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Student und Praktikant
tisch inaktiven Moleküls Mesoformen
In diesem Essay geht es um den letzten Punkt. Eine einfache Definition von
Was sind Mesoformen? In diesem Essay dient der Begriff Meso-
form zur Kennzeichnung von optisch inaktiven Molekülen, die
könnte so lauten: „Eine Verbindung zwar über zwei oder (geradzahlig) mehr Asymmetriezentren ver-
fügen, wegen ihrer Symmetrie jedoch den polarisierten Licht-
mehr Chiralitäts- strahl nicht zu drehen vermögen, also optisch inaktiv sind.
zentren, die mit ihrem Spiegelbild Der als Vorsilbe gebrauchte . Mesozoikum: erdgeschicht- Wortstamm „meso", abgeleitet liches Mittelalter vom griechischen mesos = mit- Auf molekularer Ebene dient So halbiert man keine ten oder dazwischen, wird viel- meso-Verbindung Stühle … seitig verwendet. Hier einige . Kennzeichnung einer interme- bezeichnet." Für diären Hydratationsstufe einer den Leser dieser zwei Zeilen, . Mesoderm: mittleres Keim- anorganischen Verbindung, der in stereochemischen Be- z. B. meso-Periodsäure = trachtungen nicht so bewandert . Mesokarp: Mittelschicht der H3IO5 = HIO4 / H2O ist, vermag die Definition trotz Fruchtwand bei Pflanzen . Kennzeichnung eines Zwi- ihrer korrekten Aussage – so be- . Mesolithikum: mittlere Stein- fürchtet der Autor dieses Essays . Kennzeichnung einer Mittel- – keine klare Vorstellung zu ver- . Mesophyll: zwischen der obe- lage in kondensierten Ring- mitteln. Versuchen wir es des- ren und der unteren Epider- halb mit Definitionen von Auto- mis gelegenes Gewebe des . Kennzeichnung eines infolge ren bekannter und anerkannter molekularer Symmetrie op- Lehrbücher, die hier (nicht im- mer ganz wörtlich) zitiert wer- F. Vögtle: Moleküle mit mehr
als einem asymmetrisch substi- tuierten C-Atom, die Symmetrie- elemente der Spiegelung enthal- ten und dadurch achiral sind, nennt man meso-Verbindungen.
B. Testa: Meso-Verbindungen
sind solche, deren individuelle Moleküle eine gerade Anzahl identisch verbundener enantio- merer Gruppen besitzen und sonst keine anderen chiralen E. Breitmaier und G. Jung:
Meso-Isomere (RS) und (SR) lassen sich aus Symmetriegrün- den zur Deckung bringen und sind daher keine Enantiomere.
H. R. Christen / F. Vögtle: Eine
meso-Form ist eine Substanz, deren Molekül mit seinem Spie- gelbild zur Deckung gebracht werden kann und die optisch in- aktiv ist, obschon das Molekül asymmetrisch substituierte C- Atome enthält. (Anmerkung: Natürlich sind nur solche R,S- Isomere meso-Formen, bei de- nen beide Chiralitätszentren gleichartig substituiert sind.)
G. Quinkert, E. Egert und
Ch. Griesinger: Verbindungen,
Abb. 1: Hocker (oben) und Stuhl (Mitte), jeweils halbiert. Die beiden Ho- bei denen stereogene C-Atome ckerhälften sind identisch, nicht aber die beiden Stuhlhälften. jeweils paarweise mit gleicher Nr. 5 Dezember 2007 Student und Praktikant 93
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Abb. 2: Palindromartige Dicarbonsäuren. Konstitution, äquidistant vom Entscheidend für die Existenz nen Hocker mit quadratischer
geometrischen Zentrum, aber chiraler Objekte ist die weit- oder rechteckiger Sitzfläche. Es unterschiedlicher absoluter Kon- gehende Ausschaltung der Sym- entstehen zwei identische sym- figuration vorliegen, nennt man metrie. Werden aber zwei spie- metrische Hälften, die jeweils gelbildliche, chirale Objekte, die eine Symmetrieebene aufweisen An dieser Stelle können wir selbst keine Symmetrie aufwei- endlich mal, was jeder deutsche sen, gegenübergestellt oder mit- Zersägen wir dagegen einen sym- Autor oder Vortragende gerne einander verbunden, so entsteht metrischen Stuhl mit quadra-
tut, Goethe zitieren: „Da steh' ein symmetrisches Gesamtbild tischer oder rechteckiger Sitzflä- ich nun, ich armer Tor, und bin oder eine symmetrische Verbin- che und Lehne, so entstehen zwei so klug als wie zuvor" (Faust 1). spiegelbildliche chirale Hälften Versuchen wir deshalb, uns dem Doch grau ist alle Theorie, und ohne Symmetrieebene (Enantio- Begriff Mesoformen auf einem um den Schleier zu lüften, zer- morphe), die nicht zur Deckung Umweg zu nähern.
sägen wir exakt in der Mitte ei- zu bringen sind (Abb. 1).
Abb. 3: Diastereomere Weinsäuren. Von rechnerisch vier möglichen Diastereomeren existieren tatsächlich nur drei, weil R,S-Form und S,R-Form identisch sind. 94 Student und Praktikant
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lere C-C-Achse gedreht. Man kann dann besser erkennen, ob die Formeln spiegelbildlich strukturiert sind, also de facto Palindrome darstellen, oder nicht. Dreht man eine der beiden Mesoweinsäure-Formeln in der Horizontalen um, wobei die nach vorne weisenden Substitu- enten nach hinten kommen und umgekehrt, so erkennt man de- ren Identität.
Der Unterschied zwischen einer Mesoform und einem Enantio- merenpaar besteht darin, dass die Mesoform eine interne oder
intramolekulare, das Enantio-
merenpaar hingegen eine exter-
ne oder intermolekulare Spie-
gelebene aufweist, was an der Gegenüberstellung von Meso- Abb. 4: Die Mesoweinsäure (R,S) besitzt eine interne Spiegelebene, das weinsäure und dem Enantio- Enantiomerenpaar der Milchsäure (R oder S) eine externe Spiegelebene. merenpaar der Milchsäure ver- deutlicht werden soll (Abb. 4).
Verbindungen, die eine interne
soll im 9. Essay: „Symmetrie Da Cystin durch oxidative
Spiegelebene enthalten, die sie
versus Chiralität" noch ein- Kupplung zweier Moleküle gedanklich in zwei chirale Ein- gehend betrachtet werden. Die R-Cystein entstanden ist, stellt heiten (Enantiomere) teilt, nennt linke Spalte der Abbildung 3 es eine homochirale Verbindung man in der Chemie Meso- zeigt die üblichen Stereofor- (R,R) dar, die sich als nicht meln, aus denen die Konfigu- symmetrisch erweist (Abb. 5 a).
Molekulare Mesoformen sind rationen der chiralen Zentren Die Aminogruppe auf der linken spezielle molekulare Palin­
leicht abzulesen sind. In der Seite weist nach vorne, die auf drome, wobei die Symmetrie-
rechten Spalte ist jeweils die der rechten Seite nach hinten. verhältnisse nur aus den Stereo- linke Molekülhälfte um die mitt- Beim Enantiomer des Cystins formeln, d.h. unter Berücksichti- gung der Chiralität exakt zu be- urteilen sind.
In Abbildung 2 sind fünf ver- schiedene Dicarbonsäuren zu-
sammengestellt, nämlich Oxal- säure, Malonsäure, Bernstein- säure, Weinsäure und Cystin – auf den ersten Blick sind alle perfekte Palindrome. Doch wenn wir genauer hinsehen, ent- decken wir in der Weinsäure und im Cystin je zwei asym- metrisch substituierte C-Atome bzw. Chiralitätszentren (rot). Da die Weinsäure zwei Asym-
metriezentren enthält, sollten nach den gängigen Regeln der Stereochemie 22 = 4 Diastereo­
mere, d.h. vier in der dritten Di-
mension sich unterscheidende Verbindungen gleicher Grund- struktur (Konstitution), existie- ren (Abb. 3). Weil aber die Weinsäure eine symmetrische Grundstruktur aufweist, sind die beiden R,S-Enantiomere iden- tisch (= Mesoweinsäure oder meso-Weinsäure), wodurch sich die Zahl der Diastereomeren auf Abb. 5: Vergleich von Cystin und seinen Isomeren mit Diaminopimelinsäure drei reduziert. Dieses Phänomen Nr. 5 Dezember 2007 Student und Praktikant 95
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der Fall ist (Abb. 5 b), die in den Peptidoglykanen von Zellwän- den der Algen und Bakterien Ähnliche Erkenntnisse muss auch schon die schwedische Pop-Gruppe ABBA gehabt ha- ben, als sie ihren Namen gra- fisch gestalten ließ (Abb. 6). Das große A ist bilateral sym- metrisch, das große B in der aufrechten Position enantio- Abb. 6: Als Mesoform gestalteter morph; also muss eines der bei- den B horizontal gespiegelt wer- den, wenn man eine insgesamt symmetrische Schrift als ein- (S,S) ist es gerade umgekehrt: prägsames Logo haben will. Abb. 9: Zwei Lignane als Mesoformen. links nach hinten, rechts nach Ein ähnliches Spiel kann man vorne. Symmetrisch wäre eine mit jedem verbalen Palindrom Mesoform aus je einem R- und treiben, das chirale Buchstaben Unterschied zwischen dem Cys- einem S-Enantiomer als Partial- enthält, beispielsweise mit dem tin und der entsprechenden struktur, d.h. mit spiegelbild- Wort TARTRAT mit zwei R Mesoform durch den Vergleich mit den beiden Stuhlhälften und den beiden B im ABBA-Logo deutlich gemacht.
Sowohl bei der Weinsäure als auch beim Cystin sind an den me in Form von OH- oder NH2- Gruppen beteiligt. Dass es auch ohne Heteroatome geht, zeigt die Nordihydroguajaretsäure
(NDGA), die als Mesoform Abb. 7: Wörter mit richtigen und gespiegelten Großbuchstaben. aus Guajakharz isoliert wurde (Abb. 9 a). NDGA gehört zu den aus zwei Phenylpropaneinheiten lichen Asymmetriezentren, wie (Abb. 7), womit der Begriff durch oxidative Dimerisierung es in der Diaminopimelinsäure Mesoform auf unkonventionelle gebildeten Lignanen. Auf ähn- Weise verständlicher wird. In liche Weise (zusätzlich Konden- Abbildung 8 ist der strukturelle sation von zwei Carbinol-Funk- Abb. 8: Cystin (R,R) und die entspre-chende Mesoform (R,S). Die unter-schiedliche Substitution am rechten Chiralitätszentrum wird durch den Vergleich mit dem großen B und einer Stuhlhälfte deutlich. Abb. 10: Vier Alkaloide als Mesoformen. 96 Student und Praktikant
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tionen) entsteht das zyklische Galgravin, das aus Piper nigrum
isoliert wurde und eine spiegel- symmetrische Mesoform dar- stellt (Abb. 9 b).
Mesoformen findet man auch unter den symmetrisch gebauten Alkaloiden wie Cuskhygrin,
Anaferin, Lobelanin oder Lo­
belanidin (Abb. 10). Die beiden
Ersteren sind isomere Verbin- dungen. Lobelanidin besitzt vier Asymmetriezentren, die paar- weise gespiegelt sind. Die vier Alkaloide enthalten entweder zwei N-Atome und eine Sauer- stoff-Funktion oder ein N-Atom und zwei Sauerstoff-Funktionen. Der Abstand zwischen den N- Atomen und den Keto- bzw. Carbinol-Funktionen beträgt in allen Fällen zwei C-Atome.
Als symmetrische Arzneistoffe mit zwei Asymmetriezentren wollen wir Ethambutol und Treo- sulfan, als solche mit vier Asym- Abb. 11: Zwei symmetrische Arzneistoffe mit je zwei Asymmetriezentren. metriezentren Nebivolol und Cis- Nr. 5 Dezember 2007 Student und Praktikant 97
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Abb. 12: Zwei symmetrische Arzneistoffe mit je vier Asymmetriezentren (keine Mesoformen). atracurium kritisch betrachten. bestimmtes Stereoisomer des sam ist die S,S-Form, während Ethambutol, das als Tuberkulo-
sich die R,R-Form inaktiv ver- statikum eingesetzt wird, ist ein (Abb. 11 a). Therapeutisch wirk- hält und die Mesoform nur eine schwache Wirkung zeigt. Auch hier existieren aus Gründen der Symmetrie – wie oben bei der Weinsäure dargelegt – anstelle von vier erwarteten nur drei Dia- Treosulfan ist ein alkylierendes
Zytostatikum (Abb. 11 b). Da seine Synthese von einem Edukt des „chiralen Pools" mit threo- Konfiguration ausgeht, liegt es 1,4-di-methylsulfonat vor, ist also keine Mesoform. Die Vor- silben threo und erythro zeigen bei Verbindungen mit zwei be- nachbarten asymmmetrisch substituierten C-Atomen an, ob sich die Substituenten bei der Fischer-Projektion auf entgegen- gesetzten Seiten (threo) oder auf derselben Seite (erythro) befin- Nebivolol, das zu den Blutdruck
senkenden Betablockern zählt, besitzt in äquidistanten Positio- nen 2 × 2 Asymmetriezentren. Wenn die Symmetrie keinen Einfluss auf die Stereochemie Abb. 13: Teurilin, ein vom Squalen (unten) abgeleitetes symmetrisches hätte, würden 24 = 16 Diastereo- Triterpen (Mesoform). Squalen wiederum besteht aus sechs Isopren-Ein- mere existieren. Tatsächlich sind heiten. – Grafik von H. Roth, 2005. es aber nur zehn (wie im 9. Es- 98 Student und Praktikant
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mittlere Einfachbindung) eine Gründen alle Wirbeltiere und Mesoform geworden.
Mesoformen trifft man nicht nur Alle Lebewesen sind dreidimen- auf molekularer Ebene an, son- sionale Objekte. Wenn wir nun dern bei allen bilateral-symmet- gedanklich einen dimensionalen rischen Objekten, die auf gegen- Schritt weitergehen, so werden überliegenden Seiten äquidis- wir zu der Erkenntnis gelangen, tant, spiegelbildlich angeordnet, dass die in eine bestimmte Rich- eine mehr oder weniger ausge- tung gezielte Fortbewegung der prägte Rechts- und Linkswin- Tiere und auch des Menschen dung bzw. enantiomorphe Teil- dynamische Mesoformen der bereiche besitzen. Den Stuhl mit vierten Dimension darstellen, Abb. 14: Stierkopf als Mesoform. Lehne haben wir als ein solches gleich ob die enantiomorphen „Tete de taureau" von Pablo Pi- Objekt schon kennen gelernt. Beine und Füße abwechselnd Die Abbildung 14 zeigt eine Plastik von Pablo Picasso, die Für den „Nachwuchs"
den Titel „Stierkopf" trägt und say: „Symmetrie versus Chirali- eine Mesoform darstellt. Natür- Die Deutsche Pharmazeutische tät" noch ausführlich dargelegt lich könnte dafür auch ein echter Gesellschaft verkauft Grafiken wird). Das zur therapeutischen Stierkopf herhalten und jeder und Radierungen von Professor Anwendung gelangende Nebi- behörnte Kopf eines Paarhufers, Roth zu Gunsten der Stiftung zur volol ist das Racemat aus der wie das prächtige Exemplar Förderung des wissenschaft- SSSR- und RRRS-Form, also eines Dickhornschafs in Ab- lichen Nachwuchses. Dort ist z. B. keine Mesoform (Abb. 12 a).
bildung 15 verdeutlicht.
die Grafik „Teurilen" (s. Abb. 13) Während Atracuriumbesilat Notabene begegnet man in der zu erwerben.
rechts und links gesetzt werden oder die chiralen Flügel gleich- zeitig eine Rechts- und eine Linksschraube in die Luft zeich- liegt im Cis­
Überhaupt ist der Mensch ein multiples und lebendiges Sym- besilat ein reines bol der Mesoform mit zwei chiralen Händen, Füßen, Armen, Abb. 15: Dickhornschaf. Beinen, Augen, Augenbrauen, Ohren, Mundwinkeln und Na- Form vor, also auch keine Meso- und eines Fisches überzeugen form (Abb. 12 b).
möge. Der gemeinsame Nenner Vergleichen wir die Anatomie Eine besonders interessante und ist die bilaterale Symmetrie, die des Menschen mit der Konstitu- grafisch anspruchsvolle Meso- durch zwei entgegengesetzt kon- tion des Cystins (Abb. 17) und form ist das Teurilen, ein aus
figurierte chirale Hälften erzeugt der Diaminopimelinsäure (Abb. Rotalgen der Gattung Laurentia wird. Über diese Eigenschaft 18), so wird deutlich, dass im (z. B. L. obtusa) isolierter Poly- verfügen aus biomechanischen ersten Fall der Vergleich hinkt – ether mit antiviralen und zyto- toxischen Eigenschaften (Abb. 13). Die Kombination der Struk- turformel mit einem minimali- sierten Tierkopf, der aus zwei spiegelbildlichen Hälften be- steht, symbolisiert die Meso- form. Aufgrund der Summen- formel C30H52O5 kann vermutet werden, dass es sich um ein Tri- terpen handelt. Tatsächlich ist Teurilen vom Squalen (C30H50) abgeleitet. Durch Poly-oxy/ hydroxylierung und intramole- kulare Kondensation entsteht daraus die spiegelsymmetrische Mesoform mit jeweils konfigu- rativ entgegengesetzten Chirali- tätszentren. Optisch ist dabei aus einem Palindrom (man beachte die freie Drehbarkeit um die Abb. 16: Tiere und Verkehrsmittel mit bilateraler Symmetrie. Nr. 5 Dezember 2007 Student und Praktikant 99

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stehen, sind keine Seltenheit. Sie ergeben – als Einheit be- trachtet – das harmonisch-sym- metrische Bild einer Mesoform. Gleichartig gewundene Säulen in adäquater Lage tun dies nicht.
Im Petersdom stehen sich vier gewundene Säulen im Rechteck gegenüber und zwar so, wie schematisch in Abbildung 20 dargestellt. Von rechts nach links, von links nach rechts, von vorne nach hinten, von hinten nach vor- ne gesehen, jeweils stehen sich eine linkswindige und eine rechtswindige Säule gegenüber.
Mesoformen der vierten Di­
mension sind solche der dritten
Dimension, die sich in der Zeit bewegen. Zwei Beispiele lernten wir bereits im Flug des Vogels und im Gehen von Mensch und Tier kennen (s. o.). Aus dem Stichwort Tier ergibt sich das Stichwort Pferd und aus diesem die Dressur und die Quadrille. Eine Lektion des Dressurreitens Abb. 17: Cystin (R,R) im Vergleich mit dem Menschen (R,S). ist der fliegende Wechsel von Sprung zu Sprung, eine Figur der linke Arm müsste abgehackt sind alles Mesoformen, die zwei der Quadrille besteht im wech- und umgedreht werden. Im spiegelbildliche, aber nicht iden- selseitigen Abbiegen eines oder zweiten Beispiel korrespondiert tische Hälften liefern, wenn man zweier Pferde nach rechts und die R-Konfiguration der rechten sie gedanklich entlang der zen- nach links, beide Bewegungs- Molekülseite mit dem rechten tralen Spiegelebene teilt.
arten stellen dynamische Meso- Arm, die S-Konfiguration der Gegenläufig gewundene Säulen, formen dar. Mit Pferden, die linken Seite mit dem linken Arm die sich im Altarraum gegenüber eine Mesoform beschreiben, hat des von Leonardo da Vinci ent- liehenen Homo sapiens.
Auch unser zur Demonstration einer lebendigen Mesoform be- reits bemühtes Dickhornschaf eignet sich gut zur Verdeutli- chung der Symmetrieverhält- nisse bei mesoförmigen Natur- stoffen, beispielsweise bei den Alkaloiden Anaferin und Lobe- lanin (Abb. 19).
Meso hier, meso dort, meso überall! Versäumen wir nicht, den Blick auf das Kunsthand- werk, die Architektur und die Technik zu richten. Stellen wir uns anstelle eines einfachen Ikea-Stuhls ein kunstvoll gestal- tetes Chippendale-Exemplar vor, das Corpus einer Violine oder eines Cellos, ein Waschbecken aus Porzellan, eine Kalesche, ein Dreirad, einen Heuwagen, ein symmetrisch gestaltetes Tor, ein symmetrisches Prachtschloss an der Loire, dessen Fassade und Rückseite nicht identisch sind, oder die Säulen des Hoch- altars im Petersdom zu Rom. Es Abb. 18: Diaminopimelinsäure (R,S) im Vergleich mit dem Menschen (R,S). 100 Student und Praktikant
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auch der historische Versuch gesetzte Richtung getrieben, (1654) des Magdeburger Physi- konnten sie nicht voneinander kers und Bürgermeisters Otto von Guericke zu tun, der zwei Einfacher durchzuführen ist die zusammengefügte, abgedichtete Sportart des Tauziehens, wobei metallene Halbkugeln evakuierte die Mesoform in die Brüche und demonstrierte, dass sie sich geht, wenn eine der beiden nicht auseinander ziehen lassen. Mannschaften gewinnt. Und Selbst acht Pferde, auf jeder Sei- weil wir gerade beim Sport sind, te angespannt und in entgegen- auch das Rudern versinnbild- Abb. 21: „Der Achter", Linolschnitt von Cyril E. Power. dabei das rechte Rad eine Bewe- gung im Uhrzeigersinn, das lin- ke eine Bewegung entgegen dem Uhrzeigersinn. Die Leser des Essays werden ohne große Mühe weitere inter- essante und amüsante Beispiele Literatur
[1] D. Steinhilber, M. Schubert-Zsila-
vecz und H. J. Roth: Medizinische Chemie. Deutscher Apotheker Verlag, Stuttgart 2005.
Abb. 19: Mesoformen mit zwei spiegelbildlichen Asymmetriezentren (vgl. Anaferin: Liebigs Ann. Chem. 735, 8
Cisatracurium: [1].
licht in allen seinen Arten dyna- Cuskhygrin: Nature 174, 833 (1954).
Diaminopimelinsäure: J. Org. Chem.
mische Mesoformen. Eine da- 57, 6519 (1992). von ist grafisch im Linolschnitt Ethambutol: [1].
„Der Achter" von Cyril E. Galgravin: J. Nat. Prod. 43, 353 (1980).
Power festgehalten (Abb. 21). Lobelanin, Lobelanidin: Drug News 6
Vom Rudern gelangen wir zu größeren, mechanisch betrie- Nordihydroguajaretsäure: J. Nat. Prod.
benen Schiffen, beispielsweise 53, 212 (1990). einem Schaufelraddampfer, der Teurilen: J. Org. Chem. 56, 2299
auf dem Mississippi fährt. Auch diese Art der gerichteten Fortbe- Anschrift des Verfas- wegung ist eine Mesoform der vierten Dimension. Beide Prof. Dr. rer. nat. Dr. Abb. 20: Anordnung der gewun- Schaufelräder greifen nach vor- h. c. Hermann J. Roth denen Säulen des Hochaltars im ne gerichtet ins Wasser. Auf den Schiffsrumpf bezogen beschreibt Nr. 5 Dezember 2007 Student und Praktikant 101

Source: http://www.hermannjosefroth.de/essays/2007_StuPra_06_Mesoformen.pdf