Dr. Franziska Thomas (fthomas@gwdg.de) Georg-August-Universität Göttingen SoSe 2018 Veranstaltungsnummer: 15 133 30200 Organische Experimentalchemie Für Studierende der Humanmedizin, Zahnmedizin und Biologie (Lehramt) Marburg, 25. Mai 2018
Übung Woche 6: S N 1-, S N 2-, E1 und E2 Reaktionen 1. Kennzeichnen Sie bei den folgenden Reaktionspartnern Elektrophil und Nucleophil. Zeigen Die den Elektronenfluss in einer potenziellen Reaktion mit einem Pfeil an und schlagen Sie ein Reaktionsprodukt vor. 2
Übung Woche 6: S N 1-, S N 2-, E1 und E2 Reaktionen 2. Entscheiden Sie, ob die folgenden Bromalkane in einer nucleophilen Substitution eher einem S N 1- oder einem S N 2-Mechanismus folgen. Begründen Sie Ihre Entscheidung. 3
Übung Woche 6: S N 1-, S N 2-, E1 und E2 Reaktionen 3. Geben Sie die Produkte der folgenden Reaktionen an. Beachten Sie dabei die Stereochemie. Nach welchem Mechanismus verlaufen die Reaktionen? S N 2 S N 1 S N 1 S N 2 4
Übung Woche 6: S N 1-, S N 2-, E1 und E2 Reaktionen 3. Entscheiden Sie, ob die folgenden Reaktionen nach dem S N 1-, dem S N 2-, dem E1 oder dem E2-Mechanismus verlaufen und geben Sie entsprechende Reaktionsprodukte an. (Reagenzien und Lösungsmittel stehen über dem Reaktionspfeil.) E2 S N 1 S N 1 S N 2 E2 5
Fazit der Woche 6: S N 1-, S N 2-, E1 und E2 Reaktionen Erkennen von Nucleo- und Elektrophilen: Strukturelle Faktoren der S N 1/2- und E1/2-Reaktionen: Reaktionsprofile der S N 1- und S N 2-Reaktion: Strukturelle und physikalische Charakteristika von Alkoholen: Wasserstoff- Brücken (ca. 20 kj/mol) 1 Alkohol 2 Alkohol 3 Alkohol Dipolmoment J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg (ca. 1.65-1.77 D) 6
9. Funktionelle Gruppen: Alkohole Strukturelle Merkmale: Aromaten mit OH-Gruppen: Merke: Hydroxylierte (d.h. OH-Gruppen tragende) Aromaten unterscheiden sich in ihrer Reaktivität oft von aliphatischen Alkoholen (z.b. in der Acidität) Acidität von Alkoholen: Säure: pk s : pk b : H 2 O 15.7 15.8 MeOH 15,5 16.2 i PrOH 16.5 17.2 t BuOH 17.0 17.8 PhOH (Phenol) 9.95 20.7 Alkohole sind schwache Basen Alkohole sind schwache Säuren Quelle für pk b -Werte: http://www.periodensystem-online.de/index.php?sel=wert&prop=pkb-werte&show=list&el=92&id=acid 7
9. Funktionelle Gruppen: Alkohole Synthese Hydratisierung: wie nennt man die Rückreaktion? (Reaktionsverlauf nach links) welche Maßnahmen können Sie ergreifen, um das Reaktionsgleichgewicht nach rechts zu verschieben? Hydrolyse: Reduktion von Carbonylverbindungen: nach welchem Mechanismus läuft dieser Prozess ab? welches Reagenz fungiert als Nucleophil / Elektrophil? 8
9. Funktionelle Gruppen: Alkohole Oxidationen Allgemein: + H 2 O Die jeweiligen Suffixe der einzelnen funktionellen Gruppen sind farblich markiert Merke: 1 = primär; 2 = sekundär; 3 = tertiär; [O] = Oxidationsreaktion Beispiel: Vom Alkohol zum Aldehyd/Keton Dichromatanion H 2 O H + Merke: Im Zuge eines Oxidationsschrittes werden 2 Elektronen (2 e ) und zwei Protonen (2 H + ) aus dem Edukt entfernt! J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 9
9. Funktionelle Gruppen: Alkohole Oxidationen Allgemein: + H 2 O Die jeweiligen Suffixe der einzelnen funktionellen Gruppen sind farblich markiert Merke: 1 = primär; 2 = sekundär; 3 = tertiär; [O] = Oxidationsreaktion Beispiel: Vom Alkohol zur Carbonsäure H 2 O 3 Alkohole sind über derartige Prozesse nicht oxidierbar J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 10
9. Funktionelle Gruppen: Alkohole Oxidationen Allgemein: + H 2 O Die jeweiligen Suffixe der einzelnen funktionellen Gruppen sind farblich markiert Merke: 1 = primär; 2 = sekundär; 3 = tertiär; [O] = Oxidationsreaktion Abbau von Methanol und Ethanol im Körper: ADH = Alkoholdehydrogenase NAD = Nicotinamidadenindinukleotid J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 11
9. Funktionelle Gruppen: Ether Definition: Ether sind organische chemische Verbindungen, die ein oder mehrere Sauerstoffatome besitzen, die ihrerseits an aliphatischen und/oder aromatischen Resten 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 H 2n+2 O). Beispiele: J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 12
9. Funktionelle Gruppen: Ether Physikalische Eigenschaften: Ether Struktur Smp. C Sdp. C Löslichkeit (in einem Liter H 2 O) Dipolmoment Dimethylether H 3 C O CH 3 138,5 23,0 70 g 1,30 D Diethylether H 5 C 2 O C 2 H 5 116,3 34,4 69 g 1,14 D Di-n-propylether H 7 C 3 O C 3 H 7 123,2 90,1 4,9 g 1,32 D Ether sind schwache Basen Strukturelle Eigenschaften: Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/ether 13
9. Funktionelle Gruppen: Ether Reaktionen Autoxidation: Saure Etherspaltung: a) b) Nach welchen Mechanismen verlaufen diese Reaktionen und warum wird das jeweils dargestellte Halogenalkan bevorzugt gebildet? 14
9. Funktionelle Gruppen: Ether Synthesen Williamson-Ethersynthese: a) Methode ist gut geeignet für die Darstellung unsymmetrischer Ether b) Name? Saure Alkoholkondensation: Methode ist geeignet für die Darstellung symmetrischer Ether 15
9. Funktionelle Gruppen: Ether Synthesen Säure-katalysierte Addition von Alkoholen an Alkene: Methode ist gut geeignet für die Darstellung unsymmetrischer Ether 16
9. Funktionelle Gruppen: Thiole und Thioether Definition: Thiole sind organisch-chemische Verbindungen, die ein oder mehrere Thiolgruppen (auch Mercaptogruppen) enthalten. Hierbei liegt ein Schwefelatom jeweils einfach zu einem C- und einem H-Atom gebunden vor. Vertreter dieser Verbindungsklasse, die sich von aliphatischen, acyclischen Alkylresten ableiten (sog. Alkanthiole), besitzen die allgemeine Summenformel (C n H 2n+2 S). Allgemeine Strukturen: Spezielle Beispiele: Acidität: Thiole sind acider als die homologen Alkanole und Phenole 17
9. Funktionelle Gruppen: Thiole und Thioether Bildung von Disulfiden durch Oxidation: Disulfide in der Natur: [O] = Oxidationsreaktion mögliche Oxidationsmittel: NaBrO 3 (Natriumbromat) Br 2 (Brom) t BuOOH/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) https://de.wikipedia.org/wiki/disulfidbrücke; b) De Waard et al., Toxins 2015, 7, 1079-1101 18
9. Funktionelle Gruppen: Thiole und Thioether Oxidation von Sulfiden: Merke: Wenn R R ist, dann handelt es sich beim gezeigten Sulfoxid um eine chirale (also optisch aktive) Substanz Sulfoniumsalze: Beispiel aus der Natur: Die Methylgruppe fungiert als Elektrophil 19
9. Funktionelle Gruppen: Amine Definition: Bei den Aminen handelt es sich um organische Derivate (Abkömmlinge) des Ammoniaks (NH 3 ). Hierbei 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: Beispiele: 20
9. Funktionelle Gruppen: Amine Acidität: Merke: Je acider ein Ammoniumsalz, desto weniger basisch ist seine konjugierte Base. protonierte Ammoniumsalze sind die konjugierten Säuren der jeweiligen Amine Konfigurationsstabilität: Merke: Tertiäre Amine mit drei unterschiedlichen Resten sind chiral (optisch aktiv) aber nicht konfigurationsstabil. Merke: Quarternisierte Ammoniumsalze mit vier unterschiedlichen Resten sind chiral und konfigurationsstabil. 21
9. Funktionelle Gruppen: Amine Amine in der Natur: Morphin (Alkaloid) 22
9. Funktionelle Gruppen: Amine Stickstoffhaltige Heteroaromaten: Pyrrol Pyrazol Imidazol Indol Pyridin Pyridazin Pyrimidin Chinolin 23
9. Funktionelle Gruppen: Amine Amine als Nucleophile: Merke: Die Nucleophilie von Aminen steigt mit der Anzahl an Alkylresten R 24
9. Funktionelle Gruppen: Amine Selektive Aminierungsverfahren: Die Gabrielsynthese 25
9. Funktionelle Gruppen: Amine Selektive Aminierungsverfahren: Die reduktive Aminierung Ammoniak = Nucleophil Cyanoborhydrid = Nucleophil Formaldehyd = Elektrophil Cyanoborhydrid = Nucleophil Elektrophil J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 26
9. Funktionelle Gruppen: Amine Selektive Aminierungsverfahren: Die reduktive Aminierung moderates Nucleophil moderates Elektrophil starkes Elektrophil starkes Elektrophil starkes Elektrophil J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 27