Isomerie und Stereochemie

struktur-und stellungsisomere

Konstitutionsisomere sind Moleküle, die sich in der Anordnung der Atome innerhalb des Moleküls unterscheiden. Es gibt drei Arten von Konstitutionsisomeren: Kettenisomere, funktionelle Gruppen-Isomere und Positionsisomere.

Kettenisomere unterscheiden sich in der Anordnung der Kohlenstoffkette. Zum Beispiel haben n-Butan und Isobutan dieselbe Summenformel C4H10, aber unterschiedliche Strukturen.

Funktionelle Gruppen-Isomere unterscheiden sich in der Art der funktionellen Gruppe. Zum Beispiel haben Ethanol und Dimethylether dieselbe Summenformel C2H6O, aber unterschiedliche Strukturen.

Positionsisomere unterscheiden sich in der Position einer bestimmten funktionellen Gruppe oder eines Substituenten im Molekül. Zum Beispiel haben ortho-Xylol und meta-Xylol dieselbe Summenformel C8H10, aber unterschiedliche Strukturen.

Stereoisomere sind Moleküle, die dieselbe Konstitution haben, sich aber in der räumlichen Anordnung der Atome unterscheiden. Es gibt zwei Arten von Stereoisomeren: Enantiomere und Diastereomere.

Enantiomere sind spiegelbildliche Moleküle, die nicht aufeinander abgebildet werden können, ohne dass eine chemische Reaktion stattfindet. Enantiomere haben die gleiche chemische Formel und Konstitution, aber unterschiedliche räumliche Anordnungen der Atome. Enantiomere haben identische physikalische Eigenschaften, wie Schmelz- und Siedepunkt, aber unterschiedliche optische Eigenschaften, wie Drehung der Polarisationsebene.

Ein Beispiel für Enantiomere ist D- und L-Glyceraldehyd.

Diastereomere sind Stereoisomere, die nicht spiegelbildlich zueinander sind. Diastereomere haben die gleiche chemische Formel und Konstitution, aber unterschiedliche räumliche Anordnungen der Atome. Ein Beispiel für Diastereomere sind Cis- und Trans-Isomere von Cyclohexandicarbonsäure.

Konfigurationsisomere sind Stereoisomere, die nicht durch Rotation um eine Einfachbindung ineinander umgewandelt werden können. Es gibt zwei Arten von Konfigurationsisomeren: Enantiomere und Diastereomere.

Konformationsisomere sind Stereoisomere, die durch Rotation um eine Einfachbindung ineinander umgewandelt werden können. Konformationsisomere unterscheiden sich in der räumlichen Anordnung der Atome, die durch die Rotation um die Einfachbindung beeinflusst wird. Konformationsisomere haben die gleiche chemische Formel und Konstitution, aber unterschiedliche räumliche Anordnungen der Atome.

Ein Beispiel für Konformationsisomerie ist die Ringkonformation von Cyclohexan. Cyclohexan kann in zwei Formen vorkommen, der Stuhlform und der Bootform, wobei sich die räumliche Anordnung der Wasserstoffatome um den Ring herum unterscheidet. Diese beiden Formen sind Konformationsisomere.

Die Bezeichnung R oder S gibt an, ob die Substituenten in der dreidimensionalen Struktur eines Moleküls im Uhrzeigersinn (R) oder gegen den Uhrzeigersinn (S) angeordnet sind.

Um die R/S-Konfiguration eines chiralen Moleküls zu bestimmen, geht man wie folgt vor:

1. Identifiziere das chirale Zentrum: Dies ist ein Kohlenstoffatom, das mit vier verschiedenen Substituenten verbunden ist.

2. Ordne jedem Substituenten eine Priorität zu: Dies erfolgt auf der Grundlage der Atomart und -masse, wobei die höhere Priorität dem Substituenten mit der höheren Ordnungszahl zugeordnet wird.

3. Stelle das Molekül so auf, dass der Substituent mit der niedrigsten Priorität vom Betrachter abgewandt ist.

4. Betrachte die Verbindungsreihenfolge der übrigen Substituenten: Wenn sich die höher priorisierten Substituenten im Uhrzeigersinn drehen, dann hat das Chiralitätszentrum die R-Konfiguration, wenn sie gegen den Uhrzeigersinn drehen, hat es die S-Konfiguration.

1. Das chirale Zentrum ist das Kohlenstoffatom, das mit vier verschiedenen Substituenten verbunden ist:

   Cl

   |

   CH3 -- C -- H

   |

   H

2. Ordne jedem Substituenten eine Priorität zu. Hier hat Cl die höchste Priorität, dann kommt der CH3-Substituent, dann H und schließlich ein weiterer H-Substituent.

3. Stelle das Molekül so auf, dass der Substituent mit der niedrigsten Priorität (in diesem Fall das H-Atom) vom Betrachter abgewandt ist.

4. Betrachte nun die Verbindungsreihenfolge der übrigen Substituenten. Wenn sich die höher priorisierten Substituenten im Uhrzeigersinn drehen, hat das Chiralitätszentrum die R-Konfiguration, wenn sie gegen den Uhrzeigersinn drehen, hat es die S-Konfiguration. In diesem Fall drehen sich die höher priorisierten Substituenten im Uhrzeigersinn, also hat das chirale Zentrum die R-Konfiguration.

Daher lautet die R/S-Konfiguration von 2-Chlorbutan R.

1. Chirale Synthese: Hierbei wird eine chirale Verbindung als Ausgangsmaterial verwendet oder eine Syntheseroute gewählt, die eine chirale Zwischenstufe enthält. Dies kann beispielsweise durch den Einsatz von chiralen Reagenzien, Enzymen oder speziellen chiralen Katalysatoren erfolgen.

2. Enantiomerentrennung: Dabei werden die Enantiomere einer Verbindung voneinander getrennt. Dies kann durch chromatographische Trennmethoden wie HPLC (Hochleistungsflüssigkeitschromatographie), GC (Gaschromatographie) oder durch Kristallisation oder Extraktion erfolgen.

3. Racematspaltung: Hier wird ein Racemat (eine Mischung aus beiden Enantiomeren im Verhältnis 1:1) in seine beiden Enantiomere aufgespalten. Dies kann durch chemische, enzymatische oder physikalische Methoden erfolgen.

4. Dynamische Racematspaltung: Bei diesem Verfahren wird ein chirales Molekül mit einem chiralen Liganden kombiniert, der reversibel an das Molekül bindet und die beiden Enantiomere in unterschiedlichen Geschwindigkeiten umwandelt. Dadurch kann eine Enantiomerenanreicherung erreicht werden.

Beispiele für chirale Synthesen sind die asymmetrische Hydrierung und die Sharpless-Epoxidierung. Bei der asymmetrischen Hydrierung wird beispielsweise ein chirales Rhodium-Katalysatorsystem eingesetzt, um eine enantiomerenreine Verbindung zu erhalten. Ein Beispiel für eine Enantiomerentrennung ist die HPLC-Trennung von Enantiomeren. Bei der Racematspaltung kann beispielsweise die enzymatische Spaltung von Racematen mit Lipasen eingesetzt werden. Ein Beispiel für die dynamische Racematspaltung ist die Verwendung von chiralen Ionenpaaren in der Organokatalyse.