H - Institut für Organische Chemie
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Prof. Dr. Th. K. Lindhorst Allgemeine Chemie II, SS 2004 Experimentalvorlesung, OC I OHP 5, Chemie Hörsaal I dienstags, mittwochs, donnerstags und freitags 09:15 – 10:00 Einführung in die Organische Chemie in 20 Kapiteln zuletzt aktualisiert am 16. Juni 2004 FOLIENSAMMLUNG - dieser File soll Ihre eigene Mitschrift der Vorlesung lediglich ergänzen! - der File wächst mit der Vorlesung - 1. Zur Einführung und zur Geschichte der Organischen Chemie Organische Chemie ist die Chemie der Kohlenstoffverbindungen Li B C N O Na Mg Al Si P S As Se Sb Te H F Cl Br I Die in organischen Verbindungen am häufigsten vorkommenden Elemente KURZE HISTORIE DER ORGANISCHEN CHEMIE Beginn der Organischen Chemie im 17. Jahrhundert: Pflanzliche und tierische Stoffe wurden in das Fach Chemie einbezogen. Lavoisier (1774) zeigt, dass jede Verbrennung mit der Aufnahme von Sauerstoff verbunden ist. → Bei Stoffen pflanzlichen und tierischen Ursprungs entsteht dabei CO2 und H2O, manchmal auch N2 bzw. N-oxide. → Bausteine C und H. Scheele (Mitte des 18. Jahrhs.) isoliert aus pflanzlichen und tierischen Produkten Säuren, wie z. B. Oxalsäure, Äpfelsäure, Weinsäure, Zitronensäure, Milchsäure, Harnsäure usw. → erkennt die Verwandtschaft unter den, aus Pflanzen und Tieren stammenden Substanzen. Bergmann (1784) prägt erstmals den Begriff Organische Chemie. Berzelius (1808) verglich den pflanzlichen und tierischen Organismus mit einer chemischen Werkstatt. → Man nahm an, dass der Aufbau organischer Substanzen nur im lebenden Organismus möglich sei: vis vitalis (Vitalismus) Wöhler (1828) widerlegt die vis vitalis durch die Synthese von Harnstoff im Labor. Gmelin (1848): Organische Chemie wird als Chemie der Kohlenstoffverbindungen definiert. Kekulé (1859): Lehrbuch der Organischen Chemie 2. Klassifizierung organischer Verbindungen Graphische Darstellung chemischer Formeln Funktionelle Gruppen und Stoffklassen Chemische Bindung und Hybridisierung Kohlenwasserstoffe enthalten nur zwei Elemente, Kohlenstoff und Wasserstoff Aliphaten Aromaten Nicht-aromatische Verbindungen werden als aliphatisch bezeichnet. Alkane Alkene Sonderfälle ungesättigter Kohlenwasserstoffe, z.B. Benzol, C6H6 Alkine Cycloaliphaten Gesättigte Verbindungen enthalten nur Einfachbindungen, keine Doppelbindungen und keine Dreifachbindungen. Ungesättigte Verbindungen enthalten Doppel- und/oder Dreifachbindungen. Molekül- bzw. Formeldarstellungen am Beispiel des Ethans Summenformel: C2H6 ausführliche Formeldarstellungen: H3C-CH3 H H H C C H H H Linienformel: Strichenden (bzw. Ecken) bedeuten C-Atome, die Wasserstoffatome, die für die Absättigung der Kohlenstoffvalenzen erforderlich sind, werden nicht gezeichnet (Heteroatome werden eingetragen). Dreidimensionale Formeldarstellungen: ♦ Keilstrichformel: fette Bindungsstriche weisen aus der Paierebene heraus, gestrichelte weisen hinter die Papierbene H ♦ Sägebockformel: H H H C C H H H H H H H H Fischer-Projektion Newman-Projektion Eine C-C-Bindung wird senkrecht zur Papierbene gelegt, das vordere C-Atom wird als Punkt, das hintere als Kreis dargestellt H H H (bzw. das hintere ist vedeckt und der Kreis symbolisiert die Elektronendichte der σ-Bindung). H → Konformationsanalyse H H Orbitale und chemische Bindung: Zusammenfassung Die Bewegung von Elektronen um den Atomkern wird durch Wellengleichungen (Schrödinger-Gleichungen) beschrieben. Die Lösungen dieser Wellengleichungen (Wellenfunktionen) lassen sich als Atomorbitale auffassen, die sich anschaulich als räumliche Bereiche um den Atomkern darstellen lassen, in denen die Elektronen eine hohe Aufenthaltswahrscheinlichkeit (ψ2) haben. Atomorbital niedrigster Energie: 1s-Orbital: kugelsymmetrisch, keine Knotenebene in Richtung höherer Energie: 2s-Orbital: kugelsymmetrisch, eine Knotenebene, größer als 1s 2p-Orbital: hantelförmig, d.h. zwei Orbitallappen mit einer Knotenebene 3s, 3p: ähnlich, aber diffuser, eine Knotenebene mehr ___________________________________________________________________________ Eine kovalente Bindung kommt durch Überlappung von Atomorbitalen verschiedener Atome, bzw. deren Linearkombination zu Molekülorbitalen zustande. In den bindenden Molekülorbitalen sind die Elektronen stärker delokalisiert als in den Atomorbitalen, aus denen sie hervorgehen, und damit energetisch bevorzugt. Hybridisierung: Die Linearkombination von Atomorbitalen desselben Atoms führt zu Hybridorbitalen. _____________________________________ Hybridisierung des Kohlenstoffatoms in Alkanen, Alkenen und Alkinen Der Kohlenstoff ist vierbindig Alkane Alkene Alkine CnH2n+2 CnH2n CnH2n-2 Ethan Ethen Ethin H3C-CH3 H2C=CH2 HC≡CH sp3- sp2- sp- Hybridisierung Hybridisierung Hybridisierung eine C-C-σ-Bindung eine C-C-σ-Bindung eine C-C-σ-Bindung eine C-C-π-Bindung zwei C-C-π-Bindgen. tetraedrisch trigonal planar linear Bindungswinkel 109°28' 120° Konformations- cis-trans- isomerie Isomerie gesättigte ungesättigte 180° ungesättigte Kohlenwasserstoffe Kohlenwasserstoffe Kohlenwasserstoffe C-C-Bindungslänge: ca. 153 pm ca. 134 pm C-C-Bindungsenergie: ca. 348 kJ/mol ca. 611 kJ/mol ca. 121 pm ca. 873 kJ/mol Verbindungsklassen Alle Gruppen, die an die Kohlenstoffkette (R) gebunden sind (mit Ausnahme von H), bezeichnet man als Substituenten. Reaktionsfähige Stellen in einem Molekül nennt man funktionelle Gruppen. Funktionelle Gruppen beeinflussen wesentlich die Struktur, die chemischen und die physikalischen Eigenschaften einer Verbindung. Funktionelle Gruppe (an R) Verbindungs- Allgemeine klasse Formel IUPAC-Silbe Beispiel Halogen F, Cl, Br, I Halogenalkane R-X Fluor-, Chlor-, Fluorethan Brom-, IodH3C CH2 F DoppelAlkene bindung, C=C CnH2n -en 2-Methylpropen H3C C CH2 H3C DreifachAlkine bindung, C≡C CnH2n-2 Hydroxygruppe, -OH Alkohole R-OH Mercaptogruppe, -SH Thioalkohole -in 2-Butin H3C -ol Ethanol H3C R-SH -thiol R-O-R' -oxy- Thioether R-S-R' -sulfid H3C Carbonylgruppe -C=O Aldehyde Ketone -C(O)H -C(O)R' CH2 CH2 SH Ethoxyethan (Diethylether) H3C Alkylthiogruppe, -SR' CH2 OH Propanthiol H3C Alkoxygruppe, Ether -OR' C C CH3 CH2 O CH2 CH3 Ethylmethylsulfid CH2 S CH3 -al -carbaldehyd Ethanal (Acetaldehyd) -on Propanon (Aceton) O H3C H3C H O CH3 Carboxylgruppe Carbonsäuren R-COOH -säure -carbonsäure Ethansäure (Essigsäure) O -C(X)=O H3C Ester R-COOR' -oat OH Methylethanoat (Essigsäuremethylester) O H3C Amide R-C(O)NH2 R-C(O)NRR' -amid OCH3 Propanamid O H3C NH2 Säurechloride R-C(O)Cl -oylchlorid Ethanoylchlorid -carbonylchlorid Säureanhydride R-C(O)-O(O)CR' O H3C Cl -säureanhydrid Propansäureanhydrid O O O Aminogruppe Amine R-NH2(RR') Amino- N-Methylamino- ethan H3C Nitrilgruppe -C≡N Nitrile -CNO, -CNS (Thio)Cyanate R-CN -nitril Propannitril H3C R-CNO, R-CNS CH2 NH(CH3) -(thio)cyanat CH2 CH2 CN Phenylisocyanat NCO -NCO, -NCS Iso(thio)cyanate aromatische Arene Verbindungen R-NCO, R-NCS -iso(thio)cyanat Methylbenzol (Toluol) CH3 3. Isomerie: Konstitutionsisomere und Stereoisomerie (Konfiguration, Enantiomere, optische Aktivität) Konstitution, Konformation, Konfiguration ... gibt an, welche und wieviele Atome in Summenformel einem Molekül vorhanden sind. In der Summenformel werden immer zuerst die Kohlenstoffatome, danach die Wasserstoffatome und darauffolgend die anderen enthaltenen Atome in alphabetischer Reihenfolge aufgelistet. Konstitutionsformel beschreibt die Konnektivitäten der Atome, d.h. sie gibt an, wie die Atome in einem Molekül miteinander verknüpft sind. Stereochemie befasst sich mit der dreidimensionalen (räumlichen) Struktur von Molekülen. -StrukturisomereKonstitutionsisomere besitzen die gleiche Summenformel, unterscheiden sich aber in Aufeinanderfolge der Atome. Stereoisomere besitzen die gleiche Summenformnel und Konstitution, unterscheiden sich aber in der räumlichen Anordnung der Atome im Molekül. Konformere Enantiomere Diastereomere Konformere lassen sich duch Drehung um Einfachbindungen ineinander umwandeln. Enantiomere verhalten sich wie Bild und Spiegelbild. Enantiomere und Diastereomere sind chiral. Cirale Verbindungen unterscheiden sich von ihrem Spiegelbild. Chemische Verbindungen gleicher Summenformel unterscheiden sich in ihrer Struktur Isomere unterscheiden sich nach Art der Verknüpfung (Konnektivität) der vorhandenen Atome unterscheiden sich in der Raumanordnung der Atome Konstitutionsisomere Stereoisomere lassen sie sich durch Drehung um Einfachbindungen ineinander überführen Ja Konformere Nein Konfigurationsisomere verhalten sie sich wie Bild und Spiegelbild zueinander Ja Enantiomere Nein Diastereomere (dazu gehören auch cis-, transbzw. Z-, E-Isomere) Cartoon eines Enantiomerenpaares (angedeutet ist ein Molekül mit sp3-hybridisiertem Kohlenstoffatom, das mit 4 verschiedenen Substituenten verbunden ist. Bild und Spiegelbild sind dann nicht identisch). Begriffe zur Stereochemie Chiralität: z.B. Zentrochiralität: ein C-Atom ist ein stereogenes Zentrum, wenn es sp3-hybridisiert und an vier verschiedene Substituenten gebunden ist. Damit ein Molekül chiral ist, darf es keine Drehspiegelachsen als Symmetrieelement besitzen. Konfiguration: verschiedene räumliche Anordnung der Gruppen in einem chirlane Molekül Optische Aktivtität: die Fähigkeit chiraler Moleküle, die Schwingungsebene linear polarisierten Lichtes zu drehen. Drehwert: der Winkel, um den eine optisch aktive Substanz die Ebene linear polarisierten Lichtes dreht; nach rechts => (+), nach links => (-). Inversion der Konfigration: Umkehr der Konfiguration Retention der Konfiguration: deren Erhalt Racemisierung: aus einem enantiomerenreinen Edukt entstehen beide Isomere Racemat: ein 1:1-Gemisch von zwei Enantiomeren Epimerisierung: nur eine einziges von mehreren stereogenen Zentren wird in seiner Konfiguration invertiert. Fortgeschrittenes Merkblatt zur Stereochemie Als Symmetrieoperationen bezeichnet man Operationen, welche einen Gegenstand mit sich selbst zur Deckung bringen. Bleibt bei der Durchführung der betreffenden Symmetrieoperation ein Punkt im Raum fixiert, spricht man von Punktsymmetrie. (Wird in eine Symmetrieoperation auch eine Translation einbezogen, spricht man von Raumsymmetrie → Kristalle). Moleküle sind stets punktsymmetrisch. Es lassen sich vier Punktsymmetrieelemente unterscheiden, die mit vier Symmetrieoperationen verknüpft sind: 1. Symmetriezentrum 3. Drehachse Cn i 2. Spiegelebene σ 4. Drehspiegelachse Sn Weil die Drehung um 180° mit nachfolgender Spiegelung, der Spiegelung an einem Punkt entspricht, ist S2 = Inversion (SZ) und entsprechend ist S1 = Spiegelebene (σ). Jedes Molekül besitzt mehr oder weniger Symmetrieelemente. Die Kombinationen der Symmetrieelemente heißen Punktgruppen. Eine Punktgruppe ist eine Gruppe im Sinne der Gruppentheorie. Punktgruppen ohne jedes Symmetrieelement sind asymmetrisch. Punktgruppen ohne Drehspiegelachsen (also auch ohne Symmetriezentrum und Spiegelebene) bezeichnet man als dissymmetrisch. Dissymmetrische und asymmmetrische Gegenstände oder Moleküle haben eine Eigenschaft gemeinsam: sie verhalten sich wie Bild und Spiegelbild, d.h. sie lassen sich mit ihrem Spiegelbild nicht zur Deckung bringen. Man nennt sie chiral. Chiralität ist die notwendige und hinreichende Bedingung für das Auftreten optischer Aktivität (d.h. die Fähigkeit einer Substanz, die Polarisationsebene linear polarisierten Lichts zu drehen). Damit eine Verbindung chiral ist, darf sie keine Drehspiegelachsen als Symmetrieelemente aufweisen (Drehachsen (Cn) schon). (wenige Ausnahmen) Erinnere: Strukturisomere haben gleiche Summenformel. Unter den Strukturisomeren unterscheidet man zwei grundsätzliche Fälle: Konstitutionsisomere unterscheiden sich in der Aufeinanderfolge der Atome. Stereoisomere sind Moleküle gleicher Konstitution, die sich aber in der räumlichen Anordnung ihrer Atome, d.h. ihrer Konfiguration unterscheiden. Ausgenommen sind die Konformeren, deren unterschiedliche räumliche Anordnungen durch Drehung um Einfachbindungen entstehen. Stereoisomere, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten, heißen Enantiomere, alle anderen Stereoisomere sind Diastereomere. Beispiele für Unterschiede zwischen der links- und rechtsdrehenden Konfiguration von chiralen Substanzen Substanz linksdrehende Form rechtsdrehende Form Aminosäure Asparagin schmeckt bitter schmeckt süß Barbitursäure löst Krampfanfälle aus wirkt narkotisch ein Derivat Schlafmittel Contergan extrem teratogen (fruchtschädigend) ruft keine Missbildungen hervor Naturstoff Limonen riecht nach Zitronen riecht nach Orangen Arzneistoff Ethambutol wirkt gegen Tuberkulose führt zu Blindheit Arzneistoff Penicillamin wirkt gegen Rheuma wirkt extrem toxisch Aminosäure Thyroxin Schilddrüsenhormon senkt den Cholesterinspiegel Arzneistoff Propranolol wirkt gegen Bluthochdruck wirkt empfängnisverhütend CONTERGAN (Thalidomid): O O O O NH N (S) NH O N H O (S)-konfiguriert: teratogen verursacht Missbildungen (R) H O (R)-konfiguriert: mildes Beruhigungsmittel O 4. Alkane und Cycloalkane Nomenklatur, Konformationsisomerie Die homologe Reihe der Alkane (CnH2n+2) Homologe sind strukturell sehr eng verwandte Substanzen, welche im Extremfall die gleiche allgemeine Summenformel besitzen und sich jeweils durch eine Methylengruppe (eine CH2-Einheit) unterscheiden Methan Ethan Propan Butan Pentan Hexan Heptan Octan Nonan Decan Undecan Dodecan Tridecan Tetradecan Pentadecan Hexadecan Heptadecan Octadecan Nonadecan Eicosan CH4 H3C-CH3 H3C-CH2-CH3 H3C-(CH2)2-CH3 H3C-(CH2)3-CH3 H3C-(CH2)4-CH3 H3C-(CH2)5-CH3 H3C-(CH2)6-CH3 H3C-(CH2)7-CH3 H3C-(CH2)8-CH3 H3C-(CH2)9-CH3 H3C-(CH2)10-CH3 H3C-(CH2)11 -CH3 H3C-(CH2)12-CH3 H3C-(CH2)13-CH3 H3C-(CH2)14-CH3 H3C-(CH2)15-CH3 H3C-(CH2)16-CH3 H3C-(CH2)17-CH3 H3C-(CH2)18-CH3 Substituenten und Alkylgruppen Alle Gruppen, die an ein Kohlenstoffatom gebunden sind (mit Ausnahme von Wasserstoff) bezeichnet man als Substituenten. Kohlenwasserstoff-Substituenten werden als Alkylgruppen (allg. "Rest" R) bezeichnet. Alkylreste werden benannt, indem man an den Wortstamm die Endung "-yl" anfügt. Für die kleineren Alkylreste sind Trivialnamen gebräuchlich: IsopropylAlkylVinyl- R CH3 Allyl- Phenyl- Methyl- C6 H5 C2 H6 Ethyltert-Butyl CH2 Benzyl- Nomenklatur: Benennung von Molekülen nach IUPAC (=International Union of Pure and Applied Chemistry) Einige Trivialnamen bleiben offiziell in Gebrauch PRÄFIX – STAMMNAME – SUFFIX Substituenten (und deren Anzahl und Position) in alphabetischer Reihenfolge entsprechend Stammalkan bezeichnet Hauptfunktion ! Der Stammname ist meist lateinischen oder griechischen Ursprungs und gibt die Anzahl der Kohlenstoffatome der Kette an. Zur Bennennung einer Verbindung sucht man die längste lineare Kette im Molekül, die Bezeichnung für das entsprechende Stammalkan liegt dann dem Namen der Verbindung zu Grunde. (siehe homologe Reihe der Alkane). ! Besitzt eine Verbindung mehrere Ketten gleicher Länge, wird diejenige zu Grunde gelegt, welche die meisten Substituenten enthält. ! Die Namen der einzelnen Substituenten werden bestimmt, mit dem Suffix –yl versehen und in alphabetischer Reihenfolge als Präfixe vor den Namen geordnet [praefigere (lat.) = vorne anheften] ! Die längste Kette wird von dem Ende her nummeriert, das einem der Substituenten am nächsten ist. Wenn zwei Substituenten vom jeweiligen Kettenende gleich weit entfernt sind, dann ist derjenige für die Nummerierung relevant, dessen Anfangsbuchstabe im Alphabet vorne steht. ! Der IUPAC-Name der Verbindung ergibt sich nun, indem man zunächst die Namen der Substituenten in alphabetischer Reihenfolge mit der Nummer des C-Atoms, an das er gebunden ist, auflistet und dann den Stammnamen zufügt. ! Treten Substituenten mehrfach auf, werden die Präfixe Di-, Tri-, Tetra- usw. verwendet. Bei cyclischen Verbindungen wird das Präfix Cyclo- verwendet. Diese Präfixe werden bei der alphabetischen Reihung nicht berücksichtigt. Verzweigte Seitenketten: dort trägt dasjenige C-Atom, die Nummer 1, das mit der Hauptkette verbunden ist. Der Stammname enthält eine Endung [Suffix von suffigere (lat.) = anhängen], die auf die Stoffklasse hinweist um die es sich handelt: -an für Alkane -en für Alkene -in für Alkine -ol für Alkohole usw. NOMENKLATUR - Trivialnamen Für einige Verbindungen bzw. Alkylresten sind Trivialnamen gebräuchlich sind. Einge wichtige Beispiele: CH 3 H 3C C H (CH 2 ) n CH 3 ein Iso alkan CH 3 H 3C C CH 3 (CH 2 ) n CH 3 ein Neo alkan CH3 H3C C CH3 H3C H Isopropyl- H IsobutylCH3 CH3 H3 C C CH3 tert-Butyl- CH2 C H3 C C CH3 CH3 Neopentyl- Homologe Reihen der Alkane Alkene Alkine n CnH2n+2 CnH2n (bei einer CnH2n+2 (bei einer Doppelbindung) Dreifachbindung) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Methan Ethan Propan Butan Pentan Hexan Heptan Octan Nonan Decan Undecan Dodecan Tridecan Tetradecan Pentadecan Hexadecan Heptadecan Octadecan Nonadecan Eicosan Ethen Propen Buten Penten Hexen Hepten Octen Nonen Decen Undecen Dodecen Tridecen Tetradecen Pentadecen Hexadecen Heptadecen Octadecen Nonadecen Eicosen Ethin Propin Butin Pentin Hexin Heptin Octin Nonin usw. van der Waals-Kräfte: schwache Bindungskräfte zwischen inerten Atomen und gesättigten, unpolaren Molekülen, deren Energie mit der 6. Potenz des Molekülabstandes abnimmt. (schwächste der zwischenmolekularen Kräfte) Jedem Atom wird ein bestimmter Wirkungsradius gegenüber anderen, nicht gebundenen Atomen zugeschrieben, der als van der Waals-Radius bezeichnet wird. Beträgt der Abstand zweier Atome die Summe ihrer beiden van der Waals-Radien ist die van der Waals-Anziehung maximal. Sollen die Atome noch weiter "zusammengepreßt "werden, kehrt sich die Anziehung in die sogenannte van der Waals-Abstoßung um. Physikalische Eigenschaften von Alkanen Alkanstrukturen sind regelmäßig gebaut und nehmen unter anderem eine Zickzackanordnung ein. H H H H C C C H H H H C H C C H H H H H Alkanmoleküle sind unpolar (die Elektronen sind gleichmäßig im Molekül verteilt) und werden nur von den schwachen van der Waals-Kräften zusammengehalten, deren Energie mit der 6. Potenz des Molekülabstandes abnimmt. Van der Waals-Kräfte wirken zwischen den Moleküloberflächen und sind daher um so stärker, je größer das Molekül ist. Also nehmen die Schmelz- und Siedepunkte und die Dichte der Alkane mit steigender Molmasse aufgrund der zunehmenden Anziehungskräfte zwischen den Molekülen zu. Bei verzweigten Alkanen sind wegen der kleineren Oberfläche die van der Waals-Kräfte geringer als bei geradkettigen Isomeren. Die Höhe der Schmelzpunkte wird auch von der Packungsdichte im kristallinen Zustand beeinflusst. Alkane mit geradzahliger Kohlenstoffzahl sind besser gepackt und schmelzen daher relativ etwas höher als Alkane mit ungerader C-Zahl. Ethan und Konformationsanalyse Die Newman-Projektionen ist für Konformationsanalysen sehr hilfreich. Dazu betrachtet man das Molekül entlang der Achse, um die die Rotation erfolgt: θ H H H H ≡ H H H H H H H H NewmanProjektion KeilstrichSchreibweise θ : Diederwinkel: gibt den Winkel der beiden Ebenen an, welche durch die C-C-H-Bindungen verlaufen. Wenn θ = 0° ist, sind die Substituenten verdeckt (oder ekliptisch, engl. eclipsed), wenn θ am grössten ist, sind sie gestaffelt (engl. staggered): H H H H H H gestaffelt H H H H HH verdeckt ekliptisch Die H-Atome sind groß genug, um die gegenseitige Abstoßung ihrer Elektronen zu spüren. Je näher sie sind, desto instabiler ist das System. Die möglichen relativen Anordnungen werden als Konformationen bezeichnet. Die Energieminima eines solchen Diagramms heißen Konformere, die Maxima Übergangszustände. Butan Während es bei Ethan nur ein Konformer gibt, ist bei Butan die Situation komplizierter. Die Anwesenheit von Methylgruppen führt zu drei möglichen Konformeren, wenn man das Molekül entlang der C(2)-C(3)-Bindung betrachtet: H H H3C CH3 H3C H CH3 H H HH H θ = 0° verdeckt synperiplanar C2v θ = 60° gestaffelt gauche, synclinal C2 H CH3 H H H3C H CH3 H3C HH θ = 120° verdeckt C2 H CH3 H H H H θ = 180° gestaffelt antiperiplanar C2h H H CH3 H HCH3 θ = 240° verdeckt C2 CH3 H θ = 300° gestaffelt gauche, synclinal C2 Wenn θ = 0° ist, sind die zwei Methylgruppen am nächsten. Da sie grösser als H-Atome sind, ist auch die entsprechende destabilisierende Wechselwirkung intensiver (2.5 kcal/mol). Eine solche Anordnung wird als synperiplanar bezeichnet. Eine 60°-Drehung führt zu einer gestaffelten Konformation. Die zwei Methylgruppen sind aber noch relativ nahe, was zu einer gauche- (oder synclinalen-) Anordnung mit einer Spannung von 0.9 kcal/mol führt. Wenn θ = 120° ist die Konformation wiederum verdeckt, jedoch gibt es jetzt zwei H3C/H- (1.4 kcal/mol) und eine H/H-destabilisierende Wechselwirkung. Mit θ = 180° sind die Methylgruppen am entfernsten und es gibt keine Destabilisierung. Diese antiperiplanare Anordnung entspricht dem Gesamtminimum des Systems. Bi- und polycyclische Cycloalkane ♦ Spiroverbindungen (Spirane): C zwei Ringe haben nur ein C-Atom gemeinsam; die Ringebenen stehen senkrecht aufeinander. (axiale Chrialität) ♦ Kondensierte Ringsysteme: zwei Ringe teilen zwei C-Atome miteinander (anellierte Ringe). C C z.B. Decalin (ortho-Kondenstion) -polycyclische Ringsysteme, z.B. Adamantan ♦ Brückenringsysteme: über zwei C-Atome eines Ringes wird eine Bindung geschlagen, die aus einer oder mehreren CH2-(Methylen-) Gruppen bestehen kann. C C z.B. Norbornan (= Bicyclo[2.2.1]heptan) Die Stabilität von Brückensystemen hängt entscheidend von der Ringspannung ab; die Bootform ist hier deshalb gegenüber der Sesselkonformation bevorzugt. Bredt'sche Regel: wegen der Ringspannung kann an einem Brückenkopf-C-Atom keine Doppelbindung autreten. Baeyer-Spannung Cycloalkane werden nach Prelog u. H. C. Brown in vier Klassen eingeteilt: Kleine Ringe (3u. 4-gliedrig), Gewöhnliche Ringe (5-, 6- u. 7-gliedrig), Mittlere Ringe (8- bis 11-gliedrig) u. Große Ringe (12- u. höher-gliedrig). Kleine u. mittlere Ringe weisen eine abnorm hohe Verbrennungswärme auf, vgl. mit den Werten entsprechender offenkettiger Alkane. Die besonders hohen Verbrennungswärmen der kleinsten Ringe wird durch die Baeyer'sche Spannungstheorie erklärt, wonach die Abweichung der Bindungswinkel X vom NormalTetraeder-Winkel 109°28' die Spannung verursacht. Diese Winkelod. Baeyer-Spannung wird durch den Wert 1/2(109°28'–X) ausgedrückt. Die Theorie der B.-S. versagt für größere Ringe, da sie von ebenen Ringen ausgeht, was bereits beim Cyclopentan nicht mehr der Fall ist. S. auch unter Konformations-Theorie, Pitzer-Spannung u. Transannulare-Spannung. Pitzer-Spannung Nach K. S. Pitzer (geb. 1914) benannte Bez. für diejenige Spannung eines Mol., die durch van der Waals-Kräfte ungenügend gestaffelter Substituenten benachbarter KohlenstoffAtome hervorgerufen wird. Der einfachste Fall von P.-S. liegt beim Ethan-Mol. vor. Hier entspricht die P.-S. der Energiedifferenz zwischen der energetisch ungünstigen eklipt. Konformation u. der energetisch günstigen gestaffelten Konformation. Aufgrund der P.-S. liegt Cyclopentan nicht in der ebenen Form eines regelmäßigen Fünfecks vor, sondern bevorzugt gewellte Konformationen (Envelope u. Halbsessel). In cyclischen Verb. stellt die P.-S. einen Teil der Gesamtringspannung dar, deren weitere Komponenten die Baeyer-Spannung u. die Transannulare-Spannung sind. Lit.: Acc. Chem. Res. 16, 207–210 (1983) Cyclopentan Planares Cyclopentan würde einen Innenwinkel von 108° besitzen. Ein Wert, der sehr nah an die 109.47° eines Tetraeders kommt. Die geringe Baeyer-Spannung würde aber von 10 ungünstigen H-C-C-H Pitzer-Spannungen (10 x 1 kcal/mol) begleitet sein. Experimentell findet man, dass in der Tat die Ringspannung nur ca. 6 kcal/mol beträgt und das Molekül nicht planar ist: H H H H 108° H H H H H H H H H H H H H H H H envelope-Konformation (Briefumschlag) Eine Pseudorotation (d. h. eine Bewegung einiger Atome, die als eine Rotation des ganzen Moleküls erscheint) führt die verschiedenen envelope-Konformere ineinander über. Diese Pseudorotation benötigt sehr wenig Energie und verläuft daher sehr schnell. + + – – + – – + + + – + – + ... + ... Cyclohexan Die Ringinversion verläuft über eine Serie von Konformeren; die Twist-Konformere sind metastabil. Die Wanne (Boot) ist wesentlich instabiler als der Sessel; zwei Arten destabilisierender Wechselwirkungen: H H H H H H HH H H HH 4 Pitzer-Spannungen flagpole H/H-Wechselwirkungen (Fahnenstange, Flaggenmast) Weitere Cyclohexanderivate Wenn die Energiedifferenz zwischen zwei Sesselkonformeren groß ist, kann der Ring bei Raumtemperatur praktisch nicht mehr invertieren. Dies ist z. B. der Fall bei tertButylcyclohexan. Die sehr starken 1,3-diaxialen Wechselwirkungen schieben das Gleichgewicht zu 99.99% auf die Seite der äquatorialen Konformation (∆E = 5.5 kcal/mol). In trans-Decalin würde die Ringinversion eines Ringes zu großen Spannungen im anderen Teil des Bicyclus führen. trans-Decalin ist daher konformationsstabil. H H cis-Decalin kann hingegen rasch invertieren, da es keine Energiedifferenz zwischen den beiden Konformeren gibt: H H H H Die starre Struktur polycyclischer Verbindungen ist wichtig für natürlich vorkommende Moleküle wie z. B. Steroide, deren dreidimensionale Anordnung die biologische Aktivität mitbestimmt. Das Cholestangerüst besitzt 7 Stereozentren, was theoretisch 64 diastereoisomeren Paaren entspricht. Jedoch existiert in der Natur nur dasjenige Diastereoisomer, beim die ungünstigen Wechselwirkungen minimiert werden: H H CH3 H CH3 C8H17 H 5. Chemische Reaktivität, reaktive Zwischenstufen und Reaktionsmechanismen Die Aktivierungsenergie Ea ist die minimale Energie, die ein Molekül besitzen muss, um zu reagieren. Diese Barriere wird durch die destabilisierenden Kräfte erzeugt, die durch Annäherung der Reaktionspartner oder durch Konformationsänderungen eintreten. In der folgenden Abbildung ist das Reaktionsprofil einer exergonischen Reaktion dargestellt: Übergangszustand: Ein Punkt höchster Energie auf der Reaktionskoordinate. Ein Übergangszustand existiert nur unmeßbar kurz. Zwischenstufe: Zwischenprodukte (Zwischenstufen) sind energetisch bei Minimas angesiedelt, die von Übergangszuständen flankiert sind. Ihre Lebensdauer ist unterschiedlich lang. Dissoziationsenergien Wenn sich Atome zu Molekülen vereinigen, wird Energie frei. Zur Spaltung eines Moleküls bzw. einer Bindung muß eine äquivalente Menge Energie aufgebracht werden. Die Energie, die verbraucht oder freigesetzt wird, wenn eine Bindung gespalten oder gebildet wird, bezeichnet man als Dissoziationsenergie DH0 Eine Bindung kann homolytisch oder heterolytisch gespalten werden. Dissoziationsenergien beziehen sich auf homolytische Spaltungen! homolytische Spaltung: heterolytische Spaltung: # A. + B. # A- + :B+ A-B A-B Teilchen mit ungepaarten Elektronen am C: kohlenstoffzentrierte Radikale R. sp2-hybridisiert Teilchen mit positiver Ladung am Kohlenstoff: Carbeniumionen RC+ sp2-hybridisiert Teilchen mit negativer Ladung am Kohlenstoff: Carbanionen RC- (sp2) sp3-hybridisiert Je stabiler ein Radikal, umso kleiner ist seine Dissoziationsenergie. Die Stärke von C-H- und C-C-Bindungen ist von der Molekülstrutur abhängig. Dissoziationsenergien einiger Alkane Verbindung DH0 [kJ/mol] Verbindung DH0 [kJ/mol] H3C-H H5C2-H (H3C)2HC-H (H3C)3C-H 440 410 396 389 H3C-CH3 H5C2-CH3 H5C2-C2H5 (CH3)C-CH3 (CH3)C-C(CH3)3 377 360 343 352 301 Stabilität von Radikalen und Carbeniumionen CH3-Radikal/Kation < primäres < sekundäres < tertiäres STABILITÄT ⇒ ⇐ENERGIEGEHALT ⇐DISSOZIATIONSENERGIE Begründung der Stabilitätsreihung durch HYPERKONJUGATION Hierunter versteht man die Wechselwirkung zwischen einer α-C-HBindung und dem p-Orbital des sp2-C-Atoms (des Radikals oder Carbeniumions), die in bestimmten Konformationen möglich ist. Dadurch wird der Elektronenbedarf des elektronenärmeren sp2-CAtoms ausgeglichen. (⇒ +I -Effekt von Alkylgruppen) 6. Radikalische Substitution und Halogenalkane; CIP-Regeln; Bindungspolarisierung, M- und IEffekte, Elektrophilie und Nucleophilie Radfikalische Chlorierung: der Radikalkettenmechanismus verläuft über zwei Übergangszustände Cl2 R-Cl R Cl HCl R-H Elektronegativität ist eine Bezeichnung für die Fähigkeit der an chemischen Bindungen beteiligten Atome, gemeinsame Elektronen von benachbarten Atomen innerhalb des Moleküls unterschiedlich stark anzuziehen. Die Elektronegativität bestimmt wesentlich den Charakter der Bindung! Der Begriff Elektronegativität geht auf Pauling zurück, der 1932 die erste empirische Elektronegativitäts-Skala aufstellte und später etwas modifizierte. An den verschiedenartigen Definitionen und der willkürlichen Wahl der Skala erkennt man, daß die Elektronegativität keine wohldefinierte physikalische Größe ist. Die Elektronegativität eines Atoms ist um so größer, je höher die Kernladung ist und je stärker sie über die Elektronenhülle hinaus wirken kann. Die Elektronegativität nimmt im Periodensystem von links nach rechts innerhalb der Periode und normalerweise von unten nach oben innerhalb einer Gruppe zu. Also: Im Periodensystem stehen die elektronegativsten Elemente oben und rechts. Von der Elektronegativität ist die Elektronenaffinität zu unterscheiden, die sich auf die Aufnahme eines Elektrons durch ein freies, ungebundenes Atom oder ein Molekül bezieht. Induktive und mesomere Effekte Durch die unterschiedliche Elektronegativität der Elemente sind viele Bindungen polarisiert. Die Bindungspartner tragen dadurch Partialladungen: δ+und δ- ♦ Diese wirken sich auch auf weitere Bindungen polarisierend aus, mit zunehmendem Abstand der betrachteten Bindung von dem/r polarisierenden Atom/Gruppe in immer geringerem Maße: => Induktiver (I-) Effekt Man unterscheidet Substituenten mit +I-Effekt: erhöhen die Elektronendichte am substituierten C-Atom; (gebundenes Atom hat geringere Elektronegativität als C-Atom) -I-Effekt: erniedrigen die Elektronendichte am substituierten C-Atom; (gebundenes Atom hat höhere Elektronegativität als C-Atom) Kohlenstoffreste, die stark elektronegative Elemente tragen, wie eine CCl3- oder eine CF3-Gruppe haben -I-Effekt! Alkylsubstituenten wirken einen +-I-Effekt aus! => Hyperkonjugation ♦ Ein zweiter Effekt kommt bei sp -hybridisierten C-Atomen zum 2 Tragen. Er kommt durch Konjugation zwischen π-Systemen oder πSystemen mit freien Elektronenpaaren zustande und kann durch mesomere Grenzstrukturen (Resonanzstrukturen) beschrieben werden: => Mesomerer (M-) Effekt Je nachdem ob ein Substituent durch Mesomerie Elektronen aufnehmen -M- Effekt oder abgeben kann, spricht man von oder +M-Effekt Auch hier beschreibt das Vorzeichen (+) die Erhöhung, (-) die Erniedrigung der Elektronendichte des Zentrums an dem ein M-Substituent gebunden ist. Substituenten mit freien Elektronenpaaren sind +M-Substituenten, Substituenten mit π-Systemen, vor allem, wenn elektronegative Elemente beteiligt sind, besitzen meist -M-Charakter. Begriffe zur Reaktivität Substitution: Ein Atom wird durch ein anderes ersetzt. Polarität: ungleiche Verteilung von Elektronendichte Polarisierbarkeit: ein Maß für die Fähigkeit der Elektronenhülle eines Atoms auf die Änderung des elektrischen Feldes zu reagieren. Nucleophile: Elektronendonoren; haben eine negative Ladung oder ein freies Elektronenpaar; elektronenreiche Verbindungen oder Teilchen, die bevorzugt mit elektrophilen Zentren reagieren. Elektrophil: Elektronenpaarakzeptoren; haben Elektronenmangel; elektronenarme Verbindungen oder Teilchen, die bevorzugt mit nucleophilen Zentren reagieren. I- und M-Effekte wichtiger Substituenten nur induktiv induktiv und mesomer -I-Effekt +I-Effekt -NR3 + -CF3 -CR3 -SiR3 -CO2 -I-, -M-Effekt +I-, +M-Effekt -CN -CO-R, -CO-X -NO2 -SO2R -O -I- < +M-Effekt -I- > +M-Effekt -NR2 -OR -NHCOR -SR -Ph -Hal - Physikalische Eigenschaften von Halogenalkanen sp3-Orbital des Kohlenstoffatoms C X p-Orbital des Halogenatoms C-F C-Cl C-Br C-I zunehmende Größe des Halogenatoms zunehmende Diffusität des Halogen-p-Orbitals zunehmende C-X-Bindungslänge abnehmende C-X-Bindungsstärke zunehmende Polarisierbarkeit des Halogenatoms van der Waals-Kräfte gewinnen an Bedeutung zunehmende Siedepunkte CH4 CH3F CH3Cl CH3Br CH3I -161°C -78.4°C -24.2°C 3.6°C 42.4°C 7. Nucleophile Substitution und Reaktionsprofil Beispiele nucleophiler Substitutionsreaktionen Abgangsgruppe Nucleophil CH3Cl Chlormethan + HO - CH3CH2I Iodethan + H3CO- H + H3C-C-CH2CH3 Br 2-Brombutan H H3C-C-CH2I CH3 1-Iod-2-methylpropan I- + NC - Br + H3CS - Bromcyclohexan CH3CH2I Iodethan CH3Br Brommethan elektrophiles Zentrum: fett CH3OH + Methanol Cl- CH3CH2OCH3 Methoxyethan + I- H + BrH3C-C-CH2CH3 I 2-Iodbutan + IH H3C-C-CH2CN CH3 3-Methylbutannitril SCH3 + Br - (Methylthio)cyclohexan + NH 3 + P(CH3)3 H + IH3CCH2 NH H Ethylammoniumiodid CH3 H3C-P-CH3 + Br CH3 Tetrammethylphosphoniumbromid BEGRIFFE Übergangszustand: ein Punkt höchster Energie auf der Reaktionskoordinate. Ein Übergangszustand existiert nur unmeßbar kurz. Zwischenstufe: Zwischenprodukte (Zwischenstufen); sind energetisch bei Minimas angesiedelt, die von Übergangszuständen flankiert sind. Ihre Lebensdauer ist unterschiedlich lang. Elementarreaktion: Eine Stoffumwandlung, die genau über einen Übergangszustand erfolgt. Eine n-stufige Reaktion erfolgt über eine Folge von n Elementarreaktionen. Reaktionsordnung: die Summe der Exponenten der einzelnen Reaktionsterme im Geschwin digkeitsgesetz, das die Kinetik einer Reaktion beschreibt. Molekularität: gibt die Zahl der Teilchen an, die in einer Elementarreaktion miteinander reagieren. Vergleich von SN1- und SN2-Reaktionen (ein Überblick) S N1 S N2 r ~ [RX] (1. Ordnung) 2 Übergangszustände r ~ [RX][Nu] (2. Ordnung) 1 Übergangszustand nur wenn sich stabilisierte Carbeniumionen bilden können nicht mit sterisch gehinderten Substraten Racemisierung Inversion; stereospezifisch beschleunigt in polaren protischen Solventien (Ionenstabilisierung) beschleunigt in polaren aprotischen Solventien ("nackte" Ionen) 8. Alkohole, Thioalkohole Wasserstoffbrücken-Bindungen siehe Vorlesung ... 9. Ether, Thioether, Epoxide Grignard-Verbindungen, Metallorganyle siehe Vorlesung ... 10. Eliminierung und Alkene cis-trans-Isomerie, Reaktionen, Polymere Stichworte: Kummulierte, isolierte und konjugierte Doppelbindungen; Resonanzstabilisierung im Falle von Konjugation. Addition an C=C-Doppelbinung: elektrophil, radikalisch, nucleophil, syn-Addition. Markovnikov, anti-Markovnikov Wichtige Reaktionen von Olefinen: zu cis-Diolen mit KMnO4, zu trans-Diolen über Epoxid-Öffnung, Ozonolyse, Hydroborierung, Diels-Alder-Cycloaddition, Polymerisation. Elektrophile Addition: es wird eine kationische Zwischenstufe gebildet. Reaktivität von HX steigt parallel mit Säurestärke: HI > HBr > HCl > HF Elektrophile Addition von Halogenatomen an Doppelbindungen: anti-Addition führt zum trans-Additionsprodukt! Hal + Hal Hal Hal Hal + Hal cyclisches Haloniumion: 2-Elektronen-3-Zentrenbindun Polarisierung des Halogenmoleküls durch die olefinische Doppelbindung Hal Hal trans-Additionsprodukt Radikalische Addition an Doppelbindungen: es wird eine radikalische Zwischenstufe gebildet; R + X-R R R X +R X-R = Hal-Hal , H-Hal , H-SR' , Hal-CCl 3 Radikalkettenmechanismus. Als Radikalstarter fungieren Peroxide, R-O-O-R' Regiochemie bei der Addition an unsymmetrisch substituierte Alkene das stabilere Carbeniumion wird gebildet H Br H H H Br H R R MarkovnikoffProdukte H R Br H HBr Br H R das stabilere Radikal wird gebildet -Br Br R Anti-MarkovnikoffProdukte Alkine sp-, sp2- und sp3-Hybridorbitale unterscheiden sich in der Zahl der beteiligten p-Orbitale. Dabei nimmt der Anteil des beteiligten sOrbitals wie folgt ab: sp: 50% s-Anteil sp2: 33% s-Anteil sp3: 25% s-Anteil E Da ein s-Orbital energetisch tiefer liegt als das p-Orbital (der gleichen Schale) liegt ein Hybridorbital energetisch umso tiefer, je höher sein s-Anteil ist. Acidität Kohlenstoff-gebundener Wasserstoffatome: Eine kovalente Bindung, an der ein sp-Orbital beteiligt ist, ist stärker zum C-Atom (zum Kern) hin polarisiert als im Fall einer sp2- oder sp3Hybridisierung. Das bedingt eine erhöhte Acidität von sp-gebundenen Wasserstoffatomen. CH 3 H Alkin-Wasserstoffatome sind acide: C C 1-Butin CH 2 11. Aromatische Verbindungen, Aromatizität und Elektrophile Aromatensubstitution, Farbstoffe Mesomerie (von griech.: mesos = zwischen und meros = Teil) Bezeichnung dafür, daß eine real existierende Struktur durch Kombination mehrerer, nicht real existierender Grenzstrukturen beschrieben wird. Im angelsächsischen Raum ist der Begriff "Mesomerie" weitgehend durch "Resonanz" ersetzt. Beispiele für die Beschreibung einer Verbindung durch mehrere mesomere Grenzstrukturen: Benzol Allyl-Kation H H H H H H H C C H H H H H H H H H C C H H C H H C H H ( 1/2 ) ( 1/2 ) Die mathematische Behandlung der Mesomerie führt zu der Einsicht, daß dem mesomeren Zustand eine geringere Energie zukommt, wie jeder der einzelnen Grenzstrukturen. Die Energiedifferenz zwischem dem mesomeren Zustand und den Grenzstrukturen bezeichnet man als Mesomerie- bzw. Resonanzenergie. Ihr entspricht im MO-Modell (MO-Theorie) die Delokalisierungsenergie. Allgemeiner Reaktionsmechanismus der elektrophilen aromatischen Substitution X X + E E π-Komplex X Wenn das Proton deutlich leichter abgespalten wird als das Elektrophil, ist die Bildung des σ-Komplexes praktisch irreversibel. X Mesomeriestabilisierung! H E σ-Komplex X + H E H E π-Komplex 12. Amine und andere organische Stickstoffverbindungen 13. Aldehyde und Ketone Sauerstoffhaltige organische Verbindungen $ R-OH $ R-O-R Alkohole Ether z.B. Diethylether Tetrahydrofuran Oxiran Oxetan $ Verbindungen mit C(sp2)=O-Doppelbindung (Carbonylgruppe) O O R H Keton Aldehyd O O Carbonylverbindungen Carbonylkohlenstoff Carbonylsauerstoff Het1 Het Carbonsäuren Carbonsäurederivate Het2 Kohlensäurederivate Carboxylverbindungen Carboxylkohlenstoff Carboxylsauerstoff O R Carbonsäuren C OH O Carbonsäure ester R C OR' O Carbonsäure amide R C Carbonsäure chloride R Carbonsäure anhydride NR'2 (NH2) O C Cl O R C O R C O $ Verbindungen mit C(sp)=O-Doppelbindung C C O Ketene N C O Isocyanate 14. Kohlenhydrate O OH OH (+)-D-Glyceraldehyde O O OH HO OH OH OH OH (-)-D-Erythrose (-)-D-Threose O OH OH OH OH OH O OH (+)-D-Xylose (-)-D-Lyxose O HO OH HO OH HO HO HO HO OH OH OH OH OH OH OH OH OH OH OH OH OH OH OH OH OH OH OH (+)-D-Altrose (+)-D-Glucose (+)-D-Mannose OH HO (+)-D-Gulose HO OH HO HO O O O OH (+)-D-Allose HO OH OH O OH HO HO OH O O HO HO OH (-)-D-Arabinose (-)-D-Ribose O OH HO OH OH O O (-)-D-Idose OH OH (+)-D-Galactose Der Stammbaum der D-Aldosen Verschiedene Möglichkeiten offen- und geschlossenkettige D-Glucose darzustellen: Mills projection HO H O H OH HO HO OH OH OH OH HO HO HO OH OH OH OH OH OH OH OH OH Fischer projection O O O HO O OH HO Zig-zag projection O OH HO Chair conformation OH HO HO HO OH Haworth projection (+)-D-Talose 15. Carbonsäuren und ihre Derivate -ÜberblickIn festem und flüssigem Zustand existieren Carbonsäuren weitgehend als wasserstoffbrückenverbundene Dimere: H O O R C O H Eckpunkte der Nomenklatur: „Alkansäuren“ O R C 1 OH „Cycloalkancarbonsäuren“, z.B.: 1 COOH Die wichtigsten Trivialnamen von Carbon- und Dicarbonsäuren sollte man nicht vergessen: Monocarbonsäuren Dicarbonsäuren R-COOH HOOC-(CH2)n-COOH Ameisensäure Essigsäure Propionsäure C-1 Buttersäure C-2 Oxalsäure (n = 0) C-3 C-4 Malonsäure Bernsteinsäure Valeriansäure C-5 Glutarsäure Capronsäure C-6 Adipinsäure Oenanthsäure C-7 Pimelinsäure Caprylsäure C-8 Korksäure Pelargonsäure C-9 Azelainsäure Caprinsäure C-10 Sebacinsäure Geradkettige, langkettige Carbonsäuren werden auch als „Fettsäuren“ bezeichnet (sie sind Bestandteile natürlicher Fette). O C R Hybridisierung und Bindungswinkel: H 124.1° 111.0° C O O 106.3° H 124.9° sp2 H 109.7 C O 134.3 120.2 pm O 97.2 H sp2 Ameisensäure Acidität: Carbonsäuren sind mittelstarke Säuren wegen der guten Mesomeriestabilisierung von Carboxylat-Anionen: die negative Ladung ist gleichmäßig auf zwei Sauerstoffatome verteilt (während sie bei AlkoxidAnionen, die durch Deprotonierung von Alkoholen entstehen, nur an einem einzigen Sauerstoffatom konzentriert ist). R R C O O O O R C C O O beide C-O-Bindungen sind gleichlang Elektronenziehende Substituenten in Nachbarschaft zur Carboxylgruppe erhöhen die Acidität der entsprechenden Verbindung (und erniedrigen folglich ihren pKa-Wert). Je weiter die jeweiligen Substituenten von der Carboxylgruppe entfernt sind, um so schwächer wirkt sich ihr induktiver Effekt auf die Acidität aus. Beispiele: Essigsäure: pKa = 4.74 Trifluoressigsäure: pKa = 0.23 Salzbildung: COOH Dodecansäure (Laurinsäure) NaOH, H 2O - COO Na + Natriumdodecanoat Carbonsäuren bilden mit starken Basen, z.B. Natronlauge, Salze, die als „Alkanoat e“ bezeichnet werden. Die Natrium- und Kaliumsalze langkettiger Carbonsäuren („Fettsäuren“) nennt man Seifen. Diese Verbindungen sind amphiphil und bilden in Wasser Micellen; % Tenside Darstellung von Carbonsäuren: Überblick Oxidation primärer Alkohole Haloformreaktion Carboxylierung von Grignard-Verbindungen (CO2) Oxidation von Alkenen mit basischem Kaliumpermanganat Oxidation von alkylsubstituierten Aromaten mit Kaliumpermanganat (u.a., Natriumdichromat oder HNO3) Hydrolyse verschiedener Carbonsäurederivate: Verseifung Hydrolyse von Nitrilen (R-CN) z.B. Ester: & Prinzipielle Reaktionsmöglichkeit: Additions-Eliminierungsreaktion (säure- oder basekatalysiert) Nu R O Addition O R C Eliminierung C Nu O R +L C Nu L L tetraedrisches Zwischenprodukt Im Fall einer Carbonsäure (RCOOH) ist dieser Reaktionsverlauf erschwert, weil (a) OH- keine gute Abgabgsgruppe ist und (b) das saure Hydroxy-Proton vom angreifenden Nucleophil abstrahiert werden kann: Nu Nu O R C Nu R (a):ungünstig für den folgenden Eliminierungsschritt: OH - : schlechte Abgangsgruppe R C O OH O O H (b): acides O-H C O Acylierungsvermögen von Carbonsäure(derivate)n Additions-Eliminierungsmechanismus: Nu R O Addition O R C Eliminierung C O Nu R +L C Nu L L tetraedrisches Zwischenprodukt Die relative Reaktivität von Carbonsäure(derivate)n R-COL (L = leaving group) hängt einerseits von den Abgangseigenschaften der Abgangsgruppe „L“ ab und andererseits von ihren induktiven und mesomeren Effekten, die für die Stabilisierung der tetraedrischen Zwischenstufe entscheidend sind. Man spricht von Acyclierungsaktivität: sie ist umso höher, je besser ein Carbonsäurederivat R-COL den Acylrest R-CO auf ein anderes Molekül bzw. auf ein Nucleophil übertragen kann. Anders ausgedrückt: Je höher die Elektrophilie des Carboxylkohlenstoffatoms in einem Carbonsäurederivat ist, umso leichter erfolgt der Angriff eines Nucleophils und umso besser eignet sich das betreffende Carbonsäurederivat als Acylierungsmittel! Reaktivität gegenüber nucleophilem Angriff (Acylierungsaktivität): O R C O O < R Amide Carbonsäuren O < < R C OH C OR' Ester < R O R C O < R C NH2 NR'2 O O C C O R < R C Cl O Anhydride Chloride < Ester (R-COOR‘): in Aromastoffen! Bildung von Estern: Veresterung: R-COOH + R‘-OH R-C(O)OR‘ + H 2O Umkehrung des Prozesses = Esterhydrolyse (Verseifung) Mechanismus: OH O R R R +H OH + R'OH OH OH OHR' OH -H R R OH OR' OH OH2 OR' - H 2O R OR' OR' +H OH OH OR' -H R R OH Cyclische Ester: Lactone O O β z.B.: O α γ O ein Lacton (Oxa-2-cycloalkanone) Wachse: Ester aus langkettigen Monoalkoholen und lankettigen Carbonsäuren O γ-Butyrolacton (Oxa-2-cyclopentanon) Herstellung von Säurechloriden R O SOCl2 O mit Thionylchlorid (SOCl2) R C OH C + SO2 + HCl Cl oder PCl5 O Mechanismus: R C OH SOCl2 O R OH O C O R S O Cl + HCl O C S Cl Cl O H C O O O R C R Cl Cl + SO2 + HCl Reaktionen von Säurechloriden O R C + H 2O O R + HCl OH O + HOR' C R C Cl + HCl OR' + H 2NR' O R C NHR' + HCl S Cl Herstellung von Carbonsäureanhydriden allg.: 2 O - H 2O O O R R R O OH ' Thermische Dehydratisierung von Dicarbonsäuren führt zu cyclischen Anhydriden, z.B.: O O COOH COOH 300°C 300°C O O - H 2O COOH COOH O Maleinsäure O Butandisäure (Bernsteinsäure) - H 2O Maleinsäureanhydrid Butandisäureanhydrid (Bernsteinsäureanhydrid) ' Reaktion von Carbonsäurechloriden mit Carbonsäuresalzen: C6H13-C(O)Cl + C6H13-C(O)O- Na+ % H2O + [C6H13-C(O)]2O + NaCl ' Wichtig: Essigsäureanhydrid als Acetylierungsmittel (Ac2O und ∆ oder Ac2O, RT, Pyridin) O H3C R OH O HO CH3 + R O O O CH3 CH3 + O Herstellung von Amiden allg.: 2 O - H 2O O O R R R O OH Thermische O O COOH COOH 300°C O O COOH Butandisäure (Bernsteinsäure) - H 2O COOH O Butandisäureanhydrid (Bernsteinsäureanhydrid) 300°C Maleinsäure - H 2O O Maleinsäureanhydrid 16. Fette und Detergentien 17. Aminosäuren, Peptide und Proteine allgemeine Prinzipien der Katalyse, Enzyme; molekulare Erkennung Aminosäure -Rest (R) DreibuchstabenKürzel EinbuchstabenKürzel Alanin Arginin Asparagin Asparaginsäure (aspartic acid → aspartate) Cystein Glutamin Glutaminsäure (glutamic acid → glutamate) Glycin Histidin Isoleucin Leucin Lysin Methionin Phenylalanin Serin Threonin Tryptophan Tyrosin Valin Prolin -CH3 -(CH2)3NHC(=NH)NH2 -CH2-CONH2 -CH2-COOH Ala Arg Asn Asp A R N D -CH2-SH -(CH2)2-CONH2 -(CH2)2-COOH Cys Gln Glu C Q E -H -CH2(4-imidazolyl) -CH(CH3)CH2CH3 -CH2CH(CH3)2 -(CH2)4NH2 -(CH2)2SCH3 -CH2-Ph -CH2-OH -CH(CH3)OH -CH2(3-indolyl) -CH2(4-hydroxyphenyl) -CH(CH3)2 α-Iminosäure (5-Ring) Gly His Ile Leu Lys Met Phe Ser Thr Trp Tyr Val Pro G H I L K M F S T W Y V P Hyp P X Posttranslational undefiniert oder nicht-Standard 18. Nukleotide und Nukleinsäuren 19. Chemische Analytik und Spektroskopie Isolierung Synthese Reinigung und Strukturbeweis in der (Organischen) Chemie Elementaranalyse: qualitative und quantitative Elementbestimmung Reinigung Charakterisierung: Destillation Kristallisation CHROMATOGRAPHIE Elektrophorese Gaschromatographie Flüssigkeitschromatographie Säulenelektromagnetischer DünnschichtSPEKTROSKOPIE PapierHPLC Größenausschluß- Identifizierung und Molmasse Siedepunkt, Schmelzpunkt Brechungsindex Drehwert Löslichkeit Dipolmoment Wechselwirkung mit Strahlung → ♦Infrarot (IR) spektroskopie ♦Kernmagnetische Resonanzspektroskopie (NMR) Alle chromatographischen Verfahren beruhen auf der Verteilung eines Substanzgemisches zwischen zwei nicht mischbaren Phasen, wobei stets eine Phase unbweglich ist, die stationäre Phase, die andere beweglich, die mobile Phase. Das Gemisch ist zunächst in der mobilen Phase gelöst, die Trennung beruht auf der verschieden starken Adsorption jeder Verbindung an der stationären Phase, bzw. der unterschiedlichen Verteilung zwischen stationärer und mobiler Phase. mobile Phasen: Trägergas oder Solvensgemisch (Elutionsmittel); Das Eluat wird fraktioniert aufgefangen; DETEKTION: z.B. durch Differentialdefraktometer (RI) Spektroskopie -ein Einstieg Alle spektroskopischen Techniken beruhen auf der Wechselwirkung einer Verbindung mit elektromagnetischer Strahlung. Elektromagnetische Strahlung kann man nach dem WelleTeilchen-Dualismus entweder als Photonenstrom oder als elektromagnetische Welle auffassen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. -zur Welle gehört eine Wellenlänge λ und ihre Frequenz ν λ = c/ν ν c: Lichtgeschwindigkeit E = hν ν = hc/λ λ Jedes Photon hat dabei die Energie h: Plancksches Wirkungsquantum (eine Naturkonstante) IR-Spektroskopie Infrarotstrahlung wird nur dann von einem Molekül absorbiert, wenn die Energie der Strahlung genau der Energie entspricht, die für die Anregung einer Molekül-schwingung benötigt wird. Bei einer Molekülschwingung werden Bindungen des Moleküls entweder gestreckt oder gestaucht (Valenzschwingungen) oder deformiert (Deformationsschwingungen). Der große Wert der IR-Spektroskopie beruht darauf, daß bestimmte funktionelle Gruppen charakteristische Infrarotabsorptionen zeigen. # SPEKTRUM Skala des Spektrums: Intensität gegen Wellenzahlen [cm -1] (Wellenzahl = reziproke Frequenz) Typischer Meßbereich: 400 - 4000 Wellenzahlen > 1200 cm-1: charakteristische Funktionalitätenbanden Fingerprint-Bereich < 1200 cm-1: NMR-Spektroskopie Die Atomkerne von Atomen mit ungeraden Massenzahlen (wie 1H, 13C, 17O) haben einen Eigendrehimpuls, den man Kernspin p nennt. Mit dem Kernspin ist ein magnetisches Moment µ verbunden: µ=γp γ: magnetogyrisches Verhältnis Dies kann sich parallel oder antiparallel zu einem äußeren angelegten Magnetfeld B0 ausrichten. So ergeben sich zwei Energiezustände +1/2 γ h/2π B0 mit der Energie -1/2 γ h/2π B0 und mit dem, allerdings geringen, Energieunterschied ∆E: ∆E = γ h/2π π B0 Nach der Boltzmannverteilung sind bei Raumtemperatur beide Energieniveaus fast gleichmäßig besetzt. Strahlt man aber elektromagnetische Strahlung mit der Energie E = ∆E = γ h/2π π B0 (RESONANZBEDINGUNG) ein, so wird der höhere Energiezustand stärker populiert. Das Zurückfallen in der Grundzustand (Relaxation) wird beobachtet und als Kernresonanz aufgezeichnet. # SPEKTRUM Der große Wert der NMR-Spektroskopie beruht darauf, daß die exakte Resonanzfrequenz eines bestimmten Kernes in charakteristischer Weise von der Kernumgebung abhängt! NMR-Spektrum Man misst in einem deuterierten Lösungsmittel, sehr häufig in CDCl3 (Deuterochloroform). Bei der Dokumentation von NMR-Daten werden das Lösungsmittel, in dem das Spektrum der zu analysierenden Substanz aufgenommen wurde, und die NMRFrequenz angegeben. Letzteres ist von Bedeutung weil die zur Anregung der Kerne benötigte Frequenz von der Stärke des Magnetfeldes abhängt und in Abhängigkeit von Magnetfeldstärke und Frequenz der eingestrahlten elektromagnetischen Wellen die Lage der einzelnen Signale etwas variiert. Die Lage der Resonanzsignale wird auf eine Referenzverbindung bezogen: TMS (Tetramethylsilan) CH3 H3C Si CH3 H3C ∆ν= ν (Kern) - ν (TMS) Weil der Unterschied so klein ist, mißt man ihn in parts per million (ppm) und nennt die chemische Verschiebung δ: δ = 106 ∆ν/ν Normale Skala: 1 H-NMR: 0-12 ppm C-NMR: 0-200 ppm 13 Substituenteneffekte Die exakte Resonanzfrequenz eines bestimmten Kernes hängt in charakteristischer Weise vor allem von der Elektronendichte in der Kernumgebung ab, weil dadurch das, an diesem Ort wirksame, Magnetfeld verändert wird. Substituenten in der Nähe eines Kernes verändern das an diesem Ort wirksame Magnetfeld wie folgt: elektronenziehende Substituenten vergrößeren das % höhere effektive Frequenz Magnetfeld elektronenschiebende Subsituenten verringern das effektive Magnetfeld % niedrigere Frequenz % größere ppm-Werte Tieffeldverschiebung eines Signals % kleinere ppm-Werte Hochfeldverschiebung eines Signals Multiplizität und Kopplungskonstanten Signale erhalten wegen der Wechselwirkung untereinander (Spin-SpinKopplung) ein komplexes Muster: sie erscheinen als Multipletts. ( Kopplungskonstanten ( Aussagen über Zahl und sterische Anordnung der Nachbaratome Integration liefert die Zahl äquivalenter Kerne, die zu dem integrierten Signal gehören. NMR-Schlüsselinformationen Ein NMR-Spektrum liefert drei grundlegende Informationen, die zur strukturellen Charakterisierung einer chemischen Verbindung herangezogen werden können: ( chemische Verschiebung (sagt etwas über die elektronische Umgebung des Kernes aus) ( Multiplizität und Kopplungskonstanten (sagt etwas über Zahl und die sterische Relation der Nachbarkerne aus) ( Integration (Information über die Zahl äquivalenter Kerne) tiefes Feld hohes Feld 0 ppm (TMS) 20. Komplexe Naturstoffe und Syntheseplanung Retrosynthese und Schutzgruppenstrategien z. B ALKALOIDE: ursprünglich: Substanzen mit alkali-ähnlichem Charakter heute: eine Gruppe verschiedenster Verbindungen pflanzlichen Ursprungs, die Stickstoff-Heterocyclen enthalten z.B. Morphin Der Chemiker Ludwig Knorr (1859-1921, Jena) spekulierte 1889 über die chemische Struktur des Alkaloids Morphin: „Meine Studien über das Morphin haben es wahr-scheinlich gemacht, dass diese wichtige Base und wohl auch andere dem Morphin nahe verwandte Alkaloide als Oxazine aufgefasst werden müssen. Die mir bis jetzt bekannten Thatsachen scheint die in der folgenden Formel ausgedrückte Auffassung des Morphins am besten zu erklären“: OH HO CH (C10H5OH) O CH H CH2 H N CH2 CH2 CH3 N CH3 HO CH O Die Wurzel von Tollkirsche (A. belladonna) enthält als Hauptalkaloid Atropin. Je nach der Menge eingenommener Tollkirsche, die wohlschmeckend ist und leicht mit der Kirsche verwechselt werden kann, werden beim Menschen Trok-kenheit des Mundes, weite Pupillen (pupillenerweiternde Wirkung !), Gesichts-rötung, Erregung, Verwirrung, Halluzinationen, Bewusstlosigkeit und Krämpfe beobachtet. Die Vergiftung kann auch tödlich verlaufen. H 3C N OH H O O KOKASTRAUCH: Das Alkaloid Cocain blockiert Schmerzempfindung. Die dauernde Einnahme von einen ge-sunden Menschen nach einem kurzen Einstieg im Laufe weniger Monate zu einem körperlichen Wrack. die periphere Cocain macht eupho-rischen geistigen wie COOH H3C N O O Das Hauptalkaloid des Tabaks ist das Nikotin. Alle Tabakarten gehören zur Gattung “Nicotiana”. Diesen Namen trägt die Pflanze seit 1565 zu Ehren von Jean NICOT, der die Tabakpflanze in Frankreich populär machte. Nicotin ist ein starkes Gift. Bei Dosen zwischen 50 und 100 mg erfolgt der Tod rasch durch Lähmung des Atemzentrums im Gehirn.
