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Chirale Verbindungen in R/S-Nomenklatur 11:36 min

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Transkript Chirale Verbindungen in R/S-Nomenklatur

Guten Tag und herzlich willkommen!

In diesem Video geht es um chirale Verbindungen in R/S-Nomenklatur. Als Vorwissen solltest du die Begriffe chiral, Enantiomere und D/L-Nomenklatur mitbringen. Das Ziel des Videos ist es, dir das Wesen der R/S-Nomenklatur näherzubringen.

Gliederung: 1. Grenzen der D/L-Nomenklatur 2. Regeln der R/S-Nomenklatur 3. Anwendungsbeispiele 4. Fehlende Übereinstimmung der Nomenklaturen und Drehwinkel 5. Zusammenfassung

  1. Grenzen der D/L-Nomenklatur

Im Video über die D/L-Nomenklatur haben wir als Anwendungsbeispiel das Molekül des Glycerinaldehyds verwendet. Die Nomenklatur diente dem Ziel, beide Enantiomere durch eine Bezeichnung voneinander zu unterscheiden. Als 1. haben wir die längste Kohlenstoffkette senkrecht angeordnet. Das am stärksten oxidierte Kohlenstoffatom steht oben. Die untere Gruppe ergibt sich dann automatisch. Das achirale Zentrum des Glycerinaldehyds befindet sich am mittleren Kohlenstoffatom. Nach Vereinbarung sind die Kohlenstoffatome der Kohlenstoffkette hinter die Projektionsebene gerichtet. Die Substituenten links und rechts ragen aus der Projektionsebene heraus. Man erhält dann 2 Enantiomere, je nachdem, ob sich die Hydroxygruppe rechts oder links befindet. Beim linken Molekül handelt es sich um das Enantiomer D-Glycerinaldehyd. Beim rechten Molekül haben wir es mit dem Enantiomer L-Glycerinaldehyd zu tun. Die hier verwendete Darstellungsweise wird als FISCHER-Projektion bezeichnet. Sie ist ausreichend für Glycerinaldehyd und Verbindungen, die sich vom Glycerinaldehyd ableiten. Es handelt sich jedoch um keine universelle Methode. Auf der Suche nach einem universellen Verfahren wurde die R/S-Nomenklatur entwickelt.

  1. Regeln der R/S-Nomenklatur

Genau wie die D/L-Nomenklatur hat auch die R/S-Nomenklatur ein klares Anliegen. Wir möchten Moleküle bezeichnen, die sich wie Bild und Spiegelbild zueinander verhalten. Dabei sollen sie jedoch nicht identisch sein. Man nennt solche Moleküle Enantiomere. Man kann auch sagen, wir sind auf der Suche nach der absoluten Konfiguration. Diese absolute Konfiguration hoffen wir mit den Begriffen R und S festlegen zu können.

Die R/S-Nomenklatur startet wie immer mit einem chiralen Kohlenstoffatom. Die 4 Substituenten werden durch unterschiedliche Prioritäten in eine Reihenfolge gebracht. Da am chiralen Kohlenstoffatom alle Substituenten verschieden sind, ergibt sich auch eine klare Reihenfolge der Prioritäten. Konkret sieht das so aus: Als 1. wird die Priorität durch die Ordnungszahl des 1. Atoms, welches am Substituenten sitzt, entschieden. O kommt vor N, N kommt vor C und C kommt vor H. 2. Bei Gleichheit gilt: Kann über die Priorität so nicht entschieden werden, so entscheidet darüber das nächste am Substituenten befindliche Atom. Ist es mit dem 1. Atom durch eine Doppelbindung verknüpft, so zählt dieses Teilchen doppelt.

Betrachten wir einmal die Substituenten, die wir im Glycerinaldehyd antreffen. OH kommt dann vor CHO, CHO kommt vor CH2OH und CH2OH kommt vor H. Um das Glycerinaldehyd räumlich darzustellen, wähle ich hier eine Schreibweise, die mit der Projektion nach Fischer und einer räumlichen Darstellungsweise verknüpft ist. Oben befindet sich die Aldehydgruppe CHO. Die Hydroxymethylgruppe CH2OH befindet sich dann entsprechend unten. Nehmen wir nun an, dass sich links H befindet und rechts die Hydroxygruppe OH. Es ist dann ein Leichtes, die 4 Prioritäten einzutragen. Ich habe dieses Molekül einmal in diesem räumlichen Modell dargestellt. CHO ist oben, die Hydroxymethylgruppe CH2OH ist unten. Rechts habe ich die Hydroxygruppe und links befindet sich das Wasserstoffatom.

Und jetzt kommt die wichtigste Regelung innerhalb der R/S-Nomenklatur, die man auf keinen Fall vergessen oder verwechseln darf. Man muss jetzt diesen Substituenten, der die niedrigste Priorität besitzt, in unserem Fall ist das 4, vom Betrachter abwenden. Im Fall des Glycerinaldehyds ist der Substituent mit der niedrigsten Priorität das Wasserstoffatom. Das ist hier gelb und das habe ich nach unten angeordnet. Die Prioritäten sind 1 an der Hydroxylgruppe, 2 an der Aldehydgruppe und 3 an der Hydroxymethylgruppe. Wenn ich um das Zentrum über 1, 2 und 3 einen imaginären Kreis schlage, so stelle ich fest, dass die Drehbewegung im Uhrzeigersinn verläuft, also rechts herum. Ein solches Molekül bezeichnet man als R-Enantiomer. Wir haben es hier also mit R-Glycerinaldehyd zu tun. Vertauschen die beiden Substituenten Wasserstoff und Hydroxygruppe ihre Plätze, so ist es ganz klar, dass man es dann mit einer Drehung in die andere Richtung zu tun hat, und zwar entgegen des Uhrzeigersinnes, links herum. In einem solchen Fall spricht man von S-Enantiomer.

Also noch einmal: Ein R-Enantiomer liegt vor, wenn man unter den gegebenen Bedingungen rechts herum dreht, ein S-Enantiomer, wenn die Drehung links herum erfolgt.

  1. Anwendungsbeispiele

Ich möchte hier folgendes Molekül in FISCHER-Projektion darstellen: oben die Carboxylgruppe, unten eine Methylgruppe, rechts eine Hydroxygruppe und links ein Wasserstoffatom. Das chirale Zentrum befindet sich mittig. Carboxylgruppe und Methylgruppe befinden sich unterhalb der Tafelebene, das Wasserstoffatom und die Hydroxylgruppe nach Vereinbarung oberhalb der Tafelebene. Jetzt kommt das Komplizierteste. Ich hebe die OH-Gruppe an und drehe sie längs der Kohlenstoffkette nach oben, sodass das Wasserstoffatom hinter der Tafelebene zum Stehen kommt. Dann erhalte ich oberhalb der Tafelebene folgendes Bild: Ich erinnere mich an die Prioritäten 1, 2 und 3 und vollführe eine Drehung. Diese Drehung verläuft rechts herum. Folglich ist das das R-Isomer. Das andere Isomer unterscheidet sich in der gewählten Darstellungsweise vom oberen dadurch, dass die Hydroxygruppe und das Wasserstoffatom ihre Plätze vertauscht haben. Um das Wasserstoffatom nun wieder hinter die Tafelebene zu platzieren, fasse ich die Hydroxygruppe links an und drehe sie längs der Kohlenstoffkette nach oben. Ich erhalte dann folgendes Bild: Die Substituenten werden entsprechend ihrer Prioritäten nummeriert. Die Drehung von 1 über 2 zu 3 erfolgt dann links herum. Dieses Enantiomer wird als S bezeichnet. Die Aufmerksamen von euch werden es sicher schon erkannt haben. Es handelt sich bei diesem Molekül um Milchsäure. Wir haben also die Moleküle von R- und S-Milchsäure dargestellt.

Und nun ein zweites Beispiel. Holla, werden die Meisten sagen, das ist doch das Gleiche! Nein, das ist es nicht! Statt der Hydroxygruppen haben wir hier primäre Aminogruppen als Substituenten. Die Prioritäten bleiben erhalten. Die Zuordnung nach R und S ist sofort möglich. Bei dem Molekül handelt es sich um die Aminosäure Alanin.

  1. Fehlende Übereinstimmung der Nomenklaturen und Drehwinkel

Dieses Thema verdient eigentlich ein eigenständiges Video. Ich möchte es hier nur mit einigen Bemerkungen bewenden lassen. Mitunter herrscht die Meinung, dass zwischen R-D und einem positiven Drehwinkel eine gewisse Übereinstimmung besteht. Ist das tatsächlich so? Nein, es gibt keinerlei Übereinstimmung zwischen R-D und einem positiven Drehwinkel, genauso wenig, wie es zwischen S-L und einem negativen Drehwinkel eine Übereinstimmung gibt. Das ist immens wichtig bei der Untersuchung von Konfigurationen chiraler Verbindungen.

  1. Zusammenfassung

Für die Bezeichnung chiraler Verbindungen nach R/S-Nomenklatur werden die 4 Substituenten am chiralen Zentrum durch verschiedene Prioritäten belegt. Nehmen wir an, es existiert die Abfolge 1, 2, 3, 4. Für die organische Chemie ist 1. wichtig zu wissen: O kommt vor N, dieses vor C und dieses vor H. Man ordnet nach fallenden Ordnungszahlen. Kommt man so zu keinem Schluss, so wird 2. das Zweitatom zu Rate gezogen. Es ist zu berücksichtigen, dass eine Doppelbindung vom 1. zum 2. Atom dann auch dort eine doppelte Zählung zur Folge hat. Und 3. schließlich, ganz wichtig: Der Substituent mit der niedrigsten Priorität, in unserem Fall 4, wird entgegen der Blickrichtung angeordnet. Wir sehen dann noch die 3 Substituenten mit den Prioritäten 1, 2, 3. Dabei ist es möglich, dass wir eine Zählung nach rechts vollziehen, nämlich 1, 2, 3, rechts herum. Oder die andere Möglichkeit, die Zählung nach links: 1, 2, 3 verläuft entgegen des Uhrzeigersinnes, nach links. Das linke Enantiomer wird mit dem Großbuchstaben R belegt. Das rechte Enantiomer mit dem Großbuchstaben S. Ganz wichtig für das Studium chiraler Verbindungen ist, dass es keinerlei Zusammenhang zwischen den Konfigurationen R-D und einem positiven Drehwinkel eines chiralen Moleküls gibt. Genauso wenig findet man eine Übereinstimmung zwischen den Konfigurationen S-L und einem negativen Drehwinkel eines chiralen Moleküls. Das ist eine Tatsache, die ihr euch wirklich einprägen solltet.

Ich bedanke mich für die Aufmerksamkeit. Alles Gute, auf Wiedersehen!

4 Kommentare
  1. Guten Morgen,

    HO- > CHO- > HO-CH2- > H

    HO- ist 1, weil die Verbindung mit dem chiralen Zentrum direkt mit dem O - Atom erfolgt. Und das ist größer (schwerer, Atommasse 16 u.) im Vergleich zu C (12 u.).
    Dann kommt CHO- als 2. Es liegt vor HO-CH2-, da in der Aldehyd - Gruppe das zweite Atom, das Sauerstoff - Atom O mit dem ersten Atom, dem Kohhlenstoff - Atom C, mit einer Doppelbindung verknüpt sit (C(=O)H-). Das zweite Atom zählt daher doppelt (16 x 2 = 32 u.).
    Erst dann kommt als 3 die HO-CH2-, da das zweite Atom, das Sauerstoff - Atom, nur einfsch mit dem ersten Atom, dem Kohlenstoff - Atom verbunden ist.
    Das Wasserstoff - Atom H ist das kleinste Atom (1 u.) und es kommt auf Platz 4.
    Alles Gute

    Von André Otto, vor etwa 5 Jahren
  2. Tausend Dank sehr gute Erklärung .
    aber ich habe es noch nicht bekommen ,wie werden die Glycerinaldehd Substituenten nach Priorität angeordnet

    Von Abd O., vor etwa 5 Jahren
  3. Das höre ich gerne! Dann klick bitte auch "Hat mir geholfen" an.
    Alles Gute

    Von André Otto, vor mehr als 7 Jahren
  4. Hallo Herr Otto! Ihre Videos sind supper und haben mir schon oft geholfen! Danke!

    Von Braegsan, vor mehr als 7 Jahren

Chirale Verbindungen in R/S-Nomenklatur Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Chirale Verbindungen in R/S-Nomenklatur kannst du es wiederholen und üben.

  • Ordne die Substituenten nach ihrer Priorität in der R/S-Nomenklatur.

    Tipps

    Die Priorität ergibt sich über die Ordnungszahl der Atome.

    Nutze ein PSE, falls nötig.

    Lösung

    Mithilfe der R/S-Nomenklatur kann die absolute Konfiguration festgelegt werden. Wichtig ist dafür die Bestimmung der Prioritäten der Substituenten. Diese wird über die Ordnungszahl der jeweiligen Atome bestimmt. Für Elemente ergibt sich somit:

    $O$ > $N$ > $C$ >$H$

    Sind die Substituenten Gruppen, dann vergleicht man die einzelnen Atome der Reihenfolge nach:

    $OH$ > $CHO$ > $CH_2OH$ > $H$

  • Gib das Vorgehen bei der Verwendung der R- und S-Nomenklatur wieder.

    Tipps

    Der Substituent mit der höchsten Ordnungszahl erhält die Priorität 1.

    Nachdem die Prioritäten festgelegt wurden, folgt man den Substituenten von 1 zu 2 und 3. Daraus ergibt sich eine Drehrichtung.

    Lösung

    Um die absolute Konfiguration festzulegen, muss eine bestimmte Vorgehensweise eingehalten werden. Diese ist wie ein Rezept in einem Kochbuch. Befolgst du das Rezept, gelingt dir auch die Bestimmung.

    1. Das chirale Kohlenstoffatom wird in die Mitte geschrieben.
    2. Die Prioritäten der Substituenten werden bestimmt über deren Ordnungszahl: $(O~>~N~>~C~>~H)$.
    3. Um die Drehrichtung (rechts oder links) zu bestimmen, wird das Molekül so gedreht, dass der Substituent mit der niedrigsten Priorität von einem wegzeigt.
    4. Rechtsdrehenden Molekülen wird ein $R-$ vorangestellt und linksdrehenden ein $S-$.
  • Bestimme die R/S-Nomenklatur von Cystein.

    Tipps

    Nutze das PSE zur Festlegung der Prioritäten.

    Nutze ein Stück Knete und vier Stifte verschiedener Farbe, um dir ein anschauliches Modell zu bauen.

    Lösung

    Die chiralen Kohlenstoffatome stehen auch hier wieder in der Mitte der dargestellten Moleküle. Um die Prioritäten der Substituenten festzulegen, betrachtet man die Ordnungszahlen. Da Stickstoff die höchste Ordnungszahl besitzt, muss die Aminogruppe die höchste Priorität erhalten. Es ergibt sich somit folgende Reihenfolge:

    $NH_2~>~COOH~>~CH_2SH~>~H$

    Nun wird das Molekül so gedreht, dass das Wasserstoffatom vom Betrachter wegzeigt. Durch Verbinden der Prioritäten nach der Reihenfolge, ergibt sich daraus für das linke Molekül eine Links- und für das rechte Molekül eine Rechtsdrehung. Es liegen also S- (links) und R-Cystein (rechts) vor.

  • Ermittle, welche Form der Weinsäure vorliegt.

    Tipps

    Nimm dir zwei Stifte und überkreuze sie. So kannst du dir schnell ein Modell zum Anfassen schaffen.

    Bedenke, dass die Substituenten links und rechts nach vorn stehen und die oben und unten nach hinten.

    Lösung

    Dargestellt ist hier Weinsäure in der Fischer-Projektion. Dabei sind die chiralen $C$-Atome an zweiter und dritter Position zu finden. Zieht man eine waagerechte Linie zwischen diesen Atomen und dreht das Molekül, dann fällt auf, dass beide dieselben Substituenten an derselben Position besitzen. Somit lassen sich die Prioritäten analog festlegen. Die Ordnungszahl kann falls nötig aus dem PSE entnommen werden:

    $OH$ > $COOH$ > $CHOH-COOH$ > $H$

    Durch Drehung des Moleküls, um das Wasserstoffatom von sich wegzeigen zu lassen, ergibt sich eine Drehung gegen den Uhrzeigersinn (nach links) beim Verbinden der Prioritäten. Da dies für beide Kohlenstoffatome gleich ist, ergibt sich der Name der Verbindung: (S,S)-Weinsäure.

  • Bezeichne das Milchsäure-Molekül nach der R/S-Nomenklatur.

    Tipps

    Die Substituenten links und rechts stehen aus der Ebene nach vorn. Wo liegt die Hydroxy-Gruppe, wenn das Wasserstoffatom nach hinten zeigt?

    Lösung

    Das zentrale Kohlenstoffatom befindet sich in der Darstellung bereits in der Mitte des Moleküls. Als nächstes werden die Prioritäten der vier Substituenten bestimmt. Dazu benötigt man die Ordnungszahlen. In unserem Beispiel erhält die Hydroxid-Gruppe ($OH$) die höchste Priorität, da die Gruppe als erstes Atom Sauerstoff enthält.

    Danach vergleicht man die Methyl- ($Me$ ; $CH_3$) und Carboxyl-Gruppe ($COOH$). Das erste Atom ist gleich, weshalb man daraufhin das zweite vergleicht. Da die Carboxyl-Gruppe an der Stelle ein Sauerstoffatom hat, bekommt sie die Priorität zwei und der Methylrest die drei. Wasserstoff hat immer die niedrigste Priorität (vier).

    Um die Drehrichtung zu bestimmen, wird das Molekül so gedreht, dass das Wasserstoffatom vom Betrachter wegzeigt. Dadurch liegt nun die $OH$-Gruppe auf der linken Seite. Über die Reihenfolge eins, zwei und drei ergibt sich nun eine Drehung nach rechts (im Uhrzeigersinn). Somit wird das Molekül mit $R$ bezeichnet.

  • Bestimme, ob D- oder L-Glucose vorliegt.

    Tipps

    Das chirale Kohlenstoffatom befindet sich an der zweiten Position (von oben gezählt).

    Lösung

    Die D/L-Nomenklatur von Molekülen wird mit Hilfe der Fischer-Projektion festgelegt. Dazu muss als erstes die Kohlenstoffkette mit der größten Anzahl an Atomen senkrecht aufgeschrieben werden. Das am stärksten oxidierte Kohlenstoffatom wird an die Spitze der Kette geschrieben und das chirale Atom mit einem Sternchen (*) gekennzeichnet. Als nächstes folgt das Eintragen der Wasserstoffatome ($H$) und Hydroxid-Gruppen ($OH$).

    Die $OH$-Gruppe am ersten chiralen $C$-Atom steht rechts. Somit liegt hier die $D$-Glucose vor.