Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/03
Campus Essen
Skript für die
Experimentalvorlesung Organische Chemie II
(OCII)
im
Wintersemester 2003/04
P
Paul Rademacher
R
(Stand 28.02.2005)
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 2
Prof. Dr. Paul Rademacher Institut für Organische Chemie, FB 8 – Chemie Universität Duisburg-Essen Campus Essen Universitätsstr. 5-7 45117 Essen Tel. 0201-1832404, Sekretariat 0201-1833082 Fax. 0201-1834252 mailto:[email protected]
Hinweis
Die Wiedergabe von Abbildungen, Tabellen u. ä. aus dem Lehrbuch
E. Breitmaier, G. Jung Organische Chemie 4. Auflage, Thieme, Stuttgart, 2001
erfolgt mit Genehmigung des Verlages.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 3
Inhaltsverzeichnis
Stoffplan der Vorlesung ............................................................................................................. 7
Gliederung der Vorlesung .......................................................................................................... 8
Funktionelle Gruppen (FG)...................................................................................................... 13
Wichtige funktionelle Gruppen und Verbindungsklassen ................................................... 13
Alkohole ................................................................................................................................... 15
Nomenklatur und Eigenschaften von Alkoholen ................................................................. 16
Übersicht .......................................................................................................................... 16
Gesättigte aliphatische Alkohole...................................................................................... 17
Physikalische und physiologische Eigenschaften ............................................................ 17
Verwendung von Alkoholen ................................................................................................ 18
Kulturgeschichte des Alkohols......................................................................................... 18
Industrielle Synthese von Methanol und Ethanol ................................................................ 19
Laborsynthese von Alkoholen.............................................................................................. 20
Reaktionen von Alkoholen................................................................................................... 21
Ether ......................................................................................................................................... 23
Nomenklatur und Eigenschaften von Ethern ....................................................................... 23
Verwendung von Ethern....................................................................................................... 24
Technische Synthesen .......................................................................................................... 24
Laborsynthese....................................................................................................................... 25
Reaktionen von Ethern ......................................................................................................... 25
Carbonsäuren............................................................................................................................ 26
Nomenklatur, Vorkommen und Eigenschaften von Carbonsäuren...................................... 26
Namen ausgewählter Carbonsäuren ................................................................................. 27
Trivialnamen und natürliches Vorkommen einiger Carbonsäuren .................................. 28
Aciditätskonstanten einiger Carbonsäuren....................................................................... 28
Technische Synthesen .......................................................................................................... 28
Laborsynthesen..................................................................................................................... 29
Reaktionen von Carbonsäuren ............................................................................................. 31
Derivate von Carbonsäuren.................................................................................................. 34
Ester.......................................................................................................................................... 36
Eigenschaften und Verwendung von Estern ........................................................................ 36
Siedepunkte ausgewählter Ester....................................................................................... 37
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 4
Reaktionen............................................................................................................................ 37
Derivate der Kohlensäure......................................................................................................... 40
Derivate des Harnstoffs ............................................................................................................ 41
Orthoester ................................................................................................................................. 42
Aldehyde und Ketone............................................................................................................... 43
Nomenklatur und Eigenschaften von Aldehyden und Ketonen ........................................... 43
Namen und physikalische Eigenschaften ausgewählter Aldehyde .................................. 44
Namen und physikalische Eigenschaften ausgewählter Ketone ...................................... 45
Siedepunkte von Verbindungen vergleichbarer Molekülgröße und unterschiedlicher
Polarität ............................................................................................................................ 46
Synthesen ............................................................................................................................. 46
Reaktionen............................................................................................................................ 47
Oligomerisation/Polymerisation von Aldehyden ............................................................. 47
Keto-Enol-Tautomerie ..................................................................................................... 47
α-Halogenierung .............................................................................................................. 50
Reaktionen mit Nucleophilen........................................................................................... 51
Oxidation und Reduktion von Aldehyden und Ketonen .................................................. 59
Amine ....................................................................................................................................... 63
Nomenklatur, Vorkommen und Eigenschaften von Aminen ............................................... 63
Namen und physikalische Eigenschaften ausgewählter aliphatischer Amine ................. 64
Namen und physikalische Eigenschaften ausgewählter aromatischer Amine (Aniline).. 65
Struktur und Pyramidale Inversion von Aminen.................................................................. 66
Physikalische Eigenschaften von Aminen ........................................................................... 67
Basizität von Aminen ........................................................................................................... 67
Darstellung von Aminen ...................................................................................................... 67
Reaktionen von Aminen....................................................................................................... 70
Phenole ..................................................................................................................................... 76
Nomenklatur und Eigenschaften von Phenolen ................................................................... 76
Darstellung von Phenolen .................................................................................................... 79
Reaktionen von Phenolen..................................................................................................... 82
Chinone .................................................................................................................................... 83
Darstellung von Chinonen.................................................................................................... 84
Redoxreaktionen von Chinonen und Hydrochinonen .......................................................... 85
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 5
Der Bombardierkäfer im Internet......................................................................................... 86
Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK)........................................................... 88
Polycyclische benzoide Arene ............................................................................................. 88
Vorkommen und Gewinnung ............................................................................................... 92
Reaktionen............................................................................................................................ 92
Heterocyclen............................................................................................................................. 96
Hetarene ............................................................................................................................... 97
Pyridin ............................................................................................................................ 100
Pyrrol, Furan, Thiophen ................................................................................................. 103
Synthesen ....................................................................................................................... 106
Aliphatische Heterocyclen ................................................................................................. 108
Kohlenhydrate ........................................................................................................................ 110
Fischer-Projektion .............................................................................................................. 111
Monosaccharide ................................................................................................................. 112
Aldosen und Ketosen ..................................................................................................... 112
Cyclische Halbacetale, Anomere ................................................................................... 116
Oxidation und Reduktion von Monosacchariden........................................................... 120
Acetalbildung, Glykoside............................................................................................... 121
Disaccharide ....................................................................................................................... 122
Cyclodextrine ..................................................................................................................... 125
Polysaccharide.................................................................................................................... 127
Nucleoside, Nucleotide, Nucleinsäuren ................................................................................. 131
Nucleoside und Nucleotide ................................................................................................ 132
Nucleinsäuren, Polynucleotide........................................................................................... 135
Genetischer Code ........................................................................................................... 139
Gene ............................................................................................................................... 141
Aminosäuren und Proteine ..................................................................................................... 142
Struktur und Eigenschaften von α-Aminosäuren............................................................... 142
Proteinaminosäuren............................................................................................................ 144
Trennung von Aminosäuren........................................................................................... 148
Nachweis von Aminosäuren........................................................................................... 148
Synthese von α-Aminosäuren ............................................................................................ 149
Proteine und Peptide........................................................................................................... 150
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 6
Peptide............................................................................................................................ 150
Proteine........................................................................................................................... 154
Lipide ..................................................................................................................................... 159
Fettsäuren ........................................................................................................................... 159
Tenside und Detergentien................................................................................................... 160
Prostaglandine ........................................................................................................................ 163
Terpene................................................................................................................................... 165
Beispiele für Monoterpene ................................................................................................. 166
Diterpene ............................................................................................................................ 171
Tetraterpene........................................................................................................................ 172
Polyisoprene ....................................................................................................................... 173
Steroide................................................................................................................................... 175
Alkaloide ................................................................................................................................ 179
Polyketide............................................................................................................................... 184
Farbstoffe ............................................................................................................................... 186
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 7
Stoffplan der Vorlesung 1.) Funktionelle Gruppen
2.) Alkohole
3.) Ether
4.) Schwefelverbindungen
5.) Carbonsäuren und Carbonsäurederivate
6.) Aldehyde und Ketone
7.) Amine
8.) Phenole, Phenolether, Chinone
9.) Mehrkernige Aromaten
10.) Heterocyclen
11.) Kohlenhydrate
12.) Nucleinsäuren
13.) Aminosäuren, Peptide, Proteine
14.) Lipide, Wachse, Fette, Seifen, Tenside
15.) Prostaglandine
16.) Terpene, Steroide
17.) Alkaloide
18.) Polyketide
19.) Farbstoffe
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 8
Gliederung der Vorlesung 1.) Funktionelle Gruppen (FG)
Stoffklasse - charakteristische Struktureinheit - funktionelle Gruppe
Namen der Stoffklasse und der FG
Beispiele. Mono-, di-, polyfunktionelle Verbindungen
2.) Alkohole
Beispiele für primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole. Nomenklatur. Struktur. Mono-
, Di- und Polyole. Physikalische Eigenschaften. Polarität, Acidität und Basizität,
Dipol-Assoziation, H-Brücken. Schmelz- und Siedepunkte. Verwendung
Industrielle Synthese von Methanol und Ethanol, alkoholische Gärung,
Laborsynthesen, Reaktionen: Substitution der OH-Gruppe, Dehydratisierung zu
Alkenen und Ethern
Darstellung von Glykolen
3.) Ether
Wichtige Beispiele, Nomenklatur, Struktur, physikal. Eigenschaften, Verwendung
Technische und Laborsynthesen, Reaktionen
4.) Schwefelverbindungen
Alkanthiole (Mercaptane) und Dialkylsulfide (Thioether) als Derivate des
Schwefelwasserstoffs. Vorkommen, Alliin und Allicin als Bestandteile des
Knoblauchs, physikalische Eigenschaften, Darstellung, Reaktionen. Oxidation von
Thiolen und Sulfiden. Sulfonsäuren, DMSO als Lösungsmittel, Sulfone
5.) Carbonsäuren und Carbonsäurederivate
Carbonsäuren: Beispiele, Nomenklatur, Struktur, physikal. Eigenschaften, Acidität,
technische Synthese von Ameisen-, Essig- und Propionsäure,
Laborsynthesen, Oxidation von prim. Alkoholen und Aldehyden, aus Grignard-
Verbindungen, Hydrolyse von Nitrilen, Hydrolyse von Carbonsäurederivaten,
Oxidation von Alkenen und von Alkylaromaten
Reaktionen, Decarboxylierung, Reduktion, α-Halogenierung, Substitution der OH-
Gruppe, saure Veresterung
Carbonsäureester, -amide, -halogenide, -anhydride: Darstellung und Reaktionen
Ester: Eigenschaften und Verwendung, alkalische Esterhydrolyse (Verseifung),
Claisen-Kondensation, β-Ketoester, Dieckmann-Kondensation. Alkylierung von
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 9
Malonester
Derivate der Kohlensäure: Phosgen, Kohlensäureester, Harnstoff, Carbamidsäureester
(Urethane), Polyurethane, Orthoester
6.) Aldehyde und Ketone
Beispiele, Nomenklatur, Struktur, physikalische Eigenschaften
Darstellung, Oxidation von Alkoholen, Reduktion von Carbonsäurederivaten,
Ozonolyse von Alkenen
Keto-Enol-Tautomerie, 1,3-Diketone, Bestimmung des Enolisierungsgrades, α-
Halogenierung, Haloformreaktion von Methylketonen
Reaktionen mit Nucleophilen, Säurekatalyse, Hydratisierung, Acetal-/Ketalbildung,
Schutzgruppenfunktion der Acetale/Ketale, Addition von Hydrogensulfit, Addition
von HCN, Synthese von α-Hydroxy- und α-Aminocarbonsäuren, Reaktionen mit
Ammoniak und primären Aminen (Aminale), Reaktionen mit Hydrazin und
Hydroxylamin (Hydrazone, Azine, Oxime), Reaktion mit sek. Aminen (Enamine),
Reaktion mit Grignard-Verbindungen, Wittig-Reaktion, McMurry-Reaktion, Aldol-
Reaktion, Knoevenagel-Reaktion, Perkin-Reaktion, Mannich-Reaktion, α,β-
ungesättigte Carbonylverbindungen, Michael-Reaktion, Cannizzaro-Reaktion,
Clemmensen- und Wolff-Kishner-Reduktion, Baeyer-Villiger-Oxidation von Ketonen
zu Estern
7.) Amine
Primäre, sekundäre und tertiäre Amine als Derivate des Ammoniaks, Beispiele,
Nomenklatur, Struktur, pyramidale Inversion, chirale Amine
Physikalische Eigenschaften. Siedepunkte, Basizität von prim., sek. und tert. Aminen
Darstellung, Alkylierung von Ammoniak, Gabriel-Synthese prim. Amine, Reduktion
von Nitroverbindungen, Nitrilen, Amiden und Iminen, reduktive Alkylierung von
Ammoniak und Aminen (Leuckart-Wallach-Reaktion), aus Carbonsäurederivaten,
Hofmann-, Curtius-, Schmidt-Abbau
Reaktionen. Darstellung von Amiden und Sulfonamiden, Reaktion mit salpetriger
Säure: prim., sek., tert. Amine, Eigenschaften von Diazonium-Verbindungen,
Oxidation von Aminen, Cope-Reaktion, Hofmann-Abbau quartärer
Ammoniumhydroxide, Diazotierung aromat. Amine, Azokupplung, Sandmeyer-
Reaktion, Schiemann-Reaktion
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 10
8.) Phenole, Phenolether, Chinone
Phenole, Beispiele, Nomenklatur, Eigenschaften, Verwendung, Acidität, Darstellung.
Nucleophile aromatische Substitution, Eigenschaften von Dehydrobenzol, Hocksche
Phenolsynthese. Reaktionen, Williamsonsche Ethersynthese, Reimer-Tiemann-
Reaktion, Phenol-Formaldehyd-Harze
Chinone, Beispiele, Nomenklatur, Darstellung, Redoxreaktionen
9.) Mehrkernige Aromaten
Benzoide und nichtbenzoide Arene, Beispiele, Nomenklatur
Acene, Beispiele, Eigenschaften, Struktur, Mesomerieenergie, lineare und angulare
Anellierung, Reaktionen, elektrophile Substitution am Naphthalin, Oxidation und
Reduktion von Naphthalin, Darstellung von Anthracen, Diels-Alder-Reaktion von
Anthracen, Darstellung von Triptycen
10.) Heterocyclen
Carbocyclen, Isocyclen, Heterocyclen
Aromatische Heterocyclen (Hetarene), Furan, Pyrrol, Thiophen, Pyridin, Azine, Indol,
Carbazol, Chinolin, Acridin. Vorkommen, Verwendung, Eigenschaften
Pyridin, Basizität, Nucleophilie, elektrophile Substitution, nucleophile Substitution,
Oxidation, Reduktion
Furan, Pyrrol, Thiophen, Reaktion mit Säuren, elektrophile Substitution, Reduktion
(Hydrierung), Oxidation von Thiophen, Diels-Alder-Reaktionen, Darstellung
Aliphatische Heterocyclen, Beispiele, Darstellung von Drei- und
Vierringverbindungen
11.) Kohlenhydrate
Vorkommen und Bedeutung, Photosynthese
Aldosen und Ketosen, Polyhydroxy-aldehyde und -ketone
Fischer-Projektion, D,L-System bei Verbindungen mit mehreren Chiralitätszentren
Monosaccharide CnH2nOn mit n = 3 - 7, D-Aldosen, D-Ketosen, Bedeutung der D-
Glucose
Cyclische Halbacetale, Furanosen und Pyranosen, Haworth-Projektion, α- und
β−Form (Anomere), Mutarotation der Glucose und der Fructose
Reaktionen, Fehlingsche Probe, Unterscheidung von reduzierenden und
nichtreduzierenden Zuckern, Oxidation und Reduktion von Glucose, Acetalbildung,
Glykoside, Synthese von Ascorbinsäure (Vitamin C)
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 11
Disaccharide, Saccharose, Rohrzuckerinversion, Lactose, Maltose, Cellobiose
Oligosaccharide, Cyclodextrine
Polysaccharide, Cellulose, Stärke, Amylose, Amylopektin, Glykogen, Inulin
12.) Nucleinsäuren
Vorkommen, Bedeutung, Träger der genetischen Information, Eigenschaften
Nucleosid, Nucleotid, Polynucleotid, β-D-Ribose, β-D-Desoxyribose, Pyrimidin- und
Purin-Basen, Adenosin-mono-, -di- und -triphosphat (AMP, ADP, ATP),
Primärstruktur von RNA und DNA, Sekudärstruktur von DNA, Doppelhelix,
Basenpaarung, H-Brücken, Genetischer Code, Proteinbiosynthese
13.) Aminosäuren, Peptide, Proteine
Struktur und Eigenschaften von α-Aminosäuren, anionische, zwitterionische,
kationische Form, isoelektrischer Punkt, proteinogene Aminosäuren, essentielle
Aminosäuren, Trennung von Aminosäure-Gemischen, Ninhydrin-Reaktion,
Komplexbildung mit Cu(II)ionen
Synthese von α-Aminosäuren, Racematspaltung
Peptide und Proteine als Kondensations-Oligomere und -Polymere von α-
Aminosäuren, Sequenzanalyse von Peptiden, Synthese von Peptiden,
Schutzgruppentechnik, Merrifield-Synthese
Sekundärstruktur von Proteinen, β-Faltblatt, α-Helix, Disulfidbrücken
14.) Lipide, Wachse, Fette, Seifen, Tenside
Fettsäuren, Beispiele, gesättigte und ungesättigte, Eigenschaften, Biogenese aus
Acetyl-Coenzym A, Ester der Fettsäuren, Fettalkohole, Verseifung von Fetten, Seifen,
Olestra (Fettsäurepolyester der Saccharose)
Tenside, Grenzflächenaktivität von Tensiden, Oberflächenspannung des Wassers,
Detergentien, anionische, kationische, amphotere, nichtionische Tenside, Bildung von
Micellen und Vesikeln
15.) Prostaglandine
Vorkommen, Eigenschaften, Verwendung, Biogenese, Beispiele, Nomenklatur
16.) Terpene und Steroide
Terpene, fette und etherische Öle, Vorkommen und Verwendung von Terpenen,
Isoprenregel, Biogenese, Mevalonsäure, Monoterpene, Beispiele, Stereoisomere des
Menthols, Diterpene, Retinol (Vitamin A), cis/trans-Isomerie von Retinal
(Sehvorgang), Tetraterpene, Beispiele, Polyisoprene, Kautschuk, Guttapercha
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 12
Steroide, Bildung von Lanosterol aus Squalenoxid, Cholesterol, Verknüpfung der vier
Ringe, Stereoisomere des Sterans, Beispiele, Sterole und Sterone, Sexualhormone,
anabole Steroide
17.) Alkaloide
Vorkommen, Eigenschaften, Verwendung, Biogenese von Morphin, Beispiele,
Isochinolin-Alkaloide, Purin-Alkaloide, Chinolin-Alkaloide, LSD u.a.
18.) Polyketide
Beispiele, Tetracycline
19.) Farbstoffe
Lichtabsorption und Farbe, natürliche Farbstoffe, Anthocyane, Carotenoide, Chinone,
Melamine, Porphyrine, Indigo
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 13
Funktionelle Gruppen (FG) • enthalten häufig Heteroatome (≠ C, H)
wichtige Heteroatome sind O, N, S, P, Hal, ....
• prägen die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Verbindungen
Nach ihnen werden deshalb die Stoffklassen der organischen Chemie unterschieden.
Monofunktionelle difunktionelle polyfunktionelle Verbindungen
z.B. Alkohole Aminosäuren Zucker
Wichtige funktionelle Gruppen und Verbindungsklassen
Funktionelle Gruppe Name Verbindungsklasse
C H
Alkyl- Alkane
>C=C< Alkenyl- Alkene -C≡C- Alkinyl- Alkine
Aryl- Arene
-Hal Halogen- Halogenkohlenwasserstoffe
-OH Hydroxy- Alkohole, Phenole
-OR Alkoxy- Ether
-SH Thiol- / Mercapto- Thiole, Mercaptane
-SR Alkylthio- Sulfide, Thioether
-S-S-R Disulfanyl- Disulfide
-SO3H Sulfo- Sulfonsäuren
-NH2 Amino- Amine
-N=N- Diazenyl- Azoverbindungen
-NO2 Nitro- Nitroverbindungen
-N=C=O Isocyanato- Isocyanate
>C=O Carbonyl- Aldehyde, Ketone, .....
>C=S Thiocarbonyl- Thioaldehyde, Thioketone
>C=NH Imino- Imine, Schiffsche Basen
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 14
-CO-OH Carboxy- Carbonsäuren
-CO-OR Alkoxycarbonyl- Carbonsäureester
-CO-SR Thioalkoxycarbonyl- Thioester
-CO-NR2 Aminocarbonyl- Amide
-C≡N Cyan-, Nitril- Nitrile
-MgCl Chloromagnesio- Grignard-Verbindungen
-SiR3 Silanyl-, Silyl- Silane
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 15
Alkohole Charakteristisches Strukturelement:
C OH
143 pm
92 pm107°
Allgemeine Formel: CnH2n+1OH
IUPAC Name für gesättigte aliphatische Alkohole: Alkanol
Alhohole, R-OH, sind Derivate des Wassers.
Die polare OH-Gruppe macht Alkohole hydrophil. Sie mischen sich mit Wasser, und lösen
andere polare Verbindungen. Die Hydrophilität des Alkohols nimmt mit wachsender Länge
der Kohlenwasserstoffkette ab.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 16
Nomenklatur und Eigenschaften von Alkoholen
Übersicht
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 17
Gesättigte aliphatische Alkohole
Physikalische und physiologische Eigenschaften
Die niederen Alkohole sind Flüssigkeiten mit charakteristischem Geruch und Geschmack.
Ihre Eigenschaften lassen sich aus der Verwandtschaft mit dem Wasser herleiten.
Sie besitzen einen relativ hohen Siedepunkt. Sie sind in Wasser gut löslich.
Dipol-Dipol-Assoziation
Ausbildung von Wasserstoffbrücken
H OR
H OR
H OR
Acidität und Basizität der Alkohole entsprechen ungefähr dem Wasser.
Alkohole sind gesundheitsschädlich und teilweise äußerst giftig. 25 Gramm Methanol sind
schon lebensgefährlich; geringere Mengen führen zur Erblindung.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 18
Die Schmelzpunkte der n-Alkanole bis 1-Octanol sind niedriger als derjenige des Wassers.
Beim Propanol liegt ein Minimum.
Mit der Kettenlänge von R
steigt der Siedepunkt an. Siedepunkte von primären Alkoholen ~ Kettenlänge
nimmt
die Dipolassiziation ab
die Tendenz zur Ausbildung von Wasserstoffbrücken ab
die Löslichkeit in Wasser ab
die van der Waals-Wechselwirkung zu
Verwendung von Alkoholen
Alkohole werden in der chemischen Industrie, als Lösungsmittel und als Frostschutzmittel
eingesetzt.
Alkohole sind wichtige Lösungsmittel und Synthesereagenzien
Lösungsmittel: denaturierter (vergällter) Alkohol. Ethanol mit Zusätzen wie Pyridin (Brennspiritus),
Etylmethylketon (MEK), Benzin o.a.
Alkohole sind polare, protische Lösungsmittel.
Genussmittel: Alkoholische Getränke wie Sekt, Wein, Bier, Branntwein, Spirituosen enthalten bis zu 80 %
Ethanol.
In Deutschland sterben jährlich etwa 16.000 Personen durch Alkohol-Missbrauch.
Kulturgeschichte des Alkohols
Die ersten Völker, die gezielt alkoholische Getränke herstellten, waren die Ägypter und
Sumerer. Sie produzierten Bier, später auch Wein. Im Mittelalter wurde die Destillation
erfunden, dadurch war es möglich, den Spiritus vini (Geist des Weines) aus Wein zu
herzustellen.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 19
Industrielle Synthese von Methanol und Ethanol
CH3 OH
CH CH CH3 CO
HCH3 CH2 OH
CH2 CH2 CH3 CH2 OH
CO + 2 H2
Cu/ZnO/Cr2O3
Hitze/DruckSynthesegas
H2OHgSO4
Ethin
+
Acetaldehyd
H2/Ni
Methanol
Ethanol
H2O+300 °C
H3PO4/Kieselgel
Ethen
Methanol: In Deutschland lag die Produktion im Jahre 2000 bei 1.93 Mio. t.
Ethanol: In der BRD wurden 1990 104000 t synthetisches Ethanol hergestellt.
Alkoholische Gärung, "Weingeist", spiritus vini, aus Zucker (Glucose, Stärke nach
enzymatischem Abbau)
C6H12O6
Hefe2 C2H5OH + 2 CO2 schwach exotherme Reaktion
anaerob
C6H12O6Hefe
6 CO2aerob
+ 6 H2O
Die alkoholische Gärung erfolgt nur unter anaeroben Bedingungen.
stark exotherme Reaktion
Weltweit werden etwa 12.6 Mio. jato (1994) Ethanol aus Agrarprodukten wie Melasse,
Rohrzucker, Zuckerrüben, Trauben, Beeren, Kartoffeln, Reis, Mais usw. oder aus Produkten
der Holzverzuckerung und aus Sulfitablaugen (sog. Laugenbranntwein) durch Fermentation
erzeugt.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 20
Laborsynthese von Alkoholen
1.) Hydratisierung von Alkenen
CH3 CHCH3
OHH3C-CH=CH2 + H2 O
Markownikow-Regel
3 R-CH=CH2 + BH3 (R-CH2-CH2)3B 3 R-CH2-CH2-OHH2O2
Hydroborierung Oxidation
H+
elektrophile Addition
2.) Hydrolyse von Alkylhalogeniden
R-X + H2O R-OH + HX nucleophile Substitution
3.) Reduktion von Aldehyden und Ketonen
R CH=O R CH2-OH
R2C=O
NaBH4
oder H2/Ni R2CH-OH
4.) Aus Carbonylverbindungen und Grignard-Verbindungen
R CH=O R CH
R'
O MgX R CH
R'
O H
R C
R'
O MgX
R
R C
R'
O H
R
+ R'-MgXH2O
R'-X + Mg
Ether
R2C=O + R'-MgXH2O
Umpolung: R-X → R-MgX
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 21
Reaktionen von Alkoholen
Versuche: Mischbarkeit mit Wasser, Reaktion mit Na
1.) mit Säuren und Basen
R O+H
H
R O
R-OH + H+ Alkyloxonium-Ion
R-OH + Na Na(+) + 1/2 H2
NatriumalkoholatNatriumalkoxid
Reaktive Alkali-Metalle (z.B. K) nicht mit MeOH sondern mit t-BuOH vernichten!
2.) mit Halogenwasserstoff
R O+H
HR-OH + HX X- R-X + H2 O
Alkyloxonium-Ion nucleophile Substitution: SN1, SN2
3.) Dehydratisierung
OHH O+
H HH
C+
H
ORH XH
H(+) - H2O
ROH/- H(+)
Ether
- H(+)
Alken
X(-)
SN1 E1 SN1
evtl. Umlagerungin ein anderesCarbeniumion undBildung weitererProdukte
4.) Reaktion mit Thionylchlorid SOCl2
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 22
R OS O
Cl
R-OH + SOCl2
Alkylchlorsulfit
- HClR-Cl + SO2
Ionenpaarmechanismus, kann als SNi-Mechanismus ablaufen, Erhaltung der Konfiguration
5.) Veresterung mit Schwefelsäure
R O SO3HR-OH + HO-SO3H
Alkylhydrogensulfat- H2O- H2OR-OH (RO)2SO2
Dialkylsulfat
6.) Oxidation
CH2 OHR R CO
HR C
O
OH
CH OHR
RC O
R
RC O
R
OR
Ox. Ox.
Aldehyd Carbonsäureprim. Alkohol
Ox. z.B. Na2Cr2O7/H2SO4 ("Chromsäure"), MnO2, Ca(OCl)2 o.a.
sek. Alkohol
Ox.
Keton
spez. Ox.
Ester
7.) Darstellung von zweiwertigen Alkoholen, 1,2-Diolen, Glykolen
Hydroxylierung von Alkenen
cis-, trans-1,2-Diole: siehe Vorlesung OCI
Dreiwertige Alkohole, Triole
wichtigstes Triol: 1,2,3-Propantriol, Glycerin
in Fetten und Ölen: siehe Kap. 14.
Aromatische Alkohole
Phenole Ar-OH: siehe Kap. 11.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 23
Ether Charakteristisches Strukturelement:
C O
C
143 pm
112°
Allgemeine Formel: CnH2n+2O
R1−O−R2: R1 = R2 symmetrische oder einfache Ether
R1 ≠ R2 unsymmetrische oder gemischte Ether.
Nomenklatur und Eigenschaften von Ethern
Verbindung Name Schme1zpunkt
°C
Siedepunkt
°C
CH3OCH3 Dimethylether 138.5 –23
CH3OCH2CH3 Ethylmethylether 10.8
CH3OC(CH3)3 Methyl-t-butylether (MTBE)*) –109 55
(CH3CH2)2O Diethylether –116.6 34.5
CH3CH2OCH2CH2CH3 Ethylpropylether –79 63.6
(CH3CH2CH2)2O Dipropylether –122 91
[(CH3)2CH]2O Diisopropylether –86 68
(CH3CH2CH2CH2)2O Dibutylether –95 142
*) IUPAC-Name: tert-Butylmethylether
Kompliziertere Ether werden häufig als Alkoxyalkane bezeichnet. Z. B.
O
OO
2-Methyl-1-propoxy-butane
2-Methoxy-1-propoxypropane
Vergleich der Siedepunkte von Wasser, Ethanol und Diethylether
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 24
H2O C2H5OH C2H5OC2H5
Sdp. / °C 100 78 34.5
Die Sdp. der Ether liegen immer erheblich tiefer als die der entsprechenden Alkohole.
Verwendung von Ethern
Ether sind Derivate des Wassers. Sie besitzen jedoch keine OH-Gruppe, können also keine
Wasserstoffbrücken ausbilden. Sie reagieren neutral und sind in Wasser nicht oder nur wenig
löslich.
Ether sind polare, aprotische Lösungsmittel.
Ether sind gegenüber Alkalimetallen inert und lassen sich mit Natrium-Draht trocknen.
Die meisten organischen Verbindungen sind in Ether löslich.
Versuch: "Ausethern", Extraktion von Substanzen aus wässriger Lösung mit Ether.
Diethylether ("Äther") besitzt einen angenehm süßlichen Geruch.
Der Arzt Crawford Williamson Long verwendete am 30. März 1842 zum erstenmal
Diethylether als Anästetikum ("Äthernarkose").
Hoffmannstropfen (Hausmittel gegen Unwohlsein): Ether+Ethanol (3 : 1)
Me-O-tBu (MTBE) und Et-O-tBu im Benzin (bleifrei), erhöht die Oktanzahl
Technische Synthesen
1.) Intermolekulare Dehydratisierung von Alkoholen
R OH140 °C
R2O + H2OH2SO4
2.) Addition von Alkoholen an Alkene
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 25
R OH CH2 CMe2RO CMe3
200 °C
Al2O3
+
Isobuten
R= CH3 : MTBE
Laborsynthese
Williamson-Synthese (1850)
R1-O(-)Na(+) + X-R2 R1-O-R2 + NaX nucleophile Substitution SN1 oder SN2X = Cl, Br, I
am reaktivsten sind tert. Alkyliodide
Reaktionen von Ethern
1.) Peroxidbildung
Ether mit α-H-Atomen bilden mit Luftsauerstoff explosive Peroxide. Testen mit KI-Papier
(Peroxid-Teststreifen). Reduktiv beseitigen.
Me CHOOH
O Et
OO O
O
Me
Me
O2Me-CH2-O-Et Hydroperoxid
nx - n EtOH
1/2 n
Kondensation
Versuch: Nachweis von Peroxiden
2.) Etherspaltung
RO
R' RO
+
R'
H
X(-) muss ein gutes Nucleophil sein.
+ HX X(-)
Dialkyloxonium-Salz
R-X + R'-OH
HX
R'-X + H2 O Günstig für gezielte Etherspaltung: HBr, HI.
Hohe Acidität der Säure, hohe Nucleophilie der korresponiderenden Base X(-).
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 26
Carbonsäuren Charakteristisches Strukturelement:
R C
O
O H
121 pm
135 pm
96 pm
Allgemeine Formel für R = H oder Alkyl: CnH2n+1CO2H
IUPAC-Name: Alkansäure
Nomenklatur, Vorkommen und Eigenschaften von Carbonsäuren
Sehr viele Carbonsäuren kommen in der Natur vor. Für sie und ihre Salze sind Trivialnamen
gebräuchlich!
Höhere Carbonsäuren (Fettsäuren) kommen in Ölen, Wachsen und Fetten vor.
Die Carbonsäuren mit einem bis drei Kohlenstoffatomen besitzen einen stechenden Geruch.
Diejenigen mit vier bis neun C-Atomen riechen ranzig bis schweißartig.
Die Siedepunkte liegen relativ hoch. Carbonsäuren sind im flüssigen und festen Zustand über
Wasserstoffbrücken assoziiert. In der Gasphasen können Wasserstoffbrücken-Dimere
vorliegen.
R CO
O RCO
OH
H
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 28
Trivialnamen und natürliches Vorkommen einiger Carbonsäuren
Aciditätskonstanten einiger Carbonsäuren
Carbonsäure Name pKa-Wert
H−CO2H Ameisensäure 3.75
CH3−CO2H Essigsäure 4.75
FCH2−CO2H Fluoressigsäure 2.59
ClCH2−CO2H Chloressigsäure 2.85
Cl2CH−CO2H Dichloressigsäure 1.48
Cl3C−CO2H Trichloressigsäure 0.70
BrCH2−CO2H Bromessigsäure 2.90
ICH2−CO2H Iodessigsäure 3.17
NC−CH2−CO2H Cyanessigsäure 2.45
C6H5−CH2−CO2H Phenylessigsäure 4.28
H2N−CH2−CO2H Aminoessigsäure (Gycin) 9.78
CH3−CH2−CO2H Propionsäure 4.87
C6H5−CO2H Benzoesäure 4.19
Elektronenacceptor-Substituenten erhöhen die Acidität.
Elektronendonor-Substituenten erniedrigen die Acidität.
Versuch: Acidität von Carbonsäuren
Technische Synthesen
Ameisensäure
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 29
NaOH + CO HCO2-Na+ HCO2H
H3O+100 °C
8 barNatriumformiatNatronlauge
Analog lassen sich auch höhere Carbonsäuren gewinnen:
NaOR + CO RCO2-Na+ RCO2H
H3O+100 °C
8 barNatriumcarboxylatNatriumalkoholat
Essigsäure
Monsanto-Verfahren: Carbonylierung von Methanol
CH3OH + CO CH3CO2HRh
I-Methanol Enzymatische Oxidation, Weinessig
C2H5OH + O2 CH3CO2H + H2OEthanol
Acetobacteroder andereEssigsäurebakterien
Propionsäure
CH2 CH2 + CO + H2O CH3CH2CO2HNi(CO)4
250 °C/150 barEthen
Laborsynthesen
1.) Oxidation von primären Alkoholen oder Aldehyden
R-CH2OH RCH=O RCO2HOx. Ox.
2.) Aus Grignard-Verbindungen
R X R Mg X R CO2
R CO2H
+ MgEther
δ+ δ− δ− δ+
"Umpolung" von R
CO2 - Mg2+X-
H2O
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 30
3.) Hydrolyse von Nitrilen (Cyaniden)
R X R CN R CO
NH2
R CO2H
R CO2
+ CN-H2O/H3O+
H2O
Carbonsäureamid
+ NH3
bzw.- NH4
+Ammoniumcarboxylat
Die Reaktion ist umkehrbar! Darstellung von Amiden und Nitrilen.
4.) Hydrolyse von Carbonsäure-Derivaten
R CO
XR C
O
OH+ H2O + HX
X: OR' NH2 Hal O-CO-R Ester Amid Acylhahogenid Anhydrid
5.) Oxidation von Alkenen
CO2H
CO2H
KMnO4
Cyclohexen Hexandisäure (Adipinsäure)
6.) Oxidation von Alkylaromaten
CH3
CH3
CO2H
CO2H
KMnO4
Terephthalsäure
p-Xylen
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 31
Reaktionen von Carbonsäuren
1.) Decarboxylierung, Abspaltung der funktionellen Gruppe
RCO2H∆T RH + CO2
erfordert bei unsubstituierten Carbonsäuren hohe Temperaturen. Einfacher, wenn der α-
Kohlenstoff elektronenziehende Substituenten besitzt.
R CH CO2H
X 100 - 150 °CRCH2-X + CO2
X = Hal, NO2, CN, CO2H
2.) Reduktion/Oxidation
Carbonsäuren werden nicht katalytisch hydriert!
R C O
OH
H
R C O
H
H
RCO2H + H-LiAlH4
Ether
LiAlH4+ OH-
H2O
R-CH2-OH primärer Alkohol Versuch: Oxidation von Ameisensäure
HCO2H + 2 Ag+ + 2NH3 CO2 + 2 NH4+ + 2Ag0
3.) Substitution der OH-Gruppe
R CO
OHR C
O
Cl+ SOCl2 + HCl + SO2
PCl3
PCl5
P(OH)3
POCl3
Mit Thionylchlorid entstehen nur gasförmige Nebenprodukte.
Acylhalogenid
Acylhalogenide (Carbonsäurehalogenide) sind sehr reaktive, wichtige Reagenzien,
Acylierungsmittel
4.) Reaktion des Alkylrestes, Hell-Vollhard-Zelinskii-Reaktion (1881)
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 32
Der α-Kohlenstoff ist relativ reaktiv. Es erfolgt ganz überwiegend α-Substitution.
C CO
OHHC C
O
OHBr
Br2
PBr3
+ HBr
Statt PHal3 kann eine katalytische Menge roter Phosphor eingesetzt werden, der sich mit dem
Halogen zum Phosphortrihalogenid umsetzt.
Nucleophile Substitution am sp2-hybridisierten C-Atom. Mehrstufiger Mechanismus, zumeist
Gleichgewichtsreaktionen
Mechanismus
1. Schritt Zunächst wird das Säurehalogenid gebildet.
C CO
OHH
C CO
BrH
PBr3 ++3 3 H3PO3
2. Schritt Keto-Enol-Tautomerie des Säurehalogenids. Freie Carbonsäuren tautomerisieren in der Regel nicht.
C CO
BrH
C COH
Br
H+
3. Schritt Addition von Halogen an das Enol
C COH
BrC C
O
BrBr+ Br2 + HBr
4. Schritt Durch Austausch des Halogens der Acylgruppe wird ein weiteres Carbonsäuremolekül aktiviert.
C CO
BrBr
C CO
OHHC C
O
OHBrC C
O
BrH
+ +
Literatur: T. Laue und A. Plagens, Namen- und Schlagwort-Reaktionen der Organischen Chemie, Teubner Studienbücher Chemie, 3. Aufl., B.G. Teubner, Stuttgart 1999.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 33
5.) Nucleophile Substitution am sp2-hybridisierten Kohlenstoffatom. Mehrstufiger
Mechanismus, zumeist Gleichgewichtsreaktionen.
R CO
OHR C
O
Y+ Y(-) + HO(-)
Allgemeines Reaktionsschema für Carbonsäuren
C CO
OH
RH
Säure
Base
Elektrophil Die α-Protonen sind aktiviert, gilt allgemein für Carbonylverbindungen, sind substituierbar (~
elektrophil)
6.) Saure Veresterung
R CO
OH
R CO
OR'+ HOR' + H2O
H(+)
Gleichgewichtsreaktion. Protonen/Säure-Katalyse. Abspaltung von H2O. Mechanismus?
Mehrstufig. Woher stammt das Sauerstoffatom im H2O? Diese Frage wurde durch
Isotopenmarkierung beantwortet.
R CO
O R'R C
O
O HH O R'+ H2O +
O = 18O
Esterhydrolyse
Bei der Esterhydrolyse wird die Bindung zwischen dem Alkoxy-O-Atom und der Acyl-
Gruppe gespalten. Bei der Veresterung der Carbonsäure stammt das O-Atom des gebildeten
Wassers also aus der Carbonsäure.
Allgemein bei Esterhydrolyse: O-Acyl-Spaltung. Selten: O-Alkyl-Spaltung
R CO
O R' O-Alkylspaltung erfolgt nur,wenn R'(+) ein stabiles Carbenium-Ionist.
O-Acylspaltung: Normalfall
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 34
Wichtiger Mechanismus!
R CO
O HR C
O+
O H
HR C
O
O+
H
H
R C
OH
OH
O+
R'H
R C
OH
OH
OR'
R C
O+
OH
OR'
HH
R CO
+
O R'
HR C
O
O+
R'
H
R CO
O R'
+ H(+)
Durch die Protonierung wird die Carbonylgruppefür einen nucleophilen Angriff aktiviert. + R'OH
- H(+)
+ H(+)
- H(+)+ H(+)
- H(+)
- R'OH
- H2O+ H2O
+ H(+)
- H(+)
Versuch:
Die Protonierung der Carbonsäure kann unterschiedlich erfolgen:
R CO
O HR C
O+
O H
HR C
O
O+
HH
R C O+
+ H(+) oder- H2O Acylium-Ion
stabil bei R = Ar
Derivate von Carbonsäuren
Wichtige Beispiele:
R CO
X
X = OR' Carbonsäureester NR'2 Carbonsäureamide Hal Carbonsäurehalogenide O-CO-R' Carbonsäureanhydride
Darstellung (formal!) durch nucleophile Substitution
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 35
R CO
OHR C
O
X
+ HX + H2O
Die direkte Umsetzung gelingt nicht immer. Die Carbonsäure ist nicht reaktiv genug.
Protonenkatalyse (vgl. Veresterung): Nucleophil wird protoniert. Das Nucleophil muss
acyliert werden.
Gute Acylierungsmittel sind Acylhalogenide
R CO
HalR C
O
X
+ HX + HHal
Beispiele:
+ H2O → R-CO2H Carbonsäure
+ H2O2 → R-CO3H Peroxysäure
+ HOR' → R-CO2R' Ester
+ NH3 → R-CONH2 primäres Amid
+ H2NR' → R-CO-NHR' sekundäres Amid
+ HNR2' → R-CONR2' tertiäres Amid
Versuch: Acetylchlorid + NH3 bzw. H2O
Diese Reaktionen sind auch bei anderen Carbonsäurederivaten möglich.
Allgemein:
R CO
XR C
O
Y
+ HY + HX
Für diese Reaktionen gilt generell, dass sie einer Säure-Katalyse unterliegen.
Es sind aber auch direkte Umsetzungen mit Nucleophilen möglich.
R CO
XR C
O
Y
+ Y(-) + X(-)
Beispiele sind die Esterverseifung (alkalische Hydrolyse) und die Ammonolyse sowie die
Aminolyse eines Esters.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 36
R CO
OR'R CO2Na
R CO
OR'R C
NH2
O
+ NaOH + R'OHSeife: Alkalisalz einer Fettsäure
+ NH3 + R'OH
Amid Carbonsäureamide sind nicht basisch sondern schwach sauer. Die Protonierung mit einer
starken Säure erfolgt am O-Atom.
R CNH2
OR C
NH2+
O R = H Formamid CH3 Acetamid Ph Benzamid
Ester Charakteristisches Strukturelement:
R C
O
O R'
121 pm
135 pm
143 pm
IUPAC-Name: Alkylalkanoat. Beispiel R = CH3, R' = C2H5: Ethylethanoat (andere Namen:
Essigsäureethylester, Essigester, Ethylacetat)
Eigenschaften und Verwendung von Estern
Einfache Ester sind in der Regel flüssig und haben relativ niedrige Siedepunkte.
Z.B. CH3-CO2C2H5 Sdp. 77° C, Schmp. –84° C.
Sie sind in Wasser nicht löslich.
Verwendung als Lösungsmittel (Lacke). Höhere Ester: Weichmacher für Kunststoffe, z.B.
Phthalester
Ester besitzen einen angenehm fruchtartigen Geruch. Sie sind Aromastoffe und Duftstoffe.
Sie kommen verbreitet in Pflanzen, Blüten und Früchten vor.
Das Aroma reifer Erdbeeren enthält z. B. ca. 100 Substanzen, darunter befinden sich
mehrere Ester. Natürliche Aromen bestehen zumeist aus Gemischen zahlreicher Stoffe.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 37
Beispiel: Kaffeearoma: 600–700 Verbindungen
Birnenaroma: Das aus reifen Birnen erhältliche etherische Öl enthält Alkohole, Ester,
Monoterpene (Pinen, Phellandren, Dipenten), Sesquiterpene (Cadinen, Guajazulen), sowie als
aromabestimmende Bestandteile den Methyl- und Ethylester der trans-2-cis-4-Decadiensäure
(sog. Birnenester) und Hexylacetat.
O
OR'R
R = C5 H11
R' = CH3 oder C2H5
Aroma von Carbonsäureester
Ester Aroma
Ameisensäureethylester Rum
Essigsäure-n-butylester Orange
Essigsäureisobutylester Banane
Buttersäuremethylester Apfel
Buttersäureethylester Ananas
Buttersäureisoamylester Birne
Siedepunkte ausgewählter Ester
Name Sdp. [°] Name Sdp. [°]
Ameisensäuremethylester 32 Essigsäurepropylester 102
Ameisensäureethylester 55 Essigsäurebutylester 127
Essigsäuremethylester 57 Propionsäureethylester 99
Essigsäureethylester 77 Buttersäurebutylester 166
Reaktionen
1.) Alkalische Eserhydrolyse, Verseifung
R CO
OR'R C
O
OR'
OH
R CO
OH+ OH(-) + R'O(-) R-CO2
(-) + R'OH
Die Base OH(-) reagiert als Nucleophil und wird bei der Reaktion verbraucht (≠ saure
Esterhydrolyse). Die Reaktion ist irreversibel. Das Carboxylat-Ion besitzt keine
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 38
Carbonylreaktivität. Die Rückreaktion ist nur im Sauren möglich (saure Veresterung der
Carbonsäure).
Seifen
Alkalisalze der Fettsäuren
Fettsäure, durchweg gerade C-Zahl, Biosynthese aus C2-Einheiten (Acetyl-CoA). Am
wichtigsten C14, C16, C18
Näheres siehe Kapitel "Fette".
2.) Allgemeines Reaktionschema für Ester
C CO
OH
RR'
Säure (H(+))
Base
Nucleophil
Carbonylreaktivität von Carbonyl-Verbindungen gegenüber Nucleophilen
O
R X
O
R Y+ :Y(-) + :X(-)
X : Hal > H > Alkyl > OH > OR' > NR'2 > O(-)
3.) Reaktion mit einer Grignard-Verbindung R'MgX
O
R X
O
R R'R
R'
R'OH
R'MgX 1.) R'MgX
2.) H2O
4.) Claisen-Esterkondensation (1887)
Ludwig Claisen (1851–1930), Prof. für Chemie, Aachen, Kiel, Berlin.
α-CH-Acidität von Carbonylverbindungen
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 39
C
H
CO
XC C
O
XC C
O
X
A:(-)
H-A
Mesomerie-stabilisiertes Anion: Nucleophil! A:(-) starke Base wie NaOEt, NaNH2, NaH
Nucleophile Substitutionsreaktion von R-CO-X mit deprotoniertem Ester als Nucleophil:
C
H
CO
OR'C C
O
OR'
CH
CO
OR'
C CO
OR'CH
C
O
OR'
C CO
OR'CH
C
O
Base
- R'O(-)
ß-Ketoester
(1)
(2)(1) Erzeugung des Nucleophiles
(2) Nucleophile Substitution
Methode zur α-Acylierung von Estern,
einfachster Fall:
O
OC2H5
O
2 CH3 -CO2-C2 H5 NaOR
Essigester
AcetylessigsäureethylesterAcetessigester
5.) Dieckmann-Kondensation (1894)
intramolekularer Kondensation von Diestern
CH2
CH2
OR
OOR
O
n CH2
CH
ORO
On
CH2
CH
OHO
On
CH2
CH2
On
R'O(-)
- R'OH
Hydrolyse ∆T
Decarboxy-lierung
- ROH
Methode zur Synthese von Cycloaliphaten. Besonders geeignet für Fünf- und Sechsringe (n =
3 u. 4).
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 40
6.) Alkylierung von Malonester
ROO
CH2
ROO
ROO
C
ROO
H
ROO
CH
ROO
R'Base
- H(+)(-)
R'X
Malonester 2-Alkylmalonester
1.) Hydrolyse
2.) DecarboxylierungR'-CH2-CO2H
Methode zur Synthese von Carbonsäuren.
Derivate der Kohlensäure OH
COH
O
Kohlensäure ist ziemlich instabil, wurde aber in der Gasphase nachgewiesen. Derivate sind
bekannt Cl
CCl
OCO + Cl2hν
Phosgen = durch Licht erzeugtSonnenlicht
farbloses Gas, Sdp. 8° C, sehr giftig
Mit Wasser erfolgt Hydrolyse, mit anderen Nucleophilen werden stabile Derivate der
Kohlensäure gebildet.
OOR
OR
ONH2
NH2
COCl2 + H2O CO2 + 2 HCl
+ 2 HOR + 2 HCl
+ 2 NH3 + 2 HCl
Kohlensäurester
Carbamid, Harnstoff Harnstoff ist das Diamid der Kohlensäure. Er ist das Endprodukt des Eiweißabbaus bei
Menschen und Säugetieren. Ein erwachsener Mensch produziert ca. 20 g/Tag.
Verwendung als Dünger in der Landwirtschaft.
Erste Synthese durch F. Wöhler (1828) aus Bleicyanat bzw. Ammoniumcyanat:
Pb(OCN)2 + 2NH3 + 2H2O → 2 O=C(NH2)2 + Pb(OH)2
NH4OCN → O=C(NH2)2
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 41
Technische Synthese
CO2 + NH3 O=C(NH2)2 + H2O150 °C
40 bar
Derivate des Harnstoffs
O
NH
NH2 NH2
NH
NH2NH2
O
NH
NH
NH2NH2Semicarbazid
Guanidin
Carbazid
S
Guanidin ist eine starke Base, sehr hygroskopisch, wird zumeist als Nitrat isoliert, kommt in
der Natur vor.
OOH
NH2
OO
NH2CO2 + NH3
NH3
NH4+
Carbamidsäureinstabil
Ammoniumcarbamat
OOR
ClO
OR
NH2NH3
Chlorameisensäure-ester
Carbamidsäurester = Urethan
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 42
O
ONH
R R'
O
NH
OCH2
CH2
O
O
R-N=C=O + H2O R-NH2 + CO2
Alkyl- oderArylisocyanat + HOR' Urethan
R-NH2 + Cl2C=O
- 2 HCl
n O=C=N-(CH2)6-N=C=O + n HO-(CH2)4-OH
Hexamethylendiisocyanat 1,4-Butandiol
4 6 nPolyurethan
Polyaddition
Orthoester
R COR'
OR'OR'
Darstellung formal durch Addition eines Alkohols an einen Ester
R COR'
OR C OR'
OR'
OR'
R C OR'OR'
OR'
R C N R C OR'OR'
OR'
R CCl3
+ 2 HOR'
+ 3 HOR' + 3 HCl
+ 3 HOR' + NH3
+ H2O
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 43
Aldehyde und Ketone Charakteristische Strukturelemente:
R C
O
H
R C
O
R'
121 pm135 pm
107 pm
IUPAC-Namen
Aldehyde R-CH=O: Alkanal. Beispiel R = CH3 Ethanal
R=H, Alkyl, Aryl
Ketone R-CO-R': Alkanon. Beispiel R = CH3, R' = C2H5 Butanon
R, R' = Alkyl, Aryl
Nomenklatur und Eigenschaften von Aldehyden und Ketonen
Aldehyde und Ketone besitzen weitgehend gleiche Eigenschaften.
Unterschiede:
- Aldehyde sind leicht oxidierbar, Ketone sind schwierig zu oxidieren
- Aldehyde sind reaktiver als Ketone bei Reaktionen mit Nucleophilen
Versuche: Fehlingsche Probe, Luftoxidation von Benzaldehyd
Formaldehyd, CH2O, ist ein stechend riechendes, giftiges Gas.
Verwendung als Desinfektions- und Konservierungsmittel
im Rauch: Räuchern, Konservieren
wässrige Lösung: Formalin
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 44
Namen und physikalische Eigenschaften ausgewählter Aldehyde
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 45
Namen und physikalische Eigenschaften ausgewählter Ketone
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 46
Siedepunkte von Verbindungen vergleichbarer Molekülgröße und unterschiedlicher
Polarität
Synthesen
1.) Oxidation von Alkoholen
RCH2-OHOx.
RCH=OOx.: CrO3 in Pyridin O2/Ag-Katalysator: techn. Synthese
R2CH-OHOx.
R2C=O
prim. Alkohol
sek. Alkohol 2.) Reduktion von Carbonsäurederivaten
Rosenmund-Reduktion (1918). Katalytische Hydrierung von Säurechloriden
O
R ClRCH=O+ H2
Pd/BaSO4 wenig ergiebig+ HCl
Reduktion von Estern
O
R OR'RCH=O
LTBA LTBA = LiAlH(OtBu)3ebenfalls geeignet istDIBAH = AlH(iBu)2
200 K
3.) Oxidation von Alkyl-Aromaten
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 47
Ph-CH=O + 2 HCl
Ph-CH3 + 2 Cl2hν oder
∆TPh-CHCl2 + 2 HCl
H2O
Benzaldehyd
Toluen
4.) Ozonolyse von Alkenen
R
R' H
R"O
R
R'O
H
R"H2OO3 Ozonid- H2O2
+
Es gibt zahlreiche weitere Verfahren, siehe Lehrbücher
Reaktionen
Oligomerisation/Polymerisation von Aldehyden
Formaldehyd, CH2O, polymerisiert → Paraformaldehyd, Polyoxymethylen
Beim Eindampfen wässriger Lösungen oder auf Zusatz von sauren oder basischen
Katalysatoren
Cyclische Trimere
O O
O
O O
O
3 CH2O 1,3,5-Trioxan
3 CH3 -CHO2,4,6-Trimethyl-1,3,5-trioxanParaldehyd, Schmp. 12 °C, Sdp. 124 °C
Keto-Enol-Tautomerie
in Lösung Gleichgewicht zwischen zwei Isomeren
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 48
O
CH3 CH3CH2 CH3
OH
O OH
Ketoform Enolform, 1.5 x 10-4 % (in Wasser)
Die Lage des Gleichgewichts richtet sich nach denBindungsenergien von C=C, C−C, C−H,
C−O, C=C, O−H sowie nach der unterschiedlichen Solvation von Keto- und Enolform. Bei
einfachen Aldehyden und Ketonen überwiegt die Ketoform bei weitem.
Die Isomere unterscheiden sich nur in der Lage eines H-Atoms und in der Lage einer
Doppelbindung. Solche Isomere nennt man Tautomere.
Bei 1,3-Diketonen wird die Enolform durch eine intramolekulare Wasserstoffbrücke
stabilisiert.
O O
O OH
O OH O O
HPentan-2,4-dion1,3-Diketon
Enolform, 76.4 % (in Wasser) SymmetrischeWasserstoffbrücke
Versuch: Probe mit FeCl3. Enole bilden mit Fe3+-Ionen farbige Komplexe.
Br2-Addition: Entfärbung
Bestimmung des Enolisierungsgrades:
a) schnelle Titration mit Br2
b) spektroskopisch: IR, NMR
O
OR'
O
O
OR'
OH
O
OR'
O
BrR = CH3Acetessigester1,3-Dicarbonylverbindung
Br2
langsam schnell
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 49
Die Enolisierung wird durch Säuren und Basen katalysiert:
OCCH3 CH2
C OCH2
C O
OCCH3
CH3C OH
+CH3
C+
OH
CH2C OH
CH2C OH
+ OH(-)
Enolation H2OpKa ~ 20
+ H3O(+) + H2O
+ H2O
H2O
+ OH(-)
+ H3O(+)
In D2O erfolgt H/D-Austausch.
O
CH2 CH2
O
CD2 CD2
D2O
D3O(+) oderOD(-)
Das Enolation ist ein ambidentes Nucleophil
RO
C
RO
C
RO
(-)hart
weich
Das Enolation reagiert zumeist als C-Nucleophil.
Allgemeines Reaktionsschema für Aldeyde und Ketone
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 50
C CO
R'
H
R
Säure/Elektrophil
Elektrophil
Base
Nucleophil
α-Halogenierung
O
H
O
X+ X2
+ HX
Haloform-Reaktion, Mehrfachhalogenierung von Methylketonen
O
R CH3
O
R CX3
O
R CX3OH
O
R OH
+ 3 X2 + 3 HX
OH(-)
+ :CBr3(-)R-CO2
(-) + HCX3
HaloformX = Cl: ChloroformX = Br: BromoformX = I : Iodoform (gelber Feststoff)
nucleophile Substitution
Versuch: Iodoform-Reaktion von Aceton (Video)
Reaktion von Ethanol mit Chlor
C2H5OHCl2 CH3CH=O
3 Cl2- 2 HCl - 3 HCl
Cl3C-CH=OH2O Cl3C-CH(OH)2
Chloral
ChloralhydratSchlafmittel
Cl2
+ 2 HClCl3C-CO2H
H2O
H2OCHCl3 + HCO2H
Chloroform AmeisensäureCl3C-CH(OH)2 Cloralhydrat. Ausnahme von der Erlenmeyer-Regel
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 51
Reaktionen mit Nucleophilen
Allgemeines Schema:
C OR
R'C
R
R'
O
Y
H
R, R' = H, Alkyl, Aryl
+ H-Y Folgereaktionen
Katalyse durch Säuren Die nucleophile Additionen and eine Carbonylgruppe ist eine der wichtigsten Reaktionen in
der Organischen Chemie und der Biochemie.
Beispiele:
A) O-Nucleophile
1.) Hydratisierung
CH2 O + H2O H2C(OH)2 K = 2*103
Formaldehyd-Hydrat Formaldehyd ist so gut wie vollständig hydratisiert.
Formalin: 40 %-ige wässrige Lösung.
Die Gleichgewichtskonstante K ist bei anderen Aldehyden kleiner. Wässrige Lösungen
enthalten vergleichbare Mengen an RCH(OH)2 und Aldehyd RCH=O (K ≈ 1).
Ketone werden kaum hydratisiert, bei Aceton K = 2 x 10-3
2.) Acetal-/Ketalbildung
CH
OR CH
OR'R
OH
CH
OR'R
OR'
C OR
RC
OR'
R OH
RC
OR'
R OR'
R
+ R'-OH
Halbacetal
H(+) R'-OH+ H2O
Acetal
+ R'-OH
Halbketal
H(+) R'-OH+ H2O
Ketal
Aldehyd
Keton
B) S-Nucleophile
Mit Thiolen werden Thioacetale bzw. Thioketale gebildet.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 52
3.) Addition von Hydrogensulfit an Aldehyde
C OR
H
RC
H
OH
SO3(-)Na(+)
C OR
H
+ NaHSO3 Bisulfit-Addukt
HCl
+ SO2 + NaCl
Abtrennung und Reinigung von Aldehyden.
Bisulfit-Addukte lassen sich gut umkristallisieren
C) N-Nucleophile
4.) Reaktion mit Ammoniak und primären Aminen
C O CNH2R
O CNHR
OHC
NHR
NHR
C NR
Halbaminal,instabil
+ H2N-R + H2O
AminalAldehyd oder Keton
(+)
H2NR
- H2O - H2NR
IminAzomethinSchiffsche Base
Schiffsche Basen sind relativ unbeständig und reaktiv. Sie neigen zur Oligimerisation.
Z. B. Trimerisierung
C NR
N N
N
R
R
R3 Hexahydro-1,3,5-triazin
Bildung von Hexamethylentetramin
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 53
NHNHNH
NNN
R RR
NN
N
N
3 H2C=O + 3 NH3- 3 H2O
3 H2C=OR = CH2OH
NH3 - 3 H2O
UrotropinTetraazaadamantan
5.) Reaktion mit Hydrazin und Hydroxylamin
C O NX
C OR
R'
NR
R' NR'
R
+ H2N-X- H2O
Aldehyd oder Keton
X = OH: Hydroxylamin Oxim
NH2: Hydrazin Hydrazon
NH-Ph: Phenylhydrazin Phenylhydrazon
NH-CO-NH2: Semicarbazid Semicarbazon
+ H2N-NH22- 2 H2O
Azin, z. B. R = R ' = CH3: Acetonazin
Oxime, Phenylhydrazone und Semicarbazone sind gut kristallisierende Verbindungen.
6.) Reaktion mit sekundären Aminen
Bildung von Enaminen
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 54
C O CNR2
OHC NR2
C NR2
H
C NR2 C NR2
C
Halbaminal
+ HNR2- H2O (+) Iminium-Ion:
Elektrophil
bei α-Wasserstoff-Atom:
(+)- H2O
Enamin
(+)
Beispiel
O N N+
Cyclohexanon Pyrrolidin 1-Cyclohex-1-enyl-pyrrolidin
+ H2O
Enamine sind wichtige Synthese-Zwischenstufen. Sie reagieren mit Alkylierungs- und
Acylierungsmitteln:
N N
R
O
R
N
OR
O
OR
NH
NH
+H2OR-X (+)
+H2OR-CO-X (+)
D) C-Nucleophile
7.) Addition von HCN an Aldehyde und Ketone, Strecker-Synthese von α-Aminosäuren
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 55
C OR
HC
OHR
H CNCH
R
OH
CO2H
CNH2
R
H CNCH
R
NH2
CO2H
+ HCN 2 H2O
Cyanhydrin,α-Hydroxynitril
α-Hydroxycarbonsäure
+ 2 NH3
NH3
2 H2O
α-Aminocarbonsäure
+ 2 NH3
8.) Reaktion mit Grignard-Reagenzien
Bildung von primären, sekundären und tertiären Alkoholen
R CH=O R CH
R'
O MgX R CH
R'
O H
R C
R'
O MgX
R
R C
R'
O H
R
CH2 O MgX
R'R' CH2 O H
+ R'-MgXH2O
R2C=O + R'-MgXH2O
+ R'-MgXH2O
H2C=O
9.) Wittig-Reaktion (1953)
G. Wittig, Nobelpreis 1979
Wichtige Alken-Synthese. Olefinierung einer Carbonylverbindung = Carbonylolefinierung
Aufbau des Alkens an der C=C-Doppelbindung
a) Darstellung des Wittig-Reagenzes:
X CH CHPh3P CPh3P CPh3P
Ph3P ++ +
Ylen-Form Ylid-Form
- H+
Triphenylphosphan Halogenalkan
Base
Base: Ph-Li, Bu-Li, NaNH2 o. a.
quart. Phosphoniumsalz
b) Umsetzung mit der Carbonyl-Verbindung
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 56
Ph3POO
Ph3P
O
P
P+
OC
+ +
-
Ph3
Ph3Ph3 PO +
P-O-Betain
P-C-Betain
1,2-Oxaphosphetanechte Zwischenstufe
1 2
3
4
Alken
Die Schritte 1 und 2 sowie 3 und 4 können jeweils konzertiert verlaufen.
10.) Aldol-Reaktion
Reaktion der Enolform bzw. des Enolations
COC
H
COC
O
O
O
O
OH
OOH
OH
OH(-) (-) Enolation= C-Nucleophil
- H(+)
α-Deprotonierung nucleophile Addition
H2O
+ H(+)Aldol-Addition
- H2O
Aldol-Kondensation
α,β-ungesättigteCarbonyl-Verbindung
Beispiele:
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 57
CH3
H
O
OHCH
OCH3
O O
OH
O
O
PhPh
OH(-)
- H2O2 CH3-CH=O
H2OAcetaldehydAcetaldol Crotonaldehyd
Ba(OH)22
Aceton
H2SO4
- 2 H2O
Diacetonalkohol Mesityloxid
2 Ph-CH=O + H3C-CO-CH3
- H2O
Benzaldehyd Aceton Dibenzalaceton Versuch: Herstellung von Dibenzalaceton
Bei der Aldolkondensation wird stets eine Carbonylkomponente mit einer
Methylenkomponente umgesetzt.
11.) Knoevenagel-Reaktion (1894)
Kondensation von Aldehyden oder Ketonen (Carbonylkomponente) mit Malonester
(Methylenkomponente)
CH2CO2Et
CO2EtC O CC
CO2Et
CO2EtCC
CO2H
H
CH2CO2Et
CO2EtO
H
PhCC
H CO2H
HPh
Base
- H2O
Malonester 2-Alkylidenmalonester
1.) Hydrolyse
2.) Decarboxylierung+
α,β-ungesättigteCarbonsäure
Beispiel:
+
Benzaldehyd Zimtsäure
12.) Perkin-Reaktion (1877)
Herstellung von αβ-ungesättigten Carbonsäuren
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 58
C OH
Ph
CCH CO2H
HPhH2CH
O
O
CH3
O
CHO
O
CH3
O
C
H
Ph
Essigsäureanhydrid
+
Benzaldehyd Zimtsäure
- H2OH2O
+ CH3CO2H
13.) α,β-ungesättigte Carbonylverbindungen
Wie bei 1,3-Dienen gibt es bei α,β-ungesättigten Carbonylverbindungen 1,2- und 1,4-
Additionen.
CC
CO
C+ C
CO
CH
CH
CO
Me
Ph
CH
CH
C O
Me
Ph MgBr
Et
CH
CH
C O
Me
Ph H
Et
CH C
HCPh
EtMe
O MgBrCH C
H2
CO
Me
Ph
EtCH C
HCPh
EtMe
O H
weichhart
Das Carbonyl-C-Atom ist härter als das β-C-Atom.Dem entsprechend greifen harte Nucleophile an der Carbonylgruppe und weiche Nucleophile am β-C-Atom an.
+ Et-MgBr
1,2-Addition
1,4-AdditionKeto-Enol-Tautomerie
40 %
60 %
Beispiel:
Das Verhältnis von 1,2- zu 1,4-Addition variiert je nachdem, welche Verbindung mit
welchem Reagenz umgesetzt wird. Harte Nucleophile (z. B. RLi) zeigen bevorzugt 1,2-
Addition.
15.) Michael-Addition (1887)
Arthur Michael (1853–1942), amerikanischer Chemiker.
Carbanion + "aktiviertes" Alken: nucleophile Addition an ein π-Elektronen-armes Alken: AN
Mechanismus: 1,4-Addition (s. o.).
Beispiele:
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 59
CH2CO2Et
CO2EtO O
CH(CO2Et)2
CH2CO2Et
CO2Et
CNNC
CH(CO2Et)2
NaOEt
EtOH+
Malonester
+
Acrylnitril (2-Cyanoethyl)malonester
16.) Mannich-Reaktion (1917)
Aminoalklierung: Drei-Komponenten-Reaktion
NHO
H
ON
NH N+
CH2
N+
CH2
O HN
CH2
O
H2C=O
+
++ CH2
NH3, prim.oder sek. Amin
Mannich-Base
H2C=O+
- H(+)
Die Reaktion wird in saurer oderalkalischer Lösung ausgeführt.
Iminium-Ion (Elektrophil)
Enolform derCarbonylverbindung
Oxidation und Reduktion von Aldehyden und Ketonen
17.) Cannizzaro-Reaktion (1853)
Stanislao Cannizzaro (1826–1910), Prof. für Chemie in Genua u. Rom.
Die Reaktion ist beschränkt auf Aldehyde ohne α-H-Atom, also nicht-enolisierbare Aldehyde.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 60
OHO
H
Ph
OH
Ph
OH
O
Ph OH
HPh
+
2 Ph-CH=OOH(-)
H2OPh-CO2H + Ph-CH2-OH
+1 -1+3
Benzylalkohol Benzoesäure
Redox-Disproportionierung
2 Ph-CH=O + OH(-)
Ph-CO2(-) + Ph-CH2-OH
1 2
Schritt 1: schnell; Schritt 2: langsam (geschwindigkeitsbestimmend).
Kinetische Untersuchungen liefern folgendes Geschwindigkeitsgesetz:
v = k [Ph-CHO]2 x [OH(-)]
CH3-CH=OCa(OH)2
CH2=O(HO-CH2)3C-CH=O Gekreuzte Aldol-Addition
CH2=O
C(CH2OH)4 + HCO2H
Gekreuzte Cannizzaro-Reaktion
Pentaerythritvierwertiger Alkohol
Pentaerythrit dient zur Herstellung von Polyesterharzen.
Versuch: Cannizzaro-Reaktion von Benzaldehyd
18.) Clemmensen- Reduktion (1913) und Wolff-Kishner-Reduktion (1912)
Vollständige Reduktion der Carbonylgruppe zur Methylengruppe
C O C HH
C O C HH
Zn/Hg
HCl
H2N-NH2
NaOH
Clemmensensauer
Wolff-Kishnerbasisch
Zum Vergleich:
Reduktion mit komplexen Hydriden führt zum Alkohol.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 61
C O C OHNaBH4
oderLiAlH4
Reduktive Kupplung
C O C COH OH2 Na
2 H(+)
EtOH
2 + 2 Na(+)
1,2-DiolPinakol Radikal-Mechanismus
19.) McMurry-Reaktion (1978)
Reduktive Kupplung von Carbonylverbindungen zu substituierten Alkenen
Reduktion und Kupplung von Carbonyl-Verbindungen mit niedervalenten Titanverbindungen.
Die Reaktion erfolgt auf der Metalloberfläche.
OR
R
R
R R
R
OH
R
H
R H
R H
R R
H
[Ti]Ausbeute: > 80 %
[Ti] = TiCl3 oder TiCl4 + Zn, Li, K, Mg, LiAlH4
2
2TiCl4/Zn
THF+
R = CH2-CH2-CH3
CH(CH3)2
C(CH3)3
36>200
:::
111
Die Reaktion eignet sich auch für sperrige Reste R.
Aus Diketonen werden Cycloalkene dargestellt.
O O
C
Ti(I)
OTi(I)
OTi(I)
[Ti] 2x+ 2 TiO
Mechanismus:
Endprodukt bei der Reduktion von Ketonen z.B. mit Na. siehe 18.)
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 62
20.) Baeyer-Villiger-Oxidation von Ketonen (1899)
C OR
RC O
R
OR
C OEt
Et COEt
EtO
O O
CF3
H
O
OEtEt
O
O
O
Ester
+ R'-CO3H + R'-CO2H
+ CF3-CO3H+ CF3CO2H
Beispiele:
R'-CO3H
Cyclohexanon
ε-Caprolacton,cyclischer Ester: Lacton
12
1: nucleophile Addition2: Zerfall u. Umlagerung
Bei unsymmetrischen Ketonen wandert bevorzugt die stärker verzweigte Alkylgruppe.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 63
Amine Charakteristisches Strukturelement:
NR
R'R"
N-H 104 pm
N-C 147 pm112 ° R, R', R" = H, Alkyl, Aryl
Derivate des Ammoniaks NH3
NH3 R-NH2 R2NH R3N
primäres sekundäres tertiäres
Amin
Nomenklatur anders als bei den Alkoholen!
Nomenklatur, Vorkommen und Eigenschaften von Aminen
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 64
Namen und physikalische Eigenschaften ausgewählter aliphatischer Amine
pkb 3.4 3.3 4.2 3.3 3.0 3.3 3.4 3.1 3.4 6.0 2.7 2.9 3.3, 6.4 3.1, 5.0
Der systematische Name von Ethylenimin lautet "Aziridin", nicht "Aziran". Die nächst höhere Verbindung ist:
NH Azetidin(Trimethylenimin)
Sdp.63 °C
pKb2.7
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 65
Namen und physikalische Eigenschaften ausgewählter aromatischer Amine (Aniline)
pKb 9.4 9.2 9.0 9.6 9.3 8.9 11.5 10.5 9.8 14.4 11.5 13 9.5 9.1 8.0
pKa-Werte aus: R. C. Weast, M. J. Astle (Hrsg.), CRC Handbook of Chemistry and Physics,
63. Aufl., CRC Press, Boca Raton 1982-1983.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 66
Struktur und Pyramidale Inversion von Aminen
Bei R ≠ R' ≠ R'': chirale Struktur. Die Enantiomeren sind nicht stabil. Racemisierung durch
Stickstoff-Inversion. Diese besitzt bei "normalen" Aminen eine Aktivierungsbarriere Ea von
etwa 25 kJ/mol.
N
R R'R" N
R R' R" N
RR'R"
=
Die Inversion entspricht eine Spiegelung.
..
..
..
Bei stabilen Enantiomeren müßte EA > ca. 100 kJ/mol sein. Dies ist nur bei wenigen Aminen
der Fall.
Beispiel:
NMe
Me Me1,2,2-Trimethylaziridin
EA ≈ 80 kJ/mol.
Die Enantiomere konnten getrennt werden.
R'N
+R
R"
R"'
Chirale quartärne Ammonium-Ionen bilden stabile Enantiomere.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 67
Physikalische Eigenschaften von Aminen
Siedepunkte [°C]
NH3 CH3-NH2 (CH3)2NH (CH3)3N
-22 -6 +7 +3
Zum Vergleich: H2O 100°, CH3OH 65°, CH3OCH3 –23°.)
R-NH2, R2NH: Assoziation durch H-Brücken, R3N: keine H-Brücken, siedet niedriger
N-H---N-Brücken sind schwächer als O-H---O-Brücken.
Basizität von Aminen
R3N: + H2O R3N-H(+) + OH(-)
K = [R3N:] [H2O]
[R3N-H(+)] [OH(-)]Kb = K [H2O] =
[R3N:]
[R3N-H(+)] [OH(-)]
pKb = - log Kb
Massenwirkungsgesetz und pKb-Wert
pKb-Werte
NH3 CH3-NH2 (CH3)2NH (CH3)3N
4.8 3.4 3.3 4.2
Basenstärke: prim. Amin < sek. Amin > tert. Amin
Erklärung: Elektronendonor-Eigenschaft, + I-Effekt der Alkylgruppen/unterschiedliche
Solvation von Amin und Ammonium-Ion
Versuch: Basizität von Triethylamin und Anilin, Indikator Phenolphthalein
Darstellung von Aminen
1.) Alkylierung von Ammoniak
Amine sind Nucleophile
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 68
NH3 + R-Br R-NH3(+) + Br(-)
R-NH3(+) + NH3 R-NH2 + NH4
(+)
R-NH2 + R-Br R2NH2(+) + Br(-)
R2NH2(+) + NH3 R2NH + NH4
(+)
R2NH + R-Br R3NH(+) + Br(-)
R3NH(+) + NH3 R3N + NH4(+)
R3N + R-Br R4N(+) + Br(-)
Es entsteht ein Gemisch aus prim., sek., tertiären Amin sowie der quart. Ammonium-
Verbindung. Das Verfahren ist zur selektiven Darstellung von prim., sek. und tert. Aminen
wenig geeignet.
Versuch: Reaktion von Triethylamin mit Methyliodid
2.) Gabriel-Synthese: primäre Amine
NK
O
O
N
O
O
R
CO2H
CO2H
+ R-BrOH(-)
+ KBr
H2O/OH(-)
+ R-NH2
Phthalimid-Kalium
Phthalsäure
3.) Reduktion von Nitroverbindung: primäre Amine
R NO2 R NH2
Red.Red.: z. B. Fe
Das Verfahren eignet sich hauptsächlich für aromatische Amine.
Versuch: Reduktion von Nitromethan, MeNO2, mit Zn/NaOH
4.) Reduktion von Nitrilen: primäre Amine
R CN R CH2 NH2Red. Red.: H2/Kat. oder LiAlH4
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 69
5.) Reduktion von Amiden: primäre, sekundäre, tertiäre Amine
O
R NR'2 CH2R NR'2
LiAlH4
R' = H, Alkyl, Aryl
6.) Reduktion von Iminen: sekundäre Amine
O NR
CH NH R+ H2N-R- H2O
Red.
Red.: z. B. H2/Ni
Reduktive Aminierung von Carbonylverbindungen.
Reduktive Alkylierung von Ammoniak und Aminen
OR
R'CH NH2
R
R'+ NH3
- H2O
Aldehydoder Keton
H2/Ni
NH3 im Überschuß einsetzen, da sonst auch sek. und tert. Amine entstehen.
7.) Leuckart-Wallach-Reaktion (1885)
OR
R'CH NR"2
R
R'+ HNR"2 + HCO2H
Aldehydoder Keton
+ H2O + CO2
Die Ameisensäure ist Reduktionsmittel.
8.) Aus Carbonsäure-Derivaten durch Abbaureaktion
a) Hofmann-Abbau (1881): primäre Amine
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 70
O
R NH2
R NH2
O
R NH
Hal
O
R NN C O
RN C
R O
OHH
+ Hal2 + 2 OH(-) + 2 Hal(-) + CO2 + H2 O
Hal2 OH(-)
- H2O- Cl(-)
OH(-)
- HCl
α-Eliminierung
H2O
- CO2
CarbamidsäureIsocyanatAcylnitren
:..
UL
UL = Umlagerung
Hal2 = Cl2 oder Br2
Versuch: Hofmann-Abbau von Acetamid
b) Curtius-Abbau (1890)
O
R ClR NH2
O
R N3
O
R N+ NaN3
- NaCl - N2 :..Acylnitren
usw.
Natriumazid Carbonsäure-azid
c) Schmidt-Abbau (1923)
O
R CO2HR NH2
O
R N3
O
R N+ NaN3
- N2 :..Acylnitren
usw.
Natriumazid Carbonsäure-azid
H2SO4
Bei a), b) und c) nimmt die sigmatrope Umlagerung des reaktiven Acylnitrens eine zentrale
Stellung ein.
Reaktionen von Aminen
1.) Darstellung von Amiden und Sulfonamiden
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 71
O
R' Cl
O
R' NH2
O
R' NH-R
O
R' NR2
+ 2 NH3
prim. Amid
+ NH4Cl
+ 2 R- NH2
sek. Amid
+ R-NH3Cl
+ 2 R2NH
tert. Amid
+ R2NH2Cl
Die Amid-Bindung ist sehr stabil. Amid-Mesomerie:
O
R' NR2
O
R' NR2(+)
(-)
Analog erfolgt die Darstellung von Sulfonamiden aus Sulfonsäurechloriden:
R-SO2Cl + HNR2 R-SO2-NR2
Bestimmte Sulfonamide sind Chemotherapeutica.
Polyamidfasern, Nylon-Synthese
O
Cl
O
Cl
O
*
O
NH
NH
*
n
+ n H2N-(CH2)6-NH2
1,6-Diaminohexen Hexamethylendiamin
n
Adipinsäuredichlorid
4 4 6
Nylon-6,6
- 2n HCl
Versuch: 33. Nylon-Synthese
2.) Reaktion mit salpetriger Säure
a) primäre Amine
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 72
R N+
N O
H
HN N
O
R
H
N NOH
RN
+NR
NaNO2 + HCl HO-N=O- NaCl
H(+)
- H2ONO(+) Nitrosyl-Kation, Elektrophil
R-NH2 + NO(+)
- H(+)
H(+)
- H2O
Umlagerunganalog zurKeto-Enol-TautomerisierungAlkandiazonium-Ion
Alkandiazonium-Verbindungen sind äußerst instabil. Sie zersetzen sich bereits bei niedriger
Temperatur. Dabei entstehen Carbenium-Ionen, die sofort weiter reagieren.
R-N2(+)→ R(+) + N2
Auf diesem Wege lassen sich auch primäre Carbenium-Ionen erzeugen.
Beispiel:
CH3
CH
+
CH3
CH3
CH CH3
OH
NaNO2CH3-CH2-CH2-NH2 HCl
CH3-CH2-CH2(+) + N2
H2O
CH3-CH2-CH2-OH
7 %
- H(+)
28 %
- H(+)
H2O
32 %Weitere Produkte : 33 %
Propylamin
b) sekundäre Amine
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 73
RN N
OR
RN
RNO2
RN NH2
R
NNN
R
RN
R
R
N
R
RN
R
RN
R
R
R2-NH + NO(+)
- H(+)
Nitrosaminstarkes Carcinogen
Ox.
Nitramin
Red.
Ox.
2x1,1-Dialkylhydrazin
2-Tetrazen
2- N2
∆T
Aminyl-Radikal
Tetraalkylhydrazin
c) tertiäre Amine
R3N NO
N+
RR
H
NON
+R
R
O H NR
R
NR
RNO
R3N + NO(+)
Nitrosamin.starkes Carcinogen
(+)
- H-NO H2O+
HNO2Iminium-Ion
Auch aus tert. Aminen können also Nitrosamine gebildet werden. Dies ist
ernährungsphysiologisch sehr wichtig, da mit der Nahrung viele Amine aufgenommen
werden. Deshalb dürfen Nahrungsmittel und Trinkwasser weder Nitrat noch Nitrit enthalten.
Literatur: Siehe z. B.: P. Rademacher, Chemische Carcinogene, Chemie in unserer Zeit 1975, 9, 79-84; J. Chem. Educ. 1976, 53, 757-761.
3.) Oxidation von Aminen
Primäre Amine lassen sich zu vielen Produkten oxidieren, z.B. zu Nitroverbindungen
Sekudäre Amine: R2NH + H2O2 → R2N-OH + H2O
Hydroxylamin
Tertiäre Amine:
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 74
R3N OR3N + H2O2
(+) (-)+ H2O
oderR-CO3H
Aminoxid
Aminoxide bilden über die Cope-Eliminierung (1949, ≠ Cope-Umlagerung) Alkene. Dabei
handelt es sich um eine syn-Eliminierung
R3N O
NR2H
O
R3N + H2O2
(+) (-)+ H2O
oderR-CO3H
Aminoxid
(+)(-)
+ HO-NR2
∆T
4.) Hofmann-Abbau quartärer Ammoniumhydroxide, Hofmann-Eliminierung
NR3H
(+)
+ NR3OH(-)
ca. 200 °C- H2O
E2-Reaktion
5.) Diazotierung aromatischer Amine, Azokupplung
Arendiazonium-Verbindungen, Ar-N2(+)X(-), sind stabiler als Alkandiazonium-Verbindungen.
N+
N CH+
N+
NCH
+N
+N usw.
Mesomeriestabilisiertes Kation. Bei ca. 0° C gut handhabbar. Bei höherer Temperatur erfolgt
Zerfall.
Ar-N2(+) Ar(+)
- N2
H2O Ar-OH- H(+)
Phenol
Wichtige Methode zur Darstellung von Phenolen. Mit anderen Nucleophilen entstehen
analoge Verbindungen:
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 75
Ar-N2(+) Ar(+)
- N2
Nuc(-)Ar-Nuc
- H(+)
Arendiazonium-Ionen sind (schwache) Elektrophile, sie reagieren mit aktivierten Aromaten
(z.B. Aniline, Phenole, Phenolether) unter elektrophiler aromatischer Substitution zu
Azoverbindungen. Dabei handelt es sich um wichtige Farbstoffe.
NMe2 NN
NMe2
Ph
OHN
NOH
Ph
Ph-N2(+) +
N,N-Dimethyl-anilin
- H(+)
Ph-N2(+) +
Phenol- H(+)
Beispiel für die Synthese eines Azofarbstoffs:
NN
NMe2
(-)O3S
NH3(+)
SO3(-)
N2(+)
SO3(-)
NN
NMe2
(-)O3S
NaNO2
verd. HCl0 °C
Ph-NMe2
H3O(+)
(+)
gelb
rot
pH > 4.4
pH < 3.1
pKa = 3.5
MethylorangeSäure-Base-Indikator
Sulfanilsäure
Versuch: Azofarbstoffe
6.) Ersatz der N2+-Gruppe in Arendiazonium-Ionen
Sandmeyer-Reaktion (1884)
Ar-N2(+)X(-) Ar-X + N2
CuXX = Cl, Br, CN
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 76
Cu(I)-Salze katalysieren die Zersetzung von Diazoniumsalzen.
Schiemann-Reaktion (1927)
Ar-N2(+)BF4
(-) Ar-F + N2 + BF3ca. 60 °C
Darstellung von Fluorarenen.
Abspaltung von NH2-Gruppen aus Aromaten
Diazotierung des Amins und Reduktion der Diazonium-Verbindung
2 Ar-N2(+) + H3PO2 + 2 H2O 2 Ar-H + N2 + H3PO4 + 2 H(+)
Hypophosphorige Säureoder andere Reduktions-mittel, z. B. NaBH4
Phenole Charakteristisches Strukturelement:
OH
110 °
107 pm
135 pm
Phenole sind wie Alkohole Derivate des Wassers.
Nomenklatur und Eigenschaften von Phenolen
Ph-OH = Hydroxybenzen, Phenol, aromatischer Alkohol
CH2
O OH
Ketoformnicht aromatisch
Enolformaromatisch
Phenol ist die Enol-Form des Cyclohexadienons.
Verwendung von Phenol als Desinfektionsmittel: Carbolsäure
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 77
Namen und physikalische Eigenschaften ausgewählter Phenole
pKa*)
9.89
9.85
9.81
10.35
10.20
10.01
10.17
8.5
9.0
9.4
7.66
7.17
8.28
7.15
3.96
0.38
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 78
*) pKa-Werte aus: R. C. Weast, M. J. Astle (Hrsg.), CRC Handbook of Chemistry and Physics,
63. Aufl., CRC Press, Boca Raton 1982-1983.
Weitere wichtige Phenole
OH
OHOH
OH
OHOHPyrogallol
Phloroglucin
Versuch: Fe (III)-Komplexe. Verschiedene Farben, vgl. Enole
Acidität der Phenole
Phenole sind schwache Säuren, acider als Alkohole
Substituenteneinfluss: –M-Substituenten in ortho- und para-Position erhöhen die Acidität
stark.
OH
N+
O O
O
N+
O O
O
N+
O O
- H(+)
Versuch: Phenol, Pikrinsäure, Indikator: Bromphenolblau
Bromthymolblau CH(CH3)2
BrCH3H3C
Br
HO
CH(CH3)2
SO3H
O (3,3'-Dibromthymolsulfonphthalein)
pH-Indikator
C27H28Br2O5S. Rosafarbenes Pulver, leicht lösl. in Alkohol,
weniger lösl. in Wasser. Indikator zur pH-Bestimmung im
Umschlagsgebiet pH 6,0–7,6 (gelb bis blau)
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 79
Darstellung von Phenolen
Eine direkte Hydrolylierung von Aromaten über eine elektrophile aromatische Substitution ist
nicht möglich.
1.) Hydrolyse (Verkochen) von Arendiazoniumsalzen
Ar-NH2 Ar-N2(+) ∆T
2 H2OAr-OH + N2 + H3O(+)
2.) Alkalischmelze von Arensulfonsäuren
Ar-SO3(-)Na(+) + 2 NaOH
HCl
Ar-OH + NaCl
ca. 300 °CAr-O(-)Na(+) + Na2SO3 + H2O
3.) Hydrolyse von Chlorbenzen
Nucleophile aromatische Substitution SNAr
CH3
Cl
CH3
OH
CH3
OH
Cl OHOH
Ar-Cl + 2 NaOH Ar-O(-)Na(+) + NaCl + H2Oca. 300 °C
+NaOH
NaOH +* * *
* = 14C
1 : 1
o-Kresol m-Kresol
Das Produktverhältnis gibt an, dass eine Zwischenstufe durchlaufen wird, in der zwei
benachbarte C-Atome äquivalent sind.
SNAr: Eliminierungs-Additions-Mechanismus
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 80
Cl
H C
Cl
C OH OH
NaOH
OH(-)
- H2O - Cl(-)
C6H41,2-DidehydrobenzenArinBenzin
H2O
Das Arin ist eine echte reaktive Zwischenstufe. Es kann auch auf anderem Weg erzeugt
werden, z. B. aus Anthranilsäure:
NH2
CO2H
N2(+)
CO2(-)HCl
NaNO2
- N2- CO2
∆T
Bei diesem Verfahren entstehen nur gasförmige Nebenprodukte.
Durch nucleophile aromatische Substitution kann auch Anilin synthetisiert werden. Ebenfalls
SNAr-Reaktion.
Cl NH2
+ NH3 + HClDruck
∆T
Eine "normale" nucleophile Substitution nach einem Additions-Eliminierungs-Mechanismus
ist nur bei Aromaten möglich, die –M-Substituenten in o- und/oder p-Position besitzen.
4.) Technische Synthese von Phenol. Cumenhydroperoxid-Verfahren (Hock, 1944)
Luftoxidation von Cumen (Cumol) zum Hydroperoxid, das mit Schwefelsäure zu Phenol und
Aceton gespalten wird.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 81
OH
O
Me
MeHPh C
Me
MePh OH O
Me
MeOPh O
Me
MeOPh OH C
Me
MePh
Me
MeOPh O
+H
H
Me
MeO
+Ph C
+
OMe
Me
PhOMe
Me
PhOH
OH
O
+ CH3-CH=CH2H2SO4
oderH3PO4
Cumen(Cumol)
O2
(Luft)
Phenol Aceton
+ O2 +
O2Cumen
Ph-CMe2H+
+
H2SO4
- H2O
2 H2O
- H3O(+)
+
HalbketalSextett-Umlagerung
Radikalketten-Mechanismus
Cumenhydroperoxid
Da bei der Synthese eine äquimolare Menge Aceton entsteht, das allerdings wieder für die
Gewinnung von Cumen verwendet werden kann, sucht man nach alternativen
großtechnischen Synthesen. Dabei kommt der direkten Oxidation von Benzen die wichtigste
Rolle zu.
OH
!/2 O2
Kat.
Entscheidend ist die Entwicklung des Katalysators.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 82
Reaktionen von Phenolen
1.) Darstellung von Alkylphenolethern, Williamson-Synthese
Ar-O(-) + R-X → Ar–O-R + X(-)
Z.B.
OH OMe
NaOH
Me2SO4
Anisol
2.) Reimer-Tiemann-Reaktion (1876), Salicylaldehyd
OH OH
CH=O
O OH
CCl2
O
CHCl2
OHCH=O
+ CHCl3NaOH
H2OSalicylaldehyd
HCCl3 + OH(-) :CCl3(-)
- H2O - Cl(-):CCl2 Dichlorcarben
α-Eliminierung
+ :CCl2
..(-)
H3O(+)
H2O
Mechanismus:
3.) Kondensation mit Aldehyden
Bildung von Phenol-Formaldehyd-Harzen, Polykondensation
Alkalische oder saure Kondensation mit Formaldehyd ( Harze, Bakelite, Novolacke)
(Kunststoffe und Lacke)
Hydroxymethylierung = elektrophile Substitution usw. Mono-Substitution lässt sich nur
schwer kontrollieren.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 83
OH
H
H
OH
CH2OH
HOH
H
CH2OH
OHH
OH
H
OH
OH
OH
H
- H2O
+ CH2=O
FormaldehydElektrophil
- H2O
- H2O
Durch Polykondensation entstehen hochvernetzte Makromoleküle mit folgender Struktur:
OH OH
OH
Versuch: Bakelit
Baekeland (1909), erster vollsynthetischer Kunststoff.
Chinone Charakteristisches Strukturelement:
Cyclisches Diketon mit vollständig konjugierten Doppelbindungen.
O
O
O
O
parabenzoidesSystem
orthobenzoidesSystem
Wichtige Beispiele:
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 84
O
OO
O
O
O
CH3Chinon, p-Benzochinon, [1,4]Benzochinon,Cyclohexa-1,4-dien-3,6-diongelb
o-Benzochinon, [1,2]Benzochinon, Cyclohexa-1,3-dien-5,6-dionrot
Toluchinon
O
O
O
O O
O
[1,4]Naphthochinon [1,2]Naphthochinone [2,6]Naphthochinone O
O
[9,10]Anthrachinon
Hydrochinon und ähnliche Verbindungen sind Radikalfänger, Antioxidantien
Hydrochinon und Brenzcatechin finden als photographischer Entwickler Verwendung.
Darstellung von Chinonen
Oxidation von Hydrochinonen
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 85
O
O
OH
OH
OH
OH
O
O
Ox. Ox. z. B. FeCl3, Na2Cr2O7/H2SO4, H2O2
Hydrochinon
Brenzcatechin
Ag2O
EtherNa2SO4
o-Benzochinon ist wasser-empfindlichNa2SO4 entzieht das bei der Reaktion enstehende Wasser
Versuch: Oxidation der isomeren Dihydroxybenzene
Oxidation von Anilin
O
O
NH2
Ox. Ox.: MnO2 oder Na2Cr2O7/H2SO4Reinigung der Substanz durch Sublimation
komplizierter, mehrstufiger Mechanismus
Redoxreaktionen von Chinonen und Hydrochinonen
O
O
OH
OH
+ 2 H3O(+) + 2 e Redoxpaar
Elektrisches Potential, Nernstsche Gleichung
Chinhydron-Elektrode
Chinhydron ist ein 1:1-Molekülkomplex aus Chinon und Hydrochinon: grüne Kristalle
Donor-Akzeptor-Komplex, Charge-Transfer-(CT)-Komplex, Ladungsübertragungs-Komplex
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 86
O
O
OH
OH
Donor Akzeptor Versuch 68: Pikrat von Chinhydron?
Atmungskette
Oxidation von Wasserstoff zu Wasser in den Mitrochondrien der Zellen → ATP-Gewinnung
Ubichinon, Coenzym Q10
O
O
CH3O
CH3O CH3
R CH2
CH
C
CH3
CH2 n
R =
n = 10: Q10
Bombardierkäfer: Hydrochinon + H2O2 (23 %-ig) + Katalysator → O2+ H2O + Chinon
Der Bombardierkäfer im Internet
Brachynus crepitans
Eine sehr schöne Beschreibung findet sich man Internet:
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 87
http://www.quarks.de/explosionsgefahr/09.htm
Wie verteidigt sich ein Bombadierkäfer? Ein Bombardierkäfer wird je nach Art (Brachinus crepitans oder Brachinus explodens) nur etwa einen Zentimeter groß. Trotzdem kann er sich äußerst wirkungsvoll gegen Fressfeinde, wie zum Beispiel Vögel, verteidigen. Dazu hat er ein ausgeklügeltes Waffensystem in seinem Hinterleib. Der Käfer produziert mit seinen Drüsen Wasserstoffperoxid und Hydrochinon. Wasserstoffperoxid kennt man als Harrbleichmittel, die farbigen Chinone kommen in der Natur oft als Pigmente vor. Für den Käfer sind diese beiden Substanzen die Vorstufen der eigentlichen Abwehrstoffe. Er bewahrt sie in einer Sammelblase auf. In einer, mit dieser Blase verbundenen, Explosionskammer befinden sich Peroxidasen und Katalasen, das sind Katalysatoren für chemische Reaktionen. Immer auf der Hut Wird der Bombardierkäfer gestört, entlässt er ein Teil der Substanzen in die Explosionskammer. Dort setzen die Katalysatoren das Hydrochinon zu Chinon und das Wasserstoffperoxid zu Wasser und Sauerstoff um.
Dabei wird Wärme frei. Es wird so heiß in der Explosionskammer, dass das Wasser verdampft. Dadurch baut sich ein großer Druck auf und dann schießt ein ätzendes, 100° C heißes Gasgemisch mit einem Knall aus dem Bombardierkäfer heraus. Durch das Chinon bekommt die Abwehr-Wolke eine dunkle Farbe.
Der Käfer kann mehrmals hintereinander knallen, bis die Substanzen aufgebraucht sind und wieder neu gebildet werden müssen. Um sich dauerhaft gegen die viel größeren Fessfeinde zu wehren, hat der Bombardierkäfer noch einen weiteren Trick auf Lager: Er nutzt die Irritation seiner Fressfeinde, nach dem er sie bombardiert hat, um schnell das Weite zu suchen. Schließlich gehören die Bombardierkäfer zur Familie der Laufkäfer.
Tanja Winkler
Bombardierkäfer in einer schematischen Zeichnung: Wasserstoffperoxid und
Hydrochinon werden in die Explosionskammer entlassen, durch den aufgebauten Druck schießt die Gaswolke
explosionsartig nach draußen.
<>
2001 Westdeutscher Rundfunk Sendedatum: 25.05.2001
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 88
Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) Mehrkernige Arene
Aromat: cyclisch-konjugierte, planare Verbindung
Hückel-Regel: cyclisches π-Elektronensystem mit 4n+2 π-Elektronen
Annulene (Monocyclen):
CH
CH
n = (CH)2n
n = 2, 3, 4, ...
n = gerade: Antiaromat, n = ungerade: Aromat
Benzoide und nichtbenzoide polycyclische Arene
Benzoide polycyclische Arene sind nur aus Sechsringen aufgebaut
Beispiel: C10H8-Isomere mit 10 π-Elektronen
Naphthalenfarblosbenzoid
Azulenblaunichtbenzoid
Polycyclische benzoide Arene
Verknüpfung der Ringe über Einfachbindungen
Biphenyl p-Terphenyl Verknüpfung der Ringe durch Anellierung. Benachbarte Ringe besitzen mindestens eine
gemeinsame C,C-Bindung.
Lineare, angulare oder helicale Anellierung
Die meisten kondensierten Arene lasen sich formal als Ausschnitte aus dem Graphitgitter
erzeugen.
Acene: linear anellierte (kondensierte), benzoide Arene
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 89
Naphthalen C10H8farblos
Anthracen C14H10farblos
Tetracen C18H12orange
Pentacen C22H14violett
Hexacen C26H16 grün
Heptacen C30 H18tief grün-schwarzkann nicht rein dargestellt werden
Octacen, Nonacen, Decadecenund Undecadecen sind nur inForm von Derivaten bekannt.
Das Verhältnis H/C nimmt mit der Größe ab.
Die Stabilität der Acene nimmt mit zunehmender Größe stark ab. Die Verbindungen werden
zunehmend stärker luftempfindlich und sind sehr reaktiv.
Phene: angular anellierte (kondensierte), benzoide Arene
Phenanthren C14H10farblos
Phene sind stets stabiler als die isomeren Acene. Erklärung: Die Anzahl der möglichen
Kekulé-Formeln ist bei den Phenen größer als bei den Acenen. Sie besitzen also eine größere
Mesomerieenergie.
Angular anellierte Verbindungen sind thermodynamisch stabiler als linear anellierte.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 90
Namen und Ringbezifferung ausgewählter kondensierter Arene
Mesomerieenergien einiger mehrkerniger Arene
REPE kJ/mol 25.1 25.6 25.7 29.7 30.3 31.3 REPE = Resonanz Energie Pro π-Elektron
Die REPE-Werte nehmen mit der Größe des aromatischen Systems zu.
Größere Delokalisierung der π-Elektronen.
Die Mesomerieenergie pro Ring ist kleiner als beim Benzen. Deshalb sind polycyclische
Arene sind weiniger stabil und weniger aromatisch als Benzen. Dies zeigt sich auch in einer
größeren Neigung zu Additionsreaktionen.
Angular kondensierte Verbindungen sind stärker aromatisch als Acene. Dies stimmt auch mit
der unterschiedlichen Anzahl von Kekulé-Strukturen überein. Beispiel:
Anthracen: 4 Kekulè-Formeln Phenanthren: 5 Kekulè-Formeln
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 91
Struktur und Bindungsverhältnisse
Benzen
Zwei äquivalente Kekulé-Formeln:symmetrische Struktur mit gleichlangen C,C-Bindungen
Im Benzen beträgt die π-Bindungsordnung der C,C-Bindungen 0.5, die
Gesamtbindungsordnung also 1.5.
Polycyclische Arene besitzen eine niedrigere Symmetrie als Benzen und auch verschieden
lange C,C-Bindungen. Beispiel:
Naphthalen (Naphthalin)
Von den drei Kekulé-Formeln sind nur zwei äquivalent. Aus den Kekulé-Formeln ergeben sich folgende Bindungsordnungen (BO):
Bindung π-BO Länge/pm
1–2 = 3–4 2/3 = 0.67 138
2–3 1/3 = 0.33 141
9–10 1/3 = 0.33 142
1–9 1/3 = 0.33 141
12
345
6
78
9
10
Die Bindung 1–2 = 3–4 besitzt einen größeren Doppelbindungscharakter als die übrigen.
Versuch: Pikrate von PAK. Pikrinsäure (pikros = bitter) giftig
Versuch: Fluoreszens von Pyren, Anthracen, Phenanthren, Geldscheinen, Briefmarken, ...
(Fluoreszenzfarbstoffe)
Lit.: E. Clar, Polycyclic Hydrocarbons, Vol. 1, Springer, Berlin 1964, UVG 1078-1
Nomenklatur von Stelzner und Kuh (1921): Acene: linear anellierte PAK Phene: angular anellierte PAK Perikondensierte PAK. Beispiel: Perylen
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 92
Vorkommen und Gewinnung
Steinkohlenteer, Rückstand der Erdöldestillation
Viele polynucleare Arene sind stark krebserregend.
Reaktionen
Naphthalen
Elektropile aromatische Substitution ≈ Benzen. Die 1-Position ist am reaktivsten.
σ-Komplexe
H Y H Y H Y
günstig, da ein Benzenring intakt ist.
++
+ usw.
HY
HY
Es gibt nur eine Formel mitintaktem Benzenring.
++ usw.
H-D-Austausch
L. D. Field, S. Sternhell, H. V. Wilton, Electrophilic Substitution in Naphthalene:Kinetic vs
Thermodynamic Control, J. Chem. Educ. 199, 76, 1246-1247
Die Reaktion wird 1H-NMR-spektroskopisch verfolgt.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 93
Wegen der höheren Reaktivität bei der elektrophilen Substitution erfolgt der Austausch der H-
Atome in Position 1 (und in den äquivalenten Positionen 4, 5 und 8) schneller als in Position 2
(und in den äquivalenten Positionen 3, 6 und 7).
Dies erkennt man daran, dass zunächst das Signal bei 7.75 ppm relativ zu dem Signal bei 7.39
ppm schwächer wird. Anschließend gleichen sich die relativen Intensitäten beider Signale
wieder an, bis die Konzentration an H in allen Positionen wieder gleich ist, also dem Gesamt-
H/D-Verhältnis entspricht.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 94
Nitrierung
NO2
HNO3
H2SO4
Bromierung
Br
Br2
CCl4ohne Kat.
+ HBr
Sulfonierung
SO3H
SO3Hkonz. H2SO4+
bei 80 °C: 96 % 4 %bei 160 °C: 15 % 85 % kinetische thermodynamische Kontrolle
Naphthalen-2-sulfonsäure ist stabiler als Naphthalen-1-sulfonsäure.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 95
Friedel-Crafts-Acylierung
CO-CH3
CO-CH3CH3COCl+
in CS2 bei -15 °C: 75 % 25 %in Nitrobenzen bei 25 °C: 10 % 90 %
AlCl3
Oxidation
O
O
O
O
O
CrO3/CH3CO2H
O2/V2O5
470 °C
1,4-Naphthochinon
Phthalsäureanhydrid
+ 2 CO2 + 2 H2 O
Reduktion
H2/Pd-CTetralin
Decalincis- u. trans-Isomer
H2/Pt-C
oder anderer Kat.
Anthracen
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 96
Br
Br
Br
Br2
CCl4+ HBr
Br2
+ HBr9,10-Dibromanthracen
Elektrophile aromatische Substitution bevorzugt in 9-Position
Diels-Alder-Reaktionen, z.B. mit Dehydrobenzen
+ Triptycen
Dien Dienophil
Heterocyclen Isocyclen/Heterocyclen
Carbocyclen
Heterocyclus: Ring, der nicht nur aus Kohlenstoffatomen besteht
Viele Naturstoffe sind oder enthalten Heterocyclen: Nucleinsäuren (DNA, RNA), Vitame,
Alkaloide, Chlorophyll, Hämoglobin, Zucker, Farbstoffe, .....
Ebenso zahlreiche Arzneimittel, Pharmaka, Pflanzenschutzmittel, ...
Ca. die Hälfte der bekannten organischen Verbindungen sind Heterocyclen.
Zahlreiche technische Anwendungen
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 97
Es gibt aromatische und aliphatische Heterocyclen.
Hetarene
Aromatische Heterocyclen, Heteroaromaten, Monocyclen, Bicyclen, ... Polycyclen
Hetarene können Fünf- und Sechsringe enthalten
Wichtige Beispiele
N NH
O S
Pyridin Pyrrol Furan Thiophen Pyridin: Verglichen mit Benzen wird eine CH-Gruppe durch das N-Atom ersetzt. Benzen und
Pyridin sind isoelektronisch. Das einsame Elektronenpaar am N-Atom besetzt ein sp2-
Hybridorbital.
Pyrrol, Furan, Thiophen: Verglichen mit Benzen ersetzen NH, O bzw. S eine HC=CH-
Einheit. Das Heteroatom stellt dem aromatischen System ein Elektronenpaar zur Verfügung.
Pyrrol und Furan sind isoelektronisch mit dem Cyclopentadienyl-Anion.
Wichtige Heteroatome: N, O, S, (P, Si, Ge, Se, ...)
O und S nur in geladenen Sechsringen: Pyrylium-Ion, Thiapyrilium-Ion
Vorkommen: Im Steinkohlenteer: Pyridin, Pyrrol, Thiophen, Chinolin, ... Pyrrol wurde
erstmals aus Knochenteer isoliert.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 98
Ausgewählte aromatische Heterocyclen (Hetarene)
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 100
Strukturparameter und Mesomerieenergien von Fünfring-Hetarenen
X1
2
34
5
Mesomerieenergie von Pyridin: 133 kJ/mol
Die als Mesomerieenergien angegebenen Werte können sich stark unterscheiden.
Für die relativen Werte und den aromatischen Charakter gilt:
Benzen > Pyridin ≈ Thiophen > Pyrrol > Furan
Pyridin
N
Schmp. –42 °C, Sdp. 115 °C, pKb = 8.8
schwache Base, löslich in Wasser
Verwendung: Lösungsmittel, katalytische Wirkung bei Acylierungen, schwache organ. Base,
Denaturierung von Ethanol, Brennspiritus
Reaktionen
als Base: Depotonierung von stärken Säuren, schwache organ. Base
als Nucleophil:
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 101
N N+
CH3
N N+
CO-CH3
N
+ CH3I I(-) N-Methylpyridinium-oidid
+ CH3CO-Cl Cl(-)N-Acetylpyridinium-chlorid
ROH
+ RO-CO-CH3
Pyridin katalysiert Acylierungsreaktionen
als Aromat:
a) mit Elektrophilen
niedrige Reaktivität ≈ Nitrobenzen, π-Elektronen-armer Aromat
Nitrierung
Nrauch. HNO3
rauch. H2SO4
keine Reaktion !
Substitution unter drastischen Bedingungen:
N N
NO2
HNO3, KNO3,
H2SO4, Fe300 °C
3-Nitropyridin
Sulfonierung
N N
SO3H
20 % SO3,
H2SO4230 °C
Pyridin-3-sulfonsäure
Bromierung
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 102
BrBr
NN
Br
N Br2
300 °C+
3-Brompyridin 3,5-Dibrompyridin Bei der elektrophilen Substitution erfolgt die Reaktion bevorzugt in der 3-Position.
Relative Energie der σ-Komplexe:
NE
H N
E H
N
HE
(+) (+)(+)
ungünstig günstigungünstig Es ist jeweils nur eine mesomere Grenzstruktur gezeichnet. Beim σ-Komplex für die 3-
Substitution kann die positive Ladung nicht am N-Atom lokalisiert werden.
b) mit Nucleophilen
Mit starken Nucleophilen erfolgt Substitution in 2-Position.
N N R+ LiR + LiH
R = C6H5, C4H9, ... Tschitschibabin-Reaktion (1914):
N N NH2
N NH2
HN NH
+ NaNH2flüss. NH3
2-Aminopyridin
NH2(-)
- H2
(-)_
(-)_
H(+)
Die Reaktion erfolgt nach einem Additions-Eliminierungs-Mechanismus: SN(Ar).
Reduktion
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 103
N NH
Pt+ 3 H2
Pideridinsek. Amin
Oxidation
N N+
O
Eisessig+ H2O2 Pyridin-N-oxid
Pyrrol, Furan, Thiophen
NH
O S
Pyrrol und Furan sind säurelabil, polymerisieren (starke Säuren). Thiophen ist ziemlich
säurebeständig, mit sehr starken Säuren erfolgt Oligomerisation.
Versuch: Fichtenspanprobe von Pyrrol und Furan
Elektrophile Substitution
hohe Reaktivität ≈ N,N-Dimethylanilin: π-Elektronen-reiche Aromaten
Die Erstsubstitution erfolgt bevorzugt in 2- und 5-Stellung, dann 3- und 4-Position.
Vergleich der σ-Komplexe:
X X HE
X HE
X HE
X
EH
X
EH
X = NH, O, S
+ E(+)
+
+
+
+
+_
___
Beispiele
Bromierung von Pyrrol
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 104
NH
NH
Br
Br
Br
Br+ 4 Br2 + 4 HBr
Nitrierung von Pyrrol (in Gegenwart einer schwachen Säure!)
NH N
HNO2NaNO3/
AcOH, 5 °C Sulfonierung in schwach basischem Medium
NH N
HSO3HSO3/
Pyridin, 90 °C Acetylierung mit Acetanhydrid (ohne Katalysator)
NH N
HCO-CH3(AcO)2O + CH3CO2 H
Reduktion
O O
NH N
H
S S
S S
H2/
Ni oder Pd
TetrahydrofuranTHF
H2/Ni Pyrrolidinsek. Amin
H2/Pd TetrahydrothiophenThiolan
Die katalytische Hydrierung von Thiophen ist problematisch, da Schwefelverbindungen Katalysatorgifte sind.Besser geeignet ist die Birch-Reduktion:
Na/flüss. NH3
MeOH
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 105
Oxidation
S S
O
S
O O
Persäure
Thiophen-1-oxid Thiophen-1,1-dioxid Aus Thiophen-1,1-dioxid kann über Sulfolen 1,3-Butadien hergestellt werden:
S
O O
S
O O
S
O O
S
O O
H2
2,5-Dihydro-thiophen-1,1-dioxidSulfolen
∆T
- SO2
2 H2 Tetrahydro-thiophen-1,1-dioxidSulfolan
Kat.
Kat. Sulfolan ist eine polares, aprotisches Lösungsmittel.
Diels-Alder-Reaktionen
Reaktion als Dien. Die relative Reaktivität entspricht dem aromatischen Charakter:
XX: O > NH > S
_
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 106
Synthesen
Beispiel: 2,5-Dimethyl-Derivate
S
NH
OOO
OO NH
OHOH NH
P2O5
160 °C
Hexan-2,5-dion(NH4)2CO3
100 °C
P2S5
NH3
- 2 H2O
~ Halbaminal Furan
O CH=OCH=O
OHOH
OH OH
O
oder verd. HCl
verd. H2SO4 CaO/ 400 °C
- CO
Furfural katalyt.Decarbonylierung
latein. "furfur" = KleieAldopentose aus Pentosanen(Kleie, Spelzen, Hafer, Mais, Reis)Saure Hydrolse (mit HCl)
Pyrrol
O NH
+ NH3Al2O3
+ H2O
Thiophen
S
Al2O3
+ 3 H2S
n-Butan
+ 4 S
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 107
Indol
E. Fischer (1883)
NHNH2
OCH3
CO2H
NHN
CH3
CO2H
NH
Phenylhydrazin
+
Brenztraubensäure
H(+)
- H2O
Phenylhydrazon derBrenztraubensäure
H(+)+ NH3 + CO2
Der Mechanismus der mehrstufigen Reaktion wurde eingehend untersucht. Er beinhaltet u. a.
eine [3,3]sigmatrope Umlagerungsreaktion. Näheres wird im Hauptstudium bei den
pericyclischen Reaktionen behandelt.
NHN
CH3
CO2H
NH
NHN
+
CH3
CO2HHNH
NCH2
CO2HH
NHN
CH2
CO2H
H
H
NH2
N+
CH2
CO2H
H
HH2N
N
CH2
CO2H
HH
NH
NH3
CO2H
NHCO2H
NH
CO2H
H(+)
- CO2
- H(+)
H(+)
_ +
+
- NH3
+
- H(+)
[3,3]
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 108
Aliphatische Heterocyclen
Gesättigte Heterocyclen
Die meisten Verbindungen ähneln in ihren Eigenschaften den analogen acyclischen
Substanzen. Ausnahme: Kleine Ringe (3- und 4-Ringe)
Wichtige Beispiele:
O S NH O S NH
O S NH
O S NH
O
O
NH
O
Oxiran Thiiran Aziridin Oxetan Thietan Azetidin
TetrahydrofuranTHFOxolan
TetrahydrothiophenTHTThiolan
Pyrrolidin
TetrahydropyranTHPOxan
Tetrahydro-thiopyran
Piperidin 1,4-Dioxan Morpholin
Oxirane und Aziridine sind säurelabil.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 109
Nomenklatur von aliphatischen Heterocyclen Hantzsch-Widmann-System (die Angaben in Klammern gelten für Stickstoff als Heteroatom)
Ausgewählte aliphatische Heterocyclen
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 110
Kohlenhydrate Mengenmäßig größter Anteil der in der Natur vorkommenden organischen Substanzen.
Hauptbestandteil der Nahrung für Menschen und Tiere. Wichtigster Energieträger der
Nahrungsstoffe (außerdem Proteine, Fette). Pflanzlichen Ursprungs.
Bildung durch Photosynthese in den grünen Pflanzen und in einigen Bakterien (→ Glucose)
n CO2 + n H2OChlorophyll
Cn(H2O)n + n O2 (n = 6: Glucose)hν
Monosaccharide
Einfache Zucker, CnH2nOn, (n = 3-9), Kohlenhydrate
Glucose C6H12O6: essentieller Bestandteil des Blutes
Disaccharide
Saccharose, C12H22O11 (Rohrzucker, "Zucker"), Lactose (Milchzucker), Maltose (Malzzucker)
Polysaccharide
Polymere Zucker, CaH2bOb, b < a, Polykondensate: Stärke, Cellulose, Glykogen, Inulin, ...
Stärke: Reservekohlenhydrat von Pflanzen
Glykogen: Reservekohlenhydrat von Tieren und Menschen (Leber, Muskeln)
Cellulose: Gerüstsubstanz der Zellwände von Pflanzen
Wichtigste Monosaccharide
C
CH
O
OH
CH2OH
H
CH2OH
C O
CH OH
CH2OH
*4
D-Glucoseeine Aldose
3
D-Fructoseeine Ketose
*
C6H12O6
Konstitutions-isomere
Anzahl Stereoisomere: 24 = 16 23 = 8 Polyfunktionelle Verbindungen mit mehreren Chiralitätszentren. Zahlreiche Stereoisomere
D-Glucose: Aldose D-Fructose: Ketose
(eines von 24 = 16 Stereoisomeren) (eines von 23 = 8 Stereoisomeren)
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 111
Fischer-Projektion
OHH
CH2OH
CH=O
OHH
CH2OH
CH=O
HOH
CH2OH
CH=O
HOH
CH2OH
CH=O
D-FormD(+)-Glycerinaldehyd
D = Dexter
L-Form L(-)-Glycerinaldehyd
L = Laevus
R
S
D,L-System (E. Fischer 1891, Nobelpreis 1902)
• nur anwendbar auf Verbindungen des Typs R-CHX-R'
• Waagerechte Striche: Bindungen zeigen nach vorn
Senkrechte Striche: Bindungen zeigen nach hinten
• Die C-Kette wird senkrecht angeordnet
Das C-Atom mit der höchsten Oxidationsstufe steht oben
• Bei mehreren *C richtet sich die D,L-Kennzeichnung nach dem untersten *C
• Diastereoisomere werden i.d.R. mit Trivialnamen unterschieden
Das D,L-System wird heute noch überwiegend bei Zuckern und Aminosäuren angewendet,
z.B. L-Alanin
NH2 H
CH3
CO2H
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 112
Beispiel: Stereoformel und Fischer-Projektion von D-Glucose
CO
OH
H
H
H OH
H OH
HOH
CH2OH
OC OH
H
OH
OH
OH
H
HH H H
H OH
C6H12O6
(2R,3S,4R,5R)-2,3,4,5,6-Pentahydroxy-hexanal D-Glucose
Für diese und ähnliche Verbindungen mit mehreren stereogenen Zentren ist das R,S-System
ist unhandlich, Stereoformeln sind unbequem.
Deshalb werden Trivialname verwendet, hier: D-Glucose. Der Buchstabe D bezeichnet die
Konfiguration.
Monosaccharide
Aldosen und Ketosen
Einfache Zucker, CnH2nOn, n = 3......7
Natürlich vorkommende Zucker: überwiegend D-Reihe
Polyhydroxy-Aldehyde und –Ketone, wichtige Beispiele:
n Aldosen Ketosen
1 C O
H
H Formaldehyd, kein Zucker
2 CH2OH
CH=O
Glykolaldehyd, sirupöse
Flüssigkeit, süßlicher Geschmack, Sdp.
96 °C, polymerisiert leicht
3
Triosen
CH=O
CH2OHOHH
D(+)-Gycerinaldeyd,
Aldotriose, einfachster Aldedzucker
C
CH2OH
CH2OHO
1,3-Dihydroxyaceton, achiral,
Ketotriose, einfachster Ketozucker,
chemisches Hautbräunungsmittel, bildet
mit Aminosäuren braue Farbstoffe
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 113
4
Tetrosen
CHO
OHH
OHH
CH2OH
CHO
HOH
OHHCH2OH
D(-)-Erythrose D(-)-Threose
C
CHO
O
OHH
CH2OH
D(-)-Erythrylose
5
Pentosen
Bausteine von Nucleinsäuren
CHO
OHH
OHH
CH2OHOHH
CHO
HH
OHH
CH2OHOHH
D(-)-Ribosein RNA
2-Desoxy-D-ribosein DNA
C
CH2OH
O
OHH
CH2OH
OHH
D(-)-Ribulose
6
Hexosen OHH
H OH
H OH
HOH
CH2OH
CHO
HOH
H OH
H OH
HOH
CH2OH
CHO
D(+)-GlucoseDextrose
D(+)-Mannose
C O
H OH
H OH
HOH
CH2OH
CH2OH
D(-)-FructoseLaevulose
7
Heptosen
C O
H OH
H OH
HOH
CH2OH
CH2OHOHH
D(+)-Sedoheptulose
Pentosen sind als Bausteine von Polysacchariden in der Natur weit verbreitet. Ausserdem in
Nucleinsäuren.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 114
D(+)-Glucose und D(+)-Mannose unterscheiden sich nur in der Konfiguration eines *C.
Solche Diastereomere nennt man Epimere.
D(+)-Glucose
Wichtigstes Monosaccharid, in der Natur am weitesten verbreitete organische Verbindung,
wichtigste Komponente vieler Oligo- und Polysaccharide
Technische Gewinnung durch Hydrolyse von Stärke, Auskristallisieren aus wässriger Lösung
→ α-D-Glucose (s. h.)
D(+)-Sedoheptulose ist ein Zwischenprodukt bei der Photosynthese.
Stammbaum der D-Aldosen
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 116
Cyclische Halbacetale, Anomere
Hydroxyaldehyde und –ketone bilden intramolekulare, cyclische Halbacetale. Günstig ist die
Bildung spannunsgfreier Fünf- und Sechsringe.
Anomerie der Halbacetale, Haworth-Projektion
D-Glucose
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
OCH2OH
HH
OH
H
OHH
OHH
OH
OCH2OH
HH
OH
OH
HH
OHH
OH
O
OH
OHOH
OH
OOH
OHOH
OH
O
O
CH2OH
CH2OH
α-D-Glucopyranose
β-D-Glucopyranose
Haworth-Projektion
1
1
11
1
1
1
α- und β-D-Glucopyranose unterscheiden sich nur in der Konfiguration an C1. Es handelt sich
also um Diastereomere (Epimere). Man nennt sie Anomere. C1 ist das anomere C-Atom, die
halbacetalische OH-Gruppe an C1 ist die anomere Hydroxy-Gruppe.
α-Anomer: OH-Gruppe an C1 ist trans-ständig zur CH2OH-Gruppe.
β-Anomer: OH-Gruppe an C1 ist cis-ständig zur CH2OH-Gruppe.
Im α-Anomer steht die anomere OH-Gruppe axial.
Lage der anomeren OH-Gruppe:
Anomer Fischer-Projektion Haworth-Projektion Sessel-Form
α rechts unten axial
β links oben equatorial
Beide Anomere lassen sich kristallin isolieren. Als Diastereomere besitzen sie
unterschiedliche Eigenschaften.
Anomer Schmp./° C [α]D
α 146 (aus Wasser) +112
β 150 (aus Pyridin) +18.7
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 117
In der β-D-Glucopyranose nehmen sämtliche Substituenten am Sechsring die energetisch
bevorzugte equatoriale Lage ein.
In wässriger Lösung stellt sich eine Gleichgewicht aus α- und β-Form ein. Ausgehend von
der in der Dextrose rein vorliegenden β-Form beobachtet man eine Veränderung der
spezifischen Drehung (Mutarotation): Anfangswert: +112°, Endwert (für das Gleichgewicht):
+52.7°. Daraus ergibt sich für das Gleichgewicht. 36 % α-Form + 64 % β-Form. Die
acyclische Aldehyd-Form ist zu ca. 0.003 % vorhanden, sie ist nicht isolierbar. Die β-Form ist
etwas stabiler als die α-Form.
Die Furanoseformen (α- und β-) sind nur zu ≈ 0.2 % vorhanden.
CO
OH
H
H
H OH
H OH
HOH
CH2OH
O
OH
OHOH
OH
OOH
OHOH
OH
CH2OH CH2OH
α-D-Glucopyranose 36 %
β-D-Glucopyranose 64 %
(0.003 %)
D-Fructose
In wässriger Lösung erfolgt ebenfalls Mutarotation. Im Gleichgewicht sind sowohl die
Furanosen als auch die Pyranosen vorhanden. Von der acyclische Keto-Form liegt nur eine
Spur (< 1 %) vor.
Nur die stabilste Form, die β-D-Fructopyranose, lässt sich in reiner Form kristallin gewinnen.
Mutarotation der Fructose:
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 118
C O
H OH
H OH
HOH
CH2OH
CH2OHO
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
HOCH2
HO
1
21
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 %)
(%-Werte aus Fox-Whitesell, Römpp). Über die Konzentrationen der einzelnen Anomeren
findet man in der Literatur z. T. unterschiedliche Angaben.
Literatur R.E. Harmon (Hrsg.), Asymmetry of Carbohydrates, M. Dekker, New York, 1979, S. 27. <31 UWL 73> J. Lehmann, Chemie der Kohlenhydrate, Thieme (TB), Stuttgart, 1976 <31 UWL 1077>
W.N. Haworth (1883-1950), Manchester, Kohlenhydrat-Chemiker, Nobelpreis 1937
Furanose- und Pyranose-Formen, Glykosid-Strukturen, Haworth-Formeln
Klärte die Struktur zahlreicher Zucker auf: Maltose, Cellobiose, Lactose, Gentiobiose, ....
1934 Synthese von Vitamin C, Briefmarke GB 1977
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 119
Technische Synthese der L-Ascorbinsäure
Gesamtausbeute: 66 %
Formelschema aus: H. Beyer, W. Walter, Lehrbuch der Organischen Chemie, 22.Aufl., S. Hirzel Verlag, Stuttgart, 1991, S. 451.
1. Katalytische Hydrierung
2. biochemische Dehydrierung mittels Acetobacter
3. Oxidation direkt mit O2/Pt oder über die Diisopropyliden-Verbindung mit KMnO4 und
anschließender Abspaltung der Acetonreste durch sauere Hydrolyse
4. Lactonisierung beim Erhitzen mit verdünnten Säuren
Vitamin C, L-Ascorbinsäure
Name "Vitamin": vita (latein. Leben) + Amin
Ursprünglich meinte man, dass "Vitamine" aminartig seinen, Beispiel: Vitamin B
Name "Ascorbinsäure": anti-Skorbut-Säure
L-Ascorbinsäure: γ-Lacton einer Ketohexansäure
Vorkommen: in frischen Früchten
Mangel: Skorbut, Zahnfleischbluten
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 120
Tiere produzieren Vitamin C in der Leber aus D-Glucose (täglich ca. 0.5 g pro kg
Körpergewicht). Menschen und einige andere Tiere (Vögel): Oxidase fehlt. Defektes Gen,
chronischer Vitamin C-Mangel? These von L. Pauling u. a.
Ascorbinsäure. Saurer Charakter, starkes Reduktionsvermögen. Die Acidität (pKa= 4.1)
beruht auf der Endiol-Gruppe. Diese wird durch Oxidationsmittel (freie Radikale) zum Dion
oxidiert. Verwendung der Ascorbinsäure als Antioxidans, z.B. zur Haltbarmachung von
Lebensmitteln (Apfelsaft u. a.).
Synthese (1934): W. N. Haworth (1883–1950), Kohlenhydrat-Chemiker, Nobelpreis für Chemie (1937). T. Reichstein (1897–1996), Nobelpreis für Physiologie oder Medizin (1950).
Oxidation und Reduktion von Monosacchariden
Reduzierende/Nichtreduzierende Zucker
Unterscheidung durch:
- Fehlingsche Probe (1850): Nachweis von Aldehyden
- Tollenssche Probe (????), mit ammoniakal. AgNO3-Lösung
Versuch: (Fehlingsche Probe von Glucose, Saccharose), Cu2+ als Tartratkomplex, Red →
Cu2O rot
Reduzierende Zucker:
- Alle Monosaccharide (Aldosen und Ketosen)
- die meisten Disaccharide
Nicht reduzierend: Saccharose (Rohrzucker, gewöhnlicher Zucker)
Die Reduktion von Glucose und Fructose liefert das gleiche Produkt.
C
CH
O
OH
CH2OH
H
CH2OH
C O
CH OH
CH2OH
CH2OH
CH OH
CH2OH 4
D-Glucose
3
D-Fructose
*4
Sorbit
H2/Ni H2/Ni
Oxidation von Glucose
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 121
C
CH
O
OHCH2OH
H
C
CH
O
OHCH2OH
OH
C
CH
O
OH
C
OH
OH O
4
D-Glucose
Br24
Gluconsäure
HNO3
4
GlucarsäureZuckersäure
Isomerisierung von Glucose und Fructose durch Keto-Enol-Tautomerie. Katalyse durch (H+
oder OH-).
C
CH
O
OH
R
HC
C
OH
OH
R
H CH2OH
C O
R
Aldosez. B. D-Glucose
Endiol-Form Ketosez. B. D-Fructose
Br2/H2O oxidiert nur Aldosen, keine Ketosen
Fehlingsche Lösung (alkalisch) oxidiert Aldosen und Ketosen,
Reaktion allgemein bei α-Hydroxaketonen und –aldehyden
Reaktion mit Phenylhydrazin → Osazone (E. Fischer 1884)
D-Glucose und D-Fructose liefern das gleiche Osazon.
Acetalbildung, Glykoside
Methylierung und Acetylierung von Glucose
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 122
O
OH
OHOH
OHH
O
O
OHOH
OHH
R
O
O-R'
R'OR'O
OR'H
O
O
H
ROMe
MeOMeO
CH2OH
α- oder β-D-Glucopyranose
R-OH
H(+)
CH2OH
R = CH3: Methyl-α-D-glucosidoder Methyl-β-D-glucosid
+ H2O
CH2OR'
(CH3CO)2O Me2SO4
CH2OMe
R = Me
Tetramethyl-methyl- α-glucosid oder β-glucosid
Pentacetyl- α-glucose oder β-glucose
R' = CH3CO
Allgemein werden die Kondensationsprodukte von Zuckern mit Alkoholen Glykoside
genannt. Die Glucoside sind Glykoside der Glucose.
Disaccharide
Die Glykosid-Bildung erfolgt mit einem anderen Zucker. Disaccharide entstehen durch
Glykosid-Bildung aus zwei Monosacchariden. Es handelt sich also um
Kondensationsprodukte von Monosacchariden. Sie sind zu Monosacchariden hydrolysierbar.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 123
Wichtige Disaccharide Saccharose
Rohrzucker, Rübenzucker, Sucrose, "Zucker"
Gehalt an Saccharose
Zuckerrohr: ca. 15 %
Zuckerrübe: ca. 20 %
O
O
O
OH OH
OHCH2OH
HOCH2
OH
OHO
OH
OHOH
OH
O
OHOH
CH2OH
OH
1 2
HOCH2
1
2CH2OH
α-D-Glucopyranose
HOCH2
12
β-Fructofuranose
+12
-H2O
α-D-Glucopyranosyl-β-D-fructofuranosidβ-D-Fructofuranosyl-α-D-glucopyranosid
CH2OH
O
HO
OH
OH
OHOCH2
HOCH2OH
OH
O
Da beide Monosaccharide über ihre anomeren OH-Gruppen mit einander verknüpft sind,
liegen beide als Acetale vor. Deshalb ist das Disaccharid nicht reduzierend.
Geschichte
Saccharose wurde aus Zuckerrohr bereits 300 n. Chr. in Indien isoliert.
Die Araber brachten Zuckerrohr und "Zucker" nach Ägypten und Europa.
Columbus nahm Zuckerrohr auf seiner zweiten Fahrt mit nach Amerika (San Domingo,
1494).
In Europa (Deutschland) gewinnt man Rohrzucker aus Zuckerrüben seit der Napoleonischen
Kontinentalsperre (~ 1796–1814).
"Zucker" ist einer der wenigen "reinen" Stoffe, die wir als Lebensmittel verwenden.
Rohrzuckerinversion
Saure oder enzymatische Hydrolyse der Saccharose. Dabei entsteht "Invertzucker".
Die spezifische Drehung ändert sich dabei von +66.5 ° (Saccharose) auf –20.0° (Gemisch aus
Glucose und Fructose).
Saccharose + H2O → Glucose + Fructose
Saccharose + H2O → α-D-Glucopyranose 18 %
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 124
β-D-Glucopyranose 32 %
α-D-Fructofuranose 16 %
β-D-Fructopyranose 34 %
Das Gemisch aus Glucose und Fructose ist Kunsthonig. Dieses ist süßer als reine Saccharose.
Bienenhonig ist natürlicher Invertzucker + Saccharose (wird enzymatisch gespalten, Enzym:
Invertase).
Süßer Geschmack
Abstand zwischen Protonendonor und Protonenakzeptor: ≈ 300 pm
D
A
H
DH
A
Signalstoff Rezeptorca. 300 pm
Siehe z.B. J.-H. Fuhrhop, Bio-organ. Chemie, S. 309.
Olestra
Saccharose verestert mit sechs oder mehr Fettsäuren. "Calorienfreier" Fettersatz wird nicht
resorbiert, unverdaulich.
Lit.: R.J. Jandacek, J. Chem. Ed. 1991¸ 67, 476.
Lactose, Milchzucker
Kuhmilch: 4–5 %. Frauenmilch: 5.5–7,5 %.
Die Hydrolyse liefert Glucose und Galactose
Milchsäuregärung: → Milchsäure (Sauermilch, Joghurt)
OO
O
OH OH
OHOHOH
OH
HOCH2
CH2OH
O
CH2OHHO
OH
OH
O
CH2OH
OH
OH
OH, OH
4(β-D-Galactopyranosyl)-α(oder β)-D-glucopyranose
Nur das linke Glucose-Molekül liegt als Acetal vor. Das rechte liegt als Halbacetal (α- oder
β-Form) vor. Deshalb ist das Disaccharid reduzierend.
Maltose, Malzzucker
Wird in keimenden Samen beim enzymatischen Abbau von Stärke gebildet. "Gerstenmalz",
Spaltprodukt der Stärke
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 125
Die Hydrolyse liefert zwei Moleküle Glucose.
O
OH
OH
OH
O
O
OHOH
OH
OHHOCH2
O
O
OH
OH
CH2OH
HO
O
OH
OH
CH2OHOH
4(α-D-Glucopyranosyl)-α(oder β)-D-glucopyranose, reduzierend.
Cellobiose
Abbauprodukt der Cellulose. Hydrolyse liefert zwei Moleküle Glucose. Isomeres der Maltose.
OOHOH
OH
O
O
OH OHOH
HOCH2
CH2OH O
OH
CH2OH
OH
OH
O
CH2OH
OH
OH
OH
HO
4(β-D-Glucopyranosyl)-α(oder β)-D-glucopyranose, reduzierend.
Cyclodextrine
Beim Abbau von Stärke durch Bacillus macerans oder B. circulans unter Einwirkung von
Cyclodextringlycosyltransferase gebildete cyclische Dextrine. Die Cyclodextrine bestehen aus
sechs, sieben oder acht α-1,4-verknüpften Glucose-Einheiten (α-, β- bzw. γ-Cyclodextrin).
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 126
O
O
O
O
O
OHOH
OH
O
HOCH2
HOCH2
O
OO
CH2
OH
O
CH2OH
OHO
CH2OH
HO
O
O
OHO
HO
CH2OH
O
O
O
O
H
HO
H
H
H 5,2 A
α-Cyclodextrin
Diese Cyclohexa- (-hepta-, -octa-)amylosen sind im Kristallgitter der Cyclodextrine so auf
einander geschichtet, dass sie durchgehende innermolekulare Kanäle bilden, in denen sie
hydrophobe Gastmoleküle in wechselnden Mengen bis zur Sättigung einschließen können,
z. B. Gase, Alkohole oder Kohlenwasserstoffe.
α-Cyclodextrin bildet auch mit Iod eine Einschlussverbindung, die blau gefärbt ist und in der
die Iod-Atome perlschnurartig in den Kanälen angeordnet sind.
Cyclodextrine werden aufgrund dieser Eigenschaften zur Fertigung von Nahrungsmitteln,
Kosmetika, Pharmazeutika und Pestiziden sowie zur Festphasenextraktion, als
Reaktionskatalysatoren und zur Enantiomeren-Trennung eingesetzt.
Literatur: Adv. Carbohydr. Chem. 1987, 12, 189. Angew. Chem. 1980, 92, 343. Vögtle, Supramolekulare Chemie, 2. Aufl., S. 175 ff., Teubner, Stuttgart, 1992.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 127
Polysaccharide
Cellulose, Stärke (Amylose, Amylopektin), Glykogen: bestehen aus Glucose
Glucose in Polysacchariden:
Cellulose: 1,4-β-glykosidisch verknüpft
Amylose: 1,4-α-glykosidisch verknüpft
Amylopektin: 1,4-α- und 1,6-α-glykosidisch verknüpft
Glykogen: 1,4-α- und 1,6-α-glykosidisch verknüpft
Cellulose
Mengenmäßig wichtigster Naturstoff, Gerüststoff der Pflanzen
Pflanzliche Zellwände bestehen vorwiegend aus Cellulose. Rohstoff für Zellstoff, Papier
Baumwolle enthält 98 % Cellulose, Holz 50 %, Stroh 30 %
(Saure) Totalhydrolyse liefert nur D-Glucose: "Holzverzuckerung". Herstellung von Ethanol
und Futterhefe
Struktur der Cellulose: lange, parallele Ketten, durch H-Brücken verbunden, Fasern
O
HOOH
HOO
CH2OH
O
HOOH
O
CH2OH
O
HOOH
O
CH2OH
O
HOOH
OH
CH2OHCellobiose-Einheit
n
4
12
2
4
1
Anzahl der Cellobiose-Einheiten variiert stark (einige Hundert–mehrere Tausend).
Derivatisierung von Cellulose
Nitrierung
Cellulose Cellulosenitrat, "Nitrocellulose"HNO3
hoch intriert: Schießbaumwolle
schwach nitriert: Cellulovid, Collophonium, Kollodiumwolle
+ Campher (Weichmacher): Nitrolacke
Celluloseanthogenat
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 128
CEL OH CEL O
S
S
Cellulose CellulosexanthogenatNaOH/CS2
+ CS2 + NaOH (-) Na(+)
ca. 1 CS2 pro 2 Glucose-Einheiten Viscose-Reyon, Cellophan
Cellulose-Acetat
CEL OH CEL O
O
CH3
(CH3CO)2O Acetatseide, Filme, Plastikmaterial
Methyl-/Ethylcellulose
CEL OH CEL O RR-Cl/NaOH
R = CH3, C2H5 Emulgatoren, wasserfestes Papier, Tapetenkleister
Stärke
pflanzliches Reservekohlenhydrat (Wurzeln, Knollen, Mark, Samen), besteht aus:
Amylose (20 %, ca. 100–1400 Glucose-Einheiten) und
Amylopektin (80 % ca. 1000–5000 Glucose-Einheiten)
O
CH2OH
OH
OH
O O
O
CH2OH
OH
OOH
O
CH2OH
OH
OH
O
O
CH2OH
OH
OH
OO
O
CH2
OH
OH
O
O
CH2OH
OH
OH
O
6
5
4
3 2
1 Amylose
Amylo-pektin
←-------Maltoseeinheit------→
Amylose
Struktur: α-glykosidisch-verknüpfte Glucose-Moleküle, spiralförmige Anordnung der Kette,
Helix
Iod-Stärke-Reaktion
Blaufärbung: I5(-)-Komplex, empfindlicher Nachweis von Stärke oder von Iod. Iod-Moleküle
werden als KI5 in die Kanäle eingelagert. Anwendung z. B. in der Iodometrie.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 129
Abbildung aus: A. L. Lehninger, D. L. Nelson, M. M. Cox, Prinzipien der Biochemie, 2. Aufl., Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, 1994, S. 358. Glykogen
tierisches Reservekohlenhydrat (Muskeln, Leber)
25000–90000 Glucose-Einheiten
ähnliche Struktur wie Amylose, aber stärker verzweigt
Aus Stärke zugängliche Produkte
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 130
Quelle: Römpp Lexikon der Chemie, Version 2.0, Georg Thieme Verlag, Stuttgart/New York,
1999.
Inulin Polysaccharid
O
CH2OH
HO
O
OH
HO
OHOCH2
HO
OHCH2OH
O
CH2OH
HO
HOCH2 O
n
Inulin ist ein lineares Polyfructosan mit ca. 30–60 Fructose-Einheiten in β(2→1)-
glykosidischer Bindung, die in der furanosiden Form vorliegen. Wahrscheinlich wird die
Kette von Glucose (Gesamtanteil 2–3%) abgeschlossen.
Inulin findet sich allein oder zusammen mit Stärke als Reserve-Kohlenhydrat in
Dahlienknollen, Artischocken, Topinamburknollen, Zichorienwurzeln, Löwenzahnwurzeln
u. a.
Inulin wurde erstmals von Rose 1804 aus dem Rhizom von Inula helenium (Name!) isoliert.
Mit Hilfe von Säuren oder Enzymen (Inulase) wird Inulin vollständig zu Fructose abgebaut
und kann zur Gewinnung von Fructose und zur Bereitung von Brot für Zuckerkranke
(Diabetikerbrot) sowie zur Nierenfunktionsprüfung verwendet werden.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 131
Nucleoside, Nucleotide, Nucleinsäuren Wichtige Naturtoffe
Coenzyme: ATP, NAD, ....
Nucleinsäuren
Träger der genetischen Information (Proteinbiosynthese → Enzyme)
Name: "Kernsäuren", kommen in den Zellkernen aller Organismen vor, aber auch im
Zellplasma und in den Ribosomen, wurden 1869 von R. Miescher entdeckt und aus
Eiterzellen isoliert.
Die wichtigsten sind DNA und RNA, größte bekannte Makromoleküle
DNA: Molmasse 500.000–einige Milliarden D
Mensch: ca. 3 x 109 Nucleotide-Paare
Lungenfisch: 6.9 x 1013 (69 Billionen) D, Länge 34.7 m (!), größtes isolierbares
Molekül (vgl. H.-G. Elias, Große Moleküle, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New
York-Tokyo, 1985, S. 23 <OC37>)
Nucleinsäuren: Polynucleotide
Hydrolyse liefert
Zucker (Pentose): D-Ribose (RNA)
2-Desoxy-D-ribose (DNA)
N-Heterocyclen ("Basen")
Purine: Adenin, Guanin
Pyrimidine: Cytosin, Thymin (DNA)
Cytosin, Ucrycil (RNA)
Phosphorsäure
Nucleinsäuren sind Copolkondensate aus Zucker, Base, Phosphorsäure
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 132
Nucleoside und Nucleotide
Zucker Base Phosphorsäure+ +
Nucleosid
Nucleotid
- H2O
- H2O
N-Glykoside
O OHR
O NR2R+ H-NR2
Zucker:Furanose oderPyranoseHalbacetal
sek. Amine"Base"
α- oder β-Form
- H2O
Zucker
O
OH OH
OH O
OH
OHHOCH2HOCH2
1
23
4
5
β-D-Ribose β-D-2-Desoxyribose
β-D-Ribofuranose
Basen
Pyrimidine:
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 133
N
NH
O
O
H
N
NH
O
O
H
CH3
N
N
NH2
O
H
Uracil (RNA) Thymin (DNA) Cytosin (DNA/RNA) Purine:
N
NH
O
N
N
N
N
NH2
N
N
H HNH2
Adenin C5H5N5(DNA/RNA)
Guanin C5H5N5O(DNA/RNA)
Das zur Kondensation verwendete H-Atom ist jeweils rot gezeichnet.
Herkunft der Basen:"Ursuppe", Adenin(HCN)5, Bildung aus HCN. Die Basen sind achiral.
Beispiele für ein Nucleosid und ein Nucleotid
β-D-Ribose + Adenin Adenosin, ein Nucleosid = N-Glykosid- H2O
Adenosin + H3PO4Adenosiein Nucl
nmonophosphat, AMPeotid- H2O
OCH2HO
HO OH
N
NN
N
NH2
1
23
4
5 '
'
''
'
OCH2O
HO OH
PHO
O
OH
N
NN
N
NH2
5 '
Adenosin AMP
Nucleotid = Nucleosid-5'-phosphat
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 134
Adenosin-5'-triphosphat (ATP)
OCH2O
HO OH
POPO
OH OH
PHO
OH
OO ON
NN
N
NH2
5'
ATP
chemischer Energiespeicher (Fox, Whitesell, S. 812)
ATP4- + H2O → ADP3- + H2PO3- ∆G° = -30.5 kJ/mol
ATP + 2 H2O → AMP + 2 PO33- ∆G° = -65.6 kJ/mol
Ribonucleoside
N
N
N
N
NH2
NH
NN
N
O
NH2 N
NH
O
O
i
CytosinUracil
O
NH2
N
NCH2HO O
OH OH
5'
3' 2'
Aden n Guanin
Desoxyribonucleoside
N
N
NH2
N
N
N
NH
O
N
N
NH2
OCH2HO
OH
N O
N
NH2 N
NHH3C
O
O
5'
3' 2'
GuaninAdenin Thymin
Cytosin
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 135
Base Nucleosid Nucleotid
RNA: Adenin Adenosin Adenylsäure A
Guanin Guanosin Guanidylsäure G
Cytosin Cytidin Cytidylsäure C
Uracil Uridin Uridylsäure U
DNA: Adenin 2-Desoxyadenosin 2-Dexoxyadenylsäure A'
Guanin 2-Dexoxyguanosin 2-Desoxygeranidyl-säure G'
Cytosin 2-Desoxycytidin 2-Desoxycytidylsäure C'
Thymin 2-Desoxythymidin 2-Desoxythymidylsäure T
Nucleinsäuren, Polynucleotide
Primärstruktur von DNA und RNA
DNA- und RNA-Fragmente:
Basensequenz: genetische Information
Genetischer Code: Basentripletts kodieren Aminosäuren (→ Primärstruktur von Proteinen)
Sekundärstruktur der DNA: Doppelhelix
J.D. Watson und J. Crick, Nature 1953, 171, 737. Nobelpreis (Medizin) 1962.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 136
"Wichtigste Arbeit auf dem Gebiet der Biologie seit Darwin". Bedeutung für
Evolutionstheorie, Molekularbiologie, Synthese von Oligonucleotiden,
Gentechnologie(Schöpfung neuer Lebewesen), Medizin, ...
Zwei Polynucleotidstränge bilden eine Doppelhelix ("Wendeltreppe"). Die Basen sind
senkrecht zur Helixachse angeordnet. Auf eine Helixwindung entfallen pro Strang 10
Nucleotide (Basen). Die beiden gegenläufigen Stränge werden hauptsächlich durch
Wasserstoffbrücken (und durch van der Waals-Kräfte) zwischen den Basen
zusammengehalten.
Basenpaarung
A --- T: Adenin = Thymin (2 H-Brücken)
G --- C: Guanin ≡ Cytosin (3 H-Brücken)
Die beiden Stränge sind komplementär (nicht identisch!)
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 137
Watson-Crick-Modell der DNA
D = Desoxyribose
P = Phosphat
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 138
Basenpaarung in der DNA
H. Beyer, W. Walter, Lehrbuch der Organischen Chemie, 22. Aufl., S. Hirzel Verlag, Stuttgart, 1991, S. 855.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 139
Stereodarstellung der DNA siehe Lehrbuch OC von Streitwieser, Heathcock, Kosower, S.
1177.
Bei der Zellteilung erfolgt eine Aufknäuelung der Doppelhelix und eine Synthese der
komplementären Stränge, so dass beide Tochterzellen wieder die vollständige DNA enthalten.
Genetischer Code
Proteinbiosynthese. Ein Gen ist ein Bereich der DNA, der die Information für die
Primärstruktur (Aminosäuresequenz) eines Proteins enthält.
Von der DNA wird die Information auf eine mRNS (Boten-[messenger] RNA) mit
komplementärer Basensequenz übertragen. Jeweils drei aufeinander folgende Basen kodieren
eine Aminosäure. "DNA macht RNA macht Protein". Basentriplett = Codon
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 140
Aufklärung des genetischer Codes in den 1960er Jahren: Nierenberg und Khorana
Proteine sind aus 20 verschiedenen Aminosäuren aufgebaut. Diese müssen mit vier
verschiedenen Basen codiert werden:
Doubletts → 42 = 16 Aminosäuren (zu wenig!)
Tripletts → 43 = 64 verschiedene Kombinationen, entarteter Code
Triplett-Codons für die 20 proteinogenen L-Aminosäuren
PhePheLeu
Leu
SerSerSer
Ser
TyrTyrStop(ochre)Stop(amber)
LeuLeuLeuLeu
ProProProPro
erstePosition(5'-Ende)
zweite Position
HisHisGlnGln
ThrThrThrThr
CysCysStop(opal)Trp
UCA
G
drittePosition(3'-Ende)
ArgArgArgArg
UCAGUCAGUCAG
U C AU
A
G
IleIleIleMet
AspAspGluGlu
AsnAsnLysLys
G
GlyGlyGlyGly
SerSerArgArg
ValValValVal
AlaAlaAlaAla
Quelle: Römpp Lexikon der Chemie, Version 2.0, Georg Thieme Verlag, Stuttgart/New York, 1999.
Das Triplett UGA kann auch die seltene Aminosäure L-Selenocystein codieren.
SeH
NH2
CO2H
Das Triplett UAG kann auch die seltene Aminosäure L-Pyrrolysin (X = CH3, NH2 oder OH)
codieren.
NH2
CO2HNH
O
N
X
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 141
Lit.: C. Fenske, G. J. Palm, W. Hinrichs, Wie eindeutig ist der genetische Code?, Angew. Chem. 2003, 115, 626-630, 606-610.
Gene
Menschliches Genom : ca. 3 x 109 Nucleotide-Paare
100 000 Gene verteilt auf 23 Chromosomenpaare
1 Gen enthält 1000 - > 2 x 106 Nucleotide
Nur ca. 5 % der Nucleotide gehören zu Genen, die Funktion der übrigen 95 % ist unbekannt.
In den Jahren 1988–2002 wurde die Basensequenz des menschlichen Genoms (vollständig)
aufgeklärt. Human genome project
Die zu einem Protein gehörige Basensequenz wird häufig unterbrochen. Code: GT (Intron)
1992: Das größte bisher identifizierte Gen erzeugt das Protein Dystrophin (Störung führt zur
Muskeldystrophie). Es erstreckt sich über mehr als 2 Millionen Nucleotidpaare und besitzt 50
Unterbrechungen.
Bei Menschen unterscheiden sich Individuen in 0.01–1 % des Genoms.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 142
Aminosäuren und Proteine Charakteristisches Strukturelement:
OH
OR
NH2
*
(Folien des Fonds C.I.: wenig geeignet)
Struktur und Eigenschaften von α-Aminosäuren
Aminosäure = Aminocarbonsäure: difunktionelle Verbindung
H2N-CH2-CH2-CO2H 3-Aminopropansäure, β-Aminosäure
R
NH2
OH
O
R
NH3+
O
O
α-Aminosäure
Die unpolare Form liegt nur in der Gasphase vor. Die "normale" Struktur entspricht der
zwitterionischen (Betain) Form.
α-Aminosäuren sind die Bausteine von Peptiden, Proteinen (und Proteiden).
Proteine: bestehen überwiegend aus 20 verschiedenen α-Aminosäuren. Dabei handelt es
sich um Polykondensationsprodukte, in denen die Aminosäuren über Peptid-(Amid-)
Bindungen verknüpft sind.
NH2
R
OH
O
NH2
R'
OH
O
NH2
R
O
NH
R'
O
OH+
Peptidbindung
- H2O
Aminosäuresequenz: Primärstruktur eines Proteins (in der DNA kodiert)
Außer dem Glycin (R = H, Aminoessigsäure) sind sämtliche Aminosäuren chiral. Die
natürlich vorkommenden (proteinogenen) besitzen überwiegend S-Konfiguration, gehören
also zur L-Reihe.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 143
Aminosäuren sind farblose, kristalline Verbindungen, nicht destillierbar (schwerflüchtig),
zersetzen sich ohne zu schmelzen, (hoher) Zersetzungspunkt (> 230° C), in Wasser mäßig bis
gut löslich; in Ethanol, Ether u.ä. schlecht bzw. unlöslich → salzartiger, polarer Charakter
L- und D-Form von
Aminosäuren im
Tetraedermodell und
in der Fischer-
Projektion
Aminosäuren sind amphoter, besitzen sowohl sauren wie basischen Charakter
NH2 CH
R
CO2 NH3+
CH
R
CO2 NH3+
CH
R
CO2H(-) (-) H(+)
- H(+)
H(+)
- H(+)
eAnion Zwitterion Kation
zweibasige SäurpK1pK2
CHR
NH2 CO2H
pK2 pK1
R ≠ H 9 - 10 2 - 3
R = H (Glycin) 9.78 2.35
Isoelektrischer Punkt: IP = (pK1 + pK2)/2 (R = H: IP = 6.07)
Charakteristischer Wert für jede Aminosäure.
pH-Wert, bei dem das Zwitterion vorliegt. Bei diesem pH-Wert wandert die Aminosäure im
elektrischen Feld nicht. Minimale Löslichkeit (in Wasser).
Tabelle isoelektrische Punkte: Fuhrhop <BC33> S. 28
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 144
Titrationskurve von Glycin
Proteinaminosäuren
Es gibt ca. 20 proteinogene Aminosäuren
fünf einfache aliphatische; ohne weitere funktionelle Gruppen: Gly, Ala, Val, Leu, Ile
zwei Hydroxyaminosäuren: Ser, Thr
zwei Schwefelhaltige Aminosäuren: Cys, Met
vier Aminodicarbonsäuren (saure Aminosäuren) bzw. deren Amide: Asp, Asn, Glu, Gln
zwei basische Aminosäuren (Diaminocarbonsäuren u.ä.): Lys, Arg
vier aromatische bzw. heteroaromatische Aminosäuren: Phe, Tyr, Trp, His
eine cyclische Aminosäure: Pro (besitzt keine –NH2- bzw. –NH3+-Gruppe
Es gibt eine weitere Proteinaminosäure:
Selenocystein, auch genetisch codiert, bei Hydrolyse entsteht Serin. Austausch von SeH
gegen OH
SeH
NH2
CO2H
Essentielle Aminosäuren
Lys, Leu, Val, Phe, Ile, Thr, Met, Trp
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 145
Diese müssen mit der Nahrung aufgenommen werden (Mensch). Die übrigen kann der Körper
selbst aufbauen. Täglicher Bedarf Erwachsener: 0.5–2.2 g pro essent. Aminosäure
"Seltene" Aminosäuren
Zahlreiche andere Aminosäuren (auch β-, γ-, ....) kommen in der Natur vor. Selten in
Proteinen, vorwiegend als Zwischenprodukte beim Stoffwechsel.
Häufige Aminosäuren
R CHCO2HNH2
Name Abkürzung Ein-Buchstaben-
Code
H CHCO2HNH2
Glycin Gly G
CH3 CHCO2HNH2
Alanin Ala A
CH3CH CHCO2HNH2CH3
Valin Val V
CH3CHCH2 CHCO2HNH2CH3
Leucin Leu L
CH3CH2CH CHCO2HNH2CH3
Isoleucin Ile I
CH3SCH2CH2 CHCO2HNH2
Methionin Met M
CHCO2HNH
CH2
CH2
CH2
Prolin Pro P
CHCO2HNH2
CH2
Phenylalanin Phe F
N
CH2 CHCO2HNH2
H
Tryptophan Trp W
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 146
HOCH2 CHCO2HNH2
Serin Ser S
CH3CH CHCO2HNH2OH
Threonin Thr T
HSCH2 CHCO2HNH2
Cystein Cys C
CHCO2HNH2
CH2HO
Tyrosin Tyr Y
H2NCCH2
OCHCO2HNH2
Asparagin Asn N
H2NCCH2CH2
OCHCO2HNH2
Glutamin Gln Q
HOCCH2 CHCO2
NH2OH Asparaginsäure Asp D
HOCCH2CH2 CHCO2
NH2OH Glutaminsäure Glu E
H2NCH2CH2CH2CH2
NHCHCO2H
2
Lysin Lys K
H2NCNHCH2CH2CH2 CHCONH2NH
2H Arginin Arg R
H
CHCO2
CH2 2HNH
N
N
Histidin His H
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 147
Aminosäuretypen
Beispiele für je eine
• neutrale
• saure und
• basische
Aminosäure
Namen von essentiellen und nichtessentiellen Aminosäuren
Name essentiell Herkunft/Bedeutung des Namens Abkürzung Alanin - abgeleitet von Aldehyd, Ala, A erstmals von Strecker aus Acetaldehyd dargestellt Arginin + latein. argentum = Silber, Arg, R wurde zuerst als Silbersalz gewonnen Asparagin - griech. asparagos = Spargel Asn, N Asparaginsäure - siehe Asparagin Asp, D Cystein - griech. kystis = Harnblase, Cys, C 1810 von Wollaston in Harnsteinen entdeckt Glutamin - latein. glutinum = Leim Gln, Q Glutaminsäure - siehe Glutamin Glu, E Glycin - griech. glykeros = süß Gly, G Histidin + griech. histos = Gewebe His, H Isoleucin + siehe Leucin Ile, I Leucin + griech. leukos = weiß Leu, L Lysin + griech. lysis = Lösung Lys, K Phenylalanin Phe, F
siehe Alanin
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 148
Methionin Met, M
+ Kurzform aus Methylthionin, griech. theion = Schwefel
Prolin Pro, P
- gebildet aus Pyrrolidin (E. Fischer, 1904)
Serin Ser, S
- latein. sericum = Seide, nach ihrer Entdeckung durch Cramer, 1865, im Seiden-Hydrolysat
Threonin Thr, T
+ stereochemische verwandt mit Threose (Aldotetrose), deren Name abgeleitet aus Erythrose, griech. erythros = rot
Trypotophan Try, W
+ gebildet aus Trypsin und griech. phainein = ercheinen, da es bei der Einwirkung von Trypsin auf Proteine isoliert wurde (Kossel, 1896)
Tyrosin Tyr, Y
- griech. tyros = Käse, von Liebig 1846 aus Käse hergestellt
Valin Val, V
+ latein. validus = kräftig, gesund
Trennung von Aminosäuren
Chromatographie
Ionenaustauscher (pH-Gradient)
Chromatogramm eines Aminosäure-Gemisches
Nachweis von Aminosäuren
1.) Ninhydrin-Reaktion: Versuch
Farbreaktion, quantitativer Nachweis
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 149
O
O
OH
OHR CH
NH2
CO2H
O
O
N O
OH
+ R-CH=O + 3 H2O + CO22
NinhydrinIndantrion-Hydrat2,2-Dihydroxy-indan-1,3-dion
tiefblauer Farbstoff
+
Nur das N-Atom der Amino-Gruppe wird in den Farbstoff eingebaut. Alle Aminosäure ohne
N-Substituenten ergeben die gleiche Farbreaktion.
Ausnahme: Prolin (und andere Aminosäuren mit substituierter NH2-Gruppe) geben eine
andere Farbreaktion
2.) Komplexbildung mit Kupfer(II)ionen: Versuch
blauer Chelatkomplex aus Glycin + CuSO4
Cu
O
NH2
NH2
O
O
O
3.) N,S-Nachweise, Elementaranalyse: Versuch
4.) Dünnschichtchromatographie: Versuch
Synthese von α-Aminosäuren
1.) aus α-Halogencarbonsäuren
CHR
Br
CO2HCHR
NH2
CO2HR-CH2-CO2H + Br2 + PBr3
NH3
- HBr
2.) Strecker-Synthese
CHR
NH2
CN CHR
NH2
CO2HR-CH=O + NH3 + H-CN2 H2O
- H2O - NH3
Bei der Synthese werden racemische Gemische gebildet. Racematspaltung mit Hilfe eines
chiralen (enantiomerenreinen) Hilfsstoffes, z.B. mit einem Alkaloid (Brucin oder Strychnin).
Die Salze der Aminosäuren mit einem solchen chiralen Amin sind Diastereomere. (Vorher die
Aminogruppe acylieren!). Enantioselektivne Synthese: Hauptstudium
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 150
Proteine und Peptide
Biopolymere, sind die wichtigsten Bau- und Gerüststoffe des menschlichen und tierischen
Organismus, kommen in allen lebenden Organismen vor. Der größte Teil der zellulären
Proteine sind katalytisch wirksame Enzyme (zumeist Proteide). Proteide sind
zusammengesetzte Proteine, die neben Aminosäuren noch andere Bestandteile wie
Kohlenhydrate (Glykoproteine), Lipide (Lipoproteine), Nucleinsäuren (Nucleoproteine) u.
a. enthalten, Farbstoffe (z.B. Hämoglobin)
Peptide
Peptide aus 1-9 Aminosäuren bezeichnet man als Oligopeptide: Di-, Tri-, Tetra-, ----,
Nonapeptide
10-100 Aminosäuren bilden Polypeptide
Proteine (Eiweiße, Makropeptide) bestehen aus mehr als 100 Aminosäurebausteinen. Sie
haben Molmassen von ~ 10.000 bis ~ 40.000.000 D. Im menschlichen Körper gibt es ca. 5
Millionen verschiedene Proteine (grobe Schätzung!).
Peptide sind Polykondensationsprodukte von Aminosäuren. Die einzelnen Aminosäuren sind
über Amidbindungen (Peptidbindungen) miteinander verknüpft.
NH3+
R1
O
NH
R2
O
NH
R3
O
NH
Rn
O
ON-terminaleAminosäure
C-terminaleAminosäure
Sequenz der Aminosäuren = Primärstruktur eines Proteins (codiert in DNA)
Sequenzanalyse von Peptiden
1.) Schrittweiser Abbau: Edman-Abbau
2.) Selektive Spaltung bestimmter Peptidbindungen. Z.B. mit BrCN: Spaltung erfolgt an der
CO-Gruppe des Methionins
3.) Partieller Abbau, überlappende Spaltung
Dabei entstehen Oligopeptide mit z.T. überlappender Struktur.
Bei der enzymatische Hydrolyse werden nur bestimmte Peptid-Bindungen gespalten.
Proteasen: Trypsin, Pepsin, ...
Einzelheiten: Hauptstudium OC, Biochemie
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 151
Die Sequenzanalyse ist heute auch bei größeren Oligopeptiden möglich. Beispiele:
Insulin (Sanger 1953)
A-Kette: 21, B-Kette: 30 Aminosäuren, verknüpft durch Disulfidbrücken (s. h.)
Hämoglobin (Braunitzer 1961):
Häm+Globin (Komplex): 574 Aminosäuren, Molmasse 64.500 D
zwei α-Ketten mit je 141 Aminosäuren
zwei β-Ketten (etwas verschieden) mit je 146 Aminosäuren
Alle α- und β-Ketten sind kovalent mit Häm verbunden
Kurzschreibweise für Peptide
Beispiel: Bradykinin (Gewebshormon, wird bei Entzündungen und Immunreaktionen
freigesetzt, beeinflusst den Blutdruck), Nonapeptid
N-terminale C-terminale
Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro-Phe-Arg
Aminosäure Peptide sind wie andere Carbonsäureamide in stark sauren und alkalischen Lösungen
hydrolyseempfindlich. Die Totalhydrolyse liefert Art und Anzahl der Aminosäuren, nicht aber
die Sequenz.
Sequenzanalyse durch schrittweisen Abbau, durch Spaltung (auf verschiedene Weise, auch
enzymatisch) in Oligopeptide (mit z.T. überlappender Struktur)
Bestimmung der N-terminalen Aminosäure nach Sanger
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 152
NH3+
R1
O
NHF
NO2
O2N
NO2
O2N NH
R1
O
NH
NO2
O2N NH
R1
O
OH
+ - HF- H(+)
nucleophile aromat. SubstitutionTotalhydrolyse
+ Aminosäuren
Sangers Reagenz:4,4-Dinitrofluorbenzen
Nach der Hydrolyse liegt nur die N-terminale Aminosäure als 2,4-Dinitrophenylderivat vor.
Bestimmung der C-terminalen Aminosäure
Hydrazinolyse der Peptidbindungen mit wasserfreiem Hydrazin
NH
Rn
O
ONH+
3
R1
O
NH
R2
O
NH
R3
O
NH3+
Rn
O
ONH2
R3
O
NH-NH2
NH2
R1
O
NH-NH2 NH2
R2
O
NH-NH2
N2H4
+
+
+
Alle Aminosäuren, außer der C-terminalen, werden in Hydrazide überführt.
Synthese von Peptiden
Systematische (gezielte) Verknüpfungen von Aminosäuren zu einem Oligopeptid. Ist heute
routinemäßig (mit Automaten) möglich. Problem: gezielte Verknüpfung
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 153
NH2
R1
OH
O
NH
R2
OH
O
HNH2
R1
O
NH
R2
O
OH+ - H2O
Schützen (1)
Aktivieren (2)
Schützen (3)
Säure- Amin-Komponente
(4)
Arbeitsschritte:
(1) Schutz durch Acylierung
NH2 OH
ONH
R1
OH
O
CR
R1 O
R-CO-Cl + - HCl
(2) Aktivierung, z.B. durch Überführung in das Säurehalogenid, besser: -azid
NH
R1
OH
O
CR
O
NH
R1
X
O
CR
O
[HX]
- H2O
X = Hal, N3
(3) Schutz durch Verestern
NH
R2
OH
O
HNH
R2
O-R'
O
H+ HO-R'- H2O
(4) Verknüpfung
NH
R1
X
O
CR
O
NH
R2
O-R'
O
H NH
R2
O-R'
ONH
R1
O
CR
O- HX+
Peptidbindung
(5) Abspalten der O-Schutzgruppe R'
(6) Wiederholen der Schitte (2)–(4): → Polypeptid
Eigenschaften von Schutzgruppen, Schutzgruppentechnik: Hauptstudium
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 154
Merrifield-Synthese
Festphasen-Peptidsynthese, R. B. Merrifield 1962, Nobelpreis 1983. Lineare Synthese des
Polypeptids
1.) C-terminale Aminosäure wird reversibel an ein Polymer (z.B. Polystyren) gebunden:
OO
NH2
R1
Polystyren 2.) Sukzessive Umsetzung mit N-geschützten, C-aktivierten Aminosäuren, dann Abspaltung
der N-Schutzgruppe usw. Automatisierung, Computer-Steuerung
Beispiel: Enzym Ribonuclease, Merrifield 1969
124 Aminosäuren
369 Synthesestufen
11.931 Syntheseoperationen
Nachteil: jede Stufe muss 100 %ig ablaufen, sonst entsteht ein Gemisch verschiedener
Polypeptide. Das synthetische Produkt besaß nur ca. 20 % der Aktivität des natürlichen
Enzyms.
Besser: konvergente Synthese
1.) Synthese kleinerer Oligopeptide, diese können gereinigt (umkristallisiert) werden.
2.) Verknüpfung der Oligopeptide
Proteine
Proteine besitzen makroskopisch verschiedene Strukturen:
1.) Faserproteine, Skleroproteine
Gewebe, Haut, Sehnen, Muskeln
faser-, kettenförmig, in Wasser unlöslich
a) Schraubenförmige Polypeptidketten: α-Struktur, α-Helix (rechtsgängige Schraube)
Superhelix (Haare, Wolle): mehrere α-Helices umeinandergewickelt (~ Seil)
b) β-Struktur: β-Faltblatt
2.) Globuläre Proteine
Enzyme, wasserlöslich, kugelförmig gefaltete Polypeptidketten (α-Helices)
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 155
unpolare Gruppen befinden sich im Inneren, polare Gruppen befinden sich außen
Knäuel
Im menschlichen Körper gibt es ca. 5 Millionen verschiedene Proteine!
Faktoren, die die dreidimensionale Struktur beeinflussen:
Aminosäuresequenz (Primärstruktur)
Disulfidbrücken: SH-Gruppen des Cysteins: → -S-S-
Wasserstoffbrücken: zwischen polaren Gruppen:
-OH: Ser, Thr, Tyr
-SH: Cys
-NH2: Asn, Gln
>C=O und andere Gruppen als Akzeptoren
van der Waals-Wechselwirkungen zwischen aliphatischen und aromatischen Resten
Val, Leu, Ile,
Phe, Trp
Sekundärstruktur der Proteine
Es gibt zwei Haupttypen: α-Helix, β-Faltblatt (β-Struktur)
Wasserstoff-Brückenbindung
= C = H = N = O = Seitenkette
a) b)
c)
α-Helix, b) paralleles und c) antiparalleles β-Faltblatt.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 156
Von den Wasserstoffatomen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur die polaren gezeigt, die an Wasserstoff-Brückenbindungen teilnehmen können. Römpp Lexikon der Chemie, Version 2.0, Georg Thieme Verlag, Stuttgart/New York, 1999.
Entscheidend sind die Wasserstoffbrücken zwischen Amino- und Carbonylgruppen
a) intermolekulare H-Brücken (oder intramolekulare zwischen weiter entfernten Gruppen): β-
Faltblatt
Reste R an den Aminosäuren möglichst einheitlich
Wellblechartige Struktur z.B. in der Naturseide
b) nur intramolekulare H-Brücken: α-Helix, rechtsgängige Schraube
3.6-Aminosäuren pro Windung. Die Reste R zeigen nach außen, z.B. in der Wolle
Disulfidbrücken
werden von der Aminosäure Cystein (Cys, C) gebildet, können reduktiv gespalten werden.
Sie dienen der intra- und intermolekulare Verknüpfung von Peptidsträngen: z.B. im Insulin
Cys Cys
S
Ala
S
Cys
Ser Val Cys
S S
Cys
S
S
CysValGlyLeu
Kette A21 Aminosäuren
Kette B30 Aminosäuren
Insulin: 51 Aminosäuren
Hormon der Bauspeicheldrüse (Pankreas), wirkt blutzuckersenkend
Name: Langerhanssche "Inseln" des Pankreas
Tertiärstruktur der Proteine
Faltung und Verknäuelung der Sekundärstrukturen durch
- van-der-Waals-Kräfte zwischen nichtpolaren Gruppen
- z.T. auch durch Disulfidbindungen
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 157
Quartärstruktur der Proteine
Komplex aus mehreren Peptidketten und –knäueln, keine kovalenten Bindungen zwischen
den Subeinheiten
"Prionen"
Creutzfeld-Jakob-Krankheit (CJK, Menschen)
Traberkrankheit ("Scrapie", Schafe)
Spongiforme Encephalopathie (BSE, Rinder)
Mögliche Ursache der Erkrankung:
Prion-Protein: Umwandlung der α-Helices in β-Faltblattdomänen, infektiös
Angew. Chem. 1997, 109, 1748-1769.
St. B. Prusiner, Nobelpreis Medizin, 1997
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 158
Triosephosphat-Isomerase
Ein ubiquitäres Enzym (zwei identische Untereinheiten, MG. je 28 000).
Katalysiert die reversible Isomerisierung von D-Glycerinaldehyd-3-phosphat zu
Glyceronphosphat (Dihydroxyacetonphosphat). Ist in der Glykolyse von Bedeutung.
Raumstruktur der TIM (schemat.: Bänder = α-Helix, Pfeile = β-Faltblatt).
Computerzeichnung nach J. Appl. Crystallogr. 1988, 21, 572–576; Raumkoordinaten aus der
Protein Data Bank.
Die Struktur der TIM enthält 8 parallele, zylindrisch angeordnete β-Faltblatt-Stränge, die von
8 α-Helices umgeben sind.
Quelle: Römpp Lexikon der Chemie, Version 2.0, Georg Thieme Verlag, Stuttgart/New York, 1999. Siehe auch: Stryer, Biochemie, S. 370, Heidelberg: Spektrum der Wissenschaft Verlagsges., 1990.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 159
Lipide Lipide: griech. lipos = Öl, Fett
Fette, Fettsäuren, Ester, Wachse
Lipide sind wasserunlöslich, gut löslich in organischen Lösungsmitteln wie z.B. CHCl3,
Ether, Benzen, ... Ursache der Hydrophobie bzw. Lipophilie sind langkettige, aliphatische
Reste.
Fettsäuren: höhere (langkettige) Carbonsäuren
Fettalkohole: langkettige Alkohole
Wachse: Ester aus Fettsäure und Fettalkohol
Fette: Glycerin-Ester der Fettsäuren = Fettsäureglyceride ("Triglyceride")
CH2
CH
O CO-R1
O CO-R2
CH2 O CO-R3
Fettsäuren
In der Natur kommen über 300 verschiedene Fettsäuren vor. Am häufigsten sind
unverzweigte mit gerader C-Zahl (meist 14,16,18), gesättigte und ungesättigte. Biosynthese
aus C2-Einheiten (Acetyl-CoA)
C-Zahl und Formel Name
C12: CH3-(CH2)10-COOH Dodecansäure Laurinsäure
C14: CH3-(CH2)12-COOH Tetradecansäure Myristinsäure
C16: CH3-(CH2)14- COOH Hexadecansäure Palmittinsäure
C18: CH3-(CH2)16—COOH Octadecansäure Stearinsäure
C18: 1 C=C-Doppelbindunge Ölsäure
C18: 2 C=C-Doppelbindung Linolsäure
C18 3 C=C-Doppelbindungen Linolensäure
C20 4 C=C-Doppelbindungen Arachidonsäure → Prostaglandine
C22 1 C=C-Doppelbindung Erucasäure*
*Film: Lorenzo's Oil
Ungesättigte Fettsäuren
Die C=C-Doppelbindungen besitzen cis-Konfiguration,
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 160
essentielle Fettsäuren, zumeist pflanzlichen Ursprungs: Sonnenblume, Oliven, Leinsamen
u.a., Herabsetzung des Cholesterin-Spiegels im Blut
Ungesättigte Fettsäuren autoxidieren an der Luft über Hydroperoxide zu bräunlichen,
viskosen Oxidationsprodukten: Ranzigwerden von Speiseölen und Fetten
Fetthärtung
Ungesättigte (flüssige!) Pflanzenöle und Trane werden katalytisch hydriert und anschließend
zu festen Produkten wie Seifen, Kochfetten, Kerzenwachs u.a. verarbeitet.
Partiell hydrierte Fette: verbleibende Doppelbindungen können in die stabilere trans-Form
isomerisieren. Diese ungesättigten Fettsäuren sind ernährungspysiolgisch nicht unbedenklich
("Diätmargarine").
Verseifung von Fetten
Alkalische Hydrolyse von Fetten.
CH2
CH
O CO-R1
O CO-R2
CH2 O CO-R3
CH2
CH
O H
O H
CH2 O H
+ R-CO2(-)M(+) M = Na, K, Li
MOH Seife
Glycerin
Tenside und Detergentien
Oberflächenaktivität von Tensiden
Oberflächenspannung des Wassers wird erniedrigt
Tensid-Wirkung
CO2(-)Hydrophober Rest
lipophilHydrophileKopfgruppelipophob
Tenside reichern sich an der Wasseroberfläche an, der hydrophobe Rest wird aus dem Wasser
gedrängt: Erniedrigung der Oberflächenspannung, Schaumwirkung, Bildung von Micellen
und Vesikeln
Versuche: Fett-Verseifung (Rindertalg)
Benetzung von Watte mit Wasser mit und ohne Pril (keine kosmetische Watte
verwenden)
kritische Mizellbildungskonzentration: Wasser + Pril
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 161
Detergentien
1.) Anionische
Seifen R-CO2(-)Na(+), Alkansulfonate R-SO3
(-)Na(+), Alkylbenzensulfonate (ABS)
Ar-SO3(-)Na(+), O-Alkylsulfate R-O-SO3
(-)Na(+)
2.) Kationische
z.B. Alkylammonium-Verbindungen R-NMe3(+)Br(-)
3.) Nichtionische
z.B. Glykolipide wie Alkylpolyglucosid (APG, Henkel): Glucose wird mit einem
Fettalkohol zum Glucosid umgesetzt. Dabei erfolgt auch Selbstkondensation der
Glucose, deshalb "poly" im Namen. Außerdem: Alkylpolyglykolether, Saponine
Wirkung von Tensiden
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 162
Rahmenrezepturen für Waschmittel
(Zahlenangaben in %)
Wirkstoffgruppe Beispiele Herkömmlich Kompakt Tabletten FlüssigAnionische bzw. Nichtionische Tenside
Alkylbenzensulfonat Alkylsulfat, Seife, Alkoholethoxylat, Alkylpolyglucosid, Alkylglucamid
10 - 15 10 - 25 13 - 18 20 - 55
Cerüststoffe Zeolith, Schichtsilikate, Natriumsilikat
25 - 50 25 - 40 11 - 35 1 - 4
Cobuilder Polycarboxylate, Natriumcitrat
3 - 5 3 - 8 2 - 3 +
Bleichmittel Natriumpercarbonat 10 - 25 10- 20 13 - 15 - Bleichaktivator Tetraacetyl-
ethylendiamin 1 - 3 3 - 8 3 - 7 -
Vergrauungsinhibitoren Carboxymethylcellulose 0 - 1 0 - 1 0 - 1 +Korrosionsinhibitoren Natriumsilikat 2 - 6 2 - 6 2 - 6 - Stabilisatoren Phosphonate 0 - 1 0 - 1 0 - 1 +Schauminhibitoren Seife, Siliconöl,
Paraffine 0.1 - 4 0.1 - 2 0.1 - 2 -
Enzyme Amylasen, Cellulasen, Lipasen, Proteasen
0.3 - 0.8 0.5 - 2 2 - 4 0 - 3
Optische Aufheller Stilben-Derivat, Biphenyl-Derivat
0.1 - 0.3 0.1 - 0.3 0.1 - 0.3 0.05 - 0.3
Alkohole Ethanol, Glycerin - - - 8 - 12 Stellmittel Natriumsulfat 5 - 30 - - - Sprengmittel (Auflösehilfen)
Cellulose-Derivate - - 5 - 17 -
Duftstoffe + + + + Wasser Rest Rest Rest 30-50 + in geringen Mengen enthalten Lit.: St. Glathe, D. Schermer, Chem. unserer Zeit, 2003, 37, 336-346.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 163
Prostaglandine Hormone, in fast allen Geweben von Säugetieren enthalten, verschiedene Wirkungsbereiche
(Blutdruck, Fruchtbarkeit), Verwendung als Pharmaka
Der Name entstand dadurch, dass man irrtümlich annahm, dass sie in der Prostata gebildet
werden.
Derivate der Prostansäure (C20)
Biogenese aus der vierfach ungesättigten Fettsäure Arachidonsäure
Biogene der Prostaglandine
Phospholipid-Membranen
Phospholipase A 2COOH
CH3
158
1114
ArachidonsäureCyclooxygenase(cycl. Lipoxy-genase-Aktivität)
O
O CH3
COOH
OOH
159
11 13
PGG2
O
O CH3
COOH
OH
Cyclooxygenase(PG-HydroperoxidaseAktivität)
PGH2
15
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 164
PGE2PGD2
CH3
COOH
OH
HO
O
CH3
COOH
OH
O
HO
159
1113
Isomerasen
cyclinProsta-Synthase
Prostacyclin-SynthaseThromboxan-
TXA2
a 151311
11
159
O
COOH
CH3O
OH
αPGF2
Reduktasen
CH3
COOH
OH
HO
HO
Römpp, Lexikon Chemie, Version 2.0, Thieme, Stuttgart, 1999.
Nomenklatur der Prostaglandine
Die Stammsystem werden als PGA–PGJ bezeichnet:
COOH
CH3
159
11 13 15 1720
Grundgerüst:Prostan-1-säure
910
9
1111
9
11
99 8
12
PGFα
9
11
R = OOH : PGGR = OH : PGH = PGR
PGI ( PGJ
9
11
αO
HO
Prosta-cycline, PGX)
9
11
Z
6
5O
O
R
9
11
PGB PGC PGD PGEPGA
O
O
HO O
HO
OO
HO
HO O
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 165
Die Seitenketten werden durch Indices (z.B. 2β) charakterisiert:
ES
OH
CH3
OCOOH
PGA1 PGE1
OH
CH
OCOOH
HO
3SE
(Alprostadil)
SE
SE
OH
COO
OCH3
OH
PGH3 (PGR3)
OH
COOH
HO
CH3
HO
PGF2
Z Z59
α5
Z
17
α9-Epimer :
(Dinoprost)
βPGF2
15
Terpene In der Natur weitverbreitet, hauptsächlich in Pflanzen als Bestandteile der etherischen Öle.
Wasserlösliche, ölige Substanzen, die im Gegensatz zu den fetten Ölen und Mineralölen
vollständig verdunsten.
Gewinnung aus Pflanzen:
- Wasserdampfdestillation zerkleinerter Pflanzenteile
- Extraktion von Blüten, Samen, Wurzeln oder anderen Pflanzenteilen (mittels
Petrolethers o.a.)
- Auspressen der Pflanzen(teile), vgl. P. Süskind, Das Parfum (Bestseller)
Verwendung zur Herstellung von
- Gewürzen
- Aromen
- Arzneistoffen, z. B. Pinimenthol
Terpene kommen vor als
- Kohlenwasserstoffe
- Alkohole
- Aldehyde, Ketone
- Carbonsäuren, -ester, -lactone
- --------
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 166
Formal sind Terpene Oligomere des Isoprens, , 2-Methylbuta-1,3-dien, C5H8 und
seiner Derivate: Isoprenregel (O. Wallach 1887, L. Ruziçka 1922, Biogenese)
Anzahl Isoprenbausteine
Monoterpene 2
Sesquiterpene 3
Diterpene 4
Triterpene 6
Beispiele für Monoterpene
Limonen
Formale Diels-Alder-Reaktion
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 167Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 167
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 168
L(-)-Menthol (Pfefferminze) existiert in vier verschiedenen Kristallmodifikationen, Schmp.
31, 33, 35, 43° C. Fischer-Projektion:
OH H
CH2
CH2
CH3 H
CH2
H iPr
1
2
34
5
6
L-Menthol
L(+)-Neomenthol
D(+)-Isomenthol
D(+)-Neoisomenthol
Technische Synthese von Menthol
Me
iPrOH OH
Me
iPr
(+)-Menthol, RacematThymol
+ 3 H2
Ni
Oxidation von Menthol
OH
Me
iPr
O
Me
iPr
MenthonTerpenketon
CrO3
H2SO4
(+)-Menthon: im Geraniumöl, (-)-Menthon im Pfefferminzöl
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 170
Campher
1,7,7-Trimethylbicyclo[2.2.1]heptan-2-on, nur zwei Stereoisomere sind bekannt (möglich).
D(+)-Campher (Campherbaum: Japan, China, Taiwan)
Antiseptikum, Weichmacher für Cellusosenitrat (Celluloid)
Auch L(-)-Campher kommt natürlich vor.
Reduktion von Campher
O
OH
HOH
HNaBH4
+
(+)-Borneol (-)-Isoborneol
Diastereomere
Fischer-Projektion von D-Campher
OCH3CH3
H
H
CH3
O
HH
H
CH2
12
34
5
6
72
1
6
5
4
3
7
D
*
*
Biogenese von Terpenen
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 171
CH3 CO SCoA CH3 CO SCoA CH2 CO SCoACOCH3
CH2 CH2CCH2
OH CH3
COOH OHCH CH2CCH2
CH3
+
Acetyl-CoA Acetacetyl-CoA
4 3 2 1
H3C-CO-CoA + Red.
45
~ Aldol-Addition
- CO2
4 Red. = NADH2(+)
3 2 15- 2 H2O3 2 15Mevalonsäure(formal)
Coenzym A = Acyltransferase, überträgt Acyl-Reste
Die Mevalonsäure ist das biochemische Isopren-Äquivalent.
Diterpene
Aufbau formal aus vier Isopren-Einheiten: C20
Beispiel:
Vitamin A
Wachstumsvitamin. Im Lebertran, Eigelb, Milch
Sehpurpur der Netzhaut im Auge (Retina). Mangel führt zur Nachtblindheit
Retinal
Photochemische cis/trans-Isomerisierung
Veränderung der Permeabilität der Stäbchenmembran. Ionentransport (Na+)
OHO
N
N
Retinol (Vitamin A)Diterpenalkohol
Retinal
Opsin
Licht Opsin
trans
cis
Rhodopsin(Sehpurpur)
Nervensignal ans Gehirn
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 172
Tetraterpene
Sind formal aus acht Isopren-Einheiten aufgebaut.
Beispiel: Carotenoide
Ältere Bezeichnung: Carotinoide Bruttoformel der: C40H56
Polyenfarbstoffe, in grünen Pflanzen (das Grün stammt vom Chlorophyll), Blättern,
Herbstlaubfärbung, Blüten und Früchten (Karotten, Tomaten, Hagebutten, Paprika, …)
β-Caroten, Provitamin A
Lycopen: Tomate, Hagebutte u. a.
Lutein (Dihydroxy-α-caroten): gelbes Pflanzenpigment, Gelbfärbung des Herbstlaubes, auch
im Eidotter
Zeaxanthen (Dihydroxy-β-caroten): gelbes Pflanzenpigment, im Mais u. a.
Versuche: Chromatographie von Paprikaextrakt, Tomatensaft-Regenbogen, J. Chem. Educ.
1986, 63, 1092.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 173
α-Caroten
β-Caroten
γ-Caroten
Lycopen
Polyisoprene
Formel (C5H8)n
Formale Polymerisation von Isopren
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 174
1.) trans-Polyisopren:
n trans-Polyisopren
Guttapercha, aus dem Milchsaft tropischer Pflanzen
Doppelbindungen besitzen trans-Konfiguration
Isoliermaterial für Elektrokabel, z.B. Tiefseekabel
2.) cis-Polyisopren:
n
cis-Polyisopren
n
Naturkautschuk, Wildkautschuk, Plantagenkautschuk
Doppelbindungen besitzen cis-Konfiguration
mittlere Molmasse: 350 000 D
Latex des brasilianischen Gummibaums u.a.
Name "Kautschuk". Maya "weinendes Holz"
auffallende Eigenschaften: Elastizität, Klebrigkeit (Vogelleim)
MacIntosh (1826): Regenmäntel
Ch. Goodyear (1844), Th. Hancock: Vulkanisation
Erhitzen mit Schwefel → hoch-elastisches Gummi (das oder der Gummi)
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 175
Steroide Isoprenoide
Biosynthese aus Squalen Triterpen, C30H50, im Haifischtran
OOH
OH
2,6,10,15,19,23-Hexamethyl-tetracosa-2,6,10,14,18,22-hexaenSqualen, C30H50
Oxidation
Squalenoxid, C30H50O
terol (Lanosterin),O
Cholesterol (Cholesterin),C27H46O
Wanderung von CH3-Gruppen:C10 -> C15, C15 -> C14
1015
14
LanosC30H50
H(+)
10
15
10
15
Die Umwandlung von Squalen in Cholesterol wurde mit 14C-markierten Verbindungen
untersucht
Lanosterol (Lanosterin), C30H50O, kommt natürlich vor, z. B. im Wollfett
Cholesterol besitzt acht stereogene Zentren (C*). Damit sind 28 = 256 Steroisomeren
denkbar. In der Natur findet man nur eines! Alle Substituenten sind β-ständig (cis-ständig)
Cholesterol ist in allen normalen Geweben vorhanden, besonders im Hirn und im
Rückenmark. Der Körper eines erwachsenen Menschen enthält ca. 250 g. Isoliert 1775.
Hauptkomponente der Gallensteine. Störung des Lipidstoffwechsels verursacht einen
erhöhten Cholesterol-Gehalt im Blut, Ablagerungen an den Wänden der Arterien. Verengung
der Gefäße, Verminderung der Elastizität: Arteriosklerose
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 176
CholestanA B
C D
A B
C D Steran, GonanC17H28
C27H48
Cholestan: Ringe A-B sind trans-verknüpft, Koprostan (A-B: cis)
Steroide: ca. 20.000 bekannte Verbindungen
Physiologisch wichtige Stoffe: Vitamine, Hormone, Medikamente (Empfängnisverhütung,
Diuretica u.a.)
Sexualhormone (wichtigste Vertreter)
weibliche Sexualhormone = Östrogene:
(Östron) Estron, weibliches Keimdrüsenhormon
Progesteron: Schwangerschaftshormon,
männliche Sexualhormone = Androgene
Androsteron
Testosteron
synthetische Östrogene (Estrogene)
Steroidhormone sind die Wirkstoffe der “Pille“.
Digitalisglykoside, herzaktive Stoffe aus Digitalis-Arten (Fingerhut)
Glykoside von Stereoiden, Zuckerrest befindet sich an der 3β-OH-Gruppe
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 178
Ausgewählte Steroide
Cholesterol Cholsäure Cortison
Anreicherung im Gewebe und an den Arterienwänden, mitverantwortlich für Kreislauf- und Herzerkrankungen
(Gallensäuren) Im Sekretgemisch enthalten, dient im Zwölffingerdarm zur Emulgierung, Verdau-ung und Absorption von Fetten
Nebennierenrindenhormon, dient zur Behandlung rheumatischer Erkrankungen, reguliert Elektrolyt- und Wasser-haushalt.
Testosteron Estradiol Progesteron
männliches Sexualhormon, verantwortlich für sekundä-re männliche Geschlechts-merkmale (tiefe Stimme, Bartwuchs etc.), wird in den Hoden produziert.
weibliches Sexualhormon, verantwortlich für die sekundären weiblichen Geschlechtsmerkmale, ist an der Regulierung des Men-struationscyclus beteiligt.
Schwangerschaftshormon, sorgt dafür, dass der Uterus für die Einnistung der befruchteten Eizelle bereit ist.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 179
Alkaloide Ca. 10.000 bekannte Alkaloide, große Strukturvielfalt, über 20 verschiedene Klassen
(Struktur), alle enthalten N, häufig in Fünf- oder Sechsring. Biogene Amine, werden ganz
überwiegend von Pflanzen gebildet aus Aminosäuren, sofern diese im Überschuß vorhanden
sind. Endprodukte des Stoffwechsels, weil kein geeigneter Ausscheidungsweg existiert.
Depotfunktion (?).Abwehr von Tieren (Fraßfeinden). Einige kommen auch in Tieren vor, z.B.
Harmonin (Marienkäfer), Krötengifte.
Biogenese
Vorstufen der Alkaloide bei der Biosynthese: Ornithin (seltene Aminosäure ), Lysin,
Phenylalanin bzw. Tyrosin, Tryptophan sowie Nicotinsäure
Beispiel: Biosynthese von Morphin aus Tyrosin (Breitmayer-Jung, S. 830)
OHNH2
CO2H
OHNH2
CO H2OH
OH
OH
H O
NH
OH
OH
OH
OH
CO2H
RO
R'O
O
N CH3
Tyrosin,4-Hydroxyphenylalanin
3,4-Dihydroxyphenyl-acetaldehyd
gDopa3,4-Dihydroxyphenyl-alanin
R' = H, R = H: (-)-Morphin CH3: (-)-CodeinR' = R = CO-CH3: Heroin
Isochinolin-Alkaloide
C-C-Verknüpfun
An die Pflanze wurde 3H- oder 14C-markiertes Tyrosin verfüttert. Aufklärung der
Bildungsweise durch 14C- und 3H-Analyse von Produkten und Zwischenstufen.
Opium: Latex der unreifen Früchte von Papaver sonniferum (Schlafmohn), enthält ca. 25
Alkalide; 10 % Morphin
Diese Verbindungen gehörein zu den Isochinolin-Alkaloiden
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 180
R R' Name
H H Morphin
CH3 H Codein
COC COCH3 Heroin
Morphin. Das erste Alkaloid, das in reinem Zustand isoliert wurde: F. W. A. Sertürner 1805.
Kommt im Mohn vor, ist für die physiologische Wirkung des Opiums verantwortlich.
Methadon. Kein Alkaloid im eigentlichen Sinne "Ersatzdroge" für Heroinsüchtige
Coffein
In Kaffeebohnen 1–1,5 %, in getrockentem schwarzen Tee bis 5 %.
1 Tasse Normalkaffee (aus 5 g Bohnen) enthält ca. 50–100 mg Coffein
1 Tasse schwarzer Tee (aus 0.5 g getrockenten Blättern) enthält ca. 10–30 mg Coffein
In 100 ml Cola-Getränk sind ca. 10–30 mg Coffein enthalten.
Halbsertszeit im Organismus: 3-5 h. Lethale Dosis für den Menschen: 10 g
Entcoffeinierung: Extraktion mit überkritischem CO2.
Vorkommen, Wirkung und Verwendung einiger Alkaloide
Alkaloid Vorkommen Wirkung, Verwendung
Atropin Tollkirsche Augenheilkunde, Asthma
Chinin Chinarinde Chemotherapie von Malaria, Bitterstoff in Getränken
Cocain Coca-Strauch Lokalanästhesie, Rauschgift
Codein Mohn Schmerz-, Hustenmittel
Morphin Mohn Schmerzmittel, Rauschgift
Nicotin Tabak Blutdrucksteigerung,
Lähmung (lethale Dosis: 50 mg)
Reserpin Rauwolfia Beruhigungsmittel
Strychnin Brechnuss Rattengift
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 181
Purinalkaloide
N
N N
N
O
O
R1
R2R3
R1 R2 R3 Name Vorkommen
CH3 CH3 H Theophyllin Teeblätter
CH3 H CH3 Theobromin Kakaobohnen, Teeblätter, Colanuß
CH3 CH3 CH3 Coffein Kaffeebohnen, Teeblätter
Pharmakologische Eigenschaften von Coffein,Theophyllin und Theobromin
Stimulierung des
ZNS
HerzwirkungBroncho- u.
Vasodilatation
Skelettmuskel-
stimulation
Diurese
Coffein +++ + + +++ +
Theophyllin +++ +++ +++ ++ +++
Theobromin– ++ ++ + ++
Ausgewählte Alkaloide
N
RN
H R = CH3 : NicotinR = H : Nornicotin
( )-(S)-Form_
N CH3
H
H
(S )-Form Coniin
N
N
O
R1
R1
H
H
H
H
O
R2
R1 = R2 = H : StrychninR1= OCH3 , R
2 = H : Brucin= H , R2 = OH : PseudostrychninR1
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 182
N
N
H
H
H
OHH3COOC
H
N
N
H
H
H
OHH3COOC
HN
N
H
H
H
OHH3COOC
H
R=H : YohimbinsäureR=CH3 : Yohimbin
allo -Yohimbin
β-Yohimbinα-Yohimbin (20-Epimer: Corynanthin)
D
E
N
H
H
OHOOC
AB
C
N H
R
H
11
1
3
7
14
13
9 5
21
20
18
16
20
H3C CH2 CO C CH2 C CH3
C6H5
C6H5 N(CH3)2
H
R ( )-(R)-Form :Racemat : Methadon_ Levomethadon
N
NOCH3
H3CO H
H
O CO OCH3
OCH3OCH3
H3COOC
H
H
11
9
74
21
20321
13
14 1816
Reserpin
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 183
N
OC6H5
O
H3C
CH2 OH N
O C C6H5
O
COOCH3H3C1 2
3
Atropin (racemisch) (-)-Cocain
R = HR = OCH3 :
: (-)-Cinchonidin
N
R
HON
HCHH2C
H
11
34
6
1
89
6
1
'
'
S R
(-)-Chinin(+)-Cinchonin(+)-Chinidin
N
R
HON
HCHH2C
H
11
34
6
1
89
6
1
'
'
SR
O
HN
HOCH3
HO
(-)-M.
N
N
CH3C
O
RH
H
7 6
5 4
3
21
1011
8
9
R = OH R = N(C2H5)2 : Lysergsäure-diethylamid
: Lysergsäure
(-)-Morphin
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 184
Polyketide Acetogenine: Pflanzenpigmente, Flavonoide, Naphthochinone, Tetracycline u.a.
Aufbau der C-Kette wie bei den Fettsäuren, jedoch keine Reduktion der Carbonylgruppen
CH3 S
OCoA
S
OCoA
n
O
CH3Acetyl-CoenzymA
~ Esterkondensation
(n+1)
- n CoA-SH
Es entsteht eine β-Diketon-Kette, aus der Folgeprodukte gebildet werden könnern, z. B. durch
Reduktion Fettsäuren.
Darstellung aromatischer Ringe!!
CH3 S
OCoA
O O
CH3
OCO-S-CoA
OH OH
CH3
CO2H
CH3 S
O
CoA
OCH3
OOOS
O O O O
CoA
OH
OH
O
O
OH
CH3
4- 3 CoA-SH
- H2O
Orsellinsäure,eine Flechtensäure
8- 7 C
- 2 H2O
EmPflorje n
oA-SH- CoA-SH- CO2
odinanzenpigmentange-kirschrot,
ach pH-Wert
Anthrachinon-Derivat
Es entstehen meta-disubstituierte Phenole
Farbstoffe von Blüten, Insekten, ....
Alternative Biosynthese von aromatischen Verbindungen. Der normale Weg geht aus von
Phenylalanin → Shikimisäure (Karlson 274)
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 185
Tetracycline
Nach Cephalosporinen und Penicillinen sind Tetracycline derzeit die meistgebrauchten
Antibiotika. Alternative zu Penicillinen, breites Wirkungsspektrum gegen
Infektionskrankheiten, hemmen die Proteinbiosynthese in den Mitochondrien der Bakterien.
Aureomycin wird aus den Kulturen von Streptomyces aureofaciens isoliert.
Terramycin aus Streptomyces rimosus, Stoffwechselprodukte von Pilzkulturen
HO O HO OOH
RH
RH
NRR
OH
C NH R
O
CH3H3C5 43
1
2
Name R1 R2 R3 R4 R5
Tetracyclin, Achromycin H H OH CH3 H
Chlortetracyclin, Aureomycin H H OH CH3 Cl
Oxytetracyclin, Terramycin H OH OH CH3 H
Demethylchlortetracyclin H H OH H Cl
Doxycyclinmonohydrat H OH H CH3 H
Minocyclin H H H H N(CH3)2
Methacyclin H OH =CH2 H
Rolitetracyclin CH2-Pyrrolidino H OH CH3 H
Methylverzweigung durch Einbau von Propionsäure statt Essigsäure
Herstellung
Durch Fermentation in Submerskulturen von ca. 20 Streptomyces-Arten (Tetracyclin,
Chlortetracyclin, Oxytetracyclin, Demethylchlortetracyclin), auch über das so gewonnene
Chlortetracyclin, aus dem es durch Cl-Abspaltung mittels katalytische Hydrierung erstmals
1953 erhalten wurde. Durch systematische Abwandlung der Substitution am Tetracen-Gerüst
sind inzwischen eine Vielzahl von Tetracyclin-Derivaten hergestellt worden.
Wirkungsmechanismus
Tetracycline sind Inhibitoren der Proteinsynthese.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 186
Farbstoffe Farbe: Lichtabsorption im sichtbaren Gebiet des Spektrums, 400–750 nm
Wahrgenommen wird die Komplementärfarbe zur absorbierten Farbe,
z.B. absorbiertes Licht 570 nm: gelb, Komplementärfarbe: blau
Elektronenübergänge im sichtbaren Bereich: π → π* und n → π*
Die Verbindung muss ein ausgedehntes π-Elektronensystem besitzen, hoch liegendes HOMO
und niedrigliegendes LUMO.
Die Absorptionsbande soll möglichst schmal sein, damit eine "saubere" (brillante) Farbe
resultiert. Eine breite Absorptionsbande oder mehr als eine Bande im sichtbaren Bereich
führen zu stumpfen oder "schmutzigen" Farben
Lit.: M. Klessinger, Chemie in unserer Zeit, 1978, 12, 1
Natürliche Farbstoffe
Nicht alle Farben in der Natur gehen auf chemische Farbstoffe (Pigmente) zurück. Einige
hängen mit der Oberflächenstruktur zusammen, die Farbe durch Lichtbrechung entstehen
lässt. Beispiele: Gefieder einiger Vögel (Kolibris, Pfauen), einige Insekten (Schmetterlinge,
Käfer)
Einige Farbstoffe erfüllen eine physiologische Funktion: Chlorophyll (Fotosynthese)
Anthocyanidin-Farbstoffe
Pflanzen in Blüten und Früchten, wasserlöslich, hauptsächlich rot, violett, blau.
Die Farbe hängt z.T. vom pH-Wert ab. Kornblume (blau) und Rosen (rot) enthalten das
gleiche Anthocyan. In der Pflanze liegen die Anthocyane als Glykoside vor. Bei der
Hydrolyse entstehen die entsprechenden Anthocyanidine. Das sind also die Aglykone der
Anthocyane.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 187
O+
OH
OH
OH
R2
R1
OH
OOH
OH
O
R2
R1
OH-H+
rot - violett blau Anthocyanidin R1 R2
Cyanidin OH H
Delphidin OH OH
Malvidin OCH3 OCH3
Pelargonidin H H
Peonidin OCH3 H
Petunidin OCH3 OH
Cyanidin (rote und blaue Blüten, Kirschen u.a.)
Delphinidin (Rittersporn blaurote Blüten, Stiefmütterchen, Trauben)
Pelargonidin (z.B. rot in Geranien)
Carotenoide
Wasserunlöslich, in allen grünen Pflanzen, in Früchten und Blüten, (gelbe Herbstfärbung des
Laubes), in Bakterien, Pilzen
Bislang wurden ca. 300 verschiedene Carotenoid-Strukturen aufgeklärt
Tetraterpene = C40
Verschiedene Grade der Dehydrierung, Ringschluss an einem oder beiden Enden, funktionelle
Gruppen
Chinone
Hauptsächlich Naphtho- und Anthrachinone, z. B. Emodin (s.o. Acetogenin)
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 188
OH
OH
O
O
OH
CH3
OH
OH
O
O
CH3
OH
OH
RHO2C
Emodin R = GlucopyrKarminsäure
anosyl
Karminsäure: Pulver aus getrockneten weiblichen Cochenilleläusen, gebunden an Glucose.
Rotfärben von Speisen, Kosmetika (Lippenstift)
Wasserlösliche Farbstoffe, Vitamin K-Gruppe (1,4-Naphthochinon-Derivate), auch in Pilzen
und Flechten
Vitamin K3 : R = HPhthiokol : R = OH
Vitamin K2 :
:Vitamin K1
R = CH2 C C CH2 H
H
CH3
7
R = CH2 C C CH2 CH2 CH2 CH CH2 H
H
CH3 CH3
3
(35)
(20)
O
O
CH3
R
Melanine
Komplexe chinoide Verbindungen, die bei der Oxidation und Polymerisation von Tyrosin
entstehen, in Federn, Haaren, Augen, Tinte des Tintenfisches
Beim Menschen: Pigmentierung der Haut (Lichtschutz)
NH
OO
NH
OO
NH
OO
n
Den Albinos und verschiedenen weißen Tierarten fehlt ein Enzym, das die Umwandlung des
Tyrosins bewirkt.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 189
Indigofarbstoffe
Indigo, Färberwaid
Indigo ist ein Küpenfarbstoff.
Synthese A. v. Baeyer (1870), BASF (1897)
6,6'-Dibromindigo, antiker Purpur, aus Purpurschnecken
NH X
ONHX
O
NH X
ONHX
O
Na2S2O4
O2
Leukoformwasserlöslich
X = H: Indigo BlauX = Br: 6,6'-Dibromindigo Purpur
Porphin-Farbstoffe
N
N
N
N H
A B
C D
N
H N
N H
N
Porphin Corrin
Häm-Derivate
Fe
R1
R2
1N
NN
N
CH3
H3C
HC
CH2
CHCH2
H3C
H2C
H2C
COOH
CH2
CH2
COOH
CH3
A B4 6
9
111924
21 22
23
CD1416
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 190
Häm-Derivat od. Häm-Protein Zentralion R1 R2
Häm (Ferrohäm)
Hämoglobin, Myoglobin
Oxyhämoglobin
Carbonylhämoglobin
Fe2+ H2O
Globin (His)
O2
CO
H2O
Globin
Globin
Globin
Hämin (Ferrihämchlorid)
Hämatin (Ferrihämhydroxid)
Methämoglobin(Hämiglobin)
Fe3+ Cl–
OH–
Globin (His)
–
–
Globin (His)
Hämoglobin
Hämoglobin ist ein tetrameres Eisen-Protein, dessen Monomere aus je einer Globin-Kette mit
einem Molekül Häm als prosthetischer Gruppe bestehen.
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 191
Chlorophylle
N M g
N
N
N
H 3 C
H 3 C
O
C H 3
C H 2
R 3 O O C H 3 C O O C
R 1
R 2
N M g
N
N
N
H 3 C
H 3 C
O
C H 3
C H 2
H O O C H 3 C O O C
R 1
R 2
Chlorophyll a Chlorophyll b Chlorophyll c
R 1 = C H 3 R 2 = C 2 H 5 R 3 = P h y t y l
R 1 = C H O R 2 = C 2 H 5 R 3 = P h y t y l
c 1 R 1 = C H 3 , R 2 = C 2 H 5 c 2 R 1 = C H 3 , R 2 = C H c 3 R 1 = C O O C H 3 , R 2 = C H
C H 2 C H 2
H3C
CH3
H3C3
Phytyl :
Coenzym B12, Vitamin B12
H N
NCo2
N
L
CO R2
CH3
R1 CO
H3C
H3C
R7 COH3C
H3C
R6 CO R5 CO
CH3
CH3
N
CH3
CO R3
CO R4+
Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 192
O
C
O C H 2 N H P O
O
O
O H
H O C H 2
N
N
C H 3
C H 3
z u m C o
C H 3 H
-
R1 - R5, R7 = NH2
R6 =
L = 5'-Desoxyadenosyl Coenzym B12
CN Vitamin B12
Vitamin B12
Wirkt gegen perniciöse Anämie, Isolierung 1948 (K. Folkers), kann aus Leber, Milchpulver
und Fleischextrakten gewonnen werden.
Strukturaufklärung (1955): Röntgenstrukturanalyse (D. Crowfoot-Hodgkin)
Porphin-Derivat, Co-Komplex eines substituierten Corrins, verwandt mit Hämin
(Hämoglobin, Farbstoff der roten Blutkörperchen, Eisen(II)-Porphin-Protein-Komplex),
Chlorophyll (Mg-Komplex)
Totalsynthese (1973): R.B. Woodward (Harvard) und A. Eschenmoser (ETH Zürich)
Mehr als 90 Stufen, 10 Jahre, zahlreiche (> 100) Mitarbeiter.
Verglichen mit der Syntheseleistung der Natur, liegt der Chemiker noch weit zurück.