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B978-3-437-29695-6.50019-4

10.1016/B978-3-437-29695-6.50019-4

978-3-437-29695-6

Energiediagramm einer SN2-Reaktion (A) und einer SN1-Reaktion (B).

Einfache Alkanole (Alkohole).

Tab. 13/1
Summenformel Struktur Vereinfachte Struktur Name
CH40 H3C-OH Methanol
C2H60 H3C-CH2-OH Ethanol
C3H80 H3C-CH2-CH2-OH n-Propanol (= 1-Propanol)
C3H80 Isopropanol (= 2-Propanol)
C4H10O H3C-CH2-CH2-CH2-OH n-Butanol (= 1-Butanol)
C4H10O sek-Butanol (= 2-Butanol)
C4H10O tert-Butanol (= 2-Methyl-2-propanol)

CnH2n+2 O (allgemeine Summenformel der Alkanole)

Vergleich der Siedepunkte von Alkanolen bzw. Phenol und Kohlenwasserstoffen mit ähnlicher Molmasse.

Tab. 13/2
Verbindung Formel Molmasse (g/mol) Siedepunkt (°C)
Methanol CH3-OH 32 65 154 °C Differenz
Ethan CH3-CH3 30 − 89
Ethanol CH3-CH2-OH 46 78 120 °C Differenz
Propan CH3—CH2—CH3 44 − 42
Phenol 94 182 71 °C Differenz
Toluol 92 111

Vergleich der Siedepunkte.

Tab. 13/3
Name Formel Molmasse (g/mol) Siedepunkt (°C)
n-Butanol CH3CH2CH2CH2-OH 74 118
Diethylether CH3CH2-O-CH2CH3 74 35
n-Pentan CH3CH2CH2CH2CH3 72 36

Nucleophile Substitution mit Anion-Nucleophilen (Nu).

Tab. 13/4
Nucleophil Edukt Produkt Substanzklasse
Alkanol
Ether
Thiol
Iodalkan

Nucleophile Substitution mit ungeladenem Nucleophil (Nu-H).

Tab. 13/5
Nucleophil Edukt Zwischenprodukt Produkt Substanzklasse
Alkanol
Ether
sek. Amin
tert. Amin

Vergleich SN1- und SN2-Reaktion.

Tab. 13/6
SN1-Reaktion SN2-Reaktion
geschwindigkeits­bestimmender Schritt unimolekular bimolekular
Verlauf zweistufig; erst Spaltung der C-X-Bindung, dann Bildung der C-Nu-Bindung einstufig; Spaltung der C-X-Bindung und Bildung der C-Nu-Bindung erfolgen gleichzeitig
Zwischenstufe Carbenium-Ion keine
stereochemischer Verlauf Racemisierung Inversion der Konfiguration
Strukturvorgabe für das sp3-C-Atom im Edukt tertiär, sekundär Methylverbindungen, primär, sekundär
bevorzugtes Lösungsmittel polar protisch polar aprotisch

Verbindungen mit einfachen funktionellen Gruppen

Orientierung

Sobald Kohlenwasserstoffe mit einfachen funktionellen Gruppen, z. B. –OH, –SH oder –NH2, ausgestattet sind, verändern sich die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Moleküle. Man stößt auf die Verbindungsklassen der Alkohole, Thioalkohole und Amine. Die sog. funktionellen Gruppen sind das „Einfallstor” für chemische Reaktionen. Auch Enzyme des Stoffwechsels können hier angreifen, um die Moleküle zu verändern und nutzbar zu machen. Außerdem tragen einfache funktionelle Gruppen zu den pharmakologischen Eigenschaften der Moleküle bei oder sie beeinflussen ein vorhandenes Wirkprofil. Östradiol und Testosteron z. B. sind beides Steroid-Hormone, d. h., sie haben eine ähnliche Ringstruktur, aber sehr unterschiedliche Wirkungen bei Frau und Mann.

Um bei organischen Molekülen mit verschiedenen funktionellen Gruppen, wie sie in der Biochemie üblich sind, nicht die Übersicht zu verlieren, werden diese Gruppen zunächst einzeln besprochen. Es fällt später dann leichter, mit komplexen Molekülen umzugehen und deren Reaktionsverhalten einzuschätzen.

Antwort erhalten Sie u. a. auf folgende Fragen:

  • Was sind Alkohole und wie unterscheiden sie sich in ihren Strukturen und Eigenschaften?

  • Worin unterscheiden sich Thioalkohole von den Alkoholen?

  • Was haben Amine mit Ammoniak gemeinsam und welche Qualität bringt der Stickstoff in ein Molekül?

  • Welche Reaktionen sind für bestimmte funktionelle Gruppen typisch?

  • Wie kann man durch Variation der Reaktionsbedingungen den Verlauf einer Reaktion verändern?

Alkanole und Phenole

Klassifizierung und Nomenklatur

Hydroxygruppe

Alkanol

Ersetzt man in einem gesättigten Kohlenwasserstoff (Alkan) ein H-Atom durch eine OH-Gruppe (= Hydroxygruppe), erhält man ein Alkanol, ausgehend von einem aromatischen Kohlenwasserstoff ein Phenol. Zur Benennung der Alkanole fügt man an den Namen des Stammalkans die Endsilbe „-ol”. Die Bezeichnungen Alkanol und Alkohol werden synonym verwendet und tauchen in Lehrbüchern auch nebeneinander auf.
Alkanole und Phenole kann man sich auch so entstanden denken, dass im Wassermolekül ein H-Atom durch einen organischen Rest ersetzt wurde. Gewinkelter Bau und Dipolcharakter gelten entsprechend auch im Bereich der Hydroxygruppe. Das O-Atom trägt zwei freie Elektronenpaare, es ist gegenüber dem benachbarten H-Atom und dem organischen Rest negativ polarisiert ( Kap. 4.6). Entsprechend verleiht die Hydroxygruppe den Verbindungen im Vergleich zu den Kohlenwasserstoffen andere physikalische und chemische Eigenschaften. Je nach Anzahl der Hydroxygruppen im Molekül unterscheidet man ein-, zwei-, drei- oder mehrwertige Alkanole ( Kap. 13.1.3).
Das einfachste Alkanol ist Methanol (= Methylalkohol, CH3OH), es folgt Ethanol (= Ethylalkohol, C2H5OH), das als Endprodukt der alkoholischen Gärung allgemein bekannt ist. Beim Propan mit drei C-Atomen gibt es zwei Positionen, an denen die Hydroxygruppe gebunden sein kann: am Ende (n-Propanol, 1-Propanol) oder in der Mitte (Isopropanol, 2-Propanol). Diese Alkanole besitzen dieselbe Summenformel (C3H8O), jedoch unterschiedliche Strukturformeln, es sind Konstitutionsisomere ( Kap. 11.2.1). Beim Butanol erhöht sich die Zahl der Konstitutionsisomere auf vier, drei sind in der Tabelle 13/1 angegeben. Aus Tabelle 13/1 ergibt sich ferner, dass auch die Alkanole, deren allgemeine Summenformel CnH2n+2O lautet, eine homologe Reihe bilden ( Kap. 11.2.1).

primärer, sekundärer, tertiärer Alkanol

Primäre, sekundäre und tertiäre Alkanole.
Je nachdem, wie viele Alkylreste (= R) das sp3-hybridisierte Kohlenstoffatom trägt, an dem die Hydroxygruppe gebunden ist, unterscheidet man primäre, sekundäre und tertiäre Alkanole. Nehmen wir als Beispiel die in Tabelle 13/1 angegebenen Konstitutionsisomere des Butanols: 1-Butanol (n-Butanol) ist ein primäres, 2-Butanol (sek-Butanol) ein sekundäres und 2-Methyl-2-propanol (tert-Butanol) ein tertiäres Alkanol.
Nomenklatur.
Die Stellung der Hydroxygruppe in einer aliphatischen C-Atom-Kette wird nach der IUPAC-Nomenklatur durch eine vor den Namen gesetzte Ziffer angegeben. Die Bezifferung der Kette (rechts oder links beginnend) ist so vorzunehmen, dass das C-Atom mit der OH-Gruppe eine möglichst kleine Zahl erhält. Liegt eine verzweigte C-Atom-Kette vor, verfährt man wie bei den Kohlenwasserstoffen. Die längste Kette gibt der Verbindung den Namen, hinzugefügt wird die Endsilbe „-ol”. Verzweigungen der Kette werden unter Angabe der Ziffer des C-Atoms, von dem die Verzweigung ausgeht, vor den Stammnamen gesetzt. tert-Butanol erhält somit den systematischen Namen 2-Methyl-2-propanol. Sind im Molekül mehrere Hydroxygruppen enthalten, ändert sich die Endsilbe entsprechend in -diol, -triol usw.

Phenol

Die Reste R der primären, sekundären und tertiären Alkanole (Alkohole) können auch Teile eines Ringsystems sein. Cyclohexanol z. B. ist ein typisches sekundäres Alkanol, ein Cycloalkanol. Benzylalkohol ist ein typisches primäres Alkanol, auch wenn ein Aromat als Substituent am sp3-C-Atom hängt. Die Bezeichnung Phenol trifft nur dann zu, wenn die Hydroxygruppe unmittelbar am aromatischen Kern steht. Die einfachste Verbindung, das Phenol (= Hydroxybenzol), gibt der Reihe den Namen. Vom Naphthalin kommt man zum Naphthol (= Hydroxynaphthalin), wobei man die beiden möglichen Isomere mit dem Präfix α bzw. β kennzeichnet oder die Stellung der OH-Gruppe am Ringsystem beziffert (1-Hydroxynaphthalin = α-Naphthol bzw. 2-Hydroxynaphthalin = β-Naphthol). Bei den Phenolen ist es nicht erlaubt, von Alkoholen zu sprechen.

Eigenschaften und Reaktionen

Siedepunkte.
Die niederen Alkanole (mit bis zu 10 C-Atomen) sind bei Raumtemperatur Flüssigkeiten, die eine geringere Dichte als Wasser aufweisen. Vergleicht man die Siedepunkte von Methanol oder Ethanol mit dem eines Kohlenwasserstoffs vergleichbarer Molmasse, dann ergeben sich erhebliche Unterschiede (Tab. 13/2). Methanol siedet 154 °C höher als Ethan, Ethanol 120 °C höher als Propan. Zwischen Phenol und Toluol beträgt die Differenz 71 °C.

Wasserstoffbrückenbindung

Die Unterschiede erklären sich aus der Tatsache, dass Alkanol- bzw. Phenol-Moleküle untereinander Wasserstoffbrücken ausbilden und sich dadurch zu höhermolekularen Assoziaten zusammenlagern, wie es beim Wasser besprochen wurde ( Kap. 4.6). Je höher der Siedepunkt, umso mehr Energie muss für den Verdampfungsvorgang aufgewendet werden. Innerhalb der homologen Reihe der n-Alkanole (CnH2n+2O) nimmt der Siedepunkt mit jeder hinzukommenden CH2-Gruppe gleichmäßig um etwa 20 °C zu, entsprechend dem Anstieg der Molmasse.

lipophil/hydrophob

Löslichkeit.
Wasserstoffbrückenbindungen sind nicht nur zwischen Alkanol- oder Phenol-Molekülen möglich, sondern auch von diesen zu Wassermolekülen. Beim Methanol, Ethanol und bei den Propanolen bestimmt die hydrophile OH-Gruppe das Lösungsverhalten der Moleküle, man findet vollständige Mischbarkeit mit Wasser. Bei längerer C-Atom-Kette gewinnt der lipophile (= hydrophobe) Kohlenwasserstoffrest an Bedeutung, das Lösungsverhalten der Moleküle ändert sich. n-Butanol löst sich nur noch begrenzt in Wasser (8,0 g/100 mL) und bildet, sobald die wässrige Lösung gesättigt ist, zwei Phasen; die höheren Alkanole, d. h. solche mit längerer C-Atom-Kette, werden zunehmend schlechter wasserlöslich. Man kann dennoch sagen, dass jede OH-Gruppe einer Verbindung einen Kontakt zur wässrigen Umgebung ermöglicht und außerdem für polare Wechselwirkungen, z. B. bei Enzymen oder Rezeptoren, genutzt werden kann.

amphoter

Alkanole sind Säuren und Basen.
Auch für die Alkanole gilt im Prinzip der amphotere Charakter des Wassers ( Kap. 8.2). In Gegenwart starker Säuren lagert sich ein Proton an eines der freien Elektronenpaare an. Es entsteht ein Alkyloxonium-Ion, das Alkanol hat als Base reagiert. Alkanole sind allerdings sehr schwache Basen. Umgekehrt ist auch die Abspaltung eines Protons aus der Hydroxygruppe eines Alkanols möglich. Die Acidität von Methanol (pKs = 15,5) entspricht etwa der des Wassers, Alkanole sind also sehr schwache Säuren. Das Anion der Alkanole wird als Alkoxid, Alkanolat oder auch allgemein als Alkoholat bezeichnet.
Versetzt man Methanol mit metallischem Natrium, dann reduziert dies die abgespaltenen Protonen zu Wasserstoff (H2), der als Gas entweicht. Zurück bleibt das Salz Natriummethoxid (= Natriummethanolat). In dieser Umsetzung ist die Säure/Base-Reaktion (1) mit einer Redoxreaktion (2) gekoppelt. Alkoxide sind ihrerseits starke Basen.
Phenol ist eine Säure.
Während Cyclohexanol wie Methanol eine sehr schwache Säure ist, besitzt Phenol eine deutlich höhere Acidität (pKs= 10) und lässt sich mit wässriger Natronlauge neutralisieren. Das gebildete Salz heißt Natriumphenolat und ist wie viele Salze gut wasserlöslich, während sich Phenol selbst weniger gut löst (9,3 g in 100 mL H2O). Aufgrund seines pKs-Wertes kann Phenol als schwache Säure eingeordnet werden.

Mesomerie

Im Phenolat-Ion ist die negative Ladung nicht nur am Sauerstoffatom lokalisiert, sondern verteilt sich auch über den Phenylrest. Das Anion ist mesomeriestabilisiert ( Kap. 11.7.1). Die vier für das Phenolat-Ion angegebenen Grenzformeln besitzen als Einzelmoleküle keine Realität, sondern sind nur eine unvollständige Beschreibung der vorliegenden Bindungsverhältnisse. Die tatsächliche Elektronenverteilung liegt zwischen dem, was die Formeln ausdrücken. Der Gewinn an Mesomerieenergie begünstigt die Anion-Bildung, Phenol ist acider als eine vergleichbare Verbindung, deren Anion keine Möglichkeit zur Mesomerie hat.

Moleküle, in denen sich die Ladung auf mehrere Atome verteilen kann (Mesomerie), sind energieärmer als solche, in denen die Ladung an einem Atom lokalisiert ist.

mesomerer Effekt

Elektrophile aromatische Substitution des Phenols.
Ähnlich wie das Phenolat-Ion ist das Phenol selbst auch mesomeriestabilisiert. Ein freies Elektronenpaar des Sauerstoffatoms verschiebt sich in den Phenylrest, dadurch erhält man Grenzformeln, bei denen die C-Atome in ortho- bzw. para-Stellung zur OH-Gruppe ein freies Elektronenpaar und damit eine negative Ladung tragen, während das O-Atom in diesen Formeln positiv geladen ist. Man sagt, dass die OH-Gruppe einen positiven mesomeren Effekt (+M-Effekt) ausübt, durch den die C-Atome in ortho- und para-Stellungen bevorzugt von einem Elektrophil angegriffen werden können.

elektrophile Substitution

Durch die höhere Ladungsdichte in ortho- und para-Stellung wird Gibbs-Aktivierungsenergie ΔG# ( Kap. 12.2.3) der Reaktion für den Angriff eines Elektrophils herabgesetzt. Deshalb ist die elektrophile Substitution (vgl. Kap. 11.7.3) am Phenol gegenüber der Reaktion am Benzol erleichtert. Als Beispiel sei die Bromierung genannt, die beim Phenol ohne Katalysator abläuft und alle drei möglichen Positionen erreicht. Die OH-Gruppe dirigiert die neuen Substituenten in die ortho- bzw. para-Stellung am Phenylrest, es entsteht 2,4,6-Tribromphenol.
Oxidation von Alkanolen.
Primäre und sekundäre Alkanole können mit geeigneten Oxidationsmitteln (chemisch oder enzymatisch) zu Aldehyden bzw. Ketonen oxidiert werden. Durch diese Reaktion wird die ursprüngliche funktionelle Gruppe verändert, die entstehenden Verbindungen haben andere Eigenschaften ( Kap. 14.3). Generell ist die milde Oxidation eines Alkanols nur möglich, wenn das C-Atom, an dem die OH-Gruppe steht, noch mindestens ein H-Atom trägt. Bei tertiären Alkanolen ist dies nicht der Fall, sie sind unter vergleichbaren Bedingungen nicht oxidierbar.

Dehydratisierung

Dehydratisierung von Alkanolen.
Die Reaktion von Alkanolen mit Mineralsäuren führt bei erhöhter Temperatur zur Abspaltung von Wasser. Dieser Prozess ist eine Eliminierung ( Kap. 13.7), die in diesem Fall als Dehydratisierung bezeichnet wird. Aus dem Alkanol entsteht ein Alken. Diese Reaktion ist reversibel, die Rückreaktion ist die Addition von Wasser an ein Alken, die Hydratisierung ( Kap. 11.5.3). Die Mineralsäure ist bei beiden Reaktionen der Katalysator.

Reaktionsmechanismus

Den Reaktionsmechanismus der Dehydratisierung zeigt das folgende Schema. Die Reaktion beginnt mit der Protonierung der OH-Gruppe zum Alkyloxonium-Ion. Aus diesem wird im nächsten Schritt Wasser abgespalten, es entsteht ein Carbenium-Ion. Dieses stabilisiert sich unter Abgabe eines Protons vom benachbarten C-Atom, das dort zurückbleibende Elektronenpaar bildet die Doppelbindung im Propen ( Kap. 13.7).

Mehrwertige Alkanole und Phenole

mehrwertige Alkohole

In einer Kohlenwasserstoffkette kann im Prinzip an jedem C-Atom ein H-Atom durch eine Hydroxygruppe substituiert sein. Die Zahl der OH-Gruppen im Molekül bestimmt die Wertigkeit des Alkohols, was nicht mit der Wertigkeit (= Oxidationsstufe) der Elemente in verschiedenen Verbindungen verwechselt werden darf. Ethylenglycol (1,2-Ethandiol, Glycol) ist der einfachste zweiwertige Alkohol und wird z. B. als Frostschutzmittel verwendet. Glycerin (engl. glycerol, 1,2,3-Propantriol), der einfachste dreiwertige Alkohol, ist Bestandteil der Neutralfette im Gewebe und der Glycerophospholipide der Zellmembran ( Kap. 17.2).
Bei längeren C-Ketten entstehen Polyole, die wie alle Verbindungen dieser Reihe durch die Häufung hydrophiler Gruppen gut wasserlöslich sind. Als Beispiele zu nennen sind d-Sorbit, das als Zuckerersatzstoff Verwendung findet ( Kap. 20), und myo-Inosit (= Inositol), dessen Triphosphat (IP3) bei der zellulären Signalübermittlung eine wichtige Rolle spielt. Beides sind sechswertige Alkohole, denen ein Hexan- bzw. Cyclohexangerüst zugrunde liegt. Beim myo-Inosit stehen fünf der OH-Gruppen äquatorial und nur die an C-2 axial.
Ganz entsprechend existieren auch zwei- bzw. mehrwertige Phenole. Vom Phenol ausgehend, kann eine zweite OH-Gruppe die ortho-, meta- oder para-Stellung einnehmen. Die zugehörigen Verbindungen sind Brenzkatechin (engl. catechol), Resorcin und Hydrochinon.

Wo spielen Alkanole eine Rolle?

Niedere Alkanole.
Der einfachste Alkohol, Methanol (Holzgeist), entsteht bei der Destillation von Holz in Abwesenheit von Luftsauerstoff. Heute gewinnt man Methanol großtechnisch durch katalytische Hydrierung von Kohlenmonoxid unter Druck. Methanol wird als Lösungsmittel (Lacke, Polituren) und für die Gewinnung von Formaldehyd zur Kunststoffherstellung verwendet. Es ist eine leicht brennbare Flüssigkeit und kommt auch als Benzinersatz für Verbrennungsmotoren in Frage (Methanol-Auto).

CO + 2 H 2 250 C , 5 - 10 MPa ( Cu / ZnO / Cr 2 O 3 ) CH 3 OH

Methanol ist ein starkes Gift

Methanol führt schon in geringer Menge zu Vergiftungen, ca. 30 mL sind tödlich. Neben Rauscherscheinungen tritt eine Beeinträchtigung der Sehfähigkeit bis hin zur Erblindung ein. Ursache für die Degeneration des Sehnervs sind Formaldehyd und Ameisensäure, die durch metabolische Oxidation entstehen. Ameisensäure führt außerdem zu einer Azidose. Zur Therapie einer Methanolvergiftung setzt man eine hohe Dosis Ethanol ein. Es hat eine höhere Affinität zum Enzym Alkoholdehydrogenase (ADH) und hemmt die Oxidation von Methanol kompetitiv, so dass mehr Zeit verbleibt, das Methanol über die Lunge oder den Urin auszuscheiden.
Ethanol (Weingeist) entsteht als Endprodukt bei der alkoholischen Gärung von Glucose durch Mikroorganismen (Hefen). Dieser Prozess ist dem Menschen seit Jahrtausenden bekannt, die Aufklärung der Glykolyse und der Einzelschritte, die zur Ethanolbildung führen, gehört zu den großen Leistungen der Biochemie im 20. Jahrhundert.

absoluter Alkohol

Durch Gärprozesse kann man Ethanol nur bis zu einem Gehalt von 15 Vol.-% anreichern, die produzierenden Organismen bringen sich durch das gebildete Ethanol selbst um. Ein höherer Gehalt lässt sich erreichen, wenn man die Gärlösung destilliert (in der Spirituosenindustrie: „brennen”). Das so gewonnene Ethanol enthält auch bei sorgfältigem Arbeiten immer noch ca. 4 % Wasser, da 96 %iges Ethanol niedriger siedet (78,15 °C, azeotropes Gemisch) als reines Ethanol (78,30 °C). Um wasserfreies Ethanol (absoluten Alkohol) zu erhalten, muss man das Restwasser mit Trockenmitteln (z. B. CaO) binden. Ethanol für Genusszwecke ist hoch besteuert. Um Missbrauch auszuschließen, wird das technische Ethanol durch schwer abtrennbare Zusätze (z. B. Pyridin oder Kohlenwasserstoffe) ungenießbar gemacht („vergällt”). Auch Ethanol versucht man als Benzinersatz zu nutzen.

Ethanol ist giftig und macht süchtig

Die letale Ethanolkonzentration liegt bei ca. 4 ‰ (4 mg/mL im Blut). Die Giftwirkung äußert sich in zunehmender Euphorie, Enthemmung, Desorientierung, Sprachstörungen sowie verminderter Urteilskraft und führt im fortgeschrittenen Stadium zum Koma („Komasaufen”). Ethanol erweitert die Blutgefäße und erzeugt deshalb ein Wärmegefühl, obwohl die Körpertemperatur eher absinkt. Die Zufuhr von ca. 60 g Ethanol pro Tag über einen längeren Zeitraum führt zur Abhängigkeit (Alkoholismus) mit der Folge erheblicher Schäden der Leber und des Nerven-/Sinnessystems. Eine Flasche Wein, 2 L Bier oder 2 – 3 Gläser Whisky entsprechen dieser Menge. Schon ein Viertel der Menge reicht, um den Alkoholspiegel des Bluts auf über 0,5 ‰ zu bringen. Ethanol wird schnell aus dem Magen und oberen Dünndarm resorbiert und in der Leber enzymatisch über Acetaldehyd in Essigsäure (Acetat) umgewandelt. Der Ethanolabbau erfolgt linear (ca. 7 – 10 g pro Stunde, Kap. 12.2.1 und 12.4), weil er durch die erforderliche Nachlieferung des Coenzyms NAD für das Enzym Alkoholdehydrogenase (ADH) limitiert ist. Die eigentliche toxische Wirkung geht vom primär entstehenden Acetaldehyd aus. Ethanol kann außerdem zur Krebsentstehung beitragen, es ist ein Kokarzinogen.
Da Ethanol als 70 %ige wässrige Lösung keimtötend wirkt, ist es ein gutes Desinfektionsmittel und wird auch zur Konservierung z. B. von Früchten (Rumtopf) verwendet.

Schnelltest für Autofahrer

Um den Alkoholisierungsgrad zu testen, verwendet die Polizei ein Röhrchen zum Hineinpusten, das vor dem Test aufgebrochen wird. In ihm befindet sich inertes Kieselgel, das mit einem Oxidationsmittel (Kaliumdichromat/Schwefelsäure) beschichtet ist. Enthält die Atemluft, die durch das Röhrchen strömt, Alkohol, so wird dieser vom Dichromat zu Essigsäure oxidiert. Das rotorange Dichromat wird zum grünen Chrom(III) reduziert. Die Oxidationstufe des Chroms wechselt durch Elektronenaufnahme von + 6 zu + 3. Die Verfärbung mit 1 L Atemluft im Röhrchen lässt Rückschlüsse auf den ungefähren Alkoholgehalt im Blut zu; zur genauen Bestimmung wird ggf. eine Blutprobe veranlasst.
Heute verwendet man vielfach Handmessgeräte, die, abhängig vom Ethanolgehalt in der Atemluft, auf Potentialänderungen zwischen zwei Elektroden reagieren.

Steroide

Cholesterin und Östradiol.
Steroide sind eine umfangreiche Gruppe natürlich vorkommender Verbindungen, die eine große Wirkungsvielfalt aufweisen. Von der Biosynthese her sind es Isoprenoide ( Kap. 11.5.4). Zu den Steroiden gehören z. B. Herzglykoside, Sexualhormone, Gallensäuren, Nebennierenhormone.

Gonan

Ihr Grundgerüst leitet sich vom tetracyclischen Kohlenwasserstoff Gonan ab. Die Sechsringe werden durch die Buchstaben A bis C gekennzeichnet, der Fünfring durch D. Die Bezifferung der C-Atome zeigt die Formel. Die Ringe können cis oder trans verknüpft sein ( Kap. 11.3.3, Dekalin). In den natürlichen Steroiden sind die Ringe B/C und C/D immer trans verknüpft, für die Ringe A/B findet man beide Möglichkeiten. Ring A kann aromatisch sein (Östradiol) oder Ring B eine Doppelbindung enthalten (Cholesterin).
Unter Anfügen von Methylgruppen an C-10 und C-13 des Gonans und einer Kohlenwasserstoffkette R an C-17 ergeben sich typische Steroid-Grundgerüste, die in Keilstrich- und Sesselform-Schreibweise angegeben sind. Letztere zeigt, dass das Molekül bei der A/B-trans-Verknüpfung gestreckt gebaut ist, bei der A/B-cis-Verknüpfung hingegen gewinkelt. Substituenten oder H-Atome, die bei dieser Schreibweise oberhalb der Ringbene liegen, werden als β-Substituenten bezeichnet, die unterhalb als α-Substituenten. Beide Grundgerüste enthalten zwei β-Methylgruppen, die sog. angularen Methylgruppen (lat. angulus = Winkel). Das Wasserstoffatom an C-5 ist in der linken Formel - (orange) und in der rechten - (grün) orientiert. Daraus ergeben sich zwei Familien von Steroiden mit völlig unterschiedlichen Eigenschaften. Zur -Reihe gehören viele Steroidhormone, zur 5b-Reihe die Gallensäuren, die in der Lage sind, Fette zu emulgieren.

Cholesterin

Cholesterin (engl. cholesterol) ist das bekannteste Steroid und am weitesten verbreitet. Es kommt in fast allen Geweben vor. Cholesterin ist ein sekundärer Alkohol mit einer β-ständigen OH-Gruppe an C-3, zusätzlich enthält es an C-5/C-6 eine olefinische Doppelbindung, die leicht mit Brom reagiert (Additions-Reaktion, Kap. 11.5.3). Durch die Doppelbindung gibt es bei den Ringen A/B keine cis/trans-Isomerie mehr. Für die C8-Seitenkette an C-17 ist die Zickzack-Konformation angegeben. Hinsichtlich der Löslichkeit muss man das Cholesterin als lipophil einstufen, es gehört zur Substanzklasse der Lipide.

Östradiol

Östradiol (engl. estradiol) gehört zu den Steroidhormonen und ist u. a. an der Ausprägung der sekundären weiblichen Geschlechtsmerkmale und an der Steuerung des weiblichen Zyklus beteiligt. Es leitet sich wie alle Steroidhormone vom Cholesterin ab. Ring A im Cholesterin wurde unter Abspaltung der angularen Methylgruppe an C-10 aromatisiert, entsprechend ist die OH-Gruppe an C-3 jetzt phenolisch. Ferner fehlt die C8-Seitenkette, stattdessen findet man eine sekundäre β-OH-Gruppe an C-17.

Cholesterin und Arteriosklerose

Cholesterin ist deshalb so bekannt, weil seine Ablagerung in den Blutgefäßen zu Arteriosklerose und als Folge zu Herz-Kreislauf-Erkrankungen (z. B. Herzinfarkt) führen kann. Cholesterin ist in vielen Nahrungsmitteln enthalten (z. B. Eigelb), so dass es leicht zu einem Überangebot kommt. Der menschliche Körper enthält 200 – 300 g Cholesterin in verschiedenen Geweben. Cholesterin zirkuliert im Blut und wird durch Lipoproteine in Lösung gehalten. LDL (engl. low density lipoprotein) transportiert Cholesterin von der Leber, dem Hauptort der Biosynthese, in andere Gewebe, wo es z. B. in Steroidhormone oder Gallensäuren umgewandelt oder als Membranbaustein gebraucht wird. LDL gibt Cholesterin an der Membran der Zellen ab. HDL (engl. high density lipoprotein) ist ein „Cholesterinfänger”, es transportiert überschüssiges Cholesterin z. B. von Membranoberflächen zurück in die Leber. Höhere HDL-Werte gehen mit einem niedrigeren Risiko einher, eine koronare Herzerkrankung auszubilden. Dagegen sind hohe Konzentrationen von LDL im Blut unerwünscht, weil es zu Cholesterinablagerungen kommen kann, vor allem wenn die Cholesterinweitergabe von LDL an die Zellen gestört ist. Therapeutisch versucht man in solchen Fällen, den Serum-Cholesterinspiegel durch eine Diät oder durch Verabreichung von Hemmstoffen der Cholesterinbiosynthese zu senken.

Vitamine mit OH-Gruppen

Vitamin D3

Vitamin D3, ein sekundärer Alkohol, kommt im Fischleberöl reichlich vor und gehört zu den fettlöslichen Vitaminen, d. h., ein Überangebot kann Schaden anrichten. Vitamin D3 entsteht beim Menschen aus 7-Dehydrocholesterin in der Haut im Zuge einer lichtabhängigen Reaktion. Die eigentliche Wirkform ist 1,25-Dihydroxycholecalciferol, ein dreiwertiger Alkohol, der in Niere und Leber aus Cholecalciferol hervorgeht. In seiner aktiven Form reguliert Vitamin D3 den Blutcalciumspiegel und gewährleistet den Aufbau und Erhalt funktionstüchtiger Knochen.

Vitamin E

Vitamin E ist ein lipophiler Radikalfänger (Antioxidans) und schützt u. a. ungesättigte Fettsäuren in Membranlipiden oder Lipoproteinen (z. B. LDL) vor einer Peroxidbildung. Es enthält eine Hydrochinonstruktur, die auf einer Seite als Ether in eine Isopren-Seitenkette ( Kap. 11.5.4) eingebunden ist.

Checkliste

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

Alkanole (Alkohole) – amphoter – Hydroxygruppe – Wasserstoffbrückenbindung – primäre, sekundäre, tertiäre Alkanole – mehrwertige Alkohole – Dehydratisierung – Phenole – Phenolat – Mesomerie – elektrophile Substitution – Steroid – Antioxidans.

Aufgaben

  • 1.

    Vom Butanol existiert ein viertes Konstitutionsisomer, das in Tabelle 13/1 fehlt. Geben Sie seine Struktur und seinen systematischen Namen an und formulieren Sie sein Oxidationsprodukt!

  • 2.

    Welche Struktur hat 1-Octanol? Wie schätzen Sie seine Wasserlöslichkeit ein?

  • 3.

    Zeichnen Sie die Formeln und klassifizieren Sie folgende Alkanole als primär, sekundär oder tertiär:

    • a)

      5-Chlor-4-methyl-2-hexanol

    • b)

      2,2-Dimethylcyclobutanol

    • c)

      1,4-Butandiol

  • 4.

    Ein Inhaltsstoff des Thymians ist Thymol (2-Isopropyl-5-methylphenol), und einer des Pfefferminzöls heißt Menthol (2-trans-Isopropyl-5-cis-methylcyclohexanol). Geben Sie die Strukturformeln an und zeichnen Sie für Menthol zusätzlich den Cyclohexanring in der Sesselform!

  • 5.

    Formulieren Sie die Umsetzung von Ethanol mit Natrium und benennen Sie die Reaktionsprodukte!

  • 6.

    Formulieren Sie die Umsetzung von Hydrochinon mit 2 Mol-Äquivalenten NaOH! Um was für einen Reaktionstyp handelt es sich hierbei?

  • 7.

    Ordnen Sie folgende Verbindungen nach Acidität: Phenol, Cyclohexanol, Salzsäure, Essigsäure!

  • 8.

    Warum ist Phenol acider als Cyclohexanol?

  • 9.

    Siedet n-Butanol höher oder niedriger als tert-Butanol? Begründen Sie die Antwort!

  • 10.

    Formulieren Sie die Dehydratisierung des Cyclohexanols! Wie heißt das Reaktionsprodukt?

  • 11.

    Warum ist Methanol giftig?

  • 12.

    Wie sind die Ringe B/C und C/D im Cholesterin verknüpft?

  • 13.

    Formulieren Sie das Reaktionsprodukt von Cholesterin mit Brom (zwei Isomere)!

  • 14.

    Welche der folgenden Verbindungen löst sich am besten in Wasser, welche am schlechtesten: Cholesterin, Glycerin, Östradiol, Cyclohexan?

  • 15.

    Die Kinetik des Ethanolabbaus im Blut ist pseudonullter Ordnung ( Kap. 12.2.1). Was bedeutet dies in der Praxis und was ist der Grund dafür?

  • 16.

    Worin unterscheiden sich Cholesterin und Östradiol in ihrer Struktur?

Bedeutung für den Menschen

Alkohole

Ether

Nomenklatur und Eigenschaften

Sind beide H-Atome des Wassers durch Kohlenwasserstoffreste ersetzt, so gelangt man zur Substanzklasse der Ether.

Alkoxyalkane

symmetrische, unsymmetrische Ether

Nomenklatur.
Aliphatische Ether werden bei der Namensgebung als Alkane mit einem Alkoxy-Substituenten behandelt (Alkoxyalkane). In der älteren Literatur werden Ether nach den am O-Atom hängenden Resten bezeichnet oder tragen Trivialnamen. Das Sauerstoffatom bildet mit zwei Einfachbindungen eine Brücke zwischen zwei C-Atomen, die zu aliphatischen oder aromatischen Resten gehören können. Ferner gibt es symmetrische und unsymmetrische Ether. Ether haben die allgemeine Summenformel CnH2n+2O und sind daher Konstitutionsisomere der Alkanole mit entsprechender Anzahl C-Atome (z. B. 1-Butanol/Ethoxyethan).

Methoxygruppe

Ether, die sich vom Methanol ableiten, enthalten den Rest –OCH3 (Methoxygruppe). Die Methylierung einer Hydroxygruppe zur Methoxygruppe ist enzymatisch durch ein „aktives Methyl” möglich ( Kap. 13.3.2), deshalb besitzen manche Naturstoffe dieses Strukturelement.

R - OH aktives Methyl R - OCH 3

Auch cyclische Ether sind bekannt. Die Ringe enthalten außer C-Atomen auch Sauerstoff und gehören damit zu den Heterocyclen (vgl. Kap. 21). Angegeben sind die systematischen Namen und darunter andere Bezeichnungen in Klammern.
Siedepunkte.
Da Ether untereinander keine Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden, liegen ihre Siedepunkte unter denen isomerer Alkanole und ähnlich denen von Alkanen mit vergleichbarer Molmasse (Tab. 13/3). Ether sind meist nicht mit Wasser mischbar, so bilden Diethylether und alle höheren Ether mit Wasser zwei Phasen. Lediglich Dimethylether oder Dioxan sind hier Ausnahmen.

Inhalationsnarkotika

Äther (= Diethylether) wurde früher als Narkosemittel verwendet, weil eine Äthernarkose ohne großen apparativen Aufwand zu erreichen ist und Äther eine große Narkosebreite besitzt, d. h. der Patient bei einer Überdosierung nicht unmittelbar gefährdet wird. Entdeckt wurden seine Eigenschaften 1846 von einem Zahnarzt in den USA.
3 – 4 Vol.-% Ether in der Atemluft sind erforderlich, um die narkotische und muskelrelaxierende Wirkung zu erreichen und aufrechtzuerhalten. Wegen der Explosionsgefahr von Äther/Luft-Mischungen und postnarkotischem Erbrechen verwendet man heute nicht brennbare halogenierte Äther wie z. B. Isofluran oder, um den Chloranteil zu vermeiden, Sevofluran. Beides sind farblose Flüssigkeiten mit hohem Dampfdruck, die sich durch rasches An- und Abfluten auszeichnen.
Weitere Narkosemittel im klinischen Einsatz sind Halothan ( Kap. 11.4.2), Lachgas (N2O) und Xenon. Oft werden mehrere der Substanzen gemeinsam eingesetzt. Die Verbindungen verteilen sich zwischen Atemluft und Blut, werden wegen ihrer Lipophilie an neuronale Membranen angelagert und ändern deren physikalisch-chemische Eigenschaften. Xenon bietet viele Vorteile und ist sehr umweltfreundlich. Weil eine Xenon-Narkose über die Atemluft zu teuer ist, wird es in gelöster Form (Fettemulsion) neuerdings intravenös appliziert.

Reaktionen

Säure-Base-Verhalten.
Ether sind schwache Basen. In Gegenwart starker Säuren lagert sich ein Proton an das negativ polarisierte O-Atom an. Das gebildete Dialkyloxonium-Ion ist eine starke Säure.
Darstellung.
Die Darstellung von Ethern gelingt durch Abspaltung von Wasser (Kondensation) aus zwei Molekülen eines primären oder sekundären Alkanols in Gegenwart katalytischer Mengen von Schwefelsäure. Im Fall von Ethanol muss man bis auf 130 °C erhitzen. Mit dieser Methode lassen sich nur symmetrische Ether darstellen. Bei höherer Temperatur (> 180 °C) wird Wasser eliminiert, es entsteht Ethen ( Kap. 13.7).
Will man unsymmetrische Ether aufbauen, so gelingt dies durch Umsetzung eines Alkoxids mit einem Iodalkan, hierbei handelt es sich um eine nucleophile Substitutionsreaktion ( Kap. 13.6).

Peroxid

Reaktivität.
Ether sind vergleichsweise reaktionsträge. Einige reagieren jedoch nach einem radikalischen Mechanismus mit Luftsauerstoff zu Hydroperoxiden und Peroxiden, die in fester Form explosiv sind. Zur Vermeidung der Peroxidbildung werden Ether in braunen Flaschen aufbewahrt und mit Antioxidanzien versetzt.

Nucleophil

Epoxide.
Oxacyclopropane (Oxirane, Epoxide) sind wegen des gespannten Dreirings sehr reaktiv und werden unter Säurekatalyse leicht von einem N ucleophil angegriffen. Nucleophile sind Teilchen, die mit einem freien Elektronenpaar ein Kohlenstoffatom angreifen können ( Kap. 11.1.4). Ist Wasser das Nucleophil, entsteht ein 1,2-Diol. Da der Angriff des Wassers von der Rückseite erfolgt, ist das Diol trans-konfiguriert. Epoxide wirken aufgrund ihrer Reaktivität häufig kanzerogen.

Benzpyren und Krebs

Die Reaktion an einem reaktiven Epoxid spielt beim krebserzeugenden Benzpyren eine Rolle ( Kap. 11.7.2), das z. B. im Zigarettenrauch enthalten ist. Es wird durch Oxygenasen zu einem Diolepoxid „aktiviert”, das von einer nucleophilen Aminogruppe (–NH2) der DNA (Desoxyribonucleinsäure) am Epoxid angegriffen und kovalent mit ihr verknüpft wird. Die DNA ist dann alkyliert, was einer Mutation gleichkommt. Als Folge kann eine gesunde Zelle zu einer Krebszelle entarten.

Kronenether

Es gibt cyclische Ether mit mehreren Ethergruppen im Molekül. Die sog. Kronenether bauen sich aus 1,2-Ethandiol-Einheiten auf und werden synthetisch hergestellt. Sie besitzen ungewöhnliche Lösungseigenschaften für Alkalisalze. Ihren Namen verdanken sie ihrer kronenähnlichen dreidimensionalen Struktur. Sie werden als [X]Krone-Y bezeichnet, wobei X die Gesamtzahl der Atome im Ring und Y die Zahl der Sauerstoffatome im Ring angibt.
Kronenether sind lipophile Verbindungen, d. h., sie lösen sich vornehmlich in organischen Lösungsmitteln und nur wenig in Wasser. Sie haben die Fähigkeit, Alkali-Ionen wie z. B. Li, Na oder K zu komplexieren. Diese Kationen werden wie in einem Käfig fixiert, die Bindung ist eine Ion-Dipol-Wechselwirkung zwischen dem Kation und den negativ polarisierten Sauerstoffatomen. Die nach innen gerichteten Sauerstoffatome des Kronenethers hüllen das Kation ein, der Gesamtkomplex ist einfach positiv geladen und extrem lipophil. Welcher Kronenether welches Kation komplexiert, hängt vom Durchmesser des Kations und von der Größe des Hohlraums im Kronenether ab. [12]Krone-4 komplexiert bevorzugt Li, [15]Krone-5 bevorzugt Na und [18]Krone-6 bevorzugt K.

Phasentransfer-Katalysator

Die hydrophilen Eigenschaften eines Kations werden durch die Komplexbildung „maskiert” ( Kap. 10.5). Man kann Salze, z. B. das violette Kaliumpermanganat (KMnO4), mit [18]Krone-6 in Benzol auflösen, was ohne den Kronenether nicht gelingt. Der Kronenether greift als sog. Phasentransfer-Katalysator in einem Prozess ein. Er ermöglicht in unserem Beispiel, dass Kaliumpermanganat als Oxidationsmittel in benzolischer Lösung reagieren kann, weil das Anion MnO4 dem Kation K wegen des Verbots einer Ladungstrennung in die organische Phase folgt. Ohne [18]Krone-6 läuft die Oxidation gar nicht oder sehr langsam ab, d. h., durch den Kronenether wird die Reaktion in der organischen Phase beschleunigt.
Wirt-Gast-Beziehung.
Kronenether sind ein einfaches Modell für die molekulare Erkennung, die es sonst nur bei den wesentlich komplexer gebauten Enzymen gibt. Ein Wirt (hier Kronenether) erkennt einen zu ihm passenden Gast (hier Alkali-Ion), es bildet sich ein Wirt-Gast-Komplex, der z. B. für Studien zum Ionentransport durch Zellmembranen genutzt werden kann. Dieses Prinzip haben Chemiker der Natur abgeschaut. Es gibt sog. Polyether-Antibiotika (z. B. Nonactin, Monensin), deren Wirkung auf einer Störung des Ionentransportes beruht.

Checkliste

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

Alkoxyalkane – Dialkylether – symmetrische, unsymmetrische Ether – Methoxygruppe – Peroxid – cyclische Ether – Nucleophil – Kronenether.

Aufgaben

  • 1.

    Zeichnen Sie die Strukturformeln für 4-Ethoxyphenol, 2-Propoxybutan, Dibutylether!

  • 2.

    Aus welchen Alkanolen ist der nachfolgende Ether (Diethylenglycol-dimethylether) aufgebaut?

    H3C–O–CH2–CH2–O–CH2–CH2–O–CH3

  • 3.

    Welche Strukturisomere mit der Summenformel C2H6O gibt es?

  • 4.

    Formulieren Sie den Ether, der unter Wasserabspaltung aus 2-Propanol in Gegenwart von Schwefelsäure (130 °C) entsteht! Was passiert bei 180 °C?

  • 5.

    Formulieren Sie die Reaktion von Natriumphenolat und Iodmethan! Wie heißt das Reaktionsprodukt?

  • 6.

    Formulieren Sie das Etherperoxid des Diethylethers!

  • 7.

    2-Methoxy-2-methylpropan ist ein Ether, den man dem Benzin zusetzt, um die Klopffestigkeit von Ottomotoren zu erhöhen. Warum bringt das Vorteile?

  • 8.

    Wenn Sie auf einem Labortisch eine offene Flasche mit Diethylether stehen haben und 3 m entfernt auf demselben Tisch eine Kerze brennt, entzündet sich der Ether nach einigen Minuten. Warum?

  • 9.

    Nennen Sie bitte mindestens drei Inhalationsnarkotika!

Thiole und Thioether

Nomenklatur und Eigenschaften

Thiole, Thioether

Schwefel (griech. theion) steht in der 16. Gruppe des Periodensystems direkt unter dem Sauerstoff und ist in der Oxidationsstufe – 2 wie dieser zweibindig. Das S-Atom ist jedoch größer und weniger elektronegativ. Dem Wasser (H2O) entspricht der Schwefelwasserstoff (H2S) ( Kap. 4.6). Ersetzt man im H2S die H-Atome durch organische Reste, erhält man Thiole (auch Mercaptane genannt) bzw. Thioether (auch Sulfide genannt). Konkrete Beispiele sind Ethanthiol bzw. Dimethylsulfid.
Zur Benennung der Thiole wird an den Namen des Stammalkans die Endsilbe „-thiol” angehängt. Die SH-Gruppe heißt auch Mercapto-Gruppe, weil sie das Quecksilber (lat. Mercurius) einfängt (lat. capere), d. h. chemisch gesehen, dass Thiole mit Quecksilberionen (Hg2) feste Komplexe bilden. Die Bezeichnung Sulfid für die Thioether ist irreführend, weil die Salze des Schwefelwasserstoffs auch Sulfide heißen, z. B. Na2S = Natriumsulfid.
Die S–H-Bindung der Thiole ist schwächer als die O–H-Bindung der Alkanole und außerdem nur wenig polarisiert. Thiole bilden deshalb nur schwache Wasserstoffbrückenbindungen aus und sieden deutlich niedriger als vergleichbare Alkanole (Ethanthiol/Ethanol: 37 oC/78 °C). Die SH-Gruppe ist auf der anderen Seite acider als die alkoholische OH-Gruppe und in dieser Eigenschaft etwa den Phenolen vergleichbar (R–SH: pKs = 9 – 12, abhängig vom Rest R). Als Erklärung kann dienen, dass im Thiolat die negative Ladung auf dem Schwefelatom wegen der unbesetzten d-Orbitale in der 3. Schale besser delokalisiert ist als auf dem kleineren Sauerstoffatom im entsprechenden Alkoholat.

Schwefelverbindungen berühren den Geruchssinn

Niedermolekulare Thiole und Thioether besitzen wie Schwefelwasserstoff selbst einen widerwärtigen Geruch. Der nordamerikanische Skunk z. B. versprüht bei Gefahr u. a. 3-Methyl-1-butanthiol, um sich gegen Feinde zu wehren. Mischt man dem geruchlosen Erdgas 1 ppb Ethanthiol oder 2-Methyl-2-propanthiol bei (1 Molekül auf 109 Methan-Moleküle), so kann man das unerwünschte Austreten von Gas sofort riechen und ein Leck in der Gasleitung lokalisieren. Auch der Geruch, der beim Schneiden von Zwiebeln oder Knoblauch auftritt, ist auf niedere Thiole und Thioether zurückzuführen. Schwarzer Tee und Kaffee geben sich durch schwefelhaltige Aromastoffe zu erkennen. Allerdings ist ihr Anteil sehr gering und es liegen Gemische vor, so dass der Geruchssinn in diesem Fall angenehm berührt wird. Der unangenehme Geruch einer Substanz kann bei hoher Verdünnung angenehm werden.

Reaktionen

Disulfid

Oxidation von Thiolen.
Ein wesentlicher Unterschied zwischen Thiolen und Alkanolen liegt in ihrem Verhalten gegenüber Oxidationsmitteln. Bei Alkanolen wird bevorzugt das Kohlenstoffatom oxidiert, bei Thiolen das S-Atom. Die Oxidation beginnt mit der Entfernung des H-Atoms aus der SH-Gruppe. Milde Oxidationsmittel (z. B. Iod) überführen zwei Moleküle des Thiols unter Dehydrierung (= Abspaltung von Wasserstoff) in ein Disulfid. Diese Reaktion ist wie alle Redoxreaktionen reversibel. Stärkere Oxidationsmittel wie z. B. Kaliumpermanganat (KMnO4) oxidieren Methanthiol zur Methansulfonsäure, d. h., das Schwefelatom nimmt zusätzlichen Sauerstoff auf und erreicht die Oxidationsstufe + 6.

Disulfidbrücken

Viele Peptide enthalten freie SH-Gruppen. Durch Oxidation können sich Disulfidbrücken innerhalb einer Peptidkette oder zwischen zwei Peptidketten bilden. Eine intramolekulare Disulfidbrücke stabilisiert eine bestimmte Raumstruktur der Peptidkette (Tertiärstruktur, Kap. 19.2.5) und ist für die richtige Funktion z. B. eines Enzyms essenziell. Man kann sagen, dass der Schwefel bei Peptiden und Proteinen für eine höher geordnete Struktur verantwortlich ist. Er organisiert diese Strukturen und ist selbst relativ locker in die Moleküle eingebunden.
Radikalfänger.
Thiole sind gute Radikalfänger. Die entstehenden Thiylradikale sind vergleichsweise wenig reaktiv und rekombinieren zu Disulfiden. Zur Zytoprotektion bei der Strahlentherapie werden SH-Gruppen-haltige Substanzen eingesetzt oder solche, die im gesunden Gewebe ein Thiol freisetzen (z. B. Amifostin). Dabei werden für den Körper gefährliche, reaktive Radikale „entschärft”, bevor sie durch unkontrollierte Reaktionen an der DNA Mutationen auslösen können.

Dimethylsulfoxid

Oxidation von Thioethern.
Thioether (Sulfide) sind – im Gegensatz zu den Ethern – oxidierbar. Das Schwefelatom nimmt ein oder zwei Sauerstoffatome auf und verändert seine Oxidationsstufe. Dimethylsulfoxid z. B. ist ein wenig toxisches Lösungsmittel, das gleichermaßen hydrophile und lipophile Substanzen löst.
Sulfoniumsalze.
Durch Behandlung eines Thioethers mit Iodmethan entsteht ein Sulfoniumsalz. In diesem ist die Methylgruppe am Schwefel aktiviert („aktives Methyl”) und kann andere funktionelle Gruppen als Elektrophil (CH3) angreifen und methylieren. Sulfoniumsalze spielen bei enzymatischen Methylierungen eine Rolle. Wichtiger Methyldonator im Stoffwechsel ist S-Adenosylmethionin (SAM), das eine Methylgruppe auf ein Nucleophil übertragen kann und dabei selbst in ein Sulfid übergeht.
Funktionen von Schwefel.
Neben den vier Grundelementen (C, H, O, N) übernimmt auch der Schwefel im Stoffwechsel wichtige Aufgaben. Reduzierter Schwefel ist zwar kovalent, aber vergleichsweise locker gebunden, z. B. im Eiweiß, das durch ihn „organisiert” wird (Disulfidbrücken). Bei der Eiweiß-Denaturierung (Hitze, Fäulnis) entstehen übel riechende Produkte bis hin zum Schwefelwasserstoff, der nach faulen Eiern stinkt.
Wichtige schwefelhaltige Moleküle bzw. Bausteine im menschlichen Körper sind:
  • Coenzym A (enthält eine SH-Gruppe, verbindet sich an dieser mit Essigsäure zu Acetyl-Coenzym A),

  • Liponsäure (enthält ein cyclisches Disulfid, ist an Redoxprozessen im Citratzyklus beteiligt),

  • Cystein (ist Aminosäurebaustein vieler Peptide und Proteine, bildet Disulfidbrücken, um Proteinstrukturen zu stabilisieren, Kap. 19.2.5),

  • Methionin (ist Aminosäurebaustein von Proteinen, als S-Adenosylmethionin überträgt es Methylgruppen).

  • Eisen-Schwefel-Cluster ( Kap. 21.1).

Alle schwefelhaltigen Systeme haben eine Affinität zu Schwermetallen. Sie sind in ihrer Funktion besonders gefährdet, sobald die Sulfid- oder Thiolatgruppen durch Umwelteinflüsse mit Salzen von Cadmium, Quecksilber oder Blei (z. B. über die Nahrungskette) in Berührung kommen.

Schwefel im Knoblauch

Ganz andere Wirkungen des Schwefels findet man z. B. beim Knoblauch. Er setzt beim Schneiden oder Pressen Enzyme frei, die aus schwefelhaltigen Vorstufen 2-Propen-sulfensäure bilden. Diese Säure geht durch Kondensation in Allicin über, das für den Geruch verantwortlich ist. Allicin wirkt antibakteriell, d. h., es schützt vor Infektionskrankheiten, und es ist ein Antioxidans, d. h., es fängt reaktive Radikale ab. Außerdem werden durch die schwefelhaltigen Inhaltsstoffe altersbedingte Gefäßkrankheiten günstig beeinflusst und der Körper gleichmäßiger durchwärmt.

Checkliste

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

Thiol (Mercaptan) – Thioether (Sulfid) – Thiolat – Radikalfänger – Disulfid – Disulfidbrücke – Sulfonium-Ion – „aktives” Methyl.

Aufgaben

  • 1.

    Formulieren Sie die Umsetzung von Thiophenol mit NaOH!

  • 2.

    Benennen Sie die folgenden Verbindungen:

  • 3.

    Formulieren Sie die folgenden Reaktionsgleichungen:

    • a)

      Milde Oxidation von 2-Propanthiol

    • b)

      Reduktion von Diethyldisulfid

    • c)

      Reaktion von 1-Propanthiol mit Hg2

  • 4.

    Das wichtigste Antidot bei Metallvergiftungen ist 2,3-Dimercaptopropansulfonsäure (DMPS). Geben Sie seine Struktur an!

  • 5.

    2,3-Dimercaptopropanol (Dimercaprol) ist ein Gegengift (Antidot) bei Quecksilber- und anderen Schwermetallvergiftungen. Formulieren Sie den Komplex, der mit Hg2 entsteht!

  • 6.

    Formulieren Sie das im Zellmilieu entstehende Reduktionsprodukt der Liponsäure, die als Amid an ein Enzym gebunden vorliegt!

  • 7.

    Senfgas wurde im Ersten Weltkrieg als Kampfgas eingesetzt. Es bildet durch intramolekulare Substitution ein Sulfoniumsalz, das leicht von einem Nucleophil (Nu) angegriffen wird. Formulieren Sie die Reaktion!

  • 8.

    Cysteamin (2-Mercaptoethylamin, MEA) ist ein guter Radikalfänger. Formulieren Sie, wie Cysteamin mit Radikalen reagiert, und benennen Sie das Reaktionsprodukt!

  • 9.

    Bestimmen Sie die Oxidationsstufe des S-Atoms in folgenden Verbindungen:

    Schwefelwasserstoff H2S, Methanthiol CH3SH, Dimethylsulfid H3C–S–CH3, Dimethyldisulfid H3C–S–S–CH3, Methansulfonsäure H3C–SO2–OH, Dimethylsulfoxid H3C–SO–CH3, Dimethylsulfon H3C–SO2–CH3!

Amine

Wir wenden unsere Aufmerksamkeit nun organischen Verbindungen zu, die Stickstoff als Heteroatom enthalten. Dies sind zunächst die Amine, später kommen die Säureamide und die N-Heterocyclen dazu. Schon bei den Aminen fällt auf, dass diese vergleichsweise einfachen Moleküle physiologisch z. T. hoch wirksam sind. Amine tragen als Hormone zur Regulation bei (Adrenalin z. B. erhöht den Blutdruck), steuern Vorgänge im Nerven-/Sinnessystem (Dopamin ist ein Neurotransmitter) oder wirken als Psychopharmaka.

Klassifizierung und Nomenklatur

primäres, sekundäres, tertiäres Amin

Im gewinkelt gebauten Ammoniak bilden die H-Atome die Basis einer Pyramide, in deren Spitze das N-Atom mit seinem freien Elektronenpaar steht. Ersetzt man die H-Atome im Ammoniak nacheinander durch organische Reste, kommt man von den primären über die sekundären zu den tertiären Aminen. Die Klassifizierung erfolgt hier anders als bei den Alkanolen. Bei den Aminen zählt man die Substituenten (Reste) am N-Atom, bei den Alkanolen die Reste an dem C-Atom, das die OH-Gruppe trägt ( Kap. 13.1.1).

Alkylamin

Arylamin

Die Reste am N-Atom können aliphatisch sein, dann liegen Alkylamine oder Alkanamine vor. Sind die Reste aromatisch, d. h., ist das N-Atom direkt an einen Aromaten gebunden, erhält man Arylamine. Bei den sekundären und tertiären Aminen gibt es natürlich auch Mischungen aus Alkyl- und Arylresten.

Aminogruppe

Die Nomenklatur für die Amine ist nicht einheitlich. Viele Trivialnamen beruhen auf der Bezeichnung „Alkylamin”. Systematischer wird es, wenn man die aliphatischen Amine als substituierte Alkane ansieht, also an den Namen des zugrunde liegenden Alkans die Endsilbe „-amin” anhängt und zum Alkanamin kommt. Die NH2-Gruppe wird als Aminogruppe bezeichnet. Piperidin und Nicotin sind auch als Amine zu klassifizieren. Sie gehören durch die Ringbildung zu den N-Heterocyclen, die erst im Kapitel 21 genauer besprochen werden.

Basizität

Amine sind wie Ammoniak Basen und können ein Proton an das freie Elektronenpaar des Stickstoffs anlagern. Aus einem Alkylamin z. B. entsteht ein Alkylammonium-Ion mit einem vierbindigen N-Atom. In wässriger Lösung stellt sich ein Gleichgewicht ein, aus dem sich der Kb-Wert bzw. der pKb-Wert (pKb = −log Kb) für das Amin ableiten lässt.
Je kleiner der pKb-Wert, desto größer ist die Basizität des Amins. Durch einfache Alkylsubstitution verstärkt sich die Basizität des Amins im Vergleich zum Ammoniak. Der Methylrest z. B. erhöht die Elektronendichte am N-Atom (+ I-Effekt), während ein Arylrest sie deutlich absenkt. Anilin ist eine vergleichsweise schwache Base.
Amin K b pKb Ammonium-Ion pKs
H3 1,8 · 10−5 4,76 NH4 9,24
H3C-H2 4,6 · 10−4 3,38 H3C-NH3 10,62
4,3 · 10−10 9,37 4,63
Grundsätzlich kann man statt der Basizität des Amins auch die Acidität der konjugierten Säure, des Ammonium-Ions, betrachten und für diese den Ks-Wert bzw. pKs-Wert angeben. pKs- und pKb-Wert hängen in wässriger Lösung über die Beziehung pKs + pKb = 14 zusammen, d. h. pKs = 14 – pKb ( Kap. 8.4).

R - NH 3 + H 2 O R - NH 2 + H 3 O ; K s = [ RNH 2 ] [ H 3 O ] RNH 3

Salzbildung

Hydrochlorid

Neutralisiert man ein Amin, z. B. Methylamin mit Salzsäure, und verdampft das Wasser, dann erhält man als Rückstand das Salz Methylammoniumchlorid, das auch als Hydrochlorid des Methylamins bezeichnet wird.
Durch starke Basen (z. B. NaOH) lässt sich aus dem Hydrochlorid das Amin wieder freisetzen. Die Salzbildung gilt für primäre, sekundäre und tertiäre Amine in gleicher Weise.

H 3 C - NH 3 Cl + NaOH H 3 C - N ¯ H 2 + Na Cl + H - O - H

quartäres Ammonium-Ion

Versetzt man ein tertiäres Amin mit Iodmethan, dann verdrängt das N-Atom mit seinem freien Elektronenpaar das Iod als I aus dem Iodmethan und bindet die Methylgruppe durch eine Atombindung. Es findet eine nucleophile Substitution statt ( Kap. 13.6). Es entsteht ein quartäres Ammoniumsalz, das gut wasserlöslich ist. Aus diesem lässt sich mit Basen (z. B. AgOH) kein freies Amin, sondern nur das ebenfalls hydrophile quartäre Ammoniumhydroxid gewinnen.

Beispiele für Amine

Viele physiologisch wichtige Amine enthalten verschiedene funktionelle Gruppen, von denen jede für sich zu den Eigenschaften einer Verbindung beiträgt. Die funktionellen Gruppen in den Beispielen haben Sie in den vorigen Kapiteln kennen gelernt. Die enzymatische Methylierung am N-Atom des Ethanolamins führt in drei Schritten zum Cholin, das Baustein des Lecithins der Zellmembran und des Neurotransmitters Acetylcholin ist.

Catecholamine sind Neurotransmitter

Dopamin und Adrenalin gehören zu den Catecholaminen. Die Bezeichnung leitet sich vom 1,2-Dihydroxyphenylrest ab ( Kap. 13.1.3, Brenzkatechin, engl. catechol). Die Catecholamine sind Neurotransmitter im sympathischen System und werden außerdem als Hormone vom Nebennierenmark ins Blut abgegeben.

Dopamin

Dopamin wird in der Notfallmedizin häufig bei Schockzuständen mit Nierenversagen eingesetzt. Bei niedriger Dosierung werden die Nierengefäße erweitert, während eine höhere Dosierung positiv inotrop und vasokonstriktorisch wirkt. Beim Parkinson-Syndrom ist Dopamin im Striatum, einem Teil des extrapyramidal-motorischen Systems des Großhirns, vermindert.

Adrenalin

Adrenalin findet als Notfallmedikament bei Kammerflimmern und Asystolie Verwendung. Es bewirkt über adrenerge Rezeptoren des Sympathikus z. B. eine Erhöhung des Blutdrucks und der Herzfrequenz/-kontraktilität (positiv chrono-/inotrop). Seine vasokonstriktorische Wirkung wird z. B. in Verbindung mit einem Lokalanästhetikum genutzt, damit das Anästhetikum länger am Applikationsort verbleibt.
Auf die Psyche einwirkende, d. h., psychotrope Substanzen können als Psychopharmaka genutzt werden, führen aber bei Missbrauch in die Abhängigkeit. Viele dieser Substanzen enthalten Stickstoff (Ausnahmen sind Alkohol und Cannabis) und kommen als Inhaltsstoffe von Pflanzen in der Natur vor (z. B. Morphin, Cocain, Mescalin) oder leiten sich von Naturstoffen ab (z. B. Amphetamine, Heroin, Designerdrogen). Die Benzodiazepine (z. B. Valium) oder Barbiturate (z. B. Schlafmittel) hingegen haben kein natürliches Vorbild, sie stammen aus der Hand von Chemikern.

Nutzen und Schaden liegen dicht beieinander

Amphetamine

Amphetamine (Psychostimulanzien) zählen zu den indirekt wirkenden Sympathomimetika, d. h., sie lösen eine Freisetzung von Catecholaminen (z. B. Dopamin, Adrenalin) aus und wirken dadurch anregend. In der Drogenszene oder als Dopingmittel geht von ihnen wegen einer möglichen Abhängigkeit eine große Gefahr aus. Die Designerdroge Ecstasy, dem Amphetamin nachempfunden, steigert die Leistungsbereitschaft sowie das Harmoniegefühl und führt bei Überdosierung zu Krämpfen bis zum Schock mit Nierenversagen. Bei wiederholtem Gebrauch wird das serotonerge System im Gehirn irreversibel geschädigt, d. h., Ecstasy wirkt neurotoxisch. Das Rauschgift Mescalin gehört zu den Halluzinogenen und wird aus einem mexikanischen Kaktus gewonnen.

Ritalin

Ein gegenüber den Amphetaminen abgewandeltes Derivat, das Methylphenidat (Ritalin®), wird in großem Umfang bei Schulkindern (ab 6 Jahre, überwiegend Jungen) eingesetzt, die eine Aufmerksamkeits-Defizit-Hyperaktivitäts-Störung (ADHS, „Zappelphilipp-Syndrom”) aufweisen. Außerdem wird es von Gesunden zum sog. Gehirndoping miss-braucht. Der Wirkstoff fällt unter das Betäubungsmittelgesetz, wird aber offenbar leichtfertig verschrieben (1,7 t im Jahr 2009 allein in Deutschland) oder im Ausland beschafft.
Die chemische Disziplinierung von Kindern, die eigentlich andere Hilfen benötigen, ist umstritten, weil die Behandlung nicht kausal, sondern nur symptomatisch erfolgt und viele Nebenwirkungen in Kauf genommen werden müssen (z. B. Appetitlosigkeit und Schlafstörungen). Auch kann niemand ausschließen, dass Langzeitschäden auftreten, die schwer zu objektivieren sind, weil sie Gehirnfunktionen betreffen können, die in Verhaltensmuster einmünden. Ritalin erzeugt keine körperliche Abhängigkeit, weil es nur die präsynaptische Wiederaufnahme von Dopamin hemmt, nicht dessen sprunghafte Freisetzung aus dem Speicher. Eine psychische Abhängigkeit kann dadurch jedoch nicht ausgeschlossen werden.

Checkliste

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

primäre, sekundäre, tertiäre Amine – Alkylamin – Arylamin – quartäres Ammonium-Ion – Hydrochlorid – Catecholamin.

Aufgaben

  • 1.

    Bezeichnen Sie die funktionellen Gruppen des Adrenalins!

  • 2.

    Klassifizieren Sie folgende Verbindungen:

  • 3.

    Formulieren Sie alle denkbaren Konstitutionsisomere mit der Summenformel C3H9N und benennen Sie die Verbindungen!

  • 4.

    Lösen Sie Ethylamin (pKs = 10,8) bei pH = 12 und bei pH = 2 in Wasser. Wie liegt es jeweils vor?

  • 5.

    Welchen Grundkörper haben Dopamin, Adrenalin und Ecstasy gemeinsam?

  • 6.

    Formulieren Sie die Salzbildung von Triethanolamin mit Salzsäure!

  • 7.

    Für Tris(hydroxymethyl)-methanamin (Abk. Tris) gilt pKb = 6. Ist das Amin stärker oder schwächer basisch als Ammoniak?

  • 8.

    Vorstehende Verbindung findet als Puffersubstanz in Verbindung mit ihrem Hydrochlorid Verwendung („Tris”-Puffer). Bei welchem pH-Wert liegt das pH-Optimum des Puffers? Welches Konzentrationsverhältnis haben die Pufferbestandteile bei diesem pH-Wert?

  • 9.

    Warum ist Anilin schwächer basisch als Ammoniak? (Hinweis: Die Mesomerie-Stabilisierung erfolgt ähnlich dem Phenol.)

  • 10.

    Trotz ähnlicher Molmasse hat Propylamin einen höheren Siedepunkt (47 °C) als Butan (– 1 °C), aber einen niedrigeren als 1-Propanol (97 °C). Wie erklären Sie die Unterschiede?

Bedeutung für den Menschen

Amine

Halogenalkane und Halogenaromaten

Halogenalkane

Ersetzt man in einem Alkan ein oder mehrere H-Atome gegen Halogenatome, so gelangt man zur Substanzklasse der Halogenalkane. Diese Verbindungen sind in Kapitel 11.4.2 schon einmal aufgetaucht, als medizinisch bedeutsam erwähnt wurden dort u. a. Chlorethan und Halothan. Halogenierte aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe kommen in der Natur in der Regel nicht vor, sie müssen synthetisch hergestellt werden, z. B. durch radikalische Substitution von Alkanen ( Kap. 11.4.2), durch Halogenaddition an Alkene ( Kap. 11.5.3) oder durch elektrophile Halogensubstitution von Aromaten ( Kap. 11.7.3).
Die Halogenatome in den Halogenalkanen sind negativ polarisiert und können relativ leicht in einer nucleophilen Substitutionsreaktion durch andere Substituenten (z. B. OH, NH2, SH) ersetzt werden ( Kap. 13.6). Auf diesem Weg lassen sich neue funktionelle Gruppen in ein Molekül einführen. Die Halogenalkane sind dadurch zu wichtigen Ausgangsverbindungen und Intermediaten in der organischen Synthese geworden. Daneben finden sie selbst vielfältige Anwendung z. B. als Lösungsmittel, Löschmittel, Kühlmittel, Inhalationsnarkotika ( Kap. 13.2.1) oder Polymere (z. B. PVC, Teflon, Kap. 11.5.3). Halogenaromaten, insbesondere solche auf der Basis von Chlorphenol, sind Bestandteil vieler Pestizide.

Chlorierte Kohlenwasserstoffe gefährden die Umwelt und die Ozonschicht

DDT

Chlorierte Kohlenwasserstoffe (CKW) finden z. B. als Lösungsmittel Verwendung (Dichlormethan CH2Cl2, Trichlormethan CHCl3) oder als Insektizide (Lindan, DDT). Viele dieser Verbindungen sind toxisch oder haben wegen ihrer schlechten Abbaubarkeit Langzeit-Nebenwirkungen. Der Einsatz von DDT ist z. B. in Deutschland untersagt, da diese lipophile Verbindung über verschiedene Nahrungsketten ins Fettgewebe des Menschen gelangt und sich z. B. in der Muttermilch anreichert.

FCKW

Besonderes Aufsehen haben Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs) erregt. Substanzen wie z. B. Frigen (CF2Cl2, Sdp. – 30 °C) wurden lange Jahre als Treibgase bei Spraydosen, zur Herstellung geschäumter Kunststoffe oder als Kältemittel in Kühlaggregaten eingesetzt, bis man erkannte, dass sie zur Zerstörung der Ozonschicht in der Stratosphäre beitragen. FCKWs sind sehr reaktionsträge; sie steigen langsam in der Atmosphäre auf, bis sie in den oberen Schichten unter der Einwirkung von Sonnenlicht Chlorradikale freisetzen, die in einer Kettenreaktion das Ozon (O3) in Luftsauerstoff (O2) verwandeln.
Durch den Abbau der Ozonschicht gelangt das kürzerwellige Sonnenlicht (UV-B, 280 – 320 nm) verstärkt bis zur Erdoberfläche. Beim Aufenthalt im Freien steigt das Hautkrebsrisiko sehr stark an und es ist ein erhöhter Sonnenschutz für die Haut erforderlich. Seit 1991 ist in Deutschland die Produktion von FCKWs verboten – trotzdem sind immer noch große Mengen dieser Verbindungen in älteren Kühlaggregaten enthalten.

Chlor

Es gibt vergleichsweise viele organische Chlorverbindungen, die sowohl hinsichtlich ihrer Belastungen für die Umwelt als auch hinsichtlich ihrer gesundheitsschädlichen Wirkungen von zweifelhaftem Wert sind. Warum steht gerade das Chlor im Brennpunkt? Dies hat einen einfachen Grund. Die chemische Industrie benötigt für viele Prozesse Natronlauge (NaOH). Diese wird aus dem billig verfügbaren Kochsalz freigesetzt, in dem man NaCl-Lösungen der Elektrolyse unterwirft (Chloralkali-Elektrolyse). Dabei entstehen große Mengen Chlor (Cl2), für das es nur bedingt Verwendung gab. Also hatten die Industriechemiker seit Beginn des 20. Jahrhunderts die Aufgabe, nach einer sinnvollen Verwendung des Chlors zu suchen. Diese Suche führte u. a. zu den hier genannten Verbindungen, die durch chemische Synthese unter Verwendung chlorhaltiger Vorstufen entstanden sind. Ein trauriges Kapitel in der Geschichte des Ersten Weltkrieges war die Idee, das reichlich vorhandene Chlor wegen seiner Reizwirkung auf die Atmungsorgane als Kampfgas einzusetzen.

Pestizide in der Landwirtschaft

Pestizide sind chemische Substanzen, die zur Vernichtung unerwünschter Pflanzen oder tierischer Schädlinge eingesetzt werden, z. B. gehören die oben erwähnten Insektizide Lindan und DDT dazu. Ihr Gefährdungspotenzial wurde erkannt, was aber keineswegs zu einem Verbot in allen Teilen der Erde führte. Nutzen und Gefährdung liegen bei allen Pestiziden eng zusammen und die Pestizidanalysen von Obst und Gemüse zeigen, dass trotz festliegender Grenzwerte immer wieder Überschreitungen zu Lasten des Verbrauchers festzustellen sind.
Zu den Herbiziden gehören z. B. 2,4,5-Trichlorphenoxyessigsäure und Nitrofen. Ersteres ist Bestandteil von Agent Orange, das im Vietnamkrieg als Entlaubungsmittel eingesetzt wurde und bei den Soldaten bleibende Gesundheitsschäden verursachte. Letzteres ist ein Kontaktherbizid für den Einsatz im Gemüse- und Blumenanbau, das heute wegen seiner Krebs erzeugenden Wirkung nicht mehr verwendet werden darf. Beide Verbindungen leiten sich vom Chlorphenol ab und enthalten ein Ether-Strukturelement.

Dioxin in Fleisch und Eiern

Dioxine und polychlorierte Biphenyle sind Umweltgifte, die bei der technischen Synthese von Chlorphenolen und bei der Verbrennung von organischem Material in Gegenwart von Chlorverbindungen entstehen. Sie sind extrem lipophil und wenig flüchtig, d. h., sie sind in der Umwelt stets mit Lipiden vergesellschaftet und weniger im Wasser oder in der Atmosphäre zu finden. Im Ökosystem der Erde sind sie aufgrund geothermischer Prozesse weit verbreitet, d. h., es gibt auch für den Menschen eine natürliche Belastung im Picogramm-Bereich (1 pg = 10–12 g), die als Folge der Industrialisierung stetig zugenommen hat.
Gefährlich wird es, wenn die Dioxine oder PCBs in größerer Konzentration in die Umwelt gelangen, sich über die Nahrungskette (z. B. im Tierfutter) punktuell anreichern und auf dem Wege über Fleisch oder Eier den Menschen erreichen. Heute weiß man, dass Dioxin (TCDD) u. a. Oberflächenrezeptoren besetzt, die mit dem Steroidhormon-Stoffwechsel des endokrinen Systems verbunden sind. Mögliche Folgen können Unfruchtbarkeit, fetale Fehlbildungen und Leberkrebs sein. Sichtbares Zeichen einer Dioxinvergiftung beim Menschen ist die schlecht heilende Chlorakne. Die Frage, welche Gefahr von einer Dioxin-Dauerbelastung unterhalb einer akut toxischen Konzentration ausgeht, ist ungeklärt.

Nucleophile Substitution

Allgemeines

Die nucleophile Substitution ist ein wichtiger Reaktionstyp bei der Umsetzung organischer Moleküle. Reaktionen dieses Typs sind in den vorhergehenden Kapiteln schon mehrfach aufgetaucht, z. B. bei der Bildung eines quartären Ammoniumsalzes aus einem tertiären Amin und Iodmethan ( Kap. 13.4.3).

Nucleophil

Abgangsgruppe

Hier verdrängt ein Nucleophil (blau markiert) mit seinem freien Elektronenpaar einen Substituenten (hier I) im Edukt. Das angegriffene C-Atom im Edukt ist positiv polarisiert, d. h. elektrophil (rot markiert). Die neue kovalente N−C-Bindung im Produkt entsteht aus dem freien Elektronenpaar des Nucleophils. Die C−I-Bindung im Edukt hingegen wird heterolytisch gespalten, d. h., die sog. Abgangsgruppe I nimmt ihr bindendes Elektronenpaar bei der Ablösung mit. Die Richtung des Elektronenangriffs und der Elektronenverschiebung wird durch gebogene Pfeile markiert. Die Pfeilspitze weist auf das Atom, das durch ein Elektronenpaar angegriffen wird bzw. ein Elektronenpaar aufnimmt. Diese Schreibweise verdeutlicht anschaulich einen Reaktionsablauf. In unserem Beispiel handelt es sich um eine nucleophile Substitution vom SN2-Typ ( Kap. 13.6.3).

Gekrümmte Pfeile in einem Reaktionsschema zeigen die Verschiebung von Elektronen an. Der Pfeil geht von einem elektronenreichen Zentrum aus und endet an dem Zentrum, das die Elektronen aufnimmt.

Wir verallgemeinern obige Reaktion nun und geben das Edukt als R3C–X vor (R = H und/oder Alkyl- bzw. Arylreste, X = Abgangsgruppe). Ist das Nucleophil ein Anion (Nu) und wird die Abgangsgruppe als Anion (X) abgespalten, dann sind Edukt wie Produkt ungeladen (Tab. 13/4).
Treten ungeladene Moleküle als Nucleophil auf, so sind dies in der Regel Dipolmoleküle, die ein Proton abspalten können (Nu–H). Verdrängt Nu–H die Abgangsgruppe als Anion (X) aus dem Edukt, dann ist das zunächst gebildete Zwischenprodukt ein Kation, das unter Abgabe eines Protons das ungeladene Produkt liefert (Tab. 13/5).
Die Bedeutung der nucleophilen Substitution liegt darin, dass verschiedene funktionelle Gruppen in ein Molekül eingeführt werden können. Aus den Tabellen 13/4 und 13/5 ergibt sich, mit welchen Reagenzien Produkte welcher Substanzklassen entstehen.

Eigenschaften der Reaktionspartner

Nucleophilie

Nucleophilie.
Was ein Nucleophil ist, wissen Sie jetzt. Was aber versteht man unter Nucleophilie? Der Ausdruck kennzeichnet die Bereitschaft eines Nucleophils, einen nucleophilen Angriff vorzunehmen. In dieser Bereitschaft unterscheiden sich einzelne Nucleophile z. T. erheblich. Die Unterschiede werden relativ gemessen, d. h., man beobachtet unter gleichbleibenden Versuchsbedingungen, welches Nucleophil im Vergleich mit anderen schneller oder langsamer reagiert. Die Reaktionsgeschwindigkeit spielt bei der Definition des Begriffs Nucleophilie eine Rolle, damit handelt es sich um eine kinetische Größe (Kap. 12).

Die Nucleophilie ist eine kinetische Größe. Sie beschreibt die Bereitschaft eines Nucleophils zu einem nucleophilen Angriff im Vergleich mit anderen Nucleophilen.

Die Nucleophilie eines Teilchens ist u. a. abhängig von seiner Ladung und Polarisierbarkeit. Je elektronenreicher und leichter polarisierbar eine Spezies, umso reaktiver ist sie als Nucleophil. Für negativ geladene Nucleophile ist in protischen (H-abgebenden) Lösungsmitteln der Solvatationseffekt groß, wodurch sich die Nucleophilie abschwächt. Für die Beispiele der Tabellen 13/4 und 13/5 ergibt sich folgende Reihenfolge, links steht jeweils das stärkste Nucleophil:
HS > I > RO > OHbzw.RNH2 > ROH > H2O

Basizität

Basizität.
Die Basizität ist eine thermodynamische Größe und beschreibt die Fähigkeit eines Teilchens, Protonen aufzunehmen ( Kap. 8). Hierfür ist wie bei der Nucleophilie ein freies Elektronenpaar erforderlich. Daraus folgt, dass jede Base auch ein Nucleophil ist (und umgekehrt). Nun gehen jedoch die Basizität und die Nucleophilie eines Teilchens keineswegs Hand in Hand. Es kann durchaus sein, dass beim Vergleich zweier Teilchen die schwächere Base das stärkere Nucleophil ist. Ein Beispiel dafür sind HS und OH. Umgekehrt kann bei einer starken Base die Nucleophilie durch sperrige Reste in der Umgebung des Atoms, von dem der nucleophile Angriff ausgeht, erniedrigt sein (z. B. im tert-Butoxid). Außerdem spielen die Solvatationseffekte eine große Rolle, d. h., das verwendete Lösungsmittel beeinflusst sowohl die Basizität als auch die Nucleophilie eines Teilchens.

Die Basizität ist eine thermodynamische Größe. Sie beschreibt die Bereitschaft eines Teilchens, Protonen aus der Umgebung aufzunehmen. Bei der Protonenübertragung stellt sich ein Gleichgewicht ein.

Abgangsgruppe

Abgangsgruppe.
Die Reaktionsgeschwindigkeit einer nucleophilen Substitution wird auch von der Abgangsgruppe beeinflusst. Sie verlässt das C-Atom mit ihrem Elektronenpaar umso leichter, je besser dieses bzw. eine resultierende negative Ladung stabilisiert werden kann. Gute Abgangsgruppen sind z. B. Halogenide (I, Br, Cl), Sulfate (ROSO3), Sulfonate (RSO3) oder Wasser. Eine schlechte Abgangsgruppe ist z. B. OH. Durch Protonierung lässt sich die Hydroxygruppe eines Alkanols in R–OH2 überführen, diese Gruppe kann dann als Wasser leichter abgespalten werden.

SN2-Reaktion

SN2-Reaktion

Übergangszustand

Bei einer SN2-Reaktion nähert sich das Nucleophil mit seinem freien Elektronenpaar dem sp3-C-Atom des Eduktes von der Rückseite her, d. h. der der Abgangsgruppe gegenüberliegenden Seite. Bei dieser Annäherung wird ein Übergangszustand (ÜZ) durchlaufen, bei dem Nucleophil und Abgangsgruppe gleichermaßen am C-Atom hängen. In dem Maße, wie die Abgangsgruppe mit ihrem Bindungselektronenpaar das C-Atom verlässt, entsteht die neue Atombindung.

Inversion

Die sp3-Orbitale am Edukt lassen sich mit einem Regenschirm vergleichen, der im Wind umklappt. Es liegt am Ende wieder die Tetraedergeometrie eines sp3-C-Atoms vor. Setzt man als Edukt eine chirale Verbindung ein ( Kap. 18), so bleibt die optische Aktivität im Produkt zwar erhalten, es erfolgt jedoch durch den Rückseitenangriff eine Umkehr der Konfiguration (Inversion, Walden-Umkehr).
Das Energiediagramm macht deutlich, dass bei dieser Reaktion keine stabile Zwischenstufe entsteht (Abb. 13/1 A). Die Reaktion ist 2. Ordnung, d. h., ihre Reaktionsgeschwindigkeit hängt sowohl von der Konzentration des Eduktes als auch der des Nucleophils ab ( Kap. 12.2). Der ganze Prozess läuft in einem Schritt (konzertiert) unter Beteiligung zweier Teilchen ab. Man spricht von einer bimolekularen nucleophilen Substitution (SN2-Reaktion). S steht für Substitution, N für nucleophil und 2 für bimolekular.

SN1-Reaktion

Zwischenstufe

Unimolekulare nucleophile Substitutionen (SN1-Reaktionen) verlaufen zweistufig. Im ersten (langsamen) Schritt wird die C–X-Bindung heterolytisch gespalten, die Abgangsgruppe X verlässt das sp3-C-Atom unter Mitnahme der Bindungselektronen. Zurück bleibt ein Carbenium-Ion als kurzlebige Zwischenstufe (Intermediat), sein C-Atom ist wegen der Dreibindigkeit sp2-hybridisiert, d. h. trigonal. Die Elektronenlücke des Carbenium-Ions wird im erheblich schneller verlaufenden zweiten Reaktionsschritt aufgefüllt, indem es sich mit dem in der Lösung gleichzeitig vorhandenen Nucleophil zum Substitutionsprodukt R3C–Nu verbindet. Das Nucleophil greift das Edukt also nicht aktiv an. Erst wenn das Carbenium-Ion vorliegt, kommt das Nucleophil zum Einsatz und fängt das Carbenium-Ion zum Substitutionsprodukt ab.

SN1-Reaktion

Das Energiediagramm dieser Reaktion macht deutlich, dass die Zwischenstufe real existiert (Abb. 13/1 B). Sie kann z. B. spektroskopisch oder über andere Abfangreaktionen nachgewiesen werden. Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt bei SN1-Reaktionen ist die anfängliche Bildung des Carbenium-Ions, alles andere hat auf die Geschwindigkeit keinen Einfluss mehr. Damit läuft die SN1-Reaktion nach 1. Ordnung ab und sie ist unimolekular ( Kap. 12.2), weil nur ein Teilchen am geschwindigkeitsbestimmenden Elementarprozess beteiligt ist.

Racemisierung

Das C-Atom im Carbenium-Ion ist sp2-hybridisiert. Die Bindungsorbitale für die drei Substituenten liegen in einer Ebene. Das unbesetzte p-Orbital steht senkrecht auf dieser Ebene und ist nach oben und unten ausgerichtet. Der Angriff des Nucleophils kann deshalb von beiden Seiten des trigonalen Carbenium-Ions erfolgen. Wenn das sp3-C-Atom im Edukt chiral war, führt eine SN1-Reaktion zu einer Racemisierung an diesem C-Atom ( Kap. 18).

Vergleich der SN1- und SN2-Reaktion

Ob eine nucleophile Substitution nach SN2 oder SN1 abläuft, hängt u. a. auch von der Struktur des Eduktes und vom Lösungsmittel ab (Tab. 13/6).
SN2-Reaktionen laufen bevorzugt bei Verbindungen ab, die am elektrophilen C-Atom noch mindestens ein H-Atom tragen. Dies sind Methylverbindungen (CH3X), primäre (RCH2X) und sekundäre (R2CHX) Edukte. Diese Strukturvorgabe folgt aus dem mechanistisch notwendigen Rückseitenangriff des Nucleophils, der Platz am sp3-C-Atom des Eduktes erfordert. Je höher substituiert dieses ist, desto weniger Platz ist für das Nucleophil vorhanden. Durch die räumliche Ausdehnung der Substituenten kommt es zu einer sterischen Hinderung.
Dagegen reagieren die höher substituierten tertiären (R3CX) und z. T. auch die sekundären Edukte (R2CHX) bevorzugt nach SN1. Dies liegt in der Stabilität des jeweiligen Carbenium-Ions begründet. Je höher substituiert das Carbenium-Ion ist, umso stabiler ist es aufgrund der + I-Effekte der Alkylsubstituenten ( Kap. 11.5.3).
Polare, protische (H-abgebende) Lösungsmittel wie z. B. Methanol oder Wasser begünstigen eine SN1-Reaktion, weil sie die Ionen der Zwischenstufe besser solvatisieren können. Polare, aprotische Lösungsmittel wie z. B. Aceton, Acetonitril (H3C–CN) oder Dimethylsulfoxid (H3C–SO–CH3) begünstigen dagegen SN2-Reaktionen, weil sie die Nucleophilie des angreifenden Teilchens nicht durch starke Solvatation erniedrigen. Bei sekundären Edukten kann man den Verlauf nach SN2 oder SN1 zuweilen allein über das Lösungsmittel steuern.

Checkliste

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

nucleophile Substitution – Nucleophil – Nucleophilie – Abgangsgruppe – SN2-Reaktion – Übergangszustand – Carbenium-Ion – SN1-Reaktion – Zwischenstufe.

Aufgaben

  • 1.

    Formulieren Sie die Umsetzung von Natrium-ethoxid (Natriumethanolat) mit Iodethan! Wie heißt das Reaktionsprodukt? Welches ist hier das Nucleophil, welches die Abgangsgruppe?

  • 2.

    Wie könnte man experimentell feststellen, ob eine nucleophile Substitution nach SN2 oder SN1 abläuft?

  • 3.

    Welche Produkte entstehen bei der erschöpfenden Methylierung von Ammoniak mit Iodmethan?

  • 4.

    Welches der beiden Halogenalkane wird mit OH bevorzugt nach SN1 reagieren? Welches Lösungsmittel würden Sie nehmen? Wie heißt das Reaktionsprodukt?

  • 5.

    Nucleophile sind auch Basen. Warum erlaubt die Basizität eines Nucleophils keine zuverlässige Aussage über dessen Nucleophilie?

  • 6.

    Nennen Sie zwei protische und zwei aprotische Lösungsmittel!

  • 7.

    Wie unterscheiden sich SN1- und SN2-Reaktion in der Stereokontrolle am sp3-C-Atom des Eduktes? (Lesen Sie dazu vorher Kap. 18.)

Eliminierungen

Allgemeines

Der Reaktionstyp, der jetzt besprochen wird, ist auch schon erwähnt worden. Die sog. Eliminierung kann man als Umkehrreaktion der Addition eines Moleküls X–Y an ein Alken auffassen ( Kap. 11.5.3). Durch Austritt der beiden Teilchen X und Y von benachbarten C-Atomen aus einem Molekül entstehen Alkene. Man spricht in diesem Fall von einer 1,2-Eliminierung oder β-Eliminierung.

Dehydrohalogenierung

Dehydratisierung

Bei vielen Eliminierungen wird aus einem Halogenalkan Halogenwasserstoff (HX) abgespalten, man spricht von einer Dehydratisierung bezeichnet. Die Dehydratisierung haben wir in Kapitel 13.1.2 schon kennen gelernt, auch die Tatsache, dass die OH-Gruppe des Alkanols protoniert werden muss, damit sie als Wasser abspaltbar wird.
Wie bei der nucleophilen Substitution unterscheidet man auch bei der Eliminierung zwei verschiedene Mechanismen, je nachdem ob die beiden Bindungen an den benachbarten C-Atomen gleichzeitig (E2-Reaktion) oder nacheinander gespalten werden (E1-Reaktion).

E2-Reaktionen

E2-Reaktion

Der E 2-Reaktion liegt ein bimolekularer Mechanismus zu Grunde (E steht für Eliminierung, 2 für bimolekular). Es laufen folgende, durch Pfeile markierte Elektronenpaarverschiebungen gleichzeitig (konzertiert) ab: Abspaltung eines Protons durch die Base (B), Veränderung der Hybridisierung der benachbarten C-Atome von sp3 zu sp2 und Bildung der Doppelbindung, Spaltung der C–X-Bindung unter Bildung von X. Im Übergangszustand sind alle beteiligten Bindungen schon gelockert bzw. vorgeprägt. Die Reaktion ist einstufig. Das Proton wird bevorzugt in anti-Stellung zur Abgangsgruppe X abgespalten ( Kap. 11.2.4), da hier die Überlappung der beiden entstehenden p-Orbitale, die zur Bildung der π-Bindung führt, am größten ist.
Verfügt ein Edukt links und rechts vom C-Atom, das die Abgangsgruppe X trägt, über β-H-Atome, dann kann die Eliminierung in die eine oder andere Richtung erfolgen. Oft verlaufen derartige Reaktionen regioselektiv, d. h., es wird bevorzugt das höher substituierte Alken gebildet (Regel von Saytzev). Ist die verwendete Base sterisch sehr sperrig gebaut (z. B. tert-Butoxid), kann sich die Richtung der Eliminierung auch umdrehen, weil die Base an ein H-Atom der Methylgruppe leichter herankommt.
Viele Nucleophile sind Basen und umgekehrt ( Kap. 13.6.2). Diese Dualität führt dazu, dass die E2-Reaktion mit einer SN2-Reaktion am X-tragenden sp3-C-Atom oft in Konkurrenz steht. Basizität bzw. Nucleophilie der Teilchen und Strukturvorgaben bei den Edukten bestimmen den Reaktionsablauf.

E1-Reaktionen

E1-Reaktion

Die unimolekulare Eliminierung (E1-Reaktion) ist ein zweistufiger Prozess. Im geschwindigkeitsbestimmenden ersten Schritt verlässt die Abgangsgruppe X unter Mitnahme des bindenden Elektronenpaares das sp3-C-Atom. Neben X bildet sich als Zwischenstufe ein Carbenium-Ion mit einem sp2-C-Atom, der Prozess bis hierhin entspricht einer Dissoziation. Durch Abspaltung eines Protons von einem der benachbarten C-Atome entsteht das Alken.
Bis zur Stufe des Carbenium-Ions entspricht der Verlauf der E1-Reaktion dem der SN1-Reaktion. Von dieser Zwischenstufe ausgehend, stehen die rasch ablaufenden Folgereaktionen in Konkurrenz zueinander. Je nach Basizität bzw. Nucleophilie des angreifenden Teilchens erfolgt entweder die Deprotonierung eines β-H-Atoms zum Alken (E1-Produkt) oder der nucleophile Angriff am positiv geladenen C-Atom zum Substitutionsprodukt (SN1-Produkt). Dies wird am Beispiel von tert-Butylbromid (2-Brom-2-methylpropan) erläutert, das mit OH als Base bzw. Nucleophil reagiert.

Worauf es ankommt

Die Kunst der Chemiker besteht darin, für Reaktionen, die in verschiedene Richtungen und nach unterschiedlichen Mechanismen ablaufen können, die Bedingungen so auszuarbeiten, dass eine vorhersagbare Reaktionslenkung möglich wird. Eine chemische Synthese entspricht erst dann den Anforderungen, wenn nur das gewünschte Produkt in möglichst hoher Ausbeute entsteht. Dies bedeutet, dass neben einem spezifischen Reaktionsablauf auch die Regio- und Stereoselektivität (Kap. 18) gewährleistet sein müssen. Die Herstellung von Produktgemischen erfordert im Nachhinein deren Trennung in die Einzelkomponenten, was zeitraubend und teuer ist.

Checkliste

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

Eliminierung – Base – Abgangsgruppe – E2-Reaktion – E1-Reaktion – Carbenium-Ion – Stabilität von Alkenen – Übergangszustand – Zwischenstufe – Konkurrenzreaktion.

Aufgaben

  • 1.

    Formulieren die die β-Eliminierung von Bromethan mit NaOH! Welche Konkurrenzreaktion ist möglich?

  • 2.

    Wenn Sie Ethanol mit Säure behandeln, welche Produkte können sich bilden?

  • 3.

    Formulieren Sie die Reaktion von 2-Brom-2-methylpropan in Methanol. Welche Produkte können entstehen und nach welchem Mechanismus wurden sie jeweils gebildet?

  • 4.

    Sie möchten das Produktverhältnis obiger Reaktion zugunsten des Eliminierungsproduktes verschieben. Wie würden Sie das machen?

  • 5.

    Wenn Sie 1-Methyl-cyclohexan-1-ol mit Schwefelsäure dehydratisieren, welche beiden Produkte sind möglich und welches wird bevorzugt entstehen?

  • 6.

    Warum können Edukte mit einem tertiären C-Atom im Edukt eine E2-Reaktion eingehen, obwohl eine SN2-Reaktion hier nicht möglich ist?

  • 7.

    Die Unterschiede von SN1- und SN2-Reaktionen sind in Tabelle 13/6 vergleichend zusammengestellt. Versuchen Sie eine ähnliche Tabelle für E1- und E2-Reaktionen zu entwerfen!

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