Prof. Dr. Andreas Speicher

Transkript

1 Vorlesung Teil 2: rganische Chemie Prof. Dr. Andreas Speicher Universität des Saarlandes rganische Chemie Campus C4 2, 4.05 Postfach Saarbrücken Saarbrücken Tel.: Fax.: Sprechstunde: nach Vorlesung, im Praktikum 1

2 Vorlesungsplan Zeek, 7. Aufl.: C rganische Chemie Chemie des Kohlenstoffs 11.1 C Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane , 13.5 C Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene Uhr: Sicherheitsbelehrung zum Praktikum, Infos C (3.) Polyene und Polymerisation C Aromaten und Alkine 11.6/7 C Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen C Amine; 7. Nucleophile Substitution, 8. eterocyclen 13.4/6, C Carbonylverbindungen: Aldehyde, Ketone, Chinone 14., 15. C Carbonsäuren und Carbonsäure-Derivate 16. C Stereochemie und Stereoselektivität 18. C Kohlenhydrate I Klausur 1 C Kohlenhydrate II 20. C Aminosäuren, Peptide, Proteine 19. C Stofftrennung und Spektroskopie 5.6, 22. C Reaktionskinetik 12. C Derivate anorganischer Säuren; 17. Nucleinsäuren 17. ; Klausur 2 C Weitere medizinisch relevante Verbindungen, W/Übung diverse 2

3 Bücher zu Vorlesung und Praktikum: Urban & Fischer 5. Auflage 2003, ISBN: Auflage 2005/2006, ISBN: Auflage 2010, ISBN: EUR 35,95 Urban & Fischer 1. Auflage 2008 ISBN-13: EUR 15,95 3

4 Bücher zu Vorlesung und Praktikum: Pearson 2008 ISBN EUR 49,95 de Gruyter, 9. Auflage 2008 ISBN EUR 29,95 4

5 Bücher zu Vorlesung und Praktikum: Schatz, Tammer Erste ilfe 1. Auflage Auflage 2012 Springer ISBN EUR 34,95 Institut für medizinische und pharmazeutische Prüfungsfragen (IMPP) Gegenstandskatalog Chemie/Biochemie 5

6 Bücher zu Vorlesung und Praktikum: McMurry, Begley: rganische Chemie der biologischen Stoffwechselvorgänge Elsevier 2006 ISBN-13: EUR 59,50 (Amazon: 24,95) Gossauer: Struktur und Reaktivität der Biomoleküle Wiley-VC 2006 ISBN-13: EUR 75,00 (Amazon: 59,90) 6

7 1. rganische Chemie Die Chemie des Kohlenstoffs Anorganische Chemie rganische Chemie Na Cl Na Cl Cl Cl Na Na Cl Cl Na Na Na Na Cl Na Cl Na Cl Na Na Cl Cl Cl Cl Cl Na Cl Na Cl Cl Na Cl Na Cl Na Cl Na Na Na Na Cl Na Cl Cl Na Na NaCl Cl Cl Cl Na Cl Na Cl Na Cl Na Cl Na Cl Na? NaCl (Kochsalz) DNS (Desoxyribonukleinsäure) 7

8 1. rganische Chemie Die Chemie des Kohlenstoffs Anorganisch rganisch Friedrich Wöhler 1828 Mineralische Materie alle Elemente Ionen (-bindungen) Kristalle schnelle Reaktionen Lebende Materie C,,, N, S, P, al kovalente Bindungen auch unpolare Verbindungen langsame Reaktionen 8

9 1. rganische Chemie Die Chemie des Kohlenstoffs Der Kohlenstoff Nichtmetall vierwertig, kovalente Bindungen 9

10 1. rganische Chemie Die Chemie des Kohlenstoffs Chemische Bindung mit Kohlenstoff Elektronenkonfiguration des Kohlenstoffs: ybridisierungen: Grundzustand: 1s 2, 2s 2, 2p 2 nur zweiwertig, kein ktett angeregter Zustand: 1s 2, 2s 1, 2p 3 vierwertig 10

11 1. rganische Chemie Die Chemie des Kohlenstoffs sp 3 -ybridisierung: 2s + 2p x + 2p y + 2p z vier sp 3 -rbitale verbleibt: tetraedrisch 11

12 1. rganische Chemie Die Chemie des Kohlenstoffs sp 2 -ybridisierung: 2s + 2p x + 2p y drei sp 2 -rbitale verbleibt: 2p z trigonal planar von oben von der Seite P. Bruice, rganische Chemie, Pearson Studium

13 1. rganische Chemie Die Chemie des Kohlenstoffs sp-ybridisierung: 2s + 2p x zwei sp-rbitale verbleiben: 2p y + 2p z linear P. Bruice, rganische Chemie, Pearson Studium

14 1. rganische Chemie Die Chemie des Kohlenstoffs Die Vielfalt. der Kohlenstoff-Verbindungen: Kohlenstoff ist vierwertig 3 verschiedene ybridisierungen und Geometrien am C kovalente Bindungen zu vielen Elementen des PSE*) Einfach- und Mehrfachbindungen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen *) biologisch relevante Verbindungen:,, N, P, S, al... der Reaktionen von Kohlenstoff-Verbindungen: unterschiedliche Polarität der Bindungen zum Kohlenstoff Reaktionen über C-Kationen, C-Anionen und C-Radikale 14

15 1. rganische Chemie Die Chemie des Kohlenstoffs Die Vielfalt der Kohlenstoff-Verbindungen: Funktionelle Gruppen Verbindungsklassen 15

16 1. rganische Chemie Die Chemie des Kohlenstoffs Glykogen Proteine DNS 16

17 2. Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane 2.1 Struktur und Eigenschaften Das Methan: C 4 Kugel-Stab-Modell Kalottenmodell Moleküloberfläche 17

18 2. Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane 2.1 Struktur und Eigenschaften Lineare Alkane C n 2n+2 omologe Reihe: C n 2n+2 18

19 2. Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane 2.1 Struktur und Eigenschaften Anzahl C Name Summenformel Schmp. [ C] Sdp. [ C] bei 20 C 1 Methan C Gas 2 Ethan C Gas 3 Propan C Gas 4 Butan C Gas 5 Pentan C flüssig 6 exan C flüssig 7 eptan C flüssig 8 ctan C flüssig 9 Nonan C flüssig 10 Decan C flüssig 11 Undecan C flüssig 12 Dodecan C flüssig Erdgas Gase Petrolether Benzin Diesel 20 Eicosan C fest Wachs Brennstoffe, Lösemittel, Salbengrundlage (Vaseline) 19

20 2. Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane 2.1 Struktur und Eigenschaften Konstitution: Gerüstisomerie ab Butan Summenformel C 3 8 C 4 10 C 5 12 C 6 14 C 7 16 C 8 18 C Zahl der Isomeren

21 2. Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane 2.1 Struktur und Eigenschaften Nomenklatur: Alkylreste / Alkylsubstituenten C 3 3 C C 2 3 C C 2 C 2 Methyl Ethyl n-propyl 3 C C C 3 Isopropyl primäres C: mit 0 oder 1 C verbunden 3 C C 2 C 2 C 2 3 C C 2 C C 3 n-butyl sek-butyl sekundäres C: mit 2 C verbunden tertiäres C: mit 3 C verbuden 3 C C C 2 C 3 Isobutyl 3 C C C 3 C 3 tert-butyl 21

22 2. Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane 2.1 Struktur und Eigenschaften Nomenklatur: Grundregeln für Alkane 22

23 2. Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane 2.1 Struktur und Eigenschaften Übungsaufgaben: Benennen Sie folgende Verbindungen: 3 C C 2 C 2 C C 2 C 2 C 3 C 2 C 2 C 2 C 3 3 C C 2 C 2 C C 2 C C 3 C 2 C 2 C 3 C 3 C 2 C 3 C 3 3 C C 2 C C 2 C 2 C C C 2 C 3 C 2 C 2 C 3 C 3 Zeichnen Sie folgende Verbindung: 6-Ethyl-2,2,4-trimethyl-4-propyloctan 23

24 2. Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane 2.1 Struktur und Eigenschaften Übungsaufgaben: Benennen Sie folgende Verbindungen: 4-(1-Propyl)octan n-propyl 4-(2-Propyl)octan isopropyl 3,3,6-Triethyl-7-methylnonan Zeichnen Sie folgende Verbindung: 6-Ethyl-2,2,4-trimethyl-4-propyloctan 24

25 2. Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane 2.1 Struktur und Eigenschaften Konformation: Drehung um s-bindungen s-bindung: Ethan: rbitalüberlappung auf der Verbindungsachse der Atome s-anteil der beteiligten rbitale (sp 3, sp 2, sp) Drehung um Einfachbindung: Konformationen Energieunterschiede 25

26 2. Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane 2.1 Struktur und Eigenschaften Konformationen: Kalottenmodelle: 26

27 2. Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane 2.1 Struktur und Eigenschaften Konformationen: Ethan Torsionsenergie in Abhängigkeit vom Torsionswinkel 27

28 2. Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane 2.1 Struktur und Eigenschaften Die gestaffelte Konformation ist um 12.5 kj/mol energieärmer! Warum? 60 0 gestaffelt ekliptisch 255 pm 229 pm van-der-waals-abstoßung Ist das viel? Eyring-Gleichung: k k T B e h - G RT Rechnung: bei 25 C sind ~ 3, Drehungen pro s möglich!! 12.5 kj/mol 28

29 2. Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane 2.1 Struktur und Eigenschaften Konformationen des n-butan: 29

30 2. Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane 2.1 Struktur und Eigenschaften n-butan: C 3 C 3 C 3 C 3 C 3 C 3 C 3 3 C C 3 C 3 C 3 3 C C 3 C 3 energetisch günstig : gauche anti gauche Beliebig viele Konformationen (Rotamere), Minima und Maxima Konformere: Rotamere in einem Energietal 30

31 2. Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane 2.1 Struktur und Eigenschaften n-decan Konformation(en) und Schreibweisen Räumliche Gestalt großer Moleküle 31

32 2. Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane 2.1 Struktur und Eigenschaften Übungsaufgaben: Benennen Sie folgende Verbindungen: 4-(1-Propyl)octan n-propyl 4-(2-Propyl)octan isopropyl 3,3,6-Triethyl-7-methylnonan Zeichnen Sie folgende Verbindung: 6-Ethyl-2,2,4-trimethyl-4-propyloctan 32

33 Wiederholung: Chemie des Kohlenstoffs, Alkane Kohlenstoff: C ist vierwertig ybridisierungen und Geometrien C-C -Bindungen Methan Ethan Propan Butan Pentan Alkane: homologe Reihe Konstitutionsisomere (Nomenklatur) Konformationen und Konformere Polyalkan 33

34 2.2 Cyclische Alkane Cycloalkane durch Ringschluss homologe Reihe C n 2n keine anti-konformationen Torsionsspannung ungünstige Bindungswinkel Winkelspannung Ringspannung Geometrischer Bindungswinkel bei ebener (planarer) Struktur: Moleküle optimieren ihre Geometrie 34

35 2.2 Cyclische Alkane Cyclohexan: Cyclohexan nicht planar Sesselkonformation : alle Bindungswinkel ~110 an allen Bindungen gestaffelt und gauche-konformation! Ringspannung ~0 kj/mol! axiale und äquatoriale Substituenten ber- und Unterseite 35

36 2.2 Cyclische Alkane Cyclohexan: Drehung um Einfachbindungen Konformationen? keine Winkelspannung, aber: zwei C-C -Bindungen ekliptisch Torsionsspannung + 1,4-Repulsion (180 pm) energiereicher als Sessel (25 kj/mol) kein Konformer Sesselformen (1+2) energetisch günstig Konformere Jeder Substituent ändert von Sesselform 1 nach Sesselform 2 seine räumliche Lage von äquatorial zu axial und umgekehrt ( Durchklappen ) 36

37 2.2 Cyclische Alkane Cyclohexan mit einem Substituenten: 3D-Bild: Axiale Position 3D: Equatoriale Position Ein Substituent R passt besser in equatoriale Position Je größer der Substituent R, umso eher DG 0 = R T ln K günstiger um: R = C 3 : 7.1 kj/mol (95 : 5) R = tert-butyl: 18.9 kj/mol (99.9 : 0.1) 37

38 2.2 Cyclische Alkane Cyclohexan mit zwei benachbarten Substituenten: "oben" "unten" trans: auf der entgegen gesetzten Ringseite cis: auf der gleichen Ringseite Modell X = Y = C 3 : DG 0 = 8.4 kj/mol Modell X = Y = C 3 : DG 0 = 0 kj/mol 38

39 2.2 Cyclische Alkane Steroide (Grundgerüst): 39

40 2.2 Cyclische Alkane Wir zeichnen einen Sessel: P. Bruice, rganische Chemie, Pearson Studium 2007 äquatoriale Bindungen axiale Bindungen benachbarte axiale Bindungen sind anti benachbarte äquatoriale Bindungen sind gauche 40

41 Molekülbaukästen rganische Chemie Basis-Set: 19,90 Erweiterungsset: 42,90 Pearson Studium: 35,00 Chem Draw Ultra 2013 (13.0) + ältere Versionen ChemDraw: Zeichnen chemischer Strukturen Chem3D: 3D-Darstellung und ptimierung Campus-Lizenz erlaubt jedem Besitzer einer -Adresse mit den Download der Software und den Bezug einer Serien-Nummer, die jeweils die Installation auf 3 Rechnern (auch Laptops, Privatrechner usw.) ermöglicht. Serien-Nummer und die Installationsdatei über folgenden Link: mit seiner -Adresse einloggen die benötigten Daten werden zugeschickt 41

42 2.3 Eigenschaften und Reaktionen der Alkane unpolar (Elektronegativität: : 2.2 C: 2.6) C 1 - C 4 gasförmig, C 5 - C 20 flüssig, > C 20 fest > C 1000 : Kunststoff ( Polyethylen ) leichter als Wasser nicht mit Wasser mischbar: hydrophob mit unpolaren Substanzen mischbar: lipophil (relativ) reaktionsträge, Paraffine brennbar: xidation mit Luftsauerstoff: C C kj/mol 2 C C Wärmeenergie Benzinbrand Wachsbrand 42

43 2.3 Eigenschaften und Reaktionen der Alkane Reaktionen organischer Verbindungen: Typisierung nach Spaltung von Bindungen Elektronegativität: C homolytische Bindungsspaltung Bindungsenergien: C- : 413 kj/mol C-C : 369 kj/mol hoher Energieaufwand 43

44 2.3 Eigenschaften und Reaktionen der Alkane Radikale: Atome oder Moleküle mit einem (oder mehreren) ungepaarten Elektronen Bildung durch omolyse Energiezufuhr durch Wärme, Licht, energiereiche Strahlung, instabil (da kein Elektronenoktett), (meist) sehr reaktiv und kurzlebig Cl Cl 2 Cl C C Radikale reagieren: mit einer weiteren kovalenten Bindung unter omolyse mit einem weiteren Radikal unter Kombination mit einem Radikalfänger zu einem stabileren Radikal 44

45 2.3 Eigenschaften und Reaktionen der Alkane Die radikalische Substitution an Alkanen: S R Mechanismus der Chlorierung von Methan: Radikalkettenreaktion langsamer Schritt: geschwindigkeitsbestimmend Bruttoreaktion: C 4 + Cl 2 Energiebilanz: -87 kj/mol C 3 Cl + Cl 45

46 2.3 Eigenschaften und Reaktionen der Alkane Merke 1: Stabilität und Reaktivität Radikale sind (i.d.r.) sehr reaktiv, abhängig von Energie zur Bindungsspaltung Auch Kohlenstoff-Radikale sind unterschiedlich stabil/reaktiv: Stabilität von Alkylradikalen: Elektronenmangel kann abgeschwächt oder verstärkt werden durch elektronenschiebende (+) oder elektronenziehende (-) Gruppen induktive Effekte über s-bindungen (vgl. EN): +I oder -I mesomere Effekte über nichtbindende Elektronenpaare oder p-bindungen: +M oder -M 46

47 Merke 2: Reaktivität und Selektivität 2.3 Eigenschaften und Reaktionen der Alkane stabilere Radikale bilden sich leichter (geringerer Energieaufwand) Reaktionen über stabilisierte Radikale verlaufen schneller (Aktivierungsenergie) Energiereiche Radikale sind weniger selektiv 47

48 2.3 Eigenschaften und Reaktionen der Alkane Radikale sind toxisch - Quellen: äußere Einwirkung (Bestrahlung u. a.), Enzyme v. a. in der Atmungskette: Elektronenübertragung in Teilschritten: + e - Superoxid, toxisch 2 + e Peroxid, toxisch RS + e ydroxyl-radikal, 2 + toxisch, reaktiver als Fluor Wirkung: Radikale, Reaktive Sauerstoff-Species (RS) + : Entzündungsabwehr - : xidativer Stress : Mutationen (DNA), Gewebsschädigung ( Alterung ), Bekämpfung : Enzymatische Zersetzung Radikalfänger (Vitamin C, Vitamin E, ) 48

49 2.3 Eigenschaften und Reaktionen der Alkane Sauerstoff und Autoxidation Spezialfall: Sauerstoff als Diradikal gezielt: Abbau von Fetten z. B. durch Lipoxygenasen 49

50 Zusammenfassung: Alkane Alkane: homologe Reihe Konstitutionsisomere (Nomenklatur) Konformationen und Konformere Cycloalkane am Beispiel Cyclohexan: Sessel-Konformer, axial und equatorial, cis und trans Steroide unpolar, brennbar und reaktionsträge Radikalische Substitution, Kettenreaktion Radikale 50

51 2.4 alogenalkane Gesundheitsschädlich: Luftgrenzwert = höchstzulässige Konzentration als Gas/Dampf/Schwebestoff, die bei langfristiger Exposition 8 h/d 40h/Woche die Gesundheit nicht beeinträchtigt [ml/m 3 =ppm] LD 50 = letale Dosis (Dosis bei der 50% der Versuchstiere verenden) [g/kg] Name Luft LD 50 oral Dichlormethan 100 ppm 1.6 g/kg Chloroform 0.5 ppm 0.9 g/kg Tetrachlormethan 10 ppm 1.7 g/kg 51

52 2.4 alogenalkane Lösemittel: Kühl- und Kältemittel Vereisungsmittel Inhalationsnarkotika Insektizide Gefährdung der zonschicht: Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) Cl + 3 Cl + 2 Cl + 3 Cl Umweltgifte :? Zeek, S. 191: alogenierte Kohlenwasserstoffe kommen in der Natur nicht vor.?! 4500 halogehaltige Naturstoffe! Chlormethan: ~ 5 Mio t/a: holzzerstörende Pilze, Algen, Plankton, Vulkane, Buschfeuer... ~ t/a: andropogen 52

53 2.4 alogenalkane Chemische Reaktivität der alogenalkane: 53

54 Übungen: Versuche im Praktikum: 3.1, 3.6 Die nebenstehende Anordnung (Newman-Projektion) des n-butans heißt: A gauche Konformation B syn Konformation Photohalogenierung und Autoxidation von Alkanen verlaufen A unter eterolyse von kovalenten Bindungen B nach einem radikalischen Prozess. Die folgende Verbindung hat den IUPAC-Namen A 4-Brom-3-chlor-5-ethyloctan B 3-Propyl-4-brom-5-chlorheptan 54

55 Übungen: Welche der folgenden Verbindungen sind identisch? 55

56 3. Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene ( lefine ) 3.1 Struktur und Eigenschaften sp 2 -ybridisierung: trigonal planar P. Bruice, rganische Chemie, Pearson Studium

57 3. Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene ( lefine ) 3.1 Struktur und Eigenschaften Alkene: C=C - Doppelbindung: 1 s-bindung, 1 p-bindung alle Bindungswinkel ~120 Doppelbindung: 133 pm keine Unterscheidung zwischen s- und p-bindung Drehung nicht möglich keine Konformere bei 293 K: k = 5,7x10-37 s -1 bei 1273 K: k = 138 s -1 E 275 kj/mol P. Bruice, rganische Chemie, Pearson Studium 2007 Rotationswinkel 57

58 3. Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene ( lefine ) 3.1 Struktur und Eigenschaften Nomenklatur der Alkene acyclische Alkene mit 1 Doppelbindung: homologe Reihe: C n 2n 2 C C 2 2 C C C 3 2 C C C 2 C 3 3 C C C C 3 1-Buten 2-Buten Ethen (Ethylen) "Phytohormon" 3 C C C C 2 2-exen Propen (Propylen) C 3 C 3 C 2 C 3 3 C C C C 2 C C ,5-Dimethyl-2-hexen cyclische Alkene mit 1 Doppelbindung: homologe Reihe: C n 2n-2 58

59 3. Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene ( lefine ) 3.1 Struktur und Eigenschaften Stereoisomerie: geometrische Isomere (cis-/trans-isomere) räumliche Anordnung von Substituenten an einer Doppelbindung 1,2-disubstituiere Verbindungen: cis/trans-isomerie cis: trans: trans-form in der Regel etwas energieärmer (s.u.) unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften: (Modelle) 59

60 3. Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene ( lefine ) 3.1 Struktur und Eigenschaften Nomenklatur bei höher substituierte Alkenen: An beiden sp 2 -C-Atomen den Substituenten mit höchster Priorität bestimmen (rdnungszahl!!) Liegen diese Substituenten an der Doppelbindung: entgegen gesetzt E zusammen Z Z: Br: 35; Cl: 17 cis = zusammen = Z 1 Cl 2 Cl 1 1 Cl Br trans = entgegengesetzt = E 2 E Br 1 Cl 2 2 Z 60

61 3.2 Reaktionen Reaktionen von Alkenen Bindungsenergien: C-C 369 kj/mol C=C 683 kj/mol = kj/mol Alkene sind ungesättigt Additionsreaktionen + X X C C C C X X sp 3 sp 3 sp 2 sp 2 + X Y C C X Y 61

62 3. Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene ( lefine ) 3.2 Reaktionen Typen von Additionsreaktionen an Alkene: Alken Reagenz Katalysator Produkt Substanzklasse Reaktionstyp C C + (Metall) C C Alkan ydrierung C C + Br Br C C Br Br alogenierung C C + X C C X alogenalkan 1,2-Dihalogenalkan ydrohalogenierung [ + ] C C + C C Alkohol ydratisierung 62

63 3. Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene ( lefine ) 3.2 Reaktionen Wie laufen diese Reaktionen ab? Doppelbindung = s-bindung + p-bindung hohe Elektronendichte ein elektrophiles Teilchen greift an Elektrophile Addition ydrierung beide simultan von derselben Seite cis-addition (formal ist ein -Atom das Elektrophil) 63

64 3. Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene ( lefine ) 3.2 Reaktionen Die Stereoselektivität kann nachgewiesen werden: ydrierungen verlaufen exotherm, aber mit Aktivierungsenergie: Katalysator! 64

65 3. Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene ( lefine ) 3.2 Reaktionen alogenierung Nucleophil Br Br C C C C C C Br Br - p-komplex Elektrophil Br (s-komplex) Bromonium-Ion Br Elektrophil: Br + zweistufig, Rückseitenangriff an fixierte Zwischenstufe trans-addition 65

66 3. Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene ( lefine ) 3.2 Reaktionen Beweis für Stereoselektivität : 66

67 3. Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene ( lefine ) 3.2 Reaktionen ydrohalogenierung und ydratisierung + als Elektrophil zweistufig, nicht fixierte Zwischenstufe Addition nicht stereoselektiv 67

68 3. Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene ( lefine ) 3.2 Reaktionen aber: Alkylgruppen zeigen +I-Effekt: Carbenium-Ion hat Elektronendefizit Stabilisierung durch elektronenschiebende ( ) Gruppen induktive Effekte (+I) [oder mesomere Effekte (+M)] Stabilität: tertiär > sekundär > primär 68

69 3. Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene ( lefine ) 3.2 Reaktionen Die Reaktion verläuft (bei unsymmetrischen Alkenen) regioselektiv!! Markovnikov-Regel: Die Addition erfolgt über das stabilere Carbenium-Ion im ersten Schritt. M-RA 329: Elektrophile Addition (ydratisierung) 69

70 3. Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene ( lefine ) 3.2 Reaktionen Wie gewinnt man Alkene? 70

71 Zusammenfassung: Alkene mindestens eine C=C Doppelbindung, planare Geometrie s-bindung + p-bindung keine Rotation cis- und trans-isomere ungesättigt Additionsreaktionen elektrophile Addition: selektive Reaktionen Umkehrreaktion: Eliminierung 71

72 3.3 Polyene und Polymerisation Diene und Polyene 72

73 3. Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene ( lefine ) 3.3 Polyene und Polymerisation Warum ist b-carotin farbig? M-Theorie: Bei der kovalenten chemischen Bindung werden Atomorbitale kombiniert zu Molekülorbitalen! nur für p-rbitale 2007 Pearson Studium / Abbildung aus: Bruice: rganische Chemie, 5. Aufl. / ISBN:

74 3. Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene ( lefine ) 3.3 Polyene und Polymerisation c DE h h Molekül [nm] Absorbierte Farbe Beobachtete Farbe 2 C C UV farblos 217 UV farblos 334 UV farblos b-carotin 455 blau rot-orange Chromophore ( farbgebende ) Gruppen in farbigen Verbindungen enthalten p-bindungen: C=C, C=, N=, N=N, 74

75 3. Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene ( lefine ) 3.3 Polyene und Polymerisation Die Chemie des Sehvorgangs Protein Rhodopsin (rötlicher Farbstoff, Sehpurpur ) Seitenkette 11-cis-Retinal Lichtquant auf 11-cis-Retinal Isomerisierung innerhalb 1/1000 s zu 11-trans-Retinal Protein zerfällt in 11-trans-Retinal und Apoprotein psin elektrischer Impuls an die Nervenzellen Rückreaktion in Rhodopsin durch Retinal-Isomerase (langsam, bis ½ h) 75

76 3. Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene ( lefine ) 3.3 Polyene und Polymerisation Polymerisation von Alkenen Elektrophile (kationische) Polymerisation: E E E substituierte Polyethylene: n F F F F F F F F F F F F F F Polytetrafluorethen = TEFLN 76

77 3. Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene ( lefine ) 3.3 Polyene und Polymerisation Anwendungen: Verpackungen aushaltsartikel Textilindustrie Automobilbau Baustoffe Unterhaltungstechnik Medizintechnik. 77

78 Adhäsive Füllungstherapie 78

79 3. Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene ( lefine ) 3.3 Polyene und Polymerisation Naturstoffe durch Polymerisation: Terpene 79

80 Zusammenfassung: Alkene mindestens eine C=C Doppelbindung, planare Geometrie s-bindung + p-bindung keine Rotation cis- und trans-isomere ungesättigt Additionsreaktionen elektrophile Addition: selektive Reaktionen Umkehrreaktion: Eliminierung Diene und Polyene: kumulierte, konjugierte, isolierte Doppelbindungen Farbigkeit (Chromophore) Physiologie des Sehens Polymerisation von Alkenen Kunststoffe (Werkstoffe) Natürliche Polyene: Terpene Bromierung von Ketchup Lycopen(in) 80

81 Übungen: Versuche im Praktikum: 3.2, 3.7, 4.6 Durch katalytische ydrierung von 1,2-Dimethylcyclohexen entsteht A Verbindung X B Verbindung Y Bei der säurekatalysierten Addition von Wasser an Isobuten (1) entsteht A Verbindung 3 B Verbindung 2 Bei welcher Substanz handelt es sich um ein Polyen? A b-carotin B Polyethylen 81

82 4. Aromaten und Alkine 4.1 Benzol, Aromatizität und Aromaten Aromatische Verbindungen Benzol : Entdeckung: Faraday, 1825 Summenformel C 6 6 : Mitscherlich, 1834 Struktur: Kekulé, 1865 Bindungstheorie: ückel, 1931 (ückel-regel) 82

83 4. Aromaten und Alkine 4.1 Benzol, Aromatizität und Aromaten Bindungstheorie: 2007 Pearson Studium / Abbildung aus: Bruice: rganische Chemie, 5. Aufl. / ISBN: Dieses Bindungssystem ist im Falle von Benzol besonders stabil!? 83

84 4. Aromaten und Alkine 4.1 Benzol, Aromatizität und Aromaten ückel-regel: Cyclisch konjugierte planare Systeme mit (4n + 2) p-elektronen sind stabilisiert 84

85 4. Aromaten und Alkine 4.1 Benzol, Aromatizität und Aromaten ückel-regel: Cyclisch konjugierte planare Systeme mit (4n+2)p-Elektronen sind stabilisiert Beweis: ydrierungsenergien (theoretisch-experimentell): 2007 Pearson Studium / Abbildung aus: Bruice: rganische Chemie, 5. Aufl. / ISBN: Stabilisierungsenergie = Resonanzenergie = Mesomerie-Energie: ~ 150 kj/mol 85

86 4. Aromaten und Alkine 4.1 Benzol, Aromatizität und Aromaten Mesomerie, Delokalisierung: Die Elektronenverteilung in einem Molekül kann nicht mit einer, sondern nur durch mehrere (konventionelle) Strukturformeln beschrieben werden. Der wahre Bindungszustand liegt zwischen diesen mesomeren Grenzformeln. oder Einfachbindung: 154 pm Doppelbindung: 133 pm Benzen 139 pm cyclisch, konjugiert, planar, 4n+2 alle C-C und alle C--Bindungen gleich(wertig) stabilisiert keine Additionsreaktionen, sondern Substitutionsreaktionen 86

87 4. Aromaten und Alkine 4.1 Benzol, Aromatizität und Aromaten omologe des Benzols: PAK: Polycyclische Aromatische Kohlenwasserstoffe 87

88 4. Aromaten und Alkine 4.1 Benzol, Aromatizität und Aromaten Nomenklatur: 88

89 außerplanmäßig: Zusammenfassung: Diene, Polyene, Polymerisation Diene und Polyene: kumulierte, konjugierte, isolierte Doppelbindungen Farbigkeit (Chromophore) Physiologie des Sehens Polymerisation von Alkenen Kunststoffe (Werkstoffe) Natürliche Polyene: Terpene Aromaten: konjugierte Alkene mit spezieller Elektronenverteilung (Delokalisieung)und Bindungsverhältnissen ückel-regel und Mesomeriestabilisierung: Cyclisch konjugierte planare Systeme mit (4n + 2) p-elektronen sind stabilisiert (~150 kj/mol) Benzol (Benzen) als wichtigster Vertreter omologe des Benzols ortho-, meta-, para-substitution Zusammenfassung: Aromaten Benzen 89

90 4.2 Elektrophile Substitution an Aromaten Elektrophile Substitution elektronenreiches p-system Erhalt der Mesomerie-Energie 90

91 4. Aromaten und Alkine 4.2 Elektrophile Substitution am Aromaten Der s-komplex: mesomeriestabilisiert (Grenzformeln) nicht aromatisch positive (Partial-)Ladung ortho und para zum neuen Substituenten 91

92 4. Aromaten und Alkine 4.2 Elektrophile Substitution am Aromaten Beispiele für elektrophile Substitutionen an Aromaten (S E Ar) 92

93 4. Aromaten und Alkine 4.2 Elektrophile Substitution am Aromaten Reaktionen von Cyclohexen und Benzol 93

94 4. Aromaten und Alkine 4.2 Elektrophile Substitution am Aromaten Die Zweitsubstitution an Aromaten: 94

95 4. Aromaten und Alkine 4.2 Elektrophile Substitution am Aromaten Erstsubstituent schiebt Elektronen (+ I, +M-Effekt) Zweitsubstituent in ortho und para günstig Erstsubstituent zieht Elektronen (-I, -M) Zweitsubstituent in ortho und para ungünstig in meta noch günstig induktive Effekte über s-bindungen (vgl. EN): +I oder -I mesomere Effekte über nichtbindende Elektronenpaare oder p-bindungen: +M oder -M Außerdem: Substituenten 1. rdnung beschleunigen die Reaktion, Substituenten 2. rdnung verlangsamen die Reaktion M-RA 588: Elektrophile Substitution am Aromaten 95

96 4. Aromaten und Alkine Naturstoffe mit Benzen als Baustein: Pharmazeutische Wirkstoffe: 96

97 Zusammenfassung: Aromaten Aromaten: konjugierte Alkene mit spezieller Elektronenverteilung (Delokalisieung)und Bindungsverhältnissen ückel-regel und Mesomeriestabilisierung Benzol (Benzen) als wichtigster Vertreter Elektrophile Substitution (statt Addition) s-komplex bestimmt Reaktivität und Zweitsubstitution wichtiges Bauelement in Naturstoffen und Wirkstoffen 97

98 Übungen: Versuche im Praktikum: 3.3 Die beiden folgenden Strukturen A sind identisch. B sind Konstitutionsisomere. In welcher Verbindung sind C-Atome unterschiedlicher ybridisierung enthalten? A Verbindung A B Verbindung B Die Nitrierung von Benzol mit Nitriersäure (N 3 / 2 S 4 ) ergibt: A B 98

99 4.3 Alkine Alkine (Acetylene): homologe Reihe: C n 2n-2 sp-ybridisierung: 2s + 2p x zwei sp-rbitale verbleiben: 2p y + 2p z 99

100 4. Aromaten und Alkine 4.3 Alkine sp P. Bruice, rganische Chemie, Pearson Studium 2007 Alkine: Eine s-bindung zwischen zwei C durch Überlappung von 2 sp, 2 p-bindungen durch Überlappung der verbleibenden 2+2 p-rbitale 180 C C Alkin-Einheit: linear, rotationssymmetrisch, Bindungslänge: 120 pm 100

101 4. Aromaten und Alkine 4.3 Alkine Ethin, Acetylen: Pharmazeutische Wirkstoffe: 3 C C C 3 C C C "Norethynodrel" 3 C "Mestranol" (Contraceptiva) 101

102 5. Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen C C C 2 / -100 kj/mol 102

103 5. Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen 5.1 Alkohole ( Alkanole ) und Phenole Funktionelle Gruppe: - ydroxy- oder ydroxyl-gruppe Typen: Einwertige / mehrwertige Alkohole 103

104 Typen: Stellungsisomere: 5. Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen 5.1 Alkohole ( Alkanole ) und Phenole R C 2 R C R R R C R primäre Alkohole sekundäre Alkohole tertiäre Alkohole 3 C prim. C 2 C 2 am primären C-Atom am sekundären C-Atom am tertiären C-Atom 3 C sek. C C 3 1-Propanol, Sdp Propanol, Isopropanol, Isopropylalkohol Sdp C 2 C n-butanol, 1-Butanol Sdp. 118 prim. C 2 C 2 3 C 2 C sek-butanol, 2-Butanol Sdp. 99 sek. C C 3 3 C C 3 prim. C C 2 iso-butanol 2-Methyl-1-propanol Sdp. 108 C 3 tert. 3 C C C 3 tert-butanol 2-Methyl-2-propanol Sdp

105 5. Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen 5.1 Alkohole ( Alkanole ) und Phenole Systematische Nomenklatur (IUPAC-Nomenklatur): a) längste Kette, die die -Gruppe trägt, gibt Bezeichnung b) -tragendes C-Atom erhält die kleinstmögliche Ziffer c) weitere Ziffern erhalten die Substituenten, die an der Grundstruktur sitzen. Beispiel: 3-Benzyl-3-methylpentan-2-ol 105

106 5. Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen 5.1 Alkohole ( Alkanole ) und Phenole Phenole: ydroxygruppe direkt am aromatischen System 106

107 5. Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen 5.1 Alkohole ( Alkanole ) und Phenole Physikalische Eigenschaften Siedepunkt: Methan: -161 C, Methanol: +64 C Ethan: -89 C, Ethanol: +78 C MG Dipolmoment [D] Sdp. ( C) n-pentan Diethylether Chlorpropan Butanal C n-butanol (!) Cl Propansäure C (!) Toluol C Phenol

108 5. Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen 5.1 Alkohole ( Alkanole ) und Phenole Alkohole haben hohe Siedepunkte sind bis C 4 beliebig mit Wasser mischbar (hydrophil) sind schwache Basen sind sehr schwache Säuren sind Nucleophile (am Sauerstoff) 108

109 5. Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen 5.1 Alkohole ( Alkanole ) und Phenole Säure-Base Eigenschaften von Alkoholen / Phenolen Phenole sind stärkere Säuren, Alkohole sind stärkere Basen! Phenolat-Ionen sind (mesomerie-)stabilisiert: 109

110 5. Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen 5.1 Alkohole ( Alkanole ) und Phenole Phenole sind im basischen löslich: Phenole sind aktivierte Aromaten: schnelle S E Ar-Reaktion dirigierend in ortho- und para-position -Gruppe ist Substituent 1. rdnung 110

111 5. Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen 5.1 Alkohole ( Alkanole ) und Phenole Methanol: Vergiftung bei geringen Dosen Ursache: Giftwirkung der xidationsprodukte Formaldehyd und Ameisensäure akute Therapie: Gabe von Ethanol Ethanol: letale Dosis im Blut: 4 (4 mg/ml) xidation zu Acetaldehyd und Essigsäure Abusus: > 60 g/tag als Desinfektionsmittel (alternativ: Isopropanol) 111

112 Zusammenfassung: Alkohole und Phenole Funktionelle Gruppe: - wichtige Vertreter: Methanol, Ethanol, Phenol einwertige und mehrwertige polar, Wasserstoff-Brückenbindungen schwache Basen, schwache Säuren Phenole sind stärkere Säuren und aktivierte Aromaten 112

113 5. Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen 5.2 Ether 113

114 5. Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen 5.2 Ether charakteristisch riechende Flüssigkeiten niedrige Siedepunkte ausgezeichnete Lösungsmittel und Extraktionsmittel leichter als Wasser und mit Wasser nicht mischbar keine -Brücken (nur -Brücken-Akzeptoren) schwache Basen Löslichkeit in starken wässrigen Säuren (z.b. konz. Cl) Formel M Sdp. n-pentan C R n-butanol C R Diethylether C R R' + Cl R R' + Cl - (Dialkyl)oxonium-Ion 114

115 5. Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen 5.2 Ether Diethylether ( Äther ) als Inhalationsnarkotikum: ab 4 Vol% in der Atemluft + Überdosierung unproblematisch - Explosionsgefahr, postnarkotisches Erbrechen 115

116 5. Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen 5.2 Ether xirane (Epoxide): durch Ringspannung sehr reaktiv Ringöffnung Nucleophil + katalytisch - + trans-1,2-diol "DNA" 2 N "DNA" xygenase + N Benzpyren 116

117 5. Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen 5.3 Darstellung von Alkoholen und Ethern Chemische Reaktivität der alogenalkane: Nucleophile Substitution: S N 117

118 5. Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen 5.3 Darstellung von Alkoholen und Ethern Ethanol: C C C 2 / -100 kj/mol 118

119 Übungen: Alkohole, Ether: Praktikum Versuch 3.5 Welche Aussage zu den nebenstehenden Substanzen trifft zu? A 1 ist in jedem Verhältnis mit Wasser mischbar B 2 hat einen höheren Siedepunkt als 1 Welche Aussage trifft zu? Glycerin ist ein A tertiärer Alkohol B dreiwertiger Alkohol Nebenstehende Verbindung A ist ein Phenol B heißt Benzylalkohol Nebenstehende Verbindung ist ein A sekundärer Alkohol B cyclischer Ether 119

120 5.4 rganische Schwefelverbindungen intensiv im Geruch! gänzlich anderes xidationsverhalten als Sauerstoffverbindungen! Thiole: schwächere Wasserstoffbrückenbindungen als Alkohole acider als Alkohole xidation zu Disulfiden Thioether: 120

121 5.4 rganische Schwefelverbindungen Thiole und Disulfide: 2007 Pearson Studium / Abbildung aus: Bruice: rganische Chemie, 5. Aufl. / ISBN:

122 5.4 rganische Schwefelverbindungen Thioether: als Nucleophil: Bildung von Sulfoniumsalzen : übertragen selbst wiederum Methylgruppen: aktives Methyl Beispiel: Aminosäure Methionin Welche Aussage zu Thiolen trifft zu? A Thiole können zu Disulfiden oxidiert werden. B Thiole sind schwefelanaloge Ether. 122

123 Zusammenfassung: Alkohole, Phenole, Ether, Schwefelverbindungen Alkohole, Phenole: FG: -; wichtige Vertreter: Methanol, Ethanol, Phenol einwertige und mehrwertige polar, Wasserstoff-Brückenbindungen schwache Basen, schwache Säuren, Phenole stärker sauer Darstellung von Alkoholen: ydratisierung von Alkenen, Nucleophile Substitution, Gärung Ether: unpolar, stärker basisch als Alkohole Inhalationsnarkotika cyclische Epoxide Darstellung: Nucleophile Substitution Schwefelverbindungen: Thiole, Thioether xidation zu Disulfiden, Sulfoxiden, Aktives Methyl 123

124 6. Amine Einfache rganische Stickstoffverbindungen 124

125 6. Amine Einfache rganische Stickstoffverbindungen Alkaloide: vorwiegend in Pflanzen vorkommende basische Naturstoffe mit einem oder mehreren, meist cyclisch eingebauten Stickstoff-Atomen im Molekül häufig ausgeprägte pharmakologishe Wirkung N-Atome entstammen biosynthetisch überwiegend Aminosäuren. 125

126 6. Amine Einfache rganische Stickstoffverbindungen Amine sind (schwache) Basen: R N 2 R N R R 3 N + X + - X R N 3 X R 2 N 2 X R 3 N X Ammoniumsalze (analog N 4 ) (Versuch 3.4) Amin pk B N Aliphatische Amine sind stärker basisch als N 3 ( +I - Effekt) 4.26 Anilin 9.42 Aromatische Amine sind schwächer basisch Dipenylamin 13.1 als N 3 ( I/ M - Effekt) 126

127 6. Amine Einfache rganische Stickstoffverbindungen Amine sind Nucleophile: Nucleophile Substitution: S N 127

128 6. Amine Einfache rganische Stickstoffverbindungen Amine: Reaktion mit Nitrosyl-Kationen: NaN 2 + Cl - Cl [N 2 ] + + N Nitrosyl-Kation N sekundäres Amin Nucleophil N N N - + N N Nitrosamin 3 C C 2 N 2 + N C C + 2 N N C C 2 N N primäres Amin Nucleophil Diazotierung Diazoniumsalz Substitution Cl - RT (oder 2 ) "Desaminierung" (Versuch 3.4) 3 C C 2 Cl + N 2 Cl 128

129 Zusammenfassung: Amine abgeleitet von Ammoniak primäre, sekundäre, tertiäre basisch nucleophil medizinisch sehr bedeutsam Übungen: Piperidin (siehe rechts) ist ein A primäres Amin B sekundäres Amin Welche Aussage zu nebenstehender Verbindung trifft zu? A Behandlung mit Nitrit/Schwefelsäure führt zu Stickstoffentwicklung (Desaminierung). B Es handelt sich um ein tertiäres Amin. 129

130 7. Nucleophile Substitution (S N ), Reaktionskinetik 130

131 7. Nucleophile Substitution (S N ), Reaktionskinetik gute Nucleophile Nu mindestens: nicht bindendes Elektronenpaar gut: negative Ladung S - I - - N 3 2 Reaktivität = Nucleophilie Basizität Polarisierbarkeit Nu Nu gute Abgangsgruppen X: schwach basisch I -, Br -, Cl -, 2 Merke: Anionen starker Säuren! schlechte Abgangsgruppen X: N 3, -, N 2 -, - 131

132 7. Nucleophile Substitution (S N ), Reaktionskinetik Substratstruktur? zwei Mechanismen der nucleophilen Substitution! 132

133 7. Nucleophile Substitution (S N ), Reaktionskinetik Bimolekulare nucleophile Substitution: S N 2 S N 2 Reaktion: Nu R 3 C-X RA 216: Nucleophile Substitution (S N 2 ) 133

134 7. Nucleophile Substitution (S N ), Reaktionskinetik Monomolekulare nucleophile Substitution: S N 1 S N 1 Reaktion: R 3 C-X RA 237: Nucleophile Substitution (S N 1 ) 134

135 Übungen: Durch welche Reaktion kann ein Alkohol hergestellt werden? A Umsetzung (nucleophile Substitution) eines Alkoholats mit einem alogenalkan. B Umsetzung (nucleophile Substitution) von ydroxid mit einem alogenalkan. Iodmethan wird in Wasser zu Methanol hydrolysiert. Setzt man Natronlauge zu, wird die Reaktion A schneller. B langsamer. tert-butylbromid reagiert in S N -Reaktionen bevorzugt nach A S N 2 -Mechanismus B S N 1 -Mechanismus 135

136 8. eterocyclen eteroatom(e) im Ring (N,, S, ) gesättigt oder aromatisch (etarene) Fünf- und Sechsringe, einzeln oder kondensiert wichtig: N-eterocyclen: Ersatz von =C- gegen =N- Sechsring, aromatisch (6p): 136

137 Fünfring, aromatisch (6p): 8. eterocyclen Fünfring, nicht aromatisch: 137

138 8. eterocyclen Sechsring kondensiert, aromatisch (10p): 138

139 8. eterocyclen Fünfring, kondensiert, aromatisch (10p): Übung: Nicotin (nebenstehend) setzt sich zusammen aus einem A aromatischen 5-Ring- und 6-Ring-eterocyclus B 6-Ring-eterocyclus und einem tertiären Amin 139

140 9. Carbonylverbindungen: Aldehyde, Ketone, Chinone Übersicht: Carbonylverbindungen: (1) (2) 140

141 9. Carbonylverbindungen: Aldehyde, Ketone, Chinone 9.1 Aldehyde und Ketone: erstellung und Nomenklatur (Versuch 3.6) 141

142 9. Carbonylverbindungen: Aldehyde, Ketone, Chinone 9.1 Aldehyde und Ketone: erstellung und Nomenklatur 142

143 9. Carbonylverbindungen: Aldehyde, Ketone, Chinone 9.1 Aldehyde und Ketone: erstellung und Nomenklatur 143

144 9.2 Struktur, Eigenschaften, Reaktivität Propan Formel Sdp. -44 C Propanal 49 C Propanon (Aceton) 56 C 2-Propanol 82 C Propansäure 141 C Formaldehyd: gasförmig, wasserlöslich Acetaldehyd: leicht flüchtig, wasserlöslich Aceton: wassermischbar, gutes Lösemittel 144

145 9. Carbonylverbindungen: Aldehyde, Ketone, Chinone 9.2 Struktur, Eigenschaften, Reaktivität Keto-Enol-Tautomerie und a-c--acidität Aceton, einfache Ketone: >98 % Ketoform, <2% Enolform pk S ~ Tautomerie: Strukturisomere stehen im chemischen Gleichgewicht 145

146 9.3 Reaktionen von Aldehyden und Ketonen Addition von Wasser Nucleophile Addition: A N 146

147 9. Carbonylverbindungen: Aldehyde, Ketone, Chinone 9.3 Reaktionen von Aldehyden und Ketonen und Alkoholen Nucleophile Addition: A N (alb)acetale sind keine Ether!! 147

148 9. Carbonylverbindungen: Aldehyde, Ketone, Chinone 9.3 Reaktionen von Aldehyden und Ketonen Reaktion mit Aminen Nucleophile Addition: A N 148

149 9. Carbonylverbindungen: Aldehyde, Ketone, Chinone 9.3 Reaktionen von Aldehyden und Ketonen Wh. (Kap. 3.3): Chemie des Sehvorgangs : 149

150 9. Carbonylverbindungen: Aldehyde, Ketone, Chinone 9.3 Reaktionen von Aldehyden und Ketonen Transaminierung über Azomethine: Enzyme: Aminotransferasen (älter: Transaminasen) Flexible Umwandlung von Aminosäuren in Ketocarbonsäuren 150

151 9. Carbonylverbindungen: Aldehyde, Ketone, Chinone 9.3 Reaktionen von Aldehyden und Ketonen Reduktion und xidation von Aldehyden und Ketonen (Versuch 3.6) 151

152 9. Carbonylverbindungen: Aldehyde, Ketone, Chinone 9.3 Reaktionen von Aldehyden und Ketonen Reduktionsmittel : 152

153 9. Carbonylverbindungen: Aldehyde, Ketone, Chinone 9.3 Reaktionen von Aldehyden und Ketonen Die Aldolreaktion (Praktikum: Versuch 4.1) 153

154 9. Carbonylverbindungen: Aldehyde, Ketone, Chinone 9.3 Reaktionen von Aldehyden und Ketonen 154

155 9.4 Chinone 155

156 9. Carbonylverbindungen: Aldehyde, Ketone, Chinone 9.4 Chinone Redoxpaar Chinon/ydrochinon 156

157 Zusammenfassung: Aldehyde, Ketone, Chinone Aldehyde, Ketone: Funktionelle Gruppe: C= Wichtige Vertreter: Formaldehyd, Acetaldehyd, Benzaldehyd Keto-Enol-Tautomerie a-c--acidität Nucleophile Addition (A N ) ydrate, albacetale, Acetale Imine (Azomethine, Schiffsche Basen) Aldolkondensation Reduktion und xidation Chinone Konjugierte C=C und C=-Doppelbindungen Redoxsystem Chinon/ydrochinon 157

158 Übungen: Welche Aussage zu Formaldehyd trifft zu? A B Formaldehyd ist der einfachste Aldehyd mit der Formel C 3 C Formaldehyd ist bei Raumtemperatur gasförmig, seine wässrige Lösung (ca. 37%) heißt Formalin. Nebenstehenden Verbindungstyp ist ein A B Acetal albacetal Welche Struktureinheit spielt eine Rolle bei der Transaminierung mit Pyridoxalphosphat (Vitamin B 6 )? A B ein Imin A ein ydrazon B Welche der nebenstehenden Verbindungen ist ein Chinon? A Verbindung A ("ydrochinon") B Verbindung B (in Vitamin K) 158

159 10. Carbonsäuren und Carbonsäurederivate C 159

160 10. Carbonsäuren und Carbonsäurederivate 10.1 Carbonsäuren: Struktur und Eigenschaften Schmelz- und Siedepunkte noch höher als bei Alkoholen stark assoziiert über -Brücken in Lösung und in Gasphase dimere Assoziate C1 C4 wasserlöslich, ab C4 schlechter bis schwerlöslich C C Acidität: saure Reaktion in Wasser mit Basen Bildung wasserlöslicher Salze R C + 2 R C + 3 R C + Na R C Na + 2 Acidität von Carbonsäuren!! Acidität allgemein: Carbonsäuren > Phenole > Wasser > Alkohole pk S (5) (9) (14) (16) 160

161 10. Carbonsäuren und Carbonsäurederivate 10.1 Carbonsäuren: Struktur und Eigenschaften pk S = (Praktikum: Versuch 4.2) pk S = C 3.8 C 3 C 4.76 C 3 -C 2 -C 4.9 F C 2 C 2.58 Cl 2.81 Br 2.90 C 3 C 2 C 2 C C 3 2 C C C Cl C 3 C C 2 C Cl I 3.17 C 3 C 4.76 C 2 Cl C 2 C 2 C 4.52 ClC 2 C 2.81 C Cl 2 C C Cl 3 C C 0.89 Reaktion von Carbonsäuren mit Magenesium 161

162 10.2 Carbonsäurederivate: Reaktivität Polarisierung der C=-Bindung steigt Reaktivität steigt 162

163 10. Carbonsäuren und Carbonsäurederivate 10.2 Carbonsäurederivate: Reaktivität An der C=-Gruppe: Nucleophile Substitution (S N ) am sp 2 C-Atom (über tetraedrische Zwischenstufe) Am Nucleophil: Acylierung, Übertragung einer Acyl-Gruppe R C 3 C C Acyl-Rest Acetyl-Rest 163

164 10. Carbonsäuren und Carbonsäurederivate 10.2 Carbonsäurederivate: Reaktivität Carbonylreste und Carboxylatanionen Formyl- C Formiat C Acetyl- 3 C C Acetat 3 C C Propionyl- 3 C C 2 C Propionat 3 C C 2 C Benzoyl- C Benzoat C 164

165 10.3 Carbonsäurechloride RA 949: Reaktion Säurechlorid mit Amin 165

166 10.4 Carbonsäureanydride Merke: Carbonsäurechloride (und -anhydride) sind die Acylierungsreagenzien des Chemikers 166

167 10. Carbonsäuren und Carbonsäurederivate 10.4 Carbonsäureanydride Acetylsalicylsäure (ASS) Extraktion Gerbstoffe, Farbstoffe, Wirkstoffe: Salicylsäure Weidenrinde 1897 offmann Acetylsalicylsäure 167

168 10. Carbonsäuren und Carbonsäurederivate 10.4 Carbonsäureanydride Synthese von ASS (Versuch 4.4) Acetylierung unter physiologischen Bedingungen? 3 C C C2 2 C N C 3 C 3 C 3 X - 3 C C [ + ], - Ac 3 C C C2 2 C N C 3 C 3 C 3 X - Cholin Acetylcholin 168

169 10.5 Carbonsäureester R + C + R' + + R C R' R C - + R' Die saure Veresterung ist reversibel! (Versuch 4.3) Cyclische Ester: Lactone Säurekatalysierte Veresterung 169

170 10. Carbonsäuren und Carbonsäurederivate 10.5 Carbonsäureester Polyester durch Polykondensation : spezielle Polyester: 170

171 10. Carbonsäuren und Carbonsäurederivate 10.5 Carbonsäureester Die saure Veresterung ist reversibel! Die Verseifung von Carbonsäure-Estern Die Verseifung ist irreversibel! RA 955: Verseifung eines Esters Wieso Verseifung? ier Ende des Stoffes für Teilklausur 2! 171

172 Übungen: 2-Chlorpropansäure ist eine stärkere Säure als 3-Chlorpropansäure A stimmt B stimmt nicht Bei welchem Verbindungstyp handelt es sich um ein reaktiveres Carbonsäure-Derivat? A Carbonsäurechlorid B Carbonsäureester Nebenstehende Verbindung ist ein A -Lacton B cyclischer Carbonsäureester Bei der erstellung von Acetylsalicylsäure aus Salicylsäure A wird die Salicylsäure an der Carbonsäuregruppe verestert. B wird die phenolische ydroxylgruppe mit Essigsäureanhydrid acetyliert. 172

173 10.6 Fettsäuren, Fette (Triglyceride), Lipide gerade Anzahl C (Biosynthese aus Acetat) eine Carboxylgruppe Doppelbindungen: 0-3 immer isoliert immer cis (Fixierung der räumlichen Anordnung, meist an C-2 von Glycerin) im tierischen rganismus Biosynthese bis max. D 9 essentielle Fettsäuren -6 9 Fettsäuren : 4 3 b 2 a 1 C C C C Palmitinsäure C C Stearinsäure C C Ölsäure (D 9 -cis-ctadecansäure) Linolsäure (v. a. in Pflanzenölen) -3 C Linolensäure (v. a. in Fischölen) 173

174 10. Carbonsäuren und Carbonsäurederivate 10.6 Fettsäuren, Fette (Triglyceride), Lipide Triglyceride (Fette und Öle, Neutralfette) wenig(!) Mono- und Diglyceride (Zwischenprodukte) einfache (nur eine Fettsäuresorte) gemischte Verseifung, Seifen, Tenside (Versuch 4.5) 174

175 10. Carbonsäuren und Carbonsäurederivate 10.6 Fettsäuren, Fette (Triglyceride), Lipide Seifenwirkung: als Tenside Mizelle 175

176 10. Carbonsäuren und Carbonsäurederivate 10.6 Fettsäuren, Fette (Triglyceride), Lipide Zusammensetzung von Zahnpasta (Prof. Dr. G. Lang, Kosmetikchemie I Teil 6) 176

177 10. Carbonsäuren und Carbonsäurederivate 10.6 Fettsäuren, Fette (Triglyceride), Lipide Fettsäuren als Bausteine im Stoffwechsel: in geringen Mengen in sehr vielen rganen, Geweben und Körperflüssigkeiten Kontraktion glatter Muskulatur blutdrucksenkend ormonproduktion.. Lipide Prostaglandine In der Biosphäre vorkommende Verbindungen, die in Wasser nur wenig, aber in organischen Lösemitteln gut löslich sind. Sie gehören verschiedenen Verbindungsklassen an. Einziges gemeinsames Strukturmerkmal ist eine relativ große hydrophobe (lipophile) Teilstruktur. Isopren-Derivate (Terpene, Carotinoide, Steroide) langkettige Alkohole langkettige Carbonsäuren ( Fettsäuren ) Ester (Triglyceride, u. a.) Phospholipide Glycolipide 177

178 10.7 Carbonsäurethioester Reaktivität steigt 3 C C + C 3 C 2 C 2 N C3 3 C C C 3 C 2 C 2 N C3 S CoA C 3 - CoA-S C 3 Acetylcholin Übertragung einer Acyl-(Acetyl-)gruppe auf Sauerstoff 178

179 10. Carbonsäuren und Carbonsäurederivate 10.7 Carbonsäurethioester CoenzymA Acetyl-CoA Drehpunkt des Stoffwechsels CoA-S 179

180 Chemie : Et C 10. Carbonsäuren und Carbonsäurederivate 10.7 Carbonsäurethioester Übertragung einer Acyl-(Acetyl-)gruppe auf Kohlenstoff: a Base C 3 Et C - + C 2 Et C C 3 Et C-C-Verknüpfung C C 2 C C 3 Essigsäureethylester ("Ethylacetat") Nucleophile Substitution (S N ) am Ester - Et - Acetessigsäureethylester Biosynthese : u.a. Fettsäurebiosynthese mit Acetyl-CoA 180

181 10.8 Carbonsäureamide 181

182 10. Carbonsäuren und Carbonsäurederivate 10.8 Carbonsäureamide Cyclische Amide: Lactame 182

183 10.9 Carbonsäuren mit weiteren funktionellen Gruppen 183

184 Übungsaufgaben Nebenstehende Verbindung ist ein Triglycerid. A stimmt nicht B stimmt 2 C C 2 C Alkylreste Die Tensidwirkung von Fettsäure-Anionen beruht A auf der hydrophilen Carboxylat-Funktion und der lipophilen Alkylkette B auf der lipophilen Carboxylat-Funktion und der hydrophoben Alkylkette Nebenstehende Verbindung ist ein A b-lactam B cyclisches Carbonsäureamid N 184

185 Zusammenfassung: Carbonsäuren und Carbonsäurederivate Funktionelle Gruppe: -C Ameisensäure, Essigsäure, Benzoesäure Carbonsäuren sind sauer, Anionen: Carboxylate Carbonsäurederivate: -chloride, -anydride, -thioester, -ester, -amide Nucleophile Substitution am sp 2 - C-Atom, Acyclierung saure Veresterung (reversibel); Verseifung von Estern (irreversibel) Polyester als Kunststoffe Ester des Glycerins mit Fettsäuren: Triglyceride (Lipide) Thioester zur biochemischen Acylierung -Acylierung und C-Acylierung Carbonsäureamide: z. B. Peptide cyclische Derivate: Lactone, Lactame 185

186 11. Stereochemie und Stereoselektivität Räumlicher Aufbau Funktion biochemisch relevanter Verbindungen (R)-(-)-Adrenalin Erhöht Blutdruck und erzfrequenz (S)-(+)-Adrenalin + NMe + NMe 186

187 11. Stereochemie und Stereoselektivität 11.1 Konstitution, Konformation, Konfiguration Isomere: gleiche Summenformel aber andere Struktur Isomere Konstitutionsisomere Sequenz der Atome Stereoisomere räumlichen Anordnung Strukturisomere : Gerüstisomere Stellungsisomere Funktionsisomere Konformationsisomere (Konformere, Rotationsisomere) Geometrische Isomere (cis/trans-isomere) Konfigurationsisomere Enantiomere, Diastereomere 187

188 11. Stereochemie und Stereoselektivität 11.1 Konstitution, Konformation, Konfiguration Konstitutionsisomere: Gerüstisomere unterscheiden sich im Kohlenstoffgerüst Stellungsisomere unterscheiden sich in Position einer funktionellen Gruppe Funktionsisomere enthalten unterschiedliche funktionelle Gruppen 188

189 11. Stereochemie und Stereoselektivität 11.1 Konstitution, Konformation, Konfiguration Konformationen und Konformere: 189

190 11. Stereochemie und Stereoselektivität 11.1 Konstitution, Konformation, Konfiguration Geometrische Isomere (cis-/trans-isomere) fixierte räumlichen Anordnung von Substituenten an einer Doppelbindung: Cl Cl Cl Cl Cl Cl Br Cl Br cis trans E Z Cl an Ringsystemen: Y Y Y e/e X 1,2-trans X X 1,2-cis e/a X Y 190

191 11.2 Chiralität Ein Körper ist chiral, wenn er mit seinem Spiegelbild nicht identisch ist / nicht zur Deckung zu bringen ist! Konfiguration: Absolute Anordnung im Raum Stereoisomere: Konfigurationsisomere 191

192 11. Stereochemie und Stereoselektivität 11.2 Chiralität Wann ist ein Molekül chiral? Faustregel: keine Spiegelebene, kein Inversionszentrum (1) Chiralitätszentrum: Symmetrieebenen: nicht chiral nicht chiral chiral Zentrales Atom mit 4 verschiedenen Substituenten Br Br Meist C (sp 3 ); auch bei P, S, N möglich Asymmetriezentrum, stereogenes Zentrum F Cl Cl F 192

193 11. Stereochemie und Stereoselektivität 11.2 Chiralität (2) Chiralitätsachse: Achse Spiegel a b Schraube elikale Strukturen, vgl. a- und b-elix (Proteine, DNA) 193

194 11. Stereochemie und Stereoselektivität 11.2 Chiralität Chirale Moleküle: Enantiomere C C 3 C C 3 2-ydroxypropansäure (Milchsäure) Zwei Moleküle, die sich wie bjekt und Spiegelbild verhalten, aber nicht identisch sind, nennt man Enantiomere! 194

195 11. Stereochemie und Stereoselektivität 11.2 Chiralität Schreibweisen und Nomenklatur der Stereochemie (1) R,S-Nomenklatur (Cahn-Ingold-Prelog Regeln, 1964) Zeichnen eines Tetraeders entsprechend der realen räumlichen Gestalt: Wie unterscheidet man im Namen Bild und Spiegelbild? R,S-Nomenklatur Grundlage: Priorität der 4 Substituenten 195

196 11. Stereochemie und Stereoselektivität 11.2 Chiralität 1. Festlegung der Prioritätenreihenfolge: Die direkt an das asymmetrische *C-Atom gebundenen Atome (a) werden nach fallender rdnungszahl betrachtet: höhere rdnungszahl höhere Priorität. gleichwertig Betrachtung der weiteren Bindungssphären b, c, d., c b a c b * C a a b c a Mehrfachbindungen zählen als mehrere Einfachbindungen: b c 2 C C 1 C 4 C C 3 196

197 11. Stereochemie und Stereoselektivität 11.2 Chiralität 2. Betrachtung des Moleküls: Substituent niedrigster Priorität (meist ) zeigt nach hinten (Blick von vorne über das asymmetrische C-Atom in die C--Bindung) Reihenfolge der restlichen drei Substituenten nach abnehmender Priorität geordnet entspricht: Drehung im Uhrzeigersinn Drehung im Gegenuhrzeigersinn R-Konfiguration (rectus) S-Konfiguration (sinister) 197

198 11. Stereochemie und Stereoselektivität 11.2 Chiralität (2) D,L-Nomenklatur (nach Emil Fischer, 1900) Nur für spezielle Verbindungen möglich und gebräuchlich!! a-substituierte Aldehyde Zucker!! a-substituierte Carbonsäuren Aminosäuren, ydroxysäuren Konvention: Projektionsformeln nach Fischer: öchst oxidierter Substituent an der senkrechten Kante nach oben + hinten Relevanter a-substituent an der horizontalen Kante nach vorne, rechts oder links! C C C C Modell C 2 C 2 C 2 C 2 D-Glycerinaldehyd dexter L-Glycerinaldehyd laevus 198

199 11. Stereochemie und Stereoselektivität 11.2 Chiralität 2 C 1 2 N 4 C 3 2 L-Serin Bedeutet D = R und L = S??? Wie kann ich R/S aus D/L ableiten?? R/S ist neu (1964) und universell D/L ist alt und speziell C 2 C N 2 2 C C N 2 1 S 3 C 1 2 N 4 C 2 2 S L-Cystein mit Blickrichtung vorne um 90 nach rechts in Tafelebene drehen C S 2 C N 2 2 S 2 C 3 C 4 N 2 1 R!! 199

200 11. Stereochemie und Stereoselektivität 11.2 Chiralität In welcher physikalischen Eigenschaft unterscheiden sich 1) chirale von achiralen Verbindungen und 2) Enantiomere untereinander? ptische Aktivität Die Ebene des polarisierten Lichts wird in einem chiralen Medium gedreht: Enantiomere drehen die Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht - unter sonst gleichen Bedingungen - um den gleichen Betrag a nach links: (-) bzw. rechts (+) Messung: Polarimeter Polarimetrie 200

201 11. Stereochemie und Stereoselektivität 11.2 Chiralität Das Ausmaß der Drehung ist proportional der Konzentration c der Lösung (angegeben in g/100 cm 3 ) und der Schichtdicke l (angegeben in dm): spezifischer Drehwert T a [ a] c l Konzentration in g/cm 3 gemessener Drehwert Länge der Küvette (Schichtdicke) in dm [a] D 20 Na-D-Linie (589 nm) (Na-Dampf-Lampe) Messtemperatur Merke: Es besteht kein Zusammenhang zwischen optischem Drehsinn: (+) oder (-) Bezeichnung nach Fischer: D oder L Bezeichnung nach CIP: R oder S 201

202 11. Stereochemie und Stereoselektivität 11.2 Chiralität Die reinen Substanzen: Enantiomere S- oder L- (+)-Milchsäure [a] D = R- oder D- (-)-Milchsäure [a] D = Das 1:1 Gemisch: Racemat [a] D = 0 202

203 11. Stereochemie und Stereoselektivität 11.2 Chiralität Racemisierung: Prozess der Überführung eines Enantiomers in das Racemat Racematspaltung: Trennung eines Racemats in die beiden Enantiomeren Inversion: Überführung eines Enantiomers in das spiegelbildliche 11.3 Verbindungen mit mehreren Chiralitätszentren: Enantiomere, Diastereomere, meso-verbindungen Jedes einzelne Stereozentrum mit R oder S bezeichnen und diese Deskriptoren in den Namen aufnehmen Wie viele Stereoisomere gibt es von diesen Verbindungen? 203

204 11. Stereochemie und Stereoselektivität 11.3 Enantiomere, Diastereomere, meso-verbindungen 1 Asymmetrie-Element 2 Enantiomere 2 Stereoisomere 2 Asymmetrie-Elemente 2 Enantiomerenpaare, zueinender diastereomer 4 Stereoisomere n Chiralitätselemente (unterschiedlich substituiert!) 2 n Stereoisomere Enantiomere und Diastereomere 204

205 11. Stereochemie und Stereoselektivität 11.3 Enantiomere, Diastereomere, meso-verbindungen Enantiomere und Diastereomere in Fischer-Projektion: auch hier nur bei speziellen Verbindungen: 205

206 11. Stereochemie und Stereoselektivität 11.3 Enantiomere, Diastereomere, meso-verbindungen (1) Zwei Enantiomere haben an allen Asymmetriezentren entgegen gesetzte Konfiguration. Enantiomere verhalten sich wie Bild und Spiegelbild. Sie lassen sich nicht durch Drehung zur Deckung bringen. Enantiomere haben die gleichen physikalischen und chemischen Eigenschaften (Schmelzpunkte, Siedepunkte, etc.). Sie unterscheiden sich nur in ihrer Wechselwirkung mit polarisiertem Licht: optische Aktivität entgegen gesetzter optischer Drehsinn (2) Diastereomere unterscheiden sich nicht an allen, d.h. x < n Stereozentren Diastereomere verhalten sich nicht wie Bild und Spiegelbild. Sie haben prinzipiell unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften. (3) Zwei Stereoisomere sind entweder enantiomer oder diastereomer zueinander. 206

207 11. Stereochemie und Stereoselektivität 11.3 Enantiomere, Diastereomere, meso-verbindungen meso-verbindungen Sonderfall: z. B. Molekül mit 2 Stereozentren die aber die gleichen vier (verschiedenen) Substituenten tragen Spiegelebene in einem Stereoisomer = meso-form Es existieren 2 Enantiomere und 1 meso-verbindung Die meso-verbindung ist nicht chiral (und auch nicht optisch aktiv). 207

208 11. Stereochemie und Stereoselektivität 11.3 Enantiomere, Diastereomere, meso-verbindungen Klassisches Beispiel in Fischer-Projektion: Salze: Tartrate Chelat-Ligand 208

209 11.4 Biologische Eigenschaften von Enantiomeren Die Natur ist chiral : mikroskopisch, makroskopisch Viele Biomoleküle sind chiral: Kohlenhydrate, ydroxysäuren, Amine, Aminosäuren Polysaccharide, DNA, Alkaloide, Peptide, Proteine... Enzyme und Rezeptoren sind chiral, insbesondere das aktive Zentrum. Die Wechselwirkungen mit chiralen Substraten entsprechen diastereomeren Relationen und sind unterschiedlich. Enantiomere und Rezeptoren molekulare Erkennung Enantiomere binden an unterschiedliche Rezeptoren oder unterschiedlich gut. Die biologische Wirkung ist unterschiedlich. Moderne Pharmazeutika sollen chiral sein. 209

210 11. Stereochemie und Stereoselektivität 11.4 Biologische Eigenschaften von Enantiomeren Enantiomere und Rezeptoren/Enzyme molekulare Erkennung Drei-Punkt-Wechselwirkung (1933) Passt Passt nicht 210

211 11. Stereochemie und Stereoselektivität 11.4 Biologische Eigenschaften von Enantiomeren (R)-(-)-Adrenalin erhöht Blutdruck und erzfrequenz (S)-(+)-Adrenalin schwache Wirkung + NMe + NMe gute Bindung von (R)-(-)-Adrenalin an den Adrenalin-Rezeptor schwächere Bindung von (S)-(+)- an den Adrenalin-Rezeptor 211

212 11. Stereochemie und Stereoselektivität 11.4 Biologische Eigenschaften von Enantiomeren (R)-(+)-Thalidomid Antidepressivum Beruhigungsmittel (S)-(-)-Thalidomid toxisch, teratogen Contergan -Affäre (R)-(+)-Limonen Citrusduft (S)-(-)-Limonen Fichtennadeln Trennung von Enantiomeren (Racematspaltung) oder Synthese reiner Enantiomere 212

213 11. Stereochemie und Stereoselektivität 11.4 Biologische Eigenschaften von Enantiomeren Ziel: stereoselektive (enantioselektive) Synthese 213

214 Isomerie Zusammenfassung: Stereochemie Konstitution, Konformation, Konfiguration Konstitutionsisomere und Stereoisomere Geometrische Isomere (cis/trans) Konfigurationsisomere: Enantiomere und Diastereomere Chiralität, Symmetrieelemente, Chiralitätselemente (Zentrum, Achse) Chirale Moleküle: R/S-Nomenklatur, Fischer-Nomenklatur (D/L) optische Aktivität, spezifischer Drehwert Enantiomere, Racemat, Diastereomere, meso-verbindungen pharmakologische Eigenschaften von Enantiomeren stereoselektive (enantioselektive) Synthese 214

215 Übungsaufgaben Welche der nebenstehenden Verbindungen sind geometrische Isomere? A (1) und (2) B (1) und (3) Die nebenstehende Verbindung ist A (S)-Milchsäure B (R)-Milchsäure Welches Strukturmerkmal bzw. welche funktionelle Gruppe tritt in der abgebildeten Verbindung nicht auf? A tertiärer Alkohol B Acetal C albacetal D zwei stereogene Zentren (Chiralitätszentren) E Trichlormethylgruppe 215

216 12. Kohlenhydrate 216

217 12. Kohlenhydrate 12.1 Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide 217

218 12. Kohlenhydrate 12.1 Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide Zuckerstammbaum: D-Reihe 218

219 12. Kohlenhydrate 12.1 Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide Monosaccharide: 1 Zuckerbaustein Stammverbindung: D- bzw. L-Glycerinaldehyd Anzahl der Kohlenstoffatome: 4-6 Tetrose, Pentose, exose 1 Carbonylgruppe: Aldosen und Ketosen -Gruppen an allen anderen C asymmetrische C-Atome (Stereozentren) C * * * * C 2 C 2 * * * C 2 acyclisch?? D-Glucose D-Fructose Stellungsisomere 219

220 12. Kohlenhydrate 12.1 Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide Enantiomere Zucker unterscheiden sich an allen asymmetrischen C: C * * * * C 2 D-Glucose C * * * * C 2 L-Glucose Epimere Zucker unterscheiden sich an einem asymmetrischen C: C * C 2 C * C 2 C C * * C 2 C 2 D-Glucose D-Mannose D-Glucose D-Galactose Epimere bzgl. C2 Epimere bzgl. C4 Diastereomere Zucker unterscheiden sich an 0 < 1 < n asymmetrischen C 220

221 12. Kohlenhydrate 12.1 Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide Ringstruktur von Monosacchariden: cyclische albacetalform 221

222 12. Kohlenhydrate 12.1 Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide Anomere Zucker unterscheiden sich in der Konfiguration am Acetal-C der cyclischen Form (bei Aldosen C-1): a und b Anomere Zucker können in Lösung über die ringoffene Form im Gleichgewicht stehen (Mutarotation) 222

223 12. Kohlenhydrate 12.1 Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide Pyranosen und Furanosen 223

224 12. Kohlenhydrate 12.1 Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide Ribose und Desoxyribose 224

225 12. Kohlenhydrate 12.1 Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide Desoxyzucker Aminozucker: N 2 - statt -Gruppen: in yaluronsäure ( Gelenkschmiere ) und Knorpel in Antibiotika (Glykosid-Antibiotika) u.a. 225

226 12. Kohlenhydrate 12.1 Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide xidation und Reduktion Eigenschaften von Monosacchariden Aldosen sind reduzierende Zucker! Fehling Tollens (Versuch 5.1) 226

227 12. Kohlenhydrate 12.1 Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide 227

228 12. Kohlenhydrate 12.1 Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide Isomerisierung über die Endiolform C C C 2 C C C 2 C C C 2 C 2 C C 2 (D-)Glycerinaldehyd "Endiol" Dihydroxyaceton C C C 2 Base C C C 2 Base C C C 2 D-Glucose "Endiol" D-Fructose auch mit Isomerasen Ketosen wirken im basischen ebenfalls reduzierend! 228

229 12. Kohlenhydrate 12.1 Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide Vitamin C als Endiol: (Biosynthese aus D-Glucose oder D-Gulose) 229

230 12. Kohlenhydrate 12.1 Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide als Phosphate im Stoffwechsel: C C C C C C 2 P Glucose-6-phosphat Isomerase C 2 C C C C C 2 P Fructose-6-phosphat 230

231 12. Kohlenhydrate 12.1 Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide (Voll)Acetale: Glycoside Wiederholung: 231

232 12. Kohlenhydrate 12.1 Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide Beispiele mit einfacher Alkoholkomponente: 5 1 C 3 Methyl-a-D-glucopyranosid 5 1 C 3 Methyl-b-D-glucopyranosid 5 1 C 3 Methyl-b-D-galactopyranosid Glycoside sind (wie Acetale): labil gegen wässrige Säure stabil gegen Basen stabil gegen Reduktionsmittel stabil gegen xidationsmittel, d.h. nicht reduzierend -Glycoside 232

233 12. Kohlenhydrate 12.1 Aufbau von Kohlenhydraten - Monosaccharide N-Glycoside: 233

234 12. Kohlenhydrate 12.2 Disaccharide (Voll-)Acetale mit einem 2. Monosaccharid als Alkoholkomponente: 234

235 12. Kohlenhydrate 12.2 Disaccharide = Disaccharide Typ I: Verknüpfung anomeres + alkoholisches reduzierende Disaccharide Lactose b-d-galactopyranosyl-(1-4)-d-glucopyranose Muttermilch: 5,5 7,5 % Lactose (primäre Kohlenhydratquelle für Säuglinge) Lactase zur Spaltung Lactose-Intoleranz : Lactase fehlt beim eranwachsen Abschaltung des Lactase-Gens bei % der Erwachsenen Lactase als Verdauungshelfer 235

236 12. Kohlenhydrate 12.2 Disaccharide = Disaccharide Typ II: Verknüpfung anomeres + anomeres Nur Vollacetal-Struktur nicht reduzierende Disaccharide bei Aldosen: 1 1 verknüpft, bei einer Ketose: 1 2 verknüpft 236

237 12. Kohlenhydrate 12.3 Polysaccharide Stärke und Glycogen Grundstruktur: 1,4-a-glycosidische Verknüpfung von a-d-glucoseeinheiten A m y l o s e : (im wesentlichen) unverzweigte Kettenmoleküle wasserlöslich: 20 %, MG A m y l o p e k t i n : 4 stark verzweigte Kettenmoleküle: auptketten 1,4-glycosidisch, Verzweigungen 1,6-glycosidisch wasserunlöslich, MG G l y c o g e n : ähnlich Amylopektion 1,4-verknüpft und 1,6-verzweigt, deutlich höherer Verzweigungsgrad, wasserunlöslich

238 12. Kohlenhydrate 12.3 Polysaccharide Amylose gewinkelt, vgl. Maltose elixstruktur mit ohlraum Einlagerung von Iod: Iod-Stärke-Reaktion (Versuch 5.2) 238

239 12. Kohlenhydrate 12.3 Polysaccharide Amylase Amylose Maltose Säure 1 Maltase a-d-glucose 239

240 12. Kohlenhydrate 12.3 Polysaccharide Amylopektin Glykogen 240

241 12. Kohlenhydrate 12.3 Polysaccharide Cellulose Grundstruktur: 1,4-b-glycosidische Verknüpfung von b-d-glucoseeinheiten Cellobiose faserartige Moleküle, wasserunlöslich Cellulose unter dem Mikroskop: 241

242 Zusammenfassung: Kohlenhydrate C n ( 2 )n: Photosynthese und Verbrennung Zuckerstammbäume ausgehend von D,L-Glycerinaldehyd Tetrosen/Pentosen/exosen Aldosen/Ketosen Chiralitätszentren: Enantiomere, Diastereomere, Epimere cyclische albacetale, Anomere (a/b), Pyranosen und Furanosen xidation und Reduktion Endiolform (z. B. Vitamin C) Phosphatierung Vollacetale: glykosidische Bindung, - /N-Glycoside Disaccharide Typ I und II Polysaccharide: Stärke/Glykogen Cellulose 242

243 Übungsfragen: Welche Monosaccharide sind Epimere? A D-Glucose und D-Fructose B D-Glucose und D-Mannose Bei der positiven Tollens-Probe wird D-Galactose oxidiert zu A D-Galactonsäure B D-Galacturonsäure Glycogen ist ein Polysaccharid aus A 1,4- verknüpften a-d-glucose-einheiten mit starker Verzweigung durch zusätzliche 1,6-Verknüpfung. B ähnlich wie Amylose linear 1,4- verknüpften a-d-glucose- Einheiten. Welche Aussage trifft nicht zu? Lactose und Maltose A können beide durch Maltase abgebaut werden B haben dieselbe Molmasse C sind unterschiedlich C1 C4 verknüpft D können als α- und β-anomere vorliegen E besitzen beide reduzierende Eigenschaften 243

244 13. Aminosäuren und Peptide 13.1 Aminosäuren proteinogen: 20 (+1) essentiell: 10 (+1) 244

245 13. Aminosäuren und Peptide 13.1 Aminosäuren Aminosäuren mit unpolaren aliphatischen Seitenketten 245

246 13. Aminosäuren und Peptide 13.1 Aminosäuren mit aromatische Seitenketten C 2 N C C C 2 2 N C C 2 N C 2 C N 2 C Phenylalanin Tyrosin Tryptophan Phe, F Tyr, Y Try, W 246

247 13. Aminosäuren und Peptide 13.1 Aminosäuren mit polaren, ungeladenen (neutralen) Seitenketten 247

248 13. Aminosäuren und Peptide 13.1 Aminosäuren mit polaren, basischen Seitenketten mit polaren, sauren Seitenketten 248

249 13. Aminosäuren und Peptide 13.1 Aminosäuren 2 N Aminosäuren als Betaine, Zwitterionen, Ampholyte C C 2 3 N C C 2 Glycin: pk S ~ 10.0 pk B ~ 12.0 pk S Carbonsäure: ~4.8 pk B Amin: ~3.4 pk S Ammonium: ~10.6 pk B Carboxylat: ~9.2 3 N C C - + C N C 2 N R R R pk S 1 pk S 2 positiv geladen neutral bei einem definierten p-wert: Isoelektrischer Punkt C C negativ geladen p IP = pk S1 + pk S

250 13. Aminosäuren und Peptide 13.1 Aminosäuren Titrationskurve einer neutralen Aminosäure 3 N C C C - + pk S 1 3 N C 2 pk S 2 2 N C C 2 = 10.0 p IP = pk S1 + pk S2 2 =

251 13. Aminosäuren und Peptide 13.1 Aminosäuren Titrationskurve einer sauren Aminosäure 251

252 13. Aminosäuren und Peptide 13.1 Aminosäuren Titrationskurve einer basischen Aminosäure 252

253 13. Aminosäuren und Peptide 13.1 Aminosäuren Nachweis von Aminosäuren: über den isoelektrischen Punkt (IP) Anode + p isoelektrische Fokussierung Kathode - p Anode + p Asp Gly Lys IP = 3.0 IP = 6.0 IP = Kathode - p 253

254 13. Aminosäuren und Peptide 13.1 Aminosäuren Nachweis von Aminosäuren: Ninhydrin-Test Aminosäuren als Chelatliganden R C C N Cu 2+ N C C R 254

255 13. Aminosäuren und Peptide 13.1 Aminosäuren Decarboxylierung von Aminosäuren 255

256 13. Aminosäuren und Peptide 13.1 Aminosäuren Acylierung und Veresterung von Aminosäuren N-Acetylcystein Mucolytikum, Antioxidans 256

257 13.2 Peptide Peptidbindung und Dipeptide 257

258 13. Aminosäuren und Peptide 13.2 Peptide Phenylalaninquelle : nicht bei Patienten mit Phenylketonurie angeborene Stoffwechselstörung (1 : ) Anreicherung von Phe irnschädigung (Störung der geistigen Entwicklung) 258

259 13. Aminosäuren und Peptide 13.2 Peptide 259

260 13. Aminosäuren und Peptide 13.2 Peptide Tripeptide 260

261 13. Aminosäuren und Peptide 13.2 Peptide Geometrie der Peptidbindung Peptid-Mesomerie 6 Atome der Peptidbindung in einer Ebene Partieller Doppelbindungscharakter der C N Bindung Sterische Fixierung, meist trans an -C=N- 261

262 13. Aminosäuren und Peptide 13.2 Peptide Geometrie in der Primärstruktur Peptid-Rückgrat Durch die Unbeweglichkeit der planaren Peptidbindungen können nur wenige stabile Konformationen ausgebildet werden: Sekundärstrukturen. 262

263 13.3 Polypeptide und Primärstruktur ligopeptide: 2-10 AS (Poly)Peptide: AS MG bis (1-10 kda) Proteine: >100 AS MG kda Aminosäuren Polypeptide Primärstruktur: Aminosäuresequenz Abfolge der Aminosäuren in der Kette Peptidsynthese Biosynthese Sequenzanalyse sequenziell im Labor: automatisiert 263

264 13. Aminosäuren und Peptide 13.3 Polypeptide und Primärstruktur Peptidsynthese im Labor 2 N R 2 C + 2 N R 1 C 2 N R 2 N Schützen oder R 1 SG N R 2 C + 2 N R 1 SG Entschützen am N- oder C-Terminus Aktivieren SG N R 2 X + 2 N R 1 SG Kuppeln - X SG N R 2 N R 1 SG 264

265 13. Aminosäuren und Peptide 13.3 Polypeptide und Primärstruktur Protein-Biosynthese RNA N R 2 N R 1 2 N R 2 N R 1 trna 265

266 13.4 Sekundärstrukturen ptimierung von Geometrie (Konformation) sowie polaren Wechselwirkungen / -Brücken F a l t b l a t t - Struktur: b-struktur (von b-keratin) 266

267 13. Aminosäuren und Peptide 13.4 Sekundärstrukturen Zusammenlagerung zweier gefalteter Kettenabschnitte -Brücken zwischen den beiden Kettenabschnitten 267

268 13. Aminosäuren und Peptide 13.4 Sekundärstrukturen Seitenketten R alternierend nach oben oder unten ; -Brücken zwischen gegen- oder gleichläufigen Kettenabschnitten 268

269 13. Aminosäuren und Peptide 13.4 Sekundärstrukturen a - e l i x - Struktur: schraubenförmige Anordnung i.d.r. 3,6 Aminosäuren pro Windung -Brücken innerhalb der gleichen elix: C= und N-Gruppen von Windung zu Windung im passendem Abstand -Brücken in Richtung der Schraubenachse erhöhte Stabilität Seitenketten stehen nach außen und können weiter wechselwirken 0.54nm a-elix: rechts-schraube 269

270 13.5 Tertiärstrukturen Supersekundärstrukturen ( Überstrukturen, Motive ): Arrangement von Sekundärstrukturabschnitten (elices / Faltblätter) sowie Schlaufen ( Loops, Aminosäure-Abschnitte, die keiner Sekundärstruktur angehören) Stabilisierung über Seitenketten: Disulfid-Bindungen zwischen Cystein-Resten -Brücken ionische Wechselwirkungen zwischen Seitenketten hydrophobe Wechselwirkungen Nur eine Polypeptideinheit 270

271 13. Aminosäuren und Peptide 13.5 Tertiärstrukturen 2007 Pearson Studium / Abbildung aus: Bruice: rganische Chemie, 5. Aufl. / ISBN:

272 13. Aminosäuren und Peptide 13.5 Tertiärstrukturen Disulfid-Brücken zwischen Cystein-Resten Das aar 272

273 13. Aminosäuren und Peptide 13.5 Tertiärstrukturen Tertiärstruktur 273

274 13.6 Quartärstrukturen Aggregate aus Peptidketten-Untereinheiten (typisch 2-6, bis zu 20) Cofaktoren und Coenzyme Kooperativität: Bindung kleiner Moleküle Cofaktor äm Quartärstruktur des ämoglobins: Tetramer aus 4 UE von 2 verschiedenen Typen a und b 274

275 13. Aminosäuren und Peptide 13.6 Quartärstrukturen 275

276 13. Aminosäuren und Peptide 13.6 Quartärstrukturen Cofaktoren und Coenzyme begrenzte chemische Potenz nackter Enzyme, z. B. zur Elektronenübertragung. Metallionen: Zn 2+, Fe 2+, Co 2+, Cu am Enzym spezifisch koordiniert Cofaktoren oder prosthetische ( zusätzliche ) Gruppe; z. B. äm - niedermolekulare Verbindungen, enthalten häufig Metall-Ionen - permanent an das Enzym gebunden (meist kovalent) - Regeneration der aktiven Form im katalytischen Cyclus Coenzyme oder Cosubstrate, z. B. NAD - relativ niedermolekular - in einem Assoziations- / Dissoziationsgleichgewicht an Enzym gebunden - ausreichend hohe Konzentration erforderlich Apoenzym + Coenzym (olo-)enzym 276

277 13. Aminosäuren und Peptide 13.6 Quartärstrukturen Proteine: Einteilung nach Funktion und Zusammensetzung: Skleroproteine: Gerüst- und Faserproteine (z. B. Bindegewebe): wasserunlöslich Sphäroproteine (globuläre Proteine): wasserlöslich; u. a. Transportproteine, Enzyme Proteinkomplexe ( Proteide ): Protein- + Nichtproteinanteil Glykoproteine (Valenzbindung) Phosphoproteine (Valenzbindung) Lipoproteine (lose Aggregate) Metalloproteine (Komplexbindung) Enzyme: Biokatalysatoren Zink-Finger-Proteine Spezifische Bindung an DNA (Transskriptionsfaktoren) 277

278 13.7 Enzymkinetik 278

279 13. Aminosäuren und Peptide 13.7 Enzymkinetik 279

280 13. Aminosäuren und Peptide 13.7 Enzymkinetik 280

281 13. Aminosäuren und Peptide 13.7 Enzymkinetik 281

282 13. Aminosäuren und Peptide 13.7 Enzymkinetik 282

283 13. Aminosäuren und Peptide 13.7 Enzymkinetik 283

284 13. Aminosäuren und Peptide 13.7 Enzymkinetik 284

285 13. Aminosäuren und Peptide 13.7 Enzymkinetik 285

286 13. Aminosäuren und Peptide 13.7 Enzymkinetik 286

287 13. Aminosäuren und Peptide 13.7 Enzymkinetik 287

288 13. Aminosäuren und Peptide 13.7 Enzymkinetik 288

289 13. Aminosäuren und Peptide 13.7 Enzymkinetik Enzymkinetik - Sättigungskinetik (Michaelis u. Menten) 289

290 13.8 Synthetische Polyamide n 2 N 1,6-Diaminohexan (C 6 ) ("examethylendiamin") Adipinsäure (C 6 ) N 2 1. Salzbildung, C + n - n 2 N N Amidbindung Polyamid 66, "Nylon 6,6" (Dupont, 1935) n 290

291 13. Aminosäuren und Peptide 13.8 Synthetische Polyamide n 2 N N 2 + n Cl Cl - n Cl N N Amidbindung n Versuch: Nylon-Seiltrick 291

292 Zusammenfassung: Aminosäuren und Peptide insbesondere a-aminocarbonsäuren proteinogen, z. T. essentiell Einteilung nach Seitenkette, Buchstaben-Codes Betaine, Ampholyte, Titration, isoelektrischer Punkt Decarboxylierung zu biogenen Aminen Peptidbindung als Spezialfall der Amidbindung Peptidsynthese, Sequenzanalyse Polypeptide: Primär-, Sekundär-, Tertiär-, Quartärstruktur Proteine Enzyme als Biokatalysatoren synthetische Polyamide 292

293 Übungsfragen: Nebenstehende Aminosäure A enthält einen Imidazol-Ring und heißt istidin. B enthält einen Indol-Ring und heißt Tryptophan. N N C 2 C C N 2 Die Säurestärke von ungeladenem Alanin (Betain-Struktur) wird bestimmt A von der Acidität der Ammoniumgruppe. B von der Acidität der Carboxylgruppe. Welche Aussage zur Verbindung dieser Verbindung trifft nicht zu? A Sie enthält eine Disulfidbrücke B Sie ist ein Dipeptid C C C 2 S S C 2 N 2 C C N 2 Welche Aussage zur a-elix von Proteinen trifft zu? A Sie wird durch intermolekulare Wasserstoffbrücken stabilisiert. B Die Seitenketten der Aminosäure-Bausteine zeigen aus der elix nach außen. 293

294 14. Stofftrennung und Spektroskopie Medizinische Diagnostik, Klinische Chemie Trenn- und Reinigungsverfahren: Destillation Sublimation, Gefriertrocknung Kristallisation (V. 4.4) Flüssig-flüssig Verteilung (V. 4.2) Chromatographie (V. 1.4, 4.4) Dialyse/Ultrafiltration Vorlesungsteil Allgemeine/Anorganische Chemie! 294

295 14. Stofftrennung und Spektroskopie 14.1 Chromatographische Verfahren Dünnschichtchromatographie (DC) Kapillarkräfte Fließmittel, Folie mit Kieselgel u.a., stationäre Phase mobile Phase a Retentionsfaktor: Rf( A) ; Rf( B) c b c 295

296 14. Stofftrennung und Spektroskopie 14.1 Chromatographische Verfahren aufgetrennte Farbstoffe Dünnschichtchromatographie (DC) Filterpapier 296

297 14. Stofftrennung und Spektroskopie 14.1 Chromatographische Verfahren Säulenchromatographie (SC, CC) Schwerkraft 297

298 14. Stofftrennung und Spektroskopie 14.1 Chromatographische Verfahren Variante: PLC: ochdruck- oder ochleistungs-flüssigkeitschromatographie sehr feines Kieselgel kompakte Säulen (z. B. 4 mm x 20 cm) Pumpenförderung des Eluenten Instrumentelle Detektion (Brechungsindex, UV/VIS, ) 298

299 14. Stofftrennung und Spektroskopie 14.1 Chromatographische Verfahren Konzentration PLC: Zeit 299

300 14. Stofftrennung und Spektroskopie 14.1 Chromatographische Verfahren Kapillar-GC: Stationäre Phase: Gaschromatographie ochviskoser Film (z. B. 0,25 mm) in Kunststoff-Kapillare (z. B. 25 m x 0,25 mm ID) Mobile Phase: z. B. elium Detektion: Wärmeleitfähigkeit (WLD) Flammenionisation (FID) Kirschwasser 300

301 14.2 Spektroskopische Verfahren: Grundlagen Molekülanregung: E(nergie) angeregter Zustand DE Grundzustand Messung: Absorption, Emission DE als Wärme und/oder Elektromagnetische Strahlung: DE = h h = Js (Planck-Konstante) : Frequenz der Strahlung [1/s] vgl. c/ : Wellenlänge (meist in nm=10 9 m) c: Lichtgeschwindigkeit 301

302 14. Stofftrennung und Spektroskopie 14.2 Spektroskopische Verfahren: Grundlagen Wellenlänge Elektromagnetische Strahlung: DE = h mit c/ [m] Kosmische Strahlung -Strahlung X-Strahlung UV-Strahlung Wellen Radar- IR-Strahlung, Strahlungswärme Fernseh- Frequenzen Radiofrequenzen Funk- Frequenzen 10-5 [nm] Mikrowelle: 2.45 Gz / 12.2 cm 302

303 14.3 UV / VIS Spektroskopie angeregt werden: energiereichere elektronische Zustände: Elektronenanregung Elektronenübergänge: 303

304 14. Stofftrennung und Spektroskopie 14.3 UV / VIS Spektroskopie Aufnahme eines UV/VIS-Spektrums: Absorption als Funktion der Wellenlänge ( nm) Bandenspektrum (Lage und Intensität der Bande) Farbigkeit von Substanzen Substanzcharakterisierung Substanzquantifizierung (Versuch 5.4) ämoglobin in Wasser Chlorophyll in Methanol NAD + und NAD 304

305 14. Stofftrennung und Spektroskopie 14.3 UV / VIS Spektroskopie Messung bei einer Wellenlänge: Photometrie Photometer d I 0 I Fotozelle Messküvette Anzeige Lambert-Beersches Gesetz: 10 log I 0 /I = Ext(inktion) = e c d e: molarer Extinktionskoeffizient (Substanz- und Wellenlängen-abhängig) Dimension: z. B. dm 2 /mol Konzentrationsbestimmung: Ext c Diagnostik (z. B. Blutuntersuchungen) Reaktionskinetik (Versuch 5.4) (Versuch 5.5) 305

306 14.4 Infrarotspektroskopie (IR) angeregt werden: Molekülschwingungen ( = 2-15 mm) Valenzschwingung Deformationsschwingung C- C= Fingerabdruck 306

307 14.5 Kernresonanzspektroskopie (NMR= Nuclear Magnetic Resonance ) angeregt werden: Ausrichtung des magnetischen Momentes eines Atomkernes entgegen die Feldrichtung eines äußeren Magnetfeldes S B 0 ( = Mz, = 0,5-15 m) N geeignete Kerne: 1, 13 C, 31 P, äußeres Magnetfeld 307

308 14. Stofftrennung und Spektroskopie 14.5 Kernresonanzspektroskopie NMR-Spektrometer NMR-Spektrum einer Einzelsubstanz Magnetfeldstärke: 1,5-15 Tesla Chemische Verschiebung von Protonen im Magnetfeld 308

309 14. Stofftrennung und Spektroskopie 14.5 Kernresonanzspektroskopie am Menschen: Kernspin-Tomographie (MagnetResonanzTomographie) Vermessung der Protonen von Wasser- und Fettbestandteilen im rganismus ell-dunkel-kontraste (wasserreich: dunkel; wasserarm: hell, z.b. Knochen) Abbildung von rganen und unterschiedlichen Gewebearten z. B. Gefäßerweiterungen, Ausdehnung von Tumoren Magnetfeldstärke: 1,5-3 Tesla Schichtweise Aufnahme Keine energiereiche Strahlung 309

310 15. Reaktionskinetik (Zeeck, Kap. 12.) Reaktion: A +... B +... Definition: Reaktionsgeschwindigkeit: Reaktionskinetik: Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion (RG): Abnahme der Edukt-Konzentration (oder) Zunahme Produkt-Konzentration mit der Zeit 310

311 15. Reaktionskinetik Abhängigkeit der RG von Konzentrationen der Ausgangstoffe (Edukte): Geschwindigkeitsgesetz 1. rdnung: Die RG ist proportional zu 1 Eduktkonzentration: A +... B +... S N 1 Reaktion: d[a] - 1 dt v k [A] z. B. monomolekulare Reaktion: 1 Teilchen ist am langsamen und daher die Geschwindigkeit bestimmenden Schritt beteiligt R 3 C-X v = d [R 3 C-X] d t = k 1 [R 3 C-X] 311

312 15. Reaktionskinetik Geschwindigkeitsgesetz 2. rdnung: Die RG ist proportional zu 2 Eduktkonzentrationen: d[a] v - k 2 [A] [B] dt (i.d.r.) bimolekulare Reaktion; 2 Teilchen (Atome, Moleküle) sind am langsamen und daher die Geschwindigkeit bestimmenden Schritt beteiligt S N 2 Reaktion: Nu R 3 C-X v = d [R 3 C-X] d t = k 2 [Nu] [R 3 C-X] 312

313 15. Reaktionskinetik Reaktion 0. rdnung: A +... B +... Die RG ist konstant, d.h. von keiner Eduktkonzentration abhängig: [A] 0 [A] 0 /2 [A] d[a] v - k0 d[a] -k0 dt dt [ A] [ A] d[ A] -k dt [A] -k t [A] t t 0 0 Beispiel: Ethanolabbau im Körper: 100mg/kg Körpergewicht/h = 0,1 / h t t 1/2 313

314 15. Reaktionskinetik Reaktion 1. rdnung: A +... B +... d[a] - 1 dt v k [A] [ A] [ A] da [ ] [ A] t t k 1 dt 1 ln[a] ln[a] - k t [A] [A] e k t albwertszeit: t 1/2 wenn: [A] 0 [A] 2 t ½ ln2 k 1 [A] 0 [B] [A] 0 /2 1 [A] [A] e - 0 k t t 1/2 314

315 15. Reaktionskinetik Auswertung einer Reaktionskinetik 1. rdnung: [A] ln[a] ln[a] 0 1 [A] [A] e - 0 k t ln[a] ln[a] 0 - k1 t t 1/2 t t 315

316 15. Reaktionskinetik Reaktion 2. rdnung: A + B +... X + Y +... d[a] v - k 2 [A] [B] dt Reaktion pseudoerster rdnung: eine Konzentration konstant [A] 0 k [B] k ' 2 2 v k [A] ' 2 t 1/2 t 316

317 15. Reaktionskinetik Versuch 5.5: Photometrische Bestimmung einer Reaktionskinetik: Verseifung eines Esters Messung: Konzentrationsabnahme an Edukt [PNPA] t [PNPA] 0 -[NP] t Konzentrationszunahme an Produkt Ext t Ext t e [NP] t d [NP] t e d 317

318 Übungsfragen 1 nm = 10 9 m Lichtgeschwindigkeit: c = km/s Planck-Konstante: h = 6,62 x J s Elektromagnetische Strahlung der Wellenlänge = 10 nm besitzt eine Energie (pro Lichtquant) von A 1,986 x Joule Elektromagnetische Strahlung: B 1,986 x Joule Energie: E = h mit = c/ Eine Lösung von p-nitrophenolat in Wasser (e = dm 2 /mol) hat in einer 1 cm dicken Küvette im Photometer eine Extinktion von 0,772. A Die Konzentration der Lösung beträgt 4 x 10 4 mol/l B Die Konzentration der Lösung beträgt 4 x 10 5 mol/l Bei einer Reaktion erster rdnung ist nach 150 s die Konzentration des Ausgangsstoffes A von ursprünglich 0,6 mol/l auf 0,3 mol/l gesunken. Nach welcher Zeit, gerechnet vom Start der Reaktion beträgt die Konzentration von A noch 0,15 mol/l? A 225 s B 300 s Bei einer Gleichgewichtsreaktion verringert ein Katalysator die freie Aktivierungsenthalpie DG # A für in- und Rückreaktion. B zur bevorzugten Bildung der Produkte. 318

319 16. Derivate anorganischer Säuren 16.1 Derivate der Kohlensäure xidationsstufen des Kohlenstoffs: Kohlensäure-Derivate : +IV +III +I -I 319

320 16. Derivate anorganischer Säuren 16.1 Derivate der Kohlensäure arnstoff farblos, wasserlöslich wenig basisch (aber stärker als normale Amide) + C + 2 N N 2 Ausscheidung: g in 24 h Abbau stickstoffhaltiger Verbindungen ( arnstoff-cyclus ) Nachweis durch die Biuret-Reaktion enzymatische ydrolyse in Bakterien durch Urease als Funktionalität in: arnsäure N N N N R R N N "Barbiturate" R = : Barbitursäure R = Ethyl: Veronal C 2 N N 2 320

321 16. Derivate anorganischer Säuren 16.1 Derivate der Kohlensäure Guanidin N C 2 N N 2 N C stark basisch! 2 N N 2 funktionelle Aminosäure u.a. Muskeldurchblutung 321

322 16.2 Derivate der Schwefelsäure ( Sulfate ) eparine Bausteine: D-Glucuronsäure, D-Glucosamin; 1,4-a-glykosidisch Kettenlänge variabel (M R ~ 17000) Sulfatgruppen an unterschiedlichen Positionen, Ø 1.25 pro Monosaccharid, erhöhte Wasserlöslichkeit (anionischer Polyelektrolyt) Gewinnung aus tierischen rganen (v. a. Leber, gr. hepar) als Natrium-Salz (eparin-natrium): Injektionslösungen, Salben, Zäpfchen oral unwirksam 322

323 16.3 Derivate der Phosphorsäure pk S 1: 2.0 pk S 2: 7.2 physiologische Bedingungen: Mono- und Diester als Anionen Phosphate 323

324 16. Derivate anorganischer Säuren 16.3 Derivate der Phosphorsäure Phosphate sind sehr gut wasserlöslich; hydrophil Phosphate sind unter nicht enzymatischen Bedingungen hydrolysestabil Phosphorsäure und Phosphate bilden energiereiche Anhydride R P P P R P P P R P P "Diphosphat" R P P P R P P P "Triphosphat" 324

325 16. Derivate anorganischer Säuren 16.3 Derivate der Phosphorsäure P Phospholipide: Lecithin C C C C Glycerin-3-phosphat C 2 P C 2 hydrophil 2 C C ( 3 C) 3 N 2 C 2 C P C 2 C C lipophil 325

326 16. Derivate anorganischer Säuren 16.3 Derivate der Phosphorsäure z. B. Transport nicht membrangängiger Stoffe 326

327 16. Derivate anorganischer Säuren 16.3 Derivate der Phosphorsäure Vesikel, Liposomen Zellmembranen 327

328 17. Nucleoside, Nucleotide und Nukleinsäuren eterocyclische Basen: 328

329 17. Nucleoside, Nucleotide und Nukleinsäuren Nucleoside: heterocyclische Base + (Desoxy)Ribose N 2 2 C b-d-ribofuranose + N N N 2 N Adenin N [ + ], - 2 5' 2 C 1' 3' Adenin-b-N-D-ribofuranosid, "Adenosin", in RNA, ATP usw. N N b N N Nucleotide: Nucleosid-Phosphat in DNA / RNA Energieüberträger Cosubstrate für Redoxreaktionen für Phosphorylierungsreaktionen Botenstoffe ( second messenger ) 329

330 17. Nucleoside, Nucleotide und Nukleinsäuren Adenosin-Phosphate als Energiespeicher kontrollierte Energieabgabe (enzymatisch) Kopplung mit Energie verbrauchenden Prozessen (oder umgekehrt) Phosphatgruppen übertragende Reagenzien und Reaktionen 330

331 17. Nucleoside, Nucleotide und Nukleinsäuren Coenzym der Dehydrogenasen: NAD(P) + / NAD(P): Nicotinamid-adenin-dinucleotid-(phosphat) N 2 2 N N P - P - N N N (P 2-3 ) N Nicotinamid Ribose Diphosphat Ribose(-2'-phosphat) Adenin Adenosin(2'-phosphat) 2 N + 2 e + 2 N N N 331

332 17. Nucleoside, Nucleotide und Nukleinsäuren eterocyclische Basen: in RNA in DNA N 2 N N N N Adenin (A) N N Guanin (G) N N N 2 N 2 N Cytosin (C) N N Uracil (U) Thymin (T) 3 C N N N 332

333 17. Nucleoside, Nucleotide und Nukleinsäuren Nucleoside in RNA in DNA N 2 N 2 N N N N N N Adenosin (A) Guanosin (G) N N N N N N N N N 2 N N 2 Cytidin (C) N N N 2 N N 2 N N N Uridin (U) 2'-Desoxy- Thymidin (T) N 3 C N N 333

334 17. Nucleoside, Nucleotide und Nukleinsäuren Nucleotide in RNA in DNA 334

335 17. Nucleoside, Nucleotide und Nukleinsäuren Nucleinsäuren Ribonucleinsäure (RNA) Desoxyribonucleinsäure (DNA) 335

336 17. Nucleoside, Nucleotide und Nukleinsäuren Basenpaarung: nur in DNA 336

337 17. Nucleoside, Nucleotide und Nukleinsäuren DNA-Doppelhelix T C G A G C G T A C A T Doppelhelixmodell der DNA postuliert von Watson und Crick, 1953 Nobelpreis für Physiologie und Medizin, 1962 Weiß unterlegt: Gerüst aus Zucker und Phosphorsäurediester 337