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Prochiralität
Prochiralität. Eigenschaft eines nicht chiralen Moleküls, durch eine bestimmte chemische Reaktion in ein chirales Produktmolekül umgesetzt werden zu können.
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Grundidee der Prochiralität
Prochiralität ist ein stereochemischer Begriff, der 1966 von Kenneth R. Hanson geprägt wurde. Er beschreibt Moleküle, die selbst nicht chiral sind, aber durch eine geeignete Reaktion ein Chiralitätszentrum bilden können. Chiral bedeutet, dass ein Teilchen nicht mit seinem Spiegelbild zur Deckung gebracht werden kann; solche Spiegelbilder nennt man Enantiomere.
Prochiral kann zum Beispiel ein planares Molekül sein, das drei verschiedene funktionelle Gruppen oder Substituenten trägt. Durch eine Additionsreaktion kann daraus eine chirale, tetraedrische Struktur entstehen. Prochiral kann aber auch ein nichtchirales, tetraedrisches Molekül sein, wenn es höchstens zwei identische Substituenten besitzt. Dann kann bei Substitution oder Isomerisierung eines dieser identischen Substituenten durch einen neuen Substituenten ein Chiralitätszentrum entstehen.
Enantiotope und diastereotope Seiten
Eine prochirale Verbindung besitzt eine Symmetrieebene, die das Molekül in zwei Teile zerlegt. Die beiden Seiten heißen enantiotop. Erfolgt ein Angriff auf die eine Seite, entsteht das eine Spiegelbild; erfolgt der Angriff auf die andere Seite, entsteht das andere Spiegelbild. Wenn bei einer Reaktion keine Seite bevorzugt wird, entsteht ein racemisches 1:1-Gemisch der jeweiligen Stereoisomere.
Wenn in einer prochiralen Verbindung bereits ein Chiralitätszentrum vorhanden ist, werden die beiden Teile nicht enantiotop, sondern diastereotop genannt. Dann entsteht je nach Angriffsseite das eine oder das andere Diastereomer. Auch bei Bindung an eine stereochemisch unterscheidende Oberfläche oder an ein Rezeptorprotein können die beiden Seiten eines planaren Moleküls oder die identischen Substituenten eines tetraedrischen Moleküls stereochemisch ungleichwertig werden.
Stereochemische Deutung
Bei einem sp^3-hybridisierten Kohlenstoffatom ist die Umgebung tetraedrisch. Ein Beispiel ist ein Kohlenstoffatom mit den Resten F und G sowie zwei gleichen Resten A. Obwohl die beiden A-Reste im freien Molekül gleich erscheinen können, sind sie unter bestimmten Bedingungen sterisch nicht äquivalent.
Das gilt besonders, wenn ein Substrat der Form CA2FG mit drei verschiedenen Atomen beziehungsweise Gruppen A, F und G an der Oberfläche eines Rezeptorproteins gebunden wird. Dann kann die Umgebung zwischen den beiden scheinbar gleichen Resten unterscheiden. Dadurch wird verständlich, warum ein nichtchirales Molekül in einer stereochemisch geordneten Umgebung zu unterschiedlichen Produkten führen kann.
Addition an planare Doppelbindungen
Ein trigonal-planar aufgebautes, sp^2-hybridisiertes Kohlenstoffatom in einer organischen Verbindung kann durch Addition, zum Beispiel von HCl, Cl2 oder H2, in ein chirales, sp^3-hybridisiertes Kohlenstoffatom überführt werden. Der neue Substituent kann dabei oberhalb oder unterhalb der Molekülebene eintreten. Ein solches planar substituiertes sp^2-Kohlenstoffatom nennt man prochiral.
Die beiden Seiten werden mit Re und Si bezeichnet. Die Seite, von der aus die Verbindung nach den Prioritätsregeln als (R)-konfiguriert erscheint, heißt Re-Seite. Die andere Seite, von der aus sie als (S)-konfiguriert erscheint, heißt Si-Seite. Wichtig ist: Ein Angriff von der Re-Seite führt nicht automatisch zu einem (R)-Produkt, und ein Angriff von der Si-Seite nicht automatisch zu einem (S)-Produkt. Die Konfiguration des Produkts hängt von der Priorität der bereits vorhandenen Substituenten und von der Priorität des addierten Stoffes ab.
Ein Beispiel ist die Addition von Wasserstoff an Brenztraubensäure. Dabei entsteht die chirale Milchsäure. Die Reduktion der prochiralen Ketogruppe in Brenztraubensäure kann zu (S)-Milchsäure, zu (R)-Milchsäure oder zu (RS)-Milchsäure führen.
Pro-(R) und pro-(S) bei Substitution
Ein prochirales Atom muss nicht sp^2-hybridisiert sein. Es kann auch sp^3-hybridisiert sein und zwei identische Substituenten tragen. Solche identischen Gruppen können stereoheterotop sein, also in einer stereochemischen Betrachtung unterscheidbar werden. Für diese Fälle verwendet man die Bezeichnungen pro-(R) und pro-(S).
Zur Zuordnung betrachtet man gedanklich den Ersatz eines der beiden identischen Substituenten. Dem ersetzten Substituenten gibt man willkürlich eine höhere CIP-Priorität als seinem stereoheterotopen Partner. Die CIP-Regeln dienen dazu, Substituenten nach Priorität zu ordnen und daraus R- oder S-Konfigurationen abzuleiten. Alle übrigen Prioritäten bleiben unverändert. Ergibt sich gedanklich ein (S)-konfiguriertes Produkt, nennt man diese Gruppe pro-(S); die andere Gruppe heißt pro-(R).
Aus dieser Vorgehensweise folgt, dass die Substitution eines pro-(S)-Substituenten nicht immer ein (S)-Produkt ergeben muss. Es ist möglich, dass dabei ein (R)-Produkt entsteht, weil die Priorität des neu eingeführten Substituenten die endgültige Konfiguration beeinflusst.
Beispiel Propionsäure und Milchsäure
Ein Beispiel ist Propionsäure. Ersetzt man eines der beiden stereoheterotopen α-Wasserstoffatome der Methylengruppe (–CH2–) durch eine OH-Gruppe, entsteht die chirale Milchsäure. Die Oxidation der Methylengruppe in Propionsäure kann zu (S)-Milchsäure, zu (R)-Milchsäure oder zu (RS)-Milchsäure führen.
Beim Ersetzen des pro-(S)-Wasserstoffatoms der Propionsäure durch eine OH-Gruppe entsteht (S)-Milchsäure. Dabei wird allerdings die Regel verletzt, dass die Prioritäten der anderen Substituenten unverändert bleiben sollen. Diese Verletzung geschieht zweimal, weil die eingeführte Hydroxygruppe nach CIP sowohl gegenüber der Carboxygruppe als auch gegenüber der Methylgruppe eine höhere Priorität hat. Dadurch heben sich die beiden Verletzungen gegenseitig auf, und aus der Substitution des pro-(S)-Wasserstoffatoms entsteht das (S)-Produkt.
Wird dasselbe Atom dagegen durch eine Ethylgruppe ersetzt, tritt nur eine Verletzung der Regel auf. Dann entsteht das entsprechende (R)-Produkt, nämlich 2-Methylbutansäure.
