Stereoisomere: cis/trans-Isomere und Chiralität
Wie man die cis/trans-Isomere Ölsäure und Elaidinsäure analytisch auseinanderhält und an Strukturformeln entscheidet, ob ein Arzneistoff chiral ist.
Das Wichtigste in Kürze
- Stereoisomere haben gleiche Konstitution und unterscheiden sich nur räumlich: cis/trans-Isomere wie Ölsäure (9Z) und Elaidinsäure (9E) sind Diastereomere.
- Ölsäure und Elaidinsäure unterscheidet man über die olefinischen Protonen im \(\ce{^1H}\)-NMR und als Methylester per GC über die Retentionszeit.
- Bromentfärbung, IR-Carbonylbande, NaOH-Verbrauch und das Molekülion im EI-MS (\(m/z\) 296 der Methylester) sind für beide gleich.
- Bisacodyl ist achiral, weil das zentrale C-Atom zwei gleiche 4-Acetoxyphenylreste trägt, und ist nicht polarimetrisch bestimmbar; auch Metronidazolbenzoat, Ölsäure und Elaidinsäure sind achiral.
- Ofloxacin ist chiral (Stereozentrum C3, (S)-Form = Levofloxacin), Ethambutol liegt als (S,S)-Enantiomer vor und ist keine meso-Form.
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Worum es geht
Stereoisomere haben dieselbe Konstitution und unterscheiden sich nur in der räumlichen Anordnung ihrer Atome. Viele Analysenmethoden sehen diesen Unterschied gar nicht. Für die Arzneistoffprüfung muss man deshalb wissen, welche Methode cis von trans trennt und wann ein Stoff überhaupt optisch aktiv sein kann.
Ölsäure und Elaidinsäure
Ölsäure und Elaidinsäure sind beide Octadec-9-ensäuren. Sie unterscheiden sich nur in der Geometrie der Doppelbindung zwischen C9 und C10. Ölsäure ist das cis-Isomer (9Z), Elaidinsäure das trans-Isomer (9E). Solche cis/trans-Isomere sind Diastereomere und keine Spiegelbilder.
Die cis-Doppelbindung knickt die Kette, die trans-Kette bleibt gestreckt. Gestreckte Ketten packen sich dichter im Kristall. Deshalb ist Elaidinsäure bei Raumtemperatur fest und Ölsäure flüssig (zur Schmelztemperatur).
Welche Methode trennt
Summenformel, Molmasse und funktionelle Gruppen sind bei beiden identisch. Jede Methode, die nur darauf anspricht, liefert dasselbe Ergebnis. Unterscheiden kann nur eine Methode, die auf die Geometrie reagiert.
| Methode | Was sie erfasst | Unterscheidung |
|---|---|---|
| Brom-Lösung | Addition an C=C | nein, beide entfärben |
| IR, C=O-Valenzschwingung (Nujol) | Carboxylgruppe | nein, gleiche Bandenlage |
| Titration mit NaOH-Maßlösung | eine COOH-Gruppe | nein, gleicher Verbrauch je mol |
| EI-MS der Methylester | Molekülion | nein, beide bei \(m/z\) 296 |
| Polarimetrie | optische Drehung | nein, beide achiral |
| \(\ce{^1H}\)-NMR | olefinische Protonen | ja |
| GC der Methylester (z. B. FID) | Retentionszeit | ja |
Die Bromentfärbung zeigt nur, dass eine Doppelbindung vorhanden ist. Beide Säuren tragen genau eine Carboxylgruppe, also verbrauchen sie bei gleicher Stoffmenge gleich viel Lauge. Ihre Methylester haben dieselbe Summenformel \(\ce{C19H36O2}\) und damit dasselbe Molekülion.
Im \(\ce{^1H}\)-NMR liegen die Signale der olefinischen Protonen um 5,3 ppm. Ihre Umgebung hängt von der Geometrie ab, daher unterscheiden sich die Signale von cis- und trans-Isomer (olefinische Protonen). Für die Gaschromatographie überführt man die Säuren zuerst in ihre Methylester. Diese sind flüchtiger als die freien Säuren. Geknickte und gestreckte Ketten wechselwirken verschieden mit der stationären Phase und erscheinen bei verschiedenen Retentionszeiten.
Chiralität
Ein Molekül ist chiral, wenn es mit seinem Spiegelbild nicht zur Deckung kommt. Meist liegt das an einem Stereozentrum, einem sp³-C-Atom mit vier verschiedenen Substituenten. Nur chirale Stoffe können die Ebene polarisierten Lichts drehen und sich polarimetrisch bestimmen lassen. Ein achiraler Stoff hat keine spezifische Drehung.
- sp³-C-Atome suchen: Doppelbindungs- und Aromaten-C haben nur drei Partner und scheiden aus.
- Substituenten vergleichen: Ganze Reste vergleichen, nicht nur das erste Atom. Zwei gleiche Reste heißen: kein Stereozentrum.
- Konfiguration bestimmen: Nach CIP die Prioritäten 1 bis 4 vergeben und R oder S ablesen.
- Spiegelebene prüfen: Zwei gleich gebaute Zentren mit R und S ergeben eine achirale meso-Form.
Achirale Arzneistoffe
Das zentrale Methin-C-Atom von Bisacodyl trägt ein H-Atom, einen Pyridin-2-yl-Rest und zwei gleiche 4-Acetoxyphenylreste. Damit ist es kein Stereozentrum. Eine Spiegelebene läuft durch H, C und Pyridinring und teilt das Molekül in zwei deckungsgleiche Hälften.
Bisacodyl ist achiral, bildet keine Enantiomere und kann nicht polarimetrisch bestimmt werden. Das solltest du an der Strukturformel sicher erkennen: Entscheidend sind die zwei identischen Acetoxyphenylreste am zentralen C-Atom.
Auch Metronidazolbenzoat hat kein Stereozentrum und ist optisch inaktiv. Ölsäure und Elaidinsäure sind ebenfalls achiral. Jedes ihrer sp³-C-Atome trägt mindestens zwei Wasserstoffatome, und die Doppelbindung ist planar. Sie zeigen deshalb keine optische Drehung.
Chirale Arzneistoffe
Ofloxacin besitzt ein Stereozentrum an C3 des Oxazinrings. Dort sitzen Methylgruppe, H-Atom, die Ring-\(\ce{CH2O}\)-Gruppe und der Ring-Stickstoff, also vier verschiedene Partner. Das (S)-Enantiomer ist Levofloxacin.
Ofloxacin wird als Racemat eingesetzt. Die Drehungen beider Enantiomere heben sich auf, die Substanz dreht insgesamt nicht, obwohl das Molekül chiral ist. Erst das reine Levofloxacin ist optisch aktiv.
Ethambutol ist symmetrisch gebaut: Zwei 1-Hydroxybutan-2-yl-Reste hängen über eine Ethylendiamin-Brücke zusammen. Es hat daher zwei Stereozentren. An jedem gilt die Priorität NH > \(\ce{CH2OH}\) > \(\ce{CH2CH3}\) > H. Möglich sind (S,S), (R,R) und die meso-Form (R,S) mit innerer Spiegelebene.
In der Keilstrichformel prüft man jedes Zentrum einzeln. Zeigt das H-Atom nach hinten und laufen die Prioritäten 1 → 2 → 3 gegen den Uhrzeigersinn, liegt S vor. Der Arzneistoff ist (S,S)-Ethambutol. Beide Zentren haben dieselbe Konfiguration, also fehlt die Spiegelebene. Ethambutol ist deshalb keine meso-Verbindung, sondern chiral und optisch aktiv.
Quiz
Aussage 1
Nach Überführung in die Methylester lassen sich Ölsäure und Elaidinsäure gaschromatographisch über ihre Retentionszeiten unterscheiden.
Geknickte und gestreckte Ketten wechselwirken verschieden mit der stationären Phase und eluieren zu verschiedenen Zeiten.
Aussage 2
Gleiche Stoffmengen Ölsäure und Elaidinsäure verbrauchen bei der Titration unterschiedlich viel NaOH-Maßlösung.
Beide tragen genau eine Carboxylgruppe und verbrauchen daher je mol gleich viel Lauge.
Aussage 3
Bisacodyl lässt sich polarimetrisch bestimmen, weil sein zentrales Methin-C-Atom ein Stereozentrum ist.
Das zentrale C-Atom trägt zwei gleiche 4-Acetoxyphenylreste und ist kein Stereozentrum. Bisacodyl ist achiral und optisch inaktiv.
Aussage 4
Ofloxacin besitzt ein Stereozentrum im Oxazinring, und sein (S)-Enantiomer ist Levofloxacin.
C3 trägt Methylgruppe, H-Atom, Ring-CH2O-Gruppe und Ring-Stickstoff, also vier verschiedene Substituenten.
Aussage 5
Im EI-Massenspektrum zeigen die Methylester von Ölsäure und Elaidinsäure Molekülionen bei verschiedenen \(m/z\)-Werten.
Beide Ester haben die Summenformel \(\ce{C19H36O2}\) und damit dasselbe Molekülion bei \(m/z\) 296.
Aussage 6
Der Arzneistoff Ethambutol ist das (S,S)-Isomer und damit optisch aktiv und keine meso-Verbindung.
Beide Stereozentren haben dieselbe Konfiguration, eine innere Spiegelebene fehlt. Nur die (R,S)-Form wäre meso.
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