3.Stereochemie

65

Wiederholung:IsomerieDefinition:AlsIsomere bezeichnetmanMolekülemitgleicherSummenformel,diesichjedochinderSequenzderAtome(Konstitutionsisomere)oderderenräumlichenAnordnung(Stereoisomere)unterscheiden.

Isomere

Konstitutionsisomere Stereoisomere

z.B.E/Z-IsomerieEnantiomere(cis-/trans-Isomere)

Essigsäure Glykolaldehyd(Hydroxyacetaldehyd)

Schmelzpunkt

Siedepunkt

Summenformel

Konstitutions-formel

17°C 97°C

118°C Zersetzung

C2H4O2 C2H4O2

eineCarbonsäure AldehydfunktionAlkoholfunktion

- gleicheSummenformel- verschiedeneKonstitutionsformel- Konstitutionsisomere unterscheidensichinihrenphysikalischenundchemischenEigenschaften.

- gleicheSummenformel- gleicheKonstitutionsformel- Stereosisomere unterscheidensichinderräumlichenAnordnungderAtome.

66

Diastereoisomerie- E/Z-Isomerie

Bei höhersubstituierten Doppelbindungen werden Substitutenten nach Cahn-Ingold-Prelog Regeln (CIP-Regeln) nach fallenderOrdnungszahl geordnet.

E-Isomer Z-Isomer

CH2CH3 >CH3Br>Cl

E-Isomer Z-Isomer

EINIGEWICHTIGEORDNUNGSZAHLEN:WasserstoffHOZ=1,KohlenstoffCOZ=6,BromBrOZ=35,ChlorClOZ=17,FluorFOZ=9,IodIOZ=53,SauerstoffOOZ=8,StickstoffNOZ=7

Übungs-Beispiele:

ClBr Br Cl

Cl

Br

Cl>CH2CH3Br>CH3

Cl

Br

Br

I

OHBr

H3C NH2

HO

67

Defintion CHIRALITÄT

Ist eine Verbindung assymmetrisch aufgebaut und zwar so, dass durch Spiegelung ihrer Struktur an einer Ebene oder einemInversionszentrum eine Struktur entsteht, die mit der ursprünglichen Struktur durch Verschieben und Drehen im Raum nicht zurDeckung gebracht werden kann, dann ist die Verbindung chiral1.

1griechischcheir 'Hand'

D-Glycerinaldehyd

Spiegelebene

L-Glycerinaldehyd

Es gilt:①Verbindungen mit gleicher Summenformel und gleicher Konstitution aber unterschiedlicher räumlicher Anordnung werdenStereoisomere genannt.②Verbindungen, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten, werden Enantiomere (optische Antipoden) genannt.③Verbindungen mit gleicher Summernformel und Konstitution, die sich wie NICHT Bild und Spiegelbild verhalten, werden Diastereomeregenannt.④④Enantiomere besitzen nahezu gleiche (isotrope) chemische und physikalische Eigenschaften, sie unterscheiden sich in ihrenbiologischen (pharmakologischen, medizinischen) Eigenschaften und sie weisen entgegengesetzte optische Aktivität auf.

Chiralität

H OOH

HOH

HOHO

OHH

Spiegelebene

68

Lösungen von optisch aktiven Verbindungen, z.B. D-Glycerinaldehyd, drehen die Schwingungsebene von linear polarisiertenLicht (= Lichtstrahlen schwingen in einer Ebene). Beim Durchtritt durch eine Lösung der optisch aktiven Verbindung wird dieSchwingungsebene um einen bestimmten Winkel a gedreht.Der Drehsinn wird so definiert, dass eine Drehung der Schwingung im Uhrzeigersinn ein positives Vorzeichen gibt, dagegen einnegatives Vorzeichen.Ein Enantiomerenpaar, also Bild und Spiegelbild, zeigen gleiche Drehung, aber in entgegengesetzte Richtungen.

z.B. (+)-Glycerinaldehyd und (-)-Glycerinaldehyd.

OptischeAktivität

HOOH

HOH

HOOH

HOH

HOOH

HOH

HOOH

HOH

HOOH

HOH

HOOH

HOH

HOOH

HOH

HOOH

HOH

optischaktiveLösung=

69

Es gilt:

1. Zwei Stereoisomere können nicht gleichzeitig enantiomer und diastereomer zueinander sein, und

2. von einem bestimmten Molekül existieren immer nur zwei Enantiomere, mehrere Diastereomere sind möglich.

Diastereomere (z.B. E/Z-Isomerie) unterscheiden sich in chemischen und physikalischen Eigenschaften.

Enantiomere (Bild und Spiegelbild) haben die gleichen physikalischen und chemischen Eigenschaften, sie unterscheiden sichdurch ihre Wechselwirkung mit linear polarisierten Licht (optische Aktivität).

Racemat: 1/1 Mischung von Bild und Spiegelbild, optisch inaktiv, da linear polarisiertes Licht zu gleichen Teil links und rechtsgedreht wird.

EnantiomereundDiastereomere

HOOH

HOH

HOOH

HOH

HOOH

HOH

HOOH

HOH

HOOH

HOH

HOOH

HOH

HOOH

HOH

HOOH

HOH

H OOH

HOH

H OOH

HOH

H OOH

HOH

H OOH

HOH

H OOH

HOH

H OOH

HOH

H OOH

HOH

H OOH

HOH

Racemat70

OOH

HO

H

H

OH

1. Keilschreibweise (durchgezogener Keil ragt aus Blattebene hinaus, gestrichelter Keil zeigt hinter Blattebene)

Identifizieren von asymmetrischen Kohlenstoffzentren = Chiralitätszentren:- C-Atom von vier (konstitutionell) verschiedenen Resten umgeben ist.- dies wird häufig durch einen Stern * hervorgehoben.

*

2. Fischer-Projektion (v.a. in Zuckerchemie) alle Bindungen werden als normale Linien dargestellt, die nur senkrecht oder waagrechtverlaufen dürfen. Per Definition zeigen alle waagrechten Linien auf den Betrachter zu und alle senkrechten Linien vom Betrachterweg.

180° Rotation(umC-CBindung)

Weinsäure

90° Rotation(gegenUZS)

2-Chlorpropanal

StereochemischeSchreibweisenundNomenklatur

*

* *

OH

ClH3CH

O H

ClCH3H H

ClCH3

O HH

ClH3C

OH

Weg zur FISCHER PROJEKTION: Weinsäure

71

OOH

HO

H

H

OH

1. Keilschreibweise (durchgezogener Keil ragt aus Blattebene hinaus, gestrichelter Keil zeigt hinter Blattebene)

Identifizieren von asymmetrischen Kohlenstoffzentren = Chiralitätszentren:- C-Atom von vier (konstitutionell) verschiedenen Resten umgeben ist.- dies wird häufig durch einen Stern * hervorgehoben.

*

2. Fischer-Projektion (v.a. in Zuckerchemie) alle Bindungen werden als normale Linien dargestellt, die nur senkrecht oder waagrechtverlaufen dürfen. Per Definition zeigen alle waagrechten Linien auf den Betrachter zu und alle senkrechten Linien vom Betrachterweg.

180° Rotation(umC-CBindung)

90° Rotation(gegenUZS)

2-Chlorpropanal

StereochemischeSchreibweisenundNomenklatur

*

* *

OH

ClH3CH

O H

ClCH3H H

ClCH3

O HH

ClH3C

OH

Weg zur FISCHER PROJEKTION:

72

Zur Bestimmung der absoluten Konfiguration bedient man sich der Regeln von Cahn, Ingold und Prelog (CIP-Regeln).

A. Identifizieren von asymmetrisch substituierten C-Atomen (= C-Atome mit 4 unterschiedlichen Substituenten).

B. Die direkt an das asymmetrische C-Atom gebundenen Atome werden nach fallender Ordnungszahl (OZ) angeordnet:(a) Atom mit höhere OZ hat die höhere Priorität. (b) Bei gleichwertigen Atomen, wird die Prioritätsreihenfolge ermittelt,indem weiter entfernt stehende Atome betrachtet werden. (c) Mehrfachbindungen zählen als mehrere Einfachbindungen.

C. Man betrachtet nun das Molekül in der Weise, dass der Substituent mit der niedrigsten Priorität nach hinten zeigt.Entspricht die Reihenfolge der restlichen drei Substituenten nach fallender Priorität gereiht einer Drehung im Uhrzeigersinnist das Zentrum R konfiguriert, bei Drehsinn gegen Uhrzeiger S konfiguriert.

AsymmetrischesC-Atom(4unterschiedlicheSubstituenten)

1 = erste Substituentensphäre2 = zweite Substituentensphäre3 = dritte Substituentensphäre

R,S- NomenklaturderabsolutenKonfiguration

OH

ClH3CH

O H

ClCH3H

Blickrichtung Blickrichtung

Cl CH3

O H

ClH3C

OH

(a)

(b)

(c)

(d)

(a)

(b)

(c)

IMUhrzeigersinn:R

(a)

(b)

(c)

GEGENUhrzeigersinn:S

(d)

(b)

(c)

(a)

73

Beispiele

Adrenalin

ClH3C

HOH

ClCH3

HHO

OHOHO

OHH

OOH

HO

H

H

OH

HO

HO

HN

HO H

74

Wir wissen bereits:Fischer-Projektion alleBindungen werdenalsnormaleLiniendargestellt,dienursenkrechtoderwaagrechtverlaufendürfen.PerDefinitionzeigen allewaagrechtenLinienaufdenBetrachterzu undallesenkrechtenLinienvomBetrachterweg.

Substituent mit Priorität d weist zu Betrachter hinà Regel des doppelten Austausches anwenden

(2)

(R)-2-Hydroxypropansäure(D-Milchsäure)

(S)-2-Amino-3-hydroxypropansäure(L-Serin)

BestimmungderabsolutenKonfigurationmitderFischerProjektion

(1)

75

Beispiel: Zucker Erythrose und Threose2 konstitutionell ungleiche asymmetrische C-Atome 22 = 4 Stereoisomere

D-Erythrose(1)

L-Erythrose(2)

Konfiguration 2R,3R 2S,3S

D-Threose(3)

L-Threose(4)

2S,3R 2R,3S

enantiomer

enantiomer

diastereomer diastereomerdiastereomer

VerbindungenmitmehrerenChiralitätszentren

76

Beispiel:Weinsäure2 konstitutionell gleiche asymmetrische C-Atome 22 -1 = 3 Stereoisomere

D-Weinsäure(1)

L-Weinsäure(2)

Konfiguration 2S,3S 2R,3R

DL-Weinsäure(meso-Form)(3)=(4)

R,S

enantiomer

diastereomer diastereomer

InterneSymmetrie-ebene

VerbindungenmitmehrerenChiralitätszentren

77

HN N

O

OO

NHN

O

O O

NH

O O

N

O

ONH

OO

N

O

O

SH

O

HONH2

HS

O

OHNH2

HN

NH

HO

OH

HN

NH

OH

HO

O NH

OHON

HOH

J

HO

J

O

J

JO OH

NH2

J

OH

J

O

J

JOHO

H2N

Limonen

Barbiturat

Thalidomid,Contergan

Penicillamin

Ethambutol

Propanolol

Thyroxin

Zitronengeruch Orangengeruch

krampfauslösend narkotisch

extremteratogen

antiarthritisch extremtoxisch

tuberculostatisch Erblindung

ß-Blocker Contraceptivum

Schilddrüsenhormon Antihypocholestericum

Schlafmittel

78

4.1.GESÄTTIGTEKOHLENWASSERSTOFFE- ALKANE

79

OffenkettigeAlkane

CH

H HH H3C CH3

H3C CH3

HH

Methan

CH4

Ethan

C2H6

Propan

C3H8

Butan

C4H10

H3C

HHCH3

H H

àà für n C-Atome ergibt sich: CnH2n+2

Summen-formel Formel Name Schmelzpunkt/°°C

Siedepunkt/°°C

alsRest

CH4C2H6C3H8C4H10C5H12C6H14C7H16C8H18C9H20C10H22

.

.C17H36C20H42

CH4CH3-CH3

CH3-CH2-CH3CH3-(CH2)2-CH3CH3-(CH2)3-CH3CH3-(CH2)4-CH3CH3-(CH2)5-CH3CH3-(CH2)6-CH3CH3-(CH2)7-CH3CH3-(CH2)8-CH3

.

.CH3-(CH2)15-CH3CH3-(CH2)18-CH3

MethanEthanPropanButanPentanHexanHeptanOctanNonanDecan

.

.HeptadecanEicosan

- 184- 171.4- 190- 135- 130- 93.5- 90- 57- 53.9- 32..

+22.5+37

-164- 93- 45- 0.5+36+68.7+98.4+126+150.6+173

.

.+303-

Methyl-Ethyl-Propyl-Butyl-Pentyl-Hexyl-Heptyl-Octyl-Nonyl-Decyl-

.

.Heptadecyl-Eicosyl- 80

Alkane– NomenklaturundStruktur

à bisher: unverzweigte Alkane, daneben gibt es verzweigte Alkane.

Beispiel: C5H12

n-Pentan

C5H12

2-Methylbutan

C5H12

2,2-Dimethylpropan

C5H12

Siedepunkt 36°C 27.9°C 9.5°C

Schmelzpunkt - 130°C - 158.6°C - 20°C

Nomenklatur:

Eine organische Verbindung wird nach dem längsten geradkettigen Abschnitt im Molekül benannt (= Prinzip der längsten

Kette). Substituenten werden unter Angabe der Position als yl-Rest angegeben. Kommt ein Substituent öfter vor, wird die

Anzahl der Reste durch Vorsilben wie di-, tri-, tetra-, usw. ausgedrückt.

Konstitutions-/Strukturisomere:

= Moleküle mit gleicher Summenformel, aber unterschiedlicher Strukturformel, weisen unterschiedliche physikalische

Eigenschaften auf.81

Alkane– BauderMoleküle,Konformationsanalyse

àin gesättigten Kohlenwasserstoffen findet man NUR ss-Bindungen, d.h. Bindungsrotationen sind erlaubt, daraus

ergeben sich unterschiedliche räumliche Anordnungen, die man Konformere nennt.

Beispiel: Ethan CH3-CH3

1. Sägebock-ProjektionCH

H H

CH

H H

CH

H H

CH

H H

gestaffelt(staggered)

ekliptisch,aufDeckung(eclipsed)

2. Stereo-Projektion (Keilstrichformel)

gestaffelt(staggered)

ekliptisch,aufDeckung(eclipsed)

3. Newman-Projektion

H

H HC

H

HHH

H

HC

H

HH

60 °

120 °

gestaffelt(staggered)

ekliptisch,aufDeckung(eclipsed)

C CH

H

H H

H

HBlick-

richtung

HC C

H

H HH H

HC C

HH H

HH

82

Konformationsanalyse- Butan

Blick-richtung

CH3

H HC

CH3

HHH

CH3

HC

CH3

HH

ENERGETISCHGÜNSTIGstaggered

ENERGETISCHUNGÜNSTIG

ekliptisch,aufDeckung(eclipsed)

relativ kleine Aktivierungsenergie:Bei Raumtemperatur (RT) stehen die dreiKonformere in einem schnellenGleichgewicht:

15% M-synclinal15% P-synclinal70% antiperiplanar

synplanaranticlinal anticlinal

M-synclinal(gaucheWW)

P-synclinal(gaucheWW)antiperiplanar

0°

60° 120° 180° 240° 300° 360°

synplanar

H3CC C

HH CH3

HH

83

AllgemeineszuAlkanen

Vorkommen, Gewinnungà aus Erdöl bzw. Erdgas

Eigenschaften- Reaktionsträge daher der Name Paraffin (lat.: parum affinis = wenig geneigt)- Erhöhung der Schmelz- und Siedepunkte durch Van der Waals Wechselwirkungen- unpolar, lösen sich gut in apolaren Lösungsmittel und z. B. nicht in Wasser à hydrophob (wasserabweisend) bzw.lipophil (fettfreundlich)

Verwendungv.a. in chemischer Industrie als Ausgangsstoff für Kunststoffe, aber auch als Brennstoff (Erdgas Hauptbestandteile Methanund Ethan).Feste Alkaneà Kerzen aus Paraffinwachs

Alkane in Natur- Methan-produzierende Bakterien- Pheromone: chemische Botenstoffe v.a. für Kommunikation zwischen Insektenà Sexuallockstoff.

84

CyclischeAlkane

Cycloalkane sind gesättigte Kohlenwasserstoffe mit ringförmig geschlossenem Kohlenstoffgerüst (durch Ringschlussändert sich Summenformel im Vergleich zu offenkettigen Alkanenà CnH2n).

Cyclopropan Cyclobutan Cyclopentan Cyclohexan

Ringspannung(Bayer-Spannung)

(durchAbweichungvomTetraederwinkel90° nicht109°)

Torsionsspannung(alleHsfastekliptisch)

Ringspannung(Bayer-Spannung)

(leichteAbweichungvomTetraederwinkel)Torsionsspannung

(HszumTeilekliptisch)

kaumRingspannung(Bayer-Spannung)

keineTorsionsspannung(alleHsgestaffelt)

85

Konformationsanalyse- Cyclohexan

Relevanz: Zucker können in der sogennanten Pyranoseform vorliegenà Cyclisches System mit 6 Atomen.

Blick-richtung

C3 C1

H

H

Haxial

HäquatorialH

HH

H

H

HH

H

H

HC3

Hax

HäqH

HC1

Haxial

Häquatorial

Sessel1

C1

C3

H

H

H

HH

HH

H

Haxial

HäquatorialH

H

Blick-richtung

H

HC3

Hax

HäqH

HC1

Haxial

HäquatorialSessel2

via Übergangszustand: Wanne(energetisch ungünstig)

Wanne

86

KonformationsanalysevonhöhersubstituiertenCyclohexan

Methylcyclohexan

äquatorialeMethylgruppe7.5kJ/molstabiler

axialeMethylgruppesterischeWechselwirkungmitProtonenin

1,3-Position(1,3-diaxialeWW)

H

H

CH3

H

H

H

H

CH3

H

H

H

H

à sterischanspruchsvolleSubstitutentenmöglichstinäquatorialer Position! 87

KondensierteRingsysteme

à Bei 2 cyclische Verbindungen, die über eine gemeinsame C-C Bindung verknüpft sind, spricht man voneinem kondensierten System.

Beispiel 1: Decalin

H

H

trans-Decalin

H

H H

H

cis-Decalin

H

H

Beispiel 2: Steran (Gonan)-Grundgerüstà Steroide leiten sich davon ab.

H H

H

H

H HA B

C D

5a-Steran

H

HH H

HH

H H

H

H

H HA B

C D H

H H

HH

H

5b-Steran

H

HO

H H= Cholesterin 88

4.2.UNGESÄTTIGTEKOHLENWASSERSTOFFE- ALKENE,ALKINE

89

Alkene

à Alkene (früher:Olefine) sind organische Verbindungen mit einer oder mehreren C=C Doppelbindungen.Diese Doppelbindung(en) werden durch die Endung –en in der Nomenklatur berücksichtigt. Analog zu denAlkanen gibt es unverzweigte, verzweigte und cyclische Alkene.

à Allgemeine Summenformmel: CnH2n

à Diastereoisomerie: durch gehinderte Rotation aufgrund von p-Bindung: E-Z-Isomerie

C CH

H H

HC CH

H CH3

HC CH

H H2C

H

CH3C CH

H

CH3

CH3

Ethen Propen 1-Buten 2-Methylpropen(Isobuten)

UnverzweigteAlkene,homologeReihe(jeweilseinCmehr)

VerzweigtesAlken,Konstitutionsisomerzu1-Buten

Cyclohexen

CyclischesAlken

H3C H

CH3H

H CH3

CH3H

E-2-Buten Z-2-Buten

E-Z-Isomerie

90

Alkine

C CH HEthin(Acetylen)Schweißgas

à TretenC-CDREIFACH-Bindungen ineinerorganischenVerbindungaufsprichtmanvonAlkinen.DieVerbindungsklassewirddurchdieEndung–inbenannt.

à Wiederholung: sp-Hybridisierung:2Bindungspartnermit180° zwischendenBindungen=lineareAnordnung.

OH

H3C O

O

O

O

OHN

HOOH

CH3

OO

O

O

NeocarzinostatinKrebsmedikament

à BildungvonRadikalspeziesàgreiftKrebzellenan

91

BiologischinteressanteAlkeneundAlkine

EthenFunktionalsPhytohormonunddientzurRegulationdesPflanzenwachstumsundFruchtreifung.Tomaten prodzuierenEthenausderAminosäureMethionin,dasEthenbewirktdenReifungsprozeßderTomate.IngenmanipulierteTomatenistdasGenzurEthenproduktion‚ausgeschalten‘.DieseTomatenkönnendurchexterneBegasungmitEthenaufWunschgereiftwerden.

Geschlechts- undAlarmpheromone

O CH3

O SexuallockstoffderFruchtmotte

Retinal – Bestandteil von Rhodopsin (Sehfarbstoff)

bb-Carotin – Farbstoff der Karotte

H

O LichtEnergie

O HE Z

Lycopin– Farbstoff der Paprika und Tomate

92

BiologischinteressanteAlkeneundAlkine- Polyenantibiotika

Fumagilin– einAntibiotikum

O

O

O

OH

OCH3

O

O

O

O OH OH

OH

OH OH

OH

O

OH

O

OH

O

HOCH3

H3C

H3C

O

OHNH2

OHCH3

AmphotericinB– einAntibiotikum

93

ReaktionenvonAlkenenundAlkine

ELEKTROPHILE ADDITIONSREAKTIONEN

C C+E+ + Nu-C C+E

C CE Nu

C C+E+ C+E

+ Nu- C CE Nu

Zweistufiger Mechanismus

1. Elektrophil wird nucleophil von Mehrfachbindung angegriffen: Ausbildung einer s-Bindung zwischen C-Atom undElektrophil, Bildung eines Carbokations (sp2 hybridisiert bei Alkenen, sp hybridisiert bei Alkinen).

2. Angriff eines Nucleophils auf Carbokation unter Ausbildung einer weiteren s-Bindung.

Addition von Halogenwasserstoffen (z.B. Bromwasserstoff HBr)

C CHH

H H H+

HBr H+ + Br-

C C+H

HH H

H Br-C C

H

HH

Br

HH

94

AdditionvonHalogenwasserstoffenanAlkene– RegelvonMarkownikow

C+R1R2

R3

Stabilitätsfolge von Carbokationen

R1=R2=R3=CH3 à tertiäres Carbokation stabiler als

R1=H, R2=R3=CH3 à sekundäres Carbokation stabiler als

R1=R2=H, R3=CH3 à primäres Carbokation stabiler als

R1=R2=R3=HàMethyl-Carbokation

àà ergibt sich aus +I-Effekt der Alkyl-Gruppe !!

BEVORZUGTES ZWISCHENPRODUKT àà tertiäres Carbokation stabiler !

WIRD NICHT BEOBACHTET àà primäres Carbokation weniger stabil !

H

H CH3

CH3HBr C+

H

H CH3

CH3H

H

H CH3

CH3HBr C+

H

H CH3

CH3H

H

H CH3

CH3H+ Br-C+

H

H CH3

CH3H C

H

H CH3

CH3H Br

Nach der Regel von Markownikow wird folgende Reaktion beobachtet:

95

AdditionvonWasseranAlkene(Hydratisierung)

H

H3C H

H

H+

starke Säure z.B. H2SO4

C+H

H3C H

HH

HO

H

HH3C

H

HH

O+HH

- H+

HH3C

H

HH

HO

EpoxidierungvonAlkenen

Alken Alkohol

R H

HR O

O

R'O+H R

ROH

H+

HO

O

R'

einePercarbonsäure einEpoxid eineCarbonsäureAlken

96

Einebiologisch-wichtigeAlken-Reaktion

ReaktionvonSqualen(einPolyalken)zumSteroid-Grundgerüst

Squalen

O2Enzym

O

Squalenoxid

H+

C+HO

HO

C+Dominoreaktion - H+

HO Lanosterin

97

4.3.AromatischeKohlenwasserstoffe

98

ChemischeBindunginAromaten- Aromatizität

Bisher:Lokalisierte Doppelbindung, aber auch konjugierte Doppelbindungen mit Elektronendelokalisation bei 2Doppelbindungen in 1,3-Abstand.

Jetzt:sp2-hybridisierte C-Atome in cyclischer Anordnung mit 4n+2 p-Elektronenà vollständige Delokalisation der p-Elektronenober- und unterhalb der Ringebene.

Alle C-C Bindungen gleich lang mit 120 ° Winkel zwischen C-C-Bindungen. Es lassen sich IDENTISCHEMesomeriestrukturen formulieren:

Benzol

HÜCKEL-Regelcyclische Anordnung, sp2-hybridisierte C-Atome mit 4n+2 pp-Elektronenàà AROMATEN: weisen MESOMERIESTABILISERUNG auf !

CH3 CH3CH312

CH3

CH3

1

3

CH3

CH3

1

4

Benzol Toluol 1,2-Xylolortho-Xylol

1,3-Xylolmeta-Xylol

1,4-Xylolpara-Xylol

Naphthalin Anthracen99

EigenschaftenvonaromatischenKohlenwasserstoffen

ALLGEMEIN:Aromatische Verbindungen sind gesundheitsschädlich und können zur Bildung von Krebs führen !

BenzolFrüher als Lösungsmittel verwendet à mittlerweile ersetzt durch weniger gfitige Verbindungen (z.B. Toluol). ChronischeBenzol-Vergiftungen führen zu einer Schädigung der Leber und Niere und auch ders Knochenmarks (à Zahl der rotenBlutlörper geht zurück).

Kondensierte Aromaten (z.B. Pyren, Benzopyren)Stark toxisch und krebserregend (kanzerogen), v.a. bei Rauchern, da die kondensierten Aromaten im Rauch enthaltensindà Lungenkrebsrisiko steigt !

z.B. Benzopyren: Schädigung der DNA (=Desoxyribonukleinsäure, Erbgut)à Bildung von Krebs

O2Enzym

OOH

H2OOH

O2Enzym

OHOH

O

DNA-NH2

OHOH

OHNHDNA 100

ReaktionenaromatischerVerbindungen

Allgemein:Aromatische Verbindungen sind aufgrund ihrer Resonanzstabilisierung relativ reaktionsträge.

Katalytische Hydrierung

H2 / Ni200 °C

Oxidation

CH3KMnO4

COHO

Toluol Benzoesäure

Elektrophile aromatische Substitution

H

+ E+H C+

HE

H- H+

HE

- H-Atom wird durch Elektrophil (E+) ersetzt (substituiert).- Treibende Kraft der H+-Abspaltung ist die Wiederausbildung des aromatischen Charakters. 101

ElektrophilearomatischeSubstitution

H

+H C+

HN+

H- H+

HN+

O N+ O

OO- O

O-

Nitrierung

Sulfonierung

H

+H C+

HS

H

- H+H

SSO

O OO

O O-

O

O-O+ H+

HS

O

OHO

eineSulfonsäure

Aromatische Substitutionen in biologischen Systemen

H2NOH

O

Phenylalanin-Hydroxylase

H2NOH

O

OHH

Phenylalanin Thyrosin

Gefährliche ErbkrankheitPhenylketonurie à Mangel an Phenylalanin-Hydroxylase,Phenylalalnin wird nicht abgebautà geistige Schäden !

102

4.4.Halogenkohlenwasserstoffe

103

ChemischeEigenschaftenvonHalogenkohlenwasserstoffen

Der Ersatz von H-Atomen durch Halogenatome (X) führt zu veränderten elektronischen Verhältnissen aufgrund des-I – Effektes.

Die C-X ist aufgrund der Elektronegativitätsunterschiede polarisiert.

C Xδ+ δ-

Xδ-

HHC X

δ+ δ-

H

HH C X

δ+ δ-

X

XH

δ-

δ-

< < < C Xδ+δ-

X

XX

δ-

δ-

δ-§ PolarisierungnimmtmitAnzahlderHalogensubstitutenzu!§ PolarisierungnimmtinnerhalbderGruppevonobennachuntenab

F>Cl>Br>I

Die wichtigsten Reaktionen von Halogenkohlenwasserstoffen:

1. Nucleophile Substitution am C-Atom

1. Eliminierungsreaktion

C X Nu-+ C Nu + X-

C C X Base+ C C + X-H

104

VerwendungvonHalogenkohlenwasserstoffen

• Iod- und Bromkohlenwasserstoffe sind relativ leicht herstellbar und gute Ausgangssubstanzen für Synthesen.

• Chlorierte Verbindungen sind recht inert und finden Verwendung als Lösungsmittel (Chloroform à früher alsNarkotikum, Methylenchlorid)

• Polymere Fluorkohlenwasserstoffe sind sehr hitzebständig und dienen z.B. zum Beschichten von Pfannen (Teflon ©).Früher wurde kurzkettige Fluorverbindungen als Kühlmittel in Kühlschränken verwendet (Freon, Frigen) à heuteverboten wegen Schädigung der Ozonschicht.

Name Formel Schmp./°°C Sdp./°°C Verwendung

DichlormethanChloroform(Trichlormethan)

TetrachlorkohlenstoffDichlordifluormethan

TetrafluorethenVinylchlorid

CH2Cl2CHCl3CCl4CCl2F2CF2=CF2

CH2=CH-Cl

-97- 63.5- 23- 111- 142.5- 154

4061.276.7-30- 76- 14

LösungsmittelLösungsmittel(früher:Narkotikum)

FettlösemittelTreibmittel,Kältemittel(FCKW)

Polymer:TEFLONPolymer:PVCKunststoff

105

BiologischrelevanteHalogenkohlenwasserstoffen

O2NOH

HN

OH

O

Cl

Cl

Chloramphenicol(AntibiotikuminMolekularbiologie)

6,6‘-Dibromindigo(AntikerPurpur,ausPupurschnecke)

O

I

I

HO

I

I

NH2 O

OH

L-Thyroxin(HormonderSchilddrüse)

H

CCl3Cl Cl

DDT(früheralsInsektizid,heuteverboten)

NH

O HN

OBr

Br

106

EliminierungsreaktioneninbiologischenSystemen

Fettsäuresynthese

Ungesättigte Fettsäurensynthese

- H2

SCoA

O

EnzymDesaturase

RH H

SCoA

OR

RSCoA

OOH

Coenzym A (CoA)

NH

OSH

HN

OOH

O P O P OO

O OHPO O-

OH

N

O-

O

O-

O

N

N

N

NH2

- H2O

EnzymHydratase

RSCoA

O

107

4.5.Alkohole

108

Beispiele,NamensgebungundEigenschaftenvonAlkoholen

§ Funktionelle Gruppe: -OH§ je nach Substitutionsgrad unterscheidet man primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole§ Nomenklatur: Endung – ol wird angehängt.

H3C OH CH2 OHH3C CH2 OHCH2H3C CH2 OHCH2CH2H3C

Primäre Alkohole

Methanol Ethanol 1-Propanol 1-Butanol

Sekundäre Alkohole

CH OHH3CH3C

2-Propanol

Tertiäre Alkohole

C OHH3CCH3

CH3

2-Methyl-2-propanol

Zweiwertige Alkohole

H2COH

CH2OH

1,2-EthandiolGlykol

Dreiwertige Alkohole

H2COH

HCOH

CH2OH

1,2,3-PropantriolGycerin

§ In Lösungen bilden Alkohole Wasserstoffbrücken ausà Erhöhung des Siede- und Schmelzpunktes.§ die OH Gruppe erhöht die Löslichkeit in Wasser, d.h. Alkohole sind polarer (hydrophiler) als Alkane.

OR

H

OR

HOR

H

OR

HOR

H

AssoziationviaH-Brücken109

ReaktivitätderAlkohole

§ Basizität und Acidität von Alkoholenà Alkohole sind AMPHOLYTE (vgl. Wasser).

starke Base

CH3HOCH3-O CH3H2+O

starke Säure

§ pKa von Methanol: pKa (CH3OH) = 15.2àMethoxid (CH3O-) ist eine STARKE Base: pKb (CH3O-) = 14 - pKa (CH3OH) = -1.2

§ Acidität nimmt in der Reihenfolge primär > sekundär > tertiär ab (+I-Effekt).

§ Säurekatalysierte Eliminierung

OHH3C

CH3CH3

+ H+O+H2

H3CCH3

CH3- H2O C+ CH3

H3C

H3C

- H+CH2

H3C

H3C

§ Oxidationsreaktionen

primärer AlkoholOxidation

AldehydOxidation

Carbonsäure

sekundärer AlkoholOxidation

Keton

110

4.6.Phenole

111

Phenole- BeispieleundNomenklatur

§ Phenole sind aromatische Systeme an denen direkt eine OH-Gruppe gebunden ist.§Man unterscheidet ein- und mehrwertige Phenole:

OH OHCH3

OH

CH3

OH

CH3

OHOH

Einwertige Phenole

Phenol ortho-Kresol meta-Kresol para-Kresol a-Naphtol b-Naphtol

Zweiwertige Phenole

Brenzcatechin Resorcin Hydrochinon

OH

OHHO

Phloroglucin

OHOH

OH

OH

OH

OH

112

SäureeigenschaftenvonPhenolen

§ Acidität von Phenolen ist im Vergleich zu Alkoholen erheblich größeràMesomeriestabilisierung des Phenolat-Anions

OH

- H+

O-

C-

OH

C-

O

H

C-

OH

pKa = 9

OH

O2N NO2

NO2

PikrinsäurepKa = 0.8

à Zusätzliche Stabilisierung der negativen Ladung durch -M-Effekt der Nitrogruppen !

113

BiologischinteressantePhenolen

OHOCH3 OH

OHHO OH

COOH

OHHO OH

Eugenol(Gewürznelke)

Thymol(Thymianöl)

Gallussäure Pyrogallol

§ Phenole im Wein

OOH

O

OHHO

OHOH

Quercetin

OOH

OHHO

OHOH

Catechin

OHHO

OH

Reservatrol

à French-Paradox: Herzinfarkte in Süd- und Südwestfrankreich seltener, obwohl fettreiche und üppige Nahrung. àmögliche Erklärung: das Glas Rotwein dazu !

§ Thyrosin

OH

H2NCOOH

OH

HONH

R

Thyrosin R = H NoradrenalinR = CH3 Adrenalin

114

Schwefelverbindungen

à Thiole: S-Analog zu Alkoholà Sulfide: S-Analog zu Etherà Disulfide: durch Oxidation von Thiolen (à Strutkurelement in Proteinen)à Sulfoxide: Oxidation von Sulfidenà Sulfonsäure

CH3SH

Methanthiol

CH3SCH3

Dimethylthioether

SSCH3

CH3

Dimethyldisulfid

H3CSO

CH3

Dimethylsulfoxid(DMSO)

SO OOH

Benzolsulfonsäure

BiologischinteressanteSchwefelverbindungen

H2N

H2C

H2C

COOH

SCH3

H2N

H2CSH

COOH

Methionin Cystein

H2N

H2CS

COOH

COOH

CH2S

H2N

OX

Cystin

115

BiologischinteressanteSchwefelverbindungen

O N

OHHO

S+CH3

NH3+

-OOC N

N

N

NH2

Nu-

O N

OHHO

S

NH3+

-OOC N

N

N

NH2H3C Nu

S-Adenosylmethion(AdoMet,SAM)

à SAM: eine biologischer Methylgruppen-Donor

S-Adenosylhomocystein

à Knoblauch-Wirkstoffe

S

HN NH

O

COOH

à Biotin: Vitamin B7 bzw. Vitamin H ist oft Teil (prosthetische Gruppe) von Enzymen, z.B. Carboxylasen (übertragen Carbonsäure-Funktion).

SO NH2

COOHSS

O

Alliin Allicin

à Süßstoff - Saccharin

SNH

O

O O

116

4.7.Amine

117

NomenklaturundBeispiele

primäre, sekundäre und tertiäre Amine (bezieht sich auf Substitutionsgrad des Stickstoffes)

Methylamin(primäresAmin)

Dimethylamin(sekundäresAmin)

H3C NH2 H3CHN CH3 H3C N CH3

CH3

Trimethylamin(tertiäresAmin)

Di- und Triamine

H2N CH2 CH2 NH2

Ethylendiamin 2,4,6-Triamino-benzoesäure

Cyclische Amine

Piperidin Pyrrolidin

Anilin

Aromatische Amine

NH2

HO O

NH2H2N

NH2

NH

NH

118

HerstellungvonAminen

Ammoniak-Stickstoff ist Nucleophil, Umsatz mit Aklylhalogen à Amin

PROBLEM:Zunahme der Nucleophilie durch +I-Effekt derAlkylgruppen

àà FOLGE: höhersubstituierte Amine begünstigt !

NH3+H3C I H3C NH2 + HI

H3N+H3C I H3C NH + HICH3CH3

HN+H3C I H3C N + HICH3CH3CH3

CH3

àà SN-Reaktion: nucleophile Substitutionsreaktion

119

EigenschaftenvonAminen

§ In Lösungen bilden Amine Wasserstoffbrücken aus.§ freies Elektronenpaar am Stickstoff verleiht Aminen basische und nucleophile Eigenschaften.

Zur Basizität von Aminen:

NH3O

NH4+ OH-H H + + Ammoniak ist eine Base: pKB = 4.75

NH2O

NH3+ OH-H H + +CH3 CH3

Methylamin ist die stärkere Base als Ammoniak: pKB = 3.36

NHO

NH2+ OH-H H + +CH3 CH3

CH3 CH3Dimethylamin ist die stärkere Base als Methylamin: pKB = 3.29

+I - Effekt

Basizitätnimmtzu

Name pKB Formel

AnilinAmmoniakMethylaminDimethylamin

9.424.753.363.29

C6H5NH2NH3

CH3NH2(CH3)2NH

SteigendeBasizität

120

AromatischeAmine

§ schwächere Basen, da freies Elektronenpaar von Stickstoff mit pp-System des Aromaten wechselwirken kann (+M-Effekt).

NH2

C-

+NH2H

C-

+NH2H

C-

+NH2

H

à Geringere Basizität aromatischer Amine ist Folge der größeren Resonanzstabilisierung des Amins im Vergleich zumAmmoniumsalz.

à Protonierung hebt Mesomerie zum Teil auf:

N+HHH N+H

HH

121

BiochemischwichtigeAmine

OHHO

NH2

Dopamin(beiMangelParkinsonscheKrankheit)

OHHO

NH2HO

Noradrenalin(VorläufervonAdrenalin)

OHHO

NHO

CH3

H

Adrenalin(blutdrucksteigernd,Stresshormon)

OCH3H3CO

NH2

OCH3

Mescalin(kommtinPeyotl-Kaktusvoràälteste-bekannteHalluzinogen)

NH

CH3CH3

HO

EphedrinBlutdrucksteigernd,anregendfür

Nervensystemà Aufputschmittel,zBAmphetamine)

HON+CH3

CH3CH3

OH-

Cholin(gefäßerweiternd,blutdrucksenkend,

regeltDarmbewegung)

ON+CH3

CH3CH3

OH-O

Acteylcholin(Neurotransmitter,blutdrucksenkend,

starkmuskelkontrahierend) 122