meso-Verbindungen und Weinsäure
Wie meso-Verbindungen trotz mehrerer Chiralitätszentren durch eine innere Spiegelebene achiral werden und wie man die drei Stereoisomere der Weinsäure und verwandter Ketten sicher einordnet.
Das Wichtigste in Kürze
- Eine meso-Verbindung besitzt mindestens zwei Chiralitätszentren, ist aber durch eine innere Spiegelebene (oder ein Inversionszentrum) achiral und optisch inaktiv.
- Verbindungen ohne Chiralitätszentren wie Mesitylen sind achiral, aber keine meso-Verbindungen; Enantiomere können nie meso sein.
- Eine \(C_2\)-Achse allein macht ein Molekül nicht achiral: D-Mannitol ist chiral, Xylitol mit Spiegelebene durch C-3 ist meso.
- Weinsäure hat drei Stereoisomere: L-(+)-(2R,3R) und D-(−)-(2S,3S) als Enantiomere und die meso-(2R,3S)-Form, die zu beiden diastereomer ist.
- In der Fischer-Projektion bedeuten gleichseitige OH-Gruppen (erythro) bei gleichen Enden meso, gegenüberliegende (threo) chiral; ungleiche Enden wie beim Monoamid schließen meso aus.
- 2,3-Dichlorbutan und 2,4-Dichlorpentan bilden ein Enantiomerenpaar und eine meso-Form; meso-Hydrobenzoin und sein Acetonid sind meso.
Dieses Kapitel ist für Supporter
Relaxed ins Stex ist ein kleines, unabhängiges Projekt. Mit einem Zugang unterstützt du uns und schaltest das ganze 1. Staatsexamen frei. ❤️
Bitte bestätige zuerst deine E-Mail-Adresse
Wir haben dir einen Link geschickt. Erst mit bestätigter E-Mail-Adresse kannst du einen Zugang freischalten und nutzen.
Worum es geht
Manche Moleküle tragen zwei Chiralitätszentren und drehen polarisiertes Licht trotzdem nicht. Das sind meso-Verbindungen. Ihr bekanntestes Beispiel ist die Weinsäure, deren reine Enantiomere in der Pharmazie als Salzbildner dienen, etwa in Metoprololtartrat, und bei der Racematspaltung helfen.
Definition der meso-Verbindung
Ein Molekül mit genau einem Chiralitätszentrum ist immer chiral. Bei zwei oder mehr Zentren gilt das nicht mehr automatisch. Die \(2^n\)-Regel liefert dann nur die Höchstzahl an Stereoisomeren. Die Zahl sinkt, wenn zwei gleich substituierte Zentren sich gegenseitig spiegeln.
Eine meso-Verbindung besitzt mindestens zwei Chiralitätszentren, ist aber durch eine innere Spiegelebene achiral. Diese Ebene teilt das Molekül in zwei Hälften, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten.
Man kann sich das wie eine linke und eine rechte Hand vorstellen, die man aneinanderlegt. Jede Hand ist chiral, das Paar ist es nicht. Im Molekül ist entsprechend ein Zentrum (R) und das andere (S) konfiguriert. Deshalb ist die meso-Verbindung mit ihrem Spiegelbild deckungsgleich. Statt einer Spiegelebene kann auch ein Inversionszentrum die Achiralität bewirken, wie bei den Symmetrieelementen erklärt.
Daraus folgen zwei Abgrenzungen. Enantiomere können nie meso-Formen sein, denn Enantiomere sind per Definition chiral. Eine Verbindung ohne Chiralitätszentren ist keine meso-Verbindung, auch wenn sie achiral ist. Mesitylen (1,3,5-Trimethylbenzol) besitzt mehrere Spiegelebenen, aber kein einziges Chiralitätszentrum.
Fehlt dagegen jede Spiegelebene und jedes Inversionszentrum, ist eine Verbindung mit mehreren Zentren chiral. Mehrere Zentren bedeuten also nicht zwangsläufig optische Aktivität. meso-Verbindungen sind achiral und deshalb optisch inaktiv. Die Drehbeiträge der beiden spiegelbildlichen Hälften heben sich innerhalb desselben Moleküls auf.
Auch ein Racemat ist optisch inaktiv, es besteht aber aus chiralen Molekülen zweier Enantiomere im Verhältnis 1:1. Eine meso-Verbindung ist ein einheitlicher Stoff aus achiralen Molekülen und lässt sich nicht in Enantiomere trennen.
Innere Spiegelebenen an Stereoformeln
Ob eine innere Spiegelebene vorliegt, prüft man direkt an der gezeichneten Formel. Diese Kompetenz wird im Examen gerne gefragt: An Fischer-, Keilstrich-, Sessel- oder Ringformeln sucht man Spiegelebene oder Inversionszentrum und bestimmt so die optisch inaktive Verbindung. Achte darauf, dass eine Drehachse allein keine Achiralität bewirkt.
- Zentren suchen: Chiralitätszentren markieren. Gibt es keines, ist die Verbindung nicht meso.
- Enden vergleichen: Nur gleich gebaute Molekülhälften erlauben eine meso-Form.
- Ebene legen: Eine Ebene zwischen zwei Zentren oder durch ein mittleres Atom suchen. Die Substituenten beiderseits müssen sich spiegeln.
- Urteilen: Spiegelebene oder Inversionszentrum bedeutet achiral und optisch inaktiv. Nur eine Drehachse bedeutet chiral.
Am einfachsten gelingt die Suche in der Fischer-Projektion. Die Kette steht senkrecht, die Spiegelebene liegt waagerecht. Stehen gleiche Substituenten an spiegelbildlichen Positionen auf derselben Seite, ist das Molekül meso. Beim Zuckeralkohol Xylitol läuft die Ebene durch das mittlere C-3. D-Mannitol hat dagegen nur eine \(C_2\)-Achse senkrecht zur Papierebene und ist chiral.
Dasselbe Prinzip gilt für die meso-Formen der 2,3,4-Trihydroxyglutarsäure. Ihre Spiegelebene geht ebenfalls durch C-3, das dort ein Pseudochiralitätszentrum ist.
Die Fischer-Projektion zeigt immer eine ekliptische Konformation. Keilstrich- und Zickzackformeln zeigen meist eine gestaffelte. Dann ist die Spiegelebene oft nicht zu sehen, dafür ein Inversionszentrum. meso-Weinsäure in antiperiplanarer Zickzackform trägt eine OH-Gruppe auf einem Keil und eine auf einem Strich. Die chirale (R,R)-Weinsäure zeigt in derselben Darstellung beide OH-Gruppen auf Keilen.
Entscheidend ist also nicht die gezeichnete Konformation. Ein Molekül ist achiral, wenn es in irgendeiner erreichbaren Konformation eine Spiegelebene oder ein Inversionszentrum besitzt. Ringe prüft man nach demselben Schema, die Einzelheiten stehen bei den disubstituierten Cyclohexanen.
Weinsäure
Weinsäure ist 2,3-Dihydroxybutandisäure, \(\ce{HOOC-CH(OH)-CH(OH)-COOH}\). C-2 und C-3 sind Chiralitätszentren mit identischen Substituentensätzen. Nach der \(2^n\)-Regel wären vier Stereoisomere möglich. Es gibt aber nur drei, denn (2R,3S) und (2S,3R) beschreiben dasselbe achirale Molekül.
| Form | Konfiguration | OH-Gruppen in der Fischer-Projektion | Symmetrie | Optisches Verhalten |
|---|---|---|---|---|
| L-(+)-Weinsäure | (2R,3R) | gegenüberliegend (threo) | \(C_2\)-Achse | aktiv, rechtsdrehend |
| D-(−)-Weinsäure | (2S,3S) | gegenüberliegend (threo) | \(C_2\)-Achse | aktiv, linksdrehend |
| meso-Weinsäure | (2R,3S) | gleichseitig (erythro) | Spiegelebene | inaktiv |
D- und L-Weinsäure sind Enantiomere. Die meso-Form unterscheidet sich von jeder der beiden nur an einem Zentrum. Sie ist daher zu beiden diastereomer. Konstitutionsisomer ist sie nicht, denn die Atomverknüpfung ist identisch. Die Begriffe threo und erythro sind bei den Diastereomeren erklärt.
Die Weinsäure ist ein Examensklassiker: drei Stereoisomere, D- und L-Form als Enantiomerenpaar und die achirale, optisch inaktive (R,S)-meso-Form, die zu beiden diastereomer ist. In der Fischer-Projektion entscheidet die Stellung der OH-Gruppen: gleichseitig heißt meso, gegenüberliegend heißt chiral.
Eine Rotation um die zentrale C–C-Bindung verwandelt D-Weinsäure nie in meso-Weinsäure. Sie erzeugt nur Konformere. Für die meso-Form müsste man eine Bindung an einem Zentrum lösen. Weil meso-Weinsäure achiral ist, eignet sie sich auch nicht zur Racematspaltung. Dafür braucht man ein reines Enantiomer, etwa L-(+)-Weinsäure oder Dibenzoylweinsäure mit gegenüberliegenden Benzoyloxy-Gruppen, die chiral ist.
Die meso-Symmetrie setzt gleiche Kettenenden voraus. Ein Weinsäure-Monoamid wie das mono(4-nitroanilid) hat verschiedene Enden. Es ist daher auch mit gleichseitigen OH-Gruppen chiral und keine meso-Form. Dasselbe Muster zeigt 2,3-Dibrombernsteinsäure: Die threo-Form ist chiral, die erythro-Form meso.
Die CIP-Deskriptoren liest man so an der Fischer-Projektion ab, hier für meso-Weinsäure mit beiden OH-Gruppen rechts:
- Prioritäten: An C-2 gilt OH > COOH > CH(OH)COOH > H. COOH gewinnt, weil (O,O,O) vor (O,C,H) steht.
- Drehsinn ablesen: Der Weg von OH über COOH zu C-3 läuft gegen den Uhrzeigersinn.
- Umkehren: H steht waagerecht und zeigt zum Betrachter. Der abgelesene Sinn kehrt sich um, C-2 ist (R).
- Zweites Zentrum: An C-3 steht COOH unten. Der Weg läuft im Uhrzeigersinn, umgekehrt ergibt das (S). Ergebnis: (2R,3S), also meso.
Die CIP-Regeln selbst setzt diese Seite voraus.
Offenkettige meso-Verbindungen
Das Weinsäure-Muster tritt in jeder Kette mit zwei gleich substituierten Zentren und gleichen Enden auf. 2,3-Dibrombutan und 2,3-Dichlorbutan bilden je ein Enantiomerenpaar und eine meso-Form. Bei 2,4-Dichlorpentan liegt zwischen den Zentren eine \(\ce{CH2}\)-Gruppe. Die Spiegelebene läuft dann durch C-3, und es gibt wieder drei Stereoisomere.
Bei chlorierten Pentanen lohnt der genaue Blick auf die Enden. 2,3-Dichlorpentan hat zwar zwei Zentren, trägt aber eine Methyl- und eine Ethylgruppe am Rand. Eine Spiegelebene ist unmöglich, also existieren alle vier Stereoisomere als zwei Enantiomerenpaare. In der Fischer-Projektion vergleicht man deshalb zuerst die Kettenenden und erst dann die Seiten der Chloratome.
Zwei gleich substituierte Zentren mit gleichen Enden ergeben drei Stereoisomere: ein Enantiomerenpaar und eine meso-Form. Ungleiche Enden ergeben vier Stereoisomere ohne meso-Form.
Auch bei Diolen findet man meso-Formen. (2R,6S)-2,6-Dihydroxyheptan-4-on ist meso, seine Spiegelebene geht durch das Carbonyl-C-4. Hydrobenzoin in der (R,S)-Konfiguration, also meso-1,2-Diphenylethan-1,2-diol, ist ebenfalls meso. Mit Aceton bildet es säurekatalysiert ein cyclisches Acetal, das Acetonid:
\[\ce{C14H14O2 + (CH3)2CO ->[H+] C17H18O2 + H2O}\]
Das entstehende cis-4,5-Diphenyl-2,2-dimethyl-1,3-dioxolan behält die Spiegelebene. Es ist eine meso-Verbindung und kein Racemat, weil die Reaktion keine Bindung an den Zentren berührt.
Umgekehrt entstehen meso-Formen auch durch Reduktion. NaBH4 reduziert (S)-Benzoin an der Ketogruppe und schafft dort ein neues Zentrum. Es entstehen ein chirales Diol und meso-Hydrobenzoin, also zwei diastereomere 1,2-Diphenylethan-1,2-diole. meso-Formen aus Additionen an Alkene behandelt die Seite zur Halogenaddition.
Quiz
Aussage 1
Von 2,4-Dichlorpentan existieren ein Enantiomerenpaar und eine meso-Form.
Beide Zentren sind gleich substituiert und die Enden gleich; die Spiegelebene der meso-Form verläuft durch C-3.
Aussage 2
meso-Weinsäure und L-(+)-Weinsäure verhalten sich zueinander wie Diastereomere.
Beide unterscheiden sich nur an einem der zwei Zentren und sind keine Spiegelbilder. Damit sind sie Diastereomere.
Aussage 3
Durch Drehung um die Bindung zwischen C-2 und C-3 lässt sich D-Weinsäure in meso-Weinsäure überführen.
Die Rotation erzeugt nur Konformere. Für die meso-Form müsste eine Bindung an einem Chiralitätszentrum gelöst werden.
Aussage 4
Stehen in der Fischer-Projektion der Weinsäure beide OH-Gruppen auf derselben Seite, liegt die optisch inaktive meso-Form vor.
Gleichseitige OH-Gruppen (erythro) bei gleichen Enden ergeben eine waagerechte innere Spiegelebene, also die meso-Form.
Aussage 5
Mesitylen (1,3,5-Trimethylbenzol) ist eine meso-Verbindung, da es mehrere Spiegelebenen besitzt.
Mesitylen ist achiral, hat aber kein Chiralitätszentrum. Eine meso-Verbindung braucht mindestens zwei Chiralitätszentren.
Aussage 6
Weinsäure kommt in vier Stereoisomeren vor, da sie zwei Chiralitätszentren trägt.
Es gibt nur drei Stereoisomere, weil (2R,3S) und (2S,3R) dasselbe achirale meso-Molekül sind.
Aussage 7
Ein Molekül, das als einziges Symmetrieelement eine \(C_2\)-Achse besitzt, ist chiral.
Nur Spiegelebene oder Inversionszentrum heben die Chiralität auf. D-Mannitol mit reiner \(C_2\)-Achse ist deshalb chiral.
Fehler entdeckt oder eine Idee? Wir verbessern die Inhalte laufend. Melde es uns gerne über dieses Formular ❤️
Teile der Inhalte wurden mithilfe von KI-Systemen erstellt und werden fortlaufend redaktionell geprüft. Trotz Sorgfalt können Fehler enthalten sein. Wichtige Informationen bitte anhand offizieller Quellen prüfen. Relaxed ins Stex ist ein unabhängiges Angebot und steht in keiner Kooperation mit dem IMPP. Das Angebot ist weder vom IMPP autorisiert noch mit diesem verbunden.