Stoffklassen in der organischen Chemie. Carbonylverbindungen: Aldehyde, Ketone

Transkript

1 Stoffklassen in der organischen hemie arbonylverbindungen: Aldehyde, Ketone 1

2 Aldehyde und Ketone funktionelle Gruppe der Aldehyde und Ketone: arbonylgruppe >= dadurch prinzipielle Übereinstimmung im Reaktionsverhalten 3 2 Formaldehyd Acetaldehyd Acrolein Benzaldehyd Methanal Ethanal Propenal Aceton Acetophenon Propanon 1-Phenylethanon oder Methylphenylketon 2

3 omologe Reihe der Aldehyde und Ketone systematische Bezeichnung geht von der längsten Kohlenstoffkette aus: Aldehyde: Suffix al, Ketone: Suffix on oder Angabe der Kohlenwasserstoffe (ohne >=-Gruppe) nach steigender Größe mit dem Abschluss Keton und Verwendung der α, β - bzw. α, β -Zählung der -Atome Trivialnamen Beispiel: Butan-2-on oder Methylethylketon α, β -Dichlordiethylketon l l

4 arbonylgruppe bestimmt in entscheidendem Maß die Reaktionen der Aldehyde und Ketone! Polarisierung der arbonylgruppe schafft ein elektrophiles und ein nukleophiles Zentrum Benzaldehyd Die arbonylgruppe elektrophiler Angriff nucleophiler Angriff arbonylaktivität Folge der Polarität der arbonylgruppe, beschreibt die Reaktivität der Verbindung 4

5 Addition von Wasser Addition von Wasser liefert geminale Diole, die nicht beständig sind l l 3 Ausnahme bei stark elektronenziehenden Substituenten! 5

6 Acetale Umsetzung von Aldehyden und Ketonen mit Alkoholen führt zu albacetalen/albketalen und Acetalen/Ketalen Polarisierung 2 3 albacetal

7 Erhöhung der arbonylaktivität Reaktionen werden meistens durch Säure katalysiert! Ketone haben eine geringere arbonylaktivität als Aldehyde. + 7

8 Acetale II albacetal Acetal 8

9 Struktur der albacetale und Acetale ähnelt der von Ethern ABER: albacetale und Acetale werden im Vergleich zu Etherbindungen durch Wasser/Säure leicht wieder in Aldehyd und Alkohol zerlegt (Rückreaktion) Acetale und Ether 2 3 albacetal, protoniert Diethylether 9 2 3

10 Azomethine Aldehyde und Ketone reagieren mit Aminen nach einem Additions- Eliminierungs-Mechanismus Azomethin (Schiffsche Base) 10

11 Enamine sek. Amin Enamin 11

12 -Acidität Aldehyde und Ketone mit Wasserstoff am a--atom sind schwache Säuren = -acide Verbindungen = -ucleophile a 2 a Acetaldehyd

13 Aldolreaktion Aldol rotonaldehyd 13

14 ukleophile Reagenzien Wenn das nukleophile Zentrum des ukleophils ein -Atom ist, spricht man von -ukleophilen. Wenn das nukleophile Zentrum des ukleophils ein -Atom ist, spricht man von -ukleophilen. Wenn das nukleophile Zentrum des ukleophils ein S-Atom ist, spricht man von S-ukleophilen. Wenn das nukleophile Zentrum des ukleophils ein -Atom ist, spricht man von -ukleophilen. 14

15 Allgemeiner Mechanismus Es erfolgt ein nukleophiler Angriff von X. Dieses Atom greift mit seinem freien Elektronenpaar am partiell positivierten -Atom an. Es erfolgt eine Addition. Manchmal folgt dann noch eine Eliminierung von Wasser. Aldehyde und Ketone reagieren nach diesem Mechanismus. Aldehyde sind reaktiver (höhere arbonylaktivität). R 1 + R 2 X R 1 X R 2 R 1 R 2 + R 3 X R1 X R 3 R 2 15

16 Stoffklassen in der organischen hemie arbonylverbindungen: arbonsäuren und arbonsäurederivate 16

17 arbonsäuren arbonsäuren: weit in der atur verbreitet funktionelle Gruppe: arboxylgruppe R R R + R + arbonsäuren: wesentlich stärkere Säuren als die Phenole Rest R: aliphatisch, aromatisch oder heterocyclisch Anzahl der arboxylgruppen kann unterschiedlich sein: Mono-, Di- und Tricarbonsäuren 17

18 arbonsäuren 3 Ameisensäure Formiat Essigsäure Acetat Benzoesäure Benzoat 3 icotinsäure icotinat Milchsäure Lactat 18

19 arbonsäuren 2 3 Brenztraubensäure Pyruvat xalsäure xalat 2 2 Bernsteinsäure Succinat Malonsäure Malonat 2 Maleinsäure Maleinat 2 Äpfelsäure Malat 2 itronensäure itrat 19

20 arbonsäuren 2 3 Brenztraubensäure Pyruvat xalsäure xalat 2 2 Bernsteinsäure Succinat Malonsäure Malonat 2 Maleinsäure Maleinat 2 Äpfelsäure Malat 2 itronensäure itrat 20

21 arbonsäuren Bei höheren Temperaturen ist Abspaltung von Kohlenstoffdioxid möglich. Aus Aminosäuren entstehen so biogene Amine. 2 Decarboxylase Serin 2-Aminoethanol 21

22 arbonsäuren Reaktionen am arboxyl-kohlenstoff werden in der Regel durch Protonierung des Sauerstoffs dieser Gruppierung eingeleitet. Der Ersatz der -Gruppe durch eine andere nukleophile Gruppe führt zu den arbonsäurederivaten. u - u - 2 u 22

23 Derivate der arbonsäuren S l Essigsäure Essigsäureamid Essigsäureester Essigsäurethioester Essigsäureanhydrid Essigsäurechlorid Bereitschaft zur nukleophilen Substitution der blau markierten Gruppen nimmt vom Säureamid zum Säurechlorid drastisch zu Ursache: induktive und mesomere Effekte der Austrittsgruppen im Verbund mit der arbonylgruppe 23

24 arbonsäureamide arbonsäureanhydride und Amine reagieren zu Säureamiden 3 3 nucleophiler Angriff Methylamin Acetanhydrid Acetmethylamid 24

25 Basizität der arbonsäureamide Angriff eines Protons? Mesomerie keine Basizität 3 3 Die Basizität des -Atoms der Amidgruppe ist stark erniedrigt. 25

26 arbonsäureamide yclische Säureamide und die Lactam Lactim - Tautomerie 2 a a a a 2 2 -Lactam -Lactam -Lactam Lactamform Lactimform Peniccillin inhibits Staphylococcus aureus 26

27 Amide der Kohlensäure Kohlensäure 2 arbaminsäure in freier Form nicht bekannt (nur als Salze oder Ester) 2 2 arnstoff wichtigstes -haltiges Stoffwechselprodukt der Säugetiere erstmals von Rouelle 1773 aus menschlichem arn synthetisiert 27

28 arnstoff - ein Diamid der Kohlensäure 2 2 bildet mit einigen Säuren Salze xalat- und itratverbindung sind in Wasser schwerlöslich durch Säuren und Basen wird arnstoff hydrolysiert in Gegenwart von Urease erfolgt diese Reaktion unter physiologischen Bedingungen

29 Guanidin (Iminoharnstoff) 2 2 Viele aturstoffe sind Guanidinderivate. Beispiele: Arginin, Kreatin und Kreatinin Arginin und Argininosuccinat spielen im arnstoffzyklus eine Rolle. 29

30 Kreatin und Kreatinin Kreatin versorgt Muskeln mit Energie; 1832 von hevreul als Bestandteil der Fleischbrühe entdeckt, 1847 entdeckte es Liebig als Komponente in Fleisch (in Wurst aber nicht mehr verfügbar) Biosynthese aus L-Arginin und Glycin; Im lebenden Muskel liegen 50-80% als Kreatinphosphat vor; wenn ATP nicht nachgeliefert wird (post mortem) sinkt die Konz. Innerhalb weniger Stunden mit L-Arginin-Glycin- Amidino-transferase Guanidinoessigsäure mit S-Adenosylmethionin KREATI unter Wasseraustritt KREATII 30

31 arbonsäureester (arbon)säuren und Alkohole reagieren zu Ester R + + R - + +R 2 -R 2 R R 2 R R R R R R 2 31

32 arbonsäureester yclische Ester - Lactone ydroxybuttersäure -Butyrolacton 32

33 Ester anorganischer Säuren Phosphorsäure Mono-Ester Di-Ester Tri-Ester R P R P R R P R R Schwefelsäure Mono-Ester Di-Ester R S R S R 33

34 Ester anorganischer Säuren Phosphorsäure Phosphoenolpyruvat, oenzyme AD + und ADP, alle ukleotide, DA und RA, Phospholipide Schwefelsäure spielen bei der Metabolisierung von Arzneistoffen eine große Rolle, die Wasserlöslichkeit wird durch die Bildung der Monoester, die als Anion vorliegen, verbessert Übertragung der Sulfatgruppe durch PAPS (3 - Phosphoadenosin-5 -phosphosulfat) 34

35 P 2-2 Enolase Phosphoenolpyruvat oder Phosphoenolbrenztaubensäure P 2 + ADP - ATP Pyruvatkinase 3 35

36 AD + und ADP + 36

37 2 S P PAPS als Sulfatgruppenüberträger R S + P P + R -+ 2 P 37

38 arbonsäurethioester entstehen formal aus Thioalkoholen und arbonsäuren sind auf Grund des relativ großen Schwefelatoms reaktiver als die arbonsäureester 3 SR 3 S oa allgemeine Strukturformel konkretes Beispiel: Acetyl-oenzym A 38

39 arbonsäurethioester oenzym A kann mit Essigsäure oder anderen arbonsäuren die energiereiche Thioesterbindung eingehen. Der Acetyl- bzw. Acylrest kann dann an andere Gruppen übertragen werden, wenn diese nukleophil am arbonyl-- Atom angreifen. Beispiel: Acetylierung von holin zum Acetylcholin (eurotransmitter) nucleophiler Angriff + 3 S oa 3 S 3 + oa

40 Säureanhydride Säureanhydride - aktivierte Zwischenprodukte der Biosynthese P + P P P Phosphorsäureanhydrid + P 3 P + 2 gemischtes Anhydrid Acetanhydrid

41 arbonsäurehalogenide arbonsäurehalogenide sind sehr reaktiv Umsetzung mit folgenden ukleophilen: Wasser, Alkohol, Ammoniak, Aminen, Salze von arbonsäuren 3 al 41

42 Phosgen ein Di-hlorid der Kohlensäure l l l Phosgen 1812 von John Davy (jüngerer Bruder von Sir umphry Davy entdeckt. Der ame Phosgen (griech.: durch Licht erzeugt) hängt mit der lichtinduzierten Addition Von lor an Kohlenstoffmonoxid zusammen. Einsatz als chemischer Kampfstoff im 1. WK (Grünkreuz) mehr als Gastote. 42

43 Acetyl-oenzymA Repräsentant der arbonsäurederivate Strukturelement: Amid Strukturelement: Thioester 2 2 S Strukturelement: Anhydrid P P Strukturelement: Amid Strukturelement: Ester 43

44 Bausteine des Acetyl-oA ysteamin 2 2 S S 2 3 P P 44

45 Bausteine des Acetyl-oA 2 2 S 3 2 beta-alanin P P 45

46 Bausteine des Acetyl-oA S P P Pantoinsäure Pantoinsäure + β-alanin = Panthotensäure 46

47 Bausteine des Acetyl-oA 2 2 S Phosphorsäureanhydrid P P P P 47

48 Bausteine des Acetyl-oA 2 2 S P P Ribose 48

49 Bausteine des Acetyl-oA S P P Adenin 49

50 Bausteine des Acetyl-oA ysteamin 2 2 S 3 Adenin beta-alanin 3 Phosphorsäureanhydrid 3 2 P P Pantoinsäure Ribose 50

51 Exkurs: Knoevenagel-Kondensation arbonsäureester mit Wasserstoff am a--atom reagieren als schwache Säuren und gehören ebenfalls zu den -aciden Verbindungen Piperidin Malonsäurediethylester 51

52 Exkurs: Knoevenagel-Kondensation Benzaldehyd nucleophiler Angriff Knoevenagel-Produkt 52

53 Exkurs: Decarboxylierung Tautomerie Zimtsäure 53

54 Exkurs: laisen-esterkondensation a 3 2 a a a 2 3 Essigsäureester nucleophiler Angriff a a a 2 Acetessigester