Stereochemie

Prochiralität und Topizität von Gruppen und Seiten

Wie man durch gedachte Substitution oder Addition entscheidet, ob gleich aussehende Gruppen und Seiten homotop, enantiotop, diastereotop oder konstitutop sind, und woran man prochirale Zentren erkennt.

Prüfungsrelevanz: gut zu wissen ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze5 Punkte
  • Die Topizität beschreibt die Beziehung gleich aussehender Gruppen oder Seiten und wird durch gedachte Substitution oder Addition bestimmt: identische Produkte homotop, Enantiomere enantiotop, Diastereomere diastereotop, Konstitutionsisomere konstitutop.
  • Prochiral ist ein Zentrum, das in einem Schritt zum Chiralitätszentrum wird, etwa das Carbonyl-C von Acetophenon und Benzaldehyd, das Imin-C unsymmetrischer Ketimine oder ein Carbeniumion mit drei verschiedenen Resten.
  • Enantiotope Seiten heißen re und si, enantiotope Gruppen pro-R und pro-S.
  • In Methylmalonsäure sind die Carboxygruppen enantiotop. Die Monoveresterung des achiralen Glycerols erzeugt an C2 ein Chiralitätszentrum.
  • In Ethanol sind die \(\ce{CH2}\)-H enantiotop, die Methyl-H homotop. Im Cyclohexanol sind die geminalen H an C2, C3 und C4 diastereotop und geben getrennte NMR-Signale.

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. ❤️

Zugang freischalten

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.

Zum Konto

Worum es geht

Zwei gleich aussehende Gruppen eines Moleküls sind nicht immer gleichwertig. Ihre Beziehung heißt Topizität. Sie erklärt, warum Enzyme eine Seite einer Carbonylgruppe bevorzugen und warum geminale Protonen im NMR-Spektrum getrennte Signale geben können.

Topizität

Die Topizität prüft man durch einen Gedankenversuch. Man ersetzt erst die eine, dann die andere Gruppe durch eine Testgruppe X und vergleicht die Produkte. Bei den Seiten einer planaren Gruppe addiert man X einmal von oben und einmal von unten.

Die beiden Produkte sind Gruppen oder Seiten sind \(^1\)H-NMR
identisch homotop gleich
Enantiomere enantiotop gleich (achirale Umgebung)
Diastereomere diastereotop verschieden
Konstitutionsisomere konstitutop in der Regel verschieden
📖 Definition: Prochiralität

Ein Molekül oder Zentrum ist prochiral, wenn es durch einen einzigen Substitutions- oder Additionsschritt chiral wird. Es besitzt dann enantiotope Gruppen oder Seiten.

Enantiotope Gruppen benennt man mit pro-R und pro-S. Man gibt der betrachteten Gruppe gedanklich eine etwas höhere CIP-Priorität als ihrem Zwilling. Ergibt sich (R), ist sie pro-R. Enantiotope Seiten heißen re und si. Folgen die drei Substituenten von der Blickseite aus im Uhrzeigersinn nach fallender Priorität, sieht man die re-Seite, sonst die si-Seite.

Prochirale trigonale Zentren

Ein planares Zentrum mit drei verschiedenen Substituenten hat zwei enantiotope Seiten. Addiert sich ein vierter Substituent, entsteht in einem Schritt ein Chiralitätszentrum. Typische Beispiele:

  • unsymmetrische Ketone wie Acetophenon oder Butanon
  • Aldehyde wie Benzaldehyd
  • das Imin-C-Atom unsymmetrischer Ketimine
  • planare Carbeniumionen mit drei verschiedenen Resten, etwa Ethyl, Methyl und Propyl

Anders als Acetophenon ist Aceton am Carbonyl-C nicht prochiral, denn es trägt zwei gleiche Methylgruppen. Beim Acetophenon liegen O, Phenyl und Methyl in einer Ebene. Ein Hydrid von der re- oder der si-Seite liefert je ein Enantiomer von 1-Phenylethanol.

Acetophenon mit markierter re- und si-Seite und Pfeilen zur Addition eines Hydrids von oben und unten, rechts die beiden Enantiomere von 1-Phenylethanol

Enantiotope Seiten von Acetophenon: Angriff von re- und si-Seite liefert die beiden Enantiomere von 1-Phenylethanol.

Zum Erkennen prüfst du jedes \(sp^2\)-Atom auf drei verschiedene Substituenten und jedes \(sp^3\)-Atom auf das Muster Cabcc.

Prochirale Cabcc-Zentren

Ein \(sp^3\)-Atom mit zwei konstitutionell gleichen Gruppen c und zwei verschiedenen Gruppen a und b ist prochiral. Die beiden c-Gruppen sind enantiotop. In Methylmalonsäure trägt das zentrale C-Atom H, \(\ce{CH3}\) und zwei \(\ce{COOH}\). Die Carboxygruppen sind daher enantiotop.

Glycerol selbst ist achiral und bildet keine Konfigurationsisomere. Sein C2 trägt aber zwei gleiche \(\ce{CH2OH}\)-Gruppen. Verestert man nur eine davon, wird C2 zum neuen Chiralitätszentrum.

Topizität in Ethanol

Die \(\ce{CH2}\)-Gruppe von Ethanol ist ein Cabcc-Zentrum mit \(\ce{CH3}\), OH und zwei H, also prochiral. Ersetzt man je eines der beiden H durch X, entstehen Enantiomere. Die Methylen-H sind deshalb enantiotop und nicht diastereotop. Eine Spiegelebene durch C, C und O vertauscht sie.

Die drei Methyl-H sind homotop. Durch freie Drehung um die C–C-Bindung gehen sie ineinander über, jede Substitution liefert dasselbe Produkt. Methyl-H, Methylen-H und OH-H sind untereinander konstitutop, denn ihr Ersatz ergibt Konstitutionsisomere.

Keilstrichformel von Ethanol mit farbig hervorgehobenen Wasserstoffatomen und Beschriftung der Topizitäten

Ethanol: enantiotope Methylen-H, homotope Methyl-H, konstitutope Beziehungen zwischen den Gruppen.

Diastereotope Protonen

Im Sessel des Cyclohexanols liegt eine Spiegelebene durch C1, C4 und O. Sie bildet C2 auf C6 ab, vertauscht aber nie zwei geminale Protonen. An C2 steht ein H cis, das andere trans zur OH-Gruppe. Ihr Ersatz liefert cis- und trans-2-X-Cyclohexanol, also Diastereomere. Dasselbe gilt an C3. An C4 liegen beide H in der Spiegelebene und werden nicht vertauscht. Sie sind deshalb diastereotop, nicht enantiotop.

Sesselkonformation von Cyclohexanol mit Spiegelebene durch C1 und C4 und markierten cis- und trans-Protonen an C2, C3 und C4

Cyclohexanol im Sessel: Die Spiegelebene tauscht C2 mit C6, aber nie zwei geminale Protonen, die deshalb diastereotop sind.

Diastereotope Protonen sind chemisch nicht äquivalent. Die beiden C2-Protonen geben im \(^1\)H-NMR-Spektrum unterschiedliche Signale.

Quiz

Teste dich mit 3 Karten
richtig oder falsch iWarum nur Aussagen? Fragen mit fünf Antworten löst man am sichersten, indem man jede Aussage einzeln bewertet: ✓✓ sicher richtig, ✓ eher richtig, 0 unsicher, ✗ eher falsch, ✗✗ sicher falsch. Mit dem Ausschlussprinzip ergibt sich daraus die Lösung. Dieses einzelne Bewerten ist der wichtigste Handgriff fürs Examen, und genau den übst du hier.

Aussage 1

Die beiden H-Atome der \(\ce{CH2}\)-Gruppe von Ethanol sind diastereotop.

Ihr Ersatz durch X liefert Enantiomere, und eine Spiegelebene vertauscht sie. Sie sind also enantiotop.

Aussage 2

Die beiden geminalen Protonen an C4 von Cyclohexanol sind enantiotop, weil beide in der Spiegelebene des Moleküls liegen.

Gerade weil beide in der Spiegelebene liegen, vertauscht kein Symmetrieelement sie. Eines steht cis, das andere trans zur OH-Gruppe, daher sind sie diastereotop.

Aussage 3

Das Carbonyl-C-Atom von Benzaldehyd ist ein Prochiralitätszentrum mit zwei enantiotopen Seiten.

Es trägt drei verschiedene Substituenten (O, H, Phenyl). Eine Addition von oben oder unten erzeugt in einem Schritt ein Chiralitätszentrum.

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.

Zurück nach oben