Wiederholung: Isomerie

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1 3. Stereochemie 65

2 Wiederholung: Isomerie Definition: Als Isomere bezeichnet man Moleküle mit gleicher Summenformel, die sich jedoch in der Sequenz der Atome (Konstitutionsisomere) oder deren räumlichen Anordnung (Stereoisomere) unterscheiden. Isomere Konstitutionsisomere Stereoisomere Schmelzpunkt Siedepunkt Summenformel Konstitutionsformel Essigsäure Glykolaldehyd (ydroxyacetaldehyd) 17 C 97 C 118 C Zersetzung C C z.b. E/Z-Isomerie Enantiomere (cis-/trans-isomere) - gleiche Summenformel - gleiche Konstitutionsformel - Stereosisomere unterscheiden sich in der räumlichen Anordnung der Atome. eine Carbonsäure Aldehydfunktion Alkoholfunktion - gleiche Summenformel - verschiedene Konstitutionsformel - Konstitutionsisomere unterscheiden sich in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften. 66

3 Diastereoisomerie - E/Z-Isomerie Bei höhersubstituierten Doppelbindungen werden Substitutenten nach Cahn-Ingold-Prelog Regeln (CIP-Regeln) nach fallender rdnungszahl geordnet. Cl Cl Br Cl Br Cl Br Br E-Isomer Z-Isomer E-Isomer Z-Isomer C 2 C 3 > C 3 Br > Cl Cl > C 2 C 3 Br > C 3 EINIGE WICTIGE RDNUNGSZALEN: Wasserstoff Z = 1, Kohlenstoff C Z = 6, Brom Br Z = 35, Chlor Cl Z = 17, Fluor F Z = 9, Iod I Z = 53, Sauerstoff Z = 8, Stickstoff N Z = 7 Übungs-Beispiele: Br Br I 3 C N 2 67

4 Chiralität Defintion CIRALITÄT Ist eine Verbindung assymmetrisch aufgebaut und zwar so, dass durch Spiegelung ihrer Struktur an einer Ebene oder einem Inversionszentrum eine Struktur entsteht, die mit der ursprünglichen Struktur durch Verschieben und Drehen im Raum nicht zur Deckung gebracht werden kann, dann ist die Verbindung chiral 1. Spiegelebene Spiegelebene D-Glycerinaldehyd L-Glycerinaldehyd Es gilt: 1Verbindungen mit gleicher Summenformel und gleicher Konstitution aber unterschiedlicher räumlicher Anordnung werden Stereoisomere genannt. 2Verbindungen, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten, werden Enantiomere (optische Antipoden) genannt. 3Verbindungen mit gleicher Summernformel und Konstitution, die sich wie NICT Bild und Spiegelbild verhalten, werden Diastereomere genannt. 4Enantiomere besitzen nahezu gleiche (isotrope) chemische und physikalische Eigenschaften, sie unterscheiden sich in ihren biologischen (pharmakologischen, medizinischen) Eigenschaften und sie weisen entgegengesetzte optische Aktivität auf. 1 griechisch cheir 'and' 68

5 ptische Aktivität Lösungen von optisch aktiven Verbindungen, z.b. D-Glycerinaldehyd, drehen die Schwingungsebene von linear polarisierten Licht (= Lichtstrahlen schwingen in einer Ebene). Beim Durchtritt durch eine Lösung der optisch aktiven Verbindung wird die Schwingungsebene um einen bestimmten Winkel a gedreht. Der Drehsinn wird so definiert, dass eine Drehung der Schwingung im Uhrzeigersinn ein positives Vorzeichen gibt, dagegen ein negatives Vorzeichen. Ein Enantiomerenpaar, also Bild und Spiegelbild, zeigen gleiche Drehung, aber in entgegengesetzte Richtungen. z.b. (+)-Glycerinaldehyd und (-)-Glycerinaldehyd. optisch aktive Lösung = 69

6 Enantiomere und Diastereomere Es gilt: 1. Zwei Stereoisomere können nicht gleichzeitig enantiomer und diastereomer zueinander sein, und 2. von einem bestimmten Molekül existieren immernur zwei Enantiomere, mehrere Diastereomere sind möglich. Diastereomere (z.b. E/Z-Isomerie) unterscheiden sich inchemischen und physikalischen Eigenschaften. Enantiomere (Bild und Spiegelbild) haben die gleichen physikalischen und chemischen Eigenschaften, sie unterscheiden sich durch ihre Wechselwirkung mitlinear polarisierten Licht (optische Aktivität). Racemat: 1/1 Mischung von Bild und Spiegelbild, optisch inaktiv, da linear polarisiertes Licht zu gleichen Teil links und rechts gedreht wird. Racemat 70

7 Stereochemische Schreibweisen und Nomenklatur 1. Keilschreibweise (durchgezogener Keil ragt aus Blattebene hinaus, gestrichelter Keil zeigt hinter Blattebene) * * Identifizieren von asymmetrischen Kohlenstoffzentren = Chiralitätszentren: - C-Atom von vier (konstitutionell) verschiedenen Resten umgeben ist. - dies wird häufig durch einen Stern * hervorgehoben. Weinsäure 2. Fischer-Projektion (v.a. in Zuckerchemie) alle Bindungen werden als normale Linien dargestellt, die nur senkrecht oder waagrecht verlaufen dürfen. Per Definition zeigen alle waagrechten Linien auf den Betrachter zu und alle senkrechten Linien vom Betrachter weg. Cl * * C 3 3 C Cl 3 C Cl Cl C 3 2-Chlorpropanal Weg zur FISCER PRJEKTIN: Weinsäure 180 Rotation (um C-C Bindung) 90 Rotation (gegen UZS) 71

8 Stereochemische Schreibweisen und Nomenklatur 1. Keilschreibweise (durchgezogener Keil ragt aus Blattebene hinaus, gestrichelter Keil zeigt hinter Blattebene) * * Identifizieren von asymmetrischen Kohlenstoffzentren = Chiralitätszentren: - C-Atom von vier (konstitutionell) verschiedenen Resten umgeben ist. - dies wird häufig durch einen Stern * hervorgehoben. 2. Fischer-Projektion (v.a. in Zuckerchemie) alle Bindungen werden als normale Linien dargestellt, die nur senkrecht oder waagrecht verlaufen dürfen. Per Definition zeigen alle waagrechten Linien auf den Betrachter zu und alle senkrechten Linien vom Betrachter weg. Cl * * C 3 3 C Cl 3 C Cl Cl C 3 2-Chlorpropanal Weg zur FISCER PRJEKTIN: 180 Rotation (um C-C Bindung) 90 Rotation (gegen UZS) 72

9 R,S- Nomenklatur der absoluten Konfiguration Zur Bestimmung der absoluten Konfiguration bedient man sich der Regeln von Cahn, Ingold und Prelog (CIP-Regeln). A. Identifizieren von asymmetrisch substituierten C-Atomen (= C-Atome mit 4 unterschiedlichen Substituenten). B. Die direkt an das asymmetrische C-Atom gebundenen Atome werden nach fallender rdnungszahl (Z) angeordnet: (a) Atom mit höhere Z hat die höhere Priorität. (b) Bei gleichwertigen Atomen, wird die Prioritätsreihenfolge ermittelt, indem weiter entfernt stehende Atome betrachtet werden. (c) Mehrfachbindungen zählen als mehrere Einfachbindungen. C. Man betrachtet nun das Molekül in der Weise, dass der Substituent mit der niedrigsten Priorität nach hinten zeigt. Entspricht die Reihenfolge der restlichen drei Substituenten nach fallender Priorität gereiht einer Drehung im Uhrzeigersinn ist das Zentrum R konfiguriert, bei Drehsinn gegen Uhrzeiger S konfiguriert. (b) (b) Asymmetrisches C-Atom (4 unterschiedliche Substituenten) (a) Cl C 3 (c) (d) (d) 3 C (c) Cl (a) Blickrichtung (b) (b) Blickrichtung 1 = erste Substituentensphäre 2 = zweite Substituentensphäre 3 = dritte Substituentensphäre Cl C 3 (a) (c) 3 C (c) Cl (a) IM Uhrzeigersinn: R GEGEN Uhrzeigersinn: S 73

10 Beispiele Cl Cl 3 C C 3 N Adrenalin 74

11 Bestimmung der absoluten Konfiguration mit der Fischer Projektion Wir wissen bereits: Fischer-Projektion alle Bindungen werden als normale Linien dargestellt, die nur senkrecht oder waagrecht verlaufen dürfen. Per Definition zeigen alle waagrechten Linien auf den Betrachter zu und alle senkrechten Linien vom Betrachter weg. (1) (2) Substituent mit Priorität d weist zu Betrachter hin à Regel des doppelten Austausches anwenden (R)-2-ydroxypropansäure (D-Milchsäure) (S)-2-Amino-3-hydroxypropansäure (L-Serin) 75

12 Verbindungen mit mehreren Chiralitätszentren Beispiel: Zucker Erythrose und Threose 2 konstitutionell ungleiche asymmetrische C-Atome 2 2 = 4 Stereoisomere D-Erythrose (1) L-Erythrose (2) D-Threose (3) L-Threose (4) Konfiguration 2R,3R 2S,3S 2S,3R 2R,3S enantiomer diastereomer diastereomer diastereomer enantiomer 76

13 Verbindungen mit mehreren Chiralitätszentren Beispiel: Weinsäure 2 konstitutionell gleiche asymmetrische C-Atome = 3 Stereoisomere Interne Symmetrieebene D-Weinsäure (1) L-Weinsäure (2) DL-Weinsäure (meso-form) (3) = (4) Konfiguration 2S,3S 2R,3R R,S enantiomer diastereomer diastereomer 77

14 N N N N N N N N S N 2 S N 2 N N N N N N J J J J N 2 J J J J 2 N Limonen Barbiturat Thalidomid, Contergan Penicillamin Ethambutol Propanolol Thyroxin Zitronengeruch rangengeruch krampfauslösend narkotisch extrem teratogen antiarthritisch extrem toxisch tuberculostatisch Erblindung ß-Blocker Contraceptivum Schilddrüsenhormon Antihypocholestericum Schlafmittel 78

15 4.1. GESÄTTIGTE KLENWASSERSTFFE - ALKANE 79

16 ffenkettige Alkane C 3 C C 3 3 C C 3 3 C C 3 Methan Ethan Propan Butan C 4 C 2 6 C 3 8 C 4 10 à für n C-Atome ergibt sich: C n 2n+2 Summen-formel Formel Name Schmelzpunkt / C Siedepunkt / C als Rest C 4 C 2 6 C 3 8 C 4 10 C 5 12 C 6 14 C 7 16 C 8 18 C 9 20 C C C C 4 C 3 -C 3 C 3 -C 2 -C 3 C 3 -(C 2 ) 2 -C 3 C 3 -(C 2 ) 3 -C 3 C 3 -(C 2 ) 4 -C 3 C 3 -(C 2 ) 5 -C 3 C 3 -(C 2 ) 6 -C 3 C 3 -(C 2 ) 7 -C 3 C 3 -(C 2 ) 8 -C 3.. C 3 -(C 2 ) 15 -C 3 C 3 -(C 2 ) 18 -C 3 Methan Ethan Propan Butan Pentan exan eptan ctan Nonan Decan.. eptadecan Eicosan Methyl- Ethyl- Propyl- Butyl- Pentyl- exyl- eptyl- ctyl- Nonyl- Decyl-.. eptadecyl- Eicosyl- 80

17 Alkane Nomenklatur und Struktur à bisher: unverzweigte Alkane, daneben gibtes verzweigte Alkane. Beispiel: C 5 12 n-pentan C Methylbutan C ,2-Dimethylpropan C 5 12 Siedepunkt 36 C 27.9 C 9.5 C Schmelzpunkt C C - 20 C Nomenklatur: Eine organische Verbindung wird nach dem längsten geradkettigen Abschnitt im Molekül benannt (= Prinzip der längsten Kette). Substituenten werden unter Angabe der Position als yl-rest angegeben. Kommt ein Substituent öfter vor, wird die Anzahl der Reste durch Vorsilben wie di-, tri-, tetra-, usw. ausgedrückt. Konstitutions-/Strukturisomere: = Moleküle mit gleicher Summenformel, aber unterschiedlicher Strukturformel, weisen unterschiedliche physikalische Eigenschaften auf. 81

18 Alkane Bau der Moleküle, Konformationsanalyse àin gesättigten Kohlenwasserstoffen findet man NUR s-bindungen, d.h. Bindungsrotationen sind erlaubt, daraus ergeben sichunterschiedliche räumliche Anordnungen, die mankonformere nennt. Beispiel: Ethan C 3 -C 3 1. Sägebock-Projektion C C gestaffelt (staggered) C C ekliptisch, auf Deckung (eclipsed) 2. Stereo-Projektion (Keilstrichformel) C C gestaffelt (staggered) C C ekliptisch, auf Deckung (eclipsed) 3. Newman-Projektion Blickrichtung C C 60 C gestaffelt (staggered) C ekliptisch, auf Deckung (eclipsed)

19 Konformationsanalyse - Butan Blickrichtung 3 C C C C 3 C 3 C C 3 ENERGETISC GÜNSTIG staggered C C 3 3 C ENERGETISC UNGÜNSTIG ekliptisch, auf Deckung (eclipsed) synplanar anticlinal anticlinal synplanar relativ kleine Aktivierungsenergie: Bei Raumtemperatur (RT) stehen die drei Konformere in einem schnellen Gleichgewicht: 15% M-synclinal 15% P-synclinal 70% antiperiplanar M-synclinal (gauche WW) antiperiplanar P-synclinal (gauche WW) 83

20 Allgemeines zu Alkanen Vorkommen, Gewinnung à aus Erdöl bzw. Erdgas Eigenschaften - Reaktionsträge daher der Name Paraffin (lat.: parum affinis = wenig geneigt) - Erhöhung der Schmelz- und Siedepunkte durch Van der Waals Wechselwirkungen - unpolar, lösen sich gut in apolaren Lösungsmittel und z. B. nicht in Wasser à hydrophob (wasserabweisend) bzw. lipophil (fettfreundlich) Verwendung v.a. in chemischer Industrie als Ausgangsstoff für Kunststoffe, aber auch als Brennstoff (Erdgas auptbestandteile Methan und Ethan). Feste Alkane à Kerzen aus Paraffinwachs Alkane in Natur - Methan-produzierende Bakterien - Pheromone: chemische Botenstoffe v.a. für Kommunikation zwischen Insekten à Sexuallockstoff. 84

21 Cyclische Alkane Cycloalkane sind gesättigte Kohlenwasserstoffe mit ringförmig geschlossenem Kohlenstoffgerüst (durch Ringschluss ändert sich Summenformel im Vergleich zu offenkettigen Alkanen à C n 2n ). Cyclopropan Cyclobutan Cyclopentan Cyclohexan Ringspannung (Bayer-Spannung) (durch Abweichung vom Tetraederwinkel 90 nicht 109 ) Torsionsspannung (alle s fast ekliptisch) Ringspannung (Bayer-Spannung) (leichte Abweichung vom Tetraederwinkel) Torsionsspannung (s zum Teil ekliptisch) kaum Ringspannung (Bayer-Spannung) keine Torsionsspannung (alle s gestaffelt) 85

22 Konformationsanalyse - Cyclohexan Relevanz: Zucker können in der sogennanten Pyranoseform vorliegen à Cyclisches System mit 6 Atomen. C 3 C 1 äquatorial axial äq C 3 ax C 1 axial äquatorial Sessel 1 Blickrichtung via Übergangszustand: Wanne (energetisch ungünstig) Wanne C 3 axial C 1 Blickrichtung äquatorial äq ax C 3 axial C 1 äquatorial Sessel 2 86

23 Konformationsanalyse von höhersubstituierten Cyclohexan Methylcyclohexan C 3 C 3 äquatoriale Methylgruppe 7.5 kj/mol stabiler axiale Methylgruppe sterische Wechselwirkung mit Protonen in 1,3-Position (1,3-diaxiale WW) à sterisch anspruchsvolle Substitutenten möglichst in äquatorialer Position! 87

24 Kondensierte Ringsysteme à Bei 2 cyclische Verbindungen, die über eine gemeinsame C-C Bindung verknüpft sind, spricht man von einem kondensierten System. Beispiel 1: Decalin trans-decalin cis-decalin Beispiel 2: Steran (Gonan)-Grundgerüst à Steroide leitensichdavon ab. C D C D A B A B 5a-Steran 5b-Steran = Cholesterin 88

25 4.2. UNGESÄTTIGTE KLENWASSERSTFFE - ALKENE, ALKINE 89

26 Alkene à Alkene (früher:lefine) sind organische Verbindungen mit einer oder mehreren C=C Doppelbindungen. Diese Doppelbindung(en) werden durch die Endung en in der Nomenklatur berücksichtigt. Analog zu den Alkanen gibt es unverzweigte, verzweigte und cyclische Alkene. à Allgemeine Summenformmel: C n 2n à Diastereoisomerie: durch gehinderte Rotation aufgrund von p-bindung: E-Z-Isomerie C C C 3 C C 2 C C C C 3 C 3 C C C 3 Ethen Propen 1-Buten 2-Methylpropen (Isobuten) Unverzweigte Alkene, homologe Reihe (jeweils ein C mehr) Verzweigtes Alken, Konstitutionsisomer zu 1-Buten 3 C C 3 C 3 C 3 Cyclohexen E-2-Buten Z-2-Buten Cyclisches Alken E-Z-Isomerie 90

27 Alkine à Treten C-C DREIFAC-Bindungen in einer organischen Verbindung auf spricht man von Alkinen. Die Verbindungsklasse wird durch die Endung in benannt. à Wiederholung: sp-ybridisierung: 2 Bindungspartner mit 180 zwischen den Bindungen = lineare Anordnung. C C Ethin (Acetylen) Schweißgas 3 C N C 3 Neocarzinostatin Krebsmedikament à Bildung von Radikalspezies à greift Krebzellen an 91

28 Biologisch interessante Alkene und Alkine Ethen Funktion als Phytohormon und dient zur Regulation des Pflanzenwachstums und Fruchtreifung. Tomaten prodzuieren Ethen aus der Aminosäure Methionin, das Ethen bewirkt den Reifungsprozeß der Tomate. In genmanipulierte Tomaten ist das Gen zur Ethenproduktion ausgeschalten. Diese Tomaten können durch externe Begasung mit Ethen auf Wunsch gereift werden. Geschlechts- und Alarmpheromone C 3 Sexuallockstoff der Fruchtmotte Retinal Bestandteil von Rhodopsin (Sehfarbstoff) Licht Energie E Z b-carotin Farbstoff der Karotte Lycopin Farbstoff der Paprika und Tomate 92

29 Biologisch interessante Alkene und Alkine - Polyenantibiotika C 3 Fumagilin ein Antibiotikum 3 C 3 C C 3 N 2 C 3 Amphotericin B ein Antibiotikum 93

30 Reaktionen von Alkenen und Alkine ELEKTRPILE ADDITINSREAKTINEN E E + + C C C C + + Nu - E Nu C C E E + + C C C + E Nu + Nu - C C Zweistufiger Mechanismus 1. Elektrophil wird nucleophil von Mehrfachbindung angegriffen: Ausbildung einer s-bindung zwischen C-Atom und Elektrophil, Bildung eines Carbokations (sp 2 hybridisiert bei Alkenen, sp hybridisiert bei Alkinen). 2. Angriff eines Nucleophils auf Carbokation unter Ausbildung einer weiteren s-bindung. Addition von alogenwasserstoffen (z.b. Bromwasserstoff Br) Br + + Br - + C C C C + Br - Br C C 94

31 Addition von alogenwasserstoffen an Alkene Regel von Markownikow Stabilitätsfolge von Carbokationen R 2 R C + 1 R 3 R 1 =R 2 =R 3 =C 3 à tertiäres Carbokation stabiler als R 1 =, R 2 =R 3 =C 3 à sekundäres Carbokation stabiler als R 1 =R 2 =, R 3 =C 3 à primäres Carbokation stabiler als R 1 =R 2 =R 3 = à Methyl-Carbokation à ergibt sich aus +I-Effekt der Alkyl-Gruppe!! C 3 C 3 Br C + C 3 C 3 BEVRZUGTES ZWISCENPRDUKT à tertiäres Carbokation stabiler! C 3 C 3 Br C + C 3 C 3 WIRD NICT BEBACTET à primäres Carbokation weniger stabil! Nach der Regel von Markownikow wird folgende Reaktion beobachtet: C 3 C 3 + C + Br - C 3 C 3 C 3 C Br C 3 95

32 Addition von Wasser an Alkene (ydratisierung) starke Säure z.b. 2 S 4 3 C Alken + 3 C C C C Alkohol Epoxidierung von Alkenen R R + R' R R + R' Alken eine Percarbonsäure ein Epoxid eine Carbonsäure 96

33 Eine biologisch-wichtige Alken-Reaktion Reaktion von Squalen (ein Polyalken) zum Steroid-Grundgerüst 2 Enzym + C + Squalen Squalenoxid C + Dominoreaktion - + Lanosterin 97

34 4.3. Aromatische Kohlenwasserstoffe 98

35 Chemische Bindung in Aromaten - Aromatizität Bisher: Lokalisierte Doppelbindung, aber auch konjugierte Doppelbindungen mit Elektronendelokalisation bei 2 Doppelbindungen in1,3-abstand. Jetzt: sp 2 -hybridisierte C-Atome in cyclischer Anordnung mit 4n+2 p-elektronen à vollständige Delokalisation der p-elektronen ober- und unterhalb der Ringebene. Alle C-C Bindungen gleich lang mit 120 Winkel zwischen C-C-Bindungen. Es lassen sich IDENTISCE Mesomeriestrukturen formulieren: Benzol ÜCKEL-Regel cyclische Anordnung, sp 2 -hybridisierte C-Atome mit 4n+2 p-elektronen à ARMATEN: weisen MESMERIESTABILISERUNG auf! C 3 C 3 1 C C 3 3 C C 3 C 3 Benzol Toluol 1,2-Xylol ortho-xylol 1,3-Xylol meta-xylol 1,4-Xylol para-xylol Naphthalin Anthracen 99

36 Eigenschaften von aromatischen Kohlenwasserstoffen ALLGEMEIN: Aromatische Verbindungen sind gesundheitsschädlich und können zur Bildung von Krebs führen! Benzol Früher als Lösungsmittel verwendet à mittlerweile ersetzt durch weniger gfitige Verbindungen (z.b. Toluol). Chronische Benzol-Vergiftungen führen zu einer Schädigung der Leber und Niere und auch ders Knochenmarks (à Zahl der roten Blutlörper geht zurück). Kondensierte Aromaten (z.b. Pyren, Benzopyren) Stark toxisch und krebserregend (kanzerogen), v.a. bei Rauchern, da die kondensierten Aromaten im Rauch enthalten sind à Lungenkrebsrisiko steigt! z.b. Benzopyren: Schädigung der DNA (=Desoxyribonukleinsäure, Erbgut) à Bildung von Krebs 2 Enzym 2 2 Enzym DNA-N 2 N DNA 100

37 Reaktionen aromatischer Verbindungen Allgemein: Aromatische Verbindungen sind aufgrund ihrer Resonanzstabilisierung relativ reaktionsträge. Katalytische ydrierung 2 / Ni 200 C xidation C 3 C KMn 4 Toluol Benzoesäure Elektrophilearomatische Substitution C + + E + E - + E - -Atom wird durch Elektrophil (E + ) ersetzt (substituiert). - Treibende Kraft der + -Abspaltung ist die Wiederausbildung des aromatischen Charakters. 101

38 Elektrophile aromatische Substitution Nitrierung C + N + + N N + - Sulfonierung C + + S - S - + S S eine Sulfonsäure Aromatische Substitutionen in biologischen Systemen Phenylalanin- ydroxylase 2 N 2 N Gefährliche Erbkrankheit Phenylketonurie à Mangel an Phenylalanin-ydroxylase, Phenylalalnin wird nicht abgebaut à geistige Schäden! Phenylalanin Thyrosin 102

39 4.4. alogenkohlenwasserstoffe 103

40 Chemische Eigenschaften von alogenkohlenwasserstoffen Der Ersatz von -Atomen durch alogenatome (X) führt zu veränderten elektronischen Verhältnissen aufgrund des -I Effektes. Die C-X ist aufgrund der Elektronegativitätsunterschiede polarisiert. δ+ δ- C X δ+ δ- C X X δ- δ- X δ+ δ- C X X δ- δ- X δ+ δ- < < < X C X F > Cl > Br > I δ- X δ- Polarisierung nimmt mit Anzahl der alogensubstituten zu! Polarisierung nimmt innerhalb der Gruppe von oben nach unten ab Die wichtigsten Reaktionen von alogenkohlenwasserstoffen: 1. Nucleophile Substitution am C-Atom C X Nu - + C Nu + X - 1. Eliminierungsreaktion C C X + Base C C + X - 104

41 Verwendung von alogenkohlenwasserstoffen Iod- und Bromkohlenwasserstoffe sind relativ leicht herstellbar und gute Ausgangssubstanzen für Synthesen. Chlorierte Verbindungen sind recht inert und finden Verwendung als Lösungsmittel (Chloroform à früher als Narkotikum, Methylenchlorid) Polymere Fluorkohlenwasserstoffe sind sehr hitzebständig und dienen z.b. zum Beschichten von Pfannen (Teflon ). Früher wurde kurzkettige Fluorverbindungen als Kühlmittel in Kühlschränken verwendet (Freon, Frigen) à heute verboten wegen Schädigung der zonschicht. Name Formel Schmp. / C Sdp. / C Verwendung Dichlormethan Chloroform (Trichlormethan) Tetrachlorkohlenstoff Dichlordifluormethan Tetrafluorethen Vinylchlorid C 2 Cl 2 CCl 3 CCl 4 CCl 2 F 2 CF 2 =CF 2 C 2 =C-Cl Lösungsmittel Lösungsmittel (früher: Narkotikum) Fettlösemittel Treibmittel, Kältemittel (FCKW) Polymer: TEFLN Polymer: PVC Kunststoff 105

42 Biologisch relevante alogenkohlenwasserstoffen N Cl Cl N Br 2 N Br N Chloramphenicol (Antibiotikum in Molekularbiologie) 6,6 -Dibromindigo (Antiker Purpur, aus Pupurschnecke) I I N 2 Cl Cl I I CCl 3 L-Thyroxin (ormon der Schilddrüse) DDT (früher als Insektizid, heute verboten) 106

43 Eliminierungsreaktionen in biologischen Systemen Fettsäuresynthese - 2 R SCoA Enzym ydratase R SCoA N N - S - P P N N N 2 N N Coenzym A (CoA) P - Ungesättigte Fettsäurensynthese - 2 R SCoA Enzym Desaturase R SCoA 107

44 4.5. Alkohole 108

45 Beispiele, Namensgebung und Eigenschaften von Alkoholen Funktionelle Gruppe: - je nach Substitutionsgrad unterscheidet man primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole Nomenklatur: Endung ol wird angehängt. Primäre Alkohole 3 C 3 C C 2 3 C C 2 C 2 3 C C 2 C 2 C 2 Methanol Ethanol 1-Propanol 1-Butanol Sekundäre Alkohole Tertiäre Alkohole Zweiwertige Alkohole Dreiwertige Alkohole 3 C 3 C C 2-Propanol C 3 3 C C C 3 2-Methyl-2-propanol 2 C C 2 1,2-Ethandiol Glykol 2 C C C 2 1,2,3-Propantriol Gycerin In Lösungen bilden Alkohole Wasserstoffbrücken aus à Erhöhung des Siede- und Schmelzpunktes. die Gruppe erhöht die Löslichkeit in Wasser, d.h. Alkohole sind polarer (hydrophiler) als Alkane. R R R R R Assoziation via -Brücken 109

46 Reaktivität der Alkohole Basizität und Acidität von Alkoholen à Alkohole sind AMPLYTE (vgl. Wasser). starke Base starke Säure - C 3 C C 3 pk a von Methanol: pk a (C 3 ) = 15.2 à Methoxid (C 3 - ) ist eine STARKE Base: pk b (C 3 - ) = 14 - pk a (C 3 ) = -1.2 Aciditätnimmt in der Reihenfolge primär > sekundär > tertiär ab (+I-Effekt). Säurekatalysierte Eliminierung 3 C C 3 C C C 3 C C C + C 3 3 C C C 2 3 C xidationsreaktionen primärer Alkohol xidation Aldehyd xidation Carbonsäure sekundärer Alkohol xidation Keton 110

47 4.6. Phenole 111

48 Phenole - Beispiele und Nomenklatur Phenole sind aromatische Systeme an denen direkt eine -Gruppe gebunden ist. Manunterscheidet ein- und mehrwertige Phenole: Einwertige Phenole C 3 C 3 C 3 Phenol ortho-kresol meta-kresol para-kresol a-naphtol b-naphtol Zweiwertige Phenole Brenzcatechin Resorcin ydrochinon Phloroglucin 112

49 Säureeigenschaften von Phenolen Aciditätvon Phenolen ist im Vergleich zu Alkoholenerheblich größerà Mesomeriestabilisierungdes Phenolat-Anions C - C - pk a = 9 C - 2 N N 2 à Zusätzliche Stabilisierung der negativen Ladung durch -M-Effekt der Nitrogruppen! N 2 Pikrinsäure pk a =

50 Biologisch interessante Phenolen C 3 C Eugenol (Gewürznelke) Thymol (Thymianöl) Gallussäure Pyrogallol Phenole im Wein Thyrosin Quercetin Catechin Reservatrol 2 N Thyrosin C N R R = Noradrenalin R = C 3 Adrenalin à French-Paradox: erzinfarkte in Süd- und Südwestfrankreich seltener, obwohl fettreiche und üppige Nahrung. à mögliche Erklärung: das Glas Rotwein dazu! 114

51 Schwefelverbindungen à Thiole: S-Analog zu Alkohol à Sulfide: S-Analog zu Ether à Disulfide: durch xidationvon Thiolen (à Strutkurelement in Proteinen) à Sulfoxide: xidation von Sulfiden à Sulfonsäure C 3 S C 3 S C 3 C 3 S S C 3 3 C S C 3 S Methanthiol Dimethylthioether Dimethyldisulfid Dimethylsulfoxid (DMS) Benzolsulfonsäure Biologisch interessante Schwefelverbindungen 2 N 2 C 2 C SC 3 C 2 N 2 C S C X 2 N 2 C S S 2 N C C 2 C Methionin Cystein Cystin 115

52 Biologisch interessante Schwefelverbindungen à SAM: eine biologischer Methylgruppen-Donor N 3 + C 3 - C S + N Nu - N 2 N N C Nu - C S N N 2 N N N N N S-Adenosylmethion (AdoMet, SAM) S-Adenosylhomocystein à Biotin: Vitamin B 7 bzw. Vitamin ist oft Teil (prosthetische Gruppe) von Enzymen, z.b. Carboxylasen (übertragen Carbonsäure- Funktion). N N S C à Knoblauch-Wirkstoffe N 2 S C S S à Süßstoff - Saccharin N S Alliin Allicin 116

53 4.7. Amine 117

54 Nomenklatur und Beispiele primäre, sekundäre und tertiäre Amine (bezieht sich auf Substitutionsgrad des Stickstoffes) C 3 3 C N 2 3 C N C 3 3 C N C 3 Methylamin (primäres Amin) Dimethylamin (sekundäres Amin) Trimethylamin (tertiäres Amin) Di- und Triamine Aromatische Amine 2 N N 2 N 2 2 N C 2 C 2 N 2 Ethylendiamin N 2 2,4,6-Triaminobenzoesäure Anilin Cyclische Amine N Piperidin N Pyrrolidin 118

55 erstellung von Aminen Ammoniak-Stickstoff ist Nucleophil, Umsatz mit Aklylhalogen à Amin 3 C I + N 3 3 C N 2 + I 3 C I + 3 N C 3 3 C N + I C 3 C 3 3 C I + N C 3 3 C N + I C 3 C 3 PRBLEM: Zunahme der Nucleophilie durch +I-Effekt der Alkylgruppen à FLGE: höhersubstituierte Amine begünstigt! à S N -Reaktion: nucleophile Substitutionsreaktion 119

56 Eigenschaften von Aminen In Lösungen bilden Amine Wasserstoffbrücken aus. freies Elektronenpaar am Stickstoff verleiht Aminen basische und nucleophile Eigenschaften. Zur Basizität von Aminen: +I - Effekt + N 3 N Ammoniak ist eine Base: pk B = N 2 N Methylamin ist die stärkere Base als Ammoniak: pk B = 3.36 C 3 C 3 Basizität nimmt zu C 3 C 3 + N N Dimethylamin ist die stärkere Base als Methylamin: pk B = 3.29 C 3 C 3 Name pk B Formel Anilin Ammoniak Methylamin Dimethylamin C 6 5 N 2 N 3 C 3 N 2 (C 3 ) 2 N Steigende Basizität 120

57 Aromatische Amine schwächere Basen, da freies Elektronenpaar von Stickstoff mit p-system des Aromaten wechselwirken kann (+M- Effekt). + N 2 N 2 + N 2 + N 2 C - C - C - à Protonierung hebt Mesomerie zum Teil auf: N + N + à Geringere Basizität aromatischer Amine ist Folge der größeren Resonanzstabilisierung des Amins im Vergleich zum Ammoniumsalz. 121

58 Biochemisch wichtige Amine N 2 N 2 C 3 N Dopamin (bei Mangel Parkinsonsche Krankheit) Noradrenalin (Vorläufer von Adrenalin) Adrenalin (blutdrucksteigernd, Stresshormon) 3 C C 3 C 3 N 2 N C 3 C 3 C 3 - N + C 3 C 3 Cholin (gefäßerweiternd, blutdrucksenkend, regelt Darmbewegung) Mescalin (kommt in Peyotl-Kaktus vor à älteste-bekannte alluzinogen) Ephedrin Blutdrucksteigernd, anregend für Nervensystem à Aufputschmittel, zb Amphetamine) C 3 - N + C 3 C 3 Acteylcholin (Neurotransmitter, blutdrucksenkend, stark muskelkontrahierend) 122