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)