Auswahlverfahren Medizin Prüfungsgebiet Organische Chemie Kursleiter: Pall Robert 1 IFS Pall Robert 2008 IFS Kurs Mai/ Juni 2008 Organische Chemie y Die Organische Chemie umfasst alle Verbindungen des Kohlenstoffs mit anderen Elementen y Außer: CO2, CO CO, H2CO3, Graphit Graphit, Diamant Diamant, Cyaniden Cyaniden, Isocyaniden y C H O N S P (Cl,) (Cl ) y derzeit sind etwa 19 Millionen organische Verbindungen bekannt und täglich kommen weitere hinzu. hinzu 2 IFS Pall Robert 2008 Alkane y Gesättigt y Sp3 y Unpolar U l y Allg. Formel CxH2x+2 y Bis C4 gasförmig y Bis C15 flüssig y Ab C16 fest (Paraffine) y Wegen g der zunehmenden Größe stiegt g die Van der Waals Kraft 3 IFS Pall Robert 2008 4 IFS Pall Robert 2008 Benennung C4H10 n Butan Iso Butan 1 2 I. Stamm II. Nummerierung (wo Rest am nächsten zum Ende ist) III. Rest (Endung yl) 2 Methyl Propan 5 ISOMERIE: gleiche Summenformel, verschiedene Strukturformel IFS Pall Robert 2008 3 Iso Octan Wi Weitere Beispiele: B i i l • C6H14 • 2,3 Diethyl y 2 Methylhexan y 6 IFS Pall Robert 2008 Cyclo Alkane y Gleich wie Alkane Alkane, nur sie liegen in Ringform vor! (Naphthene, Cycloparaffine) 7 IFS Pall Robert 2008 Alkene y Ungesättigt y Sp2 y Allg. All Formel F l CxH2x y Reaktiver y Benennung: Angabe, wo Doppelbindung vorkommt! 8 IFS Pall Robert 2008 Alkene 2 Buten 9 IFS Pall Robert 2008 ISOMERIE 10 IFS Pall Robert 2008 Isomerie y Strukturisomerie (verzweigt (verzweigt, unverzweigt) y Stellungsisomerie (wo die Doppelbindungen liegen y Geometrische G t i h Isomerie I i (cis, ( i trans) t ) y Optische Isomerie (Enantiomere) 11 IFS Pall Robert 2008 Benennung Alkene 12 IFS Pall Robert 2008 Alkine y Ungesättigt y Sp y Sehr S h reaktiv kti 13 IFS Pall Robert 2008 Aromaten y Der Begriff Aromat deutet nicht grundsätzlich auf ein besonderes Aroma dieser Substanzen hin. Er ist historisch begründet eg ü et y unterscheiden sich in chemischen und physikalischen Eigenschaften von den übrigen organischen Verbindungen, den Aliphaten (Ketten) MESOMERIE BENZEN- früher BENZOL 14 IFS Pall Robert 2008 Delokalisierte ∏Elektronen Kondensierte Aromaten 15 IFS Pall Robert 2008 Aromaten Benennung y Wie gehabt Methylbenzen Oder Toluol, Toluen 16 IFS Pall Robert 2008 Aromaten nicht mit cyclischen Verbindungen verwechseln! Cyclohexen y Cyclopenten y p 17 IFS Pall Robert 2008 Reaktionen der Kohlenwasserstoffe y 1.) 1 ) Verbrennung y 2.) Substitution y 3.) 3 ) Addition Additi y 4.) Elimination y 5.) Umlagerungen y (nach Wachter Hausen) 18 IFS Pall Robert 2008 Kohlenstoffoxide - Verbrennung y Entstehen bei Verbrennungsprozessen y Vollständige: y KW + O2 → CO2 und Wasser y Unvollständige Verbrennung: y KW + O2 → CO2 Wasser,, CO und C ((RUß)) 19 Substitution y Ein (Wasserstoff)atom wird durch ein andere Atom ausgetauscht y Die Di H Herstellung ll von H Halogenalkanen l lk aus Alk Alkanen nennt man Radikalische Substitution. Sr – sie ist eine typische Reaktion für Alkane y Daneben D b gibt b es auchh eine nucleophile l h l SSubstitution b Sn. y Halogenalkane reagieren mit anderen nuchleophilen Stoffen so. 20 IFS Pall Robert 2008 Addition y Die elektrophile Addition ist typisch für Alkine und Alkene y Dabei wird ird das Molekül Molekül, mit dem das Alkin oder Alken reagiert, einfach angeheftet und die Dreifach/ Doppelbindung geht verloren. verloren 21 IFS Pall Robert 2008 Elimination y Ist das Gegenteil der Addition y Aus einem Alkan wird ein Alken und H2 Umlagerung 22 IFS Pall Robert 2008 Funktionelle Gruppen – Derivate der KW´s y Halogenalkane y Alkohole, Phenole y Aldehyde Ald h d undd K Ketone, t Chi Chinone y Carbonsäuren y Ether y Ester y Amine y Amide y Thioalkohole und Thioester 23 IFS Pall Robert 2008 Halogenalkane y Funktionelle Gruppe sind die Halogene (F,Cl, (F Cl Br, Br I) y Benennung – Halogen wie Rest behandeln y Bessere beständig, siehe FCKW´s Dichlordifluormethan CCl2F2 Triflur Chlormethan 24 IFS Pall Robert 2008 Alkohole y Funktionelle Gruppe – OH (Hydroxy) y Name: Endung auf ol y Bis Bi 2 C wasserlöslich lö li h (Eth (Ethanol)l) y polare Gruppe! y Einteilung E l nach: h y Wertigkeit und C Nachbarn 25 IFS Pall Robert 2008 EthanolEth l einwertig, i ti primär 1,2,3 Propantriol dreiwertig, 2 mal primär und einmal sekundär Alkohole Tertiärer Alkohol 26 IFS Pall Robert 2008 Aromatische Alkohole y Phenole y Daher wird der Bezenrest als Phenyl bezeichnet!!! 27 IFS Pall Robert 2008 ETHER y Alkohol + Alkohol ergibt Ether und Wasser y C-O-C, Schwere, leicht brennbare Dämpfe, unpolar y CH3-OH OH + HO-CH HO CH3 -> > CH3-O-CH O CH3 + H2O y Name: stamm+oxy+Alkan y Methoxymethan y Bei symmetrischen Ether: y Diemethylether 28 IFS Pall Robert 2008 Methoxyethan, h h Methy-ethyl Ether Oxidation von Alkoholen 29 IFS Pall Robert 2008 Aldehyde und Ketone y Funktionelle Gruppe ist die Carbonylgruppe y Endung bei Aldehy auf -al, bei Keton auf –on. 30 IFS Pall Robert 2008 Beispiele 31 IFS Pall Robert 2008 Oxidation von Aldehyden- Carbonsäure y Aus primären Alkohol entsteht das Aldehyd y Aus Aldehyd entsteht die Carbonsäure y Bsp. Ethanol- Ethanal –Ethansäure (Essig) 32 IFS Pall Robert 2008 33 IFS Pall Robert 2008 Carbonsäuren y Funktionelle Gruppe ist die Carboxylgruppe y H kann leicht dissoziieren (daher eine Säure) y R-COOH R COOH + H2O -> > R-COO R COO- + H3O 34 IFS Pall Robert 2008 Benennung der Säuren –Stärke 35 IFS Pall Robert 2008 Carbonsäuren 36 IFS Pall Robert 2008 Fettsäuren y (Höhere) Carbonsäuren mit unverzweigter Kohlenstoffkette werden oft als Fettsäuren bezeichnet, weil manche von ihnen Bestandteile esta te e der e Fette ette ssind 37 IFS Pall Robert 2008 Mehrprotonige Carbonsäuren y Haben mehrere Carboxylgruppen 38 IFS Pall Robert 2008 Aromatische Carbonsäuren y Benzoesäure (entdeckt durch Destillation von einem aromatisch riechenden Harz). Natriumbenzoat dient zur Konservierung von Lebensmitteln. Salicylsäure und manche ihrer Derivate wirken als Heilmittel ggegen g Schmerzen und Fieber;; Aspirin p ist der Essigsäureester von Salicylsäure. Phtalsäure und Terephtalsäure, zwei aromatische Dicarbonsäuren, besitzen zur Herstellung von Kunstharzen, Farbstoffen und Kunstfasern große Bedeutung. 39 IFS Pall Robert 2008 Aromatische Carbonsäuren 40 IFS Pall Robert 2008 Hydroxysäuren y Säuren, Säuren welche neben der Carboxyl- noch eine (oder mehrere) Hydroxylgruppen (-OH) enthalten, werden als Hydroxysäuren y o ysäu e ((früher ü e auc auch Oxysäuren) O ysäu e ) bezeichnet. e e c et. Zuu ihnen gehören viele wichtige Naturstoffe 2 Hydroxypropansäure 2 Hydroxypropan1,2,3trisäure 2 3 Dih 2,3 Dihydroxybutandisäure d b t di ä 41 IFS Pall Robert 2008 ESTER y Carbonsäuren bilden mit Alkoholen Ester, Ester wobei gleichzeitig Wasser entsteht y R-COOH + R R'-OH -OH <--> R-COO-R R-COO-R' + H2O 42 IFS Pall Robert 2008 Ester y Man benennt die Ester vielfach ähnlich wie Salze: Methylacetat für Essigsäuremethylester, Ethylbutyrat für Buttersäureethylester utte säu eet y este usw. Ester niederer Carbonsäuren mit niederen Alkoholen (C1 bis C5) sind ziemlich stark flüchtig und durch einen angenehm, fruchtartigen Geruch ausgezeichnet. Manche von ihnen kommen in geringen Mengen in reifen Früchten vor ("Fruchtester"). Wachse sind Ester höherer Carbonsäuren mit höheren Alkoholen. Bienenwachs enthält h hauptsächlich ä hli h Säuren Sä undd Alk Alkohole h l mit i 26 undd 28 K Kohlenstoffatomen. hl ff 43 IFS Pall Robert 2008 Fette y Die Fette und fetten Öle sind Glycerinester höherer Carbonsäuren 44 IFS Pall Robert 2008 Amine y Die organischen Derivate von Ammoniak nennt man Amine. Amine Je nach der Anzahl der durch organische Reste ersetzten Wasserstoffatome Wasse sto ato e unterscheidet u te sc e et man a primäre, p ä e, sekundäre se u ä e und u tertiäre Amine 45 IFS Pall Robert 2008 Amide y Amide (Säureamide) lassen sich aus einer Carbonsäure durch Ersatz der Hydroxylgruppe durch eine Aminogruppe ableiten. Zur Gewinnung erhitzt man das Ammoniumsalz der Carbonsäure oder kocht einen Ester mit Ammoniak Zu den Amiden gehört auch der Harnstoff, der als Endprodukt des Eiweißabbaus im Harn ausgeschieden wird. Diese weiße, farb- und geruchlose Verbindung kann als Diamid der Kohlensäure aufgefaßt werden: 46 IFS Pall Robert 2008 Schwefelhaltige Verbindungen y Thioalkohole und Mercaptane enthalten die -SH- Gruppe (Sulfhydryl- ). Es sind wenig polare und, soweit sie flüchtig üc t g ssind,, äu äußerst e st uunangenehm a ge e riechende ec e e Verbindungen, Ve u ge , die sehr leicht oxidiert werden. 47 IFS Pall Robert 2008 PAUSE 48 IFS Pall Robert 2008 Naturstoffe y Kohlenhydrate y Fette y Proteine P t i y Nukleinsäuren y Vitamine 49 IFS Pall Robert 2008 Kohlenhydrate y Ist eine Carbonylverbindung mit Polyhydroxy Gruppen Chirales Zentrum: C Atom hat vier verschieden Bindungspartner Namensgebung: D und L Drehen polarisiertes Licht 50 IFS Pall Robert 2008 Einteilung der Kohlenhydrate y Nach Anzahl der C Atome: Triosen, Tetrosen, Pentosen, Hexosen 51 IFS Pall Robert 2008 Einteilung der Kohlenhydrate y Nach Aldehyd – Aldose oder Keton- Ketose 52 IFS Pall Robert 2008 5 oder 6er Ring y Aus Aldosen werden 6er Ringe: Pyranose y Aus Ketosen werden 5er Ringe: Furanose 53 IFS Pall Robert 2008 Ringbildung Unterscheidung α und β Ringbildung- Halbacetal Bildung 54 IFS Pall Robert 2008 Optische Isomerie – chirale Zentren Enantiomere – Verhalten sich wie Bild und Spiegelbild Wie Bild und Spiegelbild Enantiomere D h polarisiertes Drehen l i i t Li Licht ht 56 IFS Pall Robert 2008 Anomere- kein Spiegelbild 57 IFS Pall Robert 2008 Einteilung nach Mono-, Di-, Polyy Monosaccharide y Glucose, Glucose Fructose, Fructose Galactose, Ribose y Disaccharide y Zucker können durch glykosidische Bindungen miteinander zu Di- und Polysacchariden y verbunden werden. 58 IFS Pall Robert 2008 Polysaccharide y Das Nährstoffreservoir der Pflanzen ist die Stärke, Stärke die in zwei Formen vorkommt. Die Amylose, die unverzweigte Form, besteht aus Glucoseeinheiten in alpha-1,4-Bindung. g Das Amylopektin, y p die verzweigte Form, besitzt ungefähr eine alpha-1,6-Bindung auf ~ 30 alpha-1,4-Bindungen; abgesehen vom geringeren V Verzweigungsgrad i d iist es ddamit i dem d Glykogen Gl k sehr h äh ähnlich. li h y Glykogen ist ein sehr großes , verzweigtes Polymer aus Glucoseeinheiten Die meisten dieser Einheiten sind über alphaGlucoseeinheiten. alpha 1,4-glykosidische Bindungen miteinander verknüpft. Die Verzweigungen g g werden durch alpha-1,6-glykosidische p , gy Bindungen g gebildet, die durchschnittlich einmal alle zehn Einheiten auftreten. 59 IFS Pall Robert 2008 Glycogen 60 IFS Pall Robert 2008 Cellulose y Es ist ein unverzweigtes Polymer aus Glucose-Einheiten, Glucose-Einheiten die durch beta-1,4-Bindungen miteinander verknüpft sind. Die beta-Konfiguration eta o gu at o eermöglicht ög c t der e Cellulose Ce u ose diee Bildung u g sehr se langer gerader Ketten. 61 IFS Pall Robert 2008 Wegen Beta Stellung für uns unverdaulich! Ribose y Ist eine Furanose y Kommt in der RNA vor y In I der d DNA DNA: y Desoxyribose 62 IFS Pall Robert 2008 Proteine- aus Aminosäuren aufgebaut y Aminosäuren werden formal von den Carbonsäuren durch den Einbau einer Aminogruppe (-NH2) abgeleitet. Im Hydrolysat y o ysat der e natürlichen atü c e Proteine ote e treten t ete regelmäßig ege ä g nur u etwa 20 verschiedene Aminosäuren auf, die übereinstimmend ihre Aminogruppe g pp in alpha-Stellung p g zur Carboxylgruppe y g pp tragen:Der "Rest" (R) oder die "Seitenkette" ist im einfachsten Fall, bei der Aminoethansäure (=Glycin), ein Wasserstoffatom, sonst eine aliphatische oder aromatische Gruppe 63 IFS Pall Robert 2008 Optische Isomerie y Wieder ein chirales Zentrum: y Einteilung nach R und S III I II 64 IFS Pall Robert 2008 R für Rechts, Licht wird aber links gedreht g Dipolnatur (Zwitterion) y Das Molekül der Aminosäure (AS) besitzt somit eine basische Amino- und eine saure Carboxyl-Gruppe. Neben anderen Beobachtungen eo ac tu ge spricht sp c t der e ausgeprägte ausgep ägte Dipolcharakter po c a a te dafür, aü, dass die AS als Zwitterion mit einer positiven und einer negativen g Ladungg im Molekül vorliegt. g Dieses Zwitterion entsteht durch einen Protonenübergang von der Carboxylzur Amino-Gruppe: 65 IFS Pall Robert 2008 Die Peptidbindung y In Proteinen ist die alpha-Carboxylgruppe (-COOH) mit der alpha-Aminogruppe (-NH2) einer zweiten Aminosäure durch eeinee Peptidbindung ept b u g (auc (auch Amidbindung u g genannt) ge a t) verknüpft. Man nennt diesen Vorgang Peptidkondensation. 66 IFS Pall Robert 2008 Protein y Viele V l durch d h Peptidbindung P db d verknüpfte k ü f AS bbilden ld eine y y y y y unverzweigte Polypeptidkette, deren einzelne A i ä Aminosäureeinheiten i h it als l Reste R t bezeichnet b i h t werden. d 2 AS = Dipeptid 3 AS = Tripeptid > 20 AS = Polypeptid > 60 AS = Protein mehrere Proteine = Proteinkomple p 67 IFS Pall Robert 2008 Die 3-D-Struktur der Proteine y Ein Hauptkennzeichen von Proteinen ist, ist dass sie eine definierte dreidimensionale Struktur besitzen. Eine langgestreckte a ggest ec te oder o e uungeordnete geo ete Polypeptidkette o ypept ette hat at keine e e biologische Aktivität. Die Funktion ergibt sich erst aus der Konformation, f der dreidimensionalen Anordnungg der Atome in einer Struktur. 68 IFS Pall Robert 2008 Struktur der Proteine y Primärstruktur: Die Reihenfolge der Aminosäuren, Aminosäuren die Aminosäurensequenz y Sekundärstruktur:Sie wird über Wasserstoffbrücken zwischen den einzelnen Molekülteilen vermittelt und bezieht sich auf die räumliche Anordnung von Aminosäurenresten, die in der linearen Sequenz nahe beieinander liegen. Durch die Primärstruktur festgelegt g g ergeben g sich so,, zwei periodische p Polypeptidstrukturen, die alpha-Helix- und die betaFaltblatt-Struktur. Die Kollagenhelix ist ebenfalls ein Beispiel für eine Sekundärstruktur. 69 IFS Pall Robert 2008 Alpha Helix 70 IFS Pall Robert 2008 Beta Faltblatt 71 IFS Pall Robert 2008 Struktur der Proteine y Unter Tertiärstruktur der Proteine versteht man die räumliche Beziehung von Aminosäurenresten, die innerhalb der linearen Sequenz weit von einander entfernt sind. Die Trennungslinie g zwischen Sekundär- und Tertiärstruktur ist ein wenig willkürlich. 72 IFS Pall Robert 2008 Quartäre Struktur y Proteine treten mitunter zu noch größeren Einheiten zusammen. Derartige Eiweißkörper bilden eine Quartärstruktur, indem sich einzelne Protein-Ketten zu übergeordneten Strukturen zusammenlagern. y Hierfür bietet das Hämoglobin ein i Beispiel; B i i l es bbesteht t ht aus vier i Proteinen, die jeweils dem Myoglobin ähneln und von d denen jje zweii id identisch ti h sind i d (alpha- und beta-Kette). 73 IFS Pall Robert 2008 Lipide y Unter dem Sammelbegriff Lipide faßt man eine Vielzahl von Naturstoffen zusammen, die in ihrem Aufbau stark variieren, in wichtigen Eigenschaften aber übereinstimmen:Alle Lipide besitzen ausgedehnte unpolare Molekülteile, sind daher wasserunlöslich und lassen sich aus Zellstrukturen nur mit unpolaren Lösungsmitteln extrahieren. extrahieren y Lipide sind wichtige und charakteristische Verbindungen in höheren Pflanzen Pflanzen, sie sind wasserunlöslich und deswegen nur mit organischen Lösungsmitteln aus Zellen und Geweben extrahierbar. Sie setzen sich aus verschiedenen Verbindungsgruppen mit charakteristischen Funktionen zusammen 74 IFS Pall Robert 2008 Lipide y Fette dienen als Speicherform für Betriebsstoffe der Dissimilation y Glycerinphosphatide und Sphingolipide sind am Aufbau der Biomembranen beteiligt y Wachse bilden schützende Oberflächenschichten y einige Verbindungen fungieren als Vitamine oder Hormone 75 IFS Pall Robert 2008 Einteilung der Lipide y Fette y Fettähnliche (Membranen) y Isoprenoide I id undd die di Steroide St id - Cholesterin Ch l t i 76 IFS Pall Robert 2008 Fette y Fette sind Fettsäureester des Glycerin (Propantriol) und werden daher als Triacylglycerine, Triacylglyceride ooder e Triglyceride g yce e bezeichnet. e e c et. 77 IFS Pall Robert 2008 Lipoide oder auch zusammengesetzte Lipide(fettähnliche Stoffe) y Phospholipide (Phosphatide) sind elementare Bestandteile von Biomembranen in tierischen und pflanzlichen Zellen; die Bestückung estüc u g ihrer e Moleküle o e ü e mitt hydrophilen y op e und u lipophilen pop e Gruppen macht sie zu idealen Bauelementen für die tragende Doppellipidschicht pp p dieser Strukturen. Im Vergleich g zu den Fetten ist der Aufbau von Phospholipiden komplexer 78 IFS Pall Robert 2008 Isoprenoide und die Steroide y Andere Lipoide zeigen keinen fettartigen Aufbau. Aufbau Einige dieser Lipoidgruppen stimmen in ihrem Aufbau aus C5-Baust y In Pflanzen leiten sich eine Reihe von Verbindungen vom Isopren ab: y Monoterpene: ätherische Öle y Sesquiterpene: Farnesol (Duftstoffkomponente) y Diterpene: Gibberelline (Pflanzen-Hormon) y Triterpene: Sterine, Saponine, Herzglykoside, Steroid-Alkaloide y Tetraterpene: Carotinoide, Xanthophylle y Polyterpene: Kautschuk, Guttapercha, Chicle y Zu den Isoprenoiden zählen auch die Steroide mit einem poyzyklischen Steran-Gerüst 79 IFS Pall Robert 2008 Cholesterin y Das Cholesterin kommt in Membranen vor, genauso wichtig w c t g sind s Steroidhormone und Gallensäure die ebenfalls zu den Steroiden zählt. 80 IFS Pall Robert 2008 Vitamine y Ebenfalls zu den Isoprenderivaten gehören die fettlöslichen Vitaminen. y Als Vitamine werden alle Spurensubstanzen bezeichnet bezeichnet, die für eine normale Zellfunktion nötig sind, dabei aber vom jeweiligen Organismus zum größte Teils nicht selbst synthetisiert werden können. So ist das in Pflanzen verbreitete beta-Carotin als Provitamin unentbehrlicher Bestandteil unserer Nahrung. y Fettlösliche Vitamine ADEK 81 IFS Pall Robert 2008 82 IFS Pall Robert 2008 Nukleinsäuren y Ein Nucleotid besteht aus einer stickstoffhaltigen organischen Base, einen Zucker und einer oder mehrer Phosphatgruppen. osp atg uppe . Diee Basen ase leiten e te ssich c formal o a eentweder twe e von vo Pyrimidin oder vom Purin ab. y Die drei wichtigsten Pyrimidinbasen sind das Cytosin, das Thymin und das Uracil. y Die beiden wichtigsten Purinbasen sind das Adenin und das Guanin. 83 IFS Pall Robert 2008 Pyrimidinbasen 84 IFS Pall Robert 2008 Purinbasen 85 IFS Pall Robert 2008 Nucleosid y Ein Nucleosid ist eine Base mit B it einer i Pentose, P t entweder Ribose oder Desoxyribose, Desoxyribose verbunden. Ein Nucleotid ist der Phosphatester eines Nucleosids. 86 IFS Pall Robert 2008 DNA y Nucleotide können miteinander zu Polynucleotiden kondensieren. Die kovalente Bindung zwischen den Monomeren o o e e erfogt e ogt dabei a e vo von der e Phosphatgruppe osp atg uppe eeines es Nucleotides zur Hydroxylgruppe am C3-Atom der Pentose des nächsten Nucleotids. So entstehen Nucleinsäuren, entweder eine Desoxyribonucleinsäure (DNA oder DNS) oder eine Ribonucleinsäure (RNA oder RNS) 87 IFS Pall Robert 2008 88 IFS Pall Robert 2008 DNA Alpha Helix 89 IFS Pall Robert 2008 ALLES GUTE für die Prüfung! 90 IFS Pall Robert 2008