literatur 152
XI
11 Einige wichtige Cyclisierungen durch paricyclische Reaktionen 153
11.1 Diels-Aider-Reaktionen 153
11.2 Cycloadditionen eines Alkens mit einem Keten 160
11.3 Elektrocyclische Reaktionen 161
Literatur 167
12 Über Hochenergiezwischenstufen verlaufende Cyclisierungen 168
12.1 Intramolekularer Angriff eines Nucleophils 168
12.2 Cyclisierung von Carbokationen 173
12.3 Radikalische Cyclisierungen 17 5
Literatur 178
13 Stereochemie ausgewählter Polymere 179
13.1 Synthetische Polymere 179
13.2 Proteine 180
13.3 Kohlenhydrate 187 13.3.1 Nucleinsäuren 188
Literatur 193
14 Stereochemie und Organische Synthese 194
14.1 Einführung 194
14.2 Verwendung von Materialien aus dem "chiralen Pool" 196
14.3 Verwendung von klassischen Racematspaltungstechniken 202
Literatur 209
xn Inhaltsverzeichnis
15 Asymmetrische Synthese 210
15.1 Chirale Auxiliarien 210 15.1.1 Verwendung von Eisencarbonyl als chiralem Auxiliar:
Synthese von Captopril 211 15.1.2 Heterocyclen als chirale Auxiliarien:
Alkylierung und Hydroxyalkylierung von Propionsäure 212 15 .1.3 Chirale Auxiliarien auf Campher-Basis: Diels-Al der-Reaktionen 217
15.2 Chirale Reagenzien 218 15.2.1 Asymmetrische Hydrohonerungen 219 15.2.2 Asymmetrische Reduktionsreagenzien, die Lithiumaluminiumhydrid
oder Natriumborhydrid verwandt sind 220
15.3 Chirale Katalysatoren 223
Literatur 233
16 Asymmetrische Totalsynthesen von Prostaglandin F2a
und Compactin 234
16.1 Synthese von Prostagtandin Fz.. 234 16.1.1 Klassische Racematspaltung einer PGF2a -Zwischenstufe 235 16.1.2 Der Gebrauch von chiralen Auxiliarien und optisch aktiven Reagenzien 236 16.1.3 Synthese von PGFz.. ausgehend von dem "chiralen Pool" 238 16.1.4 Synthese von primären Prostaglandinen unter Verwendung von
Enzymen als chirale Katalysatoren 239
16.2 Synthese von Compactin 242
Literatur 249
Anhang 1 250
Anhang 2 250
Sachwertverzeichnis 252