Chemie für Humanmediziner I und Stomatologen I. Organische Chemie

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1 Chemie für Humanmediziner I und Stomatologen I Organische Chemie Wintersemester 2016/17 MO 14:15 15:00 und FR 09:15 10:45 Uhr ab Mo Klausurtermin: xx Prof. Dr. Felix H. Schacher Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie Folien: jena.de/chemiefuermediziner.html 1

2 Vorlesungstermine Mo :15 15:00 Fr :15 11:00 Mo :15 15:00 Fr :15 11:00 Mo :15 15:00 Fr :15 11:00 Mo :15 15:00 Fr :15 11:00 fällt voraussichtlich aus Mo :15 15:00 Fr :15 11:00 Mo :15 15:00 Fr :15 11:00 Mo :15 15:00 Fr :15 11:00 Mo :15 15:00 Übung 2

3 Gliederung 1. Grundlagen 2. Alkane / Cycloalkane 3. Alkene / Alkine 4. Aromaten 5. Alkohole / Phenole / Ether / Thiole / Thioether 6. Amine / Heterozyklen 7. Kinetik / Substitution / Eliminierung 8. Aldehyde / Ketone 9. Carbonsäuren und Derivate 10. Derivate anorganischer Säuren 11. Chiralität 3

4 Kapitel 1 Begriffe, Definitionen, Grundlagen 4

5 Begriff: Organische Chemie 18. Jahrhundert: Isolierung von Reinstoffen 1769: Weinsäure 1773: Harnstoff 1806: erstmalig Organische Chemie für Stoffe aus Organismen Jakob Berzelius ( vis vitalis ) 1828: Synthese von Harnstoff aus Ammoniumcyanat Friedrich Wöhler Paragdigmenwechsel

6 Begriff: Organische Chemie + Jena Friedlieb Ferdinand Runge Studium Medizin + Chemie (u.a. Jena) Promotion 1819 (Jena) Beschreibung von: Phenol Bakelit Anilin Koffein 6

7 Organische Chemie heute Verbindungen, die Kohlenstoff enthalten Medikamente Lebensmittel Zusatzstoffe Kunststoffe Farbstoffe 7

8 Periodensystem der Elemente Periodensystem der Elemente 8

9 Kohlenstoff: Hybridisierung Kohlenstoff besitzt im Grundzustand die Elektronenkonfiguration 1s 2, 2s 2, 2p 2. Von den 4 Valenzelektronen liegen 2 als Elektronenpaar (2s 2 ) und 2 frei (ungepaart, 2p 2 ) vor. Theoretisch wäre Kohlenstoff zweibindig mit einem Bindungswinkel von Oktettregel könnte nicht erfüllt werden! Experimentell: Kohlenstoff ist vierbindig! (z. B. Methan, Bindungswinkel ~ 109 ) 9

10 Hybridisierung Bindungsmodelle Kohlenstoff : Einfachbindung 154 pm Ethan (C 2 H 6 ) Kohlenstoff: Doppelbindung Ethen (C 2 H 4 ) 134 pm Breitmaier/Jung, Organische Chemie, 4. Auflage

11 Hybridisierung Bindungsmodelle Kohlenstoff : Dreifachbindung Überlappung zweier sp Hybridorbitale und zweimal zwei p Orbitalen. Ethin (C 2 H 2 ) 120 pm 11

12 Hybridisierung Zusammenfassung: Bindungstypen zwischen Kohlenstoffatomen Bindung Bindende Orbitale sp 3 sp 2, p z sp, p y, p z Bindungstyp + z + y + z Winkel zw. den Bindungen 109, Bindungslängen [pm] Bindungsenergie [kj*mol 1 ] freie Drehbarkeit um C C ja nein nein 12

13 Darstellung organischer Moleküle Summen Formel LEWIS Formel (Valenzstrich Formel) Skelett Formel Name Methan Ethen Protonierter Acetaldehyd n Propanol 13

14

15 Klassifizierung 15

16 Reaktionspartner Radikal: Teilchen mit mind. einem ungepaarten Elektron Nucleophil: Elektronenpaar Donator Anion oder Gruppe mit freiem Elektronenpaar oder elektronenreicher Π Bindung Elektrophil: Elektronenpaar Akzeptor Kation mit einer Elektronenlücke oder Gruppe mit positiver Polarisierung 16

17 Reaktionen Organisch Chemische Reaktionen können meist einem von fünf Hauptreaktionstypen zugeordnet werden: ADDITION ELIMINIERUNG SUBSTITUTION A + B C C A + B A B + C A C + B KONDENSATION A + B C + D D = kleines Molekül (z.b. H 2 O) UMLAGERUNG A B 17

18 Reaktionsmechanismus Als Reaktionsmechanismus bezeichnet man die genaue Abfolge aller Elementarschritte innerhalb einer chemischen Reaktion, d.h. die Abfolge in der bei der Umwandlung des Eduktes in das Produkt Bindungen gebrochen und neu geknüpft werden. Beispiel: 18

19 Isomerie ISOMERE Konstitutionsisomere Stereoisomere Konfigurationsisomer Strukturisomere Stellungsisomere cis/trans Isomere ( Diastereomere) Enantiomere* Diastereomere # Konformere (Rotamere) *Bedingung: Vorhandensein eines asymmetrischen Zentrums (chirales C Atom). # Diastereomer hier: Molekül mit mehreren asymmetrischen Zentren (auch: chirales Diastereomer). 19

20 Konstitutionsisomerie Konstitutionsisomere besitzen die gleiche Summenformel, jedoch unterschiedliche Atomverknüpfungen. Sie unterscheiden sich in ihren physikalischen Eigenschaften. Beispiel: C 4 H 10 n Butan Isobutan oder Methylpropan C 5 H 12 n Pentan Isopentan Neopentan C 4 H 10 1 Stellungsisomer; C 10 H Isomere; C 15 H Isomere. 20

21 Stellungsisomerie Stellungsisomerie tritt bei Kohlenstoffketten aus mindestens zwei Atomen oder bei Ringen auf. Funktionelle Gruppen sind an unterschiedliche Atome der Hauptkette gebunden. Beispiele: 21

22 Stereoisomerie Stereoisomere besitzen die gleiche Summenformel und Konnektivität, unterscheiden sich jedoch in der räumlichen Anordnung der Substituenten. Konformationsisomere Durch Drehung um Einfachbindungen ineinander überführbar. Rotationsbarriere (ausreichend hohe E A ) führt zu Konformeren (Rotameren). 22

23 Konformationsisomerie 23

24 Cis/Trans Isomerie E/Z Isomerie Konfigurationsisomerie bei Doppelbindungen. Lassen sich bei Raumtemperatur nicht ineinander überführen. Ursache: Keine freie Rotation um C C Doppelbindungen. Substituenten höchster Ordnung stehen auf entgegengesetzten Seiten der Doppelbindung. = Entgegen Substituenten höchster Ordnung stehen auf der gleichen Seite der Doppelbindung. = Zusammen 24

25 Mesomerie Der Begriff Mesomerie (Resonanz) wird angewendet, wenn eine chemische Struktur (Molekül, Übergangszustand) nicht durch eine einzige Valenzstrichformel (LEWIS Formel) in diesem Falle auch Grenzformel oder Grenzstruktur genannt befriedigend beschrieben werden kann. Es existieren zwei oder mehrere Strukturen eines Moleküls oder Ions mit identischer Atom, aber unterschiedlicher Elektronenanordnung (NICHT Struktur). Der verwendete Mesomeriepfeil ( ) ist KEIN Gleichgewichtspfeil! Mesomere Grenzstrukturen stehen in keinem chemischen Gleichgewichtsverhältnis. RESONANZSTRUKTUREN MÜSSEN GÜLTIGE LEWIS STRUKTUREN SEIN! Beispiel:! Da Resonanzformeln hypothetischer Natur sind, lassen sich die ihnen entsprechenden Spezies weder beobachten noch isolieren! 2- O O O Resonanzhybrid 25

26 Mesomerie Regeln für Resonanzformeln bei Nicht Equivalenten Grenzformen: 1. Größtmögliche Anzahl von Elektronenoktetts 2. Negative Ladungen am Atom mit der größten, positive Ladungen am Atom mit der geringsten EN 3. Möglichst geringe Ladungstrennung 4. Oktettregel kann Ladungstrennung erzwingen 26

27 Tautomerie Tautomere sind Isomere, die durch Wanderung einzelner Atome oder Atomgruppen schnell ineinander übergehen. Sie stehen in einem chemischen Gleichgewicht zueinander. Eine Isolierung der Tautomere ist oft nicht möglich (schnelles Gleichgewicht). Wandernde Gruppe häufig ein Proton (Prototropie) oder einwertige Anionen (Cl, OH, AcO ; Anionotropie). Zwischen den Tautomeren steht ein (Reaktions)doppelpfeil! (Nicht mit Mesomerie verwechseln!) Keto Enol Tautomerie Oxo Cyclo Tautomerie 27

28 Kapitel 2 Alkane / Cycloalkane 28

29 Alkane Kohlenwasserstoffe bestehen nur aus den Elementen Kohlenstoff und Wasserstoff. Alkane sind Kohlenwasserstoffe, die nur Einfachbindungen enthalten (gesättigte KW). C Atome in Alkanen sind sp 3 hybridisiert. Einteilung: Alkane geradkettig verzweigt Alkane besitzen die allgemeine Summelformel: C n H 2n+2 Die homologe Reihe der Alkane ergibt sich ausgehend von Methan (CH 4 ) durch den Einschub von CH 2 Gruppen. 29

30 Alkane n Name Summenformel (C n H 2n+2 ) Kurzschreibweise (kondensierte Formel) Smp. ( C) 1 Methan CH4 CH Ethan C2H6 CH3 CH Propan C3H8 CH3 CH2 CH n Butan C4H10 CH3 CH2 CH2 CH ,5 Sdp. ( C) gasförmig 5 n Pentan C5H12 CH3 (CH2)3 CH n Hexan C6H14 CH3 (CH2)4 CH n Heptan C7H16 CH3 (CH2)5 CH n Octan C8H18 CH3 (CH2)6 CH n Nonan C9H20 CH3 (CH2)7 CH n Decan C10H22 CH3 (CH2)8 CH n Undecan C11H24 CH3 (CH2)9 CH flüssig 12 n Dodecan C12H26 CH3 (CH2)10 CH n Pentadecan C15H32 CH3 (CH2)13 CH n Octadecan C18H38 CH3 (CH2)16 CH n Eicosan C20H42 CH3 (CH2)18 CH n Triacontan C30H62 CH3 (CH2)28 CH3 +66 fest 30

31 Nomenklatur Primäre, sekundäre, tertiäre und quartäre Kohlenstoffatome Ebenso existieren primäre, sekundäre und tertiäre Wasserstoffatome! Trivialnamen für verzweigte Alkane CH 3 H 3 C C H CH 3 H 3 C C CH 2 H H H 3 C C CH 2 CH 3 H 3 C CH 3 C CH 3 Isopropyl- tert.-butyl- sek.-butyl- Isobutyl- CH 3 H 3 C C CH 2 H CH 2 H 3 C CH 3 C CH 2 CH 3 Isopentyl- Neopentyl- 31

32 Nomenklatur Prioritäten Reihung der Priorität funktioneller Gruppen Carbonsäure ( COOH) Carbonsäureanhydride Carbonsäureester ( COOR) Carbonsäurehalogenide ( COX, X = Cl, Br) Carbonsäureamide ( CONR 2 ) Nitrile ( C N) Aldehyde ( COH) Ketone ( COR) Alkohole ( OH) Thiole ( SH) Amine ( NH 2 ) Ether ( C O C ) Alkene ( C=C ) Alkine ( C C ) Halogenverbindungen ( X, X = F, Cl, Br, I) Alkane 32

33 Nomenklatur Nomenklatur von Alkanen Beispiel 1 Regeln (unverzweigte Seitenketten) 1) Benennung und Nummerierung der längsten Kohlenstoffkette (Hauptkette), wobei die Durchnummerierung an dem Kettenende beginnt, so dass die Stellungen der Seitenketten möglichst kleine Zahlen erhalten. Tridecan 2) Seitenketten (Substituenten) benennen, alphabetisch ordnen und dem Stammnamen voranstellen; anstatt der Endung an wird die Endung yl verwendet. Ethyl, Methyl, Propyl 3) Anzahl der gleichen Seitenketten ermitteln und mit griechischem Zahlwort dem betreffenden Seitenkettennamen voranstellen. Ethyl, Dimethyl, Propyl (haben keinen Einfluss auf die alphabetische Reihenfolge) 4) Nummer, die die Stellung der Seitenkette bezeichnet, festlegen. 4 Ethyl ERGEBNIS: 4 Ethyl 8,8 dimethyl 5 propyl tridecan 33

34 Nomenklatur Nomenklatur von Alkanen Beispiel 2 Regeln (verzweigte Seitenketten) 1) Hauptkette Heptan 2) Angabe der Seitenkettenverknüpfung 4 ( 3) Zahl des Kohlenstoffs angeben, an dem sich die Verzweigung in der Seitenkette befindet. 4 (1 4) Den Namen des Alkylrests in der Verzweigung der Seitenkette benennen. 4 (1 Methyl 5) Die vermeintliche Haupkette in der Seitekette ebenfalls als Alkylrest anfügen. 4 (1 Methylethyl) ERGEBNIS: 4 (1 Methylethyl)heptan Trivialname: 4 Isopropylheptan 34

35 Cycloalkane Cycloalkane enthalten eine oder mehrere gesättigte, ringförmige Kohlenstoffketten. Einteilung: Cycloalkane Cycloaliphaten (Alicyclen, Carbocyclen) Polycyclen Cycloaliphaten (Alicyclen, Carbocyclen): besitzen unsubstituiert die allgemeine Summenformel: werden wie die entsprechenden Alkane, jedoch mit der Vorsilbe Cyclo,benannt (homologe Reihe). C n H 2n Cyclohexan = wichtige Struktureinheit in der organischen Chemie! 35

36 Cycloalkane Ringspannung Offenkettige Alkane in gestaffelter Konformation besitzen optimale (spannungsfreie) Bindungswinkel (Tetraederwinkel = 109 ). Beispiel: Ethan Die Konformation kleiner Ringe wird durch die RINGSPANNUNG beinflusst! Energetisch ungünstige Konformation(en) Ringspannung 6 Ring < 5 Ring < 4 Ring < 3 Ring Die Ringspannung bedingt die gegebenenfalls abweichende Reaktivität gegenüber offenkettigen Alkanen. 36

37 Cyclohexan Ebene Struktur (hypothetisch) VS. Sessel Konformation Alle C Atome in einer Ebene. C C Bindungswinkel: 120 (6 fache Winkelspannung) 12 ekliptisch stehende Wasserstoffatome. C Atome 1 und 4 entgegengesetzt aus der Ebene geklappt ( Sessel) Nahezu ideale Bindungswinkel. Gestaffelte Stellung der Wasserstoffatome. Frei von Winkel und ekliptischer Spannung In Übereinstimmung mit der Verbrennungswärme! Cyclohexan ist so inert wie ein normales Alkan! 37

38 Cyclohexan NEWMAN Projektion Gestaffelte Stellung der H Atome. Weitere Konformationen des Cyclohexanrings Energie Neben der Sesselform existieren noch mehrere energetisch ungünstigere Konformationen. Sessel (1) Twist Formen (3) (5) Wanne (4) Halbsessel (2) 38

39 Cyclohexan Konformationsanalyse des Cyclohexans Cyclohexan liegt hauptsächlich in der Sesselform und nur sehr wenig in der Twistform vor. Wannenform und Halbsesselform sind nicht isolierbare Übergangsstrukturen. 39

40 Cyclohexan Axial = parallel zur Drehachse Äquatorial = senkrecht zur Drehachse Mono substituierte Cyclohexane: 1 Isomer (Axial / Äquatorial) Di substituierte Cyclohexane: cis/trans Isomerie 40

41 Cyclohexan 41

42 Reaktionen der Alkane Allgemein sind Alkane wenig reaktiv! keine funktionellen Gruppen Keine Reaktion mit Mineralsäuren, Basen, Oxidations und Reduktionsmitteln. Bei höheren Temperaturen Oxidation und Halogenierung möglich! 42

43 Oxidation Exotherme Reaktion mit radikalischem Kettenmechanismus. Verbrennungsenthalpie Δ H ~ Bindungsenergien (Edukte) Bindungsenergien (Produkte) CH O 2 CO H 2 O Δ H = 810 kj/mol 2 C 2 H O 2 4 CO H 2 O Δ H = 1542 kj/mol Bindungsenergien: C H 413 kj/mol (Dissoziationsenergien) O O 498 kj/mol muss aufgewendet werden C=O O H 803 kj/mol 463 kj/mol wird frei Beispiel : Δ H Methan (theor.) = = 810 kj/mol Jede CH 2 Gruppe steuert etwa 650 kj/mol zur totalen Verbrennungsenergie bei. Verbrennungswärmen für viele organische Verbindungen experimentell ermittelt ( Kalorimetrie) und tabelliert. 43

44 Radikalische Substitution Wichtigste Methode zur Synthese von Halogenalkanen. Herstellung von Radikalen: thermische Spaltung photochemische Bindungsspaltung (Voraussetzung: Absorption von Strahlung) Verbindungen mit niedriger Bindungsdissoziationsenergie werden oft als INITIATOREN (Radikalstarter) eingesetzt. 44

45 Radikalische Substitution 45

46 Kapitel 3 Alkene / Alkine 46

47 Allgemeines Alkene (früher: Olefine, Ethylene) gehören zur Gruppe der ungesättigten Kohlenwasserstoffe. Sie besitzen (mindestens) eine Doppelbindung. Einfache Alkene besitzen die Summenformel: C n H 2n homologe Reihe Alkene von C2 (Ethen) bis C4 (Buten) sind gasförmig, von C5 (Penten) bis C15 (Pentadecen) flüssig und ab C16 (Hexadecen) fest. 47

48 Allgemeines Sind mehrere Doppelbindungen im Molekül vorhanden, spricht man von Dienen, Trienen,..., Polyenen. Diese Doppelbindungen können isoliert, konjugiert oder kumuliert zueinander angeordnet sein. Neben Konstitutionsisomeren können auch cis/trans Isomere (Z/E Isomere) auftreten. Die C C Doppelbindung ist nicht frei drehbar. 48

49 Reaktionen der Alkene I Addition = Anlagerung eines Reagenz (X Y) Ungesättigtes Alken wird zu einem gesättigten (substituierten) Alkan. 49

50 Reaktionen der Alkene II Hydrohalogenierung Hydratisierung 50

51 Reaktionen der Alkene III Bromierung Hydrierung 51

52 Zwischenstufen Stabilität der Carbokationen? 52

53 Regioselektivität Markovnikov 53

54 Regioselektivität Cis/Trans Addition I Trans Addition: 1. Polarisierung der Br Br Bindung 2. Elektrophile Addition 3. Bildung des Π Komplexes 4. Nucleophiler Rückseitenangriff Wichtig bei unsymmetrischen Alkenen! 54

55 Alkine Alkine (früher: Acetylene) gehören zur Gruppe der ungesättigten Kohlenwasserstoffe. Sie besitzen (mindestens) eine Dreifachbindung. Einfache Alkine besitzen die Summenformel: C n H 2n 2 Alkine von C2 (Ethin) bis C4 (1 Butin) sind gasförmig, ab 2 Butin bzw. C5 (Pentin) flüssig. Sind mehrere Dreifachbindungen im Molekül vorhanden, spricht man von Diinen, Triinen,..., Polyinen. Diese Dreifachbindungen können isoliert oder konjugiert zueinander angeordnet sein. Isoliert Ab C4 existieren Konstitutionsisomere. Konjugiert 55

56 Kapitel 4 Aromaten 56

57 Allgemeines Aromatische Moleküle besitzten mindestens ein planares Ringsystem, welches in konjugierten Doppelbindungen, freien Elektronenpaaren und/oder unbesetzten p Orbitalen 4n+2 delokalisierte Elektronen enthält (HÜCKEL Regel). Der Begriff Aromat stammt von den ersten isolierten Vetretern dieser Klasse, welche einen aromatischen Geruch aufwiesen. Benzen (historisch Benzol) besitzt die Summenformel C 6 H 6, uns ist der einfachste Vertreter dieser Klasse. Alle Kohlenstoffe sind sp 2 hybridisiert. Das Elektronensextett (p Elektronen) ist delokalisiert und resonanzstabilisiert! Wikipedia/aromatische Kohlenwasserstoffe 57

58 Allgemeines Struktur Benzen besitzt identische C C bzw C H Bindungsabstände. Es ist planar. Die 6 C Atome sind sp 2 hybridisiert. Die delokalisierten p Elektronen bilden ein ringförmige Elektronenwolke ober und unterhalb der Molekülebene Sie entsteht aus der Überlappung von 6 p Orbitalen! (Benzen Bindung, Elektronensextett) 58

59 Aromatizität Vergleich der Hydrierungswärmen: Gleichmäßige Zunahme der Hydrierungswärme pro Doppelbindung. Geringere Hydrierungswärme als erwartert. Benzen ist durch eine RESONANZENERGIE (124 kj/mol) stabilisiert! Benzen ist chemisch deutlich stabiler als Alkene (z.b. keine Addition an Doppelbindung)! 59

60 Aromatizität Hückel Regel Kriterien für die Aromatiziät HÜCKEL Regel HÜCKEL Regel: Ringverbindungen, deren Gerüstatome sich durch sp 2 Hybridisierung beschreiben lassen, ingesamt 4n+2 Elektronen beitragen sowie eben (planar) angeordnet sind, zeigen eine besondere thermodynamische Stabilität sie haben aromatischen Charakter. 4 Kriterien: cyclisch sp 2 Hybridisierung Hückel Regel (Anzahl der Elektronen, ungerade Anzahl von Elektronenpaaren) planar (Ringstrom) OC I Lehramt F. H. Schacher 60

61 Nomenklatur Nomenklatur für Benzenderivate: Auflistung der Substituenten (Reste) + Endung benzen ( benzol). Disubstituierte Benzene relative Positionsbezeichnung (ortho = 1,2, meta = 1,3, para = 1,4): Mehrfach substituierte Benzene absolute Positionsbestimmung nach IUPAC mit kleinstmöglichen Positionsnummern. TRIVIALNAMEN! Aromaten als Substituten: Phenyl, Benzyl, p Tolyl usw. 61

62 Reaktionen der Aromaten Elektrophile aromatische Substitution S E,Ar Die Reaktion läuft unter Erhalt des aromatischen Charakters des Benzolrings ab. 62

63 Mechanismus S EAr 63

64 Unterschiedliche Substitutionen Bromierung Nitrierung 64

65 Unterschiedliche Substitutionen Alkylierung 65

66 Zweitsubstitution 66

67 Mehrkernaromaten Naphthalen Resonanzformeln: nach Vollhardt nach Breitmaier aromatisches Subsystem 67

68 Kapitel 5 Alkohole / Phenole / Ether / Thiole / Thioether 68

69 Alkohole Allgemeines Als ALKOHOLE (Alkanole) bezeichnet man organische Verbindungen, die mindestens eine Hydroxygruppe ( OH) (als Gruppe höchster Priorität) besitzen. resultierendes Diplomoment 69

70 Allgemeines Einteilung der Alkanole: a) Alkylierungsgrad: primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole b) Anzahl der Hydroxygruppen: (Mono ), Di, Tri,..., Polyalkohole (Polyole). 70

71 Nomenklatur Name des Alkans plus Endung ol. Position der Hydroxygruppe vor dem Alkanstamm oder vor der Endung (z.b. 2 Propanol oder Propan 2 ol). Cyclische Alkanole erhalten zusätzlich die Vorsilbe Cyclo. Position der Substituenten möglichst niedrig! 71

72 Eigenschaften Polarität und Wasserstoffbrücken bindungen verursachen hohe Siedepunkte der Alkohole! 72

73 Eigenschaften Löslichkeit in Wasser OH Gruppe ist polar und hydrophil. Alkylgruppe ist unpolar und hydrophob. C1 C3 Alkohole sind sehr gut wasserlöslich (polarer Charakter überwiegt). C4 C5 Alkohole sind mäßig wasserlöslich. C6 und größere Alkohole sind nicht wasserlöslich (unpolarer Charakter überwiegt). Polarität und Wasserstoffbrückenbindungen verursachen hohe Siedepunkte der Alkohole! 73

74 Eigenschaften Alkohole sind Säure Base Amphotere! 74

75 Eigenschaften Phenole (Carbolsäuren) Azidität von Phenol: Grund: Mesomerie! 75

76 Reaktionen der Alkohole Oxidation: Dehydratisierung: 76

77 MeOH / EtOH Giftigkeit Starkes Gift! ~ 30 ml lethal Erblindung Azidose 4 mg/ml lethal Kokarzinogen 77

78 Ether Allgemeines Ether sind organische Verbindungen mit einer Sauerstoffbrücke (als funktionelle Gruppe) zwischen zwei Alkyl, Aryl oder Alkenylresten. Ether besitzen die allgemeine Summenformel: C n H 2n+2 O Struktur, Orbitale und Eigenschaften C O C Bindung ist gewinkelt (112 ) und polar (hohe Elektronegativität des Sauerstoffs). Ether sind meist reaktionsträge und chemisch inert (Ausnahme: kleine cyclische Ether). Ether können keine Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden. Ihre Siedepunkte liegen deutlich unter denen von Alkoholen vergleichbarer Molmasse. 78

79 Nomenklatur 79

80 Nomenklatur 1,4 Dioxacyclohexan 80

81 Reaktivität von Ethern Protonierung durch starke Säuren: Peroxidbildung: 81

82 Herstellung von Ethern Säurekatalysiert (symmetrisch): Williamson Ethersynthese (unsymmetrisch): 82

83 Epoxide und Grillen? Tabakrauch Grillen 83

84 Thiole / Thioether Allgemeines S H Bindung schwächer als O H Bindung, weniger polarisiert! Schwächere Wasserstoffbrückenbindungen, niedrigere Siedepunkte Aber: azider als Alkohole! Mercaptan aus Mercurius (Hg) und capere (einfangen) stabile Komplexe! 84

85 Reaktivität 85

86 Disulfidbrücken 86

87 Sonstige Vorkommen Knoblauch Proteinogene Aminosäure Liponsäure RedOx Prozesse im Citratzyklus 87

88 Kapitel 6 Amine / Heterozyklen 88

89 Allgemeines Als AMINE bezeichnet man organische Derivate des Ammoniaks (NH 3 ), bei denen ein oder mehrere Wasserstoffatome durch Alkyl oder Arylgruppen ersetzt sind. Die Einführung eines vierten (Alkyl)substituenten führt zu quartären Ammoniumverbindungen. Einteilung: Alkylierungsgrad/Arylierungsgrad des Stickstoffs Alkanamine besitzen eine tetraedrische Struktur. Der Stickstoff ist sp 3 hybridisiert. Freies Elektronenpaar bildet Spitze des Tetraeders. 89

90 Nomenklatur 90

91 Basizität 91

92 Azidität Nur sehr starke Basen können Amine deprotonieren! 92

93 Salzbildung/Alkylierung Allgemein: Neutralisation eines Amins mit z.b. Salzsäure Hydrochlorid 93

94 Heterozyklen Π Überschussaromaten (5 Ringe) Elektronenpaar des Heteroatoms beteiligt sich am Π System 6 Elektronen auf 5 Ringatome H N O S Pyrrol Furan Thiophen Fünfring ist elektronenreicher als Benzol! Erleichterte elektrophile Substitution 94

95 Heterozyklen Π Überschussaromaten (5 Ringe) Elektronenpaar des Heteroatoms beteiligt sich am Π System 6 Elektronen auf 5 Ringatome Strukturelement Pyrrol: Chlorophyll Hämoglobin 95

96 Heterozyklen Π Mangelaromaten (6 Ringe) Elektronenpaar des Heteroatoms beteiligt sich nicht am Π System (Pyridin) 6 Elektronen auf 6 Ringatome Aber: höhere EN des Stickstoffs, geringere Elektronendichte! N Pyridin 96

97 Struktureinheit Pyridin H O H H O NH 2 NH 2 N R NAD+ N R NADH Redoxreaktionen / Wasserstoffübertragung Hydrid als Nucleophil 97

98 Mehrkernige Heterozyklen NH 2 N N N N N H N N H N Purin Adenin O N NH N H N NH 2 Guanin Bausteine der Nucleinsäuren 98

99 Nucleinsäuren Nucleotide erlangen.de/projects/vsc/chemie mediziner neu/heterocyclen/nucleinsaeuren2.html 99

100 Nucleinsäuren Nucleotide DNA Wikipedia.org 100

101 Kapitel 7 Kinetik / Substitution / Eliminierung 101

102 Reaktionsgeschwindigkeit / Reaktionsordnung Reaktionsgeschwindigkeit: zeitliche Veränderung der Konzentration einer an der Reaktion beteiligten Verbindung (Abnahme eines Ausgangsstoffes, Zunahme eines Produktes) a A + b B c C + d D 1 d(a) RG = - = a dt 1 d(b) - = b dt 1 c d(c) dt = 1 d d(d) dt Reaktionsordnung: Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der aktuellen Konzentration der Reaktionspartner d(a) - = k [A] dt Reaktion 1. Ordnung 102

103 Reaktion 0. Ordnung z.b. Photochemische Reaktionen / heterogene Reaktionen 103

104 Reaktion 1. Ordnung 104

105 Radikalische Substitution Energieprofil Geschwindigkeitsbestimmender Schritt 105

106 Substitution vs. Eliminierung S N 2, S N 1 - B: E1, E2 H E1, E2 C C - : Nu L S N 2, S N 1, E1, E2 Die vier durch Pfeile angedeutenden Reaktionsmöglichkeiten laufen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ab. Wichtigste Einflussfaktoren: Nucleophilie / Basenstärke Abgangsgruppe Lösungsmittel Struktur des Substrats 106

107 Nucleophile Substitution 107

108 Nucleophile Substitution 108

109 Nucleophilie Beurteilung der relativen Stärke oder Schwäche von Nucleophilen Anionen sind nucleophiler (bessere Elektronendonoren) als die zugehörigen neutralen Moleküle HO > H 2 O, RS > RSH; RO > ROH Weiter unten im Periodensystem stehende Elemente neigen zu stärkerer Nucleophilie als die in der gleichen Gruppe darüber befindlichen Elemente HS > HO ; I > Br > Cl > F MERKE: Die Nucleophilie wird vom Lösungsmittel (protisch polar oder aprotisch polar) beeinflusst! Einfluss der Abgangsgruppen Gruppen mit gutem Austrittsvermögen (= gute Stabilisierung der negativen Ladung) reagieren schneller I > Br > Cl > F (S N 2). 109

110 Nucleophile Substitution Mechanismus S N 2 110

111 Nucleophile Substitution Mechanismus Energieprofil des S N 2 Mechanismus sp 2 hybridisiertes C Atom Nu sp 3 hybridisiertes C Atom sp 3 hybridisiertes C Atom S N 2 = konzertierter, einstufiger Prozess 111

112 Nucleophile Substitution Mechanismus S N 1 Nu 112

113 Nucleophile Substitution Mechanismus Energieprofil des S N 1 Mechanismus geschwindigkeitsbestimmend Nu produktbestimmend Nu S N 1 = zweistufiger Prozess 113

114 Vergleich Geschwindigkeitsbestimmender Schritt S N 1 Reaktion unimolekular S N 2 Reaktion bimolekular Verlauf Zweistufig: zuerst Spaltung C X, dann Bildung C Nu Einstufig: Spaltung C X und Bildung C Nu simultan Zwischenstufe Carbenium Ion Keine Stereochemie Racemisierung Inversion Strukturvorgabe Kohlenstoff im Edukt Tertiär, Sekundär Methyl, Primär, Sekundär Lösungsmittel Polar protisch Polar aprotisch 114

115 Eliminierung Allgemeiner Typus: C A + B Abspaltung zweier Atome oder Gruppen aus einem Molekül (ohne dass andere Gruppen an ihre Stelle treten) ELIMINIERUNGSREAKTION. 1,1 oder α Eliminierung: beide Gruppen vom selben Atom abgespalten (selten). 1,2 oder β Eliminierung: Gruppen stammen von benachbarten Atomen. Kann als Konkurrenzreaktion zur nucleophilen Substitution auftreten: Nucleophil fungiert als Base! 115

116 Eliminierung Beispiele Dehydrohalogenierung: Dehydratisierung: 116

117 Mechanismus E 1 H 2 O (CH 3 ) 3 COH + HBr Konkurrenz S N 1/E1 geschwindigkeitsbestimmend 117

118 Mechanismus E 2 (Konkurrenz S N 2/E2) 118

119 Substitution vs. Eliminierung S N 2, S N 1 - B: E1, E2 H E1, E2 C C - : Nu L S N 2, S N 1, E1, E2 119

120 Kapitel 8 Aldehyde / Ketone 120

121 Allgemeines C=O Doppelbindung sp 2 hybridisiertes C Atom 2 freie Elektronenpaare am O Planare Umgebung (C) 121

122 Reaktivität Kohlenstoff H H O C C H Angriff durch Elektrophile Angriff durch Nucleophile sauer C O C O 122

123 Reaktivität Detail Angriff eines Nucleophils Angriff eines Elektrophils 123

124 Nomenklatur Aldehyde Formalin = % Formaldehyd in H 2 O alcoholus dehydrogenatus 124

125 Nomenklatur Ketone 125

126 Aceton & Diabetes Abbau von Fettsäuren z.t. Atemluft süßlich Harn 126

127 Herstellung 127

128 Keto Enol Tautomerie Starke Polarisierung der Carbonylgruppe bewirkt eine erhöhte Azidität der H Atome am α C. Wiederanlagerung des Protons in beiden Formen möglich!

129 Keto Enol Tautomerie II 129

130 Reaktionen I Addition von Wasser: Grad der Hydratisierung: Formaldehyd (99 %) Acetaldehyd (~ 50 %) Aceton (< 1 %) Schlafmittel 130

131 Reaktionen II Halbacetalbildung: 131

132 Reaktionen III Acetalbildung: 132

133 Reaktionen IV Addition primärer Amine: 133

134 Reaktionen V Addition sekundärer Amine Enamin Bildung: 134

135 Reaktionen VI Reduktion: 135

136 Reaktionen VII Aldol Kondensation: Reaktion eines Enolats (als Nukleophil) mit einer beliebigen Carbonyl Komponente (als Elektrophil) oft als Folgereaktion 136

137 Reaktionen VIII Aldol Kondensation Mechanismus: Bildung des Enolats Nucleophiler Angriff Protonierung 137

138 Exkurs: Chinone O OH Reduktion +2H +2e Oxidation O OH 1,4-Benzochinon 1,4-Dihydroxybenzol (Hydrochinon) Coenzym Q 10 Ubichinon Elektronentransport in der Atmungskette Vitamin K Carboxylierung während der Blutgerinnung 138

139 Kapitel 9 Carbonsäuren und Derivate 139

140 Allgemeines Carboxylgruppe: elektrophil O basisch R O H sauer Herstellung: z.b. Oxidation von Alkoholen (Aldehyde als mgl. Zwischenstufe) Dimerisierung Wasserstoffbrückenbindungen 140

141 Nomenklatur I IUPAC System: Name des Stammalkans + Endung säure (gilt auch für Alkene und Alkine) Cycloaliphatische Säuren Cycloalkan + Endung Carbonsäure Benzoide Arencarbonsäuren Benzoesäuren Dicarbonsäuren Alkandicarbonsäuren (Trivialnamen) Carboxy Gruppe hat die höchste Priorität bei der Benennung 141

142 Nomenklatur II 142

143 Eigenschaften Carbonsäuren reagieren im wässrigen Medium sauer! 143

144 Eigenschaften Elektronenziehende Substituenten ( I Effekt) erhöhen die Acidität der Carbonsäure Proton spaltet sich leichter ab! Je größer der Abstand zwischen Substituent und Carboxylgruppe, desto geringer der Effekt. 144

145 Salzbildung Carbonsäuren reagieren mit Base zu Wasser + Salz! Zugabe einer stärkeren Säure setzt die Carbonsäure wieder frei. Die stärkere Säure verdrängt die schwächere aus dem Salz. 145

146 Langkettige Carbonsäuren Seifen! Kombination aus hydrophobem und hydrophilem Teil Amphiphil! Wichtiger Begriff: cmc Critical micellar concentration 146

147 Carbonsäuren mit funktionellen Gruppen Milchsäure Weinsäure Citronensäure Bifunktionelle Moleküle! Ketocarbonsäuren Partner bei RedOx Reaktionen in der Zelle 147

148 Ketocarbonsäuren Eigenschaften Keto Enol Tautomerie Übertragung von Phosphatgruppen durch Bildung von Phosphorsäureestern der Enol Form Decarboxylierung Freisetzung von CO 2 beim Abbau von Nahrungsstoffen Β Ketocarbonsäure liefert analog ein Keton 148

149 149

150 150

151 Carbonsäurederivate 151

152 Carbonsäurederivate Reaktionen I Nucleophiler Angriff: ROCl > Anhydrid > Thioester > Ester > Säureamid Säurekatalyse: Protonierung des Carbonyl Sauerstoffs erhöhte Angreifbarkeit des C Atoms Tetraedrisches Zwischenprodukt 152

153 Carbonsäurederivate Reaktionen II Enolatbildung: Kann durch starke Basen entfernt werden 153

154 Carbonsäurechloride Herstellung: Thionylchlorid Beispiele: 154

155 Carbonsäureanhydride Herstellung: Beispiele: 155

156 Carbonsäureanhydride Reaktivität Hohe Reaktivität H 2 O Carbonsäure Amine Carbonsäureamide Alkohole Carbonsäureester Acetanhydrid kann zur Übertragung eines Acylrestes auf OH oder NH 2 genutzt werden. 156

157 Carbonsäureester Herstellung: Eine Entfernung des entstehenden Wassers beschleunigt die Esterbildung! 157

158 Carbonsäureester Mechanismus Hier wird (vorerst) nur die Hinreaktion betrachtet 158

159 Carbonsäureester Hydrolyse 159

160 Exkurs: ungesättigte Fettsäuren Ölsäure: (cis 9 Octadecensäure, 18:1) Dem menschlichen Körper fehlen die Enzyme zur Umwandlung von Ölsäure in Linol oder Linolensäure Zufuhr durch Nahrung (z.b. pflanzliche Keimöle) 160

161 Thioester Herstellung: Acetylierung von Alkoholen in Nervenfasern 161

162 Carbonsäureamide Herstellung: Beispiele: 162

163 Carbonsäureamide Reaktivität Mesomerie: Carbonsäureamide reagieren in wässriger Lösung neutral. 163

164 Carbonsäureamide Hydrolyse 164

165 Kapitel 10 Derivate anorganischer Säuren 165

166 Allgemeines Harnstoff Seltener Baustein Sulfonamide Grenze anorg./org. Chemie Phospholipide (Zellmembran) Erbsubstanz (DNA) Coenzyme Energieträger (ADP) 166

167 Phosgen Kohlensäuredichlorid / Kampfgas WW I 167

168 Harnstoff ist farblos, wasserlöslich, neutral hydrolysiert (bedingt starke Säuren oder Basen und Urease Gegenwart!) zu Kohlensäure und Ammoniak g/p/d Harnstoff Ausscheidung findet als Düngemittel Verwendung ist Bestandteil der Harnsäure, Barbiturate (Schlafmittel) 168

169 Phosphorsäureester Phosphorsäure + Alkohol = Ester 2 H + H + Phosphorsäuremono und diester liegen meist als Anion vor Erschwerter nucleophiler Angriff durch zb OH Erhöhte Stabilität der Phosphorsäureester in wässriger Lösung 169

170 Phosphorsäureester Lecithin Cholin Glycerin Verknüpfung zweier OH Gruppen eines Zuckermoleküls 170

171 Phosphorsäureester Lecithin Mizelle / Vesikel Lipid Doppelschicht 171

172 Phosphorsäureanhydride Energielieferanten im Stoffwechsel! 172

173 Sulfonsäuren / Sulfonamide Derivate der Schwefelsäure Antibakterielle Chemotherapeutika Grundstruktur 173

174 Kapitel 11 Chiralität 174

175 Rückblick: Isomerie ISOMERE Konstitutionsisomere Stereoisomere Konfigurationsisomer Strukturisomere Stellungsisomere cis/trans Isomere ( Diastereomere) Enantiomere* Diastereomere # Konformere (Rotamere) *Bedingung: Vorhandensein eines asymmetrischen Zentrums (chirales C Atom). # Diastereomer hier: Molekül mit mehreren asymmetrischen Zentren (auch: chirales Diastereomer). 175

176

177 Enantiomere Paare von Molekülen, die sich zueinander spiegelbildlich verhalten, bezeichnet man als ENANTIOMERE. Ein 1:1 Gemisch beider Enantiomere bezeichnet man als RACEMAT oder racemisches Gemisch. 177

178 Chiralität chiral Chiralitätszentrum achiral Besitzt das Molekül weder eine Symmetrieebene noch ein Symmetriezentrum, so ist es chiral! Es besitzt ein Chiralitätszentrum, das chirale C Atom! 178

179 Prochiralität Kann ein Molekül durch Austausch eines Wasserstoff Atoms gegen einen anderen Substituenten oder durch Addition an eine Doppelbindung in ein chirales Molekül überführt werden, nennt man es prochiral. prochiralitaet 179

180 Optische Aktivität I Enantiomere besitzen gleiche Schmelzpunkte, Siedepunkte und Dichten (allg. gleiche physikalische Eigenschaften), unterscheiden sich jedoch in ihrer Wechselwirkung mit linear polarisiertem Licht. Trifft linear polarisiertes Licht auf eine Probe eines (reinen) Enantiomers, wird dessen Schwingungsebene um einen gewissen Betrag in eine Richtung (im oder gegen den Uhrzeigersinn) gedreht. Das andere Enantiomer dreht die Schwingungsebene genau um den selben Betrag in die entgegengesetzte Richtung. Aufbau und Wirkungsweise eines Polarimeters: 180

181 Optische Aktivität II a) Drehung im Uhrzeigersinn = rechtsdrehend = (+) Enantiomer b) Drehung entgegen Uhrzeigersinn = linksdrehend = ( ) Enantiomer Messung der optischen Drehung: [α] = spezifische Drehung l = Länge der Kuvette α = Drehwinkel c = Konzentration der Lösung T = Temperatur [K] λ = Wellenlänge des einfallenden Lichts Aus dem Drehwinkel einer Mischung beider Enantiomere kann man die optische Reinheit bestimmen: Eine 1:1 Mischung beider Enantiomere (Racemat) besitzt einen Drehwinkel von 0. Es ist optisch inaktiv! Enantiomeren Überschuss: (enantiomeric excess) 181

182 R S Trotz (fast) identischer physikalischer und chemischer Eigenschaften können Enantiomere bei der Wechselwirkung mit einem Substrat sehr unterschiedliches Verhalten zeigen: Unterschiedlicher Geruch. Unterschiedlicher Geschmack. Unterschiedliche pharmakologische, biologische Wirkung. Rezeptor Wirkung eines Enzyms Substrat passt in die spezifische Bindungsstelle des Enzyms (Reaktion läuft ab). SCHLÜSSEL SCHLOSS PRINZIP Substrat passt nicht in die spezifische Bindungsstelle des Enzyms. Keine Reaktion! 182

183 R S Beispiel: Terpene Beispiel: Ibuprofen 183

184 R S Beispiel: Contergan Wirkstoff (S) Thalidomid Teratogen (Missbildungen) (R) Thalidomid Schlafmittel Zwischen als Schlafmittel an Schwangere verschrieben. Über 9000 Kinder mit Missbildungen geboren. Ab 1962 verboten. In vivo Umwandlung der Enantiomeren ineinander. 184

185 Quelle: Wikipedia 185

186 Nomenklatur chiraler Verbindungen Verwendete Schreibweisen: Tetraeder Schreibweise Keil Schreibweise FISCHER Projektion Nomenklaturen: D,L Nomenklatur (Zucker, Aminosäuren) RELATIVE Konfiguration (bezieht sich nur auf die Konfiguration eines asymmetrischen C Atoms) R,S Nomenklatur (Regeln von CAHN, INGOLD und PRELOG CIP Regeln) ABSOLUTE Konfiguration Absolute Konfiguration kann für jedes asymmetrische C Atom bestimmt werden. 186

187 Fischer projektion D,L Nomenklatur Zur Beschreibung der relativen Konfiguration von optisch aktiven Zuckern. D,L Nomenklatur (älteres System) Milchsäure 1 asymmetrisches Zentrum 2 Stereoisoemere (Enantiomere) Rechtsdrehende Form wurde willkürlich D Form genannt, die linksdrehende heisst L Form. Emil FISCHER ( ) räumlich Fischer Proj. Keilstrich 187

188 Fischer projektion Regeln: vertikale Anordnung der Kohlenstoffkette am höchsten oxidierte Gruppe steht oben Bezugssubstanz ist Glycerinaldehyd Betrachtung der absoluten Konfiguration des am weitesten von der C=O Gruppe entfernt stehenden asymmetrischen C Atoms der Zuckerkette: D Form (wie bei D Glycerinaldehyd) = OH rechts L Form (wie bei L Glycerinaldehyd) = OH links Fischer-Projektion Keilstrichformel Fischer-Projektion Keilstrichformel H CHO OH CH 2 OH H CHO OH CH 2 OH HO CHO H CH 2 OH HO CHO H CH 2 OH (R)-(+)-Glycerinaldehyd [D-(+)-Glycerinaldehyd] (S)-(+)-Glycerinaldehyd [L-(+)-Glycerinaldehyd] Alle Verbindungen die mit (nicht konfigurationsverändernden) chemischen Reaktionen in D Glycerinaldehyd überführt werden konnten, wurden auch D genannt. D und L haben nichts mit der Drehrichtung (+, ) des polarisierten Lichts zu tun! 188

189 Absolute Konfiguration CAHN INGOLD PRELOG Konvention (R,S System) Bestimmung der absoluten Konfiguration anhand der R,S Sequenzregeln: 1. Auffinden der Stereozentren 2. Festlegung der Priorität (Prioritätenreihenfolge der Substituenten, a>b>c>d): 1. Anhand der Ordnungszahl (höhere Ordnungszahl höhere Priorität) z. B. I > Br > Cl > S > F > O > N > C > H 2. Bei gleicher Ordnungszahl anhand der Atommasse ( Isotope) z. B. T > D > H 3. Bei gleicher Ordnungszahl und Masse anhand der daran gebundenen Atome bzw. Atomgruppen (2., 3. usw. Sphäre) Doppel bzw. Dreifachbindungen zählen als zwei bzw. drei Bindungen stereochemische Unterschiede: Z vor E (cis vor trans) und R vor S. Rekursives Bestimmen der Prioritäten bis zum Unterschied 3. Darstellung und Bestimmung Betrachtung entlang der Achse C d (niedrigste Priorität nach hinten ) Drehrichtung im Uhrzeigersinn R Drehrichtung entgegen Uhrzeigersinn S 189

190 Absolute Konfiguration Beispiele Milchsäure Glycerinaldehyd 190

191 Enantiomere und Diastereomere Für n Stereozentren ergeben sich 2 n Stereoisomere. Beispiel: 2 Brom 3 chlorbutan n =2 4 Stereosiomere (RR, RS, SR, SS) Jedes Stereoisomer ist das Enantiomer EINES der drei anderen (sein Spiegelbild) und gleichzeitig das Diastereomer der beiden übrigen. Zwei Verbindungen sind nur dann Enantiomere, wenn sie an ALLEN Stereozentren entgegengesetzte Konfiguration haben! 191

192 Meso Verbindungen Beispiel: Weinsäure Spiegelebene (2S,3S) Weinsäure D ( ) Weinsäure (2R,3R) Weinsäure L (+) Weinsäure meso Weinsäure (achiral) Beispiel: 1,2 Dibromcyclobutan RR und SS sind Enantiomere (chiral, optisch aktiv). RS = SR (identisch) Spiegelebene meso Form (achiral, optisch inaktiv). 192

193 Racemat ( Trennung) Wechselwirkung des Racemats von X mit enantiomerenreinem Y S ergibt Diastereomere (Salze, Amide, )! Diese kann man aufgrund ihrer unterschiedlichen (physikalischen und chemischen) Eigenschaften trennen! Abschließend wird Y wieder abgespalten und die reinen Enantiomere von X erhalten! 193