Lösung - Institut für Organische Chemie

Übungen Organische Chemie für Studierende der Lehrämter und der Biologie (Diplom), WS 2003/04
Dr. C. Cabrele
Übungsblatt 9 - Lösung
1.
Im 1H-NMR-Spektrum von N,N-Dimethylformamid werden bei Raumtemperatur für
die beiden Methylgruppen 2 Signale beobachtet. Sie sind also magnetisch nicht
äquivalent, d.h. sie befinden sich (in der Zeitskala der NMR-Spektroskopie) in
unterschiedlicher räumlichen Umgebung. Erklären Sie diese Beobachtung.
N,N-Dimethylformamid 1 kann als Modellsystem für die Peptidbindung angesehen
werden. Welche Konsequenzen hat die obige Beobachtung für die Sekundärstruktur von
Peptiden?
Die beiden Methylgruppen a und b sollten sich durch eine einfache Rotation der C-NBindung ineinander überführen lassen:
O
b
H
N
aCH
CH3
3
1
Offensichtlich ist dies nicht der Fall. Eine einfache Erklärung kann mit Hilfe der
mesomeren Grenzstrukturen gegeben werden:
O
O
b
H
N
aCH
b
CH3
H
N
a
3
CH3
CH3
Die C-N-Bindung besitzt danach teilweise Doppelbindungscharakter. Die Rotation um
die Bindung ist dadurch erheblich eingeschränkt, so dass sich die beiden Methylgruppen
a und b (anti- und syn-ständig zum Keto-Sauerstoff) in der Zeitskala nicht mehr
ineinander überführen lassen, sie befinden sich also in unterschiedlicher räumlicher
Umgebung (eben anti- bzw. syn-ständig).
Erst durch deutliche Temperaturerhöhung wird soviel Energie aufgebracht, dass die
Rotation um die C-N-Bindung wieder so rasch erfolgt, dass im NMR-Spektrum nur
noch ein Signal für beide Methylgruppen beobachtet wird.
Für die Sekundärstruktur der Peptide ist dieser Effekt von besonderer Bedeutung:
CH3
Dipeptid Ala-Ala:
H
O
N
H2N
O
OH
CH3
Die blau hervorgehobene Amid-Gruppe (=Peptidbindung) ist ebenfalls in der Rotation
um die C-N-Bindung gehindert. Genauer betrachtet liegen O=C-N-H und die beiden
benachbarten Kohlenstoffatome in einer Ebene. Dadurch gehen der Peptidkette
(zumindest bei normalen Temperaturen) Rotationsfreiheitsgrade verloren, die räumliche
Struktur wird starrer und kann erst deshalb zusammen mit
Wasserstoffbrückenbindungen große, definierte räumliche Strukturen ausbilden.
Der Wasserstoff am Amid-Stickstoff ist dabei in der Regel anti-zum Keto-Sauerstoff
angeordnet, diese Konformation ist aus sterischen Gründen besonders günstig.
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Dr. C. Cabrele
2.
Cyclohexanon wird mit Benzylamin in Cyclohexan und geringen Mengen 4Toluolsulfonsäuer am Wasserabscheider zum Produkt 2a umgesetzt. Formulieren Sie
den Mechanismus.
2a wird anschließend in Ethanol mit Wasserstoff/Raney-Nickel zu 2b reduziert.
Die Reaktion von 2b mit Methyliodid liefert 2c.
Abschließend wird 2c mit wässriger Natronlauge versetzt und mit Ether extrahiert. Aus
der organischen Phase erhält man 2d.
Formulieren Sie die Reaktionsschritte von 2a zu 2d!
O
O
H
H
H
H
H
N
O
Ph
Ph
N
H
H
-H
Ph
N
H
H
N
H
O
Ph
N
Ph
Halbaminal
-H
2a
(Imin)
H
H
H
Ph
N
N
H
Ph
H H
O N
Ph
- H2O
-H
(Enamin)
H
2a
H3C
H N
Ph
N
I-CH3
H2
Ph
I
Raney-Ni
2c
(ein Ammoniumsalz)
2b
H3C
N
Ph
2c
wässr. NaOH,
Extraktion
2d
(freies Amin)
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Dr. C. Cabrele
3.
3-Methylbutyraldehyd wird bei Raumtemperatur in Gegenwart von Kaliumcarbonat mit
Morpholin im Überschuss umgesetzt. Anschließend wird die Reaktionsmischung filtriert
und in einer Destillationsapparatur auf 140 °C erhitzt. Das Destillat wird verworfen, der
Destillationsrückstand enthält das Reaktionsprodukt.
Welches Produkt entsteht? Formulieren Sie den Mechanismus.
O
O
H
1. K2CO3
+
?
2. 140 °C
N
H
(Überschuss)
Aldehyde können mit prim. und sek. Aminen im Überschuss in Abwesenheit von Säuren
Aminale (N,N-Acetale) bilden. Das Kaliumcarbonat neutralisiert einerseits Säurespuren
und bindet das bei der Reaktion entstehende Wasser:
O
N
O
O
H
H
O
H
HO
N
H
O
N
H
Halbaminal
- OH
O
O
O
N
N H
N
N
O
H
N
-H
H
H
O
H
N
ein Aminal
O
Besitzt das Aminal ein α-ständiges Wasserstoff spaltet sich bei höherer Temperatur ein
Molekül Amin ab, es bildet sich wieder ein Enamin:
O
N
N
H H
H
H
Erhitzen
O
N
- Morpholin
H
Enamin
O