Beispiele zur Isomerie

Viele Menschen lernen Isomerie (wie auch andere komplexe Themen) am besten aus Beispielen.

Deshalb stelle ich auf dieser Seite eine wirklich große Zahl von Isomeren systematisch und übersichtlich zusammen. Alle Isomere meiner Isomerieseiten sind hier mit einem kurzen Steckbrief vertreten, dazu kommen weitere Beispiele, an denen Sie den einen oder anderen Aspekt deutlicher sehen können. Es sind alle Arten der Isomerie vertreten, dazu einige Moleküle, bei denen man auf den ersten Blick glaubt, sie seien isomer, obwohl das nicht der Fall ist. Alle Beispiele sind mit einer kurzen Erläuterung versehen. Ein Link zeigt den Weg zur ausführlichen Besprechung des Moleküls.

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Derzeit (September 2019) ist diese Seite im Aufbau. Trotzdem sind die Beispiele schon systematisch geordnet.

Beispiele zur Konstitutionsisomerie

Bei der Konstitutionsisomerie haben die Moleküle unterschiedliche Konnektivität. Das heißt, der Unterschied zwischen Molekülen besteht darin, welche Atome miteinander verknüpft sind.

Beispiele zur Konstitutionsisomerie folgen demnächst.

Beispiele zur Diastereoisomerie

Bei der Diastereoisomerie haben die Moleküle gleiche Konnektivität. Es sind keine Spiegelbilder, aber trotzdem sind die Atome unterschiedlich im Raum angeordnet. Da wundert es sicher niemand, dass hier ein kaum zu ordnendes Sammelsurium seltsamer Strukturen erscheint. Oder man drückt es freundlicher aus. Hier können wir die Vielfalt und die Kreativität der Natur bewundern, aus einer Handvoll Bausteine unzählige Strukturen zu schaffen, die ähnlich und doch verschieden sind.

Paare von Enantiomeren

Hat ein Molekül 2 asymmetrische C–Atome, so hat es meist 2 Paare von Enantiomeren, insgesamt 4 Stereoisomere. Isomere des gleichen Paares sind Enantiomere. Isomere aus verschiedenen Paaren sind Diastereoisomere.

Threonin – Threonin – Standardbeispiel – 2 asymmetrische C–Atome – 2 Paare von Enantiomeren – Jedes Isomere hat 2 Diastereoisomere (aus dem anderen Paar)

meso–Formen

Hat ein Molekül 2 asymmetrische C–Atome mit jeweils den gleichen Substituenten, so hat es 2 Enantiomere und ein achirales Isomer. Dieses nennt man die meso–Form des Moleküls. Es ist ein Diastereoisomer zu den anderen beiden

Weinsäure – Weinsäure – klassisches Beispiel – 2 asymmetrische C–Atome mit den gleichen Substituenten – 2 Enantiomere und eine achirale meso–Form

2,3–Dibrombutan – 2,3–Dibrombutan – Aufbau analog zu Weinsäure – 2 Enantiomere und eine achirale meso–Form

Beispiele zur Enantiomerie

Bei der Enantiomerie verhalten sich 2 Moleküle wie Bild und Spiegelbild.

Chiralitätszentren

Ein Chiralitätszentrum ist ein Atom, dessen Liganden so angeordnet sind, dass sie mit ihrem Spiegelbild nicht deckungsgleich sind.

Chiralitätszentrum – asymmetrisches C–Atom

Ein asymmetrisches C–Atom ist ein Kohlenstoffatom mit 4 verschiedenen Liganden.

Chlor–brom–iod–methan – Chlor–brom–iod–methan – Erklärung, was ein asymmetrisches C–Atom ist

Glycerinaldehyd – Glycerinaldehyd – einfaches Beispiel – hat ein asymmetrisches C–Atom – historisch wichtig

Limonen – Limonen – hat ein asymmetrisches C–Atom – hat einen Ring

Threonin – Threonin – hat 2 asymmetrische C–Atome – hat 4 Stereoisomere

Weinsäure – Weinsäure – hat 2 asymmetrische C–Atome – aber nur 3 Stereoisomere

Strukturformel von cis-p-Menthan

Bild Me–1 : eines der Isomeren von p–Menthan. Es heißt cis–p–Menthan.

alternative Strukturformel von cis-p-Menthan

Bild Me–2 : Das Molekül aus Bild Me–1 wurde gespiegelt. Beide sind identisch, denn man kann sie durch Drehung um die rote Achse ineinander überführen. Es ist immer noch cis–p–Menthan.

Strukturformel von trans-p-Menthan

Bild Me–3 : das zweite Isomere von p–Menthan. Es heißt trans–p–Menthan.

Molekül von cis-p-Menthan Molekül von trans-p-Menthan

Bild Me–4 : Moleküle der beiden Isomeren von p–Menthan. Zuerst kommt cis–p–Menthan, dann trans–p–Menthan. Sie können sich beide Moleküle in einer Jsmol–Visualisierung ansehen.

Menthan und Menthol – wie Chiralität entstehen kann – Bild Me–1 zeigt die Strukturformel von p–Menthan. Die Umgebungen der mit 1 und 4 bezeichneten C–Atome sehen unübersichtlich aus. Aber sind die beiden chiral oder nicht ? C–Atom 1 hat als Substituenten zuerst ein H–Atom, dann eine CH3–Gruppe und schließlich 2 Ketten, die in den Ring führen. Sind die gleich oder nicht ? Auf den ersten Blick sehen sie schon gleich aus. Aber sie kommen an C–Atom 4 vorbei, und vielleicht weiß man jetzt nicht mehr, was man davon halten soll.

Statt Rumzueiern hilft nur, das Molekül zu spiegeln. Bild Me–2 zeigt das gespiegelte Molekül. Es wurde an der Bildschirmebene gespiegelt. Wenn man ganz genau ist, wurde es an einer Ebene, die parallel zum Bildschirm ist, gespiegelt, denn der Ring ist nicht eben. Bei den Substituenten des Ringes wurde dabei jeweils der vordere mit dem hinteren vertauscht. Dreht man das Molekül in Bild Me–2 um die rot eingezeichnete Achse (sie geht durch die C–Atome 1 und 4), erhält man das Molekül aus Bild Me–1. Die beiden Moleküle sind also identisch. p–Menthan ist nicht chiral.

p–Menthan hat aber doch ein zweites Isomeres. In Bild Me–1 hatten wir an beiden C–Atomen (1 und 4) die Substituenten vertauscht. Das war wohl etwas zu viel. Also vertauschen wir nur an einem der beiden, zum Beispiel an C–4 die Substituenten. Wie erhalten das Molekül von Bild Me–3. Es ist kein Spiegelbild des Moleküls aus Bild Me–1, aber doch ein Stereoisomeres. Die beiden sind Diastereoisomere.

Man nennt das Molekül aus Bild Me–1 cis–p–Menthan. Die lateinische Vorsilbe cis bedeutet diesseits. Die Substituenten (das heißt die Atomgruppen, die ein H–Atom ersetzt haben, hier sind es die CH3–Gruppe am Atom C–1 und die Isopropylgruppe an C–4) sind auf der gleichen Seite des Ringes. Das Molekül aus Bild Me–3 heißt trans–p–Menthan. trans bedeutet jenseits. Die beiden Substituenten stehen nun auf verschiedenen Seiten des Ringes.

Übrigens : Das p in p–Menthan ist eine Abkürzung für para, einer griechischen Vorsilbe mit vielen Bedeutungen. Hier könnte man es am besten mit „gegenüber” übersetzen. Die beiden Substituenten des Ringes (nämlich die CH3–Gruppe und die Isopropyl–Gruppe) stehen sich gegenüber.

p–Menthan ist nicht chiral, nur prochiral. Es hat 2 Diastereoisomere.

 

Strukturformel von Menthol

Bild Me–5 : Menthol unterscheidet sich von p–Menthan nur durch eine zusätzliche OH–Gruppe, hat dadurch aber 8 Stereoisomere. Hier sehen Sie die Formel von (1R,3R,4S)–Menthol, das im Pfefferminzöl vorkommt. Die Sterne kennzeichnen die asymmetrischen C–Atome. Sie sind analog zum p–Menthan nummeriert, nicht nach der Empfehlung der IUPAC.

Mentholmolekül

Bild Me–6 : Molekül von (1R,3R,4S)–Menthol. Sie können es sich in einer Jsmol–Visualisierung ansehen.

Menthan ist nicht chiral, aber man kann durch kleine Veränderungen ein chirales Molekül daraus machen. 2 Liganden am C–Atom 1 sind gleich, nämlich die beiden Zweige des Ringes. Verändert man einen, hat es 4 verschiedene Liganden und ist chiral. Solche Stoffe nennt man prochiral. Prochiralität kommt nicht nur bei relativ komplexen Molekülen wie p–Menthan, sondern häufig vor.

Zum Beispiel kann man im p–Menthan am C–Atom 3 des Ringes ein H–Atom durch eine OH–Gruppe ersetzen. Der entstehende Stoff heißt Menthol. Nicht nur Atom C–1 ist nun asymmetrisch, sondern auch die C–Atome 4 und 3. Es sind insgesamt 8 Stereoisomere denkbar, 4 Paare von Enantiomeren. Die Chemikerinnen und Chemiker waren fleißig und haben alle 8 hergestellt. Ich bin weniger fleißig und zeige in Bild Me–5 nur die Formel eines Isomeren, nämlich von (1R,3R,4S)–Menthol. Es ist zu etwa 45 % im Pfefferminzöl enthalten und damit sein Hauptbestandteil, außerdem für den Pfefferminzgeruch verantwortlich.

Menthol hat 3 asymmetrische C–Atome, damit 8 Stereoisomere.

 

Steckbriefe Menthan und Menthol
  cis–p–Menthan trans–p–Menthan (1R,3R,4S)–Menthol
systematischer Name (Z)–1–Methyl–4–(1–methylethyl)–cyclohexan (E)–1–Methyl–4–(1–methylethyl)–cyclohexan (1R,3R,4S)–1–Methyl–4–(1–methylethyl)–cyclohexan–3–ol oder nach IUPAC (1R,2S,5R)–5–methyl–2–propan–2–yl–cyclohexan–1–ol
Summenformel C10H20 C10H20 C10H20O
Schmelzpunkt in °C –89,9 –86,3 53
Siedepunkt in °C 172,0 170,6 215
Dichte bei 20 °C 0,8039 0,7928 0,913
spezifische Drehung 0 0 [α]25D = – 50,2°
Geruch   nach Minze oder Fenchel pfefferminzartig frisch
Geruchsschwelle     400 ppb
Schwelle der Kühlwirkung     800 ppb
CAS–Nr. 6069–98–3 1678–82–6  

 

helikale Chiralität

Ein völlig abgedrehtes Molekül mit helikaler Chiralität

Molekül mit helikaler Chiralität

Bild 1 : Molekül mit helikaler Chiralität. Es sind nur die Bindungen gezeigt, keine Atome, zur besseren Übersicht.

J.–L. Schmitt, Kolleginnen und Kollegen (L–143) wollten die Faltung von Proteinketten besser verstehen und haben dazu Modellsubstanzen untersucht. Diese bestehen aus 2 Bausteinen, erstens aus Ringen aus 4 Kohlenstoffatomen und 2 Stickstoffatomen, und zweitens aus kurzen Ketten aus einem Kohlenstoff– und 2 Stickstoffatomen. Verknüpft man die Bausteine geschickt, entstehen ausgedehnte Moleküle, die sich wie eine Wendeltreppe formen. Die Moleküle haben also die Form einer Helix oder Schraubenlinie. Und so, wie eine Schraube oder eine Wendeltreppe chiral sind, ist auch dieses Molekül chiral. Es besitzt helikale Chiralität oder Helizität.

In Bild 1 sehen Sie das Molekül von der Seite. Es ist das Enantiomere mit der linksgängigen Helix. Die Helix hat gut 3 Windungen, die aber nicht exakt übereinander liegen. In der Elementarzelle ist neben diesem Enantiomeren noch ein Molekül des anderen Isomeren mit der rechtsgängigen Helix. Daher ist der Kristall nicht chiral. Die Summenformel des Moleküls ist C68H68N40. Strukturformel und Name sind zu lang für hier. Sie können sie auf der Seite des englische Flagge Cambridge Crystallographic Data Centre ansehen (Access Structures wählen und und den Identifier 205252 eingeben).

 

Zusammenstellung der Jsmol–Visualisierungen

 

Literatur

Ausblick

Die Seite über die Beispiele zur Isomerie ist noch nicht fertig. Die noch fehlenden Abschnitte werde ich demnächst fertigstellen.

 

 

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