4 . F u n k tio n e llGe ru p p e nu n d d e re n R e a k ...sequin/Med_Neu_16_Sc_T2.pdf · P ro...

Prof. Dr. Urs S6quin: Organische Chemie für Studierende der Medizin 21

4. Funktionel le Gruppen und deren Reaktivi tät

4 . ' , . E in le i tung

ln diesem Kapitel geht es um die Diskussion einiger wicht iger Substanzklassen. DieEigenschaften der Verbindungen jeder dieser Klassen werden durch die einer bestimm-ten Klasse gemeinsame funkt ionel le Gruppe geprägt.

- Physikalische Eigenschaften (Löslichkeit, Schmelzpunkt, Siedepunktspektroskopisches Verhalten...)- Reaktivität (Säure/Base, Nukleophilie/Elektrophilie; allgemein das Verhalten bezüglichder besprochenen Reaktionstypen)

Befinden sich im selben Molekül verschiedene funkt ionel le Gruppen, so spielt derengegenseit iger Abstand eine wicht ige Rol le. Sind die Gruppen weit auseinander, soreagiert jede von ihnen unabhängig von den anderen. Sind die funkt ionel len Gruppenaber sehr nahe bei einander, so entsteht insgesamt eine neue funkt ionel le Gruppe mitneuen Eigenschaften (und auch einem neuen Namen).

o oil tl

vgl. CH3-C-CH2-CH2-NH2 mit CHg-CHz-CH2-C-NHz

ein Aminoketon ein Carbonsäureamid

4 .2 . A l kane

Es handelt sich um gesättigte Kohlenwasserstoffe (enthalten nur C und H und nurEinfachbindungen). Sie bestehen eingentl ich "nur aus Gerüst" und sind deshalbreaktionsträge; es gibt kaum vernünftige Reaktionen.

Beispiele: ?r. gH,

cH+ cHs-cHz-cH2-cH3 cHs-? -CHz-C H-CH3C H s

Methan Butan 2,2,4-Trimethylpentan(Erd-, Sumpf-, (Feuerzeug, ( lsooctan, im Benzin)

Gruben-, Biogas) Campingofen) CaHr s

Fast alle organischen Verbindungen lassen sich verbrennen (Oxidation mit Luft bzw.Sauerstoff, meist unter Flammenerscheinung).

Viele Alkane, die durch die Desti l lat ion und das Cracken von Erdöl erhalten werden,dienen als Brenn- und Treibstoffe.

z .B: . CsHra + 12.5C,2 BCOz + 9H2O + ENERGIE(Wärme!)

Bei unvollständiger Verbrennung entstehen CO (giftig; Unfälle mit defekten Öfen oderAutoabgasen) und/oder Kohlenstoff (Russ; leuchtende Flammen: Petrolfunzel, Kerze).

Begriff "Alkylgruppe>,: Formal ein Alkan, dem ein H-Atom fehlt, und das deshalb nocheine Bindung "offen,, hat. Z. B:

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CHs- Methylgruppe (Methylrest)CH3-CH2- Ethylgruppe (Ethytrest)R- allg. Alkytgruppe (Atkytrest)

4 .3. A lkene

Alkene sind Kohlenwasserstoffe, die C=C-Doppelbindungen enthalten. Es sind "un-gesättigto, Verbindungen. Die C-Atome sind nicht vollständig mit Wasserstoff "abge-sättigt". Entsprechend lassen sich diese Verbindungen noch "sättigen":

Katalysator(Pt od. Pd od. Ni)

C H g - C H - C H - C H 3 + H 2 ^ . _ r *

But-2-en, ein Alken

Wenn mehrere Doppelbindungen im Molekül sind, ist die relat ive Stel lung dieser zueinander wicht ig.

lsol ierte Doppelbindungen: Mehr als eine Einfachbindung dazwischen.

Konjugierte Doppelbindungen: Genau EINE Einfachbindung dazwischen. Hier sind dier-Elektronen relat iv gut verschiebbar (Mesomerie!); die Doppelbindungen beeinf lussensich gegenseit ig.

konjugiert, K isol iert : *Nona-3,5-dien Nona-2.6-dien

Zur Erinnerung: Die an Doppelbindungen beteil igten C-Atome sind sp2-6ybridisiert; dieAnordnung um die Doppelbindung herum ist planar; es herrscht keine freie Drehbarkeitum die Doppelbindung, deshalb kann cis-trans-lsomerie auftreten. Siehe auch dieZusammenstellung der C-C-Bindungen.

1 2cHs -cHz -cH2 -cH3

Butan, ein Alkan

Verg le ich zwischen C-C-Einfach- Doppel - und Dre i fachbindung

Zahl der mit C verbundenenAtome

Hybridisierung von C

Bindungswinkel

Bindungslänge

Bindungsenthalp ie

Konsequenzen für Konfiguration und Konformation

c-c4

sp3

1 09"28 '

154 pm

348 kJ/mol

frei drehbar,viele Konforma-t ionen möglich

C=C

3

sp2

120.

134 pm

612 kJ/mol

starr, planar,cis-trans-lsomerie

C=C

2

sp

1 80"

1 2 1 p m

837 kJ/mol

l inear

Eigenschaf ten der verschiedenen C-C-BIndungen

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Die wichtigsten Reaktionen der Alkene sind die Additionen und die Oxidationen.

' Addition von Wasserstoff mit Hilfe eines Katalysators: katalytische Hydrierung.

Katalysator(Pt od. Pd od. Ni)

cHs -c H -c H -cH3 * Hz cHs -cHz -cH2 -cH3Addit ion

Technisch wichtig ist dieser Prozess bei der Fetthärtung: Aus ungesättigten Pflanzenölenwerden Margarine-Grundstoffe hergestellt. Siehe Abbildung.

. Elektrophile AdditionDie Elektronen der n-Bindung sind gut zugängl ich und werden dementsprechend vonReagenzien mit Elektronenmangel (Elektrophile) angegriffen.

Beispiel: Reaktion von But-1-en mit HBr (HBr = H+ (elektrophi l) und Br (nukleophi l)) .

Reaktionsmechanismus :

(DH '

c H o - c H o / H" - \ t /n : / r

. / " ) u \H - / H

/1\

H O

cH3-cH2\ G) Bro,CYCH1

+

Hstabiler

@/ B.OcH3-c H2-cH2-c\ ----------------

weniger stabit H

BrI

C H 3 - C H z - C H - C H 3

viel 2-Brombutan

C H 3 - C H 2 - C H a - C H r B r

wenig 1-Brombutan

cH2-o-c

l - diH-o-cl öiHr-o-c

cttr-o -c

J"_o_3I öcH2-o-c

o

ein Fett (bei Raumtemperatur fest)

o

ein Öt lOei Raumtemperatur flüssig)

H 2 l N i...--.-.------>

Fet thär tung

./

\

Das Zwischenprodukt bei dieser Reaktion ist ein Carbenium-lon; die Reaktion läuft be-vorzugt über das stabilere Carbenium-lon ab

Prof. Dr. Urs S6quin: Organische Chemie fur Studierende der Medizin

. PolymerisationAlkene konnen polymerisieren; dabei greif t das durch die Addit ion eines Protons ansAlken entstandene Carbenium-lon, das selbst auch ein Elektrophi l ist , ein weiteresAlken-Molekul an, usw. Die Polymerisat ion kann auch uber Radikale erfolgen, sieheZusammenstel lung der Polymerisat ion von Alkenen. Die so entstehenden .,Vinylpo-lymeren', sind technisch von enormer Bedeutung, siehe Zusammenstel lung.

24

Kat ion ische Polymer isat ion

starrreaktion: ,e {-l}.:t'C H s

- H@ ?t . [_.........> cH._g_J. r rL

C H "

cH3-cr@

CHs

elektrophi l

C H .cH2 -c @

cHon - 1

c H "

C H:C,

c H s

Reaktionskette:

FHrr'---\ FH.CH3-C\O + n CH2:C.

cHs C H s

Rad i ka l ke t ten po lymer i sa t i on

.t.[ ?r.-l+ cHs-9-J.tr-g-t

.r.L .rrl

cI

cH2 -c

H 3

cHs

Startreaktionen:

Beachte:Der Fischhakensymbol is iert dieVerschiebungvon EINEM Einzelelektron

r\nR-O-O- R

Homolyse

+

RO- CHz- CHz.

Reaktionskette:

RO-CHz-CHz ' + CHz :CH. - - - * RO-CHz-CHz-CHz-CHz . e tc .

Abbruchreaktionen: zweiRadikalereaqierenmiteinander

*of)6;4;)

Polymer isat ion von Alkenen


M o n o m e r

CHz-CHz

CH2=Q1-1-611t

CH2=C166r ; t

CH2=Q11g1

CH2=Qf{611

physiologisch unbedenkl ich

Polypropylen, Polypropen,PP

physiologisch unbedenklich

Polyisobutylen, Polyiso-buten, PIB

Polyvinylchlorid, PVC;"Vinyl"

entwickelt beim Verbrennen HCI

Polyacrylnitril, PAN;Orlon@

Polystyrol, PSphysiologisch unbedenklich

Polyvinylacetat, PVAC

Polymethylmethacrylat,PMMA; Plexiglas@

Polyacrylate

Polyvi nyl idench lor id,PVDC; Saran@

Polytetrafluorethen, PTFE ;Teflon@

Polyvinylpyrrol idon, PVPCHO-CH_N^I- Yo

CHr=6;*-O

ot l

c H2-c H-o-c * c Hs

ot l

CHr=619Hs) -C - OC H3

ot l

C H r = g H - C - O R

CH2=QQ; ,

CF2=Q,12

Po l ymer Verwendung

Polyethylen, Polyethen, PE Folien, Säcke, Behälter,Spielzeug, Haushaltge-genstände, el . lsolat ion,Ablaufrohre

Laborgeräte, Büromäpp-chen, Klebstreifen, Teppich-fasern, sonst wie PE

Klebstoff für Wundpflaster,K lebebänder , Kaugummi

hart: Rohrlei tungen, Boden-platten;weich: Fol ien, Wand- undBodenbeläge, Kunstleder,el. Kabel isolat ion

Textilfasern (Pullover,Socken)

Behälter, Einweggeschirr;geschäumt (Styropo@) turVerpackung und thermischelsolat ion

Weissleim, Anstrichfarben(Dispersionsfarben)

unzerbrechl icher Glas-ersatz, Optik

in Copolymeren für Kleb-stoffe und Anstrichfarben

Verpacku ngsfolien (selbst-haftend)

Laborgeräte, Kochgeschirr,el . lsolat ion

Haarlack

V iny lpo lymere


. Oxidation der AlkeneWie die meisten organischen Verbindungen können auch Alkene verbrannt werden. Dadiese Reaktion aber nicht sehr interessant ist, wird sie bei den folgenden Substanzklas-sen kaum mehr erwähnt werden. Die Oxidation von Alkenen mit einem Oxidationsmittelwie etwa KMnO+ führt jedoch zu interessanten Produkten.

t *3r ,H

,rc:crcHs cHs

ein Alken

cHs

.rc:crC H s C H s

KMnOaO H O Ht l

cHs-? -9 -Hc H 3 c H 3

ein Glykol(2 OH-Gruppenan benachbartenC-Atomen)

p H > 7 ; 0 "

KMn04

KMnoa I

cH... +

,rc:o +C H e-

ein Keton

K M n O a I H + ; > 2 5 '

#Y

H+; > 25 "

H' ; > 25o

H/

o=cr.

ein Atdehyd CHs

KMnOa I l * ;>zs 'I+,oH

eine Carbonsäure O:C

cHs

4 .4 . A l k ine

Diese Verbindungsklasse soll nur knapp besprochen werden. Die Mutterverbindung istdas Acetylen (Ethin): H-C=C-H.

Acetylen ist technisch ausserordentlich wichtig (Verwendung als Grundchemikalie undzum Schweissen etc.). Alkine zeigen typische elektrophile Additionen an die C-C-Mehr-fachbindung, analog zu den Alkenen.

4.5. Arene

Viele alt bekannte Duft- und Aromastoffe zeigten eine mit Benzol verwandte Struktur.Daher wurde für Benzol und Verbindungen, die sich ähnl ich verhalten - nun unabhängigvon einem allfälligen Duft oder Geschmack - der Begriff "aromatische Verbindungen"(heute auch: Arene) geprägt.

Experimentell fällt auf, dass sich Alkene und Arene völlig verschieden verhalten, obwohldie Verbindungen beider Substanzklassen Doppelbindungen enthalten:

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H H\ /c :c/ \

H H

IBrz I elektrophile Addition

+B r Hr l

H - C - C - Ht lH B r

Ielektrophile Substitution I er,

IY

.'\ Z\l l l . - l l l\/ \.,, (o)

,A;at

U + H B r

Grund: Arene sind cycl ische Verbindungen, bei denen die Doppelbindungen cycl ischdurchkonjugiert sind; die n-Elektronen sind dadurch um den ganzen Ring herum delo-kal isiert ("verschmiert"), und es ist Mesomerie möglich, was zu einer grossen Stabi l i -sierung führt ("Resonanzenergie").

Benzol (NICHT "Benzen") hat die Struktur eines regelmässigen Sechsecks, al leBindungswinkel betragen 120", al le Bindungen sind gleich lang: 139 pm (vgl. C-C :154pm; C=C : 134 pm).

Damit die n-Elektronen optimal delokal isiert sein können, muss der Ring planar sein. DieAnzahl der beteiligten n-Elektronen entspricht nach der Theorie/Regel von Erich Hückeleiner Zahl aus der Reihe (2), 6, 10, . . . (al lgemein:4n + 2).

' Aromatische Ringe sind weitgehend stabil gegenüber Oxidationsmitteln wie etwaKMnO+.

. Elektrophile SubstitutionDie verschiedenen Möglichkeiten sind in der entsprechenden Tabel le zusammen ge-stel l t . Es fehlen aber einige wicht ige funkt ionel le Gruppen, die offenbar nicht auf dieseWeise an einem aromatischen Ring "angebracht" werden können. Insbesondere sinddies -OH und -NH2. Warum? Dies kann verstanden werden, wenn man den Mechanis-mus betrachtet.

+ ClzFeC l . , rö1ct

i l t\/

Chlorbenzol

,A4a'i l l\?

Brombenzol

H C I Chlorierung

+ BrzFeBrg

- HBr Bromierung

Beisp ie le der e lekt rophi len aromat ischen Subst i tu t ion

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Der Mechanismus einer elektrophi len Substi tut ion an einem aromatischen Ring sol l amBeispiel der Chlorierung von Benzol aufgezeigt werden:

C l - C l +

c lI

Fe-ClI

c lLewis-Säure

( + )C l - +

Elektrophil

C I( ] l

CIYFe- ClI

c l

c l c llangsam

+4Yn 4-{,| | <:__> | | + etc.

\,/o @\/resonanzstabi I i siertes Zwischen orod ukt

C I(Y*V @

+ R - C lAlc l3

_

Hzo Nitrierung

HzO Sulfonierung

HCI

,A7r'lo'i l l

\2Nitrobenzol

rAas03HvBenzolsulfonsäure

,^a*\>ein Alkylbenzol

ol l

.A./c-oi l l\2

ein Arylalkylketon

+ HONO2H2S04_

+ HOSO3H

Friedel-Crafts-Alkylierung

Friedel-Crafts-Acylierung

H C I

R = eine Alkylgruppe

o,, AlCls

+ R-C-CI --------#

Beispiele der elektrophi len aromatischen Substi tut ion (Forts.)

O----.,t

(Y"'\-/

rDv

+ H\_/ \ HCI

Clorbenzol

Analog laufen auch die anderen Reaktionen ab. Der erste Schlüsselschritt - die Bildungdes Elektrophils - geht je nach Fall besser oder schlechter. Die Bildung von HO+ oderH2N+ ist prakt isch unmöglich.


Neben Benzol selbst und seinen nächsten Verwandten gibt es noch eine ganze Reihevon weiteren aromatischen Verbindungen:- heterocyclische Aromaten- polycyclische AromatenEntsprechende Beispiele sind in den Zusammenstel lungen zu f inden.

Polycycl ische aromatische Kohlenwasserstoffeund verwandte Verb indungen

ö-ruZ aH

Pyrrol

N )

\ , /

Pyrimidin

N--rlt \\- r /

H

lmidazol

0 0Pyridin Furan Thiophen

Chinolin lndol

TT\=*^il

Purin

Heterocyc l ische aromat ische Verb indungen

.)- ö-=r> "rQ rW ry'\\,r'\Z \/\?\r' \..\Z <-l=/ v\/

Naphthalin Anthracen Phenanthren Pyren Azulen

Benzpyren

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Nomenklatur: Es herrschen die Trivialnamen vor. Für systematische Namen: Der aroma-tische Ring (Grundkörper) wird so numeriert, dass die wichtigsten Substituenten niedrig-ste Platzziffern erhalten. Es gibt aber selbst hier viele Ausnahmen. Ein Uberbleibsel ausalten Zeiten sind die Bezeichnungen o-, m- und p (gesprochen:ortho-, meta und para-);sie werden nur noch für disubstituierte Benzolderivate verwendet.

fi"t'H $ &

Wichtig ist der Begriff der Arylgruppe (Ar-),hier als Beispiel die Phenylgruppe (Phenylrest):

4 .5 . Ha logenverb indungen

Die aromatischen Halogenverbindungen haben wir bereits als Produkte der elektrophi-len Halogenierung von Benzol kennen gelernt. Hier sol len nun die al iphatischen Halo-genverbindungen besprochen werden, also diejenigen, die sich von Alkanen etc. her-lei ten.

Auch diese haben wir bereits kennen gelernt: Es sind z. B. die Produkte der elektrophilenAddition von Halogenen oder von Halogenwasserstoffen an Alkene; z. B:

p-Xylol

o-

Allgemeine Bezeichnung dieser Artvon Verbindungen: Alkylhalogenide

C H3-C HCI-C HCI-C H2-C H3

2,3-Dichlorpentan

das Produktein Alkohol

Ethanol

das Reagens das Substrat die nukleofuge Gruppeein Nukleophil ein Alkylbromid (Abgangsgruppe)

Bromethan

- Das Reagens HO- ist ein Nukleophil, es ersetzt im Substrat das Brom, sein freiesElektronenpaar führt zur neuen Bindung.- Die nukleofuge Gruppe nimmt ihr Bindungselektronenpaar mit und wird zu einemNukleophi l .- Die Reaktion ist umkehrbar; die Reaktionsbedingungen und die relative "Stärke" derbetei l igten Nukleophi le entscheiden über den Ablauf (Richtung) der Reaktion.

30

c H g

NO,t -

r\i l l%a.

m-Bromnitrobenzolo-Chlortoluol

CHg-CHz-CHBr-CH3

2-Brombutan

CH3*CH2-Br

Bromethan,Ethylbromid

Typische Reaktionen: - Nukleophi le Substi tut ion- Elimination (wird hier nicht weiter erläutert)

Zur nukleophi len Substi tut ion:

H8y* cHs-cH2G

/ rP - \cH3-cH2 6, + / iBP

*-r-.-__--l Np

Prof. Dr. Urs S

Weitere Beispiele:

a r ncH3-o" Na" +

ein AlkoholatNatriummethylat

H 3 N : +

Ammoniak

1 Alkylrest

1 Arylrest

2 Reste +(Alkyl- oder Aryl-)

cH3-cH2-cH2-cl ------->

ein Alkylchlorid1-ChlorpropanPropylchlorid

Hsc,C H - B r

Hsc2-Brompropan

lsopropylbromid

A @CH.-O-CH2-CH2-CH3 + CY rua

ein EtherMethylpropylether

Hrc, O H . CC H - N H 2 + H B r

Hgc

lsopropylaminein primäres Amin

H.c 'o- H

nische Chemie für Studierende der Medizin

-------> C H-NH3 '----'->/

H " C A" Br"

Bei diesen Reaktionen sind Alkylreste übertragen worden; man spricht von Alkylierun-gen; die Alkylhalogenide sind Alkyl ierungsmittel .

Auch in Biochemie und Medizin tr i f f t man Alkyl ierungen und Alkyl ierungsmittel ; sieheKasten.

Einfache Halogenverbindungen haben oft eine Dichte, die grösser als 1 ist (Chloroform:1.48 gcm-3); sie sind meist schlecht brennbar, wenn sie al lerdings verbrannt werden,entstehen als Verbrennungsprodukte neben COz und H2O die entsprechenden Halo-genwasserstoffe (starke Säuren!).

Bedeutung der Halogenverbindungen: Lösemittel und Zwischenprodukte; einzelne Ver-bindungen werden in der Medizin verwendet (Narkosemittel , künst l iches Blut); einigeVerbindungen sind Gifte/Umweltschadstolle, z. B.: FCKWs, PCBs, DDT, Dioxin (sieheZusammenstel lung).

4 .6. A lkohole, Phenole, Ether und verwandte Verb indungen

Diese Verbindungen leiten sich von Wasser, H-O-H, her durch den formalen, schrittwei-sen Ersatz der beiden H-Atome durch:

+ A lkoho le

+ Pheno le

Ether

z. B. Methanol

z. B. Phenol

üo- 'z. B. Methylpropylether

-O_=Z\

Die Alkohole und Phenole haben als funkt ionel le Gruppe -OH, die Hydroxygruppe(Hydroxylgruppe).

Prof. Dr. Urs S6quin: Organische Chemie für Studierende der Medizin g2

Methyl ierungen (vereinfacht)

Erste nukleophi le Substi tut ion: Bi ldung von S-Adenosylmethionin

o o ol l i l i l l 3

Ho-p-o-p-o-p-o"t r l

O H O H O H

S-Adenosylmethionin Triphosphat

Zweite nukleophile Substitution: Methylierung des biologischen Substrates

biol . Substrat-OH +

T"<'-r^t

?'" . . ' , -J^*o+

/ H rD,,*Ä.o#

ot +H-

S-Adenosylhomocystein

S-Adenosylmethionin

biol . Substrat-OCH3

Alkyl ierung von DNA

Kann zu Störungen im Nukleinsäurestoffwechsel führen; gegebenenfalls einsetzbar inder Tumortherapie. Beispiele:

otl

Hr.r-^\-\I l l ) + c H 3 - l +

Hrtt^trt^N,- n

O ,,\ul r v t r e

| /Httt^-:rN'.

I l l ) + H - r, , ^ ' r ' \ . , .A r t iF12l\ l\ | I

cH2--cH2cl/ -N

cH2--!H2Cl

Methylyierung von Guanin

HOOC

Ein gegen Leukämie verwen-detes Alkylierungsmittel :Chlorambucil (Leukeran$

Alky l ierungen in B iochemie und Mediz in


Anaes the t i ca

F B rt l

F _ C _ C _ Hl lt r n l

Halothan

Sauerstof f t räger

Bestandteile von künstlichem Blut oderE F F . F E F E F\ , / \ / \ / \ /

t r / - a a ^' : a z v : a z v : a z v : " z v r r ./ \ / \ / \ / \

F F F F F F F F

F

F - C - C l

Br

Ha lon 121 1Feuerlöschmittel

T U I I -

t t lF - C - C - O - C - H

t t tF H F

lsof luran

Blutersatz

F3C-CF2-CFz-CF2- tt-

C F2-CF2-CF2-CF3

cF2-QFl-QFz-CFs

Perf luortributylamin (C 1 2F27N)Perf luoroctylbromid (CsBrFl 7)

G i f te/U mweltschad stoff e. FCKWs (Fluorghlorkohlenwasserstoffe):

Verschiedene Verbindungen, die zum Tei l auch noch Brom enthalten, werden/wurdenunter den Handelsnamen Freon, Frigen, Halon als Kälteträger, Treibmittel für Spray-dosen und Schaumstoffe, Feuerlöschmittel verwendet. Sie sind sehr stabil. Erst wenn siein die Stratosphäre gelangen, werden sie durch harte UV-strahlung zersetzt. Die dabeientstehenden Radikale reagieren mit dem Ozon, das dadurch abgebaut wird.

FI

F-C -BrIF

Ha lon 1301Feuerlöschmittel

FI

F-C -C l

C I

Freon 12 | Frigen 12Treibm ittel, Kälteträger

. Aromatische Polyhalogenverbindungen:

Cl r .s l

Polychlorbiphenyle (PCB)früher verwendet als

Wärmeaustauschflüssigkeit und alslsolation in Transformatoren und

Kondensatoren

Dichlordiphenyltrichlorethan (DDT)ein früher (?) vielverwendetes Insektizid

T r:re-\ /r",v v r 3

cl\<-.--.O-Y"\r'clt i l i l l

Cf "\t'\O'VC.

2,3,7,8-Telrachlordibenzo-pdioxin (TCDD, "Dioxin")kann bei der Verbrennung von Chlor halt igen

Verbindungen entstehen (Seveso-Unfal l 1 0.7.76)

In teressante Halogenverb indungen


4.6. 1 . Physikalische Eigenschaften

Die Substanzklasse der Alkohole eignet sich gut für eine Diskussion der physikal ischenEigenschaften: Wie verhalten sie sich bei den Alkoholen im Vergleich mit anderenSubstanzklassen ?

Siedepunkte: Eine Flüssigkeit siedet dann, wenn der Dampfdruck den äusseren Druckerreicht. Der Siedepunkt ist abhängig vom Molekulargewicht (Molekülgrösse), von derMolekülgestalt (Oberfläche) und von den zwischenmolekularen Kräften, die ihrerseits z.T. wieder von der Oberfläche abhängen.

IV1G

sdp .

zwischenmolekulareWechselwirkungen:

van der Waals

Dipol-Dipol

H-Brücken

Methanol

Ethanol

1-Propanol

1-Butanol

1-Pentanol

1 -Hexanol

Propan

CH3-CH2-CH3

4 4

-420

mischbar

mischbar

mischbar

7.9 %

2.7 o/"

0.6 o/o

Chlormethan

CH3-Cl

5 0-24"

/ o - H - - - - / o - Hf /

H R

H-Brücken-

kJ/mol

+ 0.5-5

+ 4-25

+ B-40

Dimethylether Ethanol

CH3-O-CH3 CH3-CH2-OH

4 6 4 6

-24" +7Bo !!

+

+

T

+

+

Alkoholmoleküle haben unter einander über H-Brücken einen starken Zusammenhalt :

- - lö-H-

- - - lo- H- - - - t,ö-H- - - - 4ö- n- - -

R R R R

Lösl ichkeit : Al lgemein sind polare Verbindungen eher wasserlösl ich (hydrophi l) undunpolare Verbindungen eher fett lösl ich ( l ipophi l) bzw. lösl ich in "organischenLösungsmitteln".

Wasserlösl ichkeit der Alkohole:

$o-s

lipophi ler Tei l(hydrophob)

hydrophiler Teil,vermag nur beikleinen Alkoholenden lipophilen Teilmit ins Waser zurerssen

Warum ist -OH hydrophil? Es gibt die Möglichkeit zu Wasserstoff-Brücken (H-Brücken)zwischen der OH-Gruppe und dem Wasser, und zwar aufgrund der jeweils polaren O-H-Bindungen.

ö- ö+

rö- HH

rö- t - t - - - - lö-H/ l

R H

H-Brücken--qonor -akzeptor -donor -akzeptor

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Wasserstoffbrücken sind in der Biochemie extrem wichtig (Proteine, Nukleinsäuren etc.,siehe Beispiele). Prinzip:

35

R - O - H - - - - -

H-Brücken-DonorVerbindung mit einemH-Atom an einemelektronegativen Atom

'-oH-Brücken-AkzeptorVerbindung mit einemfreien Elektronenpaar

MERKE: H-Atome, die an Kohlenstoff gebunden sind, können keine H-Brücken bi lden.

4.6.2. Chemische Eigenschaften der Alkohole und Phenole

. Säure-Basen-EigenschaftenAlkohole können als ganz schwache Säuren wirken und mit sehr starken Basen depro-toniert werden. Der pKs-Wert (auch: pKs-Wert) entspricht etwa dem von Wasser:

H3C-OH + HzO H3c-oe + H.o@ PG = 15 '5

"'''äiHf,:'il;';'.Phenole sind deutl ich saurer (und unterschieden . i .n Ouri t massiv von den Alkoholen;es ist deshalb gerechtfertigt, die Phenole als eine eigene Substanzklasse zu betrachten):

OH + HzO ftc + H,o@PG = 10.0

Phenolat- lon

Die negative Ladung kann auf dem Phenolat-lon durch Mesomerie (Verteilung aufverschiedene Zentren) stabilisiert werden; beim Methylat-lon bleibt die Ladung auf demSauerstoff lokalisiert

A

l O l l O O O

ö . * ö " * - ö - t öl - ,- v

H 3 C - q I

\=/

Prof. Dr. Urs Söquin: anische Chemie für Studierende der Medizin

Alkohole und Phenole können auch protoniert werden, also als Basen wirken; es entste-hen Oxonium-lonen:

rnR-Ol + H:

H

H

n:oieH

ein Oxonium-lon

a*;l i.. *\rrta

\ 1..1ö\\ ^ 7 l / R :

i q I A , i

i-ri\ o r

I '1 lä\i

\-./t\*'"

.''

^lf \* .'1'try

Ausschnitt aus der Struktur von Eis

Ausschnitt aus einer Peptid-c-Kette(aus ZeecklGrond/Papastavrou/Zeeck)

,HHsc\

lzo--'H-NL/N>( t*-n---*"

Vü.,ru{;*rLp'

Zucker O

Ein A-T-Basenpaar aus der DNA

Beispiele für Systeme mit H-Brücken

iLql Dr. Urs S6quin: Organische Chemie für Studierende der Medizin 37

. OxidationDie Oxidation von Alkoholen verläuft unterschiedlich, je nach ihrer Struktur:

cH3-cH2-oH KMno+-

H.C-if KMno+-

H.C-i:Ethylalkohol H OH

ein primärer Alkohol Acetaldehyd Essigsäureein Aldehyd eine Carbonsäure

H o C KMnoa HsCr

c H_oH -=____> C:o

O HI

,l )i l l

YO H

Hydrochinon

HsC

lsopropylalkoholein sekundärer Alkohol

?*.H.C-9 - OH

C H s

tert-Butylalkoholein tertiärer Alkohol

HsC

Acetonein Keton

keine Reaktion

Aufgrund ihrerunterschiedlichen Reaktivitätwerden die Alkohole inprimäre, sekundäre undtertiäre (1o, 2, 3') eingeteifi.

KMnOa---fl*

Die Oxidation von Phenolen ist u. a. in der Biochemie von Bedeutung. Das Prinzip seihier am einfachsten Beispiel, der Redox-Halbreaktion zwischen Hydrochinon und pBen-zochinon, gezeigt.

t - t

- z en I t \ : /- z n

. Eliminationsreaktionen zu Alkenen; die Reaktion findet besonders bei tertiärenAlkoholen statt.

oH HPaH r C - 9 - C H e - H . C - 9 : C H z + H z O

c H s c H s

. Esterbi ldung mit Säuren

Allgemein: Alkohol + Säure : Ester + Wasser

otl

i l t lY

op-Benzochinon


Die Ester, die mit Carbonsäuren entstehen, werden weiter hinten diskutiert. Zunächstsollen hier die Ester mit anorganischen Säuren vorgestellt werden. Es sind ausseror-dentl ich interessante und wicht ige Verbindungen, sowohl in der Natur, wie auch in derTechnik. ln der Biochemie spielen vor allem die Phosphorsäureester (aber auch andere)eine wicht ige Rol le. Siehe Zusammenstel lungen.

Alkylnitrate (Ester der Salpetersäure)

R-OH + HO-NO2 -----------> R-O-NOz + HzO

Beisp ie lecH2-o - No2 cH2-o - No2

c H - o - N o 2 o 2 N - O - C H r - g - C H 2 - O - N O z

cH2-o- No2 cH2-o- No2

Glycerintrinitrat Pentaerythrittetranitrat

,0,,",.Uxi'Jirn'ä?ili],,u"r sr,.5,.::i:?iX:f.'Jnh,,

Cellulosetr ini trat (Nitrocel lulose, Schiessbaumwolle): Sprengstoff

Alkylni tr i te (Ester der salpetr igen Säure)

Beispiel: lsoamylnitrit; wirkt gefässerweiternd, bewirkt momentane Blutdrucksenkung

l lA-,,noH + HO-N:o -----=*

OrN--o + Hzo

Monoalkylsulfate (Halbester der Schwefelsäure)

R-OH + HO-SO3H R-O-SO3H + HzO

Mit langen Alkylketten (Cr z- Czo) als Rest R entstehen Detergentien; zum Beispiel:

o-E-oe rvu@ö

Natriumlaurylsulfat (SDS, sodium dodecyl sulfate)

Ester mit anorganischen Sauerstoffsäuren


Alkylphosphate, -diphosphate und -tr iphosphate(Ester der Phosphorsäure, der Di- bzw. der Triphosphorsäure)

o oR - o H + H o - ä - o H + H - o - $ - o r + H z o

ö n o HPhosphorsäure ein Alkytphosphat

o o o oR - o H + H o - $ * o - f l - o r + R - o - $ - o * l - o r + H z o

ö r ö r ö r ö tDiphosphorsäure ein Alkylg[phosphat, in der Biochemie(Pyrophosphorsäure) oft abgekürzt ats

1-o17\?

o o oR - o H + H o - ä - o - f l - o - ä - o r * R - o m + H , o

\-/ \-/ \_-/o H ö t ö t

Triphosphorsäure ein Atkyltriphosphat

P hosphorsäu red iesterSpielen eine Rol le bei Phosphol ipiden und Nukleinsäuren

o oR-OH l t t l

+ HO-P-OH ! R -O-P-O-R ' + 2H2OR' -OH | |

O H O H

Alkyldiphosphate und -tr iphosphate sind energiereiche Verbindungen; die Energie kanndurch Hydrolyse der anhydridartigen Verknüpfung (P-O-P) gewonnen werden.

Sie spielen bei biochemischen Prozessen eine wicht ige Rol le; z. B.:. Kohlenhydratstoffwechsel. Photosynthese. Biosynthese der isoprenoiden Verbindungen (Terpene, Steroide)

Viele wicht ige Verbindungen enthalten Phosphorsäureester-Gruppierungen, z. B.:. Phosphol ipide (Nerven, Gehirn). Nukle insäuren. Coenzyme (Coenzym A, NAD, NADP, AMP, ADP, ATP etc.). siehe auch: biochemische S52-Reaktion

Phosphatgruppen sind gute Abgangsgruppen!

P hosphorsä u reester


4.6.3. Ether

Ether haben die al lgemeine Struktur R-O-R', wobei R und R'Alkyl- oder Arylrestesein können. Es sind im al lgemeinen wenig reakt ive Verbindungen. Die Ethergruppie-rung findet man in vielen Naturstoffen.

Technisch wicht ig sind cycl ische Ether mit einem dreigl iedrigen Ring: die Oxirane oderEpoxide. Die Mutterverbindung dieser Substanzklasse ist das Ethylenoxid (Oxiran), einwichtiges technisches Zwischenprodukt.

o. / \

H 2 C - C H 2

Ethylenoxid, Oxiran

4.6.4. Schwefelanaloga

Die zu den Alkoholen, Phenolen unddes Sauerstoffes Schwefel enthalten,nole und Thioether.

Die Reaktivität der Epoxide kommt daher,dass der dreigl iedrige Ring gespannt istund somit relativ leicht in einer Reaktiongeöffnet werden kann.

Ethern analogen Verbindungen, welche anstel lesind auch bekannt. Sie heissen Thiole, Thiophe-

4.6.5. Interessante Verbindungen

Methanol (Methylalkohol, Holzgeist): Wird als Grundchemikal ie und Lösungsmittelverwendet. Giftig (Unfälle mit gepanschtem Schnaps).

Ethanol (Ethylalkohol, Weingeist): Produkt der alkohol ischen Gärung. ln Weinen und(gebrannten Wassern>, zur Desinfekt ion, als Grundchemikal ie und Lösungsmittel .

Mehrwert ige Alkohole (Verbindungen mit mehr als einer alkohol ischen OH-Gruppe):Ethylenglykol (Frostschutz), Glycerin (als Hilfsstoff für Kosmetika und Pharmazeutika,Ausgangsmaterial für Nitroglycerin), Sorbit und Xylit (als Zuckeraustauschstoffe).

Phenol und die Kresole (2. B. m-Kresol = 3-Methylphenol) früher zur Desinfekt ion;Hydrochinon und ähnl iche Verbindungen in fotograf ischen Entwicklern. Substi tuiertePhenole als Antioxidantien in Lebensmitteln Kosmetika.

Strukturen sowie weitere Verbindungen siehe Zusammenstellung.

Prof. Dr. Urs S nische Chemie für Studierende der Medizin

(-".--,J

Dibenzo-[18]Krone-6Ein "Kronenether',

ein Komplexbildner für K+-lonen

Sul f ide (Thioether)

Z=-,-S''--,,\

DiallylsulfidZwiebel. Knoblauch

An t iox idan t ien

O H O H O H O Ht t t l

H O - C H 2 - C H - C H - C H - C H - C H 2 - O H

Sorbit

als Duftstoffe und Medikamente

O HI

ö

YH N - Y C H 3

t lo

ParacetamolFiebermittel

O H

GuajakolHustenmittel

Mehrwer t ige Alkohole

Ho-cH2-cH2-oH Ethylenglykol (Ethan-1,2-diol , ein Glykol, DAS Glykol)

O HI

H O - C H 2 - C H - C H 2 - O H

Glycerin

Arylether und Phenole

O H

o-a* .

Eugeno lGewürznelke

und verwandte

H 3

AnetholAnis

Kronenether

o 'cH'I

ct\t/\,cl

i l lY

I/,\ |v l

2,4,6-TrichloranisolZapfengeruch (Wein)

Verb indungen

a"-)

o,C

?)

(a"\,,\o

"-l()o/\/

H z N

Methioninsiehe biol. Methylierung

f^s'cH'^cooH

Komplizierte Phenole werden als Antioxidantien eingesetzt. Sie verhindern bei oxidationsempfindlichen(luftempfindlichen) Substanzen (auch Lebensmitteln) die Oxidation, indem sie zuerst selbst oxidiert werden.

ein Beisoiel:

r o H rwY

O H O H O Hr t l

H O - C H 2 - C H - C H - C H - C H 2 - O H

Xylit

o'cHI

raY\/

Nonactinein Antibiotikum aus einer Streptomyces Art,

ein Komplexbildner für K+-lonen

cr-'-.-.J \6cl

YperitKampfgas (Alkylierungsmittel !)

In teressante Alkohole, Ether , Phenole und Schwefe lverb indungen

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4.7. Amine

Amine leiten sich formal vom Ammoniak her, wenn dessen H-Atome durch Alkyl- oderArylreste ersetzt werden :

H

H _ NH

HH . c - N

H

NH

Anilin, ein primäres aromatisches Amin

Ammoniak

Methylamin, ein primäres aliphatisches Amin

" FHtHsC-\ Dimethylamin, ein sekundäres Amin

H

.. ,c H,H3C-N. Trimethylamin, ein tertiäres Amin

c H g

Die Synthese der Amine kann durch nukleophi le Substi tut ion mit Hi l fe von Alkylhaloge-niden (oder ganz al lgemein mit Alkyl ierungsmitteln) erfolgen (siehe Hinweise bei denHalogenverbindu ngen).

+ "Br- Hrc', /-

H3N::.-l----,' pH-Br, H"C

AmmontaK2-Brompropan

lsopropylbromid

H"C ,:\u \ \ r /-------> c H-NH3/ 'H .C A-

Br-

lJ ,^

i B a s e t r 3 v \---------------- p H-NH2/

H e C

lsopropylaminein primäres Amin

+ @nr"r"

Da nicht nur der Ammoniak, sondern auch 1o, 2o und 3" Amine Nukleophi le sind, könnenauch sie jeweils mit geeigneten Alkylierungsmitteln alkyliert werden; man kann so bis zuden quaternären Ammoniumsalzen gelangen. Beispiele für 4" Ammoniumsalze:

Bro cH"r;)I

H rC=T-CH2- (CH2) ra CHs

C H s

Biologisch wicht ig sind auch:

AHO- CHq

GllH3CYN-CHz-C H2-OH

C H s

Chol in

Cetyltrimethylammoniumbrom id

Wird als Desinfektionsmittel verwendet, ist Bestandteil vonLutschtabletten und Gurgelwässer (2. B. von "Lemocin").

HoO cH" or o r - i l

HsC =ry -CH2- CH2-O-C - CH3- l

C H s

Acetylcholin, ein Neurotransmitter

Eine weitere Möglichkeit zur Synthese von Aminen besteht in der Reduktion vonNitroverbindungen; insbesondere ist so ein Zugang zu aromatischen Aminen möglich:


z. B. Fe I HCINHz

Amine sind basisch; in Wasser stellt sich ein Dissoziationsgleichgewicht ein, analog zumAmmoniak:

R - N H 2

K b =[ -

Typische Basizitätskonstanten :

NHs

Ammoniak

PKo = 4.70

[ *-*r , lt

- l

H3C- NH2

Methylamin

3.36

cH2cH3 NaoH f . \ -a

-* -CHrCH.H-N, -+ l l | |

cHzc H3 \ r / cH2cH3

I r. I

[ *o " ]

Hzo

@ t-x1nsJ .

t f ,

R - NH3 HO"

Rr. cro

PKa = -log Ko

r;'\ ,fNH,

Ani l in

9 .83

Ani l in ist eine deutl ich (10s mal!) schwächere Base als Ammoniak, da das freieElektronenpaar mesomer in den Ring hinein verschoben werden kann und somit für dieAnlagerung eines Protons nicht mehr so recht zur Verfügung steht.

Mit starken Säuren werden - ganz in Analogie zum Ammoniak - Ammoniumsalzegebi ldet:

NHz + HCI

schlecht wasserlösl ich gut wasserlöslich

Mit so genannten Säurederivaten (siehe später) entstehen Amide; der Stickstoff desAmins wird in dieser Reaktion "äcyl iert"; z. B.:

(J

t l

.-\'-crl l l +\nz

r)t l

:ffi ,:,T t::J?,'lä )o,," u n nAmide sind biologisch sehr wichtig; die wichtigsten Eigenschaften werden hier amEssigsäureamid erklärt:

r o lI

H"cAn*" l \ 17H

'otr

,..ra\tH

Prof. Dr. Urs Sequin: Organische Chemie fur Studierende der Medizin 44

- Beschrdnkte Drehbarkeit um die C-N-Bindung (, .part iel le Doppelbindung").- sauerstoff ist hier ein besonders guter H-Brucken-Akzeptor (vgl. cH3-o-).- St ickstoff ist hier ein besonders guter H-Brucken-Donor (vgl. NHa+).- Das freie Elektronenpaar ist mesomer delokalisiert (..ysrschmiert,,): Amide sinddeshalb NICHT basisch sondern neutral.

Al le diese Eigenschaften sind wicht ig bei den Proteinen, wo Aminosduren sdureamid-art ig miteinander verknupft sind. Die beschrdnkte Drehbarkeit um die C-N-Bindungenund H-Brucken stabilisieren bestimmte, biologisch aktive Konformationen von Proteinen(vgl. Abbi ldung der cr-Hel ix weiter oben).

Ubr igens: O OAuch Harnstoff ist ein Amid: ll

JlDas Diamid der Kohlensdure. HO.C-OH HrN-C-NH,

Kohlensdure Harnstoff

4 .8 . A ldehyde und Ketone

Diese beiden Substanzklassen enthalten die OCarbonylgruppe, eine wicht ige Gruppierung, die l lnicht nur in AiOenyden und Ketonen, 'sondJrn auch -C--.in weiteren Verbindungen mit kompliziertergebauten funkt ionelten"Gruppen vorkommt. die carbonylgruppe

t l

A ldehyde: ?

H.c -c -H abgek . : cH3-cHo

der Acetaldehydein al iphat ischer Aldehyd

? ?

a'\r-C - r... .,,\r/,c H o

ll I absek : ll I\/ \/

der Benzaldehydein aromatischer Aldehvd

ot l

Ketone: H.c-c-cH. H.c'cT) ry"D

Aceton Acetophenon Benzophenon

Zur Carbonylgruppe: Vergleiche ):",

und i:"(

' analog: sp2-Hybridisierung, planare Anordnung der Atome, Bindungswinkeletwa 120".

. neu: - freie Elektronenpaare am Sauerstoff- die Bindung ist polarisiert , da O wesentl ich elektronegativer ist als C

Diese Polarisierung der C=O-Doppelbindung l i isst sich sowohl mit mesomeren Grenz-formeln wie auch mit Part ial ladungen verdeutl ichen:

\ . \ @ - e \ a * . b -p:o) <----------> c-o I oder 9:o)

/ / /

Prof. Dr. Urs Organische Chemie für Studierende der Medizin

Aus dieser Polarisierung ergibt sich auch die wichtigste Reaktion einer Carbonylgruppe:Das Carbonyl-C-Atom wird von Nukleophilen angegriffen.

Allgemein kennen wir für Aldehyde und Ketone folgende Klassen von Reaktionen:- Nukleophi le Addit ion an die C=O-Doppelbindung- Reaktionen am C-Atom neben der C=O-Gruppe (am "c-C-Atom")- Redoxreaktionen

' Ein erstes Beispiel für eine nukleophi le Addit ion an die C=O-Bindung: Reaktion mitCyanidionen (CN-):

- \-./r o l

H O C - C _ C H "" l

C N

' Bei Zuckern (Zucker enthalten die Aldehyd- oder Ketonfunktion) ist die Bildung vonHalbacetalen und Acetalen sehr wichtig. lm Prinzip handelt es sich hierbei um dieAddit ion einer Alkoholfunkt ion an die C=O-B|ndung,

o ill ./

H3c-c-CHs y\7

: c N - ------------> H.C-g-CHs

C N

rDH:

O HI

+O H

I

H 3 C - C - H

o*cH3

ein Halbacetal

?-.r.H 3 C - C - H

o-c H3

ein Acetal

+ HzO

wasserfrei

(l)H"

wasserfrei

Acetale und Halbacetale lassen sich relativ leicht mit verdünnter wässeriger Säurewieder zu den Ausgangsverbindungen hydrolysieren.

Bei Verbindungen, die sowohl eine Aldehyd- oder Ketonfunkt ion als auch eine alkoho-lische OH-Gruppe enthalten (und dies trifft eben auf die Zucker zu), ist eine intramole-kulare Reaktion möglich (vgl. auch Formelschema Glucose):

,oH O-C H 2-C H2-C H2-C Hz-C.

H

5-Hydroxypentanalin wäss. Ethanol: 6%

FH, -Q -HH r C C :/ - ^ 4

c H z - c H , " '

ein cyclisches Halbacetal94 o/"

Das Musterbeispiel ist die Reaktion von Acetaldehyd mit zwei Aquivalenten Methanol:o

//H.C-C.

H

ein Aldehyd

O HI

H o C - C - H" t

o-c H3

ein Halbacetal

c H3-o H

ein Alkohol

+ cH3-oH

ein Alkohol

rDH"

Tautomerie

.+ H

+ l l

o__c.t

l-o to--1ro'''-o-H

H O

-;* HO

c H 2 0 H

a-DGlucopyranose

cH2oH

o-Glucose p-D-Glucopyranose

/ \

O H

O H

H O H

O H

H O

o oO H O H

cH2oH

a-D-Glucofuranose

c H 2 0 H

B-D-Glucofuranose

cH30

H O

c H 2 0 H

Methyl-cr-D-g lucopyranosid Methyl-B-D-glucopyranosid

O H

ocH2oH


Cycl ische Strukturen und Glykos idb i ldung bei Glucose(Darstel lung in so genannten "Fischer-Projekt ionen")


' Nukleophi le Addit ion von Aminen, gefolgt von einer Wasserabspaltung führt zu lminen(Schiffschen Basen)

Hscr a

,C*:O + Hrl{. CH2CH3HsC '----__.--/

ein Keton

t o t HI trD

HgC -Q - NY C H2C H3l "

HsC H

Ho) - Hzo HgC. CH2CH3

p- \ .HsC ein lmin

H s C - Q , l ) J - C H 2 C H 3" l \ lHsC H

,.Ketoform,, H{ü,81-,

lmine treten als Zwischenstufen bei den biologisch sehr wichtigen Transaminierungenauf (siehe Kasten).

. Reaktionen am o-C-Atom (das ist das C-Atom direkt neben der C=O-Gruppe); die H-Atome an diesem C-Atom sind aktiviert, (gelockert". Sie können "den Platz wechseln".So entstehen z. B. Enolformen, was hier am Beispiel des Acetons gezeigt wird:

O HI

-.-C- - " fnolform"HzC'

-C Hs

Konstitutionsisomere, die miteinander im Gleichgewicht stehen: "Tautomere"

- Das Phänomen heisst Keto-Enol-Tautomerie; das Gleichgewicht liegt meist stark aufder Seite der Ketoform (2. B. bei Aceton liegen nur 0.0003 % in der Enolform vor). Inspeziel len Fäl len können aber Enolformen sehr stabi l sein (vgl. Abb.).- Die OH-Gruppe eines Enols kann auch verethert oder verestert werden in Analogie zuden OH-Gruppen in Alkoholen und Phenolen.

eine a-Aminosäure

H

R - C - C O O H

N H z HI

R - C - C O O H

Nt l

H -C

eine a-Ketocarbonsäure

R - C - C O O Hil

N H rt -P

H - CI

o-\r'\.'ot i l l

r;\ \P\\:_/ 'l

H

Pyridoxal-phosphat

- Hzo

+ H2O

Ho

R - C - C O O Hl l11 + H2Ot *

IH

lmin 2

^)(\o'

\ \Pr\/ ' l t

H

lmin 1

Schema e iner Transamin ierung

Bei doppelseitiger Aktivierung können recht stabile Enolformen auftreten. Beim Acetyl-aceton etwa liegt im Gleichgewicht eine recht bedeutende Menge in der Enolform vor:

, H .o' -oll I Enolform

/'\^\ 76%

o o,(A

Die Enolform wird hier zusätzlich noch dadurch stabilisiert, dass ein System mit zweikonjugierten Doppelbindungen (Mesomerie!) vorl iegt, und dass eine intramolekulare H-Brücke möglich ist.

Ketoform2 4 %

Eine besonders stabi le Enolform

Prof Dr. Urs Söquin: Organische Chemie für Studierende der Medizin 4B

Ein Beispiel aus der Biochemie: das Phosphoenolpyruvat:

AO--.^ -O H O-- ̂ ,,O--(-) -c-

r lC : O C : Or lcHs cHe

Brenztraubensäure(bzw. ihr Anion, das Pyruvat)

?)

Acetaldehyd

AO-t' -O"- c - o

t i l ac-o-p-o"l l l gcHz o\

Phosphoenolpyruvat(Phosphorsäureester der Enolform)

o-"r-o-I

C - O Ht lc H z

Enolform

' Die Addit ion an die C=O-Doppelbindung und die Reaktion in der a-Posit ion könnenauch kombiniert vorkommen; diese Art der Reaktion ist gerade in der Biochemie sehrwichtig (u.a. beim Aufbau der Fettsäuren). Bei dieser Reaktion wird eine neue C*C-Bindung gebildet; das heisst, das Kohlenstoffskelett des Moleküls wird ausgebaut.Die Musterreaktion heisst Aldoladdition; sie wird hier am Beispiel des Acetaldehydserklärt.

r o lI

H 3 C - C - H HrC -9 C H2-C - H

H

oA r l

Hr-.c.-C - nol l

nukleophiles Anion,erhalten aus Acetal-dehyd durch Entfer-nen eines c-H-Atomsals Proton (mit einer ,"Base) ,'

die neue C-C-B|ndung

l "" V

o H i ?H.C -? C H2-C - H

H


. Oxidationen und Reduktionen

ot lt - *

z . B . H 2 / P t

c H2-o H

O HI

H s C - C H z - Q - C H sIH

kein Produkt

ein primärer AlkoholBenzylalkohol

eine CarbonsäureBenzoesäure

ein sekundärer AlkoholButan-2-ol

Red.

Ox .

ot lt'o,-.,

ein AldehydBenzaldehyd

ot l

H s C - C H 2 - C - C H e

ein KetonButan-2-on

z. B. Luftoder KMnO4

z . B .oder

LuftKMnOa

z . B . H 2 l P l

Red.

Ox.

ot l

, -C:r

4 .9 . Carbonsäuren

' Die Carbonsäuren sind wohl die wichtigste Sorte von organischen Säuren. Sie ent-halten als funktionelle Gruppe die Carboxygruppe (auch Carboxylgruppe), eine Kombi-nation aus Carbonyl- und Hydroxylgruppe; da diese zwei unmittelbar miteinanderverbunden sind, ist eben eine neue funkt ionel le Gruppe entstanden, die dem Molekülneue Eigenschaften aufprägt.

- o Hot l

-c -oHCarbonyl Hydroxyl Carboxyl (drei verschiedene Schreibweisen)

. Carbonsäuren haben relat iv hohe Siedepunkte: durch H-Brücken lagern sich zweiMoleküle zu einem "Dimeren> zusammen; vgl. :

o - - - H * o//

HsC-C,,

- cooH - cozH

oc-cYso - H - - - - o

cH3-cH2-cH2-oH

. Carbonsäuren sind schwache Säuren, sinddissoziiert. ln verdünnter wässeriger Lösung

EssigsäureMG: 60 Sdp. 1 18 '

Propan-1-olMG:60 Sdp . 97 "

also in wässeriger Lösung nur teilweisegi l t :

Hro-o//

H3C -C\

O H

oH3C-C\ c)

+o-

Hzo


Wicht ige Verb indungen

3HAH

\J

tlH . c ^ H

Acetaldehyd

otl

Hrc^cHrcH,

Methylethylketon

otl

cH.cHr^H

Propionaldehyd

o

"r.arrarrÄ,

Butyraldehyd

otl

rr\a)r>\2 \2Benzophenon

Formaldehyd

o

H . c ^ c H ,

Aceton

Naturstoffe

,i\a^cH"wAcetophenon

r]

tlr'"Vi l lv

(J

tlriYti l l\Z\OH

SalicylaldehydBenzaldehyd Zimtaldehyd

'"'o)#nHo/'\z

&"X

H3C--* ,CHs

t \zl-\

"?Yr\

CampherVani l l in lsovanillin Carvon

H3C-O

H3C-O

Vitamin K1Phyl lochinon

Coenzym Q1gUbichinon 50

Beispiele für Aldehyde und Ketone

P G = - l o g 4,. [.r..ooe] . Ir.o"4 =

IcH3cooH ]

Für Essigsäure gi l t : pKs = 4.75. Vergleiche mit Ethanol (CH3-CH2-OH): pKs = 16 !


Warum ist Essigsäure etwa 101 1 mal stärker dissoziiert als Ethanol? Die negative La-dung des Acetat-lons (allg. eines Carboxylat-lons) kann durch Mesomerie delokalisiertund dadurch stabi l is iert werden; dies ist beim Anion des Ethanols nicht mögl ich:

-gr z6-,o// Y/

H.C-C. .

. - H3C-C\

. 9 0 Q r. Mit starken Basen bilden sich Salze (Neutralisation):

- \-/cH3-cH2-Ql

o oil tl

1iAlc-on + NaoH ____-* öfc-oo nP\2 \2

+ HzO

Benzoesäure Natr iumbenzoatschlecht löslich in H2O gut löslich in H2O

'Carbonsäuren lassen sich u.a. durch Oxidationen von primären Alkoholen, Aldehydenetc. herstellen. Das C-Atom der Carboxylgruppe ist sehr hoch oxidiert (hohe Oxidations-zahll-stufe):

+ttt nOttt-tb|-1

(maximale oxidationsstufe +IV, in o=c=o)

' Wicht ige einfache Verbindungen: Sie sind meist unter ihren Trivialnamen bekannt. DieSalze (Anionen) haben etwas abweichende Namen (diese werden aber oft in der Bio-chemie verwendet - stellvertretend für die Säuren selbst, da diese unter physiologischenBedingungen z. T. dissozi iert sind).

Fo rme l Name Name des An ionsH-COOH Ameisensäure FormiatCH3-COOH Essigsäure AcetatCHg-CHz-COOH Propionsäure PropionatCH3-CHz-CHz-COOH Buttersäure Butyrat

AaCooH Benzoesäure Benzoati l l\/

CHs-(CHz)ro-COOH Stearinsäure Stearat(eine Fettsäure)


' In Analogie zu den Begriffen Alkylgruppe und Arylgruppe gibt es abgeleitet von denCarbonsäuren die "Acylgruppe" (bzw. Acylrest).

4 .10 . Carbonsäureder i va te

"Derivate,, (Abkömmlinge) sind Verbindungen, die sich von einer Mutterverbindungherleiten: sie werden aus dieser hergestellt, bilden sich aus ihr oder sind sonst mit ihrverwandt.

' Entsprechend leiten sich Carbonsäurederivate formalaus den Carbonsäuren her,indem die OH-Gruppe der Carboxylfunkt ion gegen eine andere Gruppe ausgetauschtwird.

Pallgemein: R-C.

eine Acylgruppe(R = Alkyl oder Aryl)

o//

HsC-C.O H

o//

HrC-C,o-c H3

o//

HsC-C,NHz

o//

H.C-C,c lo

üH.C-C, P

o-c

oospezie l l : H3C-C.

l , ol .u HsC-C,

L B '

b t .

' Carbonsäurederivate (ausser den Amiden) sind reaktiver als die entsprechenden Car-bonsäuren selbst. Auch hier ist die vorherrschende Reaktion die nukleophile Addition andie C=O-Doppelbindung; sie wird im al lgemeinen gefolgt von einer El imination. Manspricht von einem "Addit ions-El iminations-Mechanismus". Beispiel:

cidie Acetylgruppe die Benzoylgruppe

Carbonsäure(Essigsäure)

Carbonsäureester, "Ester"( Essigsäu remethylester, Methylacetat)

Carbonsäureamid, "Säureamid", "Amid"(Essigsäu reamid, Acetamid)

Carbonsäurechlorid [-bromid; al lg.: -halogenid],"Säurechlor id"(Essigsäurechlorid, Acetylchlorid)

Carbonsäureanhydrid, "Anhydrid"Essigsäu reanhydrid, Acetanhydrid)


(roHsC-9, H O-C H3

- \-./lQ | /i\

| \f7H " C - C - O - C H .

" t t "c l

O, ,Ht . /

c t H

o//

H3C-C. + HCIo - c H 3

Die gezeigte Reaktion ist eine Acylierung: Das Carbonsäurechlorid hat seine Acylgruppeauf den Sauerstoff des Alkohols übertragen; der Alkohol (hier: Methanol) ist acyliert wor-den (hier: acetyliert); entstanden ist dabei ein Ester.

In ähnl icher Weise reagieren die anderen Carbonsäurederivate. Säurehalogenide, Säu-reanhydride und Ester sind "Acylierungsmittel". lhre relative Reaktivität nimmt in der an-gegebenen Reihenfolge ab; Säureamide sind zu wenig reaktiv - sie sind keine Acylie-rungsmittel . Auch in der Biochemie kommen Acyl ierungen vor; die Natur verwendet aberkomplizierter gebaute Acylierungsmittel (siehe Kasten).

. Ester können nicht nur aus einem Alkohol mit einem Acylierungsmittel erhalten werden,sondern auch in einer durch eine starke Säure katalysierten Gleichgewichtsreaktiondirekt aus der Carbonsäure und dem Alkohol synthetisiert werden (vgl. Kapitel Alkohole):

P H @ü

H3C -C. + H O-C H3 --O H

Es handelt sich hier um eine typische Gleichgewichtsreakt ion; man unterscheide- Lage des Gleichgewichtes- Geschwindigkeit , mit der sich das Gleichgewicht einstel l t .

*. .7,-o-cH3

o//

H.C-C, + HzOo-cH3

o o o oH3c ..,. sv.-\*A--.- o-f:o-$-ot

l l n H | ö c ö Oo o H-Y_--___J

Thioesterfunktionals Acetylierungsmittel

o o Hr 6

O:P-O."l z r

grz

Acetyl-Coenzym A: Ein Acetyl ierungsmittel im Metabol ismus

Prof. Dr. Urs Organische Chemie für Studierende derMedizin

Ein Gleichgewicht ist beschreibbar mit dem Massenwirkungsgesetz:

K = K: Gleichgewichtskonstante

Die Lage des Gleichgewichtes lässt sich verändern durch Verändern der Konzen-trat ionen (und ev. von Temperatur, Druck, etc.): "Prinzip von Le Chätel ier".

Die Geschwindigkeit , mit der sich das Gleichgewicht einstel l t , lässt sich mit Hi l fe einesKatalysators (kann auch ein Enzym sein, hier z. B. eine Esterase) beschleunigen; derKatalysator vermindert die Aktivierungsenergie, er beschleunigt sowohl die HJn- als auchdie Rückreaktion. Die Lage des Gleichgewichtes wird dabei nicht verändert.

Veranschaul ichung mit einem "Reaktionsprof i l" :

rel. pot.Energie

ohne Katalysator

mit Katalysator

Reaktionskoordinate

Ester lassen sich mit Wasser/Säure entsprechend dem oben angegebenen Gleichge-wicht hydrolysieren. Besser geht die Spaltung von Estern aber mit wässeriger Base (2.8.Natronlauge), weil dabei die entstehende Carbonsäure deprotoniert wird. Dadurch wirdsie aus dem Gleichgewicht entfernt und dieses auf die gewünschte Seite gezogen.

o//H3C-C\

o - c H 3

Diese Art der Esterhydrolyse wird "Verseifung" genannt, weil auf diese Weise ausFetten (oder Ölen) S-eiten-hergestellt werden t<onnen. Fette sind Triester des Glycerinsmit Fettsäuren.

+ NAOH,o

H3C-C\A rn + HO-CH3

O- Na:

ot l

cH2-o-c - (cHz)r o-cHs

t ?C H r - O HIIc H - o H +IIc H 2 - o H

Glycerin

rlI""ou l l

3 O-C- (CH2)16-CH33 NaOH

_.-----.--------

T --"1- (c Hz)r o-cHs

Natriumstearat,eine SeifecH2-o-c - (cHz)ro-cHg

ein Fett

[ .*.-.oo.*.] . Ir,o ]

l . r ' , -"oor]. [*o.r. ]


Seifen sind oberflächenaktive Stoffe (Detergentien), die z. B. öligen Schmutz in Wasserzu emulgieren vermögen. Sie haben eine stark hydrophi le Gruppe und einen starkl ipophi len Molekültei l . Künstl iche seifen sind ähnl ich aufgebaut:

Beisp ie l :l l A / n

Natr iumlaurylsulfat, . . O-5-O" Navlsg{iymdodecyl sulfate, v v v v v

ösDS) i l ipophi lerTei l nydrophi rerTei l

Vgl. auch 4o Ammoniumsalze!

Nahe verwandt mit den Fetten sind die biologisch sehr wichtigen Phospholipide (Struk,turen siehe Kasten). Sie sind ähnlich aufgebaut wie die Fette: Allerdings ist hier dasGlycerin einmal mit Phosphorsäure verestert, die ihrerseits wieder mit binem meist po-laren Alkohol verestert ist. Es handelt sich also um Phosphorsäurediester; die Verbin-dungen sind oberf lächenaktiv ("1;p;6-Doppelmembran"; vgl. auch: Lecithin aus demEigelb als Emulgator bei der Herstel lung von Mayonnaise).

4 .11 Carbonsäuren mi t wei teren funkt ionel len Gruppen

. Di- und Tricarbonsäuren: Enthalten zwei bzw. drei COOH-Gruppen.

Die beiden Säuregruppierungen beeinf lussen sich gegenseit ig bei der Dissoziat ion.

' Hydroxy- und Ketocarbonsäuren; einige wichtige Beispiele, die z. T. auch mehrereCOOH- oder OH-Gruppen enthalten:

Fo rme lHOOC-COOH

N a m eOxalsäure

cooHIC H O HI

C H O H

cooH Ho

(Nierensteine : Ca-Oxalat)

HOOC-CH2-COOH Malonsäu re(wichtig u.a. bei Fettsäurebiosynthese)

HOOC-CH2-CH2-COOH BernsteinsäureHOOC-(CHz)s-COOH Glutarsäure

Milchsäure (Anion: Lactat):

Endprodukt der Milchsäuregärung, d.h. desAbbaus von Zuckern durch bakterielle Enzyme(Milch, Sauerkraut, Silofutter); wird auch imMuskelgewebe gefu nden.

Anion pKs-Werte

Oxalat 1 .23 4.19

Malonat 2.83 5.69

Succ ina t 4 .16 5 .61Glutarat 4.34 5.41

cooHIC H O H

C H s

cooHI

Q H zI

H O - C - C O O HI

C H ,t -

oH cooHZitronensäu re (An ion : Zitrat)

(wichtig u. a. im Zitronensäurecyclus im Metabolismus)

o*r'1ÄoH

O H

O H

'o)AAonO H

Weinsäure (Anion : Tartrat)

Prof. Dr, Urs SÖquin: Organische Chemie für Studierende der Medizin 56

A oBrenztraubensäure (Anion: Pyruvat): . . ^ | l fEine Ketocarbonsäure (vgl. fhospnoenolpyruvat) H3C-C -q

O H

Al lgeme ine r Au fbau :

o

T"-o**c H-o-ji-I o R '

RCOOH und R'COOH: meist "normale" Fettsäuren

tlcH2-o-["o- * ' Phosphorsäurediester; R": variabel, z. B.: Cholin

EthanolaminSerin

Lecithin (Phosphatidylchol in)

wachsartig, stark emulgierend, im Eigelb (Mayonnaise!) und Organfetten

cH2-o

IC H _ O

^9H. ? |r .c gry- cHz- cH2-o-ö-o-cH2

c Hs \-/o

Cephal in (Phosphatidylethanolamin)

in Gehirn- und Nervengewebe

T"-oc H -

@ ? lH3N- C Hz-C Hr-OÄ?-O- CH2

\-/o

P h o s p h o l i p i d e ( P h o s p h a t i d e )

Prof. Dr. Urs S Organische Chemie für Studierende derMedizin

. Biologisch wicht ig sind auch die Aminocarbonsäuren, z. B.:

p-Aminobenzoesäure (PAB)Wuchsstoff für Mikroorganismen, wird in die Folsäureeingebaut

Sulfani lamid (p-Aminobenolsu l fonsäu reamid)Ein Antagonist zu PAB; Grundkörper der"Sul fonamide"

ot ls - NH2i l -

o

A lan in :lH' F

H"C-C H-C" c t b H

,,*OcooH

HzN

Als Bausteine der Proteine (Vorlesung Biochemie) sind die a-Aminocarbonsäuren vongrosser Bedeutung; ein Beispiel:

Zwei Sulfonamide:

Madribon@ (Roche) ocH3

Bestandteil von Bactrim@ (Roche)

Def in i t ionen:

Chemotherapeutica:Wirkstoffe, die Krankheitserreger (pathogene Keime, Protozoen) oder Zellen vonNeoplasmen möglichst ohne Schädigung des Wirtsorganismus bzw. der umgebendenGewebe im Wachstum hemmen (2.B. Bacteriostatica, Cytostatica) oder abtöten (2.8.Fungizide). Wichtige Gruppen: Sulfonamide, Antibiot ica etc.

Antibiotica:Natürliche Stoffwechselprodukte von Mikroorganismen (und heute auch von Pflanzen)und deren (halb- und vol lsynthetische) Nachbi ldungen, die Krankheit erregendeMikroorganismen im Wachstum hemmen oder abtöten.

Folsäure:

? ? cooH

,r\*_:acH,-il-\ /-"-il-g-tt i l ) g H ,

t ir l lANÄl1Z 9H,cooH

? ,^s7cH'S - N { r I

ö H \ - o

Ant ibakter ie l l w i rkende Sul fonamide und d ie St ruktur der Folsäure

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