Geometrische Isomerie

Hallo und herzlich willkommen. Heute geht es um das Thema "Geometrische Isomerie". Nach dem Film weißt du, was geometrische Isomerie ist und wie man geometrische Isomere korrekt benennt. Um dieses Video allerdings zu verstehen, solltest du bereits wissen: 1. Was Isomerie im Allgemeinen ist und 2. Wie man organische Moleküle darstellt.

Nun zur Frage "Was ist geometrische Isomerie?" Geometrische Isomerie ist dazu da, um zu unterscheiden, ob 2 Substituenten an einem Molekül auf der gleichen Seite oder gegenüberliegend an einer Doppelbindung oder einem Ringsystem sitzen. Man spricht auch von der sogenannten cis-tran-Isomerie. Dabei ist cis der Fall, wenn die 2 Substituenten, von denen die Rede ist, auf der gleichen Seite liegen und trans ist jener Fall, wenn sie einander gegenüberliegen. Und was heißt nun auf der gleichen Seite oder gegenüberliegend? Auf der gleichen Seite wovon? Da unterscheidet man 2 Fälle, nämlich einmal Doppelbindungen, an denen so etwas stattfinden kann und Ringsysteme. Bei Doppelbindungen geht es immer darum, dass man die Substituenten an den beiden Enden der Doppelbindungen miteinander vergleicht und bei Ringsystemen geht es immer darum, ob die Substituenten oberhalb oder unterhalb der Ringebene sitzen.  Die Voraussetzung für das Auftreten geometrischer Isomerie besteht darin, dass das Molekül ein starres System sein muss oder anders formuliert, es darf nicht in all seinen Bindungen frei drehbar sein. Die Starrheit sei an folgenden Beispielen einmal demonstriert. Schauen wir uns das Pentan an. Da ist die Lewis-Strichformel, erkennbar als eine Kette von 5 C-Atomen, die mit Einfachbindungen verbunden sind und mit Wasserstoff abgesättigt. Als Skelettformel dargestellt, ergibt sich eine rote Zickzacklinie. Wobei die Ecken jeweils C-Atome sind und die Wasserstoffatome werden nicht hingeschrieben. Der springende Punkt ist hier nun, dass alle C-Atome nur mit Einfachbindungen verbunden sind. Und wie ihr vielleicht wisst, sind Einfachbindungen die ganze Zeit drehbar, frei drehbar. Das heißt, das Molekül hängt nicht starr in der Luft, sondern die einzelnen miteinander verbunden Glieder rotieren die ganze Zeit. Das heißt, das Molekül ändert ständig seine Form, wie das hier einmal angedeutet ist. Und dieses Molekül ist dann auch ganz offensichtlich nicht starr, sondern eben frei drehbar bzw. frei beweglich. Bei diesem Molekül lässt sich folglich keine geometrische Isomerie finden. Anders sieht es beim 2-Penten aus, welches hier einmal in Lewis-Schreibweise und einmal als Skelettformel dargestellt ist. Die C-Atome sind hier ebenfalls größtenteils über Einfachbindungen miteinander verbunden, bis auf eine Ausnahme zwischen dem 2. und dem 3. C-Atom, wo sich eine Doppelbindung befindet. Um die Einfachbindungen herum kann sich wie beim vorherigen Beispiel zwar alles drehen, aber die Doppelbindung ist nicht frei drehbar. Dass Doppelbindungen generell nicht frei drehbar sind, ist insofern plausibel, als man sich vorstellen kann, dass, wenn man das eine Ende der Doppelbindung drehen würde, und das andere festhalten würde, sich das Ganze verdrillen würde wie ein verrückt gewordenes Telefonkabel. Moleküle wie dieses können geometrische Isomerie aufweisen. Ähnlich verhält es sich bei dem hier dargestellten 1,2-Dichlorcyclopentan. Und zwar haben wir hier zwischen den C-Atomen nur Einfachbindungen, aber dadurch, dass wir einen Ring haben, kann um diese Einfachbindungen auch nicht beliebig gedreht werden. Täte man das, also würde man den Ring drehen nach Belieben, dann würde sich der Ring ebenfalls wie ein wild gewordenes Telefonkabel verdrillen wie hier dargestellt. Das heißt, dass also auch Cycloverbindungen starre Systeme sind und solche können, müssen nicht, aber können geometrische Isomerie aufweisen.

Also noch mal zur Wiederholung: Befinden sich 2 Substituenten an einem starren Molekül, dann können sie entweder auf der gleichen Seite, und das heißt dann cis, oder entgegengesetzt, trans, liegen. Zum Beispiel kann man das anhand des 2-Pentens noch mal demonstrieren. Einmal als Valenzstrichformel dargestellt und einmal bzw. zweimal in Skelettformel, wobei die beiden Skelettformeln sich in einem Aspekt unterscheiden. Die rote Version ist das cis-2-Penten, die blaue Version ist das trans-2-Penten. Warum? Ganz einfach. Wir vergleichen die Substituenten an der Doppelbindung und da haben wir eine Methylgruppe, die ich hier braun markiert habe und eine Ethylgruppe, die ich grün markiert habe. Und die beim linken Molekül auf der gleichen Seite der Doppelbindung liegen und beim rechten Molekül, bei der blauen Version, entgegengesetzt zueinander, cis und trans.  Das andere Beispiel war das 1,2-Dichlorcyclopentan. Hier dargestellt einmal als Valenzstrichformel und wieder in einer Art perspektivischen Skelettformel. Links, die rote Version, ist die cis-Version, rechts, die blaue Version, ist die trans-Version. Dank der perspektivischen Darstellung versteht auch, warum das so ist.  Bei der cis-Version ragen beide Chloratome auf dieselbe Seite der Ringebene, in diesem Falle nach oben. Bei der trans-Version ist das eine Chloratom auf der einen Seite, nämlich oberhalb der Ringebene und das andere Chloratom unterhalb der Ringebene. Oder hier noch mal ein paar Beispiele. Dieses Molekül heißt cis-1-Chlorpropen, jenes da heißt trans-1,2-Difluorethen. In beiden Fällen fällt die Entscheidung leicht, denn im 1. Fall liegen die beiden maßgeblichen Substituenten auf der einen Seite der Doppelbindung und im anderen Beispielmolekül liegen sie halt entgegengesetzt zueinander. Schauen wir uns nun das nächste Molekül an: das 3-Chlor-Pent-2-en-2-ol. Trans, cis, was nun? Das Problem ist, dass wir hier 4 verschiedene Substituenten an dieser Doppelbindung haben und die liegen sich alle irgendwie gegenüber oder nicht gegenüber. Ein völliges Chaos herrscht. Für Fälle wie diesen, für Fälle also, bei denen an der Doppelbindung 4 verschiedene Substituenten liegen, die zunächst einmal gleichberechtigt erscheinen, hat man die sogenannte E-Z-Nomenklatur erfunden. E kommt dabei von entgegen und Z von zusammen. Schauen wir nun noch einmal auf unser Beispielmolekül. Einmal dargestellt hier als Lewis-Valenzstrichformel und einmal dargestellt als Skelettformel. An der Doppelbindung befinden sich 4 unterschiedliche Substituenten. Eine Methylgruppe, CH3, eine Ethylgruppe, C2H5, eine Hydroxilgruppe, OH und ein Chlor. Um etwas Ordnung in dieses Sammelsurium zu bringen, sortiert man diese Substituenten nun nach der sogenannten Priorität. Dabei geht man so vor, dass man die Ordnungszahlen jener Atome miteinander vergleicht, die direkt an unsere Doppelbindung gebunden sind. Jener Nachbar mit der höheren Ordnungszahl bekommt auch die höhere Priorität. In unserem Fall hat von den 4 Atomen, die an die Doppelbindung gebunden sind, das Chloratom die höchste Ordnungszahl, also ist das auch jener Substituent mit der höchsten Priorität. Wir schreiben eine 1 daneben. Von den 3 verbleibenden Nachbarn ist der Sauerstoff jener mit der höheren Ordnungszahl, da die beiden anderen ja nur Kohlenstoffatome sind. Also bekommt die OH-Gruppe eine 2. Bei den anderen beiden Substituenten, der Methyl- und der Ethylgruppe, fällt die Unterscheidung nicht ganz so leicht, denn in beiden Fällen ist der direkte Nachbar an der Doppelbindung ein C-Atom. Nun gut. Sind die direkten Nachbarn jeweils gleich, dann geht man einfach eine Bindung weiter. Auf der rechten Seite wäre dann das nächstfolgende Nachbaratom ein Wasserstoffatom und auf der linken Seite, bei der Ethylgruppe, wäre das nächstfolgende Nachbaratom ein Kohlenstoffatom. Kohlenstoff hat eine höhere Ordnungszahl als Wasserstoff, folglich hat die Ethylgruppe eine höhere Priorität als die Methylgruppe. Wir verteilen die Zahlen 3 und 4. Als nächstes nummerieren wir die Substituenten in der Strukturformel, z. B. hier in der Skelettformel. Und als nächstes schaut man sich dann die linke und die rechte Seite der Doppelbindung getrennt voneinander an und schaut, welcher der beiden Substituenten die am jeweiligen Ende sitzen, der ist, mit der höheren Priorität. Auf der linken Seite ist es das Chloratom und auf der rechten Seite ist es die OH-Gruppe, die Hydroxilgruppe. Als letzten Schritt vergleichen wir nun die Position dieser beiden höchsten Substituenten zueinander. Offensichtlich befinden sie sich in cis-Stellung zueinander, das heißt, sie sind auf der gleichen Seite der Doppelbindung und in diesem Falle würde man dann sagen, das Molekül ist das Z-Isomer, Z von zusammen. 

Also, noch einmal eine Zusammenfassung zur Vorgehensweise bei der E-Z-Nomenklatur. Zunächst ordnet man die Substituenten nach Priorität, wobei anhand der Ordnungszahlen der benachbarten Atome entschieden wird, welche Priorität ein Substituent besitzt. Als nächstes schaut man sich jedes Ende der Doppelbindung getrennt an und identifiziert jeweils welcher der beiden Substituenten dort die höhere Priorität besitzt. Alsdann untersucht man die Position jener beiden Substituenten zueinander. Liegen sie auf der gleichen Seite der Doppelbindung, ist es das Z-Isomer, ansonsten ist es das E-Isomer.

Dazu hier noch eine kleine Übung. Gegeben ist das Molekül 2-Fluor-3-Chlor-But-2-enal. Gegeben in Valenzstrichschreibweise und als Skelettformel. Haltet nun das Video an und versucht zu entscheiden, ob es sich um die E- oder die Z-Form dieses Moleküls handelt. Fertig? Dann schauen wir mal, ob eure Lösung stimmt. Zunächst identifizieren wir die 4 verschiedenenSubstituentrn. Eine Methylgruppe, eine Chlorgruppe, eine Aldehydgruppe und ein Fluoratom. Als nächstes legen wir die Prioritäten dieser 4 Substituenten fest. Chlor hat die Höchste, weil es die höchste Ordnungszahl hat. Als nächstes folgt Fluor und von den beiden verbleibenden anderen muss man auf den übernächsten Nachbarn schauen. Also auf das Sauerstoffatom im Fall der Aldehydgruppe und das Wasserstoffatom im Fall der Methylgruppe. Es gewinnt die Aldehydgruppe. Als nächstes schauen wir uns die beiden Enden der Doppelbindung an. Am linken Ende ist das Chlor der Substituent mit der höchsten Priorität und am rechten Ende ist es das Fluor. Begutachtet man nun die Position der beiden zueinander, dann sieht man, dass sie ganz offensichtlich in trans-Stellung zueinander stehen. Folglich ist unser Molekül das E-2-Fluor-3-Chlor-But-2-enal.

Nun noch eine kurze Anmerkung zu einer wichtigen Frage: Wie beeinflusst die geometrische Isomerie die Eigenschaften eines Stoffes? Nun, in der Regel ist es so, dass 2 geometrische Isomere sich in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften voneinander unterscheiden. Das heißt dann etwa, dass das eine Isomer sich vom anderen im Siedepunkt unterscheidet oder in der Löslichkeit oder in der Reaktivität, was auch immer. Aus diesem Grunde sind geometrische Isomere in der Regel auch voneinander trennbar durch gängige Methoden wie Destillation oder was auch immer. Im Gegensatz etwa zu Enantiomeren, die z. B. nicht trennbar sind, aber das wurde in einem anderen Video besprochen. Weiterhin sollte man noch sagen, dass in der Regel jenes Isomer stabiler ist, von den beiden Möglichkeiten, die es gibt, welches die sperrigsten Substituenten in trans-Stellung trägt. Das liegt ganz einfach daran, dass wenn sie in cis-Position zueinander sind, sie sich gegenseitig stören können, weil sie einfach Platz beanspruchen. In trans-Stellung würden sie sich nicht stören.

Und damit wären wir auch schon am Ende dieses Video angelangt. Wir haben gerade gelernt: 1. Was geometrische Isomerie überhaupt ist und 2. wie man geometrische Isomere korrekt benennt. Und zwar nach beiden Systemen, sowohl cis-trans als auch E-Z.

Danke für eure Aufmerksamkeit, tschüss und bis zum nächsten Mal.