Synthese von Aminosäuren: Strecker und Alternativen
Wie die Strecker-Synthese aus einem Aldehyd über ein α-Aminonitril eine racemische α-Aminosäure aufbaut, welche Aminosäuren sie liefert und welche Wege es daneben gibt.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Strecker-Synthese baut aus einem Aldehyd, Cyanid und \(\ce{NH4Cl}\) eine α-Aminosäure auf.
- Zwischenstufen sind das Imin (Iminium-Ion) und das α-Aminonitril, das in heißer Säure zur Aminosäure hydrolysiert wird.
- Ohne Ammoniak entsteht aus Aldehyd und Cyanid ein Cyanhydrin statt eines α-Aminonitrils.
- Das Produkt ist ein Racemat und hat ein C-Atom mehr als der Aldehyd: Phenylacetaldehyd gibt Phenylalanin, Benzaldehyd Phenylglycin.
- Prolin ist nach Strecker nicht zugänglich, weil sein Stickstoff als sekundäres Amin im Ring sitzt.
- Alternativ liefern α-Halogencarbonsäuren mit Ammoniak oder die Gabriel-Synthese mit Phthalimid-Kalium α-Aminosäuren.
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Worum es geht
Aminosäuren lassen sich im Labor aus einfachen Bausteinen aufbauen. Der klassische Weg ist die Strecker-Synthese, daneben stehen die Aminolyse von α-Halogencarbonsäuren und die Gabriel-Synthese. Wer diese Wege kennt, kann aus einer Zielaminosäure die Edukte ableiten, etwa für Methionin, das technisch so hergestellt wird.
Strecker-Synthese: Ablauf
Die Strecker-Synthese baut eine α-Aminosäure aus drei Bausteinen auf: einem Aldehyd, Cyanid (meist \(\ce{KCN}\) oder \(\ce{NaCN}\)) und Ammoniumchlorid. \(\ce{NH4Cl}\) liefert im Gleichgewicht den nötigen Ammoniak. In der ersten Stufe entsteht ein α-Aminonitril:
\[\ce{R-CHO + NH4Cl + KCN -> R-CH(NH2)-CN + KCl + H2O}\]
In der zweiten Stufe wird das Nitril in Säure unter Erwärmen zur Carbonsäure hydrolysiert:
\[\ce{R-CH(NH2)-CN + 2 H2O + 2 H^+ ->[\Delta] R-CH(NH3^+)-COOH + NH4^+}\]
Ein α-Aminonitril trägt Aminogruppe und Nitrilgruppe am selben C-Atom: \(\ce{R-CH(NH2)-C#N}\). Nitril-C und Nitril-N sind sp-hybridisiert, das α-C ist sp³-hybridisiert.
Der Mechanismus kombiniert zwei bekannte Reaktionen: die Iminbildung und die nucleophile Addition von Cyanid.
- Angriff: \(\ce{NH3}\) greift das Carbonyl-C nucleophil an. Es entsteht ein Halbaminal.
- Abspaltung: Das Halbaminal verliert Wasser. Es bildet sich das Imin, das protoniert als Iminium-Ion vorliegt.
- Cyanid-Addition: \(\ce{CN-}\) addiert an das C-Atom der planaren C=N-Gruppe. Das α-Aminonitril entsteht.
- Hydrolyse: Heiße wässrige Säure überführt das Nitril über das Amid in die Carbonsäure. Der Nitril-Stickstoff geht als \(\ce{NH4+}\) ab (siehe Nitrilhydrolyse).
Entscheidend ist der Ammoniak. Erst er macht aus der C=O-Gruppe die C=N-Gruppe, an der das Cyanid angreift. Fehlt er, addiert Cyanid direkt an den Aldehyd.
Aldehyd + \(\ce{NH4Cl}\) + \(\ce{KCN}\) → Imin → α-Aminonitril → α-Aminosäure
Aldehyd + HCN → Cyanhydrin → α-Hydroxycarbonsäure (siehe Cyanhydrine)
Edukte und Zwischenstufen werden im Examen gerne gefragt: Aldehyd, Cyanid und \(\ce{NH4Cl}\) führen über das Imin zum α-Aminonitril. In einem Reaktionsschema gehören also Iminbildung, Cyanidaddition an C=N und saure Nitrilhydrolyse zur Strecker-Synthese. Die Aminolyse eines α-Halogencarbonsäureesters ist dagegen ein eigener Syntheseweg.
Strecker-Synthese: Produkte und Grenzen
Das Iminium-Ion ist planar. Cyanid greift es von oben und von unten gleich häufig an. Deshalb entsteht das neue Stereozentrum ohne Vorzug, und die Strecker-Synthese liefert ein Racemat. Die Enantiomere muss man anschließend trennen, etwa durch Racematspaltung.
Das Aldehyd-C wird zum α-C, das Cyanid-C zur Carboxylgruppe. Die Aminosäure hat also ein C-Atom mehr als der Aldehyd.
Weil Amino- und Nitrilgruppe am selben Kohlenstoff sitzen, liefert die Methode ausschließlich α-Aminosäuren. Die Seitenkette ist einfach der Rest R des Aldehyds.
| Aldehyd | Produkt (racemisch) |
|---|---|
| Acetaldehyd | Alanin |
| Isobutyraldehyd (2-Methylpropanal) | Valin |
| Phenylacetaldehyd | Phenylalanin |
| Benzaldehyd | Phenylglycin |
| 3-(Methylthio)propanal | Methionin |
Die Abbildung zeigt den Unterschied einer einzigen \(\ce{CH2}\)-Gruppe. Bei Phenylalanin liegt sie zwischen Ring und α-C. Aus Benzaldehyd sitzt der Phenylring direkt am α-C, und es entsteht Phenylglycin.
Prolin ist so nicht darstellbar, obwohl es eine α-Aminosäure ist. Sein Stickstoff ist Teil eines Rings und damit sekundär (siehe Prolin). Die Strecker-Synthese mit Ammoniak erzeugt dagegen immer eine freie primäre \(\ce{NH2}\)-Gruppe am α-C.
Das solltest du sicher können: Aldehyd plus ein C-Atom ergibt die racemische α-Aminosäure mit dem Aldehydrest als Seitenkette. Achte auf die \(\ce{CH2}\)-Gruppe: Phenylacetaldehyd gibt Phenylalanin, Benzaldehyd nur Phenylglycin. Prolin ist nicht zugänglich.
Umgekehrt findest du zu jeder Zielaminosäure den Aldehyd. Am Beispiel Leucin:
- α-C suchen: das C-Atom, das \(\ce{NH2}\) und \(\ce{COOH}\) trägt.
- Abbauen: \(\ce{COOH}\) und \(\ce{NH2}\) gedanklich entfernen. Das α-C wird zur CHO-Gruppe.
- Benennen: Aus \(\ce{(CH3)2CH-CH2-CH(NH2)-COOH}\) wird \(\ce{(CH3)2CH-CH2-CHO}\), also 3-Methylbutanal.
Weitere Synthesewege
Auch α-Halogencarbonsäuren liefern α-Aminosäuren. Ammoniak ersetzt das Halogen in einer nucleophilen Substitution:
\[\ce{CH3-CHBr-COOH + 2 NH3 -> CH3-CH(NH2)-COOH + NH4Br}\]
Man setzt Ammoniak im großen Überschuss ein. So bleibt die Mehrfachalkylierung am Stickstoff gering.
Sauberer gelingt das mit der Gabriel-Synthese. Phthalimid-Kalium wird mit einem α-Halogencarbonsäureester alkyliert. Der Phthalimid-Stickstoff kann nur einmal reagieren. Hydrolyse oder Hydrazinolyse setzt danach die primäre Aminogruppe frei. Beide Wege führen wie Strecker zu racemischen Produkten, wenn das Edukt racemisch ist.
Quiz
Aussage 1
Phthalimid-Kalium dient als Edukt einer Synthese von α-Aminosäuren.
In der Gabriel-Synthese wird Phthalimid-Kalium mit einem α-Halogencarbonsäureester alkyliert. Die Spaltung setzt die Aminogruppe frei.
Aussage 2
Prolin lässt sich durch Strecker-Synthese nicht herstellen.
Prolin hat einen ringständigen, sekundären Stickstoff. Die Strecker-Synthese erzeugt immer eine primäre Aminogruppe am α-C.
Aussage 3
Die Strecker-Synthese liefert aus achiralen Edukten bevorzugt die L-Aminosäure.
Cyanid greift das planare Iminium-Ion von beiden Seiten gleich häufig an. Es entsteht ein Racemat.
Aussage 4
Benzaldehyd liefert in der Strecker-Synthese Phenylalanin.
Aus Benzaldehyd entsteht Phenylglycin, bei dem der Ring direkt am α-C sitzt. Für Phenylalanin braucht man Phenylacetaldehyd.
Aussage 5
Bei der Strecker-Synthese setzt man einen Aldehyd mit Cyanid und \(\ce{NH4Cl}\) um und erhält zunächst ein α-Aminonitril.
Über das Imin entsteht das α-Aminonitril, das anschließend sauer zur α-Aminosäure hydrolysiert wird.
Aussage 6
Aldehyd und Cyanid bilden auch ohne Ammoniak ein α-Aminonitril.
Ohne Ammoniak fehlt die C=N-Gruppe. Cyanid addiert dann an die C=O-Gruppe, und es entsteht ein Cyanhydrin.
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