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Vorlesung Teil 2: Organische Chemie
Prof. Dr. Andreas Speicher
Universität des Saarlandes
Organische Chemie
Campus C4 2, 4.05
Postfach 15 11 50
66123 Saarbrücken
66041 Saarbrücken
Tel.:
0681 302 2749
Fax.: 0681 302 2029
e-mail: [email protected]
Sprechstunde: nach Vorlesung, im Praktikum
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
1
Vorlesungsplan
Zeek, 7. Aufl.:
OC1
14.12.
1. Organische Chemie – Chemie des Kohlenstoffs
11.1
OC2
17.12.
2. Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane
11.2-4, 13.5
OC3
19.12
3. Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene
11.5
19.12
13.15 Uhr: Sicherheitsbelehrung zum Praktikum, Infos
OC4
21.12.
(3.) Polyene und Polymerisation
OC5
07.01.
4. Aromaten und Alkine
11.6/7
OC6
09.01.
5. Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen
13.1-13.3
OC7
11.01.
6. Amine; 7. Nucleophile Substitution, 8. Heterocyclen
13.4/6, 21.1-3
OC8
14.01.
9. Carbonylverbindungen: Aldehyde, Ketone, Chinone
14., 15.
OC9
16.01.
10. Carbonsäuren und Carbonsäure-Derivate
16.
OC10
18.01
11. Stereochemie und Stereoselektivität
18.
OC11
21.01.
12. Kohlenhydrate I
20.
23.01
Klausur 1
OC12
25.01.
12. Kohlenhydrate II
20.
OC13
28.01.
13. Aminosäuren, Peptide, Proteine
19.
OC14
30.01.
14. Stofftrennung und Spektroskopie
5.6, 22.
OC15
01.02.
15. Reaktionskinetik
12.
OC16
04.02.
16. Derivate anorganischer Säuren; 17. Nucleinsäuren
17. ; 21.4
06.02.
Klausur 2
08.02.
18. Weitere medizinisch relevante Verbindungen, WH/Übung
OC17
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
diverse
2
Bücher zu Vorlesung und Praktikum:
Urban & Fischer
5. Auflage 2003, ISBN: 3-437-42441-6
6. Auflage 2005/2006, ISBN: 978-3437424410
7. Auflage 2010, ISBN: 978-3437424434
EUR 35,95
Urban & Fischer
1. Auflage 2008
ISBN-13: 978-3437424465
EUR 15,95
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3
Bücher zu Vorlesung und Praktikum:
Pearson 2008
de Gruyter, 9. Auflage 2008
ISBN 978-3827372864
ISBN 978-3-11-019063-2
EUR 49,95
EUR 29,95
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
4
Bücher zu Vorlesung und Praktikum:
Schatz, Tammer
Erste Hilfe …
1. Auflage 2007
2. Auflage 2012
Springer
ISBN 978-3642204135
EUR 34,95
Institut für medizinische und pharmazeutische Prüfungsfragen
(IMPP)
Gegenstandskatalog Chemie/Biochemie
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5
Bücher zu Vorlesung und Praktikum:
McMurry, Begley: Organische Chemie
der biologischen Stoffwechselvorgänge
Elsevier 2006
ISBN-13: 978-3827416575
EUR 59,50 (Amazon: 24,95)
Gossauer: Struktur und Reaktivität
der Biomoleküle
Wiley-VCH 2006
ISBN-13: 978-3-906390-29-1
EUR 75,00 (Amazon: 59,90)
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6
1. Organische Chemie – Die Chemie des Kohlenstoffs
Anorganische Chemie
Organische Chemie
Cl
Na
Na
Cl
Na
Na
Cl
Cl
Na
Na
Cl
Cl
Na
Na
Cl
Cl
Na
Na
Cl
Na
Cl
Cl
Na
Cl
Na
Cl
Cl
Na
Cl
Na
Cl
Cl
Na
Cl
Na
Cl
Na
Cl
Na
Cl
Na
Na
Cl
Na
Cl
Na
Cl
Cl
?
Na
Na
Cl
Na
Cl
Cl
NaCl
Cl
Na
Na
Cl
Na
Cl
Na
NaCl (Kochsalz)
DNS (Desoxyribonukleinsäure)
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7
1. Organische Chemie – Die Chemie des Kohlenstoffs
Anorganisch
Organisch
Friedrich Wöhler 1828
•
•
•
•
•
Mineralische Materie
alle Elemente
Ionen (-bindungen)
Kristalle
schnelle Reaktionen
•
•
•
•
•
Lebende Materie
C, H, O, N, S, P, Hal
kovalente Bindungen
auch unpolare Verbindungen
langsame Reaktionen
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8
1. Organische Chemie – Die Chemie des Kohlenstoffs
Der Kohlenstoff …
• Nichtmetall
• vierwertig, kovalente Bindungen
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9
1. Organische Chemie – Die Chemie des Kohlenstoffs
Chemische Bindung mit Kohlenstoff
 Elektronenkonfiguration des Kohlenstoffs:
Hybridisierungen:
Grundzustand: 1s2, 2s2, 2p2  nur
zweiwertig, kein Oktett
angeregter Zustand: 1s2, 2s1, 2p3
 vierwertig
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10
1. Organische Chemie – Die Chemie des Kohlenstoffs
sp3-Hybridisierung:
2s + 2px + 2py + 2pz
verbleibt:

vier sp3-Orbitale
––
„tetraedrisch“
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11
1. Organische Chemie – Die Chemie des Kohlenstoffs
sp2-Hybridisierung:
2s + 2px + 2py
verbleibt:

drei sp2-Orbitale
2pz
„trigonal planar“
von oben
von der Seite
© P. Bruice, Organische Chemie, Pearson Studium 2007
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12
1. Organische Chemie – Die Chemie des Kohlenstoffs
sp-Hybridisierung:

2s + 2px
verbleiben:
zwei sp-Orbitale
2py + 2pz
„linear“
© P. Bruice, Organische Chemie, Pearson Studium 2007
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13
1. Organische Chemie – Die Chemie des Kohlenstoffs
Die Vielfalt
…. der Kohlenstoff-Verbindungen:
• Kohlenstoff ist vierwertig
• 3 verschiedene Hybridisierungen und Geometrien am C
• kovalente Bindungen zu vielen Elementen des PSE*)
• Einfach- und Mehrfachbindungen
• Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen
*) biologisch relevante Verbindungen: H, O, N, P, S, Hal..
…. der Reaktionen von Kohlenstoff-Verbindungen:
• unterschiedliche Polarität der Bindungen zum Kohlenstoff
• Reaktionen über C-Kationen, C-Anionen und C-Radikale
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14
1. Organische Chemie – Die Chemie des Kohlenstoffs
Die Vielfalt der Kohlenstoff-Verbindungen:
Funktionelle Gruppen
Verbindungsklassen
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15
1. Organische Chemie – Die Chemie des Kohlenstoffs
Glykogen
Proteine
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
DNS
16
2.
2.1
Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane
Struktur und Eigenschaften
Das Methan: CH4
Kugel-Stab-Modell
Kalottenmodell
Moleküloberfläche
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
17
2.
2.1
Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane
Struktur und Eigenschaften
Lineare Alkane CnH2n+2
Homologe Reihe: CnH2n+2
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
18
2.
2.1
Anzahl C Name
Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane
Struktur und Eigenschaften
Summenformel
Schmp. [°C]
Sdp. [°C]
bei 20°C
1
Methan
CH4
-182.5
-162
Gas
2
Ethan
C2H6
-183.3
-89
Gas
3
Propan
C3H8
-188
-42
Gas
4
Butan
C4H10
-138
0
Gas
5
Pentan
C5H12
-130
36
flüssig
6
Hexan
C6H14
-95
69
flüssig
7
Heptan
C7H16
-91
98
flüssig
8
Octan
C8H18
-57
126
flüssig
9
Nonan
C9H20
-54
151
flüssig
10
Decan
C10H22
-30
174
flüssig
11
Undecan
C11H24
-26
196
flüssig
12
Dodecan
C12H26
-10
216
flüssig
Eicosan
C20H42
37
343
fest
Erdgas
„Gase“
„Petrolether“
„Benzin“
„Diesel“
…
20
„Wachs“
Brennstoffe, Lösemittel, Salbengrundlage (Vaseline)
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19
2.
2.1
Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane
Struktur und Eigenschaften
Konstitution: Gerüstisomerie ab “Butan”
Summenformel
Zahl der Isomeren
C3H8 C4H10 C5H12 C6H14 C7H16 C8H18
1
2
3
5
9
18
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
C40H82
62.481.801.147.341
20
2.
2.1
Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane
Struktur und Eigenschaften
Nomenklatur: Alkylreste / Alkylsubstituenten
CH 3
Methyl
CH2
Ethyl
H3C
H3C CH2 CH 2
H3C CH
CH 3
H3C CH 2 CH2 CH2
H3C CH 2 CH
CH3
H3C CH CH2
n-Propyl
Isopropyl
primäres C: mit 0 oder 1 C verbunden
n-Butyl
sekundäres C: mit 2 C verbunden
sek-Butyl
tertiäres C: mit 3 C verbuden
Isobutyl
CH3
H3C
C
CH3
tert-Butyl
CH3
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21
2.
2.1
Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane
Struktur und Eigenschaften
Nomenklatur: Grundregeln für Alkane
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
22
2.
2.1
Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane
Struktur und Eigenschaften
Übungsaufgaben:
Benennen Sie folgende Verbindungen:
H 3C CH 2 CH2 CH CH2 CH 2 CH 3
CH2 CH2 CH 2 CH 3
H 3C CH 2 CH2 CH CH2 CH 2 CH 2 CH3
CH
CH3
CH3
CH2 CH3
CH 3
H 3C CH 2 C CH2 CH2 CH CH CH 2 CH3
CH2
CH 2 CH 3
CH3
Zeichnen Sie folgende Verbindung:
6-Ethyl-2,2,4-trimethyl-4-propyloctan
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
23
2.
2.1
Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane
Struktur und Eigenschaften
Übungsaufgaben:
Benennen Sie folgende Verbindungen:
4-(1-Propyl)octan
n-propyl
4-(2-Propyl)octan
isopropyl
3,3,6-Triethyl-7-methylnonan
Zeichnen Sie folgende Verbindung:
6-Ethyl-2,2,4-trimethyl-4-propyloctan
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
24
2.
2.1
Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane
Struktur und Eigenschaften
Konformation: Drehung um s-Bindungen
s-Bindung:
Orbitalüberlappung auf der Verbindungsachse der Atome
s-Anteil der beteiligten Orbitale (sp3, sp2, sp)
Ethan:
Drehung um Einfachbindung:
 Konformationen
 Energieunterschiede
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
25
2.
2.1
Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane
Struktur und Eigenschaften
Konformationen:
Kalottenmodelle:
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
26
2.
2.1
Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane
Struktur und Eigenschaften
Konformationen: Ethan
Torsionsenergie in Abhängigkeit vom Torsionswinkel
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
27
2.
2.1
Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane
Struktur und Eigenschaften
Die gestaffelte „Konformation“ ist um 12.5 kJ/mol energieärmer !
60°
H
H
H
H
H
H
255 pm
H
gestaffelt
H
H
Warum?
H
H
H
HH
H
0°
229 pm
ekliptisch H
H
H
van-der-Waals-Abstoßung
HH
H
H
H
H
Ist das viel ?
k B  T -RGT
k
e
h
12.5 kJ/mol

Eyring-Gleichung:
Rechnung:
bei 25°C sind ~ 3,6•1010 Drehungen pro s möglich !!
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
28
2.
2.1
Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane
Struktur und Eigenschaften
Konformationen des n-Butan:
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
29
2.
2.1
Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane
Struktur und Eigenschaften
n-Butan:
CH3
CH3
H
H
H
energetisch
„günstig“:
CH3
H
CH3
H
H H
CH3
H
H
gauche
H
H
H
H
CH3H
CH3
H
CH3
H
H
CH3
anti
H3C
H 3C
H
CH3
CH3
CH3
H
H
H
H
H H
H
H
H
H
gauche
• Beliebig viele Konformationen (Rotamere), Minima und Maxima
• Konformere: Rotamere in einem „Energietal“
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
30
2.
2.1
Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane
Struktur und Eigenschaften
n-Decan – Konformation(en) und Schreibweisen
 Räumliche Gestalt großer Moleküle
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
31
2.
2.1
Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane
Struktur und Eigenschaften
Übungsaufgaben:
Benennen Sie folgende Verbindungen:
4-(1-Propyl)octan
n-propyl
4-(2-Propyl)octan
isopropyl
3,3,6-Triethyl-7-methylnonan
Zeichnen Sie folgende Verbindung:
6-Ethyl-2,2,4-trimethyl-4-propyloctan
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32
Wiederholung: Chemie des Kohlenstoffs, Alkane
Kohlenstoff:
 C ist vierwertig
 Hybridisierungen und Geometrien
Methan
 C-C -Bindungen
Ethan
Propan
Butan
Pentan
Alkane:
 homologe Reihe
 Konstitutionsisomere (Nomenklatur)
 Konformationen und Konformere
„Polyalkan“
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33
2.2
Cyclische Alkane
Cycloalkane durch Ringschluss
 homologe Reihe CnH2n
 keine anti-Konformationen  „Torsionsspannung“
 Ringspannung
 ungünstige Bindungswinkel  „Winkelspannung“
Geometrischer Bindungswinkel bei ebener (planarer) Struktur:
 Moleküle „optimieren“ ihre Geometrie
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34
2.2
Cyclische Alkane
Cyclohexan:
Cyclohexan
• nicht planar
• „Sesselkonformation“: alle Bindungswinkel ~110°
• an allen Bindungen gestaffelt und gauche-Konformation !
• Ringspannung ~0 kJ/mol !
• axiale und äquatoriale Substituenten
• „Ober- und Unterseite“
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
35
2.2
Cyclische Alkane
Cyclohexan: Drehung um Einfachbindungen  Konformationen ?
• keine „Winkelspannung“, aber:
• zwei C-C -Bindungen ekliptisch  „Torsionsspannung“
• + 1,4-Repulsion (180 pm)
 energiereicher als Sessel (25 kJ/mol)  kein Konformer
 Sesselformen (1+2) energetisch günstig  Konformere
 Jeder Substituent ändert von Sesselform 1 nach Sesselform 2 seine räumliche Lage
von äquatorial zu axial und umgekehrt („Durchklappen“)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
36
2.2
Cyclische Alkane
Cyclohexan mit einem Substituenten:
3D: Equatoriale Position
3D-Bild: Axiale Position
 Ein Substituent R passt besser in equatoriale Position
 Je größer der Substituent R, umso eher
günstiger um:
DG0 = – R • T• ln K
R = CH3:
7.1 kJ/mol (95 : 5)
R = tert-Butyl: 18.9 kJ/mol (99.9 : 0.1)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
37
2.2
Cyclische Alkane
Cyclohexan mit zwei benachbarten Substituenten:
H
"oben"
"unten"
H
H
HH
trans: auf der entgegen gesetzten „Ringseite“
H
H
H
H
H
H
cis: auf der gleichen „Ringseite“
H
Modell
X = Y = CH3 : DG0 = 8.4 kJ/mol
Modell
X = Y = CH3 : DG0 = 0 kJ/mol
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38
2.2
Cyclische Alkane
Steroide (Grundgerüst):
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
39
2.2
Cyclische Alkane
Wir zeichnen einen Sessel:
• äquatoriale Bindungen
• axiale Bindungen
• benachbarte axiale Bindungen
sind anti
• benachbarte äquatoriale Bindungen
sind gauche
© P. Bruice, Organische Chemie, Pearson Studium 2007
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
40
Molekülbaukästen „Organische Chemie“
Basis-Set: 19,90
Erweiterungsset: 42,90
Pearson Studium: 35,00
Chem Draw Ultra 2013 (13.0) + ältere Versionen
ChemDraw: Zeichnen chemischer Strukturen
Chem3D: 3D-Darstellung und Optimierung
http://www.cambridgesoft.com/
Campus-Lizenz erlaubt jedem Besitzer einer E-Mail-Adresse mit Endung
@mx.uni-saarland.de bzw. @stud.uni-saarland.de
den Download der Software und den Bezug einer Serien-Nummer, die jeweils die Installation auf
3 Rechnern (auch Laptops, Privatrechner usw.) ermöglicht.
Serien-Nummer und die Installationsdatei über folgenden Link:
http://scistore.cambridgesoft.com/sitelicense.cfm?sid=1170
 mit seiner E-mail-Adresse einloggen  die benötigten Daten werden zugeschickt
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
41
2.3
Eigenschaften und Reaktionen der Alkane
• unpolar (Elektronegativität:
H: 2.2
• C1 - C4 gasförmig, C5 - C20 flüssig, > C20 fest
•
•
•
•
•
•
C: 2.6)
> C1000 : Kunststoff („Polyethylen“)
leichter als Wasser
nicht mit Wasser mischbar: hydrophob
mit unpolaren Substanzen mischbar: lipophil
(relativ) reaktionsträge, „Paraffine“
brennbar: Oxidation mit Luftsauerstoff:
CH4 + 2 O2
2 C8H18 + 25 O2
 Benzinbrand
CO2 + 2 H2O
+ 820 kJ/mol
16 CO2 + 18 H2O + Wärmeenergie
 Wachsbrand
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
42
2.3
Eigenschaften und Reaktionen der Alkane
Reaktionen organischer Verbindungen:
Typisierung nach Spaltung von Bindungen
Elektronegativität:
H
2.2
Bindungsenergien:
• C-H : 413 kJ/mol
• C-C : 369 kJ/mol
C
2.6
homolytische Bindungsspaltung
hoher Energieaufwand
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
43
2.3
Eigenschaften und Reaktionen der Alkane
Radikale:
• Atome oder Moleküle mit einem (oder mehreren) ungepaarten Elektronen
• Bildung durch Homolyse
• Energiezufuhr durch Wärme, Licht, energiereiche Strahlung, …
• instabil (da kein Elektronenoktett), (meist) sehr reaktiv und kurzlebig
Cl
Cl
2
H
H
C
H
Cl
H
H
H
C
H
H
Radikale reagieren:
• mit einer weiteren kovalenten Bindung unter Homolyse
• mit einem weiteren Radikal unter „Kombination“
• mit einem „Radikalfänger“ zu einem stabileren Radikal
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
44
2.3
Eigenschaften und Reaktionen der Alkane
Die radikalische Substitution an Alkanen: SR
Mechanismus der Chlorierung von Methan: Radikalkettenreaktion
langsamer Schritt:
„geschwindigkeitsbestimmend“
Bruttoreaktion: CH4 + Cl2
Energiebilanz:
CH3Cl + HCl
-87 kJ/mol
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
45
2.3
Eigenschaften und Reaktionen der Alkane
Merke 1: Stabilität und Reaktivität
• Radikale sind (i.d.R.) sehr reaktiv, abhängig von Energie zur Bindungsspaltung
• Auch Kohlenstoff-Radikale sind unterschiedlich stabil/reaktiv:
Stabilität von Alkylradikalen:
•„Elektronenmangel“ kann abgeschwächt oder verstärkt werden
• durch „elektronenschiebende (+)“ oder „elektronenziehende (-)“ Gruppen
• induktive Effekte über s-Bindungen (vgl. EN): +I oder -I
• mesomere Effekte über nichtbindende Elektronenpaare oder p-Bindungen: +M oder -M
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
46
2.3
Eigenschaften und Reaktionen der Alkane
Merke 2: Reaktivität und Selektivität
• stabilere Radikale bilden sich leichter (geringerer Energieaufwand)
• Reaktionen über stabilisierte Radikale verlaufen schneller (Aktivierungsenergie)
• Energiereiche Radikale sind weniger selektiv
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
47
2.3
Eigenschaften und Reaktionen der Alkane
Radikale sind toxisch - Quellen:
• äußere Einwirkung (Bestrahlung u. a.),
• Enzyme v. a. in der Atmungskette: Elektronenübertragung in Teilschritten:
O
O2
H
+ e-
O
+
O
O
e- +
O
2 H+
O
Superoxid, toxisch
H2O2
H + e + H+
H2O + H O
Peroxid, toxisch
ROS
Hydroxyl-Radikal,
toxisch, reaktiver
als Fluor
Wirkung: Radikale, Reaktive Sauerstoff-Species (ROS)
+ : Entzündungsabwehr
- : „Oxidativer Stress“: Mutationen (DNA), Gewebsschädigung („Alterung“),…
„Bekämpfung“:
• Enzymatische Zersetzung
• Radikalfänger (Vitamin C, Vitamin E,…)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
48
2.3
Eigenschaften und Reaktionen der Alkane
Sauerstoff und „Autoxidation“
Spezialfall: Sauerstoff als „Diradikal“
O
O
O
O
gezielt: „Abbau“ von Fetten z. B. durch Lipoxygenasen
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49
Zusammenfassung: Alkane
Alkane:
 homologe Reihe
 Konstitutionsisomere (Nomenklatur)
 Konformationen und Konformere
 Cycloalkane am Beispiel Cyclohexan:
Sessel-Konformer, axial und equatorial, cis und trans
 Steroide
 unpolar, brennbar und reaktionsträge
 Radikalische Substitution, Kettenreaktion
 Radikale
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50
2.4
Halogenalkane
Gesundheitsschädlich:
•
Luftgrenzwert = höchstzulässige Konzentration als Gas/Dampf/Schwebestoff, die bei
langfristiger Exposition 8 h/d 40h/Woche die Gesundheit nicht beeinträchtigt [ml/m3=ppm]
•
LD50 = letale Dosis (Dosis bei der 50% der Versuchstiere verenden) [g/kg]
Name
Luft
LD50 oral
Dichlormethan
100 ppm
1.6 g/kg
Chloroform
0.5 ppm
0.9 g/kg
Tetrachlormethan
10 ppm
1.7 g/kg
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
51
2.4
Halogenalkane
• Lösemittel:
• Kühl- und Kältemittel
• Vereisungsmittel
• Inhalationsnarkotika
• Insektizide
Gefährdung der Ozonschicht: Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW)
Cl
+
O3
ClO
+
O3
ClO
Cl
+
+
O2
2 O2
„Umweltgifte“:
? Zeek, S. 191: „Halogenierte Kohlenwasserstoffe kommen in der Natur nicht vor.“ ?
! 4500 halogehaltige Naturstoffe !
Chlormethan: ~ 5 Mio t/a: holzzerstörende Pilze, Algen, Plankton, Vulkane, Buschfeuer...
~ 26000 t/a: andropogen
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
52
2.4
Halogenalkane
Chemische Reaktivität der Halogenalkane:
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
53
Übungen:
Versuche im Praktikum: 3.1, 3.6
Die nebenstehende Anordnung (Newman-Projektion) des n-Butans heißt:
A  gauche Konformation
B  syn Konformation
Photohalogenierung und Autoxidation von Alkanen verlaufen
A  unter Heterolyse von kovalenten Bindungen
B  nach einem radikalischen Prozess.
Die folgende Verbindung hat den IUPAC-Namen
A  4-Brom-3-chlor-5-ethyloctan
B  3-Propyl-4-brom-5-chlorheptan
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
54
Übungen:
Welche der folgenden Verbindungen sind identisch ?
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
55
3.
3.1
Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene („Olefine“)
Struktur und Eigenschaften
sp2-Hybridisierung:
„trigonal planar“
© P. Bruice, Organische Chemie, Pearson Studium 2007
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
56
3.
3.1
Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene („Olefine“)
Struktur und Eigenschaften
Alkene: C=C - Doppelbindung: 1 s-Bindung, 1 p-Bindung
alle Bindungswinkel ~120°
Doppelbindung: 133 pm
keine Unterscheidung
zwischen s- und p-Bindung
Drehung „nicht möglich“
bei 293 K: k = 5,7x10-37 s-1
keine Konformere
bei 1273 K: k = 138 s-1
E
© P. Bruice, Organische Chemie, Pearson Studium 2007
275
kJ/mol
Rotationswinkel
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
57
3.
3.1
Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene („Olefine“)
Struktur und Eigenschaften
Nomenklatur der Alkene
acyclische Alkene mit 1 Doppelbindung: homologe Reihe: CnH2n
H2C
CH 2
H2C
Ethen
(Ethylen)
CH
CH 3
H2C
CH CH 2 CH 3
2-Hexen
CH3
CH
CH3
2-Buten
CH3
CH CH2 CH2
HC
1-Buten
Propen
(Propylen)
"Phytohormon"
H3C HC
H3C
H3C HC
1
2
C
3
CH3
CH2 CH CH3
4
5
6
3,5-Dimethyl-2-hexen
cyclische Alkene mit 1 Doppelbindung: homologe Reihe: CnH2n-2
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
58
3.
3.1
Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene („Olefine“)
Struktur und Eigenschaften
Stereoisomerie: geometrische Isomere (cis-/trans-Isomere)
• räumliche Anordnung von Substituenten an einer Doppelbindung
• 1,2-disubstituiere Verbindungen: cis/trans-Isomerie
• cis:
• trans:
 trans-Form in der Regel etwas energieärmer (s.u.)
 unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften:
(Modelle)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
59
3.
3.1
Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene („Olefine“)
Struktur und Eigenschaften
Nomenklatur bei höher substituierte Alkenen:
 An beiden sp2-C-Atomen den Substituenten mit höchster Priorität bestimmen
(Ordnungszahl !!)
 Liegen diese Substituenten an der Doppelbindung:
entgegen gesetzt  E
zusammen
Z
• cis =
• zusammen = Z
OZ: Br: 35; Cl: 17
2
1
• trans =
• entgegengesetzt = E
Cl
Cl
H
Br
1
2
E
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
1
1
Cl
Br
H
Cl
2
2
Z
60
3.2
Reaktionen
Reaktionen von Alkenen
Bindungsenergien:
C-C
369 kJ/mol
C=C
683 kJ/mol = 369 + 314 kJ/mol
Alkene sind ungesättigt  Additionsreaktionen
+ X
C
X
C
sp2 sp2
C
C
X
X
sp3 sp3
+ X
Y
C
C
X
Y
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
61
3.
3.2
Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene („Olefine“)
Reaktionen
Typen von Additionsreaktionen an Alkene:
Alken
Reagenz
„Katalysator“ Produkt
(Metall)
C
C
+
H
H
C
C
H
H
Substanzklasse Reaktionstyp
Alkan
Hydrierung
1,2-Dihalogenalkan
Halogenierung
Halogenalkan
Hydrohalogenierung
Br
C
C
+ Br
C
Br
C
Br
C
C
+
H
C
X
C
X
C
OH Alkohol
H
[H +]
C
C
+
H
OH
C
Hydratisierung
H
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
62
3.
3.2
Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene („Olefine“)
Reaktionen
Wie laufen diese Reaktionen ab ?
Doppelbindung = s-Bindung + p-Bindung  hohe Elektronendichte
 ein elektrophiles Teilchen „greift an“  Elektrophile Addition
Hydrierung
beide H simultan von derselben Seite  cis-Addition
(formal ist ein „H-Atom“ das Elektrophil)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
63
3.
3.2
Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene („Olefine“)
Reaktionen
Die „Stereoselektivität“ kann nachgewiesen werden:
Hydrierungen verlaufen exotherm, aber mit Aktivierungsenergie:  Katalysator !
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
64
3.
3.2
Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene („Olefine“)
Reaktionen
Halogenierung
Nucleophil
C
C
C

Br Elektrophil

Br
p-Komplex
Br
C
Br
Br
C
C
Br
(s-Komplex)
Bromonium-Ion
Elektrophil: „Br+“
zweistufig, Rückseitenangriff an fixierte „Zwischenstufe“
 trans-Addition
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
65
3.
3.2
Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene („Olefine“)
Reaktionen
Beweis für „Stereoselektivität“:
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
66
3.
3.2
Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene („Olefine“)
Reaktionen
Hydrohalogenierung und Hydratisierung
H+ als Elektrophil
zweistufig, nicht fixierte Zwischenstufe
 Addition nicht „stereoselektiv“
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
67
3.
3.2
Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene („Olefine“)
Reaktionen
aber:
Alkylgruppen zeigen +I-Effekt:
Carbenium-Ion hat „Elektronendefizit“
• Stabilisierung durch
„elektronenschiebende ()“ Gruppen
• induktive Effekte (+I)
[oder mesomere Effekte (+M)]
• Stabilität: tertiär > sekundär > primär
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
68
3.
3.2
Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene („Olefine“)
Reaktionen
Die Reaktion verläuft (bei unsymmetrischen Alkenen) regioselektiv !!
Markovnikov-Regel:
„Die Addition erfolgt über das stabilere Carbenium-Ion im ersten Schritt.“
 M-ORA 329: Elektrophile Addition (Hydratisierung)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
69
3.
3.2
Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene („Olefine“)
Reaktionen
Wie gewinnt man Alkene ?
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
70
Zusammenfassung: Alkene
 mindestens eine C=C –Doppelbindung, planare Geometrie





s-Bindung + p-Bindung
keine Rotation  cis- und trans-Isomere
„ungesättigt“  Additionsreaktionen
elektrophile Addition: selektive Reaktionen
Umkehrreaktion: Eliminierung
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
71
3.3
Polyene und Polymerisation
Diene und Polyene
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
72
3.
3.3
Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene („Olefine“)
Polyene und Polymerisation
Warum ist b-Carotin farbig?
MO-Theorie: Bei der kovalenten chemischen Bindung werden…
…Atomorbitale kombiniert zu Molekülorbitalen!
nur für p-Orbitale
© 2007 Pearson Studium / Abbildung aus: Bruice: Organische Chemie, 5. Aufl. / ISBN: 978-3-8273-7190-4
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
73
3.
3.3
Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene („Olefine“)
Polyene und Polymerisation
DE  h   h 
Molekül
H2C
CH2
b-Carotin
c

 [nm]
„Absorbierte Farbe“
Beobachtete Farbe
165
UV
„farblos“
217
UV
„farblos“
334
UV
„farblos“
455
„blau“
rot-orange
Chromophore („farbgebende“) Gruppen in farbigen Verbindungen enthalten
p-Bindungen: C=C, C=O, N=O, N=N,…
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
74
3.
3.3
Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene („Olefine“)
Polyene und Polymerisation
Die Chemie des Sehvorgangs
Protein Rhodopsin (rötlicher Farbstoff, „Sehpurpur“) – Seitenkette 11-cis-Retinal
Lichtquant auf 11-cis-Retinal  Isomerisierung innerhalb 1/1000 s zu 11-trans-Retinal
 Protein zerfällt in 11-trans-Retinal und Apoprotein „Opsin“
 elektrischer Impuls an die Nervenzellen
 Rückreaktion in Rhodopsin durch Retinal-Isomerase (langsam, bis ½ h)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
75
3.
3.3
Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene („Olefine“)
Polyene und Polymerisation
Polymerisation von Alkenen
Elektrophile (kationische) Polymerisation:
H
E
H
H
H
H
H
E
H
H
E
„substituierte“ Polyethylene:
F
F
F F
F F
Polytetrafluorethen = TEFLON
F
n F
F
F
F
F F
F
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
76
3.
3.3
Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene („Olefine“)
Polyene und Polymerisation
Anwendungen:
Verpackungen
Haushaltsartikel
Textilindustrie
Automobilbau
Baustoffe
Unterhaltungstechnik
Medizintechnik
….
http://www.teli.de/jdc/mdm-ca.html
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
77
Adhäsive
Füllungstherapie
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
78
3.
3.3
Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene („Olefine“)
Polyene und Polymerisation
Naturstoffe durch Polymerisation: Terpene
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
79
Zusammenfassung: Alkene
 mindestens eine C=C –Doppelbindung, planare Geometrie








s-Bindung + p-Bindung
keine Rotation  cis- und trans-Isomere
„ungesättigt“  Additionsreaktionen
elektrophile Addition: selektive Reaktionen
Umkehrreaktion: Eliminierung
Diene und Polyene: kumulierte, konjugierte, isolierte Doppelbindungen
Farbigkeit (Chromophore)
Physiologie des Sehens
 Polymerisation von Alkenen  Kunststoffe (Werkstoffe)
 Natürliche Polyene: Terpene
 Bromierung von Ketchup
Lycopen(in)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
80
Übungen:
Versuche im Praktikum: 3.2, 3.7, 4.6
Durch katalytische Hydrierung von 1,2-Dimethylcyclohexen entsteht
A 
Verbindung X
B 
Verbindung Y
Bei der säurekatalysierten Addition von Wasser an Isobuten (1) entsteht
A

Verbindung 3
B

Verbindung 2
Bei welcher Substanz handelt es sich um ein Polyen?
A

b-Carotin
B

Polyethylen
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
81
4.
4.1
Aromaten und Alkine
Benzol, Aromatizität und „Aromaten“
„Aromatische Verbindungen“
„Benzol“:
Entdeckung: Faraday, 1825
Summenformel C6H6: Mitscherlich, 1834
Struktur: Kekulé, 1865
Bindungstheorie: Hückel, 1931 (Hückel-Regel)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
82
4.
4.1
Aromaten und Alkine
Benzol, Aromatizität und „Aromaten“
Bindungstheorie:
© 2007 Pearson Studium / Abbildung aus: Bruice: Organische Chemie, 5. Aufl. / ISBN: 978-3-8273-7190-4
Dieses „Bindungssystem“ ist im Falle von Benzol besonders stabil !?
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
83
4.
4.1
Aromaten und Alkine
Benzol, Aromatizität und „Aromaten“
Hückel-Regel:
Cyclisch konjugierte planare Systeme
mit (4n + 2) p-Elektronen
sind stabilisiert
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
84
4.
4.1
Aromaten und Alkine
Benzol, Aromatizität und „Aromaten“
Hückel-Regel:
Cyclisch konjugierte planare Systeme mit (4n+2)p-Elektronen sind stabilisiert
Beweis: Hydrierungsenergien (theoretisch-experimentell):
© 2007 Pearson Studium / Abbildung aus: Bruice: Organische Chemie, 5. Aufl. / ISBN: 978-3-8273-7190-4
Stabilisierungsenergie = Resonanzenergie = Mesomerie-Energie: ~ 150 kJ/mol
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
85
4.
4.1
Aromaten und Alkine
Benzol, Aromatizität und „Aromaten“
Mesomerie, Delokalisierung:
Die Elektronenverteilung in einem Molekül kann nicht mit einer, sondern nur durch
mehrere (konventionelle) Strukturformeln beschrieben werden.
Der „wahre“ Bindungszustand liegt zwischen diesen mesomeren Grenzformeln.
oder
Einfachbindung: 154 pm
Doppelbindung: 133 pm
139 pm
Benzen
• cyclisch, konjugiert, planar, 4n+2
• alle C-C und alle C-H-Bindungen gleich(wertig)
• stabilisiert
• keine Additionsreaktionen, sondern
Substitutionsreaktionen
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
86
4.
4.1
Aromaten und Alkine
Benzol, Aromatizität und „Aromaten“
Homologe des Benzols:
PAK: Polycyclische Aromatische Kohlenwasserstoffe
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
87
4.
4.1
Aromaten und Alkine
Benzol, Aromatizität und „Aromaten“
Nomenklatur:
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
88
außerplanmäßig:
Zusammenfassung: Diene, Polyene, Polymerisation
 Diene und Polyene: kumulierte, konjugierte, isolierte Doppelbindungen
 Farbigkeit (Chromophore)
 Physiologie des Sehens
 Polymerisation von Alkenen  Kunststoffe (Werkstoffe)
 Natürliche Polyene: Terpene
Zusammenfassung: Aromaten
 Aromaten: konjugierte Alkene mit spezieller Elektronenverteilung
(Delokalisieung)und Bindungsverhältnissen
 Hückel-Regel und Mesomeriestabilisierung: Cyclisch konjugierte planare
Systeme mit (4n + 2) p-Elektronen sind stabilisiert (~150 kJ/mol)
 „Benzol“ (Benzen) als wichtigster Vertreter
 Homologe des Benzols
 ortho-, meta-, para-Substitution
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
Benzen
89
4.2
Elektrophile Substitution an Aromaten
Elektrophile Substitution
elektronenreiches p-System
Erhalt der Mesomerie-Energie
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
90
4.
4.2
Aromaten und Alkine
Elektrophile Substitution am Aromaten
Der s-Komplex:
• mesomeriestabilisiert (Grenzformeln)
• nicht aromatisch
• positive (Partial-)Ladung ortho und para zum neuen Substituenten
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
91
4.
4.2
Aromaten und Alkine
Elektrophile Substitution am Aromaten
Beispiele für elektrophile Substitutionen an Aromaten (SEAr)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
92
4.
4.2
Aromaten und Alkine
Elektrophile Substitution am Aromaten
 Reaktionen von Cyclohexen und Benzol
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
93
4.
4.2
Aromaten und Alkine
Elektrophile Substitution am Aromaten
Die Zweitsubstitution an Aromaten:
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
94
4.
4.2
Aromaten und Alkine
Elektrophile Substitution am Aromaten
Erstsubstituent „schiebt“ Elektronen (+ I, +M-Effekt)
 Zweitsubstituent in ortho und para günstig
Erstsubstituent „zieht“ Elektronen (-I, -M)
 Zweitsubstituent in ortho und para ungünstig  in meta noch günstig
induktive Effekte über s-Bindungen (vgl. EN): +I oder -I
mesomere Effekte über nichtbindende Elektronenpaare oder p-Bindungen: +M oder -M
Außerdem:
Substituenten 1. Ordnung beschleunigen die Reaktion,
Substituenten 2. Ordnung verlangsamen die Reaktion
 M-ORA 588: Elektrophile Substitution am Aromaten
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
95
4.
Aromaten und Alkine
Naturstoffe mit Benzen als Baustein:
Pharmazeutische Wirkstoffe:
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
96
Zusammenfassung: Aromaten
 Aromaten: konjugierte Alkene mit spezieller Elektronenverteilung
(Delokalisieung)und Bindungsverhältnissen
 Hückel-Regel und Mesomeriestabilisierung
 „Benzol“ (Benzen) als wichtigster Vertreter
 Elektrophile Substitution (statt Addition)
 s-Komplex bestimmt Reaktivität und Zweitsubstitution
 wichtiges Bauelement in Naturstoffen und Wirkstoffen
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
97
Übungen:
Versuche im Praktikum: 3.3
Die beiden folgenden Strukturen…
A
B


sind identisch.
sind Konstitutionsisomere.
In welcher Verbindung sind C-Atome unterschiedlicher Hybridisierung enthalten?
A
B


Verbindung A
Verbindung B
Die Nitrierung von Benzol mit Nitriersäure (HNO3/H2SO4) ergibt:
A
B
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
98
4.3
Alkine
Alkine (Acetylene): homologe Reihe: CnH2n-2
sp-Hybridisierung:
2s + 2px
verbleiben:

zwei sp-Orbitale
2py + 2pz
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
99
4.
4.3
Aromaten und Alkine
Alkine
sp
© P. Bruice, Organische Chemie, Pearson Studium 2007
Alkine:
Eine s-Bindung zwischen zwei C durch Überlappung von 2  sp,
2 p-Bindungen durch Überlappung der verbleibenden 2+2 p-Orbitale
180°
H
C
C
H
Alkin-Einheit: linear, rotationssymmetrisch, Bindungslänge: 120 pm
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
100
4.
4.3
Aromaten und Alkine
Alkine
• Ethin, Acetylen:
Pharmazeutische Wirkstoffe:
H3C
OH
C C
H
H3C
C
C
H
H
H
H
OH
H
H
H
H 3CO
O
"Norethynodrel"
"Mestranol"
(Contraceptiva)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
101
5. Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen
C6H12O6
2 C2H5OH + 2 CO2
/ -100 kJ/mol
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
102
5. Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen
5.1 Alkohole („Alkanole“) und Phenole
Funktionelle Gruppe: -OH
„Hydroxy- oder Hydroxyl-Gruppe“
Typen: Einwertige / mehrwertige Alkohole
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
103
5.
5.1
Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen
Alkohole („Alkanole“) und Phenole
Typen: Stellungsisomere:
R CH2 OH
primäre Alkohole
OH am primären C-Atom
sekundäre Alkohole
OH am sekundären C-Atom
tertiäre Alkohole
OH am tertiären C-Atom
R
CH
OH
R
R
R
C
OH
R
sek.
H3C CH CH3
prim.
H3C CH2 CH2 OH
1-Propanol,
2-Propanol, Isopropanol, Isopropylalkohol
Sdp. 97°
Sdp. 82°
prim.
H3C
H2C
CH2
OH
CH2
OH
H3C
sek.
H2C CH CH3
OH
CH3
H3C
prim.
CH CH2 OH
CH3
tert.
H3C
C
CH3
OH
n-Butanol,
1-Butanol
sek-Butanol,
2-Butanol
iso-Butanol
2-Methyl-1-propanol
tert-Butanol
2-Methyl-2-propanol
Sdp. 118°
Sdp. 99°
Sdp. 108°
Sdp. 83°
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
104
5.
5.1
Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen
Alkohole („Alkanole“) und Phenole
Systematische Nomenklatur (IUPAC-Nomenklatur):
a) längste Kette, die die OH-Gruppe trägt, gibt Bezeichnung
b) OH-tragendes C-Atom erhält die kleinstmögliche Ziffer
c) weitere Ziffern erhalten die Substituenten, die an der Grundstruktur sitzen.
Beispiel:
3-Benzyl-3-methylpentan-2-ol
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
105
5.
5.1
Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen
Alkohole („Alkanole“) und Phenole
Phenole: Hydroxygruppe direkt am aromatischen System
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
106
5.
5.1
Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen
Alkohole („Alkanole“) und Phenole
Physikalische Eigenschaften
Siedepunkt:
Methan: -161°C, Methanol: +64°C
Ethan: -89°C, Ethanol: +78°C
n-Pentan
Diethylether
O
Cl
1-Chlorpropan
MG
Dipolmoment [D]
Sdp. (°C)
72
0
+36
74
1.18
+35
79
2.10
+47
72
2.72
+76
74
1.63
+118 (!)
74
1.68
+141 (!)
H
Butanal
C
O
n-Butanol
OH
OH
Propansäure
C
O
Toluol
CH3
92
+111
Phenol
OH
94
+182
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
107
5.
5.1
Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen
Alkohole („Alkanole“) und Phenole
Alkohole…
• haben hohe Siedepunkte
• sind bis C4 beliebig mit Wasser mischbar (hydrophil)
• sind schwache Basen
• sind sehr schwache Säuren
• sind Nucleophile (am Sauerstoff)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
108
5.
5.1
Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen
Alkohole („Alkanole“) und Phenole
Säure-Base Eigenschaften von Alkoholen / Phenolen
Phenole sind stärkere Säuren, Alkohole sind stärkere Basen !
Phenolat-Ionen sind (mesomerie-)stabilisiert:
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
109
5.
5.1
Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen
Alkohole („Alkanole“) und Phenole
Phenole sind im basischen löslich:
Phenole sind aktivierte Aromaten:
• schnelle SEAr-Reaktion
• dirigierend in ortho- und para-Position
• OH-Gruppe ist Substituent 1. Ordnung
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
110
5.
5.1
Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen
Alkohole („Alkanole“) und Phenole
Methanol:
• Vergiftung bei geringen Dosen
• Ursache: Giftwirkung der Oxidationsprodukte Formaldehyd und Ameisensäure
• akute Therapie: Gabe von Ethanol
Ethanol:
• letale Dosis im Blut: 4 ‰ (4 mg/ml)
• Oxidation zu Acetaldehyd und Essigsäure
• Abusus: > 60 g/Tag
• als Desinfektionsmittel (alternativ: Isopropanol)
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111
Zusammenfassung: Alkohole und Phenole
 Funktionelle Gruppe: -OH
 wichtige Vertreter: Methanol, Ethanol, Phenol
 einwertige und mehrwertige
 polar, Wasserstoff-Brückenbindungen
 schwache Basen, schwache Säuren
 Phenole sind stärkere Säuren und aktivierte Aromaten

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112
5. Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen
5.2 Ether
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113
5.
5.2
Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen
Ether
• charakteristisch riechende Flüssigkeiten
• niedrige Siedepunkte
•
•
•
•
ausgezeichnete Lösungsmittel und Extraktionsmittel
leichter als Wasser und mit Wasser nicht mischbar
keine H-Brücken (nur H-Brücken-Akzeptoren)
schwache Basen  Löslichkeit in starken wässrigen Säuren (z.B. konz. HCl)
Formel
n-Pentan
M
Sdp.
72
36°C
R
R
n-Butanol
74
118°C
Diethylether
74
35°C
H
O
H
H
O
O
O
H
H
H
H
R
O
+ HCl
R'
R
O
R'
+ Cl-
(Dialkyl)oxonium-Ion
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114
5.
5.2
Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen
Ether
Diethylether („Äther“) als Inhalationsnarkotikum:
• ab 4 Vol% in der Atemluft
+ Überdosierung unproblematisch
- Explosionsgefahr, postnarkotisches Erbrechen
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115
5.
5.2
Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen
Ether
Oxirane (Epoxide): durch Ringspannung sehr reaktiv  Ringöffnung
H
Nucleophil
H
H
O
O
O
H+
-
OH
katalytisch
OH
H
OH
OH
H+
OH
trans-1,2-Diol
"DNA"
"DNA"
H2N
H+
NH
O
HO
Oxygenase
HO
Benzpyren
HO
OH
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OH
116
5. Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen
5.3 Darstellung von Alkoholen und Ethern
Chemische Reaktivität der Halogenalkane:
Nucleophile Substitution: SN
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117
5.
5.3
Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen
Darstellung von Alkoholen und Ethern
Ethanol:
C6H12O6
2 C2H5OH + 2 CO2 / -100 kJ/mol
http://www.augsburg.brauhaus1516.de/grafiken/brauereirundgang.swf
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118
Übungen:
Alkohole, Ether: Praktikum Versuch 3.5
Welche Aussage zu den nebenstehenden Substanzen trifft zu?
A
1 ist in jedem Verhältnis mit Wasser mischbar
B
2 hat einen höheren Siedepunkt als 1
Welche Aussage trifft zu? Glycerin ist ein
A
tertiärer Alkohol
B
dreiwertiger Alkohol
Nebenstehende Verbindung
A
ist ein Phenol
B
heißt Benzylalkohol
Nebenstehende Verbindung ist ein
A 
sekundärer Alkohol
B 
cyclischer Ether
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119
5.4
Organische Schwefelverbindungen
• intensiv im Geruch!
• gänzlich anderes Oxidationsverhalten als Sauerstoffverbindungen!
Thiole:
•
schwächere Wasserstoffbrückenbindungen als Alkohole
•
acider als Alkohole
•
Oxidation zu „Disulfiden“
Thioether:
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120
5.4
Organische Schwefelverbindungen
Thiole und Disulfide:
© 2007 Pearson Studium / Abbildung aus: Bruice: Organische Chemie, 5. Aufl. / ISBN: 978-3-8273-7190-4
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121
5.4
Organische Schwefelverbindungen
Thioether:
• als Nucleophil: Bildung von „Sulfoniumsalzen“:
übertragen selbst wiederum Methylgruppen: „aktives Methyl“
Beispiel: Aminosäure Methionin
Welche Aussage zu Thiolen trifft zu?
A
Thiole können zu Disulfiden oxidiert werden.
B
Thiole sind schwefelanaloge Ether.
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
122
Zusammenfassung: Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen
Alkohole, Phenole:
 FG: -OH; wichtige Vertreter: Methanol, Ethanol, Phenol
 einwertige und mehrwertige
 polar, Wasserstoff-Brückenbindungen
 schwache Basen, schwache Säuren, Phenole stärker sauer
 Darstellung von Alkoholen: Hydratisierung von Alkenen,
Nucleophile Substitution, Gärung
Ether:
 unpolar, stärker basisch als Alkohole
 Inhalationsnarkotika
 cyclische Epoxide
 Darstellung: Nucleophile Substitution
Schwefelverbindungen:
 Thiole, Thioether
 Oxidation zu Disulfiden, Sulfoxiden,…
 „Aktives Methyl“
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
123
6.
Amine – Einfache Organische Stickstoffverbindungen
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
124
6.
Amine – Einfache Organische Stickstoffverbindungen
Alkaloide:
• vorwiegend in Pflanzen vorkommende „basische“ Naturstoffe mit einem oder
mehreren, meist „cyclisch“ eingebauten Stickstoff-Atomen im Molekül
• häufig ausgeprägte pharmakologishe Wirkung
• N-Atome entstammen biosynthetisch überwiegend Aminosäuren.
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
125
6.
Amine – Einfache Organische Stickstoffverbindungen
Amine sind (schwache) Basen:
R
R
NH2
H
N
R
NH3 X
Ammoniumsalze
+ HX
R
R3N
Amin
R2NH 2 X
+ OH
- HX
(analog NH4
R3NH X
)
(Versuch 3.4)
pKB
NH3
4.79
3.36
3.29
Aliphatische Amine sind stärker basisch als
NH3 ( +I - Effekt)
4.26
Anilin
9.42
Dipenylamin
13.1
Aromatische Amine sind schwächer basisch
als NH3 (–I/–M - Effekt)
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126
6.
Amine – Einfache Organische Stickstoffverbindungen
Amine sind Nucleophile:
Nucleophile Substitution: SN
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
127
6.
Amine – Einfache Organische Stickstoffverbindungen
Amine: Reaktion mit Nitrosyl-Kationen:
NaNO2 + HCl
- HCl
+ H+
[HNO2]
NO+
+
H2O
Nitrosyl-Kation
N
H
N
O
N
N
O
-
H
N
H+
Cl
+ NO+
CH2
NH 2
primäres Amin
Nucleophil
O
Nitrosamin
sekundäres Amin
Nucleophil
H 3C
N
-H
+
H 3C
CH2
H
N
+
N
O
H+
- H 2O
H3C
Diazotierung
CH2
N
N
Diazoniumsalz
Substitution Cl(oder H 2O)
RT
"Desaminierung"
(Versuch 3.4)
H3C
CH 2
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Cl
+ N2
128
Zusammenfassung: Amine
 abgeleitet von Ammoniak
 primäre, sekundäre, tertiäre
 basisch
 nucleophil
 medizinisch sehr bedeutsam
Übungen:
Piperidin (siehe rechts) ist ein
A
primäres Amin
B
sekundäres Amin
Welche Aussage zu nebenstehender Verbindung trifft zu ?
A
Behandlung mit Nitrit/Schwefelsäure führt zu
Stickstoffentwicklung (Desaminierung).
B
Es handelt sich um ein tertiäres Amin.
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
129
7.
Nucleophile Substitution (SN), Reaktionskinetik
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
130
7.
Nucleophile Substitution (SN), Reaktionskinetik
gute Nucleophile „Nu“
mindestens: nicht bindendes Elektronenpaar
gut: negative Ladung
SHIOHNH3
H2O
Reaktivität =
Nucleophilie
Polarisierbarkeit
Basizität
Nu
Nu
gute Abgangsgruppen X: schwach basisch
I-, Br- , Cl- , OH2
Merke: Anionen starker Säuren !
schlechte Abgangsgruppen X:
NH3 , OH- , NH2- , HProf. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
131
7.
Nucleophile Substitution (SN), Reaktionskinetik
Substratstruktur ?
zwei Mechanismen der nucleophilen Substitution !
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132
7.
Nucleophile Substitution (SN), Reaktionskinetik
“Bimolekulare” nucleophile Substitution: SN2
SN2 – Reaktion:
Nu R3C-X
 ORA 216: Nucleophile Substitution (SN2 )
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133
7.
Nucleophile Substitution (SN), Reaktionskinetik
“Monomolekulare” nucleophile Substitution: SN1
SN1 – Reaktion:
R3C-X
 ORA 237: Nucleophile Substitution (SN1 )
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134
Übungen:
Durch welche Reaktion kann ein Alkohol hergestellt werden?
A
Umsetzung (nucleophile Substitution) eines Alkoholats mit einem Halogenalkan.
B
Umsetzung (nucleophile Substitution) von Hydroxid mit einem Halogenalkan.
Iodmethan wird in Wasser zu Methanol hydrolysiert.
Setzt man Natronlauge zu, wird die Reaktion
A
schneller.
B
langsamer.
tert-Butylbromid reagiert in SN-Reaktionen bevorzugt nach
A
SN2 -Mechanismus
B
SN1 -Mechanismus
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135
8.
Heterocyclen
• Heteroatom(e) im Ring (N, O, S, …)
• gesättigt oder aromatisch (Hetarene)
• Fünf- und Sechsringe, einzeln oder „kondensiert“
• wichtig: N-Heterocyclen: Ersatz von =CH- gegen =NSechsring, aromatisch (6p):
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136
8.
Heterocyclen
Fünfring, aromatisch (6p):
Fünfring, nicht aromatisch:
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137
8.
Heterocyclen
„Sechsring“ kondensiert, aromatisch (10p):
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138
8.
Heterocyclen
Fünfring, kondensiert, aromatisch (10p):
Übung:
Nicotin (nebenstehend) setzt sich zusammen aus einem
A
aromatischen 5-Ring- und 6-Ring-Heterocyclus
B
6-Ring-Heterocyclus und einem tertiären Amin
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139
9. Carbonylverbindungen: Aldehyde, Ketone, Chinone
Übersicht: Carbonylverbindungen:
(1)
(2)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
140
9. Carbonylverbindungen: Aldehyde, Ketone, Chinone
9.1 Aldehyde und Ketone: Herstellung und Nomenklatur
(Versuch 3.6)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
141
9.
9.1
Carbonylverbindungen: Aldehyde, Ketone, Chinone
Aldehyde und Ketone: Herstellung und Nomenklatur
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
142
9.
9.1
Carbonylverbindungen: Aldehyde, Ketone, Chinone
Aldehyde und Ketone: Herstellung und Nomenklatur
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
143
9.2
Struktur, Eigenschaften, Reaktivität
Formel
Sdp.
Propan
-44°C
Propanal
49°C
Propanon (Aceton)
56°C
2-Propanol
82°C
Propansäure
141°C
Formaldehyd: gasförmig, wasserlöslich
Acetaldehyd: leicht flüchtig, wasserlöslich
Aceton: wassermischbar, gutes Lösemittel
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
144
9.
9.2
Carbonylverbindungen: Aldehyde, Ketone, Chinone
Struktur, Eigenschaften, Reaktivität
Keto-Enol-Tautomerie und a-C-H-Acidität
Aceton, einfache Ketone:
• >98 % Ketoform, <2% Enolform
• pKS ~ 18-20
Tautomerie: Strukturisomere stehen im chemischen Gleichgewicht
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
145
9.3
Reaktionen von Aldehyden und Ketonen
Addition von Wasser …
Nucleophile Addition: AN
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
146
9.
9.3
Carbonylverbindungen: Aldehyde, Ketone, Chinone
Reaktionen von Aldehyden und Ketonen
… und Alkoholen
Nucleophile Addition: AN
(Halb)Acetale sind keine Ether !!
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
147
9.
9.3
Carbonylverbindungen: Aldehyde, Ketone, Chinone
Reaktionen von Aldehyden und Ketonen
Reaktion mit Aminen
Nucleophile Addition: AN
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
148
9.
9.3
Carbonylverbindungen: Aldehyde, Ketone, Chinone
Reaktionen von Aldehyden und Ketonen
Wh. (Kap. 3.3): Chemie des Sehvorgangs :
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
149
9.
9.3
Carbonylverbindungen: Aldehyde, Ketone, Chinone
Reaktionen von Aldehyden und Ketonen
„Transaminierung“ über Azomethine:
• Enzyme: Aminotransferasen (älter: Transaminasen)
• Flexible Umwandlung von Aminosäuren in Ketocarbonsäuren
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
150
9.
9.3
Carbonylverbindungen: Aldehyde, Ketone, Chinone
Reaktionen von Aldehyden und Ketonen
Reduktion und Oxidation von Aldehyden und Ketonen
(Versuch 3.6)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
151
9.
9.3
Carbonylverbindungen: Aldehyde, Ketone, Chinone
Reaktionen von Aldehyden und Ketonen
„Reduktionsmittel“:
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
152
9.
9.3
Carbonylverbindungen: Aldehyde, Ketone, Chinone
Reaktionen von Aldehyden und Ketonen
Die Aldolreaktion
(Praktikum: Versuch 4.1)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
153
9.
9.3
Carbonylverbindungen: Aldehyde, Ketone, Chinone
Reaktionen von Aldehyden und Ketonen
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
154
9.4
Chinone
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
155
9.
9.4
Carbonylverbindungen: Aldehyde, Ketone, Chinone
Chinone
 Redoxpaar Chinon/Hydrochinon
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
156
Zusammenfassung: Aldehyde, Ketone, Chinone
Aldehyde, Ketone:
 Funktionelle Gruppe: C=O
 Wichtige Vertreter:
Formaldehyd, Acetaldehyd, Benzaldehyd
 Keto-Enol-Tautomerie
 a-C-H-Acidität
 Nucleophile Addition (AN)
 Hydrate, Halbacetale, Acetale
 Imine (Azomethine, Schiffsche Basen)
 Aldolkondensation
 Reduktion und Oxidation
Chinone
 Konjugierte C=C und C=O-Doppelbindungen
 Redoxsystem Chinon/Hydrochinon
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
157
Übungen:
Welche Aussage zu Formaldehyd trifft zu ?
A
Formaldehyd ist der einfachste Aldehyd mit der Formel CH3–CHO
B
Formaldehyd ist bei Raumtemperatur gasförmig,
seine wässrige Lösung (ca. 37%) heißt Formalin.
Nebenstehenden Verbindungstyp ist ein
A
Acetal
B
Halbacetal
Welche Struktureinheit spielt eine Rolle bei der
Transaminierung mit Pyridoxalphosphat (Vitamin B6)?
A
ein Imin A
B
ein Hydrazon B
Welche der nebenstehenden Verbindungen ist
ein Chinon?
A
Verbindung A ("Hydrochinon")
B
Verbindung B (in Vitamin K)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
158
10.
Carbonsäuren und Carbonsäurederivate
O
C
O
H
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
159
10. Carbonsäuren und Carbonsäurederivate
10.1 Carbonsäuren: Struktur und Eigenschaften
• Schmelz- und Siedepunkte noch höher als bei Alkoholen
• stark assoziiert über H-Brücken
O
H
O
C
• in Lösung und in Gasphase dimere Assoziate
• C1 – C4 wasserlöslich, ab C4 schlechter bis schwerlöslich
C
O
H
O
• Acidität: saure Reaktion in Wasser
 mit Basen Bildung wasserlöslicher Salze
+
R
COOH
+
H2O
R
COO
R
COOH
+
NaOH
R
COO Na
H3O
+
H2O
Acidität von Carbonsäuren !!
Acidität allgemein: Carbonsäuren > Phenole > Wasser > Alkohole
pKS
(5)
(9)
(14)
(16)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
160
10.
10.1
Carbonsäuren und Carbonsäurederivate
Carbonsäuren: Struktur und Eigenschaften
pKS =
(Praktikum: Versuch 4.2)
H–COOH
3.8
CH3–COOH
4.76
CH3-CH2-COOH
4.9
F–CH2–COOH
2.58
Cl
Cl–
2.81
CH 3 CH CH2 COOH
Br–
2.90
I–
3.17
CH2 CH2 CH2 COOH
CH3–COOH
4.76
Cl
ClCH2–COOH
2.81
Cl2CH–COOH
1.29
Cl3C–COOH
0.89
CH3 CH2 CH2 COOH
CH3 H2C CH COOH
Cl
pKS =
4.9
2.81
4.06
4.52
COOH
4.22
 Reaktion von Carbonsäuren mit Magenesium
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
161
10.2 Carbonsäurederivate: Reaktivität
Polarisierung der C=O-Bindung steigt
Reaktivität steigt
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
162
10.
10.2
Carbonsäuren und Carbonsäurederivate
Carbonsäurederivate: Reaktivität
An der C=O-Gruppe:
Nucleophile Substitution (SN) am sp2 C-Atom (über tetraedrische Zwischenstufe)
Am Nucleophil:
Acylierung, Übertragung einer Acyl-Gruppe
O
R
C
Acyl-Rest
O
H3C
C
Acetyl-Rest
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
163
10.
10.2
Carbonsäuren und Carbonsäurederivate
Carbonsäurederivate: Reaktivität
Carbonylreste und Carboxylatanionen
O
O
Formyl-
H
C
Formiat
H
C
O
O
Acetyl-
H 3C
O
Acetat
C
H3C
C
O
O
Propionyl-
O
Propionat
H3C CH2 C
H3C CH 2 C
O
O
Benzoyl-
C
O
Benzoat
C
O
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164
10.3 Carbonsäurechloride
 ORA 949: Reaktion Säurechlorid mit Amin
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165
10.4 Carbonsäureanydride
Merke:
Carbonsäurechloride (und -anhydride) sind die Acylierungsreagenzien des Chemikers
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
166
10.
10.4
Carbonsäuren und Carbonsäurederivate
Carbonsäureanydride
Acetylsalicylsäure (ASS)
Extraktion
Gerbstoffe, Farbstoffe, Wirkstoffe:
Salicylsäure
Weidenrinde
1897 Hoffmann
Acetylsalicylsäure
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167
10.
10.4
Carbonsäuren und Carbonsäurederivate
Carbonsäureanydride
Synthese von ASS (Versuch 4.4)
Acetylierung unter physiologischen Bedingungen ?
O
H 3C
C
O
HO
C
H2
H2
C
CH3
N
CH 3
CH3 X
Cholin
H3C
C
O
[H+], - HOAc
H 3C
C
O
O
C
H2
H2
C
CH3
N
CH3
CH3 X
Acetylcholin
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168
10.5 Carbonsäureester
H+
O
R
C
H
+
+ H+
R
HO R'
OH
O
C
OH
Die „saure“ Veresterung ist reversibel !
O
O
R'
-
H
R
H+
 HOH
C
O
R'
(Versuch 4.3)
Cyclische Ester: Lactone
 Säurekatalysierte Veresterung
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
169
10.
10.5
Carbonsäuren und Carbonsäurederivate
Carbonsäureester
Polyester durch „Polykondensation“:
„spezielle“
Polyester:
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
170
10.
10.5
Carbonsäuren und Carbonsäurederivate
Carbonsäureester
Die „saure“ Veresterung ist reversibel !
Die “Verseifung” von Carbonsäure-Estern
Die „Verseifung“ ist irreversibel !
 ORA 955: Verseifung eines Esters
Wieso Verseifung ?
Hier Ende des Stoffes für Teilklausur 2!
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171
Übungen:
2-Chlorpropansäure ist eine stärkere Säure als 3-Chlorpropansäure
A  stimmt
B  stimmt nicht
Bei welchem Verbindungstyp handelt es sich um ein reaktiveres
Carbonsäure-Derivat ?
A  Carbonsäurechlorid
B  Carbonsäureester
Nebenstehende Verbindung ist ein
A  -Lacton
B  cyclischer Carbonsäureester
Bei der Herstellung von Acetylsalicylsäure aus Salicylsäure
A  wird die Salicylsäure an der Carbonsäuregruppe verestert.
B  wird die phenolische Hydroxylgruppe mit Essigsäureanhydrid acetyliert.
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
172
10.6 Fettsäuren, Fette (Triglyceride), Lipide
„Fettsäuren“:
• gerade Anzahl C (Biosynthese aus Acetat)
• eine Carboxylgruppe
• Doppelbindungen: 0-3
• immer isoliert
• immer cis (Fixierung der räumlichen Anordnung, meist an C-2 von Glycerin)
• im tierischen Organismus Biosynthese bis max. D9
 essentielle Fettsäuren
1
3
Palmitinsäure
COOH
4


-6
-3
9
2
b
C15 H31COOH
COOH
Stearinsäure
C17 H35COOH
COOH
Ölsäure
(D9-cis-Octadecansäure)
COOH
Linolsäure
(v. a. in Pflanzenölen)
COOH
Linolensäure
(v. a. in Fischölen)
a
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
173
10.
10.6
Carbonsäuren und Carbonsäurederivate
Fettsäuren, Fette (Triglyceride), Lipide
Triglyceride (Fette und Öle, Neutralfette)
• wenig(!) Mono- und Diglyceride
(Zwischenprodukte)
• einfache (nur eine Fettsäuresorte)
• gemischte
Verseifung, Seifen, Tenside
(Versuch 4.5)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
174
10.
10.6
Carbonsäuren und Carbonsäurederivate
Fettsäuren, Fette (Triglyceride), Lipide
Seifenwirkung: als Tenside
Mizelle
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
175
10.
10.6
Carbonsäuren und Carbonsäurederivate
Fettsäuren, Fette (Triglyceride), Lipide
Zusammensetzung von Zahnpasta
(Prof. Dr. G. Lang, Kosmetikchemie I – Teil 6)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
176
10.
10.6
Carbonsäuren und Carbonsäurederivate
Fettsäuren, Fette (Triglyceride), Lipide
„Fettsäuren“ als Bausteine im Stoffwechsel:
•
•
•
•
•
in geringen Mengen in sehr vielen Organen, Geweben und Körperflüssigkeiten
Kontraktion glatter Muskulatur
blutdrucksenkend
Prostaglandine
Hormonproduktion
…..
„Lipide“
„In der Biosphäre vorkommende Verbindungen, die in Wasser nur wenig, aber in organischen
Lösemitteln gut löslich sind. Sie gehören verschiedenen Verbindungsklassen an. Einziges
gemeinsames Strukturmerkmal ist eine relativ große hydrophobe (lipophile) Teilstruktur.“
•
•
•
•
•
•
Isopren-Derivate (Terpene, Carotinoide, Steroide)
langkettige Alkohole
langkettige Carbonsäuren (“Fettsäuren“)
Ester (Triglyceride, u. a.)
Phospholipide
Glycolipide
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177
10.7 Carbonsäurethioester
Reaktivität steigt
CH3
O
H3C
C
+
S
CoA
HO CH 2 CH2 N
CH3
CH3
CH3
H 3C C O CH 2 CH2 N
- CoA-SH
O
CH3
CH3
Acetylcholin
 Übertragung einer Acyl-(Acetyl-)gruppe auf Sauerstoff
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
178
10.
10.7
Carbonsäuren und Carbonsäurederivate
Carbonsäurethioester
CoenzymA
Acetyl-CoA
„Drehpunkt“ des Stoffwechsels
CoA-SH
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
179
10.
10.7
Carbonsäuren und Carbonsäurederivate
Carbonsäurethioester
Übertragung einer Acyl-(Acetyl-)gruppe auf Kohlenstoff:
„Chemie“:
C -C-Verknüpfung
O
O
EtO
C
a
CH 3
Base
-
EtO
H+
Essigsäureethylester
("Ethylacetat")
C
O
C
CH2
CH3
EtO
- EtO-
EtO
Nucleophile Substitution
(SN) am Ester
O
O
C CH2
C
CH 3
Acetessigsäureethylester
„Biosynthese“:
u.a. Fettsäurebiosynthese mit Acetyl-CoA
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180
10.8 Carbonsäureamide
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
181
10.
10.8
Carbonsäuren und Carbonsäurederivate
Carbonsäureamide
Cyclische Amide: Lactame
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182
10.9 Carbonsäuren mit weiteren funktionellen Gruppen
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183
Übungsaufgaben
O
Nebenstehende Verbindung ist ein Triglycerid.
H 2C O
A  stimmt nicht
HC O
B  stimmt
H 2C O
O
Alkylreste
Die Tensidwirkung von Fettsäure-Anionen beruht
A  auf der hydrophilen Carboxylat-Funktion und der lipophilen Alkylkette
B  auf der lipophilen Carboxylat-Funktion und der hydrophoben Alkylkette
Nebenstehende Verbindung ist ein
A  b-Lactam
B  cyclisches Carbonsäureamid
O
N
H
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184
Zusammenfassung: Carbonsäuren und Carbonsäurederivate
 Funktionelle Gruppe: -COOH
 Ameisensäure, Essigsäure, Benzoesäure
 Carbonsäuren sind sauer, Anionen: Carboxylate
 Carbonsäurederivate:
-chloride, -anydride, -thioester, -ester, -amide
 Nucleophile Substitution am sp2 - C-Atom, Acyclierung
 saure Veresterung (reversibel);
 Verseifung von Estern (irreversibel)
 Polyester als Kunststoffe
 Ester des Glycerins mit Fettsäuren: Triglyceride (Lipide)
 Thioester zur „biochemischen“ Acylierung
 O-Acylierung und C-Acylierung
 Carbonsäureamide: z. B. Peptide
 cyclische Derivate: Lactone, Lactame
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185
11.
Stereochemie und Stereoselektivität
Räumlicher Aufbau
↔
Funktion
biochemisch relevanter Verbindungen
(R)-(-)-Adrenalin
Erhöht Blutdruck und Herzfrequenz
H
+
NHMe
HO
HO
OH
(S)-(+)-Adrenalin
OH
HO
HO
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+
NHMe
H
186
11. Stereochemie und Stereoselektivität
11.1 Konstitution, Konformation, Konfiguration
Isomere: gleiche Summenformel aber „andere Struktur“
Isomere
Konstitutionsisomere
Stereoisomere
Sequenz der Atome
räumlichen Anordnung
„Strukturisomere“:
Gerüstisomere
Konformationsisomere
(Konformere, Rotationsisomere)
Stellungsisomere
Geometrische Isomere
Funktionsisomere
(cis/trans-Isomere)
Konfigurationsisomere
Enantiomere, Diastereomere
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
187
11.
11.1
Stereochemie und Stereoselektivität
Konstitution, Konformation, Konfiguration
Konstitutionsisomere:
Gerüstisomere unterscheiden sich im Kohlenstoffgerüst
Stellungsisomere unterscheiden sich in Position einer funktionellen Gruppe
Funktionsisomere enthalten unterschiedliche funktionelle Gruppen
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
188
11.
11.1
Stereochemie und Stereoselektivität
Konstitution, Konformation, Konfiguration
Konformationen und Konformere:
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
189
11.
11.1
Stereochemie und Stereoselektivität
Konstitution, Konformation, Konfiguration
Geometrische Isomere (cis-/trans-Isomere)
fixierte räumlichen Anordnung von Substituenten
• an einer Doppelbindung:
Cl
Cl
H
H
Cl
cis
H
Cl
Cl
Cl
Br
H
Cl
trans
H
Br
H
Cl
Z
E
• an Ringsystemen:
Y
Y
X
X
Y
X
e/e
1,2-trans
X
e/a Y
1,2-cis
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
190
11.2
Chiralität
Ein Körper ist chiral, wenn er mit seinem Spiegelbild
nicht identisch ist / nicht zur Deckung zu bringen ist !
Konfiguration:
„Absolute“ Anordnung im Raum
Stereoisomere: Konfigurationsisomere
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
191
11.
11.2
Stereochemie und Stereoselektivität
Chiralität
Wann ist ein Molekül chiral ?
Faustregel: keine Spiegelebene, kein Inversionszentrum
(1) Chiralitätszentrum:
Symmetrieebenen:
2
nicht chiral
1
nicht chiral
Br
• Zentrales Atom mit 4 verschiedenen Substituenten
• Meist C (sp3); auch bei P, S, N…möglich
 Asymmetriezentrum, stereogenes Zentrum
0
chiral
F
Br
H
Cl
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
H
Cl
F
192
11.
11.2
Stereochemie und Stereoselektivität
Chiralität
(2) Chiralitätsachse:
Achse
Spiegel
a
b
„Schraube“  Helikale Strukturen,
 vgl. a- und b-Helix (Proteine, DNA)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
193
11.
11.2
Stereochemie und Stereoselektivität
Chiralität
Chirale Moleküle:
Enantiomere
COOH
H3C
H
OH
HOOC
H
HO
CH 3
2-Hydroxypropansäure
(Milchsäure)
Zwei Moleküle, die sich wie Objekt und Spiegelbild verhalten,
aber nicht identisch sind, nennt man Enantiomere !
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
194
11.
11.2
Stereochemie und Stereoselektivität
Chiralität
Schreibweisen und Nomenklatur der Stereochemie
(1) R,S-Nomenklatur (Cahn-Ingold-Prelog Regeln, 1964)
Zeichnen eines Tetraeders entsprechend der realen räumlichen Gestalt:
Wie unterscheidet man im Namen Bild und Spiegelbild ?
R,S-Nomenklatur  Grundlage: Priorität der 4 Substituenten
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
195
11.
11.2
Stereochemie und Stereoselektivität
Chiralität
1. Festlegung der Prioritätenreihenfolge:
Die direkt an das asymmetrische *C-Atom gebundenen Atome (a)
werden nach fallender Ordnungszahl betrachtet:
höhere Ordnungszahl  höhere Priorität.
gleichwertig  Betrachtung der weiteren „Bindungssphären“ b, c, d…. ,
c
b
1
OH
a
c
b
a
*C a b
a
c
H H
H H
2 HO C C C C C H
3
H H
H
H
H
4
b
c
Mehrfachbindungen zählen als mehrere Einfachbindungen:
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
196
11.
11.2
Stereochemie und Stereoselektivität
Chiralität
2. Betrachtung des Moleküls:
•
Substituent niedrigster Priorität (meist H) zeigt nach hinten
(Blick „von vorne“ über das asymmetrische C-Atom in die C-H-Bindung)
•
Reihenfolge der restlichen drei Substituenten nach abnehmender Priorität
geordnet entspricht:
Drehung im Uhrzeigersinn
 R-Konfiguration (rectus)
Drehung im Gegenuhrzeigersinn
 S-Konfiguration (sinister)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
197
11.
11.2
(2)
Stereochemie und Stereoselektivität
Chiralität
D,L-Nomenklatur (nach Emil Fischer, 1900)
Nur für spezielle Verbindungen möglich und gebräuchlich !!
a-substituierte Aldehyde  Zucker !!
a-substituierte Carbonsäuren  Aminosäuren, Hydroxysäuren
Konvention: Projektionsformeln nach Fischer:
Höchst oxidierter Substituent an der senkrechten Kante nach oben + hinten
Relevanter a-Substituent an der horizontalen Kante nach vorne, rechts oder links !
CHO
CHO
H
Modell
H
OH
OH
CH2OH
CH2OH
D-Glycerinaldehyd
dexter
CHO
CHO
HO
HO
H
H
CH2OH
CH2OH
L-Glycerinaldehyd
laevus
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
198
11.
11.2
Stereochemie und Stereoselektivität
Chiralität
Bedeutet D = R
und L = S
???
Wie kann ich R/S aus D/L ableiten ??
R/S ist neu (1964) und universell
D/L ist „alt“ und speziell
2
2
1
H
NH2
H 4
H 2N
CH2OH
HOH2C
3
L-Serin
3
1
H2N
COOH
2
L-Cystein
4
3
H
NH 2
HOH2C
S
mit Blickrichtung vorne
um 90°nach rechts in
Tafelebene drehen
1
3
HOOC
COOH
H
NH2
H 4
CH 2SH
COOH
HOOC
COOH
HSH2C
4
2
H
NH2
HSH2C
1
R
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
!!
199
11.
11.2
Stereochemie und Stereoselektivität
Chiralität
In welcher physikalischen Eigenschaft unterscheiden sich
1) chirale von achiralen Verbindungen und
2) Enantiomere untereinander ?
 Optische Aktivität
Die Ebene des polarisierten Lichts wird in einem chiralen Medium gedreht:
Enantiomere drehen die Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht - unter sonst
gleichen Bedingungen - um den gleichen Betrag a
nach links: (-) bzw. rechts (+)
Messung: Polarimeter  Polarimetrie
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
200
11.
11.2
Stereochemie und Stereoselektivität
Chiralität
Das Ausmaß der Drehung ist proportional
…der Konzentration c der Lösung (angegeben in g/100 cm3)
…und der Schichtdicke l (angegeben in dm):
spezifischer Drehwert
[a ] 
T
a
20
gemessener
Drehwert
c l
Konzentration in g/cm3
Länge der Küvette
(Schichtdicke) in dm
[a]D
Messtemperatur
Na-D-Linie (589 nm)
(Na-Dampf-Lampe)
Merke:
Es besteht kein Zusammenhang zwischen
optischem Drehsinn:
Bezeichnung nach Fischer:
Bezeichnung nach CIP:
(+) oder (-)
D oder L
R oder S
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
201
11.
11.2
Stereochemie und Stereoselektivität
Chiralität
Die reinen Substanzen: Enantiomere
S- oder L(+)-Milchsäure
R- oder D(-)-Milchsäure
[a]D = + 3.8
[a]D = - 3.8
Das 1:1 Gemisch: Racemat
[a]D = 0
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
202
11.
11.2
Stereochemie und Stereoselektivität
Chiralität
Racemisierung:
Prozess der Überführung eines Enantiomers in das Racemat
Racematspaltung: Trennung eines Racemats in die beiden Enantiomeren
Inversion:
11.3
Überführung eines Enantiomers in das spiegelbildliche
Verbindungen mit mehreren Chiralitätszentren:
Enantiomere, Diastereomere, meso-Verbindungen
 Jedes einzelne Stereozentrum mit R oder S bezeichnen und diese
Deskriptoren in den Namen aufnehmen
Wie viele Stereoisomere gibt es von diesen Verbindungen ?
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
203
11.
11.3
Stereochemie und Stereoselektivität
Enantiomere, Diastereomere, meso-Verbindungen
1 Asymmetrie-Element  2 Enantiomere  2 Stereoisomere
2 Asymmetrie-Elemente  2 Enantiomerenpaare, zueinender diastereomer
 4 Stereoisomere
n Chiralitätselemente (unterschiedlich substituiert!)
 2n Stereoisomere
 Enantiomere und Diastereomere
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
204
11.
11.3
Stereochemie und Stereoselektivität
Enantiomere, Diastereomere, meso-Verbindungen
Enantiomere und Diastereomere in Fischer-Projektion:
 auch hier nur bei speziellen Verbindungen:
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
205
11.
11.3
Stereochemie und Stereoselektivität
Enantiomere, Diastereomere, meso-Verbindungen
(1) Zwei Enantiomere haben an allen Asymmetriezentren entgegen gesetzte Konfiguration.
• Enantiomere verhalten sich wie Bild und Spiegelbild. Sie lassen sich nicht durch
Drehung zur Deckung bringen.
• Enantiomere haben die gleichen physikalischen und chemischen Eigenschaften
(Schmelzpunkte, Siedepunkte, etc.).
• Sie unterscheiden sich nur in ihrer Wechselwirkung mit polarisiertem Licht:
optische Aktivität  entgegen gesetzter optischer Drehsinn
(2) Diastereomere unterscheiden sich nicht an allen, d.h. x < n Stereozentren
• Diastereomere verhalten sich nicht wie Bild und Spiegelbild.
Sie haben prinzipiell unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften.
(3) Zwei Stereoisomere sind entweder enantiomer oder diastereomer zueinander.
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
206
11.
11.3
Stereochemie und Stereoselektivität
Enantiomere, Diastereomere, meso-Verbindungen
meso-Verbindungen
Sonderfall: z. B. Molekül mit
2 Stereozentren die aber die gleichen vier (verschiedenen) Substituenten tragen
 Spiegelebene in einem Stereoisomer = meso-Form
 Es existieren 2 Enantiomere und 1 meso-Verbindung
• Die meso-Verbindung ist nicht chiral (und auch nicht optisch aktiv).
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
207
11.
11.3
Stereochemie und Stereoselektivität
Enantiomere, Diastereomere, meso-Verbindungen
Klassisches Beispiel in Fischer-Projektion:
•
•
Salze: „Tartrate“
Chelat-Ligand
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
208
11.4
Biologische Eigenschaften von Enantiomeren
„Die Natur ist chiral“: mikroskopisch, makroskopisch
Viele Biomoleküle sind chiral:
Kohlenhydrate, Hydroxysäuren, Amine, Aminosäuren …
 Polysaccharide, DNA, Alkaloide, Peptide, Proteine ...
Enzyme und Rezeptoren sind chiral, insbesondere das aktive Zentrum.
 Die Wechselwirkungen mit chiralen Substraten entsprechen
diastereomeren Relationen und sind unterschiedlich.
Enantiomere und Rezeptoren  molekulare Erkennung
 Enantiomere binden an unterschiedliche Rezeptoren oder
unterschiedlich gut.
 Die biologische Wirkung ist unterschiedlich.
Moderne Pharmazeutika sollen chiral sein.
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
209
11.
11.4
Stereochemie und Stereoselektivität
Biologische Eigenschaften von Enantiomeren
Enantiomere und Rezeptoren/Enzyme  molekulare Erkennung
Drei-Punkt-Wechselwirkung (1933)
•
Passt
•
•
Passt nicht
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
210
11.
11.4
Stereochemie und Stereoselektivität
Biologische Eigenschaften von Enantiomeren
(R)-(-)-Adrenalin
erhöht Blutdruck und Herzfrequenz
H
+
NHMe
HO
HO
OH
gute Bindung von (R)-(-)-Adrenalin
an den Adrenalin-Rezeptor
(S)-(+)-Adrenalin
schwache Wirkung
OH
HO
HO
+
NHMe
H
schwächere Bindung von (S)-(+)an den Adrenalin-Rezeptor
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
211
11.
11.4
Stereochemie und Stereoselektivität
Biologische Eigenschaften von Enantiomeren
(R)-(+)-Thalidomid
• Antidepressivum
• Beruhigungsmittel
(S)-(-)-Thalidomid
• toxisch, teratogen
• „Contergan“-Affäre
(S)-(-)-Limonen
„Fichtennadeln“
(R)-(+)-Limonen
„Citrusduft“
Trennung von Enantiomeren (Racematspaltung) oder
Synthese reiner Enantiomere
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
212
11.
11.4
Stereochemie und Stereoselektivität
Biologische Eigenschaften von Enantiomeren
Ziel: stereoselektive (enantioselektive) Synthese
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
213
Zusammenfassung: Stereochemie
• Isomerie
• Konstitution, Konformation, Konfiguration
• Konstitutionsisomere und Stereoisomere
• Geometrische Isomere (cis/trans)
• Konfigurationsisomere: Enantiomere und Diastereomere
• Chiralität, Symmetrieelemente, Chiralitätselemente (Zentrum, Achse)
• Chirale Moleküle: R/S-Nomenklatur, Fischer-Nomenklatur (D/L)
• optische Aktivität, spezifischer Drehwert
• Enantiomere, Racemat, Diastereomere, meso-Verbindungen
• pharmakologische Eigenschaften von Enantiomeren
• stereoselektive (enantioselektive) Synthese
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
214
Übungsaufgaben
Welche der nebenstehenden Verbindungen sind geometrische Isomere ?
A
B


(1) und (2)
(1) und (3)
Die nebenstehende Verbindung ist
A
B


(S)-Milchsäure
(R)-Milchsäure
Welches Strukturmerkmal bzw. welche funktionelle
Gruppe tritt in der abgebildeten Verbindung nicht auf?
A
B
C
D
E





tertiärer Alkohol
Acetal
Halbacetal
zwei stereogene Zentren (Chiralitätszentren)
Trichlormethylgruppe
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
215
12.
Kohlenhydrate
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
216
12. Kohlenhydrate
12.1 Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
217
12.
12.1
Kohlenhydrate
Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide
Zuckerstammbaum:
D-Reihe
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
218
12.
12.1
Kohlenhydrate
Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide
• Monosaccharide: 1 Zuckerbaustein
• Stammverbindung: D- bzw. L-Glycerinaldehyd
• Anzahl der Kohlenstoffatome: 4-6  Tetrose, Pentose, Hexose
• 1 Carbonylgruppe: Aldosen und Ketosen
• OH-Gruppen an allen anderen C
• asymmetrische C-Atome (Stereozentren)
CHO
* OH
HO
*
CH 2OH
O
HO
*
* OH
* OH
CH 2OH
* OH
* OH
CH 2OH
D-Glucose
D-Fructose
•
acyclisch ??
Stellungsisomere
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
219
12.
12.1
Kohlenhydrate
Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide
Enantiomere Zucker unterscheiden sich an allen asymmetrischen C:
CHO
* OH
HO
CHO
HO
D-Glucose
OH
*
*
* OH
* OH
CH 2OH
*
HO
HO
*
*
CH 2OH
L-Glucose
Epimere Zucker unterscheiden sich an einem asymmetrischen C:
CHO
* OH
1
2
3
4
5
6
HO
OH
OH
CH 2OH
D-Glucose
CHO
OH
CHO
HO
HO
*
HO
OH
OH
CH2OH
D-Mannose
Epimere bzgl. C2
*
OH
OH
CH 2OH
D-Glucose
CHO
OH
HO
HO
*
OH
CH2OH
D-Galactose
Epimere bzgl. C4
Diastereomere Zucker unterscheiden sich an 0 < 1 < n asymmetrischen C
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
220
12.
12.1
Kohlenhydrate
Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide
Ringstruktur von Monosacchariden: cyclische Halbacetalform
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
221
12.
12.1
Kohlenhydrate
Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide
 Anomere Zucker unterscheiden sich in der Konfiguration am
Acetal-C der cyclischen Form (bei Aldosen C-1): a und b
 Anomere Zucker können in Lösung über die ringoffene Form
im Gleichgewicht stehen (Mutarotation)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
222
12.
12.1
Kohlenhydrate
Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide
Pyranosen und Furanosen
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
223
12.
12.1
Kohlenhydrate
Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide
Ribose und Desoxyribose
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
224
12.
12.1
Kohlenhydrate
Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide
• „Desoxyzucker“
• Aminozucker: NH2- statt OH-Gruppen:
• in Hyaluronsäure („Gelenkschmiere“)
und Knorpel
• in Antibiotika (Glykosid-Antibiotika) u.a.
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
225
12.
12.1
Kohlenhydrate
Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide
Eigenschaften von Monosacchariden
• Oxidation und Reduktion
 Fehling
Aldosen sind „reduzierende“ Zucker!
 Tollens
(Versuch 5.1)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
226
12.
12.1
Kohlenhydrate
Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
227
12.
12.1
Kohlenhydrate
Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide
• Isomerisierung über die „Endiolform“
O
H C
H
H C
OH
C
CH2OH
H C
HO
H
OH
CH2OH
(D-)Glycerinaldehyd
H C
C
H
OH
H
OH
C
C
Base
HO
CH2OH
OH
C O
C O
CH2OH
CH2OH
"Endiol"
O
H
C
Dihydroxyaceton
H
OH
H
OH
H
Base
C
OH
C O
HO
H
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
CH2OH
D-Glucose
CH2OH
CH2OH
"Endiol"
D-Fructose
• auch mit Isomerasen
 Ketosen wirken im basischen ebenfalls reduzierend !
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
228
12.
12.1
Kohlenhydrate
Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide
• Vitamin C als Endiol: (Biosynthese aus D-Glucose oder D-Gulose)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
229
12.
12.1
Kohlenhydrate
Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide
• als Phosphate im Stoffwechsel:
CH2OH
CHO
C
O
HO
C
H
OH
H
C
OH
OH O
H
C
OH
H
C
OH
HO
C
H
H
C
H
C
CH2O
Isomerase
P
O
O
Glucose-6-phosphat
CH2O
P
Fructose-6-phosphat
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
230
12.
12.1
Kohlenhydrate
Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide
• (Voll)Acetale: Glycoside
Wiederholung:
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
231
12.
12.1
Kohlenhydrate
Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide
Beispiele mit einfacher Alkoholkomponente:
H
H
OH
5
HO
HO
H O
5
1
H
H
HO
HO
H
HO
O
Methyl-a -D-glucopyranosid
H O
1
H
H
CH3
OH OH
OH
HO
O
CH 3
H
Methyl-b-D-glucopyranosid
5
H
HO
H O
1
H
H
HO
O
CH 3
H
Methyl-b-D-galactopyranosid
Glycoside sind (wie Acetale):
• labil gegen wässrige Säure
• stabil gegen Basen
• stabil gegen Reduktionsmittel
• stabil gegen Oxidationsmittel, d.h. nicht reduzierend
„O-Glycoside“
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
232
12.
12.1
Kohlenhydrate
Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide
• N-Glycoside:
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
233
12. Kohlenhydrate
12.2 Disaccharide
 (Voll-)Acetale mit einem 2. Monosaccharid als Alkoholkomponente:
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
234
12.
12.2
Kohlenhydrate
Disaccharide
= Disaccharide Typ I: Verknüpfung anomeres OH + alkoholisches OH
 reduzierende Disaccharide
OH OH
O
4
1
HO
OH
OH
HO
O
Lactose
1
O
4
OH
b-D-Galactopyranosyl-(1-4)-D-glucopyranose
OH
•
•
•
•
•
Muttermilch: 5,5 – 7,5 % Lactose (primäre Kohlenhydratquelle für Säuglinge)
Lactase zur Spaltung
„Lactose-Intoleranz“: Lactase fehlt beim Heranwachsen
„Abschaltung“ des Lactase-Gens bei 10-15 % der Erwachsenen
Lactase als Verdauungshelfer
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
235
12.
12.2
Kohlenhydrate
Disaccharide
= Disaccharide Typ II: Verknüpfung anomeres OH + anomeres OH
 Nur Vollacetal-Struktur  nicht reduzierende Disaccharide
 bei Aldosen: 1  1 verknüpft, bei einer Ketose: 1  2 verknüpft
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
236
12. Kohlenhydrate
12.3 Polysaccharide
Stärke und Glycogen
Grundstruktur: 1,4-a-glycosidische Verknüpfung von a-D-Glucoseeinheiten
O
6
4
O
HO
O
O
HO
1
6
4
O
HO
O
O
6
1
Amylose:
4
HO
O
O
(im wesentlichen) unverzweigte Kettenmoleküle
O
HO
1 4 6
wasserlöslich:  20 %, MG 10000 – 50000
HO
O
O
Amylopektin:
HO
1
HO
stark verzweigte Kettenmoleküle: Hauptketten 1,4-glycosidisch,
O
Verzweigungen 1,6-glycosidisch
wasserunlöslich, MG 50000 – 180000
Glycogen:
ähnlich Amylopektion 1,4-verknüpft und 1,6-verzweigt, deutlich höherer Verzweigungsgrad,
wasserunlöslich
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
237
12.
12.3
Kohlenhydrate
Polysaccharide
Amylose
O
O
O
O
HO
HO
O
HO
O
HO
O
HO
O
• gewinkelt, vgl. Maltose
O
HO
O
OH
O
HO
O
O
• Helixstruktur mit Hohlraum
• Einlagerung von Iod: Iod-Stärke-Reaktion
(Versuch 5.2)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
238
12.
12.3
Kohlenhydrate
Polysaccharide
O
Amylose
6
4
O
O
HO
O
HO
6
1
4
O
O
HO
O
HO
1 4
6
O
O
HO
Amylase
O
HO
1 4
6
O
O
HO
H
OH
H O
4
HO
HO
H
1
H
H
OH
O
HO
H
Maltose
1
O
+
OH
4
H
Säure
O
H
H
HO
HO
1
H
HO
Maltase
a -D-Glucose
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
239
12.
12.3
Kohlenhydrate
Polysaccharide
Amylopektin
Glykogen
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
240
12.
12.3
Kohlenhydrate
Polysaccharide
Cellulose
Grundstruktur: 1,4-b-glycosidische Verknüpfung von b-D-Glucoseeinheiten
OH
OH
4
O
HO
O
OH
H
OH 1
O
O
4
1
O
4
O
H
O
OH
OH 1
H
O
1
O
O
OH
O
O
4
OH
Cellobiose
 faserartige Moleküle, wasserunlöslich
Cellulose unter dem Mikroskop:
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
241
Zusammenfassung: Kohlenhydrate
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Cn(H2O)n: Photosynthese und Verbrennung
Zuckerstammbäume ausgehend von D,L-Glycerinaldehyd
Tetrosen/Pentosen/Hexosen – Aldosen/Ketosen
Chiralitätszentren: Enantiomere, Diastereomere, Epimere
cyclische Halbacetale, Anomere (a/b) , Pyranosen und Furanosen
Oxidation und Reduktion
Endiolform (z. B. Vitamin C)
Phosphatierung
Vollacetale: glykosidische Bindung, O- /N-Glycoside
Disaccharide Typ I und II
Polysaccharide: Stärke/Glykogen – Cellulose
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
242
Übungsfragen:
Welche Monosaccharide sind Epimere ?
 A D-Glucose und D-Fructose
 B D-Glucose und D-Mannose
Bei der positiven Tollens-Probe wird D-Galactose oxidiert zu
 A
D-Galactonsäure
 B
D-Galacturonsäure
Glycogen ist ein Polysaccharid aus
 A
1,4- verknüpften a-D-Glucose-Einheiten mit starker
Verzweigung durch zusätzliche 1,6-Verknüpfung.
 B
ähnlich wie Amylose linear 1,4- verknüpften a-D-Glucose- Einheiten.
Welche Aussage trifft nicht zu? Lactose und Maltose

A
können beide durch Maltase abgebaut werden

B
haben dieselbe Molmasse

C
sind unterschiedlich C1–C4 verknüpft

D
können als α- und β-Anomere vorliegen

E
besitzen beide reduzierende Eigenschaften
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
243
13. Aminosäuren und Peptide
13.1 Aminosäuren
proteinogen: 20 (+1)
essentiell: 10 (+1)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
244
13.
13.1
Aminosäuren und Peptide
Aminosäuren
Aminosäuren mit unpolaren aliphatischen Seitenketten
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
245
13.
13.1
Aminosäuren und Peptide
Aminosäuren
mit aromatische Seitenketten
COOH
H2N
COOH
H2N C
H
CH2
H
N
H
H
H2C
Phenylalanin
Phe, F
H 2C
COOH
H2N C
C
OH
Tyrosin
Tyr, Y
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
Tryptophan
Try, W
246
13.
13.1
Aminosäuren und Peptide
Aminosäuren
mit polaren, ungeladenen (neutralen) Seitenketten
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
247
13.
13.1
Aminosäuren und Peptide
Aminosäuren
mit polaren, basischen Seitenketten
mit polaren, sauren Seitenketten
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
248
13.
13.1
Aminosäuren und Peptide
Aminosäuren
Aminosäuren als Betaine, Zwitterionen, Ampholyte
H 3N CH2
H 2N CH2
pK S Carbonsäure: ~4.8
pK B Amin: ~3.4
COOH
positiv
geladen
pK S Ammonium: ~10.6
pK B Carboxylat: ~9.2
COO
- H+
- H+
H 3N CH
H 3N CH
R
Glycin:
pK S ~ 10.0
pK B ~ 12.0
COO
COOH
H 2N CH
R
pKS1
pKS2
neutral bei einem
definierten pH-Wert:
„Isoelektrischer Punkt“
pHIP =
COO
R
negativ
geladen
pKS1 + pKS2
2
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
249
13.
13.1
Aminosäuren und Peptide
Aminosäuren
Titrationskurve einer neutralen Aminosäure
COOH
- H+
H 3N CH2
pKS1
COO
H 3N CH2
COO
- H+
H 2N CH2
pKS2
= 10.0
pHIP =
pKS1 + pKS2
2
= 2.0
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
250
13.
13.1
Aminosäuren und Peptide
Aminosäuren
Titrationskurve einer sauren Aminosäure
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
251
13.
13.1
Aminosäuren und Peptide
Aminosäuren
Titrationskurve einer basischen Aminosäure
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
252
13.
13.1
Aminosäuren und Peptide
Aminosäuren
Nachweis von Aminosäuren: über den isoelektrischen Punkt (IP)
Kathode
Anode
+
-
pH
pH
2
12
7
isoelektrische Fokussierung
Asp
Gly
Lys
Anode
Kathode
+
IP = 3.0
IP = 6.0
pH
2
-
IP = 10.0
7
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
12
pH
253
13.
13.1
Aminosäuren und Peptide
Aminosäuren
Nachweis von Aminosäuren: Ninhydrin-Test
Aminosäuren als Chelatliganden
H
O
R
O
C
N
HC
Cu2+
CH
C
N
H
H
O
R
O
H
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
254
13.
13.1
Aminosäuren und Peptide
Aminosäuren
Decarboxylierung von Aminosäuren
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
255
13.
13.1
Aminosäuren und Peptide
Aminosäuren
Acylierung und Veresterung von Aminosäuren
N-Acetylcystein
Mucolytikum,
Antioxidans
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
256
13.2 Peptide
Peptidbindung und Dipeptide
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
257
13.
13.2
Aminosäuren und Peptide
Peptide
„Phenylalaninquelle“: nicht bei Patienten mit Phenylketonurie
• angeborene Stoffwechselstörung (1 : 80.000)
• Anreicherung von Phe  Hirnschädigung (Störung der geistigen Entwicklung)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
258
13.
13.2
Aminosäuren und Peptide
Peptide
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
259
13.
13.2
Aminosäuren und Peptide
Peptide
Tripeptide
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
260
13.
13.2
Aminosäuren und Peptide
Peptide
Geometrie der Peptidbindung
•
•
•
•
Peptid-Mesomerie
6 Atome der Peptidbindung in einer Ebene
Partieller Doppelbindungscharakter der C–N –Bindung
Sterische Fixierung, meist trans an „ -C=N- “
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
261
13.
13.2
Aminosäuren und Peptide
Peptide
Geometrie in der Primärstruktur
„Peptid-Rückgrat“
Durch die Unbeweglichkeit der planaren Peptidbindungen können
nur wenige stabile Konformationen ausgebildet werden:
Sekundärstrukturen.
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
262
13.3 Polypeptide und Primärstruktur
Oligopeptide: 2-10 AS
(Poly)Peptide: 11-100 AS
Proteine:
>100 AS
Aminosäuren
MG
MG
bis 10.000 (1-10 kDa)
10-1000 kDa
Polypeptide
Primärstruktur: Aminosäuresequenz
Abfolge der Aminosäuren in der Kette
Peptidsynthese
Sequenzanalyse
sequenziell im Labor:
automatisiert
Biosynthese
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
263
13.
13.3
Aminosäuren und Peptide
Polypeptide und Primärstruktur
Peptidsynthese im Labor
R1
R2
R2
O
H
N
+
H2N
H 2N
COOH
COOH
H2N
R1
O
Schützen
R2
oder
R1
+
SG
N
H
OH
COOH
SG
H2N
Entschützen
am N- oder
C-Terminus
O
Aktivieren
R2
SG
R1
X
N
H
Kuppeln
+
SG
H2N
O
R2
O
SG
- HX
O
H
N
N
H
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
O
SG
R1
264
13.
13.3
Aminosäuren und Peptide
Polypeptide und Primärstruktur
Protein-Biosynthese
RNA
R1
O
H
N
R2
O
O H2N
N
H
O
R2
tRNA
R1
O
N
H
O
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
265
13.4 Sekundärstrukturen
Optimierung von Geometrie (Konformation) sowie polaren
Wechselwirkungen / H-Brücken
F a l t b l a t t - Struktur: b-Struktur (von b-Keratin)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
266
13.
13.4
Aminosäuren und Peptide
Sekundärstrukturen
• Zusammenlagerung zweier
gefalteter Kettenabschnitte
• H-Brücken zwischen den beiden
Kettenabschnitten
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
267
13.
13.4
Aminosäuren und Peptide
Sekundärstrukturen
• Seitenketten R alternierend nach „oben“ oder „unten“;
• H-Brücken zwischen gegen- oder gleichläufigen Kettenabschnitten
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
268
13.
13.4
Aminosäuren und Peptide
Sekundärstrukturen
a - H e l i x - Struktur:
•
•
•
•
•
schraubenförmige Anordnung i.d.R. 3,6 Aminosäuren pro Windung
H-Brücken innerhalb der gleichen Helix:
C=O und NH-Gruppen von Windung zu Windung im passendem Abstand
H-Brücken in Richtung der Schraubenachse  erhöhte Stabilität
Seitenketten stehen nach außen und können weiter „wechselwirken“
0.54nm
a-Helix: rechts-Schraube
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
269
13.5 Tertiärstrukturen
 Supersekundärstrukturen („Überstrukturen, Motive“):
•
„Arrangement“ von Sekundärstrukturabschnitten (Helices / Faltblätter) sowie
Schlaufen („Loops“, Aminosäure-Abschnitte, die keiner Sekundärstruktur angehören)
 Stabilisierung über Seitenketten:
•
Disulfid-Bindungen zwischen Cystein-Resten
•
H-Brücken
•
ionische Wechselwirkungen zwischen Seitenketten
•
hydrophobe Wechselwirkungen
 Nur eine Polypeptideinheit
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
270
13.
13.5
Aminosäuren und Peptide
Tertiärstrukturen
© 2007 Pearson Studium / Abbildung aus: Bruice: Organische Chemie, 5. Aufl. / ISBN: 978-3-8273-7190-4
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
271
13.
13.5
Aminosäuren und Peptide
Tertiärstrukturen
Disulfid-Brücken zwischen Cystein-Resten
Das Haar
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
272
13.
13.5
Aminosäuren und Peptide
Tertiärstrukturen
Tertiärstruktur
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
273
13.6 Quartärstrukturen
 Aggregate aus Peptidketten-Untereinheiten (typisch 2-6, bis zu 20)
 Cofaktoren und Coenzyme
 Kooperativität: Bindung kleiner Moleküle
Cofaktor „Häm“
Quartärstruktur des Hämoglobins: Tetramer aus 4 UE von 2 verschiedenen Typen a und b
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
274
13.
13.6
Aminosäuren und Peptide
Quartärstrukturen
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
275
13.
13.6
Aminosäuren und Peptide
Quartärstrukturen
Cofaktoren und Coenzyme
begrenzte „chemische Potenz“ nackter Enzyme, z. B. zur Elektronenübertragung.
Metallionen: Zn2+, Fe2+, Co2+, Cu2+ ..... am Enzym spezifisch koordiniert
Cofaktoren oder prosthetische („zusätzliche“) Gruppe; z. B. Häm
- niedermolekulare Verbindungen, enthalten häufig Metall-Ionen
- permanent an das Enzym gebunden (meist kovalent)
- Regeneration der aktiven Form im katalytischen Cyclus
Coenzyme oder Cosubstrate, z. B. NADH
- relativ niedermolekular
- in einem Assoziations- / Dissoziationsgleichgewicht an Enzym gebunden
- ausreichend hohe Konzentration erforderlich
Apoenzym + Coenzym
(Holo-)Enzym
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
276
13.
13.6
Aminosäuren und Peptide
Quartärstrukturen
Proteine: Einteilung nach Funktion und Zusammensetzung:
Skleroproteine: Gerüst- und Faserproteine (z. B. Bindegewebe): wasserunlöslich
Sphäroproteine (globuläre Proteine): wasserlöslich;
u. a. Transportproteine, Enzyme
Proteinkomplexe („Proteide“): Protein- + Nichtproteinanteil
Glykoproteine
(Valenzbindung)
Phosphoproteine
(Valenzbindung)
Lipoproteine
(lose Aggregate)
Metalloproteine
(Komplexbindung)
Enzyme: Biokatalysatoren
„Zink-Finger-Proteine“
Spezifische Bindung an DNA
(Transskriptionsfaktoren)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
277
13.7 Enzymkinetik
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
278
13.
13.7
Aminosäuren und Peptide
Enzymkinetik
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
279
13.
13.7
Aminosäuren und Peptide
Enzymkinetik
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
280
13.
13.7
Aminosäuren und Peptide
Enzymkinetik
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
281
13.
13.7
Aminosäuren und Peptide
Enzymkinetik
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
282
13.
13.7
Aminosäuren und Peptide
Enzymkinetik
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
283
13.
13.7
Aminosäuren und Peptide
Enzymkinetik
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
284
13.
13.7
Aminosäuren und Peptide
Enzymkinetik
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
285
13.
13.7
Aminosäuren und Peptide
Enzymkinetik
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
286
13.
13.7
Aminosäuren und Peptide
Enzymkinetik
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
287
13.
13.7
Aminosäuren und Peptide
Enzymkinetik
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
288
13.
13.7
Aminosäuren und Peptide
Enzymkinetik
Enzymkinetik - Sättigungskinetik (Michaelis u. Menten)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
289
13.8 Synthetische Polyamide
1,6-Diaminohexan (C6)
("Hexamethylendiamin")
n
H 2N
O
Adipinsäure (C6)
OH
+ n HO
NH 2
O
1. Salzbildung,
2. 300 °C
- n H2O
O
H
N
OH
N
H
O
n
Amidbindung
Polyamid 66, "Nylon 6,6" (Dupont, 1935)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
290
13.
13.8
Aminosäuren und Peptide
Synthetische Polyamide
O
n
H 2N
+ n
NH 2
Cl
Cl
O
- n HCl
O
H
N
N
H
O
n
Amidbindung
Versuch: Nylon-Seiltrick
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
291
Zusammenfassung: Aminosäuren und Peptide
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
insbesondere a-Aminocarbonsäuren
proteinogen, z. T. essentiell
Einteilung nach Seitenkette, Buchstaben-Codes
Betaine, Ampholyte, Titration, isoelektrischer Punkt
Decarboxylierung zu biogenen Aminen
Peptidbindung als Spezialfall der Amidbindung
Peptidsynthese, Sequenzanalyse
Polypeptide: Primär-, Sekundär-, Tertiär-, Quartärstruktur
Proteine
Enzyme als Biokatalysatoren
synthetische Polyamide
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
292
Übungsfragen:
Nebenstehende Aminosäure
A
B
□
□
H
enthält einen Imidazol-Ring und heißt Histidin.
N
CH2 CH COOH
N
enthält einen Indol-Ring und heißt Tryptophan.
NH2
Die Säurestärke von ungeladenem Alanin (Betain-Struktur) wird bestimmt
A
B
□
□
von der Acidität der Ammoniumgruppe.
von der Acidität der Carboxylgruppe.
Welche Aussage zur Verbindung dieser Verbindung trifft nicht zu ?
A
B
□
□
Sie enthält eine Disulfidbrücke
Sie ist ein Dipeptid
HOOC CH CH2 S
NH2
S CH2 CH COOH
NH2
Welche Aussage zur a-Helix von Proteinen trifft zu ?
A □ Sie wird durch intermolekulare Wasserstoffbrücken stabilisiert.
B
□
Die Seitenketten der Aminosäure-Bausteine zeigen aus der Helix nach außen.
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
293
14.
Stofftrennung und Spektroskopie
Medizinische Diagnostik, Klinische Chemie
Trenn- und Reinigungsverfahren:
• Destillation
• Sublimation, Gefriertrocknung
• Kristallisation (V. 4.4)
• Flüssig-flüssig Verteilung (V. 4.2)
• Chromatographie (V. 1.4, 4.4)
• Dialyse/Ultrafiltration
 Vorlesungsteil Allgemeine/Anorganische Chemie !
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
294
14.
14.1
Stofftrennung und Spektroskopie
Chromatographische Verfahren
Dünnschichtchromatographie (DC)
Kapillarkräfte
Fließmittel,
mobile Phase
Folie mit Kieselgel u.a.,
stationäre Phase
Retentionsfaktor:
a
b
R f ( A)  ; R f ( B) 
c
c
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
295
14.
14.1
Stofftrennung und Spektroskopie
Chromatographische Verfahren
Dünnschichtchromatographie (DC)
Filterpapier
aufgetrennte
Farbstoffe
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
296
14.
14.1
Stofftrennung und Spektroskopie
Chromatographische Verfahren
Säulenchromatographie (SC, CC)
Schwerkraft
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
297
14.
14.1
Stofftrennung und Spektroskopie
Chromatographische Verfahren
Variante: HPLC: Hochdruck- oder Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie
• sehr feines Kieselgel
• kompakte Säulen (z. B. 4 mm x 20 cm)
• Pumpenförderung des Eluenten
• Instrumentelle Detektion (Brechungsindex, UV/VIS,…)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
298
Stofftrennung und Spektroskopie
Chromatographische Verfahren
HPLC:
Konzentration
14.
14.1
Zeit
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
299
14.
14.1
Stofftrennung und Spektroskopie
Chromatographische Verfahren
Gaschromatographie
Kapillar-GC:
Kirschwasser
Stationäre Phase:
Hochviskoser Film (z. B. 0,25 mm) in
Kunststoff-Kapillare (z. B. 25 m x 0,25 mm ID)
Mobile Phase:
z. B. Helium
Detektion:
Wärmeleitfähigkeit (WLD)
Flammenionisation (FID)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
300
14.2 Spektroskopische Verfahren: Grundlagen
Molekülanregung:
E(nergie)
angeregter Zustand
DE
Grundzustand
Messung: Absorption, Emission
DE als Wärme und/oder
Elektromagnetische Strahlung:
DE = h • 
h = 6.62 • 10–34 Js (Planck-Konstante)
: Frequenz der Strahlung [1/s]
vgl.   c/
: Wellenlänge (meist in nm=10–9m)
c: Lichtgeschwindigkeit
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
301
14.
14.2
Stofftrennung und Spektroskopie
Spektroskopische Verfahren: Grundlagen
Elektromagnetische Strahlung: DE = h •  mit   c/
Wellenlänge 
106
105
104
103
102
101
1
FunkFrequenzen
Radiofrequenzen
RadarWellen
FernsehFrequenzen
106
10-1
10-2
105
104
103
102
101
1
10-1
10-2
10-3
10-4
106
IR-Strahlung,
„Strahlungswärme“
UV-Strahlung
Kosmische Strahlung
10-5
10-3
10-4
10-5
10-6
10-7
10-8
10-9
10-10
10-11
10-12
10-13
10-14
-Strahlung
X-Strahlung
[m]
Mikrowelle: 2.45 GHz / 12.2 cm
[nm]
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
302
14.3 UV / VIS – Spektroskopie
angeregt werden: energiereichere elektronische Zustände: Elektronenanregung
Elektronenübergänge:
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
303
14.
14.3
Stofftrennung und Spektroskopie
UV / VIS – Spektroskopie
Aufnahme eines UV/VIS-Spektrums:
Absorption als Funktion der Wellenlänge (200-1000 nm)
 Bandenspektrum (Lage und Intensität der Bande)
 Farbigkeit von Substanzen
 Substanzcharakterisierung
 Substanzquantifizierung
Hämoglobin
in Wasser
Chlorophyll
in Methanol
(Versuch 5.4)
NAD+ und NADH
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
304
14.
14.3
Stofftrennung und Spektroskopie
UV / VIS – Spektroskopie
Messung bei einer Wellenlänge: Photometrie
Photometer
d
I0
I
Messküvette
Fotozelle
Anzeige
Lambert-Beersches Gesetz: 10log I0/I = Ext(inktion) = ec d
e: molarer Extinktionskoeffizient (Substanz- und Wellenlängen-abhängig)
Dimension: z. B. dm2/mol
 Konzentrationsbestimmung: Ext  c
 Diagnostik (z. B. Blutuntersuchungen)
 Reaktionskinetik
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
(Versuch 5.4)
(Versuch 5.5)
305
14.4
Infrarotspektroskopie (IR)
angeregt werden: Molekülschwingungen (  = 2-15 mm)
Valenzschwingung
C-H
Deformationsschwingung
C=O
„Fingerabdruck“
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
306
14.5
Kernresonanzspektroskopie
(NMR=“Nuclear Magnetic Resonance”)
angeregt werden: Ausrichtung des magnetischen Momentes eines
Atomkernes entgegen die Feldrichtung eines äußeren Magnetfeldes
S
( = 20-600 MHz,  = 0,5-15 m)
B0
N
„geeignete“ Kerne: 1H, 13C, 31P, …
äußeres Magnetfeld
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
307
14.
14.5
Stofftrennung und Spektroskopie
Kernresonanzspektroskopie
NMR-Spektrometer
NMR-Spektrum einer Einzelsubstanz
Magnetfeldstärke: 1,5-15 Tesla
„Chemische Verschiebung“ von Protonen im Magnetfeld
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
308
14.
14.5
Stofftrennung und Spektroskopie
Kernresonanzspektroskopie
am Menschen: Kernspin-Tomographie (MagnetResonanzTomographie)
„Vermessung“ der Protonen von Wasser- und Fettbestandteilen im Organismus
 Hell-Dunkel-Kontraste (wasserreich: dunkel; wasserarm: hell, z.B. Knochen)
 Abbildung von Organen und unterschiedlichen Gewebearten
 z. B. Gefäßerweiterungen, Ausdehnung von Tumoren
Magnetfeldstärke:
1,5-3 Tesla
• Schichtweise Aufnahme
• Keine energiereiche Strahlung
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
309
15.
Reaktionskinetik
(Zeeck, Kap. 12.)
Reaktion:
A + ...
B + ...
Definition:
Reaktionsgeschwindigkeit:
Reaktionskinetik:
• Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion (RG):
Abnahme der Edukt-Konzentration (oder) Zunahme Produkt-Konzentration
mit der Zeit
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
310
15.
Reaktionskinetik
Abhängigkeit der RG von Konzentrationen der Ausgangstoffe (Edukte):
Geschwindigkeitsgesetz 1. Ordnung:
• Die RG ist proportional zu 1 Eduktkonzentration:
A + ...
B + ...
v-
d[A]
 k1  [A]
dt
• z. B. monomolekulare Reaktion: 1 Teilchen ist am langsamen
und daher die Geschwindigkeit bestimmenden Schritt beteiligt
SN1 – Reaktion:
R3C-X
v=
d [R3C-X]
dt
= k1• [R3C-X]
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
311
15.
Reaktionskinetik
Geschwindigkeitsgesetz 2. Ordnung:
• Die RG ist proportional zu 2 Eduktkonzentrationen:
d[A]
v k 2  [A]  [B]
dt
• (i.d.R.) bimolekulare Reaktion; 2 Teilchen (Atome, Moleküle) sind am langsamen
und daher die Geschwindigkeit bestimmenden Schritt beteiligt
SN2 – Reaktion:
Nu R3C-X
v=
d [R3C-X]
= k2•[Nu]•[R3C-X]
dt
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
312
15.
Reaktionskinetik
Reaktion 0. Ordnung:
A + ...
B + ...
• Die RG ist konstant, d.h. von keiner Eduktkonzentration abhängig:
d[A]
v k0
dt
 d[A]  -k 0  dt
[ A]

[ A ]0
[A]
[A]0
t
d [ A]  -k0   dt
t0
[A]  -k 0  t  [A]0
Beispiel:
Ethanolabbau im Körper:
100mg/kg Körpergewicht/h = 0,1‰ / h
[A]0/2
t
t1/2
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
313
15.
Reaktionskinetik
v-
Reaktion 1. Ordnung:
d[A]
 k1  [A]
dt
[ A]
A + ...

B + ...
[ A ]0
t
d [ A]
 -  k1  dt
[ A]
t
0
ln[A]  ln[A]0 - k1  t  [A]  [A]0  e-k1t
Halbwertszeit: t1/2 wenn:
[A] 
[A]0
2
t½ 
ln 2
k1
[A]0
[B]
[A]0/2
[A]  [A]0  e-k1t
t1/2
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
314
15.
Reaktionskinetik
Auswertung einer Reaktionskinetik 1. Ordnung:
[A]
ln[A]
ln[A]0
ln[A]  ln[A]0 - k1  t
[A]  [A]0  e-k1t
t1/2
t
20
40
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
60
80
100
t
315
15.
Reaktionskinetik
Reaktion 2. Ordnung:
A + B + ....
vReaktion pseudoerster Ordnung:
eine Konzentration konstant
X + Y + ....
d[A]
 k 2  [A]  [B]
dt
k 2  [B]  k '2
v  k '2  [A]
[A]0
t
t1/2
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
316
15.
Reaktionskinetik
Versuch 5.5:
Photometrische Bestimmung einer Reaktionskinetik: Verseifung eines Esters
Messung:
Konzentrationsabnahme
an Edukt
Konzentrationszunahme
an Produkt
[PNPA]t  [PNPA]0 - [NP]t
Ext t  e  [NP]t  d  [NP]t 
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
Ext t
ed
317
Übungsfragen
1 nm = 10–9 m
Lichtgeschwindigkeit: c = 300000 km/s
Planck-Konstante: h = 6,62 x 10–34 J s
Elektromagnetische Strahlung der Wellenlänge  = 10 nm besitzt eine Energie
(pro Lichtquant) von
Elektromagnetische Strahlung:
 A 1,986 x 10–17 Joule
Energie: E = h •  mit  = c/
 B 1,986 x 10–20 Joule
Eine Lösung von p-Nitrophenolat in Wasser (e = 193000 dm2/mol) hat in einer 1 cm dicken
Küvette im Photometer eine Extinktion von 0,772.
 A Die Konzentration der Lösung beträgt 4 x 10–4 mol/L
 B Die Konzentration der Lösung beträgt 4 x 10–5 mol/L
Bei einer Reaktion erster Ordnung ist nach 150 s die Konzentration des Ausgangsstoffes A
von ursprünglich 0,6 mol/L auf 0,3 mol/L gesunken. Nach welcher Zeit, gerechnet vom
Start der Reaktion beträgt die Konzentration von A noch 0,15 mol/L ?
 A 225 s
 B 300 s
Bei einer Gleichgewichtsreaktion verringert ein Katalysator die freie Aktivierungsenthalpie DG#
 A für Hin- und Rückreaktion.
 B zur bevorzugten Bildung der Produkte.
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
318
16.
16.1
Derivate anorganischer Säuren
Derivate der „Kohlensäure“
Oxidationsstufen des Kohlenstoffs:
“Kohlensäure-Derivate”:
+IV
+III
+I
-I
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
319
16.
16.1
Derivate anorganischer Säuren
Derivate der „Kohlensäure“
Harnstoff
O
• farblos, wasserlöslich
• wenig basisch
C
H
N
NH2
(aber stärker als „normale“ Amide)
2
• Ausscheidung: 20-50 g in 24 h
• Abbau stickstoffhaltiger Verbindungen („Harnstoff-Cyclus“)
• Nachweis durch die „Biuret-Reaktion“
• enzymatische Hydrolyse in Bakterien durch Urease
• als Funktionalität in:
O
Harnsäure
O
N
H
NH
R
O
N
H
+ H+
H2N
C
H
NH2
O
H
N
HN
O
O
R
NH
"Barbiturate"
R = H: Barbitursäure
R = Ethyl: Veronal
O
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
320
16.
16.1
Derivate anorganischer Säuren
Derivate der „Kohlensäure“
Guanidin
NH
H2N
C
NH 2
+ H+
NH2
H2N
C
NH2
stark basisch !
„funktionelle“ Aminosäure
u.a. Muskeldurchblutung
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
321
16.2
Derivate der Schwefelsäure („Sulfate“)
Heparine
• Bausteine: D-Glucuronsäure, D-Glucosamin; 1,4-a-glykosidisch
• Kettenlänge variabel (MR ~ 17000)
• Sulfatgruppen an unterschiedlichen Positionen, Ø 1.25 pro Monosaccharid,
• erhöhte Wasserlöslichkeit (anionischer Polyelektrolyt)
• Gewinnung aus tierischen Organen (v. a. Leber, gr. hepar)
• als Natrium-Salz (Heparin-Natrium): Injektionslösungen, Salben, Zäpfchen
• oral unwirksam
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
322
16.3
Derivate der Phosphorsäure
pKS1: 2.0
pKS2: 7.2
„physiologische“ Bedingungen:
Mono- und Diester als Anionen  „Phosphate“
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
323
16.
16.3
Derivate anorganischer Säuren
Derivate der Phosphorsäure
• Phosphate sind sehr gut wasserlöslich; hydrophil
• Phosphate sind unter nicht enzymatischen Bedingungen hydrolysestabil
• Phosphorsäure und Phosphate bilden energiereiche „Anhydride“
O
R
O
P
O
OH HO
O
P
OH HO
O
O
R
O
P
O
R
O
OH
R
O
P
O
P
P
P
O
O
O
R
O
O
P
P
O
O
O
O
O
O
P
O
P
P
O
OH HO
P
OH
O
"Diphosphat"
OH
O
P
"Triphosphat"
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
324
16.
16.3
Derivate anorganischer Säuren
Derivate der Phosphorsäure
Phospholipide: Lecithin
H
H
P
H
C
OH
H
C
OH
O
O
CH2
HO
P
H
C
OH
H
C
OH
O
Glycerin-3-phosphat
CH 2
O
O
C
H2C
hydrophil
HC
O
O
O
lipophil
C
O
(H 3C)3N
H 2C H2C
O
P
O
CH 2
O
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
325
16.
16.3
Derivate anorganischer Säuren
Derivate der Phosphorsäure
z. B. Transport nicht
membrangängiger Stoffe
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
326
16.
16.3
Derivate anorganischer Säuren
Derivate der Phosphorsäure
Vesikel, Liposomen
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
Zellmembranen
327
17.
Nucleoside, Nucleotide und Nukleinsäuren
Heterocyclische Basen:
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
328
17.
Nucleoside, Nucleotide und Nukleinsäuren
Nucleoside: heterocyclische Base + (Desoxy)Ribose
NH2
NH2
HOH2C
O
N
OH
N
+
OH
OH
b-D-Ribofuranose
N
H
N
[H+ ],
- H2O
5'
HOH2C
O
b
N
1'
N
Adenin
N
N
3'
OH
OH
Adenin-b-N-D-ribofuranosid,
"Adenosin", in RNA, ATP usw.
Nucleotide: Nucleosid-Phosphat
• in DNA / RNA
• Energieüberträger
• Cosubstrate für Redoxreaktionen
• … für Phosphorylierungsreaktionen
• Botenstoffe („second messenger“)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
329
17.
Nucleoside, Nucleotide und Nukleinsäuren
Adenosin-Phosphate als Energiespeicher
• kontrollierte Energieabgabe (enzymatisch)
• Kopplung mit Energie verbrauchenden Prozessen (oder umgekehrt)
• Phosphatgruppen übertragende Reagenzien und Reaktionen
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
330
17.
Nucleoside, Nucleotide und Nukleinsäuren
NAD(P)+ / NAD(P)H:
Nicotinamid-adenin-dinucleotid-(phosphat)
Coenzym der Dehydrogenasen:
O
NH2
N
H2N
O
N
O
OH HO
O
O
P
O
O
-
N
P
O
O
Ribose
Diphosphat
N
O
-
OH
Nicotinamid
N
O(OPO32-)
Ribose(-2'-phosphat)
Adenin
Adenosin(2'-phosphat)
O
H
O
+2e
H2N
H
H
+ H
H 2N
N
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
N
331
17.
Nucleoside, Nucleotide und Nukleinsäuren
Heterocyclische Basen:
in RNA
in DNA
NH2
N
N
H
N
N
Adenin (A)
O
N
N
H
NH
Guanin (G)
NH2
N
NH 2
N
N
H
Cytosin (C)
O
O
O
H 3C
NH
N
H
Uracil (U)
NH
Thymin (T)
O
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
N
H
O
332
17.
Nucleoside, Nucleotide und Nukleinsäuren
Nucleoside
in RNA
in DNA
NH2
N
NH2
N
N
N
Adenosin (A)
N
HO
N
O
H
H
H
OH
H
OH
H
H
N
NH
N
O
H
H
OH
H
OH
NH 2
N
N
N
H
NH2
O
H
OH
O
N
OH
H
OH
HO
O
H
H
OH
H
OH
O
H
H
NH
N
O
O
O
H
NH 2
N
Cytidin (C)
HO
H
NH
H
N
H
OH
HO
NH2
O
H
O
H
Guanosin (G)
N
HO
N
O
H
O
N
HO
N
HO
Uridin (U)
O
H
OH
2'-DesoxyThymidin (T)
H3C
N
HO
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
NH
O
O
H
H
OH
H
333
17.
Nucleoside, Nucleotide und Nukleinsäuren
Nucleotide
in RNA
in DNA
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
334
17.
Nucleoside, Nucleotide und Nukleinsäuren
Nucleinsäuren
Ribonucleinsäure (RNA)
Desoxyribonucleinsäure (DNA)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
335
17.
Nucleoside, Nucleotide und Nukleinsäuren
Basenpaarung: nur in DNA
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
336
17.
Nucleoside, Nucleotide und Nukleinsäuren
DNA-Doppelhelix
•
•
•
•
T
A
C
G
G
C
G
C
T
A
A
T
Doppelhelixmodell der DNA
postuliert von Watson und Crick, 1953
Nobelpreis für Physiologie und Medizin, 1962
Weiß unterlegt: Gerüst aus Zucker und Phosphorsäurediester
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
337
17.
Nucleoside, Nucleotide und Nukleinsäuren
Nucleinsäuren
Ribonucleinsäure (RNA)
• fast nur als Einzelstrangmolekül
• sehr verschiedenartige Raumstrukturen
• RNA-Polynucleotide sind recht
unterschiedlich lang, im Vergleich zur
DNA kurz (einige Tausend Nucleotide)
Desoxyribonucleinsäure (DNA)
• Jeweils zwei Polynucleotidstränge winden
sich um eine gemeinsame Achse
• Stränge werden durch H-Brücken
zwischen den Basen zusammengehalten
• DNA-Polynucleotide sind sehr lang:
• Bakterien: ~2 x 106;
• Mensch: 3.2 x 109 Basenpaare
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
338
17.
Nucleoside, Nucleotide und Nukleinsäuren
Die DNA und der genetische Code
• Basentripletts codieren für eine bestimmte Aminosäure
• Tripletts als Start- oder Stopp-Codons
• Genomforschung:
• 2001 Sequenzierung des Humangenoms mit 3.2 x 109 Basenpaaren
„Genomics“
• 30.000 – 40.000 Gene
? Zuordnung zu ihrer Funktion
? Regulierung
? Differenzierung
„Proteomics“
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
339
17.
Nucleoside, Nucleotide und Nukleinsäuren
Replikation der DNA
• DNA kann Information speichern
• Die beiden Einzelstränge sind komplementär
gebaut (wie Positiv / Negativ)
• Die Information lässt sich kopieren (Replikation)
• Der Doppelstrang wird aufgetrennt und durch
Anlagerung komplementärer Nucleotide
identisch verdoppelt.
• Die Information kann abgelesen werden und
über Botenstoffe aus dem Zellkern ins
Cytoplasma gebracht werden, z. B. Transkription
auf RNA zur Proteinbiosynthese (Translation)
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
340
17.
Nucleoside, Nucleotide und Nukleinsäuren
Die DNA als Target für Medikation:
NH2
O
F
N
NH
N
HO
N
H
O
NH
O
N
O
O
5-Fluoruracil
Einbau statt Thymidin
Krebs-Chemotherapie
Nebenwirkungen
N
N
H
H
N3
H
Azidothymidin
verhindert bei Retroviren (HIV)
das Umschreiben von RNA in DNA;
verzögert Ausbreitung von HIV;
Nebenwirkungen
O
NH2
OH
Aciclovir
Guanosin-Derivat
verhindert DNA-Replikation
in von Herpes simplex (HSV)
infizierten Zellen
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
341
Übungsfragen
Welche Aussage zum abgebildeten Ausschnitt aus einer Nucleinsäurekette trifft nicht zu?
A□
Es handelt sich um einen Ausschnitt der DNA.
B□
Die Base ist ein Pyrimidinderivat.
C□
Die Base heißt Thymin.
D□
Nucleinsäuren enthalten energiereiche Phosphorsäureanhydridbindungen.
E□
Die abgebildete Nucleinsäure enthält 2-Desoxy-D-Ribose.
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
342
Übungsfragen
Welche Aussage zur Basenpaarung von Nucleinsäuren trifft zu ?
A□
Bei der Basenpaarung werden Wasserstoffbrücken zwischen zwei
gegenüberliegenden Purinbasen ausgebildet.
B□
Für eine korrekte Basenpaarung müssen Thymin, Cytosin und Guanin in
der Lactam-(Keto-)Form vorliegen.
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
343
Übungsfragen
Welche Aussage zu Harnstoff und Guanidin trifft nicht zu?
A□
Wässrige Harnstoff-Lösungen reagieren neutral.
B□
Wässrige Guanidin-Lösungen reagieren basisch.
C□
Harnstoff und Guanidin sind Moleküle mit einem C-Atom.
D□
Ein Harnstoffrest ist im Ornithin enthalten.
E□
Biotin ist formal ein zyklisches Harnstoffderivat.
COOH
H2N C
H
NH
Arginin
NH2
Arginase
HN
C
H
O
O
H
+
C
COOH
H2N
NH2
Ornithin
NH 2
NH2
O
HN
NH
H
H
(+)-Biotin (Vitamin H)
Eigelb, Hefe
fördert Wachstum von Microorganismen
S
HOOC
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
344
Weitere biologisch/medizinisch relevante Verbindungen
18. Steroide
Terpene, „Isoprenoide“
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345
18.
Steroide
Steroid-Biosynthese
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
346
18.
Steroide
Cholesterin
Cholesterinabkömmlinge
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
347
18.
Steroide
Sexualhormone
Contraceptiva
H3C
OH
C C
H
H3C
C
C H
H
H
H
OH
H
H
H
H 3CO
O
"Norethynodrel"
"Mestranol"
Prof. Dr. A. Speicher - Chemie für Mediziner - Organische Chemie
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