Stereoisomerie und optische Aktivität

Lewis Carroll

In seinem 1871 veröffentlichten Buch «Through the Looking Glass» beschreibt Lewis Carroll, wie Alice durch einen Spiegel in eine spiegelbildliche Welt schlüpft:

«Also, wenn du einmal ordentlich zuhörst, Mieze, und nicht dauernd dazwischenredest, will ich dir erzählen, wie ich mir das Haus hinterm Spiegel vorstelle. Zuerst einmal kommt das Zimmer, das du hinter dem Glas siehst - das ist genau wie unser Wohnzimmer, nur ist alles verkehrt herum. [...] Wie gefiele dir das, Mieze, wenn du in dem Haus hinterm Spiegel wohnen müsstest? Ob sie dir dort auch deine Milch zu trinken gäben? Aber vielleicht schmeckt Spiegelmilch nicht besonders gut!»

 Als Quelle für diesen einleitenden Abschnitt diente eine Web-Page über Symmetrie und Asymmetrie von Dominik Bender.

Spiegelwelt

Wir können nicht erfahren, wie die oben erwähnte Spiegelmilch der Katze schmecken würde, aber wir wissen wenigstens aus gewissen Fällen, dass sich geschmacklich für uns einiges ändern würde:

Zitrone oder Orange?

Die Geruchsstoffe der Zitrone, (S)-Limonen (Formel links) und der Orange (R)-Limonen (Formel rechts) sind Spiegelbilder. In unserer imaginären Spiegelwelt würde die gelbe Zitrusfrucht nach Orangen schmecken und die orangefarbene nach Zitrone.

Minzentee?

Die Zubereitung eines frischen Tees aus den Blättern der von uns in der Spiegelwelt angetroffenen «Spiegelminze» würde uns ein weiteres Mal überraschen: Statt des erwarteten Minzengeschmackes, hervorgerufen von (S)-Carvon (Formel rechts), hätten wie einen starken Kümmelgeschmack auf unserer Zunge!

Zur Freude der Angelsachsen hätte jedoch der orientalische, mit Kümmel gewürzte Braten einen ausgesprochenen Pfefferminzgeschmack, welcher durch (R)-Carvon (Formel links) hervorgerufen würde.

Stereoisomere

Stereoisomere besitzen immer dieselbe Konstitution , d.h. weisen eine gleiche Verknüpfung der Atome auf, haben jedoch eine verschiedene Konfiguration.

Konfiguration

Die Konfiguration beschreibt die räumliche Anordnung der Substituenten in einem starren Strukturelement. Isomere, die sich in ihrer Konfiguration unterscheiden, können nur durch das Aufbrechen von kovalenten Bindungen und deren Neuverknüpfung ineinander übergeführt werden. Sie sind deshalb strikte von Molekülen zu unterscheiden, die sich lediglich in ihrer Konformation unterscheiden.

Konfigurative Isomere lassen sich in Enantiomere und Diastereomere einteilen:

Enantiomere

Verhalten sich konfigurative Isomere wie Bild und Spiegelbild zueinander, so werden sie Enantiomere genannt, andernfalls Diastereomere.

Beispiel: Die Enantiomeren des Asparagins: (R)-Asparagin (oben) schmeckt süss, während (S)-Asparagin (unten) einen bitteren Geschmack aufweist.

Racemate

Mischungen, die zu gleichen Teilen aus den beiden Enantiomeren bestehen, nennt man Racemate.

Diastereomere

Diastereomere können in keiner Art zur Deckung gebracht werden, aus nicht nach Anwenden einer Spiegeloperation. Die früher besprochenen cis- und trans-Isomeren, wie sie in Alkenen und Cycloalkanen möglich sind, stellen nach dieser Definition ebenfalls Diastereomere dar.

Louis Pasteur

Mitte des letzten Jahrhunderts untersuchte Louis Pasteur Tartrat-Kristalle unter dem Mikroskop und entdeckte, dass zwei morphologisch verschiedene Formen vorhanden waren, die sich wie Bild und Spiegelbild verhielten. Es gelang ihm, die beiden Arten mechanisch voneinander zu trennen. Nach dem Auflösen in Wasser konnte er zudem nachweisen, dass die beiden Lösungen einen durchtretenden linear polarisierten Lichtstrahl im Uhrzeiger-, bzw. im Gegenuhrzeigersinn drehten. Darauf postulierte Pasteur, dass die Tartratkristalle «rechts bzw. linkshändig» aufgebaut seien. Damit war wohl eines der ersten Beispiele von chiralen Substanzen gefunden.

Später zeigte Pasteur mit Schimmelpilzen, dass diese auf einer Nährlösung bestehend aus einem Gemisch mit «rechts und linkshändigen» Molekülen nur gerade eines der beiden Isomere abbauten. Er schloss daraus, dass das Leben auf einer bevorzugten Händigkeit, oder eben Chiralität, beruht und postulierte:

  Mehr über das Leben von Louis Pasteur.

J.H. van't Hoff
und J. A. LeBel

Die R, S-
Konvention

Enantiomere unterscheiden sich lediglich in ihrer Chiraliät, sind jedoch in allen andern Eigenschaften gleich. Sie weisen also identische achirale Eigenschaften, wie Schmelzpunkte, Siedepunkte, Dichte, usw. auf. In achiralen Lösungsmitteln haben sie auch gleiche Löslichkeiten und Gleichgewichtskonstanten, z.B. pK-Werte bei enantiomeren Sären und Basen.

Ihre Ungleichheit tritt nur in Wechselwirkung mit chiralen Reationspartnern und Medien zu Tage.

Optische
Aktivität

Enantiomere unterscheiden sich lediglich in ihrer Chiraliät, sind jedoch in allen andern Eigenschaften gleich. Sie weisen also identische achirale Eigenschaften, wie Schmelzpunkte, Siedepunkte, Dichte, usw. auf. In achiralen Lösungsmitteln haben sie auch gleiche Lölichkeiten und Gleichgewichtskonstanten, z.B. pK-Werte bei enantiomeren Sären und Basen.

Ihre Ungleichheit tritt nur in Wechselwirkung mit chiralen Reationspartnern und Medien zu Tage.