Chiralität (Chemie)

Grundbegriff und Symmetrie

Chiralität bezeichnet in der Stereochemie eine räumliche Anordnung, bei der ein Molekül nicht mit seinem Spiegelbild zur Deckung gebracht werden kann. Auch durch Drehen lässt sich das gespiegelte Gebilde nicht wieder in das ursprüngliche überführen. Ein solches Molekül heißt chiral, ein mit seinem Spiegelbild deckungsgleiches Molekül achiral. Die beiden unterscheidbaren spiegelbildlichen Formen eines chiralen Moleküls heißen Enantiomere. Anschauliche Vergleiche sind rechte und linke Hand, rechts- und linksgewundene Schneckenhäuser, Schrauben, Korkenzieher und spiegelbildlich aufgebaute Spielwürfel.

Ein Objekt ist genau dann chiral, wenn es keine Drehspiegelachse besitzt. Eine Drehspiegelachse Sₙ ist ein Symmetrieelement: Das Molekül wird zunächst um 360/n Grad um eine Achse gedreht und danach an einer Ebene gespiegelt, die senkrecht zu dieser Achse liegt. Ist das Ergebnis mit der Ausgangsstruktur identisch, besitzt das Molekül eine solche Achse und ist nicht chiral. Ein chirales Objekt muss jedoch nicht vollständig asymmetrisch sein, da andere Symmetrieelemente vorhanden sein können.

Enantiomere lassen sich unter anderem durch ihre unterschiedliche optische Aktivität unterscheiden. Ein Gemisch mit gleichen Anteilen beider Enantiomere heißt Racemat oder racemisches Gemisch.

Stereozentren und Konfiguration

Chiralität entsteht häufig durch die unterschiedliche räumliche Anordnung von Atomen oder Atomgruppen um ein Stereozentrum. Der einfachste Fall in der organischen Chemie ist ein Kohlenstoffatom mit vier verschiedenen Substituenten. An ihm sind zwei spiegelbildliche räumliche Anordnungen möglich. Auch andere Atome, beispielsweise Phosphor, können Stereozentren bilden. Voraussetzung ist, dass die Substituenten ihre relative Lage nicht laufend ändern. Bei Phosphor wird dies durch eine ausreichend große Inversionsbarriere ermöglicht. Stickstoff wirkt meist nur in gespannten Systemen als Stereozentrum, weil er sonst schnell invertiert. Sein freies Elektronenpaar gilt dabei als vierter Substituent und besitzt die niedrigste Priorität.

Die Konfiguration, also die genaue räumliche Anordnung der Substituenten, wird nach den CIP-Regeln von R. S. Cahn, C. K. Ingold und V. Prelog als (R) oder (S) bezeichnet. (R) steht für lateinisch rectus, „rechts“, (S) für sinister, „links“. Die ältere D- und L-Nomenklatur von Emil Fischer wird weiterhin bei Zuckern und teilweise bei Aminosäuren verwendet.

Bei n Stereozentren sind grundsätzlich 2ⁿ verschiedene Verbindungen möglich, abzüglich möglicher meso-Verbindungen. Jedes Stereozentrum wird einzeln als (R) oder (S) gekennzeichnet. Zwei Verbindungen, die sich an mindestens einem, aber nicht an allen Stereozentren unterscheiden, heißen Diastereomere. Eine meso-Verbindung besitzt mehrere Stereozentren, ist insgesamt aber achiral, weil diese durch Spiegelung an einer Ebene ineinander überführt werden können. Ein Beispiel ist meso-Weinsäure.

Die absolute Konfiguration kann nicht aus der Richtung erschlossen werden, in die eine Standardlösung polarisiertes Licht dreht. Sie muss durch chemische Analogieschlüsse, Röntgenkristallographie oder chirale NMR-Shift-Reagenzien bestimmt werden. Erst danach ist eine sichere Zuordnung als (R) oder (S) möglich.

Formen und besondere Fälle

Neben der zentralen Chiralität an Stereozentren unterscheidet man axiale, planare und helicale Chiralität. Axiale Chiralität kommt beispielsweise bei Biphenylen wie BINAP vor. Große Substituenten in den ortho-Positionen behindern die Drehung der beiden Aromaten um die C–C-Einfachbindung so stark, dass zwei spiegelbildliche Isomere entstehen. Planare Chiralität findet man unter anderem bei E-Cycloocten, bestimmten Sandwich-Komplexen und substituierten Cyclophanen. Helicale Chiralität beruht auf dem unterschiedlichen Drehsinn schraubenförmiger Strukturen und tritt etwa bei Helicenen auf.

Ein pseudochirales oder pseudoasymmetrisches Zentrum besitzt zwei Substituenten, die sich nur durch ihre Konfiguration unterscheiden und enantiomorph sind. Ohne weitere stereogene Zentren liegen sie auf einer Spiegelebene; das Molekül ist dann eine achirale meso-Verbindung. Teilweise wird „Pseudochiralität“ abweichend auch für den Fall benutzt, dass beide Substituenten gleich konfiguriert und das Molekül chiral ist. Pseudochirale Zentren werden mit r und s bezeichnet; der (R)-konfigurierte Substituent erhält die höhere Priorität.

Prochirale Gruppen sind Funktionen, die durch eine Addition an dieser Gruppe in ein Stereozentrum umgewandelt werden können. Unsymmetrische Ketone können beispielsweise durch Hydrierung zu chiralen Alkoholen werden. Beim Angriff auf eine prochirale Gruppe unterscheidet man die re- und die si-Seite.

Anorganische und kristalline Strukturen

Chiralität ist nicht auf organische Moleküle beschränkt. Alfred Werner zeigte 1911, dass auch Koordinationsverbindungen mit oktaedrischer Geometrie chiral sein können. Ein Beispiel ist der Komplex Co(en)₃³⁺, wobei en den zweizähnigen Liganden 1,2-Diamino-ethan bezeichnet. Seine beiden enantiomeren Formen und die entsprechender Strukturen werden meist mit Δ und Λ gekennzeichnet. Chirale Koordinationsverbindungen besitzen besonders für die Katalyse große Bedeutung.

Auch anorganische Festkörper können chiral sein. Quarz tritt in zwei enantiomorphen Formen auf, die sich auf links- beziehungsweise rechtsgängige Schrauben zurückführen lassen und damit helicale Chiralität zeigen. In der Kristallographie gibt es insgesamt elf enantiomorphe Punktgruppen.

Bedeutung in Biochemie und Physiologie

Chiralität ist für Biologie und Biochemie grundlegend, weil in den Naturstoffklassen jeweils ein Enantiomer bevorzugt oder ausschließlich vorkommt. In der Natur findet man beispielsweise D-Glucose, aber keine L-Glucose. Es gibt jedoch andere L-Zucker sowie Zucker, die in unterschiedlichen Zusammenhängen sowohl als D- als auch als L-Form auftreten. Das natürliche Reservoir enantiomerenreiner Stoffe heißt Chiral Pool. Es dient direkt oder indirekt, etwa über stereoselektive Katalysatoren, als Grundlage vieler stereoselektiver Synthesen.

Enzyme sind chirale Makromoleküle und können Reaktionen enantioselektiv steuern, also die Bildung oder Umsetzung eines Enantiomers bevorzugen. Dies geschieht durch einen diastereoselektiven Mechanismus: Von zwei enantiomeren Übergangszuständen des Substrats wird der energieärmere bevorzugt, weil ihn das aktive Zentrum des Enzyms stärker stabilisiert. Dadurch lassen sich aus achiralen oder prochiralen Edukten chirale Produkte herstellen.

Die einheitliche Chiralität ermöglicht außerdem geordnete Sekundärstrukturen von Proteinen. Eine α-Helix kann nur aus enantiomerenreinen Aminosäuren aufgebaut werden; in der Natur handelt es sich dabei um L-Aminosäuren. Enantiomere können deshalb unterschiedliche Geschmacks- und Geruchseindrücke sowie unterschiedliche Toxizität und pharmakologische Wirkung besitzen. Beim häufig genannten Beispiel Contergan® beziehungsweise Thalidomid lässt sich die Wirkung der einzelnen Enantiomere allerdings nicht klar abgrenzen: Im Körper findet eine Racemisierung statt, welche die Unterschiede zwischen ihnen einebnet.

Eine vollständig „racemische Biologie“ mit einem 1:1-Gemisch aller Enantiomere wäre nicht möglich, weil für die spiegelbildlichen Moleküle ein eigener, ebenfalls spiegelbildlicher Syntheseapparat erforderlich wäre. Seltene D-Aminosäuren in manchen bakteriellen Zellwänden entstehen im Sekundärmetabolismus und können beispielsweise den Abbau durch Proteasen verhindern. Ungeklärt ist, ob die Bevorzugung bestimmter Enantiomere am Anfang der Evolution zufällig entstand und sich selbst verstärkte oder auf fundamentalen Ursachen beruht.

Nutzung in der Biokatalyse

Die Biokatalyse nutzt Enzyme als Katalysatoren, um bevorzugt ein Enantiomer zu erzeugen oder aus einem Racemat selektiv eines der beiden Enantiomere umzusetzen. Bei einem racemischen Ester kann beispielsweise Pankreaslipase die Estergruppe nur eines Enantiomers stereoselektiv hydrolysieren, während das andere weitgehend unverändert bleibt. Die entstehende enantiomerenreine Carbonsäure lässt sich anschließend mit üblichen Verfahren wie Kristallisation oder Chromatographie vom ebenfalls weitgehend enantiomerenreinen Ester trennen.

Ein weiteres Beispiel ist Aspartase. Dieses Enzym katalysiert die enantioselektive Addition von Ammoniak (NH₃) an die C=C-Doppelbindung der Fumarsäure. Dabei entsteht gezielt (S)-Asparaginsäure.