CHEMIE FÜR MEDIZINER: Organische Chemie, biochemisch wichtige Stoffklassen

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1 HEMIE FÜR MEDIZINER: Organische hemie, biochemisch wichtige Stoffklassen 1. GRUNDSTRUKTUREN 1.1 Bindungsverhältnisse beim Kohlenstoffatom 1.2 Reaktionstypen 1.3 Offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkane (Paraffine) Alkene (Olefine) Alkine 1.4 Alicyclische Verbindungen ycloalkane ycloalkene Kondensierte Ringsysteme 1.5 Aromaten Benzol und Derivate Kondensierte Ringsysteme 2. FUNKTIONELLE GRUPPEN 2.1 Alkohole 2.2 Phenole, hinone 2.3 Ether 2.4 Amine 2.5 Nitro- und Azoverbindungen, Nitrile 2.6 Thiole, Thioether, Disulfide, Sulfonsäuren 2.7 Aldehyde und Ketone 2.8 arbonsäuren 2.9 Funktionelle arbonsäurederivate arbonsäure-anhydride arbonsäure-ester arbonsäure-thioester arbonsäure-amide 2.10 Hydroxy- und Ketocarbonsäuren 2.11 Derivate Anorganischer Säuren Kohlensäure Phosphorsäure Schwefelsäure Salpetersäure HEMIE FÜR MEDIZINER: Organische hemie, biochemisch wichtige Stoffklassen 3. ISOMERIE ORGANISHER VERBINDUNGEN 3.1 Konstitution, Konfiguration, Konformation 3.2 Stereoisomerie Diastereomere Enantiomere 4. BIOHEMISH WIHTIGE STOFFKLASSEN 4.1 Aminosäuren und Peptide Aminosäuren Peptide 4.2 Kohlenhydrate (Saccharide) Monosaccharide Disaccharide Oligo- und Polysaccharide 4.3 Nucleotide und Derivate, Nucleinsäuren Nucleotide Nucleotidderivate Nucleinsäuren 4.4 Lipide Speicherlipide Membranlipide Lipide mit speziellen biologischen Aktivitäten Eigenschaften 5. BIOMATERIALIEN 5.1 Metalle 5.2 Keramische Materialien 5.3 Polymere (soft matter) 5.4 Anwendungen 1

2 HEMIE FÜR MEDIZINER: Organische hemie, biochemisch wichtige Stoffklassen 1. GRUNDSTRUKTUREN 1.1 Bindungsverhältnisse beim Kohlenstoffatom 1.2 Reaktionstypen 1.3 Offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkane (Paraffine) Alkene (Olefine) Alkine 1.4 Alicyclische Verbindungen ycloalkane ycloalkene Kondensierte Ringsysteme 1.5 Aromaten Benzol und Derivate Kondensierte Ringsysteme 2. FUNKTIONELLE GRUPPEN 2.1 Alkohole 2.2 Phenole, hinone 2.3 Ether 2.4 Amine 2.5 Nitro- und Azoverbindungen, Nitrile 2.6 Thiole, Thioether, Disulfide, Sulfonsäuren 2.7 Aldehyde und Ketone 2.8 arbonsäuren 2.9 Funktionelle arbonsäurederivate arbonsäure-anhydride arbonsäure-ester arbonsäure-thioester arbonsäure-amide 2.10 Hydroxy- und Ketocarbonsäuren 2.11 Derivate Anorganischer Säuren Kohlensäure Phosphorsäure Schwefelsäure Salpetersäure Bindungsverhältnisse beim -Atom sp 3 -Hybrid sp 2 -Hybrid sp-hybrid Alkane Alkene, = O, = N, Aromaten Alkine, N nach Wachter/Hausen hemie für Mediziner (6. Aufl.), S Grundstrukturen 1.1 Bindungsverhältnisse beim -Atom 2

3 HEMIE FÜR MEDIZINER: Organische hemie, biochemisch wichtige Stoffklassen 1. GRUNDSTRUKTUREN 1.1 Bindungsverhältnisse beim Kohlenstoffatom 1.2 Reaktionstypen 1.3 Offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkane (Paraffine) Alkene (Olefine) Alkine 1.4 Alicyclische Verbindungen ycloalkane ycloalkene Kondensierte Ringsysteme 1.5 Aromaten Benzol und Derivate Kondensierte Ringsysteme 2. FUNKTIONELLE GRUPPEN 2.1 Alkohole 2.2 Phenole, hinone 2.3 Ether 2.4 Amine 2.5 Nitro- und Azoverbindungen, Nitrile 2.6 Thiole, Thioether, Disulfide, Sulfonsäuren 2.7 Aldehyde und Ketone 2.8 arbonsäuren 2.9 Funktionelle arbonsäurederivate arbonsäure-anhydride arbonsäure-ester arbonsäure-thioester arbonsäure-amide 2.10 Hydroxy- und Ketocarbonsäuren 2.11 Derivate Anorganischer Säuren Kohlensäure Phosphorsäure Schwefelsäure Salpetersäure Reaktionstypen in der organischen hemie Substitution (S): Addition (A): Eliminierung (E): Umlagerung: 1. Grundstrukturen 1.2 Reaktionstypen 3

4 Redoxreaktionen: Oxidationszahlen von -Atomen Krieg: hemie für Mediziner (5. Auflage) S. 172 Beispiel: O +3 H 3 H 3 H 3 H 2 OH H 3 H 3 O 2 H H 1. Grundstrukturen 1.2 Reaktionstypen Reaktionsmechanismen Einteilung nach angreifenden Agenzien: Nukleophil (N) : e-paardonatoren (Lewis-Base), e-überschuß (freies e-paar): z.b. HO Θ, X Θ, H 2 O, R-OH, R 3 N, R 2 S, R-S-H, H Θ, Θ Elektrophil (E) : e-paarakzeptoren (Lewis-Säure), e - -Lücke: z.b. H, -NH 3, Br, I, All 3, Ag, Hg 2+, Mg 2+,, O=N=O, O==O, =O Radikal (R) : ungepaarte Elektronen: z.b. l, RO, O-O (O 2 ), N=O (NO) Beispiel: S N 2 Nukleophile Substitution mit Molekularität 2 (Reaktionsordnung des geschwindigkeitsbestimmenden Schritts) 1. Grundstrukturen 1.2 Reaktionstypen 4

5 Substituenteneffekte Induktive Effekte (+I, -I; durch unterschiedliche Elektronegativität bestimmen das Reaktionsverhalten wesentlich. Su Su e-ziehend: -I elektronegativer als e-spendend: +I etwas elektropositiver als 1. Grundstrukturen 1.2 Reaktionstypen Grundstrukturen in der Organischen hemie offenkettige Verbindungen (Aliphaten) Kapitel 1.3 cyclische Verbindungen arbocyclen Heterocyclen (Kapitel 1.6) Alicyclen (Kapitel 1.4) Aromaten (Kapitel 1.5) nicht aromatische Aromaten 1. Grundstrukturen 1.2 Reaktionstypen 5

6 HEMIE FÜR MEDIZINER: Organische hemie, biochemisch wichtige Stoffklassen 1. GRUNDSTRUKTUREN 1.1 Bindungsverhältnisse beim Kohlenstoffatom 1.2 Reaktionstypen 1.3 Offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkane (Paraffine) Alkene (Olefine) Alkine 1.4 Alicyclische Verbindungen ycloalkane ycloalkene Kondensierte Ringsysteme 1.5 Aromaten Benzol und Derivate Kondensierte Ringsysteme 2. FUNKTIONELLE GRUPPEN 2.1 Alkohole 2.2 Phenole, hinone 2.3 Ether 2.4 Amine 2.5 Nitro- und Azoverbindungen, Nitrile 2.6 Thiole, Thioether, Disulfide, Sulfonsäuren 2.7 Aldehyde und Ketone 2.8 arbonsäuren 2.9 Funktionelle arbonsäurederivate arbonsäure-anhydride arbonsäure-ester arbonsäure-thioester arbonsäure-amide 2.10 Hydroxy- und Ketocarbonsäuren 2.11 Derivate Anorganischer Säuren Kohlensäure Phosphorsäure Schwefelsäure Salpetersäure Alkane (Paraffine): n H 2n+2 Endung an; Reste (R): Endung -yl bei RT fest bei RT flüssig Alkane sind apolare/hydrophobe/lipophile Moleküle (lösen sich in anderen apolaren Lösungsmitteln, aber nicht in Wasser); Sdp. und Smp. nehmen innerhalb der homologen Reihe zu (Grund: von der Waals-Kräfte) Latscha/Klein: hemie für Mediziner (7. Auflage) S offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkane 6

7 Nomenklatur der Alkane offizielle Richtlinien der IUPA (International Union of Pure and Applied hemistry) 1. längste Kette ermitteln 2. Numerierung: erste Verzweigungsstelle mit möglichst kleiner Nummer 3. Substituenten in alphabetischer Reihenfolge angeben! Beispiel: prim. tert. sek. quart. 6-Ethyl-2,2,4-trimethyl-4-propyl-octan Wachter/Hausen: hemie für Mediziner (7. Auflage), S. 265 "primäres -Atom" etc.: gibt Zahl der benachbarten -Atome an 1.3 offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkane Konstitutions- und Konformationsisomere Konstitutionsisomere (Strukturisomere): gleiche Summen-, verschiedene Strukturformel n-butan (normal) unverzweigt i-butan (iso: sek. ) (2-Methyl-propan) Konformationsisomere (Konformere): Rotationen um --Bindungen berücksichtigt Unterschied im Energiegehalt durch sterische Effekte ekliptisch bzw. gestaffelt: = 12 kj/mol bei RT nicht trennbar! 1.3 offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkane 7

8 Konformationsisomere (Konformere) Zeeck et al.: hemie für Mediziner (5. Auflage) S offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkane Konformere: gestaffelt/ekliptisch ΔE = 3 kj/mol gestreckte Anordnung bei längeren Ketten: ΔE = 18 kj/mol Zeeck et al.: hemie für Mediziner (5. Auflage) S offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkane 8

9 Buchhandlung Hennies und Zinkeisen Halberstädter Str. 112 Tel.: (0391) hemische Eigenschaften der Alkane (1) wenig reaktionsfähig (parum affinis) ½O -4 2 Verbrennung: H 4 2O 2 medizinisch wichtig +2 O + 2H + Wärme 2 O 2 + 2H 2 O + Wärme +4 ΔH = -36 kj. mol -1 ΔH = -804 kj. mol -1 Verbrennung von Fetten (Fettsäureabbau durch ß-Oxidation) Bsp.: Palmitinsäure + 23 O 2 16 O H 2 O ( 15 H 31 -O 2 H) G ' = [kj. mol -1 ] stark exergone Reaktion! Energie wird in gekoppelter Reaktion genutzt, um 129 Mole ATP zu erzeugen (P i + ADP ATP: G ' = + 30,5 kj. mol -1 ; endergone Reaktion): Wirkungsgrad = 129 x 30, x 100 = 40,2% 1.3 offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkane 9

10 hemische Eigenschaften der Alkane (2) Halogenierung: Lösungsmittel Br med. wichtig Narkotika ( 2 H 5 l, F 3 -H/Halothan, Hl 3 ) l hν R H + l 2 H 3 l Methylchlorid H 2 l 2 Dichlormethan l Hl 3 hloroform l 4 Tetrachlorkohlenstoff F 2 l 2 Frigen (Treibgas): FKW DDT (Dichlor-diphenyl-trichlorethan) l H l 3 DDT Autooxidation (z.b. von Fetten): R H + ʘO Oʘ R O O H ROʘ + ʘOH Hydroperoxid Sulfochlorierung: R H + SO 2 l 2 Sulfurylchlorid hν H 2 O R SO 3 H + Hl Sulfonsäure: Salze dienen als Detergenzien 1.3 offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkane Radikalische Substitution R-H + l 2 h R-l + Hl Kettenstart: l 2 2 l ʘ (homolytische Spaltung durch Photoreaktion/< 4000 Å) Kettenfortpflanzung: R H + l ʘ R ʘ + Hl R ʘ + l 2 R l + l ʘ Kettenabbruch: Rekombination von zwei Radikalen Stabilität der Radikale: beeinflußt die Bildung der Produkte ʘ > ʘ > ʘ tertiär 4,4 sekundär 3,3 primär 1,0 1.3 offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkane 10

11 Biochemisch wichtig Oxidativer Stress durch Radikale Viele biologisch aktive reaktive Sauerstoffspezies (ROS) sind Radikale: ʘO -Oʘ Sauerstoff (O 2 ) u.a. Reaktion mit Semichinon-Radikalen zu O 2 - ʘ O - ʘ 2 HO ʘ 2 HO ʘ RO ʘ ROO ʘ Superoxid-Radikal Perhydroxyl-Radikal Hydroxyl-Radikal R-Oxyl-Radikal R-Dioxyl-Radikal bei vielen Autooxidationsreaktionen (z.b. Bildung in Granulozyten durch NADPH-Oxidase: bakterizid) Protonierte Form von O 2 - ʘ z.b. bei Radiolyse bei Wasser z.b. als Alkoxylradikal bei Lipidoxidation gebildet z.b. als Alkyldioxylradikal bei Lipidoxidatiom gebildet Radikale schädigen u.a. DNA, Proteine (Met, His, Trp, ys), Membranlipide und Hyaluronsäure. Schutz vor oxidativen Schäden u.a. durch Antioxidantien (z.t. Radikalfänger): z.b.: -Tocopherol (Vit. E) ß-arotin (Provit. A) Ascorbat (Vit. ) Glutathion (Glu -ys-gly) Harnsäure 1.3 offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkane HEMIE FÜR MEDIZINER: Organische hemie, biochemisch wichtige Stoffklassen 1. GRUNDSTRUKTUREN 1.1 Bindungsverhältnisse beim Kohlenstoffatom 1.2 Reaktionstypen 1.3 Offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkane (Paraffine) Alkene (Olefine) Alkine 1.4 Alicyclische Verbindungen ycloalkane ycloalkene Kondensierte Ringsysteme 1.5 Aromaten Benzol und Derivate Kondensierte Ringsysteme 2. FUNKTIONELLE GRUPPEN 2.1 Alkohole 2.2 Phenole, hinone 2.3 Ether 2.4 Amine 2.5 Nitro- und Azoverbindungen, Nitrile 2.6 Thiole, Thioether, Disulfide, Sulfonsäuren 2.7 Aldehyde und Ketone 2.8 arbonsäuren 2.9 Funktionelle arbonsäurederivate arbonsäure-anhydride arbonsäure-ester arbonsäure-thioester arbonsäure-amide 2.10 Hydroxy- und Ketocarbonsäuren 2.11 Derivate Anorganischer Säuren Kohlensäure Phosphorsäure Schwefelsäure Salpetersäure 11

12 Alkene (Olefine) Endung en; ungesättigte Kohlenwasserstoffe; sp 2 -Hybride geometrische (cis-trans) Isomerie: Konfigurationsisomerie keine freie Drehbarkeit der =-Bindung R 2 R 1 R 1 R 1 R 1 R 2 R 2 R 2 Substitutenten mit der höchsten Priorität jeweils E(ntgegen) / (trans) Z(usammen) / (cis) energieärmer chemisch unterschiedliches Verhalten! jeweils Prioritäten der Substituenten bestimmt (R 1 > R 2 ) entsprechend den Prioritätsregeln nach AHN-INGOLD-PRELOG (siehe Kapitel 3) Biochemisch wichtige Beispiele Fumarat, ungesättigte Fettsäuren, Retinal Nomenklatur: Numerierung so, dass das Kohlenstoffatom, das vor der Doppelbindung (Δ) steht, eine möglichst niedrige Ziffer erhält Beispiel: isolierte Δ: 1.54 Å kumulierte Δ: = = Z-2-Penten 1.46 Å konjugierte Δ: = - = haben niedrigere Energie, sind stabiler (z.b. kleinere Hydrierungsenthalpien, kleinere Bindungslängen der Einfachbindung) ungewöhnliche chemische Eigenschaften 1.3 offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkene Biochemisch wichtige Konfigurationsisomere itratcyclus: nur Fumarat ( ) von Fumarase erkannt, aber nicht Maleat ( ) O 2 H O 2 H in ungesättigten Fettsäuren: in cis-konfiguration Licht-induzierte Isomerisierung von 11-cis-Retinal: O 2 H O 2 H Isomerisierung führt zu Konformationsänderung von Rhodopsin (7TM-Rezeptorfamilie) 11-cis-Retinal all-trans-retinal Löffler, Petrides: Biochemie und Pathobiochemie (5. Auflage) S. 654 (heterotrimeres G-Protein) Berg, Tymoczko, Stryer: Biochemstry (6 th ed, 2006) Freeman & o, p. 934 Retinoide als Transkriptionsfaktoren: Bindung von all-trans-retinoat bzw. 9-cis-Retinoat an unterschiedliche Retinoat-Rezeptoren (RAR bzw. RXR) 12

13 Biochemisch wichtig Isopren ( 5 H 8 ): Derivat des 1,3-Butadiens: = = Baustein in vielen Naturstoffen, z.b. in Harzen, ätherischen Ölen, Steroiden etc. Terpene/Polyprene Monoterpene ( 10 ) Sesquiterpene ( 15 ) Diterpene ( 20 ) Triterpene ( 30 ) Tetraterpene ( 40 ) hochmolekulare Polyprene cyclische Terpene Beispiele Geraniol (Rosenöl) Farnesol (Kamillenblüten) Phytol (hlorophyll) Squalen-Steroide arotinoide (Vit A 1, lipophile Farbstoffe) Kautschuk, Guttapercha Menthol, ampher, Pinen (Terpentinöl) Guttapercha: trans-polyisopren A B D Squalen Vorstufe für Steroide Kautschuk: cis-polyisopren Zeeck: hemie für Mediziner (3.Aufl.) S offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkene ß-arotin ( 40 H 56 ) nur in Pflanzen synthetisiert: Provitamin A 11 konjugierte Δ (orange) Löffler/Petrides: hemie und Pathobiochemie (5.Aufl.) S. 652 enzymatische Umwandlung in all-trans-retinol (Vitamin A) in Enterozyten Speicherung von Vit A in den Ito-Zellen der Leber Bedeutung von Vit A: Sehvorgang (Retinol) Regulation der Genexpression (Retinol, Retinoate) z. B. während Embryogenese und Differenzierungsvorgängen (u.a. Haut und Mukosen) 1.3 offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkene 13

14 Elektrophile Addition typisch für Alkene: z.b. trans-addition von Wasser im Sauren (H + als Katalysator) langsam Elektrophil Die Stabilität von arbeniumionen beeinflusst die Bildung der Produkte: Markownikoff schnell > > sek. arbeniumion trans-addition tertiär sekundär primär Biochemisch wichtig Fumarat + H 2 O Malat (itratcyclus) Regel von Markownikoff: Angriff des Elektrophils (X, H ) erfolgt am H-reicheren -Atom (da hier das stabilere arbeniumion entsteht). 1.3 offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkene Beispiele für elektrophile Additionen an Alkene (z.b. Fetthärtung) (z.b. Nachweis von Alkenen) (z.b. Fumarat Malat) Zeeck: hemie für Mediziner (5.Aufl.) S. 177 Umkehrung: Bildung von Alkenen durch Eliminierung 1.3 offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkene 14

15 Oxidation von Alkenen Baeyer-Probe (cis-addition): zum Nachweis von Alkenen violett violett nach Beyer: Lehrbuch der organischen hemie (17. Aufl.), S. 71 Mangansäureester 1.3 offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkene Epoxidierung von Alkenen ½O 2 nach Zeeck: hemie für Mediziner (3.Aufl.) S. 195 Epoxid (sehr reaktiv) biochemisch wichtig toxikologisch wichtig O 2 Biosynthese von holesterin via Squalen-2,3-epoxid Lehninger, Nelson, ox: Prinzipien der Biochemie (2.Aufl.) S. 773 Benzpyren (Karzinogen) Zeeck: hemie für Mediziner (3.Aufl.) S offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkene 15

16 Polymerisation von Alkenen Verknüpfung von Monomeren, ohne Austritt von Spaltprodukten, radikalisch oder ionisch (je nach Bedingung), meist Kopf-Schwanz-Polymerisation ( ) n H 2 = H Vinylgruppe Y Monomer (-H 2 -H-) n Y Polymer Y = H Ethen ("Ethylen") Y = H 3 Propen ("Propylen") Y = l Vinylchlorid Y = N Acrylnitril Y = ɸ Styrol F 2 =F 2 Tetrafluorethen ("Tetrafluorethylen") H 2 =-H 3 Methacrylsäuremethylester O 2 H 3 H 2 =-H 3 2-Hydroxyethylmethacrylat O 2 -(H 2 ) 2 -OH UHMWPE (Prothesen), Polyethylen (Hostalen) Polypropylen (Implantate) PV (künstliche Blutgefäße) PAN, Dralon Styropor PTFE, Teflon, Gore-Tex (Implantate) PMMA (Knochenzement) Plexiglas PolyHEMA (Kontaktlinsen) 1.3 offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkene Addition an konjugierte Diene Unterschied zu isolierten Doppelbindungen: das konjugierte System verhält sich wie eine delokalisierte Δ Br 2 1,3-Butadien [ Mesomerie ] normale -: 154 nm Br Θ Vollhardt & Shore: organische hemie (5.Aufl.) S. 668 nach Zeeck: hemie für Mediziner (5.Aufl.) S. 181 thermodynamisch stabiler! weiteres Beispiel: n Isopren Kautschuk 1.3 offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkene 16

17 HEMIE FÜR MEDIZINER: Organische hemie, biochemisch wichtige Stoffklassen 1. GRUNDSTRUKTUREN 1.1 Bindungsverhältnisse beim Kohlenstoffatom 1.2 Reaktionstypen 1.3 Offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkane (Paraffine) Alkene (Olefine) Alkine 1.4 Alicyclische Verbindungen ycloalkane ycloalkene Kondensierte Ringsysteme 1.5 Aromaten Benzol und Derivate Kondensierte Ringsysteme 2. FUNKTIONELLE GRUPPEN 2.1 Alkohole 2.2 Phenole, hinone 2.3 Ether 2.4 Amine 2.5 Nitro- und Azoverbindungen, Nitrile 2.6 Thiole, Thioether, Disulfide, Sulfonsäuren 2.7 Aldehyde und Ketone 2.8 arbonsäuren 2.9 Funktionelle arbonsäurederivate arbonsäure-anhydride arbonsäure-ester arbonsäure-thioester arbonsäure-amide 2.10 Hydroxy- und Ketocarbonsäuren 2.11 Derivate Anorganischer Säuren Kohlensäure Phosphorsäure Schwefelsäure Salpetersäure Alkine H H Ethin (Acetylen): thermodynamisch instabil acides H 2 Na H 2 O Na Na Na - Acetylid H 2 = H - OH Vinyl - alkohol (Ethenyl - alkohol) 17

18 HEMIE FÜR MEDIZINER: Organische hemie, biochemisch wichtige Stoffklassen 1. GRUNDSTRUKTUREN 1.1 Bindungsverhältnisse beim Kohlenstoffatom 1.2 Reaktionstypen 1.3 Offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkane (Paraffine) Alkene (Olefine) Alkine 1.4 Alicyclische Verbindungen ycloalkane ycloalkene Kondensierte Ringsysteme 1.5 Aromaten Benzol und Derivate Kondensierte Ringsysteme 2. FUNKTIONELLE GRUPPEN 2.1 Alkohole 2.2 Phenole, hinone 2.3 Ether 2.4 Amine 2.5 Nitro- und Azoverbindungen, Nitrile 2.6 Thiole, Thioether, Disulfide, Sulfonsäuren 2.7 Aldehyde und Ketone 2.8 arbonsäuren 2.9 Funktionelle arbonsäurederivate arbonsäure-anhydride arbonsäure-ester arbonsäure-thioester arbonsäure-amide 2.10 Hydroxy- und Ketocarbonsäuren 2.11 Derivate Anorganischer Säuren Kohlensäure Phosphorsäure Schwefelsäure Salpetersäure ycloalkane yclopropan yclobutan yclopentan yclohexan Latscha/Klein: hemie für Mediziner (7.Aufl.) S. 246 Henning/Jugelt/Sauer: Praktische hemie (5.Aufl.) S. 167 wenn Abweichung vom Tetraederwinkel: Ringspannung (deshalb sind und besonders reaktiv) yclopentan und yclohexan sind nicht planar gebaut: verschiedene Konformere möglich 1.4 Alicyclische Verbindungen ycloalkane 18

19 Konformere des yclohexans Sesselform Wannenform Sesselform Zeeck: hemie für Mediziner (3.Aufl.) S. 156 Newman-Projektion Wannenform Sesselform ist stabiler als Wannenform: ΔG = 29 kj/mol 1.4 Alicyclische Verbindungen ycloalkane Monosubstituierte yclohexanderivate: 2 Sesselkonformere Umklappen erfolgt durch Drehung um --Einfachbindung: Konformere (a e, e a) Umklappen Sesselform 1 Sesselform 2 Zeeck: hemie für Mediziner (3.Aufl.) S. 157 axial equatorial Sterische Hinderung: e stabiler als a (X = H 3 : ΔG = +7.1 kj/mol; bei RT nicht trennbar) Krieg: hemie für Mediziner S Alicyclische Verbindungen ycloalkane 19

20 1,2-Disubstituierte yclohexanderivate Konfigurationsisomere Zeeck: hemie für Mediziner (3.Aufl.) S Alicyclische Verbindungen ycloalkane HEMIE FÜR MEDIZINER: Organische hemie, biochemisch wichtige Stoffklassen 1. GRUNDSTRUKTUREN 1.1 Bindungsverhältnisse beim Kohlenstoffatom 1.2 Reaktionstypen 1.3 Offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkane (Paraffine) Alkene (Olefine) Alkine 1.4 Alicyclische Verbindungen ycloalkane ycloalkene Kondensierte Ringsysteme 1.5 Aromaten Benzol und Derivate Kondensierte Ringsysteme 2. FUNKTIONELLE GRUPPEN 2.1 Alkohole 2.2 Phenole, hinone 2.3 Ether 2.4 Amine 2.5 Nitro- und Azoverbindungen, Nitrile 2.6 Thiole, Thioether, Disulfide, Sulfonsäuren 2.7 Aldehyde und Ketone 2.8 arbonsäuren 2.9 Funktionelle arbonsäurederivate arbonsäure-anhydride arbonsäure-ester arbonsäure-thioester arbonsäure-amide 2.10 Hydroxy- und Ketocarbonsäuren 2.11 Derivate Anorganischer Säuren Kohlensäure Phosphorsäure Schwefelsäure Salpetersäure 20

21 ycloalkene yclopenten yclohexen 1.4 Alicyclische Verbindungen ycloalkene HEMIE FÜR MEDIZINER: Organische hemie, biochemisch wichtige Stoffklassen 1. GRUNDSTRUKTUREN 1.1 Bindungsverhältnisse beim Kohlenstoffatom 1.2 Reaktionstypen 1.3 Offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkane (Paraffine) Alkene (Olefine) Alkine 1.4 Alicyclische Verbindungen ycloalkane ycloalkene Kondensierte Ringsysteme 1.5 Aromaten Benzol und Derivate Kondensierte Ringsysteme 2. FUNKTIONELLE GRUPPEN 2.1 Alkohole 2.2 Phenole, hinone 2.3 Ether 2.4 Amine 2.5 Nitro- und Azoverbindungen, Nitrile 2.6 Thiole, Thioether, Disulfide, Sulfonsäuren 2.7 Aldehyde und Ketone 2.8 arbonsäuren 2.9 Funktionelle arbonsäurederivate arbonsäure-anhydride arbonsäure-ester arbonsäure-thioester arbonsäure-amide 2.10 Hydroxy- und Ketocarbonsäuren 2.11 Derivate Anorganischer Säuren Kohlensäure Phosphorsäure Schwefelsäure Salpetersäure 21

22 Decalin (Decahydronaphthalin) e e e H e a stabiler, da Ringe e,e-verknüpft Ringe e,a-verknüpft Zeeck: hemie für Mediziner (3.Aufl.) S Alicyclische Verbindungen Kondensierte Ringsysteme Konfigurationsisomere: ΔG = 8,4 kj/mol α: aus Zeichenebene nach unten ß: aus Zeichenebene nach oben Medizinisch wichtig 3 Steran (Gonan-) Grundgerüst wichtige Positionen für Substituenten: 3, 10, 13, 17 Nor-: Verlust eines -Atoms in der Seitenkette (z.b. 19-Nor-) Steroide Einteilung der Steroide Sterine (Sterole): holesterol (Lipid) Gallensäuren: holsäure, henodesoxycholsäure Steroidhormone: hydrophob regulieren Genexpression (über DNAbindende Rezeptoren, z.b. Zinkfingerproteine) Nebennierenrindenhormone Glucocorticoide: ortisol Mineralcorticoide: Aldosteron Androgene Sexualhormone Östrogene: Östradiol (Ring A aromatisch) Gestagene: Progesteron Androgene: Testosteron D-Vitamine (D-Hormone): Steroidderivate (lichtinduzierte Spaltung von Ring B) Vitamin D 2 (Ergocalciferol) Vitamin D 3 (holecalciferol) Gifte: Herzglykoside, Sapogenine, Steroidalkaloide 1.4 Alicyclische Verbindungen Kondensierte Ringsysteme 22

23 Steroide: Konfigurationsisomerie Verknüpfung der Ringe A und B: selten cis Verknüpfung der Ringe A und B: meist trans 5ß B/ und /D trans A/B cis 5α A/B trans holestanol (thermodynamisch stabiler) B/ und /D trans Koprostanol holestanol ß selten α normal 1.4 Alicyclische Verbindungen Kondensierte Ringsysteme Δ 5 holesten 3 ol (ß) 27 H 46 O holesterol (holesterin) Erkrankungen Vorstufe für Gallensäuren und Steroidhormone Bestandteil von Zellmembranen und Myelinscheiden über Nahrung aufgenommen (z.b. Eigelb) holesterin zirkuliert im Blut Transport durch LDL und HDL Hypercholesterinämie (z.b. durch Muation im LDL-Rezeptor) Therapie: Diät, holesterinbiosynthesehemmer (Statine) 1.4 Alicyclische Verbindungen Kondensierte Ringsysteme 23

24 Gallensäuren amphipathische Strukturen: Micellenbildung, Lipidresorption im Duodenum, Lösungsvermittler für holesterin Θ Θ nach Löffler/Petrides: hemie und Pathobiochemie (5.Aufl.) S Θ Taurin Konjugation mit Glycin Θ Gallensäuren: 90% wieder im Ileum resorbiert (enterohepatischer Kreislauf) ca. 10% über Faeces ausgeschieden (einziger Weg zur Ausscheidung von holesterin) medizinisch wichtig Bei Hypercholesterinämie: Bindung von Gallensäuren an nicht resorbierbares Ionenaustauscherharz: holestyramin Gallensäuren vermehrt ausgeschieden: holesterinspiegel 1.4 Alicyclische Verbindungen Kondensierte Ringsysteme HEMIE FÜR MEDIZINER: Organische hemie, biochemisch wichtige Stoffklassen 1. GRUNDSTRUKTUREN 1.1 Bindungsverhältnisse beim Kohlenstoffatom 1.2 Reaktionstypen 1.3 Offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkane (Paraffine) Alkene (Olefine) Alkine 1.4 Alicyclische Verbindungen ycloalkane ycloalkene Kondensierte Ringsysteme 1.5 Aromaten Benzol und Derivate Kondensierte Ringsysteme 2. FUNKTIONELLE GRUPPEN 2.1 Alkohole 2.2 Phenole, hinone 2.3 Ether 2.4 Amine 2.5 Nitro- und Azoverbindungen, Nitrile 2.6 Thiole, Thioether, Disulfide, Sulfonsäuren 2.7 Aldehyde und Ketone 2.8 arbonsäuren 2.9 Funktionelle arbonsäurederivate arbonsäure-anhydride arbonsäure-ester arbonsäure-thioester arbonsäure-amide 2.10 Hydroxy- und Ketocarbonsäuren 2.11 Derivate Anorganischer Säuren Kohlensäure Phosphorsäure Schwefelsäure Salpetersäure 24

25 Grenzstrukturen von Benzol (Benzen) Stabilisierung delokalisierter π Systeme durch Mesomerie/Resonanz (Mesomerie: Verschiebung von Elektronen) Kekulé-Strukturen Latscha/Klein: hemie für Mediziner (7.Aufl.) S Aromaten Benzol und seine Derivate Stabilität von Aromaten Hydrierungsenthalpien H 2 ΔH = -120 kj/mol H 2 ΔH = -120 kj/mol 2 H 2 ΔH = -232 kj/mol (theoret. -240) 3 H 2 energieärmer als erwartet! ΔH = -208 kj/mol (theoret. -360) Δ = -150 kj/mol Stabilisierungsenergie 1.5 Aromaten Benzol und seine Derivate 25

26 Aromatische Systeme Benzol: -: 139 pm =: 133 pm -: 154 pm Zyklische KW, besonders stabil, konjugierte Doppelbindungen, planar gebaut, alle --Bindungen gleichwertig (sp 2 -hybridisiert) Hückel'sche Regel: (4n + 2) π-elektronen delokalisiertes π-system 1.5 Aromaten Benzol und seine Derivate Hückel'sche Regel aromatisch, wenn die Zahl der konjugierten π-elektronen = 4n + 2 Beispiel: n = 1: 6 π-elektronen n = 2: 10 π-elektronen n = 3: 14 π-elektronen Frage: Ist yclooctatetraen aromatisch? (zyklisch und enthält 4 konjugierte π-bindungen, d. h. 8 π-elektronen) nicht aromatisch (da 8 π-elektronen nicht konform mit Hückel'scher Regel) nicht planar gebaut Nicht alle zyklischen KW mit durchgehend konjugierten Doppelbindungen sind aromatisch, sondern nur diejenigen, die die Hückel'sche Regel erfüllen! Die Hückel'sche Regel gilt nicht für kondensierte Ringsysteme. 1.5 Aromaten Benzol und seine Derivate 26

27 Typisch für Aromaten: elektrophile Substitution Keine elektrophile Addition wie bei den Alkenen, da Verlust des energetisch günstigen Systems! Br + HBr Substitution + Br 2 Br Br Addition 1.5 Aromaten Benzol und seine Derivate Beispiele für elektrophile aromatische Substitutionen Zeeck: hemie für Mediziner (3.Aufl.) S Aromaten Benzol und seine Derivate 27

28 Elektrophile aromatische Substitution: S E Lewis-Säure als Katalysator -Br Θ mesomeriestabilisierter ϭ Komplex (nachweisbare Zwischenstufe): arbeniumion ( ) Br 2 Zeeck: hemie für Mediziner (5.Aufl.) S. 188 Medizinisch wichtiges Beispiel Iodierung von Tyrosylresten in Thyreoglobulin: Bildung von T 3 und T 4 durch Thyreoperoxidase (enthält Fe 3+ als Lewis-Säure: I 2 I - + I + ) Bildung von I 2 : H 2 O H + + 2I - 2 H 2 O + I Aromaten Benzol und seine Derivate Mehrfachsubstitutionen Zeeck: hemie für Mediziner (3.Aufl.) S Aromaten Benzol und seine Derivate 28

29 Nomenklatur: Aryl- bzw. Alkylreste Φ (Arylrest) (Alkylrest) (Arylrest) Zeeck: hemie für Mediziner (5.Aufl.) S Aromaten Benzol und seine Derivate HEMIE FÜR MEDIZINER: Organische hemie, biochemisch wichtige Stoffklassen 1. GRUNDSTRUKTUREN 1.1 Bindungsverhältnisse beim Kohlenstoffatom 1.2 Reaktionstypen 1.3 Offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkane (Paraffine) Alkene (Olefine) Alkine 1.4 Alicyclische Verbindungen ycloalkane ycloalkene Kondensierte Ringsysteme 1.5 Aromaten Benzol und Derivate Kondensierte Ringsysteme 2. FUNKTIONELLE GRUPPEN 2.1 Alkohole 2.2 Phenole, hinone 2.3 Ether 2.4 Amine 2.5 Nitro- und Azoverbindungen, Nitrile 2.6 Thiole, Thioether, Disulfide, Sulfonsäuren 2.7 Aldehyde und Ketone 2.8 arbonsäuren 2.9 Funktionelle arbonsäurederivate arbonsäure-anhydride arbonsäure-ester arbonsäure-thioester arbonsäure-amide 2.10 Hydroxy- und Ketocarbonsäuren 2.11 Derivate Anorganischer Säuren Kohlensäure Phosphorsäure Schwefelsäure Salpetersäure 29

30 Kondensierte (anellierte, mehrkernige) Ringsysteme Naphthalin Wachter/Hausen: hemie für Mediziner (7. Auflage), S Aromaten Kondensierte Ringsysteme HEMIE FÜR MEDIZINER: Organische hemie, biochemisch wichtige Stoffklassen 1. GRUNDSTRUKTUREN 1.1 Bindungsverhältnisse beim Kohlenstoffatom 1.2 Reaktionstypen 1.3 Offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkane (Paraffine) Alkene (Olefine) Alkine 1.4 Alicyclische Verbindungen ycloalkane ycloalkene Kondensierte Ringsysteme 1.5 Aromaten Benzol und Derivate Kondensierte Ringsysteme 2. FUNKTIONELLE GRUPPEN 2.1 Alkohole 2.2 Phenole, hinone 2.3 Ether 2.4 Amine 2.5 Nitro- und Azoverbindungen, Nitrile 2.6 Thiole, Thioether, Disulfide, Sulfonsäuren 2.7 Aldehyde und Ketone 2.8 arbonsäuren 2.9 Funktionelle arbonsäurederivate arbonsäure-anhydride arbonsäure-ester arbonsäure-thioester arbonsäure-amide 2.10 Hydroxy- und Ketocarbonsäuren 2.11 Derivate Anorganischer Säuren Kohlensäure Phosphorsäure Schwefelsäure Salpetersäure 30

31 Einführung von Heteroatomen bedingt Reaktivität S O N Se unterschiedliche Elektronegativitäten: H < Se < = S < N < O Häm, ytochrome, Vit B 12, hlorophyll Histidin Nicotinsäure, NAD, Vit B 6 Nucleinsäuren Biochemisch wichtige Heterocyclen (aromatische Systeme) Vit B 1 (Thiamin) Heteroatome: N, S Häm, ytochrome Tryptophan Nucleinsäuren und Nucleotidderivate, Harnsäure, offein Isoalloxazin Vit B 2 (Riboflavin), FMN, FAD Folsäure 31

32 Heterocycloaliphaten nach Krieg: hemie für Mediziner (5. Aufl.), S. 203 (Pyrrolidin) Prolin Eigenschaften sind vergleichbar mit analogen offenkettigen Verbindungen, d.h. mit Ethern bzw. sek. Aminen. Basizität von N-Heterocyclen Imidazol Pyrrol X Pyrrol, Indol und Porphin wirken als schwache Säuren! Θ Pyridin Pyrimidin Krieg: hemie für Mediziner (5. Aufl.), S

33 Pyrrol Biochemisch wichtige Derivate: hlorophyll, ytochrome, Häm; yanocobalamin (Vit B 12 ) (Vorstufe: Uroporphyrinogen) durch Hydrierung: Tetrahydropyrrol (Pyrrolidin): Prolin Zeeck: hemie für Mediziner (3.Aufl.) S Pyrrol Zeeck: hemie für Mediziner (3.Aufl.) S. 302 Indol Biochemisch/pharmakologisch wichtige Derivate: Tryptophan, Strychnin, LSD hydrophobe WW (Alkaloid der Brechnuss) Zeeck: hemie für Mediziner (5.Aufl.) S Indol 33

34 Imidazol Biochemisch wichtiges Derivat: Histidin Zeeck: hemie für Mediziner (3.Aufl.) S Imidazol Thiazol Biochemisch/medizinisch wichtige Derivate: Thiamin (Vit B 1 ): oenzym bei Decarboxylierungen Vorkommen: Getreide, Leber, Herz, Nieren (meist als Thiaminpyrophosphat) Penicillin Thiazol Thiamin Zeeck: hemie für Mediziner (7.Aufl.) S. 385 Zeeck: hemie für Mediziner (3.Aufl.) S. 310 R R nach Deprotonierung entsteht arbanion: I R Thiazol 34

35 Thiophan Biochemisch/medizinisch wichtige Derivate: Biotin: oenzym für arboxylierungen (z.b. Acetyl-oA-arboxylase) Vorkommen: Leber, Nieren, Eigelb, Hefe arboxylierung nach Löffler/Petrides: Biochemie und Pathobiochemie (5.Aufl.) S Thiophan Pyridin Biochemisch wichtige Derivate: Nicotinsäure (Niacin), Nicotinsäureamid (Niacinamid) Umwandlung zu NAD und NADP : oenzym für Redoxreaktionen (z.b. Dehydrogenasen) Vorkommen: Hefe, Fleisch, Leber (Niacin) Hydridübertragung Zeeck: hemie für Mediziner (3.Aufl.) S. 303 Zeeck: hemie für Mediziner (5.Aufl.) S Pyridin 35

36 Pyridin Biochemisch wichtige Derivate: Pyridoxin (Vit B 6 -Gruppe): oenzym für Transaminasen und Decarboxylasen Vorkommen: Hefe, Weizen, Mais, Leber Löffler/Petrides: Biochemie und Pathobiochemie (5.Aufl.) S Pyridin Pyrimidin Biochemisch/pharmakologisch wichtige Derivate: Nucleinsäuren, Barbitursäure Zeeck: hemie für Mediziner (5.Aufl.) S. 340 ß γ δ α Tautomerie Barbitursäure δ-lactam (cycl. Amid) (Lactimform) Veronal Pyrimidin Zeeck: hemie für Mediziner (3.Aufl.) S

37 Purin Biochemisch wichtige Derivate: Nucleinsäure, offein, Harnsäure GTP: Energielieferant ATP (Energielieferant), NAD (Übertragung von H Θ ), oa (Übertragung von Acylgruppen), PAPS (Übertragung von Sulfatgruppen), camp (Signaltransduktion), SAM (Übertragung von Methylgruppen) Purinabbau 10% der Harnsteine (Uratsteine) Gicht (Hyperuricämie) Zeeck: hemie für Mediziner (5.Aufl.) S. 341 Zeeck: hemie für Mediziner (3. Aufl.) S Purin Pteridin Biochemisch wichtige Derivate: Folsäure (oenzym bei 1 -Übertragung) Vorkommen: Leber, Nieren, Hefe, dunkelgrünes Blattgemüse Zeeck: hemie für Mediziner (5.Aufl.) S Pteridin 37

38 Biochemisch wichtige Derivate: Isoalloxazin Riboflavin (Vit B 2 ) Bestandteil der oenzyme FMN und FAD (H-Übertragungen; z.b. Dehydrogenasen) biologisch aktive Form: Riboflavinphosphat Vorkommen: Milch, Leber, Nieren, Herz, Weizenkeime Isoalloxazin gelb H-Übertragung Zeeck: hemie für Mediziner (5.Aufl.) S. 345 HEMIE FÜR MEDIZINER: Organische hemie, biochemisch wichtige Stoffklassen 1. GRUNDSTRUKTUREN 1.1 Bindungsverhältnisse beim Kohlenstoffatom 1.2 Reaktionstypen 1.3 Offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkane (Paraffine) Alkene (Olefine) Alkine 1.4 Alicyclische Verbindungen ycloalkane ycloalkene Kondensierte Ringsysteme 1.5 Aromaten Benzol und Derivate Kondensierte Ringsysteme 2. FUNKTIONELLE GRUPPEN 2.1 Alkohole 2.2 Phenole, hinone 2.3 Ether 2.4 Amine 2.5 Nitro- und Azoverbindungen, Nitrile 2.6 Thiole, Thioether, Disulfide, Sulfonsäuren 2.7 Aldehyde und Ketone 2.8 arbonsäuren 2.9 Funktionelle arbonsäurederivate arbonsäure-anhydride arbonsäure-ester arbonsäure-thioester arbonsäure-amide 2.10 Hydroxy- und Ketocarbonsäuren 2.11 Derivate Anorganischer Säuren Kohlensäure Phosphorsäure Schwefelsäure Salpetersäure 38

39 Alkohole: -OH Endung -ol OH OH OH primär sekundär tertiär nach Krieg: hemie für Mediziner (5.Aufl.) S Funktionelle Gruppen 2.1 Alkohole Alkohole: physikalische Eigenschaften Ausbildung von H-Brücken: Siedepunkt wesentlich höher als bei den homologen Alkanen. Dichte (bis 10 ) geringer als Wasser Löslichkeit in Wasser: abhängig von der Länge des hydrophoben Restes (R) R - OH hydrophob (lipophil) hydrophil δ+ H-Brücke δ- Krieg: hemie für Mediziner (5.Aufl.) S Funktionelle Gruppen 2.1 Alkohole 39

40 Alkohole: amphoterer harakter vergleichbar mit Wasser Alkohole als Basen Alkohole als Säuren (K s = ) Zeeck: hemie für Mediziner (5.Aufl.) S Funktionelle Gruppen 2.1 Alkohole Oxidation von Alkoholen H 2 O -2H (Alkohol dehydriert) nach Zeeck: hemie für Mediziner (3.Aufl.) S Funktionelle Gruppen 2.1 Alkohole 40

41 Oxidation von Alkoholen Beispiel Dehydrierung von i-propanol zu Aceton 0 H 3 -H-H 3 OH +6 r 2 O e H + Ox Red +2 H 3 -O-H H e r H 2 O 3 H 3 -HOH-H 3 + r 2y O H + 3 H 3 -O-H r H 2 O Beispiel früherer Nachweis in Alkotest -Röhrchen 3 2 H 5 -OH + K 2 r 2 O H 2 SO 4 orange 3 H 3 -HO + K 2 SO 4 + r 2 (SO 4 ) H 2 O blaugrün 2. Funktionelle Gruppen 2.1 Alkohole Oxidation von Alkoholen Beispiel Oxidation von Ethanol durch ADH (NAD als Kofaktor) -1 H 3 -H 2 -OH Ox +1 H 3 -O-H + 2 H e - -1 O-NH 2 N +1-3R H e - Red H H -2 O-NH 2 0 N 0-3 R ADH H 3 -H 2 -OH + NAD + H 3 -O-H + NADH/H + 2. Funktionelle Gruppen 2.1 Alkohole 41

42 Wasserabspaltung bei Alkoholen intramolekular intermolekular Krieg: hemie für Mediziner (5.Aufl.) S Funktionelle Gruppen 2.1 Alkohole Biochemisch wichtige Alkohole Methanol: H 3 -OH toxisch Blindheit (Formaldehyd Ameisensäure: metabolische Acidose Schädigung des Sehnerven) Ethanol: H 3 -H 2 -OH in geringen Menge genießbar, alkoholische Gärung: 6 H 12 O 6 2 EtOH + 2 O 2 "vergällen" (Spiritus): ungenießbar durch Zugabe von Py, KW etc. Ethylenglykol: HO-H 2 -H 2 -OH unerlaubte Süssung von Wein, Frostschutz ( Oxidation zu Oxalat: Harnsperre) Glycerol (Glycerin): HO-H 2 -H(OH)-H 2 -OH Bestandteil von Lipiden holesterol (holesterin): holesten-3-ol, Membranbestandteil 2. Funktionelle Gruppen 2.1 Alkohole 42

43 HEMIE FÜR MEDIZINER: Organische hemie, biochemisch wichtige Stoffklassen 1. GRUNDSTRUKTUREN 1.1 Bindungsverhältnisse beim Kohlenstoffatom 1.2 Reaktionstypen 1.3 Offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkane (Paraffine) Alkene (Olefine) Alkine 1.4 Alicyclische Verbindungen ycloalkane ycloalkene Kondensierte Ringsysteme 1.5 Aromaten Benzol und Derivate Kondensierte Ringsysteme 2. FUNKTIONELLE GRUPPEN 2.1 Alkohole 2.2 Phenole, hinone 2.3 Ether 2.4 Amine 2.5 Nitro- und Azoverbindungen, Nitrile 2.6 Thiole, Thioether, Disulfide, Sulfonsäuren 2.7 Aldehyde und Ketone 2.8 arbonsäuren 2.9 Funktionelle arbonsäurederivate arbonsäure-anhydride arbonsäure-ester arbonsäure-thioester arbonsäure-amide 2.10 Hydroxy- und Ketocarbonsäuren 2.11 Derivate Anorganischer Säuren Kohlensäure Phosphorsäure Schwefelsäure Salpetersäure Phenole, Hydrochinone: Ar-OH aromatische Alkohole (direkt an Benzolkern gebunden) nach Zeeck: hemie für Mediziner (5.Aufl.) S Funktionelle Gruppen 2.2 Phenole, hinone 43

44 Mesomerie-Stabilisierung des Phenols Zeeck: hemie für Mediziner (5.Aufl.) S M-Effekt (e-schub bezüglich aromat. Ring): erleichterte elektrophile aromat. Substitution (in o- und p-stellung) im Vergleich zu Benzol 2. Funktionelle Gruppen 2.2 Phenole, hinone Mesomerie des Phenolat-Ions nach Krieg: hemie für Mediziner (5.Aufl.) S. 220 Phenole reagieren deshalb saurer als Alkohole (pk s (Phenol) = 10; pk s (Alkohol) = 16). Elektrophile aromatische Substitutionen in o- und p-stellung begünstigt. 2. Funktionelle Gruppen 2.2 Phenole, hinone 44

45 hinone entstehen nach Oxidation von Dihydroxyaromaten (o- bzw. p-substituiert) Ox Hydrochinon hinon 1:1-Additionsverbindung: hinhydron (korrespondierendes Redoxpaar) Das Redoxpotential dieses Redoxpaares ist ph-abhängig (hinhydronelektrode): (Nernst'sche Gleichung) nach Krieg: hemie für Mediziner (5.Aufl.) S. 220 wichtige hinone: nach Krieg: hemie für Mediziner (5.Aufl.) S. 219 hinoide Systeme (konjugierte Δ) 2. Funktionelle Gruppen 2.2 Phenole, hinone Biochemisch wichtige Phenole und hinone (1) Dopamin Adrenalin Tyrosin Vitamin K 2 (Phyllochinone) Kofaktoren bei arboxylierungen (z.b. Faktor VII) nach Krieg: hemie für Mediziner (5.Aufl.) S Funktionelle Gruppen 2.2 Phenole, hinone 45

46 Biochemisch wichtige Phenole und hinone (2) n=6-10 Ubichinon (oq) H-Akzeptor in der Atmungskette Ubichinol (oqh 2 ) nach Lehninger/Nelson/ox:: Prinzipien der Biochemie (2.Aufl.) S. 631 Vitamin E (Tocopherole) HO α-tocopherol + H 2 O Tocochinon + 2H + 2e - (via α-tocopherolhydrochinon) Radikalfänger ROO ʘ + Tocopherol-OH ROOH + Tocopherol-O ʘ -Tocopherol nach Löffler/Petrides: Biochemie und Pathobiochemie (5.Aufl.) S Funktionelle Gruppen 2.2 Phenole, hinone Pflanzliche Phenole und hinone relativ häufig; z.b. Gerb-, Farb- und Geruchsstoffe nach Latscha/Klein: hemie für Mediziner (7.Aufl.) S. 293, 294, Funktionelle Gruppen 2.2 Phenole, hinone 46

47 HEMIE FÜR MEDIZINER: Organische hemie, biochemisch wichtige Stoffklassen 1. GRUNDSTRUKTUREN 1.1 Bindungsverhältnisse beim Kohlenstoffatom 1.2 Reaktionstypen 1.3 Offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkane (Paraffine) Alkene (Olefine) Alkine 1.4 Alicyclische Verbindungen ycloalkane ycloalkene Kondensierte Ringsysteme 1.5 Aromaten Benzol und Derivate Kondensierte Ringsysteme 2. FUNKTIONELLE GRUPPEN 2.1 Alkohole 2.2 Phenole, hinone 2.3 Ether 2.4 Amine 2.5 Nitro- und Azoverbindungen, Nitrile 2.6 Thiole, Thioether, Disulfide, Sulfonsäuren 2.7 Aldehyde und Ketone 2.8 arbonsäuren 2.9 Funktionelle arbonsäurederivate arbonsäure-anhydride arbonsäure-ester arbonsäure-thioester arbonsäure-amide 2.10 Hydroxy- und Ketocarbonsäuren 2.11 Derivate Anorganischer Säuren Kohlensäure Phosphorsäure Schwefelsäure Salpetersäure Ether: R-O-R' weniger hydrophil als Alkohole, keine H-Brücken: meist keine Mischbarkeit mit Wasser (A: Dioxan, THF) Siedepunkt unter denen isomerer Alkohole (vergleichbar mit Alkanen) symmetrische Ether cyclische Ether unsymmetrische Ether THF nach Zeeck: hemie für Mediziner (5.Aufl.) S. 209 nach Zeeck: hemie für Mediziner (5.Aufl.) S Funktionelle Gruppen 2.3 Ether 47

48 Ether: chemische Eigenschaften (1) Ether sind schwache Basen Zeeck: hemie für Mediziner (3.Aufl.) S. 194 Oxidation mit Luftsauerstoff/Licht hν Zeeck: hemie für Mediziner (3.Aufl.) S. 194 (in fester Form explosiv) 2. Funktionelle Gruppen 2.3 Ether Ether: chemische Eigenschaften (2) oxidativer Abbau von Δ durch Hydroxylasen über Epoxide O 2 nach Zeeck: hemie für Mediziner (3.Aufl.) S. 195 toxikologisch wichtig (Karzinogen) Zeeck: hemie für Mediziner (3.Aufl.) S Funktionelle Gruppen 2.3 Ether 48

49 Medizinisch und toxikologisch wichtige Ether Inhalationsnarkotika H 3 - H 2 -O-H 2 -H 3 "Äther" nach Zeeck: hemie für Mediziner (5.Aufl.) S. 210 (Entlaubungsmittel) (Kontaktherbizid) nach Zeeck: hemie für Mediziner (5.Aufl.) S Funktionelle Gruppen 2.3 Ether HEMIE FÜR MEDIZINER: Organische hemie, biochemisch wichtige Stoffklassen 1. GRUNDSTRUKTUREN 1.1 Bindungsverhältnisse beim Kohlenstoffatom 1.2 Reaktionstypen 1.3 Offenkettige Kohlenwasserstoffe Alkane (Paraffine) Alkene (Olefine) Alkine 1.4 Alicyclische Verbindungen ycloalkane ycloalkene Kondensierte Ringsysteme 1.5 Aromaten Benzol und Derivate Kondensierte Ringsysteme 2. FUNKTIONELLE GRUPPEN 2.1 Alkohole 2.2 Phenole, hinone 2.3 Ether 2.4 Amine 2.5 Nitro- und Azoverbindungen, Nitrile 2.6 Thiole, Thioether, Disulfide, Sulfonsäuren 2.7 Aldehyde und Ketone 2.8 arbonsäuren 2.9 Funktionelle arbonsäurederivate arbonsäure-anhydride arbonsäure-ester arbonsäure-thioester arbonsäure-amide 2.10 Hydroxy- und Ketocarbonsäuren 2.11 Derivate Anorganischer Säuren Kohlensäure Phosphorsäure Schwefelsäure Salpetersäure 49

50 Amine: -NH 2, -NHR, -NRR' Derivate von NH 3 R Riechen z. T. unangenehm (fischig)! primär sekundär tertiär quartäres Ammoniumsalz N Methylamin Dimethylamin Trimethylamin N Anilin Piperidin Pyridin Pyridiniumkation nach Zeeck: hemie für Mediziner (5.Aufl.) S. 219, Funktionelle Gruppen 2.4 Amine Amine sind (Lewis-) Basen R-NH 2 + H 2 O R-NH 3 + OH - K B = [RNH 3+ ] [OH - ] [RNH 2 ] Amine bilden mit Säuren Salze: H 3 -NH 2 + Hl H 3 -NH 3 l Θ pk S + pk B = 14 + I -M -M Krieg: hemie für Mediziner (5.Aufl.) S Funktionelle Gruppen 2.4 Amine 50

51 Basizität von Aminen verschiedene induktive (I) und mesomere (M) Effekte +I-Effekt (e-schub): z.b. H 3 erhöhte Basizität im Vergleich zu NH 3 -M-Effekt (e-sog durch Mesomerie): z.b. sind aromatische Amine schwächer basisch als NH 3 : Base Dimethylamin Methylamin Ammoniak Anilin pk B 3,29 3,36 4,76 9,42 Anilin arbonsäureamide und Sulfonamide sind nicht mehr basisch (sondern neutral): nach Latscha/Klein: hemie für Mediziner (7.Aufl.) S. 302, Funktionelle Gruppen 2.4 Amine Toxikologisch wichtig Gesundheitsgefährdung durch N-Nitrosamine Sekundäre Amine bilden mit HNO 2 (Salpetrige Säure, Nitrite) Nitrosamine: cancerogen (z.b. Bildung im Magen aus Nitriten) Wachter/Hausen: hemie für Mediziner (7. Aufl.) S. 338 Primäre Amine bilden mit HNO 2 Diazonium-Verbindungen. (siehe Kapitel 2.5) 2. Funktionelle Gruppen 2.4 Amine 51

52 Nucleophile Substitution (S N ) typische Reaktion bei Aminen: Amine = Nucleophile + X Θ z.b. R 3 N Substrat Produkt Abgangsgruppe Zeeck: hemie für Mediziner (5.Aufl.) S. 224 S N -Reaktionen sind sehr häufige Reaktionen in der organischen hemie/biochemie! Weitere wichtige Nucleophile (absteigende Nucleophile): RNH 2 > ROH > H 2 O H S Θ > I Θ > R O Θ > H O Θ 2. Funktionelle Gruppen 2.4 Amine Nucleophile Substitution (S N ) 2 Reaktionsmöglichkeiten: S N 1 bzw. S N 2 Molekularität (Reaktionsordnung des geschwindigkeitsbestimmenden Schritts) S N 1: 1. Ordng. langsam Nu Nu schnell wenn chirales -Atom (4 verschiedene Substituenten): Razenat entsteht (1:1 Gemisch von Bild und Spiegelbild) stabile Zwischenstufe: sp 2 Nu S N 2: + 2. Ordng. langsam schnell sp 3 Übergangszustand: sp 2 + p z wenn chiral (4 verschiedene Substituenten): Konfigurationsumkehr (Walden'sche Umkehr) Spiegelbild entsteht 2. Funktionelle Gruppen 2.4 Amine 52