Seite 09-1 Organische Chemie für Biologen - Vom Methan zu Biomolekülen 09 – Thiole und Thioether Empfehlung: Kapitel 9, Vollhardt/Schore, WILEY-VCH, 2005. Priv.-Doz. Dr. Stefan Immel Universität Leipzig, Wintersemester 2007/2008. Seite 09-2 Struktur und Nomenklatur Thiole und Thioether Methanthiol Ethanthiol Ethanthiolat 2-Propanthiol Analog zu der strukturellen Beziehung zwischen Wasser und den Alkoholen oder Ethern, leiten sich die Strukturen der Thiole und Thioether vom Schwefelwasserstoff H2S ab (Die Thiole sind auch die S-Analogen der Alkohole). Darüber hinaus kann Schwefel – im Gegensatz zu Sauerstoff – in einer ganzen Reihe von Oxidationsstufen (-2 ? +6) auftreten, so dass neben den Thiolen noch höher oxidierte Formeln des Schwefels in anderen Substanzklassen zu finden sind, von denen vor allem die Disulfide in biochemischen Zusammenhängen von Bedeutung sind: H S H R S H R S Oxidations- -2 -2 -2 stufe von S: S S R H H Schwefelwasserstoff (H 2S) Disulfide (RSSR) Nomenklatur Thiole Thioether (Mercaptane, RSH) (biochem.: Sulfhydryle) (Sulfide, RSR) Sulfoxide (RSOR) Die Namensgebung der Verbindungen aus der Stoffklasse der Thiole (auch Mercaptane, RSH) erfolgt durch anhängen der Endung „-thiol“, die Thioether werden auch häufig als Sulfide (RSR) bezeichnet: SH H3C H3C SH SH S S S speziell: Aliphatische Thiole (Alkyl-SH) Ethyl-methyl-thioether (Ethyl-methylsulfid) Aromatische Thiophenole (Aryl-SH) R S S R S R R R S O O O R R S O O OH R S O O R O R S OH R S O OH O S O O -1 ±0 ±0 +2 +2 +4 +4 +6 Sulfensäuren (RSOH) Sulfinsäure (RSO 2H) Sulfone (RSO 2R) Sulfonsäuren (RSO 3H) Sulfonsäureester (RSO 3R) Sulfate (ROSO 2OR) Diethylsulfid Seite 09-3 Eigenschaften und Bedeutung Thiole und Thioether 3-Methylbutan-1-thiol SH (E)-2-Buten-1-thiol Stinktier-"Geruch" SH SH 3-Methyl- 2-buten-1-thiol Die augenfälligste Eigenschaft der meisten Schwefelverbindungen ist ihr absolut widerwärtiger Geruch, der zum Teil noch in kleinsten Konzentrationen (Verdünnungen bis in den ppm oder ppb Bereich*) wahrnehmbar ist (z.B. Methanthiol, Dimethylsulfid und Thiophenol bleiben unvergessliche Erlebnisse für jeden, der mit diesen einfachen Verbindungen in Berührung kommt). Unter den Schwefelverbindungen sind sehr toxische Verbindungen wie das Giftgas „Senfgas“, aber auch lebenswichtige Coenzyme und prosthetische Gruppen (siehe unten) zu finden: Zu den gängigen S-haltigen (geruchlosen!) Lösungsmitteln gehören auch Dimethylsulfoxid (DMSO) und „Sulfolan“ (polar aprotische Lösungsmittel): Senfgas ("Schwefel-Lost") Sulfolan Interessanterweise sind in sehr geringen Konzentrationen die Gerüche vieler Schwefelverbindungen sehr angenehm (das in hohen Konzentrationen wirklich widerwärtig riechende Dimethylsulfid ist in sehr geringen Mengen ein wichtiger Bestandteil des Aromas von schwarzem Tee) und viele Aromastoffe enthalten Schwefel. Einer der Hauptaromastoffe der Grapefrucht kommt in Konzentrationen von < 1 ppb vor, lässt sich aber noch in 10000-fach höheren Verdünnungen schmecken (10-4 ppb = 1 mg in 10000 m3 Wasser – das ist kein Schwimmbad, das ist ein kleiner See!) Spargel gehört zu den Liliengewächsen, genau zu den Asparagales. Dazu gehören auch Lauch, Zwiebel (Allium cepa), Schnittlauch oder Knoblauch (Allium sativum). Diese zeichnen sich durch ein reiches Spektrum an Schwefel-haltigen Geruchsstoffen aus. Bei Zwiebel und Knoblauch handelt es sich um substituierte Cysteinsulfoxide. Knoblauch enthält außerdem das S-Allyl-cystein-sulfoxid. Beim Anschneiden der Knoblauchzwiebel wird daraus durch Freisetzen des Enzyms Alliinase der Geruchsstoff Allicin synthetisiert (Knoblauch-„Aroma“ ? Abwehr von Fraßfeinden). * ppm = parts per million (Verdünnung 1 : 1.000.000 = 1 : 10 6 ) und ppb = parts per billion (1 : 10 9 ). Seite 09-4 Aroma und Geruchsstoffe H3C SH Grapefrucht- Aroma Grapefrucht S S S S S S Aromastoffe des Spargels Spargel Asparagussäure Unter den biochemisch interessanten Schwefelverbindungen sind neben den lebenswichtigen proteinogenen Aminosäuren Cystein und Methionin die Cystein- und Methionin-haltigen Proteine und Peptide wie z.B. Glutathion (ein Cystein-haltiges Tripeptid) zu nennen. Daneben spielen aber auch Verbindungen wie das bereits angesprochene S- Adenosyl-methionin (siehe unten, sowie Kapitel 4 unter „Nucleophile Substitutionen“), aber auch Coenzyme und prosthetische Gruppen* wie Thiamin (Vitamin B 1 ), die Liponsäure und die Dihydroliponsäure, oder Biotin (Vitamin B 7 ) zentrale Rollen in Stoffwechselprozessen. Weitere Beispiele sind die pharmazeutisch hoch interessanten Penicilline und Cephalosporine aus der Klasse der ß-Lactam-Antibiotika: NH 3 Alliin (S-Allyl-cystein-sulfoxid) (Inhaltsstoff von Knoblauch) Knoblauch Alliinase Allicin (Geruchsstoff von Knoblauch) Knoblauch * Als prosthetische Gruppe bezeichnet man die an ein Protein fest (meist kovalent) gebundene Nicht-Eiweiß-Komponente mit katalytischer Wirkung. Seite 09-5 Beispiele biologisch relevanter Schwefelverbindungen Aminosäuren und Peptide NH 3 Cystein (Aminosäure) Coenzyme und prosthetische Gruppen Antibiotika NH 2 S Thiamin (Vitamin B 1) COOH Penicilline (ß-Lactam-Antibiotika) NH 3 Methionin (Aminosäure) SH SH Liponsäure Dihydroliponsäure Cephalosporine (Breitband-Antibiotika) (ß-Lactam-Antibiotika) COOH NH 3 Glutaminsäure Cystein Glutathion Glycin (Tripeptid: ?-L-Glutamyl-L-cysteinylglycin) Penicillin Inhibition von Staphylococcus aureus Biotin (Vitamin B 7) A. Flemming (1881-1955) Nobelpreis Medizin 1945.* * Sir Alexander Flemming, Nobelpreis 1945, zusammen mit E. B. Chain und Sir H. W. Florey, „for the discovery of penicillin and its curative effect in various infectious diseases“. Seite 09-6 Vergleich Schwefel und Sauerstoff Vergleich der Thiole und Thioether mit Alkoholen und Ethern Die Verwandtschaft von Sauerstoff und Schwefel im Periodensystem (1. und 2. Achterperiode des PSE) legt einen direkten Vergleich der Thiole und Thioether mit den Eigenschaften der Alkohole und Ether nahe: Schwefel EN Elektronegativität EN(S) = 2.5 Polarität / H-Brücken- Bindungen Siedepunkte Löslichkeit Gefahren / Toxizität ? weniger polare Bindungen ? schwache Wasserstoffbrücken-Bindungen Schwefelwasserstoff Siedepunkt -60°C (gasförmig) Ethanthiol Siedepunkt +35°C Sauerstoff Elektronegativität EN(O) = 3.5 ? stark polare Bindungen ? starke Wasserstoffbrücken-Bindungen Wasser Siedepunkt +100°C (flüssig) Ethanol Siedepunkt +78°C Ethanthiol ist schlecht löslich in Wasser Ethanol ist mit Wasser unbegrenzt mischbar Ethanthiol: Ethanol: ? widerwärtig stinkende Flüssigkeit ? Geruch und Geschmack allgemein bekannt Seite 09-7 Vergleich Schwefel und Sauerstoff – Azidität und Basizität Schwefel X-H Bindung schwache S-H-Bindung (Bindungsstärke ~ 350 kJ/mol) Acidität ? höhere Acidität der Thiole ? geringere Basizität der Thiolate Schwefelwasserstoff Thiole R S H R S Thiophenole pK s-Werte + H 9-10 + H 6-7 Sauerstoff starke O-H-Bindung (Bindungsstärke ~ 465 kJ/mol) ? Alkohole sind schwach acide ? Alkoholate sind starke Basen Wasser Alkohole R O H R O Phenole ? Thiole bilden Salze mit schwachen Basen ? Alkohole bilden Salze mit starken Basen + NaOH - H 2O ? Thiole bilden mit Schwermetallen unlösliche Salze + Ag analog z.B. Cu 2+ , Hg 2+ , Pb 2+ etc. S O Na H + NaNH 2 - NH 3 pK s-Werte + H 15-16 + H 9-10 ? Keine Bildung stabiler Salze mit Schwermetallen + Ag Seite 09-8 Vergleich Schwefel und Sauerstoff – Nucleophilie Schwefel Nucleophilie Thiole und Thiolate sind starke Nucleophile Polarisierbarkeit Synthese / Darstellung I CH 3 S N 2 ? Schwefel ist "größer" als Sauerstoff (leichter angreifbar) ? Schwefel ist besser polarisierbar als Sauerstoff ? d-Orbitale vorhanden Natriumsulfid (Überschuss) S N 2 R2 S R1 Thioether (Sulfide) - NaBr Sauerstoff R S H ist nucleophiler als R O H R S ist nucleophiler als R O - NaBr S N 2 HS R 1 Thiole + NaOH - H 2O "normale" Base S R 1 Thiolat ? häufig schnelle Reaktion ? wenig Eliminierungs-Nebenprodukte da Schwefel stärker nucleophil und schwächer basisch ist S R 1 Sulfoniumsalze ? hohe Nucleophilie von Schwefel ermöglicht weitere Alkylierung zum Sulfoniumsalz Alkohole und Alkoholate sind schwächere Nucleophile ? Sauerstoff ist "kleiner" und schwerer angreifbar ? Sauerstoff weniger polarisierbar als Schwefel ? keine d-Orbitale S N 2 Na H O + R1 Br Natriumhydroxid Ether - NaBr - NaBr S N 2 HO R 1 Alkohole + NaH - H 2 starke Base ? langsamere Reaktion ? mehr Eliminierungs-Nebenprodukte da Sauerstoff schwächer nucleophil und stärker basisch ist ? Ether sind sehr schwache Nucleophile (keine Weiterreaktion) Seite 09-9 Nucleophilie von Schwefel in der Biochemie Ein Sulfoniumsalz als Biochemisches "Methyl-Equivalent": S-Adenosyl-methionin Die biochemische Bedeutung der hohen Nucleophilie von Schwefel wurde bereits in Kapitel 4 – Nucleophile Substitutionen diskutiert: Methionin NH 3 P P P O O O O O Triphosphat (gute Abgangsgruppe) S CH 3 S N 2 NH 2 Adenin (Ade) Sulfoniumsalz mit hoher Methyl-Übertragungstendenz (gute Abgangsgruppe) Methionin NH 3 S CH 3 S-Adenosylmethionin H2N R N R - H H3C S-Adenosyl-methionin (kurz SAM), ist ein wichtiges Schlüsselprodukt im Stoffwechsel der Aminosäure Methionin. Es entsteht aus dieser durch eine Reaktion mit Adenosintriphosphat (ATP). SAM tritt im Stoffwechsel als Methylierungsmittel auf, wobei es selbst über S-Adenosylhomocystein zu Adenosin und Homocystein hydrolysiert wird. Die hochreaktive Methylgruppe an der Sulfonium-Gruppe des SAM ist an so genannten Transmethylierungen beteiligt, bei denen eine Methylgruppe übertragen bzw. eingeführt wird. Diese Reaktionen werden durch Enzyme namens Methyltransferasen katalysiert, die SAM als Substrat verwenden. Solche Transmethylierungen sind wichtige Schritte bei der Biosynthese verschiedener Neurotransmitter, wie Adrenalin oder Acetylcholin. Auch die besser als Lecithine bekannten Phosphatidylcholine benötigen für ihre Darstellung SAM. Der Neurotransmitter Histamin wird u. a. durch die SAM-abhängige Histamin-N-Methyltransferase inaktiviert. Weiterhin spielt SAM bei der DNA-Methylierung durch DNA- Methyltransferasen in Eukaryonten eine wichtige Rolle. S N 2 Seite 09-10 Vergleich Schwefel und Sauerstoff – Redox-Reaktionen Oxidationen / Reduktionen Dehydrierung / Hydrierung Oxygenierung / Desoxygenierung Schwefel Thiole sind leicht oxidierbar ? Oxidation erfolgt am Schwefel (Dehydrierung und Oxygenierung) ? Schwefel kann leicht in höhere Oxidationsstufen(-2 bis zu +6) übergehen (niedrigere Elektronegativität von S) Thiole Oxidation - [ 2H ] + [ 2H ] Reduktion Disulfide ? Oxidation mit milden Oxidationsmitteln (Iod I 2, O 2) ? Thiole wirken als Reduktionsmittel ? Disulfide sind schwache Oxidationsmittel Thiole Oxidation + [ 3O ] - [ 3O ] Reduktion ? Oxidation mit starken Oxidationsmitteln (KMnO 4) unter Oxygenierung am Schwefel ? Sulfonsäuren sind keine Oxidationsmittel, aber sehr acide Sauerstoff Alkohole sind schwerer oxidierbar ? Oxidation bevorzugt als Dehydrierung von H-C-O-H Strukturelementen (? C=O Carbonyle) ? Oxidationsstufe von Sauerstoff bevorzugt -2 (sehr hohe Elektronegativität von O) Alkohole * Zur Oxidation von Alkoholen siehe Kapitel 8 – Alkohole und Ether; zur Reduktion von Carbonylverbindungen siehe Kapitel 11. Oxidation - [ 2H ] + [ 2H ] Reduktion ? Oxidation sehr schlecht durchführbar ? Alkohole sind keine Reduktionsmittel ? Peroxide sind starke Oxidationsmittel Peroxide R R H C O H Oxidation + [ O ], -H2O + [ 2H ] R R C O Alkohole Reduktion Carbonyle ? Oxidation nur als Dehydrierung (- H 2O) unter Einbeziehung benachbarter (a-ständiger) H-Atome ? keine Oxygenierung am Sauerstoff! Seite 09-11 Vergleich Schwefel und Sauerstoff – Redox-Reaktionen Schwefel Oxygenierung Thioether (Sulfide) sind ebenfalls leicht am Schwefel oxidierbar ? Oxidation erfolgt als Oxygenierung direkt am Schwefel (stufenweise ein- oder zweifache Oxygenierung möglich) Sulfide Oxidation + [ O ] ? Oxidation mit milden Oxidationsmitteln (Periodat = NaIO 4) selektiv zum Sulfoxid ? Oxidation mit starken Oxidationsmitteln (H 2O 2 oder KMnO 4) zur höheren Oxidationsstufe des Sulfons Oxidation + [ O ] Sulfoxide Sulfone Sauerstoff Ether sind am Sauerstoffatom nicht oxidierbar ? Oxidation erfolgt als Oxygenierung ausschließlich an benachbarten C-H-Bindungen Ether Oxidation + [ O ] Oxidation + [ O ] Ester ? Oxidation zum Ester möglich, aber nicht allzu häufig eingesetzte Methode (u.U. starke Oxidationsmittel auch mit unselektiven Nebenreaktionen) Seite 09-12 Vergleich Schwefel und Sauerstoff – Anmerkungen Chiralität von Sulfoxiden Sulfoxide können chiral sein (R 1 ? R 2) ? pyramidale Molekülstruktur ? freies Elektronenpaar als vierter Substituent (niedrigere CIP-Priorität als H da Ordnungszahl = 0) ? Sulfone sind aber immer achiral! R1 R2 Gefahren bei der Handhabung von Ethern im Labor Unter Licht-Einwirkung und in Gegenwart von Sauerstoff können aus Ethern mit benachbarten Wasserstoffatomen (a-H-Atome) extrem gefährliche und höchst explosive Hydroperoxide entstehen! Ether wie die gängigen Lösungsmittel Dimethylether und Tetrahydrofuran (THF) müssen daher in dunklen Flaschen und unter Ausschluss von Sauerstoff aufbewahrt werden! Ether Hydroperoxid + O 2 Lichteinstrahlung (radikalische C-H Bindungsspaltung) Ein chirales Sulfoxid:* Kettenreaktion solange Sauerstoff anwesend ist! + O2 H H-Transfer * Doch ein Moment, oh, wie viele Konfigurations-Isomere dieser Verbindung gibt es??? Noch eine Übung in Stereochemie! Sehen Sie, warum ich dieses Beispiel ausgewählt habe? 09-13 Biologische Beispiele des Thiol/Disulfid Redox-Systems Disulfid-Brückenbindungen Ausbildung von Schwefel-Schwefel-Brücken zur Stabilisierung der Tertiärstruktur von Peptiden und Proteinen: Cystein (Aminosäuren) + [ 2H ] Reduktion Oxidation - [ 2H ] intra- und intermolekulare Verknüpfung unter Ausbildung kovalenter, stabiler Bindungen Disulfid-Brücken im Insulin (in gelb) Insulin Seite 09-14 Biologische Beispiele des Thiol/Disulfid Redox-Systems Liponsäure Liponsäure (Thioctsäure) ist ein unentbehrlicher Bestandteil der Decarboxylierungsenzyme von a-Ketosäuren – wobei hier die hohe Nucleophile des Schwefels in Verbindung mit dem Redox-System der Liponsäure und Dihydroliponsäure von entscheidender Bedeutung sind. Sowohl die oxidierte als auch die reduzierte Form wirken antioxidativ. In vitro kann Liponsäure diverse Radikale und Oxidantien beeinflussen. Dihydroliponsäure kann oxidiertes Glutathion reduzieren und Vitamin E reaktivieren. Da der Gehalt von Liponsäure in oxidierter und reduzierter Form in vivo niedrig ist, ist es unsicher, wie bedeutend sie generell als Antioxidans ist. Allerdings macht die Fähigkeit, auf Oxidantien und antioxidative Abwehrmechanismen einzuwirken, Liponsäure zu einem wichtigen Kandidaten für Supplementationsstrategien. Zudem überwindet sie die Blut-Hirn-Schranke. Im Körper wird Liponsäure über die ß- Oxidation verwertet. Einige Metaboliten wirken ebenfalls antioxidativ. SH SH Dihydroliponsäure Oxidation - [ 2H ] + [ 2H ] Reduktion Liponsäure