Organische Experimentalchemie

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1 PD Dr. Alexander eder Georg-August-Universität Göttingen SoSe 2017 Veranstaltungsnummer: rganische Experimentalchemie Für Studierende der umanmedizin, Zahnmedizin und Biologie (Lehramt) Marburg, 14. Juli 2017

2 Übung 4: Allgemeines Lösung: 1. Sagen Sie vorher, an welcher Position die folgenden Moleküle voraussichtlich radikalisch bromiert werden. Bitte zeichnen Sie die zu erwartenden Produkte und begründen Sie Ihre Vorschläge kurz. Die radikalische omierung erfolgt vorzugsweise an der Position der schwächsten C Bindung (wasserstoffhaltiges C-Atom mit den meisten organischen Resten). 2

3 Übung 4: Allgemeines Lösung: 2. Zeichnen Sie Ethylcyclohexan in den beiden möglichen Sesselkonformationen. Welches Konformer ist energieärmer? Kennzeichnen Sie an einem der Konformere die primären, sekundären und tertiären C- Atome. stabiler/energieärmer Welches Produkt entsteht bei der ydrierung von 1,2-Dimethylcyclohex-1-en? Welches Produkt entsteht bei der omierung desselben Ausgangsstoffes? 2, Pd/C 2 3

4 Übung 4: Allgemeines Aufgaben: 4. Zeichnen Sie die Formel aller möglichen Konstitutionsisomere von omchlorbenzol und benennen diese. Cl Cl Cl 1-om-2-chlorbenzol 1-om-3-chlorbenzol 1-om-4-chlorbenzol aber! Cl Cl Cl Cl Cl u.v.m. 4

5 Übung 5: Alkohole, Ether und Carbonylverbindungen Lösung: 1. Formulieren Sie die säurekatalysierte Reaktion von 2-thyl-2-propanol (auch 2-thylpropan-2-ol ) mit Ethanol. Welche Produkte können entstehen und nach welchem chanismus werden sie gebildet? + 2 und (via S 1 über t Bu + Kation) (via S 2 über Et 2 + Kation) 2. Was sind die Endprodukte der xidationen folgender Verbindungen (ohne oxidativen Abbau des Kohlenstoffgerüstes)? a) Butan-1-ol b) Butan-2-ol c) tert-butanol a) b) c) [x.] [x.] [x.] keine xidation 5

6 Übung 5: Alkohole, Ether und Carbonylverbindungen Lösung: 3. Zeigen Sie den chanismus der säurekatalysierten Iminbildung von Butanon mit thylamin. Kann diese Reaktion unterschiedliche Isomere liefern? Falls ja, welche? alternativ R 3 R 1 R 2 R 1 = R 2 = Et R 3 = 6

7 Übung 5: Alkohole, Ether und Carbonylverbindungen Lösung: 4. Formulieren Sie den chanismus der durch ydroxid-ionen katalysierten Aldol-Addition und Aldolkondensation zwischen den beiden unten gezeigten Molekülen. Zeichnen Sie die beiden möglichen Isomere der Aldolkondensation und kennzeichnen Sie die Konfiguration innerhalb der Produkte. a Ph C 2 Ph a Ph Enolation (ucleophil) a t Bu δ + δ C Ph a t Bu a Ph t Bu E-Konfig. Z-Konfig. a Ph t Bu Ph a t Bu E1 cb a Ph α β Produkt t Bu Ph t Bu starke sterische Abstoßung zwischen PhC und t Bu, daher kaum beobachtbar! 7

8 Übung 6: Alle Themen Lösung: 1. Zeichnen Sie ein beliebiges, möglichst einfaches organisches Molekül, in dem jeweils mindestens ein primäres, ein sekundäres, ein tertiäre und ein quartäres C-Atom vorkommt. quartär primär primär sekundär sekundär sekundär tertiär primär 2. Zeichnen Sie ein beliebiges, möglichst einfaches organisches Molekül, in dem jeweils mindestens ein sp 3 -, ein sp 2 - und ein sp-hybridisiertes C-Atom vorkommt. sp2 sp sp 2 3 sp sp sp 3 sp 3 8

9 Übung 6: Alle Themen Lösung: 3. Skizzieren cis,cis-1,3,5-trimethylcyclohexan einmal in der energetisch günstigsten und einmal in der ungünstigsten Sesselkonformation. Benennen Sie die jeweiligen Positionen der thylgruppen und erläutern Sie in eigenen Worten, welche Konformation aus welchen Gründen die ungünstigere ist. äquatorial äquatorial äquatorial günstigeres Konformer, da sowohl 1,3-Diaxialspannung als auch gauche- Wechselwirkungen vermieden werden axial axial axial 4. Geben Sie den chanismus und das Produkt der folgenden elektrophilen Addition an; erläutern Sie insbesondere die auftretende Regioselektivität. andelt es sich bei der Reaktion um eine xidation oder nicht? + 3 Carbeniumion ist stabiler als 2 9

10 Übung 6: Alle Themen Lösung: 5. Welches Produkt wird aus welchen Gründen erhalten, wenn die obige Addition über einen radikalischen chanismus verläuft? C-Radikal ist stabiler als 2 10

11 Übung 6: Alle Themen Lösung: 6. Beschreiben Sie den chanismus der E1-Eliminierung von Cl aus dem gezeigten Cyclohexanderivat. Zeichnen Sie das vollständige Energiediagramm der Umsetzung unter Angabe von Aktivierungsenergien und der Reaktionsenergie. Welches ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt? Cl geschwindigkeitsbestimmend Cl (hohe Temp.!) Base + Energie ΔG B A Base (schwach!) B auptprodukt C Zaitsev-Produkt (stabileres Alken) ebenprodukt D ofmann-produkt (instabileres Alken) A ΔG Zaitsev ΔG ofmann D C Reaktionskoordinate 11

12 Übung 6: Alle Themen Aufgaben: 7. Zeigen Sie Anhand zweier von Ihnen selbst gewählter Beispiele, welche Edukte bevorzugt nach S 1 bzw. S 2 reagieren. Skizzieren Sie für die jeweiligen Reaktionsverläufe ein Energiediagramm und weisen Sie auf charakteristische Unterschiede hin. Bsp.: S 1 Bsp: S 2 (X = ; u = Bu) kationisches Intermediat/2 Übergangszustände kein Intermediat/1 Übergangszustand 12

13 Übung 6: Alle Themen Aufgaben: 7. Zeigen Sie Anhand zweier von Ihnen selbst gewählter Beispiele, welche Edukte bevorzugt nach S1 bzw. S2 reagieren. Skizzieren Sie für die jeweiligen Reaktionsverläufe ein Energiediagramm und weisen Sie auf charakteristische Unterschiede hin. Fazit: S1 vs. S2 13

14 Übung 6: Alle Themen Aufgaben: 8. Geben Sie alle vier Teilschritte der radikalischen Substitution von than (C 4 ) mit Cl 2 an. Kettenstart hν (Licht) Cl Cl 2 Cl a) b) + Cl Kettenfortpflanzung + Cl Cl + Cl Cl + Cl a) b) c) Kettenabbruch 2 2 Cl Cl Cl Cl + Cl 14

15 Übung 6: Alle Themen Aufgaben: 9. Skizzieren Sie den Reaktionsverlauf von Cyclopenten mit elementarem om. Erläutern Sie, welche Art von Isomeren, falls überhaupt, aus der Reaktion hervorgehen kann und welche nicht. Enantiomere + Die Reaktion verläuft stereospezifisch. Es können also keine cis-diastereomere entstehen! gemäß gestrichelter Pfeile gemäß ungestrichelter Pfeile 15

16 Übung 6: Alle Themen Aufgaben: 10.Beschreiben Sie in eigenen Worten, was unter dem Begriff der Prochiralität zu verstehen ist. Geben Sie drei von Ihnen selbst gewählte Moleküle als Beispiele an, um das Konzept der Prochiralität zu verdeutlichen. Prochiralität beschreibt die Eigenschaft eines Moleküls, das an einem zentralen, planaren C Atom drei verschiedene Substituenten trägt, oder eines nichtchiralen Moleküls mit höchstens zwei identischen Substituenten an einem zentralen, tetraedrischen C-Atom, welches durch Addition bzw. Substitution in ein chirales Molekül überführt zu werden. 1) 2) C 2 Substitution enantiotope -Atome homotope -Atome Propionsäure (prochiral) α- gegen α- (formal xidation) C 2 D-Milchsäure (chiral) Addition 2 an C= (formal Reduktion) C 2 enantiofaciale albräume homotope -Atome enztraubensäure (prochiral) 3) enantiotope Differenzierung enantiofaciale Differenzierung 16

17 Übung 6: Alle Themen Aufgaben: 11.Ist 2-thylpropen eine prochirale Verbindung? Begründen Sie Ihre Antwort anhand einer geeigneten Skizze. ein, da sich am dreifach Substituierten C-Atom der Doppelbindung 2 identische (thyl)gruppen befinden! 12.Geben Sie jeweils ein Beispiel für einen 2 Alkohol, ein 1 Amin, und 3 C-Atom an. 2 2 Alkohol 1 Amin 3 C-Atom 13.Welches Alken ist stabiler, (E) But-2-en oder (Z) But-2-en. Um welche Form der Isomerie handelt es sich hierbei und aus welchen Gründen besteht ein Energieunterschied zwischen diesen Isomeren. 17

18 Übung 6: Alle Themen Aufgaben: 13.Welches Alken ist stabiler, (E) But-2-en oder (Z) But-2-en. Um welche Form der Isomerie handelt es sich hierbei und aus welchen Gründen besteht ein Energieunterschied zwischen diesen Isomeren. Je größer die freiwerdende Energie, desto weniger stabil ist der Ausgangsstoff (Edukt) im Vergleich zum Produkt Energie 3 C C 3 Z C 3 3 C E (E)-But-2-en (Z)-But-2-en ΔG E ΔG Z Reaktionskoordinate C 3 3 C n-butan sterische Abstoßung 18

19 Übung 6: Alle Themen Aufgaben: 14.Ist die unten skizzierte Reaktion ein plausibler Prozess? Begründen Sie Ihre Antwort anhand eines Reaktionsmechanismus und gehen Sie auf alle Intermediate ein, die für den Reaktionsausgang relevant sind. Cl Cl + Die Reaktion ist in der angegebenen Richtung kein plausibler Prozess! Cl stabilisiert die negative Ladung deutlich besser als das Amid und ist daher die bessere Abgangsgruppe. Daher verläuft die Reaktion in der unten angedeuteten Rückrichtung. stabil stabil sehr instabil + Cl Cl Cl + tetraedrisches Intermediat (instabil) 19

20 11. Biomoleküle: Aminosäuren Elektrophorese Elektrophorese: thode zur Trennung von Substanzgemischen aufgrund unterschiedlicher Wanderungsgeschwindigkeiten von geladenen Teilchen durch eine stationäre Phase innerhalb eines elektrischen Feldes pk s1 = 2.34 pk s2 = 9.60 Cl 3 ± Cl 3 ± Glycin-ydrochlorid Glycin-Zwitterion Isoelektrischer Punkt (IEP, p i ) = (pk s1 + pk s2 )/2 = 11.94/2 = Glycination t = 0 t = 20 min. große Teilchen große Teilchen kleineteilchen neutrale Teilchen kleineteilchen 11. rganische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle) 20

21 11. Biomoleküle: Aminosäuren, Peptide und Proteine Biogene Amine: Biogene Amine sind primäre Amine, die im Stoffwechsel (von Mikroorganismen, Pflanzen, Tieren und nschen) durch enzymatische Decarboxylierung von Aminosäuren entstehen. 1 2 R α-aminosäure Beispiel: istidindecarboxylase 2 Enzym 2 C 2 R biogenes Amin 2 istamin (aus istidin) (Allergien, Immunsystem u.v.m.) Beispiele: biogene Amine S 2 Cysteamin (aus Cystein) (Bestandteil des Coenzym A) 2 C 2 2 γ-aminobuttersäure (GABA) (aus Glutaminsäure) (eurotransmitter) Ethanolamin (aus Serin) (Bestandteil der Phospholipide) 1) 2) rganische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle) 21

22 11. Biomoleküle: Aminosäuren, Peptide und Proteine Derivatisierung von Aminosäuren: Veresterung 3 R α-aminosäure (Zwitterion) saure Bedingungen 3 R α-aminosäure (-protoniert) R/ 3 R R 2 2 R R α-aminosäureester -Acylierung 3 R α-aminosäure (Zwitterion) basische Bedingungen 2 R α-aminosäure (-deprotoniert) R Cl Cl R R 2 R R -Acyl-α-Aminosäure 1) 2) rganische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle) 22

23 11. Biomoleküle: Peptide und Proteine Die Primärstruktur Peptidbindung und Primärstruktur: Peptidbindung Peptidbindungen 2 R 1 α-aminosäure R 2 α-aminosäure 2 R 1 R 1 AA R 2 R 2 2 Dipeptid Tripeptid R 3 -Terminus C-Terminus -Terminus C-Terminus rke: Peptide werden gemäß ihrer Größe grob in verschiedene Klassen eingeteilt: ligopeptide bis zu 20 Aminosäurereste Polypeptide bis zu 100 Aminosäurereste Proteine mehr als 100 Aminosäuren rke: Ebenso wie Aminosäuren selbst, weisen ligopeptide einen charakteristischen isoelektrischen Punkt auf, da sie eine basische Aminofunktion (-Terminus) und eine acide Carbonsäurefunktion (C-Terminus) aufweisen. Die -Atome der Peptidbindungen liegen nicht zusätzlich protoniert vor, da sie nicht basisch sind. 11. rganische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle) 23

24 11. Biomoleküle: Peptide und Proteine Peptidbindung und Primärstruktur: Gly-Ala-Ser Ser-Gly-Ala Ala-Ser-Gly Gly-Ser-Ala Ser-Ala-Gly Ala-Gly-Ser rke: Die Aminosäuresequenz einer Polypeptidkette wird als Primärstruktur bezeichnet. Permutation der Aminosäuresequenz führt zu Konstitutionsisomeren 11. rganische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle) 24

25 11. Biomoleküle: Peptide und Proteine Künstliche Synthese Peptidsynthese: 2 R 1 α-aminosäure R 2 α-aminosäure R 1 R 2 Dipeptid Kondensation findet nicht statt! Grund 1: Reaktivität Grund 2: Selektivität 3 R 1 α-aminosäure 1 (Zwitterion) + 3 R 2 α-aminosäure 2 (Zwitterion) 2 3 R 1 R 2 Dipeptid (Zwitterion) 2 R 1 R 2 Dipeptid 1 2 R 2 R 1 Dipeptid 2 C-Terminus nicht elektrophil -Terminus nicht nucleophil Konstitutionsisomere 11. rganische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle) 25

26 11. Biomoleküle: Peptide und Proteine Künstliche Synthese Peptidsynthese mit Schutzgruppen: PG PG 2 R 1 R 2 -geschützte AA 1 C-geschützte AA 2 Entschützung R 1 R 1 Reagenzien PG 1 PG 2 PG 1 2 R 2 PG 2 R 2 -/C-geschütztes Dipeptid -geschütztes Dipeptid Selektive Knüpfung der Peptidbindung 2 PG 2 R 3 C-geschützte AA R 1 R 3 PG 2 R 2 -/C-geschütztes Tripeptid Typische -Schutzgruppen tert-butyloxycarbonyl (Boc) (säurelabil) Fluorenylmethoxycarbonyl (Fmoc) (baselabil) 11. rganische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle) 26

27 11. Biomoleküle: Peptide und Proteine Künstliche Synthese Peptidsynthese mit Schutzgruppen: PG PG 2 R 1 R 2 -geschützte AA 1 C-geschützte AA 2 Entschützung R 1 R 1 Reagenzien PG 1 PG 2 PG 1 2 R 2 PG 2 R 2 -/C-geschütztes Dipeptid -geschütztes Dipeptid Selektive Knüpfung der Peptidbindung 2 PG 2 R 3 C-geschützte AA R 1 R 3 PG 2 R 2 -/C-geschütztes Tripeptid Typische C-Schutzgruppe tert-butylester (säurelabil) 11. rganische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle) 27

28 11. Biomoleküle: Peptide und Proteine Künstliche Synthese Peptidsynthese mit Kupplungsreagenzien: PG 1 R 1 -geschützte AA PG 2 R 2 C-geschützte AA 2 C Dicyclohexylcarbodiimid (DCC) (Kupplungsreagenz) R 1 PG 1 PG 2 R 2 -/C-geschütztes Dipeptid PG 1 R 1 + via Aktivester 11. rganische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle) 28

29 11. Biomoleküle: Peptide und Proteine Biosynthese Proteinbiosynthese am Ribosom: a) b) Anticodon Codons Quellen: a) b) rganische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle) 29

30 11. Biomoleküle: Peptide und Proteine Abbau In der atur: Im Labor: z.b. Totalhydrolyse In der atur werden Peptide und Proteine durch Proteasen (Enzyme) abgebaut. Wichtige Enzymklassen: Serinproteasen 1 Alkohol 2 R 1 R 3 R 2 Tripeptid Cysteinproteasen Thiol Threoninproteasen 2 Alkohol Cl (6 M) Aspartatproteasen Carbonsäure Glutamatproteasen Carbonsäure talloproteasen talle (z.b. Zink) Asparagin-Peptid-Lyase Asparaginrest 3 R R R 3 Analyse der einzelnen Aminosäuren erlaubt Rückschlüsse auf die Zusammensetzung des Peptids. Daneben ist auch die Sequenzanalyse durch iterativen Abbau einzelner Aminosäuren (Edmann-Abbau) oder durch Massenspektrometrie möglich. 11. rganische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle) 30

31 11. Biomoleküle: Peptide und Proteine Sekundärstruktur Primärstruktur: -Terminus C-Terminus Sekundärstruktur: a-elix: b-faltblatt: rechtsgängige Windung 3.6 AA pro Windung Reste nach außen gerichtet Struktur wird durch -ücken stabilisiert Ketten verlaufen zickzack-förmig und bilden b-stränge parallele oder antiparallele b-stränge Struktur wird durch -ücken zwischen den Strängen stabilisiert c Reste R (grün) zeigen aus der Ebene heraus rganische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle) 31

32 11. Biomoleküle: Peptide und Proteine weitere Strukturen Primärstruktur: Sekundärstruktur: -Terminus C-Terminus Tertiärstruktur: Dreidimensionale Raumstruktur eines Proteins, das aus einer einzelnen Peptidkette besteht rganische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle) Quartärstruktur: Dreidimensionale Raumstruktur eines Proteins, das aus mehreren Peptidketten besteht. Die Untereinheiten werden durch Kräfte zusammengehalten wie: hydrophobe Wechselwirkungen ionische Wechselwirkungen -ücken 32

33 11. Biomoleküle: Peptide und Proteine Wechselwirkungen Disulfidbrücken: a ydrophobe Wechselwirkungen: b -ücken: c Isoliertes Peptid Peptid in wässrigem Milieu Salzbrücken: d 11. rganische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle) a) b) s_of_matter/atomic_and_molecular_properties/intermolecular_forces/ydrophobic_inter actions c) d) 33