Skript zur Vorlesung OC 2- Gattermann von Prof. Dr. T. Carell 1 Radikalische Substitution .................................................................................... 1

1.1 Radikale ....................................................................................................... 11.1.1 Radikalentstehung ................................................................................ 11.1.2 Allgemeine Eigenschaften von Radikalen ............................................. 21.1.3 Sterische Faktoren ................................................................................ 31.1.4 Elektronische Faktoren ......................................................................... 4

1.1.4.1 Stabilitt der CH-Bindung per se .................................................... 41.1.4.2 Mesomeriestabilisierung ................................................................ 51.1.4.3 Induktive Stabilisierung (Hyperkonjugation) ................................... 6

1.2 Reaktivitt von Radikalen ............................................................................. 71.2.1 Bell-Evans-Polanyi-Prinzip .................................................................... 71.2.2 Hammond-Postulat ............................................................................... 8

1.3 Allgemeine Reaktionen von Radikalen ....................................................... 101.3.1 Verlust der Radikaleigenschaft ............................................................ 101.3.2 bertragung des Radikals ................................................................... 101.3.3 Die Begriffe stabil/instabil vs. labil/inert ....................................... 11

1.3.3.1 stabil - instabil ......................................................................... 111.3.3.2 inert labil ............................................................................... 12

1.4 Beispiele fr Radikalreaktionen .................................................................. 121.4.1 Radikalkettenreaktionen ...................................................................... 12

1.4.1.1 Mechanismus ............................................................................... 121.4.1.2 Entstehung des Zndradikals: ...................................................... 131.4.1.3 Reaktivittsreihe .......................................................................... 131.4.1.4 Reaktivitt vs. Selektivitt ............................................................ 14

1.4.2 Radikalische Substitution an Aromaten ............................................... 171.4.3 Sulfochlorierung / Sulfoxidation ........................................................... 181.4.4 Radikalische Addition an Doppelbindungen ........................................ 181.4.5 Wohl-Ziegler-Bromierung (Bromierung in Allylstellung) ....................... 191.4.6 Peroxygenierung (Reaktionen von Radikalen mit Sauertsoff) ............. 201.4.7 Defunktionalisierungsreaktionen ......................................................... 21

1.4.7.1 Barton-McCombie-Reaktion ......................................................... 221.4.7.2 Leicht abgenderte Barton McCombie mit Thiocarbonyldiimidazol

..

..................................................................................................... 231.4.8 Ozonabbau .......................................................................................... 231.4.9 Radikale in der Natur .......................................................................... 24

2 Nukleophile Substitution am sp3 -C-Atom ........................................................... 252.1 Allgemeine Grundlagen zur nukleophilen Substitution ............................... 252.2 Prinzipielle Reaktionswege ........................................................................ 26

2.2.1 SN1 ...................................................................................................... 262.2.2 SN2 ...................................................................................................... 262.2.3 SSi, Sp .................................................................................................. 27

2.3 Die SN1-Reaktion ....................................................................................... 282.3.1 Energieprofil und Kinetik der SN1-Reaktion ......................................... 282.3.2 Stereochemischer Verlauf der SN1-Reaktion ...................................... 292.3.3 Einfluss des Lsungsmittels auf SN1-Reaktionen ................................ 312.3.4 Substituenteneffekte auf SN1 .............................................................. 31

2.3.4.1 Hyperkonjugation ......................................................................... 312.3.4.2 Mesomerie ................................................................................... 322.3.4.3 Sterische Faktoren ....................................................................... 32

2.3.5 Einfluss der Abgangsgruppe ............................................................... 342.4 Die SN2-Reaktion ....................................................................................... 36

2.4.1 Reaktionsprofil und Kinetik der SN2-Reaktion ..................................... 362.4.2 Stereochemischer Verlauf der SN2-Reaktion ...................................... 382.4.3 Substituenteneffekte auf die SN2-Reaktion ......................................... 392.4.4 Lsungsmitteleffekte ........................................................................... 402.4.5 Einfluss des Nukleophils ..................................................................... 412.4.6 Stereoelektronische Effekte auf SN2-Reaktionen ................................ 412.4.7 Beispiele fr wichtige SN2-Reaktionen ................................................ 42

2.4.7.1 Alkohole und Ether ....................................................................... 422.4.7.2 Alkylhalogenide / Sulfate / Sulfonate ............................................ 432.4.7.3 Reaktionen am Stickstoff ............................................................. 452.4.7.4 Reaktionen von Phosphorverbindungen ...................................... 462.4.7.5 Reaktionen von Schwefelverbindungen ....................................... 472.4.7.6 Reaktionen mit Halogenen als Nukleophilen ................................ 482.4.7.7 SN2-Angriff durch ein Hydrid ........................................................ 492.4.7.8 Reaktionen von Kohlenstoff-Nukleophilen ................................... 492.4.7.9 C-C-Verknpfung mit metallorganischen Verbindungen .............. 51

2.5 Moderne Methoden .................................................................................... 532.5.1 Abspaltung einer NH2-Gruppe ............................................................. 532.5.2 Veresterung mit Diazomethan ............................................................. 532.5.3 Mitsunobu-Reaktion. ........................................................................... 542.5.4 Redox-Kondesation nach Mukaiyama ................................................. 54

3 Additionen an nicht-aktivierte Mehrfachbindungen ............................................ 563.1 Grundlagen zu C-C-Doppelbindung ........................................................... 56

3.1.1 Stabilitten der cis- und trans-Isomere ................................................ 573.1.2 Substituenteneffekte ........................................................................... 58

3.2 Reaktivitt von C-C-Doppelbindungen ....................................................... 583.2.1 Thermodynamische Betrachtung der Addition an Doppelbindungen .. 583.2.2 Donor / Akzeptor Substituenten .......................................................... 593.2.3 Reaktionsmechanismus und Energetik ............................................... 593.2.4 Chemoselektivitt der Alkene vs. Alkine ............................................. 623.2.5 Regioselektivitt (Markovnikov-Regel) ................................................ 623.2.6 Stereochemie der Addition .................................................................. 633.2.7 Stereochemische Betrachtung der mglichen Additionsprodukte ....... 653.2.8 Beispiele fr wichtige Additionsreaktionen .......................................... 66

3.2.8.1 Synthese von -halogenierten Alkoholen ..................................... 663.2.8.2 Brom-Veretherung ....................................................................... 673.2.8.3 Iod-Lactonisierung ....................................................................... 673.2.8.4 Solvomercurierung ....................................................................... 683.2.8.5 Epoxidierung ................................................................................ 693.2.8.6 Synthese von cis-Diolen ............................................................... 703.2.8.7 Sharpless-Epoxidierung ............................................................... 703.2.8.8 Ozonolyse .................................................................................... 713.2.8.9 Hydroborierung ............................................................................ 713.2.8.10 Cycloadditionen ........................................................................... 753.2.8.11 Orbitalwechselwirkungen bei Cycloadditionen ............................. 783.2.8.12 Heterogen katalysierte Hydrierung ............................................... 793.2.8.13 Radikalische Addition/ Polymerisation ......................................... 803.2.8.14 Nukleophile Addition/ Anionische Polymerisation ........................ 803.2.8.15 Betrachtung der Dreifachbindung ................................................ 81

4 Eliminierungen ................................................................................................... 824.1 Allgemeine Grundlagen zur Eliminierung ................................................... 824.2 Prinzipielle Reaktionsmechanismen der -Eliminierung ............................. 82

4.2.1 E1-Mechanismus ................................................................................. 824.2.2 E2-Mechanismus ................................................................................. 834.2.3 E1cb-Mechanismus ............................................................................... 83

4.3 Die E1-Reaktion .......................................................................................... 844.4 Die E2-Reaktion .......................................................................................... 854.5 Betrachtung der Regiochemie von Eliminierungen ..................................... 874.6 Betrachtung der Stereochemie von E2-Eliminierungen (Anti-Eliminierung) 894.7 Konkurrenz zwischen SN2 und E2 .............................................................. 914.8 Die E1cb-Reaktion ....................................................................................... 924.9 Beispiele fr E1- und E1cb-Eliminierungen ................................................... 924.10 Wichtige Eliminierungsreaktionen .............................................................. 94

4.10.1 H2O-Eliminierung aus Alkoholen ......................................................... 944.10.2 Alkohol-Eliminierung aus Ethern ......................................................... 944.10.3 Dehydrohalogenierung und Detosylierung .......................................... 954.10.4 Hofmann-Eliminierung ......................................................................... 954.10.5 Besonders milde Dehydratisierungsreaktionen ................................... 954.10.6 Syn-Eliminierungen ............................................................................. 974.10.7 Julia-Lythgoe-Olefinierung ................................................................ 1004.10.8 Corey-Winter-Reaktion ...................................................................... 1014.10.9 Peterson-Olefinierung ....................................................................... 102

5 Aromaten ......................................................................................................... 1035.1 Grundlagen zur Aromatizitt ..................................................................... 103

5.1.1 MO-Betrachtung des Benzens .......................................................... 1045.1.2 Aromatische Heterocyclen ................................................................ 1055.1.3 Der Ringstromeffekt .......................................................................... 106

5.2 Reaktionen von Aromaten ........................................................................ 1075.2.1 Elektrophile aromatische Substitution ............................................... 107

5.2.1.1 Mechanismus ............................................................................. 1085.2.1.2 Reaktivitt und Energie .............................................................. 1095.2.1.3 Regiochemie der elektrophilen aromatischen Substitution an 6-Ringen ................................................................................................... 1115.2.1.4 Reaktivitt mehrkerniger Aromaten am Beispiel Naphthalin ...... 113

5.3 Beispiele fr wichtige Reaktionen an Aromaten ....................................... 1145.3.1 Nitirierung .......................................................................................... 1145.3.2 Azokupplung ..................................................................................... 1165.3.3 Sulfonierung ...................................................................................... 1195.3.4 Halogenierung ................................................................................... 1205.3.5 Friedel-Crafts-Alkylierung .................................................................. 1215.3.6 Friedel-Crafts-Acylierung ................................................................... 1235.3.7 Vilsmeier-Haack-Reaktion ................................................................. 127

5.4 Elektrophile aromatische Substitution mit Aryl-Metall-verbindungen ........ 1295.5 Nukleophile aromatische Substitution ...................................................... 130

6 Oxidation ......................................................................................................... 1326.1 Allgemeine Grundlagen zur Oxidation ...................................................... 132

6.1.1 Oxidation von Methyl- und Methylengruppen mit KMnO4 .................. 1346.1.2 Oxidation von prim. und sek. Alkoholen mit CrO3 ............................. 1356.1.3 Selektive Reagenzien zur Oxidation bis zum Aldehyd ...................... 136

6.1.3.1 Pyridiniumchlorochromat (PCC) ................................................. 136

6.1.3.2 Pyridiniumdichromat (PDC) ........................................................ 1376.1.3.3 Oxidation durch Perruthenate .................................................... 1376.1.3.4 Swern-Oxidation ........................................................................ 1386.1.3.5 Dess-Martin-Oxidation ............................................................... 1396.1.3.6 TEMPO/Hypochlorit ................................................................... 1396.1.3.7 Oppenauer-Oxidation / Meerwein-Ponndorf-Verley-Reduktion .. 140

6.1.4 Oxidation mit Selenoxid .................................................................... 1416.1.5 Willgerodt-Reaktion ........................................................................... 141

6.2 Oxidation von Heteroatomen .................................................................... 1426.3 Oxidation unter C-C Spaltung ................................................................... 143

6.3.1 Glycolspaltung ................................................................................... 1436.3.2 Lemieux-Johnson-Oxidation .............................................................. 1446.3.3 Corey-Winter-Reaktion (Einschub) .................................................... 1456.3.4 Haloform-Reaktion ............................................................................ 145

6.4 Dehydrierungen ........................................................................................ 1467 Reduktion ........................................................................................................ 149

7.1 Katalysierte Hydrierung mit H2 ................................................................. 1497.1.1 Heterogen katalysierte Hydrierung .................................................... 1497.1.2 Heterogene Hydrierung von Doppelbindungen ................................. 1497.1.3 Homogene Hydrierungen von Doppelbindungen .............................. 1507.1.4 Hydrierung von Dreifachbindungen ................................................... 1517.1.5 Birch-Reduktion ................................................................................. 152

8 Carbonyle und Carbanionen ............................................................................ 1538.1 Allgemeine Grundlagen zur Carbonylgruppe ........................................... 153

8.1.1 Geometrie des Angriffs von Nukleophilen auf Carbonylverbindungen

.... .......................................................................................................... 1548.1.2 Einflsse auf die Reaktivitt von Carbonylen .................................... 155

8.1.2.1 Sterische Effekte ........................................................................ 1558.1.2.2 Winkel- und Pitzer-Spannungseffekte ........................................ 1558.1.2.3 Induktive Effekte ........................................................................ 1568.1.2.4 Mesomere Effekte ...................................................................... 158

8.1.3 Reaktivitt von Carbonylen: Addition vs. Substitution ....................... 1598.1.3.1 Addition an Carbonylverbindungen ............................................ 1598.1.3.2 Substitution an Carbonylverbindungen ...................................... 160

8.1.4 Surekatalysierte Veresterung von Carbonsuren ............................ 1618.1.4.1 Aktivierung von Carbonsuren ................................................... 1638.1.4.2 Mechanismus der Veresterung sterisch anspruchsvoller Carbonsuren .............................................................................................. 1658.1.4.3 Mechanismus der Spaltung sterisch anspruchsvoller Ester ....... 166

8.2 Reaktionen zur Carbonsureaktivierung .................................................. 1678.2.1 berfhrung in Carbonsurechloride ................................................ 1678.2.2 berfhrung in Pyridinderivate .......................................................... 1688.2.3 berfhrung in Carbonsure-Imidazolide .......................................... 1688.2.4 Veresterung nach Mukaiyama ........................................................... 1698.2.5 O-Alkylierung nach SN2 ..................................................................... 169

8.3 Weitere wichtige Transformationen der Carboxylatgruppe ....................... 1698.3.1 Oxidation mit H2O2 ............................................................................ 1698.3.2 Gabrielsynthese ................................................................................ 1708.3.3 Bildung cyclischer Ester (Lactone) oder cyclischer Amide (Lactame) 171

8.4 Acetale ..................................................................................................... 1718.4.1 Halbacetale ....................................................................................... 171

8.4.2 Halbacetal analoge Addukte ............................................................. 1728.4.3 Kilani-Fischer-Synthese .................................................................... 1738.4.4 Oligomerisierungen von Carbonylverbindungen ............................... 1738.4.5 Vollacetale ......................................................................................... 174

8.4.5.1 O,O-Acetale ............................................................................... 1758.4.5.2 S,S-Acetale ................................................................................ 1768.4.5.3 N,N-Acetale ................................................................................ 177

8.4.6 Wichtige Reaktionen von Carbonylverbindungen mit prim. oder sek. Aminen .......................................................................................................... 179

8.4.6.1 Reduktive Aminierung ................................................................ 1808.4.6.2 Reaktion mit Morpholin .............................................................. 1818.4.6.3 Umsetzung von Dicarbonylverbindungen ................................... 181

8.5 Umsetzung von Carbonylen mit metallorganischen Reagenzien ............. 1828.5.1 Grignard-Reagenzien ........................................................................ 182

8.5.1.1 Reaktion von Grignard-Reagenzien mit Carbonylen .................. 1838.5.1.2 Mechanismus der Reaktion von Grignard-Reagenzien mit Carbonylverbindungen ................................................................................. 1848.5.1.3 Beispiele fr Reaktionen zwischen Grignard-Reagenzien und Carbonylverbindungen ................................................................................. 184

8.5.2 Nebenreaktionen mit Grignard-Reagenzien ...................................... 1858.5.2.1 Grignard-Enolisierung ................................................................ 1858.5.2.2 Grignard-Reduktion .................................................................... 185

8.5.3 Alkyllithiumverbindungen ................................................................... 1868.5.4 Wichtige (Neben)-Reaktionen von metallorganischen Verbindungen 1878.5.5 1,2- vs. 1,4-Addition .......................................................................... 1898.5.6 Kompatibilitt von Metallorganylen mit anderen funktionellen Gruppen

..

.......................................................................................................... 1918.6 Reduktionen von Carbonylgruppen und deren Derivaten ......................... 192

8.6.1 Reduktion mit H- ................................................................................ 1928.6.1.1 Selektive Reduktion von Carbonsurederivaten zu Aldehyden .. 1938.6.1.2 Regioselektivitt der Reduktion: 1,2 vs. 1,4 ............................... 1948.6.1.3 Regioselektivitt der Reduktion: Keton vs. Aldehyd ................... 195

8.6.2 Reduktion mit Metallen ...................................................................... 1958.6.3 Weitere Reduktionsmglichkeiten ..................................................... 199

8.6.3.1 Meerwein-Ponndorf-Verley-Reduktion ....................................... 1998.6.3.2 Cannizzaro-Reaktion .................................................................. 1998.6.3.3 Grignard-Reduktion .................................................................... 2008.6.3.4 Reduktion mit Alpine-Boran ....................................................... 200

8.7 Lactolbildung bei Zuckern ........................................................................ 2009 Enolate ............................................................................................................ 203

9.1 Allgemeine Grundlagen zu Enolaten ........................................................ 2039.1.1 Entstehung von Enolaten .................................................................. 2039.1.2 MO-Struktur ....................................................................................... 2039.1.3 Struktur von Enolaten ........................................................................ 2049.1.4 Ambidente Eigenschaften von Enolaten ........................................... 2059.1.5 Geometrie von intramolekularen Enolreaktionen .............................. 207

9.2 Darstellung von Enolaten ......................................................................... 2099.3 Regioselektivitt der Deprotonierung ....................................................... 2119.4 Wichtige Reaktionen von Dicarbonylverbindungen .................................. 213

9.4.1 Malonestersynthese .......................................................................... 2139.4.2 Acetessigestersynthese .................................................................... 215

9.4.3 Bisenolate ......................................................................................... 2169.4.4 Beispielreaktionen ............................................................................. 216

9.5 Reaktionen mit mehreren beteiligten Carbonylverbindungen oder deren Analoga ............................................................................................................... 217

9.5.1 Aldolkondensation ............................................................................. 2179.5.1.1 Beispiele .................................................................................... 218

9.5.2 Gekreuzte Aldolkondensation ........................................................... 2189.5.2.1 Claisen-Schmidt-Reaktion .......................................................... 2189.5.2.2 Quantitative Erzeugung eines Enolats ....................................... 2199.5.2.3 Einsatz stabiler Enolate .............................................................. 2199.5.2.4 Stereochemie der gekreuzten Aldolkondensation ...................... 220

9.5.3 Mannich-Reaktion ............................................................................. 2219.5.4 Strecker-Synthese ............................................................................. 2229.5.5 Synthese von 1,3-Dicarbonylverbindungen ....................................... 2229.5.6 Perkin-Synthese ................................................................................ 2239.5.7 Knoevenagel-Kondensation .............................................................. 2249.5.8 Darzens-Glycidestersynthese ........................................................... 2259.5.9 Reformatsky-Reaktion ....................................................................... 2259.5.10 Claisen-Kondensation ....................................................................... 2269.5.11 Dieckmann-Kondensation ................................................................. 2279.5.12 Thorpe-Ziegler-Kondensation ............................................................ 2279.5.13 Michael-Addition ................................................................................ 2289.5.14 Robinson-Anellierung ........................................................................ 2299.5.15 Wittig-Reaktion .................................................................................. 229

9.5.15.1 Ylide und ihre Darstellung .......................................................... 2299.5.15.2 Reaktionsmechanismus ............................................................. 2319.5.15.3 Stereochemie der Wittig-Reaktion und deren Beeinflussung ..... 2319.5.15.4 Schlosser-Variante ..................................................................... 2329.5.15.5 Wittig-Horner-Reaktion ............................................................... 2339.5.15.6 Horner-Wadsworth-Emmons-Reaktion ...................................... 234

9.5.16 Reaktionen von Schwefel-Yliden ....................................................... 2359.5.16.1 Epoxidierung .............................................................................. 2359.5.16.2 Cyclopropanierung ..................................................................... 235

10 Umlagerungen ............................................................................................. 23710.1 [1,2]-Umlagerungen .................................................................................. 237

10.1.1 Pinakol-Umlagerung .......................................................................... 23910.1.2 Wagner-Meerwein-Umlagerung ........................................................ 23910.1.3 Wolff-Umlagerung ............................................................................. 241

10.2 Umlagerungen am Stickstoff .................................................................... 24210.2.1 Hofmann-Abbau ................................................................................ 24210.2.2 Curtius-Reaktion ............................................................................... 24210.2.3 Schmidt-Reaktion .............................................................................. 24310.2.4 Beckmann-Umlagerung .................................................................... 243

10.3 Umlagerungen am Sauerstoff .................................................................. 24410.3.1 Baeyer-Villiger-Reaktion ................................................................... 24510.3.2 Umlagerung bei der Hydroborierung ................................................. 245

10.4 Synchron verlaufende Umlagerungen ...................................................... 24510.4.1 Cope-Umlagerung ............................................................................. 24610.4.2 Oxa-Cope-Umlagerung ..................................................................... 24610.4.3 Claisen-Umlagerung ......................................................................... 24610.4.4 Aza-Claisen-Umlagerung .................................................................. 247

1

1 Radikalische Substitution

1.1 Radikale

1.1.1 Radikalentstehung

Radikale entstehen durch Bindungshomolyse. Die dazu bentigte

Energie wird als Bindungsdissoziationsenergie (DH

Thermolyse: 70C-150C 170 kJmol

) bezeichnet. Sie

wird blicherweise thermisch oder photochemisch zugefhrt, kann aber

auch durch eine chemische Reaktion aufgebracht werden. -1

photochemisch: UV, E = h

= 300 nm 400 kJmol-1

chemisch: RedOx-Reaktion ROOH + Fe

2+ RO + OH- + Fe

3+

Bindung DH / kJmol-1 (bei 25C)

432

155

239

190

149

435

H3CCH3 214

HOOH

374

210

Grnde fr die groen Unterschiede in DH

Stabilitt der zu spaltenden Bindung

sind

Stabilitt der entstehenden Radikale

H H

F F

Cl Cl

Br Br

I I

CH3 H

H

CH3 N N CH3

2

1.1.2 Allgemeine Eigenschaften von Radikalen

Aufgrund der ungepaarten Elektronen sind Radikale grundstzlich sehr

reaktive Spezies. Die Reaktivitt verschiedener Radikale unterscheidet

sich jedoch stark und ist abhngig von der chemischen Struktur des

jeweiligen Radikals.

Aber: es gibt auch stabile (persistente) Radikale, zum Beispiel:

Dieses Triphenylmethylradikal ist durch die -Elektronensysteme der

Aromaten uerst gut resonanzstabilisiert sowie elektronisch und

sterisch gut abgeschirmt. Auch wenn es berwiegend als Dimer

vorliegt, steht die dimerisierte Form im Gleichgewicht mit dem

stabilisierten Radikal.*

DH(25 C) = 46 kJmol-1

hnliches gilt auch fr TEMPO (2,2,6,6-Tetramethyl-piperidin-1-oxyl-

Radikal), ein weiteres stabiles Radikal:

; 0.1M Lsung in Benzol

Eine Stabilisierung von Radikalen ist mglich durch:

- sterische Faktoren

- elektronische Faktoren

*Eine modernere Annahme zur Dimerisierung des Triphenylmethyl-

radikals (vgl. Clayden, S. 1028):

Ph Ph Ph Ph

Ph Ph

Ph PhPh

PhPhPh

Ph CPh

PhPh C

Ph

PhCPh

PhPh

2% 98 %

Ph CPh

Ph

PhPh

NO

3

1.1.3 Sterische Faktoren

Die hufigsten Radikale sind C-zentrierte Radikale

Carbanionen

(doppelt

besetztes sp-

Hybridorbital)

C-zentriertes Radikal Carbokation

(leeres pz-Orbital)

Tetraeder, sp

Geometrie ist substituentenabhngig und

es liegen sowohl sp3 3 als auch sp2

Trigonal planar, sp vor

Konfigurationsumkehr per

Durchschwingen ist mglich

2

Elektronenoktett Elektronenseptett (e- Elektronensextett -Mangel!)

Bsp.:

H

H

Carbokationen an gespannten Brckenkopfatomen sind schwierig, weil

keine planare Koordination mglich ist. Radikale knnen aber

tetraedrisch umgeben sein. Sie sind also nicht konfigurationsstabil: es

sind keine chiralen Radikale mglich, da die Atome durchschwingen

knne.

Konfigurationsumkehr per Durchschwingen am Beispiel eines freien

Elektronenpaars am Stickstoff.

C109,28

C C 120 C 120

R1 NR2

R3 R1 NR2R3

sp2R1 N

R2R3

4

Analog jedoch mit nur einem Elektron im nichtbindenden Orbital

erfolgt auch der Verlust der stereochemischen Information beim

Vorliegen eines Radikals.

Neben C-zentrierten Radikalen existieren auch N- oder O-zentrierte

Radikale. Sie sind jedoch wesentlich seltener, da es sich um uerst

reaktive Radikale handelt. Der e-

Die MO-Beschreibung der Radikale entspricht denen der Carbenium-

bzw. Carbanionen. Welche Beschreibung jeweils zutrifft ist, abhngig

von den - durch die Substituenten bestimmten - Energieniveaus der

entsprechenden Orbitale.

Weiteres Beispiel:

-Mangel der Radikale steht in starkem

Kontrast zu der hohen Elektronegativitt der Radikalzentren.

planar, gute Resonanzstabilisierung

durch Konjugation

propellerartig verdreht, schwache

Resonanzstabilisierung

dimerisiert dimerisiert NICHT

1.1.4 Elektronische Faktoren

1.1.4.1 Stabilitt der CH-Bindung per se

Die Stabilitt einer RnC-H-Bindung hngt entscheidend von der Struktur

der Reste R ab. DH einer Cspm-H-Bindung sinkt in der Reihenfolge sp

> sp2 > sp3

R1N

R2R O

. Dies ist auch an der mit steigendem s-Charakter sinkenden

Bindungslnge zu beobachten. Dies gilt nicht nur fr C-H-Bindungen,

sondern allgemein auch fr C-Hal u.a.

O

45

O

OO

OO

O

OO

0

5

Alkinylradikal Phenylradikal Vinylradikal Alkylradikal

sp sp sp2 sp2 3

HD 550 kJmol HD-1 480 kJmol HD-1 460 kJmol HD-1 411 kJmol-1

unbekannt extrem schwer

Radikale sind e-

positive Ladungen sollte weit entfernt sein

-Mangel-Verbindungen.

je grer der s-Charakter, desto schwieriger ist die Radikalbildung

bzw. Kationbildung (e-

pKa von Carbanionen:

-Mangel nher am Kern wg. Ausdehnung der

Orbitale)

pKa~ 20 pKa~ 40 HC C

H3C CH2

1.1.4.2 Mesomeriestabilisierung

Mesomerie im VB-Modell

Je mehr Resonanzformeln man schreiben kann, desto stabiler ist das

Molekl.

H C C H H CH2 CH

HCH3 CH2 H

370 kJ/mol

411 kJ/mol

H

H

H 356 kJ/mol

allylisches H

benzylisches H

6

Aber: Aromatizitt muss aufgebrochen werden, daher handelt es sich

um eine schlechte Schreibweise. Besser ist es das MO-Modell zu

verwenden:

Mesomerie im MO-Modell

sp2-Zentrum

Radikal kann mit in Elektronenwolke

des Aromaten aufgenommen werden:

Ausdehnung der Mesomerie

1.1.4.3 Induktive Stabilisierung (Hyperkonjugation)

H3C H 435 kJmol Methyl-Radikal

-1

H3CH2C H

411 kJmol Primres

Radikal

-1

H3C C HCH3

H

396 kJmol Sekundres

Radikal

-1

H3C C HCH3

CH3

385 kJmol tertires

Radikal

-1

Das C-Atom hat keine besondere Resonanzstabilisierung, auch die

Hybridisierung ist gleich, dennoch findet man eine Stabilisierung.

Bei dem als Hyperkonjugation bezeichneten Effekt handelt es sich um

eine Wechselwirkung einer C-H-Bindung mit dem benachbarten

2pz-Orbital ber den Raum.

CH

Benzyl Allyl

7

Durch die bertragung von Elektronendichte der mit 2 Elektronen voll

besetzten C-H-Bindung wird ein stabilisierender Effekt auf das

benachbarte (nur 1-fach-besetzte) 2pz-Orbital induziert. Der e--Mangel

am Kohlenstoff wird durch den e-

O

-schiebenden Effekt der Substituenten

(+I-Effekt) ausgeglichen.

Je mehr CH-Bindungen in -Position zum radikaltragendem C-Atom

stehen, desto besser.

Es wird zwischen antibindend und bindend

unterschieden, wobei der Beitrag durch das bindende MO deutlich

wichtiger ist.

1.2 Reaktivitt von Radikalen

1.2.1 Bell-Evans-Polanyi-Prinzip

Reaktivitt und Selektivitt haben einen groen Zusammenhang. Eine

geringe Reaktivitt bedeutet eine hohe Selektivitt.

Das Bell-Evans-Polanyi-Prinzip beschreibt den Zusammenhang

zwischen Bildungsgeschwindigkeit und Stabilitt des entstehenden

Radikals (gilt jedoch auch fr andere Reaktionen). Die Rate einer

Reaktion ist nicht thermodynamisch bestimmt, sondern hngt von der

Energie im bergangszustand ab.

8

Bei Reaktionen, die dem Bell-Evans-Polanyi-Prinzip folgen, besteht ein

Zusammenhang zwischen H#

1.2.2 Hammond-Postulat

und Hr.

Je hher das Produkt liegt, desto hher liegt auch der

bergangszustand. Sehr exotherme Reaktionen sind in der Regel sehr

schnell, wenig exotherme Reaktionen langsamer.

Das Hammond-Postulat beschreibt die Molekl-Geometrien der

bergangszustnde. Es besagt, dass sich die energetisch nher

stehenden Zustnde in einer chemischen Reaktion auch geometrisch,

d.h. strukturell hnlicher sind. Daraus folgt, dass bei exergonischen

Reaktionen (G negativ) die Geometrie des bergangszustands der

des Edukts hnlich ist, da der Energieunterschied zwischen Edukt und

bergangszustand geringer ist (frher bergangszustand). In ender-

gonischen Reaktionen (G positiv) ist dagegen der bergangszustand

energetisch und damit auch geometrisch dem Produkt hnlicher (spter

bergangszustand).

9

Dies hat zur Folge, dass mit steigendem G die Energie des

bergangszustandes stark ansteigt, was die Reaktivitt reduziert, die

Selektivitt der Reaktion aber stark erhht. Eine hohe Reaktivitt

dagegen geht folglich mit einer geringen Selektivitt einher, da die

Geometrie und Energie des bergangszustands Edukt hnlich sind und

im Reaktionsverlauf keine groe Energiebarriere berwunden werden

muss. Je weniger exergonisch eine Reaktion ist, umso mehr wird die

Selektivitt durch die Struktur des Produktes bestimmt.

Bell-Evans-Polanyi-Prinzip und Hammond-Postulat gelten nur fr

kinetisch kontrollierte Reaktionen.

10

1.3 Allgemeine Reaktionen von Radikalen

1.3.1 Verlust der Radikaleigenschaft

Kombination

Disproportionierung

+H3CC

H2CC

H3CCH

H2CC +

H

1.3.2 bertragung des Radikals

Zerfall

Phenylradikale unter sp2

Addition

-Hybridisierung extrem ungnstig; Reaktion

hier entropiegesteuert

Br Br+

Radikaltransfer

Die Lebensdauer von Radikalen ist in der Regel sehr kurz und liegt

unterhalb von 10-3

CH2

2CH2

H2C

s. Es gibt jedoch auch einige Beispiele fr langlebige

Radikale:

O O

+ CO2

R H Cl+ Cl H R+

11

Fr die Langlebigkeit von Radikalen kann es verschiedene Erklrungen

geben. Sie knnen sowohl stabil als auch inert sein.

1.3.3 Die Begriffe stabil/instabil vs. labil/inert

1.3.3.1 stabil - instabil

Die Begriffe stabil und instabil beschreiben einen

thermodynamischen Sachverhalt. Sie sind nur dann anwendbar, wenn

die Reaktion von Edukt und Produkt unter Gleichgewichtsbedingungen

abluft. Die Energiebarriere, die beim bergang von A zu B (aber

natrlich auch bei der Rckreaktion von B zu A) berwunden werden

muss, ist vernachlssigbar gering, im Vergleich zu der unter den

Reaktionsbedingungen zur Verfgung stehenden Energie.

Ph CPh

PhPh C

Ph

PhCPh

PhPh

2% 98 %

NO

TEMPO2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-oxyl-Radikal

Triphenylmethyl-Radikal

OO

OO

OO

O2N NO2

NO2

N

N

DPPHDiphenylpicrylhydrazyl-Radikal

Tris-(2,5-dimethoxyphenyl)methyl-Radikal

12

1.3.3.2 inert labil

Die Begriffe inert und labil beschreiben einen kinetischen

Sachverhalt. Sie beziehen sich auf die Hhe des bergangszustandes,

der bei der Reaktion von A zu B berwunden werden muss. Je

niedriger die Energie G# des bergangszustandes desto labiler ist

eine Verbindung. Bei 25C ist eine Substanz oberhalb von etwa G# =

25 kcalmol-1 inert. Liegt der bergangszustand jedoch unterhalb von

25 kcalmol-1 ist eine Substanz bei 25C labil.

1.4 Beispiele fr Radikalreaktionen

1.4.1 Radikalkettenreaktionen

1.4.1.1 Mechanismus

Kettenstart:

X X 2 Xhv

Kettenfortpflanzung:

X + R3C-H H-X + R3CR3C + X-X R3C-X + X

Kettenabbruch: X + XR + XR + R

X-XR-XR-R

durch Kombination oder auch durch Disproportionierung und

Fragmentierung

13

1.4.1.2 Entstehung des Zndradikals:

Licht

Cl2hv

Cl + Cl

thermisch (Radikalstarter)

NC N N CNAIBN

(Azobisisobutyronitril)

N2 + CN2

O O

O O

Dibenzoylperoxid

O

O2 - CO2 2

1.4.1.3 Reaktivittsreihe

Trgt sich die Kette, also ist der Prozess exotherm? Die Reaktion

insgesamt muss exotherm verlaufen.

Ein Vergleich der Energiebilanzen der Teilschritte von radikalischer

Chlorierung mit denen der radikalischen Iodierung zeigt, warum

Iodierungen auf diesem Weg kaum mglich sind.

Chlorierung:

Cl + H-CH2-CH3 H-Cl + CH3-CH2CH3-CH2-Cl + Cl

+411 -428

+239 -327CH3-CH2 +Cl2

H = (411-428) kJmol-1 = -17 kJmol-1

H = (239-327) kJmol-1 = -88 kJmol-1

Gesamt: -105 kJmol-1 EXOTHERM

14

Iodierung:

I + H-CH2-CH3 H-I + CH3-CH2CH3-CH2-I + I

+411 -285

+149 -213CH3-CH2 +I2

H = (411-295) kJmol-1 = 116 kJmol-1

H = (149-213) kJmol-1 = -64 kJmol-1

Gesamt: 52 kJmol-1 ENDOTHERM

Die Kette trgt sich hier nicht selbst.

Analog ergibt sich bei der Betrachtung der entsprechenden Teilschritte

anderer Radikalreaktionen folgende Reaktivittsreihe:

F > OH > Cl > CH3 > Br > ROO

Die niedrige Bindungsenergie DH von z.B. F-F von nur 155 kJmol-1

1.4.1.4 Reaktivitt vs. Selektivitt

hat starken Einfluss auf die Gesamtbilanz.

Fr die Synthese zu beachten ist, dass auch hier das Hammond-

Postulat gilt: Hohe Reaktivitt hat geringe Selektivitt zur Folge. Dies

wird beim Vergleich der relativen Reaktivitt der C-H-Bindungen in

Butan bzw. Isobutan gegenber Halogenradikalen deutlich

(angegebene Werte beziehen sich auf die Gasphase bei 27C (F, Cl)

bzw. 127C (Br)).

Radikal primre C-H-Bdg. sekundre C-H-Bdg. tertire C-H-Bdg.

F 1 1,2 1,4

Cl 1 3,9 5,1

Br 1 32 1600

Diese relativen Werte lassen sich ber den Vergleich der Energiebilanz

der Reaktion R1R2R3CH + Hal R1R2R3C + HalH von verschiedenen

Halogenradikalen erklren.

15

Reaktionszentrum HChlorierung HBromierung

CH4 +1 kcalmol +17 kcalmol-1 -1

primCH -5 kcalmol +13 kcalmol-1 -1

sekCH -8 kcalmol +8 kcalmol-1 -1

tertCH -11 kcalmol +5 kcalmol-1 -1

Bei den stark exothermen Chlorierungsreaktionen sind die

bergangszustnde sehr frh (Edukt-hnlich) und damit unabhngig

vom Substitutionsmuster des Kohlenstoffs energetisch sehr hnlich, so

dass durch sie keine befriedigende Selektivitt induziert wird.

Neben der unbefriedigenden Regioselektivitt besteht bei radikalischen

Chlorierungen wegen der hohen Reaktivitt aber auch das Problem der

Chemoselektivitt. Die Reaktion CH4 + Cl CH3Cl lsst sich in der

Regel nicht auf dieser Stufe abbrechen, da wegen der hohen

Reaktivitt des Cl auch die mehrfachchlorierten Produkte CH2Cl2,

CHCl3 und CCl4, entstehen. Die Produkte CH3Cl, CH2Cl2, CHCl3 und

CCl4, liegen im Verhltnis 1:1:0,5:0,1 vor. Nur in Ausnahmefllen

nmlich dann, wenn das entstehende Radikal gut resonanzstabilisiert

ist sind saubere Monochlorierungen mglich.

Die Energieprofile der radikalischen Bromierungen unterscheiden sich

deutlich von denen der analogen Chlorierungen.

16

Durch die spten (produkthnlichen) und damit auch energetisch stark

verschiedenen bergangszustnde ist eine deutlich verbesserte

Regioselektivitt zu erreichen.

Dies ist auch experimentell an der radikalischen Halogenierung von

Isopentan zu beobachten.

Br2 Hal

Hal HalHal

Isopentan tert-Produkt sek-Produkt prim-Produkt(1)prim-Produkt(2)

Das Verhltnis der verschiedenen Produkte (tert-:sek-:prim-(1):prim-(2))

liegt fr diese Reaktion im Falle einer Chlorierung bei 22%:17%:5%:5%

fr die einfach chlorierten Produkte. Bei der analogen Bromierung

knnen dagegen die Monobromierungsprodukte im Verhltnis von

90%:4%:0,05%:0,05% erhalten werden.

17

1.4.2 Radikalische Substitution an Aromaten

CH3

Cl2Cl2KKK SSS

H2C ClCH3Cl

KKK = Klte, Katalysator, Kern elektrophile aromatische Substitution

SSS = Sonne, Siedehitze, Seitenkette radikalische Substitution

CH3 CH3CH2 CH2 CH3Br

Br

Br2 Br2Br2Br2hvhv

Bei Chlorierung: oft mehrfache Chlorierung:

KKK SSS

Br2, AlCl3 Br2, hv

Br

Br

(Elektrophile Aromatische Substitution)es entstehen keine Radikale

BrBr

ClCl ClClCl

18

1.4.3 Sulfochlorierung / Sulfoxidation

Sulfochlorierung:

SO2 + Cl2 (SO2Cl2) SO2ClR-H + SO2Cl R + SO2 + HClR + SO2Cl2 R-Cl + SO2ClR-H + SO2 + Cl2 RCl + HSO2Cl

HCl + SO2

Sulfoxidation:

R + SO2 R SO

OR S

O

OO O

R SO

OO O R S

O

OO OH

R SO

OOH

+ R

+H2O, -H2O2

R-H + SO2 + O2 R SO

OOH

eine Alkansulfonsure

1.4.4 Radikalische Addition an Doppelbindungen

Doppelbindungen sind e-

Br2

AIBN

CN + Br2 C BrN + Br

BrH

H

Br2Br

H

BrH

+ Br

-reich:

19

Weitere Reaktion an Alkenen: Solvomercurierung:

R RHgOAc

OH

R

OHHHg(OAc)2

H2ONaBH4

formale Addition von Wasser1. Schritt: Funktionalisierung (siehe spter, Kapitel Alkene)2. Schritt: Radikalchemie

NaBH4: bertrgt H- (Hydrid)

RHgOAc

OH

RHgH

OHH-

--OAc R

OH

HgHhomolytischer Zerfall

RHgH

OH

R

OHH R

HgOH

+

-Hg(0)

1.4.5 Wohl-Ziegler-Bromierung (Bromierung in Allylstellung)

N

O

O

Br

NBS(N-Brom-Succinimid)

NBS ist ein Bromradikalspender, der die Konzentration an vorhandenen

Bromradikalen aber niedrig hlt.

Br

Br

Br

H H

BrH H

+ Br + Br

Br Br2BrBr2

NBS - Kontrolle,[Br ] gering

hv, [Br ] hoch

ein Allylbromid

20

Mechanismus der Radikalbildung:

N

O

O

Br CN+ N

O

O

Br

CN

N

O

O

CN

+ Br

ein analog reagierendes Chlorreagenz:

N

O

O

Cl

N-Chlor-phthalimid

1.4.6 Peroxygenierung (Reaktionen von Radikalen mit Sauertsoff)

R + O2 R-O-O PeroxylradikalR-O-O + R-H R + R-O-O-H Hydroperoxid Reaktion mit Ethern :

O O OO

O OOO OOHH O2 +Rad

hnlich Hyperkonjugation, freie Elektronen am Sauerstoff (n-2pz-

Wechselwirkung). Je hnlicher die Energieniveaus, desto grer ist die

Aufspaltung -Stellung zu Sauerstoff besonders geeignet (stabiles Radikal).

Achtung: Hydroperoxide sind explosionsgefhrlich, daher Peroxidteststbchen verwenden und im Notfall Lsung fachgerecht

entsorgen.

21

Hock-Cumol-Verfahren (Phenol- und Aceton-Herstellung):

O O

O O T O

O2 -CO2 2

H

+ O2

OOHCumol Cumol-

hydroperoxid

H3O+

OH

O+

Phenol

Aceton

OO

O2 + Cumol, -

Radikalstart

1.4.7 Defunktionalisierungsreaktionen

C BrBu3Sn-H C H

C OHBu3Sn-H C HBarton

McCombie Beispiele:

OO

I OO

Ziel

O

OHOR

RO BaseO

HOR

RO Base

Fr diese Reaktionen eignen sich zwei Reagenzien:

- Tributylzinnhydrid

Bu3SnH

Sn-H-Bindung schwach, leichte homolytische Spaltung mglich

(Nachteil: Sn-Verbindung ist stark toxisch.)

22

- Tris(trimethylsilyl)silan

(Me3Si)3Si-H (Ist zinnfrei und nicht toxisch, aber meist etwas zu

schwach.)

Mechanismus:

R-Hal + AIBN + Bu3Sn-H

Bu3Sn + R-Hal Bu3Sn-Hal + RR + Bu3Sn-H R-H + Bu3Sn

1.4.7.1 Barton-McCombie-Reaktion

OHH

O

O HH

O

O

Base Base1.) NaH, CS2

2.) MeI, Bu3Sn-H, AIBN

OHNaH

O-Na++ H2

O-Na++ S=C=S

O CS-

S

O CS-

S+ MeI O C

S

S

MeXanthogenate

Thiokohlensureesterisolierbar

1.

23

AIBN + Bu3Sn-H Bu3Sn

Bu3Sn +O C

S

S

Me

O CS

S

Me

Sn

O CS

S Sn

Me

Bu3Sn-H

H

2.

3.

1.4.7.2 Leicht abgenderte Barton McCombie mit Thiocarbonyldiimidazol

C OH + NN NN

S

C O NN

S

Thiocarbonyl-diimidazol

(schonendere Methode)

Beispiel:

1.4.8 Ozonabbau

CmHnClpFx CmHnClp-1Fx + ClUV

Cl + OO+

O- Cl-O + O2

Cl-O + Cl-O Cl-O-O-Cl O2 + 2 Cl

ON

S

NH

H

H

H

H-Bu3Sn

Bu3SnH

5-exo-Cyclisierung

Bu3Sn

24

1.4.9 Radikale in der Natur

Bsp. 1: Radikal-SAM-Enzyme

Bsp. 2: DNA-Schden durch Radikale

BO

OPOO

O

O

PO

OO

R

BO

OPOO

O

O

PO

OO

BO

OPOO

O

O

PO

OO

O2 OO

-BaseO

OPOO

O

O

PO

OO

O

S+ O

HO OH

ACH3

+ e-

Modifikation durchRadikal-SAM-Enzym

S O

HO OH

ACH3

O

HO OH

A

S CH3

+H2N

HOOC

H2N

HOOC H2N

HOOC

25

2 Nukleophile Substitution am sp3-C-Atom

2.1 Allgemeine Grundlagen zur nukleophilen Substitution

Als nukleophile Substitution bezeichnet man eine Reaktion, bei der ein

sogenanntes Nukleophil (hier Y) mit einem freien Elektronenpaar ein

Molekl (R-X) angreift, das eine elektronenziehende Gruppe (hier X)

enthlt. Y R X Y R X+ +

Bei dieser Reaktion wird die elektronenziehende Gruppe X aus dem

Molekl verdrngt und es entsteht eine neue Substanz durch die

Bindung zwischen dem Moleklrest R und Nukleophil Y. Es handelt sich

hierbei um eine ionische Reaktion, das heit, es bewegen sich immer

Elektronenpaare.

Voraussetzung fr eine solche Reaktion ist die Polarisierung der

Bindung R-X. Durch die hohe Elektronegativitt der Abgangsgruppe X

bildet sich ein Dipolmoment aus. Die Bindung zwischen R und X wird

polarisiert. Dabei geht Elektronendichte von R auf X ber, wodurch R

eine positive Partialladung erhlt und ein Elektrophil wird. R kann nun

nukleophil vom elektronenreichen Y angegriffen werden.

Die Strke des durch X induzierten Dipolmoments hngt entscheidend

von 2 Faktoren ab: Der Bindungslnge R-X und der Elektronegativitt

von X.

Dipolmoment Bindungslngen Elektronegativitt CH3-F 1,82 D 1,39 4,0 CH3-Cl 1,94 D 1,78 3,2 CH3-Br 1,79 D 1,93 3,0

Nukleophile mssen ein freies Elektronenpaar besitzen, mit dem der

Angriff auf das Elektrophil erfolgen kann. Gute Nukleophile sind:

Cl-, Br-, I-, OH-, RO-, RS-, CN-, NH3, NR3

26

Abgangsgruppen sind elektronenziehende Gruppen (negativer

induktiver Effekt). Gute Abgangsgruppen sind z.B.:

Cl-, Br-, I-, -OH2+, -HOR+, ,

2.2 Prinzipielle Reaktionswege

2.2.1 SN1

Bei einer nukleophilen Substitution nach SN1-Mechanismus erfolgt die

Abspaltung der Abgangsgruppe vor Anlagerung des Nukleophils. Als

Intermediat (Zwischenstufe) liegt ein planares Carbokation vor.

Der Elektronenzug von X ist so stark, dass es ohne Hilfe von Y

austreten kann.

R1X

R3R2

R1

R3R2

Yplanar

R1Y

R3R2

R1Y

R3R2 +

-X-

enantiomeren-rein

1 ent-1

Chirale Molekle verlieren ihre stereochemische Information, es

entstehen beide Enantiomere (1 und ent-1). Man spricht dabei von

Racemisierung.

SN1-Reaktionen an sich sind aus zwei Grnden erst mal unerwnscht:

Durch die Racemisierung verliert man Information. Zudem sind

Carbokationen sehr reaktiv und beteiligen sich an anderen Reaktionen

(Eliminierungen, Meerwein-Umlagerung). Man bekommt also

Nebenprodukte. Die SN1-Reaktion ist also keine saubere Reaktion.

2.2.2 SN2

Bei einer nukleophilen Substitution nach SN2-Mechanismus verlaufen

Abpaltung und Anlagerung konzertiert. Im bergangszustand befinden

27

sich sowohl Nukleophil als auch Abgangsgruppe in direkter

Wechselwirkung mit dem Elektrophil:

CY X

R1X

R3R2

R1

R3R2XY

#

bergangszustand,nicht isolierbar

R1Y

R3R2

Walden-Umkehr

Bei der SN2-Reaktion findet eine Inversion der Konfiguration statt, die

stereochemische Information wird also umgedreht. Man spricht auch

von Walden-Umkehr.

2.2.3 SSi, Sp

Bei einer nukleophilen Substitution nach SSi-Mechanismus erfolgt vor

der Abspaltung der Abgangsgruppe die Ausbildung der Bindung

zwischen Nukleophil und Elektrophil. Das Elektrophil ist dadurch

pentavalent, was nur unter Einbeziehung von d-Orbitalen mglich ist.

Oft erfolgen nukleophile Angriffe auf Si ber diesen Mechanismus ber

eine solche 5-bindige Zwischenstufe SiY X

Beispiel: Silylschutzgruppen

H3C-OH + Cl-SiMe3 H3C-O-SiMe3 + HCl

Silylether

Si ClMeO

Die Abspaltung der Silylgruppe wird mit HF x Pyridin zur Rck-

gewinnung des Alkohols durchgefhrt.

28

2.3 Die SN1-Reaktion

2.3.1 Energieprofil und Kinetik der SN1-Reaktion

Eine SN1-Reaktion lsst sich in 2 Reaktionsschritte teilen: Zunchst die

Ausbildung des planaren Carbokations, danach die Reaktion des

Carbokations mit dem angreifenden Nukleophil.

Das Energieprofil einer SN1-Reaktion zeigt, dass die Bildung des

Carbokations der geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist. Dieser

Schritt ist unimolekular, die Reaktion folglich 1. Ordnung. Die

Konzentration des Nukleophils hat keinen Einfluss auf die

Reaktionsgeschwindigkeit. Der produktbestimmende Schritt ist der 2.

Teilschritt der Reaktionsfolge. Neben der Addition des Nukleophils

knnen aber auch Konkurrenzreaktionen, wie Eliminierungen oder

Umlagerungen, ablaufen.

29

Da der Schritt der Bildung des Carbeniumions der geschwindigkeits-

bestimmende ist, steht die Reaktionsgeschwindigkeit in engem

Zusammenhang mit der Stabilitt des Carbokations. Nach dem

Hammond-Postulat sollte der geschwindigkeitsbestimmende

bergangszustand edukthnlicher und damit energiermer sein, wenn

das Carbokations stabiler ist. Je stabiler das Carbokation ist, umso

mehr SN1 bekomme ich.

Als Beleg hierfr kann die Solvolyse (mit EtOH bei 25C) verschiedener

Chlorverbindungen herangezogen werden, deren Carbeniumionen

jeweils unterschiedlich gut resonanzstabilisiert sind. Die relativen

Geschwindigkeitskonstanten (krel) sind folgender Tabelle dargestellt.

Cl

Cl

ClPh

ClPh

Ph

ClPh

PhPh

krel 1 5104 2108 1010 41011

Die Halbwertzeiten und Aktivierungsenergien der basischen Hydrolyse

verschiedener Bromverbindungen (bei 25C) zeigen denselben Trend:

1/2 1016 j 105 j 220 j 0,7 s 0,007 s

EA / kcalmol-1 47 30 27 14 11

2.3.2 Stereochemischer Verlauf der SN1-Reaktion

Dass es sich (wie bereits oben erwhnt) im Reaktionsverlauf einer

SN1-Reaktion zeitweilig um eine planare Zwischenstufe handeln muss,

lsst sich durch den Einsatz von chiralen Edukten in eine SN1-Reaktion

zeigen.

H3C Br H3CH2C BrH3C

CH BrH3C

BrPhH2C Br

30

Der Angriff des Wassers als Nukleophil kann von beiden Seiten auf das

leere pz-Orbital des Carbokations erfolgen. Es knnen daher zwei

stereochemisch unterschiedliche Produkte entstehen. Es erfolgt

Racemisierung. Dass die Zwischenstufe einer solchen Reaktion planar

sein muss, kann durch Vergleich der Reaktionsgeschwindigkeiten

verschiedener Chloralkane gezeigt werden, deren Moleklgeometrie

Planarisierung unterschiedlich gut zulsst. Bei Moleklen, bei denen

Chlor an einem Brckenkopf sitzt, der aufgrund der Ringspannung nicht

planarisiert werden kann, beobachtet man eine starke Verringerung der

Reaktionsgeschwindigkeit.

Cl

Cl Cl

krel 1 10-7 10-13

In einigen Fllen ist trotz des Vorliegens des planaren Carbeniumions

keine vollstndige Racemisierung zu beobachten.

Alk

H3C HBr

optisch reines Edukt

Alk

H3C HBr

planare Zwischenstufeals Kontaktionenpaar

H2O

Alk

H3C HOH

Alk

H3C HHO

R17%

+H2O

S83%

34% Racemisierung,66% Inversion

HO CH3O S

O

O

optisch reines Edukt

H CH3O S

O

O

planare Zwischenstufe

Abgangsgruppe

H2O/AcOH100C

H2O

+ -TsOH

HO CH3OH

HO CH3HO

racemisches Produkt

+

31

Dies tritt dann auf, wenn das Carbeniumion besonders reaktiv ist.

Dessen Reaktion mit dem Nukleophil erfolgt so rasch, dass sich die

meist relativ groe Abgangsgruppe noch in unmittelbarer Umgebung

des Carbeniumions befindet. Da keine -Bindung mehr zwischen

beiden besteht, spricht man hier von einem Kontaktionenpaar.

Vollstndige Racemisierung ist bei solvens-getrennten Ionenpaaren zu

beobachten, die bei stabilen, langsam reagierenden Carbeniumionen

vorliegen.

2.3.3 Einfluss des Lsungsmittels auf SN1-Reaktionen

Da polare Lsungsmittel die whrend einer SN1-Reaktion auftretenden

Ionen solvatisieren knnen und damit die Energie des

Carbeniumintermediats absenken, kann die Wahl des Lsungsmittels

starken Einfluss auf den Reaktionsverlauf nehmen. Sowohl polar

aprotische Lsungsmittel als auch polar protische Lsungsmittel

beschleunigen SN1-Reaktionen, wobei letztere zustzlich eine

Protonierung der Abgangsgruppe (aber evtl. auch des angreifenden

Nukloephils) verursachen knnen, was die Rckreaktion verhindert.

Besonders gute Lsungsmittel fr SN1-Reaktionen sind: Wasser,

Alkohole und Carbonsuren. Aber auch Lewissuren wie Ag+, SnCl4

oder AlCl3 haben stabilisierende Effekte auf die auftretenden Ionen.

Ohne eine derartige Stabilisierung (z.B. in der Gasphase) sind

Bindungsheterolysen fast unmglich. Zu Bedenken ist jedoch, dass

durch polare Lsungsmittel auch das angreifende Nukleophil solvatisiert

und stabilisiert wird und damit dessen Nukleophilie geschwcht wird.

2.3.4 Substituenteneffekte auf SN1

2.3.4.1 Hyperkonjugation

Durch Hyperkonjugation wirken u.a. Alkylsubstituenten stabilisierend

auf Carbeniumionen. Durch bertragung von Elektronendichte einer

C-H-Bindung auf das unbesetzte pz-Orbital des Carbeniumions kann

das dort existierende Elektronendefizit reduziert werden. Fr die

32

Stabilitt des Carbeniumions in Abhngigkeit der Alkylsubstituenten gilt

folgende Reihe:

CH3+ < MeCH2+ < Me2CH+ < Me3C+ < PhCH2+.

2.3.4.2 Mesomerie

Wichtiger noch als die Hyperkonjugation ist die Stabilisierung durch

Mesomerie. -Systeme, insbesondere natrlich konjugierte -Systeme,

knnen mit dem unbesetzten pz-Orbital des Carbeniumions

wechselwirken, die positive Ladung ber das gesamte System

delokalisieren und es so stabilisieren.

2.3.4.3 Sterische Faktoren

Durch die Vergrerung des Winkels zwischen den Substituenten am

zentralen C-Atom beim bergang vom 109 im Tetraeder zu 120 im

trigonal planaren Carbeniumion werden sterische Spannungen

zwischen groen Substituenten abgebaut. Die dabei gewonnene

Energie wirkt sich stabilisierend auf das Carbeniumion aus.

CH

CR1X

R3R2

-X-

109 109

R1R3

R2120

120

33

Ein eindrucksvolles Beispiel fr alle diese stabilisierenden Effekte sind

die in der DNA-Synthese eingesetzten Schutzgruppen Trityl,

Monomethoxytrityl und Dimethoxytrityl.

Die Zeiten dieser mit Sure unter SN1-Bedingungen abspaltbaren

Schutzgruppe mssen bei gleicher Surestrke je nach Substituenten

deutlich angepasst werden. Sie betragen in 2%iger Dichloressigsure

fr:

Trityl (T) R1 = H R2 = H R3 = H 48 h

Monomethoxytrityl (MMT) R1 = OMe R2 = H R3 = H 15 min

Dimethoxytrityl (DMT) R1 = OMe R2 = OMe R3 = H 1 min

Ursache fr die zustzliche Stabilisierung des Carbeniumions ist ein

Zusammenspiel aller drei erwhnten stabilisierenden Effekte. Jede

zustzliche Methoxygruppe erhht den sterischen Anspruch des

Substituenten und bringt so zustzliche Spannung die bei

Planarisierung des Systems reduziert wird. Ebenso vergrert jeder an

den Aromaten gebundene Sauerstoff durch die zur Konjugation fhigen

besetzten p-Orbitale das konjugierte -System, so dass die positive

Ladung ber einen greren Raum delokalisiert werden kann. Aber

auch der die Elektronendichte im Aromaten erhhende +M-Effekt der

Methoxysubstituenten hat einen Einfluss auf die Stabilitt des Ions. Das

parallel zu den -Elektronen der Aromaten stehende leere pz-Orbital

OPO

ORO

O BaseO

R3

R2

R1 H+

H2O

OPO

ORO

O BaseHO

CR3

R2

R1

+

34

des positiv geladenen Kohlenstoffs kann bei gesteigerter

Elektronendichte des Aromaten leichter Elektronendichte abziehen und

so die eigene positive Ladung teilweise kompensieren.

2.3.5 Einfluss der Abgangsgruppe

Da es sich bei der SN1-Reaktion im geschwindigkeitsbestimmenden

Schritt um einen Zerfall des Eduktes (R3C-X) in die zwei Fragmente

Carbeniumion (R3C+) und Abgangsgruppe (X-) handelt, haben beide

Fragmente einen Einfluss auf die Lage des Energieniveaus des

intermedir entstehenden Ionenpaars. Die energetische Lage des

Intermediates hat wiederum Einfluss auf die Lage des

berganszustandes, so dass auch die Stabilitt der Abgangsgruppe die

Reaktionskinetik entscheidend verndern kann.

Eine gute Abgangsgruppe sollte schon als Anion sehr stabil sein. Sie

sollte also auch eine schwache Base sein, der pKa-Wert also niedrig

liegen. Folgende Tabelle zeigt einige Abgangsgruppen mit

dazugehrigen pKa-Werten:

35

Reaktion pKa-Wert

HI I- + H+ -9,5

HBr Br- + H+ -9

HCl Cl- + H+ -7

HF F- + H+ -3,2

HOH OH- + H+ 15,7

HNH2 NH2- + H+ 35

HOH2+ H2O + H+ -1,7

HNH3+ NH3 + H+ 9,2

Anhand dieser Werte kann man vorhersagen, dass I- und Br- relativ

gute Abgangsgruppen sind. Dies kann u.a. darin begrndet werden,

dass die negative Ladung ber das groe Elektronensystem der

schweren Halogene verteilt werden kann. OH- oder NH2- knnen

dagegen nicht als Abgangsgruppen fungieren.

Es gibt mehrere Mglichkeiten diese in gute Abgangsgruppen zu

berfhren.

a) durch Protonierung:

R3COH

R3COH2 R3C H2O+

H+

Bzw:

R3CNH2

R3CNH3 R3C NH3+

H+

b) durch Derivatisierung:

Einige Molekle stellen noch deutlich bessere Abgangsgruppen als Br-

und I- dar. In der Synthese etabliert sind vor allem die Sulfonsurereste

Mesylat, Triflat und Tosylat, sowie Sulfate.

Die Einfhrung erfolgt ber die entsprechenden Chloride.

R3 C O SO

OCH3 R3 C O S

O

OCF3 R3 C O S

O

OR3 C O S

O

OO CH3

Mesylat Triflat Tosylat Methylsulfat

36

c) ber Epoxidbildung:

Ohne vorherige Protonierung am Sauerstoff sind nur Epoxide als

Abgangsgruppen geeignet. Dies ist durch den Gewinn der

Ringspannungsenergie von 26 kcalmol-1 zu erklren.

2.4 Die SN2-Reaktion

2.4.1 Reaktionsprofil und Kinetik der SN2-Reaktion

Im Gegensatz zu SN1-Reaktion handelt es sich bei der SN2-Reaktion

um einen einstufigen Prozess. Whrend des Angriffs des Nukleophils Y-

ist die Abgangsgruppe X noch an das angegriffene Elektrophil

gebunden. Es entsteht ein bergangszustand, bei dem die von Y-

eingebrachte Ladung ber alle drei an der Reaktion beteiligten Zentren

(Y, C und X) verteilt ist. Der Angriff des Nukleophils erfolgt auf den nicht

an der Bindung beteiligten Orbitallappen der R-X-Bindung. Es ist also

immer ein Rckseitenangriff, bei dem Y, C und X auf einer Linie liegen.

Nur bei linearer Anordnung sind die Orbitalwechselwirkungen optimal,

was auch an den Bindungsenergien verschiedener Bindungs-

geometrien deutlich wird. Eine lineare Einfachbindung ist mit Abstand

die stabilste Geometrie.

O

Nu- NuO

37

Bindung

Energie / kcalmol-1 82,6 72,9 69,3

Da es sich im geschwindigkeitsbestimmenden Schritt um einen

bimolekularen Mechanismus (daher auch der Name SN2) handelt, ist

die Reaktionsgeschwindigkeit sowohl von der Konzentration des

Nukleophils Y-, als auch von der des Elektrophils R3C-X abhngig.

Einen Beweis fr die Linearitt des berganszustandes liefert

folgendes Experiment:

Der Angriff des Nukleophils CR1R2H- auf die CH3-Gruppe unter

Verdrngung der guten Abgangsgruppe O-SO2-R, sollte durch die

unmittelbare Nhe von Nukleophil und Elektrophil ausschlielich

intramolekular verlaufen, wenn der Angriff ber einen sechsgliedrigen

H3C CH3 R2C CR2

R2C CR2

H2C

CH3

SO O

CH3O

SO O

CH3

SO O

OS

O O

CH3

38

bergangszustand (Winkel 120) abluft. Setzt man neben dem oben

gezeigten Molekl in einer 1 : 1-Mischung auch das analoge Molekl

ein, bei dem beide Methylgruppen vollstndig deuteriert sind, erwartet

man im Fall der intramolekularen Reaktion ausschlielich die Produkte

A und B. Tatschlich erhlt man aber die Produkte A, B, C und D mit

einem Anteil von jeweils 25%. Daraus lsst sich schlussfolgern, dass

der sechsgliedrige bergangszustand ungnstig ist und keine

intramolekulare Reaktion stattfindet. Es handelt sich um eine

intermolekulare Reaktion, bei der die sechsfach deuterierte Verbindung

ber den linearen bergangszustand mit gleicher Wahrscheinlichkeit

ein anderes deuteriertes oder undeuteriertes Molekl angreift.

2.4.2 Stereochemischer Verlauf der SN2-Reaktion

Wie im vorigen Abschnitt bereits erwhnt, handelt es sich bei einer

SN2-Reaktion immer um einen linearen Rckseitenangriff. Dies hat zur

Folge, dass es sich bei diesem Reaktionstyp immer um eine Inversion

der Moleklgeometrie handelt. Der Winkel zwischen den Resten im

Molekl CR3-X mit sp3-hybridisiertem Kohlenstoff und Winkeln um 109

wird beim Angriff des Nukleophils Y- bis auf 120 vergrert, bis eine

trigonalbipyramidale Geometrie vorliegt. Dann entfernt sich die

Abgangsgruppe X- und gibt auf der dem Nukleophil entgegengesetzten

Seite des Molekls Platz frei, der von den Resten wieder aufgefllt wird.

Dieser als Walden-Umkehr bezeichnete Vorgang kann bildlich mit

einem Regenschirm beschrieben werden, in den von unten Wind hinein

blst, und ihn umklappt.

CH3

SO O

OS

O O

CH3

CD3

SO O

OS

O O

CD3

CH3

SO O

OS

O O

CD3

CD3

SO O

OS

O O

CH3

A C DB

39

R1X

R3R2 Y X

R1

R2R3Y- + + X-

R3Y

R1R2

Diese hohe Stereoselektivitt macht die SN2-Reaktion prparativ sehr

wertvoll. Sie gilt auch in zyklischen Systemen.

t-Bu

H

OTs

R

O

O

t-Bu

O

H

O

R

cis-Ester

Ein weiteres Beispiel ist die vollstndige Umwandlung eines optisch

reinen (S)-Alkohols in den spiegelbildlichen (R)-Alkohol:

2.4.3 Substituenteneffekte auf die SN2-Reaktion

Da sich im bergangszustand einer SN2-Reaktion fnf statt der

blichen vier Reste in unmittelbarer Umgebung des Elektrophils

befinden ist sofort verstndlich, dass groe, sterisch anspruchvolle

Reste den bergangszustand destabilisieren. Hinzu kommt, dass groe

Reste bereits den Zugang des Nukleophils zum Elektrophil abschirmen,

da der Angriff jedoch strikt von der Rckseite erfolgen muss, hat die

Gre der Reste einen wichtigen Einfluss auf die Reaktions-

geschwindigkeit. Dies gilt sowohl fr zunehmende sterische Hinderung

am -C als auch am -C wie folgende Tabellen zeigen.

OHPh

HCH3

OTsPh

HCH3

AcOPh

HCH3

HOPh

HCH3

AcO OTsPh

H CH3

TsCl NaOAcPyridin Aceton

NaOH

optisch rein optisch rein(s) (r)

[]D = 33 []D = -33

40

Zunehmende Hinderung am -C:

krel 1 310-2 110-3 110-5

Zunehmende Hinderung am -C:

krel 1 310-1 310-2 310-6

2.4.4 Lsungsmitteleffekte

Generell sind die Lsungsmitteleinflsse auf die SN2-Reaktion nicht so

gro wie auf SN1-Reaktionen. Einige Lsungsmittel sind jedoch

besonders gut fr SN2-Reaktionen geeignet, vor allem polar-aprotische.

Sie besitzen eine stark elektronenziehende Gruppe auf der die negative

Partialladung lokalisiert ist. Die positive Partialladung dagegen ist ber

einen groen Bereich verteilt. Dies fhrt dazu, dass Kationen gut

solvatisiert werden knnen, Anionen dagegen schlecht. Die Anionen

sind folglich ohne direkten Kontakt zu den durch die Solvenshlle

abgeschirmten Kationen und damit deutlich nukleophiler. Geeignete

Lsungsmittel sind:

H3C Cl ClCl Cl

Cl ClCl Cl

XH

H HNu:

XC

H HNu:

HH

HX

C

C HNu:

HH

H

HH H

Methyl IsopropylEthyl

XC

H HNu:

CH

H

Propyl

H

HH X

C

H HNu:

CH

H

Pentyl

Me

MeMeX

C

H HNu:

HC

H

Propyl

H HH

41

2.4.5 Einfluss des Nukleophils

Die Fhigkeit verschiedener Nukleophile eine SN2-Reaktion einzugehen

korreliert nicht mit dem pKa-Wert der korrespondierenden Sure.

X-: SCN- > CN- > I- > Br- OH- > Cl- > F- OAc-

pKa von HX: 0,7 9,1 -7 > -4,3 15,7 > -1 > 3,2 OAc-

Gute Nukleophile verfgen ber gut polarisierbare (weiche)

Elektronenpaare. Der Begriff Nukleophilie muss grundstzlich von der

Bezeichnung Basizitt unterschieden werden. Im Fall einer

SN2-Reaktion besteht kein Zusammenhang zwischen beiden Gren.

Die Basizitt ist einen thermodynamische Gre, die die

Gleichgewichtsreaktion mit H+ beschreibt,

Die Nukleophilie ist eine kinetische Gre, die die

Reaktionsgeschwindigkeit mit Elektrophilen (z.B. C+) beschreibt.

Besonders gute Nukleophile sind aufgrund des -Effekts HO-O- und

H2N-NH-.

2.4.6 Stereoelektronische Effekte auf SN2-Reaktionen

-Systeme in Nachbarschaft der Abgangsgruppe stabilisieren nicht nur

die bei SN1-Reaktionen auftretenden Carbeniumionen. Auch bei

SN2-Reaktionen senken die Wechselwirkungen zwischen dem

-System und dem an der Reaktion beteiligten pz-Orbital die Energie

des bergangszustandes ab.

X HX

HY

H N

OCH3

CH3

N,N-Dimethyl-formamid

DMF

N O

NMP

N-Methyl-pyrrolidin-2-on

H3CS

CH3

O

DMSO

Dimethyl-sulfoxid

N N

O

DMPU

N,N'-Dimethyl-N,N'-propylen-

harnstoff

PO

NN N

HMPT

Hexamethyl-phosphor-

suretriamid

42

Diese Stabilisierung ist besonders bei -Halogenketonen und

-Halogenessigsurederivaten wichtig. Hier wre eine SN1-Reaktion wegen der positiven Ladung in unmittelbarer Nhe zum

elektronenziehenden Sauerstoff extrem ungnstig. O

RHal R

O

Aber eine SN2-Reaktion ist auf Grund des Einflusses der -Bindung

mglich.

Bsp.:

HN

NH

O

O

HN

N

O

O

KOH HN

N

O

O

OEt

O

Cl OEt

O

-Cl-

Ein Vergleich der relativen Geschwindigkeitskonstanten belegt den

stabilisierenden Effekt des -Systems auf das pz-Orbital.

krel (SN2) 1 90 250 1600 2800

2.4.7 Beispiele fr wichtige SN2-Reaktionen

2.4.7.1 Alkohole und Ether

Alkohole und Ether sind schlechte Abgangsgruppe und mssen

protoniert oder derivatisiert werden, um sie in gute Abgangsgruppe zu

berfhren.

R-OH + H+ R-OH2+ X-

R-X + H2O HX = HI > HBr > HCl

Oft ist es wegen der Surelabilitt einiger Gruppen nicht mglich diesen

sehr harschen Reaktionsweg zu gehen. Dann muss eine

ClNCClEtOOCClPhClCl

43

Derivatisierung des Alkohols erfolgen. Dazu bestehen diverse

Mglichkeiten. Die prparativ wichtigsten sind:

- Ausbildung der uerst stabilen P-O-Doppelbindung:

R-OH PX3, -H+

PyridinPRO

X

XR-X + PO

X

X

X-

SN2 H2O POOH

OH

Bei Iodierungen oder Bromierungen nach dieser Methode werden die

Phosphortrihalogenide in situ aus rotem Phosphor und dem Halogen

hergestellt. Dies vermeidet einen berschuss z.B. von Iodwasserstoff,

der Iodalkane reduzieren kann.

- Umsetzung mit Thionychlorid:

R-OH Cl SCl

OThionylchlorid

+ R OO

ClCl-

SNiintra-molekular

R-Cl + SO2 + Cl-

Hierbei handelt es sich vermutlich um die einzige SN2-Reaktion, die

unter Retention abluft.

2.4.7.2 Alkylhalogenide / Sulfate / Sulfonate

Die Hydrolyse von Alkylchloriden oder sulfaten ist eine wichtige

technische Synthesemethode fr eine groe Anzahl von Alkoholen (z.B.

Pentanol, Allylalkohol, Ethylenglycol u.v.a.) Die Vorlufer erhlt man

durch Addition von Chlor bzw. Schwefelsure an die entsprechenden

Olefine. Sehr reaktive Alkylhalogenide knnen direkt mit Wasser in den

korrespondierenden Alkohol berfhrt werden.

Cl + H2O OH + HCl

Da Wasser jedoch ein schlechtes Nukleophil ist, muss oft entweder das

Halogenid durch Aktivierung mittels Lewis-Sure (z. B. FeCl3) in eine

44

bessere Abgangsgruppe berfhrt werden oder H2O durch Basen in

das wesentlich bessere Nukleophil OH- berfhrt werden.

ClH2O, HX

FeCl3

ClFe ClCl

Cl OH + Fe(Cl)4H2O

Dabei sind auch Mehrfachreaktionen mglich:

ClCl OHHO OH

FeCl3,H2O

-H2O

Das Diol ist die Hydratform des Aldehyds. Nach Apspaltung von einem

Wasser erhlt man also den Aldehyden.

ClCl

Cl OHHOOH

OHOFeCl3,H2O

-H2O

Hydratform der Carbonsure

Diese Reaktionen finden vor allem Anwendung bei der

Williamsonschen Ethersynthese

R'-O + R-X R'-O-R,

wobei primre und sekundre Alkohole und Phenole als Nukleophile

geeignet sind. Phenol mit einem pKA von etwa 10 ist besonders leicht

zu deprotonieren (z. B. mit K2CO3 oder KHCO3) und eignet sich damit

besonders gut fr einen nukleophilen Angriff.

Methylierung und Ethylierung mit Dimethyl- bzw. Diethylsulfat

R O + H3C O S OO

OCH3 R OCH3 + O S O

O

OCH3

Schtzung eines Alkohols als Silylether

R-OH + (CH3)3-Si-ClNEt3 R-O-Si-(CH3)3-HCl

45

Trimethylsilyl-chlorid (TMS-Cl) oder andere sterisch besser

abgeschirmte Silyl-chloride wie Triisopropylsilyl-chlorid (TIPS-Cl), tert-

Butyldimethylsilyl-chlorid (TBDMS-Cl oder auch TBS-Cl), Triphenyl-

silyl-chlorid (TPS-Cl) u.a. haben sich als wichtige Schutzgruppen fr

Alkohole etabliert. Ihre Abspaltung erfolgt entweder sauer (analog der

Etherspaltung) oder mit F- (oft in Form von TBAF (Tetrabutyl-

ammoniumfluorid) oder als HF-Pyridin-Komplex), wobei die Bildung der

uerst stabilen Si-F-Bindung die Triebkraft liefert.

R-O-Si-(CH3)3 + F- (CH3)3-Si-F + R-O

Williamson-analoge Estersynthese

R COH

O+ R'-X

NEt3R C

O-R'

O

2.4.7.3 Reaktionen am Stickstoff

Die Darstellung von primren Aminen ber SN2 ber den direkten Weg

R-X + NH3 -X-R-NH3

-H+R-NH2 R2-NH R3N R4N X

ist prparativ wenig interessant, da die Produkte reaktiver als die

Edukte sind und daher die Weiterreaktion erfolgt. Er ist folglich zur

Darstellung primrer Amine nicht geeignet.

Deren Darstellung erfolg entweder ber die:

46

Gabriel-Synthese:

N

O

O

K R-N

O

O-KX

R-N

O

O

HClR-NH3 Cl +

COOH

COOH

R-N

O

O

+ H2N-NH2 R-N

O

O

NH H+N

O

NH

O

HNHN

O

O

+ R-NH2H2N H2N

N

O

O

HK

oder KH

R-X

Pthalimidsalz

Abspaltung des gewnschten Amins:

sauer:

mittels Hydrazinolyse (Ing-Manske-Variante):

-H+

H

R

Reduktion von Aziden:

R-X + NaN3 R-N3 R-NH2Red.

Mgliche Reduktionsbedingungen:PPh3 + H2O -> Staudinger-ReduktionLiAlH4Bu3SnHH2, Pd/C

Mechanismus derStaudinger-Reduktion:

H3C-N3 H3C NPPh3

H3C NHPPh3

HOH3C-NH2 + O PPh3

Sekundre Amine knnen aus Sulfonamiden dargestellt werden:

2.4.7.4 Reaktionen von Phosphorverbindungen

Wie auch Amine, lassen sich Phosphine durch Alkylhalogenide

quarternisieren.

SO

ON Base (TEA)

RX, -X-SO

ON Hydrolyse S

OH

O O+ HN

CH3

RCH3

H

CH3

R

R3-P + R'-X R3P-R' + X-

47

Die entstehenden Phosphoniumsalze sind wichtige Verbindungen z.B.

fr die Wittig-Reaktion (siehe spter).

Synthetisch wichtigste Reaktion von Phosphorverbindungen mit

Alkylhalogeniden ist die Michaelis-Arbuzov-Reaktion. Hier wird ein O-Alkyl-Rest aus Phosphorigsureestern, Phosphonigsurediestern

oder Phosphinigsureestern durch einen Alkylrest ersetzt und Phosphor

von Oxidationsstufe III zu V oxidiert, wodurch die korrespondierenden

Alkylphosphonsurediester, Dialkylphosphinsureester oder

Trialkylphosphinoxide entstehen.

Alkylphosphonsurediester

Synthetisch wichtig ist diese Reaktion fr die Herstellung einige

Insektizide wie Parathion und Chlorthion. Auerdem knnen so die

Cholinesterasehemmer Soman, Sarin, DFP u.a. hergestellt werden, die

als chemische Kampfstoffe aufgrund einer internationalen Konvention

gechtet und verboten sind.

2.4.7.5 Reaktionen von Schwefelverbindungen

Analog der Herstellung von Alkoholen aus Alkylhalogeniden knnen

auch Thiole und Thioether hergestellt werden.

R-X + NaSHSN2 R SH R' X R S R'

ein Thiol ein Thioether

-NaX -HXR'' X

R SR'

R''+ X-

ein Sulfonium-salz

Thiole sind sehr gute Nukleophile und reagieren leicht weiter zu

Thioethern.

Methoden, um auf der Stufe der Thiole stehen zu bleiben:

- Thioharnstoff ist ein sehr gutes Nukleophil und kann daher leicht

alkyliert werden. Nach Hydrolyse erhlt man ebenfalls Thiole.

R-X + POEt

OEtOEt P

O-CH2-CH3

OEtOEtR + X- P

OEtOEt

OR + Et X

48

S CNH2

NH2S C

NH2

NH2 R-XS C

NH2

NH2R

H2O S CRNH2

NH2OH +

H2N NH2

O- X- R SH

S CNH2

NH2R

Thioharnstoff

Harnstoff

-H+

- Ebenfalls geeignet fr den nukleophilen Angriff auf Alkylhalogenide

sind Schwefelanaloga verschiedener Suren. So knnen aus

Alkylhalogeniden und Thiocarbonsuren Thioester gebildet werden, die

zu Thiol und Carbonsure hydrolysiert werden knnen. Analog verluft

der nukleophile Angriff auf das Alkylhalogenid mit Thiosulfat. Saure

Aufarbeitung liefert ebenfalls das entsprechende Thiol (2-Phasen-

Reaktion).

+S R2

O

S R2

OR1

H2O S CR1O

R2OH2

HO R2

OR1 X + R1 SH

-X-

ein Thioester

+OH-

2.4.7.6 Reaktionen mit Halogenen als Nukleophilen

Halogene eignen sich nur bedingt fr einen nukleophilen Angriff auf

Alkylhalogenide. Da die austretende Abgangsgruppe ebenfalls ein

nukleophiles Halogenid ist, kann auch dieses wieder das Elektrophil

angreifen. Es handelt sich also um eine Gleichgewichtsreaktion.

Anwendung findet dieser als Finkelstein-Reaktion bekannte Halogen-Halogenaustausch jedoch zur Synthese von Alkylfluoriden, da Fluor

eine sehr schlechte Abgangsgruppe ist, dass das Gleichgewicht weit

auf die Seite des Produkts verschoben ist.

R-Cl KFDMF

R-F + KCl

Durch die Durchfhrung dieser Reaktion in Aceton, knnen auch

Alkyliodide aus anderen Alkylhalogeniden gewonnen werden, da

Natriumiodid in diesem Lsungsmittel lslich ist, wohingegen alle

anderen Salze unlslich sind und ausfallen. Dadurch wird das

Gleichgewicht zugunsten des Alkyliodids verschoben.

49

R-ClAceton

R-I

+ NaI- NaCl

2.4.7.7 SN2-Angriff durch ein Hydrid

Neben der radikalischen Defunktionalisierung von Halogenalkanen mit

Bu3SnH oder nach Barton-McCombie kann auch durch nukleophilen

Angriff eines H- defunktionalisiert werden. bliche Hydridspender sind

LiAlH4 (sehr stark, nicht in H2O), LiBEt3H (uerst stark) und NaBH4

(mild, aber sogar in H2O einsetzbar).

R HalLiAlH4

R H

Das Hydrid-Ion ist ein relativ schlechtes Nukleophil.

2.4.7.8 Reaktionen von Kohlenstoff-Nukleophilen

Die Vergrerung des Kohlenstoffgersts ist eines der hufigsten

Syntheseziele. Auf den ersten Blick problematisch erscheint dabei die

Erzeugung von Kohlenstoff-Nukleophilen, da Kohlenstoff mit seiner

relativ geringen Elektronegativitt von 2,5 in allen bisher erwhnten

Alkyl-X-Verbindungen eine positive Partialladung trgt und damit

elektrophil und nicht nukleophil ist.

Eine wichtige Reaktion mit der es dennoch mglich ist eine

C-C-Bindung zu erzeugen, ist die Kolbe-Nitrilsynthese. Hier wird ein Halogenid durch das Pseudohalogenid CN- ersetzt. Die entstehenden

Nitrile sind wertvolle Vorlufer fr Carbonsureamide, Carbonsuren

und Amide.

R XKCN

R CNein Nitril

R-COOH

RCONH2

RCH2OH

RCH2NH2

Verlngerung der C-Kette

50

Bei dieser Reaktion zu beachten ist, dass es sich bei Cyanidionen um

ein ambidentes Nukleophil handelt, bei dem aufgrund der hheren

Elektronegativitt sogar der Stickstoff der Ort der hchsten

Ladungsdichte ist. Es knnen neben den Nitrilen auch Isocyanide

(durch Knpfung der C-N-Bindung statt der C-C-Bindung) entstehen.

So liefert tertire Alkylhalogenide oder der Einsatz von AgCN groe

Mengen an Isocyanid (= Isonitril).

R XAgCN

R NCein Isonitril

Synthetisch interessant ist diese Reaktion fr primre und sekundre

Alkylhalogenide bei Einsatz von KCN in aprotischen Lsungsmitteln, da

unter diesen Bedingungen fast ausschlielich Nitrile entstehen.

Eine weitere Mglichkeit, Kohlenstoff in ein Nukleophil zu berfhren,

ist die Abstraktion eines H+ aus einer R3C-H-Verbindung. Dies ist

aufgrund der geringen Aciditt der C-H-Bindung (z.B.: pKaWerte von

Methan (48), Ethan (50), Propan (51)) nur unter Einsatz extrem starker

Basen mglich. Es gibt jedoch einige Funktionalitten, die die pKa

Werte einer C-H-Bindung stark absenken. Eine dieser Gruppen ist die

C-C-Dreifachbindung. So liegen die pKaWerte von Acetylen (25),

Propin (26), Phenylacetylen (29) in einem Bereich, der von einige

starken Basen erreicht wird und synthetisch Anwendung findet.

R C C HNaH

tBuOHR C

R'prim X R C C R'

Sehr niedrige pKaWerte haben auch C-H-Bindungen in -Position zu

einer Carbonylgruppe. Ketone (pKaWerte etwa zwischen 16 und 20)

und Ester (pKaWerte etwa zwischen 22 (Phenylessigsureethylester),

24 (Essigsuremethylester) und 30 (Essigsureethylester)) eignen sich

daher schon gut fr C-C-Bindungsknpfungen.

51

Ketone: pKa = 16-20

R2R1

O

HH

Base

z.B. LDAR2

R1O

R2R1

O RIR2

R1O

R-LiI

Enolat

Als wenig nukleophile Base eignet sich beispielsweise LDA (Lithiumdiisopropylamin):

NLi

Li+

Li+

Ester: pKa = 22-30

O

OH

H

O

O

O

OR

Base

Zustzlich abgesenkt werden kann der pKaWert durch geeignete

Substituenten in -Position. Vergrern sie das -System, ber das die

negative Ladung delokalisiert werden kann, wird das entstehende Anion

stabilisiert. So senkt eine Nitrogruppe in -Position den pKaWert von

Essigsureethylester von etwa 30 auf etwa 9.

Synthetisch wertvoll sind vor allem -Dicarbonylverbindungen.

Malonsurediethylester hat einen pKaWert von etwa 13,

Acetessigsureethylester von etwa 11.

R1

O O

RHH R

1

O O

R R1

O O

RR2

R

OO

R1Base

R1

O O

R

2.4.7.9 C-C-Verknpfung mit metallorganischen Verbindungen

Eine weitere in vielen V