π-mo-schema von Benzol

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1 π-m-schema von Benzol I_folie204 S - Symmetrisch A - Antisymmetrisch Symmetrieebene (1) Symmetrieebene (2) π 6 * SA AA π 4 * 3 π 5 * SS 2 2 AS π 2 π 3 SA 1 SS 1 Zahl der Knotenebenen: 0 π 1 Der Grundzustand besitzt eine abgeschlossene Elektronenschale (Singulett- Grundzustand).

2 π-m-schema von 1,3-yclobutadien I_folie Zahl der Knotenebenen: 0 quadratisches yclobutadien: wird als Triplett erwartet jedoch rechteckig, oszillierende Doppelbindungen

3 ückel-egel (E. ückel 1933) I_folie206a Eine Verbindung wird als aromatisch bezeichnet, wenn folgende Bedingungen erfüllt sind: 1.) yclisch konjugiertes π-system. (Die Konjugation darf nicht durch sp 3 - hybridisierte Kohlenstoffe unterbrochen sein.) 2.) Das System muß [4n2] π-elektronen enthalten (n = 0, 1, 2, 3,...) 3.) Das Gebot der Planarität der inge, damit eine maximale Überlappung aller p- Atomorbitale erreicht wird. cyclisch konjugiert () 6π: [4n2], n=1 () aromatisch planar () cyclisch konjugiert () 4π: nicht [4n2] (-) antiaromatisch planar ()

4 I_folie206b icht-benzoide Aromaten (cyclisch konjugierte [4n2] π-systeme) yclopropyl-kation 3 3 : 2 π-el. (n = 0) yclopentadienyl-anion : 6 π-el. (n = 1) S Furan Pyrrol 5-ing-eterocyclen (eteroaromaten) Thiophen ycloheptatrienyl-kation Tropylium-Kation 7 7 : 6 π-el. (n = 1)

5 I_folie207 icht-benzoide Aromaten (yclisch konjugierte [4n2] π-systeme) n = 2: 10 π-elektronen [10] Annulen nicht planar und nicht stabil 1,6-Methano[10]annulen planar, stabil, aromatisch yclooctadecanonaen [18] Annulen : 18 π-el. (n = 4) ycloalkene (die cyclische Konjugation ist durch sp 3 -Zentren unterbrochen) sp 3 sp 3 sp : yclopropen 5 6 : 1,3-yclopentadien 7 8 : 1,3,5-ycloheptatrien

6 I_folie208 Antiaromatische Verbindungen (cyclische 4n π-systeme) 1,3-yclobutadien 4π-Elektronen (n = 1), oszillierende Doppelbindungen, antiaromatisch, hochreaktiv 1,3,5,7-yclooctatetraen Wannenkonformation 8π-Elektronen (n = 2), oszillierende Doppelbindungen, nicht planar, nicht aromatisch Polyolefin usw. 2,4-yclopentadienyl-Kation 4π-Elektronen (n = 1), delokalisiertes System, planar, antiaromatisch, Triplett-Grundzustand (zwei ungepaarte Elektronen) π-m-schema von yclopentadienyl-kation E π 4 * π 5 * π 2 π 3 π 1

7 1) Katalytische ydrierung eaktionen von Benzol I_folie Benzol 3 2, T Katalysator (i, Pt) Druck 6 12 yclohexan 2) eduktion mit atrium in flüssigem Ammoniak a 3 fl., 3 2 1,4-yclohexadien Mechanismus: a 3 2 a a a a a

8 3) Elektrophile aromatische Substitution itrierung mit Salpetersäure/Schwefelsäure 2 2 S I_folie210 itrobenzol Sulfonierung mit konzentrierter Schwefelsäure S 3 S S Benzolsulfonsäure Protonierung (Umkehrung der Sulfonierung) S 3 2 S 3 Deuterierung alogenierung D D 3 D 2 Katalysator: X 2 FeX 3 D D D exadeuterobenzol, Lsgm. für M-Spektroskopie X X alogenbenzol (X = l, Br) D D D Friedel-rafts-Alkylierung All l 3 l 2 Alkylbenzol 2

9 Mechanismus der elektrophilen aromatischen Substitution I_folie S S 3 Elektrophil 2 langsam S 3 esonanzstrukturen schnell 2 S 3 2 S 3 3 S 3 S 3 Elektrophil S 3 S 3 S3 S 3 S 3 S 3 3 S 3 2 Benzolsulfonsäure -starke Säurein 2 vollständig dissoziiert! D D 3 D D 2 D 2 FeX 3 X 2 X 3 Fe X X Elektrophil X = l, Br X X FeX 3 langsam X X FeX 3 schnell X FeX 3 X FeX 3 X (Katalysator)

10 I_folie212 l All 3 All 4 langsam All 4 All 4 l All 3 umol-synthese l All 3 All 4 langsam All 4 All 4 All 4 l All 3 Isopropylbenzol umol ückgewinnung des Katalysators Generierung der arbokationen aus dem entsprechenden Alken mittels Schwefelsäure (großtechnischer Prozess). Propen 2 S 4 S 4

11 Kinetischer Isotopeneffekt I_folie213 D Z Z k k D Z D Z Z D Z intermolekular D Z k k D D Z D Z intramolekular k k D 5-8 primärer Isotopeneffekt (D) Y langsam (1) (D) Y Z schnell (2) Y (D) Z In diesem Fall wird kein Isotopeneffekt erwartet, da Schritt (1) geschwindigkeitsbestimmend ist, in dem nicht die bzw. D-Bindung gespalten wird. Kein Isotopeneffekt (k /k D 1) wurde bei der itrierung, alogenierung und Friedel- rafts-alkylierung beobachtet. Ein Isotopeneffekt (k /k D > 1) wurde bei der Sulfonierung beobachtet.

12 (D) k 1 k k -1 (D) (D) Ar (D) Ar Ar 2 2 Ar - Aryl-est Gibbs-Aktivierungsenthalpie: G = -T ln h k Gibbs-Enthalpie k B T G schwieriger Schritt k -1 G -1 2 (D) k 2, D( G 2,D) k 2, ( G 2,) I_folie214 k 2 > k -1 k 1 ( G 1) Ar (D) 2 kein Isotopeneffekt Ar (D) 2 Ar 2 (D) k 1 (D) k Ar (D) S 2 3 Ar Ar S 3 (D) k -1 S 3 k 2, k -1 Isotopeneffekt: Ar D reagiert langsamer als Ar G k -1 G -1 k 2, D( G 2,D) k 2, ( G 2,) Ar (D) S 3 k 2,D < k -1 Ar (D) S 3 k exp. k > 1 D Ar S 3 (D)

13 Substituenten-Effekt auf die rientierung der Zweitsubstituenten rientierung bei der Toluolsubstitution I_folie Y 3 3 ortho meta Y Y para 58 % itrierung 4 % 38 % Y = 2 3 / 2 S 4 Sulfonierung 32 % 6 % 62 % Y = S 3 2 S 4 / S 3 Bromierung 33 % 67 % Y = Br Br 2 / FeBr 3 rientierung bei der itrobenzolsubstitution 2 2 Y 2 2 itrierung 3 rauchend 2 S 4, 100 Bromierung ortho meta Y Y para 6 % 93 % 1 % Y = 2 einziges Produkt Y = Br Br 2, Ag 2 S 4 2 S 4, T Br rientierung bei der Brombenzolsubstitution Br Br Br Br ortho meta Br Br para Bromierung 13 % 0.1 % 87 % Br 2, FeBr 3

14 I_folie216 Substituenteneffekte bei der elektrophilen, aromatischen Substitution Aktivierend und ortho-para-dirigierend stark aktivierend: D 2,, 2 (Amino-Gruppe); (ydroxy-gruppe), mäßig aktivierend: 3 (Methoxygruppe), 3 (Acetylamino-Gruppe) schwach aktivierend: (Alkoxygruppe) (Phenylgruppe), 3 (Methylgruppe), (Alkylgruppe) Desaktivierend und meta-dirigierend A (itro-gruppe), ( 3 ) 3 (Trimethylammonium-Gruppe), δ - - δ δ δ - δ δ (yano-gr.), (arboxyl-gr.), (Ester-Gr.), - δ δ - δ δ - δ S δ (Sulfonsäure-Gr.), (Aldehyd-Gr.), (Keto-Gr.) - δ Desaktivierend und ortho-para-dirigierend A F, l, Br, I D A Y Y Y Y D A D - Elektronendonor stabilisiert das Benzonium-Kation. Die eaktion verläuft schneller. A Elektronenakzeptor destabilisiert das Benzonium-Kation. Die eaktion verläuft langsamer.

15 rientierung des Zweitsubstituenten I_folie217 ortho 3 Y 3 Y 3 Y Y para Toluol Y Y Y esonanz-strukturen 1 und 5 besonders stabil: tert.-arbenium-ionen meta Y Y Y ortho und para 2 Y 2 Y Y 1a 1b 2a Y 2b Y Anilin (Aminobenzol) meta Y Immonium-Strukturen 1b und 2b energetisch besonders günstig, jedes Atom besitzt ein Elektronenoctett. Y Y Y ortho und para Y Y Phenol Y Y

16 I_folie218 Y ortho und para Y Y Biphenyl Y Y meta Y Y Y itrobenzol Y ortho und para Y Y In diesen esonanzstrukturen elektrostatische Abstoßung der beiden vicinalen positiven Ladungen. l Y ortho und para l Y l Y l l hlorbenzol Y Y

17 Aliphatisch-aromatische Kohlenwasserstoffe (omenklatur) I_folie (Methylbenzol) Toluol Ethylbenzol n-propylbenzol (Isopropylbenzol) umol o-xylol m-xylol p-xylol p-ethyltoluol Benzolrest: Phenyl Methyl-3-phenylpentan Diphenylmethan ,2-Diphenylethan (Phenylethylen, Vinylbenzol) Styrol Phenylpropen Allylbenzol Phenylacetylen

18 Synthese von Alkylbenzolderivaten 1) Fraktionierte Destillation des Erdöls (Toluol, Xylole, umol) I_folie220 2) gezielte Synthese mittels Friedel-rafts-Alkylierung 3 3 l All 3 l Toluol 2 l 2 All l 2 Diphenylmethan 2 2 l l All ,2-Diphenylethan 3 l l 3 All 3 3 l 3 l 4 All 3 Triphenylmethan l 3 l hlortriphenylmethan ( 3 ) 3 / 2 S 4 3 oder 2 / 2 S 4 3 t-butylbenzol

19 I_folie221 All l n-propylchlorid Phenylpropan 2-Phenylpropan n-propylbenzol Isopropylbenzol umol 35 % 65 % Mechanismus der Friedel-rafts-Alkylierung ( 3 ) ( 3 ) 2 t-butylalkohol t-butyl-kation Isobuten ( 3 ) 3 ( 3 ) reaktive Zwischenstufe t-butylbenzol 3 2 l All All 4 Isopropyl-Kation ( 3 ) 2 All 4 All 4 Isopropylbenzol l All l 2 3 All 3 All 4 n-propylbenzol l All

20 1) ydrierung Katalytische ydrierung 2 3 Ethylbenzol eaktionen von Alkylbenzolderivaten 3 2 Kat., T, p 2 3 Ethylcyclohexan I_folie Alkalimetall-eduktion 3 a/ 3 fl. Et 3 Mechanismus: 3 a 3 a Et a /Et - a Et 3 2) xidation 3 KMn4 xidation am Benzyl--Atom oder r KMn 4 Terephthalsäure ( Polyesterfasern) 3 2

21 3) ing-substitution (elektrophile aromatische Substitution) I_folie223 3 l 2 Fel 3, 0 - l 3 l o-hlortoluol 3 l p-hlortoluol Mechanismus: - l - Fel 3 - l - Fel l l Fel 3 l 3 Fel 4 l Fel 4 4) Seitenketten-Substitution (radikalische alogenierung) 3 2 l l 2 l 3 l 2 T oder hν - l l 2 - l l 2 - l Benzylchlorid Benzalchlorid Benzotrichlorid 3 l l (adikal greift die Seitenkette an) SSS-egel: Sonne, Siedehitze, Seitenkette (Ion greift den ing an) KKK-egel: Katalysator, Kälte, Kern

22 X X I_folie X 2 hν oder - X X = Br X = l 100 % - 92 % 8 % Mechanismus der radikalischen alogenierung X 2 hν oder 2 X Kettenstart 2 3 X 3 X Benzylradikal X Ketten- Fortpflanzung 3 X 2 3 X u.s.w. Bindungsdissoziationsenergie [kcal/mol] Benzyl-esonanz Allyl-esonanz Stabilität der freien adikale Allyl, Benzyl > tert. > sec. > prim. > 3 > Vinyl

23 Gomberg (1900): Darstellung eines stabilen (isolierbaren) freien adikals I_folie l Zn 2 - Znl 2 (3 2 ) 3 Triphenylmethylradikal in Lösung stabil, gelb 3 3 farbloses Peroxid Dimeres isolierter Feststoff, farblos esonanz-strukturen des Triphenylmethyl-adikals Struktur des Dimeren 3 3 exaphenylethan Falsche Struktur (70 Jahre in der Literatur) 3 ichtige Struktur (Aufklärung 1968)

24 Alkenylbenzole (Styrolderivate) 1) Synthese von Styrol und 1-Phenylpropen I_folie P Kat.: r 3 Al 2 3 (Friedel-rafts-Alkylierung) Katalytische Dehydrierung Styrol l β α β β α , T K, Ethanol - 2 T, -l E 2 -Eliminierung: (Saytzeff-rientierung) : E 1 - Eliminierung 2) Elektrophile Addition 2 X 2 2 X X = l, Br, I: Styrol ist reaktiver als 3 2 (Markownikow-rientierung) X 3 3 X 3 X X X Benzyl-Kation 3 X 3 X nicht beobachtet! esonanz-strukturen des Benzyl-Kation Stabilität und Bindungstendenz der arbeniumionen Benzyl, tert. > Allyl, sec. > prim. > 3

25 omenklatur der Alkohole I_folie227 3 Methanol Methylalkohol 3 2 Ethanol Ethylalkohol Propanol n-propylalkohol Propanol Isopropylalkohol Methyl-1-propanol Isobutylalkohol Buten-2-ol 2 Benzylalkohol 3 Triphenylmethanol Phenylethanol 2 2 Glykole: (2 -Funktionen) Ethylenglykol Propylenglykol Trimethylenglykol cis-1,2-yclopentandiol 1,2-Ethandiol 1,2-Propandiol 1,3-Propandiol Glycerine: (3 -Funktionen) 2 2 Glycerin 1,2,3-Propantriol

26 Physikalische Eigenschaften der Alkohole Die Struktur von Alkoholen ist ähnlich der von Wasser 96pm 110pm 143pm 96pm Methanol I_folie228 Wasserstoffbrückenbindungen: BDE = 21KJ/mol 207pm BDE = 435KJ/mol 96pm a) zwischen Alkoholmolekülen b) zwischen Alkohol- und Wassermolekülen gute Löslichkeit in 2 : bis 3 und ( 3 ) 3 vollkommen mischbar 4 gut löslich ab 5 weniger löslich hohe Siedepunkte: Molmasse Siedepunkt [ ] Dipolmoment [D] F

27 Industrielle Erzeugung von Alkoholen I_folie229 Erdöl rackprozess 2 Alken 2 ( ) 2 Wasser-Addition: Markownikow- rientierung = : Ethanol-Synthese 2 2 Fette 2 2 Ziegler- eduktion 3 ( 2 2 ) n 2 geradkettige Alkohole mit gerader Anzahl von -Atomen atta-ligomerisation Luft Verwendung: Waschmittel und Detergentien ohrzucker Melasse 3 2 Getreide Stärke Zucker Vergärung mit efe Fuselöle Fuselöle: Propanol, 2-Methyl-1-propanol, Isopentylalkohol, optisch aktiver Amylalkohol Ethanol: ypnotikum; Esterkomponente für 3 "Essigester"; 2 Lösungsmittel; 3 Basis für Acetaldehyd: 3 und Essigsäure: 3 Isopropanol: 3 3 : Frostschutzadditiv (verhindert Vergaservereisung); Basis für Aceton: 3 3

28 a) -katalysiert 2 2 Synthese von Alkoholen 1) Addition von 2 an Alkene arbeniumion Umlagerung möglich 2-2 I_folie230 b) ydroxymerkurierung-eduktion 2 2 g(ac) 2 ab 4 2 (Markownikow- rientierung, keine Umlagerung) c) ydroborierung-xidation 2 2 B 2 6 a TF 2 2 anti-markownikow- rientierung Mechanismus der ydroxymerkurierung-eduktion g 2 g(ac) 2 δ 2 2 Ac - Ac Merkuriniumion gac 2 g ab 4 2 X Start -X g 2 - g 2 g 2 2 g 2 - g u.s.w. adikal-kettenreaktion

29 I_folie231 Stereochemie der ydroborierung: cis-addition 3 B 2 6 TF 3 B Methylcyclopenten trans-2-methylcyclopentanol Mechanismus der ydroborierung B B Diboran B ( "B 3 ") Tetrahydrofuran (TF) 2 "B 3 " δ 2 B 2 δ - 2 B B B 2 Trialkylboran (isolierbar)

30 I_folie232 2 Lewissäure B 3 Lewisbase 2 B B B 2 2 B B 2 2 1) 2) Umlagerung B 2 3 Borsäurealkylester 3 2 B()3 Borsäure 3 2

31 2) Synthese durch Grignard-eaktionen I_folie233 Addition von Grignard-Verbindungen an Aldehyde und Ketone X Mg Ether MgX Formaldehyd 2 / 2 2 prim. Alkohol MgX 1Aldehyd / Keton 1 sec. Alkohol 1 / 2 2 tert. Alkohol Beispiele: Br Brombenzol Mg Et Br MgBr Phenylmagnesiumbromid Aceton 3 1) 3 2) / Phenyl-2-propanol Mg Et MgBr 1) Benzaldehyd 2) / Phenyl-1-pentanol

32 I_folie234 Mechanismus der Grignard-eaktion X Mg X = l, Br, I Ether δ - δ MgX δ δ - δ - δ MgX MgX X Alkohol Mg 2 2X Addition von Grignard-Verbindungen an Epoxiden δ δ Ethylenoxid δ - δ MgX 2 2 MgX X 2 2 Mg 2 2X Alkohol: Kettenverlängerung um 2 -Atome

33 I_folie235 eaktionen von Alkoholen 1) Dehydratisierung zu Alkenen 2 2 [ ] Kat. - 2 ( E 1 - und E 2 - Eliminierung) 2) Umwandlung in Alkylhalogenide X oder PX 3 oder Sl 2 X (X = l, Br, I) (Thionylchlorid) (Für die Synthese von -X: P I 2 )

34 Mechanismus der Umwandlung in Alkylhalogenide I_folie236 a) mit X Bei sec. und tert.-alkoholen: X ] [ X X S 1-eaktion X schnell: vorgelagertes Gleichgewicht langsam schnell Bei prim.-alkoholen und 3 : S 2-eaktion 2 X 2 X X S 2 X schnell b) mit PBr 3 3 PBr 3 P( ) 3 3 Br Br P( ) 2 S 2 Br P( ) 2 Br Br 3 Br P() 3

35 I_folie237 c) mit Sl 2 (Thionylchlorid) Sl 2 S mit Pyridinbase l l ohne Zusatz von Base - l als Gas l S 2 mit Inversion S l S l Inneres Ionenpaar l S l l S vorwiegend etentionsprodukt Edukt: ()-2-Butanol l (S)-2-hlorbutan Produkt der eaktion mit Base l ()-2-hlorbutan auptprodukt der eaktion ohne Zusatz von Base

36 3) eaktionen mit Metallen I_folie a 3 2 a ½ 2 atriumethoxid 3 3 K 3 3 K ½ Kalium-t-butoxid Al 3 3 Al ½ 2 3 Aluminiumtriisopropanoxid Mg und Al reagieren mit vielen Alkoholen anders als mit 2, da eine Passivierung der Metalloberfläche durch die unlöslichen ydroxide nicht erfolgt. Die Alkali- und Erdalkali-Metall-Alkoholate sind starke Basen und werden als ucleophile in S 2-eaktionen und als Basen in E 2 -Eliminierungen genutzt. Aciditätskonstanten: pk a -log K a K a = [ 3 ] [ - ] [ ] ( 3 ) 2 ( 3 ) 3 pk a : stärkere Säure MgX schwächere Säure MgX a a pk a = 25 2 a a 2 pk a = 35 elative Acidität: 2 > > 3 > elative Basizität: < < < 2 <

37 4) Veresterung von Alkoholen (Sulfonsäureester) I_folie239 3 S 2 Pl 5 3 S 2 l Pl 3 l p-toluolsulfonylchlorid Tosyl-est: Ts- 3 S 2 l 3 S 2 l 2 Alkohol Alkyl-p-Toluolsulfonat Ts Ts l Pl 5 Ts l Pl 3 l Ts l 2 Alkyltosylat Beispiel aus dem -Grundpraktikum Ts l DAB c t Ts (-)-Menthol S 2 (Inversion) Menthyltosylat 2 5 a E 2 (antiperiplanar) Ts c 2 5 t a Ts (-)-2-Menthen

38 5) xidation von Alkoholen a) hromsäure-xidation orangerot 2 rvi 3 oder r VI xidation - r 3 (grün) prim. Alkohol Aldehyd arbonsäure I_folie sec. Alkohol 1 2 Keton keine eaktion Mechanismus der hromsäure-xidation 2 r VI 3 2 r 2 Ester der hromsäure 2 intramolekular 2 r hrom(iv)säure 2 intermolekular 2 2 r Wenn 1 =, 2 = Alkyl ist: r IV r VI 2 2 r V r VI 3 2 r r V r III

39 b) ypohalogenit-xidation (aloform-eaktion) I_folie ax a X 3 (X = l, Br, I) X = I: I 3 Iodoform (gelbe Kristalle) Mechanismus der aloform-eaktion 3 ax 3 ax 2 Acetylgruppe 3 3 ax X 3 3 a δ δ - a X 3 X 3 a X 3 a a X 3 aloform X = l (hloroform), Br (Bromoform), I (Iodoform)

40 c) xidation mit Periodsäure (spezifisch auf vicinale -Funktionen) I 4 Glykolderivat 2 I_folie I 4 Glycerinderivat Verwendung von Ethylenglykol und Glycerin 2 2 Ethylenglykol vollständig mischbar mit 2 und Et unlöslich in Et 2 ca. 50% als Frostschutzmittel (Glysantin ) 2 : Schmp. 0, Ethylenglykol: Schmp (1:1)-Gemisch: -40 Polyesterfasern, Polyethylenglykol: Weichmacher, Gleitmittel und nach Veresterung der -Funktionen als Bremsflüssigkeit in KFZ 2 Glycerin 2 Basisalkohol für alle Fette 2 2 Fett 3 a Verseifung LiAl 4 2 Li Li 2 Li Fettalkohole 1 a 2 a 3 a Seife

41 Ether:, Ar, Ar Ar omenklatur I_folie Diethylether 3 "Ether" Diphenylether tert.-butylmethylether (MTBE) Bezeichnung der als Alkoxy-Gruppe p-ethoxybenzoesäure 2-Methoxyethanol 3-Methoxyhexan 3 Anisol (Trivialname) Physikalische Eigenschaften µ = 1.18 D Wasserstoffbrückenbindung zu protischen Lösungsmitteln Sdp. [ ] Löslichkeit [g in 100 ml 2 ] ( 4 10 ) 34.6 ca ( 4 10 ) ca 8 Industrielle Verwendung Ether sind chemisch inert und werden als Lösungsmittel verwendet. Beispiele: Diethylether (auch arkotikum) und MTBE (Verwendung auch als Kraftstoffadditiv, Antiklopfmittel)

42 Peroxid-Bildung (die zu heftigen Explosionen führen kann) I_folie n n polymeres Etherperoxid explosiv! Eisenrhodenid-Probe Peroxid Fe 2 Fe 3 n S Fe(S) n (n-3) rot Ether-Synthesen 1) Säure-katalysierte Veretherung von Alkoholen 2 2 Beispiel: Diethylether-Synthese aus Ethanol Ethanol 2 S Konkurenzreaktion bei höherer Temperatur: S

43 Mechanismus I_folie245 2 S S S( 2 ) S( 2 ) S 4 ( 2 )S E S( 2 ) 2) Säure-katalysierte Addition von Akoholen an Alkene Beispiel: MTBE-Synthese ( 3 ) Isobutan Methanol Mechanismus MTBE

44 3) Williamson-Ether-Synthese I_folie246 a (K) a 1 X Ar a 1 X a ( K) ½ 2 S 2 - a X 1 S 2 Ar 1 - a X Ar = Arylrest (z. B. substituierter Phenylrest) Beispiele: ( 3 ) 3 3 Br S 2 ( 3 ) Br prim.-alkylbromid tert.-butylethylether 3 2 β 3 S 2 β α Br 3 β 3 E 2 tert.-alkylbromid ( 3 ) Br a a 2 (schwächere Säure) Phenol (stärkere Säure) atriumphenolat Br n-propylbromid S Br Phenyl-n-propylether sp 2 Brombenzol (S 2-eaktion am sp 2 -hybridisiertem -Atom findet nicht statt)

45 eaktionen der sehr inerten Ethern: Etherspaltung I_folie247 X X X X 2 2 X Ar Ar X (X = l, Br, I) eaktivität: I > Br > l Mechanismus der Etherspaltung ucleophile Substitution: S 2 bei prim.-alkylgruppen (X = l, Br, I) S 1 bei tert.-alkylgruppen X X schnell X S 2 X langsam S 1 langsam X X schnell X X X 2 S 2 oder S 1

46 yclische Ether I_folie ,4-Dioxan Tetrahydrofuran (TF) Furan isoelektronisch mit dem yclopentadienyl Anion (6 π-el.) Ethylenoxid (xiran, Epoxid) [18] Krone-6 unlöslich in Benzol K Mn 4 K Mn 4 löslich in Benzol violett Verwendung von cyclischen Ethern Tetrahydrofuran (TF): Lösungsmittel für Polymere und Lacke; Zwischenprodukt bei der ylon-synthese; Lösungsmittel für Grignard- eaktionen und LiAl 4 -eaktionen Ethylenoxid (xiran): Ausgangsprodukt für Ethylenglykol ( 2 2 ), Dioxan, Polymere, nichtionische Detergenten (Waschmittelindustrie)

47 Synthese von Epoxiden I_folie249 1) Luftoxidation (großtechnisch nur für die Stammverbindung) 2, Ag-Kat Ethylen 2 2 Ethylenoxid (xiran) 2) aus alogenhydrinen 1) X 2, 2 2 2) a 2 X = l, Br Mechanismus (Beispiel: Propenoxid) 3 2 l 2, 2 elektrophile Addition 3 2 l l 3 2 l 3 2 l S i - l 3 Methyloxiran S i: Intramolekulare nucleophile Substitution (intramolekulare Williamson-Synthese)

48 I_folie250 3) xidation mit Persäuren 3 "Peressigsäure" m-hlorperbenzoesäure l 1 2 Beispiel: yclopenten l l "yclopentenoxid" 6-xabicyclo[3.1.0]hexan Mechanismus der xidation mit Persäuren Eigenschaften der Epoxide Dimethylether Ethylenoxid yclopropan Spannungsenergie: [kcal/mol]

49 Saure und basische ingöffnung des Epoxidrings a) - Z Z Z Beispiele: Ethylenglykol Ethoxyethanol I_folie251 X 2 2 X "alohydrin" X = l, Br, I b) Z Beispiele: Z Alkoholat Z (Unterschuß) ( =, Alkyl, Aryl) n n = 1: Diethylenglykol n = 2: Triethylenglykol n sehr groß: Polyethylenglykol Aminoethanol δ - δ MgX 2 2 Mg Br 2 2 2

50 trans-ydroxylierung a) sauer yclohexenoxid b) basisch Stereochemie der ingöffnung - S 2 S 2 -artiger Angriff von der ückseite I_folie252 trans-1,2-yclohexandiol cis-ydroxylierung KMn 4 (oder s 4 ) Mn 2 K cis-1,2-yclohexandiol a) 3 3 egioselektivität der ingöffnung 3 δ δ Angriff auf den höher substituierten Kohlenstoff Analog zu: δ Br 3 δ 3-3 Br g 2 δ 3 3 g Me 3 2 b) S ( 3 ) 2 2 Angriff auf den weniger substituierten Kohlenstoff

51 I_folie253 arbonsäure arboxy-funktion omenklatur IUPA-egel Als Grundstruktur wird die längste Kohlenstoff-Kette gesucht, an der sich die arboxy- Funktion befindet. Der ame der Säure ergibt sich aus dem amen des Alkans mit der Endung säure Pentansäure Beispiele: α β 2-ydroxypropansäure (α-ydroxypropionsäure, Milchsäure, Trivialname) δ γ β α Br 3 4-Brom-3-methylpentansäure (γ-brom-β-methylvaleriansäure) Außerdem besteht die Möglichkeit die arboxy-funktion als carbonsäure zu bezeichnen, dann wird das arboxy--atom nicht mitgezählt. Beispiele: yclohexancarbonsäure trans-1,2-yclopropandicarbonsäure

52 Aliphatische arbonsäuren I_folie Ameisensäure (Methansäure) Essigsäure (Ethansäure) Propionsäure (Propansäure) Buttersäure (Butansäure) Valeriansäure (Pentansäure) apronsäure (exansäure) aprylsäure (ctansäure) aprinsäure (Decansäure) 3 (Schmerz beim Biß der Ameise) (aushaltsessig: 5% wässr. Lsg.) Eisessig: Schmp Löslichkeit pka g/100g ( 2 ) 2 ( 2 ) 3 ( 2 ) 4 ( 2 ) 6 ( 2 ) 8 (Geruch nach ranziger Butter) (erstmalig aus der Wurzel des Baldrians isoliert) (kommen im Ziegenfett vor; 0.7 charakteristischer Geruch nach Ziege) Laurinsäure (Dodecansäure) 3 ( 2 ) 10 unlöslich Mystinsäure (Tetradecansäure) Palmitinsäure (exadecansäure) 3 3 ( 2 ) 12 ( 2 ) 14 (Gesättigte Fettsäuren) unlöslich unlöslich 18 Stearinsäure (ctadecansäure) 3 ( 2 ) 16 unlöslich

53 Ungesättigte Fettsäuren I_folie255 Schmp. Ölsäure (Z)-9-ctadecensäure Linolsäure (Z,Z)-9,12-ctadecadiensäure Linolensäure (Z,Z,Z)-9,12,15- ctadecatriensäure Stearinsäure ctadecansäure Die katalytische ydrierung der =-Doppelbindungen im Öl führt zu einem Fett fester Konsistenz Margarine-erstellung (Fett-ärtung) Ungesättigte Fette werden schneller ranzig Luft-Sauerstoff-xidation in der Allylposition 2 ( 2 ) 6 2 ( 2 ) 6 3 Allylposition 2 ( 2 ) 6 3 aprylsäure (Ziegengeruch)

54 I_folie256 Arachidonsäure Prostagladin F 2α (löst Wehen, Fehlgeburten und Menstruation aus) a Thromboxan A 2 (bewirkt die Kontraktion der glatten Muskulatur und die Blutgerinnung) Prostacyclin 1 2, atriumsalz (stärkster natürlicher Inhibitor der Blutgerinnung; gefäßerweiternd, wird bei Bypass-perationen am erzen, bei ierenpatienten usw. eingesetzt) Leukotrien B 4 (wichtiger chemotaktischer Faktor; bewirkt z. B. Zellwanderung) S 3 3 Penicilline ( steht für unterschiedliche Gruppen)

55 I_folie257 Aromatische arbonsäuren Ar (nur wenig löslich in 2 ) Benzoesäure p-toluylsäure 3 2,4-Dinitrobenzoesäure Salicylsäure (o-ydroxybenzoesäure) Anthranilsäure (o-aminobenzoesäure) 2 3 -

56 Dicarbonsäuren I_folie258 xalsäure Malonsäure (Propandisäure) 2 Bernsteinsäure (Butandisäure) 2 2 Glutarsäure (Pentandisäure) Adipinsäure (exandisäure) ylon 66 Polyamid Maleinsäure (Z)-2-Butendisäure Fumarsäure (E)-2-Butendisäure Phthalsäure 2 2 Glycerin Polyester (Alkydharz verzweigt) Isophthalsäure Terphthalsäure 2 2 Polyester Ethylenglykol (linear) Diolen-Faser

57 I_folie pm 97.2pm 109.7pm pm Molekülstruktur von Ameisensäure 2 δ - δ δ - δ δ arbonsäure-dimeres zwei Wasserstoffbrückenbindungen Alkohol eine Wasserstoffbrückenbindung n-pentan Butanol 3 2 Propionsäure ( 5 10 ) MG: 72 ( 4 10 ) MG: 74 ( ) MG: 74 Sdp. Löslichkeit g/100g 2 36 unlöslich

58 arbonsäure-salze I_folie260 a a stärkere Säure unlöslich in 2 Salz: löslich in 2 schwächere Säure mesomere Grenzstrukturen delokalisierte Struktur a (a 3 ) a Kohlensäure 2 a l stärkere Säure 2 unlöslich a l

59 omenklatur der Salze I_folie261 ame des Kations IUPA: säure durch oat ersetzen Beispiele: K Kaliumhexanoat a l atrium-2-chlor-propanoat Trivialnamen: Lateinischer Wortstamm der arbonsäure Endung at Beispiele: - 4 Ammoniumformiat ( - ) 2 a 3 alciumacetat - a atriumbenzoat 3 () - K Kaliumlactat

60 I_folie a - 3 a a 2 2 a Fett Triglycerid Glycerin Seife 2 2 a a 2 a 2 2 a 2 wasserlöslich wasserunlöslich Moderne Detergentien enthalten lineare, unverzweigte Alkansulfonate, die biologisch abbaubar sind. Die Salze reagieren neutral eutralseife S 3 K a 2 - und Mg 2 - Salze sind wasserlöslich Lipophil bzw. hydrophob hydrophil (-) a ()

61 I_folie263 Micelle Fett Seife Fett unlöslich in 2 löslich in 2 lösl. gemacht mit Seife in 2

62 I_folie =, Alkyl, Acyl Aciditätskonstante [ - ] [ 3 ] K a = [] pk a = -log K a ( 3 ) K a : pk a K a : pk a abnehmende Acidität > > > 2 > - < - - < - < 2 - < - zunehmende Basizität

63 I_folie : G 0 2 molare Gibbs-eaktionsenthalpie: G 0 = TlnK a = ln ( ) = cal/mol G 0 = ln ( ) = 6500 cal/mol 3 Energiediagramm [kcal/mol] G - Gibbs-Aktivierungsenergie G 0 - Gibbs-eaktionsenthalpie G - 3 G 0 = 21.5 G 3-3 G 0 = dipolare Grenzstruktur 120.2pm 134.3pm 127pm 127pm - a Ameisensäure atriumformiat

64 Substituenteneinfluß auf die Acidität von arbonsäuren I_folie266 A - D - A Elektronenakzeptor: verteilt die Ladung, stabilisiert das Anion, erhöht die Acidität D - Elektronendonor: verstärkt die Ladung, destabilisiert das Anion, verringert die Acidität K a 10 5 [M] Ameisensäure 18 Essigsäure hloressigsäure Dichloressigsäure l l Trichloressigsäure l α-hlorbuttersäure 3 2 l β-hlorbuttersäure 3 2 l γ-hlorbuttersäure l Buttersäure γ β α X X = l, 2 X = 3, 3,, 2 erhöhen die Acidität verringern die Acidität X mit Ausnahme von X = 2 erhöhen alle Substituenten die Acidität ortho-effekt

65 Synthesen von arbonsäuren: industrielle Verfahren I_folie267 a. Essigsäure: 2 2 Ethylen Acetylen 2 ( 2 ) 2 Ethanol 2 (gs 4, ) 2 2 2, 2 Kat. Vinylalkohol Enol 2 Enol Katalysator: Pdl 2 /ul 2 : Wacker-Prozess kat. Dehydrierung - 2, u-kat. 300 Autooxidation (Mn(Ac) 2 ) Acetaldehyd , h-kat. I 2, p, T Monsanto-Verfahren 3 b. Ameisensäure: a p, T 3 a - 2

66 I_folie268 c. Benzoesäure: Toluol o-kat c. Phthalsäureanhydrid: 3 3 o-xylol 3 2 V 2 5 -Kat Phthalsäure - 2 aphthalin V 2 5 -Al

67 Synthese von arbonsäuren I_folie ohne Änderung der -Atom-Zahl a) xidation von primären Alkoholen 2 r 3 oder KMn 4, b) xidation von Arylalkylderivaten Ar 3 3 l 2, hν - 3 l Ar l 3 2, Ar KMn 4 (Praktikumsversuch) adikalische Substitution Start: l 2 hν 2 l Kette: 3 l - l l l 2 hν - l l 2 l hν 2 l 3 - l Benzylchlorid Benzalchlorid Benzotrichlorid ydrolyse von Benzotrichlorid l l l (-) S 2 - l (-) l l (-) - 2 l l (-) l - l (-) Benzoylchlorid (-) l - l (-) (-)

68 2. mit Änderung der -Atom-Zahl a) Grignard-Synthesen 2 PBr δ - 3 Mg δ - δ 2 Br 2 MgBr δ Et 2 Grignard-Verbindung δ - I_folie270 2 Mg Br 2 3 X - Mg 2 Br X Kettenverlängerung um ein -Atom b) itril-methode 2 Br Beispiele: S Br Br 4 1-Brombutan prim. Alkylbromid 2 / Pentansäure S 2 2, oder 2, Br S t-butylbromid tert.-alkylbromid Mg, Et 2 3 δ - 3 δ MgBr 3 / t-butylmagnesiumbromid 5 2,2-Dimethylpropansäure

69 Mechanismus der hromsäure-xidation I_folie271 (1) 2 r VI r 2 2 orange-rot (2) r 2 r IV Aldehyd (3) Single-Elektronen-Transfer 2 r IV 2 (SET) r III 3 (4) r VI 2 r V 3 (5) 2 r V r über einen III grün r V -Säurester (1) r VI - 4 r 2 (2) r 2 3 r IV (3) (4) (5) r IV 2 SET r III 3 r VI 4 - r V über einen r V -Säurester r III r V 2 r VI intramolekular IV r Alternative zu (2)

70 Propannitril Butannitril I_folie272 Acetonitril Propionitril Butyronitril Benzonitril ydrolyse von itrilen a) basisch: δ δ - nucleophile (-) Addition (-) 2 (-) (-) 2 2 (-) (-) δ δ - nucleophile Substitution am Acyl--Atom (-) (-) (-) b) sauer: () () 2 2 () () 2 () 2 2 () () 2 () 3 () 4

71 I_folie273 Funktionelle Derivate der arbonsäuren l Säurechlorid Säureanhydrid 2 1 Amide Ester 3 Acylrest Acetylrest Benzoylrest

72 erstellung von Säurechloriden und Säurebromiden Thionylchlorid Sl 2 - l - S 2 I_folie274 Pl 5 - l - Pl 3 l 1 / 3 Pl 3-1 / 3 3 P 3 1 / 3 PBr 3-1 / 3 3 P 3 Br Säurebromid Säurebromide sind sehr viel reaktiver als Säurechloride und diese sehr viel reaktiver als Alkylbromide oder chloride X (X = l, Br). Bildungsmechanismus der Säurechlorid-erstellung l δ δ - S l () l S l (-) - l S l Weg A () () l (-) Acyliumkation S 2 Weg B l l (-) S l nucleophile Addition l S l - S () l l (-) - l l

73 eaktionen der Säurechloride I_folie275 2 ydrolyse l l 1 Alkoholyse 1 Ester 2 3 Ammonolyse 2 Wasserstoffbrückenbindungen in Amiden etzwerke, räumliche Struktur von Peptiden und Proteinen [ ] Schmp /Sdp. Sl l Essigsäure Acetylchlorid 16.6/ /51 Ammonolyse Ethanolyse des Säurechlorids Ethylacetat Acetamid (Essigsäureethylester) -84/77 82/ l Propionsäure Propionylchlorid Ethylpropionat Propionamid IUPA Propansäure Propanoylchlorid Ethylpropanoat Propanamid -22/141-94/80-74/99 79/213 l Benzoesäure Benzoylchlorid Ethylbenzoat Benzamid 122/250-1/197-35/ /290

74 I_folie276 Acylderivate Alkylderivate (Säure) (Alkohol) l (Säurechlorid) l (Alkylchlorid) reaktiver als (Amid) 2 (Amin) 2 1 (Ester) 1 (Ether) ucleophile Substitution am Acyl--Atom Z ucleophil δ - sp 2 δ X Z X Zwischenstufe - tetravalent Z X Z X ucleophile Substitution am Alkyl--Atom Z sp 3 X S 2 δ - Z δ - X Z 1 X 3 2 Übergangszustand - pentavalent

75 Säure-katalysierte nucleophile Substitution am Acyl--Atom I_folie277 X () X () () Z Z X X Z X Z () X () Z X Z Säureanhydride l l Synthese von Acetanhydrid aus Keten AlP (kumuliertes Dien) strukturgleich mit und Allen

76 eaktionen von Ketenen I_folie ucleophile Addition an Keten 2 δ δ - Z 2 () Z (-) (-) 2 () Z Deprotonierung Protonierung 2 Z Z : 3 : 2 3 Acetanhydrid : Ethylacetat : 2 Essigsäure 2 : 2 2 Acetamid

77 I_folie279 Phthalsäure Phthalsäureanhydrid 2 2 Bernsteinsäure - 2 Bernsteinsäureanhydrid cis bzw. Z Maleinsäure Fumarsäure trans bzw. E Maleinsäureanhydrid (MSA) 100

78 I_folie280 eaktionen der Anhydride δ - δ (-) () Z Z Z Z : 2,,

79 Säureamide Ammoniumsalz einer arbonsäure I_folie T nucleophile Substitution am Acyl--Atom 2 2 T yclische Imide 2 (nucleophile Substitution am Acyl--Atom) - 2 Phthalimid Phthalsäureanhydrid 3-2 T Bernsteinsäureanhydrid Succinimid - a Br 2 a -Bromsuccinimid (BS) Br abr 2 Br 2 BS - spezifisches eagenz für die radikalische Allylbromierung Br Br T l 4

80 I_folie282 Ester Aroma Ethylformiat um, Arak 2 3 Isobutylacetat 3 Banane 2 ( 3 ) 2 Methylbutyrat Apfel 3 Ethylbutyrat Ananas 2 3 Isopentylbutyrat Birne 2 2 ( 3 ) 2 Ethylacetat Essigester Lösungsmittel n-butylacetat Lösungsmittel (Lackindustrie)

81 I_folie283 Gleichgewicht der säure-katalysierten Veresterung K eq = [ ] [ 2 ] = 3.38 [ 3 ] [ 3 2 ] Start Gleichgewicht Start Gleichgewicht Berechnung der Gleichgewichtskonzentrationen aus der Gleichgewichtskonstante K eq mit den Ausgangskonzentrationen [ 3 2 ] 0 = [S] 0 und [ 3 2 ] 0 = [A] 0 [E] = [ ] = [ 2 ] = x [S] = [ 3 2 ] = [ 3 2 ] 0 x [A] = [ 3 2 ] = [ 3 2 ] 0 x K eq = x 2 ([S] 0 - x) ([A] 0 - x) x 2 = K eq (x 2 x ([S] 0 [A] 0 ) [S] 0 [A] 0 )

82 Experiment: Mechanismus der sauren Veresterung von arbonsäuren I_folie284 Benzoesäure Mechanistische Alternativen ucleophile Substitution am Alkyl--Atom (findet nicht statt) ucleophile Substitution am Acyl--Atom (findet statt)

83 I_folie285 Intramolekulare Veresterung von ydroxycarbonsäuren Lactone γ β α 2 2 a δ γ β 2 2 α 2 α a - β γ cyclischer Ester: Fünfring: γ-lacton α α β β a a - γ γ δ δ cyclischer Ester: Sechsring: δ-lacton Synthese von Estern unter Beteiligung der Funktion a - 2 a 2 Br S 2 2 Veresterung mit Diazomethan

84 eaktionen der Ester I_folie286 Basische Ester-ydrolyse: Verseifung 1 a 2 a a Fett Glycerin Seife Wachse (z. B. Bienenwachs) Ester von Fettsäuren mit langkettigen Fettalkoholen:

85 Mechanismus der Ester-ydrolyse (ucleophile Substitution am Acyl--Atom) I_folie287 (-) 1 1 (-) 1 eutralisation irreversibler Schritt (-) 1 Bz Benzoylchlorid:Bz Bz (-) l l l * Bz ()-2-Butanol mit etention der Konfiguration (-) 18 3

86 Mechanismus der ydrolyse von Sulfonsäureestern (ucleophile Substitution am Alkyl--Atom) I_folie288 Tosylrest 3 S l 3 2 * 3 - l Ts S 2 p-toluolsulfonylchlorid: Ts l ()- 2-Butanol opt.-akt. 2-Butyltosylat Ts (-) 3 2 * 3 (-)-2-Butanol S 2 mit Inversion der Konfiguration Ammonolyse von Estern Umesterung 1 (-) 2 2 (-) 1

87 I_folie289 eduktion von arbonsäuren und arbonsäurederivaten mit Lithiumaluminiumhydrid 1) LiAl 4, TF, T 2) 2 / 2 1) LiAl 4, aumtemp. 1 2) 2 / 2 1 l 1) LiAl 4, 0 2) 2 / 2 2 1) LiAl 4, aumtemp. 2) 2 / LiAl Ethylbenzoat 2 Al( 2 3 )Li l, (Stöchiometrie) Benzylalkohol

88 δ - δ Li 2 3 δ - δ Al Mechanismus der LiAl 4 -eduktion von Estern (ydrid-transfer-eaktion) langsam - Al (-) Li Li (-) 2 3 I_folie290 Li schnell - Al (-) Li Al Benzaldehyd Mechanismus der LiAl 4 -eduktion von Amiden LiAl Al Al 1 1 δ - δ Al LiAl Aldehyd-Synthese aus Säurechloriden mit modifiziertem ydrid-eagenz LiAl 4 3 t-bu LiAl(t-Bu) schnell LiAl(t-Bu) 3 l langsam - Lil LiAl(t-Bu) 3 Aldehyd isolierbar (-) Li l Al(t-Bu) 3 2 (-) Li Al(t-Bu) 3 t-bu = t- 4 9

89 eaktionen mit rganometallverbindungen (Grignard- und Alkyllithium-Verbindungen) I_folie MgBr 1 2 / Et 2 2 Mg Br 1 Mg Br 2 Synthese von sec.- und tert.-alkoholen / MgBr 2 3 n-butylmagnesiumbromid Ethylformiat onanol (sec.) 2 PhMgBr 3 Phenylmagnesiumbromid 3 Methylacetat / 2 Ph Ph 3 1,1-Diphenylethanol (tert.) 2 3 Li 3 / Methyllithium Methylcyclohexancarboxylat 2-yclohexyl-2-propanol

90 I_folie292 Mechanismus (ucleophile Substitution am Acyl--Atom nucleophile Addition am arbonyl--atom) δ δ- δ - δ (-) langsam Mg Br- 2 MgBr MgBr MgBr schnell (-) Mg Br - / Mg Br - l = : Aldehyd : Keton Synthese von Ketonen aus Säurechloride mit ilfe von upraten 2 1 Li ui l Et 2 Li [u 1 2] - Lithiumdialkylcuprat Li Li [u 1 2] - l 1 (u 1 ) x fällt aus Keton reagiert nicht mit Li [u 1 2] 1 Beispiel: l u Li - 5 Et 2 70%

91 ell-volhard-zelinsky-eaktion I_folie293 2 X 2 P rot (Kat.) X = l, Br X X Beispiele: Synthese von α-ydroxy- und α-aminosäuren X 1) /-X 2) 2 / 3 (Überschuss) - 4 X 2 3 Synthese von Malonsäure und Diethylmalonat 3 P l 2 - l 2 l l (-) (-) 1) - l (-) 2) / 2 2 2, yanessigsäure 1) 3 2, 2) Malonsäure Diethylmalonat

92 I_folie294 Mechanismus der ell-volhard-zelinsky-eaktion 2 P 3 X 2 2 PX 3 1 / 3 PX / 3 P() 3 X Ketoform () () - X X X Enolform X 2 X () X X () X X (-) - X X X X X X X

93 Derivate der Kohlensäure I_folie295 l l Phosgen arnstoff Diethylcarbonat (Säurechlorid) (Amid) (Ester) l Ethylchlorocarbonat Urethan yanamid Säurechlorid-Ester Amid-Ester Amid-itril 2 ydrolyse - l l l l l 2 3 Ammonolyse Phosgen - 4 l (reaktiv und hochgiftig) l l 2 2 Alkoholyse - l l hlorameisensäurealkylester stabil, isolierbar - l Dialkylcarbonat 1 MgBr - Mg Br 1 1 MgBr - Mg Br 1 1 1) 1 MgBr 1 2) 2 / 1 1

94 arnstoff-synthese I_folie296 δ δ - 3 () 3 3 δ - δ (-) () (-) 2 2 (-) () 4, Druck () (-) Synthese von Barbitursäure (cyclisches Ureid) a nucleophile Substitution am Acyl- azid Substituierte Barbitursäurederivate Schlafmittel (Überdosis: Bewußtlosigkeit, Atem- und erstillstand)

95 116.5 sp pm 110 pm Formaldehyd δ δ - δ δ Dipolmoment µ = 2.27 D µ = 2.95 D Aceton I_folie297 omenklatur Aldehyd: ame des Alkans Endung al (außerdem Trivialnamen) Formaldehyd Acetaldehyd Propionaldehyd Butyraldehyd Methanal Ethanal Propanal Butanal Methylhexanal 3 2 Benzaldehyd o-tolualdehyd p-itrobenzaldehyd Salicylaldehyd Formyl-est Methanoyl-est 3,3-Dimethylcyclopentancarbaldehyd 3-Formylcyclohexanon 3-Methanoylcyclohexanon

96 omenklatur Keton: ame des Alkans Endung on bzw. Dialkyl(aryl)keton I_folie Aceton Ethylmethylketon Isopropylmethylketon Propanon Butanon 3-Methylbutanon Benzylethylketon 1-Phenylbutanon Phenongruppe 3 Acetophenon Benzophenon 3 Sdp Ag-Kat Synthese von Formaldehyd und Acetaldehyd Paraformaldehyd 3 Trioxan 2 (technisches Verfahren) Paraldehyd Sdp. 125 Sdp. -21 n Sdp. 20

97 1. xidation von primären Alkoholen Synthese von Aldehyden I_folie299 2 r r 3 2 modifiziertes xidationsmittel: Pyridin r 3 l 2 P.T. 2 l 2 (wassersfrei) (-) l r gelb-orange 3 kristallin () Pyridiniumchlorochromat (PP) 2. xidation von Methylbenzolderivaten Ar 3 2 l 2, - 2 l r 3, Ac 2 Ar Ar l l Ac Ac 2, - 2, - Ar Ar l - l Ar - 2 Diacetat Diester Esterhydrolyse 3 Acetyl- (Ac-) 3. eduktion von Säurechloriden LiAl(t-Bu)3 - Lil l

98 1. xidation von sekundären Alkoholen Synthese von Ketonen I_folie300 1 r 3 oder K 2 r Addition an Acetylen Enol gs4, 2 S 4 Markownikow- rientierung 2 2 gs4, 2 S aus Säurechloriden (uprat-eaktion) 1 Li ui l Ether Liu 1 2 Liu Beispiel: -5 ( 3 ) 2 2 ( 3 ) 2 uli ( 3 ) 2 2 ( 3 ) 2 2 l Ether Ausb. 70% 3-Methylbutanoylchlorid 2,6-Dimethylhept-2-en-4-on

99 4. Friedel-rafts-Acylierung (elektrophile aromatische Substitution) I_folie301 l Ar All 3 - l Ar Beispiele: 3 2 All 3 l Propionylchlorid () 2 3 All - 4 () All 3 - l () Propiophenon All 4 - l Benzoylchlorid All 3 Benzophenon 3 3 All 3 3 Acetophenon 3

100 1) xidationen Aldehyd Keton 1 [Ag( 3 ) 2 ] 2 eaktionen von Aldehyden und Ketonen K 2 r KMn 4 2 Ag (Silberspiegel) r 3 (Farbwechsel von orange nach grün) keine eaktion K Mn 2 (Farbwechsel von violett nach braun) I_folie302, X 2 3 X 3 X = l, Br, I (aloform-eaktion) 2) ucleophile Additionen Z Z tetravalente Zwischenstufe 2 - Z 2 1 3) Säure-Katalysierte Additionen Z Z 2 1 Wenn Z = Z 2 -Eliminierung nicht möglich Z Z 2 1

101 Beispiele für die ucleophile Addition a. Addition von yanid-anion (yanhydrin-eaktion) (-) Aldehyd oder Keton (-) 2 yanhydrin I_folie303 2 α-ydroxycarbonsäure b. Addition von as 3 (Bisulfit-eaktion) (-) S 2 (-) S 2 S 3 - Bisulfit-Addukt wasserlöslich 2 S S 2 - [ 2 S 3 ] 2 S 2 c. Addition von Ammoniak-Derivaten 2 ( ) - ydroxylamin xim 2 Ph Phenylhydrazin ( ) Ph - Ph Phenylhydrazon 2 2 ( ) 2-2 Semicarbazid Semicarbazon Mechanismus der Addition von Derivaten des Ammoniaks () 3 G - () 2 G 2 G () G () G () G 2 G 3

102 Beckmann-Umlagerung (Synthese von ε-aprolactam) 2-2 () I_folie304 yclohexanon () yclohexanon-oxim 2 1,2-Alkylwanderung () () () () 2 - α β ε δ γ β α 2,, γ ε - n 2 δ ε-aprolactam ε-aminocapronsäure ( 2 ) 5 ( 2 ) 5 ylon 6: Polyamid eduktion der arbonylfunktion 4 LiAl 4 Li Al Aldehyd / 4 primäre Alkohole 4 LiAl 4 2 Li Al 2 / Keton sekundäre Alkohole Eine Alternative ist die katalytische ydrierung der =- Doppelbindung, jedoch: 3 rotonaldehyd 1 2, i-kat. 3 1-Butanol 1) LiAl 4 2) 2 / 3 But-2-en-1-ol 1

103 lemmensen-eduktion I_folie Zn (g) l Wolff-Kishner-eduktion 1 2 1) 2 4 2) K, T Mechanismus (-), 1 2 (-) 1 2 (-) (-) (-) (-) 2 (-) Lösungsmittel: , Diethylenglykol, Sdp. 245 Grignard-eaktion δ δ - 1 MgX 1 Mg X 2 / 1 = : primäre Alkohole; : sekundäre Alkohole 1 3 MgX 2 2 / tertiäre Alkohole

104 1 3 2 Acetal- bzw. Ketalbildung I_folie306 Aldehyd 1 oder 2 = : Keton 1, 2 = Alkyl oder Aryl: albacetal albketal Acetal Ketal Mechanismus der Acetal- bzw. Ketal-Bildung () () () - () 1 () 1 albacetal ( bzw. = ) albketal ( und ) 1 () Acetal ( bzw. = ) Ketal ( und ) Schutzgruppen-Funktion cyclisches Acetal Br 2 2 ( 2 ) 3 Br Brompropanal 1,3-Propandiol (-) Li 2 3 S 2 - Li Br eptinal

105 annizzaro-eaktion I_folie307 (Disproportionierung von Aldehyden die keine -Atome in der α-position besitzen) a a Formaldehyd Methanol atriumformiat 2 α a 2 a Benzaldehyd Benzylalkohol atriumbenzoat gekreuzte annizzaro-eaktion 2 a 2 a jedoch: α a Aldol-eaktion Mechanismus der annizzaro-eaktion (1) (-) (-) (-) (-) (-) (2) (-) ydrid- Transfer langsam (-) (2 ) eutralisation (-) (-) (-) (-) (-) (-)

106 Acidität der α--atome von arbonylverbindungen I_folie Ethan K a M pk a 50 3 α K a = M pk a = 19 Aciditätsreihe > > 2 > 1 abnehmende Säurestärke Zu einer arbonylgruppe α-ständige arbanionen sind resonanzstabilisiert: 2 arbanion- Struktur 2 Enolatanion- Struktur Strukturell unterschiedliche esonanzstrukturen, Enolatstruktur ist die stabilere. arboxylat-anion: beide esonanzstrukturen gleich Energiegewinn größer.

107 I_folie309 achweis der Acidität von α-wasserstoffen mit ilfe von spezifischer α α α 3 ad D 2 Deuterierung 3 D 2 D 2 D D 3 α 3 D 3 (-) (-) D D D 2 D 3 3 (-) (-) pk a = 19 pk a = K = = =

108 I_folie310 (-) Li 3 3 pk a = 19 Li (-) i-pr 2 TF 3 2 i-pr 2 pk a 40 K = i-pr = ( 3 ) 2 Isopropylrest Lithiumdiisopropylamid (LDA) erstellung von LDA: i-pr 2 n-buli Li i-pr 2 Diisopropylamin n-butyllithium pk a 40 n-bu n-butan pk a 50 eaktionen von Enolat-Anionen 3 I LiI LDA TF, -78 (-) Li 3 -Alkylierung ( 3 ) 3 Sil Si( 3 ) 3 Lil -Silylierung ( 3 ) 3 Sil Trimethylsilylchlorid TMSl

109 alogenierung von Ketonen a) basisch induziert k 3 3 X X 2 X Kinetik: eaktionsgeschwindigkeit ν = k [Keton] [ - ] unabhängig von [X 2 ] und gleich für X = l, Br, I I_folie311 Mechanismus (1) 3 2 pk a = 19 langsam (2) 3 2 X X schnell 3 2 X X b) säure-katalysiert 1 2 X 2 Kat. 1 X 2 X Beispiel: yclohexanon Br 2 ( ) Br Br 2-Bromcyclohexanon

110 (1) Mechanismus der säure-katalysierten alogenierung Ketoform X X - schnell I_folie312 (2) Enol X - X langsam (3) (4) X X 2 X X - X X - schnell X schnell Keto-Form 3 Keto-Enol-Gleichgewicht Enol-Form K = [Enol] [Keton] ,4-yclohexadienon Phenol (100 %) 3 3 Acetessigester 92 : (Z) 8 (E) 3 lösungsmittelabhängig, E in polaren Lsm. bevorzugt Acetylaceton 20 :

111 2 3 Acetaldehyd, 2 Aldol-Addition (basen-katalysiert) γ 3 4 Aldol (Aldehyd Alkohol) β 3 α β-ydroxybutyraldehyd 3-ydroxybutanal jedoch auch Ketone gehen die Aldol-eaktion ein: Beispiel: 3 3 Ba() ydroxy-4-methylpentan-2-on "Diacetonalkohol" I_folie313 Mechanismus δ δ Eliminierung aus Aldolen: 2 1 oder β 1 α α,β-ungesättigter Aldehyd oder Keton 1

112 Beispiele I_folie rotonaldehyd (E-Konfiguration) I 2 ( ) Mesityloxid Mechanismus ( -katalysiert) Keto-Enol-Tautomerie (basisch-katalysiert)

113 Gekreuzte Aldol-Addition I_folie (-) Anwendbar, wenn eine Komponente keine α-wasserstoffe hat: Aldolkondensation 3 (-) Benzaldehyd 3 3 (-) 2 [ (-) ] [ (-) ] - Zimtaldehyd Benzalaceton 3 Furfural 3 (-) 3 [ (-) ] - 3 Li ( (-) Li 2 3 ) LDA 3 3 TF, ( 3 ) 2 2 (-) Li ydroxy-2-hexanon (85%)

114 Säure-katalysierte Aldol-Kondensation I_folie (Praktikumsversuch) Mechanismus Keto-Enol-Tautomerie (Praktikumsversuche)

115 ,5-exandion Intramolekulare Aldol-Kondensation Methylcyclopent-2-enon I_folie317 Mechanismus Wittig-eaktion: lefinierung von Aldehyden und Ketonen 3 2 Br Ph 3 P S 2 () pk a 35 Br (-) Ph 3 P 2 3 Ethyltriphenylphosphoniumbromid n-buli () (-) Ph 3 P 3 Ylid Ph 3 P 3 Ylen -78 (-) () PPh 3 3 Betain ~ ~ PPh 3 3 xaphosphetan bis ca. 0 stabil PPh 3 3

116 Beispiele I_folie318 Ph 3 P 2 3 S 2 2 Br Ph 3 P 2 Br 3 Ph a Ph 3 P Ph 3 P Ph 3 Ph 3 Ph 3 P 2 3 Ph Ph 2 3 Ph 2 3 Z- E-Zimtsäuremethylester 1) 3 MgBr 2) 2, 3 2 S Methylcyclohexen 2 Ph 3 P Ph 3 P 2 Methylencyclohexan 2 Br 2 Ph 3 P 2 a 2 2 (Praktikumsversuch)

117 Vitamin-A 1 -Synthese der BASF AG I_folie319 P( 6 5 ) 3 X - 3 -, 3 P( 6 5 ) , 2 Esterhydrolyse Vitamin A 1 Mn 2 Aceton oder Enzym: etinol-dehydrogenase trans-etinal

118 Funktion von Vitamin-A 1 beim Sehprozess I_folie320 etinal- Isomerase trans-etinal cis-etinal Protein: 3 2 psin cis-etinal cis hodopsin 2 psin hν trans psin 2

119 2 I_folie321 laisen-kondensation (ucleophile Substitution am Acyl--Atom) ) a 2 3 2) 2 / γ β α "Acetessigsäureethylester" ein β-ketoester ) a 3 2) 2 / Methyl-3-oxopentansäuremethylester Et = 2 5 (Ethyl) 3 (-) Et Et Mechanismus der laisen-kondensation (-) 2 Et 2 (-) Et Et pk a = δ δ- (-) Et Et Et Et 3 2 pk a = 11 3 (-) Et Et 3 Et 3 Et Et pk a = 16 esonanzstrukturen 3 3 (-) (-) Et Et (-) (-) Et (-) (-) (-) (-) (-)

120 α Et Benzoesäureethylster kein acides -Atom am α--atom 3 Gekreuzte laisen-kondensation Et 1) a Et 2) 2 / 2 Et Benzoylessigsäureethylester I_folie322 Me Me 3 xalsäuredimethylester Me 1) a Me 2) 2 / Me 2 Me xobernsteinsäuredimethylester Et Et 2 Phenylmalonsäurediethylester Diethylcarbonat Phenylessigsäureethylester oder Kohlensäurediethylester Et 1) a Et 2) 2 / Et Et Dieckmann-Kondensation (intramolekulare laisen-kondensation) Et Et Adipinsäurediethylester 1) a Et 2) 2 / Et Mechanismus Et Et Et Et Et Et Et Et Et Et Et Et / 2 Et

121 etro- laisen-kondensation I_folie323 (von β-ketoestern, die in der α-position kein acides -Atom besitzen) β α a Et Et Et Et Mechanismus Et 3 3 Et 3 3 Et Et 3 3 Et 3 3 Et 3 3 Et Et 3 3 Et 3 3 Et Et eaktion geht nur in die ichtung des Kondensationsproduktes, wenn eine stärkere Base als Et a benutzt wird, z. B. K 2

122 I_folie324 laisen-kondensation in der Biochemie zum Auf- und Abbau von Fettsäuren (1) 3 S oa 3 SoA 2 Essigsäure oenzym A Acetyl-oenzym A (2) 3 SoA Acetyl-oA- arboxylase 2 2 SoA (3) SoA S Protein S Protein SoA Acyl-arrier-Protein = 3, 2 (4) 2 S Protein 3 S Protein 3 2 S Protein (laisen-kondensation) Mechanismus: S Protein Protein 3 S S 2 Protein Protein 3 S S 2 Protein - S Protein 3 2 S Protein (5) 3 2 S Protein eduktion S Protein Wiederholung der eaktionen 5 bis 1 3 ( 2 ) n S Protein 2 - S Protein 3 ( 2 ) n langkettige Fettsäure

123 Fettsäurebiosynthese I_folie325

124 Aldol-Addition von Ester-Enolat-Anionen I_folie326 3 Li (-) ipr (-) (-) 2 ipr 2 Et TF 2 2 Et Et -78 (-) Et Et Ethyl(1-hydroxycyclopentyl)acetat eformatzky-eaktion 2 δ δ - Br Zn BrZn 2 Et Et δ δ - (-) Zn Br (-) 2, 2 2 Et Et pk a -Werte einiger azider Verbindungen pk a pk a Et

125 Malonester-Synthese von mono- und disubstituierter Essigsäure I_folie327 Et 2 Et pk a = 13 Et a a Et Et Et pk a = 16 Et Et X S 2 Et Et X Et Et Et Et Et 1 X S 2 Et Et 1 Et Et 2 a 2 Ester-Verseifung 2 2 T Et Et 1) 2 a 2) T

126 Synthese der isomeren 6 -arbonsäuren I_folie und Methylpentansäure (Isocapronsäure) 3 2-Methylpentansäure ( 3 ) 2 2 Br a (-) Et Et - abr ( 3 ) 2 2 Et Et 1) a 2) ( 3 ) ( 3 ) Br a a (-) Et - Et 1) a 2) a (-) (-) Et Et Et Et 3 I - ai 3 - abr Et Et 3 Et Et

127 aet - Et Beispiel für die Synthese einer cyclischen arbonsäure l Br a l Et (-) Et a (-) S i - al Et S 2 - abr Et Et Et l 1) a 2) 3) T yclobutancarbonsäure I_folie329 Et Et Acetessigester- Synthesen von mono- und disubstituierten Ketonen 3 2 pk a = 11 X S 2 - X Et 3 Et Et 3 Et 1 1) Et 2) 1 X 3 Et Et 3 Et 1) 2) 3 T Et 1 1) 3 2) T Beispiel einer Acetessigester-Synthese 3 (-) a 3 I aet Et - ai 3 Et - Et 3 3 (-)a 2 2 Et 2 2 Br 3 Et - abr 3 3 1) a 2) Methylhex-5-en-2-on

128 Decarboxylierung von β-ketosäuren und 1,3-Dicarbonsäuren I_folie330 T bis jedoch: Enol β T 50 α Keton 2 inweis auf intermediäre Enol-Bildung Enol Keton T 2 1-arboxybicyclo [2.2.1]heptan-2-on Brückenkopf-lefin hochgespannt stabil T = Die Decarboxylierung erfolgt auch aus dem Salz aber unter drastischeren Bedingungen. T 2 Enolat-Anion

129 2-xazolin-Schutzgruppe für die arboxylfunktion I_folie n-buli n-bu ,4,4-Trimethyl-2-oxazolin (-) 2 S Br - LiBr 2 Li (-) 3 3 1) 2) , Et 2 Et 3 3 2, β α 2 Et β-ydroxycarbonsäure

130 Alkylierung mittels rganoborane I_folie (B 3 ) 2 B 2 B 4 3 9B B 9-Borabicyclo[3.3.1]nonan 9-BB, liegt als Dimeres vor analog zu B 2 6 B 1 B Br (-) 2 - B = Alkyl, Aryl, (-) B Br B 2 1 (-) Br 9-Alkyl-9-BB B B (-) Br 2 ydrolyse B

131 Alkylierung von arbonylverbindungen über Enamine I_folie333 1 primäres Amin sekundäres Amin Imin 1 Enamin 2 2 sekundäre Amine, die häufig für die Enamin-erstellung verwendet werden: Pyrrolidin Morpholin Mechanismus der reversiblen Enamin-Bildung () () () () - 3 Säure: S 3 1-Morpholinocyclohexen p-toluolsulfonsäure Ts

132 eaktionen von Enaminen I_folie334 X S 2 X - 2 X X ucleophile Substitution am Acyl--Atom X - 2 X X : X 2 X 2 X X = l, Br, I Alkylhalogenide Benzylhalogenide α-alogencarbonsäureester

133 I_folie335 β α α,β-ungesättigte arbonylverbindungen 2 Acrolein (Propenal) E. u. Z E. u. Z. rotonaldehyd (2-Butenal) Zimtaldehyd (3-Phenylpropenal) Mesityloxid (4-Methyl-3-penten-2-on) E. u. Z. Benzalaceton (4-Phenyl-3-buten-2-on) (halcon) 2 Acrylsäure (Propensäure) rotonsäure (E-2-Butensäure) (Z-2-Butensäure: Isocrotonsäure) 3 3 Methacrylsäure (2-Methylpropensäure) 3 Acrylnitril (Propennitril)

134 I_folie335 β α α,β-ungesättigte arbonylverbindungen 2 Acrolein (Propenal) E. u. Z E. u. Z. rotonaldehyd (2-Butenal) Zimtaldehyd (3-Phenylpropenal) Mesityloxid (4-Methyl-3-penten-2-on) E. u. Z. Benzalaceton (4-Phenyl-3-buten-2-on) (halcon) 2 Acrylsäure (Propensäure) rotonsäure (E-2-Butensäure) (Z-2-Butensäure: Isocrotonsäure) 3 3 Methacrylsäure (2-Methylpropensäure) 3 Acrylnitril (Propennitril)

135 Elektrophile Additionsreaktionen I_folie336 β α Z Z Beispiele l (Gas) 2 l Acrolein β-hlorpropionaldehyd 2 Acrylsäure 2 2S β-ydroxypropionsäure ( 3 ) S ( 3 ) Mesityloxid 4-Methoxy-4-methyl-2-pentanon Mechanismus Z Z Enol (1,4-Addition) -Kat. Z Z Z 1,2-Additionsprodukt in der egel weniger stabil. δ - δ δ - δ

136 ucleophile Addition: 1,2 vs. 1,4-Addition I_folie337 Z Z 1,4 Z 2 - Z - Z - Protonierung Z 1,2 3 Benzalaceton Beispiele a yano-4-phenyl-2-butanon Methylamin (-Methylamino)-4- methyl-2-pentanon E-3-Penten-2-on 1) 3 M 2) 2 / Methylpentanon : E-4-ydroxy-4-methyl-2-penten 3 M % 1,4-Addukt % 1,2-Addukt 3 Li MgBr ( 3 ) 2 uli >99 <1

137 Michael-Addition (nucleophile 1,4-Addition) I_folie338 Et a 2 (Et) 2 Et (Et) Et 2 Zimtsäureethylester Mechanismus 2 Et Et Et a Et Et Et resonanzstabilisiert Et Et Et a Et Et Et Et Et Et a

138 Michael-Addition Dieckmann-Kondensation I_folie339 ( 3 ) Et Et 3 1) aet 2) K, 2 3) l, T 3 Mechanismus ( 3 ) Eta 2 E Michael-Addition E 2 32 Eta 3 Dieckmann- E 2 Kondensation Et (-) E = Et 3 E (-) 3 2 Et 3 E Et (-) 3 - Et E (-) 2 3 Et 3 1) - 2) ,5-Dimethyl-1,3-cyclohexadion: Dimedon

139 Michael-Addition Aldol-Addition (obinson-annelierung) I_folie Mechanismus (-) 2 3 Methylvinylketon (3-Buten-2-on) Michael-Addition (-) (-) 2 (-) Aldol-Kondensation ,9 7 -ctalon: (-) - - (-) 2 3

140 I_folie341 Weitere Beispiele für Diels-Alder-eaktionen 1,4,5,8,11,12,13,14- ctahydro-9,10- anthrachinon 5,8,9,10-Tetrahydro- 1,4-naphthachinon 1,2,5,6-Tetrahydrobenzaldehyd p-benzochinon Acrolein T ,3-Butadien

141 Amine (omenklatur) I_folie Methylamin (1 ) ( 3 2 ) 2 Diethylamin (2 ) ( ) 3 Tri-n-propylamin (3 ) yclopropylethylmethylamin (3 ) Amino-2-methylhexan (1 ) (-Methylamino)-3-methylpentan (2 ) γ β α γ-aminobuttersäure oder 4-Aminobutansäure (1 ) 2 Anilin (1 ) Diphenylamin (2 ) 3 2 p-toluidin (p-aminotoluol) (1 )

142 I_folie Adrenalin (eurotransmitter) Levopropylhexedrin bzw. Propylhexedrin wurde früher als Appetitzügler verwendet, heute zum Abschwellen der asenschleimhäute Amphetamin (Antidepressivum) Mescalin (alluzinogen) 2 2-Phenylethanamin (β-phenylethylamin) (Grundstruktur der oben angegebenen Aminderivate) examethylentetramin (Urotropin-antibakteriell)

143 I_folie344 2 Anthralinsäure (o-aminobenzoesäure) (1 ) 2 S 3 Sulfanilsäure (p-aminobenzolsulfonsäure) (1 ) -- ( ) 2 S 4 Ethylammoniumsulfat ( 3 ) 4 l - Tetramethylammoniumchlorid (quarternär) 3 l - Aniliniumchlorid Sdp. [ ] Sdp. [ ] Wasserstoffbrückenbindung Amine bis 6 wasserlöslich öhere Amine stinken nach verwesenden Fisch Aromatische Amine Kontaktgifte, die leicht durch die aut aufgenommen werden können.

144 I_folie Frage: chirale Verbindung, die optisch aktiv ist? Antwort: in der egel nicht wegen rascher Inversion sp 3 -hybridisiert am -Atom. Inversion am Stickstoffatom rasch sp 2 1 und 1 Enantiomerenpaar: acemierung: rasch Ausnahme: l langsam 1-hlor-2,2-dimethylaziridin hiral: optisch aktiv bei aumtemp. stabil acemisierung: langsam l sp 2 im Übergangszustand höhere Winkelspannung als im Grundzustand wegen der Umhybridisierung 3 3 Enantiomer l

145 1) eduktion von itroverbindungen Darstellung von Aminen I_folie346 Ar 2 Zn, Fe oder Sn, l Ar 2 2 Kat. (Pd, i)/ 2 2 Beispiel: 3 2 S 4 itrobenzol 2 Fe, l 3 l a -al - Anilin 2 2) Ammonolyse von Alkylhalogeniden S X 3 X (X = l, Br, I) 2 primäres Amin 4 X 2 X S 2 3 X 3 sekundäres Amin tertiäres Amin X 3 quartäres Ammoniumsalz Beispiele: Br n-butylbromid (primär) jedoch: 3 α 3 Br 3 β 2 t-butylbromid (tertiär) 3 S 2 S 2 β-eliminierung Br - n-butylammoniumbromid 3 Br - 3 2

146 I_folie347 Toluol l 2, 2 l l S 2 Benzylchlorid 2 2 Benzylamin 2 2 Ethylen l l l 3 Ethylenchlorid (1,2-Dichlorethan) Ethylendiamin (1,2-Diaminoethan) 3) eduktive Aminierung Imin 2 /i-kat. oder ab 3 Beispiele: K 2 r ; 2, i 2 yclohexanol PBr 3 yclohexanon Br S 2-4 Br β-eliminierung Bromcyclohexan (sec. Bromid) yclohexylamin yclohexen

147 I_folie Mechanismus: ) eduktion von ximen LiAl 2 4, Et 2 oder 2 /i-kat. xim 1 2 5) eduktion von itrilen X S 2 - X LiAl 4 oder 2 /i-kat. 6) eduktion von Säureamiden 3 l LiAl 4 LiAl 4 LiAl

148 I_folie349 ell-volhard-zelinsky-eaktion Br 3 2 Br 2, P rac.-alanin Phthalimid Gabriel-Synthese (einheitliche primäre Amine) azid (-) - - (-) Br S a n-butylamin a a (-) (-) atriumphthalat

149 ofmann-abbau von Amiden I_folie350 2 Amid a Br a 2 Amin 3 2- Mechanismus a Br - a 2 (1) Br Amid a - 2 (2) Br - Br (-) Umlagerung (3) (3),(4) (4) Alkyl- oder Arylisocyanat Acylnitren Elektronensextett am Die Schritte (3) und (4) können auch simultan erfolgen. (-) Br δ δ - nicht stabil (-) (-) (-) 2-2 (-) arbamidsäure 2 (-) 2 2 a a urtius-umlagerung Acylnitren l a 3 - al Säureazide Isocyanat Amin isolierbar 2 S 4 Schmidt-eaktion

150 I_folie351 Basizitätskonstante K B K B = [ - 3] [] 2 - K B [M] ( 3 ) ( 3 )

151 I_folie G 0 = -T ln K B G 0 2. E (-) (-) (-) (-) (-) (-) (-)

152 Quatäre Ammoniumsalze I_folie353 X 2 - X 2 X - X 3 X 4 X prim. Amin sec. Amin tert. Amin quart. Ammoniumsalz 2 4 X Ag AgX starke Base schwer löslich Beispiel: ofmann-eliminierung Propanamin 1) 3 I 2) Ag ( 3 ) E 2 Trimethyl-n-propylammoniumhydroxid ( 3 ) Triethylamin Propen egioselektivität β-eliminierung ofmann-rientierung β -Eliminierung Saytzeff-rientierung β α β ( 3 ) 3 (-) - ( 3 ) % 4 % β α β a 3-3 Br - abr 28 % 72 %

153 I_folie354 Überganszustände Stabilität der arbanionen δ - X X 2 prim. (-) > 2 sec. (-) > 3 tert. (-) δ - δ - B δ - B Alken-artig stabileres Alken arbanion-artig stabileres arbanion A B: B B X A E 2 A B B B X A ÜZ: Alkenartig stabileres Alken wird gebildet A B B A X B A B B ( 3 ) 3 ofmann- A Elimin. δ - A δ - B B ( 3 ) 3 In beiden Fällen erfolgt die Eliminierung anti-periplanar. A B A arbanionartig stabileres arbanion wird gebildet A B ( 3 ) ) 2 3 Br 2) Ag 2 α β 3 β α β 3 3 β-eliminierung Methylpyrrolidin 3 β β 3 α α 3 3 β-eliminierung ( 3 ) 2

154 Beispiel: ope-eliminierung I_folie ( 3 ) 2 Mechanismus B A B A B A B A A B B A syn-periplanar Beispiel: 3 Mannich-eaktion mit sek. Amin Mechanismus

155 Umwandlung in substituierte Amide I_folie356 3 l - l 2 arbonsäurechlorid Amid Ar S l 3 Sulfonsäurechlorid - l Ar S 2 Sulfonamid S l Benzolsulfonylchlorid 3 S l Ts l p-toluolsulfonylchlorid Tosylchlorid 1 l - l 1 -Alkyl- oder Aryl-substituierts Amid 2 prim. Ar S 2 l - l Ar S 2 -Alkyl- oder Aryl-substituierts Sulfonamid 2 sek. 3 tert. 1 l - l Ar S 2 l - l 1 l Ar S 2 l 1 2,-Dialkyl- oder Diaryl-substituiertes Amid Ar S 2 2,-Dialkyl- oder Diaryl-substituiertes Sulfonamid keine eaktion keine eaktion

156 Polyamide: ylon I_folie357 ( 2 ) 4 2 Adipinsäure 2 ( 2 ) 6 2 Salz - n 2 ( 2 ) 4 Amidfunktion ( 2 ) 6 ( 2 ) 4 ylon 66 B α β B γ ε δ ε-aprolactam Lactam cyclische Amide B ( 2 ) 5 B ( 2 ) 5 ( 2 ) 5 B ( 2 ) 5 ( 2 ) 5 ( 2 ) 5 usw. ylon 6 B = B bzw. ε-aprolactam ist leicht zugänglich aus yclohexanon 2 Beckmann- Umlagerung

157 Mechanismus der Bildung von Amiden (ucleophile Substitution am Acyl-) I_folie358 1 l 1 l 1 B (-) l 1 l (-) B l -, =, Alkyl, Aryl 1 l (-) 1 l = = : tert. 1 l (-) Ar S l Ar S l (-) Ar S l B Ar S Ar S B l - l (-) insberg-test ArS 2 l prim.: 2 sec.: 2 Ar S 2 azid (-) K Ar S Ar S K wasserlöslich Ar S 2 K keine eaktion (-) tert.: 3 keine eaktion

158 Verseifung von Amiden und Sulfonamiden I_folie l l Ar S l Ar S l Ar S 3 2 hydrolysebeständiger drastische Bedingungen Sulfanilsäure: Verbacken von Anilliniumhydrogensulfat 2 3 S S nicht Anilin S 3 Sulfanilsäure S 3 Zwitterion: Schmp. > 300 (Zersetzung)

159 Synthese von Sulfonamiden Schutzgruppe I_folie Acetanhydrid Acetanilid Essigsäure l S 3 hlorsulfonsäure 3 l S l S 3 - l () S 3 (-) S 3 (-) S 3 (-) S 2 2 l S S 4 - l S 2 l p-acetamidobenzolsulfonylchlorid S 2 2 ( ) 3 (Abspaltung der Schutzgruppe) S 2 Sulfanilamid Antibakterielle Wirkung von Sulfanilamiden 2 2 p-aminobenzoesäure Metabolit für Enzyme vieler Bakterien S 2 Sulfanilamid: Antagonist (Gegenspieler) der p-aminobenzoesäure. Konkurriert mit ihr um die aktiven Stellen im Enzym und verhindert damit weiteres Wachstum des rganismus.

160 eaktionen von Aminen mit salpetriger Säure a Ar 2 2 X 2 Ar X a X prim. arom. Amin Diazoniumsalz I_folie361 2 l a 2 2 l 0 a l 2 2 Benzoldiazoniumchlorid stabil bei 0-10 jedoch: 2 X Umlagerung Alken Alkohol Alkylhalogenid a 2 2 l - al Diazotierung von 1-Propanamin () X () prim. 2, l - Umlag. () 2, l sec. X = l, X Stabilitätsunterschied von Aryl- und Alkyldiazoniumionen sp 2 Stabilität - 2 << - 2 Alkyl- Kation Phenyl- Kation keine esonanz- Stabilisierung senkrecht zum aromatischen π-system keine Konjugation möglich

161 Mechanismus der itrosierung I_folie362 (-) 2 2 itrosoniumion isoelektrisch mit Ar 2 2 Ar 2 Ar () Ar 2 2 Ar Ar () Ar 3 Ar () Ar 2 3 -Methylanilin sec. Amin 2 () itroso-- Methylanilin 3 3,-Dimethylanilin 2 () elektrophile aromatische Substitution p-itroso-,- Dimethylanilin 3 3

162 Substitutionsreaktionen von Diazoniumsalzen I_folie363 Ar BF 4 Ar F BF 3 2 (Schiemann-eaktion) Ar 2 X u I X Ar X 2 (X = l, Br, ) (Sandmeyer-eaktion) Ar 2 Ar I (I 2 ) Ar I 2 2, Ar 2 3 P 2 2 Ar 2 3 P 3 Mechanismus der Sandmeyer-eaktion X (-) u I X u II X 2 Katalysator Phenylradikal u II X 2-2 X u I X Katalysator X = l, Br, Ar I 3 Ar I I I 2 Ar I Ar I

163 I_folie364 Beispiel: Synthesen von o-, m- und p-bromtoluol mit ilfe von Diazoniumsalzen 3 Br 3 3 Sdp. 182 Br 185 Br (destillativ nur schwer trennbar) 3 58% 3 2 Fe, l Sdp a 2 Br 3 2 Br - u I Br 3 Br 3, 2 S % Br - Br Sdp Br 2 - Br 3 2, - 3 Br 3 2 1) a 2 2) Br 3 P 2 Br

164 Kupplungsreaktionen (elektrophile aromatische Substitution) I_folie365 Ar X Ar Ar Ar X Substitution mit aktivierten Benzolderivaten wie z.b. Phenol oder,-dimethylanilin. Ar X Ar Ar Ar X Ar Ar G Ar G X X Ar G X G =, - 2,... Die Kupplung mit Phenol wird im schwach alkalischen p-bereich durchgeführt. 2 Ar Ar Ar Ar Ar Diazotat

165 Beispiele für Kupplungsreaktionen I_folie366 (-) () [ 2 ] 3 S 3 Sulfanilsäure 3 S (-) () ( 3 ) 2,-Dimethylanilin - 3 S () ( 3 ) 2-3 S ( 3 ) 2 Methylorange gelb S ( 3 ) 2-3 S ( 3 ) 2 rot p-chinoide Struktur 2 2 [ 2 ] 2 2 (schwach alkalisch) p-itroanilin β-aphthol 2 2 Pararot 2 2 S 3 - S 3 - Kongorot (1894 P. Böttiger: erster substantiver Baumwollfarbstoff)

166 Spektroskopische Methoden Ifolie367 MS - Massenspektroskopie (Bestimmung von Molekulargewichten, charakteristischen Fragmentierungen von Molekülen) Absorptionsspektroskopische Methoden (Absorption = Aufnahme von elektromagnetischer Strahlung) MW - Mikrowellen-Spektroskopie (Anregung von otationsfreiheitsgraden im Molekül; wichtig für die Ermittlung von Bindungsparametern; z.b. Bindungslängen und Bindungswinkel in 32l) I - Infrarot-Spektroskopie (Anregung von Schwingungs- und otationsfreiheitsgraden; wichtig für die Analyse funktioneller Gruppen z.b., = =, -, - usw.) UV - VIS Ultraviolett-Spektroskopie (Anregung von Elektronenübergängen, Schwingungs- und otationsfreiheitsgraden; wichtig für die elektronische Struktur von Aromaten, konjugierten Polyolefinen Farbstoffen M - Kernresonanz-Spektroskopie (engl. uclear Magnetic esonanz) (Anregung des Umklappens von Kernspins im Magnetfeld; heute wichtigste Methode zur Strukturermittlung von organischen Molekülen) ES - Elektronenspin-esonanzspektroskopie (Anregung des Umklappens von Elektronenspins im Magnetfeld; wichtig für die Analyse von Verbindungen mit ungepaarten Elektronen. Z.B. Freie adikale, Diradikale)

167 I_folie368 Absorption von elektromagnetischer Strahlung Energie des absorbierten Lichtquantes Frequenz Ε = hν ν = c/λ Lichtgeschwindigkeit c = [cm. sec 1 ] Frequenz ν [z] = [sec -1 ] Wellenlänge λ [cm] Wellenzahl ν = 1 / λ [cm -1 ] Anzahl der Wellen pro cm Planck sche Wirkungsquantum h = [erg. sec] Spektrum der elektromagnetischen Strahlung und ihre Anwendung in der Spektroskopie M MW,ES I UV-VIS ν [z] λ [cm] 100 m 1 m 1 cm 100 µm 1 µm 10 nm 100 Å Spektrum des sichtbaren Lichtes nm

168 I_folie369 Absorbiertes Licht und Farbe Absorbiert eine Verbindung einen bestimmten Teilbereich des sichtbaren Spektrums ( nm), so ist sie farbig. Vom menschlichen Auge wird der nicht absorbierte, gestreute und reflektierte Teil des Spektrums wahrgenommen. Er entspricht der Komplementärfarbe des absorbierten Lichtes. Absorbiertes und gestreutes Licht farbiger Verbindungen (Komplementärfarben) absorbiertes Licht gestreutes und reflektiertes Licht Wellenlängenbereich [nm] zugehörige Farbe Farbe der Verbindung violett gelbgrün blau gelb grünblau orange blaugrün rot grün purpur gelbgrün violett gelb blau orange grünblau rot blaugrün purpur grün

169 I_folie370 Schematischer Aufbau eines Zweistrahl-Spektrometers Q M Z Mk Vk D S Strahlungsquelle (UV: Wasserstoff- oder Deuteriumlampe, VIS: Wolfram-alogen-Lampe (Doppel-) Monochromator aus Prisma und/oder Gitter zur spektralen Dispersion Zerlegung in zwei Strahlengänge (rotierender Spiegel) Meßküvette mit Lösung Vergleichsküvette mit reinem Lösungsmittel Detektor (Photoelektronenvervielfacher) echner/display/schreiber, der die Transmission oder Absorption registriert

170 I_folie371 M - Schema: Π Ψ 4 Ψ 3 E M-LUM E Ψ 2 LUM- Lowest Unoccupied M M- ighest ccupied M Ethylen Π Ψ 1 Ethylen 1,3-Butadien E (Ethylen) > E (1,3-Butadien)

171 I_folie372 Elektronenübergänge: ψ 4 E π*- M (LUM) ψ 3 * E π π* = hν = hc λ E π π* = hν (LUM) (M) ψ 2 (M) π- M S 0 Grundzustand Ethylen 2 = 2 π π* λ max = 162 nm (177 kcal/mol) S 1 angeregter Zustand S 0 Grundzustand ψ 1 1,3-Butadien 2 =-= 2 π π* λ max = 217 nm (131 kcal/mol) S 1 angeregter Zustand

172 I_folie373 1,3-yclohexadien π π* λ max = 254 nm (112 kcal/mol) β-arotin (Provitamin A): 11 konjugierte Doppelbindungen: λ max = 451 nm (63 kcal/mol) Farbe: gelb orange 1 nm = 10-9 m = 10 Å (= 1 mµ) kcal 28.6 * 1000 E = mol λ [nm]

173 I_folie374 Elektronenübergänge: E π*- M (LUM) π*- M E π π* = hν = hc λ E π π* E n π* S 0 Grundzustand (M) π- M Ethylen 2 = 2 π π* λ max = 162 nm (177 kcal/mol) S 1 angeregter Zustand Px (0) Py (0) π- M Formaldehyd 2 = π π* λ max = 178 nm (161 kcal/mol) n π* λ max = 280 nm (102 kcal/mol)

174 I_folie375 Elektronenspektren π π* π π* n π* farblos orange-rot trans-stilben anti-azobenzol

175 I_folie376 π π* π π* n π* farblos orange-rot cis cis

176

177 Phenole (omenklatur) I_folie377 Phenol: Schmp. 41 ; Sdp. 182 ; Lösl.: 9.3 g in 100 ml 2 Br m-bromphenol p-kresol 2,4-Dinitrophenol Pikrinsäure (p-methylphenol) (2,4,6-Trinitrophenol) Salicylsäure (o-ydroxybenzoesäure) Brenzcatechin esorcin ydrochinon helat-bildung intramolekulare -Brückenbindung o-itrophenol Sdp.: 100 / 70 Torr Lösl.: 0.2 g in 100 ml 2 I: ν cm -1 intermolekular 2 nicht flüchtig 1.7 g in 100 ml cm -1 (l 3 )

178 Beispiele für helat-komplexe I_folie i Diacetyl Diacetyldioxim Mg Fe hlorophyll a: ämin: grünes Pflanzenpigment roter Blutfarbstoff Porphin

179 l l l 2,4,5-Trichlorphenol S 2 l 2 a, 2, T l 2 l l 2,4,5-Trichlorphenoxyessigsäure I_folie379 l 2 K 2 3 T l Butylester: erbizid: Vietnam-Krieg: Agent range zur Entlaubung von Wäldern l l 2,3,7,8-Tetrachlordibenzo-p-dioxin (TDD) Seveso-Gift: Dioxin ca x toxischer als a 1) Phenolsynthesen konz. 2 S 4-2 S 3 a 2 S 3 - as 3 S 3 a 2 a a 2 S 3-2 a 2 S 3 - as 3 2) Dow-Bayer-Verfahren T l 2 /Fel 3 - l l bar 2 a - al, - 2 a l - al

180 3) Phenol-Synthese aus umol: ock-verfahren I_folie [ 2 S 4 ] Kat. 3 3 umol Luftsauerstoff bar 3 3 umolhydroperoxid [ ] 0.1-2% 2 S a) Bildung von umolhydroperoxid Start: Mechanismus des ock-verfahrens Kette:

181 b) Umlagerung des umolhydroperoxids zu Phenol und Aceton ,2-Phenylwanderung I_folie albketal Phenol - 3 Aceton 4) Verkochen von Diazoniumsalzen Ar S S 4 Ar 2 Beispiel: l 2 l S S 4-2 l m-hlorphenol

182 1) Acidität stärkere Säure eaktionen von Phenolen schwächere Säure I_folie382 Ar a Ar a 2 a 3 a 2 3 jedoch: Ar a 3 schwächere Säure Ar a 2 3 stärkere Säure pk a K a [M] K a [M] Ar Pikrinsäure

183 I_folie383 Dipolare Grenzstrukturen große esonanz-stabilität kleine esonanz-stabilität analog zur arbonsäure zum arboxylat-anion.e. groß G Ar.E. klein G Ar G Ar << G Ar esonanz- Stabilisierung durch o- und p- 2

184 2) Ether-Bildung a Ar Ar a Ausnahme: aktives Arylhalogenid l S 2 X - ax 3 Ar Ar X I_folie384 2 a 3 - al ) Ester-Bildung 3 2 l Propionylchlorid - l 2 Phenylpropionat 3 Fries-Verschiebung All 3 S 2 ca. 35% o-ydroxyphenylethylketon helat. flüchtig mit 2 -Dampf o-ydropropiophenon p-ydroxyphenylethylketon nicht flüchtig

185 Mechanismus der Fries-Verschiebung (Friedel-rafts-Acylierung) I_folie385 All 3 All 3 o-angriff p-angriff All 3 All 3 - All 3 - All 3 Phenolphthalein

186 4) ingsubstitution von Phenolen o- und p-dirigierend I_folie386 verd % 15% konz. 3 Br 2, S 2 Br ebenprodukt Pikrinsäure 2 Br auptprodukt Br 2, 2 Br Br Br a 2 l p-itrosophenol

187 [ 2 S 4 ] β γ α - 2 γ-lacton- Bildung sp farblos rot

188 Azokupplung I_folie387 Phenolat- Anion kuppelt schnell in p-position - 2 schwach alkalisch - - kuppelt nicht S S esorcin esorcin-gelb Farbstoff für Leder und Seide

189 5) Kolbe-eaktion 1) a 2) 2, 125, 4-7bar 3) 2, Salicylsäure I_folie388 Mechanismus δ - δ Acetylsalicylsäure: Aspirin 6) eimer-tiemann-eaktion: 1) l 3, a, 70 2) 2, Salicylaldehyd auptprodukt Mechanismus l 3 2 l 3 - l l 2 Dichlorcarben l 2 l 2 l 2 l l - 2 -l

190 7) eaktion mit Formaldehyd (erstellung von Phenoplasten) I_folie389 Lacke, Leim, Pressmassen und Schaumstoffe 2 oder vernetzte Phenoplaste (Bakelit) Mechanismus (elektrophile aromatische Substitution) u.s.w.

191 hinone I_folie390 xidation a 2 r 2 7 / 2 S 4 a 2 S 3 eduktion Photographischer Prozess: AgBr hν AgBr* Photoaktivierung 2 AgBr* 2 a 2 Ag 2 abr 2 2 Entwicklung schwarzer iederschlag eute benutzt man anstelle von ydrochinon meist Metol, p--methylaminophenol AgBr* 2 Ag Anodische xidation ( 3 K ) 3 Leitsalz 3 ydrochinondimethylester 2, Ketalhydrolyse 2,

192 Anodenprozess: Mechanismus I_folie e (-) ydrochinondimethylether e (-) ,1,4,4-Tetramethoxycyclohexa-2,5-dien Alternativ: 2-Elektronenprozess (weniger wahrscheinlich) 3 3-2e (-) Kathodenprozess: 2 K 2 e (-) 2 K K 3 2

193 Arylhalogenide esonanzstrukturen I_folie392 sp 2 X X X X Arylhalogenid 2 X 2 X Vinylhalogenid sp 2 sp 3 X Dipolmoment δ δ - Bindungslänge [Å] Dipolmoment [D] l Br l Br X X X X X Alkylrest X = l, Br, I Ag 3 2 S 1 [ ] AgX iederschlag 2 prim. < sec. < tert. - Ag, 2 X oder 2 X keine eaktion All 3

194 eaktionen von Arylhalogeniden I_folie393 l a 350, 300 atm. al 2 3 u 2, 200, 60 atm. l a 2 3 aq. 130 o-itrophenol l 3 a 3, 2 3 p-itroanisol l Et, ,4-Dinitrophenylhydrazin 2 2 l 2 50 Pikrinsäure Der Mechanismus dieser aromatischen nucleophilen Substitution besteht ähnlich wie die nucleophile Substitution am Acyl--Kohlenstoff aus zwei Schritten: Addition und Eliminierung. X Addition Eliminierung X X

195 ucleophile aromatische Substitution Mechanismus I: Addition-Eliminierung A - Akzeptor X X X Addition langsam (A) (A) (A) (A) (A) (A) (A) I_folie394 X (A) Eliminierung schnell (A) X (A) Beispiele: l 3 l 3 l l 2 l l 2 2 l l X X X

196 I_folie395 Bei den Arylhalogeniden, die in o- oder p-position über keine elektronenziehenden Substituenten verfügen, lassen sich die experimentellen esultate nicht mit dem oben angegebenen Mechanismus interpretieren. 3 l 1) a, Druck 2), l a 2, l a Markierung 47% 2 53% 2

197 Eliminierung: Mechanismus II: Eliminierung-Addition (1,2-Dehydrobenzol- bzw. Arin-Zwischenstufe) I_folie396 l l Markierung - l 1,2-Bisdehydrobenzol bzw. Arin (Benz-in) Addition: : 1 2 1,2-Dehydrobenzol: sehr gespanntes Acetylen: hochreaktiv sp 120 verminderte Überlappung 180 sp 2

198 I_folie l a p, t al l a 2 3 fl fl 3 2 jedoch: 3 F Li 3 3 F - LiF Li δ - δ Li δ - δ Li 3 Li m-methoxybiphenyl stabiler wegen des induktiven Effektes der Methoxygruppe

199 I_folie398 1,3-yclopentadien F Mg F Br o-bromfluorbenzol MgBr - MgBrF 9 Benzonorbornadien 10 Anthracen 9 10 Tripten ohne Abfänger 2 TF Benzoldiazoniumcarboxylat Biphenylen Dimerisierung

200 Mehrkernige aromatische Verbindungen I_folie399 β 7 β 6 α α 8 1 8a 4a 5 4 α α 2 β 3β a 9a 10a 4a a 4a 4b a aphthalin Anthracen Phenanthren aphthalin I II III Benzol 139.5pm aphthalin 142pm 137pm pm 140pm.E [kcal/mol] (bezogen auf die ydrierwärme von yclohexen)

201 1) xidation r 3, Ac 25 eaktionen von aphthalin 1,4-aphthachinon I_folie400 2, V 2 5 ca. 480 Phthalsäureanhydrid 3 3 r3, Ac nicht: 25 2-aphthalincarbonsäure 2-Methylnaphthalin 2-Methyl-1,4-naphthachinon 2) eduktion 2, Pt- Druck, Dekalin (Dekahydronaphthalin) a, Et 78 1,4-Dihydronaphthalin a, a, , 3 fl 1,2,3,4-Tetrahydronaphthalin Tetralin 1,4,5,8-Tetrahydronaphthalin Isotetralin

202 I_folie401 Mechanismus der eduktion mit a, Et, 3 (fl.) (Birch-eduktion) a a Et - aet a a Et - aet a Et - aet a Et - aet 1,4,5,8-Tetrahydronaphthalin Isotetralin Stereoisomere Formen des Dekalin cis-dekalin (Sdp. 194 ) trans-dekalin (Sdp. 185 )

203 3) Dehydrierung hydroaromatischer Verbindungen I_folie402 Pd, Durchleiten von 2 2 Beispiel: angulare Methylgruppe 3 Pd Abietinsäure 3 7-Isopropyl-1-methylphenanthren l 2 l l l 140 hloranil Tetrachlor-p-benzochinon l 2 l l l Tetrachlorhydrochinon

204 4) Elektrophile aromatische Substitution I_folie403 itrierung 3 Ac, Ac Bromierung Br 2 l 4, Sulfonierung 100% 2 S 4 < itronaphthalin 2-itronaphthalin 10 : 1 Br ca. 75% Ausbeute 1-Bromnaphthalin S 3 (96%) 1-aphthalinsulfonsäure 100% 2 S , 2 S 4 S 3 (85%) 2-aphthalinsulfonsäure Friedel-rafts-Acylierung 3 3, All 3 l (81%) 1-Acetylnaphthalin l 2 l 3 3, All 3 l 3 (90%) 2-Acetylnaphthalin 2, All % 47% 4-(1-aphthyl)butan- 4-onsäure 4-(2-aphthyl)butan- 4-onsäure

205 rientierung der Substitution I_folie404 stabilere Zwischenstufe E E E - E E stabiler, da aromatisches Elektronensextett erhalten bleibt weniger stabil, da aromatisches Elektronensextett zerstört wird weniger stabile Zwischenstufe E E E - E stabiler weniger stabiler Sterische inderung von Substituenten in peri-position E E schneller S 3 S 3 kinetisch kontrollierter Prozess: S 3 Produkt weniger stabil langsamer S 3 S 3 thermodynamisch kontrollierter Prozess: Produkt stabiler

206 S 3 1) a, 2) 1-aphthol S 3 2-aphthol

207 rientierung der Zweitsubstitution I_folie405 l a, Phenylazo-1-naphthol S 3 S 2 3 S , 2 S 4 2 auptprodukt

208 aworth-synthese von aphthalin I_folie406 All 3 Zn (g) l Friedel-rafts-Acylierung lemmensen-eduktion F - 2 intramolekulare F.-.-A. Zn (g) l Pd, katalytische Dehydrierung α-tetralon Tetralin aphthalin 1) MgX 2) 2, - 2 Pd, Do Do Do () () Do = Donor-Substituent wie 3, 3 --, 3

209 Anthracen und Phenanthren I_folie407 1 X XY 4 1 Y X XY 4 Y X 9 1 XY 1,4 X Y ,10 X Y XY 1,4 9,10 Y X Y.E. [kcal/mol] Verlust an.e. beim Angriff in der 1,4-Position 9,10-Positon Benzol aphthalin = 25 Anthracen = (2 36) = 12 Phenanthren = (2 36) = 20

210 I_folie408 K 2 r S 4 9,10-Anthrachinon a, 2 5 9,10-Dihydroanthracen r 3 2 S 4 9,10-Phenanthrenchinon a, Et 9,10-Dihydrophenanthren Elektrophile Additions- und Substitutionsreaktionen Br Br Br 2 - Br Br Br 2 oder K Br - Br 9,10-Dibrom-9,10- dihydroanthracen 9-Bromanthracen Br 9,10-Dibromanthracen Br Br Br 2 Br T - Br 9,10-Dibrom-9,10-dihydrophenanthren 9-Bromphenanthren

211 I_folie409 Y Y Addition Y Z Y Z stabilstes Kation Substitution Z Y Z Y Addition Y Z Y Substitution Z Diels-Alder-eaktion

212 I_folie409 Y Y Addition Y Z Y Z stabilstes Kation Substitution Z Y Z Y Addition Y Z Y Substitution Z Diels-Alder-eaktion

213 Anthrachinon I_folie410 alle gelb p-benzochinon 1,4-aphthochinon Anthrachinon All 3 2 S 4-2 Al 3 Al helat-komplex, besonders gut haftbar auf Fasern Kl 3 K oxidative Dimerisierung Indanthren-Blau S

214 Synthese von Anthron I_folie411 All 3 Zn a F F.-.-Acyl. Anthron 9-Anthrol (9-Anthracenol) Phenol

215 Synthese von Phenanthren I_folie412 All 3 Zn (g) l F - 2 1) Zn (g) l 2) Pd/ F - 2 F - F stabileres Kation F instabileres Kation

216 Synthese von Phenanthren I_folie412 All 3 Zn (g) l F - 2 1) Zn (g) l 2) Pd/ F - F F - 2 stabileres Kation F - F instabileres Kation nicht beobachtet

217 I_folie413 Basen, die in der DA (Desoxyribonucleic Acid Desoxyribonucleinsäure) vorkommen Adenin (A) Guanin (G) ytosin () Thymin (T) Benzpyren enzymische xidation Benzpyrenoxid, ein Arenoxid 2 enzymische ydrolyse Zucker trans-diol xidation Guanin (G) nucleophile Addition an den Epoxidring 2 Benzoloxid xepin aphthalinoxid 3 xid.

218 icht-aromatische eterocyclen I_folie414 yclische Ether yclische Thioether yclische Amine S xivan (Ethylenoxid) Thiiran (Ethylensulfid) Aziridin (Ethylenimin) S xetan Thiethan Azetidin S Tetrahydrofuran Tetrahydrothiophen Pyrrolidin S Tetrahydropyran Tetrahydrothiopyran Piperidin S S Ph 1,3-Dioxalan Acetal aus 1,3-Dithian Thioacetal aus α β S 3 3 S S Penicillin G β-lactamring 2 2 α β γ γ-butyrolacton

219 Aromatische 5-ing-eterocyclen: Fünfgliedrige inge S 1 1 Pyrrol Furan Thiophen yclopentadienylanion I_folie415 sp 2 sp 2 M-Bild esonanzstrukturen Dipolmomente Basizitätskonstante K B = [B -] [ - ] [B] S 10-4 [M] 1.73 D 1.90 D 1.58 D S [M] 0.70 D 0.51 D 1.81 D esonanzenergie:.e kcal/mol Protonierung von Pyrrol:

220 I_folie416 Porphin (Grundkörper sonst Porphyrine) 3 Porphyrin-Derivate: hlorophyll (grünes Pflanzenpigment) ämoglobin (Sauerstoff-Transport im Blut) (Folie 378) icotin (Alkaloid des Tabaks) Alkaloid alkaliähnliche also basische Eigenschaften 1) Furan 2 Pentose (z.b. aus Kleie) 2 S Synthese von Furan, Thiophen und Pyrrol Furfural Zn/r Furan Mechanismus α β Keto-Enol-Tautomerie ( )

221 2) Thiophen S S 560 S I_folie417 3) Pyrrol 2 2 u oder a 2 2-Butin-1,4-diol 3 Druck (technische Synthese) Substituierte Furane, Thiophene und Pyrrole aus 1,4-Diketone P ,5-Dimethylfuran P 2 S 5 S 2,5-Dimethylthiophen 2,5-exandion ,5-Dimethylpyrrol

222 eaktionen 1) Elektrophile aromatische Substitution eaktivität: Pyrrol > Furan > Thiophen >> Benzol I_folie418 2 S Ac 2 Ac 2 10 S % 2-itrothiophen S 2 5 % 3-itrothiophen (itrierung) 3 3 BF3 Et % 2-Acetylfuran (Friedel-rafts-Acylierung) l - l (Azokupplung) 2-(Phenylazo)pyrrol S g I 2 Benzol S I 75 % 2-Iodthiophen rientierung bei der Substitution β α-angriff S 2 S 2 S 2-1 S α 2 β-angriff S 2 S 2-2 weniger stabil ungünstiger als α-angriff

223 2) Diels-Alder-eaktionen eaktivität: Furan > Pyrrol > Thiophen I_folie419 endo-addukt auptprodukt exo-addukt ebenprodukt 3) ydrierung (gesättigte Systeme) Pyrrol 2, i Pyrrolidin Furan 2, i 50 TF Br S 2- Br 1,4-Dibrombutan S 2 a 2 S - abr S a Br - abr S Tetrahydrothiophen

224 Sechsgliedrige inge (Sechring-eteroaromaten) I_folie420 Pyridin: Dipolmoment 2.26 D 1.17 D Kekule-Strukturen Pyridin-Derivate Methylpyridin 3-Methylpyridin α-picolin β-picolin 3 4-Methylpyridin γ-picolin 3 3 2,6-Dimethylpyridin 2,6-Lutidin 3 3 2,4,6-Trimethylpyridin (ollidin) icotinsäure (3-Pyridincarbonsäure)

225 1) Elektrophile Substitution eaktionen des Pyridins I_folie421 K 3 2 S 4, itropyridin (22%) 20% S 3, 2 S 4 230, 24h S 3 3-Pyridinsulfonsäure (71%) Br Br 3-Brompyridin Br Br 3,5-Dibrompyridin Br Br 2 5-Brom-2-aminopyridin Ac Aminopyridin Erklärung der rientierung des Substituenten in die m- bzw. 3-Position Elektronensextett und positive Ladung am -Atom besonders ungünstig Y Y Y o-substitution Y Y Y p-substitution Y Y Y m-substitution

226 2) ucleophile Substitution a) I_folie422 Br 3 Br 3 3 Br 3-4 Br 2 2-Aminopyridin b) Tschitschibabin-eaktion und Ziegler-eaktion a 2 1) Ph ( 3 ) 2 (ückfluß) 2) 2 a a 2 2-Aminopyridin 70-80% Li 110 Toluol Li 2 - Li 2 2-Phenylpyridin Mechanismus δ - δ Li Li 2 Li 2

227 3) Basizität I_folie423 2 K B = sp 2 2 K B = sp K B 10-4 abnehmende Azidität elative Azidität > bzw. 2 > 3 2 sp sp 2 sp 2 sp 3 Stabilität der Anionen abnehmende Anionenstabilität, zunehmende Basiziät > > 3 2 sp sp 2 sp 3 > 3 2 sp 2 sp 3 Li Li stärkere Base stärkere Säure

228 4) Alkylierung von Pyridin (S 2-eaktion) I_folie424 3 I I -Methylpyridiniumiodid 3 5) eduktion 3 2 Pt, l, 25 c, 3 atm Piperidin K B = [M] antzsch-synthese von 2,6-Dimethylpyridin , 2 S % Diethyl-1,4-dihydro-2,6-dimethyl- 3,5-pyridincarboxylat K, a, , - 2 a % 65 % 2,6-Dimethylpyridin Diethyl-2,6-dimethyl-3,5- pyridincarboxylat

229 hinolin Isochinolin K B = [M] K B = [M] I_folie425 a) Skraup-Synthese von hinolin Anilin Glycerin 2 S 4 (FeS 4 ) 2, b) Friedländer-Synthese 2 3 a, Aldol-Kondensation nucleophile Addition c) Bischler-apieralski-Synthese von Isochinolin-Derivaten Lewis-Säure - l 2 l 2-Phenylethylamin P 2 5 Friedel-rafts- Alkylierung - Pd, - 2 = 3 : 1-Methylisochinolin

230 Alkaloide: Physiologisch wirksame eterocyclen der atur I_folie Morphin eroin hinin Strychnin icotin offein

231 I_folie427 Kohlenhydrate n ( 2 ) m Die Kohlenhydrate sind wichtige aturstoffe, die in der atur hauptsächlich durch die Photosynthese und anschließende eaktionen aufgebaut werden. hν ( 2 ) 6 6 [hlorophyll] 2 Katalysator Glucose Definition: Polyhydroxyaldehyde oder Polyhydroxyketone bzw. Verbindungen, die dazu hydrolysiert werden können. Monosaccharide können nicht durch ydrolyse in kleinere Bruchstücke gespalten werden Disaccharide ergeben bei der ydrolyse zwei Monosaccharide Polysaccharide ergeben bei der ydrolyse viele Monosaccharide Monosaccharide Aldosen (enthalten eine Aldehydfunktion) Ketosen (enthalten eine Ketofunktion) Je nach Zahl der -Atome unterscheidet man zwischen Triosen ( 3 ); Tetrosen ( 4 ); Pentosen ( 5 ); exosen ( 6 ) usw.

232 a) eaktionen 1) xidation (4 Methoden) I_folie428 u II () 2 Tartrat-Komplex tief-blaue Fehling sche Lösung u 2 roter iederschlag [Ag( 3 ) 2 ] Tollens-eagenz Ag Silberspiegel = 2 () n n = 1, 2,... (nicht spezifisch für Aldosen) B Keto-Enol-Tautomerie 2 Aldose Endiol Ketose b) xidation mit Bromwasser (spezifisch für Aldosen) Br 2 / 2 () n 2 Aldose (Beispiel Glycose: n = 4) () n 2 Aldonsäure (Gluconsäure) n = 4 c) xidation mit Salpertersäure (spezifisch für Aldosen) () n 2 3 Aldose (Beispiel Glycose: n = 4) () n Aldarsäure (Glucarsäure) n = 4

233 d) xidation mit Periodsäure () n 2 Aldose I 4 oxidative --Spaltung, die vicinale ~ ~ bzw. - Funktionen enthalten I_folie429 Beispiele: ~ 2 2 Glycerin 2 I ~ I 4 Adipinsäurealdehyd 2-ydroxycyclohexanon - 2 ~ Weinsäure I ~ ~ ~3 I Mechanismus: I 4-2 I I 3

234 2) sazon-bildung I_folie430 Ph 2-2 Ph 2 Ph 2 Phenylhydrazon Ph Ph 2 Ph 3 sazon ydrolyse son Mechanismus: Ph Ph 2 Ph 2 Ph - 2 Ph Ph -Ph 2 Ph 2 Ph - 3 Ph Ph 2 -Glycerinaldehyd (Triose) 3) Kettenverlängerung nach Kiliani-Fischer 2 /Pd a(g) 2 Erythrose a(g) 2 Threose

235 4) Kettenverkürzung: uff-abbau ½ a 2 Br 2 / 2 a /Fe a 2 ~ () 3 () 3 2 Aldohexose 2 () 3 2 Aldopentose I_folie431 2 ()-Glucose Br Gluconsäure 5) Epimerisierung Epimere Aldonsäure trennbare Diastereomere 2 Mannonsäure 1) - 2 2) a(g) 2 ()-Mannose 2 2 Konfiguration der Kohlenhydrate Die Aldohexosen besitzen 4 hiralitätszentren. Da die terminalen -Atome unterschiedlich sind, gibt es keine meso- Formen. Die Zahl der stereoisomeren Aldohexosen ist daher 2 4 = 16. Fischer sche Projektionsformel (a) (b) "" (c)

236 Steroeisomere der Monosaccharide: Aldosen (D-eihe) Gesamtzahl der Stereoisomeren: 2 n (n = Zahl der hiralitätszentren) I_folie432 2 D-()-Glycerinaldehyde 2 D-Erythrose 2 D-Threose D-ibose D-Arabinose 2 D-Xylose 2 D-Lyxose D-Allose D-Altrose D-Glucose D-Mannose D-Gulose D-Idose D-Galactose D-Talose

237 1 2 (3) (-)-Arabinose Konfigurationzuordnung der ()-Glucose 1 2 Kiliani- 3 Fischer ()-Glucose 2 ()-Mannose I_folie433 3 opt.-akt. opt.-akt. meso achiral opt.-inaktiv Symmetrieebene Unterscheidung von Mannose und Glucose mit ilfe der ()-Gulose ()-Glucose Glucarsäure ()-Gulose ()-Mannose ()-Mannose 2

238 elative Konfigurationszuordnung der 4 möglichen diastereomeren Aldopentosen I_folie uff- Abbau ()-Glucose Ph (-)-Arabinose 2 sazon Ph Ph 3 Ph (-)-ibose Epimere Aldopentosen 2 ()-Xylose 3 meso-dicarbonsäure: optisch inaktiv (Zahl der stereoisomeren Aldopentosen: 2 3 = 8 4 diastereomere Enantiomerenpaare) 2 (-)-Lyxose 3 optisch-aktive Dicarbonsäure

239 2 (-)-Arabinose 2 ()-Xylose uff- Abbau uff- Abbau Zuordnung durch Abbau-Experimente 2 3 (-)-Erythrose Erythro-Form meso-artig 2 (-)-Threose threo-form 3 meso-weinsäure (-)-Weinsäure I_folie435 D- und L-eihe 2 D-()-Glycerinaldehyd 2 L-(-)-Glycerinaldehyd Bezugssysteme 2 D-()-Glycerinaldehyd d-glycerinaldehyd 2 D-(-)-Arabinose l-arabinose d - dexter () l - laevus (-) (rechts) (links) 2 D-()-Glucose d-glucose

240 Aldose as 3 S 3 yclische Strukturen a I_folie436 β-()-glucose α-()-glucose [α] D = 19 ( 2 ) [α] D = 112 ( 2 ) Schmp. 150 Schmp. 146 [α] D = 52.7 ( 2 ) äquilibrierte Mischung cyclisches albacetal α-()-glucose 1-S 36% [α] = 112 acyclische Form 2 < 0.1% cyclisches albacetal β-()-glucose (Anomere) 1-64% [α] = 19 2 α-()-glucose l, l, Methyl-α-D-glucosid Methyl-β-glucosid 2 β-()-glucose

241 achweis der cyclischen albacetalstruktur (aworth) I_folie a 3 ( 3 ) 2 S 2 3 Dimethylsulfat β-methyl-()-glucosid Tetramethylether , Acetalspaltung (keine Etherspaltung) ~ ~ 2 3 oxid. Spaltung Trimethoxyglutarsäure -5-6 ~ 3 3 Dimethoxybernsteinsäure -4-5 ~

242 Konformationen I_folie438 Pyran Furan Pyranosen Furanosen äqutoriale Substituenten axiale Substituenten α-(d)-glucopyranose 1 2 β-(d)-glucopyranose alle großen, sperrigen Substituenten 1 sind in äquatorialen Positionen inginversion 2 1 alle sperrigen Substituenten in axialen Positionen instabil

243 ()-Maltose: Di- und Polysaccharide I_folie oder Enzym: Maltase ()-Glucose reduziert Fehling sche Lösung Ph ( Ph) 2 sazon Br 2 / 2 Monocarbonsäure Mutarotation: α-maltose β-maltose [α] D = 168 [α] D = 112 Gleichgewicht: [α] D = 136 : 43 : α- 3 glucosidisch (Vollacetal) albacetal α α-glucosidisch ()-Maltose α-anomeres:4--(α-d-glucopyranosyl)-d-glucopyranose

244 I_folie Br 2 / 2 (xid.) ()-Maltose ( 3 ) 2 S 2 a (Methylierung der freien -Gruppen) Maltobionsäure / (ydrolyse der Acetalbindung) ,3,4,6-Tetra--methyl- D-glycopyranose (α-anomeres) ,3,5,6-Tetra--methyl- D-gluconsäure

245 I_folie441 ()-ellobiose: Enzym: Emulsin ()-Glucose reduzierender Zucker sazon-bildung Mutarotation: α- und β-ellobiose β-glucosidische Bindung der -Gruppe an β-glucosidisch β-glucosidisch 1 β-anomeres: 4--(β-D-Glucopyranosyl)-D-glucopyranose

246 I_folie442 ()-Lactose: oder Enzym: Emulsin ()-Galactose ()-Glucose reduzierender Zucker sazon-bildung: ydrolyse des sazons ergibt Galactose und Glucosazon) Mutarotation: α- und β-lactose β-glycosidische (galaktosidische) Bindung der -Gruppe an β-glycosidisch β-anomeres: 4--(β-D-Galactopyranosyl)-D-glucopyranose

247 ()-Saccharose: I_folie443 kein reduzierender Zucker keine sazon-bildung keine anomere Formen: keine Mutarotation ohrzucker-inversion: oder Enzym: Invertase ()-Glucose (-)-Fructose (Dextrose) (Laevulose) [α] D = 66.5 [α] D = 52.7 [α] D = Invertzucker: ( )/2 = β-fructosidisch α- glucosidisch α-glucosidisch Vollacetal β-fructosidisch

248 D-(-)-Fructose: I_folie α,β-fructofuranose α,β-fructopyranose β-fructofuranose β-fructopyranose

249 Enzymatische ydrolyse von Disacchariden I_folie445 ()-Maltose α-glycosidisch Maltase (α-spaltung) α-anomeres α-d-glucopyranose (α-anomeres) ()-ellobiose Emulsin (β-spaltung) (β-anomeres) β-glycosidisch β-anomeres β-d-glucopyranose

250 ()-Lactose (β-anomeres) β-galaktosidisch 2 Emulsin I_folie β-anomeres β-d-galaktopyranose β-anomeres β-d-glucopyranose ()-Saccharose α-glucosidisch Vollacetal β-fructosidisch 2 Invertase β-anomeres β-d-glucopyranose β-anomeres β-d-fructopyranose

251 Stärke α-glycosidisch Polysaccharide 1 n 4 2 Amylose (20% der Stärke) 1 I_folie447 Amylose: linkshändige elix-struktur Amylopektin (80% der Stärke)

252 Glycogen ähnliche Struktur wie das Amylopektin, aber mit höherem Verzweigungsgrad, wichtigstes Polysaccharid zur Energiespeicherung bei Mensch und Tier I_folie448 Enzym Phosphorylase baut Glycogen bis zum α-d-glucopyranosyl-1-phosphat ab. 2 P 3 2- Glucose Glycolyse 3 eduktion Brenztraubensäure aerobe xidation 2 2 Energie 3 Milchsäure efe 3 2 Photosynthese von Glucose in grünen Pflanzen hν, hlorophyll Glucose [ 6 ( 2 ) 6 ] hlorophyll A Mg 3

253 ellulose I_folie449 β-glycosidisch n Ac 2-3n Ac Ac 2 Ac Ac n ellulosetriacetat bzw. Triacetylcellulose : 2 n Acetatseide; stationäre L-Phase zur Enantiomeren- Trennung (Liquid hromatography) 2 2 m -2 -m 2 2 n 2-3 itratgruppen ( =, 2 ) pro Glucose-Einheit: elluloid (Filmaterial) Kollodium itrogruppen ( = 2 ) pro Glucose-Einheit: 2 Schießbaumwolle (Explosivstoff) 2 2 Glycerintrinitrat itroglycerin Explosivstoff Viscose (ayon), ellophan Schwefelkohlenstoff (S δ - 2 ) δ δ - a S S S a - a S 2 S ellulose wasserunlöslich atriumxanthogenat: wasserlöslich

254 I_folie450 Zusammensetzung des menschlichen Körpers Proteine Kohlenhydrate Fette Wasser Mineralsalze 17% 1% 17% 60% 5%

255 I_folie451 Gesundheitliche Folgen unzureichender Aminosäureversorgung

256 Biologische Funktionen der Proteine I_folie452 Enzyme: Katalysatoren vieler chemischer eaktionen Transportund Speichersysteme: Beispiel: ämoglobin verantwortlich für den 2 -Transport Antikörper: verantwortlich für den Immunschutz Übertragung von ervenreizen: Photorezeptor-Protein in den Stäbchenzellen der etzhaut Umwandlung des optischen Signals in ein elektrisches Signal Proteinen sind weiterhin verantwortlich für koordinierte Bewegungen (Kontraktion von Muskeln), dienen als mechanische Stütze für aut und Knochen und steuern das Wachstum. Eiweißgehalt (Proteingehalt) einiger natürlicher Produkte Produkt Eiweißgehalt a) tierische Produkte Blut 20 % Muskelfleisch 19 % Fisch 13 % Eier 12 % Milch 3 % b) pflanzliche Produkte Sojabohnen 36 % Getreide 7-12 % Kartoffeln 2 %

257 I_folie453 Aufgaben der Aminosäuren im Stoffwechsel

258 Aminosäuren I_folie454 2 mit Ausnahme von Glycin (Aminoessigsäure) sind alle Aminosäuren chiral. atürlich vorkommende Aminosäuren haben die S-Konfiguration (relative Konfiguration: L- bezogen auf L-Glycerinaldehyd). Fischerprojektionsformeln L-2-Aminosäure L-Glycerinaldehyd D-Glycerinaldehyd (b) (b) (d) (c) 2 (a) (d) (a) (c) 2 2 S S

259 I_folie455 L- und D-Form von Aminosäuren im Tetraedermodell und in der Fischer-Projektion

260 äufige Aminosäuren I_folie456

261 I_folie457

262 I_folie458 Aminosäuretypen

263 I_folie459 Aminosäure: Zwitterionen reagieren sauer und basisch (amphoter) 2 3 Beispiel: Glycin p < 1 überwiegt bei p 6 überwiegt bei p > 13 pk a -Werte: pk a = 2.4 (1) K a = = pk a = 9.8 (2) K a = =

264 Isoelektrischer Punkt (pi) I_folie460 Am isoelektrischen Punkt sind die Ladungen neutralisiert (keine Ionenleitfähigkeit). die Aminosäure liegt nur in der zwitterionischen Form vor: 3 Beispiel: Glycin: Bei welchem p-wert ist der isoelektrische Punkt (pi) (1) 3 2 = (2) 3 2 = = = = p = 6.1 (pi) allgemein: pi = pk a pk a 3 2

265 Alanin I_folie pk a = 4.9 pk a = 2.3 pk a = 9.7 Titrationskurve für Alanin

266 Synthese von Aminosäuren I_folie462 1) 2 Katalysator Br 2 (PBr 3 ) - Br Br ell-volhard-zelinsky-bromierung 3, 2 - Br 3 acemat: = 3 : (,S-Alanin) 2) Gabriel-Synthese K 2 Et Br 2 Et S 2 - KBr 2 Et 2 Et 1) Et 2) X a 2 Et 2 Et 1) / 2 2) 3, T acemat Beispiele: 2 Et 2 Et aet 3 S 2 2 l 3 2 Et aet S (50% über alle Stufen) Methionin (75% über alle Stufen) Glutaminsäure

267 Variante der Gabrielsynthese: I_folie463 Synthese des Acetamidomalonsäureesters Et Et 2 2 Et Et Et Et 2 -Pt Ac Et 2 Et Beispiele: 3 2 Et 2 Et 1) a - 2) a 3 2 Et 2 Et 2 3, T racemisches Serin 2 l Et 2 Et aet aet 3 ( 3 ) 2 2 Br (35% über alle Stufen) istidin 3 ( 3 ) (51% über alle Stufen) Leucin

268 3) Strecker-Synthese (Beispiel: Alanin-Synthese) Acetaldehyd I_folie , T 3-4 acemat analog der yanhydrin-eaktion: 4) Synthese von optisch aktiven Aminosäuren a) Biologische kinetische acemat-spaltung (,S-Alanin) acemat ) Enzym: Schweinenieren-Acylase p = , 38, 24h 2) (S)-Alanin fällt aus ()--Acetylalanin bleibt in Lösung b) Biosynthese: Enzym: AD, Glutamat- Dehydrogenase 3 2 Enzym: Transaminase (S)-Aminosäure 2 2

269 eaktionen der Aminosäuren I_folie465 Veresterung der arboxylgruppe l l 3 (90%) Phenylalaninmethylesterhydrochlorid a al S S 3 (90%) Glycinbenzylesterbenzolsulfonat Benzylester - gute Schutzgruppe l 2 -Pd 3 2 l 3 3 ( 3 ) l Acylierung der Aminogruppe 2 2h, 4 l ( 3 ) (80%) -Benzoylvalin Ac h 2 3 (89%) -Acetylhistidin

270 Methylester-Schutzgruppe I_folie Benzyl-Schutzgruppe Benzylester können auch durch ydrogenolyse gespalten werden Pd/ l Glycin Benzylchlorformiat, arbobenzoxychlorid a min (70-80%) Benzyloxycarbonylglycin Z-Gly 2 l 2 2 (95-99%) l 2 2 -Pd

271 Boc-Schutzgruppe I_folie467 Ph tert-butoxycarbonyloximinophenylacetonitril "Boc-n" 2 2 (100%) tert-butoxycarbonylprolin Boc-Pro Ph t-bu l 3 l Mechanismus ( 3 ) 3 ( 3 ) 3 2 eagenz zur Peptidsynthese D 2 2 S 2 S g - gs - 2 (86%) Dicyclohexylcarbodiimid (D)

272 I_folie468 2 Z D 3 -geschütztes Threonin Z-Thr -geschütztes Alanin Ala-h Z Z-Thr-Ala Pd/ Ac Thr-Ala

273 I_folie Einführen der Schutzgruppe t-bu 3 2 Einführen der Schutzgruppe t-bu Kupplung t-bu Abspaltung der Schutzgruppe 3 2

274 Merrifield-Synthese: Festphasentechnik I_folie l chlormethyliertes Polystyrol 2 l t-bu t-bu 2 l 2 Polymer t-bu 2 Polymer l -geschützte Aminosäure, am Polymer gebunden Polymer Et Polymer Aminosäure am Polymer gebunden t-bu -geschützte Aminosäure 2 2 Polymer D Aminosäure am Polymer gebunden t-bu 2 Polymer -geschütztes Dipeptid am Polymer gebunden t-bu 2 Polymer Et Polymer Dipeptid am Polymer gebunden Automatisierte Verfahren zur erstellung von Polypeptiden

275 Künstliche Süßstoffe (Ersatz für ohrzucker) I_folie471 S Saccharin 500 ohrzucker Saccharose 1 - a S 2 Me Asp-PheMe DF(Me) atriumcyclamat 30 Aspartam 160 Dipeptid: L-Asparagyl-L-phenyl-alaninmethylester Süsse in verdünnter wässriger Lösung relativ zu Saccharose

276 I_folie472 Biologisches eduktionsmittel Peptid-Antibiotikum

277 Tripeptid: Glutathion I_folie S 2 Glutathion, γ-glu-ys-gly (γ-eg) [GS] [] ADP GSSG eduktase S 2 S Glutathiondisulfid [GSSG]

278 I_folie474 Struktur von Peptiden und Proteinen

279 I_folie475 Enzym-Modell starke WW kat. eaktion langsamer als unkat. eaktion G kat > G unkat G kat < G unkat schwache WW starke WW kat. eaktionschneller als unkat. eaktion

280 Peptidhydrolyse am aktiven Zentrum von hymotrypsin I_folie476

281 I_folie477 Prions are novel infectious agents differing from all other known pathogenic agents Prions are simple proteins that are much smaller than viruses. They are unique since they lack a genome. All other known infectious agents contain genetic material. Bacteria are often Fungi may cause Parasites thrive on Viruses are small surrounded by a infections of the their host, often packages of genetic strong protective cell mouth, throat, lungs, causing longlasting material that can wall and replicate and skin. chronic infections. only replicate inside through simple cell a cell. division.

282 I_folie478 achrichten aus der hemie 02, 2001, BSE Bovine Spongiforme Encephalophathie (S. Prusiner, obelpreisträger 1997) Proteinöse Infektiöse Partikel Prionen PrP normales Prionprotein: krankmachendes Prionprotein: PrPSc PrP (Mensch) und PrP (ind) besteht jeweils aus 250 Aminosäuren und unterscheidet sich nur in 30 Aminosäuren von einander. Konformationsumwandlung von PrP in PrPSc autokatalytischer Prozess. PrPSc 8 PrP PrP 16 2 PrPSc PrPSc 2 PrP 16 PrP 4 u.s.w. PrPSc 4 PrP 8 PrPSc

283 I_folie479 From Dr Jekyll to Mr yde PrP Sc PrP The prion protein exists in two forms. The normal, innocuous protein (PrPc) can change its shape to a harmful, disease-causing form (PrPSc). The conversion from PrPc to PrPSc then proceeds via a chain-reaction. When enough PrPSc proteins have been made they form long filamentous aggregates that gradually damage neuronal tissue. The harmful PrPSc form is very resistant to high temperatures, UV-irradiation and strong degradative enzymes.

284 I_folie480 BSE-Test PrP PrPSc Enzym. Protease "Verdauung" (Spaltung von Proteinen) Aminosäuren kleines Proteinfragment (PrPSc) kleines Proteinfragment unverdaulich (bleibt intakt) Trennung der unverdaulichen (PrPSc) von den Spaltprodukten mittels Gelelektrophorese (PrPSc) 2 Antikörper Enzym Phosphatase hemiluminiszens Test auf ZS-Gewebe (Zentrales ervensystem)

285 Prions infect animals and humans I_folie481 All known prion diseases are fatal. Since the immune system does not recognize prions as foreign, no natural protection develops. Scrapie in sheep was first described during the18th century. It has been transmitted to other animals such as mink and cats, and more recently to cows (mad cow disease or bovine spongiform encephalopathy, BSE) through contaminated feedstuff. In ew Guinea, the Fore-people contracted kuru by eating the brains of deceased people. reutzfeldt-jakob Disease (JD) frequently arises spontaneously, while fatal familial insomnia (FFI) Gerstmann-Sträussler-Scheinker (GSS) disease, and 10-15% of JD are caused by mutations in the gene encoding the prion protein. A new variant JD, diagnosed in some 20 patients, may have arisen through transmission of BSE to humans.

286 Different prions affect different regions of the brain I_folie482 Prions affect different regions of the brain. A sponge-like appearance results when nerve cells die. Symptoms depend on which region of the brain is affected. erebral cortex When the cerebral cortex is affected, the symptoms include loss of memory and mental acuity, and sometimes also visual imparement (JD). Thalamus Damage to the thalamus may result in insomnia (FFI). erebellum Damage to the cerebellum results in problems to coordinate body movements and difficulties to walk (kuru, GSS). Brain stem In the mad cow disease (BSE), the brain stem is affected. Mutations can result in different shapes of the prion protein that accumulates in different regions of the brain: In familial insomnia (FFI), mutated prions (violet squares) accumulate in the thalamus, with the result that the patients are unable to sleep. In reutzfeldt-jakob disease, the prion protein accumulates primarily in the cerebral cortex (red dots and area). A precise diagnosis of a prion disease can only be made upon autopsy. The figures show thin sections of diseased brains. FFI, with typical proliferation of astrocytes, the support cells of the brain, is shown to the left (arrows). JD, with the characteristic spongiform appearance with vacuoles (arrows) is shown to the right.

287 I_folie483 - P 2 - P 2 - P 2 Base Base Base Ausschnitt aus einer DA-Kette DA Desoxyribonucleinsäure A ibonucleinsäure Zucker und Basen der ucleinsäuren 2 2-Desoxyribose 2 ibose ytosin () DA A Thymin (T) nur DA Adenin (A) DA A Guanin (G) DA A 2 Uracil (U) nur A

288 Die vier ucleotide der DA I_folie484 P 2 2 P Desoxyadenylsäure 2 P 2 2-Desoxyguanidylsäure 3 P 2 2-Desoxycytidylsäure 2-Desoxythymidylsäure Die vier ucleotide der A P P 2 2 Adenylsäure 2 Guanidylsäure 2 3 P P 2 ytidylsäure Uridylsäure

289 I_folie485 Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den komplementären Basenpaaren A G T A G A T T G A T G T A G 3 Zucker DA: Adenin-Thymin A: Adenin-Uracil Zucker Zucker Zucker Guanin-ytosin

290 Modell der DA-eplikation I_folie486 Die Doppelhelix windet sich zu zwei Einzelsträngen auf. Die EInzelstränge dienen jeweils als Matrix zum Aufbau der komplementären ucleinsäure-sequenz. Vereinfachtes Bild der Synthese der Messenger-A (ma, Messenger Botschafter) an der DA Matrix A G T A DA-Matrix A U G A U G ma U G