Chemische Bindung

Vinylogie, Phenylogie und Polymethinfarbstoffe

Wie funktionelle Gruppen über eine C=C-Doppelbindung oder einen Benzolring hinweg zusammenwirken und wie man vinyloge, phenyloge Gruppen und Polymethinfarbstoffe an Strukturformeln erkennt.

Prüfungsrelevanz: gut zu wissen ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze5 Punkte
  • Vinylogie und Phenylogie bedeuten: Zwischen zwei Teile einer funktionellen Gruppe ist eine C=C-Einheit bzw. ein ortho- oder para-Phenylenring eingeschoben, die Konjugation bleibt erhalten.
  • Chromon ist ein vinyloges Lacton, Cumarin ein gewöhnliches Lacton, Colchicin enthält einen vinylogen Ester.
  • 4-Methoxybenzaldehyd ist ein phenyloger Ameisensäureester, p-Aminoacetophenon ein phenyloges Amid.
  • Eine meta-ständige Methoxygruppe bildet mit der Acylgruppe keinen phenylogen Ester.
  • Cyanine tragen Iminium- und Amin-N, Oxonole Carbonyl und Hydroxy, Merocyanine Carbonyl und Amin-N an den Kettenenden.

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Worum es geht

Funktionelle Gruppen wirken auch über konjugierte Doppelbindungen und Benzolringe hinweg. Wer dieses Prinzip kennt, ordnet Strukturelemente in Naturstoffen wie Chromon oder Colchicin und in Farbstoffen sicher ein.

Vinylogieprinzip

Liegen zwischen zwei Gruppen konjugierte Doppelbindungen, reicht die π-Brücke die Elektronen weiter. Die Grundlagen dazu stehen bei Konjugation und Mesomerie. Die gestreckte Gruppe verhält sich ähnlich wie ihre Stammgruppe.

📖 Definition: Vinylogie und Phenylogie

Vinylog ist eine Gruppe, wenn zwischen ihre beiden Teile eine \(\ce{-CH=CH-}\)-Einheit eingeschoben ist. Phenylog ist sie, wenn stattdessen ein Benzolring die Teile in para- oder ortho-Stellung verbindet.

Steht an einem Ende ein Donor (+M) und am anderen ein Akzeptor (−M), entsteht ein Push-Pull-System. Der Donor schiebt Elektronen in die Brücke, der Akzeptor zieht sie ab.

Vinyloge Lactone und Ester

Im vinylogen Lacton liegt zwischen Ring-O und Carbonylgruppe eine C=C-Doppelbindung, also \(\ce{O-C=C-C=O}\) im Ring. Ohne Ringschluss heißt das Motiv vinyloger Ester.

Im Chromon (4H-Chromen-4-on) verbindet die C-2=C-3-Bindung Ring-O und C-4=O. Chromon ist daher ein vinyloges Lacton. Im Cumarin sitzt das Ring-O direkt an der Carbonylgruppe: ein gewöhnliches Lacton. Im Chroman-4-on sind C-2 und C-3 gesättigt, die Konjugation fehlt.

Drei benzoanellierte Sauerstoff-Heterocyclen mit markierter Carbonylgruppe und Doppelbindung

Chromon (vinyloges Lacton), Cumarin (Lacton) und Chroman-4-on (keine Konjugation zwischen O und C=O)

Colchicin enthält einen vinylogen Ester. In seinem Tropolonring hängt die Methoxygruppe über eine C=C-Bindung an der Carbonylgruppe.

Phenyloge Carbonsäurederivate

Streicht man den Benzolring gedanklich heraus, bleibt die Stammgruppe übrig.

Verbindung ohne Ring Einordnung
4-Methoxybenzaldehyd \(\ce{CH3O-CHO}\) phenyloger Ameisensäureester
p-Aminoacetophenon \(\ce{H2N-CO-CH3}\) phenyloges Amid
Acylaromat mit para-\(\ce{NH-OH}\) \(\ce{HO-NH-CO-R}\) phenyloge Hydroxamsäure

Die Grenzformel mit Ladungstrennung zeigt den Grund. Das freie Elektronenpaar am O oder N wandert über den Ring bis zum Carbonyl-O.

Strukturformeln von Anisaldehyd und 4-Aminoacetophenon mit Grenzformeln und den zugehörigen Stammverbindungen

Phenyloge Derivate: Der para-Phenylenring überträgt die Wechselwirkung zwischen Donor und Acylgruppe

Aus meta-Stellung gelingt das nicht. Eine meta zur Acylgruppe stehende Methoxygruppe bildet daher keinen phenylogen Ester. Ibuprofen trägt die Carboxygruppe an einem sp³-C neben dem Ring und keinen Donor gegenüber. Es ist keine phenyloge Carbonsäure. Im Guajacol sind Methoxy- und Hydroxygruppe beide Donoren, ohne Akzeptor gibt es kein Push-Pull-System.

Polymethinfarbstoffe

Polymethinfarbstoffe sind konjugierte Ketten mit Donor und Akzeptor an den Enden. Die Klasse folgt allein aus den Endgruppen.

Klasse Ende 1 Ende 2
Cyanin Iminium-N Amin-N
Oxonol Carbonyl Hydroxy
Merocyanin Carbonyl Amin-N

Cyanine sind mesomeriestabilisierte Ionen mit zwei gleichwertigen Grenzformeln. Merocyanine folgen dem Muster \(\ce{O=C-(C=C)_n-NR2}\).

Allgemeine Strukturformeln von Cyanin, Oxonol und Merocyanin mit markierten Endgruppen

Polymethinfarbstoffe unterscheiden sich nur in den Endgruppen der konjugierten Kette

Anders als diese Farbstoffe besitzen Polyene keine polaren Endgruppen.

Quiz

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Aussage 1

Im Chromon verbindet die C-2=C-3-Doppelbindung den Ring-Sauerstoff mit der Carbonylgruppe, es ist daher ein vinyloges Lacton.

Die eingeschobene C=C-Bindung macht aus dem Lacton-Motiv ein vinyloges Lacton.

Aussage 2

Ein Acetophenon mit meta-ständiger Methoxygruppe ist ein phenyloger Ester.

Aus meta-Stellung gelangt das Elektronenpaar nicht zum Carbonyl-O. Nur ortho- oder para-ständige Donoren bilden phenyloge Derivate.

Aussage 3

Merocyanine tragen an beiden Enden der Polymethinkette ein Stickstoffatom.

Zwei N-Endgruppen haben die Cyanine. Merocyanine haben eine Carbonylgruppe und eine Aminogruppe.

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