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J. G.
Diese Lernkarten behandeln chemische Reaktionen und Verbindungen, insbesondere Säuren, Basen und ihre Wechselwirkungen. Sie decken Themen wie Carbonsäurederivate, Phenole, Nukleinsäuren und Heterocyclen ab, wobei auch Gleichgewichte, Bindungen und Lösungen behandelt werden. Ideal für Studierende der Chemie, die ihr Verständnis von organischen Verbindungen und Reaktionen vertiefen möchten.
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Allemand
Catégorie
Chimie
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Université
Créé / Mis à jour
12.08.2014 / 30.07.2019

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Acetale & Ketale

Addition von Alkoholen: Aus Aldehyden/ Ketonen entstehen Halbacetale

Es kann sich auch eine Alkoholgruppe des selben Moleküls an die CO-Gruppe addieren -> cyclische Halbacetale

Gibt man starke Säuren zu einem Gemisch von Aldehyd (bzw. Keton) und Alkohol wird die Bildung eines Halbacetals katalysiert. Diese Produkte können in Gegenwart starker Säuren durch die erneute Anlagerung eines Protons weiterreagieren. Über ein Carbenium-Ion (entsteht durch Wasserabspaltung - dieses wird von einem weiteren Alkohol-Molekül nucleophil angegriffen und nach Verlust eines Protons ist es dann ein Acetal) reagiert ein Halbacetal zum Acetal.

Imine

Das primäre Produkt der Addition von Ammoniak oder Aminen stabilisiert sich, indem ein Proton vom Stickstoff- auf das Sauerstoffatom übertragen wird. Das tetraedrisches Zwischenprodukt ist jedoch nicht stabil und eliminiert Wasser (Kondensation). Das endgültige Produkt ist ein Azomethin auch Schiff'sche Base (Imin) genannt

Aldol- Addition & Kondensation

Aldol-Addition ist eine wichtige Reaktion, um zwei kürzere Kohlenstoffketten zu einer längeren zu verknüpfen: Formal wurde ein Acetaldehyd mit dem a-C-Atom an das Carbonyl-C-Atom eines zweiten Acetaldehyds addiert. Die Reaktion wird durch starke Basen katalysiert. Das Produkt, allgemein "Aldol" genannt, enthält eine Aldehyd- (" -al") und eine Alkohol-Gruppe (" -ol"). In der Reaktion wurden zwei C2-Ketten zu einer C4-Kette verlängert

  1. Die zu addierenden Carbonylverbindung wird in a-Stellung deprotoniert. Es entsteht ein Enolation.
  2. Das Enolation reagiert als starkes Nucleophil mit einer anderen (nicht deprotonierten) Carbonylverbindung.
  3. Die negative Ladung wird durch ein Proton aus der Lösung wieder ausgeglichen.
  4. Aldol-Kondensation: das Aldol ist häufig instabil und eliminiert beim Erhitzen der Reaktionslösung Wasser ->  C=C-Doppelbindung ist zur Aldehyd-Gruppe konjugiert

Chinone

Oxidationsprodukt von Aromaten, besonders Phenol

  • Benzolderivate, deren Aromatizität aufgehoben ist und an zwei Kohlenstoffe die Substituenten durch doppelbindigen Sauerstoff ersetzt sind
  • Synonym bezeichnet Chinon die Verbindung 1,4-Benzochinon, die durch Oxidation aus Hydrochinon entsteht

Carbonsäure

Monocarbonsäure: CnH2n+1COOH

  • besitzen eine oder mehrere Carboxy-Gruppen ( –COOH) und werden durch Oxidation eines primären Alkohols oder eines Aldehyds hergestellt
  • Carbonsäuren gehören zu den organischen Verbindungen mit der stärksten Tendenz Protonen abzugeben. Allgemein hängt die Acidität einer organischen Verbindung R–H von folgenden Faktoren ab:

    • Von der Elektronegativität des Atoms an welches, das H-Atom gebunden ist. Ethan hat z.B. einen pKs-Wert im Bereich von 60, während Ethanol einen pKs von » 16 aufweist

    • Von der Möglichkeit die negative Ladung des Anions R– zu stabilisieren. Der pKs-Wert von Essigsäure liegt bei 4,8, während die Werte von Acetaldehyd, Ethanol und Aceton alle grösser als 15 sind. Der Grund für die hohe Acidität der Essigsäure liegt in der Stabilisierung der negativen Ladung im Carboxylat-Ion (Mesomerie)
  • Elektronenziehende Substituenten erhöhen die Acidität (–Cl, –OH, –COOH, –F, –I). Elektronenabstossende Substituenten erniedrigen die Acidität (–CH2–, –CH3). Die Polarisierung der O–H-Bindung wird durch die Substituenten über Einfachbindungen hinweg beeinflusst. Man spricht dann von einem induktiven Effekt

Fettsäuren

=Carbonsäurren mit langen unverzweigten Ketten

gesättigt (Einfachbindungen) / ungesättigt (Doppelbindung)

Wie alle Ester, können auch Fette (Triester aus Glycerin & langkettigen Carconsäuren - Fettsäuren) durch Laugen gespalten werden. Der Vorgang ist irreversibel, es entstehen Glycerin und Salze der Fettsäuren. Diese Salze wirken als Seifen, die Reaktion nennt man daher Verseifung.

Triacylglyceride + Säure ---> Glycerin + langkettige FS = Säurekatalysierte Spaltung

Seifen

enthält ein Hydrophiles Ende un einen langkettigen lipophilen Kohlenwasserstoffrest -> amphiphiler Charakter

Der wasserfeindliche Teil wird aus dem Wasser herausgedrängt, so dass sich die Seifenanionen zunächst an der Wasseroberfläche anlagern. Danach bilden sich Ansammlungen von Seifenanionen auch im Wasser.

Die Seifen setzen dadurch augenblicklich die Oberflächenspannung herab, und können außerdem Fette im Wasser lösen, was beim Waschen erforderlich ist.

Carbonsäure-Derivate

Verbindungen, bei denen anstelle der OH-Gruppe ein anderer polarer Rest an das Carbonyl-C gebunden ist, werden Carbonsäurederivate genannt. Die Hydrolyse der Derivate führt zur entsprechenden Carbonsäure.

  • reaktiv gegenüber Nukleophilen (an positiv polarisiertes Carbonyl-C-Atom)
  • Saäurekatalyse: Säuren können das Carbonyl-O-Atom protonieren -> nukleophiler Angriff am C-Atom nun erleichtert
  • Enolat-Bildung: starke Basen entfernen ein alpha-ständiges H-Atom -> Enolatsystem

Carbonsäure-Anhydride

Aus Carbonsäuren entsteht unter Wasserabspaltung Carbonsäure-Anhydride (Reaktion mit Wasser zurück zu Carbonsäuren)

Reaktion mit Aminen/ Alkoholen zu entsprechenden Amiden bzw. Estern

Carbonsäure-Chloride

reaktion mit Wasser -> carbonsäure
Reaktion mit Alkoholen -> Carbonsäureester (Alkoholyse)
Reaktion mit Ammoniak/ Aminen -> Carbonsäureamid (Aminolyse)
Reaktion mit Salzen von Carbonsäuren (Carboxylat-Ionen) -> Carbonsäureanhydrid

Carbonsäure-Thio-Ester

= Ester aus Thiolen und Carbonsäuren

leichter zugänglich als andere Ester für nucleophile Angriffe am carbonyl-C-Atom ("energiereicher")

Carbonsäure-Ester

aus Alkoholyse (= Spaltung einer chemischen Verbindung durch Reaktion mit einem Alkohol: dabei wird formal ein Wasserstoffatom an das eine "Spaltstück" abgegeben, das verbleibende Alkoholat wird an das andere Spaltstück gebunden) von Säurechloriden/ -anhydriden (säurekatalysiert) 

Durch die Katalyse starker Säuren lassen sie sich aber auch direkt aus Carbonsäuren und Alkoholen herstellen (Abstapltung von Wasser)

Irreversieble Spaltung durch Natriumhydroxid (alkalische Hydrolyse, Esterverseifung)

Triacylglyceride (Glycerin+ 3 Hydroxygruppen mit langkettigen Fettsäuren verestert)

Lacton: cyclischer Ether (Carboxyl- & OH-Gruppe eines Mpleküls reagieren miteinander)

Esterkondensation: Alkohol wird abgespalten (vorher muss alpha-ständiges H-Atom durch starke Base abgelöst werden)

  • aus zwei Molekülen Carbonsäureester ein Molekül β-Ketocarbonsäureester 

Carbonsäureamide

Ausgehend von den reaktiven Carbonsäure-Chloriden/ -Anhydriden lassen sich mitr Ammoniak/ Aminen Carbonsäureamide herstellen

  • Carbonsäure + Ammoniak/Amin klappt nicht, da hier immer COO- und NH4+ (= Amoniumsalz) entsteht -> daher aktivierte/reaktive Carbonsäurederivate (-Chloride/-Anhydride)
  • mesomerie-stabilisierte Amidgruppe, die C-N-Bindung hat partiellen Doppelbindungscharakter (freies El.-paar an N-Atom senkt somit Basizität)
  • Amide sind neutral
  • Lactame= cyclische Amide (Imide, wenn Lactam von zwei CO-Gruppen flankiert ist)

Stereoisomere

Moleküle, die sich in der Verknüpfungsfolge gleichen, jedoch in der 3D-Anordnung der Atome im Raum unterschiedlich sind 8geometrische Isomere)

Derivate physiologisch wichtiger Säuren

  • Harnstoff (Kohlensäurediamid) ist das wichtigste Amid der Kohlensäure: lässt sich in Gegenwart starker Säuren oder Basen hydrolysieren. Ist das Sticktoffabbauprodukt der Säugetiere
  • Phosphorsäure lässt sich wie Carbonsäuren mit Alkoholen verestern
  • Phosphorsäure-anhydride: Speicherung der chemischen Energie

Isomerie

Übersicht

Stereozentren

Chiralitätszentrum, Asymmetrisches C-Atom: C-Atom mit 4 verschiedenen Substituenten: Chiralität dann, wenn sich ein Molekül nicht mit seinem Spiegelbild zur Deckung bringen lässt (muss nicht zwingend ein asymmetrisches C-Atom vorliegen: DNA mit helicaler)

Befinden sich in einem Molekül mehrere asymmetrische C-Atome, gibt es zu jedem dieser Chiralitätszentren zwei Anordnungsmöglichkeiten. Es ergeben sich dadurch 2n Stereoisomere (n = Zahl der chiralen C-Atome im Molekül)

Prochiralität

Kann ein Molekül durch Austausch eines Wasserstoffatoms gegen einen anderen Substituenten oder durch Addition an eine Doppelbindung in ein chirales Molekül überführt werden, nennt man es prochiral.

Enantiomere

Stereoisomere chemischer Verbindungen, die sich in ihrer Konstitution decken & sich räumlich zu ihrem Gegenstück wie ein Spiegelbild verhalten

  • alle Chiralitätszentren sind entgegengesetzt konfiguriert
  • nahezu identische Eigenschaften
  • Entgegengesetzte optische Aktivität
  • (+) Uhrzeigersin (-) GegenUhrzeigersinn

Racemat

1:1-Gemisch eines Enantiomerenpaares. Nicht optisch aktiv, da gleiche Konzentration von links- & rechtsdrehenden Enantiomeren

R/S-Nomenklatur

Bei vielen Substanzen, insbesondere dann, wenn mehrere Heteroatome (d.h. nicht C oder H) an ein Kohlenstoffatom gebunden sind, ist die D,L-Nomenklatur nicht anwendbar. Für diese Fälle wurde die R,S-Nomenklatur für die absolute Konfiguration eingeführt.

  1. "Rangordnung": Grundlage = Ordnungszahl (Je höher die Ordnungszahl, desto höher die Priorität)
    1. kommt ein Atom zweimal vor, wird nach Bindungspartner an diesen Atomen unterschieden -Sind in beiden Gruppen die gleichen Atome enthalten, wird die Summe gebildet, wobei doppelt gebundene Atome doppelt zählen
  2. Nun wird das Molekül so gedreht, daß der Substituent mit der niedrigsten Priorität (4) - meisteens Wasserstoff - nach hinten weist, die drei übrigen Substituenten zeigen dann nach vorn
  3. Beschreibt man nun einen Kreis, ausgehend von (1) über (2) nach (3), so kann dieser rechts = in Uhrzeigerrichtung oder links herum = gegen den Uhrzeigersinn verlaufen. Läuft er im Uhzeigersinn bezeichnet man die Konfiguration mit R (von lat. rectus = rechts), im anderen Fall mit S (lat. sinister = links)

Fischer-Projektion

Um die dreidimensionalen chiralen Moleküle abbilden zu können, müssen für die Projektion einige Konventionen festgelegt werden, damit aus dem zweidimensionalen Bild die Konfiguration abgelesen werden kann

Bei Aminosäuren richtet sich die Einteilung nach der Stellung der Aminogruppe, bei den Zuckern nach der Stellung der OH-Gruppe an dem am weitesten vom höchstoxidierten C-Atom entfernten chiralen C-Atom, d.h. an dem in der Projektion unten stehenden

Diastereomere

Diastereomere treten auf, wenn in einem Molekül mehrere chirale Kohlenstoffatome vorhanden sind. Da für jedes C-Atom zwei Konfigurationen möglich sind, ergibt sich als Gesamtzahl an Stereoisomeren bei n chiralen C-Atomen: 2n. Zu jeder Verbindung gibt es jedoch nur ein Isomer, das genau dem Spiegelbild entspricht, das Enantiomer.

Struktur der Aminosäuren

Aminosäuren sind organische Moleküle, die mindestens eine Carboxyl- und eine Amino-Gruppe besitzen. Die einfachste Aminosäure ist die Carbaminsäure, diese ist jedoch nicht stabil

Die a-Aminosäuren sind, mit Ausnahme von Glycin, chiral, d.h. sie besitzen (mindestens) ein asymmetrisches Kohlenstoffatom. Es gibt also jeweils eine D- und L-Form (Enantiomere). Proteinogen sind nur die L-Aminosäuren.

Nach CIP sind Alle AS (S)-Konfiguriert (außer Cystein = R)

Da sie saure carboxyl-& basische Aminogruppen besitzen liegen sie als Zwitterion vor

Racematspaltung

Nur durch den Einsatz chiraler Katalysatoren (insbesondere Enzyme) lassen sich Enantiomere rein gewinnen.

Meso-Formen

Beispiel: Weinsäure

Bei der Weinsäure tragen beide chiralen C-Atome die gleichen Substituenten. Liegt an C2 R-Konfiguration und an C3 S-Konfiguration vor, besitzt das Molekül eine Spiegelebene. D.h. die 2R,3S- und die 3R,2S-Konfiguration sind äquivalent. Bei der Fischer-Projektion können die beiden Formen durch eine 180°-Drehung zur Deckung gebracht werden. Solche Moleküle nennt man meso-Formen. Sie sind insgesamt gesehen nicht chiral und daher auch nicht optisch aktiv.

R,R(+)- und S,S(-)-Weinsäure sind Enantiomere, die meso-Weinsäure zu ihnen ein Diastereomer.

Dissoziation von Aminosäuren

Wird eine Aminosäure in Wasser gelöst, liegt sie hauptsächlich in der zwitterionischen Form (Z) vor. Diese steht im Gleichgewicht mit der kationischen (K) und der anionischen Form (A) der Aminosäure. Gibt man zu dieser Lösung Säure (H+), wird das Gleichgewicht "nach links", zur kationischen Form verschoben. Bei Zugabe von Laugen werden die aus der Aminosäure freigesetzten Protonen durch OH--Ionen neutralisiert und das Gleichgewicht auf die Seite der Anionen ("nach rechts") verschoben

Betrachtung des Massenwirkunksgesetzes: Henderson-Hasselbach Gleichung

pH = pKS1 + log [Z]/[K]    bzw.   pH = pKS2 + log [A]/[Z]

Bei einem bestimmten pH-Wert verhält sich die Aminosäure nach außen neutral. Diesen pH-Wert nennt man isoelektrischen Punkt (pHIP). Am isoelektrischen Punkt liegt die Aminosäure weitgehend als Zwitterion vor und die Konzentrationen von Kationen und Anionen sind gleich groß ([K] = [A]).

Titrationskurven von Aminosäuren

Der isoelektrische Punkt (pHIP) kann graphisch aus der Titrationskurve ermittelt werden. Verbindet man die beiden pKS-Werte durch eine Gerade, erhält man den pHIP am Schnittpunkt dieser Linie mit der y-Achse beim Titrationsgrad 0 (gelbe Linie). Im Idealfall liegt an dieser Stelle auch der Schnittpunkt mit der Titrationskurve. Der pHIP kann auch als arithmetisches Mittel der pKS-Werte berechnet werden: pHIP = ½ · (pKS1 + pKS2).

Die sauren Aminosäuren (Glutaminsäure und Asparaginsäure) besitzen drei pKS-Werte: Zwei im sauren Bereich (von den COOH-Gruppen) und einen im basischen Bereich (NH2-Gruppe). Der isoelektrische Punkt befindet sich im sauren Bereich, d.h. zwischen pKS1 und pKS2. (Bei basischen AS zwei basiche und ein suarer -> pKs2 pKs3)

Decarboxylierung von Aminosäuren

Bei der enzymatischen Decarboxylierung von Aminosäuren (enzymkatalysiert  & Bildung von Pyridoxalphosphat, ein Imin,  als Aktivierung) entstehen primäre Amine. Diese Substanzen besitzen oft wichtige physiologischen Funktionen. Man nennt diese Stoffklasse "biogene Amine".

Abspaltung von CO2 führt zum Verlsut einer Carboxylgruppe

Derivate der Aminosäuren (Acetylierung & Veresterung)

Esterbildung: Die carboxylgruppe lässt sich dirch Methanol und HCl verestern:

  1. As als Zeitterion
  2. in Methanol/ Hcl bildet sich zunächst das kation - dessen freie Carboxylgruppe wird ganz normal verestert
  3. der gebildete Ester kann aus der Lösung als Hydrochlorid isoliert werden
  4. Durch Zugabe iener äquivalenten Menge Base lässt sich der Ester statt als Hydrochlorid auch als freie Base gewinnen

N-Acylierung:

  1. hierfür muss die freie NH2-Gruppe vorliegen, was durch Zugabe von äquivalenter Menge Base zum Zwitterion erreicht wird
  2. das anion reagiert dann an der NH2-Gruppe z.B. mit eine Säurechlorid zum Säureamid
  3. kann je nach pH-Wert als Salz oder freie Säure isoliert werden

Chelatkomplexe der Aminosäuren

Da bei den Anionen der Aminosäuren die Carboxyl- und die Aminogruppe dissoziiert sind, können diese als Chelat-Liganden wirken. Stabile Komplexe werden mit vielen zweiwertigen Metall-Ionen gebildet, besonders leicht bilden sich Kupfer-Komplexe

Peptide

proteinogene Aminosäuren durch Kondensationsreaktion zwischen Carboxyl- und Aminogruppe verknüpft. Unter Wasserabspaltung entsteht die Peptid-Bindung.

  • Säure-base-Verhalten von Peptiden wird durch die terminalen freien Amino/Carboxy-gruppen und die Seitenketten bestimmt (Isoelektrische Punkt von peptiden kann auch errechnet werden)
  • Biosynthese von Peptiden erfolgt in den Ribosomen: carboxy-Gruppe wurd als Ester aktiviert, bildung der Peptidkette unter absppaltung des Esters
  • Abbau durch Hydrolyse

Kohlenhydrate

Die Kohlenhydrate haben fast alle die allgemeine Summenformel Cn(H2O)n, sie sind also (formal) "Hydrate" des Kohlenstoffs.

Die Kohlenhydrate sind als Mono-, Oligo- und Polysaccharide wichtige Rohstoffe und Nahrungsbestandteile. Sie werden im tierischen und menschlichen Organismus als Glykogen gespeichert. Durch oxidativen Abbau setzen sie die gespeicherte Energie frei.

Bei der Verbrennung von Kohlenhydraten entsteht somit CO2 und Wasser: Cn(H2O)n + nO2 ---> nCO2 + nH2O

Lage der C=O-Doppelbindung: Aldosen besitzen eine endständige Aldehydgruppe, die Ketosen eine Ketogruppe (natürliche Aldosen/Ketosen sind D-konfiguriert. Entscheident ist das Chiralitätszentrum, dass am weitesten von Aldehyd/Keton entfernt ist)

Triosen

3 C-Atome

Aldotriosen: das zweite C-Atm ist chiral -> zwei enantiomere

Ketotriosen: kein chirales c-Atom

Aldolase-Reaktion: aus Fructose je ein Molekül D-Glycerinaldehyd und Dihydroxaceton. Diese können durch eine Isomerase ineinander umgewandelt werden. Es handelt sich hierbei um Tautomere, d.h. bei der Isomerisierung werden nur H-Atomen umgelagert.

Pentosen
 

5 C-Atome

23 Aldopentosen, 22 Ketopentosen

Hexosen

6 C-Atome

24 Aldohexosen, 23 Ketohexosen

liegt die Unterscheidung nur in einem C-Atom, heißen diese Diasteromere Epimere (Glucose/Mannose & Glucose/ Galaktose)

Eigenschaften von Monosacchariden

Aldosen: an der Aldehydgruppe oxidierbar (D-Glucose -> D-Gluconsäure - oben nun COOH-Gruppe)

Diese Reaktion lässt scih mit Tollens-Reagenz durchführen ->  metallisches Silber

Fehling-Lösung (blau) als altern. Reagenz: Probe ist positiv, wenn sich rotes Kuperoxid abscheidet

  • Auch D-Fructose reagiert mit Fehling-lösung: Reagenzlösung alkalisch (OH- vorhanden) und unter diesen Bedingungen stehen Ketosen und Aldosen über ein Endiol miteinander im Gleichgewicht

man weißt so reduzierende Kohlenhydrate nach, die durch dei reagenzien oxidiert werden

Auch Reduktion ist möglich: es entstehen Zuckeralkohole (oben: CH2OH)

cyclische Halbacetale, Haworth-Form

In wäßriger Lösung reagieren die Hydroxylgruppen der Pentosen und Hexosen mit der Carbonylgruppe desselben Moleküls. Es bildet sich ein Halbacetal. Aus den Hexosen werden dabei meist Sechsringe gebildet. Diese nennt man Pyranosen, da sie Derivate des Pyrans sind. Kohlenhydrate mit einer Ringgröße von 5 Atomen werden Furanosen genannt. Sie bilden sich aus Ketohexosen (z.B. Fructose) oder Aldopentosen (z.B. Ribose).

Anomere = Diastereomere, die sich in der Konfiguration am ehemaligen carbonyl-c-Atom unterscheiden (spezielle Art der Epimere)

  • α-Anomer (unten) , β-Anomer (oben)

  • Mutarotaion = umwandlung über offene Kette: in Wasser nimmt der Drehwert einer alpha-D-Glucose mit der Zeit ab, der von reiner beta-D-Glucose mit der Zeit zu (Anomere ergeben einen kostanten wert - es hat sich ein Gleichgewicht eingestellt)

Konfigurationsisomere

Konformation (räumliche Anordnung der Substituenten) wird erst durch die Sesselform-schreibweise verdeutlicht

  • Sessel so geklappt, dass möglichst viele Substituenten äquatorial sind (besonders die sperrige CH2OH-Gruppe am C5)
  • Beta: äquatoriale OH-Gruppe; alpha: axiale OH-Gruppe
  • Wenn alle substituenten äquatorial stehen, liegen sie "trans" zueinander
  • Anomerer Effekt: oft stabilisiert dei alpha-Form (axiale OH-Gruppe) die Konformation besser als die Beta-Form

Glycoside

Durch Reaktion der anomeren OH-Gruppe mit anderen Alkoholen entstehen Acetale, die Glykoside (Wasser wird frei)

  • Abhängig davon, ob die a- oder b-Form des Zuckers umgesetzt wurde, werden auch zwei verschiedene Glykoside gebildet. Da nun die anomere OH-Gruppe gebunden ist, können a- und b-Form nicht mehr ineinander umgewandelt werden. Es gibt also keine Mutarotation.
  • Vorkommen: Anbindung von sacchariden an Proteine (Glycoproteine) & Peptide (Glycopeptide), sowei Nucleinbasen an Ribose/Desoxyribose

Étudier