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1

Kontakt:

Prof. Dr. Gustavo Fernandez

Organisch-Chemisches Institut

Raum 442, 4. Stock Südseite

Tel: 0251 83 36574

Email: [email protected]

Organische Experimentalchemie für Mediziner,

Zahnmediziner und Naturwissenschaftler

Vorlesung: Mo-Fr. 8:00-8:45 Uhr

Klausur: Abschlussklausur I Fr. 24.06.2016 18:15 – 19:45

Abschlussklausur II Fr. 15.07.2016 18:15 – 19:45

Nachklausur Do.25.08.2016 13:00 – 15:00

2

Literatur

C. Schmuck, B. Engels, T. Schirmeister, R. Fink,

Chemie für Mediziner, Pearson Studium,

München 2008.

A. Zeeck, S. Grond, I. Emme-Papastavrou, S. C. Zeeck,

Chemie für Mediziner, Urban & Fischer/Elsevier,

München 2010.

im Web: www.chemgapedia.de

(Rubrik Chemie Organische Chemie)

Gliederung der Vorlesung

• Einführung in die Organische Chemie

• Struktur und Benennung organischer Verbindungen

• Stereochemie

• Cyclische Verbindungen

• Theorie chemischer Reaktionen

• Grundtypen organischer Reaktionen

• Aromatische Verbindungen und ihre Reaktivität

• Radikalreaktionen

• Reaktionen von Carbonylverbindungen

• Redoxreaktionen in der organischen Chemie

• Naturstoffe

3

4

Kapitel 1

Einführung in die

Organische Chemie

Medizinisches Beispiel

Beispiel aus der Chemie im Alltag

5

Was ist Organische Chemie?

• Chemie der Kohlenstoffverbindungen

• Von ca. 12 Millionen bekannten Verbindungen sind

10 Millionen Kohlenstoff-Verbindungen!

• Wichtige biologische Funktionen in Mensch, Pflanze und Tier

• Historisch: OC: Chemie der belebten Natur

Lebenskraft (vis vitalis) angeblich nötig

zur Herstellung organischer Verbindungen

Friedrich Wöhler (1800-1882):

H2N NH2

O T

NH4+OCN-

Ammonium-Cyanat Harnstoff

6

Das Besondere am Kohlenstoff

• Wieso gibt es von Kohlenstoff so viele Verbindungen und von

anderen Elementen (z.B. B, N, Si) nicht?

Stellung im Periodensystem

• Vergleich der Wasserstoff-

verbindungen

Methan CH4 (stabil)

Boran BH3 (instabil)

Ammoniak NH3 (stabil)

Silan SiH4 (instabil)

• Methan erster Vertreter einer ganzen Reihen sog.

Kohlenwasserstoffe (s. Polyethylen, viele Tsd. C-Atome)

6

C

7

N

5

B

13

Al

14

Si

15

P

7


• Vergleich der kettenförmigen Verbindungen mit Wasserstoff

• Tausenden von C-Atomen miteinander verbunden (Polymere)

H C H

H

H

H C

H

H

C H

H

H

H C

H

H

C

H

H

C H

H

H

H

NH N

H

N

H

H

H

N

H

N

H

HH

N

H

H

HO

H OO

HH

OO

HO

H

instabilzerfallen leicht

Methan Ethan

Ammoniak

Wasser

Propan

9


• Kettenförmige Verbindungen mit Bor:

Bor hat zu wenig Elektronen (3 Valenz-e- für Edelgaskonfiguration

Elektronenmangelverbindungen, reagieren schnell mit Lewis-

Basen

• Kettenförmige Verbindungen mit Stickstoff und Sauerstoff:

ausreichend Elektronen, aber gegenseitige Abstoßung der freien

Elektronenpaare und möglicher Angriff an diesen

Elektronenpaaren

nur Elemente der 4. Hauptgruppe können

Edelgaskonfiguration ohne Abstoßung erreichen

10


• Vergleich Kohlenstoff und Silicium

beide 4. Hauptgruppe

aber nur C bildet stabile C-H-Kettenverbindungen

• Warum?

Elektronegativität umgekehrte Polarität!

EN(C): 2,55

EN(Si): 1,90

EN(H): 2,20

• Si-O-Bindungen viel stabiler als Si-Si-Bindungen

Verbindungen mit Si-Si-Bindungen werden leicht von Sauerstoff

angegriffen

C H Si H

+ +- -

Alkan (Butan)

C4H10

Silan

Si4H10

hoch reaktiv

11

Verbindungen des Kohlenstoffs

• Neben Verbindungen mit Wasserstoff auch andere Verbindungen

Bindungen zu Heteroatomen (andere Atome als C und H)

• Typische Heteroatome: Sauerstoff, Stickstoff, Halogene, Schwefel

• nicht nur einfache Bindungen, sondern auch Doppelbindungen und

Dreifachbindungen möglich

• insgesamt 4 Valenzen (Bindungsmöglichkeiten)

4 Einfachbdg. oder 2 Einfach- u. 1 Doppelbdg. oder 2 Doppelbdg.

oder 1 Einfach- u. 1 Dreifachbdg.

• Kohlenstoff kann also Bindungen mit bis zu 4 Partnern

eingehen; oder weniger, wenn Mehrfachbindungen beteiligt

12

Kapitel 2

Struktur und Benennung

organischer Verbindungen

13

Die Bindung in organischen Verbindungen

• Elektronenkonfiguration von C im Grundzustand:

1s2 2s2 p2

• Valenzelektronen: 2s22p2 (2 ungepaarte p-Elektronen)

• Wieso 4 Bindungen?

nur dann Edelgaskonfiguration erreicht

Kohlenstoff ist tetravalent (4-wertig)

• zweiwertige Verbindungen von C: Carbene, z.B. CH2 existieren,

sind aber hochreaktiv (Elektronenmangel)

2s

2p

14


• Hybridisierungsmodell

im Grundzustand könnte C nur 2 kovalente Bindungen

ausbilden, aber z.B. 4 identische C-H-Bindungen im Methan

• Mischen des 2s-Orbitals mit den 3 2p-Orbitalen

Hybridisierung! (nur für Orbitale ähnlicher Energie möglich,

daher 1s-Orbital nicht beteiligt)

2s

2p

Energ

ie

sp3-Hybridorbitale

15


• Das Aussehen der sp3-Hybridorbitale

© Pearson Studium 2008 15

16


• Die Bindung im Methan CH4:

Wechselwirkung der 1s-Orbitale des Wasserstoffs mit je

einem sp3-Hybridorbital des Kohlenstoffs, d.h. die Orbitale

„überlappen“

4 identische Bindungen

Auch Ethan etc. auf diese Weise darstellbar. 1x C-H gegen C-

C-Bindung ausgetauscht

© Pearson Studium 2008

110 pm

17

Die Bindung im Ethan H3C-CH3

• an jedem C-Atom 3 C-H-Bindungen durch 1s-sp3-Überlappung

• an jedem C-Atom eine C-C-Bindung durch sp3-sp3-Überlappung

• analog in höheren Alkanen (Propan, Butan)


18

Eigenschaften der C-C-Einfachbindung

• Durch Überlappung von zwei sp3-Hybridorbitalen

• Elektronendichte nur entlang der Bindungsachse

→ s-Bindung (rotationssymmetrisch)

• freie Drehbarkeit Rotationsbarriere (12 kJ/mol)

• durch Drehung um C-C-Achse ändern sich die Positionen der

H-Atome an C1 und C2 zueinander

• Die verschiedenen räumlichen Strukturen (Konformationen)

heißen Konformere

C C

19

Konformationen

• gestaffelte Konformation

H-Atome auf Lücke angeordnet

• ekliptische oder verdeckte Konformation

H-Atome paarweise auf Deckung angeordnet, weniger Platz →

mehr störende Wechselwirkung → instabiler als gestaffelt

Sägebock-Darstellung und Newman-Projektion

H

HHC

CH H

H

H H

H

H

H

H HH

H

H

H

H

C

C

H

HH

H H

H

Sägebock Newman Sägebock Newman

gestaffelt ekliptisch

Rot.

20

Doppelbindungen: sp2-Hybridorbitale

• anderer Bindungstyp zwischen zwei C-Atomen: C=C

Mischen von einem 2s- und nur zwei 2p-Orbitalen →

3 sp2-Hybridorbitale, ein 2p-Orbital bleibt übrig

• drei Bindungen mit den sp2-Orbitalen, eine andere Bindung

mit dem übrigen 2p-Orbital möglich

2s

3 x 2p

Energ

ie

sp2-Hybridorbitale

2p

21

Aussehen der sp2-Hybridorbitale

• sp2-Hybridorbitale in einer Ebene im Winkel von je 120°

• 2p-Orbital steht senkrecht auf dieser Ebene


22

Die Bindungen im Ethen H2C=CH2

• 2x C-H-Bindungen (Überlappen von 1s des H-Atoms mit je

einem sp2-Orbital des Kohlenstoffs)

• 1x C-C-s-Bindung (Überlappen von sp2 und sp2)

• 1x C-C-p-Bindung (Überlappen der übrig gebliebenen 2p-

Orbitale, oberhalb und unterhalb der Molekülebene)

© Pearson Studium 2008 Elektronendichte: oberhalb und unterhalb der Molekülebene

23

Die Bindungen im Ethen

• Ist die C=C-Doppelbindung frei drehbar?

C-C-s-Bindung wäre drehbar, aber C-C-p-Bindung würde

zwischendurch gespalten (gar keine Überlappung bei 90°!)

• Braucht viel Energie, also nicht spontan möglich.

• Allgemein: Doppelbindungen sind nicht frei drehbar, sondern

starr!


24

Dreifachbindungen: sp-Hybridorbitale

• Anderer Bindungstyp zwischen zwei C-Atomen: C≡C

Mischen von einem 2s- und nur einem 2p-Orbital

→ zwei sp-Hybridorbitale, zwei 2p-Orbitale bleiben übrig

zwei Bindungen mit den sp-Orbitalen, zwei weitere Bindungen mit

den übrigen p-Orbitalen möglich.

2s

2x 2p

Energ

ie

sp-Hybridorbitale

2x 2p

25

Aussehen der sp-Hybridorbitale

• Sp-Orbitale sind linear zueinander angeordnet (Winkel 180°)

• die beiden übrig gebliebenen 2p-Orbitale stehen senkrecht

dazu, und außerdem senkrecht zueinander


26

Die Bindung im Ethin HC≡CH

• pro C-Atom eine C-H-Bindung (Überlappung 1s des H-Atoms mit einem sp-

Orbital des Kohlenstoffs)

• eine C-C-s-Bindung durch sp-sp-Überlappung

• zwei p-Bindungen durch

Überlappen der jeweils

geeigneten p-Orbitale

• keine freie Drehbarkeit


27

Zusammenfassung Hybridisierung

C C

H

H

H

H

H

H

HH

H H

HH

1,54 Å

1,34 Å

1,21 Å

109,5°

120°

180°

ALKAN H3C-CH3

z.B. Ethan sp3-hybridisiert

ALKEN H2C=CH2

z.B. Ethen sp2-hybridisiert

ALKIN HC≡CH

z.B. Ethin sp-hybridisiert

28

Hybridisierung an Heteroatomen

• Die Orbitale aller Elemente außer H und He können hybridisieren

• Hybridorbitale teilweise mit freien Elektronenpaaren besetzt

Beispiele:

Ammoniak NH3 N: sp3

Methylamin H3C-NH2 N: sp3, C: sp3

Wasser H2O O: sp3

Kohlendioxid CO2 O: sp2, C: sp

H N H

H

C N H

H

H

H

H

HO

H

O C O

29

Die Formelschreibweise der OC

ausführliche Schreibung vereinfachte Schreibung

H C

H

H

C H

H

H

C C

H

HHH

HH

H3C CH3

H C

H

H

C

H

H

C

H

H

H

H H

H H

H H

HH H3C

H2

CCH3

H C

H

C

H

C C H H2C

HC

CCH

30

Einteilung organischer Moleküle in Stoffklassen

• Viele Millionen Verbindungen: Wie kann man das

systematisieren?

• Klassen ähnlicher Verbindungen

• Enthalten i.d.R. bestimmte Atomgruppen/-anordnungen,

sog. funktionelle Gruppen

• Funktionelle Gruppen bestimmen die Eigenschaften und das

Reaktionsverhalten

31

Die Alkane

• einfachste Stoffklasse, nur C und H, nur Einfachbindungen (s-

Bindungen)

• Methan CH4 Ethan: C2H6 Propan: C3H8

Butan C4H10 Pentan: C5H12 Hexan: C6H14

• allg. Formel: CnH2n+2

• alle C-Atome sp3-hybridisiert

• Unterschied zum nächsthöheren Alkan je eine CH2-Gruppe

• homologe Reihe: Reihe analog aufgebauter Verbindungen, die

sich je nur um ein bestimmtes Strukturelement (z.B. CH2)

unterscheiden

H C

H

H

C

H

H

C

H

H

Hx n = x+2

32

Die Alkane

• alle unpolar, lipophil, nicht mit Wasser mischbar

• unreaktiv, aber lassen sich verbrennen (O2) → Treibstoffe, Kochen,

Heizen

• n=1…4: gasförmig

n = 5…19 flüssig

n = 20… fest (n →∞: Polyethylen)

• Mit zunehmender Kettenlänge steigen Schmelz- und

Siedepunkt

• Methan ist eines der aggressivsten Treibhausgase

• Erdgas besteht hauptsächlich aus Methan

• Erdöl enthält viele verschiedene

Kohlenwasserstoffe (Auftrennung und Aufarbeitung nötig!)

33

Die Alkylreste

• Der „Rest“ entsteht durch Entfernen eines H-Atoms

• Methan CH4 wird zu Methyl- CH3-

• Der Rest kann dann „irgendwo“ anstelle eines H-Atoms „dranhängen“

• Beispiel für Methylrest an einem Alkan: 2-Methyl-Hexan

Grundkörper Hexan, also 6 C-Atome

an 2-Position (also eine Position neben dem Ende) ist die Methylgruppe

angebunden, also ein H gegen CH3 ersetzt.

H C

H

H

C

H

H

C

H

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

H C

H

H

C

C

H

C

H

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

H

HH

34

Die Alkylreste

• Methyl- (Me-) -CH3 von Methan (1 C)

• Ethyl- (Et-) -C2H5 von Ethan (2 C)

• Propyl- (Pr-) -C3H7 von Propan (3C)

• Butyl- (Bu-) -C4H9 von Butan (4C)

• Pentyl- -C5H11 von Pentan (5 C)

• Hexyl- (Hex-) -C6H13 von Hexan (6 C)

usw.

• allgemein: Alkyl- -R von Alkan

35

Arten von H-/C-Atomen

• Arten von C-Atomen in Kohlenwasserstoffen

– primäres C: an das betrachtete C-Atom ist nur ein weiteres

C-Atom gebunden (z.B. am Ende von Propan)

– sekundäres C: an betrachtetes C-Atom sind zwei C-Atome

gebunden (z.B. in der Mitte von Propan)

C

H

H

H

C

C C

H

H

C

36

Arten von H-/C-Atomen

– tertiäres C: von drei C-Atomen umgeben (z.B. an Position 2

von 2-Methylhexan)

– quartäres C: hat keine Wasserstoffe, sondern ist von 4 C-

Atomen umgeben (z.B. zentrales C in 2-Dimethylpropan)

• primär, sekundär, tertiär werden auch die H-Atome genannt,

die an die entsprechenden C-Atome gebunden sind

CC C

C

C

CC C

C

H

37

Historische Namen verzweigter Alkane

• Namen abhängig von der Gesamtzahl C-Atome im Rest,

unter Berücksichtung der evtl. Verzweigung:

H C

H

H

C

H

H

C

H

H

H H C

H

H

C

H

C

H

H

H

n-Butyl sec-Butyl iso-Butyl tert-Butyl

n-Propyl iso-Propyl

2-Propyl oder iso-Propyl Propan

38

Verbindungen mit Mehrfachbindungen

ALKENE ALKINE

H2C=CH2 Ethen HC≡CH Ethin

H2C=CH-CH3 Propen HC≡C-CH3 Propin

H2C=CH-C2H5 But-1-en HC≡C-C2H5 But-1-in

H3C-CH=CH-CH3 But-2-en H3C-C≡C-CH3 But-2-in

usw. usw.

Allg. Formel für Alkene Allg. Formel für Alkine

CnH2n CnH2n-2

39

Die Derivate der Kohlenwasserstoffe

• Ersetzen von H gegen andere Atome oder Gruppen

• Derivat = Abkömmling (lat. derivare = ableiten)

• erstes Beispiel der Vorlesung war 2-Methylhexan (1 H in 2-

Position gegen CH3 ausgetauscht)

• H können durch R, OH, Cl, Br, SH usw. ersetzt werden.

neue Substanzklassen

Alkohole, Chloralkane (Alkylchloride), Ether etc.

• Je nach Alkan gibt es verschiedene Positionen, in denen H

ersetzt sein kann.

40

Von Alkanen abgeleitete Stoffklassen

• Alkohol: R-OH

Endung –ol also: Methanol CH3-OH

Ethanol H3C-CH2-OH (C2H5-OH)

alte Benennung: Methylalkohol, Ethylalkohol

• Thiol: R-SH

Endung –thiol also: Methanthiol CH3-SH

Ethanthiol H3C-CH2-SH (C2H5-SH)

auch: Thioalkohol (thio steht für Schwefel)

Alkohole

Alkohole

Durch die OH-Gruppe erhalten die neuen Derivate neue Eigenschaften

• sind hydrophil und polar

• haben durch H-Brücken hohe Siedepunkte (im Vgl. zu analogen Alkanen)

• sind mit zunehmender Kettenlänge zunehmend lipophil und immer weniger mit

Wasser mischbar

• sind brennbar und gute Lösungsmittel

41

O H

OH

OH

CH3 OH OH OHOH

Methanol

(Holzgeist)

Lösemittel,

Grundchemikalie

Herstellung von Kraft-

stoffen und Additiven

Ethanol

(Weingeist)

Getränke,

Lösemittel, Edukt für

die chem. Industrie

„Bio-Ethanol“ als Kraftstoff

Propan-1-ol

n-Propanol

Lösemittel

Edukt für Arzneistoffe

Propan-2-ol

Isopropanol, IPA

Desinfektions-

mittel

42

Von Alkanen abgeleitete Stoffklassen

• Ether: R-O-R(΄)

Endung –ether also: Dimethylether H3C-O-CH3

Diethylether C2H5-O-C2H5

Ethylmethylether C2H5-O-CH3

• Thioether: R-S-R(΄)

Endung -thioether also: Dimethylthioether CH3-S-CH3

bzw. -sulfid Methylpropylsulfid C3H7-S-CH3

(Methylpropylthioether)

43

Weitere Stoffklassen

R

O

H R

O

R'

R

O

OR'

R

O

OH

R

O

NR'R"RN

R'

H RN

R"

R'N

HH

R

Aldehyd Keton Carbonsäure

Ester

Amid prim. Amin sek. Amin tert. Amin

Carbonylverbindungen rot gerahmt

44

Medizinisch relevantes Beispiel für ein Molekül

mit vielen funktionellen Gruppen

NHO

OH

O

O

OH

O

O

OH

O

O

O

O

O

O

Taxol aus Pazifischer Eibe (Wirkstoff Paclitaxel), Krebsmedikament

45

Beispiel für Molekül mit vielen funktionellen

Gruppen

NHO

OH

O

O

OH

O

O

OH

O

O

O

O

O

O

Amid

Ester Keton

Ether

Alkohol

(Doppelbindung)

46

Strukturisomerie oder Konstitutionsisomerie

• Ab 4 C-Atomen in der Kette eines Kohlenwasserstoffs mehrere

Möglichkeiten zur Anordnung → Strukturisomere

• Was ist ein Isomer?

Zwei Substanzen sind Isomere, wenn sie bei gleicher

Summenformel eine andere Anordnung der Atome zueinander

besitzen.

• Einfachstes Beispiel: Butan (C4H10)

Butan Isobutan

CH3CH2CH2CH3 CH3CH(CH3)CH3

2-Methylpropan (Nur die C-Atome sind in den Strukturen dargestellt)

47

Strukturisomerie

• Je größer der Kohlenwasserstoff, desto mehr mögliche

Strukturisomere!

• Strukturisomere heißen auch Konstitutionsisomere

• Butan (C4H10): 2 Isomere

• Pentan (C5H12) 3 Isomere

• Hexan (C6H14) 4 Isomere

• Heptan (C7H16) 9 Isomere

• Eicosan (C20H42) >300.000 Isomere

Aber: nicht alle möglichen Isomere werden auch gefunden!

48

Strukturisomerie • Strukturisomere unterscheiden sich in ihren Eigenschaften!

• Beispiel: Butan und Isobutan

Schmelzpunkt: -135 °C -145 °C

Siedepunkt: -0,5 °C -10 °C

H C

H

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

H C

H

H

C

C

H

C

H

H

H

H

HH

49

Strukturisomerie (Forts.)

• Auch bei anderen Verbindungstypen existiert

Konstitutionsisomerie

• Beispiel: Alkene mit Summenformel C4H8

• Anm.: Auch Anordnung der Doppelbindung ist bedeutsam

(s. Konfigurationsisomerie)!

Linearer Grundkörper verzweigter Grundkörper

But-1-en But-2-en

2-Methylpropen

alter Name: Isobuten

50

Pethidin – Strukturisomerie mit fatalen Folgen

N

CH3

O

O

O

O

CH3

N

CH3

Pethidin

Analgetikum aus

der Opioid-Gruppe

MPPP (synth. Heroin)

Designerdroge

sehr viel instabiler,

zerfällt zu

löst Parkinson-ähnliche Symptome aus

N CH3

CH3

51

Sind die folgenden Moleküle Strukturisomere?

• Wichtig: Nur eine wirklich andere Verknüpfung der Atome sorgt

für Strukturisomerie

• Wenn nur die relative Anordnung, also z.B. die Rotation

gegeneinander anders ist, spricht man von Konformeren

(freie Drehbarkeit um Einfachbindungen!)

Keine Strukturisomere, sondern Nur sinnvolle Bindungswinkel

Konformere werden eingenommen!

bevorzugtes

Konformer

anderes

Konformer

52

Die Strukturvielfalt ist enorm!

Man braucht eine systematische Benennung

der Verbindungen!

Nomenklatur organischer Verbindungen

53

Nomenklatur organischer Verbindungen

• Althergebrachte Namen, sog. Trivialnamen

z.B. Isobutan, Neopentan sind nicht systematisch

• Moderne Nomenklatur aus definierten Komponenten

Präfix Stamm Suffix

Welche Substituenten?

Ergibt sich aus der Anzahl der C-Atome

der längste C-Kette

Welche Substanzfamilie?

54

Nomenklatur-Regeln

1. Bestimmung der längsten ununterbrochenen C-Kette

2. Identifikation der Substituenten und funktionellen Gruppen,

die an diesem Molekülstamm vorhanden sind

3. Die Gruppe höchster Priorität wird als Suffix benutzt, bestimmt

also die Zugehörigkeit zu einer Substanzfamilie

4. Angabe der Position der Substituenten und funktionellen

Gruppen durch Angabe der Nummer der entsprechenden

C-Atoms im Molekülstamm (Nummerierung so wählen, dass

Nummern mögl. klein)

5. Bei mehreren Substituenten in alphabetischer Reihenfolge

angeben, bei mehreren identischen mit di-, tri-, tetra-

bezeichnen

55

Namen von funktionellen Gruppen

R

O

OH

R

O

O

R

O

OR'

R

O

Cl

R

O

NH2 R

O

NHR'R

O

NR'R"

sin

kende

Prioritä

t

Klasse Präfix Suffix

Carbonsäure Carboxy- -(carbon)säure

Carboxylat Carboxylato- -carboxylat, -oat

(Carbonsäure)ester Carbonyloxy- -ester, (-oat)

Oxycarbonyl-

(Carbon)säurechlorid Chlorocarbonyl- -säurechlorid

(Carbon)säureamid Carbamoyl (prim.) -säureamid

56


Nitril Cyan(o)- -(carbo)nitril

Aldehyd Formyl- -al

Keton Oxo- -on

Acetal Di(alkyloxy) -acetal

Alkohol Hydroxy- -ol

Namen von funktionellen Gruppen (Forts.)

R CN

R

O

H

R

O

R'

sin

kende

Prioritä

t

RR

R'O OR'

R OH

57

Namen von funktionellen Gruppen (Forts.)

R NH2

R NHR'

R NR'R"

R O R'


(primäres) Amin Amino- -amin

(sekundäres) Amin Amino- -amin

(tertiäres) Amin Amino- -amin

Ether Alkoxy- -ether

z.B.

Methoxy-

Ethoxy-

sin

kende

Prioritä

t

58

OH

SH

Propan 1 2

3

Stamm

2-Methylpropanol

2-Methylpropanthiol

Rest/funktionelle Gruppe funktionelle Gruppe mit

Priorität

O

H

2-Methylpropanal

O

2-Propanon (Aceton)

α β

α

59

Propan 1 2

3

Stamm Rest/funktionelle Gruppe funktionelle Gruppe mit

Priorität

O

NH2

2-Methylpropansäureamid

O

X

2-Methylpropansäure-halogenid

X = F: -fluorid, Cl: -chlorid, Br: -bromid

O

OEt

2-Methylpropansäureethylester

Et = Ethyl = -C2H5

α β

60

Propan 1 2

3


Priorität

O

OH

2-Methylpropansäure

O

OH

Cyclohexylcarbonsäure

O

O

2-Methylpropanoat

O

O

O

2-Methylpropansäureanhydrid

α β

α β

61

Propan en 1 2

3


Priorität

2-Methylpropen

HO 2-Methylprop-2-enol 3 2

1

Propan in 1 3

2-Propinol (Propargylalkohol) 3 2 1

HO

2

O

OH

α β

Propensäure

(Acrylsäure)

eine α,β-ungesättigte

Carbonsäure

62

Weitere Beispiele zur Nomenklatur

OHOH

OH

Br

O

OH

O

Butan-1-ol 2-Methylpropan-1-ol

(iso-Butanol)

2-Methylpropan-2-ol

(tert-Butanol)

3-Ethyl-2,4,5-trimethylheptan

5-Brom-2-methyl-2-hexen (5-Brom-2-methyl-hex-2-en)

3-Oxo-butansäure

Pent-3-en-1-in

63

Weitere Strukturmerkmale: Die 3 Arten der

Isomerie

• Konstitutionsisomerie bzw. Strukturisomerie:

unterschiedliche Verknüpfung der Atome

• Konfigurationsisomerie bzw. Stereoisomerie (nächstes

Kapitel):

gleiche Konstitution, aber andere räumliche Anordnung

zum Umwandeln von Konfigurationen ineinander müssen

Bindungen gebrochen werden

• Konformationen einer Verbindung

berücksichtigt Rotation um Einfachbindungen; Änderung

erfordert keinen Bindungsbruch

Wiederholung Konstitutionsisomerie

N

O

O

≠

Summenformel gleich, Verknüpfung der Atome verschieden

Beispiele für Summenformel C5H10 (es gibt noch mehr!)

O

O

N

Beispiele für Summenformel C16H25NO2 C5H12

64

65

Konstitutionsisomerie bei Doppelbindungen

• Konjugierte Doppelbindungen: immer abwechselnd

Doppelbindung und C-C-Einfachbindung

d.h.: es sind immer direkt sp2-hybridisierte C-Atome

miteinander verknüpft

Anmerkung: Konjugation stabilisiert ungesättigte Moleküle

günstig!

• Isolierte Doppelbindungen: durch mehr als eine C-C-Bindung

voneinander getrennt

sp3

sp2

sp2

66

Kapitel 3

Stereochemie

67

Geometrische Isomerie – eine Art der Stereoisomerie

• Bisher nur Strukturisomere (unterschiedliche Verknüpfung der

Atome)

• Nun weitere Aspekte:

keine freie Drehbarkeit um Doppelbindungen → zwei

Möglichkeiten zur Anordnung von Substituenten relativ

zueinander:

E-Konfiguration (trans) Z-Konfiguration (cis)

Konfiguration: allgemein dreidimensionale Anordnung der Atome

unter Weglassen der durch Rotation um Einfachbindungen

entstehenden Rotamere (Konformere)

68

Geometrische Isomerie • Umwandlung der geometrischen Isomere nur unter

Energieaufwand möglich

• Bsp.: E-But-2-en → Z-But-2-en (instabiler)

Energieunterschied der beiden Substanzen 4 kJ/mol (aber

zusätzlich hohe Barriere durch die Drehung!)

Geometrische Isomerie ist ein Spezialfall der Stereoisomerie

ungünstiger

instabiler

energiereicher

+ Energie

69

Spiegelbildisomerie oder Enantiomerie

• Eine weitere Form der Stereoisomerie

• Wdh. Stereoisomere: zwei Moleküle, die sich nicht in ihrer

Verknüpfung der Atome, aber der räumlichen Anordnung (der

Konfiguration) der Atome und Atomgruppen unterscheiden

ausgenommen: Rotamere

• Spiegelbildisomerie bzw. Enantiomerie: Die Isomere

verhalten sich wie Bild und Spiegelbild zueinander

70

Warum ist die Kenntnis der Stereochemie wichtig?

• Beispiel: Der Fall „Contergan“

Wirkstoff: Thalidomid

wurde als Racemat eingesetzt

Racemat: 1:1-Gemisch der

beiden Enantiomere

• ein Enantiomer: sehr gut verträgliches Schlafmittel

• das andere Enantiomer: teratogen (schädigt den Embryo), führt

zu schwersten Missbildungen

• weiteres Problem: in vivo schnelle Umwandlung der Enantiomere

ineinander

N

O

O

NH

O

H

H

H

H

*

K. Roth, Chem. Unserer Zeit 2005, 39, 212.

71

Keilstrichformeln zur Kennzeichnung der

räumlichen Anordnung

OH HO H H OH

OHH

Strichformel Keilstrichformel

HO H

ohne Information

zur räumlichen

Anordnung

180° drehen

Bild Spiegelbild vor der Papierebene

hinter der Papierebene

in der Papierebene vor oder hinter der Papierebene

72

Bild und Spiegelbild: Wirklich Isomere!

• Auf den ersten Blick sehen die Moleküle gleich aus,

sind sie aber nicht!

• Verhältnis der beiden Spiegelbild-Isomere (Enantiomere)

zueinander wie rechter und linker Schuh/Handschuh oder die

beiden Hände eines Menschen

• daher der Name: Chiralität (griech. cheiros für Hand)

• Chirale Moleküle können nicht mit ihrem Spiegelbild zur

Deckung gebracht werden.

• Beispiele aus dem täglichen Leben

für chirale Objekte:

linke u. rechte Hand, Schneckenhaus,

Fahrer- u. Beifahrertür am Auto

73

• Es muss mindestens ein sp3-C-Atom geben, dass vier

verschiedene Substituenten trägt

Milchsäure

• Ein solches C-Atom heißt Stereozentrum oder stereogenes

Zentrum (früher: Chiralitätszentrum)

• Das Molekül ist dann chiral und es gibt zwei Enantiomere

• Kennzeichnung mit einem *

• Bei drei oder weniger verschiedenen Substituenten ist die

Verbindung nicht chiral, Bild und Spiegelbild sind deckungsgleich.

Das Molekül ist achiral.

Wann tritt Chiralität in Molekülen auf?

COOH

HO H

*

74

Moleküle mit/ohne Stereozentren

C C

C C* *

chirales Molekül

achirales Molekül

CDrehen

identisch

Drehen

nicht identisch

C *

75

Eigenschaften chiraler Verbindungen

OO

Zitrone Terpentin

Kümmel Minze

Limonen

Carvon

für Enantiomere sind fast alle

Eigenschaften identisch, z.B.

Schmelz- und Siedepunkt

allg. keine Unterschiede bei

Interaktion mit achiralen

Objekten/Phänomenen

aber: Unterschiedliche

Wechselwirkung mit

anderen chiralen Objekten/

Phänomenen

z.B. dreidimensionale Interaktion

mit einem biologischen Rezeptor

(z.B. Geruch)

76

Eigenschaften chiraler Moleküle

• Dreipunkt-Modell für die Wechselwirkung chiraler Moleküle

mit Enzymen

C C

gute Wechselwirkung schlechte Wechselwirkung

77

Eigenschaften von Enantiomeren • Optische Aktivität: chirale Moleküle drehen die Schwingungsebene von

polarisiertem Licht

• Die beiden Enantiomere einer Substanz drehen die Ebene jeweils um den

gleichen Betrag, aber in die entgegen gesetzte Richtung!

rechtsdrehend (+) vs. linksdrehend (-)

• Das Racemat (1:1-Gemisch der beiden Enantiomere) ist optisch inaktiv und

hat einen Drehwert von Null!


Optische Aktivität → Polarimeter

78

Eigenschaften von Enantiomeren

• Winkel der Drehung (Drehwinkel a) ist Maß für die

optische Aktivität

a = [a]25D ∙c∙l

(c: Konzentration der Substanz, l: Länge der

Messzelle

[a]25D: spezifischer Drehwert bei 25 °C und bei der

Natrium-D-Linie (l = 589 nm) gemessen

• Bsp.: rechtsdrehende (+)-Milchsäure im Joghurt

(c in g/100ml, l in dm)

79

Physikalische Eigenschaften von Enantiomeren

• Schmelzpunkt und Siedepunkt sind für die Enantiomere

gleich

also: keine Trennung der Enantiomere per

Destillation o.ä. möglich!

• nur die Wechselwirkung mit anderen chiralen Verbindungen

ist unterschiedlich

wie linke Hand und linker Handschuh (passt), linke Hand und

rechter Handschuh (passt nicht)

80

Nomenklatur chiraler Verbindungen

• Messung des Drehwinkels gibt nur die physikalische

Eigenschaft an, aber nicht die absolute Konfiguration

• Die Anordnung der Substituenten (absolute Konfiguration)

muss anders definiert werden

• Regeln für die Hierarchie der Substituenten

R/S-Nomenklatur

auch CIP-Nomenklatur genannt

(Cahn, Ingold, Prelog: Erfinder dieser Regeln)

81

R/S-Nomenklatur: Regeln

1. Die Substituenten werden nach ihrer Priorität sortiert:

bei direkt gebundenen Atomen nach der Ordnungszahl

bei gleichen Atomen am Stereozentrum entscheiden die Reste an den beiden

Atomen

gleiches Atom mit Doppelbindung am Stereozentrum gebunden hat höhere

Priorität als das gleiche, aber einfach gebundene Atom

2. Molekül so drehen, dass der niedrigste Rest (4) nach hinten zeigt.

Oft ist es das H-Atom (wenn eines da ist)

3. Die drei anderen Reste werden in fallender Priorität betrachtet:

1→2→3

Wenn Kreisbewegung im Uhrzeigersinn: (R)

Wenn Kreisbewegung gegen Uhrzeigersinn: (S)

R von rectus = rechts herum, S = sinister = links herum

82

Priorität der Reste:

OH > COOH > CH3 > H

Aber falsche Blickrichtung (H nicht hinten)

Drehen um 180°

(nun ist der niedrigste Rest hinten)

Kreisbewegung im Uhrzeigersinn: R

Es handelt sich um (R)-Milchsäure

(auch D-Milchsäure genannt (s.u.), exp. linksdrehend)

(man weiß davon aber nicht, ob rechts- oder linksdrehend!)

Beispiel für R/S-Nomenklatur

COOHH3C

HHO

CH3HOOC

HOH1

2 3

4

180°

83

Die D/L-Nomenklatur nach Fischer

• Von Emil Fischer entwickelt

• Eigentlich nur für Kohlenhydrate (und Aminosäuren)

• Fälschlicherweise oft auch für andere Verbindungen verwendet

• Einfachster Vertreter der Kohlenhydrate: Glycerinaldehyd

HO O

H

OH

*

84

D/L-Nomenklatur nach Fischer

• Längste Kohlenstoffkette senkrecht

• Das am höchsten oxidierte C-Atom ist oben

• Die senkrechten Bindungen liegen per Definition hinter der

Papierebene, die waagerechten davor

• Betrachtung des Stereozentrums: zeigt die funktionelle Gruppe

nach rechts: D-Form, zeigt sie nach links: L-Form

(bei mehreren Stereozentren: das am weitesten unten liegende)

HOC

O

H

OH

* OHH

H O

OH

H OH

CHO

CH2OH

Fischer-Projektion

=

höchstox. C-Atom längste Kette

85

Verbindungen mit zwei oder mehr Stereozentren

• Beispiel: 2-Brom-3-butanol Br

OH

* *

Br

OH

R

R

Br

OH

S

S

Br

OH

R

S

Br

OH

R

S

En

an

tio

me

re

En

an

tio

me

re

Diastereomere

Diastereomere

86


• Diastereomere: Stereoisomere, die keine Enantiomere sind

(E/Z-Isomere sind also auch Diastereomere!)

• Eigenschaften von Diastereomeren: haben unterschiedliche Schmelz- und

Siedepunkte, kann man per Destillation oder Kristallisation trennen

• Maximale Anzahl von Stereoisomeren bei n Stereozentren: 2n

• Jeweils immer nur 2 dieser Verbindungen paarweise enantiomer

zueinander (wenn alle Stereozentren spiegelbildlich)

• Alle anderen diastereomer zueinander

87


• Ausnahme: Manchmal existiert nicht die

maximale Anzahl an Stereoisomeren 2n

HOOC

OH

COOH

OH

* *

H OH

COOH

HHO

COOH

R

RHO H

COOH

OHH

COOH

S

S

HHO

COOH

HO H

COOH

R

SH OH

COOH

OHH

COOH

R

S

Enantiomere identisch

meso-Weinsäure

(optisch inaktiv)

meso-Formen haben eine interne Spiegelebene

L-Weinsäure D-Weinsäure

(jeweils optisch aktiv)

• meso-Formen

Beispiel: Weinsäure

88

Trennung von Enantiomeren: Racematspaltung

• Racemische Gemische sind optisch inaktiv

• Eigenschaften der Enantiomere gleich

• Daher: Überführung in Diastereomere!

• Dazu benötigt man chirale (Hilfs-)Reagenzien

• Das sind meist natürlich enantiomerenrein vorkommende

Verbindungen (chiral pool)

• Z.B. chirale Säuren (R)-Mandelsäure, (S)-Äpfelsäure,

Aminosäuren, Alkaloide (z.B. Brucin)

89

Racematspaltung

R

S

R-Reagenz

R R

S R

R R S R

R S

Trennung

DiastereomereEnantiomere

Abspaltung

getrennte Enantiomere

organische experimentalchemie für mediziner, zahnmediziner ...€¦ · organisch-chemisches...

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