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Trennung von Enantiomeren (Racemattrennung)

Racemattrennung durch Diastereomerenbildung

Hände und Handschuhe

Was kann man tun, um mit verbundenen Augen einen Stapel Handschuhpaare in rechte und linke Handschuhe aufzuteilen? Das Gemisch der gleichen Anzahl von linken zu rechten Handschuhen stellt ein Racemat dar. Enantiomere - also hier die Handschuhe - lassen sich nicht durch physikalischen Größen wie z.B. Gewicht oder Dichte unterscheiden. In unserem Beispiel kann man die Handschuhe einfach testweise auf die linke Hand ziehen und dadurch leicht feststellen, welches ein rechter bzw. ein linker Handschuh ist. Hier dient die linke Hand als "enantiomerenreines Hilfsreagenz" zur Racematspaltung.Enantiomerenpaare stimmen - wie die Handschuhe - in allen physikalischen Eigenschaften, außer der Drehung des polarisierten Lichtes (optische Aktivität), überein. Sie besitzen nur in einem chiralen Milieu unterschiedliche Eigenschaften; auch die unterschiedliche Drehrichtung der Schwingungsebene von polarisiertem Licht kann nicht zur Trennung von Enantiomerengemischen herangezogen werden. Es gibt aber auch physikalische und chemische Verfahren, um enantiomerenreine Substanzen aus einem Racemat zu erhalten.

Racemattrennung durch Kristallisation

Abb.1
Tartratkristalle

Die älteste Methode hat Pasteur angewendet, als er das racemische Gemisch der Weinsäure durch Kristallisation und Sortierung der Weinsäurekristalle mit Hilfe einer Pinzette trennte. Racemische Enantiomerengemische kristallisieren aus Lösungen fast stets als ein Racemat aus. In der Elementarzelle dieser Kristalle sind dann gleich viele Moleküle der beiden Enantiomere enthalten. In einigen Fällen kommt es aber zur spontanen Kristallisation eines Gemenges von enantiomerenreinen Kristallen, einem Konglomerat. Ein Beispiel ist Pasteurs Glücksfall, die Kristallisation von Natriumammoniumtartrat, das unterhalb von 27°C aus wässeriger Lösung als 1:1 Gemisch der enantiomerenreinen (+)- und (-)-Salze ausfällt. Diese Kristalle verhalten sich zueinander wie Bild und Spiegelbild, sie sind hemiedrisch. In diesem Fall sind diese Kristalle also durch ihre Form unterscheidbar und können per Hand getrennt werden und so gelang Pasteur 1848 die erste Racemattrennung.

Chemische Trennung durch die Bildung von Diastereomeren

Heute werden eher chemische Verfahren zur Trennung von Racematen verwendet. Bei diesen bringt man das Enantiomerengemisch mit einem chiralen, enantiomerenreinen Hilfsstoff zur Reaktion. Daran anschließend wird:

  • eine chromatographische Trennung vorgenommen oder
  • ein Isomer selektiv zur Kristallisation gebracht, während das andere in der Lösung verbleibt.

Das Enantiomerenpaar wird durch die Reaktion mit einem anderen reinen Enantiomer in ein Diastereoisomerenpaar überführt. Die Diastereomere, die ja unterschiedliche physikalische Eigenschaften haben, können dann voneinander getrennt werden. Die separierten Diastereomeren werden anschließend wieder durch Abspaltung des chiralen Hilfsstoffs in die originalen Enantiomere umgewandelt.

Abb.2

Besonders leicht gelingt diese Abspaltung, wenn bei der Bildung der Diastereomerenpaare keine kovalente Bindungen aufgebaut, sondern Salze oder Komplexe gebildet werden. Das Standardverfahren zur Trennung racemischer organischer Säuren z.B. verwendet optisch aktive stickstoffhaltige Verbindungen (Alkaloide), mit denen diastereomere Salzpaare gebildet werden. Gängige Basen sind dafür z.B. die Alkaloide Morphin, Strychnin und Brucin, die als enantiomerenreine Naturstoffe isoliert werden können.

Tab.1
Struktur und 3D Chime-Abbildungen von Morphin, Strychnin und Brucin
Abb.3
Abb.4
Abb.5
Strychnin Brucin Morphin
Mouse
Abb.6
Mouse
Abb.7
Mouse
Abb.8

Chromatographie mit chiralen Säulen

Eine andere Möglichkeit ist die chromatographische Trennung an chiralen Säulen. Dabei wird die Lösung der racemischen Substanz auf eine Chromatographiesäule aufgetragen, die mit einer geeigneten enatiomerenreinen chiralen stationären Phase gepackt ist. Die beiden Enantiomere wandern dann mit unterschiedlicher Geschwindigkeit durch die Säule, da sie verschiedene starke Wechselwirkungen zu der chiralen stationären Phase aufweisen.

Übung 1

Übung 2

Übung 3

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