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3.Stereochemie
65
Wiederholung:IsomerieDefinition:AlsIsomere bezeichnetmanMolekülemitgleicherSummenformel,diesichjedochinderSequenzderAtome(Konstitutionsisomere)oderderenräumlichenAnordnung(Stereoisomere)unterscheiden.
Isomere
Konstitutionsisomere Stereoisomere
z.B.E/Z-IsomerieEnantiomere(cis-/trans-Isomere)
Essigsäure Glykolaldehyd(Hydroxyacetaldehyd)
Schmelzpunkt
Siedepunkt
Summenformel
Konstitutions-formel
17°C 97°C
118°C Zersetzung
C2H4O2 C2H4O2
eineCarbonsäure AldehydfunktionAlkoholfunktion
- gleicheSummenformel- verschiedeneKonstitutionsformel- Konstitutionsisomere unterscheidensichinihrenphysikalischenundchemischenEigenschaften.
- gleicheSummenformel- gleicheKonstitutionsformel- Stereosisomere unterscheidensichinderräumlichenAnordnungderAtome.
66
Diastereoisomerie- E/Z-Isomerie
Bei höhersubstituierten Doppelbindungen werden Substitutenten nach Cahn-Ingold-Prelog Regeln (CIP-Regeln) nach fallenderOrdnungszahl geordnet.
E-Isomer Z-Isomer
CH2CH3 >CH3Br>Cl
E-Isomer Z-Isomer
EINIGEWICHTIGEORDNUNGSZAHLEN:WasserstoffHOZ=1,KohlenstoffCOZ=6,BromBrOZ=35,ChlorClOZ=17,FluorFOZ=9,IodIOZ=53,SauerstoffOOZ=8,StickstoffNOZ=7
Übungs-Beispiele:
ClBr Br Cl
Cl
Br
Cl>CH2CH3Br>CH3
Cl
Br
Br
I
OHBr
H3C NH2
HO
67
Defintion CHIRALITÄT
Ist eine Verbindung assymmetrisch aufgebaut und zwar so, dass durch Spiegelung ihrer Struktur an einer Ebene oder einemInversionszentrum eine Struktur entsteht, die mit der ursprünglichen Struktur durch Verschieben und Drehen im Raum nicht zurDeckung gebracht werden kann, dann ist die Verbindung chiral1.
1griechischcheir 'Hand'
D-Glycerinaldehyd
Spiegelebene
L-Glycerinaldehyd
Es gilt:①Verbindungen mit gleicher Summenformel und gleicher Konstitution aber unterschiedlicher räumlicher Anordnung werdenStereoisomere genannt.②Verbindungen, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten, werden Enantiomere (optische Antipoden) genannt.③Verbindungen mit gleicher Summernformel und Konstitution, die sich wie NICHT Bild und Spiegelbild verhalten, werden Diastereomeregenannt.④④Enantiomere besitzen nahezu gleiche (isotrope) chemische und physikalische Eigenschaften, sie unterscheiden sich in ihrenbiologischen (pharmakologischen, medizinischen) Eigenschaften und sie weisen entgegengesetzte optische Aktivität auf.
Chiralität
H OOH
HOH
HOHO
OHH
Spiegelebene
68
Lösungen von optisch aktiven Verbindungen, z.B. D-Glycerinaldehyd, drehen die Schwingungsebene von linear polarisiertenLicht (= Lichtstrahlen schwingen in einer Ebene). Beim Durchtritt durch eine Lösung der optisch aktiven Verbindung wird dieSchwingungsebene um einen bestimmten Winkel a gedreht.Der Drehsinn wird so definiert, dass eine Drehung der Schwingung im Uhrzeigersinn ein positives Vorzeichen gibt, dagegen einnegatives Vorzeichen.Ein Enantiomerenpaar, also Bild und Spiegelbild, zeigen gleiche Drehung, aber in entgegengesetzte Richtungen.
z.B. (+)-Glycerinaldehyd und (-)-Glycerinaldehyd.
OptischeAktivität
HOOH
HOH
HOOH
HOH
HOOH
HOH
HOOH
HOH
HOOH
HOH
HOOH
HOH
HOOH
HOH
HOOH
HOH
optischaktiveLösung=
69
Es gilt:
1. Zwei Stereoisomere können nicht gleichzeitig enantiomer und diastereomer zueinander sein, und
2. von einem bestimmten Molekül existieren immer nur zwei Enantiomere, mehrere Diastereomere sind möglich.
Diastereomere (z.B. E/Z-Isomerie) unterscheiden sich in chemischen und physikalischen Eigenschaften.
Enantiomere (Bild und Spiegelbild) haben die gleichen physikalischen und chemischen Eigenschaften, sie unterscheiden sichdurch ihre Wechselwirkung mit linear polarisierten Licht (optische Aktivität).
Racemat: 1/1 Mischung von Bild und Spiegelbild, optisch inaktiv, da linear polarisiertes Licht zu gleichen Teil links und rechtsgedreht wird.
EnantiomereundDiastereomere
HOOH
HOH
HOOH
HOH
HOOH
HOH
HOOH
HOH
HOOH
HOH
HOOH
HOH
HOOH
HOH
HOOH
HOH
H OOH
HOH
H OOH
HOH
H OOH
HOH
H OOH
HOH
H OOH
HOH
H OOH
HOH
H OOH
HOH
H OOH
HOH
Racemat70
OOH
HO
H
H
OH
1. Keilschreibweise (durchgezogener Keil ragt aus Blattebene hinaus, gestrichelter Keil zeigt hinter Blattebene)
Identifizieren von asymmetrischen Kohlenstoffzentren = Chiralitätszentren:- C-Atom von vier (konstitutionell) verschiedenen Resten umgeben ist.- dies wird häufig durch einen Stern * hervorgehoben.
*
2. Fischer-Projektion (v.a. in Zuckerchemie) alle Bindungen werden als normale Linien dargestellt, die nur senkrecht oder waagrechtverlaufen dürfen. Per Definition zeigen alle waagrechten Linien auf den Betrachter zu und alle senkrechten Linien vom Betrachterweg.
180° Rotation(umC-CBindung)
Weinsäure
90° Rotation(gegenUZS)
2-Chlorpropanal
StereochemischeSchreibweisenundNomenklatur
*
* *
OH
ClH3CH
O H
ClCH3H H
ClCH3
O HH
ClH3C
OH
Weg zur FISCHER PROJEKTION: Weinsäure
71
OOH
HO
H
H
OH
1. Keilschreibweise (durchgezogener Keil ragt aus Blattebene hinaus, gestrichelter Keil zeigt hinter Blattebene)
Identifizieren von asymmetrischen Kohlenstoffzentren = Chiralitätszentren:- C-Atom von vier (konstitutionell) verschiedenen Resten umgeben ist.- dies wird häufig durch einen Stern * hervorgehoben.
*
2. Fischer-Projektion (v.a. in Zuckerchemie) alle Bindungen werden als normale Linien dargestellt, die nur senkrecht oder waagrechtverlaufen dürfen. Per Definition zeigen alle waagrechten Linien auf den Betrachter zu und alle senkrechten Linien vom Betrachterweg.
180° Rotation(umC-CBindung)
90° Rotation(gegenUZS)
2-Chlorpropanal
StereochemischeSchreibweisenundNomenklatur
*
* *
OH
ClH3CH
O H
ClCH3H H
ClCH3
O HH
ClH3C
OH
Weg zur FISCHER PROJEKTION:
72
Zur Bestimmung der absoluten Konfiguration bedient man sich der Regeln von Cahn, Ingold und Prelog (CIP-Regeln).
A. Identifizieren von asymmetrisch substituierten C-Atomen (= C-Atome mit 4 unterschiedlichen Substituenten).
B. Die direkt an das asymmetrische C-Atom gebundenen Atome werden nach fallender Ordnungszahl (OZ) angeordnet:(a) Atom mit höhere OZ hat die höhere Priorität. (b) Bei gleichwertigen Atomen, wird die Prioritätsreihenfolge ermittelt,indem weiter entfernt stehende Atome betrachtet werden. (c) Mehrfachbindungen zählen als mehrere Einfachbindungen.
C. Man betrachtet nun das Molekül in der Weise, dass der Substituent mit der niedrigsten Priorität nach hinten zeigt.Entspricht die Reihenfolge der restlichen drei Substituenten nach fallender Priorität gereiht einer Drehung im Uhrzeigersinnist das Zentrum R konfiguriert, bei Drehsinn gegen Uhrzeiger S konfiguriert.
AsymmetrischesC-Atom(4unterschiedlicheSubstituenten)
1 = erste Substituentensphäre2 = zweite Substituentensphäre3 = dritte Substituentensphäre
R,S- NomenklaturderabsolutenKonfiguration
OH
ClH3CH
O H
ClCH3H
Blickrichtung Blickrichtung
Cl CH3
O H
ClH3C
OH
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(b)
(c)
IMUhrzeigersinn:R
(a)
(b)
(c)
GEGENUhrzeigersinn:S
(d)
(b)
(c)
(a)
73
Beispiele
Adrenalin
ClH3C
HOH
ClCH3
HHO
OHOHO
OHH
OOH
HO
H
H
OH
HO
HO
HN
HO H
74
Wir wissen bereits:Fischer-Projektion alleBindungen werdenalsnormaleLiniendargestellt,dienursenkrechtoderwaagrechtverlaufendürfen.PerDefinitionzeigen allewaagrechtenLinienaufdenBetrachterzu undallesenkrechtenLinienvomBetrachterweg.
Substituent mit Priorität d weist zu Betrachter hinà Regel des doppelten Austausches anwenden
(2)
(R)-2-Hydroxypropansäure(D-Milchsäure)
(S)-2-Amino-3-hydroxypropansäure(L-Serin)
BestimmungderabsolutenKonfigurationmitderFischerProjektion
(1)
75
Beispiel: Zucker Erythrose und Threose2 konstitutionell ungleiche asymmetrische C-Atome 22 = 4 Stereoisomere
D-Erythrose(1)
L-Erythrose(2)
Konfiguration 2R,3R 2S,3S
D-Threose(3)
L-Threose(4)
2S,3R 2R,3S
enantiomer
enantiomer
diastereomer diastereomerdiastereomer
VerbindungenmitmehrerenChiralitätszentren
76
Beispiel:Weinsäure2 konstitutionell gleiche asymmetrische C-Atome 22 -1 = 3 Stereoisomere
D-Weinsäure(1)
L-Weinsäure(2)
Konfiguration 2S,3S 2R,3R
DL-Weinsäure(meso-Form)(3)=(4)
R,S
enantiomer
diastereomer diastereomer
InterneSymmetrie-ebene
VerbindungenmitmehrerenChiralitätszentren
77
HN N
O
OO
NHN
O
O O
NH
O O
N
O
ONH
OO
N
O
O
SH
O
HONH2
HS
O
OHNH2
HN
NH
HO
OH
HN
NH
OH
HO
O NH
OHON
HOH
J
HO
J
O
J
JO OH
NH2
J
OH
J
O
J
JOHO
H2N
Limonen
Barbiturat
Thalidomid,Contergan
Penicillamin
Ethambutol
Propanolol
Thyroxin
Zitronengeruch Orangengeruch
krampfauslösend narkotisch
extremteratogen
antiarthritisch extremtoxisch
tuberculostatisch Erblindung
ß-Blocker Contraceptivum
Schilddrüsenhormon Antihypocholestericum
Schlafmittel
78
4.1.GESÄTTIGTEKOHLENWASSERSTOFFE- ALKANE
79
OffenkettigeAlkane
CH
H HH H3C CH3
H3C CH3
HH
Methan
CH4
Ethan
C2H6
Propan
C3H8
Butan
C4H10
H3C
HHCH3
H H
àà für n C-Atome ergibt sich: CnH2n+2
Summen-formel Formel Name Schmelzpunkt/°°C
Siedepunkt/°°C
alsRest
CH4C2H6C3H8C4H10C5H12C6H14C7H16C8H18C9H20C10H22
.
.C17H36C20H42
CH4CH3-CH3
CH3-CH2-CH3CH3-(CH2)2-CH3CH3-(CH2)3-CH3CH3-(CH2)4-CH3CH3-(CH2)5-CH3CH3-(CH2)6-CH3CH3-(CH2)7-CH3CH3-(CH2)8-CH3
.
.CH3-(CH2)15-CH3CH3-(CH2)18-CH3
MethanEthanPropanButanPentanHexanHeptanOctanNonanDecan
.
.HeptadecanEicosan
- 184- 171.4- 190- 135- 130- 93.5- 90- 57- 53.9- 32..
+22.5+37
-164- 93- 45- 0.5+36+68.7+98.4+126+150.6+173
.
.+303-
Methyl-Ethyl-Propyl-Butyl-Pentyl-Hexyl-Heptyl-Octyl-Nonyl-Decyl-
.
.Heptadecyl-Eicosyl- 80
Alkane– NomenklaturundStruktur
à bisher: unverzweigte Alkane, daneben gibt es verzweigte Alkane.
Beispiel: C5H12
n-Pentan
C5H12
2-Methylbutan
C5H12
2,2-Dimethylpropan
C5H12
Siedepunkt 36°C 27.9°C 9.5°C
Schmelzpunkt - 130°C - 158.6°C - 20°C
Nomenklatur:
Eine organische Verbindung wird nach dem längsten geradkettigen Abschnitt im Molekül benannt (= Prinzip der längsten
Kette). Substituenten werden unter Angabe der Position als yl-Rest angegeben. Kommt ein Substituent öfter vor, wird die
Anzahl der Reste durch Vorsilben wie di-, tri-, tetra-, usw. ausgedrückt.
Konstitutions-/Strukturisomere:
= Moleküle mit gleicher Summenformel, aber unterschiedlicher Strukturformel, weisen unterschiedliche physikalische
Eigenschaften auf.81
Alkane– BauderMoleküle,Konformationsanalyse
àin gesättigten Kohlenwasserstoffen findet man NUR ss-Bindungen, d.h. Bindungsrotationen sind erlaubt, daraus
ergeben sich unterschiedliche räumliche Anordnungen, die man Konformere nennt.
Beispiel: Ethan CH3-CH3
1. Sägebock-ProjektionCH
H H
CH
H H
CH
H H
CH
H H
gestaffelt(staggered)
ekliptisch,aufDeckung(eclipsed)
2. Stereo-Projektion (Keilstrichformel)
gestaffelt(staggered)
ekliptisch,aufDeckung(eclipsed)
3. Newman-Projektion
H
H HC
H
HHH
H
HC
H
HH
60 °
120 °
gestaffelt(staggered)
ekliptisch,aufDeckung(eclipsed)
C CH
H
H H
H
HBlick-
richtung
HC C
H
H HH H
HC C
HH H
HH
82
Konformationsanalyse- Butan
Blick-richtung
CH3
H HC
CH3
HHH
CH3
HC
CH3
HH
ENERGETISCHGÜNSTIGstaggered
ENERGETISCHUNGÜNSTIG
ekliptisch,aufDeckung(eclipsed)
relativ kleine Aktivierungsenergie:Bei Raumtemperatur (RT) stehen die dreiKonformere in einem schnellenGleichgewicht:
15% M-synclinal15% P-synclinal70% antiperiplanar
synplanaranticlinal anticlinal
M-synclinal(gaucheWW)
P-synclinal(gaucheWW)antiperiplanar
0°
60° 120° 180° 240° 300° 360°
synplanar
H3CC C
HH CH3
HH
83
AllgemeineszuAlkanen
Vorkommen, Gewinnungà aus Erdöl bzw. Erdgas
Eigenschaften- Reaktionsträge daher der Name Paraffin (lat.: parum affinis = wenig geneigt)- Erhöhung der Schmelz- und Siedepunkte durch Van der Waals Wechselwirkungen- unpolar, lösen sich gut in apolaren Lösungsmittel und z. B. nicht in Wasser à hydrophob (wasserabweisend) bzw.lipophil (fettfreundlich)
Verwendungv.a. in chemischer Industrie als Ausgangsstoff für Kunststoffe, aber auch als Brennstoff (Erdgas Hauptbestandteile Methanund Ethan).Feste Alkaneà Kerzen aus Paraffinwachs
Alkane in Natur- Methan-produzierende Bakterien- Pheromone: chemische Botenstoffe v.a. für Kommunikation zwischen Insektenà Sexuallockstoff.
84
CyclischeAlkane
Cycloalkane sind gesättigte Kohlenwasserstoffe mit ringförmig geschlossenem Kohlenstoffgerüst (durch Ringschlussändert sich Summenformel im Vergleich zu offenkettigen Alkanenà CnH2n).
Cyclopropan Cyclobutan Cyclopentan Cyclohexan
Ringspannung(Bayer-Spannung)
(durchAbweichungvomTetraederwinkel90° nicht109°)
Torsionsspannung(alleHsfastekliptisch)
Ringspannung(Bayer-Spannung)
(leichteAbweichungvomTetraederwinkel)Torsionsspannung
(HszumTeilekliptisch)
kaumRingspannung(Bayer-Spannung)
keineTorsionsspannung(alleHsgestaffelt)
85
Konformationsanalyse- Cyclohexan
Relevanz: Zucker können in der sogennanten Pyranoseform vorliegenà Cyclisches System mit 6 Atomen.
Blick-richtung
C3 C1
H
H
Haxial
HäquatorialH
HH
H
H
HH
H
H
HC3
Hax
HäqH
HC1
Haxial
Häquatorial
Sessel1
C1
C3
H
H
H
HH
HH
H
Haxial
HäquatorialH
H
Blick-richtung
H
HC3
Hax
HäqH
HC1
Haxial
HäquatorialSessel2
via Übergangszustand: Wanne(energetisch ungünstig)
Wanne
86
KonformationsanalysevonhöhersubstituiertenCyclohexan
Methylcyclohexan
äquatorialeMethylgruppe7.5kJ/molstabiler
axialeMethylgruppesterischeWechselwirkungmitProtonenin
1,3-Position(1,3-diaxialeWW)
H
H
CH3
H
H
H
H
CH3
H
H
H
H
à sterischanspruchsvolleSubstitutentenmöglichstinäquatorialer Position! 87
KondensierteRingsysteme
à Bei 2 cyclische Verbindungen, die über eine gemeinsame C-C Bindung verknüpft sind, spricht man voneinem kondensierten System.
Beispiel 1: Decalin
H
H
trans-Decalin
H
H H
H
cis-Decalin
H
H
Beispiel 2: Steran (Gonan)-Grundgerüstà Steroide leiten sich davon ab.
H H
H
H
H HA B
C D
5a-Steran
H
HH H
HH
H H
H
H
H HA B
C D H
H H
HH
H
5b-Steran
H
HO
H H= Cholesterin 88
4.2.UNGESÄTTIGTEKOHLENWASSERSTOFFE- ALKENE,ALKINE
89
Alkene
à Alkene (früher:Olefine) sind organische Verbindungen mit einer oder mehreren C=C Doppelbindungen.Diese Doppelbindung(en) werden durch die Endung –en in der Nomenklatur berücksichtigt. Analog zu denAlkanen gibt es unverzweigte, verzweigte und cyclische Alkene.
à Allgemeine Summenformmel: CnH2n
à Diastereoisomerie: durch gehinderte Rotation aufgrund von p-Bindung: E-Z-Isomerie
C CH
H H
HC CH
H CH3
HC CH
H H2C
H
CH3C CH
H
CH3
CH3
Ethen Propen 1-Buten 2-Methylpropen(Isobuten)
UnverzweigteAlkene,homologeReihe(jeweilseinCmehr)
VerzweigtesAlken,Konstitutionsisomerzu1-Buten
Cyclohexen
CyclischesAlken
H3C H
CH3H
H CH3
CH3H
E-2-Buten Z-2-Buten
E-Z-Isomerie
90
Alkine
C CH HEthin(Acetylen)Schweißgas
à TretenC-CDREIFACH-Bindungen ineinerorganischenVerbindungaufsprichtmanvonAlkinen.DieVerbindungsklassewirddurchdieEndung–inbenannt.
à Wiederholung: sp-Hybridisierung:2Bindungspartnermit180° zwischendenBindungen=lineareAnordnung.
OH
H3C O
O
O
O
OHN
HOOH
CH3
OO
O
O
NeocarzinostatinKrebsmedikament
à BildungvonRadikalspeziesàgreiftKrebzellenan
91
BiologischinteressanteAlkeneundAlkine
EthenFunktionalsPhytohormonunddientzurRegulationdesPflanzenwachstumsundFruchtreifung.Tomaten prodzuierenEthenausderAminosäureMethionin,dasEthenbewirktdenReifungsprozeßderTomate.IngenmanipulierteTomatenistdasGenzurEthenproduktion‚ausgeschalten‘.DieseTomatenkönnendurchexterneBegasungmitEthenaufWunschgereiftwerden.
Geschlechts- undAlarmpheromone
O CH3
O SexuallockstoffderFruchtmotte
Retinal – Bestandteil von Rhodopsin (Sehfarbstoff)
bb-Carotin – Farbstoff der Karotte
H
O LichtEnergie
O HE Z
Lycopin– Farbstoff der Paprika und Tomate
92
BiologischinteressanteAlkeneundAlkine- Polyenantibiotika
Fumagilin– einAntibiotikum
O
O
O
OH
OCH3
O
O
O
O OH OH
OH
OH OH
OH
O
OH
O
OH
O
HOCH3
H3C
H3C
O
OHNH2
OHCH3
AmphotericinB– einAntibiotikum
93
ReaktionenvonAlkenenundAlkine
ELEKTROPHILE ADDITIONSREAKTIONEN
C C+E+ + Nu-C C+E
C CE Nu
C C+E+ C+E
+ Nu- C CE Nu
Zweistufiger Mechanismus
1. Elektrophil wird nucleophil von Mehrfachbindung angegriffen: Ausbildung einer s-Bindung zwischen C-Atom undElektrophil, Bildung eines Carbokations (sp2 hybridisiert bei Alkenen, sp hybridisiert bei Alkinen).
2. Angriff eines Nucleophils auf Carbokation unter Ausbildung einer weiteren s-Bindung.
Addition von Halogenwasserstoffen (z.B. Bromwasserstoff HBr)
C CHH
H H H+
HBr H+ + Br-
C C+H
HH H
H Br-C C
H
HH
Br
HH
94
AdditionvonHalogenwasserstoffenanAlkene– RegelvonMarkownikow
C+R1R2
R3
Stabilitätsfolge von Carbokationen
R1=R2=R3=CH3 à tertiäres Carbokation stabiler als
R1=H, R2=R3=CH3 à sekundäres Carbokation stabiler als
R1=R2=H, R3=CH3 à primäres Carbokation stabiler als
R1=R2=R3=HàMethyl-Carbokation
àà ergibt sich aus +I-Effekt der Alkyl-Gruppe !!
BEVORZUGTES ZWISCHENPRODUKT àà tertiäres Carbokation stabiler !
WIRD NICHT BEOBACHTET àà primäres Carbokation weniger stabil !
H
H CH3
CH3HBr C+
H
H CH3
CH3H
H
H CH3
CH3HBr C+
H
H CH3
CH3H
H
H CH3
CH3H+ Br-C+
H
H CH3
CH3H C
H
H CH3
CH3H Br
Nach der Regel von Markownikow wird folgende Reaktion beobachtet:
95
AdditionvonWasseranAlkene(Hydratisierung)
H
H3C H
H
H+
starke Säure z.B. H2SO4
C+H
H3C H
HH
HO
H
HH3C
H
HH
O+HH
- H+
HH3C
H
HH
HO
EpoxidierungvonAlkenen
Alken Alkohol
R H
HR O
O
R'O+H R
ROH
H+
HO
O
R'
einePercarbonsäure einEpoxid eineCarbonsäureAlken
96
Einebiologisch-wichtigeAlken-Reaktion
ReaktionvonSqualen(einPolyalken)zumSteroid-Grundgerüst
Squalen
O2Enzym
O
Squalenoxid
H+
C+HO
HO
C+Dominoreaktion - H+
HO Lanosterin
97
4.3.AromatischeKohlenwasserstoffe
98
ChemischeBindunginAromaten- Aromatizität
Bisher:Lokalisierte Doppelbindung, aber auch konjugierte Doppelbindungen mit Elektronendelokalisation bei 2Doppelbindungen in 1,3-Abstand.
Jetzt:sp2-hybridisierte C-Atome in cyclischer Anordnung mit 4n+2 p-Elektronenà vollständige Delokalisation der p-Elektronenober- und unterhalb der Ringebene.
Alle C-C Bindungen gleich lang mit 120 ° Winkel zwischen C-C-Bindungen. Es lassen sich IDENTISCHEMesomeriestrukturen formulieren:
Benzol
HÜCKEL-Regelcyclische Anordnung, sp2-hybridisierte C-Atome mit 4n+2 pp-Elektronenàà AROMATEN: weisen MESOMERIESTABILISERUNG auf !
CH3 CH3CH312
CH3
CH3
1
3
CH3
CH3
1
4
Benzol Toluol 1,2-Xylolortho-Xylol
1,3-Xylolmeta-Xylol
1,4-Xylolpara-Xylol
Naphthalin Anthracen99
EigenschaftenvonaromatischenKohlenwasserstoffen
ALLGEMEIN:Aromatische Verbindungen sind gesundheitsschädlich und können zur Bildung von Krebs führen !
BenzolFrüher als Lösungsmittel verwendet à mittlerweile ersetzt durch weniger gfitige Verbindungen (z.B. Toluol). ChronischeBenzol-Vergiftungen führen zu einer Schädigung der Leber und Niere und auch ders Knochenmarks (à Zahl der rotenBlutlörper geht zurück).
Kondensierte Aromaten (z.B. Pyren, Benzopyren)Stark toxisch und krebserregend (kanzerogen), v.a. bei Rauchern, da die kondensierten Aromaten im Rauch enthaltensindà Lungenkrebsrisiko steigt !
z.B. Benzopyren: Schädigung der DNA (=Desoxyribonukleinsäure, Erbgut)à Bildung von Krebs
O2Enzym
OOH
H2OOH
O2Enzym
OHOH
O
DNA-NH2
OHOH
OHNHDNA 100
ReaktionenaromatischerVerbindungen
Allgemein:Aromatische Verbindungen sind aufgrund ihrer Resonanzstabilisierung relativ reaktionsträge.
Katalytische Hydrierung
H2 / Ni200 °C
Oxidation
CH3KMnO4
COHO
Toluol Benzoesäure
Elektrophile aromatische Substitution
H
+ E+H C+
HE
H- H+
HE
- H-Atom wird durch Elektrophil (E+) ersetzt (substituiert).- Treibende Kraft der H+-Abspaltung ist die Wiederausbildung des aromatischen Charakters. 101
ElektrophilearomatischeSubstitution
H
+H C+
HN+
H- H+
HN+
O N+ O
OO- O
O-
Nitrierung
Sulfonierung
H
+H C+
HS
H
- H+H
SSO
O OO
O O-
O
O-O+ H+
HS
O
OHO
eineSulfonsäure
Aromatische Substitutionen in biologischen Systemen
H2NOH
O
Phenylalanin-Hydroxylase
H2NOH
O
OHH
Phenylalanin Thyrosin
Gefährliche ErbkrankheitPhenylketonurie à Mangel an Phenylalanin-Hydroxylase,Phenylalalnin wird nicht abgebautà geistige Schäden !
102
4.4.Halogenkohlenwasserstoffe
103
ChemischeEigenschaftenvonHalogenkohlenwasserstoffen
Der Ersatz von H-Atomen durch Halogenatome (X) führt zu veränderten elektronischen Verhältnissen aufgrund des-I – Effektes.
Die C-X ist aufgrund der Elektronegativitätsunterschiede polarisiert.
C Xδ+ δ-
Xδ-
HHC X
δ+ δ-
H
HH C X
δ+ δ-
X
XH
δ-
δ-
< < < C Xδ+δ-
X
XX
δ-
δ-
δ-§ PolarisierungnimmtmitAnzahlderHalogensubstitutenzu!§ PolarisierungnimmtinnerhalbderGruppevonobennachuntenab
F>Cl>Br>I
Die wichtigsten Reaktionen von Halogenkohlenwasserstoffen:
1. Nucleophile Substitution am C-Atom
1. Eliminierungsreaktion
C X Nu-+ C Nu + X-
C C X Base+ C C + X-H
104
VerwendungvonHalogenkohlenwasserstoffen
• Iod- und Bromkohlenwasserstoffe sind relativ leicht herstellbar und gute Ausgangssubstanzen für Synthesen.
• Chlorierte Verbindungen sind recht inert und finden Verwendung als Lösungsmittel (Chloroform à früher alsNarkotikum, Methylenchlorid)
• Polymere Fluorkohlenwasserstoffe sind sehr hitzebständig und dienen z.B. zum Beschichten von Pfannen (Teflon ©).Früher wurde kurzkettige Fluorverbindungen als Kühlmittel in Kühlschränken verwendet (Freon, Frigen) à heuteverboten wegen Schädigung der Ozonschicht.
Name Formel Schmp./°°C Sdp./°°C Verwendung
DichlormethanChloroform(Trichlormethan)
TetrachlorkohlenstoffDichlordifluormethan
TetrafluorethenVinylchlorid
CH2Cl2CHCl3CCl4CCl2F2CF2=CF2
CH2=CH-Cl
-97- 63.5- 23- 111- 142.5- 154
4061.276.7-30- 76- 14
LösungsmittelLösungsmittel(früher:Narkotikum)
FettlösemittelTreibmittel,Kältemittel(FCKW)
Polymer:TEFLONPolymer:PVCKunststoff
105
BiologischrelevanteHalogenkohlenwasserstoffen
O2NOH
HN
OH
O
Cl
Cl
Chloramphenicol(AntibiotikuminMolekularbiologie)
6,6‘-Dibromindigo(AntikerPurpur,ausPupurschnecke)
O
I
I
HO
I
I
NH2 O
OH
L-Thyroxin(HormonderSchilddrüse)
H
CCl3Cl Cl
DDT(früheralsInsektizid,heuteverboten)
NH
O HN
OBr
Br
106
EliminierungsreaktioneninbiologischenSystemen
Fettsäuresynthese
Ungesättigte Fettsäurensynthese
- H2
SCoA
O
EnzymDesaturase
RH H
SCoA
OR
RSCoA
OOH
Coenzym A (CoA)
NH
OSH
HN
OOH
O P O P OO
O OHPO O-
OH
N
O-
O
O-
O
N
N
N
NH2
- H2O
EnzymHydratase
RSCoA
O
107
4.5.Alkohole
108
Beispiele,NamensgebungundEigenschaftenvonAlkoholen
§ Funktionelle Gruppe: -OH§ je nach Substitutionsgrad unterscheidet man primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole§ Nomenklatur: Endung – ol wird angehängt.
H3C OH CH2 OHH3C CH2 OHCH2H3C CH2 OHCH2CH2H3C
Primäre Alkohole
Methanol Ethanol 1-Propanol 1-Butanol
Sekundäre Alkohole
CH OHH3CH3C
2-Propanol
Tertiäre Alkohole
C OHH3CCH3
CH3
2-Methyl-2-propanol
Zweiwertige Alkohole
H2COH
CH2OH
1,2-EthandiolGlykol
Dreiwertige Alkohole
H2COH
HCOH
CH2OH
1,2,3-PropantriolGycerin
§ In Lösungen bilden Alkohole Wasserstoffbrücken ausà Erhöhung des Siede- und Schmelzpunktes.§ die OH Gruppe erhöht die Löslichkeit in Wasser, d.h. Alkohole sind polarer (hydrophiler) als Alkane.
OR
H
OR
HOR
H
OR
HOR
H
AssoziationviaH-Brücken109
ReaktivitätderAlkohole
§ Basizität und Acidität von Alkoholenà Alkohole sind AMPHOLYTE (vgl. Wasser).
starke Base
CH3HOCH3-O CH3H2+O
starke Säure
§ pKa von Methanol: pKa (CH3OH) = 15.2àMethoxid (CH3O-) ist eine STARKE Base: pKb (CH3O-) = 14 - pKa (CH3OH) = -1.2
§ Acidität nimmt in der Reihenfolge primär > sekundär > tertiär ab (+I-Effekt).
§ Säurekatalysierte Eliminierung
OHH3C
CH3CH3
+ H+O+H2
H3CCH3
CH3- H2O C+ CH3
H3C
H3C
- H+CH2
H3C
H3C
§ Oxidationsreaktionen
primärer AlkoholOxidation
AldehydOxidation
Carbonsäure
sekundärer AlkoholOxidation
Keton
110
4.6.Phenole
111
Phenole- BeispieleundNomenklatur
§ Phenole sind aromatische Systeme an denen direkt eine OH-Gruppe gebunden ist.§Man unterscheidet ein- und mehrwertige Phenole:
OH OHCH3
OH
CH3
OH
CH3
OHOH
Einwertige Phenole
Phenol ortho-Kresol meta-Kresol para-Kresol a-Naphtol b-Naphtol
Zweiwertige Phenole
Brenzcatechin Resorcin Hydrochinon
OH
OHHO
Phloroglucin
OHOH
OH
OH
OH
OH
112
SäureeigenschaftenvonPhenolen
§ Acidität von Phenolen ist im Vergleich zu Alkoholen erheblich größeràMesomeriestabilisierung des Phenolat-Anions
OH
- H+
O-
C-
OH
C-
O
H
C-
OH
pKa = 9
OH
O2N NO2
NO2
PikrinsäurepKa = 0.8
à Zusätzliche Stabilisierung der negativen Ladung durch -M-Effekt der Nitrogruppen !
113
BiologischinteressantePhenolen
OHOCH3 OH
OHHO OH
COOH
OHHO OH
Eugenol(Gewürznelke)
Thymol(Thymianöl)
Gallussäure Pyrogallol
§ Phenole im Wein
OOH
O
OHHO
OHOH
Quercetin
OOH
OHHO
OHOH
Catechin
OHHO
OH
Reservatrol
à French-Paradox: Herzinfarkte in Süd- und Südwestfrankreich seltener, obwohl fettreiche und üppige Nahrung. àmögliche Erklärung: das Glas Rotwein dazu !
§ Thyrosin
OH
H2NCOOH
OH
HONH
R
Thyrosin R = H NoradrenalinR = CH3 Adrenalin
114
Schwefelverbindungen
à Thiole: S-Analog zu Alkoholà Sulfide: S-Analog zu Etherà Disulfide: durch Oxidation von Thiolen (à Strutkurelement in Proteinen)à Sulfoxide: Oxidation von Sulfidenà Sulfonsäure
CH3SH
Methanthiol
CH3SCH3
Dimethylthioether
SSCH3
CH3
Dimethyldisulfid
H3CSO
CH3
Dimethylsulfoxid(DMSO)
SO OOH
Benzolsulfonsäure
BiologischinteressanteSchwefelverbindungen
H2N
H2C
H2C
COOH
SCH3
H2N
H2CSH
COOH
Methionin Cystein
H2N
H2CS
COOH
COOH
CH2S
H2N
OX
Cystin
115
BiologischinteressanteSchwefelverbindungen
O N
OHHO
S+CH3
NH3+
-OOC N
N
N
NH2
Nu-
O N
OHHO
S
NH3+
-OOC N
N
N
NH2H3C Nu
S-Adenosylmethion(AdoMet,SAM)
à SAM: eine biologischer Methylgruppen-Donor
S-Adenosylhomocystein
à Knoblauch-Wirkstoffe
S
HN NH
O
COOH
à Biotin: Vitamin B7 bzw. Vitamin H ist oft Teil (prosthetische Gruppe) von Enzymen, z.B. Carboxylasen (übertragen Carbonsäure-Funktion).
SO NH2
COOHSS
O
Alliin Allicin
à Süßstoff - Saccharin
SNH
O
O O
116
4.7.Amine
117
NomenklaturundBeispiele
primäre, sekundäre und tertiäre Amine (bezieht sich auf Substitutionsgrad des Stickstoffes)
Methylamin(primäresAmin)
Dimethylamin(sekundäresAmin)
H3C NH2 H3CHN CH3 H3C N CH3
CH3
Trimethylamin(tertiäresAmin)
Di- und Triamine
H2N CH2 CH2 NH2
Ethylendiamin 2,4,6-Triamino-benzoesäure
Cyclische Amine
Piperidin Pyrrolidin
Anilin
Aromatische Amine
NH2
HO O
NH2H2N
NH2
NH
NH
118
HerstellungvonAminen
Ammoniak-Stickstoff ist Nucleophil, Umsatz mit Aklylhalogen à Amin
PROBLEM:Zunahme der Nucleophilie durch +I-Effekt derAlkylgruppen
àà FOLGE: höhersubstituierte Amine begünstigt !
NH3+H3C I H3C NH2 + HI
H3N+H3C I H3C NH + HICH3CH3
HN+H3C I H3C N + HICH3CH3CH3
CH3
àà SN-Reaktion: nucleophile Substitutionsreaktion
119
EigenschaftenvonAminen
§ In Lösungen bilden Amine Wasserstoffbrücken aus.§ freies Elektronenpaar am Stickstoff verleiht Aminen basische und nucleophile Eigenschaften.
Zur Basizität von Aminen:
NH3O
NH4+ OH-H H + + Ammoniak ist eine Base: pKB = 4.75
NH2O
NH3+ OH-H H + +CH3 CH3
Methylamin ist die stärkere Base als Ammoniak: pKB = 3.36
NHO
NH2+ OH-H H + +CH3 CH3
CH3 CH3Dimethylamin ist die stärkere Base als Methylamin: pKB = 3.29
+I - Effekt
Basizitätnimmtzu
Name pKB Formel
AnilinAmmoniakMethylaminDimethylamin
9.424.753.363.29
C6H5NH2NH3
CH3NH2(CH3)2NH
SteigendeBasizität
120
AromatischeAmine
§ schwächere Basen, da freies Elektronenpaar von Stickstoff mit pp-System des Aromaten wechselwirken kann (+M-Effekt).
NH2
C-
+NH2H
C-
+NH2H
C-
+NH2
H
à Geringere Basizität aromatischer Amine ist Folge der größeren Resonanzstabilisierung des Amins im Vergleich zumAmmoniumsalz.
à Protonierung hebt Mesomerie zum Teil auf:
N+HHH N+H
HH
121
BiochemischwichtigeAmine
OHHO
NH2
Dopamin(beiMangelParkinsonscheKrankheit)
OHHO
NH2HO
Noradrenalin(VorläufervonAdrenalin)
OHHO
NHO
CH3
H
Adrenalin(blutdrucksteigernd,Stresshormon)
OCH3H3CO
NH2
OCH3
Mescalin(kommtinPeyotl-Kaktusvoràälteste-bekannteHalluzinogen)
NH
CH3CH3
HO
EphedrinBlutdrucksteigernd,anregendfür
Nervensystemà Aufputschmittel,zBAmphetamine)
HON+CH3
CH3CH3
OH-
Cholin(gefäßerweiternd,blutdrucksenkend,
regeltDarmbewegung)
ON+CH3
CH3CH3
OH-O
Acteylcholin(Neurotransmitter,blutdrucksenkend,
starkmuskelkontrahierend) 122