Organische Chemie - bei DuEPublico - Universität Duisburg
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Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/03 Campus Essen Skript für die Experimentalvorlesung Organische Chemie II (OCII) im Wintersemester 2003/04 R P Paul Rademacher (Stand 28.02.2005) 2 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Prof. Dr. Paul Rademacher Institut für Organische Chemie, FB 8 – Chemie Universität Duisburg-Essen Campus Essen Universitätsstr. 5-7 45117 Essen Tel. 0201-1832404, Sekretariat 0201-1833082 Fax. 0201-1834252 mailto:[email protected] Hinweis Die Wiedergabe von Abbildungen, Tabellen u. ä. aus dem Lehrbuch E. Breitmaier, G. Jung Organische Chemie 4. Auflage, Thieme, Stuttgart, 2001 erfolgt mit Genehmigung des Verlages. Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 3 Inhaltsverzeichnis Stoffplan der Vorlesung ............................................................................................................. 7 Gliederung der Vorlesung .......................................................................................................... 8 Funktionelle Gruppen (FG)...................................................................................................... 13 Wichtige funktionelle Gruppen und Verbindungsklassen ................................................... 13 Alkohole ................................................................................................................................... 15 Nomenklatur und Eigenschaften von Alkoholen ................................................................. 16 Übersicht .......................................................................................................................... 16 Gesättigte aliphatische Alkohole...................................................................................... 17 Physikalische und physiologische Eigenschaften ............................................................ 17 Verwendung von Alkoholen ................................................................................................ 18 Kulturgeschichte des Alkohols......................................................................................... 18 Industrielle Synthese von Methanol und Ethanol ................................................................ 19 Laborsynthese von Alkoholen.............................................................................................. 20 Reaktionen von Alkoholen................................................................................................... 21 Ether ......................................................................................................................................... 23 Nomenklatur und Eigenschaften von Ethern ....................................................................... 23 Verwendung von Ethern....................................................................................................... 24 Technische Synthesen .......................................................................................................... 24 Laborsynthese....................................................................................................................... 25 Reaktionen von Ethern ......................................................................................................... 25 Carbonsäuren............................................................................................................................ 26 Nomenklatur, Vorkommen und Eigenschaften von Carbonsäuren...................................... 26 Namen ausgewählter Carbonsäuren ................................................................................. 27 Trivialnamen und natürliches Vorkommen einiger Carbonsäuren .................................. 28 Aciditätskonstanten einiger Carbonsäuren....................................................................... 28 Technische Synthesen .......................................................................................................... 28 Laborsynthesen..................................................................................................................... 29 Reaktionen von Carbonsäuren ............................................................................................. 31 Derivate von Carbonsäuren.................................................................................................. 34 Ester.......................................................................................................................................... 36 Eigenschaften und Verwendung von Estern ........................................................................ 36 Siedepunkte ausgewählter Ester....................................................................................... 37 4 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Reaktionen............................................................................................................................ 37 Derivate der Kohlensäure......................................................................................................... 40 Derivate des Harnstoffs ............................................................................................................ 41 Orthoester ................................................................................................................................. 42 Aldehyde und Ketone............................................................................................................... 43 Nomenklatur und Eigenschaften von Aldehyden und Ketonen ........................................... 43 Namen und physikalische Eigenschaften ausgewählter Aldehyde .................................. 44 Namen und physikalische Eigenschaften ausgewählter Ketone ...................................... 45 Siedepunkte von Verbindungen vergleichbarer Molekülgröße und unterschiedlicher Polarität ............................................................................................................................ 46 Synthesen ............................................................................................................................. 46 Reaktionen............................................................................................................................ 47 Oligomerisation/Polymerisation von Aldehyden ............................................................. 47 Keto-Enol-Tautomerie ..................................................................................................... 47 α-Halogenierung .............................................................................................................. 50 Reaktionen mit Nucleophilen........................................................................................... 51 Oxidation und Reduktion von Aldehyden und Ketonen .................................................. 59 Amine ....................................................................................................................................... 63 Nomenklatur, Vorkommen und Eigenschaften von Aminen ............................................... 63 Namen und physikalische Eigenschaften ausgewählter aliphatischer Amine ................. 64 Namen und physikalische Eigenschaften ausgewählter aromatischer Amine (Aniline).. 65 Struktur und Pyramidale Inversion von Aminen.................................................................. 66 Physikalische Eigenschaften von Aminen ........................................................................... 67 Basizität von Aminen ........................................................................................................... 67 Darstellung von Aminen ...................................................................................................... 67 Reaktionen von Aminen....................................................................................................... 70 Phenole ..................................................................................................................................... 76 Nomenklatur und Eigenschaften von Phenolen ................................................................... 76 Darstellung von Phenolen .................................................................................................... 79 Reaktionen von Phenolen..................................................................................................... 82 Chinone .................................................................................................................................... 83 Darstellung von Chinonen.................................................................................................... 84 Redoxreaktionen von Chinonen und Hydrochinonen .......................................................... 85 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 5 Der Bombardierkäfer im Internet......................................................................................... 86 Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK)........................................................... 88 Polycyclische benzoide Arene ............................................................................................. 88 Vorkommen und Gewinnung ............................................................................................... 92 Reaktionen............................................................................................................................ 92 Heterocyclen............................................................................................................................. 96 Hetarene ............................................................................................................................... 97 Pyridin ............................................................................................................................ 100 Pyrrol, Furan, Thiophen ................................................................................................. 103 Synthesen ....................................................................................................................... 106 Aliphatische Heterocyclen ................................................................................................. 108 Kohlenhydrate ........................................................................................................................ 110 Fischer-Projektion .............................................................................................................. 111 Monosaccharide ................................................................................................................. 112 Aldosen und Ketosen ..................................................................................................... 112 Cyclische Halbacetale, Anomere ................................................................................... 116 Oxidation und Reduktion von Monosacchariden........................................................... 120 Acetalbildung, Glykoside............................................................................................... 121 Disaccharide ....................................................................................................................... 122 Cyclodextrine ..................................................................................................................... 125 Polysaccharide.................................................................................................................... 127 Nucleoside, Nucleotide, Nucleinsäuren ................................................................................. 131 Nucleoside und Nucleotide ................................................................................................ 132 Nucleinsäuren, Polynucleotide........................................................................................... 135 Genetischer Code ........................................................................................................... 139 Gene ............................................................................................................................... 141 Aminosäuren und Proteine ..................................................................................................... 142 Struktur und Eigenschaften von α-Aminosäuren............................................................... 142 Proteinaminosäuren............................................................................................................ 144 Trennung von Aminosäuren........................................................................................... 148 Nachweis von Aminosäuren........................................................................................... 148 Synthese von α-Aminosäuren ............................................................................................ 149 Proteine und Peptide........................................................................................................... 150 6 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Peptide............................................................................................................................ 150 Proteine........................................................................................................................... 154 Lipide ..................................................................................................................................... 159 Fettsäuren ........................................................................................................................... 159 Tenside und Detergentien................................................................................................... 160 Prostaglandine ........................................................................................................................ 163 Terpene................................................................................................................................... 165 Beispiele für Monoterpene ................................................................................................. 166 Diterpene ............................................................................................................................ 171 Tetraterpene........................................................................................................................ 172 Polyisoprene ....................................................................................................................... 173 Steroide................................................................................................................................... 175 Alkaloide ................................................................................................................................ 179 Polyketide............................................................................................................................... 184 Farbstoffe ............................................................................................................................... 186 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Stoffplan der Vorlesung 1.) Funktionelle Gruppen 2.) Alkohole 3.) Ether 4.) Schwefelverbindungen 5.) Carbonsäuren und Carbonsäurederivate 6.) Aldehyde und Ketone 7.) Amine 8.) Phenole, Phenolether, Chinone 9.) Mehrkernige Aromaten 10.) Heterocyclen 11.) Kohlenhydrate 12.) Nucleinsäuren 13.) Aminosäuren, Peptide, Proteine 14.) Lipide, Wachse, Fette, Seifen, Tenside 15.) Prostaglandine 16.) Terpene, Steroide 17.) Alkaloide 18.) Polyketide 19.) Farbstoffe 7 8 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Gliederung der Vorlesung 1.) Funktionelle Gruppen (FG) Stoffklasse - charakteristische Struktureinheit - funktionelle Gruppe Namen der Stoffklasse und der FG Beispiele. Mono-, di-, polyfunktionelle Verbindungen 2.) Alkohole Beispiele für primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole. Nomenklatur. Struktur. Mono, Di- und Polyole. Physikalische Eigenschaften. Polarität, Acidität und Basizität, Dipol-Assoziation, H-Brücken. Schmelz- und Siedepunkte. Verwendung Industrielle Synthese von Methanol und Ethanol, alkoholische Gärung, Laborsynthesen, Reaktionen: Substitution der OH-Gruppe, Dehydratisierung zu Alkenen und Ethern Darstellung von Glykolen 3.) Ether Wichtige Beispiele, Nomenklatur, Struktur, physikal. Eigenschaften, Verwendung Technische und Laborsynthesen, Reaktionen 4.) Schwefelverbindungen Alkanthiole (Mercaptane) und Dialkylsulfide (Thioether) als Derivate des Schwefelwasserstoffs. Vorkommen, Alliin und Allicin als Bestandteile des Knoblauchs, physikalische Eigenschaften, Darstellung, Reaktionen. Oxidation von Thiolen und Sulfiden. Sulfonsäuren, DMSO als Lösungsmittel, Sulfone 5.) Carbonsäuren und Carbonsäurederivate Carbonsäuren: Beispiele, Nomenklatur, Struktur, physikal. Eigenschaften, Acidität, technische Synthese von Ameisen-, Essig- und Propionsäure, Laborsynthesen, Oxidation von prim. Alkoholen und Aldehyden, aus GrignardVerbindungen, Hydrolyse von Nitrilen, Hydrolyse von Carbonsäurederivaten, Oxidation von Alkenen und von Alkylaromaten Reaktionen, Decarboxylierung, Reduktion, α-Halogenierung, Substitution der OHGruppe, saure Veresterung Carbonsäureester, -amide, -halogenide, -anhydride: Darstellung und Reaktionen Ester: Eigenschaften und Verwendung, alkalische Esterhydrolyse (Verseifung), Claisen-Kondensation, β-Ketoester, Dieckmann-Kondensation. Alkylierung von Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 9 Malonester Derivate der Kohlensäure: Phosgen, Kohlensäureester, Harnstoff, Carbamidsäureester (Urethane), Polyurethane, Orthoester 6.) Aldehyde und Ketone Beispiele, Nomenklatur, Struktur, physikalische Eigenschaften Darstellung, Oxidation von Alkoholen, Reduktion von Carbonsäurederivaten, Ozonolyse von Alkenen Keto-Enol-Tautomerie, 1,3-Diketone, Bestimmung des Enolisierungsgrades, αHalogenierung, Haloformreaktion von Methylketonen Reaktionen mit Nucleophilen, Säurekatalyse, Hydratisierung, Acetal-/Ketalbildung, Schutzgruppenfunktion der Acetale/Ketale, Addition von Hydrogensulfit, Addition von HCN, Synthese von α-Hydroxy- und α-Aminocarbonsäuren, Reaktionen mit Ammoniak und primären Aminen (Aminale), Reaktionen mit Hydrazin und Hydroxylamin (Hydrazone, Azine, Oxime), Reaktion mit sek. Aminen (Enamine), Reaktion mit Grignard-Verbindungen, Wittig-Reaktion, McMurry-Reaktion, AldolReaktion, Knoevenagel-Reaktion, Perkin-Reaktion, Mannich-Reaktion, α,βungesättigte Carbonylverbindungen, Michael-Reaktion, Cannizzaro-Reaktion, Clemmensen- und Wolff-Kishner-Reduktion, Baeyer-Villiger-Oxidation von Ketonen zu Estern 7.) Amine Primäre, sekundäre und tertiäre Amine als Derivate des Ammoniaks, Beispiele, Nomenklatur, Struktur, pyramidale Inversion, chirale Amine Physikalische Eigenschaften. Siedepunkte, Basizität von prim., sek. und tert. Aminen Darstellung, Alkylierung von Ammoniak, Gabriel-Synthese prim. Amine, Reduktion von Nitroverbindungen, Nitrilen, Amiden und Iminen, reduktive Alkylierung von Ammoniak und Aminen (Leuckart-Wallach-Reaktion), aus Carbonsäurederivaten, Hofmann-, Curtius-, Schmidt-Abbau Reaktionen. Darstellung von Amiden und Sulfonamiden, Reaktion mit salpetriger Säure: prim., sek., tert. Amine, Eigenschaften von Diazonium-Verbindungen, Oxidation von Aminen, Cope-Reaktion, Hofmann-Abbau quartärer Ammoniumhydroxide, Diazotierung aromat. Amine, Azokupplung, SandmeyerReaktion, Schiemann-Reaktion 10 8.) Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Phenole, Phenolether, Chinone Phenole, Beispiele, Nomenklatur, Eigenschaften, Verwendung, Acidität, Darstellung. Nucleophile aromatische Substitution, Eigenschaften von Dehydrobenzol, Hocksche Phenolsynthese. Reaktionen, Williamsonsche Ethersynthese, Reimer-TiemannReaktion, Phenol-Formaldehyd-Harze Chinone, Beispiele, Nomenklatur, Darstellung, Redoxreaktionen 9.) Mehrkernige Aromaten Benzoide und nichtbenzoide Arene, Beispiele, Nomenklatur Acene, Beispiele, Eigenschaften, Struktur, Mesomerieenergie, lineare und angulare Anellierung, Reaktionen, elektrophile Substitution am Naphthalin, Oxidation und Reduktion von Naphthalin, Darstellung von Anthracen, Diels-Alder-Reaktion von Anthracen, Darstellung von Triptycen 10.) Heterocyclen Carbocyclen, Isocyclen, Heterocyclen Aromatische Heterocyclen (Hetarene), Furan, Pyrrol, Thiophen, Pyridin, Azine, Indol, Carbazol, Chinolin, Acridin. Vorkommen, Verwendung, Eigenschaften Pyridin, Basizität, Nucleophilie, elektrophile Substitution, nucleophile Substitution, Oxidation, Reduktion Furan, Pyrrol, Thiophen, Reaktion mit Säuren, elektrophile Substitution, Reduktion (Hydrierung), Oxidation von Thiophen, Diels-Alder-Reaktionen, Darstellung Aliphatische Heterocyclen, Beispiele, Darstellung von Drei- und Vierringverbindungen 11.) Kohlenhydrate Vorkommen und Bedeutung, Photosynthese Aldosen und Ketosen, Polyhydroxy-aldehyde und -ketone Fischer-Projektion, D,L-System bei Verbindungen mit mehreren Chiralitätszentren Monosaccharide CnH2nOn mit n = 3 - 7, D-Aldosen, D-Ketosen, Bedeutung der DGlucose Cyclische Halbacetale, Furanosen und Pyranosen, Haworth-Projektion, α- und β−Form (Anomere), Mutarotation der Glucose und der Fructose Reaktionen, Fehlingsche Probe, Unterscheidung von reduzierenden und nichtreduzierenden Zuckern, Oxidation und Reduktion von Glucose, Acetalbildung, Glykoside, Synthese von Ascorbinsäure (Vitamin C) Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 11 Disaccharide, Saccharose, Rohrzuckerinversion, Lactose, Maltose, Cellobiose Oligosaccharide, Cyclodextrine Polysaccharide, Cellulose, Stärke, Amylose, Amylopektin, Glykogen, Inulin 12.) Nucleinsäuren Vorkommen, Bedeutung, Träger der genetischen Information, Eigenschaften Nucleosid, Nucleotid, Polynucleotid, β-D-Ribose, β-D-Desoxyribose, Pyrimidin- und Purin-Basen, Adenosin-mono-, -di- und -triphosphat (AMP, ADP, ATP), Primärstruktur von RNA und DNA, Sekudärstruktur von DNA, Doppelhelix, Basenpaarung, H-Brücken, Genetischer Code, Proteinbiosynthese 13.) Aminosäuren, Peptide, Proteine Struktur und Eigenschaften von α-Aminosäuren, anionische, zwitterionische, kationische Form, isoelektrischer Punkt, proteinogene Aminosäuren, essentielle Aminosäuren, Trennung von Aminosäure-Gemischen, Ninhydrin-Reaktion, Komplexbildung mit Cu(II)ionen Synthese von α-Aminosäuren, Racematspaltung Peptide und Proteine als Kondensations-Oligomere und -Polymere von αAminosäuren, Sequenzanalyse von Peptiden, Synthese von Peptiden, Schutzgruppentechnik, Merrifield-Synthese Sekundärstruktur von Proteinen, β-Faltblatt, α-Helix, Disulfidbrücken 14.) Lipide, Wachse, Fette, Seifen, Tenside Fettsäuren, Beispiele, gesättigte und ungesättigte, Eigenschaften, Biogenese aus Acetyl-Coenzym A, Ester der Fettsäuren, Fettalkohole, Verseifung von Fetten, Seifen, Olestra (Fettsäurepolyester der Saccharose) Tenside, Grenzflächenaktivität von Tensiden, Oberflächenspannung des Wassers, Detergentien, anionische, kationische, amphotere, nichtionische Tenside, Bildung von Micellen und Vesikeln 15.) Prostaglandine Vorkommen, Eigenschaften, Verwendung, Biogenese, Beispiele, Nomenklatur 16.) Terpene und Steroide Terpene, fette und etherische Öle, Vorkommen und Verwendung von Terpenen, Isoprenregel, Biogenese, Mevalonsäure, Monoterpene, Beispiele, Stereoisomere des Menthols, Diterpene, Retinol (Vitamin A), cis/trans-Isomerie von Retinal (Sehvorgang), Tetraterpene, Beispiele, Polyisoprene, Kautschuk, Guttapercha 12 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Steroide, Bildung von Lanosterol aus Squalenoxid, Cholesterol, Verknüpfung der vier Ringe, Stereoisomere des Sterans, Beispiele, Sterole und Sterone, Sexualhormone, anabole Steroide 17.) Alkaloide Vorkommen, Eigenschaften, Verwendung, Biogenese von Morphin, Beispiele, Isochinolin-Alkaloide, Purin-Alkaloide, Chinolin-Alkaloide, LSD u.a. 18.) Polyketide Beispiele, Tetracycline 19.) Farbstoffe Lichtabsorption und Farbe, natürliche Farbstoffe, Anthocyane, Carotenoide, Chinone, Melamine, Porphyrine, Indigo Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Funktionelle Gruppen (FG) • enthalten häufig Heteroatome (≠ C, H) wichtige Heteroatome sind O, N, S, P, Hal, .... • prägen die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Verbindungen Nach ihnen werden deshalb die Stoffklassen der organischen Chemie unterschieden. Monofunktionelle difunktionelle polyfunktionelle Verbindungen z.B. Alkohole Aminosäuren Zucker Wichtige funktionelle Gruppen und Verbindungsklassen Funktionelle Gruppe Name Alkyl- Verbindungsklasse Alkane >C=C< -C≡C- AlkenylAlkinylAryl- Alkene Alkine Arene -Hal Halogen- Halogenkohlenwasserstoffe -OH Hydroxy- Alkohole, Phenole -OR Alkoxy- Ether -SH Thiol- / Mercapto- Thiole, Mercaptane -SR Alkylthio- Sulfide, Thioether -S-S-R Disulfanyl- Disulfide -SO3H Sulfo- Sulfonsäuren -NH2 Amino- Amine -N=N- Diazenyl- Azoverbindungen -NO2 Nitro- Nitroverbindungen -N=C=O Isocyanato- Isocyanate >C=O Carbonyl- Aldehyde, Ketone, ..... >C=S Thiocarbonyl- Thioaldehyde, Thioketone >C=NH Imino- Imine, Schiffsche Basen C H 13 14 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 -CO-OH Carboxy- Carbonsäuren -CO-OR Alkoxycarbonyl- Carbonsäureester -CO-SR Thioalkoxycarbonyl- Thioester -CO-NR2 Aminocarbonyl- Amide -C≡N Cyan-, Nitril- Nitrile -MgCl Chloromagnesio- Grignard-Verbindungen -SiR3 Silanyl-, Silyl- Silane Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Alkohole Charakteristisches Strukturelement: 107° H C O 92 pm 143 pm Allgemeine Formel: CnH2n+1OH IUPAC Name für gesättigte aliphatische Alkohole: Alkanol Alhohole, R-OH, sind Derivate des Wassers. Die polare OH-Gruppe macht Alkohole hydrophil. Sie mischen sich mit Wasser, und lösen andere polare Verbindungen. Die Hydrophilität des Alkohols nimmt mit wachsender Länge der Kohlenwasserstoffkette ab. 15 16 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Nomenklatur und Eigenschaften von Alkoholen Übersicht Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Gesättigte aliphatische Alkohole Physikalische und physiologische Eigenschaften Die niederen Alkohole sind Flüssigkeiten mit charakteristischem Geruch und Geschmack. Ihre Eigenschaften lassen sich aus der Verwandtschaft mit dem Wasser herleiten. Sie besitzen einen relativ hohen Siedepunkt. Sie sind in Wasser gut löslich. Dipol-Dipol-Assoziation R R H O H O H O Ausbildung von Wasserstoffbrücken R Acidität und Basizität der Alkohole entsprechen ungefähr dem Wasser. Alkohole sind gesundheitsschädlich und teilweise äußerst giftig. 25 Gramm Methanol sind schon lebensgefährlich; geringere Mengen führen zur Erblindung. 17 18 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Die Schmelzpunkte der n-Alkanole bis 1-Octanol sind niedriger als derjenige des Wassers. Beim Propanol liegt ein Minimum. Mit der Kettenlänge von R steigt der Siedepunkt an. Siedepunkte von primären Alkoholen ~ Kettenlänge nimmt die Dipolassiziation ab die Tendenz zur Ausbildung von Wasserstoffbrücken ab die Löslichkeit in Wasser ab die van der Waals-Wechselwirkung zu Verwendung von Alkoholen Alkohole werden in der chemischen Industrie, als Lösungsmittel und als Frostschutzmittel eingesetzt. Alkohole sind wichtige Lösungsmittel und Synthesereagenzien Lösungsmittel: denaturierter (vergällter) Alkohol. Ethanol mit Zusätzen wie Pyridin (Brennspiritus), Etylmethylketon (MEK), Benzin o.a. Alkohole sind polare, protische Lösungsmittel. Genussmittel: Alkoholische Getränke wie Sekt, Wein, Bier, Branntwein, Spirituosen enthalten bis zu 80 % Ethanol. In Deutschland sterben jährlich etwa 16.000 Personen durch Alkohol-Missbrauch. Kulturgeschichte des Alkohols Die ersten Völker, die gezielt alkoholische Getränke herstellten, waren die Ägypter und Sumerer. Sie produzierten Bier, später auch Wein. Im Mittelalter wurde die Destillation erfunden, dadurch war es möglich, den Spiritus vini (Geist des Weines) aus Wein zu herzustellen. Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 19 Industrielle Synthese von Methanol und Ethanol CO + 2 H2 Synthesegas Cu/ZnO/Cr2O3 H3C OH Hitze/Druck Methanol HgSO4 O HC CH + H2O H3C C H2/Ni H3C H Acetaldehyd Ethin H2C CH2 + H2O CH2 OH Ethanol H3PO4/Kieselgel H3C CH2 OH 300 °C Ethen Methanol: In Deutschland lag die Produktion im Jahre 2000 bei 1.93 Mio. t. Ethanol: In der BRD wurden 1990 104000 t synthetisches Ethanol hergestellt. Alkoholische Gärung, "Weingeist", spiritus vini, aus Zucker (Glucose, Stärke nach enzymatischem Abbau) C6H12O6 C6H12O6 Hefe anaerob Hefe aerob 2 C2H5OH + 2 CO2 schwach exotherme Reaktion 6 CO2 stark exotherme Reaktion + 6 H2O Die alkoholische Gärung erfolgt nur unter anaeroben Bedingungen. Weltweit werden etwa 12.6 Mio. jato (1994) Ethanol aus Agrarprodukten wie Melasse, Rohrzucker, Zuckerrüben, Trauben, Beeren, Kartoffeln, Reis, Mais usw. oder aus Produkten der Holzverzuckerung und aus Sulfitablaugen (sog. Laugenbranntwein) durch Fermentation erzeugt. 20 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Laborsynthese von Alkoholen 1.) Hydratisierung von Alkenen H3C-CH=CH2 + H2 O H3C H+ CH CH3 Markownikow-Regel OH H2O2 (R-CH2-CH2)3B 3 R-CH=CH2 + BH3 3 R-CH2-CH2-OH Oxidation Hydroborierung elektrophile Addition 2.) Hydrolyse von Alkylhalogeniden R-X + H2O Æ R-OH + HX nucleophile Substitution 3.) Reduktion von Aldehyden und Ketonen R CH=O R2C=O NaBH4 R CH2-OH oder H2/Ni R2CH-OH 4.) Aus Carbonylverbindungen und Grignard-Verbindungen R'-X + Mg Ether R CH=O + R'-MgX R' R C O MgX H R' R2C=O + R'-MgX R C O MgX R Umpolung: R-X → R-MgX H2O H2O R' R C O H H R' R C O H R 21 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Reaktionen von Alkoholen Versuche: Mischbarkeit mit Wasser, Reaktion mit Na 1.) mit Säuren und Basen + R-OH + H+ H R O Alkyloxonium-Ion H R O Na(+) + 1/2 H2 R-OH + Na Natriumalkoholat Natriumalkoxid Reaktive Alkali-Metalle (z.B. K) nicht mit MeOH sondern mit t-BuOH vernichten! 2.) mit Halogenwasserstoff + H R O R-OH + HX R-X + H2 O X- H Alkyloxonium-Ion nucleophile Substitution: SN1, SN2 3.) Dehydratisierung - H2O H(+) H OH + C + H H O H H ROH/ - H(+) OR H Ether Alken SN1 E1 4.) Reaktion mit Thionylchlorid SOCl2 X(-) - H(+) H X SN1 evtl. Umlagerung in ein anderes Carbeniumion und Bildung weiterer Produkte 22 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 R-OH + SOCl2 R O S - HCl R-Cl + SO2 O Cl Alkylchlorsulfit Ionenpaarmechanismus, kann als SNi-Mechanismus ablaufen, Erhaltung der Konfiguration 5.) Veresterung mit Schwefelsäure R-OH + HO-SO3H R O SO3H - H2 O Alkylhydrogensulfat R-OH (RO)2SO2 - H2 O Dialkylsulfat 6.) Oxidation R CH2 OH O Ox. R C Ox. O R C H prim. Alkohol R CH OH OH Aldehyd Ox. R sek. Alkohol R C O Carbonsäure spez. Ox. R Keton R O C R Ester Ox. z.B. Na2Cr2O7/H2SO4 ("Chromsäure"), MnO2, Ca(OCl)2 o.a. 7.) Darstellung von zweiwertigen Alkoholen, 1,2-Diolen, Glykolen Hydroxylierung von Alkenen cis-, trans-1,2-Diole: siehe Vorlesung OCI Dreiwertige Alkohole, Triole wichtigstes Triol: 1,2,3-Propantriol, Glycerin in Fetten und Ölen: siehe Kap. 14. Aromatische Alkohole Phenole Ar-OH: siehe Kap. 11. O 23 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Ether Charakteristisches Strukturelement: 143 pm C O 112° C Allgemeine Formel: CnH2n+2O R1−O−R2: R1 = R2 symmetrische oder einfache Ether R1 ≠ R2 unsymmetrische oder gemischte Ether. Nomenklatur und Eigenschaften von Ethern Verbindung Name CH3OCH3 Dimethylether CH3OCH2CH3 Ethylmethylether CH3OC(CH3)3 Methyl-t-butylether (MTBE)*) (CH3CH2)2O Diethylether Schme1zpunkt Siedepunkt °C °C 138.5 –23 10.8 –109 55 –116.6 34.5 CH3CH2OCH2CH2CH3 Ethylpropylether –79 63.6 (CH3CH2CH2)2O Dipropylether –122 91 [(CH3)2CH]2O Diisopropylether –86 68 (CH3CH2CH2CH2)2O Dibutylether –95 142 *) IUPAC-Name: tert-Butylmethylether Kompliziertere Ether werden häufig als Alkoxyalkane bezeichnet. Z. B. O O 2-Methyl-1-propoxy-butane O 2-Methoxy-1-propoxypropane Vergleich der Siedepunkte von Wasser, Ethanol und Diethylether 24 Sdp. / °C Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 H2O C2H5OH C2H5OC2H5 100 78 34.5 Die Sdp. der Ether liegen immer erheblich tiefer als die der entsprechenden Alkohole. Verwendung von Ethern Ether sind Derivate des Wassers. Sie besitzen jedoch keine OH-Gruppe, können also keine Wasserstoffbrücken ausbilden. Sie reagieren neutral und sind in Wasser nicht oder nur wenig löslich. Ether sind polare, aprotische Lösungsmittel. Ether sind gegenüber Alkalimetallen inert und lassen sich mit Natrium-Draht trocknen. Die meisten organischen Verbindungen sind in Ether löslich. Versuch: "Ausethern", Extraktion von Substanzen aus wässriger Lösung mit Ether. Diethylether ("Äther") besitzt einen angenehm süßlichen Geruch. Der Arzt Crawford Williamson Long verwendete am 30. März 1842 zum erstenmal Diethylether als Anästetikum ("Äthernarkose"). Hoffmannstropfen (Hausmittel gegen Unwohlsein): Ether+Ethanol (3 : 1) Me-O-tBu (MTBE) und Et-O-tBu im Benzin (bleifrei), erhöht die Oktanzahl Technische Synthesen 1.) Intermolekulare Dehydratisierung von Alkoholen R OH H2SO4 R2O + H2O 140 °C 2.) Addition von Alkoholen an Alkene 25 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Al2O3 R OH + H2C CMe2 Isobuten RO CMe3 200 °C R= CH3 : MTBE Laborsynthese Williamson-Synthese (1850) R1-O(-)Na(+) + X-R2 R1-O-R2 + NaX nucleophile Substitution SN1 oder SN2 X = Cl, Br, I am reaktivsten sind tert. Alkyliodide Reaktionen von Ethern 1.) Peroxidbildung Ether mit α-H-Atomen bilden mit Luftsauerstoff explosive Peroxide. Testen mit KI-Papier (Peroxid-Teststreifen). Reduktiv beseitigen. Me-CH2-O-Et O2 O Et CH OOH Me nx Hydroperoxid - n EtOH Kondensation Me O O O O 1/2 n Me Versuch: Nachweis von Peroxiden 2.) Etherspaltung H + R O R' + HX R O R' X(-) Dialkyloxonium-Salz X(-) muss ein gutes Nucleophil sein. R-X + R'-OH HX R'-X + H2 O Günstig für gezielte Etherspaltung: HBr, HI. Hohe Acidität der Säure, hohe Nucleophilie der korresponiderenden Base X(-). 26 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Carbonsäuren Charakteristisches Strukturelement: 135 pm R C 96 pm O H 121 pm O Allgemeine Formel für R = H oder Alkyl: CnH2n+1CO2H IUPAC-Name: Alkansäure Nomenklatur, Vorkommen und Eigenschaften von Carbonsäuren Sehr viele Carbonsäuren kommen in der Natur vor. Für sie und ihre Salze sind Trivialnamen gebräuchlich! Höhere Carbonsäuren (Fettsäuren) kommen in Ölen, Wachsen und Fetten vor. Die Carbonsäuren mit einem bis drei Kohlenstoffatomen besitzen einen stechenden Geruch. Diejenigen mit vier bis neun C-Atomen riechen ranzig bis schweißartig. Die Siedepunkte liegen relativ hoch. Carbonsäuren sind im flüssigen und festen Zustand über Wasserstoffbrücken assoziiert. In der Gasphasen können Wasserstoffbrücken-Dimere vorliegen. O H R C O H O O C R Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Namen ausgewählter Carbonsäuren 27 28 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Trivialnamen und natürliches Vorkommen einiger Carbonsäuren Aciditätskonstanten einiger Carbonsäuren Carbonsäure Name pKa-Wert H−CO2H Ameisensäure 3.75 CH3−CO2H Essigsäure 4.75 FCH2−CO2H Fluoressigsäure 2.59 ClCH2−CO2H Chloressigsäure 2.85 Cl2CH−CO2H Dichloressigsäure 1.48 Cl3C−CO2H Trichloressigsäure 0.70 BrCH2−CO2H Bromessigsäure 2.90 ICH2−CO2H Iodessigsäure 3.17 NC−CH2−CO2H Cyanessigsäure 2.45 C6H5−CH2−CO2H Phenylessigsäure 4.28 H2N−CH2−CO2H Aminoessigsäure (Gycin) 9.78 CH3−CH2−CO2H Propionsäure 4.87 C6H5−CO2H Benzoesäure 4.19 Elektronenacceptor-Substituenten erhöhen die Acidität. Elektronendonor-Substituenten erniedrigen die Acidität. Versuch: Acidität von Carbonsäuren Technische Synthesen Ameisensäure Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 H3O+ 100 °C NaOH + CO HCO2 8 bar -Na+ HCO2H Natriumformiat Natronlauge Analog lassen sich auch höhere Carbonsäuren gewinnen: NaOR + CO H3O+ 100 °C RCO2 8 bar -Na+ RCO2H Natriumcarboxylat Natriumalkoholat Essigsäure Monsanto-Verfahren: Carbonylierung von Methanol CH3OH + CO Rh Methanol CH3CO2H I- Enzymatische Oxidation, Weinessig C2H5OH + O2 Ethanol Acetobacter CH3CO2H + H2O oder andere Essigsäurebakterien Propionsäure Ni(CO)4 H2C CH2 + CO + H2O 250 °C/150 bar Ethen CH3CH2CO2H Laborsynthesen 1.) Oxidation von primären Alkoholen oder Aldehyden R-CH2OH Ox. RCH=O Ox. RCO2H 2.) Aus Grignard-Verbindungen δ+ δ− R X + Mg δ− R δ+ Mg X CO2 R CO2 - Mg2+X- Ether "Umpolung" von R H2O R CO2H 29 30 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 3.) Hydrolyse von Nitrilen (Cyaniden) R X + O R C Carbonsäureamid NH2 H2O/H3O+ CN R CN- H2O R CO2H + NH3 bzw. Ammoniumcarboxylat R CO2- NH4+ Die Reaktion ist umkehrbar! Darstellung von Amiden und Nitrilen. 4.) Hydrolyse von Carbonsäure-Derivaten O R C O + H2O R C X + HX OH O-CO-R X: OR' NH2 Hal Ester Amid Acylhahogenid Anhydrid 5.) Oxidation von Alkenen KMnO4 CO2H CO2H Cyclohexen Hexandisäure (Adipinsäure) 6.) Oxidation von Alkylaromaten CO2H CH3 KMnO4 Terephthalsäure CH3 p-Xylen CO2H Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Reaktionen von Carbonsäuren 1.) Decarboxylierung, Abspaltung der funktionellen Gruppe ∆T RCO2H RH + CO2 erfordert bei unsubstituierten Carbonsäuren hohe Temperaturen. Einfacher, wenn der αKohlenstoff elektronenziehende Substituenten besitzt. R CH CO2H RCH2-X + CO2 100 - 150 °C X X = Hal, NO2, CN, CO2H 2.) Reduktion/Oxidation Carbonsäuren werden nicht katalytisch hydriert! RCO2H + H- LiAlH4 H LiAlH4 R C O Ether H R C O OH + OH- H H2O R-CH2-OH primärer Alkohol Versuch: Oxidation von Ameisensäure HCO2H + 2 Ag+ + 2NH3 CO2 + 2 NH4+ + 2Ag0 3.) Substitution der OH-Gruppe O R C O + SOCl2 OH R C + HCl + SO2 Cl PCl3 PCl5 Acylhalogenid P(OH)3 POCl3 Mit Thionylchlorid entstehen nur gasförmige Nebenprodukte. Acylhalogenide (Carbonsäurehalogenide) sind sehr reaktive, wichtige Reagenzien, Acylierungsmittel 4.) Reaktion des Alkylrestes, Hell-Vollhard-Zelinskii-Reaktion (1881) 31 32 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Der α-Kohlenstoff ist relativ reaktiv. Es erfolgt ganz überwiegend α-Substitution. O Br2 C C OH H O + C C PBr3 Br HBr OH Statt PHal3 kann eine katalytische Menge roter Phosphor eingesetzt werden, der sich mit dem Halogen zum Phosphortrihalogenid umsetzt. Nucleophile Substitution am sp2-hybridisierten C-Atom. Mehrstufiger Mechanismus, zumeist Gleichgewichtsreaktionen Mechanismus 1. Schritt Zunächst wird das Säurehalogenid gebildet. O O + C C 3 PBr3 3 OH H + C C H H3PO3 Br 2. Schritt Keto-Enol-Tautomerie des Säurehalogenids. Freie Carbonsäuren tautomerisieren in der Regel nicht. H+ OH O C C C C Br Br H 3. Schritt Addition von Halogen an das Enol OH O C C + Br Br + Br2 C C Br HBr 4. Schritt Durch Austausch des Halogens der Acylgruppe wird ein weiteres Carbonsäuremolekül aktiviert. O C C Br Br O + C C H OH O C C Br OH + O C C Br H Literatur: T. Laue und A. Plagens, Namen- und Schlagwort-Reaktionen der Organischen Chemie, Teubner Studienbücher Chemie, 3. Aufl., B.G. Teubner, Stuttgart 1999. Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 33 5.) Nucleophile Substitution am sp2-hybridisierten Kohlenstoffatom. Mehrstufiger Mechanismus, zumeist Gleichgewichtsreaktionen. O R C + Y(-) OH R O C Y + HO(-) Allgemeines Reaktionsschema für Carbonsäuren Säure O R C C O H H Base Elektrophil Die α-Protonen sind aktiviert, gilt allgemein für Carbonylverbindungen, sind substituierbar (~ elektrophil) 6.) Saure Veresterung O H(+) + HOR' R C O R C + H2O OR' OH Gleichgewichtsreaktion. Protonen/Säure-Katalyse. Abspaltung von H2O. Mechanismus? Mehrstufig. Woher stammt das Sauerstoffatom im H2O? Diese Frage wurde durch Isotopenmarkierung beantwortet. Esterhydrolyse O O R C O R' + H2O R C + H O R' O H O = 18O Bei der Esterhydrolyse wird die Bindung zwischen dem Alkoxy-O-Atom und der AcylGruppe gespalten. Bei der Veresterung der Carbonsäure stammt das O-Atom des gebildeten Wassers also aus der Carbonsäure. Allgemein bei Esterhydrolyse: O-Acyl-Spaltung. Selten: O-Alkyl-Spaltung O R C O-Acylspaltung: Normalfall O R' O-Alkylspaltung erfolgt nur, wenn R'(+) ein stabiles Carbenium-Ion ist. 34 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Wichtiger Mechanismus! O + + H(+) R C O H O H R C O H R C + O H - H(+) O H Durch die Protonierung wird die Carbonylgruppe für einen nucleophilen Angriff aktiviert. H O + + H2O OH R C - H(+) R' OH OH + H(+) R C O H O + R'OH - R'OH - H(+) R C OH R' OH + H + H(+) O R' - H2O + O H O H R C - H(+) O R C R C + O R' O R' O R' + H(+) Versuch: Die Protonierung der Carbonsäure kann unterschiedlich erfolgen: + O R C O O H + H(+) O H R C oder + O H - H2O O H H Derivate von Carbonsäuren Wichtige Beispiele: O R C X X = OR' Carbonsäureester Carbonsäureamide NR'2 Hal Carbonsäurehalogenide O-CO-R' Carbonsäureanhydride Darstellung (formal!) durch nucleophile Substitution + R C O R C Acylium-Ion stabil bei R = Ar Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 O R C O + HX R C OH + H2O X Die direkte Umsetzung gelingt nicht immer. Die Carbonsäure ist nicht reaktiv genug. Protonenkatalyse (vgl. Veresterung): Nucleophil wird protoniert. Das Nucleophil muss acyliert werden. Gute Acylierungsmittel sind Acylhalogenide O R C O + HX R C Hal + HHal X Beispiele: + H2O → R-CO2H Carbonsäure + H2O2 → R-CO3H Peroxysäure + HOR' → R-CO2R' Ester + NH3 → R-CONH2 primäres Amid + H2NR' → R-CO-NHR' sekundäres Amid + HNR2' → R-CONR2' tertiäres Amid Versuch: Acetylchlorid + NH3 bzw. H2O Diese Reaktionen sind auch bei anderen Carbonsäurederivaten möglich. Allgemein: O R C O + HY X R C + HX Y Für diese Reaktionen gilt generell, dass sie einer Säure-Katalyse unterliegen. Es sind aber auch direkte Umsetzungen mit Nucleophilen möglich. O R C O + Y(-) X R C + X(-) Y Beispiele sind die Esterverseifung (alkalische Hydrolyse) und die Ammonolyse sowie die Aminolyse eines Esters. 35 36 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 O + NaOH R C OR' R CO2Na + R'OH Seife: Alkalisalz einer Fettsäure O O R C + NH3 R C OR' + R'OH NH2 Amid Carbonsäureamide sind nicht basisch sondern schwach sauer. Die Protonierung mit einer starken Säure erfolgt am O-Atom. O O R C R C + NH2 NH2 R=H Formamid CH3 Acetamid Ph Benzamid Ester Charakteristisches Strukturelement: 135 pm R C 143 pm R' O 121 pm O IUPAC-Name: Alkylalkanoat. Beispiel R = CH3, R' = C2H5: Ethylethanoat (andere Namen: Essigsäureethylester, Essigester, Ethylacetat) Eigenschaften und Verwendung von Estern Einfache Ester sind in der Regel flüssig und haben relativ niedrige Siedepunkte. Z.B. CH3-CO2C2H5 Sdp. 77° C, Schmp. –84° C. Sie sind in Wasser nicht löslich. Verwendung als Lösungsmittel (Lacke). Höhere Ester: Weichmacher für Kunststoffe, z.B. Phthalester Ester besitzen einen angenehm fruchtartigen Geruch. Sie sind Aromastoffe und Duftstoffe. Sie kommen verbreitet in Pflanzen, Blüten und Früchten vor. Das Aroma reifer Erdbeeren enthält z. B. ca. 100 Substanzen, darunter befinden sich mehrere Ester. Natürliche Aromen bestehen zumeist aus Gemischen zahlreicher Stoffe. 37 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Beispiel: Kaffeearoma: 600–700 Verbindungen Birnenaroma: Das aus reifen Birnen erhältliche etherische Öl enthält Alkohole, Ester, Monoterpene (Pinen, Phellandren, Dipenten), Sesquiterpene (Cadinen, Guajazulen), sowie als aromabestimmende Bestandteile den Methyl- und Ethylester der trans-2-cis-4-Decadiensäure (sog. Birnenester) und Hexylacetat. O R R = C5 H11 R' R' = CH3 oder C2H5 O Aroma von Carbonsäureester Ester Aroma Ameisensäureethylester Rum Essigsäure-n-butylester Orange Essigsäureisobutylester Banane Buttersäuremethylester Apfel Buttersäureethylester Ananas Buttersäureisoamylester Birne Siedepunkte ausgewählter Ester Name Sdp. [°] Name Sdp. [°] Ameisensäuremethylester 32 Essigsäurepropylester 102 Ameisensäureethylester 55 Essigsäurebutylester 127 Essigsäuremethylester 57 Propionsäureethylester 99 Essigsäureethylester 77 Buttersäurebutylester 166 Reaktionen 1.) Alkalische Eserhydrolyse, Verseifung O O R C + OH(-) R C O OR' R C + R'O(-) R-CO2(-) + R'OH OH OH Die Base OH(-) reagiert als Nucleophil und wird bei der Reaktion verbraucht (≠ saure OR' Esterhydrolyse). Die Reaktion ist irreversibel. Das Carboxylat-Ion besitzt keine 38 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Carbonylreaktivität. Die Rückreaktion ist nur im Sauren möglich (saure Veresterung der Carbonsäure). Seifen Alkalisalze der Fettsäuren Fettsäure, durchweg gerade C-Zahl, Biosynthese aus C2-Einheiten (Acetyl-CoA). Am wichtigsten C14, C16, C18 Näheres siehe Kapitel "Fette". 2.) Allgemeines Reaktionschema für Ester Nucleophil Säure (H(+)) O R C C Base H O R' Carbonylreaktivität von Carbonyl-Verbindungen gegenüber Nucleophilen O O + :Y(-) R + :X(-) X R Y X : Hal > H > Alkyl > OH > OR' > NR'2 > O(-) 3.) Reaktion mit einer Grignard-Verbindung R'MgX O R O R'MgX X R' 1.) R'MgX R R R' 2.) H2O OH R' 4.) Claisen-Esterkondensation (1887) Ludwig Claisen (1851–1930), Prof. für Chemie, Aachen, Kiel, Berlin. α-CH-Acidität von Carbonylverbindungen 39 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 H A:(-) O O O C C C C H-A X C C X X Mesomerie-stabilisiertes Anion: Nucleophil! A:(-) starke Base wie NaOEt, NaNH2, NaH Nucleophile Substitutionsreaktion von R-CO-X mit deprotoniertem Ester als Nucleophil: H O O Base C C C C (1) OR' OR' OR' (1) Erzeugung des Nucleophiles (2) C C (2) Nucleophile Substitution O H OR' O C C H O C C - R'O(-) OR' C C H O O C C OR' ß-Ketoester Methode zur α-Acylierung von Estern, einfachster Fall: 2 CH3 -CO2-C2 H5 NaOR OC2H5 O O Essigester Acetylessigsäureethylester Acetessigester 5.) Dieckmann-Kondensation (1894) intramolekularer Kondensation von Diestern O O OR CH2 R'O(-) CH2 n - R'OH OR OR CH O CH Hydrolyse CH2 CH2 n - ROH O OH n CH2 ∆T DecarboxyO lierung CH2 O Methode zur Synthese von Cycloaliphaten. Besonders geeignet für Fünf- und Sechsringe (n = 3 u. 4). n O 40 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 6.) Alkylierung von Malonester RO RO O Base O - H(+) H 2C RO RO O H C (-) O RO O 1.) Hydrolyse R'X Malonester R' HC R'-CH2-CO2H O 2.) Decarboxylierung RO 2-Alkylmalonester Methode zur Synthese von Carbonsäuren. Derivate der Kohlensäure OH O C OH Kohlensäure ist ziemlich instabil, wurde aber in der Gasphase nachgewiesen. Derivate sind bekannt hν CO + Cl2 Cl O C Sonnenlicht Phosgen = durch Licht erzeugt Cl farbloses Gas, Sdp. 8° C, sehr giftig Mit Wasser erfolgt Hydrolyse, mit anderen Nucleophilen werden stabile Derivate der Kohlensäure gebildet. COCl2 + H2O + 2 HOR + 2 NH3 CO2 + 2 HCl OR O + 2 HCl OR Kohlensäurester NH2 O + 2 HCl NH2 Carbamid, Harnstoff Harnstoff ist das Diamid der Kohlensäure. Er ist das Endprodukt des Eiweißabbaus bei Menschen und Säugetieren. Ein erwachsener Mensch produziert ca. 20 g/Tag. Verwendung als Dünger in der Landwirtschaft. Erste Synthese durch F. Wöhler (1828) aus Bleicyanat bzw. Ammoniumcyanat: Pb(OCN)2 + 2NH3 + 2H2O → 2 O=C(NH2)2 + Pb(OH)2 NH4OCN → O=C(NH2)2 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 41 Technische Synthese CO2 + NH3 150 °C 40 bar O=C(NH2)2 + H2O Derivate des Harnstoffs H N NH2 H2N H H 2N N Semicarbazid O H2N H N NH2 Carbazid O NH2 Guanidin NH S Guanidin ist eine starke Base, sehr hygroskopisch, wird zumeist als Nitrat isoliert, kommt in der Natur vor. NH2 CO2 + NH3 O NH3 NH2 O OH Carbamidsäure instabil Cl O NH3 OR Chlorameisensäureester O NH4+ Ammoniumcarbamat NH2 O OR Carbamidsäurester = Urethan 42 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 R-NH2 + Cl2C=O - 2 HCl R-N=C=O + H2O Alkyl- oder Arylisocyanat R-NH2 + CO2 + HOR' R H N O Urethan R' O n O=C=N-(CH2)6-N=C=O + n HO-(CH2)4-OH Hexamethylendiisocyanat Polyurethan 1,4-Butandiol O CH2 4 Polyaddition H N O CH2 6 O O Orthoester OR' R C OR' OR' Darstellung formal durch Addition eines Alkohols an einen Ester O + 2 HOR' OR' R C OR' OR' + H2O R CCl3 + 3 HOR' OR' R C OR' OR' + 3 HCl R C OR' R C N + 3 HOR' OR' R C OR' OR' + NH3 n Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Aldehyde und Ketone Charakteristische Strukturelemente: 107 pm R C 135 pm H 121 pm R' R C O O IUPAC-Namen Aldehyde R-CH=O: Alkanal. Beispiel R = CH3 Ethanal R=H, Alkyl, Aryl Ketone R-CO-R': Alkanon. Beispiel R = CH3, R' = C2H5 Butanon R, R' = Alkyl, Aryl Nomenklatur und Eigenschaften von Aldehyden und Ketonen Aldehyde und Ketone besitzen weitgehend gleiche Eigenschaften. Unterschiede: - Aldehyde sind leicht oxidierbar, Ketone sind schwierig zu oxidieren - Aldehyde sind reaktiver als Ketone bei Reaktionen mit Nucleophilen Versuche: Fehlingsche Probe, Luftoxidation von Benzaldehyd Formaldehyd, CH2O, ist ein stechend riechendes, giftiges Gas. Verwendung als Desinfektions- und Konservierungsmittel im Rauch: Räuchern, Konservieren wässrige Lösung: Formalin 43 44 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Namen und physikalische Eigenschaften ausgewählter Aldehyde Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Namen und physikalische Eigenschaften ausgewählter Ketone 45 46 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Siedepunkte von Verbindungen vergleichbarer Molekülgröße und unterschiedlicher Polarität Synthesen 1.) Oxidation von Alkoholen Ox. RCH2-OH RCH=O Ox.: CrO3 in Pyridin O2/Ag-Katalysator: techn. Synthese prim. Alkohol R2CH-OH Ox. R2C=O sek. Alkohol 2.) Reduktion von Carbonsäurederivaten Rosenmund-Reduktion (1918). Katalytische Hydrierung von Säurechloriden O + H2 R Pd/BaSO4 RCH=O + HCl wenig ergiebig Cl Reduktion von Estern O LTBA RCH=O R OR' 200 K 3.) Oxidation von Alkyl-Aromaten LTBA = LiAlH(OtBu)3 ebenfalls geeignet ist DIBAH = AlH(iBu)2 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 hν oder Ph-CH3 + 2 Cl2 Ph-CHCl2 + 2 HCl ∆T Toluen H2O Ph-CH=O + 2 HCl Benzaldehyd 4.) Ozonolyse von Alkenen R R' R" O3 Ozonid H H2O R - H2O2 R' R" O + O H Es gibt zahlreiche weitere Verfahren, siehe Lehrbücher Reaktionen Oligomerisation/Polymerisation von Aldehyden Formaldehyd, CH2O, polymerisiert → Paraformaldehyd, Polyoxymethylen Beim Eindampfen wässriger Lösungen oder auf Zusatz von sauren oder basischen Katalysatoren Cyclische Trimere O 3 CH2O O 1,3,5-Trioxan O O 3 CH3 -CHO O O 2,4,6-Trimethyl-1,3,5-trioxan Paraldehyd, Schmp. 12 °C, Sdp. 124 °C Keto-Enol-Tautomerie in Lösung Gleichgewicht zwischen zwei Isomeren 47 48 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 OH O CH3 H 2C H3C CH3 Ketoform Enolform, 1.5 x 10-4 % (in Wasser) O OH Die Lage des Gleichgewichts richtet sich nach denBindungsenergien von C=C, C−C, C−H, C−O, C=C, O−H sowie nach der unterschiedlichen Solvation von Keto- und Enolform. Bei einfachen Aldehyden und Ketonen überwiegt die Ketoform bei weitem. Die Isomere unterscheiden sich nur in der Lage eines H-Atoms und in der Lage einer Doppelbindung. Solche Isomere nennt man Tautomere. Bei 1,3-Diketonen wird die Enolform durch eine intramolekulare Wasserstoffbrücke stabilisiert. O O O Pentan-2,4-dion 1,3-Diketon H O O H O O Probe mit FeCl3. Enole bilden mit Fe3+-Ionen farbige Komplexe. Br2-Addition: Entfärbung Bestimmung des Enolisierungsgrades: a) schnelle Titration mit Br2 b) spektroskopisch: IR, NMR O O OR' OR' langsam R = CH3 Acetessigester 1,3-Dicarbonylverbindung O H O Br2 O Symmetrische Wasserstoffbrücke Enolform, 76.4 % (in Wasser) Versuch: H O O OR' schnell Br 49 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Die Enolisierung wird durch Säuren und Basen katalysiert: H 3C C O + H 2C OH(-) H 2C C O pKa ~ 20 C O Enolation + H2O H2O H 2C + OH(-) C OH H 3C H 3C C O + H3 H 3C + C OH O(+) + C OH H2O H 2C C OH + H3O(+) In D2O erfolgt H/D-Austausch. O CH2 O D2O CH2 CD2 D3O(+) oder OD(-) CD2 Das Enolation ist ein ambidentes Nucleophil weich C (-) C O R O O R R Das Enolation reagiert zumeist als C-Nucleophil. Allgemeines Reaktionsschema für Aldeyde und Ketone hart + H2O 50 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 H Base Säure/ Elektrophil O R C C R' Elektrophil Nucleophil α-Halogenierung O O H X + X2 + HX Haloform-Reaktion, Mehrfachhalogenierung von Methylketonen O O R CH3 + 3 X2 CX3 + 3 HX R OH(-) nucleophile Substitution O O R-CO2(-) + HCX3 + :CBr3(-) OH R R Haloform X = Cl: Chloroform X = Br: Bromoform X = I : Iodoform (gelber Feststoff) CX3 OH Versuch: Iodoform-Reaktion von Aceton (Video) Reaktion von Ethanol mit Chlor C2H5OH Cl2 - 2 HCl CH3CH=O 3 Cl2 - 3 HCl H2O Cl3C-CH=O Chloral Cl3C-CH(OH)2 Chloralhydrat Schlafmittel Cl2 H2O CHCl3 + HCO2H Cl3C-CO2H + 2 HCl H2O Chloroform Ameisensäure Cl3C-CH(OH)2 Cloralhydrat. Ausnahme von der Erlenmeyer-Regel 51 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Reaktionen mit Nucleophilen Allgemeines Schema: R R C O + H-Y O R' Folgereaktionen R' R, R' = H, Alkyl, Aryl H C Y Katalyse durch Säuren Die nucleophile Additionen and eine Carbonylgruppe ist eine der wichtigsten Reaktionen in der Organischen Chemie und der Biochemie. Beispiele: A) O-Nucleophile 1.) Hydratisierung H2C O + H2O K = 2*103 H2C(OH)2 Formaldehyd-Hydrat Formaldehyd ist so gut wie vollständig hydratisiert. Formalin: 40 %-ige wässrige Lösung. Die Gleichgewichtskonstante K ist bei anderen Aldehyden kleiner. Wässrige Lösungen enthalten vergleichbare Mengen an RCH(OH)2 und Aldehyd RCH=O (K ≈ 1). Ketone werden kaum hydratisiert, bei Aceton K = 2 x 10-3 2.) Acetal-/Ketalbildung OH H(+) R C O + R'-OH H R C OR' H Aldehyd R R R Keton OH + H2O Acetal R'-OH OR' R C C O + R'-OH R R C OR' H Halbacetal H(+) OR' R'-OH C OR' Halbketal B) S-Nucleophile Mit Thiolen werden Thioacetale bzw. Thioketale gebildet. R OR' Ketal + H2 O 52 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 3.) Addition von Hydrogensulfit an Aldehyde R R C O + NaHSO3 H H OH C Bisulfit-Addukt SO3(-)Na(+) HCl R C O + SO2 + NaCl H Abtrennung und Reinigung von Aldehyden. Bisulfit-Addukte lassen sich gut umkristallisieren C) N-Nucleophile 4.) Reaktion mit Ammoniak und primären Aminen OH O C O + H2N-R C C (+) NH2R Aldehyd oder Keton H2NR NHR C NHR NHR Halbaminal, instabil Aminal - H2NR - H2O Imin Azomethin Schiffsche Base R C N Schiffsche Basen sind relativ unbeständig und reaktiv. Sie neigen zur Oligimerisation. Z. B. Trimerisierung R N R 3 C N R N Bildung von Hexamethylentetramin N Hexahydro-1,3,5-triazin R + H2O 53 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 NH NH 3 H2C=O + 3 NH3 R R N N 3 H2C=O NH - 3 H2O NH3 R N R = CH2OH - 3 H2O N Urotropin Tetraazaadamantan N N N 5.) Reaktion mit Hydrazin und Hydroxylamin X C O + H2N-X N - H2O Aldehyd oder Keton X = OH: Hydroxylamin Oxim NH2: Hydrazin Hydrazon NH-Ph: Phenylhydrazin Phenylhydrazon NH-CO-NH2: Semicarbazid Semicarbazon R R 2 C O + H2N-NH2 - 2 H2O R' R' N R' N Azin, z. B. R = R ' = CH3: Acetonazin R Oxime, Phenylhydrazone und Semicarbazone sind gut kristallisierende Verbindungen. 6.) Reaktion mit sekundären Aminen Bildung von Enaminen 54 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 OH C O + HNR2 - H2O C (+) Iminium-Ion: Elektrophil C NR2 NR2 Halbaminal bei α-Wasserstoff-Atom: (+) - H2O C NR2 C NR2 (+) C NR2 H C Enamin Beispiel O Cyclohexanon + N N Pyrrolidin + H2O 1-Cyclohex-1-enyl-pyrrolidin Enamine sind wichtige Synthese-Zwischenstufen. Sie reagieren mit Alkylierungs- und Acylierungsmitteln: N R-X (+) N H2O O + HN R R-CO-X R (+) N H2O O + HN R O R O D) C-Nucleophile 7.) Addition von HCN an Aldehyde und Ketone, Strecker-Synthese von α-Aminosäuren 55 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 R R C O + HCN R 2 H2O OH C H H NH3 R C H NH2 CN CH CO2H + 2 NH3 OH α-Hydroxycarbonsäure Cyanhydrin, α-Hydroxynitril R 2 H2O CN CH CO2H NH2 + 2 NH3 α-Aminocarbonsäure 8.) Reaktion mit Grignard-Reagenzien Bildung von primären, sekundären und tertiären Alkoholen R' H2C=O + R'-MgX H2O R' R CH=O + R'-MgX + R C O H H R C O MgX H R'-MgX CH2 O H R' H2O R' R2C=O R' H2C O MgX R' H2O R C O H R C O MgX R R 9.) Wittig-Reaktion (1953) G. Wittig, Nobelpreis 1979 Wichtige Alken-Synthese. Olefinierung einer Carbonylverbindung = Carbonylolefinierung Aufbau des Alkens an der C=C-Doppelbindung a) Darstellung des Wittig-Reagenzes: Ph3P + X CH Triphenylphosphan Halogenalkan + Ph3P CH Base - H+ quart. Phosphoniumsalz + Ph3P C Ylen-Form Base: Ph-Li, Bu-Li, NaNH2 o. a. b) Umsetzung mit der Carbonyl-Verbindung Ph3P C Ylid-Form 56 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 1 O + Ph3P O 2 + O Ph3P 3 P-O-Betain Ph3 PO 1,2-Oxaphosphetan echte Zwischenstufe Ph3 P O 4 + + Ph3 P C Alken Die Schritte 1 und 2 sowie 3 und 4 können jeweils konzertiert verlaufen. 10.) Aldol-Reaktion Reaktion der Enolform bzw. des Enolations H C O C OH(-) C - H(+) (-) Enolation = C-Nucleophil O C α-Deprotonierung nucleophile Addition O O H H2O + O H(+) O Aldol-Addition O H O H O O Aldol-Kondensation - H2O α,β-ungesättigte Carbonyl-Verbindung Beispiele: P-C-Betain 57 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 2 CH3-CH=O O H 3C OH(-) H2O Acetaldehyd OH H 3C - H2O H O HO Aceton O H2SO4 Ba(OH)2 2 O Crotonaldehyd Acetaldol O C H - H2O Mesityloxid Diacetonalkohol O 2 Ph-CH=O + H3C-CO-CH3 Benzaldehyd Aceton Ph Ph - 2 H2O Dibenzalaceton Versuch: Herstellung von Dibenzalaceton Bei der Aldolkondensation wird stets eine Carbonylkomponente mit einer Methylenkomponente umgesetzt. 11.) Knoevenagel-Reaktion (1894) Kondensation von Aldehyden oder Ketonen (Carbonylkomponente) mit Malonester (Methylenkomponente) CO2Et H 2C C O + Base CO2Et 1.) Hydrolyse CO2Et 2.) Decarboxylierung C C CO2Et - H2O Malonester C C 2-Alkylidenmalonester Beispiel: Ph CO2Et O + H Ph H 2C H C C CO2Et Benzaldehyd H H CO2H Zimtsäure 12.) Perkin-Reaktion (1877) Herstellung von αβ-ungesättigten Carbonsäuren CO2H α,β-ungesättigte Carbonsäure 58 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Ph Ph O C O + H2CH O C H - H2 O O H O + CH3CO2H CO2H Zimtsäure CH3 CH3 H C C O H O Benzaldehyd Ph H2 O CH Essigsäureanhydrid 13.) α,β-ungesättigte Carbonylverbindungen Wie bei 1,3-Dienen gibt es bei α,β-ungesättigten Carbonylverbindungen 1,2- und 1,4Additionen. C weich C C O + C C C Das Carbonyl-C-Atom ist härter als das β-C-Atom. Dem entsprechend greifen harte Nucleophile an der Carbonylgruppe und weiche Nucleophile am β-C-Atom an. O hart Beispiel: Ph C H H C C O + Et-MgBr Me Et Et Ph 1,2-Addition 1,4-Addition H Ph H C C Et C H H C C O Ph MgBr Me O MgBr C Me H Ph H C C Et O C Me C H H H C C O H 40 % Me H2 O Ph H C C C Keto-EnolTautomerie Et Me 60 % Das Verhältnis von 1,2- zu 1,4-Addition variiert je nachdem, welche Verbindung mit welchem Reagenz umgesetzt wird. Harte Nucleophile (z. B. RLi) zeigen bevorzugt 1,2Addition. 15.) Michael-Addition (1887) Arthur Michael (1853–1942), amerikanischer Chemiker. Carbanion + "aktiviertes" Alken: nucleophile Addition an ein π-Elektronen-armes Alken: AN Mechanismus: 1,4-Addition (s. o.). Beispiele: Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 59 O O CO2Et NaOEt CO2Et EtOH H 2C + CH(CO2Et)2 CO2Et + CN Acrylnitril NC H 2C CH(CO2Et)2 CO2Et (2-Cyanoethyl)malonester Malonester 16.) Mannich-Reaktion (1917) Aminoalklierung: Drei-Komponenten-Reaktion O O NH + H2C=O + H N NH3, prim. oder sek. Amin CH2 Mannich-Base Die Reaktion wird in saurer oder alkalischer Lösung ausgeführt. NH + H2C=O + N CH2 + N CH2 Iminium-Ion (Elektrophil) O H N + H2 C O - H(+) Enolform der Carbonylverbindung Oxidation und Reduktion von Aldehyden und Ketonen 17.) Cannizzaro-Reaktion (1853) Stanislao Cannizzaro (1826–1910), Prof. für Chemie in Genua u. Rom. Die Reaktion ist beschränkt auf Aldehyde ohne α-H-Atom, also nicht-enolisierbare Aldehyde. 60 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Redox-Disproportionierung -1 +3 Ph-CO2H + Ph-CH2-OH H2O +1 2 Ph-CH=O OH(-) Benzylalkohol Benzoesäure 2 Ph-CH=O + OH(-) O O 1 Ph H 2 OH H H Ph OH + H Ph O Ph Ph-CO2(-) + Ph-CH2-OH Schritt 1: schnell; Schritt 2: langsam (geschwindigkeitsbestimmend). Kinetische Untersuchungen liefern folgendes Geschwindigkeitsgesetz: v = k [Ph-CHO]2 x [OH(-)] CH3-CH=O CH2=O (HO-CH2)3C-CH=O Gekreuzte Aldol-Addition Ca(OH)2 CH2=O Gekreuzte Cannizzaro-Reaktion C(CH2OH)4 + HCO2H Pentaerythrit vierwertiger Alkohol Pentaerythrit dient zur Herstellung von Polyesterharzen. Versuch: Cannizzaro-Reaktion von Benzaldehyd 18.) Clemmensen- Reduktion (1913) und Wolff-Kishner-Reduktion (1912) Vollständige Reduktion der Carbonylgruppe zur Methylengruppe C O Zn/Hg HCl C O H2N-NH2 NaOH C H H C H H Clemmensen sauer Wolff-Kishner basisch Zum Vergleich: Reduktion mit komplexen Hydriden führt zum Alkohol. O Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 NaBH4 C O 61 C OH oder LiAlH4 Reduktive Kupplung 2 2 Na C O HO C C OH + 2 Na(+) H(+) 2 EtOH 1,2-Diol Pinakol Radikal-Mechanismus 19.) McMurry-Reaktion (1978) Reduktive Kupplung von Carbonylverbindungen zu substituierten Alkenen Reduktion und Kupplung von Carbonyl-Verbindungen mit niedervalenten Titanverbindungen. Die Reaktion erfolgt auf der Metalloberfläche. R O 2 R [Ti] R Ausbeute: > 80 % R R R [Ti] = TiCl3 oder TiCl4 + Zn, Li, K, Mg, LiAlH4 H O 2 H TiCl4/Zn H H R R + THF R R R R = CH2-CH2-CH3 CH(CH3)2 C(CH3)3 H 3 6 >200 : : : 1 1 1 Die Reaktion eignet sich auch für sperrige Reste R. Aus Diketonen werden Cycloalkene dargestellt. Mechanismus: Ti(I) O [Ti] O 2x Ti(I) O Ti(I) O C Endprodukt bei der Reduktion von Ketonen z.B. mit Na. siehe 18.) + 2 TiO 62 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 20.) Baeyer-Villiger-Oxidation von Ketonen (1899) R R C O C O + R'-CO2H + R'-CO3H R O R Ester Beispiele: Et C O + CF3-CO3H Et 1 H O Et O C O Et R'-CO3H CF3 O 2 Et O Et + CF3CO2H 1: nucleophile Addition 2: Zerfall u. Umlagerung O O O O ε-Caprolacton, cyclischer Ester: Lacton Cyclohexanon Bei unsymmetrischen Ketonen wandert bevorzugt die stärker verzweigte Alkylgruppe. Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Amine Charakteristisches Strukturelement: N N-H 104 pm R" R R' N-C 147 pm 112 ° R, R', R" = H, Alkyl, Aryl Derivate des Ammoniaks NH3 NH3 R-NH2 R2NH R3N primäres sekundäres tertiäres Amin Nomenklatur anders als bei den Alkoholen! Nomenklatur, Vorkommen und Eigenschaften von Aminen 63 64 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Namen und physikalische Eigenschaften ausgewählter aliphatischer Amine pkb 3.4 3.3 4.2 3.3 3.0 3.3 3.4 3.1 3.4 6.0 2.7 2.9 3.3, 6.4 3.1, 5.0 Der systematische Name von Ethylenimin lautet "Aziridin", nicht "Aziran". Die nächst höhere Verbindung ist: NH Azetidin Sdp. (Trimethylenimin) 63 °C pKb 2.7 65 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Namen und physikalische Eigenschaften ausgewählter aromatischer Amine (Aniline) pKb 9.4 9.2 9.0 9.6 9.3 8.9 11.5 10.5 9.8 14.4 11.5 13 9.5 9.1 8.0 pKa-Werte aus: R. C. Weast, M. J. Astle (Hrsg.), CRC Handbook of Chemistry and Physics, 63. Aufl., CRC Press, Boca Raton 1982-1983. 66 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Struktur und Pyramidale Inversion von Aminen Bei R ≠ R' ≠ R'': chirale Struktur. Die Enantiomeren sind nicht stabil. Racemisierung durch Stickstoff-Inversion. Diese besitzt bei "normalen" Aminen eine Aktivierungsbarriere Ea von etwa 25 kJ/mol. .. .. R N R R" R' R' R" N N = .. R" R' R Die Inversion entspricht eine Spiegelung. Bei stabilen Enantiomeren müßte EA > ca. 100 kJ/mol sein. Dies ist nur bei wenigen Aminen der Fall. Beispiel: N Me Me Me 1,2,2-Trimethylaziridin EA ≈ 80 kJ/mol. Die Enantiomere konnten getrennt werden. R R' + R"' N R" Chirale quartärne Ammonium-Ionen bilden stabile Enantiomere. Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Physikalische Eigenschaften von Aminen Siedepunkte [°C] NH3 CH3-NH2 (CH3)2NH (CH3)3N -22 -6 +7 +3 Zum Vergleich: H2O 100°, CH3OH 65°, CH3OCH3 –23°.) R-NH2, R2NH: Assoziation durch H-Brücken, R3N: keine H-Brücken, siedet niedriger N-H---N-Brücken sind schwächer als O-H---O-Brücken. Basizität von Aminen Massenwirkungsgesetz und pKb-Wert R3N-H(+) + OH(-) R3N: + H2O [R3N-H(+)] [OH(-)] [R3N-H(+)] [OH(-)] Kb = K [H2O] = K= [R3N:] [R3N:] [H2O] pKb = - log Kb pKb-Werte NH3 CH3-NH2 (CH3)2NH (CH3)3N 4.8 3.4 3.3 4.2 Basenstärke: prim. Amin < sek. Amin > tert. Amin Erklärung: Elektronendonor-Eigenschaft, + I-Effekt der Alkylgruppen/unterschiedliche Solvation von Amin und Ammonium-Ion Versuch: Basizität von Triethylamin und Anilin, Indikator Phenolphthalein Darstellung von Aminen 1.) Alkylierung von Ammoniak Amine sind Nucleophile 67 68 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 NH3 + R-Br R-NH3(+) + Br(-) R-NH3(+) + NH3 R-NH2 + NH4(+) R-NH2 + R-Br R2NH2(+) + Br(-) R2NH2(+) + NH3 R2NH + NH4(+) R2NH + R-Br R3NH(+) + Br(-) R3NH(+) + NH3 R3N + NH4(+) R3N + R-Br R4N(+) + Br(-) Es entsteht ein Gemisch aus prim., sek., tertiären Amin sowie der quart. AmmoniumVerbindung. Das Verfahren ist zur selektiven Darstellung von prim., sek. und tert. Aminen wenig geeignet. Versuch: Reaktion von Triethylamin mit Methyliodid 2.) Gabriel-Synthese: primäre Amine O O OH(-) NK + R-Br N R O + KBr O Phthalimid-Kalium H2O/OH(-) CO2H + R-NH2 Phthalsäure CO2H 3.) Reduktion von Nitroverbindung: primäre Amine R NO2 Red. R NH2 Red.: z. B. Fe Das Verfahren eignet sich hauptsächlich für aromatische Amine. Versuch: Reduktion von Nitromethan, MeNO2, mit Zn/NaOH 4.) Reduktion von Nitrilen: primäre Amine R CN Red. R CH2 NH2 Red.: H2/Kat. oder LiAlH4 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 5.) Reduktion von Amiden: primäre, sekundäre, tertiäre Amine O R LiAlH4 NR'2 R CH2 NR'2 R' = H, Alkyl, Aryl 6.) Reduktion von Iminen: sekundäre Amine Red. N O + H2N-R - H2O CH NH R R Red.: z. B. H2/Ni Reduktive Aminierung von Carbonylverbindungen. Reduktive Alkylierung von Ammoniak und Aminen R O + NH3 H2/Ni - H2O R' R CH NH2 R' Aldehyd oder Keton NH3 im Überschuß einsetzen, da sonst auch sek. und tert. Amine entstehen. 7.) Leuckart-Wallach-Reaktion (1885) R R O + HNR"2 + HCO2H R' CH NR"2 + H2O + CO2 R' Aldehyd oder Keton Die Ameisensäure ist Reduktionsmittel. 8.) Aus Carbonsäure-Derivaten durch Abbaureaktion a) Hofmann-Abbau (1881): primäre Amine 69 70 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 O + Hal2 + 2 OH(-) R NH2 + 2 Hal(-) + CO2 + H2 O NH2 R Hal2 = Cl2 oder Br2 Hal2 - H2O OH(-) - Cl(-) O O OH(-) N H R - CO2 Hal UL N: R - HCl α-Eliminierung H H2O N C O N C R R .. O Carbamidsäure Isocyanat Acylnitren OH UL = Umlagerung Versuch: Hofmann-Abbau von Acetamid b) Curtius-Abbau (1890) O O O + NaN3 Cl R - NaCl Natriumazid - N2 N3 R Carbonsäureazid N: R usw. .. R NH2 Acylnitren c) Schmidt-Abbau (1923) + NaN3 R O O O CO2H H2SO4 Natriumazid R N3 Carbonsäureazid - N2 R N: .. usw. R NH2 Acylnitren Bei a), b) und c) nimmt die sigmatrope Umlagerung des reaktiven Acylnitrens eine zentrale Stellung ein. Reaktionen von Aminen 1.) Darstellung von Amiden und Sulfonamiden 71 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 O O + 2 NH3 NH2 R' Cl R' + NH4Cl prim. Amid O + 2 R- NH2 NH-R R' + R-NH3Cl sek. Amid O + 2 R2NH R' + R2NH2Cl NR2 tert. Amid Die Amid-Bindung ist sehr stabil. Amid-Mesomerie: O O R' NR2 R' (-) (+) NR2 Analog erfolgt die Darstellung von Sulfonamiden aus Sulfonsäurechloriden: R-SO2Cl + HNR2 Æ R-SO2-NR2 Bestimmte Sulfonamide sind Chemotherapeutica. Polyamidfasern, Nylon-Synthese O n Cl O 4 O Cl Adipinsäuredichlorid - 2n HCl 1,6-Diaminohexen Hexamethylendiamin Versuch: 33. Nylon-Synthese 2.) Reaktion mit salpetriger Säure a) primäre Amine O + n H2N-(CH2)6-NH2 * 4 N H Nylon-6,6 6 N H * n 72 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 NaNO2 + HCl H(+) HO-N=O - NaCl NO(+) Nitrosyl-Kation, Elektrophil - H2O H R-NH2 + NO(+) N N R N N O - H H(+) R Umlagerung analog zur Keto-EnolTautomerisierung OH H(+) + O H + N N Alkandiazonium-Ion R N N - H2O R Alkandiazonium-Verbindungen sind äußerst instabil. Sie zersetzen sich bereits bei niedriger Temperatur. Dabei entstehen Carbenium-Ionen, die sofort weiter reagieren. R-N2(+)→ R(+) + N2 Auf diesem Wege lassen sich auch primäre Carbenium-Ionen erzeugen. Beispiel: NaNO2 CH3-CH2-CH2-NH2 CH3-CH2-CH2(+) + N2 HCl Propylamin H2 O - H+ C H(+) - H(+) CH3-CH2-CH2-OH 7% H3C CH3 OH H2O 28 % C H3C H CH3 32 % Weitere Produkte : 33 % b) sekundäre Amine Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 R NO(+) R2-NH + O R Ox. Red. R N R N N R Ox. N 2x R 2-Tetrazen Nitrosamin starkes Carcinogen N N - H(+) R R N NO2 N NH2 R 73 R 1,1-Dialkylhydrazin Nitramin ∆T - N2 R 2 N R Aminyl-Radikal R R N N R Tetraalkylhydrazin R c) tertiäre Amine (+) R3N + NO(+) R3N NO H R + R N NO R - H-NO O + N R + H N H2O R R Iminium-Ion HNO2 R Nitrosamin. starkes Carcinogen N NO R Auch aus tert. Aminen können also Nitrosamine gebildet werden. Dies ist ernährungsphysiologisch sehr wichtig, da mit der Nahrung viele Amine aufgenommen werden. Deshalb dürfen Nahrungsmittel und Trinkwasser weder Nitrat noch Nitrit enthalten. Literatur: Siehe z. B.: P. Rademacher, Chemische Carcinogene, Chemie in unserer Zeit 1975, 9, 79-84; J. Chem. Educ. 1976, 53, 757-761. 3.) Oxidation von Aminen Primäre Amine lassen sich zu vielen Produkten oxidieren, z.B. zu Nitroverbindungen Sekudäre Amine: R2NH + H2O2 → R2N-OH + H2O Hydroxylamin Tertiäre Amine: 74 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 (+) R3N + H2O2 R3N oder R-CO3H O (-) + H2O Aminoxid Aminoxide bilden über die Cope-Eliminierung (1949, ≠ Cope-Umlagerung) Alkene. Dabei handelt es sich um eine syn-Eliminierung (+) R3N + H2O2 R3N oder R-CO3H O H O (-) + H2O Aminoxid (-) (+) ∆T NR2 + HO-NR2 4.) Hofmann-Abbau quartärer Ammoniumhydroxide, Hofmann-Eliminierung (+) H NR3 OH(-) + NR3 ca. 200 °C - H2O E2-Reaktion 5.) Diazotierung aromatischer Amine, Azokupplung Arendiazonium-Verbindungen, Ar-N2(+)X(-), sind stabiler als Alkandiazonium-Verbindungen. + + N N HC + + N N N N C H usw. + Mesomeriestabilisiertes Kation. Bei ca. 0° C gut handhabbar. Bei höherer Temperatur erfolgt Zerfall. Ar-N2(+) Ar(+) - N2 H2O Ar-OH Phenol - H(+) Wichtige Methode zur Darstellung von Phenolen. Mit anderen Nucleophilen entstehen analoge Verbindungen: 75 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Ar-N2(+) Ar(+) - N2 Nuc(-) Ar-Nuc - H(+) Arendiazonium-Ionen sind (schwache) Elektrophile, sie reagieren mit aktivierten Aromaten (z.B. Aniline, Phenole, Phenolether) unter elektrophiler aromatischer Substitution zu Azoverbindungen. Dabei handelt es sich um wichtige Farbstoffe. Ph-N2(+) + Ph NMe2 N NMe2 N - H(+) N,N-Dimethylanilin Ph-N2(+) + Ph OH - H(+) N N OH Phenol Beispiel für die Synthese eines Azofarbstoffs: NH3(+) N2(+) Ph-NMe2 NaNO2 SO3(-) (-)O3S N pH > 4.4 SO3(-) Sulfanilsäure gelb Methylorange Säure-BaseIndikator pKa = 3.5 (-)O3S 6.) Ersatz der N2+-Gruppe in Arendiazonium-Ionen Sandmeyer-Reaktion (1884) Ar-X + N2 X = Cl, Br, CN O(+) (+) N Versuch: Azofarbstoffe CuX H3 N pH < 3.1 Ar-N2(+)X(-) NMe2 N verd. HCl 0 °C NMe2 rot 76 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Cu(I)-Salze katalysieren die Zersetzung von Diazoniumsalzen. Schiemann-Reaktion (1927) Ar-N2(+)BF4(-) Ar-F + N2 + BF3 ca. 60 °C Darstellung von Fluorarenen. Abspaltung von NH2-Gruppen aus Aromaten Diazotierung des Amins und Reduktion der Diazonium-Verbindung 2 Ar-N2(+) + H3PO2 + 2 H2O 2 Ar-H + N2 + H3PO4 + 2 H(+) Hypophosphorige Säure oder andere Reduktionsmittel, z. B. NaBH4 Phenole Charakteristisches Strukturelement: 107 pm H O 110 ° 135 pm Phenole sind wie Alkohole Derivate des Wassers. Nomenklatur und Eigenschaften von Phenolen Ph-OH = Hydroxybenzen, Phenol, aromatischer Alkohol O O H CH2 Ketoform nicht aromatisch Enolform aromatisch Phenol ist die Enol-Form des Cyclohexadienons. Verwendung von Phenol als Desinfektionsmittel: Carbolsäure 77 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Namen und physikalische Eigenschaften ausgewählter Phenole pKa*) 9.89 9.85 9.81 10.35 10.20 10.01 10.17 8.5 9.0 9.4 7.66 7.17 8.28 7.15 3.96 0.38 78 *) Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 pKa-Werte aus: R. C. Weast, M. J. Astle (Hrsg.), CRC Handbook of Chemistry and Physics, 63. Aufl., CRC Press, Boca Raton 1982-1983. Weitere wichtige Phenole OH OH OH HO Phloroglucin Pyrogallol HO OH Versuch: Fe (III)-Komplexe. Verschiedene Farben, vgl. Enole Acidität der Phenole Phenole sind schwache Säuren, acider als Alkohole Substituenteneinfluss: –M-Substituenten in ortho- und para-Position erhöhen die Acidität stark. O O OH - H(+) + + O N O O N O O N + O Versuch: Phenol, Pikrinsäure, Indikator: Bromphenolblau CH(CH3)2 CH(CH3)2 HO O Bromthymolblau (3,3'-Dibromthymolsulfonphthalein) pH-Indikator Br Br H3C CH3 SO 3H C27H28Br2O5S. Rosafarbenes Pulver, leicht lösl. in Alkohol, weniger lösl. in Wasser. Indikator zur pH-Bestimmung im Umschlagsgebiet pH 6,0–7,6 (gelb bis blau) Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 79 Darstellung von Phenolen Eine direkte Hydrolylierung von Aromaten über eine elektrophile aromatische Substitution ist nicht möglich. 1.) Hydrolyse (Verkochen) von Arendiazoniumsalzen Ar-NH2 Ar-N2(+) ∆T Ar-OH + N2 + H3O(+) 2 H2O 2.) Alkalischmelze von Arensulfonsäuren Ar-SO3(-)Na(+) + 2 NaOH Ar-O(-)Na(+) + Na2SO3 + H2O ca. 300 °C HCl Ar-OH + NaCl 3.) Hydrolyse von Chlorbenzen Nucleophile aromatische Substitution SNAr Ar-Cl + 2 NaOH Ar-O(-)Na(+) + NaCl + H2O ca. 300 °C CH3 CH3 CH3 Cl OH NaOH + OH m-Kresol o-Kresol Cl * OH * NaOH * * = 14C + 1 : OH 1 Das Produktverhältnis gibt an, dass eine Zwischenstufe durchlaufen wird, in der zwei benachbarte C-Atome äquivalent sind. SNAr: Eliminierungs-Additions-Mechanismus 80 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Cl Cl H C6H4 1,2-Didehydrobenzen Arin Benzin C NaOH - H2O - Cl(-) C OH OH(-) OH H2O Das Arin ist eine echte reaktive Zwischenstufe. Es kann auch auf anderem Weg erzeugt werden, z. B. aus Anthranilsäure: NH2 CO2H N2(+) NaNO2 HCl CO2(-) ∆T - N2 - CO2 Bei diesem Verfahren entstehen nur gasförmige Nebenprodukte. Durch nucleophile aromatische Substitution kann auch Anilin synthetisiert werden. Ebenfalls SNAr-Reaktion. Cl NH2 + NH3 ∆T + HCl Druck Eine "normale" nucleophile Substitution nach einem Additions-Eliminierungs-Mechanismus ist nur bei Aromaten möglich, die –M-Substituenten in o- und/oder p-Position besitzen. 4.) Technische Synthese von Phenol. Cumenhydroperoxid-Verfahren (Hock, 1944) Luftoxidation von Cumen (Cumol) zum Hydroperoxid, das mit Schwefelsäure zu Phenol und Aceton gespalten wird. 81 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 OH H2SO4 oder H3PO4 + CH3-CH=CH2 O2 + Cumen (Cumol) Ph Me H Me O (Luft) Phenol Aceton Me + O2 Ph C + HO O Me O2 Cumen Me Ph O OH + Ph Me Cumenhydroperoxid Me C Ph-CMe2H RadikalkettenMechanismus Me O O Me Ph Me H2SO4 Ph Me H + O O Me H - H2O Ph Me + O Me Me + Me C O Ph 2 H2O HO Me - H3O(+) Me Sextett-Umlagerung O Halbketal OH + O Da bei der Synthese eine äquimolare Menge Aceton entsteht, das allerdings wieder für die Gewinnung von Cumen verwendet werden kann, sucht man nach alternativen großtechnischen Synthesen. Dabei kommt der direkten Oxidation von Benzen die wichtigste Rolle zu. OH !/2 O2 Kat. Entscheidend ist die Entwicklung des Katalysators. Ph 82 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Reaktionen von Phenolen 1.) Darstellung von Alkylphenolethern, Williamson-Synthese Ar-O(-) + R-X → Ar–O-R + X(-) Z.B. OMe OH NaOH Anisol Me2SO4 2.) Reimer-Tiemann-Reaktion (1876), Salicylaldehyd OH OH + CHCl3 CH=O NaOH Salicylaldehyd H2O Mechanismus: HCCl3 + OH(-) - H2O :CCl3(-) - Cl(-) :CCl2 Dichlorcarben α-Eliminierung O O O H + :CCl2 CHCl2 ..(-) CCl2 H3O(+) H2O OH CH=O 3.) Kondensation mit Aldehyden Bildung von Phenol-Formaldehyd-Harzen, Polykondensation Alkalische oder saure Kondensation mit Formaldehyd (Æ Harze, Bakelite, Novolacke) (Kunststoffe und Lacke) Hydroxymethylierung = elektrophile Substitution usw. Mono-Substitution lässt sich nur schwer kontrollieren. 83 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 OH OH CH2OH OH H OH H H Formaldehyd Elektrophil H H - H2O H OH + CH2=O - H2O H - H2O CH2OH HO OH Durch Polykondensation entstehen hochvernetzte Makromoleküle mit folgender Struktur: OH OH OH Versuch: Bakelit Baekeland (1909), erster vollsynthetischer Kunststoff. Chinone Charakteristisches Strukturelement: Cyclisches Diketon mit vollständig konjugierten Doppelbindungen. O O O O parabenzoides System Wichtige Beispiele: orthobenzoides System OH 84 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 O O Chinon, p-Benzochinon, [1,4]Benzochinon, Cyclohexa-1,4-dien-3,6-dion gelb H 3C O O O O o-Benzochinon, [1,2]Benzochinon, Cyclohexa-1,3-dien-5,6-dion rot O Toluchinon O O O O O [1,4]Naphthochinon [1,2]Naphthochinone [2,6]Naphthochinone O [9,10]Anthrachinon O Hydrochinon und ähnliche Verbindungen sind Radikalfänger, Antioxidantien Hydrochinon und Brenzcatechin finden als photographischer Entwickler Verwendung. Darstellung von Chinonen Oxidation von Hydrochinonen Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 OH 85 O Ox. Ox. z. B. FeCl3, Na2Cr2O7/H2SO4, H2O2 OH O Hydrochinon OH Ag2O O OH Ether Na2SO4 O o-Benzochinon ist wasserempfindlich Na2SO4 entzieht das bei der Reaktion enstehende Wasser Brenzcatechin Versuch: Oxidation der isomeren Dihydroxybenzene Oxidation von Anilin NH2 O Ox.: MnO2 oder Na2Cr2O7/H2SO4 Reinigung der Substanz durch Sublimation Ox. O komplizierter, mehrstufiger Mechanismus Redoxreaktionen von Chinonen und Hydrochinonen O OH + 2 H3O(+) + 2 e O Redoxpaar OH Elektrisches Potential, Nernstsche Gleichung Chinhydron-Elektrode Chinhydron ist ein 1:1-Molekülkomplex aus Chinon und Hydrochinon: grüne Kristalle Donor-Akzeptor-Komplex, Charge-Transfer-(CT)-Komplex, Ladungsübertragungs-Komplex 86 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 OH O OH O Donor Akzeptor Versuch 68: Pikrat von Chinhydron? Atmungskette Oxidation von Wasserstoff zu Wasser in den Mitrochondrien der Zellen → ATP-Gewinnung Ubichinon, Coenzym Q10 O CH3 R CH3O CH3O CH3 O R= C C C C H2 H H2 n n = 10: Q10 Bombardierkäfer: Hydrochinon + H2O2 (23 %-ig) + Katalysator → O2+ H2O + Chinon Der Bombardierkäfer im Internet Brachynus crepitans Eine sehr schöne Beschreibung findet sich man Internet: Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 87 http://www.quarks.de/explosionsgefahr/09.htm Wie verteidigt sich ein Bombadierkäfer? Ein Bombardierkäfer wird je nach Art (Brachinus crepitans oder Brachinus explodens) nur etwa einen Zentimeter groß. Trotzdem kann er sich äußerst wirkungsvoll gegen Fressfeinde, wie zum Beispiel Vögel, verteidigen. Dazu hat er ein ausgeklügeltes Waffensystem in seinem Hinterleib. Der Käfer produziert mit seinen Drüsen Wasserstoffperoxid und Hydrochinon. Wasserstoffperoxid kennt man als Harrbleichmittel, die farbigen Chinone kommen in der Natur oft als Pigmente vor. Für den Käfer sind Bombardierkäfer in einer schematischen diese beiden Substanzen die Vorstufen der Zeichnung: Wasserstoffperoxid und eigentlichen Abwehrstoffe. Er bewahrt sie in einer Hydrochinon werden in die Sammelblase auf. In einer, mit dieser Blase Explosionskammer entlassen, durch den aufgebauten Druck schießt die Gaswolke verbundenen, Explosionskammer befinden sich explosionsartig nach draußen. Peroxidasen und Katalasen, das sind Katalysatoren für chemische Reaktionen. Immer auf der Hut Wird der Bombardierkäfer gestört, entlässt er ein Teil der Substanzen in die Explosionskammer. Dort setzen die Katalysatoren das Hydrochinon zu Chinon und das Wasserstoffperoxid zu Wasser und Sauerstoff um. Dabei wird Wärme frei. Es wird so heiß in der Explosionskammer, dass das Wasser verdampft. Dadurch baut sich ein großer Druck auf und dann schießt ein ätzendes, 100° C heißes Gasgemisch mit einem Knall aus dem Bombardierkäfer heraus. Durch das Chinon bekommt die Abwehr-Wolke eine dunkle Farbe. Der Käfer kann mehrmals hintereinander knallen, bis die Substanzen aufgebraucht sind und wieder neu gebildet werden müssen. Um sich dauerhaft gegen die viel größeren Fessfeinde zu wehren, hat der Bombardierkäfer noch einen weiteren Trick auf Lager: Er nutzt die Irritation seiner Fressfeinde, nach dem er sie bombardiert hat, um schnell das Weite zu suchen. Schließlich gehören die Bombardierkäfer zur Familie der Laufkäfer. Tanja Winkler <> 2001 Westdeutscher Rundfunk Sendedatum: 25.05.2001 88 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) Mehrkernige Arene Aromat: cyclisch-konjugierte, planare Verbindung Hückel-Regel: cyclisches π-Elektronensystem mit 4n+2 π-Elektronen Annulene (Monocyclen): H H C C n = (CH)2n n = 2, 3, 4, ... n = gerade: Antiaromat, n = ungerade: Aromat Benzoide und nichtbenzoide polycyclische Arene Benzoide polycyclische Arene sind nur aus Sechsringen aufgebaut Beispiel: C10H8-Isomere mit 10 π-Elektronen Azulen blau nichtbenzoid Naphthalen farblos benzoid Polycyclische benzoide Arene Verknüpfung der Ringe über Einfachbindungen Biphenyl p-Terphenyl Verknüpfung der Ringe durch Anellierung. Benachbarte Ringe besitzen mindestens eine gemeinsame C,C-Bindung. Lineare, angulare oder helicale Anellierung Die meisten kondensierten Arene lasen sich formal als Ausschnitte aus dem Graphitgitter erzeugen. Acene: linear anellierte (kondensierte), benzoide Arene Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Naphthalen C10H8 Anthracen C14H10 farblos farblos Hexacen C26H16 grün Tetracen C18H12 orange Heptacen C30 H18 tief grün-schwarz kann nicht rein dargestellt werden 89 Pentacen C22H14 violett Octacen, Nonacen, Decadecen und Undecadecen sind nur in Form von Derivaten bekannt. Das Verhältnis H/C nimmt mit der Größe ab. Die Stabilität der Acene nimmt mit zunehmender Größe stark ab. Die Verbindungen werden zunehmend stärker luftempfindlich und sind sehr reaktiv. Phene: angular anellierte (kondensierte), benzoide Arene Phenanthren C14H10 farblos Phene sind stets stabiler als die isomeren Acene. Erklärung: Die Anzahl der möglichen Kekulé-Formeln ist bei den Phenen größer als bei den Acenen. Sie besitzen also eine größere Mesomerieenergie. Angular anellierte Verbindungen sind thermodynamisch stabiler als linear anellierte. 90 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Namen und Ringbezifferung ausgewählter kondensierter Arene Mesomerieenergien einiger mehrkerniger Arene REPE kJ/mol 25.1 25.6 25.7 29.7 30.3 31.3 REPE = Resonanz Energie Pro π-Elektron Die REPE-Werte nehmen mit der Größe des aromatischen Systems zu. Größere Delokalisierung der π-Elektronen. Die Mesomerieenergie pro Ring ist kleiner als beim Benzen. Deshalb sind polycyclische Arene sind weiniger stabil und weniger aromatisch als Benzen. Dies zeigt sich auch in einer größeren Neigung zu Additionsreaktionen. Angular kondensierte Verbindungen sind stärker aromatisch als Acene. Dies stimmt auch mit der unterschiedlichen Anzahl von Kekulé-Strukturen überein. Beispiel: Anthracen: 4 Kekulè-Formeln Phenanthren: 5 Kekulè-Formeln Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Struktur und Bindungsverhältnisse Benzen Zwei äquivalente Kekulé-Formeln: symmetrische Struktur mit gleich langen C,C-Bindungen Im Benzen beträgt die π-Bindungsordnung der C,C-Bindungen 0.5, die Gesamtbindungsordnung also 1.5. Polycyclische Arene besitzen eine niedrigere Symmetrie als Benzen und auch verschieden lange C,C-Bindungen. Beispiel: Naphthalen (Naphthalin) Von den drei Kekulé-Formeln sind nur zwei äquivalent. Aus den Kekulé-Formeln ergeben sich folgende Bindungsordnungen (BO): 8 7 6 5 9 10 Bindung π-BO Länge/pm 1–2 = 3–4 2/3 = 0.67 138 2 2–3 1/3 = 0.33 141 3 9–10 1/3 = 0.33 142 1–9 1/3 = 0.33 141 1 4 Die Bindung 1–2 = 3–4 besitzt einen größeren Doppelbindungscharakter als die übrigen. Versuch: Pikrate von PAK. Pikrinsäure (pikros = bitter) giftig Versuch: Fluoreszens von Pyren, Anthracen, Phenanthren, Geldscheinen, Briefmarken, ... (Fluoreszenzfarbstoffe) Lit.: E. Clar, Polycyclic Hydrocarbons, Vol. 1, Springer, Berlin 1964, UVG 1078-1 Nomenklatur von Stelzner und Kuh (1921): Acene: linear anellierte PAK Phene: angular anellierte PAK Perikondensierte PAK. Beispiel: Perylen 91 92 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Vorkommen und Gewinnung Steinkohlenteer, Rückstand der Erdöldestillation Viele polynucleare Arene sind stark krebserregend. Reaktionen Naphthalen Elektropile aromatische Substitution ≈ Benzen. Die 1-Position ist am reaktivsten. σ-Komplexe H Y H Y H Y + + usw. + günstig, da ein Benzenring intakt ist. H H + Y Y + usw. Es gibt nur eine Formel mit intaktem Benzenring. H-D-Austausch L. D. Field, S. Sternhell, H. V. Wilton, Electrophilic Substitution in Naphthalene:Kinetic vs Thermodynamic Control, J. Chem. Educ. 199, 76, 1246-1247 Die Reaktion wird 1H-NMR-spektroskopisch verfolgt. Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 93 Wegen der höheren Reaktivität bei der elektrophilen Substitution erfolgt der Austausch der HAtome in Position 1 (und in den äquivalenten Positionen 4, 5 und 8) schneller als in Position 2 (und in den äquivalenten Positionen 3, 6 und 7). Dies erkennt man daran, dass zunächst das Signal bei 7.75 ppm relativ zu dem Signal bei 7.39 ppm schwächer wird. Anschließend gleichen sich die relativen Intensitäten beider Signale wieder an, bis die Konzentration an H in allen Positionen wieder gleich ist, also dem GesamtH/D-Verhältnis entspricht. 94 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Nitrierung NO2 HNO3 H2SO4 Bromierung Br Br2 + HBr CCl4 ohne Kat. Sulfonierung SO3H SO3H konz. H2SO4 + bei 80 °C: bei 160 °C: 96 % 15 % kinetische 4% 85 % thermodynamische Kontrolle Naphthalen-2-sulfonsäure ist stabiler als Naphthalen-1-sulfonsäure. 95 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Friedel-Crafts-Acylierung CO-CH3 CO-CH3 CH3COCl + AlCl3 in CS2 bei -15 °C: in Nitrobenzen bei 25 °C: 75 % 10 % 25 % 90 % Oxidation O CrO3/CH3CO2H 1,4-Naphthochinon O O2/V2O5 470 °C O O + 2 CO2 + 2 H2 O O Phthalsäureanhydrid Reduktion H2/Pd-C Tetralin H2/Pt-C oder anderer Kat. Anthracen Decalin cis- u. trans-Isomer 96 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Br Br2 + HBr CCl4 Br2 Br 9,10-Dibromanthracen + HBr Br Elektrophile aromatische Substitution bevorzugt in 9-Position Diels-Alder-Reaktionen, z.B. mit Dehydrobenzen Triptycen + Dien Dienophil Heterocyclen Isocyclen/Heterocyclen Carbocyclen Heterocyclus: Ring, der nicht nur aus Kohlenstoffatomen besteht Viele Naturstoffe sind oder enthalten Heterocyclen: Nucleinsäuren (DNA, RNA), Vitame, Alkaloide, Chlorophyll, Hämoglobin, Zucker, Farbstoffe, ..... Ebenso zahlreiche Arzneimittel, Pharmaka, Pflanzenschutzmittel, ... Ca. die Hälfte der bekannten organischen Verbindungen sind Heterocyclen. Zahlreiche technische Anwendungen Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 97 Es gibt aromatische und aliphatische Heterocyclen. Hetarene Aromatische Heterocyclen, Heteroaromaten, Monocyclen, Bicyclen, ... Polycyclen Hetarene können Fünf- und Sechsringe enthalten Wichtige Beispiele N H N O Pyridin Pyrrol Furan S Thiophen Pyridin: Verglichen mit Benzen wird eine CH-Gruppe durch das N-Atom ersetzt. Benzen und Pyridin sind isoelektronisch. Das einsame Elektronenpaar am N-Atom besetzt ein sp2Hybridorbital. Pyrrol, Furan, Thiophen: Verglichen mit Benzen ersetzen NH, O bzw. S eine HC=CHEinheit. Das Heteroatom stellt dem aromatischen System ein Elektronenpaar zur Verfügung. Pyrrol und Furan sind isoelektronisch mit dem Cyclopentadienyl-Anion. Wichtige Heteroatome: N, O, S, (P, Si, Ge, Se, ...) O und S nur in geladenen Sechsringen: Pyrylium-Ion, Thiapyrilium-Ion Vorkommen: Im Steinkohlenteer: Pyridin, Pyrrol, Thiophen, Chinolin, ... Pyrrol wurde erstmals aus Knochenteer isoliert. 98 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Ausgewählte aromatische Heterocyclen (Hetarene) Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Ausgewählte benzo-kondensierte Hetarene 99 100 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Strukturparameter und Mesomerieenergien von Fünfring-Hetarenen 1 X 5 2 3 4 Mesomerieenergie von Pyridin: 133 kJ/mol Die als Mesomerieenergien angegebenen Werte können sich stark unterscheiden. Für die relativen Werte und den aromatischen Charakter gilt: Benzen > Pyridin ≈ Thiophen > Pyrrol > Furan Pyridin N Schmp. –42 °C, Sdp. 115 °C, pKb = 8.8 schwache Base, löslich in Wasser Verwendung: Lösungsmittel, katalytische Wirkung bei Acylierungen, schwache organ. Base, Denaturierung von Ethanol, Brennspiritus Reaktionen als Base: Depotonierung von stärken Säuren, schwache organ. Base als Nucleophil: Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 CH3 + N N I(-) + CH3I N-Methylpyridiniumoidid CO-CH3 + N N Cl(-) + CH3CO-Cl N-Acetylpyridiniumchlorid ROH N + RO-CO-CH3 Pyridin katalysiert Acylierungsreaktionen als Aromat: a) mit Elektrophilen niedrige Reaktivität ≈ Nitrobenzen, π-Elektronen-armer Aromat Nitrierung N rauch. HNO3 keine Reaktion ! rauch. H2SO4 Substitution unter drastischen Bedingungen: N N HNO3, KNO3, 3-Nitropyridin H2SO4, Fe 300 °C NO2 Sulfonierung N 20 % SO3, H2SO4 230 °C Bromierung N Pyridin-3-sulfonsäure SO3H 101 102 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 N N N Br2 + 300 °C Br Br 3-Brompyridin Br 3,5-Dibrompyridin Bei der elektrophilen Substitution erfolgt die Reaktion bevorzugt in der 3-Position. Relative Energie der σ-Komplexe: (+) N (+) N H N (+) E H E E H ungünstig ungünstig günstig Es ist jeweils nur eine mesomere Grenzstruktur gezeichnet. Beim σ-Komplex für die 3Substitution kann die positive Ladung nicht am N-Atom lokalisiert werden. b) mit Nucleophilen Mit starken Nucleophilen erfolgt Substitution in 2-Position. N R N + LiR + LiH R = C6H5, C4H9, ... Tschitschibabin-Reaktion (1914): N NH2 N + NaNH2 2-Aminopyridin flüss. NH3 NH2(-) H(+) (-)_ N _ N NH2 NH (-) H - H2 Die Reaktion erfolgt nach einem Additions-Eliminierungs-Mechanismus: SN(Ar). Reduktion 103 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 H N N Pideridin sek. Amin + 3 H2 Pt Oxidation O + N N Pyridin-N-oxid + H2O2 Eisessig Pyrrol, Furan, Thiophen H N O S Pyrrol und Furan sind säurelabil, polymerisieren (starke Säuren). Thiophen ist ziemlich säurebeständig, mit sehr starken Säuren erfolgt Oligomerisation. Versuch: Fichtenspanprobe von Pyrrol und Furan Elektrophile Substitution hohe Reaktivität ≈ N,N-Dimethylanilin: π-Elektronen-reiche Aromaten Die Erstsubstitution erfolgt bevorzugt in 2- und 5-Stellung, dann 3- und 4-Position. Vergleich der σ-Komplexe: H X _ X _ E + E(+) + X _ + X H E E + X = NH, O, S X _ + + X H H E Beispiele Bromierung von Pyrrol E H 104 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 H N + 4 Br2 H N Br Br + 4 HBr Br Br Nitrierung von Pyrrol (in Gegenwart einer schwachen Säure!) H N NaNO3/ H N NO2 AcOH, 5 °C Sulfonierung in schwach basischem Medium H N SO3/ H N SO3H Pyridin, 90 °C Acetylierung mit Acetanhydrid (ohne Katalysator) H N (AcO)2O H N CO-CH3 + CH3CO2 H Reduktion O H2/ O Tetrahydrofuran THF Ni oder Pd H N H2/Ni S H2/Pd H N Pyrrolidin sek. Amin S Tetrahydrothiophen Thiolan Die katalytische Hydrierung von Thiophen ist problematisch, da Schwefelverbindungen Katalysatorgifte sind. Besser geeignet ist die Birch-Reduktion: S Na/flüss. NH3 MeOH S Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Oxidation O S O S Persäure O S Thiophen-1,1-dioxid Thiophen-1-oxid Aus Thiophen-1,1-dioxid kann über Sulfolen 1,3-Butadien hergestellt werden: O O S O O S H2 ∆T - SO2 Kat. 2,5-Dihydro-thiophen1,1-dioxid Sulfolen O O S O 2 H2 Kat. O S Tetrahydro-thiophen-1,1-dioxid Sulfolan Sulfolan ist eine polares, aprotisches Lösungsmittel. Diels-Alder-Reaktionen Reaktion als Dien. Die relative Reaktivität entspricht dem aromatischen Charakter: X _ X: O > NH > S 105 106 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Synthesen Beispiel: 2,5-Dimethyl-Derivate O O O P2O5 160 °C Hexan-2,5-dion H N (NH4)2CO3 100 °C S P2S5 O O NH3 H N HO H N OH - 2 H2O ~ Halbaminal Furan OH HO CH=O O verd. H2SO4 CH=O CaO/ 400 °C - CO oder verd. HCl HO OH Furfural Aldopentose aus Pentosanen (Kleie, Spelzen, Hafer, Mais, Reis) Saure Hydrolse (mit HCl) latein. "furfur" = Kleie Pyrrol H N O + H2O + NH3 Al2O3 Thiophen S + 3 H2S + 4S Al2O3 n-Butan katalyt. Decarbonylierung O 107 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Indol E. Fischer (1883) CO2H HN NH2 N HN CH3 O + CO2H Phenylhydrazin CH3 H N H(+) - H2O + NH3 + CO2 H(+) Phenylhydrazon der Brenztraubensäure Brenztraubensäure Der Mechanismus der mehrstufigen Reaktion wurde eingehend untersucht. Er beinhaltet u. a. eine [3,3]sigmatrope Umlagerungsreaktion. Näheres wird im Hauptstudium bei den pericyclischen Reaktionen behandelt. CO2H HN H N + CH3 HN H(+) CO2H H CO2H N HN N CH2 CH3 [3,3] - H(+) H H H N H_ CO2H NH H(+) CH2 H + N CO2H NH2 N CO2H + H2N CH2 CH2 H H N H N + + NH NH3 CO2H - NH3 CO2H CO2H - H(+) - CO2 H N 108 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Aliphatische Heterocyclen Gesättigte Heterocyclen Die meisten Verbindungen ähneln in ihren Eigenschaften den analogen acyclischen Substanzen. Ausnahme: Kleine Ringe (3- und 4-Ringe) Wichtige Beispiele: O S Oxiran Thiiran O Tetrahydrofuran THF Oxolan O Tetrahydropyran THP Oxan H N Aziridin O Oxetan Thietan Azetidin H N S Tetrahydrothiophen THT Thiolan H N S Tetrahydrothiopyran NH S Piperidin Oxirane und Aziridine sind säurelabil. Pyrrolidin O O O N H 1,4-Dioxan Morpholin Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 109 Nomenklatur von aliphatischen Heterocyclen Hantzsch-Widmann-System (die Angaben in Klammern gelten für Stickstoff als Heteroatom) Ausgewählte aliphatische Heterocyclen 110 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Kohlenhydrate Mengenmäßig größter Anteil der in der Natur vorkommenden organischen Substanzen. Hauptbestandteil der Nahrung für Menschen und Tiere. Wichtigster Energieträger der Nahrungsstoffe (außerdem Proteine, Fette). Pflanzlichen Ursprungs. Bildung durch Photosynthese in den grünen Pflanzen und in einigen Bakterien (→ Glucose) hν n CO2 + n H2O Cn(H2O)n + n O2 (n = 6: Glucose) Chlorophyll Monosaccharide Einfache Zucker, CnH2nOn, (n = 3-9), Kohlenhydrate Glucose C6H12O6: essentieller Bestandteil des Blutes Disaccharide Saccharose, C12H22O11 (Rohrzucker, "Zucker"), Lactose (Milchzucker), Maltose (Malzzucker) Polysaccharide Polymere Zucker, CaH2bOb, b < a, Polykondensate: Stärke, Cellulose, Glykogen, Inulin, ... Stärke: Reservekohlenhydrat von Pflanzen Glykogen: Reservekohlenhydrat von Tieren und Menschen (Leber, Muskeln) Cellulose: Gerüstsubstanz der Zellwände von Pflanzen Wichtigste Monosaccharide C6H12O6 Konstitutionsisomere H CH2OH O C HC* OH CH2OH D-Glucose eine Aldose Anzahl Stereoisomere: 24 = 16 4 C O HC * OH 3 CH2OH D-Fructose eine Ketose 23 = 8 Polyfunktionelle Verbindungen mit mehreren Chiralitätszentren. Zahlreiche Stereoisomere D-Glucose: Aldose D-Fructose: Ketose (eines von 24 = 16 Stereoisomeren) (eines von 23 = 8 Stereoisomeren) Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 111 Fischer-Projektion CH=O H R OH CH=O H CH2OH CH2OH CH=O CH=O HO H HO CH2OH S OH H CH2OH D-Form D(+)-Glycerinaldehyd D = Dexter L-Form L(-)-Glycerinaldehyd L = Laevus D,L-System (E. Fischer 1891, Nobelpreis 1902) • nur anwendbar auf Verbindungen des Typs R-CHX-R' • Waagerechte Striche: Bindungen zeigen nach vorn Senkrechte Striche: Bindungen zeigen nach hinten • Die C-Kette wird senkrecht angeordnet Das C-Atom mit der höchsten Oxidationsstufe steht oben • Bei mehreren *C richtet sich die D,L-Kennzeichnung nach dem untersten *C • Diastereoisomere werden i.d.R. mit Trivialnamen unterschieden Das D,L-System wird heute noch überwiegend bei Zuckern und Aminosäuren angewendet, z.B. L-Alanin CO2H H2 N H CH3 112 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Beispiel: Stereoformel und Fischer-Projektion von D-Glucose C6H12O6 O H H HO H H OH OH C HO H HO H H H (2R,3S,4R,5R)2,3,4,5,6-Pentahydroxy-hexanal C H O OH HO H H OH H OH CH2OH D-Glucose Für diese und ähnliche Verbindungen mit mehreren stereogenen Zentren ist das R,S-System ist unhandlich, Stereoformeln sind unbequem. Deshalb werden Trivialname verwendet, hier: D-Glucose. Der Buchstabe D bezeichnet die Konfiguration. Monosaccharide Aldosen und Ketosen Einfache Zucker, CnH2nOn, n = 3......7 Natürlich vorkommende Zucker: überwiegend D-Reihe Polyhydroxy-Aldehyde und –Ketone, wichtige Beispiele: n Aldosen 1 H Ketosen C O H 2 Formaldehyd, kein Zucker CH=O CH2OH Glykolaldehyd, sirupöse Flüssigkeit, süßlicher Geschmack, Sdp. 96 °C, polymerisiert leicht CH=O 3 Triosen H CH2OH C O OH CH2OH D(+)-Gycerinaldeyd, Aldotriose, einfachster Aldedzucker CH2OH 1,3-Dihydroxyaceton, achiral, Ketotriose, einfachster Ketozucker, chemisches Hautbräunungsmittel, bildet mit Aminosäuren braue Farbstoffe Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 4 Tetrosen CHO H OH HO H OH H 5 H C O H OH CH2OH CH2OH D(-)-Erythrylose D(-)-Threose CH2OH Bausteine von Nucleinsäuren Pentosen C O CHO CHO H OH H H H OH H OH H OH H OH H OH H OH CH2OH CH2OH D(-)-Ribose in RNA 2-Desoxy-D-ribose in DNA CHO 6 Hexosen CHO OH CH2OH D(-)-Erythrose CHO H HO CH2OH D(-)-Ribulose CH2OH CHO OH HO H H HO H C O HO H H OH H OH H OH H OH H OH H OH CH2OH D(+)-Glucose Dextrose 113 CH2OH CH2OH D(+)-Mannose D(-)-Fructose Laevulose 7 CH2OH Heptosen C O HO H H OH H OH H OH CH2OH D(+)-Sedoheptulose Pentosen sind als Bausteine von Polysacchariden in der Natur weit verbreitet. Ausserdem in Nucleinsäuren. 114 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 D(+)-Glucose und D(+)-Mannose unterscheiden sich nur in der Konfiguration eines *C. Solche Diastereomere nennt man Epimere. D(+)-Glucose Wichtigstes Monosaccharid, in der Natur am weitesten verbreitete organische Verbindung, wichtigste Komponente vieler Oligo- und Polysaccharide Technische Gewinnung durch Hydrolyse von Stärke, Auskristallisieren aus wässriger Lösung → α-D-Glucose (s. h.) D(+)-Sedoheptulose ist ein Zwischenprodukt bei der Photosynthese. Stammbaum der D-Aldosen Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Stammbaum der D-Ketosen 115 116 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Cyclische Halbacetale, Anomere Hydroxyaldehyde und –ketone bilden intramolekulare, cyclische Halbacetale. Günstig ist die Bildung spannunsgfreier Fünf- und Sechsringe. Anomerie der Halbacetale, Haworth-Projektion D-Glucose CH2OH O 1 H C OH H OH HO H OH CH2OH H H 1 OH H OH H OH HO H CH2OH O 1 OH OH HO OH OH HO O H H H 1 O C H α-D-Glucopyranose Haworth-Projektion H H OH H OH CH2OH CH2OH 1 HO C H H O H OH HO H H OH O OH OH 1 H OH H H H OH CH2OH HO H CH2OH HO O OH OH 1 β-D-Glucopyranose α- und β-D-Glucopyranose unterscheiden sich nur in der Konfiguration an C1. Es handelt sich also um Diastereomere (Epimere). Man nennt sie Anomere. C1 ist das anomere C-Atom, die halbacetalische OH-Gruppe an C1 ist die anomere Hydroxy-Gruppe. α-Anomer: OH-Gruppe an C1 ist trans-ständig zur CH2OH-Gruppe. β-Anomer: OH-Gruppe an C1 ist cis-ständig zur CH2OH-Gruppe. Im α-Anomer steht die anomere OH-Gruppe axial. Lage der anomeren OH-Gruppe: Anomer Fischer-Projektion Haworth-Projektion Sessel-Form α rechts unten axial β links oben equatorial Beide Anomere lassen sich kristallin isolieren. Als Diastereomere besitzen sie unterschiedliche Eigenschaften. Anomer Schmp./° C [α]D α 146 (aus Wasser) +112 β 150 (aus Pyridin) +18.7 117 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 In der β-D-Glucopyranose nehmen sämtliche Substituenten am Sechsring die energetisch bevorzugte equatoriale Lage ein. In wässriger Lösung stellt sich eine Gleichgewicht aus α- und β-Form ein. Ausgehend von der in der Dextrose rein vorliegenden β-Form beobachtet man eine Veränderung der spezifischen Drehung (Mutarotation): Anfangswert: +112°, Endwert (für das Gleichgewicht): +52.7°. Daraus ergibt sich für das Gleichgewicht. 36 % α-Form + 64 % β-Form. Die acyclische Aldehyd-Form ist zu ca. 0.003 % vorhanden, sie ist nicht isolierbar. Die β-Form ist etwas stabiler als die α-Form. Die Furanoseformen (α- und β-) sind nur zu ≈ 0.2 % vorhanden. H CH2OH HO O H HO HO OH OH α-D-Glucopyranose 36 % C O CH2OH OH H H OH H OH CH2OH HO HO O OH OH β-D-Glucopyranose 64 % (0.003 %) D-Fructose In wässriger Lösung erfolgt ebenfalls Mutarotation. Im Gleichgewicht sind sowohl die Furanosen als auch die Pyranosen vorhanden. Von der acyclische Keto-Form liegt nur eine Spur (< 1 %) vor. Nur die stabilste Form, die β-D-Fructopyranose, lässt sich in reiner Form kristallin gewinnen. Mutarotation der Fructose: 118 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 1 CH2OH 2C O HO H H OH H OH CH2OH H H OH HO H H OH H OH CH2OH (< 1 %) H OH H α-Fructofuranose 9% O 1 CH2OH H H HO H α-Fructopyranose 3% H OH 2 HO CH2OH 1 OH H β-Fructofuranose 31 % O H 2 OH HO OH HOCH2 O 2 HO 1 CH2OH 2C O 1 CH2OH HOCH2 O H HO OH 2 CH2OH 1 HO OH H β-Fructopyranose 57 % (%-Werte aus Fox-Whitesell, Römpp). Über die Konzentrationen der einzelnen Anomeren findet man in der Literatur z. T. unterschiedliche Angaben. Literatur R.E. Harmon (Hrsg.), Asymmetry of Carbohydrates, M. Dekker, New York, 1979, S. 27. <31 UWL 73> J. Lehmann, Chemie der Kohlenhydrate, Thieme (TB), Stuttgart, 1976 <31 UWL 1077> W.N. Haworth (1883-1950), Manchester, Kohlenhydrat-Chemiker, Nobelpreis 1937 Furanose- und Pyranose-Formen, Glykosid-Strukturen, Haworth-Formeln Klärte die Struktur zahlreicher Zucker auf: Maltose, Cellobiose, Lactose, Gentiobiose, .... 1934 Synthese von Vitamin C, Briefmarke GB 1977 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 119 Technische Synthese der L-Ascorbinsäure Gesamtausbeute: 66 % Formelschema aus: H. Beyer, W. Walter, Lehrbuch der Organischen Chemie, 22.Aufl., S. Hirzel Verlag, Stuttgart, 1991, S. 451. 1. Katalytische Hydrierung 2. biochemische Dehydrierung mittels Acetobacter 3. Oxidation direkt mit O2/Pt oder über die Diisopropyliden-Verbindung mit KMnO4 und anschließender Abspaltung der Acetonreste durch sauere Hydrolyse 4. Lactonisierung beim Erhitzen mit verdünnten Säuren Vitamin C, L-Ascorbinsäure Name "Vitamin": vita (latein. Leben) + Amin Ursprünglich meinte man, dass "Vitamine" aminartig seinen, Beispiel: Vitamin B Name "Ascorbinsäure": anti-Skorbut-Säure L-Ascorbinsäure: γ-Lacton einer Ketohexansäure Vorkommen: in frischen Früchten Mangel: Skorbut, Zahnfleischbluten 120 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Tiere produzieren Vitamin C in der Leber aus D-Glucose (täglich ca. 0.5 g pro kg Körpergewicht). Menschen und einige andere Tiere (Vögel): Oxidase fehlt. Defektes Gen, chronischer Vitamin C-Mangel? These von L. Pauling u. a. Ascorbinsäure. Saurer Charakter, starkes Reduktionsvermögen. Die Acidität (pKa= 4.1) beruht auf der Endiol-Gruppe. Diese wird durch Oxidationsmittel (freie Radikale) zum Dion oxidiert. Verwendung der Ascorbinsäure als Antioxidans, z.B. zur Haltbarmachung von Lebensmitteln (Apfelsaft u. a.). Synthese (1934): W. N. Haworth (1883–1950), Kohlenhydrat-Chemiker, Nobelpreis für Chemie (1937). T. Reichstein (1897–1996), Nobelpreis für Physiologie oder Medizin (1950). Oxidation und Reduktion von Monosacchariden Reduzierende/Nichtreduzierende Zucker Unterscheidung durch: - Fehlingsche Probe (1850): Nachweis von Aldehyden - Tollenssche Probe (????), mit ammoniakal. AgNO3-Lösung Versuch: (Fehlingsche Probe von Glucose, Saccharose), Cu2+ als Tartratkomplex, Red → Cu2O rot Reduzierende Zucker: - Alle Monosaccharide (Aldosen und Ketosen) - die meisten Disaccharide Nicht reduzierend: Saccharose (Rohrzucker, gewöhnlicher Zucker) Die Reduktion von Glucose und Fructose liefert das gleiche Produkt. H C O HC OH H2/Ni 4 CH2OH D-Glucose Oxidation von Glucose CH2OH CH2OH HC OH CH2OH Sorbit H2/Ni 4 C O HC * OH 3 CH2OH D-Fructose Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 H C HO O Br2 HC OH CH2OH O C HC OH 4 121 Gluconsäure 4 CH2OH D-Glucose HO HNO3 C O HC OH HO C 4 Glucarsäure Zuckersäure O Isomerisierung von Glucose und Fructose durch Keto-Enol-Tautomerie. Katalyse durch (H+ oder OH-). H C O HC OH R Aldose z. B. D-Glucose H C OH CH2OH C OH C O R R Endiol-Form Ketose z. B. D-Fructose Br2/H2O oxidiert nur Aldosen, keine Ketosen Fehlingsche Lösung (alkalisch) oxidiert Aldosen und Ketosen, Reaktion allgemein bei α-Hydroxaketonen und –aldehyden Reaktion mit Phenylhydrazin → Osazone (E. Fischer 1884) D-Glucose und D-Fructose liefern das gleiche Osazon. Acetalbildung, Glykoside Methylierung und Acetylierung von Glucose 122 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 CH2OH HO CH2OH O R-OH H HO OH H(+) HO HO OH α- oder β-D-Glucopyranose R'O R'O CH2OMe H Pentacetylα-glucose oder β-glucose OH R O Me2SO4 O OR' + H2O H R = CH3: Methyl-α-D-glucosid oder Methyl-β-D-glucosid (CH3CO)2O CH2OR' O O-R' MeO MeO R' = CH3CO O R = Me H OMe O R Tetramethyl-methylα-glucosid oder β-glucosid Allgemein werden die Kondensationsprodukte von Zuckern mit Alkoholen Glykoside genannt. Die Glucoside sind Glykoside der Glucose. Disaccharide Die Glykosid-Bildung erfolgt mit einem anderen Zucker. Disaccharide entstehen durch Glykosid-Bildung aus zwei Monosacchariden. Es handelt sich also um Kondensationsprodukte von Monosacchariden. Sie sind zu Monosacchariden hydrolysierbar. 123 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Wichtige Disaccharide Saccharose Rohrzucker, Rübenzucker, Sucrose, "Zucker" Gehalt an Saccharose Zuckerrohr: ca. 15 % Zuckerrübe: ca. 20 % O CH2OH HO HOCH2 O 2 1 HO O 2 + OH OH 1 CH2OH OH HO β-Fructofuranose α-D-Glucopyranose 1 OH HOCH2 -H2O HO HO OH O 2 OH 1 2 HOCH2 O OH CH OH 2 α-D-Glucopyranosyl-β-D-fructofuranosid β-D-Fructofuranosyl-α-D-glucopyranosid CH2OH O HOCH2 OH O HO OH O HO CH2OH OH Da beide Monosaccharide über ihre anomeren OH-Gruppen mit einander verknüpft sind, liegen beide als Acetale vor. Deshalb ist das Disaccharid nicht reduzierend. Geschichte Saccharose wurde aus Zuckerrohr bereits 300 n. Chr. in Indien isoliert. Die Araber brachten Zuckerrohr und "Zucker" nach Ägypten und Europa. Columbus nahm Zuckerrohr auf seiner zweiten Fahrt mit nach Amerika (San Domingo, 1494). In Europa (Deutschland) gewinnt man Rohrzucker aus Zuckerrüben seit der Napoleonischen Kontinentalsperre (~ 1796–1814). "Zucker" ist einer der wenigen "reinen" Stoffe, die wir als Lebensmittel verwenden. Rohrzuckerinversion Saure oder enzymatische Hydrolyse der Saccharose. Dabei entsteht "Invertzucker". Die spezifische Drehung ändert sich dabei von +66.5 ° (Saccharose) auf –20.0° (Gemisch aus Glucose und Fructose). Saccharose + H2O → Glucose + Fructose Saccharose + H2O → α-D-Glucopyranose 18 % 124 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 β-D-Glucopyranose 32 % α-D-Fructofuranose 16 % β-D-Fructopyranose 34 % Das Gemisch aus Glucose und Fructose ist Kunsthonig. Dieses ist süßer als reine Saccharose. Bienenhonig ist natürlicher Invertzucker + Saccharose (wird enzymatisch gespalten, Enzym: Invertase). Süßer Geschmack Abstand zwischen Protonendonor und Protonenakzeptor: ≈ 300 pm A Signalstoff H D Rezeptor ca. 300 pm D H A Siehe z.B. J.-H. Fuhrhop, Bio-organ. Chemie, S. 309. Olestra Saccharose verestert mit sechs oder mehr Fettsäuren. "Calorienfreier" Fettersatz wird nicht resorbiert, unverdaulich. Lit.: R.J. Jandacek, J. Chem. Ed. 1991¸ 67, 476. Lactose, Milchzucker Kuhmilch: 4–5 %. Frauenmilch: 5.5–7,5 %. Die Hydrolyse liefert Glucose und Galactose Milchsäuregärung: → Milchsäure (Sauermilch, Joghurt) HO CH OH 2 HO CH2OH CH2OH O HO OH HO O OH OH O OH O O OH H, OH O HOCH2 OH OH 4(β-D-Galactopyranosyl)-α(oder β)-D-glucopyranose Nur das linke Glucose-Molekül liegt als Acetal vor. Das rechte liegt als Halbacetal (α- oder β-Form) vor. Deshalb ist das Disaccharid reduzierend. Maltose, Malzzucker Wird in keimenden Samen beim enzymatischen Abbau von Stärke gebildet. "Gerstenmalz", Spaltprodukt der Stärke 125 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Die Hydrolyse liefert zwei Moleküle Glucose. OH O HO CH2OH CH2OH OH O OH O OH OH O OHHO O HO OH O HO OH OH HOCH2 4(α-D-Glucopyranosyl)-α(oder β)-D-glucopyranose, reduzierend. Cellobiose Abbauprodukt der Cellulose. Hydrolyse liefert zwei Moleküle Glucose. Isomeres der Maltose. CH2OH CH2OH CH2OH HO HO O OH HO O HOCH2 OH OH O O O OH O OH H OH HO OH OH 4(β-D-Glucopyranosyl)-α(oder β)-D-glucopyranose, reduzierend. Cyclodextrine Beim Abbau von Stärke durch Bacillus macerans oder B. circulans unter Einwirkung von Cyclodextringlycosyltransferase gebildete cyclische Dextrine. Die Cyclodextrine bestehen aus sechs, sieben oder acht α-1,4-verknüpften Glucose-Einheiten (α-, β- bzw. γ-Cyclodextrin). 126 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 O HOCH2 O OH O O OH CH2OH HO O OH HO O HO HOCH2 O 5,2 A OH CH2OH OH HO O HO O OH HOCH2 O O HO CH2OH O α-Cyclodextrin Diese Cyclohexa- (-hepta-, -octa-)amylosen sind im Kristallgitter der Cyclodextrine so auf einander geschichtet, dass sie durchgehende innermolekulare Kanäle bilden, in denen sie hydrophobe Gastmoleküle in wechselnden Mengen bis zur Sättigung einschließen können, z. B. Gase, Alkohole oder Kohlenwasserstoffe. α-Cyclodextrin bildet auch mit Iod eine Einschlussverbindung, die blau gefärbt ist und in der die Iod-Atome perlschnurartig in den Kanälen angeordnet sind. Cyclodextrine werden aufgrund dieser Eigenschaften zur Fertigung von Nahrungsmitteln, Kosmetika, Pharmazeutika und Pestiziden sowie zur Festphasenextraktion, als Reaktionskatalysatoren und zur Enantiomeren-Trennung eingesetzt. Literatur: Adv. Carbohydr. Chem. 1987, 12, 189. Angew. Chem. 1980, 92, 343. Vögtle, Supramolekulare Chemie, 2. Aufl., S. 175 ff., Teubner, Stuttgart, 1992. 127 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Polysaccharide Cellulose, Stärke (Amylose, Amylopektin), Glykogen: bestehen aus Glucose Glucose in Polysacchariden: Cellulose: 1,4-β-glykosidisch verknüpft Amylose: 1,4-α-glykosidisch verknüpft Amylopektin: 1,4-α- und 1,6-α-glykosidisch verknüpft Glykogen: 1,4-α- und 1,6-α-glykosidisch verknüpft Cellulose Mengenmäßig wichtigster Naturstoff, Gerüststoff der Pflanzen Pflanzliche Zellwände bestehen vorwiegend aus Cellulose. Rohstoff für Zellstoff, Papier Baumwolle enthält 98 % Cellulose, Holz 50 %, Stroh 30 % (Saure) Totalhydrolyse liefert nur D-Glucose: "Holzverzuckerung". Herstellung von Ethanol und Futterhefe Struktur der Cellulose: lange, parallele Ketten, durch H-Brücken verbunden, Fasern Cellobiose-Einheit OH HO HO 4 O O CH 2OH HO CH 2OH O HO 1 2 OH CH 2OH O OH O 4 2 1 O CH2OH O OH HO OH n Anzahl der Cellobiose-Einheiten variiert stark (einige Hundert–mehrere Tausend). Derivatisierung von Cellulose Nitrierung Cellulose HNO3 Cellulosenitrat, "Nitrocellulose" hoch intriert: Schießbaumwolle schwach nitriert: Cellulovid, Collophonium, Kollodiumwolle + Campher (Weichmacher): Nitrolacke Celluloseanthogenat 128 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Cellulose NaOH/CS2 Cellulosexanthogenat S CEL OH + CS2 + NaOH CEL O ca. 1 CS2 pro 2 Glucose-Einheiten S(-) Na(+) Viscose-Reyon, Cellophan Cellulose-Acetat O CEL OH (CH3CO)2O CEL O CH3 CEL O R Acetatseide, Filme, Plastikmaterial Methyl-/Ethylcellulose CEL OH R-Cl/NaOH R = CH3, C2H5 Emulgatoren, wasserfestes Papier, Tapetenkleister Stärke pflanzliches Reservekohlenhydrat (Wurzeln, Knollen, Mark, Samen), besteht aus: Amylose (20 %, ca. 100–1400 Glucose-Einheiten) und Amylopektin (80 % ca. 1000–5000 Glucose-Einheiten) CH2OH CH2OH O O OH OH O O O CH2OH OH CH2OH O O OH HO 5 4 OH O O O OH OH 6 CH 2 O O 1 OH 3 Amylopektin CH2OH 2 OH Amylose OH O O OH ←-------Maltoseeinheit------→ Amylose Struktur: α-glykosidisch-verknüpfte Glucose-Moleküle, spiralförmige Anordnung der Kette, Helix Iod-Stärke-Reaktion Blaufärbung: I5(-)-Komplex, empfindlicher Nachweis von Stärke oder von Iod. Iod-Moleküle werden als KI5 in die Kanäle eingelagert. Anwendung z. B. in der Iodometrie. Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Abbildung aus: A. L. Lehninger, D. L. Nelson, M. M. Cox, Prinzipien der Biochemie, 2. Aufl., Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, 1994, S. 358. Glykogen tierisches Reservekohlenhydrat (Muskeln, Leber) 25000–90000 Glucose-Einheiten ähnliche Struktur wie Amylose, aber stärker verzweigt Aus Stärke zugängliche Produkte 129 130 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Quelle: Römpp Lexikon der Chemie, Version 2.0, Georg Thieme Verlag, Stuttgart/New York, 1999. Inulin Polysaccharid CH2OH O OH HO HO HOCH2 O O HO CH2 OH HOCH2 O n O HO OH CH2OH Inulin ist ein lineares Polyfructosan mit ca. 30–60 Fructose-Einheiten in β(2→1)glykosidischer Bindung, die in der furanosiden Form vorliegen. Wahrscheinlich wird die Kette von Glucose (Gesamtanteil 2–3%) abgeschlossen. Inulin findet sich allein oder zusammen mit Stärke als Reserve-Kohlenhydrat in Dahlienknollen, Artischocken, Topinamburknollen, Zichorienwurzeln, Löwenzahnwurzeln u. a. Inulin wurde erstmals von Rose 1804 aus dem Rhizom von Inula helenium (Name!) isoliert. Mit Hilfe von Säuren oder Enzymen (Inulase) wird Inulin vollständig zu Fructose abgebaut und kann zur Gewinnung von Fructose und zur Bereitung von Brot für Zuckerkranke (Diabetikerbrot) sowie zur Nierenfunktionsprüfung verwendet werden. Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 131 Nucleoside, Nucleotide, Nucleinsäuren Wichtige Naturtoffe Coenzyme: ATP, NAD, .... Nucleinsäuren Träger der genetischen Information (Proteinbiosynthese → Enzyme) Name: "Kernsäuren", kommen in den Zellkernen aller Organismen vor, aber auch im Zellplasma und in den Ribosomen, wurden 1869 von R. Miescher entdeckt und aus Eiterzellen isoliert. Die wichtigsten sind DNA und RNA, größte bekannte Makromoleküle DNA: Molmasse 500.000–einige Milliarden D Mensch: ca. 3 x 109 Nucleotide-Paare Lungenfisch: 6.9 x 1013 (69 Billionen) D, Länge 34.7 m (!), größtes isolierbares Molekül (vgl. H.-G. Elias, Große Moleküle, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York-Tokyo, 1985, S. 23 <OC37>) Nucleinsäuren: Polynucleotide Hydrolyse liefert Zucker (Pentose): D-Ribose (RNA) 2-Desoxy-D-ribose (DNA) N-Heterocyclen ("Basen") Purine: Adenin, Guanin Pyrimidine: Cytosin, Thymin (DNA) Cytosin, Ucrycil (RNA) Phosphorsäure Nucleinsäuren sind Copolkondensate aus Zucker, Base, Phosphorsäure 132 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Nucleoside und Nucleotide Zucker + + Phosphorsäure Base - H2 O Nucleosid - H2 O Nucleotid N-Glykoside O OH R O + H-NR2 Zucker: Furanose oder Pyranose Halbacetal - H2O α- oder β-Form sek. Amine "Base" Zucker HOCH2 O OH OH OH β-D-Ribose β-D-Ribofuranose Basen Pyrimidine: NR2 R 5 HOCH2 O OH 4 1 3 2 OH β-D-2-Desoxyribose 133 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 NH2 O O H3C NH N N O N NH N O H H H Uracil (RNA) O Thymin (DNA) Cytosin (DNA/RNA) Purine: O NH2 N N N N N N NH N NH2 H H Adenin C5H5N5 (DNA/RNA) Guanin C5H5N5O (DNA/RNA) Das zur Kondensation verwendete H-Atom ist jeweils rot gezeichnet. Herkunft der Basen:"Ursuppe", Adenin(HCN)5, Bildung aus HCN. Die Basen sind achiral. Beispiele für ein Nucleosid und ein Nucleotid β-D-Ribose + Adenin Adenosin, ein Nucleosid = N-Glykosid - H2O Adenosin + H3PO4 Adenosinmonophosphat, AMP ein Nucleotid - H2O NH2 N NH2 N N O 5' HO CH2 O N 4' 1' 3' N HO P 5' O CH2 O N N N OH 2' HO OH Adenosin HO OH AMP Nucleotid = Nucleosid-5'-phosphat 134 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Adenosin-5'-triphosphat (ATP) NH2 N O HO P O P OH N O O O P OH 5' CH2 O N O N OH HO OH ATP chemischer Energiespeicher (Fox, Whitesell, S. 812) ATP4- + H2O → ADP3- + H2PO3- ∆G° = -30.5 kJ/mol ATP + 2 H2O → AMP + 2 PO33- ∆G° = -65.6 kJ/mol Ribonucleoside Adenin NH2 N N Guanin O N N Cytosin NH2 NH N N NH N NH2 N Uracil O N 5' HO CH2 O N O O 2' 3' OH OH Desoxyribonucleoside Adenin Guanin NH2 N N N N Thymin O O N N H3C NH N NH Cytosin NH2 NH2 N N HO 5' CH2 3' N O 2' OH O O Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 RNA: DNA: Base Nucleosid Nucleotid Adenin Adenosin Adenylsäure A Guanin Guanosin Guanidylsäure G Cytosin Cytidin Cytidylsäure C Uracil Uridin Uridylsäure U Adenin 2-Desoxyadenosin 2-Dexoxyadenylsäure A' Guanin 2-Dexoxyguanosin 2-Desoxygeranidyl-säure G' Cytosin 2-Desoxycytidin 2-Desoxycytidylsäure C' Thymin 2-Desoxythymidin 2-Desoxythymidylsäure T 135 Nucleinsäuren, Polynucleotide Primärstruktur von DNA und RNA DNA- und RNA-Fragmente: Basensequenz: genetische Information Genetischer Code: Basentripletts kodieren Aminosäuren (→ Primärstruktur von Proteinen) Sekundärstruktur der DNA: Doppelhelix J.D. Watson und J. Crick, Nature 1953, 171, 737. Nobelpreis (Medizin) 1962. 136 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 "Wichtigste Arbeit auf dem Gebiet der Biologie seit Darwin". Bedeutung für Evolutionstheorie, Molekularbiologie, Synthese von Oligonucleotiden, Gentechnologie(Schöpfung neuer Lebewesen), Medizin, ... Zwei Polynucleotidstränge bilden eine Doppelhelix ("Wendeltreppe"). Die Basen sind senkrecht zur Helixachse angeordnet. Auf eine Helixwindung entfallen pro Strang 10 Nucleotide (Basen). Die beiden gegenläufigen Stränge werden hauptsächlich durch Wasserstoffbrücken (und durch van der Waals-Kräfte) zwischen den Basen zusammengehalten. Basenpaarung A --- T: Adenin = Thymin (2 H-Brücken) G --- C: Guanin ≡ Cytosin (3 H-Brücken) Die beiden Stränge sind komplementär (nicht identisch!) Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Watson-Crick-Modell der DNA D = Desoxyribose P = Phosphat 137 138 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Basenpaarung in der DNA H. Beyer, W. Walter, Lehrbuch der Organischen Chemie, 22. Aufl., S. Hirzel Verlag, Stuttgart, 1991, S. 855. Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 139 Stereodarstellung der DNA siehe Lehrbuch OC von Streitwieser, Heathcock, Kosower, S. 1177. Bei der Zellteilung erfolgt eine Aufknäuelung der Doppelhelix und eine Synthese der komplementären Stränge, so dass beide Tochterzellen wieder die vollständige DNA enthalten. Genetischer Code Proteinbiosynthese. Ein Gen ist ein Bereich der DNA, der die Information für die Primärstruktur (Aminosäuresequenz) eines Proteins enthält. Von der DNA wird die Information auf eine mRNS (Boten-[messenger] RNA) mit komplementärer Basensequenz übertragen. Jeweils drei aufeinander folgende Basen kodieren eine Aminosäure. "DNA macht RNA macht Protein". Basentriplett = Codon 140 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Aufklärung des genetischer Codes in den 1960er Jahren: Nierenberg und Khorana Proteine sind aus 20 verschiedenen Aminosäuren aufgebaut. Diese müssen mit vier verschiedenen Basen codiert werden: Doubletts → 42 = 16 Aminosäuren (zu wenig!) Tripletts → 43 = 64 verschiedene Kombinationen, entarteter Code Triplett-Codons für die 20 proteinogenen L-Aminosäuren erste Position (5'-Ende) zweite Position U U Phe Phe Leu C Ser Ser Ser Leu Ser Leu Leu Leu Leu Ile Ile Ile Met Val Val Val Val A G dritte Position (3'-Ende) A Tyr Tyr Stop (ochre) Stop (amber) G Cys Cys Stop (opal) Trp U C A Pro Pro Pro Pro His His Gln Gln Arg Arg Arg Arg U C A G Thr Thr Thr Thr Ala Ala Ala Ala Asn Asn Lys Lys Asp Asp Glu Glu Ser Ser Arg Arg Gly Gly Gly Gly U C A G U C A G G Quelle: Römpp Lexikon der Chemie, Version 2.0, Georg Thieme Verlag, Stuttgart/New York, 1999. Das Triplett UGA kann auch die seltene Aminosäure L-Selenocystein codieren. CO2H HSe NH2 Das Triplett UAG kann auch die seltene Aminosäure L-Pyrrolysin (X = CH3, NH2 oder OH) codieren. N X H N O CO2H NH2 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 141 Lit.: C. Fenske, G. J. Palm, W. Hinrichs, Wie eindeutig ist der genetische Code?, Angew. Chem. 2003, 115, 626-630, 606-610. Gene Menschliches Genom : ca. 3 x 109 Nucleotide-Paare 100 000 Gene verteilt auf 23 Chromosomenpaare 1 Gen enthält 1000 - > 2 x 106 Nucleotide Nur ca. 5 % der Nucleotide gehören zu Genen, die Funktion der übrigen 95 % ist unbekannt. In den Jahren 1988–2002 wurde die Basensequenz des menschlichen Genoms (vollständig) aufgeklärt. Human genome project Die zu einem Protein gehörige Basensequenz wird häufig unterbrochen. Code: GT (Intron) 1992: Das größte bisher identifizierte Gen erzeugt das Protein Dystrophin (Störung führt zur Muskeldystrophie). Es erstreckt sich über mehr als 2 Millionen Nucleotidpaare und besitzt 50 Unterbrechungen. Bei Menschen unterscheiden sich Individuen in 0.01–1 % des Genoms. 142 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Aminosäuren und Proteine Charakteristisches Strukturelement: R O * H2N OH (Folien des Fonds C.I.: wenig geeignet) Struktur und Eigenschaften von α-Aminosäuren Aminosäure = Aminocarbonsäure: difunktionelle Verbindung H2N-CH2-CH2-CO2H 3-Aminopropansäure, β-Aminosäure O R O R OH O + NH2 NH3 α-Aminosäure Die unpolare Form liegt nur in der Gasphase vor. Die "normale" Struktur entspricht der zwitterionischen (Betain) Form. α-Aminosäuren sind die Bausteine von Peptiden, Proteinen (und Proteiden). Proteine: bestehen überwiegend aus 20 verschiedenen α-Aminosäuren. Dabei handelt es sich um Polykondensationsprodukte, in denen die Aminosäuren über Peptid-(Amid-) Bindungen verknüpft sind. O H 2N O HN OH + 2 R OH R' R' O - H2 O H2 N R N H OH O Peptidbindung Aminosäuresequenz: Primärstruktur eines Proteins (in der DNA kodiert) Außer dem Glycin (R = H, Aminoessigsäure) sind sämtliche Aminosäuren chiral. Die natürlich vorkommenden (proteinogenen) besitzen überwiegend S-Konfiguration, gehören also zur L-Reihe. Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 143 Aminosäuren sind farblose, kristalline Verbindungen, nicht destillierbar (schwerflüchtig), zersetzen sich ohne zu schmelzen, (hoher) Zersetzungspunkt (> 230° C), in Wasser mäßig bis gut löslich; in Ethanol, Ether u.ä. schlecht bzw. unlöslich → salzartiger, polarer Charakter L- und D-Form von Aminosäuren im Tetraedermodell und in der FischerProjektion Aminosäuren sind amphoter, besitzen sowohl sauren wie basischen Charakter R (-) H2N C CO2 H R H(+) - H(+) + H 3N C H Zwitterion Anion pK2 R pK2 pK1 R≠H 9 - 10 2-3 R = H (Glycin) 9.78 2.35 H2N (-) CO2 H(+) - H(+) pK1 R + H3N C CO2H H Kation zweibasige Säure CH CO2H Isoelektrischer Punkt: IP = (pK1 + pK2)/2 (R = H: IP = 6.07) Charakteristischer Wert für jede Aminosäure. pH-Wert, bei dem das Zwitterion vorliegt. Bei diesem pH-Wert wandert die Aminosäure im elektrischen Feld nicht. Minimale Löslichkeit (in Wasser). Tabelle isoelektrische Punkte: Fuhrhop <BC33> S. 28 144 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Titrationskurve von Glycin Proteinaminosäuren Es gibt ca. 20 proteinogene Aminosäuren fünf einfache aliphatische; ohne weitere funktionelle Gruppen: Gly, Ala, Val, Leu, Ile zwei Hydroxyaminosäuren: Ser, Thr zwei Schwefelhaltige Aminosäuren: Cys, Met vier Aminodicarbonsäuren (saure Aminosäuren) bzw. deren Amide: Asp, Asn, Glu, Gln zwei basische Aminosäuren (Diaminocarbonsäuren u.ä.): Lys, Arg vier aromatische bzw. heteroaromatische Aminosäuren: Phe, Tyr, Trp, His eine cyclische Aminosäure: Pro (besitzt keine –NH2- bzw. –NH3+-Gruppe Es gibt eine weitere Proteinaminosäure: Selenocystein, auch genetisch codiert, bei Hydrolyse entsteht Serin. Austausch von SeH gegen OH HSe CO2H NH2 Essentielle Aminosäuren Lys, Leu, Val, Phe, Ile, Thr, Met, Trp Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 145 Diese müssen mit der Nahrung aufgenommen werden (Mensch). Die übrigen kann der Körper selbst aufbauen. Täglicher Bedarf Erwachsener: 0.5–2.2 g pro essent. Aminosäure "Seltene" Aminosäuren Zahlreiche andere Aminosäuren (auch β-, γ-, ....) kommen in der Natur vor. Selten in Proteinen, vorwiegend als Zwischenprodukte beim Stoffwechsel. Häufige Aminosäuren NH2 R CHCO2H Name Abkürzung Ein-BuchstabenCode NH2 H CHCO2H Glycin NH2 CHCO2H Gly G A Alanin Ala CH3 NH2 CH3CH CHCO2H Valin Val V CH3 NH2 CH3CHCH2 CHCO2H Leucin Leu L CH3 NH2 CH3CH2CH CHCO2H Isoleucin Ile I Methionin Met M Prolin Pro P Phenylalanin Phe F Tryptophan Trp W CH3 CH3SCH2CH2 CH 2 NH2 CHCO2H NH CHCO 2H CH 2 CH 2 CH2 NH2 CHCO2H CH2 N H NH2 CHCO2H 146 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 HOCH2 NH2 CHCO2H Serin Ser S Threonin Thr T Cystein Cys C NH2 CHCO2H Tyrosin Tyr Y Asn N OH NH2 CH3CH CHCO2H HSCH2 NH2 CHCO2H HO CH2 NH2 O H2NCCH2 CHCO2H Asparagin NH2 O H2NCCH2CH2 CHCO2H Glutamin Gln NH2 O HOCCH2 CHCO2H Asparaginsäure Asp D NH2 O HOCCH2CH2 CHCO2H Glutaminsäure Glu E Lysin Lys K Arginin Arg R Histidin His H H2NCH2CH2CH2CH2 NH2 CHCO2H NH NH2 H2NCNHCH2CH2CH2 CHCO2H N CH2 N H NH2 CHCO2H Q Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Aminosäuretypen Beispiele für je eine • neutrale • saure und • basische Aminosäure Namen von essentiellen und nichtessentiellen Aminosäuren Name Abkürzung Alanin Ala, A Arginin Arg, R Asparagin Asn, N Asparaginsäure Asp, D Cystein Cys, C Glutamin Gln, Q Glutaminsäure Glu, E Glycin Gly, G Histidin His, H Isoleucin Ile, I Leucin Leu, L Lysin Lys, K Phenylalanin Phe, F essentiell Herkunft/Bedeutung des Namens - - abgeleitet von Aldehyd, erstmals von Strecker aus Acetaldehyd dargestellt latein. argentum = Silber, wurde zuerst als Silbersalz gewonnen griech. asparagos = Spargel - siehe Asparagin - griech. kystis = Harnblase, 1810 von Wollaston in Harnsteinen entdeckt latein. glutinum = Leim - siehe Glutamin - griech. glykeros = süß + griech. histos = Gewebe + siehe Leucin + griech. leukos = weiß + griech. lysis = Lösung + siehe Alanin 147 148 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Methionin Met, M Prolin Pro, P Serin Ser, S Threonin Thr, T Trypotophan Try, W Tyrosin Tyr, Y Valin Val, V + Kurzform aus Methylthionin, griech. theion = Schwefel - gebildet aus Pyrrolidin (E. Fischer, 1904) - - latein. sericum = Seide, nach ihrer Entdeckung durch Cramer, 1865, im Seiden-Hydrolysat stereochemische verwandt mit Threose (Aldotetrose), deren Name abgeleitet aus Erythrose, griech. erythros = rot gebildet aus Trypsin und griech. phainein = ercheinen, da es bei der Einwirkung von Trypsin auf Proteine isoliert wurde (Kossel, 1896) griech. tyros = Käse, von Liebig 1846 aus Käse hergestellt + latein. validus = kräftig, gesund + + Trennung von Aminosäuren Chromatographie Ionenaustauscher (pH-Gradient) Chromatogramm eines Aminosäure-Gemisches Nachweis von Aminosäuren 1.) Ninhydrin-Reaktion: Versuch Farbreaktion, quantitativer Nachweis Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 149 H O O O OH 2 OH O N + R CH CO2H NH2 + R-CH=O + 3 H2O + CO2 O O Ninhydrin Indantrion-Hydrat 2,2-Dihydroxy-indan-1,3-dion tiefblauer Farbstoff Nur das N-Atom der Amino-Gruppe wird in den Farbstoff eingebaut. Alle Aminosäure ohne N-Substituenten ergeben die gleiche Farbreaktion. Ausnahme: Prolin (und andere Aminosäuren mit substituierter NH2-Gruppe) geben eine andere Farbreaktion 2.) Komplexbildung mit Kupfer(II)ionen: Versuch O NH2 O blauer Chelatkomplex aus Glycin + CuSO4 Cu NH2 O O 3.) N,S-Nachweise, Elementaranalyse: Versuch 4.) Dünnschichtchromatographie: Versuch Synthese von α-Aminosäuren 1.) aus α-Halogencarbonsäuren R CH CO2H R-CH2-CO2H + Br2 + PBr3 Br NH3 - HBr R CH CO2H NH2 2.) Strecker-Synthese R-CH=O + NH3 + H-CN R CH - H2O NH2 CN 2 H2O - NH3 R CH CO2H NH2 Bei der Synthese werden racemische Gemische gebildet. Racematspaltung mit Hilfe eines chiralen (enantiomerenreinen) Hilfsstoffes, z.B. mit einem Alkaloid (Brucin oder Strychnin). Die Salze der Aminosäuren mit einem solchen chiralen Amin sind Diastereomere. (Vorher die Aminogruppe acylieren!). Enantioselektivne Synthese: Hauptstudium 150 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Proteine und Peptide Biopolymere, sind die wichtigsten Bau- und Gerüststoffe des menschlichen und tierischen Organismus, kommen in allen lebenden Organismen vor. Der größte Teil der zellulären Proteine sind katalytisch wirksame Enzyme (zumeist Proteide). Proteide sind zusammengesetzte Proteine, die neben Aminosäuren noch andere Bestandteile wie Kohlenhydrate (Glykoproteine), Lipide (Lipoproteine), Nucleinsäuren (Nucleoproteine) u. a. enthalten, Farbstoffe (z.B. Hämoglobin) Peptide Peptide aus 1-9 Aminosäuren bezeichnet man als Oligopeptide: Di-, Tri-, Tetra-, ----, Nonapeptide 10-100 Aminosäuren bilden Polypeptide Proteine (Eiweiße, Makropeptide) bestehen aus mehr als 100 Aminosäurebausteinen. Sie haben Molmassen von ~ 10.000 bis ~ 40.000.000 D. Im menschlichen Körper gibt es ca. 5 Millionen verschiedene Proteine (grobe Schätzung!). Peptide sind Polykondensationsprodukte von Aminosäuren. Die einzelnen Aminosäuren sind über Amidbindungen (Peptidbindungen) miteinander verknüpft. R2 O N-terminale Aminosäure H 3N R1 N H O Rn O H N + N H R3 O O C-terminale Aminosäure Sequenz der Aminosäuren = Primärstruktur eines Proteins (codiert in DNA) Sequenzanalyse von Peptiden 1.) Schrittweiser Abbau: Edman-Abbau 2.) Selektive Spaltung bestimmter Peptidbindungen. Z.B. mit BrCN: Spaltung erfolgt an der CO-Gruppe des Methionins 3.) Partieller Abbau, überlappende Spaltung Dabei entstehen Oligopeptide mit z.T. überlappender Struktur. Bei der enzymatische Hydrolyse werden nur bestimmte Peptid-Bindungen gespalten. Proteasen: Trypsin, Pepsin, ... Einzelheiten: Hauptstudium OC, Biochemie Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 151 Die Sequenzanalyse ist heute auch bei größeren Oligopeptiden möglich. Beispiele: Insulin (Sanger 1953) A-Kette: 21, B-Kette: 30 Aminosäuren, verknüpft durch Disulfidbrücken (s. h.) Hämoglobin (Braunitzer 1961): Häm+Globin (Komplex): 574 Aminosäuren, Molmasse 64.500 D zwei α-Ketten mit je 141 Aminosäuren zwei β-Ketten (etwas verschieden) mit je 146 Aminosäuren Alle α- und β-Ketten sind kovalent mit Häm verbunden Kurzschreibweise für Peptide Beispiel: Bradykinin (Gewebshormon, wird bei Entzündungen und Immunreaktionen freigesetzt, beeinflusst den Blutdruck), Nonapeptid Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro-Phe-Arg N-terminale C-terminale Aminosäure Peptide sind wie andere Carbonsäureamide in stark sauren und alkalischen Lösungen hydrolyseempfindlich. Die Totalhydrolyse liefert Art und Anzahl der Aminosäuren, nicht aber die Sequenz. Sequenzanalyse durch schrittweisen Abbau, durch Spaltung (auf verschiedene Weise, auch enzymatisch) in Oligopeptide (mit z.T. überlappender Struktur) Bestimmung der N-terminalen Aminosäure nach Sanger 152 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 + H3N O 2N NO2 O NO2 N H + F R1 O 2N - HF - H(+) O H N N H R1 nucleophile aromat. Substitution Totalhydrolyse Sangers Reagenz: 4,4-Dinitrofluorbenzen NO2 O H N O 2N + Aminosäuren OH R1 Nach der Hydrolyse liegt nur die N-terminale Aminosäure als 2,4-Dinitrophenylderivat vor. Bestimmung der C-terminalen Aminosäure Hydrazinolyse der Peptidbindungen mit wasserfreiem Hydrazin R2 O H3N R1 N H O O H2N Rn O H N + R3 N H O N2H4 O + NH-NH2 H2N Rn O R2 NH-NH2 H2N + + NH-NH2 R1 R3 O Alle Aminosäuren, außer der C-terminalen, werden in Hydrazide überführt. O + H3N O Synthese von Peptiden Systematische (gezielte) Verknüpfungen von Aminosäuren zu einem Oligopeptid. Ist heute routinemäßig (mit Automaten) möglich. Problem: gezielte Verknüpfung 153 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Säure- AminKomponente O H2N O H N OH + H R1 R2 O H2N OH - H2O R2 OH N H R1 O (4) Schützen (3) Aktivieren (2) Schützen (1) Arbeitsschritte: (1) Schutz durch Acylierung O R-CO-Cl + H2N R OH - HCl O H N C OH O R1 R1 (2) Aktivierung, z.B. durch Überführung in das Säurehalogenid, besser: -azid R C O H N O [HX] R OH C - H2O R1 O H N O X = Hal, N3 X R1 (3) Schutz durch Verestern H O H N OH + HO-R' - H2O H O H N O-R' R2 R2 (4) Verknüpfung R C O O H N X R1 + H O H N R O-R' R2 - HX C O O H N H N R1 R2 Peptidbindung (5) Abspalten der O-Schutzgruppe R' (6) Wiederholen der Schitte (2)–(4): → Polypeptid Eigenschaften von Schutzgruppen, Schutzgruppentechnik: Hauptstudium O O-R' 154 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Merrifield-Synthese Festphasen-Peptidsynthese, R. B. Merrifield 1962, Nobelpreis 1983. Lineare Synthese des Polypeptids 1.) C-terminale Aminosäure wird reversibel an ein Polymer (z.B. Polystyren) gebunden: R1 NH2 O O Polystyren 2.) Sukzessive Umsetzung mit N-geschützten, C-aktivierten Aminosäuren, dann Abspaltung der N-Schutzgruppe usw. Automatisierung, Computer-Steuerung Beispiel: Enzym Ribonuclease, Merrifield 1969 124 Aminosäuren 369 Synthesestufen 11.931 Syntheseoperationen Nachteil: jede Stufe muss 100 %ig ablaufen, sonst entsteht ein Gemisch verschiedener Polypeptide. Das synthetische Produkt besaß nur ca. 20 % der Aktivität des natürlichen Enzyms. Besser: konvergente Synthese 1.) Synthese kleinerer Oligopeptide, diese können gereinigt (umkristallisiert) werden. 2.) Verknüpfung der Oligopeptide Proteine Proteine besitzen makroskopisch verschiedene Strukturen: 1.) Faserproteine, Skleroproteine Gewebe, Haut, Sehnen, Muskeln faser-, kettenförmig, in Wasser unlöslich a) Schraubenförmige Polypeptidketten: α-Struktur, α-Helix (rechtsgängige Schraube) Superhelix (Haare, Wolle): mehrere α-Helices umeinandergewickelt (~ Seil) b) β-Struktur: β-Faltblatt 2.) Globuläre Proteine Enzyme, wasserlöslich, kugelförmig gefaltete Polypeptidketten (α-Helices) Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 unpolare Gruppen befinden sich im Inneren, polare Gruppen befinden sich außen Knäuel Im menschlichen Körper gibt es ca. 5 Millionen verschiedene Proteine! Faktoren, die die dreidimensionale Struktur beeinflussen: Aminosäuresequenz (Primärstruktur) Disulfidbrücken: SH-Gruppen des Cysteins: → -S-SWasserstoffbrücken: zwischen polaren Gruppen: -OH: Ser, Thr, Tyr -SH: Cys -NH2: Asn, Gln >C=O und andere Gruppen als Akzeptoren van der Waals-Wechselwirkungen zwischen aliphatischen und aromatischen Resten Val, Leu, Ile, Phe, Trp Sekundärstruktur der Proteine Es gibt zwei Haupttypen: α-Helix, β-Faltblatt (β-Struktur) b) a) c) Wasserstoff-Brückenbindung =C =H =N =O = Seitenkette α-Helix, b) paralleles und c) antiparalleles β-Faltblatt. 155 156 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Von den Wasserstoffatomen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur die polaren gezeigt, die an Wasserstoff-Brückenbindungen teilnehmen können. Römpp Lexikon der Chemie, Version 2.0, Georg Thieme Verlag, Stuttgart/New York, 1999. Entscheidend sind die Wasserstoffbrücken zwischen Amino- und Carbonylgruppen a) intermolekulare H-Brücken (oder intramolekulare zwischen weiter entfernten Gruppen): βFaltblatt Reste R an den Aminosäuren möglichst einheitlich Wellblechartige Struktur z.B. in der Naturseide b) nur intramolekulare H-Brücken: α-Helix, rechtsgängige Schraube 3.6-Aminosäuren pro Windung. Die Reste R zeigen nach außen, z.B. in der Wolle Disulfidbrücken werden von der Aminosäure Cystein (Cys, C) gebildet, können reduktiv gespalten werden. Sie dienen der intra- und intermolekulare Verknüpfung von Peptidsträngen: z.B. im Insulin S Cys Leu S Cys Ala Ser Val Cys Cys S S S S Cys Gly Val Cys Insulin: 51 Aminosäuren Hormon der Bauspeicheldrüse (Pankreas), wirkt blutzuckersenkend Name: Langerhanssche "Inseln" des Pankreas Tertiärstruktur der Proteine Faltung und Verknäuelung der Sekundärstrukturen durch - van-der-Waals-Kräfte zwischen nichtpolaren Gruppen - z.T. auch durch Disulfidbindungen Kette A 21 Aminosäuren Kette B 30 Aminosäuren Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Quartärstruktur der Proteine Komplex aus mehreren Peptidketten und –knäueln, keine kovalenten Bindungen zwischen den Subeinheiten "Prionen" Creutzfeld-Jakob-Krankheit (CJK, Menschen) Traberkrankheit ("Scrapie", Schafe) Spongiforme Encephalopathie (BSE, Rinder) Mögliche Ursache der Erkrankung: Prion-Protein: Umwandlung der α-Helices in β-Faltblattdomänen, infektiös Angew. Chem. 1997, 109, 1748-1769. St. B. Prusiner, Nobelpreis Medizin, 1997 157 158 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Triosephosphat-Isomerase Ein ubiquitäres Enzym (zwei identische Untereinheiten, MG. je 28 000). Katalysiert die reversible Isomerisierung von D-Glycerinaldehyd-3-phosphat zu Glyceronphosphat (Dihydroxyacetonphosphat). Ist in der Glykolyse von Bedeutung. Raumstruktur der TIM (schemat.: Bänder = α-Helix, Pfeile = β-Faltblatt). Computerzeichnung nach J. Appl. Crystallogr. 1988, 21, 572–576; Raumkoordinaten aus der Protein Data Bank. Die Struktur der TIM enthält 8 parallele, zylindrisch angeordnete β-Faltblatt-Stränge, die von 8 α-Helices umgeben sind. Quelle: Römpp Lexikon der Chemie, Version 2.0, Georg Thieme Verlag, Stuttgart/New York, 1999. Siehe auch: Stryer, Biochemie, S. 370, Heidelberg: Spektrum der Wissenschaft Verlagsges., 1990. Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 159 Lipide Lipide: griech. lipos = Öl, Fett Fette, Fettsäuren, Ester, Wachse Lipide sind wasserunlöslich, gut löslich in organischen Lösungsmitteln wie z.B. CHCl3, Ether, Benzen, ... Ursache der Hydrophobie bzw. Lipophilie sind langkettige, aliphatische Reste. Fettsäuren: höhere (langkettige) Carbonsäuren Fettalkohole: langkettige Alkohole Wachse: Ester aus Fettsäure und Fettalkohol Fette: Glycerin-Ester der Fettsäuren = Fettsäureglyceride ("Triglyceride") H2C O CO-R1 HC O CO-R2 H2C O CO-R3 Fettsäuren In der Natur kommen über 300 verschiedene Fettsäuren vor. Am häufigsten sind unverzweigte mit gerader C-Zahl (meist 14,16,18), gesättigte und ungesättigte. Biosynthese aus C2-Einheiten (Acetyl-CoA) C-Zahl und Formel Name C12: CH3-(CH2)10-COOH Dodecansäure Laurinsäure C14: CH3-(CH2)12-COOH Tetradecansäure Myristinsäure C16: CH3-(CH2)14- COOH Hexadecansäure Palmittinsäure C18: CH3-(CH2)16—COOH Octadecansäure Stearinsäure C18: 1 C=C-Doppelbindunge Ölsäure C18: 2 C=C-Doppelbindung Linolsäure C18 3 C=C-Doppelbindungen Linolensäure C20 4 C=C-Doppelbindungen Arachidonsäure → Prostaglandine C22 1 C=C-Doppelbindung Erucasäure* *Film: Lorenzo's Oil Ungesättigte Fettsäuren Die C=C-Doppelbindungen besitzen cis-Konfiguration, 160 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 essentielle Fettsäuren, zumeist pflanzlichen Ursprungs: Sonnenblume, Oliven, Leinsamen u.a., Herabsetzung des Cholesterin-Spiegels im Blut Ungesättigte Fettsäuren autoxidieren an der Luft über Hydroperoxide zu bräunlichen, viskosen Oxidationsprodukten: Ranzigwerden von Speiseölen und Fetten Fetthärtung Ungesättigte (flüssige!) Pflanzenöle und Trane werden katalytisch hydriert und anschließend zu festen Produkten wie Seifen, Kochfetten, Kerzenwachs u.a. verarbeitet. Partiell hydrierte Fette: verbleibende Doppelbindungen können in die stabilere trans-Form isomerisieren. Diese ungesättigten Fettsäuren sind ernährungspysiolgisch nicht unbedenklich ("Diätmargarine"). Verseifung von Fetten Alkalische Hydrolyse von Fetten. H2C O CO-R1 H2C O H HC O CO-R2 HC O H + R-CO2(-)M(+) H2C O H Seife H2C O CO-R3 MOH M = Na, K, Li Glycerin Tenside und Detergentien Oberflächenaktivität von Tensiden Oberflächenspannung des Wassers wird erniedrigt Tensid-Wirkung Hydrophober Rest lipophil CO2(-) Hydrophile Kopfgruppe lipophob Tenside reichern sich an der Wasseroberfläche an, der hydrophobe Rest wird aus dem Wasser gedrängt: Erniedrigung der Oberflächenspannung, Schaumwirkung, Bildung von Micellen und Vesikeln Versuche: Fett-Verseifung (Rindertalg) Benetzung von Watte mit Wasser mit und ohne Pril (keine kosmetische Watte verwenden) kritische Mizellbildungskonzentration: Wasser + Pril Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Detergentien 1.) Anionische Seifen R-CO2(-)Na(+), Alkansulfonate R-SO3(-)Na(+), Alkylbenzensulfonate (ABS) Ar-SO3(-)Na(+), O-Alkylsulfate R-O-SO3(-)Na(+) 2.) Kationische z.B. Alkylammonium-Verbindungen R-NMe3(+)Br(-) 3.) Nichtionische z.B. Glykolipide wie Alkylpolyglucosid (APG, Henkel): Glucose wird mit einem Fettalkohol zum Glucosid umgesetzt. Dabei erfolgt auch Selbstkondensation der Glucose, deshalb "poly" im Namen. Außerdem: Alkylpolyglykolether, Saponine Wirkung von Tensiden 161 162 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Rahmenrezepturen für Waschmittel (Zahlenangaben in %) Wirkstoffgruppe Anionische bzw. Nichtionische Tenside Beispiele Alkylbenzensulfonat Alkylsulfat, Seife, Alkoholethoxylat, Alkylpolyglucosid, Alkylglucamid Cerüststoffe Zeolith, Schichtsilikate, Natriumsilikat Cobuilder Polycarboxylate, Natriumcitrat Bleichmittel Natriumpercarbonat Bleichaktivator Tetraacetylethylendiamin Vergrauungsinhibitoren Carboxymethylcellulose Korrosionsinhibitoren Natriumsilikat Stabilisatoren Phosphonate Schauminhibitoren Seife, Siliconöl, Paraffine Enzyme Amylasen, Cellulasen, Lipasen, Proteasen Optische Aufheller Stilben-Derivat, Biphenyl-Derivat Alkohole Ethanol, Glycerin Stellmittel Natriumsulfat Sprengmittel Cellulose-Derivate (Auflösehilfen) Duftstoffe Wasser Herkömmlich Kompakt Tabletten Flüssig 10 - 15 10 - 25 13 - 18 20 - 55 25 - 50 25 - 40 11 - 35 1-4 3-5 3-8 2-3 + 10 - 25 1-3 10- 20 3-8 13 - 15 3-7 - 0-1 2-6 0-1 0.1 - 4 0-1 2-6 0-1 0.1 - 2 0-1 2-6 0-1 0.1 - 2 + + - 0.3 - 0.8 0.5 - 2 2-4 0-3 0.1 - 0.3 0.1 - 0.3 0.1 - 0.3 5 - 30 - - 5 - 17 0.05 0.3 8 - 12 - + Rest + Rest + Rest + 30-50 + in geringen Mengen enthalten Lit.: St. Glathe, D. Schermer, Chem. unserer Zeit, 2003, 37, 336-346. Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 163 Prostaglandine Hormone, in fast allen Geweben von Säugetieren enthalten, verschiedene Wirkungsbereiche (Blutdruck, Fruchtbarkeit), Verwendung als Pharmaka Der Name entstand dadurch, dass man irrtümlich annahm, dass sie in der Prostata gebildet werden. Derivate der Prostansäure (C20) Biogenese aus der vierfach ungesättigten Fettsäure Arachidonsäure Biogene der Prostaglandine 1 8 PhospholipidMembranen 5 COOH Phospholipase A 2 CH3 11 14 Arachidonsäure Cyclooxygenase (cycl. Lipoxygenase-Aktivität) O O 9 5 1 COOH CH3 11 13 PGG2 15 OOH Cyclooxygenase (PG-Hydroperoxidase Aktivität) O COOH CH3 O PGH2 OH 164 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 9 1 5 COOH O ThromboxanSynthase ProstacyclinSynthase Prostacyclin CH3 11 O 15 13 11 a Isomerasen OH TXA2 O HO 9 1 5 COOH COOH CH3 O OH CH3 11 13 HO PGD2 OH PGE2 Reduktasen HO COOH CH3 HO OH PGF2α Römpp, Lexikon Chemie, Version 2.0, Thieme, Stuttgart, 1999. Nomenklatur der Prostaglandine Die Stammsystem werden als PGA–PGJ bezeichnet: 1 5 9 COOH Grundgerüst: Prostan-1-säure CH3 11 13 15 17 O O 9 9 20 O 8 O HO 9 9 11 11 9 10 12 PGA HO 9 11 PGB α PGC 9 O O 11 9 Z 9 5 6 O 11 11 11 HO PGFα HO PGE O PGD R R = OOH : PGG R = OH : PGH = PGR HO PGI (Prostacycline, PGX) O PGJ Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 165 Die Seitenketten werden durch Indices (z.B. 2β) charakterisiert: O O COOH CH3 S E COOH E 15 HO OH OH PGE1 (Alprostadil) PGA1 HO CH3 S α 5 9 Z S COOH CH3 OH PGF2 α (Dinoprost) 9-Epimer : PGF2 β COOH Z S O E E HO 5 O Z 17 CH3 OH PGH3 (PGR3) Terpene In der Natur weitverbreitet, hauptsächlich in Pflanzen als Bestandteile der etherischen Öle. Wasserlösliche, ölige Substanzen, die im Gegensatz zu den fetten Ölen und Mineralölen vollständig verdunsten. Gewinnung aus Pflanzen: - Wasserdampfdestillation zerkleinerter Pflanzenteile - Extraktion von Blüten, Samen, Wurzeln oder anderen Pflanzenteilen (mittels Petrolethers o.a.) - Auspressen der Pflanzen(teile), vgl. P. Süskind, Das Parfum (Bestseller) Verwendung zur Herstellung von - Gewürzen - Aromen - Arzneistoffen, z. B. Pinimenthol Terpene kommen vor als - Kohlenwasserstoffe - Alkohole - Aldehyde, Ketone - Carbonsäuren, -ester, -lactone - -------- 166 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Formal sind Terpene Oligomere des Isoprens, , 2-Methylbuta-1,3-dien, C5H8 und seiner Derivate: Isoprenregel (O. Wallach 1887, L. Ruziçka 1922, Biogenese) Anzahl Isoprenbausteine Monoterpene 2 Sesquiterpene 3 Diterpene 4 Triterpene 6 Beispiele für Monoterpene Formale Diels-Alder-Reaktion Limonen Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 167 168 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 L(-)-Menthol (Pfefferminze) existiert in vier verschiedenen Kristallmodifikationen, Schmp. 31, 33, 35, 43° C. Fischer-Projektion: HO 1 H H 2 iPr 3 CH2 4 CH2 H3C 5 L-Menthol H 6 CH2 L(+)-Neomenthol D(+)-Isomenthol D(+)-Neoisomenthol Technische Synthese von Menthol Me Me + 3 H2 Ni OH OH iPr iPr (+)-Menthol, Racemat Thymol Oxidation von Menthol Me Me CrO3 OH H2SO4 iPr O Menthon Terpenketon iPr (+)-Menthon: im Geraniumöl, (-)-Menthon im Pfefferminzöl Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 169 170 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Campher 1,7,7-Trimethylbicyclo[2.2.1]heptan-2-on, nur zwei Stereoisomere sind bekannt (möglich). D(+)-Campher (Campherbaum: Japan, China, Taiwan) Antiseptikum, Weichmacher für Cellusosenitrat (Celluloid) Auch L(-)-Campher kommt natürlich vor. Reduktion von Campher NaBH4 + H O OH H OH (-)-Isoborneol (+)-Borneol Fischer-Projektion von D-Campher 2 7 1 O CH3 * 6 2 CH3 O 1 3 CH2 7 CH3 * 4 3 5 H H H Biogenese von Terpenen 4 5 6 H H D Diastereomere 171 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 H3C CO SCoA Acetyl-CoA C 3 SCoA SCoA Acetacetyl-CoA ~ Aldol-Addition H3C-CO-CoA + Red. 5 Red. = NADH2(+) HO CH3 4 4 CH3 H2C 5 + H3C CO 2 1 4 3 H3C CO CH2 CO CH CH2 2 1 - CO2 HO CO CH2 C CH2 CH2 OH - 2 H2O 2 3 5 1 (formal) Mevalonsäure Coenzym A = Acyltransferase, überträgt Acyl-Reste Die Mevalonsäure ist das biochemische Isopren-Äquivalent. Diterpene Aufbau formal aus vier Isopren-Einheiten: C20 Beispiel: Vitamin A Wachstumsvitamin. Im Lebertran, Eigelb, Milch Sehpurpur der Netzhaut im Auge (Retina). Mangel führt zur Nachtblindheit Retinal Photochemische cis/trans-Isomerisierung Veränderung der Permeabilität der Stäbchenmembran. Ionentransport (Na+) O OH Retinal Retinol (Vitamin A) Diterpenalkohol cis Opsin Licht N trans N Rhodopsin (Sehpurpur) Nervensignal ans Gehirn Opsin 172 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Tetraterpene Sind formal aus acht Isopren-Einheiten aufgebaut. Beispiel: Carotenoide Ältere Bezeichnung: Carotinoide Bruttoformel der: C40H56 Polyenfarbstoffe, in grünen Pflanzen (das Grün stammt vom Chlorophyll), Blättern, Herbstlaubfärbung, Blüten und Früchten (Karotten, Tomaten, Hagebutten, Paprika, …) β-Caroten, Provitamin A Lycopen: Tomate, Hagebutte u. a. Lutein (Dihydroxy-α-caroten): gelbes Pflanzenpigment, Gelbfärbung des Herbstlaubes, auch im Eidotter Zeaxanthen (Dihydroxy-β-caroten): gelbes Pflanzenpigment, im Mais u. a. Versuche: Chromatographie von Paprikaextrakt, Tomatensaft-Regenbogen, J. Chem. Educ. 1986, 63, 1092. Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 α-Caroten β-Caroten γ-Caroten Lycopen Polyisoprene Formel (C5H8)n Formale Polymerisation von Isopren 173 174 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 1.) trans-Polyisopren: trans-Polyisopren n Guttapercha, aus dem Milchsaft tropischer Pflanzen Doppelbindungen besitzen trans-Konfiguration Isoliermaterial für Elektrokabel, z.B. Tiefseekabel 2.) cis-Polyisopren: n n cis-Polyisopren Naturkautschuk, Wildkautschuk, Plantagenkautschuk Doppelbindungen besitzen cis-Konfiguration mittlere Molmasse: 350 000 D Latex des brasilianischen Gummibaums u.a. Name "Kautschuk". Maya "weinendes Holz" auffallende Eigenschaften: Elastizität, Klebrigkeit (Vogelleim) MacIntosh (1826): Regenmäntel Ch. Goodyear (1844), Th. Hancock: Vulkanisation Erhitzen mit Schwefel → hoch-elastisches Gummi (das oder der Gummi) 175 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Steroide Isoprenoide Biosynthese aus Squalen Triterpen, C30H50, im Haifischtran 15 Oxidation 10 2,6,10,15,19,23-Hexamethyl-tetracosa-2,6,10,14,18,22-hexaen Squalen, C30H50 14 15 15 H(+) 10 10 Lanosterol (Lanosterin), C30H50O HO O Wanderung von CH3-Gruppen: C10 -> C15, C15 -> C14 Squalenoxid, C30H50O HO Cholesterol (Cholesterin), C27H46O Die Umwandlung von Squalen in Cholesterol wurde mit 14C-markierten Verbindungen untersucht Lanosterol (Lanosterin), C30H50O, kommt natürlich vor, z. B. im Wollfett Cholesterol besitzt acht stereogene Zentren (C*). Damit sind 28 = 256 Steroisomeren denkbar. In der Natur findet man nur eines! Alle Substituenten sind β-ständig (cis-ständig) Cholesterol ist in allen normalen Geweben vorhanden, besonders im Hirn und im Rückenmark. Der Körper eines erwachsenen Menschen enthält ca. 250 g. Isoliert 1775. Hauptkomponente der Gallensteine. Störung des Lipidstoffwechsels verursacht einen erhöhten Cholesterol-Gehalt im Blut, Ablagerungen an den Wänden der Arterien. Verengung der Gefäße, Verminderung der Elastizität: Arteriosklerose 176 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 C A C D B Cholestan C27H48 A D Steran, Gonan C17H28 B Cholestan: Ringe A-B sind trans-verknüpft, Koprostan (A-B: cis) Steroide: ca. 20.000 bekannte Verbindungen Physiologisch wichtige Stoffe: Vitamine, Hormone, Medikamente (Empfängnisverhütung, Diuretica u.a.) Sexualhormone (wichtigste Vertreter) weibliche Sexualhormone = Östrogene: (Östron) Estron, weibliches Keimdrüsenhormon Progesteron: Schwangerschaftshormon, männliche Sexualhormone = Androgene Androsteron Testosteron synthetische Östrogene (Estrogene) Steroidhormone sind die Wirkstoffe der “Pille“. Digitalisglykoside, herzaktive Stoffe aus Digitalis-Arten (Fingerhut) Glykoside von Stereoiden, Zuckerrest befindet sich an der 3β-OH-Gruppe Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Ringverknüpfung der Steroide 177 178 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Ausgewählte Steroide Cholesterol Anreicherung im Gewebe und an den Arterienwänden, mitverantwortlich für Kreislaufund Herzerkrankungen Testosteron männliches Sexualhormon, verantwortlich für sekundä-re männliche Geschlechtsmerkmale (tiefe Stimme, Bartwuchs etc.), wird in den Hoden produziert. Cholsäure (Gallensäuren) Im Sekretgemisch enthalten, dient im Zwölffingerdarm zur Emulgierung, Verdau-ung und Absorption von Fetten Estradiol weibliches Sexualhormon, verantwortlich für die sekundären weiblichen Geschlechtsmerkmale, ist an der Regulierung des Menstruationscyclus beteiligt. Cortison Nebennierenrindenhormo n, dient zur Behandlung rheumatischer Erkrankungen, reguliert Elektrolyt- und Wasserhaushalt. Progesteron Schwangerschaftshormon, sorgt dafür, dass der Uterus für die Einnistung der befruchteten Eizelle bereit ist. 179 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Alkaloide Ca. 10.000 bekannte Alkaloide, große Strukturvielfalt, über 20 verschiedene Klassen (Struktur), alle enthalten N, häufig in Fünf- oder Sechsring. Biogene Amine, werden ganz überwiegend von Pflanzen gebildet aus Aminosäuren, sofern diese im Überschuß vorhanden sind. Endprodukte des Stoffwechsels, weil kein geeigneter Ausscheidungsweg existiert. Depotfunktion (?).Abwehr von Tieren (Fraßfeinden). Einige kommen auch in Tieren vor, z.B. Harmonin (Marienkäfer), Krötengifte. Biogenese Vorstufen der Alkaloide bei der Biosynthese: Ornithin (seltene Aminosäure ), Lysin, Phenylalanin bzw. Tyrosin, Tryptophan sowie Nicotinsäure Beispiel: Biosynthese von Morphin aus Tyrosin (Breitmayer-Jung, S. 830) HO HO HO HO NH2 O H 3,4-Dihydroxyphenylacetaldehyd CO2H Tyrosin, 4-Hydroxyphenylalanin HO HO HO HO NH HO CO2H NH2 CO2H Dopa 3,4-Dihydroxyphenylalanin R' = H, R = H: (-)-Morphin CH3: (-)-Codein R' = R = CO-CH3: Heroin Isochinolin-Alkaloide C-C-Verknüpfung RO O N CH3 R'O An die Pflanze wurde 3H- oder 14C-markiertes Tyrosin verfüttert. Aufklärung der Bildungsweise durch 14C- und 3H-Analyse von Produkten und Zwischenstufen. Opium: Latex der unreifen Früchte von Papaver sonniferum (Schlafmohn), enthält ca. 25 Alkalide; 10 % Morphin Diese Verbindungen gehörein zu den Isochinolin-Alkaloiden 180 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 R R' Name H H Morphin CH3 H Codein COC COCH3 Heroin Morphin. Das erste Alkaloid, das in reinem Zustand isoliert wurde: F. W. A. Sertürner 1805. Kommt im Mohn vor, ist für die physiologische Wirkung des Opiums verantwortlich. Methadon. Kein Alkaloid im eigentlichen Sinne "Ersatzdroge" für Heroinsüchtige Coffein In Kaffeebohnen 1–1,5 %, in getrockentem schwarzen Tee bis 5 %. 1 Tasse Normalkaffee (aus 5 g Bohnen) enthält ca. 50–100 mg Coffein 1 Tasse schwarzer Tee (aus 0.5 g getrockenten Blättern) enthält ca. 10–30 mg Coffein In 100 ml Cola-Getränk sind ca. 10–30 mg Coffein enthalten. Halbsertszeit im Organismus: 3-5 h. Lethale Dosis für den Menschen: 10 g Entcoffeinierung: Extraktion mit überkritischem CO2. Vorkommen, Wirkung und Verwendung einiger Alkaloide Alkaloid Vorkommen Wirkung, Verwendung Atropin Tollkirsche Augenheilkunde, Asthma Chinin Chinarinde Chemotherapie von Malaria, Bitterstoff in Getränken Cocain Coca-Strauch Lokalanästhesie, Rauschgift Codein Mohn Schmerz-, Hustenmittel Morphin Mohn Schmerzmittel, Rauschgift Nicotin Tabak Blutdrucksteigerung, Lähmung (lethale Dosis: 50 mg) Reserpin Rauwolfia Beruhigungsmittel Strychnin Brechnuss Rattengift 181 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Purinalkaloide R3 O R2 N N O N N R1 R1 R2 R3 Name Vorkommen CH3 CH3 H Theophyllin Teeblätter CH3 H CH3 Theobromin Kakaobohnen, Teeblätter, Colanuß CH3 CH3 CH3 Coffein Kaffeebohnen, Teeblätter Pharmakologische Eigenschaften von Coffein,Theophyllin und Theobromin Stimulierung des HerzwirkungBroncho- u. Skelettmuskel-Diurese ZNS Vasodilatation stimulation + + +++ + Theophyllin +++ +++ +++ ++ +++ Theobromin– ++ ++ + ++ Coffein +++ Ausgewählte Alkaloide H H N (_ )-(S)-Form N R = CH3 : Nicotin R = H : Nornicotin R N H CH3 (S )-Form R2 N R1 1 H R1 N H H O O H R = R2 = H : Strychnin 1 2 R = OCH3 , R = H : Brucin 1 R = H , R2 = OH : Pseudostrychnin Coniin 182 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 9 5 7 A 11 C N 3 D B 13 1N H H N 21 H N H 20 14 E H ROOC H 16 H3COOC OH N H H N H 20 H H H3COOC OH α-Yohimbin (20-Epimer: Corynanthin) N(CH3)2 R CH2 C CH3 C6H5 OH β-Yohimbin C6H5 CO C H H H3COOC CH2 OH allo -Yohimbin N H3C H 18 R=H : Yohimbinsäure R=CH3 : Yohimbin N H H (_ )-(R)-Form : Levomethadon Racemat : Methadon H 9 7 4 11 N H3CO 13 1 N H 2 H 3 21 H OCH3 20 14 18 H H3COOC 16 O OCH3 CO OCH3 OCH3 Reserpin 183 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 H3C N CH2 O COOCH3 H3C OH N 2 1 O C6H5 3 O Atropin (racemisch) 11 CH H H 3 R H 8 S HO 6 N 9 S 1 R 6' 8 R N 6 1 6' N N 1' 1' : (-)-Cinchonidin R=H R = OCH3 : (-)-Chinin (+)-Cinchonin (+)-Chinidin HO O 7 C R O 6 N 8 CH3 H 9 H HO (-)-M. (-)-Morphin 3 4 H R O 11 H2C CH 4 9 C6H5 (-)-Cocain H2C HO C 10 11 N 5 4 3 CH3 2 N1 H R = OH : Lysergsäure R = N(C2H5)2 : Lysergsäure-diethylamid 184 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Polyketide Acetogenine: Pflanzenpigmente, Flavonoide, Naphthochinone, Tetracycline u.a. Aufbau der C-Kette wie bei den Fettsäuren, jedoch keine Reduktion der Carbonylgruppen O (n+1) H3C S O CoA O H3C - n CoA-SH n Acetyl-CoenzymA CoA S ~ Esterkondensation Es entsteht eine β-Diketon-Kette, aus der Folgeprodukte gebildet werden könnern, z. B. durch Reduktion Fettsäuren. Darstellung aromatischer Ringe!! CH3 O 4 H 3C S CH3 O CoA - 3 CoA-SH O CO2H CO-S-CoA - H2O O HO OH Orsellinsäure, eine Flechtensäure O O 8 H 3C CoA S CoA S - 7 CoA-SH O O O O O - CoA-SH O - CO2 H3C OH Emodin Pflanzenpigment orange-kirschrot, je nach pH-Wert - 2 H2O O O OH OH H3C O Anthrachinon-Derivat Es entstehen meta-disubstituierte Phenole Farbstoffe von Blüten, Insekten, .... Alternative Biosynthese von aromatischen Verbindungen. Der normale Weg geht aus von Phenylalanin → Shikimisäure (Karlson 274) Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 185 Tetracycline Nach Cephalosporinen und Penicillinen sind Tetracycline derzeit die meistgebrauchten Antibiotika. Alternative zu Penicillinen, breites Wirkungsspektrum gegen Infektionskrankheiten, hemmen die Proteinbiosynthese in den Mitochondrien der Bakterien. Aureomycin wird aus den Kulturen von Streptomyces aureofaciens isoliert. Terramycin aus Streptomyces rimosus, Stoffwechselprodukte von Pilzkulturen HO O HO O O OH C R 5 R3 NH R1 OH H H 2 N R4 R H3C CH3 Name R1 R2 R3 R4 Tetracyclin, Achromycin H H OH CH3 H Chlortetracyclin, Aureomycin H H OH CH3 Cl Oxytetracyclin, Terramycin H OH OH CH3 H Demethylchlortetracyclin H H H Doxycyclinmonohydrat H OH H CH3 H Minocyclin H H H Methacyclin H OH =CH2 Rolitetracyclin CH2-Pyrrolidino H OH H OH R5 Cl N(CH3)2 H CH3 H Methylverzweigung durch Einbau von Propionsäure statt Essigsäure Herstellung Durch Fermentation in Submerskulturen von ca. 20 Streptomyces-Arten (Tetracyclin, Chlortetracyclin, Oxytetracyclin, Demethylchlortetracyclin), auch über das so gewonnene Chlortetracyclin, aus dem es durch Cl-Abspaltung mittels katalytische Hydrierung erstmals 1953 erhalten wurde. Durch systematische Abwandlung der Substitution am Tetracen-Gerüst sind inzwischen eine Vielzahl von Tetracyclin-Derivaten hergestellt worden. Wirkungsmechanismus Tetracycline sind Inhibitoren der Proteinsynthese. 186 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Farbstoffe Farbe: Lichtabsorption im sichtbaren Gebiet des Spektrums, 400–750 nm Wahrgenommen wird die Komplementärfarbe zur absorbierten Farbe, z.B. absorbiertes Licht 570 nm: gelb, Komplementärfarbe: blau Elektronenübergänge im sichtbaren Bereich: π → π* und n → π* Die Verbindung muss ein ausgedehntes π-Elektronensystem besitzen, hoch liegendes HOMO und niedrigliegendes LUMO. Die Absorptionsbande soll möglichst schmal sein, damit eine "saubere" (brillante) Farbe resultiert. Eine breite Absorptionsbande oder mehr als eine Bande im sichtbaren Bereich führen zu stumpfen oder "schmutzigen" Farben Lit.: M. Klessinger, Chemie in unserer Zeit, 1978, 12, 1 Natürliche Farbstoffe Nicht alle Farben in der Natur gehen auf chemische Farbstoffe (Pigmente) zurück. Einige hängen mit der Oberflächenstruktur zusammen, die Farbe durch Lichtbrechung entstehen lässt. Beispiele: Gefieder einiger Vögel (Kolibris, Pfauen), einige Insekten (Schmetterlinge, Käfer) Einige Farbstoffe erfüllen eine physiologische Funktion: Chlorophyll (Fotosynthese) Anthocyanidin-Farbstoffe Pflanzen in Blüten und Früchten, wasserlöslich, hauptsächlich rot, violett, blau. Die Farbe hängt z.T. vom pH-Wert ab. Kornblume (blau) und Rosen (rot) enthalten das gleiche Anthocyan. In der Pflanze liegen die Anthocyane als Glykoside vor. Bei der Hydrolyse entstehen die entsprechenden Anthocyanidine. Das sind also die Aglykone der Anthocyane. Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 R1 R1 OH O + O HO 187 O HO R2 -H+ OH OH R2 OH OH rot - violett blau Anthocyanidin R1 R2 Cyanidin OH H Delphidin OH OH Malvidin OCH3 OCH3 Pelargonidin H H Peonidin OCH3 H Petunidin OCH3 OH Cyanidin (rote und blaue Blüten, Kirschen u.a.) Delphinidin (Rittersporn blaurote Blüten, Stiefmütterchen, Trauben) Pelargonidin (z.B. rot in Geranien) Carotenoide Wasserunlöslich, in allen grünen Pflanzen, in Früchten und Blüten, (gelbe Herbstfärbung des Laubes), in Bakterien, Pilzen Bislang wurden ca. 300 verschiedene Carotenoid-Strukturen aufgeklärt Tetraterpene = C40 Verschiedene Grade der Dehydrierung, Ringschluss an einem oder beiden Enden, funktionelle Gruppen Chinone Hauptsächlich Naphtho- und Anthrachinone, z. B. Emodin (s.o. Acetogenin) 188 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 O OH OH CH3 O OH R HO2C OH H3C OH HO O OH O Emodin R = Glucopyranosyl Karminsäure Karminsäure: Pulver aus getrockneten weiblichen Cochenilleläusen, gebunden an Glucose. Rotfärben von Speisen, Kosmetika (Lippenstift) Wasserlösliche Farbstoffe, Vitamin K-Gruppe (1,4-Naphthochinon-Derivate), auch in Pilzen und Flechten O CH3 Vitamin K3 : R = H Phthiokol : R = OH R O CH3 CH3 Vitamin K1(20) : R = CH2 C C CH2 CH2 CH2 CH CH2 H 3 H CH3 Vitamin K2 (35) : R = CH2 C C CH2 H H 7 Melanine Komplexe chinoide Verbindungen, die bei der Oxidation und Polymerisation von Tyrosin entstehen, in Federn, Haaren, Augen, Tinte des Tintenfisches Beim Menschen: Pigmentierung der Haut (Lichtschutz) O O O NH O O HN HN O n Den Albinos und verschiedenen weißen Tierarten fehlt ein Enzym, das die Umwandlung des Tyrosins bewirkt. 189 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Indigofarbstoffe Indigo, Färberwaid Indigo ist ein Küpenfarbstoff. Synthese A. v. Baeyer (1870), BASF (1897) 6,6'-Dibromindigo, antiker Purpur, aus Purpurschnecken O N H X O H N X Na2S2O4 O N H X O2 Leukoform wasserlöslich X = H: Indigo Blau X = Br: 6,6'-Dibromindigo Purpur Porphin-Farbstoffe A N NH HN N B N N H N N C D Porphin Corrin CH2 CH3 HC 6 4 H3C A N 1 1 R 21 CH B N CH2 Häm-Derivate 9 22 Fe 24 23 2 N R N 19 D H3C 11 C 16 14 H2C CH2 H2C CH2 COOH CH3 COOH H N O X 190 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Häm-Derivat od. Häm-Protein Zentralion R1 R2 Häm (Ferrohäm) Fe2+ H2O H2O Hämoglobin, Myoglobin Globin (His) Globin Oxyhämoglobin O2 Globin Carbonylhämoglobin CO Globin Cl– – Hämatin (Ferrihämhydroxid) OH– – Methämoglobin(Hämiglobin) Globin (His) Globin (His) Hämin (Ferrihämchlorid) Fe3+ Hämoglobin Hämoglobin ist ein tetrameres Eisen-Protein, dessen Monomere aus je einer Globin-Kette mit einem Molekül Häm als prosthetischer Gruppe bestehen. 191 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Chlorophylle CH2 CH2 R1 R1 R2 H3C N R2 H3C N N Mg N Mg N N H3C CH3 R3OOC O H3COOC Chlorophyll c 1 R = CH3 R2 = C2H5 R3 = Phytyl CH3 HOOC Chlorophyll b 1 N H3C O H3COOC Chlorophyll a N c1 R1 = CH3 , R2 = C2H5 c2 R1 = CH3 , R2 = CH CH2 c3 R1 = COOCH3 , R2 = CH CH2 R = CHO R2 = C2H5 R3 = Phytyl CH3 Phytyl : 3 H3C H3C Coenzym B12, Vitamin B12 CO R2 L CH3 R1 CO N H3 C H Co2 N + N CO N CH3 CO CH3 H3 C R6 H3 C CO R3 CH3 H3 C R7 CO R5 CO R4 192 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 zu m Co 6 R = R1 - R5, R7 = NH2 H3 C N CH3 N CH3 H O C NH C H2 O P OH O -O HOCH2 L= O 5'-Desoxyadenosyl Coenzym B12 CN Vitamin B12 Vitamin B12 Wirkt gegen perniciöse Anämie, Isolierung 1948 (K. Folkers), kann aus Leber, Milchpulver und Fleischextrakten gewonnen werden. Strukturaufklärung (1955): Röntgenstrukturanalyse (D. Crowfoot-Hodgkin) Porphin-Derivat, Co-Komplex eines substituierten Corrins, verwandt mit Hämin (Hämoglobin, Farbstoff der roten Blutkörperchen, Eisen(II)-Porphin-Protein-Komplex), Chlorophyll (Mg-Komplex) Totalsynthese (1973): R.B. Woodward (Harvard) und A. Eschenmoser (ETH Zürich) Mehr als 90 Stufen, 10 Jahre, zahlreiche (> 100) Mitarbeiter. Verglichen mit der Syntheseleistung der Natur, liegt der Chemiker noch weit zurück.
![6.3.1 1-Oxa-spiro[2.5]octan - Institut für Organische Chemie](http://s1.studylibde.com/store/data/001356875_1-96e669e5c88ad586db9f9f199d424d05-300x300.png)
