Organische Experimentalchemie für Mediziner, Zahnmediziner ...€¦ · Organisch-Chemisches...
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1
Kontakt:
Prof. Dr. Gustavo Fernandez
Organisch-Chemisches Institut
Raum 442, 4. Stock Südseite
Tel: 0251 83 36574
Email: [email protected]
Organische Experimentalchemie für Mediziner,
Zahnmediziner und Naturwissenschaftler
Vorlesung: Mo-Fr. 8:00-8:45 Uhr
Klausur: Abschlussklausur I Fr. 24.06.2016 18:15 – 19:45
Abschlussklausur II Fr. 15.07.2016 18:15 – 19:45
Nachklausur Do.25.08.2016 13:00 – 15:00
2
Literatur
C. Schmuck, B. Engels, T. Schirmeister, R. Fink,
Chemie für Mediziner, Pearson Studium,
München 2008.
A. Zeeck, S. Grond, I. Emme-Papastavrou, S. C. Zeeck,
Chemie für Mediziner, Urban & Fischer/Elsevier,
München 2010.
im Web: www.chemgapedia.de
(Rubrik Chemie Organische Chemie)
Gliederung der Vorlesung
• Einführung in die Organische Chemie
• Struktur und Benennung organischer Verbindungen
• Stereochemie
• Cyclische Verbindungen
• Theorie chemischer Reaktionen
• Grundtypen organischer Reaktionen
• Aromatische Verbindungen und ihre Reaktivität
• Radikalreaktionen
• Reaktionen von Carbonylverbindungen
• Redoxreaktionen in der organischen Chemie
• Naturstoffe
3
4
Kapitel 1
Einführung in die
Organische Chemie
Medizinisches Beispiel
Beispiel aus der Chemie im Alltag
5
Was ist Organische Chemie?
• Chemie der Kohlenstoffverbindungen
• Von ca. 12 Millionen bekannten Verbindungen sind
10 Millionen Kohlenstoff-Verbindungen!
• Wichtige biologische Funktionen in Mensch, Pflanze und Tier
• Historisch: OC: Chemie der belebten Natur
Lebenskraft (vis vitalis) angeblich nötig
zur Herstellung organischer Verbindungen
Friedrich Wöhler (1800-1882):
H2N NH2
O T
NH4+OCN-
Ammonium-Cyanat Harnstoff
6
Das Besondere am Kohlenstoff
• Wieso gibt es von Kohlenstoff so viele Verbindungen und von
anderen Elementen (z.B. B, N, Si) nicht?
Stellung im Periodensystem
• Vergleich der Wasserstoff-
verbindungen
Methan CH4 (stabil)
Boran BH3 (instabil)
Ammoniak NH3 (stabil)
Silan SiH4 (instabil)
• Methan erster Vertreter einer ganzen Reihen sog.
Kohlenwasserstoffe (s. Polyethylen, viele Tsd. C-Atome)
6
C
7
N
5
B
13
Al
14
Si
15
P
7
Das Besondere am Kohlenstoff
• Vergleich der kettenförmigen Verbindungen mit Wasserstoff
• Tausenden von C-Atomen miteinander verbunden (Polymere)
H C H
H
H
H C
H
H
C H
H
H
H C
H
H
C
H
H
C H
H
H
H
NH N
H
N
H
H
H
N
H
N
H
HH
N
H
H
HO
H OO
HH
OO
HO
H
instabilzerfallen leicht
Methan Ethan
Ammoniak
Wasser
Propan
8
9
Das Besondere am Kohlenstoff
• Kettenförmige Verbindungen mit Bor:
Bor hat zu wenig Elektronen (3 Valenz-e- für Edelgaskonfiguration
Elektronenmangelverbindungen, reagieren schnell mit Lewis-
Basen
• Kettenförmige Verbindungen mit Stickstoff und Sauerstoff:
ausreichend Elektronen, aber gegenseitige Abstoßung der freien
Elektronenpaare und möglicher Angriff an diesen
Elektronenpaaren
nur Elemente der 4. Hauptgruppe können
Edelgaskonfiguration ohne Abstoßung erreichen
10
Das Besondere am Kohlenstoff
• Vergleich Kohlenstoff und Silicium
beide 4. Hauptgruppe
aber nur C bildet stabile C-H-Kettenverbindungen
• Warum?
Elektronegativität umgekehrte Polarität!
EN(C): 2,55
EN(Si): 1,90
EN(H): 2,20
• Si-O-Bindungen viel stabiler als Si-Si-Bindungen
Verbindungen mit Si-Si-Bindungen werden leicht von Sauerstoff
angegriffen
C H Si H
+ +- -
Alkan (Butan)
C4H10
Silan
Si4H10
hoch reaktiv
11
Verbindungen des Kohlenstoffs
• Neben Verbindungen mit Wasserstoff auch andere Verbindungen
Bindungen zu Heteroatomen (andere Atome als C und H)
• Typische Heteroatome: Sauerstoff, Stickstoff, Halogene, Schwefel
• nicht nur einfache Bindungen, sondern auch Doppelbindungen und
Dreifachbindungen möglich
• insgesamt 4 Valenzen (Bindungsmöglichkeiten)
4 Einfachbdg. oder 2 Einfach- u. 1 Doppelbdg. oder 2 Doppelbdg.
oder 1 Einfach- u. 1 Dreifachbdg.
• Kohlenstoff kann also Bindungen mit bis zu 4 Partnern
eingehen; oder weniger, wenn Mehrfachbindungen beteiligt
12
Kapitel 2
Struktur und Benennung
organischer Verbindungen
13
Die Bindung in organischen Verbindungen
• Elektronenkonfiguration von C im Grundzustand:
1s2 2s2 p2
• Valenzelektronen: 2s22p2 (2 ungepaarte p-Elektronen)
• Wieso 4 Bindungen?
nur dann Edelgaskonfiguration erreicht
Kohlenstoff ist tetravalent (4-wertig)
• zweiwertige Verbindungen von C: Carbene, z.B. CH2 existieren,
sind aber hochreaktiv (Elektronenmangel)
2s
2p
14
Die Bindung in organischen Verbindungen
• Hybridisierungsmodell
im Grundzustand könnte C nur 2 kovalente Bindungen
ausbilden, aber z.B. 4 identische C-H-Bindungen im Methan
• Mischen des 2s-Orbitals mit den 3 2p-Orbitalen
Hybridisierung! (nur für Orbitale ähnlicher Energie möglich,
daher 1s-Orbital nicht beteiligt)
2s
2p
Energ
ie
sp3-Hybridorbitale
15
Die Bindung in organischen Verbindungen
• Das Aussehen der sp3-Hybridorbitale
© Pearson Studium 2008 15
16
Die Bindung in organischen Verbindungen
• Die Bindung im Methan CH4:
Wechselwirkung der 1s-Orbitale des Wasserstoffs mit je
einem sp3-Hybridorbital des Kohlenstoffs, d.h. die Orbitale
„überlappen“
4 identische Bindungen
Auch Ethan etc. auf diese Weise darstellbar. 1x C-H gegen C-
C-Bindung ausgetauscht
© Pearson Studium 2008
110 pm
17
Die Bindung im Ethan H3C-CH3
• an jedem C-Atom 3 C-H-Bindungen durch 1s-sp3-Überlappung
• an jedem C-Atom eine C-C-Bindung durch sp3-sp3-Überlappung
• analog in höheren Alkanen (Propan, Butan)
© Pearson Studium 2008
18
Eigenschaften der C-C-Einfachbindung
• Durch Überlappung von zwei sp3-Hybridorbitalen
• Elektronendichte nur entlang der Bindungsachse
→ s-Bindung (rotationssymmetrisch)
• freie Drehbarkeit Rotationsbarriere (12 kJ/mol)
• durch Drehung um C-C-Achse ändern sich die Positionen der
H-Atome an C1 und C2 zueinander
• Die verschiedenen räumlichen Strukturen (Konformationen)
heißen Konformere
C C
19
Konformationen
• gestaffelte Konformation
H-Atome auf Lücke angeordnet
• ekliptische oder verdeckte Konformation
H-Atome paarweise auf Deckung angeordnet, weniger Platz →
mehr störende Wechselwirkung → instabiler als gestaffelt
Sägebock-Darstellung und Newman-Projektion
H
HHC
CH H
H
H H
H
H
H
H HH
H
H
H
H
C
C
H
HH
H H
H
Sägebock Newman Sägebock Newman
gestaffelt ekliptisch
Rot.
20
Doppelbindungen: sp2-Hybridorbitale
• anderer Bindungstyp zwischen zwei C-Atomen: C=C
Mischen von einem 2s- und nur zwei 2p-Orbitalen →
3 sp2-Hybridorbitale, ein 2p-Orbital bleibt übrig
• drei Bindungen mit den sp2-Orbitalen, eine andere Bindung
mit dem übrigen 2p-Orbital möglich
2s
3 x 2p
Energ
ie
sp2-Hybridorbitale
2p
21
Aussehen der sp2-Hybridorbitale
• sp2-Hybridorbitale in einer Ebene im Winkel von je 120°
• 2p-Orbital steht senkrecht auf dieser Ebene
© Pearson Studium 2008
22
Die Bindungen im Ethen H2C=CH2
• 2x C-H-Bindungen (Überlappen von 1s des H-Atoms mit je
einem sp2-Orbital des Kohlenstoffs)
• 1x C-C-s-Bindung (Überlappen von sp2 und sp2)
• 1x C-C-p-Bindung (Überlappen der übrig gebliebenen 2p-
Orbitale, oberhalb und unterhalb der Molekülebene)
© Pearson Studium 2008 Elektronendichte: oberhalb und unterhalb der Molekülebene
23
Die Bindungen im Ethen
• Ist die C=C-Doppelbindung frei drehbar?
C-C-s-Bindung wäre drehbar, aber C-C-p-Bindung würde
zwischendurch gespalten (gar keine Überlappung bei 90°!)
• Braucht viel Energie, also nicht spontan möglich.
• Allgemein: Doppelbindungen sind nicht frei drehbar, sondern
starr!
© Pearson Studium 2008
24
Dreifachbindungen: sp-Hybridorbitale
• Anderer Bindungstyp zwischen zwei C-Atomen: C≡C
Mischen von einem 2s- und nur einem 2p-Orbital
→ zwei sp-Hybridorbitale, zwei 2p-Orbitale bleiben übrig
zwei Bindungen mit den sp-Orbitalen, zwei weitere Bindungen mit
den übrigen p-Orbitalen möglich.
2s
2x 2p
Energ
ie
sp-Hybridorbitale
2x 2p
25
Aussehen der sp-Hybridorbitale
• Sp-Orbitale sind linear zueinander angeordnet (Winkel 180°)
• die beiden übrig gebliebenen 2p-Orbitale stehen senkrecht
dazu, und außerdem senkrecht zueinander
© Pearson Studium 2008
26
Die Bindung im Ethin HC≡CH
• pro C-Atom eine C-H-Bindung (Überlappung 1s des H-Atoms mit einem sp-
Orbital des Kohlenstoffs)
• eine C-C-s-Bindung durch sp-sp-Überlappung
• zwei p-Bindungen durch
Überlappen der jeweils
geeigneten p-Orbitale
• keine freie Drehbarkeit
© Pearson Studium 2008
27
Zusammenfassung Hybridisierung
C C
H
H
H
H
H
H
HH
H H
HH
1,54 Å
1,34 Å
1,21 Å
109,5°
120°
180°
ALKAN H3C-CH3
z.B. Ethan sp3-hybridisiert
ALKEN H2C=CH2
z.B. Ethen sp2-hybridisiert
ALKIN HC≡CH
z.B. Ethin sp-hybridisiert
28
Hybridisierung an Heteroatomen
• Die Orbitale aller Elemente außer H und He können hybridisieren
• Hybridorbitale teilweise mit freien Elektronenpaaren besetzt
Beispiele:
Ammoniak NH3 N: sp3
Methylamin H3C-NH2 N: sp3, C: sp3
Wasser H2O O: sp3
Kohlendioxid CO2 O: sp2, C: sp
H N H
H
C N H
H
H
H
H
HO
H
O C O
29
Die Formelschreibweise der OC
ausführliche Schreibung vereinfachte Schreibung
H C
H
H
C H
H
H
C C
H
HHH
HH
H3C CH3
H C
H
H
C
H
H
C
H
H
H
H H
H H
H H
HH H3C
H2
CCH3
H C
H
C
H
C C H H2C
HC
CCH
30
Einteilung organischer Moleküle in Stoffklassen
• Viele Millionen Verbindungen: Wie kann man das
systematisieren?
• Klassen ähnlicher Verbindungen
• Enthalten i.d.R. bestimmte Atomgruppen/-anordnungen,
sog. funktionelle Gruppen
• Funktionelle Gruppen bestimmen die Eigenschaften und das
Reaktionsverhalten
31
Die Alkane
• einfachste Stoffklasse, nur C und H, nur Einfachbindungen (s-
Bindungen)
• Methan CH4 Ethan: C2H6 Propan: C3H8
Butan C4H10 Pentan: C5H12 Hexan: C6H14
• allg. Formel: CnH2n+2
• alle C-Atome sp3-hybridisiert
• Unterschied zum nächsthöheren Alkan je eine CH2-Gruppe
• homologe Reihe: Reihe analog aufgebauter Verbindungen, die
sich je nur um ein bestimmtes Strukturelement (z.B. CH2)
unterscheiden
H C
H
H
C
H
H
C
H
H
Hx n = x+2
32
Die Alkane
• alle unpolar, lipophil, nicht mit Wasser mischbar
• unreaktiv, aber lassen sich verbrennen (O2) → Treibstoffe, Kochen,
Heizen
• n=1…4: gasförmig
n = 5…19 flüssig
n = 20… fest (n →∞: Polyethylen)
• Mit zunehmender Kettenlänge steigen Schmelz- und
Siedepunkt
• Methan ist eines der aggressivsten Treibhausgase
• Erdgas besteht hauptsächlich aus Methan
• Erdöl enthält viele verschiedene
Kohlenwasserstoffe (Auftrennung und Aufarbeitung nötig!)
33
Die Alkylreste
• Der „Rest“ entsteht durch Entfernen eines H-Atoms
• Methan CH4 wird zu Methyl- CH3-
• Der Rest kann dann „irgendwo“ anstelle eines H-Atoms „dranhängen“
• Beispiel für Methylrest an einem Alkan: 2-Methyl-Hexan
Grundkörper Hexan, also 6 C-Atome
an 2-Position (also eine Position neben dem Ende) ist die Methylgruppe
angebunden, also ein H gegen CH3 ersetzt.
H C
H
H
C
H
H
C
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
H C
H
H
C
C
H
C
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
H
HH
34
Die Alkylreste
• Methyl- (Me-) -CH3 von Methan (1 C)
• Ethyl- (Et-) -C2H5 von Ethan (2 C)
• Propyl- (Pr-) -C3H7 von Propan (3C)
• Butyl- (Bu-) -C4H9 von Butan (4C)
• Pentyl- -C5H11 von Pentan (5 C)
• Hexyl- (Hex-) -C6H13 von Hexan (6 C)
usw.
• allgemein: Alkyl- -R von Alkan
35
Arten von H-/C-Atomen
• Arten von C-Atomen in Kohlenwasserstoffen
– primäres C: an das betrachtete C-Atom ist nur ein weiteres
C-Atom gebunden (z.B. am Ende von Propan)
– sekundäres C: an betrachtetes C-Atom sind zwei C-Atome
gebunden (z.B. in der Mitte von Propan)
C
H
H
H
C
C C
H
H
C
36
Arten von H-/C-Atomen
– tertiäres C: von drei C-Atomen umgeben (z.B. an Position 2
von 2-Methylhexan)
– quartäres C: hat keine Wasserstoffe, sondern ist von 4 C-
Atomen umgeben (z.B. zentrales C in 2-Dimethylpropan)
• primär, sekundär, tertiär werden auch die H-Atome genannt,
die an die entsprechenden C-Atome gebunden sind
CC C
C
C
CC C
C
H
37
Historische Namen verzweigter Alkane
• Namen abhängig von der Gesamtzahl C-Atome im Rest,
unter Berücksichtung der evtl. Verzweigung:
H C
H
H
C
H
H
C
H
H
H H C
H
H
C
H
C
H
H
H
n-Butyl sec-Butyl iso-Butyl tert-Butyl
n-Propyl iso-Propyl
2-Propyl oder iso-Propyl Propan
38
Verbindungen mit Mehrfachbindungen
ALKENE ALKINE
H2C=CH2 Ethen HC≡CH Ethin
H2C=CH-CH3 Propen HC≡C-CH3 Propin
H2C=CH-C2H5 But-1-en HC≡C-C2H5 But-1-in
H3C-CH=CH-CH3 But-2-en H3C-C≡C-CH3 But-2-in
usw. usw.
Allg. Formel für Alkene Allg. Formel für Alkine
CnH2n CnH2n-2
39
Die Derivate der Kohlenwasserstoffe
• Ersetzen von H gegen andere Atome oder Gruppen
• Derivat = Abkömmling (lat. derivare = ableiten)
• erstes Beispiel der Vorlesung war 2-Methylhexan (1 H in 2-
Position gegen CH3 ausgetauscht)
• H können durch R, OH, Cl, Br, SH usw. ersetzt werden.
neue Substanzklassen
Alkohole, Chloralkane (Alkylchloride), Ether etc.
• Je nach Alkan gibt es verschiedene Positionen, in denen H
ersetzt sein kann.
40
Von Alkanen abgeleitete Stoffklassen
• Alkohol: R-OH
Endung –ol also: Methanol CH3-OH
Ethanol H3C-CH2-OH (C2H5-OH)
alte Benennung: Methylalkohol, Ethylalkohol
• Thiol: R-SH
Endung –thiol also: Methanthiol CH3-SH
Ethanthiol H3C-CH2-SH (C2H5-SH)
auch: Thioalkohol (thio steht für Schwefel)
Alkohole
Alkohole
Durch die OH-Gruppe erhalten die neuen Derivate neue Eigenschaften
• sind hydrophil und polar
• haben durch H-Brücken hohe Siedepunkte (im Vgl. zu analogen Alkanen)
• sind mit zunehmender Kettenlänge zunehmend lipophil und immer weniger mit
Wasser mischbar
• sind brennbar und gute Lösungsmittel
41
O H
OH
OH
CH3 OH OH OHOH
Methanol
(Holzgeist)
Lösemittel,
Grundchemikalie
Herstellung von Kraft-
stoffen und Additiven
Ethanol
(Weingeist)
Getränke,
Lösemittel, Edukt für
die chem. Industrie
„Bio-Ethanol“ als Kraftstoff
Propan-1-ol
n-Propanol
Lösemittel
Edukt für Arzneistoffe
Propan-2-ol
Isopropanol, IPA
Desinfektions-
mittel
42
Von Alkanen abgeleitete Stoffklassen
• Ether: R-O-R(΄)
Endung –ether also: Dimethylether H3C-O-CH3
Diethylether C2H5-O-C2H5
Ethylmethylether C2H5-O-CH3
• Thioether: R-S-R(΄)
Endung -thioether also: Dimethylthioether CH3-S-CH3
bzw. -sulfid Methylpropylsulfid C3H7-S-CH3
(Methylpropylthioether)
43
Weitere Stoffklassen
R
O
H R
O
R'
R
O
OR'
R
O
OH
R
O
NR'R"RN
R'
H RN
R"
R'N
HH
R
Aldehyd Keton Carbonsäure
Ester
Amid prim. Amin sek. Amin tert. Amin
Carbonylverbindungen rot gerahmt
44
Medizinisch relevantes Beispiel für ein Molekül
mit vielen funktionellen Gruppen
NHO
OH
O
O
OH
O
O
OH
O
O
O
O
O
O
Taxol aus Pazifischer Eibe (Wirkstoff Paclitaxel), Krebsmedikament
45
Beispiel für Molekül mit vielen funktionellen
Gruppen
NHO
OH
O
O
OH
O
O
OH
O
O
O
O
O
O
Amid
Ester Keton
Ether
Alkohol
(Doppelbindung)
46
Strukturisomerie oder Konstitutionsisomerie
• Ab 4 C-Atomen in der Kette eines Kohlenwasserstoffs mehrere
Möglichkeiten zur Anordnung → Strukturisomere
• Was ist ein Isomer?
Zwei Substanzen sind Isomere, wenn sie bei gleicher
Summenformel eine andere Anordnung der Atome zueinander
besitzen.
• Einfachstes Beispiel: Butan (C4H10)
Butan Isobutan
CH3CH2CH2CH3 CH3CH(CH3)CH3
2-Methylpropan (Nur die C-Atome sind in den Strukturen dargestellt)
47
Strukturisomerie
• Je größer der Kohlenwasserstoff, desto mehr mögliche
Strukturisomere!
• Strukturisomere heißen auch Konstitutionsisomere
• Butan (C4H10): 2 Isomere
• Pentan (C5H12) 3 Isomere
• Hexan (C6H14) 4 Isomere
• Heptan (C7H16) 9 Isomere
• Eicosan (C20H42) >300.000 Isomere
Aber: nicht alle möglichen Isomere werden auch gefunden!
48
Strukturisomerie • Strukturisomere unterscheiden sich in ihren Eigenschaften!
• Beispiel: Butan und Isobutan
Schmelzpunkt: -135 °C -145 °C
Siedepunkt: -0,5 °C -10 °C
H C
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
H C
H
H
C
C
H
C
H
H
H
H
HH
49
Strukturisomerie (Forts.)
• Auch bei anderen Verbindungstypen existiert
Konstitutionsisomerie
• Beispiel: Alkene mit Summenformel C4H8
• Anm.: Auch Anordnung der Doppelbindung ist bedeutsam
(s. Konfigurationsisomerie)!
Linearer Grundkörper verzweigter Grundkörper
But-1-en But-2-en
2-Methylpropen
alter Name: Isobuten
50
Pethidin – Strukturisomerie mit fatalen Folgen
N
CH3
O
O
O
O
CH3
N
CH3
Pethidin
Analgetikum aus
der Opioid-Gruppe
MPPP (synth. Heroin)
Designerdroge
sehr viel instabiler,
zerfällt zu
löst Parkinson-ähnliche Symptome aus
N CH3
CH3
51
Sind die folgenden Moleküle Strukturisomere?
• Wichtig: Nur eine wirklich andere Verknüpfung der Atome sorgt
für Strukturisomerie
• Wenn nur die relative Anordnung, also z.B. die Rotation
gegeneinander anders ist, spricht man von Konformeren
(freie Drehbarkeit um Einfachbindungen!)
Keine Strukturisomere, sondern Nur sinnvolle Bindungswinkel
Konformere werden eingenommen!
bevorzugtes
Konformer
anderes
Konformer
52
Die Strukturvielfalt ist enorm!
Man braucht eine systematische Benennung
der Verbindungen!
Nomenklatur organischer Verbindungen
53
Nomenklatur organischer Verbindungen
• Althergebrachte Namen, sog. Trivialnamen
z.B. Isobutan, Neopentan sind nicht systematisch
• Moderne Nomenklatur aus definierten Komponenten
Präfix Stamm Suffix
Welche Substituenten?
Ergibt sich aus der Anzahl der C-Atome
der längste C-Kette
Welche Substanzfamilie?
54
Nomenklatur-Regeln
1. Bestimmung der längsten ununterbrochenen C-Kette
2. Identifikation der Substituenten und funktionellen Gruppen,
die an diesem Molekülstamm vorhanden sind
3. Die Gruppe höchster Priorität wird als Suffix benutzt, bestimmt
also die Zugehörigkeit zu einer Substanzfamilie
4. Angabe der Position der Substituenten und funktionellen
Gruppen durch Angabe der Nummer der entsprechenden
C-Atoms im Molekülstamm (Nummerierung so wählen, dass
Nummern mögl. klein)
5. Bei mehreren Substituenten in alphabetischer Reihenfolge
angeben, bei mehreren identischen mit di-, tri-, tetra-
bezeichnen
55
Namen von funktionellen Gruppen
R
O
OH
R
O
O
R
O
OR'
R
O
Cl
R
O
NH2 R
O
NHR'R
O
NR'R"
sin
kende
Prioritä
t
Klasse Präfix Suffix
Carbonsäure Carboxy- -(carbon)säure
Carboxylat Carboxylato- -carboxylat, -oat
(Carbonsäure)ester Carbonyloxy- -ester, (-oat)
Oxycarbonyl-
(Carbon)säurechlorid Chlorocarbonyl- -säurechlorid
(Carbon)säureamid Carbamoyl (prim.) -säureamid
56
Klasse Präfix Suffix
Nitril Cyan(o)- -(carbo)nitril
Aldehyd Formyl- -al
Keton Oxo- -on
Acetal Di(alkyloxy) -acetal
Alkohol Hydroxy- -ol
Namen von funktionellen Gruppen (Forts.)
R CN
R
O
H
R
O
R'
sin
kende
Prioritä
t
RR
R'O OR'
R OH
57
Namen von funktionellen Gruppen (Forts.)
R NH2
R NHR'
R NR'R"
R O R'
Klasse Präfix Suffix
(primäres) Amin Amino- -amin
(sekundäres) Amin Amino- -amin
(tertiäres) Amin Amino- -amin
Ether Alkoxy- -ether
z.B.
Methoxy-
Ethoxy-
sin
kende
Prioritä
t
58
OH
SH
Propan 1 2
3
Stamm
2-Methylpropanol
2-Methylpropanthiol
Rest/funktionelle Gruppe funktionelle Gruppe mit
Priorität
O
H
2-Methylpropanal
O
2-Propanon (Aceton)
α β
α
59
Propan 1 2
3
Stamm Rest/funktionelle Gruppe funktionelle Gruppe mit
Priorität
O
NH2
2-Methylpropansäureamid
O
X
2-Methylpropansäure-halogenid
X = F: -fluorid, Cl: -chlorid, Br: -bromid
O
OEt
2-Methylpropansäureethylester
Et = Ethyl = -C2H5
α β
60
Propan 1 2
3
Stamm Rest/funktionelle Gruppe funktionelle Gruppe mit
Priorität
O
OH
2-Methylpropansäure
O
OH
Cyclohexylcarbonsäure
O
O
2-Methylpropanoat
O
O
O
2-Methylpropansäureanhydrid
α β
α β
61
Propan en 1 2
3
Stamm Rest/funktionelle Gruppe funktionelle Gruppe mit
Priorität
2-Methylpropen
HO 2-Methylprop-2-enol 3 2
1
Propan in 1 3
2-Propinol (Propargylalkohol) 3 2 1
HO
2
O
OH
α β
Propensäure
(Acrylsäure)
eine α,β-ungesättigte
Carbonsäure
62
Weitere Beispiele zur Nomenklatur
OHOH
OH
Br
O
OH
O
Butan-1-ol 2-Methylpropan-1-ol
(iso-Butanol)
2-Methylpropan-2-ol
(tert-Butanol)
3-Ethyl-2,4,5-trimethylheptan
5-Brom-2-methyl-2-hexen (5-Brom-2-methyl-hex-2-en)
3-Oxo-butansäure
Pent-3-en-1-in
63
Weitere Strukturmerkmale: Die 3 Arten der
Isomerie
• Konstitutionsisomerie bzw. Strukturisomerie:
unterschiedliche Verknüpfung der Atome
• Konfigurationsisomerie bzw. Stereoisomerie (nächstes
Kapitel):
gleiche Konstitution, aber andere räumliche Anordnung
zum Umwandeln von Konfigurationen ineinander müssen
Bindungen gebrochen werden
• Konformationen einer Verbindung
berücksichtigt Rotation um Einfachbindungen; Änderung
erfordert keinen Bindungsbruch
Wiederholung Konstitutionsisomerie
N
O
O
≠
Summenformel gleich, Verknüpfung der Atome verschieden
Beispiele für Summenformel C5H10 (es gibt noch mehr!)
O
O
N
Beispiele für Summenformel C16H25NO2 C5H12
64
65
Konstitutionsisomerie bei Doppelbindungen
• Konjugierte Doppelbindungen: immer abwechselnd
Doppelbindung und C-C-Einfachbindung
d.h.: es sind immer direkt sp2-hybridisierte C-Atome
miteinander verknüpft
Anmerkung: Konjugation stabilisiert ungesättigte Moleküle
günstig!
• Isolierte Doppelbindungen: durch mehr als eine C-C-Bindung
voneinander getrennt
sp3
sp2
sp2
66
Kapitel 3
Stereochemie
67
Geometrische Isomerie – eine Art der Stereoisomerie
• Bisher nur Strukturisomere (unterschiedliche Verknüpfung der
Atome)
• Nun weitere Aspekte:
keine freie Drehbarkeit um Doppelbindungen → zwei
Möglichkeiten zur Anordnung von Substituenten relativ
zueinander:
E-Konfiguration (trans) Z-Konfiguration (cis)
Konfiguration: allgemein dreidimensionale Anordnung der Atome
unter Weglassen der durch Rotation um Einfachbindungen
entstehenden Rotamere (Konformere)
68
Geometrische Isomerie • Umwandlung der geometrischen Isomere nur unter
Energieaufwand möglich
• Bsp.: E-But-2-en → Z-But-2-en (instabiler)
Energieunterschied der beiden Substanzen 4 kJ/mol (aber
zusätzlich hohe Barriere durch die Drehung!)
Geometrische Isomerie ist ein Spezialfall der Stereoisomerie
ungünstiger
instabiler
energiereicher
+ Energie
69
Spiegelbildisomerie oder Enantiomerie
• Eine weitere Form der Stereoisomerie
• Wdh. Stereoisomere: zwei Moleküle, die sich nicht in ihrer
Verknüpfung der Atome, aber der räumlichen Anordnung (der
Konfiguration) der Atome und Atomgruppen unterscheiden
ausgenommen: Rotamere
• Spiegelbildisomerie bzw. Enantiomerie: Die Isomere
verhalten sich wie Bild und Spiegelbild zueinander
70
Warum ist die Kenntnis der Stereochemie wichtig?
• Beispiel: Der Fall „Contergan“
Wirkstoff: Thalidomid
wurde als Racemat eingesetzt
Racemat: 1:1-Gemisch der
beiden Enantiomere
• ein Enantiomer: sehr gut verträgliches Schlafmittel
• das andere Enantiomer: teratogen (schädigt den Embryo), führt
zu schwersten Missbildungen
• weiteres Problem: in vivo schnelle Umwandlung der Enantiomere
ineinander
N
O
O
NH
O
H
H
H
H
*
K. Roth, Chem. Unserer Zeit 2005, 39, 212.
71
Keilstrichformeln zur Kennzeichnung der
räumlichen Anordnung
OH HO H H OH
OHH
Strichformel Keilstrichformel
HO H
ohne Information
zur räumlichen
Anordnung
180° drehen
Bild Spiegelbild vor der Papierebene
hinter der Papierebene
in der Papierebene vor oder hinter der Papierebene
72
Bild und Spiegelbild: Wirklich Isomere!
• Auf den ersten Blick sehen die Moleküle gleich aus,
sind sie aber nicht!
• Verhältnis der beiden Spiegelbild-Isomere (Enantiomere)
zueinander wie rechter und linker Schuh/Handschuh oder die
beiden Hände eines Menschen
• daher der Name: Chiralität (griech. cheiros für Hand)
• Chirale Moleküle können nicht mit ihrem Spiegelbild zur
Deckung gebracht werden.
• Beispiele aus dem täglichen Leben
für chirale Objekte:
linke u. rechte Hand, Schneckenhaus,
Fahrer- u. Beifahrertür am Auto
73
• Es muss mindestens ein sp3-C-Atom geben, dass vier
verschiedene Substituenten trägt
Milchsäure
• Ein solches C-Atom heißt Stereozentrum oder stereogenes
Zentrum (früher: Chiralitätszentrum)
• Das Molekül ist dann chiral und es gibt zwei Enantiomere
• Kennzeichnung mit einem *
• Bei drei oder weniger verschiedenen Substituenten ist die
Verbindung nicht chiral, Bild und Spiegelbild sind deckungsgleich.
Das Molekül ist achiral.
Wann tritt Chiralität in Molekülen auf?
COOH
HO H
*
74
Moleküle mit/ohne Stereozentren
C C
C C* *
chirales Molekül
achirales Molekül
CDrehen
identisch
Drehen
nicht identisch
C *
75
Eigenschaften chiraler Verbindungen
OO
Zitrone Terpentin
Kümmel Minze
Limonen
Carvon
für Enantiomere sind fast alle
Eigenschaften identisch, z.B.
Schmelz- und Siedepunkt
allg. keine Unterschiede bei
Interaktion mit achiralen
Objekten/Phänomenen
aber: Unterschiedliche
Wechselwirkung mit
anderen chiralen Objekten/
Phänomenen
z.B. dreidimensionale Interaktion
mit einem biologischen Rezeptor
(z.B. Geruch)
76
Eigenschaften chiraler Moleküle
• Dreipunkt-Modell für die Wechselwirkung chiraler Moleküle
mit Enzymen
C C
gute Wechselwirkung schlechte Wechselwirkung
77
Eigenschaften von Enantiomeren • Optische Aktivität: chirale Moleküle drehen die Schwingungsebene von
polarisiertem Licht
• Die beiden Enantiomere einer Substanz drehen die Ebene jeweils um den
gleichen Betrag, aber in die entgegen gesetzte Richtung!
rechtsdrehend (+) vs. linksdrehend (-)
• Das Racemat (1:1-Gemisch der beiden Enantiomere) ist optisch inaktiv und
hat einen Drehwert von Null!
© Pearson Studium 2008
Optische Aktivität → Polarimeter
78
Eigenschaften von Enantiomeren
• Winkel der Drehung (Drehwinkel a) ist Maß für die
optische Aktivität
a = [a]25D ∙c∙l
(c: Konzentration der Substanz, l: Länge der
Messzelle
[a]25D: spezifischer Drehwert bei 25 °C und bei der
Natrium-D-Linie (l = 589 nm) gemessen
• Bsp.: rechtsdrehende (+)-Milchsäure im Joghurt
(c in g/100ml, l in dm)
79
Physikalische Eigenschaften von Enantiomeren
• Schmelzpunkt und Siedepunkt sind für die Enantiomere
gleich
also: keine Trennung der Enantiomere per
Destillation o.ä. möglich!
• nur die Wechselwirkung mit anderen chiralen Verbindungen
ist unterschiedlich
wie linke Hand und linker Handschuh (passt), linke Hand und
rechter Handschuh (passt nicht)
80
Nomenklatur chiraler Verbindungen
• Messung des Drehwinkels gibt nur die physikalische
Eigenschaft an, aber nicht die absolute Konfiguration
• Die Anordnung der Substituenten (absolute Konfiguration)
muss anders definiert werden
• Regeln für die Hierarchie der Substituenten
R/S-Nomenklatur
auch CIP-Nomenklatur genannt
(Cahn, Ingold, Prelog: Erfinder dieser Regeln)
81
R/S-Nomenklatur: Regeln
1. Die Substituenten werden nach ihrer Priorität sortiert:
bei direkt gebundenen Atomen nach der Ordnungszahl
bei gleichen Atomen am Stereozentrum entscheiden die Reste an den beiden
Atomen
gleiches Atom mit Doppelbindung am Stereozentrum gebunden hat höhere
Priorität als das gleiche, aber einfach gebundene Atom
2. Molekül so drehen, dass der niedrigste Rest (4) nach hinten zeigt.
Oft ist es das H-Atom (wenn eines da ist)
3. Die drei anderen Reste werden in fallender Priorität betrachtet:
1→2→3
Wenn Kreisbewegung im Uhrzeigersinn: (R)
Wenn Kreisbewegung gegen Uhrzeigersinn: (S)
R von rectus = rechts herum, S = sinister = links herum
82
Priorität der Reste:
OH > COOH > CH3 > H
Aber falsche Blickrichtung (H nicht hinten)
Drehen um 180°
(nun ist der niedrigste Rest hinten)
Kreisbewegung im Uhrzeigersinn: R
Es handelt sich um (R)-Milchsäure
(auch D-Milchsäure genannt (s.u.), exp. linksdrehend)
(man weiß davon aber nicht, ob rechts- oder linksdrehend!)
Beispiel für R/S-Nomenklatur
COOHH3C
HHO
CH3HOOC
HOH1
2 3
4
180°
83
Die D/L-Nomenklatur nach Fischer
• Von Emil Fischer entwickelt
• Eigentlich nur für Kohlenhydrate (und Aminosäuren)
• Fälschlicherweise oft auch für andere Verbindungen verwendet
• Einfachster Vertreter der Kohlenhydrate: Glycerinaldehyd
HO O
H
OH
*
84
D/L-Nomenklatur nach Fischer
• Längste Kohlenstoffkette senkrecht
• Das am höchsten oxidierte C-Atom ist oben
• Die senkrechten Bindungen liegen per Definition hinter der
Papierebene, die waagerechten davor
• Betrachtung des Stereozentrums: zeigt die funktionelle Gruppe
nach rechts: D-Form, zeigt sie nach links: L-Form
(bei mehreren Stereozentren: das am weitesten unten liegende)
HOC
O
H
OH
* OHH
H O
OH
H OH
CHO
CH2OH
Fischer-Projektion
=
höchstox. C-Atom längste Kette
85
Verbindungen mit zwei oder mehr Stereozentren
• Beispiel: 2-Brom-3-butanol Br
OH
* *
Br
OH
R
R
Br
OH
S
S
Br
OH
R
S
Br
OH
R
S
En
an
tio
me
re
En
an
tio
me
re
Diastereomere
Diastereomere
86
Verbindungen mit zwei oder mehr Stereozentren
• Diastereomere: Stereoisomere, die keine Enantiomere sind
(E/Z-Isomere sind also auch Diastereomere!)
• Eigenschaften von Diastereomeren: haben unterschiedliche Schmelz- und
Siedepunkte, kann man per Destillation oder Kristallisation trennen
• Maximale Anzahl von Stereoisomeren bei n Stereozentren: 2n
• Jeweils immer nur 2 dieser Verbindungen paarweise enantiomer
zueinander (wenn alle Stereozentren spiegelbildlich)
• Alle anderen diastereomer zueinander
87
Verbindungen mit zwei oder mehr Stereozentren
• Ausnahme: Manchmal existiert nicht die
maximale Anzahl an Stereoisomeren 2n
HOOC
OH
COOH
OH
* *
H OH
COOH
HHO
COOH
R
RHO H
COOH
OHH
COOH
S
S
HHO
COOH
HO H
COOH
R
SH OH
COOH
OHH
COOH
R
S
Enantiomere identisch
meso-Weinsäure
(optisch inaktiv)
meso-Formen haben eine interne Spiegelebene
L-Weinsäure D-Weinsäure
(jeweils optisch aktiv)
• meso-Formen
Beispiel: Weinsäure
88
Trennung von Enantiomeren: Racematspaltung
• Racemische Gemische sind optisch inaktiv
• Eigenschaften der Enantiomere gleich
• Daher: Überführung in Diastereomere!
• Dazu benötigt man chirale (Hilfs-)Reagenzien
• Das sind meist natürlich enantiomerenrein vorkommende
Verbindungen (chiral pool)
• Z.B. chirale Säuren (R)-Mandelsäure, (S)-Äpfelsäure,
Aminosäuren, Alkaloide (z.B. Brucin)
89
Racematspaltung
R
S
R-Reagenz
R R
S R
R R S R
R S
Trennung
DiastereomereEnantiomere
Abspaltung
getrennte Enantiomere