Chemie für Biologen-VL12

Chemie für Biologen
WS 2005/6
Arne Lützen
Institut für Organische Chemie
der Universität Duisburg-Essen
(Teil 12: Organische Chemie – funktionelle Gruppen)
Die funktionelle Gruppe von Alkoholen und Phenolen
H3C
H2
C
C
H2
H2
C
C
H2
H2
C
OH
OH
Alkanol
R = Alkylrest
1-Hexanol
OH = Hydroxygruppe
H H
C C
H3C C
R OH
OH
C OH
C C
H H
p-Kresol
Ar OH
Phenol
Ar = Arylrest
Alkohole und Phenole sind funktionalisierte Alkane bzw. Arene.
Sie sind Derivate des Wassers, H2O, bei dem ein H-Atom durch einen
Alkyl- bzw. Arylrest ersetzt wurde.
Wasserlöslichkeit von 1-Alkanolen R−OH
R
CH3
C2H5
C3H7
C4H9
Name
Methanol
Ethanol
Propanol
Butanol
Gew. %
∞
∞
∞
7.9
R
C5H11
C6H13
C7H15
C8H17
Name
Pentanol
Hexanol
Heptanol
Octanol
Gew. %
2.3
0.6
0.2
0.05
blau: hydrophiler Molekülteil rot: hydrophober Molekülteil
Mit der Größe von R nimmt der hydrophobe Anteil zu und damit
sinkt die Wasserlöslichkeit.
Nomenklatur der Alkohole
Systematischer Name: Alkanol
H3C OH
Methanol
Methylalkohol
H3C CH2 OH
Ethanol
Ethylalkohol
H3C CH2 CH2 OH
1-Propanol
n-Propylalkohol
H3C CH CH3
2-Propanol
Isopropylalkohol
2-Methyl-1-propanol
Isobutylalkohol
Phenylmethanol
Benzylalkohol
OH
H3C CH CH2 OH
CH3
CH 2 OH
Glykole und Glycerine, Diole und Triole
Glykole (2 OH-Gruppen)
CH 2 CH 2
OH
H3 C CH CH 2
OH OH
OH
Ethylenglykol
1,2-Ethandiol
Propylenglykol
1,2-Propandiol
H
H
CH 2 CH 2 CH 2
OH
OH
OH OH
Trimethylenglykol cis-1,2-Cyclopentandiol
1,3-Propandiol
Glycerine (3 OH-Gruppen)
CH2 CH CH2
OH OH OH
Glycerin
1,2,3-Propantriol
Glycerin ist der Alkohol-Bestandteile der Fette. Fette sind Glycerin-Ester der
Fettsäuren = „Triglyceride“.
Glykole und Glycerine sind sehr gut wasserlöslich.
Phenole
OH
OH
OH
α β
OH
α1 β
2
3
4
1-Naphthol
(α-Naphthol)
Phenol
2-Naphthol
(β-Naphthol)
NO2
p-Nitrophenol
Zweiwertige Phenole
OH
OH
OH
Hydrochinon
OH
Brenzkatechin
OH
Resorcin
OH
Phenole sind stärkere Säuren als Alkohole. Sie lassen sich in wässriger Lösung
(z. B. mit Natronlauge) deprotonieren.
Herstellung von Ethanol
Rohrzucker
CH 3 CH 2OH
Melasse
Zucker
Getreide
C6H 12O6
Glucose
Stärke
Vergärung mit Hefe
Fuselöle
2 C2H 5OH + 2 CO2 (anaerob; alkoholische Gärung)
Fuselöle:
CH 3 CH 2 CH 2OH Propanol
CH 3 CH CH 2OH
CH 3
CH 3 CH 2 CH CH 2OH 2-Methyl-1-butanol
CH 3
2-Methyl-1-propanol CH 3 CH CH 2 CH 2OH 3-Methyl-1-butanol
CH 3
Alle Alkohole sind giftig! Ethanol ist (u.a.) ein Hypnotikum. Reines Ethanol ist
für Organismen aller Art ein starkes Gift; bei Mikroorganismen wird das
Protoplasma-Protein denaturiert. Daher werden Bakterien in 70%igem Ethanol
abgetötet oder in ihrer Entwicklung gehemmt. Ethanol dient deshalb auch als
Konservierungsmittel im Haushalt und für anatomische Präparate.
Industrielle Herstellung von Alkoholen
1.
2.
3.
CO + 2 H2
H2C
CH2 + H2O
H2C
CH2
+ H2O
Katalysator
250°C, 50 bar
H3PO4
Δ
O
Oxacyclopropan
(Ethylenoxid)
4.
C6H5Cl + H2O
Ca3(PO4)2
CH3OH
CH3CH2OH
Hefe
- CO2
HOCH2CH2OH
C6H5OH + HCl
Glucose
Chemische Reaktionen von Alkoholen und Phenolen
Alkohole und Phenole sind Brönstedt-Säuren und Basen (Ampholyte).
+H
O
R
H
Base
O
R
H + H2O
Säure
R O
H
H
Oxonium-Ion
R O
+ H3O+
Alkoholat-Ion
PhOH >> MeOH > prim. > sek. > tert. Alkohol
pKa
Acidität
NO 2
O2N
OH
NO 2
2,4,6-Trinitrophenol
Pikrinsäure
Starke Säure; pK S = 0.25
Oxidation von Alkoholen
Primärer Alkohol
R CH 2 OH
[O]
R C
-2H
O
H
[O]
R C
O
OH
Carbonsäure
Aldehyd
meist nicht stabil,
wird weiter oxidiert
[O] º Oxidationsmittel
z. B. CrO 3; K 2Cr2O7
(Vgl. Folie 106)
Sekundärer Alkohol
R1
R2
[O]
CH OH
R1
R2
C O
Keton
R1 = R2 = CH3: Aceton,
einfachstes Keton
Tertiärer Alkohol
R1
R2 C OH
R3
Primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole lassen sich
an Hand ihres Oxidationsverhaltens unterscheiden.
Nucleophile Substitution
R−X + :B(-) → R−Y + :X(-)
:B(-) Nucleophil = Kern-liebend
Beispiele für Nucleophile: OH(-), R−O(-), Hal(-); auch Neutral-Moleküle wie
H2O, R−OH, NH3, ...
Beispiel:
R−X + OH(-) → R−OH + X(-)
Halogenalkan
Alkohol
Nach der Kinetik lassen sich zwei verschiedene Mechanismen unterscheiden:
SN2 bimolekulare Reaktion
RG = -d[R−X]/dt = k[R−X][B(-)]
Regelfall
SN1 monomolekulare Reaktion
RG = -d[R−X]/dt = k [R−X]
Nur bei tertiären Gruppen R.
Nucleophile Substitution SN1
R−X + :B(-) → R−B + :X(-)
SN1 monomolekulare Reaktion
RG = -d[R−X]/dt = k [R−X]
Die Reaktion ist zweistufig und
nicht stereoselektiv. Im 1. Schritt
erfolgt die heterolytische Spaltung
der R−X-Bindung, und es entsteht
ein (tertiäres) Carbenium-Ion.
R1
B
sp3
sp2
R1
C
C X
R2
R3
- X(-)
(a)
R1
sp3
C
R2
Produkt I
R3
(+)
+ B(-)
R2 R3
planares
Carbenium-Ion
R1
(b)
sp3
C B
Produkt II
R2
R3
Die Produkte I und II entstehen im Verhältnis 1 : 1
(als Racemat).
Nucleophile Substitution SN2
R−X + :B(-) → R−B + :X(-)
SN2 bimolekulare Reaktion
RG = k[R−X][B(-)]
EA = Aktivierungsenergie
Die Reaktion ist einstufig und
stereospezifisch unter Konfigurations-Inversion. Im Übergangszustand ist das Reaktionszentrum
sp2-hybridisiert.
sp2
sp3
sp3
Beispiele für die nucleophile Substitution
Nu
+
geladenes
Nucleophil
R X
R Nu
Halogenalkan
(X = Cl, Br, I)
HO
R OH
Alkohol
R O
R O R
Ether
R S
R S R
Thioether
R I
Iodalkan
I
X
- Halogenid
H Nu +
neutrales
Nucleophil
H
R X
+ X
R X - Halogenalkan
R Nu H
X
-H X
O
R OH
O
R O R
H
H3 N
R NH2
prim.
RNH2
R NHR
sek.
R2 N
R NR2
tert.
R Nu
H
R
H
Amine
Eliminierungsreaktion
Als Konkurrenz zur nucleophilen Substitution wird die 1,2- oder β-Eliminierung
beobachtet (Jedes Nucleophil ist eine Base!). Auch diese kann monomolekular (E1)
oder bimolekular (E2) auftreten. Dabei werden C,C-Mehrfachbindungen gebildet.
Es handelt sich um die Umkehrung der elektrophilen Addition.
H
H
H3C C
CH2
H3C
CH
X
Base
- HX
H3C
H
CH3
+
H3C
H
2-Methyl-2-buten
Saytzeff-Produkt
H3C
H3C
H
H
H
3-Methyl-1-buten
Hofmann-Produkt
Das Verhältnis von Saytzeff und Hofmann-Produkt hängt vom jeweiligen Reaktionssystem und von den Reaktionsbedingungen ab. Normalerweise überwiegt das
thermodynamisch stabilere Saytzeff-Produkt.
Carbonylverbindungen: Aldehyde
O
R = H, Alkyl, Aryl Name: alcoholus dehydrogenatus: der Aldehyd
R C
H
Carbonyl-Gruppe
Polare CO-Doppelbindung:
δ+ δC O
sp2 (planar)
O
O
O
HC
H3C C
H
Formaldehyd
Methanal
H
H3C CH2 C
Acetaldehyd
Ethanal
Propionaldehyd
Propanal
O
C
H
Benzaldehyd
H
Bindungsenergie [kJ/mol]
C−O 351 C=O 707
C−C 348 C=C 595
O
H3C CH2 CH2 C
Butyraldehyd
Butanal
O
C
Salicylaldehyd
H (o-Hydroxybenzaldehyd)
OH
H
Carbonylverbindungen: Ketone
R1
R2
O
H 3 C C CH 3
Aceton
Propanon
C O R1, R2 = Alkyl, Aryl ≠ H
H3C CH2
O
C
O
C CH3
Ethylmethylketon
Butanon
CH 3
Methylphenylketon
Acetophenon
O
O
O
Cyclohexanon
Campher
(Kampfer)
O
Progesteron
Steroid-Hormon
Reaktivität der Carbonylgruppe
O δ-
Elektrophile E
C δ+
C
acides H
H
Nucleophile Nu
Addition von Nucleophilen an die C=O-Gruppe
Eine der wichtigsten Reaktionen der organischen Chemie und der Biochemie
δ+ δC O
H
H C OH
C O
H Nu
H Nu
Beispiele:
R1
R2
C O
Nu
+ H 2O
R1
(H+)
R2
+ ROH
R1
(H+)
R2
Aldehyd:
Keton:
H
O
Hydroxyaldehyd:
OH
C
Hydrat (meist nur in wässriger Lösung stabil)
OH
OH
C
OR
+ ROH
R1
(H+)
R2
Halbacetal
Halbketal
H
C O
(H+)
OR
+ H 2O
C
OR
Acetal
Ketal
O
OH Cyclisches Halbacetal
bei Zuckern: Furanosen
und Pyranosen
Addition von primären Aminen an Ketone
R1
R2
C O +
NH 2 R
O
C NH 2 R
R2
R1
Nucleophil
Halbaminal
O
R2
C N R
Imin
- H 2O
Cyclohexanonoxim
(Ausgangsprodukt für Nylon6)
Cyclohexanon Hydroxylamin
O
R
NH
O
R
- H2O
O + H2N
Retinal
R1
N OH
+ NH 2 OH
H
R1
OH
- H 2O
C NH R
R2
N
H
blau:
Polypeptidkette
Aminosäure Lysin des Proteins
Opsin
NH
Rhodopsin
Sehpurpur
Aldol-Kondensation
2 H3C C
O
OH
OH (kat.)
H3C CH CH 2 C
H
O - H 2O
H3C CH CH C
H
2-Butenal
Crotonaldehyd
2-Hydroxybutanal
Acetaldol
Ethanal
Acetaldehyd
H
C
C
O
OH(-)
-
(-)
C
H(+)
H
O
O
C
C
C
H
O
H
(-) Enolat-Ion
= C-Nucleophil
H
α-Deprotonierung
C
nucleophile Addition
O
C
C
H
O
- H2O
C
C
O
H
H
α,β-ungesättigte
Aldol-Kondensation
Carbonyl-Verbindung
O
H2O
+ H(+)
C
C
O
H
O
Aldol-Addition
Eine sehr wichtige Reaktion zum Aufbau von Kohlenstoff-Gerüsten.
Carbonylverbindungen: Carbonsäuren
O
R
H
O
C
C
O
H
Bildung von Dimeren über Wasserstoffbrückenbindungen
⇒ hohe Siedepunkte
⇒ relativ gute Wasserlöslichkeit (bis Buttersäure)
R
O
Siedepunkt
R C
O
OH
O
H C
OH
O
H3C C
OH
O
H3C CH2 C
OH
O
H3C CH2 CH2 C
OH
Ameisensäure
(Methansäure)
101°C
Essigsäure
(Ethansäure)
118°C
Propionsäure
(Propansäure)
141°C
Buttersäure
(Butansäure)
164°C
Dissoziation von Carbonsäuren
O
R C
O H
O
+ H2O
R C
R C
O
O
+ H3O
mesomeres Carboxylat-Anion
(Ladung ist delokalisiert)
Beispiele:
O
O
H C
pKS
O
OH
Ameisensäure
3.8
H3C C
OH
Essigsäure
4.8
Vergleich mit Alkoholen: R O H + H2O
pKS ≈ 15 - 16
O
H3C CH 2 C
OH
Propionsäure
4.9
R O + H3O
Alkoholat-Anion
(Ladung ist lokalisiert)
Carbonsäuren sind wesentlich stärkere Säuren als Alkohole.
Carbonsäuren mit zusätzlichen funktionellen Gruppen
α
O
H3C CH C
OH OH
α-Hydroxycarbonsäure
Milchsäure
chiral
O α
O
β
H3C C CH2 C
OH
β-Ketosäure
Acetessigsäure
α
α
O
R CH C
OH
NH 2
H 3C C C
OH
O
α-Aminocarbonsäure:
Aminosäure
R ≠ H: chiral
R = H: achiral: Glycin
O
C
H
α-Ketosäure
Brenztraubensäure
Pyruvat
O
O
C
O
O
OH
C
C CH 2 CH CH 2 C
O
OH
H3C β Cα OH HO
OH
H
Citronensäure
Enolform
3-Carboxy-3-hydroxypentandisäure, eine
Hydroxytricarbonsäure
Reaktivität der Carboxylgruppe
O
C
R
elektrophil
δδ+
O
nucleophil, basisch
H
O δH
δ+
C
O
C
R'
H
acides H
B
H
Nucleophile Substitution an der Carbonyl-Gruppe
δ+
R C
δO
+
O
R C X
Nu
sp 3
Nu
X
sp2
R C
O
+ X
Nu
sp2
• Es handelt sich um einen Additions-Eliminierungs-Mechanismus.
• Die Reaktion kann durch Säuren katalysiert werden: Protonen-Katalyse
Darstellung von Carbonsäurechloriden
Es entstehen nur gasförmige Nebenprodukte.
R C
O
OH
+ SOCl2
Thionylchlorid
R C
O
Cl
+ SO 2 + HCl
Reaktionen von Säurechloriden
+ H2 O
R C
O
+ HCl
OH
R´ OH
R C
O
Cl
H2 N R´
R C
O
+ HCl
O R´
Ester
R C
O
+ HCl
NH R´
Amid
R C
O
O
Na
O
O
R C O C R + Na Cl
Anhydrid
Säurechloride sind reaktive Acylierungs-Reagenzien.
Carbonsäureanhydride
H3C C
O
O
O
C
O
H3C C
O
Essigsäureanhydrid
Acetanhydrid
C
OH
OH
C
Phthalsäure
C
ΔT - H2O
ΔT - H2O
O
O
Phthalsäureanhydrid
O
O
H3C C
OH
OH
Salicylsäure
+
H3C C
O
O
O
Maleinsäureanhydrid
O
Synthese von Aspirin
O
C
Maleinsäure
O
O
O
OH
OH
O
C
OH
O
+ H3C C
O C CH 3
Ester
O
Acetylsalicylsäure
ASS
OH
Carbonsäureester
Veresterung von Carbonsäuren
O
+ R´ OH
R C
O
H
+ H OH
R C
OH
O R´
Gleichgewichtsreaktion: Das Gleichgewicht lässt sich durch Abdestillieren von
H2O zur Ester-Seite verschieben. Die Reaktion wird durch starke Säuren katalysiert.
Eigenschaften von Carbonsäureestern
Einfache Ester sind in der Regel flüssig und haben relativ niedrige Siedepunkte.
Z.B. CH3-CO2-C2H5 (“Essigester”): Sdp. 77° C, Schmp. –84° C.
Sie sind in Wasser nicht löslich. Verwendung als Lösungsmittel (Lacke).
Ester besitzen einen angenehm fruchtartigen Geruch. Sie sind Aroma- und
Duftstoffe. Sie kommen verbreitet in Pflanzen, Blüten und Früchten vor.
Ester
Aroma Ester
Ameisensäureethylester Rum
Aroma
Buttersäuremethylester Apfel
Essigsäure-n-butylester Orange Buttersäureethylester
Ananas
Essigsäureisobutylester Banane Buttersäureisoamylester Birne
Verseifung von Estern
Ester-Hydrolyse (Verseifung)
O
+ Na OH
R C
O R´
O
O Na
+ OH
O
R C OR´
OH
+ HO R´
R C
Neutralisation
O
R C
+
OH
Säure +
O R´
Base
Mechanismus: Nucleophile Substitution
Seife: Alkali-Salz einer Fettsäure
Fette und Seifen
Na + -OOC R
CH 2 OH
CH 2 O C R
O
CH O C R´ + 3 NaOH
O
CH 2 O C R´´
O
Fett (Triglycerid)
CH OH
++ Na OOC R´
Na + -OOC R´´
CH 2 OH
Glycerin
Seife
COO(-) Na (+)
hydrophil
Lipophil bzw. hydrophob
O
2 R C
O
2 Na
O
wasserlöslich
+ Ca 2+
R C
O
Ca 2+ + 2 Na+
2
wasserunlöslich
In "hartem" Wasser sind Seifen unwirksam.
Waschmittel und Detergenzien enthalten lineare, unverzweigte Alkansulfonate, die
biologisch abbaubar sind. Die Salze reagieren neutral ⇒ Neutralseife
SO3 K+ Ca2+- und Mg2+- Salze sind wasserlöslich.
Fettsäuren
Gesättigte Fettsäure
Stearinsäure
Octadecansäure
1
COOH
18
Ungesättigte Fettsäuren
H 9
H 10
8
11
6
7
12
13
4
5
14
H 9
2 1
3
COOH
15
16
17
1
COOH
H
12
18
18
H
H
Ölsäure
(Z)-9-Octadecensäure
Linolsäure
(Z,Z)-9,12-Octadecadiensäure
1
H 9
COOH
18
H
12
H
15
H
H
H
Linolensäure
(Z,Z,Z)-9,12,15-Octadecatriensäure
Wirkung von Tensiden
Mizelle
Fett
unlöslich in H2O
Seife
löslich in H2O
Fett
löslich gemacht mit Seife in H2O
Carbonsäureamide
Synthesen
O
R C
OH
O
+ NH 3
R C
HNH3
ΔT
O
R C
- H 2O
O
Ammoniumcarboxylat
Carbonsäure
NH 2
P2O5 - H 2O
Carbonsäurenitril R C N
O
R C
Cl
O
+ NHR'2
+ HCl
R C
NR'2
Carbonsäurechlorid
Nomenklatur
O
H C
NH 2
Formamid
H3C C
O
O
H C
NH 2
N CH 3
CH 3
N,N-Dimethylformamid
Acetamid
Cyclische Amide: Lactame
α
β
RNH
NH
O
β-Lactam
(gespannter Vierring,
hydrolyseempfindlich)
O
Penicilline
..
O
R C
: NR2
S CH
3
N
CH 3
COOH
O
N
γ
H
γ-Lactam
α
β
γ
O
NH
δ
ε
ε-Lactam
ε-Caprolactam
(-)
: O:
R C
NR2
(+)
β
α
H
Mesomerie:
Die Amidbindung besitzt partiellen
Doppelbindungscharakter.
Kohlensäure-Derivate
O
+ 2 HCl
H2N NH 2
Harnstoff
(Diamid der Kohlensäure)
Cl + 2 NH3
Cl
Phosgen
(Säurechlorid)
HO OH
H 2CO3
Kohlensäure
NH
H2N
O
O
CO 2H
NH
NH 2
Arginin
α-Aminosäure
O
+ H 2O
H2N
NH 2 + H2N
Harnstoff
CO 2H
NH 2
Ornithin
α-Aminosäure
Harnstoff ist das Endprodukt des Eiweißabbaus bei Menschen und
Säugetieren. Ein erwachsener Mensch produziert ca. 20 g/Tag.
Die Hydrolyse von Arginin ist der letzte Schritt im Harnstoff-Zyklus.