New Charakterisierung chiraler Moleküle · 2019. 12. 12. · Teil 6 Charakterisierung chiraler...

Teil 6

Charakterisierung

chiraler Moleküle

1

Dr. Christian Merten, Ruhr-Uni Bochum, WiSe 2019/20 www.mertenlab.de

MdS-1 | Charakterisierung chiraler Moleküle | Dr. C. Merten | WS 2019/20 2

Chiralität – ein kurzer Reminder

Cahn-Ingold-Prelog-Regeln (CIP)

Zuordnung von Prioritäten der Substituenten am Stereozentrum erfolgt wie folgt:

1. Ordnungszahl der gebundenen Atome (Elektronenpaare = 0)

2. Sind mehrere Substituenten in der ersten Sphäre identisch (bspw. alle C), dann wird die zweite Sphäre betrachtet

3. … dann die aus der dritten Sphäre usw.

4. Doppelbindungen: Z > E

3



Cahn-Ingold-Prelog-Regeln (CIP)

Nach Zuordnung der Prioritäten orientiert man den Substituenten mit niedrigster Priorität nach hinten

… und bestimmt die Anordnung der Substituenten:

Im Uhrzeigersinn: (R)-Konfiguration (von lat. rectus)Gegen Uhrzeigersinn: (S)-Konfiguration (von lat. sinister)

3

4

1

23

(S)



2 2

D-(+)- und L-(-)-Glycerinaldehyd

Historisch:

Glycerinaldehyd wurde als Standard für Definition gewählt Willkürliche Zuordnung, dass Enantiomer mit positiver optischer

Rotation D als D-Enantiomer bezeichnet wird.

Bestimmung L oder D?:

Substituent höchster Priorität in Fischer-Projektion nach oben setzen

Steht OH-Gruppe rechts, dann D (für dexter), steht sie links, dann L (laevus)



(R) und (S) – L und D – (+) und (‒)

2 2

2

2

2

D-(+)- und L-(-)-Glycerinaldehyd L-(+)-Cystein

(R) (S) (R)

Halten wir fest: CIP-Regeln bestimmen Konfiguration jedes Stereozentrums,

ggf. wird angegeben: (1R,2S)-… L/D-Definition gibt erstes Stereozentrum in Fischerprojektion

an; Diastereomere werden durch unterschiedliche Substanznamen unterschieden (Beispiel: Zucker)

Ein immer gültiger Zusammenhang zwischen R/S, L/D und opt. Rotation +/- besteht nicht!


Andere Formen von Chiralität

Zentrale Chiralität Helikale Chiralität

Axiale Chiralität Planare Chiralität


Welche Methoden können chirale Moleküle unterscheiden?

IR-Spektroskopie

Raman-Spektroskopie

UV/vis-Spektroskopie

NMR-Spektroskopie

Massenspektrometrie Massen von Enantiomeren sind identisch.

NMR-Spektren von Enantiomeren sind identisch,aber nicht die von Diastereomeren! Derivatisierung ermöglicht Unterscheidung!

UV/Vis- und Schwingungsspektren von Enantiomeren sind identisch.

Diastereomere haben theoretisch unterschiedliche Spektren; der Unterschied ist mitunter aber nicht auflösbar oder wenig charakteristisch.

Möglichkeit „chirale Strahlung“, d.h. zirkular polarisiertes Licht zur Anregung zu benutzen: Zirkulardichroismus


NMR: Derivatisierungen

Umsetzung mit chiralem Hilfsreagenz,

beispielsweise Mosher‘s Reagenz

(MTPA-Cl = methyl trifluoromethyl phenyl acetyl chloride)

Bei Mischungen von Enantiomeren: Bildung eines Diastereomerengemisches

(R)-MTPA-Cl (?)-sec-OH (S,S)- und (S,R)-Enantiomerim NMR unterscheidbar!

12

3

4 1

2

3

4


Bevorzugte Konformationen der beiden Mosher-Ester

3

3

3

(S,S)-Enantiomer (S,R)-Enantiomer

Intramolekulare H-Brücke

minimiert gleichzeitig

sterische Ww. mit Carbonyl

Stark elektronenziehende Gruppe (CF3)

geht in Ebene mit Carbonyl um Dipole-

Dipole-Ww. zu minimieren


Verschiebungseffekte

Abschirmung von R2 durch Lage oberhalb des Phenylrings (Ringstromeffekt) Hochfeldverschiebung

Elektronenziehende Ww. durch den Raum entschirmt R1 Tieffeldverschiebung

Fazit:

Im Vergleich zum freien Alkohol

Verschieben sich die 1H-Signale von R1 und R2

Verschiebung durch OMe > Ph

Definieren wir also = S - R.

Folglich:

Zeigt ein Kern > 0 ist er R1Zeigt ein Kern < 0 ist er R2


Unbekannte Konfiguration bestimmen

OH

H3C Ph

H

(S)-Ester

(R)-Ester

S

R

Vorgehen: Umsetzen des Alkohols mit (S)-und (R)-MTPA-Cl und bestimmen von .

Methyl = S - R > 0


Mehr zu Mosher-Estern inkl. Protokoll zur Analyse

Nature Protocols 2 (2007) 2451-2458


Weitere chirale NMR-Hilfsreagenzien

OHOSi

HF3CPh

Cl

H3C CH3

OSi

HF3CPh

O

H3C CH3 H

CH3

Derivatisierungsreagenz

Solvatisierungsreagenz


NMR-Shift-Reagenzien

Para-magnetische Verbindungen werden aufgrund der ungepaarten

Elektronen stark durch das Magnetfeld beeinflusst.

In der Regel kann man keine bzw. keine gut aufgelösten NMR-Spektren von

paramagnetischen Verbindungen erhalten.

Aber: Lanthanid-basierte Shiftreagenzien können gezielt eingesetzt werden

um Enantiomere im NMR auseinander zu halten.

O

O

C3F7

Eu3+3Einer der bekanntesten Vertreter:

Europium tris[3-(heptafluoropropylhydroxymethylene)-(+)-campherat]


Beispiel NMR-ShiftreagenzBi

ldqu

elle

: Frib

olin

, Ein

-und

zw

eidi

men

sion

ale

NM

R, W

iley-

VCH

, 3. A

ufla

ge

Entschirmung aller Protonen

von PEA durch Zugabe des

Shift-Reagenzes


Beispiel NMR-Shiftreagenz

Bild

quel

le: F

ribol

in, E

in-u

nd z

wei

dim

ensi

onal

e N

MR

, Wile

y-VC

H, 3

. Auf

lage


Circulardichroismus (CD)-Spektroskopie

Circulardichroismus: … misst die unterschiedliche Absorption

links- und recht-zirkular polarisierten LichtesA = ALCP - ARCP

Man unterscheidet:

ECD „electronic circular dichroism“= CD-Spektroskopie im UV/vis-Bereich (manchmal auch UV-CD genannt)

VCD „vibrational circular dichroism“= CD-Spektroskopie im IR-Bereich

ROA „Raman optical activity“= Streuung von zirkular polarisiertem Licht


ECD/VCD – Wie erhält man absolute Konfigurationen?

ECD: Vergleich mit bekannten Verbindungen, die gleiche

Chromophore tragen Empirische Regeln wie „exciton coupling“ Berechnung von Spektren Häufig verwendet bei Peptiden oder

supramolekularen Systemen

VCD: Berechnung von Spektren Selten „exciton coupling“ oder andere empirische

Regeln, da sie nur in Spezialfällen funktionieren Für Peptide: Vergleich mit bekannten Verbindungen Ideal für kleine bis mittlere organische Moleküle

Liu, Merten, Deska, Angew. Chem. Int. Ed. 57 (2018) 12151-12156


Ein wenig RUB-Geschichte

Angew. Chem. 91 (1979) 380-393


Linear polarisiertes Licht

?

Ein - zugegebenermaßen - stark vereinfachtes Modell eines Polarisators:

Unpolarisiertes Licht aus einer normalen UV/vis-

oder IR-Lichtquelle



SEM-image from NanoOpto, Somerset, NJ

Wie funktioniert‘s?

Elektromagnetische Welle, die mit ihrer elektrischen Feldkomponente parallel zum Gitter auftrifft induziert eine Oszillation von Elektronen in den Gitterlinien

Reflektion der Lichtwelle

Elektromagnetische Welle, die mit ihrer elektrischen Feldkomponente senkrecht zum Gitter zeigte keine oder nur geringe Wechselwirkungen mit dem Gitter

Transmission der Lichtwelle



Ein verbessertes „Zaun-Modell“



Die im Raum gekippte linear polarisierte Welle (hier 45° LP) kann durch ihre Komponenten Ex und Ey beschrieben werden.

𝐸 E ⋅ sin 𝜆𝑡𝐸 E ⋅ sin 𝜆𝑡

Die Welle wird entsprechend als E(Ex,Ey) beschrieben.


Zirkular polarisiertes Licht

Verschiebung einer Komponente, Exoder Ey, um eine Viertel Wellenlänge

(/4):𝐸 E ⋅ sin 𝜆𝑡

𝐸 E ⋅ sin 𝜆𝑡𝜆4

Zirkulare Polarisation


Zirkulare Polarisation

Langsame Achse

Schnelle Achse

Verzögerung um /4

quarterwave-plate (/4 plate): Dichroitischer Kristall mit verschiedenen Brechungsindizes entlang der kristallographischen a- und b-Achse.

MdS-1 | Charakterisierung chiraler Moleküle | Dr. C. Merten | WS 2019/20

Beispiel: Schwingungs-CD, also CD-Spektren im IR-Bereich

Messung i.d.R. nicht als zwei getrennte Messungen mit /4-Platten in verschiedenen Orientierungen, sondern mit photoelastischem Modulator in einer Messung

26

Messung eines CD-Spektrums


Schnelle Modulation zwischen LCP und RCP


Ein Beispiel für Konfigurationsbestimmung mit VCD

ALCP

ARCP

A = ALCP - ARCP

(1R)--pinene


Beispiel für Konfigurationsbestimmung mit VCD

-Phenylethylamin

Theo: B3LYP / aug-cc-pVTZ, gas phase, 4 cm-1 HWHHExp.: 3M in CDCl3, 25 µm pathlength

Messung des VCD-Spektrums Berechnung des VCD-Spektrums

Aus Vergleich kann absolute Konfiguration bestimmt werden


Beispiel für Konfigurationsbestimmung mit VCD

-Phenylethylamin

Theo: B3LYP / aug-cc-pVTZ, gas phase, 4 cm-1 HWHHExp.: 3M in CDCl3, 25 µm pathlength

0.0 kcal/mol

64 %

0.4 kcal/mol

33 %

1.9 kcal/mol

3 %

R / S


Sekundärstruktur-Elemente im ECD

CD-Spektren können helfen Sekundärstruktur-Elemente in Peptiden zu identifizieren.

Es sind Software-Pakete verfügbar, mit denen durch Fitten Anteile von Sekundärstrukturen abgeschätzt werden können.


Chirale Polymere

Polymer inChloroformDMSO

Chirale Poly(phenylacetylen)e besitzen ein helikal chiralesPolymerrückrat.

In einigen Fällen kann ein Wechsel des Lösungsmittels den Helix-Drehsinn invertieren.

N

O R*

H


VCD: Mehr als nur Konfigurationsbestimmungen

NH

NH

S

CHCl3

DMSO

Tetrabutyl ammoniumacetate

N. Kreienborg, C. H. Pollok, C. Merten, Chem. Eur. J. 22 (2016) 12455-12463


Letzte Worte vor‘m Fest

Gruppeneinteilungen werden auf mertenlab.de veröffentlicht Sollten Sie noch keiner Gruppe zugeteilt sein, dann schließen

Sie sich bitte Gruppe C oder D an Übungen finden immer Mittwoch statt (ab 08.01.) Montags ist keine VL! Räume: Grp A 2/99, Grp B 3/99, Grp C 5/99, Grp D 6/99

Übungsaufgaben werden immer eine Woche vor der Übung zur Verfügung gestellt und können zuhause bearbeitet werden

Es wird jeweils ein oder zwei Präsenzübungen geben, die erst in der Übung ausgegeben werden.

Nächste und letzte Vorlesung am 27. Januar 2020 mit kurzer Wiederholung der Themen

Übungen:

Vorlesung:


Letzte Worte vor‘m Fest

Termin: 06.02.2020, 14-16 HZO 40

Es wird kein Buch zugelassen sein.

Stattdessen: Gekürzte Tabellensammlung mit den notwendigen

Daten zur Strukturanalyse

Sie erhalten eine gesonderte Kopie der Tabellensammlung für

den Zeitraum der Klausur – Sie brauchen keine Ausdrucke o.ä.

mitbringen.

Klausur:


In diesem Sinne: Frohes Fest und guten Rutsch!

New Charakterisierung chiraler Moleküle · 2019. 12. 12. · Teil 6 Charakterisierung chiraler...

Documents

Transcript of New Charakterisierung chiraler Moleküle · 2019. 12. 12. · Teil 6 Charakterisierung chiraler...