Stereochemie - Institut für Chemie und Biochemie an der FU Berlin
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<strong>Stereochemie</strong><br />
Vorlesung SS 2003<br />
<strong>FU</strong>-<strong>Berlin</strong><br />
Professor M. Kalesse
Einführung in die <strong>Stereochemie</strong><br />
1) Molekulare Konnektivität beschreibt, in welcher Reihenfolge<br />
die Atome einer Subst<strong>an</strong>z mitein<strong>an</strong><strong>der</strong> verb<strong>und</strong>en sind.<br />
2) Verbindungen mit identischer Summenformel aber<br />
unterschiedlicher Konnektivität nennt m<strong>an</strong> Isomere.<br />
Z.B. <strong>für</strong> C 2 H 6 O: CH 3 CH 2 OH o<strong>der</strong> CH 3 OCH 3<br />
3) Verbindungen mit identischer Konnektivität aber<br />
unterschiedlicher Anordnung <strong>der</strong> Atome im Raum werden<br />
Stereoisomere gen<strong>an</strong>nt.
Verschiedene Isomere<br />
Konstitutions-Isomere<br />
Isomere<br />
Diastereomere<br />
(keine Spiegelbil<strong>der</strong>)<br />
cis-tr<strong>an</strong>s-Diastereomere<br />
Stereoisomere<br />
En<strong>an</strong>tiomere<br />
(Spiegelbil<strong>der</strong>)<br />
Konfigurations-Diastereomere
Einführung in die <strong>Stereochemie</strong><br />
1) Zwei Strukturen werden En<strong>an</strong>tiomere gen<strong>an</strong>nt,<br />
wenn sie Spiegelbil<strong>der</strong> von ein<strong>an</strong><strong>der</strong> darstellen, die<br />
nicht zur Deckung gebracht werden können.<br />
2) Zwei Strukturen werden Diastereomere gen<strong>an</strong>nt,<br />
wenn es Stereoisomere sind <strong>und</strong> sie keine nicht-zur-<br />
Deckung-gebrachte-Spiegelbil<strong>der</strong> (En<strong>an</strong>tiomere)<br />
vonein<strong>an</strong><strong>der</strong> darstellen.<br />
H 3C<br />
CH 3<br />
<strong>und</strong><br />
Buten<br />
H 3C<br />
CH 3<br />
HO<br />
H<br />
Cl<br />
F Br<br />
O<br />
OH<br />
OH<br />
O<br />
OH<br />
<strong>und</strong><br />
Weinsäure<br />
HO<br />
Cl<br />
Br<br />
O<br />
OH<br />
H<br />
OH<br />
O<br />
F<br />
OH
Symmetrieoperationen<br />
Was sind Symmetrieoperationen?<br />
Eine Symmetrieoperation ist eine M<strong>an</strong>ipulation einer Struktur, bei <strong>der</strong> äquivalente Bereiche ausgetauscht<br />
werden. Nach einer Symmetrieoperation ist die Verbindung identisch mit <strong>der</strong> Verbindung vor <strong>der</strong><br />
Symmetrieoperation.<br />
z<br />
x<br />
y<br />
H<br />
C H<br />
H H<br />
Drehung um 120°<br />
um die z-Achse<br />
H<br />
C H<br />
H H<br />
Wenn m<strong>an</strong> die Augen während einer Symmetrieoperation schließt, lässt sich nicht feststellen, ob überhaupt<br />
eine Symmetrieoperation stattgef<strong>und</strong>en hat.<br />
180° Drehung um<br />
die X-Achse<br />
180° Drehung um<br />
die Z-Achse<br />
Symmetrieoperation<br />
keine Symmetrieoperation
Symmetrieoperationen<br />
1. Rotation: ≥1, Rotation um eine Achse (von 0 bis 360°)<br />
2. Spiegelung: Spiegelung in einer Ebene, die durch die Struktur verläuft<br />
3. Inversion aller Atome durch einen zentralen Punkt:<br />
Die Operation verän<strong>der</strong>t alle Punkte (x, y, z) zu (-x, -y, -z)<br />
4. Rotation-Reflektion: ≥1Wie<strong>der</strong>holungen <strong>der</strong> folgenden Operationen:<br />
Rotation um eine Achse, d<strong>an</strong>n Reflektion in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse<br />
Anwendung dieser Operationen auf molekulare Strukturen<br />
Ein Symmetrieelement ist eine geometrische Einheit (Punkt, Linie, Ebene),<br />
<strong>an</strong> welcher die Symmetrieoperation durchgeführt wird.<br />
H<br />
C H<br />
H H<br />
Achse, um welche die<br />
Symmetrieoperation<br />
(Rotation um 120°)<br />
durchgeführt wurde.<br />
H<br />
C H<br />
H H
Symmetrieoperationen <strong>und</strong> Symmetrieelemente<br />
Symmetrieelement Symmetrieoperation<br />
1. Drehachse = Cn n Drehungen von (360°/n)<br />
2. Spiegelebene = σ Spiegelung <strong>an</strong> einer Ebene<br />
3. Inversionszentrum = i Inversion<br />
4. Dreh-Spiegel-Achse = S n<br />
n Wie<strong>der</strong>holungen von:<br />
Drehungen um (360°/n) d<strong>an</strong>n<br />
Spiegelung <strong>an</strong> einer Ebene<br />
senkrecht zur Achse
1. CH 4<br />
Beispiele <strong>der</strong> C n -Symmetrie z<br />
4 C3-Achsen H<br />
H<br />
(Drehung um 120°)<br />
C H<br />
3 C2 Achsen<br />
C H<br />
H H<br />
H (Drehung um 180°)<br />
H<br />
2. C 2 H 4<br />
3 C 2 Achsen<br />
x<br />
H<br />
H<br />
z<br />
H<br />
H<br />
y<br />
3. C 2 H 2<br />
H<br />
unendliche Zahl C 2 Achsen<br />
H<br />
x<br />
C ∞<br />
y
1. CH 4<br />
Beispiele <strong>für</strong> Spiegelebenen<br />
6 σ-Ebenen<br />
(jede mit einem C <strong>und</strong> zwei H)<br />
3. C 2 H 2<br />
H<br />
H<br />
H<br />
C<br />
H<br />
H<br />
H<br />
2. C 2 H 4<br />
3 σ-Ebenen<br />
(jeweils senkrecht zuein<strong>an</strong><strong>der</strong>)<br />
H<br />
H<br />
H<br />
H H H H<br />
H H<br />
1 σ-Ebenen <strong>und</strong> zusätzlich eine unendliche Anzahl<br />
von Spiegelebenen (σ) durch alle 4 Atome des Moleküls<br />
H<br />
H<br />
H<br />
x<br />
z<br />
y
Beispiele <strong>für</strong> Inversionszentren<br />
H H<br />
1. C 2 H 6 2. C2 H 2<br />
H<br />
H<br />
H H<br />
3. C 2 H 2<br />
H<br />
H<br />
H<br />
H<br />
H<br />
H
Beispiele <strong>für</strong> S-Symmetrie<br />
1) CH4 hat 3 S4-Achsen. Drehung um eine 4zählige<br />
Drehachse, d<strong>an</strong>n Spiegelung senkrecht<br />
zur Achse.<br />
2) S 1 = σ, die erste Rotation ergibt<br />
wie<strong>der</strong> das Ausg<strong>an</strong>gsmolekül.<br />
3) S 2 = i, Eine 2-zählige<br />
Drehspiegelachse entspricht<br />
einem Inversionszentrum.<br />
H<br />
H<br />
C<br />
H<br />
H<br />
Ha1 Ha2 H a3<br />
90°<br />
H b<br />
H<br />
H<br />
S 4<br />
H<br />
H<br />
C<br />
H Spiegelung<br />
C H<br />
H b1<br />
H a<br />
C<br />
Hb3 Hb2 H d<br />
H c<br />
180° (Y)<br />
360°<br />
H a3<br />
H a2 Ha1<br />
H b<br />
H<br />
H<br />
H<br />
H a<br />
C<br />
H<br />
C<br />
H d<br />
H b2<br />
H b3<br />
H b1<br />
H c<br />
H<br />
H<br />
Spiegelung<br />
Spiegelung<br />
H b<br />
H b1<br />
H a<br />
C<br />
Hb2 Hb3 H c<br />
H d<br />
H a3<br />
H a2<br />
H a1
W<strong>an</strong>n sind Moleküle chiral ?<br />
Generalisierung:<br />
1. Moleküle mit einer Spiegelebene (σ) o<strong>der</strong> einem Inversionszentrum (i) sind achiral!<br />
Merke: Das sind Son<strong>der</strong>fälle <strong>der</strong> S 1 -<strong>und</strong> S 2 -Achsen.<br />
2. Moleküle mit einer Drehspiegelachse (S n ) sind achiral!<br />
3. Moleküle ohne S n -Achse sind chiral!<br />
4. Chirale Moleküle können Drehachsen (C n ) besitzen!!!!<br />
5. Moleküle ohne Symmetrieelement werden asymmetrisch o<strong>der</strong> chiral gen<strong>an</strong>nt.<br />
Br<br />
H<br />
H<br />
Br<br />
achiral<br />
(σ- <strong>und</strong> C 2-Symmetrie)<br />
HO<br />
O<br />
OH<br />
OH O<br />
Weinsäure<br />
chiral<br />
(C2-Symmetrie) OH<br />
F<br />
Cl<br />
Cl F<br />
achiral<br />
(σ-Symmetrie)<br />
H<br />
H 3C<br />
CH 3<br />
H<br />
chiral<br />
(C 2-Symmetrie)<br />
F<br />
Cl<br />
Cl F<br />
achiral<br />
(i-Symmetrie)<br />
H<br />
H Me<br />
Me
HO<br />
HO<br />
Was sind chirale Moleküle?<br />
1) Moleküle mit einem chiralen Zentrum:<br />
Ein Chiralitätszentrum ist ein Atom (meistens ein C-Atom) mit vier verschiedenen Substituenten;<br />
auch oft stereogenes Zentrum gen<strong>an</strong>nt.<br />
Achtung: Jedes Chiralitätszentrum ist auch immer ein stereogenes Zentrum. Aber ein stereogenes Zentrum<br />
muss nicht unbedingt ein Chiralitätszentrum sein. Ein streogenes Zentrum ist dadurch definiert, dass <strong>der</strong><br />
Positionstausch von zwei Substituenten ein En<strong>an</strong>tiomer o<strong>der</strong> Diastereomer erzeugt.<br />
Beispiele:<br />
Chirale Verbindung mit Chiralitätszentren (stereogenen Zentren)<br />
O OH<br />
1<br />
2<br />
3<br />
4 OH<br />
OH O<br />
Weinsäure<br />
O OH<br />
1<br />
2<br />
3<br />
4 OH<br />
OH O<br />
meso-Weinsäure<br />
C2 <strong>und</strong> C3 sind Chiralitätszentren o<strong>der</strong> auch stereogene Zentren. Das Molekül ist chiral.<br />
C2 <strong>und</strong> C3 sind Chiralitätszentren o<strong>der</strong> auch stereogene Zentren. Aber: Das Molekül ist achiral.<br />
Meso-Verbindungen sind achirale-Verbindungen mit mehr als einem Chiralitätszentrum aufgr<strong>und</strong><br />
<strong>der</strong> internen Symmetrie. Hier: Ein Beispiel <strong>für</strong> ein Inversionszentrum (i, bzw. S 2 ) o<strong>der</strong> eine<br />
Spiegelebene nach Rotation.<br />
HO<br />
O<br />
OH<br />
OH<br />
O<br />
OH<br />
meso-Weinsäure<br />
i = S 2<br />
Rotation<br />
O<br />
O<br />
OH<br />
HO OH<br />
OH<br />
Spiegelebene (S 1)
Cl<br />
Stereogene Zentren<br />
Cl<br />
H<br />
F<br />
Stereogenes Zentrum<br />
Achirale Verbindung (Spiegelebene);<br />
das stereogene Zentrum ist kein<br />
Chiralitätszentrum<br />
(zwei Substituenten sind identisch).<br />
Austausch von<br />
2 Substituenten am<br />
stereogenen Zentrum<br />
Cl<br />
Cl<br />
H<br />
F<br />
Ebenfalls keine chirale Verbindung<br />
Die achirale Verbindung ist ein<br />
Diastereomer <strong>der</strong> ursprünglichen<br />
achiralen Verbindung.
Die Nomenklatur in <strong>der</strong><br />
<strong>Stereochemie</strong><br />
• Messung <strong>der</strong> optischen Aktivität<br />
• R/S- Nomenklatur nach Cahn-Ingold-Prelog<br />
• D/L-Nomenklatur, Fischer-Projektion<br />
• <strong>Stereochemie</strong> <strong>der</strong> Kohlenhydrate<br />
• Mutarotation<br />
• Der <strong>an</strong>omere Effekt
elektromagnetischer Feldvektor<br />
Schwingungsebene des<br />
linear polarisierten Lichtes.<br />
Optische Aktivität<br />
Meßzell mit<br />
chiraler Verbindung<br />
Schwingungsebene des<br />
linear polarisierten Lichtes<br />
ist um den Winkel α gedreht.<br />
Die Ebene des linear-polarisierten Lichtes wird beim Durchstrahlen einer Lösung einer chiralen<br />
Verbindung um den Winkel α gedreht. Dieses Phänomen wird als optische Drehung bezeichnet; die<br />
betreffende Verbindung ist optisch aktiv. Ein Polarimeter benutzt meist eine monochromatische<br />
Natrium-D-Lampe (λ = 589 nm).<br />
Die spezifische Drehung einer chiralen Verbindung ist eine physikalische Konst<strong>an</strong>te <strong>und</strong><br />
wird wie folgt berechnet: [α] λ = α/l . c.<br />
[α] = spezifische Drehung; λ = Wellenlänge; α = beobachtete optische Drehung; Länge <strong>der</strong> Küvette in dm<br />
(meist 1 dm), Konzentration in g/mL.<br />
α
R/S-Nomenklatur (<strong>für</strong> Moleküle mit Chiralitätszentrum)<br />
Die absolute Konfiguration von Chiralitätszentren wird durch die R/S-Nomenklatur<br />
<strong>an</strong>gegeben. Zur Bestimmung <strong>der</strong> Konfiguration werden im ersten Schritt alle vier<br />
Substituenten <strong>an</strong> einem Zentralatom (Meistens Kohlenstoff) nach abnehmen<strong>der</strong> Priorität<br />
geordnet. Diese Priorität wird <strong>an</strong> H<strong>an</strong>d von Sequenzregeln bestimmt. Die Priorität von<br />
Atomen entspricht ihrer Stellung im Periodensystem. D.h., Atome mit höherer<br />
Ordnungszahl haben eine höhere Priorität.<br />
Im zweiten Schritt wird <strong>der</strong> Substituent mit <strong>der</strong> niedrigsten Priorität, meistens ein „H“, vom<br />
Betrachter aus gesehen hinter dem Zentralatom (meistens ein „C“) zu liegen kommt. In<br />
<strong>der</strong> Papierebene befinden sich nun drei, das Zentralatom umgebende Substituenten.<br />
Bewegt m<strong>an</strong> sich von <strong>der</strong> höchsten über die mittlere zur niedrigsten Priorität dieser drei<br />
Substituenten im Uhrzeigersinn, so besitzt das Chiralitätszentrum eine R-Konfiguration.<br />
Bewegt m<strong>an</strong> sich entgegen dem Uhrzeigersinn, so besitzt das Zentrum eine S-<br />
Konfiguration.<br />
2.<br />
Cl<br />
4.<br />
H C<br />
1.<br />
H3C Br<br />
3.<br />
"H" nach hinten<br />
2.<br />
Cl<br />
C<br />
H3C Br<br />
3. 1.<br />
Achtung: Das Vorzeichen (+ o<strong>der</strong> -) bei <strong>der</strong> Drehung <strong>der</strong> Ebene des linear polarisierten Lichtes<br />
korreliert NICHT mit den Symbolen R o<strong>der</strong> S!<br />
S
Einführung: I. Die Fischer-Projektion:<br />
In <strong>der</strong> Fischer-Projektion<br />
sind die waagerechten Linien<br />
auf den Betrachter zu gerichtet.<br />
Die senkrechten Linien weisen<br />
vom Betrachter weg.<br />
D/L-Nomenklatur nach Fischer<br />
HO<br />
Glucose<br />
CHO<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
II. Stereoisomere:<br />
4 chirale Zentren, kein Symmetrieelement.<br />
→ 2 4 = 16 Aldohexosen-Stereoisomere.<br />
→ 8 diastereomere Paare von En<strong>an</strong>tiomeren.<br />
CHO<br />
CHO<br />
2-epi-Glucose = M<strong>an</strong>nose<br />
CHO<br />
H OH HO H HO<br />
HO H H OH HO<br />
H OH HO H<br />
OH<br />
H OH HO H<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
R=D-GlucoseS<br />
= L-Glucose<br />
III. D/L-Nomenklatur:<br />
Die D/L-Nomenklatur <strong>für</strong> Monosaccharide definiert die absolute Konfigurationam höchst<br />
nummerierten chiralen Zentrum. Die Nomenklatur k<strong>an</strong>n auch auf Aminosäuren<br />
<strong>an</strong>gew<strong>an</strong>dt werden.<br />
R → D-Zucker (vom lat. Wort „dexter“ <strong>für</strong> rechts)<br />
S → L-Zucker (vom lat. Wort „laevus“ <strong>für</strong> links)<br />
Nützliche Links: Kohlenhydratstrukturen;http://scholle.oc.uni-kiel.de/lind/iteach/kh_struct_home.htm;<br />
http://chem.berkeley.edu/people/faculty/bertozzi/bertozzi.html;
R/S-Nomenklatur <strong>der</strong> Mosher-Ester <strong>und</strong><br />
Mosher-Säurechloride<br />
Durch Prioritätsumkehr entsteht aus dem<br />
(R)-Säurechlorid <strong>der</strong> (S)-Ester (<strong>und</strong><br />
umgekehrt).<br />
Vergleich <strong>der</strong> D/L- mit<br />
R/S-Nomenklatur bei Aminosäuren<br />
CO2 H3N H<br />
R<br />
CO 2<br />
H 3N H<br />
aber<br />
Cystein<br />
L-(S) L-(R)<br />
SH<br />
L-Aminosäure<br />
Cystein ist eine<br />
in fast allen<br />
natürliche L-Aminosäure<br />
Fällen auch (S)<br />
aber (R) durch Prioritätsumkehr<br />
MeO Ph<br />
HO<br />
R<br />
O<br />
MeO Ph<br />
RO<br />
R<br />
O<br />
CF 3<br />
MeO Ph<br />
Cl<br />
S<br />
O<br />
CF 3<br />
CF 3<br />
HO<br />
RO<br />
Cl<br />
Ph OMe<br />
O<br />
Ph OMe<br />
O<br />
O<br />
S<br />
S<br />
CF 3<br />
Ph OMe<br />
R<br />
CF 3<br />
CF 3
<strong>Stereochemie</strong> - Kohlenhydrate<br />
Monosaccharide – Aldosen<br />
Fischer-Projektion in <strong>der</strong> D-Serie <strong>der</strong> Aldosen. E. Fischer: Bestimmung <strong>der</strong><br />
relativen Konfiguration aller Hexosen.<br />
CHO<br />
OH<br />
OH<br />
D-Glycerinaldehyd<br />
CHO<br />
CHO<br />
Erythrose<br />
OH<br />
OH<br />
HO<br />
OH<br />
Threose<br />
OH<br />
OH<br />
CHO<br />
CHO<br />
CHO<br />
CHO<br />
OH<br />
HO<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
HO<br />
HO<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
Ribose Arabinose Xylose Lyxose<br />
CHO CHO CHO CHO CHO CHO CHO CHO<br />
OH HO<br />
OH HO<br />
OH HO<br />
OH HO<br />
OH OH HO HO<br />
OH OH HO HO<br />
OH OH OH OH HO HO HO HO<br />
OH OH OH OH OH OH OH OH<br />
OH OH OH OH OH OH OH OH<br />
Allose Altrose Glucose M<strong>an</strong>nose Gulose Idose Galactose Talose
<strong>Stereochemie</strong> - Kohlenhydrate<br />
Monosaccharide – Ketosen<br />
Fischer-Projektion in <strong>der</strong> D-Serie <strong>der</strong> Ketosen.<br />
OH<br />
O<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
Ribulose<br />
OH<br />
O<br />
OH<br />
OH<br />
Erythrulose<br />
OH<br />
O<br />
HO<br />
OH<br />
OH<br />
Xylulose<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
O<br />
O<br />
O<br />
O<br />
OH HO<br />
OH HO<br />
OH<br />
OH HO<br />
HO<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
Psicose Fructose Sorbose Tagatose
OH<br />
O<br />
<strong>Stereochemie</strong> - Kohlenhydrate<br />
Mutarotation: Einstellung eines Gleichgewichtes <strong>der</strong> Anomeren über eine<br />
offenkettigen Zwischenstufe. Allgemeine Säuren-Basen-Katalyse.<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
OH HB<br />
O<br />
OH<br />
HB<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
O<br />
OH<br />
OH<br />
O<br />
OH<br />
H<br />
O<br />
H<br />
O<br />
H<br />
H<br />
B<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
O<br />
HB
O<br />
O<br />
<strong>Stereochemie</strong> - Kohlenhydrate<br />
Der thermodynamische <strong>an</strong>omere Effekt<br />
α-Glycosylbindungen sind auf Gr<strong>und</strong> von n-σ* Wechselwirkungen stabilisiert.<br />
Als stereochemische Konsequenz ergibt sich daraus ein höherer Anteil des α- Anomer.<br />
Auf Gr<strong>und</strong> <strong>der</strong> Delokalisierung <strong>der</strong> nicht-bindenden Elektronenpaare in das σ*-Orbital wird eine C-O-Bdg.<br />
verkürzt <strong>und</strong> <strong>der</strong> Abst<strong>an</strong>d <strong>der</strong> glycosidischen Bindung vergrößert.<br />
n-Orbital<br />
σ*-Orbital<br />
O<br />
OH<br />
Bindung wird kürzer<br />
(Doppelbindungs<strong>an</strong>teil)<br />
Bindung wird länger
<strong>Stereochemie</strong> - Kohlenhydrate<br />
<strong>Stereochemie</strong> <strong>der</strong> Trichloracetimidat-Bildung -<br />
Der kinetische <strong>an</strong>omere Effekt<br />
β-Glycosyloxid-Anionen sind aufgr<strong>und</strong> des kinetischen <strong>an</strong>omeren Effektes stärker nucleophil<br />
als α-Glycosyloxid-Anionen.<br />
1. ß-Glycoside sind sterisch leichter zugänglich (mehr „Platz“ in <strong>der</strong> äquatorialen Position).<br />
2. Wechselwirkungen zwischen Dipolen <strong>und</strong> freien Ionenpaaren destabilisieren das β-Glycosyloxid-Anion.<br />
O<br />
O<br />
O<br />
O<br />
O<br />
O<br />
O<br />
O
Thermodynamisch<br />
Kinetisch<br />
Thermodynamisch<br />
Kinetisch<br />
<strong>Stereochemie</strong> - Kohlenhydrate<br />
1. Kinetische Bedingungen: β-Trichloracetimidat (kinetischer <strong>an</strong>omerer Effekt)<br />
2. Thermodynamische Bedingungen: α-Trichloracetimidat (<strong>an</strong>omerer Effekt)<br />
AcO AcO<br />
AcO AcO<br />
BnO BnO<br />
BnO BnO<br />
OAc<br />
OAc<br />
O<br />
AcO<br />
OBn<br />
OBn<br />
O<br />
AcO<br />
O<br />
BnO<br />
O<br />
BnO<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
K 2CO 3, Cl 3CN,<br />
CH 2Cl 2, 48h, r.t.<br />
98%<br />
K 2CO 3, Cl 3CN,<br />
CH 2Cl 2, 2h, r.t.<br />
78%<br />
K 2CO 3, Cl 3CN,<br />
CH 2Cl 2, 48h, r.t.<br />
78%<br />
K 2CO 3, Cl 3CN,<br />
CH 2Cl 2, 2h, r.t.<br />
90%<br />
AcO AcO<br />
AcO AcO<br />
BnO BnO<br />
BnO BnO<br />
OAc<br />
AcO<br />
OAc<br />
AcO<br />
OBn<br />
BnO<br />
OBn<br />
BnO<br />
O<br />
O<br />
O<br />
O<br />
O<br />
O<br />
NH<br />
CCl 3<br />
O<br />
NH<br />
CCl 3<br />
O<br />
NH<br />
CCl 3<br />
NH<br />
CCl 3
RO RO<br />
RO RO<br />
OR<br />
O<br />
RO<br />
OH<br />
<strong>Stereochemie</strong> - Kohlenhydrate<br />
Die Trichloracetimidat-Methode<br />
OR<br />
OR<br />
O<br />
K2CO3, Cl3CN, CH2Cl2, 48h, r.t. RO<br />
RO<br />
O<br />
RO OH 98%<br />
RO<br />
O<br />
K 2CO 3, Cl 3CN,<br />
CH 2Cl 2, 2h, r.t.<br />
78%<br />
RO RO<br />
OR<br />
RO<br />
O<br />
O<br />
A<br />
H<br />
O A<br />
NH<br />
CCl 3<br />
O<br />
H<br />
NH<br />
CCl 3<br />
BF 3<br />
A-OH, BF 3<br />
A-OH, BF 3<br />
BF 3<br />
RO RO<br />
RO RO<br />
OR<br />
O<br />
OR<br />
RO<br />
O<br />
O A<br />
RO<br />
O A<br />
Kontrolle über das <strong>an</strong>omere Zentrum durch:<br />
1. Nachbargruppen-Effekte (R = OAc, OBz, NHAc: 1,2-tr<strong>an</strong>s-Konfiguration.<br />
2. Keine Nachbargruppen-Effekte (R = OBn)<br />
a) Milde Lewis-Säure (BF 3 ) <strong>und</strong> tiefe Temperatur: Inversion <strong>an</strong> C1.<br />
b) Starke Lewis-Säure (TMSOTf): Bildung <strong>der</strong> thermodynamischen Glycoside.<br />
c) Lösungsmittel-Effekte: Et 2 O begünstigt die α-Konfiguration;<br />
MeCN begünstigt die β-Konfiguration.
Moleküle ohne Chiralitätszentrum - axiale Chiralität<br />
1)<br />
2)<br />
3)<br />
2<br />
Axiale Chiralität<br />
Me<br />
H Me<br />
3<br />
H<br />
1<br />
Me<br />
1<br />
H<br />
Me<br />
Me<br />
Me<br />
3<br />
H<br />
2<br />
S a<br />
o<strong>der</strong><br />
M<br />
R a<br />
o<strong>der</strong><br />
P<br />
H<br />
H 3C<br />
CH 3<br />
H<br />
H 3C<br />
H<br />
Allene<br />
(C 2-Symmetrie)<br />
H<br />
CH 3<br />
Bestimmung <strong>der</strong> R/S-Nomenklatur <strong>für</strong> Allene:<br />
Die Methylgruppe hat eine höhere Priorität als das H-Atom<br />
(wie bei <strong>der</strong> CIP-Nomenklatur). M<strong>an</strong> schaut entl<strong>an</strong>g <strong>der</strong> C-C-Achse<br />
(Newm<strong>an</strong>-Projektion) <strong>und</strong> dreht das Molekül <strong>der</strong>art, dass die Gruppe<br />
mit <strong>der</strong> niedrigsten Priorität nach unten <strong>und</strong> nach hinten zeigt.<br />
M<strong>an</strong> beginnt mit <strong>der</strong> vor<strong>der</strong>en Gruppe (unten) <strong>und</strong> geht d<strong>an</strong>n zur<br />
Gruppe mit <strong>der</strong> höchsten Priorität am hinteren (oben) C-Atom. D<strong>an</strong>n<br />
zur niedrigeren Priorität. Entsprechen den CIP-Regeln wird mit Ra<br />
o<strong>der</strong> Sa (a <strong>für</strong> axiale Chiralität) o<strong>der</strong> M <strong>für</strong> minus <strong>und</strong> P <strong>für</strong> positiv<br />
(im Uhrzeigersinn) bezeichnet.
Beispiele <strong>für</strong> axial-chirale Verbindungen in <strong>der</strong> Synthese<br />
R 1<br />
Bu 3Sn<br />
R<br />
R 1<br />
Zn<br />
OMs<br />
P<br />
P<br />
CH 3<br />
H<br />
CH 3<br />
H<br />
+<br />
+<br />
O<br />
H R 2<br />
O<br />
H R 2<br />
Ausgehend von chiralen Allenyl-Metall-Verbindungen können Lewis-Säure-katalysierte Additionen<br />
(Aldol-artig) <strong>an</strong> Aldehyde vorgenommen werden. Die Wahl des Metalls bestimmt den Überg<strong>an</strong>gszust<strong>an</strong>d<br />
(chelatisiert o<strong>der</strong> offenkettig) <strong>und</strong> damit die Diastereoselektivität <strong>der</strong> Reaktion (syn/<strong>an</strong>ti).<br />
J.A. Marshall et al. J. Org. Chem. 1998, 63, 3812.<br />
J.A. Marshall et al. J. Org. Chem. 1998, 63, 7885.<br />
Synthese chiraler Allenyl-Metall-Verbindungen<br />
BF 3<br />
R 1<br />
R<br />
R 1<br />
Zn<br />
OMs<br />
R 1<br />
R 1<br />
OMs<br />
CH 3<br />
H<br />
OH<br />
OH<br />
Pd(PPh 3) 4<br />
R 2<br />
R 2<br />
Et 2Zn<br />
R 1<br />
L<br />
Pd<br />
L OMs<br />
CH 3<br />
H
Moleküle ohne Chiralitätszentrum - axiale Chiralität<br />
Die in diesen Beispielen vorliegende Art <strong>der</strong><br />
axialen Chiralität, bei <strong>der</strong> es sich um eine gehin<strong>der</strong>te<br />
Drehbarkeit um eine Einfachbindung h<strong>an</strong>delt, wird auch<br />
Atropisomerie (engl. Atropisomerism) gen<strong>an</strong>nt. Ein wichtiges<br />
Beispiel ist das BINOL, ein Lig<strong>an</strong>d <strong>für</strong> die en<strong>an</strong>tioselektive<br />
Katalyse.<br />
Bestimmung <strong>der</strong> CIP-Nomenklatur: Wie im Fall <strong>der</strong> Allene wird das<br />
Molekül <strong>der</strong>art gedreht, dass die Achse von oben nach unten verläuft. D<strong>an</strong>n wird<br />
am unteren Zentrum mit <strong>der</strong> Zählung begonnen. D<strong>an</strong>n dreht m<strong>an</strong> zur höheren<br />
Priorität am oberen Zentrum <strong>und</strong> schließlich zur niedrigeren Priorität.<br />
Ra o<strong>der</strong> P bzw. Sa o<strong>der</strong> M<br />
1',1-Binaphthol (BINOL)<br />
OH<br />
OH<br />
(S)-1',1-Binaphthol (BINOL)<br />
3<br />
2,6,2',6'-substituierte Biphenyle<br />
OH<br />
OH<br />
2 OH<br />
1<br />
OH<br />
Cl OR<br />
Cl OR<br />
S
Moleküle ohne Chiralitätszentrum - helikale Chiralität<br />
Helizität ist die Chiralität aufgr<strong>und</strong> einer Schrauben-artigen<br />
Form des Moleküls. Gezeigt ist (M)-Hexahelicen.<br />
Zur Festlegung <strong>der</strong> Richtung können unsere Hände benutzt werden.<br />
Dabei zeigt <strong>der</strong> Daumen nach unten in die Richtung <strong>der</strong> Helix-Achse.<br />
Die übrigen Finger sollten d<strong>an</strong>n die Drehung in <strong>der</strong> vom<br />
Daumen <strong>an</strong>gegebene Richtung <strong>der</strong> Helix beschreiben.<br />
In dem hier vorliegenden Fall beschreibt<br />
nur die linke H<strong>an</strong>d korrekt die vorliegende Helix.<br />
Daher ist es eine M-(minus) Helix; o<strong>der</strong> auch linkshändige<br />
Helix gen<strong>an</strong>nt. Rechtshändige Helix = P (plus).<br />
Moleküle ohne Chiralitätszentrum - pl<strong>an</strong>are Chiralität<br />
Pl<strong>an</strong>are Chiralität ist die Chiralität aufgr<strong>und</strong> eingeschränkter<br />
konformativer Flexibilität in gesp<strong>an</strong>nten Ringsystemen <strong>und</strong> <strong>der</strong> Anordnung von<br />
Substituenten außerhalb einer Ebene. Als Beispiel ist (E)-Cycloocten<br />
<strong>an</strong>geführt. In einem Achtring ist die E-Doppelbindung stabil,<br />
die Konformation jedoch bei Raumtemperatur fixiert. Daher<br />
können zwei verschiedene En<strong>an</strong>tiomere isoliert werden.<br />
Bestimmung <strong>der</strong> Chiralität: Die Doppelbindungsebene wird<br />
nach oben gelegt <strong>und</strong> d<strong>an</strong>n bestimmt, in welche Richtungsich die<br />
Reste wegdrehen. Im linken Fall im Uhrzeigersinn (P o<strong>der</strong> Rp ), im<br />
rechten Fall entgegen des Uhrzeigersinns (M o<strong>der</strong> Sp ).<br />
H<br />
H<br />
H<br />
H<br />
H<br />
CIP, Angew. Chem. 1966,78, 413-447; Angew.<br />
Chem. Internat. Ed. Eng. 1966, 5, 385-415.<br />
H<br />
H<br />
(P) (M)<br />
H
Homotope Gruppen<br />
Im 1,3-Prop<strong>an</strong>diol betrachten wir die beiden H-Atome <strong>an</strong> C2.<br />
Werden beide H-Atome jeweils durch ein Deuterium ersetzt,<br />
entstehen zwei neue Moleküle, die jedoch beide achiral sind <strong>und</strong><br />
die ihre gegenseitigen Spiegelbil<strong>der</strong> darstellen. M<strong>an</strong> sagt, diese<br />
Atome sind homotopisch (engl. homotopic).<br />
D Ha bH D<br />
HO OH<br />
HO OH<br />
identische Moleküle<br />
Zwei Gruppen (hier H-Atome) sind homotopisch, wenn sie<br />
durch eine C n -Drehachse inein<strong>an</strong><strong>der</strong> überführbar sind. Hier<br />
überführt eine C 2 -Achse die beiden H-Atome inein<strong>an</strong><strong>der</strong>.<br />
bH Ha HO<br />
2<br />
OH
Heterotope Gruppen<br />
bH<br />
HO<br />
H a<br />
Die beiden H-Atome sind NICHT durch eine Rotation um eine C n -Achse austauschbar.<br />
D.h.: sie sind heterotopisch.<br />
Falls die beiden H-Atome durch eine Spiegelebene, ein Inversionszentrum o<strong>der</strong> eine<br />
Drehspiegelung inein<strong>an</strong><strong>der</strong> überführbar sind, werden sie en<strong>an</strong>tiotopisch gen<strong>an</strong>nt.<br />
An<strong>der</strong>s: Wird jeweils ein H-Atom gegen ein Deuterium ausgetauscht, h<strong>an</strong>delt es sich um<br />
En<strong>an</strong>tiomere.<br />
Prochiralität: Wenn <strong>der</strong> Austausch einer Gruppe <strong>an</strong> einem C-Atom in einer achiralen<br />
Verbindung zu einer chiralen Verbindung führt, wird das betreffende C-Atom als<br />
prochirales C-Atom bezeichnet.<br />
bH<br />
HO<br />
D<br />
OH<br />
OH En<strong>an</strong>tiomere HO<br />
D<br />
H a<br />
OH
Diastereotope Gruppen<br />
bH<br />
HO<br />
H a<br />
OH<br />
H a <strong>und</strong> H b sind heterotopisch <strong>und</strong> können NICHT durch eine<br />
Spiegelung, Inversion, Drehspiegelung o<strong>der</strong> Drehung inein<strong>an</strong><strong>der</strong><br />
überführt werden. M<strong>an</strong> nennt sie daher: Diastereotop<br />
O<strong>der</strong> <strong>an</strong><strong>der</strong>s: Der Austausch eines H-Atoms führt zu Diastereomeren.<br />
bH<br />
HO<br />
D<br />
OH Diastereomere HO<br />
D<br />
H a<br />
OH
O<br />
R H<br />
Prochirale Flächen<br />
Nu-H<br />
R Nu<br />
+<br />
Nu R<br />
R H R H<br />
En<strong>an</strong>tiomere<br />
Ein trigonal pl<strong>an</strong>ares Molekül hat zwei prochirale Flächen,<br />
wenn die Addition eines vierten Lig<strong>an</strong>den ein chirales Molekül erzeugt.<br />
Die beiden Flächen sind en<strong>an</strong>tiotope Flächen.<br />
Nu<br />
1<br />
O<br />
2 3<br />
R H<br />
Gegen den Uhrzeigersinn<br />
= si Fläche (engl. si face)<br />
Nu<br />
3<br />
H<br />
1<br />
O<br />
2<br />
R<br />
Im Uhrzeigersinn<br />
= re Fläche (engl. re face)
Dynamische <strong>Stereochemie</strong><br />
Moleküle sind NICHT statisch. Sie unterliegen Rotationen <strong>und</strong> Streckungen.<br />
Eine Konformation beschreibt die exakte Anordnung <strong>der</strong> Atome im Raum.<br />
Verschiedene Konformationen können durch Drehungen um Einfachbindungen<br />
inein<strong>an</strong><strong>der</strong> überführt werden. Unter Konformations<strong>an</strong>alyse versteht m<strong>an</strong> die<br />
Abschätzung <strong>der</strong> relativen Energie-Werte verschiedener Konformationen eines<br />
Moleküls <strong>und</strong> <strong>der</strong>en Einfluss auf die chemischen Eigenschaften.<br />
Konformations<strong>an</strong>alyse von Eth<strong>an</strong>:<br />
Jede ekliptische-Anordnung (engl. eclipsed) zweier benachbarter H-Atome führt zu<br />
einem Anstieg <strong>der</strong> relativen Energie um 1 kcal/mol. Daher hat die ekliptische-Konformation<br />
eine um 3 kcal/mol höher Energie als die gestaffelte Konformation (engl. staggered).<br />
H<br />
Erel = 0 (kcal/mol)<br />
H<br />
H<br />
H<br />
H<br />
H<br />
HH<br />
H<br />
H<br />
H<br />
H<br />
Erel = 3 (kcal/mol)<br />
Gestaffelte Ekliptische<br />
Konformation Konformation
Eth<strong>an</strong> Konformation<br />
H<br />
H<br />
H<br />
H H<br />
H<br />
60°<br />
gestaffelt:<br />
E rel = 0 (kcal/mol)<br />
H H<br />
0°<br />
HH<br />
H<br />
H<br />
ekliptisch:<br />
E rel = 3 (kcal/mol)<br />
Jede <strong>der</strong> drei ekliptischen H-H-Interaktionen trägt 1 kcal/mol zur Gesamtenergie bei.<br />
3 kcal/mol<br />
0° 60° 120° 180° 240°
H<br />
180°<br />
CH 3<br />
H<br />
H H<br />
CH 3<br />
Me/Me <strong>an</strong>ti<br />
(0)<br />
But<strong>an</strong> Konformationen<br />
120°<br />
H3CH H<br />
H CH3 H<br />
Me/H ekliptisch<br />
(+3,4), chiral, C2 H3CH H 3C H<br />
240°<br />
H<br />
H<br />
Me/H ekliptisch<br />
(+3,4), chiral, C 2<br />
H<br />
CH3 CH3 H H<br />
H<br />
Gauche<br />
(+0,9), chiral, C2 300°<br />
H 3C<br />
60°<br />
CH 3<br />
H<br />
H H<br />
H<br />
Gauche<br />
(+0,9), chiral, C2 H 3C<br />
0°<br />
CH 3<br />
H<br />
H H<br />
H<br />
Me/Me<br />
ekliptisch<br />
(+6)<br />
Die beiden gauche- <strong>und</strong> Me/H-ekliptischen Konformationen sind Spiegelbil<strong>der</strong> vonein<strong>an</strong><strong>der</strong>.
1R R 2<br />
H<br />
H<br />
Beiträge <strong>der</strong> sterischen Sp<strong>an</strong>nung<br />
H<br />
CH 3<br />
CH3 CH3 H<br />
0 kcal/mol<br />
CH3 CH3 H<br />
0 kcal/mol<br />
Konformation in Lösung<br />
R1 R2 Beitrag zur Energie<br />
H H 1,0 kcal/mol<br />
CH3 H 1,4 kcal/mol<br />
CH3 CH3 3,0 kcal/mol<br />
H<br />
H<br />
H<br />
CH 3<br />
CH 3<br />
CH 3<br />
H<br />
CH 3<br />
H<br />
CH 3<br />
+ 0,7 kcal/mol<br />
+ 4 kcal/mol<br />
Hoffm<strong>an</strong>n, R. W.; Angew. Chem. 1992,<br />
104, 1147-1157; Angew. Chem. Int. Ed.<br />
1992, 31, 1124-1134; Hoffm<strong>an</strong>n, R. W.;<br />
Angew. Chem. 2000, 112, 2134-2150;<br />
Angew. Chem. Int. Ed. 2000, 39, 2054-2070.
3<br />
Konformations<strong>an</strong>alyse beim Cyclohex<strong>an</strong><br />
H<br />
R<br />
H<br />
6 6<br />
H<br />
<strong>an</strong>ti<br />
äquatorial R<br />
H<br />
5<br />
6<br />
1 R<br />
4 5<br />
6<br />
4 3<br />
2<br />
3<br />
2<br />
R = äquatorial R = axial<br />
3<br />
H<br />
R<br />
gauche<br />
axial R<br />
H<br />
H<br />
1<br />
R<br />
H<br />
M<strong>an</strong> schaut in Richtung <strong>der</strong> C1-C2-Bindung. Die gleiche<br />
Sichtweise ist ebenfalls in <strong>der</strong> Newm<strong>an</strong>-Projektion<br />
dargestellt. Im äquatorialen Fall steht die R-Gruppe zu<br />
beiden Hälften des Ringes <strong>an</strong>ti. Im axialen Fall kommt es<br />
zu zwei gauche-Interaktionen <strong>und</strong> damit zu einer<br />
Erhöhung <strong>der</strong> Energie um zweimal 0,9 kcal/mol.<br />
Daher ist die axiale Position gegenüber <strong>der</strong><br />
äquatorialen Position destabilisiert. Für R = Me wären das<br />
1,8 kcal/mol.
Die A-Werte <strong>für</strong> Cyclohex<strong>an</strong>e<br />
H<br />
R ∆G°<br />
Der A-Wert = - ∆G°<br />
Für den Fall, dass R vorzugsweise äquatorial liegt, ist A positiv <strong>und</strong> somit ∆G° negativ.<br />
Je größer <strong>der</strong> Rest ist, um so größer ist <strong>der</strong> A-Wert.<br />
R<br />
R A-Werte (kcal/mol)<br />
-CCH 0,45<br />
-CH3 1,7<br />
-CH2CH3 1,8<br />
-CH(CH3) 2 2,2<br />
-Si(CH3) 3 2,5<br />
-C6H5 2,8<br />
-C(CH3) 3 4,8<br />
H
Der Zusammenh<strong>an</strong>g zwischen Energie <strong>und</strong><br />
Selektivität<br />
Betrachtet wird die Tr<strong>an</strong>sformation von A zu B o<strong>der</strong> C.<br />
A<br />
B o<strong>der</strong> C<br />
Thermodynamische Kontrolle:<br />
Selektivität = B/C = e (-∆∆G°/RT) R = Gaskonst<strong>an</strong>te (1,99 cal/mol K)<br />
T = Temperatur in Kelvin (Raumtemp. = 25°C, 298 K)<br />
Ein ∆∆G° von 1,4 kcal/mol ergibt ein Verhältnis von 10:1 <strong>für</strong> B/C.<br />
Ein ∆∆G° von 2,8 kcal/mol ergibt ein Verhältnis von 100:1 <strong>für</strong> B/C.<br />
Kinetische Kontrolle:<br />
Selektivität = B/C = e (-∆∆G+/RT) R = Gaskonst<strong>an</strong>te (1,99 cal/mol K)<br />
T = Temperatur in Kelvin (Raumtemp. = 25°C, 298 K)<br />
Ein ∆∆G + von 1,4 kcal/mol ergibt ein Verhältnis von 10:1 <strong>für</strong> B/C.<br />
Ein ∆∆G + von 2,8 kcal/mol ergibt ein Verhältnis von 100:1 <strong>für</strong> B/C.
E<br />
Thermodynamische o<strong>der</strong> kinetische Kontrolle<br />
1) B <strong>und</strong> C sind Diastereomere<br />
B<br />
∆G + B<br />
A<br />
∆G + B - ∆G + C = ∆∆G +<br />
∆G + C<br />
Reaktionskoordinate<br />
C wird schneller generiert.<br />
∆∆G + bestimmt die<br />
kinetische Selektivität<br />
<strong>der</strong> Reaktion.<br />
2) B <strong>und</strong> C sind En<strong>an</strong>tiomere<br />
E ∆G + B ∆G + C<br />
A<br />
C<br />
∆G + B - ∆G + C = ∆∆G +<br />
B C<br />
∆G° C - ∆G° B = ∆∆G°<br />
C wird schneller generiert.<br />
∆∆G + bestimmt die<br />
kinetische Selektivität<br />
<strong>der</strong> Reaktion.<br />
∆∆G° bestimmt die<br />
thermodynamische<br />
Selektivität. Β ist das<br />
thermodynamische Loch.<br />
In diesem Beispiel ist C das kinetische Produkt<br />
<strong>und</strong> B das Produkt thermodynamischer Kontrolle.<br />
Beide Wege können <strong>für</strong> die stereoselektive<br />
Synthese benutzt werden.<br />
Lediglich die kinetische Kontrolle<br />
gibt Produktselektivität.
Thermodynamische Kontrolle o<strong>der</strong> kinetische Kontrolle<br />
Betrachtet wird die Tr<strong>an</strong>sformation von A zu B o<strong>der</strong> C.<br />
A<br />
B o<strong>der</strong> C<br />
Die Produktverteilung wird von einem <strong>der</strong> folgenden zwei Faktoren beeinflusst:<br />
1. Thermodynamische Kontrolle: Die Reaktionszusammensetzung <strong>und</strong> Produktverteilung wird durch<br />
die relative Energie <strong>der</strong> Produkte bestimmt.<br />
Um eine Reaktion unter thermodynamischer Kontrolle durchzuführen, müssen entwe<strong>der</strong><br />
a) die Produkte B <strong>und</strong> C reversibel A wie<strong>der</strong>herstellen können, o<strong>der</strong><br />
b) B <strong>und</strong> C müssen in einem direkten Gleichgewicht stehen, welches nicht notwendiger Weise über<br />
A gehen muss.<br />
2. Kinetische Kontrolle: Die Reaktions- <strong>und</strong> Produktverteilung wird von <strong>der</strong> Geschwindigkeit<br />
bestimmt, mit <strong>der</strong> B <strong>und</strong> C gebildet werden. Das Produkt, welches schneller gebildet wird, entsteht<br />
im Überschuß.<br />
Merke:<br />
1) Diastereomere haben unterschiedliche Bildungsenthalpien. Wenn B <strong>und</strong> C Diastereomere sind,<br />
d<strong>an</strong>n k<strong>an</strong>n sowohl die kinetische Kontrolle als auch die thermodynamische Kontrolle zu<br />
Stereoselektivitäten führen.<br />
2) En<strong>an</strong>tiomere haben identische Bildungsenthalpien: Wenn B <strong>und</strong> C En<strong>an</strong>tiomere sind, d<strong>an</strong>n k<strong>an</strong>n<br />
lediglich die kinetische Kontrolle zur stereoselektiven Bildung eines En<strong>an</strong>tiomeren führen.
Zusammenh<strong>an</strong>g zwischen Temperatur <strong>und</strong> Selektivität<br />
∆∆G° o<strong>der</strong> ∆∆G + Temperatur Selektivität<br />
1,4 kcal/mol 25 °C 10:1<br />
1,4 kcal/mol -25 °C 17:1<br />
1,4 kcal/mol -78 °C 37:1<br />
1,4 kcal/mol 25 °C 10:1<br />
1,1 kcal/mol -25 °C 10:1<br />
0,9 kcal/mol -78 °C 10:1<br />
Eine Temperaturerniedrigung erhöht die Selektivität einer Reaktion.
Es gibt verschiedene Formen, eine Reaktion zu beschreiben<br />
Betrachtet wird die Tr<strong>an</strong>sformation von A zu B o<strong>der</strong> C.<br />
A<br />
B o<strong>der</strong> C<br />
Wir nehmen <strong>an</strong>, dass B <strong>und</strong> C Diastereomere sind <strong>und</strong> in einem Verhältnis von 3: 1 <strong>für</strong> B:C<br />
entstehen.<br />
Die Selektivität k<strong>an</strong>n d<strong>an</strong>n wie folgt wie<strong>der</strong>gegeben werden.<br />
a) Diastereomeren Verhältnis o<strong>der</strong> kurz er (engl. diastereomer ratio).<br />
Selektivität = B/C = 3:1 o<strong>der</strong> auch 75 : 25<br />
b) Diastereoselektivität o<strong>der</strong> kurz ds (engl. diastereoselectivity)<br />
Hier würde m<strong>an</strong> von 75% Diastereoselektivität sprechen.<br />
c) % Diastereomerenüberschuss o<strong>der</strong> kurz %de (engl. diastereomeric excess)<br />
Hier wären es 50%de<br />
%de = %Hauptprodukt - %Unterschussisomer = 75% - 25% =50%<br />
Für En<strong>an</strong>tiomere gelten die <strong>an</strong>alogen Ausdrücke: En<strong>an</strong>tiomerenverhältnis, kurz er (engl.<br />
En<strong>an</strong>tiomeric ratio; En<strong>an</strong>tioselektivität, kurz es (engl. En<strong>an</strong>tioselectivity);<br />
En<strong>an</strong>tiomerenüberschuss o<strong>der</strong> %ee (engl. en<strong>an</strong>tiomeric excess).
Stereochemische Kontrolle<br />
1) Substrat-Kontrolle o<strong>der</strong> auch chirale Induktion: Die in einem Substrat vorh<strong>an</strong>denen chiralen<br />
Zentren können zum selektiven Aufbau neuer chiraler Zentren genutzt werden.<br />
Me<br />
Me<br />
O Me<br />
Me B<br />
O<br />
Me<br />
+<br />
OHC<br />
OTBS<br />
Me<br />
OH<br />
Me<br />
OTBS<br />
+<br />
Me<br />
OH<br />
Me<br />
61:39 Diastereoselektivität<br />
OTBS<br />
Roush et al. „Acyclic Diastereoselective Synthesis Using Tartrate Ester Modified Crotylboronates.<br />
Double Asymmetric Reactions with a-Methyl Chiral Aldehydes <strong>an</strong>d Synthesis of the C(19)-C(29)<br />
Segment of Rifamycin S,“ J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 6348-6359.<br />
2) Reagenz-Kontrolle: Hier wird eine chirale Hilfsgruppe eingeführt, <strong>und</strong> das so erzeugte chirale Enola<br />
k<strong>an</strong>n selektiv alkyliert werden.<br />
Ph<br />
OH<br />
Me O<br />
N<br />
Me<br />
Ph<br />
OH<br />
Me O<br />
N<br />
Me R1<br />
Ph<br />
OH<br />
Me O<br />
Meyers et al. „Pseudoephedrine as a Practical Chiral Auxiliary for the Synthesis of Highly<br />
En<strong>an</strong>tiomerically Enriched Carboxylic Acid, Alcohols, Aldehydes <strong>an</strong>d Ketones.“<br />
J. Am.. Chem. Soc. 1997, 119, 6496-6511.<br />
NH<br />
Me<br />
+<br />
HO<br />
R 1
R 1<br />
OH<br />
R 2<br />
Enzymatische kinetische Racemattrennung<br />
en<strong>an</strong>tioselektive<br />
Veresterung<br />
R 1<br />
OH<br />
R 2<br />
+<br />
R 1 R 2<br />
OAc<br />
en<strong>an</strong>tioselektive<br />
hydrolyse<br />
R1 R2 Biokatalysator ee%<br />
a: Alkyl Me ANL, CRL, 70-95<br />
MHL, PPL<br />
b: CH 2 CH=CMe 2 Me PPL, PFL 90-100<br />
c: 4-MeC 6 H 4 Me PFL, SAMII 100<br />
d: PhCH=CH Me Penicillin 85<br />
acylase<br />
R 1<br />
OAc<br />
An<strong>der</strong>e Substrate, die über eine enzymatische Racemattrennung erhalten werden können.<br />
R 2 R 1 O<br />
R 3<br />
OCOR 4<br />
OAcyl<br />
Bol<strong>an</strong>d et al. Esterolytic <strong>an</strong>d Lipolytic Enzymes in Org<strong>an</strong>ic Synthesis. Synthesis, 1991, 1049-1072<br />
OH<br />
Ph<br />
OH<br />
O<br />
O<br />
OH<br />
R 2
Enzymatische Racemattrennung: Desymmetriesierung<br />
Enzymatische Veresterungen können symmetrische, achirale Verbindungen in eine einzige<br />
En<strong>an</strong>tiomeren-reine Verbindung überführen. Dabei beträgt die theoretische Ausbeute <strong>der</strong><br />
Desymmetriesierung 100%. Meso-Verbindungen erzeugen dabei Produkte mit mehreren chiralen Zentren<br />
AcO OH<br />
PLE or PPL<br />
90-95% ee<br />
HO Me<br />
MeO 2C CO 2H<br />
(Hydrolyse)<br />
99% ee, 82%<br />
O O<br />
AcO OH<br />
Bn<br />
AcO<br />
PFL (Hydrolyse)<br />
95% ee, 79%<br />
N<br />
O<br />
N<br />
Bn<br />
OH<br />
PLE (Hydrolyse)<br />
92% ee, 76%<br />
O<br />
CO 2H<br />
CO 2Me<br />
(Hydrolyse)<br />
98% ee, 98%<br />
CO2H CO2Me (Hydrolyse)<br />
75% ee, 86%<br />
Johnson et al. Biotr<strong>an</strong>sformations in Synthesis of En<strong>an</strong>tiopure Bioactive Molecules,<br />
Acc. Chem. Res. 1998, 31, 333-341.
AcO<br />
l<strong>an</strong>gsame<br />
Hydrolyse<br />
meso<br />
OAc<br />
schnelle<br />
Hydrolyse<br />
Desymmetriesierung <strong>und</strong> Trennung<br />
PLE<br />
pH 7 Puffer<br />
< desymmetriesierung><br />
AcO<br />
l<strong>an</strong>gsame<br />
Hydrolyse<br />
OH<br />
Eine zweite Hydrolyse des ersten kinetischen Alkohols führt<br />
zu einer Trennung <strong>der</strong> beiden mono-funktionalisierten En<strong>an</strong>tiomere.<br />
Der En<strong>an</strong>tiomerenüberschuß steigt mit fortschreiten<strong>der</strong> Reaktion.<br />
+<br />
HO<br />
HO<br />
OAc<br />
schnelle<br />
Hydrolyse<br />
Sih et al. Bifunctional Chiral Synthons via Biochemical Methods, J. Am. Chem. Soc. 1984, 106, 3695;<br />
Deardorff et al. En<strong>an</strong>tioselective Hydrolysis of cis-3,5-Diacetoxycyclopentene ...<br />
Org. Synth. 1995, 73, 25-35.<br />
OH
Desymmetriesierung <strong>und</strong> Racemattrennung: Chemische Methoden<br />
l<strong>an</strong>gsam<br />
OH<br />
schnell<br />
Ti(OiPr) 4<br />
tBuOOH<br />
(-)-DIPT<br />
top faces: en<strong>an</strong>tiotopic<br />
bottom faces: en<strong>an</strong>tiotopic<br />
left faces: diastereotopic<br />
right faces: diastereotopic<br />
Schreiber et al. JACS 1987, 109, 1525.<br />
O<br />
OH<br />
+<br />
OH<br />
O<br />
plus threo-Isomere<br />
Me<br />
l<strong>an</strong>gsam<br />
schnell<br />
(Ipc) 2BH<br />
H 2O 2<br />
NaOH<br />
OH<br />
O O<br />
Me<br />
OH