Willkommen zum Willkommen zum „Grundlagen-Modul-Chemie, Theoretische Übungen zum Organisch-Chemischen Kurs für Theoretische Übungen zum Organisch Chemischen Kurs für Biowissenschaftler” Prof. Dr. R. Gilmour Organisch Chemisches Institut Organisch-Chemisches Institut Nucleophile Substitution 2 Ordnung (S 2) Nucleophile Substitution 2. Ordnung (S N 2) Konfigurationsumkehr bei der S N 2-Reaktion (Walden’sche Umkehr). OH O H H Br +H + + Br -H 2 O H 2 Beispiel 1: Reaktion von n-Butanol mit HBr zum Butylbromid
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Willkommen zumWillkommen zum „Grundlagen-Modul-Chemie ... · Elektrophile aromatische Substitution (SElektrophile aromatische Substitution (SEAR) E H E H Rearomatisierung-H+ +E+
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Eliminierungsreaktionen in der Biochemie:Eliminierungsreaktionen in der Biochemie:Bildung von Zimtsäure aus Phenylalanin durch die Phenylalanin-Ammoniak-Lyase (NH3-Eliminierung)y y ( 3 g)
Elektrophile Addition (A )Elektrophile Addition (AE)
E+ + NuE Nu
EE
Mechanismus der elektrophilen Addition an Doppelbindungen.
+ Br2 + Br2
BrBr Br
Br
Beispiel 1: trans-Addition von Br2 an DoppelbindungenBeispiel 1: trans Addition von Br2 an Doppelbindungen
A : Elektrophile Addition: EnergieprofilAE: Elektrophile Addition: Energieprofil
Irreversibler Mechanismus der alkalischen Hydrolyse von Carbonsäureestern (Verseifung)Irreversibler Mechanismus der alkalischen Hydrolyse von Carbonsäureestern (Verseifung).
Prinzip der Biosynthese von Neutralfetten ausgehend von Glycerinphosphat und Acetyl CoAPrinzip der Biosynthese von Neutralfetten ausgehend von Glycerinphosphat und Acetyl-CoA.
O
OHO
HO
OH
+ ATPO
HO
OPO-
-O O
+ ADPHO
OHOH
HOHO
OHOH
Phosphorylierung der α-D-Glucose
CarbonsäureamideCarbonsäureamide
Darstellung von Carbonsäureamiden aus Carbonsäurechloriden und AminenDarstellung von Carbonsäureamiden aus Carbonsäurechloriden und Aminenmit Pyridin als Hilfsbase.
Prinzip der Peptidsynthese(Carbonsä ren sind nreakti müssen akti iert erden! Z itterion !)(Carbonsäuren sind zu unreaktiv, müssen aktiviert werden! Zwitterion !)
Proteinogene AminosäurenA U l S it k tt (h d h b) R
O
A. Unpolare Seitenketten (hydrophob) RCH
NH3+
O -
NH3
R Name Abkürzung IEP pKs
H Glycin Gly G 5 97 2 35 / 9 78-H Glycin Gly G 5.97 2.35 / 9.78
-CH3 Alanin Ala A 6.00 2.35 / 9.87
CH(CH ) V li V l V 5 96 2 29 / 9 72-CH(CH3)2 Valin Val V 5.96 2.29 / 9.72
-CH2-CH(CH3)2 Leucin Leu L 6.02 2.33 / 9.74
-CH(CH3)-CH2CH3 Isoleucin Ile I 5.98 2.32 / 9.76
-CH2Ph Phenylalanin Phe F 5.48 2.58 / 9.24
-CH2CH2SCH3 Methionin Met M 5.74 2.17 / 9.27
Prolin Pro P 6.30 1.95 / 10.64N+
H
COO-
H
Proteinogene AminosäurenB P l l d S it k tt (h d hil)
O
B. Polare, ungeladene Seitenketten (hydrophil) RCH
NH3+
O -
R Name Abkürzung IEP pKs
-CH2OH Serin Ser S 5.68 2.19 / 9.442
-CH(CH3)-OH Threonin Thr T 6.00 2.09 / 9.10
-CH2SH Cystein Cys C 5.05 1.86 / 10.34CH2SH Cystein Cys C 5.05 1.86 / 10.34
-CH2-S-S-CH2- Cystin Cys-Cys 4.80
-CH -CO-NH Asparagin Asn N 5 40 2 02 / 8 80-CH2-CO-NH2 Asparagin Asn N 5.40 2.02 / 8.80
-(CH2)2CO-NH2 Glutamin Gln Q 5.70 2.17 / 9.13
CH C H OH Tyrosin Tyr Y 5 66 2 20 / 10 07-CH2-C6H4-OH Tyrosin Tyr Y 5.66 2.20 / 10.07
Tryptophan Trp W 5.89 2.43 / 9.44
N
H
Proteinogene AminosäurenC. Polare, bei pH 6-7 positiv geladene Seitenketten R
OC. Polare, bei pH 6 7 positiv geladene Seitenketten (basisch, stark hydrophil)
Freie Energien der Hydrolyse von energiereichen Verbindungen
A B
O-P
O-
O
OOO P
O
P
O
O-O-AdenosinAdenosintriphosphat A = 30 kJ/mol
B = 36 kJ/mol
O
OO
PO
-O RAdenosin
Acetyladenylate(Acylphosphate) 30 kJ/mol
R SR
O(CoA) Thioester 33,5 kJ/mol
-O P
OO
O-
O Phosphoenolpyruvat 52 kJ/mol
CH2 O-O
O O
-O
CH2
OH -O
CH3
O
Reaktionsschema von Pyridoxalphosphat (PLP) mit Aminosäurenmit Aminosäuren
OHO
P-O O-
O-
O
HO
N
N CH3
OO
CH2HO- H+
-- CO2
1
2
3
HC O-
O
N
CHHO
NC O-
O
HO
N
OO
H2O/H+H2O/H+H2O/H+
H+
a b
CH2
O-
O
HO
NO-
O
HO
NH2
OO-
O
HO
OO-
O O
NH2
HOO
NH3 ++
+
-Ketosäurebiogenes AminD-Aminosäure
NH2
++
Pyridoxaminphosphat
N5-Hydroxymethyl-
tetrahydrofolat
Decarboxylierung von a-Ketosäuren mit Thiaminpyrophosphat (TPPThiaminpyrophosphat (TPP
N N
CH3-O
OCH3
N SNH2H3CO P
O
O
PO-
OO-
N
N
N
C SNH2H3C
OTPP
CH
O
O-
O
H3C
TPP
N
N
N
C SNH2H3C
CH3
O-
N
N
N
C SNH2H3C
CH3
- CO2
O
OHOH3C OH
SO
NH
Enzym
TPP S S NH(CH2)4
CH3
SH SH O O
- TPP
S SH O
NH
Enzym(CH2)4
OSH SH O
NH
Enzym(CH2)4
HS-CoA+
H3C SCoA
O
Prinzip der nucleophilen Addition an CarbonylgruppePrinzip der nucleophilen Addition an Carbonylgruppe
OH
R H
OYH+
[H+]R Y
OH
HR H H
O+ HO-R R OR
OH
R OR
OR'+ HOR'/H+
H2O
a)
H
O
H H- H2O
+ HSR'/H+OH SR'b)
HS-RH
+ + HSR /H- H2O
R SR
H
R SR
H
Darstellung von Halbacetalen und Acetalen (a) bzw. (Semi-)Thioacetalen (b)
Stickstoffverbindungen als NucleophileStickstoffverbindungen als Nucleophile
Darstellung von Iminen (Schiff´schen Basen) durch Reaktion von Aldehyden mit prim AminenDarstellung von Iminen (Schiff schen Basen) durch Reaktion von Aldehyden mit prim. Aminen
Aldehyde ohne Proton am α-C-Atom bilden mit sek. Aminen Aminale
Aldehyde mit Proton am α-C-Atom bilden mit sek. Aminen Enamine
Stickstoffnucleophile: Hydrazone und OximeStickstoffnucleophile: Hydrazone und Oxime
HH
HN
H2N
OH
R O
HHN
NR
O2N NO2
R N
H
OHO2N NO2 H2N
OH
Hydrazin-Derivat Hydroxylamin- H2O - H2O
Hydrazon Oxim
H2O H2O
Struktur der 2,4-Dinitrophenylhydrazone und der Oxime.p y y
Zimtsäuresynthese (nach Brückner, Reaktionsmechanismen, 3. Auflage, S. 566 ff.)- In der rechten Newman-Projektion (vgl.: roter Blickrichtungspfeil)
ist die zusätzliche sterische Wechselwirkung verdeutlicht, die der linken Struktur zum Vorteilverhilft und so zur trans-Verbindung führt. - Nach diesem Schema lassen sich auch andere
Mechanismus der Cannizarro-Reaktion (Disproportionierung)
EsterkondensationEsterkondensation
Et
O
EtO- Na+ + Et
ONa+
Et
O-Na+
H3C OEtEt - EtOH H2C O
EtNaH2C O
Et
Bildung des Carbanions bzw. Enolations als 1. Schritt der Acetessigestersynthese.
Et
O
Et
O
+ H C
O
C
O
OEt Na++
Na+ O- O
Et
Na+
EtOH2C O
EtH3C O
Et + H3C CH2
OEt Na+
H3C CH
OEt
- EtOH
Angriff des Carbeniumions am Essigester und Bildung Natriumsalzes des AcetessigestersAngriff des Carbeniumions am Essigester und Bildung Natriumsalzes des Acetessigesters
O O OH O
H3C CH2
CH3 H3C CH
CH3
K t E l T t i b i ß C b l bi d (hi A t l t it 80% E l t il)Keto-Enol-Tautomerie bei ß-Carbonylverbindungen (hier Acetylaceton mit 80% Enolanteil).
Reaktionen von ß Keto VerbindungenReaktionen von ß-Keto-Verbindungen
O O H2O / H+OH3C OOH
H3C OEt - EtOH
2
OH
O - CO2 H3C CH3H3C CH2
Ketonspaltung von AcetessigesterKetonspaltung von Acetessigester
H3C
O O
OEt H3C O-
O
H3C
O O-
O
O Et
H
OH2H3C
O
CH2
O
O-OH
- EtOH
Mechanismus der Umsetzung von Acetessigsäureethylester mit OH-.
Keton Enol in der NaturKeton-Enol in der Natur
Die Umwandlung von Glucose zu Fructose bzw. Mannose verläuft über ein Keto-Enol-Gleichgewicht.
O-
O
HOO
O-
O
H O O O-
O
O-
O+ ADP
ATPOP
O-
O
-O
- H2O OP
O-
O
-O
O
OH
O
O- ATP
Die Bildung von Pyruvat aus 2-Phosphoglycerat verläuft über das Phosphoenolpyruvat
Esterkondensationen in der Natur IEsterkondensationen in der Natur I
OHO
NNO
PO
-O
O
HN
HN
SH3C
CH3
CH3OH
OO
O
ON NO
O
NNH2
P
O
O
-O
O OH
-O
P O-OAcetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA)
O
O
-O OO-
O
-O SCoA
OO-
O
-O CoA
O
O-O
O
O-+
H2C SCoA
O
O
O-
O
O
O- HSCoA+
Bildung von Citrat aus Oxalacetat und Acetyl-CoA
Esterkondensationen in der Natur IIEsterkondensationen in der Natur II
O
O
O
H2C S
O
CoAO
SO
CoA
+- HS-CoA
HO
SO
CoA
O-
HOHO
O
O-- 2 NADP+
+ 2 NADPH/H+
Biosynthese von ß-Hydroxy-ß-methylglutaryl-CoA (HMG-CoA), das mit NADPH zur Mevalonsäure reduziert wird.
H
H2C S
O
CoA
RHN OH
N
HS
+O O
O- SCoA
O
OH
Carboxylierung von Acetyl-CoA durch mit Biotin aktiviertes CO2. Es entsteht Malonyl-CoA.
O- SCoA O- S
CoAS
CoA
O CH
O
O S
S
O
CoA+ - HS-CoA O O
O
- CO2 O
S
O
Die Reaktion des Malonyl-CoA mit einem weiteren Acetyl-CoA führt nach spontaner Decarboxylierung zum Acetoacetyl-CoA
RedoxreaktionenRedoxreaktionen
CH H
CH OH O O
CO-4 -2
0 +2+4
CH H-3
CH CH3
-1
C
O+3C
O+1
HC
H HC
H HC
H HC
OHC
O0 +2
H3CC
HH3C
CCH3 H3C
COH
+3
H3CC
H+1
O id ti t f d K hl t ff i i h V bi dOxidationsstufen des Kohlenstoffs in organischen Verbindungen
AlH OCH2RRH C
R H
OAlH3H Li+++
R H
O
AlH3
H Li++ Al
O
OO
O
CH2R
CH2RRH2C
RH2C
Li++
H2O
HO CH2R4
LiOHAl(OH)3 ++
Reduktion eines Aldehyds mit Lithiumaluminiumhydrid zum primären Alkohol.
NicotinsäureamidNicotinsäureamid
O
N
O
NH2
CH2ClH2C
N
NH2
O+
N
Synthese von 1-Benzyl-3-carboxamido-pyridiniumchlorid (Modell für NAD+)
M h i d R d kti i Ni ti ä id it Dithi itMechanismus der Reduktion eines Nicotinsäureamids mit Dithionit
Chemische ReduktionenChemische Reduktionen
NO NO NHOH NHNO2 NO NHOH NH2
Prinzip der Reduktion von Nitrobenzol zu Anilin(Reduktionsmittel z.B. Fe/HCl)(Reduktionsmittel z.B. Fe/HCl)
RMg
Cl
R H
O+ R2
R1
O-
H H2O
R2
R1 HMg(OH)Cl+Mg+R1
Clδ + δ +δ −
δ −
R1 R2 H 2 O MgCl R2 OH
Die Reaktion einer Grignard-Verbindung mit einem Aldehyd führt zu einem sek. Alkohol
Biochemische Redoxreaktionen IBiochemische Redoxreaktionen I
ONH N
O
NN
NH2O
P O-O
OO
HO OH
NH2N
O
ON NO
HO OH
P
O
-O
(P)
Struktur des NAD+ (bzw. des NADP+).
NH2NR
NH2N R+ 2e+ H+ H
H
O
R
O
R- 2e- H+
Prinzip der Reduktion des NAD+ zum NADH
Biochemische Redoxreaktionen IIBiochemische Redoxreaktionen II
OO
OOH
HNADH/H+
O
O-
OOH
O-- NAD+
Reduktion von Pyruvat zu Lactat mit NADH
O- NADH/H+O-
O
OO-
ONAD+
O- OH O- O
Oxidation von Malat zu Oxalacetat mit NAD+ (Zitratzyclus).
+ 2e+ 2H+
N
NH
NH3C
R
O N
NH
NH3C
R
O
H
- 2e- 2H+N
NHH3C
O
NNH
H3C
OHFAD FADH2
Prinzip der Reduktion von FAD zu FADH2
Biochemische Redoxreaktionen III FAD-(Flavin-Adenin-Dinucleotid)-Reaktionen
O O
SR
O
SR
OFAD- FADH2
Der 1. Schritt beim Fettsäureabbau ist eine Oxidation (Dehydrierung).
O-
O
O-
OFAD
- FADH2
H2O
NH3 - NH4O
Oxidation von α-Aminosäuren zu α--Ketosäuren.
Diazoniumsalze IDiazoniumsalze I
N HON+ H+
HON
OHO O
HH2O + N
O+ H
Bildung des Nitrosylkations aus salpetriger SäureBildung des Nitrosylkations aus salpetriger Säure.
Entstehung eines Diazonium-Kations durch Reaktion des Nitrosylkations mit einem Amin
Diazoniumsalze IIDiazoniumsalze II
OHH2Oa + H+
OHH2O
- H+
+ H+
- H+b
Reaktionsmöglichkeiten des aus einem aliphatischen Diazonium-Kationnach N2-Abspaltung gebildeten Carbeniumions.
Aromatische Diazonium-Kationen sind stabilisiert.
Diazoniumsalze IIIDiazoniumsalze III
Das Diazonium-Kation reagiert nach Austritt des N2 mit Nucleophilen zum substituierten Aromaten.
Azoverbindungen IAzoverbindungen I
Der elektrophile Angriff aromatischer Diazonium Kationen an einen Aromaten führt zur AzoverbindungDer elektrophile Angriff aromatischer Diazonium-Kationen an einen Aromaten führt zur Azoverbindung.
SO3- SO3
-
SO3-
NN
NN
OH
NN
NN
H
OH OH
NN
SO3-
α-Naphtholorangeβ-Naphtholorange
SO3-
O
α- und ß-Naphtholorange; das α-Naphthol kann in o-Stellung zweitsubstituiert werden (vgl. Abbildungsmitte).
Intramolekulare Wasserstoffbrücken sind für die schlechte Löslichkeit des ß-Naphthols verantwortlich
Azoverbindungen IIAzoverbindungen II
NN
NSO3
-H3C
H3CN
NN
SO3-H3C
H3CH+
N SO3H3C N SO3H3CH
rotorange
Methylorange als pH-IndikatorProtonierung läßt die Farbe von orange nach rot umschlagen
Aldosen (offene Formen)
„Stammbaum“
Kohlenhydrate Cn(H2O)n
CH2OH
H OHC
CH O
C O H2
CH O
CH O
CH OH CH2
CH2OHCH2OH
H OHCC O
CH OH
CH OH
CH2OH
CH OH
CH OH
CH OH
(+)-D-Ribose (Aldopentose)
(-)-D-2-Desoxyribose (2-Desoxyaldopentose)
CH2OHCH2OH
Dihydroxy- aceton
(+)-D-Glycerin- Aldehyd (Aldotriose)( do ose)
CH O
CH OH
CH O
CH OH
CH O
CHO H
CH2OH
C O
HO
C
C
C
H OH
H
H OH
HO
C
C
C
H OH
H
HO H
HO
C
C
C
HO H
H
H OH
HO C
C
C
H
H OH
H OH
(+) D Glucose
CH2OH
CH OH
CH2OH
CH OH
CH2OH
CH OH
D Galactose ( ) D Mannose ( ) D Fructose
CH2OH
CH OH
(+)-D-Glucose Traubenzucker (Aldohexose)
D-Galactose (Aldohexose)
(-)-D-Mannose (Aldohexose)
(-)-D-Fructose (Ketohexose)
Kohlenhydrate: Cyclische Halbacetale
H O
HO
C
C
H OH
H O
CH OH
HO
CH O
C
C
H OH
H HO
C
C
H OH
H
CHO H
CH OH
HO C
C
H
H OH
H C
O O
CH2OH
C
C
H OH
H OH
CH2OH
CH OH
H C
(+)-D-Glucose Traubenzucker (Aldohexose)
CH2OH CH2OH CH2OH
α−D-Glucose β−D-Glucose
O
CH2OH
OH
O
CH2OH
OH
CH2OH
OH
OH HO
OH
OH
OHOHHO
OH
OH
OH
OHHOHO
O
(+)-D-Glucoseα−D-Glucose β−D-Glucose(+)-D-Glucoseα D Glucose β D Glucose
OHOHOH2C
OHHOHOH2C
OHOHOH2C
OHOH
HOOH
OH
HO CHO
OH
HO OH
Ring Formen: Furanosen und PyranosenRing-Formen: Furanosen und Pyranosen
Die α- und ß-Konfiguration der ringförmigen Zucker entscheidet sich h d St ll d OH G C 1 At (H lb t l )nach der Stellung der OH-Gruppe am C-1-Atom (Halbacetale).
Fünfring-Zucker: Furanosen
DisaccharideDisaccharide
Maltose bildet die Grundstruktur für Stärke und GlykogenMaltose bildet die Grundstruktur für Stärke und Glykogen. Die Glucosemoleküle sind dabei α-1,4-glycosidisch verbunden.
Cellobiose ist das Cellulose-Abbauprodukt im Magen von Wiederkäuern.
Saccharose
Disaccharide
Polysaccharide: Amylose
Iod-Stärke-Komplex
Stärke und Cellulose
Bedeutung für den Menschen (Zeeck)KohlenhydrateKohlenhydrate
HeterozyklenHeterozyklen
N N N
N N N NH
Pyridin Pyrimidin PurinPyridin Pyrimidin Purin
Heterozyklische Sechsringe
N NH NHH3C H
OH
NH2N
ONH
H2N
Cytosin
NH
ONH
O
Uracil
NH
ONH
O
Thymin
HN
NNH2N
HN
Guanin
HN
NN
N
Adeniny y GuaninAdenin
Pyrimidin- und Purinbasen
Nuclein BasenNuclein-Basen
Nuclein Säuren (Zeeck)Nuclein-Säuren (Zeeck)
Ribonucleic Acid (RNA) und Desoxyribonucleic Acid (DNA)