Darstellungsformen

Fischer-Projektion:

Um die Konfiguration von Enantiomeren zu beschreiben, benutzte man zunächst gerne dreidimensionale Darstellungen. Etwa sollte eine solche Darstellung,

L-Glycerinaldehyd in der Keil-Strich-Darstellung

die sog. Keil-Strich-Form, die räumlichen Verhältnisse gleichermaßen verdeutlichen, wie man das heute mit 3D-Modellen

L-Glycerinaldehyd als 3D-Modell, Farbmarkierungen wie in der Keil-Strich-Darstellung

versucht. Man einigte sich jedoch schnell auf die einfacheren Fischer-Projektionen. Der Chemiker Emil Fischer wählte als Vergleichssubstanz den Glycerinaldehyd, da dieser den einfachsten optisch aktiven Zucker darstellt. Um die Projektion zu erstellen, geht man folgendermaßen vor:

Man legt das erste Kohlenstoffatom (also meistens die am höchsten oxidierte Gruppe, für gewöhnlich Aldehyd- oder Säuregruppen) nach oben, die Kohlenstoffkette mit dem asymmetrischen Kohlenstoffatom vertikal darunter, auf einer Linie ausgebreitet. Liegt dann der Heterosubstituent (der, der nicht ein einfaches Wasserstoffatom ist) am letzten asymmetrischen Kohlenstoffatom auf der linken Seite, so handelt es sich um eine L-Form (lat. laevus = links), zeigt er nach rechts, handelt es sich um eine D-Form (lat. dexter = rechts).

links: L-Glycerinaldehyd, rechts: D-Glycerinaldehyd

Bei Kohlenhydraten ist der Heterosubstituent meist die Hydroxygruppe, bei Aminosäuren die Aminogruppe. Im Falle von Glycerinaldehyd ist das letzte asymmetrische Kohlenstoffatom auch das erste, da es nur eines gibt.

Natürlich vorkommende Aminosäuren besitzen fast immer L-Konfiguration, Kohlenhydrate oft D-Konfiguration.

Man darf aber L- oder D-Konfigurationen nicht mit dem optischen Drehsinn gleichsetzen, da es alle Kombinationen gibt:

Verschiedene Kombinationen von Konfigurationen und optischem Drehsinn, entscheidender Heterosubstituent und asymmetrisches C* markiert

Cahn-Ingold-Prelog-Konvention:

Auch CIP-Nomenklatur genannt; man unterscheidet hierbei R (rectus) und S (sinister) für eine Anordnung der Substituenten an einem asymmetrischen Kohlenstoffatom mit (R) und gegen (S) den Uhrzeigersinn.

Zur Bestimmung der Konfiguration werden die Substituenten des asymmetrischen Kohlenstoffatoms nach Prioritätsregeln auf Ränge verteilt. Dann betrachtet man das Kohlenstoffatom aus der Sicht, aus welcher der in der Rangliste letzte Substituent vom Betrachter abgewandt ist. Sind die anderen Substituenten in Blickrichtung nach abnehmender Priorität im Uhrzeigersinn angeordnet, spricht man von der R-Konfiguration, sonst liegt die S-Konfiguration vor. Diese decken sich nicht immer mit der D-L-Nomenklatur.

Vorgehensweise:

1.  Bestimmung der Stereozentren des Moleküls: Chirale C-Atome sind sp³-hybridisiert und besitzen 4 verschiedene Substituenten, freie Elektronenpaare können auch als Substituent gelten. Jedes Zentrum besitzt eine eigene Konfiguration, jedes wird mit einem „ * “ markiert.

2.      Bestimmung der Zähl- oder Drehrichtung der Struktur nach folgenden Regeln der Prioritätsfestlegung:

a.      Alle Atome, die direkt an das Zentrum gebunden sind: Vergabe von Prioritäten 1–4 nach der Ordnungszahl, die höchste Ordnungszahl erhält 1 usw.; freie Elektronenpaare sind immer 4.

b.      Bei gleicher Ordnungszahl wird die Masse betrachtet, höhere Masse erhält höhere Priorität.

c.       Sind die Reste gleich groß, so hat derjenige Rest Vorrang, bei dem die Verzweigung näher am asymmetrischen C-Atom liegt.

3.   Der Substituent mit der niedrigsten Priorität wird unter die Bildebene nach hinten/vom Betrachter entfernt gestellt, daraufhin zählt man im Kreis absteigend die Prioritäten. Ist diese Betrachtung linksherum (gegen den Uhrzeigersinn), sprich man von S-Konfiguration, ist sie rechtsherum (mit dem Uhrzeigersinn), spricht man von R-Konfiguration.

4.      Zusätzliche Regeln: Doppel- und Dreifachbindungen werden so gehandhabt, als ob die jeweilige Gruppe/Atom in dieser Menge vorhanden wäre. Die Atome werden auf jeder Seite nach Ordnungszahl und Massenzahl sortiert. Für stereochemische Unterschiede gelten dabei zusätzlich die Regeln cis = Z vor trans = E. Hier sind einige Beispiele für Substituenten in absteigender Priorität aufgelistet:

-I > -Cl > -S-CH3 > -SH > -F > -O-CH3 > -OH > -N3 > -N (CH3)2 > -NH-C6H5 > -NH2 > -COOH > -CON2H > -CONH2 > -CHO > -CH2OH > -CD3 > -CD2H > -CDH2 > -CH3 > -D > -H > freies Elektronenpaar

Beispiel: 2-Butanol kann in 2 Konfigurationen vorliegen, der 2R-Form

(2R)-Butanol

und der 2S-Form.

(2S)-Butanol

Die „2“ gibt in diesem Falle die Lage des asymmetrischen Kohlenstoffatoms und die Lage der Hydroxygruppe an. Zur Verdeutlichung das gleiche Paar von Enantiomeren noch einmal in der 3D-Darstellung

Zusammenfassung zur R- und S-Sequenzregel (CIP-Regel)

1.       Enantiomere werden nach der R- und S-Sequenzregel eingestuft.

2.       Um herauszufinden, ob ein Enantiomer die (R)- oder (S)-Konfiguration besitzt, müssen alle Substituenten nach ihrer Priorität geordnet werden: 4>3>2>1. Den Substituenten mit der niedrigsten Priorität (1) dreht man vom Betrachter weg, meist ein Wasserstoffatom. Nun geht man von 4 über 3 nach 2.

3.       Wenn die Richtung, in der man gehen muss, mit dem Uhrzeigersinn verläuft, ist das Enantiomer (R)-konfiguriert (aus lat. rectus, rechts)

4.       Wenn die Richtung, in der man gehen muss, gegen den Uhrzeigersinn verläuft, ist das Enantiomer (S)-konfiguriert (aus lat. sinister, links)