Transcript Adrenalin

Quelle: manuelkrug.com
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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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Quelle: kiwi.frenke.de
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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?
Der Körper setzt in Streßsituationen Adrenalin frei.
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.
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.
Noradrenalin
Adrenalin
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“
L-Tyrosin
Noradrenalin
Adrenalin
Der biosynthetische Ursprung von Adrenalin und Noradrenalin ist die aromatische Aminosäure L-Tyrosin.
Noradrenalin
S-Adenosylmethionin („SAM“)
Adrenalin
Die zur Methylierung des Noradrenalins
notwendige Methylgruppe wird von einer
Verbindung namens S-Adenosylmethionin
bereitgestellt.
Noradrenalin
Adrenalin
Das „S“ im Namen steht für den Schwefel, …
S-Adenosylmethionin („SAM“)
Noradrenalin
S-Adenosylmethionin („SAM“)
Adrenalin
… der Teil „Aden“ leitet sich vom Heteroaromaten Adenin ab, einem Baustein der DNA
und RNA, …
Noradrenalin
S-Adenosylmethionin („SAM“)
Adrenalin
… der Teil „osyl“ weist auf die Aldopentose
(= Zucker mit fünf C-Atomen und einer Aldehydgruppe) D-Ribose hin, der hier in seiner Fünfringform als Baustein vorliegt, …
Noradrenalin
S-Adenosylmethionin („SAM“)
Adrenalin
… und Methionin ist der Name einer der beiden
natürlich vorkommenden a-Aminosäuren, die ein
Schwefelatom enthalten (die andere ist L-Cystein).
Noradrenalin
Adrenalin
Zurück zur Übertragung der Methylgruppe vom
S-Adenosylmethionin auf Noradrenalin …
S-Adenosylmethionin („SAM“)
Nucleophile Substitution: SN2-Reaktion
Noradrenalin
S-Adenosylmethionin („SAM“)
Adrenalin
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.
Nucleophile Substitution: SN2-Reaktion
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.
Adrenalin
S-Adenosylhomocystein
Nucleophile Substitution: SN2-Reaktion
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.
Adrenalin
S-Adenosylhomocystein
Diese Art der Nucleophilen Substitution wird daher als SN2-Reaktion
bezeichnet.
Nucleophile Substitution: SN2-Reaktion
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.
Nucleophile Substitution: SN2-Reaktion
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.
Nucleophile Substitution: SN2-Reaktion
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 unterschiedlichen Atomen (z.B. C und Br im hier vorliegenden Fall) das Bindungselektronenpaar näher von einem der
Bindungspartner angezogen und in dessen Richtung verschoben wird.
Nucleophile Substitution: SN2-Reaktion
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).
Nucleophile Substitution: SN2-Reaktion
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).
Nucleophile Substitution: SN2-Reaktion
Diese teilweise Verschiebung von Elektronendichte und die damit einhergehende Polarisierung kann z.B. durch den
griechischen Buchstaben d und das hochgestellte entsprechende Ladungssymbol + bzw. ― an den entsprechenden
Atomen verdeutlicht werden.
Nucleophile Substitution: SN2-Reaktion
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).
Nucleophile Substitution: SN2-Reaktion
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.
Nucleophile Substitution: SN2-Reaktion
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.
Nucleophile Substitution: SN2-Reaktion
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).
Nucleophile Substitution: SN2-Reaktion
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).
Nucleophile Substitution: SN2-Reaktion
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.
Nucleophile Substitution: SN2-Reaktion
Die Bürde einer positiven Ladung wird verringert, wenn die Nachbarn einen gewissen Anteil an Elektronendichte
hin zum positiv geladenen C-Atom verschieben.
Nucleophile Substitution: SN2-Reaktion
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.
Nucleophile Substitution: SN2-Reaktion
Vor dem Weggang ins Wirtshaus erinnert ihn seine Tochter aber an das fällige Taschengeld in Höhe von 20 Euro!
Nucleophile Substitution: SN2-Reaktion
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?!
Nucleophile Substitution: SN2-Reaktion
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.
Nucleophile Substitution: SN2-Reaktion
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.
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.
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.
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.
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).
Nucleophile Substitution: SN2-Reaktion
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.
Nucleophile Substitution: SN2-Reaktion
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.
Nucleophile Substitution: SN2-Reaktion
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).
Nucleophile Substitution: 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).
Nucleophile Substitution: SN2-Reaktion
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).
Nucleophile Substitution: SN1-Reaktion
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% Gewichtsanteil von HCl in der Lösung).
Nucleophile Substitution: SN1-Reaktion
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.
Nucleophile Substitution: SN1-Reaktion
Das Problem in dem hier abgebildeten (nicht stattfindenden) Reaktionsschritt ist jedoch der Umstand, daß
das Hydroxid-Ion eine sehr schlechte Abgangsgruppe ist.
Nucleophile Substitution: SN1-Reaktion
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.
Nucleophile Substitution: SN1-Reaktion
Nach dem Abgang des Wassermoleküls (unter Mitnahme des Bindungselektronenpaars) entsteht das Trimethylcarbenium-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.
Nucleophile Substitution: SN1-Reaktion
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 ChlorAtom und dem ursprünglich positiv geladenen C-Atom.
Als Produkt der Reaktion wird 2-Chlor-2-methylpropan (= tert-Butylchlorid) gebildet.