Sheila R. Buxton Stanley M. Roberts

Einführung in die Organische Stereochemie

Aus dem Programm _____________ _ Chemie

Adalbert Wollrah Organische Chemie Ein Lehrbuch für Lehramts- und Nebenfachstudenten

J.M.G. Cowie Chemie und Physik der Polymere

Daniel C. Harris Lehrbuch der Quantitativen Analyse

Manfred Gey Instrumentelle Bioanalytik

Michael J. Hollas Moderne Methoden in der Spektroskopie

Lesley Smart, Elaine Moore Einführung in die Festkörperchemie

Heinz Schmidkunz Statische Biochemie und Dynamische Biochemie Lern- und Übungssoftware (je eine CD-ROM)

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Sheila R. Buxton Stanley M. Roberts

Einführung in die Organische Stereochemie Mit 351 Bildern und 51 Übungsaufgaben

Aus dem Englischen übersetzt von A. Stephen K. Hashmi

Mit einem Geleitwort von Johann Mulzer

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Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme

Buxton, Sheila R.: Einführung in die Organische Stereochemie: mit 51 Übungs­aufgaben/Sheila R. Buxton; Stanley M. Roberts. Aus dem Engl. übers. von Stephen K. Hashmi. Mit einem Geleitw. von Johann Mulzer.

Einheitssacht.: Organic stereochemistry <dt.> ISBN 978-3-528-06996-4 ISBN 978-3-663-09876-8 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-09876-8

Originalausgabe: © Addison Wesley Longman Limited 1996, all Rights Reserved.

This Translation of Guide to Organic Stereochemistry: From Methane to Macromolecules, First Edition is published by arrangement with Addison Wesley Longman Limited, London.

Alle Rechte vorbehalten ©Springer Fachmedien Wiesbaden 1999 Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden 1999

Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspei­cherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.

http:j jwww.vieweg.de

Konzeption und Layout des Umschlags: Ulrike Weigel, www.CorporateDesignGroup.de

Gedruckt auf säurefreiem Papier

ISBN 978-3-528-06996-4

V

Vorwort

Die Stereochemie ist eines der wichtigsten wissenschaftlichen Konzepte, aber auch eines der am schwierigsten zu erfassenden Gebiete der Chemie. Ihre Bedeutung zeigt sich nicht nur in der Chemie, sondern auch in vielen anderen Naturwissenschaften. Um zu einem guten Ver­ständnis der Stereochemie und ihrer Auswirkungen zu gelangen, muß man zu dreidimensio­nalem Denken fahig sein und sich eine umfangreiche und oft verwirrende Terminologie an­eignen.

Einführung in die Organische Stereochemie ist nicht als ein umfassendes Lehrbuch ge­dacht. Wir wollten ein Buch schreiben, daß den Anfänger Schritt für Schritt weiterführt und auch einen Einblick darin gewährt, wie stereochemisches Wissen bei der Planung einer Syn­thesestrategie und dem Erklären der Ergebnisse einiger Reaktionen angewendet wird.

Die ersten Kapitel wurden auf Studenten des Studienganges Chemie zugeschnitten, sind aber auch für Studenten der Biochemie oder Medizin, insofern ein stereochemisches Be­wußtsein, aber keine komplexeren Details notwendig sind, geeignet. Diese Kapitel decken die Identifikation und Zuordnung verschiedener Eigenschaften chiraler organischer Mole­küle ab und erfordern, von allgemeinen chemischen Grundkenntnissen abgesehen, keinerlei stereochemisches Vorwissen.

Die folgenden Kapitel sind mehr auf den fortgeschrittenen Studenten im Hauptstudium zugeschnitten. Hier wird ein Verständnis der Vorhersagbarkeit durch stereochemische Mo­delle wie der Cramschen Regel geschaffen, anspruchsvollere stereochemische Begriffe wie Topizität oder Stereoselektivität sind hier von Bedeutung.

Nach sorgfältiger Abwägung haben wir uns entschlossen, am Ende des Buches einige der schwierigen und zu weiterem Nachdenken anregenden, stereochemischen Themen zu diskutieren. Das letzte Kapitel zeigt dann auf, wie diese Techniken für die Synthese zweier komplexer chiraler Naturstoffe genutzt werden. Da dies vermutlich hauptsächlich für Dokto­randen interessant ist, ist dieses Kapitel in Bezug auf das chemische Vorwissen anspruchs­voller abgefaßt. Wie oben erwähnt, zielt Einführung in die Organische Stereochemie nicht auf eine umfassende Darstellung ab. Für Leser, die mehr über dieses Gebiet wissen wollen, empfehlen wir nachdrücklich das hervorragende Werk "Stereochemistry of Organic Com­pounds" von Eliel und Wilen, dessen deutsche Übersetzung "Organische Stereochemie" vor kurzem erschienen ist.

Was auch immer der Ausbildungsstand des Lesers dieses Buches ist- zu einem raten wir unbedingt: Der Text sollte in Verbindung mit einem Molekülbaukasten studiert werden. Das Konstruieren der Modelle chiraler Moleküle und der Vergleich ihrer verschiedenen stereo­chemischen Formen ist für ein vollständiges Verständnis der stereochemischen Konzepte unverzichtbar. Es ist oft erstaunlich, wie Sachverhalte, die in zwei Dimensionen auf einem Blatt Papier nur schwer dargestellt werden können, anhand eines dreidimensionalen Mole­külmodells sofort kristallklar erscheinen. Während des Verfassens dieses Buches haben wir eine Reihe verschiedener Baukästen getestet und festgestellt, daß selbst ein sehr simpler und preiswerter Bausatz für das Verständnis eine enorme Hilfe sein kann.

VI Geleitwort

In jedem Kapitel gibt es eine Reihe von Fragen, die manchmal Punkte berühren, die

sonst im Kapitel nicht zur Sprache gekommen sind. Sie sollen den Leser dazu anregen, das

Gelernte anzuwenden - daher ist es wichtig zu versuchen, die Aufgaben zu lösen.

Geleitwort

Sheila R. Buxton Stanley M. Roberts

1996

Heutzutage ist die Stereochemie auf jedem Gebiet der Organischen Chemie von Bedeutung. Die dabei verwendeten Konzepte und Begriffe wie Konfiguration, Konformation, Enantio­

mere, Diastereomere, Prochiralität und Pseudoasymmetriezentrum sind abstrakt und viel­fach nicht nur für den Anfänger verwirrend. Während dieses Feld der Chemie als nach wie

vor aktuelle Forschungsrichtung immer umfangreicher wird und Originalarbeiten, Über­

sichtsartikel und Lehrbücher für Fortgeschrittene in ständig wachsender Zahl vorliegen, wächst die Lücke zwischen den ausgefeilten Anwendungen und dem in den Grundvorlesun­gen und Standard-Lehrbüchern der Organischen Chemie gelehrten Stoff.

Das Buch von Buxton und Roberts schlägt hier eine Brücke. Es ermöglicht dem "stereo­chemisch nicht vorbelasteten" Anfänger, in kurzer Zeit von den Grundbegriffen und Prinzi­

pien bis hin zu modernsten Anwendungen einen Überblick über das Gebiet zu erlangen, ohne daß sich dieser erst durch tausend oder mehr Seiten arbeiten muß. Auch für Studenten anderer naturwissenschaftlicher Fächer wie Biochemie, Biologie, Medizin, Pharmazie, Lebensmittelchemie etc., die mit Chemie als Nebenfach in Berührung kommen, dürfte dies einen einfachen Weg zu einem Einblick in stereochemische Zusammenhänge darstellen. Hierbei ist sicherlich von besonderem Interesse, daß Aspekte aus Biologie und Medizin bei der Diskussion der Auswirkungen der Stereochemie berücksichtigt werden. Ich wünsche dem Werk weite Verbreitung.

Johann Mulzer 1999

VII

Inhaltsverzeichnis

1 Die Gestalt einfacher Moleküle 1

1.1 Methan 1

1.2 Hybridisierung 2

1.3 Ethen und Ethin 2

1.4 Moleküle, die andere Elemente als Kohlenstoff beinhalten 5

1.5 Konformation 8 1.5 .1 Ethan 8 1.5.2 Butan 9 1.5.3 Unsymmetrisch substituierte Alkane 11

1.6 Konformationen cyclischer Moleküle 12 1.6.1 Cyclohexan 12 1.6.2 Substituenten am Cyclohexan 13 1.6.3 Cyclohexen und Cyclohexanon 15 1.6.4 Kleinere Ringe 15 1.6.5 Cyclopropan 16 1.6.6 Polycyclische Verbindungen 17 1.6.7 Heterocyclische Ringsysteme 17

Literatur 19

2 Chiralität in Molekülen mit asymmetrisch substituierten, tetraedrischen Zentren 20

2.1 Chirale Moleküle mit einem stereogenen Zentrum: Enantiomere 21 2.1.1 Optische Aktivität 21 2.1.2 Spezifische Drehung 22 2.1.3 Racemate 23

2.2 Chirale Moleküle mit zwei stereogenen Zentren: Diastereomere 23 2.2.1 Reaktion von Enantiomeren mit chiralen Reagenzien 23 2.2.2 Die Cahn-lngold-Prelog (CIP) Sequenzregel 25

VIII Inhaltsverzeichnis

2.3 Pseudoasymmetriezentren und meso-Verbindungen 2.3.1 meso-Verbindungen

29 29 30 2.3.2 Pseudoasymmetriezentren

2.4 Prochiralitätszentren 2.4.1 pro-R, pro-S

2.5 Symmetrieachsen

31 32

33

2.6 Die Darstellung dreidimensionaler Moleküle in zwei Dimensionen 34

Literatur 36

3 Nomenklatur und Stereochemie von Aminosäuren und einfachen Kohlenhydraten 37

3.1 Stereochemische Deskriptoren: OlL-Nomenklatur und Fischer-Projektion 37

3.2 Nomenklatur und Stereochemie von C4-Kohlenhydraten und Weinsäure 39

3.3 Cs· und C6-Kohlenhydrate 40

Literatur 48

4 Chiralität in Systemen, die kein stereogenes Kohlenstoffatom aufweisen 49

4.1 Punktchiralität 49 4.1.1 Tertiäre Amine und Phosphane 49 4.1.2 Phosphanoxide, Aminoxide und Sulfoxide 50

4.2 Axiale Chiralität 51 4.2.1 Allene 51 4.2.2 Biphenyle und Binaphthyle 53

4.3 Helicale Strukturen 55 4.3.1 Polynucleotide 57 4.3.2 Polyaminosäuren 57 4.3.3 Biaryle und Allene 59

Literatur 62

IX

5 Stereoisomerie an Bindungen mit eingeschränkter Drehbarkeit: cis-trans-lsomerie 63

5.1 Stereochemie in cyclischen Systemen 63 5.1.1 cis-trans-Nomenklatur 63 5.1.2 exo-endo-, syn-anti-Nomenklatur 66

5.2 Stereoisomerie an Doppelbindungen 68 5.2.1 E,Z-Nomenklatur 68 5.2.2 Strukturen mit partieller Bindungsordnung 71

5.3 cis-trans-Isomerie, Enantiomerie und Diastereomerle 72

5.4 cis-trans-Isomerie in Stickstoffverbindungen 74

Literatur 75

6 Analyse und Trennung von Stereoisomeren 76

6.2 Bestimmung der Verhältnisse der Stereoisomere 76 6.1.1 NMR-Spektroskopie 76 6.1.2 NMR und Isomerenverhältnisse 79

6.2 Isomerentrennung 86

6.3 Identifikation einzelner Stereoisomerer 89 6.3.1 NMR-Spektrokopie 89 6.3.2 Optische Aktivität 90 6.3.3 Kristallstrukturanalyse 91 6.3.4 Der Cotton-Effekt 93

Literatur 99

7 Racemisierung und Racematspaltung 1 00

7.1 Racemisierung 100

7.2 Racematspaltung 103

Literatur 111

X Inhaltsverzeichnis

8 Einige einfache Reaktionen von Carbonylverbindungen 112

8.1 Die Carbonylgruppe 112

8.2 Nucleophiler Angriff auf acyclische Carbonylverbindungen 116 8.2.1 Cramsche Regel 116 8.2.2 Die Felkin-Ahn-Regel 116

8.3 Verklammerungs-Effekte bei nucleophilen Reaktionen an Carbonylgruppen 119

8.4 Die Aldolreaktion 120

Literatur 124

9 Stereochemie einiger wichtiger zu Alkenen führender Reaktionen 125

9.1 Eliminierungsreaktionen 125

9.2 Wittig- und verwandte Reaktionen 129

9.3 Reaktionen von Sulfonen 136

Literatur 139

10 Einige Reaktionen einfacher Alkene 140

10.1 Bromierungen 140

10.2 Reaktionen mit Osmiumtetroxid 147

10.3 Epoxidierung von Alkeneo 148

10.4 Reaktionen von Alkeneo mit Carbenen 149

Literatur 152

XI

11 Einige wichtige Cyclisierungen durch paricyclische Reaktionen 153

11.1 Diels-Aider-Reaktionen 153

11.2 Cycloadditionen eines Alkens mit einem Keten 160

11.3 Elektrocyclische Reaktionen 161

Literatur 167

12 Über Hochenergiezwischenstufen verlaufende Cyclisierungen 168

12.1 Intramolekularer Angriff eines Nucleophils 168

12.2 Cyclisierung von Carbokationen 173

12.3 Radikalische Cyclisierungen 17 5

Literatur 178

13 Stereochemie ausgewählter Polymere 179

13.1 Synthetische Polymere 179

13.2 Proteine 180

13.3 Kohlenhydrate 187 13.3.1 Nucleinsäuren 188

Literatur 193

14 Stereochemie und Organische Synthese 194

14.1 Einführung 194

14.2 Verwendung von Materialien aus dem "chiralen Pool" 196

14.3 Verwendung von klassischen Racematspaltungstechniken 202

Literatur 209

xn Inhaltsverzeichnis

15 Asymmetrische Synthese 210

15.1 Chirale Auxiliarien 210 15.1.1 Verwendung von Eisencarbonyl als chiralem Auxiliar:

Synthese von Captopril 211 15.1.2 Heterocyclen als chirale Auxiliarien:

Alkylierung und Hydroxyalkylierung von Propionsäure 212 15 .1.3 Chirale Auxiliarien auf Campher-Basis: Diels-Al der-Reaktionen 217

15.2 Chirale Reagenzien 218 15.2.1 Asymmetrische Hydrohonerungen 219 15.2.2 Asymmetrische Reduktionsreagenzien, die Lithiumaluminiumhydrid

oder Natriumborhydrid verwandt sind 220

15.3 Chirale Katalysatoren 223

Literatur 233

16 Asymmetrische Totalsynthesen von Prostaglandin F2a

und Compactin 234

16.1 Synthese von Prostagtandin Fz.. 234 16.1.1 Klassische Racematspaltung einer PGF2a -Zwischenstufe 235 16.1.2 Der Gebrauch von chiralen Auxiliarien und optisch aktiven Reagenzien 236 16.1.3 Synthese von PGFz.. ausgehend von dem "chiralen Pool" 238 16.1.4 Synthese von primären Prostaglandinen unter Verwendung von

Enzymen als chirale Katalysatoren 239

16.2 Synthese von Compactin 242

Literatur 249

Anhang 1 250

Anhang 2 250

Sachwertverzeichnis 252