8. Alkoholit, fenolit ja eetterit

Transkriptio

1 8. Alkoholit, fenolit ja eetterit Alkoholit ovat orgaanisia yhdisteitä, joissa on yksi tai useampia -ryhmiä. Fenoleissa -ryhmä on kiinnittynyt aromaattiseen renkaaseen. Alkoholit voivat olla primäärisiä, sekundäärisiä tai tertiäärisiä. 1 alkoholi 2 alkoholi 3 alkoholi fenoli 8.1. Alkoholien nimeäminen: substituentit-perusnimi-pääte (-oli). 1. Etsitään pisin -ryhmän sisältävä ketju. umeroidaan siten, että -ryhmän numero on mahdollisimman alhainen Br 4-penten-2-oli 6-bromi-3-propyyli-2-heptanoli 2. Jos hydroksyyliryhmä on kiinni renkaassa, numerointi aloitetaan siitä hiilestä, jossa -ryhmä on. ydroksyyliryhmän numeroa ei tarvitse ilmoittaa. Jos renkaassa on moninkertaisia sidoksia, hydroksyyliryhmän paikkanumero mainitaan. 3. Jos yhdisteessä on kaksi hydroksyyliryhmää, pääte on -dioli. Jos kolme, -trioli 4. Jos yhdiste sisältää jonkin prioriteetiltaan korkeamman funktionaalisen ryhmän, yhdiste nimetään sen mukaan ja -ryhmä ilmoitetaan hydroksi-ryhmänä. 5. Alkoholit voidaan nimetä myös alkyylialkoholeina (esim. metanoli = metyylialkoholi) 6. Fenoleja nimetessä perusnimi on fenoli. -ryhmä on 1-asemassa, eikä sen numeroa mainita. 7. Triviaalinimiä: Etyleeniglykoli Glyseroli Allyylialkoholi l. Bentsyylialkoholi 2-propen-1-oli SM07 1

2 8.2. Alkoholien ja fenolien ominaisuuksia Alkoholeja voidaan pitään 2 :n orgaanisina johdannaisina, joissa yksi on korvattu orgaanisella ryhmällä. Molekyylin geometria on samanlainen ja - ja - sidosten välinen kulma on yhtä suuri (n. 110 ) appiatomi on elektronegatiivisempi kuin ja sillä on osittainen negatiivinen varaus. appiatomilla on 6 valenssielektronia, jotka ovat jakautuneet neljälle sp 3 - hybridiorbitaalille (2,2,1,1). Parittomat elektronit osallistuvat - ja - σ-sidoksiin. äiden lisäksi hapella on kaksi vapaata elektroniparia δ + 2 δ Alkoholimolekyylit ovat sitoutuneet toisiinsa vetysidoksin. Vetysidokset ovat kovalenttisiin sidokseen verrattuina heikkoja (20 kj / mol). iiden vaikutuksesta alkoholien kiehumispisteet ovat korkeampia kuin vastaavan kokoisten hiilivetyjen Alkoholit ovat heikosti happamia ja heikosti emäksisiä. iiden sanotaan olevan amfoteerisiä. Alkoholi voidaan protonoida vahvalla hapolla. Tällöin muodostuu oksoniumioni. Vesiliuoksessa alkoholit dissosioituvat vähäisessä määrin muodostaen alkoksidi-ioneja + A + + A Alkoksidi-ionit ovat hyvin voimakkaita emäksiä ja käyttökelpoisia orgaanisessa syntetiikassa. Alkoholien pk a -arvot ovat luokkaa eli vesiliuoksessa alkoksidiionin konsentraatio on mitättömän pieni. Alkoholit eivät myöskään reagoi heikkojen emästen kanssa ja esim. hydroksidi-ionin kanssakin vain vähäisessä määrin. Sen sijaan alkoksidi-ioneja voidaan valmista alkoholin reaktiolla alkalimetallin kanssa. Fenolit ovat happamampia kuin alkoholit ja ne muodostavat fenoksidi-ioneja myös esim. reagoidessaan hydroksidi-ionin kanssa. appamuus johtuu siitä, että fenoksidiioni on resonanssin stabiloima ja stabilisaatio on suurempi kuin dissosioitumattoman fenolin tapauksessa. Substituentit, jotka vetävät puoleensa elektroneja (esim. - 2, halidit) lisäävät fenolien happovoimakkuutta, sillä ne stabiloivat fenoksidi-ionia (varauksen tasoittuminen). Vastaavasti elektroneja luovuttavat substituentit (alkyyliryhmät, amino) destabiloivat fenoksidia ja alentavat happovoimakkuutta. SM07 2

3 8.3. Alkoholien valmistus 1. appokatalyyttinen veden additio alkeeniin (hydrataatio) tuottaa alkoholeja. Esim. etanolia valmistetaan teollisesti eteenin hydrataatiolla 2. Dioleja voidaan valmistaa hapettamalla alkeeneja emäksisessä liuoksessa KMn 4 :lla 3. Karbonyyliyhdisteiden pelkistys. Yleisimmin käytetty menetelmä. 4. Metanolia valmistetaan teollisesti hiilimonoksidin ja vedyn välisellä reaktiolla, jossa käytetään katalysaattoria, korkeaa lämpötilaa ja painetta Fenoleja voidaan valmistaa muista aromaattisista yhdisteistä elektrofiilisen aromaattisen substituutioreaktion kautta 8.4. Alkoholien reaktioita 1. Dehydrataatio. E1-reaktio, joka tapahtuu erityisesti tertiäärisillä alkoholeilla ja tuottaa alkeeneja. 2. Alkyylihalidien valmistus. Tertiäärisistä alkoholeista voidaan valmistaa alkyylihalideja käsittelemällä niitä vetyhalidilla. Kyseessä on S 1-reaktio. Myös sekundääriset alkoholit voivat reagoida tällä mekanismilla. Parempi menetelmä primääristen ja sekundääristen alkyylihalidien valmistamiseen on alkoholin reaktio tionyylikloridin (Sl 2 ) tai fosforitribromidin (PBr 3 ) kanssa 3. Eetterien valmistus eli Williamsonin eetterisynteesi. S 2 -substituutioreaktio alkoksidi-ionin ja alkyylihalidin väillä. Alkoksidi-ioni valmistetaan alkoholista alkalimetallin kanssa. eaktio on mahdollinen myös fenoleilla 2 a 2 2 a I 3 +I - SM07 3

4 4. apetus Primääristen alkoholien hapetuksessa saadaan tuotteena aldehydiä tai karboksyylihappoa reagenssista riippuen hapetusreagenssi yleisesti [] [] 2 Pyridiniumkloorikromaatti (P) inertissä liuottimessa tuottaa aldehydiä. Kromitrioksidi (r 3 ) ja natriumdikromaatti (a 2 r 2 7 ) happamessa vesiliuoksessa hapettavat myös aldehydin ja tuotteena saadaan karboksyylihappoa Sekundääriset alkoholit hapettuvat molemmissa tapauksissa ketoneiksi Tertiääriset alkoholit eivät hapetu Fenolit hapettuvat helposti. eaktiivisimmat jopa ilman hapen vaikutuksesta. apetus a 2 r 2 7 :lla tuottaa kinoneja 5. Fenolien elektrofiilinen, aromaattinen substituutioreaktio. -ryhmä on aktivoiva o/p ohjaava ryhmä Kinoni 8.5. Eetterien nimeäminen ja ominaisuudet Samoin kuin alkoholejakin, eettereitä voidaan pitää 2 :n orgaanisina johdannaisina. Eettereissä molemmat protonit on korvattu alkyyli- tai aryyliryhmällä. Eetterit voivat olla myös syklisiä. Eetterien nimeämisessä on kaksi tapaa. 1. Alkyyli / aryyliryhmät aakkojärjestyksessä + eetteri. Jos ryhmät ovat samoja käytetään di- alkuliitettä Dietyylieetteri Etyylimetyylieetteri 2. Alkoksisubstituoituina hiilivetyinä. Pidempi hiilivety valitaan perusnimeksi etoksipentaani SM07 4

5 Syklisten eettereiden perusnimet ovat oksiraani, oksetaani, oksolaani ja oksaani. Substituoitujen renkaiden numerointi aloitetaan happiatomista. Me ksiraani ksetaani ksolaani ksaani 2-metyylioksolaani 3 4-metoksioksaani Yleisimmät kaksoissidoksia sisältävät, sykliset eetterit ovat furaani ja pyraani. ksolaani ja oksaani ovat näiden vedyttyneet analogit ja niitä kutsutaan usein tetrahydrofuraaniksi (TF; yleinen org. liuotin) ja tetrahydropyraaniksi Furaani pyraani Eetterit ovat aproottisia liuottimia; niillä ei ole elektronegatiiviseen atomiin kiinnittynyttä protonia, joka voisi muodostaa vetysidoksia tai dissosioitua. Eetterimolekyylit eivät voi siis muodostaa vetysidoksia keskenään ja niiden kiehumispisteet alhaisempia kuin vastaavankokoisten alkoholien. Eetterit voivat kuitenkin toimia vetysidoksen vastaanottajina elektronipariensa ansiosta ja pienikokoiset eetterit liukenevat jonkin verran veteen Eetterit ovat polaarittomampia kuin alkoholit, mutta polaarisempia kuin hiilivedyt ja ne liuottavat siksi sekä polaarisia että polaarittomia orgaanisia yhdisteitä ja niitä käytetään paljon orgaanisessa syntetikassa liuottimina. Suoraketjuiset eetterit ovat haitallisia terveydelle. Syklisillä on vakavampia haittavaikutuksia. Eetterit ovat helposti haihtuvia ja helposti syttyviä Eetterien reaktiot Eetterit ovat melko epäreaktiivisia, ja siksi ne ovat hyviä liuottimia orgaanisessa syntetiikassa. Eetterisidos voidaan kuitenkin pilkkoa happokatalyyttisellä substituutioreaktiolla, mikäli hapon liittoemäs on riittävän hyvä nukleofiili (I -, Br - ) Primäärisiä ja sekundäärisiä alkyyliryhmiä sisältävät eetterit reagoivat S 2- mekanismilla, kun taas eetterit, joissa on tertiäärisiä alkoksiryhmiä voivat reagoida S 1-mekanismilla. Sykliset eetterit ovat asyklisten tavoin epäreaktiivisia. ksiraanit ovat rengasjännistyksen takia muita reaktiivisempia. e reagoivat S 2-mekanismilla monien nukleofiilien kanssa. eaktiossa reangas aukeaa ja tuotteena saadaan nukleofiilistä riippuen mm. alkoholeja, avoketjuisia eettereitä tai aminoalkoholeja SM07 5

6 8.7. Tiolit ja sulfidit Tiolit (-S) ja sulfidit (-S-) ovat alkoholeja ja eettereitä vastaavia rikkiyhdisteitä Tiolien nimeäminen: lisätään pääte tioli. Mikäli yhdisteessä on prioriteetiltaan merkittävämpi funktionaalinen ryhmä, -S ryhmää kutsutaan merkaptoryhmäksi 3 S 3 S - 2 S 3 3 Metaanitioli 2-propaanitioli 3-merkaptobutaanihappo Sulfidien nimeämisessä on kaksi tapaa. Yksinkertaiset: alkyyliryhmät + sulfidi Monimukaisemmat: alkyylitioyhdisteinä S S 2 3 Etyylimetyylisulfidi l. metyylitioetaani Etyylitiobentseeni Tiolien ominaisuuksista: tiolit ovat alkoholeja voimakkaampia happoja (pk a -arvot ~ 10) ja ne muodostavat tiolaatti-ioneja S - a-liuoksessa. Tiolaatti-ioni on heikompi emäs kuin alkoksidi-ioni, mutta parempi nukleofiilinä Tioleja ja sulfideja voidaan valmistaa primäärisistä ja sekundäärisistä alkyylihalideista S - ja S - ionien substituutioreaktiolla (S 2 reaktio). + a + S S X ax + a + S - ax S Kun nukleofiili on tiolaatti-ioni S -, tuotteena muodostuu sulfideja. eaktio vastaa Williamsonin eetterisynteesiä. S - -ioni voidaan kuitenkin saada aikaan jo aliuoksessa. Tiolien reaktioista merkittävin on hapettuminen. e hapettuvat helposti heikoillakin hapettimilla ja tuotteena muodostuu disulfideja -S-S- SM07 6

7 9. Karbonyyliyhdisteet: aldehydit ja ketonit Karbonyyliyhdisteet, joihin aldehydit ja ketonit kuuluvat, ovat hyvin yleisiä luonnossa ja ryhmää voidaan pitää ehkä tärkeimpänä orgaanisena yhdisteryhmänä Karbonyyliyhdisteet voidaan jakaa kahteen ryhmään karbonyyliryhmän molekulaarisen ympäristön perusteella. Aldehydeissä ja ketoneissa karbonyyliryhmän hiileen on liittyneenä vain vety- tai hiiliatomeja. Toisen yhdisteryhmän atomeissa hiileen on liittynyt elektronegatiivinen ryhmä, joka voi irrota. Yhdisteryhmien reaktiot ovat tämän vuoksi erilaisia. Aldehydi Ketoni 9.1. Karbonyyliryhmän ominaisuuksista Karbonyyliryhmän hiili ja happi ovat molemmat sp 2 -hybridisoituneita. iilen ja hapen välinen kaksoissidos koostuu σ- ja π-sidoksista. iili muodostaa kaksi muuta σ-sidosta ja hapella on kahdella orbitaalilla sidoksiin osallistumattomat elektroniparit (vapaat elektroniparit). Karbonyyliryhmä on tasomainen ja sidoskulmat ovat n. 120 iili-happi kaksoissidos on polaarinen, koska happi on elektronegatiivisempi kuin hiili. iilellä on osittainen positiivinen varaus ja se voi reagoida nukleofiilien kanssa. apella on osittainen negatiivinen varaus. Se voi toimia nukleofiilina ja se voi protonoitua δ + δ 9.2. nimeäminen Aldehydit: substituentit perusnimi aali. umeroitaessa karbonyylihiilen numero on Metanaali (formaldehydi) Etanaali (asetaldehydi) etyyli-4-metyylipentanaali SM07 7

8 Kun karbonyyliryhmä on kiinni renkaassa, hiilivedyn nimeen listään pääte karbaldehydi. engas numeroidaan karbonyyliryhmästä alkaen, eikä sen paikkanumeroa mainita ,4-dimetyylisykloheksaanikarbaldehydi Bentseenikarbaldehydi (bentsaldehydi) Ketonit: substituentit - perusnimi noni. umeroidaan niin, että karbonyylihiili saa mahdollisimman alhaisen numeron.vaihtoehtoisesti: alkyyliryhmät aakkojärjestyksessä + ketoni etyyli-5-metyyli-2-heksanoni Butyylimetyyliketoni eli 2-heksanoni Monista ketoneista käytetään triviaalinimiä Asetoni Asetofenoni Jos yhdiste nimetään korkeamman prioriteetin omaavan funktionaalisen ryhmän mukaan, karbonyyliryhmä nimetään okso - substituenttina okso-pentaanihappo 3 SM07 8

9 9.3. Aldehydien ja ketonien reaktioita. 1. ukleofiilinen additio ukleofiilinen additio karbonyyliryhmän elektrofiiliseen hiileen on aldehydien ja ketonien tyypillisin reaktio. ukleofiilinä voivat toimia elektronirikkaat molekyylit tai ionit. eaktion perusmekanismi on sama nukleofiilistä riippumatta, mutta jos nukleofiili on heikko, tarvitaan karbonyyliryhmän protonaatio hyökkäyksen aikaansaamiseksi ukleofiilisen hyökkäyksen seurauksena syntyy tetraedrinen intermediaatti. sp 2 -hybridsoitunut hiili muuttuu sp 3 - hybridisoituneeksi. eaktion toisessa vaiheessa 1. vaiheen tuotteena muodostunut muodostunut anioni protonoituu ja muodostuu neutraali alkoholi additiotuotteena u u - + ukleofiilisiä additioreaktioita. 1. ydraatin muodostuminen u Aldehydit ja ketonit esiintyvät vesiliuoksissa keto- ja hydraattimuotojen tasapainoseoksina. Tasapaino riippuu karbonyyliyhdisteen rakenteesta. Ketoneilla tasapaino on yleensä ketonimuodon puolella, kun taas pienimolekyyliset aldehydit esiintyvät enimmäkseen hydraattina vesiliuoksissa. 2 ydraatti on ns. geminaalinen dioli (1,1-dioli) Vesi on heikko nukleofiili ja reaktio on hidas, mutta sitä voidaan nopeuttaa happo tai emäskatalysaattorin avulla. Emäskatalyyttisessä reaktiossa nukleofiili on - - ioni (parempi nukleofiili). appokatalysaattori protonoi karbonyyliryhmän, joka tulee elektrofiilisemmaksi. Katalysaattori ei vaikuta tasapainoasemaan. Emäskatalyyttinen reaktio: Parempi nukleofiili kuin appokatalyyttinen reaktio: karbonyylihiili tulee elektrofiilisemmäksi SM07 9

10 ukleofiilisiä additioreaktioita. 2. Alkoholin additio eli asetaalin muodostuminen Aldehydit ja ketonit reagoivat alkoholien kanssa happokatalysaattorin läsnäollessa muodostaen asetaaleja. Välituotteena muodostuu hemiasetaali emiasetaali + +, + 2 eaktion kaikki vaiheet ovat tasapainoreaktioita ja reaktion suuntaa voidaan säädellä reaktio-olosuhteita muuttamalla. Veden poistaminen reaktioseoksesta suosii asetaalin muodostumista. Vesiliuoksessa, hapon läsnäollessa, tapahtuu käänteinen reaktio, asetaalin hydrolyysi. Asetaaleja voidaan käyttää orgaanisessa syntetiikassa keto-ryhmän suojaryhmänä, joka estää ketonin reaktion ja voidaan poistaa, kun haluttu reaktio muualla molekyylissä on tehty. ukleofiilisiä additioreaktioita.3. Amiinin additio eli imiinin muodostuminen Aldehydit ja ketonit reagoivat ammoniakin ja primääristen amiinien kanssa muodostaen imiinejä Aminoalkoholi-välituote on pysymätön ja se hajoaa veden lohkeamisen kautta. Kun, tuotetta kutsutaan myös Schiffin emäkseksi. Kokonaisreaktio on additio eliminaatio (amiinin additio, veden eliminaatio). eaktiota voidaan nopeuttaa happokatalysaattorilla ja samoin kuin edellä, tasapainoasemaan voidaan vaikuttaa olosuhteiden valinnalla. SM07 10

11 ukleofiilisiä additioreaktioita. 4. eaktio Grignardin reagenssin kanssa alkoholin muodostuminen Grignardin reagenssin reagoidessa karbonyyliryhmän kanssa, nukleofiilinä toimii karbanioni - MgX MgX δ δ + MgX Grignardin reagenssin avulla formaldehydistä voidaan valmistaa 1 alkoholeja, ketoneista 3 alkoholeja ja aldehydeistä 2 alkoholeja Muita aldehydien ja ketonien reaktioita. apetus ja pelkistys Aldehydit voidaan helposti hapettaa karboksyylihapoiksi. eikko hapetin, kuten Ag + ioni ammoniakin vesiliuoksessa (Tollensin reagenssi), riittää aldehydien hapetukseen. Ketoneilla hapetusreaktio ei ole mahdollinen, koska niissä ei ole protonia, joka poistetaan hapetusreaktiossa [] [] Pelkistyksessä, hydridi-ionin lähteenä (pelkistimenä) voidaan käyttää esim. ab 4 tai LiAl Aldehydien ja ketonien valmistusmenetelmät Alkoholeja hapettamalla. Primäärisistä alkoholeista saadaan aldehydejä, sekundäärisistä ketoneja. Terminaalisen alkyynin hydrataatio tuottaa metyyliketoneja. eaktioita on käsitelty alkyynien yhteydessä Aryyliketoneja voidaan valmistaa Friedel-raftsin reaktiolla aromaattisista yhdisteistä ja happokloridista Alkeenien hapetuksella SM07 11

12 10. Karbonyyliyhdisteet: Karboksyylihapot ja niiden johdannaiset Karboksyylihapot ja niiden johdannaiset ovat karbonyyliyhdisteitä, joilla on karbonyylihiileen liittynyt elektronegatiivinen atomi. iillä on ryhmä, joka voi toimia lähtevänä ryhmänä ja siksi niillä voi tapahtua nukleofiilinen substituutioreaktio (vrt. aldehydit ja ketonit: additio) X 2 3 Karboksyyli happo appo halogenidi Esteri Amidi appoanhydridi äitten yhdisteiden yhteydessä käsitellään myös nitriilit, jotka eivät ole karbonyyliyhdisteitä, mutta ne reagoivat veden kanssa samoin kuin karboksyylihappojohdannaiset ja reaktion tuotteena muodostuu karboksyylihappoa imeäminen Karboksyylihapot: iilivety + happo. umerointi aloitetaan karbonyyliryhmän hiilestä Vaihtoehtoisesti käytetään päätettä karboksyylihappo. Tällöin karbonyylihiiltä ei numeroida. Jälkimmäistä tapaa käytetään aina, jos happoryhmä on liittynyt renkaaseen. enkaan numereointi aloitetaan hiilestä, jossa karboksyylihapporyhmä on l klooributaanihappo eli 2- klooripropaanikarboksyylihappo 3-syklohekseenikarboksyylihappo Substituentin paikkaa osoittamaan voidaan käyttää kreikkalaisia aakkosia (α, β, γ...). Esim β-hydroksibutaanihappo 3 2 β α Monista karboksyylihapoista käytetään triviaalinimiä. Bentsoehappo Ftaalihappo Salisyylihappo SM07 12

13 appohalogenidit: Asyyli / aroyyliryhmä + halidi 3 l Etanoyylikloridi (asetyylikloridi) Butanoyylijodidi I Asyyliryhmä: metanoyyli, etanoyyli, jne... Aroyyliryhmä Ar Jos happohalidiryhmä on kiinni renkaassa, yhdiste nimetään liittämällä hiilivedyn nimeen karbonyylihalidi Bentseenikarbonyylikloridi (bentsoyylikloridi) l Br 3-syklohekseenikarbonyylibromidi appoanhydridit: apon nimi + anhydridi Etaanihappoanhydridi (etikkahappoanhydridi) 3 3 Esterit. Estereiden nimeämisessä on kaksi tapaa: (1) ne voidaan nimetä kuten hapon suolat tai (2) nimi voi olla sanaliitto, joka määrittelee molemmat ryhmät (1) Propyylietanoaatti (2) Etaanihapon propyyliesteri 3 (1) Metyyli-3-syklohekseenikarboksylaatti tai (2) 3-syklohekseenikarboksyylihapon metyyliesteri Amidit ja nitriilit. iilivety + amidi tai hiilivety + nitriili. Amidi-tai nitriiliryhmän hiili saa numeron 1. Jos ryhmä on substituenttina renkaassa, hiilivety + karboksiamidi tai hiilivety + karbonitriili. Amidiryhmä tai nitriiliryhmä on tällöin kiinni 1-hiilessä Etaaniamidi 3-syklohekseenikarbonitriili 2-metyylibutaaninitriili 3-syklohekseenikarboksiamidi SM07 13

14 10.2. Karboksyylihappojen ja niiden johdannaisten ominaisuuksista Karboksyylihapot δ δ δ + δ + Karbonyylinryhmän rakenne on samanlainen kuin ketoneissa -- sidokset ovat myös polaarisia vety on hapan eli se dissosioituu helposti Pienimolekyyliset karboksyylihapot ovat nesteitä ja niiden kiehumispisteet ovat korkeita, koska molekyylit voivat olla voimakkaasti vetysitoutuneita toisiinsa. Karboksyylihappomolekyylit esiintyvät yleensä vetysitoutuneina dimeereinä. Vetysitoutumismahdollisuuden takia liukenevat hyvin veteen Karboksyylihapot ovat heikkoja happoja l. vesiliuoksessa ne ovat osittain dissosioituneina. pk a -arvot ovat luokkaa Karboksyylihapot reagoivat a:n ja myös heikompien emästen (esim. A 3 ) kanssa. Tällöin muodostuu karboksylaatti-ioneita. Suoloja kutsutaan karboksylaateiksi. Karboksylaatti-ioni on resonanssin stabiloima, mikä lisää - ryhmän protonin happamuutta esim. alkoholien -ryhmiin verrattuna Elektroneja puoleensa vetävät ryhmät stabiloivat edelleen karboksylaatti-ionia ja lisäävät happamuutta. Elektroneja luovuttavat ryhmät vähentävät happamuutta l l pk a 1.48 pk a 4.75 SM07 14

15 Esterit. ydroksyyliryhmä on esteröitynyt, eivätkä esterit siis dissosioidu. e eivät myöskään kykene toimimaan vetysidoksen luovuttajina. Karbonyyliryhmä sensijaan voi toimia vetysidoksen vastaanottajana Karboksyylihappoihin verrattuna estereiden kiehumispisteet ovat alhaisempia ja ne liukenevat veteen heikommin kuin vastaavat hapot. appoamidit. appoamidien reaktiivisuuteen eniten vaikuttava piirre on amidiresonanssi, joka stabiloi amideja. e ovat kaikkein epäreaktiivisimpia karboksyylihappojohdannaisia, eivätkä amidit ole emäksisiä (kuten amiinit). 2 2 Amidit voivat toimia sekä vetysidoksen luovuttajina (aminoryhmä) että vastaanottajina (karbonyyliryhmä) appokloridit ja happoanhydridit. Karboksyylihappoklorideita tai anhydridejä ei esiinny luonnossa. Koska ne ovat hyvin reaktiivisia, niitä käytetään runsaasti lähtöaineina orgaanisessa syntetiikassa. l SM07 15

16 10.3. ukleofiilinen asyylisubstituutio Karboksyylihappojohdannaisten tyypillisin reaktio on asyylisubstituutio. Karbonyyliryhmä on altis nukleofiiliselle hyökkäykselle. Muodostuvassa tetraedrisessä intermediaatissa on elektronegatiivisen atomin sisältävä ryhmä, joka kykenee toimimaan lähtevänä ryhmänä. eaktio johtaa asyyliryhmään liittyneen ryhmän korvautumiseen toisella ja tätä reaktiota käyttämällä voidaan karboksyylihappojohdannaisia muuttaa toisikseen. + u - Y + Y - u Karboksyylihappojohdosten reaktiivisuus riippuu karbonyylihiilen ja elektronegatiivisen ryhmän välisen sidoksen polaarisuudesta: mitä polaarisempi se on, sitä reaktiivisempi yhdiste on. eaktiivisuusjärjestys on esitetty allaolevassa kaaviossa. eaktiivisemmasta yhdisteestä voidaan valmistaa vähemmän reaktiivisia, mutta ei yleensä toisin päin. Mikäli reaktiivisuusero on pieni, reaktio päättyy tasapainotilanteeseen. Epäreaktiivisempien johdosten reaktiot vaativat yleensä rajummat olosuhteet ja ja niissä käytetään katalysaattoria. X appohali dit appoanhydridit Karboksyylihapot ja esterit 2 eaktiivisuus Amidit SM07 16

17 10.4. Asyylisubstituutioreaktioita 1. ydrolyysi: ukleofiili vesi, tuote karboksyylihappo Y 2, -Y - appohalidit ja anhydridit reagoivat nopeasti. Esterien ja amidien reaktio vaatii happo- tai emäskatalysaattorin. Amidien reaktio lisäksi lämmityksen (vrt. reaktiivisuusero) 2. Alkoholyysi: ukleofiili alkoholi, tuote esteri Voidaan valmistaa estereitä happohalideista ja anhydrideistä sekä karboksyylihapoista. Karboksyylihapon happokatalyyttistä reaktiota kutsutaan Fisherin esterisynteesiksi. Esterisynteesi on tasapainoreaktio. Esterin muodostusta voidaan edesauttaa käyttämällä alkoholiylimäärää ja poistamalla reaktioliuoksesta reaktiossa muodostuvaa vettä Y, 2 appokloridin alkoholyysireaktiossa käytetään liuottimena yleensä pyridiiniä, joka on emäksinen ja neutraloi reaktiossa vapautuneen vetyhalidin + pyridiini l +l + l + +l - 3. Aminolyysi: ukleofiili ammoniakki tai amiini, tuote amidi Esim. propanoyylikloridin reaktio etyyliamiinin kanssa. Kun reaktiossa käytetään ylimäärä amiinia, se neutraloi muodostuvan suolahapon l l -etyylipropaaniamidi SM07 17

18 Karboksyylihapot eivät reagoi suoraan, sillä happo ja amiini/ammoniakki muodostavat keskenään suolan. Etyyliammoniumioni ei ole nukleofiilinen, sillä sillä ei ole vapaata elektroniparia Amidi muodostuu, kun suolaa kuumennetaan: 3 2 Δ Kolmio (delta) -symboli reaktiokaavioissa tarkoittaa yleisesti, että reaktioseosta kuumennetaan 4. eaktiossa karboksylaatti-ionin kanssa muodostuu happoanhydridejä. eaktiolla voidaan valmistaa sekä kahden samanlaisen hapon ja kahden erilaisen hapon anhydridejä. Jälkimmäisiä kutsutaan seka-anhydrideiksi a + 3 l Karboksyylihappojen ja johdannaisten valmistus A. Karboksyylihapot 1. 1 alkoholien hapetus (reagenssi esim. r 3 tai a 2 r 2 7 ) tai aldehydien hapetus (Esim. Tollensin reagenssi Ag 3 ammoniakkiliuoksessa) 2. Alkyylibentseenien hapetus bentsoehappojohdannaiset 3. Karboksyylihappojohdannaisten ja nitriilien hydrolyysi 4. Grignardin reagenssit + 2 SM07 18

19 B. appokloridit: Karboksyylihapoista tionyylikloridin (Sl 2 ) kanssa 3 2. appoanhydridit: appokloridien asyylisubstituutio D. Amidit: Karboksyylihappojohdannaisten asyylisubstituutio ammoniakin tai amiinien kanssa E. Esterit Sl l + l + S 2 1. Asyylisubstituutioreaktiot: happohalidin alkoholyysi ja Fisherin esterisynteesi 2. Karboksylaatti-ionin ja primäärisen tai sekundäärisen alkyylihalidin S 2-reaktio X - l Karboksyylihappojen ja niiden johdannaisten reaktiot A. Karboksyylihapot 1. Pelkistys primäärisiksi alkoholeiksi 2. appokloridien valmistus tionyylikloridin kanssa 3. Asyylisubstituutiot: Esterisynteesi ja amidien valmistus (aminolyysi + kuumennus) LiAl 4 4. appoanhydridien valmistus kuumentamalla. eaktio on hidas ja käytännön synteetistä merkitystä sillä on ainoastaan, jos muodostuva anhydridi on osana 5- tai 6- jäsenistä rengasta. B. Esterit 1. Asyylisubstituutiot: hydrolyysi karboksyylihapoksi ja alkoholiksi ja aminolyysi amideiksi 2. Pelkistys primäärisiksi alkoholeiksi 3. eaktio Grignardin reagenssin kanssa. Tuotteena muodostuu 3 alkoholi. Amidit ydrolyysi karboksyylihapoksi Pelkistys amiiniksi. Spesifinen reaktio: karbonyyliryhmä pelkistyy 2 -ryhmäksi. Muiden johdannaisten pelkistyksessä muodostuu alkoholeja SM07 19

20 10.7. itriilit Synteesi: Yksinkertaisin menetelmä nitriilien valmistamiseksi on natriumsyanidin ja 1 alkyylihalidin S 2-substituutioreaktio: eaktiot 2 Br + a abr 1. eaktio nukleofiilien kanssa δ + δ - u Tuotteet :u - Esimerkki nitriilin reaktiosta nukleofiilin kanssa on hydrolyysi karboksyylihapoksi. eaktio voi tapahtua hapon tai emäksen katalysoimana 3 + tai Pelkistys amiineiksi 1. LiAl eaktio Grignardin reagenssin kanssa δ + δ 1 1 Mg + X MgX SM07 20

21 11. Karbonyyliyhdisteet: Karbonyyliyhdisteiden α-substituutio- ja kondensaatioreaktiot Edellisissä kappaleissa kuvatuissa reaktioissa tapahtui nukleofiilinen hyökkäys karbonyyliryhmään. äiden reaktioiden lisäksi karbonyyliyhdisteillä tapahtuu reaktioita karbonyyliryhmään nähden α-asemassa olevassa hiilessä. α- substituutiossa karbonyyliyhdisteen α-vety korvautuu toisella atomilla / ryhmällä Kondensaatioreaktiossa kaksi karbonyyliyhdistettä reagoi keskenään, toinen karbonyylihiilen ja toinen α-hiilen välityksellä * ** Y * ** Enolit ja enolaatti-ionit Karbonyyliyhdisteet, joilla on α-hiilessä vetyjä, voivat esiintyä keto-ja enoli tautomeerien tasapainoseoksena. Enolimuodon osuus on yleensä häviävän pieni, mutta enolit voivat silti olla tärkeitä reaktioiden välivaiheina, sillä ne ovat hyvin reaktiivisia. eaktiivisuus voidaan ymmärtää, kun tarkastellaan enolin resonanssirakenteita: enolin α-hiilessä on osittainen negatiivinen varaus ja se voi toimia nukleofiilinä ~ 100 % < 10-5 % Enolaatti-ionit. Karbonyyliyhdisteiden α-vedyn sanotaan olevan hapan ja hyvin vahva emäs voi vastaanottaa protonin α-hiileltä. pk a -arvot ovat luokkaa 20, ja deprotonoimiseen tarvitaan vahva emäs, kuten a 2 tai a. 1,3-diketonit ovat happamampia (pk a n. 9) ja voivat muodostu enolaatti-ioneita jo emäksisissä vesiliuoksissa. Deprotonaatioreaktiossa muodostuvat enolaattiionit ovat resonanssin stabiloimia. 1,3- diketoneista muodostuvissa enolaatti-ioneissa negat. varaus voi jakautua kahteen 2 karbonyyliryhmään. Siksi muodostuva enolaattiioni on pysyvämpi ja diketonit happamampia 2 kuin yhdisteet, joissa on vain yksi karb. ryhmä. 2 SM07 21

22 11.2. Enolin muodostuminen ja reaktiot Enolin muodostusta voidaan katalysoida sekä happojen, että emästen avulla. A A - apon katalysoimassa reaktiossa karbonyylihappo protonoituu. esonanssirakenteita tarkastelemalla nähdään, että välituote voi deprotonoitua kahdesta kohdasta. Kun emäs vastaanottaa protonin α-hiileltä, muodostuu enoli + A Emäksen katalysoimassa reaktiossa ketomuoto deprotonoituu α-asemasta. Kun taas tarkastellaan resonanssirakenteita havaitaan, että muodostunut välituote voi protnoitua kahdesta kohdasta. apen protonoituminen johtaa enolin muodostumiseen + A Karbonyyliyhdisteen α-substituutio tapahtuu enolivälivaiheen kautta. Elektronirikas enoli voi toimia nukleofiilinä ja esimerkiksi ketonit ja aldehydit voidaan halogenoida α-asemasta l 2 :lla, Br 2 :lla tai I 2 :lla happamassa liuoksessa (= α- substituutio) + Br Br 2 Br SM07 22

23 11.3. Enolaatti-ionien reaktiot Enolaatti-ionien reaktiivisuus. Enolaatti-ioneilla on negatiivinen varaus ja ne ovat voimakkaita nukleofiilejä. Enolaatti-ionilla on kaksi erilaista resonanssirakennetta, ja nukleofiilinen reaktio voidaan ajatella tapahtuvaksi kummankin kautta. α-karbanionin reagoidessa muodostuu α- substituutiotuote. Yleisempi reaktioreitti 2 + E + E 2 E Vinyylisen alkoksidiionin reagoidessa muodostuu enolijohdannainen 2 2 E Enolaatti-ionien alkyloituminen. Enolaatti-ionien reaktio alkyylihalidin kanssa johtaa alkyloitumiseen: X 2 2 eaktio tapahtuu S 2-mekanismilla ja siksi ainoastaan 1 halidien ja metyylihalidien kanssa. alidi voi olla kloridi, bromidi tai jodidi. Parhaiten tunnettu alkyloitumisreaktio on maloniesterisynteesi, jolla voidaan valmistaa substituoituja etikkahappoja. Et 1. Et -, 2. 2 X, , T Et SM07 23

24 11.3. Kondensaatioreaktiot Karbonyyliyhdisteet voivat toimia joko elektrofiileinä tai nukleofiileinä, kuten edellä on todettu. Kondensaatioreaktioissa kaksi karbonyyliyhdistettä reagoi keskenään ja toinen toimii elektrofiilinä, toinen nukleofiilinä 2 2 ukleofiili: α- ketokarbanioni- muodossa oleva enolaatti-ioni Elektrofiili: karbonyyliryhmä ukleofiilille tapahtuu α- substituutio, elektrofiilille nukleofiilinen additio Aldehydien ja ketonien kondensaatio (aldolireaktio) Aldehydit ja ketonit, joissa on α-vetyjä, dimeroituvat, kun niitä käsitellään emäksellä alkoholiliuottimessa. Tuotteita kutsutaan aldoleiksi + tai Tasapaino riippuu lähtöaineen rakenteesta: Monosubstituoiduilla aldehydeillä tasapaino suosii kondensaatiotuotetta. Ketoneilla ja disubstituoiduilla aldehydeilla tasapaino on lähtöaineiden puolella. Mekanistisesti kondensaatioreaktio on nukleofiilinen additio karbonyylihiileen (luku 9.3.): nukleofiili (karbanioni) hyökkää karbonyylihiileen ja muodostuu tetraedrinen intermediaatti, joka protonoituu. Samalla nukleofiilinä toimineelle molekyylille tapahtuu α-substituutio. eaktio on joko hapon tai emäksen katalysoima. Aldolikondensaation tuotteena saadaan yleensä enoneja, sillä kondensaation tuotteena saadun enolin dehydrataatio tapahtuu lähes samoissa olosuhteissa kuin kondensaatiokin. β-aseman karbonyylihiili aktivoi molekyylin ja siksi eliminaatio voi tapahtua jo melko laimeassa happo- tai emäsliuoksessa SM07 24

25 Estereitten kondensaatio (laisen kondensaatio) Kaksi esterimolekyyliä, joissa on α-vety, kondensoituvat myös keskenään. eaktio tapahtuu emäksen, esim. Et -, läsnäollessa ja tuotteina muodostuu β-ketoesteri ja alkoholi Tässä reaktiossa tapahtuu nukleofiilinen asyylisubstituutio: nukleofiili (αkarbanioni) hyökkää karbonyylihiileen, jolloin muodostuu tetraedrinen intermediaatti. Esteröitynyt alkoholi lohkeaa ja saadaan tuote, jossa nukleofiili on korvannut lähtevän ryhmän. Kuten aldolireaktiossakin, nukleofiilinä toimineelle molekyylile tapahtuu α-substituutio. SM07 25

26 12. Amiinit Amiinit ovat ammoniakin alkyyli- tai aryylijohdannaisia. e voivat olla primäärisiä, sekundäärisiä tai tertiäärisiä ja lisäksi ne voivat muodostaa kvaternäärisiä ammoniumioneja. Ammoniakki 1 amiini 2 amiini 3 amiini kvarternäärinen ammoniumioni Amiinien nimeäminen Primääristen amiinien nimeämisessä on kaksi tapaa: 1. Alkyyli / aryyli + amiini. Esim. etyyliamiini 2. iilivety + amiini. Esim. etaaniamiini, 1,3- propaanidiamiini (tai propan-1,3-diamiini) Sekundääriset ja tertiääriset amiinit: -alkyyli / aryyli + amiini. Pisin typpeen liittynyt ryhmä valitaan nimen perustaksi ,-dimetyylietyyliamiini Kun yhdiste nimetään korkeamman prioriteetin omaavan ryhmän mukaan, 2 - ryhmästä käytetään nimeä amino eterosyklisillä amiineilla käytetään yleisesti triviaalinimiä. e numeroidaan typpiatomista alkaen Pyrroli Imidatsoli Pyridiini Pyrimidiini SM07 26

27 12.2. Amiinien rakenne ja ominaisuudet Alifaattisissa amiineissa ja ammoniakissa typpi on sp 3 - hybridisoitunut. Kolme sp 3 -hybridiorbitaalia muodostavat kolme σ-sidosta ja neljännellä on vapaa elektronipari. Sidoskulmat ovat 109 Amiinit ovat polaarisia yhdisteitä ja vähemmän kuin viiden hiilen ketjun sisältävät yhdisteet liukenevat hyvin veteen. Ammoniumsuolat liukenevat veteen hyvin. Ammoniakki on kaasu, amiinit nestemäisiä. Molekyylienvälisen vetysitoutumisen vuoksi kiehumispisteet ovat korkeampia kuin vastaavankokoisten alkaanien. Amiinien emäksisyys. Määräävin tekijä amiinien kemiassa on typen vapaa elektronipari, jonka ansiosta amiinit voivat toimia joko nukleofiileinä tai Lewisin emäksinä. Emäksenä toimiessaan ne muodostavat ammoniumsuoloja (esim. trietyyliammoniumkloridi) Amiinit ovat heikkoja emäksiä ja vesiliuoksissa ne esiintyvät happo- ja emäsmuotojen tasapainoseoksina. Yksinkertaisten amiinien emäksisyys ei juurikaan riipu alkyylisubstituenteista. pk b arvot ovat n Aromaattiset amiinit, kuten aniliini (pk b ), ovat vähemmän emäksisiä, koska typen vapaa elektronipari voi delokalisoitua aromaattiseen renkaaseen. Tämä stabiloi lähtöainetta (amiini) tuotteeseen (ammoniumioni) verrattuna, joten suolanmuodostuminen ei ole energeettisesti edullista Amiinien emäksisyyttä voidaan käyttää hyväksi niiden puhdistuksessa, sillä emäsmuodossa oleva, orgaaniseen liuottimeen liuotettu amiini voidaan uuttaa ammoniumsuolana happamalla vesiliuoksella. Ammoniumsuola liukenee hyvin veteen, mutta on niukkaliukoinen orgaanisiin liuottimiin. Emäksisyyden vuoksi amiineja (esim. pyridiini ja trietyyliamiini) käytetään yleisesti liuottimina reaktioissa, joissa vapautuu happoa. Amiini reagoi hapon kanssa muodostaen ammoniumsuolan ja poistaa näin hapon reaktioseoksesta. SM07 27

28 12.3. Amiinien synteesimenetelmät 1. Alkyylihalidien S 2-reaktiot. Ammoniakki ja amiinit voivat toimia nukleofiilinä S 2-reaktiossa. - x - Kun ammoakki reagoi alkyylihalidin kanssa, saadaan X primäärisiä amiineja. Kun nukleofiili on 1 amiini, saadaan tuoteena 2 amiini. 2 amiinin reagoidessa muodostuu 3 amiineja X - x - Amiinien valmistumenetelmänä S 2 reaktio on epäkäytännöllinen, sillä reaktio ei välttämättä pysähdy halutulle tasolle, vaan tuote reagoi edelleen ja muodostuu substituoidumpia amiineja. 2. itriilien ja amidien pelkistys. itriilien ja amidien pelkistys LiAl 4 :llä eetterissä tuottaa amiineja. Koska amideja voidaan valmistaa karboksyylihapoista ja niiden johdannaisista asyylisubstituutioreaktiolla, amiineja voidaan valmistaa käyttämällä lähtöaineena esim. karboksyylihappoa. Pelkistys on tällöin useampivaiheisen synteesin viimeinen vaihe. Tuotteena saadaan amiini, jossa on yhtä pitkä hiilivetyketju kuin lähtöaineena käytetyssä karboksyylihapossa / johdannaisessa. 1. Sl LiAl itriilejä voidaan valmistaa alkyylihalideista - - ionin nukleofiilisen hyökkäyksen kautta (S 2-reaktio). 1. vaiheen tuotteen pelkistys antaa tuotteeksi amiinin, jonka alkyyliryhmä on yhden 2 -ryhmän verran pidempi kuin lähtöaineessa käytetyssä alkyylihalidissa. - x - [] a + - X 2 2 SM07 28

29 3. Aromaattisia amiineja voidaan valmistaa vastaavien nitroyhdisteiden pelkistyksellä 3 2 [] 3 2 Pt-katalyyttinen pelkistys saattaa johtaa sivureaktioihin. Fe, Zn, Sn, tai Snl 2 happamassa liuoksessa ovat turvallisempia pelkistimiä 4. Karbonyyliyhdisteiden pelkistävä aminaatio Käytännössä yksivaiheinen synteesimenetelmä, jossa aldehydistä tai ketonista valmistetaan amiineja ammoniakin tai amiinin ja pelkistysreagenssin läsnäollessa. Amiini reagoi karbonyyliryhmän kanssa muodostaen imiinin (kpl 9.3), joka pelkistyy amiiniksi. Menetelmää käyttäen voidaan valmistaa 1, 2 ja 3 amiineja. 3, [] 2 2, [] 2, [] Amiinien reaktiot 1. Alkyloituminen. S 2-reaktio alkyylihalidin kanssa 2. Asyloituminen. Karboksyylihappojohdannaisten aminolyysi johtaa ammoniakin / amiinin asyloitumiseen. 1 ja 2 amiinit reagoivat muodostaen amideja. 3 amiineilla reaktio ei ole mahdollinen. SM07 29

30 12.5. eterosykliset amiinit Pyrroli ja pyridiini ovat syklisiä amiineja, jotka sisältävät kaksoissidoksia. Molempien rakenne on aromaattinen eli niissä on yhteinäinen, rengasmainen p-orbitaalirakenne Pyrrolissa typpi on sp 2 -hybridisoitunut ja vapaa elektronipari on p-orbitaalilla. Elektronipari on delokalisoitunut ja siksi pyrrolit eivät ole emäksisiä. Pyridiinissä typpi on myös sp 2 - hybridisoitunut, mutta vapaa elektronipari on sp 2 -orbitaalilla, eikä siten osallistu elektronidelokalisaatioon. Pyridiini on siksi emäksinen. SM07 30

31 13. Biomolekyylit iilihydraatit iilihydraateilla tarkoitetaan polyhydroksiketoneja ja aldehydejä, joita nimitetään yleisesti sokereiksi. iilihydraatit voidaan jakaa kahteen ryhmään, monomeerisiin monosakkarideihin ja näistä koostuviin oligomeerisiin ja polymeerisiin yhdisteisiin, jotka voidaan hydrolysoida monomeereiksi. Fruktoosi Esimerkiksi tavallinen sokeri, sukroosi, on glukoosista ja fruktoosista koostuva disakkaridi. 2 2 Glukoosi 2 Monosakkaridit voidaan jakaa kahteen ryhmään, aldooseihin ja ketooseihin, riippuen ketoryhmän paikasta molekyylissä. Monosakkaridin hiiliketjun pituus ilmaistaan tri-, tetr-, pent- jne etuliittein. Glukoosi on aldoheksoosi, fruktoosi ketoheksoosi Monosakkaridien konfiguraatiot. iilihydraateissa on useita kiraalisia hiiliatomeja ja ne esitetään yleensä Fischerin projektioiden avulla. Karbonyylihiili piirretään yleensä hiilivetyketjun yläpäähän. 5 2 Glukoosi 2 Fruktoosi Yleisesti omaksutun käytännön mukaisesti D-sokereiksi nimitetään yhdisteitä, joissa kauimpana karbonyylihiilestä oleva hydroksyyliryhmä Fischerin projektiossa osoittaa oikealle. Vastaavasti L-sokereissa kauimmainen hydroksyyliryhmä osoittaa vasemmalle. Tällä käytännöllä ei ole yhteyttä siihen, mihin suuntaan yhdisteiden vesiliuokset taittavat tasopolaroidun valon suuntaa. Luonnon sokerit ovat D-muotoa. Aldopentooseissa on 3 kiraliakeskusta ja siten 2 3 mahdollista stereoisomeeria. Stereoisomeerit jakautuvat neljäksi enantiomeeripariksi. Enantiomeerit ovat arabinoosi, riboosi, ksyloosi ja lyksoosi. Aldoheksooseita on 8 paria: alloosi, altroosi, glukoosi, mannoosi, guloosi, idoosi, galaktoosi ja taloosi SM

32 Syklisen hemiasetaalin muodostuminen Alkoholit ja ketonit reagoivat keskenään muodostaen hemiasetaaleja (luku 9.3.). Kun alkoholi- ja karbonyyliryhmät ovat samassa molekyylissä, voi tapahtua molekyylinsisäinen (intramolekulaarinen) nukleofilinen hyökäys karbonyylihiileen ja muodostuu syklinen hemiasetaali. 2 2 Glukoosin 5-aseman -ryhmä hyökkää karbonyylihiileen ja muodostuu 6-jäseninen pyranoosirengas Fruktoosi muodostaa kahdenlaisia rengasrakenteita vesiliuoksessa: 6-jäsenisten renkaiden lisäksi muodostuu 5-jäsenisiä furanoosirenkaita, kun 4-aseman ryhmä hyökkää karbonyylihiileen. Muodot ovat keskenään tasapainossa avoketjuisen muodon kautta. Tasapainoasema riippuu sokerin rakenteesta. Fruktoosin tapauksessa pyranoosi on suositumpi (72:28) Kun rengas muodostuu, syntyy uusi kiraliakeskus ja tuotteella on kaksi diastereomeeria, joita kutsutaan anomeereiksi ja hemiasetaalihiiltä anomeeriseksi keskukseksi / hiileksi. α-anomeerissa 5-aseman hydroksimetyyli ja anomeerisen hiilen hydroksyyliryhmä ovat sokerirenkaan tason vastakkaisilla puolilla, β- anomeerissa samalla puolella. Anomeerit ovat tasapainossa keskenään. iiden muuttumista toisikseen avoketjuisen välivaiheen kautta sanotaan mutarotaatioksi. eaktio on neutraaleissa olosuhteissa hidas, mutta sitä voidaan nopeuttaa hapokatalysaattorilla. Tasapainon asema riippuu sokerin rakenteesta: glukoosin tapauksessa tasapaino suosii jonkin verran β-anomeeria. Anomeereilla on erilaiset kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet 2 α-anomeeri, 36 %, [α] D =+112.2, Mp β-anomeeri, 64 %, [α] D =+18.7,Mp SM07 32

33 Sokerien konformaatioita kuvataan useita tapoja käyttäen:fischerin projektio (vasemmalla), aworthin projektio (keskellä) ja tuolikonformaatiomalli (oikealla) Monosakkaridien reaktioita. 1. Esterien ja eetterien muodostuminen 2 Asetyylikloridi tai etikkahappoanhydridi Penta--asetyyli-β-D-glukopyranoosi X, Ag Asetyyliryhmä β-d-glukopyranoosi pentametyylieetteri Esterinmuodostus on nukleofiilinen asyylisubstituutioreaktio (luku 10.4.), jossa sokerin -ryhmät toimivat nukleofiileina. Eetterinmuodostus on S 2-reaktio (Williamsonin eetterisynteesi; luku 8.4.)). Sokerisyntetiikassa käytetään usein Ag 2 :ta emäksenä, sillä se on hellävarainen reagenssi, joka ei aiheuta sivureaktioita. SM07 33

34 eaktioita. 2. Pelkistys. Avoketjuisessa muodossaan olevan sokerin karbonyyliryhmä pelkistyy ab 4 :llä -ryhmäksi. Tuotteet ovat alditoleja α 2 2 β ab 4 D-sorbitoli eaktioita. 3. apetus. Aldoosien karbonyyliryhmä voidaan hapettaa karboksyylihapporyhmäksi. Aldoosit ovat pelkistäviä sokereita, sillä hapettuessan ne pelkistävät hapetusreagenssin. Sokerit, jotka eivät voi esiintyä avoketjuisessa muodossa, eivät hapetu, eivätkä siis ole pelkistäviä sokereita. 2 apetusreagensseja: Tollensin reagenssi (Ag+ ammoniakin vesiliuoksessa), Fehlingin reagenssi (u 2+ atartraattiliuoksessa) Benediktin reagenssi (u 2+ asitraattiliuoksessa) 2 [] 2 2 Yllälueteltuja hapetusreagensseja voidaan käyttää sokerien osoitusreaktioissa, sillä reaktion tuotteet ovat helposti havaittavia. Laimea typpihappoliuos hapettaa myös hydroksimetyyliryhmän ja tuotteena saan dikarboksyylihappoja, joita kutsutaan aldaarihapoiksi. SM07 34

35 eaktioita. 4. Glykosidin muodostuminen. eaktiossa muodostuu asetaali hemiasetaalin ja alkoholin reagoidessa keskenään. Tuotetta, joka syntyy kun glukopyranoosi reagoi, kutsutaan glukopyranosidiksi. Glykosidin rengasrakenne on neutraaleissa olosuhteissa pysyvä, eikä sille tapahdu mutarotaatiota. Glykosidit eivät ole pelkistäviä sokereita 2 3, β-d-glukopyranoosi Metyyli-β-D-glukopyranosidi Disakkaridit ja polysakkaridit. Disakkaridi muodostuu, kun monosakkaridin hemiasetaaliryhmä reagoi toisen monosakkaridin jonkin alkoholiryhmän kanssa. Esimerkiksi maltoosi muodostuu glukoosin 4- aseman -ryhmän reagoidessa glukoosin hemiasetaaliryhmän kanssa. Glykosidisen sidoksen konfiguraatio on tässä tapauksessa α. Maltoosi on 1,4 -glykosidi ja sen täydellinen nimi on 4--(α D-glukopyranosyyli)-α-Dglukopyranoosi. Sakkaroosi (sukroosi, tavallinen sokeri) koostuu glukoosista ja fruktoosista. Siinä glykosidinen sidos on kahden anomeerisen hiilen välillä, eikä sakkaroosi ole pelkistävä sokeri. Sakkaroosi on 1,2 -glykosidi ja sen täydellinen nimi on 2--(α Dglukopyranosyyli)-β-D-fruktofuranosidi 2 Glukoosi Fruktoosi 2 2 Polysakkaridit koostuvat jopa tuhansista monosakkarideista. Selluloosa koostuu toisiinsa 1,4 -β-sidoksin liittyneistä glukoosiyksiköistä. Tärkkelys on myös glukoosin polymeeri. Siinä monomeeriyksiköiden väliset sidokset ovat 1,4- α-sidoksia. SM07 35

36 13.2. Aminohapot, peptidit ja proteiinit Aminohapot ovat monomeerisia yksiköitä, joista peptidit ja proteiinit koostuvat. e ovat α-aminokarboksyylihappoja ja sisältävät siis emäs- ja happoryhmän. p:sta riippuen aminohapot esiintyvät vesiliuoksessa kationisina, neutraaleina tai anioneina. eutraali muoto on liuoksessa kahtaisionina, jossa aminoryhmä on protonoitunut ja happoryhmä anioninen Kahtaisioni Aminohappojen α-hiili on kiraalinen ja aminohapot ovat optisesti aktiivisia. Kun aminohappo esitetään Fischerin projektion avulla, karboksyylihapporyhmä piirretään ylimmäksi ja aminoryhmä osoittamaan vasemmalle. Luonnon aminohappojen sanotaan olevan L-enantiomeereja. 2 3 Aminohapoissa on erilaisia sivuketjuja ja ketjun kemiallisten ominaisuuksien perusteella aminohapot voidaan jakaa neutraaleihin, emäksisiin ja happamiin. Sivuketjuissa voi olla myös aromaattisia renkaita ja funktionaalisia ryhmiä kuten alkoholi- tai tiolifunktioita. appamat ja emäksiset ryhmät voivat toimia esim. katalyyttisinä ryhminä entsyymeissä ja sivuketjujen funktionaaliset ryhmät vaikuttavat proteiinien vuorovaikutuksiin Seriini S Asparagiinihappo; hapan aminohappo istidiini; emäksinen aminohappo Fenyylialaniini Kysteiini SM07 36

37 Aminohapot liittyvät toisiinsa peptidisidoksin, jotka muodostuvat aminohapon aminoryhmä 2 reagoi toisen molekyylin karboksyylihapporyhmän kanssa. - sidoksella on osittainen kaksoissidosluonne ja se on siksi tasoimainen ja jäykkä (amidi). Kun esimerkiksi alaniinin karboksyylihapporyhmä reagoi seriinin aminoryhmän kanssa muodostuu alanyyliseriini Vakintuneen käytännön mukaisesti peptidit piirretään niin, että aminoryhmä on vasemmalla, karboksyylihapporyhmä oikealla. Kaksi tai useampia aminohappotähteitä muodostaa peptidin. Yli 50 aminohappotähdettä sisältävää polypeptidiä sanotaan proteiiniksi. Peptidien aminohappokoostumuksen määrittäminen ja aminohapposekvenssin määrittäminen (sekvennointi) voidaan tehdä automaattisesti. Aminohappokoostumuksen määrittäminen perustuu aminohappojen havaitsemiseen ninhydriinin avulla. Sekvennointi tapahtuu aminohappo kerrallaan: -terminaalinen aminohappo reagoi fenyyliisotiosyanaatin kanssa, jonka jälkeen aminohappojohdos irrotetaan ja analysoidaan. Peptidien kemiallinen synteesi Peptidisidosta muodostettaessa muut mahdollisesti reagoivat ryhmät on suojattava helposti ja selektiivisesti poistettavilla suojaryhmillä Karboksyylihappo-ryhmä suojataan esterinä. Suojaus voidaan poistaa emäshydrolyysillä , l Aminoryhmä suojataan Bsuojaryhmällä, joka voidaan poistaa happokäsittelyllä 2 t-bu t-bu 3 t-bu 3 SM07 37

38 Vapaa karboksyylihapporyhmä ja aminoryhmä voivat reagoida keskenään, jolloin muodostuu peptidisidos t-bu Suojaryhmät voidaan poistaa selektiivisesti (=vain toinen poistetaan), jolloin vapautuu yksi funktionaalinen ryhmä ja peptidi voi reagoida selektiivisesti suojatun aminohapon kanssa t-bu peptidiketjuun voidaan hallitusti lisätä yksi aminohappo kerrallaan t-bu Lipidit Lipidit ovat rakenteellisesti epäyhtenäinen ryhmä ja nimellä tarkoitetaan yleensä yhdisteitä, joita saadaan soluista orgaanisella liuottimella uuttamalla. e sisältävät yleensä pitkiä hiilivetyketjuja tai renkaita ja liukenevat siksi orgaanisiin liuottimiin, mutta eivät juurikaan veteen. Lipidit voidaan jakaa kahteen ryhmään. Ensimmäiseen kuuluvat rasvankaltaiset yhdisteet ja vahat. ämä yhdisteet sisältävät esterifunktion ja ne voidaan hydrolysoida. Toisen ryhmän yhdisteitä ei voida hydrolysoida. Tähän ryhmään kuuluu mm. kolesteroli ja sen kaltaiset yhdisteet. asvat ja öljyt kuuluvat ensimmäiseen ryhmään. e ovat glyserolin ja rasvahappojen estereitä SM07 38

39 asvahapot ovat yleensä suoraketjuisia ja sisältävät hiiltä. Jos ketjuissa on kaksoissidoksia, ne ovat yleensä cis- muotoa. Jos rasvahapossa on useita kaksoissidoksia, rasvahapon sanotaan olevan monityydyttymätön. Tyydyttymättömien rasvahappojen sulamispisteet ovat yleensä alhaisempia kuin samanpituisten tyydyttyneiden yhdisteiden. Tyydyttymättömät rasvahapot ovat siksi yleensä nestemäisiä, kun taas tyydyttyneet ovat kiinteitä. Tyydyttyneitä rasvahappoja voidaan valmistaa tyydyttymättömiä vedyttämällä. Saippuat ovat rasvahappojen a-suoloja. iitä voidaan valmistaa hydrolysoimalla rasvaa a:lla. Saippuoiden puhdistava vaikutus perustuu siihen, että molekyylien päät ovat erilaiset. Karboksyylihappopää on hydrofiilinen ja pyrkii liukenemaan veteen. iilivetyketju on hydrofobinen ja liuottaa rasvoja. Saippuat ovat pinta-aktiivisia aineita ja ne muodostavat vedessä misellejä, joissa hiilivetyketjut nuodostavat hydrofobisen pallon, joka liuottaa rasvoja. Karboksyylihapporyhmät jäävät pallon pinnalle, mikä parantaa vesiliukoisuutta. Fosfolipidit sisältävät fosforihappoesteriryhmiä. Fosfoglyserideissä glyseroliin on liittynyt kaksi rasvahappoa ja fosforihappoesteri. asvahapot ovat hiilen pituisia. 1:en liittynyt on yleensä tyydyttynyt, 2:n tyydyttymätön. Fosforihappo on lisäksi esteröitynyt aminoalkoholin kanssa 2 Fosfatidyylikoliinissa fosfaattiryhmä on esteröitynyt koliinin kanssa. 2 P Solunpinnan fosfolipidit muodostavat kaksoiskerroksen, jossa hiilivetyketjut ovat aggregoituneet. Polaariset fosfoesteriryhmät peittävät solun ulko- ja sisäpintaa. egatiivinen varaus hylkii anionisia yhdisteitä ja estää niiden pääsyn solunpinnan läpi Fosfoesteriryhmät asvahappoketjut SM07 39

40 Toinen fosfolipidiryhmä on sfingolipidit, joissa rakenteen perustan muodostaa sfingosiini, johon on liittynyt kaksi alkyyliryhmää ja fosfoesteri 2 2 P ( 2 ) Sfingomyeliinejä esiintyy erityisesti hermosäikeiden kuorikerroksissa 2 ( 2 ) 12 3 Steroidit kuuluvat toiseen lipidiryhmään, jolle tunnusmerkillistä on, ettei yhdisteitä voi hydrolysoida. Steroidien rakenteessa on neljä fuusioitunutta rengasta. A B D enkaissa voi olla kaksoissidoksia ja ne voivat olla myös aromaattisia. enkaat erotetaan toisistaan A-D kirjaimin alkaen alhaalla vasemmalla olevasta renkaasta. enkaissa voi olla erilaisia sivuketjuja, kuten esim. kolesterolissa on: SM07 40

41 13.4. ukleiinihapot ukleiinihapot koostuvat nukleosideista, jotka ovat liittyneet toisiinsa fosfodiesterisidoksin. Sidokset muodostuvat, kun fosforihappo esteröityy yhden nukleosidin 3 -:n ja toisen nukleosidin 5 --ryhmän kanssa ukleosidit koostuvat riboosista (A:ssa) tai 2 deoksiriboosista (DA:ssa) ja heteroaromaattisesta emäksestä, joka on liittynyt -atomistaan sokerirenkaan 1- asemaan. -glykosidisen sidoksen konfiguraation on β 5 B P B 2 -deoksiribonukleosidi 2 2 ibonukleosidi ukleiinihappoemäkset ovat pyrimidiinin ja puriinin johdannaisia Adeniini Guaniini sytosiini Tymiini Urasiili (DA:ssa) (A:ssa) Emäkset voivat muodostaa vetysitoutuneita G- ja A-T/U emäspareja. Vetysidosten muodostuminen vastakkaisten nukleiinihappoketjujen välille on yksi DA:n kaksoiskierrerakennetta ylläpitävistä vuorovaikutuksista. 3 A-T -emäspari 2 2 G- -emäspari 2 SM07 41

42 DA-emässekvenssin määrittäminen eli sekvennointi Maxamin ja Gilbertin menetelmä perustuu tietylle emäkselle selektiivisiin kemiallisiin reaktioihin. 1. DA ketju leimataan: Ketjun päässä olevaan 5 - ryhmään liitetään 32 P leimattu fosfaattiryhmä analysoinnin helpottamiseksi. 2. Leimattu DA jaetaan neljään osaan, jotka käsitellään niin, että DA ketju katkeaa tietyn emäksen kohdalta. losuhteet valitaan niin, vain osa ketjuista katkeaa. Esim. 32 P-G-A--A-T-G-A-G-T-A-G---T A-spesifinen reaktio 32 P-G, 32 P-G-A-, 32 P-G-A--A-T-G, 32 P-G-A--A-T-G-A-G-T 3. Erimittaiset DA-fragmentit voidaan erottaa geelielektroforeettisesti Jokaisesta reaktiosta otetaan näyte, joka aplikoidaan geelille. Laitteeseen kytketään jännite, jolloin varautuneet hiukkaset kulkeutuvat kohti vastakkaismerkkistä elektrodia DA-fragmenteissa on negatiivinen varaus (fosfodiesterisidoksissa) ja sähkökentässä ne kulkevat kohti + -elektrodia Geeli hidastaa kulkeutumista sitä enemmän, mitä suurempi fragmentti on erottuvat koon perusteella A G T A G T Fragmentit voidaan havaita radioaktiivisuuden perusteella ja emäsjärjestys voidaan lukea levyltä aloittaen alhaalta ja edeten ylöspäin. Myös peptideille on kehitetty omat sekvensointimenetelmänsä. SM07 42