The Sciences: Chemistry:

Across 7 Decades of Research:

Stereochemistry of Heptites

cis-trans Asymmetry in Heptites[i]

 

by Dr. Randolph Riemschneider,

Professor Emeritus of Biochemistry and Chemistry

Berlin, Germany

 

As a result of stereochemical observations of heptites, the author, a Life BWW Fellow, has found that cis-trans asymmetry occurs also in this class of compounds. Plate 1. Tables 1 and 2 show possibilities of detection by model experiments on suitable systems. The author also presents some interesting insights regarding the intrusion of political factors into scientific research during past decades. -The Editor

 

In connection with the synthesis of cis-trans asymmetric compounds [Fig. 1 (1)] the author had discussed, among other things, the stereochemistry of heptites in lectures of 1941 (10), 1948 and later (2,3,4). According to the opinion prevalent at the time, this was first considered as an extension of the pentite problem and later under new aspects, hitherto published only in lectures. Looking at the heptite formulae reduced to 5 C atoms in Plate 1, we will find two different types of substitution, namely those which differ by so-called enantiomeric groups (as in pentites) and those which differ by diastereomeric groups. In Plate 1, the OH groups are indicated by a line ---, the CH₂OH groups have been left out.

 

 

 

Plate 1:   Pentites/Heptites, Type I and II

 

The numbering 1 to 5 is applicable to pentites where C₃ is in the middle, but also for heptites when the CH₂OH terminal groups are left out: middle, actually C₄.

Below the formulae: physical data of well-known heptite isomers; cf. also key to Plate 3 and Plate 3 itself.

 

 

 

 

The consequences resulting from these observations are the following: While the C atom in the middle is not a so-called asymmetric one in all representatives of Type I, but it is in all representatives of Type II. Therefore, Type I a and Type I b each are an analogue of the pentite problem with all related consequences. The situation is quite different for the representatives of Type II. These are compounds with 5 so-called asymmetric[ii] C-atoms of which two each have the "identical position".

 

Another way to write such isomers which is easier to grasp is the allocation of the symbols A and B to the diastereomeric substituents. However, since each diastereomeric group must be shown by two enantiomeric ones, this results in the symbols +A, -A, +B und –B :

Type l
a                                                                             b

 +A     -A                       +A    -A                               +B     -B                     +B    -B

-A     +A                      +A    -A                                -B    +B                     +B    -B

Meso-forms   Antipode pair A                        Meso-forms      Antipode pair B

Type II

 +A     +B                 +A     -B                               -A      -B               -A     +B

-B      -A                 +B     -A                               +B     +A               -B     +A

Antipode pair C   Antipode pair D                Antipode pair E    Antipode pair F

 

It is evident right away that, in Type I, only the symbols  A  or  B appear, while, in Type II, there is always a combination of A  and B  which then causes asymmetry at the middle C atom.

 

Some of the simplified experimental plans derived from these model observations are shown in tables 1 and 2; in these two hitherto unpublished tables model experiments on suitable systems are to be proposed. Here the hanger/pendant-principle (“Anhänger/Aufhänger-System”) we have developed will be useful for implementing the model experiments outlined in these tables and relating to the heptite problem (6). This is made possible by the experience of many years gained with the synthesis of the cis-trans asymmetric compounds.

 

The dicarboxylic acids of the formula I may be considered as "hangers". In Table 1, the hanger is formulated with x = 1. Regarding the synthesis of representatives of x = 0, there is prior experience in quotation (7, 8); also see Plate 2. Other hangers of interest in connection with the Type II diamines could be the isolysine synthesised by us in 1961 and homologues thereof (8a,b). Regarding the synthesis of representatives wherein x = 0, there is experience set forth in the references (7,8):

 

                         R₁                                                           R₁

HOOC (CH₂)_x-C-(CH₂)_x COOH      I       H₂N-(CH₂)_x-C-(CH₂)_x-NH₂          II

                         R₂                                                           R₂

 

Experimental trials based on the considerations and model evaluations from the years 1948-51 (2, 3, 4) outlined here (Plate 1, Table 1 and 2) were to form the basis for the post-doctoral thesis of a proven co-worker -- at the end of the 60s after the problem of cis-trans isomery had been solved [1955-64 (1): Plate 2]. Regrettably, this habilitation was prevented by the university reform of 1969 and its consequences even though this work was secured by a habilitation scholarship.

 

The co-worker concerned had recognized the negative consequences resulting form the "democratisation" of the "Free" University at the time and left immediately -- as did many of the degraded professors. In the course of the reform, 800 people were appointed professors by law in August of 1969. They were referred to as the so-called "discount" or "August" professors, some of whom "will live off the taxpayer well beyond the year 2000". This is what Prof. D.A. Lüttringhaus said 1969 to the author and his remaining co-workers in a telephone call from Freiburg.

 

In the course of the democratisation of the Free University, the faculties and all institutes (including their directors) had been “eliminated” and “split” into ca. “20 Fachbereiche, 5 Zentralinstitute, in viele, viele wissenschaftliche Einrichtungen und Arbeitsgruppen (work groups)”.  Operating an institute as in the past with wide-spread scientific activities was no longer possible in the work groups who were subject to severe restrictions both thematically and financially. Major purchases of apparatuses had to be applied for at least two years in advance. Such applications then had to pass the “zuständige Direktorium der wissenschaftlichen Einrichtung, die Forschungskommision, den Zentralinstitutsrat bzw. Fachbereichsrat und später das Abgeordnetenhaus (Parliament of Berlin)” with the result that co-workers in the meantime left and urgent work was exported to other universities or even abroad.

 

Luckily, the author had found new alternatives for continuing some of his research, partly in Brazil in the Chemical Central Institute of the Brazilian Federal University Santa Maria (UFSM) organised and developed under his guidance, and partly in the industry in Germany, Japan and the United States (6).

 

Unfortunately, the planned experimental work described in this essay was never carried out. The author hopes that a scientist will be found who will verify by experiments and implement the proposals made in Tables 1 and 2. After these tables follow plates 2 and 3 and then in APPENDIX the plates 4-6.

 

 

Table 1:

For realization the dotted underlined components would be sufficient.

 

 

 

 

 

 

Table 2:

For realization Typ I component would be sufficient.

 

 

 

Plate 2:

Synthesized cis-trans asymmetric compounds: I, IV, IX, XII^*

 

 

^* römische Nummern nach Referenz (1)

 

Zur Synthese der genannten cis-trans-asymmetrischen Verbindungen hatten wir ein sog. Aufhänger-Anhänger-Prinzip entwickelt (6). Als Aufhänger im Falle von cis-trans-IV eignete sich die Dicarbonsäure I (x = 0), als Aufhänger im Falle von cis-trans-IX diente das Diamin II (x = 1).

 

Plate 3: 16 figures of HEPTITES,

                divided in:   4  mesoforms in  section A) and

                                  6 pairs of antipodes in section B)

 

 

This plate with key, and plate 4-5, are serving to explain: Nomenclature of the heptite isomeres, their synthesis and properties -- as far as is known.

 

 

 

 

 

 

 

APPENDIX:

 

According to Pl 1:  16 stereoisomere Heptites are possible, that is to say 4 mesoforms and 6 pairs of antipodes -- in the following discussed in Pl. 3 under number I  to  X and in the key to Pl 3 where you find data for their synthesis[iii]. The basis for “heptite nomination” is the hexoses survey, the so-called “Kohlenhydrat-stammbaum der Hexosen”, shown in Plate 4.

In Plate 5 the terms “D” and “L” are explained[iv]

 

Key to Plate 3: mesoforms  I-IV,  pairs of antipodes V-X

I :    D-Glycero-D-alloheptit  (I).

       I entsteht bei der Cyanhydrinsynthese aus D-Allose nach Reduktion mit RANEY-Nickel über D-Glycero-D-alloheptono-γ-lacton, Reduktion mit Na-Amalgam zur D-Glycero-D-alloheptose und deren Reduktion mit RANEY-Ni zum Heptit I. – Formel der D-Allose in Pl. 4. Synthese nach J W PRATT, N.K.RICHTMYER, J Amer Chem Soc 77,  6326 (1955).

II:  D-Glycero-D-guloheptit (L-Glycero-L-guloheptit) oder D-Gluco-α-heptit      entsteht aus D-Glucoheptulose durch Reduktion mit Na-Amalgam bzw aus L-Glucoheptulose durch Druckhydrierung. Synthese nach F L HUMOLLER et al, J.Amer Chem Soc 61, 3372 (1939) bzw  W D McLay et al, ebenda  64, 1608 (1942).

III:  D-Glycero-L-altroheptit

IV:   D-Glycero-L-idoheptit

V:    D-Glycero-D-altroheptit oder D-Glycero-L-alloheptit entsteht bei der Cyan-hydrinsynthese aus Allose nach Hydrierung mit RANEY-Nickel über

D-Glycero-D-altroheptono-γ-lacton nach Reduktion mit Na-Amalgam,

([α]+0,3°; c: 1,2; H₂O) nach JW PRATT, J.Amer Chem Soc 77, 6326 (1955).

VI:  D-Glycero-D-taloheptit (Volemit) oder α-Sedoheptit, in der Natur in der Flechte dermatocarpon miniatum vorkommend: Y.Asahina et al, Ber dtsch chem Ges 67, 804 (1934). Synhese: Durch Reduktion von D-Altro-heptulose oder Seduheptulose mit Na-Amalgam nach A T MERILL et al, J Amer Chem Soc 69, 72 (1947)

VII: D-Glycero-L-mannoheptit

VIII: β-Sedoheptit entsteht bei der Reduktion von D-Altroheptulose

        (Seduheptulose) neben D-Glycero-D-taloheptit mit Na-Amalgam

        ([α] - 0,75°; c= 4,1; H₂O) nach A T MERILL J Amer Chem Soc 69, 72 (1947)

IX:  D-Glycero-L-guloheptit bzw.  D-Gluco-β-heptit  entsteht aus D-Gluco-heptulose bei der Hydrierung an RANEY-Nickel in alkal. Lösung nach Y.Khouvine, Compt. rend. 204, 984(1937) bzw bei der Reduktion mit Na-Amalgam neben D-Glycero-D-guloheptit ([α] + 0,7°;  c = 4; H₂0) nach F L HUMOLLER et al J Amer Chem Soc 61,   3372 (1939)

X:   D-Glycero-L-glucoheptit oder D-Gulo-β-heptit  ([α] + 2,4°; c=4; H₂O) nach TILDEN et al, J Amer Chem Soc 60, 1202 (1938)

 

 

 

 

 

 

 

Plate 4: “Kohlenhydrat-Stammbaum” (D-Reihe)

 

Plate 5: Explanation of terms “D” and “L”

 

 

 

 

 

On the following page: plate 6,  a discussion of the term “pseudoasymmetric C-atom”; cf. also footnote [ii] about “asymmetric C-atom”.

Plate 6:  Summary of the Lecture: “Cancellation of the term pseudoasymmetric C-atom”, given on 28 Febr 1941 (10)

 

 

Der Begriff des pseudoasymmetrischen C-Atomes wurde zu einer Zeit geschaffen, in der das asymmetrische C-Atom praktisch  allein zur Erklärung der optischen Aktivität einer Verbindung herangezogen wurde und man die Anwesenheit eines asymmetrischen C-Atomes als alleinige Ursache der optischen Aktivität ansah. Das pseudoasymme­trisehe C-Atom -- nach der Definition von Werner mit vier verschiedenen Substituenten besetzt, von denen zwei stofflich und strukturell gleich und entgegengesetzt asymmetrisch gebaut sind -- kann selbst nie Träger der optischen Aktivität sein, weil es immer das Zentrum eines symmetrischen Moleküls bildet.

 

Die gleichen Verhältnisse liegen bei der von Baeyer aufgefundenen­ relativen Asymmetrie vor, die auf cyclische Ver­bindungen beschränkt ist und sich von der Pseudoasymmetrie nur dadurch unterscheidet, daß sich im Molelkül keine­ asymmetrischen C-Atome befinden und die relativ asymmetrischen C-Atome in einem Molekül immer von der Anwesenheit eines anderen__relativ asymmetrischen C-Atoms abhängig sind.

 

Da die optische Aktivität einer Verbindung eigentlich nur von der Asymmetrie des Gesamtmoleküls abhängig ist, ist das asymmetrische C-Atom nur ein Spezialfall[vi] der Molekular-asymmetrie, bei welcher man die Asymmetrie des Gesamtmoleküls auf ein bestimmtes C-Atom (oder auf bestimmte C-Atome) zurückführen kann.

 

Unter diesem Gesichtspunkt sind die Begriffe “pseudo­asymmetrisches C-Atom” und “relative Asymmetrie” überflüssig. Zur Erklärung der optischen Aktivität sind sie nicht zu verwenden, da sie ausnahmslos in symmetrischen Molekülen vorkommen. Es besteht kein Grund, für diese, sich durch keinerlei besonderen Eigenschaften auszeichnenden Fälle, eine eigene Bezeichnung zu wählen.

 

 

References:

(1)    R. Riemschneider cis-trans asymmetrical compounds, 2006,   http://www.bwwsociety.org/journal/html/stereochem.htm

 

 (2)   R. Riemschneider

         Stereochemische Betrachtungen über die theoretisch möglichen Heptite und ähnliche Verbindungen (Modellversuche) sowie daraus abgeleitete Basis für experimentelle Arbeiten,

         Mitt. Physiolog.-Chem. Inst Berlin, Dez 1948, 18 S., 4 Tafeln;

         Vortrag, gehalten im Dez. 48 im Physiolog.-Chem. Institut der Universität Berlin

  

(3)   R. Riemschneider

“Stereochemische Betrachtung an Heptiten (Modellversuche) und an «Achse-Ring»-Molekülaggregaten”

Öffentliche Antrittsvorlesung an der Freien Universität Berlin im Rahmen des Verfahrens der Umhabilitierung im Fach Organische Chemie, gehalten am 5.5.1950 im großen Hörsaal des Zoologischen Instituts der FU Berlin (Diskussionsleiter: Prof. Dr. G. Schenck und Prof. Dr. A. Dinghas); zum Inhalt vgl. Tab 1 u 2  sowie Zitat (4)

 (4)   R. Riemschneider (Vortragender), L. Ottaviani

“Theoretisch mögliche Heptite unter dem Aspekt der verschiedenen Isomieriefälle und Literaturübersicht über die bisher bekannten Heptite und ihre Konstitution (Konfiguration) ”,

Vortrag I vor leitenden Wissenschaftlern der MONTECATINI-Werke in Mailand, Via Turati, am 20.4.1951, während meines einmonatigen Aufenthaltes in Mailand auf Einladung der Montecatini-Werke (in italienischer Sprache).

Die hier genannten Ausarbeitungen über Heptite und analoge Verbindungen (vgl. auch Tabellen 1 und 2) bildeten die Grundlage für eine geplante Habilitationsarbeit; diese sollte nach Realisierung von Fällen der “cis-trans-Asymetrie” durchgeführt werden. Leider kam es infolge der “Universitätsreform im August 1969 nicht zur Durchführung derartiger Untersuchungen. Das erwähnte Habilitationsthema war von der Deutschen Forschungsgemeinschaft für meinen langjährigen Mitarbeiter Dr. E.B. Grabitz bewilligt worden; wegen der zu erwartenden Universitätsreform ist dieser vorzeitig nach Italien emigriert. Eine Übertragung der Bewilligung auf einen anderen promovierten, geeigneten Mitarbeiter entfiel jedoch, da auch diese das neue Universitätsgesetz als wissenschafts-vernichtend voraussahen.

 

The texts of the lectures (2-4) remained unpublished at the time at the suggestion of professors Dr. Richard Kuhn and Dr. A. Lüttringhaus, because they contained substantial references to the further work of the author. Plate 1 and the Tables 1 and 2 were shown as slides in the lectures.

 

(5)     R. Riemschneider (Vortragender), O. Göhring, H. Arnold, E. Hausmann, W. Stuck

“Wege zur Synthese von cis-trans-asymmetrischen Verbindungen: «Aufhänger-Anhänger-Prinzip»”

Vortrag II vor leitenden Wissenschaftlern der MONTECATINI-Werke in Mailand, Via Turati, am 27.4.1951 (in italienischer Sprache),

Manuskript Januar 1951, 29 S.

Beispiele für cis-trans-isomere  Anhänger  und Beschreibung der Synthese von zeitweise in Betracht gezogenen  Aufhängern  z.B.: aus Dihydroxypivalinsäure und a,a-p-Xylylen-diglycin (charakterisiert als  a,a-p-Xylylen-diglycin-dimethylester-Dihydrochlorid vom Schmp. 220°C);

vgl. auch Vorträge und Exposé aus den Jahren 1943 und 1948 (6).

(6)     R. Riemschneider

“Re-reading – 66 years chemistry”: 26 PROJECTS over 1400 references (in preparation)

         hier betreffend: PROJECT II  3: cis-trans-Asymmetrie

(7a)   R. Riemschneider, D. Kirstein
cis-trans-Asymmetrie, Mitt. X:

Ethyl-phenyl-malonsäure-a ,ß-bis-(4-carboxy-cyclohexyl-amide),

Z.Naturforschg. 17 b, 522-524 (1962) und

Ethyl-phenyl-malonsäure-monochlorid,

Mh.Chem. 94, 419-421 (1963)

 

(7b)   R. Riemschneider, H. Kampfer
Zur cis-trans-Asymmetrie, Mitt. XI:

Optische Aktivität von cis-trans-1,3-Bis-[a-phenyI-

cinnamoyl-amino]-2-methyl-2-n-propyl-propan,

Liebigs Ann.Chem. 665, 35-42 (1963); vgl. auch Z.Naturforschg. 16b, 704 (1961)

(7c)  R. Riemschneider, A. Rook

Zur cis-trans-Asymmetrie, Mitt. VII:

Nachweis der optischen Aktivität des 1-cis-3-trans-Bis-

[a-phenylcinnamoylamino]-2-phenyl-propans,

Mh.Chem. 92, 1227-1234 (1961)

 

(8a) R.Riemschneider, K.Brendel, K.Preuß,

        Synthese von Isolysin und Homologer,

        Mh.Chem. 92, 1235-1241 (1961)

(8b)   R. Riemschneider, A. Rook

Zur cis-trans-Asymmetrie, Mitt. VI:

Mono- und Diacyclierung des 1,3-Diamino-propans mit stereoisomeren Säurechloriden,

Mh.Chem. 92, 1197-1200 (1961)

(9)     R. Riemschneider

Zur cis-trans-Asymmetrie, Mitt. I:

 „Molekulare Asymmetrie als Oberbegriff für alle asymmetrisch gebauten organischen Verbindungen incl. des sogenannten »asymmetrischen C-Atoms[v]«. Energetische Betrachtungsweise",

Vortragsmanuskript vom März 1948; Basis auch für spätere Vorträge, gehalten 1.) auf dem IUPAC-Kongreß in Zürich am 26.7.1955, 2.) im Mathematischen Institut der Freien Universität Berlin am 10.10.1955 (Diskussionsleiter Prof. Dr. A. Dinghas) und 3.) im Mathematischen Institut der Technischen Universität Berlin im Dez 1955 (Diskussionsleiter: Prof. Dr. Mohr)

(10)     R. Riemschneider

“Cancellation of the term pseudoasymmetric C-atom”

Ms 1941, 34 p

Lecture given on 28 Febr 1948 in chem Colloquium, Dept of Org Chem, Univ Hamburg (chair: Prof Dr H H Schlubach)

Summary of lecture in Pl 6, published in (6), there in PROJ  II 9,4.  

 

Correspondence:

e-Mail: rriemschneider@yahoo.de