4.6 : Moleküle mit mehreren chiralen Zentren

Moleküle mit mehreren Chiralitätszentren können eine große Anzahl an Stereoisomeren bilden. Während beispielsweise einige Moleküle wie 2-Butanol ein Chiralitätszentrum haben, das als tetraedrisches Kohlenstoffatom mit vier verschiedenen daran gebundenen Substituenten definiert ist, haben einige Moleküle wie Butan-2,3-diol mehrere Chiralitätszentren. Eine einfache Formel zur Vorhersage der Anzahl möglicher Stereoisomere für ein Molekül mit n Chiralitätszentren ist 2ⁿ. Es kann jedoch eine geringere Zahl geben, wenn einige der Stereoisomere überlagerbare Spiegelbilder voneinander sind und dementsprechend dasselbe Molekül darstellen. Beispielsweise kann Butan-2,3-diol mit seinen beiden Chiralitätszentren 2², also vier mögliche Konfigurationen aufweisen. Während RR und SS Spiegelbilder voneinander sind, sind sie nicht überlagerbar und daher chiral. Allerdings sind RS und SR ebenfalls Spiegelbilder voneinander, aber überlagerbar und dasselbe Molekül. Daher weist Butan-2,3-diol nur drei verschiedene Stereoisomere der möglichen vier auf.

In diesem Zusammenhang ist das Verständnis eines chiralen Zentrums im Vergleich zu einem chiralen Molekül von entscheidender Bedeutung. Dies hängt grundsätzlich von der Molekülsymmetrie ab – sei es eine Ebene oder ein Symmetriezentrum oder eine uneigentliche Rotationssymmetrieachse. Moleküle mit einer Symmetrieebene oder einem Symmetriezentrum besitzen überlagerbare Spiegelbilder und sind daher achiral. Wenn jedoch beides fehlt, ist das Molekül immer noch achiral, wenn die Drehung des Objekts um eine Achse ein Spiegelbild des Moleküls in einer Ebene senkrecht zur Achse erzeugt. Eine solche Achse wird als unechte Rotationsachse bezeichnet.

Ein einzelnes Chiralitätszentrum schließt die Möglichkeit jeglicher Symmetrie im Molekül aus, und daher sind Moleküle mit nur einem Chiralitätszentrum immer chiral. Die Chiralität eines Moleküls mit mehreren Chiralitätszentren lässt sich nur nach Auswertung der Symmetrie der Molekülstruktur feststellen. Moleküle mit mehreren chiralen Zentren und einer achiralen Konfiguration werden als Mesoverbindungen bezeichnet. Ein berühmtes Beispiel ist die in Abbildung 1(c) gezeigte Meso-Weinsäure.

Abbildung 1: Fischer-Projektionsgerüststrukturen von Weinsäure-Enantiomeren – (a) ʟ-Weinsäure, (b) ᴅ-Weinsäure und (c) meso-Weinsäure