Folie271
Konstitutions- bzw. Strukturisomere:gleiche Summenformel, unterschiedliche Verknüpfung der Atome:
C4H10 :n-Butan
Isobutan
H3C CH2 CH2 CH3 H3C CH CH3
CH3
Stereoisomere:gleiche Summenformel, gleiche Verknüpfung der Atome, aber in unterschiedlicher Raumrichtung.
Isomerie
Beispiele für Stereoisomere:
H
CH3H3C
H CH3
HH3C
H
cis- oder Z-2-Buten trans- oder E-2-Buten
H
BrBr
H
Br
BrH
Htrans-1,2-Dibromcyclohexan cis-1,2-Dibromcyclohexan
Diastereomere
C2H6O : O CH3H3C H3C CH2 OHDimethylether Ethanol
Beispiele:
Folie272
Beispiele für Stereoisomere:
Enantiomere
H3C CH2 CHCl
CH3
2-Chlorbutan
CCH3
H
CH2Cl
H3CC
H3C
H
CH2CH3Cl
H3C CH COOHOH
Milchsäure
COH
COOH
HH3C
CHO
COOH
HCH3
- stereogenes ZentrumBild Spiegelbild
nicht deckungsgleich
Folie273Physikalische Eigenschaften von Enantiomeren
2-Methyl-1-butanol:
Chiralitätszentrum
CH3 CH2 C CH2
H
CH3
OHBeispiel:
CH3 CH2
CH3
CH2
H
C OH C
H
CH2
CH3
CH2 CH3HO
Sdp. + 128.9°C + 128.9°CnD 1.4107 1.4107d 0.8193 g/ml 0.8193 g/ml
+ 5.756° - 5.756°[ ]20Dα
ist die spezifische Drehung bei 20°C. D ist die Wellenlänge des bei der Messung verwendeten linear polarisierten Lichtes: Natrium-D-Linie bei 5893 Å.
[ ]20Dα
Chiralität – Optische Aktivität
1815 Entdeckung der optischen Aktivität durch Biot1848 Trennung der optisch inaktiven Traubensäure in die optisch aktive
(+)- und (-)-Weinsäure durch Pasteur
Folie274Polarimeter (schematischer Aufbau)
Lichtquelle
Polarisator(Nicol- Prisma oder Polaroid-Filter
Probenrohr
Auge (oder Photozelle)
Analysator(Nicol-Prisma oder Polariod-Filter)
[ ] [ ][ ][ ]g/ml dm
d l
°
⋅=
αα
[α] - spezifische Drehungα - beobachtete Drehungl - Länge des Probenrohres in dmd - Dichte bei Messungen in Substanz
Konzentration in g/ml bei Messungen in Lösung
Folie275Chirale Strukturen
chiral (griechisch cheir – Hand bzw. Händigkeit)
Folie276Chirale Strukturen
normaleSchnecke
Bulismus perversus (tropische Landschnecke)1, links gewundenes Gehäuse, 2, rechts gewundenes Gehäuse
Folie277
H2NOH
O
O H2N HHO
NH2
O
ONH2HS Rbitter Asparagin süß
N N
OO
OCH3H
C6H5n-C4H9
N N
OO
OHH3C
C6H5n-C4H9
S R
Krampfanfall Barbitursäure-Der. narkotisch
N
O
O
NO
O H
H
NO
OH
HN
O
OS R
extrem teratogen Contergan keine Mißbildungen
CH3
H3C CH2
CH3
H2C CH3
S R
Geruch nach Zitrone Limonen Geruch nach Orange
Folie278
SS RR
Tubercolostaticum Ethambutol Blindheit
H3CN
NCH3
HO
HO
H
H
H3CN
NCH3
OH
H
H
OH
S R
Antiarthriticum Penicillamin extrem toxisch
HO2C SH
CH3H3C
NH2
HSCO2H
H3C CH3
NH2
S R
Schilddrüsen-Hormon Thyroxin Antihypocholesterinicum
I
HOI
OCO2H
I
I
NH2
I
OHI
OHO2C
I
I
H2N
S R
β-Blocker Propranolol Contraceptivum
O N CH3
CH3
HOHONH3C
H3C
H OH
Folie279Enantiomere Übergangszustände
Die Übergangszustände der beiden Eliminierungs-reaktionen sind wie die Grundzustände enantiomerzueinander und damit identisch in allen physikalischenund chemischen Eigenschaften mit Ausnahme der optischen Aktivität.
X (-) ABild Spiegelbild
A(+) X
Enantiomere Ü.Z. energiegleich
2-Methyl-1-buten
+ H2OCH2CCH3
CH2 CH3+ H2OC CH2
H3C
CH2CH3
H+
(-)(+)
H2C
CH3
CC2H5
H
OHOH
CH2
H
C2H5C
CH3
XH+ X
CH3
CC2H5
H
CH2
HOH
δ−
Xδ−
δ+ δ+HOH
H
C2H5C
CH3
H2C
X
Folie280Das Racemat
ist das (50:50)-Gemisch von zwei Enantiomeren.
H CC2H5
CH3
a)
b)
CH3
CC2H5
Cl
H(-)
(+)H
Cl
C2H5
C CH3
50
50b)
Cl
Cl
a)Cl
Cl
Racemat-Bildung:
CH3 CH2 CH2 CH3hνCl2
- HCl
CH3 CH2 CH CH3
Cl+ CH3 CH2 CH2 CH2 Cl
sec.-Butylchlorid n-Butylchlorid
Folie281Enantioselektive Synthese (bevorzugte Bildung eines Enantiomeren)
chiral
chiral
DiastereomereÜbergangszustände
Diastereomere Übergangszustände sind energieungleich und besitzen unterschiedlicheEigenschaften, so dass eine Reaktion bevorzugt sein kann.
[(+) – X (-) – A] [(+) – A (+) – X] [(+) – A (-) – X]Enantiomer
Folie282Racemat-Trennung
chirale Hilfsreagenzien: (-)-Brucin, (-)-Strychnin, (-)-Chinin, (+)-Cinchonin(Alkaloid-Basen) für die Trennung von chiralen Säuren.
CH3 C COOHOH
H(±)- Milchsäure (±) - 2-Phenylbutansäure
CH COOHCH2H3CBeispiele für Racemat-Trennung:
lassen sich z. B. mit optisch aktiver (-)-Apfelsäure trennen HOOC CH2 CH COOHOHracemische Amine
(±) R NH2
Allgemeine Regel:Ein Racemat wird durch ein optisch aktives Hilfsreagenz in ein Gemisch von Diastereomerenumgewandelt, bei dem eine Trennung möglich ist.
Folie283Sequenzregeln zur Bezeichnung der absoluten Konfiguration nach Cahn, Ingold und Prelog
"S"
d
c
b
aC
(Sinister-Links)im Gegenuhrzeigersinn
R, S-Nomenklatur
Ca
b
c
d
"R"(Rectus-Rechts)im Uhrzeigersinn
1) Ist das Chiralitätszentrum mit vier verschiedenen Atomen verknüpft, so hängt die Reihenfolge von der Atomnummer ab. Dabei hat das Atom mit der höchsten Atomnummer den Vorrang, bei Isotopendas Atom mit der höheren Massenzahl.
Ca
b
c
d
"R"
H
I SO3H
Cl
"S"
d
c
b
aC
H
D
CH3
Br
53I > 17Cl > 16S > 1H 35Br > 6C > H (=D) > H12
11
Beispiele:
Folie2842) Wenn die Rangordnung nicht nach Regel 1) entschieden werden kann, werden die Atomnummern der folgenden Atome verglichen, in dem man immer weiter vom Chiralitätszentrum weggeht bis eine Entscheidung möglich ist. Cl > C, C > H
Cl > CHH > HHH > H
HC CH2CHCl
CH3CH3
CH3
a
b dc
HC CH2Cl
CH2 HCH3
a
b cd
Cl > CCH > CHH > H
3) Die Atome einer Doppel- und Dreifachbindung werden wie zwei bzw. drei einfach gebundene Atome gewertet.
C A = C AA C
z. B. CH CH2 > CHCH3
CH3
C A = C AA
A C
C CH CH2
C CC
OHHCH2OH
OH b
ad
c
C
C
H OH
OH
HO CH2
C
a
b
cd
"R"
HO
HCH O
CH2OH
OH > CH=O > CH2OH > H CH O CH OO C
Folie285D und L – Reihe
c
ab
CO2H
H
CH3
NH2
R- Alanin S-Alanin
CH
COOH
NH2CH3
CH
COOH
NH2CH3
C
a b
c
d
COOH
CH3
H
H2NC
HOOC
CH3
H
NH2
a
c
b
d
CH3
COOH
NH2H
D L
CH=O
OHH
c
R-(+)-Glycerin- aldehyd
S-(-)
CH2OH
CH OH
CH2OH
CH O
CH
CH2OH
CH O
HO
a b
c
dC
CH2OH
CH OHO
HC
H
OH
CH2OH
O CH
a
b
d
CH O
HO H
CH2OH
D L
Folie286Relative Konfigurationszuordnung
OHH
CH2OH
CH3 CH3
H OH
COOH
CH3
CH2OH
HHO
COOH
H
CH3
HO
Reduktion Oxidation
L-(+)-Milchsäure L-(+)-Propandiol
CH2OH
H OH
CHO
D-(+)-Glycerinaldehyd
OHH
CH2OH
COOH COOH
CH3
H OHOxidation Reduktion
D-(-)-Glycerinsäure D-(-)-Milchsäure
Folie287Zwei und mehrere Chiralitätszentren
(Maximalzahl der Stereoisomeren: 2n n – Zahl der Chiralitätszentren
HH
OH
CH2OH
CHO
OH
RR
SHO
CHO
CH2OH
HH
HO S R OH
CHO
CH2OH
HHSHO
HO S HH
CH2OH
CHO
OHR
RR
OHOH
HH
S HOHH
HO S
COOH COOH
COOHCOOH
R OHHHS HO
HO S HH OH R
COOH COOH
COOHCOOH
D-(-)-Erythrose L-(+) D-(-)-Threose L-(+)
EnantiomereEnantiomere
[O] [O]
Bild und Spiegelbildidentisch: achiral
Enantiomere
(-)-Weinsäure (+)
meso-Weinsäurenicht optisch aktiv
n = 2:22 = 4
Diastereomeremeso: Schmp. 146-148°C Racemat: Schmp. 168-170°C(1:1)-Mischung
Diastereomereery thro threo
Folie288Nucleophile SubstitutionNu + R X R Nu + X
geladenesNucleophil
Alkyl-halogenid
(X = Cl, Br, I)
HO R OH Alkohol
R O R O R Ether
H Nu + R X R Nu HX
R NuneutralesNucleophil
- H X
I X - Halogenid R I R XAlkyliodid - Alkylhalogenid
HO
HR OH
R3N R NR3X
quartäres Ammoniumsalz
RO
HR O R
H3N
R2NH
R NH2
R NR2
prim.
AmineRNH2 R NHR sec.
tert.
R S R S R Thioalkohol
Folie289Nucleophile Substitution
SN2-Reaktion: bimolekulare Reaktion Kinetik 2. Ordnung
H3C Br + OH k2 H3C OH + BrMethylbromid Methanol
R.G. = -d[(H3C)3C-Br]
dt = k1 [(H3C)3-Br] Reaktionsgeschwindigkeit:
SN1-Reaktion: monomolekulare Reaktion Kinetik 1. Ordnung
(H3C)3C Br + OH k1 (H3C)3C OH + Brt-Butylbromid t-Butanol
R.G. = -d[CH3Br]
dt = k2 [CH3Br] [ OH]Reaktionsgeschwindigkeit:
Folie290Mechanismus der SN2 - Reaktion
C6H13 CH BrCH3
+ OHk2
C6H13 CHCH3
OH + Br
2-Bromoctanchiral
2-Octanolchiral
C BrH3C
C6H13
HC OH
H3C
C6H13
H
R-(-)-2-Bromoctan R-(-)-2-Octanol
[α]D = -34.6°25 [α]D = -9.9°25
Konfigurationszuordnung
gleiche relative Konfigurationen
Experiment: R-(-)-2-Bromoctan+ OH
- BrS-(+)-2-Octanol
C BrH3C
C6H13
HHO
CH3
C
C6H13H
HO Brδ- δ- CH3
CH
C6H13
HO + Br
R Spentavalenter ÜbergangszustandSN2 - Reaktion: konzentierter Prozess unter Umkehr (Inversion) der Konfiguration am Reaktionszentrum.
Reaktivität: H3C Br CH2 BrR R2CH Br R3C Br> > >prim. sec. tert.
zunehmende, sterische Abstoßungim pentavalenten Übergangszustand.
Folie291Mechanismus der SN1 - Reaktion
(CH3)3C Brk1
langsam(CH3)3C + Br Heterolyse
Carbeniumion: reaktive Zwischenstufegeschwindigkeitsbestimmender Schritt
(CH3)3C + OH schnell (CH3)3C OH
R3C > R2CH > R-CH2 > CH3
tert. sec. prim. Methylkation
abnehmende Reaktivität
Reaktivität: wird bestimmt durch die Stabilität der Carbeniumionen
Vergleich von SN2- und SN1-Reaktionen
Methyl- und primäre Alkylhalogenide: meist SN2
tertiäre Alkylhalogenide: meist SN1
sekundäre Alkylhalogenide: SN1 und SN2 meist konkurrierend
Folie292Energiediagramm einer SN2- Reaktion (A) und einer SN1-Reaktion (B)