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B978-3-437-29695-6.50020-0

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978-3-437-29695-6

Ablauf der Transaminierung.

Vergleich der Siedepunkte.

Tab. 14/1
Verbindung Siedepunkt (°C) Molmasse (g/mol)
Propan − 44 44
n-Butan 0 58
Propanal (Propionaldehyd) 49 58
2-Propanon (Aceton) 56 58
2-Propanol (Isopropanol) 82 60
/7-Propanol 97 60

Aldehyde und Ketone

Orientierung

Wenn Sie einen Kuchen backen wollen, greifen Sie u. a. zu Mehl, Zucker, Hefe, Vanille, Zimt, Bittermandelöl und Butteraroma; ohne es zu realisieren, befinden Sie sich mitten in der „Werkstatt” der Aldehyde und Ketone. Die für diese Substanzklasse charakteristische Carbonylgruppe enthält eine C=O-Doppelbindung, die leicht mit anderen Stoffen reagiert. Neben den Kohlenhydraten wie z. B. Glucose, Fructose und deren Umwandlungsprodukten in der Gylkolyse ( Kap. 20) gehören zahlreiche Aromastoffe, Vitamine und Hormone hierher. Die Reaktivität der Carbonylgruppe verleiht organischen Molekülen Flexibilität, d. h., insbesondere Aldehyde treten bei Stoffumwandlungen häufig nur als Zwischenstufen auf.

Antwort erhalten Sie u. a. auf folgende Fragen:

  • Wie erkennt man Aldehyde und Ketone, was haben sie gemeinsam, was unterscheidet sie?

  • Wie laufen Reaktionen an der Carbonylgruppe ab und wozu führen sie?

  • Was ist die Keto-Enol-Tautomerie?

  • Wie beeinflusst die Carbonylgruppe das Reaktionsverhalten benachbarter C-Atome?

  • Durch welche Reaktionen werden Retinal (Sehprozess) und Pyridoxal (Transaminierung) in den Stoffwechsel eingebunden?

Bau und Reaktionsverhalten der Carbonylgruppe

Aldehyd

Keton

Das charakteristische Strukturmerkmal von Aldehyden und Ketonen ist die Carbonylgruppe mit einer Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindung. Ferner trägt das Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe ein H-Atom und einen organischen Rest bei Aldehyden (Ausnahme: Formaldehyd mit zwei H-Atomen), zwei organische Reste, die über Kohlenstoffatome an das Carbonyl-C-Atom gebunden sind, bei Ketonen.

Carbonylgruppe

In der Carbonylgruppe (CO-Gruppe) ist ein sp2-hybridisiertes trigonales C-Atom mit einem Sauerstoffatom durch eine Doppelbindung verbunden, die sich wie bei der C=C-Doppelbindung aus einer σ-Bindung und einer π-Bindung zusammensetzt. Das O-Atom trägt zwei freie Elektronenpaare, die als Striche markiert sind. Alle direkt am Carbonyl-C-Atom gebundenen Atome liegen in einer Ebene, der Bindungswinkel beträgt 120°.
Polarisierung und Reaktivität.
Anders als bei C=C-Doppelbindungen ist die C=O-Doppelbindung stark polarisiert: Das elektronegativere Sauerstoffatom trägt eine negative (δ-), das Kohlenstoffatom eine positive (δ+) Partialladung. Die Polarisierung wirkt sich stärker auf die π- als auf die σ-Bindung aus, sie ist deshalb ausgeprägter als z. B. bei den Alkoholen. Die Carbonylgruppe ist mesomeriestabilisiert, d. h., es existiert eine zweite Grenzformel, in der das Elektronenpaar der π-Bindung ganz zum O-Atom verschoben ist.

Elektrophil

Nucleophil

Aus der zweiten Grenzformel wird deutlich, dass das Sauerstoffatom der CO-Gruppe leicht ein Elektrophil (E, elektronenliebend) anlagern kann, während das Carbonyl-C-Atom bevorzugt mit einem Nucleophil (Nu|, kernliebend) reagiert. Die Polarität, die den Bezeichnungen Nucleophil (= Elektronendonator) und Elektrophil (= Elektronenakzeptor) zugrunde liegt ( Kap. 11.1.4), führt dazu, dass man das Carbonyl-C-Atom auch als elektrophiles Zentrum und das Carbonyl-O-Atom als nucleophiles Zentrum bezeichnet. Ein dritter Reaktionsweg im Umfeld der Carbonylgruppe eröffnet sich durch die Abstraktion eines H-Atoms vom α-C-Atom, d. h. von einem C-Atom, das der Carbonylgruppe unmittelbar benachbart steht. Dies gelingt durch eine starke Base ( Kap. 14.4).
Damit entsteht um die Carbonylgruppe herum ein einzigartiger Reaktionsraum, in dem selektive Stoffumwandlungen möglich sind. Es ist der elektronegativere Sauerstoff, der innerhalb der C=O-Doppelbindungen den Kohlenstoff „belebt”, d. h. seine Reaktivität steigert.

Die Reaktionsmöglichkeiten der Carbonylgruppe ergeben sich aus ihrer Polarisierung:

  • 1.

    Angriff eines Nucleophils am Carbonyl-C-Atom (elektrophiles Zentrum),

  • 2.

    Angriff eines Elektrophils am Carbonyl-O-Atom (nucleophiles Zentrum),

  • 3.

    Deprotonierung am α-C-Atom durch starke Basen (Enolat-Bildung, Kap. 14.4).

Reaktionsschritte im Detail.
Greift ein Nucleophil am Carbonyl-C-Atom (elektrophiles Zentrum) an, dann verschiebt sich das π-Elektronenpaar zum O-Atom hin, das im zweiten Schritt ein Proton (Elektrophil) anlagert. Das C-Atom geht dabei vom sp2- in den sp3-hybridisierten Zustand über, es bildet sich eine sogenannte tetraedrische Zwischenstufe. Die Gesamtreaktion ist also eine Addition eines Nucleophils an die C=O-Bindung. In dieser Reaktion sind Aldehyde etwas reaktiver als Ketone, da Aldehyde nur eine, Ketone aber zwei Alkylgruppen enthalten, die jeweils einen elektronenschiebenden Effekt (+ I-Effekt) ausüben.

Aldehyde sind reaktiver als Ketone.

Reicht die Nucleophilie ( Kap. 13.6.2) des angreifenden Teilchens nicht aus, dann können starke Säuren katalytisch wirken. Ein Proton lagert sich als Elektrophil an das basische Carbonyl-O-Atom (nucleophiles Zentrum) an und verstärkt dadurch die positive Polarisierung am Carbonyl-C-Atom. Dies erleichtert den Angriff des Nucleophils.

Struktur und Nomenklatur

Aldehyde.
Der einfachste Aldehyd ist Formaldehyd (= Methanal), an seinem Carbonyl-C-Atom hängen zwei H-Atome. In allen anderen Aldehyden trägt die CO-Gruppe ein H-Atom und einen Alkyl- oder Arylrest. Die Kurzschreibweise für Aldehyde lautet R–CHO.
Für eine systematische Bezeichnung der aliphatischen Aldehyde geht man vom zugrunde liegenden Kohlenwasserstoff aus und fügt die Endsilbe „-al” an. Bei den niederen Aldehyden existieren Trivialname und systematischer Name nebeneinander. Die höheren Homologen des Formaldehyds heißen Acetaldehyd (= Ethanal) und Propionaldehyd (= Propanal). Der einfachste Aldehyd mit einem Arylrest ist der Benzaldehyd, weitere Beispiele sind Salicylaldehyd und Vanillin.

Formalin in der Anatomie

Formaldehyd (= Methanal) ist bei Raumtemperatur ein Gas (Sdp. – 21 oC), das stechend riecht. Es denaturiert Eiweißkörper, hemmt Enzyme und tötet Bakterien und Viren ab. Die 35- bis 37 %ige wässrige Lösung von Formaldehyd heißt Formalin. Es dient in Verbindung mit anderen Stoffen zur Konservierung und Fixierung anatomischer Präparate. Formaldehyd kann durch die Haut eindringen und wirkt u. a. haut- und schleimhautreizend, evtl. auch kanzerogen, weshalb größte Vorsicht am Seziertisch angezeigt ist.
Ketone.
Trägt die Carbonylgruppe zwei organische Reste, liegen Ketone vor. Der einfachste Vertreter ist das Aceton (= 2-Propanon), bei dem diese Reste gleich sind. Die Reste können jedoch wie beim Ethylmethylketon (= 2-Butanon) oder Acetophenon auch verschieden und gemischt aliphatisch/aromatisch sein. In der systematischen Nomenklatur kennzeichnet die Endsilbe „-on” ein Keton und eine vorgesetzte Ziffer die Position der CO-Gruppe in einer aliphatischen Kette.

Aceton in der Atemluft

Aceton (= Propanon) in der ausgeatmeten Atemluft riecht sehr charakteristisch (süßlich) und ist ein Indiz für die Zuckerkrankheit (Diabetes mellitus). Es entsteht bei Zuckerkranken durch den verstärkten Abbau von Fettsäuren, dabei reichert sich Acetoacetyl-Coenzym A an, das zu Acetessigsäure hydrolysiert wird, die ihrerseits durch Abspaltung von Kohlendioxid (Decarboxylierung) Aceton freisetzt. Aceton wird z. T. ausgeatmet oder zusammen mit Acetessigsäure und der daraus gebildeten β-Hydroxybuttersäure im Harn ausgeschieden (Acetonurie, Ketonurie).

Progesteron im weiblichen Zyklus

Die erste Hälfte des weiblichen Zyklus wird von den Östrogenen bestimmt. Beim Eisprung verlässt die Eizelle das Eibläschen. Teile des geplatzten Eifollikels wandeln sich zum sog. Gelbkörper um, der für die Bildung des Hormons Progesteron verantwortlich ist. Progesteron bereitet u. a. die Einnistung der befruchteten Eizelle vor, indem es die Gebärmutterschleimhaut auflockert. Darüber hinaus hat es im Körper noch viele andere Aufgaben, beispielsweise wirkt es antidepressiv und schützt vor Brust- und Gebärmutterkrebs.
Findet kein Eisprung mehr statt, so unterbleibt auch die Progesteronproduktion des Gelbkörpers. Fazit ist ein hormonelles Ungleichgewicht mit einem Östrogenüberschuss. Dieser führt u. a. zu Depressivität, Angst, Kopfschmerzen und Schlaflosigkeit. Therapeutisch kommt eine Hormonsubstitution in Frage. Dabei sollte bevorzugt körperidentisches Progesteron eingesetzt werden, da bei abgewandelten Präparaten in einer amerikanischen Studie 2002 u. a. ein erhöhtes Krebs- und Schlaganfallrisiko festgestellt wurde.

Herstellung und Eigenschaften

Herstellung.
Aldehyde (lat. alcoholus dehydrogenatus) und Ketone entstehen bei der milden Oxidation von Alkanolen: Primäre Alkanole bilden Aldehyde, sekundäre Alkanole bilden Ketone ( Kap. 13.1.2). Der Vorgang ist eine Wasserstoffabspaltung (Dehydrierung), die sich formal als Abgabe von zwei Protonen und zwei Elektronen aus dem Alkanol erweist. Die Dehydrierung ist somit eine Oxidation ( Kap. 9.2). Umgekehrt lassen sich Aldehyde in die entsprechenden primären, Ketone in die sekundären Alkanole reduzieren ( Kap. 14.7).

Tollens-Reagenz

Fehling-Lösung

Nachweisreaktionen.
Während sich Ketone nicht weiter oxidieren lassen, reagieren Aldehyde in Gegenwart von Oxidationsmitteln leicht zu Carbonsäuren ( Kap. 16.1.1). Selektive Oxidationsmittel sind z. B. [Ag(NH3)2] (Tollens-Reagenz) oder [Cu(tartrat)2]2 (Fehling-Lösung). Aldehyde wirken auf diese Reagenzien reduzierend und können über diese Reaktionen nachgewiesen werden. Im ersten Fall entsteht ein Silberspiegel (Ag), im zweiten rotes Kupfer(I)-oxid (Cu2O). Ketone reagieren nicht mit diesen Reagenzien.
Siedepunkte.
Die Carbonylgruppe ist polar, weshalb Aldehyde und Ketone höher sieden als Kohlenwasserstoffe vergleichbarer Molmasse. Da sich zwischen den Molekülen jedoch keine Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden, sieden Aldehyde und Ketone niedriger als vergleichbare Alkohole ( Tabelle 14.1).
Löslichkeit.
Das negativ polarisierte Carbonyl-O-Atom bildet mit Wasser Wasserstoffbrückenbindungen aus, dementsprechend lösen sich niedere Aldehyde gut in Wasser, auch Aceton ist mit Wasser in jedem Verhältnis mischbar. Mit zunehmender Größe der Kohlenwasserstoffreste überwiegen jedoch die hydrophoben Eigenschaften, die die Wasserlöslichkeit einschränken.

Keto-Enol-Tautomerie

CH-Acidität

Carbanion/Enolat-Ion

Deprotonierung am α-C-Atom.
Die starke Polarisierung der Carbonylgruppe strahlt auch auf das benachbarte C-Atom aus. Am sog. α-C-Atom gebundene H-Atome (α-ständige H-Atome) zeigen eine für C–H-Bindungen ungewöhnlich deutliche Acidität (pKs = 19 – 21 für Aldehyde und Ketone) und können durch starke Basen (z. B. Natriummethylat) abgelöst werden. Ursache ist die Mesomeriestabilisierung des gebildeten Anions, d. h., das Elektronenpaar, das durch die Abspaltung des Protons frei wird, und die verbleibende negative Ladung verteilen sich zwischen dem α-C-Atom (Carbanion) und dem Carbonyl-O-Atom (Enolat-Ion). Die tatsächliche Elektronen- und Ladungsverteilung liegt zwischen diesen Grenzformeln, tendiert aber wegen der Elektronegativität des Sauerstoffs deutlich zum Enolat.

Enol

Wiederanlagerung eines Protons.
Je nach Reaktionspartner kann dieses System als Carbanion oder als Enolat-Ion reagieren. Säuert man die alkalische Lösung z. B. an, dann hat das Anion zwei Möglichkeiten, ein Proton aufzunehmen. Anlagerung an das α-C-Atom führt zur ursprünglichen Ketoform, Protonierung am Enolat-O-Atom zur Enolform. Den Begriff „Ketoform” benutzt man in diesem Fall sowohl für Aldehyde als auch für Ketone. Der Name „Enol” weist auf die C=C-Doppelbindung („-en”) mit anhängender OH-Gruppe („-ol”) hin.

Tautomere

Tautomerie-Gleichgewicht.
Liegen Aldehyde oder Ketone mit einem α-H-Atom als Flüssigkeiten oder gelöst vor, so existieren Keto- und Enolform jeweils nebeneinander, es stellt sich ein Gleichgewicht ein. Bei der Keto- und Enolform einer Verbindung handelt es sich um Konstitutionsisomere, die in diesem speziellen Fall Tautomere genannt werden. In der Folge spricht man von einem Tautomerie-Gleichgewicht. Dieses stellt sich normalerweise langsam ein, Säuren oder Basen können den Prozess katalysieren (beschleunigen). In der Bilanz wandert ein Proton von einem α-C-Atom zum O-Atom der Carbonylgruppe (bzw. in umgekehrter Richtung, wenn man vom Enol ausgeht), dabei ändert sich die Lage der Doppelbindung. Der Energiegehalt der einzelnen Tautomere bestimmt ihren Anteil am Gleichgewicht. Normalerweise überwiegt die Ketoform, es gibt jedoch auch Ausnahmen.

Keto-Enol-Tautomerie

Als Keto-Enol-Tautomerie bezeichnet man das chemische Gleichgewicht zwischen zwei konstitutionsisomeren Formen eines Aldehyds oder Ketons. Keto- und Enolform unterscheiden sich in der Position eines H-Atoms und einer Doppelbindung.

Beispiel Acetylaceton.
Die Enolform kann durch geeignete Substituenten stabilisiert werden, wodurch sich ihr Anteil im Gleichgewicht erhöht. Dies ist bei 1,3-Dicarbonylverbindungen der Fall. Hier befindet sich eine zweite Carbonylgruppe am übernächsten C-Atom (in β-Position) von der ersten aus gesehen, d. h., das α-C-Atom wird auf beiden Seiten von einer CO-Gruppe flankiert. Ein Beispiel ist das β-Diketon Acetylaceton (Pentan-2,4-dion). Seine Enolform wird durch eine intramolekulare Wasserstoffbrückenbindung stabilisiert. Außerdem ist die C=C-Doppelbindung des Enols zur zweiten Carbonylgruppe konjugiert, d. h., an der Mesomerie dieses Systems sind sechs Atome beteiligt, was die Enolform energetisch gegenüber der Ketoform begünstigt.

Phosphoenolpyruvat

Energie aus der Enolform.
Gelingt es, die weniger begünstigte, d. h. energiereichere Enolform einer Verbindung zu stabilisieren, so liegt eine „energiereiche Verbindung” vor. Dies bedeutet, dass beim Übergang von der Enolform in die Ketoform Energie gewonnen werden kann. Dies ist ein „Trick” der Natur, um Energie zu speichern und bei Bedarf zu nutzen. Ein Beispiel dafür ist Phosphoenolpyruvat (PEP). Nach der Hydrolyse des Phosphatrestes () wird die Enolform des Pyruvats, das Enolpyruvat, frei und wandelt sich rasch in die stabilere Ketoform, das Pyruvat, um. Der ganze Prozess ist stark exergon, d. h., die Gibbs-Energie, die bei der Hydrolyse und bei der Umwandlung von Enolpyruvat in Pyruvat insgesamt frei wird, ist deutlich negativ und reicht z. B. aus, um ATP zu bilden. steht hier als Abkürzung für einen Phosphatrest ( Kap. 17.2), –OH entspricht der Phosphorsäure (H3PO4).

Addition von Wasser und Alkoholen

Hydrat

Addition von Wasser.
Aldehyde und Ketone reagieren in einer reversiblen Gleichgewichtsreaktion mit Wasser unter Bildung von Hydraten. Die Reaktion folgt dem weiter oben formulierten Mechanismus: Wasser greift das Carbonyl-C-Atom nucleophil an und gibt ein Proton an das Carbonyl-O-Atom ab. Formal addiert sich Wasser an die C=O-Doppelbindung. In neutralem Milieu ist die Reaktion relativ langsam und kann z. B. durch Zugabe von Säure katalysiert werden. Der Grad der Hydratisierung schwankt bei einzelnen Verbindungen und ist beim Formaldehyd (99 %) und Acetaldehyd (50 %) höher als beim Aceton (< 1 %).

Chloralhydrat

Trichlorethanal (Chloral) liegt in wässriger Lösung wegen der elektronenziehenden Chloratome praktisch vollständig als Hydrat vor. Chloralhydrat ist eines der ältesten Schlafmittel. Es wird wegen seines bitteren Geschmacks und lokaler Reizwirkungen rektal verabreicht. Nach Resorption wird Chloralhydrat im Körper zum Trichlorethanol reduziert, das der eigentliche Wirkstoff ist. Die Dosierung ist vergleichsweise hoch (0,5 – 1,5 g), die therapeutische Breite jedoch sehr gering und es gibt Nebenwirkungen, weshalb Chloralhydrat trotz günstiger Wirkung (keine Beeinflussung der REM-Schlaf-Phase) an Bedeutung verloren hat.

Halbacetal

Reaktion mit Alkoholen.
Analog dem Wasser addieren sich auch Alkohole an die Carbonylgruppe. Dabei entstehen aus Aldehyden bzw. Ketonen Halbacetale. Die Substituenten R, R1, R2 oder R3 in vorstehenden oder nachfolgenden Formeln stehen für beliebige Alkyl- oder Arylreste.

cyclisches Halbacetal

Eine Besonderheit dieser Reaktion ist, dass sich auch eine Alkoholgruppe desselben Moleküls an die CO-Gruppe addieren kann, sofern der Abstand der reagierenden Gruppen günstig ist. Dabei bilden sich cyclische Halbacetale, bevorzugt mit 5- oder 6-gliedrigen Ringen.

Acetal

Durch Zugabe starker Säuren (HCl, H2SO4) zur Mischung aus Aldehyd (Keton) und Alkohol wird einerseits die Halbacetalbildung katalysiert, im Anschluss daran jedoch auch eine Folgereaktion. Unter Wasserabspaltung entsteht aus dem Halbacetal ein Carbenium-Ion, das von einem weiteren Alkohol-Molekül nucleophil angegriffen wird und nach Verlust eines Protons zum Acetal wird.
Diese Reaktion ist reversibel, d. h., Acetale werden in wässriger Lösung säurekatalysiert zum Aldehyd (Keton) und Alkohol hydrolysiert. Wir werden dieser Reaktion in der Zuckerchemie ( Kap. 20) wieder begegnen. Im basischen Milieu sind Acetale dagegen stabil. Das nachfolgende Beispiel zeigt die Bildung des Dimethylacetals des Acetons. Früher wurden die Acetale von Ketonen als Ketale bezeichnet.

Addition primärer Amine

Imin

Aldehyde und Ketone reagieren mit primären Aminen oder Ammoniak unter Wasserabspaltung zum Imin (Schiff-Base). Im gewählten Beispiel greift ein primäres Amin mit dem freien Elektronenpaar des N-Atoms das Carbonyl-C-Atom nucleophil an. Das entstandene Zwitterion geht durch Verschiebung eines Protons vom N- zum O-Atom in das Additionsprodukt (= Halbaminal) über. Dieses ist nicht stabil, sondern eliminiert leicht Wasser. Den ganzen Vorgang bezeichnet man als Kondensation, ein Begriff, der die Verbindung zweier Moleküle unter Wasserabspaltung kennzeichnet.

Oxim

Hydrazon

Je nach eingesetztem primärem Amin tragen die Kondensationsprodukte spezielle Namen, z. B. Oxim oder Hydrazon. Imine kristallisieren häufig gut und dienen z. B. zur Charakterisierung von Aldehyden und Ketonen durch Bestimmung des Schmelzpunktes und Vergleich mit Literaturwerten. Sie hydrolysieren säurekatalysiert wieder zur Carbonylverbindung und einem primären Amin.

Transaminierung

Transaminierung.
Im Stoffwechsel kommen Imine als Intermediate vergleichsweise häufig vor und entstehen z. B., wenn Aminogruppen von Aminosäuren mit Aldehydgruppen von Coenzymen reagieren. Der Stoffwechselprozess der Transaminierung beruht auf der Umwandlung einer Aminosäure in eine α-Ketocarbonsäure und umgekehrt. Diese Umwandlung wird durch Enzyme katalysiert, die sog Aminotransferasen bzw. Transaminasen, die Pyridoxalphosphat (PLP) als Coenzym benötigen. Transaminasen sind typische „Leberenzyme”. Pyridoxalphosphat leitet sich vom wasserlöslichen Vitamin B6 ab.
Wo bleibt bei diesem Prozess der Stickstoff und wie stellt man sich den Ablauf vor? Von der Aminosäure ausgehend, bildet die Aminogruppe mit dem am Enzym gebundenen Pyridoxalphosphat ein Imin (Abb. 14/1, A). Dieses kann sich in ein Konstitutionsisomer (B) umwandeln. A und B sind Tautomere und stehen miteinander im Gleichgewicht. Bei der Umwandlung von A nach B verlagert sich ein H-Atom (rot markiert) als Proton vom C-Atom des Aminosäureteils zum C-Atom des Pyridoxalteils. Diese C-Atome ändern ihre Hybridisierung von sp3 nach sp2 und umgekehrt. Je nachdem, welches der Tautomeren an der C=N-Doppelbindung hydrolysiert wird, erhält man die Ausgangsverbindung (Aminosäure) zurück oder eine α-Ketocarbonsäure. Im zweiten Fall befindet sich der Stickstoff dann im Pyridoxaminphosphat. Formal sind zwischen der Aminosäure und der Ketocarbonsäure die NH2-Gruppe und der Carbonylsauerstoff vertauscht worden.

Transaminasen in der Diagnose

Die Aktivität von Transaminasen im Serum hat diagnostischen Wert, da sie über den Zustand von Leberzellen Auskunft gibt. Die Serumaktivität von Glutamat-Pyruvat-Transaminase (GPT) kann bei einer akuten Hepatitis bis zu hundertfach erhöht sein. Bei durch Alkohol bedingten Leberschäden ist die Glutamat-Oxalacetat-Transaminase (GOT, Kap. 22.2) stärker erhöht als GPT. Aus dem Aktivitätsverlauf der Transaminasen ergeben sich häufig auch Rückschlüsse auf den Beginn anderer akuter Erkrankungen (z. B. Muskelschäden, Hämolyse).

Chemie des Sehens

Die Tatsache, dass der Mensch auf der Netzhaut des Auges Lichteindrücke empfangen und verarbeiten kann, beruht auf der cis/trans-Isomerisierung eines ungesättigten Aldehyds, der als Imin in ein Protein eingebettet ist. (11Z)-Retinal (cis-Retinal), das aus Vitamin A (Retinol) hervorgeht, reagiert mit der freien Aminogruppe am Lysin-216 des Proteins Opsin zum Rhodopsin, einem Imin. Durch sichtbares Licht (h·ν) isomerisiert im Retinalteil des Rhodopsins die 11Z-Doppelbindung zur 11E-Doppelbindung, dadurch destabilisiert sich das Imin und (11E)-Retinal (trans-Retinal) wird durch Hydrolyse freigesetzt. (11E)-Retinal wird dann enzymatisch wieder in (11Z)-Retinal umgewandelt und der Kreislauf kann sich wiederholen. Durch die lichtinduzierte cis/trans-Isomerisierung im Rhodopsin, durch die sich die molekulare Geometrie im Lichtzentrum des Moleküls stark verändert, wird ein Nervenimpuls ausgelöst.

Reduktion der Carbonylgruppe

In Umkehr ihrer Bildung können Aldehyde und Ketone zu Alkoholen reduziert werden. Als Reduktionsmittel sind Hydrid übertragende Reagenzien am besten geeignet. Dies können Metallhydride sein, wie z. B. Natriumborhydrid (NaBH4) oder Lithiumaluminiumhydrid (LiAlH4). Die ionische Addition von |H und H entspricht der Addition eines Wasserstoff-Moleküls (H2 = H–H = 2 H + 2 e), somit ist die Reduktion eine Hydrierung und es wird erkennbar, dass der Prozess formal unter Elektronenaufnahme abläuft ( Kap. 9.2).

NADH

Hydrid-Ion

Reduktionen in lebenden Zellen erfolgen enzymatisch. Die sog. Dehydrogenasen enthalten häufig NADH (reduziertes Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid) als Coenzym, das im Verlauf der Reduktion ein Hydrid-Ion (H) abspalten kann. Woher kommt das Hydrid-Ion? NADH enthält in dem Ring gegenüber dem N-Atom eine Methylengruppe (−CH2−), aus der ein H-Atom mit seinem Elektronenpaar, also ein Hydrid-Ion, auf das Carbonyl-C-Atom des Reaktionspartners nucleophil übertragen werden kann (s. Pfeil). Im Heterocyclus verbleibt eine positive Ladung (Carbenium-Ion), die mesomeriestabilisiert ist, da sich das freie Elektronenpaar vom Stickstoff am Aufbau eines aromatischen Systems (Pyridinium-Ion) beteiligt. Die negative Ladung am Carbonyl-O des Reaktionspartners gleicht ein Proton aus, das vom umgebenden Wasser stammt.

Aldol-Kondensation (C–C-Verknüpfung)

In stark alkalischer Lösung dimerisiert (griech. dimer = zwei Teile) Ethanal (= Acetaldehyd) zum Aldol, einer Verbindung, die je eine Aldehyd- („-ald”) und Hydroxygruppe („-ol”) enthält. Formal ist ein Ethanal-Molekül an die CO-Gruppe eines zweiten Moleküls Ethanal addiert worden. Deshalb heißt dieser Teilschritt auch Aldol-Addition, an den sich eine Wasserabspaltung anschließen kann (Aldol-Kondensation). Wie kommt es zu dieser Reaktion, die ähnlich auch mit anderen Aldehyden und Ketonen ablaufen kann?
  • (1)

    Eines der aciden α-ständigen H-Atome des Ethanals wird an die Base (z. B. OH) abgegeben (Enolat-Bildung). Der deprotonierte Anteil ist in diesem Säure/Base-Gleichgewicht gering.

  • (2)

    Das mesomeriestabilisierte Enolat-Ion ist ein besonders reaktives Nucleophil. Es greift mit dem α-C-Atom die Carbonylgruppe eines unveränderten Ethanal-Moleküls an. Es entsteht eine neue C–C-Bindung.

    Aldol-Addition

  • (3)

    Die negative Ladung wird durch Protonierung der Alkoxidgruppe ausgeglichen. Damit ist die Aldol-Addition abgeschlossen. Bis hierhin sind alle Schritte reversibel, die Base wirkt als Katalysator.

    Aldol-Kondensation

  • (4)

    Das Aldol ist häufig instabil und eliminiert beim Erhitzen der Reaktionslösung Wasser (Aldol-Kondensation). Die entstehende C=C-Doppelbindung ist zur Aldehydgruppe konjugiert, wie man im Crotonaldehyd erkennen kann. Es ist eine α,β-ungesättigte Carbonylverbindung entstanden.

Bedeutsam an dieser Reaktion ist, dass mit ihrer Hilfe eine neue Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung geknüpft wird, die in der Aldol-Formel hervorgehoben wurde. So ist eine längere C-Atom-Kette entstanden, in unserem Beispiel: C2 + C2 ———Ë C4. Dies ist für die chemische Synthese größerer Verbindungen bedeutsam. Auch die Natur bedient sich dieses Syntheseprinzips, z. B. ist der Aufbau von Fructose-1,6-bisphosphat aus Glycerinaldehyd- und Dihydroxyaceton-phosphat eine Aldol-Addition, die in Gegenwart des Enzyms Aldolase abläuft. Die neue C–C-Bindung ist blau markiert.

Checkliste

Folgende Bezeichnungen/Begriffe sollten Sie erklären oder definieren (s. a. Glossar) und – wo möglich – Beispiele, Gleichungen oder Formeln angeben können:

Carbonylgruppe – Aldehyd – Keton – Nucleophil – Elektrophil – Keto-Enol-Tautomerie – Tautomere – Acetal – Halbacetal – Kondensationsreaktion – Imin – Hydrid-Ion – NADH – CH-Acidität – Transaminierung – Aldol-Addition – Aldol-Kondensation.

Aufgaben

  • 1.

    Welche Struktur haben Pentanal, 2,3-Dimethylhexanal, 2-Phenylcyclohexanon, 3,3-Dimethyl-pentan-2-on und 4-Hydroxy-3-methoxy-benzaldehyd?

  • 2.

    Erklären Sie die katalytische Wirkung von Säuren bei Reaktionen an der Carbonylgruppe!

  • 3.

    Geben Sie, soweit möglich, je eine Enolform für folgende Verbindungen an!

  • 4.

    Welche funktionellen Gruppen finden Sie in folgenden Molekülen?

  • 5.

    Vergleichen Sie die C=C- und C=O-Bindungen unter folgendem Blickwinkel:

    • a)

      Hybridisierung der Atome, b) Bindungswinkel, c) Polarisierung, d) Angriff eines Protons und e) Unterscheidbarkeit bei chemischen Reaktionen!

  • 6.

    Wie reagieren 2-Butanon und Methanol unter Säurekatalyse miteinander?

  • 7.

    Warum darf das Reaktionsmedium für die Iminbildung nicht zu sauer sein?

  • 8.

    Formulieren Sie Cyclohexanonoxim!

  • 9.

    Welches Imin entsteht aus Aceton und Anilin?

  • 10.

    Welches Produkt entsteht, wenn Hydrazin (H2N–NH2) mit Benzaldehyd unter Wasserabspaltung reagiert? Geben Sie die Strukturformel und den Verbindungsnamen an!

  • 11.

    In welchem Zusammenhang haben Sie ein Carbanion kennen gelernt und worin liegt seine Bedeutung in der chemischen Synthese?

  • 12.

    Geben Sie alle möglichen Reaktionsprodukte für folgende Aldol-Kondensationen an:

    • a)

      Gemisch aus Ethanal und Propanal, b) Gemisch aus Benzaldehyd und Aceton.

  • 13.

    Durch welche Reaktion können Sie zwischen folgenden Substanzen unterscheiden? Welche Beobachtungen kann man machen?

  • 14.

    Welche Isomerisierung löst beim Sehprozess durch Belichtung einen Nervenimpuls aus?

  • 15.

    Nennen Sie die Edukte, aus denen folgende Produkte durch Aldolkondensation entstanden sind!

Bedeutung für den Menschen

Aldehyde und Ketone

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