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Chiralität

Strukturelle Grundlagen der Chiralität

In der Chemie versteht man unter Chiralität die Spiegelbildlichkeit von Molekülen. Aufgrund der Dreidimensionalität der Moleküle unterscheidet man:

  • zentrale Chiralität bei Molekülen mit einem Chiralitätszentrum (hat in der Biochemie die größte Bedeutung),
  • axiale Chiralität bei Molekülen mit einer Chiralitätsachse,
  • planare Chiralität bei Molekülen mit einer Chiralitätsebene und
  • Helizität.

Die Chiralität ist die Voraussetzung für das Auftreten von optischer Aktivität. Verbindungen, welche die Ebene des polarisierten Lichtes drehen, bezeichnet man als optisch aktiv. Die beiden Moleküle - Bild und Spiegelbild - heißen Enantiomere und unterscheiden sich nur in ihrer optischen Aktivität. Sie drehen unter den gleichen Messbedingungen die Ebene des linear polarisierten Lichtes jeweils um den gleichen Betrag in die entgegengesetzte Richtung - daher werden sie auch als optische Antipoden bezeichnet. Eine Mischung aus gleichen Mengen beider Enantiomere ist ein Racemat. Dieses zeigt keine optische Aktivität, da sich die entgegengesetzten Drehwerte aufheben.

Zentrale Chiralität

Bei chiralen organischen Verbindungen besteht in den meisten Fällen das Chiralitätszentrum aus einem asymmetrisch substituierten C-Atom.

Abb.1
Kohlenstoff-Tetraeder

(Abb. 1) zeigtt ein Kohlenstoff-Atom, an welches vier verschiedene Substituenten gebunden sind. Statt eines Kohlenstoffs können auch andere Heteroatome wie z.B. Stickstoff, Phosphor oder Schwefel ein Chiralitätszentrum bilden. Auch chirale anorganische und metallorganische Komplexe sind bekannt.

Viele organische Verbindungen - wie z.B. Zucker - haben mehr als ein asymmetrisches C-Atom. Die Zahl der möglichen Stereoisomere ist dann 2n (wobei n die Zahl asymmetrischer C-Atome ist).

Axiale Chiralität

Chirale Verbindungen können anstelle eines Asymmetriezentrums eine Asymmetrie- oder Chiralitätsachse besitzen.

Abb.2

Allene oder Spirane mit jeweils zwei ungleichen Substituenten am Achsenende besitzen eine oder mehrere Chiralitätsachsen. Die Substituenten an beiden Molekülenden liegen paarweise in zueinander senkrecht stehenden Ebenen. Dadurch werden zwei spiegelbildliche Enantiomere gebildet, die nicht zur Deckung zu bringen sind.

Abb.3

Bei chiralen Biphenylen spricht man von Atropisomerie. Sie sind dann chiral, wenn sie in der ortho, ortho-Position so sperrige Substituenten tragen, dass die freie Rotation um die die zwei Ringe verbindende Achse nicht möglich ist.

Planare Chiralität

Abb.4

Ein klassisches Beispiel für planare Chiralität sind substituierte Cyclophane wie hier das [2.2]Paracyclophan. Durch Substitution und eine behinderte Rotation wird aus der Symmetrieebene eine Chiralitätsebene.

Helizität

Diese Art der Chiralität tritt bei helikalen oder propellerförmigen Strukturen auf. Ein klassisches Beispiel ist die DNA, die aus zwei antiparallelen rechtsgängigen Helizes besteht. Wenn Benzolringe fortlaufend kondensiert werden, entstehen schraubenförmige Strukturen, die Helicene genannt werden. Bei einigen Oligopeptiden - wie z.B. den Gramicidinen - bilden sich ebenfalls helikale Strukturen aus.

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