Vorlesung SS 2003 FU-Berlin Professor M. Kalessekirste.userpage.fu-berlin.de/ag/kalesse/Stereochemie1_50.pdf · Meso-Verbindungen sind achirale-Verbindungen mit mehr als einem Chiralitätszentrum

Stereochemie

Vorlesung SS 2003FU-Berlin

Professor M. Kalesse

Einführung in die Stereochemie1) Molekulare Konnektivität beschreibt, in welcher Reihenfolge die Atome einer Substanz miteinander verbunden sind.

2) Verbindungen mit identischer Summenformel aber unterschiedlicher Konnektivität nennt man Isomere.Z.B. für C2H6O: CH3CH2OH oder CH3OCH3

3) Verbindungen mit identischer Konnektivität aber unterschiedlicher Anordnung der Atome im Raum werdenStereoisomere genannt.

Verschiedene IsomereIsomere

Stereoisomere

Enantiomere(Spiegelbilder)

Diastereomere(keine Spiegelbilder)

Konfigurations-Diastereomerecis-trans-Diastereomere

Konstitutions-Isomere

Einführung in die Stereochemie1) Zwei Strukturen werden Enantiomere genannt, wenn sie Spiegelbilder von einander darstellen, die nicht zur Deckung gebracht werden können.

H

F BrCl

H

FBrCl

2) Zwei Strukturen werden Diastereomere genannt, wenn es Stereoisomere sind und sie keine nicht-zur-Deckung-gebrachte-Spiegelbilder (Enantiomere) voneinander darstellen.

HOOH

O

O

OH

OHHO

OHO

O

OH

OH

Weinsäure

und

CH3H3CH3C

CH3

und

Buten

SymmetrieoperationenWas sind Symmetrieoperationen?

Eine Symmetrieoperation ist eine Manipulation einer Struktur, bei der äquivalente Bereiche ausgetauscht werden. Nach einer Symmetrieoperation ist die Verbindung identisch mit der Verbindung vor der Symmetrieoperation.

H

CH H

H

z

y

x

Drehung um 120°um die z-Achse

H

CH H

H

Wenn man die Augen während einer Symmetrieoperation schließt, lässt sich nicht feststellen, ob überhaupt eine Symmetrieoperation stattgefunden hat.

180° Drehung umdie X-Achse

180° Drehung um die Z-Achse

Symmetrieoperation

keine Symmetrieoperation

Symmetrieoperationen

H

CH H

H

H

CH H

H

Achse, um welche die Symmetrieoperation (Rotation um 120°)durchgeführt wurde.

1. Rotation: ≥1, Rotation um eine Achse (von 0 bis 360°)2. Spiegelung: Spiegelung in einer Ebene, die durch die Struktur verläuft3. Inversion aller Atome durch einen zentralen Punkt:Die Operation verändert alle Punkte (x, y, z) zu (-x, -y, -z)4. Rotation-Reflektion: ≥1Wiederholungen der folgenden Operationen:Rotation um eine Achse, dann Reflektion in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse

Anwendung dieser Operationen auf molekulare Strukturen

Ein Symmetrieelement ist eine geometrische Einheit (Punkt, Linie, Ebene),an welcher die Symmetrieoperation durchgeführt wird.

Symmetrieoperationen und Symmetrieelemente

Symmetrieelement Symmetrieoperation1. Drehachse = Cn n Drehungen von (360°/n)

2. Spiegelebene = σ Spiegelung an einer Ebene

3. Inversionszentrum = i Inversion

4. Dreh-Spiegel-Achse = Sn n Wiederholungen von: Drehungen um (360°/n) dann Spiegelung an einer Ebene senkrecht zur Achse

Beispiele der Cn-Symmetriez

y

x

H

CH H

HH

CH H

H

1. CH4

4 C3-Achsen(Drehung um 120°) 3 C2 Achsen

(Drehung um 180°)

H

HH

H

z

y

x

2. C2H4

3 C2 AchsenHH

3. C2H2unendliche Zahl C2 Achsen

C∞

Beispiele für Spiegelebenen

1. CH4

6 σ-Ebenen (jede mit einem C und zwei H)

H

CH H

H

z

y

x

2. C2H4

3 σ-Ebenen (jeweils senkrecht zueinander)

H

HH

H H

HH

H HH

HH

HH

3. C2H2

1 σ-Ebenen und zusätzlich eine unendliche Anzahl von Spiegelebenen (σ) durch alle 4 Atome des Moleküls

Beispiele für Inversionszentren

H

HH

HH

H

H

H

H

H

HH

1. C2H6 2. C2H2

3. C2H2

Beispiele für S-SymmetrieH

CH H

H

S4

H

CH H

H90°

H

C H

HH Spiegelung

H

CH H

H

360° Spiegelung

Ha

CHb Hd

Hc

Ha

CHb Hd

Hc

Ha

CHb Hc

Hd

Hb1

Hb2Hb3

Ha2Ha1

Ha3

180° (Y)

Hb1

Hb2Hb3

Ha2 Ha1

Ha3

Spiegelung

Hb1

Hb2Hb3

Ha2Ha1

Ha3

1) CH4 hat 3 S4-Achsen. Drehung um eine 4-zählige Drehachse, dann Spiegelung senkrecht zur Achse.

2) S1 = σ, die erste Rotation ergibt

wieder das Ausgangsmolekül.

3) S2 = i, Eine 2-zählige Drehspiegelachse entspricht einem Inversionszentrum.

Wann sind Moleküle chiral ?Generalisierung:1. Moleküle mit einer Spiegelebene (σ) oder einem Inversionszentrum (i) sind achiral! Merke: Das sind Sonderfälle der S1- und S2-Achsen.2. Moleküle mit einer Drehspiegelachse (Sn) sind achiral!3. Moleküle ohne Sn-Achse sind chiral! 4. Chirale Moleküle können Drehachsen (Cn) besitzen!!!!5. Moleküle ohne Symmetrieelement werden asymmetrisch oder chiral genannt.

Br

H

H

Br

achiral(σ- und C2-Symmetrie)

ClF

FClachiral(σ-Symmetrie)

ClF

FClachiral(i-Symmetrie)

HOOH

O

O

OH

OHWeinsäurechiral(C2-Symmetrie)

H

H3C HCH3

chiral(C2-Symmetrie)

H Me

H

Me

Was sind chirale Moleküle?1) Moleküle mit einem chiralen Zentrum:Ein Chiralitätszentrum ist ein Atom (meistens ein C-Atom) mit vier verschiedenen Substituenten; auch oft stereogenes Zentrum genannt. Achtung: Jedes Chiralitätszentrum ist auch immer ein stereogenes Zentrum. Aber ein stereogenes Zentrummuss nicht unbedingt ein Chiralitätszentrum sein. Ein streogenes Zentrum ist dadurch definiert, dass der Positionstausch von zwei Substituenten ein Enantiomer oder Diastereomer erzeugt.Beispiele:Chirale Verbindung mit Chiralitätszentren (stereogenen Zentren)

HOOH

OH

OH

O

O

Weinsäure

meso-Weinsäure

21 3

4

HOOH

OH

OH

O

O2

1 34

C2 und C3 sind Chiralitätszentren oder auch stereogene Zentren. Das Molekül ist chiral.

C2 und C3 sind Chiralitätszentren oder auch stereogene Zentren. Aber: Das Molekül ist achiral.Meso-Verbindungen sind achirale-Verbindungen mit mehr als einem Chiralitätszentrum aufgrund der internen Symmetrie. Hier: Ein Beispiel für ein Inversionszentrum (i, bzw. S2) oder eine Spiegelebene nach Rotation.

HOOH

OH

OH

O

O

meso-Weinsäure

i = S2

Rotation

HO OHOH

OOHO

Spiegelebene (S1)

Stereogene Zentren

F

Cl

Cl

Stereogenes Zentrum

HF

Cl

ClH

Austausch von 2 Substituenten am stereogenen Zentrum

Ebenfalls keine chirale Verbindung

Achirale Verbindung (Spiegelebene); das stereogene Zentrum ist kein Chiralitätszentrum (zwei Substituenten sind identisch).

Die achirale Verbindung ist ein Diastereomer der ursprünglichenachiralen Verbindung.

Die Nomenklatur in der Stereochemie

• Messung der optischen Aktivität • R/S- Nomenklatur nach Cahn-Ingold-Prelog• D/L-Nomenklatur, Fischer-Projektion• Stereochemie der Kohlenhydrate• Mutarotation• Der anomere Effekt

elektromagnetischer Feldvektor

Meßzell mitchiraler Verbindung

Schwingungsebene deslinear polarisierten Lichtes.

Schwingungsebene deslinear polarisierten Lichtesist um den Winkel α gedreht.

α

Optische Aktivität

Die Ebene des linear-polarisierten Lichtes wird beim Durchstrahlen einer Lösung einer chiralenVerbindung um den Winkel α gedreht. Dieses Phänomen wird als optische Drehung bezeichnet; diebetreffende Verbindung ist optisch aktiv. Ein Polarimeter benutzt meist eine monochromatische Natrium-D-Lampe (λ = 589 nm). Die spezifische Drehung einer chiralen Verbindung ist eine physikalische Konstante und wird wie folgt berechnet: [α]λ = α/l . c.[α] = spezifische Drehung; λ = Wellenlänge; α = beobachtete optische Drehung; Länge der Küvette in dm(meist 1 dm), Konzentration in g/mL.

R/S-Nomenklatur (für Moleküle mit Chiralitätszentrum)Die absolute Konfiguration von Chiralitätszentren wird durch die R/S-Nomenklatur

angegeben. Zur Bestimmung der Konfiguration werden im ersten Schritt alle vier Substituenten an einem Zentralatom (Meistens Kohlenstoff) nach abnehmender Priorität geordnet. Diese Priorität wird an Hand von Sequenzregeln bestimmt. Die Priorität von Atomen entspricht ihrer Stellung im Periodensystem. D.h., Atome mit höherer Ordnungszahl haben eine höhere Priorität.

Im zweiten Schritt wird der Substituent mit der niedrigsten Priorität, meistens ein „H“, vom Betrachter aus gesehen hinter dem Zentralatom (meistens ein „C“) zu liegen kommt. In der Papierebene befinden sich nun drei, das Zentralatom umgebende Substituenten. Bewegt man sich von der höchsten über die mittlere zur niedrigsten Priorität dieser drei Substituenten im Uhrzeigersinn, so besitzt das Chiralitätszentrum eine R-Konfiguration. Bewegt man sich entgegen dem Uhrzeigersinn, so besitzt das Zentrum eine S-Konfiguration.

CH3CH

Cl

Br

2.

1.

3.

4.

H3C BrCCl2.

1.3.

S"H" nach hinten

Achtung: Das Vorzeichen (+ oder -) bei der Drehung der Ebene des linear polarisierten Lichteskorreliert NICHT mit den Symbolen R oder S!

D/L-Nomenklatur nach Fischer

Einführung: I. Die Fischer-Projektion:

CHOOH

HOOHOHOH

CHOOH

HOOHOHOH

H

HH

H

CHO

HOOHOHOH

HO

R = D-Glucose

2-epi-Glucose = MannoseGlucoseCHO

HH

HHOH

HO

HOHO

OH

S = L-GlucoseII. Stereoisomere:4 chirale Zentren, kein Symmetrieelement.→ 24 = 16 Aldohexosen-Stereoisomere.→ 8 diastereomere Paare von Enantiomeren.

III. D/L-Nomenklatur:Die D/L-Nomenklatur für Monosaccharide definiert die absolute Konfigurationam höchst nummerierten chiralen Zentrum. Die Nomenklatur kann auch auf Aminosäuren angewandt werden.R → D-Zucker (vom lat. Wort „dexter“ für rechts)S → L-Zucker (vom lat. Wort „laevus“ für links)

Nützliche Links: Kohlenhydratstrukturen;http://scholle.oc.uni-kiel.de/lind/iteach/kh_struct_home.htm; http://chem.berkeley.edu/people/faculty/bertozzi/bertozzi.html;

In der Fischer-Projektionsind die waagerechten Linienauf den Betrachter zu gerichtet.

Die senkrechten Linien weisen vom Betrachter weg.

RO

OCF3

MeO Ph

RRO

OCF3

Ph OMe

S

Cl

OCF3

MeO Ph

SCl

OCF3

Ph OMe

R

HO

OCF3

MeO Ph

RHO

OCF3

Ph OMe

S

Durch Prioritätsumkehr entsteht aus dem (R)-Säurechlorid der (S)-Ester (und umgekehrt).

R/S-Nomenklatur der Mosher-Ester undMosher-Säurechloride

CO2H3N H

R

CO2H3N H

SHL-Aminosäurein fast allen Fällen auch (S)

aber Cystein

Cystein ist einenatürliche L-Aminosäureaber (R) durch Prioritätsumkehr

L-(S) L-(R)

Vergleich der D/L- mit R/S-Nomenklatur bei Aminosäuren

Stereochemie - Kohlenhydrate

Monosaccharide – AldosenFischer-Projektion in der D-Serie der Aldosen. E. Fischer: Bestimmung der relativen Konfiguration aller Hexosen.

CHOOHOH

CHOOHOHOH

CHOHO

OHOH

CHOHO

OHOHOH

CHOOHOHOHOH

CHOOH

HOOHOH

CHOOH

HOOHOH

CHOOHOHOHOHOH

CHOOH

HOOHOHOH

CHOHOHO

OHOHOH

CHOOHOH

HOOHOH

CHOHO

OHHO

OHOH

CHOOH

HOHO

OHOH

CHOHOHOHO

OHOH

CHOHO

OHOHOHOH

Allose Altrose Glucose Mannose Gulose Idose Galactose Talose

Ribose Arabinose Xylose Lyxose

Erythrose Threose

D-Glycerinaldehyd


Monosaccharide – KetosenFischer-Projektion in der D-Serie der Ketosen.

OOHOH

OH

OOHOH

OH

OH

OHO

OH

OH

OH

OOHOH

OH

OHOH

OHO

OH

OH

OHOH

OOH

HO

OH

OHOH

OHOHO

OH

OHOH

Erythrulose

Ribulose Xylulose

Psicose Fructose Sorbose Tagatose


O

OH OH

OH

OH

OH HB

O

OH O

OH

OH

OH

H

OH

OHOH

OH

OH

O

B

HB

H

O

OH

O

OH

OH

OH

HH

O

OH

OH

OH

OH

OHHB

Mutarotation: Einstellung eines Gleichgewichtes der Anomeren über eineoffenkettigen Zwischenstufe. Allgemeine Säuren-Basen-Katalyse.


O

O

n-Orbital

σ*-Orbital

O

OHBindung wird länger

Bindung wird kürzer (Doppelbindungsanteil)

Der thermodynamische anomere Effekt

α-Glycosylbindungen sind auf Grund von n-σ* Wechselwirkungen stabilisiert. Als stereochemische Konsequenz ergibt sich daraus ein höherer Anteil des α- Anomer. Auf Grund der Delokalisierung der nicht-bindenden Elektronenpaare in das σ*-Orbital wird eine C-O-Bdg. verkürzt und der Abstand der glycosidischen Bindung vergrößert.


O

O

O

O

O

O

O

O

Stereochemie der Trichloracetimidat-Bildung -Der kinetische anomere Effekt

β-Glycosyloxid-Anionen sind aufgrund des kinetischen anomeren Effektes stärker nucleophilals α-Glycosyloxid-Anionen.1. ß-Glycoside sind sterisch leichter zugänglich (mehr „Platz“ in der äquatorialen Position).2. Wechselwirkungen zwischen Dipolen und freien Ionenpaaren destabilisieren das β-Glycosyloxid-Anion.


OAcOAcO

OHAcO

OAc

OBnOBnO

OHBnO

OBn

OBnOBnO

OHBnO

OBn

OAcOAcO

OHAcO

OAc

OBnOBnO

BnO

OBn

O

CCl3

NH

OAcOAcO

AcO

OAc

O

CCl3

NH

OAcOAcO

AcO

OAc

O

CCl3

NH

OBnOBnO

BnO

OBn

O

CCl3

NH

K2CO3, Cl3CN,CH2Cl2, 48h, r.t.


98%

78%



78%

90%

Thermodynamisch

Kinetisch

Thermodynamisch

Kinetisch

1. Kinetische Bedingungen: β-Trichloracetimidat (kinetischer anomerer Effekt)2. Thermodynamische Bedingungen: α-Trichloracetimidat (anomerer Effekt)


ORORO

OHRO

OR

RORO

OHRO

OR

O ORORO

RO

OR

O

CCl3

NH

ORORO

RO

OR

O

CCl3

NH

HOA

HO A

BF3

BF3

ORORO

RO

OR

O A

RORO

RO

OR

OO A



98%

78%

A-OH, BF3

A-OH, BF3

Die Trichloracetimidat-Methode

Kontrolle über das anomere Zentrum durch:1. Nachbargruppen-Effekte (R = OAc, OBz, NHAc: 1,2-trans-Konfiguration.2. Keine Nachbargruppen-Effekte (R = OBn)

a) Milde Lewis-Säure (BF3) und tiefe Temperatur: Inversion an C1.b) Starke Lewis-Säure (TMSOTf): Bildung der thermodynamischen Glycoside.c) Lösungsmittel-Effekte: Et2O begünstigt die α-Konfiguration; MeCN begünstigt die β-Konfiguration.

Moleküle ohne Chiralitätszentrum - axiale Chiralität

Axiale Chiralität H

H3C HCH3

Allene(C2-Symmetrie)

H

CH3H

H3C

Bestimmung der R/S-Nomenklatur für Allene:

H

Me

H Me

MeH

Me1

23

1)

2)

3)SaoderM

HMe

Me1

32RaoderP

Die Methylgruppe hat eine höhere Priorität als das H-Atom (wie bei der CIP-Nomenklatur). Man schaut entlang der C-C-Achse(Newman-Projektion) und dreht das Molekül derart, dass die Gruppe mit der niedrigsten Priorität nach unten und nach hinten zeigt. Man beginnt mit der vorderen Gruppe (unten) und geht dann zur Gruppe mit der höchsten Priorität am hinteren (oben) C-Atom. Dann zur niedrigeren Priorität. Entsprechen den CIP-Regeln wird mit Ra oder Sa (a für axiale Chiralität) oder M für minus und P für positiv (im Uhrzeigersinn) bezeichnet.

Beispiele für axial-chirale Verbindungen in der SyntheseR1

Bu3Sn HCH3

P+

O

H R2

BF3 R2

OHR1

R1

Zn HCH3

P+

O

H R2R2

OHR1R

OMs

Ausgehend von chiralen Allenyl-Metall-Verbindungen können Lewis-Säure-katalysierte Additionen(Aldol-artig) an Aldehyde vorgenommen werden. Die Wahl des Metalls bestimmt den Übergangszustand (chelatisiert oder offenkettig) und damit die Diastereoselektivität der Reaktion (syn/anti).

J.A. Marshall et al. J. Org. Chem. 1998, 63, 3812.J.A. Marshall et al. J. Org. Chem. 1998, 63, 7885.

R1

Pd HCH3

OMs

R1

R1

Zn HCH3

R

OMs

OMsL

L

Pd(PPh3)4

Et2Zn

Synthese chiraler Allenyl-Metall-Verbindungen

Moleküle ohne Chiralitätszentrum - axiale Chiralität

Die in diesen Beispielen vorliegende Art der axialen Chiralität, bei der es sich um eine gehinderteDrehbarkeit um eine Einfachbindung handelt, wird auchAtropisomerie (engl. Atropisomerism) genannt. Ein wichtiges Beispiel ist das BINOL, ein Ligand für die enantioselektiveKatalyse.

OHOH

Cl ORORCl

2,6,2',6'-substituierte Biphenyle1',1-Binaphthol (BINOL)

OHOH

(S)-1',1-Binaphthol (BINOL)

OHOH1

23S

Bestimmung der CIP-Nomenklatur: Wie im Fall der Allene wird das Molekül derart gedreht, dass die Achse von oben nach unten verläuft. Dann wird am unteren Zentrum mit der Zählung begonnen. Dann dreht man zur höheren Priorität am oberen Zentrum und schließlich zur niedrigeren Priorität. Ra oder P bzw. Sa oder M

Moleküle ohne Chiralitätszentrum - helikale Chiralität

H

HH

H

Moleküle ohne Chiralitätszentrum - planare Chiralität

Helizität ist die Chiralität aufgrund einer Schrauben-artigenForm des Moleküls. Gezeigt ist (M)-Hexahelicen.Zur Festlegung der Richtung können unsere Hände benutzt werden.Dabei zeigt der Daumen nach unten in die Richtung der Helix-Achse. Die übrigen Finger sollten dann die Drehung in der vomDaumen angegebene Richtung der Helix beschreiben. In dem hier vorliegenden Fall beschreibt nur die linke Hand korrekt die vorliegende Helix.Daher ist es eine M-(minus) Helix; oder auch linkshändigeHelix genannt. Rechtshändige Helix = P (plus).

H

H

H

H(P) (M)

Planare Chiralität ist die Chiralität aufgrund eingeschränkter konformativer Flexibilität in gespannten Ringsystemen und der Anordnung vonSubstituenten außerhalb einer Ebene. Als Beispiel ist (E)-Cyclooctenangeführt. In einem Achtring ist die E-Doppelbindung stabil, die Konformation jedoch bei Raumtemperatur fixiert. Daher können zwei verschiedene Enantiomere isoliert werden. Bestimmung der Chiralität: Die Doppelbindungsebene wird nach oben gelegt und dann bestimmt, in welche Richtungsich die Reste wegdrehen. Im linken Fall im Uhrzeigersinn (P oder Rp), imrechten Fall entgegen des Uhrzeigersinns (M oder Sp).

CIP, Angew. Chem. 1966,78, 413-447; Angew. Chem. Internat. Ed. Eng. 1966, 5, 385-415.

Homotope Gruppen

HO OHHabH

2

Im 1,3-Propandiol betrachten wir die beiden H-Atome an C2.Werden beide H-Atome jeweils durch ein Deuterium ersetzt,entstehen zwei neue Moleküle, die jedoch beide achiral sind unddie ihre gegenseitigen Spiegelbilder darstellen. Man sagt, dieseAtome sind homotopisch (engl. homotopic).

HO OHHaD

HO OHDbH

identische Moleküle

Zwei Gruppen (hier H-Atome) sind homotopisch, wenn siedurch eine Cn-Drehachse ineinander überführbar sind. Hier überführt eine C2-Achse die beiden H-Atome ineinander.

Heterotope Gruppen

HO

HabH

OH

Die beiden H-Atome sind NICHT durch eine Rotation um eine Cn-Achse austauschbar. D.h.: sie sind heterotopisch.Falls die beiden H-Atome durch eine Spiegelebene, ein Inversionszentrum oder eineDrehspiegelung ineinander überführbar sind, werden sie enantiotopisch genannt.

Anders: Wird jeweils ein H-Atom gegen ein Deuterium ausgetauscht, handelt es sich umEnantiomere.Prochiralität: Wenn der Austausch einer Gruppe an einem C-Atom in einer achiralenVerbindung zu einer chiralen Verbindung führt, wird das betreffende C-Atom alsprochirales C-Atom bezeichnet.

EnantiomereHO

DbH

OH HO

HaD

OH

Diastereotope Gruppen

HO

HabH

OH

Ha und Hb sind heterotopisch und können NICHT durch eine Spiegelung, Inversion, Drehspiegelung oder Drehung ineinanderüberführt werden. Man nennt sie daher: Diastereotop

Oder anders: Der Austausch eines H-Atoms führt zu Diastereomeren.

DiastereomereHO

DbH

OH HO

HaD

OH

Prochirale FlächenO

R H

Nu-H

R H

R Nu

R H

Nu R+

Enantiomere

Ein trigonal planares Molekül hat zwei prochirale Flächen,wenn die Addition eines vierten Liganden ein chirales Molekül erzeugt.

Die beiden Flächen sind enantiotope Flächen.

O

R H

O

RH

NuNu

1

2 3

1

23

Gegen den Uhrzeigersinn= si Fläche (engl. si face)

Im Uhrzeigersinn= re Fläche (engl. re face)

Dynamische StereochemieMoleküle sind NICHT statisch. Sie unterliegen Rotationen und Streckungen. Eine Konformation beschreibt die exakte Anordnung der Atome im Raum.Verschiedene Konformationen können durch Drehungen um Einfachbindungen ineinander überführt werden. Unter Konformationsanalyse versteht man dieAbschätzung der relativen Energie-Werte verschiedener Konformationen einesMoleküls und deren Einfluss auf die chemischen Eigenschaften.

Konformationsanalyse von Ethan:Jede ekliptische-Anordnung (engl. eclipsed) zweier benachbarter H-Atome führt zu einem Anstieg der relativen Energie um 1 kcal/mol. Daher hat die ekliptische-Konformationeine um 3 kcal/mol höher Energie als die gestaffelte Konformation (engl. staggered).

H

H H

H

H

H

HH

H

H

H

H

Gestaffelte Konformation

Ekliptische Konformation

Erel = 0 (kcal/mol) Erel = 3 (kcal/mol)

Ethan Konformation

H

H H

H

H

H

HH

H

H

H

H

0°60°

gestaffelt: Erel = 0 (kcal/mol)

ekliptisch: Erel = 3 (kcal/mol)

Jede der drei ekliptischen H-H-Interaktionen trägt 1 kcal/mol zur Gesamtenergie bei.

3 kcal/mol

0° 60° 120° 180° 240°

Butan Konformationen

CH3

H H

CH3

H

H

HH

H3C

H

H

CH3CH3

H H

H

CH3

H

CH3

H H

H

H

H3C

HH

H3C

H

CH3

H

H3CH

H3C

H

H

H

180°

Me/Me anti(0)

120°

Me/H ekliptisch(+3,4), chiral, C2

Gauche(+0,9), chiral, C2

Me/H ekliptisch(+3,4), chiral, C2

Gauche(+0,9), chiral, C2

Me/Me ekliptisch(+6)

60°

0°

300°240°

Die beiden gauche- und Me/H-ekliptischen Konformationen sind Spiegelbilder voneinander.

Beiträge der sterischen Spannung

1RR2R1 R2 Beitrag zur EnergieH H 1,0 kcal/molCH3 H 1,4 kcal/molCH3 CH3 3,0 kcal/mol

CH3

CH3

H

H

CH3 H

CH3

H

CH3

CH3

+ 4 kcal/mol 0 kcal/mol

CH3

H

H

H

CH3 H

H

H

CH3

CH3

+ 0,7 kcal/mol 0 kcal/mol

Konformation in Lösung

Hoffmann, R. W.; Angew. Chem. 1992, 104, 1147-1157; Angew. Chem. Int. Ed.1992, 31, 1124-1134; Hoffmann, R. W.; Angew. Chem. 2000, 112, 2134-2150; Angew. Chem. Int. Ed. 2000, 39, 2054-2070.

Konformationsanalyse beim Cyclohexan

H

H

R

H

H

H

H

R

3

6 6

3

anti

äquatorial R

gaucheaxial R

H

R

H

R

R = äquatorial R = axial

1

234

5 61

23

4 56

Man schaut in Richtung der C1-C2-Bindung. Die gleiche Sichtweise ist ebenfalls in der Newman-Projektiondargestellt. Im äquatorialen Fall steht die R-Gruppe zubeiden Hälften des Ringes anti. Im axialen Fall kommt eszu zwei gauche-Interaktionen und damit zu einer Erhöhung der Energie um zweimal 0,9 kcal/mol.Daher ist die axiale Position gegenüber der äquatorialen Position destabilisiert. Für R = Me wären das 1,8 kcal/mol.

Die A-Werte für Cyclohexane

H

R

H

R∆G°

Der A-Wert = - ∆G°

Für den Fall, dass R vorzugsweise äquatorial liegt, ist A positiv und somit ∆G° negativ.Je größer der Rest ist, um so größer ist der A-Wert.

R A-Werte (kcal/mol)-CCH 0,45-CH3 1,7-CH2CH3 1,8-CH(CH3)2 2,2-Si(CH3)3 2,5-C6H5 2,8-C(CH3)3 4,8

Der Zusammenhang zwischen Energie und Selektivität

B oder CABetrachtet wird die Transformation von A zu B oder C.

Thermodynamische Kontrolle:Selektivität = B/C = e (-∆∆G°/RT) R = Gaskonstante (1,99 cal/mol K)

T = Temperatur in Kelvin (Raumtemp. = 25°C, 298 K)

Ein ∆∆G+ von 1,4 kcal/mol ergibt ein Verhältnis von 10:1 für B/C.Ein ∆∆G+ von 2,8 kcal/mol ergibt ein Verhältnis von 100:1 für B/C.

Kinetische Kontrolle:Selektivität = B/C = e (-∆∆G+/RT) R = Gaskonstante (1,99 cal/mol K)

T = Temperatur in Kelvin (Raumtemp. = 25°C, 298 K)

Ein ∆∆G° von 1,4 kcal/mol ergibt ein Verhältnis von 10:1 für B/C.Ein ∆∆G° von 2,8 kcal/mol ergibt ein Verhältnis von 100:1 für B/C.

Thermodynamische oder kinetische Kontrolle 1) B und C sind Diastereomere

A

B

C

E

Reaktionskoordinate

∆G+B ∆G+

C

∆G+B - ∆G+

C = ∆∆G+

C wird schneller generiert.∆∆G+ bestimmt die kinetische Selektivität der Reaktion.

∆G°C - ∆G°B = ∆∆G°

∆∆G° bestimmt die thermodynamische Selektivität. Β ist dasthermodynamische Loch.

In diesem Beispiel ist C das kinetische Produkt und B das Produkt thermodynamischer Kontrolle.Beide Wege können für die stereoselektiveSynthese benutzt werden.

A

B C

E

Reaktionskoordinate

∆G+B ∆G+

C

∆G+B - ∆G+

C = ∆∆G+

C wird schneller generiert.∆∆G+ bestimmt die kinetische Selektivität der Reaktion.

2) B und C sind Enantiomere

Lediglich die kinetische Kontrollegibt Produktselektivität.

Thermodynamische Kontrolle oder kinetische Kontrolle


Die Produktverteilung wird von einem der folgenden zwei Faktoren beeinflusst: 1. Thermodynamische Kontrolle: Die Reaktionszusammensetzung und Produktverteilung wird durchdie relative Energie der Produkte bestimmt.Um eine Reaktion unter thermodynamischer Kontrolle durchzuführen, müssen entwedera) die Produkte B und C reversibel A wiederherstellen können, oder b) B und C müssen in einem direkten Gleichgewicht stehen, welches nicht notwendiger Weise über A gehen muss.

2. Kinetische Kontrolle: Die Reaktions- und Produktverteilung wird von der Geschwindigkeit bestimmt, mit der B und C gebildet werden. Das Produkt, welches schneller gebildet wird, entstehtim Überschuß.

Merke:1) Diastereomere haben unterschiedliche Bildungsenthalpien. Wenn B und C Diastereomere sind, dann kann sowohl die kinetische Kontrolle als auch die thermodynamische Kontrolle zu Stereoselektivitäten führen.2) Enantiomere haben identische Bildungsenthalpien: Wenn B und C Enantiomere sind, dann kann lediglich die kinetische Kontrolle zur stereoselektiven Bildung eines Enantiomeren führen.

Zusammenhang zwischen Temperatur und Selektivität

∆∆G° oder ∆∆G+ Temperatur Selektivität1,4 kcal/mol 25 °C 10:11,4 kcal/mol -25 °C 17:11,4 kcal/mol -78 °C 37:1

1,4 kcal/mol 25 °C 10:11,1 kcal/mol -25 °C 10:10,9 kcal/mol -78 °C 10:1

Eine Temperaturerniedrigung erhöht die Selektivität einer Reaktion.

Es gibt verschiedene Formen, eine Reaktion zu beschreiben


Wir nehmen an, dass B und C Diastereomere sind und in einem Verhältnis von 3: 1 für B:Centstehen.Die Selektivität kann dann wie folgt wiedergegeben werden.

a) Diastereomeren Verhältnis oder kurz er (engl. diastereomer ratio).Selektivität = B/C = 3:1 oder auch 75 : 25

b) Diastereoselektivität oder kurz ds (engl. diastereoselectivity)Hier würde man von 75% Diastereoselektivität sprechen.

c) % Diastereomerenüberschuss oder kurz %de (engl. diastereomeric excess)Hier wären es 50%de%de = %Hauptprodukt - %Unterschussisomer = 75% - 25% =50%

Für Enantiomere gelten die analogen Ausdrücke: Enantiomerenverhältnis, kurz er (engl.Enantiomeric ratio; Enantioselektivität, kurz es (engl. Enantioselectivity);Enantiomerenüberschuss oder %ee (engl. enantiomeric excess).

Stereochemische Kontrolle

1) Substrat-Kontrolle oder auch chirale Induktion: Die in einem Substrat vorhandenen chiralenZentren können zum selektiven Aufbau neuer chiraler Zentren genutzt werden.

Me B O

OMeMe

MeMe

OHC OTBS+ OTBSMe

OH

MeOTBS

Me

OH

Me+

61:39 Diastereoselektivität

Roush et al. „Acyclic Diastereoselective Synthesis Using Tartrate Ester Modified Crotylboronates.Double Asymmetric Reactions with a-Methyl Chiral Aldehydes and Synthesis of the C(19)-C(29) Segment of Rifamycin S,“ J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 6348-6359.

2) Reagenz-Kontrolle: Hier wird eine chirale Hilfsgruppe eingeführt, und das so erzeugte chirale Enolatkann selektiv alkyliert werden.

PhN

OH

Me O

Me

PhN

OH

Me O

Me R1

PhNH

OH

Me O

Me R1HO+

Meyers et al. „Pseudoephedrine as a Practical Chiral Auxiliary for the Synthesis of HighlyEnantiomerically Enriched Carboxylic Acid, Alcohols, Aldehydes and Ketones.“ J. Am.. Chem. Soc. 1997, 119, 6496-6511.

Enzymatische kinetische Racemattrennung

R1 R2

OHenantioselektive Veresterung

R1 R2

OH

R1 R2

OAc+

R1 R2

OAcenantioselektive hydrolyse

R1 R2 Biokatalysator ee%a: Alkyl Me ANL, CRL, 70-95

MHL, PPLb: CH2CH=CMe2 Me PPL, PFL 90-100c: 4-MeC6H4 Me PFL, SAMII 100d: PhCH=CH Me Penicillin 85

acylase

Andere Substrate, die über eine enzymatische Racemattrennung erhalten werden können.

OCOR4R3

R2 R1 O OAcylOH

Ph

OH

O

O OH

Boland et al. Esterolytic and Lipolytic Enzymes in Organic Synthesis. Synthesis, 1991, 1049-1072

Enzymatische Racemattrennung: Desymmetriesierung

Enzymatische Veresterungen können symmetrische, achirale Verbindungen in eine einzige Enantiomeren-reine Verbindung überführen. Dabei beträgt die theoretische Ausbeute der Desymmetriesierung 100%. Meso-Verbindungen erzeugen dabei Produkte mit mehreren chiralen Zentren.

AcO OHAcO OH

O OCO2H

CO2Me

MeO2C CO2H

HO MeNN

OBnBn

OHAcO

OCO2H

CO2Me

PLE or PPL90-95% ee

PFL (Hydrolyse)95% ee, 79%

(Hydrolyse)99% ee, 82%


PLE (Hydrolyse)92% ee, 76%


Johnson et al. Biotransformations in Synthesis of Enantiopure Bioactive Molecules,Acc. Chem. Res. 1998, 31, 333-341.

Desymmetriesierung und Trennung

OAcAcO

meso

langsame Hydrolyse

schnelle Hydrolyse

PLE

pH 7 Puffer< desymmetriesierung>

OHAcO

langsame Hydrolyse

+ OAcHO

schnelle Hydrolyse

OHHO

Eine zweite Hydrolyse des ersten kinetischen Alkohols führtzu einer Trennung der beiden mono-funktionalisierten Enantiomere.Der Enantiomerenüberschuß steigt mit fortschreitender Reaktion.

Sih et al. Bifunctional Chiral Synthons via Biochemical Methods, J. Am. Chem. Soc. 1984, 106, 3695; Deardorff et al. Enantioselective Hydrolysis of cis-3,5-Diacetoxycyclopentene ... Org. Synth. 1995, 73, 25-35.

OH

schnelllangsam

Ti(OiPr)4tBuOOH

(-)-DIPT

OH

OH

O

O

plus threo-Isomere

+

OH

O O

langsam

schnell

Desymmetriesierung und Racemattrennung: Chemische Methoden

top faces: enantiotopicbottom faces: enantiotopicleft faces: diastereotopicright faces: diastereotopic

Me(Ipc)2BHH2O2NaOH

MeOH

Schreiber et al. JACS 1987, 109, 1525.

Documents

Vorlesung SS 2003 FU-Berlin Professor M. Kalessekirste.userpage.fu-berlin.de/ag/kalesse/Stereochemie1_50.pdf · Meso-Verbindungen sind achirale-Verbindungen mit mehr als einem Chiralitätszentrum