chemie für biologen · (±)-n-(2,6-dioxo-3-piperidyl)-phthalimid, c13h10n2o4 schlafmittel und...
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Chemie für BiologenVorlesung im
WS 2004/05V2, Mi 10-12, S04 T01 A02
Paul RademacherInstitut für Organische Chemieder Universität Duisburg-Essen
(Teil 12: 12.01.2005)
MILESS: Chemie für Biologen218
219
Konstitutionsisomere:gleiche Summenformel, unterschiedliche Verknüpfung der Atome.Beispiele:
Konfigurationsisomere (Stereoisomere):gleiche Summenformel, gleiche Verknüpfung der Atome, aber unterschiedliche räumliche Anordnung.Beispiele:
Isomerieformen
H
CH3H3C
H CH3
HH3C
H
cis- oder Z- trans- oder E-
H
BrBr
H
Br
BrH
Htrans-cis-
1,2-Dibromcyclohexan2-Buten
C2H6O : O CH3H3C H3C CH2 OHDimethylether Ethanol
C4H10 :n-Butan IsobutanH3C CH2 CH2 CH3 H3C CH CH3
CH3
Diastereomere
Nefertari, Gemahlin von Ramses II.
mit 2 linken Händen mit 2 rechten HändenDie Spiegelung eines chiralen ("händigen") Objektes ergibt ein nicht deckungsgleiches neues Objekt. Das Objekt selbst darf nicht spiegelsymmetrisch sein, z. B. Person mit rechter und linker Hand.
220
Chiralität bedeutet Händigkeitchiral (griechisch cheir – Hand bzw. Händigkeit)
221
Chirale Objekte sind mit ihrem Spiegelbild nicht deckungsgleich.Beispiele: Hände, Handschuhe, Schuhe, Füße, Beine, Schrauben, Korkenzieher, Schneckengehäuse, Hirschgeweihe, Spiralnebel, ... Bei Molekülen: Spiegelbildisomerie, eine Form der Konfigurations-isomerie, Stereoisomerie. Viele Naturstoffe sind chiral: Aminosäuren, Proteine, Zucker, ....
Makroskopische und molekulare Chiralität
Weinbergschnecke (helix pomatia)
Wiley-VCH, Weinheim, 1999.222
P-[13]-Helicen M-[6]-Helicen
Beispiele für Stereoisomere
H3C CH2 CHCl
CH3
2-Chlorbutan
CCH3
H
CH2Cl
H3C CH3C
H
CH2CH3Cl
H3C CH COOHOHMilchsäure
COH
COOH
HH3C
CHO
COOH
HCH3
- stereogenes Zentrum asymmetrisches C-Atom
Bild Spiegelbild
nicht deckungsgleiche Enantiomere
223
Bei technischen und Laborsynthesen entstehen zumeist ein 1:1-Gemische der Enantiomere (= racemisches Gemisch, Racemat). Enantiomere können mit geeigneten Methoden getrennt werden (Racematspaltung). Die meisten biochemischen Synthesen sind enantioselektiv (stereospezifisch).
Asymmetrisches C-Atom und Enantiomerenpaar
Asymmetriezentrum, stereogenes Zentrum. Kleinste chirale Einheit:C-Atom mit vier verschiedenen Substituenten.
C C
a
b
c
d
a
b
c
d
Spiegel
a ≠ b ≠ c ≠ d
Bild und Spiegelbild sind nicht deckungsgleich.Moleküle mit einem Asymmetriezentrum sind chiral. Spiegelbildisomerie, KonfigurationsisomerieEine Vertauschung von zwei Substituenten kehrt die Konfiguration um.
Beispiel: 2-Iodbutan, Enantiomerenpaar
Konfiguration:S-(+) R-(−)
Spezifische Drehung:[α]D: +15.9° −15.9°
EtC
Me IH
MeC
EtHI
224
Unterscheidung von EnantiomerenEnantiomere sind trennbare, stabile Verbindungen. Sie sind nur durch Umgruppierung von Bindungen ineinander überführbar. Sie besitzen die gleiche Konstitution. Sie zeigen gegenüber achiralenReagenzien gleiche chemische Eigenschaften. Die meisten physikalischen Eigenschaften sind gleich (z.B. Dichte, Schmelzpunkt, Siedepunkt).Unterscheidung mit polarisiertem Licht:Enantiomere besitzen für zirkular polarisiertes Licht unterschiedliche Brechungsindices. Sie drehen die Ebene von linear polarisiertem Licht.Chirale Verbindungen sind optisch aktiv. Racemate sind optisch inaktiv.
225
PolarimeterMessung der spezifischen Drehung[α]D
Messung mit derD-Linie des Natriums (ca. 589 nm)
Bezeichnung der Konfiguration: R,S-System
Die Angabe des Drehsinns (+ oder −) reicht nicht, da zwischen Konfiguration und Drehsinn keine einfache Beziehung besteht. In vielen Fällen ist es wichtig, die Konfiguration zu kennen. Sie muss empirischbestimmt werden!R,S-Nomenklatur, (Cahn, Ingold, Prelog, 1951ff), Beispiel Milchsäure:
CH3
C
OH H
CO2HCH3
C
OH
HCO2H
C
OH H
CH3HO2CC
OH
HCH3
CO2H
4
3
1
2
2
3
1
4
32
1
R-(_)-Milchsäure R = rectus (rechts)
S-(+)-Milchsäure S = sinister (links)
4
1
2
34
Blickrichtung
Sequenzregeln für Substituenten ~ Ordnungszahl
Die linksdrehende Milchsäure besitzt die R-Konfiguration.Die rechtsdrehende Milchsäure besitzt die S-Konfiguration. 226
Moleküle mit mehreren stereogenenZentren. Ein Beispiel
CH3
OH
CH3 CH3
* **
1
2
5
C10H20O ein Terpenalkohol
Das Molekül besitzt 3 asymmetrische Kohlenstoffatome. Damit ergeben sich23 = 8 Stereoisomere, oder 4 Enantiomerenpaare.Enantiomere besitzen an allen C* entgegen-gesetzte Konfiguration.Diastereomere, also Stereomere, die keine Enantiomere sind, werden häufig mit Trivialnamen unterschieden.
227
C-1 C-2 C-5 Name C-1 C-2 C-5 Name R S R (−)-Menthol*) S R S (+)-Menthol S R R (+)-Isomenthol R S S (−)-Isomenthol S S R (+)-Neomenthol R R S (−)-Neomenthol R R R (+)-Neoisomenthol S S S (−)-Neoisomenthol *)Systematischer Name: (1R,2S,5R)-2-Isopropyl-5-methylcyclohexanol
H2NOH
O
O H2N HHO
NH2
O
ONH2H
Konfiguration und physiologische Eigenschaft
S Rbitter Asparagin süß
N N
OO
OCH 3H
C 6 H 5n-C 4H 9
N N
OO
OHH 3 C
C 6 H 5n-C 4H 9
S R
Krampfanfall Barbitursäure-Derivat narkotisch
N
O
O
NO
O H
H
NO
OH
HN
O
O
S R
extrem teratogen Contergan keine Mißbildungen
C H 3
H 3 C C H 2
C H 3
H 2 C C H 3
RS
228Geruch nach Zitrone Limonen Geruch nach Orange
Thalidomid (Contergan®):ein janusköpfiges Medikament
NCNH
O
O
O
O
HNC
NH O
O
OH
O
R-(+)-Isomer S-(_)-Isomer(±)-N-(2,6-Dioxo-3-piperidyl)-phthalimid, C13H10N2O4
Schlafmittel und Sedativum, als Racemat im Handel 1958-1961, teratogene Wirkung.Beide Enantiomere weisen gleiche sedative Wirkung auf, nur das (S)-(–)-Isomer ist bei Mäusen teratogen.Noch im Gebrauch zur Behandlung entzündlicher Prozesse bei Lepra.
Die Lage eines H-Atoms kann die Eigenschaften entscheidend verändern.229
230
Arzneimittel - Wirkstoffe (1993)
AsymmetrischesC-Atom
Gesamtzahl nicht-chiral chiral, racemisch chiral, rein
1850 805 (43 %) 475 (26 %) 570 (31 %)*)
*) 2000: 40 %
O
OHC
NH2
I
I
I
I
CO2H
H
Bezeichnung der Konfiguration: D,L-System
Neben der R,S-Nomenklatur verwendet man bei bestimmten Stoffklassen wie Aminosäuren, Hydroxysäuren und Zuckern dieD,L-Nomenklatur (E. Fischer, 1891), Beispiel Milchsäure:
CH3
C
OH H
CO2H
C
OH H
CH3HO2C
CH3
C OHH
CO2H
CH3
OHH
CO2H
CH3
COH H
CO2H
CH3
OH H
CO2H
R-(_)-Milchsäure
S-(+)-Milchsäure
D-(_)-Milchsäure
D = dexter (rechts)
L-(+)-Milchsäure
L = laevus (links)
Fischer-Projektion
Die D,L-Nomenklatur ist nur auf Moleküle anwendbar, die ein H-Atom am stereogenen Zentrum besitzen. 231
Wichtige Naturstoffe - Übersicht
232
Aminosäuren, Peptide, Proteine Hormone, Enzyme, Synthesebausteine, Energiequelle (Nahrungsmittel) Gewebe, Fasern, Muskeln Medikamente, Antibiotika
Lipide (Fette, Wachse, Öle) Nahrungsmittel, Membranen, Rohstoffe für Detergentien, Kosmetika
Alkaloide, biogene Amine N-haltige Verbindungen, meist pflanzlicher Herkunft, pharmakologisch wirksam, Medikamente, Genussmittel
Terpene Pflanzlicher Herkunft, Duft- und Geschmackstoffe, Kosmetika Lacke, Farbstoffe, Vitamine, Pharmaka
Kohlenhydrate Zucker, Cellulose, Stärke, Glykogen, Energiespeicher Synthesebausteine, Nahrungsmittel
Steroide Hormone, Vitamine, biologische Regulatoren
Nucleoside, Nucleotide, Nucleinsäuren DNA, RNA, Speicher der genetischen Information, Proteinbiosynthese
Pheromone Signalstoffe, Sexual-, Aggregations-, Erkennungspheromone, Alarmstoffe, Repellentien
Porphyrine Farbstoffe, Vitamine
Die Kohlenhydrate sind wichtige Naturstoffe, die in der Natur hauptsächlich durch die Photosynthese und anschließende Reaktionen aufgebaut werden.Rohstoffe: z.B. Baumwolle, Holz; Nahrungsbestandteile: Zucker, StärkePhotosynthese:
Kohlenhydrate sind Polyhydroxyaldehyde oder Polyhydroxyketone bzw. Verbindungen,die dazu hydrolysiert werden können.Monosaccharide (einfache Zucker, n = m) können nicht durch Hydrolyse in kleinere Bruchstücke gespalten werden.Disaccharide (m = n − 1) ergeben bei der Hydrolyse zwei Monosaccharide.Polysaccharide (m << n) entstehen unter Wasserabspaltung (Polykondensation) aus Monosacchariden.
MonosaccharideAldosen (enthalten eine Aldehydfunktion) Ketosen (enthalten eine Ketofunktion)
Kohlenhydrate Cn(H2O)m
6 CO2 + 6 H2O C6(H2O)6 + 6 O2 Glucose
hνChlorophyll
Je nach Anzahl der C-Atome unterscheidet man bei den Monosacchariden:Triosen (C3), Tetrosen (C4), Pentosen (C5), Hexosen (C6), Heptosen (C7).Die wichigsten Monosaccharide sind:Glucose, eine Aldohexose und Fructose, eine Ketohexose.
233
D-Glucose, Traubenzucker
CO
OH
H
H
H OH
H OH
HOH
CH2OH
C
OHH
H OH
H
HOH
CH2OH
OHH
C
OHH
H OH
H
HOH
CH2OH
HOH
O
OH
OHOH
OH
OOH
OHOH
OH
COH
CHOH
CH2OH
O
O
CH2OH
CH2OH
α-D-Glucopyranose 36 %
β-D-Glucopyranose 64 % (stabilste Form)
1
11
1
14
Aldohexosen< 0.01%D-Glucose,eines von 24 = 16Stereoisomeren
Cyclische Halbacetale:Pyranosen
6
6
6
6
6
Gleichgewicht in wässriger Lösung.
Glucose bildet zwei Pyranosen (Sechsringe) als cyclische Halbacetale.Beide sind isolierbar. β-Form = kristalliner Traubenzucker
234
D-Fructose, FruchtzuckerO
HH
OH H
CH2OH
OH
O
HH
OH H
CH2OH
OH
C O
H OH
H OH
HOH
CH2OH
CH2OH
OCH2OH
OH
H
H
OH
HO
CH2OH
H
H
OH
H OH
C O
CH2OH
CHOH
CH2OH
HOCH2
HO
1
2
HOCH2
HO
1
2
α-Fructofuranose 9 %
β-Fructofuranose 31 %
1
2
HO
HO
1
2
HO
HO
1
2
α-Fructopyranose 3 %
β-Fructopyranose*)
57 %
(< 1 %)
3
Ketohexosen
D-Fructose,eines von 23 = 8Stereoisomeren
(a)(b)
(b)
(a) +
+
6 6
66
6
*)Nur diese Form ist rein isolierbar,= kristalliner Fruchtzucker
Gleichgewicht in wässriger Lösung.
Fructose bildet vier cyclische Halbketale,mit Fünfringen: Furanosen mit Sechsringen: Pyranosen 235