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Stereoisomerie Stereoisomere sind Moleküle, die sich nur durch die räumliche Anordnung ihrer Bestandteile unterscheiden. Ein einfaches Beispiel ist die.

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Präsentation zum Thema: "Stereoisomerie Stereoisomere sind Moleküle, die sich nur durch die räumliche Anordnung ihrer Bestandteile unterscheiden. Ein einfaches Beispiel ist die."—  Präsentation transkript:

1 Stereoisomerie Stereoisomere sind Moleküle, die sich nur durch die räumliche Anordnung ihrer Bestandteile unterscheiden. Ein einfaches Beispiel ist die cis-trans-Isomerie, das ist die Isomerie, die z.B bei den Substituenten an einer Doppelbindung auftritt. Wir wissen: eine Doppelbindung kann nicht verdreht werden, die Substituenten daran müssen also ihre Lage beibehalten. Da gibt es – scheinbar – vier Möglichkeiten:Doch lassen sich je zwei Formen durch einfaches Drehen ineinander überführen: Wir haben also nur zwei mögliche Isomere, die mit cis (=diesseits) und mit trans (=jenseits) bezeichnet werden. cistrans cis-trans-Isomere sind chemisch zwar ähnlich, haben aber doch unterschiedliche Eigenschaften (und werden manchmal sogar mit verschiedenen Namen bezeichnet). Neben der Doppelbindung gibt es auch andere Gründe für cis-trans-Isomerie, so ist z.B. auch in Ringen die freie Drehbarkeit aufgehoben: Die folgende Präsentation illustriert die Teilkapitel und aus dem Buch Chemie erleben (Wawra/Dolznig/Müllner). Da die Texte teilweise übereinander gelegt sind, muss man im Power-Point auf schalten, um alle Texte und Animationen sehen zu können. Viel Vergnügen. Edgar Wawra Bildschirm-Präsentationen

2 Schwieriger ist die optische Isomerie, da müssen wir uns die Moleküle dreidimensional vorstellen. Die vier Bindungen des Kohlenstoffes stehen ja im Raum nach allen Richtungen gleichmäßig weg. Sie zeigen zu den Ecken eines Tetraeders.

3 Stellen wir uns irgendein organisches Molekül vor Das in der Mitte sei ein Kohlenstoff, an dem vier Substituenten hängen. Und jetzt stellen wir uns einen Spiegel dazu vor, in dem sich unser Molekül spiegelt. Jetzt haben wir zwei Moleküle, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten. Schwieriger ist die optische Isomerie, da müssen wir uns die Moleküle dreidimensional vorstellen.

4 Jetzt haben wir zwei Moleküle, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten. Doch diese beiden Moleküle unter- scheiden sich voneinander nicht. Wenn wir eines drehen, sieht es genau so aus, wie das andere, es sind identische Moleküle. Das liegt daran, dass zwei Substituenten gleich sind

5 Jetzt haben wir zwei Moleküle, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten. Das liegt daran, dass zwei Substituenten gleich sind. Doch das ändert sich, wenn alle vier Substituenten verschieden sind Jetzt kann man drehen und wenden, wie man will, es lässt sich die eine Form nicht in die andere umwandeln. Es bleiben zwei verschiedene Moleküle. Sie können ja auch Ihre rechte Hand nicht durch Drehen zur Deckung mit der linken bringen.

6 Stoffe, mit dieser Eigenschaft, nennt man chiral. ( griechisch. χέρι = Hand) Dafür ist meist ein asymmetrischer Kohlenstoff verantwortlich, also ein Kohlenstoff mit vier verschiedenen Substituenten. eine Kette von drei Kohlenstoffen, an zwei davon hängt eine Alkoholgruppe, am dritten eine Aldehydgruppe. Der mittlere Kohlenstoff ist asymmetrisch,und es gibt daher ein Spiegelbild dazu. Diese pseudo- 3D -Darstellungen sind recht umständlich, daher projeziert man sie in die Papierebene, indem man sich vorstellt, dass der Tetraeder platt gedrückt wird. Das wichtigste Beispiel dafür ist der Glycerinaldehyd:

7 Man darf dann in der Ebene die Verbindung beliebig drehen, aber man darf NICHT aus der Ebene herausdrehen, denn dann würde die andere Verbindung entstehen. Stoffe, die sich auf diese Weise zueinander wie Bild und Spiegelbild verhalten, nennt man Enantiomere. Sie haben den gleichen Namen, damit man sie trotzdem unterschei- den kann, werden sie mit D (lat. dexter = rechts) und L (lat. laevus = links) bezeichnet. Um festzulegen, was D und was L ist, verwendet man als Referenz den Glycerinaldehyd. Man schreibt die Kohlenstoffkette von oben nach unten an, oben steht der höher oxidierte Kohlenstoff (der mit der Aldehydgruppe), und je nachdem auf welcher Seite dann die Alkoholgruppe steht (links oder rechts) wird die Verbindung mit L oder D bezeichnet. D -Glycerinaldehyd L -Glycerinaldehyd C C C C C C

8 D -Glucose Aber: Es muss nicht sein, dass eine Verbindung nur einen asymmetrischen Kohlenstoff enthält. Nehmen wir als Beispiel die Glucose: Am C 1 haben wir zwei gleiche Substituenten (die Doppelbindung gilt wie zwei gleiche Bindungen). Am C 2 haben wir lauter verschiedene Substituenten. Am C 3 haben wir lauter verschiedene Substituenten. Am C 4 haben wir lauter verschiedene Substituenten. Am C 5 haben wir lauter verschiedene Substituenten. Am C 6 haben wir zwei gleiche Substituenten (es gilt alles, was daran hängt, nicht nur das nächste Atom). Nachdem es pro asymmetrischen Kohlenstoff zwei Möglichkeiten gibt, ergibt das insgesamt 2 x 2 x 2 x 2 = 2 4 = 16 mögliche Verbindungen. Das sind natürlich nicht alles Enantiomere, da sich nicht alle zueinander wie Bild und Spiegelbild verhalten. Je zwei verhalten sich wie Bild und Spiegelbild, wir haben daher 8 Paare von Enantiomeren. Alle zusammen heißen Diastereomere (= nur durch ihre Stellung an asymmetrischen Kohlenstoffen unterschieden).

9 Wieso Und wie weit sind sich Enantiomere (und Diastereomere) chemisch ähnlich ? ? ? ? ? Sehr ! ! ! Sie geben die gleichen chemischen Reaktionen, mit einer wichtigen Ausnahme: Wenn der Reaktionspartner ebenfalls chiral ist, unterscheiden sie sich drastisch in der Fähigkeit zu reagieren. Ihre Füße sind chiral (da gibt es einen rechten und einen linken). Socken sind nicht chiral, Sie können daher jeden Socken auf jeden Fuß ziehen. Aber Schuhe sind chiral! Rechte Schuhe unterscheiden sich von linken. Folglich können Sie den rechten Schuh nur über den rechten Fuß ziehen, dem linken nur über den linken Fuß. Anders herum geht es nicht. Sind beide Reaktionspartner chiral müssen sie zueinander passen Das ist wichtig in der Biochemie: viele Moleküle in unserem Stoffwechsel sind chiral (Zucker, Aminosäuren). Enzyme sind ebenfalls chiral. Wir können daher immer nur die eine Form verwerten.

10 Es gibt noch einen zweiten wichtigen Unterschied zwischen D- und L- Form. Sie drehen Licht in entgegengesetzte Richtungen. (Das ist der Grund, warum das Ganze optische Isomerie heißt.) Wie bemerkt man das? Mit normalem Licht würde man das nicht sehen. Licht ist in allen Richtungen polarisiert. Doch es gibt Polarisationsfilter, die nur Licht durchlassen, das in einer Richtung polarisiert ist. Und schickt man diesen, polarisierten Lichtstrahl durch die Lösung eines chiralen Stoffes, wird das Licht gedreht. Das kann man mit einem weiteren Polarisationsfilter feststellen: Man muss dieses Filter um einen bestimmten Winkel drehen, damit Licht durchgeht – soviel wurde das Licht gedreht. Chirale Substanz Drehwinkel

11 Chirale Substanz Drehwinkel Die Größe des Drehwinkels hängt natürlich von der Menge der durchstrahlten Substanz ab, also von Schichtdicke und Konzentration. (Das kann man sogar verwenden, um die Konzentration zu messen.) Die Richtung, in die eine Substanz dreht, wird mit + (rechts, Uhrzeigersinn) oder (links, gegen den Uhrzeiger) angegeben. Das hat aber NICHTS mit der Angabe für D und L zu tun. Es gibt dafür keine Regel und man muss für jede Substanz die Drehrichtung extra bestimmen und extra angeben. Sicher ist nur: wenn eine Substanz in eine Richtung dreht, so dreht das chirale Gegenstück um exakt diesen Winkel in die andere Richtung (gleiche Mengen vorausgesetzt). D -( + )-Glycerinaldehyd L -( )-Glycerinaldehyd Beim Glycerinaldehyd stimmt es überein, aber das ist Zufall !!!

12 Man kann natürlich D - und L -Formen miteinander mischen. Sind beide Mengen gleich, hebt sich die Drehung gegenseitig auf, so eine Mischung nennt man Racemat. Bei chemischen Synthesen entstehen fast immer Racemate. Es ist selten - und schwierig – Synthesen so ablaufen zu lassen, dass man nur die eine Form erhält. Und es ist auch schwierig, die beiden Formen eines Racemates voneinander zu trennen. Dagegen schaffen es biologische Systeme locker, immer nur die eine – die richtige – Form herzu- stellen. Mit Enzymen geht so etwas ganz leicht.

13 Noch eine Möglichkeit gibt es, die Drehung aufzuheben. Das bekannteste Beispiel dafür ist die Weinsäure: Sie besteht aus einer Kette von vier Kohlenstoffen, …… mit je einer Säuregruppe an den beiden Enden, …… und je einer Alkoholgruppe an den Kohlenstoffen dazwischen. Damit haben wir im Molekül zwei asymmetrische Kohlenstoffatome und folglich muss es 2 x 2 = 4 verschiedene Formen geben. ABER: das Molekül hat in der Mitte eine Symmetrieachse (oben und unten sind gleich) Damit lassen sich zwei der Formen durch Drehen ineinander überführen. (Drehen in der Ebene ist ja erlaubt.) Die anderen beiden nicht !!! Wir haben also nur drei verschiedene Formen, einmal D, einmal L, und eine meso-Form. Aufpassen: die meso-Form ist KEIN Racemat. meso-Weinsäure D -Weinsäure L -Weinsäure Symmetrieachse = Ende der Präsentation


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