Organische Chemie Inhalt

Organische Chemie
Allgemeine Chemie für Studierende der
Zahnmedizin, SS 2010, Version vom
1.6.2010
Volkmar Vill
VG II, Raum 149
[email protected]
http://liqcryst.chemie.uni-hamburg.de
Inhalt
•
•
•
•
•
•
•
•
Einleitung
Einfache Stoffklassen
Reaktionswege & Typen
Stereochemie
Aromaten
Carbonyl-Verbindungen
Carbonsäure-Derivate
Naturstoffe
– Aminosäuren, Nucleotide, Kohlenhydrate, Lipide
• Wiederholung, integrierte Beispiele
• Videos entstammen der CD von M. Kinder
1
Ziele der Organischen Chemie
Eigenschaften & Reaktivitäten kovalenter
Kohlenstoff-Verbindungen
• Struktur
– 2D, 3D
• Eigenschaft
– Löslichkeit, Membrangängigkeit
• Reaktionen
– Toxikologie, Pharmakologie
Literatur
• Margaretha
– Chemie für Mediziner
• Zeeck
– Chemie für Mediziner
• Kinder
– Organische Chemie Kompakt (CD)
2
Voraussetzungen
•
•
•
•
•
•
•
Atome
Atomorbitate
Bindungen: kovalent, ionisch
Oktett-Regel
Elektronegativität
Säuren/Basen Brönsted/Lewis
Oxidation / Oxidationszahlen
Modellvorstellungen
• Mathe .. Physik .. Chemie .. Biologie ..
Medizin
– ableiten/verstehen -> lernen/wissen
• Gute Modelle
– Gleiche ‚Symmetrie‘ wie das Problem
• Bohr <-> Quantenmechanik
3
Schiemenzsche Hauptsätze der
Organischen Chemie
I.
II.
Kohlenstoff ist vierbindig
Elektrophil reagiert mit Nukleophil
(minus reagiert mit plus)
III. Wo immer sich Fünf- und Sechsringe
bilden können, tuen sie es.
Organische Chemie als
Baukasten
C
N
O
H
• Grundbaustein
– C (4)
• Charakterbausteine
– N (3), O (2), S(2)
• Abschlußstücke
– H (1)
4
Sonderrolle C
• 2 Periode (echte Mehrfachbindungen)
• Mitte der Periode
– 4 Substituenten
– Mittlere EN
• C-C, C-O und C-H gleich stabil
Elektronegativität
(Rahmen: EN gut für kovalente Bindungen)
5
Hybridisierung
• CH4 - Molekül
– (Tafelbilder ..)
• Ethan, Ethen, Ethin
• Methylamin, Imin, Cyanwasserstoff
• Methanol, Methanal
sp3
6
sp2
sp
7
Alkane
Alkane = aliphatische Kohlenwasserstoffe,
Paraffine
Organische Verbindungen ohne funktionelle
Gruppen
Formel: CnH2n+2 = H-(CH2)n-H
Homologe Reihe der Alkane
n
Name
Formel
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Methan
Ethan
Propan
Butan
Pentan
Hexan
Heptan
Octan
Nonan
Decan
CH4
C 2H 6
C 3H 8
C4H10
C5H12
C6H14
C7H16
C8H18
C9H20
C10H22
Schmp.
[°C]
-182.5
-183.3
-187.7
-138.3
-129.8
-95.3
-90.6
-56.8
-53.5
-29.7
Sdp. [°C]
-161.7
-88.6
-42.1
-0.5
36.1
68.7
98.4
125.7
150.8
174.0
8
Chemisch bis 10 zählen ..
Methan
Ethan
Propan
Butan
Pentan
Hexan
Heptan
Octan
Nonan
Decan
Schmelz- und Siedepunkte der Alkane
350
2
300
250
Schmp & Sdp
200
150
100
50
1
0
-50
-100
-150
-200
0
5
10
n
15
20
9
van-der-Waals-Wechselwirkungen
Anziehung zwischen induzierten Dipolen
Coulomb: f ~1/r2 → VDW: f ~1/r6
6-12 Potential
Polarisierbarkeit, Pearson-Konzept, ...
Vorkommen der Alkane
• Erdöl, Erdgas
Hinweis: CO2-Bilanz, Resourcen
• Methan als Grubengas
• Methan als Sumpfgas und im Biogas
anaerobe Vergärung von Pflanzenresten
(Methangärung)
Vergärung von Fäkalien und biolog. Abfällen
• Methan als Hydrat im Meeresboden
10
Verzweigte Verbindungen
• Isomerie:
– gleiche Summenformel, verschiedene Eigenschaften
(gr.: gleiches Teil)
• Konstitutionsisomerie: unterschiedliche
Atomanordnung
• Beispiele: Butan, Pentan
Nomenklatur
• 2-Methylpentan
• Substituenten-Stammverbindung
• Substyl-Stamm-Funktion
– 2-Methylpentan
IUPAC
11
Regel 1
Suchen Sie die längste Kette von
Kohlenstoffatomen und benennen Sie sie.
Dieses Stammalkan gibt dem Molekül seinen
Namen (Endung '-an').
Ein substituiertes Decan:
CH3
CH2
CH3
H3C
CH
CH2
CH2
CH3
CH
CH2
CH
CH2
CH2
CH3
Regel 2
Bestimmen Sie die Namen der Substituenten.
Sollte der Substituent selbst wieder verzweigt sein,
dann wählen die die längstmögliche Kette mit
der höchsten Substitution (analog Regel 1) und
benennen die Substituenten des Substituentes
analog.
12
Regel 3
Numerieren Sie die Kohlenstoffatome der längsten
Kette von dem Ende her, das einem
Substituenten am nächsten ist.
Sind zwei Substituenten gleich weit von beiden
Kettenenden entfernt, bekommt der Substituent,
der im Alphabet vorne steht, die kleinste
Nummer.
[In den Seitenketten trägt das C-Atom, das an die
Hauptkette gebunden ist, die 1.]
Regel 4
Schreiben Sie den Namen des Alkans, indem
Sie die Namen der Seitenketten in
alphabetischer Reihenfolge ordnen und mit
der Endung "-yl" versehen und hängen Sie
den Namen des Stammalkanes an.
Nummern der Kohlenstoffatome werden in "-"
eingeschlossen.
Tritt die gleiche Alkylkette mehrfach auf, werden
sie mit Vorsilben als Zahlenwörter zusammen
gefasst (di = 2, tri = 3, tetra = 4, penta = 5)
und die Substitutionspositionen durch
Kommata getrennt voran gestellt.
13
Regeln zur Nomenklatur
(Kurzform)
1. längste Kette von Kohlenstoffatomen →
Stammalkan
(bei gleichen Längen → höchste Substitution)
2. Stammalkan numerieren, kleinste Zahlen
3. angebundende Ketten (Substituenten) benennen
4. Substituenten von der Verknüpfung an
numerieren
5. gleiche Substituenten zusammenfassen (di, tri,
tetra)
6. Substituenten alphabetisch sortieren
7. Stammalkan mit Endung 'an', Substituenten mit
Endung 'yl‚ voranstellen
• 6-Ethyl-2,3-dimethyldecan
CH3
CH2
CH3
H3C
CH
CH2
CH2
CH3
CH
CH2
CH
CH2
CH2
CH3
14
Konformation
• Einfachbindungen erlauben eine relative freie
Rotation. Das führt zu einer Variation der
molekularen Form.
• Konformation
= Momentaufname
Konformation des Ethan (1)
15
Konformation des Ethan (2)
Konformation des Butan
16
Zyklische Verbindungen
• Vorkommen in der Natur
• Raumausfüllung, Flexibilität, Steuerung
von Funktionen
Cholesterin (Cholesterol):
H
H
H
HO
H
H
H
HO
Membranbestandteile
Herzinfakt
Steroide, Hormone, "Pille"
Terpene
17
Zyklische Verbindungen
C sp3 → 109° Valenzwinkel
Ringe: Cyclopropan, Cyclobutan, Cyclohexan
Nomenklatur, Vorsilbe Cyclo
Formel CnH2n
Cyclohexan, Sessel
Ringspannung, cis-trans
Konformation Cyclohexan
18
Konformation Cyclohexan
Ethen
•
•
•
•
Hybridisierung
σ-Bindung, π-Bindung
Geometrie
Nomenklatur
– 2-Buten
19
cis/trans
E/Z
Hydrierung
• Ethen zu Ethan
• Formale Oxidationszahlen
– Methan, Ethan, Ethin
20
Mehrfach ungesättigte
Verbindungen
• Isolierte Doppelbindungen
• Kummulierte Doppelbindungen
• Konjugierte Doppelbindungen
Funktionen natürlicher Alkene
• (moderate) Reaktivität
– Vernetzung (Kauschuk, Leinöl, ..)
• Differenzierung
• Signalstoffe
– Pheromone, Hormone
• Mechanik: Schmierstoffe, Fette
• Optik: Farben, Schalten, Sehen
21
Olefine in der Natur: Beispiele
•
•
•
•
•
Ethen
Prostaglandine
Ölsäure
Vitamin A
Squalen
β-Carotin
OH
Vitamin A
22
Alkohole
• CH3-OH Methanol
–
–
–
–
Säure/Base
Polarität der C-O Bindung
Wasserstoff-Brücken
Löslichkeit
Siedepunkte
CH4
CH3-CH3
CH3-OH
-161.7 °C
-88.6 °C
64.6 °C
Elektronegativitäten /
Bindungen
•
•
•
•
•
•
•
F 4.0
O 3.4
N 3.0
C 2.6
H 2.2
Na 0.9
Bindungen C-O C-N C-C C-H C-Na F-Na
23
H-Brücken
•
•
•
•
O-H...O Orbitale
Wechsel H-Bindungen in H2O-Trimeren
Analogie CH3-OH H-OH
Löslichkeit der homologen Reihe der
Alkohole in H2O und Octan
Typen der Alkohole
• Primäre / sekundäre / tertiär
– Oxidationsprodukte
• Mehrwertige
– Glycol, Glycerin
24
Thiole
• CH3-SH
– Polarität
– Oxidation am Schwefel
– Disulfidbrücken
Methanol & Methanthiol
25
Amine
• Vergleich Alkohole
– Base, C-O, C-N
• Primäre, sekundär, tertiär, quatär
Ether
• CH3-CH2-O-CH2-CH3
– Diethylether, ‚Ether‘
– THF Tetrahydrofuran
26
Reaktionen
Ursprung von Reaktivität
• Überlappung teilbesetzter Orbitale
– (gemeinsamer Raum, vergleichbare Energie)
• Reaktionsklassen
– Radikalische Reaktionen
– Elektrophile/nukleophile Reaktionen (‚polar‘)
– Elektrocyclische Reaktionen
– Redox-Reaktionen
• Reaktionssteuerung
– Kinetik (Aktivierungsenergie <-> RT)
– Thermodynamik
27
Klassifkationen der Reaktion
• Polar
– Nukleophil, Elektrophil
• Radikalisch
• Elektrocyklisch
• Substitution
• Eliminierung
• Addition
Begriffe
• elektrophil = „elektronenliebend“
• nucleophil = „kernliebend“
• SN : Nu- + R-X → R-Nu + X• Base → Lewis, Brønsted
• Nukleophilie ↔ Basizität
- Target, Polarisierbarkeit, Raumbedarf
28
Nukleophile Substitution
•
•
•
•
•
Reaktionswege
Übergangszustand / Zwischenprodukte
SN1 / SN2
Carbeniumionen
Nukleophilie <-> Basizität
Beispiele: Nukleophile Subst.
• OH- + CH3Cl
• H-OH + C(CH3)3Cl
• Reaktionsverläufe
Energiediagramme, Reaktionskoordinate
» (Eierkarton)
29
SN1-Reaktion
SN2-Reaktion
30
Beispiel-Reaktionen
(Tafelbilder)
C-Hal + NH2R
C-OH + HBr
Nukleophilie
• Basenstärke
• Polarisierbarkeit
HS- > I- > CN- > Br- > NH3 > F- > CH3OH
31
Austrittsvermögen
Basenstärke
gute Abgangsgruppen = schwache Basen
I- > Br- > Cl- > FCl- > AcO- > OH- > NH2- > CH3-
Gute Abgangsgruppen
Ms, Ts, Sulfate
Schlechte Abgangsgruppen
OH (-> Ts, H+)
Radikalische Reaktionen
Entstehung von Radikalen:
• Homolytische Spaltung von Bindungen
• Substitutionsreaktionen
• Additionsreaktion
– Polymerisationen
32
Dissoziationenergien einiger
Alkane
Verbindung
CH3 - H
C2H5 - H
C3H7 - H
(CH3)2CHCH2 - CH3
(CH3)2CH - H
(CH3)3C - H
kJ/mol
440
410
410
410
395.7
389
Verbindung
CH3 - CH3
C2H5 - CH3
C3H7 - CH3
C2H5 - C2H5
(CH3)2CH - CH3
(CH3)3C-C(CH3)3
kJ/mol
377
360
364
343
352
301
C - C läßt sich einfacher spalten als C - H
C - C Spaltung ist begünstigt durch höhere Substitution
→ Stabilität der entstehenden Radikale bestimmt die
Dissoziationsenergie
Radikalische Substitution
33
Chlorierung von Methan
∆ oder hν
CH3
H
438.9
+
Cl
Cl
242.4
CH3
Cl +
355.3
H
Cl
430.5
(Dissoziationsenergien in kJ/mol)
Energie-Bilanz der Reaktion:
438.9 + 242.4 - 355.3 - 430.5 = -104.5 kJ/mol
Startreaktion
Cl2 → 2 Cl·
Kettenfortpflanzung
→ CH3· + HCl
CH4 + Cl·
→ CH3Cl + Cl·
CH3· + Cl2
Abbruchreaktion
Cl· + ·Cl
→ Cl2
Cl· + ·CH3
→ CH3Cl
CH3· + ·CH3 → CH3CH3
34
Radikale in der Natur
• unselektiv
• Ein-Elektronen-Prozesse
• Aromatische Amine, Nitroverbindungen
• DNA, Krebs
Eliminierungsreaktionen
Ein nukleophiler Angriff kann statt einer
Substitution auch zu einer Eliminierung
führen.
Substitution: niedrige Temp., gutes Nu
Eliminierung: hohe Temp., schlechtes Nu
35
Eliminierungsreaktionen
Eliminierungsreaktionen
36
Additionsreaktionen
Umkehrung der Eliminierung
Aber: elektrophil, nicht nukleophil
Addition von Brom
37
Diels-Alder-Reaktion
• Butadien + Ethen (Tafelbild)
• Erklärung 1: SHOC
• Erklärung 2: HOMO/LUMO, einfache MOs
Begriffe
•
•
•
•
elektrocyclische Reaktionen
pericyclische Reaktionen
HOMO/LUMO
endo/exo
38
• Zunächst:
– Völlig unverständliche Reaktion
• Später:
– Perfekte Beschreibung durch die Theorie
• Probleme:
– Retrosynthetisch schwer zu erkennen
Die drei K´s der Chemie
• Konstitution
– Beschreibung der Atomanordnung
• Konfiguration
– Beschreibung der Atom-Orientierung
• Konformation
– Beschreibung der exakten Molekülform
(3D Momentaufnahme)
39
Isomere
Substanzen mit der gleichen Summenformel
• Strukturisomere
– unterschiedliche Atomanordnungen
• Stereoisomere
– gleiche Atomanordnungen
– unterschiedliche räumliche Orientierung
• Enantiomere
– Bild & Spiegelbild
• Diastereomere
Stereochemie
• Chiralität
– Händigkeit
– Beispiel: Hand-Hand, Hand-Buch
• CIP Regeln
• Fischerprojektion
40
Stereogene Kohlenstoffatome
Messung der Chiralität
• Drehung der Polarisationsebene des
Lichtes
• (optische Aktivität)
41
Nomenklatur
• CIP-Nomenklatur (Cahn-Ingold-Prelog)
CIP-Prioritätsregeln
• 1. Regel
– Ordnungszahl der Substituenten
– (bei Isotopen: hörer Masse)
• 2. Regel
– Bindungsordnung
• 3. Regel
– nächste Substitutionschale bewerten
42
43
Fischerprojektionen
• CHFClBr
• CH3-CHBrCl
• CH3-CH2Br-CH2Br-CH2F-CH3
44
45
Chiralität = Asymmetrie ?
• Symmetrieelemente
– Spiegelebenen
– Drehachsen
– Inversionzentren
polare Achsen sind erlaubt
• Weinsäure
• Quarzkristalle
Begriffe
•
•
•
•
•
•
•
Racemat
Konglomerat
racemische Mischung
chirale Verbindung
optisch-aktive Verbindung
Enantiomere
Diastereomere
46
Chiralität in der Natur
•
•
•
•
•
Eindeutigkeit von Reaktionen
Stabilisierung (Helices)
Richtungsabhängige Eigenschaften
Entstehung der Chiralität ??
Quantifizierung von Chiralität
Steinkohle
47
Der aromatische Zustand
Tafelbild: Vergleiche
- Hexatrien / Cyclohexatrien
- Butadien / Cyclobutadien
Cl
Cl
Cl
Cl
48
Kriterien der Aromatizität
•
•
•
•
•
•
- konjugiertes π-System
- cyclisch
- planar
- Hückelregel 4n+2 π-Elektronen
- Resonanzenergie
- Diamagnetismus, Ringstrom
Physikalische Eigenschaften
Diamagnetismus
besondere optische Eigenschaften
- hoher Brechungsindex, Dispersion, ..
- Farben, Photoleiter
besondere elektronische Eigenschaften
- UV Spektrum, ..
49
Biologische Eigenschaften
• nicht-bindende Wechselwirkungen
– u.a. π-Stacking
Chemische Eigenschaften
• Geruch und Brennverhalten
• Substitution statt Addition
50
Elektrophile Substitution der
Aromaten
Elektrophile Substitution
51
Wichtige aromatische Verbindungen
Phenol, Anilin, Benzoesäure, ...
Kondensierte Aromaten
Naphthalin
Anthracen
Phenanthren
52
Azoverbindungen
Me2N
N
N
4-Dimethylaminoazobenzol (Buttergelb) ist
eines der am besten untersuchten
chemischen Cancerogene.
Dioxine
Cl
O
Cl
Cl
O
Cl
TCDD: 2,3,7,8-Tetrachlordibenzodioxin
Cl
Cl
O
Cl
Cl
TCDF: 2,3,7,8-Tetrachlordibenzofuran
53
Dioxine sind ausgesprochen gefährliche Toxine. TCDD ist die
Leitsubstanz für die chlorierten Dibenzodioxine und
Dibenzofurane. Diese Stoffe werden nicht hergestellt, sondern
entstehen bei fehlgesteuerten Synthesen z.B. von 2,4,5Trichlorphenoxyessigsäure, sowie bei
Verbrennungsprozessen um 300°, wenn C, O, Cl und Cu
anwesend sind, z.B. bei der Verbrennung von PVC.
Wegen seines lipophilen Charakters reichert sich TCDD im
Körperfett der Organismen an und kann sich dort um den
Faktor 100 bis 20000 gegenüber der Umwelt anreichern.
Chronische Vergiftungserscheinungen:
- Gewichtsverlust
- Veränderung des Blutbildes
- Störungen der Leberfunktion
- Hemmung des Immunsystems
- Haarausfall, Chlorakne, Ödeme
Die Mutagenitätstests sind nicht eindeutig, ggf. ist TCDD
cancerogen oder co-cancerogen.
Beseitigung von TCDD: Verbrennung über 800°C ohne
Flugasche und ohne Kupfer.
54
Heterocyclen
Pyrrol, Furan, Thiophen
Pyridin
Imidazol, Purin
(Tafelbilder: -CH=CH- → -N- oder –CH= → -N= )
Carbonylgruppe
Y-CO-X
O- und C-Atom sind sp2 - hydridisiert
σ + π - Bindung, energiereiche n-Elektronen am
O
planar, 120° am C-Atom
55
Substituenten der Carbonylgruppe
Y-CO-X
Häufigste Substituenten
Y,X
= H, R
= O, N, (S)
= Cl
Aldehyde: Y = R, X = H
Ketone:
Y = R, X = R
Säurederivate: alle anderen
(bzw. Y = H, X = X)
Nomenklatur der Aldehyde
• Endung -al für die Carbonylgruppe
• Methanal (= Formaldehyd)
• Ethanal (=Acetaldehyd)
56
Nomenklatur der Ketone
Die systematischen Namen der Ketone (IUPAC-Namen) leiten sich von denen der
Alkane durch Anhängen der Endung "-on" ab. Die Position der Carbonylgruppe wird
durch eine vorangestellte Positionszahl definiert, wenn nötig.
O
H3C
C
CH3
H3C
CH2
Propanon
(Dimethylketon, Aceton)(2-Propanon)
O
CH2 C
CH2
CH3
3-Hexanon
Bei cyclischen Ketonen beginnt die Nummerierung der Position mit der
Carbonylgruppe:
O
2,2-Dimethylcyclopentanon
Polarität der Carbonylgruppe
Der Sauerstoff ist stärker elektronegativ als der
Kohlenstoff. Zusätzlich lassen sich auch
mesomere Grenzstrukturen zeichnen, die die
negative Ladung am Sauerstoff lokalisieren:
X
O
O
C
C+
Y
X
O
≡
Y
X
C
δδ+
Y
57
→ starkes Dipolmoment (ca. 9 x 10-30 Cm)
→ hohe Polarität
→ kurzkettige Derivate sind mischbar mit
Wasser
(C ≤ 6, z.B. Aceton)
→ hohe Siedepunkte
Reaktionsmöglichkeiten der Carbonylgruppe
E+
δ- O
δ+ C
H
X
C
|Nu
B-
58
Angriff einer Base auf das α-C erzeugt ein
Mesomerie-stabilisiertes Anion:
O
X
C
O
C-
X
C
-
C
Reprotonierung kann zu zwei verschiedenen
Strukturen führen:
O
X
C
O H
C
H
X
C
C
Keto-Enol-Tautomerie
Mesomerie: zwei gedachte Grenzstrukturen
(niemals trennbar)
Tautomerie: zwei isomere Verbindungen, die
durch Verschiebung von σ- und π-Bindungen
entstehen und in einem Gleichgewichtszustand
stehen. Meistens wird dabei die Position eines
Protons verschoben. Tautomere können
trennbar sein (z.B. im Kristall)
59
Additionen an die C=O Doppelbindung
Eine Addition von Methanol an Aceton sieht formal
so aus:
O
H3 C
C
δ-
H
δ
+
δ+ (= E)
O
δ (= Nu)
CH3
H
-
+
CH3
O
H3 C
C O CH3
CH3
Die Reaktion ist aber sehr langsam. Sie läßt sich
katalysieren, indem man die Nukleophile oder
die Elektrophilie eines Reaktionspartners erhöht.
Die Elektrophile der Carbonyl-Komponente kann durch Protonierung (→
katalystische Säuren) stark erhöht werden:
H O
H
C +
H3 C
CH3
+
δ+ (= E)
δ- (= Nu)
O
CH3
H
H
C O CH3
+
CH3
O
H3 C
O
-H+
H3 C
H
C O CH3
CH3
Die Nukleophilie der nicht-Carbonyl-Komponente kann durch
Deprotonierung (→ katalytische Base) stark erhöht werden:
O
H3 C
C
δδ+
CH3
O
+
O
CH3
H3 C
-
O H
+ H+
C O CH3
CH3
H3 C
C O CH3
CH3
→ Allgemeine Säure/Base Katalyse von Carbonylreaktionen
60
Halbacetale
(Voll)acetale
61
(Tafelbilder)
Addition von Wasser: Hydratisierung
Addition von Alkoholen
saure + basische Katalyse
Acetale und Halbacetale
Addition von Thiolen
Thioacetale
Addition von Aminen
Imine, Schiffsche Basen
Aldol-Reaktion
• Tafelbild
– Aldol-Reaktion von Acetaldehyd im
Basischen
• Video
62
Carbonsäuren R-COOH
• Azide Protonen, stärker sauer als
Alkohole
• polare Verbindungen, wasserlöslich
bei kleiner Molmasse
• Carbonsäuren bilden leicht
Wasserstoffbrücken aus. Darauf
beruhen viele katalytische Wirkungen
der Enzyme.
O H
O
2 R-COOH
R C
C R
O
H O
• Alleine dimerisieren sie leicht:
Carbonsäure-Derivate
R-CO-X
X
-OH
-O-O-R
-S-R
-N...
-Cl
-O-CO-R
Name
Carbonsäure
Carboxylat-Anion, Carbonsäure-Salze
Carbonsäure-Ester
Sonderfall: Lactone, (im Ring)
... Thioester
... Amid
Sonderfall: Lactam (im Ring)
... Chlorid
... Anhydrid
63
Ester-Bildung
Ester-Spaltung (Verseifung)
64
Amide und Salze
• Carbonsäuren und Amine könne sowohl
Salze (R-CO-O- +NH2-R) als auch Amide
(R-CO-NH-R) bilden. Salze bilden sich
spontan und sind leicht trennbar. Amide
benötigen spezielle
Reaktionsbedingungen und sind sehr
stabil.
• Vergleich Ester / Amide
– H-Brücken, Stabilität, Geometrie
Naturstoffe
•
•
•
•
Kohlenhydrate
– Energie-Speicher (Kurzzeit)
– Hoher, variabler Informationsgehalt (komplex, verzweigt)
– Starre Gerüste (Holz, Insektenpanzer)
Aminosäuren (+ Peptide, Proteine)
– ‚Maschinen‘ (Enzyme)
– Hoher, konstanter Informationsgehalt (linear, 20 AS)
– Flexible Gerüste (Haut, Haare)
Nukleinsäuren (+ Nukleotide)
– Informations-Speicher
– Hoher, konstanter Informationsgehalt (linear, 4 N)
Lipide (+ Terpene, Steroide, ...)
– Energie-Speicher (Langzeit)
– ‚Maschienen-Räume‘ (Membrane)
– Signale
– Kaum Information
65
Kohlenhydrate
•
•
•
•
•
•
Zucker
Cn(H2O)n = CnH2nOn
Polyhydroxyaldehyde, -ketone
Cyclische Halbacetale
Glycoside = Acetale
Mono-, di-, Polysaccharide
Glucose
66
Glucose
O
OH
OH
OH
HO
HO
O
OH
OH
HO
OH
OH
OH
OH
HO
O
OH
CH3
Aldosen
67
Ketosen
• Ketosen
68
• Oxidationsprodukte der Glucose
– Glucuronsäure
– Gluconsäure
– Glucarsäure
69
Disaccharide
Oligosaccharide
•
•
•
•
•
Herzglycoside
Lipid A
Ganglioside
Blutgruppensubstanzen
Erkennungsvorgänge
70
Polysaccharide
• Cellulose
• Stärke
• Chitin
Cellulose
71
Stärke
Aminosäure
• Strecker-Synthese
• Zwitterionen
72
Natürliche
Aminosäuren
Der Peptide und
Proteine
(Fischer Projektion)
Peptide-Bindung
73
74
DNA und RNA
Nuclein-Basen
75
Nukleoside und Nukleotiode
76
Basenpaarung
77
Lipide
•
•
•
•
•
Fette
Wachse
Steroide
Lecithin
Tenside, Membrane
Fette (Glyceride)
78
Tenside
HO
HO
CH 2OH
O
4
1
OH
hydrophilic
headgroup
lipophilic
tail
ß
O
C16 H33
lipophilic
tail
hydrophilic
headgroup
hydrophilic
area
hydrophobic
area
hydrophilic
area
temperature
Flüssigkristalle
L2
0
I2
V2
Lα
V1
H1
I1
L1
cmc
water content (%)
100
79
Tröpfchen eines
Flüssigkristalles
Membrane
80
H
H
H
HO
Membranbestandteile
Herzinfakt
Steroide, Hormone, "Pille"
Terpene
Vitamine
• D3
• C/E
• B12
81
Vitamin D3
H3C
CH3
CH3
CH2
HO
Vitamin C
OH
O
HO
HO
O
OH
82
Vitamin E
CH3
H3C
O
CH3
CH3
CH3
CH3
HO
CH3
Vitamin B12
O
H2N
NH2
O
O
CH3
NH2
O
N
N
N
NH2
Co(3+)
C(-)
N(-)
N
H2N
CH3
O
O
O
NH2
NH
N
HO
CH3
O
O
O
N
H3C
P
O(-)
CH3
O
OH
83
Porphyrine
COOH
NH
N
N
N
N
N
HN
N
N
Fe
Fe
COOH
N
N
N
Hämoglobin
Chlorophyll a
H3C
H3C
CH2
CH3
N
N Mg N
H3C
O
N
C2H5
O
CH3
CH3
CH3
CH3
O
H3C
O
CH3
O
84
Nachträge
• Chinone
• Ester anorganischer Säuren
Wiederholung
•
•
•
•
•
Konzepte
Stoffgruppen
Reaktionswege und -typen
Beispielreaktionen
Ausbeute-Berechnung
85
Was passiert ?
•
•
•
•
•
•
•
Br+ + CH3-CHI-CH2-CH2-OH
Br- + CH3-CHI-CH2-CH2-OH
Br+ + Ph-I
Br- + Ph-I
CH3-CH2-OH + HCl
CH3-COOH + HO-CH2-CH2-CH2-Br
CH3-CO-Cl + NH2-CH2-Ph
Welche Oxidationsprodukte können
entstehen?
•
•
•
•
•
•
•
CH3-OH
CH3-CH2-OH
CH3-CH(CH3)-OH
CH3-C(CH3)2-OH
CH3-CH2-O-CH2-CH3
CH3-CH2-SH
HO-Ph-OH
86
Synthesen
• CH3-Cl
• CH3-CH2-OH
– (durch Substitution, Addition, Reduktion)
Welche Verbindungen sind
aromatisch ?
N
S
O
OH
O
OH
N N
S
87
Funktionelle Gruppen
• (Tafelbilder)
Nomenklatur
• (Tafelbilder)
88
Konzepte
•
•
•
•
•
Hybridisierung
Elektronegativität, polarisierte Bindungen
Mesomerie, Konjugation
Chiralität & Stereochemie
Intermolekulare Wechselwirkungen
– H-Brücken, van-der-Waals, π-Stacking, ..
Schiemenzsche Hauptsätze der
Organischen Chemie
I.
II.
Kohlenstoff ist vierbindig
Elektrophil reagiert mit Nukleophil
(minus reagiert mit plus)
III. Wo immer sich Fünf- und Sechsringe
bilden können, tuen sie es.
89
Ursprung von Reaktivität
• Überlappung teilbesetzter Orbitale
– (gemeinsamer Raum, gleiche Energie)
• Reaktionsklassen
– Radikalische Reaktionen
– Elektrophile/nukleophile Reaktionen (‚polar‘)
– Elektrocyclische Reaktionen
– Redox-Reaktionen
• Reaktionssteuerung
– Kinetik (Aktivierungsenergie <-> RT)
– Thermodynamik
90