Seminar zum Organisch-Chemischen Praktikum für Biologen · 1. Benennen Sie alle funktionellen Gruppen, welche in den folgenden Molekülen vorhanden sind. 2. Benennen oder zeichnen

Sicherheitsbelehrung: Regeln für das Arbeiten im Labor

Seminar zum Organisch-Chemischen Praktikum für Biologen

Aliphatische Substitutionen – Teil A

Sommersemester 2018 Prof. Dr. Rasmus Linser/Dr. Martin Sumser September 2018

Gruppe A Aliphatische Substitution

Gruppe B Carbonsäuren und Derivate

Gruppe C Aromatische Substitution

Gruppe D Alkene

Gruppe E Carbonylverbindungen

Gruppe F Oxidation und Reduktion

COOHCl + NH3

OH+ HCl

OH+ HCl/ZnCl2

COCl

O2N+ MeOH

OH

+ TsCl

NH2+

CHO

Cl

O2N+ Pyridin

NO2 Zincke-Salz Hinsberg-Reaktion

OTs

+ KOH CO2EtEtO2C + Br2

CHO+

O +H H

OO+ Me2NH2

+ Cl-

CO2Et

+ PhMgBr

OH

+ Ca(OCl)2 + NaBH4O

Iodoform-Reaktion

Vorlesung zum Organisch-Chemischen Praktikum für Biologen SS 2014, Prof. Dr. A. Hoffmann-Röder

Begleitmaterialien 1. Block – Grundlagen


-

+

-

+




Amin (primär) (sekundär) (tertiär)

Alkohol Ether

Phosphorsäure- ester

Aldehyd Keton

Halogene

Säurechloride Ester

Carbonsäuren Amide Cyano- Nitro-

Thiol- Thioether

Sulfonsäure

Nitroso-

102

Regeln zur IUPAC-Nomenklatur

1. Suchen Sie die längste Kohlenwasserstoffkette mit der funktionellen Gruppe der

höchsten Priorität. Die Anzahl der Kohlenstoffatome (Alkan, Alken, Alkin oder En-in)ergibt den Stammnamen und diese funktionelle Gruppe wird als Suffix angehängt.

2. Numerieren Sie diese längste Kette nun so, daß die funktionelle Gruppe der höchstenPriorität die niedrigste Positionsziffer erhält. Ist die funktionelle Gruppe in der Mitteoder gibt es keine höchstprioritäre funktionelle Gruppe (z.B. bei Polyhalogenalkanen),dann numerieren Sie so, daß die Summe der Positionsziffern aller anderen

Substituenten möglichst klein ist.

3. Beachten Sie bei der Benennung mehrerer funktioneller Gruppen die Reihenfolge der

Priorität. Nur die höchste Priorität steht am Ende und ist der Namensgeber derSubstanzklasse. Unmittelbar davor steht der Stammname (zugrundeliegenderKohlenwasserstoff). Alle weiteren Substituenten werden als Präfixe in alphabetischer

Reihenfolge vorangefügt. Dabei ist der griechische Zahlenpräfix (z.B. di-, tri- oder tetra-)unmaßgeblich.

HO2C

OHCl

7-Chlor-6-hydroxy-2-propylhepta-2-en-4-insäure

1

2 3

4 5 67

4. Bei polycyclischen Verbindungen wird die Anzahl (griech. Zahlwort) der Cyclen (z.B.bicyclo-, tricyclo- etc.) vor die Anzahl der Brücken (in eckigen Klammern) (z.B.[2.1.0]) gesetzt, bevor dann der Stammname mit der funktionellen Gruppe folgt. DieAnzahl der Brückenglieder wird absteigend geordnet. Die Numerierung desPolycyclus beginnt bei einem der Brückenköpfe und erfolgt über die längsten

Brücken in abnehmender Länge.

5. Die Konfiguration von Doppelbindungen wird nach dem E/Z-Formalismus bestimmt.Die Inspektion der Substituenten auf jeder Doppelbindungshälfte nach CIP (Cahn-Ingold-Prelog) ergibt die Prioritäten (Ordnungszahlen!). Die Konfiguration der Substituentenhöherer Priorität erlaubt die E/Z-Bezeichnung. Die Lage (wenn nötig) undDoppelbindungskonfiguration werden vor dem systematischen Namen in Klammern

(im Druck kursiv) gesetzt.

6. Die Konfiguration von asymmetrischen Kohlenstoffatomen wird nach dem R/S-

Formalismus bestimmt. Die Priorität (Ordnungszahlen!) der vier Substituenten wirdnach CIP (Cahn-Ingold-Prelog) festgelegt. Dann wird dieses tetraedrische C-Atom sogedreht, daß der Substituent mit der niedrigsten Priorität nach hinten zu liegenkommt. Die Abfolge nach abnehmender Priorität der anderen drei Substituenten

entspricht dann einer Rotation im Uhrzeigersinn (nach rechts: R-Konfig.) oder gegen denUhrzeigersinn (nach links: S-Konfig.). Die Lage und Konfiguration werden vor dem

systematischen Namen in Klammern (im Druck kursiv) gesetzt.

101

Prioritätenliste für die IUPAC-Nomenklatur(Priorität nimmt von oben nach unten ab)

Verbindungs-klasse

Formel Suffix Präfix

Carbonsäuren R COOH -<Stamm>säure-<R-Gruppe>ylcarbonsäure

(Carboxy-)

Carbonsäure-anhydride

R

O O O

R

-säureanhydrid -

Ester

R O

O

R'-<Stamm>säure-<R'-Gruppe>ylester Alkoxycarbonyl-

Aryloxycarbonyl-

Säure-halogenide

R Cl

O -<Stamm>oyl<Halogenid> <Halogen>formyl

Säureamide

R N

O

R''

R'

-<Stamm>säure-N,N-<R'-Gruppe>yl<R''-Gruppe>ylamid

Carbamoyl-

Nitrile R CN -<Stamm>säurenitril-<R-Stamm>carbonitril

Cyano-

Aldehyde

R H

O -<Stamm>al-<R-Gruppe>carbaldehyd

Formyl-

Ketone

R R'

O -<Stamm>on-<R-Gruppe>yl-<R'-Gruppe>ylketon

Oxo-

Alkohole R OH -<Stamm>ol Hydroxy-Phenole Ar OH -<Stamm>ol Hydroxy-Thiole R SH -<Stamm>thiol Mercapto-Amine NR3 -< Gruppe>ylamin Amino-Ether

RO

R'-<R-Gruppe>yl-<R'-Gruppe>ylether

-oxa<Stamm>an<Gruppe>oxy-

AlkeneR'''R R'

R''-<Stamm>en <Gruppe>enyl-

Alkine R R' -<Stamm>in <Gruppe>inyl-

Halogen-verbindungen

R Halogen - <Halogen> -

Alkane - -<Stamm>an <Gruppe>yl-

101

Prioritätenliste für die IUPAC-Nomenklatur(Priorität nimmt von oben nach unten ab)

Verbindungs-klasse

Formel Suffix Präfix

Carbonsäuren R COOH -<Stamm>säure-<R-Gruppe>ylcarbonsäure

(Carboxy-)

Carbonsäure-anhydride

R

O O O

R

-säureanhydrid -

Ester

R O

O

R'-<Stamm>säure-<R'-Gruppe>ylester Alkoxycarbonyl-

Aryloxycarbonyl-

Säure-halogenide

R Cl

O -<Stamm>oyl<Halogenid> <Halogen>formyl

Säureamide

R N

O

R''

R'

-<Stamm>säure-N,N-<R'-Gruppe>yl<R''-Gruppe>ylamid

Carbamoyl-

Nitrile R CN -<Stamm>säurenitril-<R-Stamm>carbonitril

Cyano-

Aldehyde

R H

O -<Stamm>al-<R-Gruppe>carbaldehyd

Formyl-

Ketone

R R'

O -<Stamm>on-<R-Gruppe>yl-<R'-Gruppe>ylketon

Oxo-

Alkohole R OH -<Stamm>ol Hydroxy-Phenole Ar OH -<Stamm>ol Hydroxy-Thiole R SH -<Stamm>thiol Mercapto-Amine NR3 -< Gruppe>ylamin Amino-Ether

RO

R'-<R-Gruppe>yl-<R'-Gruppe>ylether

-oxa<Stamm>an<Gruppe>oxy-

AlkeneR'''R R'

R''-<Stamm>en <Gruppe>enyl-

Alkine R R' -<Stamm>in <Gruppe>inyl-

Halogen-verbindungen

R Halogen - <Halogen> -

Alkane - -<Stamm>an <Gruppe>yl-

Abnehmende Priorität

1. Benennen Sie alle funktionellen Gruppen, welche in den folgenden Molekülenvorhanden sind.

2. Benennen oder zeichnen Sie folgende Verbindungen nach den IUPAC-Regeln.

H2N NH

OOMe

O

O

HO

Aspartam

N

S

OOH

O

HN

O

Penicilin FF

CN

O2N

3-Fluor-5-nitrobenzonitril

CYANO

HALOGEN

NITROAROMAT

Alkane und Wasserstoffatome gelten nicht als funktionelle Gruppen.

CARBON-SÄURE

ESTER

AROMATSÄURE-AMIDprimäres

AMIN

SÄURE-AMID

SÄURE-AMID CARBON-

SÄURE

ALKEN

THIO-ETHER


O OH

OHFHO

OO

H

(1E,4E)-1,5-Diphenylpenta-1,4-dien-3-on

(5R)-5-(1-methylethyl)-hept-6-ensäureethylester

(S)-2-Cyclopropyl-4-fluor-2-methylpentan

(1R,2R)-1-Ethyl-2-methoxycyclopentan

(1S,2R)-Cyclohept-3-en-1,2-diol

4-Hydroxy-3-methoxybenzaldehyd

(Vanilin)

O

O

O



H2N NH

OOMe

O

O

HO

Aspartam

N

S

OOH

O

HN

O

Penicilin FF

CN

O2N


CYANO

HALOGEN

NITROAROMAT


CARBON-SÄURE

ESTER


AMIN

SÄURE-AMID

SÄURE-AMID CARBON-

SÄURE

ALKEN

THIO-ETHER


O OH

OHFHO

OO

H







(Vanilin)

O

O

O



H2N NH

OOMe

O

O

HO

Aspartam

N

S

OOH

O

HN

O

Penicilin FF

CN

O2N


CYANO

HALOGEN

NITROAROMAT


CARBON-SÄURE

ESTER


AMIN

SÄURE-AMID

SÄURE-AMID CARBON-

SÄURE

ALKEN

THIO-ETHER


O OH

OHFHO

OO

H







(Vanilin)

O

O

O



H2N NH

OOMe

O

O

HO

Aspartam

N

S

OOH

O

HN

O

Penicilin FF

CN

O2N


CYANO

HALOGEN

NITROAROMAT


CARBON-SÄURE

ESTER


AMIN

SÄURE-AMID

SÄURE-AMID CARBON-

SÄURE

ALKEN

THIO-ETHER


O OH

OHFHO

OO

H







(Vanilin)

O

O

O

Beispiele IUPAC

(R und S nach CIP: 13 Folien weiter)

ClOH

O+ NH3

(NH4)2CO340 - 50 °C, 2 h

12 h RTH2N

OH

O+ NH4Cl

Chloressigsäure Ammoniak (konz) Glycin

H2O

Exsikkator mit Orange-Gel

PumpeFilterpapier

"Abnutschen"

•  (NH4)2CO3 auf 55 °C erwärmen, dann auf 40 °C abkühlen •  NH3 dazugeben, nach 30 min Chloressigsäure dazugeben •  Gemisch 2 h auf 40 – 50 °C erwärmen, über Nacht bei RT stehenlassen

1. Lösung zur Hälfte eindampfen, dann heiß filtrieren

2. MeOH bei 60 °C hinzugeben

Versuch 1:

ClOH

O+ NH3

(NH4)2CO340 - 50 °C, 2 h

12 h RTH2N

OH

O+ NH4Cl

Chloressigsäure Ammoniak (konz.) Glycin

ClOH

OCl

OH

O

δ+

δ−

polar-kovalente C-Cl BindungKovalente Bindung (Elektronenpaarbindung) ΔEN

Cl

HHH

Cl

HHH

"Mesomerie"

"Gleichgewicht"

SUBSTITUTION

Warum funktioniert das überhaupt?

(Kernladung, „Auffüllen“ der Schale, Atomradius)



+

-



Induktiver Effekt


OH

O

H3NOH

ON

H

HH

Cl

δ-

δ++ Cl

Nucleophil („kernliebend“) •  freie Elektronenpaare, hohe Elektronendichte •  bevorzugte negative Ladung oder Partialladung •  Angriff an partial positivem Kohlenstoff

Elektrophil („Elektronen-liebend“) •  Elektronenlücke, niedrige Elektronendichte •  bevorzugte postive Ladung oder Partialladung

Nucleofug (Abgangsgruppe) •  muss die Elektronendichte aufnehmen und stabilisieren

C N OHHP

R

RRR S

IR O

OH O

Halogenide

RSO

O O

2

RSO

O OR O

H

H

Nucleophile Substitution

OH

O

H3NOH

ON

H

HH

Cl

δ-

δ++ Cl

Nucleophil („kernliebend“)

Nucleofug (Abgangsgruppe)

Allgemeine Regeln

r(OH ) > r(H2O)

r(NH2 ) > r(H3N)

Je höher die Basizität, desto nucleophiler (kein Muss)

Nucleophilie nimmt ab

Nucleophilie nimmt zu

r(I ) > r(Br ) > r(R-OH2) r(Cl ) > r (F )

r(R-S ) > r(R-O )

Je stärker die konjugierte Säure der Abgangsgruppe, desto schneller verläuft die Reaktion. (Starke Basen bleiben „hängen“.)

SN2 Nucleophile Substitution 2. Ordnung

> r(Cl-) > r(F-)

Je größer das Nucleophil, desto stärker. (Schwächer solvatisiert in protischen Lsg.- mitteln)

MeCl + OH- MeOH + Cl-


(Mechanismus)

Sicherheitsbelehrung: Regeln für das Arbeiten im Labor

Seminar zum Organisch-Chemischen Praktikum für Biologen

Aliphatische Substitutionen – Teil B

Sommersemester 2018 Prof. Dr. Rasmus Linser/Dr. Martin Sumser September 2018


(Mechanismus)

BrH3C

HH S

δ-

δ+

HH3CBrHS HS

CH3H

+ Br

(R)-2-Brompentan (S)-pentan-2-thiol

Walden-Umkehr

Asymmetrischer Kohlenstoff mit 4 verschiedenen Substituenten → Enantiomere

BrH3C

H

(R)-2-Brompentan

BrCH3

H

(S)-2-Brompentan

CIP-Nomenklatur

CH3

BrC3H7

(R)

ab

c

Ordnungszahl bestimmt die Priorität.

102









HO2C

OHCl


1

2 3

4 5 67









102









HO2C

OHCl


1

2 3

4 5 67









C Y C(Y)

Y(C)

C Y C(Y)

(Y)Y(C)

(C)

(Bei Doppelbindungen in den Substituenten:

)

->R ->S

Noch einmal zum Üben:

[NH3]

Reaktionsgeschwindigkeit

[Glycin]

Reaktion sgeschwindigke it


(Kinetik)

Bimolekulare Reaktion

k2: Geschwindigkeitskonstante (temperaturabhängig)

Abnahme des Edukts

OH

O

H3NOH

ON

H

HH

Cl

δ-

δ++ Cl

c(ClCH2OOH)

Rea

ktio

nsge

schw

indi

gkei

t

Rea

ktio

nsge

schw

indi

gkei

t

Reaktionsgeschwindigkeit:


Essigsäure p-Toluolsulfonsäure Chlorwasserstoff

Trifluoressigsäure Methansulfonsäure

Oxalsäure Trifluormethansulfonsäure Salpetersäure

Schwefelsäure Phosphorsäure Zitronensäure


Amid

Lithiumdiisopropylamid Pyridin

Pyperidin


Elektronen“wegnahme“->Aktivierung von Elektrophilen Oder Vereinfachen des Loslösen einer basischen Abgangsgruppe bei SN-Reaktionen


i

+

-


+ + +

Aldehyd Keton Ester Säurechlorid

Imin Nitril

Nitronium-Ion Nitrosonium-Ion Carbokation

+ HCl30 min, 0 °C

+ H2O

2-Methylbutan-2-ol Salzsäure (konz.)

OH Cl

2-Chlor-2-methylbutan

Alkohol HCl

Eisbad

10 min Schütteln mit Druckausgleich !!!

RCl

H2OOrg. Phase trocknen

über K2CO3

Fraktionierte Destillation

Spinne

Versuch 2:

K2CO3- Trocknung

(tertiärer Alkohol)


BrH3C

H3CH3C

55 °C

H2OOH

H3C

H3CH3C

+ HBr

schwaches Nucleophil

[H2O]

Reakti onsgeschwind ig ke it

[tBuBr]

Reaktionsgeschwind igkeit

Unimolekulare Reaktion

H

HH

CH3

CH3H

CH3

CH3

CH3

CH3

HH

+ LiI + LiBrR Br R Irrel

O

> > >rrel

25 °C

gutes Nucleophil

SN2 war:

H

H3C

H

HO CH3 + HCl

Cl

planares Carbokation

H

Cl CH3

H

ClH3C+

Racemat (1 : 1)(R)-1-Phenylethanol

(S) (R)

Ph

ClH3C a

b

c

Ph

CH3Cla

b

c


(Mechanismus)

+ HClOHO

H ClH

CH3

C2H5H3C

+ Cl

- H2O

Cl

H

H3C

H

HO CH3 + HCl

Cl

planares Carbokation

H

Cl CH3

H

ClH3C+

Racemat (1 : 1)(R)-1-Phenylethanol

(S) (R)

Ph

ClH3C a

b

c

Ph

CH3Cla

b

c

Geschwindigkeitsbestimmender Schritt

Cahn-Ingold-Prelog (CIP-) Regeln (racemisch)

Racemisierung:

Zwischenprodukt (nicht Übergangszustand)

Nu-

+ H2O

- Cl-


(Fast) alle Regeln der Reaktivität von SN2 (Nucleophile und Abgangsgruppen) gelten auch für SN1 Reaktionen.

SN1 geht nur bei Substraten, die „stabile“ Carbokationen bilden.

Carbokationen (Ionenpaare) → großer Einfluß des Lösemittels (polares Lsgsm. -> stabilisiert das Zwischenprodukt)

Cl

HOR

Cl OR

HOH

+ HCl

HR

RR

> > > >


Alle Regeln der Reaktivität von SN2 (Nucleophile und Abgangsgruppen) gelten auch für SN1 Reaktionen.

SN1 geht nur bei Substraten, die „stabile“ Carbokationen bilden.

Carbokationen (Ionenpaare) → großer Einfluß des Lösemittels (polar, protisch)

Cl

HOR

Cl OR

HOH

+ HCl

HR

RR

> > > >

Achtung: Kann leicht in eine Eliminierungsreaktion übergehen

(-> nächste Woche...)

H2O

+ HCl + H2O

Cyclohexanol Salzsäure (konz.)Chlorcyclohexan

od. Cyclohexylchlorid

ZnCl2, reflux,

1 h

OH Cl

Fraktionierte Destillation unter verm. Druck

Druckausgleich !!!RCl

H2O Org. Phase trocknenüber CaCl2

ZnCl2 = Lewis-Säure (Elektronenpaar-Akzeptor)

•  Gemisch 1 h refluxieren •  Abkühlen auf RT → Transfer in Scheidetrichter

Versuch 3:

(sekundärer Alkohol)

Sensibilisierend „untere Kat.“

Zusammenfassung

SN2 ClOH

O+ NH3 H2N OH

O+ NH4Cl

+ HClOHO

H ClH

CH3

C2H5H3C

+ Cl

- H2O

Cl SN1

SN1 (unimolekular)

Racemat

SN2 (bimolekular)

Inversion

Primär Tritt nur bei stark stabilisierenden

Substituenten auf

Häufig

Sekundär Meist langsam, nur gut im protischen Medium

mit guter Abgangsgruppe

Meist langsam, nur gut mit starken

Nucleophilen

Tertiär Häufig Sehr langsam

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