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Stereochemie zeichnen: E/Z-Doppelbindungen und R/S-Stereozentren

Wie du Gruppen nach den CIP-Regeln ordnest, E/Z und R/S zuordnest und die Konfiguration, die ein Name verlangt, mit Keil- und Strichkeilbindungen zeichnest.

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Stereoisomere haben dieselben Atome in derselben Reihenfolge verknüpft, aber räumlich unterschiedlich angeordnet. Ein Name zeigt das mit einem Stereodeskriptor an: (E) oder (Z) für eine Doppelbindung, (R) oder (S) für ein Stereozentrum. Um das richtige Isomer zu zeichnen, brauchst du ein Werkzeug, die Prioritätsregeln nach Cahn, Ingold und Prelog (CIP), und zwei Zeichenkonventionen.

Gruppen ordnen: die CIP-Regeln in Kürze

  1. Die höhere Ordnungszahl gewinnt, verglichen am ersten Atom: Br > Cl > O > N > C > H.
  2. Sind die ersten Atome gleich, schau eine Bindung weiter. Liste die an jedes von ihnen gebundenen Atome auf, das höchste zuerst, und vergleiche die Listen an der ersten Stelle, an der sie sich unterscheiden. CH2CH3 (C,H,H) hat Vorrang vor CH3 (H,H,H).
  3. Mehrfachbindungen zählen als wiederholte Atome. Ein C=O-Kohlenstoffatom wird behandelt, als wäre es an (O,O) gebunden, daher hat –CHO (O,O,H) Vorrang vor –CH2OH (O,H,H).

Doppelbindungen: E und Z

Suche an jedem Kohlenstoffatom der Doppelbindung die Gruppe mit der höheren Priorität. Liegen die beiden Gruppen höherer Priorität auf derselben Seite, ist die Konfiguration Z (von zusammen). Liegen sie auf gegenüberliegenden Seiten, ist sieE (von entgegen).

(E)-But-2-en
(Z)-But-2-en

In Skelettformeln ergibt sich die Geometrie einfach daraus, wie du zeichnest: Eine Zickzacklinie durch die Doppelbindung ist bei But-2-en E; biegst du die Kette auf derselben Seite zurück, erhältst du Z. Das Prüfprogramm liest die Geometrie aus deiner Zeichnung.

Achtung: E/Z ist nicht „cis/trans der Kette“

(Z)-2-Brombut-2-en

An C2 hat Br Vorrang vor CH3; an C3 hat CH3 Vorrang vor H. Im Z-Isomer stehen Br und die Methylgruppe an C3 auf derselben Seite, sodass die beiden Methylgruppen und damit die Kohlenstoffkette auf gegenüberliegenden Seiten liegen. „Cis“ und „trans“ beschreiben die Kette; E und Z sind nur über die Prioritäten definiert.

Stereozentren: R und S

Ein Kohlenstoffatom, das an vier verschiedene Gruppen gebunden ist, ist ein Stereozentrum. So bestimmst du seine Konfiguration:

  1. Ordne die vier Gruppen mit den CIP-Regeln von 1 bis 4.
  2. Richte das Molekül so aus, dass Gruppe 4 (oft H) von dir weg zeigt.
  3. Verfolge 1 → 2 → 3. Im Uhrzeigersinn ist R, gegen den Uhrzeigersinn S.

Zeigt Gruppe 4 in deiner Zeichnung zu dir hin (auf einem Keil), ist die Richtung, die du siehst, umgekehrt: Im Uhrzeigersinn bedeutet dann S.

Ausführliches Beispiel: (R)-Butan-2-ol

(R)-Butan-2-ol
(S)-Butan-2-ol, sein Spiegelbild

Die Gruppen an C2 haben die Rangfolge OH (1) > CH2CH3 (2) > CH3 (3) > H (4). Zeichne die Kohlenstoffkette als Zickzacklinie in der Papierebene und setze eine der Gruppen an C2 auf einen Keil oder eine Strichkeilbindung (die Abbildungen verwenden die Methylgruppe; die OH-Gruppe geht genauso gut). Prüfe dann die Richtung 1 → 2 → 3, während H von dir weg zeigt. Hast du S erhalten, ersetze den Keil durch einen Strichkeil: Das kehrt das Zentrum um.

Keile und Strichkeile im Editor zeichnen

  • Tippe am Stereozentrum auf die Mitte einer Bindung und wähle Keil (zeigt zu dir hin) oder Strichkeil (zeigt von dir weg).
  • Das schmale Ende muss am Stereozentrum liegen. Der Editor setzt es an das Atom mit mehr Bindungen; liegt es am falschen Atom, tippe erneut auf die Bindung und wähle Umdrehen.
  • Verwende einen Keil oder Strichkeil pro Stereozentrum; die anderen drei Bindungen können in der Ebene bleiben.
  • Wähle im erweiterten Editor (Ketcher) bei den Bindungswerkzeugen die Keil- oder Strichkeilbindung und klicke auf eine Bindung; ein erneuter Klick kehrt sie um. Eine Wellenbindung bedeutet dort „Konfiguration unbekannt“: Sie ist zulässig, legt aber weder R noch S fest und erfüllt daher keinen Namen, der das tut.

Spiegelbilder und meso-Verbindungen

Tauscht man an einem einzelnen Stereozentrum einen Keil gegen einen Strichkeil, erhält man das Enantiomer, das nicht deckungsgleiche Spiegelbild. Bei zwei Stereozentren kann es bis zu vier Stereoisomere geben, aber wenn das Molekül eine innere Spiegelebene hat, ist eines davon einemeso-Verbindung: Sie ist mit ihrem Spiegelbild deckungsgleich und achiral. Butan-2,3-diol hat drei Stereoisomere: (R,R), (S,S) und meso.

Typische Fehler

  • Die Stereochemie ganz vergessen. Eine einfache Zeichnung hat die richtige Verknüpfung, legt aber die Konfiguration nicht fest.
  • R/S ablesen, während H zu dir hin zeigt, ohne das Ergebnis umzukehren.
  • Nach Größe statt nach Ordnungszahl ordnen. Eine kleine –OH-Gruppe hat Vorrang vor einer großen Alkylgruppe.
  • Annehmen, dass Z „cis-Kette“ bedeutet. Das stimmt nur, wenn die Kettenkohlenstoffatome die Gruppen höherer Priorität sind.