Kein Folientitel

Chemie für Biologen
Vorlesung im
WS 2004/05
V2, Mi 10-12, S04 T01 A02
Paul Rademacher
Institut für Organische Chemie
der Universität Duisburg-Essen
(Teil 11: 22.12.2004)
MILESS: Chemie für Biologen
198
Beispiele für die nucleophile Substitution
Nu
+
geladenes
Nucleophil
R X
Halogenalkan
R Nu
+ X
(X = Cl, Br, I)
HO
R OH
Alkohol
R O
R O R
Ether
R S
R S R
Thioether
R I
Iodalkan
I
X
H Nu +
neutrales
Nucleophil
H
O
H
R
- Halogenid
R X
R Nu H
X
-H X
R X - Halogenalkan
R Nu
R OH
O
R O R
H
H3 N
R NH2
prim.
RNH2
R NHR
sek.
R2 N
R NR2
tert.
H
Amine
199
Eliminierungsreaktion
Als Konkurrenz zur nucleophilen Substitution wird die 1,2- oder βEliminierung beobachtet. (Jedes Nucleophil ist eine Base!)
Auch diese kann monomolekular (E1) oder bimolekular (E2) auftreten.
Dabei werden C,C-Mehrfachbindungen gebildet.
Es handelt sich um die Umkehrung der elektrophilen Addition.
H
H
H3C C
CH2
H3C
CH
X
Base
- HX
H3C
H
CH3
+
H3C
H
2-Methyl-2-buten
Saytzeff-Produkt
H3C
H3C
H
H
H
3-Methyl-1-buten
Hofmann-Produkt
Das Verhältnis von Saytzeff und Hofmann-Produkt hängt vom
jeweiligen Reaktionssystem und von den Reaktionsbedingungen ab.
Normalerweise überwiegt das thermodynamisch stabilere SaytzeffProdukt.
200
Carbonylverbindungen: Aldehyde
O
R = H, Alkyl, Aryl Name: alcoholus dehydrogenatus: der Aldehyd
R C
H
Carbonyl-Gruppe
Polare CO-Doppelbindung:
Beispiele:
δ+ δC O
sp2 (planar)
O
O
HC
H3C C
H
Formaldehyd
Methanal
H
Acetaldehyd
Ethanal
O
H3C CH2 C
H
H
Propionaldehyd
Propanal
O
C
Bindungsenergie [kJ/mol]
C−O 351 C=O 707
C−C 348 C=C 595
O
H3C CH2 CH2 C
H
Butyraldehyd
Butanal
O
C
H
Salicylaldehyd
(o-Hydroxybenzaldehyd)
OH
Benzaldehyd
201
Carbonylverbindungen: Ketone
R1
R2
C O R1, R2 = Alkyl, Aryl ≠ H
O
H 3 C C CH 3
Aceton
Propanon
H3C CH2
O
C
O
C CH3
Ethylmethylketon
Butanon
CH 3
Methylphenylketon
Acetophenon
O
O
O
Cyclohexanon
Campher
(Kampfer)
O
Progesteron
Steroid-Hormon
202
Addition von Nucleophilen an die C=O-Gruppe
Eine der wichtigsten Reaktionen der organischen Chemie und der Biochemie
δ+ δC O
H
H C OH
C O
H Nu
H Nu
Beispiele:
R1
R2
C O
Nu
+ H 2O
R1
(H+)
R2
+ ROH
R1
(H+)
R2
Aldehyd:
Keton:
H
O
Hydroxyaldehyd:
OH
C
Hydrat (meist nur in wässriger Lösung stabil)
OH
OH
C
OR
+ ROH
R1
(H+)
R2
Halbacetal
Halbketal
H
C O
(H+)
OR
+ H 2O
C
OR
Acetal
Ketal
O
OH Cyclisches Halbacetal
bei Zuckern: Furanosen
und Pyranosen
203
Addition von primären Aminen an Ketone
R1
R2
NH 2 R
C O +
O
C NH 2 R
R2
R1
Nucleophil
R1
Halbaminal
+ NH 2 OH
R2
C N R
Imin
- H 2O
Cyclohexanonoxim
(Ausgangsprodukt für Nylon6)
Cyclohexanon Hydroxylamin
O
R
O
R
- H2O
O + H2N
Retinal
R1
N OH
O
H
OH
- H 2O
C NH R
R2
N
H
NH
blau:
Polypeptidkette
Aminosäure Lysin des Proteins
Opsin
(Vgl. Folie 164)
NH
Rhodopsin
Sehpurpur
204
Aldol-Kondensation
2 H3C C
O
OH
OH (kat.)
H3C CH CH 2 C
H
O - H 2O
H3C CH CH C
H
2-Butenal
Crotonaldehyd
2-Hydroxybutanal
Acetaldol
Ethanal
Acetaldehyd
H
C
C
O
OH(-)
-
(-)
C
H(+)
H
O
O
C
C
C
H
O
H
(-) Enolat-Ion
= C-Nucleophil
H
α-Deprotonierung
C
nucleophile Addition
O
C
C
H
O
- H2O
C
C
O
H
H
α,β-ungesättigte
Aldol-Kondensation
Carbonyl-Verbindung
O
H2O
+ H(+)
C
C
O
H
O
Aldol-Addition
Eine sehr wichtige Reaktion zum Aufbau von Kohlenstoff-Gerüsten.
205
Carbonylverbindungen: Carbonsäuren
O
R
H
O
C
C
O
H
Bildung von Dimeren über Wasserstoffbrückenbindungen
⇒ hohe Siedepunkte
⇒ relativ gute Wasserlöslichkeit (bis Buttersäure)
R
O
Siedepunkt
R C
O
OH
O
H C
OH
O
H3C C
OH
O
H3C CH2 C
OH
O
H3C CH2 CH2 C
OH
Ameisensäure
(Methansäure)
101°C
Essigsäure
(Ethansäure)
118°C
Propionsäure
(Propansäure)
141°C
Buttersäure
(Butansäure)
164°C
206
Dicarbonsäuren
Gesättigte Dicarbonsäuren
O
O
O
C C
C CH2 C
OH
HO
HO
Oxalsäure
O
O
O
C CH2 CH2 C
OH
HO
OH
Bernsteinsäure
Malonsäure
Ungesättigte Dicarbonsäuren
OH
O C
O
O
OH
C
C C
H
H
(Z)-2-Butendisäure
Maleinsäure
HO
H
C
C C
H
C OH
O
(E)-2-Butendisäure
Fumarsäure
207
Fettsäuren
Gesättigte Fettsäure
Stearinsäure
Octadecansäure
1
COOH
18
Ungesättigte Fettsäuren
H 9
H 10
8
11
6
7
12
13
4
5
14
H 9
2 1
3
COOH
15
16
17
1
COOH
H
12
18
18
H
H
Ölsäure
(Z)-9-Octadecensäure
Linolsäure
(Z,Z)-9,12-Octadecadiensäure
1
H 9
COOH
18
H
12
H
15
H
H
H
Linolensäure
(Z,Z,Z)-9,12,15-Octadecatriensäure
208
Dissoziation von Carbonsäuren
O
R C
O H
O
+ H2O
R C
R C
O
O
+ H3O
mesomeres Carboxylat-Anion
(Ladung ist delokalisiert)
Beispiele:
O
O
H C
pKS
O
OH
Ameisensäure
3.8
H3C C
OH
Essigsäure
4.8
Vergleich mit Alkoholen: R O H + H2O
pKS ≈ 15 - 16
O
H3C CH 2 C
OH
Propionsäure
4.9
R O + H3O
Alkoholat-Anion
(Ladung ist lokalisiert)
Carbonsäuren sind wesentlich stärkere Säuren als Alkohole.
209
Carbonsäuren mit zusätzlichen
funktionellen Gruppen
α
O
H3C CH C
OH OH
α-Hydroxycarbonsäure
Milchsäure
chiral
O α
O
β
H3C C CH2 C
OH
β-Ketosäure
Acetessigsäure
α
α
O
R CH C
OH
NH 2
H 3C C C
OH
O
α-Aminocarbonsäure:
Aminosäure
R ≠ H: chiral
R = H: achiral: Glycin
O
C
H
α-Ketosäure
Brenztraubensäure
Pyruvat
O
O
C
O
O
OH
C
O
C CH 2 CH CH 2 C
OH
H3C β Cα OH HO
OH
H
Citronensäure
Enolform
3-Carboxy-3-hydroxypentandisäure, eine
Hydroxytricarbonsäure
210
Nucleophile Substitution an der Carbonyl-Gruppe
δ+
R C
δO
+
Nu
X
sp2
O
R C X
Nu
sp 3
R C
O
+ X
Nu
sp2
• Es handelt sich um einen Additions-Eliminierungs-Mechanismus.
• Die Reaktion kann durch Säuren katalysiert werden: Protonen-Katalyse
Darstellung von Carbonsäurechloriden
Es entstehen nur gasförmige Nebenprodukte.
R C
O
OH
+ SOCl2
Thionylchlorid
R C
O
Cl
+ SO 2 + HCl
211
Reaktionen von Säurechloriden
+ H2 O
R C
O
+ HCl
OH
R´ OH
R C
O
Cl
H2 N R´
R C
O
+ HCl
O R´
Ester
R C
O
+ HCl
NH R´
Amid
R C
O
O
Na
O
O
R C O C R + Na Cl
Anhydrid
Säurechloride sind reaktive Acylierungs-Reagenzien.
212
Carbonsäureanhydride
H3C C
O
O
O
C
O
H3C C
O
Essigsäureanhydrid
Acetanhydrid
C
OH
OH
C
Phthalsäure
C
∆T - H2O
∆T - H2O
O
O
Phthalsäureanhydrid
O
O
H3C C
OH
OH
Salicylsäure
+
H3C C
O
O
O
Maleinsäureanhydrid
O
Synthese von Aspirin
O
C
Maleinsäure
O
O
O
OH
OH
O
C
OH
O
+ H3C C
O C CH 3
Ester
O
Acetylsalicylsäure
ASS
OH
213
Carbonsäureester
Veresterung von Carbonsäuren
O
+ R´ OH
R C
O
H
+ H OH
R C
OH
O R´
Gleichgewichtsreaktion: Das Gleichgewicht lässt sich durch Abdestillieren von
H2O zur Ester-Seite verschieben. Die Reaktion wird durch starke Säuren katalysiert.
Eigenschaften von Carbonsäureestern
Einfache Ester sind in der Regel flüssig und haben relativ niedrige Siedepunkte.
Z.B. CH3-CO2-C2H5 (“Essigester”): Sdp. 77° C, Schmp. –84° C.
Sie sind in Wasser nicht löslich. Verwendung als Lösungsmittel (Lacke).
Ester besitzen einen angenehm fruchtartigen Geruch. Sie sind Aroma- und
Duftstoffe. Sie kommen verbreitet in Pflanzen, Blüten und Früchten vor.
Ester
Aroma Ester
Ameisensäureethylester Rum
Aroma
Buttersäuremethylester Apfel
Essigsäure-n-butylester Orange Buttersäureethylester
Ananas
Essigsäureisobutylester Banane Buttersäureisoamylester Birne
214
Verseifung von Estern
Ester-Hydrolyse (Verseifung)
O
+ Na OH
R C
O R´
O
O Na
+ OH
O
R C OR´
OH
+ HO R´
R C
Neutralisation
O
R C
+
OH
Säure +
O R´
Base
Mechanismus: Nucleophile Substitution
Seife: Alkali-Salz einer Fettsäure
215
Fette und Seifen
Na + -OOC R
CH 2 OH
CH 2 O C R
O
CH O C R´ + 3 NaOH
O
CH 2 O C R´´
O
Fett (Triglycerid)
CH OH
++ Na OOC R´
Na + -OOC R´´
CH 2 OH
Glycerin
Seife
COO(-) Na (+)
hydrophil
Lipophil bzw. hydrophob
O
2 R C
O
2 Na
O
wasserlöslich
+
Ca 2+
R C
O
Ca 2+ + 2 Na+
2
wasserunlöslich
In "hartem" Wasser sind Seifen unwirksam.
Waschmittel und Detergenzien enthalten lineare, unverzweigte Alkansulfonate, die
biologisch abbaubar sind. Die Salze reagieren neutral ⇒ Neutralseife
SO3 K+ Ca2+- und Mg2+- Salze sind wasserlöslich.216
Wirkung von Tensiden
Mizelle
Fett
unlöslich in H2O
Seife
löslich in H2O
Fett
217
löslich gemacht mit Seife in H2O