Skript für die - duepublico.uni-duisburg-essen.de · 2 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Prof. Dr. Paul Rademacher Institut für Organische Chemie, FB 8 –

Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/03

Campus Essen

Skript für die

Experimentalvorlesung Organische Chemie II

(OCII)

im

Wintersemester 2003/04

P

Paul Rademacher

R

(Stand 28.02.2005)

Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 2

Prof. Dr. Paul Rademacher Institut für Organische Chemie, FB 8 – Chemie Universität Duisburg-Essen Campus Essen Universitätsstr. 5-7 45117 Essen Tel. 0201-1832404, Sekretariat 0201-1833082 Fax. 0201-1834252 mailto:[email protected]

Hinweis

Die Wiedergabe von Abbildungen, Tabellen u. ä. aus dem Lehrbuch

E. Breitmaier, G. Jung Organische Chemie 4. Auflage, Thieme, Stuttgart, 2001

erfolgt mit Genehmigung des Verlages.

mailto:[email protected]


Inhaltsverzeichnis

Stoffplan der Vorlesung ............................................................................................................. 7

Gliederung der Vorlesung .......................................................................................................... 8

Funktionelle Gruppen (FG)...................................................................................................... 13

Wichtige funktionelle Gruppen und Verbindungsklassen ................................................... 13

Alkohole ................................................................................................................................... 15

Nomenklatur und Eigenschaften von Alkoholen ................................................................. 16

Übersicht .......................................................................................................................... 16

Gesättigte aliphatische Alkohole...................................................................................... 17

Physikalische und physiologische Eigenschaften ............................................................ 17

Verwendung von Alkoholen ................................................................................................ 18

Kulturgeschichte des Alkohols......................................................................................... 18

Industrielle Synthese von Methanol und Ethanol ................................................................ 19

Laborsynthese von Alkoholen.............................................................................................. 20

Reaktionen von Alkoholen................................................................................................... 21

Ether ......................................................................................................................................... 23

Nomenklatur und Eigenschaften von Ethern ....................................................................... 23

Verwendung von Ethern....................................................................................................... 24

Technische Synthesen .......................................................................................................... 24

Laborsynthese....................................................................................................................... 25

Reaktionen von Ethern ......................................................................................................... 25

Carbonsäuren............................................................................................................................ 26

Nomenklatur, Vorkommen und Eigenschaften von Carbonsäuren...................................... 26

Namen ausgewählter Carbonsäuren ................................................................................. 27

Trivialnamen und natürliches Vorkommen einiger Carbonsäuren .................................. 28

Aciditätskonstanten einiger Carbonsäuren....................................................................... 28

Technische Synthesen .......................................................................................................... 28

Laborsynthesen..................................................................................................................... 29

Reaktionen von Carbonsäuren ............................................................................................. 31

Derivate von Carbonsäuren.................................................................................................. 34

Ester.......................................................................................................................................... 36

Eigenschaften und Verwendung von Estern ........................................................................ 36

Siedepunkte ausgewählter Ester....................................................................................... 37


Reaktionen............................................................................................................................ 37

Derivate der Kohlensäure......................................................................................................... 40

Derivate des Harnstoffs ............................................................................................................ 41

Orthoester ................................................................................................................................. 42

Aldehyde und Ketone............................................................................................................... 43

Nomenklatur und Eigenschaften von Aldehyden und Ketonen ........................................... 43

Namen und physikalische Eigenschaften ausgewählter Aldehyde .................................. 44

Namen und physikalische Eigenschaften ausgewählter Ketone ...................................... 45

Siedepunkte von Verbindungen vergleichbarer Molekülgröße und unterschiedlicher

Polarität ............................................................................................................................ 46

Synthesen ............................................................................................................................. 46

Reaktionen............................................................................................................................ 47

Oligomerisation/Polymerisation von Aldehyden ............................................................. 47

Keto-Enol-Tautomerie ..................................................................................................... 47

α-Halogenierung .............................................................................................................. 50

Reaktionen mit Nucleophilen........................................................................................... 51

Oxidation und Reduktion von Aldehyden und Ketonen .................................................. 59

Amine ....................................................................................................................................... 63

Nomenklatur, Vorkommen und Eigenschaften von Aminen ............................................... 63

Namen und physikalische Eigenschaften ausgewählter aliphatischer Amine ................. 64

Namen und physikalische Eigenschaften ausgewählter aromatischer Amine (Aniline).. 65

Struktur und Pyramidale Inversion von Aminen.................................................................. 66

Physikalische Eigenschaften von Aminen ........................................................................... 67

Basizität von Aminen ........................................................................................................... 67

Darstellung von Aminen ...................................................................................................... 67

Reaktionen von Aminen....................................................................................................... 70

Phenole ..................................................................................................................................... 76

Nomenklatur und Eigenschaften von Phenolen ................................................................... 76

Darstellung von Phenolen .................................................................................................... 79

Reaktionen von Phenolen..................................................................................................... 82

Chinone .................................................................................................................................... 83

Darstellung von Chinonen.................................................................................................... 84

Redoxreaktionen von Chinonen und Hydrochinonen .......................................................... 85


Der Bombardierkäfer im Internet......................................................................................... 86

Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK)........................................................... 88

Polycyclische benzoide Arene ............................................................................................. 88

Vorkommen und Gewinnung ............................................................................................... 92

Reaktionen............................................................................................................................ 92

Heterocyclen............................................................................................................................. 96

Hetarene ............................................................................................................................... 97

Pyridin ............................................................................................................................ 100

Pyrrol, Furan, Thiophen ................................................................................................. 103

Synthesen ....................................................................................................................... 106

Aliphatische Heterocyclen ................................................................................................. 108

Kohlenhydrate ........................................................................................................................ 110

Fischer-Projektion .............................................................................................................. 111

Monosaccharide ................................................................................................................. 112

Aldosen und Ketosen ..................................................................................................... 112

Cyclische Halbacetale, Anomere ................................................................................... 116

Oxidation und Reduktion von Monosacchariden........................................................... 120

Acetalbildung, Glykoside............................................................................................... 121

Disaccharide ....................................................................................................................... 122

Cyclodextrine ..................................................................................................................... 125

Polysaccharide.................................................................................................................... 127

Nucleoside, Nucleotide, Nucleinsäuren ................................................................................. 131

Nucleoside und Nucleotide ................................................................................................ 132

Nucleinsäuren, Polynucleotide........................................................................................... 135

Genetischer Code ........................................................................................................... 139

Gene ............................................................................................................................... 141

Aminosäuren und Proteine ..................................................................................................... 142

Struktur und Eigenschaften von α-Aminosäuren............................................................... 142

Proteinaminosäuren............................................................................................................ 144

Trennung von Aminosäuren........................................................................................... 148

Nachweis von Aminosäuren........................................................................................... 148

Synthese von α-Aminosäuren ............................................................................................ 149

Proteine und Peptide........................................................................................................... 150


Peptide............................................................................................................................ 150

Proteine........................................................................................................................... 154

Lipide ..................................................................................................................................... 159

Fettsäuren ........................................................................................................................... 159

Tenside und Detergentien................................................................................................... 160

Prostaglandine ........................................................................................................................ 163

Terpene................................................................................................................................... 165

Beispiele für Monoterpene ................................................................................................. 166

Diterpene ............................................................................................................................ 171

Tetraterpene........................................................................................................................ 172

Polyisoprene ....................................................................................................................... 173

Steroide................................................................................................................................... 175

Alkaloide ................................................................................................................................ 179

Polyketide............................................................................................................................... 184

Farbstoffe ............................................................................................................................... 186


Stoffplan der Vorlesung 1.) Funktionelle Gruppen

2.) Alkohole

3.) Ether

4.) Schwefelverbindungen

5.) Carbonsäuren und Carbonsäurederivate

6.) Aldehyde und Ketone

7.) Amine

8.) Phenole, Phenolether, Chinone

9.) Mehrkernige Aromaten

10.) Heterocyclen

11.) Kohlenhydrate

12.) Nucleinsäuren

13.) Aminosäuren, Peptide, Proteine

14.) Lipide, Wachse, Fette, Seifen, Tenside

15.) Prostaglandine

16.) Terpene, Steroide

17.) Alkaloide

18.) Polyketide

19.) Farbstoffe


Gliederung der Vorlesung 1.) Funktionelle Gruppen (FG)

Stoffklasse - charakteristische Struktureinheit - funktionelle Gruppe

Namen der Stoffklasse und der FG

Beispiele. Mono-, di-, polyfunktionelle Verbindungen

2.) Alkohole

Beispiele für primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole. Nomenklatur. Struktur. Mono-

, Di- und Polyole. Physikalische Eigenschaften. Polarität, Acidität und Basizität,

Dipol-Assoziation, H-Brücken. Schmelz- und Siedepunkte. Verwendung

Industrielle Synthese von Methanol und Ethanol, alkoholische Gärung,

Laborsynthesen, Reaktionen: Substitution der OH-Gruppe, Dehydratisierung zu

Alkenen und Ethern

Darstellung von Glykolen

3.) Ether

Wichtige Beispiele, Nomenklatur, Struktur, physikal. Eigenschaften, Verwendung

Technische und Laborsynthesen, Reaktionen

4.) Schwefelverbindungen

Alkanthiole (Mercaptane) und Dialkylsulfide (Thioether) als Derivate des

Schwefelwasserstoffs. Vorkommen, Alliin und Allicin als Bestandteile des

Knoblauchs, physikalische Eigenschaften, Darstellung, Reaktionen. Oxidation von

Thiolen und Sulfiden. Sulfonsäuren, DMSO als Lösungsmittel, Sulfone

5.) Carbonsäuren und Carbonsäurederivate

Carbonsäuren: Beispiele, Nomenklatur, Struktur, physikal. Eigenschaften, Acidität,

technische Synthese von Ameisen-, Essig- und Propionsäure,

Laborsynthesen, Oxidation von prim. Alkoholen und Aldehyden, aus Grignard-

Verbindungen, Hydrolyse von Nitrilen, Hydrolyse von Carbonsäurederivaten,

Oxidation von Alkenen und von Alkylaromaten

Reaktionen, Decarboxylierung, Reduktion, α-Halogenierung, Substitution der OH-

Gruppe, saure Veresterung

Carbonsäureester, -amide, -halogenide, -anhydride: Darstellung und Reaktionen

Ester: Eigenschaften und Verwendung, alkalische Esterhydrolyse (Verseifung),

Claisen-Kondensation, β-Ketoester, Dieckmann-Kondensation. Alkylierung von


Malonester

Derivate der Kohlensäure: Phosgen, Kohlensäureester, Harnstoff, Carbamidsäureester

(Urethane), Polyurethane, Orthoester

6.) Aldehyde und Ketone

Beispiele, Nomenklatur, Struktur, physikalische Eigenschaften

Darstellung, Oxidation von Alkoholen, Reduktion von Carbonsäurederivaten,

Ozonolyse von Alkenen

Keto-Enol-Tautomerie, 1,3-Diketone, Bestimmung des Enolisierungsgrades, α-

Halogenierung, Haloformreaktion von Methylketonen

Reaktionen mit Nucleophilen, Säurekatalyse, Hydratisierung, Acetal-/Ketalbildung,

Schutzgruppenfunktion der Acetale/Ketale, Addition von Hydrogensulfit, Addition

von HCN, Synthese von α-Hydroxy- und α-Aminocarbonsäuren, Reaktionen mit

Ammoniak und primären Aminen (Aminale), Reaktionen mit Hydrazin und

Hydroxylamin (Hydrazone, Azine, Oxime), Reaktion mit sek. Aminen (Enamine),

Reaktion mit Grignard-Verbindungen, Wittig-Reaktion, McMurry-Reaktion, Aldol-

Reaktion, Knoevenagel-Reaktion, Perkin-Reaktion, Mannich-Reaktion, α,β-

ungesättigte Carbonylverbindungen, Michael-Reaktion, Cannizzaro-Reaktion,

Clemmensen- und Wolff-Kishner-Reduktion, Baeyer-Villiger-Oxidation von Ketonen

zu Estern

7.) Amine

Primäre, sekundäre und tertiäre Amine als Derivate des Ammoniaks, Beispiele,

Nomenklatur, Struktur, pyramidale Inversion, chirale Amine

Physikalische Eigenschaften. Siedepunkte, Basizität von prim., sek. und tert. Aminen

Darstellung, Alkylierung von Ammoniak, Gabriel-Synthese prim. Amine, Reduktion

von Nitroverbindungen, Nitrilen, Amiden und Iminen, reduktive Alkylierung von

Ammoniak und Aminen (Leuckart-Wallach-Reaktion), aus Carbonsäurederivaten,

Hofmann-, Curtius-, Schmidt-Abbau

Reaktionen. Darstellung von Amiden und Sulfonamiden, Reaktion mit salpetriger

Säure: prim., sek., tert. Amine, Eigenschaften von Diazonium-Verbindungen,

Oxidation von Aminen, Cope-Reaktion, Hofmann-Abbau quartärer

Ammoniumhydroxide, Diazotierung aromat. Amine, Azokupplung, Sandmeyer-

Reaktion, Schiemann-Reaktion


8.) Phenole, Phenolether, Chinone

Phenole, Beispiele, Nomenklatur, Eigenschaften, Verwendung, Acidität, Darstellung.

Nucleophile aromatische Substitution, Eigenschaften von Dehydrobenzol, Hocksche

Phenolsynthese. Reaktionen, Williamsonsche Ethersynthese, Reimer-Tiemann-

Reaktion, Phenol-Formaldehyd-Harze

Chinone, Beispiele, Nomenklatur, Darstellung, Redoxreaktionen

9.) Mehrkernige Aromaten

Benzoide und nichtbenzoide Arene, Beispiele, Nomenklatur

Acene, Beispiele, Eigenschaften, Struktur, Mesomerieenergie, lineare und angulare

Anellierung, Reaktionen, elektrophile Substitution am Naphthalin, Oxidation und

Reduktion von Naphthalin, Darstellung von Anthracen, Diels-Alder-Reaktion von

Anthracen, Darstellung von Triptycen

10.) Heterocyclen

Carbocyclen, Isocyclen, Heterocyclen

Aromatische Heterocyclen (Hetarene), Furan, Pyrrol, Thiophen, Pyridin, Azine, Indol,

Carbazol, Chinolin, Acridin. Vorkommen, Verwendung, Eigenschaften

Pyridin, Basizität, Nucleophilie, elektrophile Substitution, nucleophile Substitution,

Oxidation, Reduktion

Furan, Pyrrol, Thiophen, Reaktion mit Säuren, elektrophile Substitution, Reduktion

(Hydrierung), Oxidation von Thiophen, Diels-Alder-Reaktionen, Darstellung

Aliphatische Heterocyclen, Beispiele, Darstellung von Drei- und

Vierringverbindungen

11.) Kohlenhydrate

Vorkommen und Bedeutung, Photosynthese

Aldosen und Ketosen, Polyhydroxy-aldehyde und -ketone

Fischer-Projektion, D,L-System bei Verbindungen mit mehreren Chiralitätszentren

Monosaccharide CnH2nOn mit n = 3 - 7, D-Aldosen, D-Ketosen, Bedeutung der D-

Glucose

Cyclische Halbacetale, Furanosen und Pyranosen, Haworth-Projektion, α- und

β−Form (Anomere), Mutarotation der Glucose und der Fructose

Reaktionen, Fehlingsche Probe, Unterscheidung von reduzierenden und

nichtreduzierenden Zuckern, Oxidation und Reduktion von Glucose, Acetalbildung,

Glykoside, Synthese von Ascorbinsäure (Vitamin C)


Disaccharide, Saccharose, Rohrzuckerinversion, Lactose, Maltose, Cellobiose

Oligosaccharide, Cyclodextrine

Polysaccharide, Cellulose, Stärke, Amylose, Amylopektin, Glykogen, Inulin

12.) Nucleinsäuren

Vorkommen, Bedeutung, Träger der genetischen Information, Eigenschaften

Nucleosid, Nucleotid, Polynucleotid, β-D-Ribose, β-D-Desoxyribose, Pyrimidin- und

Purin-Basen, Adenosin-mono-, -di- und -triphosphat (AMP, ADP, ATP),

Primärstruktur von RNA und DNA, Sekudärstruktur von DNA, Doppelhelix,

Basenpaarung, H-Brücken, Genetischer Code, Proteinbiosynthese

13.) Aminosäuren, Peptide, Proteine

Struktur und Eigenschaften von α-Aminosäuren, anionische, zwitterionische,

kationische Form, isoelektrischer Punkt, proteinogene Aminosäuren, essentielle

Aminosäuren, Trennung von Aminosäure-Gemischen, Ninhydrin-Reaktion,

Komplexbildung mit Cu(II)ionen

Synthese von α-Aminosäuren, Racematspaltung

Peptide und Proteine als Kondensations-Oligomere und -Polymere von α-

Aminosäuren, Sequenzanalyse von Peptiden, Synthese von Peptiden,

Schutzgruppentechnik, Merrifield-Synthese

Sekundärstruktur von Proteinen, β-Faltblatt, α-Helix, Disulfidbrücken

14.) Lipide, Wachse, Fette, Seifen, Tenside

Fettsäuren, Beispiele, gesättigte und ungesättigte, Eigenschaften, Biogenese aus

Acetyl-Coenzym A, Ester der Fettsäuren, Fettalkohole, Verseifung von Fetten, Seifen,

Olestra (Fettsäurepolyester der Saccharose)

Tenside, Grenzflächenaktivität von Tensiden, Oberflächenspannung des Wassers,

Detergentien, anionische, kationische, amphotere, nichtionische Tenside, Bildung von

Micellen und Vesikeln

15.) Prostaglandine

Vorkommen, Eigenschaften, Verwendung, Biogenese, Beispiele, Nomenklatur

16.) Terpene und Steroide

Terpene, fette und etherische Öle, Vorkommen und Verwendung von Terpenen,

Isoprenregel, Biogenese, Mevalonsäure, Monoterpene, Beispiele, Stereoisomere des

Menthols, Diterpene, Retinol (Vitamin A), cis/trans-Isomerie von Retinal

(Sehvorgang), Tetraterpene, Beispiele, Polyisoprene, Kautschuk, Guttapercha


Steroide, Bildung von Lanosterol aus Squalenoxid, Cholesterol, Verknüpfung der vier

Ringe, Stereoisomere des Sterans, Beispiele, Sterole und Sterone, Sexualhormone,

anabole Steroide

17.) Alkaloide

Vorkommen, Eigenschaften, Verwendung, Biogenese von Morphin, Beispiele,

Isochinolin-Alkaloide, Purin-Alkaloide, Chinolin-Alkaloide, LSD u.a.

18.) Polyketide

Beispiele, Tetracycline

19.) Farbstoffe

Lichtabsorption und Farbe, natürliche Farbstoffe, Anthocyane, Carotenoide, Chinone,

Melamine, Porphyrine, Indigo


Funktionelle Gruppen (FG) • enthalten häufig Heteroatome (≠ C, H)

wichtige Heteroatome sind O, N, S, P, Hal, ....

• prägen die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Verbindungen

Nach ihnen werden deshalb die Stoffklassen der organischen Chemie unterschieden.

Monofunktionelle difunktionelle polyfunktionelle Verbindungen

z.B. Alkohole Aminosäuren Zucker

Wichtige funktionelle Gruppen und Verbindungsklassen

Funktionelle Gruppe Name Verbindungsklasse

C H

Alkyl- Alkane

>C=C< Alkenyl- Alkene -C≡C- Alkinyl- Alkine

Aryl- Arene

-Hal Halogen- Halogenkohlenwasserstoffe

-OH Hydroxy- Alkohole, Phenole

-OR Alkoxy- Ether

-SH Thiol- / Mercapto- Thiole, Mercaptane

-SR Alkylthio- Sulfide, Thioether

-S-S-R Disulfanyl- Disulfide

-SO3H Sulfo- Sulfonsäuren

-NH2 Amino- Amine

-N=N- Diazenyl- Azoverbindungen

-NO2 Nitro- Nitroverbindungen

-N=C=O Isocyanato- Isocyanate

>C=O Carbonyl- Aldehyde, Ketone, .....

>C=S Thiocarbonyl- Thioaldehyde, Thioketone

>C=NH Imino- Imine, Schiffsche Basen


-CO-OH Carboxy- Carbonsäuren

-CO-OR Alkoxycarbonyl- Carbonsäureester

-CO-SR Thioalkoxycarbonyl- Thioester

-CO-NR2 Aminocarbonyl- Amide

-C≡N Cyan-, Nitril- Nitrile

-MgCl Chloromagnesio- Grignard-Verbindungen

-SiR3 Silanyl-, Silyl- Silane


Alkohole Charakteristisches Strukturelement:

C OH

143 pm

92 pm107°

Allgemeine Formel: CnH2n+1OH

IUPAC Name für gesättigte aliphatische Alkohole: Alkanol

Alhohole, R-OH, sind Derivate des Wassers.

Die polare OH-Gruppe macht Alkohole hydrophil. Sie mischen sich mit Wasser, und lösen

andere polare Verbindungen. Die Hydrophilität des Alkohols nimmt mit wachsender Länge

der Kohlenwasserstoffkette ab.


Nomenklatur und Eigenschaften von Alkoholen

Übersicht


Gesättigte aliphatische Alkohole

Physikalische und physiologische Eigenschaften

Die niederen Alkohole sind Flüssigkeiten mit charakteristischem Geruch und Geschmack.

Ihre Eigenschaften lassen sich aus der Verwandtschaft mit dem Wasser herleiten.

Sie besitzen einen relativ hohen Siedepunkt. Sie sind in Wasser gut löslich.

Dipol-Dipol-Assoziation

Ausbildung von Wasserstoffbrücken

H OR

H OR

H OR

Acidität und Basizität der Alkohole entsprechen ungefähr dem Wasser.

Alkohole sind gesundheitsschädlich und teilweise äußerst giftig. 25 Gramm Methanol sind

schon lebensgefährlich; geringere Mengen führen zur Erblindung.


Die Schmelzpunkte der n-Alkanole bis 1-Octanol sind niedriger als derjenige des Wassers.

Beim Propanol liegt ein Minimum.

Mit der Kettenlänge von R

steigt der Siedepunkt an. Siedepunkte von primären Alkoholen ~ Kettenlänge

nimmt

die Dipolassiziation ab

die Tendenz zur Ausbildung von Wasserstoffbrücken ab

die Löslichkeit in Wasser ab

die van der Waals-Wechselwirkung zu

Verwendung von Alkoholen

Alkohole werden in der chemischen Industrie, als Lösungsmittel und als Frostschutzmittel

eingesetzt.

Alkohole sind wichtige Lösungsmittel und Synthesereagenzien

Lösungsmittel: denaturierter (vergällter) Alkohol. Ethanol mit Zusätzen wie Pyridin (Brennspiritus),

Etylmethylketon (MEK), Benzin o.a.

Alkohole sind polare, protische Lösungsmittel.

Genussmittel: Alkoholische Getränke wie Sekt, Wein, Bier, Branntwein, Spirituosen enthalten bis zu 80 %

Ethanol.

In Deutschland sterben jährlich etwa 16.000 Personen durch Alkohol-Missbrauch.

Kulturgeschichte des Alkohols

Die ersten Völker, die gezielt alkoholische Getränke herstellten, waren die Ägypter und

Sumerer. Sie produzierten Bier, später auch Wein. Im Mittelalter wurde die Destillation

erfunden, dadurch war es möglich, den Spiritus vini (Geist des Weines) aus Wein zu

herzustellen.


Industrielle Synthese von Methanol und Ethanol

CH3 OH

CH CH CH3 CO

HCH3 CH2 OH

CH2 CH2 CH3 CH2 OH

CO + 2 H2

Cu/ZnO/Cr2O3

Hitze/DruckSynthesegas

H2OHgSO4

Ethin

+

Acetaldehyd

H2/Ni

Methanol

Ethanol

H2O+300 °C

H3PO4/Kieselgel

Ethen

Methanol: In Deutschland lag die Produktion im Jahre 2000 bei 1.93 Mio. t.

Ethanol: In der BRD wurden 1990 104000 t synthetisches Ethanol hergestellt.

Alkoholische Gärung, "Weingeist", spiritus vini, aus Zucker (Glucose, Stärke nach

enzymatischem Abbau)

C6H12O6

Hefe2 C2H5OH + 2 CO2 schwach exotherme Reaktion

anaerob

C6H12O6Hefe

6 CO2aerob

+ 6 H2O

Die alkoholische Gärung erfolgt nur unter anaeroben Bedingungen.

stark exotherme Reaktion

Weltweit werden etwa 12.6 Mio. jato (1994) Ethanol aus Agrarprodukten wie Melasse,

Rohrzucker, Zuckerrüben, Trauben, Beeren, Kartoffeln, Reis, Mais usw. oder aus Produkten

der Holzverzuckerung und aus Sulfitablaugen (sog. Laugenbranntwein) durch Fermentation

erzeugt.


Laborsynthese von Alkoholen

1.) Hydratisierung von Alkenen

CH3 CHCH3

OHH3C-CH=CH2 + H2 O

Markownikow-Regel

3 R-CH=CH2 + BH3 (R-CH2-CH2)3B 3 R-CH2-CH2-OHH2O2

Hydroborierung Oxidation

H+

elektrophile Addition

2.) Hydrolyse von Alkylhalogeniden

R-X + H2O R-OH + HX nucleophile Substitution

3.) Reduktion von Aldehyden und Ketonen

R CH=O R CH2-OH

R2C=O

NaBH4

oder H2/Ni R2CH-OH

4.) Aus Carbonylverbindungen und Grignard-Verbindungen

R CH=O R CH

R'

O MgX R CH

R'

O H

R C

R'

O MgX

R

R C

R'

O H

R

+ R'-MgXH2O

R'-X + Mg

Ether

R2C=O + R'-MgXH2O

Umpolung: R-X → R-MgX


Reaktionen von Alkoholen

Versuche: Mischbarkeit mit Wasser, Reaktion mit Na

1.) mit Säuren und Basen

R O+H

H

R O

R-OH + H+ Alkyloxonium-Ion

R-OH + Na Na(+) + 1/2 H2

NatriumalkoholatNatriumalkoxid

Reaktive Alkali-Metalle (z.B. K) nicht mit MeOH sondern mit t-BuOH vernichten!

2.) mit Halogenwasserstoff

R O+H

HR-OH + HX X- R-X + H2 O

Alkyloxonium-Ion nucleophile Substitution: SN1, SN2

3.) Dehydratisierung

OHH O+

H HH

C+

H

ORH XH

H(+) - H2O

ROH/- H(+)

Ether

- H(+)

Alken

X(-)

SN1 E1 SN1

evtl. Umlagerungin ein anderesCarbeniumion undBildung weitererProdukte

4.) Reaktion mit Thionylchlorid SOCl2


R OS O

Cl

R-OH + SOCl2

Alkylchlorsulfit

- HClR-Cl + SO2

Ionenpaarmechanismus, kann als SNi-Mechanismus ablaufen, Erhaltung der Konfiguration

5.) Veresterung mit Schwefelsäure

R O SO3HR-OH + HO-SO3H

Alkylhydrogensulfat- H2O- H2OR-OH (RO)2SO2

Dialkylsulfat

6.) Oxidation

CH2 OHR R CO

HR C

O

OH

CH OHR

RC O

R

RC O

R

OR

Ox. Ox.

Aldehyd Carbonsäureprim. Alkohol

Ox. z.B. Na2Cr2O7/H2SO4 ("Chromsäure"), MnO2, Ca(OCl)2 o.a.

sek. Alkohol

Ox.

Keton

spez. Ox.

Ester

7.) Darstellung von zweiwertigen Alkoholen, 1,2-Diolen, Glykolen

Hydroxylierung von Alkenen

cis-, trans-1,2-Diole: siehe Vorlesung OCI

Dreiwertige Alkohole, Triole

wichtigstes Triol: 1,2,3-Propantriol, Glycerin

in Fetten und Ölen: siehe Kap. 14.

Aromatische Alkohole

Phenole Ar-OH: siehe Kap. 11.


Ether Charakteristisches Strukturelement:

C O

C

143 pm

112°

Allgemeine Formel: CnH2n+2O

R1−O−R2: R1 = R2 symmetrische oder einfache Ether

R1 ≠ R2 unsymmetrische oder gemischte Ether.

Nomenklatur und Eigenschaften von Ethern

Verbindung Name Schme1zpunkt

°C

Siedepunkt

°C

CH3OCH3 Dimethylether 138.5 –23

CH3OCH2CH3 Ethylmethylether 10.8

CH3OC(CH3)3 Methyl-t-butylether (MTBE)*) –109 55

(CH3CH2)2O Diethylether –116.6 34.5

CH3CH2OCH2CH2CH3 Ethylpropylether –79 63.6

(CH3CH2CH2)2O Dipropylether –122 91

[(CH3)2CH]2O Diisopropylether –86 68

(CH3CH2CH2CH2)2O Dibutylether –95 142

*) IUPAC-Name: tert-Butylmethylether

Kompliziertere Ether werden häufig als Alkoxyalkane bezeichnet. Z. B.

O

OO

2-Methyl-1-propoxy-butane

2-Methoxy-1-propoxypropane

Vergleich der Siedepunkte von Wasser, Ethanol und Diethylether


H2O C2H5OH C2H5OC2H5

Sdp. / °C 100 78 34.5

Die Sdp. der Ether liegen immer erheblich tiefer als die der entsprechenden Alkohole.

Verwendung von Ethern

Ether sind Derivate des Wassers. Sie besitzen jedoch keine OH-Gruppe, können also keine

Wasserstoffbrücken ausbilden. Sie reagieren neutral und sind in Wasser nicht oder nur wenig

löslich.

Ether sind polare, aprotische Lösungsmittel.

Ether sind gegenüber Alkalimetallen inert und lassen sich mit Natrium-Draht trocknen.

Die meisten organischen Verbindungen sind in Ether löslich.

Versuch: "Ausethern", Extraktion von Substanzen aus wässriger Lösung mit Ether.

Diethylether ("Äther") besitzt einen angenehm süßlichen Geruch.

Der Arzt Crawford Williamson Long verwendete am 30. März 1842 zum erstenmal

Diethylether als Anästetikum ("Äthernarkose").

Hoffmannstropfen (Hausmittel gegen Unwohlsein): Ether+Ethanol (3 : 1)

Me-O-tBu (MTBE) und Et-O-tBu im Benzin (bleifrei), erhöht die Oktanzahl

Technische Synthesen

1.) Intermolekulare Dehydratisierung von Alkoholen

R OH140 °C

R2O + H2OH2SO4

2.) Addition von Alkoholen an Alkene


R OH CH2 CMe2RO CMe3

200 °C

Al2O3

+

Isobuten

R= CH3 : MTBE

Laborsynthese

Williamson-Synthese (1850)

R1-O(-)Na(+) + X-R2 R1-O-R2 + NaX nucleophile Substitution SN1 oder SN2X = Cl, Br, I

am reaktivsten sind tert. Alkyliodide

Reaktionen von Ethern

1.) Peroxidbildung

Ether mit α-H-Atomen bilden mit Luftsauerstoff explosive Peroxide. Testen mit KI-Papier

(Peroxid-Teststreifen). Reduktiv beseitigen.

Me CHOOH

O Et

OO O

O

Me

Me

O2Me-CH2-O-Et Hydroperoxid

nx - n EtOH

1/2 n

Kondensation

Versuch: Nachweis von Peroxiden

2.) Etherspaltung

RO

R' RO

+

R'

H

X(-) muss ein gutes Nucleophil sein.

+ HX X(-)

Dialkyloxonium-Salz

R-X + R'-OH

HX

R'-X + H2 O Günstig für gezielte Etherspaltung: HBr, HI.

Hohe Acidität der Säure, hohe Nucleophilie der korresponiderenden Base X(-).


Carbonsäuren Charakteristisches Strukturelement:

R C

O

O H

121 pm

135 pm

96 pm

Allgemeine Formel für R = H oder Alkyl: CnH2n+1CO2H

IUPAC-Name: Alkansäure

Nomenklatur, Vorkommen und Eigenschaften von Carbonsäuren

Sehr viele Carbonsäuren kommen in der Natur vor. Für sie und ihre Salze sind Trivialnamen

gebräuchlich!

Höhere Carbonsäuren (Fettsäuren) kommen in Ölen, Wachsen und Fetten vor.

Die Carbonsäuren mit einem bis drei Kohlenstoffatomen besitzen einen stechenden Geruch.

Diejenigen mit vier bis neun C-Atomen riechen ranzig bis schweißartig.

Die Siedepunkte liegen relativ hoch. Carbonsäuren sind im flüssigen und festen Zustand über

Wasserstoffbrücken assoziiert. In der Gasphasen können Wasserstoffbrücken-Dimere

vorliegen.

R CO

O RCO

OH

H


Namen ausgewählter Carbonsäuren


Trivialnamen und natürliches Vorkommen einiger Carbonsäuren

Aciditätskonstanten einiger Carbonsäuren

Carbonsäure Name pKa-Wert

H−CO2H Ameisensäure 3.75

CH3−CO2H Essigsäure 4.75

FCH2−CO2H Fluoressigsäure 2.59

ClCH2−CO2H Chloressigsäure 2.85

Cl2CH−CO2H Dichloressigsäure 1.48

Cl3C−CO2H Trichloressigsäure 0.70

BrCH2−CO2H Bromessigsäure 2.90

ICH2−CO2H Iodessigsäure 3.17

NC−CH2−CO2H Cyanessigsäure 2.45

C6H5−CH2−CO2H Phenylessigsäure 4.28

H2N−CH2−CO2H Aminoessigsäure (Gycin) 9.78

CH3−CH2−CO2H Propionsäure 4.87

C6H5−CO2H Benzoesäure 4.19

Elektronenacceptor-Substituenten erhöhen die Acidität.

Elektronendonor-Substituenten erniedrigen die Acidität.

Versuch: Acidität von Carbonsäuren

Technische Synthesen

Ameisensäure


NaOH + CO HCO2-Na+ HCO2H

H3O+100 °C

8 barNatriumformiatNatronlauge

Analog lassen sich auch höhere Carbonsäuren gewinnen:

NaOR + CO RCO2-Na+ RCO2H

H3O+100 °C

8 barNatriumcarboxylatNatriumalkoholat

Essigsäure

Monsanto-Verfahren: Carbonylierung von Methanol

CH3OH + CO CH3CO2HRh

I-Methanol Enzymatische Oxidation, Weinessig

C2H5OH + O2 CH3CO2H + H2OEthanol

Acetobacteroder andereEssigsäurebakterien

Propionsäure

CH2 CH2 + CO + H2O CH3CH2CO2HNi(CO)4

250 °C/150 barEthen

Laborsynthesen

1.) Oxidation von primären Alkoholen oder Aldehyden

R-CH2OH RCH=O RCO2HOx. Ox.

2.) Aus Grignard-Verbindungen

R X R Mg X R CO2

R CO2H

+ MgEther

δ+ δ− δ− δ+

"Umpolung" von R

CO2 - Mg2+X-

H2O


3.) Hydrolyse von Nitrilen (Cyaniden)

R X R CN R CO

NH2

R CO2H

R CO2

+ CN-H2O/H3O+

H2O

Carbonsäureamid

+ NH3

bzw.- NH4

+Ammoniumcarboxylat

Die Reaktion ist umkehrbar! Darstellung von Amiden und Nitrilen.

4.) Hydrolyse von Carbonsäure-Derivaten

R CO

XR C

O

OH+ H2O + HX

X: OR' NH2 Hal O-CO-R Ester Amid Acylhahogenid Anhydrid

5.) Oxidation von Alkenen

CO2H

CO2H

KMnO4

Cyclohexen Hexandisäure (Adipinsäure)

6.) Oxidation von Alkylaromaten

CH3

CH3

CO2H

CO2H

KMnO4

Terephthalsäure

p-Xylen


Reaktionen von Carbonsäuren

1.) Decarboxylierung, Abspaltung der funktionellen Gruppe

RCO2H∆T RH + CO2

erfordert bei unsubstituierten Carbonsäuren hohe Temperaturen. Einfacher, wenn der α-

Kohlenstoff elektronenziehende Substituenten besitzt.

R CH CO2H

X 100 - 150 °CRCH2-X + CO2

X = Hal, NO2, CN, CO2H

2.) Reduktion/Oxidation

Carbonsäuren werden nicht katalytisch hydriert!

R C O

OH

H

R C O

H

H

RCO2H + H-LiAlH4

Ether

LiAlH4+ OH-

H2O

R-CH2-OH primärer Alkohol Versuch: Oxidation von Ameisensäure

HCO2H + 2 Ag+ + 2NH3 CO2 + 2 NH4+ + 2Ag0

3.) Substitution der OH-Gruppe

R CO

OHR C

O

Cl+ SOCl2 + HCl + SO2

PCl3

PCl5

P(OH)3

POCl3

Mit Thionylchlorid entstehen nur gasförmige Nebenprodukte.

Acylhalogenid

Acylhalogenide (Carbonsäurehalogenide) sind sehr reaktive, wichtige Reagenzien,

Acylierungsmittel

4.) Reaktion des Alkylrestes, Hell-Vollhard-Zelinskii-Reaktion (1881)


Der α-Kohlenstoff ist relativ reaktiv. Es erfolgt ganz überwiegend α-Substitution.

C CO

OHHC C

O

OHBr

Br2

PBr3

+ HBr

Statt PHal3 kann eine katalytische Menge roter Phosphor eingesetzt werden, der sich mit dem

Halogen zum Phosphortrihalogenid umsetzt.

Nucleophile Substitution am sp2-hybridisierten C-Atom. Mehrstufiger Mechanismus, zumeist

Gleichgewichtsreaktionen

Mechanismus

1. Schritt Zunächst wird das Säurehalogenid gebildet.

C CO

OHH

C CO

BrH

PBr3 ++3 3 H3PO3

2. Schritt Keto-Enol-Tautomerie des Säurehalogenids. Freie Carbonsäuren tautomerisieren in der Regel nicht.

C CO

BrH

C COH

Br

H+

3. Schritt Addition von Halogen an das Enol

C COH

BrC C

O

BrBr+ Br2 + HBr

4. Schritt Durch Austausch des Halogens der Acylgruppe wird ein weiteres Carbonsäuremolekül aktiviert.

C CO

BrBr

C CO

OHHC C

O

OHBrC C

O

BrH

+ +

Literatur: T. Laue und A. Plagens, Namen- und Schlagwort-Reaktionen der Organischen Chemie, Teubner Studienbücher Chemie, 3. Aufl., B.G. Teubner, Stuttgart 1999.


5.) Nucleophile Substitution am sp2-hybridisierten Kohlenstoffatom. Mehrstufiger

Mechanismus, zumeist Gleichgewichtsreaktionen.

R CO

OHR C

O

Y+ Y(-) + HO(-)

Allgemeines Reaktionsschema für Carbonsäuren

C CO

OH

RH

Säure

Base

Elektrophil Die α-Protonen sind aktiviert, gilt allgemein für Carbonylverbindungen, sind substituierbar (~

elektrophil)

6.) Saure Veresterung

R CO

OH

R CO

OR'+ HOR' + H2O

H(+)

Gleichgewichtsreaktion. Protonen/Säure-Katalyse. Abspaltung von H2O. Mechanismus?

Mehrstufig. Woher stammt das Sauerstoffatom im H2O? Diese Frage wurde durch

Isotopenmarkierung beantwortet.

R CO

O R'R C

O

O HH O R'+ H2O +

O = 18O

Esterhydrolyse

Bei der Esterhydrolyse wird die Bindung zwischen dem Alkoxy-O-Atom und der Acyl-

Gruppe gespalten. Bei der Veresterung der Carbonsäure stammt das O-Atom des gebildeten

Wassers also aus der Carbonsäure.

Allgemein bei Esterhydrolyse: O-Acyl-Spaltung. Selten: O-Alkyl-Spaltung

R CO

O R' O-Alkylspaltung erfolgt nur,wenn R'(+) ein stabiles Carbenium-Ionist.

O-Acylspaltung: Normalfall


Wichtiger Mechanismus!

R CO

O HR C

O+

O H

HR C

O

O+

H

H

R C

OH

OH

O+

R'H

R C

OH

OH

OR'

R C

O+

OH

OR'

HH

R CO

+

O R'

HR C

O

O+

R'

H

R CO

O R'

+ H(+)

Durch die Protonierung wird die Carbonylgruppefür einen nucleophilen Angriff aktiviert. + R'OH

- H(+)

+ H(+)

- H(+)+ H(+)

- H(+)

- R'OH

- H2O+ H2O

+ H(+)

- H(+)

Versuch:

Die Protonierung der Carbonsäure kann unterschiedlich erfolgen:

R CO

O HR C

O+

O H

HR C

O

O+

HH

R C O+

+ H(+) oder- H2O Acylium-Ion

stabil bei R = Ar

Derivate von Carbonsäuren

Wichtige Beispiele:

R CO

X

X = OR' Carbonsäureester NR'2 Carbonsäureamide Hal Carbonsäurehalogenide O-CO-R' Carbonsäureanhydride

Darstellung (formal!) durch nucleophile Substitution


R CO

OHR C

O

X

+ HX + H2O

Die direkte Umsetzung gelingt nicht immer. Die Carbonsäure ist nicht reaktiv genug.

Protonenkatalyse (vgl. Veresterung): Nucleophil wird protoniert. Das Nucleophil muss

acyliert werden.

Gute Acylierungsmittel sind Acylhalogenide

R CO

HalR C

O

X

+ HX + HHal

Beispiele:

+ H2O → R-CO2H Carbonsäure

+ H2O2 → R-CO3H Peroxysäure

+ HOR' → R-CO2R' Ester

+ NH3 → R-CONH2 primäres Amid

+ H2NR' → R-CO-NHR' sekundäres Amid

+ HNR2' → R-CONR2' tertiäres Amid

Versuch: Acetylchlorid + NH3 bzw. H2O

Diese Reaktionen sind auch bei anderen Carbonsäurederivaten möglich.

Allgemein:

R CO

XR C

O

Y

+ HY + HX

Für diese Reaktionen gilt generell, dass sie einer Säure-Katalyse unterliegen.

Es sind aber auch direkte Umsetzungen mit Nucleophilen möglich.

R CO

XR C

O

Y

+ Y(-) + X(-)

Beispiele sind die Esterverseifung (alkalische Hydrolyse) und die Ammonolyse sowie die

Aminolyse eines Esters.


R CO

OR'R CO2Na

R CO

OR'R C

NH2

O

+ NaOH + R'OHSeife: Alkalisalz einer Fettsäure

+ NH3 + R'OH

Amid Carbonsäureamide sind nicht basisch sondern schwach sauer. Die Protonierung mit einer

starken Säure erfolgt am O-Atom.

R CNH2

OR C

NH2+

O R = H Formamid CH3 Acetamid Ph Benzamid

Ester Charakteristisches Strukturelement:

R C

O

O R'

121 pm

135 pm

143 pm

IUPAC-Name: Alkylalkanoat. Beispiel R = CH3, R' = C2H5: Ethylethanoat (andere Namen:

Essigsäureethylester, Essigester, Ethylacetat)

Eigenschaften und Verwendung von Estern

Einfache Ester sind in der Regel flüssig und haben relativ niedrige Siedepunkte.

Z.B. CH3-CO2C2H5 Sdp. 77° C, Schmp. –84° C.

Sie sind in Wasser nicht löslich.

Verwendung als Lösungsmittel (Lacke). Höhere Ester: Weichmacher für Kunststoffe, z.B.

Phthalester

Ester besitzen einen angenehm fruchtartigen Geruch. Sie sind Aromastoffe und Duftstoffe.

Sie kommen verbreitet in Pflanzen, Blüten und Früchten vor.

Das Aroma reifer Erdbeeren enthält z. B. ca. 100 Substanzen, darunter befinden sich

mehrere Ester. Natürliche Aromen bestehen zumeist aus Gemischen zahlreicher Stoffe.


Beispiel: Kaffeearoma: 600–700 Verbindungen

Birnenaroma: Das aus reifen Birnen erhältliche etherische Öl enthält Alkohole, Ester,

Monoterpene (Pinen, Phellandren, Dipenten), Sesquiterpene (Cadinen, Guajazulen), sowie als

aromabestimmende Bestandteile den Methyl- und Ethylester der trans-2-cis-4-Decadiensäure

(sog. Birnenester) und Hexylacetat.

O

OR'R

R = C5 H11

R' = CH3 oder C2H5

Aroma von Carbonsäureester

Ester Aroma

Ameisensäureethylester Rum

Essigsäure-n-butylester Orange

Essigsäureisobutylester Banane

Buttersäuremethylester Apfel

Buttersäureethylester Ananas

Buttersäureisoamylester Birne

Siedepunkte ausgewählter Ester

Name Sdp. [°] Name Sdp. [°]

Ameisensäuremethylester 32 Essigsäurepropylester 102

Ameisensäureethylester 55 Essigsäurebutylester 127

Essigsäuremethylester 57 Propionsäureethylester 99

Essigsäureethylester 77 Buttersäurebutylester 166

Reaktionen

1.) Alkalische Eserhydrolyse, Verseifung

R CO

OR'R C

O

OR'

OH

R CO

OH+ OH(-) + R'O(-) R-CO2

(-) + R'OH

Die Base OH(-) reagiert als Nucleophil und wird bei der Reaktion verbraucht (≠ saure

Esterhydrolyse). Die Reaktion ist irreversibel. Das Carboxylat-Ion besitzt keine


Carbonylreaktivität. Die Rückreaktion ist nur im Sauren möglich (saure Veresterung der

Carbonsäure).

Seifen

Alkalisalze der Fettsäuren

Fettsäure, durchweg gerade C-Zahl, Biosynthese aus C2-Einheiten (Acetyl-CoA). Am

wichtigsten C14, C16, C18

Näheres siehe Kapitel "Fette".

2.) Allgemeines Reaktionschema für Ester

C CO

OH

RR'

Säure (H(+))

Base

Nucleophil

Carbonylreaktivität von Carbonyl-Verbindungen gegenüber Nucleophilen

O

R X

O

R Y+ :Y(-) + :X(-)

X : Hal > H > Alkyl > OH > OR' > NR'2 > O(-)

3.) Reaktion mit einer Grignard-Verbindung R'MgX

O

R X

O

R R'R

R'

R'OH

R'MgX 1.) R'MgX

2.) H2O

4.) Claisen-Esterkondensation (1887)

Ludwig Claisen (1851–1930), Prof. für Chemie, Aachen, Kiel, Berlin.

α-CH-Acidität von Carbonylverbindungen


C

H

CO

XC C

O

XC C

O

X

A:(-)

H-A

Mesomerie-stabilisiertes Anion: Nucleophil! A:(-) starke Base wie NaOEt, NaNH2, NaH

Nucleophile Substitutionsreaktion von R-CO-X mit deprotoniertem Ester als Nucleophil:

C

H

CO

OR'C C

O

OR'

CH

CO

OR'

C CO

OR'CH

C

O

OR'

C CO

OR'CH

C

O

Base

- R'O(-)

ß-Ketoester

(1)

(2)(1) Erzeugung des Nucleophiles

(2) Nucleophile Substitution

Methode zur α-Acylierung von Estern,

einfachster Fall:

O

OC2H5

O

2 CH3 -CO2-C2 H5 NaOR

Essigester

AcetylessigsäureethylesterAcetessigester

5.) Dieckmann-Kondensation (1894)

intramolekularer Kondensation von Diestern

CH2

CH2

OR

OOR

O

n CH2

CH

ORO

On

CH2

CH

OHO

On

CH2

CH2

On

R'O(-)

- R'OH

Hydrolyse ∆T

Decarboxy-lierung

- ROH

Methode zur Synthese von Cycloaliphaten. Besonders geeignet für Fünf- und Sechsringe (n =

3 u. 4).


6.) Alkylierung von Malonester

ROO

CH2

ROO

ROO

C

ROO

H

ROO

CH

ROO

R'Base

- H(+)(-)

R'X

Malonester 2-Alkylmalonester

1.) Hydrolyse

2.) DecarboxylierungR'-CH2-CO2H

Methode zur Synthese von Carbonsäuren.

Derivate der Kohlensäure OH

COH

O

Kohlensäure ist ziemlich instabil, wurde aber in der Gasphase nachgewiesen. Derivate sind

bekannt Cl

CCl

OCO + Cl2hν

Phosgen = durch Licht erzeugtSonnenlicht

farbloses Gas, Sdp. 8° C, sehr giftig

Mit Wasser erfolgt Hydrolyse, mit anderen Nucleophilen werden stabile Derivate der

Kohlensäure gebildet.

OOR

OR

ONH2

NH2

COCl2 + H2O CO2 + 2 HCl

+ 2 HOR + 2 HCl

+ 2 NH3 + 2 HCl

Kohlensäurester

Carbamid, Harnstoff Harnstoff ist das Diamid der Kohlensäure. Er ist das Endprodukt des Eiweißabbaus bei

Menschen und Säugetieren. Ein erwachsener Mensch produziert ca. 20 g/Tag.

Verwendung als Dünger in der Landwirtschaft.

Erste Synthese durch F. Wöhler (1828) aus Bleicyanat bzw. Ammoniumcyanat:

Pb(OCN)2 + 2NH3 + 2H2O → 2 O=C(NH2)2 + Pb(OH)2

NH4OCN → O=C(NH2)2


Technische Synthese

CO2 + NH3 O=C(NH2)2 + H2O150 °C

40 bar

Derivate des Harnstoffs

O

NH

NH2 NH2

NH

NH2NH2

O

NH

NH

NH2NH2Semicarbazid

Guanidin

Carbazid

S

Guanidin ist eine starke Base, sehr hygroskopisch, wird zumeist als Nitrat isoliert, kommt in

der Natur vor.

OOH

NH2

OO

NH2CO2 + NH3

NH3

NH4+

Carbamidsäureinstabil

Ammoniumcarbamat

OOR

ClO

OR

NH2NH3

Chlorameisensäure-ester

Carbamidsäurester = Urethan


O

ONH

R R'

O

NH

OCH2

CH2

O

O

R-N=C=O + H2O R-NH2 + CO2

Alkyl- oderArylisocyanat + HOR' Urethan

R-NH2 + Cl2C=O

- 2 HCl

n O=C=N-(CH2)6-N=C=O + n HO-(CH2)4-OH

Hexamethylendiisocyanat 1,4-Butandiol

4 6 nPolyurethan

Polyaddition

Orthoester

R COR'

OR'OR'

Darstellung formal durch Addition eines Alkohols an einen Ester

R COR'

OR C OR'

OR'

OR'

R C OR'OR'

OR'

R C N R C OR'OR'

OR'

R CCl3

+ 2 HOR'

+ 3 HOR' + 3 HCl

+ 3 HOR' + NH3

+ H2O


Aldehyde und Ketone Charakteristische Strukturelemente:

R C

O

H

R C

O

R'

121 pm135 pm

107 pm

IUPAC-Namen

Aldehyde R-CH=O: Alkanal. Beispiel R = CH3 Ethanal

R=H, Alkyl, Aryl

Ketone R-CO-R': Alkanon. Beispiel R = CH3, R' = C2H5 Butanon

R, R' = Alkyl, Aryl

Nomenklatur und Eigenschaften von Aldehyden und Ketonen

Aldehyde und Ketone besitzen weitgehend gleiche Eigenschaften.

Unterschiede:

- Aldehyde sind leicht oxidierbar, Ketone sind schwierig zu oxidieren

- Aldehyde sind reaktiver als Ketone bei Reaktionen mit Nucleophilen

Versuche: Fehlingsche Probe, Luftoxidation von Benzaldehyd

Formaldehyd, CH2O, ist ein stechend riechendes, giftiges Gas.

Verwendung als Desinfektions- und Konservierungsmittel

im Rauch: Räuchern, Konservieren

wässrige Lösung: Formalin


Namen und physikalische Eigenschaften ausgewählter Aldehyde


Namen und physikalische Eigenschaften ausgewählter Ketone


Siedepunkte von Verbindungen vergleichbarer Molekülgröße und unterschiedlicher

Polarität

Synthesen

1.) Oxidation von Alkoholen

RCH2-OHOx.

RCH=OOx.: CrO3 in Pyridin O2/Ag-Katalysator: techn. Synthese

R2CH-OHOx.

R2C=O

prim. Alkohol

sek. Alkohol 2.) Reduktion von Carbonsäurederivaten

Rosenmund-Reduktion (1918). Katalytische Hydrierung von Säurechloriden

O

R ClRCH=O+ H2

Pd/BaSO4 wenig ergiebig+ HCl

Reduktion von Estern

O

R OR'RCH=O

LTBA LTBA = LiAlH(OtBu)3ebenfalls geeignet istDIBAH = AlH(iBu)2

200 K

3.) Oxidation von Alkyl-Aromaten


Ph-CH=O + 2 HCl

Ph-CH3 + 2 Cl2hν oder

∆TPh-CHCl2 + 2 HCl

H2O

Benzaldehyd

Toluen

4.) Ozonolyse von Alkenen

R

R' H

R"O

R

R'O

H

R"H2OO3 Ozonid- H2O2

+

Es gibt zahlreiche weitere Verfahren, siehe Lehrbücher

Reaktionen

Oligomerisation/Polymerisation von Aldehyden

Formaldehyd, CH2O, polymerisiert → Paraformaldehyd, Polyoxymethylen

Beim Eindampfen wässriger Lösungen oder auf Zusatz von sauren oder basischen

Katalysatoren

Cyclische Trimere

O O

O

O O

O

3 CH2O 1,3,5-Trioxan

3 CH3 -CHO2,4,6-Trimethyl-1,3,5-trioxanParaldehyd, Schmp. 12 °C, Sdp. 124 °C

Keto-Enol-Tautomerie

in Lösung Gleichgewicht zwischen zwei Isomeren


O

CH3 CH3CH2 CH3

OH

O OH

Ketoform Enolform, 1.5 x 10-4 % (in Wasser)

Die Lage des Gleichgewichts richtet sich nach denBindungsenergien von C=C, C−C, C−H,

C−O, C=C, O−H sowie nach der unterschiedlichen Solvation von Keto- und Enolform. Bei

einfachen Aldehyden und Ketonen überwiegt die Ketoform bei weitem.

Die Isomere unterscheiden sich nur in der Lage eines H-Atoms und in der Lage einer

Doppelbindung. Solche Isomere nennt man Tautomere.

Bei 1,3-Diketonen wird die Enolform durch eine intramolekulare Wasserstoffbrücke

stabilisiert.

O O

O OH

O OH O O

HPentan-2,4-dion1,3-Diketon

Enolform, 76.4 % (in Wasser) SymmetrischeWasserstoffbrücke

Versuch: Probe mit FeCl3. Enole bilden mit Fe3+-Ionen farbige Komplexe.

Br2-Addition: Entfärbung

Bestimmung des Enolisierungsgrades:

a) schnelle Titration mit Br2

b) spektroskopisch: IR, NMR

O

OR'

O

O

OR'

OH

O

OR'

O

BrR = CH3Acetessigester1,3-Dicarbonylverbindung

Br2

langsam schnell


Die Enolisierung wird durch Säuren und Basen katalysiert:

OCCH3 CH2

C OCH2

C O

OCCH3

CH3C OH

+CH3

C+

OH

CH2C OH

CH2C OH

+ OH(-)

Enolation H2OpKa ~ 20

+ H3O(+) + H2O

+ H2O

H2O

+ OH(-)

+ H3O(+)

In D2O erfolgt H/D-Austausch.

O

CH2 CH2

O

CD2 CD2

D2O

D3O(+) oderOD(-)

Das Enolation ist ein ambidentes Nucleophil

RO

C

RO

C

RO

(-)hart

weich

Das Enolation reagiert zumeist als C-Nucleophil.

Allgemeines Reaktionsschema für Aldeyde und Ketone


C CO

R'

H

R

Säure/Elektrophil

Elektrophil

Base

Nucleophil

α-Halogenierung

O

H

O

X+ X2

+ HX

Haloform-Reaktion, Mehrfachhalogenierung von Methylketonen

O

R CH3

O

R CX3

O

R CX3OH

O

R OH

+ 3 X2 + 3 HX

OH(-)

+ :CBr3(-)R-CO2

(-) + HCX3

HaloformX = Cl: ChloroformX = Br: BromoformX = I : Iodoform (gelber Feststoff)

nucleophile Substitution

Versuch: Iodoform-Reaktion von Aceton (Video)

Reaktion von Ethanol mit Chlor

C2H5OHCl2 CH3CH=O

3 Cl2- 2 HCl - 3 HCl

Cl3C-CH=OH2O Cl3C-CH(OH)2

Chloral

ChloralhydratSchlafmittel

Cl2

+ 2 HClCl3C-CO2H

H2O

H2OCHCl3 + HCO2H

Chloroform AmeisensäureCl3C-CH(OH)2 Cloralhydrat. Ausnahme von der Erlenmeyer-Regel


Reaktionen mit Nucleophilen

Allgemeines Schema:

C OR

R'C

R

R'

O

Y

H

R, R' = H, Alkyl, Aryl

+ H-Y Folgereaktionen

Katalyse durch Säuren Die nucleophile Additionen and eine Carbonylgruppe ist eine der wichtigsten Reaktionen in

der Organischen Chemie und der Biochemie.

Beispiele:

A) O-Nucleophile

1.) Hydratisierung

CH2 O + H2O H2C(OH)2 K = 2*103

Formaldehyd-Hydrat Formaldehyd ist so gut wie vollständig hydratisiert.

Formalin: 40 %-ige wässrige Lösung.

Die Gleichgewichtskonstante K ist bei anderen Aldehyden kleiner. Wässrige Lösungen

enthalten vergleichbare Mengen an RCH(OH)2 und Aldehyd RCH=O (K ≈ 1).

Ketone werden kaum hydratisiert, bei Aceton K = 2 x 10-3

2.) Acetal-/Ketalbildung

CH

OR CH

OR'R

OH

CH

OR'R

OR'

C OR

RC

OR'

R OH

RC

OR'

R OR'

R

+ R'-OH

Halbacetal

H(+) R'-OH+ H2O

Acetal

+ R'-OH

Halbketal

H(+) R'-OH+ H2O

Ketal

Aldehyd

Keton

B) S-Nucleophile

Mit Thiolen werden Thioacetale bzw. Thioketale gebildet.


3.) Addition von Hydrogensulfit an Aldehyde

C OR

H

RC

H

OH

SO3(-)Na(+)

C OR

H

+ NaHSO3 Bisulfit-Addukt

HCl

+ SO2 + NaCl

Abtrennung und Reinigung von Aldehyden.

Bisulfit-Addukte lassen sich gut umkristallisieren

C) N-Nucleophile

4.) Reaktion mit Ammoniak und primären Aminen

C O CNH2R

O CNHR

OHC

NHR

NHR

C NR

Halbaminal,instabil

+ H2N-R + H2O

AminalAldehyd oder Keton

(+)

H2NR

- H2O - H2NR

IminAzomethinSchiffsche Base

Schiffsche Basen sind relativ unbeständig und reaktiv. Sie neigen zur Oligimerisation.

Z. B. Trimerisierung

C NR

N N

N

R

R

R3 Hexahydro-1,3,5-triazin

Bildung von Hexamethylentetramin


NHNHNH

NNN

R RR

NN

N

N

3 H2C=O + 3 NH3- 3 H2O

3 H2C=OR = CH2OH

NH3 - 3 H2O

UrotropinTetraazaadamantan

5.) Reaktion mit Hydrazin und Hydroxylamin

C O NX

C OR

R'

NR

R' NR'

R

+ H2N-X- H2O

Aldehyd oder Keton

X = OH: Hydroxylamin Oxim

NH2: Hydrazin Hydrazon

NH-Ph: Phenylhydrazin Phenylhydrazon

NH-CO-NH2: Semicarbazid Semicarbazon

+ H2N-NH22- 2 H2O

Azin, z. B. R = R ' = CH3: Acetonazin

Oxime, Phenylhydrazone und Semicarbazone sind gut kristallisierende Verbindungen.

6.) Reaktion mit sekundären Aminen

Bildung von Enaminen


C O CNR2

OHC NR2

C NR2

H

C NR2 C NR2

C

Halbaminal

+ HNR2- H2O (+) Iminium-Ion:

Elektrophil

bei α-Wasserstoff-Atom:

(+)- H2O

Enamin

(+)

Beispiel

O N N+

Cyclohexanon Pyrrolidin 1-Cyclohex-1-enyl-pyrrolidin

+ H2O

Enamine sind wichtige Synthese-Zwischenstufen. Sie reagieren mit Alkylierungs- und

Acylierungsmitteln:

N N

R

O

R

N

OR

O

OR

NH

NH

+H2OR-X (+)

+H2OR-CO-X (+)

D) C-Nucleophile

7.) Addition von HCN an Aldehyde und Ketone, Strecker-Synthese von α-Aminosäuren


C OR

HC

OHR

H CNCH

R

OH

CO2H

CNH2

R

H CNCH

R

NH2

CO2H

+ HCN 2 H2O

Cyanhydrin,α-Hydroxynitril

α-Hydroxycarbonsäure

+ 2 NH3

NH3

2 H2O

α-Aminocarbonsäure

+ 2 NH3

8.) Reaktion mit Grignard-Reagenzien

Bildung von primären, sekundären und tertiären Alkoholen

R CH=O R CH

R'

O MgX R CH

R'

O H

R C

R'

O MgX

R

R C

R'

O H

R

CH2 O MgX

R'R' CH2 O H

+ R'-MgXH2O

R2C=O + R'-MgXH2O

+ R'-MgXH2O

H2C=O

9.) Wittig-Reaktion (1953)

G. Wittig, Nobelpreis 1979

Wichtige Alken-Synthese. Olefinierung einer Carbonylverbindung = Carbonylolefinierung

Aufbau des Alkens an der C=C-Doppelbindung

a) Darstellung des Wittig-Reagenzes:

X CH CHPh3P CPh3P CPh3P

Ph3P ++ +

Ylen-Form Ylid-Form

- H+

Triphenylphosphan Halogenalkan

Base

Base: Ph-Li, Bu-Li, NaNH2 o. a.

quart. Phosphoniumsalz

b) Umsetzung mit der Carbonyl-Verbindung


Ph3POO

Ph3P

O

P

P+

OC

+ +

-

Ph3

Ph3Ph3 PO +

P-O-Betain

P-C-Betain

1,2-Oxaphosphetanechte Zwischenstufe

1 2

3

4

Alken

Die Schritte 1 und 2 sowie 3 und 4 können jeweils konzertiert verlaufen.

10.) Aldol-Reaktion

Reaktion der Enolform bzw. des Enolations

COC

H

COC

O

O

O

O

OH

OOH

OH

OH(-) (-) Enolation= C-Nucleophil

- H(+)

α-Deprotonierung nucleophile Addition

H2O

+ H(+)Aldol-Addition

- H2O

Aldol-Kondensation

α,β-ungesättigteCarbonyl-Verbindung

Beispiele:


CH3

H

O

OHCH

OCH3

O O

OH

O

O

PhPh

OH(-)

- H2O2 CH3-CH=O

H2OAcetaldehydAcetaldol Crotonaldehyd

Ba(OH)22

Aceton

H2SO4

- 2 H2O

Diacetonalkohol Mesityloxid

2 Ph-CH=O + H3C-CO-CH3

- H2O

Benzaldehyd Aceton Dibenzalaceton Versuch: Herstellung von Dibenzalaceton

Bei der Aldolkondensation wird stets eine Carbonylkomponente mit einer

Methylenkomponente umgesetzt.

11.) Knoevenagel-Reaktion (1894)

Kondensation von Aldehyden oder Ketonen (Carbonylkomponente) mit Malonester

(Methylenkomponente)

CH2CO2Et

CO2EtC O CC

CO2Et

CO2EtCC

CO2H

H

CH2CO2Et

CO2EtO

H

PhCC

H CO2H

HPh

Base

- H2O

Malonester 2-Alkylidenmalonester

1.) Hydrolyse

2.) Decarboxylierung+

α,β-ungesättigteCarbonsäure

Beispiel:

+

Benzaldehyd Zimtsäure

12.) Perkin-Reaktion (1877)

Herstellung von αβ-ungesättigten Carbonsäuren


C OH

Ph

CCH CO2H

HPhH2CH

O

O

CH3

O

CHO

O

CH3

O

C

H

Ph

Essigsäureanhydrid

+

Benzaldehyd Zimtsäure

- H2OH2O

+ CH3CO2H

13.) α,β-ungesättigte Carbonylverbindungen

Wie bei 1,3-Dienen gibt es bei α,β-ungesättigten Carbonylverbindungen 1,2- und 1,4-

Additionen.

CC

CO

C+ C

CO

CH

CH

CO

Me

Ph

CH

CH

C O

Me

Ph MgBr

Et

CH

CH

C O

Me

Ph H

Et

CH C

HCPh

EtMe

O MgBrCH C

H2

CO

Me

Ph

EtCH C

HCPh

EtMe

O H

weichhart

Das Carbonyl-C-Atom ist härter als das β-C-Atom.Dem entsprechend greifen harte Nucleophile an der Carbonylgruppe und weiche Nucleophile am β-C-Atom an.

+ Et-MgBr

1,2-Addition

1,4-AdditionKeto-Enol-Tautomerie

40 %

60 %

Beispiel:

Das Verhältnis von 1,2- zu 1,4-Addition variiert je nachdem, welche Verbindung mit

welchem Reagenz umgesetzt wird. Harte Nucleophile (z. B. RLi) zeigen bevorzugt 1,2-

Addition.

15.) Michael-Addition (1887)

Arthur Michael (1853–1942), amerikanischer Chemiker.

Carbanion + "aktiviertes" Alken: nucleophile Addition an ein π-Elektronen-armes Alken: AN

Mechanismus: 1,4-Addition (s. o.).

Beispiele:


CH2CO2Et

CO2EtO O

CH(CO2Et)2

CH2CO2Et

CO2Et

CNNC

CH(CO2Et)2

NaOEt

EtOH+

Malonester

+

Acrylnitril (2-Cyanoethyl)malonester

16.) Mannich-Reaktion (1917)

Aminoalklierung: Drei-Komponenten-Reaktion

NHO

H

ON

NH N+

CH2

N+

CH2

O HN

CH2

O

H2C=O

+

++ CH2

NH3, prim.oder sek. Amin

Mannich-Base

H2C=O+

- H(+)

Die Reaktion wird in saurer oderalkalischer Lösung ausgeführt.

Iminium-Ion (Elektrophil)

Enolform derCarbonylverbindung

Oxidation und Reduktion von Aldehyden und Ketonen

17.) Cannizzaro-Reaktion (1853)

Stanislao Cannizzaro (1826–1910), Prof. für Chemie in Genua u. Rom.

Die Reaktion ist beschränkt auf Aldehyde ohne α-H-Atom, also nicht-enolisierbare Aldehyde.


OHO

H

Ph

OH

Ph

OH

O

Ph OH

HPh

+

2 Ph-CH=OOH(-)

H2OPh-CO2H + Ph-CH2-OH

+1 -1+3

Benzylalkohol Benzoesäure

Redox-Disproportionierung

2 Ph-CH=O + OH(-)

Ph-CO2(-) + Ph-CH2-OH

1 2

Schritt 1: schnell; Schritt 2: langsam (geschwindigkeitsbestimmend).

Kinetische Untersuchungen liefern folgendes Geschwindigkeitsgesetz:

v = k [Ph-CHO]2 x [OH(-)]

CH3-CH=OCa(OH)2

CH2=O(HO-CH2)3C-CH=O Gekreuzte Aldol-Addition

CH2=O

C(CH2OH)4 + HCO2H

Gekreuzte Cannizzaro-Reaktion

Pentaerythritvierwertiger Alkohol

Pentaerythrit dient zur Herstellung von Polyesterharzen.

Versuch: Cannizzaro-Reaktion von Benzaldehyd

18.) Clemmensen- Reduktion (1913) und Wolff-Kishner-Reduktion (1912)

Vollständige Reduktion der Carbonylgruppe zur Methylengruppe

C O C HH

C O C HH

Zn/Hg

HCl

H2N-NH2

NaOH

Clemmensensauer

Wolff-Kishnerbasisch

Zum Vergleich:

Reduktion mit komplexen Hydriden führt zum Alkohol.


C O C OHNaBH4

oderLiAlH4

Reduktive Kupplung

C O C COH OH2 Na

2 H(+)

EtOH

2 + 2 Na(+)

1,2-DiolPinakol Radikal-Mechanismus

19.) McMurry-Reaktion (1978)

Reduktive Kupplung von Carbonylverbindungen zu substituierten Alkenen

Reduktion und Kupplung von Carbonyl-Verbindungen mit niedervalenten Titanverbindungen.

Die Reaktion erfolgt auf der Metalloberfläche.

OR

R

R

R R

R

OH

R

H

R H

R H

R R

H

[Ti]Ausbeute: > 80 %

[Ti] = TiCl3 oder TiCl4 + Zn, Li, K, Mg, LiAlH4

2

2TiCl4/Zn

THF+

R = CH2-CH2-CH3

CH(CH3)2

C(CH3)3

36>200

:::

111

Die Reaktion eignet sich auch für sperrige Reste R.

Aus Diketonen werden Cycloalkene dargestellt.

O O

C

Ti(I)

OTi(I)

OTi(I)

[Ti] 2x+ 2 TiO

Mechanismus:

Endprodukt bei der Reduktion von Ketonen z.B. mit Na. siehe 18.)


20.) Baeyer-Villiger-Oxidation von Ketonen (1899)

C OR

RC O

R

OR

C OEt

Et COEt

EtO

O O

CF3

H

O

OEtEt

O

O

O

Ester

+ R'-CO3H + R'-CO2H

+ CF3-CO3H+ CF3CO2H

Beispiele:

R'-CO3H

Cyclohexanon

ε-Caprolacton,cyclischer Ester: Lacton

12

1: nucleophile Addition2: Zerfall u. Umlagerung

Bei unsymmetrischen Ketonen wandert bevorzugt die stärker verzweigte Alkylgruppe.


Amine Charakteristisches Strukturelement:

NR

R'R"

N-H 104 pm

N-C 147 pm112 ° R, R', R" = H, Alkyl, Aryl

Derivate des Ammoniaks NH3

NH3 R-NH2 R2NH R3N

primäres sekundäres tertiäres

Amin

Nomenklatur anders als bei den Alkoholen!

Nomenklatur, Vorkommen und Eigenschaften von Aminen


Namen und physikalische Eigenschaften ausgewählter aliphatischer Amine

pkb 3.4 3.3 4.2 3.3 3.0 3.3 3.4 3.1 3.4 6.0 2.7 2.9 3.3, 6.4 3.1, 5.0

Der systematische Name von Ethylenimin lautet "Aziridin", nicht "Aziran". Die nächst höhere Verbindung ist:

NH Azetidin(Trimethylenimin)

Sdp.63 °C

pKb2.7


Namen und physikalische Eigenschaften ausgewählter aromatischer Amine (Aniline)

pKb 9.4 9.2 9.0 9.6 9.3 8.9 11.5 10.5 9.8 14.4 11.5 13 9.5 9.1 8.0

pKa-Werte aus: R. C. Weast, M. J. Astle (Hrsg.), CRC Handbook of Chemistry and Physics,

63. Aufl., CRC Press, Boca Raton 1982-1983.


Struktur und Pyramidale Inversion von Aminen

Bei R ≠ R' ≠ R'': chirale Struktur. Die Enantiomeren sind nicht stabil. Racemisierung durch

Stickstoff-Inversion. Diese besitzt bei "normalen" Aminen eine Aktivierungsbarriere Ea von

etwa 25 kJ/mol.

N

R R'R" N

R R' R" N

RR'R"

=

Die Inversion entspricht eine Spiegelung.

..

..

..

Bei stabilen Enantiomeren müßte EA > ca. 100 kJ/mol sein. Dies ist nur bei wenigen Aminen

der Fall.

Beispiel:

NMe

Me Me1,2,2-Trimethylaziridin

EA ≈ 80 kJ/mol.

Die Enantiomere konnten getrennt werden.

R'N

+R

R"

R"'

Chirale quartärne Ammonium-Ionen bilden stabile Enantiomere.


Physikalische Eigenschaften von Aminen

Siedepunkte [°C]

NH3 CH3-NH2 (CH3)2NH (CH3)3N

-22 -6 +7 +3

Zum Vergleich: H2O 100°, CH3OH 65°, CH3OCH3 –23°.)

R-NH2, R2NH: Assoziation durch H-Brücken, R3N: keine H-Brücken, siedet niedriger

N-H---N-Brücken sind schwächer als O-H---O-Brücken.

Basizität von Aminen

R3N: + H2O R3N-H(+) + OH(-)

K = [R3N:] [H2O]

[R3N-H(+)] [OH(-)]Kb = K [H2O] =

[R3N:]

[R3N-H(+)] [OH(-)]

pKb = - log Kb

Massenwirkungsgesetz und pKb-Wert

pKb-Werte

NH3 CH3-NH2 (CH3)2NH (CH3)3N

4.8 3.4 3.3 4.2

Basenstärke: prim. Amin < sek. Amin > tert. Amin

Erklärung: Elektronendonor-Eigenschaft, + I-Effekt der Alkylgruppen/unterschiedliche

Solvation von Amin und Ammonium-Ion

Versuch: Basizität von Triethylamin und Anilin, Indikator Phenolphthalein

Darstellung von Aminen

1.) Alkylierung von Ammoniak

Amine sind Nucleophile


NH3 + R-Br R-NH3(+) + Br(-)

R-NH3(+) + NH3 R-NH2 + NH4

(+)

R-NH2 + R-Br R2NH2(+) + Br(-)

R2NH2(+) + NH3 R2NH + NH4

(+)

R2NH + R-Br R3NH(+) + Br(-)

R3NH(+) + NH3 R3N + NH4(+)

R3N + R-Br R4N(+) + Br(-)

Es entsteht ein Gemisch aus prim., sek., tertiären Amin sowie der quart. Ammonium-

Verbindung. Das Verfahren ist zur selektiven Darstellung von prim., sek. und tert. Aminen

wenig geeignet.

Versuch: Reaktion von Triethylamin mit Methyliodid

2.) Gabriel-Synthese: primäre Amine

NK

O

O

N

O

O

R

CO2H

CO2H

+ R-BrOH(-)

+ KBr

H2O/OH(-)

+ R-NH2

Phthalimid-Kalium

Phthalsäure

3.) Reduktion von Nitroverbindung: primäre Amine

R NO2 R NH2

Red.Red.: z. B. Fe

Das Verfahren eignet sich hauptsächlich für aromatische Amine.

Versuch: Reduktion von Nitromethan, MeNO2, mit Zn/NaOH

4.) Reduktion von Nitrilen: primäre Amine

R CN R CH2 NH2Red. Red.: H2/Kat. oder LiAlH4


5.) Reduktion von Amiden: primäre, sekundäre, tertiäre Amine

O

R NR'2 CH2R NR'2

LiAlH4

R' = H, Alkyl, Aryl

6.) Reduktion von Iminen: sekundäre Amine

O NR

CH NH R+ H2N-R- H2O

Red.

Red.: z. B. H2/Ni

Reduktive Aminierung von Carbonylverbindungen.

Reduktive Alkylierung von Ammoniak und Aminen

OR

R'CH NH2

R

R'+ NH3

- H2O

Aldehydoder Keton

H2/Ni

NH3 im Überschuß einsetzen, da sonst auch sek. und tert. Amine entstehen.

7.) Leuckart-Wallach-Reaktion (1885)

OR

R'CH NR"2

R

R'+ HNR"2 + HCO2H

Aldehydoder Keton

+ H2O + CO2

Die Ameisensäure ist Reduktionsmittel.

8.) Aus Carbonsäure-Derivaten durch Abbaureaktion

a) Hofmann-Abbau (1881): primäre Amine


O

R NH2

R NH2

O

R NH

Hal

O

R NN C O

RN C

R O

OHH

+ Hal2 + 2 OH(-) + 2 Hal(-) + CO2 + H2 O

Hal2 OH(-)

- H2O- Cl(-)

OH(-)

- HCl

α-Eliminierung

H2O

- CO2

CarbamidsäureIsocyanatAcylnitren

:..

UL

UL = Umlagerung

Hal2 = Cl2 oder Br2

Versuch: Hofmann-Abbau von Acetamid

b) Curtius-Abbau (1890)

O

R ClR NH2

O

R N3

O

R N+ NaN3

- NaCl - N2 :..Acylnitren

usw.

Natriumazid Carbonsäure-azid

c) Schmidt-Abbau (1923)

O

R CO2HR NH2

O

R N3

O

R N+ NaN3

- N2 :..Acylnitren

usw.

Natriumazid Carbonsäure-azid

H2SO4

Bei a), b) und c) nimmt die sigmatrope Umlagerung des reaktiven Acylnitrens eine zentrale

Stellung ein.

Reaktionen von Aminen

1.) Darstellung von Amiden und Sulfonamiden


O

R' Cl

O

R' NH2

O

R' NH-R

O

R' NR2

+ 2 NH3

prim. Amid

+ NH4Cl

+ 2 R- NH2

sek. Amid

+ R-NH3Cl

+ 2 R2NH

tert. Amid

+ R2NH2Cl

Die Amid-Bindung ist sehr stabil. Amid-Mesomerie:

O

R' NR2

O

R' NR2(+)

(-)

Analog erfolgt die Darstellung von Sulfonamiden aus Sulfonsäurechloriden:

R-SO2Cl + HNR2 R-SO2-NR2

Bestimmte Sulfonamide sind Chemotherapeutica.

Polyamidfasern, Nylon-Synthese

O

Cl

O

Cl

O

*

O

NH

NH

*

n

+ n H2N-(CH2)6-NH2

1,6-Diaminohexen Hexamethylendiamin

n

Adipinsäuredichlorid

4 4 6

Nylon-6,6

- 2n HCl

Versuch: 33. Nylon-Synthese

2.) Reaktion mit salpetriger Säure

a) primäre Amine


R N+

N O

H

HN N

O

R

H

N NOH

RN

+NR

NaNO2 + HCl HO-N=O- NaCl

H(+)

- H2ONO(+) Nitrosyl-Kation, Elektrophil

R-NH2 + NO(+)

- H(+)

H(+)

- H2O

Umlagerunganalog zurKeto-Enol-TautomerisierungAlkandiazonium-Ion

Alkandiazonium-Verbindungen sind äußerst instabil. Sie zersetzen sich bereits bei niedriger

Temperatur. Dabei entstehen Carbenium-Ionen, die sofort weiter reagieren.

R-N2(+)→ R(+) + N2

Auf diesem Wege lassen sich auch primäre Carbenium-Ionen erzeugen.

Beispiel:

CH3

CH

+

CH3

CH3

CH CH3

OH

NaNO2CH3-CH2-CH2-NH2 HCl

CH3-CH2-CH2(+) + N2

H2O

CH3-CH2-CH2-OH

7 %

- H(+)

28 %

- H(+)

H2O

32 %Weitere Produkte : 33 %

Propylamin

b) sekundäre Amine


RN N

OR

RN

RNO2

RN NH2

R

NNN

R

RN

R

R

N

R

RN

R

RN

R

R

R2-NH + NO(+)

- H(+)

Nitrosaminstarkes Carcinogen

Ox.

Nitramin

Red.

Ox.

2x1,1-Dialkylhydrazin

2-Tetrazen

2- N2

∆T

Aminyl-Radikal

Tetraalkylhydrazin

c) tertiäre Amine

R3N NO

N+

RR

H

NON

+R

R

O H NR

R

NR

RNO

R3N + NO(+)

Nitrosamin.starkes Carcinogen

(+)

- H-NO H2O+

HNO2Iminium-Ion

Auch aus tert. Aminen können also Nitrosamine gebildet werden. Dies ist

ernährungsphysiologisch sehr wichtig, da mit der Nahrung viele Amine aufgenommen

werden. Deshalb dürfen Nahrungsmittel und Trinkwasser weder Nitrat noch Nitrit enthalten.

Literatur: Siehe z. B.: P. Rademacher, Chemische Carcinogene, Chemie in unserer Zeit 1975, 9, 79-84; J. Chem. Educ. 1976, 53, 757-761.

3.) Oxidation von Aminen

Primäre Amine lassen sich zu vielen Produkten oxidieren, z.B. zu Nitroverbindungen

Sekudäre Amine: R2NH + H2O2 → R2N-OH + H2O

Hydroxylamin

Tertiäre Amine:


R3N OR3N + H2O2

(+) (-)+ H2O

oderR-CO3H

Aminoxid

Aminoxide bilden über die Cope-Eliminierung (1949, ≠ Cope-Umlagerung) Alkene. Dabei

handelt es sich um eine syn-Eliminierung

R3N O

NR2H

O

R3N + H2O2

(+) (-)+ H2O

oderR-CO3H

Aminoxid

(+)(-)

+ HO-NR2

∆T

4.) Hofmann-Abbau quartärer Ammoniumhydroxide, Hofmann-Eliminierung

NR3H

(+)

+ NR3OH(-)

ca. 200 °C- H2O

E2-Reaktion

5.) Diazotierung aromatischer Amine, Azokupplung

Arendiazonium-Verbindungen, Ar-N2(+)X(-), sind stabiler als Alkandiazonium-Verbindungen.

N+

N CH+

N+

NCH

+N

+N usw.

Mesomeriestabilisiertes Kation. Bei ca. 0° C gut handhabbar. Bei höherer Temperatur erfolgt

Zerfall.

Ar-N2(+) Ar(+)

- N2

H2O Ar-OH- H(+)

Phenol

Wichtige Methode zur Darstellung von Phenolen. Mit anderen Nucleophilen entstehen

analoge Verbindungen:


Ar-N2(+) Ar(+)

- N2

Nuc(-)Ar-Nuc

- H(+)

Arendiazonium-Ionen sind (schwache) Elektrophile, sie reagieren mit aktivierten Aromaten

(z.B. Aniline, Phenole, Phenolether) unter elektrophiler aromatischer Substitution zu

Azoverbindungen. Dabei handelt es sich um wichtige Farbstoffe.

NMe2 NN

NMe2

Ph

OHN

NOH

Ph

Ph-N2(+) +

N,N-Dimethyl-anilin

- H(+)

Ph-N2(+) +

Phenol- H(+)

Beispiel für die Synthese eines Azofarbstoffs:

NN

NMe2

(-)O3S

NH3(+)

SO3(-)

N2(+)

SO3(-)

NN

NMe2

(-)O3S

NaNO2

verd. HCl0 °C

Ph-NMe2

H3O(+)

(+)

gelb

rot

pH > 4.4

pH < 3.1

pKa = 3.5

MethylorangeSäure-Base-Indikator

Sulfanilsäure

Versuch: Azofarbstoffe

6.) Ersatz der N2+-Gruppe in Arendiazonium-Ionen

Sandmeyer-Reaktion (1884)

Ar-N2(+)X(-) Ar-X + N2

CuXX = Cl, Br, CN


Cu(I)-Salze katalysieren die Zersetzung von Diazoniumsalzen.

Schiemann-Reaktion (1927)

Ar-N2(+)BF4

(-) Ar-F + N2 + BF3ca. 60 °C

Darstellung von Fluorarenen.

Abspaltung von NH2-Gruppen aus Aromaten

Diazotierung des Amins und Reduktion der Diazonium-Verbindung

2 Ar-N2(+) + H3PO2 + 2 H2O 2 Ar-H + N2 + H3PO4 + 2 H(+)

Hypophosphorige Säureoder andere Reduktions-mittel, z. B. NaBH4

Phenole Charakteristisches Strukturelement:

OH

110 °

107 pm

135 pm

Phenole sind wie Alkohole Derivate des Wassers.

Nomenklatur und Eigenschaften von Phenolen

Ph-OH = Hydroxybenzen, Phenol, aromatischer Alkohol

CH2

O OH

Ketoformnicht aromatisch

Enolformaromatisch

Phenol ist die Enol-Form des Cyclohexadienons.

Verwendung von Phenol als Desinfektionsmittel: Carbolsäure


Namen und physikalische Eigenschaften ausgewählter Phenole

pKa*)

9.89

9.85

9.81

10.35

10.20

10.01

10.17

8.5

9.0

9.4

7.66

7.17

8.28

7.15

3.96

0.38


*) pKa-Werte aus: R. C. Weast, M. J. Astle (Hrsg.), CRC Handbook of Chemistry and Physics,

63. Aufl., CRC Press, Boca Raton 1982-1983.

Weitere wichtige Phenole

OH

OHOH

OH

OHOHPyrogallol

Phloroglucin

Versuch: Fe (III)-Komplexe. Verschiedene Farben, vgl. Enole

Acidität der Phenole

Phenole sind schwache Säuren, acider als Alkohole

Substituenteneinfluss: –M-Substituenten in ortho- und para-Position erhöhen die Acidität

stark.

OH

N+

O O

O

N+

O O

O

N+

O O

- H(+)

Versuch: Phenol, Pikrinsäure, Indikator: Bromphenolblau

Bromthymolblau CH(CH3)2

BrCH3H3C

Br

HO

CH(CH3)2

SO3H

O (3,3'-Dibromthymolsulfonphthalein)

pH-Indikator

C27H28Br2O5S. Rosafarbenes Pulver, leicht lösl. in Alkohol,

weniger lösl. in Wasser. Indikator zur pH-Bestimmung im

Umschlagsgebiet pH 6,0–7,6 (gelb bis blau)


Darstellung von Phenolen

Eine direkte Hydrolylierung von Aromaten über eine elektrophile aromatische Substitution ist

nicht möglich.

1.) Hydrolyse (Verkochen) von Arendiazoniumsalzen

Ar-NH2 Ar-N2(+) ∆T

2 H2OAr-OH + N2 + H3O(+)

2.) Alkalischmelze von Arensulfonsäuren

Ar-SO3(-)Na(+) + 2 NaOH

HCl

Ar-OH + NaCl

ca. 300 °CAr-O(-)Na(+) + Na2SO3 + H2O

3.) Hydrolyse von Chlorbenzen

Nucleophile aromatische Substitution SNAr

CH3

Cl

CH3

OH

CH3

OH

Cl OHOH

Ar-Cl + 2 NaOH Ar-O(-)Na(+) + NaCl + H2Oca. 300 °C

+NaOH

NaOH +* * *

* = 14C

1 : 1

o-Kresol m-Kresol

Das Produktverhältnis gibt an, dass eine Zwischenstufe durchlaufen wird, in der zwei

benachbarte C-Atome äquivalent sind.

SNAr: Eliminierungs-Additions-Mechanismus


Cl

H C

Cl

C OH OH

NaOH

OH(-)

- H2O - Cl(-)

C6H41,2-DidehydrobenzenArinBenzin

H2O

Das Arin ist eine echte reaktive Zwischenstufe. Es kann auch auf anderem Weg erzeugt

werden, z. B. aus Anthranilsäure:

NH2

CO2H

N2(+)

CO2(-)HCl

NaNO2

- N2- CO2

∆T

Bei diesem Verfahren entstehen nur gasförmige Nebenprodukte.

Durch nucleophile aromatische Substitution kann auch Anilin synthetisiert werden. Ebenfalls

SNAr-Reaktion.

Cl NH2

+ NH3 + HClDruck

∆T

Eine "normale" nucleophile Substitution nach einem Additions-Eliminierungs-Mechanismus

ist nur bei Aromaten möglich, die –M-Substituenten in o- und/oder p-Position besitzen.

4.) Technische Synthese von Phenol. Cumenhydroperoxid-Verfahren (Hock, 1944)

Luftoxidation von Cumen (Cumol) zum Hydroperoxid, das mit Schwefelsäure zu Phenol und

Aceton gespalten wird.


OH

O

Me

MeHPh C

Me

MePh OH O

Me

MeOPh O

Me

MeOPh OH C

Me

MePh

Me

MeOPh O

+H

H

Me

MeO

+Ph C

+

OMe

Me

PhOMe

Me

PhOH

OH

O

+ CH3-CH=CH2H2SO4

oderH3PO4

Cumen(Cumol)

O2

(Luft)

Phenol Aceton

+ O2 +

O2Cumen

Ph-CMe2H+

+

H2SO4

- H2O

2 H2O

- H3O(+)

+

HalbketalSextett-Umlagerung

Radikalketten-Mechanismus

Cumenhydroperoxid

Da bei der Synthese eine äquimolare Menge Aceton entsteht, das allerdings wieder für die

Gewinnung von Cumen verwendet werden kann, sucht man nach alternativen

großtechnischen Synthesen. Dabei kommt der direkten Oxidation von Benzen die wichtigste

Rolle zu.

OH

!/2 O2

Kat.

Entscheidend ist die Entwicklung des Katalysators.


Reaktionen von Phenolen

1.) Darstellung von Alkylphenolethern, Williamson-Synthese

Ar-O(-) + R-X → Ar–O-R + X(-)

Z.B.

OH OMe

NaOH

Me2SO4

Anisol

2.) Reimer-Tiemann-Reaktion (1876), Salicylaldehyd

OH OH

CH=O

O OH

CCl2

O

CHCl2

OHCH=O

+ CHCl3NaOH

H2OSalicylaldehyd

HCCl3 + OH(-) :CCl3(-)

- H2O - Cl(-):CCl2 Dichlorcarben

α-Eliminierung

+ :CCl2

..(-)

H3O(+)

H2O

Mechanismus:

3.) Kondensation mit Aldehyden

Bildung von Phenol-Formaldehyd-Harzen, Polykondensation

Alkalische oder saure Kondensation mit Formaldehyd ( Harze, Bakelite, Novolacke)

(Kunststoffe und Lacke)

Hydroxymethylierung = elektrophile Substitution usw. Mono-Substitution lässt sich nur

schwer kontrollieren.


OH

H

H

OH

CH2OH

HOH

H

CH2OH

OHH

OH

H

OH

OH

OH

H

- H2O

+ CH2=O

FormaldehydElektrophil

- H2O

- H2O

Durch Polykondensation entstehen hochvernetzte Makromoleküle mit folgender Struktur:

OH OH

OH

Versuch: Bakelit

Baekeland (1909), erster vollsynthetischer Kunststoff.

Chinone Charakteristisches Strukturelement:

Cyclisches Diketon mit vollständig konjugierten Doppelbindungen.

O

O

O

O

parabenzoidesSystem

orthobenzoidesSystem

Wichtige Beispiele:


O

OO

O

O

O

CH3Chinon, p-Benzochinon, [1,4]Benzochinon,Cyclohexa-1,4-dien-3,6-diongelb

o-Benzochinon, [1,2]Benzochinon, Cyclohexa-1,3-dien-5,6-dionrot

Toluchinon

O

O

O

O O

O

[1,4]Naphthochinon [1,2]Naphthochinone [2,6]Naphthochinone O

O

[9,10]Anthrachinon

Hydrochinon und ähnliche Verbindungen sind Radikalfänger, Antioxidantien

Hydrochinon und Brenzcatechin finden als photographischer Entwickler Verwendung.

Darstellung von Chinonen

Oxidation von Hydrochinonen


O

O

OH

OH

OH

OH

O

O

Ox. Ox. z. B. FeCl3, Na2Cr2O7/H2SO4, H2O2

Hydrochinon

Brenzcatechin

Ag2O

EtherNa2SO4

o-Benzochinon ist wasser-empfindlichNa2SO4 entzieht das bei der Reaktion enstehende Wasser

Versuch: Oxidation der isomeren Dihydroxybenzene

Oxidation von Anilin

O

O

NH2

Ox. Ox.: MnO2 oder Na2Cr2O7/H2SO4Reinigung der Substanz durch Sublimation

komplizierter, mehrstufiger Mechanismus

Redoxreaktionen von Chinonen und Hydrochinonen

O

O

OH

OH

+ 2 H3O(+) + 2 e Redoxpaar

Elektrisches Potential, Nernstsche Gleichung

Chinhydron-Elektrode

Chinhydron ist ein 1:1-Molekülkomplex aus Chinon und Hydrochinon: grüne Kristalle

Donor-Akzeptor-Komplex, Charge-Transfer-(CT)-Komplex, Ladungsübertragungs-Komplex


O

O

OH

OH

Donor Akzeptor Versuch 68: Pikrat von Chinhydron?

Atmungskette

Oxidation von Wasserstoff zu Wasser in den Mitrochondrien der Zellen → ATP-Gewinnung

Ubichinon, Coenzym Q10

O

O

CH3O

CH3O CH3

R CH2

CH

C

CH3

CH2 n

R =

n = 10: Q10

Bombardierkäfer: Hydrochinon + H2O2 (23 %-ig) + Katalysator → O2+ H2O + Chinon

Der Bombardierkäfer im Internet

Brachynus crepitans

Eine sehr schöne Beschreibung findet sich man Internet:


http://www.quarks.de/explosionsgefahr/09.htm

Wie verteidigt sich ein Bombadierkäfer? Ein Bombardierkäfer wird je nach Art (Brachinus crepitans oder Brachinus explodens) nur etwa einen Zentimeter groß. Trotzdem kann er sich äußerst wirkungsvoll gegen Fressfeinde, wie zum Beispiel Vögel, verteidigen. Dazu hat er ein ausgeklügeltes Waffensystem in seinem Hinterleib. Der Käfer produziert mit seinen Drüsen Wasserstoffperoxid und Hydrochinon. Wasserstoffperoxid kennt man als Harrbleichmittel, die farbigen Chinone kommen in der Natur oft als Pigmente vor. Für den Käfer sind diese beiden Substanzen die Vorstufen der eigentlichen Abwehrstoffe. Er bewahrt sie in einer Sammelblase auf. In einer, mit dieser Blase verbundenen, Explosionskammer befinden sich Peroxidasen und Katalasen, das sind Katalysatoren für chemische Reaktionen. Immer auf der Hut Wird der Bombardierkäfer gestört, entlässt er ein Teil der Substanzen in die Explosionskammer. Dort setzen die Katalysatoren das Hydrochinon zu Chinon und das Wasserstoffperoxid zu Wasser und Sauerstoff um.

Dabei wird Wärme frei. Es wird so heiß in der Explosionskammer, dass das Wasser verdampft. Dadurch baut sich ein großer Druck auf und dann schießt ein ätzendes, 100° C heißes Gasgemisch mit einem Knall aus dem Bombardierkäfer heraus. Durch das Chinon bekommt die Abwehr-Wolke eine dunkle Farbe.

Der Käfer kann mehrmals hintereinander knallen, bis die Substanzen aufgebraucht sind und wieder neu gebildet werden müssen. Um sich dauerhaft gegen die viel größeren Fessfeinde zu wehren, hat der Bombardierkäfer noch einen weiteren Trick auf Lager: Er nutzt die Irritation seiner Fressfeinde, nach dem er sie bombardiert hat, um schnell das Weite zu suchen. Schließlich gehören die Bombardierkäfer zur Familie der Laufkäfer.

Tanja Winkler

Bombardierkäfer in einer schematischen Zeichnung: Wasserstoffperoxid und

Hydrochinon werden in die Explosionskammer entlassen, durch den aufgebauten Druck schießt die Gaswolke

explosionsartig nach draußen.

<>

2001 Westdeutscher Rundfunk Sendedatum: 25.05.2001

http://www.quarks.de/explosionsgefahr/09.htm


Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) Mehrkernige Arene

Aromat: cyclisch-konjugierte, planare Verbindung

Hückel-Regel: cyclisches π-Elektronensystem mit 4n+2 π-Elektronen

Annulene (Monocyclen):

CH

CH

n = (CH)2n

n = 2, 3, 4, ...

n = gerade: Antiaromat, n = ungerade: Aromat

Benzoide und nichtbenzoide polycyclische Arene

Benzoide polycyclische Arene sind nur aus Sechsringen aufgebaut

Beispiel: C10H8-Isomere mit 10 π-Elektronen

Naphthalenfarblosbenzoid

Azulenblaunichtbenzoid

Polycyclische benzoide Arene

Verknüpfung der Ringe über Einfachbindungen

Biphenyl p-Terphenyl Verknüpfung der Ringe durch Anellierung. Benachbarte Ringe besitzen mindestens eine

gemeinsame C,C-Bindung.

Lineare, angulare oder helicale Anellierung

Die meisten kondensierten Arene lasen sich formal als Ausschnitte aus dem Graphitgitter

erzeugen.

Acene: linear anellierte (kondensierte), benzoide Arene


Naphthalen C10H8farblos

Anthracen C14H10farblos

Tetracen C18H12orange

Pentacen C22H14violett

Hexacen C26H16 grün

Heptacen C30 H18tief grün-schwarzkann nicht rein dargestellt werden

Octacen, Nonacen, Decadecenund Undecadecen sind nur inForm von Derivaten bekannt.

Das Verhältnis H/C nimmt mit der Größe ab.

Die Stabilität der Acene nimmt mit zunehmender Größe stark ab. Die Verbindungen werden

zunehmend stärker luftempfindlich und sind sehr reaktiv.

Phene: angular anellierte (kondensierte), benzoide Arene

Phenanthren C14H10farblos

Phene sind stets stabiler als die isomeren Acene. Erklärung: Die Anzahl der möglichen

Kekulé-Formeln ist bei den Phenen größer als bei den Acenen. Sie besitzen also eine größere

Mesomerieenergie.

Angular anellierte Verbindungen sind thermodynamisch stabiler als linear anellierte.


Namen und Ringbezifferung ausgewählter kondensierter Arene

Mesomerieenergien einiger mehrkerniger Arene

REPE kJ/mol 25.1 25.6 25.7 29.7 30.3 31.3 REPE = Resonanz Energie Pro π-Elektron

Die REPE-Werte nehmen mit der Größe des aromatischen Systems zu.

Größere Delokalisierung der π-Elektronen.

Die Mesomerieenergie pro Ring ist kleiner als beim Benzen. Deshalb sind polycyclische

Arene sind weiniger stabil und weniger aromatisch als Benzen. Dies zeigt sich auch in einer

größeren Neigung zu Additionsreaktionen.

Angular kondensierte Verbindungen sind stärker aromatisch als Acene. Dies stimmt auch mit

der unterschiedlichen Anzahl von Kekulé-Strukturen überein. Beispiel:

Anthracen: 4 Kekulè-Formeln Phenanthren: 5 Kekulè-Formeln


Struktur und Bindungsverhältnisse

Benzen

Zwei äquivalente Kekulé-Formeln:symmetrische Struktur mit gleichlangen C,C-Bindungen

Im Benzen beträgt die π-Bindungsordnung der C,C-Bindungen 0.5, die

Gesamtbindungsordnung also 1.5.

Polycyclische Arene besitzen eine niedrigere Symmetrie als Benzen und auch verschieden

lange C,C-Bindungen. Beispiel:

Naphthalen (Naphthalin)

Von den drei Kekulé-Formeln sind nur zwei äquivalent. Aus den Kekulé-Formeln ergeben sich folgende Bindungsordnungen (BO):

Bindung π-BO Länge/pm

1–2 = 3–4 2/3 = 0.67 138

2–3 1/3 = 0.33 141

9–10 1/3 = 0.33 142

1–9 1/3 = 0.33 141

12

345

6

78

9

10

Die Bindung 1–2 = 3–4 besitzt einen größeren Doppelbindungscharakter als die übrigen.

Versuch: Pikrate von PAK. Pikrinsäure (pikros = bitter) giftig

Versuch: Fluoreszens von Pyren, Anthracen, Phenanthren, Geldscheinen, Briefmarken, ...

(Fluoreszenzfarbstoffe)

Lit.: E. Clar, Polycyclic Hydrocarbons, Vol. 1, Springer, Berlin 1964, UVG 1078-1

Nomenklatur von Stelzner und Kuh (1921): Acene: linear anellierte PAK Phene: angular anellierte PAK Perikondensierte PAK. Beispiel: Perylen


Vorkommen und Gewinnung

Steinkohlenteer, Rückstand der Erdöldestillation

Viele polynucleare Arene sind stark krebserregend.

Reaktionen

Naphthalen

Elektropile aromatische Substitution ≈ Benzen. Die 1-Position ist am reaktivsten.

σ-Komplexe

H Y H Y H Y

günstig, da ein Benzenring intakt ist.

++

+ usw.

HY

HY

Es gibt nur eine Formel mitintaktem Benzenring.

++ usw.

H-D-Austausch

L. D. Field, S. Sternhell, H. V. Wilton, Electrophilic Substitution in Naphthalene:Kinetic vs

Thermodynamic Control, J. Chem. Educ. 199, 76, 1246-1247

Die Reaktion wird 1H-NMR-spektroskopisch verfolgt.


Wegen der höheren Reaktivität bei der elektrophilen Substitution erfolgt der Austausch der H-

Atome in Position 1 (und in den äquivalenten Positionen 4, 5 und 8) schneller als in Position 2

(und in den äquivalenten Positionen 3, 6 und 7).

Dies erkennt man daran, dass zunächst das Signal bei 7.75 ppm relativ zu dem Signal bei 7.39

ppm schwächer wird. Anschließend gleichen sich die relativen Intensitäten beider Signale

wieder an, bis die Konzentration an H in allen Positionen wieder gleich ist, also dem Gesamt-

H/D-Verhältnis entspricht.


Nitrierung

NO2

HNO3

H2SO4

Bromierung

Br

Br2

CCl4ohne Kat.

+ HBr

Sulfonierung

SO3H

SO3Hkonz. H2SO4+

bei 80 °C: 96 % 4 %bei 160 °C: 15 % 85 % kinetische thermodynamische Kontrolle

Naphthalen-2-sulfonsäure ist stabiler als Naphthalen-1-sulfonsäure.


Friedel-Crafts-Acylierung

CO-CH3

CO-CH3CH3COCl+

in CS2 bei -15 °C: 75 % 25 %in Nitrobenzen bei 25 °C: 10 % 90 %

AlCl3

Oxidation

O

O

O

O

O

CrO3/CH3CO2H

O2/V2O5

470 °C

1,4-Naphthochinon

Phthalsäureanhydrid

+ 2 CO2 + 2 H2 O

Reduktion

H2/Pd-CTetralin

Decalincis- u. trans-Isomer

H2/Pt-C

oder anderer Kat.

Anthracen


Br

Br

Br

Br2

CCl4+ HBr

Br2

+ HBr9,10-Dibromanthracen

Elektrophile aromatische Substitution bevorzugt in 9-Position

Diels-Alder-Reaktionen, z.B. mit Dehydrobenzen

+ Triptycen

Dien Dienophil

Heterocyclen Isocyclen/Heterocyclen

Carbocyclen

Heterocyclus: Ring, der nicht nur aus Kohlenstoffatomen besteht

Viele Naturstoffe sind oder enthalten Heterocyclen: Nucleinsäuren (DNA, RNA), Vitame,

Alkaloide, Chlorophyll, Hämoglobin, Zucker, Farbstoffe, .....

Ebenso zahlreiche Arzneimittel, Pharmaka, Pflanzenschutzmittel, ...

Ca. die Hälfte der bekannten organischen Verbindungen sind Heterocyclen.

Zahlreiche technische Anwendungen


Es gibt aromatische und aliphatische Heterocyclen.

Hetarene

Aromatische Heterocyclen, Heteroaromaten, Monocyclen, Bicyclen, ... Polycyclen

Hetarene können Fünf- und Sechsringe enthalten

Wichtige Beispiele

N NH

O S

Pyridin Pyrrol Furan Thiophen Pyridin: Verglichen mit Benzen wird eine CH-Gruppe durch das N-Atom ersetzt. Benzen und

Pyridin sind isoelektronisch. Das einsame Elektronenpaar am N-Atom besetzt ein sp2-

Hybridorbital.

Pyrrol, Furan, Thiophen: Verglichen mit Benzen ersetzen NH, O bzw. S eine HC=CH-

Einheit. Das Heteroatom stellt dem aromatischen System ein Elektronenpaar zur Verfügung.

Pyrrol und Furan sind isoelektronisch mit dem Cyclopentadienyl-Anion.

Wichtige Heteroatome: N, O, S, (P, Si, Ge, Se, ...)

O und S nur in geladenen Sechsringen: Pyrylium-Ion, Thiapyrilium-Ion

Vorkommen: Im Steinkohlenteer: Pyridin, Pyrrol, Thiophen, Chinolin, ... Pyrrol wurde

erstmals aus Knochenteer isoliert.


Ausgewählte aromatische Heterocyclen (Hetarene)


Ausgewählte benzo-kondensierte Hetarene


Strukturparameter und Mesomerieenergien von Fünfring-Hetarenen

X1

2

34

5

Mesomerieenergie von Pyridin: 133 kJ/mol

Die als Mesomerieenergien angegebenen Werte können sich stark unterscheiden.

Für die relativen Werte und den aromatischen Charakter gilt:

Benzen > Pyridin ≈ Thiophen > Pyrrol > Furan

Pyridin

N

Schmp. –42 °C, Sdp. 115 °C, pKb = 8.8

schwache Base, löslich in Wasser

Verwendung: Lösungsmittel, katalytische Wirkung bei Acylierungen, schwache organ. Base,

Denaturierung von Ethanol, Brennspiritus

Reaktionen

als Base: Depotonierung von stärken Säuren, schwache organ. Base

als Nucleophil:


N N+

CH3

N N+

CO-CH3

N

+ CH3I I(-) N-Methylpyridinium-oidid

+ CH3CO-Cl Cl(-)N-Acetylpyridinium-chlorid

ROH

+ RO-CO-CH3

Pyridin katalysiert Acylierungsreaktionen

als Aromat:

a) mit Elektrophilen

niedrige Reaktivität ≈ Nitrobenzen, π-Elektronen-armer Aromat

Nitrierung

Nrauch. HNO3

rauch. H2SO4

keine Reaktion !

Substitution unter drastischen Bedingungen:

N N

NO2

HNO3, KNO3,

H2SO4, Fe300 °C

3-Nitropyridin

Sulfonierung

N N

SO3H

20 % SO3,

H2SO4230 °C

Pyridin-3-sulfonsäure

Bromierung


BrBr

NN

Br

N Br2

300 °C+

3-Brompyridin 3,5-Dibrompyridin Bei der elektrophilen Substitution erfolgt die Reaktion bevorzugt in der 3-Position.

Relative Energie der σ-Komplexe:

NE

H N

E H

N

HE

(+) (+)(+)

ungünstig günstigungünstig Es ist jeweils nur eine mesomere Grenzstruktur gezeichnet. Beim σ-Komplex für die 3-

Substitution kann die positive Ladung nicht am N-Atom lokalisiert werden.

b) mit Nucleophilen

Mit starken Nucleophilen erfolgt Substitution in 2-Position.

N N R+ LiR + LiH

R = C6H5, C4H9, ... Tschitschibabin-Reaktion (1914):

N N NH2

N NH2

HN NH

+ NaNH2flüss. NH3

2-Aminopyridin

NH2(-)

- H2

(-)_

(-)_

H(+)

Die Reaktion erfolgt nach einem Additions-Eliminierungs-Mechanismus: SN(Ar).

Reduktion


N NH

Pt+ 3 H2

Pideridinsek. Amin

Oxidation

N N+

O

Eisessig+ H2O2 Pyridin-N-oxid

Pyrrol, Furan, Thiophen

NH

O S

Pyrrol und Furan sind säurelabil, polymerisieren (starke Säuren). Thiophen ist ziemlich

säurebeständig, mit sehr starken Säuren erfolgt Oligomerisation.

Versuch: Fichtenspanprobe von Pyrrol und Furan

Elektrophile Substitution

hohe Reaktivität ≈ N,N-Dimethylanilin: π-Elektronen-reiche Aromaten

Die Erstsubstitution erfolgt bevorzugt in 2- und 5-Stellung, dann 3- und 4-Position.

Vergleich der σ-Komplexe:

X X HE

X HE

X HE

X

EH

X

EH

X = NH, O, S

+ E(+)

+

+

+

+

+_

___

Beispiele

Bromierung von Pyrrol


NH

NH

Br

Br

Br

Br+ 4 Br2 + 4 HBr

Nitrierung von Pyrrol (in Gegenwart einer schwachen Säure!)

NH N

HNO2NaNO3/

AcOH, 5 °C Sulfonierung in schwach basischem Medium

NH N

HSO3HSO3/

Pyridin, 90 °C Acetylierung mit Acetanhydrid (ohne Katalysator)

NH N

HCO-CH3(AcO)2O + CH3CO2 H

Reduktion

O O

NH N

H

S S

S S

H2/

Ni oder Pd

TetrahydrofuranTHF

H2/Ni Pyrrolidinsek. Amin

H2/Pd TetrahydrothiophenThiolan

Die katalytische Hydrierung von Thiophen ist problematisch, da Schwefelverbindungen Katalysatorgifte sind.Besser geeignet ist die Birch-Reduktion:

Na/flüss. NH3

MeOH


Oxidation

S S

O

S

O O

Persäure

Thiophen-1-oxid Thiophen-1,1-dioxid Aus Thiophen-1,1-dioxid kann über Sulfolen 1,3-Butadien hergestellt werden:

S

O O

S

O O

S

O O

S

O O

H2

2,5-Dihydro-thiophen-1,1-dioxidSulfolen

∆T

- SO2

2 H2 Tetrahydro-thiophen-1,1-dioxidSulfolan

Kat.

Kat. Sulfolan ist eine polares, aprotisches Lösungsmittel.

Diels-Alder-Reaktionen

Reaktion als Dien. Die relative Reaktivität entspricht dem aromatischen Charakter:

XX: O > NH > S

_


Synthesen

Beispiel: 2,5-Dimethyl-Derivate

S

NH

OOO

OO NH

OHOH NH

P2O5

160 °C

Hexan-2,5-dion(NH4)2CO3

100 °C

P2S5

NH3

- 2 H2O

~ Halbaminal Furan

O CH=OCH=O

OHOH

OH OH

O

oder verd. HCl

verd. H2SO4 CaO/ 400 °C

- CO

Furfural katalyt.Decarbonylierung

latein. "furfur" = KleieAldopentose aus Pentosanen(Kleie, Spelzen, Hafer, Mais, Reis)Saure Hydrolse (mit HCl)

Pyrrol

O NH

+ NH3Al2O3

+ H2O

Thiophen

S

Al2O3

+ 3 H2S

n-Butan

+ 4 S


Indol

E. Fischer (1883)

NHNH2

OCH3

CO2H

NHN

CH3

CO2H

NH

Phenylhydrazin

+

Brenztraubensäure

H(+)

- H2O

Phenylhydrazon derBrenztraubensäure

H(+)+ NH3 + CO2

Der Mechanismus der mehrstufigen Reaktion wurde eingehend untersucht. Er beinhaltet u. a.

eine [3,3]sigmatrope Umlagerungsreaktion. Näheres wird im Hauptstudium bei den

pericyclischen Reaktionen behandelt.

NHN

CH3

CO2H

NH

NHN

+

CH3

CO2HHNH

NCH2

CO2HH

NHN

CH2

CO2H

H

H

NH2

N+

CH2

CO2H

H

HH2N

N

CH2

CO2H

HH

NH

NH3

CO2H

NHCO2H

NH

CO2H

H(+)

- CO2

- H(+)

H(+)

_ +

+

- NH3

+

- H(+)

[3,3]


Aliphatische Heterocyclen

Gesättigte Heterocyclen

Die meisten Verbindungen ähneln in ihren Eigenschaften den analogen acyclischen

Substanzen. Ausnahme: Kleine Ringe (3- und 4-Ringe)

Wichtige Beispiele:

O S NH O S NH

O S NH

O S NH

O

O

NH

O

Oxiran Thiiran Aziridin Oxetan Thietan Azetidin

TetrahydrofuranTHFOxolan

TetrahydrothiophenTHTThiolan

Pyrrolidin

TetrahydropyranTHPOxan

Tetrahydro-thiopyran

Piperidin 1,4-Dioxan Morpholin

Oxirane und Aziridine sind säurelabil.


Nomenklatur von aliphatischen Heterocyclen Hantzsch-Widmann-System (die Angaben in Klammern gelten für Stickstoff als Heteroatom)

Ausgewählte aliphatische Heterocyclen


Kohlenhydrate Mengenmäßig größter Anteil der in der Natur vorkommenden organischen Substanzen.

Hauptbestandteil der Nahrung für Menschen und Tiere. Wichtigster Energieträger der

Nahrungsstoffe (außerdem Proteine, Fette). Pflanzlichen Ursprungs.

Bildung durch Photosynthese in den grünen Pflanzen und in einigen Bakterien (→ Glucose)

n CO2 + n H2OChlorophyll

Cn(H2O)n + n O2 (n = 6: Glucose)hν

Monosaccharide

Einfache Zucker, CnH2nOn, (n = 3-9), Kohlenhydrate

Glucose C6H12O6: essentieller Bestandteil des Blutes

Disaccharide

Saccharose, C12H22O11 (Rohrzucker, "Zucker"), Lactose (Milchzucker), Maltose (Malzzucker)

Polysaccharide

Polymere Zucker, CaH2bOb, b < a, Polykondensate: Stärke, Cellulose, Glykogen, Inulin, ...

Stärke: Reservekohlenhydrat von Pflanzen

Glykogen: Reservekohlenhydrat von Tieren und Menschen (Leber, Muskeln)

Cellulose: Gerüstsubstanz der Zellwände von Pflanzen

Wichtigste Monosaccharide

C

CH

O

OH

CH2OH

H

CH2OH

C O

CH OH

CH2OH

*4

D-Glucoseeine Aldose

3

D-Fructoseeine Ketose

*

C6H12O6

Konstitutions-isomere

Anzahl Stereoisomere: 24 = 16 23 = 8 Polyfunktionelle Verbindungen mit mehreren Chiralitätszentren. Zahlreiche Stereoisomere

D-Glucose: Aldose D-Fructose: Ketose

(eines von 24 = 16 Stereoisomeren) (eines von 23 = 8 Stereoisomeren)


Fischer-Projektion

OHH

CH2OH

CH=O

OHH

CH2OH

CH=O

HOH

CH2OH

CH=O

HOH

CH2OH

CH=O

D-FormD(+)-Glycerinaldehyd

D = Dexter

L-Form L(-)-Glycerinaldehyd

L = Laevus

R

S

D,L-System (E. Fischer 1891, Nobelpreis 1902)

• nur anwendbar auf Verbindungen des Typs R-CHX-R'

• Waagerechte Striche: Bindungen zeigen nach vorn

Senkrechte Striche: Bindungen zeigen nach hinten

• Die C-Kette wird senkrecht angeordnet

Das C-Atom mit der höchsten Oxidationsstufe steht oben

• Bei mehreren *C richtet sich die D,L-Kennzeichnung nach dem untersten *C

• Diastereoisomere werden i.d.R. mit Trivialnamen unterschieden

Das D,L-System wird heute noch überwiegend bei Zuckern und Aminosäuren angewendet,

z.B. L-Alanin

NH2 H

CH3

CO2H


Beispiel: Stereoformel und Fischer-Projektion von D-Glucose

CO

OH

H

H

H OH

H OH

HOH

CH2OH

OC OH

H

OH

OH

OH

H

HH H H

H OH

C6H12O6

(2R,3S,4R,5R)-2,3,4,5,6-Pentahydroxy-hexanal D-Glucose

Für diese und ähnliche Verbindungen mit mehreren stereogenen Zentren ist das R,S-System

ist unhandlich, Stereoformeln sind unbequem.

Deshalb werden Trivialname verwendet, hier: D-Glucose. Der Buchstabe D bezeichnet die

Konfiguration.

Monosaccharide

Aldosen und Ketosen

Einfache Zucker, CnH2nOn, n = 3......7

Natürlich vorkommende Zucker: überwiegend D-Reihe

Polyhydroxy-Aldehyde und –Ketone, wichtige Beispiele:

n Aldosen Ketosen

1 C O

H

H Formaldehyd, kein Zucker

2 CH2OH

CH=O

Glykolaldehyd, sirupöse

Flüssigkeit, süßlicher Geschmack, Sdp.

96 °C, polymerisiert leicht

3

Triosen

CH=O

CH2OHOHH

D(+)-Gycerinaldeyd,

Aldotriose, einfachster Aldedzucker

C

CH2OH

CH2OHO

1,3-Dihydroxyaceton, achiral,

Ketotriose, einfachster Ketozucker,

chemisches Hautbräunungsmittel, bildet

mit Aminosäuren braue Farbstoffe


4

Tetrosen

CHO

OHH

OHH

CH2OH

CHO

HOH

OHHCH2OH

D(-)-Erythrose D(-)-Threose

C

CHO

O

OHH

CH2OH

D(-)-Erythrylose

5

Pentosen

Bausteine von Nucleinsäuren

CHO

OHH

OHH

CH2OHOHH

CHO

HH

OHH

CH2OHOHH

D(-)-Ribosein RNA

2-Desoxy-D-ribosein DNA

C

CH2OH

O

OHH

CH2OH

OHH

D(-)-Ribulose

6

Hexosen OHH

H OH

H OH

HOH

CH2OH

CHO

HOH

H OH

H OH

HOH

CH2OH

CHO

D(+)-GlucoseDextrose

D(+)-Mannose

C O

H OH

H OH

HOH

CH2OH

CH2OH

D(-)-FructoseLaevulose

7

Heptosen

C O

H OH

H OH

HOH

CH2OH

CH2OHOHH

D(+)-Sedoheptulose

Pentosen sind als Bausteine von Polysacchariden in der Natur weit verbreitet. Ausserdem in

Nucleinsäuren.


D(+)-Glucose und D(+)-Mannose unterscheiden sich nur in der Konfiguration eines *C.

Solche Diastereomere nennt man Epimere.

D(+)-Glucose

Wichtigstes Monosaccharid, in der Natur am weitesten verbreitete organische Verbindung,

wichtigste Komponente vieler Oligo- und Polysaccharide

Technische Gewinnung durch Hydrolyse von Stärke, Auskristallisieren aus wässriger Lösung

→ α-D-Glucose (s. h.)

D(+)-Sedoheptulose ist ein Zwischenprodukt bei der Photosynthese.

Stammbaum der D-Aldosen


Stammbaum der D-Ketosen


Cyclische Halbacetale, Anomere

Hydroxyaldehyde und –ketone bilden intramolekulare, cyclische Halbacetale. Günstig ist die

Bildung spannunsgfreier Fünf- und Sechsringe.

Anomerie der Halbacetale, Haworth-Projektion

D-Glucose

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

OCH2OH

HH

OH

H

OHH

OHH

OH

OCH2OH

HH

OH

OH

HH

OHH

OH

O

OH

OHOH

OH

OOH

OHOH

OH

O

O

CH2OH

CH2OH

α-D-Glucopyranose

β-D-Glucopyranose

Haworth-Projektion

1

1

11

1

1

1

α- und β-D-Glucopyranose unterscheiden sich nur in der Konfiguration an C1. Es handelt sich

also um Diastereomere (Epimere). Man nennt sie Anomere. C1 ist das anomere C-Atom, die

halbacetalische OH-Gruppe an C1 ist die anomere Hydroxy-Gruppe.

α-Anomer: OH-Gruppe an C1 ist trans-ständig zur CH2OH-Gruppe.

β-Anomer: OH-Gruppe an C1 ist cis-ständig zur CH2OH-Gruppe.

Im α-Anomer steht die anomere OH-Gruppe axial.

Lage der anomeren OH-Gruppe:

Anomer Fischer-Projektion Haworth-Projektion Sessel-Form

α rechts unten axial

β links oben equatorial

Beide Anomere lassen sich kristallin isolieren. Als Diastereomere besitzen sie

unterschiedliche Eigenschaften.

Anomer Schmp./° C [α]D

α 146 (aus Wasser) +112

β 150 (aus Pyridin) +18.7


In der β-D-Glucopyranose nehmen sämtliche Substituenten am Sechsring die energetisch

bevorzugte equatoriale Lage ein.

In wässriger Lösung stellt sich eine Gleichgewicht aus α- und β-Form ein. Ausgehend von

der in der Dextrose rein vorliegenden β-Form beobachtet man eine Veränderung der

spezifischen Drehung (Mutarotation): Anfangswert: +112°, Endwert (für das Gleichgewicht):

+52.7°. Daraus ergibt sich für das Gleichgewicht. 36 % α-Form + 64 % β-Form. Die

acyclische Aldehyd-Form ist zu ca. 0.003 % vorhanden, sie ist nicht isolierbar. Die β-Form ist

etwas stabiler als die α-Form.

Die Furanoseformen (α- und β-) sind nur zu ≈ 0.2 % vorhanden.

CO

OH

H

H

H OH

H OH

HOH

CH2OH

O

OH

OHOH

OH

OOH

OHOH

OH

CH2OH CH2OH

α-D-Glucopyranose 36 %

β-D-Glucopyranose 64 %

(0.003 %)

D-Fructose

In wässriger Lösung erfolgt ebenfalls Mutarotation. Im Gleichgewicht sind sowohl die

Furanosen als auch die Pyranosen vorhanden. Von der acyclische Keto-Form liegt nur eine

Spur (< 1 %) vor.

Nur die stabilste Form, die β-D-Fructopyranose, lässt sich in reiner Form kristallin gewinnen.

Mutarotation der Fructose:


C O

H OH

H OH

HOH

CH2OH

CH2OHO

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

HOCH2

HO

1

21

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 %)

(%-Werte aus Fox-Whitesell, Römpp). Über die Konzentrationen der einzelnen Anomeren

findet man in der Literatur z. T. unterschiedliche Angaben.

Literatur R.E. Harmon (Hrsg.), Asymmetry of Carbohydrates, M. Dekker, New York, 1979, S. 27. <31 UWL 73> J. Lehmann, Chemie der Kohlenhydrate, Thieme (TB), Stuttgart, 1976 <31 UWL 1077>

W.N. Haworth (1883-1950), Manchester, Kohlenhydrat-Chemiker, Nobelpreis 1937

Furanose- und Pyranose-Formen, Glykosid-Strukturen, Haworth-Formeln

Klärte die Struktur zahlreicher Zucker auf: Maltose, Cellobiose, Lactose, Gentiobiose, ....

1934 Synthese von Vitamin C, Briefmarke GB 1977


Technische Synthese der L-Ascorbinsäure

Gesamtausbeute: 66 %

Formelschema aus: H. Beyer, W. Walter, Lehrbuch der Organischen Chemie, 22.Aufl., S. Hirzel Verlag, Stuttgart, 1991, S. 451.

1. Katalytische Hydrierung

2. biochemische Dehydrierung mittels Acetobacter

3. Oxidation direkt mit O2/Pt oder über die Diisopropyliden-Verbindung mit KMnO4 und

anschließender Abspaltung der Acetonreste durch sauere Hydrolyse

4. Lactonisierung beim Erhitzen mit verdünnten Säuren

Vitamin C, L-Ascorbinsäure

Name "Vitamin": vita (latein. Leben) + Amin

Ursprünglich meinte man, dass "Vitamine" aminartig seinen, Beispiel: Vitamin B

Name "Ascorbinsäure": anti-Skorbut-Säure

L-Ascorbinsäure: γ-Lacton einer Ketohexansäure

Vorkommen: in frischen Früchten

Mangel: Skorbut, Zahnfleischbluten


Tiere produzieren Vitamin C in der Leber aus D-Glucose (täglich ca. 0.5 g pro kg

Körpergewicht). Menschen und einige andere Tiere (Vögel): Oxidase fehlt. Defektes Gen,

chronischer Vitamin C-Mangel? These von L. Pauling u. a.

Ascorbinsäure. Saurer Charakter, starkes Reduktionsvermögen. Die Acidität (pKa= 4.1)

beruht auf der Endiol-Gruppe. Diese wird durch Oxidationsmittel (freie Radikale) zum Dion

oxidiert. Verwendung der Ascorbinsäure als Antioxidans, z.B. zur Haltbarmachung von

Lebensmitteln (Apfelsaft u. a.).

Synthese (1934): W. N. Haworth (1883–1950), Kohlenhydrat-Chemiker, Nobelpreis für Chemie (1937). T. Reichstein (1897–1996), Nobelpreis für Physiologie oder Medizin (1950).

Oxidation und Reduktion von Monosacchariden

Reduzierende/Nichtreduzierende Zucker

Unterscheidung durch:

- Fehlingsche Probe (1850): Nachweis von Aldehyden

- Tollenssche Probe (????), mit ammoniakal. AgNO3-Lösung

Versuch: (Fehlingsche Probe von Glucose, Saccharose), Cu2+ als Tartratkomplex, Red →

Cu2O rot

Reduzierende Zucker:

- Alle Monosaccharide (Aldosen und Ketosen)

- die meisten Disaccharide

Nicht reduzierend: Saccharose (Rohrzucker, gewöhnlicher Zucker)

Die Reduktion von Glucose und Fructose liefert das gleiche Produkt.

C

CH

O

OH

CH2OH

H

CH2OH

C O

CH OH

CH2OH

CH2OH

CH OH

CH2OH 4

D-Glucose

3

D-Fructose

*4

Sorbit

H2/Ni H2/Ni

Oxidation von Glucose


C

CH

O

OHCH2OH

H

C

CH

O

OHCH2OH

OH

C

CH

O

OH

C

OH

OH O

4

D-Glucose

Br24

Gluconsäure

HNO3

4

GlucarsäureZuckersäure

Isomerisierung von Glucose und Fructose durch Keto-Enol-Tautomerie. Katalyse durch (H+

oder OH-).

C

CH

O

OH

R

HC

C

OH

OH

R

H CH2OH

C O

R

Aldosez. B. D-Glucose

Endiol-Form Ketosez. B. D-Fructose

Br2/H2O oxidiert nur Aldosen, keine Ketosen

Fehlingsche Lösung (alkalisch) oxidiert Aldosen und Ketosen,

Reaktion allgemein bei α-Hydroxaketonen und –aldehyden

Reaktion mit Phenylhydrazin → Osazone (E. Fischer 1884)

D-Glucose und D-Fructose liefern das gleiche Osazon.

Acetalbildung, Glykoside

Methylierung und Acetylierung von Glucose


O

OH

OHOH

OHH

O

O

OHOH

OHH

R

O

O-R'

R'OR'O

OR'H

O

O

H

ROMe

MeOMeO

CH2OH

α- oder β-D-Glucopyranose

R-OH

H(+)

CH2OH

R = CH3: Methyl-α-D-glucosidoder Methyl-β-D-glucosid

+ H2O

CH2OR'

(CH3CO)2O Me2SO4

CH2OMe

R = Me

Tetramethyl-methyl- α-glucosid oder β-glucosid

Pentacetyl- α-glucose oder β-glucose

R' = CH3CO

Allgemein werden die Kondensationsprodukte von Zuckern mit Alkoholen Glykoside

genannt. Die Glucoside sind Glykoside der Glucose.

Disaccharide

Die Glykosid-Bildung erfolgt mit einem anderen Zucker. Disaccharide entstehen durch

Glykosid-Bildung aus zwei Monosacchariden. Es handelt sich also um

Kondensationsprodukte von Monosacchariden. Sie sind zu Monosacchariden hydrolysierbar.


Wichtige Disaccharide Saccharose

Rohrzucker, Rübenzucker, Sucrose, "Zucker"

Gehalt an Saccharose

Zuckerrohr: ca. 15 %

Zuckerrübe: ca. 20 %

O

O

O

OH OH

OHCH2OH

HOCH2

OH

OHO

OH

OHOH

OH

O

OHOH

CH2OH

OH

1 2

HOCH2

1

2CH2OH

α-D-Glucopyranose

HOCH2

12

β-Fructofuranose

+12

-H2O

α-D-Glucopyranosyl-β-D-fructofuranosidβ-D-Fructofuranosyl-α-D-glucopyranosid

CH2OH

O

HO

OH

OH

OHOCH2

HOCH2OH

OH

O

Da beide Monosaccharide über ihre anomeren OH-Gruppen mit einander verknüpft sind,

liegen beide als Acetale vor. Deshalb ist das Disaccharid nicht reduzierend.

Geschichte

Saccharose wurde aus Zuckerrohr bereits 300 n. Chr. in Indien isoliert.

Die Araber brachten Zuckerrohr und "Zucker" nach Ägypten und Europa.

Columbus nahm Zuckerrohr auf seiner zweiten Fahrt mit nach Amerika (San Domingo,

1494).

In Europa (Deutschland) gewinnt man Rohrzucker aus Zuckerrüben seit der Napoleonischen

Kontinentalsperre (~ 1796–1814).

"Zucker" ist einer der wenigen "reinen" Stoffe, die wir als Lebensmittel verwenden.

Rohrzuckerinversion

Saure oder enzymatische Hydrolyse der Saccharose. Dabei entsteht "Invertzucker".

Die spezifische Drehung ändert sich dabei von +66.5 ° (Saccharose) auf –20.0° (Gemisch aus

Glucose und Fructose).

Saccharose + H2O → Glucose + Fructose

Saccharose + H2O → α-D-Glucopyranose 18 %


β-D-Glucopyranose 32 %

α-D-Fructofuranose 16 %

β-D-Fructopyranose 34 %

Das Gemisch aus Glucose und Fructose ist Kunsthonig. Dieses ist süßer als reine Saccharose.

Bienenhonig ist natürlicher Invertzucker + Saccharose (wird enzymatisch gespalten, Enzym:

Invertase).

Süßer Geschmack

Abstand zwischen Protonendonor und Protonenakzeptor: ≈ 300 pm

D

A

H

DH

A

Signalstoff Rezeptorca. 300 pm

Siehe z.B. J.-H. Fuhrhop, Bio-organ. Chemie, S. 309.

Olestra

Saccharose verestert mit sechs oder mehr Fettsäuren. "Calorienfreier" Fettersatz wird nicht

resorbiert, unverdaulich.

Lit.: R.J. Jandacek, J. Chem. Ed. 1991¸ 67, 476.

Lactose, Milchzucker

Kuhmilch: 4–5 %. Frauenmilch: 5.5–7,5 %.

Die Hydrolyse liefert Glucose und Galactose

Milchsäuregärung: → Milchsäure (Sauermilch, Joghurt)

OO

O

OH OH

OHOHOH

OH

HOCH2

CH2OH

O

CH2OHHO

OH

OH

O

CH2OH

OH

OH

OH, OH

4(β-D-Galactopyranosyl)-α(oder β)-D-glucopyranose

Nur das linke Glucose-Molekül liegt als Acetal vor. Das rechte liegt als Halbacetal (α- oder

β-Form) vor. Deshalb ist das Disaccharid reduzierend.

Maltose, Malzzucker

Wird in keimenden Samen beim enzymatischen Abbau von Stärke gebildet. "Gerstenmalz",

Spaltprodukt der Stärke


Die Hydrolyse liefert zwei Moleküle Glucose.

O

OH

OH

OH

O

O

OHOH

OH

OHHOCH2

O

O

OH

OH

CH2OH

HO

O

OH

OH

CH2OHOH

4(α-D-Glucopyranosyl)-α(oder β)-D-glucopyranose, reduzierend.

Cellobiose

Abbauprodukt der Cellulose. Hydrolyse liefert zwei Moleküle Glucose. Isomeres der Maltose.

OOHOH

OH

O

O

OH OHOH

HOCH2

CH2OH O

OH

CH2OH

OH

OH

O

CH2OH

OH

OH

OH

HO

4(β-D-Glucopyranosyl)-α(oder β)-D-glucopyranose, reduzierend.

Cyclodextrine

Beim Abbau von Stärke durch Bacillus macerans oder B. circulans unter Einwirkung von

Cyclodextringlycosyltransferase gebildete cyclische Dextrine. Die Cyclodextrine bestehen aus

sechs, sieben oder acht α-1,4-verknüpften Glucose-Einheiten (α-, β- bzw. γ-Cyclodextrin).


O

O

O

O

O

OHOH

OH

O

HOCH2

HOCH2

O

OO

CH2

OH

O

CH2OH

OHO

CH2OH

HO

O

O

OHO

HO

CH2OH

O

O

O

O

H

HO

H

H

H 5,2 A

α-Cyclodextrin

Diese Cyclohexa- (-hepta-, -octa-)amylosen sind im Kristallgitter der Cyclodextrine so auf

einander geschichtet, dass sie durchgehende innermolekulare Kanäle bilden, in denen sie

hydrophobe Gastmoleküle in wechselnden Mengen bis zur Sättigung einschließen können,

z. B. Gase, Alkohole oder Kohlenwasserstoffe.

α-Cyclodextrin bildet auch mit Iod eine Einschlussverbindung, die blau gefärbt ist und in der

die Iod-Atome perlschnurartig in den Kanälen angeordnet sind.

Cyclodextrine werden aufgrund dieser Eigenschaften zur Fertigung von Nahrungsmitteln,

Kosmetika, Pharmazeutika und Pestiziden sowie zur Festphasenextraktion, als

Reaktionskatalysatoren und zur Enantiomeren-Trennung eingesetzt.

Literatur: Adv. Carbohydr. Chem. 1987, 12, 189. Angew. Chem. 1980, 92, 343. Vögtle, Supramolekulare Chemie, 2. Aufl., S. 175 ff., Teubner, Stuttgart, 1992.


Polysaccharide

Cellulose, Stärke (Amylose, Amylopektin), Glykogen: bestehen aus Glucose

Glucose in Polysacchariden:

Cellulose: 1,4-β-glykosidisch verknüpft

Amylose: 1,4-α-glykosidisch verknüpft

Amylopektin: 1,4-α- und 1,6-α-glykosidisch verknüpft

Glykogen: 1,4-α- und 1,6-α-glykosidisch verknüpft

Cellulose

Mengenmäßig wichtigster Naturstoff, Gerüststoff der Pflanzen

Pflanzliche Zellwände bestehen vorwiegend aus Cellulose. Rohstoff für Zellstoff, Papier

Baumwolle enthält 98 % Cellulose, Holz 50 %, Stroh 30 %

(Saure) Totalhydrolyse liefert nur D-Glucose: "Holzverzuckerung". Herstellung von Ethanol

und Futterhefe

Struktur der Cellulose: lange, parallele Ketten, durch H-Brücken verbunden, Fasern

O

HOOH

HOO

CH2OH

O

HOOH

O

CH2OH

O

HOOH

O

CH2OH

O

HOOH

OH

CH2OHCellobiose-Einheit

n

4

12

2

4

1

Anzahl der Cellobiose-Einheiten variiert stark (einige Hundert–mehrere Tausend).

Derivatisierung von Cellulose

Nitrierung

Cellulose Cellulosenitrat, "Nitrocellulose"HNO3

hoch intriert: Schießbaumwolle

schwach nitriert: Cellulovid, Collophonium, Kollodiumwolle

+ Campher (Weichmacher): Nitrolacke

Celluloseanthogenat


CEL OH CEL O

S

S

Cellulose CellulosexanthogenatNaOH/CS2

+ CS2 + NaOH (-) Na(+)

ca. 1 CS2 pro 2 Glucose-Einheiten Viscose-Reyon, Cellophan

Cellulose-Acetat

CEL OH CEL O

O

CH3

(CH3CO)2O Acetatseide, Filme, Plastikmaterial

Methyl-/Ethylcellulose

CEL OH CEL O RR-Cl/NaOH

R = CH3, C2H5 Emulgatoren, wasserfestes Papier, Tapetenkleister

Stärke

pflanzliches Reservekohlenhydrat (Wurzeln, Knollen, Mark, Samen), besteht aus:

Amylose (20 %, ca. 100–1400 Glucose-Einheiten) und

Amylopektin (80 % ca. 1000–5000 Glucose-Einheiten)

O

CH2OH

OH

OH

O O

O

CH2OH

OH

OOH

O

CH2OH

OH

OH

O

O

CH2OH

OH

OH

OO

O

CH2

OH

OH

O

O

CH2OH

OH

OH

O

6

5

4

3 2

1 Amylose

Amylo-pektin

←-------Maltoseeinheit------→

Amylose

Struktur: α-glykosidisch-verknüpfte Glucose-Moleküle, spiralförmige Anordnung der Kette,

Helix

Iod-Stärke-Reaktion

Blaufärbung: I5(-)-Komplex, empfindlicher Nachweis von Stärke oder von Iod. Iod-Moleküle

werden als KI5 in die Kanäle eingelagert. Anwendung z. B. in der Iodometrie.


Abbildung aus: A. L. Lehninger, D. L. Nelson, M. M. Cox, Prinzipien der Biochemie, 2. Aufl., Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, 1994, S. 358. Glykogen

tierisches Reservekohlenhydrat (Muskeln, Leber)

25000–90000 Glucose-Einheiten

ähnliche Struktur wie Amylose, aber stärker verzweigt

Aus Stärke zugängliche Produkte


Quelle: Römpp Lexikon der Chemie, Version 2.0, Georg Thieme Verlag, Stuttgart/New York,

1999.

Inulin Polysaccharid

O

CH2OH

HO

O

OH

HO

OHOCH2

HO

OHCH2OH

O

CH2OH

HO

HOCH2 O

n

Inulin ist ein lineares Polyfructosan mit ca. 30–60 Fructose-Einheiten in β(2→1)-

glykosidischer Bindung, die in der furanosiden Form vorliegen. Wahrscheinlich wird die

Kette von Glucose (Gesamtanteil 2–3%) abgeschlossen.

Inulin findet sich allein oder zusammen mit Stärke als Reserve-Kohlenhydrat in

Dahlienknollen, Artischocken, Topinamburknollen, Zichorienwurzeln, Löwenzahnwurzeln

u. a.

Inulin wurde erstmals von Rose 1804 aus dem Rhizom von Inula helenium (Name!) isoliert.

Mit Hilfe von Säuren oder Enzymen (Inulase) wird Inulin vollständig zu Fructose abgebaut

und kann zur Gewinnung von Fructose und zur Bereitung von Brot für Zuckerkranke

(Diabetikerbrot) sowie zur Nierenfunktionsprüfung verwendet werden.


Nucleoside, Nucleotide, Nucleinsäuren Wichtige Naturtoffe

Coenzyme: ATP, NAD, ....

Nucleinsäuren

Träger der genetischen Information (Proteinbiosynthese → Enzyme)

Name: "Kernsäuren", kommen in den Zellkernen aller Organismen vor, aber auch im

Zellplasma und in den Ribosomen, wurden 1869 von R. Miescher entdeckt und aus

Eiterzellen isoliert.

Die wichtigsten sind DNA und RNA, größte bekannte Makromoleküle

DNA: Molmasse 500.000–einige Milliarden D

Mensch: ca. 3 x 109 Nucleotide-Paare

Lungenfisch: 6.9 x 1013 (69 Billionen) D, Länge 34.7 m (!), größtes isolierbares

Molekül (vgl. H.-G. Elias, Große Moleküle, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New

York-Tokyo, 1985, S. 23 <OC37>)

Nucleinsäuren: Polynucleotide

Hydrolyse liefert

Zucker (Pentose): D-Ribose (RNA)

2-Desoxy-D-ribose (DNA)

N-Heterocyclen ("Basen")

Purine: Adenin, Guanin

Pyrimidine: Cytosin, Thymin (DNA)

Cytosin, Ucrycil (RNA)

Phosphorsäure

Nucleinsäuren sind Copolkondensate aus Zucker, Base, Phosphorsäure


Nucleoside und Nucleotide

Zucker Base Phosphorsäure+ +

Nucleosid

Nucleotid

- H2O

- H2O

N-Glykoside

O OHR

O NR2R+ H-NR2

Zucker:Furanose oderPyranoseHalbacetal

sek. Amine"Base"

α- oder β-Form

- H2O

Zucker

O

OH OH

OH O

OH

OHHOCH2HOCH2

1

23

4

5

β-D-Ribose β-D-2-Desoxyribose

β-D-Ribofuranose

Basen

Pyrimidine:


N

NH

O

O

H

N

NH

O

O

H

CH3

N

N

NH2

O

H

Uracil (RNA) Thymin (DNA) Cytosin (DNA/RNA) Purine:

N

NH

O

N

N

N

N

NH2

N

N

H HNH2

Adenin C5H5N5(DNA/RNA)

Guanin C5H5N5O(DNA/RNA)

Das zur Kondensation verwendete H-Atom ist jeweils rot gezeichnet.

Herkunft der Basen:"Ursuppe", Adenin(HCN)5, Bildung aus HCN. Die Basen sind achiral.

Beispiele für ein Nucleosid und ein Nucleotid

β-D-Ribose + Adenin Adenosin, ein Nucleosid = N-Glykosid- H2O

Adenosin + H3PO4Adenosiein Nucl

nmonophosphat, AMPeotid- H2O

OCH2HO

HO OH

N

NN

N

NH2

1

23

4

5 '

'

''

'

OCH2O

HO OH

PHO

O

OH

N

NN

N

NH2

5 '

Adenosin AMP

Nucleotid = Nucleosid-5'-phosphat


Adenosin-5'-triphosphat (ATP)

OCH2O

HO OH

POPO

OH OH

PHO

OH

OO ON

NN

N

NH2

5'

ATP

chemischer Energiespeicher (Fox, Whitesell, S. 812)

ATP4- + H2O → ADP3- + H2PO3- ∆G° = -30.5 kJ/mol

ATP + 2 H2O → AMP + 2 PO33- ∆G° = -65.6 kJ/mol

Ribonucleoside

N

N

N

N

NH2

NH

NN

N

O

NH2 N

NH

O

O

i

CytosinUracil

O

NH2

N

NCH2HO O

OH OH

5'

3' 2'

Aden n Guanin

Desoxyribonucleoside

N

N

NH2

N

N

N

NH

O

N

N

NH2

OCH2HO

OH

N O

N

NH2 N

NHH3C

O

O

5'

3' 2'

GuaninAdenin Thymin

Cytosin


Base Nucleosid Nucleotid

RNA: Adenin Adenosin Adenylsäure A

Guanin Guanosin Guanidylsäure G

Cytosin Cytidin Cytidylsäure C

Uracil Uridin Uridylsäure U

DNA: Adenin 2-Desoxyadenosin 2-Dexoxyadenylsäure A'

Guanin 2-Dexoxyguanosin 2-Desoxygeranidyl-säure G'

Cytosin 2-Desoxycytidin 2-Desoxycytidylsäure C'

Thymin 2-Desoxythymidin 2-Desoxythymidylsäure T

Nucleinsäuren, Polynucleotide

Primärstruktur von DNA und RNA

DNA- und RNA-Fragmente:

Basensequenz: genetische Information

Genetischer Code: Basentripletts kodieren Aminosäuren (→ Primärstruktur von Proteinen)

Sekundärstruktur der DNA: Doppelhelix

J.D. Watson und J. Crick, Nature 1953, 171, 737. Nobelpreis (Medizin) 1962.


"Wichtigste Arbeit auf dem Gebiet der Biologie seit Darwin". Bedeutung für

Evolutionstheorie, Molekularbiologie, Synthese von Oligonucleotiden,

Gentechnologie(Schöpfung neuer Lebewesen), Medizin, ...

Zwei Polynucleotidstränge bilden eine Doppelhelix ("Wendeltreppe"). Die Basen sind

senkrecht zur Helixachse angeordnet. Auf eine Helixwindung entfallen pro Strang 10

Nucleotide (Basen). Die beiden gegenläufigen Stränge werden hauptsächlich durch

Wasserstoffbrücken (und durch van der Waals-Kräfte) zwischen den Basen

zusammengehalten.

Basenpaarung

A --- T: Adenin = Thymin (2 H-Brücken)

G --- C: Guanin ≡ Cytosin (3 H-Brücken)

Die beiden Stränge sind komplementär (nicht identisch!)


Watson-Crick-Modell der DNA

D = Desoxyribose

P = Phosphat


Basenpaarung in der DNA

H. Beyer, W. Walter, Lehrbuch der Organischen Chemie, 22. Aufl., S. Hirzel Verlag, Stuttgart, 1991, S. 855.


Stereodarstellung der DNA siehe Lehrbuch OC von Streitwieser, Heathcock, Kosower, S.

1177.

Bei der Zellteilung erfolgt eine Aufknäuelung der Doppelhelix und eine Synthese der

komplementären Stränge, so dass beide Tochterzellen wieder die vollständige DNA enthalten.

Genetischer Code

Proteinbiosynthese. Ein Gen ist ein Bereich der DNA, der die Information für die

Primärstruktur (Aminosäuresequenz) eines Proteins enthält.

Von der DNA wird die Information auf eine mRNS (Boten-[messenger] RNA) mit

komplementärer Basensequenz übertragen. Jeweils drei aufeinander folgende Basen kodieren

eine Aminosäure. "DNA macht RNA macht Protein". Basentriplett = Codon


Aufklärung des genetischer Codes in den 1960er Jahren: Nierenberg und Khorana

Proteine sind aus 20 verschiedenen Aminosäuren aufgebaut. Diese müssen mit vier

verschiedenen Basen codiert werden:

Doubletts → 42 = 16 Aminosäuren (zu wenig!)

Tripletts → 43 = 64 verschiedene Kombinationen, entarteter Code

Triplett-Codons für die 20 proteinogenen L-Aminosäuren

PhePheLeu

Leu

SerSerSer

Ser

TyrTyrStop(ochre)Stop(amber)

LeuLeuLeuLeu

ProProProPro

erstePosition(5'-Ende)

zweite Position

HisHisGlnGln

ThrThrThrThr

CysCysStop(opal)Trp

UCA

G

drittePosition(3'-Ende)

ArgArgArgArg

UCAGUCAGUCAG

U C AU

A

G

IleIleIleMet

AspAspGluGlu

AsnAsnLysLys

G

GlyGlyGlyGly

SerSerArgArg

ValValValVal

AlaAlaAlaAla

Quelle: Römpp Lexikon der Chemie, Version 2.0, Georg Thieme Verlag, Stuttgart/New York, 1999.

Das Triplett UGA kann auch die seltene Aminosäure L-Selenocystein codieren.

SeH

NH2

CO2H

Das Triplett UAG kann auch die seltene Aminosäure L-Pyrrolysin (X = CH3, NH2 oder OH)

codieren.

NH2

CO2HNH

O

N

X


Lit.: C. Fenske, G. J. Palm, W. Hinrichs, Wie eindeutig ist der genetische Code?, Angew. Chem. 2003, 115, 626-630, 606-610.

Gene

Menschliches Genom : ca. 3 x 109 Nucleotide-Paare

100 000 Gene verteilt auf 23 Chromosomenpaare

1 Gen enthält 1000 - > 2 x 106 Nucleotide

Nur ca. 5 % der Nucleotide gehören zu Genen, die Funktion der übrigen 95 % ist unbekannt.

In den Jahren 1988–2002 wurde die Basensequenz des menschlichen Genoms (vollständig)

aufgeklärt. Human genome project

Die zu einem Protein gehörige Basensequenz wird häufig unterbrochen. Code: GT (Intron)

1992: Das größte bisher identifizierte Gen erzeugt das Protein Dystrophin (Störung führt zur

Muskeldystrophie). Es erstreckt sich über mehr als 2 Millionen Nucleotidpaare und besitzt 50

Unterbrechungen.

Bei Menschen unterscheiden sich Individuen in 0.01–1 % des Genoms.


Aminosäuren und Proteine Charakteristisches Strukturelement:

OH

OR

NH2

*

(Folien des Fonds C.I.: wenig geeignet)

Struktur und Eigenschaften von α-Aminosäuren

Aminosäure = Aminocarbonsäure: difunktionelle Verbindung

H2N-CH2-CH2-CO2H 3-Aminopropansäure, β-Aminosäure

R

NH2

OH

O

R

NH3+

O

O

α-Aminosäure

Die unpolare Form liegt nur in der Gasphase vor. Die "normale" Struktur entspricht der

zwitterionischen (Betain) Form.

α-Aminosäuren sind die Bausteine von Peptiden, Proteinen (und Proteiden).

Proteine: bestehen überwiegend aus 20 verschiedenen α-Aminosäuren. Dabei handelt es

sich um Polykondensationsprodukte, in denen die Aminosäuren über Peptid-(Amid-)

Bindungen verknüpft sind.

NH2

R

OH

O

NH2

R'

OH

O

NH2

R

O

NH

R'

O

OH+

Peptidbindung

- H2O

Aminosäuresequenz: Primärstruktur eines Proteins (in der DNA kodiert)

Außer dem Glycin (R = H, Aminoessigsäure) sind sämtliche Aminosäuren chiral. Die

natürlich vorkommenden (proteinogenen) besitzen überwiegend S-Konfiguration, gehören

also zur L-Reihe.


Aminosäuren sind farblose, kristalline Verbindungen, nicht destillierbar (schwerflüchtig),

zersetzen sich ohne zu schmelzen, (hoher) Zersetzungspunkt (> 230° C), in Wasser mäßig bis

gut löslich; in Ethanol, Ether u.ä. schlecht bzw. unlöslich → salzartiger, polarer Charakter

L- und D-Form von

Aminosäuren im

Tetraedermodell und

in der Fischer-

Projektion

Aminosäuren sind amphoter, besitzen sowohl sauren wie basischen Charakter

NH2 CH

R

CO2 NH3+

CH

R

CO2 NH3+

CH

R

CO2H(-) (-) H(+)

- H(+)

H(+)

- H(+)

eAnion Zwitterion Kation

zweibasige SäurpK1pK2

CHR

NH2 CO2H

pK2 pK1

R ≠ H 9 - 10 2 - 3

R = H (Glycin) 9.78 2.35

Isoelektrischer Punkt: IP = (pK1 + pK2)/2 (R = H: IP = 6.07)

Charakteristischer Wert für jede Aminosäure.

pH-Wert, bei dem das Zwitterion vorliegt. Bei diesem pH-Wert wandert die Aminosäure im

elektrischen Feld nicht. Minimale Löslichkeit (in Wasser).

Tabelle isoelektrische Punkte: Fuhrhop <BC33> S. 28


Titrationskurve von Glycin

Proteinaminosäuren

Es gibt ca. 20 proteinogene Aminosäuren

fünf einfache aliphatische; ohne weitere funktionelle Gruppen: Gly, Ala, Val, Leu, Ile

zwei Hydroxyaminosäuren: Ser, Thr

zwei Schwefelhaltige Aminosäuren: Cys, Met

vier Aminodicarbonsäuren (saure Aminosäuren) bzw. deren Amide: Asp, Asn, Glu, Gln

zwei basische Aminosäuren (Diaminocarbonsäuren u.ä.): Lys, Arg

vier aromatische bzw. heteroaromatische Aminosäuren: Phe, Tyr, Trp, His

eine cyclische Aminosäure: Pro (besitzt keine –NH2- bzw. –NH3+-Gruppe

Es gibt eine weitere Proteinaminosäure:

Selenocystein, auch genetisch codiert, bei Hydrolyse entsteht Serin. Austausch von SeH

gegen OH

SeH

NH2

CO2H

Essentielle Aminosäuren

Lys, Leu, Val, Phe, Ile, Thr, Met, Trp


Diese müssen mit der Nahrung aufgenommen werden (Mensch). Die übrigen kann der Körper

selbst aufbauen. Täglicher Bedarf Erwachsener: 0.5–2.2 g pro essent. Aminosäure

"Seltene" Aminosäuren

Zahlreiche andere Aminosäuren (auch β-, γ-, ....) kommen in der Natur vor. Selten in

Proteinen, vorwiegend als Zwischenprodukte beim Stoffwechsel.

Häufige Aminosäuren

R CHCO2HNH2

Name Abkürzung Ein-Buchstaben-

Code

H CHCO2HNH2

Glycin Gly G

CH3 CHCO2HNH2

Alanin Ala A

CH3CH CHCO2HNH2CH3

Valin Val V

CH3CHCH2 CHCO2HNH2CH3

Leucin Leu L

CH3CH2CH CHCO2HNH2CH3

Isoleucin Ile I

CH3SCH2CH2 CHCO2HNH2

Methionin Met M

CHCO2HNH

CH2

CH2

CH2

Prolin Pro P

CHCO2HNH2

CH2

Phenylalanin Phe F

N

CH2 CHCO2HNH2

H

Tryptophan Trp W


HOCH2 CHCO2HNH2

Serin Ser S

CH3CH CHCO2HNH2OH

Threonin Thr T

HSCH2 CHCO2HNH2

Cystein Cys C

CHCO2HNH2

CH2HO

Tyrosin Tyr Y

H2NCCH2

OCHCO2HNH2

Asparagin Asn N

H2NCCH2CH2

OCHCO2HNH2

Glutamin Gln Q

HOCCH2 CHCO2

NH2OH Asparaginsäure Asp D

HOCCH2CH2 CHCO2

NH2OH Glutaminsäure Glu E

H2NCH2CH2CH2CH2

NHCHCO2H

2

Lysin Lys K

H2NCNHCH2CH2CH2 CHCONH2NH

2H Arginin Arg R

H

CHCO2

CH2 2HNH

N

N

Histidin His H


Aminosäuretypen

Beispiele für je eine

• neutrale

• saure und

• basische

Aminosäure

Namen von essentiellen und nichtessentiellen Aminosäuren

Name essentiell Herkunft/Bedeutung des Namens Abkürzung Alanin - abgeleitet von Aldehyd, Ala, A erstmals von Strecker aus Acetaldehyd dargestellt Arginin + latein. argentum = Silber, Arg, R wurde zuerst als Silbersalz gewonnen Asparagin - griech. asparagos = Spargel Asn, N Asparaginsäure - siehe Asparagin Asp, D Cystein - griech. kystis = Harnblase, Cys, C 1810 von Wollaston in Harnsteinen entdeckt Glutamin - latein. glutinum = Leim Gln, Q Glutaminsäure - siehe Glutamin Glu, E Glycin - griech. glykeros = süß Gly, G Histidin + griech. histos = Gewebe His, H Isoleucin + siehe Leucin Ile, I Leucin + griech. leukos = weiß Leu, L Lysin + griech. lysis = Lösung Lys, K Phenylalanin Phe, F

siehe Alanin


Methionin Met, M

+ Kurzform aus Methylthionin, griech. theion = Schwefel

Prolin Pro, P

- gebildet aus Pyrrolidin (E. Fischer, 1904)

Serin Ser, S

- latein. sericum = Seide, nach ihrer Entdeckung durch Cramer, 1865, im Seiden-Hydrolysat

Threonin Thr, T

+ stereochemische verwandt mit Threose (Aldotetrose), deren Name abgeleitet aus Erythrose, griech. erythros = rot

Trypotophan Try, W

+ gebildet aus Trypsin und griech. phainein = ercheinen, da es bei der Einwirkung von Trypsin auf Proteine isoliert wurde (Kossel, 1896)

Tyrosin Tyr, Y

- griech. tyros = Käse, von Liebig 1846 aus Käse hergestellt

Valin Val, V

+ latein. validus = kräftig, gesund

Trennung von Aminosäuren

Chromatographie

Ionenaustauscher (pH-Gradient)

Chromatogramm eines Aminosäure-Gemisches

Nachweis von Aminosäuren

1.) Ninhydrin-Reaktion: Versuch

Farbreaktion, quantitativer Nachweis


O

O

OH

OHR CH

NH2

CO2H

O

O

N O

OH

+ R-CH=O + 3 H2O + CO22

NinhydrinIndantrion-Hydrat2,2-Dihydroxy-indan-1,3-dion

tiefblauer Farbstoff

+

Nur das N-Atom der Amino-Gruppe wird in den Farbstoff eingebaut. Alle Aminosäure ohne

N-Substituenten ergeben die gleiche Farbreaktion.

Ausnahme: Prolin (und andere Aminosäuren mit substituierter NH2-Gruppe) geben eine

andere Farbreaktion

2.) Komplexbildung mit Kupfer(II)ionen: Versuch

blauer Chelatkomplex aus Glycin + CuSO4

Cu

O

NH2

NH2

O

O

O

3.) N,S-Nachweise, Elementaranalyse: Versuch

4.) Dünnschichtchromatographie: Versuch

Synthese von α-Aminosäuren

1.) aus α-Halogencarbonsäuren

CHR

Br

CO2HCHR

NH2

CO2HR-CH2-CO2H + Br2 + PBr3

NH3

- HBr

2.) Strecker-Synthese

CHR

NH2

CN CHR

NH2

CO2HR-CH=O + NH3 + H-CN2 H2O

- H2O - NH3

Bei der Synthese werden racemische Gemische gebildet. Racematspaltung mit Hilfe eines

chiralen (enantiomerenreinen) Hilfsstoffes, z.B. mit einem Alkaloid (Brucin oder Strychnin).

Die Salze der Aminosäuren mit einem solchen chiralen Amin sind Diastereomere. (Vorher die

Aminogruppe acylieren!). Enantioselektivne Synthese: Hauptstudium


Proteine und Peptide

Biopolymere, sind die wichtigsten Bau- und Gerüststoffe des menschlichen und tierischen

Organismus, kommen in allen lebenden Organismen vor. Der größte Teil der zellulären

Proteine sind katalytisch wirksame Enzyme (zumeist Proteide). Proteide sind

zusammengesetzte Proteine, die neben Aminosäuren noch andere Bestandteile wie

Kohlenhydrate (Glykoproteine), Lipide (Lipoproteine), Nucleinsäuren (Nucleoproteine) u.

a. enthalten, Farbstoffe (z.B. Hämoglobin)

Peptide

Peptide aus 1-9 Aminosäuren bezeichnet man als Oligopeptide: Di-, Tri-, Tetra-, ----,

Nonapeptide

10-100 Aminosäuren bilden Polypeptide

Proteine (Eiweiße, Makropeptide) bestehen aus mehr als 100 Aminosäurebausteinen. Sie

haben Molmassen von ~ 10.000 bis ~ 40.000.000 D. Im menschlichen Körper gibt es ca. 5

Millionen verschiedene Proteine (grobe Schätzung!).

Peptide sind Polykondensationsprodukte von Aminosäuren. Die einzelnen Aminosäuren sind

über Amidbindungen (Peptidbindungen) miteinander verknüpft.

NH3+

R1

O

NH

R2

O

NH

R3

O

NH

Rn

O

ON-terminaleAminosäure

C-terminaleAminosäure

Sequenz der Aminosäuren = Primärstruktur eines Proteins (codiert in DNA)

Sequenzanalyse von Peptiden

1.) Schrittweiser Abbau: Edman-Abbau

2.) Selektive Spaltung bestimmter Peptidbindungen. Z.B. mit BrCN: Spaltung erfolgt an der

CO-Gruppe des Methionins

3.) Partieller Abbau, überlappende Spaltung

Dabei entstehen Oligopeptide mit z.T. überlappender Struktur.

Bei der enzymatische Hydrolyse werden nur bestimmte Peptid-Bindungen gespalten.

Proteasen: Trypsin, Pepsin, ...

Einzelheiten: Hauptstudium OC, Biochemie


Die Sequenzanalyse ist heute auch bei größeren Oligopeptiden möglich. Beispiele:

Insulin (Sanger 1953)

A-Kette: 21, B-Kette: 30 Aminosäuren, verknüpft durch Disulfidbrücken (s. h.)

Hämoglobin (Braunitzer 1961):

Häm+Globin (Komplex): 574 Aminosäuren, Molmasse 64.500 D

zwei α-Ketten mit je 141 Aminosäuren

zwei β-Ketten (etwas verschieden) mit je 146 Aminosäuren

Alle α- und β-Ketten sind kovalent mit Häm verbunden

Kurzschreibweise für Peptide

Beispiel: Bradykinin (Gewebshormon, wird bei Entzündungen und Immunreaktionen

freigesetzt, beeinflusst den Blutdruck), Nonapeptid

N-terminale C-terminale

Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro-Phe-Arg

Aminosäure Peptide sind wie andere Carbonsäureamide in stark sauren und alkalischen Lösungen

hydrolyseempfindlich. Die Totalhydrolyse liefert Art und Anzahl der Aminosäuren, nicht aber

die Sequenz.

Sequenzanalyse durch schrittweisen Abbau, durch Spaltung (auf verschiedene Weise, auch

enzymatisch) in Oligopeptide (mit z.T. überlappender Struktur)

Bestimmung der N-terminalen Aminosäure nach Sanger


NH3+

R1

O

NHF

NO2

O2N

NO2

O2N NH

R1

O

NH

NO2

O2N NH

R1

O

OH

+ - HF- H(+)

nucleophile aromat. SubstitutionTotalhydrolyse

+ Aminosäuren

Sangers Reagenz:4,4-Dinitrofluorbenzen

Nach der Hydrolyse liegt nur die N-terminale Aminosäure als 2,4-Dinitrophenylderivat vor.

Bestimmung der C-terminalen Aminosäure

Hydrazinolyse der Peptidbindungen mit wasserfreiem Hydrazin

NH

Rn

O

ONH+

3

R1

O

NH

R2

O

NH

R3

O

NH3+

Rn

O

ONH2

R3

O

NH-NH2

NH2

R1

O

NH-NH2 NH2

R2

O

NH-NH2

N2H4

+

+

+

Alle Aminosäuren, außer der C-terminalen, werden in Hydrazide überführt.

Synthese von Peptiden

Systematische (gezielte) Verknüpfungen von Aminosäuren zu einem Oligopeptid. Ist heute

routinemäßig (mit Automaten) möglich. Problem: gezielte Verknüpfung


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)

Arbeitsschritte:

(1) Schutz durch Acylierung

NH2 OH

ONH

R1

OH

O

CR

R1 O

R-CO-Cl + - HCl

(2) Aktivierung, z.B. durch Überführung in das Säurehalogenid, besser: -azid

NH

R1

OH

O

CR

O

NH

R1

X

O

CR

O

[HX]

- H2O

X = Hal, N3

(3) Schutz durch Verestern

NH

R2

OH

O

HNH

R2

O-R'

O

H+ HO-R'- H2O

(4) Verknüpfung

NH

R1

X

O

CR

O

NH

R2

O-R'

O

H NH

R2

O-R'

ONH

R1

O

CR

O- HX+

Peptidbindung

(5) Abspalten der O-Schutzgruppe R'

(6) Wiederholen der Schitte (2)–(4): → Polypeptid

Eigenschaften von Schutzgruppen, Schutzgruppentechnik: Hauptstudium


Merrifield-Synthese

Festphasen-Peptidsynthese, R. B. Merrifield 1962, Nobelpreis 1983. Lineare Synthese des

Polypeptids

1.) C-terminale Aminosäure wird reversibel an ein Polymer (z.B. Polystyren) gebunden:

OO

NH2

R1

Polystyren 2.) Sukzessive Umsetzung mit N-geschützten, C-aktivierten Aminosäuren, dann Abspaltung

der N-Schutzgruppe usw. Automatisierung, Computer-Steuerung

Beispiel: Enzym Ribonuclease, Merrifield 1969

124 Aminosäuren

369 Synthesestufen

11.931 Syntheseoperationen

Nachteil: jede Stufe muss 100 %ig ablaufen, sonst entsteht ein Gemisch verschiedener

Polypeptide. Das synthetische Produkt besaß nur ca. 20 % der Aktivität des natürlichen

Enzyms.

Besser: konvergente Synthese

1.) Synthese kleinerer Oligopeptide, diese können gereinigt (umkristallisiert) werden.

2.) Verknüpfung der Oligopeptide

Proteine

Proteine besitzen makroskopisch verschiedene Strukturen:

1.) Faserproteine, Skleroproteine

Gewebe, Haut, Sehnen, Muskeln

faser-, kettenförmig, in Wasser unlöslich

a) Schraubenförmige Polypeptidketten: α-Struktur, α-Helix (rechtsgängige Schraube)

Superhelix (Haare, Wolle): mehrere α-Helices umeinandergewickelt (~ Seil)

b) β-Struktur: β-Faltblatt

2.) Globuläre Proteine

Enzyme, wasserlöslich, kugelförmig gefaltete Polypeptidketten (α-Helices)


unpolare Gruppen befinden sich im Inneren, polare Gruppen befinden sich außen

Knäuel

Im menschlichen Körper gibt es ca. 5 Millionen verschiedene Proteine!

Faktoren, die die dreidimensionale Struktur beeinflussen:

Aminosäuresequenz (Primärstruktur)

Disulfidbrücken: SH-Gruppen des Cysteins: → -S-S-

Wasserstoffbrücken: zwischen polaren Gruppen:

-OH: Ser, Thr, Tyr

-SH: Cys

-NH2: Asn, Gln

>C=O und andere Gruppen als Akzeptoren

van der Waals-Wechselwirkungen zwischen aliphatischen und aromatischen Resten

Val, Leu, Ile,

Phe, Trp

Sekundärstruktur der Proteine

Es gibt zwei Haupttypen: α-Helix, β-Faltblatt (β-Struktur)

Wasserstoff-Brückenbindung

= C = H = N = O = Seitenkette

a) b)

c)

α-Helix, b) paralleles und c) antiparalleles β-Faltblatt.


Von den Wasserstoffatomen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur die polaren gezeigt, die an Wasserstoff-Brückenbindungen teilnehmen können. Römpp Lexikon der Chemie, Version 2.0, Georg Thieme Verlag, Stuttgart/New York, 1999.

Entscheidend sind die Wasserstoffbrücken zwischen Amino- und Carbonylgruppen

a) intermolekulare H-Brücken (oder intramolekulare zwischen weiter entfernten Gruppen): β-

Faltblatt

Reste R an den Aminosäuren möglichst einheitlich

Wellblechartige Struktur z.B. in der Naturseide

b) nur intramolekulare H-Brücken: α-Helix, rechtsgängige Schraube

3.6-Aminosäuren pro Windung. Die Reste R zeigen nach außen, z.B. in der Wolle

Disulfidbrücken

werden von der Aminosäure Cystein (Cys, C) gebildet, können reduktiv gespalten werden.

Sie dienen der intra- und intermolekulare Verknüpfung von Peptidsträngen: z.B. im Insulin

Cys Cys

S

Ala

S

Cys

Ser Val Cys

S S

Cys

S

S

CysValGlyLeu

Kette A21 Aminosäuren

Kette B30 Aminosäuren

Insulin: 51 Aminosäuren

Hormon der Bauspeicheldrüse (Pankreas), wirkt blutzuckersenkend

Name: Langerhanssche "Inseln" des Pankreas

Tertiärstruktur der Proteine

Faltung und Verknäuelung der Sekundärstrukturen durch

- van-der-Waals-Kräfte zwischen nichtpolaren Gruppen

- z.T. auch durch Disulfidbindungen


Quartärstruktur der Proteine

Komplex aus mehreren Peptidketten und –knäueln, keine kovalenten Bindungen zwischen

den Subeinheiten

"Prionen"

Creutzfeld-Jakob-Krankheit (CJK, Menschen)

Traberkrankheit ("Scrapie", Schafe)

Spongiforme Encephalopathie (BSE, Rinder)

Mögliche Ursache der Erkrankung:

Prion-Protein: Umwandlung der α-Helices in β-Faltblattdomänen, infektiös

Angew. Chem. 1997, 109, 1748-1769.

St. B. Prusiner, Nobelpreis Medizin, 1997


Triosephosphat-Isomerase

Ein ubiquitäres Enzym (zwei identische Untereinheiten, MG. je 28 000).

Katalysiert die reversible Isomerisierung von D-Glycerinaldehyd-3-phosphat zu

Glyceronphosphat (Dihydroxyacetonphosphat). Ist in der Glykolyse von Bedeutung.

Raumstruktur der TIM (schemat.: Bänder = α-Helix, Pfeile = β-Faltblatt).

Computerzeichnung nach J. Appl. Crystallogr. 1988, 21, 572–576; Raumkoordinaten aus der

Protein Data Bank.

Die Struktur der TIM enthält 8 parallele, zylindrisch angeordnete β-Faltblatt-Stränge, die von

8 α-Helices umgeben sind.

Quelle: Römpp Lexikon der Chemie, Version 2.0, Georg Thieme Verlag, Stuttgart/New York, 1999. Siehe auch: Stryer, Biochemie, S. 370, Heidelberg: Spektrum der Wissenschaft Verlagsges., 1990.


Lipide Lipide: griech. lipos = Öl, Fett

Fette, Fettsäuren, Ester, Wachse

Lipide sind wasserunlöslich, gut löslich in organischen Lösungsmitteln wie z.B. CHCl3,

Ether, Benzen, ... Ursache der Hydrophobie bzw. Lipophilie sind langkettige, aliphatische

Reste.

Fettsäuren: höhere (langkettige) Carbonsäuren

Fettalkohole: langkettige Alkohole

Wachse: Ester aus Fettsäure und Fettalkohol

Fette: Glycerin-Ester der Fettsäuren = Fettsäureglyceride ("Triglyceride")

CH2

CH

O CO-R1

O CO-R2

CH2 O CO-R3

Fettsäuren

In der Natur kommen über 300 verschiedene Fettsäuren vor. Am häufigsten sind

unverzweigte mit gerader C-Zahl (meist 14,16,18), gesättigte und ungesättigte. Biosynthese

aus C2-Einheiten (Acetyl-CoA)

C-Zahl und Formel Name

C12: CH3-(CH2)10-COOH Dodecansäure Laurinsäure

C14: CH3-(CH2)12-COOH Tetradecansäure Myristinsäure

C16: CH3-(CH2)14- COOH Hexadecansäure Palmittinsäure

C18: CH3-(CH2)16—COOH Octadecansäure Stearinsäure

C18: 1 C=C-Doppelbindunge Ölsäure

C18: 2 C=C-Doppelbindung Linolsäure

C18 3 C=C-Doppelbindungen Linolensäure

C20 4 C=C-Doppelbindungen Arachidonsäure → Prostaglandine

C22 1 C=C-Doppelbindung Erucasäure*

*Film: Lorenzo's Oil

Ungesättigte Fettsäuren

Die C=C-Doppelbindungen besitzen cis-Konfiguration,


essentielle Fettsäuren, zumeist pflanzlichen Ursprungs: Sonnenblume, Oliven, Leinsamen

u.a., Herabsetzung des Cholesterin-Spiegels im Blut

Ungesättigte Fettsäuren autoxidieren an der Luft über Hydroperoxide zu bräunlichen,

viskosen Oxidationsprodukten: Ranzigwerden von Speiseölen und Fetten

Fetthärtung

Ungesättigte (flüssige!) Pflanzenöle und Trane werden katalytisch hydriert und anschließend

zu festen Produkten wie Seifen, Kochfetten, Kerzenwachs u.a. verarbeitet.

Partiell hydrierte Fette: verbleibende Doppelbindungen können in die stabilere trans-Form

isomerisieren. Diese ungesättigten Fettsäuren sind ernährungspysiolgisch nicht unbedenklich

("Diätmargarine").

Verseifung von Fetten

Alkalische Hydrolyse von Fetten.

CH2

CH

O CO-R1

O CO-R2

CH2 O CO-R3

CH2

CH

O H

O H

CH2 O H

+ R-CO2(-)M(+) M = Na, K, Li

MOH Seife

Glycerin

Tenside und Detergentien

Oberflächenaktivität von Tensiden

Oberflächenspannung des Wassers wird erniedrigt

Tensid-Wirkung

CO2(-)Hydrophober Rest

lipophilHydrophileKopfgruppelipophob

Tenside reichern sich an der Wasseroberfläche an, der hydrophobe Rest wird aus dem Wasser

gedrängt: Erniedrigung der Oberflächenspannung, Schaumwirkung, Bildung von Micellen

und Vesikeln

Versuche: Fett-Verseifung (Rindertalg)

Benetzung von Watte mit Wasser mit und ohne Pril (keine kosmetische Watte

verwenden)

kritische Mizellbildungskonzentration: Wasser + Pril


Detergentien

1.) Anionische

Seifen R-CO2(-)Na(+), Alkansulfonate R-SO3

(-)Na(+), Alkylbenzensulfonate (ABS)

Ar-SO3(-)Na(+), O-Alkylsulfate R-O-SO3

(-)Na(+)

2.) Kationische

z.B. Alkylammonium-Verbindungen R-NMe3(+)Br(-)

3.) Nichtionische

z.B. Glykolipide wie Alkylpolyglucosid (APG, Henkel): Glucose wird mit einem

Fettalkohol zum Glucosid umgesetzt. Dabei erfolgt auch Selbstkondensation der

Glucose, deshalb "poly" im Namen. Außerdem: Alkylpolyglykolether, Saponine

Wirkung von Tensiden


Rahmenrezepturen für Waschmittel

(Zahlenangaben in %)

Wirkstoffgruppe Beispiele Herkömmlich Kompakt Tabletten FlüssigAnionische bzw. Nichtionische Tenside

Alkylbenzensulfonat Alkylsulfat, Seife, Alkoholethoxylat, Alkylpolyglucosid, Alkylglucamid

10 - 15 10 - 25 13 - 18 20 - 55

Cerüststoffe Zeolith, Schichtsilikate, Natriumsilikat

25 - 50 25 - 40 11 - 35 1 - 4

Cobuilder Polycarboxylate, Natriumcitrat

3 - 5 3 - 8 2 - 3 +

Bleichmittel Natriumpercarbonat 10 - 25 10- 20 13 - 15 - Bleichaktivator Tetraacetyl-

ethylendiamin 1 - 3 3 - 8 3 - 7 -

Vergrauungsinhibitoren Carboxymethylcellulose 0 - 1 0 - 1 0 - 1 +Korrosionsinhibitoren Natriumsilikat 2 - 6 2 - 6 2 - 6 - Stabilisatoren Phosphonate 0 - 1 0 - 1 0 - 1 +Schauminhibitoren Seife, Siliconöl,

Paraffine 0.1 - 4 0.1 - 2 0.1 - 2 -

Enzyme Amylasen, Cellulasen, Lipasen, Proteasen

0.3 - 0.8 0.5 - 2 2 - 4 0 - 3

Optische Aufheller Stilben-Derivat, Biphenyl-Derivat

0.1 - 0.3 0.1 - 0.3 0.1 - 0.3 0.05 - 0.3

Alkohole Ethanol, Glycerin - - - 8 - 12 Stellmittel Natriumsulfat 5 - 30 - - - Sprengmittel (Auflösehilfen)

Cellulose-Derivate - - 5 - 17 -

Duftstoffe + + + + Wasser Rest Rest Rest 30-50 + in geringen Mengen enthalten Lit.: St. Glathe, D. Schermer, Chem. unserer Zeit, 2003, 37, 336-346.


Prostaglandine Hormone, in fast allen Geweben von Säugetieren enthalten, verschiedene Wirkungsbereiche

(Blutdruck, Fruchtbarkeit), Verwendung als Pharmaka

Der Name entstand dadurch, dass man irrtümlich annahm, dass sie in der Prostata gebildet

werden.

Derivate der Prostansäure (C20)

Biogenese aus der vierfach ungesättigten Fettsäure Arachidonsäure

Biogene der Prostaglandine

Phospholipid-Membranen

Phospholipase A 2COOH

CH3

158

1114

ArachidonsäureCyclooxygenase(cycl. Lipoxy-genase-Aktivität)

O

O CH3

COOH

OOH

159

11 13

PGG2

O

O CH3

COOH

OH

Cyclooxygenase(PG-HydroperoxidaseAktivität)

PGH2

15


PGE2PGD2

CH3

COOH

OH

HO

O

CH3

COOH

OH

O

HO

159

1113

Isomerasen

cyclinProsta-Synthase

Prostacyclin-SynthaseThromboxan-

TXA2

a 151311

11

159

O

COOH

CH3O

OH

αPGF2

Reduktasen

CH3

COOH

OH

HO

HO

Römpp, Lexikon Chemie, Version 2.0, Thieme, Stuttgart, 1999.

Nomenklatur der Prostaglandine

Die Stammsystem werden als PGA–PGJ bezeichnet:

COOH

CH3

159

11 13 15 1720

Grundgerüst:Prostan-1-säure

910

9

1111

9

11

99 8

12

PGFα

9

11

R = OOH : PGGR = OH : PGH = PGR

PGI ( PGJ

9

11

αO

HO

Prosta-cycline, PGX)

9

11

Z

6

5O

O

R

9

11

PGB PGC PGD PGEPGA

O

O

HO O

HO

OO

HO

HO O


Die Seitenketten werden durch Indices (z.B. 2β) charakterisiert:

ES

OH

CH3

OCOOH

PGA1 PGE1

OH

CH

OCOOH

HO

3SE

(Alprostadil)

SE

SE

OH

COO

OCH3

OH

PGH3 (PGR3)

OH

COOH

HO

CH3

HO

PGF2

Z Z59

α5

Z

17

α9-Epimer :

(Dinoprost)

βPGF2

15

Terpene In der Natur weitverbreitet, hauptsächlich in Pflanzen als Bestandteile der etherischen Öle.

Wasserlösliche, ölige Substanzen, die im Gegensatz zu den fetten Ölen und Mineralölen

vollständig verdunsten.

Gewinnung aus Pflanzen:

- Wasserdampfdestillation zerkleinerter Pflanzenteile

- Extraktion von Blüten, Samen, Wurzeln oder anderen Pflanzenteilen (mittels

Petrolethers o.a.)

- Auspressen der Pflanzen(teile), vgl. P. Süskind, Das Parfum (Bestseller)

Verwendung zur Herstellung von

- Gewürzen

- Aromen

- Arzneistoffen, z. B. Pinimenthol

Terpene kommen vor als

- Kohlenwasserstoffe

- Alkohole

- Aldehyde, Ketone

- Carbonsäuren, -ester, -lactone

- --------


Formal sind Terpene Oligomere des Isoprens, , 2-Methylbuta-1,3-dien, C5H8 und

seiner Derivate: Isoprenregel (O. Wallach 1887, L. Ruziçka 1922, Biogenese)

Anzahl Isoprenbausteine

Monoterpene 2

Sesquiterpene 3

Diterpene 4

Triterpene 6

Beispiele für Monoterpene

Limonen

Formale Diels-Alder-Reaktion

Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 167Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 167


L(-)-Menthol (Pfefferminze) existiert in vier verschiedenen Kristallmodifikationen, Schmp.

31, 33, 35, 43° C. Fischer-Projektion:

OH H

CH2

CH2

CH3 H

CH2

H iPr

1

2

34

5

6

L-Menthol

L(+)-Neomenthol

D(+)-Isomenthol

D(+)-Neoisomenthol

Technische Synthese von Menthol

Me

iPrOH OH

Me

iPr

(+)-Menthol, RacematThymol

+ 3 H2

Ni

Oxidation von Menthol

OH

Me

iPr

O

Me

iPr

MenthonTerpenketon

CrO3

H2SO4

(+)-Menthon: im Geraniumöl, (-)-Menthon im Pfefferminzöl



Campher

1,7,7-Trimethylbicyclo[2.2.1]heptan-2-on, nur zwei Stereoisomere sind bekannt (möglich).

D(+)-Campher (Campherbaum: Japan, China, Taiwan)

Antiseptikum, Weichmacher für Cellusosenitrat (Celluloid)

Auch L(-)-Campher kommt natürlich vor.

Reduktion von Campher

O

OH

HOH

HNaBH4

+

(+)-Borneol (-)-Isoborneol

Diastereomere

Fischer-Projektion von D-Campher

OCH3CH3

H

H

CH3

O

HH

H

CH2

12

34

5

6

72

1

6

5

4

3

7

D

*

*

Biogenese von Terpenen


CH3 CO SCoA CH3 CO SCoA CH2 CO SCoACOCH3

CH2 CH2CCH2

OH CH3

COOH OHCH CH2CCH2

CH3

+

Acetyl-CoA Acetacetyl-CoA

4 3 2 1

H3C-CO-CoA + Red.

45

~ Aldol-Addition

- CO2

4 Red. = NADH2(+)

3 2 15- 2 H2O3 2 15Mevalonsäure(formal)

Coenzym A = Acyltransferase, überträgt Acyl-Reste

Die Mevalonsäure ist das biochemische Isopren-Äquivalent.

Diterpene

Aufbau formal aus vier Isopren-Einheiten: C20

Beispiel:

Vitamin A

Wachstumsvitamin. Im Lebertran, Eigelb, Milch

Sehpurpur der Netzhaut im Auge (Retina). Mangel führt zur Nachtblindheit

Retinal

Photochemische cis/trans-Isomerisierung

Veränderung der Permeabilität der Stäbchenmembran. Ionentransport (Na+)

OHO

N

N

Retinol (Vitamin A)Diterpenalkohol

Retinal

Opsin

Licht Opsin

trans

cis

Rhodopsin(Sehpurpur)

Nervensignal ans Gehirn


Tetraterpene

Sind formal aus acht Isopren-Einheiten aufgebaut.

Beispiel: Carotenoide

Ältere Bezeichnung: Carotinoide Bruttoformel der: C40H56

Polyenfarbstoffe, in grünen Pflanzen (das Grün stammt vom Chlorophyll), Blättern,

Herbstlaubfärbung, Blüten und Früchten (Karotten, Tomaten, Hagebutten, Paprika, …)

β-Caroten, Provitamin A

Lycopen: Tomate, Hagebutte u. a.

Lutein (Dihydroxy-α-caroten): gelbes Pflanzenpigment, Gelbfärbung des Herbstlaubes, auch

im Eidotter

Zeaxanthen (Dihydroxy-β-caroten): gelbes Pflanzenpigment, im Mais u. a.

Versuche: Chromatographie von Paprikaextrakt, Tomatensaft-Regenbogen, J. Chem. Educ.

1986, 63, 1092.


α-Caroten

β-Caroten

γ-Caroten

Lycopen

Polyisoprene

Formel (C5H8)n

Formale Polymerisation von Isopren


1.) trans-Polyisopren:

n trans-Polyisopren

Guttapercha, aus dem Milchsaft tropischer Pflanzen

Doppelbindungen besitzen trans-Konfiguration

Isoliermaterial für Elektrokabel, z.B. Tiefseekabel

2.) cis-Polyisopren:

n

cis-Polyisopren

n

Naturkautschuk, Wildkautschuk, Plantagenkautschuk

Doppelbindungen besitzen cis-Konfiguration

mittlere Molmasse: 350 000 D

Latex des brasilianischen Gummibaums u.a.

Name "Kautschuk". Maya "weinendes Holz"

auffallende Eigenschaften: Elastizität, Klebrigkeit (Vogelleim)

MacIntosh (1826): Regenmäntel

Ch. Goodyear (1844), Th. Hancock: Vulkanisation

Erhitzen mit Schwefel → hoch-elastisches Gummi (das oder der Gummi)


Steroide Isoprenoide

Biosynthese aus Squalen Triterpen, C30H50, im Haifischtran

OOH

OH

2,6,10,15,19,23-Hexamethyl-tetracosa-2,6,10,14,18,22-hexaenSqualen, C30H50

Oxidation

Squalenoxid, C30H50O

terol (Lanosterin),O

Cholesterol (Cholesterin),C27H46O

Wanderung von CH3-Gruppen:C10 -> C15, C15 -> C14

1015

14

LanosC30H50

H(+)

10

15

10

15

Die Umwandlung von Squalen in Cholesterol wurde mit 14C-markierten Verbindungen

untersucht

Lanosterol (Lanosterin), C30H50O, kommt natürlich vor, z. B. im Wollfett

Cholesterol besitzt acht stereogene Zentren (C*). Damit sind 28 = 256 Steroisomeren

denkbar. In der Natur findet man nur eines! Alle Substituenten sind β-ständig (cis-ständig)

Cholesterol ist in allen normalen Geweben vorhanden, besonders im Hirn und im

Rückenmark. Der Körper eines erwachsenen Menschen enthält ca. 250 g. Isoliert 1775.

Hauptkomponente der Gallensteine. Störung des Lipidstoffwechsels verursacht einen

erhöhten Cholesterol-Gehalt im Blut, Ablagerungen an den Wänden der Arterien. Verengung

der Gefäße, Verminderung der Elastizität: Arteriosklerose


CholestanA B

C D

A B

C D Steran, GonanC17H28

C27H48

Cholestan: Ringe A-B sind trans-verknüpft, Koprostan (A-B: cis)

Steroide: ca. 20.000 bekannte Verbindungen

Physiologisch wichtige Stoffe: Vitamine, Hormone, Medikamente (Empfängnisverhütung,

Diuretica u.a.)

Sexualhormone (wichtigste Vertreter)

weibliche Sexualhormone = Östrogene:

(Östron) Estron, weibliches Keimdrüsenhormon

Progesteron: Schwangerschaftshormon,

männliche Sexualhormone = Androgene

Androsteron

Testosteron

synthetische Östrogene (Estrogene)

Steroidhormone sind die Wirkstoffe der “Pille“.

Digitalisglykoside, herzaktive Stoffe aus Digitalis-Arten (Fingerhut)

Glykoside von Stereoiden, Zuckerrest befindet sich an der 3β-OH-Gruppe


Ringverknüpfung der Steroide


Ausgewählte Steroide

Cholesterol Cholsäure Cortison

Anreicherung im Gewebe und an den Arterienwänden, mitverantwortlich für Kreislauf- und Herzerkrankungen

(Gallensäuren) Im Sekretgemisch enthalten, dient im Zwölffingerdarm zur Emulgierung, Verdau-ung und Absorption von Fetten

Nebennierenrindenhormon, dient zur Behandlung rheumatischer Erkrankungen, reguliert Elektrolyt- und Wasser-haushalt.

Testosteron Estradiol Progesteron

männliches Sexualhormon, verantwortlich für sekundä-re männliche Geschlechts-merkmale (tiefe Stimme, Bartwuchs etc.), wird in den Hoden produziert.

weibliches Sexualhormon, verantwortlich für die sekundären weiblichen Geschlechtsmerkmale, ist an der Regulierung des Men-struationscyclus beteiligt.

Schwangerschaftshormon, sorgt dafür, dass der Uterus für die Einnistung der befruchteten Eizelle bereit ist.


Alkaloide Ca. 10.000 bekannte Alkaloide, große Strukturvielfalt, über 20 verschiedene Klassen

(Struktur), alle enthalten N, häufig in Fünf- oder Sechsring. Biogene Amine, werden ganz

überwiegend von Pflanzen gebildet aus Aminosäuren, sofern diese im Überschuß vorhanden

sind. Endprodukte des Stoffwechsels, weil kein geeigneter Ausscheidungsweg existiert.

Depotfunktion (?).Abwehr von Tieren (Fraßfeinden). Einige kommen auch in Tieren vor, z.B.

Harmonin (Marienkäfer), Krötengifte.

Biogenese

Vorstufen der Alkaloide bei der Biosynthese: Ornithin (seltene Aminosäure ), Lysin,

Phenylalanin bzw. Tyrosin, Tryptophan sowie Nicotinsäure

Beispiel: Biosynthese von Morphin aus Tyrosin (Breitmayer-Jung, S. 830)

OHNH2

CO2H

OHNH2

CO H2OH

OH

OH

H O

NH

OH

OH

OH

OH

CO2H

RO

R'O

O

N CH3

Tyrosin,4-Hydroxyphenylalanin

3,4-Dihydroxyphenyl-acetaldehyd

gDopa3,4-Dihydroxyphenyl-alanin

R' = H, R = H: (-)-Morphin CH3: (-)-CodeinR' = R = CO-CH3: Heroin

Isochinolin-Alkaloide

C-C-Verknüpfun

An die Pflanze wurde 3H- oder 14C-markiertes Tyrosin verfüttert. Aufklärung der

Bildungsweise durch 14C- und 3H-Analyse von Produkten und Zwischenstufen.

Opium: Latex der unreifen Früchte von Papaver sonniferum (Schlafmohn), enthält ca. 25

Alkalide; 10 % Morphin

Diese Verbindungen gehörein zu den Isochinolin-Alkaloiden


R R' Name

H H Morphin

CH3 H Codein

COC COCH3 Heroin

Morphin. Das erste Alkaloid, das in reinem Zustand isoliert wurde: F. W. A. Sertürner 1805.

Kommt im Mohn vor, ist für die physiologische Wirkung des Opiums verantwortlich.

Methadon. Kein Alkaloid im eigentlichen Sinne "Ersatzdroge" für Heroinsüchtige

Coffein

In Kaffeebohnen 1–1,5 %, in getrockentem schwarzen Tee bis 5 %.

1 Tasse Normalkaffee (aus 5 g Bohnen) enthält ca. 50–100 mg Coffein

1 Tasse schwarzer Tee (aus 0.5 g getrockenten Blättern) enthält ca. 10–30 mg Coffein

In 100 ml Cola-Getränk sind ca. 10–30 mg Coffein enthalten.

Halbsertszeit im Organismus: 3-5 h. Lethale Dosis für den Menschen: 10 g

Entcoffeinierung: Extraktion mit überkritischem CO2.

Vorkommen, Wirkung und Verwendung einiger Alkaloide

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

Morphin Mohn Schmerzmittel, Rauschgift

Nicotin Tabak Blutdrucksteigerung,

Lähmung (lethale Dosis: 50 mg)

Reserpin Rauwolfia Beruhigungsmittel

Strychnin Brechnuss Rattengift


Purinalkaloide

N

N N

N

O

O

R1

R2R3

R1 R2 R3 Name Vorkommen

CH3 CH3 H Theophyllin Teeblätter

CH3 H CH3 Theobromin Kakaobohnen, Teeblätter, Colanuß

CH3 CH3 CH3 Coffein Kaffeebohnen, Teeblätter

Pharmakologische Eigenschaften von Coffein,Theophyllin und Theobromin

Stimulierung des

ZNS

HerzwirkungBroncho- u.

Vasodilatation

Skelettmuskel-

stimulation

Diurese

Coffein +++ + + +++ +

Theophyllin +++ +++ +++ ++ +++

Theobromin– ++ ++ + ++

Ausgewählte Alkaloide

N

RN

H R = CH3 : NicotinR = H : Nornicotin

( )-(S)-Form_

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


N

N

H

H

H

OHH3COOC

H

N

N

H

H

H

OHH3COOC

HN

N

H

H

H

OHH3COOC

H

R=H : YohimbinsäureR=CH3 : Yohimbin

allo -Yohimbin

β-Yohimbinα-Yohimbin (20-Epimer: Corynanthin)

D

E

N

H

H

OHOOC

AB

C

N H

R

H

11

1

3

7

14

13

9 5

21

20

18

16

20

H3C CH2 CO C CH2 C CH3

C6H5

C6H5 N(CH3)2

H

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

N

NOCH3

H3CO H

H

O CO OCH3

OCH3OCH3

H3COOC

H

H

11

9

74

21

20321

13

14 1816

Reserpin


N

OC6H5

O

H3C

CH2 OH N

O C C6H5

O

COOCH3H3C1 2

3

Atropin (racemisch) (-)-Cocain

R = HR = OCH3 :

: (-)-Cinchonidin

N

R

HON

HCHH2C

H

11

34

6

1

89

6

1

'

'

S R

(-)-Chinin(+)-Cinchonin(+)-Chinidin

N

R

HON

HCHH2C

H

11

34

6

1

89

6

1

'

'

SR

O

HN

HOCH3

HO

(-)-M.

N

N

CH3C

O

RH

H

7 6

5 4

3

21

1011

8

9

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

: Lysergsäure

(-)-Morphin


Polyketide Acetogenine: Pflanzenpigmente, Flavonoide, Naphthochinone, Tetracycline u.a.

Aufbau der C-Kette wie bei den Fettsäuren, jedoch keine Reduktion der Carbonylgruppen

CH3 S

OCoA

S

OCoA

n

O

CH3Acetyl-CoenzymA

~ Esterkondensation

(n+1)

- n CoA-SH

Es entsteht eine β-Diketon-Kette, aus der Folgeprodukte gebildet werden könnern, z. B. durch

Reduktion Fettsäuren.

Darstellung aromatischer Ringe!!

CH3 S

OCoA

O O

CH3

OCO-S-CoA

OH OH

CH3

CO2H

CH3 S

O

CoA

OCH3

OOOS

O O O O

CoA

OH

OH

O

O

OH

CH3

4- 3 CoA-SH

- H2O

Orsellinsäure,eine Flechtensäure

8- 7 C

- 2 H2O

EmPflorje n

oA-SH- CoA-SH- CO2

odinanzenpigmentange-kirschrot,

ach pH-Wert

Anthrachinon-Derivat

Es entstehen meta-disubstituierte Phenole

Farbstoffe von Blüten, Insekten, ....

Alternative Biosynthese von aromatischen Verbindungen. Der normale Weg geht aus von

Phenylalanin → Shikimisäure (Karlson 274)


Tetracycline

Nach Cephalosporinen und Penicillinen sind Tetracycline derzeit die meistgebrauchten

Antibiotika. Alternative zu Penicillinen, breites Wirkungsspektrum gegen

Infektionskrankheiten, hemmen die Proteinbiosynthese in den Mitochondrien der Bakterien.

Aureomycin wird aus den Kulturen von Streptomyces aureofaciens isoliert.

Terramycin aus Streptomyces rimosus, Stoffwechselprodukte von Pilzkulturen

HO O HO OOH

RH

RH

NRR

OH

C NH R

O

CH3H3C5 43

1

2

Name R1 R2 R3 R4 R5

Tetracyclin, Achromycin H H OH CH3 H

Chlortetracyclin, Aureomycin H H OH CH3 Cl

Oxytetracyclin, Terramycin H OH OH CH3 H

Demethylchlortetracyclin H H OH H Cl

Doxycyclinmonohydrat H OH H CH3 H

Minocyclin H H H H N(CH3)2

Methacyclin H OH =CH2 H

Rolitetracyclin CH2-Pyrrolidino H OH CH3 H

Methylverzweigung durch Einbau von Propionsäure statt Essigsäure

Herstellung

Durch Fermentation in Submerskulturen von ca. 20 Streptomyces-Arten (Tetracyclin,

Chlortetracyclin, Oxytetracyclin, Demethylchlortetracyclin), auch über das so gewonnene

Chlortetracyclin, aus dem es durch Cl-Abspaltung mittels katalytische Hydrierung erstmals

1953 erhalten wurde. Durch systematische Abwandlung der Substitution am Tetracen-Gerüst

sind inzwischen eine Vielzahl von Tetracyclin-Derivaten hergestellt worden.

Wirkungsmechanismus

Tetracycline sind Inhibitoren der Proteinsynthese.


Farbstoffe Farbe: Lichtabsorption im sichtbaren Gebiet des Spektrums, 400–750 nm

Wahrgenommen wird die Komplementärfarbe zur absorbierten Farbe,

z.B. absorbiertes Licht 570 nm: gelb, Komplementärfarbe: blau

Elektronenübergänge im sichtbaren Bereich: π → π* und n → π*

Die Verbindung muss ein ausgedehntes π-Elektronensystem besitzen, hoch liegendes HOMO

und niedrigliegendes LUMO.

Die Absorptionsbande soll möglichst schmal sein, damit eine "saubere" (brillante) Farbe

resultiert. Eine breite Absorptionsbande oder mehr als eine Bande im sichtbaren Bereich

führen zu stumpfen oder "schmutzigen" Farben

Lit.: M. Klessinger, Chemie in unserer Zeit, 1978, 12, 1

Natürliche Farbstoffe

Nicht alle Farben in der Natur gehen auf chemische Farbstoffe (Pigmente) zurück. Einige

hängen mit der Oberflächenstruktur zusammen, die Farbe durch Lichtbrechung entstehen

lässt. Beispiele: Gefieder einiger Vögel (Kolibris, Pfauen), einige Insekten (Schmetterlinge,

Käfer)

Einige Farbstoffe erfüllen eine physiologische Funktion: Chlorophyll (Fotosynthese)

Anthocyanidin-Farbstoffe

Pflanzen in Blüten und Früchten, wasserlöslich, hauptsächlich rot, violett, blau.

Die Farbe hängt z.T. vom pH-Wert ab. Kornblume (blau) und Rosen (rot) enthalten das

gleiche Anthocyan. In der Pflanze liegen die Anthocyane als Glykoside vor. Bei der

Hydrolyse entstehen die entsprechenden Anthocyanidine. Das sind also die Aglykone der

Anthocyane.


O+

OH

OH

OH

R2

R1

OH

OOH

OH

O

R2

R1

OH-H+

rot - violett blau Anthocyanidin R1 R2

Cyanidin OH H

Delphidin OH OH

Malvidin OCH3 OCH3

Pelargonidin H H

Peonidin OCH3 H

Petunidin OCH3 OH

Cyanidin (rote und blaue Blüten, Kirschen u.a.)

Delphinidin (Rittersporn blaurote Blüten, Stiefmütterchen, Trauben)

Pelargonidin (z.B. rot in Geranien)

Carotenoide

Wasserunlöslich, in allen grünen Pflanzen, in Früchten und Blüten, (gelbe Herbstfärbung des

Laubes), in Bakterien, Pilzen

Bislang wurden ca. 300 verschiedene Carotenoid-Strukturen aufgeklärt

Tetraterpene = C40

Verschiedene Grade der Dehydrierung, Ringschluss an einem oder beiden Enden, funktionelle

Gruppen

Chinone

Hauptsächlich Naphtho- und Anthrachinone, z. B. Emodin (s.o. Acetogenin)


OH

OH

O

O

OH

CH3

OH

OH

O

O

CH3

OH

OH

RHO2C

Emodin R = GlucopyrKarminsäure

anosyl

Karminsäure: Pulver aus getrockneten weiblichen Cochenilleläusen, gebunden an Glucose.

Rotfärben von Speisen, Kosmetika (Lippenstift)

Wasserlösliche Farbstoffe, Vitamin K-Gruppe (1,4-Naphthochinon-Derivate), auch in Pilzen

und Flechten

Vitamin K3 : R = HPhthiokol : R = OH

Vitamin K2 :

:Vitamin K1

R = CH2 C C CH2 H

H

CH3

7

R = CH2 C C CH2 CH2 CH2 CH CH2 H

H

CH3 CH3

3

(35)

(20)

O

O

CH3

R

Melanine

Komplexe chinoide Verbindungen, die bei der Oxidation und Polymerisation von Tyrosin

entstehen, in Federn, Haaren, Augen, Tinte des Tintenfisches

Beim Menschen: Pigmentierung der Haut (Lichtschutz)

NH

OO

NH

OO

NH

OO

n

Den Albinos und verschiedenen weißen Tierarten fehlt ein Enzym, das die Umwandlung des

Tyrosins bewirkt.


Indigofarbstoffe

Indigo, Färberwaid

Indigo ist ein Küpenfarbstoff.

Synthese A. v. Baeyer (1870), BASF (1897)

6,6'-Dibromindigo, antiker Purpur, aus Purpurschnecken

NH X

ONHX

O

NH X

ONHX

O

Na2S2O4

O2

Leukoformwasserlöslich

X = H: Indigo BlauX = Br: 6,6'-Dibromindigo Purpur

Porphin-Farbstoffe

N

N

N

N H

A B

C D

N

H N

N H

N

Porphin Corrin

Häm-Derivate

Fe

R1

R2

1N

NN

N

CH3

H3C

HC

CH2

CHCH2

H3C

H2C

H2C

COOH

CH2

CH2

COOH

CH3

A B4 6

9

111924

21 22

23

CD1416


Häm-Derivat od. Häm-Protein Zentralion R1 R2

Häm (Ferrohäm)

Hämoglobin, Myoglobin

Oxyhämoglobin

Carbonylhämoglobin

Fe2+ H2O

Globin (His)

O2

CO

H2O

Globin

Globin

Globin

Hämin (Ferrihämchlorid)

Hämatin (Ferrihämhydroxid)

Methämoglobin(Hämiglobin)

Fe3+ Cl–

OH–

Globin (His)

–

–

Globin (His)

Hämoglobin

Hämoglobin ist ein tetrameres Eisen-Protein, dessen Monomere aus je einer Globin-Kette mit

einem Molekül Häm als prosthetischer Gruppe bestehen.


Chlorophylle

N M g

N

N

N

H 3 C

H 3 C

O

C H 3

C H 2

R 3 O O C H 3 C O O C

R 1

R 2

N M g

N

N

N

H 3 C

H 3 C

O

C H 3

C H 2

H O O C H 3 C O O C

R 1

R 2

Chlorophyll a Chlorophyll b Chlorophyll c

R 1 = C H 3 R 2 = C 2 H 5 R 3 = P h y t y l

R 1 = C H O R 2 = C 2 H 5 R 3 = P h y t y l

c 1 R 1 = C H 3 , R 2 = C 2 H 5 c 2 R 1 = C H 3 , R 2 = C H c 3 R 1 = C O O C H 3 , R 2 = C H

C H 2 C H 2

H3C

CH3

H3C3

Phytyl :

Coenzym B12, Vitamin B12

H N

NCo2

N

L

CO R2

CH3

R1 CO

H3C

H3C

R7 COH3C

H3C

R6 CO R5 CO

CH3

CH3

N

CH3

CO R3

CO R4+


O

C

O C H 2 N H P O

O

O

O H

H O C H 2

N

N

C H 3

C H 3

z u m C o

C H 3 H

-

R1 - R5, R7 = NH2

R6 =

L = 5'-Desoxyadenosyl Coenzym B12

CN Vitamin B12

Vitamin B12

Wirkt gegen perniciöse Anämie, Isolierung 1948 (K. Folkers), kann aus Leber, Milchpulver

und Fleischextrakten gewonnen werden.

Strukturaufklärung (1955): Röntgenstrukturanalyse (D. Crowfoot-Hodgkin)

Porphin-Derivat, Co-Komplex eines substituierten Corrins, verwandt mit Hämin

(Hämoglobin, Farbstoff der roten Blutkörperchen, Eisen(II)-Porphin-Protein-Komplex),

Chlorophyll (Mg-Komplex)

Totalsynthese (1973): R.B. Woodward (Harvard) und A. Eschenmoser (ETH Zürich)

Mehr als 90 Stufen, 10 Jahre, zahlreiche (> 100) Mitarbeiter.

Verglichen mit der Syntheseleistung der Natur, liegt der Chemiker noch weit zurück.

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Skript für die - duepublico.uni-duisburg-essen.de · 2 Experimentalvorlesung Organische Chemie II, WS 2003/04 Prof. Dr. Paul Rademacher Institut für Organische Chemie, FB 8 –