Racemat und Racematspaltung

Racemat und Racematspaltung – Chemie

Von einem Racemat spricht man, wenn die Enantiomere eines Enantiomerenpaars im Verhältnis eins zu eins vorliegen. Enantiomere eines Racemats haben die gleichen physikalischen Eigenschaften wie Schmelzpunkt, Dichte und Löslichkeit. Aber wann entsteht ein Racemat und wie trennt man Racemate? Das alles erfährst du in diesem Lerntext.

Begriffserklärungen

Bevor wir uns mit Racemat und Racematspaltung auseinandersetzen, werden hier nochmals einige für das Verständnis des Textes wichtige chemische Begriffe kurz definiert.

Was ist ein Racemat in der Chemie? – Definition

Enantiomere sind Konfigurationsisomere, deren Strukturen sich wie Bild und Spiegelbild zueinander verhalten. Das geschieht, sobald ein Molekül ein asymmetrisches Zentrum besitzt, also ein Kohlenstoffatom mit vier verschiedenen Bindungspartnern. Ein Enantiomerenpaar, das in einem Verhältnis von eins zu eins vorliegt, ist ein Racemat. Damit ein Racemat entsteht, muss ein Enantiomerenpaar in einem Verhältnis von eins zu eins vorliegen, was entsprechend über eine vollständige Racemisierung erfolgt. Bei der Racemisierung wird die Konzentration der Enantiomere angeglichen. Ein Racemat kann auch kristallisieren, wobei zwischen drei Arten differenziert wird:

Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur Kennzeichnung der Enantiomere. Man kann diese beispielsweise mit dem Deskriptor (R)- und (S)- oder mit (+) und (-) bezeichnen. In dem Bild kannst du ein Beispiel für ein Racemat – eine (R)-Säure und eine (S)-Säure – sehen:

Was genau sich hinter diesen Abkürzungen und Bezeichnungen verbirgt, wird in diesem Video erklärt:Chirale Verbindungen in R/S-Nomenklatur.

Racemat – Eigenschaften und Spaltung

Die physikalischen Eigenschaften eines Racemats sind bei beiden Enantiomeren gleich. Einzig unterscheidet sich die optische Aktivität der beiden Enantiomeren des Racemates. Doch wie funktioniert eine Spaltung eines solchen Racemats, wenn eine Trennung mit herkömmlichen, physikalischen Methoden nicht möglich ist?

Trennung des Racemats mit chiralem Hilfsreagenz

Besteht das Racematgemisch aus einer Säure, kann als Hilfsreagenz eine chirale Base wie ein Amin verwendet werden. Beispiele einer chiralen Base zur Racematspaltung sind Phenylethylamin oder Morphin. Das Amin reagiert mit der (R)-Säure und der (S)-Säure zu einem (R,S)-Salz und einem (S,S)-Salz. Es handelt sich dann um ein Gemisch aus Diastereomeren. Diese Diastereomere unterscheiden sich nun in ihren physikalischen Eigenschaften, sodass nun die beiden Salze mit herkömmlichen Trennmethoden aufgespalten werden können. Beispielsweise kann die unterschiedliche Löslichkeit der Salze genutzt werden. Dabei erhält man dann zwei getrennte Diastereomere. Durch eine Rückführung in den Ausgangszustand – also in die entsprechenden Säuren – werden die getrennten Racemate erhalten.

Handelt es sich bei dem Racemat um Amine, lässt sich als Hilfsreagenz auch eine Säure verwenden. Zu den chiralen Säuren zur Racematspaltung zählt beispielsweise die Wein- oder Apfelsäure. Es ist auch möglich, die Chromatografie zu nutzen und eine chirale Säure als Hilfsreagenz zu verwenden.

Trennung des Racemats mit einem Enzym

Die enzymatische Racematspaltung funktioniert, wenn das Enzym stereoselektiv mit den Enantiomeren reagiert. Das bedeutet, dass es nur mit einem S- oder mit einem R-Enantiomer vollständig reagiert. Verwenden wir nun beispielsweise ein Enzym, das vollständig mit dem R-Enantiomer reagiert, wird dieses komplett umgesetzt – also völlig zerstört. Das Enantiomer S bleibt erhalten, sodass dieses als reines S-Enantiomer nach einer Reinigung vorliegt. Damit lassen sich zwar sehr hohe Ausbeuten erzielen, aber es geht auch ein Enantiomer verloren.

Weitere Prinzipien zur Racematspaltung

Neben der enzymatischen Racematspaltung und der Spaltung über ein chirales Hilfsreagenz gibt es noch weitere Methoden zur Trennung. Diese werden hier kurz vorgestellt:

• Kinetische Racematspaltung: Man nutzt hierbei die unterschiedlichen Geschwindigkeitskonstanten der Enantiomere. Das Racemat wird mit einer enantiomerenreinen Lösung gemischt. Ein Enantiomer reagiert dabei aufgrund der unterschiedlichen Geschwindigkeitskonstante schneller zu einem Reaktionsprodukt als das andere, was sich bei der Trennung zunutze gemacht wird. Bei etwa der Hälfte des Umsatzes wird die Reaktion abgebrochen, da dann das schneller reagierende Enantiomer verbraucht ist. Das Reaktionsprodukt kann von dem langsamen Enantiomer getrennt und dann in das Enantiomer zurückgeführt werden. Bei der dynamisch kinetischen Racematspaltung wird das langsam reagierende Enantiomer racemisiert, wodurch die Ausbeute im Vergleich zu der kinetischen Racematspaltung erhöht werden kann.

• Fermentative Racematspaltung: Bei dieser Racematspaltung einer Weinsäure wird der Schimmelpilz Penicillium glaucum eingesetzt. Dieser verstoffwechselt nur eines der beiden Enantiomere.

Racemat und Racematspaltung – Zusammenfassung

Von einem Racemat spricht man, wenn die Enantiomere eines Enantiomerenpaares im Verhältnis eins zu eins vorliegen. Eine Trennung ist möglich über ein chirales Hilfsreagenz. Es bildet sich ein Diastereoisomerenpaar. Die verschiedenen Eigenschaften ermöglichen nun eine Trennung. Nach erfolgter Rückführung in die Ausgangsverbindungen liegen die Enantiomere rein vor. Das chirale Hilfsreagenz zur Racematspaltung kann ein Amin oder eine Säure sein. Das ist abhängig vom Racemat. Alternativ ist eine enzymatische Reaktion möglich. Ein Enantiomer reagiert, das andere kann abgetrennt werden. Vorteil dieser Methode ist die hohe Ausbeute, Nachteil, dass ein Enantiomer verloren geht.

Im Anschluss an das Video Racemat und Racematspaltung und diesen Text findest du Übungsaufgaben, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!