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Seminarskript zum Organik 1- Praktikum Herausgegeben von der Fachschaft Chemie Karlsruhe WS 01/02 Version 1.1 Dieses Skript ist eine Zusammenfassung der The- men, die im Seminar zum OC I-Praktikum behandelt werden. Es soll einen Überblick geben und die Orien- tierung in dem sehr umfangreichen Stoff erleichtern. Es hält sich wie das Seminar und die dazugehörigen Klau- suren an die Reihenfolge des Organikums. Es erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit und Perfektion (Irrtümer vorbehalten)! Für Anregungen und konstruktive Kritik sind wir jederzeit dankbar. Auch ersetzt es, vor allem beim Lernen aufs Vordi- plom, keine Lehrbücher. Also viel Spaß und gutes Arbeiten mit diesem Skript.

Seminarskript zum Organik 1- Praktikumfs-chembio.usta.de/downloads/oca_skript.pdf · 3 Nachweis von Radikalen Chemischer Nachweis Kolorimetrie: 1,1-Diphenyl-2-pikryl-hydrazyl-Radikal

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Seminarskr ipt zum Organik 1- Praktikum

Herausgegeben von der Fachschaft Chemie Karlsruhe

WS 01/02 Version 1.1

Dieses Skript ist eine Zusammenfassung der The-men, die im Seminar zum OC I-Praktikum behandelt werden. Es soll einen berblick geben und die Orien-tierung in dem sehr umfangreichen Stoff erleichtern. Es hlt sich wie das Seminar und die dazugehrigen Klau-suren an die Reihenfolge des Organikums.

Es erhebt keinen Anspruch auf Vollstndigkeit und Perfektion (Irrtmer vorbehalten)! Fr Anregungen und konstruktive Kritik sind wir jederzeit dankbar.

Auch ersetzt es, vor allem beim Lernen aufs Vordi-plom, keine Lehrbcher.

Also viel Spa und gutes Arbeiten mit diesem Skript.

Inhalt Radikalreaktionen................................................................................................... 1

Definition............................................................................................................. 1 Struktur ............................................................................................................... 1 Stabilitt von Radikalen ...................................................................................... 1 Methoden zur Erzeugung von Radikalen............................................................ 2 Nachweis von Radikalen..................................................................................... 3 Reaktionen.......................................................................................................... 3 Selektivitt und Reaktivitt bei radikalischen Substitutionen.............................. 4 Beispiele ............................................................................................................. 5

Nukleophile Substitution am gesttigten C-Atom ................................................... 9 Nukleophile Substitution erster Ordnung (SN1)................................................... 9 Nukleophile Substitution zweiter Ordnung (SN2) .............................................. 11 Einflu des Lsungsmittels auf den Reaktionsweg .......................................... 11 Katalysatoren.................................................................................................... 12 Substrateinflsse .............................................................................................. 12 Nukleophilie und Basizitt ................................................................................ 13 Ambidente Nukleophile..................................................................................... 13 Intramolekulare nukleophile Substitution (SN

i) .................................................. 14 Anwendung ....................................................................................................... 14

Eliminierung.......................................................................................................... 17 Monomolekulare Eliminierung (E1).................................................................... 17 Bimolekulare Eliminierung (E2) ......................................................................... 17 E1cB-Mechanismus........................................................................................... 19 Orientierung ...................................................................................................... 19 Thermische cis-Eliminierung............................................................................. 20 Anwendung von Eliminierungsreaktionen......................................................... 21

Faktoren, die das Verhltnis von Eliminierung und Substitution beeinflussen..... 26 Additionen an C-C-Mehrfachbindungen ............................................................... 27

Allgemeine Reaktionsmglichkeiten ................................................................. 27 Elektrophile Addition......................................................................................... 27 Nukleophile Addition......................................................................................... 31 Radikalische Addition ....................................................................................... 32 Cycloaddition .................................................................................................... 32

Aromaten und ihre Reaktionen............................................................................. 36 Definition........................................................................................................... 36 Elektrophile aromatische Substitution............................................................... 36 Beispiele ........................................................................................................... 37 Zweitsubstitution ............................................................................................... 44 Nukleophile aromatische Substitution............................................................... 46

Oxidation und Reduktion ...................................................................................... 49 Allgemeines ...................................................................................................... 49 Hufig verwendete Oxidationsmittel ................................................................. 49 Oxidation von Methyl- und Methylengruppen ................................................... 50 Katalytische Hydrierung und Dehydrierung ...................................................... 54 Reduktion von Carbonylverbindungen.............................................................. 54

Carbonylverbindungen ......................................................................................... 56 Eigenschaften der Carbonylfunktion................................................................. 56 Keto-Enol-Tautomerie....................................................................................... 56

Reaktionen mit Basen........................................................................................56 Reaktionen von Carbonylen mit C-H-aciden Verbindungen .................................62

Aldolkondensation .............................................................................................62 -Halogenierung von Ketonen und Carbonsuren............................................63 Cannizarro-Reaktion..........................................................................................64 Weitere C-H-acide Verbindungen .....................................................................65 Esterkondensation nach Claisen .......................................................................65 Umsetzung von Carbonsurechloriden und Heterocumulenen (CO2 und dessen Heteroanaloga) mit C-H-aciden Verbindungen .................................................67 Alkylierung von -Ketoestern.............................................................................67 Reaktionen vinyloger Carbonylverbindungen....................................................68 Mannich-Reaktion..............................................................................................70 Addition von Phosphor-Yliden an Carbonylverbindungen.................................71

Metallorganische Verbindungen ...........................................................................73 Grignard-Verbindungen.....................................................................................73 Lithiumorganische Verbindungen......................................................................74 Cuprate..............................................................................................................75 Addition an ,-ungestigte Carbonylverbindungen .........................................75

Heteroanaloge Carbonylverbindungen .................................................................76 Diazoniumverbindungen....................................................................................76

Umlagerungen.......................................................................................................79 [1,2]-Umlagerungen...........................................................................................79 [3,3]-Umlagerungen...........................................................................................82

Anhang: Trivialnamen ...........................................................................................83

1

Radikalreaktionen

Definition Radikale sind Atome, Molekle oder Komplexe mit einem oder mehreren ungepaarten Elek-

tronen , die sich in s-, p-, - oder -Orbitalen befinden. Sind bei Diradikalen die radikalischen Zentren weit auseinander, verhalten sie sich wie zwei unabhngige Radikale. Sind sie dicht beieinander, kommt es zu Wechselwirkungen.

Beispiele fr Radikale: Cl., Br., I ., NO., NO2., Na-Dampf, Alkyl-, Aryl- und Alkoxyradikale

Struktur Alkylradikale bevorzugen planare Struktur. Die pyramidale Struktur wird durch zunehmende

Elektronegativitt der Reste (z.B. .CF3) und sterische Einflsse (z.B. Brckenkopfradikale) begnstigt.

C planarsp2-Hybrid C

pyramidalsp3-Hybrid

H

H H

HH

H H

H H

H

H

Brckenkopfradikal, sp3-Hybrid

Stabilitt von Radikalen Allyl > Benzyl > tert-Alkyl > sek-Alkyl > prim-Alkyl > Methyl > Vinyl

Hyperkonjugation

berlappung eines p-Orbitals mit einem -Orbital einer benachbarten C-H-Bindung

C CH

H H

HH

Abnehmende Stabilitt:

CRR

R> CR

R

H> CR

H

H> CH

H

H

2

Mesomerer Effekt

Delokalisierung des ungepaarten Elektrons

C C

usw

Tritylradikal

Allylradikal

Sterischer Effekt

Die Substituenten eines sp2-hybridisierten C-Atoms sind weiter voneinander entfernt als die eines sp3-hybridisierten. Das Tritylradikal ist nicht nur aufgrund von Mesomerie stabil, sondern auch durch die sterische Entspannung, wenn die drei Phenylringe im Winkel von 120 statt 109 zueinander stehen. Nur ein Ring liegt in der Ebene, die senkrecht zum p-Orbital des zen-tralen C-Atoms steht, die beiden anderen sind verdreht. Es kann also nur ein Ring zur Meso-merie beitragen.

M ethoden zur Erzeugung von Radikalen

Thermolyse

Dissoziationsenergie der meisten Molekle ca. 300-450 kJ/mol (Homolyse), ca. 1000C Peroxide, aliphatische Diazoverbindungen ca. 80-200 kJ/mol (Homolyse), ca. 70-100C

Photolyse

A B 300-600 nm A + B

Elektrochemische Methoden

Kolbe-Elektrolyse: anionische Oxidation

R COO an Anode

-eR COO

-CO2R R R R

+

Fentons Reagenz: Hydroxylierung von Aromaten

Fe2+ + H2O2 OH-

+ OH + Fe3+

OH + +Ar ArOH H

H H+ H2

H OH+ H2O

Fe2+H + Fe3+ + H

3

Nachweis von Radikalen

Chemischer Nachweis

Kolorimetrie: 1,1-Diphenyl-2-pikryl-hydrazyl-Radikal (DPPH, stabil)

NPh

PhN

O2N

O2N

NO2R

NPh

PhN

O2N

O2N

NO2R

violett farblos

Spintrapping: Abfangen eines reaktiven Radikals mit einer diamagnetischen Verbindung unter Bildung eines stabilen Radikals.

(CH3)3C N O + R (CH3)3C N O

Rstabil

Physikalische Methoden

Elektronenspinresonanz-Spektroskopie (ESR-Spektroskopie) Magnetische Suszeptibilittsmessung

Reaktionen Radikale knnen unter Verlust der Radikaleigenschaften reagieren, zum Beispiel

Kombination zweier Radikale

CH22 CH2 CH2

Disproportionierung von Radikalen

H3C CCH3

CH3

2 H2C CCH3

CH3+ H3C C

CH3

CH3

H

oder unter bertragung der Radikaleigenschaften, zum Beispiel

Zersetzung oder Isomerisierung

CO

O+ CO2

Addition von Radikalen an Mehrfachbindungen

4

Br + H2C CH2 BrCH2 CH2

Abspaltung von Atomen oder Gruppierungen durch Radikale

R H + Cl R + H Cl

Diese Reaktionen knnen auch neben- oder nacheinander ablaufen. Die bertragung der Ra-dikaleigenschaften kann sich mehrere Male wiederholen, so da es zu Kettenreaktionen kommt. Ein Beispiel ist die radikalische Halogenierung organischer Verbindungen.

Die Kettenstartreaktion besteht in der homolytischen Spaltung des Halogenmolekls zum Beispiel durch Licht, bei der zwei Halogenradikale entstehen. Diese spalten von einem Kohlen-wasserstoff ein H-Radikal ab (s.o.), es entsteht ein neues Radikal:

Cl2 Cl2Licht H3C CH3 + Cl H3C CH2 HCl+

Das Alkylradikal spaltet ein Halogenmolekl, und es entsteht ein Halogenkohlenwasserstoff und ein Halogenradikal. Das Halogenradikal fngt die Kette von vorne an (Kettenfortpflanzung):

H3C CH2 + Cl2 H3C CH2Cl + Cl

Kettenabbruch erfolgt durch Rekombination oder Disproportionierung der Kettentrger (s.o.). Der Abbruch kann auch durch Inhibitoren erfolgen. Inhibitoren sind entweder selbst Radikale, die mit dem Kettentrger rekombinieren, oder sie bilden Radikale, die zu energiearm sind, um weiter zu reagieren (Arylamine, Phenole, Chinon). Als Kettenstarter kann man auch einen Initiator zusetzen, der schon bei geringer Energiezufuhr in Radikale zerfllt (Peroxide, Azoverbindungen). Hufig verwendet wird Azo-bis-isobutyronitril (AIBN, Struktur siehe An-hang).

Selektivitt und Reaktivitt bei radikalischen Substitutionen

Reaktivitt

Radikalische Substitutionen laufen im allgemeinen ab, wenn die Reaktion exotherm verluft. Dabei mu die Summe der Reaktionsenthalpien aller Schritte negativ sein, auch wenn Einzel-schritte endotherm verlaufen knnen. Man berechnet die Standardreaktionsenthalpie aus den Dissoziationsenthalpien der gespaltenen und der neu geknpften Bindungen. Dabei ist sie um so kleiner (strker exotherm), je schwcher die zu spaltende und je strker die gebildete Bin-dung ist. Reaktionen mit Fluor verlaufen oft explosionsartig und sind deshalb prparativ unge-eignet, whrend Reaktionen mit Iod in der Regel nicht ablaufen. Bei C-H-Bindungen ist die tertire am schwchsten, da das entstehende Radikal stabiler ist als das sekundre und das pri-mre. Daher werden bevorzugt tertire H-Atome substituiert. Die Zusammensetzung des Pro-duktgemisches hngt von der Anzahl der primren, sekundren und tertiren H-Atome und der Selektivitt der reaktiven Spezies ab. Die relative Reaktivitt berechnet man, indem man die relativen Ausbeuten von primren, sekundren und tertiren Halogenalkan durch die Anzahl der primren, sekundren und tertiren H-Atome teilt.

Beispiel: Chlorierung von 2-Methylbutan (CH3)2CHCH2CH3 primr sekundr tertir Ausbeute Halogenalkan 41 36 23 Anzahl H-Atome 9 2 1

5

relative Reaktivitt 41/9 1 36/2 4 23/1 5

Relative Reaktivitten der C-H-Bindungen in Butan bzw. Isobutan gegenber Halogenato-men (Gasphase, 27C)

Radikal prim. C-H-Bindung sek. C-H-Bindung tert. C-H-Bindung F 1 1,2 1,4 Cl 1 3,9 5,1 Br (bei 127C) 1 32 1600

Selektivitt

Um die Selektivitt von organischen Reaktionen, hier Radikalreaktionen, zu erklren, mu man deren kinetisches Verhalten studieren. Die genaue Formulierung des Zusammenhangs wre hier zu aufwendig; dafr mte man sich intensiv mit der Theorie des bergangszustands auseinandersetzen. Wen es trotzdem interessiert, der kann unter dem Stichwort Hammond-Postulat nachschlagen. Als gute Faustregel gilt: Je reaktiver die Edukte sind, desto weniger selektiv ist die Reaktion. Das Fluor reagiert mit einer C-H-Bindung stark exotherm. Die Strke der C-H-Bindung hat auf die Reaktionsgeschwindigkeit kaum Einflu, und die Selektivitt ist gering. Das Fluor reagiert mit allen C-H-Bindungen etwa gleich schnell. Es unterscheidet nicht zwischen stark und schwach gebundenen H-Atomen. Mit dem weniger reaktiven Brom reagie-ren die unterschiedlichen Bindungen mit sehr unterschiedlicher Geschwindigkeit, die Selektivi-tt ist hoch.

Beispiele

Selektive Chlorierung mit Sulfurylchlorid

Die Chlorierung mit SO2Cl2 ist selektiver, da die weniger reaktiven SO2Cl-Radikale Ketten-trger sind, nicht die Cl-Radikale.

Kettenstart

CH2CH3Initiator

Kettenfortpflanzung

SO2Cl+

CH2ClSO2Cl2

CH2

-HCl-SO2

CH2CH3

SO2Cl

6

SO2Cl+

CH2ClSO2Cl2

CH3

Halogenierung in Allylposition

Allylradikale sind resonanzstabilisiert (siehe mesomerer Effekt)

+ Br2Licht Br + HBr

Nebenreaktion Addition:

+ Br2

Br

Br

Unterdrckung mit N-Bromsuccinimid (NBS)

N

O

O

Br + Brselektiv

Mechanismus:

N

O

O

Br + HBr N

O

O

H + Br2

Das entstehende Br2 wird sofort verbraucht, seine Konzentration bleibt gering.

Nebenreaktion von hheren Alkenen: Allylumlagerung

+Br

-HBr

Autoxidation

allgemein: Reaktion einer C-H-Bindung mit O2 (ist ein Diradikal!)

R H + O2 R OO H

Mechanismus

R + O2 R OO+RH

R OO H + R

7

Peroxid-Radikale sind reaktionstrge, reagieren also selektiv.

Beispiele

R CH2 O CH2 R R CH

OOH

O CH2 R+O2

Etherperoxide sind explosiv. Deshalb groe Vorsicht beim Arbeiten mit Ethern!!

Tetralin

+O2

OOH

+O2

OOH

CO

H

Benzaldehyd

+O2C

O

OOH

CO

H2 C

O

OH

Benzoesure

Cumolproze: Technisches Verfahren zur Darstellung von Phenol; wirtschaftlich durch Ver-kauf des Nebenproduktes Aceton

Cumol

+O2O OH

H++OC

H3C

H3C

OC

CH3

CH3

HO

+ H2O

-H+O

Aceton

+ HO

Phenol

Weitere Beispiele fr Radikalreaktionen

Direkte Umwandlung von Aldehyden in Amide

R CO

H

NH3

Ni-Peroxid-20C

R CO

NH2

R= ,

-ungesttigte oder Arylgruppe

8

Eglington-Kupplung (Alkinkupplung)

R C C H2CuX2Pyridin

R C C C C R

Verwendung: Annulendarstellung

Sandmeyer-Reaktion: Umsetzung von Diazoniumsalzen mit Cu(I)X-Salzen zu Aryl-X-Verbin-dungen (X=I, Br, Cl, CN)

Ar N2 + CuX Ar + N2 + Cu2+

Ar

+ X

+ X + Cu2+ Ar X + Cu+

Gomberg-Bachmann-Reaktion: Darstellung unsymmetrischer Biphenyle

Ar N2 + OH Ar N N OHAr N2

Ar N N O N N Ar

-N2Ar + O N N Ar

Ar + Ar HO N N Ar

Ar Ar' + HO N N Ar

Hundsdiecker-Reaktion: Decarboxylierende Bromierung allgemein

RCOOAg + Br2-CO2

-AgBrR Br

Mechanismus

R CO

OBrR C

O

O+ Br Startreaktion

R CO

O

-CO2R

R CO

OBr

R Br + R CO

OKette

Weitere Beispiele sind Alkylierung und Acylierung von N-Heterocyclen, Kolbe-Elektrolyse und die Birch-Reduktion (Reduktion von Aromaten mit flssigem NH3/Na und MeOH zu nicht konjugierten Cycxlohexadienen)

9

Nukleophile Substitution am gesttigten C-Atom Definition: Substitution ist der Ersatz einer funktionellen Gruppe durch eine andere.

allgemeiner Verlauf:

R X + Nu R Nu + X

Beispiel:

CH2Cl

OH-CH2OH

+ + Cl-

Nukleophile sind Teilchen mit freien Elektronenpaaren, zum Beispiel

Cl-, Br-, I-, R-O-, OH-, HOH, R-SH, R3N, ... Anionen sind bessere Nukleophile als die entsprechenden Neutralteilchen, und weiche Basen

bessere als harte.

Austretende Gruppen (Nukleofuge) sind Teilchen, deren C-X-Bindung polar oder leicht pola-risierbar ist. Ihre Abspaltungstendenz ist in der Regel antiproportional zu ihrer Basizitt: Wei-che Basen sind bessere Abgangsgruppen als harte.

Es existieren zwei mechanistische Grenzflle.

Nukleophile Substitution erster Ordnung (SN1) Die alte Bindung wird gebrochen, bevor die neue gebildet wird. Es entsteht als Zwischenstufe

ein planares Carbokation, dessen Bildung die Reaktionsgeschwindigkeit bestimmt. Die Reak-tionsgeschwindigkeit ist unabhngig von der Konzentration des Nukleophils.

C ClH3C

H

CH2CH3

CH3C H

CH2CH3

-Cl- +OH-C

CH3H

CH2CH3

HO C OHH3C

H

CH2CH3

+langsam schnell

Geschwindigkeitsgesetz: d [Prod]

dtd [RX]

dt k RX

10

Energiediagramm:

Edukte

Produkte

Energie

Reaktionskoordinate

Z1

Z2

Zwischenstufe

Da die Zwischenstufe planar ist, racemisieren optisch aktive Verbindungen.

Nebenreaktionen

Carbokationen knnen sich auf verschiedene Weise stabilisieren.

1. Umlagerung

CH3C

H3CC

HCH3

CH3

CH3C

H3C

CH3

CH

CH3

2. Eliminierung

Abspaltung eines Protons - Alkenbildung

-H+C

H3C

HC

CH3

HC

H3CH

H

CH

CH3

11

Nukleophile Substitution zweiter Ordnung (SN2) Bindungsbruch und -bildung laufen gleichzeitig ab. Der bergangszustand ist pentavalent.

Die Reaktionsgeschwindigkeit hngt von der Konzentration des Edukts und des Nukleophils ab.

CH

D

CH3

Cl + OH- C

H D

CH3

HO Cl

-

CH

D

CH3

HO + Cl-

Geschwindigkeitsgesetz: d [Prod]

dtd [RX]

dt k RX

Y

RX = Edukt Y = Nukleophil

Energiediagramm:

Edukte

Produkte

bergangszustand

Energie

Reaktionskoordinate

Bei optisch aktiven Verbindungen kommt es zur Inversion der Konfiguration (Walden-Um-kehr). Nebenreaktionen treten auf, wenn mehrere Nukleophile miteinander konkurrieren.. Wenn eine Reaktion nach beiden Mechanismen ablaufen knnte, hngt der Reaktionsweg von den Bedingungen ab.

Einflu des Lsungsmittels auf den Reaktionsweg Polar protische Lsungsmittel knnen Kationen und Anionen solvatisieren. Sie begnstigen

den SN1-Mechanismus, da das Carbokation stabilisiert wird.

Beispiel: H2O, ROH, RCOOH, ... Polar aprotische Lsungsmittel besitzen keine elektrophilen Eigenschaften, knnen also An-

ionen nicht solvatisieren. Diese liegen nackt vor und sind deshalb reaktiver. Dadurch wird der SN2-Mechanismus begnstigt.

Beispiel: Ether, CH3CN (Acetonitril), (CH3)2SO (Dimethylsulfoxid, DMSO), HCON(CH3)2 (Dimethylformamid, DMF), CH3NO2; ...

12

Katalysatoren Katalysatoren mit elektrophilen Eigenschaften (Lewis-Suren) begnstigen SN1-Reaktionen,

da sie durch bernahme der austretenden Gruppe die Bildung des Carbeniumions erleichtern.

RCl Ag R AgCl+ +

Da Alkalisalze in organischen Lsungsmitteln schlecht bis gar nicht lslich sind, komplexiert man das Alkali-Ion mit Kronenethern (cyclische Polyether). Dadurch wird die Nukleophilie von F- als KF-Salz gesteigert und SN2-Reaktionen katalysiert.

Substrateinflsse

Stabilitt des entstehenden Carbokations

Carbeniumionen werden durch Substituenten, die die Elektronendichte am C-Atom erhhen (+I-Effekt), stabilisiert: Tertire Carbokationen sind stabiler als sekundre und primre. Ter-tire Alkylverbindungen reagieren ausschlielich nach SN1, sekundre nach beiden (abhngig von Reaktionsbedingungen) und primre ausschlielich nach SN2.

Stabilisierend wirken ebenfalls Substituenten, die die Ladung durch mesomere Grenzformen delokalisieren knnen (+M-Effekt): Nukleophile Substitutionen an der Benzylposition verlau-fen nach dem SN1-Mechanismus.

Sterische Faktoren

Sperrige Substituenten begnstigen den SN1-Mechanismus, da bei der planaren Zwischenstufe die Valenzwinkel von 109 auf 120 aufgeweitet sind. Im bergangszustand der SN2-Reaktion kommt es zur Gruppenhufung, da der bergangszustand fnffach koordiniert ist.

Einflu der Abgangsgruppe

Der Substituent nimmt die Bindungselektronen mit. Seine Abspaltung geschieht um so leich-ter, je strker die C-X-Bindung polarisiert und je kleiner die Ladungsdichte ist.

Austrittstendenz: I- > Br- > Cl- > F-

Gute Abgangsgruppen: -SO2-O-CH3 Mesylat, -SO2-O-CF3 Triflat

O RS

O

O

R = CH3 Tosylat (Tos), R = Br Brosylat (Bros), R = NO2 Nosylat (Nos)

Umwandlung von schlechten in gute Abgangsgruppen

Die schlechte Abgangsgruppe OH- kann durch Protonieren oder Umwandlung in TosO- in eine gute verwandelt werden.

R OH H R OH

HR O Tos TosCl

-HCl

13

Nachbargruppeneffekte

Gelegentlich ist bei SN-Reaktionen die Reaktionsgeschwindigkeit grer als erwartet, und die Konfiguration bleibt erhalten.

Beispiel fr die Erhhung der Reaktionsgeschwindigkeit: Solvolyse von Senfgas

SCL Cl-Cl

SCl SCl OH-H

H2 O+

Bildung von Epoxiden

C

Cl

C

OH

C C

O

OH-

Cl--

Beispiel fr Retention am chiralen Zentrum

C

R

RZ

C

R

R

-X YC

C

R

R

Z

R

R X

C

R

Z R

CR Y

R

Nukleophilie und Basizitt Nukleophilie ist eine kinetische Gre. Sie ist ein Ma fr die Fhigkeit eines Reagenzes,

Bindungselektronen zur Verfgung zu stellen, und abhngig vom Lsungsmittel. Basizitt ist eine thermodynamische Gre und bezieht sich auf die Reaktion mit einem Proton. In polar aprotischen Lsungsmitteln ist in erster Nherung die Nukleophilie proportional zur Basizitt eines Teilchens. Leicht polarisierbare Teilchen (weiche Lewis-Basen) wie I- besitzen sowohl in polar protischen wie polar aprotischen Lsungsmitteln hohe nukleophile Kraft. Schwach pola-risierbare Teilchen (harte Lewis-Basen) sind in polar protischen Lsungsmitteln stark solvati-siert. Sie besitzen nur in polar aprotischen Lsungsmitteln hohe nukleophile Kraft.

Ambidente Nukleophile Molekle mit zwei reaktiven Zentren reagieren unter SN2-Bedingungen mit dem nukleophi-

leren Zentrum, unter SN1-Bedingungen mit dem basischeren. Die Hrte des zentralen C-Atoms nimmt beim bergang vom SN2 zum SN1-Mechanismus zu. Nach dem HSAB-Konzept (Hard and soft acids and bases) reagieren harte Lewis-Suren bevorzugt mit harten Basen und weiche mit weichen.

Beispiel

N OO + R X NR

O

O+ XR O N OX +

SN1 SN2

Salpetrigsureester Nitroverbindung Cyanide ergeben entsprechend Isocyanide (SN1) und Nitrile (SN2) (Kolbe-Nitrilsynthese).

14

Intramolekulare nukleophile Substitution (SNi) Manchmal erhlt man Retention auch ohne Nachbargruppe. Beispiel: Chlorierung mit Thionylchlorid

Mechanismus:

CR2

H

R1

OH + SOCl2-HCl

CR2

H

R1

OS

ClO

CR2

H

R1

Cl-SO2

In Gegenwart von Pyridin (Base) erfolgt Inversion, da das entsprechende Pyridiniumsalz gebil-det wird und das freie Chloridion von der Rckseite angreift.

Anwendung

Darstellung von Estern anorganischer Suren

Alkohol und Suren

ROH + H ROH2 RX + H2O+X

Alkohol und Surehalogenide

ROH+ROH+ SO2+HCl+RClSO2Cl2

+ POX3HX+RXPX5

POX+HX+RXPX3+ROH

ROH + HCl RCl + H2O

Williamsonsche Ethersynthese

Alkoholat und Surehalogenid

RO + CH

D

R

X CH

D

R

RO

2 2

-X

Methylether mit Dimethylsulfat (cancerogen!):

O

+ SO2(OCH3)2

OCH3

+ H3COSO3

oder mit Methyliodid (auch cancerogen).

15

Darstellung von Aminen

Alkylierung von NH3 ergibt normalerweise ein Gemisch primrer, sekundrer und tertirer Amine. a) Gabrielsynthese - selektive Darstellung primrer Amine

Darstellung des Phthalsureimids

O

OH

O

OH O

O

O

NH

O

O

NH3, DruckH2O-

H2O-

Gabrielsynthese

NCH2R

O

O-X

RCH2XKOH N

O

O

NH

O

O

COOH

COOH

RCH2NH2 +

HydrolyseH+/H2O

NH

NH

O

O

+ RCH2NH2

H2NNH2

Hydrazinolyse

(milder)

b) Sulfonamidmethode - selektive Darstellung sekundrer Amine

+ RCH2NCH3

H

SO3HH+/H2O

SO2NCH3

CH2RRCH2I

SO2NCH3KOH

SO2NCH3

H

__ _

_

_

16

Darstellung von Sulfonamid

SO2NHRRNH2SO2ClSOCl2

SO3H

Finkelsteinreaktion

Austausch von Halogenatomen durch andere Halogene, bevorzugt zur Synthese von Alkyl-fluoriden und primren Alkyliodiden

CH3CH2I + F CH3CH2F + I

Da das Fluoridion eine schlechte Abgangsgruppe ist, liegt das Gleichgewicht auf der Seite des Alkylfluorids. Als Lsungsmittel verwendet man polar aprotische Lsungsmittel wie Dime-thylformamid. Die Ausbeute lsst sich durch Zusatz von Kronenether steigern.

Um primre Alkyliodide zu erhalten, setzt man das entsprechende Chlorid oder Bromid mit NaI in Aceton um. NaCl und NaBr sind im Gegensatz zu NaI nicht in Aceton lslich und fallen aus. Das Gleichgewicht wird dadurch auf die Seite des Alkyliodids gezogen.

Saure Veretherung und Etherspaltung

von links nach rechts Veretherung, von rechts nach links Etherspaltung

Alle Schritte sind reversibel. Starke Sure (H2SO4) und hohe Temperaturen begnstigen die Etherbildung, ebenfalls das Entfernen von H2O aus dem Reaktionsgemisch.

CH3CH2OH CH3CH2 OH2H EtOH

H2OCH3CH2 O CH2CH3

H

(CH3CH2)2O

ffnung von Epoxiden

Epoxide knnen sowohl sauer wie basisch geffnet werden. Unter basischen Bedingungen verluft die Reaktion meistens nach einem SN2-Mechanismus. Unsymmetrische Epoxide wer-den daher an dem sterisch weniger gehinderten C-Atom angegriffen.

O

HH

CH2CH3CH3 1.EtO

- HH

EtO

OH

CH2CH3CH32.H2O

Unter sauren Bedingungen reagiert das protonierte Epoxid, entweder nach einem SN1- oder

SN2-Mechanismus. In beiden Fllen wird das hher substituierte C-Atom angegriffen.

O

HH

CH2CH3CH3 H

+ O

HH

CH2CH3CH3

H

HH

HOCH2CH3

CH3

OCH3

MeOH

17

Eliminierung Definition -Eliminierung: Zwei Substituenten werden von benachbarten C-Atomen unter

Bildung einer Doppelbindung abgespalten

-Eliminierung: Zwei Substituenten werden vom gleichen C-Atom abgespalten

Es treten wie bei der Substitution zwei Grenzflle auf.

M onomolekulare Eliminierung (E1) Die Reaktion erfolgt in zwei Schritten. Zuerst wird die C-X-Bindung gebrochen. Als Zwi-

schenstufe tritt ein Carbeniumion auf. Seine Bildung ist wie bei SN1-Reaktionen der geschwin-digkeitsbestimmende Schritt. Die Stabilisierung erfolgt durch Abspaltung eines Protons. Das Geschwindigkeitsgesetz ist erster Ordnung. Die Reaktion ist nicht stereospezifisch, da das Carbokation eine Symmetrieebene hat.

C OH

H3C

H3CCH3

+H+C OH2

H3C

H3CCH3 -H2O

C CH2H3C

H3CC

CH2

H3CCH3

H

-H+

Bimolekulare Eliminierung (E2) Die Reaktion erfolgt in einem Schritt. Bindungsbildung und -bruch erfolgen synchron (kaum

Nebenprodukte!). Dabei mssen die an der Reaktion beteiligten Gruppen in einer Ebene liegen. Die antiperiplanare (gestaffelte) Anordnung ist energetisch gnstiger als die synperiplanare (ekliptische).

Y

X

YX

X

Y YX

Y

XX

Y

gestaffelte (antiperiplanare) schiefgestaffelte (synclinale) ekliptische (synperiplanare)

Konformation Zwei groe Substituenten ordnen sich aus sterischen Grnden antiperiplanar an, whrend

zwei Hydroxylgruppen wegen mglicher Wasserstoffbrckenbindungen hufig eine synclinale Konformation einnehmen. Die Energieunterschiede der einzelnen Konformationen sind jedoch klein (zwischen gestaffelter und ekliptischer bei Butan ca. 12 kJ/mol).

Y + CH C X CH C XY HY C C X++

Geeignete Basen: R3N, RO

-, -OH, H2N-

18

Rumliche Darstellung

H

H CH3

HH3C

X

Y

HCH3

H3CH

HY+ X+

Die Reaktion ist stereospezifisch. Aus Enantiomeren entstehen gleiche Produkte, aus Diaste-reomeren unterschiedliche.

Enantiomere: Molekle, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten, aber nicht deckungs-gleich sind

Diastereomere: Molekle, die nicht deckungsgleich sind und sich nicht wie Bild und Spiegel-bild verhalten (natrlich mit den gleichen funktionellen Gruppen)

Ph

Ph

H

MeBr

H H

Me

Ph

PhBr

H

H

Ph

Me

Ph H

Ph

Me

Ph

H

Ph

Ph

MeBr

H Ph

Me

H

PhBr

H

H

Ph

Ph

Me

Ph

H

Me

Ph

Enantiomere Enantiomere

Diastereomere

Z-bzw cis-Olefin E-bzw trans-Olefin

Eliminierung aus dem Cyclohexansystem geht nur glatt, wenn die abzuspaltenden Gruppen trans-axial (a,a) und damit antiperiplanar stehen. Benachbarte quatoriale (e,e) Substituenten stehen zwar auch trans, liegen aber nicht in einer Ebene. Kann das Ringsystem umklappen, werden die e,e -Lagen zu a,a, und die Eliminierung kann stattfinden.

Beispiel p-Menthyltosylat: Zunchst mu der Ring umklappen, damit die Tos-Gruppe in axiale Lage kommt. Es steht nur ein benachbartes H-Atom in axialer Lage, es entsteht aus-schlielich p-Menth-2-en.

TosO

CH3

OTosCH3

H E2

CH3

19

TosO

CH3 CH3

Ein starres Ringsystem verhindert eine Anti-Eliminierung:

D

NMe3

D

H

H

H

synanti

X

Verhltnis von E1 zu E2

Es hngt ab von der Konzentration und Strke der Base (starke Basen wie t-BuOK = E2)

und der austretenden Gruppe (gute Abgangsgruppen -siehe Substitutionskapitel- = E1)

Sonderfall: -+NR3, -+PR3, -

+SR2 reagieren nach E2

E1cB-M echanismus Der E1cb-Mechanismus ist wie der E1-Mechanismus ein zweistufiger Proze. Die Spaltung

der C-H-Bindung geht der Spaltung der C-X-Bindung voraus, es tritt als Zwischenstufe ein Carbanion auf, die conjugierte Base des Substrates. Dieser Reaktionsmechanismus tritt nur dann auf, wenn die Abgangsgruppe

zu einem Carbanionen-stabilisierenden Substituenten

(z.B. einer Carbonyl-, Nitro-, Cyan-, Sulfonylgruppe) steht.

CH C XY C C X + HY C C X+

Orientierung Molekle mit lngeren oder verzweigten Alkylresten haben zwei Mglichkeiten zu reagieren:

Saytzeff-Regel: Bildung der hher alkylierten Doppelbindung, thermodynamisch stabiler Hofmann-Regel: niedriger alkyliertes Produkt, kinetisch kontrolliert

X Saytzeff

Hofmann Bei E1-Reaktionen entsteht bevorzugt das Saytzeff-Produkt.

Bei E2-Reaktionen entsteht das Saytzeff-Produkt, wenn die Abgangsgruppe neutral ist und leicht austritt. Beim Austritt positiv geladener Gruppen entsteht bevorzugt das Hofmann-Pro-dukt.

NR3 OH-

+

5% 95%

20

Verwendet man bei E2-Reaktionen sterisch gehinderte Basen (z.B. tert-Butylalkoholat) oder ist das Molekl sperrig, entsteht ebenfalls das Hofmann-Produkt, da das innere Proton nur schlecht zugnglich ist.

Bredtsche Regel: Doppelbindungen bilden sich nicht zu Brckenkpfen aus, wenn die Ring-gre kleiner als 8 ist.

Beispiel

Br

nicht

Besitzt das Molekl bereits eine Doppelbindung, bildet sich das konjugierte System.

Cl

X

Thermische cis-Eliminierung

Xanthogenat-Pyrolyse nach Tschugaeff

Xanthogenate (O-Alkyldithiocarbonate) entstehen durch Reaktion eines Alkoholats mit CS2. Anschlieende Methylierung mit CH3I fhrt zum Xanthogensurealkylester, der beim trocke-nen Erhitzen (Pyrolyse) in Alken, Alkylthiol und Kohlenoxidsulfid zerfllt. Der bergangszu-stand ist cyclisch, Bindungsbildung und -bruch erfolgen nahezu gleichzeitig. Es tritt keine Zwi-schenstufe auf, die zu Gerstumlagerungen fhren kann.

Xanthogenat

R CH2 CH2 O CS

S

CS2R CH2 CH2 O

B-R CH2 CH2 OH

HSCH3+COS

100-200C

instabil

HS C

O

SCH3+C CH

H

R

HHC

C

H

O

CS

SCH3

H

R HCH3I

21

Esterpyrolyse

bergangszustand: Sechsgliedriger Ring in Sesselkonformation

H

R1

H

O C

O

R2

H

H

C CH

H

R1

H+ R2COOH

Beispiel mit mehreren nichtquivalenten

-H-Atomen:

O C CH3

O

CCH3

H

H

HH

H

CH2

CH3

H

OH

C

CH3

OCH3

CH3

C

O

H3C

H

C

CH3

O

H

H H

CH3

CH3

CH3

CH3

X

A

BC

Produkt A und B entstehen aus zwei mglichen sesselfrmigen bergangszustnden im Ver-hltnis 55:45. Produkt C entsteht nicht, da mit anti stehenden H-Atomen kein bergangszu-stand mglich ist.

Eliminierung von quartren Aminoxiden (Cope-Eliminierung)

oder

Hofmann 67%H3C CH2 C

H

CH2H3C CH2 CH CH2

NH3CH3C O

H

Saytzeff 33%H3C C

H

C CH3

HH3C C

H

H

CH

N CH3CH3

CH3

O

O

H3C CH2 CH

NCH3H3C

CH3H2O2/CH3OH

H3C CH2 CH

NCH3H3C

CH3

Anwendung von Eliminierungsreaktionen

22

Dehydratisierung von Alkoholen

Die Reaktion hat E1-Charakter, daher lassen sich tertire besser als sekundre und primre dehydratisieren. Als Zwischenstufe entsteht ein Carbeniumion, das zu verschiedenen Neben-produkten (Umlagerung, Etherbildung) fhren kann. Die Reaktion ist ein Gleichgewichtspro-ze, das Gleichgewicht lt sich durch Wahl der Bedingungen in die gewnschte Richtung verschieben.

H2SO4C

H

C

OH

konz, Hitze

H2SO4, viel H2O

Darstellung von Keten durch Dehydratisierung von Carbonsuren

R C

H

C O-H2O

R C

H

CO

OH

H

Malonsure

O C C C O-2 H2O

CO

HOC

H

H

CO

OH

Darstellung von Aldehyden und Ketonen aus vicinalen Diolen

Bei der Dehydratisierung von vicinalen Diolen entsteht zunchst das Enol, das sich zum Keton umlagert (Keto-Enol-Tautomerie).

C

OH

C

OHC C

OHC

H

CO

H

Etherspaltung zu Alkenen (Olefinen)

C

H

COR

B

C C + HB + ROE1cb

Spaltung von Benzylethern - intramolekulare Eliminierung (Ei-Mechanismus)

23

C

H

H

O CH2 CH3

B

C

H

OCH2

CH

HH

CH2 O

+

C CH

H

H

H

Hofmann-Eliminierung

Spaltung quartrer Ammoniumhydroxide zum Hofmann-Produkt (meist Anti-Eliminierung)

N(CH3)3+

Ag2O

NH3C

CH3

CH3

CH3I

NH3C CH3

OHNH3C CH3

H

H

-2 AgI

H2OAg2O

I-NH3C CH3

+2 CH3I

N

H

I-

Hitze

Hitze

H2O

- AgI

Beim ersten Schritt wird das Amin erschpfend methyliert, d.h. in ein quartres Amin ber-fhrt. Man verwendet Methyliodid, damit nicht zustzlich

-H-Atome eingefhrt werden.

Feuchtes Silberoxid wirkt basisch (OH-), und durch die Fllung von AgI wird das I- entfernt. OH- greift an einem

-H-Atom an Eliminierung. Durch erneute Zugabe von MeI wird der

Stickstoff wieder quaterniert, durch Ag2O das nchste

-H-Atom abstrahiert, bis man Me3N und das entsprechende Alken vorliegen hat.

24

Zersetzung von Tosylhydrazonen (Shapiro-Reaktion)

Umwandlung von Ketonen und Aldehyden in Olefine

- Tos-

- Li+

2 Li

- 2 Butan

LiOH+H

H2O

Li-N2

LiC C N NC C

N N Tos

2 n-ButyllithiumC

H

CN N

H

TosTosylhydrazin

H3C S

O

O

NH

NH2C

H

CO

___

_

analog Spaltung von Sulfoniumsalzen.

Dehydrohalogenierug von Alkylhalogeniden

mit allen Halogenen mglich; meist E2-Mechanismus

C

X

C

H

Base

-HX

Dehydrohalogenierung von Surehalogeniden

R C

H

H

CO

Cl

NR3 R C

H

C O

Keten

Licht

-COR C

H

Carben Das Keten entsteht bereits unterhalb von 0C, ist aber unter den Reaktionsbedingungen nicht stabil, da das Amin die Dimerisierung katalysiert. Durch Einwirkung von Licht entstehen Car-bene.

25

Ramberg-Bcklund-Reaktion

Bildung von Alkenen (Olefinen) durch Umsetzung von -Halogensulfonen mit Basen

R CH2S

C

O O

Cl H

R'OH-

-H2OR CH

SC

ClH

R'O O

R CH CH R'

SO O

Episulfon

SO2-R CH CH R'

Das durch Deprotonierung gebildete Carbanion bildet ein instabiles Episulfon, welches unter Eliminierung von SO2 zerfllt. Die Reaktivitt nimmt in der Reihenfolge I > Br > Cl ab.

Dehalogenierung vicinaler Dihalogenide

C

X

C

X+ Zn + ZnX2

oderMg, LiALH4, Na/NH3

Vicinale Diiodide spalten spontan I2 ab.

Synthese von Alkinen aus vicinalen Dihalogeniden

C

Br

C

Br

Base

-2 HBrC C

Fragmentierungen

Decarboxylierung aus Brcken

-CO

O

Hitze

-CO2O

O

Hitze

26

Faktoren, die das Verhltnis von Eliminierung und Substitution be-einflussen

Welcher Reaktionsweg bevorzugt wird, wenn ein System mehrere Mglichkeiten hat, kann man wenigstens ungefhr vorhersagen. Einflu auf den Mechanismus haben die Basenstrke des Nukleophils, die sterische Hinderung am reagierenden C-Atom und die sterische Hinde-rung am stark basischen Nukleophil. Monomolekulare Reaktionen sind prparativ weniger geeignet, da Nebenreaktionen auftreten.

Temperatur

Erhhte Temperatur begnstigt allgemein Eliminierung.

Basenstrke des Nukleophils

Ist das Nukleophil eine schwache Base, ist Substitution wahrscheinlicher. Ist es eine starke Base, wird Eliminierung wahrscheinlicher. Luft die Reaktion ber ein Carbeniumion (SN1 oder E1), hat die Basizitt des Nukleophils kaum Einflu, da der geschwindigkeitsbestimmende Schritt die Bildung des Carbeniumions ist, nicht die anschlieende Stabilisierung.

Schwache Basen: H2O, ROH (beide reagieren nur mit SN1-Substraten), PR3, Halogenide, RS-,

N3-, NC-, RCOO-

Starke Basen: HO-,RO-, H2N-, R2N

-

Sterische Hinderung am reagierenden Kohlenstoffatom

Durch sperrige Substituenten am

-C-Atom wird das -C-Atom so abgeschirmt, da die Substitution gegenber der Eliminierung erschwert wird. Besonders bei primren verzweigten Halogenalkanen berwiegt die Eliminierung gegenber der Substitution, da die Base den Was-serstoff am leichter erreichbaren

-C-Atom angreift und nicht direkt am -C-Atom. Die Win-

kel zwischen den Substituenten am

-C-Atom werden aufgeweitet: sterischen Entspannung.

Sterische Hinderung am stark basischen Nukleophil

Bei sterisch ungehinderten Nukleophilen wie HO-, CH3O-, CH3CH3O

- und H2N- ist Substitu-

tion mglich. Bei stark gehinderten wie (CH3)3CO- (tert-Butylalkoholat) oder [CH(CH3)2]2N

-

Li+ (Lithium-Diisopropylamin, LDA) ist die Eliminierung stark bevorzugt.

Einflu des Lsungsmittels

Ionische Zwischenstufen (Anionen, Carbeniumionen) werden durch polare protische L-sungsmittel (H2O, EtOH, HCOOH...) stabilisiert: Begnstigung von monomolekularen Re-aktionen. Aprotische Lsungsmittel wie Dimethylformamid (DMF) und Dimethylsulfoxid (DMSO) stabilisieren Anionen nur wenig, die Abspaltung von X- aus RX wird also kaum un-tersttzt. Da sie die Basizitt des Nukleophils nicht abschwchen, sind sie geeignet fr E2-Re-aktionen. Geeignete E2-Bedingungen sind also: eher schlechte Austrittsgruppe, sterisch an-spruchsvolle starke Base in hoher Konzentration und aprotisches Lsungsmittel.

27

Additionen an C-C-Mehrfachbindungen

Allgemeine Reaktionsmglichkeiten Es gibt vier verschiedene Mglichkeiten, wie Additionen an Mehrfachbindungen stattfinden

knnen. Drei davon verlaufen in zwei Schritten. Im ersten Schritt wird die Mehrfachbindung elektrophil, nukleophil oder radikalisch angegriffen. Im zweiten Schritt kombiniert das entstan-dene Intermediat mit einem negativen, einem positiven oder einem neutralen Teilchen. Die vierte Mglichkeit ist die Cycloaddition, bei der Bindungsbildung und -bruch gleichzeitig erfol-gen.

Die -Orbitale von Alkenen sind relativ energiereich. Sie lassen sich daher leichter als Alkine elektrophil angreifen. Die -Orbitale von Alkinen liegen energetisch niedriger, da die p-Orbi-tale aufgrund des krzeren C-C-Abstands besser berlappen knnen. Die Energie, die dabei gewonnen wird, mu beim Brechen der Bindung wieder aufgebracht werden. Substituenten, die Elektronendichte der Doppelbindung erhhen, steigern die Reaktivitt.

Alkine lassen sich leichter nukleophil angreifen als Alkene, da das entstehende Carbanion sta-biler ist. Die negative Ladung ist in einem Orbital mit geringerem p-Anteil besser stabilisiert, da diese energetisch niedriger liegen (sp2 gnstiger als sp3). Substituenten, die die Elektronen-dichte herabsetzen, fhren zur Erhhung der Reaktivitt.

Elektrophile Addition

Allgemeiner Mechanismus

Das angreifende Elektrophil (E+) ist ein Teilchen mit Elektronendefizit. Beispiel: H+, Cl+, Br+, I+, NO+, NO2

+, BH3 (B2H6)

C CE+

C C

E

+ YC

E

C

Y

Es entsteht ein Carbokation. Bei unsymmetrischen Substraten bildet sich das stabilere Kation, und es kann zu denselben Nebenreaktionen wie bei der SN1-Reaktion kommen. Im zweiten Schritt reagiert das Carbokation mit einem Nukleophil (Y-) wie OH-, Br-, ....

Mechanismus der Br2-Addition:

C

Br

CBr

Br

C CBr

-

+

Br

Br

C C

-Komplex -Komplex stereospezifisch trans-Addition Das Elektrophil tritt zunchst mit der -Bindung in Wechselwirkung. Es bildet sich ein -

Komplex (Ladungsbertragungskomplex). Im nchsten Schritt entsteht ein verbrcktes Halo-niumion (-Komplex), bei dem keine Rotation um die C-C-Bindung mglich ist. Im letzten Schritt tritt ein Nukleophil (z.B. Br-) unter anti-Addition heran.

28

Die Existenz der ionischen Zwischenstufe kann man nachweisen, indem man andere Nukleo-phile um das Kation konkurrieren lt.

Beweis der trans-Addition:

D, L-Dibrombernsteinsure

threoC

C

COOH

H Br

Br H

COOH

Br

COOHH

Br

H COOH

+Br2

Maleinsure

COOH

COOH

Es entsteht keine meso-Dibrombernsteinsure (erythro-Konformation).

Br

Br

H COOH

H COOH

COOH

CH Br

CH Br

COOH

erythro

meso-Dibrombernsteinsure Substituenten, die Elektronen in die Doppelbindung schieben, erhhen die Reaktivitt.

C CR

R R

R> C C

H

R H

H> C C

H

H H

H> C C

H

H COOH

H> C C

H

H CF3

CN

Die Reaktivitt der zu addierenden Reagenzien steigt mit zunehmender Aciditt bzw. Elektro-philie: HF

29

cyclischen Bromonium-Ion hnelt. Im nchsten Schritt greift H2O anti zum Hg-Substituenten am hher substituierten C-Atom (Regel von Markovnikov) an. Es entsteht ein Alkylquecksil-beracetat.

Demercurierung

CH3OH

HgOCCH3

OH

NaBH4, NaOH, H2OCH3OH

HH

+ Hg + CH3CO

O

Der Mechanismus der Reduktion (Demercurierung) ist nicht vollstndig geklrt. Als Endpro-dukt erhlt man das gleiche wie bei einer Hydratisierung nach Markovnikov (s.u.), vermeidet aber die Bildung eines Carbokations, das zu Nebenprodukten fhren kann. Die Zwischenpro-dukte brauchen nicht isoliert zu werden.

Addition an konjugierte Systeme

Es sind zwei Orientierungen mglich durch die Resonanzstabilisierung des Kations. +Cl 2 C l C l

C l

C l C l

C l

kinetisch kontrolliert

thermodynamischkontrolliert

1,2 Addition 1,4 Addition

Entstehen bei einer Reaktion zwei verschiedene Produkte, von denen eines zwar schneller entsteht, das aber thermodynamisch instabiler ist, erhlt man je nach Reaktionsbedingungen das thermodynamische oder das kinetische Produkt. Die Reaktionen mssen dazu reversibel sein.

Kinetische Bedingungen: kurze Reaktionszeit, niedrige Temperatur Thermodynamische Bedingungen: lange Reaktionszeit, hohe Temperatur

Addition unsymmetrischer Reagenzien

Beispiel: HCl, HBr, HOH, ICl

C CH

R H

H+ H2O

CR

HC

H

H

H

C C

R

H

H

H

H

Markovnikov

anti-Markovnikov

C

R

H

OH

C

H

H

H

CH

R

H

C

H

H

OH Regel von Markovnikov: Bei der elektrophilen Addition von Protonsuren an unsymmetri-

sche Alkene tritt das Proton an das weniger substituierte C-Atom der Doppelbindung. Dadurch

30

bildet sich das stabilere Carbeniumion. Andere polare Reagenzien verhalten sich analog, zum Beispiel I-Cl (Elektrophil I+), IN3 (Elektrophil I

+), HOCl (Elektrophil Cl+). Die Richtung der Polarisierung wird dabei von den relativen Elektronegativitten bestimmt.

Neben dem +I-Effekt der Alkylreste mssen auch andere Einflsse bercksichtigt werden. Ist ein C-Atom schon durch elektronenziehende Substituenten positiv polarisiert, entsteht ein we-niger stabiles Carbokation, wenn es noch zustzlich positive Ladung erhlt.

O

OH

H

Cl+ClO

OH

H

+H

Acrylsure

CO

OH

entsteht nichtO

OH

H

Bildung des Anti-Markovnikov-Produktes

Hydroborierung - Addition von H2O in Anti-Markovnikov-Richtung

H3BO3 +3 3

OH

3 H3O

O BR

R

-OH-

Umlagerung

BR

R

HOO

NaOHH2O2

H

BR2

2H

BH2

syn-Addition

BH H

H"BH3"

O B

OR

OR

Addition von HBr in anti-Markovnikov-Richtung: Siehe Radikalische Addition (Peroxideffekt)

cis-Additionen

Epoxidierung (Persure oder O2/Ag-Katalysator)

O

H

H

O C

O

R+OH

H

H

CR

OOHO+

Umsetzung mit OH-/H2O (SN2-Mechanismus) liefert das Trans-Diol.

31

Hydroxylierung

OsO3+

OH

OHOH-H2O

O

O

H

H

OsO

O

OsO4+

Es entsteht das Cis-Diol. Als Oxidationsmittel ist auch MnO4- geeignet (Hydrolyse schon mit

H2O)

Katalytische Hydrierung

R

R

R'

R'

H2

Pt/CPd/C

R

R

R'

R'

H

H

Die Ozonolyse und die Diels-Alder-Reaktion (s.u.) sind weitere Beispiele zur cis-Addition.

Kationische Polymerisation

Alkene knnen durch Sure katalysiert polymerisieren. Die Addition erfolgt nach der Regel von Markovnikov.

usw.Isobuten

H3C

CH3

CH3+H+

Der Abbruch erfolgt durch Abspalten eines Protons. Zwei verschiedene Kettenenden knnen dabei entstehen.

R RundKettenende

Nukleophile Addition

Anionische Polymerisation von Alkenen

Alkene knnen nur durch sehr starke Nukleophile wie einige metallorganische Verbindungen nukleophil angegriffen werden. Konjugierte Diene reagieren dabei besser als Monoalkene, da die -Elektronen ber einem greren Raum delokalisiert und damit leichter polarisierbar sind. Als Initiator der anionischen Polymerisation eignen sich z.B. Phenyllithium oder Natriumamid.

Li

+

CCH2H

C CHH H

LiC

CH2H

Polymer

Styrol

n

32

Kettenabbruch durch Rekombination ist nicht mglich. Polymere Anionen behalten im Idealfall beliebig lange die Fhigkeit, Monomere zu addieren ( lebende Polymere). Die Polymerisation von Butadien mit Natrium liefert das sogenannte Buna.

Nukleophile Addition an Alkine

Nukleophile Addition verluft leichter, wenn die Doppelbindung durch eine elektronenzie-hende Gruppe substituiert ist. Starke Basen wie Alkoholate lagern sich leicht an Dreifachbin-dungen an.

Beispiel

+ R O C COR

ROH CH COR

Vinylether

Das entstandene Carbanion abstrahiert von einem Molekl Alkohol ein Proton, und es ent-steht ein Vinylether. Durch Addition von sekundren Aminen an Alkine erhlt man Enamine.

Additionen an ,

ungesttigte Carbonylverbindungen siehe Carbonylkapitel

Radikalische Addition C-C-Mehrfachbindungen knnen auch Radikale addieren. Die Addition ist wie die radikali-

sche Substitution eine Kettenreaktion, die durch einen Initiator ausgelst wird. Die Abbruchs-reaktionen sind entsprechend. Konjugierte Diene sind durch die Allylstabilisierung reaktiver als Monoalkene. Cl2 und Br2 lassen sich z. B. radikalisch an Alkene zu vicinalen Dihalogeniden addieren. Das Iodradikal ist zu reaktionstrge, die -Bindung anzugreifen. Als Zwischenstufe ensteht ein Radikal. Bei zwei unterschiedlich substituierten Radikalen ist das hher substitu-ierte stabiler. HBr lt sich ebenfalls radikalisch an Alkene addieren. Dabei entsteht das Anti-Markovnikov-Produkt. Durch Peroxide oder Licht erfolgt die homolytische Spaltung von HBr, und es entsteht im Gegensatz zur AE das Anti-Markovnikov-Produkt (Peroxideffekt).

C CH

H

R

H

+BrC C

R

H

H

H

Br

+HBr

stabileres Radikal

C

R

H

H

C

H

H

Br

+ Br

Anti-Markovnikov Die homolytische Spaltung von HCl erfordert zu viel Energie, und das Iodradikal ist nicht re-aktiv genug.

Cycloaddition Nach Art und Anzahl der Atome, die beide Reaktionspartner in die cyclische Verbindung ein-

bringen, unterteilt man die Bildung von Carbo- und Heterocyclen in verschiedene Typen.

Carbenaddition - [1+2] -Cycloaddition

Singulett-Carbene (beide freien Elektronen in einem Orbital) reagieren stereospeziefisch mit Olefinen. Das normalerweise in Lsung entstehende Triplett-Carben (freie Elektronen in ver-schiedenen Orbitalen) reagiert nicht stereospezifisch.

33

Singulettcarben

CR

R

C

C

R'

R'

H

H

CR

R

C

C

R'

R'

H

H

CC

CR

R

R'

R'

H

H

+

Triplettcarben

CR

R

C

C

R'

R'

H

H

+

CR

RH

H

R'

R'

C

C

CR

RR'

H

H

R'

C

C

CC

CR

R

R'

R'

H

H

CC

CR

R

R'

H

H

R'

Ozonolyse

1,3 dipolare Addition von O3 an C-C-Doppelbindung; [3+2] - Cycloaddition Resonanzstruktur von Ozon

OO

OOO

O

__ _

Mechanismus

Ozonid

CO

C O

OR1 R2

R3R4

CO

O

R3 R4

C

O

R1 R2

R3

Primrozonid, instabil

C C

O OO

R1R2 R4

OO

O

C CR1

R2

R3

R4

_

__

34

H2OC O

HO

R1R2

O COH

R4R3

2 H2OC

OH

R1R2

OH + H2O2 + CHO

OH

R4R3

- 2 H2OC

O

R1 R2C

O

R3 R4

+

Wenn einer der Substituenten Wasserstoff ist, entsteht ein Aldehyd, der von H2O2 zur ent-

sprechenden Sure oxidiert wird. Man arbeitet deshalb gleich oxidativ auf, um vollstndige Oxidation zu erreichen, oder reduktiv mit LiAlH4, NaBH4, Me2S o.. und erhlt je nach Bedin-gung das Aldehyd oder den Alkohol. Ozonide zersetzen sich leicht explosionsartig.

[4+2] -Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion)

O

O

O

Butadien Maleinsure-anhydrid

H

H

O

O

O

Die Reaktion von Butadien mit Maleinsureanhydrid ist ein Beispiel fr Reaktionen eines

Diens mit einem Dienophil. Sie gehrt zu den pericyclischen Reaktionen und verluft ber ei-nen cyclischen bergangszustand. Bindungsbildung und -bruch erfolgen konzertiert, d.h. mehr oder weniger gleichzeitig, aber nicht unbedingt synchron, d.h. da die Reaktion an den Enden der beiden reagierenden Molekle nicht gleich weit fortgeschritten sein mu. Es treten keine polaren oder radikalischen Zwischenstufen auf. Die Reaktion erfolgt stereospezifisch und eig-net sich daher fr Synthesen. Enthlt das Dienophil in Nachbarschaft zur Doppelbindung wei-tere ungesttigte Gruppen, entsteht bevorzugt das endo-Produkt (kinetische Kontrolle), ob-wohl der bergangszustnd sterisch anspruchsvoller ist. Eine Erklrung dafr sind sekundre Orbitalwechselwirkungen, die die Bildung des endo-Produktes untersttzen.

+ O

O

O O

O

O

H

H

endo-Produkt

O

OH

H

O

exo-Produkt

oder

Bei pericyclischen Reaktionen tritt das HOMO (highest occupied molecular orbital) des einen mit dem LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) des anderen Reaktanden in bindende

35

Wechselwirkung. Die Reaktion luft ab, wenn Komponenten mit 4 und 2 -Elektronen betei-ligt sind.

HOMO des Diens

LUMO des Dienophils

LUMO des Diens

HOMO des Dienopils Die Reaktion luft dann besonders gut, wenn der eine Reaktionspartner elektronenarm und

der andere elektronenreich ist. Die Energie des HOMO wird dabei durch die elektronenschie-benden Substiuenten erhht, die des LUMO durch elektronenziehende abgesenkt.

36

Aromaten und ihre Reaktionen

Definition Aromatische Verbindungen besitzen ein ebenes cyclisches System konjugierter Doppelbin-

dungen mit (4n+2) -Elektronen. Die Delokalisierung bewirkt eine Energiesenkung (Resonanzstabilisierung).

Beispiele fr Aromaten

C CC

H H

H

Cyclopropenylkation Cyclopentadienylanion Benzol Tropyliumkation 2 -Elektronen 6 -Elektronen 6 -Elektronen 6 -Elektronen

NO

Naphthalin Furan Pyridin Azulen 10 -Elektronen 6 -Elektronen 6 -Elektronen 6 -Elektronen Ist das System nicht eben, handelt es sich nicht um ein aromatisches, da die -Elektronen nicht optimal delokalisiert sind.

Beispiel

eben, also AromatCyclodekapentaennicht eben

Wird das Ringsystem durch eine Brcke in eine Ebene gezwungen, zeigt es aromatische Ei-genschaften.

Ebene cyclisch konjugierte Systeme mit 4n -Elektronen (z.B. Cyclobutadien) sind besonders instabil. Man bezeichnet sie als Anti-Aromaten.

Elektrophile aromatische Substitution Wegen ihrer besonderen Stabilitt erfolgt an Aromaten zum Beispiel mit Br2 keine Addition,

wie sie Alkene zeigen, sondern Substitution eines H-Atoms durch Br unter Erhalt des aromati-schen Systems.

Mechanismus

Im ersten Schritt tritt das angreifende Elektrophil in lockere Wechselwirkung mit dem aro-matischen -System (-Komplex). Der Aromat addiert dann das Elektrophil (-Komplex), der aromatische Zustand ist aufgehoben. Die positive Ladung ist delokalisiert.

37

H

X

H

X

HXX+

Durch eine Base wird ein Proton abstrahiert, und das System rearomatisiert. Base ist das Ge-

genion, das bei der Bildung des Elektrophils entsteht, das Lsungsmittel oder der Aromat.

XBH

X

Das Elektrophil entsteht in einer vorgelagerten Reaktion, die durch Suren oder Lewis-Su-

ren katalysiert wird.

Beispiele

Nitrierung mit Nitriersure

+ H O N O + H2O

Nitrylkation

N

O

OHO

Das Nitrylkation (auch Nitroniumkation, isoelektronisch zu CO2) bildet sich aus Salpeter-

sure nur im Sauren. Reine Salpetersure nitriert nur aktivierte Aromaten glatt, da das Gleich-gewicht fr die Autoprotolyse weit auf der linken Seite liegt. Durch Zusatz von H2SO4 konz. erhht man die NO2

+-Konzentration erheblich. Die Mischung von HNO3 konz. und H2SO4 konz. nennt man auch Nitriersure.

Nitrosierung

Die Reaktion verluft hnlich wie die Nitrierung. Als Elektrophil fungiert das Nitrosylkation. Es ist weniger reaktiv als das Nitrylkation, daher bleibt die Nitrosierung auf reaktive Aromaten beschrnkt.

HO N O + HH NH2O O N O + H2O salpetrige Sure Nitrosylkation

Sulfonierung

Sowohl das freie SO3 wie das HSO3+-Kation eignen sich zur Sulfonierung . Im Gegensatz zu

den meisten anderen aromatischen Substitutionen ist sie reversibel.

H2SO4 + SO3 +H+

H2S2O7 H2SO4 + HO S

O

O

38

Halogenierung

Die molekularen Halogene werden durch Lewis-Suren wie AlCl3 oder FeCl3 polarisiert wie bei der elektrophilen Addition. Es entsteht als Nebenprodukt Halogenwasserstoffsure. Die Reaktivitt nimmt von Iod zum Chlor zu. Fluor greift auch C-C-Bindungen an und ist daher ungeeignet. Hat der Aromat eine Alkylseitenkette, kann auch diese angegriffen werden. Bei Sonnenlicht wird in der Siedehitze die Seitenkette angegriffen (SSS-Regel), in der K lte mit K atalysator der K ern (KKK-Regel).

Weitere Beispiele sind die Sandmeyer- und die Schiemann-Reaktion (s. Heteroanaloge Car-bonylverbindungen)

Rhodanierung

In aktivierte Aromaten kann bei Zimmertemperatur mit Dirhodan ((SCN)2) eine Thiocyan-gruppe eingefhrt werden. Die Reaktion ist auf Phenole, aromatische Amine, hherkonden-sierte Kohlenwasserstoffe wie Anthracen, einige Heterocyclen und C-H-acide Verbindungen beschrnkt. Die Substitution erfolgt bevorzugt in p-Stellung, ist diese besetzt, auch in o-Stel-lung. Als Lsungsmittel ist zum Beispiel Eisessig geeignet. Herstellung von Dirhodan

SCN +2 Br2 (SCN)2 + Br2

Rhodanierung

R

NH2

(SCN)2 +R

NH2

SCN

+ SCN

R

N

S

C NH2

Cyclisieung

Friedel-Crafts-Alkylierungen

Alkylhalogenide lassen sich durch Lewis-Suren soweit polarisieren, da sie Aromaten elek-trophil angreifen knnen. Dabei sind tertire Alkylhalogenide reaktiver als primre, da sie sich leichter polarisieren lassen. Die Reaktivitt nimmt vom Alkylfluorid zum Alkyliodid ab, da die Komplexbildung mit zunehmender Gre des Halogens erschwert wird. Die Reaktivitt der Lewis-Suren nimmt in der Reihenfolge AlBr3, AlCl3, FeCl3, SbCl5, BF3 ab, wird aber auch von den Reaktionsbedingungen beeinflut.

R Cl + AlCl3 R Cl AlCl3 R AlCl4 Die F-C-Alkylierung hat kaum prparative Bedeutung, da ein aktivierter Aromat entsteht.

Man erhlt nur dann monoalkylierte Produkte, wenn ein groer berschu an Aromat einge-setzt wird. Die Alkylierung ist wie die Sulfonierung reversibel. Primre und sekundre Alkyl-halogenide zeigen Umlagerungen, da die Reaktionsbedingungen hnlich wie die der SN1-Reak-tion sind.

Beispiel fr intramolekulare F-C-Alkylierung

ClAlCl 3-HCl

Tetralin

39

Friedel-Crafts-Acylierungen

Carbonsurehalogenide knnen als Elektrophil wirken, da das C-Atom eine starke positive Partialladung trgt. Mit Katalysatoren bildet sich das eigentliche Elektrophil, das Acyliumion.

Komplexbildung der Lewis-Sure mit Alkanoylhalogeniden

C

O

R X+ AlCl3

C

O

R X

AlCl3O

C

AlCl3

R X

O

CR X

AlCl3

Bildung des Acylium-Ions

AlCl4+C

O

R

_

C

R

O

C

O

R X AlCl3C

O

R X

AlCl3

AlCl3+C

O

R X

Das Acyliumion kann Benzol elektrophil angreifen. Es tritt nur Monosubstitution auf, da Al-

kanoyl-Substituenten elektronenziehend und damit desaktivierend wirken.

-H+

C

O

RC

O

R

H

+ R C O

Das Keton bildet einen starken Komplex mit AlCl3, das fr weitere Reaktion nicht mehr zur

Verfgung steht. Man mu deshalb ein quivalent des Katalysators zusetzen und am Schlu wrig aufarbeiten, um das Keton freizusetzen.

Fr die Darstellung aromatischer Hydroxyketone zieht man die Umlagerung von Phenole-stern in Gegenwart von AlCl3 der direkten Acylierung vor (Friessche Verschiebung). Je nach Reaktionsbedingung erhlt man das ortho- oder para-Produkt.

O CCH3

O165C

OH

CCH3

OOH

CCH3O

20C

40

Formylierungen

mit Formylfluorid nach Olah, Mechanismus analog Friedel-Crafts

+ C

O

H F

BF3C

O

H

Formylfluorid ist im Gegensatz zu Formylchlorid (s.u.) stabil genug.

mit HCl/CO/AlCl3/CuCl nach Gattermann-Koch

CO + HClCuCl

C

O

H ClFormylchlorid (instabil)

AlCl 3

C

O

H

Benzaldehyd

mit HCl/HCN/AlCl3 nach Gattermann

HCNHCl

C NHH

Cl

AlCl3 C NH2H

ClH2O

C OH

Stickstoff-analogon zumFormylchlorid

Hydrochlorid des Aldimins

nach Vilsmeier (nur fr aktivierte Aromaten, einzige Methode, aromatische Amine zu formylie-ren, da sich AlCl3 am Amin anlagert und den Aromaten desaktiviert)

HN(CH3)2HClH3PO4

+(CH3)2N CO

H+ POCl3 + H2NPh 3H2N C

O

H

3 H2O

Dimethylformamid

Mglicher Mechanismus: Bildung des reaktiven Teilchens:

Cl

NH3C

H3CC O

H

P

Cl

O

Cl

POCl3+NH3C

H3CC

O

HN

H3C

H3CC

H

ClN

H3C

H3CC

H

Cl

Elektrophiler Angriff an einen aktivierten Aromaten:

H2N C

O

H

3 H2O+ N

CH3

CH3

C

H

ClH2N H2N

Cl

H

CCH3

CH3N

-HCl-(CH3)2NH

Das Additionsprodukt ist instabil und wird leicht hydrolysiert.

41

Hydroxymethylierung und Chlormethylierung

Elektrophil: Formaldehyd, bei sehr reaktiven Aromaten direkt, sonst surekatalysiert

O_ + CH

HO O

H

CH

H

O

O CH2OH

I.a. Weiterreaktion zu mehrfach hydroxymethylierten Produkten.

Surekatalyse:

CH2OH

CH

HOHC

H

HO HH+C

H

HO

Bei groer HCl-Konzentration kommt es zur Weiterreaktion, bei der die Hydroxygruppe durch Cl nach einem SN1-Mechanismus substituiert wird.

CH2OH+H+

CH2 OH

HCH2

sehr stabil

CH2ClHCl

oder Dimerisierung:

Sauer katalysierte Reaktionen von Aromaten mit anderen Aldehyden und Ketonen

Wie Formaldehyd knnen auch andere Aldehyde und Ketone im Sauren mit Aromaten reagie-ren. Ein Beispiel ist die Synthese von DDT:

Cl3C CO

H+ 2 Cl

H2SO4 ClC

H

CCl3

Cl + H2O

42

Carboxylierungen

CO2 ist nur ein schwaches Elektrophil, aber bei hoher Temperatur und erhhtem Druck lassen sich Phenole carboxylieren (Kolbe-Reaktion).

ONa

C

O

O

OC O

O

H

NaO

Na

OC O

O

H

Na

O

Na

ONa

C

O

ONa+

OH OH

C

O

ONa+

ONa

Mono-Na-Salz derSalicylsure

Azokupplung ist ein weiteres Beispiel fr eine elektrophile aromatische Substitution. Sie wird im Carbonylkapitel behandelt.

Elektrophile Substitution an mehrkernigen Aromaten

Naphthalin ist fr elektrophile Substitutionen aktiviert. Fr das intermedir gebildete Kation gibt es mehrere Resonanzstrukturen.

Beispiel: Elektrophiler Angriff am C1 des Naphthalin

NaphthalinE HE H

E HE HE H

+E+

43

Elektrophile Substitution am C2 des Naphthalin

E

H

E

H

E

H

E

H

E

H+E+

Der Angriff am C1 ist gnstiger, weil im bergangszustand zwei Resonanzstrukturen mit in-taktem Benzolkern mglich sind.

Sulfoniert man Naphthalin, hngt es von den Reaktionsbedingungen ab, ob sich auch 2-Naph-thalinsulfonsure bildet. Unter kinetischer Kontrolle (niedrigere Temperatur: 80C) erhlt man 1-Naphthalinsulfonsure. Behandelt man diese Verbindung bei 165C mit H2SO4 konz., iso-merisiert sie zur thermodynamisch stabileren 2-Naphthalinsulfonsure, da die Sulfonierung reversibel ist. Der Grund fr die geringere Stabilitt ist die sterische Wechselwirkung des Sub-stituenten am C1 mit dem H-Atom am C8.

Elektrophile Substitution an Heteroaromaten

Resonanzformeln des Pyrrols

N

H

_ N

H

N

H

N

H

N

H

Bei vier der Resonanzformeln erfolgt Ladungstrennung. Der Stickstoff ist relativ elektronen-arm, der Kohlenstoff elektronenreich. Der elektrophile Angriff kann am C2 oder C3 erfolgen.

Angriff am C2

N

H

EN

HH

E

_ _ N

HH

E_ N

HH

E

Angriff am C3:

N

H

EN

H

H

E

N

H

H

E

_ _

Der Angriff am C2 ist gnstiger, da eine Resonanzstruktur mehr mglich ist. Da das freie Elektronenpaar am Stickstoff in die Resonanzstruktur einbezogen ist, ist Pyrrol nicht sehr ba-

44

sisch (pKa= -4,4), und die Protonierung erfolgt am C2, nicht am Stickstoff. Die Reaktivitt gegenber Elektrophilen ist grer als die von Benzol (vergleichbar mit Phenol), da 6 Elektro-nen auf fnf Atomen verteilt sind.

Pyridin ist ein elektronenarmer Aromat. Im Gegensatz zum Pyrrol steht das freie Elektronen-paar senkrecht zum aromatischen -System und kann nicht mit ihm berlappen. Es kann leicht protoniert werden: Pyridin ist eine Base. Da Stickstoff elektronegativer ist als Kohlenstoff, zieht er die -Elektronen strker zu sich herber, die Elektronendichte an den C-Atomen ist geringer als im Benzol. Elektrophile Substitution verluft schlechter als bei Benzol (vergleichbar mit Nitrobenzol) und erfolgt meistens am C3.

Zweitsubstitution Substituenten haben starken Einflu darauf, wie leicht und wo weitere Substituenten einge-

fhrt werden knnen. Der Aromat wird reaktiver durch Substituenten, die die Elektronendichte des Rings durch Induktion oder Resonanz (Mesomerie) erhhen (+I und +M-Effekt).

Die dirigierende Wirkung ergibt sich aus den Resonanzstrukturen des -Komplexes. Beispiel: Ortho/para-Substitution - Erstsubstituent mit -I und +M-Effekt (+M-Effekt ber-wiegt)

+E+

N HH

E

H

_

NH H

E

H

_

NH H

E

H

_

NH H

E

H

NH H_

+E+

NH H

E

H

_N

H H

E

H

_N

HH

E

H

_

+E+

NHH

E H

_N

HH

E H

_N

HH

E H

_N

HH

E H

ortho

meta

para

Die zustzliche Resonanzform begnstigt den ortho/para-Angriff so stark, da kaum Meta-

Produkt entsteht.

45

Beispiel: Meta-Substitution - Erstsubstituent mit -M und/oder -I-Effekt:

NO O

E

H

NO O_

_N

O O

E

H

_N

O O

E

H

_

NO O

E

H

_N

O O

E

H

_N

O O

E

H

_

NO O

E H

_N

O O

E H

_N

O O

E H

_

+E+

+E+

+E+

sehrungnstig

sehrungnstig

Es entsteht hauptschlich meta-Produkt.

Tabellarischer berblick ber dirigierende und aktivierende Wirkung von Erstsubstituenten

Substituent Effekt dirigiert akt./desakt. -O- +I, +M o, p +++ -NH2, -NHR, -NR2, -OR, -OH

+I, +M o, p ++

-C6H5, -CH3 +I o, p + Cl, Br, I -I, +M o, p - -CN, -NO2, -SO3H, -CHO

-I, -M m --

-NH3+, -NR3

+ -I m --

Die Halogene haben wegen ihrer hohen Elektronegativitt desaktivierende Wirkung. Sie er-mglichen aber mit ihren freien Elektronenpaaren eine weitere Resonanzform und dirigieren daher ortho und para. Das Verhltnis von ortho zu para wird hauptschlich durch die Sterik bestimmt. Voluminse Gruppen fhren fast immer zum para-Produkt.

Ipso-Substitution

Der elektrophile Angriff kann nicht nur in ortho-, meta- oder para-Stellung erfolgen. Beson-ders SO3H-Gruppen lassen sich durch andere ersetzen. Diese Art der Substitution heit auch Ipso-Substitution.

46

Syntheseplanung

Bei der Synthese von mehrfach substituierten Aromaten ist es oft ntig, die dirigierende Wir-kung von Substituenten zu ndern und stark aktivierende Gruppen abzuschwchen.

Beispiele: Gegenseitige Umwandlung von Nitro- und Aminogruppen

NO2 NH2

HCl/Zn

CF3CO3H

metadirigierend ortho/para-dirigierend Umwandlung von Alkanoyl- in Alkylgruppen

C OR

H2NNH2, KOH, H2O, 240 C

CR

H

H

Blockieren durch Sulfonierung

R

SO3

R

SO3H

E+

R

E

SO3H

R

EH2O-H2SO4

Schwchung der stark aktivierenden Wirkung von NH2-Gruppen

NH2

Anilinstark aktivierend

NH C

O

CH3

H3CCO

Cl

mig aktivierend

OH

NaOH/CH3I

OCH3

Phenolstark aktivierend

Anisolmig aktivierend

Nukleophile aromatische Substitution Nukleophile Substitution am Aromaten ist gegenber der elektrophilen erschwert. Die Elek-

tronendichte am Aromaten mu durch Substituenten mit -I- oder -M-Effekt herabgesetzt wer-den, und die Abgangsgruppe mu ein stabiles Anion oder ungeladenes Molekl bilden, da sie die Bindungselektronen mitnimmt. Die Reaktion folgt einem Additions-Eliminierungs-Mecha-nismus. Sie verluft im allgemeinem bimolekular, hnlich der SN2. Allerdings ist das entste-hende Anion eine echte Zwischenstufe und kein bergangszustand.

47

NO O

Cl

_

OH_

NO O

Cl OH

_

NO O

OH

_

+ Cl

Optimale Delokalisierung ist mglich, wenn der elektronenziehende Substituent ortho oder para zur Abgangsgruppe steht. Geeignete Substituenten (abnehmende aktivierende Wirkung)

N N > NO > NO2 > C N > CHO > C

O

CH3 > N N > Cl

Halogene lassen sich mit steigender Elektronegativitt leichter ersetzen: Fluor ist hier bessere Abgangsgruppe als Iod. Isolierbar ist der sogenannte Meisenheimer-Komplex

OCH3

NO2

NO2

O2N

EtO-

H3CO OEtO2N NO2

NO2und andereResonanzstrukturen

-H3CO-

OEt

O2N NO2

NO2

Synthese von 2- oder 4-Aminopyridinen oder -chinolinen nach Chichibabin (Tschitschibabin)

H2+Na

___N NH

NaH+

_N NH2

Na

__N

H

NH2NatriumamidPyridin

_ NH2 NaN

N NH2_

H2O

Da H- eine strkere Base als die NH2-Gruppe ist, entsteht zunchst das Salz des Aminopyri-

dins. Wssrige Aufarbeitung fhrt zum Produkt. Es wird nur 4-Position substituiert, wenn beide 2-Positionen blockiert sind.

Nukleophile Substitution am nichtaktivierten Aromaten

Der Austausch des Chlors von Chlorbenzen gegen eine Hydroxygruppe erfordert drastische Reaktionsbedingungen (ca. 350C, 10-15%-ige NaOH). Aufgrund von Markierungsexperi-menten nimmt man folgenden Eliminierungs-Additions-Mechanismus an:

48

Cl

H

-HCl

Arin

+H2OOH

H OH

H

+

Durch Eliminierung von HCl entsteht zunchst ein Arin, ein sehr reaktives Zwischenprodukt, das sofort weiterreagiert und H2O addiert.

49

Oxidation und Reduktion

Allgemeines Oxidation bedeutet Entzug von Elektronen (Erhhung der Oxidationszahl) und ist stets an

eine Reduktion gekoppelt. Direkte Elektronenbertragungen werden in der Organik allerdings selten beobachtet (z.B. Kolbe-Elektrolyse). Man kann die Definition auf die Organik bertra-gen, wenn man formale Oxidationszahlen einfhrt. Dabei behandelt man die Verbindung, als ob sie aus Ionen aufgebaut wre. Das Bindungselektronenpaar wird vollstndig dem elektronega-tiveren Partner zugeordnet.

Beispiele fr Oxidationszahlen des C-Atoms in unterschiedlichen Verbindungen

Von links nach rechts: zunehmende Oxidation des einen C-Atoms

H3C CH3 H3C CH2OH H3C CHO H3C CO2H

-III -III -III -I -III +I -III +III

CH4 CH3OH H2CO HCO2H

-IV -II 0 +II

H3C CH3 H2C CH2 HC CH

-III -II -I

Eine Verbindung lt sich um so leichter oxidieren, je energiereicher ihr HOMO ist. Redukti-onsmittel sind um so strker, je energiermer das LUMO ist. Die Oxidierbarkeit steigt deshalb in folgender Reihe an:

R-H < R-OH < R-NH2 C-C-Einfachbindung < C-C-Dreifachbindung < C-C-Doppelbindung prim. C-H-Bindung < tert. C-H-Bindung prim. Alkohole < Aldehyde (selektive Darstellung deshalb schwierig)

Hufig verwendete Oxidationsmittel

Mangan(VII)

Permanganat (MnO4-) oxidiert viele organische Substanzen, im Sauren unter Reduktion zu

Mn(II), im Alkalischen zu Braunstein (MnO2). Da es sehr reaktiv ist, kann man bei niedrigen Temperaturen arbeiten, aber es kommt oft zu beroxidation.

Reaktionsgleichung im Sauren:

H2O4+2+Mne5+8 H+MnO4

-

Reaktionsgleichung im Basischen:

MnO4-

+ H2O2 3e+ MnO2 + 4 OH

Aliphatische Kohlenwasserstoffe werden zu Carbonsuren, Alkene zu cis-Diolen oxidiert.

50

Chrom(VI)

Auch das Redoxverhalten der Chromsure ist pH-abhngig. Die strkste oxidierende Wir-kung hat sie im Sauren (mit Chromschwefelsure kriegt man jedes Laborgert wieder sauber). Als Zwischenstufen treten Cr(V)- und Cr(IV)-Spezies auf, deren oxidative Wirkung noch str-ker ist als die von Cr(VI). Man setzt oft Komplexe von CrO3 mit Pyridin, Acetanhydrid oder t-Butanol ein.

Reaktionsgleichung:

CrO42-

+ 3e8H + Cr3+

+ H2O4

Oxidation von M ethyl- und M ethylengruppen

Geradkettige Alkane

Geradkettige Alkane lassen sich erst unter verschrften Bedingungen, zum Beispiel mit heier Chromschwefelsure oder O2 und Co- oder Mn-Salzen oxidieren. Wahrscheinlich handelt es sich um einen Radikalmechanismus hnlich dem der Autoxidation. Auch C-C-Bindungen wer-den dabei gespalten. Durch Zusatz von Borsureestern kann man die C-C-Spaltung verhindern. Prparative Bedeutung hat die Oxidation von geradkettigen Alkanen nicht, da man keine defi-nierten Verbindungen erhlt. Selektiver verluft die Oxidation von Alkylgruppen, die an eine Doppelbindung oder einen aromatischen Kern gebunden sind. Bei geeigneten Reaktionsbedin-gungen kann man sogar Aldehyde und Alkohole erhalten.

Alkylaromaten

Der aromatische Kern wird in der Regel nicht angegriffen. Aliphatische Seitenketten werden von Permanganat, Chromsure, Dichromat/H2SO4 oxidiert. Lngere, auch verzweigte oder ungesttigte Seitenketten werden von diesen Oxidationsmitteln in der Regel bis zur kernstndi-gen Carboxylgruppe abgebaut.

Beispiel:

CrO3, CH3COOHH2SO4, H2O

COOH

Mehrfach alkylierte Aromaten kann man mit O2 unter Cobaltsalzkatalyse partiell oxidieren.

CH3

H3C

+ 3/2 O2Co2+

COOH

H3C

+ H2O

Die zweite Methylgruppe wird erst unter verschrften Bedingungen oder in Gegenwart von Suren (HBr, CoBr2 z.B.) oxidiert.

Oxidation von Alkylaromaten zu Aldehyden und Ketonen

Um aromatische Aldehyde zu erhalten, mu man den Aldehyd stndig aus der Reaktionsmi-schung entfernen. Dazu verwendet man Chromsure in Acetanhydrid. Der Aldehyd wird als Diacetat abgefangen, das anschlieend hydrolysiert wird.

51

Ar CH3CrO3, (CH3CO)2O Ar C

H

OCCH3

O

OCCH3

O

Ar CH

O

H2O

Oxidation von aktivierten Methyl- und Methylengruppen in Carbonylverbindungen

Oxidation mit SeO2 Methyl- und Methylengruppen, die einer Carbonylgruppe benachbart sind, lassen sich selektiv

in Carbonylgruppen berfhren. Bei unsymmetrischen Ketonen wird bevorzugt die Methylen-gruppe oxidiert, die leichter enolisiert (Enolisierung wird im Carbonylkapitel erklrt).

O OHSeO2

O H

Se

O

O

O

Se

O

OH-H2O

O

SeO

H2O-Se, -H2O

O

O

SeO2 greift das Enol des Aldehyds oder Ketons elektrophil an, danach erfolgt unter Hydro-

lyse die Eliminierung von Se. Die Oxidationsstufe des entsprechenden C-Atoms ndert sich von -II zu +II (Oxidation), die des Selens von +IV auf 0 (Reduktion).

Oxidation von primren und sekundren Alkoholen zu Aldehyden und Ketonen

Geeignete Oxidationsmittel: Chromsure, Dichromat/ H2SO4, HNO3, MnO2, SeO2 Mechanismus der Oxidation mit Chromsure:

CR'

R''

H

OH CrO

O

OH

OHCR' O Cr

O

O OH

OHHR''

H

-H2O

+H2OC

OCr

H O

O

OH

R''

R'

CR''

R'O + Cr

O

HO OH

Zunchst greift der Alkohol nukleophil die Chromsure an. Unter Wasserabspaltung bildet sich ein Chromsureester. Der -Wasserstoff des Alkohols wird vermutlich in einem fnfglied-rigen bergangszustand auf den Chromatrest bertragen. Die Oxidationsstufe des Chroms wird von +VI auf +IV reduziert, die des sekundren steigt von 0 auf +II (primrer: von -I auf +I). Das vierwertige Chrom wird von weiterem Alkohol zum dreiwertigen reduziert.

Bruttogleichung:

R2CHOH + Na2Cr2O7 + H2SO443 3 R2CO + Cr2(SO4)3 + Na2SO4 + H2O7 Bei der Oxidation von primren Alkoholen mu der Aldehyd stndig (z.B. destillativ) aus der

Reaktionsmischung entfernt werden, da man sonst die entsprechende Carbonsure erhlt. Die Oxidation von sekundren Alkoholen geht leichter und ergibt hhere Ausbeuten, da Ketone wesentlich stabiler gegenber Oxidationsmitteln sind.

52

Oxidation von Alkoholen mit aktiviertem DMSO (Swern-Oxidation)

Primre und sekundre Alkohole lassen sich sehr mild mit aktiviertem DMSO zu Aldehyden und Ketonen oxidieren. Nebenreaktionen wie Racemisierung von chiralen Substraten und beroxidation lassen sich meistens unterdrcken, und viele funktionelle Gruppen stren nicht.

Die Aktivierung von DMSO erfolgt bei der Swern-Oxidation mit Oxalylchlorid:

S OH3C

H3C+ C C

O Cl

Cl OS

OC

O

C

O

Cl

H3C

H3C

Cl

S

H3C

H3C Cl

Cl

+ CO2 + CO

Das entstandene aktivierte Sulfoniumion reagiert mit Alkoholen zu Alkoxysulfoniumionen, die mit Basen (z.B. i-Pr)2NH, Et3H, ...) zu Alkoxysulfonium-Yliden reagieren. Intramolekula-rer Protonentransfer fhrt zum Produkt.

S

H3C

H3C Cl

Cl

+ C OH

HH

C O

HH

SCH3

CH3

Base C O

HH

SCH2

CH3

C OH

+ SCH3

CH3

Alkoxysulfonium-Ylid

C-H-Aciditt und Ylide werden im Carbonylkapitel nher erlutert.

Literaturangabe: T. T. Tidwell, Synthesis, 1990, 857

Chinone aus substituierten Aromaten

Chinone lassen sich oxidativ aus o- und p-Diphenolen, Aminophenolen und aromatischen Di-aminen darstellen. Die Reaktion verluft radikalisch. Das gebildete kationische Radikal, das durch Entzug eines Elektrons entsteht, ist ein sogenanntes Semichinon und wird durch Meso-merie stabilisiert.

Bildung des Radikals:

NH2

NH3C CH3

_

1/2 Br2-Br

-

NH2

NH3C CH3

NH2

NH3C CH3

NH2

NH3C CH3

_

__

53

Weitere Oxidation und Hydrolyse des Chinon-Immoniumsalzes fhrt zum p-Benzochinon:

NH

NH3C CH3

O

O

+2 H2O + NH3 + H + (CH3)2NH

_NH2

NH3C CH3

-Br-

1/2 Br2,-H

+

Hydrochinon lt sich analog ber das Semichinon in p-Benzochinon berfhren. Diese Re-aktion kann als Autoxidation (Luftsauerstoff, V2O5) durchgefhrt werden. Dabei entsteht H2O2. Diese Reaktion wird daher zur technischen Darstellung von H2O2 genutzt.

Birch-Reduktion

Aromaten lassen sich durch Metalle (meistens Li oder Na in flssigem NH3) reduzieren. Zu-nchst entsteht durch bertragung eines Elektrons ein Radikalanion, das durch das Lsungs-mittel protoniert wird. Die Reaktion bleibt auf der Stufe der Dihydroverbindung stehen, da die isolierten Doppelbindungen schwieriger zu reduzieren sind als der Aromat.

R Li R NH3-NH2

-Li

H H H H

R R NH3-NH2

-

H H

H H

R

Oxidation von Ketonen nach Baeyer-Villiger

Ein Keton wird nach dieser Methode selektiv unter Insertion eines Sauerstoffatoms mit Per-oxysuren zum Ester oxidiert.

Beispiel:

O

HO2SO3HO

O

Menthon Mechanismus

C

O

R1 R2+ C

O

OO

H

R3C

R2

R1

O

O OC

OR3

H

C

OH

O R3

-C

R1 OR2

O

Bei unsymmetrischen Ketonen nimmt die Wanderungstendenz der Reste in folgender Reihen-folge ab: t-Alkyl > cyclohexyl s-Alkyl Benzyl Phenyl > prim.-Alkyl > Methyl

54

Katalytische Hydr ierung und Dehydr ierung Primre und sekundre Alkohole lassen sich zu Aldehyden und Ketonen dehydrieren. Geeig-

nete Katalysatoren sind metallisches Silber, Kupfer, Kupferchromiumoxid und Zinkoxid. Die Dehydrierung ist stark endotherm, wird aber durch Verbrennen des H2 zu einem exothermen Proze.

C-C-Doppel- und Dreifachbindungen lassen sich zur gesttigten Verbindung hydrieren. Ge-eignete Katalysatoren sind Ni, Pd und Pt. Mit vergifteten Katalysatoren kann man auch Drei-fach- zu Doppelbindungen reduzieren. Die Carbonylfunktion ist reaktionstrger, man kann also C-C-Mehrfachbindungen neben ihr hydrieren.

Gesttigte Kohlenwasserstoffe und Hydroaromaten lassen sich unter Luftabschlu bei 500C dehydrieren. Die Kohlenwasserstoffe werden dabei auch gespalten (gecrackt). Die Dehydrie-rung von Aromaten ist reversibel und wird durch die gleichen Katalysatoren beschleunigt, die zur Hydrierung verwendet werden (Ni, Pd, Pt). Auf welcher Seite das Gleichgewicht liegt, hngt vom H2-Druck und der Temperatur ab. Bei hoher Temperatur berwiegt die Dehydrie-rung, bei niedriger die Hydrierung.

Reduktion von Carbonylverbindungen

Durch unedle Metalle

Unedle Metalle sind in der Lage, durch bertragung von Elektronen Carbonylverbindungen zu reduzieren. Alkalimetalle knnen sogar Ester reduzieren, Magnesium und Aluminium rea-gieren nur mit Aldehyden und Ketonen. Zink und Eisen sind dazu nur in saurer Lsung fhig. Der Carbonylsauerstoff wird dabei jeweils in eine Hydroxygruppe berfhrt. Carbonylverbin-dungen lassen sich auch katalytisch zum Alkohol hydrieren. Durch geeignete Wahl des Kata-lysators kann man aus ungesttigten Aldehyden und Ketonen selektiv die gesttigten Verbin-dungen erhalten. Die Reduktion von Aldehyden und Ketonen mit Zn/HCl (Clemmensen-Re-duktion) geht bis zum Kohlenwasserstoff.

Durch komplexe Hydride

Metallhydride wie LiAlH4 und NaBH4 knnen Hydridionen auf Carbonylgruppen bertragen. Aktive Wasserstoffatome werden bevorzugt angegriffen, daher verbrauchen zum Beispiel Hydroxygruppen zuerst das Hydrid unter Bildung von H2. C-C-Doppelbindungen werden nicht angegriffen.

Al

H

H

H

HLi + C O AlH3 + CH O Li

mit Hydrazin (Wolff-Kizhner-Reduktion)

Das Hydrazon eines Ketons oder Aldehyds wird in Gegenwart von Natrium oder Natriumal-koholat unter Abspaltung von N2 zum Kohlenwasserstoff reduziert.

C N NH2H+

C

H

N NH

Hydrazon

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C

H

N N H

H OR

OR C

H

H + N2 + OR + HOR

Reduktive Kupplung (Pinakol-Reaktion)

Aldehyde und Ketone gehen mit Metallen Ein-Elektronen-Reduktionen ein, bei denen zwi-schen zwei Carbonyl-C-Atomen eine neue C-C-Bindung geknpft wird.

O2 + Mg

2+

H+/H2O

Pinakol

OO

MgOHOH

Zunchst nimmt die Carbonylgruppe unter Bildung eines Radikal-Anions ein Elektron auf.

Zwei dieser Radikalanionen kombinieren zum Dianion, das nach wriger Aufarbeitung proto-niert wird.

Reduktive Aminierung

Setzt man einen Aldehyd oder ein Keton in Gegenwart von H2 und einem Hydrierungskataly-sator mit NH3 oder einem primren oder sekundren Amin um, erfolgt reduktive Aminierung der Carbonylkomponente. Die Oxidationsstufe des Ketons wird dabei von +II auf 0 erniedrigt. Wahrscheinlich verluft die Reaktion folgendermaen:

CH3C

H3CO + EtNH2 EtN

H

C

CH3

CH3

OH EtN CCH3

CH3

H2/Kat EtN C

H

CH3

CH3

H

Statt H2/Kat knnen auch andere Reduktionsmittel wie Zn/HCl, NaBH3CN ... verwendet wer-den.

Die Reduktion von Thioacetalen wird im Carbonylkapitel besprochen. Die Haloform-Reak-tion ist formal ebenfalls eine Oxidation, wird aber auch erst im Carbonylkapitel erklrt.

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Carbonylverbindungen

Eigenschaften der Carbonylfunktion Carbonylverbindungen sind Aldehyde, Ketone, Carbonsuren und ihre Derivate sowie CO2.

Das Carbonyl-C-Atom ist sp2-hybridisiert, die Carbonylgruppe ist trigonal-planar (Ausnahme: CO2). Die -Bindung zwischen dem C- und dem O-Atom ist polarisiert. Es gibt drei reaktive Zentren: das Sauerstoffatom mit nukleophilen und Lewis-basischen Eigenschaften, das Car-bonyl-C-Atom mit elektrophilen Eigenschaften und das -C-Atom, das durch den Elektronen-zug auch polarisiert wird. Substituenten am -C-Atom mit -I- und -M-Effekt erhhen den Elektronenzug. Dadurch wird der nukleophile Angriff auf das Ca