Chemie für Biologen

WS 2005/6

Arne LützenInstitut für Organische Chemieder Universität Duisburg-Essen

(Teil 12: Organische Chemie – funktionelle Gruppen)

Die funktionelle Gruppe von Alkoholen und Phenolen

CH3

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

OH OH R OH

OHAr OH

CH

CH

CCH

CH

C OHCH3

R = Alkylrest

OH = Hydroxygruppe

1-Hexanol

Alkanol

Phenol

Ar = Arylrestp-Kresol

Alkohole und Phenole sind funktionalisierte Alkane bzw. Arene. Sie sind Derivate des Wassers, H2O, bei dem ein H-Atom durch einen

Alkyl- bzw. Arylrest ersetzt wurde.

Wasserlöslichkeit von 1-Alkanolen R−OH

R Name Gew. % R Name Gew. %CH3 Methanol ∞ C5H11 Pentanol 2.3 C2H5 Ethanol ∞ C6H13 Hexanol 0.6 C3H7 Propanol ∞ C7H15 Heptanol 0.2 C4H9 Butanol 7.9 C8H17 Octanol 0.05

blau: hydrophiler Molekülteil rot: hydrophober Molekülteil

Mit der Größe von R nimmt der hydrophobe Anteil zu und damit sinkt die Wasserlöslichkeit.

H3C OH Methanol Methylalkohol

CH2 OHH3C Ethanol Ethylalkohol

CH2 OHCH2H3C 1-Propanol n-Propylalkohol

CH3CHH3COH

2-Propanol Isopropylalkohol

CH2 OHCHH3CCH3

2-Methyl-1-propanol Isobutylalkohol

Systematischer Name: Alkanol

Phenylmethanol Benzylalkohol

Nomenklatur der Alkohole

CH2 OH

Glykole (2 OH-Gruppen)CH2 CH2

OHOH

Ethylenglykol1,2-Ethandiol

CH CH2

OHH3C

OH

Propylenglykol1,2-Propandiol

CH2 CH2 CH2

OHOH

Trimethylenglykol1,3-Propandiol

OHOH

HH

cis-1,2-Cyclopentandiol

Glycerine (3 OH-Gruppen)

CH2 CH CH2

OH OHOHGlycerin1,2,3-Propantriol

Glykole und Glycerine, Diole und Triole

Glycerin ist der Alkohol-Bestandteile der Fette. Fette sind Glycerin-Ester der Fettsäuren = „Triglyceride“.

Glykole und Glycerine sind sehr gut wasserlöslich.

Phenol

OH

1-Naphthol(α-Naphthol)

OHβα

2-Naphthol(β-Naphthol)

p-Nitrophenol

Zweiwertige Phenole

OH

OH

Brenzkatechin

OH

OH

Resorcin

OH

OH

Hydrochinon

Phenole

OH

NO2

OH1

2

34

α β

Phenole sind stärkere Säuren als Alkohole. Sie lassen sich in wässriger Lösung (z. B. mit Natronlauge) deprotonieren.

Herstellung von Ethanol

Alle Alkohole sind giftig! Ethanol ist (u.a.) ein Hypnotikum. Reines Ethanol ist für Organismen aller Art ein starkes Gift; bei Mikroorganismen wird das Protoplasma-Protein denaturiert. Daher werden Bakterien in 70%igem Ethanol abgetötet oder in ihrer Entwicklung gehemmt. Ethanol dient deshalb auch als Konservierungsmittel im Haushalt und für anatomische Präparate.

Melasse

StärkeZucker

Fuselöle

CH3 CH2OH

Vergärung mit Hefe

Fuselöle:CH3 CH2 CH CH2OH

CH3

Getreide

Rohrzucker

CH3 CH CH2 CH2OHCH3

CH3 CH CH2OHCH3

CH3 CH2 CH2OH Propanol

2-Methyl-1-propanol

C6H12O6Glucose

2 C2H5OH + 2 CO2 (anaerob; alkoholische Gärung)

2-Methyl-1-butanol

3-Methyl-1-butanol

Industrielle Herstellung von Alkoholen

1. CO + 2 H2Katalysator

250°C, 50 bar CH3OH

2. H2C CH2 + H2O H3PO4 CH3CH2OH Hefe- CO2

Glucose

3.CH2H2C

OOxacyclopropan

(Ethylenoxid)

+ H2O Δ HOCH2CH2OH

4. C6H5Cl + H2OCa3(PO4)2 C6H5OH + HCl

Alkohole und Phenole sind Brönstedt-Säuren und Basen (Ampholyte).

Chemische Reaktionen von Alkoholen und Phenolen

O2N OH

NO2

NO2

2,4,6-TrinitrophenolPikrinsäure

Starke Säure; pKS = 0.25

R O HBase

+ HR O

HH

Oxonium-Ion

R O HSäure

+ H2O R O + H3O+

Alkoholat-Ion

PhOH >> MeOH > prim. > sek. > tert. AlkoholpKaAcidität

Oxidation von Alkoholen

CH OHR1

R2C O

R1

R2

Sekundärer Alkohol

Keton

[O]R1 = R2 = CH3: Aceton, einfachstes Keton

C OHR1

R2

R3

Tertiärer AlkoholPrimäre, sekundäre und tertiäre Alkohole lassen sich an Hand ihres Oxidationsverhaltens unterscheiden.

R CH2 OH[O]

- 2 HR C

O

H[O]

R CO

OH[O] º Oxidationsmittel

z. B. CrO3; K2Cr2O7

Primärer Alkohol

Aldehydmeist nicht stabil,wird weiter oxidiert

Carbonsäure (Vgl. Folie 106)

Nucleophile Substitution

R−X + :B(-) → R−Y + :X(-)

:B(-) Nucleophil = Kern-liebendBeispiele für Nucleophile: OH(-), R−O(-), Hal(-); auch Neutral-Moleküle wie H2O, R−OH, NH3, ...

Beispiel:R−X + OH(-) → R−OH + X(-)

Halogenalkan Alkohol

SN2 bimolekulare ReaktionRG = -d[R−X]/dt = k[R−X][B(-)]Regelfall

SN1 monomolekulare ReaktionRG = -d[R−X]/dt = k [R−X] Nur bei tertiären Gruppen R.

Nach der Kinetik lassen sich zwei verschiedene Mechanismen unterscheiden:

Nucleophile Substitution SN1

R−X + :B(-) → R−B + :X(-)

SN1 monomolekulare ReaktionRG = -d[R−X]/dt = k [R−X]

Die Reaktion ist zweistufig und nicht stereoselektiv. Im 1. Schritt erfolgt die heterolytische Spaltung der R−X-Bindung, und es entsteht ein (tertiäres) Carbenium-Ion.

C X C

C B

CB

- X(-)

R1

R2

R3

R1

R2 R3

(+)

sp3

sp2

planares Carbenium-Ion

R1

R2

sp3+ B(-)

(a)

(b)

R3

R1

R2

R3

sp3

Produkt I

Produkt II

Die Produkte I und II entstehen im Verhältnis 1 : 1(als Racemat).

Nucleophile Substitution SN2

SN2 bimolekulare ReaktionRG = k[R−X][B(-)]

R−X + :B(-) → R−B + :X(-)

Die Reaktion ist einstufig und stereospezifisch unter Konfigu-rations-Inversion. Im Übergangs-zustand ist das Reaktionszentrum sp2-hybridisiert.

sp2

sp3

sp3

EA = Aktivierungs-energie

HO R OH Alkohol

R O R O R Ether

H Nu + R X R Nu HX

R NuneutralesNucleophil

- H X

HO

HR OH

RO

HR O R

Beispiele für die nucleophile Substitution

Nu + R X R Nu + XgeladenesNucleophil

Halogen-alkan

(X = Cl, Br, I)

R S R S R Thioether

H3N

R2NH

R NH2

R NR2

prim.

AmineRNH2 R NHR sek.

tert.

I X - Halogenid R I R XIodalkan - Halogenalkan

Als Konkurrenz zur nucleophilen Substitution wird die 1,2- oder β-Eliminierung beobachtet (Jedes Nucleophil ist eine Base!). Auch diese kann monomolekular (E1) oder bimolekular (E2) auftreten. Dabei werden C,C-Mehrfachbindungen gebildet.Es handelt sich um die Umkehrung der elektrophilen Addition.

Eliminierungsreaktion

CH3

CCH

CH2

HCH3

X

HCH3

CH3 H

CH3

H

H

H

HCH3CH3

Base

- HX

2-Methyl-2-butenSaytzeff-Produkt

3-Methyl-1-butenHofmann-Produkt

+

Das Verhältnis von Saytzeff und Hofmann-Produkt hängt vom jeweiligen Reaktions-system und von den Reaktionsbedingungen ab. Normalerweise überwiegt das thermodynamisch stabilere Saytzeff-Produkt.

Carbonyl-GruppePolare CO-Doppelbindung:

H CO

HFormaldehyd

Methanal

H3C CO

HAcetaldehyd

Ethanal

CH2 CO

HH3C

PropionaldehydPropanal

CO

H

Benzaldehyd

CO

HOH

Salicylaldehyd(o-Hydroxybenzaldehyd)

Carbonylverbindungen: Aldehyde

Name: alcoholus dehydrogenatus: der Aldehyd

C Oδ-δ+

sp2 (planar)

CH2 CO

HCH2H3C

ButyraldehydButanal

Bindungsenergie [kJ/mol]C−O 351 C=O 707C−C 348 C=C 595

R CO

HR = H, Alkyl, Aryl

C OR2

R1R1, R2 = Alkyl, Aryl ≠ H

H3C C CH 3

O

AcetonPropanon

CH2 C CH3

OH3C

EthylmethylketonButanon

CO

CH3

MethylphenylketonAcetophenon

O

Campher(Kampfer)

O

O

ProgesteronSteroid-Hormon

O

Cyclohexanon

Carbonylverbindungen: Ketone

Reaktivität der Carbonylgruppe

O

CC

H

δ-

δ+Elektrophile E

Nucleophile Nuacides H

C O C ONuH

H Nu

δ-δ+

H CH

OHNu

Addition von Nucleophilen an die C=O-Gruppe

Eine der wichtigsten Reaktionen der organischen Chemie und der Biochemie

Beispiele:+ H2O

(H+)C O

R2R1

COH

R2

R1

OHHydrat (meist nur in wässriger Lösung stabil)

+ ROH

(H+)C

OH

R2

R1

OR

+ ROH

(H+)C

OR

R2

R1

OR+ H2O

Aldehyd: Halbacetal Acetal Keton: Halbketal Ketal

CO

OH

HO OH(H+) Cyclisches Halbacetal

bei Zuckern: Furanosenund Pyranosen

Hydroxyaldehyd:

Addition von primären Aminen an Ketone

C OR2

R1

+ NH2 ROCR1

R2NH2 R

OHCR1

R2NH R

- H2OC

R2

R1N R

Halbaminal IminNucleophil

O

Cyclohexanon Hydroxylamin

+ NH2 OH- H2O

N OH

Cyclohexanonoxim(Ausgangsprodukt für Nylon6)

OR

HNH

O

NH2

NH

O

NH

R

Retinal

+

Aminosäure Lysin des ProteinsOpsin

- H2O

RhodopsinSehpurpur

blau:Polypeptidkette

Aldol-Kondensation

H3C CO

H2

OH (kat.)CH2 C

O

HCHH3C

OH

2-HydroxybutanalAcetaldol

- H2O CH CO

HCHH3C

EthanalAcetaldehyd

2-ButenalCrotonaldehyd

CH

OCH

CH

OC

C

O

CO

HC

OC

O

HC

OH

CO

HC

CH

OCOH(-) (-)

Enolat-Ion= C-Nucleophil- H(+)

α-Deprotonierungnucleophile Addition

H2O

+ H(+)Aldol-Addition- H2O

Aldol-Kondensationα,β-ungesättigteCarbonyl-Verbindung

(-)

Eine sehr wichtige Reaktion zum Aufbau von Kohlenstoff-Gerüsten.

R COO H

Bildung von Dimeren über Wasserstoffbrückenbindungen⇒ hohe Siedepunkte⇒ relativ gute Wasserlöslichkeit (bis Buttersäure)

H CO

OH

Siedepunkt

Ameisensäure(Methansäure)

101°C

H3C CO

OH

Essigsäure(Ethansäure)

118°C

CH2 CO

OHH3C

Propionsäure(Propansäure)

141°C

CH2 CO

OHCH2H3C

Buttersäure(Butansäure)

164°C

Carbonylverbindungen: Carbonsäuren

R CO

O HRC

O

OH

Vergleich mit Alkoholen:pKS ≈ 15 - 16

Beispiele:

Dissoziation von Carbonsäuren

H CO

OHH3C C

O

OHCH2 C

O

OHH3C

Ameisensäure Essigsäure PropionsäurepKS 3.8 4.8 4.9

Carbonsäuren sind wesentlich stärkere Säuren als Alkohole.

R O H + H2O R O + H3OAlkoholat-Anion(Ladung ist lokalisiert)

R CO

O H+ H2O R C

O

OR C

O

O+ H3O

mesomeres Carboxylat-Anion(Ladung ist delokalisiert)

CH COOH

H3COH

α

α-HydroxycarbonsäureMilchsäure

chiral

α-Aminocarbonsäure:AminosäureR ≠ H: chiralR = H: achiral: Glycin

C C OOH

H3CO

α

CH2 CO

OHCH3CO

α-KetosäureBrenztraubensäure

Pyruvat

αβ O

CC

C

OH

OHH

H3C αβ

Enolformβ-KetosäureAcetessigsäure

CH CO

OHR

NH2

Carbonsäuren mit zusätzlichen funktionellen Gruppen

α

CH CH2CH2 CO

OHC

O

HOOH

CO OH

Citronensäure3-Carboxy-3-hydroxypentan-disäure, eineHydroxytricarbonsäure

Reaktivität der Carboxylgruppe

RC

O

O H

δ-

δ+

CC

O

O H

δ-

δ+

R'

BH

H

nucleophil, basisch

elektrophil

acides H

Darstellung von CarbonsäurechloridenEs entstehen nur gasförmige Nebenprodukte.

Nucleophile Substitution an der Carbonyl-Gruppe

R CO

OH+ SOCl2 R C

O

Cl+ SO2 + HCl

Thionyl-chlorid

• Es handelt sich um einen Additions-Eliminierungs-Mechanismus.• Die Reaktion kann durch Säuren katalysiert werden: Protonen-Katalyse

R CO

X+ Nu

δ-δ+

R C XO

NuR C

O

Nu+ X

sp2 sp2sp3

R CO

Cl

+ H2OR C

O

OH+ HCl

R´ OH R CO

O R´+ HCl

Ester

R CO

O NaC RO

OCO

RAnhydrid

+ Na Cl

Reaktionen von Säurechloriden

Säurechloride sind reaktive Acylierungs-Reagenzien.

H2N R´R C

O

NH R´+ HCl

Amid

Carbonsäureanhydride

H3C CO

OCH3C

OEssigsäureanhydridAcetanhydrid

C

C

OHOH

O

O

ΔT - H2O

O

O

O

Maleinsäureanhydrid

MaleinsäureC

OH

COH

O

O

ΔT - H2O

O

O

O

Phthalsäureanhydrid

Phthalsäure

H3C CO

OCH3C

OOH

CO

OH

Salicylsäure

+O

CO

OH

C CH3O

H3C CO

OH+

AcetylsalicylsäureASS

Ester

Synthese von Aspirin

Veresterung von Carbonsäuren

Gleichgewichtsreaktion: Das Gleichgewicht lässt sich durch Abdestillieren von H2O zur Ester-Seite verschieben. Die Reaktion wird durch starke Säuren katalysiert.

Carbonsäureester

R CO

OH+ R´ OH

HR C

O

O R´+ H OH

Eigenschaften von CarbonsäureesternEinfache Ester sind in der Regel flüssig und haben relativ niedrige Siedepunkte. Z.B. CH3-CO2-C2H5 (“Essigester”): Sdp. 77° C, Schmp. –84° C.Sie sind in Wasser nicht löslich. Verwendung als Lösungsmittel (Lacke). Ester besitzen einen angenehm fruchtartigen Geruch. Sie sind Aroma- und Duftstoffe. Sie kommen verbreitet in Pflanzen, Blüten und Früchten vor.

Ester Aroma Ester Aroma

Ameisensäureethylester Rum Buttersäuremethylester Apfel

Essigsäure-n-butylester Orange Buttersäureethylester Ananas

Essigsäureisobutylester Banane Buttersäureisoamylester Birne

Ester-Hydrolyse (Verseifung)

R CO

O R´

Verseifung von Estern

+ Na OH R CO

O Na+ HO R´

+ OH

Mechanismus: Nucleophile Substitution

R C OR´O

OHR C

O

OH+ O R´

Säure + Base

Neutralisation

Seife: Alkali-Salz einer Fettsäure

In "hartem" Wasser sind Seifen unwirksam.Waschmittel und Detergenzien enthalten lineare, unverzweigte Alkansulfonate, die biologisch abbaubar sind. Die Salze reagieren neutral ⇒ Neutralseife

Ca2+- und Mg2+- Salze sind wasserlöslich.

Fette und Seifen

Fett (Triglycerid) Glycerin Seife

Na+

Na+

-OOC R´´

-OOC R´

-OOC RNa+

+

CH2

CH

CH2

OH

OH

OH

+ 3 NaOH

CH2

CH

CH2

O

O

O

C

C

C

R

R´

R´´

O

O

O

R CO

O2 Na2 + Ca2+ R C

O

OCa2+ + 2 Na+

2

wasserlöslich wasserunlöslich

SO3 K+

COO(-) Na(+)

Lipophil bzw. hydrophob hydrophil

Gesättigte Fettsäure

COOH1

18StearinsäureOctadecansäure

1812

9 1COOH

H

H

HH

Linolsäure(Z,Z)-9,12-Octadecadiensäure

COOHH

H

HHH H

19

12

18

15

Linolensäure(Z,Z,Z)-9,12,15-Octadecatriensäure

Ungesättigte Fettsäuren

COOH H

H

123

45

678

9

10 11 12 13 14 15 16 1718

Ölsäure(Z)-9-Octadecensäure

Fettsäuren

Fettunlöslich in H2O

Seifelöslich in H2O Fett

löslich gemacht mit Seife in H2O

Mizelle

Wirkung von Tensiden

Synthesen

Nomenklatur

Carbonsäureamide

R CO

Cl+ NHR'2 R C

O

NR'2+ HCl

Carbonsäurechlorid

H CO

NH2Formamid

H3C CO

NH2

Acetamid

H CO

N CH3CH3

N,N-Dimethylformamid

R CO

NH2R C

O

OH+ NH3 R C

O

OHNH3

Carbonsäure Ammoniumcarboxylat- H2OΔT

R C NCarbonsäurenitril- H2OP2O5

Cyclische Amide: Lactame

R CNR2

OR C

NR2

O

:

..::

(-)

(+)

Mesomerie:Die Amidbindung besitzt partiellen Doppelbindungscharakter.

NHO

α β

β-Lactam(gespannter Vierring,

hydrolyseempfindlich)

NO

SRNH H

COOHCH3

CH3

Penicilline

NOH

α β

γ

γ-Lactam

NH

Oαβγ

δε

ε-Lactamε-Caprolactam

Harnstoff ist das Endprodukt des Eiweißabbaus bei Menschen und Säugetieren. Ein erwachsener Mensch produziert ca. 20 g/Tag.Die Hydrolyse von Arginin ist der letzte Schritt im Harnstoff-Zyklus.

Kohlensäure-Derivate

O

OHHO H2CO3Kohlensäure

O

ClClPhosgen

(Säurechlorid)

O

NH2H2NHarnstoff

(Diamid der Kohlensäure)

+ 2 NH3 + 2 HCl

H2N NHCO2H

NH

NH2

+ H2O O

NH2H2N + H2NCO2H

NH2Argininα-Aminosäure

Ornithinα-Aminosäure

Harnstoff