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Moleküle mit mehreren chiralen Zentren
Moleküle mit mehreren Chiralitätszentren können eine große Anzahl an Stereoisomeren bilden. Während beispielsweise einige Moleküle wie 2-Butanol ein C…
Denken Sie daran, dass ein chirales Zentrum in einem Molekül, wie z. B. in (R)-2-Butanol, ein tetraedrisches Atom mit vier verschiedenen Substituenten ist. Einige Moleküle, wie z. B. Butan-2,3-diol, haben mehrere chirale Zentren.
Während Moleküle mit nur einem chiralen Zentrum immer chiral sind, können Moleküle mit mehreren chiralen Zentren achirale Konfigurationen aufweisen.
Ein Molekül mit n chiralen Zentren hat 2n mögliche Konfigurationen. Wenn eine beliebige Konfiguration über eine andere gelegt werden kann, repräsentieren diese beiden Konfigurationen dasselbe Molekül. Daher kann es sein, dass es weniger unterschiedliche Stereoisomere als mögliche Konfigurationen gibt.
Zum Beispiel hat Butan-2,3-diol zwei chirale Zentren und vier mögliche Konfigurationen. Die RR- und SS-Konfigurationen sind Spiegelbilder voneinander, da die Konfiguration jedes chiralen Zentrums invertiert ist.
Obwohl ihre Konformationen mit der niedrigsten Energie insgesamt keine Spiegelbilder zu sein scheinen, ist jedes chirale Zentrum immer noch das Spiegelbild seines Partners.
Hier gibt es keine Möglichkeit, die RR- und SS-Konfigurationen zu drehen, um sie überlagerbar zu machen, selbst in ihren energetisch weniger günstigen, aber exakt gespiegelten Konformationen. Somit handelt es sich um ein enantiomerenes Paar.
Das andere Konfigurationspaar, RS und SR, sind nach einer 180°-Drehung überlagerbar, d.h. es handelt sich um dasselbe Molekül. Daher hat Butan-2,3-diol nur drei unterschiedliche Stereoisomere, von denen eines achiral ist. Dieses achirale Stereoisomer wird als Mesoverbindung bezeichnet.
Fast alle Mesoverbindungen haben eine Symmetrieebene oder ein Symmetriezentrum. Solche Moleküle werden durch eine 180°-Drehung in ihre Spiegelbilder umgewandelt.
Ein Molekül mit mehreren chiralen Zentren, dem diese Elemente fehlen, kann jedoch durch eine Drehung von weniger als 180° auf seinem Spiegelbild überlagert werden. Wenn eine solche Rotation vorhanden ist, stellen beide Konfigurationen dieselbe Mesoverbindung dar.
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Q1: How many stereoisomers can a molecule with multiple chiral centers have?
A molecule with n chiral centers has 2n possible configurations. For example, butane-2,3-diol with two chiral centers can have 2² = 4 possible configurations. However, not all configurations represent distinct stereoisomers because some may be superposable mirror images. Butane-2,3-diol actually has only three distinct stereoisomers despite four possible configurations.
Q2: What is a meso compound and how does it relate to molecular symmetry?
A meso compound is an achiral stereoisomer with multiple chiral centers that possesses a plane of symmetry or center of symmetry. These molecules are transformed into their mirror images by a 180° rotation, making them superposable on their mirror images. Meso-tartaric acid is a famous example of a meso compound with two chiral centers.
Q3: Why are RR and SS configurations of butane-2,3-diol enantiomers?
The RR and SS configurations are mirror images of each other because each chiral center's configuration is inverted. They cannot be superposed through any rotation, even when considering less energetically favorable but exactly mirrored conformations. This non-superposability makes them an enantiomeric pair.
Q4: How do RS and SR configurations differ from RR and SS in butane-2,3-diol?
RS and SR configurations are superposable after a 180° rotation, meaning they represent the same molecule rather than distinct stereoisomers. In contrast, RR and SS configurations cannot be superposed by any rotation. This distinction explains why butane-2,3-diol has only three distinct stereoisomers instead of four.
Q5: Why are molecules with only one chiral center always chiral?
A single chiral center precludes any symmetry in the molecule, preventing the existence of a plane of symmetry, center of symmetry, or improper axis of rotation. Without these symmetry elements, the molecule cannot be superposed on its mirror image, making it inherently chiral. This contrasts with molecules having multiple chiral centers, which may be achiral.
Q6: How does an improper axis of rotation make a molecule achiral?
An improper axis of rotation is an axis about which rotation creates a mirror image of the molecule in a plane perpendicular to that axis. When a molecule with multiple chiral centers lacks a plane or center of symmetry but possesses an improper axis, it remains achiral because it is still superposable on its mirror image through this rotational mechanism.
Q7: What determines whether a molecule with multiple chiral centers is chiral or achiral?
Chirality of molecules with multiple chiral centers depends on molecular symmetry evaluation. If the molecule has a plane of symmetry, center of symmetry, or improper axis of rotation, it is achiral. Without these symmetry elements, the molecule is chiral. Understanding isomerism constitutional isomers and stereoisomers is essential for determining overall molecular chirality.