Chiralitätselemente

Worum geht es ?

Molekül von Chlor-brom-iod-methan

Bild 1 : Dieses Molekül ist chiral, denn es besitzt ein Chiralitätszentrum. Erfahren Sie auf dieser Seite mehr über die Chiralitätselemente.

Auf der Seite über Chiralität und Symmetrie hatten wir versucht, einfache Kriterien aufzustellen, anhand derer man sicher entscheiden kann, ob ein Molekül chiral ist oder nicht. Wir hatten erfahren, dass es solche nicht gibt.

Jedoch können wir Hinweise zur Chiralität eines Moleküls finden, indem wir in seinem Bau, also in der Anordnung seiner Atome, nach immer wiederkehrenden Mustern suchen. Diese Muster sind die Chiralitätselemente.

Im einzelnen erfahren Sie hier mehr über

Was ist ein Chiralitätselement und welche gibt es ?

Eigentlich ist Chiralität ein Begriff aus der Mathematik. Die Definitionen dort sind sehr exakt, aber für Nichtmathematiker nur schwer verständlich. Die Chemiker picken sich aus solchen Definitionen das heraus, was sie brauchen und machen vieles an Beispielen fest. „Wenn in deinem Molekül dasselbe Muster vorkommt wie in meinem Mustermolekül, dann ist es chiral.” ist eine gängige Argumentationsweise. Und es ist in Ordnung, so vorzugehen. Jedenfalls, wenn man verstanden hat, warum der Schluss vom Beispiel auf das untersuchte Molekül richtig ist.

Deshalb werde ich auf dieser Seite eine gut abgestimmte Mischung aus Beschreibungen, Erklärungen und Beispielen bringen.

Die Definition des Chiralitätselements ist nun ganz einfach.

Chiralitätselement ist die Sammelbezeichnung für die 3 Begriffe Chiralitätszentrum, Chiralitätsachse und Chiralitätsebene.

Chiralitätszentren

Das Chiralitätszentrum ist das häufigste, das am einfachsten zu findende und am leichtesten zu verstehende der 3 Chiralitätselemente.

Beschreibung

Zuerst eine leicht eingeschränkte Beschreibung, die aber für 99,9 % aller Fälle ausreicht.

Ein Chiralitätszentrum ist ein Atom. Die an dieses Atom gebundenen weiteren Atome (sie heißen Liganden oder Substituenten) sind so angeordnet, dass die gespiegelte Anordnung (aus Atom und Liganden) mit der ursprünglichen allein durch Verschieben und Drehen im Raum nicht zur Deckung zu bringen ist.

Der Vorteil der Arbeit mit dem Chiralitätszentrum ist, dass wir nicht das gesamte, vielleicht sehr große, Molekül daraufhin untersuchen müssen, ob es sich mit seinem Spiegelbild zur Deckung bringen lässt, sondern dass wir lokal arbeiten können. Wir müssen nur ein Atom mit der passenden Umgebung finden. Der Lohn ist, dass das Finden eines Chiralitätszentrums in fast allen Fällen besagt : Diese Verbindung ist chiral.

Chiralitätszentrum –
Atom, dessen Liganden so angeordnet sind, dass sie mit ihrem Spiegelbild nicht deckungsgleich sind –
zeigt fast immer ein chirales Molekül an.

Zum Schluss noch die Erweiterung der eingeschränkten Beschreibung von eben zur vollständigen. In seltenen Fällen ist das Chiralitätszentrum kein Atom, sondern ein Punkt im Molekül, der nicht von einem Atom besetzt ist. Dann betrachtet man nicht die Liganden des Atoms, sondern die in der Umgebung des Punktes liegenden Atome.

Mehr über die Ausnahmen

Das asymmetrische C–Atom

Das asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatom (oft kurz asymmetrisches C–Atom genannt) ist das mit großem Abstand häufigste Beispiel eines Chiralitätszentrums. Ich will es ausführlich vorstellen.

Bekannt ist, dass die 4 Liganden eines Kohlenstoffatoms an den Ecken eines Tetraeders angeordnet sind. Das C–Atom selbst ist in seiner Mitte. Sehen wir uns also einen Tetraeder und besonders seine Ecken an.

Der Tetraeder und seine 4 Ecken

Ein Tetraeder ist ein sehr regelmäßiger Körper. Er besteht aus 4 gleichseitigen Dreiecken. Alle Seitenlängen und alle Winkel zwischen den Seiten sind gleich. Es ist also egal, von welcher Seite wir ihn betrachten. Deshalb kann ich ihn immer so anordnen, dass eine bestimmte Ecke links oder oben ist. Ist sie woanders, dreht man den Tetraeder einfach passend.

Tetraeder mit 4 gleichen Ecken Methanmolekül

Bild 2 : Zuerst ein Tetraeder, dessen 4 Ecken gleichartig markiert sind. Dann ein Molekül, bei dem die 4 Liganden des zentralen Kohlenstoffatoms die 4 Ecken eines Tetraeders besetzen.

4 gleiche Liganden – im ersten Schritt soll das C–Atom 4 gleiche Liganden besitzen. An den Ecken des Tetraeders sind also 4 gleiche Kugeln. Sie sehen diese Situation in Bild 2. Natürlich ist dieser Tetraeder spiegelsymmetrisch, das heißt nicht chiral.

Ein Beispiel eines Kohlenstoffatoms, das 4 gleiche Liganden hat, ist Methan. Natürlich ist das Methanmolekül spiegelsymmetrisch, also achiral.

 

Tetraeder mit Spiegelebene
Tetraeder mit Spiegelebene
Tetraeder mit Spiegelebene

Bild 3 : Einige Tetraeder mit einer Spiegelebene

Das Spiegeln eines Tetraeders – Der Tetraeder hat 6 Spiegelebenen. Alle haben die Eigenschaft, dass sie durch 2 Ecken gehen, außerdem durch den Mittelpunkt der Verbindungslinie zwischen den anderen beiden Ecken.

Warum hat er gerade 6 Spiegelebenen ? Er hat 4 Ecken, die ich 1, 2, 3 und 4 nenne. Es gibt 6 Möglichkeiten, 2 Ecken auszuwählen, nämlich 12, 13, 14, 23, 24 und 34. Er hat auch 6 Kanten, das heißt es gibt 6 Mittelpunkte von Verbindungslinien zweier Ecken.

Bild 3 zeigt einige Tetraeder mit einer ihrer Spiegelebenen. An den Ecken können nach unserer Wahl gleiche oder auch verschiedene Kugeln sein.

Bei der Spiegelung werden die beiden Ecken, die auf der Spiegelebene liegen, auf sich selbst abgebildet. Es ist also egal, ob diese beiden Ecken gleiche oder verschiedene Kugeln haben, und ob die Kugeln an diesen beiden Ecken gleich den anderen beiden Kugeln sind, oder verschieden von ihnen. Die beiden Kugeln, die nicht auf der Spiegelebene liegen, werden gegenseitig auf sich abgebildet, diejenige vor der Ebene auf die dahinter, und umgekehrt.

In Bild 3b sehen Sie eine Situation, in der zwar die beiden Kugeln auf der Spiegelebene verschieden sind (grün und pink), die beiden anderen aber gleich (weiß). Beim Spiegeln wird die grüne Kugel auf sich selbst abgebildet, ebenso die pinkfarbene. Die eine weiße Kugel wird auf die andere weiße Kugel abgebildet, und umgekehrt. Der gespiegelte Tetraeder ist also identisch mit dem ursprünglichen. Dieser Tetraeder ist spiegelsymmetrisch und somit achiral.

Anders ist die Situation beim Tetraeder in Bild 3c. Die nicht auf der Spiegelebene liegenden Kugeln sind verschieden (orange und weiß). Die weiße wird auf die orange abgebildet, und umgekehrt. Der gespiegelte Tetraeder ist verschieden vom ursprünglichen. Und man kann die Situation auch nicht retten, indem man eine andere Spiegeleben benutzt. Da an den Ecken 4 verschiedene Kugeln sind, werden vor und hinter der Spiegelebene immer 2 unterschiedliche Kugeln sein. Dieser Tetraeder ist also nicht spiegelsymmetrisch und somit chiral.

 

Moleküle mit asymmetrischem C–Atom

In der Regel sind an ein Kohlenstoffatom 4 andere Atome gebunden. Sie heißen Liganden oder Substituenten. Die Bindungen zu diesen Liganden weisen in die Richtungen zu den 4 Ecken eines Tetraeders. Da die Bindungen in aller Regel unterschiedlich lang sind, sind die Liganden nicht an den Ecken (vergleiche Bild 4), aber die Richtung stimmt. Die Untersuchungen des Tetraeders bilden also die Situation eines Kohlenstoffatoms und seiner Umgebung ab.

asymmetrisches C–Atom –
Kohlenstoffatom mit 4 verschiedenen Liganden.

Sind an ein Kohlenstoffatom 4 verschiedene Liganden gebunden, nennt man dieses Kohlenstoffatom asymmetrisch. Bei einem Molekül, das ein asymmetrisches C–Atom enthält, liegt die Situation von Bild 3c vor. Ein solches Molekül ist, von wenigen Ausnahmen abgesehen, chiral.

Im Folgenden werde ich eine Handvoll Moleküle vorstellen, die ein asymmetrisches C–Atom enthalten und chiral sind. Als Kontrast kommt ein Molekül ohne asymmetrisches C–Atom, das achiral ist.

          Strukturformel von Chlor-iod-methan           Strukturformel von Chlor-brom-iod-methan
Molekül von Chlor-iod-methan Molekül von Chlor-brom-iod-methan

Bild 4 : Chlor–iod–methan ist achiral, Chlor–brom–iod–methan dagegen chiral.

erstes Beispiel zum Aufwärmen – hier stelle ich 2 Moleküle vor, ein chirales und ein achirales. Beide Stoffe haben zwar keine praktische Bedeutung, sie veranschaulichen aber nochmal die Analogie zwischen den 4 Liganden des Kohlenstoffatoms und den 4 Ecken des Tetraeders aus Bild 3.

Bild 4 zeigt einmal Formel und Molekül von Chlor–iod–methan. Das Molekül ist vergleichbar mit dem Tetraeder aus Bild 3b. Es hat eine Spiegelebene und ist achiral. Das andere Molekül aus Bild 4 ist Chlor–brom–iod–methan. Es hat 4 verschiedene Liganden am C–Atom. Das C–Atom ist also asymmetrisch, und das Molekül ist analog mit dem Tetraeder aus Bild 3c – aber nicht ganz. Erst wenn man das Molekül spiegelt, passt es zum Tetraeder von Bild 3c. Es ist chiral.

 

     Strukturformel von R-2,3-Dihydroxy-propanal
     Strukturformel von S-2,3-Dihydroxy-propanal Molekül von R-2,3-Dihydroxy-propanal Molekül von S-2,3-Dihydroxy-propanal

Bild 5 : Zuerst die Formel von (R)–Glycerinaldehyd, dann die von (S)–Glycerinaldehyd und schließlich die entsprechenden Moleküle, das (R)–Enantiomer zuerst, dann das (S). Bei beiden Molekülen zeigt die OH–Gruppe nach oben und das H–Atom nach hinten, wie in der Formel. Die anderen beiden Gruppen sind bei den beiden Molekülen vertauscht, ebenfalls wie in der Formel. Im Molekül des (R)–Enantiomers ist eine Ebene eingeblendet. Spiegelt man das Molekül an ihr, erhält man das (S)–Enantiomer. Es liegt also die Situation von Bild 3c vor. In der Jmol–Visualisierung sehen Sie das besonders deutlich, wenn Sie das Molekül so drehen, dass Sie von der Seite auf die Ebene blicken.

einfaches Beispiel, das doch schon eine Falle stellt – Glycerinaldehyd (das ist der historische, aber anschauliche Name, der systematische Name ist 2,3–Dihydroxy–propanal) spielte in der Pionierzeit der Erforschung von Chiralität (im 19. Jahrhundert) eine wichtige Rolle als Bezugsstoff für die beiden Enantiomeren chiraler Stoffe. Außerdem ist er übersichtlich aufgebaut. An das zentrale C–Atom sind gebunden : ein H–Atom, ein O–Atom und 2 weitere C–Atome. Denkt man nun, dieses C–Atom ist nicht asymmetrisch, weil doch nicht 4 verschiedene Atome daran gebunden sind, dann hat man zu kurz gedacht. Betrachtet man die gesamten Liganden, so findet man ein H–Atom, eine OH–Gruppe, eine CH2OH–Gruppe und eine CHO–Gruppe. Es sind also 4 unterschiedliche Liganden, das zentrale C–Atom ist asymmetrisch, das Molekül des Glycerinaldehyds ist chiral und hat 2 Enantiomere.

Steckbrief Glycerinaldehyd (2,3–Dihydroxy–propanal)

 

Strukturformel von R-Limonen Strukturformel von S-Limonen Molekül von R-Limonen Molekül von S-Limonen

Bild 6 : Zuerst die Formel von (R)–Limonen, dann die von (S)–Limonen und schließlich die entsprechenden Moleküle, das (R)–Enantiomer zuerst, dann das (S). Im ersten Moment denkt man, am asymmetrischen C–Atom hat sich nichts verändert, aber die Veränderungen haben nur in einiger Entfernung stattgefunden, nämlich 2 Atome weiter. Am besten sehen Sie es, wenn Sie nach dem C–Atom im Ring suchen, dass nur ein einzelnes H–Atom trägt. Ich habe es mit seinem offiziellen Namen (C-2) markiert, und es ist einmal oben im Ring, dann durch das Spiegeln unten. Insgesamt liegt wieder die Situation aus Bild 3c vor. Sie können sich das Ganze auch in einer Jmol–Visualisierung ansehen.

anspruchsvolleres Beispiel mit einem Ring – Schade, dass ich mit der Seite keinen Geruch mitschicken kann, denn Limonen riecht sehr angenehm, jedenfalls das eine. (R)–Limonen riecht citrus– oder orangenartig, (S)–Limonen nach Terpentin.

Auch der Aufbau des Moleküls ist leicht zu verstehen. Am asymmetrischen C–Atom (in der Formel in Bild 6 ist es, wie allgemein üblich, mit einem Stern gekennzeichnet) sind gebunden :

Kein Zweifel, es sind 4 verschiedene Liganden, das C–Atom ist asymmetrisch und das Molekül chiral. Dass es einen Ring enthält, hat bei der Untersuchung auf Chiralität keine Rolle gespielt. Das ist auch klar, denn die Frage ist ja nur, ob die 4 Liganden unterschiedlich sind oder nicht.

Steckbrief Limonen

 

Literatur

Ausblick

Die Seite über die Chiralitätselemente ist noch nicht fertig. Die noch fehlenden Abschnitte werde ich demnächst fertigstellen.

 

 

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