Isomerie, Chiralität & absolute Konfiguration von Zuckermolekülen

Isomerie bezeichnet das Auftreten von verschiedenen chemischen Verbindungen mit derselben Summenformel. Wenn dabei die Atome unterschiedlich verknüpft sind, bezeichnet man das als Konstitutionsisomerie. Sind Summenformel und Bindungen gleich, spricht man von Stereoisomerie. Darunter fallen Konfigurationsisomere und Konformationsisomere. Konformationsisomere sind lediglich Strukturen, die andere Bindungswinkel aufweisen, also in gewisser Weise verdreht sind bzw. in einer anderen Konformation vorliegt. Konformationsisomere kann man also ohne Bindungsbruch ineinander überführen. Bei Konfigurationsisomeren ist das nicht so. Darunter fallen Diastereomere und Enantiomere. Enantiomere sind Verbindungen, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten, also wie beispielsweise auch deine rechte und linke Hand. Diasteremoere sind im Grunde alles andere. Darunter fallen zum Beispiel E,Z-Isomere asymmetrischer Doppelbindungen, oder Moleküle mit mehreren Stereozentren, die nicht wie Bild und Spiegelbild zueinander, aber dennoch unterschiedlich sind. Diastereomere von Molekülen mit mehreren chiralen Zentren, die sich aber nur in einem davon unterscheiden nennt man auch Epimere. In der folgenden Tabelle findest Du die Arten der Isomerie noch einmal zusammengefasst.

Die Arten der Isomerie

Chiralität

Moleküle, welche sich nicht mit ihrem Spiegelbild in Deckung bringen lassen, werden als chiral bezeichnet. Das Gegenteil hiervon ist die Achiralität. Die häufigste Ursache für das Auftreten von Chiralität bei organischen Molekülen ist die Anwesenheit eines tetraedrischen Kohlenstoff-Atoms mit vier verschiedenen Substituenten. Dieses wird als asymmetrisches C-Atom, stereogenes Zentrum, Stereozentrum oder Chiralitätszentrum bezeichnet.

Absolute Konfiguration von Zuckermolekülen

Die Verknüpfung und räumliche Anordnung der Atome in einem Molekül wird als Konfiguration bezeichnet. Anders als es vermuten lässt, gibt es keinen Zusammenhang zwischen der absoluten Konfiguration und der Richtung des Drehwerts in polarisierten Licht. Eine Möglichkeit für die Festlegung der Konfiguration von Zuckern ist die Fischer-Projektion.

Sie wird nach folgenden Regeln verwendet:

1. Die längste Kohlenstoffkette wird senkrecht angeordnet, wobei das höchstoxidierte Kohlenstoffatom oben steht.
   
2. Das Molekül wird nun so gedreht, dass vom stereogenen Kohlenstoffatom aus die Atome der Kette hinter die Bildebene (weg vom Betrachter) weisen.
   
3. Das so orientierte Molekül wird in die Bildebene projiziert.
4. Hat ein Molekül mehr als Chiralitätszentrum, so wird die D- beziehungsweise die L-Zuordnung anhand des asymmetrischen Kohlenstoffatoms getroffen, das am weitesten von der Aldehydgruppe entfernt ist
   
5. Steht der Substituent rechts, bezeichnest Du die Konfiguration mit D steht er links mit L.
   

CIP-Nomenklatur

Die Cahn-Ingold-Prelog(CIP)-Nomenklatur ist ein allgemeiner Ansatz zur Beschreibung von Stereozentren. Er hat heutzutage die D,L-Nomenklatur weitgehend abgelöst und beruht nicht auf der Fischer-Projektion. Bei der CIP-Nomenklatur bestimmst Du die absolute Konfiguration eines Stereozentrums. Dabei ordnest Du den 4 Substituenten des chiralen C-Atoms Prioritäten zu. Du betrachtest zuerst die Atome, die direkt an das C-Atom gebunden sind (erste Sphäre). Das Atom mit der höchsten Ordnungszahl erhält die höchste Priorität, das mit der kleinsten die niedrigste. Wenn zwei Atome gleich sind, wird in die zweite Sphäre geschaut. Hast Du die Prioritäten aufgeschrieben, drehst Du das Molekül so, dass der Substituent mit der niedrigsten Priorität nach hinten schaut. Dadurch können sich für die Substituenden mit den Prioritäten 1,2&3 zwei verschiedene Drehrichtungen ergeben. Wenn 1,2,3 im Uhrzeigersinn aufeinander folgt, bezeichnest Du die Konfiguration als R, wenn 1,2,3 gegen den Uhrzeigersinn aufeinanderfolgt, bezeichnest Du die Konfiguration als S.