Organische Chemie · zentralen, tetraedrischen C-Atom, welches durch Addition bzw. Substitution in...

Dr. Sabrina Höbenreich SoSe 2019 Philipps-Universität Marburg Veranstaltungsnummer: LV-20-107-006

Experimentalchemie

für Mediziner, Zahnmediziner und Biologen (LA)

Teil 2: Organische Chemie

https://www.uni-marburg.de/de/fb15/studium/lehrexport/praktikum-humanmedizin-zahnheilkunde-biologie_l3

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Fazit der Woche 9: Carbonsäuren und ihre Derivate

Carbonsäuren: Carbonsäureester: Carbonsäureamide: Carbonsäurechloride:

Additions-Eliminierungsmechanismus an der Carboxylgruppe:

Derivate der Carbonsäuren:

Additionsschritt: Addukt Eliminierungsschritt

Fettsäuren: Aminosäuren: Isoelektrische Punkte von Aminosäuren:

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10. Stereochemie: Identität von Bild und Spiegelbild

10. Grundlagen der Stereochemie

Allgemeines Beispiel:

Cyanhydrin

Merke: Bei dieser Reaktion entstehen zwei Produkte, nämlich zwei Enantiomere!

4




Cyanhydrin

Merke: Bei dieser Reaktion entstehen zwei Produkte, nämlich zwei Enantiomere!

Enantiomer A Enantiomer B

enantiofacialer Halbraum Re-Seite

enantiofaciale Differenzierung

enantiofacialer Halbraum Si-Seite

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Merke: Die beiden Enantiomere lassen sich nicht zur Deckung bringen!

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Merke: • Enantiomere sind Strukturen, die

nicht identisch, sondern Spiegelbilder voneinander sind.

• Strukturen sind chiral, wenn sie mit

ihrem jeweiligen Spiegelbild nicht zur Deckung gebracht werden können.


Merke: Die beiden Enantiomere lassen sich nicht zur Deckung bringen!

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Bild Spiegelbild

8




Bild

Spiegelbild Bild

Spiegelbild

Merke: Achirale Strukturen lassen sich mit ihrem jeweiligen Spiegelbild zur Deckung bringen!

=

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10. Stereochemie: Moleküle mit und ohne Symmetrieebenen


Allgemeine Beispiele:

J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg

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10. Stereochemie: Konfiguration und Konformation


Beispiel: Konfiguration

Zwei Konfigurationen: Übergang von einem Enantiomer zum anderen erfordert den Bruch und die Neuknüpfung von Bindungen Merke: • Im Falle der Punktchiralität bedeutet die

Änderung der Konfiguration eines Moleküls immer den Bruch und die Neuknüpfung von Bindungen am stereogenen C-Atom

• Eine andere Konfiguration ist ein anderes Molekül!

Beispiel: Konformation

Drei Konformationen desselben Enantiomers: Um von einer Konformation zur anderen zu gelangen, ist nur die Rotation um eine Einfachbindung nötig – alle Darstellungen sind ein und dasselbe Molekül Merke: • Eine Änderung der Konformation eines Moleküls beruht

lediglich auf der Rotation um Bindungen, nicht auf ihrem Bruch!

• Verschiedene Konformere sind lediglich unterschiedliche räumliche Anordnungen ein und desselben Moleküls


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10. Stereochemie: Chiralität und Stereogene Zentren


Allgemeines:

stereogenes Zentrum

chirales Molekül

2 1

3 4

Merke: • Wenn ein Molekül ein Kohlenstoffatom enthält, das vier verschiedene Gruppen trägt, besitzt

es keine Symmetrieebene und muss folglich chiral sein.

• Das C-Atom, an das die vier unterschiedlichen Reste gebunden sind, nennt man stereogenes Zentrum

• Eine 1:1 Mischung zweier Enantiomere nennt man Racemat

• Ein Stoff ist enantiomerenrein, wenn er nur aus chiralen Molekülen derselben Konfiguration besteht.

• „chiral“ bedeutet nicht enantiomerenrein!!!


Bestimmung der Konfiguration:

Schritt 1 Weisen Sie allen Substituenten gemäß ihrer Ordnungszahl aufsteigend eine Priorität von 4 (kleinste) bis 1 (größte) zu:

4 H 3 C(H3), weil H3 < als O2

2 C(O2H), weil O2 > als H3 1 N

2 1

3 4

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Allgemeines:

stereogenes Zentrum

chirales Molekül

2 1

3 4












2 1

3 4

Schritt 2 Richten Sie das Molekül so aus, dass der Substituent mit der niedrigsten Priorität von Ihnen weg zeigt. 2 1

3 4

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Allgemeines:

stereogenes Zentrum

chirales Molekül

2 1

3 4












2 1

3 4

Schritt 2 Richten Sie das Molekül so aus, dass der Substituent mit der niedrigsten Priorität von Ihnen weg zeigt. 2 1

3 4

Schritt 3 Wandern Sie gedanklich von der Priorität 1 über 2 zu 3. Wenn dabei eine Linksdrehung entsteht, liegt eine S-Konfiguration vor, bei einer Rechtsdrehung liegt eine R-Konfiguration vor.

2 1

3 4

S


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10. Stereochemie: Cahn-Ingold-Prelog Konvention


Definition: Die Cahn-Ingold-Prelog-Konvention (kurz: CIP-Konvention) dient zur eindeutigen Beschreibung der räumlichen Anordnung der unterschiedlichen Substituenten an Atomen oder an Doppelbindungen.

Butan-2-ol

Weisen Sie allen Substituenten gemäß ihrer Ordnungszahl aufsteigend eine Priorität von 4 (kleinste) bis 1 (größte) zu.

• besitzen mindestens zwei Atome am stereogenen Zentrum dieselbe Ordnungszahl (OZ), dann vergleichen Sie die Atome, die an ersteren gebunden sind hinsichtlich ihrer OZ.

• Lässt sich auf dieser Ebene auch kein Unterschied feststellen, gehen solange jeweils eine Bindungsebene weiter weg vom stereogenen Zentrum, bis ein Unterschied auftritt.

Weitere Unterscheidungskriterien:

Bei Isotopen erhält das schwerere Isotop die höhere Priorität (Bsp. D > H)

Bei Doppelbindungen A=B wird angenommen, dass A zweimal einfach gebunden an B und B zweimal einfach gebunden an A vorliegt

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10. Stereochemie: Fischer-Projektion


Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Fischer-Projektion

Erläuterung: Die Fischer-Projektion ist eine Methode, die Raumstruktur einer linearen, chiralen chemischen Verbindung eindeutig zweidimensional abzubilden. Sie wurde von Emil Fischer entwickelt und wird häufig für Moleküle mit mehreren, benachbarten Stereozentren wie Zuckern verwendet.

Fischer-Projektionen

Regeln: 1. Eine Kette von C-Atomen wird von oben nach unten gezeichnet,

wobei das am stärksten oxidierte Atom oben steht. Für die Bestimmung der Oxidationsstufe eines gegebenen C-Atoms gilt:

a. für jede C–X Bindung mit X elektronegativer als C wird ein Wert von +1 angenommen

b. für jede C–H Bindung wird ein Wert von –1 angenommen

c. für jede C–C Bindung wird ein Wert von 0 angenommen

d. die Summe aller Werte aller Bindungen = Oxidationsstufe

2. Horizontale (waagerechte) Linien zeigen aus der Projektions-ebene hinaus auf den Betrachter zu. Dies kann auch durch ausgefüllte, zum Zentrum hin dünner werdende Keile angedeutet werden.

3. Vertikale (senkrechte) Linien laufen hinter die Projektionsebene, vom Betrachter weg. Dies kann auch durch quergestrichelte, zum Zentrum hin ebenfalls dünner werdende Keile angedeutet werden.

R S

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10. Stereochemie: Fischer-Projektion


Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Fischer-Projektion

Erläuterung: Die Fischer-Projektion ist eine Methode, die Raumstruktur einer linearen, chiralen chemischen Verbindung eindeutig zweidimensional abzubilden. Sie wurde von Emil Fischer entwickelt und wird häufig für Moleküle mit mehreren, benachbarten Stereozentren wie Zuckern verwendet.

Fischer-Projektionen

Regeln: 1. Bei Zuckern richtet sich die D/L-Nomenklatur nach der Stellung

der OH-Gruppe an dem am weitesten vom höchst oxidierten C-Atom entfernten stereogenen C-Atom, d.h. an dem in der Projektion unten stehenden.

2. Steht dieser OH-Substituent rechts, bezeichnet man die Konfiguration mit D, steht er links, mit L

3. Bei Aminosäuren richtet sich die D/L-Nomenklatur nach der Stellung der a-Amino-Gruppe

4. threo = Substituenten in der Fischer-Projektion auf entgegengesetzten Seiten

5. erythro = Substituenten in der Fischerprojektion auf derselben Seite

Übung: Zeichnen Sie die Fischer-Projektionen für die beiden Enantiomere von Alanin (α-Aminopropansäure).

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10. Stereochemie: Diastereomere und meso-Verbindungen


Definition: Diastereomere sind Stereoisomere, also chemische Verbindungen gleicher Konstitution aber unterschiedlicher Konfiguration, welche sich – im Gegensatz zu Enantiomeren – nicht wie Bild und Spiegelbild verhalten.

Merke: meso-Verbindungen sind Moleküle, die mindestens zwei Stereozentren besitzen, aber dennoch achiral sind.

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10. Stereochemie: Relative und absolute Konfiguration


Definition: Konfiguration bezeichnet die räumliche Anordnung von Atomen eines Moleküls beziehungsweise dessen räumlichen Bau, wobei Drehungen um Einfachbindungen nicht berücksichtigt werden.

absolute Konfiguration: Räumliche Anordnung der Substituenten um ein stereogenes Zentrum. Letzteres kann mittels Cahn-Ingold-Prelog Konvention (CIP-Konvention) genau definiert werden.

relative Konfiguration: Räumliche Anordnung der Substituenten um ein stereogenes Zentrum relative zu einem weiteren innerhalb desselben Moleküls.

2 1

3 4

S R S

threo erythro

S S

R S

S S

S R

R

S

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10. Stereochemie: Prochiralität


Definition: Prochiralität beschreibt die Eigenschaft eines Moleküls, das an einem zentralen, planaren C–Atom drei verschiedene Substituenten trägt, oder eines nichtchiralen Moleküls mit höchstens zwei identischen Substituenten an einem zentralen, tetraedrischen C-Atom, welches durch Addition bzw. Substitution in ein chirales Molekül überführt zu werden.


enantiotope H-Atome

homotope H-Atome

enantiotope Differenzierung

enantiofaciale Halbräume

homotope H-Atome

enantiofaciale Differenzierung

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10. Stereochemie: Optische Aktivität


Allgemeines:

Quelle: https://en.wikipedia.org/wiki/Specific_rotation

Enantiomere besitzen dieselben chemischen und physikalischen Eigenschaften (Basizität, Elektrophilie, Smp. etc.), jedoch unterschieden sie sich in ihren Wechselwirkungen mit anderen chiralen Entitäten!

Polarimeter:

Lichtquelle

Polarisations-ebenen

Polarisator

linear polarisiertes Licht

Probe

Änderung der Polarisationsebene

drehbarer Polarisationsfilter

Analysator

Merke: Chirale Verbindungen können die Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht beim Durchstrahlen verändern. Derartige Moleküle und Ionen werden optisch aktiv genannt. • Drehwinkel a = Ausmaß der Veränderung der

Polarisationsebene (in Grad)

• Rechtsdrehung der Polarisationseben = +

• Linksdrehung der Polarisationseben = –

• + und – sind unabhängig von R und S • achirale Verbindungen sind optisch inaktiv

• Racemate weisen einen Drehwinkel a von 0°

auf, da sich die Drehwerte der beiden Enantiomere ausmitteln

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10. Stereochemie: Chirale Erkennung


Bei chemischen Reaktionen:

• Achirale Reaktanden reagieren mit chiralen Reaktionspartnern jeweils identisch.

• Chirale Reaktanden können mit chiralen Reaktionspartnern jeweils unterschiedlich reagieren. Derartige Prozesse werden als doppelte Stereodifferenzierung bezeichnet, wenn bei der Reaktion mindestens ein zusätzliches stereogenes Zentrum entsteht.

• Enantiomere können in biologischen Systemen unterschiedliche Eigenschaften (Wirkungen) haben.

• Enzyme (chirale Biokatalysatoren) können beispielsweise hoch selektiv Enantiomere voneinander unterscheiden oder prochirale Gruppen defferenzieren.

In der Natur:

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10. Stereochemie: Racematspaltung


A) Salzbildung:

Quellen: a) https://www.quora.com/Can-we-separate-enantiomers; b) https://en.wikipedia.org/wiki/Aminoacylase

(R)-Säure

(S)-Säure

(S)-Amin + (R,S)-Salz

(S,S)-Salz

Diastereomerengemisch (unterschiedliche Eigenschaften)

Trennung (Kristallisation)

(S,S)-Salz

(R,S)-Salz

Freisetzung (Ansäuern)

(R)-Säure

(S)-Säure

getrennte Enantiomere

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A) Salzbildung:


B) Chromatographie:

(R)-Säure

(S)-Säure


(S,S)-Salz



(S,S)-Salz

(R,S)-Salz


(R)-Säure

(S)-Säure


Chirales Polymer

Ch

iral

e S

äule

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A) Salzbildung:


B) Chromatographie:

(R)-Säure

(S)-Säure


(S,S)-Salz



(S,S)-Salz

(R,S)-Salz


(R)-Säure

(S)-Säure


Chirales Polymer

Ch

iral

e S

äule

C) Enzymatisch:

Aminoacylase 1 (Enzym)

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10. Stereochemie: Zusammenfassung Isomerie


Moleküle mit gleicher Summenformel

sind die Moleküle deckungsgleich?

Ja! Nein!

identisch Isomere

Beispiel: Konformere

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Ja! Nein!

identisch Isomere

Ja! Nein!

gleiche Konstitution?

Konstitutionsisomere Stereoisomere


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Ja! Nein!

identisch Isomere

Ja! Nein!

gleiche Konstitution?

Konstitutionsisomere Stereoisomere

Ja! Nein!

spiegelbildliches Verhalten?

Diastereomere Enantiomere


R S

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