Isomere
Gleiche Anzahl und Art von Atomen
identische Molmassen und Summenformel
unterscheiden sich in mindestens einer chemischen oder physikalischen Eigenschaft.
Stereoisomere
Stereoisomere sind Verbindungen gleicher Konstitution, unterscheiden sich jedoch in der räumlichen Anordnung ihrer Atome (à3. Dimension). Darstellung nur durch räumliche Modelle, perspektivische Zeichnungen o.ä.
Mesomerie
Delokalisation von π-Elektronen in einer Verbindung (àmesomere Grenzstrukturen)
Symmetrie
Invarianz eines Objektes bezüglich einer Transformation
—>Ein Objekt ist dann symmetrisch, wenn eine Symmetrieoperation es auf sich selbst abbildet.
Punktgruppen
Der Satz aller an einem Molekül ausführbaren Symmetrie-Operationen wird als Symmetrie-Punktgruppe bezeichnet
Asymmetrie
Moleküle, die keinerlei Symmetrieelemente aufweisen. Asymmetrie ist eine hinreichende, aber nicht notwendige Bedingung für die Existenz von Enantiomeren und damit für das Auftreten von optischer Aktivität. Alle asymmetrischen Moleküle sind chiral und optisch aktiv.
Pseudoasymmetrie
Wird ein asymmetrisches Zentrum von einer Symmetrieebene durchschnitten, ist es ein Pseudoasymmetriezentrum. Es sind dann 2 Mesoformen möglich, die mit re- oder si-konfiguriert werden.
Konstitution
Die Konstitution einer Verbindung gibt Auskunft über die Anzahl und Art ihrer Atome sowie die Reihenfolge der Verknüpfung der Atome und die jeweilige Bindungsordnung. Die Konstitution trifft jedoch keine Aussage zur räumlichen Ausrichtung der Atome.
Konformation
Räumlich Anordnung von Atomen bzw. Atomgruppen eines Moleküls definierter Konfiguration, die durch Drehung um Einfachbindungen erzeugt und nicht zur Deckung gebracht werden können.
Konfiguration
Als Konfiguration wird die räumliche Anordnung von Atomen oder Atomgruppen innerhalb eines Moleküls bezeichnet, soweit diese von Rotationen um Einfachbindungen nicht beeinflusst wird.
Unter der absoluten Konfiguration versteht man die tatsächliche räumliche Anordnung von Atomen oder Gruppen um eine stereogene Einheit einer chiralen Verbindung
Die relative Konfiguration einer Verbindung ist die räumliche Anordnung von Gruppen oder Atomen relativ zu anderen Gruppierungen desselben Moleküls
Enantiomere vs. Diastereomere
Als Enantiomere werden zwei sich spiegelbildlich zueinander verhaltende Moleküle bezeichnet, die sich nicht zur Deckung bringen lassen. Diastereomere sind dagegen Verbindungen, die zwar konstitutionell gleich sind, sich jedoch nicht spiegelbildlich zueinander verhalten.
Eutomer und Distomer
Als Eutomer wird das Enantiomer eines Arzneistoffs bezeichnet, das die höhere Affinität bzw. Aktivität zu der jeweiligen Zielstruktur besitzt
Im Gegensatz dazu wird das Enantiomer mit der geringeren Affinität bzw. Aktivität als Distomer bezeichnet.
Eudismisches Verhältnis
Unter dem eudismischen Verhältnis versteht man den Quotienten aus der Affinität bzw. Aktivität des Eutomers und der Affinität bzw. Aktivität des Distomers.
Levofloxacin, Levocetirizin und Escitalopram sind Beispiele für Arzneistoffe, bei denen nur das Eutomer in enenatiomerenreiner Form zum Einsatz kommt.
Racemat
Mischung gleicher Anteile rechtsdrehender- und linksdrehender Formen, sodass keine optische Aktivität mehr zu beobachten ist z.B. Traubensäure.
Racematspaltung:
Salzbildung mit chiralen Säuren bzw. Basen
—>Diastereomere Salze
Kovalente Derivatisierung mit chiralen Reagenzien àDiastereomere Verbindungen
Bildung diastereomerer Komplexe z.B. in der Chromatographie mit chiralen Säulenmaterialien
Enzymatische Racemattrennung mit Enzymen
Optische Aktivität
Änderung der Schwingungsebene von linear polarisiertem Licht beim Durchtritt durch ein (optisch aktives) Medium z.B. asymmetrische Quarzkristalle, um einen chrarakteristiischen Betrag nach rechts (+) oder links (-).
Ursache: Wechselwirkung des rechts- und linkszirkular polarisierten Lichts mit dem chiralen Medium.
Optische Aktivität geht beim Lösen verloren: kristalline Asymmetrie
Optische Aktivität bleibt beim Lösen erhalten: molekulare Asymmetrie
Als Chiralität wird die Eigenschaft eines Moleküls bezeichnet, mit einem spiegelbildlichen Objekt nicht zur Deckung gebracht werden zu können
Mutarotation
Beim Auflösen ändert sich zunächst der Drehwert kontinuierlich, bis ein konstanter Wert erreicht wird.
Grund: Isomerisierung an einem Asymmetriezentrum („Epimerisierung“)
àEinstellung eines Gleichgewichts
z. B. Glucose: ca. 64 % b-D-Glucose
(+ 52,5 bis 52,7) ca. 36 % a -D-Glucose
Nicht 50/50 —> weitere Stereozentren in der Nachbarschaft beeinflussen den Prozess
Z, E
Bezeichnen synonym mit seqcis und seqtrans cis- oder trans-Orientierung der Bezugsliganden, die nach der Sequenzregel ausgewählt werden
d, l
(+) (-)
d,l wurden früher gleichbedeutend zur Kennzeichnung des Drehsinns einer optisch aktiven Substanz verwendet, heute nur noch (+) und (-), d,l gelegentlich zur Kennzeichnung eines racematischen Gemisches (dl-Paar)
D, L
Legen die Konfiguration eines Chiralitätszentrums in Bezug auf den Glycerinaldehyd fest. Der Bezugsligand des Zentrums befindet sich in der Fischer-Projektion auf der rechten (D) bzw. auf der linken (L) Seite der Kette.
R, S
Kennzeichnen ohne Bezugssubstanz die Konfiguration an Chiralitätselementen (R,s) und Pseudochiralitätselementen (r,s)
alpa, beta
Bei Steroiden: geben für einen ringständigen Liganden des Cholesterangerüstet an, dass er sich hinter (α) oder vor (β) der Papierebene befindet.
Bei Zuckern: β(α) kennzeichnet cis(trans)-Stellung der anomeren OH-Gruppe zur CH2OH-Gruppe
M, P
Bezeichnen den Drehsinn einer Helix
Cis, trans
Die beiden Bezugsliganden befinden sich auf der gleichen (cis) bzw. auf der entgegengesetzten Seite (trans) einer Bezugsebene
Seqcis, seqtrans
Kennzeichnen synonym mit E und Z cis- bzw. trans-Orientierung der Bezugsliganden, die nach der Sequenzregel ausgewählt werden
Erythro, threo
Die Bezugsliganden zweier benachbarter Chiralitätszentren liegen in der Fischer-Projektion auf der gleichen (erythro) bzw. auf entgegengesetzten Seiten (threo) einer Hauptkette
s-cis, s-trans
cisoid, transoid
Bezeichnen cis/trans-Isomere an Einfachbindungen mit partiellem Doppelbindungscharakter (s = single bond)
Meso
Sagt aus, dass ein Molekül mit mehr als einem Chiralitätszentrum eine Symmetrieebene besitzt
Exo, endo
Ein Ligand an einem Hauptring eines bicyclischen Ringsystems ist der Brücke zugewandt (exo) oder abgewandt (endo)
Konformations-Formel
Haworth-Formel
Keilstrich-Formel
Sägebock-Projektion
Newman-Projektion
Konformationsisomere
Stereoisomere, die aus der nahezu freien Rotation um Einfachbindungen sowie durch eine Flexibilität von Bindungswinkeln entstehen. Oft nicht trennbar. Schnelle Umwandlung ineinander, ohne dass dabei Bindungen gebrochen und neu geknüpft werden (z.B. axial/equatorial). Bei behinderter Rotation können sie auch isolierbar sein.
Man findet Enerigemaxima und Energieminima.
Konformere
Real existierende Konformationen, also solche, die ein Energieminimum aufweisen
Konformationsanalyse: führt zu Aussagen über die bevorzugte(n) Konformation(en) eines Moleküls (i.d.R. diejenige(n) mit dem kleinsten Energiegehalt).
Ring Flip
Der Ring-Flip ist ein Phänomen, bei dem durch Rotation um Einfachbindungen eine Umwandlung cyclischer Konformere gleicher Ringformen stattfindet. Die räumlichen Positionen der Substituenten müssen dabei nicht unbedingt gleich bleiben.
Cyclohexan ist die prominenteste Verbindung, bei der der Ring-Flip zu beobachten ist. Die Vorzugskonformation dieses sechsgliedrigen Ring-Alkans ist die Sesselkonformation. Entgegen den Erwartungen zeigt das 1H-NMR-Spektrum von Cyclohexan keine zwei Signale bei verschiedenen Resonanzfrequenzen für axiale und äquatoriale Wasserstoffatome, die sich in leicht unterschiedlichen chemischen Umgebungen befinden. Der ekliptische Übergangszustand, der bei der Konformationsumwandlung durchlaufen wird, ist energetisch wenig angehoben, sodass die Isomerisierung bei Raumtemperatur schnell stattfindet und nur ein Signal beobachtet werden kann. Dies ändert sich, wenn die Temperatur so stark erniedrigt wird, dass aufgrund der Energiebarriere der Isomerisierung die Umwandlung viel langsamer stattfindet. Beim Ring-Flip von Cyclohexan werden alle axialen Substituenten zu äquatorialen und alle äquatorialen zu axialen.
Konstitutionsisomere
gleiche Summenformel, unterschiedliche Art und Aufeinanderfolge der Bindungen.
1) Valenzisomerie
2) Funktionelle und Positions-Isomerie
a) Ketten-Isomere
b) Positions-Isomere
c) Funktionelle Isomere
3) Tautomere
a) Keto-Enol-Tautomerie
b) Lactam-Lactim-Tautomerie
Konfigurationsisomere
Stabile Stereoisomere mit unterschiedlicher räumlicher Anordnung der Atome um seinen chiralen oder starren Teil; Umwandlung ist nur durch Öffnung und Neubildung von Bindungen möglich à hoher Energieaufwand; trennbar aufgrund wesentlich höherer Energiebarrieren im Vergleich zu Konformeren/Konformationsisomeren.
1) Diastereomere
2) Enantiomere
Stereoisomere/Konfigurationsisomere, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten; aber nicht zur Deckung zu bringen sind.
Enantiomere sind chiral/optisch aktiv.
—>Chiralität ist die notwendige Bedingung für das Auftreten von Enantiomeren
a) Eutomere
Stärker wirksames Enantiomer
b) Distomere
Schwächer wirksames oder unwirksames Enantiomer
c) Enantiomere Zucker
Sind an jedem Asymmetriezentrum entgegengesetzt konfiguriert
Diastereomere
Alle Stereoisomere, die nicht Enantiomere sind, sind Diastereomere. Diastereomere unterscheiden sich in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften.
1) achirale Diastereomere
2) Chirale Diastereomere
3) Cis/Trans Isomere
Per Definition Diastereomere; cis bedeutet, dass gleiche oder gleichartige Substituenten auf der gleichen Seite sind, während trans bedeutet, dass sich diese auf entgegengesetzten Seiten befinden. Cis/trans-Nomenklatur ist nur beschränkt anwendbar. Wenn beispielsweise vier verschiedene Substituenten vorliegen, wird die Zuordnung schwierig.
3) E/Z-Isomere
Erster Schritt ist die Bestimmung der Substituentenreihenfolge nach CIP rechts und linke der Doppelbindung/Des Ringsystems. Zeigen die Substituenten mit der höchsten Priorität rechts und links der Doppelbinung/des Ringsystems in die gleiche Richtung spricht man von Z, zeigen sie in die entgegengesetzte Richtung spricht man von E.
Merke: E ist nicht immer gleich trans und Z ist nicht immer gleich cis.
a) syn/anti-Isomere
Bei Iminen, Oximen und Azoverbindungen treten in Abhängigkeit von der Anordnung der Substitutenten an der C=N- bzw. N=N-Doppelbindung ebenfalls E/Z-Isomere auf, die auch ans syn- und anti-Isomere bezeichnet werden
4) Diasteroemere Zucker
unterscheiden sich an mindestens einem von mehreren Stereozentren
a) Epimere
unterscheiden sich an genau einem von mehreren Asymmetriezentren
b) Anomere
unterscheiden sich in der Konfiguration am anomeren C-Atom (C1)
Cis/trans und E/Z
Ursachen
Die E/Z- bzw. cis/trans-Isomerie wird auch als geometrische Isomerie
bezeichnet. Sie kann auftreten bei eingeschränkter Rotation aufgrund von
- Doppelbindungen
- Ringsystemen (moncyclischen oder kondensierten)
- sowie bei Komplexen mit planarer quadratischer Geometrie oder
Oktaeder-Struktur.
Voraussetzung: A ≠ B und C ≠ D
Cis-trans-Isomerie bei RIngsystemen
Cis/trans-Isomerie bei Ringsystemen (Monocyclen)
Bei zwei- und mehrfach substituierten Ringsystemen kann neben cis/trans- (E/Z)-Isomerie zusätzlich Chiralität (Enantiomere) auftreten, wenn die sp3-hybridisierten Kohlenstoffatome asymmetrisch substitutiert sind.
Ringe mit ungerader Anzahl an Ringatomen
Bei zwei gleichen Substituenten ist das jeweilige trans-Isomere optisch aktiv, während das cis-Isomere eine Mesoform darstellt und dadurch insgesamt achiral ist.
Ringe mit ungerader Anzahl an Ringatomen und 2 gleichen Substituenten
Ringe mit unterschiedlicehn Substituenten
Analoge Situation bei Ringen mit gerader Anzahl an Ringatomen
und unterschiedlichen Substituenten in 1,2- (oder 1,3-) Position
Ringe mit gerader Anzahl an Ringatomen
Bei disubstituierten Cyclohexanen mit zwei verschiedenen Substituenten können je nach Substitutionsmuster folgende Isomeren auftreten:
1,1-Disubstitution: keine Chiralität aufgrund der Symmetrieebene
1,4-Disubstitution: Cis/trans-Isomerie; keine Chiralität aufgrund der Symmetrieebene
1,2-Di- bzw. 1,3-Disubstitution: Cis/trans-Isomerie und Chiralität
Man erhält vier Stereoisomere, jeweils ein cis- und ein trans-Enantiomerenpaar
Bei Cyclohexan-Derivaten mit mehr als zwei Substituenten werden die stereochemischen Verhältnisse entsprechend komplexer. Bei solchen Verbindungen ist die Betrachtung anschaulicher 3-D-Modelle (Molekülbaukasten oder Computerbilder) unerlässlich.
Mesoformen
Wenn Verbindungen zwei identisch verbundene, gleichartig substituierte
Asymmetriezentren aufweisen, existieren drei unterschiedliche Steroisomere, nämlich die zwei Enantiomere (R,R) und (S,S) sowie die Mesoform (R,S).
Aufgrund der molekularen Symmetrie sind die R,S-Form und die S,R-Form
identisch und stellen somit keine Enantiomere dar. Als Racemat bezeichnet
man die äquimolare Mischung der R,R-Form mit der S,S-Form.
Mesoformen (Meso-Formen, Meso-Verbindungen) sind Verbindungen, deren Moleküle mit ihren Spiegelbildern zur Deckung gebracht werden können. Sie sind achiral und daher optisch inaktiv. Allgemein kann man eine meso-Verbindung als achirales Mitglied einer Gruppe von Diastereomeren
bezeichnen, die mindestens ein chirales Mitglied aufweist (s. Weinsäure).
Exo- und Endo-Konfiguration bei verbrückten Systemen
Exo
Der Substituent liegt näher bei der kürzeren Brücke.
Bei gleich langen Brücken:
Der Substituent ist weiter entfernt von der funktionellen Gruppe
Endo
Der Substituent liegt näher bei der längeren der zwei unsubstituierten Brücken.
Bei gleich langen Brücken: Der Substituent steht näher zur funktionellen Gruppe
Chiralität
—>Notwendige und genügende/ausreichende Voraussetzung für optische Aktivität
Jedes Molekül, das nicht mit seinem Spiegelbild zur Deckung gebracht werden kann ist chiral.
—>Also keine Symmetriebenen, Symmetriezentren oder Drehspiegelachsen
Wenn zusätzlich Symmetrieachsen fehlen, dann sind die Moleküle nicht nur chiral, sondern auch asymmetrisch - Es gibt chirale Moleküle, die nicht asymmetrisch sind!
Alle chrialen Moleküle sind optisch aktiv.
Zentrale Chiralität
Tetraedrische Verbindungen mit 4 verschiedenen Substitutenten:
Bild/Spiegelbild
C mit 4 verschiedenen Substituenten
Tetraedrische Anordnung
N-Oxide mit 3 verschiedenen Substituenten
Sulfoxide mit 2 verschiedenen Substituenten; das freie Elektronenpaar vertritt die Rolle des 4. Substituenten
P mit 4 verschiedenen; eine davon doppelt gebunden
Quartäre Ammoniumverbindungen mit 4 verschiedenen Substituenten
Pyramidaler Effekt
CAVE: Pyramidale Inversion bei N-Verbindungen mit drei verschiedenen Substituenten = Schirm-Effekt
Bei Verbindungen mit trigonal-pyramidal koordinierten Atomen spricht man von einer Inversion, wenn das Atom an der Spitze der Pyramide durch die von den drei Substituenten aufgespannte Ebene hindurchschwingt. Dadurch ändert sich die Richtung der von diesem Atom ausgehenden Bindungen. Sind die drei Substituenten unterschiedlich, werden durch die pyramidale Inversion Isomere ineinander überführt, die gelegentlich auch Invertomere genannt werden. Dabei handelt es sich um Enantiomere, wenn die Verbindung keine weitere stereogene Einheit besitzt. Die Energiebarriere für die pyramidale Inversion kann sehr unterschiedlich sein.
Am Stickstoffatom von Aminen ist sie gewöhnlich sehr niedrig. Besonders das Ammoniakmolekül ist nicht starr, da die Wasserstoffatome über einen planaren Übergangszustand auf die andere Seite der Pyramide klappen können. Die Energiebarriere für die pyramidale Inversion beim Ammoniak ist mit 24,2 kJ/mol so klein, dass sich bei Raumtemperatur von Ammoniak und davon ableitbaren Aminen NR1R2R3 (R1,R2 und R3: drei verschieden organische Reste) keine Enantiomere isolieren lassen. So finden bei Raumtemperatur im Ammoniak etwa 20 Milliarden Inversionen pro Sekunde statt.
Ausnahme:
Die Trögersche Base enthält zwei pyramidale Stickstoffatome, die Stereozentren bilden. In der Regel verläuft die Inversion pyramidaler Stickstoffatome mit drei verschiedenen Resten (und einem freien Elektronenpaar) sehr schnell, so dass derartige Stoffe schnell racemisieren – nicht so die Trögersche Base. In der Trögerschen Base stehen beide Stickstoffatome in einer Brückenkopfstellung, eine pyramidale Inversion ist damit unmöglich.[2] Deshalb gibt es von der Trögerschen Base zwei stabile Enantiomere, die beispielsweise chromatographisch an einer chiralen stationären Phase getrennt werden können.
Axiale Chiralität
Allene und Spiro-Verbindungen
Voraussetzungen:
X ungleich H
Anzahl der kumulierten DB/spiroverknüpften Ringe ist gradzahlig (Enantiomere)
—>Ungerade Anzahl: cis/trans oder E/Z Isomere
Atropisomerie = axiale Chiralität bei Biphenylen (oder diesen ähnlichen Strukturen) aufgrund der gehinderten Drehbarkeit um eine Einfachbindung
Chirale/trennbare Biphenyle sind:
- die meisten tetra-ortho-substituierten Biphenyle
- tri-ortho-substituierte Biphenyle racemisieren leicht, wenn mind. einer der
- Substituenten klein ist
- di-ortho-substituierte Biphenyle lassen sich nur trennen bei großen ortho-Substituenten
- mono-ortho-substituierte Biphenyle sind selten trennbar
Planare Chiralität
Von planarer Chiralität spricht man bei Verbindungen, deren stereogene Einheit eine Chiralitätsebene ist. Dabei handelt es sich um ein planares (oder idealisiert als eben angenommenes) Molekülfragment, das mindestens einen Substituenten trägt, der aus der Ebene herausragt und dadurch zur Chiralität des Moleküls führt.
Ansa (Henkel) Verbindungen
Helikale Chiralität
Ein besonderer Fall der axialen Chiralität ist die Helizität (Helicität). Helices sind chirale Objekte, die Schrauben ähneln und dementsprechend linksdrehend oder rechtsdrehend sein können.
Linkshändige Helix —> M
Rechtshändige Helix —> P
Prochiralität
Eine Verbindung ist prochiral, wenn sie durch einen einzigen Reaktionsschritt in eine chirale Verbindung überführt werden kann.
Nomenklatur: Re- und si-
Chiraler Reaktionspartner: erkennt Re/Si Seite stereoselektiv und es entsteht bevorzugt ein Enantiomer
Achiraler Reaktionspartner: erkennt keinen Unterschied und es entsteht ein Racemat
Symmetrieelemente
Symmetrieelemente sind Untergruppen der Symmetriegruppe eines Objektes, z.B. eines Moleküls. Jedes Symmetrieelement umfasst eine bestimmte Art und Anzahl von Symmetrieoperationen, die das Objekt in eine deckungsgleiche Anordnung überführen. Die internen Symmetrieelemente, die in Molekülen vorkommen, sind Drehachsen sowie dieSymmetrieelemente der zweiten Art: Spiegelebenen, Inverseionszentrum und Drehspiegelachsen. Die Gesamtheit der Symmetrieelemente eines Moleküls ist die Punktgruppe
Retention
Der Begriff Retention bezeichnet den Beibehalt der räumlichen Anordnung von Atomen oder Atomgruppen an einem Chiralitätszentrum relativ zu einer Bezugsgruppe, beispielsweise im Zuge einer nukleophilen Substitution, bei der die substituierte Gruppe als Bezugsgruppe gilt.
stereogene Einheit
Eine stereogene Einheit ist eine Struktureinheit in einem Molekül, die Anlass für das Auftreten von Stereoisomeren ist. DIe bekanntesten stereogenen Einheiten sind CHiraltätszentren und CHiralitätsachsen, daneben Chiralitätsebenen und Pseudochiralitätszentren. Aber auch DOppelbindungen oder RInge mit geeinget angeordenten Prochiralitätszentren können stereogene Einheiten sein.
Topizität
Die Topizität ist die räumliche Beziehung zwischen konstitutionell un dkofigurativ identischen (homomorphen) Atomen oder Atomgruppen innerhalb eines Moleküls. Man unterscheidet homotope und heterotope Gruppen oder Seiten. Letztere werden weiter in enantiotope und diastereotope Gruppen oder Seiten eingeteilt und können durch die Stereodeskriptoren pro-R, pro-S, pro-r, pro-s, Re, Si, re, si, pro-E und pro-Z spezifiziert werden.
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