Veresterung und Acylierung

Veresterung und Acylierung Übung

• Schildere das Vorkommen der funktionellen Gruppen von Aminosäuren bei unterschiedlichen pH-Werten.

  Tipps

  Im Namen Aminosäure verstecken sich die funktionellen Gruppen, die charakteristisch für Verbindungen dieser Klasse sind.

  Cabonsäuregruppe: $-COOH$

  Aminogruppe: $-NH_2$

  Lösung

  Aminosäuren verfügen über mindestens zwei funktionelle Gruppen, eine Carbonsäuregruppe $-COOH$ und eine Aminogruppe $-NH_2$. Sie sind für die typischen chemischen Eigenschaften von Aminosäuren verantwortlich.

  Die Carbonsäuregruppe macht die Aminosäuren zu schwachen Säuren, ein Proton kann also leicht abgespalten werden. In basischen und neutralen Lösungen liegt die Carbonsäuregruppe daher in deprotonierter, anionischer Form $-COO^-$ vor.

  Die Aminogruppe hingegen hat die Eigenschaften einer schwachen Base. Sie reagiert mit $H_2O$ zur $-{NH_3}^+$-Gruppe, dabei wird ein $OH^-$-Ion frei. In saurer oder neutraler Lösung liegt die Aminogruppe daher als protonierte, positiv geladene $-{NH_3}^+$-Gruppe vor.

  In neutralen Lösungen liegen Aminosäuren also als Zwitterionen vor. In sauren Lösungen sind beide funktionellen Gruppen protoniert, das Molekül ist positiv geladen. In alkalischen Lösungen sind beide Gruppen deprotoniert, das Molekül ist damit negativ geladen.

• Benenne die Verbindungen, die bei der Veresterung von Aminosäuren eine Rolle spielen.

  Tipps

  Zwitterionen tragen sowohl eine positive als auch eine negative Ladung.

  Lösung

  Zur Veresterung einer Aminosäure mit einem Alkohol muss die Carbonsäuregruppe der Aminosäure in protonierter Form vorliegen. Das Zwitterion wird daher durch Zugabe von Salzsäure in die kationische Form überführt.

  Wird nun ein Alkohol hinzugegeben, kommt es zur Veresterung. Zwischen dem Kohlenstoffatom des Alkohols und dem Sauerstoffatom der Carbonsäuregruppe entsteht eine neue Bindung. Die Hydroxygruppe des Alkohols bildet mit dem $H^+$-Ion der Carbonsäuregruppe ein Molekül $H_2O$. Da die Aminogruppe noch protoniert ist, ist das Reaktionsprodukt das Hydrochlorid des Esters.

  Mit Natronlauge kann das Hydrochlorid in das Reaktionsprodukt überführt werden. Dabei entstehen Wasser und Natriumchlorid. Bei dem Reaktionsprodukt handelt es sich um ein primäres Amin, da es über eine $-NH_2$-Gruppe verfügt. Es ist aber gleichzeitig auch ein Ester.

• Erläutere die Reaktion von Alanin mit Acetylchlorid.

  Tipps

  Voraussetzung für die erfolgreiche Acylierung ist die Aktivierung der Aminogruppe.

  Lösung

  Acylierungsreaktionen spielen in der Biologie eine wichtige Rolle und werden von Enzymen katalysiert. Will man die Reaktion im Reagenzglas durchführen, muss man ein wenig tricksen.

  Als Erstes muss die Aminogruppe in unprotonierter Form vorliegen. Daher muss der pH-Wert durch Zugabe von Lauge erhöht werden. Dann wird ein Carbonsäurechlorid hinzugegeben, im beschriebenen Fall handelt es sich um das Chlorid der Essigsäure, Acetylchlorid. Eine neue Bindung wird zwischen dem Stickstoffatom der Aminosäure und dem Kohlenstoffatom der Säurechloridgruppe geknüpft. Dabei wird ein $Cl^-$-Ion und ein $H^+$-Ion der Aminogruppe abgegeben.

  Die freigesetzten $H^+$-Ionen erniedrigen den pH-Wert der Lösung. Dies würde dazu führen, dass die verbliebenen Aminosäuremoleküle wieder in die Form der Zwitterionen gebracht werden. Damit wäre die Aminogruppe nicht mehr aktiv! Um dies zu verhindern, muss dem Reaktionsgemisch eine weitere Verbindung hinzugefügt werden, die die entstandenen $H^+$ abfängt. Dies ist im beschriebenen Fall ein Amin.

  Ist die Reaktion abgeschlossen, kann die Verbindung in die ungeladene Form überführt werden. Dazu muss die Carbonatgruppe zur Carbonsäuregruppe protoniert werden. Dies geschieht durch Zugabe von Säure.

• Ermittle, unter welchen pH-Bedingungen die Verbindungen synthetisiert wurden.

  Tipps

  Die Veresterung einer Carbonsäuregruppe kann nur erfolgen, wenn diese in ungeladener, protonierter Form vorliegt.

  Je niedriger der pH-Wert, desto mehr Carbonsäuregruppen liegen in protonierter Form vor.

  Lösung

  Komplizierter gebaute Aminosäuren enthalten häufig mehr als zwei funktionelle Gruppen. Zwei wichtige Aminosäuren enthalten weitere Carbonsäuregruppen, die ebenfalls verestert werden können.

  Je nach pH-Wert liegen die beiden Carbonsäuregruppen der Glutaminsäure in protonierter oder unprotonierter Form vor. Bei sehr niedrigen pH-Werten sind beide Gruppen protoniert und damit aktiviert. Das Reaktionsprodukt der Veresterung mit Methanol trägt dementsprechend zwei Methylestergruppen anstelle der ursprünglichen Carbonsäuregruppen. Bei etwas einem höheren, aber immer noch sauren pH-Wert ist nur die Carbonsäuregruppe aktiviert, die näher an der Aminogruppe liegt. Daher wird auch nur diese Gruppe verestert.

  Bei alkalischem pH-Wert sind beide Carbonsäuregruppen und die Aminogruppe deprotoniert. Die Aminogruppe ist damit aktiviert und kann für die Acylierungsreaktion genutzt werden.

  In neutraler Lösung sind beide Carbonsäuregruppen deprotoniert, also nicht aktiv, und die Aminogruppe protoniert, also ebenfalls nicht aktiv. Es kann weder eine Veresterung noch eine Acylierung durchgeführt werden.

• Beschrifte die unterschiedlichen Typen von Aminosäuren.

  Tipps

  Zwitterionen verfügen sowohl über eine positive als auch über eine negative Ladung.

  Lösung

  Ein neutrales Molekül zeichnet sich dadurch aus, dass die Gesamtladung des Moleküls null beträgt. Dies kann bedeuten, dass keine Ladungen vorhanden sind oder dass gleich viele positive und negative Ladungen vorhanden sind. Daher müssen beide Fälle auseinandergehalten werden.

  Als die Neutralform von Aminosäuren wird die Form bezeichnet, in der alle funktionellen Gruppen ungeladen sind. Dies ist aber eigentlich nie der Fall. Unter neutralen Bedingungen sind beide funktionellen Gruppen geladen: Die Carbonsäuregruppe ist deprotoniert und trägt eine negative Ladung, die Aminogruppe ist protoniert und trägt eine positive Ladung. Diese Form der Verbindung wird als Zwitterion bezeichnet.

  Ist die Carbonsäuregruppe geladen, also deprotoniert, und die Aminogruppe ungeladen, also ebenfalls deprotoniert, so ist das Molekül insgesamt negativ geladen. Es handelt sich um ein Anion. Sind beide Gruppen hingegen protoniert, ist die Carbonsäuregruppe ungeladen und die Aminogruppe geladen. Die Gesamtladung des Moleküls beträgt +1. Daher handelt es sich um ein Kation.

• Formuliere die Reaktionsgleichung zur Reaktion von Valin mit Benzylalkohol.

  Tipps

  Im letzten Schritt wird ein Ammoniumhydrogensulfat in ein primäres Amin umgewandelt.

  Lösung

  Valin ist eine einfach gebaute aliphatische Aminosäure. Ihr Rest besteht aus einer $-CH(CH_3)_2$-Gruppe. Durch Zugabe von Schwefelsäure lässt sich die Carbonsäuregruppe aktivieren. Dadurch entsteht das Kation von Valin mit dem Hydrogensulfat-Anion ${HSO_4}^-$ als Gegenion. Nun kann die Veresterung durchgeführt werden.

  Als Alkohol wird der aromatische Benzylalkohol verwendet. Im Verlauf der Veresterung wird die $OH$-Gruppe abgespalten und es wird eine Bindung zwischen dem endständigen Kohlenstoffatom und dem Sauerstoffatom der Carbonsäuregruppe geknüpft. Dabei wird auch das Proton der Carbonsäuregruppe abgespalten, so dass insgesamt ein Molekül $H_2O$ entsteht.

  Das Produkt der Veresterung trägt eine protonierte Aminogruppe, es handelt sich also um ein Ammonium-Ion. Mit dem Hydrogensulfat als Gegenion bildet dieses eine salzartige Verbindung. Um diese in das ungeladene primäre Amin zu überführen, muss die $-(NH_3)^+$-Gruppe deprotoniert werden. Dies geschieht durch Zugabe von Natronlauge. Als Nebenprodukte entstehen dabei nur Wasser und Natriumhydrogensulfat.