15 Isomerie
15.1 Verschiedene Stoffe oder derselbe Stoff? Seite 165 sorgfältig lesen

Verschiedene Stoffe haben verschiedene Eigenschaften und ihre Moleküle (Teilchen) sind verschieden aufgebaut. Die Atome ihrer Teilchen lassen sich nicht zur Deckung bringen. Die Eigenschaften eines Stoffes sind unveränderlich. Alle seine Moleküle (Teilchen) haben denselben Aufbau. Sie sind identisch. Die Atome ihrer Teilchen lassen sich durch Drehung von Einfachbindungen zur Deckung bringen .

Aufgabe 15.2 Bestimmen Sie für folgende Paarungen, ob es sich um den denselben Stoff, Isomere oder verschiedene nicht isomere Stoffe handelt. Das Flussdiagramm zeigt den Lösungsweg.

(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)

15.3 Konstitutions- oder Konfigurationsisomere? siehe auch Seite 167

Isomere sind verschiedene Stoffe mit verschiedenen Molekülen. Unterscheiden sich Isomere in ihrer Konstitution, werden sie als Konstitutionsisomere bezeichnet. Andernfalls unterscheiden sie sich in ihrer Konfiguration und werden als Konfigurationsisomere bezeichnet.

Konstitutionsisomere sind Isomere verschiedener Konstitution. Konfigurationsisomere sind Isomere gleicher Konstitution.

Die Konstitutionen oder Verknüpfungen lassen sich am einfachsten an den rationellen Formeln vergleichen. Sie kennt keine Richtung oder Bindungswinkel. Sie enthält als Information nur welche Atome miteinander verbunden sind. Die Formeln können zum Vergleich beliebig gedreht oder verdreht werden ohne Bindungen zu brechen.

Aufgabe 15.6 Folgende Paarungen sind Konstitutionisomere. Bestimmen Sie ob es sich um Funktions-, Ketten- oder Stellungsisomere handelt. Das Flussdiagramm zeigt den Lösungsweg.  (a) 2-Chlorpropan und 1-Chlorpropan

Aufgabe 15.7
Bestimmen Sie für folgende Stoffpaare ob es sich um denselben Stoff, verschiedene nicht isomere Stoffe, Konfigurationsisomere oder Konstitutionsisomere handelt. Geben Sie gegebenenfalls an, um welche Art der Konstituionsisomerie es sich handelt. 

(a)	HOCH2−CH2−CHO	CH3−CH2−COOH
(b)	CH3−CH2−CH2−CH(CH3)−CH3	CH3−CH(CH3)−CH2−CH2−CH3
(c)	CH3−CH2−CH=CH2	CH3−CH=CH−CH3

(d)
(e)
(f)
(g)

15.5 Enantiomere oder Diastereoisomere?
15.5.1 Zwei Arten von Konfigurationsisomeren
Beispiel Diastereoisomere: siehe Seite 171
Beispiel Enantiomere: siehe Seite 172
Diastereomere unterscheiden sich in allen physikalischen Eigenschaften. Sie können durch physikalische Trennverfahren getrennt werden. Weil dieselben funktionellen Gruppen vorhanden sind ähneln sie sich in ihren chemischen Eigenschaften.
Bei Enantiomeren sind fast alle physikalischen und chemischen Eigenschaften identisch. Sie sind über gängige physikalische Trennverfahren nicht trennbar.

Konfigurationsisomere können entweder spiegelbildliche Enantiomere oder nicht spiegelbildliche Diastereomere sein.

15.5.2 Enantiomere
A Definition Enantiomere

Enantiomere sind verschiedene spiegelbildliche Verbindungen.

Da es nur ein Bild und ein Spiegelbild geben kann, treten Enantiomere immer nur paarweise auf. Sie haben identische physikalische und chemische Eigenschaften (Schmelzpunkte, Siedepunkte, etc.). Sie unterscheiden sich lediglich in ihrer Wechselwirkung mit polarisiertem Licht, ihrer Reaktion mit chiralen Verbindungen und gegebenenfalls ihren physiologischen Eigenschaften. Ein äquimolares (1:1) Gemisch von Enantiomeren wird als Racemat bezeichnet. Die Trennung ist aufgrund der identischen physikalischen Eigenschaften aufwendig.
Beispiel: siehe Seite 173

B Chiralität
Die Existenz von Enantiomeren stellt bestimmte Bedingungen an die Symmetrie des Moleküls. Diese wird durch den Begriff Chiralität umschrieben.

Chiralität ist die Eigenschaft eines Gegenstandes, sich von seinem Spiegelbild zu unterscheiden.

Der Begriff Chiralität kommt aus dem griechischen und bedeutet Händigkeit.
Beispiele: siehe Seite 174 - 175

Chiralität ist die Bedingung dafür Enantiomere zu haben. Ein chirales Molekül kann nicht durch Drehung mit seinem Spiegelbild zur Deckung gebracht werden.

Gegenstände oder Moleküle, die eine Symmetriebene (Spiegelebene) enthalten sind nicht chiral.

Aufgabe 15.8
Bestimmen Sie ob es sich um eine links- oder rechtsgängige Feder handelt. 

Aufgabe 15.9
Welche Moleküle sind chiral? Erstellen Sie eine Konfigurationsformel oder ein Modell für folgende Formeln und ihres Spiegelbilds und stellen Sie fest ob sich um chirale oder achirale Verbindungen handelt. 
(a) CHClF₂






(b) CH₃CHFCl






(c) Bromchlorfluormethan






(d) Bromchlordifluormethan

Aufgabe 15.10
Stellen Sie fest ob folgende Moleküle chiral oder achiral sind. Bauen Sie hierfür Modelle von Bild und Spiegelbild und versuchen Sie diese zur Deckung zu bringen. 

(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)

C Erkennen von Enantiomeren: Chiralitätselemente
I. Chiralitätszentrum

Ein Chiralitätszentrum oder asymmetrisches Zentrum ist ein Atom mit vier verschiedenen tetraedrisch angeordneten Substituenten.

Bei organischen Verbindungen handelt es sich meist um Kohlenstoffatome. Diese werden als asymmetrische C-Atome bezeichnet. Für ein Kohlenstoffatom mit vier verschiedenen Substituenten gibt es zwei mögliche Konfigurationen (siehe auch Seite 176), die spiegelbildlich sind und nicht durch Drehung zur Deckung gebracht werden können.
In Formeln können Chiralitätszentren mit ^* angezeigt werden.

Beispiel: Butan-2-ol (siehe Seite 177)

Moleküle mit mehreren Chiralitätszentren sind nicht notwendigerweise chiral.

Beispiel: meso-Weinsäure (siehe Seite 177)

Moleküle mit einer Spiegelebene sind nicht chiral.

Aufgabe 15.11
Welche α-Aminosäure der zwanzig proteinogenen Aminosäuren hat kein asymmetrisches Zentrum?       


Aufgabe 15.12
Bezeichnen Sie alle asymmetrischen Zentren folgender Moleküle mit einem Stern. 
(a) 2-Brombutan

(b) CH₂OH−CHOH−CH₃

(c) CH₂Cl−CHCl−CH₃

(d) HOOC−CHOH−COOH

(e) CH₃−CHOH−CHNH₂−COOH

(f) CH₃−CHOH−CHOH−CHO

II. Chiralitätsaxe (siehe Seite 178)
D Nomenklatur der Konfiguration chiraler Zentren
Für die Benennung der Konstitution von Verbindungen werden die im Kapitel 14.3 Nomenklatur organischer Verbindungen Seite 161 beschriebenen Nomenklaturregeln verwendet. Zur Unterscheidung von Konfigurationsisomeren werden dem Namen der Verbindung Deskriptoren vorangestellt.

Ein Deskriptor ist ein Präfix vor dem systematischen Substanznamen, der die Konfiguration des Moleküls beschreibt.

I. Absolute Konfiguration chiraler Zentren: CIP-Konvention
Genau wie für die Helices, die Links- oder Rechtsgängigkeit für jede einzelne Helix bestimmt werden kann, besteht auch die Möglichkeit die absolute Konfiguration für asymmetrische Zentren zu bestimmen.
Die Vorgehensweise dazu wurde im Jahr 1966 von Robert Sidney CAHN, Christopher Kelk INGOLD und Vladimir PRELOG vorgeschlagen und wird als CIP-Konvention bezeichnet.

Die vier verschiedenen Substituenten des asymmetrischen Zentrums werden nach absteigenden Prioritäten (ⓐ, ⓑ, ⓒ, ⓓ) geordnet:
1. Die direkt an das Chiralitätszentrum gebundenen Atome werden nach absteigender Ordnungszahl geordnet.

2. Bei identischen Atomen werden jeweils die als nächste an diese gebundenen Atome nach absteigender Ordnungszahl geordnet. Doppelt gebundene Atome werden zweimal und dreifach gebundene werden dreimal aufgelistet. Die Listen werden nach Rangfolge Atom für Atom verglichen. Für das erste Atom mit höherer Ordnungszahl erhält der Substituent die höchste verbleibende Priorität.

3. Bei identischen Listen wird mit Listen der als nächsten gebundenen Atome entsprechend Punkt zwei vorgegangen.
Der Substituent mit der niedrigsten Priorität wird nach hinten gedreht. Die verbleibenden drei Substituenten werden nach absteigender Priorität kreisförmig abgezählt. Bei Drehung im Uhrzeigersinn (nach rechts) wird die Konfiguration mit (R) bezeichnet. Bei Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn (nach links) wird sie mit (S) bezeichnet.

Der Deskriptor wird dem Namen zwischen Klammern mit Bindestrich vorangesetzt. Wenn mehrere asymmetrischen Zentren vorhanden sind, werden die Positionen der Zentrums den Deskriptoren unmmittelbar vorangesetzt. Deskriptoren werden durch Kommata getrennt und zusammen in Klammern gesetzt.

Beispiel 1: Enantiomere von Butan-2-ol (siehe Seite 179)
Beispiel 2: Systematischer Name von D-Glycerinaldehyd (siehe Seite 180)
Beispiel 3: Systematische Benennung der L-Weinsäure (siehe Seite 181)

Aufgabe 15.14
Zeichnen Sie die Konfigurationsformeln und die Fischer-Projektionen folgender Verbindungen und bestimmen Sie ob diese chiral sind und benennen Sie ggf. den Enantiomeren. 
(a) (R)-2-Brompentan







(b) (S)-3-Methylhexan







(c) (2R,3S)-2,3-Dibrombutan







(d) (2R,3R)-2,3-Dibrombutan

II. Fischer-Projektion und D- und L-Deskriptoren Seite 182 - 186 durchlesen

E Chiralität und optische Aktivität
I. Licht
II. Linear polarisiertes Licht Seite 187 sorgfätig lesen

III. Optische Aktivität

Optische Aktivität ist die Eigenschaft, die Polarisationsrichtung des Lichts zu drehen.

In optisch aktiven Medien wird die Schwingungsebene des Lichtes gedreht. Mit normalem unpolarisiertem Licht fällt es nicht auf, weil vorher wie nachher alle Richtungen vertreten sind.
Mit polarisiertem Licht ist die änderung des Winkels direkt messbar. Beim Durchgang von polarisiertem Licht durch ein optisch aktives Medium wird die Polarisationsebene des Lichts an gedreht.

Die optische Aktivität ist die physikalische Eigenschaft chiraler Moleküle. Chirale Stoffe sind optisch aktiv.

Die Lösung eines chiralen Stoffes ist ein optisch aktives Medium.

IV. Polarimeter Seite 188 lesen

V. Der spezifische Drehwinkel

Der Drehwinkel vergrößert sich mit jedem chiralen Teilchen auf dem Weg des Lichts. Je größer die Konzentration und je länger der Weg umso größer ist der Drehwinkel. Der gemessene Drehwinkel, α, ist proportional zur Konzentration und der Schichtdicke, d.

α ∝ β · d

Die Proportionalitätskonstante, ist der spezifische Drehwinkel des Stoffes.
α = [α] ·β · d               Biot-Gesetz
Der spezifische Drehwinkel eines Stoffes hängt vom Lösungsmittel, der Temperatur und der Wellenlänge des verwendeten Lichtes ab.

	Größe	übliche Einheit
[α]λθ =   α   β·d	Drehwinkel α Schichtdicke d Massenkonzentration β	° dm g/ml
[α]λθ	spezifischer Drehwinkel [α]λθ Wellenlänge λ Temperatur θ	°·mL·dm−1·g−1 nm °C

Üblicherweise wird das gelbe Licht der Natriumdampflampe verwendet λ = 589 nm. Angabe: 589 oder D für Natrium-D-Linie. Häufig ist die Temperatur 20 oder 25 °C. Diese wird oft ohne die Einheit °C angegeben. Das Lösungsmittel wird in Klammern hinter dem spezifischen Drehwinkel angeben.

Beispiel (siehe Seite 189)

VI. Drehwinkel von Gemischen optisch aktiver Stoffe

In Gemischen verschiedener chiraler Verbindung addieren sich die Drehwinkel.
α = [α]₁ ·β₁ · d + [α]₂ ·β₂ · d ...

In Gemischen mit gleich konzentrierten Enantiomerenpaaren ergeben 0 als Drehwinkel weil β₁ =β₂ und [α]₂ = −[α]₁.
α = [α]₁ ·β₁ · d + (−[α]₁) ·β₁ · d = 0

In Lösungen mit einem Überschuss an einem Enantiomer ergibt sich ein geringerer Drehwinkel als für die Lösung des reinen Enantiomeren. Mit Hilfe der Polarimetrie kann so die Enantiomerenreinheit festgestellt werden.
Ein racemisches Gemisch oder Racemat ist eine equimolare Mischung eines Enantiomerenpaares. Das Racemat ist optisch inaktiv. Racemate werden oft mit den Prefixen rac- oder (±) bezeichnet. Zum Beispiel bezeichnet (±)-Weinsäure oder rac-Weinsäure die Traubensäure, das Racemat der Weinsäure.

Aufgabe 15.25
Bestimmen Sie ob die folgenden Aussagen falsch (F) oder richtig sind (R). 
(a) Alle Verbindungen von D-Serien haben eine positiven spezifischen Drehwert

(b) Verbindungen mit (R) als absoluter Konfiguration haben rechtsdrehende spezifische Drehwinkel

(c) (S)-Butan-2-ol ist linksdrehend

(d) (−)-Campher hat einen spezifischen Drehwert von [α]_D²⁰(Ethanol) = −44 ° mL dm⁻¹ g⁻¹

(e) Der spezifische Drehwert der α-Aminosäure Glycin, H₂N−CH₂−COOH ist null

(f) (R)-(+)-2-Hydroxybutanal ist das Enantiomer von (S)-(+)-2-Hydroxybutanal
(g) D-Alanin ist das Enantiomer von (+)-Alanin

(h) (±)-Campher hat einen spezifischen Drehwert von 0

(i) meso-Butan-2,3-diol hat einen spezifischen Drehwert von 0, weil es ein Racemat ist

(j) L-Milchsäure ist die optisch linksdrehende Milchsäure

Aufgabe 15.26

Bestimmen Sie [α ]

20 D

von L-Milchsäure.

Aufgabe 15.27 
Die Aminosäure L-Leucin hat bei 20 °C in Salzsäure, Wasser und Natronlauge jeweils verschiedene spezifische Drehwerte.
(a) Bestimmen Sie den spezifische Drehwert von D-Leucin in neutralem Wasser.



(b) Erstellen Sie die systematische Bezeichnug von L-Leucin.






(c) Finden Sie eine Erklärung dafür, dass das L-Leucin bei verschiedenen pH-Werten verschiedene sogar entgegengesetzte spezifische Drehwerte aufweist. Beziehen Sie sich hierbei auf die Säure-Base-Eigenschaften dieser Aminosäure.







Aufgabe 15.28 
(a) Berechnen Sie den Drehwinkel einer L-Leucin-Lösung von 1,0 g/100 mL in HCl 6 M in einer Küvette mit 1,0 dm Länge.



(b) Berechnen Sie den Drehwert einer (−)-Butan-2-ol-Lösung bei einer Konzentration von 0,100 mol/L und einer Probenrohrlänge von 15,0 cm.

Aufgabe 15.29 
Zum Vergleich der optischen Aktivität verschiedener Verbindungen wir oft der molare spezifische Drehwinkel [α_m] verwendet.

[αm ]

θ λ

= [α ]

θ λ

· M

Die spezifische Drehung von Saccharose beträgt [α ]

20 D

(Wasser) = −66,45 ° mL dm−1 g−1.

Berechnen Sie den molaren Drehwinkel von Saccharose. Achten Sie auf die Angabe korrekter Einheiten.






F Reaktionen chiraler Verbindungen  Seite 192 - 194 durchlesen

15.5.3 Diastereomere
A Definition

Diastereomere sind nicht spiegelbildliche Konfigurationsisomere.

B Eigenschaften

Diastereomere unterscheiden sich in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften.

C Erkennen von Diastereomeren Seite 194 - 195 sorgfältig lesen
I. Geometrische Isomere oder cis-trans-Isomere

Geometrische Isomere sind Diastereomere, die auf doppelt gebundenen C-Atomen jeweils zwei verschiedene Substituenten tragen.

Die Konfigurationen werden mit Deskriptoren angegeben.

(i) cis-trans-Deskriptoren
Traditionell werden für die Bezeichnung der geometrischen Isomere die cis-trans-Deskriptoren verwendet. Deren Anwendung ist jedoch an eine Bedingung geknüpft.
An beide C-Atome ist jeweils nur ein H-Atom gebunden. Die relative Stellung der H-Atome wird als cis, auf der gleichen Seite, oder trans, auf der gegenüberliegenden Seite der Doppelbindung bezeichnet. Wenn keine zwei einzelnen H-Atome vorhanden sind, sind die cis und trans Deskriptoren nicht anwendbar. Die cis und trans Deskriptoren werden mit Bindestrich dem Namen vorangestellt.

Beispiel (siehe Seite 196)
Aufgaben       

Die uneingeschränkt anwendbaren und eindeutigen (E)-(Z)-Deskriptoren sind den cis-trans-Deskriptoren vorzuziehen.

Beispiel (siehe Seite 196)

Aufgabe 15.31 
Recherchieren Sie die Konfigurationsformeln von Maleinsäure und Fumarsäure und benennen Sie diese systematisch.






Aufgabe 15.32 
Zeichnen Sie die Konfigurationsformeln beider geometrischen Isomere von 1,2-Dibromethen und benennen Sie diese.






Aufgabe 15.33 
Zeichnen Sie die Konfigurationsformeln aller drei Isomere von C₂H₂F₂, benennen Sie diese und geben sie die Isomeriearten aller Paarungen an.

Aufgabe 15.34 
Zeichnen Sie alle die Konfigurationsformeln aller drei Isomere von Butensäure, benennen Sie diese und geben sie die Isomeriearten aller Paarungen an.
Zeichnen Sie die Konfigurationsformeln aller drei Isomere von C₂H₂F₂, benennen Sie diese und geben sie die Isomeriearten aller Paarungen an.







Aufgabe 15.35 
Zeigen Sie welche Molekülpaare folgender Konfigurationsformeln keine geometrischen Isomere sind und benennen Sie alle Stoffe.

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

(h)

Beispiele (siehe Seite 197 - 199, nicht auf dem Examensprogramm)

15.5.4 Zusammenfassung Isomerie (siehe Seite 201 - 202)

Aufgabe 15.40 
Myrcen gehört zu den Terpenen und ist in ätherischen Ölen enthalten. Ätherische Öle werden aus Pflanzen gewonnen. Sie dienen zum Anlocken von Insekten oder der Abwehr von Schädlingen.
(a) Zu welcher Stoffklasse gehört Myrcen?

(b) Bestimmen Sie die Zahl der Konfigurationsisomere für Myrcen.




Aufgabe 15.41 
(DBCP) 1,2-Dibrom-3-chlorpropan ist ein Pflanzenschutzmittel, das bis in die 80er Jahre auf Fruchtplantagen in Latein- und Südamerika eingesetzt wurde. Es macht unfruchtbar und ist für die Vergiftung von tausenden Plantagenarbeitern verantwortlich.
(a) Erstellen Sie die Konfigurationsformel und benennen Sie alle Konfigurationsisomere von 1,2-Dibrom-3-chlorpropan. Benennen Sie jeweils die Art der Konfigurationsisomerie für alle Paarungen.





(b) Benennen Sie das Gemisch dieser Konfigurationsisomere.


(c) Finden und benennen Sie 10 weitere Isomere von DBCP. Benennen Sie die Art der Isomerie in Bezug auf DBCP.



















Aufgabe 15.42 
Carvon ist ein cyclisches Terpen und in ätherischen Ölen enthalten. Es gibt zwei Enantiomere, (R)- und (S)-Carvon.
(a) Bestimmen Sie das Carvon mit Minzgeruch.

(b) Bestimmen Sie welches Carvon das (+)-Carvon ist und erklären Sie die Bedeutung des (+)-Zeichens und die damit verbundene Eigenschaft.




(c) Enantiomere haben mit Ausnahme der spezifischen Drehung die gleichen physikalischen Eigenschaften. Erklären Sie wie es zu dem unterschiedlichen Geruch dieser beiden Verbindungen kommen kann.





Aufgabe 15.43 
L-Isoleucin ist eine essentielle proteinogene α-Aminosäure.
(a) Zeichnen Sie alle die Konfigurationsformeln aller Konfigurationsisomere von Isoleucin, benennen Sie diese nach ihrem systematischen Namen.


















(b) Identifizieren Sie D-Isoleucin.





(c) Geben Sie die Isomerie der Paarungen mit L-Isoleucin an.

Aufgabe 15.44 
L-Leucin ist ein Isomer von L-Isoleucin.
(a) Bestimmen Sie die Isomerie dieser Paarung.



(b) Erstellen Sie die Formel von (S)-Leucin und bestimmen Sie das Verhältnis der Paarung (S)- und L-Leucin.






(c) Bestimmen Sie ob ohne weitere Informationen die Konfigurationen von (±)-Leucin, (+)-Leucin und (−)-Leucin festgelegt werden können.






Aufgabe 15.45 
β-Alanin ist eine nicht proteinogene Aminosäure. Sie findet eine zunehmende Verbreitung als Nahrungsergänzungsmittel zur Stimulation des Muskelaufbaus. Es ist ein Edukt zur Synthese des Dipeptids Carnosin.
(a) Bestimmen Sie die Zahl der Konfigurationsisomere von β-Alanin und erstellen Sie deren systematischen Namen.



(b) Bestimmen Sie das Verhältnis der Paarung β- und α-Alanin.




Aufgabe 15.46 
Carnosin ist ein Dipeptid, aufgebaut aus den Aminosäuren β-Alanin und L-Histidin. Carnosin ist in Muskel- und Hirngewebe vorhanden. Identifizieren Sie das asymmetrische Zentrum und bestimmen Sie dessen absolute Konfiguration.

Aufgabe 15.47 
Vitamin B5, oder Panthotensäure, ist ein wasserlösliches Vitamin und ein Derivat von β-Alanin. Das in der Natur vorkommende Isomer der Panthotensäure ist das reine (R)-Enantiomer. Erstellen Sie dessen Konfigurationsformel.



















Aufgabe 15.48 
L-(+)-Ascorbinsäure oder Vitamin C, dessen Mangel sich bei Menschen als Skorbut manifestiert, ist von der Bezeichnung der Krankheit, scorbutus, mit der verneinenden Vorsilbe a- abgeleitet. Sie wird als Lebensmittelzusatz E 300 verwendet.
(a) Bestimmen Sie die asymmetrischen Kohlenstoffatome und geben Sie die Anzahl an Konfigurationsisomeren an.






(b) Finden Sie eine Bezeichnung für den Enantiomer von Vitamin C.




Aufgabe 15.49 
Isovalin, Norvalin und Valin sind die Bezeichnungen für Isomere α-Aminosäuren der Zusammensetzung C₅H₁₁NO₂.

(a)	Erstellen Sie die Konfigurationsformeln von
	i. (−)-Norvalin	ii. D-Isovalin	iii. (S)-Valin

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