6. Prochiralität und Topizität - Online Media Server

6. Prochiralität und Topizität
6.1 Prochirale Gruppen und Achsen
6.1.1 Das Prochiralitätszentrum
Eine chirale Verbindung wird durch chemische Reaktion einer prochiralen Verbindung
erhalten. Eine prochirale Verbindung besitzt eine Symmetrieebene, die während der Reaktion
aufgehoben wird. So entsteht aus einer achiralen Verbindung (prochirale Substanz) eine
chirale Verbindung. Als Beispiel kann Ethanol dienen:
H
OH
H
CH 3
Ethanol
Ethanol ist nicht chiral. Tauscht man aber eines der Methylen-H-Atome aus, so wird die
Substanz chiral. Die H-Atome sind also pro-chiral.
Man bezeichnet das Wasserstoffatom, daß durch einen Austausch durch ein Deuteriumatom
(ein Atom höherer Priorität) ein Produkt mit der (R)-Konfiguration hervorbringt als pro-(R)-
Ligand (HR), während man das andere Wasserstoffatom als pro-(S)-Liganden (HS) bezeichnet,
weil man nach dessen Austausch durch ein Deuterium ein Produkt mit der (S)-Konfiguration
erhält.
Zitronensäure soll als weiteres Beispiel dienen. Hier werden ganze Molekülteile zu pro-
chiralen Gruppen. Werden die Gruppen durch ein Atom höherer Priorität ausgetauscht so
entstehen Verbindungen mit (R)- oder (S)-Konfiguration.
COOH
H H
HOOC OH
H H
COOH
H S
Zitronensäure
OH
CH 3
H R
pro-(R)
pro-(S)

Weitere Beispiele zur pro-Chiralität: 1
Methylmalonsäure wird durch eine chemische Transformation an einer der beiden
Carbonsäuren (z.B. Veresterung oder Reduktion) ein chirales Molekül. Die
Carbonsäuregruppen sind also prochiral
MeOOC
H 3C
COOH
(R)-Methylmalonsäuremethylester
H
HOOC
H 3C
COOH
H
HOOC
H 3C
COOMe
(S)-Methylmalonsäuremethylester
Prochiralitätszentren können auch in chiralen Molekülen vorkommen. Nicht das Molekül ist
dan pro-chiral sondern nur die Atomgruppierung.
Ein weiteres Beispiel für pro-Chiralität ist 2,2-Dichlorbutan, welches durch Substitution eines
der Chloratome chiral wird.
H 3C
H
Cl SEt
H
CH 3
H 3C
H
Cl Cl
H
CH 3
H
EtS Cl
H3C Pro-chirale Gruppen sind in einer achiralen Umgebung nicht zu unterscheiden. In einer
chiralen Umgebung hingegen, wie z. B. in einer Enzymtasche können die Atome oder
Atomgruppen differenziert werden.
Es gilt zu beachten, daß es neben den Prochiralitätszentren auch Prochiralitäts-Achsen und –
Ebenen gibt. Sind solche Symmetrieelemente enthalten, liegt ebenfalls eine prochirale
Verbindung vor. Das Beispiel Chlorallen unten verdeutlicht den Zusammenhang.
Cl
H
C C C
H
H
D
D
D
H Cl
H
H
H Cl
D
H
pro-P
pro-M
Bei der Betrachtung von pro-chiralen Gruppen werden die Symmetriebeziehungen von
Atomgruppierungen in einem Molekül studiert. Wir wenden hierbei die Topizitätsprinzipie
H
CH 3

an. Zur Wiederholung. Mit Isomerie beschreiben wir die Symmetriebezieheungen zwischen
Moleküle. Moleküle können nach Berzelius zueinander :
Konstitutionsisomer sein. Dann unterscheiden sie sich in den Atom-Konektivitäten
Konfigurationsisomer sein. Dann sind sie entweder Diastereomere, oder sie verhalten sich
wie Bild und Spiegelbild man sagt sie sind enantiomer.
Moleküle sind identisch wenn man sie durch einfache Drehung ineinander überführen kann.
6.2 Topizität
6.2.1 Allgemeines
Topizität: Wir betrachten nun die Beziehungen von Atomgruppierungen in einem
Molekül zueinander (K. Mislow). Die Atomgruppen können zueinander entweder homotop
oder heterotop sein. Heterotope Gruppen sind zueinander entweder enantiotop oder
diastereotop. Homotope Atome oder Gruppen sind in einer identischen Umgebung sie können
nicht voneinander unterschieden werden. Heterotope Atome oder Gruppen haben
unterschiedliche Umgebungen. Zur Bestimmung der Topizitätsbeziehungen kann man
entweder den Substitutionstest oder den Symmetrietest heranziehen. Das soll im folgenden an
Beispielen näher erläutert werden.
6.2.2 Homotope Gruppen und Seiten in Molekülen
Zunächst soll das Substitutionskriterium verwendet werden. Durch Ersetzen der einen bzw.
der anderen fraglichen Gruppe im Molekül durch einen Platzhalter D erhält man zwei fiktive
Moleküle. Sind diese Moleküle identisch, so sind die betrachteten Gruppen homotop. Sind die
Moleküle unterschiedlich, so sind die Gruppen heterotop zueinander.
Beispiele für homotope Gruppen: In der Malonsäure werden die beiden Methylenprotonen, H 1
und H 2 genannt, durch den Platzhalter D ersetzt. Man erhält zwei fiktive Moleküle, die aber
identisch sind, da sie durch einfache Drehung ineinander überführt werden können.

H 1
COOH
COOH
H 2
COOH
D COOH
H 2
und
identisch
H 1
COOH
D
COOH
Die Wasserstoffatome sind homotop zueinander
Weitere Moleküle mit homotopen Gruppen sind unten gezeigt. Im Dichlormethan sind die H-
und die Cl-Atome homotop. In den beiden anderen Beispielen sind die H-Atome der
Methylgruppen homotop, da sie durch die schnelle Drehung um die C-C Einfachbindung alle
ineinander überführt werden.
Cl
Cl
H H
H 3C
Man kann homotopie von Gruppen auch basierend auf Symmetriebetrachtungen feststellen.
Zwei Gruppen, die durch eine zwei- oder n-zählige Symmetrieachse ineinander überführt
werden können sind homotop:
Cl
H
H
H
H
H
H
C unendlich
C 2
CH 3
H 3C
Cl
CH 3
Schnelle Rotation ermöglicht Homotopie
Bei tiefer Temperatur können Methylengruppen aber auch heterotop werden
Durch die schnelle Drehung um die C-C Einfachbindung werden die Methyl-H-Atome gleich.
Was für Gruppen im Molekül gilt, gilt auch für Molekülseiten. Seiten von Molekülen können
auch heterotop oder homotop sein. Zwei Seiten von Molekülen sind dann homotop, wenn sie
durch Drehung um eine Achse zur Deckung gebracht werden können. In den Molekülen 1 – 4
unten sind die beiden Molekülseiten homotop. Sie sind jeweils durch Drehung um eine 2-
zählige Achse ineinander überführbar. Besonders interessant ist das Cyclohexan 1. Dieses

weist bei RT eine schnelle Umwandlung der beiden Sesselkonformationen ineienander auf.
Dadurch wird das Molekül im zeitlichen Mittel D6-symmetrisch. In diesem Fall sind auch die
axialen und equatorialen H-Atome homotop. Bei tiefer Temperatur kann dieses Umklappen
des Ringes nicht mehrt stattfinden. Das Molekül reduziert seine Symmetrie zu D3. Nun sind
die beiden Seiten immer noch homotop. Die H-Atome bilden aber nun zwei Gruppen. Die
axial- und die equatorial stehenden. Die axialen und die equatorial stehenden H-Atome sind
nun untereinander homotop. Axiale zu equatoriale H-Atome sind aber zueinander heterotop.
H
He He H H
H e
H a
H
H
Ha Ha H
C 2
Ha He He He Ha Ha H 2C
H 2
C
CH 2
H2C CH2 CH2
H 3C
H H
CH 3
Bei tiefer Temperatur D 3d
H axial zu H equatorial heterotop
H 3C
H 3C
1 2 3 4
5
Homotope Gruppen und Seiten können in dissymmetrischen und symmetrischen Molekülen,
nicht aber in asymmetrischen Molekülen auftreten.
Homotope Gruppen und Seiten sind spektroskopisch und bezüglich ihrer Reaktivitäten
identisch. Sie reagieren gleich schnell.
Man kann auch Seiten durch ein Additionskriterium als homotop oder diastereotop einstufen.
Hierzu addiert man einen „Dummy“-Liganden an jede Seite und untersucht die beiden
entstehenden fiktiven Verbindungen, ob sie identisch sind. Wenn dies der Fall ist, so sind die
beiden Seiten homotop. Wenn die Moleküle nicht identisch sind, sind die Seiten heterotop.
H 3C
H
CH 3
H
H 3C
H
O
CH 3
H
und
identisch
H 3C
H
O
O
CH 3
H

Im obigen Bespiel entstehen identische Moleküle, die durch Drehung um eine 2-zählige
Achse, die durch die C-C-Epoxid Einfachbindung verläuft, ineinander überführt werden
können.
6.2.3 Enantiotope Gruppen und Seiten in Molekülen
Enantiotope Gruppen und Seiten kann man erneut durch die Methode der Substitution kennen,
oder man wendet Symmetriekriterien an. Enantiotope Seiten lassen sich durch
Symmetriebetrachtungen oder das Additionskriterium zuordenen.
Substitutionskriterium für enantiotope Gruppen: Zwei Gruppen sind zueinander
enantiotop, wenn durch Substitution der einen oder der anderen Gruppe Enantiomere
entstehen. Enantiotope Gruppe und Atome sind demnach pro-chiral.
Ein Beispiel ist das Pentan-3-on.
H 3C
HS HR O
HR HS a b
CH 3
Die beiden Ethylgruppen an der Carbonylgruppen sind homotop. Die drei Wasserstoffe jeder
Methylgruppe sind ebenfalls homotop. Die Wasserstoffe der beiden Methylengruppen sind
jeweils enantiotop. Ersatz eines der H-Atom durch ein D-Atom führt jeweils zu einer
Verbindung mir (R)- oder (S)-Konfiguration. Diese Wasserstoffe nennt man deshalb pro-R-
oder pro-S-Wasserstoffatome (oben abgekürzt mit HS und HR). Zu jedem H-Atom der einen
Methylengruppe existiert je ein homotopes und ein enantiotopes an der anderen
Methylengruppe. So ist das HR in (a) zu Hs in (b) enantiotop visa versa, während die HR und
HS in (a) oder (b) zu den entsprechenden HR und HS in (b) und (a) homotop sind.
Etwas komplizierter sind die Verhältnisse in der Citronensäure. Es gibt zunächst konstitutope
Carbonsäuren. Die mittlere Carboxylgruppe ist konstitutop zu den endständigen. Die beiden
endständigen Carboxylgruppe sind zueinander enantiotop. Auch die beiden Methylengruppen
sind zueinander enantiotop. Die Wasserstoffe einer Methylengruppe sind diastereotop. Ersetzt
man eines der H-Atome durch ein D, so wird nicht nur das direkt betroffene C-Atom chiral
sondern auch das Nachbar C-Atom. Das pro-R H-Atom der Gruppe (a) ist hingegen zum pro-

S H-Atom in (b) enantiotop. D.h. zu jedem H einer Methylengruppe gibt es eines an der
anderen Methylengruppe das dazu enantiotop ist.
Ein weiteres Beispiel:
Ph
H a
COOH H b
H c
HOOC
pro-R
H d
Ph
COOH
HO COOH
COOH
pro-R
HR HS HS HR a b
H a : H b enantiotop
H c : H d enantiotop
H a : H c H b : H d diastereotop
Enantiotope Seiten erkennt man erneut durch Anwendung des Additionskriterium. Setzt man
an beide Seiten einen „Dummy“-Liganden und sind dann die beiden Produkte Enantiomere,
so sind die beiden Seiten enantiotop. Beispiel für Enantiotope Seiten sind unten gezeigt.
Enantiotope Seiten sind also pro-chiral.
H 3C
H
C s
O
O
+
H
H 3C
CN -
C i
CH 3
H
H
H 3C
H3C H
O
CN
O
CH 3
H
+
H 3C
Enantiomere
Symmetriekriterium: Enantiotope Gruppe lassen sich durch eine Drehspiegeloperation (Sn)
ineinander überführen. Die einfachste Drehspiegeloperation ist hierbei die S1-Operation also
H
H3C H
die Spiegelung. Durch Spiegelung werden enantiotope Gruppen ineinander überführt.
-
O
H
CH 3
O
-
CN

HOOC
H
σ
H
COOMe
σ
H
C
C
C
H
H
Me
oder
H
C
C
C
H H
Alle gleichartigen Gruppen oder Seiten die weder homotop noch enantiotop sind, sind
diastereotop!
6.2.4 Diastereotope Seiten und Gruppen
Diastereotope Seiten und Gruppen sind spektroskopisch verschieden, diese lassen sich mit
einfachen achiralen Reagenzien differenzieren. Im NMR Spektrum liefern diastereotope
Gruppen immer Signale bei unterschiedlichen chemischen Verschiebungen. Die Signale
können nur zufällig isochron sein.
H 5
H 6
CH 3
CH 3
H 3
H 4
H 1
H 2
Die Protonen 1 zu 4, 2 zu 3, und 5
zu 6 sind zueinander homotop. Man
erwartet drei Signale auch in einem
chiralen Medieum
O
C 2
CH 3
H 5
CH 3
H 6
H 4
H 2
Me
Die Protonen 1 zu 3, 5 zu 6 und 2 zu 4
sind zueinander enantiotop.
Die roten, blauen und violetten H-Atome
sind zueinander aber diastereotop.
Man erwartet drei Protonen Signale im NMR
In einem chiralen Medium erwartet man mehr Signale
Enantiotope Seiten und Gruppen lassen sich in einem achiralen Medium oder mit achiralen
Reagenzien nicht unterschieden. Sie ergeben im NMR in einer achiralen Umgebung immer
isochrone Signale. In einer chiralen Umgebung oder durch ein chirales Reagenz werden
enantiotope Gruppen und Seiten aber differenziert. NMR in chiralen Medien ergibt daher eine
Signalaufspaltung.
6.3 NMR-spektroskopische Symmetrieanalyse
• Homotope Gruppen sind durch eine Cn-Achse ineinander überführbar.
• Enantiotope Gruppen sind deckungsgleich mittels einer Drehspiegelung.
H 3
H 1
O
σ
σ

• Diastereotope Gruppen sind durch keine Symmetrieoperationen zur Deckung zu
bringen.
Im NMR erscheinen die Gruppen wie folgt:
• Homotope Gruppen sind immer isochron.
• Enantiotope Gruppen sind in achiraler Umgebung isochron, in chiraler Umgebung
höchstens zufällig isochron.
• Diastereotope Gruppen sind höchstens zufällig isochron.
Dimethylsulfit ergibt in einem achiralen Medium ein Signal für die beiden Methylgruppen. In
Gegenwart des chiralen Shiftreagenzes spaltet das Signal auf und man erhält für jede der
enantiotopen Methylgruppen je ein Signal.
..
H
S
3CO
H3CO O
Dimethylsulfit
1 H: ∆δ(CH3) = 0.06 ppm
13 C: ∆δ(CH3) = 0.20 ppm
0.1 M in CCl 4
mit 0.05 M "FACAM - "
Tris-[3-trifluormethylhydroxymethylen-
(+)-campherato]-europium(III)
Ganz entsprechend verhält sich N,N-Dimethylanilinoxid. In einer achiralen Umgebung
beobachtet man ein Signal für die CH3-Protonen. In Gegenwart einer chiralen Substanz
werden zwei Signale beobachtet.
..
H
S
3CO
H3CO O
Dimethylsulfit
1 H: ∆δ(CH3) = 0.06 ppm
..
H
N
3C
H3C O
N,N-Dimethylanilinoxid
1 H: ∆δ(CH3) = 0.038 ppm
6.4 Nomenklatur enantiotoper Seiten
in
H 3C
H F3C
C 6H 5
CH 3
F 3C
OH
als Lösungsmittel
O
O
-
Eu 3+
(R)-(-)-2,2,2-Trifluormethyl-phenyl-ethanol
Die einfachen Begriffe oben und unten reichen zur Benennung der Seiten eines Moleküls
nicht aus, da sie nicht eindeutig ist. Zur Benennung von enantiotopen Seiten legt man das
Molekül in eine Ebene und bezeichnet die Substituenten nach der Sequenzregel (CIP-
3

Nomenklatur). Das ist unten rechts am Beispiel des Acetophenons gezeigt. Man dreht nun
den Substituenten höchster Priorität a über den zweithöchster Priorität b nach c. Muss man
rechts herum drehen so ist die Seite mit Re zu benennen. Muss man links herum drehen so ist
die Seitenbezeichnung Si.
si
C1
C2
H
(b) Ph R
O (a)
H
(c) Ph S
re
C 1 ist R-konfiguriert
C 2 ist S-konfiguriert
Das Beispiel links ist komplizierter. Höchste Priorität hat der O-Ligand. Das Zentrum 1 is R-
konfiguriert. Das Zentrum 2 ist S konfiguriert. Da R vor S in der Sequenzregel definiert ist
ergibt sich für Zentrum 1 die Priorität b. Zentrum 2 erhält die niedrigste Priorität. Damit ist
die Oberseite mit si und die Unterseite mit re zu benennen. In diesem Fall wird der
Descriptor kleingeschrieben, da zwei der drei Reste am Zentrum zueinander enantiomorph
sind. Die heterotopen Seiten eine trigonal planaren Prochiralitätszentrums bezeichnet man
also mit den Deskriptoren Re und Si. Die Seiten an trigonalen Zentren, die durch 2
enantiomorphe Reste gekennzeichnet sind werden mit re und si gekennzeichnet. Unten ist
noch ein Beispiel gezeigt.
S
HO
re
O
R
Unten findet sich ein Beispiel an dem die Seitenbenennung und die Prochiralität verdeutlicht
werden soll. Das Molekül verfügt über ein Prochiralitätszentrum. Zur Bestimmung der
Prochiralität geht man so vor, daß man die fragliche Gruppe durch einen „Dummy“-liganden
ersetzt, der der anderen Gruppe in der Priorität vorangeht! Gleichzeitig sind im Molekül
Carbonylgruppen, die jeweils Re und Si Seiten haben, wenn man von oben auf die
Carbonylgruppe schaut.
OH
b
c
H
O
Re
Si
a

a
b
O
O
Prochiralität
pro R
d
c
O
Si
b
a
O
Re
pro R
O
b
d
a
b
a
c
O pro S
O
d
c
O
O
pro S
Prochiralitätszentrum
Si
Re
a
O
c
b
c b
O
a
Bennenung der Seiten
O