Organische Experimentalchemie

Transkript

1 PD Dr. Alexander Breder Georg-August-Universität Göttingen SoSe 2017 Veranstaltungsnummer: rganische Experimentalchemie Für Studierende der umanmedizin, Zahnmedizin und Biologie (Lehramt) Marburg, 02. Juni 2017

2 Fazit der Woche 6: SN1-, SN2-, E1 und E2 eaktionen Erkennen von Nucleo- und Elektrophilen: Strukturelle Faktoren der SN1/2- und E1/2-eaktionen: 1 2 N Amine Ether Proton (unbesetztes s-rbital) Alkohole Wasser 2C C C3 C3 tert-butylkation (unbesetztes p-rbital) 4 3 Alken (π-rbital) B Borhydridion (σ-rbital) Br Brommethan (3CBr) (σ*-rbital) eaktionsprofile der SN1- und SN2-eaktion: Strukturelle und physikalische Charakteristika von Alkoholen: WasserstoffBrücken (ca. 20 kj/mol) 1 Alkohol J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, rganische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin eidelberg 2 Alkohol 3 Alkohol Dipolmoment (ca D) 2

3 9. Funktionelle Gruppen: Alkohole Strukturelle rkmale: Aromaten mit -Gruppen: Phenol 1-Napthol Brenzcatechin esorcinol ydrochinon rke: ydroxylierte (d.h. -Gruppen tragende) Aromaten unterscheiden sich in ihrer eaktivität oft von aliphatischen Alkoholen (z.b. in der Acidität) Acidität von Alkoholen: Säure: pk s : pk b : Alkohole sind schwache Basen 15, i Pr t Bu Alkohole sind schwache Säuren Ph (Phenol) Quelle für pk b -Werte: 9. Struktur und eaktionen funktioneller Gruppen 3

4 9. Funktionelle Gruppen: Alkohole Synthese ydratisierung: Ethen S 4 wie nennt man die ückreaktion? (eaktionsverlauf nach links) Ethanol 1-thylcyclohexen S 4 Struktur????-ol welche Maßnahmen können Sie ergreifen, um das eaktionsgleichgewicht nach rechts zu verschieben? ydrolyse: Br + + Br Bromethan Ethanol nach welchem chanismus läuft dieser Prozess ab? eduktion von Carbonylverbindungen: 3,3-Dimethylbutan-2-on (ein Keton) + NaB 4 Wärme Ethanol 3,3-Dimethylbutan-2-ol (ein Alkohol) welches eagenz fungiert als Nucleophil / Elektrophil? 9. Struktur und eaktionen funktioneller Gruppen 4

5 9. Funktionelle Gruppen: Alkohole xidationen Allgemein: [] [] + 2 [] Die jeweiligen Suffixe der einzelnen funktionellen Gruppen sind farblich markiert 1 Alkohol (Alkanol) Aldehyd (Alkanal) Carbonsäure (Alkansäure) 2 Alkohol (Alkanol) Keton (Alkanon) rke: 1 = primär; 2 = sekundär; 3 = tertiär; [] = xidationsreaktion Beispiel: Vom Alkohol zum Aldehyd/Keton rke: Im Zuge eines xidationsschrittes werden 2 Elektronen (2 e ) und zwei Protonen (2 + ) aus dem Edukt entfernt! 2 + Dichromatanion J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, rganische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin eidelberg 9. Struktur und eaktionen funktioneller Gruppen 5

6 9. Funktionelle Gruppen: Alkohole xidationen Allgemein: [] [] + 2 [] Die jeweiligen Suffixe der einzelnen funktionellen Gruppen sind farblich markiert 1 Alkohol (Alkanol) Aldehyd (Alkanal) Carbonsäure (Alkansäure) 2 Alkohol (Alkanol) Keton (Alkanon) rke: 1 = primär; 2 = sekundär; 3 = tertiär; [] = xidationsreaktion Beispiel: Vom Alkohol zur Carbonsäure 2 3 Alkohole sind über derartige Prozesse nicht oxidierbar J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, rganische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin eidelberg 9. Struktur und eaktionen funktioneller Gruppen 6

7 9. Funktionelle Gruppen: Alkohole xidationen Allgemein: [] [] + 2 [] Die jeweiligen Suffixe der einzelnen funktionellen Gruppen sind farblich markiert 1 Alkohol (Alkanol) Aldehyd (Alkanal) Carbonsäure (Alkansäure) 2 Alkohol (Alkanol) Keton (Alkanon) rke: 1 = primär; 2 = sekundär; 3 = tertiär; [] = xidationsreaktion Abbau von thanol und Ethanol im Körper: AD, NAD + NAD/ + AD, NAD + NAD/ + AD = Alkoholdehydrogenase NAD = Nicotinamidadenindinukleotid = : thanol = : Ethanol = : Formaldehyd = : Ethanal = : Ameisensäure = : Essigsäure J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, rganische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin eidelberg 9. Struktur und eaktionen funktioneller Gruppen 7

8 9. Funktionelle Gruppen: Ether Definition: Ether sind organische chemische Verbindungen, die ein oder mehrere Sauerstoffatome besitzen, die ihrerseits an aliphatischen und/oder aromatischen esten je zweimal einfach gebunden vorliegen. Vertreter dieser Verbindungsklasse, die sich von aliphatischen, acyclischen Alkylresten ableiten (nach IUPAC Alkoxyalkane genannt), besitzen die allgemeine Summenformel (C n 2n+2 ). Beispiele: Dimethylether (thoxymethan) Diethylether (Ethoxyethan) Isopropylmethylether (2-thoxypropan) (längere Kette bildet Stamm) F 1-Ethoxy-2-fluorethan (höher substituierte Kette bildet Stamm) F Trivialname: Tetrahydropyran nach IUPAC: xacyclohexan Trivialname: 4-Fluortetrahydropyran nach IUPAC: 4-Fluoroxacyclohexan Trivialname: Anisol (thoxybenzol) xiran (xacyclopropan) J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, rganische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin eidelberg 9. Struktur und eaktionen funktioneller Gruppen 8

9 9. Funktionelle Gruppen: Ether Physikalische Eigenschaften: Ether Struktur Smp. C Sdp. C Löslichkeit (in einem Liter 2 ) Dipolmoment Dimethylether 3 C C 3 138,5 23,0 70 g 1,30 D Diethylether 5 C 2 C ,3 34,4 69 g 1,14 D Di-n-propylether 7 C 3 C ,2 90,1 4,9 g 1,32 D Ether sind schwache Basen Strukturelle Eigenschaften: Quelle: 9. Struktur und eaktionen funktioneller Gruppen 9

10 9. Funktionelle Gruppen: Ether eaktionen Autoxidation: Startradikal 2 Kettenfortpflanzung + Saure Etherspaltung: a) b) Br Br + Br + 3 C Br Nach welchen chanismen verlaufen diese eaktionen und warum wird das jeweils dargestellte alogenalkan bevorzugt gebildet? 9. Struktur und eaktionen funktioneller Gruppen 10

11 9. Funktionelle Gruppen: Ether Synthesen Williamson-Ethersynthese: a) Na + Br NaBr thode ist gut geeignet für die Darstellung unsymmetrischer Ether b) Na 2 Na + S NaS 4 Name? Saure Alkoholkondensation: thode ist geeignet für die Darstellung symmetrischer Ether 2x 2 S 4 + S 4 Alkoxoniumion Alkoxoniumion 9. Struktur und eaktionen funktioneller Gruppen 11

12 9. Funktionelle Gruppen: Ether Synthesen Säure-katalysierte Addition von Alkoholen an Alkene: 2 S 4 S 4 + thode ist gut geeignet für die Darstellung unsymmetrischer Ether 9. Struktur und eaktionen funktioneller Gruppen 12

13 9. Funktionelle Gruppen: Thiole und Thioether Definition: Thiole sind organisch-chemische Verbindungen, die ein oder mehrere Thiolgruppen (auch rcaptogruppen) enthalten. ierbei liegt ein Schwefelatom jeweils einfach zu einem C- und einem -Atom gebunden vor. Vertreter dieser Verbindungsklasse, die sich von aliphatischen, acyclischen Alkylresten ableiten (sog. Alkanthiole), besitzen die allgemeine Summenformel (C n 2n+2 S). Allgemeine Strukturen: Spezielle Beispiele: S S S S S Ph S Schwefelwassrstoff Thiol (rcaptan) Thioether (Sulfid) Ethanthiol (Ethylmercaptan) Dimethylsulfid (thylthiomethan) Thioanisol (thylphenylsulfid) Acidität: Alk Ph S S (pk a = 10-11) (pk a = 7) Thiole sind acider als die homologen Alkanole und Phenole S + Na S Na + 2 Thiolation 9. Struktur und eaktionen funktioneller Gruppen 13

14 9. Funktionelle Gruppen: Thiole und Thioether Bildung von Disulfiden durch xidation: Disulfide in der Natur: 2x S [] S S [] = xidationsreaktion mögliche xidationsmittel: NaBr 3 (Natriumbromat) Br 2 (Brom) t Bu/Katalysator Die Aminosäure Cystein kann sog. Disulfid-Brücken (auch Cystin- Brücken) ausbilden. Diese Strukturen sind relevant für die Architektur und Stabilität zahlreicher Proteine. A) Lineare Sequenz des Chlorotoxins (CTX) B) 3D Struktur des CTX mit markierten Disulfidbrücken a) b) De Waard et al., Toxins 2015, 7, Struktur und eaktionen funktioneller Gruppen 14

15 9. Funktionelle Gruppen: Thiole und Thioether xidation von Sulfiden: S Thioether (Sulfid) [] S bzw. S zwei gleichwertige epräsentationen eines Sulfoxids [] S Sulfon rke: Wenn ist, dann handelt es sich beim gezeigten Sulfoxid um eine chirale (also optisch aktive) Substanz Sulfoniumsalze: Beispiel aus der Natur: 3 N C 2 N 2 S Thioether (Sulfid) I S Sulfoniumsalz (aktivierte thylgruppe) I Nu Nu Die thylgruppe S fungiert als Elektrophil I N N N N 9. Struktur und eaktionen funktioneller Gruppen S Adenosylmethionin (aktivierte thylgruppe) 15

16 9. Funktionelle Gruppen: Amine Definition: Bei den Aminen handelt es sich um organische Derivate (Abkömmlinge) des Ammoniaks (N 3 ). ierbei liegt mindestens ein Alkyl- oder Arylrest kovalent gebunden am N-Atom vor. Aliphatische Vertreter dieser Verbindungsklasse werden als Alkanamine oder Alkylamine bezeichnet. Es sind jedoch auch viele Trivialnamen gebräuchlich. Allgemeine Klassifikation: N N N N N Ammoniak primäres Amin ( N 2 ) sekundäres Amin ( 2 N) tertiäres Amin ( 3 N) Ammoniumion ( 4 N + ) Beispiele: N 2 thylamin (thanamin) N Dimethylamin (N-thylmethanamin) Trimethylamin (N,N-Dimethylmethanamin) N 2 N Anilin (Benzolamin) N Piperidin (Azacyclohexan) Nicotin N 9. Struktur und eaktionen funktioneller Gruppen 16

17 9. Funktionelle Gruppen: Amine Acidität: Ammoniumsalze pk s -Werte = N 4 Bu N 3 Ph N 3 Et 3 N N rke: Je acider ein Ammoniumsalz, desto weniger basisch ist seine konjugierte Base. protonierte Ammoniumsalze sind die konjugierten Säuren der jeweiligen Amine Konfigurationsstabilität: 1N N N N 2 1 rke: Tertiäre Amine mit drei unterschiedlichen esten sind chiral (optisch aktiv) aber nicht konfigurationsstabil. rke: Quarternisierte Ammoniumsalze mit vier unterschiedlichen esten sind chiral und konfigurationsstabil. 9. Struktur und eaktionen funktioneller Gruppen 17

18 9. Funktionelle Gruppen: Amine Amine in der Natur: 2 N 2 N S N 3 N Ethanolamin (Baustein von Phospholipiden) Cysteamin (Bestandteil von Coenzym A) Adrenalin (ormon, Neurotransmitter) Cholin (Baustein von Phospholipiden und Neurotransmittern) Morphin (Alkaloid) 9. Struktur und eaktionen funktioneller Gruppen 18

19 9. Funktionelle Gruppen: Amine Stickstoffhaltige eteroaromaten: Pyrrol Pyrazol Imidazol Indol Pyridin Pyridazin Pyrimidin Chinolin 9. Struktur und eaktionen funktioneller Gruppen 19

20 9. Funktionelle Gruppen: Amine Amine als Nucleophile: N 3 + X X N 2 X X N X X N X X N primäres Amin (nucleophiler als N 3 ) sekundäres Amin (nucleophiler als N 2 ) tertiäres Amin (nucleophiler als 2 N) Ammoniumion (nicht nucleophil) rke: Die Nucleophilie von Aminen steigt mit der Anzahl an Alkylresten M N 3 + X Azidion (Struktur: N=N + =N ) MX N 3 Alkylazid (nicht nucleophil) eduktion N 2 Alkylamin (primäres Amin) 9. Struktur und eaktionen funktioneller Gruppen 20