Organische Chemie - uni-marburg.de · Tetramethylammoniumiodid tert-Butyl-phenylether...
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Dr. Sabrina Höbenreich SoSe 2019 Philipps-Universität Marburg Veranstaltungsnummer: LV-20-107-006
Experimentalchemie
für Mediziner, Zahnmediziner und Biologen (LA)
Teil 2: Organische Chemie
https://www.uni-marburg.de/de/fb15/studium/lehrexport/praktikum-humanmedizin-zahnheilkunde-biologie_l3
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Übung zu Woche 7: Alkohole, Ether, Thiole, Thioether, Amine
1. Benennen Sie die folgenden Moleküle!
Ethyl-isopropylether
2-Ethoxypropan
Ethyl-disopropylamin tert-Butylmercaptan
2-Methylpropan-2-thiol
Tetramethylammoniumiodid tert-Butyl-phenylether
tert-ButoxybenzolBenzylethylamin
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Übung zu Woche 7: Alkohole, Ether, Thiole, Thioether, Amine
2. Welche funktionellen Gruppen sind in den nachfolgenden Molekülen enthalten?
Curare Tamiflu
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Übung zu Woche 7: Alkohole, Ether, Thiole, Thioether, Amine
3. Ordnen Sie die folgenden Molekülreihen nach ihrer Basizität mit links am wenigsten basisch und rechts am basischsten!
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Übung zu Woche 7: Alkohole, Ether, Thiole, Thioether, Amine
4. Vervollständigen Sie die folgenden Reaktionsgleichungen!
Synthesemethoden zur Darstellung von Alkoholen: Eigenschaften und Synthesen von Ethern:
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Fazit der Woche 7: Alkohole, Ether, Thiole und Thioether
Oxidation von Alkoholen:Eigenschaften von Thiolen & Thioethern:
Hydratisierung
Substitution
Reduktion von Carbonylverbindungen
Ether sind schwache Basen
Williamson-Ethersynthese:
Allgemeine Strukturen: Acidität:
Eigenschaften & Synthesemethoden von Aminen:
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Fazit der Woche 8: Amine, Ketone und Aldehyde
Allgemeine Eigenschaften:
Selektive Synthese von 1° Aminen
alternativ: Gabriel Synthese
Reduktive Aminierung
Alkylierung von Aminen
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9. Funktionelle Gruppen: Amine
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Selektive Aminierungsverfahren: Die Gabrielsynthese
Die die Bildung des 1° Amins erfolgt hochgradig selektiv, da eine Überalkylierung des Phthalimidsausgeschlossen ist
Phthalimid Phthalimid-Anion
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9. Funktionelle Gruppen: Die Carbonylgruppe
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Definition:
Die Carbonylgruppe ist gekennzeichnet durch ein Kohlenstoffatom (Carbonylkohlenstoff), das einerseits ein doppelt gebundenes Sauerstoffatom (Carbonylsauerstoff) trägt und andererseits an Wasserstoffatome und/oder Kohlenstoffatome gebunden ist.
Allgemeine Struktur:
Bindungswinkel a b 120°≅Dipolmoment
≅C–O-π-Bindung durch Kombination je eines p-Orbitals der beteiligten C- und O-Atome
Freie Elektronenpaare des O-Atoms lokalisiert in sp2-hybridisierten Orbitalen
C–O-s-Bindung durch Kombination je eines sp2-Orbitals der beteiligten C- und O-Atome
sp2-Orbitale des C-Atoms gehen Bindungen zu den Resten R1 und R2
ein
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9. Funktionelle Gruppen: Die Carbonylgruppe
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Beispiele:
Reaktive Zentren:a)
b)
c)
Enolation
Oxocarbeniumion
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9. Funktionelle Gruppen: Die Carbonylgruppe
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Reaktivität gegenüber Nucleophilen:
starkes Nucleophil
einfaches Elektrophil
moderates Nucleophil
sehr starkes Elektrophil
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9. Funktionelle Gruppen: Die Carbonylgruppe
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Abhängigkeit der Elektrophilie von Substituenten am Carbonyl-C-Atom:
Cl: –I-Effekt dominant(wenig Delokalisierung)
RCO2: –I-Effekt dominant(wenig Delokalisierung)
H und R: +I-Effekt(wenig Delokalisierung)
OR und NR2: +M-Effekt(gute Delokalisierung)
O– : +M-Effekt dominant(sehr gute Delokalisierung)
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9. Funktionelle Gruppen: Die Carbonylgruppe
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Nomenklatur:
Suffix: Aldehyde „al“ (allg.: Alkanal) Ketone „on“ (allg.: Alkanon)
Beispiele:
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9. Funktionelle Gruppen: Ketone und Aldehyde in der Natur
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Mandelbaumblüte (Prunus dulcis)
Zitrone (Citrus meyeri)
Jasminblüte(Jasminum officinale)
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9. Funktionelle Gruppen: Synthese von Ketonen & Aldehyden
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Allgemein:
Oxidation von 1° Alkoholen führt zur Bildung von Aldehyden
Überoxidation zur Carbonsäure möglich!
Oxidation von 2° Alkoholen führt zur Bildung von Ketonen
–2 H+
–2 e––2 H+
–2 e–
Reduktion von Carbonsäureestern führt zur Bildung von Aldehyden
Überreduktion zum 1°
Alkohol sehr leicht möglich!
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9. Funktionelle Gruppen: Keto-Enol Tautomerie
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Allgemein:
Bei der Keto-Enol-Tautomerie handelt es sich um eine spezielle Form der Konstitutionsisomerie, bei der durch Verlagerung einer Doppelbindung und eines Protons Ketone oder Aldehyde (beides Keto-Form) im Zuge einer Gleichgewichtsreaktion in vinylische Alkohole (Enol-Form) reversibel überführt werden.
Keto-Enol-Tautomerie Gleichgewicht
Keto-Form(gilt für Aldehyde und Ketone)
Enolation
Enol-Form(gilt für Aldehyde und Ketone)
Carbanion
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9. Funktionelle Gruppen: Keto-Enol Tautomerie
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Allgemein:
Bei der Keto-Enol-Tautomerie handelt es sich um eine spezielle Form der Konstitutionsisomerie, bei der durch Verlagerung einer Doppelbindung und eines Protons Ketone oder Aldehyde (beides Keto-Form) im Zuge einer Gleichgewichtsreaktion in vinylische Alkohole (Enol-Form) reversibel überführt werden.
Keto-Form(Aceton)
Enol-Form(Aceton)
DG° = 46 kJ/mol
Keto-Form(Cyclohexanon)
Enol-Form(Cyclohexanon)
Merke: Bei einfachen Aldehyden und Ketonen liegt das Gleichgewicht stark auf der Seite der Keto-Form!
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9. Funktionelle Gruppen: Keto-Enol Tautomerie
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Allgemein:
Bei der Keto-Enol-Tautomerie handelt es sich um eine spezielle Form der Konstitutionsisomerie, bei der durch Verlagerung einer Doppelbindung und eines Protons Ketone oder Aldehyde (beides Keto-Form) im Zuge einer Gleichgewichtsreaktion in vinylische Alkohole (Enol-Form) reversibel überführt werden.
Keto-Form(Acetoaceton)
Enol-Form(Acetoaceton)
Keto-Form(Acetessigester)
Enol-Form(Acetessigester)
Merke: Bei Aldehyden und Ketonen mit einer zusätzlichen Carbonyl- oder Ester-Gruppe in 3-Position zur C=O Doppelbindung liegt das Gleichgewicht eher auf der Seite der Enol-Form!
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9. Funktionelle Gruppen: Addition an die Carbonylgruppe
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Addition von Wasser:
Addition von Alkoholen:
Hydrat
Halbacetal Acetal
Cyclische Halbacetale:
Cyclische (Halb)Acetalesind im Bereich der Zuckerchemie von besonderer Bedeutung
Glucose CelluloseQulle: https://de.wikipedia.org/wiki/Cellulose
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9. Funktionelle Gruppen: Addition an die Carbonylgruppe
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Halbacetale (Säure-katalysierte Synthese):
Halbacetale (Basen-katalysierte Synthese):
J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg
Merke: Die Bildung und der Zerfall von Halbacetalen kann sowohl durch Säuren als auch durch Basen katalysiert werden.
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9. Funktionelle Gruppen: Addition an die Carbonylgruppe
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Halbacetale (Säure-katalysierter Zerfall):
Halbacetale (Basen-katalysierter Zerfall):
J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg
Merke: Die Bildung und der Zerfall von Halbacetalen kann sowohl durch Säuren als auch durch Basen katalysiert werden.
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9. Funktionelle Gruppen: Addition an die Carbonylgruppe
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Säure-katalysierte Synthese und Hydrolyse von Acetalen:
J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg
Merke: Die Bildung von Acetalen kann nur durch Säuren katalysiert werden, da die OH-Gruppe in ein Nucleofug überführt werden muss.
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9. Funktionelle Gruppen: Addition an die Carbonylgruppe
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Bildung von Iminen:
Halbaminal Imin
R2 = H: AldiminR2 = C: Ketimin
Bildung von Oximen:
Oxim
Bildung von Hydrazonen:
Hydrazon
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9. Funktionelle Gruppen: Reduktion von Carbonylgruppen
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Allgemeine Reaktion:
Chemoselektivität:
Welches Orbital ist das HOMO und welches das LUMO?
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9. Funktionelle Gruppen: Die Aldolreaktion
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Allgemeine Reaktion: Der Additionsschritt (Aldol-Addition)
Merke: Bei einer Aldolreaktion wird eine neue C–C Bindung geknüpft!Allgemeine Reaktion: Der Eliminierungsschritt (Aldol-Kondensation)
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9. Funktionelle Gruppen: Die Aldolreaktion – Exkurs
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Bedeutung der Aldolreaktion in der Naturstoffchemie:
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9. Funktionelle Gruppen: Die Aldolreaktion – Exkurs
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Bedeutung der Aldolreaktion in der Naturstoffchemie:
Mechanismus 1:
Bindung von Ergosterin
(Burke et al.)
K. C. Gray, D. S. Palacios, I. Dailey, M. M. Endo, B. E. Uno, B. C. Wilcock, M. D. Burke, PNAS 2012, 109, 2234
Mechanismus 2:
Bildung von Ionenkanälen
(gängig anerkanntes Modell)
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9. Funktionelle Gruppen: Carbonsäuren
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Definition:
Carbonsäuren sind organische Verbindungen, die eine oder mehrere Carboxygruppen (–COOH) tragen. Die Salze der Carbonsäuren werden Carboxylate und ihre Kondensate mit Alkoholen Carbonsäureester genannt.
Allgemeine Struktur:
Merke: Das an das O-Atom gebundene Proton ist stark acide
Spezifische Beispiele:
Merke: Bei der Benennung von Carbonsäuren wird der Stammname aus dem entsprechenden Alkan/Aromaten und das Suffix „-säure/-carbonsäure“ verwendet.Es sind jedoch viele Trivialnamen gebräuchlich!
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9. Funktionelle Gruppen: Carbonsäuren
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Allgemeine Eigenschaften: Weitere Eigenschaften:
Merke: kurzkettige Carbonsäuren sind mit Wasser mischbar. Je länger/größer der organische Rest, desto geringer ist die Löslichkeit in Wasser.
Bsp.: Ameisensäure (beliebig mischbar)Essigsäure (beliebig mischbar)Pentancarbonsäure (25g/L)Benzoesäure (2.6g/L)
lipophile Gruppe
hydrophile Gruppe
Merke: Carbonsäuren weisen bezogen auf ihr Molekulargewicht vergleichsweise hohe Siedepunkte auf. Der Grund hierfür sind H-Brücken.
H-Brückenbindung
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9. Funktionelle Gruppen: Reaktivität von Carboxylgruppen
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Acidität:
Merke: die negative Ladung ist resonanzstabilisiert
Merke: je stärker elektronenziehend der Rest R, desto acider die Säure
Elektrophilie von Carbonsäurederivaten:
Cl: –I-Effekt dominant(wenig Delokalisierung)
RCO2: –I-Effekt dominant(wenig Delokalisierung)
H und R: +I-Effekt(wenig Delokalisierung)
OR und NR2: +M-Effekt(gute Delokalisierung)
O– : +M-Effekt dominant(sehr gute Delokalisierung)
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9. Funktionelle Gruppen: Reaktivität von Carboxylgruppen
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Mechanismus der Substitution am Carboxylkohlenstoffatom:
Grignard-Reagenz(starkes Nucleophil)
Keton(gutes Elektrophil)Ester
(moderates Elektrophil)
Welche Hybridisierungen haben Ester, tetraedrischesIntermediat, Keton und Alkohol an dem C-Atom, das nucleophil angegriffen wird/wurde?
Merke: Tetraedrische Zwischenstufen sind immer dann instabil, wenn sich am zentralen C-Atom eine Abgangsgruppe befindet, die die negative Ladung besser stabilisieren kann als das tetraedrischeIntermediat selbst.
Regel: Betrachtet man den pKa-Wert der konjugierten Säure der Abgangsgruppe, dann ist die negative Ladung umso besser stabilisiert, je niedriger der pKa-Wert ist.
Bsp.: RO– (Alkoxid): konjugierte Säure = ROH (Alkohol); pKa = 15Cl– (Chlorid): konjugierte Säure = HCl; pKa = –8
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9. Funktionelle Gruppen: Reaktivität von Carboxylgruppen
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Abschätzen der Abgangsgruppenqualität:
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9. Funktionelle Gruppen: Reaktivität von Carboxylgruppen
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Abschätzen der Qualität des Nucleophils:
Merke: Betrachtet man den pKa-Wert der konjugierten Säure des Nucleophils, dann ist die Nucleophilie umso größer, je höher der pKa-Wert ist.
anionisches Nucleophil
neutrales Nucleophil
Rückreaktion ist unwahrscheinlich Rückreaktion ist unwahrscheinlich
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9. Funktionelle Gruppen: Reaktivität von Carboxylgruppen
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Katalysierte Substitutionen am Carboxylkohlenstoffatom:
gesteigerte Elektrophilie
Brønsted-Säure-katalysiert:
Lewis-Base-katalysiert:
gesteigerte Elektrophilie
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9. Funktionelle Gruppen: Carbonsäurechloride
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Darstellung:
Thionylchlorid
Verwendung: Nomenklatur:
SäurechloridCarbonsäure
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9. Funktionelle Gruppen: Carbonsäureester
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Allgemeine Struktur:
Säure-katalysierte Estersynthese und -hydrolyse:
Nomenklatur:
J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg
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9. Funktionelle Gruppen: Carbonsäureester
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg
Basen-vermittelte Esterhydrolyse (Verseifung):
–OMe
Merke: Das zentrale C-Atom des Carboxylatrestes ist nicht ausreichend elektrophil, um die Rückreaktion zu ermöglichen. Daher ist dieser Schritt irreversibel
Claisen-Kondensation:
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9. Funktionelle Gruppen: Carbonsäureamide
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg
Allgemeine Struktur: Nomenklatur:
Merke: Carbonsäureamide sind Derivate des Ammoniaks (NH3) sowie von primären und sekundären Aminen, in denen ein oder mehrere Wasserstoffatome am N-Atom durch Carbonsäurereste ersetzt sind.
Synthese von Amiden:
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9. Funktionelle Gruppen: Carbonsäureamide
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg
Hydrolyse von Amiden: Saure Bedingungen
Hydrolyse von Amiden: Basische Bedingungen
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9. Funktionelle Gruppen: Carbonsäuren
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Carbonsäuren in der Natur: Die Aminosäuren
Merke: Aminosäuren (AS) sind Carbonsäuren, die in ihrem Kohlenstoffgerüst mindestens eine Aminogruppe (R2N) aufweisen.
Merke:
• wichtigste Klasse: α-Aminosäuren• proteinogene AS: Bausteine von Proteinen in Lebewesen• Anzahl proteinogener AS: 22 (20 kanonische (Codon-basiert) + 2 nichtkanonische)• Konfiguration: L-konfiguriert
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9. Funktionelle Gruppen: Carbonsäuren
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Carbonsäuren in der Natur: Die Aminosäuren
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9. Funktionelle Gruppen: Carbonsäuren
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Carbonsäuren in der Natur: Die Aminosäuren
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9. Funktionelle Gruppen: Carbonsäuren
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Carbonsäuren in der Natur: Die Aminosäuren
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9. Funktionelle Gruppen: Carbonsäuren
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Aminosäuren
Merke: Im saurenMilieu liegen AS als Kationen vor!
Merke: Im basischenMilieu liegen AS als Anionen vor!
Merke: pH-Wert, bei dem ein Zwitterion vorliegt, wird isoelektrischer Punkt genannt. Die Nettoladung = 0]
Zwitterion(in neutralem Medium)
-Wert
Nettoladung
Beispiel:
Aminosäuren können als Zwitterionen vorliegen
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9. Funktionelle Gruppen: Carbonsäuren
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Merke:
• Fettsäuren (FS) sind aliphatische Monocarbonsäuren mit zumeist unverzweigter Kohlenstoffkette.
• Kohlenstoffkette ist i.d.R. 14-24 C-Atome lang
• FS weisen i.d.R. eine gerade Anzahl an C-Atomen auf
• FS kommen in Membranen
• FS fungieren als:
• Energiespeicher
• Ausgangsstoff für Prostaglandine, Thromboxane, Leukotriene
Ein Triglycerid:
Glycerin-Kern(dreiwertiger Alkohol)
einfach ungesättigter Fettsäurerest mehrfach ungesättigter
Fettsäurerest
gesättigter Fettsäurerest
Acetyl-Coenzym A:
Carbonsäuren in der Natur: Die Fettsäuren
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9. Funktionelle Gruppen: Carbonsäuren
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Ein Phosphoglycerid:
Glycerin-Kern
Fettsäurerest
Phosphatrest(polare Kopfgruppe)
Fettsäurerest
(hydrophober Teil)
hydrophober/lipophiler Teil
polare/hydrophile KopfgruppeCarbonsäuren in der Natur: Die Fettsäuren