mini|hochkant=1.35|Die beiden Enantiomere unterscheiden sich räumlich voneinander im Aufbau, ähnlich wie rechte und linke Hand. mini|Spiegelbildisomerie: Struktur der beiden Enantiomere von MilchsäureLinks: (S)-Milchsäure, rechts: (R)-Milchsäure
Enantiomere bilden ein Paar aus zwei chemischen Verbindungen, deren Teilchen (molecular entities) sich wie Bild und Spiegelbild verhalten, die jedoch nicht deckungsgleich sind. Man nennt sie aufgrund dieser Tatsache auch Spiegelbildisomere. Die griechische Namensgebung lässt diese Bedeutung erkennen: ἐνάντιος, Gegenstück, und μέρος, Teil oder Bereich.
Diese Art der Isomerie wird auch als Chiralität (Händigkeit) bezeichnet. Zur Veranschaulichung der Spiegelbildlichkeit von Enantiomeren lassen sich Körperteile wie linke und rechte Hand oder Alltagsgegenstände wie linker und rechter Schuh sowie links- und rechtsdrehende Schrauben oder Muttern heranziehen. Ein Beispiel für ein Molekül, das in zwei räumlichen Varianten vorkommt, ist die Milchsäure im Joghurt. Theoretisch gibt es Enantiomere immer paarweise, in der Natur ist aber oftmals nur eines der beiden nachweisbar.
Da die Summenformel und die Konstitution (Verknüpfung der Atome) der beiden Teilchen übereinstimmen, handelt es sich um eine Form der Konfigurationsisomerie. Enantiomere können, im Gegensatz zu Konformationsisomeren, nicht durch Drehung um Atombindungen zur Deckung gebracht werden. Im einfachsten Fall besitzen Enantiomere nur ein Stereozentrum. Oft sind jedoch mehrere Stereozentren vorhanden, die bei Enantiomeren alle die jeweils entgegengesetzte Konfiguration besitzen müssen. Demgegenüber stehen die Diastereomere, bei denen immer mindestens ein Stereozentrum von mehreren gleich und mindestens eines verschieden konfiguriert ist (siehe dort).
Physikalische und chemische Eigenschaften mini|350px|Schematische Darstellung von zwei spiegelbildlichen Molekülen (Enantiomer 1 und Enantiomer 2) mit vier verschiedenen Resten R1 bis R4 am stereogenen Zentrum. Rechts: Beispiel (S)-Milchsäure mini|100px|„Rechtsdrehend“ oder „im Uhrzeigersinn“ mini|100px|links|„Linksdrehend“ oder „gegen den Uhrzeigersinn“
Enantiomere besitzen mit Ausnahme der optischen Aktivität gleiche physikalische Eigenschaften wie Schmelz- und Siedepunkte, Dichte, Löslichkeit, IR-Spektren, Röntgenbeugungsspektren usw. Sie sind jedoch optisch aktiv, drehen also die Polarisationsebene des linear polarisierten Lichts im Uhrzeigersinn (rechtsdrehende Form, auch (+)-Form oder früher d-Form genannt) oder gegen den Uhrzeigersinn (linksdrehende Form, (−)-Form oder früher l-Form genannt). Der Drehsinn ist dabei bezüglich der Blickrichtung des Beobachters zu verstehen, nicht bezüglich der Strahlrichtung. Enantiomere drehen die Polarisationsebene des linear polarisierten Lichts um den gleichen Betrag in entgegengesetzte Richtung.
Die beiden Enantiomere eines Eduktes reagieren in chemischen Reaktionen, bei denen ein anderer enantiomerenreiner Reaktionspartner beteiligt ist, unterschiedlich. Die Reaktionsübergangszustände sind dann diastereomer zueinander. Auch beim Einsatz als Arzneistoff in Organismen rufen zueinander enantiomere Stoffe unterschiedliche Wirkungen hervor, da Enzyme ebenfalls Enantiomere sind. Dies lässt sich mit einem Beispiel aus dem Alltag veranschaulichen, dem Anziehen von Schuhen: Es ist klar, dass nur der rechte Schuh zum rechten Fuß passt. Versucht man den rechten Schuh auf den linken Fuß zu ziehen, so wird man damit scheitern oder nur ein sehr dürftiges Ergebnis erzielen. Man erreicht also damit anstelle einer erwünschten Wirkung ein nutzloses oder schädliches und somit unerwünschtes Ergebnis.
Bedeutung für die biologische Wirkung Viele biologisch wichtige Substanzen sind chiral, nicht nur die kleineren Moleküle von Aminosäuren und Zuckern, sondern auch biologische Makromoleküle wie Enzyme oder Rezeptoren. Bei einigen Substanzklassen überwiegt oft ein Enantiomer, so liegen beispielsweise fast alle natürlichen Aminosäuren in der L-Form vor. Die D-Form ist bei den natürlichen Zuckern (z. B. D-Glucose) überaus dominant, L-Zucker sind rare Exoten. Chiralität als Folge des räumlichen Baus von Molekülen hat entscheidende Bedeutung für das Funktionieren biologischer Systeme, die alle selbst chiral sind. So sind viele Enzymreaktionen auf ein Enantiomer, entweder das linksdrehende oder das rechtsdrehende, spezialisiert: Die Reaktionsgeschwindigkeit mit dem spiegelbildlichen Enantiomer als Substrat ist deutlich geringer oder es wird gar nicht umgesetzt, da das aktive Zentrum eines Enzyms vielfach das eine Enantiomer leichter aufnehmen kann als das andere (Schlüssel-Schloss-Prinzip, Substratspezifität).
mini|links|Dreipunkt-Interaktionskonzept für Enantiomere Die Substratspezifität lässt sich durch das Dreipunkt-Interaktionskonzept für Enantiomere veranschaulichen, wie es im bildlichen Schema dargestellt ist: das chirale Enantiomer A ist kongruent zum Rezeptor. Allerdings ist das Spiegelbild von Enantiomer A, das Enantiomer B nicht passend, was zu Bindungsproblemen führen kann und sich somit auf die Wirkung eines Stoffes (beispielsweise eines Arzneistoffes) auswirkt. Es können Unterschiede in der Pharmakodynamik oder der Pharmakokinetik auftreten. Das Enantiomer mit der höheren Aktivität bzw. Affinität wird Eutomer und das mit der niedrigeren Aktivität bzw. Affinität Distomer genannt.H. J. Roth, C. E. Müller, G. Folkers (Hrsg.): Stereochemie & Arzneistoffe: Grundlagen – Betrachtung – Auswirkung, wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH, Stuttgart, S. 80, 81, 1998.
mini|hochkant=0.8|(S)-(+)-Carvon riecht nach Kümmel mini|hochkant=0.8|(R)-(−)-Carvon riecht nach Minze Gar nicht so selten entfaltet das „falsche“ Enantiomer auch eine völlig andere biologische Wirkung. Beispiele: Geschmack: Die Aminosäure (S)-Valin schmeckt bitter, (R)-Valin schmeckt süß, Geruch: Das Terpen (S)-(+)-Carvon riecht nach Kümmel, dessen Enantiomer (R)-(−)-Carvon riecht nach Minze.Wolfgang Legrum: Riechstoffe, zwischen Gestank und Duft, Vieweg + Teubner Verlag (2011) S. 33–35, ISBN 978-3-8348-1245-2. Pharmakologische Wirkung von Betablockern: Bei Betablockern wirkt das (S)-Enantiomer selektiv auf das Herz, das (R)-Enantiomer hingegen an den Zellmembranen des Auges. Deshalb ist eine hohe Enantiomerenreinheit bei vielen Arzneistoffen von großer Bedeutung.Everhardus Ariëns: Stereochemistry, a basis for sophisticated nonsense in pharmacokinetics and clinical pharmacology, European Journal of Clinical Pharmacology 26 (1984) 663-668, . Pharmakologische Wirkung von Thalidomid: Die Öffentlichkeit ist durch den Contergan-Skandal auf die fruchtschädigende Wirkung des Thalidomids aufmerksam geworden. Früh wurde dies mit der unterschiedlichen Wirkung der beiden Enantiomere ein und derselben Substanz in Verbindung gebracht, da allein das (S)-Enantiomer des Thalidomids eine teratogene (fruchtschädigende) Wirkung habe, das (R)-Enantiomer jedoch nicht. Die Thalidomid-Enantiomere wandeln sich allerdings im Körper innerhalb von ca. acht StundenNature (London) 385, 303 (1997). ineinander um (racemisieren). Die Einnahme ausschließlich (R)-konfigurierten Thalidomids bleibt somit in der Praxis bedeutungslos.
Bei der synthetischen Herstellung von unterschiedlich wirkenden enantiomeren Wirkstoffen etwa in der Pharmakologie versucht man heute, von vornherein nur noch das Enantiomer mit der gewünschten Wirkung herzustellen und als pharmazeutischen Wirkstoff einzusetzen, während man das andere Enantiomer mit seiner möglicherweise unerwünschten – bis hin zur toxischen – Wirkung von Anfang an ausschließen möchte (enantioselektive Synthese). Alternativ kann ein Racemat (1:1-Mischung von zwei Enantiomeren) der Racematspaltung unterworfen werden, um einen einheitlichen (= enantiomerenreinen) Pharmawirkstoff zu gewinnen, der dann mit viel höherer Selektivität als das Racemat pharmakologisch wirksam werden kann.
Auch Geruch oder Geschmack von Stoffen können je nach Enantiomer unterschiedlich ausfallen, weil die entsprechenden Rezeptoren im Körper stets selbst chiral (genauer: enantiomerenrein) sind.
Enantiomere werden in biologischen Systeme in der Regel unterschiedlich metabolisiert.
Racemat Ein 1:1-Gemisch von (+)- und (−)-Form eines Stoffes, bei dem sich die optische Aktivität der einzelnen Stoffe ausgleicht, nennt man ein Racemat, z. B. (±)-Methionin [Synonyme: DL-Methionin und (RS)-Methionin]. Es ist optisch nicht aktiv und hat einen Drehwinkel α von 0°, da sich die Anteile rechtsdrehender und linksdrehender Form gerade aufheben. Aus dem Quotienten des gemessenen Drehwinkels zum maximalen Drehwinkel des reinen Enantiomers multipliziert mit 100 ergibt sich die optische Reinheit (%) des Enantiomerengemisches. Unter der Annahme idealen Verhaltens (keine Wechselwirkung zwischen den beiden Enantiomeren und Gültigkeit des Lambert-Beerschen Gesetzes) ist die optische Reinheit gleich dem Enantiomerenüberschuss ee.
Der Schmelzpunkt eines Racemats weicht in der Regel vom Schmelzpunkt der reinen Enantiomere ab.Hermann J. Roth, Christa E. Müller und Gerd Folkers: Stereochemie & Arzneistoffe, Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft Stuttgart, 1998, ISBN 3-8047-1485-4, S. 161–162. Dabei kann der Schmelzpunkt des Racemats tiefer oder höher liegen als der der reinen Enantiomeren. Dieses auf den ersten Blick unerwartete Phänomen kann erklärt werden: Wenn das Racemat als racemisches Gemisch (Konglomerat) kristallisiert, liegen die Kristalle der (+)- und (−)-Form getrennt nebeneinander vor, d. h., das (+)-Enantiomer hat eine höhere Affinität zu (+)-Molekülen und das (−)-Enantiomer hat eine höhere Affinität zu (−)-Molekülen. Es entstehen also beim Kristallisieren „nebeneinander“ reine (+)- und (−)-Kristalle. Der Schmelzpunkt des „racemischen Gemischs“ liegt deutlich unter dem Schmelzpunkt der reinen Enantiomere. Beispiel: Beide reinen (+)- und (−)-Enantiomere des Arzneistoffes Glutethimid schmelzen bei 102–103 °C. Hingegen hat (±)-Glutethimid, also das racemische Gemisch, einen Schmelzpunkt von 84 °C.
Anders ist die Situation, wenn die (+)-Enantiomere beim Kristallisieren bevorzugt mit den (−)-Enantiomeren zusammenlagern. Dann enthält „jeder“ Kristall gleich viele Moleküle „beider“ Enantiomere. Man nennt diesen Fall eine racemische Verbindung. Die racemische Verbindung unterscheidet sich in ihren physikalischen Eigenschaften von den reinen Enantiomeren. Der Schmelzpunkt kann höher, gleich oder niedriger liegen als der der reinen Enantiomeren. Beispiel: Die reinen Enantiomeren des Arzneistoffes Ibuprofen haben einen Schmelzpunkt bei 50–52 °C, racemisches Ibuprofen hat einen Schmelzpunkt bei 75–77,5 °C. Racemisches Ibuprofen kristallisiert also als racemische Verbindung.
R- und S-Sequenzregel (CIP-Regel) mini|350px|Beispiel für die Anwendung der Cahn-Ingold-Prelog-Konvention: Die Substituenten werden nach ihrer Priorität geordnet, der Substituent niedrigster Priorität wird unter die Bildebene gedreht, die Richtung der Kreisbewegung an den Substituenten entlang definiert die absolute Konfiguration. Enantiomere werden nach der R- und S-Sequenzregel eingestuft. Um herauszufinden, ob ein Enantiomer die (R)- oder (S)-Konfiguration besitzt, muss man alle Substituenten nach ihrer Priorität ordnen: 1>2>3>4. Den Substituenten mit der niedrigsten Priorität (4) dreht man unter die Papierebene. Nun geht man von 1 über 2 nach 3. Wenn die Richtung, in der man sich bewegt, mit dem Uhrzeigersinn verläuft, ist das Enantiomer (R)-konfiguriert (aus lat. rectus ‚rechtmäßig, richtig, rechts‘)Duden: rectus. Wenn die Richtung, in der man sich bewegt, gegen den Uhrzeigersinn verläuft, ist das Enantiomer (S)-konfiguriert (aus lat. sinister ‚links‘) Siehe auch: Cahn-Ingold-Prelog-Konvention für eine Erklärung, wie man die Substituenten nach Prioritäten ordnet.