– abgeleitet von „stereo“ = griech. für körperliche, räumlich

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

N

H₂ N

H O

O

O O

COOH

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 OHO

OH

N H₂

O O

NH₂

NH₂ OH

NH₂

O OH O

O O H

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

X H

Keto-Enol-Tautomerie

O

H H

O H

H

O OH

O

O

OH

O O

O EtO

OH O

EtO

Keto-Form Enol-Form

Aceton

1,3-Cyclohexadion Acetessig-

säureester

> 99%

5%

~ 50%

Weitere Tautomerie-Arten

N

H H

N H

H

Imin-Form Enamin-Form

Imin-Enamin- Tautomerie

O N H

Lactim-Form Lactam-Form

Lactim-Lactam-

Tautomerie ^O

N H

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

Cl

OH

H Cl

OH H

Cl H OH OH

Cl H

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 HCl HC

H₃ CH₃

Cl H H

H H

OH Cl

CH₃ O

H H

Cl

CH₃ Cl H OH

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 c b

d C

a c b

d C

b c d

a

Beispiele zentraler Chiralität

Br

H

Cl F

Br

Cl H F

CH₃ H OH

C H₃

O

H H

H OH HO H

Bromchlorfluormethan

1-Phenylethanol

2-Cyclohexenol

Beispiele zentraler Chiralität an Heteroatomen

O N CH₃ C

H₃

O N C

H₃ CH₃

S CH₃ O

C S H₃

O

NH O PN

Cl Cl

O

N H

P O N Cl

Cl

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 C

_n

Operation: Drehung

• Symmetrieebenen σ Operation: Spiegelung

• Symmetriezentren i Operation: Inversion

•

Drehspiegelachsen S

_n

Operation: Drehspiegelung

Achsensymmetrie I

C

_n

: n= 360°/ α

α ist der Winkel, um den das Molekül um die Symmetrieachse gedreht werden muss,

sodass wieder die Ausgangssituation erreicht wird.

C

₁

-Symmetrie = Identität = trivial

180° 120° 72° 60°

Achsensymmetrie II

Ein achsensymmetrisches Molekül ist nicht zwangsläufig achiral !!

H Et Me Me

Et

H H Me

Et 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!

CH

₃

C

H

₃

H Cl Cl

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 S _n

Drehspiegelung: Das Molekül wird an einer Achse um 360/n Grad gedreht und anschließend an einer zu dieser Achse senkrechten Ebenen gespiegelt.

Drehspiegelachse S

₁

: Drehung um 360° und anschließende Spiegelung entspricht der Spiegelebene.

Drehspiegelachse S

₂

: 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 O Cl

CH₃ H

H

O O Cl

CH₃ H

H O

O Cl

CH₃ H

Nach Ordnungszahlen der direkt gebundenen Atome einteilen

d

b

a b' Zwischen OH und OCH₃ ist in dieser 1. Sphäre keine Entscheidung 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 O Cl

CH₃ H

Cl

OH

H OMe Cl

OH

OMe

d

c

a ^Drehung a b

b

c

Betrachtung der

Sustituenten a-c a

c

b

R-Konfiguration

Anwendung der CIP-Konvention

HOCH₂ H C H₃

CHO CH₂OH

H CH₃ OHC

CH₂OH C

H₃ CHO CH₃

CH₂OH OHC

R S

CHO OH

*

HOCH₂ H C H₃

CHO CH₂OH

H CH₃ OHC

C H₃

CH₂OH

H CHO CH₃

CH₂OH OHC H

a b

c

d d

a

b c

a a d

d

b b

c c

b b

a c a c

"Gas geben" "Gas geben"

„Spezialregeln I“

C H D

C C

C H C

C H

C

Br H

Br H

C C

C C

F H

F H H

I

Cl H

H H

H Cl

H Br H

H OH

I

F

Cl F

Br

Br Cl

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

N

H₂ Cl

OMe CH₃ CH₃ O

OH

OH

D

N O

O

NH O

O

O

CH₃

COOH

O

CH₂CH₃ C

H₃

CH₃

ClCH₂ Me N Et

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 C A

B B

A

C C A

B A

B

C C B A A C

B C C

B A

C A B

C C B A C

C A

B C C

A B C

C 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.

C H₃

N H₂ Br

Cl CH₃

NHBr₂

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.

O H

O

H COOH

COOH OH

HOOC OH

HOOC HO

O

H COOH

COOH OH

OH HOOC

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

O H

H CH₃

CHO CH₃

H O

H

CHO

CH₃ OH H

CHO

CH₃ H O

H

CHO

L-Glycerinaldehyd

H OHCH₃

CHO CH₃

OH H

CHO

CH₃ H O

H

CHO

CH₃ OH H

CHO

D-Glycerinaldehyd

Ableitung der CIP-Nomenklatur aus der Fischer-Projektion

CH₃ OH H

COOH

=

CH₃ OH H

COOH

H OH C H₃

=

COOH

a b

c

Fischer-

Projektion Keilstrich-

Projektion

D-Konfiguration R-Konfiguration

CH₂SH H N

H₂

COOH

=

CH₂SH H N

H₂

COOH

N H H₂ HSCH₂

=

COOH

a b

c

L-Konfiguration R-Konfiguration Milchsäure

Cystein

Ableitung der CIP-Nomenklatur aus der Fischer-Projektion

OH

CH₃ H HOOC

CH₃ O

H

COOH

H C H₃

OH

COOH

H OH

CH₃ HOOC

H CH₃ O

H

COOH

H C H₃

OH

COOH

H OH

CH₃ HOOC

OH CH₃ H

HOOC

a

b c

S-Konfiguration L-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.

OH H

H O

H

OH H

OH H

CH₂OH CHO

O

H H

H OH

O

H H

O

H 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.

C C C C

OH H

H O

H

OH OH H

H

CH₂OH O H

OH CHO OH H H

OHOH H

CH₂OH

O H

OH H

OH OH

OHH H CH₂O

O OH

H H

OH OH

OHH H CH₂O

α-D-Glucose

β-D-Glucose

HAWORTH-Projektion FISCHER-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 OH OH H

CH₂OH O H

OH H

OH OH

OHH H CH₂O

O OH

H H

OH OH

OHH H CH₂O

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

OH H

OH H

C C

CH₂OH CHO

H O

H

OH H

O

H H

H NHCOCHCl₂ CH₂OH

NO₂

O

H H

NH H CH₃ C

H₃

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=CH

₂

SH).

• Es sind auch natürlich vorkommende Aminosäuren mit mehreren Chiralitätszentren bekannt (Beispiel: 4- Hydroxyprolin).

• Alle α -Aminocarbonsäuren (mit Ausnahme von Gycin; R=H) sind chiral.

H N

H

₂

R

COOH

N H

₂

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 F₃C OMeCl

N C 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).

C H₃

CH₃

O H C H₃

OMe

CH₃ CH₃ O

H CH₃ MeO

C H₃

CH₃

O H C H₃

OMe

CH₃ CH₃ O

H CH₃ O

H 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.

H H

Cl Cl

D H

Cl Cl

H D

Cl Cl 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.

H H

Cl

D H

Cl

H D

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 H H

CH₃ H O

H

CH₃ OH Enantiomere H

Diastereotopie

NRR' H COOH H

H HH

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 OH R-OH

HO-R

Enantiomere enatiofaciale

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 R K

M O G

R K

G M

M K

G O

R

Nu Nu

M K

G OH

R Nu

K M G

O

R

K M G

O H

Nu R

K M

G OH K R Nu

G

M OH

R Nu

Stereochemie und Konformation

Konformationen acyclischer Moleküle

Energie

Diederwinkel

Konformationsbezeichnungen -

Diederwinkel

Stereochemie und Konformation

Konformationen von Butan:

Stereochemie und Konformation

Konformationen ungesättigter acyclischer Moleküle

CH₂

H H

H H

CH₂

H H H

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

H

H

H

H

H H

H H H

s-trans s-cis transoid cisoid

anti-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 O

H O

O O

H