Chiralität erkennen und R/S-Konfiguration bestimmen

Halte gedanklich deine rechte Hand vor einen Spiegel. Das Spiegelbild sieht wie eine linke Hand aus. Du kannst die rechte Hand drehen und verschieben, aber nicht so auf eine linke Hand legen, dass alle Teile gleichzeitig übereinstimmen.

Bei einem chiralen Molekül ist es ebenso: Spiegelbild und Original haben dieselben Atome und dieselben Bindungen, unterscheiden sich aber in ihrer räumlichen Anordnung. Der häufigste Schulfall ist ein tetraedrisches Kohlenstoffatom, das vier verschiedene Atome oder Atomgruppen trägt. Dieses Atom heißt Stereozentrum oder Chiralitätszentrum und wird häufig mit einem Sternchen markiert. Allgemein ist ein Stereozentrum ein Atom, an dem ein Vertauschen zweier Substituenten zu einer anderen räumlichen Konfiguration führt.

Beim Alanin ist das zentrale Kohlenstoffatom mit vier verschiedenen Gruppen verbunden: Aminogruppe –NH₂, Carboxygruppe –COOH, Methylgruppe –CH₃ und Wasserstoff –H. Damit ist dieses Kohlenstoffatom ein Stereozentrum. Die beiden möglichen räumlichen Anordnungen bilden ein Enantiomerenpaar. Ein Kohlenstoffatom mit zwei gleichen Substituenten ist in diesem einfachen Fall kein Stereozentrum. Trägt es beispielsweise zweimal \mathrm{-CH_3}, lassen sich keine vier verschiedenen Gruppen unterscheiden.

Ein Stereozentrum ist ein wichtiges Erkennungsmerkmal, aber nicht das allgemeine Chiralitätskriterium. Moleküle können auch durch eine Achse, eine Ebene oder eine helikale Gesamtform chiral werden. Umgekehrt kann ein Molekül mit mehreren Stereozentren wegen innerer Symmetrie insgesamt achiral sein.

Die Buchstaben R und S beschreiben die absolute räumliche Konfiguration eines Stereozentrums. Grundlage sind die Cahn–Ingold–Prelog-Regeln, kurz CIP-Regeln.

Prioritäten: Ordne den vier Substituenten die Prioritäten 1 bis 4 zu. Für direkt gebundene Atome gilt im Beispiel: O vor N vor C vor H. Daher erhalten \mathrm{-OH}, \mathrm{-NH_2}, \mathrm{-CH_3} und \mathrm{-H} die Prioritäten 1, 2, 3 und 4.

Blickrichtung: Betrachte das Molekül so, dass der Substituent mit Priorität 4 von dir weg zeigt.

Drehsinn: Verläuft 1–2–3 im Uhrzeigersinn: R. Verläuft 1–2–3 gegen den Uhrzeigersinn: S.

R und S sagen nichts über die Richtung aus, in die eine Substanz linear polarisiertes Licht dreht. Aus R folgt also nicht automatisch „rechtsdrehend“, und aus S nicht automatisch „linksdrehend“.

Enantiomere besitzen dieselbe Atomverknüpfung. Trotzdem können sie in einer chiralen Umgebung verschieden wechselwirken. Enzyme und Rezeptoren sind selbst chiral. Bindet ein Enantiomer an einen solchen Partner, entsteht eine andere räumliche Wechselwirkung als beim Spiegelbild. Die beiden Wechselwirkungen können sich in ihrer Energie unterscheiden. Deshalb kann ein Enantiomer besser passen, schneller umgesetzt werden oder eine andere Wirkung hervorrufen. Das bedeutet nicht, dass sich jedes Enantiomerenpaar biologisch unterschiedlich verhalten muss. Beide Formen müssen getrennt untersucht werden.

Beim Arzneistoff Thalidomid ist eine einfache dauerhafte Zuordnung „eine Form erwünscht, die andere schädlich“ zudem nicht zuverlässig, weil die Enantiomere im Körper ineinander übergehen können.

Auch chirale Katalysatoren nutzen unterschiedliche räumliche Wechselwirkungen. Sie können einen von zwei möglichen Reaktionswegen bevorzugen und dadurch überwiegend ein Enantiomer erzeugen.

Prüfe zuerst, ob Bild und Spiegelbild deckungsgleich sind. Suche dann nach Stereozentren und bestimme bei Bedarf jedes Zentrum mit den CIP-Regeln als R oder S.