Chemie für Biologen

WS 2005/6

Arne LützenInstitut für Organische Chemieder Universität Duisburg-Essen

(Teil 13: Chiralität, Naturstoffe)

chiral (griechisch cheir – Hand bzw. Händigkeit)

Chiralität bedeutet Händigkeit

Chirale Objekte sind mit ihrem Spiegelbild nicht deckungsgleich.

Beispiele: Hände, Handschuhe, Schuhe, Füße, Beine, Schrauben, Korkenzieher, Schneckengehäuse, Hirschgeweihe, Spiralnebel, ...

Dieses Phänomen tritt auch bei einigen Konfigurations- oder Stereoisomeren auf.

H3C CH2 CHCl

CH3

2-Chlorbutan

CCH3

H

CH2Cl

H3C CH3C

H

CH2CH3Cl

H3C CH COOHOHMilchsäure

COH

COOH

HH3C

CHO

COOH

HCH3

- stereogenes Zentrum asymmetrisches C-Atom

Bild Spiegelbild

nicht deckungsgleiche Enantiomere

Beispiele für Stereoisomere

Ein 1:1-Gemische der Enantiomere heißt auch racemisches Gemisch oder Racemat.

Enantiomere sind trennbare, stabile Verbindungen. Sie sind nur durch Umgruppierung von Bindungen ineinander überführbar. Sie besitzen die gleiche Konstitution. Sie zeigen gegenüber achiralenReagenzien gleiche chemische Eigenschaften. Auch die meisten physikalischen Eigenschaften sind gleich (z.B. Dichte, Schmelzpunkt, Siedepunkt). Lediglich die Wechselwirkung mit polarisiertem Licht ist anders. Enantiomere besitzen für zirkular polarisiertes Licht unterschiedliche Brechungsindices. Sie drehen die Ebene von linear polarisiertem Licht.Chirale Verbindungen sind optisch aktiv. Racemate sind optisch inaktiv.

PolarimeterMessung der spezifischen Drehung[α]D

Messung mit derD-Linie des Natriums (ca. 589 nm)

Unterscheidung von Enantiomeren

stereogenes C-Atom und Enantiomerenpaar

Kleinste chirale Einheit: C-Atom mit vier verschiedenen Substituenten.

C C

a

b

c

d

a

b

c

d

Spiegel

a ≠ b ≠ c ≠ d

Bild und Spiegelbild sind nicht deckungsgleich. Moleküle mit einem Asymmetriezentrum sind chiral.

Beispiel: 2-Iodbutan, Enantiomerenpaar

Konfiguration:S-(+) R-(−)

Spezifische Drehung:[α]D: +15.9° −15.9°

EtC

Me IH

MeC

EtHI

Bezeichnung der Konfiguration: R,S-System

Die Angabe des Drehsinns (+ oder −) reicht nicht, da zwischen Konfiguration und Drehsinn keine einfache Beziehung besteht. In vielen Fällen ist es wichtig, die Konfiguration zu kennen. Sie muss empirisch bestimmt werden!R,S-Nomenklatur, (Cahn, Ingold, Prelog, 1951ff), Beispiel Milchsäure:

CH3

C

OH H

CO2HCH3

C

OH

HCO2H

C

OH H

CH3HO2CC

OH

HCH3

CO2H

4

3

1

2

2

3

1

4

32

1

R-(_)-Milchsäure R = rectus (rechts)

S-(+)-Milchsäure S = sinister (links)

4

1

2

34

Blickrichtung

Sequenzregeln für Substituenten ~ Ordnungszahl

Die linksdrehende Milchsäure besitzt die R-Konfiguration.Die rechtsdrehende Milchsäure besitzt die S-Konfiguration.

Bezeichnung der Konfiguration: D,L-System

Neben der R,S-Nomenklatur verwendet man bei bestimmten Stoffklassen wie Aminosäuren, Hydroxysäuren und Zuckern die D,L-Nomenklatur (E. Fischer, 1891), Beispiel Milchsäure:

CH3

C

OH H

CO2H

C

OH H

CH3HO2C

CH3

C OHH

CO2H

CH3

OHH

CO2H

CH3

COH H

CO2H

CH3

OH H

CO2H

R-(_)-Milchsäure

S-(+)-Milchsäure

D-(_)-Milchsäure

D = dexter (rechts)

L-(+)-Milchsäure

L = laevus (links)

Fischer-Projektion

Moleküle mit mehreren stereogenen Zentren. Ein Beispiel

CH3

OH

CH3 CH3

* **

1

2

5

C10H20O ein Terpenalkohol

Das Molekül besitzt 3 stereogene Kohlenstoffatome. Damit ergeben sich 23 = 8 Stereoisomere, oder 4 Enantiomerenpaare.Enantiomere besitzen an allen C* entgegengesetzteKonfiguration.Diastereomere, also Stereomere, die keine Enantiomeresind, werden häufig mit Trivialnamen unterschieden.

C-1 C-2 C-5 Name C-1 C-2 C-5 Name R S R (−)-Menthol*) S R S (+)-Menthol S R R (+)-Isomenthol R S S (−)-Isomenthol S S R (+)-Neomenthol R R S (−)-Neomenthol R R R (+)-Neoisomenthol S S S (−)-Neoisomenthol *)Systematischer Name: (1R,2S,5R)-2-Isopropyl-5-methylcyclohexanol

Trennung von Enantiomeren

Bei technischen und Laborsynthesen entstehen zumeist racemische Gemische, da man in einer achiralen Umgebung arbeitet. Est in einer chiralen Umgebung kann es zu einer selektiven Bildung einzelner Enantiomerer kommen, wie z. B. bei den meisten biochemischen Synthesen. Zur Trennung racemischer Gemische kann man vor allem vier Methoden anwenden:

1. Spontane Kristallisation als Konglomerat (Pasteur 1848)

2. Biochemische Spaltung (Pasteur 1858)COOH

C

CH3

HO H

COOH

C

CH3

O

COOH

C

CH3

OHHEnzym Enzym

(S)- (R)-Milchsäure

Milchsäure-dehydrogenase

3. Bildung von Diastereomeren mit optisch aktivem Auxiliar (Pasteur 1858)(R)-P(S)-P + (R)-A (R)-P x (R)-A

(S)-P x (R)-ARacemat

von PEnantiomer des

Auxiliars ADiastereomere

Beispiel: (2R,3R)-Weinsäure Salz Trennung durch Umkristallisieren

CHNH2

Ph CH3

4. Chromatographie mittels chiraler stationärer Phase

Trennung von Enantiomeren

H2NOH

O

O H2N HHO

NH2

O

ONH2HS Rbitter Asparagin süß

N N

OO

OCH 3H

C 6 H 5n-C 4H 9

N N

OO

OHH 3 C

C 6 H 5n-C 4H 9

S R

Krampfanfall Barbitursäure-Derivat narkotisch

N

O

O

NO

O H

H

NO

OH

HN

O

O

S R

extrem teratogen Contergan keine MißbildungenC H 3

H 3 C C H 2

C H 3

H 2 C C H 3

S R

Geruch nach Zitrone Limonen Geruch nach Orange

Konfiguration und physiologische Eigenschaft

Wichtige Naturstoffe - Übersicht

Aminosäuren, Peptide, Proteine Hormone, Enzyme, Synthesebausteine, Energiequelle (Nahrungsmittel) Gewebe, Fasern, Muskeln Medikamente, Antibiotika

Lipide (Fette, Wachse, Öle) Nahrungsmittel, Membranen, Rohstoffe für Detergentien, Kosmetika

Alkaloide, biogene Amine N-haltige Verbindungen, meist pflanzlicher Herkunft, pharmakologisch wirksam, Medikamente, Genussmittel

Terpene Pflanzlicher Herkunft, Duft- und Geschmackstoffe, Kosmetika Lacke, Farbstoffe, Vitamine, Pharmaka

Kohlenhydrate Zucker, Cellulose, Stärke, Glykogen, Energiespeicher Synthesebausteine, Nahrungsmittel

Steroide Hormone, Vitamine, biologische Regulatoren

Nucleoside, Nucleotide, Nucleinsäuren DNA, RNA, Speicher der genetischen Information, Proteinbiosynthese

Pheromone Signalstoffe, Sexual-, Aggregations-, Erkennungspheromone, Alarmstoffe, Repellentien

Porphyrine Farbstoffe, Vitamine

D-Glucose, Traubenzucker

CO

OH

H

H

H OH

H OH

HOH

CH2OH

C

OHH

H OH

H

HOH

CH2OH

OHH

C

OHH

H OH

H

HOH

CH2OH

HOH

O

OH

OHOH

OH

OOH

OHOH

OH

COH

CHOH

CH2OH

O

O

CH2OH

CH2OH

α-D-Glucopyranose 36 %

β-D-Glucopyranose 64 % (stabilste Form)

1

11

1

14

Aldohexosen< 0.01%D-Glucose,eines von 24 = 16Stereoisomeren

Cyclische Halbacetale:Pyranosen

6

6

6

6

6

Gleichgewicht in wässriger Lösung.

Glucose bildet zwei Pyranosen (Sechsringe) als cyclische Halbacetale.Beide sind isolierbar. β-Form = kristalliner Traubenzucker

D-Fructose, Fruchtzucker

O

HH

OH H

CH2OH

OH

O

HH

OH H

CH2OH

OH

C O

H OH

H OH

HOH

CH2OH

CH2OH

OCH2OH

OH

H

H

OH

HO

CH2OH

H

H

OH

H OH

C O

CH2OH

CHOH

CH2OH

HOCH2

HO

1

2

HOCH2

HO

1

2

α-Fructofuranose 9 %

β-Fructofuranose 31 %

1

2

HO

HO

1

2

HO

HO

1

2

α-Fructopyranose 3 %

β-Fructopyranose*)

57 %

(< 1 %)

3

Ketohexosen

D-Fructose,eines von 23 = 8Stereoisomeren

(a)(b)

(b)

(a) +

+

6 6

66

6

*)Nur diese Form ist rein isolierbar,= kristalliner Fruchtzucker

Gleichgewicht in wässriger Lösung.

Fructose bildet vier cyclische Halbketale,mit Fünfringen: Furanosen mit Sechsringen: Pyranosen

CHOOHHOHHOHHOHH

CH2OH

CHOHHOOHHOHHOHH

CH2OH

CHOOHHHHOOHHOHH

CH2OH

CHOHHOHHOOHHOHH

CH2OH

CHOOHHOHHHHOOHH

CH2OH

CHOHHOOHHHHOOHH

CH2OH

CHOOHHHHOHHOOHH

CH2OH

CHOHHOHHOHHOOHH

CH2OH

D-Allose D-Altrose D-Glucose D-Mannose D-Gulose D-Idose D-Galactose D-Talose

CHOOHHOHHOHH

CH2OH

CHOHHOOHHOHH

CH2OH

CHOOHHHHOOHH

CH2OH

CHOHHOHHOOHH

CH2OHD-LyxoseD-XyloseD-ArabinoseD-Ribose

CHOOHHOHH

CH2OH

CHOHHOOHH

CH2OHD-Erythrose D-Threose

CHOOHH

CH2OHD-(+)-Glycerinaldehyd

12 2

1

12

12

3

4

3

4

12

D-Aldosen

Die natürlich vorkommenden Aldosenund Ketosen besitzen die D-Konfiguration.

(+)-Maltose, Malzzucker

(+)-Cellobiose

Disaccharide: Maltose und Cellobiose

α-D-Glucopyranose

2

α-glucosidischeVerknüpfung

O

HH

OH

HO

H

CH2OHH

HOH

OH

O

HH

O

HO

H

CH2OHH

HOH

OH O

HH

OH

HO

H

CH2OHH

H

OH

Maltas e(α-Sp altung)

+ H 2O

β-D-Glucopyranose

O

HOH

H

HO

H

CH2OHH

HOH

OH123

4 5

6

2

β-glucosidischeVerknüpfung

6´

5´4´

3´ 2´ 1´6

54

32

1O

HO

H

HO

H

CH2OHH

HOH

OHH O

OH

H

HO

H

CH2OHH

HOH

Emulsin(β-Spaltung)

+ H2O

O

HH

O

HO

H

CH2OHH

HOH

OHCH2OH

H

O

H

OHOH

H

CH2OHVollketal

6

5

43

2

1α-D-Glucopyranose

O

HH

OH

HO

H

CH2OHH

HOH

OH123

4 5

6

+

β-D-Fructofuranose

Vollacetal

O

O OCH2OH

CH2OH

OHHO

OH

HOCH2OH

HO

6´

5´4´

3´ 2´1´

6

5

43

2

1

+ H2O HO CH2OH

H

O

H

OHOH

H

CH2OH

6

5

43

2

1

6´

5´4´

3´ 2´1´

(+)-Saccharose, Rohrzucker, "Zucker"

(+)-Lactose, Milchzucker

Disaccharide: Lactose und Saccharose

Invertzucker: Gemisch aus Glucose und FructoseHonig: teilweise hydrolysierte Saccharose (= Kunsthonig)

β-galaktosidisch

6

54

32

1O

HO

H

HO

H

CH2OHHO

HH

OHH O

OH

H

HO

H

CH2OHH

HOH

β-D-Galaktopyranose

O

HOH

H

HO

H

CH2OHHO

HH

OH123

4 5

6

β-D-Glucopyranose

O

HOH

H

HO

H

CH2OHH

HOH

OH123

4 5

6

++ H2O

[α]D = +66.5° Endwert in Wasser: [α]D = −92°

Invertase

Cellulose, ein Polysaccharid

Die Glucose-Moleküle sind β-glucosidisch verknüpft. Cellulose wird also aus der stabilsten Form der Glucose aufgebaut.

Cellulose ist der mengenmäßig wichtigste Naturstoff.

123

4O

HO

H

HO

H

CH2OHH

OH

OHH O

O

H

HO

H

CH2OHH

HOH O

HO

H

HO

H

CH2OHH

H

OH

12

3

4

β-glucosidisch

Chitin, ein Polysaccharid

Die Glucosamin-Moleküle sind β-glucosidisch verknüpft. Es bildet sich ein 2-Acetamido-2-desoxy-D-glycan, oder kurz (β-1,4-GlcNAc)n .

H

OOHO

AcNH

CH2OH

O O

HOAcNH

CH2OH

OO

HOAcNH

CH2OH

O1

4

β

14

β14

β

H

H

H

HH H

HH

H H

H

H

HH

Amylose (20% der Stärke)

linkshändige Helix-Struktur

O

HH

O

HO

H

CH2OHH

OH

OH O

HH

O

HO

H

CH2OHH

H

OH

O

HH

O

HO

H

CH2OHH

OH

OH Amylopektin (80% der Stärke)

n

Stärke, ein Polysaccharid

1

4

42 1

O

HH

O

HO

H

CH2OHH

HOH

OH O

HH

O

HO

H

CH2OHH

H

OH O

HH

OH

HO

H

CH2OHH

H

OH

1

3

4 5

6α-glucosidisch

Glykogen: "Reservekohlenhydrat" des tierischen Organismus besitzt eine ähnliche Struktur

Zucker und Basen der Nucleinsäuren

Pyrimidin-Derivate Purin-Derivate

Uracil (U)nur RNA

Guanin (G)DNARNA

Adenin (A)DNARNA

Thymin (T)nur DNA

Cytosin (C)DNARNA

HN

NH

O

O N

NH

N

NO

NH2HHN

N

N

NNH2

HN

NH

O

O

H3C

HN

N

NH2

O

Adenin: Spontane Bildung aus Cyanwasserstoff in der "Ursuppe": 5 × HCN → C5H5N5

β-D-Ribofuranose in RNA

2-Desoxy-β-D-ribofuranose in DNA

O

OH

HH

OH

HH

HOCH2 OHO

H

HH

OH

HH

HOCH2 OH

1

2

1

2

CH=OH OHH OHH OH

CH2OH

CH=OCH2

H OHH OH

CH2OH

1

2

D-RiboseC5H10O5

1

2-Desoxy-D-riboseC5H10O4

Nucleotide der Desoxyribonucleinsäure (DNA)

O

OH

HOPOCH2

O

OHN

N

N

N

NH2

2-Desoxyadenylsäure

O

OH

HOPOCH2

O

OHN

N

N

N

O

NH2

H

2-Desoxyguanidylsäure

O

OH

HOPOCH2

O

OHN

N

O

O

H3C H

2-Desoxythymidylsäure

O

OH

HOPOCH2

O

OHN

N

NH2

O

2-Desoxycytidylsäure

Ausschnitt aus einer DNA-Kette

O

H

HH

O

HH

H2C

OP O-O

Base

BaseO

H

HH

O

HH

H2C

OP O-O

O

H

HH

O

HH

H2C

OP O-O

Base

A T

C

G

G

C

A

T

Basenpaarung: Zwei komplementäre Stränge werden durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammen gehalten. ⇒ Doppelhelix

Bei der Zellteilung wird zu jedem Einzelstrang der komplementäre neu synthetisiert, so dass jede Tochterzelle wieder die gleiche Doppelhelix wie die Mutterzelle besitzt.

Komplementäre Basenpaare der DNA

A G C T A C G A T C

T C G A T G C T A G

NNN

N N

Zucker

H

Zucker NNN

N O

N

NN

O

NH

H

H

NN

O

CH3O

H

H

H

H

Zucker

Zucker

Adenin-Thymin

Guanin-Cytosin

A T

G C

DNA-Modell nach Watson und Crick

Nobelpreis 1962 für Medizin oder Physiologie.

Genetischer Code

Triplett-Codonsfür die 20 wichtigsten proteinogenenL-Aminosäuren

UGA kann auch die seltene Aminosäure L-Selenocysteincodieren.

UAG kann auch die seltene Aminosäure L-Pyrrolysincodieren

Jeweils drei Nucleotide (Tripletts) codieren eine Aminosäure,z. B. AUG ⇒ Met = Methionin. (Der Code ist entartet.)

Erste Base Zweite Base Dritte Base . U C A G . U Phe Ser Tyr Cys U Phe Ser Tyr Cys C Leu Ser "Stop" "Stop" A Leu Ser "Stop" Trp G

C Leu Pro His Arg U Leu Pro His Arg C Leu Pro Gln Arg A Leu Pro Gln Arg G

A Ile Thr Asn Ser U Ile Thr Asn Ser C Ile Thr Lys Arg A Met (Start) Thr Lys Arg G

G Val Ala Asp Gly U Val Ala Asp Gly C Val Ala Glu Gly A Val Ala Glu Gly G

Aminosäuren

α-AminosäurenBausteine von Peptiden und Proteinen

γ-Aminobuttersäure (GABA)Neurotransmitter, Mangel führt zu epileptischen Anfällen

3-Aminopropansäure,β-Alanin, eine β-AminosäureBaustein von Coenzym A

R CHNH2

CO

OH

α

CH2 CH2 CO

OH

αβ

NH2

CH2 CH2 CO

OHCH2

NH2

αβγ

Aminosäuren sind difunktionelle Verbindungen.Sie besitzen eine basische und eine saure funktionelle Gruppe.

R CHNH2

CO

OHR CH

NH3

CO

O

unpolare Form:Gasphase

zwitterionische (normale) Form:in polarem Lösungsmittel

Titrationskurve von Glycin

Isoelektrischer Punkt: pH-Wert, bei dem die Aminosäure im elektrischen Feld nicht wandert. pI = ½ (pK1 + pK2)

α-Aminosäuren, Beispiele

IsomereDipeptide

Schema der Peptide-Synthese

Die Synthese kann so gesteuert werden, dass nur eines der beiden Isomereentsteht.

NH2

R1

OH

O

NH

R2

OH

O

HNH2

R1

O

NH

R2

O

OH+ - H2O

Schützen (1)

Aktivieren (2)

Schützen (3)

Säure- Amin-Komponente

(4)

Schützen = Desaktivieren

CH2NH2

CO

OH+ H2N CH C

CH3 O

OH

AlaninGlycin

- H2OH3C CH C

NH2

ONH CH2 C

OOH

H-Ala-Gly-OH

CH2NH2

CO

NH CH CCH3 O

OH

H-Gly-Ala-OH

Amid- bzw. Peptid-Bindung

Aminosäuresequenz (Primärstruktur) – Beispiel Humaninsulin

Insulin ist ein Hormon der Bauchspeicheldrüse und wirkt blutzuckersenkend.

Es besteht aus zwei Peptidketten, der A-Kette aus 21 und der B-Kette aus 30 Aminosäuren, die durch Disulfidbrücken verknüpft sind.

Struktur von Proteinen

Wasserstoffbrücken-Bindungen sind als .... markiert.

Faltblattstruktur zweier Polypeptidketten

Wasserstoffbrücken-Bindungen sindals ....... markiert.

Rechtsgängige α-Helix mit denAtomen, die das Rückrat der Peptidkettebilden

α-Helix einer Polypeptidkette

Alkaloide

Schlaf-Mohn,Papaver somniferum

O

HN

HO

HOCH3

(−)-Morphin,Morphium

Die Bezeichnung "Alkaloide" wurde 1819 von dem Apotheker C. F. W. Meissner für "alkaliähnliche Pflanzenstoffe" geprägt.Morphin (isoliert 1804 bzw. 1816, Sertürner), Strychnin(1818), Coffein (1820), Chinin (1820), Nicotin (1828), Atropin (1831), Codein (1832), Theobromin (1842), Cocain(1862). Präparate aus Opium sind alte und auch heute noch wirkungs-volle Heilmittel. Sie wirken schmerzstillend, beruhigend und einschläfernd.Morphium setzt man bei starken Schmerzen ein. Suchtgefahr.

F.W.A. Sertürner, Apotheker, isolierte das 1. Alkaloid

Alkaloide

Alkaloide - Definitionen

„alkalisch reagierende Pflanzenstoffe“(W. Meissner, 1819)

„stickstoffhaltige, nicht-saure organische Verbindungen“ (C. J. Löwig, 1839)

„stickstoffhaltige organische Verbindungen natürlichen Ursprungs mit mehr oder weniger ausgeprägtem basischen Charakter“(M. Hesse, 2000)

Heute sind über 10.000 verschiedene Alkaloide bekannt, die aus pflanzlichen und tierischen Organismen, Pilzen sowie aus Drogenmixturen von Naturvölkern isoliert wurden. Bis heute gibt es wegen der großen Strukturvielfalt kein einheitliches allgemeines Einteilungsprinzip.

- Schutz vor anderen Fraßfeinden

Natürliche Funktionen von Alkaloiden

Alkaloide werden von den Lebewesen, die sie produzieren, vor allem für folgende Zwecke synthetisiert:

- UV-Schutz

- Siderophore (eisenbindende Stoffe)

- Fungizide

- Herbizide

- Insektizide

- Angriffsgifte

- Pheromone (z. B. Lockstoffe)

Alkaloide, Beispiele

Alkaloid Vorkommen Wirkung, Verwendung

Atropin Tollkirsche Augenheilkunde, Asthma

Chinin Chinarinde Chemotherapie von Malaria, Bitterstoff in Getränken

Cocain Coca-Strauch Lokalanästhesie, Rauschgift

Codein Mohn Schmerz-, Hustenmittel

LSD (Mutterkorn) Halluzinogen, Rauschgift

Morphin Mohn Schmerzmittel, Rauschgift

Nicotin Tabak Blutdrucksteigerung, Lähmung (lethale Dosis: 50 mg)

Reserpin Rauwolfia Beruhigungsmittel

Strychnin Brechnuss Rattengift

Ausgewählte Alkaloide

N CH3

H

H

(S )-Form Coniin

N

N

O

R1

R1

H

H

H

H

O

R2

R1 = R2 = H : StrychninR1= OCH3 , R

2 = H : Brucin= H , R2 = OH : PseudostrychninR1

H3C CH2 CO C CH2 C CH3

C6H5

C6H5 N(CH3)2

H

R ( )-(R)-Form : Levomethadon Racemat : Methadon_

N

O C C6H5

O

COOCH3H3C1 2

3

Cocain

N

N

CH3C

O

RH

H

7 6

5 4

3

21

1011

8

9

R = OH R = N(C2H5)2 : Lysergsäure-diethylamid

: Lysergsäure

(LSD)

Heroinsubstitut

N

N N

N

CH3O

H3C

O

CH3

Coffein