Enantiomer

Enantiomere sind Stereoisomere, deren räumliche Strukturen sich wie Bild und Spiegelbild verhalten, sich sonst aber nicht weiter unterscheiden. Man sollte sie nicht verwechseln mit Diastereomeren.

Die Summenformel von Enantiomeren bleibt identisch. Es liegt Chiralität vor; sie unterscheiden sich also in der optischen Aktivität, das bedeutet, dass sie die Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht nach links oder rechts drehen. Man bezeichnet sie dann als linksdrehend oder rechtsdrehend. Man nennt sie auch Spiegelbildisomere. Sie können nicht durch Drehung von Atombindungen zur Deckung gebracht werden.

Um auf das Beispiel der Hände zurückzukommen: Es ist klar, dass nur der rechte Handschuh zur rechten Hand passt. Versucht man den rechten Handschuh auf die linke Hand zu ziehen, so wird man damit scheitern oder nur ein sehr dürftiges Ergebnis erzielen. Deswegen versucht man heute bei chemischen Synthesen nur noch das Enantiomer mit der gewünschten Wirkung herzustellen und als Wirksubstanz einzusetzen, während man das andere Enantiomer mit seiner möglicherweise unerwünschten Wirkung von Anfang an ausschließen möchte (Stereoselektive Synthese).

Allgemeine Formel (R1 bis R4: verschiedene Reste) Beispiel R1 R1 COOH | | | R2-C-R3 R3-C-R2 H-O-C-CH₃ | | | R4 R4 H Enantiomer 1 Enantiomer 2

Physikalische Eigenschaften

Enantiomere unterscheiden sich nicht in ihren physikalischen Eigenschaften, mit Ausnahme ihrer optischen Aktivität. Auch ihre chemischen Eigenschaften sind identisch, bis auf ihr Reaktionsvermögen in stereoselektiven Reaktionen.

Chemisch reine Enantiomere sind optisch aktiv, drehen also die Schwingungsebene des linear polarisierten Lichts im Uhrzeigersinn (rechtsdrehende Form) oder gegen den Uhrzeigersinn (linksdrehende Form). Im Namen einer Verbindung macht man dies durch Voransetzen von "(+)-" für rechtsdrehend beziehungsweise "(-)-" für linksdrehend deutlich; zum Beispiel (-)-Weinsäure oder (+)-Milchsäure.

Racemat

Ein 1:1-Gemisch der Enantiomere nennt man Racemat. Es ist optisch nicht aktiv und hat den Drehwinkel 0°, da sich die Anteile rechtsdrehender und linksdrehender Form gerade aufheben. Liegen in einem Gemisch die beiden Enantiomere nicht zu je 50 % vor, zeigt sich eine restliche optische Aktivität, deren Drehwinkel kleiner ist als der maximal mögliche des reinen Enantiomers. Aus dem Verhältnis des gemessenen Drehwinkels zum maximalen Drehwinkel des reinen Enantiomers ergibt sich der so genannte Enantiomerenüberschuss (EE - enantiomeric excess) dieses Enantiomerengemisches. Das ausgelieferte Medikament im Contergan-Fall war also ein Racemat.

Geschichte

Im Jahre 1848 gelang Louis Pasteur die Racematspaltung für die Enantiomere eines Salzes der D- und L-Weinsäure. Sie unterschieden sich für ihn lediglich darin, dass ihre Kristalle spiegelbildlich aufgebaut waren. Nach sorgfältiger Kristallisierung konnte er die verschiedenen Kristalle in mühevoller Handarbeit trennen und leitete damit die Erforschung der Enantiomerie ein. Auch bei der Zusammenführung von optischer Aktivität einer Substanz und der absoluten Konfiguration der Moleküle durch Bijvoet spielte die Weinsäure eine wichtige Rolle.

Pharmazie/Conterganskandal

Auf die unterschiedliche Wirkung von verschiedenen Enantiomeren der sonst selben Substanz ist die Öffentlichkeit durch den Conterganskandal aufmerksam geworden, da allein dem (S)-Enantiomer eine teratogene, dem (R)-Enantiomer jedoch eine beruhigende Wirkung zugesprochen wurde. Die Herstellung des reinen (R)-Enatiomers hätte dieses Problem jedoch nicht lösen können, da sich die Enantiomere in einem dynamischen chemischen Gleichgewicht befinden und innerhalb kurzer Zeit automatisch wieder das Racemat bilden. In wissenschaftlichen Studien ist bisher bei keinem der Enantiomere eindeutig eine teratogene bzw. beruhigende Wirkung erkannt worden (obwohl es bei ähnlichen Verbindungen Hinweise darauf gibt, dass tatsächlich das (S)-Enantiomer teratogen wirksamer ist). Selbst wenn nur eines der Enantiomere teratogen wirkte, wäre dies bedeutungslos, da die Substanz im Körper racemisiert. Obwohl dieser Sachverhalt schon seit Jahren bekannt ist, hat die Geschichte vom "bösen" und vom "guten" Thalidomid noch immer viele Anhänger und wird sogar in einigen renommierten Fachzeitschriften und Lehrbüchern weiterverbreitet. Thalidomid wird heute zur Behandlung von Lepra und AIDS verwendet.

Biologie

Viele biologisch wichtige Substanzen sind chiral, nicht nur die kleineren Moleküle von Aminosäuren und Zuckern, sondern auch biologische Makromoleküle wie Enzyme oder Rezeptoren. Bei einigen Substanzklassen überwiegt oft ein Chiralitätssinn, so herrscht beispielsweise bei den natürlichen Aminosäuren die L-Form vor. Chiralität als Folge des räumlichen Baus von Molekülen hat entscheidende Bedeutung für das Funktionieren biologischer Systeme, die alle selbst chiral sind. So sind viele Enzymreaktionen auf ein Enantiomer, entweder das linksdrehende oder das rechtsdrehende, spezialisiert, die Reaktionsgeschwindigkeit mit dem spiegelbildlichen Enantiomer als Substrat ist dann deutlich geringer oder es wird gar nicht umgesetzt. Gar nicht so selten entfaltet das "falsche" Enantiomer auch eine völlig andere biologische Wirkung. Beispielsweise schmeckt bei einer bestimmten Verbindung das eine Enantiomer süß, während sein Partner bitter ist. Bei zahlreichen Geruchsstoffen unterscheidet sich der Geruchseindruck hinsichtlich Intensität und Ausprägung. Auch bei manchen Pharmazeutika können solche Effekte auftreten. Bei einigen Betablockern wirkt das eine Enantiomer selektiv auf das Herz, das andere an den Zellmembranen des Auges.

Nomenklatur

Zu Unterscheidung der Enantiomere bedient man sich der CIP-Konvention (Cahn-Ingold-Prelog-Konvention) oder der R-S-Nomenklatur, mit der die räumliche Anordnung der Substituenten beschrieben wird. Bei bestimmten Substanzklassen (Zucker, Aminosäuren) wird nach wie vor die ältere Fischer-Projektion (D-L-Nomenklatur) benutzt, die den Vorteil hat, dass die Bezeichnungen von verwandten Verbindungen gleich sind.

=Chemie= Bei chemischen Synthesen chiraler Stoffe entstehen meist beide Enantiomere im gleichen Verhältnis. Sie müssen aufwendig getrennt werden, um die Enantiomere als Reinstoff zu erhalten. Einen Ausweg bieten hier zahlreiche neuere Syntheseverfahren die zum Teil sehr große Enantioselektivitäten aufweisen.

Enzymreaktionen

Enzymreaktionen sind oft spezifisch für bestimmte Enantiomere, da das aktive Zentrum eines Enzyms vielfach das eine Enantiomer leichter aufnehmen kann als das andere (Schlüssel-Schloss-Prinzip, Substratspezifität). Daher sind viele natürlich erzeugte Stoffe keine Racemate; die Biosynthese führt überwiegend oder nur zu einem Enantiomer. Daher sind beispielsweise fast alle Aminosäuren in Lebewesen linksdrehend.

Asymmetrische Synthese und Enantiomerenüberschuß

Die Synthese enantiomerenreiner Moleküle gehört zu den schwierigsten Feldern der präparativen Organischen Chemie. Um ein chirales Molekül aus nicht-chiralen Edukten zugänglich zu machen, wurden verschiedene Methoden entwickelt:

Verwendung chiraler Hilfsreagentien und Katalysatoren (z.B. chirale Phosphane)
Umsetzung mit Enzymen
Diastereoselektive Kristallisation (z. B. racemische Säuren mit (-)-Strychnin)

Die hierbei erreichte Enantiomerenreinheit ist oft unterschiedlich hoch. Als Maß für den Erfolg der asymmetrischen Synthese/Kristallisation wird der Enantiomerenüberschuß angegeben:

ee (%) = (R-S)/(R+S) * 100

=Literatur=

Adam Sobanski, Roland Schmieder, Fritz Vögtle: Topologische Stereochemie und Chiralität. Chemie in unserer Zeit 34(3), S. 160 - 169 (2000), ISSN 0009-2851
Klaus Roth: Eine unendliche chemische Geschichte, Chemie in unserer Zeit 2005, 3, 212-218
W. H. de Camp, Chirality 1989, 322, 499

=Weblinks= Chiralität und Geruch

Chemie

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