Skelettstruktur

Die Skelettformel des Antidepressivums Escitalopram mit Skelettdarstellung von Heteroatomen, einer Dreifachbindung, Benzolringen und Stereochemie.

Die Skelettformel (auch Gerüstformel) einer organischen Verbindung ist eine Strukturformel, die eine knappe Darstellung der Molekülstruktur erlaubt. Skelettformeln sind allgegenwärtig in der organischen Chemie, da sie nicht nur komplizierte Strukturen klar aufzeigen können, sondern auch schnell und einfach zu zeichnen sind.

Das Kohlenstoffskelett

Der Begriff Skelett bezieht sich auf das Kohlenstoffskelett einer organischen Verbindung, welches durch die Kohlenstoffketten, Seitenketten und/oder Ringe die Basis einer organischen Verbindungen bildet. Vom Kohlenstoff abgesehen, sind die Wasserstoffatome die zahlreichsten Atome, die an Kohlenstoff gebunden sind, und werden nicht explizit eingezeichnet. Alle anderen Atome werden als Heteroatome bezeichnet, welche die funktionelle Gruppen bilden. Diese werden auch als Substituenten bezeichnet, da sie eine Substitution (lat. Ersetzung) für ein Wasserstoffatom an der entsprechenden Stelle, die es an einem Kohlenwasserstoffmolekül hätte, darstellen.

Implizierte Kohlenstoff- und Wasserstoffatome

Die Skelettformel von Hexan.

In Valenzstrichformeln, werden Kohlenstoffatome durch das Zeichen "C" dargestellt, Wasserstoffatome durch "H". In Skelettformeln wird das Vorhandensein und die Lage dieser Atome zwar nicht dargestellt, aber automatisch vorausgesetzt, d. h. impliziert. Für jedes Kohlenstoffatom wird eine Ecke gezeichnet. Da Kohlenstoffatome normalerweise 4 Atombindungen pro Atom ausbilden, wird die Anzahl der angelagerten Wasserstoffatome berechnet, indem die Anzahl der Bindungen des Kohlenstoffatoms von 4 subtrahiert wird.

Beispielsweise ist rechts die Skelettformel von Hexan dargestellt. Das mit "C₁" bezeichnete Kohlenstoffatom besitzt nur eine Bindung, also müssen 3 Wasserstoffe an diesen Kohlenstoff gebunden sein. Im Vergleich dazu muss "C₃" 2 Wasserstoffe angelagert haben, denn es hat 2 Bindungen ausgebildet.

Die Skelettformel von Ethanol.

Allerdings gibt es hierbei eine Ausnahme, denn jedes Wasserstoffatom, das nicht an Kohlenstoff gebunden ist, wird explizit dargestellt. In Ethanol, C₂H₅OH, z. B. wird das Wasserstoffatom am Sauerstoff mit dem Zeichen "H" dargestellt. Beide Atome zusammen bilden die Hydroxylgruppe. Oftmals werden diese funktionellen Gruppen aus Gründen der Klarheit und Kompaktheit als ein Bestandteil ohne Bindungslinien geschrieben. In manchen Fällen, z. B. um ihre Rolle in gewissen Reaktionsmechanismen hervorzuheben, werden diese Bindungen aber auch komplett eingezeichnet.

Explizite Heteroatome

Alle Atome, die nicht Kohlenstoff oder Wasserstoff sind, also alle Heteroatome, werden mit ihrem Atomsymbol dargestellt, so z. B. "Cl" für Chlor, "O" für Sauerstoff oder "Na" für Natrium.

Pseudoelemente

Es gibt einige Zeichen, die wie chemische Elemente aussehen, aber die verbreitetsten funktionellen Gruppen oder ein beliebiges Atom aus einer Gruppe darstellen. Am meisten wird "Ph" für die Phenylgruppe, also einen Benzolringrest verwandt. Es existieren außerdem:

Elemente

• X für ein beliebiges Halogenatom
• M für ein beliebiges Metallatom

Alkylgruppen

• R für jede Alkylgruppe oder jeden möglichen Substituenten überhaupt
• Me für die Methylgruppe
• Et für die Ethylgruppe
• n-Pr für die Propylgruppe
• i-Pr für die Isopropylgruppe
• Bu für die Butylgruppe
• i-Bu für die Isobutylgruppe
• s-Bu für die sek-Butylgruppe
• t-Bu für die tert-Butylgruppe
• Pn für die Pentylgruppe
• Hx für die Hexylgruppe
• Hp für die Heptylgruppe
• Cy für die Cyclohexylgruppe

Aromatische Substituenten

• Ar für jeden aromatischen Substituenten
• Bn für die Benzylgruppe
• Bz für die Benzoylgruppe
• Ph für die Phenylgruppe
• Tol für die Tolylgruppe
• Xy für die Xylylgruppe

Funktionelle Gruppen

• Ac für die Acetylgruppe (Ac ist auch das Symbol für das Element Actinium, allerdings begegnet man in der organischen Chemie so gut wie nie Actinium, weswegen diese Konvention selten für Verwirrung sorgt)

Abgangsgruppen

Siehe den Artikel Abgangsgruppe für weitere Informationen

• Bs für die Brosylgruppe
• Ns für die Nosylgruppe
• Tf für die Trifylgruppe
• Ts für die Tosylgruppe

Mehrfachbindungen

Zwei Atome können durch mehr als nur ein Elektronenpaar gebunden sein. Aufgrund der geometrischen und physikalischen Möglichkeiten ergeben sich Einfach-, Doppel- und Dreifachbindungen. Einfachbindungen werden durch einfache Linien zwischen zwei Atomen dargestellt, Doppelbindungen durch zwei parallele Linien und Dreifachbindungen durch drei parallele Linien.

In komplexeren Bindungstheorien existieren nicht-ganzzahlige Bindungswerte. In diesem Fall wird eine Kombination aus durchgezogenen und gestrichelte Linien gezeichnet, die jeweils die ganzzahligen und nicht-ganzzahligen Teile der Bindung darstellen sollen.

Hex-3-en hat eine innere Kohlenstoff-Kohlenstoff- Doppelbindung

Hex-1-en hat eine abschließende Doppelbindung

Hex-3-in hat eine innere Kohlenstoff-Kohlenstoff- Dreifachbindung

Hex-1-in hat eine abschließende Dreifachbindung

N.B. in der oberen Darstellung wurden Doppelbindungen in rot und Dreifachbindungen in blau gezeichnet. Dies wurde nur zur Verständlichkeit getan, Mehrfachbindungen sind normalerweise nicht farblich in Skelettformeln dargestellt.

Linolsäure mit (Z)- bzw. cis-Konfiguration

Da in Skelettformeln nicht wie in Strukturformeln rechteckige, grade Linien für langkettige Alkene, wie sie z. B. in Fettsäuren auftreten, verwendet werden können, ergibt sich automatisch eine Zeichnungsweise, die die planare Darstellung von Tetraederwinkel nahelegt. Dadurch stellt eine Skelettformel die cis-trans-Isomerie, die bei Doppelbindungen auftritt, immer korrekt dar. Im Beispiel oben sind also die trans- bzw. (E)-Konfigurationen der Doppelbindungen dargestellt. Die Dreifachbindungen sind nicht tetraedisch dargestellt, da an Kohlenstoff-Kohlenstoff-Dreifachbindungen kein weiterer Wasserstoff angelagert sein und somit auch keine cis-trans-Isomerie vorliegen kann. Rechts dargestellt sind zwei cis- bzw. (Z)-C-C-Doppelbindungen, bei der die Carboxylgruppe COOH teilweise gezeichnet wurde.

Benzolringe

Benzolringe treten häufig in organischen Verbindungen auf. Um die Delokalisierung der Elektronenpaare über die sechs Kohlenstoffatome im Ring darzustellen, wird ein Ring innerhalb eines Hexagons aus Einfachbindungen gezeichnet. Dieser Stil ist vor allem in Schulbüchern sehr verbreitet.

Eine Alternative dazu, die in der Wissenschaft öfters genutzt wird, ist die Kekuléstruktur. Obwohl sie als ungenau gilt, da sie drei Einfach- und drei Doppelbindungen voraussetzt (Benzol wäre demnach Cyclohexa-1,3,5-trien), sind sich alle kompetenten Chemiker bewusst, dass in Benzol eine Elektronenpaardelokalisierung vorliegt. Die Kekulé-Darstellung eignet sich weiterhin für die klare Darstellung von Reaktionsmechanismen.

Stereochemie

Stereochemische Eigenschaften werden in geeigneter Weise in Skelettformeln dargestellt:

• Durchgezogene Linien stehen für Atombindungen in der Ebene der Darstellung
• Keilförmige Linien stehen für Bindungen, die in einer höheren Schicht liegen, also in einer Ebene, die sich näher beim Betrachter befindet
• Gestrichelte Linien stehen für Bindungen, die in einer tieferen Schicht liegen, also in einer Ebene, die sich weiter weg vom Betrachter befindet
• Geschwungene, wellenförmige Linien stehen entweder für unbekannte Stereochemie oder für eine razemische Mischung aus beiden möglichen Enantiomeren.

2-Chlor-2-fluorpentan

Die stereochemische Skelettformel von (R)-2-Chlor-2-fluorpentan

Die Skelettformel von Amphetamin, die seine razemische Natur zum Ausdruck bringt

Andere Darstellungsarten von Bindungen

Wasserstoffbrückenbindungen werden manchmal mittels gepunkteter oder gestrichelter Linien angedeutet. In einigen Fällen werden die unter Stereochemie angesprochenen keilförmigen Linien auch genutzt, um die Oxidationszahl bestimmen zu können. In diesem Fall zeigt der Keil auf das elektronegativere Atom einer Bindung. Die Zählung ergibt sich dann relativ simpel, indem bei jedem Atom -I für jeden Keil und +I für jede Spitze gezählt wird.

Weblinks

Organische Moleküle zeichnen, auf Englisch von chemguide.co.uk