Quelle: manuelkrug

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Auch dem süßesten Ferkel wird es wohl selten erspart bleiben …

Quelle: manuelkrug.com Quelle: marions-kochbuch.de

… eines Tages als Nahrungsquelle zu dienen.

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Dazwischen liegt die Streßsituation des Viehtransports zum Schlachthof.

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Wie reagiert der Körper, rein physiologisch gesehen, auf solche Streßsituationen?

HO

HOHN

CH3

OH

Adrenalin

Adrenalin erhöht die Herzfrequenz und den Blutdruck und sorgt für eine umgehende Bereitstellung von Energiereserven, die eventuell rasch benötigt werden, um einer lebensbedrohlichen Situation so rasch als möglich zu entfliehen.

Der Abbau von Fetten als Hauptenergieträger wird beschleunigt.

Glucose wird freigesetzt und für die Biosynthese von Glucose („Gluconeogenese“) aus einfacheren Bausteinen mit jeweils drei C-Atomen gesorgt.

Der Körper setzt in Streßsituationen Adrenalin frei.

HO

HOHN

CH3

OH

Adrenalin

Adrenalin vereinigt in seinem Molekül die funktionellen Gruppen eines Phenols, eines sekundären Alkohols und eines sekundären Amins.

Achtung:

Ein Alkohol ist sekundär, wenn das C-Atom, das die OH-Gruppe trägt, mit zwei weiteren C-Atomen verbunden ist.

Ein Amin ist sekundär, wenn das N-Atom (!) der Aminogruppe mit zwei C-Atomen von Alkylresten verbunden ist.

HO

HOHN

CH3

OH

AdrenalinNoradrenalin

HO

HONH2

OH

Tritt eine Streßsituation ein, so wird Adrenalin aus seinem nicht-methylierten Vorläufer Noradrenalin synthetisiert.

Im Noradrenalin fehlt die Methylgruppe am N-Atom.

Hier liegt also die funktionelle Gruppe eines primären Amins vor.

Die Vorsilbe „Nor-“ bedeutet demnach: „besitzt eine Methylgruppe –CH3 oder eine Methylengruppe –CH2– weniger“

HO

HOHN

CH3

OH


HO

HONH2

OH

Der biosynthetische Ursprung von Adrenalin und Noradrenalin ist die aromatische Aminosäure L-Tyrosin.

HONH2

O

OH

L-Tyrosin

HO

HOHN

CH3

OH


HO

HONH2

OH

S-Adenosylmethionin („SAM“)

N

N

O

OH OH

N

N

NH2

S

NH2

O

HO

CH3

Die zur Methylierung des Noradrenalins notwendige Methylgruppe wird von einer Verbindung namens S-Adenosylmethionin bereitgestellt.

HO

HOHN

CH3

OH


HO

HONH2

OH


N

N

O

OH OH

N

N

NH2

S

NH2

O

HO

CH3

Das „S“ im Namen steht für den Schwefel, …

HO

HOHN

CH3

OH


HO

HONH2

OH


N

N

O

OH OH

N

N

NH2

S

NH2

O

HO

CH3

… der Teil „Aden“ leitet sich vom Hetero-aromaten Adenin ab, einem Baustein der DNA und RNA, …

HO

HOHN

CH3

OH


HO

HONH2

OH


N

N

O

OH OH

N

N

NH2

S

NH2

O

HO

CH3

… der Teil „osyl“ weist auf die Aldopentose (= Zucker mit fünf C-Atomen und einer Aldehyd-gruppe) D-Ribose hin, der hier in seiner Fünfring-form als Baustein vorliegt, …

HO

HOHN

CH3

OH


HO

HONH2

OH


N

N

O

OH OH

N

N

NH2

S

NH2

O

HO

CH3

… und Methionin ist der Name einer der beiden natürlich vorkommenden a-Aminosäuren, die ein Schwefelatom enthalten (die andere ist L-Cystein).

HO

HOHN

CH3

OH


HO

HONH2

OH


N

N

O

OH OH

N

N

NH2

S

NH2

O

HO

CH3

Zurück zur Übertragung der Methylgruppe vom S-Adenosylmethionin auf Noradrenalin …

HO

HOHN

CH3

OH


HO

HONH2

OH


Nucleophile Substitution: SN2-Reaktion

N

N

O

OH OH

N

N

NH2

S

NH2

O

HO

CH3

Das N-Atom des Noradrenalins greift mit seinem freien Elektronenpaar nucleophil am C-Atom jener Methylgruppe an.

Gleichzeitig wird das Bindungselektronenpaar zwischen C und S zum S-Atom hin verschoben.

N

N

O

OH OH

N

N

NH2

S

NH2

O

HO

S-Adenosylhomocystein

HO

HOHN

CH3

OH

Adrenalin


Hier findet also ein Austausch eines Atoms bzw. einer Atomgruppe statt.

„Austauschen“ heißt im Lateinischen: „substituere“.

Ein H-Atom der NH2-Gruppe des Noradrenalins wird durch eine Methylgruppe substituiert.

N

N

O

OH OH

N

N

NH2

S

NH2

O

HO

S-Adenosylhomocystein

HO

HOHN

CH3

OH

Adrenalin


Da der entscheidende Angriff von einem Nucleophil ausging (hier: der NH2-Gruppe eines primären Amins), spricht man von einer Nucleophilen Substitution.

Der Bindungsbruch zwischen dem C- und dem S-Atom vollzieht sich nicht von alleine innerhalb eines einzigen Moleküls, sondern erst in dem Augenblick, in welchem ein zweites Molekül (hier: das Noradrenalin) angreift.

Diese Art der Nucleophilen Substitution wird daher als SN2-Reaktion bezeichnet.

Betrachten wird eine solche SN2-Reaktion im Detail an einem etwas einfacheren Beispiel.

Die Edukte der SN2-Reaktion in unserem Beispiel sind 1-Bromhexan und Kalilauge, also eine wässrige (bzw. in diesem Fall methanolische) Lösung von Kaliumhydroxid.

K O H

Kaliumhydroxid

Br

1-Bromhexan(Skelettschreibweise)


Da 1-Bromhexan als Halogenkohlenwasserstoff keine Wasserstoffbrücken ausbilden kann, ist die Verbindung sehr schlecht wasserlöslich.

Daher wird zum Auflösen des Kaliumhydroxids in diesem Fall nicht Wasser, sondern Methanol verwendet.

K O H

Kaliumhydroxid

Br

1-Bromhexan(Skelettschreibweise)


Um die Theorie der Nucleophilen Substitution verstehen zu können, müssen wir uns mit dem Begriff der Elektronegativität befassen.

Die Elektronegativität ist das Maß dafür, inwieweit in einer kovalenten Bindung zwischen zwei unterschied-lichen Atomen (z.B. C und Br im hier vorliegenden Fall) das Bindungselektronenpaar näher von einem der Bindungspartner angezogen und in dessen Richtung verschoben wird.

Br EN (Br) = 2,96

EN (C) = 2,55


Der physikalische Hintergrund für eine unterschiedlich starke Anziehung der Bindungselektronen ist zum einen die unterschiedliche Anzahl an Protonen im Kern eines Atoms (die mit der Dichte an positiver Ladung im Kern korreliert) und zum zweiten der Abstand zwischen Kern und den sogenannten Valenzelektronen (= den Elektronen der äußersten Schale, welche für chemische Bindungen herangezogen werden).

Br EN (Br) = 2,96

EN (C) = 2,55


Der Abstand wird in der Hauptsache durch die Anzahl der sogenannten Schalen in der Elektronenhülle festgelegt.

So hat der Wasserstoff sein einziges Valenzelektronen logischerweise in einem Orbital der 1. Schale (daher 1s-Orbital genannt), beim Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Fluor befinden sich die Orbitale der Valenzelektronen in der 2. Schale, beim Phosphor, Schwefel und Chlor in der 3. Schale, beim Brom in der 4. Schale (also bereits sehr weit entfernt vom Kern) und beim Iod gar in der 5. Schale (noch weiter entfernt vom Kern).

Br EN (Br) = 2,96

EN (C) = 2,55


Br

Diese teilweise Verschiebung von Elektronendichte und die damit einhergehende Polarisierung kann z.B. durch den griechischen Buchstaben und das hochgestellte entsprechende Ladungssymbol + bzw. ― an den entsprechenden Atomen verdeutlicht werden.


Eine Alternative dazu ist die Verwendung eines durchgezogenen Keils.

Dieser wird in anderen Fällen allerdings auch zur Wiedergabe von Bindungen eingesetzt, die aus der Ebene heraus dem Betrachter entgegenragen (siehe Kapitel über Stereochemie in der Vorlesung bzw. Lehrbüchern der Organischen Chemie).

Br


Der Begriff „Substitution“ bedeutet, wie bereits erwähnt, „Ersatz“ bzw. „Austausch“.

Ein Atom oder eine funktionelle Gruppe werden ersetzt und verlassen im Verlauf der Reaktion den Molekülverband.

Das beste „Abgangsatom“ in unserem Molekül ist das Brom, das anschließend als einfach negativ geladenes (und sehr stabiles) Bromid-Ion in der Lösung vorliegt.

Der Abgang des Broms unter Mitnahme des Bindungselektronenpaars wird durch einen gekrümmt gezeichneten Pfeil symbolisiert, einen sog. Elektronenpaarverschiebungspfeil.

Br


Allerdings kann das Bromid-Ion, so stabil es selbst auch sein mag, das Molekül nicht so ohne weiteres verlassen.

Das positiv geladene Carbenium-Ion, welches bei diesem Schritt gleichzeitig entstehen würde, ist nämlich extrem instabil, weil es ein sogenanntes primäres Carbenium-Ion darstellt.

Br Br

primäres Carbeniumion (extrem instabil)

Bromid-Ion

+

1-Bromhexan


Um verstehen zu können, warum ein primäres Carbenium-Ion sehr instabil ist, zeichnen wir in dessen Struktur der besseren Übersicht wegen sämtliche Substituenten an dem C-Atom ein, welches die positive Ladung trägt (in diesem Fall also zusätzlich noch die beiden H-Atome).

H

H


Der Kohlenstoff als ein Element der IV. Hauptgruppe des Periodensystems bevorzugt es, in ungeladener Form vorzuliegen (im Gegensatz zu den Elementen der I. Hauptgruppe wie z.B. Na, das in der Natur ausschließlich als einfach positiv geladenes Ion Na+ vorliegt, oder den Elementen der VII. Hauptgruppe wie Cl, das wir in der Natur in Form von Chlorid-Ionen Cl– kennen).

H

H

Positiver Induktiver Effekt (+I-Effekt) einer Alkylgruppe


Ob der Kohlenstoff bereit ist, wenigstens für einen ganz kurzen Zeitraum die Bürde einer positiven oder einer negativen Ladung zu tragen, hängt zum überwiegenden Teil von der Bereitschaft seiner Nachbarn ab, einen Teil dieser Bürde mitzutragen.

H

H



Die Bürde einer positiven Ladung wird verringert, wenn die Nachbarn einen gewissen Anteil an Elektronendichte hin zum positiv geladenen C-Atom verschieben.

H

H



Zum besseren Verständnis dieses elektronischen Effekts soll die folgende Analogie aus dem realen Leben dienen:

Ein Fußballanhänger möchte mit seinem Nachbarn noch ein, zwei Bier in der Kneipe trinken, nachdem sein Lieblingsverein gerade ein wichtiges Spiel gewonnen hat.

Beim Blick in die Geldbörse stellt er fest, daß er noch über 23 Euro verfügt. Der Betrag reicht also locker.

H

H



Vor dem Weggang ins Wirtshaus erinnert ihn seine Tochter aber an das fällige Taschengeld in Höhe von 20 Euro!

H

H



Jetzt sitzt er in einer Klemme.

Trennt er sich von den 20 Euro, dann könnte das restliche Geld vielleicht nicht einmal mehr für ein Bier reichen.

Sein Nachbar könnte ihm vielleicht aus der Patsche helfen und ihm Geld leihen. Aber vielleicht ist der auch knapp bei Kasse?!

H

H



Unser Fan wird vernünftigerweise seine Tochter vertrösten und ihr sagen, daß sie das Taschengeld spätestens dann erhält, wenn die Mutter nach Hause kommt (die zu ihrer Freundin geflüchtet ist, weil sie mit Fußball nichts am Hut hat …), weil er ansonsten mit zuwenig Geld ins Wirtshaus geht und sich unsicher ist, ob der eine Nachbar ihm gegebenenfalls etwas leihen kann.

H

H



In einer vergleichbaren Situation ist das C-Atom Nr. 1 im 1-Bromhexan.

Es wird nicht zulassen, daß das Brom das Molekül mitsamt den Bindungselektronen (= dem Taschengeld) als Bromid-Ion verläßt, da es ansonsten mit einer klaffenden Elektronenlücke dasteht und ihm die elektronische Unterstützung durch nur einen einzigen Alkylrest einfach zuwenig ist.

H

H



H3C

CH3

CH3

Positiver Induktiver Effekt (+I-Effekt) von drei Alkylgruppen

Ganz anders sieht die Lage aus, wenn das positiv geladene C-Atom mit zwei oder, wie hier in der Abbildung gezeigt, gleich drei Alkylresten verbunden ist.

Im Fall zweier Alkylreste am positiv geladenen C-Atom spricht man von einem sekundären Carbenium-Ion, im Fall dreier Alkylgruppen von einem tertiären Carbenium-Ion.

H3C

CH3

CH3


Jede der Alkylgruppen übt einen stabilisierenden +I-Effekt aus.

Unter dieser Bedingung kann in einem geeigneten Lösungsmittel das Brom aus dem Molekülverband als Bromid-Ion austreten und ein einigermaßen stabiles tertiäres Carbenium-Ion zurücklassen.

Die Erklärung, warum Alkylreste einen elektronenschiebenden Effekt auf benachbarte C-Atome ausüben, würde uns in den Bereich der theoretischen Chemie bringen und daher hier zu weit führen.

Versuchen wir daher einfach, uns dieses Phänomen des +I-Effekts von Alkylgruppen wie z.B. –CH3 im Gedächtnis zu verankern.

H3C

CH3

CH3


Um beim vorhin gewählten anschaulichen Beispiel zu bleiben:

Sobald unser Fußballanhänger weiß, daß gleich drei seiner Kumpels anwesend sein werden, wird er seiner Tochter das Taschengeld geben und ein schlechtes Gewissen seinem Kind gegenüber vermeiden.

Er kann sich jetzt sicher sein, daß seine drei Nachbarn zusammen ihm genügend Geld leihen können, damit er seine Rechnung am Tresen bezahlen kann.

H3C

CH3

CH3


In diesem Fall liegt allerdings keine Analogie zu einer SN2-Reaktion vor, sondern zu einer SN1-Reaktion.

Bei der SN1-Reaktion vollzieht sich das Aufbrechen der Bindung (hier: zwischen C und Br) ohne das Eingreifen des nucleophilen Reaktionspartners, d.h. das Molekül schafft diesen Bindungsbruch alleine als einzelnes Molekül (daher: SN1).

Zurück aber zu unserer SN2-Reaktion und dem anschaulichen Vergleich:

Die Tochter quengelt und möchte unbedingt ihr Taschengeld, weil sie mit ihren Freundinnen ausgehen möchte.

Br Br

primäres Carbeniumion (extrem instabil)

Bromid-Ion

+

1-Bromhexan


Zum großen Glück rettet die gerade nach Hause zurückkehrende Ehefrau das Dilemma, denn sie hat noch drei 50-Euro-Scheine in der Geldbörse, von denen sie einen ihrem finanziell chronisch klammen Gatten ohnehin noch in die Hand drücken wollte.

Die rettende Ehefrau entspricht hier dem Hydroxid-Ion. Es kann eines seiner drei freien Elektronenpaare für eine neue Atombindung zur Verfügung stellen.

Dieses freie Elektronenpaar bewegt sich in Richtung des C-Atoms Nr. 1.

Br

1-Bromhexan

H O

Hydroxid-Ion


Gleichzeitig mit der Ausbildung der neuen Atombindung zwischen dem O- und dem C-Atom muß es zur Lockerung der Atombindung zwischen dem C- und dem Br-Atom kommen, damit die Vierbindigkeit des C-Atoms gewahrt bleibt.

Im Übergangszustand dieses Reaktionsschritts hat das C-Atom also drei volle Einfachbindungen (zu dem benachbarten C-Atom und zwei H-Atomen) sowie jeweils einer „halben“ Bindung zum O-Atom bzw. zum Br-Atom.

Damit bleibt die Vierbindigkeit des C-Atoms mathematisch gewahrt.

Die negative Ladung wird im Übergangszustand auf das O- und das Brom-Atom aufgeteilt (in der Abbildung ist jeweils eine halbe negative Ladung angegeben).

Br

1-Bromhexan

H O

Hydroxid-IonH H

O BrH

12

12

Übergangszustand der SN2-Reaktion


In unserem anschaulichen Vergleich würde der Übergangszustand der folgenden Situation entsprechen:

Die Ehefrau hat ihre Geldbörse in der Hand, zieht einen der 50-Euro-Scheine heraus und reicht ihn ihrem Mann (dies entspricht der gestrichelt gezeichneten „halben“ Bindung zwischen O und C).

Der Ehemann zieht gleichzeitig den 20-Euro-Schein aus seiner Geldbörse und reicht ihn seiner Tochter (dies entspricht der gestrichelt gezeichneten „halben“ Bindung zwischen C und Br).

Br

1-Bromhexan

H O

Hydroxid-IonH H

O BrH

12

12



Während sich im weiteren Verlauf dieses Reaktionsschritts die Atombindung zwischen O und C voll ausbildet, bricht die bisherige Bindung zwischen C und Br vollends auf.

Zurück zur Analogie:

Der Ehemann hat den neuen Geldschein in seine Geldbörse gesteckt (diese Situation entspricht der Bildung von 1-Hexanol) und die Tochter ihren neuen Geldschein in ihre Handtasche (was dem abgehenden Bromid-Ion entspricht).

Br

1-Bromhexan

H O

Hydroxid-IonH H

O BrH

12

12


O

1-Hexanol

H

Br

Bromid-Ion

+


Betrachten wir nunmehr eine typische SN1-Reaktion:

Die Reaktanden der SN1-Reaktion in unserem einfachen Beispiel sind tert-Butanol (= 2-Methyl-2-propanol) und konzentrierte Salzsäure (= eine konzentrierte wässrige Lösung von Chlorwasserstoff mit 37% Gewichts-anteil von HCl in der Lösung).

O

tert-Butanol

H Cl

Salzsäure

H


Nach dem Abgang eines Hydroxid-Ions aus dem Molekül würde in diesem Fall ein relativ stabiles tertiäres Carbenium-Ion entstehen.

Die Hintergründe für dessen relative Stabilität wurden bereits auf vorhergehenden Folien ausführlich besprochen:

Die positive Ladung am zentralen C-Atom wird durch die +I-Effekte von drei Alkylgruppen (in diesem Fall drei Methylgruppen) zumindest teilweise ausgeglichen und das Carbenium-Ion dadurch stabilisiert.

O O

tertiäres Carbeniumion (relativ stabil)

Hydroxid-Ion(schlechte Abgangsgruppe)

+

tert-Butanol

H H


Das Problem in dem hier abgebildeten (nicht stattfindenden) Reaktionsschritt ist jedoch der Umstand, daß das Hydroxid-Ion eine sehr schlechte Abgangsgruppe ist.

O O

tertiäres Carbeniumion (relativ stabil)

Hydroxid-Ion(schlechte Abgangsgruppe)

+

tert-Butanol

H H


Die deutlich bessere Abgangsgruppe Wasser entsteht durch (reversible) Protonierung der OH-Gruppe durch Zugabe der konzentrierten Salzsäure.

Eines der freien Elektronenpaare des O-Atoms bewegt sich dabei hin zu einem Proton, das von der Salzsäure bereitgestellt wird.

O HO H

HH

Protonierung der OH-Gruppe


Nach dem Abgang des Wassermoleküls (unter Mitnahme des Bindungselektronenpaars) entsteht das Trimethyl-carbenium-Ion als relativ stabiles Zwischenprodukt.

Zu beachten ist in diesem Fall der Unterschied zwischen einem Zwischenprodukt, das sich im Energieprofil einer Reaktion in einem relativen Energieminimum befindet und unter bestimmten Umständen manchmal sogar aus der Reaktionsmischung isolierbar ist, und einem Übergangszustand.

Ein Übergangszustand befindet sich stets auf einem Maximalpunkt des Energieprofils einer Reaktion und ist somit unter keinen Umständen isolierbar.

O H

H

protoniertes tert-Butanol

O H

H Trimethylcarbenium-Ion(ein tertiäres Carbenium-Ion)

Wasser(sehr gute Abgangsgruppe)

+


Im abschließenden Reaktionsschritt greift das mäßig nucleophile Chlorid-Ion am elektrophilen Zentrum des tertiären Carbenium-Ions an.

Das angreifende freie Elektronenpaar des Chlorid-Ions wird zum neuen Bindungselektronenpaar zwischen dem Chlor-Atom und dem ursprünglich positiv geladenen C-Atom.

Als Produkt der Reaktion wird 2-Chlor-2-methylpropan (= tert-Butylchlorid) gebildet.

Trimethylcarbenium-Ion

ClCl

Chlorid-Ion 2-Chlor-2-methylpropan (tert-Butylchlorid)


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