Strukturformel

Die Strukturformel einer chemischen Verbindung ist eine grafische Darstellung der Molekülstruktur (bestimmt durch Methoden der Strukturchemie ), die zeigt, wie die Atome miteinander verbunden sind. ^{[ 1 ]} Die chemischen Bindungen innerhalb des Moleküls werden ebenfalls dargestellt, entweder explizit oder implizit. Im Gegensatz zu anderen Arten von chemischen Formeln , ^{[ a ]} ​​die nur eine begrenzte Anzahl von Symbolen besitzen und nur eine begrenzte Aussagekraft haben, liefern Strukturformeln eine umfassendere geometrische Darstellung der Molekülstruktur. Beispielsweise existieren viele chemische Verbindungen in verschiedenen isomeren Formen, die zwar unterschiedliche Enantiomerenstrukturen , aber dieselbe Summenformel aufweisen . Es gibt verschiedene Möglichkeiten, diese Strukturformeln zu zeichnen, wie z. B.: Lewis-Strukturen , kondensierte Formeln, Skelettformeln , Newman-Projektionen , Cyclohexan-Konformationen , Haworth-Projektionen und Fischer-Projektionen . ^{[ 3 ]}

In chemischen Datenbanken werden verschiedene systematische Formate zur Benennung chemischer Verbindungen verwendet, die geometrischen Strukturen gleichwertig und ebenso aussagekräftig sind. Zu diesen Systemen gehören SMILES , InChI und CML . Systematische chemische Namen lassen sich in Strukturformeln umwandeln und umgekehrt. Chemiker beschreiben chemische Reaktionen oder Synthesen jedoch fast immer anhand von Strukturformeln statt mit chemischen Namen, da diese die Visualisierung der Moleküle und der während chemischer Reaktionen auftretenden Strukturveränderungen ermöglichen. Beliebte Programme bzw. Websites wie ChemSketch ermöglichen es Nutzern, Reaktionen und Strukturformeln, typischerweise im Lewis-Struktur-Stil , zu zeichnen.

Bindungen werden oft als Linien dargestellt, die zwei Atome verbinden. Eine Linie steht für eine Einfachbindung , zwei Linien für eine Doppelbindung und drei Linien für eine Dreifachbindung . In manchen Strukturen werden die Atome zwischen den Bindungen angegeben und dargestellt. In anderen Strukturen werden die Kohlenstoffatome nicht explizit ausgeschrieben. Stattdessen werden sie durch eine Ecke angedeutet, die entsteht, wenn zwei Linien zusammentreffen. Wasserstoffatome werden implizit dargestellt und in der Regel nicht gezeichnet. Ihre Anzahl lässt sich aus der Anzahl der anderen Atome, an die das Kohlenstoffatom gebunden ist, ableiten. Ist beispielsweise Kohlenstoffatom A an ein anderes Kohlenstoffatom B gebunden, besitzt Kohlenstoffatom A drei Wasserstoffatome, um sein Oktett zu vervollständigen. ^{[ 4 ]}

Elektronen werden üblicherweise als farbige Kreise dargestellt. Ein Kreis steht für ein Elektron, zwei Kreise für ein Elektronenpaar. Typischerweise deutet ein Elektronenpaar auch auf eine negative Ladung hin. Mithilfe der farbigen Kreise wird die Anzahl der Valenzelektronen jedes Atoms angegeben, wodurch weitere beschreibende Informationen über die Reaktivität dieses Atoms im Molekül gewonnen werden. ^{[ 4 ]}

Atome tragen häufig eine positive oder negative Ladung , da ihr Oktett nicht vollständig ist. Fehlt dem Atom ein Elektronenpaar oder besitzt es ein Proton, ist es positiv geladen. Besitzt das Atom Elektronen, die nicht an andere Atome gebunden sind, ist es negativ geladen. In Strukturformeln wird die positive Ladung mit ⊕ und die negative Ladung mit ⊖ gekennzeichnet . ^{[ 4 ]}

Chirality in skeletal formulas is indicated by the Natta projection method. Stereochemistry is used to show the relative spatial arrangement of atoms in a molecule. Wedges are used to show this, and there are two types: dashed and filled. A filled wedge indicates that the atom is in the front of the molecule; it is pointing above the plane of the paper towards the front. A dashed wedge indicates that the atom is behind the molecule; it is pointing below the plane of the paper. When a straight, un-dashed line is used, the atom is in the plane of the paper. This spatial arrangement provides an idea of the molecule in a 3-dimensional space and there are constraints as to how the spatial arrangements can be arranged.^[4]

Wavy single bonds represent unknown or unspecified stereochemistry or a mixture of isomers. For example, the adjacent diagram shows the fructose molecule with a wavy bond to the HOCH₂− group at the left. In this case the two possible ring structures are in chemical equilibrium with each other and also with the open-chain structure. The ring automatically opens and closes, sometimes closing with one stereochemistry and sometimes with the other.

Skeletal formulas can depict cis and trans isomers of alkenes. Wavy single bonds are the standard way to represent unknown or unspecified stereochemistry or a mixture of isomers (as with tetrahedral stereocenters). A crossed double-bond has been used sometimes, but is no longer considered an acceptable style for general use.^[5]

Lewis-Strukturen (oder „Lewis-Punktstrukturen“) sind flache grafische Formeln, die die Atomverbindungen und freie Elektronenpaare darstellen, jedoch keine dreidimensionale Struktur. Diese Notation wird hauptsächlich für kleine Moleküle verwendet. Jede Linie repräsentiert die zwei Elektronen einer Einfachbindung . Zwei oder drei parallele Linien zwischen Atompaaren stellen Doppel- bzw. Dreifachbindungen dar. Alternativ können Punktpaare zur Darstellung von Bindungselektronenpaaren verwendet werden. Zusätzlich werden alle nichtbindenden Elektronen (gepaart oder ungepaart) und alle formalen Ladungen der Atome angegeben. Mithilfe von Lewis-Strukturen und der Elektronenpositionierung – ob in Bindungen oder als freie Elektronenpaare – lassen sich die formalen Ladungen der Atome im Molekül bestimmen. Dies ermöglicht es, die Stabilität zu verstehen und das wahrscheinlichste Molekül (basierend auf Unterschieden in der Molekülgeometrie ) zu ermitteln, das in einer Reaktion entstehen würde. Lewis-Strukturen berücksichtigen die Geometrie des Moleküls, da die Bindungen oft in bestimmten Winkeln gezeichnet werden, um das reale Molekül darzustellen. Die Lewis-Struktur eignet sich am besten zur Berechnung formaler Ladungen oder zur Bestimmung von Atombindungen, da sowohl Elektronen als auch Bindungen dargestellt werden. Sie gibt Aufschluss über die molekulare und elektronische Geometrie, die je nach Vorhandensein von Bindungen und freien Elektronenpaaren variiert. Mithilfe der Lewis-Struktur lassen sich auch Bindungswinkel und Hybridisierung bestimmen .

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  Die Lewis-Struktur des Wassers

In frühen Publikationen zur organischen Chemie, in denen die Verwendung von Grafiken stark eingeschränkt war, entstand ein typografisches System zur Beschreibung organischer Strukturen in einer Textzeile. Obwohl dieses System bei der Anwendung auf cyclische Verbindungen oft problematisch ist, stellt es nach wie vor eine praktische Möglichkeit dar, einfache Strukturen abzubilden.

CH ₃ CH ₂ OH ( Ethanol )

Klammern werden verwendet, um mehrere identische Gruppen anzuzeigen. Sie geben an, ob die Gruppe an das nächstgelegene Nicht-Wasserstoffatom links gebunden ist, wenn sie innerhalb einer Formel erscheint, oder an das Atom rechts, wenn sie am Anfang einer Formel steht:

(CH ₃ ) ₂ CHOH oder CH(CH ₃ ) ₂ OH ( 2-Propanol )

In allen Fällen werden alle Atome, einschließlich der Wasserstoffatome, dargestellt. Es ist außerdem hilfreich, Carbonylgruppen zu zeigen, bei denen die C=O-Gruppe durch das in Klammern gesetzte O implizit enthalten ist. Zum Beispiel:

CH ₃ C(O)CH ₃ ( Aceton )

Daher ist es wichtig, links vom Atom in der Klammer zu betrachten, um sicherzustellen, an welches Atom es gebunden ist. Dies ist hilfreich beim Umrechnen von der Summenformel in eine andere Strukturformel, wie z. B. die Skelettformel oder die Lewis-Struktur . _Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die verschiedenen funktionellen Gruppen in den Summenformeln darzustellen _, z . B. Aldehyde als CHO, Carbonsäuren als CO₂H oder COOH und Ester als CO₂R oder COOR . Die Verwendung von Summenformeln gibt jedoch keinen direkten Aufschluss über die Molekülgeometrie der Verbindung oder die Anzahl der Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen. Diese müssen anhand der Anzahl der an die Kohlenstoffatome gebundenen Atome und eventueller Ladungen an den Kohlenstoffatomen ermittelt werden. ^{[ 6 ]}

Skelettformeln sind die Standardnotation für komplexere organische Moleküle. In dieser Art von Diagramm, die erstmals vom organischen Chemiker Friedrich August Kekulé von Stradonitz verwendet wurde ^{[ 7 ]} , befinden sich die Kohlenstoffatome an den Eckpunkten und Enden von Liniensegmenten, anstatt mit dem Atomsymbol C gekennzeichnet zu werden. An Kohlenstoffatome gebundene Wasserstoffatome werden nicht explizit angegeben: Jedes Kohlenstoffatom ist mit so vielen Wasserstoffatomen verbunden, dass es vier Bindungen eingeht. Eine positive oder negative Ladung an einem Kohlenstoffatom ersetzt eines der impliziten Wasserstoffatome. Wasserstoffatome, die an andere Atome als Kohlenstoff gebunden sind, müssen explizit geschrieben werden. Ein weiterer Vorteil von Skelettformeln besteht darin, dass durch Hinzufügen bestimmter Strukturen die Stereochemie , also die dreidimensionale Struktur, der Verbindung bestimmt werden kann. Oftmals kann die Stereochemie in der Skelettformel durch die Verwendung von Keilen anstelle von Linien dargestellt werden. Durchgezogene Keile repräsentieren Bindungen, die über die Papierebene hinaus zeigen, gestrichelte Keile hingegen Bindungen, die unter die Ebene hinaus zeigen.

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  Skelettformel _von Isobutanol , ( _CH₃ ) _₂CHCH₂OH​

Die Newman-Projektion und die Sägebockprojektion dienen der Darstellung spezifischer Konformere oder der Unterscheidung vicinaler Stereochemie. In beiden Fällen stehen zwei bestimmte Kohlenstoffatome und ihre verbindende Bindung im Mittelpunkt. Der einzige Unterschied liegt in der leicht veränderten Perspektive: Die Newman-Projektion betrachtet die Bindung senkrecht, die Sägebockprojektion dieselbe Bindung aus einem etwas schrägen Blickwinkel. In der Newman-Projektion wird ein Kreis verwendet, um eine Ebene senkrecht zur Bindung darzustellen und die Substituenten am vorderen Kohlenstoffatom von denen am hinteren zu unterscheiden. In der Sägebockprojektion befindet sich das vordere Kohlenstoffatom üblicherweise links und liegt immer etwas tiefer. Manchmal wird ein Pfeil verwendet, um das vordere Kohlenstoffatom zu kennzeichnen. Die Sägebockprojektion ähnelt einer Skelettformel und kann sogar Keile anstelle von Linien verwenden, um die Stereochemie des Moleküls darzustellen. Sie unterscheidet sich jedoch von Skelettformeln, da sie die Molekülgeometrie und -anordnung nicht sehr gut wiedergibt. Sowohl eine Newman- als auch eine Sägebockprojektion können zur Erstellung einer Fischer-Projektion verwendet werden.

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  Newman-Projektion von Butan
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  Sägebockprojektion von Butan

Bestimmte Konformationen von Cyclohexan und anderen kleinringigen Verbindungen lassen sich mithilfe einer Standardkonvention darstellen. Die Standard -Sesselkonformation von Cyclohexan beispielsweise wird in einer perspektivischen Ansicht leicht oberhalb der mittleren Ebene der Kohlenstoffatome dargestellt. Dabei wird deutlich erkennbar, welche Gruppen axial (senkrecht nach oben oder unten gerichtet) und welche äquatorial (nahezu horizontal, leicht nach oben oder unten geneigt) sind. Vordere Bindungen können durch stärkere Linien oder Keile hervorgehoben werden. Die Konformationsabfolge verläuft wie folgt: Sessel → Halbsessel → Twist-Boot → Boot → Twist-Boot → Halbsessel → Sessel. Anhand der Cyclohexan-Konformationen lässt sich auch die potenzielle Energie jeder Stufe veranschaulichen (siehe Diagramm). Die Sesselkonformationen (A) weisen die niedrigste, die Halbsesselkonformationen (D) die höchste Energie auf. Die Bootkonformation (C) zeigt ein lokales Maximum, die Twist-Boot-Konformationen (B) hingegen lokale Minima. Darüber hinaus können Cyclohexankonformationen verwendet werden, um anzuzeigen, ob das Molekül 1,3-diaxiale Wechselwirkungen aufweist, d. h. sterische Wechselwirkungen zwischen axialen Substituenten an den Kohlenstoffatomen 1, 3 und 5. ^{[ 8 ]}

Die Haworth-Projektion wird für cyclische Zucker verwendet . Axiale und äquatoriale Positionen werden nicht unterschieden; stattdessen werden Substituenten direkt über oder unter dem Ringatom positioniert, an das sie gebunden sind. Wasserstoffsubstituenten werden üblicherweise weggelassen.

Bei der Betrachtung einer Haworth-Projektion ist zu beachten, dass die Ringstrukturen nicht flach sind. Daher liefert die Haworth-Projektion keine dreidimensionale Darstellung. Sir Norman Haworth war ein britischer Chemiker, der für seine Arbeiten über Kohlenhydrate und die Aufklärung der Struktur von Vitamin C den Nobelpreis erhielt. Im Zuge seiner Entdeckungen leitete er verschiedene Strukturformeln ab, die heute als Haworth-Projektionen bekannt sind. In einer Haworth-Projektion wird Pyranose als Sechseck und Furanose als Fünfeck dargestellt. Üblicherweise befindet sich das Sauerstoffatom bei Pyranose in der oberen rechten Ecke und bei Furanose in der oberen Mitte. Die dünneren Bindungen am oberen Ende des Rings repräsentieren die weiter entfernten Bindungen, die dickeren Bindungen am unteren Ende den dem Betrachter zugewandten Teil des Rings. ^{[ 9 ]}

Die Fischer-Projektion wird hauptsächlich für lineare Monosaccharide verwendet . An jedem Kohlenstoffzentrum entsprechen vertikale Linien stereochemischen Strichen, die vom Betrachter weg zeigen, während horizontale Linien Keilen entsprechen, die zum Betrachter hin zeigen. Die Projektion ist unrealistisch, da ein Saccharid niemals diese mehrfach ekliptische Konformation einnehmen würde. Dennoch ist die Fischer-Projektion eine einfache Möglichkeit, mehrere aufeinanderfolgende Stereozentren darzustellen, ohne Kenntnisse über die tatsächliche Konformation vorauszusetzen oder zu implizieren. Eine Fischer-Projektion reduziert ein dreidimensionales Molekül auf zwei Dimensionen, wodurch die Änderung der Konfiguration der chiralen Zentren eingeschränkt ist. Fischer-Projektionen werden verwendet, um die R- und S-Konfiguration eines chiralen Kohlenstoffatoms zu bestimmen. Dies geschieht mithilfe der Cahn-Ingold-Prelog-Regeln . Sie ist eine praktische Methode, um Enantiomere und Diastereomere darzustellen und zu unterscheiden . ^{[ 9 ]}

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  Fischer-Projektion von D -Glucose

Eine Strukturformel ist ein vereinfachtes Modell, das bestimmte Aspekte chemischer Strukturen nicht vollständig abbilden kann. Beispielsweise ist die formalisierte Bindungsdarstellung möglicherweise nicht auf dynamische Systeme wie delokalisierte Bindungen anwendbar . Aromatizität ist ein solcher Fall und beruht auf Konventionen zur Darstellung der Bindung. Unterschiedliche Strukturformeln können Aromatizität auf verschiedene Weise darstellen, was zu unterschiedlichen Darstellungen derselben chemischen Verbindung führt. Ein weiteres Beispiel sind formale Doppelbindungen , bei denen die Elektronendichte über die formale Bindung hinaus verteilt ist, was zu einem partiellen Doppelbindungscharakter und einer langsamen Umwandlung bei Raumtemperatur führt. Bei allen dynamischen Effekten beeinflusst die Temperatur die Umwandlungsraten und kann die Darstellung der Struktur verändern. Einer Strukturformel ist keine explizite Temperatur zugeordnet, obwohl häufig angenommen wird, dass es sich um die Standardtemperatur handelt .

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• Valenz-Wechselwirkungsformel
• Seitenkette
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• Die Bedeutung von Strukturformeln
• „Strukturformeln“ . 09.05.2016. Archiviert vom Original am 09.05.2016 . Abgerufen am 17.12.2022 .
• Wie man mithilfe der Kristallographie Strukturformeln erhält