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Theoretische Übungen zum Organisch-Chemischen Kurs fürTheoretische Übungen zum Organisch Chemischen Kurs für Biowissenschaftler”

Prof. Dr. R. GilmourOrganisch Chemisches InstitutOrganisch-Chemisches Institut

Nucleophile Substitution 2 Ordnung (S 2)Nucleophile Substitution 2. Ordnung (SN2)

Konfigurationsumkehr bei der SN2-Reaktion (Walden’sche Umkehr).

OH OH

H

Br+ H+ + Br

- H2OH 2

Beispiel 1: Reaktion von n-Butanol mit HBr zum Butylbromid

S 2: Energieprofil und GeschwindigkeitsgesetzSN2: Energieprofil und Geschwindigkeitsgesetz

Nucleophile Substitution 2 Ordnung (S 2)Nucleophile Substitution 2. Ordnung (SN2)

OH PI

+ O PI

I

IP

HO I+OH PII

+ OH

PI

I HO II+

Beispiel 2: Reaktion von Ethanol mit PI3

OH OH

H

+ H+ HO

- H2OOH

O

- H+

O

Beispiel 3: Bildung von Dibutylether aus Butanol durch Zusatz katalytischer Mengen H2SO4

S 1 Reaktion: Mechanismus und GeschwindigkeitsgesetzSN1-Reaktion: Mechanismus und Geschwindigkeitsgesetz

CH3 CH3 CH3+

ClCH3

H3C OHCH3

CH3

H3C OH2

CH3

CH3

H3C ClCH3CH3

H3C CH3

+ H+

- H2O

v =

Reaktion von tert-Butanol mit HCl zum t-Butylchlorid.

sp Δ−=

Δ= k [(H C) C OH +]

tt Δ−=

Δ= k1 · [(H3C)3C-OH2

+]

S 1: Energieprofil und GeschwindigkeitsgesetzeSN1: Energieprofil und Geschwindigkeitsgesetze

Hyperkonjugation

Methylierung im Stoffwechsel: Nucleophile Substitution!

„SAM“

Bimolekulare Eliminierung (E )Bimolekulare Eliminierung (E2)

Eliminierung von Wasser aus Alkoholen (hier Ethanol) nach Veresterung mit Methylsulfonylchlorid.

Nu

NE E

E

NuE NuE

anti-Eliminierung bei gleichzeitigem Austritt von Elektrophil und Nucleophil.

Monomolekulare Eliminierung (E )Monomolekulare Eliminierung (E1)

OH

CH

H3C

CH3H+

CH3

H C

H3C CH3

CH

H3C- H2O - H+

CH3 H2C CH22 H

H

Eliminierung von Wasser aus Alkoholen durch Protonenkatalyse.

E1-Eliminierung: Energieprofil und G h i di k it tGeschwindigkeitsgesetze

Eliminierungen: Z/E EnergieprofilEliminierungen: Z/E-Energieprofil

Eliminierungsreaktionen in der Biochemie:Eliminierungsreaktionen in der Biochemie:Bildung von Zimtsäure aus Phenylalanin durch die Phenylalanin-Ammoniak-Lyase (NH3-Eliminierung)y y ( 3 g)

Elektrophile Addition (A )Elektrophile Addition (AE)

E+ + NuE Nu

EE

Mechanismus der elektrophilen Addition an Doppelbindungen.

+ Br2 + Br2

BrBr Br

Br

Beispiel 1: trans-Addition von Br2 an DoppelbindungenBeispiel 1: trans Addition von Br2 an Doppelbindungen

A : Elektrophile Addition: EnergieprofilAE: Elektrophile Addition: Energieprofil

Elektrophile Addition: Markovnikov-RegelElektrophile Addition: Markovnikov-Regel

HH C

CH3

H

HH3C

H3C HH C

HH3C

H

HH C

H+

3

H

HH3C

H3C

H

H

HH3C

H3CH

Br

Br-

Addition von HBr an Doppelbindungen nach der Markovnikov-Regel

HH

H

HH

H

OHH

HH2SO4

H2O

H

- H2SO4

+ H OHH

O

HH

HH

H2O

H

SO3H

+ H2O

3

Beispiel 1: Addition von Wasser an Doppelbindungen.

Additionen: Speziellere BeispieleAdditionen: Speziellere Beispiele

H C H CH

HH

+ H+

H3CCH2

H3C

H

H

+ Cl-+ Cl-

CHH

Cl

CH2

HCl

Beispiel 2: 1,2- und 1,4-Addition an konjugierten Doppelbindungen

MO-O

MnO O- OH

HH H

MnO-O

+H2O

+ VII

+V

MnO O O

MnO OH

HH

H

Mn

O++ VII

Beispiel 3: Cis-Diolbildung bei der Cycloaddition von Permanganat mit Doppelbindungen

Additionsreaktionen in der Biochemie:Reversible Addition von H2O (Hydratisierung) an Fumarat:

Bildung von L-Malat durch das Enzym Fumarase

Additions- und Eliminierungsreaktionen in der Biochemie:Reversible Elminierung von H2O (Dehydratisierung) von ß-g 2 ( y g)

Hydroxyacyl-CoA beim Auf- und Abbau von Fettsäuren

Umwandlung von β-Hydroxyacyl-CoA durch das Enzym Crotonase

Stammverbindungen der Terpene

Terpene: Acyclische Beispiele

Terpene: Cyclische BeispieleTerpene: Cyclische Beispiele

Terpene:Terpene:

Terpene: BeispieleTerpene: Beispiele

(Maiglöckchen)

TriterpeneTriterpene

Biosynthese der Terpene mit den wichtigsten Zwischenstufeny p g

Steroid-Biosynthese (Lanosterin)y ( )

SteroidhormoneSteroidhormone

Weitere funktionalisierte TerpeneWeitere funktionalisierte Terpene

Industrielle Synthese von Mono- und Sesquiterpenen

Stereochemie: Fischer Projektion (D/L)Stereochemie: Fischer-Projektion (D/L)

CHO

OHH

CHO

HHOOHH

H2C OH

HHO

H2C OH

D-Glycerinaldehyd L-Glycerinaldehyd

Konfigurationen des Glycerinaldehyds (Fischer-Projektion). Die Stellung der OH-Gruppe am C-2-Atom entscheidet,

ob Glycerinaldehyd D- oder L-Form genannt wird

CHO CHOCOOH COOHOHH

HHO

OHH

HHO

OHH

HHO

COOH

NH2H

CH3

COOH

HH2N

CH3OHH

CH2OH

HHO

CH2OH

D Glucose L Glucose

CH3 CH3

D-Alanin L-AlaninD-Glucose L-Glucose

Struktur der D- und L-Glucose (Enantiomere) Struktur von D- und L-Alanin

Stereochemie: CIP Regeln (R/S)Stereochemie: CIP-Regeln (R/S)

2COOH

CH3H NH

COOH

H3C NHH

2

4

CH3H2N H3C NH2

R S

L-AlaninD-Alanin

1 3

Bestimmung der Konfiguration (R bzw. S) bei Glycerinaldehyd nach den CIP-Regeln

Stereochemie: Übersicht I

Stereochemie: Übersicht 2

Konformationsisomerie: NomenklaturKonformationsisomerie: Nomenklatur

HH HH

HHH H

HHH

H

HHH

H

H H

H HH

H H

H

HH

HHH H H H

Sägebock NewmanSägebock Newman

gestaffelt(staggered)

ekliptisch(eclipsed)

Konformationen des Ethans: eclipsed (energetisch ungünstig) bzw. staggered (energetisch günstig)

Konformationen des n ButansKonformationen des n-Butans

Elektrophile aromatische Substitution (S AR)Elektrophile aromatische Substitution (SEAR)

EH

EE

H

ERearomatisierung

- H++ E+

Elektrophile Bromierung am Aromaten bedarf eines Katalysators (Lewis Säure z B FeBr )

-Komplex

Elektrophile Bromierung am Aromaten bedarf eines Katalysators (Lewis-Säure, z.B. FeBr3)

BrBr

BrFe

Br

BrBr Br

Br

Fe

Br

Br+δ+ δ-

Br

Fe

Br

BrBrBrBr Br Br Br

Polarisierung von Br2 durch Zusatz von FeBr3 als KatalysatorPolarisierung von Br2 durch Zusatz von FeBr3. als Katalysator

Elektrophile aromatische Substitution (S AR)Elektrophile aromatische Substitution (SEAR)

Energieprofil der elektrophilen Substitution am Aromaten durch ein Elektrophil E+.

Aromatische elektrophile Substitution: BeispieleAromatische elektrophile Substitution: Beispiele

HO N+

O

OH2O N+

O

ON OO

+ H+

H+

+ H2O

H OO– O–- H - H2O

Darstellung des Nitronium-Kations aus Salpetersäure

Mechanismus der Friedel-Crafts-Acylierung -Es reagiert der Komplex oder das daraus gebildete Acyliumtetrachloroaluminat

Hydrierwärme des Benzols

(Housecroft-Constable)

Hydrierwärme des Benzols

+ 3H2+ 3H2

(Housecroft-Constable)

σ- und π-Elektronensysteme des Benzols

Elektronenstruktur des Benzols I

(Jones)

Elektronenstruktur des Benzols II

(Housecroft-Constable)

Biosynthese von AromatenBiosynthese von Aromaten

CarbonsäurederivateCarbonsäurederivate

O O O O OOO

R NH2 R OR R SR R O R ClR<<<<

R OH

O<

Amid Säure Ester Thioester Anhydrid SäurechloridAmid Säure Ester Thioester Anhydrid Säurechlorid

Aufsteigende Reihe der elektrophilen Reaktivitäten von Carbonsäurederivaten.

CarbonsäurechlorideCarbonsäurechloride

O OCl-

R OH

OS

OCl

Cl+ R O

S

O

Cl

O

- H+ - Cl R Cl

O+ SO2

gemischtesAnhydrid

Darstellung von Carbonsäurechloriden mit Hilfe von Thionylchlorid

O OO

R OH R Cl

+ R OH

PCl

+

PCl

ClCl

PClCl P

ClClOH

Mechanismus der Darstellung von Säurechloriden mit PCl3.

CarbonsäureesterCarbonsäureester

(Reversibler) Mechanismus der säurekatalysierten Estersynthese (bzw. –hydrolyse).

COOH O O+

COOHCH3 +

O

OH H3C O CH3+

O

3

O+ HO CH3

Beispiel: Darstellung von Acetylsalicylsäure aus Salicylsäure und Essigsäureanhydrid.p g y y y g y

Alkalische Esterhydrolyse (Verseifung)Alkalische Esterhydrolyse (Verseifung)

Irreversibler Mechanismus der alkalischen Hydrolyse von Carbonsäureestern (Verseifung)Irreversibler Mechanismus der alkalischen Hydrolyse von Carbonsäureestern (Verseifung).

Biologisch relevante Carbonsäurederivate

Biochemisch wichtige Ester PhosphorsäureesterBiochemisch wichtige Ester - Phosphorsäureester

Prinzip der Biosynthese von Neutralfetten ausgehend von Glycerinphosphat und Acetyl CoAPrinzip der Biosynthese von Neutralfetten ausgehend von Glycerinphosphat und Acetyl-CoA.

O

OHO

HO

OH

+ ATPO

HO

OPO-

-O O

+ ADPHO

OHOH

HOHO

OHOH

Phosphorylierung der α-D-Glucose

CarbonsäureamideCarbonsäureamide

Darstellung von Carbonsäureamiden aus Carbonsäurechloriden und AminenDarstellung von Carbonsäureamiden aus Carbonsäurechloriden und Aminenmit Pyridin als Hilfsbase.

Prinzip der Peptidsynthese(Carbonsä ren sind nreakti müssen akti iert erden! Z itterion !)(Carbonsäuren sind zu unreaktiv, müssen aktiviert werden! Zwitterion !)

Proteinogene AminosäurenA U l S it k tt (h d h b) R

O

A. Unpolare Seitenketten (hydrophob) RCH

NH3+

O -

NH3

R Name Abkürzung IEP pKs

H Glycin Gly G 5 97 2 35 / 9 78-H Glycin Gly G 5.97 2.35 / 9.78

-CH3 Alanin Ala A 6.00 2.35 / 9.87

CH(CH ) V li V l V 5 96 2 29 / 9 72-CH(CH3)2 Valin Val V 5.96 2.29 / 9.72

-CH2-CH(CH3)2 Leucin Leu L 6.02 2.33 / 9.74

-CH(CH3)-CH2CH3 Isoleucin Ile I 5.98 2.32 / 9.76

-CH2Ph Phenylalanin Phe F 5.48 2.58 / 9.24

-CH2CH2SCH3 Methionin Met M 5.74 2.17 / 9.27

Prolin Pro P 6.30 1.95 / 10.64N+

H

COO-

H

Proteinogene AminosäurenB P l l d S it k tt (h d hil)

O

B. Polare, ungeladene Seitenketten (hydrophil) RCH

NH3+

O -

R Name Abkürzung IEP pKs

-CH2OH Serin Ser S 5.68 2.19 / 9.442

-CH(CH3)-OH Threonin Thr T 6.00 2.09 / 9.10

-CH2SH Cystein Cys C 5.05 1.86 / 10.34CH2SH Cystein Cys C 5.05 1.86 / 10.34

-CH2-S-S-CH2- Cystin Cys-Cys 4.80

-CH -CO-NH Asparagin Asn N 5 40 2 02 / 8 80-CH2-CO-NH2 Asparagin Asn N 5.40 2.02 / 8.80

-(CH2)2CO-NH2 Glutamin Gln Q 5.70 2.17 / 9.13

CH C H OH Tyrosin Tyr Y 5 66 2 20 / 10 07-CH2-C6H4-OH Tyrosin Tyr Y 5.66 2.20 / 10.07

Tryptophan Trp W 5.89 2.43 / 9.44

N

H

Proteinogene AminosäurenC. Polare, bei pH 6-7 positiv geladene Seitenketten R

OC. Polare, bei pH 6 7 positiv geladene Seitenketten (basisch, stark hydrophil)

RCH

NH3+

O -

R Name Abkürzung IEP pKs

(CH ) NH + Lysin Lys K 9 74 2 16 / 9 20 / 10 80-(CH2)4-NH3 Lysin Lys K 9.74 2.16 / 9.20 / 10.80

-(CH2)3-NH-C(NH2)2+ Arginin Arg R 10.80 1.82 / 8.99 / 13.20

Histidin His H 7.59 1.81 / 6.05 / 9.15N+

N

CH2

H

H

R

OProteinogene AminosäurenD Polare bei pH 6 7 negati geladene SeitenkettenR

CH

NH3+

O -D. Polare, bei pH 6-7 negativ geladene Seitenketten (sauer, stark hydrophil)

R Name Abkürzung IEP pKs

CH COO- Asparaginsäure Asp D 2 77 1 99 / 3 90 / 10 0-CH2-COO Asparaginsäure Asp D 2.77 1.99 / 3.90 / 10.0

-(CH2)2-COO- Glutaminsäure Glu E 3.22 2.13 / 4.32 / 9.95

E. Einige wichtige nicht-proteinogene Aminosäuren

H2NCOO-

NH3+

Ornithin OrnH2N

COOH β−AlaninNH3

H2N NCOO-

O

Citrullin Cit

2

H2N COOH γ−Aminobuttersäure (GABA)2

NH3+H

Citrullin Cit

Titrationskurve einer neutralen Aminosäure (z.B. Glycin)

Titrationskurve einer neutralen Aminosäure (z.B. Glycin)

Titrationskurve einer sauren Aminosäure (z.B. Glutaminsäure)

Titrationskurve einer basischen Aminosäure (z.B. Lysin)

Peptidsynthese: Übersicht

N C NHO

NH

R1

N NH+N C N

O

NH

O

R1

NH

t-Boc

NC

NH

t-BocO

+

R2

NH2

O

O

t-Butyl

CH2

HN C NH

O

R2

HNO

O

t-ButylO

NHR1

t-Boc +

HN-ONH3

R1

+ H+

- CO2- Dicyclohexylharnstoff

+

R2

HNO

OO

Mechanismus der Peptidsynthese mit DCC.

CH3

H3C CH3

O

O CH3CH3

CH3

OO

t-But t-Boc Cbo

Gebräuchliche Schutzgruppen für die Peptidsynthese

Selektive PeptidsyntheseSelektive Peptidsynthese

1 Blockierung der Aminogruppe1. Blockierung der Aminogruppe

2 Aktivierung der Carbonsäure2. Aktivierung der Carbonsäure

3. Kupplung der N-blockierten, C-aktivierten Aminosäure mit einer zweiten AminosäureAminosäure mit einer zweiten Aminosäure

4. Einführung von weiteren Aminosäuren durch Aktivierung und Kupplung

5 Entfernung der N blockierenden Gruppe5. Entfernung der N-blockierenden Gruppe

Peptidsynthese in biologischen SystemenPeptidsynthese in biologischen Systemen

O-t-RNAO-t-RNA

OO

O OH

P

O

O

O

AdeninO

O

O OH

P

O

O

O

Adenin

+O OHO

R1

H2N

Aminoacetyl t RNA

O OHO

R2

H2N

Aminoacetyl t RNAAminoacetyl-t-RNA Aminoacetyl-t-RNA

OP

O-

O

t-RNA

t RNA OO

O OH

P

OAdenin

HR1

OO

P

O-

O

O

t-RNA

Adenin +

O

R2

HN

O

R1

H2N

HO OH

Biochemische Aktivierung von AminosäurenKeine Säurechloride, aber Phosphorsäureester!

O-

NN

O

O-

PO

P O

-O

-O

R1

NN

NHO-R1

ON NO

HO

NNH2

P

O

O

-OO

O

OH3N

R1

+ - PPiO

N NO

HO OH

NH2P

O

O

O

OH3N

R1

HO OH OH

Aminoacyladenylat

t-RNA O-t-RNA

OO

HO

P

O-

O

O

t RNA

Adenin AdenosinO

P

O-

O

O

O

H3N

R

+- AMP

OO

O OH

P

O

O

O

Adenin

HO OH

Aminoacetyl-AMP

OHO

R

H3N

Aminoacetyl-t-RNA

Transfer von Aminosäuren auf t-RNA

Thioester übertragen AcetylThioester übertragen Acetyl

H C CHO O

HON

CH3

H3C CH3

ON

CH3

H3C CH3

H3C SCoA

O

+O

H3C- HS-CoA

Biosynthese von Acetylcholin

Energiereiche VerbindungenEnergiereiche Verbindungen

OH S EHO

S EnzymO

OHO

O

PO O-

O-

H

OHO

S-Enzym

PO O-

O-HHS-Enzym

OHO

S-Enzym

PO O-

O-

O

NAD+ NADH/H+

-O

+ HPO42-

- HS-Enzym

OHO

O

PO

O-

OP-OO

-O

+ ADPO

HO

O

PO O-

O-

-O

+ATP

O O-O

Bildung von ATP aus ADP und Phosphat

Freie Energien der Hydrolyse von energiereichen Verbindungen

A B

O-P

O-

O

OOO P

O

P

O

O-O-AdenosinAdenosintriphosphat A = 30 kJ/mol

B = 36 kJ/mol

O

OO

PO

-O RAdenosin

Acetyladenylate(Acylphosphate) 30 kJ/mol

R SR

O(CoA) Thioester 33,5 kJ/mol

-O P

OO

O-

O Phosphoenolpyruvat 52 kJ/mol

CH2 O-O

O O

-O

CH2

OH -O

CH3

O

Reaktionsschema von Pyridoxalphosphat (PLP) mit Aminosäurenmit Aminosäuren

OHO

P-O O-

O-

O

HO

N

N CH3

OO

CH2HO- H+

-- CO2

1

2

3

HC O-

O

N

CHHO

NC O-

O

HO

N

OO

H2O/H+H2O/H+H2O/H+

H+

a b

CH2

O-

O

HO

NO-

O

HO

NH2

OO-

O

HO

OO-

O O

NH2

HOO

NH3 ++

+

-Ketosäurebiogenes AminD-Aminosäure

NH2

++

Pyridoxaminphosphat

N5-Hydroxymethyl-

tetrahydrofolat

Decarboxylierung von a-Ketosäuren mit Thiaminpyrophosphat (TPPThiaminpyrophosphat (TPP

N N

CH3-O

OCH3

N SNH2H3CO P

O

O

PO-

OO-

N

N

N

C SNH2H3C

OTPP

CH

O

O-

O

H3C

TPP

N

N

N

C SNH2H3C

CH3

O-

N

N

N

C SNH2H3C

CH3

- CO2

O

OHOH3C OH

SO

NH

Enzym

TPP S S NH(CH2)4

CH3

SH SH O O

- TPP

S SH O

NH

Enzym(CH2)4

OSH SH O

NH

Enzym(CH2)4

HS-CoA+

H3C SCoA

O

Prinzip der nucleophilen Addition an CarbonylgruppePrinzip der nucleophilen Addition an Carbonylgruppe

OH

R H

OYH+

[H+]R Y

OH

HR H H

O+ HO-R R OR

OH

R OR

OR'+ HOR'/H+

H2O

a)

H

O

H H- H2O

+ HSR'/H+OH SR'b)

HS-RH

+ + HSR /H- H2O

R SR

H

R SR

H

Darstellung von Halbacetalen und Acetalen (a) bzw. (Semi-)Thioacetalen (b)

Stickstoffverbindungen als NucleophileStickstoffverbindungen als Nucleophile

Darstellung von Iminen (Schiff´schen Basen) durch Reaktion von Aldehyden mit prim AminenDarstellung von Iminen (Schiff schen Basen) durch Reaktion von Aldehyden mit prim. Aminen

Aldehyde ohne Proton am α-C-Atom bilden mit sek. Aminen Aminale

Aldehyde mit Proton am α-C-Atom bilden mit sek. Aminen Enamine

Stickstoffnucleophile: Hydrazone und OximeStickstoffnucleophile: Hydrazone und Oxime

HH

HN

H2N

OH

R O

HHN

NR

O2N NO2

R N

H

OHO2N NO2 H2N

OH

Hydrazin-Derivat Hydroxylamin- H2O - H2O

Hydrazon Oxim

H2O H2O

Struktur der 2,4-Dinitrophenylhydrazone und der Oxime.p y y

Stickstoff Nucleophile: BiochemieStickstoff-Nucleophile: Biochemie

O

OHO

PO

-O O-O

+ -O O-O-

O

HO

O-HO

N

- H2O

H

H

N CH3

O

N CH3

OHO

PO

NH2

H2O

Bildung einer Schiff´schen Base aus Pyridoxalphosphat (PLP) und der Aminosäure Serin

Kohlenstoff-Nucleophile1. Cyanid als Nucleophil

O HCN HO CN

H3C H H3C H

Synthese des Cyanhydrins aus Acetaldehyd und BlausäureSynthese des Cyanhydrins aus Acetaldehyd und Blausäure.

N OO

HCN NH4Cl++C

NR

NH3- H2O- Cl

OH

O

R

NH3

H2O/H+

Cl 3

A i ä th h St kα-Aminosäuresynthese nach Strecker

Kohlenstoff-Nucleophile2. Aldolreaktion (Carbanion als Nucleophil)

O

H CH3

O

CH2H

OH3C H

O

Base

H

HOO

CH3 H

HHOO

CH3

H+

3 H CH3 H CH3

Mechanismus der Aldolreaktionß-Hydroxybutanal

HHOO HO

H

HHOO

CH3 H

H

- H2O

O

CH3

Kondensationsschritt: Aus ß-Hydroxybutanal entsteht durch Wasserabspaltung Crotonaldehyd.(Bildung eines konjugierten π-Systems).

Kohlenstoff-Nucleophile3. Säure-katalysierte Aldolreaktion

OH O OH

H+

O OH

HO

O

HO

OH

H+

O O

H+

H2O - H2O

Aus Aceton entsteht durch Protonenkatalyse Mesityloxid

Kohlenstoff-Nucleophile 4. ZimtsäuresyntheseKohlenstoff Nucleophile 4. Zimtsäuresynthese

COOH NH COOH Ph H

O+COOH

O ~ H+COOH

OH

HOOC

N

HH

HOOCH-

HOOCO

Ph

HOOCOH

Ph

H- OH

COOHN

+

H+HOOC NHOOC N-

HHOOC

Ph

N

HOOC

HOOC

Ph

N ~ H+HOOC

Ph

N

OO

HOOC

Ph

N

- CO2H

H

H COOHPy

HPh

-OOC HPy

HPhCOO- COOH

Zimtsäuresynthese (nach Brückner, Reaktionsmechanismen, 3. Auflage, S. 566 ff.)- In der rechten Newman-Projektion (vgl.: roter Blickrichtungspfeil)

ist die zusätzliche sterische Wechselwirkung verdeutlicht, die der linken Struktur zum Vorteilverhilft und so zur trans-Verbindung führt. - Nach diesem Schema lassen sich auch andere

α,ß-ungesättigte Carbonsäuren herstellen (Knoevenagel-Reaktion).

Hydridübertragung (Redox Chemie)Hydridübertragung (Redox-Chemie)

Mechanismus der Cannizarro-Reaktion (Disproportionierung)

EsterkondensationEsterkondensation

Et

O

EtO- Na+ + Et

ONa+

Et

O-Na+

H3C OEtEt - EtOH H2C O

EtNaH2C O

Et

Bildung des Carbanions bzw. Enolations als 1. Schritt der Acetessigestersynthese.

Et

O

Et

O

+ H C

O

C

O

OEt Na++

Na+ O- O

Et

Na+

EtOH2C O

EtH3C O

Et + H3C CH2

OEt Na+

H3C CH

OEt

- EtOH

Angriff des Carbeniumions am Essigester und Bildung Natriumsalzes des AcetessigestersAngriff des Carbeniumions am Essigester und Bildung Natriumsalzes des Acetessigesters

O O OH O

H3C CH2

CH3 H3C CH

CH3

K t E l T t i b i ß C b l bi d (hi A t l t it 80% E l t il)Keto-Enol-Tautomerie bei ß-Carbonylverbindungen (hier Acetylaceton mit 80% Enolanteil).

Reaktionen von ß Keto VerbindungenReaktionen von ß-Keto-Verbindungen

O O H2O / H+OH3C OOH

H3C OEt - EtOH

2

OH

O - CO2 H3C CH3H3C CH2

Ketonspaltung von AcetessigesterKetonspaltung von Acetessigester

H3C

O O

OEt H3C O-

O

H3C

O O-

O

O Et

H

OH2H3C

O

CH2

O

O-OH

- EtOH

Mechanismus der Umsetzung von Acetessigsäureethylester mit OH-.

Keton Enol in der NaturKeton-Enol in der Natur

Die Umwandlung von Glucose zu Fructose bzw. Mannose verläuft über ein Keto-Enol-Gleichgewicht.

O-

O

HOO

O-

O

H O O O-

O

O-

O+ ADP

ATPOP

O-

O

-O

- H2O OP

O-

O

-O

O

OH

O

O- ATP

Die Bildung von Pyruvat aus 2-Phosphoglycerat verläuft über das Phosphoenolpyruvat

Esterkondensationen in der Natur IEsterkondensationen in der Natur I

OHO

NNO

PO

-O

O

HN

HN

SH3C

CH3

CH3OH

OO

O

ON NO

O

NNH2

P

O

O

-O

O OH

-O

P O-OAcetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA)

O

O

-O OO-

O

-O SCoA

OO-

O

-O CoA

O

O-O

O

O-+

H2C SCoA

O

O

O-

O

O

O- HSCoA+

Bildung von Citrat aus Oxalacetat und Acetyl-CoA

Esterkondensationen in der Natur IIEsterkondensationen in der Natur II

O

O

O

H2C S

O

CoAO

SO

CoA

+- HS-CoA

HO

SO

CoA

O-

HOHO

O

O-- 2 NADP+

+ 2 NADPH/H+

Biosynthese von ß-Hydroxy-ß-methylglutaryl-CoA (HMG-CoA), das mit NADPH zur Mevalonsäure reduziert wird.

H

H2C S

O

CoA

RHN OH

N

HS

+O O

O- SCoA

O

OH

Carboxylierung von Acetyl-CoA durch mit Biotin aktiviertes CO2. Es entsteht Malonyl-CoA.

O- SCoA O- S

CoAS

CoA

O CH

O

O S

S

O

CoA+ - HS-CoA O O

O

- CO2 O

S

O

Die Reaktion des Malonyl-CoA mit einem weiteren Acetyl-CoA führt nach spontaner Decarboxylierung zum Acetoacetyl-CoA

RedoxreaktionenRedoxreaktionen

CH H

CH OH O O

CO-4 -2

0 +2+4

CH H-3

CH CH3

-1

C

O+3C

O+1

HC

H HC

H HC

H HC

OHC

O0 +2

H3CC

HH3C

CCH3 H3C

COH

+3

H3CC

H+1

O id ti t f d K hl t ff i i h V bi dOxidationsstufen des Kohlenstoffs in organischen Verbindungen

AlH OCH2RRH C

R H

OAlH3H Li+++

R H

O

AlH3

H Li++ Al

O

OO

O

CH2R

CH2RRH2C

RH2C

Li++

H2O

HO CH2R4

LiOHAl(OH)3 ++

Reduktion eines Aldehyds mit Lithiumaluminiumhydrid zum primären Alkohol.

NicotinsäureamidNicotinsäureamid

O

N

O

NH2

CH2ClH2C

N

NH2

O+

N

Synthese von 1-Benzyl-3-carboxamido-pyridiniumchlorid (Modell für NAD+)

M h i d R d kti i Ni ti ä id it Dithi itMechanismus der Reduktion eines Nicotinsäureamids mit Dithionit

Chemische ReduktionenChemische Reduktionen

NO NO NHOH NHNO2 NO NHOH NH2

Prinzip der Reduktion von Nitrobenzol zu Anilin(Reduktionsmittel z.B. Fe/HCl)(Reduktionsmittel z.B. Fe/HCl)

RMg

Cl

R H

O+ R2

R1

O-

H H2O

R2

R1 HMg(OH)Cl+Mg+R1

Clδ + δ +δ −

δ −

R1 R2 H 2 O MgCl R2 OH

Die Reaktion einer Grignard-Verbindung mit einem Aldehyd führt zu einem sek. Alkohol

Biochemische Redoxreaktionen IBiochemische Redoxreaktionen I

ONH N

O

NN

NH2O

P O-O

OO

HO OH

NH2N

O

ON NO

HO OH

P

O

-O

(P)

Struktur des NAD+ (bzw. des NADP+).

NH2NR

NH2N R+ 2e+ H+ H

H

O

R

O

R- 2e- H+

Prinzip der Reduktion des NAD+ zum NADH

Biochemische Redoxreaktionen IIBiochemische Redoxreaktionen II

OO

OOH

HNADH/H+

O

O-

OOH

O-- NAD+

Reduktion von Pyruvat zu Lactat mit NADH

O- NADH/H+O-

O

OO-

ONAD+

O- OH O- O

Oxidation von Malat zu Oxalacetat mit NAD+ (Zitratzyclus).

+ 2e+ 2H+

N

NH

NH3C

R

O N

NH

NH3C

R

O

H

- 2e- 2H+N

NHH3C

O

NNH

H3C

OHFAD FADH2

Prinzip der Reduktion von FAD zu FADH2

Biochemische Redoxreaktionen III FAD-(Flavin-Adenin-Dinucleotid)-Reaktionen

O O

SR

O

SR

OFAD- FADH2

Der 1. Schritt beim Fettsäureabbau ist eine Oxidation (Dehydrierung).

O-

O

O-

OFAD

- FADH2

H2O

NH3 - NH4O

Oxidation von α-Aminosäuren zu α--Ketosäuren.

Diazoniumsalze IDiazoniumsalze I

N HON+ H+

HON

OHO O

HH2O + N

O+ H

Bildung des Nitrosylkations aus salpetriger SäureBildung des Nitrosylkations aus salpetriger Säure.

Entstehung eines Diazonium-Kations durch Reaktion des Nitrosylkations mit einem Amin

Diazoniumsalze IIDiazoniumsalze II

OHH2Oa + H+

OHH2O

- H+

+ H+

- H+b

Reaktionsmöglichkeiten des aus einem aliphatischen Diazonium-Kationnach N2-Abspaltung gebildeten Carbeniumions.

Aromatische Diazonium-Kationen sind stabilisiert.

Diazoniumsalze IIIDiazoniumsalze III

Das Diazonium-Kation reagiert nach Austritt des N2 mit Nucleophilen zum substituierten Aromaten.

Azoverbindungen IAzoverbindungen I

Der elektrophile Angriff aromatischer Diazonium Kationen an einen Aromaten führt zur AzoverbindungDer elektrophile Angriff aromatischer Diazonium-Kationen an einen Aromaten führt zur Azoverbindung.

SO3- SO3

-

SO3-

NN

NN

OH

NN

NN

H

OH OH

NN

SO3-

α-Naphtholorangeβ-Naphtholorange

SO3-

O

α- und ß-Naphtholorange; das α-Naphthol kann in o-Stellung zweitsubstituiert werden (vgl. Abbildungsmitte).

Intramolekulare Wasserstoffbrücken sind für die schlechte Löslichkeit des ß-Naphthols verantwortlich

Azoverbindungen IIAzoverbindungen II

NN

NSO3

-H3C

H3CN

NN

SO3-H3C

H3CH+

N SO3H3C N SO3H3CH

rotorange

Methylorange als pH-IndikatorProtonierung läßt die Farbe von orange nach rot umschlagen

Aldosen (offene Formen)

„Stammbaum“

Kohlenhydrate Cn(H2O)n

CH2OH

H OHC

CH O

C O H2

CH O

CH O

CH OH CH2

CH2OHCH2OH

H OHCC O

CH OH

CH OH

CH2OH

CH OH

CH OH

CH OH

(+)-D-Ribose (Aldopentose)

(-)-D-2-Desoxyribose (2-Desoxyaldopentose)

CH2OHCH2OH

Dihydroxy- aceton

(+)-D-Glycerin- Aldehyd (Aldotriose)( do ose)

CH O

CH OH

CH O

CH OH

CH O

CHO H

CH2OH

C O

HO

C

C

C

H OH

H

H OH

HO

C

C

C

H OH

H

HO H

HO

C

C

C

HO H

H

H OH

HO C

C

C

H

H OH

H OH

(+) D Glucose

CH2OH

CH OH

CH2OH

CH OH

CH2OH

CH OH

D Galactose ( ) D Mannose ( ) D Fructose

CH2OH

CH OH

(+)-D-Glucose Traubenzucker (Aldohexose)

D-Galactose (Aldohexose)

(-)-D-Mannose (Aldohexose)

(-)-D-Fructose (Ketohexose)

Kohlenhydrate: Cyclische Halbacetale

H O

HO

C

C

H OH

H O

CH OH

HO

CH O

C

C

H OH

H HO

C

C

H OH

H

CHO H

CH OH

HO C

C

H

H OH

H C

O O

CH2OH

C

C

H OH

H OH

CH2OH

CH OH

H C

(+)-D-Glucose Traubenzucker (Aldohexose)

CH2OH CH2OH CH2OH

α−D-Glucose β−D-Glucose

O

CH2OH

OH

O

CH2OH

OH

CH2OH

OH

OH HO

OH

OH

OHOHHO

OH

OH

OH

OHHOHO

O

(+)-D-Glucoseα−D-Glucose β−D-Glucose(+)-D-Glucoseα D Glucose β D Glucose

OHOHOH2C

OHHOHOH2C

OHOHOH2C

OHOH

HOOH

OH

HO CHO

OH

HO OH

Ring Formen: Furanosen und PyranosenRing-Formen: Furanosen und Pyranosen

CH2OH CH2OHO

Haworth-Schreibweise:

O

OH

OH

OH

OH

2

O

OH OH

OH

OH

2

OH

HOH2C

HO OH

OOHHOH2C

HO OH

O

H OHH OH

-D-Ribofuranose -D-RibofuranoseSessel-Schreibweise:

O

H

HO

H

HO

H

OHOHH

H

O

O

H

HO

H

HO

H

HOHH

OH

H OHH H

-D-Glucose -D-Glucose

Die α- und ß-Konfiguration der ringförmigen Zucker entscheidet sich h d St ll d OH G C 1 At (H lb t l )nach der Stellung der OH-Gruppe am C-1-Atom (Halbacetale).

Fünfring-Zucker: Furanosen

DisaccharideDisaccharide

Maltose bildet die Grundstruktur für Stärke und GlykogenMaltose bildet die Grundstruktur für Stärke und Glykogen. Die Glucosemoleküle sind dabei α-1,4-glycosidisch verbunden.

Cellobiose ist das Cellulose-Abbauprodukt im Magen von Wiederkäuern.

Saccharose

Disaccharide

Polysaccharide: Amylose

Iod-Stärke-Komplex

Stärke und Cellulose

Bedeutung für den Menschen (Zeeck)KohlenhydrateKohlenhydrate

HeterozyklenHeterozyklen

N N N

N N N NH

Pyridin Pyrimidin PurinPyridin Pyrimidin Purin

Heterozyklische Sechsringe

N NH NHH3C H

OH

NH2N

ONH

H2N

Cytosin

NH

ONH

O

Uracil

NH

ONH

O

Thymin

HN

NNH2N

HN

Guanin

HN

NN

N

Adeniny y GuaninAdenin

Pyrimidin- und Purinbasen

Nuclein BasenNuclein-Basen

Nuclein Säuren (Zeeck)Nuclein-Säuren (Zeeck)

Ribonucleic Acid (RNA) und Desoxyribonucleic Acid (DNA)

DNA: Basenpaarung

DNA ReplikationDNA-Replikation

DNA DoppelhelixDNA-Doppelhelix

Peptide: β-Faltblatt

Peptide: β-Faltblatt

Peptide: α-Helix

Peptide: α-Helix

Peptide: Tertiärstrukturen

Proteinmotive