Stereochemie

Relative Konfiguration: cis/trans an Ringen

Wie man an Keilstrich-, Sessel- und Newman-Formeln abliest, ob zwei Ringsubstituenten auf derselben Ringseite stehen (cis) oder auf entgegengesetzten Seiten (trans).

Prüfungsrelevanz: sehr wichtig ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze5 Punkte
  • Die relative Konfiguration beschreibt die Lage von Ringsubstituenten zueinander: cis auf derselben, trans auf entgegengesetzten Ringseiten.
  • An Keilstrichformeln gilt: gleiche Bindungsart (Keil/Keil oder Strich/Strich) ist cis, Keil und Strich ist trans.
  • Vertauscht man alle Keile und Striche bei gleichem Gerüst, entsteht das Spiegelbild. trans-Cyclohexan-1,2-diol ist chiral, das cis-Diol ist meso.
  • Im Sessel: In 1,2- und 1,4-Stellung sind diaxial und diäquatorial trans, axial/äquatorial cis. In 1,3-Stellung ist es umgekehrt.
  • Die Ringinversion tauscht axial und äquatorial, ändert aber nicht die cis/trans-Konfiguration.

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Worum es geht

In einem Ring können sich die Bindungen nicht frei drehen. Zwei Substituenten liegen deshalb fest auf derselben oder auf entgegengesetzten Ringseiten. Diese cis/trans-Beziehung unterscheidet Diastereomere, etwa Menthol von seinen Isomeren, und muss an jeder Formelart sicher gelesen werden.

cis/trans an Keilstrichformeln

Ein Ring hat eine obere und eine untere Seite. Ein Substituent kann die Seite nur wechseln, wenn eine Bindung bricht. Die Lage zweier Substituenten zueinander ist deshalb ein Merkmal der Konfiguration. Anders als bei cis/trans an Doppelbindungen bezieht sich die Angabe hier auf die Ringebene.

📖 Definition: Relative Konfiguration

Die relative Konfiguration gibt an, wie Substituenten oder Stereozentren im Molekül zueinander angeordnet sind. Am Ring heißt das cis (gleiche Ringseite) oder trans (entgegengesetzte Ringseiten). Über die absolute Konfiguration mit (R) und (S) sagt sie nichts.

Keil und Strich lesen

In der Keilstrichformel liegt der Ring flach in der Zeichenebene. Ein Keil zeigt nach vorn, also über die Ringebene. Eine gestrichelte Bindung zeigt nach hinten, unter die Ringebene. Tragen zwei Substituenten die gleiche Bindungsart, stehen sie cis. Hat einer einen Keil und der andere eine gestrichelte Bindung, stehen sie trans.

Am Cyclohexan-1,2-diol sieht man das direkt. Sind beide OH-Gruppen als Keil gezeichnet, liegt das cis-Diol vor. Ist eine als Keil und eine gestrichelt gezeichnet, ist es das trans-Diol. Zwei gestrichelte OH-Gruppen ergeben ebenfalls cis, denn beide liegen unter dem Ring.

Zwei Sechsring-Skelettformeln mit je zwei OH-Gruppen an benachbarten Atomen; links beide als Keil, rechts eine als Keil und eine gestrichelt.

cis-Cyclohexan-1,2-diol (beide OH als Keil) und trans-Cyclohexan-1,2-diol (Keil und gestrichelte Bindung).

In größeren Molekülen sucht man zuerst die beteiligten Gruppen, etwa die OH-Gruppen eines Naturstoffs. Dann prüft man, an welchen Ringatomen sie sitzen. Erst danach vergleicht man ihre Bindungsarten. Dreht man die Formel in der Zeichenebene, ändert sich an der relativen Lage nichts.

cis, trans und Enantiomere

cis- und trans-Isomer sind Diastereomere. Davon getrennt steht die Frage nach Enantiomeren. Vertauscht man alle Keile gegen Striche und lässt das Gerüst unverändert, entsteht das Spiegelbild an der Zeichenebene. Ist es mit dem Original nicht deckungsgleich, sind beide Enantiomere. Sie haben dieselbe relative, aber die entgegengesetzte absolute Konfiguration.

So verhalten sich zwei Formeln eines Chlor-dimethoxy-cyclopentans, die sich in jedem Keil und jedem Strich unterscheiden. Auch trans-Cyclohexan-1,2-diol ist chiral und existiert als Paar (1R,2R) und (1S,2S). Beim cis-Diol liefert der Tausch dieselbe Verbindung. Es besitzt eine innere Spiegelebene und ist eine meso-Verbindung, mehr dazu unter Chiralität disubstituierter Cyclohexane.

Wird im Examen gerne gefragt: ob zwei Keilstrichformeln 1,2-disubstituierter Cyclohexane cis oder trans sind und ob sie Enantiomere darstellen. Dafür vergleicht man zuerst die Bindungsarten und prüft dann das Spiegelbild auf Deckungsgleichheit.

cis/trans im Sessel

Im Sessel lässt sich die Ringseite nicht so leicht ablesen wie an Keilen. Es hilft eine einfache Beobachtung, die auf axialen und äquatorialen Positionen aufbaut. Jedes Ring-C-Atom hat genau eine obere und eine untere Position. Eine davon ist axial, die andere äquatorial.

Oben und unten im Sessel

Die axialen Bindungen stehen senkrecht und wechseln von Atom zu Atom die Richtung. Zeigt die axiale Bindung an C1 nach oben, zeigt sie an C2 nach unten und an C3 wieder nach oben. Die äquatoriale Bindung am selben Atom zeigt zur Gegenseite. An C1 weist sie also schräg nach unten, an C2 schräg nach oben.

Sesselform des Cyclohexans mit nummerierten C-Atomen, axiale Bindungen senkrecht abwechselnd nach oben und unten, äquatoriale Bindungen seitlich leicht zur Gegenseite geneigt, jeweils als oben oder unten markiert.

Jedes Ring-C-Atom besitzt eine obere und eine untere Position; die axiale Richtung wechselt von Atom zu Atom.
⚠️ Achtung: Äquatorial ist nicht flach

Äquatoriale Bindungen liegen nicht in der Ringebene. Jede ist leicht nach oben oder unten geneigt, immer entgegengesetzt zur axialen Bindung desselben Atoms. Nur so lässt sich ihre Ringseite bestimmen.

Die Regel für 1,2-, 1,3- und 1,4-Stellung

Aus dem Wechsel folgt alles Weitere. Benachbarte axiale Bindungen zeigen in Gegenrichtungen. Zwei axiale Substituenten an C1 und C2 stehen also trans. Dasselbe gilt für zwei äquatoriale, denn auch sie zeigen einmal nach unten und einmal nach oben. Axial an einem und äquatorial am anderen Atom liegen dagegen auf derselben Seite, also cis.

In 1,3-Stellung zeigen beide axialen Bindungen in dieselbe Richtung. Deshalb kehrt sich die Zuordnung um. Zwei axiale Methylgruppen des 1,3-Dimethylcyclohexans liegen auf derselben Ringseite und sind cis. In 1,4-Stellung wechselt die Richtung wieder, es gilt dasselbe wie bei 1,2.

Stellung diaxial diäquatorial axial/äquatorial
1,2 trans trans cis
1,3 cis cis trans
1,4 trans trans cis
💡 Merke

Zähle die Bindungen zwischen den beiden Ringatomen auf dem kürzesten Weg. Ungerade Zahl (1,2: eine, 1,4: drei): gleiche Lage bedeutet trans. Gerade Zahl (1,3: zwei): gleiche Lage bedeutet cis.

Die Ringinversion macht aus jeder axialen eine äquatoriale Position und umgekehrt. Oben bleibt dabei oben. Die relative Konfiguration ändert sich also nicht. trans-1,2-Dibromcyclohexan pendelt zwischen diaxialem und diäquatorialem Sessel. cis-1,2-Dibromcyclohexan pendelt zwischen axial/äquatorial und äquatorial/axial. Welcher Sessel überwiegt, klärt Konformere disubstituierter Cyclohexane.

🎯 Examensrelevant: cis/trans aus axial/äquatorial

Besonders prüfungsrelevant: Diäquatoriale Substituenten sind in 1,2- und 1,4-Stellung trans, in 1,3-Stellung cis. Achte darauf, nicht aus „beide äquatorial“ auf „gleiche Seite“ zu schließen, sondern immer die Stellung zu prüfen.

Mehrfach substituierte Ringe

Bei drei Substituenten prüft man jedes Paar einzeln. Im Menthol sitzen OH an C1, Isopropyl an C2 und Methyl an C5, alle äquatorial. OH und Isopropyl stehen 1,2 und damit trans. OH und Methyl stehen über C6 hinweg 1,3, also cis. Isopropyl und Methyl stehen 1,4 zueinander und damit trans.

Sesselform des Menthols mit drei äquatorialen Substituenten, OH und Methyl auf derselben Seite, Isopropyl auf der Gegenseite.

Menthol: alle Substituenten äquatorial; OH/Isopropyl trans, OH/Methyl cis, Isopropyl/Methyl trans.

Genauso liest man das all-äquatoriale 1,2,4-Trimethylcyclohexan: C1/C2 trans, C2/C4 cis, C1/C4 trans. Dieselbe Logik gilt für Substituenten an Decalinen.

Zwischen den Darstellungen übersetzen

Die doppelte Newman-Projektion blickt gleichzeitig entlang C1→C2 und C5→C4. Axiale Bindungen erscheinen senkrecht, äquatoriale fast waagerecht mit leichter Neigung nach oben oder unten. Die Übersetzung folgt in jede Richtung demselben Weg.

  1. Atome zuordnen: In beiden Darstellungen dieselben Ringatome nummerieren.
  2. Seite bestimmen: Für jeden Substituenten ablesen, ob er nach oben oder nach unten zeigt.
  3. Übertragen: Oben wird zum Keil, unten zur gestrichelten Bindung. Umgekehrt setzt man den Substituenten im Sessel auf die passende Position und liest ab, ob sie axial oder äquatorial ist.
  4. Zweiten Sessel prüfen: Nach der Ringinversion tauschen axial und äquatorial, die Seiten bleiben.

Drei Darstellungen desselben Moleküls: Sesselformel, doppelte Newman-Projektion mit senkrechten axialen und fast waagerechten äquatorialen Bindungen, flache Keilstrichformel.

Dieselbe cis-1,2-Anordnung als Sessel, als doppelte Newman-Projektion und als Keilstrichformel.

Ein Beispiel: Im cis-1,3-Dimethylcyclohexan tragen beide Methylgruppen einen Keil. Im Sessel liegen beide oben. Das ergibt den diäquatorialen Sessel oder nach der Inversion den diaxialen.

Quiz

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Aussage 1

trans-Cyclohexan-1,2-diol ist eine meso-Verbindung.

Das trans-Diol ist chiral und bildet das Enantiomerenpaar (1R,2R)/(1S,2S). Meso ist das cis-Diol.

Aussage 2

Steht an einem 1,2-disubstituierten Cyclohexan ein Substituent axial und der andere äquatorial, ist die Verbindung cis-konfiguriert.

Benachbarte axiale und äquatoriale Positionen zeigen zur selben Ringseite, also cis.

Aussage 3

Ein 1,4-disubstituiertes Cyclohexan mit zwei äquatorialen Substituenten ist cis-konfiguriert.

In 1,4-Stellung gilt dasselbe wie bei 1,2: diäquatorial ist trans. cis wäre axial/äquatorial.

Aussage 4

Durch Ringinversion geht trans-1,2-Dibromcyclohexan aus dem diaxialen Sessel in das cis-Isomer über.

Die Inversion tauscht nur axial und äquatorial, die Ringseiten bleiben. Aus diaxial wird diäquatorial, die Verbindung bleibt trans.

Aussage 5

Ein 1,3-Dimethylcyclohexan, dessen beide Methylgruppen im Sessel äquatorial stehen, ist cis-konfiguriert.

In 1,3-Stellung zeigen gleichartige Positionen zur selben Ringseite. Diäquatorial bedeutet hier cis.

Aussage 6

Trägt an einem Cyclohexan-1,2-diol eine OH-Gruppe einen Keil und die andere eine gestrichelte Bindung, liegt das trans-Diol vor.

Keil zeigt über, Strich unter die Ringebene. Die OH-Gruppen liegen auf entgegengesetzten Seiten, also trans.

Aussage 7

Zwei gestrichelt gezeichnete Substituenten an benachbarten Ringatomen stehen trans zueinander.

Beide liegen unter der Ringebene, also auf derselben Seite. Sie stehen cis.

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