Organische Chemie I (OC1) Chemische Reaktivität und Stoffklassen · 2009. 9. 16. · Organische Chemie 1 (529-0221-00), Teil 1 F. Diederich, C. Thilgen, ETH Zürich, HS 2009 6 3.6

Organische Chemie 1 (529-0221-00), Teil 1

F. Diederich, C. Thilgen, ETH Zürich, HS 2009 1

Organische Chemie I (OC1)Chemische Reaktivität und Stoffklassen

Prof. Dr. François Diederichund

Dr. C. Thilgen

http://www.diederich.chem.ethz.ch/teach/oc1/

Prüfungsstoff

• Inhalt des Skripts (zu beziehen bei Frau I. Näf, HCI G309)• Stoff der zusätzlich während der Vorlesung an der Leinwand (als

pdf-Dateien unter http://www.diederich.chem.ethz.ch/cerbere/oc1/) undan der Tafel behandelt wird

• Übungen• Grundlagen, die in den vorhergehenden organisch-chemischen

Vorlesungen gelegt wurden (OC ist ein kumulatives Fach)

Auch wenn das Skript den Stoff im Wesentlichen abdeckt, so wird

das ”Einholen einer weiteren Meinung” empfohlen Lehrbücher!

Im Skript wird zu speziellen Kapiteln weitere, ausgewählte Literatur

angegeben.



Übungen

• Bedeutung der Übungen für erfolgreiche Teilnahme an OC I• Übungsstunden: 4x Mo, 11-12; 1x Di, 8-9; 2x Do, 10-11.• Beginn: 21.9.09• Heute in der Pause: Eintragen in Gruppen-Listen

Übungen

Zulassungsbedingungen zur Leistungskontrolle:• Teilnahme an 11 von 13 Übungsstunden obligatorisch (Präsenzliste)• 2 Übungen werden eingesammelt und im Detail korrigiert (vorherige

Ankündigung) im Mittel müssen 60% der Punkte erzielt werden

http://www.diederich.chem.ethz.ch/teach/oc1/ueb_oc1.htmZugang nur mit Login und Passwort …



Übungsgruppen

• In der Pause oderam Ende derVorlesung vorneam Pult eintragen.

• Termin beachten!

• Bitte merken:Gruppen-Code (A, B,C, D, E, F, G).

• Wo trifft sich meineGruppe; wie heisstmein/e Assistent/in erscheint in Kürzeunter:http://www.diederich.chem.ethz.ch/teach/oc1/ueb_oc1.htm

...

Zeit: Mo, 11-12

Gruppe: A

Teilnehmende:

1)

2)

3)

4)

5)

6)

7)

8)

9)

10)

11)

12)

13)

14)

15)

16)

Lehrbücher

1. K. P. C. Vollhardt, N. E. Schore, Organic Chemistry, 4th ed., W. H.Freeman and Company, New York, 2002. Dazu: N. E. Schore, StudyGuide, Organic Chemistry, 4th ed., W. H. Freeman and Company, NewYork, 2002.

2. A. Streitwieser, C. H. Heathcock, E. M. Kosower, Organische Chemie,2. Auflage, VCH, Weinheim, 1994.

3. J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, P. Wothers, Organic Chemistry,Oxford University Press, New York, 2001.

4. P. Y. Bruice, Organic Chemistry, 5th Ed. Pearson, Upper Saddle River,NJ, 2007 (www.pearson.ch)

5. E. V. Anslyn, D. A. Dougherty, Modern Physical Organic Chemistry,University Science Books, Sausalito, 2006.

6. F. A. Carey, R. J. Sundberg, Organische Chemie. Ein weiterführendesLehrbuch (Hrsg. H. J. Schäfer, D. Hoppe, G. Erker), VCH, Weinheim,1995.

7. R. Brückner, Reaktionsmechanismen, Spektrum Akademischer Verlag,Heidelberg, 2002.

8. M. B. Smith, J. March, March’s Advanced Organic Chemistry, 5th Ed.Wiley-Interscience, New York, 2001.



Lernziele

• Wie baue ich grössere Moleküle aus kleineren auf? C–C-Verknüpfungsmethoden, Syntheserepertoire,

funktionelle Gruppen, Stoffklassen.

• Warum reagieren diese Moleküle überhaupt bzw. so und nicht andersmiteinander? Reaktionsmechanismen, Reaktivitätsverständnis, Selektivitäten.

O

O

O

Ph

+

Ph

Lernziele

O

Wie würden Sie aus H3CO2C CO2CH3 herstellen?

Das erworbene Verständnis soll Sie in die Lage versetzen, einstufige undkurze mehrstufige Synthesen für vorgegebene Zielmoleküle vorzuschlagen.



Inhaltsverzeichnis

1 Eliminierung1.1 Allgemeines und Definitionen1.2 Ionische β-Eliminierung

1.2.1 Allgemeines und Einteilung1.2.2 E1-Eliminierung1.2.3 E1cb-Eliminierung1.2.4 E2-Eliminierung1.2.5 Ionische β-Eliminierungen mit anderen Elektrofugen1.2.6 Oxidation von Alkoholen

1.3 Thermisch induzierte β-Eliminierungen1.3.1 Übersicht1.3.2 Esterpyrolyse unf Tschugaeff-Eliminierung1.3.3 Verwandte Reaktionen1.3.4 Cyclische Eliminierungen

2 Fragmentierungsreaktionen3 Carbonylverbindungen und Carbonsäurederivate

3.1 Allgemeines3.2 Hydrate, Acetale, Imine, Enamine

3.2.1 Hydratisierung von Carbonylverbindungen3.2.2 Acetalisierung von Aldehyden und Ketonen3.2.3 Reaktion von Ketonen und Aldehyden mit

Stickstoffverbindungen

Inhaltsverzeichnis

3.3 Derivate von Carbonsäuren3.3.1 Allgemeines3.3.2 Säurekatalysierte Veresterung von Carbonsäuren3.3.3 Alternativmethoden für die Veresterung3.3.4 Basenvermittelte Verseifung von Carbonsäurederivaten3.3.5 Zur Herstellung von Säurechloriden3.3.6 Zur Herstellung von Säureamiden

3.4 Derivate der Kohlensäure3.5 Nukleophile Addition von metallorganischen Verbindungen

an die Carbonylgruppe3.5.1 Allgemeines3.5.2 Umsetzung mit Ketonen und Aldehyden3.5.3 Umsetzung mit Säurederivaten



3.6 Enolate von Carbonylverbindungen als Nukleophile3.6.1 Allgemeines3.6.2 Zur Darstellung von Enolaten und verwandten Spezies3.6.3 Zur Spaltung von β-Dicarbonylverbindungen3.6.4 Aldolkondensation und verwandte Reaktionen (Mannich-

Reaktion, Strecker-Synthese).3.6.5 Reaktionen zwischen Ketonen und Carbonsäurderivaten3.6.6 Reaktionen zwischen Carbonsäurederivaten (Claisen- und

Dieckmann-Kondensation)3.6.7 Michael-Addition und Robinson-Anellierung

3.7 Umsetzung von Ketonen mit Phosphor- und Schwefel-Yliden3.7.1 Allgemeines3.7.2 Wittig-Reaktion

4 Tabellenanhang

Inhaltsverzeichnis

Fortsetzung AC-OC-1 Substitutionen Additionen Eliminierungen

Fragmentierungen

Umwandlung funktioneller Gruppen: Von Aldehyden und Ketonen (A) Von Carbonsäurederivaten (B)

C–C-Verknüpfungsreaktionen mit Carbonylbverbindungen: Addition metallorganischer Verbindungen (Li- und Mg-Organyle) an C=O

An Aldehyde und Ketone An Carbonsäurederivate

Alkylierung von Enolaten Reaktionen vom Aldol-Typ Addition von P-Yliden an Aldehyde und Ketone (Wittig-Reaktion)

Zur Orientierung

R R'

O

R X

O

A B



Organische Synthesen - Klassifizierung



Metathese: Nobelpreis für Chemie 2005

H H

R1 H

+

H H

R1 H

[M]=CH2R1

H

H

R1

H

H

H

H

+

YvesChauvin

RobertGrubbs

RichardSchrock

Entdeckung der Metathesereaktion1967 bei Goodyear in Acron (Ohio)



Echter Lachs? http://www.chemie.uni-regensburg.de/Organische_Chemie/Didaktik/Keusch/D-salmon-d.htm

http://www.srs.ac.uk/BioMed/projects/lobster.htm

Crustacyanin

632 nm: planar und intermolekulareWechselwirkungen

472 nm: nichtplanar

Astaxanthin

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

350 400 450 500 550 600 650 700 750

wavelength (nm)

A

astaxanthin? -crustacyanin



(in Fanta)

Zerstörung des Carotin-Chromophors durch Bromaddition:http://www.chemie.uni-regensburg.de/Organische_Chemie/Didaktik/Keusch/D-Ketchup-d.htm

Carotin, Retinal, cis/trans-Isomerisierung und der Sehvorgang



E = h • ν = h • c/λ

Planck

Polyacetylen dotiert:

organischer metallischer Leiter (Nobelpreis 2000):

"Plastics Electronics" (OLEDs, OFETs….)

Alan Heeger(UCSB)

Alan Macdiarmid(U. Penn)

Hideki Shirakawa(U. Tsukuba)



SNi =>

β-Eliminierungen an Heteroatom-Zentren



Stereochemie: Koplanarität ergibt maximaleOrbitalüberlappung

syn- und anti- sind cis- und trans- in diesem Kontext entschieden vorzuziehen

Je nach Konfiguration des Ausgangsmoleküls und stereochemischem Verlaufder Eliminierung (E)- oder (Z)-Alken

Newman-Projektion

Mechanistische Klassifizierung der ionischenβ-Eliminierungen: 3 Grenzfälle



E1-Eliminierung: Stereoelektronik

Frage: wie ist die zu spaltende C–H-Bindung gegenüber demcarbokationischen Zentrum orientiert?

E1-Eliminierung

Kinetik: 1. Ordnung; v ≠ f([Base])



E1-Eliminierung: Hauptmerkmale

Saytzew-Regel: E1 thermodynamisch stabileres (höher

substituiertes) Alken

Lösungsmittel: polar, protisch (wie SN1) stabilisiert

Carbeniumion und Nukleofug (Abgangsgruppe)

Bredtsche Regel: keine E1 falls Abgangsgruppe an

Brückenkopf eines kleinen Polyzyklus

Stereoelektronik: p-AO des Kations und zu spaltende

C–H-Bindung koplanar (Hyperkonjugation)

Thermodynamische Stabilität isomererAlkene: experimentelle Bestimmung

Stabilisierungsubstituierter Alkenedurch Hyperkonjugation



Thermodynamische Stabilität isomererOlefine [kcal/mol]

Formel Isomer Gf° Hf

° % im Gl. Hydrierwärme

C4H8 But-1-en 17.1 -0.0 0.4 30.1cis-But-2-en 15.8 -1.7 3.7 28.6trans-But-2-en 15.1 -2.7 11.7 27.62-Methylpropen 13.9 -4.0 84.3 28.4

R. A. Alberty, C. A. Gehrig, J. Phys. Ref. Data, 1985, 14, 803;s. Skript, Tabelle 1.

Hydrierwärmenausgewählter

Olefine[kcal/mol]

J. Am. Chem. Soc.1958, 80, 1430;s. Skript, Tab. 2.

*) kursiv:Spannung desCycloalkans imVergleich zuCyclohexan



Verhältnis E1 : SN1 - Lösungsmitteleinfluss

Gleiche Zwischenstufe in beiden Reakt. Verh.(E1:SN1) ≠ f(Abgangsgruppe)

Gilt streng nur für sehr polare protische LM (H2O, MeOH): Stabilis. „C+” und Y–

Ansonsten: Bildung von Ionenpaaren im LM-Käfig; Abgangsgruppe kannals Base fungieren; je grösser deren Basizität, desto mehr E1

Basizität Y–

Lösungsmitteleinfluss auf Verlauf von E1

Weniger polare LM

solvatisierte Ionenpaare im LM-Käfig

häufig syn-E.: Abgangsgruppe fungiertim engen Ionenpaar als Base

Bei stark polaren, protischen LM(H2O, ROH)

solvens-getrennte Ionen



Verhältnis E1 : SN1 - Temperatureinfluss

Temperatur: T Verh.(E1:SN1) (E1 entropisch begünstigt!)

Verhältnis E1 : SN1 - Sterische Hinderung

Sterische Hinderung im Edukt Beschleunigung von E1(Valenzwinkel am Reaktionszentrum nimmt zunächst zu:

109° → 120°! Dieser Vorteil bleibt nur im E1-Produkt erhalten)



E1cb-Eliminierung

sp3

sp2



E1cb-Elim. aus Aldolen: Stereoelektronik

Frage: aus welcher Konformation herauserfolgen die beiden Teilschritte der E1cb

von Aldolen?

E1cb-Eliminierung: Cyanhydrinspaltung

Kinetik (E1cb): 2. Ordnung; v = k × [Edukt] × [Base] (wie E2)



E2-Eliminierung

Bandbreite

Kinetik: 2. Ordnung; v = k × [Edukt] × [Base]

E2-Eliminierung: Stereoelektronik

Frage: aus welcher Konformation herauserfolgt die E2-Eliminierung? Welches sind

die Konsequenzen für die Konfigurationdes resultierenden Alkens?



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ChemgaPedia ist die weltweit umfangreichste curriculare Enzyklopädiezur Chemie.http://www.chemgapedia.de

Sie umfasst über 15.000 Seiten, 25.000 Medienobjekte, 900 Übungenund 2.500 Glossar- und Biographieeinträge in den Fächern:

Chemie, Biologie, Pharmazie, Mathematik, Physik

ChemgaPedia ist die Grundlage der Produktfamilie CHEMGAROOEducational Systems von FIZ CHEMIE Berlin.http://www.fiz-chemie.de

Das deutsche Fachinformationszentrum für die Chemie ist eine vonBund und Ländern geförderte gemeinnützige Einrichtung, deren primäreAufgabe es ist, der Wissenschaft, Lehre und Industrie qualitativhochwertige Informationsdienstleistungen im Bereich der allgemeinenChemie, chemischen Technik und angrenzender Gebiete zur Verfügung zustellen.

Chemgapedia enthält auch eine Lerneinheit zu Eliminierungsreaktionen:http://www.chemgapedia.de/vsengine/topics/de/vlu/Chemie/Organische_00032Chemie/Eliminierung/index.html

E2-Eliminierung: Einfluss diverser Faktoren

Abgangsgruppe Y:

je besser die Abgangsgruppe, umso leichter erfolgt E2 (vgl. SN2)

gute Abgangsgruppen bei E2: Br, I, R3N+, R2S+, OTs, OMs

Bsp. Hofmann-Abbau zur Strukturaufklärung von Alkaloiden (Willstätter)

Base: sie ist direkt am ÜZ beteiligt Kinetik (log kE2 ∝ pKaBase)

Verhältnis (E2 : SN2)

Regioselektivität

Konfiguration des Produks

Stereochemie: bei acyclischen Substraten bevorzugt anti

bei cyclischen Verbindungen anti oder syn, je

nach Grad der Überlappung massgebender Orbitale



Hofmann-Abbau: Tropan-Alkaloide

Atropin: rac-Form des (–)-Hyoscyamins. Verwendung als Mydriatikum(pupillenerweiternd) u. als Gegenmittel gegen versch. Nervengase

Hemmer der Acetylcholinesterase

Willstätter,ETH, 1901

http://www.staff.uni-marburg.de/~gvw/texte.mix/chemie_kampfstoffe.html

Strukturaufklärung von Atropin (Willstätter)

Hofmann-Abbau mit –NR3+ als Abgangsgruppe



Berühmte Chemiker

August Wilhelmvon Hofmann

1818-1892

Richard MartinWillstätter1872-1942

HofmannsMolekülmodellvon Methan(Royal Society, London)

Briefmarke,Schweden,

1975


Abgangsgruppe:






Regioselektivität







Häufig verwendete Basen (siehe Tab. 9)

Sterisch gehinderte, wenig nukleophile (harte) Basen begünstigen E gegenüber SN

pKa = 36

pKa = 30

pKa = 37

pKa = 12

pKa = 11.4

pKa ≈ 12

pKa ≈ 36

KOt-Bu pKa = 19


Abgangsgruppe:






Regioselektivität







Bei R.T. wird C–H ca. 7x schneller gebrochen als C–D (primärer kinetischer Isotopeneffekt)

E2: cyclische Substrate: oft syn-Eliminierung



E2 bei starren (poly-)cyclischen Gerüsten

E2: Menthylchlorid vs. Neomenthylchlorid



ΔGäq./ax.(Me) = 1.7 kcal/mol; [äq.]/[ax.]R.T. ≈ 16ΔGäq./ax.(i-Pr) = 2.1 kcal/mol; [äq.]/[ax.]R.T. ≈ 32ΔGäq./ax.(t-Bu) = 5.5 kcal/mol; [äq.]/[ax.]R.T. ≈ 8500ΔGäq./ax. = 10 kcal/mol; [äq.]/[ax.]R.T. ≈ 1.4•107

log K ≈ -ΔG/1.4

Regioselektivität der E2-Eliminierung

Abgangsgruppe mit starkem σ-Akzeptor-Effekt (-I) (F, SO2R, S+Me2,

N+Me3) Hofmann-Produkt Acidifizierung von H’s in β-Stellung,

z. T. kompensiert durch σ-Donor-Effekt von Alkylgruppen:




H. C. Brown, O. H. Wheeler, J. Am. Chem. Soc. 1956, 78, 2199.

Hofmann-Produkt: ebenfalls bei sterisch anspruchsvollen Basen!


Basenstärke Verh.(Hofmann:Saytzew)

J. Am. Chem. Soc. 1967, 91, 1376.

Auch sterischer Effekt




Basenstärke Verh.(Hofmann:Saytzew)

R. A. Bartsch, G. M. Pruss, B. A. Bushaw, K. E.Wiegers, J. Am. Chem. Soc. 1973, 95, 3405.

Base pKa in DMSO % But-1-en(Hofmann)

Benzoat 11.0 7.2Acetat 11.6 7.4Phenolat 16.4 11.4Methoxid 29.0 17.0tert.-Butoxid 32.2 20.7

Umsetzung von 2-Iodbutan mit Base

Regioselektivität der E2-Elim.

Sterischer Anspruch der Base Verh.(Hofmann:Saytzew)

H. C. Brown, I. Moritani, M. Nakagawa,J. Am. Chem. Soc. 1956, 78, 2190.



Überblick: Substratstruktur Reaktivität

E1 vs. E2 vs. E1cb:Substratstruktur und Reaktionsbedingungen

E1 E2 E1cb

Abgangs-

gruppe X

gute Abgangsgruppe, stabiles Anion

schlechte Abgangsgruppe

schlecht, Carbanion-stabilisierend (elektronenziehend)

Base kein Einfluss stark stark

Lösungs-

mittel

polar (zur Solvatation von Carbenium-Ion und Abgangsgruppe) und protisch

polar und aprotisch (nicht zur Ausbildung von H-Brücken fähig)

unpolar

Substituenten

im Substrat

kationenstabilisierende Substituenten am anfangs X-tragenden C-Atom

Geschwindigkeit nimmt mit zunehmender Zahl der Substituenten am Reaktionszentrum zu

anionenstabilisierende Substituenten am anfangs H-tragenden C-Atom



SN vs. E : Substratstruktur Reaktivität

SN vs. E - Faustregel

• Nu starke Base?• Nu sterisch anspruchsvoll?• Substrat sterisch gehindert

(3°, 2°, oder 1° mitVerzweigungen)?

2 x „Ja”

E i.a. bevorzugt



Verdrillte Doppelbindung





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