Woche 7 - OC-Ex.-Chem_SoSe_2017 - Philipps
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PD Dr. Alexander Breder ([email protected]) Georg-August-Universität Göttingen SoSe 2017 Veranstaltungsnummer: 15 133 30200 Organische Experimentalchemie Für Studierende der Humanmedizin, Zahnmedizin und Biologie (Lehramt) Marburg, 02. Juni 2017 Fazit der Woche 6: SN1-, SN2-, E1 und E2 Reaktionen Erkennen von Nucleo- und Elektrophilen: Strukturelle Faktoren der SN1/2- und E1/2-Reaktionen: H R1 R2 N R R Amine R R O R Ether H Proton (unbesetztes s-Orbital) R O H Alkohole H O H Wasser H2C C CH3 CH3 tert-Butylkation (unbesetztes p-Orbital) R4 R3 Alken (π-Orbital) H B H H Borhydridion (σ-Orbital) H Br HH Brommethan (H3CBr) (σ*-Orbital) Reaktionsprofile der SN1- und SN2-Reaktion: Strukturelle und physikalische Charakteristika von Alkoholen: WasserstoffBrücken (ca. 20 kJ/mol) OH OH Me OH 1° Alkohol J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg R O Me Me 2° Alkohol Me Me Me 3° Alkohol Dipolmoment H (ca. 1.65-1.77 D) 2 9. Funktionelle Gruppen: Alkohole Strukturelle Merkmale: Aromaten mit OH-Gruppen: OH OH OH OH HO OH OH Phenol 1-Napthol Brenzcatechin Resorcinol OH Hydrochinon Merke: Hydroxylierte (d.h. OH-Gruppen tragende) Aromaten unterscheiden sich in ihrer Reaktivität oft von aliphatischen Alkoholen (z.B. in der Acidität) Acidität von Alkoholen: Säure: pKs: pKb: H2O MeOH 15.7 15,5 15.8 16.2 iPrOH 16.5 17.2 tBuOH 17.0 9.95 17.8 20.7 PhOH (Phenol) R–OH + H 2O R–OH + H 2O H R O H + OH Alkohole sind schwache Basen R O + H 3O Alkohole sind schwache Säuren Quelle für pKb-Werte: http://www.periodensystem-online.de/index.php?sel=wert&prop=pKb-Werte&show=list&el=92&id=acid 9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen 3 9. Funktionelle Gruppen: Alkohole – Synthese Hydratisierung: Me H H H2SO4 H2SO4 + H H 2O Me H Ethen + OH 1-Methylcyclohexen Ethanol wie nennt man die Rückreaktion? (Reaktionsverlauf nach links) Reduktion von Carbonylverbindungen: O Me Br Bromethan ???-ol welche Maßnahmen können Sie ergreifen, um das Reaktionsgleichgewicht nach rechts zu verschieben? Hydrolyse: + OH Struktur ? H 2O Me OH + Br Ethanol nach welchem Mechanismus läuft dieser Prozess ab? 9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen Me Me Wärme Me Me 3,3-Dimethylbutan-2-on (ein Keton) + NaBH4 Ethanol OH Me Me Me Me 3,3-Dimethylbutan-2-ol (ein Alkohol) welches Reagenz fungiert als Nucleophil / Elektrophil? 4 9. Funktionelle Gruppen: Alkohole – Oxidationen Allgemein: OH H R H 1° Alkohol (Alkanol) [O] [O] O R H Aldehyd (Alkanal) O R + H2O OH Carbonsäure (Alkansäure) OH R’ R H 2° Alkohol (Alkanol) [O] O R R’ Die jeweiligen Suffixe der einzelnen funktionellen Gruppen sind farblich markiert Keton (Alkanon) Merke: 1° = primär; 2° = sekundär; 3° = tertiär; [O] = Oxidationsreaktion Beispiel: Vom Alkohol zum Aldehyd/Keton Merke: Im Zuge eines Oxidationsschrittes werden 2 Elektronen (2 e–) und zwei Protonen (2 H+) aus dem Edukt entfernt! –H2O –H+ Dichromatanion J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen 5 9. Funktionelle Gruppen: Alkohole – Oxidationen Allgemein: OH H R H 1° Alkohol (Alkanol) [O] [O] O R H + H2O Aldehyd (Alkanal) O R OH Carbonsäure (Alkansäure) OH R’ R H 2° Alkohol (Alkanol) [O] O R R’ Die jeweiligen Suffixe der einzelnen funktionellen Gruppen sind farblich markiert Keton (Alkanon) Merke: 1° = primär; 2° = sekundär; 3° = tertiär; [O] = Oxidationsreaktion Beispiel: Vom Alkohol zur Carbonsäure –H2O 3° Alkohole sind über derartige Prozesse nicht oxidierbar J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen 6 9. Funktionelle Gruppen: Alkohole – Oxidationen Allgemein: OH H R H [O] R 1° Alkohol (Alkanol) [O] O H R + H2O Aldehyd (Alkanal) OH R’ R H O OH Carbonsäure (Alkansäure) 2° Alkohol (Alkanol) [O] O R R’ Die jeweiligen Suffixe der einzelnen funktionellen Gruppen sind farblich markiert Keton (Alkanon) Merke: 1° = primär; 2° = sekundär; 3° = tertiär; [O] = Oxidationsreaktion Abbau von Methanol und Ethanol im Körper: OH H R H O ADH, NAD+ NADH/H+ R = H: Methanol R = Me: Ethanol R O ADH, NAD+ H NADH/H+ R = H: Formaldehyd R = Me: Ethanal R OH ADH = Alkoholdehydrogenase NAD = Nicotinamidadenindinukleotid R = H: Ameisensäure R = Me: Essigsäure J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen 7 9. Funktionelle Gruppen: Ether Definition: Ether sind organische chemische Verbindungen, die ein oder mehrere Sauerstoffatome besitzen, die ihrerseits an aliphatischen und/oder aromatischen Resten je zweimal einfach gebunden vorliegen. Vertreter dieser Verbindungsklasse, die sich von aliphatischen, acyclischen Alkylresten ableiten (nach IUPAC Alkoxyalkane genannt), besitzen die allgemeine Summenformel (CnH2n+2O). Beispiele: Me O Me Dimethylether (Methoxymethan) Me O Me Diethylether (Ethoxyethan) Me O Me F O Me Me Isopropylmethylether 1-Ethoxy-2-fluorethan (höher substituierte Kette bildet Stamm) (2-Methoxypropan) (längere Kette bildet Stamm) F O O Trivialname: Tetrahydropyran nach IUPAC: Oxacyclohexan Me O O Trivialname: 4-Fluortetrahydropyran nach IUPAC: 4-Fluoroxacyclohexan Trivialname: Anisol (Methoxybenzol) Oxiran (Oxacyclopropan) J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen 8 9. Funktionelle Gruppen: Ether Physikalische Eigenschaften: Ether Struktur Smp. °C Sdp. °C Löslichkeit (in einem Liter H2O) Dimethylether H3C–O–CH3 −138,5 −23,0 70 g 1,30 D Diethylether H5C2–O–C2H5 −116,3 34,4 69 g 1,14 D Di-n-propylether H7C3–O–C3H7 −123,2 90,1 4,9 g 1,32 D Strukturelle Eigenschaften: Ether sind schwache Basen R O R + H 3O Dipolmoment R H O R + H 2O Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Ether 9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen 9 9. Funktionelle Gruppen: Ether – Reaktionen Autoxidation: O H R Startradikal O R’ R O R’ O2 R O H O R R’ O HO R’ Kettenfortpflanzung R O O R’ + R O R’ Saure Etherspaltung: a) b) Me Me Me O Me HBr Me Me Me Br + MeOH Me O HBr Me Me OH + H3C–Br Nach welchen Mechanismen verlaufen diese Reaktionen und warum wird das jeweils dargestellte Halogenalkan bevorzugt gebildet? 9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen 10 9. Funktionelle Gruppen: Ether – Synthesen Williamson-Ethersynthese: a) Br + R O Na Me b) OH O Na NaOH O Me –NaBr + –H2O Methode ist gut geeignet für die Darstellung unsymmetrischer Ether R O O Me Me S O O OMe –NaMeSO4 Name? Methode ist geeignet für die Darstellung symmetrischer Ether Saure Alkoholkondensation: 2x R OH H2SO4 R H O + R H O H R H O R –HSO4 R O R –H Alkoxoniumion 9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen Alkoxoniumion 11 9. Funktionelle Gruppen: Ether – Synthesen Säure-katalysierte Addition von Alkoholen an Alkene: H R H2SO4 R –HSO4 R R + HO H R’ R R’ O R H R’ O R –H R H Methode ist gut geeignet für die Darstellung unsymmetrischer Ether 9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen 12 9. Funktionelle Gruppen: Thiole und Thioether Definition: Thiole sind organisch-chemische Verbindungen, die ein oder mehrere Thiolgruppen (auch Mercaptogruppen) enthalten. Hierbei liegt ein Schwefelatom jeweils einfach zu einem C- und einem H-Atom gebunden vor. Vertreter dieser Verbindungsklasse, die sich von aliphatischen, acyclischen Alkylresten ableiten (sog. Alkanthiole), besitzen die allgemeine Summenformel (CnH2n+2S). Allgemeine Strukturen: H S H Schwefelwassrstoff Spezielle Beispiele: R S H Thiol (Mercaptan) R S R Thioether (Sulfid) Me SH Me Ethanthiol (Ethylmercaptan) S Me Dimethylsulfid (Methylthiomethan) Ph S Me Thioanisol (Methylphenylsulfid) Acidität: Alk SH Ph SH (pKa = 10-11) (pKa = 7) Thiole sind acider als die homologen Alkanole und Phenole 9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen R–SH + NaOH R S Na Thiolation + H 2O 13 9. Funktionelle Gruppen: Thiole und Thioether Bildung von Disulfiden durch Oxidation: [O] 2x R SH R S S Disulfide in der Natur: R [O] = Oxidationsreaktion mögliche Oxidationsmittel: NaBrO3 (Natriumbromat) Br2 (Brom) tBuOOH/Katalysator Die Aminosäure Cystein kann sog. Disulfid-Brücken (auch CystinBrücken) ausbilden. Diese Strukturen sind relevant für die Architektur und Stabilität zahlreicher Proteine. A) Lineare Sequenz des Chlorotoxins (CTX) B) 3D Struktur des CTX mit markierten Disulfidbrücken a) https://de.wikipedia.org/wiki/Disulfidbrücke; b) De Waard et al., Toxins 2015, 7, 1079-1101 9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen 14 9. Funktionelle Gruppen: Thiole und Thioether Oxidation von Sulfiden: R S O S R R’ [O] R’ Thioether (Sulfid) bzw. R O S [O] O S R R’ Sulfon R’ zwei gleichwertige Repräsentationen eines Sulfoxids Sulfoniumsalze: O Merke: Wenn R ≠ R‘ ist, dann handelt es sich beim gezeigten Sulfoxid um eine chirale (also optisch aktive) Substanz Beispiel aus der Natur: H 3N R S Me R’ Thioether (Sulfid) I Me S R R’ I Sulfoniumsalz (aktivierte Methylgruppe) CO2 NH2 N Nu Nu Me –I Die Methylgruppe fungiert als Elektrophil Me S O N N N HO OH S–Adenosylmethionin (aktivierte Methylgruppe) 9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen 15 9. Funktionelle Gruppen: Amine Definition: Bei den Aminen handelt es sich um organische Derivate (Abkömmlinge) des Ammoniaks (NH3). Hierbei liegt mindestens ein Alkyl- oder Arylrest kovalent gebunden am N-Atom vor. Aliphatische Vertreter dieser Verbindungsklasse werden als Alkanamine oder Alkylamine bezeichnet. Es sind jedoch auch viele Trivialnamen gebräuchlich. Allgemeine Klassifikation: H N H H Ammoniak R N H H primäres Amin (R–NH2) R N H R sekundäres Amin (R2NH) R R N R R R N R R tertiäres Amin (R3N) Ammoniumion (R4N+) Beispiele: Me NH2 H Me N Me Me Me N Me Methylamin (Methanamin) Dimethylamin (N-Methylmethanamin) Trimethylamin (N,N-Dimethylmethanamin) 9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen NH2 Anilin (Benzolamin) H NH Piperidin (Azacyclohexan) N Me Nicotin 16 9. Funktionelle Gruppen: Amine Acidität: N Ammoniumsalze NH4 Bu NH3 Ph NH3 H Merke: Je acider ein Ammoniumsalz, desto weniger basisch ist seine konjugierte Base. Et3N H • pKs-Werte = 10.5 11.1 3.8 9.0 3.4 protonierte Ammoniumsalze sind die konjugierten Säuren der jeweiligen Amine Konfigurationsstabilität: R1 R1 N R3 R2 R2 3 N R Merke: Tertiäre Amine mit drei unterschiedlichen Resten sind chiral (optisch aktiv) aber nicht konfigurationsstabil. R4 R1 N R2 R4 R3 R3 N R1 R2 Merke: Quarternisierte Ammoniumsalze mit vier unterschiedlichen Resten sind chiral und konfigurationsstabil. 9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen 17 9. Funktionelle Gruppen: Amine Amine in der Natur: OH OH H 2N OH Ethanolamin (Baustein von Phospholipiden) H 2N SH Me NH OH Cysteamin Adrenalin (Bestandteil von Coenzym A) (Hormon, Neurotransmitter) Me3N OH Cholin (Baustein von Phospholipiden und Neurotransmittern) Morphin (Alkaloid) 9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen 18 9. Funktionelle Gruppen: Amine Stickstoffhaltige Heteroaromaten: Pyrrol Pyridin Pyrazol Pyridazin Imidazol Pyrimidin 9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen Indol Chinolin 19 9. Funktionelle Gruppen: Amine Amine als Nucleophile: R NH3 + R R X R –HX NH2 X –HX R R NH X –HX R R R primäres Amin (nucleophiler als NH3) N R –HX R sekundäres Amin (nucleophiler als R’NH2) tertiäres Amin (nucleophiler als R’2NH) X R N R R Ammoniumion (nicht nucleophil) Merke: Die Nucleophilie von Aminen steigt mit der Anzahl an Alkylresten R Reduktion M N3 + Azidion (Struktur: –N=N+=N–) R X –MX R N3 Alkylazid (nicht nucleophil) 9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen R NH2 Alkylamin (primäres Amin) 20
