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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.
Octadecansäure (= Stearinsäure)
O
O H
In dieser Datei namens „Claisen-Kondensation“ wird der Weg der Verknüpfung jener C-2-Bausteine demonstriert.
Octadecansäure (= Stearinsäure)
H
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O
H
O
HO
H
O
H
H
H
O O
H
H
H
H
H
H
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Claisen-Kondensation
Das a-ständige C-Atom eines Esters ist der einzige (!!) Kandidat für eine Deprotonierung mit einer Base.
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O
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O
HO
H
O
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O O
H
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H
Claisen-Kondensation
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.
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O
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O
HO
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O
H
H
O O
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
HH
HH
Claisen-Kondensation
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 als Nucleophil 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.
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O
H
O
HO
H
O
H
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O O
H
H
H
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H
H
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H
H
H
H
HH
HH
Claisen-Kondensation
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!
H
H
H
S
H
O
HO
H
H
H
S OCoA
CoA
Claisen-Kondensation
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).
H
H
H
S
H
O
HO
H
H
H
S OCoA
CoA
basischer Aminosäure-Rest eines Enzyms
Claisen-Kondensation
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.
H
H
H
S
H
O
HO
H
H
H
S OCoA
CoA
basischer Aminosäure-Rest eines Enzyms
Claisen-Kondensation
Diese basisch reagierende funktionelle Gruppe greift am a-C-Atom des ersten Moleküls ein Proton ab.
H
H
H
S
H
O
HO
H
H
H
S OCoA
CoA
basischer Aminosäure-Rest eines Enzyms
Claisen-Kondensation
Die drei H-Atome der Methylgruppe sind absolut gleichwertig.
Welches dieser drei H-Atome als Proton abgegriffen wird, ist daher egal.
H
H
H
S
H
O
HO
H
H
H
S OCoA
CoA
basischer Aminosäure-Rest eines Enzyms
Claisen-Kondensation
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
protonierter Aminosäure-Rest eines Enzyms
Claisen-Kondensation
Die entstehende negativ geladene Spezies kann nun als Nucleophil am Reaktionspartner angreifen, in diesem Fall also am 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“).
H
H
H
S
H
O
H
S OCoA
CoA
protonierter Aminosäure-Rest eines Enzyms
O
H
H
Claisen-Kondensation
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).
H H
S OCoA
OSCoA
H
HH
protonierter Aminosäure-Rest eines Enzyms
O
H
H
Claisen-Kondensation
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
protonierter Aminosäure-Rest eines Enzyms
O
H
H
Claisen-Kondensation
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
protonierter Aminosäure-Rest eines Enzyms
O
H
H
Claisen-Kondensation
… nein, das im vorherigen Reaktionsschritt zum O-Atom verschobene p-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!
H H
S OCoA
OSCoA
H
HH
protonierter Aminosäure-Rest eines Enzyms
O
H
H
Claisen-Kondensation
Die Abbildung zeigt das Ergebnis dieses Reaktionsschritts, einen sogenannten b-Ketoester (hier: ein b-Ketothioester).
Die Claisen-Kondensation ist damit abgeschlossen.
a
b
H H
S OCoA
O
H
HH
HH
Claisen-Kondensation
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 b-C-Atom zur entsprechende alkoholischen Gruppe reduziert.
Rein formell wird also Wasserstoff (2 x H) an die C=O-Gruppe addiert.
H
S OCoA
H
HH
H
Claisen-Kondensation
Diesem Schritt folgt eine Eliminierung.
Eliminiert wird dabei ein Wasser-Molekül unter Ausbildung einer C=C-Doppelbindung.
H
S OCoA
H
HH
H
H
H
Claisen-Kondensation
Wiederum erfolgt nunmehr eine Reduktion.
Auch hier wird rein formell 2 x H angelagert (= addiert), in diesem Fall an die C=C-Doppelbindung.
H
S OCoA
H
HH
H
H
H
H H
S OCoA
Claisen-Kondensation
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
Claisen-Kondensation
Weitere Verlängerungsschritte schließen sich sukzessive an, …
O
S
CoA
Claisen-Kondensation
… je nach Bedarf bis zu üblicherweise 18 C-Atomen.
O
O
H
Stearinsäure(= Octadecansäure)
Claisen-Kondensation
Abschließend wird der Thioester noch zur freien Carbonsäure hydrolysiert.
O
O
O
O
ONa
Claisen-Kondensation
Wir fassen die Claisen-Kondensation am Beispiel des Butansäureethylesters zusammen.
Zwei Moleküle jenes Esters sowie ein Molekül Natrium-Ethanolat sind die Reaktionspartner.
O
O
O
O
H
HO
Na
Claisen-Kondensation
Im ersten Schritt wird eines der Ester-Moleküle am a-C-Atom deprotoniert.
HO
Na
O
O
OO
Claisen-Kondensation
Das dadurch entstandene Nucleophil greift am Carboxyl-C-Atom des zweiten Ester-Moleküls an.
Dadurch kommt es zu einer C-C-Verknüpfung.
HO
Na
O
O
O
O
Claisen-Kondensation
Unter erneuter Ausbildung der C=O-Doppelbindung wird ein Ethanolat-Ion abgespalten.
HO
Na
O
O
O
O
Claisen-Kondensation
In diesem Fall geht die Reaktion noch einen Schritt weiter.
Das Ethanolat ist, wie wir wissen, eine relativ starke Base, und es wird vom a-C-Atom nochmals ein Proton abspalten (insofern das a-C-Atom, wie im vorliegenden Fall, tatsächlich noch ein H-Atom besitzt).
a-C-AtomNa
O
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OOH
HO
Na
O
O
O
O
Claisen-Kondensation
Nach abschließendem Versetzen mit verdünnter Mineralsäure wie z.B. verd. HCl wird jedoch der b-Ketoester aus dieser deprotonierten Form wieder freigesetzt.
a-C-AtomNa
O
O
O
OH
O
O
OOH
verd. HCl
HO
O
O
O
O Na
Claisen-Kondensation
Damit man den b-Ketoester besser als solchen erkennen kann, wird die Kette an C-Atomen ideal so wiedergegeben, daß das Carboxyl-C-Atom des Esters, das a-C-Atom und das b-C-Atom so wie in der obigen Abbildung horizontal neben-einander gezeichnet werden.
ab
HO
O
O
O
O Na
Claisen-Kondensation
So behält man am besten den Überblick über die Bausteine des b-Ketoesters:
a) das vollständige Skelett des ursprünglichen Butansäureethylesters, der von der Base Ethanolat deprotoniert und somit zu einem Nucleophil umfunktioniert wurde …
HO
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O Na
Claisen-Kondensation
So behält man am besten den Überblick über die Bausteine des b-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.
HO
O
O
O
O Na
Claisen-Kondensation
Der Name des Endprodukts lautet übrigens:
2-Ethyl-3-oxo-hexansäureethylester(oder auch: 2-Ethyl-3-keto-hexansäureethylester)
