Bildung des Steroid-Gerüsts aus einem offenkettigen Terpen

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Bildung des Steroid-Gerüsts aus einem offenkettigen Terpen
Squalen (ein Triterpen, 6 x C 5)
enzymatische Oxidation
H + / Enzym
O
HO
Verlauf ähnlich der kationischen
Olefinpolymerisation; räumlich
liegen die Doppelbindungen so
zueinander, daß das zunächst
entstehende tertiäre Carbeniumion
in einem Schritt in ein neues
tertiäres Carbeniumion überführt
wird
+
H
+
Kaskade von WagnerMeerwein-Umlagerungen
(H- oder R-Verschiebungen
in Carbenium-Ionen); diese
laufen dann ab, wenn die
entstehenden Carbeniumionen
ähnlich stabil oder stabiler sind
H
H
HO
H + das katalytisch wirksame Proton wird
wieder freigesetzt
H
H
H
HO
H
Lanosterin
weitere Umwandlung
verschiedene andere Steroide
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Alkene sind z.B. in Insektenpheromonen wichtig
z.B. Traubenwickler:
(Z)
O
(E)
O
O
z.B. Deckelschildlaus
O
(Z)
z.B. Borkenkäfer
HO *
H
Ipsdienol
enthält ein Chiralitätszentrum
die Mischung aus 65% rechtsdrehendem
und 35% linksdrehendem Ipsdienol ist
besonders wirksam
=> der Borkenkäfer muß zwei Rezeptoren
besitzen (die eine unterschiedliche Affinität
haben können); wenn beide Rezeptoren besetzt
sind, erfolgt eine entsprechende Signalauslösung
O
z.B. Maiszünzler
O
(Z)
(Z)-3-Tetradecenylacetat => eine Species wird (schwach) angelockt,
die andere reagiert nicht
(E )-3-Tetradecenylacetat => beide Species werden nicht angelockt
aber etwas (E) im (Z) => beide Species werden stark angezogen
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z.B. "Grashopper"-Keton
O
C
HO
H
OH
z.B. Mycomycin: Gift in Schimmelpilzen;
kumulierte Doppelbindung als stereogene Einheit
O
OH
C
[α]D20 = -130°
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VI. Alkine
1. Die homologe Reihe der Alkine:
Verbindung
Formel
Summenformel
Übergang in
Gasphase
Ethin (“Acetylen”)
C2H2
sublimiert bei -84°C
Propin
C3H4
siedet bei -23°C
1-Butin
C4H6
siedet bei 8°C
C4H6
siedet bei 27°C
ein terminales Alkin
2-Butin
ein internes Alkin
....
....
....
CnH2n-2
Bindung und Eigenschaften
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2. Wiederholung / Struktur-Übersicht
Prototyp
C-Hybridisierung
Bindungs-
C-Bindungen
Geometrie
-Länge
rc-c
H
H
-Energie
Ec-c [kJ/mol]
-Winkel
C C
H(C)
-Typ
109°28'
σ
120°
σ, π
120°
σ, πar
180°
σ, π, π
H
C
H
sp3
C H
H
tetraedrisch
1.54 Å
(154 pm)
350
(+265)
H
H
C C
H
C
H
H
C
C
H
sp2
H
C
C
H
H
C
H C C H
H
sp2
trigonalplanar
1.34 Å
(134 pm)
trigonalplanar
615
1.40 Å
(140 pm)
(+195)
sp
linear
1.20 Å
(120 pm)
810
Org03_03.cw2
Linearität
H3 C
CH3
2-Butin
nicht existent
Cyclodecin
Standardbildungsenergie ΔHf°
= ΔH für Bildung von 1 mol einer Verbindung aus den
Elementen unter Standardbedingungen (1 bar, 25 °C)
2 Cgr + H2 → HC≡CH
2 Cgr + 3 H2 → H3C-CH3
ΔH° = + 226 (+54)
ΔH° = - 75 (-18)
Endotherme Verbindung !
Konsequenz: Zerfall exotherm, ab 6 bar Druck explosiv,
97
Stabilisierung in Stahlflaschen mit porösem Material (Kieselgur,
Bimsstein etc.) und Aceton oder Dimethylformamid (bis 19 bar,
2/3 der Flasche Aceton, bei 15 bar das 350-fache Volumen
Acetylen gelöst)
Schweißen: besonders heiße (Temperatur ca. 2500-2700°C,
die Knallgasflamme dagegen maximal 2000°C) Flamme
obwohl:
HC≡CH + 2.5 O2 → 2 CO2 + H2O
H3C-CH3 + 3.5 O2 → 2 CO2 + 3 H2O
ΔH° = - 1330 (- 318)
ΔH° = - 1560 (- 373)
Grund: weniger Wasser muss aufgeheizt werden
Rußbildung: C2H2 → 2 C + H2
ΔH = - 226 (-54)
98
3. Hydrier-Wärmen
Energie
E
Ethin
+ H2 / Katalysator
ΔH = - 175 kJ/mol
=> π-sp-C-sp-C ist die weniger stabile π-Bindung
Ethen
+ H 2 / Katalysator
ΔH = - 137 kJ/mol
=> π-sp 2-C-sp 2-C ist die stabilere π -Bindung
Ethan
Energie
E
ΔΔH = 20 kJ/mol
+ 2 H 2 / Katalysator + 2 H 2 / Katalysator
ΔH = - 293 kJ/mol ΔH = - 273 kJ/mol
=> ähnlich den Alkenen ist auch bei
den Alkinen eine disubstituierte
Dreifachbindung (also ein internes
Alkin) stabiler als eine
monosubstituierte Dreifachbindung
(terminales Alkin)
Butan
(aber keine E/Z-Isomerie)
99
4. Azidität
Azidität organischer Verbindungen
HA = H
+ A
KS =
[H
][ A ]
[ HA ]
pK S = −log K
Org08-01.CW3
H3O
+
H3C-COOH
-2
5
H2S
Ph-NH3+
4.6
NH4+
9.2
H3C-NH3+
10.6
7
10
OH
C2H5-SH
H2O
15.7
H3C-OH
16
11
O2N-CH3
11
(EtOOC)2CH2
13
16
CH 2
H3CH2C-OH
17
(H3C)2HC-OH
18
(H3C)3C-OH
19
NH3
H3C(C=O)CH3
20
HC≡CH
25
N≡C-CH3
31
H2C=CH2
44
CH4
50
33
Zahlenwerte nach T.H. Lowry, K.S. Richardson, Mechanism and Theory in Organic Chemistry, 2. Aufl.
100
Je höher der s-Charakter, desto stabiler das Carbanion
Terminale Alkine sind bemerkenswert acide (sauer) für Kohlenwasserstoff e
H 3C CH 3
H 2C CH 2
HC CH
sp 3
sp2
sp
pKs = 44
pKs = 50
pKs = 25
=> die deprotonierte Form muß
die negative Ladung besser
stabilisieren als das Alkan oder Alken
Erlärungen:
Energie
E
2p
sp 3 sp2
sp
a) die beiden Elektronen des
freien Elektronenpaars am Kohlenstoff
besetzen ein energetisch tieferliegendes Orbital
2s
s-Orbital
p-Orbital
b) je mehr s-Charakter das Orbital hat,
umso näher befinden sich die Elektronen
in Kernnähe (sp günstig)
je mehr p-Charakter das Orbital hat, umso
weiter sind die Elektronen vom Kern
entf ernt (sp 2, sp 3 ungünstiger)
Herstellung von Lithiumacetylid:
+
I
H
H
2 Li
+ MeLi
Me-Li + LiI
H
Natriumacetylid analog mit NaH oder NaNH2
Li
+ MeH
101
Die Deprotonierung eines terminalen Alkins gelingt mit:
Na+ NH 2-/NH 3 (f lüssig)
a)
Natriumamid:
b)
Butyllithium:
c)
Ethylmagnesiumbromid:
R
Li+ - CH 2CH2 CH2 CH 3 / Et2 O
Basen
H
R
siehe oben
BrMg + - CH 2CH 3
-
O
H
R'
nucleophile Addition
(AN)
OH
R
R'
MeI
SN 2
O
R
SN2
R
OH
Mit AgNO3 trotz sehr geringer Basizität von NO3- Bildung von
Acetylid möglich (analog Cu):
HC≡CH + 2 [Ag(NH3)2]+ →
Ag2C2 + 2 NH4+
explosiv!
Versuch
5. Synthese von Acetylen und höheren Alkinen
a) Acetylen (technisch)
Klassisches Verfahren (noch in DDR):
3 C(Koks) + CaO
2250°C
→ CaC2 + CO
Calciumcarbid
(Ionengitter)
CaC2 + 2 H2O → HC≡CH + Ca(OH)2
Versuch
ΔH = + 465
102
Moderne Verfahren:
- Hüls Lichtbogenverfahren:
> 1400 °C
2 CH 4
+
HC CH
1/500 s
3 H2
- BASF Hohe Temperatur durch partielle Verbrennung
2 CH 4
+
3/2 O2
HC
+
CH
3 H 2O
Abschreckung notwendig, da bei hoher Temperatur Zerfall
des Acetylens (Kongo ... s.o.)
b) Höhere Alkine
HC
NaNH 2
CH
HC CI
R1
Br
H
H
SN2
R2 H2 C
CH2
1.) NaNH 2,
R1
HC
2.)
R2 CH
CH2 R1
2 Br
Alternativ ausgehend von Alkenen durch Bromierung und
doppelte Eliminierung
Br2
Br
NaNH 2
Br
NH 3 (f l)
103
6. Reaktionen
a) Reduktion zu Alkenen
Hydrierung der C-C-Dreif achbindung mit Palladium oder Platin
die Reaktion verläuft Schrittweise
Alkin
H2
(Z)-Alken
H2
syn-Addition
syn-Addition
der erste Reaktionsschritt
verläuft etwas schneller, das
Substrat ist reaktiver
Alkan
der zweie Reaktionsschritt
verläuft etwas langsamer, das
Substrat ist weniger reaktiv
Um hier anzuhalten, benötigt man einen desaktivierten Katalysator:
LINDLAR-Katalysator ist ein deskativierter Palladium-Katalysator
CaCO3 / Pd versetzt mit Pb(OAc) 2 oder Chinolin
N
auf diese Weise kann selektiv das (Z)-Alken hergestellt werden
104
Wie erhält man aber nun ein (E )-Alken ???
Mit Na in flüssigem Ammoniak
R
R
Na
R
+
- Na
R
NH 3
- NH 2-
R
H
ein Radikal-Anion
stark basisch,
deprotoniert
Ammoniak
ein Radikal
R
Na
- Na+
R
H
R
H
R
NH3
- NH2 -
R
H
H
R
R
ein
Anion
das (Z)-Anion ist
sterisch ungünstiger !
(E )-Alken
b) Addition von Elektrophilen
Versuch: Br2 + CH4, H2C=CH2, HC≡CH
Reaktionen im allgemeinen langsam. Katalyse früher durch
Hg22+ oder Cu+, heute durch Au(III)
HCl
Hg2 Cl2
Cl
(f rüher für Vinylchlorid,
heute oxidatives Verfahren
ausgehend vom billigerem Alken)
105
Reppe-Synthesen (BASF)
Vor 2. Weltkrieg Acetylenchemie sehr wichtig, da über CaC2 auf
Basis Kohle aufgebaut. Heute eher Ethylen bzw. Erdöl. Reppe
trotzdem großer Pionier, da neuartige Katalysatoren und
Produkte.
Vinylierung
De facto Addition von Alkoholen an Acetylen. Im Gegensatz zu
Alkenen werden Alkine auch gut von Nucelophilen angegriffen.
Als Katalysator ist Alkoxid notwendig:
OR
Na
OR
OR
H-OR
H
Analoge Reaktionen bei Olefinen nur bei speziellen
Substituenten (EWG) möglich.
Cyclisierung
(Ph3 P)2 Ni(CO)2
88%
Ni(CN) 2
80%
106
7. Physiologisch aktive Alkine
Ichthyotherol
H
H OH
O
krampf auslösend (im Pfeilgift von Amazonas-Indianern)
Histrionicotoxin
in der Haut eines
Pfeilgiftfrosches
H
H
N
H
H
OH
HO
H
H
17-Ethinylöstradiol
(Verhütungsmittel "Pille")
H
HO
N
HO
H
H
O
"Ru-486"
blockiert die Wirkung des Progesterons
=> die befruchtete Eizelle kann sich nicht
in der Gebärmutter einnisten
O
H
H
O
H
Schwangerschaftshormon
Progesteron
107
En-Diin-Antibiotika
Beispiel: Calicheamicin
(Z)
HO
S
O
O
NH
S S
R
O -"Zucker"
O
Chemisches Wirkprinzip: die En-Diin-Cyclisierung
auslösende
Ringverengung
BergmanCyclisierung
Die Verklammerung muß
so kurz sein, daß die
Bergman-Cyclisierung
schon unter physiologischen
Bedingungen abläuft !
1,4-Diradikal
wirkt
DNA-schädigend
Bei der Untersuchung der Reaktion wurde das 1,4-Diradikal
durch 1,4-Cyclohexadien abgefangen (Triebkraft:
Aromatisierung zum Benzol)