Substanzklassen

Isomeriebeziehungen der Hexosen: Epimere, Anomere, Enantiomere

Wie man an Fischer-, Haworth- und Sesselformeln entscheidet, ob zwei Hexosen Epimere, Anomere, Enantiomere oder Konstitutionsisomere sind.

Prüfungsrelevanz: relevant ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze5 Punkte
  • Ein Epimer ist ein Diastereomer, das sich von einem anderen Zucker in der Konfiguration an genau einem Stereozentrum unterscheidet.
  • D-Mannose ist das C-2-Epimer, D-Galactose das C-4-Epimer der D-Glucose; die abweichende OH-Gruppe steht im Sessel axial und in der Haworth-Formel oben.
  • α- und β-D-Glucose sind Anomere (Unterschied nur an C-1), das Enantiomer der β-D-Glucose ist β-L-Glucose.
  • D-Fructose ist ein Konstitutionsisomer der Glucose und in wässriger Lösung linksdrehend.
  • D-Ribose ist als Pentose kein Isomer der Glucose.

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Worum es geht

Glucose, Mannose, Galactose und Fructose haben dieselbe Summenformel, unterscheiden sich aber in Bau und Eigenschaften. Welche Isomeriebeziehung zwischen zwei Zuckern besteht, erkennt man an einem systematischen Strukturvergleich. Das braucht man in der Pharmazie etwa bei Hilfsstoffen wie Lactose oder bei der Zuordnung von Zuckerbausteinen in Glykosiden.

Epimere und Konstitutionsisomere

Alle Hexosen haben die Summenformel \(\ce{C6H12O6}\) und sind damit Isomere. Welche Art von Isomerie vorliegt, zeigt der Vergleich Atom für Atom. Zuerst prüft man die Verknüpfung, dann die Konfiguration jedes Stereozentrums.

Mannose und Galactose als Epimere

Stimmt die Konstitution überein, liegen Stereoisomere vor. Weichen sie an genau einem Zentrum ab, spricht man von Epimeren.

📖 Definition: Epimer

Epimere sind Diastereomere mit mehreren Stereozentren, die sich in der Konfiguration an genau einem davon unterscheiden. Man nennt dabei das betroffene C-Atom, etwa C-2-Epimer.

In der Fischer-Projektion der D-Glucose stehen die OH-Gruppen an C-2, C-4 und C-5 rechts, an C-3 links. Bei D-Mannose steht nur die OH-Gruppe an C-2 links. Mannose ist also das C-2-Epimer der Glucose. Bei D-Galactose ist allein C-4 umgekehrt, sie ist das C-4-Epimer. Mannose und Galactose weichen untereinander an zwei Zentren ab und sind daher nur Diastereomere.

Drei Fischer-Projektionen nebeneinander: D-Glucose, D-Mannose mit links stehender OH-Gruppe an C-2, D-Galactose mit links stehender OH-Gruppe an C-4.

D-Mannose (C-2-Epimer) und D-Galactose (C-4-Epimer) im Vergleich mit D-Glucose in der Fischer-Projektion.

Der Unterschied bleibt im Ring erhalten. In der β-D-Glucopyranose stehen im \(^4C_1\)-Sessel alle Substituenten äquatorial. Jede abweichende Konfiguration erzeugt deshalb eine axiale Gruppe. In β-D-Mannopyranose steht die OH-Gruppe an C-2 axial, in D-Galactopyranose die an C-4. In der Haworth-Formel zeigen beide abweichenden OH-Gruppen nach oben, die entsprechenden der Glucose nach unten.

Je eine Haworth- und Sesselformel von β-D-Glucopyranose mit allen OH-Gruppen äquatorial, β-D-Mannopyranose mit axialer OH-Gruppe an C-2 und β-D-Galactopyranose mit axialer OH-Gruppe an C-4.

Pyranoseformen von Glucose, Mannose und Galactose: Die abweichende OH-Gruppe steht in der Haworth-Formel oben und im Sessel axial.
🎯 Examensrelevant: Epimere der Glucose

Ein Examensklassiker: Mannose ist das C-2-Epimer, Galactose das C-4-Epimer der Glucose, auch für gleiche Anomere wie α-D-Manno- und α-D-Galactopyranose gegenüber α-D-Glucopyranose. Achte darauf, dass die abweichende OH-Gruppe im Sessel axial und in der Haworth-Formel oben steht.

Anomere und Enantiomere

Beim Ringschluss wird C-1 zum neuen Stereozentrum, dem anomeren Zentrum. α- und β-D-Glucose unterscheiden sich nur hier. Sie sind Anomere, also Epimere an C-1 und damit Diastereomere. Ein Enantiomer entsteht erst, wenn man alle Stereozentren umkehrt. Spiegelt man β-D-Glucopyranose, stehen im gespiegelten Sessel wieder alle Substituenten äquatorial. Dieses Spiegelbild ist β-L-Glucose.

Sesselformel der β-D-Glucopyranose, gespiegelt zur β-L-Glucopyranose mit allen Substituenten äquatorial; zusätzlich α-D-Glucopyranose mit axialer OH-Gruppe an C-1.

Das Spiegelbild der β-D-Glucopyranose ist β-L-Glucopyranose; α-D-Glucopyranose unterscheidet sich nur an C-1.
⚠️ Achtung: Anomer und Enantiomer

α- und β-D-Glucose sind keine Spiegelbilder, denn vier ihrer fünf Stereozentren stimmen überein. Ihre Drehwerte (+112° und +19°) sind deshalb verschieden und nicht entgegengesetzt.

Bei zwei Ringzuckern zählt man die abweichenden Zentren. α-D-Glucopyranose und β-D-Mannopyranose unterscheiden sich an C-1 und C-2. Sie sind daher nur Diastereomere, denn Anomere und Epimere weichen an genau einem Zentrum ab.

Fructose und Ribose

D-Fructose ist eine Ketose mit der Carbonylgruppe an C-2. Ihre Atome sind anders verknüpft als in Glucose. Sie ist deshalb ein Konstitutionsisomer und kein Konfigurationsisomer. Auch die Ringe zeigen das: Die Glucopyranose schließt den Ring über C-1 bis C-5, die Fructopyranose über C-2 bis C-6 mit exocyclischer \(\ce{CH2OH}\)-Gruppe an C-1. α-D-Fructopyranose ist daher kein Epimer der α-D-Glucopyranose, denn Epimerie setzt gleiche Konstitution voraus.

Zwei Haworth-Formeln: α-D-Glucopyranose mit Ringsauerstoff zwischen C-1 und C-5, α-D-Fructopyranose mit Ringsauerstoff zwischen C-2 und C-6 und exocyclischer CH2OH-Gruppe an C-2.

Glucopyranose (Ring aus C-1 bis C-5) und Fructopyranose (Ring aus C-2 bis C-6, C-1 exocyclisch) sind Konstitutionsisomere.

Im Polarimeter drehen wässrige Lösungen von D-Glucose nach rechts, solche von D-Fructose deutlich nach links. Daher stammen die alten Namen Dextrose und Lävulose. Das D im Namen beschreibt nur die Konfiguration an C-5, nicht die Drehrichtung. Isomerie setzt zudem gleiche Summenformel voraus. D-Ribose ist als Pentose (\(\ce{C5H10O5}\)) gar kein Isomer der Glucose.

Vergleich Unterschied Beziehung
D-Glucose / D-Mannose C-2 Epimere
D-Glucose / D-Galactose C-4 Epimere
α-/β-D-Glucose C-1 Anomere
β-D-/β-L-Glucose alle Stereozentren Enantiomere
α-D-Glucopyranose / β-D-Mannopyranose C-1 und C-2 Diastereomere
D-Glucose / D-Fructose Verknüpfung Konstitutionsisomere
D-Glucose / D-Ribose Summenformel keine Isomere

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Aussage 1

Im Sessel der β-D-Mannopyranose steht die OH-Gruppe an C-2 axial.

In β-D-Glucopyranose sind alle Substituenten äquatorial; die abweichende Konfiguration an C-2 der Mannose führt zu einer axialen OH-Gruppe.

Aussage 2

D-Galactose unterscheidet sich von D-Glucose ausschließlich in der Konfiguration an C-2.

Galactose ist das C-4-Epimer der Glucose. An C-2 weicht die Mannose ab.

Aussage 3

α-D-Glucose und β-D-Glucose verhalten sich zueinander wie Bild und Spiegelbild.

Sie unterscheiden sich nur an C-1 und sind Anomere, also Diastereomere. Das Spiegelbild der β-D-Glucose ist β-L-Glucose.

Aussage 4

Wässrige Lösungen von D-Fructose sind linksdrehend, obwohl Fructose zur D-Reihe gehört.

Das D beschreibt nur die Konfiguration an C-5. Fructose dreht nach links, Glucose nach rechts.

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