Organisch-Chemische Grundlagen von

Organisch-Chemische Grundlagen
von
Stoffwechselvorgängen
für Studierende der
Veterinärmedizin
Von Prof. Dr. Hans Christoph Krebs
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Einleitung ........................................................................................................................... 5
1.1.
Geschichtliches .......................................................................................................... 5
1.2.
Chemische Bindungen in organischen Molekülen..................................................... 5
Alkane ................................................................................................................................ 7
2.1.
Nomenklatur der Alkane ............................................................................................ 7
2.2.
Vorkommen von Alkanen .......................................................................................... 8
2.3.
Eigenschaften von Alkanen........................................................................................ 9
2.4.
Reaktionen von Alkanen .......................................................................................... 10
2.5.
Cycloalkane.............................................................................................................. 12
Alkene .............................................................................................................................. 16
3.1.
Nomenklatur der Alkene .......................................................................................... 16
3.2.
Darstellung von Alkenen.......................................................................................... 17
3.3.
Reaktionen von Alkenen .......................................................................................... 18
3.4.
Diene/Polyene .......................................................................................................... 24
Alkine ............................................................................................................................... 27
4.1.
Nomenklatur der Alkine........................................................................................... 27
4.2.
Darstellung von Alkinen .......................................................................................... 27
4.3.
Reaktionen von Alkinen........................................................................................... 28
Reaktionsmechanismen.................................................................................................... 29
5.1.
Additionsreaktionen ................................................................................................. 29
5.2.
Eliminierungsreaktionen .......................................................................................... 29
5.3.
Nucleophile Substitutionsreaktionen ....................................................................... 30
5.4.
Konkurrenz zwischen Eliminierung und Substitution ............................................. 33
Alkohole ........................................................................................................................... 36
6.1.
Nomenklatur der Alkohole....................................................................................... 36
6.2.
Eigenschaften von Alkoholen .................................................................................. 37
6.3.
Darstellung von Alkoholen ...................................................................................... 37
6.4.
Reaktionen von Alkoholen....................................................................................... 38
6.5.
Mehrwertige Alkohole ............................................................................................. 39
Thioalkohole..................................................................................................................... 41
7.1.
Nomenklatur der Thioalkohole ................................................................................ 41
7.2.
Reaktionen von Thioalkohole .................................................................................. 41
Ether ................................................................................................................................. 42
8.1.
Nomenklatur der Ether ............................................................................................. 42
8.2.
Eigenschaften von Ethern......................................................................................... 42
8.3.
Darstellung von Ethern ............................................................................................ 43
1
8.4.
9.
Reaktionen von Ethern ............................................................................................. 43
Thioether .......................................................................................................................... 45
9.1.
10.
Nomenklatur der Thioether ...................................................................................... 45
Alkylhalogenide ........................................................................................................... 46
10.1.
Nomenklatur der Alkylhalogenide ....................................................................... 46
10.2.
Eigenschaften von Alkylhalogenide .................................................................... 46
10.3.
Darstellung von Alkylhalogeniden ...................................................................... 47
10.4.
Reaktionen von Alkylhalogeniden ....................................................................... 47
11.
Amine ........................................................................................................................... 48
11.1.
Nomenklatur der Amine....................................................................................... 48
11.2.
Eigenschaften von Aminen .................................................................................. 49
11.3.
Darstellung von Aminen ...................................................................................... 50
11.4.
Reaktionen von Aminen....................................................................................... 50
12.
Optische Aktivität ........................................................................................................ 52
12.1.
Das Polarimeter .................................................................................................... 52
12.2.
Struktur und optische Aktivität ............................................................................ 53
12.3.
Fischer-Projektion ................................................................................................ 53
12.4.
Cahn-Ingold-Prelog-Nomenklatur ....................................................................... 54
13.
Aldehyde und Ketone................................................................................................... 56
13.1.
Nomenklatur der Aldehyde .................................................................................. 56
13.2.
Nomenklatur der Ketone ...................................................................................... 57
13.3.
Darstellung von Aldehyden und Ketonen ............................................................ 57
13.4.
Additionsreaktionen an die Carbonylgruppe ....................................................... 57
13.5.
Oxidation von Aldehyden .................................................................................... 61
13.6.
Polymerisation von Formaldehyd und Acetaldehyd ............................................ 62
13.7.
Keto-Enol-Tautomerie und CH-Acidität.............................................................. 63
14.
Carbonsäuren................................................................................................................ 66
14.1.
Nomenklatur der Carbonsäuren ........................................................................... 66
14.2.
Eigenschaften von Carbonsäuren ......................................................................... 66
14.3.
Darstellung von Carbonsäuren ............................................................................. 69
14.4.
Reaktionen von Carbonsäuren ............................................................................. 70
15.
Funktionelle Derivate von Carbonsäuren..................................................................... 71
15.1.
Nomenklatur der Carbonsäure-Derivate .............................................................. 71
15.2.
Darstellung und Reaktionen der Derivate von Carbonsäuren.............................. 72
15.3.
Fette, Öle und Wachse ......................................................................................... 76
16.
Hydroxycarbonsäuren .................................................................................................. 78
2
16.1.
Nomenklatur der Hydroxycarbonsäuren .............................................................. 78
16.2.
Darstellung von Hydroxycarbonsäuren................................................................ 78
16.3.
Reaktionen von Hydroxycarbonsäuren ................................................................ 79
16.4.
Stereoisomere der Weinsäure............................................................................... 79
16.5.
Zitronensäure........................................................................................................ 80
17.
Ketocarbonsäuren......................................................................................................... 81
17.1.
Nomenklatur der Ketocarbonsäuren..................................................................... 81
17.2.
α-Ketocarbonsäuren............................................................................................. 81
17.3.
ß-Ketocarbonsäuren ............................................................................................. 81
18.
Aminosäuren ................................................................................................................ 84
18.1.
Nomenklatur der Aminosäuren ............................................................................ 84
18.2.
Essentielle Aminosäuren ...................................................................................... 86
18.3.
Eigenschaften von Aminosäuren.......................................................................... 87
18.4.
Darstellung von Aminosäuren.............................................................................. 88
18.5.
Reaktionen von Aminosäuren .............................................................................. 88
18.6.
Biogene Amine..................................................................................................... 90
18.7.
Transaminierung................................................................................................... 91
19.
Sulfonsäuren................................................................................................................. 92
20.
Nitrile ........................................................................................................................... 94
20.1.
Nomenklatur der Nitrile ....................................................................................... 94
20.2.
Darstellung von Nitrilen....................................................................................... 94
20.3.
Reaktionen von Nitrilen ....................................................................................... 94
21.
Aromaten...................................................................................................................... 96
21.1.
Nomenklatur der Aromaten.................................................................................. 97
21.2.
Elektrophile aromatische Substitution ................................................................. 99
21.3.
Acidität von Phenolen ........................................................................................ 103
21.4.
Aromatische Diazoniumsalze und ihre Reaktionen ........................................... 103
21.5.
Nucleophile aromatische Substitution................................................................ 105
21.6.
Oxidationsreaktionen bei aromatischen Verbindungen ..................................... 106
21.7.
Reduktion von Nitrobenzol ................................................................................ 107
22.
Kohlenhydrate ............................................................................................................ 108
22.1.
Monosaccharide ................................................................................................. 108
22.1.1.
Nomenklatur von Monosacchariden ..................................................... 108
22.1.2.
Cyclische, halbacetalische Struktur von Monosacchariden.............. 111
22.1.3.
Haworth-Projektion von Monosacchariden und Glycosiden ............. 112
22.1.4.
Glycoside .................................................................................................. 112
3
22.1.5.
Reaktionen von Monosacchariden ....................................................... 113
22.1.6.
Verwandte Verbindungen der Monosaccharide ................................. 113
22.2.
Disaccharide ....................................................................................................... 114
22.3.
Polysaccharide.................................................................................................... 115
23.
Peptide und Proteine .................................................................................................. 119
23.1.
Isolierung von Peptiden und Proteinen .............................................................. 124
23.2.
Reaktionen von Peptiden und Proteinen ............................................................ 125
23.3.
Denaturierung von Proteinen ............................................................................. 126
24.
Nucleotide und Nucleinsäuren ................................................................................... 127
24.1.
Nucleobasen ....................................................................................................... 127
24.2.
Nucleoside.......................................................................................................... 127
24.3.
Nucleotide .......................................................................................................... 128
24.4.
Nucleinsäuren..................................................................................................... 129
25.
Anhang ....................................................................................................................... 134
25.1.
Verbindungsklassen in der Organischen Chemie .............................................. 134
4
1. Einleitung
1.1. Geschichtliches
Die Chemie ist eine relativ junge Wissenschaft insofern, als die Systematisierung ihrer
Ergebnisse und die darauf beruhende Aufstellung von Theorien wesentlich später erfolgten
als beispielsweise auf den Gebieten der Mathematik oder Physik. Sie ist die Lehre von der
Natur der Stoffe und deren Umsetzungen. Nach der Begriffsprägung des Mittelalters wurde
die Chemie nach dem Vorkommen der Stoffe in der Natur in Mineralchemie (Anorganische
Chemie) und in Tier- und Pflanzenchemie (Organische Chemie) eingeteilt. Die Besonderheit
der organischen Chemie sah man in dem Wirken einer Lebenskraft (vis vitalis). Man war der
Ansicht, dass Substanzen aus dem Bereich der organischen Chemie nur von lebenden
Organismen synthetisiert und nicht künstlich hergestellt werden könnten. Als 1824 Friedrich
Wöhler aus anorganischen Ausgangsstoffen die im Sauerklee vorkommende Oxalsäure und
wenig später, 1828, aus einem anorganischen Salz, dem Ammoniumcyanat, den im tierischen
Organismus als Stoffwechselprodukt gebildeten Harnstoff darstellte, war es an der Zeit, die
Lebenskraft aus dem Gedankengut der organischen Chemie zu streichen.
N
C
C
N
Hydrolyse
O
O
C C
HO
OH
Oxalsäure
O
H2N C NH2
Dicyan
(NH4)+ (NCO)Ammoniumcyanat
Harnstoff
Die Einteilung in Organische und Anorganische Chemie wurde beibehalten. Man definierte
allerdings die Organische Chemie als die Chemie der Kohlenstoffverbindungen. Diese
Sonderstellung des Kohlenstoff war insofern sinnvoll, als sich dieses Element von den
übrigen durch einige typische Eigenarten unterscheidet, von denen vor allem die Fähigkeit
der Kohlenstoffatome, zu ketten- und ringförmigen Verbindungen zusammenzutreten, zu
nennen ist. Daraus resultiert, dass heute mehrere Millionen organische Substanzen bekannt
sind, ein etwa hundertfaches der bekannten anorganischen Verbindungen. Diese Mannigfaltigkeit der Kohlenstoffverbindungen wird bedingt durch die Stellung dieses Elementes in
der Mitte der zweiten Periode des Periodensystems. Der Kohlenstoff besitzt nur geringe
Tendenz zur Bildung von Ionen, jedoch ein maximales Bestreben zur festen Verknüpfung
durch Atombindungen.
1.2. Chemische Bindungen in organischen Molekülen
Während in anorganischen Verbindungen häufig ionische (= heteropolare) Bindungen (Salze,
z.B. Na+ Cl–) vorkommen, sind diese in organischen Molekülen nur selten. Hier findet man
überwiegend kovalente (= homöopolare) Bindungen, die unpolar (z.B. C-H, C-C) oder auch
polar (z.B. C-O, C-Cl) sein können. Die Polarisierung der Bindung ergibt sich aus der
unterschiedlichen Elektronegativität der Bindungspartner. Man symbolisiert dies durch
Partialladungen (δ+, δ–), z.B. bei einer C-Cl-Bindung:
5
δ−
Cl
δ+
C
So vermag der Kohlenstoff mit zahlreichen rechts und links von ihm im Periodensystem
stehenden Elementen stabile Atombindungen zu bilden. Neben dem Kohlenstoff und dem
Wasserstoff kommen häufig noch Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Phosphor, Halogene und
gelegentlich auch andere Elemente wie z.B. Metalle in organischen Verbindungen vor.
Einige, sogenannte funktionelle Gruppen, die für gewisse Verbindungsklassen charakteristisch sind, sind im Anhang 1 aufgelistet. Eine kovalente Bindung ergibt sich durch Überlappung von Orbitalen zweier Elemente. In der organischen Chemie sind vor allem die s- und
p-Orbitale wichtig. Wie aus der folgenden Abbildung ersichtlich ist, besitzt ein s-Orbital die
Form einer Kugel, während die p-Orbitale handelförmig sind. Bei letzterem sind die beiden
Orbitallappen durch eine Knotenfläche voneinander getrennt, in der die Wahrscheinlichkeit,
ein Elektron anzutreffen, gleich Null ist. Während es pro Hauptquantenzahl nur ein s-Orbital
gibt, sind es ab der zweiten Periode drei p-Orbitale mit jeweils gleichem Energieinhalt, die
längs der x-, y- und z-Achse eines rechtwinkeligen Koordinatensystems orientiert sind. Beim
Kohlenstoffatom sind im Grundzustand die Valenzorbitale wie folgt besetzt: 2s2, 2p2 (in zwei
p-Orbitalen je 1 Elektron, das dritte p-Orbital ist nicht besetzt). Im Methan bindet ein
Kohlenstoffatom gleichartig vier Wasserstoffatome, die ihn tetraedrisch umgeben. Dies ist mit
dem oben erwähnten Grundzustand nicht erklärbar. Aus dem 2s- und den drei 2p-Orbitalen
bildet der Kohlenstoff vier sp3-Hybrid-Orbitale, die energetisch gleich und mit jeweils einem
Elektron besetzt sind. Durch Überlappung mit einem Orbital eines zweiten Atoms, das
ebenfalls mit einem Elektron besetzt ist, kommt es zu einer Bindung. Der Kohlenstoff kann
auch drei sp2-Hybrid-Orbitale (aus dem 2s- und zwei 2p-Orbitalen) oder zwei sp-HybridOrbitale (aus dem 2s- und einem 2p-Orbital) bilden. Ein bzw. zwei p-Orbitale bleiben dann
als solche erhalten. Diese Hybridisierung soll aber erst bei den entsprechenden
Verbindungsklassen (Alkene und Alkine) besprochen werden.
s-Orbital
p-Orbital
sp3-hybridisiertes C-Atom
(das vierte Orbital zeigt nach hinten)
Hybrid-Orbital
6
2. Alkane
2.1. Nomenklatur der Alkane
Die homologe Reihe der gesättigten Kohlenwasserstoffe (Alkane) baut sich nach der allgemeinen Summenformel CnH2n+2 auf. Charakteristisch am Namen ist die Endsilbe –an. Die
ersten vier Vertreter besitzen Trivialnamen (n=1 CH4: Methan, n=2 CH3-CH3: Ethan, n=3
CH3-CH2-CH3: Propan, n=4 CH3-CH2-CH2-CH3: Butan). Danach werden sie nach einer
systematischen Nomenklatur unter Verwendung griechischer Zahlnamen benannt (n=5:
Pentan, n=6: Hexan, n=7: Heptan, n=8: Octan, n=9: Nonan, n=10: Decan, usw.). Ab dem
Butan gibt es Isomere, d. h. Verbindungen mit gleicher Summenformel aber unterschiedlicher
Struktur. Dabei nimmt die Anzahl der Isomeren rasch zu; es gibt zwei Butan-, drei Pentan-,
fünf Hexan-, neun Heptan-, 18 Octan-, 35 Nonan-, 75 Decan-Isomere und bei Icosan (C20H42)
sind es schon 366.319. Dies liegt daran, dass nicht nur kettenförmige Alkane, sogenannte nAlkane, vorkommen sondern auch Verzweigungen auftreten. Dies und die unterschiedliche
Benennung der Isomeren seien am Beispiel der Hexane erklärt.
n-Hexan
CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3
CH3 CH CH2 CH2 CH3
2-Methyl-pentan
CH3
CH3 CH2 CH CH2 CH3
3-Methyl-pentan
CH3
CH3
CH3 C
2,2-Dimethyl-butan
CH2 CH3
CH3
CH3 CH CH CH3
2,3-Dimethyl-butan
CH3 CH3
Nach der sogenannten IUPAC-Nomenklatur (International Union for Pure and Applied
Chemistry) wird die längste Kohlenstoffkette im Molekül gesucht, was den Grundnamen
ergibt. Substituenten (CH3- = Methyl-, CH3-CH2- = Ethyl-, CH3-CH2-CH2- = n-Propyl-,
(CH3)2CH- = Isopropyl-, usw.) werden in alphabetischer Reihenfolge dem Namen vorangestellt, wobei zu berücksichtigen ist, dass die Positionen der Substituenten immer die
niedrigsten Zahlen ergeben. So ist der Name 2-Methylpentan richtig, 4-Methylpentan aber
falsch, obwohl die beiden folgenden Zeichnungen identisch Moleküle darstellen.
1
2
3
4
5
1
CH3 CH CH2 CH2 CH3
2
3
4
5
CH3 CH2 CH2 CH CH3
CH3
CH3
richtig
falsch
7
Nach der Zahl der Kohlenstoffsubstituenten unterscheidet man primäre, sekundäre, tertiäre
und quartäre Kohlenstoffatome:
H
C
C
H
H
C
H
primär
C
C
C
C
H
sekundär
C
C
C
C
H
tertiär
C
C
C
quartär
Wie in Kapitel 1.2. schon erwähnt, sind alle Kohlenstoffatome in den Alkanen sp3 hybridisiert
und somit tetraedrisch von seinen vier Bindungspartnern umgeben. Der Winkel zwischen
zwei Bindungen liegt bei etwa 109°. Die C-H- und C-C-Bindungen sind frei drehbar. Dies
bedingt unterschiedliche Konformationen, von denen u. a. zwei extreme Anordnungen
möglich sind, wie in der folgenden Abbildung am Beispiel des Ethans zu sehen ist. Die
„staggered“ Form ist gegenüber der „eclipsed“ Form energetisch begünstigt, da die
Wasserstoffatome auf Lücke stehen und somit weiter voneinander entfernt sind. Die Potentialschwelle zwischen den beiden Konformeren beträgt ca. 10,5 kJ/mol. Die Konformeren
lassen sich nicht voneinander trennen. Keilförmig gezeichnete Bindungen gehen räumlich
nach vorne aus der Zeichenebene, gestrichelte Bindungen stehen nach hinten.
H
H
H
H
C
C
C
H
H
H
H
H
C
Tetraedrischer
Aufbau von Methan
H
H
H
H
H
H
C
H
eclipsed
staggered
Konformationen von Ethan
2.2. Vorkommen von Alkanen
Die wichtigsten Quellen für Alkane sind das Erdgas und das Erdöl. Letzteres ist ein sehr
komplexes Gemisch und hat je nach Herkunft verschiedene Zusammensetzung. Durch eine
fraktionierte Destillation wird es aufgetrennt in Rohbenzin (bis 180°C), Petroleum (180 –
250°C), Heiz-/Dieselöl (250 – 320°C) und Parafinöl (über 320°C). Das Rohbenzin enthält
Kohlenwasserstoffe mit einer Kohlenstoffzahl von fünf bis zehn und wird nochmals destilliert, wobei Petrolether (bis 70°C), Leichtbenzin (70 – 100°C), Ligroin (100 – 130°C) und
Kerosin (130 – 180°C) erhalten werden. Das Erdgas besteht aus Methan, Ethan, Propan und
den beiden Isomeren des Butans.
Unter „Klopfen“ des Motors versteht man die vorzeitige Entzündung eines Benzin-LuftGemisches bei der Kompression. Als Maß für die Güte eines Benzins wurde im Jahre 1927
die Octanzahl eingeführt, indem man willkürlich dem n-Heptan, das ganz besonders zum
Klopfen neigt, die Octanzahl 0 und dem Isooctan (= 2,2,4-Trimethyl-pentan), das sich erst bei
8
höherer Kompression entzündet, die Zahl 100 zuteilte. Die Octanzahl eines Benzins entspricht dem Isooctangehalt der Vergleichsmischung aus Isooctan und n-Heptan mit der
gleichen Klopffestigkeit.
Der heutige Benzinbedarf übersteigt die bei der Destillation des Erdöls anfallende Menge. Es
wurden deshalb weitere Verfahren zur Benzingewinnung, wie z.B. das „Cracken“, entwickelt.
Hierbei werden höhermolekulare Kohlenwasserstoffe thermisch und katalytisch in niedere
Moleküle gespalten.
Die Methanogenese, die durch anaerobe Archebakterien bewirkt wird, ist der letzte Schritt
des natürlichen Abbaus von Biomasse. Diese Bakterien kommen auch in Warmblütern, z.B.
im Pansen von Wiederkäuern vor. Ein Rind gibt täglich bis zu 900 l Gas ab, die 27% Methan
enthalten.
2.3. Eigenschaften von Alkanen
Alkane sind unpolare, mit Wasser nicht mischbare und leicht flüchtige Substanzen. C1- bis
C4-Verbindugen sind gasförmig. Weiter bis etwa C16 sind sie flüssig und darüber wachsartig
fest. Genauso wie die Siedepunkte steigen die Schmelzpunkte und die Dichten mit wachsender Zahl an Kohlenstoffen. Die stetige Zunahme der Siedepunkte wird durch die
Molekülattraktion durch van der Waals-Kräfte bedingt, die eine Oberflächenfunktion sind
und daher mit zunehmender Molekülgröße anwachsen. Besonders gut ist dies bei den nAlkanen (siehe Abbildung 1) zu beobachten. Verzweigte Alkane sieden niedriger als ihre
geradkettigen Isomere, da durch ihre mehr kugelige Form die zwischenmolekularen Kräfte
geringer sind.
Abbildung 1: Schmelzpunkt, Siedepunkt und Dichte ([D] bei 20°C bezogen auf Wasser von
4°C) der n-Alkane bei 101,32 kPa in Abhängigkeit von der Zahl der Kohlenstoffatome.
9
2.4. Reaktionen von Alkanen
Alkane lassen sich zwar mit Luftsauerstoff unter hoher Energiefreisetzung zu Kohlendioxid
und Wasser verbrennen, unter milden Bedingungen sind sie allerdings gegenüber Sauerstoff
und anderen Reagenzien innert. Daher rührt die frühere Bezeichnung „Paraffine“ (parum
affinis = wenig reaktionsfähig).
Alkane reagieren mit Chlor oder Brom bei erhöhter Temperatur oder unter Einfluss von Licht
zu den entsprechenden Halogenalkanen. Im Falle des Methans entstehen mit Chlor
nacheinander Chlormethan (CH3Cl), Dichlormethan (CH2Cl2), Trichlormethan (= Chloroform, CHCl3) und Tetrachlormethan (CCl4). Es werden also die Wasserstoffatome nach und
nach gegen Chloratome ausgetauscht. Diese Reaktion verläuft bei 20°C im Dunkeln nicht ab,
dagegen bei Belichtung explosionsartig. Durch die Lichtenergie wird die Cl-Cl-Bindung
homolytisch gespalten, so dass in der Startreaktion zwei Chloratome entstehen. Anschließend
folgt ein Reaktionszyklus, der vielfach durchlaufen wird, die so genannte Kettenreaktion.
Hierbei entreißt das Chloratom einem Methanmolekül ein Wasserstoffatom unter Bildung
eines Kohlenstoffradikals. Dieses wiederum spaltet ein neues Chlormolekül und bildet
dadurch erneut ein Chloratom. Diese Kettenreaktion wird solange durchlaufen bis zwei
Radikale zusammenstoßen. Da die Konzentration der Radikale aber sehr gering ist, passiert
Cl2
H
H C H
H
H
H C
H
+
+
h.ν
2
H
H C
+
H
H
H C Cl
H
Cl
Cl2
Start
Cl
HCl
Kette
+
Cl
Kettenabbruch durch Rekombination zweier Radikale:
Cl
H
H C
H
H
H C
H
+
+
+
Cl
H
H C
H
Cl2
H H
H C C H
H H
H
H C Cl
H
Cl
dies nur selten. Dieser letzte Schritt wird als Kettenabbruch bezeichnet.
Die drei verbliebenen Wasserstoffe im Chlormethan (CH3Cl) können auf gleiche Weise nun
durch Chloratome angegriffen werden.
10
Die analoge Reaktion mit Brom läuft ebenfalls ab, jedoch nur langsam und nicht explosionsartig wie beim Chlor. Demgegenüber reagiert Iod nicht mit Alkanen. Dieses Ergebnis wollen
wir energetisch betrachten und erklären. Kettenstart und –abbruch können wir dabei
vernachlässigen denn sie laufen für einen vielfachen Kettenzyklus nur einmal ab.
1.
C H
+
C
X
+
HX
X = Halogen
2.
C
+
X2
C X
+
X
Die Bindungsenergien bei 25°C für folgende Bindungen betragen:
F-F
Cl-Cl
Br-Br
I-I
: 158 kJ/mol
: 243 kJ/mol
: 193 kJ/mol
: 151 kJ/mol
H-F
H-Cl
H-Br
H-I
: 561 kJ/mol
: 432 kJ/mol
: 366 kJ/mol
: 299 kJ/mol
C-F
C-Cl
C-Br
C-I
C-H
: 448 kJ/mol
: 339 kJ/mol
: 285 kJ/mol
: 213 kJ/mol
: 413 kJ/mol
Danach ergeben sich folgende Rechnungen, wobei die vom System zur Spaltung einer
Bindung benötigte Energie negativ und die vom System durch Bildung einer Bindung
abgegebene Energie positiv gewertet ist.
Fluorierung:
1.
2.
- 413 kJ/mol
- 158 kJ/mol
+ 561 kJ/mol
+ 448 kJ/mol
Summe: + 438 kJ/mol
+ 432 kJ/mol
+ 339 kJ/mol
Summe: + 115 kJ/mol
+ 366 kJ/mol
+ 285 kJ/mol
Summe: + 45 kJ/mol
+ 299 kJ/mol
+ 213 kJ/mol
Summe: - 52 kJ/mol
Chlorierung:
1.
2.
- 413 kJ/mol
- 243 kJ/mol
Bromierung:
1.
2.
- 413 kJ/mol
- 193 kJ/mol
Iodierung:
1.
2.
- 413 kJ/mol
- 151 kJ/mol
Das Ergebnis zeigt, dass die Fluorierung, Chlorierung und Bromierung exotherm sind
während für die Iodierung Energie benötigt wird. Bei den Reaktionen mit Fluor und Chlor
wird dabei so viel Energie frei, dass die Reaktionen explosionsartig verlaufen.
Nun soll noch untersucht werden, ob Wasserstoffe von Alkanen, die an primären, sekundären
oder tertiären Kohlenstoffatomen gebunden sind gleich oder unterschiedlich schnell mit
einem Halogen, z.B. Chlor, reagieren. Hierfür nehmen wir an, dass nur ein Wasserstoffatom
von 2-Methyl-butan durch Chlor substituiert wird. Es sind dann vier isomere Produkte
möglich, nämlich 1-Chlor-2-methyl-butan (1), 1-Chlor-3-methyl-butan (2), 2-Chlor-3-methylbutan (3) und 2-Chlor-2-methyl-butan (4). Zur Bildung von 1 stehen sechs Wasserstoffatome
von zwei chemisch gleichwertigen Methylgruppen zur Verfügung. Zur Bildung von 2 sind es
drei Wasserstoffatome (eine Methylgruppe), von 3 sind es zwei (eine Methylengruppe) und
11
von 4 nur ein Wasserstoffatom (eine Methingruppe). Somit sollte man ein statistisches
Produktverhältnis von sechs Teilen 1, drei Teilen 2, zwei Teilen 3 und einem Teil 4 erwarten.
Gefunden werden aber sechs Teile 1, drei Teile 2, 6,6 Teile 3 und 4,4 Teile 4. Das bedeutet,
dass die Methingruppe am leichtesten reagiert (Faktor 4,4), gefolgt von der Methylengruppe
(Faktor 3,3). Die Methylgruppen werden am schlechtesten angegriffen (Faktor 1). Begründen
lässt sich dies damit, dass das Kohlenstoffradikal, das als energiereiche Zwischenstufe
kurzfristig gebildet wird, umso stabiler ist, je höher es substituiert ist bzw. je weniger
Protonen es trägt.
CH3
CH3
Cl2 / h ν
.
CH3 CH CH2 CH3
CH2 CH CH2 CH3
1
Cl
CH3
+
CH3 CH CH2 CH2
2
Cl
CH3
+
CH3 CH CH CH3
3
Cl
CH3
+
CH3 C
CH2 CH3
4
Cl
2.5. Cycloalkane
Gesättigte ringförmige Kohlenwasserstoffe werden auf Grund ihrer Konstitution als Cycloalkane bezeichnet. Auch wenn die Fünf- und Sechsringe wegen ihrer optimalen Bindungswinkel im Ring am günstigsten sind, kommen auch größere und kleinere Ringe (auch in
Naturstoffen) vor.
CH2
=
H2 C
Cyclopropan
CH2
Cyclobutan
Cyclopentan
Cyclohexan
Cycloheptan
Aus Gründen der Vereinfachung werden bei cyclischen Verbindungen keine „C“ und „H“
geschrieben. Vereinbarungsgemäß befindet sich an jeder Ecke ein Kohlenstoffatom, das mit
Wasserstoffen abgesättigt ist. Befinden sich dort andere Atome oder Reste, so müssen diese
geschrieben werden. Außer dem Cyclopropan sind alle Cycloalkane nicht planar. Die
Ausbildung einer räumlichen Struktur führt zu einem günstigeren Bindungswinkel im Ring.
Dies soll am Beispiel des Cyclohexans gezeigt werden. Im planaren Sechsring wäre der
12
Winkel mit 120° etwa 11° größer als der Tetraederwinkel. In der so genannten Sessel- und
Wannenform bleibt die tetraedrische Konfiguration erhalten.
Wannenform
Sesselform
Sessel- und Wannenform sind die beiden bevorzugten Konformationen des Cyclohexans. Die
Konformeren sind nicht isolierbar, da sich beide rasch ineinander umwandeln. Die Sesselform
ist gegenüber der Wannenform um etwa 30 kJ/mol günstiger so dass diese bei 20°C zu 99%
im Gleichgewicht vorliegt. Dies liegt daran, dass in der Sesselform alle Wasserstoffatome in
der günstigen staggered Konformation angeordnet sind, während in der Wannenform die
Wasserstoffatome in 2.3- und 5.6-Stellung in der energetisch ungünstigen eclipsed
Konformation stehen, bei einer gleichzeitigen sterischen Hinderung je eines Wasserstoffs in
den Positionen 1 und 4. Dies ist am besten in einem Molekülmodell zu erkennen. Bei der
Sesselform unterscheidet man zwischen äquatorial (e) und axial (a) angeordneten
Wasserstoffatomen (oder allgemein Substituenten). Während die äquatorialen Substituenten
etwa in der Ebene des Ringes liegen, befinden sich die axialen jeweils oberhalb oder
unterhalb dieser Ebene.
a
a
a
e
e e
4
e
a
e
e
H
H
H
H
5
H
3
H
H
a
a
6
1
H
2
H
H
Die Unterscheidung zwischen e- und a-Stellung ist vor allem bei substituierten Cyclohexanen
wichtig. Von den danach möglichen zwei Methylcyclohexananen ist infolge der raschen
Umwandlung einer Sesselform in die andere nur eines bekannt. Diese rasche Umwandlung
beider Konformationen ineinander bezeichnet man als Ringinversion. Die Inversionsfrequenz
beträgt bei Cyclohexan 106/sek.
H
5
CH3
1
3
H
H
H
CH3
Bei allen monosubstituierten Cyclohexanderivaten ist die äquatoriale Stellung des
Substituenten (hier CH3) bevorzugt, da dabei die geringere sterische Behinderung vorliegt. Ist
13
die Methylgruppe in axialer Stellung so kommt es zu sterischen Wechselwirkungen mit den
oben eingezeichneten Wasserstoffatomen an C-3 und C-5.
Bei di- oder mehrfach substituierten Cyclohexanderivaten kommen neben strukturisomeren
Verbindungen auch so genannte geometrische Isomere (cis-trans-Isomere) vor, das heißt, die
Substituenten sind in beiden Verbindungen an den gleichen Kohlenstoffatomen gebunden,
stehen aber räumlich unterschiedlich zueinander. Dies soll an 1,2-Dimethylcyclohexan
gezeigt werden. Befinden sich beide Substituenten auf der gleichen Seite der Ringebene, so
sagt man, sie stehen cis zueinander, sind sie aber auf gegenüberliegenden Seiten, so sind sie
trans-ständig. Im folgenden Beispiel befinden sich die beiden Methylgruppen an benachbarten Kohlenstoffatomen, sie sind also 1,2-ständig. Stehen beide Methylgruppen in axialer
Position, so sind sie trans-ständig. Durch Umwandlung von der einen in die andere Sesselkonformation kommen diese Substituenten automatisch beide in equatoriale Stellungen. Auch
hier stehen sie trans zueinander. Ist eine Methylgruppe in axialer Position und die andere in
equatorialer, so stehen beide cis zueinander.
CH3
H3C
CH3
CH3
trans-1,2-Dimethylcyclohexan
CH3
H3C
CH3
CH3
cis-1,2-Dimethylcyclohexan
Die räumliche Struktur eines Moleküls ist sehr wichtig für seine biologische Aktivität. Als
Beispiele für solche Verbindungen mit einem oder mehreren Cyclohexangerüsten seien das
Insektizid Lindan, der Wachstumsfaktor myo-Inosit und die Klasse der Steroide wie z.B. die
Steroidhormone (Androgene, Östrogene, Gestagene, Corticosteroide usw.) genannt.
Cl
Cl
OH
HO
Cl
HO
Cl
Cl
Cl
Lindan
HO
OH
OH
myo-Inosit
Lindan ist eines von acht Stereoisomeren des 1,2,3,4,5,6-Hexachlorcyclohexans. Die
Chloratome sind hier aaaeee angeordnet. Bezüglich der Toxizität bestehen zwischen den
einzelnen Isomeren deutliche Unterschiede.
14
Im Decalin können die beiden 6-Ringe trans oder cis verknüpft sein. Entsprechend unterschiedlich ist die räumliche Struktur, wie unter gezeigt.
H
H
H
H
trans-Decalin
H
H
H
H
cis-Decalin
Das Grundgerüst des Decalins ist in den Steroiden enthalten. Dies soll an Beispiel des
Androsterons gezeigt werden. Hier sind alle drei 6-Ringe trans verknüpft, was für die
räumliche Struktur des Moleküls und für dessen biologische Wirkung sehr wichtig ist. Auch
die Verknüpfung zwischen dem 5- und 6-Ring ist trans.
CH3 O
CH3
H
HO
CH3
H
CH3
H
H
HO
H
Androsteron
15
H
H
H
O
3. Alkene
3.1. Nomenklatur der Alkene
Die Alkene bilden eine homologe Reihe mit der allgemeinen Summenformel CnH2n sofern das
Molekül nur eine Doppelbindung besitzt und nicht cyclisch ist. Es handelt sind um
Kohlenwasserstoffe mit C=C-Doppelbindungen. Man spricht auch von ungesättigten
Kohlenwasserstoffen. Die beiden Kohlenstoffatome an der Doppelbindung sind sp2hybridisiert, d.h. sie haben drei Hybridorbitale (aus dem 2s- und zwei 2p-Orbitalen), die in die
Ecken eines gleichseitigen Dreiecks orientiert sind, und ein p-Orbital, das senkrecht zur
Dreiecksebene steht. Durch Überlappung je eines der sp2-Hybridorbitale der beiden Kohlenstoffatome entsteht eine Bindung (σ-Bindung) und durch Überlappung der p-Orbitale eine
zweite (π-Bindung). In der C=C-Doppelbindung stehen die Ebene der π-Elektronen und die
der σ-Bindungen (= Dreieckebene) senkrecht aufeinander. Eine C=C-Doppelbindung ist
deshalb starr und nicht drehbar. σ- und π-Bindung der C=C-Doppelbindung sind in ihrer
Natur verschieden und zeigen eine unterschiedliche Reaktivität.
H
H
H
H
C= C-Doppelbindung in Ethen
Die für die Alkane gebräuchlichen Namen gelten auch für die Alkene, doch tritt bei diesen
anstelle der Endsilbe –an das Suffix –en. Die Lage der Doppelbindung wird mit der Zahl des
C-Atoms beschrieben, von der die Doppelbindung ausgeht. Dies ist natürlich erst ab dem
Buten nötig da ab hier Isomere vorkommen.
CH2 CH2
Ethen (= Ethylen)
CH2 CH CH3
Propen
CH2 CH CH2 CH3
But-1-en
CH3 CH CH CH3
But-2-en
CH2 CH CH2 CH2 CH3
Pent-1-en
CH3 CH CH CH2 CH3
Pent-2-en
CH2 CH CH2 CH2 CH2 CH3
Hex-1-en
CH3 CH CH CH2 CH2 CH3
Hex-2-en
CH3 CH2 CH CH CH2 CH3
Hex-3-en
Eigentlich sollte die Zahl wie oben vor das –en gestellt werden, es ist aber auch erlaubt, die
Zahl vor oder hinter den Namen zu stellen, also z.B. 1-Penten bzw. Penten-1. Da die
Doppelbindung, wie oben gezeigt, nicht drehbar ist, können bei den Alkenen auch cis- und
trans-Isomere vorkommen, wie z.B. bei But-2-en. Die beiden Methylgruppen stehen dabei
entweder auf der gleichen (cis) oder auf gegenüberliegenden (trans) Seiten. Die Terminologie
16
der cis-trans Isomerie erwies sich jedoch beim Vorliegen mehrerer, verschiedener Reste an
den beiden C-Atomen der Doppelbindung als nicht ausreichend. Es wurde deshalb eine
andere, generellere Bezeichnung eingeführt: Stehen die beiden größeren Substituenten
(höhere Atomnummer) auf er gleichen Seite nennt man dies die (Z)-Form (von zusammen),
im anderen Falle ist es die (E)-Form (von entgegen).
H3 C
H3 C
H
C
C
C
H
CH3
H
CH3
trans-But-2-en [= (E)-But-2-en]
C
H
cis-But-2-en [= (Z)-But-2-en]
3.2. Darstellung von Alkenen
Alkene lassen sich durch Eliminierungsreaktionen aus substituierten Alkanen herstellen. So
kann man z.B. aus einen Halogenalkan Halogenwasserstoffsäure oder aus einem Alkohol
Wasser abspalten.
CH3 CH2 Br
CH2 CH2
+
HBr
CH3 CH2 OH
CH2 CH2
+
H 2O
Obige Reaktionsgleichungen geben nur an, welche Ausgangssubstanzen (hier: Bromethan
bzw. Ethanol) zu welchen Produkten (hier: Ethen) umgesetzt werden, aber nicht wie die
Reaktion mechanistisch abläuft. Die Verwendung eines Alkohols erfordert eine Dehydratisierung, wobei die Hydroxylgruppe und von einem benachbarten Kohlenstoffatom ein Proton
unter saurer Katalyse eliminiert werden. Der Einfluss der Säure ist erst im folgenden
Reaktionsmechanismus erkennbar.
H
+ H
CH2 CH2
O
H
H
H
CH2 CH2
CH2 CH2
+
H
O
+
+
- H 2O
- H
+
CH2 CH2
H
Die Hydroxylgruppe im Alkohol hat, wie das Wasser, basische Eigenschaften und kann
deshalb ein Proton aufnehmen. H2O ist gegenüber HO– eine gute Austrittsgruppe. Zurück
bleibt ein Carbokation, das sich durch Abgabe eines Protons vom Nachbarkohlenstoffatom
stabilisiert. Die benutzten Pfeile in der Formeldarstellung geben Auskunft, in welcher Weise
das Elektronensystem des Moleküls verändert wird. Diese Dehydratisierung wird meist durch
Erhitzen mit Schwefelsäure durchgeführt, da diese Wasser entziehend wirkt und somit das
Gleichgewicht nach rechts verschiebt.
17
HO
+
H
CH2 CH2
CH2 CH2
+
+
H2O
Br
Br
Die Abspaltung von Halogenwasserstoff (hier: HBr) verläuft nach dem gleichen Prinzip der
ß-Eliminierung. Diese Reaktion wird mittels einer Base, die den Halogenwasserstoff bindet,
durchgeführt.
3.3. Reaktionen von Alkenen
Der ungesättigte Charakter der Alkene zeigt sich vor allem in der Neigung, bestimmte
Reagenzien zu addieren und so in den gesättigten Zustand überzugehen, d.h., die Doppelbindung wird aufgehoben. Addieren lassen sich u. a. Wasserstoff, Brom, Wasser und
Halogenwasserstoff. Wird an ein Alken Wasserstoff addiert, so entsteht ein Alkan. Man
benutzt hierzu Katalysatoren wie Nickel, Palladium oder Platin. Dabei findet eine Oberflächenreaktion statt, bei der das Alken sowie der Wasserstoff an der Metalloberfläche
adsorbiert werden. Durch Umorientierung der Bindungen zwischen den fixierten Wasserstoffund Alkenmolekülen entsteht dann das Alkan, das vom Katalysator desorbiert. Dieser
Mechanismus erklärt, dass der Wasserstoff cis-ständig an die Doppelbindung angelagert wird.
Bei der Addition von Wasserstoff an 1,2-Dimethyl-cyclohex-1-en entsteht nur cis-1,2Dimethyl-cyclohexan und nicht das trans-Produkt.
CH3
CH3
+
H2
Kat.
H
CH3
CH3
H
Einem anderen Mechanismus folgt die Addition von Halogenen, Halogenwasserstoffen und
von Wasser. Hierbei handelt es sich um elektrophile Reaktionen. Die Umsetzung von
Cyclohexen mit Brom liefert ausschließlich trans-1,2-Dibromcyclohexan.
Br
H
+
Br2
H
H
H
Br
Auch dieser Befund muss über den Reaktionsmechanismus erklärt werden. Es bildet sich
zunächst eine lockere Bindung zwischen dem Alken und dem Brommolekül aus, die durch die
π-Elektronen der Doppelbindung vermittelt wird. In diesem π-Komplex (1) wird gleichzeitig
auch die Bindung zwischen den beiden Bromatomen polarisiert bis die Ablösung eines
Bromid-Ions erfolgt. Es entsteht dabei ein cyclisches Bromonium-Ion (2), das vom BromidIon nur in trans-Stellung angegriffen werden kann. Die Addition von Brom verläuft äußerst
schnell und dient als Nachweisreaktion für Alkene.
18
C
C
+
Br
+
δ
Br
Br
C
δ
Br
C
- Br -
+ Br
+ Br -
Br
C
C
π-Komplex (1)
C
C
Br
2
Besteht gleichzeitig eine genügend hohe Konzentration an Fremdanionen (z.B. Cl–), so
können diese naturgemäß in Konkurrenz zum Bromidion treten, so dass die Bildung eines
gemischten Dihalogenids verständlich ist. Solche Befunde untermauern die Richtigkeit eines
angenommenen Reaktionsverlaufes. Auch die Additionen von Halogenwasserstoff und von
Wasser im sauren Medium folgen einem elektrophilen Mechanismus. Zuerst greift ein Proton
die π-Elektronen der Doppelbindung unter Ausbildung eines Carbokations an. Danach lagert
sich daran das Halogenid bzw. das Wasser an. In letzterem Falle wird nun noch ein Proton am
Sauerstoff unter Bildung einer Hydroxylgruppe abgespalten, d.h., für das zu Beginn der
Reaktion benötigte Proton wird nachher wieder eines frei. Somit werden nur katalytische
Mengen Säure benötigt.
H
C
+
H
C
+
+
C
C
+ H2O
H
C
C
O
H
+
C
H
C
OH
+
H
+
H
+ Cl-
C
Cl
C
H
Bei Addition eines unsymmetrischen Agenses H-X (z.B. H-OH, H-Cl) an ein unsymmetrisches Alken (z.B. Propen) können theoretisch die zwei isomere Produkte 1 und 2 entstehen:
X
H2 C
CH
CH3
+
H-X
H2 C
CH2
CH3
(1)
H3 C
CH
CH3
(2)
X
Tatsächlich jedoch wird nach einer dem ionischen Mechanismus folgenden Reaktion immer
nur das Produkt gefunden bei dem das Proton an das Kohlenstoffatom tritt, das die meisten
Wasserstoffatome enthält (bei obigem Beispiel Produkt 2). Dies ist die schon 1870 aufgestellte Regel von Markownikoff. Die Reaktion wird, wie oben gezeigt, mit der Protonierung
des Alkens eingeleitet, wobei das thermodynamisch stabilste Carbokation gebildet wird. Da
19
die Alkylgruppen stärker elektronendrückend als Wasserstoffatome sind, nimmt die Stabilität
der Carbokationen in der Reihenfolge primär, sekundär, tertiär zu.
H 2C
CH
CH3
+
H2 C
H+
+
H3 C
CH2
CH
CH3
+
CH3
+ XH3 C
CH
CH3
X
Nach Karash lassen sich Verbindungen vom Typ H-X in Gegenwart von Radikalbildnern
(z.B. Peroxide, R-O-O-R) gleichfalls an Alkene addieren, jedoch in einem der MarkownikoffRegel entgegengesetzten Sinne. Die Reaktion verläuft dabei nach einem Radikal-KettenMechanismus. Bestimmend für den Verlauf ist die Bildung der Kohlenstoff-Radikale, deren
Stabilität in der Reihenfolge primär, sekundär, tertiär zunimmt. Im Gegensatz zum ionischen
Mechanismus greift hier nicht zuerst der Wasserstoff (als Proton) sondern das Brom (als
Atom = Radikal) an.
R
R
O
O
O
+
R
H
Br
2
R
O
R
O
H
+
Br
Br
H2 C
CH
CH3
+
.
H2 C
Br
H2 C
CH3
CH
.
CH
CH3
Br
+ H-Br
- Br
H2 C
CH2
CH3
Br
Weiterhin lassen sich C=C-Doppelbindungen mit Oxidationsmitteln angreifen. Hier kommen
vor allem Ozon, Kaliumpermanganat, Kaliumdichromat und Wasserstoffperoxid in Frage. Mit
Ozon reagieren sie nach einem komplizierten Mechanismus zu Aldehyden, die leicht weiter
zu Carbonsäuren oxidiert werden, oder zu Ketonen. Hier soll nur die Reaktionsgleichung am
Beispiel von 2-Methyl-but-2-en vorgestellt werden.
H3 C
C
CH
CH3 +
O3
Ozonid
CH3
+ H 2O
- H2O2
CH3
H3 C
O +
C
H3 C
O
C
H
1
2
Bei dem ersten Teil der Reaktion des Alkens mit Ozon entsteht ein so genanntes Ozonid, das
nicht isoliert sondern gleich hydrolysiert wird. Dabei entsteht Wasserstoffperoxid, das
20
Aldehyde (hier: Acetaldehyd 2) zur entsprechenden Carbonsäure oxidiert. Formal wird bei
dieser Reaktion die C=C-Doppelbindung vollständig gespalten, wobei eine C=O-Doppelbindung entsteht. Durch die Ozonolyse kann die Stellung von Doppelbindungen in Alkenen
nachgewiesen werden indem die entstehenden Bruchstücke analysiert werden.
Bei der Oxidation eines Alkens mit Kaliumpermanganat werden je nach Reaktionsbedingungen unterschiedliche Produkte erhalten. Unter schonenden Bedingungen (0°C, schwach
alkalisches Milieu) bleibt die Reaktion auf der Stufe eines Glycols (zwei Hydroxylgruppen an
benachbarten Kohlenstoffatomen = vicinal) stehen, während in saurer Lösung das Glycol
unter Spaltung der C-C-Bindung zwischen den Hydroxylgruppen weiter oxidiert wird, wobei
Ketone oder Carbonsäuren entstehen.
+
O
O
O
O
O
Mn
Mn
O
O
O
1
2 H2O
OH
O
HO
+
Mn
HO
OH
O
räumliche Struktur von 1:
O
O
Mn
O
O
Obiger Reaktionsmechanismus erklärt auch die Tatsache, dass ausschließlich das cis-Produkt
gebildet wird. Das Kaliumpermanganat greift die Doppelbindung von einer Seite unter
Bildung eines nicht isolierbaren 5-Rings an. Das entstehende H2MnO4– ist unbeständig und
disproportioniert zu MnO2 (Braunstein) und MnO4–.
Permanganat in saurer Lösung führt je nach den Substituenten, die die Doppelbindung trägt,
über die Stufe des Glycols hinaus zur Carbonsäure bzw. zum Keton. Dabei wird wie bei der
Ozonolyse die Doppelbindung vollständig gespalten. Bei obigem Ausgangsprodukt entsteht
eine Dicarbonsäure, die Adipinsäure.
KMnO4/H+
OH
O
OH
O
COOH
COOH
Adipinsäure
Anstelle von Kaliumpermanganat im sauren Medium kann man Alkene auch mit Kaliumdichromat oxidieren. Es entstehen hierbei die gleichen Produkte.
Die Oxidation von Alkenen mit Wasserstoffperoxid oder mit Persäuren führt zunächst zu
Epoxiden (3-Ring-Ether), deren Ringöffnung trans-1,2-Dihydroxyverbindungen liefert.
21
OH
H2O2
HO-
O
(in HCOOH)
H2O
OH
Die Angabe cis- und trans-Glycol hat bei Einsatz eines nicht cyclischen Alkens naturgemäß
lediglich den Sinn, den Angriffsort der Reagenzien zu bezeichnen, da hier auf Grund der
Rotationsmöglichkeit der gebildeten Einfachbindung keine cis- und trans-Isomeren isolierbar
sind. Bei den Cycloalkenen entstehen jedoch unterschiedliche Isomere, da die Drehbarkeit der
Bindung durch den Einbau in einen Ring aufgehoben ist.
Eine technisch bedeutende Reaktion ist die Polymerisation von Alkenen, die zu hochmolekularen Stoffen (Kunststoffe) führt. Bei dieser Kettenreaktion unterscheidet man zwischen
anionischer, kationischer und radikalischer Polymerisation. Bestimmend für den Mechanismus ist die Natur des Kettenträgers.
Bei der radikalischen Polymerisation wird die Kettenreaktion mit Radikalbildnern, wie z.B.
Peroxiden, gestartet. Kettenabbruch erfolgt durch Kombination zweier Radikale. Die Polymerisation des Ethens erfolgt unter hohem Druck bei 100°C. Das dadurch gebildete Polyethylen enthält 100 bis 1.000 Etheneinheiten.
R
O
O
R
O
+
R
O
2
R
H2C CH2
.
CH2 CH2 + n H2C
R
O
R
O
.
CH2 CH2
CH2
R
O
CH2
CH2 CH2
n
.
CH2
Bei der kationischen Polymerisation wird die Kettenreaktion häufig durch Protonen gestartet.
Dabei entsteht ein Carbokation als Kettenträger. Reaktionstemperatur und Konzentration der
Reaktanten regeln die Kettenlänge. Der Kettenabbruch erfolgt durch Aufnahme eines Anions
oder durch Abgabe eines Protons an einem dem Kation benachbarten Kohlenstoffatom.
CH3
CH3
H2 C
+
C
H
+
H 3C
CH3
C
+
CH3
CH3
CH3
+ (n + 1) H2C
+
CH3
CH3
H3 C
C
C
H3 C
CH3
C
CH3
CH3
CH2 C
n
CH3
CH3
CH2 C
+
CH3
Bei der anionischen Polymerisation wird die Reaktionskette durch die Addition eines
nucleophilen Agens (Y–) an die C=C-Doppelbindung des Alkens gestartet. Das dadurch
gebildete Carbanion reagiert mit weiteren Alkenmolekülen (Kette) bis ein Abbruch durch
Aufnahme eines Protons erfolgt. Nach diesem Schema reagieren meist nur solche C=CDoppelbindungen, die durch Elektronen anziehende Gruppen aktiviert sind.
22
Y +
R
CH
CH2
Y
CH
CH2
R
Y
CH
CH2
+
n R
CH
CH2
Y
R
CH
CH2 CH
R
CH2
n
R
Die folgende Liste zeigt einige wichtige Kunststoffe, ihre monomeren Ausgangsstoffe sowie
ihre typischen, immer wiederkehrenden Strukturelemente.
Polyethylen
H2C
CH2
CH2 CH2
n
Polypropylen
H2C
CH
CH2 CH
n
CH3
Polyvinylchlorid (PVC)
H2C
CH3
CH
CH2 CH
Cl
Polyvinylacetat (PVA)
H2C
Cl
CH
O
n
CH2 CH
C
CH3
O
O
n
C
O
Polystyrol
H2C
CH
CH2 CH
n
Polyacrylnitril
H2C
CH
CH2 CH
n
C
Polytetrafluorethylen (Teflon)
Polymethylmethacrylat (Plexiglas)
F 2C
H2C
O
Polyacrylamid
H2C
O
N
C
CF2
CF2 CF2
CH3
CH3
C
C
O
CH
C
CH3
N
n
CH2 C
n
C
O
O
CH2 CH
NH2
CH3
O
C
CH3
n
NH2
Bei der Polymerisation von Ethen fallen je nach Reaktionsbedingung (Druck, Temperatur)
Polyethylene mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften an. Polypropylen zeichnet
sich durch hohe Härte und Wärmebeständigkeit aus. Polyvinylchlorid wird vielfältig eingesetzt. Trotz des aus ökologischen umstrittenen Images von PVC steigt die Verbrauchermenge ständig an. Bei der Verbrennung von PVC wird Salzsäure freigesetzt. Polyvinylacetat
23
hat eine hohe Licht- und Witterungsbeständigkeit. Es findet Verwendung für
Verpackungsfolien und für Beschichtungen von Papier und Lebensmitteln (Wurst- und
Käsebeschichtungen). Polystyrol hat einen Molmassenbereich von 170.000 bis 1.000.000
g/mol. Es gilt als physiologisch unbedenklich und ist deshalb für Lebensmittelverpackungen
zugelassen. Demgegenüber zeigt das Monomer (Styrol) im Tierversuch mutagene Eigenschaften. Der Verbrauch von Polystyrol erreichte 1989 in Westeuropa eine Menge von ca.
1.700.000 t, davon ca. 50% für Verpackungen, 15% für technische Teile, 14% für Haushaltsund Konsumwaren und 6% für Kühlgeräte. Haupteinsatzgebiet für Polyacrylnitril ist die
Herstellung von Acrylfasern für Textilien. Polytetrafluorethylen besitzt eine äußerst hohe
Beständigkeit gegen Chemikalien (z.B. Säuren, Laugen, organische Lösungsmittel) und wird
deshalb häufig in chemischen Apparaturen verwendet. Weiterhin wird es eingesetzt als
antiadhäsiver Überzug in der Papier-, Textil-, Nahrungsmittel- und Kunststoffverarbeitung.
So sind z.B. Bratpfannen mit Teflon beschichtet. Der Kunststoff besitzt eine hohe thermische
Beständigkeit. Die maximale Dauergebrauchs-Temperatur liegt bei 260°C. Bei Temperaturen
oberhalb 400°C tritt jedoch Zersetzung auf wobei u. a. das äußerst toxische Fluorphosgen
(COF2) entsteht. Polymethylmethacrylat ist ein amorpher, glasartig harter und transparenter
Kunststoff. Es ist ein „organisches Glas“ das unter dem Namen Plexiglas bekannt ist.
Polyacrylamid ist wichtig für die Gelelektrophorese, mit der z.B. Proteine getrennt werden
können. Für die Herstellung des Gels wird ein Gemisch aus Acrylamid und N,N‘-Methylenbis-acrylamid polymerisiert. Letztere Substanz dient dazu, die Polyacrylamid-Ketten
untereinander zu verknüpfen. Näheres hierzu folgt im Kapitel 23.1 „Isolierung von Peptiden
und Proteinen“.
3.4. Diene/Polyene
Befinden sich zwei C=C-Doppelbindungen in einem Molekül, so spricht man von einem
Dien. Es folgen Triene, Tetraene usw., allgemein Polyene. Je nach Stellung der Doppelbindungen zueinander spricht man von kumulierten, konjugierten oder isolierten Doppelbindungen.
CH
kumulierte Doppelbindungen
H2 C
C
CH2 CH3
H2 C
CH
CH
CH
CH3
konjugierte Doppelbindungen
H2 C
CH
CH2 CH
CH2
isolierte Doppelbindungen
Die relative Lage der C=C-Doppelbindungen zueinander bestimmt die Eigenschaften der
Verbindungen. Substanzen mit isolierten Doppelbindungen gleichen den Alkenen während
die anderen ein unterschiedliches Verhalten zeigen. Konjugierte Diene gehen zwar auch
Additionsreaktionen ein, sie können aber verschiedene Produkte bilden. Neben einer
normalen 1,2-Addition gibt es auch eine 1,4-Addition. Im einem konjugierten Dien überlappen nicht nur die π-Orbitale von C-1 und C-2 sowie die von C-3 und C-4 sondern auch die
von C-2 und C-3. Man hat also nicht eine Folge von Doppel-, Einfach-, Doppelbindung
vorliegen sondern ein delokalisiertes System in dem die vier π-Elektronen über den Bereich
der vier Kohlenstoffatome frei beweglich sind. Man spricht von Mesomerie.
24
H2 C
CH
CH
+
CH2
H2 C
CH
CH
CH2
H2 C
+
CH
CH
CH2
Durch den partiellen Doppelbindungscharakter der zentralen C-C-Bindung ist der Atomabstand von C-2 zu C-3 gegenüber einer normalen σ-Bindung verringert. Weiterhin ist die
freie Drehbarkeit der Bindung zwischen C-2 und C-3 eingeschränkt. Die Addition von z.B.
Chlorwasserstoffsäure an ein konjugiertes Dien (hier: Butadien) führt, wie oben schon
angedeutet, zu 1,2- (hier: 3-Chlor-but-1-en, 1) und 1,4-Additionsprodukten (hier: 1-Chlorbut-2-en, 2).
Cl
H2 C
CH
CH
CH2
+ H+
H3 C
H3 C
CH
+
CH
CH
CH
CH2
+
CH2
+ Cl-
H3 C
CH
CH
CH2
CH
CH2
1
H3 C
CH
2
Cl
Das als Zwischenstufe gebildete Carbokation ist stabiler als beispielsweise das Ethylkation
(CH3-CH2+), da die positive Ladung durch die benachbarte Doppelbindung delokalisiert ist.
Die beiden in Klammer gezeichneten Formeln sind identisch; es handelt sich lediglich um
mesomere Grenzstrukturen. Diese besitzen keine Realität. Der wirkliche Zustand eines
mesomeren Systems liegt zwischen diesen Grenzstrukturen und ist nicht durch eine Strukturformel wiederzugeben. An die jeweils verbliebene Doppelbindung in 1 bzw. 2 kann nun noch
ein zweites Molekül HCl addiert werden. Das Phänomen der Mesomerie wird im Kapitel 21.
„Aromaten“ ausführlicher behandelt.
Polyene spielen bei ß-Carotin und verwandten Pflanzenfarbstoffen (Carotinoide) eine große
Rolle. Im tierischen Organismus wird ß-Carotin enzymatisch in zwei Moleküle Vitamin A
gespalten; man bezeichnet es deshalb auch als Provitamin A. Durch die große Anzahl von
C=C-Doppelbindungen im Molekül ist das ß-Carotin farbig. Das delokalisierte πElektonensystem absorbiert einen Teil des für das menschliche Auge sichtbaren Spektrums.
Die vom Auge wahrgenommene Farbe entspricht der jeweiligen Komplementärfarbe des
absorbierten Spektralbereichs. Je stärker die π-Elektronen delokalisiert sind, d.h. je mehr
konjugierte Doppelbindungen das Molekül hat, umso langwelliger (energieärmer) ist das
Licht welches die Verbindung absorbiert.
25
CH3
H3C CH3
H3 C
CH3
CH3
CH3
CH3
ß-Carotin
CH3
H3C CH3
CH3
CH2OH
Vitamin A
CH3
26
H3C CH3
4. Alkine
4.1. Nomenklatur der Alkine
Alkine sind Kohlenwasserstoffe mit C≡C-Dreifachbindungen. Ihre Nomenklatur leitet sich
wie die der Alkene von den Alkanen ab. Anstelle der Endsilbe –an tritt das Suffix –in. Die
allgemeine Summenformel für ein einfaches Alkin ist CnH2n-2.
H
C
C
H
Ethin (= Acetylen)
H
C
C
CH3
Propin
H
C
C
CH2 CH3
But-1-in
CH3 C
H
C
C
C
CH3 C
H
C
But-2-in
CH2 CH2 CH3
C
C
CH3 C
CH3
Pent-1-in
CH2 CH3
Pent-2-in
CH2 CH2 CH2 CH3
C
CH3 CH2 C
Hex-1-in
CH2 CH2 CH3
C
Hex-2-in
CH2 CH3
Hex-3-in
Die beiden Kohlenstoffe an der Dreifachbindung sind sp-hybridisiert, d.h. sie haben zwei
Hybridorbitale und zwei p-Orbitale. Die beiden Hybride sind linear angeordnet, d.h. sie
schließen einen Winkel von 180° ein. Die zwei p-Orbitale stehen senkrecht zu dieser Linie
und auch senkrecht zueinander. Je eines der beiden Hybridorbitale von zwei Kohlenstoffatomen bildet die σ-Bindung und die p-Orbitale führen zu zwei π-Bindungen. Das zweite
Hybridorbital bindet ein weiteres Atom (C oder H). Das hat zur Folge, dass der Bereich der
Dreifachbindung mit den nächsten Nachbarn (C-C≡C-C) linear aufgebaut ist. Somit gibt es
bei den Alkinen keine cis-trans-Isomerie.
4.2. Darstellung von Alkinen
Wie die Alkene lassen sich die Alkine durch Eliminierungsreaktionen herstellen. Jedoch muss
hier aus einem Dihalogenalkan eine zweifache Abspaltung von Halogenwasserstoffsäure
erfolgen.
H2 C
CH
CH3
(KOH)
H
C
C
+
CH3
2 HBr
Br Br
Ethin (alter Name: Acetylen) kann auch durch Hydrolyse von Calciumcarbid hergestellt
werden. Früher wurde diese Reaktion in so genannten Carbidlampen durchgeführt und das
entstandene Ethin zur Lichtgewinnung verbrannt. Calciumcarbid wird auch zur Vertreibung
von Wühlmäusen verwendet.
CaC2
+ 2 H 2O
H
27
C
C
H
+
Ca(OH)2
4.3. Reaktionen von Alkinen
Das Ethin brennt mit stark rußender Flamme. Bei der Verbrennung von Ethin-SauerstoffGemischen werden Temperaturen bis zu 3100°C erreicht, was man sich beim autogenen
Schweißen zu Nutze macht.
2 H
C
C
H +
4 CO2
5 O2
+
2 H 2O
Die Dreifachbindung der Alkine besitzt ähnliche Eigenschaften wie die Doppelbindung, so
dass die Reaktionstypen der Alkene auch bei dieser Verbindungsklasse, wenn auch meist in
etwas abgewandelter Form, beobachtet werden. So lässt sich die Dreifachbindung katalytisch
über das Alken zum Alkan hydrieren. Unter geeigneten Bedingungen ist es auch möglich,
diese Reaktion auf der Stufe des Alkens zu beenden.
Die C≡C-Dreifachbindung geht auch die elektrophilen Additionsreaktionen ein. Die Addition
von der Halogene und der Halogenwasserstoffe erfolgt in zwei Stufen.
H
C
C
CH3
H
+ Br 2
CH3
C
C
Br
C
C
CH3
+ HBr
Br
Br
H
H
+ Br 2
C
C
Br
CH3
+ HBr
C
H
CH3
Br Br
CH3
C
H
C
H3 C
Br
Br
Br
Bei der Addition von Wasser in Gegenwart einer Säure und Quecksilber(II)-Ionen als
Katalysator wird, wie erwartet, das erste Wassermolekül angelagert wobei ein so genanntes
Enol entsteht. Dieses lagert sich jedoch sofort zu einem Aldehyd bzw. Keton um, so dass kein
zweites Wassermolekül addiert wird. Diese Umlagerung, die man Tautomerie nennt, wird in
Kapitel 13.7 bei „Aldehyde und Ketone“ ausführlich behandelt.
H
C
C
CH3 +
H2O
H
H2SO4
HgSO4
OH
C
O
C
H
H3C
CH3
C
CH3
Keton (Aceton)
Enol
Alkine mit einer endständigen C≡C-Dreifachbindung (also 1-Alkine) bilden mit starken
Basen salzartige Verbindungen, so genannte Acetylide. Die Acidität dieser Alkine beruht auf
der besonderen Struktur der ≡C-H-Bindung; bei einem sp-Hybrid ist der s-Charakter größer
als bei sp2- oder sp3-hybridisierten Kohlenstoffatomen.
R
C
C
H
+
[Ag(NH3)2]+
R
C
δ− δ+
C Ag
+
NH3
+
NH4+
Bei den Acetyliden handelt es sich nicht um echte Salze. Sie haben keine Ionen- sondern eine
polarisierte, kovalente Bindung wie oben angedeutet. Schwermetallacetylide sind explosiv
und farbig.
28
5. Reaktionsmechanismen
In den vorhergehenden Kapiteln sind verschiedentlich Reaktionen erwähnt worden, die sich
unter bestimmten Sammelbegriffen zusammenfassen lassen. Es gibt beispielsweise die
Additionsreaktionen, die Eliminierungsreaktionen und in den folgenden Kapiteln spielen die
Substitutionsreaktionen eine wichtige Rolle. Die Beschreibung des Reaktionsablaufs, also die
Angabe des Reaktionsmechanismus, sollte im Idealfall das Verhalten der an der Reaktion
beteiligten Moleküle vor, während und nach der Umsetzung erklären. Da man die einzelnen
Moleküle jedoch nicht beobachten kann, ist man auf makroskopische Aspekte
(Zwischenstufen, Endprodukt) angewiesen aus denen man einen Mechanismus postuliert.
5.1. Additionsreaktionen
Die Additionsreaktion verläuft meist nach einen elektrophilen Mechanismus. Sie kann, vor
allem bei den Alkinen, aber auch einem nucleophilen Mechanismus gehorchen. Entscheidend
ist die Ladung des Teilchens, das im Primärschritt angelagert wird. Dies wurde in Kapitel 3.3
bei der kationischen bzw. anionischen Polymerisation schon gezeigt. Die elektrophile
Addition wurde schon in den vorangehenden Kapiteln detailliert beschrieben, um zu erklären,
dass bei der Bromaddition das trans-Produkt und bei der Oxidation mit Kaliumpermanganat
aber das cis-Diol entsteht.
5.2. Eliminierungsreaktionen
Eliminierungsreaktionen wurden bereits bei der Darstellung von Alkenen und Alkinen
erwähnt. Sie stellen die Umkehrung der Addition an eine Doppelbindung dar. Die Eliminierung von zwei Atomen oder Gruppen erfolgt meist von zwei benachbarten Kohlenstoffatomen (ß-Eliminierung).
X
C
C
C
C
+
H
X
H
+
+
-X = -Cl, -Br, -I, -O-CO-R, -OH2, -NH3, usw.
Die Eliminierung kann durch Säuren oder durch Laugen katalysiert werden. Dabei sind
grundsätzlich zwei Wege möglich, je nachdem ob zunächst ein Carbokation gebildet wird
oder ob die Abspaltung von H und X gleichzeitig erfolgt. Der Unterschied besteht darin, dass
im langsamen Schritt der Reaktion entweder nur eine (Alkylhalogenid) oder zwei Substanzen
(Alkylhalogenid und Hydroxid-Ion) beteiligt sind. Es liegt deshalb entweder eine Reaktion 1.
Ordnung oder eine Reaktion 2. Ordnung vor (vgl. auch Kapitel 5.3). Dementsprechend
unterscheidet man die beiden Mechanismen und spricht von einer E1- bzw. von einer E2Reaktion. Die relative Stabilität des Carbokations ist durch seine Struktur bestimmt. Ist die
positive Ladung an einem tertiären Kohlenstoffatom lokalisiert, dann kommt es durch den
elektronendrückenden Effekt der drei Alkylreste zu einem teilweisen Ausgleich des
Elektronendefizits. Ein derartiges Carbokation ist deshalb auch stabiler als, als wenn sich die
positive Ladung an einem primären Kohlenstoffatom befindet.
29
E1:
R
R
R
C
C
Cl
R
- Cl
R
H
R
(langsam)
R
C
C
H
R
R
(schnell)
+
R
C
+
C
R
H2O
R
HO
E2:
R
R
R
C
C
H
R
(langsam)
R
R
C
Cl
+
C
R
+
H2O
Cl
R
R = H oder Alkylrest
HO
5.3. Nucleophile Substitutionsreaktionen
Die Bindung zwischen einem Kohlenstoffatom und einem elektronegativeren Partner, wie
z.B. Halogen oder Sauerstoff ist durch das Auftreten partieller Ladungen charakterisiert, wie
schon in Kapitel 1.2 beschrieben. Diese Eigenschaft einer solchen Bindung führt also zu
einem Elektronendefizit am Kohlenstoffatom, das dadurch relativ leicht von Anionen oder
neutralen Molekülen, die ein freies Elektronenpaar besitzen, angegriffen werden kann. Dabei
entsteht eine neue Bindung zu dem angreifenden Agens. Der alte Substituent wird
abgespalten. Dieser Austausch wird als Substitution bezeichnet. Da das Agens mit einem
freien Elektronenpaar am Kern des Kohlenstoffs angreift, spricht man von einer nucleophilen
Substitution.
HO
+
C
Cl
HO
C
+
Cl
H3 N
+
C
Cl
+
H3 N
C
+
Cl
Für eine derartige Reaktion sind zwei Wege möglich. Im ersten Falle erfolgt der Angriff des
Nucleophils (hier: HO–) und die Ablösung z.B. des Halogenidions gleichzeitig.
H
HO
+
H
(langsam)
C
H
CH3
X
H O
C
H
H
(schnell)
X
CH3
HO
C
+
X
H
CH3
a
Bei diesem Reaktionsmechanismus wird ein nicht isolierbarer Übergangszustand (a) durchlaufen und das Energieprofil dieser Reaktion sieht wie folgt aus:
30
EA = Aktivierungsenergie
ΔH = Energieunterschied zwischen Ausgangs- und Endprodukt
Übergangszustand: a
Der zweite Weg setzt eine langsam verlaufende Dissoziation z.B. der Kohlenstoff-HalogenBindung unter Bildung eines Carbokations (b) und eines Halogenidions voraus. Ist dieses
Carbokation erst einmal entstanden, wird es schnell vom nucleophilen Agens (hier: HO–)
angegriffen.
CH3
(langsam)
CH3
C
H3C C X
H3C
CH3
H3C
X
CH3
(schnell)
+
C
+
b
CH3
+
+
HO
CH3
H3C C OH
CH3
CH3
b
Bei diesem Reaktionsverlauf entsteht eine ionische Zwischenstufe (b) und das Energieprofil
dieser Reaktion sieht wie folgt aus:
31
EA = Aktivierungsenergie
ΔH = Energieunterschied zwischen Ausgangs- und Endprodukt
Zwischenstufe: b
Kinetische Messungen gestatten eine Unterscheidung zwischen diesen beiden Reaktionsmöglichkeiten, was auf unterschiedliche Reaktionsordnungen hinweist. Die Reaktionsordnung gibt an, wie viele Substanzen an dem für die Reaktionsgeschwindigkeit bestimmenden Teilschritt der Reaktion beteiligt sind. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist von den
Konzentrationen dieser Substanzen abhängig. So ist die Reaktionsgeschwindigkeit einer
Reaktion erster Ordnung von der Konzentration einer Substanz (A)
v = k x [A]
{v = Geschwindigkeit, k = Konstante}
und die einer Reaktion zweiter Ordnung von den Konzentrationen zweier Substanzen (A und
B) abhängig
v = k x [A] x [B].
Im ersten Falle ist die Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration beider Reaktionspartner (HO– und CH3-CH2-X) abhängig; es handelt sich somit um eine nucleophile
Substitutionsreaktion zweiter Ordnung, abgekürzt SN2. Im zweiten Falle ist die Reaktionsgeschwindigkeit nur von der Konzentration von (CH3)3C-X abhängig und es liegt somit eine
nucleophile Substitutionsreaktion erster Ordnung, abgekürzt SN1, vor. Die Konzentration von
HO– spielt hier keine Rolle, da dieses erst im zweiten, schnellen Reaktionsschritt an der
Reaktion teilnimmt.
Mit zunehmender Verzweigung des vom Nucleophil angegriffenen Moleküls (hier: Halogenid) tritt der SN1-Mechanismus in der Vordergrund:
CH3
H 3C
X
H 3C
CH2 X
H 3C
CH X
CH3
SN1
SN2
32
H 3C
C
CH3
X
Dieses Ergebnis hängt damit zusammen, dass das Carbokation, das beim SN1-Mechanismus
als Zwischenstufe entsteht, stärker durch Alkylreste (hier: CH3-Reste) als durch Wasserstoffe
stabilisiert wird. Alkylreste wirken elektronendrückend und übernehmen damit einen Teil der
positiven Ladung. Zusätzlich wird die Annäherung des Nucleophils an das Alkylhalogenid
nach dem SN2-Mechanismus sterisch durch die größeren Alkylgruppen behindert.
Im SN2-Mechanismus kann sich das angreifende Nucleophil dem Alkylhalogenid aus
sterischen und elektrostatischen Gründen nur von der dem Halogenatom abgewandten Seite
nähern. Dieser Mechanismus ist deshalb mit einer Konfigurationsumkehr (Inversion,
Waldensche Umkehr) verbunden. Der Kohlenstoff und die drei Reste R1, R2 und R3 liegen
im Übergangszustand in einer Ebene. Sind die drei Reste unterschiedlich, so ist das Halogenid optisch aktiv (siehe Kapitel 12). Bei einem SN2-Mechanismus entsteht ein einheitliches
Produkt. Demgegenüber kann das Nucleophil bei einem SN1-Mechanismus das als
Zwischenstufe gebildete Carbokation, das ebenfalls planar aufgebaut ist, von beiden Seiten in
annähernd gleicher Wahrscheinlichkeit angreifen. Dadurch entsteht ein Gemisch aus
spiegelbildlichen Isomeren.
-
SN2:
R1
R1
+
HO
C
H O
Cl
R2
C
R2
R3
R1
Cl
HO
+
Cl
C
OH
C
R2
R3
R3
SN1:
R1
R1
C
R2
R3
Cl
- Cl
C
R2
R1
+
HO
R1
+
C
R2
R3
R3
R2
R3
O
H
5.4. Konkurrenz zwischen Eliminierung und Substitution
Wann ein System lieber nach SN1 oder SN2 reagiert wurde schon in Kapitel 5.3 angedeutet; es
hängt von der Stabilität des beim SN1-Mechanismus als Zwischenstufe gebildeten Carbokations und von sterischen Faktoren ab. Je mehr Alkylreste am positiven Kohlenstoffatom
gebunden sind, umso stabiler ist das Kation (für SN1) und umso stärker ist das Kohlenstoffatom im Ausgangsmolekül räumlich gegen einen Angriff des Nucleophils abgeschirmt (gegen
SN2). Reste mit Doppelbindungen (Alken-, aromatische Reste) stabilisieren das Kation durch
Mesomerie noch wesentlich stärker wobei die Stabilität in Richtung des Pfeils zunimmt. Das
heißt, Systeme mit solchen Resten reagieren immer lieber nach einem SN1-Mechanismus.
33
H2 C
H2C
CH
+
CH2
H2 C
CH
CH
CH
H2 C
+
H2 C
CH
H2 C
+
CH2
CH
+
CH
C
+
CH
C
+
Während das angreifende Nucleophil bei einer SN1-Reaktion keinen Einfluss hat (es greift ja
erst später in die Reaktion ein), ist der SN2-Mechanismus stark von dessen Nucleophilie, also
der Bereitschaft ein Elektronenpaar für die neue Bindung zum Kohlenstoff zur Verfügung zu
stellen, abhängig. Die Nucleophilie nimmt in folgender Reihenfolge zu:
F–, Cl–, Br–, I–, NO3–, H2O, CH3COO–, C6H5O–, HO–, CH3O–.
Alle nucleophilen Substitutionen sind vom verwendeten Lösungsmittel abhängig. Die durch
das Lösungsmittel bedingte Solvatation ist bei Reaktionen nach dem SN1-Mechanismus
wegen der ionischen Zwischenstufe besonders bedeutungsvoll, d.h. diese verlaufen besonders
gut in polaren, protischen Solventien wie z.B. Wasser und Alkohol. Reaktionen nach dem
SN2-Mechanismus werden dagegen von polaren, aprotischen Lösungsmitteln wie z.B. Ether
und Aceton begünstigt, da hier zwar ein polarer Übergangszustand durchlaufen wird, aber
keine Ionen gebildet werden.
SN1- und E1- bzw. SN2- und E2-Mechanismen besitzen jeweils eine gewisse Ähnlichkeit.
Entsprechend laufen diese Reaktionen parallel in Konkurrenz zueinander ab. Ausgehend von
tert.-Butylchlorid (1) entstehen deshalb 2-Methylbuten (2) nach einer E1-Reaktion und tert.Butanol (3) nach einer SN1-Reaktion. Aus Chlorethan (4) werden Ethen (5) nach einer E2Reaktion und Ethanol (6) nach einer SN2-Reaktion gebildet.
34
CH3
H3C
C
CH3
Cl
H2C
- Cl
CH3
H
C
H
E1
+
CH3
C
H
CH3
H 2O
CH3
SN1
(1)
+
C
(2)
O
H
CH3
C
H3C
OH
CH3
H
H
H
+
C
H 2O +
Cl
H
(5)
(3)
H
H
C
O
E2
H2C
CH2
SN2
Cl
H3C
CH2
OH +
Cl
(6)
(4)
Wie bei der Substitution spielt das Nucleophil bei der Eliminierung nur bei der Reaktion
zweiter Ordnung eine Rolle. Starke Basen begünstigen die E2-Reaktion gegenüber derSN2Reaktion. Bei höheren Temperaturen wird das Eliminierungsprodukt verstärkt gebildet und
umgekehrt begünstigen tiefere Temperaturen die Substitutionsreaktion.
Abschließend drei Beispiele für das Verhältnis von Substitutions- zu Eliminierungsprodukt:
H3 C
CH2 Br +
C2 H5 O
H3 C
CH2 O
C2 H5
+
90%
CH3
H3 C
CH
CH3
Br +
C2 H5 O
H3 C
CH3
C
CH2
10%
CH
O
C2 H5
+
H2 C
CH
CH3
Br
+
C2 H5 O
H3 C
CH3
C
CH3
O
C2 H5
+
H2 C
C
CH3
CH3
0%
CH3
80%
20%
H3 C
H2 C
100%
Die große und starke Base, Ethanolat, greift mit zunehmender sterischer Abschirmung des
Kohlenstoffatoms, das das Brom bindet, bevorzugt ein Proton an der Peripherie an, was zur
Eliminierung, also zur Bildung eines Alkens führt. Das Substitutionsprodukt, ein Ether, wird
im letzten Fall gar nicht mehr gebildet.
Weitere Beispiele für Substitutionsreaktionen werden in den folgenden Kapiteln beschrieben.
35
6. Alkohole
6.1. Nomenklatur der Alkohole
Alkohole sind Derivate von Alkanen, bei denen ein Wasserstoffatom durch eine Hydroxylgruppe (-OH) ersetzt ist. Die Nomenklatur folgt der der Alkane und wird durch das Suffix –ol
ergänzt. Höhere Alkohole tragen häufig historisch bedingte Trivialnamen (z.B. Laurylalkohol) was auch für andere, komplizierter aufgebaute Verbindungen gilt. Ab dem Propanol
treten Strukturisomere auf.
H3 C
OH
Methanol
H3 C
CH2 OH
Ethanol
H3 C
CH2 CH2 OH
Propan-1-ol = n-Propanol
H3 C
CH
Propan-2-ol = Isopropanol
CH3
OH
H3 C
CH2 CH2 CH2 OH
Butan-1-ol = n-Butanol
H3 C
CH
Butan-2-ol
CH2 CH3
OH
CH3
H3 C
C
2-Methyl-propan-2-ol = tert.-Butanol
CH3
OH
CH3
H3 C
CH
CH2
H3 C
2-Methyl-propan-1-ol = Isobutanol
CH2 OH
10
Laurylalkohol
CH2 OH
Nach der Stellung der Hydroxylgruppe unterscheidet man zwischen primären, sekundären
R
R
CH2 OH
(prim.)
R
CH
R
OH
(sek.)
R
C
OH
(tert.)
R
R = Alkylrest, z.B. CH3
und tertiären Alkoholen:
Neben diesen Alkoholen mit einer Hydroxylgruppe sind solche mit zwei, drei und mehreren
Hydroxylgruppen bekannt. Man spricht von zwei-, drei- oder allgemein von mehrwertigen
Alkoholen. Hier sind das Ethylenglycol (kurz: Glycol) und vor allem das Glycerin zu nennen.
Letzteres ist ein sehr wichtiger Baustein für tierische Fette und pflanzliche Öle.
36
H2 C
CH2
HO
OH
Glycol
H2 C
CH
CH2
HO
OH
OH
Glycerin
6.2. Eigenschaften von Alkoholen
Die Alkohole sind wesentlich weniger flüchtig als die Alkane mit vergleichbaren
Molekulargewichten und leichter in Wasser löslich. Diese Unterschiede beruhen auf der
Polarität der Hydroxylgruppe, die eine Assoziation der Alkoholmoleküle untereinander oder
zum Wasser durch Wasserstoffbrücken bedingt. Alkohole zeigen eine strukturelle Ähnlichkeit
zu Wasser. Formal ist ein Wasserstoff durch einen Alkylrest (R) ersetzt.
H
O
H
H
O
H
H
O
H
R
H
O
H
H
R
Gemisch
Wasser
R
O
O
R
H
H
O
H
O
R
R
O
O
H
Alkohol
H
O
H
H
Wie oben erkennbar kann das Wasser aber mehr Wasserstoffbrücken als der Alkohol ausbilden. Dies macht sich durch stark unterschiedliche Siedepunkte bemerkbar: Wasser (MG
18) 100°C; Methanol (MG 32) 65°C. Zum Vergleich hat Methan (MG 16) einen Siedepunkt
von –161°C. Beim Verdampfen der Flüssigkeit ist eine zusätzliche Energie aufzubringen, um
die Wasserstoffbrücken aufzuspalten. Die Mischbarkeit der niederen Alkohole mit Wasser
beruht auf der Fähigkeit, auch mit Wassermolekülen Wasserstoffbrückenbindungen
einzugehen. Mit zunehmender Anzahl von Kohlenstoffatomen im Alkylrest des Alkohols
wird der hydrophobe, wasserunlösliche Teil des Moleküls gegenüber der hydrophilen
Hydroxylgruppe vergrößert. Folglich wird der Alkohol zunehmend schlechter in Wasser
löslich. Methanol, Ethanol, beide Isomere des Propanols und tert.-Butanol sind in jedem
Verhältnis mit Wasser mischbar. Butan-2-ol, Butan-1-ol und die höheren Alkohole zeigen
zunehmend größere Mischungslücken. Die unterschiedliche Mischbarkeit der isomeren
Butanole liegt an der Form und der Oberfläche der Moleküle; im tert.-Butanol ist der Alkylrest kugelig und im Butan-1-ol kettenförmig lang gestreckt.
6.3. Darstellung von Alkoholen
Methanol lässt sich durch trockene Destillation von Holz gewinnen (Holzgeist). 1 m² Holz
liefert 12 l Methanol. Dabei erhält man noch weitere Substanzen, wie z.B. Aceton. Bei der
alkoholischen Gärung entsteht unter Einfluss von Enzymen aus Zucker Ethanol und Kohlendioxid.
C6H12O6
Enzyme
2
H3 C
CH2 OH
+
2
CO2
Zucker
Alkohole lassen sich durch sauer katalysierte Addition von Wasser an Alkene nach der
Markownikoff-Regel sowie durch Oxidation von Alkenen mit Kaliumpermanganat oder
Wasserstoffperoxid (Produkte: 1,2-Diole) herstellen (siehe Kapitel 3.3). Ein weiterer
Syntheseweg ist die in Kapitel 5.3 vorgestellte nucleophile Substitutionsreaktion. Ausgehend
37
von Alkylhalogeniden lässt sich das Halogenid gegen ein Hydroxid-Ion austauschen. Man
kann hier auch von einer alkalischen Hydrolyse des Alkylhalogenids (= Verseifung) sprechen.
H3C
+
CH2 Cl
H3C
HO
+
CH2 OH
Cl
6.4. Reaktionen von Alkoholen
Wie das Wasser, besitzen Alkohole sowohl schwach basische als auch schwach saure Eigenschaften, d.h. sie können ein Proton aufnehmen oder abgeben. Da die Alkoholate (hier:
Ethanolat CH3-CH2-O–) allerdings stärkere Basen als HO– sind, liegt das Gleichgewicht
weitgehend auf der Seite des Alkohols. Mit Hilfe von metallischem Natrium lassen sich aber
Alkoholate quantitativ herstellen. Dabei wird das Natrium zu einem Kation oxidiert und das
Proton der Hydroxylgruppe zu Wasserstoff reduziert, wobei letzterer gasförmig entweicht, so
dass diese Reaktion nicht reversibel ist.
H
H3C
CH2 OH
+
H
H3C
CH2 OH
+
HO
2 H3C
+
+ 2 Na
CH2 OH
+
H3 C
CH2 O H
H3 C
CH2 O
2 H3 C
CH2 O
+
Na
H 2O
+
+
H2
Die Protonierung der Hydroxylgruppe wurde schon bei der Eliminierungsreaktion (Kapitel
3.2 und 5.2) erwähnt und spielt auch bei der nucleophilen Substitutionsreaktion eine große
Rolle. Das Hydroxid-Ion ist eine schlechte Austrittsgruppe während Wasser als neutrales
Teilchen sehr leicht von einem Molekül abgespalten wird. So kann aus einem Alkohol ein
Alken entstehen oder z.B. auch ein Alkylhalogenid.
H
H3C
CH2 OH +
H
+
H3C
+
CH2 O H
+ Cl-
H3 C
CH2 Cl +
H2O
- H2O / -H+
H2C
CH2
Bei der Eliminierung von Wasser aus z.B. Butan-2-ol können zwei isomere Alkene, But-1-en
(1) und But-2-en (2) entstehen, je nach dem in welche Richtung die Reaktion abläuft.
H3 C
CH
CH2
H2C
CH
CH2
CH3
(1)
H3C
CH
CH
CH3
(2)
CH3
OH
Das höher substituierte Alken (2) nennt man Saytzeff-Produkt, das andere (1) HofmannProdukt. Es bildet sich dabei überwiegend das thermodynamisch stabilere Saytzeff-Produkt.
In diesem Beispiel entstehen 12% 1 und 88% 2. Das liegt daran, dass ein Proton von einem
primären über ein sekundäres zu einem tertiären Kohlenstoffatom zunehmend leichter
abgespalten wird.
38
Die Oxidation primärer Alkohole (Dehydrierung = Abspaltung von Wasserstoff) führt zu
Aldehyden, die eines sekundären Alkohols zu einem Keton. Tertiäre Alkohole lassen sich
unter normalen Bedingungen gar nicht oxidieren.
H3 C
Oxid.
CH2 OH
H3 C
C
H
H3 C
O
Aldehyd
H3 C
CH
Oxid.
CH3
H3 C
OH
C
C
OH
O
Carbonsäure
CH3
O
Keton
Da Aldehyde gegen Oxidationsmittel empfindlicher als Alkohole sind, kann man sie nur
schwer abfangen; sie werden meist weiter zu Carbonsäuren oxidiert (siehe Kapitel 13.5). Als
Oxidationsmittel kann man u. a. Kaliumdichromat (bzw. Kaliumchromat oder CrO3),
Kaliumpermanganat im sauren Medium oder Iod im alkalischen Medium verwenden. Im
folgenden Schema soll verdeutlicht werden, dass bei der Oxidation eines Alkohols mit
Chromtrioxid zwei Elektronen vom Alkohol auf das Chrom übergehen, auch wenn die
Richtigkeit dieses Mechanismus nicht geklärt ist.
O
H
R C O H
H
+
Cr
H
O
+
R C O Cr O
H H O
O
O
H
R C
O
O
Cr
H
O
O
+
R C
OH
H
O
Cr
OH
OH
Die entstehende Chrom(IV)-Verbindung ist unbeständig und disproportioniert zu Chromtrioxid und Cr3+.
Iod in alkalischer Lösung oxidiert z.B. Ethanol zu Acetaldehyd, das dann weiter reagiert und
Iodoform bildet. Hier soll nur der erste Teil der Reaktionsfolge interessieren. Die
Folgereaktion (Iodoform-Reaktion) wird bei den Aldehyden in Kapitel 13.7 behandelt.
O
H3C
CH2 OH +
I2 +
2 HO
H3C
+ 2 I +
C
H
6.5. Mehrwertige Alkohole
39
2 H 2O
Die beiden wichtigsten mehrwertigen Alkohole, Ethylenglycol und Glycerin, wurden bei der
Nomenklatur (Kapitel 6.1) schon vorgestellt. Die zwei bzw. drei Hydroxylgruppen befinden
sich dabei an jeweils benachbarten Kohlenstoffatomen. Man spricht von einer vicinalen
Stellung (von latein. vicinus = benachbart). Verbindungen mit zwei Hydroxylgruppen am
selben Kohlenstoffatom (geminal, von latein. gemini = Zwillinge) sind zumeist unbeständig.
Sie gehören auch nicht mehr zu den Alkoholen; es handelt sich um Derivate von Aldehyden
und Ketonen. Cis-1,2-Diole bilden unter Abspaltung von vier Protonen mit Cu2+-Ionen einen
Komplex, der so stabil ist, dass bei Zusatz von Natronlauge kein Kupferhydroxid gefällt wird.
Eine entsprechende Reaktion spielt beim Nachweis von Aldehyden eine Rolle (FehlingReaktion, siehe Kapitel 13.5).
2H2C OH
HC OH
H2C OH
+
Cu2+
+
H2C O
O CH2
Cu
HC O
O CH
H2C OH
HO CH2
HO CH2
HO CH
HO CH2
+
4 H+
Glycerin
Glycerin
Ähnliche Komplexe entstehen auch mit Borsäure. Hierbei führt die Eigenschaft der Borverbindung als Lewis-Säure dazu, dass der Alkohol ein Proton am Sauerstoff abspaltet und
merklich sauer reagiert. Damit verschiebt sich der pH-Wert durch diese Komplexbildung.
H2C OH
HC OH
H2C OH
+
HO
OH
B
OH
HO CH2
HO CH
HO CH2
+
Glycerin
_
H2C O
O CH2
B
HC O
O CH
H2C OH HO CH2
Glycerin
H+
40
- 3 H2O
O CH2
H2C O
B
HO CH
HC O
H2C OH HO CH2
7. Thioalkohole
7.1. Nomenklatur der Thioalkohole
Analog den Alkoholen als Abkömmlinge des Wassers lassen sich die Thioalkohole vom
Schwefelwasserstoff (H2S) durch Ersatz eines Wasserstoffatoms durch einen Alkylrest
ableiten. Sie werden auch kurz als Thiole oder als Mercaptane bezeichnet. Die Benennung der
einzelnen Verbindungen erfolgt durch anhängen der Endsilbe –thiol an den Namen des
zugrunde liegenden Alkans.
H3 C
SH
H3 C
CH2
H3 C
CH2 CH2
H3 C
CH2 CH2 CH2
H2 C
CH
HS
NH2
Methanthiol
Ethanthiol
SH
Propan-1-thiol = n-Propanthiol
SH
Butan-1-thiol = n-Butanthiol
SH
Cystein
COOH
n-Propanthiol ist in der Speisezwiebel enthalten und n-Butanthiol ist das Sekret des Stinktiers.
Das Cystein ist eine Aminosäure (siehe Kapitel 18) und von großer Bedeutung für die
räumliche Struktur von Peptiden und Proteinen (siehe Kapitel 23).
Thioalkohole besitzen häufig einen besonders unangenehmen und intensiven Geruch, der z.B.
im Falle der Ethanthiols noch in einer Verdünnung von 1:50.000.000.000 in der Luft für den
Menschen wahrnehmbar ist.
7.2. Reaktionen von Thioalkohole
Thioalkohole werden leicht unter milden Bedingungen zu Disulfiden oxidiert. Diese Reaktion
ist reversibel.
2 H3 C
CH2
SH
2 H2 C
CH
COOH
HS
H2O2
+
+
H3 C
H2O2
CH2
H2 C
NH2
S
S
CH
S
NH2
S
NH2
H2 C
CH
CH2
COOH
CH3
+
+
2 H 2O
2 H 2O
COOH
In den oben formulierten Reaktionsgleichungen entsteht Diethyldisulfid aus Ethanthiol bzw.
Cystin aus Cystein. Das Cystin ist für die so genannten Disulfidbrücken in Peptiden und
Proteinen verantwortlich (siehe Kapitel 23). Dimethyldisulfid ist in der Speisezwiebel enthalten.
Mit Blei- und Quecksilbersalzen bilden Thioalkohole schwerlösliche Verbindungen; daher
kommt die alte Bezeichnung „Mercaptane“.
41
8. Ether
8.1. Nomenklatur der Ether
Während der Ersatz eines Wasserstoffatoms im Wasser durch einen Alkylrest zu den
Alkoholen führt, sind in den Ethern beide Wasserstoffatome durch Alkylreste ausgetauscht. Je
nach ihrem Aufbau werden einfache (zwei gleiche Alkylreste) und gemischte Ether
(unterschiedliche Alkylreste) unterschieden. Ihre Benennung erfolgt durch Voranstellen der
Namen der Alkylreste in alphabetischer Reihenfolge vor –ether.
H3 C
O
CH3
H3 C
CH2 O
CH3
H3 C
CH2 O
CH2
H2 C
CH2
Dimethylether
Ethyl-methyl-ether
CH3
Diethylether
Ethylenoxid
O CH3
Methoxy-Rest
O CH2 CH3
Ethoxy-Rest
O
Tetrahydrofuran
O
Tetrahydropyran
O
O
1,4-Dioxan
O
8.2. Eigenschaften von Ethern
Im Gegensatz zu Wasser und Alkoholen haben die Ether niedrige Siedepunkte, da die
Bildung von Wasserstoffbrücken zwischen den Ether-Molekülen nicht mehr möglich ist; sie
haben kein zur Brückenbindung befähigtes Wasserstoffatom. Diethylether ist in Wasser nur
sehr wenig, in Alkoholen gut löslich. Ether sind polare aprotische Lösungsmittel.
δ+
H3 C
O
δ−
δ+
CH3
Ether sind äußerst leicht entflammbar und Ether/Luft-Gemische sind explosiv. Gegenüber
vielen Reagenzien sind Ether relativ stabil, so dass sie als Lösungsmittel eingesetzt werden
können. Diethylether hat einen angenehm süßlichen Geruch und ruft bei längerem Einatmen
Bewusstlosigkeit hervor. Er wird als Narkosemittel eingesetzt, ist aber weitgehend durch
andere Mittel ersetzt worden. Der Mechanismus als Anästhetikum ist unbekannt.
42
8.3. Darstellung von Ethern
Ether lassen sich durch Abspaltung von Wasser (Substitutionsreaktion) aus zwei Molekülen
Alkohole darstellen. Diese Reaktion wird mit Schwefelsäure katalysiert. Als Nebenprodukte
sind immer Alkene (Eliminierungsreaktion) zu erwarten. Auf diese Weise lassen sich aber
sinnvoll nur symmetrische Ether darstellen.
H3 C
+
CH2 OH
H+
H3 C
CH2 O
+
H
H
H3 C
+
CH2 OH
H3 C
CH2 O
+
H
H
H
CH2
CH2 O
+
H
H2 C
- H+
H3 C
- H+
CH2
CH2 O
+
CH3 +
CH2
H2O
H2O
H
Für die Darstellung von unsymmetrischen Ethern wählt man die Synthese nach Williamson
ausgehend von Alkoholat und Alkylhalogenid. Das Alkoholat wird aus dem entsprechenden
Alkohol und metallischem Natrium hergestellt (siehe Kapitel 6.4).
CH3
H3 C
C
CH3
O
+
H3 C
CH2 Br
H3 C
CH3
CH3
CH3
aber:
H3 C
CH2 O
C
+
H3 C
C
O
CH2
CH3
+
Br
(1)
CH3
Br
H3 C
C
CH2
+
H3 C
+
CH3
CH2 OH
Br
Bei richtiger Auswahl der Reagenzien, tert.-Butanolat und Ethylbromid, entsteht im obigen
Beispiel das Substitutionsprodukt, Ethyl-tert.-butyl-ether (1). Wird umgekehrt Ethanolat als
Base und tert.-Butylbromid eingesetzt, so greift die Base ein Proton an der Peripherie des
Halogenids an und es kommt zu einer Eliminierungsreaktion.
8.4. Reaktionen von Ethern
Auch wenn die Ether, wie schon bei seinen Eigenschaften (Kapitel 8.2) erwähnt, gegenüber
vielen Reagenzien nur eine geringe Reaktivität zeigen, so sind sie doch mit äußerster Vorsicht
zu handhaben. Erwähnt wurden seine Brennbarkeit und die Explosionsfähigkeit. Weiterhin
bilden Ether mit Luftsauerstoff unter Einfluss von Lichtenergie in einer radikalischen
Reaktion sehr gefährliche, hoch explosive Hydroperoxide. Dabei greift der Luftsauerstoff als
Diradikal immer ein Wasserstoffatom am Kohlenstoffatom neben dem Ethersauerstoff an.
Die Hydroperoxide sind wesentlich höher siedend als die zugrunde liegenden Ether. Bei einer
H 3C
CH2 O
CH2
CH3 +
hν
O2
H3C
CH
O
43
O
O
CH2
H
CH3
Destillation reichern sich somit die Peroxide im Rückstand an; ab einer kritischen
Konzentration kommt es dann zur Explosion. Man lagert Ether in braunen Flaschen, um
durch Lichtausschluss die Peroxidbildung zu vermeiden. Ob ein Ether Peroxid enthält lässt
sich mit Kaliumiodid testen. Dieses wird durch das Peroxid zu Iod oxidiert, das mit Stärke
einen blauen Komplex bildet. Mit Eisen(II)-Salzen oder mit Al2O3 können die Hydroperoxide
entfernt werden.
Da Ether am Sauerstoff kein Wasserstoffatom mehr tragen, sind sie auch nicht acide. Sie
können aber wie Alkohole Protonen aufnehmen und haben somit schwach basische Eigenschaften.
H3C
CH2 O
CH2
CH3 +
H+
H3 C
CH2 O
+
CH2
CH3
H
Diese Eigenschaft nutzt man, um Ether mit Hilfe von Iodwasserstoffsäure zu Spalten.
H3 C
CH2 O
+
CH2
CH3
+
I
H3C
CH2 OH
+
H3 C
CH2 I
H
Ausgehend von Ethylenoxid lässt sich eine Reihe von wichtigen Substanzen herstellen:
+ H2O/H+
H2 C
CH2
+ NH3
O
+ CH3-OH/H+
HO
CH2 CH2 OH
Ethylenglycol
HO
CH2 CH2 NH2
Ethanolamin
HO
CH2 CH2 O
44
CH3
2-Methoxyethanol
9. Thioether
9.1. Nomenklatur der Thioether
Die den Ethern analogen Thioether leiten sich formal vom Schwefelwasserstoff ab, in dem
beide Wasserstoffatome durch Alkylreste ersetzt sind Sie werden, analog der anorganischen
Verbindungen, auch als Sulfide bezeichnet. Hier sollen nur einige Verbindungen dieser
Substanzklasse vorgestellt werden, unter anderem eine Aminosäure, Methionin, drei
komplizierter aufgebaute Naturstoffe mit bekannten Namen sowie ein Dichlor-Derivat von
Diethylsulfid, das Kampfgift Lost oder auch Senfgas genannt. Die Dämpfe dieser Substanz
üben eine zerstörende Wirkung auf die Bronchien und die Haut (Blasenbildung) aus und sie
wirken carcinogen.
H3 C
S
H3 C
CH2
S
CH3
H3 C
CH2
S
CH2
CH2
S
Cl
CH3
CH2
S
CH2
Dimethylsulfid (Dimethylthioether)
CH2
Diethylsulfid (Diethylthioether)
CH3
CH2
CH
CH3
Ethyl-methyl-sulfid (Ethyl-methyl-ether)
CH2
Lost
Cl
Methionin
COOH
NH2
CH3
+
N
N
H3C
N
Aneurin = Vitamin B1
CH2-CH2OH
S
NH2
O
HN
Biotin
(Wachstumsfaktor für Bakterien)
NH
H
H
COOH
S
H
H3C
S
H3C
HOOC
H
N CO-R
Penicillin
N
O
45
10. Alkylhalogenide
10.1. Nomenklatur der Alkylhalogenide
Bei den Alkylhalogeniden, die auch Halogenalkane genannt werden, sind formal ein oder
mehrere Wasserstoffatome eines Alkans gegen Halogenatome ausgetauscht. Die Benennung
der Alkylhalogenide erfolgt durch voranstellen des Halogens (mit Anzahl falls mehr als eins)
vor den Namen des zugrunde liegenden Alkans.
CH3Cl
Chlormethan (Methylchlorid)
CH2Cl2
Dichlormethan (Methylenchlorid)
CHCl3
Trichlormethan (Chloroform)
CCl4
Tetrachlormethan (Tetrachlorkohlenstoff)
CH3
CH2
Cl
Chlorethan (Ethylchlorid)
CH3
CH
Cl
1,1-Dichlorethan
Cl
1,2-Dichlorethan
Cl
CH2
CH2
Cl
1,1,1-Trichlorethan
CH3
CCl3
CH2
CH
Cl
Cl
CH3
CH2
CH2
CH3
CH
CH3
2-Chlorpropan (Isopropylchlorid)
Chlorethen (Vinylchlorid)
1,1,2-Trichlorethan
Cl
Cl
1-Chlorpropan (n-Propylchlorid)
Cl
CH2
CH
Cl
CH2
CH
CH2
Cl
1-Chlor-prop-2-en (Allylchlorid)
Entsprechend werden auch die Fluor-, Brom- und Iod-Verbindungen benannt. Einige der alten
Namen wie Chloroform, Vinylchlorid und Allylchlorid haben sich hartnäckig im
Sprachgebrauch erhalten.
10.2. Eigenschaften von Alkylhalogenide
Alkylhalogenide sind polare aber nicht hydrophile Substanzen. Sie mischen sich nicht mit
Wasser. Die Kohlenstoff-Halogen-Bindung ist, wie schon erwähnt wurde, polarisiert aber
nicht ionisch. Nach den bei den Kohlenwasserstoffen angeführten Gesetzmäßigkeiten folgt
auch hier, dass die Siedepunkte der homologen 1-Halogenalkane mit zunehmender Länge der
Kohlenwasserstoffkette ansteigen. Bei einem gegebenen Kohlenwasserstoffrest werden ferner
die Siedepunkte der Halogenderivate mit zunehmendem Atomgewicht des Halogens erhöht,
46
und bei isomeren Alkylhalogeniden gilt die allgemeine Regel, dass der Siedepunkt mit
steigendem Verzweigungsgrad fällt.
Die Alkylhalogenide spielen eine sehr große Rolle als Lösungsmittel und Reagenzien für
chemische Synthesen. Die Halogenderivate des Methans besitzen meist eine hohe Toxizität.
Chlormethan ist ein Stoffwechselprodukt von Organismen im Meer, aus dem jährlich etwa
5.000.000 t an die Atmosphäre abgegeben werden. Auch Bromoform, CHBr3, kommt im
Meerwasser als Stoffwechselprodukt der Algen vor. Chloroform wurde früher als Anästhetikum verwendet, wird aber heute wegen seiner Toxizität durch andere Substanzen ersetzt.
Bemerkenswert ist auch, dass sich Chloroform bei längerem Stehen lassen an feuchter Luft,
vor allem im Licht, unter Bildung des äußerst giftigen Phosgens, COCl2, zersetzt. Daher
bewahrt man Chloroform in braunen Flaschen auf. Chlorethan kann als Lokalanästhetikum
(Vereisung) bei Sportverletzungen und kleinen Operationen benutzt werden. Iodoform, CHI3,
wurde früher in der Wundbehandlung als Antisepticum verwendet, heute wird es aber kaum
noch gebraucht. In größeren Mengen von Wundflächen resorbiert, kann es zu manischen
Zuständen mit Delirien, Schlaflosigkeit, Krämpfen und Lähmungen kommen. Einige
Fluorchlorkohlenwasserstoffe der Methan- und Ethanreihe (FCKW), die wegen ihres
niedrigen Siedepunktes, ihrer Ungiftigkeit und chemischen Widerstandsfähigkeit als Kältemittel für Kühlschränke und Klimaanlagen, als Treibmittel für Aerosole und Plastikschäume
sowie zur chemischen Reinigung geeignet sind, werden zunehmend durch andere Verbindungen ersetzt, da sie aufgrund ihrer chemischen Stabilität und ihrer großen Flüchtigkeit in
höhere Schichten der Atmosphäre, die Stratosphäre, gelangen und dort mit Ozon reagieren,
z.B.:
CF2Cl2
.
Cl + O3
.
ClO + O3
.
CF2Cl +
.
+
ClO
.
Cl +
hν
.
Cl
O2
2 O2
10.3. Darstellung von Alkylhalogeniden
Die Möglichkeiten zur Synthese von Alkylhalogeniden wurden schon besprochen, so die
radikalische Halogenierung von Alkanen (Kapitel 2.4), durch Additionsreaktionen an Alkene
(Kapitel 3.3) und durch nucleophile Substitution aus Alkoholen (Kapitel 6.4). Die
Geschwindigkeit der Reaktion eines vorgegebenen Alkohols nimmt in Abhängigkeit von der
Halogenwasserstoffsäure in der Reihenfolge HF, HCl, HBr, HI zu. Zur Unterscheidung
primärer, sekundärer und tertiärer Alkohole kann man die unterschiedliche Substitutionsgeschwindigkeit ausnutzen. Bei tertiären Alkoholen bildet sich das Alkylhalogenid sofort,
sekundäre Alkohole reagieren erst nach einigen Minuten und primäre müssen erhitzt werden.
10.4. Reaktionen von Alkylhalogeniden
Die typischen Reaktionen der Alkylhalogenide sind vom Typ der Eliminierung und der
nucleophilen Substitution. Diese wurden bei den Darstellungen von Alkenen (Kapitel 3.2),
Alkinen (4.2), Alkoholen (6.3) und Ethern (8.3) schon behandelt. Zum Nachweis von
Alkylhalogeniden dient die Beilstein-Probe. Erhitzt man die Probe auf einem Kupferdraht, so
färbt sich die Bunsenbrenner-Flamme durch das verdampfende Kupferhalogenid grün.
47
11. Amine
11.1. Nomenklatur der Amine
Amine leiten sich vom Ammoniak durch Ersatz eines oder mehrerer Wasserstoffatome durch
Alkylreste ab. Anders als bei den Alkoholen geben die Begriffe primäres, sekundäres und
tertiäres Amin an, ob der Stickstoff ein, zwei oder drei Reste trägt. Die weitere Alkylierung
eines tertiären Amins führt zu quartären Ammoniumsalzen.
R
R
NH2
R
NH
R
R
N
R
R
R
primäres Amin
sekundäres Amin
N
+
R Cl
R
tertiäres Amin
quartäres Ammoniumsalz
Die systematische Bezeichnung der primären Amine erfolgt durch Anhängen von –amin an
den Namen des Kohlenwasserstoffrestes, der mit dem Stickstoffatom verbunden ist. Sind
mehrere organische Reste vorhanden (sekundäre und tertiäre Amine), wird, wenn es sich um
gleiche Substituenten handelt, das Zahlwort Di- oder Tri- vorgestellt, bei ungleichen Resten
werden diese nacheinander alphabetisch genannt. Analog werden bei quartären
Ammoniumsalzen die Reste vor –ammonium gestellt. Danach folgt der Name des Anions.
H3 C
NH2
H3 C
NH
H3 C
N
Methylamin
Dimethylamin
CH3
CH3
Trimethylamin
CH3 Cl
Tetramethylammoniumchlorid
CH3
CH3
H3 C
N
+
CH3
Ethylamin
H3 C
CH2
NH2
H3 C
CH2
NH
CH3
H3 C
CH2
NH
CH2
H3 C
CH2
N
HO
CH2
CH2
CH2
CH3
CH2
NH2
Ethyl-methyl-amin
CH3
CH3
N
+
Triethylamin
Ethanolamin
CH3
H3 C
Diethylamin
O
CH2
CH2
O
C
CH3
CH3
48
Acetylcholin
Im folgenden Schema werden noch einige komplizierter aufgebaute Amine mit cyclischen
Strukturen vorgestellt. Sie tragen Trivialnamen, die zum Teil sicherlich bekannt sind.
CH2
CH2
NH2
N
N
N
H
H
Pyrrolidin
Histamin
N
N
H
Piperidin
H
Coniin
CH2
CH2
N
N
CH2
CH2
CH3
NH2
HO
CH3
N
Nicotin
N
Serotonin
Pyrrolidin und Piperidin stellen die Grundstruktur eines Fünf- bzw. Sechsringamins dar.
Diese finden sich z.B. in Nicotin (Inhaltsstoff der Tabakpflanze) und Coniin (Inhaltsstoff des
gefleckten Schierlings) wieder. Beide Verbindungen zählen zu einer großen Klasse von
Naturstoffen, den Alkaloiden. Histamin und Serotonin sind biogene Amine (siehe Kapitel
18.6).
11.2. Eigenschaften von Aminen
Vergleicht man die Siedepunkte der Amine mit denen der Kohlenwasserstoffe mit ähnlichem
Molekulargewicht, so sind sie in den Fällen, in denen das Stickstoffatom noch wenigstens ein
Wasserstoffatom trägt (primäre und sekundäre Amine), deutlich erhöht. Diese Siedepunktserhöhung ist wie bei den Alkoholen auf die Ausbildung von Wasserstoffbrücken
zurückzuführen. Da die Differenzen der Siedepunkte der Amine zu denen der Kohlenwasserstoffe nicht so groß wie die der Alkohole zu denen der Alkane sind, kann man folgern,
dass die N–H–N-Brückenbindungen schwächer als die O–H–O-Brücken sind. Tertiäre
Amine, bei denen wie bei den Ethern zwischen den Molekülen keine Wasserstoffbrücken
mehr möglich sind, sieden daher auch in einem ähnlichen Bereich wie die Alkane mit
vergleichbarem Molekulargewicht.
Auf die Fähigkeit zur Bildung von Wasserstoff-Brückenbindungen ist auch zurückzuführen,
dass die Amine in Wasser oder Alkoholen löslich sind, wobei wie bei den Alkoholen die
Wasserlöslichkeit mit zunehmender Größe des Alkylrestes abnimmt.
49
11.3. Darstellung von Aminen
Während Alkohole durch die Umsetzung von Alkalihydroxiden mit Alkylhalogeniden leicht
zugänglich sind und die Reaktion auch auf dieser Stufe stehen bleibt, ohne dass es darüber
hinaus zur Bildung von Ethern kommt, ist die Synthese rein primärer Amine bei Verwendung
von Ammoniak nicht möglich. Es entsteht vielmehr ein Gemisch von Salzen des primären,
sekundären und tertiären Amins. Darüber hinaus enthält das Gemisch auch noch das quartäre
Ammoniumsalz.
+
CH3Cl
H3 C
NH2
+
CH3Cl
H3 C
NH
CH3 +
CH3Cl
H3 C
N
NH3
H3 C
NH2
H3 C
NH
+
HCl
CH3 +
HCl
CH3
+
HCl
CH3
Cl
CH3
CH3
H3 C
N
CH3
+
CH3Cl
H3 C
CH3
N
+
CH3
Es handelt sich hier um Substitutionsreaktionen wobei das Alkylhalogenid von Ammoniak
bzw. den Aminen nucleophil angegriffen wird.
11.4. Reaktionen von Aminen
Amine haben, wie der Ammoniak, basische Eigenschaften. Durch das freie, nicht bindende
Elektronenpaar am Stickstoff sind sie in der Lage, ein Proton aufzunehmen. So setzen sie aus
Wasser HO– frei und sie bilden mit anorganischen und organischen Säuren Salze.
H
H3 C
NH2
+
H2O
H3 C
N
+
H
+
HO
H
H
H3 C
NH2
+
HCl
H3 C
N
+
H
Cl
H
CH3COO
H
H
H3 C
NH2
+
CH3COOH
H3 C
N
+
_
H
In der Basizität einzelner Amine gibt es große Unterschiede wie man den nachfolgenden KBWerten entnehmen kann. Die schwache Basizität der aromatischen Amine (C6H5-NH2 und
(C6H5)2NH) liegt daran, dass hier das freie Elektronenpaar des Stickstoffs durch Mesomerie
mit den Resten delokalisiert ist (vgl. hierzu Kapitel 21).
50
KB =
_
+
[R-NH3] x [HO ]
[R-NH2] x [H2O]
NH3:
KB = 1,8 x 10-5
C6H5-NH2:
KB = 3,8 x 10-10
CH3-NH2:
KB = 4,4 x 10-5
(C6H5)2NH:
KB = 7,6 x 10-14
Primäre Amine reagieren mit salpetriger Säure unter Bildung von molekularem Stickstoff.
Diese Reaktion kann man zum Nachweis von primären Aminen nutzen.
H O N O
R NH2
+
+
H
+
H O N O
H
H
+
R N N O
H
+
N O
+
+
R N N O H
R N N
+
+
H
+
-H
+
NO
- H2O
+ H2O
+
-H
+
R
+
R N N O
H
Nitrosamin
+ H
R N N O
H
- N2
R N N
+
H2O
R OH
Sekundäre Amine reagieren nach dem gleichen Mechanismus, aber nur bis zur Stufe des
Nitrosamins. Da in dieser Verbindung der Stickstoff kein Proton mehr trägt, ist auch die
weitere Reaktionsfolge, bei der ja ein Proton vom Stickstoff zum Sauerstoff wandert, nicht
mehr möglich. Die Nitrosamine sind stark gesundheitsschädlich. Sie haben eine cancerogene
Wirkung.
+
R NH
R
+
-H
H
+
R N N O
R
N O
+
R N N O
R
Tertiäre Amine reagieren nicht mit salpetriger Säure, da hier keine Abspaltung eines Protons
zum Nitrosamin erfolgen kann.
Aus Ethylenoxid und Trimethylamin lässt sich Cholin darstellen (vgl. Reaktionsschema in
Kapitel 8.4). Cholin ist ein Baustein des Lecithins. Sein Acetylderivat (Acetylcholin, Struktur
siehe Kapitel 11.1) wirkt blutdrucksenkend und muskelkontrahierend.
H2C
H2C
CH3
O
+
H3C
N
CH3
+
H 2O
H3C
CH3
N
+
CH3
51
CH2 CH2 OH
HO
12. Optische Aktivität
Die Studien der optischen Aktivität begannen schon im 18. Jahrhundert mit der Beobachtung,
dass viele Naturstoffe die Ebene des linear polarisierten Lichtes drehen. Z.B. fand Pasteur
zwei Kristallformen eines Salzes der Traubensäure, die sich wie Bild- und Spiegelbild
verhielten. Er stellte fest, dass die beiden Verbindungen in Lösungen von gleicher
Konzentration die Schwingungsebene des Lichtes um den gleichen Betrag, jedoch im
entgegengesetzten Sinne drehen.
12.1. Das Polarimeter
Beim Durchgang linear polarisierten Lichts durch eine optisch aktive Substanz wird seine
Schwingungsebene gedreht. Der Betrag dieser Drehung wird in Graden in einem Polarimeter
gemessen.
L
P
S1
K
S2
A
B
L = Lichtquelle
P = Polarisierungsgitter
S1 = Schwingungsebene des Lichtes vor der Küvette
K = Küvette
S2 = Schwingungsebene des Lichtes nach der Küvette
A = Analysatorgitter
B = Beobachter oder Detektor
a) Küvette ohne Probe
b) Küvette mit optisch aktiver Probe
Der Drehwinkel α ist von mehreren Faktoren abhängig: von der Konzentration der Probe, der
Länge der Küvette, der Temperatur, der Wellenlänge des Lichtes, dem Lösungsmittel und
natürlich von der Struktur der Substanz. Man hat deshalb die spezifische Rotation [α]
definiert bei der die Konzentration mit 1 g/ml und die Länge der Küvette mit 10 cm festgelegt
wurden. Temperatur (T), Wellenlänge (λ) der benutzten monochromatischen Strahlung und
Lösungsmittel müssen dann noch wie folgt angegeben werden: [α]Tλ = x° (in
„Lösungsmittel“). Befindet sich eine optisch aktive Substanz in der Küvette, so muss das
Analysatorgitter gedreht werden bis der ohne Probe vorhandene Helligkeitszustand wieder
erreicht ist. Eine Drehung im Uhrzeigersinn wird als Rechtsdrehung (+), die entgegengesetzte
als Linksdrehung (–) bezeichnet.
52
12.2. Struktur und optische Aktivität
Die optische Aktivität tritt dann auf, wenn ein Kohlenstoffatom von vier verschiedenen
Resten oder Atomen tetraedrisch umgeben ist. Dann gibt es, je nach räumlicher Ausrichtung
der Reste, zwei isomere Verbindungen. Als Beispiel dient uns die Milchsäure.
COOH
C
HO
COOH
H
CH3
(-)-Milchsäure
H
C
OH
H3 C
(+ )-Milchsäure
Die zwei Milchsäuremoleküle verhalten sich wie Bild- zu Spiegelbild. Sie sind chiral und
man nennt solche Paare auch Enantiomere. Enantiomere haben gleiche physikalische Eigenschaften (Schmelzpunkt, Siedepunkt, Dichte, Löslichkeit), nur der Drehwert, der vom
absoluten Betrag her gleich ist, unterscheidet sich im Vorzeichen. Häufig gibt es aber bei der
physiologischen Aktivität Unterschiede; so kann ein Isomeres lebensnotwendig sein, das
andere jedoch ist giftig. Man kann nun, wie oben, die beiden Isomeren durch voranstellen der
gemessenen Drehrichtung als (-)- und (+)-Milchsäure namentlich unterscheiden. Dies hat aber
den Nachteil, dass man immer erst das physikalische Experiment mit dem Polarimeter
durchführen muss, bevor man die Substanz benennen kann. Es gibt keine Gesetzmäßigkeit
zwischen der absoluten, räumlichen Struktur eines Moleküls und der Drehrichtung. Nehmen
wir statt der Milchsäure ihren Methylester so sehen wir, dass sich die Drehrichtung (und
natürlich auch der absolute Betrag) geändert hat.
COOCH3
C
HO
H
CH3
(+ )-Milchsäuremethylester
COOCH3
H
H3 C
C
OH
(-)-Milchsäuremethylester
Man hat deshalb nach einer Möglichkeit gesucht, die beiden Isomere nach ihrer räumlichen
Struktur zu benennen.
12.3. Fischer-Projektion
Lange Zeit konnte man die Enantiomere nur nach der Drehrichtung des linear polarisierten
Lichts mit (+) oder (-) benennen. Auf der anderen Seite konnte man absolute Konfigurationen
zeichnen. Man konnte aber nicht zuordnen, welches Enantiomere welche absolute
Konfiguration besitzt. Für die Schreibweise optisch aktiver Moleküle benutzt man meist die
von Emil Fischer eingeführte Projektionsformel; die räumliche Struktur wird in die
Zeichenebene projiziert. Dabei wird die Kohlenstoffkette vertikal so angeordnet, dass das am
höchsten oxidierte Kohlenstoffatom oben steht. Weiterhin befindet sich das chirale
Kohlenstoffatom (= Chiralitätszentrum = C-Atom mit vier verschiedenen Resten) in der
Zeichenebene und die nächsten Kohlenstoff-Nachbarn nach oben und unten stehen unterhalb
53
der Papierebene. Damit stehen die beiden anderen Substituenten, meist Wasserstoff und eine
funktionelle Gruppe (hier: OH), rechts und links oberhalb der Zeichenebene also zum
Betrachter hin. Befindet sich die funktionelle Gruppe dann auf der rechten Seite, so benennt
man diese Verbindung durch ein voran gestelltes D- (von dexter), steht sie links, spricht man
von L- (von laevus).
COOH
H
C
OH
COOH
=
H
CH3
C
COOH
OH
HO
CH3
C
H
COOH
=
HO
CH3
D-Milchsäure [= (-)-drehend]
C
H
CH3
L-Milchsäure [= (+ )-drehend]
12.4. Cahn-Ingold-Prelog-Nomenklatur
Die oben angegebene Benennung von Enantiomeren nach Fischer ist für viele NaturstoffKlassen wie z.B. Aminosäuren und Zucker gut geeignet und wird hier auch überwiegend
benutzt. Bei manch anderer optisch aktiven Verbindung wie z.B. 3-Methyl-hexan. versagt sie,
da hier keine Kohlenstoffkette sondern eine Verzweigung vorliegt und auch kein höchst
oxidiertes Kohlenstoffatom existiert, das nach oben gezeichnet werden kann. Deshalb
entwickelten R.S. Cahn, C.K. Ingold und V. Prelog ein weiteres Nomenklatur-System.
Danach werden die vier Reste am Chiralitätszentrum nach ihrer Priorität, d.h. nach fallender
Ordnungszahl der am chiralen Kohlenstoffatom direkt gebundenen Atome geordnet. Sind
zwei oder gar mehrere dieser Atome gleich, so wird die Summe der Ordnungszahlen der
daran gebundenen Atome der so genannten zweiten Sphäre für die Zuordnung herangezogen.
Notfalls muss man noch die Atome der dritten oder gar vierten Sphäre in Betracht ziehen.
Dabei zählen Atome, die durch eine Doppelbindung gebunden sind, auch doppelt. Das
Tetraedermodell wird nun so angeordnet, dass das Atom mit der niedrigsten Priorität nach
hinten zeigt, das Chiralitätszentrum in der Zeichenebene ist und damit die drei verbleibende
Atome oder Reste nach vorne zeigen. Diese sind jetzt nach fallender Priorität im (R- von
rectus) oder gegen den Uhrzeigersinn (S- von sinister) angeordnet. Betrachten wir nun das
schon oben erwähnte 3-Methyl-hexan:
H3C
CH2
H
C* CH2
CH2
CH3
CH3
=
H5 C2
H
C* C3H7
CH3
Am Chiralitätszentrum (C*) befinden sich folgende vier Atome: einmal H (Ordnungszahl 1)
und dreimal C (Ordnungszahl jeweils 6). Diese drei Kohlenstoffatome der ersten Sphäre
müssen nun nach ihrer Priorität unterschieden werden. Ein Kohlenstoffatom (Methylgruppe)
trägt nur dreimal H (3 x 1 = 3) und die anderen beiden binden ein weiteres Kohlenstoffatom
und zwei Wasserstoffe (1 x 6 + 2 x 1 = 8). Jetzt müssen noch der Ethyl- und der Propylrest
nach ihrer Priorität unterschieden werden. Wir gehen deshalb ein Atom weiter, also in die
dritte Sphäre. Hier ist in der Ethylgruppe CH3 und in der Propylgruppe CH2-C. Folglich sind
die Reste am Chiralitätszentrum wie folgt nach abnehmender Priorität zu ordnen: Propylrest
54
(C3H7), Ethylrest (C2H5), Methylrest (CH3), Wasserstoffatom. Letzteres muss, wie oben schon
erwähnt, nach hinten stehen:
C3H 7
C
C 3 H7
H
C
C 2 H5
H 3C
H
H 5C 2
CH3
S-Form
R-Form
Nach fallender Priorität kommt man im linken Molekül im Uhrzeigersinn von C3H7 über
C2H5 nach CH3 (es ist also R-3-Methyl-hexan) und im rechten gegen den Uhrzeigersinn von
C3H7 über C2H5 nach CH3 (S-3-Methyl-hexan). Damit ist es gelungen, beiden Isomeren
unterschiedliche Namen zuzuordnen.
Wir haben nun drei Systeme kennen gelernt, nach denen man optisch aktive Verbindungen
benennen kann. Welches System man anwendet ist grundsätzlich jedem selbst überlassen;
man sollte sich aber möglichst daran halten, was allgemein üblich ist. Die Unterscheidung
von Enantiomeren nach (+) und (–) setzt ein physikalisches Experiment voraus und ist
deshalb umständlich und sie hat keine Korrelation zur absoluten Struktur. Bei den biologisch
wichtigen Verbindungen wie z.B. Aminosäuren, Hydroxycarbonsäuren und Zuckern wird
üblicher Weise die Nomenklatur von Fischer angewendet aber es ist natürlich nicht verboten,
diejenige nach Cahn, Ingold und Prelog zu benutzen. Wir wollen dies am Beispiel der schon
oben erwähnten Milchsäure zeigen. Das Chiralitätszentrum bindet folgende Atome oder
Gruppen: H (OZ 1), zweimal C (CH3 und COOH, OZ der ersten Sphäre jeweils 6) und O (von
OH, OZ 8). Die Reihenfolge der Priorität von CH3 und COOH muss nun noch festgelegt
werden. Das Kohlenstoffatom der Methylgruppe trägt drei H (OZ 3 x 1 = 3) und das der
COOH-Gruppe ein doppelt gebundenes O und ein einfach gebundenes O (OZ 2 x 8 + 1 x 8 =
24). Danach sind die Substituenten am Chiralitätszentrum wie folgt nach abnehmender
Priorität zu ordnen: OH, COOH, CH3, H.
OH
C
OH
H
C
COOH
H 3C
H
HOOC
CH3
S-Form
R-Form
Die (–)-Milchsäure ist je nach verwendeter Nomenklatur gleich der D- bzw. der R-Milchsäure
und die (+)-Milchsäure ist gleich der L- bzw. der S-Milchsäure.
Das Gemisch von gleichen Mengen zweier enantiomerer Verbindungen wird als Racemat
bezeichnet. Hierin heben sich die Wirkungen auf das linear polarisierte Licht gegeneinander
auf; damit wird das Licht nicht aus seiner Schwingungsebene gedreht.
55
13. Aldehyde und Ketone
Aldehyde (von Alkohol dehydrogenatus) und Ketone enthalten als funktionelle Gruppe die
polare Carbonylgruppe (C=O). Während bei den Aldehyden ein (oder bei Formaldehyd auch
zwei) Wasserstoffatom am Carbonylkohlenstoff gebunden ist (–CHO), sind die nächsten
Nachbarn der Carbonylgruppe in Ketonen nur Kohlenstoffatome.
O
O
C
H
O
C
R
H
C
R
H
C
R
Aldehyd
Formaldehyd
Carbonylgruppe
O
Keton
R = Alkylrest
13.1. Nomenklatur der Aldehyde
Aldehyde werden durch den Namen der Stammkohlenwasserstoffe, der das Suffix –al erhält,
bezeichnet. Die Anfangsglieder der homologen Reihe der Aldehyde tragen allerdings
Trivialnamen.
O
H
Formaldehyd (Methanal)
C
H
O
CH3
Acetaldehyd (Ethanal)
C
H
O
CH3
CH2
Propionaldehyd (Propanal)
C
H
O
CH3
CH2
CH2
Butyraldehyd (Butanal)
C
H
O
CH2
CH
Acrolein (Propenal)
C
H
O
CH3
CH
CH
Crotonaldehyd (But-2-en-al)
C
H
56
13.2. Nomenklatur der Ketone
Ketone werden durch den Namen der Stammkohlenwasserstoffe, der das Suffix –on erhält,
bezeichnet. Die Anfangsglieder der homologen Reihe der Ketone tragen allerdings Trivialnamen.
O
CH3
Aceton (Propanon)
C
CH3
O
CH3
CH2
Butanon (Ethyl-methyl-keton)
C
CH3
O
CH3
CH2
Pentan-3-on (Diethylketon)
C
CH2
O
CH3
Cyclopentanon
O
Cyclohexanon
13.3. Darstellung von Aldehyden und Ketonen
Aldehyde und Ketone lassen sich hauptsächlich durch Oxidation von Alkoholen darstellen
(vgl. Kapitel 6.4). Dabei muss man bei Aldehyden von primären und zur Gewinnung von
Ketonen von sekundären Alkoholen ausgehen. Da die Aldehyde gegen Oxidationsmittel
empfindlicher sind als die Alkohole, muss man sie sofort nach ihrer Entstehung dem
Reaktionsgemisch entziehen. Weiterhin entstehen Aldehyde und Ketone bei der Ozonolyse
von Alkenen (siehe Kapitel 3.3) und bei der Addition von Wasser an Alkine (Kapitel 4.3).
13.4. Additionsreaktionen an die Carbonylgruppe
Die Reaktivität der Carbonylgruppe wird durch die unterschiedliche Elektronegativität der
beiden Bindungspartner und die daraus resultierende Polarisation der C=O-Doppelbindung
bedingt.
C O
+
C O
57
+ δ δ
C O
Dadurch kann der Carbonylkohlenstoff nucleophil und der Sauerstoff elektrophil angegriffen
werden. Die Bereitschaft der Carbonylverbindung zu Additionsreaktionen nimmt in der
Reihenfolge Formaldehyd, andere Aldehyde, Ketone ab. Diese Reaktion folgt dem
allgemeinen Schema:
__
H
X
+
C
H
O
+
X
C
O
X
C
O
C
O
H
H
oder sauer katalysiert:
C
O +
H
+
C
+
O
H
+ H-X
H
+
X
- H+
X
C
O
H
H-X = H-OH, H-OR, H-NH2, H-NHR, H-NR2 oder H-CN
Das im obigen, allgemeinen Schema formulierte Produkt mit X und OH am selben Kohlenstoffatom ist meistens unbeständig und stabilisiert sich wie den folgenden Beispielen zu
entnehmen ist.
Bei der Addition von Wasser an eine Carbonylverbindung entstehen die meist unbeständigen
und in die Ausgangssubstanzen zerfallenden Hydrate. Nur in wässriger Lösung liegt z.B. der
Formaldehyd als Hydrat (Formalin) vor:
H
+
H 2O
H
H
C
O
H
O
+
H
C
H
O
HO
C
H
OH
H
Anstelle von Wasser kann auch ein Alkohol an Carbonylverbindungen addiert werden, wobei
Halbacetale entstehen. Auch diese sind häufig unbeständig und zerfallen in ihre
Ausgangssubstanzen.
H
H3 C
OH
+
C
H
H
H3 C
O
O
+
H
C
H
H
O
H 3C
O
C
OH
H
Halbacetal
Diese Reaktion kann auch im sauren Medium durchgeführt werden, wobei die Reaktion
weiter, über das Halbacetal hinaus, zum Acetal führt. Man nennt also Substanzen, die am
selben Kohlenstoffatom eine OH-Gruppe und einen OR-Rest tragen Halbacetale und solche,
die am selben Kohlenstoffatom zwei OR-Reste tragen Acetale. Diese Reaktion, die nicht nur
die Aldehyde sondern auch die Ketone eingehen, ist bei den Zuckern (s. Kapitel 22.1.2) von
besonderer Bedeutung. Es soll hier noch betont werden, dass sich Acetale nur unter sauren
Bedingungen bilden sowie in die Ausgangsverbindungen zerfallen. Gegenüber Alkalien sind
sie sehr beständig. Wenn man von einem Keton ausgeht, nennt man die Produkte manchmal
auch Halbketale (statt Halbacetale) bzw. Ketale (statt Acetale).
58
H
H
C
+
O
H
+
C
H
+
O
+ H3 C
H
OH
H
H3 C
H
O
H
+
C
O
H
O
H
H
- H+
H
H3 C
O
C
H
- H2O
+
H3 C
H
O
C
O
H
H
+
+ H+
H
H
H3 C
O
C
H
Halbacetal
+ CH3-OH
H
H3 C
O
C
O
H
H
+
CH3
- H+
H
H3 C
O
C
O
CH3
H
Acetal
Die Umsetzung von Carbonylverbindungen mit Ammoniak führt zu einer instabilen
Zwischenstufe mit geminaler OH- und NH2-Gruppe. Diese Verbindung stabilisiert sich unter
Abspaltung von Wasser zu Iminen, die auch Schiff’sche Basen genannt werden. Da auch
etliche andere stickstoffhaltige Substanzen wie Ammoniak reagieren, folgt hier erst der
allgemeine Reaktionsmechanismus:
R'
R'
C O
+
R
R'
OH
C
-
C
H2N R''
R
R
O
NH2 R''
+
R'
-H2O
C N R''
NH R''
R
Aus primären Aminen (R‘‘ = Alkyl- oder Arylrest) entstehen Schiff‘sche Basen (= Imine),
aus Phenylhydrazin (R‘‘ = C6H5-NH) Phenylhydrazone und aus Hydroxylamin (R‘‘ = OH)
Oxime. Anstelle von Phenylhydrazin wird häufig dessen 2.4-Dinitro-Derivat verwendet, da
dieses mit Aldehyden und Ketonen auch in stark saurer Lösung zu den entsprechenden 2.4Dinitrophenylhydrazonen reagiert, die sich durch besonders gute Kristallisationsfähigkeit
auszeichnen. Die 2.4-Dinitrophenylhydrazone haben eine gelbe bis orange Farbe.
O 2N
NH-NH2
NO2
2.4-Dinitrophenylhydrazin
59
R'
NH3
C NH
R
Schiff'sche Base
= Imin
Ammoniak
R'
C6H5-NH2
C N-C6H5
R
Schiff'sche Base
= Imin
Amin
R'
C O
R
Keton bzw.
Aldehyd
R'
C6H5-NH-NH2
Phenylhydrazin
C N-NH-C6H5
R
Phenylhydrazon
R'
H2N-OH
Hydroxylamin
C N-OH
R
Oxim
Bei der Umsetzung einer Carbonylverbindung mit sekundären Aminen kann sich das instabile
Zwischenprodukt nicht durch Abspaltung von Wasser zum Imin (C=N-Doppelbindung)
stabilisieren; dem System bleibt nur die Möglichkeit, Wasser unter Ausbildung eines Enamins
(C=C-Doppelbindung) abzuspalten.
O
H3 C
H
C
+
CH3
N
H3C __
H
CH3
H3 C
N
H3 C
C
+
CH3
CH3
O
H3 C
H3 C
CH3
N
- H 2O
CH3
C
H3 C
H3 C
OH
N
C
CH3
Enamin
CH2
Die Addition von Blausäure an Carbonylverbindungen führt zur Ausbildung einer neuen C-CBindung wobei Cyanhydrine entstehen. Hier ist das Additionsprodukt stabil.
O
N
C
+
H 3C
C
O
CH3
H3C
C
N
C
OH
CH3
+ H+
H3C
C
N
C
CH3
Cyanhydrin
60
Cyanhydrine sind wichtige Ausgangsverbindungen für α-Hydoxycarbonsäuren (s. Kapitel
16.2) und eine analoge Reaktion hat Bedeutung für die Synthese von Aminosäuren (s. Kapitel
18.4). Die Nitrilgruppe (-C≡N) lässt sich nämlich zur Carboxylgruppe (-COOH)
hydrolysieren (s. Kapitel 20.3).
Die Addition von Wasserstoff an eine Carbonylgruppe ist eine Reduktion wobei die
entsprechenden Alkohole entstehen. Diese Reaktion lässt sich katalytisch mit Wasserstoff
oder mit Lithium-Aluminium-Hydrid durchführen.
O
H3 C
C
OH
+
CH3
(Ni)
H2
H3C
O
4
H 3C
+
C
H2O/H+
LiAlH4
CH
CH3
4
H3 C
CH2
OH +
Al3+
+
Li+
H
Bei Verwendung von Zink und Salzsäure wird der entstehende Alkohol weiter bis zum Alkan
reduziert.
O
H3C
C
+ Zn/HCl
CH3
H3C
CH2
CH3
13.5. Oxidation von Aldehyden
Im Gegensatz zu Ketonen lassen sich Aldehyde oxidieren, wobei Carbonsäuren entstehen.
Dies lässt sich nicht nur mit den schon mehrfach erwähnten Oxidationsmitteln wie Kaliumdichromat durchführen sondern auch mit Ag+- und Cu2+-Ionen. Da diese nur wenige andere
Substanzen ebenfalls oxidieren, können diese Reaktionen als Nachweis für Aldehyde genutzt
werden. Diese Nachweisreaktionen werden als Tollens- (Ag+) bzw. Fehling-Reaktion (Cu2+)
benannt. Beide Reaktionen laufen nur im alkalischen Medium ab. Damit die Metall-Ionen
aber nicht als Hydroxide ausfallen, müssen sie komplexiert (maskiert) werden. Dies erfolgt
im Falle der Silber-Ionen mit Ammoniak als [Ag(NH3)2]+ und die Kupfer-Ionen werden mit
einem Salz der Weinsäure als Komplex in Lösung gehalten (vgl. Kapitel 6.5).
O
R C H
K2Cr 2O7/H+
R COOH
O
R C H
+
2 Ag+
+
2 HO-
2 Ag
+
R COOH
+
H2O
O
R C H
+
2 Cu2+
+
4 HO-
Cu2O
+
R COOH
+
2 H2O
Die positive Reaktion ist daran zu erkennen, dass sich ein metallischer Silberspiegel an der
Glaswand bildet bzw. dass rotes Kupfer-(I)-oxid ausfällt.
Verschiedene Aldehyde, z.B. der Benzaldehyd, unterliegen leicht der Autoxidation. Diese
gleichfalls zu Carbonsäuren führende Reaktion folgt einem Radikalkettenmechanismus.
61
O
C H
H5C6
.O O , h . ν
- H O O
O
C H
+ H5C6
- H5C6
H5C6
O
C O O
H5C6
O
C OH
C 6H 5- =
Perbenzoesäure
O
C O OH
H5C6
H5C6
+ O2
O
C O OH
H5C6
O
C
O
C
+
H5C6
O
C H
2
Benzoesäure
Formaldehyd und Aldehyde, die an dem zur Carbonylgruppe benachbarten Kohlenstoffatom
(= α-C-Atom) keinen Wasserstoff tragen, geben die Cannizzaro-Reaktion, d.h. sie disproportionieren in Gegenwart starker Basen zu den entsprechenden Säuren und Alkoholen. Die
Anlagerung von HO– an den Aldehyd befähigt diesen, ein Proton und zwei Elektronen
abzugeben. Von einem zweiten Aldehyd-Molekül werden diese aufgenommen.
O
O
H
O
C
H
H
H
C
O
+ H-CHO
H
H
O
H
C
O
O
+
H
H
CH2
O
H
O
C
CHO
2
+
Benzaldehyd
C
HO
+
O
O
H
CH2
O
H
CH2OH
+
Benzoesäureanion
Benzylalkohol
Trägt der α-ständige Kohlenstoff ein Wasserstoffatom, so tritt nicht die Cannizzaro-Reaktion
ein. Es findet dann die Aldol-Reaktion statt (s. Kapitel 13.7).
13.6. Polymerisation von Formaldehyd und Acetaldehyd
Die Polymerisation von Form- und Acetaldehyd führt zu linearen oder cyclischen Produkten.
Der Formaldehyd geht mit sich selbst eine Polyaddition ein unter Bildung des Paraformaldehyds. Dieses ist ein in Wasser unlöslicher Kunststoff. Mit verdünnter Mineralsäure
zerfällt er unter Bildung des kristallinen trimeren, cyclischen Formaldehyds, das Trioxan
genannt wird.
62
Unter dem katalytischen Einfluss von Schwefelsäure trimerisiert auch der Acetaldehyd zum
wasserlöslichen Paraldehyd.
CH2
O
CH2
O
CH2
O
CH2
H3 C
O
O
Paraformaldehyd
O
Trioxan
O
CH3
O
O
Paraldehyd
O
CH3
13.7. Keto-Enol-Tautomerie und CH-Acidität
Aldehyde und Ketone liegen im Gleichgewicht mit der tautomeren Enolform vor. Allerdings
liegt das Gleichgewicht bei einfachen Carbonylverbindungen fast vollständig auf der Seite
der Ketoform. Nur zu weit unter einem Prozent liegt die Enolform vor. Dies ändert sich bei ßDiketonen und ß-Ketocarbonsäuren (s. Kapitel 17.3).
H
R
O
C
C
H
C
H
C
C
O
CH3
H3 C
H
C
H
C
R
O
O
O
C
H
H3 C
H
H
H
C
O
C
CH3
H
Ketoform
Enolform
Die Konjugation der C=O- mit der C=C-Doppelbindung sowie die Wasserstoffbrücke sind
energetische Faktoren, die bei letzterem die Ausbildung der Enolform begünstigen.
Wasserstoffe am α-Kohlenstoffatom lassen sich durch starke Basen abspalten, da das entstehende Anion durch Mesomerie stabilisiert ist; man spricht von CH-aciden Verbindungen.
H
R
C
H
O
H
C
O
C
H
H
C
R
O
C
H
R
C
H
HO
Das entstandene Anion ist nun zu weiteren Reaktionen befähigt. Ist kein weiteres Reagenz
außer dem eingesetzten Aldehyd vorhanden, so reagiert das Anion mit diesem und es kommt
zur so genannten Aldolreaktion.
63
H
R
H
O
C
C
R
H
H
H
O
C
O
+
C
H 2O
H
HO
R
C
H
+
C
R
O
C
C
H
H
+ H 2O
R
- HO-
R
H
H
OH H
C
C
C
H
H
R
O
O
H
C
C
C
H
H
R
O
C
H
H
- H2O
C
H
R
H
O
C
C
C
H
H
R
C
H
So entsteht beispielsweise aus Acetaldehyd über das Acetaldol (Aldoladdition) der Crotonaldehyd (Aldolkondensation). Die Aldole eliminieren sehr leicht Wasser, da dabei ein konjugiertes System entsteht.
O
2 CH3
OH
(HO-)
C
CH3
O
CH
CH2
C
H
O
- H 2O
CH
CH3
CH
H
C
H
Acetaldol
Crotonaldehyd
Eine analoge Reaktion werden wir bei den Carbonsäureestern unter dem Namen Claisen’sche
Esterkondensation kennen lernen (s. Kapitel 17.3).
Acetaldehyd sowie Ketone, die eine CH3CO-Gruppe enthalten, geben die Iodoformprobe.
Auch hier spaltet wie bei der Aldolreaktion die Base erst ein Proton am α-Kohlenstoffatom
ab. Das entstehende Carbanion greift jetzt allerdings kein zweites Molekül Aldehyd bzw.
O
H3C
C
I
+ I2
H2C
- II
I
C
HO
+
H
H
O
C
H
+ HO- H 2O
O
C
H
+ HO- H 2O
I
H
I
O
C
C
H
H
H
O
C
C
I
O
C
C
+ I2
- I-
+
H
H2O
+ I2
H
- I-
I
I
O
C
C
H
I
Keton an sondern das zugegebene Iod. So werden nacheinander alle Wasserstoffatome des αKohlenstoffatoms gegen Iod ausgetauscht. Die Elektronen ziehende Wirkung (-I-Effekt) ist
64
bei drei Iod-Resten groß genug, das I3C– zu stabilisieren und damit ist I3C– eine gute
Abgangsgruppe; sie wird gegen OH- substituiert.
I
I
O
C
C
I
+
H
HO
I
C
+
H
COOH
I
I
I
I
C H
O
+
H
C
O
I
Das entstehende Iodoform hat eine gelbe Farbe und einen charakteristischen Geruch. Als
Desinfektionsmittel ist es in weiten Bereichen der Medizin außerordentlich wichtig.
65
14. Carbonsäuren
14.1. Nomenklatur der Carbonsäuren
Alle Carbonsäuren enthalten eine oder mehrere Carboxylgruppen, -COOH, eine Kombination
aus einer Carbonyl- (C=O) und einer Hydroxylgruppe (O-H). Beide Gruppierungen üben
einen starken Einfluss aufeinander aus. Die Carboxylgruppe zeigt nicht nur ein ähnliches
Verhalten wie Alkohole bzw. Aldehyde und Ketone, sondern besitzen auch neue
Eigenschaften.
H-COOH
Ameisensäure
CH3-COOH
Essigsäure
CH3-CH2-COOH
Propionsäure
CH3-(CH2)2-COOH
Buttersäure
CH3-(CH2)3-COOH
Valeriansäure
CH3-(CH2)8-COOH
Caprinsäure
CH3-(CH2)10-COOH
Laurinsäure
CH3-(CH2)12-COOH
Myristinsäure
CH3-(CH2)14-COOH
Palmitinsäure
CH3-(CH2)16-COOH
Stearinsäure
CH3-(CH2)18-COOH
Arachinsäure
CH3-(CH2)5-CH=CH-(CH2)7-COOH
Palmitoleinsäure
CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COOH
Ölsäure
HOOC-COOH
Oxalsäure
HOOC-CH2-COOH
Malonsäure
HOOC-(CH2)2-COOH
Bernsteinsäure
HOOC-(CH2)3-COOH
Glutarsäure
HOOC-(CH2)4-COOH
Adipinsäure
HOOC-CH=CH-COOH (cis bzw. Z)
Maleinsäure
HOOC-CH=CH-COOH (trans bzw. E) Fumarsäure
Ameisensäure findet sich in freier Form in Ameisen und Brennnesseln. Bei den Ameisen ist
sie sowohl Wehrstoff als auch Pheromon. Konzentrierte Essigsäure wird auch als Eisessig
bezeichnet, da sie bei 15°C eisartig erstarrt. Buttersäure liegt in der Butter verestert vor.
Durch mikrobiellen Abbau wird die stinkende Buttersäure freigesetzt; die Butter wird ranzig.
Da einzelne dieser Säuren mit Glycerin verestert auch in den Fetten vorkommen (s. Kapitel
15.3), bezeichnet man vor allem die höhermolekularen Carbonsäuren auch als Fettsäuren.
Für die Nummerierung der Kohlenstoffkette gibt es zwei verschiedene Möglichkeiten.
Entweder man beginnt bei dem Carboxylkohlenstoff mit „1“ oder beim nächsten Kohlenstoffatom mit „α“.
δ
5
C
γ
4
C
ß
3
C
α
2
C
1
COOH
14.2. Eigenschaften von Carbonsäuren
Die Carboxylgruppe ist polar. Die Siedepunkte der Carbonsäuren liegen höher als die der
entsprechenden Aldehyde. Dies beruht auf der Fähigkeit der Carboxylgruppe, Wasserstoff66
brückenbindungen zu bilden. In Lösung liegen die Carbonsäuren in dimerer Form vor. Die
Wasserstoffbrückenbindungen sind auch verantwortlich für die Wasserlöslichkeit der
niederen Glieder der Carbonsäuren (bis zur Buttersäure).
Oδ
R
−
O
C δ+
O
R
H
H
O
C
C
O
H
R
O
Die Acidität der Carbonsäuren übertrifft die der Alkohole, d.h. die Neigung der Hydroxylgruppe zur Abgabe eines Protons nimmt in der Reihenfolge zu:
R-O-H < H-O-H < R-CO-O-H
Im Vergleich zu den Mineralsäuren sind die Carbonsäuren aber schwache Säuren, deren Salze
in Wasser teilweise hydrolysieren. Die Carbonsäuren sind jedoch acider als die Kohlensäure.
O
R
O
+
C
H2O
R
C
OH
~
~
+
HO
O
+
C
+
10-5
O
R
H3O
O
[R-COO-] x [H3O+ ]
[R-COOH]
KS =
+
H2O
R
C
O
OH
Die Ursache für die Acidität der Carboxylgruppe ist der mit dem Übergang in die dissoziierte
Form verbundene Gewinn an Mesomerieenergie.
O
R
O
C
R
O
C
O
Die beiden mesomeren Grenzstrukturen des Carboxylatanions sind energetisch äquivalent.
Die negative Ladung ist auf beide Sauerstoffe gleich verteilt. Der Abstand beider COBindungen ist gleich.
Die Acidität der Carbonsäuren wird durch Substituenten im Alkylrest beeinflusst. Z.B.
erhöhen Elektronen ziehende Reste wie Halogene, vor allem am α-Kohlenstoffatom, durch
ihren induktiven Effekt die Acidität.
Essigsäure, CH3-COOH
KS = 1,75 x 10-5
Chloressigsäure, ClCH2-COOH
KS = 1,4 x 10-3
Dichloressigsäure, Cl2CH-COOH KS = 1,14 x 10-2
Trichloressigsäure, Cl3C-COOH
KS = 1,21 x 10-1
67
Cl
Cl
C
O
C
O
Cl
H
Der induktive Effekt nimmt als elektrostatisches Phänomen mit dem Quadrat der Entfernung
ab. Deshalb haben Substituenten am ß- oder gar weiter entfernten Kohlenstoffatom weniger
Einfluss auf die Acidität der Carbonsäure.
Die Salze mancher Carbonsäure haben von diesen abweichende Name, z.B.:
Ameisensäure: Formiate
Essigsäure: Acetate
Palmitinsäure: Palmitate
Stearinsäure: Stearate
Oxalsäure: Oxalate
Die Salze der höheren Carbonsäuren (= Fettsäuren) werden wegen ihrer entsprechenden
Wirkung als Seifen bezeichnet wobei die Natriumsalze Kernseifen und die Kaliumsalze
Schmierseifen genannt werden. Die Waschwirkung der Seifen beruht auf der Herabsetzung
der Oberflächenspannung und auf einer Emulgatorwirkung. Die Oberflächenspannung wird
durch solche Stoffe herabgesetzt, die sowohl hydrophile (hier: COO–) als auch hydrophobe
Gruppen (hier: langer Kohlenwasserstoffrest) im gleichen Molekül enthalten. Diese Stoffe
heben die Ursache für die Oberflächenspannung auf. Während sich nämlich die Molekularen
Attraktionskräfte im Inneren einer Flüssigkeit gegenseitig aufheben, sind die Oberflächenmoleküle nicht mehr kräftefrei; es resultiert ein Zug nach innen. Daraus ergibt sich die
Tendenz, die Oberfläche zu verkleinern.
Die Seifenmoleküle ordnen sich an der Wasseroberfläche so an, dass die hydrophile Seite
dem Wasser stets zugekehrt ist und die hydrophoben Alkylreste aus der Oberfläche heraus
ragen. Die so angeordneten Seifenmoleküle (Anionen) setzen dem Zug in das Innere der
Lösung einen Widerstand entgegen, da sonst die hydrophoben Teile auch vom Wasser
aufgenommen werden müssten. Dies bedingt eine Verminderung der Oberflächenspannung.
68
Luft
unpolarer Rest
(hydrophob)
C
O
C
O O
C
O O
C
C
O O
O O
C
O O
C
O O
C
C
O O
O O
C
O O
Wasser
O
Oberfläche
polarer Rest
(hydrophil)
Die Waschwirkung der Seifen beruht darauf, dass die hydrophoben Alkylreste gleichzeitig
lipophil sind. Während Fette allein von Wasser nicht benetzt werden, übt die Seife auf die
Trennfläche Wasser zu Fett eine vermittelnde Wirkung aus und ermöglicht die Benetzung.
Dabei ragen die Alkylreste in das Fett und die Carboxylatgruppen in die wässrige Phase.
Durch die Emulgation wird schließlich die Ablösung der Fettschicht und ihre feine Verteilung
in der Waschflüssigkeit bewirkt.
O
O
Wasser
O
O
O
C
C
C
O
Wasser
O
C
O
O
C
O
O
C
O
Öl
C
O
O
O
C
O
O
C
C
O
O
O
O
C
C
O
O
C
O
C
O
O
O
O
Fettsäure-Anion
Wasser
Ein Nachteil dieser Seifen ist die schlechte Löslichkeit ihrer Calciumsalze in Wasser. Je nach
Wasserhärte geht ein Teil der Seifenwirkung verloren da die Calciumsalze der Fettsäuren
keine Waschwirkung besitzen.
[CH3-(CH2)16-COO]2Ca
14.3. Darstellung von Carbonsäuren
Carbonsäuren lassen sich durch Oxidation von primären Alkoholen (s. Kapitel 6.4) und
Aldehyden (s. Kapitel 13.5) darstellen. Auch bei der oxidativen Spaltung von Alkenen mit
Ozon, Kaliumdichromat oder Kaliumpermanganat im sauren Medium entstehen Carbon69
säuren (s. Kapitel 3.3). Weiterhin werden Nitrile sauer oder basisch zu Carbonsäuren
hydrolysiert (s. Kapitel 20.3).
14.4. Reaktionen von Carbonsäuren
Normalerweise werden die Carbonsäuren oxidativ nicht angegriffen. Eine Sonderstellung
nimmt allerdings die Ameisensäure ein. Da sie, wie auch die Aldehyde, eine –CHO-Gruppe
besitzt, ist sie gegen Oxidationsmittel genauso empfindlich wie diese. Dabei entsteht
Kohlensäure bzw. Kohlendioxid.
O
H
Oxid.
C
O
HO
C
OH
CO2
+
H 2O
OH
Als Oxidationsmittel können z.B. Kaliumpermanganat, Kaliumdichromat oder ammoniakalische Silbernitratlösung eingesetzt werden.
Mit Lithium-Aluminium-Hydrid werden Carbonsäuren zu den entsprechenden Alkoholen
reduziert.
H3C
COOH
LiAlH4
H3 C
CH2
OH
An der C=O-Doppelbindung der Carboxylgruppe können Additionsreaktionen durchgeführt
werden, wobei, ähnlich wie bei den Aldehyden und Ketonen, der Carboxylkohlenstoff
nucleophil bzw. der Sauerstoff elektrophil angegriffen wird. Diese Reaktionen sollen aber erst
im nächsten Kapitel bei den Derivaten von Carbonsäuren behandelt werden.
70
15. Funktionelle Derivate von Carbonsäuren
15.1. Nomenklatur der Carbonsäure-Derivate
Carbonsäuren bilden Derivate, bei denen die OH-Gruppe durch eine andere funktionelle
Gruppe ersetzt ist.
O
R
O
Carbonsäure
C
O
R
Salz einer Carbonsäure
C
H
O
O
R
Carbonsäureester = Ester
C
O
R
O
R
O
C
R
O
C
NH2
R
NH
Carbonsäureamid = Amid
C
NR2
R
O
R
C
O
R
Carbonsäureanhydrid = Anhydrid
C
O
O
R
Carbonsäurehalogenide (Hal = F, Cl, Br, I)
C
Hal
Bei der Nomenklatur der Ester stellt man den Namen der Säure voraus, dann folgt der
Alkylrest des Alkohols und das Wort „ester“.
O
H
Ameisensäuremethylester
C
O
CH3
O
H3 C
C
Essigsäureethylester = Essigester
O
C2 H5
Amide mit einer NH2-Guppe werden nach der zugrunde liegenden Carbonsäure, gefolgt von
„amid“ benannt. Trägt der Stickstoff noch einen oder zwei Alkylreste so werden deren
Namen in alphabetischer Reihenfolge dem Namen voran gestellt.
71
O
H
Ameisensäureamid = Formamid
C
NH2
O
H
N,N-Dimethylformamid
C
N(CH3)2
O
H3 C
C
Essigsäureamid = Acetamid
NH2
Bei den Anhydriden und den Halogeniden folgt den/dem Namen der zugrunde liegenden
Carbonsäure/n die Endung „anhydrid“, „fluorid“, „chlorid“, „bromid“ oder „iodid“.
O
H3C
C
O
H3C
Essigsäureanhydrid = Acetanhydrid
C
O
O
H2 C
C
H2 C
C
O
Bernsteinsäureanhydrid
O
O
HC
C
O
HC
Maleinsäureanhydrid
C
O
O
H3C
Essigsäurechlorid = Acetylchlorid
C
Cl
15.2. Darstellung und Reaktionen der Derivate von Carbonsäuren
Carbonsäuren bzw. ihre Derivate reagieren mit nucleophilen Reagenzien unter Bildung von
anderen Carbonsäure-Derivaten bzw. Carbonsäuren. Dabei addieren sich die nucleophilen
72
Partner zunächst an die C=O-Doppelbindung der Carboxylgruppe. Diese Reaktionen werden
oftmals durch Protonen katalysiert, da dadurch die positive Ladung am Kohlenstoffatom der
Carboxylgruppe erhöht wird.
O
O
R
+
C
HY
R
X
H
OH
C
Y
X
R
+
C
X
Y
O
R
+
C
HX
Y
sauer katalysiert:
OH
O
R
+
C
H
+
R
C
+
X
OH
+ HY
R
X
H
OH
R
C
C
Y
- H+
X
+
O
X
R
+
C
HX
Y
Y
X bzw. Y können dabei theoretisch sein: OH, OR, NH2, NHR, NR2, O-CO-R, F, Cl, Br oder I.
Ob aber die Reaktion dann tatsächlich als Gleichgewichtsreaktion abläuft, hängt von der
Reaktivität des eingesetzten Carbonsäure-Derivats ab. Das Carboxylatanion zeigt keine
Reaktivität. Da die beiden Sauerstoffe zusammen eine negative Ladung tragen, haben sie
keinen Elektronen ziehenden Effekt auf den Kohlenstoff der Carboxylgruppe. Dem gegenüber
ist dieser Kohlenstoff bei den Carbonsäurehalogeniden am stärksten positiviert, so dass diese
am reaktivsten sind. Man kann die Carbonsäuren und ihre Derivate in folgende Reihe
zunehmender Reaktivität ordnen:
O
O
R
C
O
<<
O
R
C
<
O
R
OH
~
C
O
R
C
NR'2
<<
OR'
R
C
O
R
< R
O
C
Cl
C
O
Hierbei reagieren die rechts stehenden Acylderivate leichter, so dass sich aus ihnen die weiter
links stehenden Derivate darstellen lassen, wie z.B. die unten formulierte Darstellung von
Carbonsäureamiden aus den entsprechenden Carbonsäurechloriden.
O
O
R
+
C
HNR'2
R
+
C
HCl
NR'2
Cl
Die Carbonsäurehalogenide lassen sich wegen ihrer großen Reaktivität nicht aus Carbonsäuren und Halogenwasserstoffsäure herstellen. Vielmehr zersetzen sie sich mit Wasser in
einer heftigen, exothermen und nicht reversiblen Reaktion in ihre Bestandteile, Carbonsäure
73
und Halogenwasserstoffsäure. Man muss deshalb einen anderen Weg gehen, um Carbonsäurehalogenide darzustellen, z.B. mit Thionylchlorid.
O
O
R
+
C
Cl
S
O
Cl
R
+
C
OH
+
HCl
SO2
Cl
Der Mechanismus dieser Reaktion ist zwar bekannt, soll aber hier nicht näher erläutert
werden; er ist jedenfalls nicht gleich dem oben beschriebenen allgemeinen Mechanismus.
Nun, da wir einen Weg kennen, um ein Carbonsäurechlorid herzustellen, können wir alle
anderen Carbonsäurederivate daraus gewinnen.
O
R
O
+
C
H2O
R
Cl
O
R
OH
O
+
C
H3 C
OH
R
O
O
+
C
H3 C
NH2
R
R
+
NH
O
+
C
CH3
C
Cl
O
H3 C
COOH
R
HCl
CH3
HCl
+
C
Cl
HCl
+
C
Cl
O
R
HCl
+
C
O
H3C
C
O
Die oben beschriebenen Reaktionen verlaufen alle quantitativ nach rechts; sie sind nicht
reversibel! Die Hydrolyse eines Carbonsäurechlorids ist stark exotherm.
Auch die folgenden Reaktionen von Carbonsäureanhydriden zu Carbonsäuren, Estern bzw.
Amiden sind nicht reversibel. Hier ist die Hydrolyse ebenfalls stark exotherm.
O
R
O
C
O
R
+
H 2O
2
R
C
C
OH
O
O
R
C
O
R
O
O
+
H3 C
OH
R
C
+
C
O
O
74
CH3
R
C
O H
O
R
O
C
R
H3 C
+
O
NH2
R
O
+
C
NH
C
R
C
O H
CH3
O
Amide sind nicht mehr so reaktiv und die Hydrolyse muss unter Erhitzen sauer oder basisch
katalysiert werden.
O
R
C
+
H 2O
NH2
O
R
C
+
O
HCl
HO
NH2
Δ
R
Δ
R
C
+
+
H4N Cl
+
NH3
OH
O
C
O
Δ = Erhitzen
Gleiches gilt für die Hydrolyse von Estern. Bei saurer Katalyse stellt sich ein Gleichgewicht
zwischen Carbonsäure/Alkohol und Ester ein.
O
R
+
C
O
H3 C
O
(H+ )
H
C
+
O
R
O
O
H
R
+ CH3-OH
+
O
R
C
O
O
H
H 2O
CH3
- H+
H
H
+
C
H
+ H+
R
O
CH3
H
C
+
O
O
CH3
O
CH3
R
C
O
H
O
H
- H 2O
- H+
R
O
CH3
C
O
O
H
H
+ H+
+
H
H
Bei der alkalischen Hydrolyse von Estern entstehen die Salze der Carbonsäuren. Die Reaktion
ist deshalb nicht reversibel.
75
O
O
R
HO
+
C
O
R
CH3
C
O
O
OH
R
+
C
H3 C
O
OH
CH3
O
R
+
C
H3 C
OH
O
15.3. Fette, Öle und Wachse
Fette Öle und Wachse sind Ester höherer Carbonsäuren. Bei Fetten und Ölen ist die
Alkoholkomponente Glycerin und in Wachsen finden sich langkettige, primäre Alkohole. So
enthält z.B. Walrat, der feste Bestandteil des Walratöls, vorwiegend Palmitinsäurecetylester
[= Cetylpalmitat, CH3-(CH2)14-COO-(CH2)15-CH3]. Das Bienenwachs besteht zu 75% aus
Palmitinsäuremyricylester [= Myricylpalmitat, CH3-(CH2)14-COO-(CH2)13-CH3].
Fette sind Glycerinester höherer Fettsäuren (Glyceride). Sie dienen dem Körper als Depotstoffe (Energiereserve). Im folgenden Beispiel ist das Glycerin mit je einem Molekül
Stearinsäure, Buttersäure und Ölsäure verestert.
H2C
O
CO
(CH2)16 CH3
HC
O
CO
(CH2)2 CH3
H 2C
O
CO
(CH2)7 CH CH
(CH2)7 CH3
Die Konsistenz der Fette hängt von ihrem Gehalt an ungesättigten Fettsäuren ab, von denen
die einfach ungesättigte (eine C=C-Doppelbindung, cis- bzw. (Z)-Form) Ölsäure am
häufigsten in der Natur vorkommt. Je mehr Doppelbindungen im Molekül sind, desto
flüssiger ist das Fett (= Öl). Die Butter enthält einen hohen Anteil an der kurzkettigen
Buttersäure und ist deshalb bei Raumtemperatur streichfähig. Die Fette mit langkettigen,
gesättigten Fettsäuren sind fest. Die tierischen Fette enthalten hauptsächlich gemischte
Glyceride von Palmitin-, Stearin- und Ölsäure wobei das Fett umso leichter in der Wärme
flüssig wird, je höher der Gehalt an Ölsäure ist (z.B. Schweine- oder Gänseschmalz). In
pflanzlichen Ölen kommen auch mehrfach ungesättigte Fettsäuren vor. Besonders reich daran
sind Soja- und Sonnenblumenöl.
Die ungesättigten Fettsäuren lassen sich wie alle Alkene mit Brom oder Iod nachweisen. Das
flüchtige Brom ist allerdings für eine quantitative Analyse schlecht geeignet. Diese wird
durch Additionsreaktion von Iod an die C=C-Doppelbindung durchgeführt. Diese so genannte
Iodzahl galt früher als Kriterium für die Zusammensetzung der verschiedenen Fette und Öle.
Bei der Fetthärtung werden die C=C-Doppelbindungen der Öle katalytisch teilweise hydriert.
Die Fetthärtung besitzt für die Herstellung von Margarine Bedeutung. Margarine enthält noch
15 –25% Ölsäure. Bei einer weiteren Hydrierung entstehen Stoffe von der Art des
Hammeltalgs.
Phosphoglyceride (=Phosphatid oder Phospholipide) sind fettähnliche Triglyceride, die zwei
langkettige Fettsäuren und einen Phosphorsäurerest als Ester tragen. Sie kommen in allen
tierischen und pflanzlichen Zellen vor. Diese Substanzen spielen in Aufbau und Funktion
76
biologischer Membranen eine sehr wichtige Rolle. Ein wichtiges Phosphatid ist z.B. das
Lecithin
O
O
R
C
H2 C
O
O
CH
H2 C
C
R
O
O
P
CH3
O
CH2
CH2
O
N
+
CH3
CH3
Lecithin = O-Phosphatidyl-cholin
Es fällt auf, dass die natürlich vorkommenden Fettsäuren fast immer eine gerade Anzahl von
Kohlenstoffatomen besitzen. Dies ist dadurch begründet, dass diese Substanzen biologisch
aus Essigsäure-Bausteinen (aktivierte Essigsäure, C2-Einheiten) aufgebaut werden.
Bei der alkalischen Hydrolyse von Fetten entstehen die Seifen (siehe Kapitel 14.2). Bei der
Verseifung mit Natronlauge erhält man zunächst die fettsauren Natriumsalze als Seifenleim.
Beim Aussalzen mit Natriumchlorid wird das Löslichkeitsprodukt der Seife überschritten und
diese scheidet sich in der Hitze als flüssige Schicht ab, die beim Erkalten als „Seifenkuchen“
erstarrt.
77
16. Hydroxycarbonsäuren
16.1. Nomenklatur der Hydroxycarbonsäuren
HO
CH2
COOH
Hydroxyessigsäure = Glycolsäure
H3C
CH
COOH
α-Hydroxypropionsäure = Milchsäure
OH
HO
HO
CH2
CH2
COOH
ß-Hydroxypropionsäure
CH2
CH2
CH2
COOH
γ-Hydroxybuttersäure
COOH
o-Hydroxybenzoesäure = Salicylsäure
OH
HOOC
CH
CH
OH
OH
H2C
HO
C
H2C
COOH
Weinsäure
COOH
Zitronensäure
COOH
COOH
16.2. Darstellung von Hydroxycarbonsäuren
Die Hydroxycarbonsäuren können aus den entsprechenden Halogencarbonsäuren durch eine
nucleophile Substitutionsreaktion mit Natronlauge dargestellt werden.
H3 C
+
COOH
CH
HO
H3 C
Br
CH
COOH
+
Br
OH
Ein weiteres Verfahren zur Darstellung von α-Hydroxycarbonsäuren beruht auf der Verseifung von Cyanhydrinen (vgl. Kapitel 20.3). Die Cyanhydrine lassen sich durch Addition von
Cyanid an Aldehyde darstellen (s. Kapitel 13.4).
O
O
H3 C
+
C
N
H3 C
C
H
+ 2 H2O/H+
- NH3
C
H
H3 C
CH
COOH
OH
78
C
N
+ H2O
- HO-
OH
H3 C
C
H
C
N
Die Milchsäure, die in den beiden obigen Beispielen hergestellt wird, spielt eine wichtige
Rolle im Kohlenhydrat-Abbau des Organismus.
16.3. Reaktionen von Hydroxycarbonsäuren
α-, ß-, γ- und δ-Hydroxycarbonsäuren zeigen beim Erhitzen unterschiedliches Verhalten. αHydroxycarbonsäuren, wie die Milchsäure, liefern dabei intermolekulare, cyclische Doppelester, die Lactide genannt werden.
O
O
O
H3C
H
+
CH
C
HO
OH
O
C
HC
H
CH3
H3C
Δ
O
C
HC
CH
C
O
CH3
+
2 H2O
O
O
ß-Hydroxycarbonsäuren spalten dagegen intramolekular Wasser unter Bildung einer α,ßungesättigten Carbonsäure, ab. Es entsteht dabei ein durch Mesomerie stabilisiertes,
konjugiertes System.
H3 C
CH
CH2
COOH
H3C
Δ
OH
CH
CH
COOH
+
H 2O
Crotonsäure
γ- und δ-Carbonsäuren spalten ebenfalls intramolekular Wasser ab. Hierbei entstehen jedoch
cyclische Ester, die Lactone genannt werden.
H 2C
CH2
CH2
COOH
+
O
Δ
H2O
O
OH
γ-Butyrolacton
O
H 2C
OH
CH2
CH2
CH2
COOH
Δ
O
+
H2O
δ-Valerolacton
16.4. Stereoisomere der Weinsäure
Die Weinsäure besitzt zwei Asymmetriezentren (*). Beide können zu einer Links- oder
Rechtsdrehung der Ebene des polarisierten Lichts führen. Im Allgemeinen kann eine
Verbindung mit n Asymmetriezentren 2n Isomere haben. Das wären hier vier Isomere. Aus
Gründen der Symmetrie im Molekül sind bei der Weinsäure die folgenden Strukturen 1 und 2
jedoch identisch; das Molekül darf in der Papierebene um 180° gedreht werden. Die beiden
Asymmetriezentren drehen die Ebene des polarisierten Lichts um den gleichen Betrag aber
mit unterschiedlichem Vorzeichen. Dadurch wird der Drehsinn intramolekular kompensiert
und die Verbindung ist optisch inaktiv. Man nennt diese Verbindung Mesoweinsäure (1 = 2).
79
Die beiden Strukturen 3 und 4 verhalten sich wie Bild zu Spiegelbild und werden als DWeinsäure (3) und L-Weinsäure (4) benannt. Es handelt sich hierbei also um Enantiomere.
Die Mesoweinsäure nimmt konfigurativ in Bezug auf die beiden optisch aktiven Weinsäuren
eine Sonderstellung ein. Sie ist kein Spiegelbildisomeres zur D- und L-Weinsäure, sondern
steht zu diesen im Verhältnis der Diastereomerie. Die Diastereomerie tritt nur bei
Verbindungen mit zwei oder mehreren Asymmetriezentren auf. Sie liegt dann vor, wenn nur
ein Teil der Asymmetriezentren gespiegelt sind und die restlichen übereinstimmen. In
Diastereomeren sind die Abstände der Atomgruppen im Molekül verschieden; sie besitzen
daher unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften.
COOH
COOH
COOH
H
C*
OH
HO
C
H
HO
C
H
H
C * OH
HO
C
H
H
C
OH
COOH
H
C
OH
HO
C
H
COOH
COOH
COOH
COOH
1
2
3
4
Das Gemisch aus gleichen Teilen von D- und L-Weinsäure, also das Racemat, wird auch als
Traubensäure bezeichnet.
16.5. Zitronensäure
Unter den Hydroxytricarbonsäuren besitzt die Zitronensäure biologische Bedeutung. Sie
entsteht beim Abbau der Kohlenhydrate. Diese Verbindung besitzt kein Asymmetriezentrum,
ist also nicht optisch aktiv.
80
17. Ketocarbonsäuren
17.1. Nomenklatur der Ketocarbonsäuren
Ketocarbonsäuren besitzen neben der Carboxylgruppe eine Ketogruppe. Je nach der Stellung
der beiden Gruppen zueinander unterscheidet man zwischen α-, ß-, γ-Ketocarbonsäuren usw.
H3C
C
COOH
Brenztraubensäure
COOH
Acetessigsäure
(in freier Form nicht beständig)
O
C
CH3
CH2
O
17.2. α-Ketocarbonsäuren
Die einfachste α-Ketocarbonsäure ist die Brenztraubensäure, die bei der alkoholischen
Gärung und im Zitronensäurecyclus auftritt. Sie entsteht auch bei der thermischen Zersetzung
von Weinsäure durch Abspaltung von Wasser und Kohlendioxid. Diese Reaktion begründet
den Namen der Verbindung.
HOOC
HOOC
CH
CH
OH
OH
CH2
C
COOH
COOH
- H2O
HOOC
Δ
C
CH
COOH
OH
- CO2
H3C
C
COOH
O
O
Eine allgemeine Darstellungsmethode von Ketocarbonsäuren ist die Oxidation einer
entsprechenden Hydroxycarbonsäure.
Eine für α-Ketocarbonsäuren typische Reaktion tritt beim Erwärmen mit konz. Schwefelsäure
ein; sie spaltet Kohlenmonoxid ab. Aus Brenztraubensäure entsteht dabei Essigsäure. Man
spricht hier von einer Decarbonylierung.
H3 C
C
COOH
(H+ )
H3 C
COOH
+
CO
O
17.3. ß-Ketocarbonsäuren
Die ß-Ketocarbonsäuren besitzen in der organischen Chemie und in der Biochemie besondere
Bedeutung. Die einfachste Säure dieser Gruppe ist die Acetessigsäure, die nicht sehr
beständig ist, und unter Decarboxylierung zerfällt. (siehe Ketonspaltung in diesem Kapitel).
Die Ester der Acetessigsäure sind dagegen beständig. Die Darstellung von
Acetessigsäureester erfolgt durch die Claisen’sche Esterkondensation. Diese tritt unter dem
Einfluss von Alkoholat, das ein Proton am α-Kohlenstoffatom von Essigester abspaltet, ein.
81
Diese Reaktion ist ähnlich der Aldolkondensation (s. Kapitel 13.7). Mit Natronlauge als Base
würde hier aber nur der Ester hydrolysiert.
CH3 CH2 O
-
O
+
O
CH2
H CH2 C
O
O
CH3 C CH2 C
O
-
CH3 C
CH2
C
O C2H5
O C2H5
O
C2H5 OH
O C2H5
O C2H5
O
+
C
O C2H5
O
+
CH3 C CH2 C
CH3 CH2 O
O C2H5
-
O C2H5
Obige Reaktion ist umkehrbar durch Behandlung eines Acetessigsäureesters mit Natronlauge.
Hierbei wird sowohl der Ester verseift als auch die Bindung zwischen C-2 und C-3 gespalten.
Da hierbei zweimal das Salz der Essigsäure entsteht, hat man diese Reaktion als
Säurespaltung bezeichnet.
O
O
O
CH3 C CH2 C
O
CH3 C CH2 C
OH
O C2H5
O C2H5
- OH
O
+
CH3 C
O
CH2
C
OH
O
O
+
CH3 C
O
O C2H5
-
CH3 C
OH
O
2
+
CH3 C
C2H5OH
O -
O C2H5
Wird dagegen Acetessigester mit einer Mineralsäure behandelt, so wird Kohlendioxid
abgespalten und es entsteht ein Keton, hier Aceton. Deshalb wird diese Reaktion als Ketonspaltung bezeichnet.
82
O
O
O
+ H2O/H+
CH3 C CH2 C
O
+
CH3 C CH2 C
O C2H5
OH
Acetessigsäure
= 3-Oxobutyrat
Acetessigester
H
O
O
C
C
H3C
C2H5OH
OH
- CO2
O
H3C C CH2
H3C C CH3
O
C
H2
Die CH2-Gruppe zwischen der Carbonyl- und der Carboxyl-Funktion ist besonders CH-acide,
da das Anion nach beiden Seiten durch Mesomerie stabilisiert wird.
O
O
+ R
CH3 C CH2 C
O C2H5
O
- R
O
OH
O
O
CH3 C C
C
H
O C2H5
O
O
CH3 C CH C
O
CH3 C CH C
O C2H5
O C2H5
Dadurch können solche Verbindungen in dieser Position alkyliert oder acyliert werden.
O
O R
O
CH3 C C
H
+
C
R
Cl
CH3 C C
H
O C2H5
O
+
C
Cl
O C2H5
R = Alkylrest (z.B. CH3) oder Acylrest (z.B. CH3CO)
Ein ß-Ketocarbonsäureester wird wesentlich leichter enolisiert als ein einfaches Keton, da
sich eine Wasserstoffbrücke ausbilden kann und ein konjugiertes System entsteht.
O
O
O
CH3 C CH2 C
H3C
O C2H5
C
H
C
H
83
O
C
O
C2 H5
18. Aminosäuren
Neben den Hydroxycarbonsäuren stellen die Aminocarbonsäuren eine wichtige Stoffklasse
dar. Besondere Bedeutung kommt den α-Aminocarbonsäuren (kurz: Aminosäuren) zu. Aus
ihnen sind die Peptide und Proteine (siehe Kapitel 23) aufgebaut. Sie haben folgende,
allgemeine Struktur:
R
COOH
CH
NH2
Außer wenn R gleich H ist (Glycin), haben alle Aminosäuren ein asymmetrisches α-Kohlenstoffatom und sind somit optisch aktiv.
18.1. Nomenklatur der Aminosäuren
Typ
Name
Formel Code1) Funktion
MonoaminoGlycin
monocarbonsäure
1
Gly/G
dito
Alanin
2
Ala/A
dito
Serin
3
Ser/S
dito
Cystein
4
Cys/C
dito
Cystin
5
dito
Phenylalanin*
6
Phe/F
Ausgangsstoff für die Bildung des
Tyroxins, Adrenalins usw.; bei Fehlen
Störungen der Schilddrüsen- und
Nebennierenrinden-Funktion
dito
Tyrosin
7
Tyr/Y
Bildung von Melanin; Haarfarbe
dito
Threonin*
8
Thr/T
Zur Verwertung der Aminosäuren der
Nahrung
dito
Methionin*
9
Met/M Für das Wachstum des Körpers und
der Haare. Leber-Schutzfunktion. Bei
Fehlen Leberverfettung, Muskelatrophie und Anämie
dito
Valin*
10
Val/V
dito
Leucin*
11
Leu/L Zum Aufbau der Plasma- und
Gewebe-Eiweißkörper
dito
Isoleucin*
12
Ile/I
Zur Verwertung der Aminosäuren der
Nahrung. Fehlen bewirkt
Gewichtsabnahme
Diamino-
Arginin*
13
Arg/R
Für das Wachstum des Körpers
Aufbau der Plasma-Eiweißstoffe,
Entgiftung tox. Stoffwechselprodukte
84
Notwendig zur normalen Funktion
des Nervensystems. Bei Fehlen
Hyperästhesie und Krämpfe
monocarbonsäure
dito
Lysin*
14
Lys/K
Monoaminodicarbonsäure
Asparaginsäure
15
Asp/D
dito
Asparagin
16
Asn/B
dito
Glutaminsäure
17
Glu/E
dito
Glutamin
18
Gln/Q
Heterocyclische
Aminosäuren
Prolin
19
Pro/P
dito
Hydroxyprolin
20
dito
HC
CH
dito
CH3
3
Für das Wachstum des Körpers. Bei
Fehlen Zwergenwuchs
Das Mononatriumsalz steigert die
geistige Leistungsfähigkeit. In der
Lebensmittelindustrie verschiedenen
Extrakten zur Geschmackssteigerung
zugesetzt
Kollagen
Trp/W Für die Bildung des Augenpigments.
CH2Tryptophan*
CH COOH 21 H3C
CH2 CH CH COOH
Fehlen bedingt Haarausfall. Star
NH2
NH2 des Blutfarbstoffs
His/H FürCH
die3Bildung
Histidin*
22
sowie verschiedener
Nucleinsäuren.
11
12
Fehlen bedingt Anämie
1)
es zwei verschiedene
Systeme,Hdas
SymbolCH
mit drei
Buchstaben
HBei
N dem
COOH
N ältereCH
C Code
NH gibt CH
CH COOH
2
2
2
2
4
3
und das neuere mit einem Buchstaben.
NH2den Menschen essentiell, können NH
* DieseNH
Aminosäuren sind für
also2 von ihm nicht
synthetisiert werden und
müssen
deshalb
dem
Körper
mit
der
Nahrung
zugeführt
werden.
14
13
COOH
CH
HOOC
CH
2
H3C COOH
CH COOH
H2N
CH
2
NH2
HC
CH
COOH
CH2
CH2
S
NH2
S
NH2
H2 C
2
15
2
HOOC
CH
CH
COOH
CH
CO
H2 N
COOH
NH2
H2 C
CH2
N
6
OH
H2 C
CH2
CH
N
S
CH3
NH2
NH2
O
COOH
CH2
CH
HI3C
COOH
COOH
CH2
CH
H
N
H
CH
CH
CH2 2 CH
CH2
NH2
25
NH2
NH2
CH
COOH
NH2
CH
NH2
CH2
10
21
COOH
CH
COOH
NH2
24
23
C
COOH
CH
CH
72
I
I
N
HOOC
COOH
NH2
CH
N3
HO
9
H
NH
2
Die folgende
Aminosäuren vor:
19 Tabelle stellt noch einige
20seltenere
I
CH
18
HO
8
SH NH2
4
17
OH
COOH
CH
16
COOH
I
H3C I CH COOH
CH COOH
H
H2 C
H2 C
COOH
NH2
3
NH2
5
HO
2
OH NH2
NH2 11 NH2
1
CH
CH COOH
CH
H
C
CO
2
H2N85 C
COOH
COOH
NH
22
NH
C
CH2
O
CH2
CH
NH2
26
COOH
Name
Strukturformel
Herkunft
Funktion
ß-Alanin
H2N-CH2-CH2-COOH
Pantothensäure
α-Aminobuttersäure
CH3-CH2-CH(NH2)-COOH
Corynebacteriu
m diphtheriae
γ-Aminobuttersäure
H2N-CH2-CH2-CH2-COOH
Bakterien, Hefe, Transmitter
Pflanzen
im Gehirn
α,ε-Diamino- HOOC-CH(NH2)-(CH2)3-CH(NH2)-COOH Corynebacteriu
m diphtheriae
pimelinsäure
Struktur 23, s.o.
Thyreoglobulin
Diiodtyrosin Struktur 24, s.o.
Thyreoglobulin
ß-Thiovalin
(CH3)2C(SH)-CH(NH2)-COOH
Penicillin
Lanthionin
S[CH2-CH(NH2)-COOH]2
Subtilin
Thyroxin
Djenkolsäure CH2[S-CH2-CH(NH2)-COOH]2
Djenkelnüsse
γ-Methylen- Struktur 25, s.o.
glutaminsäure
Erdnuss
α,γ-Diamino- H2N-CH2-CH2-CH(NH2)-COOH
buttersäure
Polymyxine
Ornithin
Polypeptide
H2N-CH2-CH2-CH2-CH(NH2)-COOH
Hydroxylysin H2N-CH2-CH(OH)-(CH2)2- CH(NH2)-COOH
Kollagen
Citrullin
H2N-CO-NH-(CH2)3-CH(NH2)-COOH
Wassermelone,
Cassein
Canavanin
Struktur 26, s.o.
Sojabohne
Hormon d.
Schilddrüse
Harnstoffcyclus
Harnstoffcyclus
18.2. Essentielle Aminosäuren
Wie schon oben erwähnt, kann der menschliche Körper nicht alle Aminosäuren synthetisieren. Nachfolgende Tabelle zeigt den täglichen Mindestbedarf in mg/kg Körpermasse.
Aminosäure
Isoleucin
Leucin
Lysin
Methionin
Phenylalanin
Threonin
Tryptophan
Valin
Kind
126
150
103
45
90
87
22
105
86
Mann
450
620
500
550
1.120
300
160
650
Frau
700
1.100
800
1.010
1.400
500
250
800
18.3. Eigenschaften von Aminosäuren
Aminosäuren enthalten eine basische (NH2) und eine saure (COOH) Gruppe im selben
Molekül. Sie liegen deshalb zwitterionisch vor. Man nennt dies die Betainstruktur.
O
R
CH
H3N
+
C
O
Die zwitterionische Struktur der Aminosäuren kann durch ihr elektrophoretisches Verhalten
nachgewiesen werden. Bei einem gewissen pH-Wert, dem isoelektrischen Punkt, wandern die
Aminosäuren unter der Wirkung einer angelegten Spannung nicht.
Durch Zugabe von Säure wird aus dem nach außen neutralen Zwitterion ein Kation gebildet,
das bei der Elektrophorese zur Kathode wandert, während durch Zugabe von Base der
Ammoniumcharakter aufgehoben wird und das entstehende Anion zur Anode wandert.
Nachfolgend ist die Titrationskurve von Glycin mit der zugehörigen Reaktionsgleichung
abgebildet.
pH
9,60
pK2
5,97
isoelektrischer Punkt
2,34
pK1
0,0
0,5
O
R
CH
H3 N
+
C
OH
+ HO
1,0
1,5
2,0 Mol NaOH pro Mol Glycin
O
R
CH
H3 N
+
C
O
+ HO
O
R
CH
H2 N
C
O
Der pH-Wert des Zwitterions (= isoelektrischer Punkt) ist von der Struktur der Aminosäure
abhängig und stellt eine charakteristische Größe dar. Glycin hat den isoelkrtischen Punkt bei
pH 5,97.
Wie schon erwähnt, sind außer Glycin alle Aminosäuren optisch aktiv. Sie kommen natürlich
überwiegend in der L-Form vor, wie z.B. Alanin:
87
COOH
H2N
C*
COOH
H
C*
H2N
CH3
H
CH3
18.4. Darstellung von Aminosäuren
Die Darstellung von Aminosäuren kann durch Umsetzung von Halogencarbonsäuren mit
Ammoniak durch eine nucleophile Substitution erfolgen. Nach diesem Verfahren sind sowohl
α- als auch β- und γ-Aminosäuren zugänglich.
R
CH
O
+ 3 NH3
COOH
R
- NH4Cl
Cl
CH
C
NH2
NH4+
O
α-Aminosäuren können auch nach der so genannten Strecker-Synthese dargestellt werden.
Hierbei geht man von einem Aldehyd aus, der ein Kohlenstoffatom weniger als die herzustellende Aminosäure hat, und setzt diesen mit Ammoniak und Cyanid um.
O
R
C
+ NH3
- H 2O
H
R
CH
C
N
NH
R
+ -CN
C
H
+ 2 H2O/H+
R
CH
C
+ H2O
N
- HO-
HN
R
NH2
CH
COOH
+
NH3
NH2
Eine weitere Synthese geht, wie der biochemische Weg (Transaminierung, vgl. Kapitel 18.7),
von α-Ketocarbonsäuren aus. Mit Ammoniak wird zuerst die entsprechende Schiff’sche Base
hergestellt, die anschließend zum Amin reduziert wird.
R
C
O
COOH
+ NH3
- H 2O
R
C
NH
COOH
H2/Pt
R
CH
COOH
NH2
18.5. Reaktionen von Aminosäuren
Aminosäuren reagieren wie Amine und Carbonsäuren. So bilden sie z.B. CarbonsäureDerivate. Hier sind vor allem die Amide zu erwähnen. Zwei oder mehrere Aminosäuren
können sich unter Wasserabspaltung zu Amiden verbinden. Dabei entstehen Peptide und
Proteine (siehe Kapitel 23).
Aminosäuren können wie primäre, aliphatische Amine durch ihre Reaktion mit salpetriger
Säure nachgewiesen werden (vgl. Kapitel 11.4). Diese Methode kann man durch gasvolumetrische Messung des entstehenden Stickstoffs quantitativ auswerten (van Slyke).
88
R
COOH
CH
NaNO2/H+
NH2
R
COOH
CH
+
N2
OH
Weiterhin dient der sehr empfindliche Ninhydrin-Test für den Nachweis von Aminosäuren,
mit dem noch 0,1 mMol durch ihre intensive Farbreaktion zu erkennen sind.
O
O
OH
+
OH
O
Ninhydrin
COOH
H2N C H
R
Aminosäure
COOH
N C H
R
- 2 H2O
O
O
O
H
N C H
R
- CO2
H
N C
O
R
O
O
O
H
O
H
- R-CHO
H
N C OH
O H R
NH2
O
O
O
H
HO
H O
- 2 H2O
+
NH2
O
+ H2O
H
N
HO
O
O
O
O H
O
N
O
O
blauer Farbstoff
89
18.6. Biogene Amine
Biogene Amine entstehen durch Decarboxylierung von Aminosäuren; sie unterscheiden sich
also von diesen durch das Fehlen der Carboxylgruppe. Im Körper verläuft dieser Abbau über
eine Schiff’sche Base durch Reaktion mit einem Aldehyd (Pyridoxalphosphat) ab.
R CH
COOH
NH2
+
H
O
HO P O
C
R CH
O
HO P O
OH
H2 C
- H 2O
OH
N
H
O
C
OH
OH
N
HO P O
- CO2
N
+ H 2O
OH
H2 C
CH3
R CH2 NH2
R CH2
O
N
H2 C
CH3
H
COOH
H
O
HO P O
OH
+
C
O
OH
H2 C
OH
N
CH3
N
CH3
Die wichtigsten biogenen Amine (R-CH2-NH2 in obigem Schema) und deren Derivate sind:
N
CH2 CH2 NH2
Histamin
N
CH2 CH2 NH2
Tyramin
H
CH2 CH2 NH2
OH
Tryptamin
CH2 CH2 NH2
N
H
Dopamin
HO
CH2 CH2 NH2
HO
OH
Serotonin
HO CH
N
H
CH2 NH2
Noradrenalin
CH2 CH2 N(CH3)2
HO
HO
OH
Bufotenin
HO CH
N
H
CH2 NH CH3
Adrenalin
HO
OH
Cadaverin [H2N-(CH2)5-NH2] entsteht durch Decarboxylierung von Lysin durch Bakterien im
Darm oder bei der Verwesung von Leichen. Es trägt zum Verwesungsgeruch bei.
90
18.7. Transaminierung
Über einen anfänglich gleichen Weg, die Schiff’sche Base (1) einer Aminosäure mit
Pyridoxalphosphat, verläuft die Transaminierung. Durch eine Tautomerie lagert sich (1) in
eine isomere Schiff’sche Base (2) um. Durch Hydrolyse wird (2) in eine α-Ketocarbonsäure
(4) und Pyridoxaminphosphat (3) gespalten. 3 reagiert nun mit einer anderen α-Ketocarbonsäure (5) zur Schiff’schen Base 6, die zu 7 tautomerisiert. Hydrolyse von 7 liefert eine
Aminosäure und Pyridoxalphosphat. Letztendlich wird also die Aminogruppe einer Aminosäure übertragen, wodurch eine andere Aminosäure neu gebildete wird.
R CH
COOH
NH2
H
O
HO P O
+
C
R CH
O
OH
H2C
H
O
OH
N
HO P O
- H2O
COOH
N
C
OH
H2C
OH
CH3
N
1
CH3
R C COOH
4
O
+
R C COOH
O
HO P O
H2 C
NH2
N
OH
H2C
O
+ H2O
HO P O
OH
CH2
OH
H2C
OH
N
2
R'
CH3
N
3
C COOH
5
O
+
R'
NH2
O
HO P O
O
CH2
HO P O
OH
H2C
OH
C COOH
N
H2 C
OH
H2C
OH
N
3
CH3
6
R'
R'
H
O
HO P O
CH3
C
CH
CH3
CH
COOH
NH2
COOH
N
OH
H2C
N
H
O
+ H2 O
HO P O
OH
+
C
O
OH
H2C
OH
7
N
CH3
N
91
CH3
19. Sulfonsäuren
Sulfonsäuren haben C–SO3H als funktionelle Gruppe wobei der Schwefel direkt an Kohlenstoff gebunden ist. Ihre Acidität ist wesentlich stärker als die der Carbonsäuren. Die Salze
werden Sulfonate genannt. Die Monosulfonsäuren höherer Alkane dienen als Ausgangsmaterial für die Herstellung synthetischer Waschmittel. Zu den am meisten produzierten
Detergenzien gehören die Alkylbenzolsulfonate mit einem Alkylrest, der 8 bis 14 Kohlenstoffatome enthält. Diese synthetischen Waschmittel haben gegenüber den Seifen den Vorteil,
dass sie keine unlöslichen Calciumsalze bilden.
O
O
CH3
CH2
n
S
O
O
S
O
O
Alkylsulfonat
Alkylbenzolsulfonat
CH3
CH2
n
CH
CH2
m
CH3
Wie bei den Carbonsäuren gibt es auch bei den Sulfonsäuren analoge Derivate wie z.B.
Sulfonsäureester, -amide und –halogenide.
O
R
S
O
O
CH3
O
R
S
O
NH2
O
Sulfonsäureester
R
S
Cl
O
Sulfonsäureamid
Sulfonsäurechlorid
Am reaktivsten sind, wie bei den Derivaten der Carbonsäuren, die Sulfonsäurehalogenide. Sie
reagieren mit Ammoniak oder Aminen zu den Sulfonsäureamiden. Diese besitzen vielfach
pharmazeutische Bedeutung infolge ihrer bakteriziden Wirksamkeit. Sulfanilamid, besonders
aber die sich davon ableitenden Sulfonamide, sind wirksame Chemotherapeutika gegen
Bakterien-Infektionen. Im Bereich der Tiermedizin sind hier z.B. Sulfadiazin und
Sulfadimidin zu nennen.
R
O
S
H2N
O
NH2
H2 N
O
S
N
NH
O
Sulfanilamid
N
Sulfadiazin: R = H
R
Sulfadimidin: R = CH3
Als Beispiel aus dem Bereich der Humanmedizin sei noch das Sulfamethoxazol erwähnt.
92
CH3
O
S
H2N
NH
N
O
O
Sulfamethoxazol
Auch der Süßstoff Saccharin ist ein Derivat einer Sulfonsäure; es ist ein gemischtes Imid aus
einer Sulfon- und einer Carbonsäure.
O
C
N
S
O
H
O
93
Saccharin
20. Nitrile
20.1. Nomenklatur der Nitrile
Nitrile kann man als Ester der Blausäure auffassen. Sie besitzen eine CN-Dreifachbindung.
Acetonitril
H3 C
C
H3 C
CH2
C
H3 C
CH2
CH2
N
C
N
Propionitril
N
C
n-Butyronitril
N
Cyanessigsäure
COOH
CH2
20.2. Darstellung von Nitrilen
Nitrile lassen sich durch eine nucleophile Substitution (s. Kapitel 5.3) aus Alkylhalogeniden
mit Cyanid oder durch Addition von Cyanid an Aldehyde und Ketone (s. Kapitel 13.4) zum
Cyanhydrin darstellen.
N
+
C
H3C
I
H3C
O
H3 C
+
C
N
C
C
I
OH
+ H 2O
H3C
- HO-
H
+
N
CH
C
N
20.3. Reaktionen von Nitrilen
Nitrile werden durch Säuren oder Basen über die Zwischenstufe der Säureamide unter
Bildung von Carbonsäuren hydrolysiert.
a) Saure Hydrolyse eines Nitrils:
H3 C
C
N
+
H
O
H3 C
H3 C
+
H3 C
C
N
+
H
H3 C
H
C
NH
O
C
C
+
NH
H
+ H2O
+
H2O/H+
OH
H3 C
- H+
NH
O
H3 C
NH2
C
OH
94
C
+
NH3
b) Basische Hydrolyse eines Nitrils:
OH
H3 C
C
N
+
HO
H3 C
C
- HO
N
O
H3 C
C
H2O/HO-
NH2
+ H 2O
O
H3 C
C
O
95
OH
H3C
C
NH
+
NH3
21. Aromaten
Der „Standardvertreter“ der aromatischen Verbindungen ist das Benzol. Die Bezeichnung
„aromatische Verbindungen“ geht auf einige aus Pflanzen isolierte Abkömmlinge des
Benzols mit angenehmem, aromatischem Geruch zurück. Aus der Summenformel des
Benzols (C6H6) geht hervor, dass es sich um eine stark ungesättigte Verbindung handelt.
Dennoch unterscheidet es sich von den Alkenen. Im Gegensatz zu diesen zeigt das Benzol
eine sehr geringe Bereitschaft zu Additionsreaktionen und geht bevorzugt Substitutionsreaktionen ein. Kekulé schlug 1865 für das Benzol die folgende Struktur vor:
H
H
H
H
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
C
C
C
C
H
C
C
H
H
H
H
C
C
C
C
H
H
H
a
b
c
b
c
C
C
H
H
oder kurz:
a
Dass die beiden Formeln a und b identisch sind, erkennt man dadurch, dass die folgenden
Strukturen keine isomeren Verbindungen sondern dasselbe Molekül darstellen.
CH3
CH3
CH3
CH3
Das Benzol ist also nicht als Cyclohexatrien aufzufassen, sondern als ein planarer, gleichseitiger Sechsring mit einer geschlossenen π-Elektronenwechselwirkung. Die Orbitale der πElektronen stehen senkrecht auf der Ringebene. Alle sechs Kohlenstoffatome sind gleichwertig und haben den gleichen Bindungsabstand (0,139 nm), der zwischen dem einer C=CDoppelbindung (0,134 nm) und einer C-C-Einfachbindung (0,154 nm) liegt, zu den beiden
nächsten Kohlenstoffnachbarn. Die Wechselwirkung der π-Elektronen bewirkt eine Senkung
des Energieniveaus des Benzols gegenüber dem des hypothetischen Cyclohexatriens. Der
Energieunterschied kann aus der Hydrierwärme des Benzols bestimmt werden. Die
Hydrierwärme des Cyclohexens zum Cyclohexan beträgt ΔH=-119,7 kJ/Mol. Danach sollte
die Hydrierwärme des hypothetischen Cyclohexatriens zum Cyclohexan ΔH= 3 x (-119,7
kJ/Mol) = -359,1 kJ/Mol betragen. Die Hydrierwärme des Benzols wurde aber zu -208,4
kJ/Mol bestimmt. Danach kommt dem Benzol eine Stabilisierungsenergie von 150,7 kJ/Mol
zu. Der größte Teil davon wird durch die Delokalisierung der π-Elektronen bewirkt. Man
nennt dies Resonanz- oder Mesomerieenergie. Diese Tatsache wird durch obige Struktur c
symbolisiert. Nach quantenchemischen Berechnungen von E. Hückel sollen sich allgemein
96
monocyclische, planare Systeme mit (4n + 2) π-Elektronen (n = 0, 1, 2, 3, usw.) gleichfalls
durch eine ausgeprägte π-Elektronendelokalisierung auszeichnen und im Grundzustand eine
dem Benzol ähnliche thermodynamische Stabilität besitzen („aromatischer Charakter“). Im
Einklang mit der Hückel-Regel besitzen Cyclobutadien und Cyclooctatetraen keinen
„aromatischen Charakter“. Sie haben vier bzw. acht π-Elektronen und das ist keine Lösung
der Gleichung (4n + 2) mit n gleich Null oder einer positive, ganze Zahl.
Cyclooctatetraen
Cyclobutadien
21.1. Nomenklatur der Aromaten
Die Nomenklatur der aromatischen Verbindungen ist leider wenig systematisch; viele
Substanzen besitzen Trivialnamen.
CH3
H2 C
CH3
HC
Ethylbenzol
Styrol
CH2OH
OH
O
Benzylalkohol
Phenol
Toluol
NO2
CH2
O
C
CH
CH3
Cumol
CH3
Anisol
CHO
H3C
NH2
Anilin
CH3
Nitrobenzol
Benzaldehyd
Acetophenon
F
Cl
Br
Fluorbenzol
Chlorbenzol
Brombenzol
COOH
Benzoesäure
SO3H
Benzolsulfonsäure
Man verwendet für die Stellung zweier Substituenten die Buchstaben o- (ortho). m- (meta)
oder p- (para). Ausnahme: zwei Hydroxylgruppen.
97
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
OH
CH3
CH3
o-Xylol
m-Xylol
p-Xylol
o-Kresol
OH
OH
OH
CH3
OH
NH2
OH
OH
Hydrochinon
Resorcin
Brenzcatechin
o-Toluidin
Bei mehr als zwei Substituenten werden die Kohlenstoffatome nummeriert. Die folgende
Abbildung zeigt auch drei bi- bzw. tricyclische Aromaten.
OH
Br
Br
Br
Anthracen
Naphthalin
2,4,6-Tribromphenol
Phenanthren
Weiterhin gibt es heterocyclische Aromaten, also Ringe die nicht nur Kohlenstoff sondern
auch Sauerstoff, Stickstoff oder Schwefel enthalten.
N
N
N
Pyridin
Pyrimidin
N
N
O
S
H
Pyrrol
Furan
Thiophen
N
N
N
N
H
Imidazol
N
N
H
N
H
Purin
Indol
Abschließend seien noch folgende zwei Reste benannt:
98
Chinolin
Phenylrest:
Benzylrest:
CH2
21.2. Elektrophile aromatische Substitution
Mechanistisch steht die elektrophile aromatische Substitution mit der Addition elektrophiler
Agentien an Alkene (s. Kapitel 3.3) in naher Beziehung. In beiden Fällen reagieren
Elektrophile mit π-Elektronensystemen nach einem polaren Mechanismus. Wie im Falle der
Addition an C=C-Doppelbindungen bildet sich auch bei der elektrophilen aromatischen
Substitution nach einem π-Komplex ein Kation (σ-Komplex), das hier aber durch Mesomerie
stabilisiert ist. Es handelt sich aber hierbei nicht mehr um ein aromatisches System. Der σKomplex spaltet nun leicht unter Rückbildung einer aromatischen Verbindung ein Proton ab.
Der allgemeine Mechanismus ist wie folgt:
X
+
X
+
X
H
+
+
π-Komplex
+
X
+
H
X
X
H
+
H
+
σ-Komplex
Zu den wichtigsten Reaktionen des Benzols (und seiner Derivate) nach diesem Mechanismus
gehören die Halgenierung, Nitrierung, Sulfonierung, Alkylierung und Acylierung.
Das Brom ist nicht reaktiv genug, um mit Benzol zu reagieren. Eine Reaktion erfolgt erst
unter dem Einfluss von Katalysatoren. Hierfür werden Lewis-Säuren wie z.B. FeBr3 oder
AlCl3 verwendet. Demgegenüber ist Fluor viel zu reaktiv, als dass mit Benzol ein definiertes
Produkt entsteht.
99
Br
+ Br 2
FeBr 3
H
Br FeBr3
Br
- FeBr 4-
+
π-Komplex
+
X
+
H
Br
Br
H
+
H
+
σ-Komplex
Die Nitrierung von Benzol erfolgt zumeist mit so genannter „Nitriersäure“, das ist ein
Gemisch aus Salpetersäure und Schwefelsäure. Dabei wird zuerst das Nitronium-Ion (NO2+)
als elektrophiles Agens gebildet.
O
O
N
+
O
+
H
H
+
N
+
O
O
O
N
H
+
N
N
+
+
O
H2O
H
NO2
NO2
+
- H+
+
O
O
O
H
O
O
+
+
Benzol wird durch Schwefeltrioxid (aus konz. Schwefelsäure) sulfoniert wobei Benzolsulfonsäure entsteht. Das elektrophile Agens ist das SO3, wobei der Schwefel durch den
Elektronenzug der drei Sauerstoffatome und Protonierung positiviert ist.
O + H+
+ S
O
O
S
O
H
+
O
O
H
SO3H
SO3H
+
- H+
Benzol reagiert nach Friedel und Crafts mit Alkylhalogeniden in Gegenwart von LewisSäuren (z.B. AlCl3) zu Alkylbenzol.
+
H3 C
Cl
AlCl3
H3 C
100
Cl
AlCl3
H
CH3
CH3
AlCl4-
+
+
+
AlCl3 +
HCl
Die Acylierung von Benzol nach Friedel und Crafts mit Carbonsäurehalogeniden führt zu
Arylketonen. Auch diese Reaktion muss mit einer Lewis-Säure katalysiert werden.
O
H3 C
+
C
CH3
AlCl3
C
Cl
AlCl3
Cl
O
H
O
C
+
O
CH3
C
+
AlCl4-
CH3
+
AlCl3 +
HCl
Die bis jetzt formulierten elektrophilen aromatischen Substitutionsreaktionen erfolgten immer
am Benzol. Wir wollen nun klären, welchen Einfluss ein schon vorhandener Substituent auf
diese Reaktionen ausübt. Zum einen kann der vorhandene Substituent die Elektronendichte
im Aromaten erhöhen oder erniedrigen und damit diesen reaktiver bzw. weniger reaktiv
machen. Des Weiteren hat der vorhandene Substituent einen Einfluss auf die Position der
Zweitsubstitution und entscheidet damit, welches Isomer (ortho, meta, para) entsteht.
Substituenten 1.Ordnung (Alkyl-, HO-, RO-, H2N-Gruppen) aktivieren den Aromaten für die
elektrophile Substitution, d.h. die Reaktionsgeschwindigkeit ist größer als bei der Substitution
am Benzol. Gleichzeitig dirigieren diese Substituenten in die ortho- oder para-Position
während das meta-Produkt nicht entsteht. Halogensubstituenten desaktivieren den Aromaten,
doch lenken sie den neu eintretenden Substituenten gleichfalls in die ortho- und paraStellung. Substituenten 2.Ordnung (-NO2, -COOR, - CHO, -CO-R, -CN, -NR3+, -SO2-OR)
desaktivieren den Aromaten, d.h. die Reaktionsgeschwindigkeit ist geringer als die des
Benzols. Zugleich dirigieren diese Substituenten den neu eintretenden Substituenten in die
meta-Position, sofern überhaupt eine Reaktion stattfindet.
Substituenten 1.Ordnung sind Elektronendonatoren und erhöhen die Elektronendichte im
Aromaten. Lässt man die Alkylgruppen unberücksichtigt, ist in allen Fällen der Benzolring
mit einem Atom verbunden, das ein freies Elektronenpaar besitzt. Dieses kann durch
Mesomerie dem Aromaten zur Verfügung gestellt werden. Bei Substituenten 2.Ordnung geht
von dem mit dem Ring direkt verbundenen Atom des Substituenten im allgemeinen eine
Doppelbindung zu einem elektronegativeren Element aus, das durch Mesomerie Elektronen
aufnehmen kann, oder die Gruppe wirkt als Ganzes durch einen starken induktiven Effekt
Elektronen anziehend wie z.B. –CF3 oder –NH3+. Bis auf bei den Halogenen überwiegt immer
der mesomere Effekt den induktiven Effekt. So hat zwar die Hydroxylgruppe durch die
stärkere Elektronegativität des Sauerstoffs gegenüber Kohlenstoff induktiv einen Elektronen
anziehenden Effekt (-I-Effekt) aber der mesomere Effekt (+M-Effekt), wie im Folgenden
Schema gezeigt, überwiegt. Die Halogene haben einen sehr starken –I-Effekt und einen +MEffekt.
101
O
+O
H
+O
H
+O
H
H
-
-
-
Substituenten 2.Ordnung haben einen –I- und einen –M-Effekt. Die funktionelle Gruppe
nimmt Elektronen auf, so dass es zur Ausbildung einer positiven Ladung im Benzolring
kommt. Diese sei im Folgenden am Beispiel einer Carbonyl- bzw. Carboxylgruppe gezeigt:
R
C
O
R
O
C
R
C
O
R
+
C
O
+
+
Der dirigierende Einfluss des ersten, schon vorhandenen Substituenten auf die Angriffsstelle
des zweiten ist durch den Energieinhalt des zwischenzeitlich entstehenden σ-Komplexes zu
erklären. Je weiter die positive Ladung im σ-Komplex delokalisiert ist, d.h. je mehr
mesomere Grenzstrukturen es gibt, umso günstiger ist er.
a) Dirigierende Wirkung eines Substituenten 1.Ordnung:
OH
OH
+
H
Br
- H+
OH
+
Br
Br
+
OH
Br2
OH
+ OH
H
+
Br
Br
OH
OH
H
H
OH
OH
+
H
H
H
+
+ OH
Br
Br
OH
OH
- H+
Br
OH
Br
OH
+
H
Br
- H+
+
+
H
Br
H
102
Br
H
Br
Br
b) Dirigierende Wirkung eines Substituenten 2.Ordnung:
NO2
O + O
- N
NO2
H
H
+
O + O
- N
- H+
NO2
+
NO2
NO2
+
NO2
NO2+
+
NO2
NO2
NO2
H
NO2
NO2
+
H
H
NO2
NO2
H
+
O + O
- N
NO2
- H+
NO2
NO2
NO2
NO2
+
+
+
H
NO2
H
NO2
- H+
H
NO2
NO2
In obigem Schema sind die in Klammer stehenden mesomeren Grenzstrukturen sehr
ungünstig, da hier zwei positive Ladungen (an C und an N) direkt benachbart sind.
21.3. Acidität von Phenolen
Die phenolische OH-Gruppe ist merklich acide, da das entstehende Anion (= Phenolat) durch
Mesomerie stabilisiert ist.
O
OH
+ HO
-
O
-
O
O
-
-
- H 2O
-
21.4. Aromatische Diazoniumsalze und ihre Reaktionen
Primäre aromatische Amine reagieren mit salpetriger Säure wie primäre aliphatische Amine,
nur ist hier das entstehende Diazoniumsalz isolierbar, wenn auch nur in Lösung und unter
Kühlung auf etwa 0°C (zum Mechanismus vgl. Kapitel 11.4). Durch Mesomerie mit dem
aromatischen Rest ist hier das Diazoniumsalz unter den genannten Bedingungen beständig.
103
NH2
N
N
+
Cl
NaNO2/HCl
Die aromatischen Diazoniumsalze reagieren mit zahlreichen Partnern sowohl unter Verlust
als auch unter Erhalt der Diazo-Funktion. Beim Erwärmen spalten sie molekularen Stickstoff
ab und das entstehende Kation reagiert mit Wasser zu Phenol. Diese Reaktion wird als
Phenolverkochung bezeichnet.
N
N
+
OH
+
+ H2O
- H+
- N2
Bei der Sandmeyer-Reaktion werden die aromatischen Diazoniumsalze zu chlorierten
Aromaten bzw. aromatischen Nitrilen umgesetzt.
N
N
+
Cl
+ CuCl
- N2
N
N
+
CN
+ K3[Cu(CN)4]
- N2
Fluor lässt sich nach der Schiemann-Reaktion in Aromaten einführen.
N
N
+
F
BF 4-
+
Δ
N2 +
BF 3
Alle obigen Reaktionen, d.h. Phenolverkochung, Sandmeyer- und Schiemann-Reaktion,
stellen eine nucleophile aromatische Substitution dar. Es wird immer die N2-Gruppe als
Stickstoff abgespalten und gegen ein Nucleophil ausgetauscht.
In der folgenden Reaktion wird die Diazofunktion erhalten. Das Diazoniumsalz greift als
Elektrophil einen anderen, reaktiven Aromaten an. Es kommt hierbei zu einer elektrophilen
aromatischen Substitution wobei Azofarbstoffe entstehen.
104
+ N
HO
+
N
HO
- H+
N
N
Benzol selbst ist nicht reaktiv genug für diese Reaktion; man verwendet deshalb Phenole oder
andere Aromaten mit Substituenten, die die Elektronendichte im Benzolring erhöhen.
21.5. Nucleophile aromatische Substitution
Im vorigen Kapitel haben wir schon nucleophile aromatische Substitutionen (z.B. Phenolverkochung) kennen gelernt. Hierbei ist zuerst der Substituent (Stickstoff) abgespalten
worden, bevor das Nucleophil angreifen konnte.
In aromatischen Halogeniden lässt sich das Halogen nur schwer nucleophil austauschen, da
ein freies Elektronenpaar des Halogens in die Mesomerie des Aromaten einbezogen ist (+ MEffekt). Die nucleophile Substitution des Halogens in aromatischen Halogeniden wird aber
durch Elektronen ziehende Gruppen wie z.B. Nitro-Reste in ortho- oder para-Stellung zum
Halogen erleichtert.
H2N + F
N+ O
+
O
H2N
-
R
N
+ O
O
R
NH
R
O
-
N+ O
O
N
+ O
R
N+ O
-
H2N + F
N+ O
N
+ O
H2N + F
O
O
H2N + F
O
N+ O
N+ O
- HF
N
+ O
O
R
H2 N + F
O
N+ O
O
R
R
O
F
-
O
N
+ O
O
N
+ O
-O N O +
Der Stickstoff greift mit seinem freien Elektronenpaar am stark positivierten Kohlenstoff der
C-F-Gruppe an. Da, wie man weiß, das Fluor nicht gleichzeitig mit dem Angriff abgespalten
wird, muss im aromatischen Rest die negative Ladung zwischenzeitlich stabilisiert werden.
Wie man oben sieht, können die beiden Nitrogruppen die Elektronen (und damit die negative
Ladung) durch Mesomerie aufnehmen. Sie tragen somit zur Stabilisierung der Zwischenstufe
bei.
Diese nucleophile aromatische Substitution ähnelt der SN2-Reaktion am gesättigten Kohlenstoffatom. Im Gegensatz zu dieser verläuft sie jedoch über eine Zwischenstufe; bei der SN2Reaktion gibt es dagegen nur einen Übergangszustand (s. Kapitel 5.3).
105
21.6. Oxidationsreaktionen bei aromatischen Verbindungen
CH-, CH2- und CH3-Gruppen neben einem Benzolrest sind gegen Oxidation empfindlich. So
lässt sich z.B. Toluol mit Kaliumpermanganat über Benzylalkohol und Benzaldehyd zu
Benzoesäure oxidieren.
CH3
CH2OH
COOH
CHO
KMnO4
Benzaldehyd wird schon durch Luftsauerstoff in einer radikalischen Reaktion oxidiert. Die
zwischenzeitlich entstehende Perbenzoesäure oxidiert ein weiteres Molekül Benzaldehyd und
wird selbst zur Benzoesäure reduziert (Synproportionierung).
H
C
O
H
O
O
C
O
COOH
+ C6H5-CHO
+ O2
2
Hydrochinon kann schon unter milden Bedingungen zum Chinon oxidiert werden. Hydrochinon und Chinon bilden das folgende Redoxsystem:
OH
O
-2H
+ 2H
O
OH
Beide Substanzen bilden im Molverhältnis 1:1 einen kristallinen, dunkelgrünen Komplex, das
Chinhydron mit folgender Struktur:
O
O
H
H
O
O
Das chinoide System ist ein wichtiger Chromophor verschiedener organischer Farbstoffe. Im
Tier- und Pflanzenreich sind die Chinone weit verbreitet und erfüllen verschiedene
Funktionen. Zu den Chinonen zählt u.a. das Vitamin K1 und das Ubichinon. Letzteres hat eine
wichtige Funktion in der Atmungskette.
106
21.7. Reduktion von Nitrobenzol
Nitrobenzol, das durch Nitrierung von Benzol leicht zu erhalten ist (s. Kapitel 21.2), kann mit
Eisen und Salzsäure zu Anilin reduziert werden. Die Reaktion verläuft stufenweise über
Nitrosobenzol (1) und Benzolhydroxylamin (2).
NO2
N O
H N OH
Fe/HCl
1
2
107
NH2
22. Kohlenhydrate
Die Kohlenhydrate sind im pflanzlichen und tierischen Organismus weit verbreitet und
gehören zu den wichtigsten Naturstoffen. Die Bezeichnung „Kohlenhydrat“ beruht auf ihrer
allgemeinen Summenformel Cn(H2O)m. Sie werden auch als Zucker oder Saccharide (griech.
Zucker) bezeichnet. Diese Elementarzusammensetzung war schon Ende des 18. Jahrhunderts
bekannt. Erste Berichte über die Abtrennung von Milchzucker aus der Milch datieren aus dem
16. Jahrhundert. Die Grundlage der Chemie der Kohlenhydrate erbrachte Emil Fischer
zwischen 1884 und 1919.
Die Kohlenhydrate werden von grünen Pflanzen durch Photosynthese aus Kohlendioxid und
Wasser aufgebaut. Die vereinfachte Summenreaktionsgleichung dafür lautet:
hν
n CO2 + n H2O
CnH2nOn + n O2
In der Klasse der Kohlenhydrate werden die einfachen Zucker als Monosaccharide sowie
deren Kondensationsprodukte aus zwei bis neun Molekülen als Oligosaccharide und die
höhermolekularen als Polysaccharide bezeichnet. Charakteristisch für die Namen der Zucker
ist die Endsilbe „-ose“.
22.1. Monosaccharide
22.1.1. Nomenklatur von Monosacchariden
Die Monosaccharide enthalten neben einer Carbonylfunktion zwei bis sieben Hydroxylgruppen. Die Klassifizierung beruht auf der Anzahl der Kohlenstoffatome: Triosen (C3H6O3),
Tetrosen (C4H8O4), Pentosen (C5H10O5), Hexosen (C6H12O6), Heptosen (C7H14O7) und
Octosen (C8H16O8). Weiterhin unterscheidet man je nach Art der Carbonylgruppe; Aldosen
haben eine Aldehydfunktion und Ketosen eine Ketogruppe. Die wichtigsten Monosaccharide
sind die Pentosen und Hexosen; aber auch Triosen, Tetrosen und Heptosen kommen in der
Natur vor; z.B. als Phosphorsäureester im Stoffwechsel.
C-Nr.
1
2
3
4
5
6
H
H
H
H
H
H
O
C
C* OH
C* OH
C * OH
C * OH
C OH
H
Aldohexose
H
O
C
H C* OH
H C* OH
H C* OH
H C OH
H
Aldopentose
H
H
H
H
H
H
C OH
C O
C * OH
C* OH
C * OH
C OH
H
Ketohexose
C * = asymmetrisches Kohlenstoffatom
Aldohexosen enthalten 4, Ketohexosen 3 asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome. So
sind bis auf Dihydroxyaceton alle Zucker optisch aktiv. Ihre Lösungen drehen die Ebene des
polarisierten Lichtes. Die optische Aktivität wird quantitativ als spezifische Drehung [α]D
ausgedrückt:
108
[α]D20 =
beobachtete Drehung x 100
optische Weglänge [dm] x Konzentration [g/100 ml]
Die Temperatur (hier 20°C) und die Wellenlänge des eingestrahlten Lichts (normalerweise
die D-Linie des Natriums = 589,3 nm) müssen angegeben werden. An jedem der asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatome sind zwei Konfigurationen möglich; diese verhalten
sich spiegelbildlich. Somit gibt es für n Asymmetriezentren 2n isomere Verbindungen, z.B. 16
Aldohexosen und 8 Ketohexosen.
Die einfachste, optisch aktive Aldose ist Glycerinaldehyd, CH2(OH)-CH(OH)-CHO. In
diesem ist das mittlere Kohlenstoffatom asymmetrisch substituiert. Emil Fischer hat eine
einfache, räumliche Darstellungsweise von Monosacchariden entwickelt. Bei der FischerProjektionsmethode sind folgende Regeln zu beachten:
Die Kohlenstoffkette der Verbindung wird in der Senkrechten angeordnet.
Die Kette wird so orientiert, dass das Ende mit der höheren Oxidationsstufe oben liegt.
Das Molekül muss so angeordnet werden, dass an jedem asymmetrischen Kohlenstoffatom
die Substituenten nach vorn ragen.
Die Bezeichnung D und L richtet sich nach der Stellung der Hydroxylgruppe am untersten
asymmetrischen Kohlenstoffatom.
Beim rechtsdrehenden D-Glycerinaldehyd weist bei Beachtung aller Regeln die Hydroxylgruppe am zweiten Kohlenstoffatom nach rechts (vgl. Abbildung unten). Alle optisch aktiven
Verbindungen, die sich unabhängig von ihrer tatsächlichen Drehrichtung von ihm herleiten
lassen, betrachtet man als zur D-Reihe gehörig. Beim Glycerinaldehyd stimmen Drehrichtung
und Konfiguration zufällig überein (D- oder L-Reihe).
Fischer-Projektionsformeln
Stereoformeln
CHO
H
C
OH
CH2OH
D-Form
CHO
HO
C
H
CH2OH
L-Form
CHO
H
C
OH
CHO
HO
CH2OH
C
H
CH2OH
D-Form
L-Form
Schemaformeln
H
O
H
OH
CH2OH
D-Form
H
O
HO
H
CH2OH
L-Form
Die obige Abbildung zeigt die optisch aktiven Formen des Glycerinaldehyds, dargestellt in
verschiedenen Schreibweisen. Die Projektions- und die Schemaformeln können in der
Zeichenebene gedreht, dürfen aber nicht umgeklappt werden.
Schiebt man zwischen die Kohlenstoffatome 1 und 2 des Glycerinaldehyds eine weitere
CHOH-Gruppe ein, so entsteht ein neues Asymmetriezentrum. Aus den beiden enantiomeren
Trioseformen entstehen je zwei so genannte epimere Tetrosen. Das sind optisch aktive
Verbindungen, welche nur an einem Kohlenstoffatom Konfigurationsunterschiede aufweisen,
sich aber chemisch und physikalisch unterschiedlich verhalten. Enantiomere unterscheiden
sich dagegen nur durch die unterschiedliche Drehrichtung des Lichtes und sie haben als
Spiegelbilder die gleichen chemischen Eigenschaften.
109
CHO
H C OH
CH2OH
CHO
HO C H
CH2OH
D-Glycerinaldehyd
HO
HO
HO
H
L-Glycerinaldehyd
CHO
HO C H
H C OH
CH2OH
CHO
H C OH
H C OH
CH2OH
CHO
H C OH
HO C H
CH2OH
CHO
HO C H
HO C H
CH2OH
D-Threose
D-Erythrose
L-Threose
L-Erythrose
CHO
HO C H
HO C H
H C OH
CH2OH
CHO
H C OH
HO C H
H C OH
CH2OH
CHO
HO C H
H C OH
H C OH
CH2OH
CHO
H C OH
H C OH
H C OH
CH2OH
D-Lyxose
D-Xylose
D-Arabinose
D-Ribose
CHO
CHO
CHO
CHO
CHO
CHO
CHO
H C OH HO C H
H C OH HO C H
C H
H C OH HO C H
C H
HO C H
H C OH
H C OH HO C H
HO C H
H C OH
C H
HO C H
HO C H
HO C H
H C OH
H C OH
H C OH
C OH
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
D-Talose D-Galactose
D-Idose
D-Gulose
D-Mannose
D-Glucose
D-Altrose
H
H
H
H
CHO
C OH
C OH
C OH
C OH
CH2OH
D-Allose
Setzt man den Einbau von CHOH-Gruppen, ausgehend von D-Glycerinaldehyd, fort, so erhält
man die Aldosen der D-Reihe. Im obigen Schema sind die Zucker unterstrichen, die im
Stoffwechsel vorkommen. Doppelt unterstrichene Zucker sollte man kennen. Die Zugehörigkeit zur D- oder L-Reihe ergibt sich immer aus der Konfiguration am asymmetrischen
Kohlenstoffatom mit der höchsten C-Nummer.
Entsprechend erhält man ausgehend von L-Glycerinaldehyd die L-Aldosen. In obigem
Schema sind aus Platzgründen nur die beiden L-Tetrosen in der oberen rechten Ecke aufgelistet; die L-Pentosen und L-Hexosen sind nicht angegeben. Formulieren Sie einige Beispiele
dafür selbst.
Ausgehend von Dihydroxyaceton erhält man durch Einfügen von CHOH-Gruppen zwischen
C-2 und C-3 die Gruppe der Ketosen. Die folgende Abbildung enthält alle Ketosen, also
sowohl die der D- als auch die der L-Reihe. Eine wichtige Ketose ist die D-Fructose. Diese
hat an den Kohlenstoffatomen 3 bis 5 die gleiche Konfiguration wie das epimere Paar DGlucose und D-Mannose.
110
CH2OH
C O
CH2OH
Dihydroxyaceton
CH2OH
C O
H C OH
CH2OH
CH2OH
C O
HO C H
CH2OH
D-Erythrulose
L-Erythrulose
CH2OH
C O
H C OH
H C OH
CH2OH
CH2OH
C O
HO C H
H C OH
CH2OH
D-Ribulose
CH2OH
C O
HO C H
H C OH
H C OH
CH2OH
D-Fructose
CH2OH
C O
H C OH
HO C H
CH2OH
CH2OH
C O
HO C H
HO C H
CH2OH
L-Xylulose
L-Ribulose
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
C O
C O
C O
C O
H C OH HO C H
H C OH HO C H
H
H C OH HO C H
HO C H
H C OH
H
H C OH
H C OH
H C OH HO C H
HO
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
D-Psicose
D-Tagatose
D-Sorbose
L-Sorbose
CH2OH
C O
C OH HO
C OH HO
C H
HO
CH2OH
L-Tagatose
CH2OH
C O
C H
H
HO
C H
C H
HO
CH2OH
L-Psicose
CH2OH
C O
C OH
C H
C H
CH2OH
L-Fructose
22.1.2. Cyclische, halbacetalische Struktur von Monosacchariden
Zumeist liegen die Carbonylfunktionen der Pentosen und Hexosen nicht in freier Form vor,
sondern bilden mit einer der Hydroxylgruppen des gleichen Moleküls ein cyclisches Halbacetal oder -ketal; bevorzugt sind hierbei 5- (Furanosen) und 6-gliedrige (Pyranosen) Ringe.
Die Namen leiten sich von Furan bzw. Pyran ab.
O
O
O
O
Furan
Furanose-Form
Pyran
Pyranose-Form
Aus der Carbonylgruppe entsteht dann eine zusätzliche, halbacetalische Hydroxylgruppe, die
so genannte glycosidische OH-Gruppe. Die Bildung der Pyranose-Ringform aus einer Aldose
durch Reaktion der Hydroxylgruppe am Kohlenstoffatom 5 mit der Aldehydgruppe ist im
Folgenden formuliert:
111
H
H
C
C*
HO
HO
H
H
O
C*
C*
H
H
O
C*
H
*
C
O
C*
H
OH
OH
*
C
HO
HO
CH2OH
H
H
C*
C*
CH2OH
H
OH
C * = asymmetrisches Kohlenstoffstom
Bei obiger Ringbildung wird auch das Kohlenstoffatom 1 bei Aldosen bzw. 2 bei Ketosen
optisch aktiv. Erhöhung der Anzahl der asymmetrischen Kohlenstoffatome im Molekül um 1
bedeutet eine Verdopplung der Anzahl der optisch isomeren Verbindungen, die auch
unterschiedlich benannt werden müssen. Man unterscheidet deshalb je nach der Konfiguration
an C-Atom 1 zwischen α- bzw. ß-Form. Zwischen diesen stellt sich jedoch in Lösung über die
offenkettige Form ein Gleichgewicht ein. Beim Lösen eines Zuckers kann man die
Gleichgewichtseinstellung an der Änderung der Drehung der Ebene des polarisierten Lichtes
verfolgen. Man beobachtet im Polarimeter zunächst das spezifische Drehvermögen der zu
untersuchenden Glucose (α-D-Glucose: 110° bzw. ß-D-Glucose: 23°), das sich aber langsam
auf einen Endwert von 53° verändert, der dem Gleichgewichtsgemisch von 38% α-D-Glucose
und 62% ß-D-Glucose entspricht. Dieses Phänomen nennt man Mutarotation. Die
offenkettige Aldehydform ist nur zu 0,1% am Gleichgewicht beteiligt.
22.1.3. Haworth-Projektion von Monosacchariden und Glycosiden
Die Derivate der Zucker, die durch Kondensation der glycosidischen Hydroxylgruppe mit
OH-, NH- oder SH-haltigen Stoffen entstanden sind, die so genannten Glycoside, zeigen
dagegen die Erscheinung der Mutarotation nicht. Die Konfiguration am Kohlenstoffatom 1
(bei Aldosen) bzw. 2 (bei Ketosen) ist bei diesen Verbindungen als Vollacetal fixiert. Vollacetale lassen sich nur durch Säuren spalten und gehen deshalb in neutraler, wässriger Lösung
nicht in die offenkettige Form über.
6
OH
H
4
HO
HO
CH2 H
O
ß
5
2
1
3
H
H
OH
CH2OH
5
O
H
OH
H
1
4
OH H
HO
H
HO
3
H
H
CH2OH
O
α
H
ß H
H
OH H
HO
OH
2
OH
H
OH
α-D-Glucopyranose
(Halbacetal)
ß-D-Glucopyranose
(Halbacetal)
CH2OH
O
α
H
H
H
OH H
HO
O CH3
H
OH
α-D-Methylglucosid
(Vollacetal)
Das obige Schema zeigt die Monosaccharide (hier: Glucose) und ein Glycosid in der so
genannten Haworth-Projektion. Hierbei schreibt man die CH2-OH Gruppe bei D-Zuckern
oberhalb des Ringes und bei L-Zuckern unterhalb. Steht der Sauerstoff an C-1 (OH, OCH3
oder allgemein OR) trans zur CH2-OH Gruppe, so spricht man von α-ständig, bei cis-Stellung
handelt es sich um einen ß-Zucker.
22.1.4. Glycoside
Wie oben schon erwähnt, entstehen Glycoside durch Abspaltung von Wasser aus einem
Zucker und einem Molekül Alkohol, Thioalkohol oder Amin.
112
CH2OH
O
H
O R
H
OH H
HO
H
H
CH2OH
O
H
S R
H
OH H
HO
H
OH
H
O-Glycosid
CH2OH
R
O
H
N R
H
OH H
HO
H
OH
H
S-Glycosid
(R = Alkylrest)
OH
N-Glycosid
22.1.5. Reaktionen von Monosacchariden
Die Aldehydgruppe der Aldosen lässt sich erwartungsgemäß durch Fehling- oder TollensReagenz oxidieren. Jedoch reagieren auch die Ketosen positiv, da die Ketogruppe im
alkalischen Medium über die Endiol-Form mit der entsprechenden Aldose im Gleichgewicht
steht.
O OH
H C C R
H
HO
HO OH
H C C R
HO
HO O
H C C R
H
Die Monosaccharide reagieren mit drei Molekülen Phenylhydrazin zu Osazonen, die zur
Charakterisierung und Identifizierung der Zucker dienen. Dabei bildet sich zunächst ein
Phenylhydrazon bevor die Hydroxylgruppe am C-2 (bei Aldosen) bzw. C-1 (bei Ketosen) zur
Carbonylgruppe oxidiert wird. Diese reagiert nun mit einem weiteren Molekül Phenylhydrazin zum Osazon.
H
H
HO
H
H
O
C
C OH
C H
C OH
C OH
CH2OH
H
+ C6H5-NH-NH2
- H2O
N NH C6H5
C
C O
HO C H
H C OH
H C OH
CH2OH
H
HO
H
H
N NH C6H5
C
C OH
+ C6H5-NH-NH2
C H
- C6H5-NH2
C OH
- NH3
C OH
CH2OH
N NH C6H5
C
C N NH C6H5
HO C H
H C OH
H C OH
CH2OH
H
H
+ C6H5-NH-NH2
- H2O
D-Glucose, D-Mannose und D-Fructose ergeben dabei das gleiche Osazon, da bei allen drei
Zuckern die Konfiguration ab C-3 identisch ist.
22.1.6. Verwandte Verbindungen der Monosaccharide
Wichtige, den Monosacchariden verwandte Verbindungen, sind die Aminozucker, wie z.B.
Glucosamin sowie Gluconsäure, Glucuronsäure, Zuckersäure und der cyclische Polyakohol
Inosit.
113
H
HO
H
H
CHO
C NH2
C H
C OH
C OH
CH2OH
COOH
C OH
C H
C OH
C OH
CH2OH
H
HO
H
H
Glucosamin
Gluconsäure
H
HO
H
H
CHO
C OH
C H
C OH
C OH
COOH
Glucuronsäure
H
HO
H
H
COOH
C OH
C H
C OH
C OH
COOH
OH H
HO
H
H HO
OH H
H
Zuckersäure
OH
H
OH
Inosit
22.2. Disaccharide
Die Disaccharide bestehen aus zwei Monosaccharid-Molekülen, die unter Abspaltung von
Wasser durch eine glycosidische Bindung verknüpft sind.
CH2OH
O
OH
HO
1
CH2OH
O
OH
4
α
OH
Glc.
+
HO
OH
Glc.
1
1
α
O
+
4
+
OH
O
CH2OH
Glc.
Cellobiose
4-(ß-D-Glucosido)-D-Glucose
HO
HO
ß
1
Glc.
CH2OH
O
2
OH
ß
OH
Maltose (Malzzucker)
4-(α-D-Glucosido)-D-Glucose
CH2OH
O
OH
OH
O
HO
OH
OH O
Glc.
CH2OH
O
OH
CH2OH
O
OH
CH2OH
6
Fru.
Gal.
Saccharose (Rohrzucker)
α-D-Glucosido-ß-D-Fructosid
OH
ß
1
4
OH
OH
OH
O
+
OH
O
CH2OH
Glc.
Lactose (Milchzucker)
4-(ß-D-Galactosido)-D-Glucose
Die Verknüpfung der Monosaccharideinheiten ist entscheidend für das chemische Verhalten
der Disaccharide. Nur wenn die funktionelle Gruppe eines Halbacetals vorhanden ist, fallen
die Reduktionsproben positiv aus. Die Ringform beeinträchtigt das Reduktionsvermögen
nicht, weil sie mit der offenkettigen Form im Gleichgewicht steht (Halbacetal), sofern nicht
die anomeren Hydroxylgruppen glycosidisch verbunden sind, wie bei der Saccharose (Vollacetal).
Disaccharide können durch Säuren oder Enzyme gespalten werden. Saccharose wird leicht
durch Hefefermente gespalten. Dabei ist das Ausgangsprodukt rechtsdrehend (+67°), Fructose
dagegen ist linksdrehend (-91°) und die ebenfalls entstehende Glucose rechtsdrehend (53°).
Da jedoch die Linksdrehung der Fructose überwiegt, ist das bei der Rohrzuckerspaltung
entstehende äquimolare Gemisch von Fructose und Glucose insgesamt linksdrehend. Diese
Erscheinung nennt man Inversion, die herbeiführenden Enzyme Invertasen. Invertzucker liegt
beispielsweise im Honig vor. Der von den Bienen gesammelte Nektar enthält neben
Rohrzucker in wechselnden Mengen Invertzucker, und im Verdauungstrakt wird der
Rohrzucker enzymatisch hydrolysiert, so dass der von den Bienen wieder abgegebene Honig
nur noch zu etwa 10% unveränderten Rohrzucker enthält. Der im Kunsthonig enthaltene
114
Invertzucker entsteht durch saure Hydrolyse von Rohrzucker, wobei geringe Säuremengen
ausreichen.
Lactose ist der Milchzucker, der zu 4,5% in Kuhmilch vorkommt. In diesem Molekül besitzt
der Glucose-Baustein ein Halbacetal; dieses Disaccharid ist deshalb, wie auch Cellubiose und
Maltose, reduzierend. Saccharose wird wegen seines Vorkommens auch Rohr- oder
Rübenzucker genannt. Dieses Disaccharid ist, wie oben schon erwähnt, nicht reduzierend, d.h.
die Fehling- und Tollensreaktion verlaufen negativ. Dies liegt daran, dass das anomere
Kohlenstoffatom der Glucose (= Aldose, C-1) mit demjenigen der Fructose (= Ketose, C-2)
über Sauerstoff verbunden ist.
22.3. Polysaccharide
Bei den Polysacchariden sind vor allem die Stärke und die Cellulose zu nennen. Die Stärke ist
eine weit verbreitete Substanz aber chemisch gesehen keine einheitliche Verbindung. Sie setzt
sich zu 20 – 30% aus Amylose und zu 70 – 80% aus Amylopektin zusammen. Auch die
Größe der Moleküle ist nicht einheitlich. Das Molekulargewicht von Amylose reicht von
10.000 bis 300.000, das des Amylopektins von 50.000 bis 180.000. Entscheidend ist aber die
unterschiedliche Struktur. Amylose ist kettenförmig, linear aufgebaut und Amylopektin
besitzt Verzweigungen.
OH
H2C
4
O
HO
OH
O
HO
1
H2C
α
4
O
HO
OH
O
1
HO
α
O
HO
Maltose-Einheit
H2C
4
OH
O
HO
1
H2C
α
4
O
HO
O
1
HO
α
O
Obige Struktur zeigt einen Ausschnitt aus der Amylose. Bei den Monosaccharid-Bausteinen
handelt es sich ausschließlich um Glucose. Diese sind, wie bei Maltose, α-1.4-glycosidisch
verbunden. Bedingt durch die α-glycosidische Bindung ist die Kette spiralartig angeordnet
was sich mit Hilfe von Iod nachweisen lässt. Das Iod wird in die Spirale eingeschlossen und
es bildet sich ein blauer Komplex. Diese Iod-Stärke-Einschlußverbindung zerfällt bei 80°C
reversibel in die Komponenten, d.h. die blaue Farbe verschwindet.
115
Raumstruktur von Amylose (schematisch)
Im Amylopectin werden ähnliche Ketten durch zusätzliche α-1.6-glycosidische Bindungen
verzweigt.
OH
H2C
O
HO
H2C
4
O
HO
OH
O
4
1
HO
OH
O
1
HO
α
O
HO
α
O
O
HO
H2C
4
H2C
4
1
HO
OH
α
O
O
1
HO
α
O
HO
H2C
4
6
OH
O
HO
1
H2C
α
4
O
HO
O
1
HO
α
O
Die Stärke wird von den Pflanzen in den Zellen gelagert und im Bedarfsfall enzymatisch zu
der leicht im Saftstrom transportierbaren Glucose abgebaut.
Die wasserunlösliche Gerüstsubstanz der Pflanzen, die Cellulose, ist ebenfalls ausschließlich
aus Glucose aufgebaut. Die Glucose-Bausteine sind hier allerdings ß-1.4-glycosidisch
miteinander verbunden. Während Baumwolle und Flachs aus fast reiner Cellulose bestehen,
ist sie im Holz zu etwa 50% enthalten. Die ß-glycosidische Verknüpfung führt zu einer
linearen Struktur der Moleküle. Die kettenförmigen Makromoleküle mit einem mittleren
Molekulargewicht von etwa 500.000 (ca. 3.000 Glucoseeinheiten) sind parallel zueinander in
einer bündelförmigen Sekundärstruktur zusammengelagert. Der Zusammenhalt der einzelnen
Ketten erfolgt über zwischenmolekulare Wasserstoffbrücken-Bindungen.
116
OH
H2C
OH
O
4
ß
O
HO
1
O
4
1
H2C
OH
HO
O
O
4
ß
ßO
HO
1
O
4
1
H2C
OH
OH
HO
O
ßO
H2C
OH
OH
OH
Ausschnitt aus einer Cellulosekette
(Achtung! Jeder zweite Glucose-Baustein ist um 180° gedreht)
Durch das so genannte Schweizers Reagenz wird Cellulose als Komplex wasserlöslich und
kann somit verarbeitet werden. Heißes Wasser zerstört den Komplex und die Cellulose fällt
wieder aus.
OH
H2C
O
Cellulose
+
[Cu(NH3)4](OH)2
O
O
O
+
Cu
H3N
2 NH4OH
O
2+
NH3
Der Mensch und die meisten Tiere besitzen kein Enzym, um Cellulose zu spalten; das Polysaccharid dient deshalb nur als – allerdings notwendiger – Ballaststoff. Bei den Wiederkäuern
wie den Rindern, Kamelen usw., die Cellulose als Nahrungsmittel verwerten können, erfolgt
die Hydrolyse mit Hilfe von Enzymen, die von Darmbakterien geliefert werden. Termiten und
Crustaceen schließlich haben selbst die Fähigkeit, Cellulose abzubauen.
Mit der Cellulose verwandt ist das in Insekten und Crustaceen vorkommende Chitin; es ist
aus N-Acetyl-glucosamin aufgebaut:
H3C
OH
H2C
O
HO
O
H2C
O
OH
C
H3C
O
O
H2C
NH
OH
C
O
C
NH
HO
O
O
O
HO
H2C
NH
H3C
H3C
OH
NH
HO
O
O
O
C
O
Weitere interessante Polysaccharide sind im Folgenden kurz mit ihrer Bedeutung und ihren
Bausteinen (B) aufgelistet:
• Glycogen: Zuckerreserve der Tiere. B: wie im Amylopektin (also 1.4- und 1.6-verknüpfte
Glucose), nur stärker verzweigt.
• Dextran: Wird von einigen Bakterienstämmen produziert. Verwendung als Molekularsieb
in der Biochemie (Trennung von Makromolekülen) und als Blutplasmaersatz in der
Notfallchirurgie. B: Glucose, 1.4- und 1.6-verknüpft, stark verzweigt.
• Mannan: Zahlreiche Varianten in Nadelhölzern, Steinnuss, Hefe usw. B: Mannose, 1.4verknüpft.
117
• Galactan: Im Agar aus roten Meeresalgen, mit Pektin vergesellschaftet. B: Galactose,
Struktur analog Cellulose.
• Pektin: Teils pflanzliche Gerüst-Polysaccharide, teils Gelbildner in Fruchtsäften. B: DGalacturonsäure, Ketten verzweigt.
• Alginsäure: Pektin aus Braunalgen. B: D-Mannuronsäure, ß-glycosidisch und stark
verzweigt.
• Inulin: In Dalienknollen, dient zur Bestimmung der Nierenclearance. B: Fructose.
• Chondroitinschwefelsäureester: Im Knorpel, hohe Affinität zu Calcium-Ionen, ßglycosidisch verknüpft. B: D-Glucuronsäure und N-Acetylgalactosamin.
• Heparin: Hemmt die Blutgerinnung, wird aus Leber gewonnen. B: D-Glucosamin-Nschwefelsäure und Glucuronsäure.
• Hyaluronsäure: In der Eihülle der Säuger, wird bei Befruchtung hydrolysiert. B: NAcetylglucosamin und Glucuronsäure.
118
23. Peptide und Proteine
Die große Vielfalt der im lebenden Organismus vorkommenden Eiweißkörper baut sich aus
Aminosäuren (s. Kapitel 18) auf. Diese sind die weitaus wichtigsten Bausteine des Körpers:
Serumalbumin und –globulin (im Blutserum), Myosin (im Muskel), Hämoglobin, Kollagen
(Bindegewebsprotein), Keratin (Haare, Wolle), Enzyme usw. Auch die Bakterientoxine wie
z.B. das Tetanustoxin und die Schlangengifte sind Eiweißkörper. Peptide und Proteine
unterscheiden sich in ihrer Größe; Bei einem Molekül, das aus zwei bis zehn Aminosäureresten aufgebaut ist spricht man von einem Oligopeptid, darüber hinaus bis zu 100 Aminosäureresten von Polypeptiden und größere Verbindungen nennt man Proteine.
Die Aminosäuren sind in den Peptiden und Proteinen durch Säureamidbindungen (hier
Peptidbindungen genannt) miteinander verbunden.
Peptidbindung = Amid
H
O
N
R
N
R
H
O
z.B. das Tripeptid Ser-Tyr-Ala:
OH
H
H
O
N
CH2
H
N
N
CH2
H
O
O
OH
CH3
OH
Dabei hat die Peptidbindung durch Mesomerie einen partiellen Doppelbindungscharakter,
sodass es zu einer cis- oder trans-Anordnung kommen kann.
O
O
N
N
+
trans
H
H
O
O
H
N
N
cis
119
+
H
Aus zwei Aminosäuren, z.B. Glycin und Alanin, können die zwei isomeren Dipeptide GlyAla und Ala-Gly entstehen. Dazu kommen dann noch die Kombinationen Gly-Gly und AlaAla. Bei drei Aminosäuren gibt es schon sechs isomere Tripeptide; neben dem oben abgebildeten Ser-Tyr-Ala gibt es noch Ser-Ala-Tyr, Tyr-Ser-Ala, Tyr-Ala-Ser, Ala-Ser-Tyr und
Ala-Tyr-Ser. Diese Zahl der Tripeptide erhöht sich erheblich, wenn eine der drei Aminosäuren zwei- oder dreimal enthalten ist und dafür eine oder beide anderen fehlen. Berücksichtigt man nun noch, dass Peptide und Proteine aus etwa 20 verschiedenen Aminosäuren
aufgebaut sind, kann man leicht erahnen, welche ungeheure Vielzahl von Verbindungen
möglich ist.
Bei der Struktur eines Eiweißkörpers sind vier Faktoren zu berücksichtigen:
• Die Primärstruktur gibt die Anzahl und die Sequenz der einzelnen Aminosäuren in der
Proteinkette an.
• Die Sekundärstruktur gibt Auskunft über die sterische Anordnung der einzelnen Aminosäuren in der Kette, also z.B. die Form der Helix oder des Faltblattes.
• Die Tertiärstruktur ist die Gesamtstruktur des Moleküls im Raum.
• Die Quartärstruktur gibt die räumliche Lage mehrerer Moleküle zueinander an.
In der α-Helix ist die Peptidkette schraubenfederartig aufgewunden und umschreibt eine
zylinderartige Struktur.
N-terminale
Aminosäure
Eine Windung:
0,54 nm
3,6 Aminosäurereste
C-terminale
Aminosäure
Diese Struktur wird durch intramolekulare Wasserstoffbrücken-Bindungen zwischen zwei
Peptidbindungen (von C=O nach H-N) ausgebildet. Sie sind in obiger Zeichnung (rechte
Struktur) punktiert eingezeichnet. Die zum Teil recht großen Reste (R) der Aminosäuren
ragen senkrecht zum Zylinder der Helix-Struktur heraus, wo sie am wenigsten zu sterischen
Wechselwirkungen führen. Aus sterischen Gründen wird die Helix durch Prolin und
120
Hydroxyprolin (sekundäre Amine mit Stickstoff in einem Fünfring) in der Sequenz gestört.
Die α-Helix wurde zuerst für die Struktur des α-Keratins, also die Proteine der Haut, Haare,
Wolle, Nägel, Krallen und Hufe nachgewiesen.
Die maximale Anzahl von Wasserstoffbrücken kann sich auch zwischen zwei antiparallel
nebeneinander liegenden, gestreckten Polypeptidketten ausbilden.
An allen α-Kohlenstoffatomen ist die Kette gefaltet; die dazwischen liegenden Bereiche, also
die Peptidbindung mit ihren benachbarten Atomen, ist planar angeordnet. Die Seitenketten
der einzelnen Aminosäuren ragen nahezu senkrecht nach oben bzw. nach unten aus der
Faltblattfläche heraus, was ebenfalls zu einer geringen sterischen Belastung führt.
Die Tertiärstruktur eines Proteins wird durch Wechselwirkungen stabilisiert, die sich
zwischen zum Teil auch weit voneinander entfernten Aminosäuren ausbilden. Hieran sind
Wasserstoffbrücken-Bindungen (1), Disulfidbrücken (2), Ionenbindungen (3) und van der
Waals Wechselwirkungen zwischen hydrophoben Gruppen (4) beteiligt, wie das folgende
Schema zeigt.
Im Folgenden sollen die Strukturen einiger Proteine und Peptide vorgestellt werden:
121
a) Primärstrukturen von Ocytocin und Vasopressin:
Bei diesen Hypophysenhinterlappenhormonen handelt es sich um Oligopeptide mit jeweils
neun Aminosäureresten, also um Nonapeptide.
Ocytoci
n
Vasopressin
Die Primärstrukturen beider Verbindungen unterscheiden sich nur in zwei Aminosäureresten.
Der Name „Ocytocin“ kommt aus dem griechischen (oxys = schnell und tokos = gebären), da
diese Substanz im Säugetierorganismus kontraktionsauslösend auf die glatte Muskulatur der
Uterus wirkt. Näheres erfahren Sie im 3. Semester im Fach Embryologie. „Vasopressin“ leitet
sich vom lateinischen vas = Blutgefäß und pressus = Druck ab; es hat eine antidiuretische und
Blutdruck erhöhende Wirkung.
b) Primärstruktur von Insulin:
A-Kette
BKette
Das Insulin wird in den Langerhansschen Inseln der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) gebildet.
Es reguliert den Blutzuckerspiegel. Mangelnde oder fehlende Insulinproduktion führt zum
Diabetes mellitus. Zur Therapie dieser Krankheit wird Insulin verwendet. Dieses besteht aus
zwei Ketten, die über zwei Disulfidbrücken miteinander verbunden sind. Die A-Kette besteht
aus 21, die B-Kette aus 30 Aminosäuren. Die Insuline des Menschen und verschiedener
Tierarten zeigen zwar Unterschiede in der Primärstruktur, aber kaum in ihrer biologischen
Wirkung. Obige Struktur zeigt das Insulin des Rinds, das mit dem der Ziege identisch ist. In
der folgenden Tabelle sind die Variationen in der Aminosäuresequenz einiger Insuline
aufgelistet:
Spezies
Mensch
Schwein, Hund, Potwal
Kaninchen
Rind, Ziege
Schaf
Pferd
Blauwal
A-Kette Position 8-9-10
Thr-Ser-Ile
Thr-Ser-Ile
Thr-Ser-Ile
Ala-Ser-Val
Ala-Gly-Val
Thr-Gly-Ile
Ala-Ser-Thr
c) Primärstruktur von Glucagon (Schwein):
122
B-Kette Position 30
Thr
Ala
Ser
Ala
Ala
Ala
Ala
His-Ser-Gln-Gly-Thr-Phe-Thr-Ser-Asp-Tyr-Ser-Lys-Tyr-Leu-Asp-Ser-Arg-Arg-Ala-GlnAsp-Phe-Val-Gln-Trp-Leu-Met-Asn-Thr
Das Glucagon ist auch an der Steuerung des Glucosehaushalts beteiligt. Das Schweineglucagon ist ein lineares Peptid aus 29 Aminosäuren. Auch hier gilt, dass die Aminosäuresequenz bei den einzelnen Säugetierspezies nur geringfügige Abweichungen zeigen.
d) Tertiärstruktur von Myoglobin:
Myoglobin und Hämoglobin gehören zu den Hämoproteinen, die aus einen nicht proteinischen Teil (prosthetische Gruppe = Häm) und einem Proteinteil aufgebaut sind. Sie sind am
Transport von Sauerstoff beteiligt. Die Affinität des Kohlenmonoxids zum Hämoglobin ist
etwa 300mal größer als diejenige des Sauerstoffs. Bei einer Vergiftung durch Kohlenmonoxid
wird also der am Häm komplex gebundene Sauerstoff vom Kohlenmonoxid verdrängt und es
kommt zum Tod durch ersticken. Diese hohe Affinität erklärt, warum bereits bei geringen
Konzentrationen von Kohlenmonoxid Vergiftungen auftreten. Das im Muskelgewebe
vorkommende Myoglobin hat eine höhere Affinität zu Sauerstoff als Hämoglobin wodurch es
in der Lage ist diesen vom Hämoglobin zu übernehmen.
e) Peptid-Antibiotika:
Die folgenden, aus niederen Pilzen erhaltenen Oligopeptide CH
enthalten zum Teil ungewöhn3
liche Strukturelemente. Cyclosporine, cyclische Undecapeptide aus Tolypocladium inflatum,
besitzen als Immunsuppresiva großes Interesse. Sie verhindern
nach Organtransplantationen
CH3
HO
die Abstoßung des Fremdorgans durch das körpereigene
Immunsystem. Die folgende Struktur
O
H
O N-methylierte
CHmehrere
3
zeigt das Cyclosporin A, das durch
Aminosäuren,
einen D-AlaninRest und weitere ungewöhnliche
Aminosäuren
charakterisiert
CH3
N ist.
N
H3C
N
N
N
L-Orn
L-Leu
D-Phe
L-Pro
Bacillus brevisL-Val
produziert eine Reihe von Gramicidinen
und Tyrocidinen. Gramicidin S und
S
O D-PhenylalaninO
Oaus jeweils 10CH
Tyrocidin A sind Cyclopeptide
Aminosäuren,
darunterGramicidin
zwei
3
O
D-Phe
L-Val
L-Orn
L-Pro
Reste. Diese Substanzen
wirken nurL-Leu
gegen Gram-positive
Bakterien.
O
H
O
H
N CH3
N
N 123
N
H3C
L-Orn N L-Leu
D-Phe N L-Pro
L-Val
O
L-Tyr
L-Gln
H
O
L-Asn
D-Phe
CH3
L-Phe
O Tyrocidin A
Das wohl bekannteste Beispiel aus der Reihe der Peptid-Antibiotika ist das Penicillin, das aus
den Aminosäuren Valin und Cystein aufgebaut ist. Diese sind jedoch sehr ungewöhnlich
miteinander verbunden. Nachfolgend ist die Struktur von Penicillin G abgebildet.
23.1. Isolierung von Peptiden und Proteinen
Die Isolierung und Reinigung von Peptiden und Proteinen erfolgt mittels chromatographischer Verfahren, die die besonderen Eigenschaften dieser Substanzen ausnutzen. Bei pHWerten abseits des isoelektrischen Punktes besitzen die Proteine und Peptide, wie auch die
Aminosäuren (s. Kapitel 18.3), eine Ladung. Sie können deshalb durch Ionenaustauscher (s.
Skript für anorganische Chemie) und durch Elektrophorese aufgetrennt werden.
Gelchromatographie (Trennung nach Molekülgröße) und Affinitätschromatographie werden
H
H3C
N
S
O
N
H3C
O
HOOC
in der Biochemie behandelt.
Bei biochemischen Arbeiten werden oft Gele durch Polymerisation (vgl. Kapitel 3.3) von
Acrylamid und N,N’-Methylen-bisacrylamid hergestellt:
CONH2
n
+
H2C CH
CONH2
CH2 CH
O
m
CONH2
CH2 CH
H2C CH C NH CH2 NH C CH CH2
CONH2
CH2 CH
CONH2
CH2 CH
CH2 CH
CONH2
CH2 CH
CONH2
CH2 CH
C O
C O
NH
NH
CH2
CH2
NH
NH
C O
CH2 CH
O
CH2 CH
CONH2
CH2 CH
CONH2
CH2 CH
C O
CH2 CH
CH2 CH
CONH2
CH2 CH
C O
NH
CH2
NH
C O
CH2 CH
CH2 CH
CONH2
CH2 CH
CONH2
CH2 CH
CONH2
CH2 CH
CONH2
CH2 CH
C O
C O
NH
NH
CH2
124
CH2
NH
NH
C O
C O
CH2 CH
Die Polymerisation wird radikalisch mit Ammoniumperoxodisulfat gestartet. Je nach
Mischungsverhältnis von Acrylamid zu N,N’-Methylen-bisacrylamid wird das Gel mehr oder
weniger stark quervernetzt, wodurch die Größe der Poren bestimmt wird.
23.2. Reaktionen von Peptiden und Proteinen
Peptide und Proteine lassen sich z.B. sauer hydrolysieren, wobei ein Gemisch aus Aminosäuren entsteht. Nach einer solchen Totalhydrolyse können die erhaltenen Aminosäuren
quantitativ bestimmt werden. Eine Spaltung lässt sich auch enzymatisch durchführen, wobei
nur bestimmte Peptidbindungen angegriffen werden, so dass aus einem Protein kleinere
Moleküle entstehen.
Die N-terminale Aminosäure eines Peptids oder Proteins kann mit Hilfe von Sangers Reagenz
(2.4-Dinitrofluorbenzol) bestimmt werden. Dabei findet eine nucleophile aromatische
Substitution statt (vgl. Kapitel 21.5). Die freie, primäre Aminogruppe der N-terminalen
Aminosäure greift mit seinem freien Elektronenpaar das das Fluor bindende und damit stark
+
F
O
O
H2N CH C NH CH
HN CH C NH CH
R
O2N
R
O2N
R'
R'
- HF
NO2
NO2
O
HN CH C OH
R
O2N
Hydrolyse
+
Aminosäuren
NO2
positivierte Kohlenstoffatom an. Anschließend wird das Fluor als Fluorid abgespalten. Wird
nun eine saure Hydrolyse durchgeführt, so entsteht ein Gemisch aus Aminosäuren von dem
die N-terminale an der α-Aminogruppe den aromatischen Rest des Sanger Reagenzes trägt.
Diese lässt sich chromatographisch bestimmen.
Die Reihenfolge der einzelnen Aminosäuren in der Peptidkette kann u.a. durch den EdmanAbbau ermittelt werden. Er beruht auf der selektiven Abspaltung der N-terminalen AminoO
H5C6
+
N C S
O
H2N CH C NH CH C NH
R
S
H5C6
R'
O
O
HCl
NH C NH CH C NH CH C NH
R
R'
S
O
NH
H5C6
N
R
+
H N CH C NH
1252
R'
O
Phenylthiohydantoin
Restpeptid
säure ohne dass der Rest des Peptids gleichzeitig angegriffen wird. Bei der Einwirkung von
Phenylisothiocyanat (Phenylsenföl) entsteht zuerst das entsprechende PhenylthioharnstoffDerivat, das durch eine mehrstufige Reaktionsfolge mit Salzsäure die N-terminale Aminosäure als Phenylthiohydantoin abspaltet. Die verbleibende, um eine Aminosäure ärmere
Peptidkette kann erneut dieser Reaktionsfolge unterworfen werden, so dass letztendlich das
Peptid schrittweise angebaut wird. Die gebildeten Phenylthiohydantoine werden
chromatographisch und spektroskopisch identifiziert.
Zum Nachweis und zur quantitativen Bestimmung von Proteinen kann man verschiedene
Methoden benutzen. Die Biuretreaktion beruht auf der Bildung eines violetten Farbkomplexes, der zwischen dem Cu2+-Ion und der Peptidbindung in alkalischer Lösung entsteht.
Aminosäuren binden Cu2+-Ionen ohne Farbkomplex. Die Atomgruppierung des Biurets selbst,
H2N-CO-NH-CO-NH2, ist in Proteinen jedoch nicht vorhanden.
O
H
R
C
N
C
C
H
N
N
R
C
II
Cu
C
O
R
N
H
O
C
C
C
H
R
O
Die Xanthoprotein-Reaktion ist ein Nachweis von aromatischen Aminosäuren, z.B. von
Phenylalanin, Tyrosin und Tryptophan, mit Salpetersäure. Der aromatische Ring wird dabei
nitriert (elektrophile aromatische Substitution, vgl. Kapitel 21.2); die entstehenden Produkte
haben eine gelbe Farbe.
Bei der Pauly-Reaktion werden die Aminosäuren Tyrosin und Histidin nachgewiesen. Sie
besitzen beide einen aromatischen Ring, an dem leicht elektrophile Substitutionen erfolgen
können. Diazotierte Sulfanilsäure kuppelt mit dem aromatischen Ring unter Bildung eines
roten Azofarbstoffes (vgl. Kapitel 21.4).
23.3. Denaturierung von Proteinen
Proteine bestehen aus langen Ketten, die in einer spezifischen Weise geknäuelt oder gefaltet
sind und die Wassermoleküle in die dabei entstehenden Hohlräume anlagern können
(Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur). Die Einwirkung von Wärme, von organischen
Lösungsmitteln, von Schwermetallen oder von Salzen sowie pH-Wert-Änderungen und
Scherkräfte können zu Veränderungen der sterischen Anordnung der einzelnen Kettenglieder
sowie der Kette selbst und des Hydratationsgrades führen. Dieser als Denaturierung
bezeichnete Vorgang, der mit einer Abnahme der Löslichkeit verbunden ist, führt zu einem
Eiweißkörper, der seine spezifische biologische Funktion nicht mehr erfüllen kann. Die
Denaturierung ist also ein physikalischer Vorgang, bei dem keine kovalenten Bindungen
sondern nur Wasserstoffbrücken- und Ionenbindungen sowie hydrophobe Wechselwirkungen
verändert werden. Eine Denaturierung kann in manchen Fällen reversibel sein, meist ist sie
jedoch irreversibel.
126
24. Nucleotide und Nucleinsäuren
Nucleotide sind aus Nucleobasen, Zucker (D-Ribose oder 2-Desoxy-D-ribose) und
Phosphorsäure aufgebaut. Eine Verbindung aus Base und Zucker nennt man Nucleosid.
24.1. Nucleobasen
Die Nucleobasen sind Pyrimidinderivate (Cytosin, Uracil, Thymin und 5-Methylcytosin) oder
Purinabkömmlinge (Adenin und Guanin).
NH2
O
H
N
N
O
O
O
H
N
N
NH2
CH3
N
N
O
CH3
N
O
N
H
H
H
H
Cytosin
Uracil
Thymin
5-Methyl-cytosin
NH2
N
N
O
N
H
N
H2N
N
N
N
N
H
H
Adenin
Guanin
24.2. Nucleoside
In den Nucleosiden sind die Nucleobasen N-glykosidisch mit ß-D-Ribose oder 2-Desoxy-ßD-ribose verknüpft. In der Natur kommen nur ß-Nucleoside vor.
NH2
H
N
O
HO H2C O
N
OH OH
Cytidin
O
H
N
O
HO H2C O
O
N
OH OH
Uridin
CH3
N
O
HO H2C O
N
OH
Thymidin
Vorwiegend in der pflanzlichen DNA ist ein Teil der Cytosinreste durch 5-Methyl-cytosin
ersetzt.
127
NH2
O
N
N
H
N
N
HO H2C O
N
N
H2N
N
HO H2C O
N
OH OH
OH OH
Adenosin
Guanosin
24.3. Nucleotide
Ist die Hydroxylgruppe an C-2’ und/oder an C-5’ des Zuckerrestes eines Nucleosids mit
Phosphorsäure verestert, so liegt ein Nucleotid vor. Einige wichtige Nucleotide sollen im
Folgenden vorgestellt werden:
a) Nicotinamid-adenin-dinucleotid (NAD+):
NH2
(Nicotinamid)
O
N
+
O
OH
(Adenin)
N
N
H2C O
CH2 O P O P O
OH HO
N
N
CONH2
OH
(D-Ribose)
(Phosphorsäuren)
O
OH OH
(D-Ribose)
Die zentrale Funktion des NAD+ besteht in der reversiblen Wasserstoffübertragung in Form
eines Hydrid-Ions, wobei der Pyridinring reduziert wird und der Stickstoff seine positive
Ladung verliert (NADH). Dafür ist der Ring im NADH aber kein aromatisches System mehr.
b) Flavin-adenin-dinucleotid (FAD):
H
+
CONH2
H3+
C
N
R'
NAD+
H
R C RN
CONH2
N
+
H
R C R
N
OH
H3C
H
O
N
N
+
+
H
O
O R'
CH2
NH2
NADH
H C OH
N
Wie das NAD+/NADH- gehört das FAD/FADH2-System zur
N Atmungskette. FAD hat die
H
C
OH
folgende Struktur:
H CWasserstoff
OH O H
N
O und seine
N Struktur
Der Flavin-Teil des FAD nimmt
(H2) Oauf
sieht dann nach
Reduktion im FADH2 wie folgtHaus:
CH
O
P
O
P
O
H
C
N
H2
2
O
3C
N
OH
128 OH
H3C
N
N
R
H
O
OH OH
c) Adenosintriphosphat (ATP):
ATP wirkt als Energiequelle bei den meisten im Organismus ablaufenden Stoffwechselvorgängen. Es besitzt zwei energiereiche Phosphorsäureanhydridbindungen. Durch Spaltung
dieser Bindung(en) entsteht Adenosinmonophosphat (AMP) bzw. Adenosindiphosphat
(ADP).
N
N
O
O
O
HO P O P O P O
OH
OH
N
H2C O
NH2
NH2
NH2
N
O
O
HO P O P O
OH
OH
N
N
N
H2C O
N
O
HO P O
N
H2C O
N
OH
OH
OH OH
OH OH
ADP
ATP
N
N
OH OH
AMP
24.4. Nucleinsäuren
Nucleinsäuren sind aus Nucleotiden aufgebaute Makromoleküle. Die Phosphorsäure
verbindet jeweils C-3’ mit C-5’ der Zucker zweier benachbarter Nucleotid-Bausteine.
a) Desoxyribonucleinsäure:
129
In der Desoxyribonucleinsäure (DNS, engl.: DNA) ist die Erbinformation für die Synthese
aller körpereigenen Proteine verschlüsselt. Sie enthält als Basen Adenin, Guanin, Cytosin und
Thymin. Der Zuckerbaustein ist ausschließlich Desoxyribose. Nachfolgend ist ein Ausschnitt
aus der Kette des Makromoleküls abgebildet.
NH2
N
N
Adenin
O
O P O H2C
N
N
O
O
O
H3C
H
N
Thymin
O
O P O H2C
N
O
O
NH2
O
N
Cytosin
O
O P O H2C
N
O
O
O
O
N
N
H
Guanin
O
O P O H2C
N
N
O
NH2
O
O
H3C
N
H
Thymin
O
O P O H2C
N
O
O
O
O
O P O
O
Adenin und Thymin sowie Cytosin und Guanin können sich durch zwei bzw. drei WasserH
H3C
O
N H
N
Zucker
H
H N
N H
N
N
N
N
N
Zucker
Zucker
stoffbrückenbindungen aneinander lagern:
130
N
N
O
Cytosin
Adenin
N
H N
N
O
Thymin
O
H N
H
Guanin
Zucker
Durch diese Basenpaarungen werden zwei Polynucleotidstränge zusammengehalten; gleichzeitig bestimmt jede Base den entsprechenden Partner im antiparallelen Strang. Dies ist
schematisch in der folgenden Zeichnung links dargestellt. Weiterhin winden sich die beiden
Molekülketten umeinander zu einer Doppelhelix (rechts im Bild). In der Zeichnung
symbolisiert P eine Phosphorsäure und der Kreis einen Zucker; dazwischen befinden sich die
Basenpaare.
b) Ribonucleinsäuren:
Die Ribonucleinsäuren (RNS, engl.: RNA) enthalten als Basen Adenin, Guanin, Cytosin und
Uracil; der Zuckerbaustein ist ausschließlich Ribose. Ihre Molekulargewichte sind wesentlich
kleiner als das der DNA. Ein Ausschnitt aus der RNA-Kette ist im folgenden Schema
abgebildet. Die Ribonucleinsäuren sind in verschiedenen Funktionen an der
Proteinbiosynthese beteiligt. Der Aufbau der Ribonucleinsäuren ist zwar einheitlich,
funktionell sind sie aber recht heterogen. Man unterscheidet zwischen Messenger-RNA (mRNA), ribosomaler RNA (rRNA), Transfer-RNA (tRNA) und heterogen, nuclearer RNA
(hnRNA). Allen Ribonucleinsäuren ist gemeinsam, dass sie an bestimmten Abschnitten der
DNA gebildet werden. Über die Bedeutung und Funktion der einzelnen Ribonucleinsäuren,
siehe Physiologische Chemie. Die m-RNA ist die Arbeitskopie eines Abschnitts der DNA.
Sie enthält die Information für die Bildung eines oder mehrerer Proteine. Die rRNA bildet mit
Proteinen die Ribosomen, also jene Partikel, an denen die Proteinbiosynthese stattfindet. Die
tRNA, die kleinsten aller Nucleinsäuren, sind am besten bekannt; sie besitzen eine so
genannte „Kleeblattstruktur“. Sie binden die einzelnen Aminosäuren in aktivierter Form und
transportieren sie zu den Ribosomen.
131
O
N
O
O P O H2C O
O
N
N
N
H
Guanin
NH2
NH2
N
O
N
Adenin
OH
O P O H2C O
O
N
N
OH
N
O
OH
N
O P O H2C O
O
Uracil
O
NH2
N
O
OH
O P O H2C O
O
N
Cytosin
O
OH
N
O
O P
OH
N
O H2C O
Uracil
O
O
O
OH
O P O
O
Die folgende Abbildung zeigt die Raumstruktur (links) und die schematische Kleeblattstruktur (rechts) einer tRNA. Über das 3’-Ende wird eine bestimmte Aminosäure gebunden.
Dabei bildet die Carboxylgruppe (C-1) der Aminosäure einen Ester mit der Hydroxylgruppe
an C-3’ der endständigen Ribose. Die Anticodonschleife ist für den stellungsspezifischen
Einbau der Aminosäure in ein Protein verantwortlich; sie bewerkstelligt dies durch Anlagerung über drei Basenpaarungen an eine komplementäre Sequenz (Codon) auf einer mRNA.
132
3‘
5‘
5‘
3‘
Anticodon
Anticodon
133
25. Anhang
25.1. Verbindungsklassen in der Organischen Chemie
Substanzklasse
Funktionelle Gruppe
Anmerkungen
R = z.B. CH3, CH2-CH3, usw.
(allgem. Alkylrest)
R = Alkylrest oder H
Alkine
R H
R
R
C C
R
R
R C C R
Alkohole
R O H
R = Alkylrest
Thioalkohole
R
Phenole
R O H
R = Alkylrest
(auch Thiole oder Mercaptane genannt)
R = Arylrest (Aromat)
Ether
R O R
R = Alkyl- oder Arylrest
Thioether
R
R = Alkyl- oder Arylrest
Alkylhalogenide
R X
R = Alkyl- oder Arylrest, X = Hal.
prim. Amine
R NH2
R = Alkyl- oder Arylrest
sek. Amine
R2N H
R = Alkyl- oder Arylrest
tert. Amine
R3N
R = Alkyl- oder Arylrest
X- = Anion, z.B. ClR = Alkyl- oder Arylrest
Alkane
Alkene
quart. Ammoniumsalze
Aldehyde
Ketone
Halbacetale
Acetale
Ketale
S
R = Alkylrest oder H
H
S
R
+
R4N
X
-
O
R C
H
O
R C
O R
R C H
O H
R
R = Alkyl- oder Arylrest
(Kurzschreibweise: R-CHO)
Alkyl- oder Arylrest
(Kurzschreibweise: R-CO-R
R = Alkyl- oder Arylrest
O R
R C H
O R
O R
R C R
O R
134
R = Alkyl- oder Arylrest
R = Alkyl- oder Arylrest
Substanzklasse
Funktionelle Gruppe
Anmerkungen, R = Alkyl- oder Arylrest
O
Carbonsäuren
Kurzschreibweise: R-COOH
R C
O H
Carbonsäureester
O
O R
O
Carbonsäureamide
R C
statt -NH2 auch -NHR oder-NR2
NH2
Carbonsäureanhydride
Beide R gleich oder verschieden
R C
O
R C
O
Carbonsäurehalogenide
R C
Nitrile
R C N
Isonitrile
R N C
Nitroverbindung
R N O
O
O
C R
Beide R gleich oder verschieden
X = Cl, Br, I
X
+
+
O
Kurzschreibweise: R-NO2
O
Sulfonsäure
R
S
O H
O
Nitrosoverbindung
R N O
Azoverbindung
R N N R
Diazoniumsalz
R N N
Hydroperoxid
R O O H
Peroxid
R O O R
+
Kurzschreibweise: R-SO3H,
Derivate analog Carbonsäuren
Beide R gleich oder verschieden
X- = Anion, z.B. Cl-
X
O
Persäure
R C
Kurzschreibweise: R-COOOH
O O H
135