Organische Experimentalchemie

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1 Dr. Franziska Thomas Georg-August-Universität Göttingen SoSe 2018 Veranstaltungsnummer: Organische Experimentalchemie Für Studierende der Humanmedizin, Zahnmedizin und Biologie (Lehramt) Marburg, 01. Juni 2018

2 Übung zu Woche 7: Alkohole, Ether, Thiole, Thioether, Amine 1. Benennen Sie die folgenden Moleküle! Ethyl-isopropylether 2-Ethoxypropan Ethyl-disopropylamin tert-butylmercaptan 2-Methylpropan-2-thiol Tetramethylammoniumiodid tert-butyl-phenylether tert-butoxybenzol Benzylethylamin 2

3 Übung zu Woche 7: Alkohole, Ether, Thiole, Thioether, Amine 2. Welche funktionellen Gruppen sind in den nachfolgenden Molekülen enthalten? Curare Tamiflu 3

4 Übung zu Woche 7: Alkohole, Ether, Thiole, Thioether, Amine 3. Ordnen Sie die folgenden Molekülreihen nach ihrer Basizität mit links am wenigsten basisch und rechts am basischsten! 4

5 Übung zu Woche 7: Alkohole, Ether, Thiole, Thioether, Amine 4. Vervollständigen Sie die folgenden Reaktionsgleichungen! 5

6 Fazit der Woche 7: Alkohole, Ether, Thiole und Thioether Synthesemethoden zur Darstellung von Alkoholen: Eigenschaften und Synthesen von Ethern: Hydratisierung Substitution Ether sind schwache Basen Williamson-Ethersynthese: Reduktion von Carbonylverbindungen Oxidation von Alkoholen: Eigenschaften von Thiolen & Thioethern: Allgemeine Strukturen: Acidität: 6

7 Fazit der Woche 8: Amine, Ketone und Aldehyde Eigenschaften & Synthesemethoden von Aminen: Allgemeine Eigenschaften: Alkylierung von Aminen Selektive Synthese von 1 Aminen Reduktive Aminierung alternativ: Gabriel Synthese 7

8 9. Funktionelle Gruppen: Amine Selektive Aminierungsverfahren: Die Gabrielsynthese Phthalimid Phthalimid-Anion Die die Bildung des 1 Amins erfolgt hochgradig selektiv, da eine Überalkylierung des Phthalimids ausgeschlossen ist 8

9 9. Funktionelle Gruppen: Die Carbonylgruppe Definition: Die Carbonylgruppe ist gekennzeichnet durch ein Kohlenstoffatom (Carbonylkohlenstoff), das einerseits ein doppelt gebundenes Sauerstoffatom (Carbonylsauerstoff) trägt und andererseits an Wasserstoffatome und/oder Kohlenstoffatome gebunden ist. Allgemeine Struktur: Dipolmoment sp 2 -Orbitale des C-Atoms gehen Bindungen zu den Resten R 1 und R 2 ein C O-π-Bindung durch Kombination je eines p-orbitals der beteiligten C- und O-Atome Bindungswinkel a b 120 C O-s-Bindung durch Kombination je eines sp 2 -Orbitals der beteiligten C- und O-Atome Freie Elektronenpaare des O-Atoms lokalisiert in sp 2 -hybridisierten Orbitalen 9

10 9. Funktionelle Gruppen: Die Carbonylgruppe Beispiele: Reaktive Zentren: a) b) Oxocarbeniumion c) Enolation 10

11 9. Funktionelle Gruppen: Die Carbonylgruppe Reaktivität gegenüber Nucleophilen: starkes Nucleophil einfaches Elektrophil moderates Nucleophil sehr starkes Elektrophil 11

12 9. Funktionelle Gruppen: Die Carbonylgruppe Abhängigkeit der Elektrophilie von Substituenten am Carbonyl-C-Atom: Cl: I-Effekt dominant (wenig Delokalisierung) H und R: +I-Effekt (wenig Delokalisierung) O : +M-Effekt dominant (sehr gute Delokalisierung) RCO 2 : I-Effekt dominant (wenig Delokalisierung) OR und NR 2 : +M-Effekt (gute Delokalisierung) 12

13 9. Funktionelle Gruppen: Die Carbonylgruppe Nomenklatur: Suffix: Aldehyde al (allg.: Alkanal) Ketone on (allg.: Alkanon) Beispiele: 13

14 9. Funktionelle Gruppen: Ketone und Aldehyde in der Natur Mandelbaumblüte (Prunus dulcis) Zitrone (Citrus meyeri) Jasminblüte (Jasminum officinale) 14

15 9. Funktionelle Gruppen: Synthese von Ketonen & Aldehyden Allgemein: 2 H + 2 e 2 H + 2 e Oxidation von 1 Alkoholen führt zur Bildung von Aldehyden Überoxidation zur Carbonsäure möglich! Oxidation von 2 Alkoholen führt zur Bildung von Ketonen Reduktion von Carbonsäureestern führt zur Bildung von Aldehyden Überreduktion zum 1 Alkohol sehr leicht möglich! 15

16 9. Funktionelle Gruppen: Keto-Enol Tautomerie Allgemein: Bei der Keto-Enol-Tautomerie handelt es sich um eine spezielle Form der Konstitutionsisomerie, bei der durch Verlagerung einer Doppelbindung und eines Protons Ketone oder Aldehyde (beides Keto-Form) im Zuge einer Gleichgewichtsreaktion in vinylische Alkohole (Enol-Form) reversibel überführt werden. Keto-Enol-Tautomerie Gleichgewicht Enolation Keto-Form (gilt für Aldehyde und Ketone) Enol-Form (gilt für Aldehyde und Ketone) Carbanion 16

17 9. Funktionelle Gruppen: Keto-Enol Tautomerie Allgemein: Bei der Keto-Enol-Tautomerie handelt es sich um eine spezielle Form der Konstitutionsisomerie, bei der durch Verlagerung einer Doppelbindung und eines Protons Ketone oder Aldehyde (beides Keto-Form) im Zuge einer Gleichgewichtsreaktion in vinylische Alkohole (Enol-Form) reversibel überführt werden. DG = 46 kj/mol Keto-Form (Aceton) Enol-Form (Aceton) Keto-Form (Cyclohexanon) Enol-Form (Cyclohexanon) Merke: Bei einfachen Aldehyden und Ketonen liegt das Gleichgewicht stark auf der Seite der Keto-Form! 17

18 9. Funktionelle Gruppen: Keto-Enol Tautomerie Allgemein: Bei der Keto-Enol-Tautomerie handelt es sich um eine spezielle Form der Konstitutionsisomerie, bei der durch Verlagerung einer Doppelbindung und eines Protons Ketone oder Aldehyde (beides Keto-Form) im Zuge einer Gleichgewichtsreaktion in vinylische Alkohole (Enol-Form) reversibel überführt werden. Keto-Form (Acetoaceton) Enol-Form (Acetoaceton) Keto-Form (Acetessigester) Enol-Form (Acetessigester) Merke: Bei Aldehyden und Ketonen mit einer zusätzlichen Carbonyl- oder Ester-Gruppe in 3-Position zur C=O Doppelbindung liegt das Gleichgewicht eher auf der Seite der Enol-Form! 18

19 9. Funktionelle Gruppen: Addition an die Carbonylgruppe Addition von Wasser: Addition von Alkoholen: Hydrat Halbacetal Acetal Cyclische Halbacetale: Cyclische (Halb)Acetale sind im Bereich der Zuckerchemie von besonderer Bedeutung Qulle: Glucose Cellulose 19

20 9. Funktionelle Gruppen: Addition an die Carbonylgruppe Halbacetale (Säure-katalysierte Synthese): Halbacetale (Basen-katalysierte Synthese): Merke: Die Bildung und der Zerfall von Halbacetalen kann sowohl durch Säuren als auch durch Basen katalysiert werden. J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 20

21 9. Funktionelle Gruppen: Addition an die Carbonylgruppe Halbacetale (Säure-katalysierter Zerfall): Halbacetale (Basen-katalysierter Zerfall): Merke: Die Bildung und der Zerfall von Halbacetalen kann sowohl durch Säuren als auch durch Basen katalysiert werden. J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 21

22 9. Funktionelle Gruppen: Addition an die Carbonylgruppe Säure-katalysierte Synthese und Hydrolyse von Acetalen: Merke: Die Bildung von Acetalen kann nur durch Säuren katalysiert werden, da die OH-Gruppe in ein Nucleofug überführt werden muss. J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 22

23 9. Funktionelle Gruppen: Addition an die Carbonylgruppe Bildung von Iminen: R 2 = H: Aldimin R 2 = C: Ketimin Bildung von Oximen: Halbaminal Imin Bildung von Hydrazonen: Oxim Hydrazon 23

24 9. Funktionelle Gruppen: Reduktion von Carbonylgruppen Allgemeine Reaktion: Chemoselektivität: Welches Orbital ist das HOMO und welches das LUMO? 24

25 9. Funktionelle Gruppen: Die Aldolreaktion Allgemeine Reaktion: Der Additionsschritt (Aldol-Addition) Allgemeine Reaktion: Der Eliminierungsschritt (Aldol-Kondensation) Merke: Bei einer Aldolreaktion wird eine neue C C Bindung geknüpft! 25

26 9. Funktionelle Gruppen: Die Aldolreaktion Exkurs Bedeutung der Aldolreaktion in der Naturstoffchemie: 26

27 9. Funktionelle Gruppen: Die Aldolreaktion Exkurs Bedeutung der Aldolreaktion in der Naturstoffchemie: Mechanismus 1: Bindung von Ergosterin (Burke et al.) Mechanismus 2: Bildung von Ionenkanälen (gängig anerkanntes Modell) K. C. Gray, D. S. Palacios, I. Dailey, M. M. Endo, B. E. Uno, B. C. Wilcock, M. D. Burke, PNAS 2012, 109,

28 9. Funktionelle Gruppen: Carbonsäuren Definition: Carbonsäuren sind organische Verbindungen, die eine oder mehrere Carboxygruppen ( COOH) tragen. Die Salze der Carbonsäuren werden Carboxylate und ihre Kondensate mit Alkoholen Carbonsäureester genannt. Allgemeine Struktur: Spezifische Beispiele: Merke: Das an das O-Atom gebundene Proton ist stark acide Merke: Bei der Benennung von Carbonsäuren wird der Stammname aus dem entsprechenden Alkan/Aromaten und das Suffix -säure/-carbonsäure verwendet. Es sind jedoch viele Trivialnamen gebräuchlich! 28

29 9. Funktionelle Gruppen: Carbonsäuren Allgemeine Eigenschaften: Weitere Eigenschaften: lipophile Gruppe hydrophile Gruppe H-Brückenbindung Merke: kurzkettige Carbonsäuren sind mit Wasser mischbar. Je länger/größer der organische Rest, desto geringer ist die Löslichkeit in Wasser. Merke: Carbonsäuren weisen bezogen auf ihr Molekulargewicht vergleichsweise hohe Siedepunkte auf. Der Grund hierfür sind H- Brücken. Bsp.: Ameisensäure (beliebig mischbar) Essigsäure (beliebig mischbar) Pentancarbonsäure (25g/L) Benzoesäure (2.6g/L) 29

30 9. Funktionelle Gruppen: Reaktivität von Carboxylgruppen Acidität: Merke: je stärker elektronenziehend der Rest R, desto acider die Säure Merke: die negative Ladung ist resonanzstabilisiert Elektrophilie von Carbonsäurederivaten: Cl: I-Effekt dominant (wenig Delokalisierung) RCO 2 : I-Effekt dominant (wenig Delokalisierung) H und R: +I-Effekt (wenig Delokalisierung) OR und NR 2 : +M-Effekt (gute Delokalisierung) O : +M-Effekt dominant (sehr gute Delokalisierung) 30

31 9. Funktionelle Gruppen: Reaktivität von Carboxylgruppen Mechanismus der Substitution am Carboxylkohlenstoffatom: Grignard-Reagenz (starkes Nucleophil) Ester (moderates Elektrophil) Keton (gutes Elektrophil) Welche Hybridisierungen haben Ester, tetraedrisches Intermediat, Keton und Alkohol an dem C-Atom, das nucleophil angegriffen wird/wurde? Merke: Tetraedrische Zwischenstufen sind immer dann instabil, wenn sich am zentralen C-Atom eine Abgangsgruppe befindet, die die negative Ladung besser stabilisieren kann als das tetraedrische Intermediat selbst. Regel: Betrachtet man den pk a -Wert der konjugierten Säure der Abgangsgruppe, dann ist die negative Ladung umso besser stabilisiert, je niedriger der pk a -Wert ist. Bsp.: RO (Alkoxid): konjugierte Säure = ROH (Alkohol); pk a = 15 Cl (Chlorid): konjugierte Säure = HCl; pk a = 8 31

32 9. Funktionelle Gruppen: Reaktivität von Carboxylgruppen Abschätzen der Abgangsgruppenqualität: 32

33 9. Funktionelle Gruppen: Reaktivität von Carboxylgruppen Abschätzen der Qualität des Nucleophils: Merke: Betrachtet man den pk a -Wert der konjugierten Säure des Nucleophils, dann ist die Nucleophilie umso größer, je höher der pk a -Wert ist. neutrales Nucleophil anionisches Nucleophil Rückreaktion ist unwahrscheinlich Rückreaktion ist unwahrscheinlich 33

34 9. Funktionelle Gruppen: Reaktivität von Carboxylgruppen Katalysierte Substitutionen am Carboxylkohlenstoffatom: Brønsted-Säure-katalysiert: gesteigerte Elektrophilie Lewis-Base-katalysiert: gesteigerte Elektrophilie 34

35 9. Funktionelle Gruppen: Carbonsäurechloride Darstellung: Carbonsäure Thionylchlorid Säurechlorid Verwendung: Nomenklatur: 35

36 9. Funktionelle Gruppen: Carbonsäureester Allgemeine Struktur: Nomenklatur: Säure-katalysierte Estersynthese und -hydrolyse: J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 36

37 9. Funktionelle Gruppen: Carbonsäureester Basen-vermittelte Esterhydrolyse (Verseifung): OMe Claisen-Kondensation: Merke: Das zentrale C-Atom des Carboxylatrestes ist nicht ausreichend elektrophil, um die Rückreaktion zu ermöglichen. Daher ist dieser Schritt irreversibel J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 37

38 9. Funktionelle Gruppen: Carbonsäureamide Allgemeine Struktur: Nomenklatur: Merke: Carbonsäureamide sind Derivate des Ammoniaks (NH 3 ) sowie von primären und sekundären Aminen, in denen ein oder mehrere Wasserstoffatome am N-Atom durch Carbonsäurereste ersetzt sind. Synthese von Amiden: J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 38

39 9. Funktionelle Gruppen: Carbonsäureamide Hydrolyse von Amiden: Saure Bedingungen Hydrolyse von Amiden: Basische Bedingungen J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 39

40 9. Funktionelle Gruppen: Carbonsäuren Carbonsäuren in der Natur: Die Aminosäuren Merke: Aminosäuren (AS) sind Carbonsäuren, die in ihrem Kohlenstoffgerüst mindestens eine Aminogruppe (R 2 N) aufweisen. Merke: wichtigste Klasse: α-aminosäuren proteinogene AS: Bausteine von Proteinen in Lebewesen Anzahl proteinogener AS: 22 (20 kanonische (Codon-basiert) + 2 nichtkanonische) Konfiguration: L-konfiguriert 40

41 9. Funktionelle Gruppen: Carbonsäuren Carbonsäuren in der Natur: Die Aminosäuren 41

44 9. Funktionelle Gruppen: Carbonsäuren Aminosäuren können als Zwitterionen vorliegen Nettoladung -Wert Merke: Im sauren Milieu liegen AS als Kationen vor! Zwitterion (in neutralem Medium) Merke: Im basischen Milieu liegen AS als Anionen vor! Beispiel: Merke: ph-wert, bei dem ein Zwitterion vorliegt, wird isoelektrischer Punkt genannt. Die Nettoladung = 0] Quelle: 44

45 9. Funktionelle Gruppen: Carbonsäuren Carbonsäuren in der Natur: Die Fettsäuren Ein Triglycerid: einfach ungesättigter Fettsäurerest mehrfach ungesättigter Fettsäurerest Merke: Fettsäuren (FS) sind aliphatische Monocarbonsäuren mit zumeist unverzweigter Kohlenstoffkette. Kohlenstoffkette ist i.d.r C-Atome lang FS weisen i.d.r. eine gerade Anzahl an C-Atomen auf FS kommen in Membranen FS fungieren als: Energiespeicher Ausgangsstoff für Prostaglandine, Thromboxane, Leukotriene Acetyl-Coenzym A: gesättigter Fettsäurerest Glycerin-Kern (dreiwertiger Alkohol) 45

46 9. Funktionelle Gruppen: Carbonsäuren Carbonsäuren in der Natur: Die Fettsäuren polare/hydrophile Kopfgruppe hydrophober/lipophiler Teil Ein Phosphoglycerid: (hydrophober Teil) Fettsäurerest Fettsäurerest Glycerin-Kern Phosphatrest (polare Kopfgruppe) 46