Stereoisomerie Die folgende Präsentation illustriert die Teilkapitel 8.2.3 und 8.2.4 aus dem Buch „Chemie erleben“ (Wawra/Dolznig/Müllner). Da die Texte.

Präsentation zum Thema: "Stereoisomerie Die folgende Präsentation illustriert die Teilkapitel 8.2.3 und 8.2.4 aus dem Buch „Chemie erleben“ (Wawra/Dolznig/Müllner). Da die Texte."—  Präsentation transkript:

1 Stereoisomerie 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 Stereoisomere sind Moleküle, die sich nur durch die räumliche Anordnung ihrer Bestandteile unterscheiden. Neben der Doppelbindung gibt es auch andere Gründe für cis-trans-Isomerie, so ist z.B. auch in Ringen die freie Drehbarkeit aufgehoben: 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. Bildschirm-Präsentationen cis trans cis-trans-Isomere sind chemisch zwar ähnlich, haben aber doch unterschiedliche Eigenschaften (und werden manchmal sogar mit verschiedenen Namen bezeichnet).

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
Schwieriger ist die optische Isomerie, da müssen wir uns die Moleküle dreidimensional vorstellen. 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.

4 3 1 1 2 Doch diese beiden Moleküle unter-scheiden sich voneinander nicht. Das liegt daran, dass zwei Substituenten gleich sind. Wenn wir eines drehen, sieht es genau so aus, wie das andere, es sind identische Moleküle. Jetzt haben wir zwei Moleküle, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten.

5 Es bleiben zwei verschiedene Moleküle.
Sie können ja auch Ihre rechte Hand nicht durch Drehen zur Deckung mit der linken bringen. 3 4 1 2 Jetzt kann man drehen und wenden, wie man will, es lässt sich die eine Form nicht in die andere umwandeln. Doch das ändert sich, wenn alle vier Substituenten verschieden sind. Das liegt daran, dass zwei Substituenten gleich sind. Es bleiben zwei verschiedene Moleküle. Jetzt haben wir zwei Moleküle, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten.

6 Stoffe, mit dieser Eigenschaft, nennt man chiral. ( griechisch
Stoffe, mit dieser Eigenschaft, nennt man chiral. ( griechisch. χέρι = Hand) Dafür ist meist ein asymmetrischer Kohlenstoff verantwortlich, also ein Kohlenstoff mit vier verschiedenen Substituenten. Das wichtigste Beispiel dafür ist der Glycerinaldehyd: am dritten eine Aldehydgruppe. eine Kette von drei Kohlenstoffen, an zwei davon hängt eine Alkoholgruppe, 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.

7 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. und je nachdem auf welcher Seite dann die Alkoholgruppe steht (links oder rechts) wird die Verbindung mit L oder D bezeichnet. oben steht der höher oxidierte Kohlenstoff (der mit der Aldehydgruppe), Um festzulegen, was D und was L ist, verwendet man als Referenz den Glycerinaldehyd. Man schreibt die Kohlenstoffkette von oben nach unten an, D-Glycerinaldehyd L-Glycerinaldehyd C aber man darf NICHT aus der Ebene herausdrehen, denn dann würde die andere Verbindung entstehen. Man darf dann in der Ebene die Verbindung beliebig drehen,

8 Nehmen wir als Beispiel die Glucose:
D-Glucose Aber: Es muss nicht sein, dass eine Verbindung nur einen asymmetrischen Kohlenstoff enthält. 1 Nehmen wir als Beispiel die Glucose: 2 Am C1 haben wir zwei gleiche Substituenten (die Doppelbindung gilt wie zwei gleiche Bindungen). 3 4 Am C2 haben wir lauter verschiedene Substituenten. (es gilt alles, was daran hängt, nicht nur das nächste Atom). 5 Am C3 haben wir lauter verschiedene Substituenten. 6 Am C4 haben wir lauter verschiedene Substituenten. Am C5 haben wir lauter verschiedene Substituenten. Am C6 haben wir zwei gleiche Substituenten. Nachdem es pro asymmetrischen Kohlenstoff zwei Möglichkeiten gibt, ergibt das insgesamt 2x2x2x2 = 24 = 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 ? ? ? ? ? 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). Wieso Socken sind nicht chiral, Sie können daher jeden Socken auf jeden Fuß ziehen. 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. 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

10 (Das ist der Grund, warum das Ganze optische Isomerie heißt.)
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.) Drehwinkel Chirale Substanz Wie bemerkt man das? Doch es gibt Polarisationsfilter, die nur Licht durchlassen, das in einer Richtung polarisiert ist. Mit normalem Licht würde man das nicht sehen. Licht ist in allen Richtungen polarisiert. 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.

11 also von Schichtdicke und Konzentration.
Die Größe des Drehwinkels hängt natürlich von der Menge der durchstrahlten Substanz ab, also von Schichtdicke und Konzentration. D-(+)-Glycerinaldehyd L-(▬)-Glycerinaldehyd Beim Glycerinaldehyd stimmt es überein, aber das ist Zufall !!! (Das kann man sogar verwenden, um die Konzentration zu messen.) Drehwinkel Die Richtung, in die eine Substanz dreht, wird mit + (rechts, Uhrzeigersinn) oder ▬ (links, gegen den Uhrzeiger) angegeben. Chirale Substanz 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).

12 Man kann natürlich D- und L-Formen miteinander mischen
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 Ende der Präsentation =
Noch eine Möglichkeit gibt es, die Drehung aufzuheben. Das bekannteste Beispiel dafür ist die Weinsäure: = Symmetrieachse Ende der Präsentation meso-Weinsäure D-Weinsäure L-Weinsäure ABER: das Molekül hat in der Mitte eine Symmetrieachse (oben und unten sind gleich) … mit je einer Säuregruppe an den beiden Enden, … Sie besteht aus einer Kette von vier Kohlenstoffen, … … und je einer Alkoholgruppe an den Kohlenstoffen dazwischen. 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. Damit haben wir im Molekül zwei asymmetrische Kohlenstoffatome und folglich muss es 2x2 = 4 verschiedene Formen geben.