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Quelle: gerlicher.de

In dieser Datei soll der Mechanismus der Biosynthese wichtiger Bausteine von Ölen und festen Fetten näher betrachtet werden, nämlich die Biosynthese der Fettsäuren.

Claisen-Kondensation

Quelle: gerlicher.de

Achtung – zur Erinnerung! Fettsäuren sind nicht identisch mit Fetten! Sie gehören lediglich zu deren Bausteinen!

In einem Fett (= Triacylglycerid) sind drei Fettsäuren unter Abspaltung jeweils eines Wassermoleküls mit dem dreiwertigen Alkohol Glycerin (= 1,2,3-Propantriol) verestert.

Näheres dazu siehe PP-Datei Nr. 6 (Triacylglyceride).


(Z)-9,10-Octadecensäure(= Ölsäure)

Octadecansäure(= Stearinsäure)

Typische Vertreter von Fettsäuren sind die Ölsäure (oben), die als ungesättigte Fettsäure eine häufige Komponente in Ölen ist, sowie die Stearinsäure (unten) als Beispiel für eine gesättigte Fettsäure mit ebenfalls 18 C-Atomen, aber ohne eine C=C-Doppelbindung.

Langgestreckte Kohlenstoffketten ohne den durch die Z-konfigurierte C=C-Doppelbindung verursachten „Knick“ in der Kette können sich in benachbarten Fettmolekülen besser aneinander lagern, was zu höheren van-der-Waals-Kräften führt, also zu stärkeren zwischenmolekularen Wechselwirkungen und entsprechend höheren Schmelzpunkten der Fette.

O

O H

Die bei weitem überwiegende Mehrzahl der natürlich vorkommenden Fettsäuren ist aus C 2 – Bausteinen zusammengesetzt.

Dies beruht auf ihrer Biosynthese aus einem biochemisch wichtigen Thioester der Essigsäure, dem Acetyl-Coenzym A.

Der C 2 – Baustein stammt aus dem Essigsäurerest dieses Thioesters (siehe Abbildung oben).


Acetyl-Coenzym A

O

O H

In dieser Datei namens „Claisen-Kondensation“ wird der Weg der Verknüpfung jener C-2-Bausteine demonstriert.


Acetyl-Coenzym A


Betrachten wir zunächst einen Ester, der häufig als Lösungsmittel eingesetzt wird (z.B. im „UHU“-Kleber), nämlich den Essigsäureethylester.

Wichtig für die Durchführung einer Claisen-Kondensation ist, daß der Ester mindestens ein H-Atom am C-Atom Nr. 2 trägt.

Dieses sog. -ständige C-Atom eines Esters ist nämlich der einzige (!!) Kandidat für eine Deprotonierung mit einer geeigneten Base.

(= )


Wir haben allerdings ein massives Problem, wenn wir Hydroxid-Ionen (also z.B. Natronlauge = wässrige NaOH-Lösung) als Base verwenden.

Denn: das Hydroxid-Ion kann nicht nur als Base fungieren.

Es kann auch als Nucleophil am positiv polarisierten C-Atom der Carboxylgruppe angreifen (siehe Abbildung).

Das kann es zwar am Aldehyd und am Keton auch, aber es kann in jenen Fällen nicht zu der Weiterreaktion kommen, wie sie hier im Folgenden beschrieben wird.


Die Folge dieses Reaktionsschritts wäre eine Spaltung der Estergruppe zunächst in ein Molekül Essigsäure und in ein Ethanolat-Ion (siehe oben links) …


… gefolgt von einer sofortigen Abspaltung des Protons von der Essigsäure durch das stark basische Ethanolat-Ion.

Diese Schritte entsprechen der basenvermittelten Esterhydrolyse.

Wegen der Reaktionsträgheit des Acetat-Ions (= des Anions der Essigsäure) würde die gesamte Reaktion hier zum Stillstand kommen.


Die Lösung des Problems ist:

Wir müssen einfach nur die Natur der Base ändern!

Wenn wir nämlich als Base das Alkoholat nehmen, das der Alkoholkomponente der Estergruppe entspricht, dann kann keine alkalische Hydrolyse des Esters als unerwünschte und noch dazu irreversible Nebenreaktion eintreten!

Fungiert das Alkoholat nämlich nicht entsprechend seiner Bestimmung als Base, sondern greift es ausnahmsweise auch einmal alsNucleophil an der Estergruppe an, so ändert sich bei einem Austausch der Alkoholkomponenten rein gar nichts!

Der neue Ester ist in diesem Fall absolut identisch mit dem alten Ester.


Im vorliegenden Fall wäre also Natrium-Ethanolat (= das Salz des Alkohols Ethanol, der auch als Komponente in der Estergruppe des Essigsäureethylesters vorliegt), die Base der Wahl!


Gehen wir nun in Richtung der Biosynthese von Fettsäuren.

Auch diese beginnt (etwas vereinfacht betrachtet) mit der Verknüpfung zweier Ester-Moleküle.

In diesem Fall werden aber keine normalen Ester im herkömmlichen Sinne eingesetzt, sondern die reaktionsfreudigeren Thioester!

Konkret: Das sogenannte Acetyl-Coenzym A (siehe Abbildung; die Coenzym A – Gruppe wird hier als „CoA“ abgekürzt).

basischer Aminosäure-Rest

eines Enzyms


Natürlich wird im Körper nicht das stark basische und daher ätzend wirkende Alkoholat eingesetzt.

Vielmehr werden solche Reaktionen durch Enzyme katalysiert, also ganz spezifische Proteine, deren Aminosäuren an den erforderlichen Stellen entsprechend basisch reagierende funktionelle Gruppen aufweisen.


eines Enzyms


Diese basisch reagierende funktionelle Gruppe greift am -C-Atom des ersten Moleküls ein Proton ab.


eines Enzyms


Die drei H-Atome der Methylgruppe sind absolut gleichwertig.

Welches dieser drei H-Atome als Proton abgegriffen wird, ist daher egal.


eines Enzyms


Lassen wir die Base in diesem Fall an dem H-Atom angreifen, das im oberen Molekül am weitesten unten eingezeichnet ist.

H

H

H

S

H

O

HO

H

H

S OCoA

CoA

protonierterAminosäure-Rest

eines Enzyms


Die entstehende negativ geladene Spezies kann nun als Nucleophil am Reaktionspartner angreifen, in diesem Fall also an einem zweiten Molekül Acetyl-Coenzym A.

Die basisch reagierende Gruppe im Aminosäure-Baustein des Enzyms hat das Proton aufgenommen und ist nunmehr logischerweise keine Base mehr (daher die Bezeichnung in der Abbildung als „protonierter Aminosäure-Rest eines Enzyms“).


eines Enzyms


Wir haben entsprechend dem Konzept der Mesomerie natürlich die Freiheit, die aus der Protonierung entstehende negativ geladene Spezies in der Abbildung auch als Carb-Anion (anstatt als Enolat-Ion) wiederzugeben.

Beide mesomeren Grenzformen sind absolut gleichwertig.

Für den nucleophilen Angriff ist die Wahl der mesomeren Grenzform also irrelevant.

Wir wir in der Abbildung sehen, ist im Fall der Wiedergabe als Carb-Anion nur ein Elektronenpaarverschiebungspfeil notwendig (im Fall des Enolat-Ions zwei dieser Pfeile; siehe vorhergehende Folie).

Alternative Wiedergabedes nucleophilen Angriffs

H H

S OCoA

OSCoA

H

HH


eines Enzyms


Die Abbildung zeigt das Zwischenprodukt direkt nach der Verknüpfung der beiden Kohlenstoffketten.

Bislang sind alle Schritte noch analog zur Aldoladdition.

H H

S OCoA

OSCoA

H

HH


eines Enzyms


Jetzt kommt aber der alles entscheidende Unterschied zwischen der Claisen-Kondensation und der Aldoladdition:

Das aus dem nucleophilen Angriff resultierende negativ geladene O-Atom holt sich nicht ein Proton aus der Umgebung (aus einem Wasser-Molekül oder, wie hier angedeutet, dem protonierten Aminosäure-Rest des Enzyms), …

H H

S OCoA

OSCoA

H

HH


eines Enzyms


… nein, das im vorherigen Reaktionsschritt zum O-Atom verschobene -Elektronenpaar bewegt sich umgehend wieder zurück, unter erneuter Ausbildung der C=O-Doppelbindung, und unter Abgang der Alkoholkomponente im Fall eines „normalen“ Esters bzw., wie im vorliegenden Fall der Fettsäure-Biosynthese, unter Abgang der Thiolgruppe.

Denn: Auch das Thiolat-Anion mit dem CoA-Rest ist eine sehr gute Abgangsgruppe!!

Merken Sie sich diesen ganz entscheidenden Unterschied zwischen der Claisen-Kondensation und der Aldol-Addition!


eines Enzyms


Die Abbildung zeigt das Ergebnis dieses Reaktionsschritts, einen sogenannten -Ketoester (hier: ein -Ketothioester).

Die Claisen-Kondensation ist damit abgeschlossen.

H H

S OCoA

O

H

HH

HH


Der Biosyntheseweg hin zum Aufbau einer Fettsäure ist jedoch noch nicht abgeschlossen.

Der nächste Schritt auf diesem Weg ist eine Reduktion.

In diesem Fall wird die Ketogruppe am -C-Atom zur entsprechende alkoholischen Gruppe reduziert (Ergebnis: siehe Abbildung).

Rein formell wird also Wasserstoff (2 x H) an die C=O-Gruppe addiert.

Reduktion

+ 2 H

H

S OCoA

H

HH

H


Diesem Schritt folgt eine Eliminierung.

Eliminiert wird dabei ein Wasser-Molekül unter Ausbildung einer C=C-Doppelbindung.

Eliminierung

― H2O

H

S OCoA

H

HH

H

H

H


Wiederum erfolgt nunmehr eine Reduktion.

Auch hier wird rein formell 2 x H angelagert (= addiert), in diesem Fall an die C=C-Doppelbindung.

+ 2 H

Reduktion

H

S OCoA

H

HH

H

H

H

H H

S OCoA


Der dabei entstehende Butansäurethioester (= Buttersäurethioester) ist nunmehr bereit für den nucleophilen Angriff eines weiteren Carb-Anions des Acetyl-Coenzym A.

Die C-4-Kohlenstoffkette kann um zwei weitere C-Atome zur C-6-Kohlenstoffkette verlängert werden.

H

S OCoA

H

HH

H

H

H

H H

S OCoA


Weitere Verlängerungsschritte schließen sich sukzessive an, …


… je nach Bedarf bis zu üblicherweise 18 C-Atomen.

Stearinsäure(= Octadecansäure)


Abschließend wird der Thioester noch zur freien Carbonsäure hydrolysiert.


Wir fassen die Claisen-Kondensation am Beispiel des Butansäureethylesters zusammen.

Zwei Moleküle jenes Esters sowie ein Molekül Natrium-Ethanolat sind die Reaktionspartner.


Im ersten Schritt wird eines der Ester-Moleküle am -C-Atom deprotoniert.


Das dadurch entstandene Nucleophil greift am Carboxyl-C-Atom des zweiten Ester-Moleküls an.

Dadurch kommt es zu einer C-C-Verknüpfung.


Unter erneuter Ausbildung der C=O-Doppelbindung wird ein Ethanolat-Ion abgespalten.


In diesem Fall geht die Reaktion noch einen Schritt weiter.

Das Ethanolat ist, wie wir wissen, eine relativ starke Base, und es wird vom -C-Atom nochmals ein Proton abspalten (insofern das -C-Atom, wie im vorliegenden Fall, tatsächlich noch ein H-Atom besitzt).

-C-Atom


Nach abschließendem Versetzen mit verdünnter Mineralsäure wie z.B. verd. HCl wird jedoch der -Ketoester aus dieser deprotonierten Form wieder freigesetzt.

-C-Atom

verd. HCl

2-Ethyl-3-oxo-hexansäureethylester(= 2-Ethyl-3-keto-hexansäureethylester)


Damit man den -Ketoester besser als solchen erkennen kann, wird die Kette an C-Atomen auf ideale Weise so wiedergegeben, daß das Carboxyl-C-Atom des Esters, das -C-Atom und das -C-Atom so wie in der obigen Abbildung horizontal nebeneinander gezeichnet werden.



So behält man am besten den Überblick über die Bausteine des -Ketoesters:

a) das vollständige Skelett des ursprünglichen Butansäureethylesters, der von der Base Ethanolat deprotoniert und somit zu einem Nucleophil umfunktioniert wurde …



So behält man am besten den Überblick über die Bausteine des -Ketoesters:

a) das vollständige Skelett des ursprünglichen Butansäureethylesters, der von der Base Ethanolat deprotoniert und somit zu einem Nucleophil umfunktioniert wurde …

… und

b) den Teil des zweiten Moleküls Butansäureethylester, der nach der erzwungenen Abspaltung der Alkoholkomponente übrig bleibt.


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