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!