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
2
Übung Woche 6: SN1-, SN2-, E1 und E2 Reaktionen
1. Kennzeichnen Sie bei den folgenden Reaktionspartnern Elektrophil und Nucleophil. Zeigen Die den
Elektronenfluss in einer potenziellen Reaktion mit einem Pfeil an und schlagen Sie ein Reaktionsprodukt vor.
3
Übung Woche 6: SN1-, SN2-, E1 und E2 Reaktionen
2. Entscheiden Sie, ob die folgenden Bromalkane in einer nucleophilen Substitution eher einem SN1- oder einem
SN2-Mechanismus folgen. Begründen Sie Ihre Entscheidung.
4
Übung Woche 6: SN1-, SN2-, E1 und E2 Reaktionen
3. Geben Sie die Produkte der folgenden Reaktionen an. Beachten Sie dabei die Stereochemie. Nach welchem
Mechanismus verlaufen die Reaktionen?
SN2
SN1
SN1
SN2
E2
5
Übung Woche 6: SN1-, SN2-, E1 und E2 Reaktionen
3. Entscheiden Sie, ob die folgenden Reaktionen nach dem SN1-, dem SN2-, dem E1 oder dem E2-Mechanismus
verlaufen und geben Sie entsprechende Reaktionsprodukte an. (Reagenzien und Lösungsmittel stehen über
dem Reaktionspfeil.)
SN1
SN1
SN2
E2
Erkennen von Nucleo- und Elektrophilen: Strukturelle Faktoren der SN1/2- und E1/2-Reaktionen:
6
Fazit der Woche 6: SN1-, SN2-, E1 und E2 Reaktionen
Reaktionsprofile der SN1- und SN2-Reaktion:
J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg
Strukturelle und physikalische Charakteristika von Alkoholen:
Dipolmoment
(ca. 1.65-1.77 D)
Wasserstoff-Brücken
(ca. 20 kJ/mol)
1° Alkohol 2° Alkohol 3° Alkohol
7
9. Funktionelle Gruppen: Alkohole
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Strukturelle Merkmale:
Aromaten mit OH-Gruppen:
Säure: pKs: pKb:
H2O 15.7 15.8
MeOH 15,5 16.2iPrOH 16.5 17.2tBuOH 17.0 17.8
PhOH (Phenol) 9.95 20.7
Merke: Hydroxylierte (d.h. OH-Gruppen
tragende) Aromaten unterscheiden sich
in ihrer Reaktivität oft von aliphatischen
Alkoholen (z.B. in der Acidität)
Acidität von Alkoholen:
Alkohole sind schwache
Basen
Alkohole sind schwache
Säuren
Quelle für pKb-Werte: http://www.periodensystem-online.de/index.php?sel=wert&prop=pKb-Werte&show=list&el=92&id=acid
8
9. Funktionelle Gruppen: Alkohole – Synthese
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Hydratisierung:
Hydrolyse:
nach welchem Mechanismus läuft dieser Prozess ab?
wie nennt man die Rückreaktion?(Reaktionsverlauf nach links)
Reduktion von Carbonylverbindungen:
welches Reagenz fungiert als Nucleophil / Elektrophil?
welche Maßnahmen können Sie ergreifen, um das Reaktionsgleichgewicht nach rechts zu verschieben?
9
9. Funktionelle Gruppen: Alkohole – Oxidationen
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Allgemein:
Merke: 1° = primär; 2° = sekundär; 3° = tertiär; [O] = Oxidationsreaktion
Die jeweiligen Suffixe der einzelnen funktionellen Gruppen sind farblich markiert
Beispiel: Vom Alkohol zum Aldehyd/Keton
J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg
Dichromat-anion
–H2O
Merke: Im Zuge eines Oxidations-schrittes werden 2 Elektronen (2 e–) und zwei Protonen (2 H+) aus dem Edukt entfernt!
–H+
+ H2O
10
9. Funktionelle Gruppen: Alkohole – Oxidationen
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Allgemein:
Merke: 1° = primär; 2° = sekundär; 3° = tertiär; [O] = Oxidationsreaktion
Die jeweiligen Suffixe der einzelnen funktionellen Gruppen sind farblich markiert
Beispiel: Vom Alkohol zur Carbonsäure
J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg
–H2O
3° Alkohole sind über derartige Prozesse nicht oxidierbar
+ H2O
11
9. Funktionelle Gruppen: Alkohole – Oxidationen
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Allgemein:
Merke: 1° = primär; 2° = sekundär; 3° = tertiär; [O] = Oxidationsreaktion
Die jeweiligen Suffixe der einzelnen funktionellen Gruppen sind farblich markiert
Abbau von Methanol und Ethanol im Körper:
J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg
ADH = AlkoholdehydrogenaseNAD = Nicotinamidadenindinukleotid
+ H2O
12
9. Funktionelle Gruppen: Ether
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Beispiele:
J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg
Definition:
Ether sind organische chemische Verbindungen, die ein oder mehrere Sauerstoffatome besitzen, die ihrerseits
an aliphatischen und/oder aromatischen Resten je zweimal einfach gebunden vorliegen. Vertreter dieser
Verbindungsklasse, die sich von aliphatischen, acyclischen Alkylresten ableiten (nach IUPAC Alkoxyalkane
genannt), besitzen die allgemeine Summenformel (CnH2n+2O).
13
9. Funktionelle Gruppen: Ether
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Ether
Ether Struktur Smp. °C Sdp. °C Löslichkeit (in einem Liter H2O) Dipolmoment
Dimethylether H3C–O–CH3 −138,5 −23,0 70 g 1,30 D
Diethylether H5C2–O–C2H5 −116,3 34,4 69 g 1,14 D
Di-n-propylether H7C3–O–C3H7 −123,2 90,1 4,9 g 1,32 D
Physikalische Eigenschaften:
Strukturelle Eigenschaften:Ether sind schwache Basen
14
9. Funktionelle Gruppen: Ether – Reaktionen
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Saure Etherspaltung:
Autoxidation:
Nach welchen Mechanismen verlaufen diese Reaktionen und warum wird das jeweils dargestellte Halogenalkan bevorzugt gebildet?
a) b)
15
9. Funktionelle Gruppen: Ether – Synthesen
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Saure Alkoholkondensation:
Williamson-Ethersynthese:
a)
b)
Name?
Methode ist gut geeignet für die Darstellung unsymmetrischer Ether
Methode ist geeignet für die Darstellung symmetrischer Ether
16
9. Funktionelle Gruppen: Ether – Synthesen
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Säure-katalysierte Addition von Alkoholen an Alkene:
Methode ist gut geeignet für die Darstellung unsymmetrischer Ether
17
9. Funktionelle Gruppen: Thiole und Thioether
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Definition:
Thiole sind organisch-chemische Verbindungen, die ein oder mehrere Thiolgruppen (auch Mercaptogruppen)
enthalten. Hierbei liegt ein Schwefelatom jeweils einfach zu einem C- und einem H-Atom gebunden vor.
Vertreter dieser Verbindungsklasse, die sich von aliphatischen, acyclischen Alkylresten ableiten (sog.
Alkanthiole), besitzen die allgemeine Summenformel (CnH2n+2S).
Allgemeine Strukturen: Spezielle Beispiele:
Acidität:
Thiole sind acider als die homologen Alkanole und Phenole
18
9. Funktionelle Gruppen: Thiole und Thioether
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Bildung von Disulfiden durch Oxidation:
[O] = Oxidationsreaktion
mögliche Oxidationsmittel: NaBrO3 (Natriumbromat)
Br2 (Brom)tBuOOH/Katalysator
Disulfide in der Natur:
Die Aminosäure Cystein kann sog. Disulfid-Brücken (auch Cystin-Brücken) ausbilden. Diese Strukturen sind relevant für die Architektur und Stabilität zahlreicher Proteine.A) Lineare Sequenz des
Chlorotoxins (CTX)B) 3D Struktur des CTX mit
markierten Disulfidbrücken
a) https://de.wikipedia.org/wiki/Disulfidbrücke; b) De Waard et al., Toxins 2015, 7, 1079-1101
19
9. Funktionelle Gruppen: Thiole und Thioether
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Oxidation von Sulfiden:Merke: Wenn R ≠ R‘ ist, dann handelt es sich beim gezeigten Sulfoxid um eine chirale (also optisch aktive) Substanz
Sulfoniumsalze: Beispiel aus der Natur:
Die Methylgruppe fungiert als Elektrophil
20
9. Funktionelle Gruppen: Amine
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Definition:
Bei den Aminen handelt es sich um organische Derivate (Abkömmlinge) des Ammoniaks (NH3). Hierbei liegt
mindestens ein Alkyl- oder Arylrest kovalent gebunden am N-Atom vor. Aliphatische Vertreter dieser
Verbindungsklasse werden als Alkanamine oder Alkylamine bezeichnet. Es sind jedoch auch viele Trivialnamen
gebräuchlich.
Allgemeine Klassifikation:
Beispiele:
21
9. Funktionelle Gruppen: Amine
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Acidität:
Merke: Je acider ein Ammoniumsalz, desto weniger basisch ist seine konjugierte Base.
• protonierte Ammoniumsalze sind die
konjugierten Säuren der jeweiligen Amine
Konfigurationsstabilität:
Merke: Tertiäre Amine mit drei unterschiedlichen Resten sind chiral (optisch aktiv) aber nicht konfigurationsstabil.
Merke: QuarternisierteAmmoniumsalze mit vier unterschiedlichen Resten sind chiral und konfigurationsstabil.
22
9. Funktionelle Gruppen: Amine
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Amine in der Natur:
Morphin
(Alkaloid)
23
9. Funktionelle Gruppen: Amine
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Stickstoffhaltige Heteroaromaten:
Pyrrol Pyrazol Imidazol Indol
Pyridin Pyridazin Pyrimidin Chinolin
24
9. Funktionelle Gruppen: Amine
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Amine als Nucleophile:
Merke: Die Nucleophilie von Aminen steigt mit der Anzahl an Alkylresten R
25
9. Funktionelle Gruppen: Amine
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Selektive Aminierungsverfahren: Die Gabrielsynthese
26
9. Funktionelle Gruppen: Amine
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Selektive Aminierungsverfahren: Die reduktive Aminierung
J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg
Elektrophil
Ammoniak = NucleophilCyanoborhydrid = Nucleophil
Formaldehyd = ElektrophilCyanoborhydrid = Nucleophil
27
9. Funktionelle Gruppen: Amine
9. Struktur und Reaktionen funktioneller Gruppen
Selektive Aminierungsverfahren: Die reduktive Aminierung
J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg
moderates Elektrophil starkes Elektrophil
moderates Nucleophil
starkes Elektrophil starkes Elektrophil