Organische Chemie - uni-marburg.de · Tetramethylammoniumiodid tert-Butyl-phenylether tert-Butoxybenzol Benzylethylamin. 3 Übung zu Woche 7: Alkohole, Ether, Thiole, Thioether, Amine

Dr. Sabrina Höbenreich SoSe 2019 Philipps-Universität Marburg Veranstaltungsnummer: LV-20-107-006

Experimentalchemie

für Mediziner, Zahnmediziner und Biologen (LA)

Teil 2: Organische Chemie

https://www.uni-marburg.de/de/fb15/studium/lehrexport/praktikum-humanmedizin-zahnheilkunde-biologie_l3

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Übung zu Woche 7: Alkohole, Ether, Thiole, Thioether, Amine

1. Benennen Sie die folgenden Moleküle!

Ethyl-isopropylether

2-Ethoxypropan

Ethyl-disopropylamin tert-Butylmercaptan

2-Methylpropan-2-thiol

Tetramethylammoniumiodid tert-Butyl-phenylether

tert-ButoxybenzolBenzylethylamin

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2. Welche funktionellen Gruppen sind in den nachfolgenden Molekülen enthalten?

Curare Tamiflu

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3. Ordnen Sie die folgenden Molekülreihen nach ihrer Basizität mit links am wenigsten basisch und rechts am basischsten!

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4. Vervollständigen Sie die folgenden Reaktionsgleichungen!

Synthesemethoden zur Darstellung von Alkoholen: Eigenschaften und Synthesen von Ethern:

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Fazit der Woche 7: Alkohole, Ether, Thiole und Thioether

Oxidation von Alkoholen:Eigenschaften von Thiolen & Thioethern:

Hydratisierung

Substitution

Reduktion von Carbonylverbindungen

Ether sind schwache Basen

Williamson-Ethersynthese:

Allgemeine Strukturen: Acidität:

Eigenschaften & Synthesemethoden von Aminen:

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Fazit der Woche 8: Amine, Ketone und Aldehyde

Allgemeine Eigenschaften:

Selektive Synthese von 1° Aminen

alternativ: Gabriel Synthese

Reduktive Aminierung

Alkylierung von Aminen

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9. Funktionelle Gruppen: Amine

9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen

Selektive Aminierungsverfahren: Die Gabrielsynthese

Die die Bildung des 1° Amins erfolgt hochgradig selektiv, da eine Überalkylierung des Phthalimidsausgeschlossen ist

Phthalimid Phthalimid-Anion

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9. Funktionelle Gruppen: Die Carbonylgruppe


Definition:

Die Carbonylgruppe ist gekennzeichnet durch ein Kohlenstoffatom (Carbonylkohlenstoff), das einerseits ein doppelt gebundenes Sauerstoffatom (Carbonylsauerstoff) trägt und andererseits an Wasserstoffatome und/oder Kohlenstoffatome gebunden ist.

Allgemeine Struktur:

Bindungswinkel a b 120°≅Dipolmoment

≅C–O-π-Bindung durch Kombination je eines p-Orbitals der beteiligten C- und O-Atome

Freie Elektronenpaare des O-Atoms lokalisiert in sp2-hybridisierten Orbitalen

C–O-s-Bindung durch Kombination je eines sp2-Orbitals der beteiligten C- und O-Atome

sp2-Orbitale des C-Atoms gehen Bindungen zu den Resten R1 und R2

ein

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Beispiele:

Reaktive Zentren:a)

b)

c)

Enolation

Oxocarbeniumion

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Reaktivität gegenüber Nucleophilen:

starkes Nucleophil

einfaches Elektrophil

moderates Nucleophil

sehr starkes Elektrophil

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Abhängigkeit der Elektrophilie von Substituenten am Carbonyl-C-Atom:

Cl: –I-Effekt dominant(wenig Delokalisierung)

RCO2: –I-Effekt dominant(wenig Delokalisierung)

H und R: +I-Effekt(wenig Delokalisierung)

OR und NR2: +M-Effekt(gute Delokalisierung)

O– : +M-Effekt dominant(sehr gute Delokalisierung)

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Nomenklatur:

Suffix: Aldehyde „al“ (allg.: Alkanal) Ketone „on“ (allg.: Alkanon)

Beispiele:

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9. Funktionelle Gruppen: Ketone und Aldehyde in der Natur


Mandelbaumblüte (Prunus dulcis)

Zitrone (Citrus meyeri)

Jasminblüte(Jasminum officinale)

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9. Funktionelle Gruppen: Synthese von Ketonen & Aldehyden


Allgemein:

Oxidation von 1° Alkoholen führt zur Bildung von Aldehyden

Überoxidation zur Carbonsäure möglich!

Oxidation von 2° Alkoholen führt zur Bildung von Ketonen

–2 H+

–2 e––2 H+

–2 e–

Reduktion von Carbonsäureestern führt zur Bildung von Aldehyden

Überreduktion zum 1°

Alkohol sehr leicht möglich!

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9. Funktionelle Gruppen: Keto-Enol Tautomerie


Allgemein:

Bei der Keto-Enol-Tautomerie handelt es sich um eine spezielle Form der Konstitutionsisomerie, bei der durch Verlagerung einer Doppelbindung und eines Protons Ketone oder Aldehyde (beides Keto-Form) im Zuge einer Gleichgewichtsreaktion in vinylische Alkohole (Enol-Form) reversibel überführt werden.

Keto-Enol-Tautomerie Gleichgewicht

Keto-Form(gilt für Aldehyde und Ketone)

Enolation

Enol-Form(gilt für Aldehyde und Ketone)

Carbanion

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Allgemein:


Keto-Form(Aceton)

Enol-Form(Aceton)

DG° = 46 kJ/mol

Keto-Form(Cyclohexanon)

Enol-Form(Cyclohexanon)

Merke: Bei einfachen Aldehyden und Ketonen liegt das Gleichgewicht stark auf der Seite der Keto-Form!

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Allgemein:


Keto-Form(Acetoaceton)

Enol-Form(Acetoaceton)

Keto-Form(Acetessigester)

Enol-Form(Acetessigester)

Merke: Bei Aldehyden und Ketonen mit einer zusätzlichen Carbonyl- oder Ester-Gruppe in 3-Position zur C=O Doppelbindung liegt das Gleichgewicht eher auf der Seite der Enol-Form!

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9. Funktionelle Gruppen: Addition an die Carbonylgruppe


Addition von Wasser:

Addition von Alkoholen:

Hydrat

Halbacetal Acetal

Cyclische Halbacetale:

Cyclische (Halb)Acetalesind im Bereich der Zuckerchemie von besonderer Bedeutung

Glucose CelluloseQulle: https://de.wikipedia.org/wiki/Cellulose

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Halbacetale (Säure-katalysierte Synthese):

Halbacetale (Basen-katalysierte Synthese):

J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg

Merke: Die Bildung und der Zerfall von Halbacetalen kann sowohl durch Säuren als auch durch Basen katalysiert werden.

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Halbacetale (Säure-katalysierter Zerfall):

Halbacetale (Basen-katalysierter Zerfall):


Merke: Die Bildung und der Zerfall von Halbacetalen kann sowohl durch Säuren als auch durch Basen katalysiert werden.

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Säure-katalysierte Synthese und Hydrolyse von Acetalen:


Merke: Die Bildung von Acetalen kann nur durch Säuren katalysiert werden, da die OH-Gruppe in ein Nucleofug überführt werden muss.

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Bildung von Iminen:

Halbaminal Imin

R2 = H: AldiminR2 = C: Ketimin

Bildung von Oximen:

Oxim

Bildung von Hydrazonen:

Hydrazon

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9. Funktionelle Gruppen: Reduktion von Carbonylgruppen


Allgemeine Reaktion:

Chemoselektivität:

Welches Orbital ist das HOMO und welches das LUMO?

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9. Funktionelle Gruppen: Die Aldolreaktion


Allgemeine Reaktion: Der Additionsschritt (Aldol-Addition)

Merke: Bei einer Aldolreaktion wird eine neue C–C Bindung geknüpft!Allgemeine Reaktion: Der Eliminierungsschritt (Aldol-Kondensation)

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9. Funktionelle Gruppen: Die Aldolreaktion – Exkurs


Bedeutung der Aldolreaktion in der Naturstoffchemie:

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9. Funktionelle Gruppen: Die Aldolreaktion – Exkurs


Bedeutung der Aldolreaktion in der Naturstoffchemie:

Mechanismus 1:

Bindung von Ergosterin

(Burke et al.)

K. C. Gray, D. S. Palacios, I. Dailey, M. M. Endo, B. E. Uno, B. C. Wilcock, M. D. Burke, PNAS 2012, 109, 2234

Mechanismus 2:

Bildung von Ionenkanälen

(gängig anerkanntes Modell)

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9. Funktionelle Gruppen: Carbonsäuren


Definition:

Carbonsäuren sind organische Verbindungen, die eine oder mehrere Carboxygruppen (–COOH) tragen. Die Salze der Carbonsäuren werden Carboxylate und ihre Kondensate mit Alkoholen Carbonsäureester genannt.


Merke: Das an das O-Atom gebundene Proton ist stark acide

Spezifische Beispiele:

Merke: Bei der Benennung von Carbonsäuren wird der Stammname aus dem entsprechenden Alkan/Aromaten und das Suffix „-säure/-carbonsäure“ verwendet.Es sind jedoch viele Trivialnamen gebräuchlich!

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Allgemeine Eigenschaften: Weitere Eigenschaften:

Merke: kurzkettige Carbonsäuren sind mit Wasser mischbar. Je länger/größer der organische Rest, desto geringer ist die Löslichkeit in Wasser.

Bsp.: Ameisensäure (beliebig mischbar)Essigsäure (beliebig mischbar)Pentancarbonsäure (25g/L)Benzoesäure (2.6g/L)

lipophile Gruppe

hydrophile Gruppe

Merke: Carbonsäuren weisen bezogen auf ihr Molekulargewicht vergleichsweise hohe Siedepunkte auf. Der Grund hierfür sind H-Brücken.

H-Brückenbindung

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9. Funktionelle Gruppen: Reaktivität von Carboxylgruppen


Acidität:

Merke: die negative Ladung ist resonanzstabilisiert

Merke: je stärker elektronenziehend der Rest R, desto acider die Säure

Elektrophilie von Carbonsäurederivaten:

Cl: –I-Effekt dominant(wenig Delokalisierung)

RCO2: –I-Effekt dominant(wenig Delokalisierung)

H und R: +I-Effekt(wenig Delokalisierung)

OR und NR2: +M-Effekt(gute Delokalisierung)

O– : +M-Effekt dominant(sehr gute Delokalisierung)

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Mechanismus der Substitution am Carboxylkohlenstoffatom:

Grignard-Reagenz(starkes Nucleophil)

Keton(gutes Elektrophil)Ester

(moderates Elektrophil)

Welche Hybridisierungen haben Ester, tetraedrischesIntermediat, Keton und Alkohol an dem C-Atom, das nucleophil angegriffen wird/wurde?

Merke: Tetraedrische Zwischenstufen sind immer dann instabil, wenn sich am zentralen C-Atom eine Abgangsgruppe befindet, die die negative Ladung besser stabilisieren kann als das tetraedrischeIntermediat selbst.

Regel: Betrachtet man den pKa-Wert der konjugierten Säure der Abgangsgruppe, dann ist die negative Ladung umso besser stabilisiert, je niedriger der pKa-Wert ist.

Bsp.: RO– (Alkoxid): konjugierte Säure = ROH (Alkohol); pKa = 15Cl– (Chlorid): konjugierte Säure = HCl; pKa = –8

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Abschätzen der Abgangsgruppenqualität:

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Abschätzen der Qualität des Nucleophils:

Merke: Betrachtet man den pKa-Wert der konjugierten Säure des Nucleophils, dann ist die Nucleophilie umso größer, je höher der pKa-Wert ist.

anionisches Nucleophil

neutrales Nucleophil

Rückreaktion ist unwahrscheinlich Rückreaktion ist unwahrscheinlich

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Katalysierte Substitutionen am Carboxylkohlenstoffatom:

gesteigerte Elektrophilie

Brønsted-Säure-katalysiert:

Lewis-Base-katalysiert:

gesteigerte Elektrophilie

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9. Funktionelle Gruppen: Carbonsäurechloride


Darstellung:

Thionylchlorid

Verwendung: Nomenklatur:

SäurechloridCarbonsäure

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9. Funktionelle Gruppen: Carbonsäureester



Säure-katalysierte Estersynthese und -hydrolyse:

Nomenklatur:


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9. Funktionelle Gruppen: Carbonsäureester



Basen-vermittelte Esterhydrolyse (Verseifung):

–OMe

Merke: Das zentrale C-Atom des Carboxylatrestes ist nicht ausreichend elektrophil, um die Rückreaktion zu ermöglichen. Daher ist dieser Schritt irreversibel

Claisen-Kondensation:

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9. Funktionelle Gruppen: Carbonsäureamide



Allgemeine Struktur: Nomenklatur:

Merke: Carbonsäureamide sind Derivate des Ammoniaks (NH3) sowie von primären und sekundären Aminen, in denen ein oder mehrere Wasserstoffatome am N-Atom durch Carbonsäurereste ersetzt sind.

Synthese von Amiden:

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9. Funktionelle Gruppen: Carbonsäureamide



Hydrolyse von Amiden: Saure Bedingungen

Hydrolyse von Amiden: Basische Bedingungen

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Carbonsäuren in der Natur: Die Aminosäuren

Merke: Aminosäuren (AS) sind Carbonsäuren, die in ihrem Kohlenstoffgerüst mindestens eine Aminogruppe (R2N) aufweisen.

Merke:

• wichtigste Klasse: α-Aminosäuren• proteinogene AS: Bausteine von Proteinen in Lebewesen• Anzahl proteinogener AS: 22 (20 kanonische (Codon-basiert) + 2 nichtkanonische)• Konfiguration: L-konfiguriert

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Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Aminosäuren

Merke: Im saurenMilieu liegen AS als Kationen vor!

Merke: Im basischenMilieu liegen AS als Anionen vor!

Merke: pH-Wert, bei dem ein Zwitterion vorliegt, wird isoelektrischer Punkt genannt. Die Nettoladung = 0]

Zwitterion(in neutralem Medium)

-Wert

Nettoladung

Beispiel:

Aminosäuren können als Zwitterionen vorliegen

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Merke:

• Fettsäuren (FS) sind aliphatische Monocarbonsäuren mit zumeist unverzweigter Kohlenstoffkette.

• Kohlenstoffkette ist i.d.R. 14-24 C-Atome lang

• FS weisen i.d.R. eine gerade Anzahl an C-Atomen auf

• FS kommen in Membranen

• FS fungieren als:

• Energiespeicher

• Ausgangsstoff für Prostaglandine, Thromboxane, Leukotriene

Ein Triglycerid:

Glycerin-Kern(dreiwertiger Alkohol)

einfach ungesättigter Fettsäurerest mehrfach ungesättigter

Fettsäurerest

gesättigter Fettsäurerest

Acetyl-Coenzym A:

Carbonsäuren in der Natur: Die Fettsäuren

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Ein Phosphoglycerid:

Glycerin-Kern

Fettsäurerest

Phosphatrest(polare Kopfgruppe)

Fettsäurerest

(hydrophober Teil)

hydrophober/lipophiler Teil

polare/hydrophile KopfgruppeCarbonsäuren in der Natur: Die Fettsäuren

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