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Chiralität

Optische Aktivität

Enantiomere haben fast alle physikalischen Eigenschaften gemeinsam. Sie besitzen zum Beispiel identische Siedepunkte, Schmelzpunkte, Löslichkeiten und Brechungsindizes. Diese Eigenschaften hängen alle von der Größe der intramolekularen Wechselwirkungen zwischen den Molekülen ab. Für Enantiomere sind diese intramolekularen Kräfte identisch, da ihre Verknüpfungen der Atome und ihre räumliche Gestalt gleich sind. Sie unterscheiden sich nur dadurch voneinander, dass sie sich zueinander wie Bild und Spiegelbild verhalten.

Abb.1
Enantiomerenpaar des 2-Butanols

Aber wie können zwei Enantiomere voneinander unterschieden werden? Hier hilft der Vergleich mit Alltags-Objekten, z.B. den Händen. Wann unterscheiden sich die beiden Hände, z. B. beim Überziehen eines Handschuhs oder beim Hände schütteln. Der rechte Handschuh passt nicht auf die linke Hand, und eine linke Hand kann keine rechte Hand schütteln. Sie unterscheiden sich also immer dann, wenn sie mit einem anderen chiralen Objekt in Kontakt kommen.

Bei Enantiomeren gilt das ebenso; ihre geometrische Anordnung ist spiegelbildlich, und daher verhalten sie sich nur gegenüber anderen chiralen Strukturen unterschiedlich. So zeigen die beiden Enantiomere einer Verbindung unterschiedliche Reaktionsgeschwindigkeiten gegenüber einem anderen Enantiomer, oder sie haben ein unterschiedliches Lösungsverhalten in einem Lösungsmittel, das ein reines Enantiomer darstellt.

Definition
Die einzige physikalische Größe, in der sich Enantiomere unterscheiden, ist ihre Wechselwirkung mit linear polarisiertem Licht. Die Ebene des linear polarisierten Lichts wird beim Durchgang durch eine Lösung eines Enantiomers gedreht. Dieses Verhalten bezeichnet man als optische Aktivität.
Abb.2
Polarimeter

Die Messung der Drehung von polarisiertem Licht erfolgt mit einem Polarimeter. Die beiden unterschiedlichen Enantiomere ergeben die exakt gleiche Drehung der Schwingungsebene des Lichts, aber sie drehen in entgegengesetzte Richtungen. Daraus folgt auch, dass ein 1:1-Gemisch der beiden Enantiomere die Schwingungsebene des polarisierten Lichts nicht dreht, da sich die Drehungen der beiden Enantiomere genau aufheben. Ein solches 1:1-Gemisch eines Enantiomerenpaares nennt man ein Racemat.

Film zum Funktionsprinzip von Polarimetern

Tab.1
Abb.3
Wechselwirkung eines achiralen Moleküls mit polarisiertem Licht
Abb.4
Wechselwirkung eines chiralen Moleküls mit polarisiertem Licht

Was ist die Ursache für die Drehung der Schwingungsebene des polarisierten Lichts? Die Elektronen in einem Molekül erzeugen - als geladene Teilchen in Bewegung - ihr eigenes elektrisches Feld, das mit dem Feld des Lichtstrahls wechselwirkt. Je nach Lage des Moleküls wird dadurch die Ebene des Lichts ein wenig gedreht. Bei achiralen Molekülen gibt es für jede Ausrichtung des Moleküls ein weiteres Molekül mit einer spiegelbildlichen Ausrichtung, das die Ebene des Lichts um den genau gleichen Betrag zurück dreht. Wegen der großen Zahl der Moleküle in der Messlösung ist sichergestellt, dass für jede Wechselwirkung mit einem Molekül bestimmter Orientierung auch eine Wechselwirkung mit dem exakt spiegelbildlich orientierten Molekül vorkommt. In der Summe gibt es also keine Rotation; das Molekül ist optisch inaktiv. Bei der Lösung eines reinen Enantiomeren gibt es dagegen kein spiegelbildliches Molekül, das die Drehung kompensieren würde, denn dieses Spiegelbild ist das nicht vorhandene andere Enantiomer. Die Drehung der Schwingungsebene des linear polarisierten Lichtes bleibt erhalten, d.h. es resultiert eine Nettorotation, und diese kann mit einem Polarimeter gemessen werden.

Übung 1

Übung 2

Übung 3

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