Ein kurzer Hinweis vorab:

Transkript

1 Ein kurzer Hinweis vorab: Die Folien 1 18 sind lediglich eine lockere Einführung in die Materie. Konzentriert lesen und mitdenken sollten Sie ab Folie 19, auf der die Überschrift ucleophile Substitution: S 2-Reaktion eingeblendet wird. Quelle: manuelkrug.com Die Strukturelemente, welche Sie sich ganz besonders einprägen sollten, sind grün unterlegt.

2 Quelle: manuelkrug.com Auch dem süßesten Ferkel wird es wohl selten erspart bleiben

3 Quelle: manuelkrug.com Quelle: marions-kochbuch.de eines Tages als ahrungsquelle zu dienen.

4 Quelle: manuelkrug.com Quelle: kiwi.frenke.de Quelle: marions-kochbuch.de Dazwischen liegt die Streßsituation des Viehtransports zum Schlachthof.

5 Quelle: manuelkrug.com Quelle: kiwi.frenke.de Quelle: marions-kochbuch.de Wie reagiert der Körper, rein physiologisch gesehen, auf solche Streßsituationen?

6 Der Körper setzt in Streßsituationen Adrenalin frei. Adrenalin Adrenalin erhöht die Herzfrequenz und den Blutdruck und sorgt für eine umgehende Bereitstellung von Energiereserven, die eventuell rasch benötigt werden, um einer lebensbedrohlichen Situation so rasch als möglich zu entfliehen. Der Abbau von Fetten als Hauptenergieträger wird beschleunigt. Glucose wird freigesetzt und für die Biosynthese von Glucose ( Gluconeogenese ) aus einfacheren Bausteinen (welche eine Kette aus jeweils drei C-Atomen aufweisen) gesorgt.

7 Adrenalin Adrenalin vereinigt in seinem Molekül die funktionellen Gruppen eines Phenols, eines sekundären Alkohols und eines sekundären Amins. Achtung: Ein Alkohol ist sekundär, wenn das C-Atom, das die H-Gruppe trägt, mit zwei weiteren C-Atomen verbunden ist. Ein Amin ist sekundär, wenn das -Atom (!) der Aminogruppe mit zwei C-Atomen von Alkylresten verbunden ist.

8 oradrenalin Adrenalin Tritt eine Streßsituation ein, so wird Adrenalin aus seinem nicht-methylierten Vorläufer oradrenalin synthetisiert. Im oradrenalin fehlt die Methylgruppe am -Atom. Hier liegt also die funktionelle Gruppe eines primären Amins vor. Die Vorsilbe or- bedeutet demnach: besitzt eine Methylgruppe CH 3 oder eine Methylengruppe CH 2 weniger

9 L-Tyrosin oradrenalin Adrenalin Der biosynthetische Ursprung von Adrenalin und oradrenalin ist die aromatische Aminosäure L-Tyrosin.

10 oradrenalin Adrenalin H 2 CH 3 S H H 2 S-Adenosylmethionin ( SAM ) H H Die zur Methylierung des oradrenalins notwendige Methylgruppe wird von einer Verbindung namens S-Adenosylmethionin bereitgestellt.

11 oradrenalin Adrenalin H 2 CH 3 H H 2 S Das S im amen steht für den Schwefel, S-Adenosylmethionin ( SAM ) H H

12 oradrenalin Adrenalin H 2 CH 3 S H H 2 S-Adenosylmethionin ( SAM ) der Teil Aden leitet sich vom Heteroaromaten Adenin ab, einem Baustein der DA und RA, H H

13 oradrenalin Adrenalin H 2 CH 3 S H H 2 S-Adenosylmethionin ( SAM ) H H der Teil osyl weist auf die Aldopentose (= Zucker mit fünf C-Atomen und einer Aldehydgruppe) D-Ribose hin, der hier in seiner Fünfringform als Baustein vorliegt,

14 oradrenalin Adrenalin H 2 CH 3 S H H 2 S-Adenosylmethionin ( SAM ) und Methionin ist der ame einer der beiden natürlich vorkommenden -Aminosäuren, die ein Schwefelatom enthalten (die andere ist L-Cystein). H H

15 oradrenalin Adrenalin H 2 CH 3 S H H 2 S-Adenosylmethionin ( SAM ) Zurück zur Übertragung der Methylgruppe vom S-Adenosylmethionin auf oradrenalin H H

16 oradrenalin Adrenalin H 2 CH 3 S H H 2 S-Adenosylmethionin ( SAM ) Das -Atom des oradrenalins greift mit seinem freien Elektronenpaar nucleophil am C-Atom der Methylgruppe des S-Adenosylmethionins an. H H Gleichzeitig wird das Bindungselektronenpaar zwischen C und S zum S-Atom hin verschoben.

17 Hier findet also ein Austausch eines Atoms bzw. einer Atomgruppe statt. Austauschen heißt im Lateinischen: substituere. Ein H-Atom der H 2 -Gruppe des oradrenalins wird durch eine Methylgruppe substituiert. Adrenalin H 2 H S H 2 S-Adenosylhomocystein H H

18 Da der entscheidende Angriff von einem ucleophil ausging (hier: der H 2 -Gruppe eines primären Amins), spricht man von einer ucleophilen Substitution. Der Bindungsbruch zwischen dem C- und dem S-Atom vollzieht sich nicht von alleine innerhalb eines einzigen Moleküls, sondern erst in dem Augenblick, in welchem ein zweites Molekül (hier: das oradrenalin) gleichzeitig angreift. Adrenalin Diese Art der ucleophilen Substitution wird daher als S 2-Reaktion bezeichnet. H 2 H S H 2 S-Adenosylhomocystein H H

19 ucleophile Substitution: S 2-Reaktion Betrachten wird eine solche S 2-Reaktion im Detail an einem etwas einfacheren Beispiel. Die Edukte der S 2-Reaktion in unserem Beispiel sind 1-Bromhexan und Kalilauge, also eine wässrige (bzw. in diesem Fall methanolische) Lösung von Kaliumhydroxid.

20 ucleophile Substitution: S 2-Reaktion E (C) = 2,55 Br E (Br) = 2,96 Um die Theorie der ucleophilen Substitution verstehen zu können, müssen wir uns mit dem Begriff der Elektronegativität befassen. Die Elektronegativität ist das Maß dafür, inwieweit in einer kovalenten Bindung zwischen zwei unterschiedlichen Atomen (z.b. C und Br im hier vorliegenden Fall) das Bindungselektronenpaar näher von einem der Bindungspartner angezogen und in dessen Richtung verschoben wird.

21 ucleophile Substitution: S 2-Reaktion E (C) = 2,55 Br E (Br) = 2,96 Der physikalische Hintergrund für eine unterschiedlich starke Anziehung der Bindungselektronen ist zum einen die unterschiedliche Anzahl an Protonen im Kern eines Atoms (die mit der Dichte an positiver Ladung im Kern korreliert) und zum zweiten der Abstand zwischen Kern und den sogenannten Valenzelektronen (= den Elektronen der äußersten Schale, welche für chemische Bindungen herangezogen werden).

22 ucleophile Substitution: S 2-Reaktion E (C) = 2,55 Br E (Br) = 2,96 Der Abstand wird in der Hauptsache durch die Anzahl der sogenannten Schalen in der Elektronenhülle festgelegt. So hat der Wasserstoff sein einziges Valenzelektronen logischerweise in einem rbital der 1. Schale (daher 1s-rbital genannt), beim Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Fluor befinden sich die rbitale der Valenzelektronen in der 2. Schale, beim Phosphor, Schwefel und Chlor in der 3. Schale, beim Brom in der 4. Schale (also bereits sehr weit entfernt vom Kern) und beim Iod gar in der 5. Schale (noch weiter entfernt vom Kern).

23 ucleophile Substitution: S 2-Reaktion Diese teilweise Verschiebung von Elektronendichte und die damit einhergehende Polarisierung kann z.b. durch den griechischen Buchstaben und das hochgestellte entsprechende Ladungssymbol + bzw. an den entsprechenden Atomen verdeutlicht werden.

24 ucleophile Substitution: S 2-Reaktion Eine Alternative dazu ist die Verwendung eines durchgezogenen Keils. Dieser wird in anderen Fällen allerdings auch zur Wiedergabe von Bindungen eingesetzt, die aus der Ebene heraus dem Betrachter entgegenragen (siehe Kapitel über Stereochemie in der Vorlesung bzw. Lehrbüchern der rganischen Chemie).

25 ucleophile Substitution: S 2-Reaktion Der Begriff Substitution bedeutet, wie bereits erwähnt, Ersatz bzw. Austausch. Ein Atom oder eine funktionelle Gruppe werden ersetzt und verlassen im Verlauf der Reaktion den Molekülverband. Das beste Abgangsatom in unserem Molekül ist das Brom, das anschließend als einfach negativ geladenes (und sehr stabiles) Bromid-Ion in der Lösung vorliegt. Der Abgang des Broms unter Mitnahme des Bindungselektronenpaars wird durch einen gekrümmt gezeichneten Pfeil symbolisiert, einen sog. Elektronenpaarverschiebungspfeil.

26 ucleophile Substitution: S 2-Reaktion Allerdings kann das Bromid-Ion, so stabil es selbst auch sein mag, das Molekül nicht so ohne weiteres verlassen. Das positiv geladene Carbenium-Ion, welches bei diesem Schritt gleichzeitig entstehen würde, ist nämlich extrem instabil, weil es ein sogenanntes primäres Carbenium-Ion darstellt.

27 ucleophile Substitution: S 2-Reaktion Um verstehen zu können, warum ein primäres Carbenium-Ion sehr instabil ist, zeichnen wir in dessen Struktur der besseren Übersicht wegen sämtliche Substituenten an dem C-Atom ein, welches die positive Ladung trägt (in diesem Fall also zusätzlich noch die beiden H-Atome).

28 ucleophile Substitution: S 2-Reaktion H Positiver Induktiver Ef f ekt (+I-Ef f ekt) einer Alkylgruppe H Der Kohlenstoff als ein Element der IV. Hauptgruppe des Periodensystems bevorzugt es, in ungeladener Form vorzuliegen (im Gegensatz zu den Elementen der I. Hauptgruppe wie z.b. a, das in der atur ausschließlich als einfach positiv geladenes Ion a + vorliegt, oder den Elementen der VII. Hauptgruppe wie Cl, das wir in der atur in Form von Chlorid-Ionen Cl kennen).

29 ucleophile Substitution: S 2-Reaktion H Positiver Induktiver Ef f ekt (+I-Ef f ekt) einer Alkylgruppe H b der Kohlenstoff bereit ist, wenigstens für einen ganz kurzen Zeitraum die Bürde einer positiven oder einer negativen Ladung zu tragen, hängt zum überwiegenden Teil von der Bereitschaft seiner achbarn ab, einen Teil dieser Bürde mitzutragen.

30 ucleophile Substitution: S 2-Reaktion H Positiver Induktiver Ef f ekt (+I-Ef f ekt) einer Alkylgruppe H In diesem Fall ist nur eine Alkylgruppe vorhanden, die über den sog. +I-Effekt Elektronendichte hin zum positiv geladenen C-Atom verschiebt.

31 CH 3 H 3 C CH 3 Positiver Induktiver Ef f ekt (+I-Ef f ekt) von drei Alkylgruppen Ganz anders sieht die Lage aus, wenn das positiv geladene C-Atom mit zwei oder, wie hier in der Abbildung gezeigt, gleich drei Alkylresten verbunden ist. Im Fall zweier Alkylreste am positiv geladenen C-Atom spricht man von einem sekundären Carbenium-Ion, im Fall dreier Alkylgruppen von einem tertiären Carbenium-Ion.

32 CH 3 H 3 C CH 3 Positiver Induktiver Ef f ekt (+I-Ef f ekt) von drei Alkylgruppen Jede der Alkylgruppen übt einen stabilisierenden +I-Effekt aus. Unter dieser Bedingung kann in einem geeigneten Lösungsmittel das Brom aus dem Molekülverband als Bromid-Ion austreten und ein einigermaßen stabiles tertiäres Carbenium-Ion zurücklassen. Die Erklärung, warum Alkylreste einen elektronenschiebenden Effekt auf benachbarte C-Atome ausüben, würde uns in den Bereich der theoretischen Chemie bringen und daher hier zu weit führen. Versuchen wir daher einfach, uns dieses Phänomen des +I-Effekts von Alkylgruppen wie z.b. CH 3 im Gedächtnis zu verankern.

33 CH 3 H 3 C CH 3 Positiver Induktiver Ef f ekt (+I-Ef f ekt) von drei Alkylgruppen In diesem Fall liegt allerdings keine Analogie zu einer S 2-Reaktion vor, sondern zu einer S 1-Reaktion. Bei der S 1-Reaktion vollzieht sich das Aufbrechen der Bindung (hier: zwischen C und Br) ohne das Eingreifen des nucleophilen Reaktionspartners, d.h. das Molekül schafft diesen Bindungsbruch alleine als einzelnes Molekül (daher: S 1).

34 ucleophile Substitution: S 2-Reaktion H H H Br Übergangszustand der S 2-Reaktion Der Übergangszustand der S 2-Reaktion sieht wie oben abgebildet aus.

35 ucleophile Substitution: S 2-Reaktion H H H Br 1-Hexanol H + Br Bromid-Ion Übergangszustand der S 2-Reaktion Während sich im weiteren Verlauf dieses Reaktionsschritts die Atombindung zwischen und C voll ausbildet, bricht die bisherige Bindung zwischen C und Br vollends auf. Als organisches Produkt dieser S 2-Reaktion erhalten wir den (primären) Alkohol 1-Hexanol.

36 ucleophile Substitution: S 1-Reaktion H tert-butanol Betrachten wir im Vergleich dazu nun eine typische S 1-Reaktion: Die Reaktanden der S 1-Reaktion in unserem einfachen Beispiel sind tert-butanol (= 2-Methyl-2-propanol; ein tertiärer Alkohol) und konzentrierte Salzsäure (= eine konzentrierte wässrige Lösung von Chlorwasserstoff mit 37% Gewichtsanteil von HCl in der Lösung).

37 ucleophile Substitution: S 1-Reaktion ach dem Abgang eines Hydroxid-Ions aus dem Molekül würde in diesem Fall ein relativ stabiles tertiäres Carbenium-Ion entstehen. Die Hintergründe für dessen relative Stabilität wurden bereits auf vorhergehenden Folien ausführlich besprochen: Die positive Ladung am zentralen C-Atom wird durch die +I-Effekte von drei Alkylgruppen (in diesem Fall drei Methylgruppen) zumindest teilweise ausgeglichen und das Carbenium-Ion dadurch stabilisiert.

38 ucleophile Substitution: S 1-Reaktion Das Problem in dem hier abgebildeten (nicht stattfindenden) Reaktionsschritt ist jedoch der Umstand, daß das Hydroxid-Ion eine sehr schlechte Abgangsgruppe ist.

39 ucleophile Substitution: S 1-Reaktion H H H H Protonierung der H-Gruppe Die deutlich bessere Abgangsgruppe Wasser entsteht durch (reversible) Protonierung der H-Gruppe durch Zugabe der konzentrierten Salzsäure. Eines der freien Elektronenpaare des -Atoms bewegt sich dabei hin zu einem Proton, das von der Salzsäure bereitgestellt wird.

40 ucleophile Substitution: S 1-Reaktion ach dem Abgang des Wassermoleküls (unter Mitnahme des Bindungselektronenpaars) entsteht das Trimethylcarbenium-Ion als relativ stabiles Zwischenprodukt. Zu beachten ist in diesem Fall der Unterschied zwischen einem Zwischenprodukt, das sich im Energieprofil einer Reaktion in einem relativen Energieminimum befindet und unter bestimmten Umständen manchmal sogar aus der Reaktionsmischung isolierbar ist, und einem Übergangszustand. Ein Übergangszustand befindet sich im Gegensatz zu einem Zwischenprodukt stets auf einem Maximalpunkt des Energieprofils einer Reaktion und ist somit unter keinen Umständen isolierbar.

41 ucleophile Substitution: S 1-Reaktion Im abschließenden Reaktionsschritt greift das mäßig nucleophile Chlorid-Ion am elektrophilen Zentrum des tertiären Carbenium-Ions an. Das angreifende freie Elektronenpaar des Chlorid-Ions wird im Endprodukt (2-Chlor-2-methylpropan = tert-butylchlorid) zum neuen Bindungselektronenpaar zwischen dem Chlor-Atom und dem ursprünglich positiv geladenen C-Atom.