PSE Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Organische Chemie Seite 1 Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen

Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Organische Chemie Seite 1

PSEChemie für

Mediziner und Medizinische Biologen

WS 2007/2008

Hochschuldozent

Klaus Schaper


PSEROS

Sauerstoff kann durch seinen radikalischen Charakter verschiedene organische Moleküle in Lebensmitteln und im Gewebe angreifen (Autoxidation).

Die dabei entstehenden reaktiven Radikale werden allgemein als „Reactive Oxygen Species“ ROS oder auch als reaktive Sauerstoffspezies bezeichnet.

Die ROS sind z. B. dafür verantwortlich, dass Fett ranzig wird und spielen auch in der Entstehung von Krebs eine große Rolle und führen zu Mutationen.

Daher kann man Lebensmitteln Antioxidantien zusetzen.

Dies schützt die Lebensmittel und die Lebewesen.

Antioxidantien sind z. B. Vitamin E, aber auch Vitamin A, Provitamin A und verwandte.


PSEROS

Antioxidantien sind z. B. Vitamin E, aber auch Vitamin A, Provitamin A und verwandte.

Max-Planck-InstituteMülheim

SFB 663


PSEFragen 12.3/Zeeck


PSEInhalt: Organische Chemie

11 Kohlenwasserstoffe11.1 Alkane11.2 Cycloalkane11.3 Reaktionen der Alkane11.4 Alkene11.5 Alkine11.6 Aromaten11.7 Thermodynamik und Kinetik


PSEAlkene/Nomenklatur

Alkene sind Kohlenwasserstoffe mit mindestens einer Doppelbindung.

Es gilt die allgemeine Summenformel: CnH2n

Man ersetzt im Namen des Alkans die Endsilbe –an durch –en.

Wenn nötig gibt man die Position der Doppelbindung an.


PSEAlkene/Nomenklatur

Alkene sind Kohlenwasserstoffe mit mindestens einer Doppelbindung.

Man ersetzt im Namen des Alkans die Endsilbe –an durch –en. Veraltet gibt es auch die Bezeichnungen Ethylen für Ethen und Propylen für Propen (siehe Polyethylen und Polypropylen)


Die Position der Doppelbindung erhält eine möglicht niedrige Zahl.

Diese Regel ist „wichtiger“ als die entsprechende Regel für Reste.


PSEAlkene

Alkene werden auch als ungesättigte Kohlenwasserstoffe, bzw. als Olefine bezeichnet.

Wenn Ethen mit Chlor reagiert, bildet sich eine ölige Flüssigkeit. Das Wort Olefin bedeutet Ölbildner.

Ethen ist ein Pflanzenhormon. Es beeinflusst Samenkeimung, Blütenentwicklung und die Reifung von Früchten. Daher soll man Bananen nicht mit anderem Obst gemeinsam lagern.


PSENomenklatur

2-Buten kann in zwei geometrisch verschiedenen Formen (zwei Konfigurationsisomeren) auftreten.

Diese werden als cis- und trans-Form bezeichnet.

Wie bei den Cycloalkanen redet man von dem cis-Isomer, wenn die gleichen Reste auf der gleichen Seite des Ringes stehen.

Die cis-, trans-Nomenklatur setzt voraus, dass man zumindest ein paar gleicher Substituenten hat.

Daher benutzt man heute bevorzugt die E-, Z-Nomenklatur (E wie entgegen, Z wie zusammen). Hier werden die Reste mit höchster Priorität verglichen.

cis trans ?

H H H

Hcis trans

Cl Br Cl

Br

?


PSEPrioritäten

Daher benutzt man heute bevorzugt die E-, Z-Nomenklatur (E wie entgegen, Z wie zusammen). Hier werden die Reste mit höchster Priorität verglichen.

Die Priorität wächst mit der Ordnungszahl.

Bei gleichen Atomen in der Nachbarschaft entscheidet die Ordnungszahl der Atome, die als nächstes kommen.

Dabei zählen doppelt gebundene Atome doppelt, dreifach gebundene Atome dreifach.

Z E

Cl Br Cl

BrZ E

Br Br

Cl Cl

Z E

Br BrOH

OHCl Cl

E Z

O

O


PSEAdditionsreaktionen


PSEHydrierung

Die Bindungsenergie einer C-C-Einfachbindung beträgt 348 kJ/mol.

Die Bindungsenergie einer C-C-Doppelbindung beträgt 594 kJ/mol.

Die Bindungsenergie einer C-H-Einfachbindung beträgt 413 kJ/mol.

Die Bindungsenergie einer H-H-Einfachbindung beträgt 436 kJ/mol.

436 kJ/mol + (594 kJ/mol – 348 kJ/mol) – 2 * 413 kJ/mol = -144 kJ/mol

Die Differenz ist die -Bindung


PSEHydrierung

Der beobachtete Wert stimmt gut mit dem berechneten überein.


PSEAdditionsreaktionen

Pd ist ein Katalysator, es senkt die Aktivierungsethalpie G#, aber die Reaktionsenthalpie G ändert sich nicht.


PSEHydrierung

Die beiden Wasserstoffatome addieren von der gleichen Seite an die Doppelbindung.

Dies sieht man besonders deutlich im 1,2-Dimethylcyclohexen.

Eine solche Addition nennt man cis.


PSEAddition von ChlorwasserstoffSynthese von Halogenalkanen

Das Proton ist ein Elektrophil.

Umgekehrt ist das Alken ein Nucleophil.

Bei dem elektrophilen Angriff des Protons auf das Alken entsteht ein Carbenium-Ion.

Das Carbenium-Ion ist ein Elektrophil und greift das Chlorid-Anion an. Das Chlorid-Anion ist ein Nucleophil.

Der Angriff des Elektronenpaares vom Chlorid-Anion wird durch einen Pfeil gekennzeichnet.


PSEHydratisierung

Die Hydratisierung von Alkenen läuft in Wasser nicht spontan ab.

Schon der erste Schritt, die Protonierung des Alkens ist zu langsam.

Daher muss man den pH senken (die Säurekonzentration erhöhen).

Dann verläuft die Protonierung schnell und im Folgeschritt wird Wasser addiert.

Anschließend wird ein Proton abgespalten.

In Summe nimmt das Proton also nicht an der Reaktion teil! Ohne Protonen findet die Reaktion aber nicht statt.

Das Proton ist ein Katalysator!


PSERegel von MarkovnikovМарковников

Bei der Addition von Halogenalkanen und Wasser erfolgt die Addition so, dass das Wasserstoffatom bevorzugt dort addiert, wo schon mehr Wasserstoffatome stehen.

Bevorzugtes Produkt!

Stabileres Ion!

Siehe Stabilität von Radikalen!


PSEBromaddtition

Brom reagiert mit Alkenen zu 1,2-Dibromalkanen.

Auch dieser Prozess ist zweistufig.

Es bildet sich ein -Komplex.

In diesem -Komplex sind die beiden Bromatome nicht mehr identisch: Ein Atom ist formal positiv polarisiert, das andere negativ. Das positiv polarisierte Atom erhält Elektronendichte von der -Bindung.

Im nächsten Schritt wird die Bindung zwischen den beiden Bromatomen heterolytisch gespalten.

Es entsteht ein Bromonium-Ion und ein Bromid-Ion.


PSEBromaddtition

Es entsteht ein Bromonium-Ion und ein Bromid-Ion.

Im Bromonium-Ion hat das Bromatom die formale Ladung +I.

Das Bromid-Ion greift eines der beiden Kohlenstoffatome an, die dem Bromatom benachbart sind.


PSEBromaddition

Die beiden Bromatome stehen damit auf verschiedenen Seiten. Wenn das erste Bromatom von unten angreift, kommt das zweite Bromatom von oben.

Dies wird insbesondere beim Cyclohexen deutlich.

obenunten

obenunten


PSEBildung von AlkenenEliminierung

Im Prinzip ist jede Addition umkehrbar.

Die Umkehrung der Addition ist die Eliminierung.

Es handelt sich also immer um Gleichgewichtsreaktionen.

Die Lage des Gleichgewichtes hängt von den äußeren Bedingungen ab.


PSEDehydrierung und Dehydratisierung


PSEDiene

Verbindungen ohne Doppelbindung heißen Alkan.

Verbindungen mit einer Doppelbindung heißen Alken.

Verbindungen mit zwei Doppelbindung heißen Alkadien, oder nur Dien.

Die Lage der Doppelbindungen wird durch Zahlen angegeben.


PSEKonjugierte und isolierte Doppelbindungen

Wechseln sich einfach und Doppelbindung ab, so spricht man von konjugierten Doppelbindungen,

Liegen sie weiter auseinander, so spricht man von isolierten Doppelbindungen.

Im konjugierten Doppelbindungen gibt es kein sp3-Kohlenstoff zwischen den sp2-Kohlenstoffatomen.

Dadurch entsteht eine schwache zusätzliche Bindung zwischen den Atomen in der Mitte, die man aber nicht zeichnet.

Dadurch wird das System ein wenig stabiler (Mesomerie).

Bei der Bromaddition findet neben der 1,2-Addition auch eine 1,4-Addition statt.


PSEKonjugierte und isolierte Doppelbindungen

Dadurch wird das System ein wenig stabiler (Mesomerie).

Es gibt drei mesomere Grenzstrukturen.

Zwei dieser Grenzstrukturen sind Zwitterionen, diese Grenzstrukturen sind wenig stabil und leisten einen geringen Beitrag.

Es findet eine (geringe) Mesomeriestabilisierung statt.


PSEIsopren

Isopren ist ein wichtiger Baustein für Naturstoffe.

Naturstoffe sind in der Natur (in Lebewesen) produzierte Substanzen.

Aus Isopren entsteht in einer 1,4-Addition Natur-Kautschuk.


PSEPE/PVC/Teflon

Künstliche Polymere (Kunststoffe – nicht Plastik) entstehen ebenfalls aus Alkenen.


PSENomenklatur

-Carotin, der orange-rote Farbstoff der Möhre.


PSETetraterpene/Carotinoide








PSENomenklatur


PSEDarstellung von Molekülen

OH

OH

H

HH

H

OH

H

HH

H

HH

HOOH

HO

H

HH

H

OH

H

HH

H

HH

HO

sechsgliedrige Ringe


PSElabile Stereozentren

N

O

ON

O

O H

H

N

O

ON

O

O H

H

Thalidomid(Contergan)- Schlafmittel- HIV- Lepra- Krebs

Missbildungen

Die Moleküle sind zwei Konfigurationsisomere!

Spiegel-ebene

R, (+)

S, (-)





PSENomenklatur

Alkine sind Kohlenwasserstoffe mit mindestens einer Dreifachbindung.

Es gilt die allgemeine Summenformel: CnH2n-2

Man ersetzt im Namen des Alkans die Endsilbe –an durch –in.






PSEBenzol

Alkane, Alkene, und Alkine sind Aliphaten.

Benzol ist kein Cyclohexatrien. Es verhält sich anders als ein typisches Alken. Es addiert kein Brom.

Es handelt sich um einen Aromaten.

Aromaten sind wie Aliphaten nicht mit Wasser mischbar!


PSEBenzolDiese Verbindung sollten verschieden sein.

Man findet aber keine zwei verschiedenen 1,2-Dimethylbenzol-Verbindungen.

In Realität existiert aber keine der beiden Verbindungen.

Beide Strukturen sind nur mesomere Grenzsrukturen.

CH3

CH3 CH3

CH3


PSEBenzolDiese Verbindung sollten verschieden sein.

Man findet aber keine zwei verschiedenen 1,2-Dimethylbenzol-Verbindungen.

In Realität existiert aber keine der beiden Verbindungen.

Beide Strukturen sind nur mesomere Grenzsrukturen.

Bei mesomeren Grenzstrukturen liegt die Wahrheit in der Mitte.

Verbindungen mit mesomeren Grenzstrukturen sind besonders stabil!

Die Elektronen sind delokalisiert.

CH3

CH3 CH3

CH3

Mesomeriepfeil


PSEBenzol

Die Bindungslängen sind alle gleich und zwischen der Bindungslänge einer Einfach- und einer Doppelbindung.

Aus 6 p-Orbitalen wird ein System von -Orbitalen, in denen die 6 enthaltenen Elektronen delokalisiert sind.

Aromaten haben 4n+2 cyclisch konjugierte -Elektronen (Hückel-Regel).

4n+2 für n = 0, 1, 2, 3, 4, …: (2), 6, 10, 14, …


PSEBenzol

In der Natur gibt es aromatische Systeme, aber kein Benzol!

Benzol ist hydrophob.

Es ist toxisch und cancerogen.

Die toxische Wirkung tritt nicht nur beim verschlucken auf, sondern auch beim Einatmen der Dämpfe und bei Hautkontakt.

Estradiol, ein Östrogen Adrenalin

Dopamin Vitamin E

Morphin

Chinin

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/00/Estradiol.svg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/36/Adrenalin_-_Adrenaline.svg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1b/Dopamin_-_Dopamine.svg

http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Tocopherol%2C_alpha-.svg

http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Morphin_-_Morphine.svg

http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Chinin.svg


PSEBenzol

Sulfonamide (Antibiotika)

Viagra

Benzpyren (cancerogen)

Im Rauch (Zigarette, Holzkohle)

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/61/Sulfonamid.png

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/ff/Sildenafil.png

http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Benzo-a-pyrene.svg


PSEBenzol


PSEReaktionen des BenzolElektrophile aromatische Substitution

Ein Elektrophil greift das aromatische System an.

Es kommt zur Substitution von einem Proton durch das Elektrophil.

Dies ist ein zweistufiger Prozess.


PSEElektrophile aromatische SubstitutionBeispiele

In rot ist das tatsächliche Elektrophil gezeigt!

Der eigentliche Katalysator ist FeBr3


PSESulphonierung/Nomenklatur

Es gibt zwei Konstitutionsisomere!Es gibt 10 cyclisch konjugierte Elektronen


PSEBenzol

Führt man die elektrophile Substitution an einem einfach substituierten Aromaten durch, können Produkte entstehen, die 1,2-, 1,3- oder 1,4-Substituiert sind.

Diese bezeichnet man auch als ortho, meta, und para.


PSENomenklatur

NO2O2N

NO2

2,4,6-Trinitrotoluol

TNT


PSEReaktionen des Benzol

„ “

„ “

Bildung des Katalysators

Aktivierung des Broms

(Ein freies Bromkation liegt nicht vor!)

1. Schritt

2. Schritt

Rückbildung des Katalysators

Der -Komplex ist wegen der mesomeren Grenzformen besonders stabil!

Energiereich!

Reaktions-

koordinate!


PSEReaktionen des Benzol




PSEBenzol





PSEThermodynamik


PSEThermodynamik

H0 beschreibt die Wärmetönung der Reaktion.

Sie hängt ab von der Änderung der Bindungsstärken.

S0 beschreibt die Änderung des Ordnungszustandes des Systems.

G0 beschreibt die Lage des Gleichgewichtes.

Das Gleichgewicht kann fast vollständig auf einer Seite liegen (dann liegt quasi kein Gleichgewicht vor.)

Die Thermodynamik beschreibt die Änderung der Energiezustände der Moleküle während der Reaktion.

0 0 0

lnG H T S

RT K


PSEKinetik

Die Kinetik beschreibt die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen.

Die Geschwindigkeit hängt von G# ab. (Gibbs freie Aktivierungsenergie.)


PSEKinetik

Die Geschwindigkeit der Reaktion von A nach B kann wie folgt beschrieben werden.

[ ]( )

[ ]( )

[ ]

A Bd Av elocity RGdt

d Bv elocity RGdt

molRGl s

[ ] [ ] [ ]d A d Bv RG k Adt dt

Die Reaktion von A nach B ist unimolekular.

Eine solche Reaktion nennt man Reaktion erster Ordnung.


PSEKinetik

[ ] [ ] [ ]d A d Bv RG k Adt dt

Eine solche Reaktion nennt man erste Ordnung.

Reaktionen erster Ordnung können durch eine e-Funktion beschrieben werden.

Reaktionen erster Ordnung haben eine konstante Halbwertszeit.

0[ ] [ ] k tA A e

1/ 2

1/ 2

0 0

1/ 2

1/ 2

1 [ ] [ ]2

12ln2

ln2 0.693

k t

k t

A A e

e

k t

tk k


PSEKinetik und Thermodynamik

Ausgehend von A können die Produkte B und C entstehen.

Produkt B ist stabiler als C.

Produkt B wird schneller gebildet als C.


PSEKinetik und Thermodynamik

Ausgehend von A können die Produkte B und C entstehen.

Produkt B ist stabiler als C (thermodynamische Kontrolle: B entsteht).

Produkt C wird schneller gebildet als C (kinetische Kontrolle: C entsteht).

Um thermodynamische Kontrolle zu erreichen, muss die Bildung von C reversibel sein (hohe Temperatur, lange Reaktionsdauer)

E

E

RK

G0

G#

B

C


PSEReaktion zweiter Ordnung

Die Reaktion ist bimolekular.

Eine bimolekulare Reaktion ist eine Reaktion zweiter Ordnung.

A B CA B C D

[ ] [ ] [ ]d Av RG k A Bdt

11. Ordnung: [ ]

2. Ordnung: [ ]

kslk

mol s


PSEReaktion zweiter Ordnung

Die Umwandlung von A nach C und D ist langsam.

Der langsamste Schritt einer Reaktion bestimmt die Gesamtgeschwindigkeit.

Dieser Schritt wird als geschwindigkeitsbestimmender Schritt bezeichnet.

Die Ordnung einer Reaktion ergibt sich aus der Ordnung des geschwindigkeitsbestimmenden Schritt.

Die Umwandlung von A nach C und D ist unimolekular.

Die oben beschriebene Reaktion ist 1. Ordnung.

Ein Beispiel für eine solche Reaktion ist eine SN1-Reaktion (siehe später).

langsam schnellA C DB EB C


PSEReaktion pseudo 1. Ordnung

Wenn B verglichen mit A in einem sehr großen Überschuss vorliegt, ändert sich die Konzentration von B fast nicht.

Bsp.:

Die Konzentartion an A ist 0.001 mol/l,

Die Konzentration von B ist 1 mol/l

A wird vollständig verbraucht.

Die Konzentration von B sinkt auf 0.999 mol/l 1.000 mol/l.

Die Reaktion ist pseudo 1. Ordnung.

A B CA B C D

[ ] [ ] [ ] ' [ ]

mit ' [ ]

d Av RG k A B k Adt

k k B


PSEGeschwindigkeitskonstante

Die Geschwindigkeitskonstante ist keine Konstante, sondern eine Funktion der Temperatur.

Je höher die Temperatur, desto mehr Moleküle haben genug Energie, um die Energiebarriere zu überwinden.

Es gilt, dass eine Reaktion durch Temperaturerhöhung um 10 °C um den Faktor zwei bis vier schneller wird.

Weil die Geschwindigkeitskonstante von der Temperatur abhängt, hängt auch die Gleichgewichtskonstante von der Temperatur ab.

H und S sind temperaturabhängig (G = H – T*S)

[ ] [ ][ ] [ ]

hin

rück

k

k

hin

rück

A B C D

k C DKk A B


PSEKatalyse

Bei Reaktionen organischer Moleküle müssen Bindungen gebrochen werden.

Daher existiert häufig ein energiereicher Übergangszustand.

Daher laufen solche Reaktionen häufig langsam ab.

Die notwendige Aktivierungsenergie kann durch Erhitzen zugeführt werden.


PSEKatalyse

Die notwendige Aktivierungsenergie kann durch Erhitzen zugeführt werden.

Ein Katalysator senkt die Aktivierungsenergie (Die Reaktion wird schneller).

Die Lage des Gleichgewichtes ändert sich nicht.


PSEEnzyme

Der Begriff Katalyse wurde 1835 von J. J. Berzelius geprägt.

Der Begriff Enzym wurde 1877 von W. F. Kühne für Katalysatoren in Lebenden Wesen eingeführt.

James Batcheller Sumner entdeckte 1926, dass Enzyme Proteine sind (Nobelpreis 1946).

Tom Cech hat 1982 entdeckt, das es auch andere katalytische Spezies (RNA) in Lebewesen gibt (Ribozyme, Nobelpreis 1989).

Berzelius Kühne Sumner Cech

http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:J_J_Berzelius.jpg

http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Wilhelm_Friedrich_K%C3%BChne.jpg

http://cechlab.colorado.edu/

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