Das Gehirn benötigt ständig Traubenzucker als Energieträger.

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1 Das Gehirn benötigt ständig Traubenzucker als Energieträger.
Quelle: Quelle: Quelle: Das Gehirn benötigt ständig Traubenzucker als Energieträger. Im Fall von Traubenzuckermangel kann der Körper über die Gluconeogenese die D-Glucose aus zwei kleineren Bausteinen selbst herstellen. Die Verknüpfung zweier kleinerer Bausteine zu einem größeren läuft in diesem Fall über eine sogenannte Aldoladdition.

2 Aldoladdition Hydroxid-Ion Propanon (= Aceton) Propanal
In einer Aldoladdition reagieren zwei Moleküle von Carbonylverbindungen miteinander (also Aldehyde oder Ketone). Dabei entsteht unter Verknüpfung der beiden Moleküle eine neue Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung. Die beiden Moleküle können aus der gleichen Carbonylverbindung stammen (z.B. zwei Moleküle Ethanal) oder, wie im hier betrachteten Beispiel, unterschiedlich sein (ein Molekül Propanon und ein Molekül Propanal).

3 Aldoladdition Hydroxid-Ion a-C-Atom Propanon (= Aceton) a-C-Atom
Propanal a-C-Atom Die zwingende Voraussetzung für das Zustandekommen einer Aldoladdition ist, daß mindestens eine der reagierenden Carbonylverbindungen mindestens ein H-Atom am sog. a-C-Atom trägt (= dem C-Atom, das dem C-Atom der C=O-Gruppe direkt (!!) benachbart ist). Aceton [= Propanon] in der Abbildung oben hat sogar zwei solcher a-C-Atome; diese wiederum sind nicht nur mit einem, sondern sogar jeweils mit drei H-Atomen verbunden. [Zur Definition des Begriffs a-C-Atom und der Möglichkeit der Abspaltung von Protonen von einem solchen a-C-Atom durch geeignete Basen: siehe PP-Datei „Acidität“].

4 Aldoladdition Hydroxid-Ion a-C-Atom Propanon (= Aceton) a-C-Atom
Propanal a-C-Atom Der erste Schritt in einer Aldoladdition ist immer der Angriff einer geeigneten Base auf eines der H-Atome am a-C-Atom. Dieses H-Atom wird von der Base in Form eines Protons H+ entfernt. In den meisten Fällen kommt mit dem Hydroxid-Ion (z.B. aus Natronlauge Na+ OH‾) eine relativ starke Base zum Einsatz.

5 Aldoladdition Hydroxid-Ion
Im hier betrachteten Fall wählen wir für den Angriff der Base eines der H-Atome an einem der beiden a-C-Atome des Acetons (siehe Abbildung; größerer Elektronenpaarverschiebungspfeil).

6 Aldoladdition Hydroxid-Ion
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). Gleichzeitig muß das p-Elektronenpaar der C=O-Doppelbindung hin zum O-Atom verschoben werden (oberer Pfeil), damit das C-Atom vierbindig bleibt.

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

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

9 Aldoladdition Enolat-Ion Carb-Anion
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, sie ist also nicht lokalisiert.

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

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

12 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.

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

14 Aldoladdition Zur Wiedergabe des nun folgenden nucleophilen Angriffs wählen wir hier willkürlich die mesomere Grenzform, die als Carb-Anion dargestellt ist (wir könnten aber auch völlig gleichberechtigt 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).

15 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).

16 Aldoladdition Das Ergebnis jener Kaskaden von Elektronenpaarverschiebungen ist die Verknüpfung zweier C-3-Bausteine zu einem C-6-Baustein!

17 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.

18 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.

19 Aldoladdition Wasser Hydroxid-Ion Wir merken uns also:
Das Produkt, welches aus der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verknüpfung eines deprotonierten a-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.

20 Aldoladdition Wasser Hydroxid-Ion
Wir haben im Rahmen dieser Aldoladdition aus zwei (vereinfachten) C-3-Bausteinen ein aldolartiges Hydroxyketon namens 4-Hydroxy-hexan-2-on hergestellt. Zur Nomenklatur: Das Vorziehen der Ziffer „2“ vor den Stammnamen „hexan“ ist ebenfalls zulässig  4-Hydroxy-2-hexanon

21 Aldolkondensation 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.

22 Aldolkondensation Die OH-Gruppe kann nunmehr protoniert werden.

23 Aldolkondensation Dadurch wird die sehr gute Abgangsgruppe Wasser vorgebildet.

24 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.

25 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.

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

27 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; dieses ursprüngliche Bindungselektronenpaar bildet nach diesem Reaktionsschritt das p-Elektronenpaar der neuen C=C-Doppelbindung zwischen C-3 und C-4.

28 Aldolkondensation Ein Wasser-Molekül fungiert hier als Base Die Abbildung zeigt die entsprechenden Elektronenpaarverschiebungen. Im sauren Milieu muß notgedrungen Wasser die Funktion der Base übernehmen (Hydroxid-Ionen haben wir bei dem niedrigen pH-Wert nicht mehr zur Verfügung).

29 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).

30 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).

31 Aldolkondensation Propanon Propanal (E)-3-Hexen-2-on (= Aceton)
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 Carbonylverbindung verknüpft.

32 Aldolkondensation Propanon Propanal – H2O (E)-3-Hexen-2-on (= Aceton)
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!

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

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

35 Welche Bedeutung hat die Aldoladdition in biologischen Systemen?
Quelle: neuro-programmer.de Antwort (siehe Folie Nr. 1): Unser Gehirn muß ständig 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. Diese Neubildung von Traubenzucker aus kleineren Bausteinen wird Gluconeogenese genannt.

36 Dihydroxyacetonphosphat
Diese Folie zeigt die Vorbereitung des entscheidenden Schritts der C-C-Verknüpfung: Die Abspaltung eines Protons von einem a-C-Atom eines der beiden C-3-Bausteine, nämlich des Dihydroxyacetonphosphats. Als Base dient in diesem Fall sehr wahrscheinlich eine Carboxylatgruppe in einem Enzym.

37 Mesomeriestabilisiertes Anion
des Dihydroxyacetonphosphats Das entstehende Anion ist mesomeriestabilisiert (wie bei allen Deprotonierungen eines a-ständigen C-Atoms), d.h. das Elektronenpaar der ursprünglichen C-H-Bindung, auf dem die negative Ladung des Anions beruht, ist über insgesamt drei Atome dieses Anions delokalisiert (siehe geschweifte Klammer).

38 Mesomeriestabilisiertes Anion
des Dihydroxyacetonphosphats Glycerinaldehyd-3-phosphat Das delokalisierte Elektronenpaar greift im entscheidenden Reaktionsschritt der C-C-Verknüpfung am Carbonyl-C-Atoms des benachbarten Glycerinaldehyd-3-phosphats an. Gleichzeitig muß sich das p-Elektronenpaar der C=O-Bindung der Aldehydgruppe bewegen, und zwar in Richtung eines Protonendonators (in diesem Fall wird wahrscheinlich das Proton der Carbonsäuregruppe eines Asparaginsäure- oder Glutaminsäurebausteins in einem Enzym aufgenommen).

39 Das entstehende Produkt, D-Fructose-1,6-bisphosphat genannt, kann in wenigen Schritten zur D-Glucose umgewandelt werden.

40 Im ersten Schritt wird der Phosphorsäureester am C-1 hydrolysiert (d.h. die anorganische Esterbindung wird durch Wasser gespalten, so daß die alkoholische OH-Gruppe am C-1 nunmehr frei vorliegt, ebenso wie das abgespaltene Phosphat-Ion). Der Name dieses Zwischenprodukts lautet D-Fructose-6-phosphat.

41 Nun erfolgt die Enolisierung zwischen den C-Atomen Nr. 1 und 2 ...

42 … gefolgt von einer weiteren Keto-Enol-Tautomerie, die uns zum strukturisomeren D-Glucose-6-phosphat führt.

43 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.

44 Aldoladdition Aldolkondensation Propanal Propanal Aldoladdition Aldolkondensation Propanon Propanon Zur abschließenden Übung des Stoffes betrachten wir die Aldoladditionen und die anschließenden Aldolkondensationen zweier isomerer Carbonylverbindungen, indem wir jeweils die gleichen Moleküle miteinander zur Reaktion bringen. Formulieren Sie die Strukturen der entstehenden Produkte, bevor (!) Sie die Lösung auf der abschließenden Folie betrachten.

45 Aldoladdition Aldolkondensation Propanal Propanal Aldoladdition Aldolkondensation Propanon Propanon Beachten Sie dabei das Grundprinzip, daß bei der Aldoladdition das a-C-Atom des einen Moleküls am Carbonyl-C-Atom des zweiten Moleküls angreift und daß bei der Kondensation ein Molekül Wasser unter Ausbildung einer a,b-ungesättigten Carbonylverbindung abgespalten wird.

46 Aldoladdition Aldolkondensation Propanal Propanal 3-Hydroxy-2-methylpentanal (E)-2-Methyl-2-pentenal Aldoladdition Aldolkondensation Propanon Propanon 4-Hydroxy-4-methyl-2-pentanon 4-Methylpent-3-en-2-on