Enantiomere und Diastereomere in der HPLC
Wie man Enantiomere von Diastereomeren unterscheidet, warum nur Diastereomere an achiralen HPLC-Phasen getrennt werden und wie man Enantiomerenüberschuss und Enantiomerenverhältnis berechnet.
Das Wichtigste in Kürze
- Enantiomere sind nicht deckungsgleiche Spiegelbilder mit allen Zentren invertiert, Diastereomere sind Stereoisomere ohne Spiegelbildbeziehung.
- Unterscheiden sich zwei Stereoisomere nur in ihrem einzigen Stereozentrum, sind sie Enantiomere. endo/exo-Isomere wie Granisetron und sein exo-Isomer sind Diastereomere.
- Diastereomere wie meso-/chirale Weinsäure, Glucose/Mannose oder Threonin/allo-Threonin trennen sich an achiraler RP18 ohne chirale Zusätze, Enantiomere wie die der Milchsäure koeluieren.
- Getrennte Diastereomere erfasst man mit einem UV-Detektor, ein polarimetrischer oder CD-Detektor ist nicht nötig.
- \(ee = \frac{|m_1 - m_2|}{m_1 + m_2} \cdot 100\,\%\) wird in Prozent angegeben, das Enantiomerenverhältnis als Verhältnis wie 9 : 1.
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Worum es geht
Viele Arzneistoffe tragen Stereozentren, und ihre Stereoisomere gelten oft als Verunreinigungen. Ob die HPLC solche Isomere an einer gewöhnlichen RP18-Säule trennt, hängt allein von der Stereobeziehung ab. Deshalb muss man zuerst erkennen, ob ein Paar enantiomer oder diastereomer ist.
Enantiomere und Diastereomere
Stereoisomere haben dieselbe Konstitution und unterscheiden sich nur in der räumlichen Anordnung. Enantiomere verhalten sich wie Bild und Spiegelbild, ohne deckungsgleich zu sein. Alle Stereozentren sind dabei invertiert. Diastereomere sind Stereoisomere, die keine Spiegelbilder sind. Bei ihnen ist nur ein Teil der Zentren umgekehrt. Die Grundbegriffe findest du ausführlich bei Enantiomeren und Diastereomeren im Polarimeter.
Daraus folgt eine einfache Regel. Hat ein Molekül nur ein einziges Stereozentrum, gibt es genau zwei Stereoisomere. Unterscheiden sie sich in diesem Zentrum, sind sie zwangsläufig Enantiomere. Diastereomerie setzt mindestens zwei stereogene Einheiten voraus.
Eine meso-Form besitzt Stereozentren und trotzdem eine innere Spiegelebene. Sie ist achiral und mit ihrem Spiegelbild identisch. meso-Weinsäure ist deshalb zu (2R,3R)- und (2S,3S)-Weinsäure diastereomer. Die beiden letzteren bilden untereinander ein Enantiomerenpaar. Beim 1,2-Dimethylcyclohexan ist die cis-Form meso (in der Sesselform eine Methylgruppe axial, eine äquatorial). Die trans-Form ist chiral und liegt als Enantiomerenpaar vor. cis und trans sind zueinander diastereomer.
So prüfst du ein Paar an Keilstrich- oder Sesselformeln:
- Konstitution vergleichen: Nur bei gleicher Verknüpfung liegt Stereoisomerie vor.
- Zentren vergleichen: Sind alle Stereozentren invertiert, liegen Enantiomere vor. Ist nur ein Teil invertiert, liegen Diastereomere vor.
- Spiegelebene suchen: Hat eine Form eine innere Spiegelebene, ist sie meso und achiral.
Auch am Bicyclus gilt diese Logik. endo/exo-Isomerie ist Diastereomerie, denn nur die relative Konfiguration an einem Zentrum ändert sich. Beim Antiemetikum Granisetron (endo) weist der Carboxamid-Substituent an C-3 des 9-Azabicyclo[3.3.1]nonan-Gerüsts zur längeren Kohlenstoffbrücke. Im exo-Isomer zeigt er zur N-Brücke. Beide sind Diastereomere, keine Spiegelbilder.
Trennbarkeit an achiraler Phase
Diastereomere unterscheiden sich in physikalischen Eigenschaften wie Polarität, Löslichkeit und Schmelzpunkt. Sie wechselwirken daher unterschiedlich stark mit einer achiralen Umkehrphase und erscheinen bei verschiedenen Retentionszeiten. Für ihre Trennung reicht eine achirale Phase wie RP18. Chirale Bedingungen sind nicht nötig.
Enantiomere dagegen sind in achiraler Umgebung in jeder Hinsicht gleich. Man kann sich das wie eine linke und eine rechte Hand vorstellen, die in denselben runden Ball greifen: Beide passen gleich gut. Ohne chiralen Partner koeluieren sie als ein Peak. Erst ein chiraler Selektor in der stationären Phase oder eine Derivatisierung zu Diastereomeren macht sie trennbar.
| Paar | Beziehung | an RP18 ohne chirale Zusätze |
|---|---|---|
| meso-Weinsäure / chirale Weinsäure | Diastereomere | trennbar |
| Glucose / Mannose | C2-Epimere (Diastereomere) | trennbar |
| Threonin / allo-Threonin | Diastereomere | trennbar |
| Granisetron / exo-Isomer | Diastereomere (endo/exo) | trennbar |
| D-/L-Milchsäure | Enantiomere | nicht trennbar |
Sind Diastereomere einmal getrennt, erkennt man jedes über seine Retentionszeit. Die Menge ergibt sich aus der Peakfläche. Dafür genügt ein gewöhnlicher UV-Detektor. So lässt sich das exo-Isomer als Verunreinigung von Granisetron direkt quantifizieren. Dasselbe gilt für die diastereomeren Isoindolderivate von D- und L-Valin nach chiraler Derivatisierung.
Obwohl die Analyten chiral sein können, braucht man für getrennte Diastereomere keinen chiroptischen Detektor. Polarimeter- oder CD-Detektor sind überflüssig, weil die Trennung schon die Säule leistet.
Enantiomerenüberschuss
Trennt man Enantiomere an einer chiralen Phase, liefern die Peakflächen die Mengen beider Formen. Daraus berechnet man zwei Kenngrößen. Den Enantiomerenüberschuss (ee) kennst du von Racematen und optischer Reinheit. Er ist die Differenz der Anteile beider Enantiomere und wird in Prozent angegeben:
\[ee = \frac{|m_1 - m_2|}{m_1 + m_2} \cdot 100\,\%\]
Dabei sind \(m_1\) und \(m_2\) die Massen (oder Stoffmengen) der beiden Enantiomere. Ein Racemat hat ee = 0 %, ein reines Enantiomer ee = 100 %.
Das Enantiomerenverhältnis (er) gibt die Anteile beider Enantiomere als Verhältnis an, etwa 9 : 1 oder 90 : 10. Es wird nicht in Prozent angegeben.
Ein Rechenbeispiel zeigt beide Größen nebeneinander. Ein Gemisch enthält 45 mg (S)- und 5 mg (R)-Enantiomer.
- Summe bilden: 45 mg + 5 mg = 50 mg.
- Differenz bilden: 45 mg − 5 mg = 40 mg.
- ee berechnen: 40 mg / 50 mg · 100 % = 80 %.
- er angeben: 45 : 5 = 9 : 1 (entspricht 90 : 10).
Vor jeder Rechnung steht die Strukturprüfung aus dem ersten Abschnitt. Nur wenn die beiden Verbindungen wirklich Enantiomere sind, ergeben ee und er einen Sinn. Bei Diastereomeren spricht man stattdessen vom Diastereomerenverhältnis.
Quiz
Aussage 1
meso-Weinsäure und (2R,3R)-Weinsäure lassen sich an einer RP18-Phase ohne chirale Zusätze trennen.
Sie sind Diastereomere mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften und daher an achiraler Phase trennbar.
Aussage 2
Zwei Stereoisomere gleicher Konstitution, deren einziges Stereozentrum entgegengesetzt konfiguriert ist, sind Diastereomere.
Bei nur einem Stereozentrum sind die beiden Formen zwangsläufig Spiegelbilder, also Enantiomere.
Aussage 3
Granisetron (endo) und sein exo-Isomer mit umgekehrter relativer Konfiguration an C-3 sind Diastereomere.
endo/exo-Isomerie am Bicyclus ist Diastereomerie, die beiden Formen sind keine Spiegelbilder.
Aussage 4
Ein Gemisch aus 30 mg und 10 mg zweier Enantiomere hat einen Enantiomerenüberschuss von 50 % und ein Enantiomerenverhältnis von 3 : 1.
ee = (30 − 10) / 40 · 100 % = 50 %, das Verhältnis 30 : 10 ergibt 3 : 1.
Aussage 5
Um das abgetrennte exo-Isomer von Granisetron zu quantifizieren, braucht man einen Circulardichroismus-Detektor.
Getrennte Diastereomere unterscheiden sich über die Retentionszeit, ein UV-Detektor genügt zur Quantifizierung.
Aussage 6
Die Enantiomere der Milchsäure ergeben an einer RP18-Säule mit achiralem Eluenten zwei getrennte Peaks.
Enantiomere verhalten sich in achiraler Umgebung gleich und koeluieren als ein Peak. Nötig wären chirale Bedingungen.
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