Organische Chemie

Stoffklassen in der organischen Chemie
Carbonylverbindungen:
Aldehyde, Ketone
08.12.2014
1
Aldehyde und Ketone
funktionelle Gruppe der Aldehyde und Ketone:
Carbonylgruppe >C=O
dadurch prinzipielle Übereinstimmung im Reaktionsverhalten
O
O
H
H3C
H
H2C
O
O
H
H
HC
H
Formaldehyd
Acetaldehyd
Acrolein
Methanal
Ethanal
Propenal
Benzaldehyd
O
O
CH3
CH3
H3C
Aceton
08.12.2014
Propanon
Acetophenon
1-Phenylethanon oder
Methylphenylketon
2
Homologe Reihe der
Aldehyde und Ketone
systematische Bezeichnung geht von der längsten Kohlenstoffkette
aus:
• Aldehyde: Suffix „al“ , Ketone: Suffix „on“
• oder Angabe der Kohlenwasserstoffe (ohne >C=O-Gruppe) nach
steigender Größe mit dem Abschluss „Keton“ und Verwendung der
α, β - bzw. α´, β´-Zählung der C-Atome
• Trivialnamen
• Beispiel:
H3C
• Butan-2-on oder Methylethylketon
C
CH2
CH3
O
• α, β´-Dichlordiethylketon
08.12.2014
H3C
CH
C
Cl
O
CH2
CH2
Cl
Die Carbonylgruppe
Carbonylgruppe bestimmt in entscheidendem Maß die
Reaktionen der Aldehyde und Ketone!
Polarisierung der Carbonylgruppe schafft ein elektrophiles
und ein nukleophiles Zentrum
Benzaldehyd
elektrophiler Angriff
O
H
O
nucleophiler Angriff
H
Carbonylaktivität – Folge der Polarität der Carbonylgruppe,
beschreibt die Reaktivität der Verbindung
08.12.2014
4
Addition von Wasser
O
H3C
+
C
OH
H2O
H3C
HC
OH
H
Addition von Wasser liefert geminale Diole, die nicht beständig sind
O
Cl3C
C
OH
+
H
H2O
Cl3C
HC
OH
Ausnahme bei stark elektronenziehenden Substituenten!
08.12.2014
5
Acetale
Umsetzung von Aldehyden und Ketonen mit Alkoholen
führt zu Halbacetalen/Halbketalen und Acetalen/Ketalen
O
C
H
Polarisierung
O
→
O
CH2 CH3
C
H
H
Halbacetal
O
H
C
O
H
08.12.2014
CH2 CH3
O
H
C
O
CH2 CH3
H
6
Erhöhung der Carbonylaktivität
Reaktionen werden meistens durch Säure katalysiert!
Ketone haben eine geringere Carbonylaktivität als Aldehyde.
O
C
H
08.12.2014
+H
O
H
C
H
7
Acetale II
H
O
H
C
O
+H
CH2 CH3
O
H
C
O
H
H
CH2 CH3
H
O
Halbacetal
C
O
CH2 CH3
CH2 CH3
+
H2O
H
CH3
CH2
H
O
C
H
08.12.2014
Acetal
O
CH2 CH3
-H
CH2 CH3
O
C
O
CH2 CH3
H
8
Acetale und Ether
Struktur der Halbacetale und Acetale ähnelt der von Ethern
ABER: Halbacetale und Acetale werden im Vergleich zu Etherbindungen
durch Wasser/Säure leicht wieder in Aldehyd und Alkohol zerlegt
(Rückreaktion)
H
O
H
C
O
CH2 CH3
C
H
O
CH2 CH3
O
CH2 CH3
+
H2O
H
Halbacetal, protoniert
C
H
H3C
H2C
O
CH2 CH3
Diethylether
08.12.2014
+H
H
H3C
H2C
O
H3C
H2C
+
CH2 CH3
H
O
CH2 CH3
9
Azomethine
Aldehyde und Ketone reagieren mit Aminen nach einem AdditionsEliminierungs-Mechanismus.
O
+
C
H2N
CH3
H
C
N
CH3
H
- H2O
O
H
C
N
H
H
O
H
C
N
H
H
CH3
CH3
Azomethin
(Schiffsche Base)
08.12.2014
10
Enamine
O
H3C
H2C
+
C
HN
H
CH3
H3C
H2C
CH3
O
H
C
N
H
CH3
CH3
sek. Amin
H3C
HC
C
N
H
CH3
CH3
- H2O
H3C
H
O
HC
C
N
H
H
CH3
CH3
Enamin
08.12.2014
11
CH-Acidität
Aldehyde und Ketone mit Wasserstoff am a-C-Atom sind
schwache Säuren = CH-acide Verbindungen = C-Nucleophile
a
H2C
O
a
C
H2C
H
H
H3C
H
H2C
O
O
H3 C
C
H2 C
O
H
+
H2C
C
H
H
O
O
Acetaldehyd
H 2C
C
H
H3C
C
O
O
O
+
H
08.12.2014
H2C
C
H3C
H
C
H
O
O
H2C
H3C
C
H
C
H
O
H2C
C
H
12
Aldolreaktion
O
H3C
C
O
H2C
H
O
C
H3C
H
C
O
H2C
+H
C
H3C
H
H
O
H
C
H2C
O
C
H
H
Aldol
+H
-H
O
H3C HC
HC
H
- H2O
C
H
H3 C
O
H
C
HC
H
H
O
C
H
Crotonaldehyd
08.12.2014
13
Nukleophile Reagenzien
Wenn das nukleophile Zentrum des Nukleophils ein O-Atom ist,
spricht man von O-Nukleophilen.
Wenn das nukleophile Zentrum des Nukleophils ein N-Atom ist,
spricht man von N-Nukleophilen.
Wenn das nukleophile Zentrum des Nukleophils ein S-Atom ist,
spricht man von S-Nukleophilen.
Wenn das nukleophile Zentrum des Nukleophils ein C-Atom ist,
spricht man von C-Nukleophilen.
08.12.2014
14
Allgemeiner Mechanismus
Es erfolgt ein nukleophiler Angriff von X. Dieses Atom greift mit
seinem freien Elektronenpaar am partiell positivierten C-Atom an.
Es erfolgt eine Addition. Manchmal folgt dann noch eine
Eliminierung von Wasser.
Aldehyde und Ketone reagieren nach diesem Mechanismus.
Aldehyde sind reaktiver (höhere Carbonylaktivität).
O
O
R1
C
+
R2
X
H
R1
C
H
O
O
C
+
R2
08.12.2014
R2
X
H
R1
H
R3
X
H
R1
C
X
H
R3
R2
15
Stoffklassen in der organischen Chemie
Carbonylverbindungen:
Carbonsäuren und Carbonsäurederivate
08.12.2014
16
Carbonsäuren
Carbonsäuren: weit in der Natur verbreitet
funktionelle Gruppe: Carboxylgruppe
O
R
C
R
O
O
O
H
R
C
O
H
O
+
C
O
H
R
+
C
O
Carbonsäuren: wesentlich stärkere Säuren als die Phenole
Rest R: aliphatisch, aromatisch oder heterocyclisch
Anzahl der Carboxylgruppen kann unterschiedlich sein:
Mono-, Di- und Tricarbonsäuren
08.12.2014
17
H
Carbonsäuren
O
H
O
O
C
H3C
C
C
OH
OH
OH
Ameisensäure
Formiat
Benzoesäure
Benzoat
Essigsäure
Acetat
H
O
C
N
H3C
C
COOH
OH
OH
08.12.2014
Nicotinsäure
Nicotinat
Milchsäure
Lactat
18
COOH
Carbonsäuren
O
H3C
C
COOH
COOH
CH2
C
OH
C
OH
H2C
COOH
O
Brenztraubensäure
Pyruvat
HOOC
O
Oxalsäure
Oxalat
H
HOOC
08.12.2014
H
C
H
COOH
Bernsteinsäure
Succinat
Malonsäure
Malonat
COOH
COOH
CH2
C
Maleinsäure
Maleinat
CH2
C
OH
CH2
COOH
HOOC
Äpfelsäure
Malat
C
OH
CH2
Citronensäure
Citrat
COOH
19
COOH
Carbonsäuren
O
H3C
C
COOH
COOH
CH2
C
OH
C
OH
H2C
COOH
O
Brenztraubensäure
Pyruvat
HOOC
O
Oxalsäure
Oxalat
H
HOOC
08.12.2014
H
C
H
COOH
Bernsteinsäure
Succinat
Malonsäure
Malonat
COOH
COOH
CH2
C
Maleinsäure
Maleinat
CH2
C
OH
CH2
COOH
HOOC
Äpfelsäure
Malat
C
OH
CH2
Citronensäure
Citrat
COOH
20
Carbonsäuren
Bei höheren Temperaturen ist Abspaltung von
Kohlenstoffdioxid möglich. Aus Aminosäuren entstehen
so biogene Amine.
O
HO
H2C
CH
NH2
Serin
08.12.2014
Decarboxylase
HO
C
H2C
CH2 NH2
+
CO2
OH
2-Aminoethanol
21
Carbonsäuren
Reaktionen am Carboxyl-Kohlenstoff werden in der Regel
durch Protonierung des Sauerstoffs dieser Gruppierung
eingeleitet.
Der Ersatz der OH-Gruppe durch eine andere nukleophile
Gruppe führt zu den Carbonsäurederivaten.
O
H
C
OH
O
C
OH
H
Nu-
O
H
C
Nu
OH
- H2O
O
C
08.12.2014
Nu
22
Derivate der Carbonsäuren
O
O
H3C
C
H3C
NH2
H3C
C
OH
O
O
O
C
H3C
OCH3
H3C
C
O
O
C
SCH3
H3C
H3C
C
Cl
C
O
Essigsäureamid
Essigsäure
Essigsäureester
Essigsäurethioester
Essigsäureanhydrid
Essigsäurechlorid
Bereitschaft zur nukleophilen Substitution der blau markierten
Gruppen nimmt vom Säureamid zum Säurechlorid drastisch
zu
Ursache: induktive und mesomere Effekte der
Austrittsgruppen im Verbund mit der Carbonylgruppe
08.12.2014
23
Carbonsäureamide
Carbonsäureanhydride und Amine reagieren zu Säureamiden
nucleophiler
Angriff
O
H3C
C
H3C
O
H3C
+
C
O
H2N
CH3
H3C
Methylamin
O
H
C
N
O
H
H3C
CH3
H3C
C
O
H3C
C
H
C
N
O
H
CH3
C
O
O
Acetanhydrid
O
O
NH
CH3
+
H3C
C
OH
Acetmethylamid
08.12.2014
24
Basizität der Carbonsäureamide
Angriff eines
Protons?
O
H3C
C
NH
CH3
O
keine Basizität
O
Mesomerie
H3C
C
NH
CH3
H3C
C
N
H
CH3
Die Basizität des N-Atoms der Amidgruppe ist stark erniedrigt.
08.12.2014
25
Carbonsäureamide
Cyclische Säureamide und die Lactam – Lactim - Tautomerie
O
H2C a
H2C

H2C
H2C 
N
H
-Lactam
O
a
 N
H2C
H
-Lactam
H2C
H2C  a
H2C  
H2C
O
N
H
H2C
H2C  a
H2C  
H2C
O
H
N
-Lactam
Lactamform
Lactimform
Peniccillin inhibits
Staphylococcus aureus
08.12.2014
26
Amide der Kohlensäure
HO
C
OH
HO
C
NH2
O
O
Kohlensäure
Carbaminsäure
in freier Form nicht bekannt
(nur als Salze oder Ester)
H2N
C
NH2
O
Harnstoff
wichtigstes N-haltiges Stoffwechselprodukt der Säugetiere erstmals von Rouelle
1773 aus menschlichem Harn synthetisiert
27
08.12.2014
Harnstoff - ein Diamid der Kohlensäure
H2 N
C
NH2
O
bildet mit einigen Säuren Salze
Oxalat- und Nitratverbindung sind in Wasser
schwerlöslich
durch Säuren und Basen wird Harnstoff hydrolysiert
in Gegenwart von Urease erfolgt diese Reaktion unter
physiologischen Bedingungen
H2N
08.12.2014
C
O
NH2 + H2O
CO2 + 2 NH3
28
Guanidin (Iminoharnstoff)
H2N
C
NH2
NH
Viele Naturstoffe sind Guanidinderivate.
Beispiele: Arginin, Kreatin und Kreatinin
Arginin und Argininosuccinat spielen im Harnstoffzyklus
eine Rolle.
08.12.2014
29
Kreatin und Kreatinin
NH
Kreatin versorgt Muskeln mit
Energie; 1832 von Chevreul als
Bestandteil der Fleischbrühe
entdeckt, 1847 entdeckte es
Liebig als Komponente in
Fleisch (in Wurst aber nicht
mehr verfügbar)
Biosynthese aus L-Arginin und
Glycin;
Im lebenden Muskel liegen 5080% als Kreatinphosphat vor;
wenn ATP nicht nachgeliefert
wird (post mortem) sinkt die
Konz.
Innerhalb
weniger
Stunden
08.12.2014
NH2
H2N
N
H
+ H2N
H
CH2
COOH
COOH
mit L-Arginin-GlycinAmidino-transferase
NH
H2N
N
H
COOH
Guanidinoessigsäure
mit S-Adenosylmethionin
NH
H2N
N
COOH
KREATIN
CH3
unter Wasseraustritt
H
N
HN
O
KREATININ
N
H3C
30
Carbonsäureester
(Carbon)säuren und Alkohole reagieren zu Ester
O
R
O
+H+
C
-H+
OH
R
C
+R2OH
C
-R2OH
OH
OH
OH
R
H
O
R
H
H
OH R2
C
O
-H2O
O
+H2O
2
R
H
OH
R
08.12.2014
C
O
-H+
O
2
R
+H+
R
C
O
2
R
31
Carbonsäureester
Cyclische Ester - Lactone
H2
C
H2 C
H2 C
O
C
OH
OH
-Hydroxybuttersäure
08.12.2014
H2C
H2C
H2C
O
C
O
-Butyrolacton
32
Ester anorganischer Säuren
Phosphorsäure
Mono-Ester
Di-Ester
O
R
O
P
Tri-Ester
O
O
OH
R
O
O
P
R
R
O
O
O
P
O
O
R
R
Schwefelsäure
Mono-Ester
Di-Ester
O
R
08.12.2014
O
S
O
O
O
R
O
S
O
O
R
33
Ester anorganischer Säuren
Phosphorsäure
Phosphoenolpyruvat, Coenzyme NAD+ und NADP,
alle Nukleotide, DNA und RNA, Phospholipide
Schwefelsäure
spielen bei der Metabolisierung von Arzneistoffen
eine große Rolle, die Wasserlöslichkeit wird durch die
Bildung der Monoester, die als Anion vorliegen,
verbessert
Übertragung der Sulfatgruppe durch PAPS (3´Phosphoadenosin-5´-phosphosulfat)
08.12.2014
34
O
HO
HO
O
P
OH
O
H2C
OH
- H2O
Enolase
O
Phosphoenolpyruvat
oder Phosphoenolbrenztaubensäure
HO
HO
O
P
OH
O
CH2
+ ADP
- ATP
Pyruvatkinase
O
O
OH
08.12.2014
CH3
35
NAD+ und NADP+
08.12.2014
36
NH2
N
O
O
O
O
PAPS als
Sulfatgruppenüberträger
N
O
S
P
O
N
O
O
O
OH
NH2
P
P
O
RO
S
O
+ ROH
-H+
N
N
N
O
O
+
HO
P
O
N
O
O
O
P
08.12.2014
N
OH
37
Carbonsäurethioester
entstehen formal aus Thioalkoholen und Carbonsäuren
sind auf Grund des relativ großen Schwefelatoms
reaktiver als die Carbonsäureester
O
H3C
C
O
SR
allgemeine Strukturformel
08.12.2014
H3 C
C
S
CoA
konkretes Beispiel:
Acetyl-Coenzym A
38
H3C
Carbonsäurethioester
Coenzym A kann mit Essigsäure oder anderen
Carbonsäuren die energiereiche Thioesterbindung eingehen.
Der Acetyl- bzw. Acylrest kann dann an andere Gruppen
übertragen werden, wenn diese nukleophil am Carbonyl-CAtom angreifen.
Beispiel: Acetylierung von Cholin zum Acetylcholin
(Neurotransmitter)
nucleophiler
Angriff
N
HS
CoA
O
CH3
CH2 CH2 OH
CH3
+
H3C
C
S
CoA
CH3
H3C
N
+
CH2 CH2 O
O
C
CH3
08.12.2014
39
CH3
Säureanhydride
Säureanhydride - aktivierte Zwischenprodukte der Biosynthese
O
HO
O
P
OH
HO
+
H
P
O
OH
OH
HO
O
O
P
P
O
HO
OH
+
H2O
OH
Phosphorsäureanhydrid
O
H3C
C
OH
O
+
H
O
P
OH
H3C
O
O
C
P
O
OH
OH
+
H2O
OH
gemischtes Anhydrid
O
H3C
O
C
OH
+
08.12.2014
H
O
C
CH3
H3C
O
O
C
C
O
CH3
Acetanhydrid
+
H2O
40
Carbonsäurehalogenide
Carbonsäurehalogenide sind sehr reaktiv
Umsetzung mit folgenden Nukleophilen:
Wasser, Alkohol, Ammoniak, Aminen, Salze von
Carbonsäuren
O
H3C
08.12.2014
C
Hal
41
Phosgen – ein Di-Chlorid der Kohlensäure
O
O
C
Cl
+
Cl
2 H2O
+ 2 HCl
C
HO
OH
Phosgen
1812 von John Davy (jüngerer Bruder von Sir Humphry Davy
entdeckt.
Der Name Phosgen (griech.: durch Licht erzeugt) hängt mit der
lichtinduzierten Addition Von Clor an Kohlenstoffmonoxid
zusammen.
Einsatz als chemischer Kampfstoff im 1. WK (Grünkreuz) – mehr als
90000 Gastote.
08.12.2014
42
Acetyl-CoenzymA
Repräsentant der Carbonsäurederivate
Strukturelement: Thioester
Strukturelement: Amid
O
O
NH
CH2
CH2
C
S
CH3
C
NH2
CH2
N
CH2
O
O
CH3
NH
C
N
Strukturelement:
Anhydrid
CH
HO
C
CH3
Strukturelement:
Amid
08.12.2014
CH2
P
O
O
N
O
P
O
O
N
O
O
OH
OH
Strukturelement: Ester
43
Bausteine des Acetyl-CoA
Cysteamin
O
O
NH
CH2
CH2
C
S
CH3
C
NH2
CH2
N
N
CH2
NH
H2N
C
O
CH
HO
CH3
C
CH3
O
CH2
CH2
CH2
P
O
O
N
O
O
SH
P
O
O
O
OH
08.12.2014
N
OH
44
Bausteine des Acetyl-CoA
O
OH
C
O
O
NH
CH2
CH2
S
C
CH3
CH2
C
beta-Alanin
CH2
CH2
CH2
O
N
N
NH2
NH
C
NH2
CH3
CH
HO
C
CH3
O
CH2
O
P
O
N
O
O
P
O
O
O
OH
08.12.2014
N
OH
45
Bausteine des Acetyl-CoA
O
HO
O
NH
CH2
CH2 C S
C
CH
CH3
CH
C3
CH2
OH
C
NH2
O
HO
CH2
CH3
N
N
CH2
NH
C
O
CH3
CH
HO
C
O
CH2
CH3
Pantoinsäure
O
P
O
N
O
O
P
O
N
O
O
OH
OH
Pantoinsäure + β-Alanin = Panthotensäure
08.12.2014
46
Bausteine des Acetyl-CoA
O
O
NH
CH2
CH2
S
C
CH3
C
NH2
CH2
CH2
NH
C
O
N
Phosphorsäureanhydrid
CH3
CH
HO
C
O
CH2
O
P
O
HO
P
O
O
CH3
P
P
O
N
O
O
O
O
N
O
N
OH
OH
OH
47
08.12.2014
HO
HO
Bausteine des Acetyl-CoA
O
O
NH
CH2
CH2
S
C
CH3
C
NH2
CH2
OH
HO
NH
O
N
O
CH2
C
N
CH3
CH
HO
C
O
CH2
OH
CH3
O
P
O
OH
N
O
O
P
O
N
O
O
OH
OH
Ribose
08.12.2014
48
Bausteine des Acetyl-CoA
O
O
NH
CH2
CH2
NHCH
2
S
C
C
3
NH2
CH2
N
N
CH2
N
NH
C
O
N
CH3
CH
HO
C
O
CH2
N
CH3
O
P
O
N
N
O
O
P
O
N
O
O
Adenin
OH
OH
H
08.12.2014
49
Bausteine des Acetyl-CoA
Cysteamin
O
NH
CH2
CH2
O
S
C
Adenin
CH3
C
CH2
NH2
N
beta-Alanin
Phosphorsäureanhydrid
CH2
NH
C
O
CH3
CH
HO
C
O
CH2
CH3
Pantoinsäure
O
P
O
N
O
O
P
O
N
O
O
OH
OH
Ribose
08.12.2014
N
50
Exkurs: Knoevenagel-Kondensation
Carbonsäureester mit Wasserstoff am a-C-Atom reagieren als
schwache Säuren und gehören ebenfalls zu den CH-aciden
Verbindungen.
O
C
H
+
N
OCH2CH3
C
H
H
C
OCH2CH3
O
Piperidin
O
N
H H
C
H
O
OCH2CH3
C
H
C
O
OCH2CH3
C
OCH2CH3
C
OCH2CH3
C
O
Malonsäurediethylester
08.12.2014
51
Exkurs: Knoevenagel-Kondensation
nucleophiler
O
Angriff
O
C
C
H
+
H
OCH2CH3
C
C
O
H
O
C
C
C
H
C
OCH2CH3
OCH2CH3
OCH2CH3
O
O
+H
Benzaldehyd
H
O
C
CH
OCH2CH3
C
C
- H2O
OCH2CH3
O
H
O
C
C
C
H
C
OCH2CH3
OCH2CH3
O
O
08.12.2014
Knoevenagel-Produkt
52
Exkurs: Decarboxylierung
OH
O
C
CH
C
OCH2CH3
+
C
C
2 H2O
H
CH
O
+ 2 HOCH2CH3
C
C
OCH2CH3
OH
O
O
OH
OH
CH
C
C
- CO2
CH
C
OH
Tautomerie
O
C
H
C
O
O
O
CH
C
H
C
OH
53
08.12.2014
Zimtsäure
Exkurs: Claisen-Esterkondensation
Na
H3C
+
CH2 O
O
a
H2 C
H
C
- H3CCH2OH
OCH2CH3
O
H2C
Na
O
C
H2C
OCH2CH3
C
OCH2CH3
Essigsäureester
nucleophiler
Angriff
O
H3C
O
+
C
OCH2CH3
H2C
Na
C
H3C
OCH2CH3
O
Na
C
H2C
O
C
OCH2CH3
OCH2CH3
- H3 C
O
H3 C
C
CH2 O
Na
O
H2C
08.12.2014
Acetessigester
Na
C
OCH2CH3
54