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Organische Chemie

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  • 1. Organische ChemieInhaltsverzeichnis:Grundlagen.......................................................................................................................................................... 5 Besonderheiten des Kohlenstoff-Atoms - Hybridisierung........................................................................................5 Elektronegativität.......................................................................................................................................................... 7 Mesomerie und Resonanzstrukturen, Konstitutionsisomere...................................................................................7Alkane (gesättigte Kohlenwasserstoffe)............................................................................................................ 9 Verzweigte und unverzweigte kettenförmige Alkane (n-/ iso-Alkane)......................................................................9 Cycloalkane.................................................................................................................................................................. 11Alkene (Kohlenwasserstoffe mit Doppelbindungen)......................................................................................15 Stereochemie............................................................................................................................................................... 15 Halogenalkane............................................................................................................................................................. 18Alkohole............................................................................................................................................................. 25 Herstellung von Alkoholen......................................................................................................................................... 25 Herstellung von Alkoholen durch Reduktion / Oxidation von Carbonylgruppen.................................................26 Herstellung von Alkoholen durch metallorganische Reagenzien..........................................................................27Ester.................................................................................................................................................................... 29 Veresterung und Hydrolyse - Reaktion von Carbonsäuren mit Alkoholen............................................................29 Basische Hydrolyse - Verseifung............................................................................................................................... 30Ether................................................................................................................................................................... 33 Williamsonsche Ethersynthese.................................................................................................................................. 33 Weitere Ethersynthese-Mechanismen....................................................................................................................... 34Elektrophile Addition......................................................................................................................................... 35 Markovnikov-Regel...................................................................................................................................................... 35 Epoxidierung von Alkenen......................................................................................................................................... 36 Bromierung von Alkenen............................................................................................................................................ 37 Cycloaddition............................................................................................................................................................... 38Aromaten (Arene).............................................................................................................................................. 43 Benzol - eine typische aromatische Verbindung......................................................................................................43 Definition aromatischer Verbindungen..................................................................................................................... 44 Elektrophile aromatische Substitution...................................................................................................................... 44 Nukleophile aromatische Substitution...................................................................................................................... 48Carbonylverbindungen..................................................................................................................................... 49 Acetalbildung............................................................................................................................................................... 50 Kohlenhydrate............................................................................................................................................................. 52 Neubildung von C-C-Bindungen................................................................................................................................ 53 Dicarbonylverbindungen............................................................................................................................................ 56Carbonsäuren.................................................................................................................................................... 59 Derivate der Carbonsäure........................................................................................................................................... 60Amine.................................................................................................................................................................. 63 Oxidation von Aminen................................................................................................................................................ 64 Amine als Nukleophile................................................................................................................................................ 64 Nitrosamine und Azoverbindungen........................................................................................................................... 65 Stickstoff-Heterocyclen in der Natur......................................................................................................................... 65Anhang............................................................................................................................................................... 67 Abbildungsverzeichnis............................................................................................................................................... 67 Tabellenverzeichnis.................................................................................................................................................... 68 Formelverzeichnis....................................................................................................................................................... 69 Quellen......................................................................................................................................................................... 73 -3-
  • 2. Organische ChemieGrundlagen Die organische Chemie (kurz "Organik") ist die Lehre von Aufbau und Verhalten der Kohlenstoff-Verbindungen.Neben dem Kohlenstoff-Atom („C“) werden in der Organik nur relativ wenige andere Elemente, wie z.B. Stickstoff („N“),Sauerstoff („O“), Schwefel („S“) und Halogene (Elemente der 7. Hauptgruppe), näher betrachtet. Nur ausgehend vondiesen 4 genannten Elementen können sehr viele Verbindungen erzeugt werden. Die erste organische Verbindung, diekünstlich synthetisiert werden konnte, war Harnstoff. 1828 erhitzte Friedrich Wöhler anorganisches Ammoniumcyanat,wobei organischer Harnstoff entstand. Das Kohlenstoffatom hat, ausgehend von der Elektronenkonfiguration 1s 22s22p2,4 Elektronen „auf der Außenschale“. Die Edelgaskonfiguration kann es erreichen, indem es entweder 4 Elektronen abgibt(C4+ = Heliumkonfiguration) oder 4 Elektronen aufnimmt (C4- = Neonkonfiguration). Entsprechend der Oktettregel(8 Elektronen „auf der Außenschale“) kann das C-Atom die Edelgaskonfiguration erreichen, indem es kovalenteBindungen mit anderen Atomen eingeht. Hierbei werden die Elektronen, die an der Bindung beteiligt sind, beiden Atomenzugerechnet. Somit ist es dem C-Atom also möglich, die Edelgaskonfiguration durch Bildung von 4 Bindungen zuerreichen, wobei neben der Einfachbindung auch Doppel- oder Dreifachbindungen möglich sind. C + 4H → CH 4 Formel 1 : Methanbildung Da die Punkt-Schreibweise (für jedes freie Elektron wird ein Punkt gemacht) sehr zeitraubend ist, werden jeweils2 Elektronen zu einem Strich zusammengefasst. Zur weiteren Vereinfachung werden in der organischen Chemie, die sich jaschwerpunktmäßig mit Kohlenstoffgerüsten und Verbindungen mit diesen befasst, die C- und H-Atome nicht explizitgezeichnet. Methan (CH4) wird beispielsweise als einfacher Punkt („●“), Ethan (C2H6) als Strich („-“) und Propan (C3H8)als 2 gewinkelt hintereinander liegende Striche („∧“) gezeichnet. Jede Ecke oder jedes Ende eines Striches bzw. Winkelsstellt bei dieser „Strich-Schreibweise“ ein C-Atom dar, an welchem noch 3 (an den Enden eines vereinfacht dargestelltenMoleküls) oder 2 (innerhalb eines vereinfacht dargestellten Moleküls) H-Atome gebunden sind. Um die in der organischenChemie gebräuchlichen vereinfachten Darstellungen auswerten zu können, muss man sich folgende Grundsätze stetsvergegenwärtigen: • Jede Ecke / jedes unbesetzte Ende eines Striches bzw. Winkels stellt ein C-Atom dar. • C-Atome können grundsätzlich 4 Bindungen ausbilden: Wenn nichts anderes eingezeichnet ist, sind alle freien Bindungsstellen mit H-Atomen besetzt. • Alle anderen Elemente (also alle außer C und H) werden dargestellt. • Ketten werden zickzack-artig dargestellt. Dies soll verdeutlichen, dass alle C-Atome so weit wie möglich voneinander entfernt sind. • Um Einfachbindungen kann gedreht werden, da sich bei der Drehung an der grundsätzlichen Struktur nichts ändern. Drehungen um Doppel- und Dreifachbindungen sind nicht möglich. • H-Atome werden dargestellt, wenn sie an andere Atome als C-Atome gebunden sind. Abbildung 1 : Vereinfachte Darstellung in der organischen ChemieBesonderheiten des Kohlenstoff-Atoms - Hybridisierung Beim C-Atom ist im Normalzustand das s-Orbital (s-Unterenergieniveau) der energieärmsten K-Schale („Schale“ =Hauptenergieniveau) mit 2 Elektronen vollständig besetzt. Das einzelne s-Orbital der L-Schale (1s-Orbital) ist ebenfalls mit2 Elektronen besetzt. Von den 3 zur Verfügung stehenden p-Orbitalen der L-Schale (2p-Orbitale) sind jedoch nur zwei (2p xund 2py) mit jeweils einem Elektronen besetzt, das übrige p-Orbital (2p z) bleibt frei. Diese Verteilung der Elektronen aufdie p-Orbitale der L-Schale ergibt sich aus der Hundschen Regel (Orbitale gleicher Energie werden zunächst einzeln mitElektronen gleichen Spins besetzt). Zusammengefasst wird diese Elektronenkonfiguration mit 1s 22s22p2 beschrieben. -5-
  • 3. Organische Chemie (1s2 = s-Orbital der K-Schale mit 2 Elektronen besetzt; 2s2 = s-Orbital der L-Schale mit 2 Elektronen besetzt; 2p2 = p-Orbitale der K-Schale mit 2 Elektronen besetzt) und als Grundzustand bezeichnet. Aus der Elektronenkonfiguration imGrundzustand sollte sich eine Zweibindigkeit des C-Atoms ergeben, da nur 2 ungepaarte Elektronen vorhanden sind (2 der3 p-Orbitale der L-Schale mit einem Elektron besetzt). Die Vierbindigkeit des Kohlenstoffatoms erklärt sich aus der sp 3-Hybridisierung des Atoms. Der Energieunterschied zwischen den 2s- und 2p-Orbitalen ist relativ klein. Unter Einfluss eines Bindungspartners wirdzunächst eines der beiden Elektronen des 2s-Orbitals auf das letzte freie 2p-Orbital angehoben (angeregter Zustand). Die4 Orbitale der L-Schale kombinieren sich schließlich zu 4 energetisch gleichwertigen Orbitalen. Der gesamte Vorgang wirdals sp3-Hybridisierung bezeichnet (sp3-Hybridisierung = 1 s-Orbital und 3 p-Orbitale zu 4 sp3-Hybridorbitalen kombiniert).Durch Überlappung der 4 einfach besetzten sp3-Hybridorbital des C-Atoms mit je einem einfach besetzten Orbital einesanderen Atoms (z.B.: 1s-Orbital von H-Atomen) kann das C-Atom bis zu 4 Einfachbindungen ausbilden. Die sp3-Hybridierung bestimmt bei Einfach- oder σ-Bindungen („Sigma“-Bindung) die Anordnung der beteiligten Atome imRaum. Die 4 sp3-Orbitale richten sich in einem Winkel von 109,5° zueinander aus (Tetraederwinkel), da sie bei diesemWinkel den größten Abstand zueinander haben. Beim Methan (CH4) binden die 4 H-Atome über je eines der 4 sp3-Orbitalean das C-Atom und bilden ebenfalls einen Tetraeder (alle H-C-H-Bindungswinkel betragen 109,5°). Um σ-Bindungen sindDrehungen möglich. Kohlenstoff-Atome können nicht nur Einfach-, sondern auch Doppel- oder Dreifachbindungen ausbilden. BeiDoppelbindungen zwischen 2 C-Atomen sind diese sp2-hybridisiert (3 sp2-Hybridorbitale, gebildet aus 1 s- und 2 p-Orbitalen), die sp2-Orbitale richten sich senkrecht zum verbleibenden p-Orbital aus und liegen auf einer Ebene, wobei sieuntereinander einen Winkel von 120° einnehmen. Die Doppelbindung zwischen den C-Atomen besteht aus einer σ-Bindung, die durch je eines der sp2-Orbitale jedes C-Atoms gebildet wird, und einer so genannten π-Bindung. Bei dieser überlappen die beiden p-Orbitale jedes C-Atomsmiteinander oberhalb und unterhalb der σ-Bindung. Doppelbindung bestehen also aus einer σ- und einer π-Bindung.Drehungen um Doppelbindungen sind nicht möglich, auch ist der Abstand zwischen den an der Doppelbindung beteiligtenAtomen zueinander geringer als bei Einfachbindungen. Der Aufbau sp2-hybridisierter Kohlenstoffverbindungen ist planar(„flach“), d.h. alle Atome liegen in einer Ebene. Die Elektronendichte der π-Bindung oberhalb und unterhalb der σ-Bindung drückt z.B. beim Ethen (C2H4) die beiden H-Atome, die an jedes C-Atom gebunden sind, auf dieselbe Ebene, aufder auch die C-Atome liegen, daher liegen alle C- und H-Atome auf einer Ebene. Abbildung 2 : Vereinfachte Darstellung einer Doppelbindung Bei einer Dreifachbindung zwischen 2 C-Atomen sind beide Atome sp-hybridisiert (2 sp-Hybridorbitale, gebildet auseinem s- und einem p-Orbital). Durch Überlappung von jeweils einem sp-Orbitale jedes C-Atoms wird eine σ-Bindunggebildet, die beiden p-Orbitale jedes C-Atoms bilden 2 π-Bindungen (eine π-Bindung "ober-" und "unterhalb" der σ-Bindung, die zweite π-Bindung "davor" und "dahinter"). Auch um eine Dreifachbindung ist keine Rotation möglich, alleBindungswinkel betragen 180°. -6-
  • 4. Organische Chemie Abbildung 3 : Vereinfachte Darstellung einer Dreifachbindung Der Aufbau sp-hybridisierter Kohlenstoffverbindungen ist planar und linear, d.h. alle Atome liegen in einer Ebene - undzwar hintereinander. Die Elektronendichte ist bei Dreifachbindungen nicht nur ober- und unterhalb sondern auch seitlichder σ-Bindung hoch und drückt z.B. beim Ethin (C 2H2) die an die C-Atome gebundenen H-Atome auf die gedachte Linie,die sich durch Verlängerung der Bindungsachse der σ-Bindung ergibt, daher liegen alle C-Atome auf einer Linie.Elektronegativität Die Elektronegativität ist ein Maß für die Fähigkeit eines Atoms, die Elektronen einer Bindung an sich zu ziehen. BeiBindungen zwischen Atomen unterschiedlicher Elemente wird die Elektronendichte der Bindung zu dem Atom mit derhöheren Elektronegativität hingezogen. Hieraus erklärt sich z.B. die Polarität der H-Cl-Bindung. Das Chlor-Atom istelektronegativer als das H-Atom und zieht die Elektronendichte der Bindung zu sich. Hierdurch entsteht eine partiellnegative Ladung im Bereich des Chlor-Atoms, was durch das Symbol "δ -" gekennzeichnet wird. Im Bereich desWasserstoff-Atoms weist die Bindung eine partiell positive Ladung auf, was mit "δ +" markiert wird. Abbildung 4 : Polarisierung einer Bindung durch unterschiedliche Elektronegativität Bei der Bildung einer Bindung wird der Reaktionspartner, welcher das Elektronenpaar für die Bindung liefert, alsNukleophil („kernliebend“) bezeichnet. Typische Nukleophile sind oft negativ geladen oder besitzen zumindest ein freiesElektronenpaar in einem energiereichen Orbital. Sie sind umso stärker, je energiereicher dieses Orbital ist. Nukleophilewerden mit „Nu-“ gekennzeichnet. Elektrophile Reaktionspartner („elektronenliebend“ oder „elektronenarm“) hingegen werden von negativen Ladungenangezogen und sind selbst positiv geladen, positiv polarisiert oder haben allgemein das Bestreben, Elektronenaufzunehmen. Elektrophile werden mit „E+“ gekennzeichnet. + - Abbildung 5 : Elektrophil (E ) und Nukleophil (Nu ) Beim so genannte „polaren Angriff“ greift, gemäß der in der organischen Chemie gültigen Definition, dieElektronendichte des Nukleophils das Elektrophil an. Hat sich nach dem Angriff eine neue Bindung gebildet, zieht dasNukleophil oft die Elektronendichte der Bindung mehr oder minder stark zu sich (δ -), polarisiert also die Bindung. Diesresultiert aus der Tatsache, dass dem Nukleophil, verglichen mit dem Elektrophil, mehr Elektronendichte „verlorengegangen“ ist.Mesomerie und Resonanzstrukturen, Konstitutionsisomere Manche Verbindungen können durch eine Strichformel nicht zufrieden stellend beschrieben werden, z.B. kann oft eineLadung an verschiedenen Atomen auftreten. Man beschreibt diese Moleküle durch die Extremfälle, die mesomerenGrenzstrukturen (man spricht von Mesomerie oder Resonanz, 2 Wörter für dasselbe Phänomen). Die tatsächlicheelektronische Struktur liegt irgendwo zwischen den Grenzstrukturen. Dabei können einzelne Strukturen unterschiedlichstark gewichtet sein. -7-
  • 5. Organische Chemie Je mehr elektronisch ähnliche Resonanzstrukturen formuliert werden können, desto stabiler ist die Verbindung. So sindgeladene Moleküle stabiler, wenn sich die Ladung über einen größeren Bereich verteilt ist. Am Beispiel von Acetat- undEnolat-Ion wird deutlich, wie die negative Ladung in einem Molekül verteilt sein kann (jeweils links gezeigt zweiResonanzstrukturen, rechts eine einzelne Struktur, welche die Ladungsverteilung veranschaulichen soll). Formel 2 : Mesomerie- bzw. Resonanzstrukturen Isomerie: Atome in einer Verbindungen können auf verschiedene Weise miteinander verknüpft sein und dadurch beigleicher Summenformel unterschiedliche Strukturen erzeugen. Solche Verbindungen werden als Konstitutionsisomerebezeichnet. Oft haben die Isomere trotz einer übereinstimmenden Summenformel unterschiedliche physikalische undchemische Eigenschaften. Formel 3 : Moleküle der Summenformel C4H10 -8-
  • 6. Organische ChemieAlkane (gesättigte Kohlenwasserstoffe) Verbindungen, die nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen, werden als Kohlenwasserstoffe bezeichnet. Alkanegehören zu den gesättigten Verbindungen, d.h. sie weisen ausschließlich Einfachbindungen zwischen den verschiedenenKohlenstoffatomen auf (Sättigung = nur Einfachbindungen). Durch Additions-Reaktionen können keine neuen Atome oderAtomgruppen aufgenommen werden, außerdem sind gesättigte Verbindungen meist stabiler und weniger reaktiv alsungesättigte Verbindungen. Das Grundgerüst der Alkane kann sowohl aus verzeigten, unverzweigten Ketten als auch aus Ringen bestehen.Unverzweigte Alkane werden n-Alkane (z.B.: n-Butan), verzweigte Alkane iso-Alkane (z.B.: iso-Butan) genannt undbilden eine homologe Reihe mit der allgemeinen Summenformel CnH2n+2. Formel 4 : Unverzweigtes und verzweigtes Alkan Die Namen der Alkane enden auf "-an". Die Namen der ersten 4 Alkane (Methan, Ethan, Propan, Butan) sind historischbedingt, bei allen anderen wird vor das "-an" ein der Anzahl der C-Atome entsprechendes griechisches Zahlenwort gestellt(5 = penta, 6 = hexa, 7 = hepta, 8 = octa, 9 = nona, 10 = deca, etc.). Die verzweigten Alkane werden gemäß der folgendenRegeln benannt: • Zunächst wird die längste durchgehende Kohlenstoffkette gesucht und so nummeriert, dass das C-Atom, welches am Ende der Kette und der Abzweigung am nächsten steht, mit der Nummer 1 belegt werden kann. Der Hauptbestandteil des Namens ergibt sich aus dieser längsten Kette. • Die Nummern der Kohlenstoffatome, an denen Alkylgruppen (Methylgruppe -CH 3, Ethylgruppe -CH2-CH3, Propylgruppe -CH2-CH2-CH3, etc.) abzweigen, werden durch Komma getrennt dem Namen des Alkans vorangestellt. • Die Anzahl der abzweigenden Alkylgruppen wird im entsprechenden griechischen Zahlenwort (di = 2, tri = 3, etc.) hinter die Nummer der Abzweigung der Alkylgruppe geschrieben (z.B.: "2-methyl", wenn ein Methyl-Rest am 2. C-Atom der längsten Kette hängt). • Der Name der verzweigten Alkylgruppe wird klein dahinter geschrieben. Bei mehreren Abzweigungen wird jeweils ein Bindestrich gesetzt und die einzelnen Alkylgruppen entsprechend der vorangegangenen Schritte abgeleitet (z.B.: "2,4-dimethyl", wenn am 2. und 4. C-Atom der längsten Kette je ein Methyl-Rest hängt). Der Name der Gesamtverbindung beginnt mit dem größten Alkylrest (z.B. "3-Ethyl-2,4-dimethyl…" wenn der größte Alkylrest eine Ethyl-Gruppe am 3. C-Atom der längsten Kette ist). Formel 5 : Beispiel zur Bezeichnung eines iso-Alkans • Die für die Alkane spezifische Endung "-an" wird am Ende hinzugefügt (z.B.: 3-Ethyl-2,4-dimethylhexan, am 3. C-Atom der längsten Kette ein Ethyl-Rest, am 2. und 4. je ein Methyl-Rest; längste Kette umfasst 6 C-Atome, daher "…hexan").Verzweigte und unverzweigte kettenförmige Alkane (n-/ iso-Alkane) Da sich die Elektronegativitäten von Kohlenstoff und Wasserstoff nur unwesentlich unterscheiden, ist die C-H-Bindungkaum polarisiert. Daher sind Alkane von geringer Reaktivität. Trotzdem spielen sie eine wichtige Rolle z.B. als Energie-und Rohstoffquelle (Erdöl) und beim Aufbau von Zellmembranen. Letztere bestehen im wesentlichen aus langenhydrophoben Kohlenwasserstoffketten, die Alkyl-Reste11 aufweisen und sich zu Doppelschichten angeordnet haben. Die Kräfte, welche die Kohlenwasserstoffketten untereinander zusammenhalten können, werden Van-der-Waals-Kräftegenannt und sind auf elektrostatische Anziehung zurückzuführen. Durch das fehlende H-Atom eines Alkylrests weist dieKohlenwasserstoffkette eine Polarisierung auf, welche elektrostatische Wechselwirkungen mit anderen polarisiertenMolekülen ermöglicht. Van-der-Waals-Kräfte treten zumeist zwischen polarisierten Molekülen auf und sind im Vergleichzu Atom- oder Ionenbindungen sehr schwach.1 Als Alkylrest wird ein Alkanmolekül bezeichnet, dem ein H-Atom entzogen wurde. Hierdurch entsteht ein Radikal, ein Molekül mit einemungebundenen Elektron. -9-
  • 7. Organische ChemieThermodynamik und Kinetik einer Reaktion Am Beispiel der Verbrennung von Alkanen lässt sich die Verknüpfung von Thermodynamik und Kinetik einerReaktion darstellen. Obwohl die Verbrennung von Methan (CH4) mit Sauerstoff (O2) stark exotherm ist, können beide Gasemiteinander gemischt werden, ohne das es zu einer Reaktion kommt: CH 4 + 2O 2 → CO 2 + H 2 O Formel 6 : Oxidation von Methan Dies resultiert aus der Tatsache, dass zuerst eine gewisse Aktivierungsenergie aufgebracht werden muss, damit eineReaktion ablaufen kann. Die Geschwindigkeit einer Reaktion ist umso höher, je kleiner die Aktivierungsenergie und je größer die Temperaturist. Durch eine Erhöhung der Temperatur wird die Energieverteilung in einer Substanzmenge („Boltzmann-Verteilung“)verändert. Es wird der Anteil der Teilchen mit hoher Energie gesteigert, wodurch immer mehr Teilchen die zum Ablauf derentsprechenden Reaktion notwendigen Aktivierungsenergie aufweisen. Abbildung 6 : Aktivierungsenergie (Ea,h)Rotationsisomere Prinzipiell ist die Rotation um eine σ-Bindung möglich, doch muss auch hierfür Energie aufgewendet werden. Selbstkleine Teilchen wie Ethan (C2H6) können ohne eine entsprechende Aktivierungsenergie keine Rotation um ihre C-C-Einfachbindung ausführen. Daher können sich verschiedene konformere Formen von Molekülen mit Einfachbindungenbilden, wenn die entsprechende Aktivierungsenergie zur Verfügung steht. In den Extremfällen der Anordnung bei Ethan stehen die H-Atome „auf Deckung“ oder „auf Lücke“ („Gauche“).Beiden Formen kommt eine unterschiedliche Energie zu. Die Rotation um die C-C-Einfachbindung kann alsWellenfunktion der Energie in Abhängigkeit vom Winkel beschrieben werden. Um von einer Gauche-Form (H-Atome anbeiden C-Atomen stehen von vorn betrachtet „auf Lücke“) in eine andere Gauche-Form zu kommen, muss ein„Energieberg“ überwunden werden. Dessen Scheitelpunkt bezeichnet man als Übergangszustand und die Energie, diebenötigt wird, um vom Ausgangszustand der Gauche-Konformation zum Übergangszustand mit einer gestaffelten (Anti-Gauche) Konformation zu gelangen, wird als Aktivierungsenergie („Ea“, „Ea,h“ oder ähnlich) bezeichnet. Abbildung 7 : Rotationsisomerie und Aktivierungsenergie am Beispiel Ethan - 10 -
  • 8. Organische Chemie Die Aktivierungsenergie, welche für eine Rotation um eine Einfachbindung aufgebracht werden muss, ist relativ gering.Bei einigen Verbindungen mit formalen Einfachbindungen ist eine Rotation nur mit viel Energieaufwand möglich. EinBeispiel hierfür ist die Amid-Bindung2, die u.a. in Proteïnen und Enzymen vorkommt und auch als Peptidbindungbezeichnet wird. Im Falle der Amid-Bindung lassen sich mesomere Grenzstrukturen formulieren, die dieser Bindung einenDoppelbindungscharakter verleihen. Daher ist die Rotation um die Kohlenstoff-Stickstoff-Bindung (C-N-Bindung) nurmöglich, wenn eine Aktivierungsenergie zugeführt wird, die deutlich über der für die Rotation um „normale“Einfachbindungen erforderlichen liegt. Formel 7 : Mesomerie der Amid-BindungCycloalkane Alkane bzw. gesättigte Kohlenwasserstoffe können nicht nur Ketten, sondern auch Ringe bilden. Ringförmige gesättigteKohlenwasserstoffe werden als Cycloalkane bezeichnet. Sie bilden eine Untergruppe der Alkane und eine homologe Reihemit der allgemeinen Summenformel CnH2n. Wie die „normalen“ Alkane bestehen sie nur aus Kohlenstoff- und Wasserstoff-Atomen. Formel 8 : Strukturformel von Cyclobutan Die ringförmige Struktur wirkt sich auf Reaktivität sowie Schmelz- und Siedepunkte aus und verhindert Rotationen umdie C-C-Bindung zwischen den C-Atomen, welche im Ring liegen. Sowohl der Schmelz- als auch der Siedepunkt liegenbei monocyclischen Alkanen grundsätzlich höher als bei den entsprechenden n-Alkanen.Ringspannung Die Winkel, welche die C-Atome innerhalb eines Cycloalkan-Rings zueinander einnehmen, können erheblich unter demIdealwert des sp3-hybridisierten C-Atoms liegen. Man spricht hierbei auch von einer „Winkeldeformation“. Hierdurchnehmen die Atome nicht mehr den maximal möglichen Abstand zueinander ein, der betreffende Ring ist gespannt. Aus der Betrachtung der Winkeldeformation und der Ringspannung pro CH 2-Gruppe erkennt man, dass z.B.Cyclopropane sehr reaktive Verbindungen sind. Dies äußert sich in vielen Reaktionen, die Cyclopropan eingehen kann. EinBeispiel hierfür ist die Hydrierung über Pd- oder Pt-Katalysatoren. Unter Hydrierung versteht man in der Chemie die Addition von Wasserstoff an andere chemische Elemente oderVerbindungen. Die gegenteilige Reaktion heißt Dehydrierung. In der organischen Chemie ist die Hydrierung von C=C-Doppelbindungen eine sehr häufig durchgeführte chemische Reaktion. Abbildung 8 : Hydrierung von Cycloalkanen2 Ionische Amide, d.h. Amide mit Ionenbindung, sind Salze des Ammoniaks (z. B. Natriumamid, NaNH 2), kovalente Amide, d.h. Amide mitAtombindungen, leiten sich formal von Ammoniak oder organischen Aminen und anorganischen oder organischen Säuren abIn der organischen Chemie spielt die Aminogruppe (R-NH 2) eine wichtige Rolle. Diese entsteht durch Austausch von H-Atomen eines Ammoniak-Moleküls (NH3) durch einen organischen Rest. Je nachdem, wie viele H-Atome ausgetauscht wurden, spricht man von primären (1 H-Atom ausgetauscht),sekundären (2 H-Atome ausgetauscht) oder tertiären (alle 3 H-Atome ausgetauscht) Aminen oder Aminogruppen. - 11 -
  • 9. Organische Chemie Da Wasserstoffmoleküle sehr stabil sind, wird für die Hydrierung in der Regel ein Katalysator 3 benötigt. Im Prinzipläuft die Hydrierung einer C=C-Doppelbindung in drei Schritten ab: Zunächst sind die Reaktanden, etwa2 Wasserstoffmoleküle und ein Ethen-Molekül, auf der Katalysatoroberfläche adsorbiert. Dann reagiert eines derWasserstoff-Atome mit dem Ethen-Molekül, indem es an ein Kohlenstoff-Atom bindet und die Doppelbindung auflöst.Schließlich bindet auch das zweite H-Atom an das Molekül und dieses wird desorbiert. Aufgrund der Ringspannung von Cycloalkanen ist auch bei diesen eine Hydrierung möglich. Dabei werden, ähnlich wiebei der Hydrierung von C=C-Doppelbindungen, C-C-Einfachbindungen innerhalb des gespannten Ringes geöffnet und diefreien Bindungsstellen an den C-Atomen mit H-Atomen besetzt. Weniger gespannte Ringe können allerdings so stabil sein,dass keine Hydrierung möglich ist. Abbildung 9 : Hydrierung einer C=C-DoppelbindungKonformation von Cycloalkanen Cyclopropan (C3H6) ist planar (alle C-Atome liegen auf einer Ebene), alle größeren cyclischen und gesättigten Alkanesind zwar ringförmig, aber mehr oder minder stark gewinkelt. Cyclobutan (C 4H8) hat eine gefaltete Struktur, während dieStruktur von Cyclopentan (C5H10) an einen Briefumschlag und die von Cyclohexan (C 6H12) an einen Sessel oder eineWanne erinnert. Noch größere Cycloalkane, etwa Cycloheptan (C 7H14) oder Cyclooktan (C8H18) weisen meist einesesselförmige Struktur auf. Formel 9 : Cycloalkane Bei Cyclohexan (C6H12) und dessen Derivaten, d.h. abgeleiteten Stoffen ähnlicher Struktur (z.B. H-Atome durch andereAtome / Atomgruppen ersetzt oder Atome / Atomgruppen entfernt), unterscheidet man zwischen 2 möglichenAnordnungen der Substituënten4. Die Substituënten können eine äquatoriale oder axiale Position einnehmen. Die Substituënten nehmen eine äquatoriale Position ein, wenn sie in der durch den Ring (beim Cyclohexan ein Ring aus6 C-Atomen) aufgespannten Ebene stehen. Bei einer axialen Position stehen die Substituënten deutlich, d.h. nahezurechtwinklig, aus der Ringebene heraus. Durch eine so genannte Ringinversion kann sich eine Sesselkonformation in eineandere Sesselkonformation umwandeln, wobei alle äquatorialen Substituënten in eine axiale Position gebracht werden undumgekehrt. Die stabilste Konformation bei Cyclohexan-Derivaten ist diejenige, bei der möglichst viele bzw. der sterischanspruchsvollste Substituënt in einer äquatorialen Position steht, also mit dem Sechsring in einer Ebene liegt. 1,3-diaxialeWechselwirkungen, bei denen sich 2 Substituënten gegenseitig beeinflussen, sind ungünstig und daher selten.3 Katalysatoren sind Verbindungen, die durch Absenkung der Aktivierungsenergie die Einstellung des Gleichgewichts einer Reaktion beschleunigen,ohne selbst dabei verbraucht zu werden. Somit können zwar alternative Reaktionswege mit kleineren Aktivierungsenergien ermöglicht werden, dieThermodynamik einer Reaktion wird indes nicht beeinflusst.4 Substituënten sind Atome, die neu an Stelle anderer Atome eines Moleküls in dieses eingefügt wurden. Bei einer Substitutionsreaktion wird ein nichterwünschtes Atom als Abgangsgruppe abgespalten, oft tritt an dessen Stelle ein H-Atom. Im weitesten Sinne sind Substituënten Reste bzw. Atome oderAtomgruppen, die durch eine Bindung mit dem gerade betrachteten Molekül verknüpft sind, unabhängig von der Abgangsgruppe. - 12 -
  • 10. Organische Chemie Abbildung 10 : Ringinversion Cyclohexan-Gerüste kommen nicht nur bei Zuckern vor, die Derivate des Cyclohexans darstellen. Es sind viele weitereVerbindungen mit Cyclohexan-Gerüsten bekannt, z.B. Terpene5 und Steroide6. Menthol Formel 10 . Auf Cyclohexan-Gerüsten aufbauende Verbindungen5 Terpene sind eine große Gruppe chemischer Verbindungen, die sich biosynthetisch von Isopren (2-Methyl-1,3-butadien, C 5H8) bzw.Isopentenyleinheiten ableiten lassen. Diese Einheiten bestehen aus 5 C-Atomen und können auf verschiedene Art und Weise (auch als Ringe, wie etwa beiω-Cardinen) miteinander verknüpft werden. Anhand ihrer funktionellen Gruppen werden Terpene verschiedenen Stoffgruppen zugeordnet. Die meistenTerpene sind Naturstoffe, meist pflanzlicher und seltener tierischer Herkunft. In der Natur kommen überwiegend Kohlenwasserstoff-, Alkohol-,Glycosid-, Ether-, Aldehyd-, Keton-, Carbonsäure- und Ester-Terpene vor, aber auch Vertreter weiterer Stoffgruppen sind unter den Terpenen zu finden.6 Steroide bestehen grundsätzlich aus einem Cyclohexan-Gerüst, bei dem die Ringe auf unterschiedliche Weise miteinander verknüpft sein können,wodurch sich eine unterschiedliche Struktur und Wirkung ergibt. Steroide werden der Stoffklasse der Lipide (Moleküle mit lipophilen Gruppen, i.d. Regelwasserunlöslich) zugerechnet und sind Derivate des Kohlenwasserstoffs Steran (Cyclopentanoperhydrophenanthren). "Natürliche Steroide kommen inTieren, Pflanzen und Pilzen vor. Ihre biochemischen Aufgaben reichen von Vitaminen und Sexualhormonen (Androgene beim Mann beziehungsweiseÖstrogene bei der Frau) über Gallensäure und Krötengifte bis zu den herzaktiven Giften von Digitalis und Oleander. In Tieren und im menschlichenOrganismus stellt Cholesterin das wichtigste Steroid dar; Pflanzen enthalten es dagegen nicht. Aus Cholesterin werden Lipoproteïne und Hormoneaufgebaut, z.B. die Hormone der Nebennierenrinde (Kortikosteroide). Künstliche Derivate des männlichen Sexualhormons Testosteron, die Anabolika,werden als Muskelaufbaupräparate verwendet."(Quelle: Wikipedia; Link: http://de.wikipedia.org/wiki/Steroide) - 13 -
  • 11. Organische ChemieAlkene (Kohlenwasserstoffe mit Doppelbindungen) Als Alkene werden Kohlenwasserstoffe mit mindestens einer Doppelbindung zwischen 2 C-Atomen bezeichnet. DieDoppelbindung bzw. die Doppelbindungen können sich an beliebigen Positionen innerhalb der Kohlenstoff-Kette befinden.Alkene sind ungesättigte Verbindungen, da nicht alle möglichen Bindungsstellen mit H-Atomen besetzt sind. Sie findensich in geringen Mengen im Erdöl, außerdem bei Tieren in Form der Pheromone (Duftstoffe). Mit Halogenen bilden sieölige, wasserunlösliche Flüssigkeiten und können durch elektrophile Addition zu Halogenalkanen reagieren. Auchcyclische Alkene kommen vor (z.B. Cyclohexen). Alkene mit 2 Doppelbindungen werden als Diëne, mit3 Doppelbindungen als Triëne bezeichnet oder allgemein Polyene genannt. Formel 11 : Allgemeine Strukturformel für Alkene Alkene von Ethen (C2H4) bis Buten (C4H8) sind unter Normalbedingungen gasförmig, vom Penten (C 5H10) bisPentadeken (C15H30) flüssig. Alkene mit mehr als 15 C-Atomen sind unter Normalbedingungen fest. Formel 12 : Nomenklatur der Alkene Alkene sind in Wasser unlöslich, allgemein sehr reaktionsfreudig und verbrennen mit rußender Flamme. Der π-Anteilder Doppelbindung ist relativ schwach und bietet daher einen guten Angriffspunkt für elektrophile Angriffe. Sie bilden einehomologe Reihe mit der allgemeinen Summenformel CnH2n, beginnend mit dem Ethen (C2H4). Grundsätzlich werden Alkene analog zu den Alkanen benannt, wobei das Suffix „-an“ durch „-en“ ersetzt wird. DiePosition der Doppelbindung wird durch die Zahl des C-Atoms, an dem die Doppelbindung beginnt, gekennzeichnet. DieDoppelbindung wird als funktionelle Gruppe gewertet und die Nummerierung der C-Kette beginnt bei dem C-Atom,welches die geringste Zahl für die an der Doppelbindung beteiligten Atome ermöglicht. Bei Molekülen mit mehrerenfunktionellen Gruppen wird die Zahl direkt vor das „-en“ gestellt. Ist nur eine funktionelle Gruppe vorhanden, kann sieauch vor den Namen gestellt werden. Bei mehreren Doppelbindungen wird das entsprechende griechische Zählwort vor das„-en“ gestellt.Stereochemie Die Stereochemie befasst sich mit den Reaktionen und Eigenschaften von Molekülen unter Berücksichtigung derräumlichen Struktur. Die chemischen und physikalischen Eigenschaften eines Moleküls resultieren nicht nur aus derZusammensetzung, sondern werden auch von der dreidimensionalen Anordnung der Atome im Raum und der darausresultierenden Elektronenverteilung im Molekül beeinflusst. „Wichtig für stereochemische Betrachtungen eines Molekülssind dessen Konstitution (Menge und Art der Bindungen), Konfiguration (Orientierung der Stereozentren) sowieKonformation (räumliche Anordnung der Atome unter Berücksichtigung der drehbaren Bindungen). Verbindungen, diedie gleiche Anzahl und Art von Atomen und somit identische Massen besitzen und die Unterschiede in den zuvorgenannten drei Eigenschaften aufweisen, werden als Isomere bezeichnet."Enantiomere Bei Doppelbindungssystem ergeben sich oft zwei mögliche isomere Konstitutionen, welche als E-Form (früher trans-Form) und Z-Form (früher cis-Form) bezeichnet werden. Bei der E-Form stehen die Substituënten mit der höchstenPriorität auf unterschiedlichen Seiten der Doppelbindung, bei der Z-Form stehen sie auf derselben Seite. Die Einteilung inE- und Z-Formen erfolgt gemäß der CIP-Konvention und ist nicht auf Alkene beschränkt, sondern lässt sich auf alleplanaren Doppelbindungssysteme übertragen. Kohlenstoffatome mit 4 verschiedenen Substituënten lassen sich mit ihrem Spiegelbild nicht in Deckung bringen, d.h.sie verhalten sich wie „Bild und Spiegelbild“. Solche Verbindungen, deren Spiegelbilder durch Drehung nicht mit denOriginalen in Deckung gebracht werden können, werden „chirale“ (Chiralität = „Händigkeit“) Verbindungen oderEnantiomere genannt. Ein gängiges Beispiel für „chirale“ Gegenstände sind die rechte und die linke Hand. Allgemein istein Objekt chiral, wenn es keine Spiegelebene besitzt (es muss aber nicht zwangsläufig asymmetrisch sein). Ein achiralesObjekt hingegen kann mit seinem Spiegelbild durch Drehung in Deckung gebracht werden. - 15 -
  • 12. Organische Chemie Abbildung 11 : Beispiele für E-/Z-Isomere Enantiomere haben, abgesehen von der Fähigkeit, linear polarisiertes Licht zu drehen, identische physikalische undchemische Eigenschaften. Die Nomenklatur zur Unterscheidung von Enantiomeren sowie der Bestimmung der absolutenKonfiguration des Stereozentrums (früher „Chiralitätszentrum“, bezeichnet Atome mit vier unterschiedlichenSubstituënten) erfolgt ebenfalls nach der CIP-Konvention.CIP-Konvention Die CIP-Konvention (Cahn-Ingold-Prelog-Konvention) dient zur eindeutigen Beschreibung der Anordnung derverschiedenen Substituënten an Atomen, also der Bestimmung der absoluten Konfiguration der Stereozentren chiraler(verhalten sich wie Bild und Spiegelbild, d.h. können durch Drehung miteinander nicht in Deckung gebracht werden) undstereoisomerer Moleküle (gleiche Summenformel, aber unterschiedliche Struktur). Gemäß der CIP-Konvention wirdfolgendermaßen vorgegangen: Abbildung 12 : Beispiel für die Anwendung der CIP-Konvention 1. Das Stereozentrum wird bestimmt und mit einem Stern gekennzeichnet. 2. Die Substituënten werden nach ihrer Priorität geordnet. 3. Der Substituënt niedrigster Priorität wird unter die Bildebene gedreht. Die Richtung der Kreisbewebung von 1 über 2 zu 3 definiert die absolute Konfiguration.1. Zuerst wird das Stereozentrum bestimmt: Dies sind meist ein oder mehrere Atome, die 4 verschiedene Substituënten aufweisen. Bei Elementen, die nur 3 unterschiedliche Atome an einem Stereozentrum aufweisen, kann ein freies Elektronenpaar als Substituënt angesehen werden. Die Stereozentren werden mit einem Stern gekennzeichnet.2. Dann wird die Drehrichtung der Struktur bestimmt (nicht identisch mit der optischen Drehrichtung, diese bezieht sich auf die Drehung linear polarisierten Lichtes): 1. Die Atome, welche direkt an das Stereozentrum gebunden sind, erhalten Prioritätsnummern gemäß ihrer Ordnungszahl im Periodensystem (das Atom mit der höchsten Ordnungszahl erhält die Ziffer 1, das mit der zweithöchsten Ordnungszahl die Ziffer 2 etc.). 2. Bei gleicher Ordnungszahl wird dem Substituënten, der die höhere Masse hat, auch die höhere Priorität zugeordnet (d.h. dieser erhält die geringere Ziffer). 3. Bei gleicher Ordnungszahl und gleicher Masse werden auch die Atome betrachtet, die an die Substituënten gebunden sind. Die höhere Priorität und geringere Ziffer erhält der Substituënt, dessen „Zweitatom“ (d.h. das direkt an ihn gebunden Atom) die höhere Ordnungszahl hat. Sind unmittelbar an einen Substituënten mehrere Atome gebunden, so spricht man von einer 2. Sphäre (Sphäre = Menge von Atomen). In diesem Falle wird die Summe der Ordnungszahlen aller unmittelbar an die Substituënten gebundenen Atome gebildet. Da hierbei eine Menge von Atomen mit einer anderen verglichen wird, müssen folgende Regelungen beachtet werden: 1. Ist die Ordnungszahl eines einzelnen Atoms in einer Sphäre höher als die Summe aller Ordnungszahlen einer anderen Sphäre, wird die höhere Priorität (geringere Ziffer) dem Substituënten mit dem einzelnen Atom höchster Ordnungszahl zugeordnet. 2. Nur wenn kein einzelnes Atom eine höhere Ordnungszahl hat als die Summe aller Ordnungszahlen einer anderen Sphäre, wird die Summe aller Ordnungszahlen gebildet (Doppel- und Mehrfachbindungen werden dabei aufgelöst). Der Substituënt mit der höheren Summe erhält die höhere Priorität (geringere Ziffer). 3. Falls nötig werden weitere Sphären betrachtet. - 16 -
  • 13. Organische Chemie 4. Der Substituënt niedrigster Priorität (z.B. „4“) wird unter die Bildebene geschoben (nach hinten geklappt), die sich ergebende Anordnung der anderen Substituënten ergibt die Konfiguration: Gelangt man von 1 über 2 zu 3 im Uhrzeigersinn („rechts rum“), so liegt eine R-Konfiguration vor (vom lateinischen „rectus“ für „rechts“). Gelangt man von 1 über 2 zu 3 entgegen dem Uhrzeigersinn („links rum“), so liegt eine S-Konfiguration vor (vom lateinischen „sinister“ für „links“). 5. Der gesamte beschriebene Vorgang wird ggf. für jedes Stereozentrum in der gleichen Reihenfolge durchgeführt. Aus der Bestimmung der absoluten Konfiguration lässt sich nicht ableiten, wie die jeweilige Verbindung linear polarisiertes Licht dreht. Dies muss experimentell bestimmt werden.Diasterioisomere Diasterioisomere haben eine übereinstimmende Summenformel und Konstitution (Menge und Art der Bindungenzwischen Atomen in einem Molekül). Sie weichen aber in der räumlichen Anordnung der Atome voneinander ab undunterscheiden sich in ihren physikalischen Eigenschaften. Abbildung 13 : Enantiomere und Diastereomere Diasterioisomere sind keine Enantiomere, die ja praktisch nur Bild und Spiegelbild darstellen. Sie haben keineSpiegelebene, sind nicht chiral und haben mindestens 2 Stereozentren. Allgemein formuliert sind DiasterioisomereMoleküle mit mehr als einem Stereozentrum, die sich nicht wie Bild und Spiegelbild zueinander verhalten. Bei Enantiomeren ist die Chiralität meist auf asymmetrische Kohlenstoff-Atome, die vier unterschiedliche Reste tragen,zurückzuführen. An so einem stereogenen Zentrum sind, bedingt durch die tetraedrische Struktur des C-Atoms, jeweilszwei Konfigurationen möglich, die auch durch Drehung nicht zur Deckung gebracht werden können. Sind inzwei stereoisomeren Molekülen alle Stereozentren voneinander verschieden, spricht man von Enantiomeren, sieverhalten sich Bild und Spiegelbild zueinander. Abbildung 14 : Enantiomere / Diastereomere Diastereomere hingegen sind alle anderen stereoisomeren Moleküle, die sich nicht in allen Stereozentrenvoneinander unterscheiden. Ein Beispiel hierfür sind Zucker wie D-Glucose und D-Galactose, die sich in einemStereozentrum voneinander unterscheiden. Bei einem Molekül mit z.B. 2 Stereozentren verhalten sich beispielsweisejeweils 2 der 4 möglichen Konfigurationen wie Bild und Spiegelbild zueinander, stellen also Enantiomere dar (SS zu RRund SR zu RS). Alle anderen Konformationen (RR zu RS und SR, SS zu RS und SR) stellen Diastereomere dar. Ein Spezialfall der Stereochemie sind Moleküle, bei denen innerhalb des Moleküls eine Spiegelebene auftritt, so dassdie eine chirale Molekülhälfte in die andere überführt wird (die eine Hälfte auf die andere „gespiegelt“ wird) undumgekehrt. Abbildung 15 : meso-Form In einem solchen Fall sind die beiden enantiomeren Moleküle mit der Mischung aus R- und S-Konfiguration (RS undSR) deckungsgleich, und statt der 4 möglichen Stereoisomere gibt es nur 3 mögliche Formen (SS, RR und die meso-Form). - 17 -
  • 14. Organische Chemie Abbildung 16 : Beispiele für meso-FormenFischer-Projektion Die Fischer-Projektion dient der Darstellung chiraler Moleküle und ermöglicht die Nomenklatur nach der D/L-Terminologie. Hierbei werden chirale chemische Verbindungen eindeutig zweidimensional abgebildet. Das Erstellen derFischer-Projektion kann wie folgt zusammengefasst werden:1. Die längste Kohlenstoffkette wird senkrecht angeordnet, wobei das C-Atom mit der höchsten Oxidationszahl (COOH > CHO > CH2OH > CH3) nach oben gestellt wird (Nach den Regeln über die Nomenklatur der Kohlenwasserstoffe steht das Kohlenstoffatom mit der Nummer 1 oben. Dies muss nicht immer das am stärksten oxidierte Kohlenstoffatom sein, ist es aber in den meisten Fällen).2. Die Kette wird so gelegt, dass die C-C-Bindungen der Kette immer nach hinten zeigen (vom Betrachter weg). Die waagrechten Bindungen mit den Substituënten zeigen nach vorn (zum Betrachter).3. Die Struktur wird in einer Ebene gezeichnet.4. Das erste Stereozentrum von unten zeigt an, ob die Verbindung der D- oder L-Reihe angehört. Steht der Substituënt mit der höchsten Priorität gemäß der CIP-Konvention (höchste Ordnungszahl im Periodensystem etc.) rechts, so gehört die Verbindung der D-Reihe an. Steht der Substituënt mit der höchsten Priorität links, so gehört die Verbindung der L-Reihe an. Abbildung 17 : Beispiele für D- und L-Formen Die D- und L-Formen drehen die Ebene des polarisierten Lichts unterschiedliche. Bei Glycerinaldehyd dreht die D-Form das Licht nach rechts, die L-Form nach links.Halogenalkane Halogenalkane sind Kohlenwasserstoffe, bei denen ein oder mehrere Wasserstoffatome durch ein Element der 7.-Hauptgruppe („F“ = Fluor, „Cl“ = Chlor, „Br“ = Brom, „I“ = Iod, „At“ = Astatin) ersetzt wurden. Das Wort „Halogen“stammt aus dem griechischen, wo es soviel wie „Salzbildner“ heißt. Halogene sind sehr elektronegativ, daher sindHalogenalkane deutlich polarisiert und die Bindungslängen nehmen vom Fluor- (EN 4,0) über Chlor- (EN 3,0) und Brom-(EN 2,0) zum Iodalkan (EN 2,5) hin stetig zu, während die Bindungsstärken stetig abnehmen. Formel 13 : Strukturformel von Tetrachlormethan (CCl4) Halogenalkane weisen aufgrund der Polarisierung neben den Van-der-Waals-Kräfte auch schwache Dipolkräfte auf undreagieren leicht mit Nukleophilen. Bei SN1- oder SN2-Reaktionen stellen Halogenide gute Abgangsgruppen dar. Halogenalkane sind sehr gute Lösungsmittel für Stoffe, die sich in Wasser nicht lösen. Auch eignen sie sich gut zurEntfettung von Metalloberflächen. Sie weisen einen höheren Siedepunkt auf als die jeweils entsprechenden Alkane, da dieHalogenalkanmoleküle durch die Van-der-Waals- und Dipolkräfte stärker aneinander gebunden werden. Bekannte Halogenalkane sind z.B. Tetrachlormethan (CCl 4), welches als Lösungsmittel Verwendung findet,Trichlorfluormethan („FCKW“; CCl3F), das als Treibgas bzw. Kühlmittel eingesetzt wird, Teflon (poly-CF 2), einPolyhalogenalkan, und DDT, das wohl effektivste Insektenvernichtungsmittel. DDT reichert sind in Lebewesen an undwirkt in größerer Menge toxisch. - 18 -
  • 15. Organische ChemieNukleophile Substitution Bei der als nukleophile Substitution („Austausch“) bezeichneten Reaktion greift ein Nukleophil, d.h. ein Atom oderMolekül mit einem freien Elektronenpaar und einer partiell negativen Ladung, ein organisches Molekül (das Substrat) anund ersetzt einen Teil des Moleküls (die Abgangsgruppe) durch ein Atom oder eine Atomgruppe. Das Elektrophil wirktdabei als Lewis-Base (Elektronenpaardonator). Das neu in das Molekül eingefügte Atom bzw. die Atomgruppe bezeichnetman als Substituënten. Das anzugreifende Molekül zeichnet sich durch eine starke polare Bindung aus, d.h. die Elektronendichte der Bindungist zu dem Bindungspartner, der über die größere Elektronegativität verfügt, hin verschoben. Das elektronegativere Atomübt einen negativen induktiven Effekt (-I-Effekt) aus, es zieht die Elektronendichte zu sich und verringert sie beimentsprechenden Bindungspartner. Im Gegensatz hierzu steht der positive induktive Effekt (+I-Effekt), bei dem dieElektronendichte von einem Atom weg geschoben und an einem anderen Atom erhöht wird. Durch die Verringerung derElektronendichte beim Bindungspartner wirkt dieser als Elektrophil und bietet eine Angriffsfläche für das Nukleophil. Das Nukleophil verfügt über mindestens ein freies Elektronenpaar, welches es in ein Orbital des C-Atoms desSubstrates hineindrückt, das durch die Polarisierung seiner Bindung als Elektrophil wirkt. Hierdurch wird die ohnehinpolarisierte Bindung zwischen dem betreffenden C-Atom und dessen Bindungspartner gelöst und dieser als Abgangsgruppeabgespalten, wobei sich eine neue Atombindung zwischen dem C-Atom und dem Nukleophil bildet. Die Abgangsgruppenimmt ihr ehemals bindendes Elektronenpaar mit. Man unterscheidet zwischen der nukleophilen Substitutionen erster Ordnung (SN1), hierbei hängt dieReaktionsgeschwindigkeit nur von der Konzentration des Substrates ab, und der nukleophilen Substitutionen zweiterOrdnung (SN2), hierbei hängt die Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration von Substrat und Nukleophil ab.Bimolekulare nukleophile Substitution (SN2-Mechanismus) Eine nukleophile Substitution mit einem bimolekularen Mechanismus wird kurz mit S N2 bezeichnet und verläufteinstufig. Die Geschwindigkeit der Reaktion hängt von der Konzentration von Substrat und Nukleophil ab und findetbevorzugt in polaren aprotischen Lösungsmitteln sowie an primären Kohlenstoffatomen statt. Die S N2-Reaktion verläuftwie folgt: Abbildung 18 : Ablauf einer SN2-Reaktion (die beiden "+" kennzeichnen den Übergangszustand)1. Das Nukleophil greift die der späteren Abgangsgruppe gegenüberliegende Seite des Substrates an. Es nähert sich dem positiv polarisierten C-Atom an und das antibindende Orbital des Kohlenstoffs nimmt die Elektronendichte des Nukleophils auf, wodurch die Bindung des C-Atoms zur Abgangsgruppe geschwächt wird.2. Die Substituënten am C-Atom beginnen auf die dem Nukleophil gegenüberliegende Seite umzuklappen (Walden-Umkehr) und es entsteht eine trigonale Bipyramide mit schwach gebundenen axialen Liganden 7 (Übergangszustand), d.h. sowohl das Nukleophil als auch die Abgangsgruppe sind an ein temporär fünfbindiges C- Atom gebunden.3. Wenn die Substituënten endgültig umklappen, wird die Abgangsgruppe abgespalten. Aufgrund des Ablaufs der Reaktion wird der SN2- auch als „Regenschirm-Mechanismus“ bezeichnet. Die Reaktionsgeschwindigkeit der SN2-Reaktion hängen von folgenden, auch für die SN1-Reaktion gültigen, Faktorenab (Reaktionsparameter der SN2-Reaktion): • Substituënteneffekt: Je sterisch anspruchsvoller die Reste am elektrophilen Kohlenstoff (Substrat) sind, umso langsamer läuft die Reaktion ab. Abbildung 19 : Substituenteneffekt: je sterisch anspruchsvoller, desto langsamer7 Als Ligand (vom lateinischen „ligare“ für „binden“) wird ein (meist negativ) geladenes Ion oder ungeladenes Molekül bezeichnet, das in Folge einerKomplexbildungsreaktion über eine so genannte koordinative Bindung an ein Zentralteilchen (meist ein Metallkation) oder an ein Molekül gebunden ist.Allgemein werden auch Gruppen von Atomen oder einzelne Atome Liganden genannt, die an ein zentrales Teilchen koordiniert sind (Bsp.: SF 6: die 6 F-Atome sind Liganden des Zentralteilchens S). - 19 -
  • 16. Organische Chemie • Sterik des Nukleophils: Je größer bzw. sterisch anspruchsvoller das Nukleophil ist, desto langsamer läuft die Reaktion ab. Je kleiner bzw. sterisch weniger anspruchsvoll, desto reaktiver ist da Nukleophil, d.h. desto schneller läuft die Reaktion ab. Abbildung 20 : Sterik des Nukleophils: je größer, desto langsamer • Anionen (negativ geladene Atome oder Moleküle) sind bessere Nukleophile als neutrale Nukleophile bzw. als die jeweilige konjugierenden Säuren (Säure im Sinne von Protonen- bzw. H+-Donatoren). Abbildung 21 : Anionen sind bessere Nukleophile • Die Nukleophilie (Fähigkeit eines Atoms mit einem freien Elektronenpaar, ein partiell positives Atom unter Ausbildung einer kovalenten Bindung anzugreifen) nimmt innerhalb einer Gruppe im Periodensystem von oben nach unten zu, da auch Atommasse und Elektronenzahl nach unten zunehmen. Die Elektronen auf den weiter außen gelegenen Schalen sind energiereicher und je energiereicher das angreifende Elektronenpaar, desto stärker ist das Nukleophil. Abbildung 22 : Nukleophilie nimmt innerhalb einer Gruppe zu • Die Nukleophilie nimmt innerhalb einer Periode im Periodensystem ab, je elektronegativer das Element ist. Im gleichen Maße, wie die Elektronegativität von links unten nach rechts oben hin zunimmt, nimmt die Nukleophilie von links unten nach rechts oben ab. Bei starker Nukleophilie („gutes Nukleophil“) ist die Elektronegativität (das Bestreben, Elektronen an sich zu ziehen) gering. Ein „gutes Nukleophil“ gibt Elektronendichte an das angegriffene C-Atom ab und dieses kann wiederum Elektronendichte in die „alte“ Bindung drücken, wodurch die Abgangsgruppe besser abgespalten wird. Bei wenig ausgeprägter Nukleophilie („schlechtes Nukleophil“) ist die Elektronegativität hoch. Ein „schlechtes Nukleophil“ gibt weniger Elektronendichte ab, dadurch kann die „alte“ Bindung weniger gut gespalten werden. Abbildung 23 : Nukleophilie nimmer innerhalb einer Periode ab • Lösungsmittel: Lösungsmittel können anionische (negativ geladene) Nukleophile stabilisieren oder destabilisieren: - Polar protische Lösungsmittel können Protonen (H+) abgeben und starke Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden. Sie setzen die Nukleophilie (Fähigkeit, mit einem freien Elektronenpaar das Elektrophil anzugreifen) eines Teilchens mit hoher Ladungsdichte (Ladung pro Volumen) stark herab. Die negative Ladung des Nukleophils wird stabilisiert, was die Reaktivität desselben verringert. Beispiele sind etwa H2O (Wasser), MeOH (Methanol) und EtOH (Ethanol). - Polar aprotische Lösungsmittel weisen besonders stark polarisierende funktionelle Gruppen auf und geben keine Protonen (H+) ab (= aprotisch). Hierdurch entsteht ein Dipolmoment, welches zwischenmolekular elektrostatische Anziehungen bewirkt. Lösungsmittel und Nukleophilen weisen lediglich elektrostatische Wechselwirkungen (keine Wasserstoffbrückenbindungen) auf, wodurch die negative Ladung des Nukleophils nur in geringem Maße stabilisiert wird und dieses reaktiv bleibt. Beispiele für polar aprotische Lösungsmittel sind R-O-R (Ether) und THF (Tetrahydrofuran). • Stabilität der Abgangsgruppe: Je stabiler die Abgangsgruppe ist (Mesomerie etc.), desto leichter verläuft die SN2-Reaktion. Die Abgangsgruppe nimmt, wenn sie durch das Elektrophil verdrängt wird, das ehemals bindende Elektronenpaar mit, sie wirkt dann selbst als Nukleophil. Gute Abgangsgruppen können diese negative Ladung stabilisieren, wodurch sie sich leichter lösen. Abbildung 24 : Beispiele guter Abgangsgruppen - 20 -
  • 17. Organische Chemie Ein Maß für die Güte einer Abgangsgruppe ist die Säurestärke der zur Abgangsgruppe konjugierenden Säure (pKs (Säurestärke) = -lg Ks (Säurekonstante)). Kleine oder negative pKs-Werte kennzeichnen starke Säuren, große Werte schwache Säuren. Je stärker die konjugierende Säure (Protonendonator bzw. Elektronenakzeptor) ist, desto besser ist die Abgangsgruppe, welche selbst also eine schwache Base (Protonenakzeptor bzw. Elektronendonator) ist. Schwache Basen weisen nur eine geringe negative Ladung auf. Wird ein Molekül, dessen Abgangsgruppe eine schwache Base ist, von einem Nukleophil angegriffen, kann die Bindung zwischen dem entsprechenden C-Atom und der Abgangsgruppe leichter gespalten werden. Experimentell lässt sich die bessere Abgangsgruppe bestimmen, indem man aus der Abgangsgruppe durch Protonierung (+ H +) die konjugierende Säure macht und dann den pKs-Wert der Säure bestimmt. Abbildung 25 : Stabilität der Abgangsgruppe Schlechte Abgangsgruppen können durch Lewis-Säuren (Elektronenpaarakzeptoren) aktiviert werden. Lewis- Säuren sind Teilchen mit Elektronenlücken (z.B. AlBr 3, FeCl3, H+), d.h. diesen fehlen Elektronen. Eine Lewis- Säure versucht, den Mangel durch Wechselwirkungen mit Lewis-Basen (Elektronenpaardonatoren) auszugleichen. Die Tendenz, als Abgangsgruppe zu fungieren, wird durch Wechselwirkungen mit Lewis-Säuren erhöht. Durch diese Wechselwirkungen wird die Bindung zwischen Kohlenstoff und Abgangsgruppe geschwächt und die negative Ladung der Abgangsgruppe durch die Lewis-Säure stabilisiert. Formel 14 : Aktivierung einer schlechten Abgangsgruppe durch eine Lewis-Säure (Elektronenakzeptor)Unimolekulare nukleophile Substitution (SN1-Mechanismus) Bei SN1-Reaktionen hängt die Reaktionsgeschwindigkeit nur vom Substrat ab. Grundsätzlich ist die SN1-Reaktionein alternativer zweistufiger Prozess, bei dem zunächst eine kationische Zwischenstufe (Intermediat) gebildet und diese imzweiten Schritt vom Nukleophil angegriffen wird. SN1-Reaktionen kommen nur bei sekundären und tertiärenHalogenalkanen sowie allyl- oder benzylsubstituierten Derivaten 8 vor, da in diesen Fällen das Intermediat durch induktive(Alkylgruppe wirkt als Elektronendonor) und mesomere Effekte (Allyl- und Benzylsubstituënten delokalisieren die positiveLadung) stabilisiert wird. Bei tertiären Halogenalkanen (neben Halogen noch drei weitere Reste gebunden) läuft eine nukleophile Substitution mitschwachen Nukleophilen deutlich schneller ab als bei primären und sekundären Halogenalkanen. Dies liegt daran, dass dasNukleophil am die Geschwindigkeit bestimmenden Schritt nicht beteiligt ist. 1. Der erste Schritt der SN1-Reaktion, die Abspaltung der Abgangsgruppe, ist der langsamste und damit die Geschwindigkeit bestimmende Schritt. Die dabei gebildete Zwischenstufe bzw. das Intermediat enthält ein Carbokation9 (positiv geladenes Kohlenstoffatom innerhalb eines Kohlenwasserstoff-Moleküls), die Abgangsgruppe wird als Anion (negativ geladenes Ion) freigesetzt. Das bei der Reaktion mit tertiären Halogenalkanen entstehende Intermediat ist sp2-hybridisiert und daher planar.8 Bei sekundären Halogenalkanen sind am Kohlenstoff, an welchem sich das Halogen-Atom befindet, noch zwei weitere Reste gebunden. Bei tertiärenHalogenalkanen sind drei weitere Reste gebunden. Allylgruppen entstehen durch Abspaltung eines Wasserstoffatoms aus einem Propen (Alken =Kohlenwasserstoff mit Doppelbindung) und haben die Summenformel H 2C=CH-CH2-R. Benzyl ist ein Abkömmling des Benzol. Benzol (C 6H6) bestehtaus einem planaren Sechsring, an jedem C-Atom des Ringes ist, neben zwei anderen C-Atomen, nur noch ein H-Atom gebunden. Bei Benzyl ist eines derWasserstoffarome durch einen Rest ersetzt. Ein Benzylsubstituënt ist über eine Bindung, an der zuvor ein H-Atom gebunden war, mit einem anderenMolekül verbunden.9 Ein Carbokation ist ein positiv geladenes C-Atom innerhalb eines Kohlenwasserstoffmoleküls. Bei Carbokationen unterscheidet man zwischenCarbeniumionen, welche 3 Substituënten gebunden haben (z.B. +CR3, R = organischer Rest), und Carboniumionen, welche temporär 5 Bindungenausbilden (z.B. +CR5, R = organischer Rest). Nach der Anzahl der organischen Reste unterscheidet man primäre (+CH2R), sekundäre (+CHR2) undtertiäre Carbeniumionen (+CR3). Die Stabilität der Carbokationen nimmt durch so genannte I-Effekte und Hyperkonjugation mit der Anzahl der Restevon primär zu tertiär zu. - 21 -
  • 18. Organische Chemie 2. Im zweiten Schritt wird das Carbokation durch ein schwaches Nukleophil angegriffen. Aufgrund der planaren Struktur des Intermediates kann der Angriff von zwei Seiten mit gleicher Wahrscheinlichkeit erfolgen. Dementsprechend können zwei Enantiomere (verhalten sich wie Bild und Spiegelbild) des Produktes entstehen, man spricht von einer Racemisierung. Letzteres bezeichnet die Umwandlung chiraler Verbindungen in ihre Enantiomere. Bei einer vollständige Racemisierung entsteht ein 50 : 50-Gemisch beider Enantiomere. Formel 15 : Ablauf der SN1-Reaktion Neben den unter Bimolekulare nukleophile Substitution dargestellten Reaktionsparametern der SN2-Reaktion, diegrundsätzlich auch für die SN1-Reaktion gelten, sind für den Ablauf einer unimolekulare nukleophile SubstitutionSubstituënteneffekt, Lösungsmittel und Stabilität der Abgangsgruppe besonders wichtig: • Substituënteneffekt: Die Dissoziation der Bindung zwischen Kohlenstoff und Halogen wird erleichtert, wenn das Intermediat (Carbeniumion, d.h. positiv geladenes C-Atom in der Kohlenwasserstoffkette mit 3 Substituënten) durch Nachbargruppen stabilisiert wird. Die Stabilisierung der positiven Ladung kann durch mehr als 2 Alkylgruppen10, Allyl- oder Benzylsubstituenten10, erfolgen. Die Alkylgruppen wirken als Elektronendonor (positiver induktiver Effekt: Alkylgruppen stellen negative Ladung zum Ausgleich der positiven Ladung des Carbeniumions zur Verfügung), während Allyl- und Benzylsubstituënten die positive Ladung delokalisieren (Mesomerie- bzw. Resonanz-Effekte: Bildlich gesprochen wird die Ladung „verschmiert“, d.h. sie kann nicht einem bestimmten Atom zugeordnet werden, sondern verteilt sich über das ganze Molekül). • Lösungsmittel: Durch die Abspaltung des Halogens während des ersten Reaktionsschrittes werden ionische Teilchen gebildet (z.B. F-), welche selbst als Nukleophil wirken können. Die S N1-Reaktion läuft in hochpolaren Lösungsmitteln besonders gut ab, da die Ionen durch starke Wechselwirkungen mit den Dipolen des Lösungsmittels stabilisiert werden. • Stabilität der Abgangsgruppe: Wie bei der SN2-Reakion gilt auch bei der SN1-Reaktion, dass der Ablauf durch stabile Abgangsgruppen erleichtert wird (Stabilisierung des durch die Abgangsgruppe „mitgenommenen“ Elektronenpaares). Schlechte Abgangsgruppen müssen zunächst aktiviert werden (z.B. mit H + als Lewis-Säure: durch H+ wird zunächst die Bindung C-R geschwächt, dann erst ist der Angriff des Nukleophils möglich).Wahrscheinlichkeit des Reaktionsverlaufs nach S N1- oder SN2--Mechanismus Die Reaktionsmechanismen SN1 und SN2 stellen lediglich zwei Extremfälle dar. In der organischen Chemie kommen,gerade bei sekundären Edukten, oft stufenlose Übergänge vor. Bei Methan (CH4) kann keine SN1-Reaktion stattfinden, da die vier Bindungen gleichwertig sind und die Abtrennungeines H+ relativ schwierig zu bewerkstelligen ist. S N2-Reaktionen kommen hingegen häufig vor, da hierbei die Abtrennungdurch das Nukleophil induziert wird. Gleiches gilt für größere gesättigte Kohlenwasserstoffe. Auch bei Methylgruppen (R-CH3) ist eine SN1-Reaktion nicht möglich, häufig finden sich jedoch Reaktionen mit S N2-Mechsnismus. Bei Halogenalkanen hängt der bevorzugte Reaktionsmechanismus von der Art und Anzahl der übrigen Substituëntenab. Bei primären Halogenalkanen kommen SN1-Reaktionen nur bei Molekülen mit Allyl- oder Benzylsubstituënten vor,SN2-Reaktionen sind hingegen häufig. Bei sekundären Halogenalkanen sind beide Reaktionsmechanismen möglich, beitertiären nur SN1-Reaktionen. R-X SN1 SN2 Me (Methan) Nie Häufig CH3 (Methyl-) Nie Häufig Nur Allyl-, Prim. Halogenalk. Häufig Benzylsubst. Sek. Halogenalk. Möglich Möglich Tert. Halogenalk. Häufig Nie Tabelle 1 : Übersicht der Reaktionswahrscheinlichkeiten10 Eine Alkylgruppe ist ein Teil eines Moleküls, der nur aus C- und H-Atomen besteht. Die einfachste Alkylgruppe ist die Methylgruppe -CH 3; sie trittrelativ häufig auf. Weitere Beispiele sind die Ethylgruppe -CH2-CH3 und die 1-Propylgruppe -CH2-CH2-CH3. Alkylgruppen kommen in sehr vielenMolekülen vor, insbesondere in den gesättigten Kohlenwasserstoffen, den Alkanen. - 22 -
  • 19. Organische ChemieUnimolekulare Eliminierung (E1-Mechanismus) Die SN1-Reaktion kann einen alternativen Reaktionsverlauf zeigen, der als E1-Reaktion bezeichnet wird. Hierbei wirddas Intermediat (Carbeniumion) nicht durch das Nukleophil angegriffen, sondern durch Abgabe eines Protons wird einAlken (Kohlenwasserstoff mit einer Doppelbindung) gebildet. Die Produktverteilung, d.h. die Menge der entstehenden Alkene im Falle des E1-Mechanismus oder die Verdrängungdes Halogensubstituënten durch das Nukleophil im Falle des S N1-Mechanusmus, und damit die Wahrscheinlichkeit für denAblauf der Reaktion nach dem SN1- oder E1-Mechanismus, hängt von der Art der Abgangsgruppe ab. Formel 16 : Reaktionsverlauf SN1- / E1-Mechanismus Beispielsweise kann ein Proton durch polare Lösungsmittel stabilisiert werden, was den Ablauf nach dem E1-Mechanismus unterstützt.Bimolekulare Eliminierung (E2-Mechanismus) Auch bei der SN2-Reaktion kann ein alternativer Reaktionspfad beschritten werden, der als E2-Mechanismus bezeichnetwird. Die bimolekulare Eliminierung läuft ab, wenn das Nukleophil eine sterisch anspruchsvolle Base (H +-Akzeptor,e--Donator) ist. In diesem Fall ist es dem Nukleophil möglich, in der Peripherie des Substrats ein Proton zu abstrahieren(abzuspalten). Die Reaktionsgeschwindigkeit ist hierbei von der Konzentration von Base und Substrat abhängig. DieReaktion kann besonders gut ablaufen, wenn Proton und Abgangsgruppe antiperiplanar (gegenüberliegend aber in einerEbene) angeordnet sind, da die Verschiebung der Elektronendichte hierbei effizient vonstatten gehen kann. Formel 17 : E2-Mechanismus Dem sterischen Anspruch des Nukleophils (bzw. der Base) kommt hierbei eine gewichtige Rolle zu, da sterischanspruchsvolle stark basische Teilchen den Kohlenstoff nicht als Nukleophil angreifen können. Hierdurch steht nur deralternative Reaktionsverlauf (E2) offen, es können also lediglich Protonen in der Peripherie des Substrates abgespaltenwerden. Es ist möglich, durch sterisch anspruchsvolle starke Basen den Ablauf einer Reaktion nach dem S N2-Mechanismuszu unterdrücken (z.B. mit LDA) und einer Eliminierung (E1, E2) ablaufen zu lassen. Formel 18 : Sterisch stark gehinderte Basen Wie der Tabelle zu entnehmen ist, können schwache Nukleophile nur mit sekundär oder tertiär gehindertenHalogenalkane in Form des SN1- oder E1-Mechanismus reagieren. Bei starken Nukleophilen läuft die Substitutiongrundsätzlich nach dem SN2-Mechanismus ab, lediglich bei tertiär gehinderten Kohlenwasserstoffen sind S N1-oder E1-Mechanismus möglich. Ungehinderte und stark basische Nukleophile reagieren mit einfachen und ungehindertenKohlenwasserstoffen nach dem SN2-, mit gehinderten nach dem E2-Mechanismus. Sterisch gehinderte und stark basischeNukleophile können nur mit einfachen Kohlenwasserstoffen nach dem SN2-Mechanismus reagieren. Bei gehindertenKohlenwasserstoffen ist nur ein E2-Mechanismus möglich. - 23 -
  • 20. Organische Chemie Starkes Nu- Ungehindertes Nu- Gehindertes Nu- Schwaches Nu- R-X schwach basisch stark basisch Stark basisch H2O (Iodid) (Na-OMe) (K-OtBut) Methylgruppe - SN2 SN2 SN2 (CH3-X) primär, ungehindert - SN2 SN2 E2 (R-CH2-CH2-X) primär, gehindert - SN2 E2 E2 (R3C-CH2-X) sekundär, gehindert SN1, E1 SN2 E2 E2 (R2CH-X) tertiär, gehindert SN1, E1 SN1, E1 E2 E2 (R3C-X) Tabelle 2 : Übersicht derReaktionswahrscheinlichkeiten - 24 -
  • 21. Organische ChemieAlkohole Alkohole sind Derivate der Kohlenwasserstoffe, die eine oder mehrere funktionelle Hydroxylgruppen (OH-Gruppen)besitzen. Ein Alkan (gesättigter Kohlenwasserstoff, nur H- und C-Atome) mit einer oder mehreren Hydroxylgruppen wirdals Alkanol bezeichnet. Formel 19 : Strukturformel von 1-Pentanol Die meisten Alkohole sind wasserlöslich und lösen ihrerseits manche Ionen. Je länger der entsprechende Alkylrest(Kohlenwasserstoffrest) wird, desto schlechter wird die Wasserlöslichkeit. Alkohole weisen einen hohen pKs-Wert(Säurestärke: hoher Wert = schwache Säure) auf. Daher sind sie nur schwach sauer und geben H + nur an starke, wasserfreieBasen (z.B. Natriumamid, NaNH 2, in flüssigem Ammoniak) ab. Ein protonierter Alkohol, d.h. ein Alkohol, dem einH+ (Proton) entzogen wurde, wird als Alkoholat bezeichnet (Anion eines Alkohols). Alkohole werden in der Chemie als Lösungs- und Frostschutzmittel eingesetzt. Mischt man einen Alkohol mit Wasser,so verringert sich das Volumen des Alkohols, dieser wird durch das Wasser aber nicht protolysiert. Ähnlich wie Wasserbilden Alkohole Wasserstoffbrückenbindungen aus, was den Zusammenhalt der Moleküle untereinander erhöht. Hierdurchliegen Siede- und Schmelzpunkt, im Vergleich zu Alkanen mit vergleichbarer molarer Masse, höher und Alkohole (wiez.B. Methanol) bleiben bei Raumtemperatur flüssig. Alkohole sind brennbar, die Stärke der Rußbildung hängt von der Länge der Kohlenstoffkette ab. Sie werden nach demKohlenwasserstoff mit der längsten unverzweigten Kette, an der die Hydroxygruppe gebunden ist, benannt.Charakteristische Endung von Alkoholen ist „-ol“ (z.B.: CH3OH = Methanol, C2H5OH = Ethanol, etc.). Mit einer Zahl wirdangegeben, an welchem Kohlenstoffatom sich die OH-Gruppe befindet, wobei dem C-Atom mit der OH-Gruppe dieniedrigste möglich Ziffer gegeben wird. Die Unterscheidung in primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole erfolgt anhand derAnzahl der Kohlenstoffatome, die an das C-Atom mit der OH-Gruppe gebunden sind (z.B.: 1-Pentanol = OH-Gruppe am1. C-Atom; 3-Methyl-2-butanol = OH-Gruppe am 2. C-Atom; 1,2-Ethandiol = 2 OH-Gruppen am 1. und 2. C-Atom).Herstellung von Alkoholen Die Herstellung von Alkoholen könnte durch nukleophile Substitution erfolgen, hierbei kann es jedoch zuunerwünschten Eliminierungsreaktionen sowie einer Weiterreaktion zu Ethern kommen. Daher werden zurAlkoholherstellung bevorzugt zweistufige Prozesse gewählt. Formel 20 : Nukleophile Substitution / Eliminierung und Veresterung Auch durch eine Addition von Wasser an Alkenen (z.B.: Ethen, H2C=CH2) können Alkohole hergestellt werden,dieser Prozess wird als Hydratisierung (+ H2O) bezeichnet und Verläuft nach einem Mechanismus, der elektrophilenAddition genannt wird. Diese Reaktion verläuft säurekatalysiert, d. h. zum Ablauf werden Protonen der Säure benötigt, dasam Ende des Prozesses wieder freigesetzt und nicht verbraucht werden. Hierbei spaltet zunächst das H + der Säure dieDoppelbindung des Alkens und lagert sich an diesem an. Hierdurch weist das Molekül eine partiell positive Ladung auf, diees einem Wassermolekül ermöglicht, sich ebenfalls anzulagern. Dabei entsteht eine partielle positive Ladung amSauerstoffatom des Wassers, wodurch ein H+ aus dem Molekül gedrückt wird. Am Ende trägt das ehemalige Alkenbeispielsweise an einem endständigen C-Atom drei H-Atome und am anderen endständigen C-Atom eine OH-Gruppe, esist also zu einem Alkohol geworden. Formel 21 : Alkoholherstellung durch Hydratisierung - 25 -
  • 22. Organische Chemie Eine weitere Möglichkeit, Alkohol herzustellen, ist die Hydrierung (+H2) von Ketonen11 und Aldehyden12. Hierbeiwerden unter Mithilfe eines Katalysators (Pd, Pt oder Ni-Katalysator) zwei H-Atome an das zentrale C-Atom der Keto-oder Aldehydgruppe gebunden. Formel 22 : Hydrierung von Ketonen und Aldehyden Alkohol kann auch durch biochemische Reduktion oder Oxidation von Carbonylverbindungen 13 (Carbonylgruppe:R-C=O) gewonnen werden. Hierbei werden durch Enzyme, dies sind als Katalysator wirkende Proteïne wie etwa dieAlkohol-Dehydrogenase (ADH), 2 Protonen und 2 Elektronen auf das Substrat übertragen. Hierbei werden dieReduktionsäquivalente, d.h. Protonen und Elektronen, durch einen enzymatischen Cofaktor bereitgestellt. ADH nutzt denCofaktor NADH bzw. NAD+, um Carbonylverbindungen zu Alkoholen zu reduzieren (Aufnahme von 2 H+ und 2 e-). DieUmsetzung ist reversibel, umgekehrt können Alkohole zu Carbonylverbindungen oxidiert werden, indem der oxidierteCofaktor (NAD+) zwei Elektronen und ein Proton aufnimmt. Formel 23 : Biochemische Reduktion / Oxidation Auch andere biochemisch relevante Oxidationsreaktionen werden durch Enzyme katalysiert, die Cytochrom-P45-Systeme im enzymatisch aktiven Zentrum tragen und in der Lage sind, Sauerstoff auf Substrate zu übertragen. AndereEnzyme (z.B. Flavinadenindinucleotid, FADH 2) können die Übertragung chemisch gebundenen molekularen Wasserstoffs(H2) katalysieren.Herstellung von Alkoholen durch Reduktion / Oxidation vonCarbonylgruppen Als Reduktion bezeichnet man in der Chemie den Entzug von Sauerstoff oder die Zufuhr von Wasserstoff, inelektrochemischem Sinne auch die Zufuhr von Elektronen. Unter der chemischen Oxidation versteht man im Allgemeinendie Abgabe von Elektronen (Oxidation = Elektronenabgabe, Reduktion = Elektronenzufuhr), unter OxidationsmittelnStoffe, die Elektronen aufnehmen (also reduziert werden) können. Reduktionsmittel sind hingegen Stoffe, die andere Stoffereduzieren können, d.h. diesen Elektronen zuführen können. Dabei wird das Reduktionsmittel selbst oxidiert, d.h. es gibtElektronen ab. Oxidationsmittel nehmen Elektronen auf, sie werden reduziert (Reduktion = Elektronenzufuhr). Reduktionsmittel geben Elektronen ab, werden oxidiert (Oxidation = Elektronenabgabe). Formel 24 : Reduktion von Ketonen und Aldehyden11 Ketone sind chemische Verbindungen, die als funktionelle Gruppe eine nicht endständige Carbonylgruppe (R2C=O) tragen. Im Gegensatz zu denAldehyden ist das C-Atom, welches die Doppelbindung mit dem O-Atom trägt, mit zwei weiteren C-Atomen verbunden. Ketone sind Oxidationsproduktesekundärer Alkohole. Weil man sie von Alkanen (gesättigte Kohlenwasserstoffe) ableiten kann, nennt man sie auch Alkanone. Einfachstes Keton ist dasPropanon, welches auch als Aceton bekannt ist.12 Aldehyde oder Alkanale tragen als funktionelle Gruppe eine endständige Carbonylgruppe (R-CHO). Neben dem doppelt gebundenen Sauerstoff istnur noch ein H-Atom (und natürlich das C-Atom der entsprechenden Kohlenwasserstoffkette) an das zentrale C-Atom der Carbonylgruppe gebunden,daher bezeichnet man die endständige Carbonylgruppe auch als Aldehydgruppe.13 Die Carbonylgruppe ist Bestandteil vieler organischer Verbindungen. Sie besteht aus einem Kohlenstoffatom (Carbonylkohlenstoff), welches eindoppelt gebundenes Sauerstoffatom (Carbonylsauerstoff) trägt. Enthält ein Molekül eine Carbonylgruppe, bezeichnet man es auch alsCarbonylverbindung. Carbonylgruppen sind u.a. enthalten in Carbonsäuren (R-COOH, ein O-Atom ist doppelt gebunden, das andere ist die OH-Gruppe)und Estern (R-CO-O-R). - 26 -
  • 23. Organische Chemie Die Reduktion von Carbonylgruppen wird im Labor nicht durch Enzyme, sondern durch Reduktionsmittel (gebenElektronen ab) durchgeführt. Die Reduktionsmittel sind in der Lage, ähnlich wie NADH, ein Hydridion 14 (hierbei ist H-gemeint) auf die Carbonylgruppe zu übertragen. Hierzu ist es erforderlich, dass der Wasserstoff elektronegativer ist als dasAtom, an welches er gebunden ist. Dadurch kann der Wasserstoff die Bindungselektronen an sich ziehen, wodurch dieBindungsstärke verringert wird. Zwei Reagenzien, bei denen der Wasserstoff elektronegativer ist als das Zentralatom, sind Natriumborhydrid (NaBH 4)und Lithiumaluminiumhydrid (LiAlH 4, kurz LAH). Bei diesen ist das Zentralatom (Al = Aluminium, EN 2,5; B = Bor,EN 2,0) weniger Elektronegativ als der Wasserstoff (EN 2,1). Erst hierdurch ist es möglich, den Wasserstoff auf dieCarbonylverbindung eines Ketons oder Aldehyds zu übertragen. Hierbei wird das C-Atom, welches die Doppelbindungzum Sauerstoff aufweist, durch ein H-Atom des Reduktionsmittels angegriffen, welches damit als Nukleophil wirkt.Dadurch wird die Doppelbindung der Carbonylgruppe gelöst, wobei eines der Elektronenpaare des O-Atoms umklappt undeine neue Bindung mit dem Al- oder B-Atom des (ursprünglichen) Reduktionsmittels bildet. Aluminium- oder Bor-Atome weisen auch nach der beschriebenen Reaktion eine partiell negative Ladung auf, da sienoch über jeweils 3 H-Atome verfügen. Diese können 3 weitere Carbonylverbindungen spalten und sich anlagern. Dieeigentliche Bildung von Alkoholen erfolgt dann durch H2O.Herstellung von Alkoholen durch metallorganische Reagenzien Eine weitere Art der Alkoholsynthese erfolgt unter Nutzung metallorganischer Reagenzien wie Lithium-Alkyl-Verbindungen und Grignard-Verbindungen. Lithium-Alkyl-Verbindungen und Grignard-Verbindungen können ausHalogenalkanen durch Umsetzung mit Metallen hergestellt werden. Hierbei schiebt sich ein Metallatom zwischen dieKohlenstoff-Halogen-Bindung und spaltet das Halogen ab oder integriert sich zwischen den Kohlenwasserstoffrest und dasHalogen in das Molekül. Formel 25 : Herstellung von Lithium-Alkyl- und Grignard-Verbindungen Sowohl bei Lithium-Alkyl- wie auch bei Grignard-Verbindungen 15 wird das dem Metall benachbarte Kohlenstoffatomvon einem Elektrophil zu einem Nukleophil umgepolt, die Elektronendichte also erhöht. Dadurch kann die Alkylgruppe(Kohlenwasserstoffrest) als „hartes Nukleophil“16 (hohe Elektronendichte) bzw. harte Base reagieren. Kohlenstoff-Nukleophile mit geringer negativer Ladungsdichte („weiche“ Nukleophile) erhält man, indem die Lithium-Alkyl- oder Grignard-Reagenziën mit Kupfer(I)-halogeniden umsetzt. Die hierbei entstehenden Verbindungen werden alsCuprat-Reagenzien bezeichnet. Cuprate reagieren mit weichen Zentren bzw. Elektrophilen (geringe Elektronegativität undhohe Polarisierbarkeit).14 Hydride sind chemische Verbindungen des Wasserstoffs. Ursprünglich wurde die Bezeichnung "Hydrid" nur für Verbindungen benutzt, derenWasserstoff die Oxidationszahl -1 hatte. Dies sind größtenteils Verbindungen zwischen Wasserstoff und den stark elektropositiven Metallen der 1. und2. Hauptgruppe. Mittlerweile werden fast alle Wasserstoff enthaltenden Verbindungen als Hydride bezeichnet und in kovalente, salzartige sowiemetallische Hydride und komplexe Übergangsmetallhydride unterteilt.Kovalente Hydride sind Verbindung von Wasserstoff und Metallen sowie Nichtmetallen der 2. und 7. Hauptgruppe. Unter Normalbedingungen sindkovalente Hydride meist flüssig oder gasförmig, die wichtigste Gruppe dieser Hydride sind die Kohlenwasserstoffe. Die Polarität der Bindung hängt vonden Bindungspartnern ab. Bei Wasser (H2O), Ammoniak (NH3), Chlorwasserstoff (HCl) u.A. liegt der Wasserstoff in positiver Form vor, hat dieOxidationszahl +1 und hat Säurefunktion, d.h. er wirkt als Oxidationsmittel (nimmt Elektronen auf). Verbindungen mit negativem Wasserstoff, der dieOxidationszahl -1 hat, sind als Sonderfälle bei kovalenten Bindungen zu betrachten, hierbei hat der Wasserstoff basische Funktion und wirkt alsReduktionsmittel (gibt Elektronen ab, führt dem anderen Stoff Elektronen zu). Bei den Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen der Kohlenwasserstoffe erhältder Wasserstoff ebenfalls die Oxidationszahl +1, die Bindungen sind nur sehr schwach polarisiert und werden als unpolar betrachtet.Salzartige Hydride enthalten das Hydridion H-, oft in Verbindung mit stark elektropositiven Metallen der 1. und 2. Hauptgruppe (Ausnahme: Beryllium).Sie kristallisieren in Ionengittern. Bei metallischen Hydriden ist der Wasserstoff in das Metallgitter von Übergangsmetallen eingelagert. Sie sindhochexplosiv. Die komplexen Übergangsmetallhydride sind ternäre Verbindungen, welche aus Hydridionen, einem Übergangsmetall und einemelektropositiven Metall bestehen. Sie kristallisieren in einem Kristallgitter, die komplexe Anionen enthalten.15 Grignard-Verbindungen entstehen, wenn ein Halogenalkan (z.B. Brommethan, BrCH 2CH3) in Anwesenheit von trockenem Diethylether oderTetrahydrofuran mit metallischem Magnesium reagiert. Das Magnesium-Atom schiebt sich zwischen die Kohlenstoff-Halogen-Verbindung und stellt daszur Stabilität notwendige Elektronenoktett her. In der Grignard-Verbindung trägt das dem Magnesium benachbarte Kohlenstoffatom eine negativePartialladung, es wird sozusagen „umgepolt“. Dadurch werden nützliche Reaktionen, wie die Knüpfung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungenermöglicht. Die Reaktion von Grignard-Verbindungen mit Carbonylverbindungen wird allgemein als Grignard-Reaktion bezeichnet und findet vielfachAnwendung bei der Synthese von Alkoholen. Grignard-Reagenziën reagieren sehr heftig mit Wasser, -SH oder -NH-Gruppen, weshalb trockener Ether füreine Grignard-Reaktion verwendet werden muss.16 Nach dem HSAB-Konzept („Hard-Soft-Acid-Base“, also „Harte-Weiche-Säure-Base-Konzept“) verbinden sich harte Säuren (Säure: H +-Donator, e--Akzeptor) bevorzugt mit harten Basen (Base: H +-Akzeptor, e--Donator) und weiche Säuren verbinden sich bevorzugt mit weichen Basen. Die Definitioneiner weichen oder harten Säure oder Base ergibt sich aus der Elektronegativität und Polarisierbarkeit: Harte Säuren haben eine hohe Elektronegativitätund eine geringe Polarisierbarkeit. Harte Basen haben eine geringe Elektronegativität und geringe Polarisierbarkeit. Weiche Säuren haben eine hoheElektronegativität und Polarisierbarkeit. Weiche Basen haben eine geringe Elektronegativität und hohe Polarisierbarkeit. - 27 -
  • 24. Organische Chemie Formel 26 : Umsetzung mit Kupfer(I)-halogenid Die Reaktivität der metallorganischen Verbindungen lässt sich also durch Umsetzung mit Kupfer(I)-halogenidensenken. Durch Nutzung der entsprechenden Reagenzien lassen sich somit chemische Umsetzungen ermöglichen oderunterdrücken (Chemoselektivität). Metallorganische Reagenzien ermöglichen die Herstellung von Alkoholen ausAldehyden (funktionelle Gruppe: CHO), Ketonen (nicht endständige Carbonylgruppe, R 2-C=O) und Epoxiden (zyklischeorganische Verbindung, bei welcher ein Sauerstoffatom in den Kohlenwasserstoff-Ring integriert ist). Bei der Herstellung von Alkoholen aus Aldehyden und Ketonen wird der elektrophile Kohlenstoff der Aldehyden bzw.Ketonen durch den nukleophilen Kohlenstoff von metallorganischen Verbindungen angegriffen. Dabei wird dieDoppelbindung der Carbonyl- bzw. Aldehydgruppe gespalten und eine neue C-C-Bindung realisiert. Durch die folgendeUmsetzung mit Wasser wird das Metall entfernt und die OH-Gruppe am ehemaligen Aldehyd oder Keton gebildet. Formel 27 : Umsetzung von Aldehyden und Ketonen mit metallorganischen Verbindungen Bei der Herstellung von Alkoholen aus Epoxiden wird der Epoxidring durch den nukleophilen Kohlenstoff vonmetallorganischen Verbindungen angegriffen und geöffnet. Dies ist möglich, da der Epoxidring unter starker Spannungsteht. Auch hierbei wird der Metallanteil an den Sauerstoff des Epoxids gebunden und der Kohlenstoffanteil an dasangegriffene C-Atom, wodurch eine Kettenverlängerung um 2 C-Atome realisiert werden kann. Die Reaktion folgt demSN2-Mechanismus (Bildung eines Intermediats). Formel 28 : Umsetzung von Epoxiden mit metallorganischen Verbindungen Auch Carbonsäureester (R-COO-R) reagieren mit harten Nukleophilen wie Lithium-Alkyl-Verbindungen und Grignard-Reagenziën, indem deren nukleophiler Kohlenstoff den elektrophilen Kohlenstoff des Esters angreift. Allerdings wirdhierbei der Metallanteil der jeweiligen metallorganischen Verbindung sowie eine Methylgruppe (R-CH 3) desCarbonsäureesters als Abgangsgruppe abgespalten und ein Keton (R 2-C=O) entsteht. Das Keton kann mit weiterenmetallorganischen Verbindungen zu einem tertiären Alkohol (am C-Atom der OH-Gruppe sind noch drei andereSubstituënten gebunden) abreagieren. Die Alkoholbildung erfolgt wiederum mit Hilfe von Wasser. Formel 29 : Alkoholherstellung aus Carbonsäureester - 28 -
  • 25. Organische ChemieEster Ester entstehen formal oder tatsächlich durch die Reaktion einer Säure und eines Alkohols unter Abspaltung vonWasser. Es gibt sowohl Ester organischer Säuren (z.B. Carbonsäuren 17, Sulfonsäuren), als auch anorganischer Säuren (z.B.Phosphorsäure, Borsäure). Die Ester einiger Säuren sind als Säuren instabil und können nur als Ester existieren. Formel 30 : Allgemeine Strukturformel für Carbonsäureester Der systematische Name eines Esters wird nach dem Prinzip „Name des Alkoholrests (z.B. „Ethyl“) + Name desSäurerests (z.B. „Ethan“) + „-oat“ (z.B. Ethylethanoat)“ gebildet. Charakteristische Endung eines Esters ist „-oat“. „Carbonsäureester sind durch den enthaltenen Sauerstoff polar, doch da ihnen der Wasserstoff der Carbonsäure fehlt,sind sie nicht sauer, auch können sie ohne Partner, der einen polar gebundenen Wasserstoff enthält, keineWasserstoffbrücken ausbilden. Da sie als Reinsubstanz keine Wasserstoffbrücken ausbilden, liegt ihr Siedepunkt imVergleich mit Alkoholen oder gar Carbonsäuren von vergleichbarer molarer Masse wesentlich niedriger. Die, wenn auchgeringe, Wasserlöslichkeit von Estern ist auf Wechselwirkung des polaren Carbonyl-Sauerstoffs im Ester mit dem polarenWasserstoff im Wasser zurückzuführen, welche eine Wasserstoffbrücke bilden. Dieser Effekt ist vor allem bei niederenAlkansäurealkylestern merklich, mit steigender Molekülgröße wird die Wasserlöslichkeit geringer, da die Wirkung despolaren Sauerstoffs im Verhältnis zu den apolaren Alkylresten immer weniger Wirkung zeigt. In der Praxis sind Ester imAllgemeinen als hydrophob zu bezeichnen.“Veresterung und Hydrolyse - Reaktion von Carbonsäuren mit Alkoholen Bei der Veresterung von Carbonsäuren mit Alkoholen wird aus einem Alkohol und einer Carbonsäure ein Estergebildet. Die Anwesenheit einer Säure (H+-Donator) als Katalysator erleichtert die Reaktion, welche als saure Veresterungbzw. saure Hydrolyse (Spaltung einer Verbindung durch Reaktion mit H2O) bekannt ist. Die saure Veresterung ist eine Protonen-Katalysierte Gleichgewichtsreaktion, bei der die Rückreaktion (Esterhydrolysebzw. Esterspaltung) zeitgleich zur Hinreaktion (Veresterung) abläuft. Durch Wahl der Reaktionsbedingungen, z.B.Zuführung von Produkten oder Edukten, kann das Gleichgewicht auf die Seite der Edukte oder Produkte verschobenwerden. Die säurekatalysierte Veresterung läuft in 3 Schritten ab:1. Protonierung der Carbonsäure: Zuerst wird an das doppelt gebundene O-Atom der Carbonsäure ein H +, das durch die als Katalysator wirkende Säure zur Verfügung gestellt wird, gebunden. Hierdurch verfügt die Carbonsäure über 2 OH-Gruppen. Da die Zuordnung der Elektronendichte nicht eindeutig möglich ist, können Resonanzstrukturen formuliert werden (jeweils eine der beiden OH-Gruppen doppelt gebunden, dabei partielle positive Ladung am H- Atom, oder beide OH-Gruppen nur einfach gebunden, dabei partielle positive Ladung am zentralen C-Atom). Die Resonanzstrukturen werden unter dem Sammelbegriff „Carbeniumion“ zusammengefasst. Formel 31 : Protonierung der Carbonsäure 2. Nukleophiler Angriff: Das Nukleophil, d.h. der Alkohol, greift mit einem freien Elektronenpaar des O-Atoms seiner OH-Gruppe das zentrale C-Atom des Carbeniumions (im partiell positiv geladenen Zustand) an und bindet an dieses. Dadurch entsteht ein tetraedrisches Zwischenprodukt. Im Ergebnis hat eine Addition des Alkohols an die ursprüngliche Carbonsäure stattgefunden. Das O-Atom der OH-Gruppe des Alkohols, welches an das Carbeniumion gebunden hat, erlangt hierdurch eine partiell positive Ladung, was es dem O-Atom einer OH- Gruppe des Carbonsäureanteils erlaubt, die Bindung zum O-Atom der OH-Gruppe des Alkoholanteils zu lösen und das H-Atom an sich zu binden. Hierdurch entsteht ein Molekül mit einem „Wasseranteil“ (H 2O-R), dessen O- Atom eine partielle positive Ladung aufweist.17 Carbonsäuren (H+-Donatoren, e--Akzeptor) können einbasig (Monocarbonsäuren, nur eine Carboxyl- d.h. RCOOH-Gruppe), oder mehrbasig (mehrereCarboxylgruppen) sein, je nach Anzahl der COOH-Gruppen (ein doppelt gebundenes Sauerstoffatom und eine OH-Gruppe). Die kurzkettigenCarbonsäuren sind farblose, stark riechende Flüssigkeiten mit polarem Charakter. Die Polarität ermöglicht die Ausbildung vonWasserstoffbrückenbindungen, die spezielle Anordnung derselben ermöglichen die Bildung von Carbonsäure-Dimeren. Hierdurch wird die ohnehinrelativ hohe Siedetemperatur weiter erhöht und die Molekülmasse, z.B. im Dampfraum über der entsprechenden Flüssigkeit, verdoppelt. Mit zunehmenderKettenlänge nimmt auch der fettartige Charakter zu, gleiches gilt für die Salze der Carbonsäure. Die häufigsten Fettsäuren haben 16 bis18 Kohlenstoffatome, ihre Triglycerid-Ester sind Fette. Die Natrium- und Kalium-Salze der Fettsäuren finden Verwendung als Kern- und Schmierseife.Carbonsäureester kommen im biologischen Bereich in großem Variantenreichtum und in großer Menge vor. Fruchtaromen, Fette und ein wesentlicherTeil der Wachse zählen dazu. - 29 -
  • 26. Organische Chemie Formel 32 : Nukleophiler Angriff durch den Alkohol 3. Wasserabspaltung und Deprotonierung: Die partiell positive Ladung des „Wasseranteils“ schwächt die Bindung zum zentralen C-Atom, zumal die Elektronendichte des O-Atoms der gegenüberliegenden OH-Gruppe auf das C-Atom wirkt. Schließlich klappt ein freies Elektronenpaar der OH-Gruppe um und es bildet sich eine Doppelbindung, während der Wasseranteil abgespalten wird. Durch die Bildung der Doppelbindung wird das H- Atom der OH-Gruppe partiell positiv geladen und spaltet sich ab (im ersten Schritt wird ein H + durch den Katalysator zur Verfügung gestellt, nun wird es wieder „zurückgegeben“). Produkt der Gesamtreaktion ist ein Carbonsäureester. Die Rückreaktion der sauren bzw. säurekatalysierten Veresterung ist reversibel. Sie wird als Esterhydrolyse bzw. Esterspaltung bezeichnet. Formel 33 : Wasserabspaltung und DeprotonierungBasische Hydrolyse - Verseifung Die Rückreaktion der Veresterung kann auch in Form einer basischen Hydrolyse ablaufen, welche als „Verseifung“bezeichnet wird und nicht reversibel ist. Als Produkte der Rückreaktion entstehen ein Alkohol und das entsprechende Salzder Carbonsäure. Die Spaltung von Carbonsäureestern in wässrigem Natriumhydroxid (NaOH) ist ein Beispiel für dieVerseifung. Natriumhydroxid ist eine ionische Verbindung von Na + und OH-. In Wasser löst es sich unter großerWärmeentwicklung zur stark alkalisch reagierenden Natronlauge auf, während es an der Luft mit CO 2 zu Natriumcarbonatreagiert. Das im Wasser gebildete OH--Ion ist ein starkes Nukleophil, welches den Ester spalten kann. Auch die Verseifunglässt sich in drei Schritten darstellen:1. Nukleophiler Angriff des Hydroxid-Ions: Das OH-Ion greift das Ester-Carbonyl-C-Atom an. Die Doppelbindung des C-Atoms zum O-Atom wird hierdurch gelöst und klappt zum O-Atom um, wodurch dieses eine partiell negative Ladung aufweist. Dieses erste bei der basischen Hydrolyse gebildete Zwischenprodukt wird ebenfalls als tetraedrisches Intermediat bezeichnet (da die 4 Substituënten des zentralen C-Atoms sich mit möglichst großem Abstand zueinander im Raum anordnen). Formel 34 : Nukleophiler Angriff des Hydroxid-Ions2. Abspaltung des Alkoholat-Ions und Bildung der Carbonsäure: Ein freies Elektronenpaar des partiell negativ geladenen O-Atoms klappt zum zentralen C-Atom zurück und bildet wieder eine Doppelbindung mit diesem, wodurch dessen Bindung zum aus dem Alkoholanteil des Esters stammenden O-Atom gelöst wird. Der gesamte Alkoholanteil des Esters verlässt das Molekül, aufgrund seiner negativen Ladung wird er als Alkoholat-Ion bezeichnet. Formel 35 : Abspaltung Alkoholat-Ions / Bildung der Carbonsäure3. Protonenübergang vom Carbonsäuremolekül auf das Alkoholrat-Ion (irreversibler Schritt der Verseifung): Das Alkoholrat-Ion weist eine hohe Elektronendichte auf (3 freie Elektronenpaare am O-Atom), wodurch es als starke Base wirkt (H+-Akzeptor). Es übernimmt das H-Atom, welches im ersten Schritt vom Hydrooxid-Ion in das Molekül eingebracht wurde. Das O-Atom, dem der Wasserstoff entzogen wurde, verfügt nun seinerseits über eine starke negative Ladung (3 freie e--Paare), während die negative Ladung des Alkoholrat-Ions durch das aufgenommene H- Atom „entschärft“ wurde. Reaktionsprodukte sind also ein Carbonsäuresalz und ein Alkohol. - 30 -
  • 27. Organische Chemie Formel 36 : Protonenübergang Carbonsäuremolekül - Alkoholat-Ion Die aus der basischen Esterspaltung resultierende Carbonsäure reagiert durch die starke negative Ladung an einem O-Atom als Ion und kann ionische Bindungen eingehen oder eine Kristallstruktur bilden. Daher wird sie als Salz derCarbonsäure bezeichnet. Sie bietet dem aus der basischen Esterspaltung resultierenden nukleophilen Alkohol keinenAngriffspunkt mehr, weswegen sich die Reaktion nicht umkehren lässt. Bei der alkalischen oder basischen Esterhydrolyseist das OH-Ion kein Katalysator, sonder wird als Reaktionspartner verbraucht. - 31 -
  • 28. Organische ChemieEther Ether sind formal durch eine Kondensationsreaktion 18 zweier Alkohole gewonnene chemische Verbindungen. Siebestehen aus einem Sauerstoffatom, welches von 2 Kohlenstoffresten eingerahmt wird. Der bekannteste Ether ist der vorallem in Lösungs- und Narkosemitteln vorkommende Diethylether, welcher selbst oft einfach als Ether (oder Äther)bezeichnet wird. Formel 37 : Strukturformel für Diethylether Dimethylether (H3C-O-CH3) ist der einfachste Ether und kann aus Ethanol und Schwefelsäure gewonnen werden.Neben den offenkettigen (acyclischen) gibt es cyclische Ether (z.B. Tetrahydrofuran). Meist sind Ether relativreaktionsträge, weswegen sie oft als Lösungsmittel in der präparativen organischen Chemie verwendet werden. Etherkönnen zwar Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden, allerdings nur in sehr geringem Umfang. Daher nimmt dieLöslichkeit von Ethern in Wasser bei höheren Ethern schnell ab. In einem Liter Wasser lösen sich nur etwa 65 mlDiethylether. Die Benennung von Ethern richtet sich an der Betrachtung der Ether als Alkoxy-Alkane aus, wobei die Gruppe O-R alsAlkoxy-Substituënt einer Alkan-Kette behandelt wird. Die kürzere Kohlenwasserstoffkette des Moleküls R-O-R ist hierbeider Alkoxy-Rest, die größere bildet den Stamm des Stoffnamens. H 3C-O-CH3 etwa setzt sich zusammen aus einem H3C-O-Substituenten und dem Methyl-Rest als Stamm, wobei allerdings beide Reste gleichwertig sind. Entsprechend heißt dieVerbindung Methoxymethan (= Dimethylether). Bei H3C-O-CH-(CH3)2 ist die längste bzw. höherrangige eine Propan-Kette, die kürzere bzw. niederrangige eineMethylgruppe und der Methoxy-Substituënt (H3C-O-R) bindet an das 2. C-Atom der Propan-Kette. Daher wird dieseVerbindung als 2-Methoxypropan (2. C-Atom der längsten Kette, kürzere Kette enthält Methoxy-Gruppe, längste Kette istPropan). Cyclische Ether werden als Cycloalkane behandelt, bei denen ein oder mehrere C-Atome durch ein O-Atomersetzt wurden. Dies wird lediglich durch die Vorsilbe „Oxa-“ kenntlich gemacht (z.B. Oxacylohexan, 3-Oxafluorocyclohexan).Williamsonsche Ethersynthese Der bekannteste Mechanismus der Ethersynthese ist die so genannte Williamsonsche Ethersynthese (nachA. W. Williamson, 1824 - 1904). Die Bildung des Ethers erfolgt durch die Reaktion eines Sauerstoffnukleophils mit einemHalogenalkan nach dem SN1- oder SN2-Mechanismus. Auch cyclische Ether (selbst gespannte Epoxide) lassen sich in einerintramolekularen Substitutionsreaktion herstellen, wobei sich die Ausbeute bei großen Ringen aus mehr als 8 Atomenverschlechtert. Bei der Williamsonschen Ethersynthese wird ein Alkali-Alkoholat19 mit einem Halogenalkan zur Reaktiongebracht. Im Falle eines Natrium-Alkoholats wird das Na-Atom durch den Halogenanteil eines Halogenalkans nukleophilangegriffen. Das Halogen bindet an das Na-Atom, wobei die Bindung des Halogens mit dem Alkan gelöst wird. DasAlkoholat bindet mit dem Sauerstoff-Atom, von welchem das Natrium entfernt wurde, an das C-Atom des Alkans, an demzuvor das Halogen gebunden war. Hierdurch entstehen ein Ether und das entsprechende Alkali-Halogensalz. Bei intramolekularen Reaktionen, etwa innerhalb eines Bromethanol-Moleküls (C 2H5BrO), kann in Anwesenheit einerBase (OH-) das Sauerstoffatom der OH-Gruppe an ein zweites C-Atom binden und dessen Substituënten, also dasBromatom, verdrängen. Hierdurch entsteht Oxiran (C2H4O), ein cyclischer Ether bzw. ein Epoxid. Der aus 2 C-Atomenund dem Sauerstoff-Atom gebildete Dreiring ist allerdings stark gespannt, aus thermodynamischer Sicht also relativ wenigstabil. Bei der intramolekularen Reaktion von Brombutanol (C 4H9BrO) entsteht auf die gleiche Weise ein Fünfring, welcherweniger stark gespannt und dementsprechend stabiler ist. Neben den beschriebenen können auf die gleiche Weise natürlichnoch weitere Ringsysteme entstehen. Formel 38 : Bildung cyclischer Ether18 Eine Kondensationsreaktion ist eine Substitutionsreaktion, bei der sich zwei Moleküle unter Abspaltung eines einfachen Moleküls (meist Wasser,aber auch Ammoniak, Kohlendioxid, Chlorwasserstoff, ...) miteinander verbinden.19 Als Alkali-Alkoholat werden Verbindungen eines Alkalimetalls, d.h. eines Elements der 1. Hauptgruppe, mit einem protonierten Alkohol bezeichnet.Der Hydroxylwasserstoff wird hierbei durch ein Metall-Atom ersetzt, wobei die Verbindung oft ionischen Charakter hat. - 33 -
  • 29. Organische ChemieWeitere Ethersynthese-Mechanismen Die säurekatalysierte Kondensation von Alkoholen und die Addition von Alkoholen an Doppelbindungen sind zweiweitere Mechanismen, die zur Herstellung von Ethern dienen können. Bei der säurekatalysierten Kondensation von Alkoholen reagieren 2 Alkohol-Moleküle, katalysiert durch eine Säure, zueinem Ether. Sind im Reaktionsgemisch ausschließlich Alkohol-Moleküle derselben Alkoholart vorhanden, können aufdiesem Wege symmetrische Ether hergestellt werden. Formel 39 : Säurekatalysierte Kondensation von Alkoholen Bei der Addition von Alkoholen an Doppelbindungen wird zunächst das Proton der OH-Gruppe elektrophil an dieDoppelbindung eines Alkens addiert, wobei ein Alkoholat (Alkohol, dem ein H-Atom entzogen wurde) und einKohlenwasserstoff-Molekül ohne Doppelbindung entstehen. Anschließend lagert sich das Alkoholat nukleophil an dasKohlenwasserstoff-Molekül an, woraus ein Ether resultiert. Formel 40 : Addition von Alkoholen an Doppelbindungen - 34 -
  • 30. Organische ChemieElektrophile Addition Bei der elektrophilen Addition reagieren Alkene (Kohlenwasserstoffe mit mindestens einer Doppelbindung) oderAlkine (Kohlenwasserstoffe mit mindestens einer Dreifachbindung) mit verschiedenen Stoffklassen. Grundsätzlich erfolgtdie Reaktion in 2 Schritten.Markovnikov-Regel Bei der Reaktion eines Alkens mit einem Reaktionspartner, der das Proton bereitstellt, wird im ersten Reaktionsschrittdie Doppelbindung protoniert, d.h. von H + bzw. dem elektrophilen Teil des Reagenzes angegriffen. Prinzipiell könnte dasProton an jedes an der Doppel- bzw. Dreifachbindung beteiligte C-Atom binden. Es zeigt sich jedoch, dass stets dashöhersubstituierte Carbokation (positiv geladenes Kohlenwasserstoff-Molekül) gebildet wird. Dies resultiert aus derTatsache, dass Alkylgruppen (z.B. R-CH3, R-CH2-CH3 etc.) elektronenschiebende Substituënten (Elektronendonatoren, +I-Effekt) sind, welche die positive Ladung stabilisieren können. Ein sekundäres Kohlenstoffatom wird durch 2 +I-Effektestabilisiert, ein primäres nur durch einen. Verzweigte Alkylgruppen beeinflussen andere funktionelle Gruppen durch ihren Raumbedarf und vermindern durchdiese sterische Hinderung die Reaktivität, was sich ebenfalls stabilisierend auf die positive Ladung auswirkt. DieStabilisierung derselben im Molekül ist umso besser, je größer die Anzahl von Alkylgruppen um die Ladung ist. DieseUmstände wurde zuerst von Wladimir Wassiljewitsch Markownikow (1883 - 1904) beschrieben. Nach ihm ist die sogenannte Markownikow-Regel20 benannt, die u.a. besagt, dass bei der elektrophilen Addition an Doppelbindungen jeweilsdas stabilste und damit höher substituierte Carbokation gebildet wird. Im Laufe des 2. Reaktionsschrittes reagiert das intermediäre Kation, d.h. das Kohlenwasserstoff-Molekül, dessenDoppelbindung während des ersten Reaktionsschrittes durch Bindung des Proton aufgelöst wurde, mit dem Rest desReagenzes. Durch die Abgabe eines Protons weist das Reagenz eine negative Ladung auf, es stellt also ein Nukleophil dar.Im 1. Reaktionsschritt hatte sich das Proton des Reagenzes mit dem Kohlenstoff des Kations verbunden, der die meistenProtonen aufwies. Das Nukleophil hingegen bindet an das Kohlenstoffatom, welches die wenigsten Protonen aufweist. Abbildung 26 : Unterschiede → Markovnikov und Anti-Markovnikov-ProduktDarstellung von Anti-Markovnikov-Alkoholen Anti-Markovnikov-Produkte entstehen, wenn durch das vom Reagenz stammende Proton im ersten Reaktionsschrittzwar die Mehrfachbindung des Alkens oder Alkins protoniert wird, das Proton dann aber nicht an das höher substituierte C-Atom bindet. Das hierbei entstehende Carbokation weist eine positive Ladung auf, die am Rand des Kohlenwasserstoff-Moleküls liegen oder gar endständig sein kann. Das negativ geladene und daher als Nukleophil reagierende „Rest-Reagenz“ bindet dann an das die positive Partialladung tragende C-Atom. Auf direktem Wege können Anti-Markovnikov-Alkohole aus Alkenen nicht dargestellt werden. Um einen Anti-Markovnikov-Alkohol zu synthetisieren, muss daher ein Umweg beschritten werden. Hierbei wird im ersten Schritt eineHydroborierung durchgeführt, d.h. eine Umsetzung eines Alkens mit Boran (Borwasserstoffverbindungen, z.B. R 2BH).Dieser Reaktionsschritt läuft gemäß der Regel von Markovnikov ab, da bei B-H-Verbindungen stets der Wasserstoff derelektronegativere Partner ist. Das Intermediat, d.h. die Alkyl-Bor-Verbindung wird im zweiten Reaktionsschritt mitbasischer Wasserstoffperoxyd-Lösung (NaOH / H2O2) umgesetzt, wobei der Anti-Markovnikov-Alkohol entsteht.20 Die Markownikow-Regel besagt, dass bei der elektrophilen Addition von Halogenwasserstoffen an Doppelbindungen zwischen Kohlenstoffatomendas Wasserstoffatom des Halogenwasserstoffs immer an das wasserstoffreichere, das Halogenatom an das wasserstoffärmere bzw. höher substituierteKohlenstoffatom gebunden wird. Wird die Stabilität der beiden im Übergangszustand möglichen Carbeniumionen ausschließlich durch +I-Effekte vonAlkylsubstituënten bestimmt, werden die entsprechenden Endprodukte als Markownikow-Produkte bezeichnet, da sie der Regel entsprechen.Wird die Stabilität hingegen nicht durch entsprechende Alkylsubstituënten bestimmt, können auch Anti-Markownikow-Produkte auftreten. DieAddition von HCl an Acrylsäure (CH2=CH-COOH) ist ein Beispiel hierfür. Hierbei entsteht nur 3-Monochlorpropionsäure, da das stabilere Carbeniumionwährend der Reaktion nicht in unmittelbarer Nachbarschaft der elektronenziehenden Carboxylgruppe (-I-Effekt) entstehen kann. - 35 -
  • 31. Organische Chemie Formel 41 : Darstellung von Anti-Markovnikov-Alkoholen durch Hydroborierung und Umsetzung mit basischer Wasserstoffperoxid-LösungEpoxidierung von Alkenen Eine spezielle Art der elektrophilen Addition ist die Synthese von Epoxiden aus Alkenen durch Umsetzung mitPersäure21 (eine Peroxycarbonsäure), meist wird meta-Chlorbenzoësäure (kurz „MCPBA“) verwendet. Hierbei wird ineinem cyclischen Übergangszustand ein elektrophiler Sauerstoff der Persäure auf das Alken übertragen, wodurch dessenDoppelbindung gespalten wird und ein Epoxid 22, d.h. eine zyklische organische Verbindung aus ein oder mehreren in einenKohlenstoffring eingebauten Sauerstoffatomen, sowie eine Carbonsäure (R-COOH) entstehen. Formel 42 : Darstellung von Epoxiden durch Umsetzung von Alkenen mit Persäure Epoxid-Ringe können durch nukleophile Substitution geöffnet werden. Hierbei reagieren OH --Ionen als Nukleophileund führen einen Rückseitenangriff durch, wodurch der Ring geöffnet wird. Der Mechanismus dieser S N2-Reaktion bewirktdie Bildung so genannter trans-Diole, also Alkohole mit 2 OH-Gruppen, die - ausgehend von der Ebene des ursprünglichenAlkens - auf unterschiedlichen Seiten des Produktes stehen. Formel 43 : Bildung von „trans“-Diolen Da bei Diolen auch Rotationen um die Einfachbindung zwischen den beiden C-Atomen, welche die OH-Gruppentragen, möglich sind, können meso-Verbindungen entstehen. Meso-Verbindungen besitzen zwei Stereozentren (Atome mit4 unterschiedlichen Substituënten), nämlich die beiden die OH-Gruppen tragenden C-Atome, sind aber nicht chiral. Sieverhalten sich also nicht wie Bild und Spiegelbild, das Bild kann mit dem „Spiegelbild“ durch Drehung in Deckunggebracht werden. Genauer werden meso-Verbindungen als Mitglieder einer Gruppe von Stereoisomeren bezeichnet, zu dermindestens eine chirale Verbindung gehört.21 Peroxycarbonsäuren sind organische Verbindungen, die eine Peroxycarbonsäuregruppe als Funktionelle Gruppe tragen. Diese besteht aus einem C-Atom, an welches ein O-Atom doppelt und ein O-Atom einfach gebunden ist. Das einfach gebundene O-Atom trägt außerdem eine OH-Gruppe. Wie vielePeroxide, also Verbindungen, die ein Peroxid-Ion (O2-) oder eine Peroxogruppe (R-O-O-R) enthalten, sind Peroxycarbonsäuren in reiner oder hochkonzentrierter Form explosiv. Die Explosivität und Wasserlöslichkeit nehmen mit steigender Länge der Kohlenwasserstoffkette ab (ab einer Kettenlängevon 6 C-Atomen nicht mehr in Wasser löslich). Aromatische Peroxycarbonsäuren sind in organischen Lösungsmitteln besser löslich, als in Wasser.22 Epoxide sind zyklische organische Verbindungen, die aus einem Kohlenwasserstoff-Ring und, darin eingebettet, einem oder mehreren Sauerstoff-Atomen bestehen. Meist sind Epoxide sehr reaktionsfähig. Das einfachste Epoxid ist Ethylenoxid ( C2H4O), welches einen Dreiring bildet. Dieser weisteine starke Ringspannung auf, weswegen Ethylenoxid relativ instabil ist. Der Ring kann leicht geöffnet werden, wodurch z.B. in Wasser ein Diol(organische Verbindung mit 2 Hydroxyl- d.h. OH-Gruppen), also ein Alkohol, entsteht. Mehrere Exoxid-Segmente können Polyepoxide bilden, zu diesenPolymeren gehört auch Epoxidharz. Letzteres wird als Kleb- oder Komposit-Werkstoff verwendet. - 36 -
  • 32. Organische Chemie Formel 44 : trans-Diole - meso-Verbindungen Durch die Rotation um die Einfachbindung ist es möglich, dass beide OH-Gruppen auf derselben Seite derBindungsachse angeordnet werden (Cis-Anordnung). Ob ein Diol eine meso-Verbindung darstellt oder nicht, hängt von derArt der weiteren Reste an den die OH-Gruppen tragenden C-Atomen ab. Sind jeweils 2 der 4 Substituënten, die neben denOH-Gruppen an die jeweiligen C-Atome gebunden sind, von gleicher Beschaffenheit und stehen sich diese Restegegenüber, liegt eine meso-Verbindung vor. Sind die Reste hingegen von unterschiedlicher Beschaffenheit, liegt eineandere Form der Stereoisomerie vor - abhängig von der Beschaffenheit der Reste.Bromierung von Alkenen Der Reaktionsmechanismus der Bromierung von Alkenen ähnelt dem zweistufigen Prozess der trans-Diol-Bildung,stellt also ebenfalls eine SN2-Reaktion dar. Im ersten Schritt der Reaktion von Brom (Br 2) mit der Doppelbindung einesAlkens wird diese durch das Brom polarisiert. Die Polarisation der Doppelbindung ist letztlich so stark, dass dieDoppelbindung gespalten wird und sich aus dem Alken und einem Brom-Atom ein Bromonium-Ion und aus dem 2. Brom-Atom ein Bromid-Ion (Br-) bilden. Formel 45 : Bromierung von Alkenen Bromonium-Ionen weisen eine ähnliche Struktur wie Epoxide auf, bestehen also aus einem Kohlenwasserstoff-Ring, inden statt Sauerstoff jedoch Brom-Atome eingebettet sind. Das Bromonium-Ion weist eine partielle positive Ladung amBrom-Atom auf. Die positive Partialladung resultiert aus der Tatsache, das elementares Brom über 7 Valenzelektronenverfügt, zur Vollbesetzung der Valenzschale (Oktettregel) also nur ein Elektron fehlt. Die Bindungen an die beiden C-Atome, welche das Brom-Atom in den Kohlenwasserstoff-Ring integrieren, erfordern allerdings 2 Elektronen des Brom-Atoms. Die so entstehende positive Partialladung ist zwar auf den Ring verteilt, weist aber einen Schwerpunkt bei Bromauf (bei Bromonium-Ionen, in denen die positive Ladung über ein tertiäres Kohlenstoffatom verteilt wird, liegt derSchwerpunkt allerdings mehr beim Kohlenstoff, da sich auf diese Weise eine höhere Stabilität ergibt). Somit weist dasBromonium-Ion, im Vergleich zum Bromid-Ion, eine positive Partialladung auf. Im zweiten Schritt kann das negativ geladene Bromid-Ion das Bromonium-Ion von der dem Brom-Atomgegenüberliegenden Seite nukleophil angreifen und den Ring öffnen, wobei ein trans-Dibromderivat entsteht. Die Produkte der Reaktion stellen grundsätzlich Enantiomere dar. Wird die Reaktion jedoch mit einem E-Alken (E-Isomerie: mindestens 2 gleichwertige Substituënten befinden sich auf entgegengesetzten Seiten der Doppelbindung)durchgeführt, bei dem 2 Paare gleicher Substituënten vorliegen (also R1 = R4 und R2 = R3), entsteht eine meso-Verbindung. - 37 -
  • 33. Organische ChemieCycloaddition Die Cycloaddition ist Form der Additions-Reaktion, bei der grundsätzlich zwei ungesättigte Systeme durch Bildungeines Ringes miteinander reagieren. Reaktionsprodukt ist allerdings eher selten ein Ringsystem. Oftmals folgen weitereReaktionsschritte und am Ende der jeweiligen Gesamtreaktion steht kein cyclisches Reaktionsprodukt. Da die π-Elektronen beider Bindungspartner bei der Cycloaddition eine wesentliche Rolle spielen, wird meist mit einemKürzel vor der Reaktionsbezeichnung angegeben, wie viele π-Elektronen an der Reaktion beteiligt sind. Beispielsweisebedeutet das Kürzel „[4+2]-C.A.“, das an der Cycloaddition 4 π-Elektronen des einen und 2 π-Elektronen des anderenReaktionspartners beteiligt sind.Cycloaddition - Bishydroxylierung von Alkenen Durch die Reaktion eines Alkens mit Osmiumtetroxid (OsO 4) und die Umsetzung des hierbei entstehendenReaktionsproduktes mit Wasserstoffperoxid ist es möglich, ein Diol zu synthetisieren, dessen beiden Hydroxylgruppen(OH-Gruppen) auf derselben Seite des Moleküls stehen („cis“-Isomerie). Der hierfür erforderliche Reaktionsmechanismuswird als Cycloaddition bezeichnet. Formel 46 : Cycloadditon - Bishydroxylierung von Alkenen Bei der Cycloaddition von Osmiumtetroxid und einem Alken wird zunächst durch eines der relativ elektrophilenSauerstoff-Atome, die doppelt an das zentrale Osmium gebunden sind, die Doppelbindung des Alkens gespalten und dasdabei frei werdende Elektronenpaar bindet eines der Sauerstoff-Atome des Osmiumtetroxides. Hierdurch klappt dieDoppelbindung des betreffenden Sauerstoffatoms zu einem weiteren Sauerstoff-Atom um, wodurch eines der beidenBindungselektronenpaare dieses Sauerstoffatoms wiederum an ein C-Atom des Alkens binden kann. Die hierbei insgesamt„umkappenden“ 6 (π-) Bindungselektronen ermöglichen die Bildung eines cyclischen Überganszustandes, des so genanntenOsmatesters (OsVI) ohne das Auftreten ionischer Zwischenstufen. Solche quasiaromatischen Übergangszustände sind, wieauch die nukleophile Substitution, in der organischen Chemie weit verbreiten und viele Reaktionen lassen sich auf dieserBasis beurteilen. Abbildung 27 : Aufarbeitung des Sekundär-Ozonids Die weitere Umsetzung erfolgt durch Wasserstoffperoxid. Diese spaltet den Osmatester und reoxidiert das Os VI zu VIIIOs , also wieder zu Osmiumtetroxid, was eine katalytische Reaktionsführung mit dem teuren und zudem toxischenOsmium ermöglicht. Ergebnis der gesamten Reaktion ist ein cis-Diol und Osmiumtetroxid (OsO 4).Cycloaddition - Ozonolyse von Alkenen Auch die Spaltung von Alkenen durch O3 (Ozon) folgt dem Reaktionsmechanismus der Cycloaddition. Hierbei wird dieDoppelbindung des betreffenden Alkens im Laufe eines mehrstufigen Prozesses gespalten und in zwei Teile zerlegt. Formel 47 : Ozonolyse von Alkenen Das erste isolierbare Produkt der Ozonolyse ist das so genannte Sekundär-Ozonid. Diese kann durch reduktive, d.h.„reduzierende“, Aufarbeitung mit Dimethylsulfid (Me 2S) oder durch oxidative, d.h. „oxidierende“, Aufarbeitung mitWasserstoffperoxid (H2O2) - je nach zur Aufarbeitung genutzter Substanz - zu verschiedenen Produkten führen. - 38 -
  • 34. Organische ChemieAusblick - Reduktion von Alkinen Alkine, also Kohlenwasserstoffe mit mindestens einer Dreifachbindung, lassen sich durch eine heterogene katalysierteReaktion zu Alkanen oder cis-Alkenen zerlegen. Bei der Reduktion von Alkinen hängt es nicht unwesentlich von derAktivität des Katalysators ab, welche Produkte bevorzugt gebildet werden. Dabei ist es möglich, eine vollständigeReduktion der Dreifachbindung durch Einsatz eines Platin-Katalysators und Wasserstoff zu erzwingen. Formel 48 : Vollständige Reduktion der Dreifachbindung durch Platin-Katalysator Durch Umsetzung von Alkinen mit einem teilweise vergifteten Katalysator könnten hingegen Z-Alkene synthetisiertwerden. Dies sind Kohlenwasserstoffe mit mindestens einer Doppelbindung zwischen 2 C-Atomen, wobei jeweils2 gleichartige Substituënten der an der Doppelbindung beteiligten C-Atome auf der gleichen Seite der Bindung liegen.(„Z“-Isomerie). Als „teilweise vergifteten Katalysator“ bezeichnet man etwa den „Lindlar“-Katalysator, der aus Palladium(Pd) auf Calciumcarbonat (CaCO3), Bleiacetat (Pb(OAc)2) und Chinolin besteht. Auch hierbei werden die notwendigen H-Atome durch Wasserstoff (H2) bereitgestellt. Formel 49 : Unvollständige Reduktion der Dreifachbindung durch „teilweise vergifteten“ Katalysator Alternativ gelingt die Reduktion von Alkinen auch unter so genannten „Birch“-Bedingungen, wobei elementaresNatrium (Na+) in flüssigem Ammoniak (NH3) als Reduktionsmittel fungiert. Hierbei werden zunächst 2 Elektronen auf dasAlkin übertragen und so ein Dianion, d.h. ein doppelt negativ geladenes Ion, gebildet. Die beiden negativen Ladungen sindim jeweiligen Molekül so angeordnet, dass sie möglichst weit voneinander entfernt sind („E“-Anordnung). Beide negativeLadungen werden protoniert, die hierzu erforderlichen beiden Protonen liefert der Ammoniak. Hauptprodukt dieserReaktion ist ein E-Alken. Formel 50 : Unvollständige Reduktion der Dreifachbindung durch Natrium in flüssigem Ammoniak Eine weitere Möglichkeit der Reduktion von Dreifachbindungen ist die Hydratisierung. Hierbei wird dieDreifachbindung eines Alkins durch Quecksilber-Ionen (Hg 2+) aktiviert, d.h. jeweils ein Quecksilber-Ion lagert sich an dieDreifachbindung an, wodurch ein Dreiring gebildet wird. Die Dreifachbindung wird hierdurch soweit geschwächt, dass siedurch Wasser, welches normalerweise ein sehr schwaches Nukleophil darstellt, angegriffen werden kann. Letztlich wirdhierbei ein Keton, also ein Kohlenwasserstoff mit einer nicht endständigen Carbonylgruppe (R-C=O), gebildet. Formel 51 : Hydratisierung von Alkinen Die soeben dargestellten Möglichkeiten zur Reduktion sind nur eine kleine Auswahl der vielseitigen Chemie der Alkineund sollen lediglich einen kleinen Einblick ermöglichen.Cycloaddition - Diels-Alder-Reaktion Die Diels-Alder-Reaktion ist eine suprafacial 23 verlaufende Cycloaddition, die nach ihren Entdeckern Otto Diels undKurt Alder benannt wurde und deren Ablauf durch die konzertierte Umlagerung von 6 π-Elektronen gekennzeichnet wird.Genauer handelt es sich um eine [4+2]-Cycloaddition, es sind also 4 π-Elektronen des einen und 2 π-Elektronen desanderen Reaktionspartners an der Reaktion beteiligt.23 Als „suprafacial“ bezeichnet man Bindungsausbildungen, die auf dem gleichen Orbitalappen eines p-Orbitals oder auf demselben Molekülorbital einerC-C- bzw. C-H-Bindung (σ-Bindung) entstehen. Auch wenn die Bindung auf derselben Seite eines konjugierten π-Bindung-Systems entsteht, spricht manvon suprafacial entstandenen Bindungen. Konjugierte Orbitale von π-Systemen entstehen durch Überlappung zweier Orbitale von π-Bindungenmiteinander oder eines derselben mit einem p-Orbital eines sp2-hybridierierten Atoms. Zu den klassischen suprafacial verlaufenden Reaktionen gehörenauch einige Cycloadditionen, wie die dargestellte Diels-Alder-Reaktion. - 39 -
  • 35. Organische Chemie Ein typisches Beispiel für die Diels-Alder-Reaktion ist die Reaktion von 1,3-Diën, also einem Kohlenwasserstoff mit2 Doppelbindung (zwischen dem 1. und dem 2. sowie dem 3. und 4. C-Atom), mit einem Diënophil. Letzteres sind Alkenoder ein Alkine, welche eine π-Bindung aufweisen, deren Elektronendichte durch elektronenziehende Substituënten (z.B.eine Carbonylgruppe) reduziert wurde. Ausschlaggebend für die Stärke des diënophilen Charakters ist die Größe desnegativen mesomeren und induktiven Effektes des entsprechenden Substituënten an der Doppelbindung. Während der Reaktion bildet sich zunächst ein quasi-aromatischer Übergangszustand. Hierbei überlagern sich die p-Orbitale von Diën und Diënophil so, dass sich neue chemische Bindungen ausbilden. Als Reaktionsprodukt entsteht hierein Cyclohexen- oder Cyclohexadiën-Derivat. Formel 52 : Beispiel für die Diels-Alder-Reaktion Für den Reaktionsverlauf ist es essentiell, das am Diënophil elektronenziehende Substituënten (EWG = „electron-withdrawing-group, z.B. Carbonylgruppe, Nitrogruppe, etc.) und am 1,3-Diën elektronenschiebende Substituënten (EDG =„electron-donating-group“, z.B. Alkylgruppen oder Ether-Gruppen) lokalisiert sind. Wichtig für den Erfolg der Reaktion in der organischen Synthese ist die Tatsache, dass die Reaktion mit einer sehrhohen stereochemischen Kontrolle abläuft. So finden sich stereochemische Informationen der Edukte (z.B. E-Alken alsDiënophil, d.h. Substituënten auf der entgegen gesetzten Seite der Doppelbindung) in den Produkten (trans- , d.h.Substituënten auf der entgegengesetzten Seite der Referenzebene) wieder. Formel 53 : Beispiele für die Diels-Alder-Reaktion Die Reaktionsgeschwindigkeit kann durch Einführung funktioneller Gruppen am Diën und / oder am Diënophilerheblich erhöht werden. Hierbei wird durch Kombination eines elektronenarmen Diëns und eines elektronenreichenDiënophils bzw. eines elektronenreichen Diëns und eines elektronenarmen Diënophils die Wahrscheinlichkeit erhöht, dasses zu Überlappungen der p-Orbitale von Diën und Diënophil und damit zur Ausbildung neuer Bindungen kommt. Sowohlaus dem Diënophil als auch aus dem Diën können bis zu 2 neue Stereozentren gebildet werden. Insgesamt werden 2 neueC-C-Bindungen geknüpft und bis zu 4 Stereozentren können kontrolliert werden. Dies ermöglicht es, aus einfachenEdukten schnell komplexe Strukturen aufzubauen, wie sie etwa in Natur- und Wirkstoffen vorhanden sind.Elektrocyclische (pericylische) Reaktionen Neben einer Vielzahl von elektrocyclischen Reaktionen hat die Bergman-Cyclisierung sowohl theoretisches als auchpraktisches Interesse hervorgerufen. Allgemein bildet hierbei ein Endiïn 24, d.h. ein ungesättigter Kohlenwasserstoff mitDoppel- und Dreifachbindungen, bei um 200 °C ein Benzoldiradikal. Das Benzolradikal besteht aus einem Benzolring, der 2 einzelne (ungepaarte) freie Elektronen aufweist. Mit einemProtonen-Donor, der H-Atome zur Verfügung stellen kann, oder 2 Wasserstoff Radikalen, reagiert das Benzolradikal(C6H42-) zu einem kompletten Benzol-Ring (C 6H6). Diese Reaktivität wird in antibiotischen Naturstoffen genutzt, um durcheine doppelte H-Abstraktion die beiden Stränge eines DNA-Moleküls zu spalten und so die DNA zu zerstören.24 Endiïne, auch „Enediyne“ geschrieben, sind eine große Gruppe von biologisch aktiven Alkinen. Zu diesen gehören auch die Endiïn-Antibiotika.Allgemein werden als „Endiïne oder "Endiïn-Einheiten“ Moleküle oder Teile eines Moleküls bezeichnet, bei denen eine Doppelbindung von2 Dreifachbindungen flankiert wird. Naturstoffe, die als Strukturmotiv die Endiïn-Einheit besitzen, wirken häufig cytotoxisch gegenüber menschlichenTumorzellinien und stellen somit potentielle Chemotherapeutika dar. - 40 -
  • 36. Organische Chemie Ein Beispiel solcher DNA-spaltenden antibiotischen Naturstoffe ist Calicheamicin. Dieses Proteïn wurde zuerst ausdem Mikroorganismus Micromonospora echinospora ssp. calichensis isoliert, von dem sich auch der Name des Proteïnsableitet. Calicheamicin weist eine Endiïn-Einheit auf, die allerdings zunächst durch ein Trisulfid (allgemein: RS 3-R)„entschärft“ ist, sich also nicht selbständig in ein Radikal umwandeln kann. Formel 54 : Beispiele für elektrocyclische Reaktionen Der Oligosaccharidanteil des Calicheamicin-Moleküls ermöglicht die Anlagerung an einen Bereich der DNA, der dieSequenz TCCT (Thymin - Cytosin - Cytosin - Thymin) aufweist. Hat das Calicheamicin an einen entsprechenden DNA-Abschnitt gebunden, kann durch einen nukleophilen Angriff, etwa durch Glutathiol, am zentralen Schwefelatom dasTrisulfid gespalten werden. Hierbei verbleibt ein Schwefel-Atom im Calicheamicin und ein Disulfid (allgemein: R-S 2-R)wird aus dem Molekül entfernt, was eine Konformationsänderung der Ediïn-Einheit nach sich zieht. Hierdurch wird eineBergman-Cyclisierung ermöglicht. Bildlich gesprochen wird das Calicheamicin „scharf gemacht“. Resultat der Bergman-Cyclisierung ist die Bildung eines Benzol-Diradikals innerhalb des Calicheamicin-Moleküls, welches die DNA durchEntzug von 2 H-Atomen spaltet. - 41 -
  • 37. Organische ChemieAromaten (Arene) Aromaten, auch aromatische Verbindungen genannt, sind zyklische organische Verbindungen mit einer spezifischenBindungsstruktur, die sich in ihren physikalischen Eigenschaften teilweise sehr stark voneinander unterscheiden. Die historische Definition für Aromaten besagte lediglich, dass es sich bei diesen um dem Benzol verwandteVerbindungen mit oft angenehmen, aromatischen Geruch handelt. Diese subjektive und daher unpräzise Definition wurdemehrfach ergänzt. Derzeit wird eine Definition über die elektronische Konfiguration bevorzugt. Die Zahl der verschiedenen aromatischen Verbindungen geht in die Millionen. Sie werden nach verschiedenenKriterien, wie etwa anorganische Atome im Ring („anorganischer Aromat“) oder Zahl der Ringe bzw. „aromatischenZyklen“ in Gruppen eingeteilt. Aromaten können aus einem Ring, wie etwa Benzol (C6H6), oder zwei Ringen, wie z.B.Naphthalin (C10H8), bestehen. Auch eine größere Zahl von Ringen ist möglich. Gemeinsam ist allen Ringsystemen, dass sieein so genanntes aromatisches π-System mit π-Elektronen, welches über die Ringe verteilt sind, besitzen. Die Grundstruktur einer Vielzahl als aromatisch bezeichneter Verbindungen ist das Benzol. Dieses wird als einer dereinfachsten aromatischen Kohlenwasserstoffe angesehen. Die besonderen Eigenschaften aromatischer Verbindungenwurden zuerst am Benzol und dessen Derivaten entdeckt.Benzol - eine typische aromatische Verbindung Benzol wurde bereits im 17. Jahrhundert entdeckt, konnte aber zunächst nur als „subtiles und liebliches Olëum“eingeordnet werden. Erst 1826 erkannte man, dass es sich bei dieser Verbindung um einen Kohlenwasserstoff handelte.1834 gelang es dem deutschen Chemiker Eilhard Mitscherlich, Benzol aus Benzoësäure und Kalziumsalz zu gewinnen.Aufgrund der Verwandtschaft zur Benzoësäure nannte er die Verbindung „Benzin“ und erstellte die korrekteSummenformel C6H6. Der Name „Benzol“ geht auf Justus Liebig zurück, der 1834 das „Benzin“ in „Benzol“ umbenannte. Die Bestimmung der korrekten Strukturformel erwies sich als sehr schwierig. Erst 1872 formulierte August Kekulé dieso genannte Oszillationshypothese, welche von einem dauernden Platzwechsel von Einfach- und Doppelbindungeninnerhalb des Benzol-Rings ausging. Im 20. Jahrhundert gelang es schließlich, die besondere Stabilität des Benzolmolekülsauf eine Delokalisierung der Elektronenwolken zurückzuführen und mittels der Röntgenstrukturanalyse nachzuweisen. Das Benzol-Molekül ist gemäß des derzeitigen Standes der Forschung aus 6 C-Atomen aufgebaut, die ringförmigangeordnet sind. Jedes C-Atom verfügt über 4 Valenzelektronen, von denen zwei das Atom mit den benachbarten C-Atomen verbinden und eines ein H-Atom bindet. Bei jedem C-Atom verbleibt ein Elektron, welches formal an einer derinsgesamt 3 π-Bindungen innerhalb des Benzol-Ringes beteiligt ist. Diese formale Struktur zeigt einen Ring aus 6 C-Atomen, die abwechselnd durch insgesamt 3 Einfach- und 3 Doppelbindungen verbunden sind. In der Realität bilden die 6 π-Elektronen aber eine über den ganzen Ring delokalisierte Ladungswolke, ein so genanntes6-π-Elektronen-System, deren Elektronendichte ober- und unterhalb der Ringebene liegt. Die Elektronenwolken ober- undunterhalb der Ringebene drücken die 6 H-Atome in die Ebene des Ringes, weswegen das Benzol-Molekül planar ist.Kekulé drückte dies mit Hilfe von 2 Strukturformeln und Doppelbindungen aus, die jeweils nur einen Extrempunkt derLadungswolke symbolisieren. Aufgrund der Mesomerie ist der Kohlenstoffring stabiler als das hypothetischeCyclohexatriën mit lokalisierten Doppelbindungen, also mit Doppelbindungen an festgelegten Positionen. Die Energie,welche in den Bindungen enthalten ist, liegt um 151 kJ/mol unter derjenigen, welche für das hypothetische Cyclohexatriënzu erwarten wäre. Dies spricht deutlich für das Modell der delokalisierten Elektronenwolken, die betreffende Energie wirdals „Resonanzstabilisierungsenergie“ bezeichnet und wird häufig mit -151 kJ/mol angegeben. Abbildung 28 : Benzol - Darstellungsformen und Grenzstrukturen - 43 -
  • 38. Organische ChemieDefinition aromatischer Verbindungen Heute werden als Aromaten Verbindungen bezeichnet, welche die folgenden allgemeinen Voraussetzungen erfüllen: ● Ein zyklisches Molekül, d.h. aus mindestens einem Ring von C-Atomen. Oftmals handelt es sich um einen Benzolring. ● Ein vollständig über den Ring konjugiertes Doppelbindungs-System. Da alle C-Atome eines Aromaten- Ringes sp2-hybridisiert sind, bezieht sich die Konjugation hierbei auf die Überlappung der verbleibenden p- Orbitale der C-Atome (die sp2-Orbitale jedes C-Atoms bilden die σ-Bindungen zu 2 weiteren C-Atomen sowie einem H-Atom). Das konjugierte Doppelbindungs-System kann aus mehreren Doppelbindungen, die bei Kohlenwasserstoffen jeweils durch genau eine Einfachbindung getrennt sind (bei Arinen kann auch eine Dreifachbindungen auftreten), oder aus einer oder mehreren Doppelbindungen, die durch positiv oder negativ geladene C-Atome oder durch Heteroatome (d.h. weder C- noch H-Atome) getrennt sind, bestehen. ● Das Doppelbindungssystem ist planar. Leichte Abweichungen von der Ebene sind gestattet, beispielsweise ist bei einigen Cyclophanen25 (Kohlenwasserstoffe aus aromatischen und kettenförmigen Teilen) die Benzoleinheiten bootförmig in einem Winkel bis zu 30° deformiert. ● Die Zahl der delokalisierten Elektronen entspricht der Hückel-Regel. Die Hückel-Regel besagt, dass die Anzahl der Elektronen im konjugierten Elektronensystem 4n + 2 π-Elektronen betragen muss. Die Hückel-Regel gilt als erfüllt, wenn sich für „n“ eine natürliche Zahl (1, 2, 3, 4, …) ergibt. Bei Benzol sind 6 π-Elektronen an der Bildung des konjugierten Doppelbindungs-Systems beteiligt, also: 6 (π- = 4n + 2 → n = (6 - 2) / 4 = 1. Es handelt sich also um ein Aromat, da n = 1 und damit eine natürliche Elektronen) Zahl ist. Bei Cyclobutadiën sind 4 π-Elektronen an der Bildung des konjugierten Doppelbindungs-Systems beteiligt, also: 4(π-Elektronen) = 4n + 2 → n = (4 - 2) / 4 = 0,5. Es handelt sich also nicht um ein Aromat, da n = 0,5 und damit keine natürliche Zahl ist. Soll anhand einer in formalen Schreibweise gegebenen Strukturformel (also mit „=“ für Doppelbindungen) ermittelt werden, ob die Hückel-Regel erfüllt ist, kann man sich wie folgt behelfen: Da nur die π-Elektronen betrachtet werden, wird für jede Doppelbindung von 2 beteiligten π-Elektronen ausgegangen. Die Anzahl dieser Elektronen wird addiert, um die Gesamtzahl der π-Elektronen zu ermitteln. Bei 1,3,5,7-Cyclooktatrien (C 8H8, Doppelbindungen zw. 1. und 2., 3. und 4., 5. und 6, 7 und 8. C-Atom) ergeben sich so „4(Doppelbindungen) * 2(π-Elektronen = 8(π-Elektronen gesamt)“. Gemäß der Hückel-Regel ergibt sich n = 1,5 („8(π-Elektronen) = 4n + 2 → n = (8 - 2) / pro Doppelbindung) 4 = 1,5“). Es handelt sich also nicht um eine aromatische Verbindung. Unabhängig davon ist Cyclooktatriën nicht planar, und stellt damit ohnehin kein aromatisches System dar. Da auch ein planares, zyklisch konjugiertes System mit nur 2 π-Elektronen als Aromat gilt, kann sich für „n“ auch n = 0 ergeben. Daher wird etwa Cyclopropeniumsalz (C 3Cl3+AlCl4-; im C3Cl3+-Ion eine Doppelbindung) als aromatische Verbindung betrachtet. Ist eine der beschriebenen Voraussetzungen nicht erfüllt, das Polyen-System als entweder nicht zyklisch oder nichtplanar oder weist kein vollständig über den Ring konjugiertes Doppelbindungs-System auf, so bezeichnet man dieVerbindung als nicht-aromatisch, antiaromatisch oder aliphatisch. Anti-aromatische Verbindungen weisen das Bestrebenauf, in einen aromatischen Zustand überzugehen, sind also hochreaktiv.Elektrophile aromatische Substitution Additionsreaktionen sind aufgrund der stabilen Ringstrukturen nur schwer zu realisieren, daher kommen bei Aromatenüberwiegend Substitutionsreaktionen vor. Während die elektrophile aromatische Substitution relativ häufig zu beobachtenist, kommt die nukleophile aromatische Substitution wesentlich seltener vor. Allgemein greift bei der elektrophilen aromatischen Substitution in einem ersten Schritt ein elektrophiles Kation das π-Elektronensystem des Ringes an und bindet an diesen. Das aromatische System wird hierbei kurzfristig aufgehoben und derRing weist eine positive Partialladung auf. Für das kationische Zwischenprodukt bzw. intermediäre Addukt lassen sichmesomere Grenzstrukturen formulieren, dieses ist also mesomeriestabilisiert. Formel 55 : Grundsätzlicher Mechanismus einer elektrophilen aromatische Substitution25 Cyclophane sind Kohlenwasserstoffe, die aus einer oder mehreren aromatischen Einheiten und einer nichtaromatischen, kettenförmigenKohlenwasserstoff-Komponente bestehen. Letztere stellt eine Verbindung zwischen zwei C-Atomen her, die sich außerhalb des Rings befindet. - 44 -
  • 39. Organische Chemie In einem zweiten Schritt wird das H-Atom, welches zusammen mit dem im ersten Schritt addierten Elektrophil an einC-Atom gebunden ist, abgespalten. Nach Abspaltung (Substitution) des Protons kann sich das aromatische Systemregenerieren, das Elektrophil ist eingeführt.Elektrophile aromatische Substitution - Halogenierung Eine Halogenierung, also die Einführung eines Halogens in ein aromatisches System, erfordert eine Lewis-Säure, d.h.einen Elektronenpaarakzeptor. Die Lewis-Säure dient der Aktivierung des entsprechenden elementaren Halogens, da dieEinführung eines neuen Atoms in ein aromatisches System ein stark positiv geladenes Atom (Kation) erfordert, elementareHalogene aber grundsätzlich in Form zweiatomiger Moleküle (z.B. Br2, Cl2) vorliegen und als einzelne Atome negativgeladen sind (Br-, Cl-). Als Lewis-Säuren werden bevorzugt Aluminium-Trihalogenide (z.B. AlCl 3) und Eisen-Trihalogenide (z.B. FeBr3) eingesetzt. Die Halogenierung läuft in 5 Schritten ab: 1. Bildung des Lewis-Säure (Bsp.: 2 Fe + 3 Br2 → 2 FeBr3): Die für die Halogenierung erforderliche Lewis-Säure, z.B. Eisen(III)-bromid (FeBr3), wirkt als Katalysator und lässt sich durch eine Redoxreaktion zwischen einem Metall, wie etwa Eisen (Fe), und einem Halogen, wie etwa Brom (Br2), erzeugen. 2. Bildung des elektrophilen Halogens (Bsp.: Br-Br + FeBr 3 → Br+ + FeBr4-): Die Bildung des elektrophilen (also positiv geladenen) Halogens erfolgt durch heterolytische Spaltung des elementaren Halogens durch den in Schritt 1 gebildeten Katalysator. Dieser weist eine Elektronenlücke auf (weswegen er eine Lewis-Säure = Elektronenpaarakzeptor darstellt) und übernimmt eines der beiden bei der Spaltung gebildeten Halogen-Anionen. 3. Angriff des Elektrophils (Bsp.: C6H6 + Br+ → C6H5HBr+): Das im 2. Reaktionsschrittgebildete Elektrophil (z.B. Br+) greift das π-System des Aromaten (z.B. Benzol) an, wobei sich eine σ-Bindung mit einem C-Atom des Ringes bildet. Das entstehende kationische Zwischenprodukt ist mesomeriestabilisiert, d.h. die positive Ladung ist auf den Ring verteilt. Diese Zwischenstufe ist nachweisbar und wird auch als σ-Komplex bezeichnet. 4. Abspaltung des Protons und Regeneration (Bsp.: C 6H5HBr+ → C6H5Br + H+): An das C-Atom, an welches im 3. Reaktionsschritt das Elektrophil gebunden hat, ist auch noch ein H-Atom gebunden, daher wird dieses auch als tetraedrisches C-Atom bezeichnet. Die Bindung des H-Atoms am tetraedrischen C-Atom klappt in den Ring (zur positiven Partialladung), wodurch eine erhebliche Menge Energie frei wird. Der aromatische Ring stabilisiert sich schließlich. Somit ist das H-Atom der Ausgangsverbindung durch ein Br-Atom substituiert worden. 5. Rückbildung des Katalysators (Bsp.: H+ + FeBr4- → HBr + FeBr3): Das aus dem Aromaten substituierte H- Atom ist positiv geladen, weswegen es an das währen des 2. Reaktionsschrittes gebildete Anion (Bsp.: FeBr 4-) binden und das Halogen-Atom aus diesem entfernen kann. Reaktionsprodukte sind ein halogenierter Aromat und eine Säure. Formel 56 : Beispiele für Halogenierungen Bei der Bromierung, d.h. der Einführung eines Brom-Atoms in ein aromatisches System, entsteht eine starke Säure(HBr), welche sich in Wasser gelöst durch pH-Messung und Titration nachweisen lässt. Hierdurch lässt sich diearomatische Substitution von der Brom-Addition an Alkenen experimentell unterscheiden. Auch verläuft die Substitutionlangsamer und die Reaktionslösung muss erwärmt werden. Im Falle der Iodierung, also der Einführung eines Ion-Atoms inein aromatisches System, ist die Reaktion ebenfalls endotherm. Dass Reaktionsgleichgewicht lässt sich durch Verwendungvon Silbernitrat als Lewis-Säure auf die Produktseite verschieben, da das gebildete schwerlösliche Silberiodid aus derLösung ausfällt.Elektrophile aromatische Substitution - Nitrierung Die Nitrierung, d. h. die Bindung einer Nitrogruppe 26 (NO2) an einen Aromaten, läuft im Prinzip genau so ab, wie dieHalogenierung. Zur Bildung des Kations wird Nitriersäure, ein Gemisch aus Salpetersäure (HNO 3) und Schwefelsäure(H2SO4), verwendet. Die Salpetersäure wird von der stärkeren Schwefelsäure protoniert26 Eine Nitrogrupppe (NO2) entsteht aus Salpetersäure (HNO3). Salpetersäure liegt in wässriger Lösung weitgehend dissoziiert vor. Als starkeanorganische Säure zählt sie zu den Mineralsäuren. Ihre Salze werden Nitrate genannt oder mit Trivialnamen belegt, die meist auf „-salpeter“ enden(Natronsalpeter, Mauersalpeter etc.) - 45 -
  • 40. Organische Chemie H 2SO 4 + HNO 3 → HSO − + H 2 NO 3 4 + Formel 57 : Nitriersäure; Protonierung der Salpetersäure und durch Abspaltung von Wasser entsteht das Elektrophil H 2 NO 3 → H 2 O + NO + + 2 Formel 58 : Nitriersäure; Bildung des Elektrophils welches den Ring elektrophil angreift. Nach Bildung des σ-Komplexes und Deprotonierung entsteht ein Aromat miteiner Nitrogruppe an einem der C-Atome im Ring. Die Reaktion ist exotherm. Die Nitrierung wird im großem Maßstab fürdie Darstellung polynitrierter Aromaten genutzt, die als Sprengstoffe Verwendung finden. Auch der weit verbreiteteSprengstoff TNT wird auf diese Weise synthetisiert. CH3 Formel 59 : 2,4,6-Trinitrotoluol (TNT)Elektrophile aromatische Substitution - Sulfonierung Als Sulfonierung27 wird die Einführung einer Sulfongruppe (R-SO 3H) in ein aromatisches System bezeichnet. Hierbeiwird meist Schwefelsäure (H 2SO4) eingesetzt, aus der sich das Elektrophil (SO 3) bildet (2 H2SO4 = SO3 + H3O+ + HSO4-).Dieses neutrale, aber elektrophile Teilchen greift den Ring elektrophil an wobei auch hier ein Proton substituiert wird undsich das aromatische System schließlich regeneriert. Hierdurch weist der Aromat allerdings eine negative Partialladung am Schwefelatom auf, an welche das Proton bindet.Das Reaktionsprodukt stellt somit eine Sulfonsäuren (R-SO2-OH bzw. R-SO3H) dar. Diese Verbindungen sind deutlichbesser wasserlöslich als „normale“ aromatische Verbindungen und bilden mit Calcium-Ionen keine schwer löslichen Salze,was die einfache Identifizierung des Reaktionsproduktes ermöglicht. Die Sulfonierung ist reversibel, beim Erhitzen mitverdünnter H2SO4 (auf ca. 150 °C) wird die Sulfonsäuregruppe wieder abgespalten. Formel 60 : Vereinfachte Darstellung der SulfonierungElektrophile aromatische Substitution - Friedel-Crafts-Alkylierung Bei der Friedel-Crafts-Alkylierung wird in einem aromatischen Kohlenwasserstoff ein Wasserstoffatom gegen eineAlkylgruppe (z.B. R-CH3) ausgetauscht (substituiert). Dabei entstehen Alkylaromaten (Aromaten mit Alkylrest. AlsAlkylierungsreagenziën können Alkylhalogenide, Alkohole oder Alkene, also verschiedene Kohlenwasserstoffe, eingesetztwerden. Die für die Alkylierungsreaktion erforderlichen Carbokationen, d.h. positive C-Atome innerhalb einesKohlenwasserstoff-Moleküls, können als Intermediate bei einer S N1-Reaktion oder durch Aktivierung von Halogenalkanendurch Katalysatoren (Lewis-Säuren) gewonnen werden. Außerdem besteht die Möglichkeit, das intermediäre Kation einerelektrophilen Addition für die Alkylierung zu nutzen. Der Reaktionsmechanismus gleicht den bislang beschriebenen. DieFriedel-Crafts-Alkylierung ist reversibel und führt oft zu mehrfacher Alkylierung des Aromaten, da das Produkt einer„einfachen“ bzw. Mono-Alkylierung elektronenreicher als der Ausgangsaromat ist und somit durch das Elektrophil leichterangegriffen werden kann. Formel 61 : Beispiele für die Friedel-Crafts-Alkylierung27 Allgemein wird als Sulfonierung eine Reaktion bezeichnet, bei der eine Sulfongruppe (R-SO 3H) in eine organische Verbindung integriert wird. Diehierbei entstehenden Produkte werden als Sulfonsäuren (allgemeine Struktur: R- SO2-OH) bezeichnet. Diese Umsetzung ist, wie auch die Nitrierung,exotherm. Meist werden zur Sulfonierung Schwefelsäure (H 2SO4) und Olëum bzw. Dischwefelsäure (H 2S2O7) eingesetzt. Beispiel für die Sulfonierungist die Reaktion von Alkanen mit Schwefelsäure zu Alkylsulfonsäure: CXHY + H2SO4 → CXHYSO3H + H2O. Die Salze der Alkylsulfonsäure(Alkylsulfonate) werden als anionische Tenside in Waschmitteln eingesetzt. - 46 -
  • 41. Organische Chemie Durch Alkylierung mit einem langkettigen Alkylrest und anschließender Sulfonierung entstehen wasserlösliche dipolareVerbindungen, die als anionische Tenside in Waschmitteln genutzt werden.Elektrophile aromatische Substitution - Friedel-Crafts-Acylierung Bei der Friedel-Crafts-Acylierung werden Carbonsäurehalogenide 28, dies sind Halogenderivate der Carbonsäure, oderCarbonsäureanhydride29 mit Lewis-Säuren umgesetzt. Es entsteht zunächst ein Acylkation, d.h. ein Molekül mit einer Acyl-Gruppe30 und eine positive Partialladung, welches als Elektrophil reagiert. Formel 62 : Beispiele für die Friedel-Crafts-Acylierung Das Produkt der Reaktion ist ein Arylketon, d.h. ein aromatisches Keton (R-C=O), welches elektronenärmer als derAusgangsaromat ist, weswegen eine zweite Acylierung nicht gelingt. Folglich ist die Acylierung selektiver (es wird nur einH-Atom substituiert) als die Alkylierung. Daher wird sie oft zur Synthese eingesetzt.Elektrophile aromatische Substitution - Deuterierung 1 Der Austausch von Protonen am Aromaten durch Deuterium 31 ( 2 H ) ist mittels einer elektrophilen aromatischenSubstitutionsreaktion möglich. Der Atomkern eines Deuterium-Atoms besteht aus einem Proton und einem Neutron,während der Kern eines „normalen“ Wasserstoff-Atoms ( 1 H ) von einem einzelnen Proton gebildet wird. Bei beiden 1Isotopen gleichen sich die positive Ladung des Protons und die negative Ladung des einzelnen Elektrons aus, die Atomeerscheinen in ihrer Gesamtheit betrachtet neutral. Daran ändert auch das Neutron des Deuterium-Kerns nichts, da dieseskeine Ladung aufweist. Um die Unterscheidung vom „normalen“ Wasserstoff zu vereinfachen, werden Deuterium-Atome 1meist nicht mit „ 2 H “, sondern mit „D“ gekennzeichnet. Der Austausch eines Protons („normales“ Wasserstoff-Atom) durch Deuterium gelingt durch eine Umsetzung miteinem Überschuss an deuterierter Schwefelsäure (statistischer H-D-Austausch). Bei deuterierter Schwefelsäure (D 2SO4)wurden die H-Atome durch D-Atome ausgetauscht. In Wasser dissoziiert die deuterierte Schwefelsäure D 2SO 4 → 2 D + + SO 2− 4 Formel 63 Dissoziation von deuterierter Schwefelsäure die Deuterium-Kationen können das aromatische System elektrophil Angreifen. Da die Bindung des Deuteriums stärkerist (Isotopeneffekt) als die des Protons, wird letzteres bevorzugt substituiert. Durch einen Überschuss an deuterierterSchwefelsäure können mittels mehrfacher Substitution alle Wasserstoff-Atome eines aromatischen Systems durchDeuterium-Atome ausgetauscht werden.28 Carbonsäurehalogenide sind Halogenderivate der Carbonsäure und haben die allgemeine Struktur R-CO-X. Die OH-Gruppe der Carbonsäure (R-COOH) wurde hierbei durch ein Halogen ersetzt.29 Carbonsäureanhydride entstehen, wenn 2-Carbonsäuren (R-COOH) miteinander reagieren. Aus der Reaktion der beiden Carboxylgruppen (R-COOH)entsteht hierbei ein Molekül Wasser (H 2O) und das entsprechende Anhydrid (R-CO-O-CO-R), prinzipiell ein Anhydrid aus 2 Carbonsäuren. Allgemeinwird als Anhydrid (vom griechischen „án(h)ydros“ für „wasserlos“) eine chemische Verbindung bezeichnet, die aus einer Säure oder Base durch Entzugvon Wasser entsteht. Neben den Carbonsäureanhydriden gibt es noch Säureanhydride, welche aus Nichtmetalloxiden wie Schwefeltrioxid undPhosphor(V)-oxid bestehen, und Basenanhydride, die aus Metalloxiden wie Calciumoxid bestehen. Anhydride sind sehr energiereich.30 Acylgruppen (R-CO-) sind Atomgruppen, die durch Entfernung der Hydroxygruppe (R-OH) einer Carbonsäure (R-CO-OH) entstehen. Beispiel füreine Acyl-Gruppe ist etwa CH3-CO-.31 Zur Deuterierung werden meist Austauschreaktionen genutzt, die auf Isotopen-Effekten beruhen. Beim Austausch von Protium durch Deuterium wirdmeist das so genannte Scrambling angewandt. Allgemein werden hierbei Verbindungen mit Katalysatoren und unter Einleitung von Deuteriumgasumgesetzt, wobei das Proton durch das Deuterium ersetzt wird, dessen Bindung stabiler ist, und H 2 entweicht. Deuterierte Verbindungen haben andereSchmelz- und Siedepunkte als die Ursprungsverbindungen und könnten etwa durch Destillation getrennt werden. - 47 -
  • 42. Organische Chemie Formel 64 : Vereinfachte Darstellung der DeprotonierungNukleophile aromatische Substitution Die nukleophile aromatische Substitution ist im Vergleich zu der nukleophilen aliphatischen Substitution, d.h. dernukleophilen Substitution nicht-aromatischer Verbindungen, eher selten anzutreffen. Die Reaktion kann mit Fluoraromaten (R-F) und Chloraromaten (R-Cl) durchgeführt werden, da die Fluorid- undChlorid-Ionen (F- bzw. Cl-) deutlich bessere Abgangsgruppen sind als Hydrid-Ionen, d.h. negativ geladene Wasserstoff-Ionen (H-). Die besseren Abgangsgruppeneigenschaften resultieren im Wesentlichen aus der starken Elektronegativität vonFluor- und Chlor-Atomen. Diese ziehen die Elektronendichte der Bindung mit dem entsprechenden Ring-C-Atom an sich,wodurch diese polarisiert wird und das C-Atom eine partielle positive Ladung aufweist. Formel 65 : Vereinfachte Darstellung der nukleophilen aromatischen Substitution Folglich findet der Angriff eines Nukleophils am positivierten Kohlenstoff statt, dieses bindet zusätzlich zu dem Fluor-oder Chlor-Atom an das positivierte C-Atom. Da hierbei ein Bindungselektronenpaar aus dem Ring klappt, wird deraromatische Charakter der Verbindung aufgehoben. Die negative Ladung ist im Ring delokalisiert und bevorzugt in derortho- und para-Stellung anzutreffen (Mesomeriestabilisierung). Schließlich kommt die höhere Elektronegativität desFluor- bzw. Chlor-Atoms zum tragen, das entsprechende Atom wird abgespalten und in Form eines negativ geladenen Ionsfreigesetzt. Nach der Abspaltung regeneriert sich das aromatische System. Die nukleophile aromatische Substitution gelingt dann besonders gut, wenn an ortho- und para-Stellung (also genau da,wo die negative Ladung nach Bindung des Nukleophils bevorzugt lokalisiert ist), stark elektronenziehende Substituënten(Ester, Keton, Nitro-, Nitrilgruppe) gebunden sind. Hierdurch wird negative Ladung weiter stabilisiert. Ein praktischesBeispiel hierfür ist das Sanger-Reagenz (z.B. 1-Fluor-2,4-dinitrobenzol), das zur Markierung der N-terminalen 32Aminosäure eines Peptids benutzt wird. Hierbei wird zunächst 1-Fluor-2,4-dinitrobenzol über eine nukleophile aromatischeSubstitution an die Aminogruppe (R-NH2) gebunden, wobei Fluorwasserstoff (HF) freigesetzt wird. In einem 2. Reaktionsschritt wird das Peptid hydrolytisch, d.h. durch Wasser, gespalten (hierbei wird H 3O+ frei). Bei derSpaltung bleibt der Dinitrophenyl-Rest an der N-terminalen Aminogruppe haften. Dieser kann leicht abgetrennt und z.B.durch Chromatographie bestimmt werden. Formel 66 : Wirkungsweise des Sanger-Reagenz32 Als Amino-Terminus oder N-Terminus wird den Anfang eines Proteins oder Polypeptides bezeichnet. Er besteht aus einer Aminosäure und einerfreien Aminogruppe (NH2). Mit dem N-Terminus startet die Proteinbiosynthese am Ribosom, wobei die Aminogruppe frei bleibt, während dieCarboxylgruppe (R-COOH) durch eine Peptidbindung an die nächste Aminosäure geknüpft wird. Die freie Aminogruppe gibt dem N-Terminus denNamen, so wird die letzte Aminosäure eines Proteins oder Polypeptides, welche etwa eine freie Carboxylgruppe trägt, als Carboxyl-Terminus oder C-Terminus bezeichnet. - 48 -
  • 43. Organische ChemieCarbonylverbindungen Als Carbonylverbindungen werden organische Verbindungen bezeichnet, die eine Carbonylgruppe (CO-Gruppe)enthalten. Kennzeichnend für eine Carbonylgruppe ist ein Sauerstoffatom (Carbonylsauerstoff), welches doppelt an einKohlenstoffatom (Carbonylkohlenstoff) gebunden ist. Die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Moleküle,welche Carbonylgruppen enthalten, werden oft durch deren Struktur bestimmt. Das ausgeprägte Bestreben zur Bildung vonWasserstoffbrücken führt dazu, dass eine Carbonylverbindung meist einen höheren Schmelz- oder Siedepunkt hat, als ihrecarbonylgruppenfreie homologe Verbindung. Die Doppelbindung zwischen dem Sauerstoff- und dem Kohlenstoff-Atom der Carbonylgruppe ist durch denelektronegativen Sauerstoff polarisiert. Das C-Atom weist daher eine positive, das O-Atom eine negative Partialladung auf.Durch die Elektronegativitätsdifferenz wird das antibindende Orbital der Doppelbindung zusätzlich angehoben und stehtdadurch als LUMO („lowest unoccupied molecular orbital“) für Reaktionen mit Nukleophilen zur Verfügung, was die hoheReaktivität der Carbonylgruppe erklärt. Formel 67 Übersicht der Reaktionsmöglichkeiten an Carbonylgruppen Durch die Polarisierung der Bindungen ist es möglich, dass der Carbonylsauerstoff durch Elektrophile und derCarbonylkohlenstoff durch Nukleophile angegriffen werden kann. Zudem sind Protonen, die in α-Stellung zurCarbonylgruppe stehen, acide und lassen sich durch Basen leicht abspalten. Das dadurch gebildete Carbanion (negativgeladenes Kohlenwasserstoffmolekül) ist mesomeriestabilisiert, da die negative Ladung sowohl an einem C- als auch amO-Atom lokalisiert werden kann. Bei Carbonylverbindungen wird das Carbanion als Enolat-Ion bezeichnet. Die Reaktionsmöglichkeiten von Carbonylverbindungen sind vielfältig, und die Carbonylgruppe weit verbreitet. Einigeder wichtigsten Carbonylverbindungen sind: ● Undissoziierte, d.h. nicht in ihre Bestandteile zerfallene, Carbonsäuren. Diese tragen als funktionelle Gruppe eine Carboxylgruppe (R-COOH). An das Kohlenstoff-Atom der Carboxylgruppe ist über eine Doppelbindung ein Sauerstoff-Atom und über eine Einfachbindung eine Hydroxylgruppe (R-OH) gebunden. ● Carbonsäureamide (R-CO-NH-R) sind Derivate des Ammoniaks (NH3), bei welchen eines oder mehrere der H- Atome durch organische Säurereste ersetzt sind. Je nachdem, wie viele Wasserstoffatome ersetzt wurden, spricht man von primären, sekundären oder tertiären Amiden. Die 3 Atome der Amid-Bindung R-CO-NH-R liegen in einer Ebene, wobei das O-Atom doppelt gebunden ist. ● Carbonsäurehalogenide (R-CO-X) sind Carbonsäuren, deren OH-Gruppe durch ein Halogen ersetzt wurde. Sie bestehen also aus einem C-Atom, welches ein doppelt gebundenes O-Atom und ein einfach gebundenes Halogen besitzt. ● Carbonsäureazide bzw. Acylazide (R-CO-N3) sind Carbonsäuren, deren OH-Gruppe durch 3 Stickstoffatome ersetzt wurden. ● Imide weisen die charakteristische Imidgruppe auf (R-CO-NH-CO-R). Diese wird aus 2 Carbonsäuren oder einer Dicarbonsäure und Ammoniak oder einem primären Amin gebildet. Eine Imidgruppe kann auch mit einem Kohlenwasserstoff-Ring verknüpft sein, wobei die den doppelt gebunden Sauerstoff tragenden C-Atome mit Ring-C-Atomen verknüpft sind. Im Vergleich zur Amid-Gruppe (R-CO-NH-R) besitzt die Imidgruppe die größere Delokalisierungsmöglichkeit für die negativen Ladungen der korrespondierenden Base, daher ist die Reprotonierungsgeschwindigkeit kleiner und folglich die Säurestärke größer. ● Anhydride (R-CO-O-CO-R), die aus 2 Carbonsäure-Molekülen durch Abspaltung eines Wasser-Moleküls entstehen, werden Carbonsäureanhydride genannt. ● Ester (R-CO-O-R) entstehen formal oder tatsächlich durch die Reaktion einer Säure mit einem Alkohol, wobei Wasser abgespalten wird. Sie bestehen aus einem C-Atom, welches ein einfach und ein doppelt gebundenes O- Atom trägt. Sowohl an das zentrale C-Atom, als auch an das einfach gebundene O-Atom sind organische Reste gebunden. ● Aldehyde bzw. Alkanale (R-CHO) tragen als funktionelle Gruppe eine endständige Carbonylgruppe, genauer eine Aldehydgruppe (R-CHO). ● Ketone bzw. Alkanone (R-CO-R) tragen als funktionelle Gruppe eine nicht endständige Carbonylgruppe (R 1,2- C=O, auch Ketogruppe genannt) enthalten. Im Gegensatz zu den Aldehyden ist der Carbonylkohlenstoff bei den Ketonen also mit zwei weiteren Kohlenstoffatomen verbunden. - 49 -
  • 44. Organische Chemie Ein wichtiger Aspekt der Carbonylchemie ist die so genannte Keto-Enol-Tautomerie 33, einer speziellen Form derIsomerie. Hierbei können Teile eines Moleküls ihren Platz wechseln, wodurch so genannte tautomere Isomere entstehen.Diese liegen in einem chemischen Gleichgewicht und stets im gleichen Mengenverhältnis vor. Unter normalenBedingungen wandeln sich tautomere Stoffe selbständig in ihre Isomere um. Eine Keto-Enol-Tautomerie liegt vor, wennein Aldehyd (endständige Carbonylgruppe) oder Keton (nicht endständige Carbonylgruppe) in einer reversiblen Reaktiondurch den Platzwechsel eines Protons in ein Enol umgewandelt werden kann. Bei Enolen sitzt eine alkoholische Gruppedirekt an einem C-Atom, welches an einer Doppelbindung beteiligt ist.Acetalbildung Von besonderer Bedeutung ist der Angriff eines Nukleophils auf den Carbonylsauerstoff. Bei dieser Reaktion könnenHalbacetal und Vollacetal gebildet werden, weswegen man die Reaktion auch als Acetalbildung bezeichnet. Ein Acetal istdas Kondensationsprodukt aus einem Aldehyd oder Keton und einem (dann wird ein Halbacetal gebildet) oder 2 Alkoholen(dann wird ein Vollacetal gebildet). Vollacetale sind stabil gegen basische und neutrale bis schwach saure wässrigeLösungen, hydrolysieren jedoch in Gegenwart starker Säuren. Vollacetale bzw. einfach Acetale zeichnen sich durch2 Alkoxygruppen (R-O-R) aus, welche an dasselbe C-Atom gebunden sind. Bei Halbacetalen ist der Rest einer der beidenAlkoxygruppe ein H-Atom. Halbacetale können nur selten isoliert werden, etwa wenn die Bildung des Halbacetals zueinem stabilisierenden Ringschluss in einem relativ entspannten Ringsystemen führt. Die meisten Zucker liegen in Formcyclischer Halbacetale vor. Die Bildung eines Acetals verläuft oft in saurer Lösung, da H + für die Aktivierung eines Ketons(nicht endständige Carbonylgruppe, R-CO-R) oder Aldehydes (endständige Carbonylgruppe bzw. Aldehydgruppe, R-CHO)gebraucht wird. Die gesamte Acetalbildung kann in folgende 7 Reaktionsschritte unterteilt werden: 1. Protonierung der Carbonylgruppe eines Ketons oder Aldehydes: Durch Polarisierung der Doppelbindung weist der Carbonylsauerstoff eine partiell negative Ladung auf. Dies ermöglicht es einem Proton, an das O-Atom zu binden und eine OH-Gruppe zu bilden, was zu einer positiven Ladung am O- oder C-Atom führt (Mesomeriestabilisierung). Formel 68 : Protonierung der Carbonylgruppe 2. Nucleophiler Angriff der Hydroxylgruppe eines Alkanols oder Alkohols an das positiv geladene Kohlenstoffatom des Substrates: Die positive Ladung am Substrat ermöglicht es einem Alkanol oder Alkohol mit einem freien Bindungselektronenpaar des O-Atoms seiner Hydroxylgruppe das positiv geladene C-Atom des Substrates anzugreifen und an dieses zu binden. Formel 69 Nucleophiler Angriff der Hydroxylgruppe 3. Deprotonierung liefert das Halbacetal (Rückgewinnung des Katalysators): Das Sauerstoff-Atom der Hydroxylgruppe, welche im 2. Reaktionsschritt an das Substrat gebunden hat, weist durch die Bindung eine positive Ladung auf. Dies bewirkt das Umklappen des Bindungselektronenpaares des H-Atoms, wodurch die positive Ladung ausgeglichen und ein Proton freigesetzt wird. Produkt dieses Reaktionsschrittes ist das Halbacetal, an das zentrale C-Atom sind - abgesehen von den Resten, welche das Substrat bereits zu Beginn der Reaktion aufwies - eine OH-Gruppe und ein O-Atom mit einem Kohlenwasserstoff-Rest gebunden. Formel 70: Deprotonierung liefert das Halbacetal33 Die Tautomerie (vom griechischen „tautó“ für „das Gleiche“ und „meros“ für „der Anteil“) bezeichnet in der Chemie eine Form der Isomerie. Siewurde vermutlich zwischen 1862-1864 von Alexander Michailowitsch Butlerow (1828-1886) entdeckt und 1885 von Conrad Peter Laar als Begriffeingeführt. - 50 -
  • 45. Organische Chemie 4. Protonierung der Hydroxylgruppe des Halbacetals: Durch Protonierung der Hydroxylgruppe des Halbacetals werden deren Abgangsgruppeneigenschaften verbessert. Das Proton nutzt eines der 2 freien Elektronenpaare des O-Atoms der Hydroxylgruppe, um an dieses zu binden, so dass eine positive Ladung im Bereich des O-Atoms erzeugt wird. Die positive Ladung und die Struktur der Abgangsgruppe (H 2O) ermöglichen die Abspaltung derselben. Formel 71 Protonierung des Halbacetals 5. Eliminierung von Wasser (H2O): Durch die Protonierung der Hydroxylgruppe kann die Bindung, welche den H2O-Rest am zentralen C-Atom hält, umklappen und Wasser aus dem Molekül entfernt werden. Produkt dieses Reaktionsschrittes ist ein alkylierter, positiv geladener und daher sehr elektrophiler Aldehyd. Die positive Ladung kann am zentralen C-Atom oder O-Atom lokalisiert werden (Mesomeriestabilisierung). Formel 72 : Eliminierung von Wasser 6. Nucleophiler Angriff eines Alkanols oder Alkohols: Ein weiteres Äquivalent Alkanol oder Alkohol kann das zentrale C-Atom nukleophil angreifen, wenn dieses die positive Ladung trägt, und an dieses binden. Da das angreifende Alkanol bzw. Alkohol das Bindungselektronenpaar für die neue Bindung bereitstellt, weist das O- Atom, über welches die Bindung realisiert wird, nach Herstellung der Bindung seinerseits eine positive Ladung auf. Formel 73 : Nucleophiler Angriff eines Alkanol oder Alkohol 7. Abspaltung eines Protons liefert das Acetal: Die positive Ladung am Sauerstoffatom bewirkt das Umklappen des Bindungselektronenpaares, welches das H-Atom am positiv geladenen O-Atom hält. Hierdurch wird die positive Ladung ausgeglichen, ein Proton freigesetzt und damit der Katalysator zurück gewonnen. Reaktionsprodukt ist ein Acetal, also ein Kohlenwasserstoff mit 2 Alkoxygruppen (R-O-R) an einem C-Atom. Formel 74 : Abspaltung eines Protons liefert das Acetal Bei einigen Zuckern, wie etwa bei der D-Glucose (Traubenzucker, C 6H12O6), ist die Halbacetal-Bildung zugleich miteinem Ringschluss verbunden. Bei der intramolekularen Halbacetal-Bildung wird das 1. mit dem 5. C-Atom (Pyranose-Form) oder das 1. mit dem 4. C-Atom (Furanose-Form, eher selten) über eine Sauerstoffbrücke verbunden, d.h. diejeweiligen C-Atome rahmen ein O-Atom ein. Durch die Halbacetal-Bildung wird ein neues Stereozentrum gebildet, wodurch zwei so genannte Anomere entstehenkönnen. Anomere sind Kohlenhydrate, die in ihrer cyclischen Form vorliegen und sich durch ihre so genannten anomerenZentren unterscheiden. Letzteres sind C-Atome, die dem O-Atom im Ring benachbart sind und ein Chiralitätszentrumdarstellen. Die Anomere werden anhand der OH-Gruppen am neuen Stereozentrum in α-Form (OH-Gruppe am anomerenZentrum zeigt nach unten) und β-Form (OH-Gruppe am anomeren Zentrum zeigt nach oben) unterschieden. Formel 75 : Halbacetalschluss von Glucose führt zur pyranoiden Form - 51 -
  • 46. Organische ChemieKohlenhydrate Als Kohlenhydrate oder Saccharide werden Polyhydroxycarbonylverbindungen und deren Oligo- (aus wenigenMonosachariden aufgebaut) und Polykondensate 34 (aus vielen Monosachariden aufgebaut) bezeichnet. AlsPolyhydroxycarbonylverbindungen haben Kohlenhydrate in ihrer offenkettigen Form neben mehreren Hydroxygruppe auchmindestens eine Carbonylgruppe. Im Allgemeinen werden unter Kohlenhydraten Zucker verstanden. Ihre nicht-kondensierten Vertreter, die Monosaccharide, weisen Kohlenstoffketten mit mindestens 3 C-Atomen und einemChiralitätszentrum auf. Häufig kommen Monosaccharide mit 5 oder 6 C-Atomen vor. Größere Kohlenhydrate bestehen aus über glycosidische Bindungen verketteten Monosachariden, d.h. dieMonosaccharide sind über ein O-Atom miteinander verknüpft. Die Bindung wird durch je eine OH-Gruppe proMonosaccharin gebildet, von denen jedoch nur ein O-Atom im Mehrfachzucker verbleibt, während die restlichenBestandteile der OH-Gruppen als H2O abgespalten werden. Formel 76 : Beispiele für Kohlenhydrate Die Monosaccharide (Einfachzucker wie etwa Traubenzucker und Fruchtzucker), Disaccharide (Zweifachzucker, z.B.Kristallzucker, Milchzucker, Malzzucker) und Oligosaccharide (Mehrfachzucker, wie Raffinose etc.) sind meistwasserlöslich und haben einen süßen Geschmack. Polysaccharide (Vielfachzucker) wie z.B. Stärke, Cellulose und Chitinsind hingegen meist schlecht oder gar nicht in Wasser löslich und geschmacksneutral. Monosaccharide lassen sich in Aldosen und Ketosen, in D- und L-Zucker, sowie, anhand der Anzahl der C-Atome, inTriosen (3 C-Atome), Tetrosen (4 C-Atome), Pentosen, Hexosen usw. unterteilen. Aldosen sind Monosaccharide, derenHydroxylgruppe (R-OH) am 1. C-Atom (s. Fischer-Projektion) zu einer Aldehydgruppe (R-COH, O doppelt gebunden)oxidiert ist. Ketosen hingegen weisen an einem nicht außen liegenden C-Atom eine Oxogruppe (R=O) auf. Die Fructose ist diewohl wichtigste Ketose. Sie weist keine Aldehydgruppe auf, sondern am 2. C-Atom ist eine Keto-Funktion, d.h. ein doppeltgebundenes O-Atom, lokalisiert. Formel 77 : Halbacetalschluß der Fructose Ein Beispiel für Pentosen ist die D-Ribose, welche in der RNA vorkommt, und die 2-Desoxy-D-Ribose, die in der DNAzu finden ist. Durch die Desoxygenierung, d.h. die Abspaltung eines O-Atoms, wird die Stabilität der RNA im Vergleichzur DNA erhöht, da eine Deprotonierung der 2-OH-Gruppe ein Nukleophil erzeugt. Dieses kann die Phosphorsäureester-Bindung der DNA angreifen und letztlich spalten, so dass der DNA-Strang gebrochen wird. Die Unterteilung in D- und L-Zucker bezieht sich auf die optischen Eigenschaften der Kohlenhydrate. Diese drehenpolarisiertes Licht um einen für die jeweilige Verbindung spezifischen Drehwinkel. Bringt man Kohlenhydrate, z.B.kristalline D-Glucose, in Lösung, so ändert sich der Drehwinkel vom Zeitpunkt des Ansetzens der Lösung an mit der Zeitkontinuierlich, bis schließlich ein fester Wert erreicht wird. Dieses Phänomen wird als Mutarotation bezeichnet.34 Polykondensate entstehen durch eine Polykondensationsreaktion. Dies ist eine stufenweise über stabile, aber weiterhin reaktionsfähigeZwischenprodukte ablaufende Kondensationsreaktion, bei der aus vielen niedrigmolekularen Stoffen (Monomere) unter Abspaltung einfach gebauterMoleküle (meist H2O) Makromoleküle (Polymere / Copolymere) gebildet werden. - 52 -
  • 47. Organische Chemie Ursache der Mutarotation ist, dass Kohlenhydrate mit Aldehydgruppe und mehr als 5 C-Atomen in wässriger Lösungseltener in der offenkettigen Form, sondern meist als ringförmige Halbacetale vorliegen. Durch die Bindung derAldehydgruppe mit der vorletzten Hydroxylgruppe entsteht ein anomeres Zentrum und es sind 2 Anomere möglich, α-Form(OH-Gruppe am anomeren Zentrum zeigt nach unten) und β-Form (OH-Gruppe am anomeren Zentrum zeigt nach oben).Beide Formen unterscheiden sich nicht nur durch ihre Konfiguration, sondern auch in ihrer optischen Aktivität(Drehwinkel). Offenkettige und Ringform liegen in Lösung in einem dynamischen Gleichgewicht vor, welches auf Seitender Ringform liegt. Weil bei jeder Ringbildung die α- oder β-Form entstehen kann, liegen auch diese beiden in einemGleichgewicht mit einer ganz bestimmten Konstante vor. Da es nach dem Ansetzen der Lösung einige Zeit dauert, bis sichdas Gleichgewicht eingestellt hat, ändert sich auch der Drehwinkel im betreffenden Zeitraum.Neubildung von C-C-Bindungen Carbonylverbindungen könnten nicht nur mit metallorganischen Reagenzien, dies sind organische Verbindungen, diedirekt an ein Metallatom gebunden sind und meist relativ starke Nukleophile darstellen (s. Grignard-Verbindungen),reagieren. Auch Reaktionen mit schwächeren Nukleophilen sind möglich, welche zu einer neuen C-C-Bindung führen.Beispielsweise kann Blausäure (Cyanwasserstoff, HCN) in einer reversiblen Reaktion an Carbonylverbindungen addiertwerden. Die hierbei gebildeten Cyanhydride finden sich in modifizierter Form in der Natur als Abwehrstoffe, die HCN inFolge einer durch Enzyme initiierten Reaktion wieder freisetzen.Neubildung einer C-C-Bindung - Aldol-Reaktion Besondere Bedeutung in Bezug auf den Stoffwechsel kommt der Aldol-Reaktion zu, bei der Enolate von Aldehydenoder Ketonen mit anderen Carbonylverbindungen verknüpft werden. Grundvoraussetzung der Reaktion ist die Anwesenheitvon Lewis-Säuren oder Basen, die als Katalysatoren wirken. Bei der basenkatalysierten Aldol-Reaktion dient die Lewis-Base der Aktivierung eines Nukleophils. Hierbei entstehtdurch Deprotonierung eines Aldehydes oder Ketons ein Enolat-Ion, welches eine Carbonylverbindung nukleophil angreifenkann. Bei der säurekatalysierten Aldol-Reaktion dient die Lewis-Säure der Aktivierung eines Elektrophils. Hierbei entstehtdurch Protonierung eines Aldehydes oder Ketons eine positive Partialladung, welche durch ein weites Aldehydes oderKetons angegriffen werden kann. Die Reaktion läuft in Anwesenheit starker Basen, die als Katalysator zur Deprotonierunggebraucht werden, in folgenden Schritten ab: 1. Deprotonierung eines Aldehydes oder Ketons liefert Enolat: Durch die Base (OH-) wird einem Aldehyd (endständige Carbonylgruppe) oder Keton (nicht endständige Carbonylgruppe) ein Proton entzogen. Es wird jeweils das acideste35 H-Atom als Proton abgespalten, also ein H-Atom des C-Atomes, welches der Carbonylgruppe direkt benachbart ist. Dieses C-Atom wird α-C-Atom genannt, während als β-C-Atome solche C- Atome bezeichnet werden, welche durch ein α-C-Atom von der Carbonylgruppe getrennt werden. Die für C-H- Bindungen ungewöhnliche Acidität der α-C-Atome resultiert aus der starken Polarisierung der Carbonylgruppe, welche auch auf benachbarte C-Atome ausstrahlt. Das aus der Deprotonierung resultierende Anion ist mesomeriestabilisiert. Das durch die Abspaltung des Protons frei gewordene Elektronenpaar und die damit verbundene negative Partialladung sind zwischen dem α-C-Atom (Carbanion, negative Ladung am α-C-Atom, Carbonyl-O-Atom bleibt doppelt gebunden) und dem Carbonyl-O-Atom (Enolat-Ion, negative Ladung am Carbonyl-O-Atom, α-C-Atom und Carbonyl-C-Atom doppelt gebunden) verteilt. Durch die Mesomerie wird das Anion stabilisiert, was die Tendenz zur Protonenabgabe der Ausgangsverbindung erhöht und somit die Ursache für die Acidität ist. Formel 78 : Deprotonierung eines Aldehydes oder Ketons liefert Enolat 2. Angriff des Enolats (Nu-) an ein weiteres Aldehyd oder Keton (E +): Das jeweilige Enolat-Ion kann mit seinem freien Elektronenpaar das Carbonyl-C-Atom eines weiteren Aldehydes oder Ketons angreifen, da dessen Carbonyl-O-Atom ja eine Polarisierung der Doppelbindung bewirkt. Infolge des nukleophilen Angriffs wird eine neue C-C-Bindung geknüpft, es entsteht ein anionisches Intermediat. Obwohl beide Ausgangsstoffe für diesen Reaktionsschritt eine Doppelbindung aufwiesen, verfügt das Zwischenprodukt nur über eine Doppelbindung, während die negative Ladung am Carbonyl-O-Atom der angegriffenen Bindung lokalisiert ist.35 Der Begriff Acidität beschreibt die Stärke eine Säure, also die Fähigkeit, Protonen abzugeben. Allgemein gilt, das die Acidität und damit die Stärkeeiner Säure umso größer ist, je stabiler das aus der Abspaltung des Protons resultierende Anion ist. Bei organischen Verbindungen hängt die Säurestärkevor allem von mesomeren Effekten, Art und Umfang der Hybridisierung sowie induktiven Effekten ab. Durch Mesomerie wird das Anion stabilisiert,weswegen etwa Carbonsäuren saurer als Alkohole sind. Außerdem ist eine Säure umso stärker, je höher der s-Gehalt der Hybridorbitale des C-Atoms, vondem das Proton abgespalten wird, ist. Beispielsweise ist Ethin (C 2H2; sp-Hybridisierung) eine stärkere Säure als Ethan (C2H6; sp3-Hybridisierung).Induktive Effekte beeinflussen die Säurestärke dahingehend, das elektronenziehende Gruppen wie z.B. Chlor die Säurestärke einer Verbindung erhöhen.Trichloressigsäure ist beispielsweise stärker als Essigsäure. - 53 -
  • 48. Organische Chemie Formel 79 : Angriff des Enolats (Nu-) an ein Aldehyd oder Keton (E+) 3. Protonierung liefert das Aldol: Die negative Ladung am O-Atom wird durch Aufnahme eines Protons ausgeglichen, welches durch ein freies Elektronenpaar des O-Atoms gebunden wird. Reaktionsprodukt ist eine Hydroxycarbonylverbindung, die als Aldol bzw. als Aldehydalkohol bezeichnet wird. Diese Verbindung verfügt über eine Hydroxylgruppe (R-OH) und eine endständige Carbonylgruppe (R-CHO). Aldole sind häufig instabil und spalten beim Erhitzen oder in Anwesenheit eines Katalysators Wasser ab. Hierbei entsteht eine zur Aldehydgruppe konjugierte C=C-Doppelbindung. Dieser Vorgang läuft bevorzugt ab, wenn ein großes konjugiertes π-System gebildet werden kann, und wird als Aldolkondensation bezeichnet: Formel 80 : Protonierung liefert das Aldol 4. Wasserabspaltung liefert ein Alkin: Wirkt eine Base (OH-) als Katalysator, so kann diese dem Aldol ein Proton entziehen. Das C-Atom, welches durch Carbonyl- und Hydroxyl-C-Atom eingerahmt wird, verfügt über 2 H- Atome. Da die Polarisierung der Carbonylgruppe auf dieses C-Atom (α-C-Atom) ausstrahlt, kann eines seiner H- Atome (α-ständige H-Atome) durch die Base entfernt werden. Hierdurch verbleibt ein Elektronenpaar an diesem C-Atom, welches in Richtung der OH-Gruppe umklappt. Dadurch wird die Bindung der OH-Gruppe gelöst und diese abgespalten. Zu beachten ist hierbei, dass bei der „Wasserabspaltung“ nicht zwangsläufig ein H 2O-Molekül abgespalten werden muss. In Anwesenheit einer Base wird zunächst ein Proton, dann eine OH-Gruppe abgespalten, so dass in der Summe Wasser aus dem Molekül entfernt wurde. Reaktionsprodukt ist ein Alkin (Kohlenwasserstoff mit einer Doppelbindung zwischen 2 C-Atomen). Formel 81 : Wasserabspaltung liefert ein Alkin In der Natur spielt die Aldolase-Reaktion (Imin-Variante der Aldol-Reaktion) für den Aufbau der Kohlenhydrate einewichtige große Rolle. Hierbei reagieren Imine, d.h. Aldehyde oder Ketone, deren Carbonyl-O-Atom durch ein ebenfallsdoppelt gebundenes N-Atom ersetzt wurde, analog zum Mechanismus der Aldol Reaktion. Allerdings wird nicht, wie beider Bildung des Enolat-Ion bei der Aldol-Reaktion, das Imin-Aldehyd oder -Keton deprotoniert, sondern über einenenzymatischen Cofaktor ein Substrat (wie etwa 1,3-Dihydroxyacetonohosphat) in ein Iminium-Ion, d.h. ein protoniertesund damit positiv geladenes Imin, überführt. Bei der weiteren Reaktion isomerisiert das Iminium-Ion zu einem Enamin 36,so dass die Verknüpfung des 1,3-Dihydroxyacetonphosphats (Ketotriose) mit Glycerinaldehydphosphat (Aldotriose)ermöglicht wird. Das Produkt der Hydrolyse des zweiten Iminium-Ions ergibt dann eine Ketohexose (Fructosediphosphat),die vom Organismus weiter umgesetzt werden kann.Neubildung einer C-C-Bindung - Alkylierung Ausgehend von Enolaten oder Enaminen kann die Knüpfung einer neuen C-C-Bindung nicht nur durch die Aldol-Reaktion, sondern auch durch eine nukleophile Substitution erfolgen. Hierbei greifen Enolat oder Enamin kein Aldehydoder Keton, sondern ein Halogenalkan nukleophil an, wodurch das Halogen als Abgangsgruppe abgespalten wird. Formel 82 : Alkylierung bei Aldehyden (Enolat-Ion) und Enaminen36 Der Trivialname Enamin setzt sich aus den Bestandteilen „-en“ für eine Doppelbindung und „Amin“ für ein Derivat des Ammoniaks (NH 3) zusammen.In Anlehnung an die Bezeichnung „Enol“ für ein Kohlenwasserstoff mit Alken- (R=R) und Alkohol-Anteil (R-OH) werden mit „Enamin“ α,β-ungesättigteAmine (Doppelbindung zwischen α- und β-C-Atom) umschrieben. - 54 -
  • 49. Organische Chemie Bei den Aldehyden ist die Acidität der am α-C-Atom befindlichen α-ständigen H-Atome nahezu identisch zur Aciditätder α-ständigen H-Atome des Aldol-Produktes. Da die Reaktion nur in Anwesenheit eines Katalysators (z.B. einer Base zurDeprotonierung des Aldehydes und Bildung des Enolat-Ions) ablaufen kann, kann auch das Produkt der Alkylierung wiedernukleophil angegriffen werden. Hierdurch kann es zu mehrfacher Alkylierung und somit zu Produktgemischen aus einfachund mehrfach alkylierten Produkten kommen. Im Falle der Enamine werden zunächst Iminium-Ionen (positiv geladeneImine) gebildet. Diese können jedoch nur in Anwesenheit von Wasser zum Aldol-Produkt weiterreagieren. Da hierbeikeine Base anwesend ist, kann es auch nicht zu Mehrfachalkylierungen kommen.Neubildung einer C-C-Bindung - Wittig-Reaktion Eine weitere Reaktion der Carbonylgruppe, die in einem Schritt zu einem Alken führt, ist die Wittig-Reaktion. Diesewurde um 1950 von Georg Wittig und seinem Doktoranden Ulrich Schöllkopf an der Universität Tübingen entwickelt undbeschrieben. Die Reaktion hat sowohl in der organischen Chemie, als auch in der industriellen Anwendung großeBedeutung erlangt, etwa bei der Synthese von β-Carotin und anderen Naturstoffen. Zunächst wird ein Halogenalkan mit Triphenylphosphin (tertiäres Phosphan) umgesetzt, wobei durch eine SN2-Reaktionein Phosphonium-Salz gebildet wird. Dieses kann durch eine Base deprotoniert werden. Das H-Atom, welches bei derDeprotonierung aus dem Molekül entfernt wird, stammt von einem C-Atom, welches in α-Position zum positiv geladenenPhosphor steht, d.h. direkt an dieses P-Atom gebunden ist. Hierbei entsteht ein so genanntes Phosphor-Ylid 37. EinPhosphor-Ylid ist ein so genanntes „inneres Salz“ mit einem Kohlenstoff als Anion und einem Phosphor-Atom als Kation.Die Bindung zwischen P- und C-Atom hat sowohl kovalenten als auch ionischen Charakter. Formel 83 : Bildung des Phosphonium-Salzes Das Phosphor-Ylid kann als Nukleophil reagieren und eine Carbonylverbindung angreifen. Die hohe Tendenz desPhosphors, Bindungen mit Sauerstoff einzugehen, bewirkt nun, dass ein Vierring (Phosphaoxetan) gebildet wird. Dieserstellt einen cyclischen Übergangszustand dar. Formel 84 : Nukleophiler Angriff durch das Ylid Zuletzt klappt die Bindung des O-Atoms zum P-Atom hin um, wodurch eine Doppelbindung zwischen diesen entsteht.Hierdurch wird das Bindungs-Elektronenpaar, welches ein C-Atom an das P-Atoms gebunden hat, zu dem C-Atomgedrückt und das C-Atom nebst seinen Substituënten aus dem Molekül entfernt. Reaktionsprodukte sind ein Alken(Kohlenwasserstoff mit einer Doppelbindung zwischen 2 C-Atomen) und Triphenylphosphinoxid. Letzteres besteht auseinem zentralen Phosphor-Atom, an welches 3 Phenylreste (Benzol-Rest, R-C6H5) einfach und ein O-Atom doppeltgebunden sind. Formel 85 : Intramolekulare Reaktion liefert ein AlkenNeubildung einer C-C-Bindung - 1,2- und 1,4-Addition an α,β-ungesättigte Systeme Eine andere Möglichkeit der Neubildung einer C-C-Bindung ist die Addition von Nukleophilen an α,β-ungesättigteSysteme. Letzteres sind Verbindungen, die über eine Carbonylgruppe verfügen und zwischen dem α-C- und dem β-C-Atomeine Doppelbindung aufweisen. Durch das O-Atom wird nicht nur die Doppelbindung polarisiert, auch lassen sich beiSystemen, die über ein doppelt gebundenes O-Atom und eine weitere C-C-Doppelbindung in unmittelbarer Nachbarschaftverfügen, mesomere Grenzstrukturen formulieren. Im Extremfall lassen sich so eine positive Ladung am Carbonyl-C-Atomund eine negative am einfach gebundenen Carbonyl-O-Atom formulieren.37 Als Ylid wird allgemein ein Molekül bezeichnet, welches ein C-Atom als Anion und ein anderes Atom (z.B. ein Phosphor-Atom) als Kation aufweist.Da die Kohlenstoff-Heteroatom-Bindung sowohl kovalenten (daher das Wortbestandteil „Yl-“) als auch einen ionischen Charakter (daher das „-id“) hat,spricht man auch von einem „inneren Salz“. Oft werden Phosphor-Ylide einfach als Ylide bezeichnet. Solche phosphorhaltigen Ylide werden auchPhosphorane genannt. In der Literatur werden sie häufig mit einer Doppelbindung zwischen dem P- und einem C-Atom dargestellt. - 55 -
  • 50. Organische Chemie Bei der Addition an α,β-ungesättigten Systemen gehen harten Kohlenstoff-Nukleophile, wie Grignard-Reagenziën oderAlkyl-Lithium-Verbindungen, eine 1,2-Addition ein, indem sie das stärker positiv polarisierte Carbonyl-C-Atom (α-C-Atom) angreifen. Weiche Nukleophile, wie Cuprat-Reagenziën, greifen hingegen das weichere, also weniger stark positivpolarisierte, Alkenyl-C-Atom (β-C-Atom) an. Formel 86 : Addition harter Nukleophile Die Tendenz zum Angriff harter Nukleophile auf das stärker polarisierte und weiche Nukleophile auf das weniger starkpolarisierte C-Atom lässt sich durch das HSAB-Prinzip erklären. Dieses bedeutet, dass harte Zentren, also solche mit einerhohen Ladungsdichte (Verhältnis von Ladung pro Volumen), mit harten Zentren reagieren und weiche Zentren (solche mitgeringer Ladungsdichte) mit weichen Reaktionspartnern. Formel 87 : Addition weicher Nukleophile Bei der Addition eines Cuprats an ein α,β-ungesättigtes System entsteht intermediär ein Enolat-Ion, welches direkt zueiner weiteren C-C-Bindungsknüpfung benutzt werden kann. Als Cuprate werden negativ geladene Metallkomplexes mitKupfer als Zentralatom (enthalten in diversen Pigmenten) bezeichnet. Diese können aufgrund ihrer negativen Ladung dasan der C-C-Doppelbindung beteiligte β-C-Atom angreifen. Formel 88 : Addition eines CupratesDicarbonylverbindungen 1,3-Dicarbonylverbindungen, also Verbindungen mit 2 Carbonylgruppen am 1. und 3. C-Atom der jeweiligenKohlenwasserstoffkette, weisen eine beträchtliche Acidität auf. Ihr bestreben, eines der H-Atome des von denCarbonylgruppen eingerahmten C-Atomes als Proton abzuspalten, beruht auf der Stabilisierung des durch die Abspaltungentstehenden Anions durch eine ausgedehnte Mesomerie. Zudem liegen die 1,3-Dicarbonylverbindungen oft in der Enol-Form vor, d.h. das durch die Abspaltung des Protons frei gewordene Elektronenpaar wird zur Bildung einer Doppelbindungzwischen 2 C-Atomen genutzt, so dass eine Base quasi das Proton eines Alkohols abstrahieren und die Deprotonierungnicht aus der C-H-Bindung heraus erfolgen muss. Formel 89 : Reaktivität von DicarbonylverbindungenSynthese von 1,3-Dicarbonylverbindungen - Chaisen-Kondensation Die Synthese von 1,3-Dicarbonylverbindungen ist mittels der Chaisen-Kondensation möglich. Hierbei greift ein Enolat-Ion einen Ester nukleophil an, wobei je nach Art des Enolats 1,3-Diketone oder 1,3-Ketoester zugänglich sind. Bei der Chaisen-Kondensation wird zunächst ein Estermolekül in α-Position zur Carbonylfunktion durch ein Alkoholat,d.h. einen deprotonierten Alkohol, deprotoniert. Hierzu kann z.B. Natriumalkoholat verwendet werden. Die dabeientstehende negative Ladung wird durch die benachbarte Carbonylfunktion mesomeriestabilisiert. Das Ester-Anion greiftnun den Carbonylkohlenstoff eines weiteren Esters an und substituiert ein Alkoholat. Dieses verlässt als Natriumalkoholatdas Molekül und es entsteht ein β-Ketoester. Durch das Natriumalkoholat wird der β-Ketoester in α-Position zu den beidenCarbonylfunktionen deprotoniert und es bildet sich das Enolat. Die Deprotonierung ist der einzige irreversible Schritt desgesamten Mechanismus. - 56 -
  • 51. Organische Chemie Formel 90 : Claisen-Kondensation Die Synthese von 1,3-Ketoestern über den oben gezeigten Weg wird in der Natur durch Thioester mit dem Coënzym Adurchgeführt, so dass eine Verlängerung der Kohlenstoffketten im Fettsäurestoffwechsel erfolgen kann.β-Ketoester Die Anionen der β-Ketoester lassen sich sequentiell alkylieren, d.h. es lässt sich eine aliphatische Alkylgruppe(Kohlenwasserstoffkette) anlagern. Nach der Verseifung der β-Ketoester erhält man die freien β-Ketosäuren, die in einercyclischen Struktur vorliegen und thermisch instabil sind. Durch eine Decarboxylierung (Abspaltung von CO 2) kann mandie Ketosäuren zu substituierten Ketonen (nicht endständige Carbonylgruppe) abreagieren lassen. Auf diese Weise erhält man selektiv Ketone mit zwei neuen Substituënten an der Stelle der vormaligen CH 2-Gruppe.Nutzt man für die Reaktion Malonsäureester (ROOC-CH2-COOR), ergeben sich in gleicher Weise die zweifachsubstituierten Carbonsäuren (HOOC-CH-R1R2). Formel 91 : Reaktionen von β-Ketoestern - 57 -
  • 52. Organische ChemieCarbonsäuren Carbonsäuren sind organische Säuren und zeichnen sich durch doppelt gebundenes O-Atom und eine OH-Gruppe anein und demselben C-Atom aus (Carboxylgruppe, R-COOH). Zu den Carbonsäuren gehören Alkan-, Alken- undAlkinsäuren. Alkansäuren bestehen aus einem Alkylrest (z.B. R-CH 2-CH3) und einer Carboxylgruppe (R-COOH),Alkensäuren weisen nicht nur eine Carboxylgruppe, sondern darüber hinaus mindestens eine Doppelbindung zwischen 2 C-Atomen auf. Alkinsäuren bestehen aus einer Carboxylgruppe und einem Kohlenwasserstoff-Rest mit mindestens einerDreifachbindung zwischen 2 C-Atomen. Darüber hinaus gibt es cyclische Carbonsäuren, die wiederum in aliphatische,aromatische und heterocyclische Carbonsäuren unterteilt werden. Carbonsäuren kommen sowohl als freie Säure als auchals Derivate in der Natur vor. Abhängig von der Anzahl der Carboxylgruppen werden Carbonsäuren auch in einbasige(Monocarbonsäuren, nur eine COOH-Gruppe) und mehrbasige (Dicarbonsäuren, Tricarbonsäuren, etc.) Carbonsäurenunterteilt. Die kurzkettigen Carbonsäuren sind oft farblose Flüssigkeiten mit starkem Geruch. Formel 92 : Carbonsäure-Dimer Die Polarisierung der Doppelbindung zum O-Atom und das zusätzliche O-Atom der OH-Gruppe erleichtern die Abgabeeines Protons und ermöglichen die Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen, weswegen Carbonsäuren relativ hoheSiedepunkte haben. Da die Carboxylgruppe endständig an einem Kohlenwasserstoff-Rest liegt, können bei Ausbildung vonWasserstoffbrückenbindung Carbonsäure-Dimeren (2 Carbonsäuren jeweils über 2 Wasserstoffbrückenbindungenaneinander gekoppelt) gebildet werden, was zur Verdoppelung der Molekülmasse im Dampfraum über einer Flüssigkeitführt. Aufgrund der höheren Molekülmasse wird hierbei der Siedepunkt weiter erhöht. Mit zunehmender Kettenlängenimmt der fettartige Charakter der Carbonsäuren zu, was auch für deren Salze gilt. Die häufigsten Fettsäuren haben 16, 17oder 18 Kohlenstoffatome, ihre Triglycerid-Ester sind die Fette. Die Natrium- und Kalium Salze der Fettsäuren werden alsKernseife und Schmierseife verwendet. Die Carbonsäuren können auf verschiedenen Wegen hergestellt werden, von denen einige bereits angesprochen wurden.Neben Reaktionen von Grignard-Reagenziën mit CO2 kann man eine SN-Reaktion mit Cyaniden, dies sind Salze und andereVerbindungen der Blausäure (HCN), die ein Cyanid-Anion (R-C≡N) enthalten, durchführen und das erzeugte Nitrilanschließend hydrolysieren. Weitere Möglichkeiten der Carbonsäuresynthese sind Oxidation eines primären Alkoholssowie Ozonolyse (Spaltung) eines Alkens und anschließende oxidative Aufarbeitung desselben. Abbildung 29 : Reaktivität von Carbonsäure-Derivaten - 59 -
  • 53. Organische ChemieDerivate der Carbonsäure Eine Reihe von Derivaten der Carbonsäuren sind von Interesse. Oft ist bei diesen die OH-Gruppe durch ein anderesAtom oder eine Atomgruppe ausgetauscht. Die Reaktivität gegenüber Nukleophilen ist bei den meisten Derivaten stärkerausgeprägt als die der reinen Carbonsäuren. So sind Carbonsäurechloride reaktiver als Carbonsäureanhydride und selbstCarbonsäureamide sind noch reaktiver als eine einfache Carbonsäure. Die wichtigsten Carbonsäurederivate sind: ● Carbonsäurehalogenide: Die reaktivsten Carbonsäurederivate sind die Carbonsäurehalogenide, die nicht durch die Reaktion der Carbonsäure mit gasförmigem HCl-Gas hergestellt werden können. Formel 93 : Herstellung von Carbonsäurehalogeniden Der Grund hierfür ist, dass das dabei gebildete Wasser ein besseres Nukleophil ist, als das Halogenid-Ion, so dass das Gleichgewicht der Reaktion auf der Seite der Edukte liegen würde. Daher muss für die Synthese ein Umweg eingeschlagen werden, bei dem das Wasser in gasförmige Produkte überführt wird. Dies gelingt durch Reaktion mit Thionylchlorid, sodass SO2 und HCl als Nebenprodukte gebildet werden. Carbonsäurehalogenide können mit vielen Nukleophilen umgesetzt werden, so dass sie sehr vielseitige Reagenzien darstellen und häufig genutzt werden. Formel 94 : Umsetzung eines Carbonsäurehalogenides ● Carbonsäureanhydride: Etwas weniger reaktiv sind die Carbonsäureanhydride, die durch Deprotonierung, bzw. durch Reagenzien, die dem Reaktionsgemisch Wasser entziehen, aus Carbonsäuren hergestellt werden können. Carbonsäureanhydride reagieren nach dem gleichen Reaktionsmechanismus wie die Carbonsäurehalogenide mit Nukleophilen. Formel 95 : Umsetzung eines Carbonsäureanhydrides ● Carbonsäureester: Die Ester der Carbonsäure bestehen aus einer Carbonylgruppe, an deren C-Atom auf der einen Seite ein Kohlenwasserstoffrest, auf der anderen Seite ein O-Atom gebunden ist, welches ebenfalls einen Kohlenwasserstoffrest trägt. Sie sind in der Natur weit verbreitet und finden sich in vielen Aromen, Geruchsstoffen, Fetten, Ölen und Wachsen. Von besonderer Bedeutung sind die Thiocarbonsäureester, die bezüglich ihrer Reaktivität zwischen Anhydriden und Estern einzuordnen sind. Einer der wichtigsten Vertreter dieser Substanzklasse ist das Acetyl-CoA, das von einigen Organismen als Acetyl-Transferreagenz eingesetzt wird und etwa bei der Fettbiosynthese eine Rolle spielt. Formel 96 : Verlängerung eines Fettsäure-CoA-Moleküls um 2 Kohlenstoffe Carbonsäureester sind aufgrund der enthaltenen O-Atome zwar polar, reagieren aber nicht sauer, was auf das Fehlen des H-Atoms der Carboxylgruppe zurückzuführen ist. Sie können ohne Partner, der einen polar gebunden Wasserstoff enthält, keine Wasserstoffbrücken ausbilden. Da Carbonsäureester allein keine Wasserstoffbrücken ausbilden können, liegt ihr Siedepunkt im Vergleich zu Alkoholen oder gar Carbonsäuren von vergleichbarer molarer Masse wesentlich niedriger. Formel 97 : Acetyl-CoA - 60 -
  • 54. Organische Chemie Carbonsäureester sind nur schwer in Wasser löslich, was auf Wechselwirkungen des polaren Carbonyl-O-Atoms mit dem polaren H-Atom des Wassers zurückzuführen ist. Diese Wechselwirkungen ermöglichen die Bildung von Wasserstoffbrücken, wodurch niedere Alkansäurealkylestern in Wasser löslich sind. Mit steigender Molekülgröße wird die Wasserlöslichkeit immer geringer, da die Wirkung des polaren Sauerstoffs im Verhältnis zu den unpolaren Alkylresten immer weniger Wirkung zeigt. Daher werden Ester im Allgemeinen als hydrophob bezeichnet.● Carbonsäureamide: Bei Carbonsäureamiden fehlt der OH-Anteil der Carboxylgruppe, dieser wurde komplett durch ein Stickstoff-Atom ersetzt. An das N-Atom können verschieden Reste gebunden sein. Carbonsäureamiden sind sehr stabile Carbonsäurederivate, die sich z.B. in Enzymen, Peptiden und Strukturproteinen finden und dort eine zentrale Rolle spielen. Amide können aus Aminen und einem reaktiveren Carbonsäurederivat (z.B. einem Carbonsäurehalogenid) erzeugt werden. Im Fall der Darstellung aus einem Säurehalogenid muss allerdings zusätzlich eine Base eingesetzt werden, die das gebildete HCl abfängt. Formel 98 : Synthese eines Carbonsäureamides - 61 -
  • 55. Organische ChemieAmine Als Amine werden organische Derivate des Ammoniaks (NH3) bezeichnet, die meist durch ihren charakteristischenstechenden Geruch (ammoniakartig bis fischig) erkannt werden können. Je nachdem, wie viele H-Atome desursprünglichen Ammoniak-Moleküls durch organische Molekülgruppen ersetzt wurden, werden Amine in primäre (R-NH2), sekundäre (R-NH-R) oder tertiäre (NR 3) Amine unterteilt. Betrachtet man den Stickstoff enthaltenden Bereich einesKohlenwasserstoffes als funktionelle Gruppe, erfolgt die Benennung analog zu den Aminen (R-NH 2 =primäre Aminogruppe, R-NH-R = sekundäre Aminogruppe, R-NR2 = tertiäre Aminogruppe). Ist auch das 4. Elektronenpaaran einen organischen Rest gebunden (NR4+), so wird diese Verbindung als quartäres Ammoniumsalz bezeichnet. DieAlkylgruppen sekundärer oder tertiärer Amine können zu einem Ring geschlossen sein, man spricht dann von cyclischensekundären oder tertiären Aminen. Formel 99 : Amine Ähnlich wie Alkohole sind auch Amine in der Lage, Wasserstoffbrückenbindungen einzugehen. Hierdurch liegt derSiedepunkt von Kohlenwasserstoffen, die eine Aminogruppe enthalten, höher als bei Kohlenwasserstoffen ohneAminogruppe. Außerdem erhöhen Aminogruppen die Stabilität von Peptiden und Proteïnen. Die räumliche Struktur der Amine gleicht dem der Kohlenstoffverbindungen, ist also tetraëdrisch. Jedoch findet manbei den Aminen eine sehr geringe Inversionsbarriere, so dass chirale Amine mit drei ungleichen Resten bereits beiRaumtemperatur sehr rasch racemisieren, sich also in ihre Enantiomere (Stereoisomere gleicher Summenformel, derenräumliche Strukturen sich wie Bild und Spiegelbild verhalten) umwandeln. Abbildung 30 : Räumliche Struktur von Aminen Konfigurativ stabiler verhalten sich jedoch Phosphine, d.h. Derivate des Monophosphats (PH 3), und Sulfoxide, d.h.organische Moleküle mit einem O-Atom, das doppelt an ein S-Atom gebunden ist (R-S(=O)-R). Diese können inenantiomerenreiner Form isoliert und gelagert werden. Die Synthese von 1° und 2° Aminen durch nukleophileSubstitutionsreaktionen führt nur zu unzureichenden Ergebnissen, da die Produkte der nukleophilen Substitutionelektronenreicher und damit nukleophiler als die Edukte sind, was eine Weiterreaktion begünstigt. Daher müssenselektivere Methoden zur Synthese primärer und sekundärer Amine verwendet werden. Einige solcher Methoden sind dieHydrolyse von Nitrilen (1.), d.h. die Spaltung von organischen Verbindungen, die einen dreifach an ein C-Atomgebundenes N-Atom aufweisen, durch Wasser, und die Gabriel-Synthese aus Phthalimiden. Letzteres sind Verbindungen,die aus einem Benzol-Ring und zwei über ein N-Atom miteinander verbundenen Carbonylgruppen bestehen (2.). Auch dieReduktion von Amiden (3.), d.h. Salzen des Ammoniaks, oder Nitroaromaten (4.), d.h. Aromaten, bei denen ein odermehrere H-Atome durch NO2 ersetzt wurden, und die reduktive Aminierung von intermediär gebildeten Iminen (5.), d.h.von Aldehyden oder Ketonen, deren O-Atom durch ein N-Atom ersetzt wurden, durch Natriumcyanoborhydrid liefernAmine. - 63 -
  • 56. Organische Chemie Formel 100 : Möglichkeiten zur Synthese von AminenOxidation von Aminen Die Oxidation von tertiären Aminen führt zu Aminoxiden. Aminoxide weisen einen Eliminierungs-Mechanismus auf,der sich von den bislang dargestellten etwas unterscheidet. Formel 101 : Aminoxide Aminoxide reagieren unter Bildung eines fünfgliedrigen Übergangszustands, bei dem 6 Elektronen verschoben werden,zu Alkenen und Hydroxylamin-Derivaten. Im Gegensatz zur E2-Eliminierung ist dieser Übergangszustand nur bei einersyn-Anordnung von Aminoxid-Anteil und einem Wasserstoffatom des entsprechenden Kohlenwasserstoff-Molekülsmöglich. Als syn-Anordnung bezeichnet man eine Anordnung von Substituënten, die sterische Wechselwirkungenzwischen diesen ermöglicht. Daher bezeichnet man diese Art von Eliminierungen auch als syn-Eliminierungen. Formel 102 : syn-EliminierungAmine als Nukleophile Amine können auch als Nukleophile reagieren und z.B. eine protonierte und damit positiv geladene Carbonylgruppeangreifen. Wird der Angriff mit primären Aminen durchgeführt, entstehen Imine. Formel 103 : Nukleophiler Angriff durch primäre Amine Als Imine werden organische Verbindungen bezeichnet, bei welchen das O-Atom eines Aldehyds oder Ketons durchein N-Atom ersetzt wurde (R 1R2C=NR3). Das N-Atom trägt zudem noch ein H-Atom oder einen organischen Rest. DieReste können unterschiedlich oder gleich sein oder lediglich aus H-Atomen bestehen. Greifen sekundäre Amine dieprotonierte Carbonylgruppe an, entstehen Enamine. Bei letzteren ist das N-Atom nicht doppelt gebunden, wie bei denIminen, sondern verfügt über 2 H-Atome und ist einfach an ein C-Atom gebunden. Enamine sind stabile Analoga zuEnolationen und lassen sich zum Beispiel für selektive Alkylierungsreaktionen einsetzen. Formel 104 : Nukleophiler Angriff durch ein sekundäres Amin - 64 -
  • 57. Organische ChemieNitrosamine und Azoverbindungen Bei der thermischen Umsetzung von Aminen mit Nitriten 38, dies sind die Ester der salpetrigen Säure (R-O-N=O),werden sekundäre Amine in so genannte Nitrosamine umgesetzt. Nitrosamine sind krebserregende Substanzen, die sichauch im Rahmen natürlich ablaufender Reaktionen bilden können. Dies geschieht bevorzugt in saurem Milieu, etwa immenschlichen Magen. Formel 105 : Bildung von Nitrosaminen Hierbei bildet Nitrit zunächst HNO 2, welches in Nitrosyl (NO +) und Hydroxid-Ionen (OH -) dissoziiert. Das Nitrosylreagiert mit einem Amin zum Nitrosamin weiter. Die analoge Reaktion primärer Amine führt letztlich zu aliphatischenDiazoverbindungen, die nicht besonders stabil sind und in Carbokationen und Stickstoff zerfallen. Die Folgereaktionen derCarbokationen in einem Organismus können Zellschäden und ähnliches nach sich ziehen. Formel 106 : Aromatische Azoverbindungen Aromatische Azoverbindungen, d.h. aromatische Verbindungen mit einer Azogruppen (R-N=N), können auf die gleicheWeise hergestellt werden. Sie sind allerdings stabiler und lassen sich als Elektrophile in einer elektrophilen aromatischenSubstitution zur Darstellung von Diazoverbindungen, also aromatischen Verbindungen mit 2 Azogruppen, einsetzen. DieDiazoverbindungen sind farbige Substanzen und werden als Lebensmittelfarbstoffe, Textilfarbstoffe, Farbindikatoren (zurpH-Messung) etc. eingesetzt. Aus der anorganischen Chemie bekannt sind beispielsweise Methylorange und Pararot. DieFarbe der jeweiligen Diazoverbindung hängt von den Substituënten am aromatischen System und der Struktur des Systemsab. Gemeinsam ist den Diazoverbindungen die Doppelbindung zwischen den beiden N-Atomen, welche die aromatischenSysteme verbindet. Formel 107 : Aromatische DiazoverbindungenStickstoff-Heterocyclen in der Natur Einige Heterocyclen, also ringförmige Verbindungen, deren Gerüste mindestens ein Heteroatom (d.h. kein C-Atom)aufweisen, spielen in der Natur eine wichtige Rolle. Solche Heterocyclen finden sich etwa in enzymatischen Cofaktorenwieder, oder sind Bestandteil wichtiger Naturstoffklassen (stickstoffhaltige Naturstoffe werden historisch bedingt Alkaloidegenannt) und haben diverse Aufgaben. Die einfachen stickstoffhaltigen Heterocyclen, wie Pyridin (z.B. PLP, Nicotin undandere Alkaloide), Pyrrol (z.B. Porphyrine, Häm, Chlorophyll, Cytochrome etc.) und Indol (Tryptophan, Lysergsäure etc.)sind nur einige Beispiele für die Vielfalt dieser Verbindungsklassen. Formel 108 : Einige wichtige Heterocyclen38 Unter Nitriten versteht man in der anorganischen Chemie die Salze (M +NO2 , M = anorganisches Kation) der salpetrigen Säure (HNO 2). In derorganischen Chemie hingegen sind damit die Ester (R-O-N=O) dieser Säure gemeint, die von den dazu isomeren Nitro-Verbindungen (R-NO 2) zuunterscheiden sind. Während bei den Estern der Rest am O-Atom gebunden ist, hängt dieser bei den Nitro-Verbindungen am Stickstoff. - 65 -
  • 58. Organische Chemie Heterocyclen können aromatische Systeme darstellen, wenn ein Elektronenpaar des sp 2-hybridisierten Heteroatoms zurBildung des π-Elektronensextetts herangezogen werden kann. Daher sind auch Fünfringe, wie etwa Pyrrol (5-Ring mit N-Atom) oder Furan (5-Ring mit O-Atom) als aromatische Verbindungen zu betrachten. Die Abkömmlinge von Pyrimidinund Purin finden sich in der RNA und DNA wieder. Imidazol ist der Grundkörper der natürlichen Aminosäure Histidin,deren besondere Bedeutung darin liegt, dass das NH-Proton des Imidazolrings als Säure im aktiven Zentrum von Enzymenwirken oder der deprotonierte Imidazolring als Base fungieren kann. Formel 109 : Heterocyclen mit 2 Stickstoff-Atomen Protonenverschiebungen (siehe Aldolase-Reaktion) werden durch Histidin katalysiert, wobei das Proton vomdeprotonierten Histidinring abstrahiert und sofort wieder abgegeben wird. Sauerstoffhaltige aromatische Heterocyclen(Pyrylium-Derivate) sind eher selten, wohingegen gesättigte Tetrahydrofuranderivate durchaus anzutreffen sind. Ein Beispiel für einen Heterocyclus mit zwei unterschiedlichen Heteroatomen ist das Thiazol. Dieses stellt denGrundkörper des Thiaminpyrophosphats dar (kurz TPP), das als enzymatischer Cofaktor der Transketolasereaktion vonBedeutung ist. Letztere wird in der Biologie auch als Pentosephosphatzyklus bezeichnet und beschreibt eine Möglichkeit,aus C6-Zuckern (Hexosen) C5-Zucker (Pentosen) zu generieren. Als Zwischenprodukte treten hierbei auch C 3-Zucker(Triosen), C4-Zucker (Tetrosen) und C7-Zucker (Heptosen) auf. Da der Pentosephosphatzyklus verschiedene Reaktionenaus dem Tier- und dem Pflanzenreich (Chloroplasten) zusammenfasst, ist dieser nicht als in allen Zelltypen vollständigablaufender Zyklus zu betrachten. Formel 110 : Thiazol, Grundkörper des enzymatischen Cofaktors TPP Bei der Transketolasereaktion greift das deprotonierte TPP eine Ketose an und spaltet unter Freisetzung einer Aldose einen C2-Baustein ab. Der TPPgebundene C2-Baustein kann dann auf eine andere Aldose übertragen werden, sodassKohlenhydrate ineinander überführt werden können (siehe Pentosephosphatweg). Formel 111 : Übersicht Transketolase-Reaktion - 66 -
  • 59. Organische ChemieAnhangAbbildungsverzeichnisAbbildung 1 : Vereinfachte Darstellung in der organischen Chemie..............................................................5Abbildung 2 : Vereinfachte Darstellung einer Doppelbindung........................................................................6Abbildung 3 : Vereinfachte Darstellung einer Dreifachbindung......................................................................7Abbildung 4 : Polarisierung einer Bindung durch unterschiedliche Elektronegativität................................7Abbildung 5 : Elektrophil (E+) und Nukleophil (Nu-)........................................................................................ 7Abbildung 6 : Aktivierungsenergie (Ea,h)....................................................................................................... 10Abbildung 7 : Rotationsisomerie und Aktivierungsenergie am Beispiel Ethan...........................................10Abbildung 8 : Hydrierung von Cycloalkanen.................................................................................................. 11Abbildung 9 : Hydrierung einer C=C-Doppelbindung.....................................................................................12Abbildung 10 : Ringinversion........................................................................................................................... 13Abbildung 11 : Beispiele für E-/Z-Isomere....................................................................................................... 16Abbildung 12 : Beispiel für die Anwendung der CIP-Konvention.................................................................16Abbildung 13 : Enantiomere und Diastereomere............................................................................................ 17Abbildung 14 : Enantiomere / Diastereomere................................................................................................. 17Abbildung 15 : meso-Form............................................................................................................................... 17Abbildung 16 : Beispiele für meso-Formen..................................................................................................... 18Abbildung 17 : Beispiele für D- und L-Formen................................................................................................ 18Abbildung 18 : Ablauf einer SN2-Reaktion (die beiden "+" kennzeichnen den Übergangszustand).........19Abbildung 19 : Substituenteneffekt: je sterisch anspruchsvoller, desto langsamer...................................19Abbildung 20 : Sterik des Nukleophils: je größer, desto langsamer.............................................................20Abbildung 21 : Anionen sind bessere Nukleophile........................................................................................20Abbildung 22 : Nukleophilie nimmt innerhalb einer Gruppe zu.....................................................................20Abbildung 23 : Nukleophilie nimmer innerhalb einer Periode ab..................................................................20Abbildung 24 : Beispiele guter Abgangsgruppen........................................................................................... 20Abbildung 25 : Stabilität der Abgangsgruppe................................................................................................. 21Abbildung 26 : Unterschiede → Markovnikov und Anti-Markovnikov-Produkt............................................35Abbildung 27 : Aufarbeitung des Sekundär-Ozonids.....................................................................................38Abbildung 28 : Benzol - Darstellungsformen und Grenzstrukturen..............................................................43Abbildung 29 : Reaktivität von Carbonsäure-Derivaten.................................................................................59Abbildung 30 : Räumliche Struktur von Aminen............................................................................................63 - 67 -
  • 60. Organische ChemieTabellenverzeichnisTabelle 1 : Übersicht der Reaktionswahrscheinlichkeiten.............................................................................22Tabelle 2 : Übersicht derReaktionswahrscheinlichkeiten..............................................................................24 - 68 -
  • 61. Organische ChemieFormelverzeichnisFormel 1 : Methanbildung................................................................................................................................... 5Formel 2 : Mesomerie- bzw. Resonanzstrukturen............................................................................................ 8Formel 3 : Moleküle der Summenformel C4H10................................................................................................ 8Formel 4 : Unverzweigtes und verzweigtes Alkan............................................................................................ 9Formel 5 : Beispiel zur Bezeichnung eines iso-Alkans....................................................................................9Formel 6 : Oxidation von Methan..................................................................................................................... 10Formel 7 : Mesomerie der Amid-Bindung........................................................................................................ 11Formel 8 : Strukturformel von Cyclobutan...................................................................................................... 11Formel 9 : Cycloalkane...................................................................................................................................... 12Formel 10 . Auf Cyclohexan-Gerüsten aufbauende Verbindungen...............................................................13Formel 11 : Allgemeine Strukturformel für Alkene.........................................................................................15Formel 12 : Nomenklatur der Alkene............................................................................................................... 15Formel 13 : Strukturformel von Tetrachlormethan (CCl4)..............................................................................18Formel 14 : Aktivierung einer schlechten Abgangsgruppe durch eine Lewis-Säure (Elektronenakzeptor)............................................................................................................................................................................. 21Formel 15 : Ablauf der SN1-Reaktion............................................................................................................... 22Formel 16 : Reaktionsverlauf SN1- / E1-Mechanismus..................................................................................23Formel 17 : E2-Mechanismus........................................................................................................................... 23Formel 18 : Sterisch stark gehinderte Basen.................................................................................................. 23Formel 19 : Strukturformel von 1-Pentanol..................................................................................................... 25Formel 20 : Nukleophile Substitution / Eliminierung und Veresterung........................................................25Formel 21 : Alkoholherstellung durch Hydratisierung...................................................................................25Formel 22 : Hydrierung von Ketonen und Aldehyden....................................................................................26Formel 23 : Biochemische Reduktion / Oxidation..........................................................................................26Formel 24 : Reduktion von Ketonen und Aldehyden......................................................................................26Formel 25 : Herstellung von Lithium-Alkyl- und Grignard-Verbindungen....................................................27Formel 26 : Umsetzung mit Kupfer(I)-halogenid.............................................................................................28Formel 27 : Umsetzung von Aldehyden und Ketonen mit metallorganischen Verbindungen....................28Formel 28 : Umsetzung von Epoxiden mit metallorganischen Verbindungen.............................................28Formel 29 : Alkoholherstellung aus Carbonsäureester.................................................................................28Formel 30 : Allgemeine Strukturformel für Carbonsäureester......................................................................29Formel 31 : Protonierung der Carbonsäure..................................................................................................... 29 - 69 -
  • 62. Organische ChemieFormel 32 : Nukleophiler Angriff durch den Alkohol......................................................................................30Formel 33 : Wasserabspaltung und Deprotonierung.....................................................................................30Formel 34 : Nukleophiler Angriff des Hydroxid-Ions......................................................................................30Formel 35 : Abspaltung Alkoholat-Ions / Bildung der Carbonsäure.............................................................30Formel 36 : Protonenübergang Carbonsäuremolekül - Alkoholat-Ion..........................................................31Formel 37 : Strukturformel für Diethylether.................................................................................................... 33Formel 38 : Bildung cyclischer Ether............................................................................................................... 33Formel 39 : Säurekatalysierte Kondensation von Alkoholen.........................................................................34Formel 40 : Addition von Alkoholen an Doppelbindungen............................................................................34Formel 41 : Darstellung von Anti-Markovnikov-Alkoholen durch Hydroborierung und Umsetzung mitbasischer Wasserstoffperoxid-Lösung........................................................................................................... 36Formel 42 : Darstellung von Epoxiden durch Umsetzung von Alkenen mit Persäure................................36Formel 43 : Bildung von „trans“-Diolen.......................................................................................................... 36Formel 44 : trans-Diole - meso-Verbindungen................................................................................................ 37Formel 45 : Bromierung von Alkenen.............................................................................................................. 37Formel 46 : Cycloadditon - Bishydroxylierung von Alkenen.........................................................................38Formel 47 : Ozonolyse von Alkenen................................................................................................................ 38Formel 48 : Vollständige Reduktion der Dreifachbindung durch Platin-Katalysator...................................39Formel 49 : Unvollständige Reduktion der Dreifachbindung durch „teilweise vergifteten“ Katalysator...39Formel 50 : Unvollständige Reduktion der Dreifachbindung durch Natrium in flüssigem Ammoniak......39Formel 51 : Hydratisierung von Alkinen.......................................................................................................... 39Formel 52 : Beispiel für die Diels-Alder-Reaktion........................................................................................... 40Formel 53 : Beispiele für die Diels-Alder-Reaktion......................................................................................... 40Formel 54 : Beispiele für elektrocyclische Reaktionen..................................................................................41Formel 55 : Grundsätzlicher Mechanismus einer elektrophilen aromatische Substitution........................44Formel 56 : Beispiele für Halogenierungen..................................................................................................... 45Formel 57 : Nitriersäure; Protonierung der Salpetersäure.............................................................................46Formel 58 : Nitriersäure; Bildung des Elektrophils........................................................................................ 46Formel 59 : 2,4,6-Trinitrotoluol (TNT)............................................................................................................... 46Formel 60 : Vereinfachte Darstellung der Sulfonierung.................................................................................46Formel 61 : Beispiele für die Friedel-Crafts-Alkylierung................................................................................46Formel 62 : Beispiele für die Friedel-Crafts-Acylierung.................................................................................47Formel 63 Dissoziation von deuterierter Schwefelsäure..............................................................................47 - 70 -
  • 63. Organische ChemieFormel 64 : Vereinfachte Darstellung der Deprotonierung............................................................................48Formel 65 : Vereinfachte Darstellung der nukleophilen aromatischen Substitution...................................48Formel 66 : Wirkungsweise des Sanger-Reagenz.......................................................................................... 48Formel 67 Übersicht der Reaktionsmöglichkeiten an Carbonylgruppen.....................................................49Formel 68 : Protonierung der Carbonylgruppe............................................................................................... 50Formel 69 Nucleophiler Angriff der Hydroxylgruppe.....................................................................................50Formel 70: Deprotonierung liefert das Halbacetal.......................................................................................... 50Formel 71 Protonierung des Halbacetals........................................................................................................ 51Formel 72 : Eliminierung von Wasser.............................................................................................................. 51Formel 73 : Nucleophiler Angriff eines Alkanol oder Alkohol.......................................................................51Formel 74 : Abspaltung eines Protons liefert das Acetal...............................................................................51Formel 75 : Halbacetalschluss von Glucose führt zur pyranoiden Form.....................................................51Formel 76 : Beispiele für Kohlenhydrate......................................................................................................... 52Formel 77 : Halbacetalschluß der Fructose..................................................................................................... 52Formel 78 : Deprotonierung eines Aldehydes oder Ketons liefert Enolat....................................................53Formel 79 : Angriff des Enolats (Nu-) an ein Aldehyd oder Keton (E+)........................................................54Formel 80 : Protonierung liefert das Aldol...................................................................................................... 54Formel 81 : Wasserabspaltung liefert ein Alkin..............................................................................................54Formel 82 : Alkylierung bei Aldehyden (Enolat-Ion) und Enaminen.............................................................54Formel 83 : Bildung des Phosphonium-Salzes............................................................................................... 55Formel 84 : Nukleophiler Angriff durch das Ylid.............................................................................................55Formel 85 : Intramolekulare Reaktion liefert ein Alken..................................................................................55Formel 86 : Addition harter Nukleophile.......................................................................................................... 56Formel 87 : Addition weicher Nukleophile....................................................................................................... 56Formel 88 : Addition eines Cuprates............................................................................................................... 56Formel 89 : Reaktivität von Dicarbonylverbindungen....................................................................................56Formel 90 : Claisen-Kondensation................................................................................................................... 57Formel 91 : Reaktionen von β-Ketoestern....................................................................................................... 57Formel 92 : Carbonsäure-Dimer....................................................................................................................... 59Formel 93 : Herstellung von Carbonsäurehalogeniden.................................................................................60Formel 94 : Umsetzung eines Carbonsäurehalogenides...............................................................................60Formel 95 : Umsetzung eines Carbonsäureanhydrides.................................................................................60Formel 96 : Verlängerung eines Fettsäure-CoA-Moleküls um 2 Kohlenstoffe.............................................60 - 71 -
  • 64. Organische ChemieFormel 97 : Acetyl-CoA..................................................................................................................................... 60Formel 98 : Synthese eines Carbonsäureamides........................................................................................... 61Formel 99 : Amine.............................................................................................................................................. 63Formel 100 : Möglichkeiten zur Synthese von Aminen..................................................................................64Formel 101 : Aminoxide.................................................................................................................................... 64Formel 102 : syn-Eliminierung.......................................................................................................................... 64Formel 103 : Nukleophiler Angriff durch primäre Amine...............................................................................64Formel 104 : Nukleophiler Angriff durch ein sekundäres Amin....................................................................64Formel 105 : Bildung von Nitrosaminen.......................................................................................................... 65Formel 106 : Aromatische Azoverbindungen.................................................................................................. 65Formel 107 : Aromatische Diazoverbindungen............................................................................................... 65Formel 108 : Einige wichtige Heterocyclen..................................................................................................... 65Formel 109 : Heterocyclen mit 2 Stickstoff-Atomen.......................................................................................66Formel 110 : Thiazol, Grundkörper des enzymatischen Cofaktors TPP.......................................................66Formel 111 : Übersicht Transketolase-Reaktion............................................................................................. 66 - 72 -
  • 65. Organische ChemieQuellen Charles E. Mortimer, Ulrich Müller: "Das Basiswissen der Chemie" Stuttgart: Georg Thieme Verlag 8. Auflage 2003 A. Zeek et. al.: "Chemie für Mediziner" München: Urban & Fischer Verlag 6. Auflage 2005 Gerhard Hilt: "Skript organische Chemie für Biologen und Mediziner" Marburg: Philipps-Universität Marburg 2004 Wolfgang Pitsch: Dissertation zum Thema "Synthese cyclischer Endiïne" Regensburg: Universität Regensburg 2001 WIKIPEDIA - Die freie Enzyklopädie http://www.wikipedia.de - 73 -
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