Funktionelle Gruppen und Biomoleküle

In organischen Verbindungen ist eine Hydroxylgruppe, -OH, kovalent an ein Kohlenstoffatom gebunden. Die –OH Gruppe kommt in mehreren Klassen von organischen Verbindungen vor, nämlich in den Alkoholen, Phenolen und Carbonsäuren. Die Fähigkeit der Hydroxylgruppe Wasserstoffbrückenbindungen auszubilden ist für einige typische physikalische Eigenschaften der Alkohole verantwortlich.

Ein Alkohol ist eine organische Verbindung, die eine Hydroxylgruppe enthält, welche nicht direkt an einen aromatischen Ring oder eine „C=O Gruppe“ gebunden ist.

Eine wichtige Quelle für Ethanol ist die Fermentation von Kohlenhydraten durch die Enzyme der Hefe. Alkohol kann auch aus Petrochemikalien durch eine säurekatalysierte Hydration von Ethen gewonnen werden.

CH₂=CH₂ + H₂O → (H+) CH₃CH₂OH

Ein anderer Alkohol, Methanol oder Methylalkohol, CH₃OH, wurde ursprünglich durch Destillation von Holz gewonnen und ist daher als Holzgeist bekannt. Heute erzeugt man ihn entweder durch Oxidation gasförmiger Kohlenwasserstoffe oder aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff:

CO(g) + 2H₂  → (400°C, 150atm, ZnO) CH₃OH(g)

Ethylenglykol oder 1,2-Ethandiol, HOCH₂CH₂OH, ist ein Beispiel eines Diols, einer Verbindung mit zwei Hydroxylgruppen. Eine der Komponenten in Frostschutz oder Herstellung einer synthetischen Faser. Die Wirkung als Frostschutzmittel kommt von der durch Hydroxylgruppen großen Löslichkeit in Wasser und von dem störenden Einfluß, den die kurze Kohlenwasserstoffkette auf die Struktur von Eis ausübt. Das bedeutet, die Anwesenheit von Ethylenglykol macht es für Wassermoleküle schwierig miteinander Wasserstoffbrücken zu bilden. Es ist nicht sehr flüchtig und kann daher nicht leicht abdampfen.

Glyzerin oder 1,2,3-Propantriol, HOCH₂CH(OH)CH₂(OH), hat drei Hydroxylgruppen und ist daher ein Triol.

Alkohole mit niedriger Molmasse sind durch die Wirkung der Wasserstoffbrücken Flüssigkeiten. Alkohole haben einen viel geringeren Dampfdruck als die zugrunde liegenden Kohlenwasserstoffe. Ihre Fähigkeit Wasserstoffbrücken zu bilden erklärt auch, daß Alkohole viel löslicher in Wasser sind als Kohlenwasserstoffe.

Alkohole sind amphoter. Sie sind sehr schwache Brönstedsäuren:
CH₃CH₂OH(aq) + H₂O ↔ CH₃CH₂O^-(aq) + H₃O⁺(aq)
Alkohole können auch als Brönstedbasen reagieren, da sie einsame Elektronenpaare am Sauerstoff der –OH Gruppe haben, die Protonen von anderen Säuren aufnehmen können:
H₃O⁺(aq) + CH₃CH₂OH(aq) ↔ CH₃CH₂OH²⁺(aq) + H₂O

Oxidierende Reagenzien inklusive Sauerstoff, und noch schneller, angesäuerte Dichromatlösungen erzeugen Verbindungen, die als Aldehyde bekannt sind. Acetaldehyd, CH3CHO (Ethanal), wird beispielsweise aus Ethanol erzeugt. Wir können das schematisch ausdrücken als (1)

Aldehyde können auch leicht oxidiert werden; daher läuft die Oxidation eines primären Alkohols oft noch weiter (2), wobei eine Carbonsäure, wie etwa Essigsäure, CH3COOH, erzeugt wird. Die letzen beiden Schemata zeigen die Abfolge der Ereignisse, wie aus Wein Essig wird, indem das Ethanol zu Essigsäure oxidiert wird.

Die Oxidation sekundärer Alkohole produziert Verbindungen, die Ketone genannt werden, wie etwa Aceton, CH₃COCH₃, aus 2-Propanol.

Ketone lassen sich viel schwerer als Aldehyde oxidieren und diese Oxidation läuft auch nicht weiter, außer sie ist ganz heftig wie etwa bei Verbrennung.

Genauso wie wir uns einen Alkohol aus HOH abgeleitet denken können, indem wir ein Wasserstoffatom durch eine Alkylgruppe ersetzt wird, können wir uns einen Ether gebildet denken, aus einem HOH Molekül, in dem beide Wasserstoffatome durch eine Alkylgruppe ersetzt werden und wir damit die Verbindung R-O-R bekommen. Ether sind flüchtiger als Alkohole mit derselben Molmasse, da die Ethermoleküle keine Wasserstoffbrücken bilden.

Ether sieden bei tieferen Temperaturen als die isomeren Alkohole, weil Wasserstoffbrückenbindungen zwar bei Alkoholen, nicht aber bei Ethern auftreten. Die Alkylgruppen sind bei diesen Beispielen alle unverzweigt.
Ether sind nützliche Lösungsmittel für organische Verbindungen, allerdings sind Ether entflammbar.

Eine Verbindung, die eine Hydroxylgruppe direkt an einen aromatischen Ring gebunden hat, ist ein Phenol, kein Alkohol.

Obwohl Phenole wie Alkohole aussehten, da beide C-OH Gruppen haben, führt die Position des C Atoms im aromatischen Ring zu wesentlichen anderen chemischen Eigenschaften. Insbesondere sind Phenole stärkere Säuren als Alkohole. Die größere Säurestärke der Phenole relativ zu jener der Alkohole kommt von ihrer Fähigkeit, die negativen Ladung des Phenoxidions über den Benzenring zu verteilen, was zur Stabilisierung der konjugierten Base beiträgt.

Da Aldehyde und Ketone sich durch Verlust von zwei Wasserstoffatomen von Alkohol unterscheiden, können beide durch Oxidation der entsprechenden Alkohole gebildet werden.

Bei der Oxidation eines primären Alkohols zu einem Aldehyd wird die Weiteroxidation des Produktes vermieden, indem man ein mildes Oxidationsmittel verwendet, wie etwa angesäuertes Dichromat.

Formaldehyd wird industriell (zur Produktion von Phenolharzen) durch katalytische Oxidation von Methanol hergestellt:
2CH₃OH(g) + O₂(g) → (600°C, Ag) 2HCHO(g) + 2H₂O(g)

Ein Zeichen für die unterschiedliche Bereitschaft von Aldehyden und Ketonen zur Oxidation ist die Fähigkeit der Aldehyde Fehlingsche Lösung (basische Lösung von Cu2+ und Tartrat-Ionen) zu reduzierten. Das Produkt dieser Reaktion ist ein ziegelroter Niederschlag von Cu₂O. Ketone reagieren nicht mit Fehlingscher Lösung.
Aldehyde: CH₃CH₂CHO + Cu²⁺ (aus der Fehlingschen Lösung) → CH₃CH₂COOH + Cu₂O(s)
Ketone: CH₃COCH₃ + Cu²⁺ (aus der Fehlingschen Lösung) → keine Reaktion

Ketone produzieren auch keinen Silberfilm – ein Überzug von Silber auf dem Reagenzglas – mit Tollens-Reagens, einer Lösung aus Ag⁺-Ionen in wäßrigem Ammoniak.
Aldehyde: CH₃CH₂CHO + Ag⁺ (aus Tollens-Reagens) → CH₃CH₂COOH + Ag(s)
Ketone: CH₃COCH₃ + Ag⁺ (aus Tollens-Reagenz) → keine Reaktion

Kohlenhydrate haben oft die empirische Formel C_nH_2nO_n. Glucose, C₆H₁₂O₆, ist ein Aldehyd und Fructose, C₆H₁₂O₆, ein Zucker, der in Früchten weit verbreitet und ein Keton ist. Zu den Kohlenhydraten gehören auch Zellulose und Stärke.

Glucose ist sowohl Alkohol als auch ein Aldehyd und hat eine einigermaßen lange und flexible Kette: damit kann es ein zyklisches Hemiacetal bilden.

Zucker, die durch Fehlingsche Lösung oder Tollens-Reagens oxidiert werden, werden reduzierende Zucker genannt. Sowohl Glucose als auch Fructose sind reduzierende Zucker.

Das bekannteste Beispiel ist Saccharose oder Rohrzucker, C₁₂H₂₂O₁₁, das aus einer Glucopyranose-Einheit gebunden an eine Fructofuranose-Einheit besteht.

Die Hemiacetalringe der Saccharose sind nicht im Gleichgewicht mit ihren offenkettigen Form, da das Sauerstoffatom, das zum Carbonylsauerstoff würde, jetzt eine Brücke zwischen den verbundenen Ringen bildet. Daher zeigt Saccharose nicht die typischen Reaktionen eines Aldeyds oder Ketons; insbesondere ist es kein reduzierender Zucker.

Stärke besteht aus zwei Komponenten: Amylose und Amylopektin. Amylose, die 20-25% der meisten Stärkearten ausmacht, besteht aus Ketten von mehreren 1000 Glucose-Einheiten. Amylopektin besteht auch aus Glucose-Einheiten, aber dessen Ketten sind in einer verzweigten Struktur verbunden und seine Moleküle sind viel größer mit typischerweise ca. 1 Million Glucose-Einheiten.

Das Amylosemolekül, ein Bestandteil der Stärke, ist ein Polysaccharid. Es baut sich aus Glucose-Einheiten auf, die zu einer mäßigen verzweigten Struktur verbunden sind.

Auch das Amylopektin ist ein Bestandteil der Stärke. Es besitzt eine stärker verzweigte Struktur als die Amylose.

Zellulose ist das Strukturmaterial der Pflanzen. Wie Stärke ist sie ein Glucosepolymer, aber die Einheiten sind anders gebunden, sodaß sie flache bandähnliche Stränge bilden. Diese Stränge sind durch Wasserstoffbrücken aneinander gebunden und daher sind sie für uns unverdaulich. Der Unterschied zwischen Zellulose und Stärke zeigt eine sehr elegante und ökonomische Seite der Natur, da eine sehr kleine Modifikation der Bindung zwischen den Glucose-Einheiten einerseits zu einem wichtigen Nahrungsmittel, und andererseits zu einem vielseitigen Konstruktionsmaterial führt.

Verbindungen, die Carboxylgruppen enthalten, werden Carbonsäuren genannt. Alle Carbonsäuren sind schwache Säuren.

Carbonsäuren können durch Oxidation primärer Alkohole und Aldehyde gewonnen werden, wobei entweder angesäuertes, wäßriges Permanganat oder Luft mit einem geeigneten Katalysator verwendet wird. Letzteres ist viel billiger und wird industriell zur Herstellung von Essigsäure (mit Kobalt(III)acetat als Katalysator) verwendet.

In einer Carboxylgruppe zieht der elektronegative Carbonylsauerstoff Elektronen teilweise aus der benachbarten Hydroxyl-O-H-Bindung ab und schwächt sie damit. Daher sind Carbonsäuren typische schwache Brönstedsäuren.

Das Produkt der Reaktion zwischen einer Carbonsäure und einem Alkohol wird Ester genannt. Essigsäure und Ethanol beispielsweise reagieren, wenn sie auf ca. 100°C aufgeheizt werden, besonders wenn die Mischung mit einer starken Säure (als Katalysator) angesäuert wird. Das Produkt dieser Veresterung ist Ethylacetat, eine wohlriechende Flüssigkeit.

Die Bildung der Ester ist ein Beispiel einer Kondensationsreaktion:

Polymere, die durch Verbindungen von Carbonsäuren und Alkoholen gebildet werden, nennt man Polyester und sie werden häufig zur Herstellung von Kunstfasern verwendet. Polyester sind Beispiele von Kondensationspolymeren, das sind Polymere, die durch eine Abfolge von Kondensationsreaktionen gebildet werden.

In einer radikalischen Polymerisation wachsen die Seitenketten aus der Hauptkette; bei der Kondensationspolymerisation dagegen kann das Wachstum nur an funktionellen Gruppen auftreten, sodaß eine Verzweigung der Ketten viel wahrscheinlicher ist, daher kann man Polyestermoleküle nebeneinander anordnen, indem man sie durch ein kleines Loch preßt, damit können sie zu einer Faser versponnen werden.

Amine sind Verbindungen, die auch durch Ersatz einer unterschiedlichen Anzahl von Wasserstoffatomen von Ammoniak abgeleitet sind.

Ein primäres Amin hat die Struktur RNH₂
Ein sekundäres Amin hat die Struktur R₂NH
Ein tertiäres Amin hat die Struktur R₃N
Die R-Gruppen können entweder aliphatisch oder aromatisch sein.

Im allgemeinen sind Alkylamine (also Amine, die mit Alkanen gebildet werden, wie etwa Methylamin) stärkere Brönstedbasen als Ammoniak. Ihre Stärke kommt weitgehend daher, daß die Alkylgruppen dem Stickstoff Elektronen beisteuern können und damit mithelfen, die konjugierte Säure zu stabilisieren:
H₂O + CH₃NH₂ ↔ CH₃NH₃⁺ + OH^-

Im Gegensatz dazu sind Arylamine (Amine, die von Benzen abgeleitet sind) schwächer, da das einsame Elektronenpaar partiell über den Benzenring delokalisiert ist und die Base stabilisiert wird. Ein Beispiel ist Anilin, C₆H₅NH₂:
H₂O + C₆H₅NH₂ ↔ C₆H₅NH₃⁺ + OH^-

Konsationspolymerisation durch Amidbildung führt zu Polyamiden, Substanzen, die besser als Nylon bekannt sind.

Für eine Kondesationspolymerisation ist es notwendig, daß stöchiometrische Mengen der Säure und Base gemischt werden. Im Falle der Polyamidbildung, bilden die Ausgangsmaterialien das „Nylonsalz“ durch Protonentransfer. Auf dieser Stufe kann man überschüssige Säure oder das überschüssige Amid entfernen. Wenn das Nylonsalz – ein Ammoniumsalz einer Carbonsäure aufgeheizt wird, beginnt die Kondensation. Das Amid wächst durch weitere Kondensation an beiden Enden. Ein Teil der Festigkeit der Fasern kommt von der N-H…O=C Brückenbindung, die zwischen benachbarten Ketten auftreten kann.

Eine Aminosäure ist eine Carbonsäure, die auch eine Aminogruppe trägt. Ein Beispiel ist Glycin, NH₂CH₂COOH, die Aminosäure, die aus Essigsäure abgeleitet wird, indem eine Aminogruppe durch ein Wasserstoffatom am Methylrest ersetzt wird.

Eine schnelle Methode, um zu überprüfen, ob eine organische Verbindung chiral und daher optisch aktiv ist, besteht darin, festzuhalten, ob sie ein Kohlenstoffatom enthält an das vier verschiedene Gruppen gebunden sind, denn dann kann es nicht dasselbe wie sein Spiegelbild sein. Zwei Moleküle, die durch Spiegelung ident sind, werden optische Isomere genannt und mit L und D bezeichnet. Es ist bemerkenswert von der Natur, daß die überwiegende Mehrzahl der natürlich vorkommenden Aminosäuren L-Konfiguration besitzt.

Laborsynthesen führen zu razemischen Mischungen, Mischungen mit der gleichen Zahl beider Enantiomeren. Da Enantiomere die Polarisationsebene des Lichtes in unterschiedliche Richtungen drehen, ist eine razemische Probe nicht optisch aktiv.

Polypeptidketten der Proteine sind Kondensationskopolymere von bis zu 20 verschiedenen natürlich vorkommenden Aminosäuren. Unser Körper kann 15 dieser Verbindungen in genügender Menge synthetisieren. Es ist aber absolut nötig, die anderen fünf über die Nahrung aufzunehmen und diese sind daher als essentielle Aminosäuren bekannt.
Ein Molekül, das aus zwei oder mehr Aminosäuren aufgebaut ist, wird Peptid genannt. Beispiel Glycin und Alanin, bezeichnet als Gly-Ala:

Die –CO-NH–Verbindung wird Peptidbindung genannt. Ein typisches Protein ist eine Polypeptidkette mit mehr als hundert Einzelheiten, die durch Peptidbindungen verknüpft werden, und sich in einer fixen Reihenfolge anordnen. Wenn nur wenige Aminosäurereste vorhanden sind, nennen wir das Molekül Oligopeptid.

Die Aminosäuresequenz in der Peptidkette ist die Primärstruktur des Proteins. Aspartam besteht aus Phenylalanin und Asparaginsäure, und damit ist die Primärstruktur Phe-Asp.

Die α-Helix ist eine spezielle Anordnung (Konformation) einer Polypeptidkette, die durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen dien einzelnen Aminosäuren fixiert wird. Die α-Helix ist ein Beispiel einer Sekundärstruktur, der Art und Weise, in der ein Polypeptid sich anordnet. Eine andere Sekundärstruktur ist das β-Faltblatt des Seidenproteins. In dieser Struktur liegen die Proteinmoleküle in nahezu ebenen Schichten nebeneinander.

Proteinmoleküle nehmen auch eine spezifische Tertiärstruktur ein, die Form, in der sich die α-Helix- und β-Faltblatt-Teile als Ergebnis der Wechselwirkungen zwischen Aminosäurenresten in verschiedenen Teilen der Primärstruktur anordnen. Ein Beispiel dafür ist die globuläre Form der Hämoglobinkette.

Proteine können auch noch eine Quartärstruktur haben, wenn benachbarte Polypeptideinheiten sich in speziellen Anordnungen anlagern. Das Hämoglobinmolekül beispielsweise hat eine Quartärstruktur von vier Polypeptideinheiten.

Der Verlust der Struktur eines Proteins wird Denaturierung genannt. Diese strukturelle Veränderung kann zu einem Verlust der Quartär-, Tertiär-, oder Sekundärstruktur führen, oder sogar zum Abbau der Primärstruktur durch Aufbrechen der Peptidbindungen. Sogar ein sanftes Erhitzen kann irreversible Denaturierung auslösen.

Die permanente Dauerwelle des Haares ist ein Ergebnis einer partiellen Denaturierung. Reduktionsmittel werden beim Haar verwendet, um die Disulfidbindungen zwischen den Proteinketten des Haares zu zerstören. Diese Bindungen werden nach Streckung und Wickeln des Haares in die gewünschte Form durch ein mildes Oxidationsmittel wieder ausgebildet.