Quelle: planet-wissen.de

1. Quelle: primolo.de Quelle: planet-wissen.de Nicht jede Form der Ernährung ist so kohlenhydratreich wie unsere. Die Jagdbeute der Inuit versorgt diese vor allem mit Fett und Proteinen. Die (tierischen) Kohlenhydrate finden sich vor allem im Glykogen, welches in der Leber gespeichert wird.

2. Quelle: neuro-programmer.de Aber: Das Gehirn mußständig mit dem Kohlenhydrat Traubenzucker als Energieträger versorgt werden. Unter Umständen muß der Körper also zu einer Lösung greifen, um bei Kohlenhydratmangel die D-Glucose selbst herzustellen, und zwar über den Weg der Verknüpfung zweier C-3-Bausteine zur C-6-Kette der Aldohexose D-Glucose.

3. Diese und die folgenden beiden Folien wurden bereits im Tutorium zum Thema „Alkoholische Gärung“ präsentiert. Dort wurde gezeigt, wie eine C-6-Kohlenstoffkette in zwei C-3-Bruchstücke aufgespalten wird. Oxonium-Ion 3 4 Der kürzere Elektronenverschiebungspfeil links oben zwischen den C-Atomen Nr. 3 und Nr. 4 zeigt uns, daß die Kette der C-Atome in der Mitte aufgebrochen wird, wobei zwei kleinere Bruchstücke mit jeweils drei C-Atomen entstehen.

4. Die Folien sollen als Einstieg zur Betrachtung der Aldoladdition dienen, einer Reaktion, in welcher der genau umgekehrte Fall eintritt: Zwei Kohlenstoffketten werden zu einer entsprechend größeren Kette miteinander verknüpft. Oxonium-Ion 3 4 Der kürzere Elektronenverschiebungspfeil links oben zwischen den C-Atomen Nr. 3 und Nr. 4 zeigt uns, daß die Kette der C-Atome in der Mitte aufgebrochen wird, wobei zwei kleinere Bruchstücke mit jeweils drei C-Atomen entstehen.

5. Alkoholische Gärung Diese Folie zeigte in der Datei „Alkoholische Gärung“ den Bindungsbruch zwischen C-3 und C-4. Oxonium-Ion Die Abbildung zeigt uns das Ergebnis jener Elektronenpaar-Verschiebungen. Interessant ist, daß wir im oberen Molekül ein C-Atom vorfinden, das eine negative Ladung trägt! Eine solche Spezies wird als Carbanion bezeichnet. Ein solches Carbanion kann nur unter ganz besonderen Bedingungen gebildet werden!

6. Aldoladdition Oxonium-Ion Die beiden C-3-Bausteine der vorhergehenden Folie werden nunmehr vereinfacht, indem die Hydroxy- und die Phosphatgruppen weggelassen werden.

7. Aldoladdition Oxonium-Ion Carbonylgruppeeines Ketons Carbonylgruppeeines Aldehyds Als funktionelle Gruppen bleiben nur noch die jeweiligen Carbonylgruppen in den Molekülen (oben: Keton; unten: Aldehyd).

8. Aldoladdition a-C-Atom a-C-Atom (bereits deprotoniert) Oxonium-Ion a-C-Atom In dieser Abbildung sind die drei sogenannten a-C-Atome speziell gekennzeichnet, welche in der von uns betrachteten Reaktion vorliegen. Eines davon, nämlich das in der Abbildung am weitesten unten stehende der beiden a-C-Atome des Ketons (also das in der Bezeichnung grün unterlegte in der oberen Struktur), ist in dieser Abbildung bereits deprotoniert und trägt eine negative Ladung. Wir müssen allerdings bedenken, daß im vorliegenden schwach sauren Milieu ein solches Carbanion sofort ein Proton aufnehmen würde!

9. Aldoladdition Wasser Gehen wir nun einen Schritt zurück, um diese Deprotonierung an einem a-C-Atom näher zu betrachten, und fügen das besagte H-Atom hinzu, so daß ein ungeladenes Aceton-Molekül vorliegt. Wichtig ist, daß wir für die Deprotonierung den pH-Wert der Lösung erhöhen, das Milieu also alkalisch machen. Denn: Für die Abspaltung eines Protons benötigen wir stets eine geeignete Base (also einen Protonenakzeptor). Bei der Erhöhung des pH-Werts wird den Oxonium-Ionen H3O+ jeweils ein Proton entrissen; sie werden zunächst zu Wasser deprotoniert, …

10. Aldoladdition Hydroxid-Ion … und eines der Wasser-Moleküle wird sogar noch einmal deprotoniert, so daß ein Hydroxid-Ion vorliegt, also eine relativ starke Base.

11. Aldoladdition Hydroxid-Ion Die Base OH– nimmt ein Proton vom a-C-Atom auf (siehe Abbildung; größerer Elektronenpaarverschiebungspfeil). Das dabei frei werdende Bindungselektronenpaar (welches das H-Atom mit dem a-C-Atom verknüpft hatte) wird zwischen das a-C-Atom und das Carbonyl-C-Atom verschoben und bildet dort die p-Elektronen einer C=C-Doppelbindung aus (mittlerer Pfeil). Gleichzeitigmuß das p-Elektronenpaar der C=O-Doppelbindung hin zum O-Atom verschoben werden (oberer Pfeil), damit das C-Atom vierbindig bleibt.

12. Aldoladdition Enolat-Ion Wasser Das Ergebnis dieser Kaskade von Elektronenpaarverschiebungen wären ein sogenanntes Enolat-Ion und ein Wasser-Molekül.

13. Aldoladdition Carb-Anion Die Alternative zur Formulierung des Produkts jener Deprotonierung als Enolat-Ion erhalten wir, wenn wir das Bindungselektronenpaar am a-C-Atom belassen (ein Orbital darf ja maximal zwei Elektronen unterbringen; insofern wäre dies kein Problem). Wir sprechen in diesem Fall von einem Carb-Anion (also einer Spezies mit einer negativen Ladung an einem C-Atom).

14. Aldoladdition Beide Varianten sind völlig gleichberechtigt zulässig! Sie geben, auch wenn dies auf den ersten Blick nicht so erscheinen mag, beide die gleiche Spezies wieder, denn: Die negative Ladung ist nicht an einem der betreffenden Atome fest verankert, also nicht lokalisiert.

15. Aldoladdition Sie ist vielmehr über den mit den beiden Rechtecken gekennzeichneten Bereich delokalisiert! Dieser Umstand stabilisiert das Anion!

16. Aldoladdition Wir sprechen in einem solchen Fall von mesomeren Grenzformen. Diese werden mit einem ganz speziellen Symbol, dem sogenannten Mesomeriepfeil, miteinander verknüpft.

17. Aldoladdition Mesomere Grenzformen setzt man in der Regel in eckige Klammern (dies soll symbolisieren, daß sie in Wirklichkeit niemals so wie hier dargestellt getrennt existieren, sondern nur Hilfskonstrukte sind, die die einzig vorkommende reale Spezies beschreiben sollen). Wir haben freilich auch die zeitlich anspruchsvolle Alternative, diesen tatsächlich existierenden realen Zustand so wiederzugeben, wie ihn die gelb unterlegte Abbildung rechts zeigt.

18. Aldoladdition Etwas zeitsparender und somit einfacher ist es, wenn wir uns für eine der hier grün unterlegten mesomeren Grenzformen entscheiden.

19. Aldoladdition Zur Wiedergabe des nun folgenden nucleophilen Angriffs wählen wir die mesomere Grenzform, die als Carb-Anion dargestellt ist (wir könnten aber auch das Enolat-Ion wählen, wie die folgende Folie zeigen wird). Daß sich gleichzeitig mit dem nucleophilen Angriff auch das p-Elektronenpaar der C=O-Gruppe des Aldehyds bewegen muß, dürfte einleuchtend sein (Stichwort: Vierbindigkeit des Kohlenstoffs).

20. Aldoladdition Wählen wir für die Wiedergabe des nucleophilen Angriffs auf die Aldehydgruppe die als Enolat-Ion dargestellte Grenzform, so benötigen wir einen zusätzlichen Elektronenpaarverschiebungspfeil. Dies ist in diesem Fall der kurze Pfeil oben rechts, der eines der freien Elektronenpaare am negativ geladenen O-Atom zwischen das O- und das C-Atom verschiebt, wo es zum p-Elektronenpaar der sich erneut ausbildenden C=O-Doppelbindung wird).

21. Aldoladdition Das Ergebnis jener Kaskaden von Elektronenpaarverschiebungen ist die Verknüpfung zweier C-3-Bausteine zu einem C-6-Baustein! Dies entspricht der Umkehr-Reaktion der Aufspaltung der zweifach phosphorylierten Fructose (siehe „Alkoholische Gärung“). Diese Umkehr-Reaktion ist der entscheidende Schritt eim körpereigenen Aufbau von Traubenzucker aus einfacheren C-3-Bausteinen, die wir z.B. beim Abbau von Fetten aus dem freigesetzten dreiwertigen Alkohol Glycerin erhalten.

22. Aldoladdition Der Körper ist also in der Lage, ständig Traubenzucker als lebenswichtigen Brennstoff für das Gehirn zur Verfügung zu haben, auch wenn er gar keine Kohlenhydrate, sondern Fette zu sich nimmt.

23. Aldoladdition Die funktionelle Gruppe am C-Atom Nr. 4 dieser neuen C-6-Kette ist ein Alkoholat, also das Salz eines Alkohols. Da Alkohole aber keine Säuren sind, sind deren Salze (auf welchem Wege auch immer sie entstanden sein mögen) extrem bestrebt, Protonen aufzunehmen! Alkoholate sind daher sehr starke Basen! Sie greifen von einem benachbarten Wasser-Molekül umgehend ein Proton ab.

24. Aldoladdition Die Produkte jenes Reaktionsschritts sind ein Hydroxy-Keton (links) und ein Hydroxid-Ion OH–. Hier wird also ein Hydroxy-Keton gebildet und kein Hydroxy-Aldehyd. Dennoch spricht man in jedem Fall von einem Aldol. Dieser Ausdruck resultiert aus dem Zusammenziehen des Wortes „Aldehydalkohol“, also der Bezeichnung für einen Aldehyd mit einer Alkoholgruppe im Molekül.

25. Aldoladdition Wasser Hydroxid-Ion Wir merken uns also: Das Produkt, welches aus der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verknüpfung eines deprotoniertena-C-Atoms einer Carbonylverbindung mit dem Carbonyl-C-Atom einer zweiten Carbonylverbindung entsteht, wird immer als Aldol bezeichnet (auch wenn das Produkt ein Keton-Alkohol ist). Die gesamte Reaktion heißt Aldol-Addition.

26. Aldoladdition Wasser Hydroxid-Ion Wir haben im Rahmen dieser Aldoladdition aus zwei (vereinfachten) C-3-Bausteinen ein aldolartigesHydroxyketon namens 4-Hydroxy-hexan-2-on hergestellt. Unser Ziel war es allerdings zu zeigen, wie aus zwei C-3-Bausteinen ein Molekül Traubenzucker (= D-Glucose) synthetisiert werden kann.

27. Aldoladdition Wasser Hydroxid-Ion Zu diesem Zweck müssen wir zu den Folien Nr. 5 und 6 dieser Datei zurückgehen (siehe Abbildung links). Dort hatten wir alle für die Erläuterung der Aldoladdition überflüssigen funktionellen Gruppen durch H-Atome ersetzt.

28. Aldoladdition Wasser Hydroxid-Ion Wir beschreiten jetzt den genau umgekehrten Weg und fügen an unser 4-Hydroxy-hexan-2-on wieder alle Hydroxygruppen inklusive der beiden Phosphatgruppen an. Dadurch erhalten wir das uns bereits von der Datei „Alkoholische Gärung“ bekannte D-Fructose-1,6-bisphosphat (links).

29. Aldoladdition Wasser Hydroxid-Ion Im nächsten Schritt wird der Phosphorsäureester am C-1 hydrolysiert. Die OH-Gruppe am C-1 liegt nun in freier Form vor. Der Name dieses Zwischenprodukts lautet D-Fructose-6-phosphat.

30. Aldoladdition Wasser Hydroxid-Ion Nun erfolgt die Enolisierung zwischen den C-Atomen Nr. 1 und 2 ...

31. Aldoladdition Wasser Hydroxid-Ion … gefolgt von einer weiteren Keto-Enol-Tautomerie, die uns zum strukturisomeren D-Glucose-6-phosphat führt.

32. Aldoladdition Wasser Hydroxid-Ion Die abschließende Hydrolyse auch der zweiten Esterbindung zwischen Phosphorsäure und der alkoholischen OH-Gruppe am C-6 bringt uns nunmehr zum Brennstoff für das Gehirn, nämlich zur freien D-Glucose.

33. Aldolkondensation Wir gehen nun noch einmal zurück zum 4-Hydroxy-hexan-2-on, das wir aus der „vereinfachten“ Aldol-Addition erhalten haben. Oxonium-Ion Wasser Wir sind nun am Ende der Aldol-Addition, wenn wir den pH-Wert unverändert im basischen Milieu lassen. Geben wir jedoch Säure wie z.B. HCl hinzu, so haben wir Oxonium-Ionen (= protonierte Wasser-Moleküle) in der Lösung, und es kann sich an die Aldol-Addition die sogenannte Aldol-Kondensation anschließen.

34. Aldolkondensation Die OH-Gruppe kann nunmehr protoniert werden.

35. Aldolkondensation Dadurch wird die sehr gute AbgangsgruppeWasser vorgebildet.

36. Aldolkondensation Im Endergebnis der Reaktion wird an der mit dem Pfeil gekennzeichneten Stelle (zwischen C-3 und C-4) im nächsten Reaktions-schritt eine C=C-Doppelbindung etabliert.

37. Aldolkondensation Dafür muß entweder gleichzeitig mit (oder etwas zeitversetzt nach) dem Abgang des Wasser-Moleküls vom C-4 zusätzlich ein Proton vom benachbarten (!) C-3 entfernt werden.

38. Aldolkondensation abgehendes Proton abgehendes Wasser-Molekül Etwas exakter, nämlich was die Kennzeichnung des im Rahmen der Deprotonierungverbleibenden bzw. des vom abgehenden Wasser-Molekül mitgenommenen Bindungselektronenpaars betrifft, geben die beiden Rechtecke in dieser Abbildung die Verhältnisse wieder.

39. Aldolkondensation Dieses Bindungselektronenpaar wird zwischen C-3 und C-4 verschoben Dieses Bindungselektronenpaar wird vom Wasser-Molekül mitgenommen Denn: Unten: Das Wasser-Molekül muß, wenn es als ungeladenes Molekül abgehen will, natürlich das Bindungselektronenpaar mitnehmen. Oben: Der Wasserstoff muß als Proton abgehen und das Bindungselektronenpaar im Molekül zurücklassen; es bildet nach diesem Reaktionsschritt das p-Elektronenpaar der neuen C=C-Doppelbindung zwischen C-3 und C-4.

40. Aldolkondensation Die Abbildung zeigt die entsprechenden Elektronenpaarverschiebungen. Im sauren Milieumuß notgedrungen Wasser die Funktion der Base übernehmen (Hydroxid-Ionen haben wir bei dem niedrigen pH-Wert nicht mehr zur Verfügung).

41. Aldolkondensation Hier ist das Produkt des abschließenden Schritts der Aldol-Kondensation abgebildet: Eine sogenannte a,b-ungesättigte Carbonylverbindung („a,b-ungesättigt“ deswegen, weil die C=C-Doppelbindung, die den ungesättigten Charakter ausmacht, zwischen dem a- und dem b-C-Atom etabliert wird – also dem direkt benachbarten und dem darauf folgenden C-Atom in der Kette).

42. Aldolkondensation (E)-3-Hexen-2-on [oder: (E)-Hex-3-en-2-on] In unserem Beispiel entsteht 3-Hexen-2-on (bevorzugt in der stabileren (E)-Konfiguration der C=C-Doppelbindung).

43. Aldolkondensation Propanon (= Aceton) Propanal (E)-3-Hexen-2-on Wir fassen zusammen: Zwei Moleküle von Carbonylverbindungen, die entweder gleich sein können (also z.B., im einfachsten Fall, zwei Moleküle Ethanal) oder, wie hier, unterschiedlich, werden bei einer Aldol-Kondensation unter Abspaltung von Wasser letzten Endes zu einer a,b-ungesättigten Carbonylverbindungverknüpft.

44. Aldolkondensation – H2O Propanon (= Aceton) Propanal (E)-3-Hexen-2-on Diese Abbildung soll die Abspaltung von Wasser verdeutlichen. Für die abschließende Aldol-Kondensation im sauren Milieu benötigen wir also auf jeden Fall mindestens zwei H-Atome an einem der a-C-Atome!

45. Propanon (= Aceton) Propanal (E)-3-Hexen-2-on Für die vorgeschaltete Reaktion, nämlich die Aldol-Addition, benötigen wir an einem der a-C-Atome mindestens ein H-Atom.

46. Anion der Carbonylverbindung I Carbonylverbindung II Dieses eine H-Atom wird als Proton durch eine geeignete Base abgegriffen.

47. Anion der Carbonylverbindung I Carbonylverbindung II Der folgende Schritt ist der nucleophile Angriff des entstehenden Anions an der Carbonylgruppe des Reaktionspartners (der, wie bereits erwähnt, ein gleiches Molekül sein kann oder zu einer anderen Carbonylverbindung gehören kann).

48. a Aldol b Anion der Carbonylverbindung I Carbonylverbindung II Als Produkt entsteht eine Carbonylverbindung mit einer OH-Gruppe am b-C-Atom (= ein Aldol).

49. – H2O Propanon (= Aceton) Propanal (E)-3-Hexen-2-on a,b-ungesättigte Carbonylverbindung Carbonylverbindung II Carbonylverbindung I Abschließend nochmals das Reaktionsschema der Aldol-Kondensation.

50. Die folgenden 16 Folien Nr. 51 – 66 sind ausschließlich für diejenigen gedacht, die die Aldol-Addition zusätzlich unter den Aspekten der Orbitaltheorie vertiefen wollen. Die abschließenden 10 Folien Nr. 67 – 76 sollten von allen betrachtet werden, die das Phänomen der Mesomeriestabilisierung etwas ausführlicher (und auf den letzten beiden Folien hoffentlich recht anschaulich) erklärt haben möchten.