1.0 bildung, eigenschaften und reaktionsweisen von · pdf fileradikale können jedoch auch...
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Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 1 von 37
10 Bildung Eigenschaften und Reaktionsweisen von Radikalen
11 Allgemeines
Der Name Radikal leitet sich vom lateinischen Wort radix ab und bedeutet Wurzel Ein aumluszligerst stabiles und bedeutendes Radikal wurde 1900 von Gomberg (Ph3Cbull) hergestellt Typisch fuumlr Radikale ist ein ungepaartes Elektron sowie die paramagnetischen Eigenschaften des Radikals Beispiele fuumlr Radikale sind NO NO2 und O2 (Grundzustand) Aufgrund des ungepaarten Elektrons sind Radikale sehr reaktiv Im Normalfall sind Radikale derartig instabil dass sie nicht isoliert werden koumlnnen Durch Stabilisierung koumlnnen sie jedoch bei einigen Reaktionen in geringen Konzentrationen als Zwischenstufen auftreten Ein aumluszligerst stabiles Radikal ist das schon erwaumlhnte Gomberg-Radikal In der organischen Chemie sind vor allem die Kohlenstoffzentrierten Radikale von Bedeutung Derartige Radikale weisen 7 Valenzelektronen auf Um die Oktettregel zu erfuumlllen muss noch ein weiteres Elektron in die Atomhuumllle aufgenommen werden Dieser Elektronenmangel fuumlhrt zu einer Instabilitaumlt und einer besonderen Reaktivitaumlt Meist sind Kohlenstoffzentrierte Radikale an drei Substituenten gebunden welche zum Teil groszligen Einfluss auf die Stabilitaumlt der Radikale haben koumlnnen Die geometrische Struktur von Radikalen ist in der Regel planar (spsup2) Das ungepaarte bleibende Elektron befindet sich im pz-Orbital welches senkrecht zur Molekuumllebene steht
1-2 kcalmol 1-2 kcalmol
12 Darstellungsmethoden
Radikale lassen sich durch eine homolytische Bindungsspaltung erzeugen Allgemein laumlsst sich dies durch die folgende Gleichung beschreiben
X X 2 X Die Bindungsspaltung kann auf verschiedene Weisen erfolgen Radikale lassen sich beispielsweise durch Thermolyse Photolyse oder Radiolyse erzeugen
121 Thermolyse von Radikalgeneratoren
a) Di-tert-butylperoxid CH3
CH3
CH3
O OCH3
CH3
CH3
140-150degC
166 kJmol2 (CH3)3CO
tert-Butoxyradikal
b) Dibenzoxylperoxid
O O
O O
O
OC6H5
O
OC6H5
80-100degC2 2 C6H5
- CO2
2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 2 von 37 c) Azo-bis-isobuyronitril (AIBN)
CH3
CH3 N NCH3
CH3
CN CN
C CH3
CH3
CN
80-100degC 2 + N2
t12 bei 100degC 5 min
Exkurs Darstellung von AIBN
CH3 CH3
O
NN
CH3 CH3
CH3CH3
CN
CN
CH3
CH3 NH
NH
CH3
CH3
CN CN
CH3
CH3 N NCH3
CH3
CN CN
2H2N-NH2
- 2 H2O
HCN
-
- HgO[Ox]
122 Photolyse Planck-Einstein
][1012 4
nmchhE
λλυ sdot
asympsdot
=sdot=
400nm ca 300kJmol 300nm ca 400kJmol 200nm ca 600kJmol hinreichend Energie rarr Homolyse so genannte Norrish-TypI-Spaltung
R CH3
O
R CH3
O
R
C 100
OCH3
h ν
290-350nm
angeregterZustand
+ + COR
123 Radiolyse
Elektronenstrahlen rarr γ-Strahlen
R-Rrsquo + e- R-Rrsquobull Energiekinet rarr + + 2e- rarr Rbull + R+
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 3 von 37
124 Redoxreaktionen
a) Einelektronen-Reduktion-Reagenzien
H2O2 + Fe2+ rarr HObull + OH- + Fe3+ (Fentonrsquos Reagenz)
b) Einelektronen-Oxidations-Reagenzien
CH3CH2Co3+ + Co2+ + H+ +
c) Elektrochemische Verfahren bdquoKolbe-Elektrolyseldquo
RO
OR
O
O- e-
Produkte
13 Stabilitaumlt von Radikalen
Man unterscheidet bei der Stabilisierung von Radikalen zwischen elektronischen und sterischen Effekten Die Stabilisierung eines Radikals fuumlhrt zu einer Verringerung der Reaktivitaumlt und zu einer houmlheren Selektivitaumlt bei Radikalreaktionen Radikale werden durch ihre Substituenten stabilisiert Ein positiver induktiver Effekt der Substituenten fuumlhrt zu einer houmlheren Elektronendichte am Radikal-Atom und stabilisiert somit das Radikal
CH3CH3 CH2
CH3 CHCH3
C 7CH3
CH3
CH3
lt lt lt
primaumlr sekundaumlr tertiaumlr Ein weiterer stabilisierender Effekt ist die so genannte Hyperkonjugation Dabei gibt es eine Wechselwirkung zwischen der σC-H-Bindung und dem 2pz-Orbital Diese Wechselwirkung kann jedoch nur auftreten wenn die σC-H-Bindung und das 2pz-Orbital in einer Ebene stehen
C1
H
H
HC5
CH2
CH2
CH2
HH
H
+ +
Alkylsubstituenten schieben Elektronendichte zum Kation
Von wesentlich groumlszligerer Bedeutung als die bisher erwaumlhnten Effekte sind Mesomerie-Effekte Dabei kann der Elektronenmangel auf ein π-Elektronensystem
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 4 von 37 ausgeweitet werden und das Radikal wird mit zunehmender Delokalisation des Elektronenmagels stabiler
CH2 CH CH2
CH2
lt
Allyl Benzyl
Dieser Effekt kann allerdings nur eintreten wenn das Orbital indem sich das ungepaarte Elektron befindet parallel zu den p-Orbitalen des π-Elektronensystem ausgerichtet ist Aus diesem Grund ist auch verstaumlndlich warum Vinyl- und Phenyl-Radikale keine Mesomeriestabilisierung erfahren (hier wuumlrde das bdquoRadikal-Orbitalldquo orthogonal zum π-Elektronensystem stehen) Radikale koumlnnen jedoch auch wie schon erwaumlhnt durch sterische Hinderung stabilisiert werden Ein Beispiel hierfuumlr ist das Gomberg- oder Trityl-Radikal welches in Benzol zu 23 vorliegt
C
Triphenylradikal (Gomberg-Radikal) weitere sterisch stabilisierte Radikale
CHO O
Galvinoxyl-Radikal
OAroxylradikal
NO2NN
O2N
O2N
N+
NN
O2N
O2N
O
O
DPPH (= Diphenylpikrylhydrazyl-Radikal) oder Goldschmidts Radikal (violett)
λmax= 520nm
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 5 von 37
14 Reaktionen von Radikalen Radikale koumlnnen auf verschiedenste Weisen reagieren
a) Reaktion zweier Radikale unter Verlust der radikalischen Eigenschaften Rekombination
CH2 CH2
CH2
2[19]
Disproportionierung
C CH3
CH3CH3
CCH3
CH2CH3
CHCH3
CH3CH3
2 +[110]
b) Uumlbertragung der Radikaleigenschaften Dabei unterscheidet man
Isomerisierung Addition und Abspaltung von Atomen und Gruppierungen durch Radikale
- Zersetzung oder Isomerisierung von Radikalen
O
O CO2+
[111] - Addition von Radikalen an Mehrfachbindungen
Br CH2 CH2
Br CH2
CH2+[112]
- Abspaltung von Atomen oder Gruppierungen durch Radikale
R H Cl R H Cl+ + [113] Die meisten Radikale sind sehr reaktionsfaumlhig Sie liegen daher nur in niedrigen Konzentrationen vor und haben eine sehr geringe Lebensdauer (lt10-3 sec) In Anwesenheit eines geeigneten Reaktionspartners (unter Umstaumlnden auch das Loumlsungsmittel) reagieren sie unter Addition [112] beziehungsweise Substitution [13] Ihre Selbstreaktionen koumlnnen unter Rekombination [19] oder Disproportionierung [110] ablaufen Diese Reaktionen sind jedoch nur als Kettenabruchsreaktionen von Bedeutung Reaktivitaumlt und Selektivitaumlt bei radikalischen Substitutionen Radikalische Substitutionsreaktionen sind im Allgemeinen dann durchfuumlhrbar wenn ihr Verlauf zu einem Energiegewinn fuumlhrt (exotherme Reaktion dh die Summe der Reaktionsenthalpien muss negativ sein) So kann beispielsweise ein Chlorradikal an einer C-H-Bindung unter Bildung der stabileren H-Cl-Bindung angreifen Bei Iod ist dies nicht der Fall daher wirkt Iod als Inhibitor
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 6 von 37
R I I R I I
R H I H I R
+ +
+ + Aus Bestimmungen der Geschwindigkeitskonstanten ist die folgende Reaktivitaumltsreihe fuumlr Radikale gefunden worden
Fbull gt HObull gt Clbull gt bullCH3 gt Brbull gt ROObull Inhibitoren Eine Substanz die eine Reaktion hemmt oder abbricht selbst wenn sie nur in kleinen Mengen vorhanden ist nennt man Inhibitor Die Zeitspanne waumlhrend deren ein Inhibitor wirkt und nach der die Reaktion mit normaler Geschwindigkeit ablaumluft wird als Inhibitionszeit bezeichnet Beispiel
CH3bull + O2 rarr CH3-O-Obull Einfluss von Loumlsungsmitteln und Temperaturabhaumlngigkeit von Radikalreaktionen Durch eine Erhoumlhung der Temperatur nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit einer exothermen Reaktion ab Bei Radikalreaktionen fuumlhrt eine Erhoumlhung der Temperatur zu einer Verminderung der Selektrivitaumlt der Reaktion so dass bei einer ausreichend hohen Temperatur das Verhaumlltnis der Abstraktion eines primaumlren sekundaumlren oder tertiaumlren Wasserstoffatoms 111 betraumlgt Fuumlr eine Radikalreaktion eignen sich besonders polare Loumlsungsmittel da diese das Radikal durch Solvatisierung stabilisieren Dies kann jedoch zu einer verringerten Reaktionsgeschwindigkeit fuumlhren
15 Nachweis von Radikalen Ein fuumlr die Bestimmung der Lebensdauer von Radikalen wichtiges Experiment ist das von Paneth und Hofeditz 1929 durchgefuumlhrte Experiment
Kuumlhlung
6 mm
40 cm
PbMe4 2 Torr 12 msec-1
Pb-SpiegelPb-Spiegel
Pb(CH3)4
∆Pb + 4 CH3
Lebensdauer von CH3 = 10-3 sec
Abb Paneth-Hofeditz-Versuch
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 7 von 37 Bei diesem Experiment konnte die Lebensdauer von Methyl-Radikalen bestimmt werden Auszligerdem kann die Anwesenheit von Radikalen durch den Transport des Pb-Spiegels gezeigt werden Eine andere bedeutende Methode zum Nachweis von Radikalen ist die Elektronenspinnresonan-Spektroskopie (ESR) Die Messmethode ist Vergleichbar mit der NMR-Spektroskopie und anhand der so erhaltenen Spektren ist die elektronische Konfiguration der untersuchten Molekuumlle erkennbar Von groszliger Bedeutung sind Radikalfaumlnger (Inhibitoren) zum nachweis von Radikalen Ein Beispiel dafuumlr ist das Hydrochinon
OH
OH
O
OH
O
O
O
O
O
O
OR
OR
R + - RH
R
- RH
+ 2 R
Weitere wichtige Radikalfaumlnger sind die Vitamine C und E (Antioxidanzien)
16 Anwendungen Wurtzrsquosche Synthese
Bildung von Kohlenwasserstoffen aus Alkylhalogeniden und Natrium
2 RX + 2Na R-R + 2 NaX
Die Reaktion wird zur Darstellung houmlherer Alkane verwendet Wird von 2 verschiedenen Alkylhalogeniden ausgegangen entsteht ein Kohlenwasserstoffgemisch Alkyliodide reagieren leichter als Bromide oder Chloride
Wurtz-Grignard-Reaktion
R-Mg-X + RX R-R + MgX2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 8 von 37 Pinakol-Reaktion
Aldehyde und Ketone gehen mit Metallen eine Ein-Elektronen-Reduktion ein die zur Ausbildung einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung zwischen zwei Carbonyl-Kohlenstoffatomen fuumlhrt So ergibt sich beispielsweise in Benzol bei Zugabe von Magnesium zu Aceton (Propanon) nach waumlssriger Aufarbeitung 23-Dimethylbutan-23-diol
Der Mechanismus der Pinakol-Kopplung verlaumluft uumlber Ein-Elektronen-Uumlbertragungsschritte Anfangs nimmt die Carbonylgruppe unter Bildung eines Radikal-Anions ein Elektron auf Anschlieszligend kombinieren zwei solcher Radikal-Anionen unter Bildung eines Dianions welches bei der waumlssrigen Aufarbeitung protoniert wird
Acyloin-Kondensation Die α-Hydroxyketone oder Acyloine sind leicht durch Acyloin-Kondensation von Estern zugaumlnglich Im Prinzip handelt es sich bei der Reaktion eher um eine reduktive Dimerisierung welche vergleichbar mit der Pinakol-Reaktion ist Erhitzt man elementares Natrium zusammen mit einem Ester in Diethylether oder Benzol und anschlieszligender waumlssriger Aufarbeitung erfolgt eine reduktive Kupplung bei der das entsprechende α-Hydroxyketon entsteht
R O RO
R O RO
R O RO
R RO O
OROR
R RO O
R RO O
R RO O
R ROH OH
R RO OH
H
+
Na
Na+
Dimerisierung
Na+ Na+
- 2Na+ OR-
++
2 NaNa+ Na+
Endiolat
2 H2O
- 2 NaOHEndiol
Acyloin
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 9 von 37 Der Mechanismus verlaumluft wahrscheinlich in aumlhnlicher Weise wie der der Pinakol-Reaktion Im ersten Schritt wird der Ester durch Uumlbertragung eines Elektrons vom Metallatom zu einem Radikal-Anion reduziert Das so entstandene Radikalanion dimerisiert zum Dianion des entsprechenden Diols Bei der Acyloin-Kondensation kann nun das Dianion zwei Alkoxid-Ionen unter Bildung eines α-Diketons abspalten Nach weiterer Reduktion durch Uumlbertragung zweier Elektronen bildet sich ein Endiolat Die waumlssrige Aufarbeitung ergibt dann uumlber eine Zwischenstufe des Endiols das α-Hydroxyketon Kolbe-Elektrolyse Bei der Kolbe-Elektrolyse wird das Elektron durch anodische Oxidation abgespalten Die entstandenen Radikale dimerisieren zu einem Alkan
RO
OR
O
O- e- R + CO2
radikalische Polymerisation
CH2 CH2
R O O RCH2 CH2
R O O R R O
R O CH2 CH2RO CH2 CH2
RO CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2
CH2
H
CH3
CH2 CH2
CH3CH2CH2
1000atmgt 100degC
2
∆21)
2)
3)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 10 von 37 HX-Addition an C=C-Doppelbindungen Setzt man frisch destilliertes 1-Buten mit Bromwasserstoff um wird entsprechend der Markownikow-Regel Addition 2-Brombutan beobachtet In Gegenwart von Sauerstoff beobachtet man jedoch die Bildung von 1-Brombutan das ein anti-Markownikow-Produkt darstellt Der Grund fuumlr diese Beobachtung ist dass die Anwesenheit des Sauerstoffs zur Peroxiden ROOR fuumlhrt und der Reaktionsmechanismus somit als Radikalreaktion ablaumluft Man spricht in diesem Zusammenhang auch vom Peroxid-Effekt Der Mechanismus laumlsst sich wie folgt beschreiben
R O O R R O
R O R O H Br
Initiation∆
2
+ HBr∆
+
C CH2
H
CH2CH3
Br
CH3 CH2
CH
CH2
BrH
Br
Kettenwachstum
+ CH3CH2CH-CH2Brsekundaumlres Radikal
CH3CH2CH-CH2Br + HBr +
Br
CH3 CH2
CH
CH2
Br
CH
CH2
BrCH2
CH3
Kettenabbruch
2 Br2
CH3CH2CH-CH2Br2
Halogenierung von Alkanen (Radikalkettenreaktion) Von groszliger technischer Bedeutung sind radikale Kettenreaktionen Formal wird eine Radikalkettenreaktion in 3 Teilschritte eingeteilt Im Folgenden wird der radikalischen Kettenreaktion anhand der Chlorierung von Methan betrachtet Die Reaktionsprodukte der radikalischen Halogenierung sind Chlormethan und Chlorwasserstoff sowie Nebenprodukte in sehr geringen Mengen
Cl ClH3 C H H3 C Cl H ClLichtWaumlrme+ +
440 kJmol 243 kJmol 356 kJmol 431 kJmol
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 11 von 37 ∆Hdeg= ((440 + 243) ndash (356 + 431)) kJmol = -104 kJmol (exotherm) Die radikale Kettenreaktion wird gestartet durch die Spaltung eines Chlormolekuumlls durch Waumlrmezufuhr oder Lichteinfall Kettenstart
Cl Cl Cl hν 2 ∆Hdeg= 243 kJmol
Im zweiten Schritt greift das Chlorradikal das Methanmolekuumll an Dabei wird eine der Wasserstoff-Kohlenstoffbindungen des Methans homolytisch gespalten und man erhaumllt Chlorwasserstoff sowie ein Methylradikal Wasserstoffabspaltung (1 Kettenfortpflanzung)
Cl CH
HH
H C H
HH
+ HCl +
440 kJmol 431 kJmol ∆Hdeg= + 9 kJmol
C
HH
H
H ClC 1
HH
H
C
H H
H
H Cl
Lappen waumlchst
+ H Cl
Im anschlieszligenden Reaktionsschritt greift nun das Methylradikal ein Chlormolekuumll an und unter homolytischer Spaltung der Chlor-Chlorbindung entsteht Chlormethan sowie ein Chlorradikal welches wiederum im vorhergehenden Schritt mit einem Methanmolekuumll reagieren kann Chlorierung des Methans (2 Kettenfortpflanzung)
C H
HH
Cl Cl CH
HH
Cl Cl + +
243 kJmol 356 kJmol
in 2
∆Hdeg= -113 kJmol
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 12 von 37 Zu Ende der Kettenreaktion findet eine Rekombination der verschiedenen Radikale statt und man erhaumllt ein Chlormolekuumll ein Ethanmolekuumll oder ein Chlormethanmolekuumll als Produkt Kettenabruchreaktion
Clmiddot + Clmiddot rarr Cl-Cl middotCH3 + middot CH3 rarr H3C-CH3
middotCH3 + Clmiddot rarr H3C-Cl Die radikale Kettenreaktion verlaumluft uumlber eine Zwischenstufe sowie zwei Uumlbergangszustaumlnde welche in dem folgenden Energiediagramm zu erkennen sind E
[H3C H Cl]ne
[H3C Cl Cl]ne
Uumlbergangszustand
CH3 + Cl2 + HCl
Zwischenstufe
CH4 + Cl + Cl2
Reaktionskinetik
Abb Energiediagramm Die radikalische Chlorierung von Methan kann durch weitere Substitutionen von Wasserstoffatomen durch Chloratome weiter bis zum Tetrachlormethan gefuumlhrt werden
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 13 von 37 Ziegler-Wohl-Bromierung
enen in der Allylstellung mit N-Bromsuccinimid ei 0degC
ittel welches die C=C-Doppelbindung nicht
BS N-Bromsuccinimid
Selektive Bromierung von AlkN-Bromsuccinimid NBS entsteht durch Einwirkung von Brom auf Succinimid bin Gegenwart von Natriumhdroxid NBS ist ein selektives Bromierungsmangreift N
N
O
O
Br N
O
O
Br
tart
Licht oderPeroxide +
S
Br CH3 CH
CH2CH2 C
HCH2
BrH
CH2 CH
CH2 Br2 CH2
CH
CH2
BrBr
N
O
O
Br BrH N
O
O
H Br2
Kette
+ +
+ +
+ +
niedrige-Konzentrationenvon Br2Solvens CCl4
Die alpha staumlndige Methylengruppe wird rascher bromiert als die Me hylgruppe
andmeyer-Reaktion us der Sandmeyer-Reaktion ist noch nicht geklaumlrt Die
t SDer genaue MechanismReaktion verlaumluft aber vermutlich uumlber zwei radikalische Zwischenstufen
CH3
NH2
CH3
N2
CH3
ClHCl NaNO2 0degC
+Cl-CuCl 60degC
+ N2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 14 von 37 Autoxidation
ther ER2CH OR O2 R2C OR R2C OR
O O
R2C ORO O H
+
Aldehyde
C6H5 C7
HO
O2 C6H5 C12
O
H O O
C6H5 C19
OO2 C6H5 C
23
OO O
C6H5 C28
OO O C6H5 C
33H
OC6H5 C
37
OO O H C6H5 C43
O
C6H5 C47
OO O H C6H5 C
53H
OC6H5 C
57
OO H
+ +
+
+ +
+ 2
ock-Verfahren H
C HC6H5
3
CH3
O2 C OC6H5
CH3
CH3
O HH
+
C6H5 OH CCH3
CH3
O+
CH
racken en von langkettigen Alkanen wird als Cracken bezeichnet Derartige
eine
isch aus hunderten verschiedener Alkane Der groumlszligte Teil wird
it l)
s Benzin zu erhalten werden laumlngerkettige Kohlenwasserstoffe durch rs
ende Radikale
CDas ZerlegProzesse spielen in der Erdoumllindustrie bei der Darstellung von Benzin aus Erdoumll wichtige Rolle Erdoumll ist ein Gemdurch langkettige wenig verzweigte Alkane gebildet Ein kleiner Teil besteht aus aromatischen Verbindungen Benzin ist ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen meiner Laumlnge von 4-12 Kohlenstoffatomen und ist in Erdoumll bis zu 30 (Volumenanteienthalten Um weiterefraktionierte Destillation abgetrennt und bei 500degC in Gegenwart eines Katalysato(Wolfram oder Nickel auf einer SiO2-Al2O3-Oberflaumlche) pyrolysiert Die Reaktion findet in einer Wasserstoffatmosphaumlre statt um entstehmit Wasserstoffatomen abfangen zu koumlnnen Auszligerdem koumlnnen Alkene zu AlkanenStickstoffhaltige Verbindungen zu NH3 und Schwefelhaltige Verbindungen zu H2S hydriert werden Man erhaumllt nach dem Cracken Erdoumll mit einem Benzin Anteil von 50
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 15 von 37
CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3
C HH
HC C C C C
H
H
H
H
H
H
H
H
H
HH
C C HH
H
H
HC C C C H
HH
H H H
H H H
+
+
Pyrolyse von Hexan
C C C H
H
H
HH
H
H2
20 Nucleophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom Bei einer Nucleophilen Substitution wird eine Abgangsgruppe unter hetereolytischer Spaltung der Bindung gegen ein Nucleophil ausgetauscht Nucleophile sind neutrale Teilchen oder Anionen welche mindestens ein freies Elektronenpaar aufweisen Gute Nucleophile sind gut polarisierbar und besitzen eine geringe Elektronegativitaumlt Sterisch anspruchsvolle Nucleophile hingegen sind schlechte Nucleophile Auszliger den bereits genannten Faktoren beeinflusst auch die Staumlrke der neu gebildeten Bindung die Guumlte eines Nucleophils Beispiele fuumlr neutrale Nucleophile sind H2O ROH RSH NR3 PR3 Beispiele fuumlr Anionische Nucleophile sind Hal- RO- HO- RS- Fuumlr die Guumlte der Abgangsgruppe (Necleofuge) gilt im Allgemeinen dass je staumlrker die konjugierte Saumlure desto besser das Nucleofug
I- gt Br- gt Cl- gt F- Man kann des weiteren Nucleofuge durch Zugabe von H+ -OH2
+ -OHR+ aktivieren Bei Nucleophilen Substitutionen unterscheidet man zwischen SN1 SN2 und SNi- Reaktionen 21 Die Bimolekulare nucleophile Substitution SN2 Zunaumlchst greift ein Nucleophil (in diesem Fall das Hydroxidion) am partiell positiv geladenen Kohlenstoffatom ruumlckseitig an Dabei entsteht ein fuumlnfbindiger (pentavalenter) Uumlbergangszustand Die Abspaltung des Chloridions sowie die Anlagerung des Hydroxidions erfolgt gleichzeitig und man erhaumllt als Reaktionsprodukt Methanol und ein Chloridion
C ClH
H H
HO
C ClH
H HOH
COHH
H HCl
- =
-+
-
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 16 von 37 Das Energiediagramm fuumlr eine solche Reaktion sieht wie folgt aus
Uumlbergangszustand ne
Edukte
Produkte
Neben der ruumlckseitigen Anlagerung des Nucleophils koumlnnte das Nucleophil auch vorderseitig angelagert werden Jedoch zeigen entsprechende Experimente dass diese Anlagerung nicht stattfindet
CCH3
HBr
CH2CH3
CCH3
H
BrCH2CH3
I
IC
CH3
HI
CH2CH3
Br
HBrI
CH2CH3CH3
C CH3
HI
CH2CH3
Br
- =
Vorderseitenangriff
--+
Retention
(S)-2-Brombutan
(S)-2-Iodbutan
- =
Ruumlckseitenangriff
Inversion
-+
(R)-2-Iodbutan Im folgenden soll eine kurze Uumlbersicht uumlber moumlgliche Nucleophile sowie die dabei entstehenden Produkte gegeben werden
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 17 von 37
-Hydroxid
R OH Alkohol
OR-Alkoxid
R OR Ether HOH R O
H
HR O H
+ -H+
Alkohol R OH R O H
RR O R-H+
Ether
R CO
O Carboxylat
R O C RO Ester
NH3 Ammoniak R NH3 R NH2
+ -H+
Amin R 2NH primaumlres Amin R NH2R R NHR
+ -H+
sekundaumlres Amin
R2 NH sekundaumlres Amin R NHR 2 R NR2+ -H+
tertiaumlres Amin
R3N tertiaumlres Amin R NR3+
R-SH Thiol R-S- Mereaptidion R-SR Thioether R2S
SRRR
+
kan CN- Cyanid R-CN Nitriole C C R R C C R A
schiene F
Nucleophil (Nu) R-Nu
O H
HS- Hydrogensulfidion
Sulfoniumion I- Iodid R-I Iodal
Acetylid cetylen
Es gibt ver aktoren die den Ablauf der SN2-Reaktion bestimmen Zum einen
I-gt Br- gt Cl- gt F-
beeinflusst die Guumlte der Abgangsgruppe den Verlauf der Reaktion Dabei beguumlnstigen stabile Abgangsgruppen den Verlauf der Reaktion
R S OO
OR S O
O
OR S O
O
O
CO
OC
O
OC
O
O-
--
--
-
uszligerdem beeinflusst die Art des Nucleophils den Verlauf der SN2-Reaktion Dabei wird die Reaktion durch negativ geladene Nucleophile ohne sterische Hinderung beguumlnstigt
A
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 18 von 37
22 Die Monokulare Substitution SN1 Neben der bimolekularen Substitution kann bei Halogenalkanen noch eine weitere
ndash die monomolekulare Substitution iese Form der Substitution tritt allerdings bevorzugt bei sekundaumlr oder tertiaumlr
lten
Substituenten in eine Ebene und das zentrale
Form der nucleophilen Substitution auftretenDgebundenen Halogenen auf Bei der Monomolekularen Substitution wird zunaumlchst das Halogenidion abgespaund es bildet sich ein Carbeniumion Anschlieszligend bdquoklappenldquo die drei noch am Kohlenstoffatom verbliebenenKohlenstoffatom nimmt eine sp2-Hybridisierung ein Danach kann die Anlagerung des Nucleophils erfolgen
CH3
OH2
C Br
CH2CH2CH3CH2CH2
Br CCH3
CH2CH2CH3
CH2CH3
OH2
C
C3
OH CH2CH3
CH2CH2CH3
C
OH
CH3
CH2CH2CH3CH2CH3
-
(R)
+
(S)-Methyl-3-hexanal
InversionRetention
-HBr -HBr
(R)-3-Methyl-3-hexanal
+
2
H
Da das Carbeniumion eine sp -Hybridisierung aufweist kann bei der SN1-Reaktion eine vorder- und eine ruumlckseitige Anlagerung des Nucleophils erfolgen Das Energiediagramm einer solchen Reaktion sieht wie folgt aus E
C BrCH3
CH3
CH3
Br (CH3)3C(CH3)3 C OH BrH2O+ -+ ++ -
Die SN1-Reaktion laumluft im Allgemeinen schneller als die SN2-Reaktion ab Dazu ist es aber noumltig dass sich ein stabiles Carbeniumion ausbilden kann Die Stabilitaumlt des Carbeniumions haumlngt von den Substituenten ab Dabei gelten tertiaumlre Carbeniumionen als besonders stabil
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 19 von 37
C
CH3
CH3
CH3 C
H
CH3
CH3 C
H
H
CH3 C
H
H
H+ + + +
CH3tertiaumlr sekundaumlr primaumlr
+gt gt gt
Der Grund fuumlr die Stabilitaumlt der tertiaumlren Carbeniumionen ist der hyperkonjugative Effekt der Alkylgruppen Dabei bdquoverschiebenldquo die Alkylsubstituenten ihre Elektronendichte zum Kation
CHH
CCH2
CH2
CH2
H
H
+ +
Alkylsubstituenten schieben Elektronendichte zum Kation
H
H
Die folgende Tabelle soll einen kurzen Vergleich zwischen SN1- und SN2-Reaktion ziehen
Vergleich von S 2 und S 1 N NReaktionsparameter SN2 SN1 Struktur des Halogenids primaumlr selten
zyl Alkyl) haumlufig
(Bensekundaumlr manchmal anchmal mtertiaumlr selten haumlufig
Racemisierung Loumlsungsmittel olare
smittel verzoumlgert olare
e Loumlsungsmittel wird durch pLoumlsung
wird durch pprotischbeschleunigt
Nucleophil Anionische Nu beguumlnstigt schlechte Abgangsgruppe gute Abgangsgruppe
bevorzugt SN1 Erhoumlhung der NucleophDie Nucleophilie e
ilieines Nucle em Maszlige w n
erabgesetzt wird Eine Verminderung der Solvatation erreicht man durch Kronether
durch Kryptatbildung ophils steigt in d ie die Solvatatio
Stereochemie Inversion
andere Abgangsgruppe als Halogenides
bevorzugt SN2
h(engl crown) zB
O
O
O
O
OO
O
O OK
+
Y
12-Crown-418-Crown-6
Kryptat
O
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 20 von 37 Bezeichnung der Kronether Die Zahl vor bdquoCrownldquo gibt die Gesamtzahl der Ringatome die Zahl dahinter die Anzahl der Sauerstoffatome an In diesen Alkylkryptaten wird das Gegenion des Nucleophils K+ komplex gebunden auszligerdem findet in unpolaren organischen Loumlsungsmitteln in denen die Kryptatte loumlslich sind nur geringe Solvatation statt so dass das Nucleophil gewissermaszligen bdquonacktldquo vorliegt und dadurch seine volle nucleophile Kraft entfalten kann Kronether werden durch eine Williamsonrsquosche Ethersynthese dargestellt
OHO OCl O O40
O OH Cl O OO
O+
-HCl
O
18-Crown-6Triethylenglykol Triethylenglykoldicklorid
Beschleunigte nucleophile Substitution Die Nachbarschaftsgruppenbeteiligung von Y fuumlhrt zu einer beschleunigten nucleophilen Substitution und erklaumlrt durch zweimalige Inversion die Retention Das Elektronenpaar der Nachbargruppe Y kann ein ein freies Elektronenpaar (Hetereoatome) oder eine π-Bindung sein (Alkene Arene) in Einzelfaumlllen auch eine C-C-Bindung (2-Norbornylkation)
LGY| Y NuInversion|Nu
-+ Inversion
Y|
LG Abgangsgruppe-LG
-
23 SNi-Reaktion Unter dem SNi-Mechanismus versteht man eine innere nucleophile Substitution die nach einem internen SN2-Mechanismus ablaumluft und somit unter Beibehaltung der Konfiguration Ein typisches Beispiel ist der Austausch einer OH-Gruppe gegen Chlor mit SOCl2
COOH
HCOOH
COOH
O SCl
COOHH ClCl2
-SO2
R(-)-Chlorbernsteinsaumlure
H OH +SO
CH2
COOHCH2
O CH2
COOH
in Dioxan-HCl
R(+)-Aumlpfelsaumlure
Hierbei bleibt die Konfiguration erhalten da primaumlr der instabile Chlorsulfinsaumlureester gebildet wird und durch diese Bindung das Nucleophil von derselben Seite angreifen muss Dies fuumlhrt zur Retention Der SNi-Mechanismus ist jedoch stark loumlsungsmittelabhaumlngig denn fuumlhrt man dieselbe Reaktion in Pyridin durch so erhaumllt man 100 Waldenumkehr also SN2-Mechanismus
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 21 von 37 Der Grund hierfuumlr ist in der unterschiedlichen Basenstaumlrke zu sehen zwischen Dioxan und Oyridin Dioxan ist nur eine schwache Base
O
O
O
OH
+ HCl
+
Cl-
Das Gleichgewicht liegt weit auf der linken Seite wodurch das Nucleophil Cl- als HCl gebunden vorliegt Anders ist es dagegen in Pyridin
CR1
R2 OH CR1
R2 OSOClR1+SOCl2 PyrH+Cl-
R3 R3C
R3R2Cl
SN2+ - -
Hierbei greift das aus dem PyrH Cl stammende Nucleophil Cl in einer SN2-Reaktion den entstehenden Chlorsulfinsaumlureester von der Ruumlckseite her an was zur Konfigurationsumkehr fuumlhrt 24 Anwendungen
ubstitution von Halogeniden
siehe SN1 und SN2-Mechanismen saure Veretherung
Eine zweite Alkoholfunktion kann sich nun das enachbarte Kohlenstoffatom nucleophil angreifen Nach der Abspaltung eines
nes Protons erhaumllt man einen Ether
Herstellung von C-O-Bindungen S
Man kann bei Anwesenheit einer Saumlure [H2SO4] zwei Alkohole durch eine saure Veretherung in einen Ether uumlberfuumlhren Dabei wird zunaumlchst eine der Alkoholfunktionen protoniert bWassermolekuumlls und ei
CH3CH2OH
CH3CH2OH
CH3CH2 OH
H
CH3CH2OH
CH3CH2 O HCH3CH2
CH3CH2 O
H+ + -H2O +
++ H
+
CH3CH2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 22 von 37 Etherspaltung In Ethern kann die ROR-Gruppe in Anwesenheit einer Saumlure protoniert werden Im nachfolgenden Schritt erfolgt ein nucleophiler Angriff des Halogenid-Anions Man erhaumllt als Produkt ein Halogenalkan und ein Alkohol
CH3CH2OCH2CH3 CH3CH2 OCH2CH3
H
CH3CH2 OCH2CH3
H
H+
+
Dialkyloxonium-Ion
+Br +-
CH3CH2Br + HOCH2CH3
Williamson-Synthese
e
H3C-CH2-O-CH2-CH3 Diethylether
Ether Alkoyalkan R-O-R
O
Tetrahydrfuran(THF)
CH3 CH2 O Na Br CH2CH3 CH3 CH2 O CH2 CH3
- + +SN2
intermolekularNaBr+
den zuvor beschriebenen Kapiteln koumlnnen verschiedene eaktionsmechanismen zusammen wirken Ein bedeutendes Beispiel dafuumlr ist die
rung von Carbonsaumluren mit Alkoholen Dabei wird zunaumlchst ein Nucleophil an as Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe addiert Anschlieszligend erfolgt die
Da Alkohole schlechte Nucleophile sind muumlssen derartige Reaktionen durch Saumlure (meist Schwefelsaumlure) katalysiert werden Im ersten Schritt lagert sich das Proton an das nicht saure Sauerstoffatom an Diesfuumlhrt zu einer positiven Ladung am Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe Hierdurch wird nun der nucleophile Angriff des Alkohols beguumlnstigt Durch die Anlagerung eines weiteren Proton wird nun die schon einmal protonierte Hydroxygruppen ein weiteres
al protoniert und somit in eine gute Abgangsgruppe umgewandelt Nach der s Wassers wird die andere Hydroxygruppe deprotoniert und man erhaumllt
Veresterung Neben den in RVerestedAbspaltung des Carboxylsauerstoffatoms
mAbspaltung deeinen Ester als Reaktionsprodukt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 23 von 37
O
OH
O
OH
H
R C OH
Nu
C O
Nu HNu
R C
O
Nu
+
+ Nu
+
+- H-H2O
Mechanismus der Veresterung (Saumlure katalysiert)
R C R C- +
+ Nu + H -δ+
OH
R
OHH
R C
O H ++ H
H2O +
+
Substitution von Diazoniumsalzen Darstellung von Salpetrigsaumlureestern
CH2 OH
C2 OH
NO(-) CH2 O
CHCH2
OO
NNN
OOO
+H++ 3 H2OCH OH 2+
H
erstellung der C-S-Bindungen arstellung von Thiolen und Thioethern nalog der Williamsonrsquoschen Ethersynthese lassen sich auch Thioether darstellen
HDA
R Br R SH NaBrMercaptane
Na+ HS-+ +
ich jedoch aufgrund ihrer groumlszligeren den Alkoholen nur schlecht abfangen Thioethern weiterreagieren lassen
Dabei entstehen primaumlr Mercaptane die sucleophilie gegenuumlber den entsprechenN
lassen und sofort zu den entsprechenden
R1 SH R2 X R1 S R2 HXThioether
+Base
SN2+
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 24 von 37 Eine selektrive Herstellung von Mercaptanen durch nucleophile Substitution von
hioharnstoff-Methode Alkylhalogeniden erfolgt mit der T
NH2
CNH
NH2
SH
NH2
CO2 3
+
OH- H2O
2+
CNH2
S
RX CNH2
NH2
SR CNH2
NH2
SR CNH2
SR
s-Alkylthiuroniumsalze
++ +
iso-ThioharnstoffR SH NH+
Herstellung der C-N- Bindung Gabriel-Synthese Ein nichtreduktiver Zugang zu primaumlren Aminen geht von dem Anion von 2-Benzoldicarboximid (Phtalimid) aus dem cyclischen Imid der 12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure) Dieses Verfahren ist als Gabriel-Sysnthese bekannt Da das Stickstoffatom in 12-Benzoldicarboximid (Phtalamis) von zwei Carbonylfunktionen flankiert ist ist die NH-Gruppe ungewoumlhnlich acide (pKa = 83) staumlrker als ein gewoumlhnliches Amid (pKa = 15) Sie wird deshalb bereits von einer so milden Base wie dem Carbonat-Ion deprotoniert das entstehende Anion wird in guter Ausbeute alkyliert Durch saure Hydrolyse setzt man das Amin anschlieszligend als Ammoniumsalz frei Behandelt man dieses mit Base erhaumllt man das freie Amin
O
O
O
O
O
2OH
O
CH CH2NH3HSO4
O
O
O
O
CH CCH2NH2
+
NaOH H2O
+Na+
Na+
N-2-Propinyl-12-benzoldicarboximid (N-Propargylphtalimid)
2-Propinamin (Propargylamin)
wird bei waumlssriger Aufarbeitung entfernt
O
OH
OH
O
NH N K+NH3 300degC
-H2O
K2CO3 H2O
CH CCH2Br
N
O
CH CH CHOH
O
DMF 100degC-KBr
H2SO4 H2O 120degC+ -
12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure)
9712-Benzoldicarboximid (Phtalimid)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 25 von 37 Hinsberg-Reaktion Die Hinsberg-Reaktion bietet die Moumlglichkeit ausgehend von primaumlren Aminen gezielt sekundaumlre Amine herzustellen
R NH2 Cl ts R NH
ts R N ts
-HCl
acides H
KOH
-H2O
(-)
K(+)
R N ts
NR
Rts NH
R
RtsOK
(-)
K(+)+R-X
-KX
Verseifung
H2O
ts = Tosylat = CH3 SO2
Quarternisierung von Aminen Nitroalkanen Isonitrilen Herstellung von C-C-Bindungen Nitrilsynthese (nach Kolbe)
ogenide meist Methyliodid oder primaumlre Alkyliodide mit eim
mit tertiaumlren Alkylhalogeniden ndash erhaumllt man jedoch hauptsaumlchlich Isonitrile
Setzt man AlkylhalNatriumcyanid um so erhaumllt man hauptsaumlchlich die entsprechenden Cyanide BUmsatz von Silbercyanid ndash vor allem
CH3 I
CH3 CN
CH3 N C 7
Acetonitril
Methylisonitril
SN2-artig
+NaCN -NaI
SN1-artig
+AgCN -AgI
er Grund fuumlr dieses Reaktionsverhalten liegt darin dass das Silber-Kation die unterstuumltzt In einer SN1-seinem
lektronegativsten Atom an im Falle der Kolbersquoschen Nitrilsynthese mit dem N-Atom ieser SN1-artige Verlauf fuumlhrt somit zu Isonitrilen at die Reaktion jedoch mehr bimolekularen Charakter so greift das ambidente CN(-) evorzugt mit dem weniger elektronegativeren dafuumlr mehr polarisierbaren Atom an ies fuumlhrt zur Bildung von Nitrilen ie Verhaumlltnisse beim CN(-) sind denen des NO2
(-) aumlhnlich Das Wesentliche ist dabei er SN1- bzw SN2-Charakter der Reaktion Dieser Charakter laumlsst sich durch die
oumlsungsmittelwahl bzw Kryptat-Einfluss in eine
DBildung eines Carbenium-Ions foumlrdert und die SN1-Reaktion rtigen Reaktion greift jedoch das ambidente Nucleophil mit a
eDHbDDdWahl des Nucleophils und durch Lbestimmte Richtung lenken
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 26 von 37 Darstellung von Alkinen Alkine koumlnnen aus anderen Alkinen erhalten werden durch Reaktion terminaler Alkinyl-Anionen mit alkylierenden Reagenzien wie primaumlren Halogenalkanen
xacyclopropanen Aldehyden und Ketonen Wie wir wissen werden solche Anionen aus terminalen Alkinen durch Deprotonierung mit starken Basen meist Alkyllithium-Verbidnungen Natriumamid in fluumlssigem Ammoniak oder Grignard-Reagenzien gewonnen Die Alkylierung mit primaumlren Halogenalkanen erfolgt uumlblicherweise in fluumlssigem Ammoniak oder Ethern Diese Loumlsungsmittel enthalten bisweilen 12-Ethandiamin H2NCH2CH2NH2 NNNrsquoNrsquo-Tetramethyl-12-ethandiamin (TMEDA) (CH3)2NCH2CH2N(CH3)2 oder HMPT als Cosolventien um die Nucleophilie des Anions zu erhoumlhen
O
CH3C CH CH3C C24
(-) (+)Na CH3C
NaNH2 fl NH3
-NH2H
CH3I
-NaI75
CCH3
2-Butin
C36
CH C44
CCH2CH2CH31 CH3CH2CH2CH2CH2Li THF H2NCH2CH2NH22 CH3CH2CH2Br
n
-LiBr85
1-Pentinylcyclohexa
enz
Alkylierung von Ketonen Die konjugierte Addition gefolgt von einer Alkylierung stellt eine nuumltzliche Sequzur αβ-Dialkylierung undgesaumlttigter Carbonylverbindungen
CO
1 R2CuLi
C C C C CR R
O O OBeispiel
1 (CH CH
O2 RX
CH3
CH CH2CH2CH3
CH3
CH2CH2CH2CH3
3 2CH2CH2)2CuLi THF2 CH3I +
84 4 1 trans- und cis-3-Butyl-2-methylcyclohexanon
2
itionGewoumlhnliche Grignard-Verbindungen reagieren mit αβ-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen in einer 12-Add einer 14-Addition oder beiden Weegen je nach Struktur Reaktionsbedingungen und reagierenden Verbindungen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 27 von 37 β-Dicarbonylverbindungen
laisen-Kondensationen fuumlhren zu β-Dicarbonylverbindungen Ethylacetat reagiert en Natriumethoxid zu Ethyl-3-oxobutanoat
Cmit stoumlchiometrischen Meng(Ethylacetacetat Acetessigester)
CH3 C2
OO
CH2CH3CH3 C
7O
OCH2CH3 CH3 C
12
OCH2
C16
OO
CH2CH3+Na+-OCH2CH3 CH3CH2OH
-CH3CH2OHEthylacetat Ethyl-3-oxobutanoat
(Ethylacetacetat) Die Claisen-Kondensation beginnt mit der Bildung eines Esterenolat-Ions Durch eine Additions-Eliminierungs-Reaktion an die Carbonylgruppe eines anderen Estermolekuumlls entsteht ein 3-Ketoester Diese Schritte sind reversibel und der geamte Vorgang ist bis zu dieser Stufe endotherm Besonders unguumlnstig ist die Deprotonierung des Esters (pKa = 25) durch Ethoxid (pKa von Ethanol = 159) Das Gleichgewicht ist trotzdem zum Produkt verschoben da die Basde den 3-Ketoester (pKa = 11) an C2 praktisch irreversibel deprotoniert Bei der Aufarbeitung mit waumlssriger Saumlure wird die konjugierte Base des Produkts protoniert womit der Prozess abgeschlossen ist
CH3 C21
O CH2CH3 Na+ CH2 C
27 OCH2CH3
CH2 C32
O
OCH2CH3
+ CH3CH2OH
O O(-)
(-)Bildung des Esterenolats
Na+-OCH2CH3
CH3 C37
OO
CH2CH3CH2 C
42O
OCH2CH3
(-)CH3 C
48OCH2CH3
O
CH2
C52
OCH2CH3
O
+
Eliminierung
Nucleophile Addition
CH3 C56
OCH2CH3
O
CH2
C60
OCH2CH3
O
CH3 C64
CH2
C66
OCH2CH3
O O
+ -OCH2CH3
Ketoester
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 28 von 37
CH3 C71
CH2
C73
OCH2CH3
O O
CH3 C78
CH C80
OCH2CH3
O O
CH3 C92
CH
C94
OCH2CH3
O OCH3 C
99CH
C101
OCH2CH3
O O(-)
CH3 C85
CH2
C87
OCH2CH3
O O
Deprtotonierung
+ -OCH2CH3
sauer pKa = 11
+CH3CH2OH
CH3 CCHO
COCH2CH3
O(-)CH3 CCH2
OCOCH2CH3
O
Protonierung bei der waumlssrigen Aufarbeitung
H+ H2O
Zur Vermeidung einer Umesterung sollten sich das Alkoxid und der Ester von demselben Alkohol ableiten lassen Malonestersynthese Mit der Malonester-Synthese erhaumllt man Carbonsaumluren Diethylpropandioat (Malonsaumlureester) ist ein gutes Ausgangsmaterial zur Darstellung 2-substituierter oder 22-disubstituierter Carbonsaumluren in einem Verfahren das man Malonestersynthese nennt
CH3 CH2
O C CH2
OCO
O CH2
CH3CH3 C
H2
O C CO
CO
O CH2
CH3
R
R
CR
RH COOH
22-disubstituierte Carbonsaumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 29 von 37 α β-ungesaumlttigte Ketone Bei α- β-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen tritt neben der 12-Verknuumlfung auch 14-Verknuumlpfung bei der Pinakol-Reaktion auf
CH2 CH
CH
O CH2 CH
CH
CH
CH
CH2
OH OH
12-Verknuumlpfung
2Zn
Ethanol 0degC
68
O O On
O O
2
14-Verknuumlpfung
+ e(-)
(-) (-)
lkylierung von Cupraten alten Doppelbindungen an denen einfache Alkylgruppen
ebunden sind Im Prinzip koumlnnen diese Verbindungen aus organometallischen
zien RLi bzw RMgX im allgemeinen icht mit Halogenalkanen Es gibt aber einen anderen Typ organometallischer
Reagenzien die Organocuprate die hier sehr effektiv wirken Organocuprate besitzen die stoumlchiometrische Zusammensetzung R2CuLi und koumlnnen direkt durch Addition zweier Aumlquivalente einer Organolithium-Verbidnung an ein Aumlquevalent Kupferiodid CuI dargestellt werden Beispiel
AViele wichtige Molekuumlle enthgReagenzien durch direkte Alkylierung gewonnen werden Ungluumlcklicherweise reagieren Organolithium- oder Grignard-Reagenn
CH2 CHLi CuI (CH2=CH)2CuLi LiI+ +Ethenyllithium Lithiumdiethenylcuprat
(ein Organocuprat-Reagenz) Lthiumcuprate reagieren mit Halogenalkanen in sogenannten Kupplungsreaktionen unter Bildung substituierter Alkene Primaumlre Iodide sind dazu am besten geeignet aber auch andere primaumlre und sekundaumlre Halogenalkane geben befriedigende Resultate
R2CuLi RX R R LiX+ +
CCH3
CH
C17
CH3
HC20
HC
23
CH3
HC26
H
CH2(CH2)6CH3
1 Li(CH3CH2)2O2 CuI CuLi
CH3(CH2)6CH2IHMPT
11H 14 Cl2
Lithium-bis(trans-1-propenyl)cuprat90
trans-2-Undecen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 30 von 37 Herstellung von C-X-Bindungen Veresterung von Alkoholen mit Mineralsaumluren
Finkelsteinreaktion (RF-Verbindungen mit Krypat-Unterstuumltzung) Bei der Finkelstein-Reaktion handelt es sich um eine nucleophile Halogenid-Austausch-Reaktion zur Synthese von Iodiden und Fluoriden aus Bromiden und Chloriden zB
R X NaI R I NaX+Aceton
+ X = Cl Br
SN2
Eine Komponente der Triebkraft dieser Reaktion hat physikalische Ursachen die n und sekundaumlren
lkylhalogeniden unguumlnstige Lage der Gleichgewichte fuumlr eine SN2-Reaktion Loumlslichkeit Bei dieser Reaktion wird die bei tertiaumlreA
R X I I R X
I R X=
++
urch physikalisch-chemische Effekte beguumlnstigt naumlmlich dadurch dass NaBr und aCl in Aceton schlecht loumlslich sind und ausfallen Dadurch werden die leichgewichte irreversibel verschoben und die Reaktion verlaumluft somit im ewuumlnschten Sinne
eispiel
dNGg B
C16
CH3 CH
Br 223 Hin Aceton
CH3
CCHCH3
C I+NaI + NaBr
CH32 CH3
2SN2
Es findet keine Neophenylumlagerung statt das heiszligt dass keine SN1-Reaktion stattfindet In einer Variante der Finkelstein-Reaktion wird der Tosylat-Rest gegen Halogenid ausgetascht Ansonsten aber arbeitet man nach dem gleichen Prinzip
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 31 von 37
30 Elektrophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom
Am alipatischen C-Atom sind elektrophile Substitutionen moumlglich wenn die C-X-Bindung so polarisiert ist dass das C-Atom eine negative und die Abgangsgruppe
s der ilen
tion Man kann jedoch zwischen folgenden Mechanismen nterscheiden
1 SE1 analog SN2 (Racemisierung)
2 SE2-back analog SN2 (Inversion)
3 S 2-front analog S i (Retention)
analog S i (Retention)
31 SE1-Reaktion
ierbei handelt es sich um eine Reaktion erster Ordnung die zweistufig verlaumluft
eine positive Ladung traumlgt Diese Voraussetzungen sind vor allem bei metallorganischen und CH-aciden Verbindungen erfuumlllt Der Mechanismuelektrophilen alipathischen Substitution ist nicht so klar wie der der nucleophaliphatischen Substituu
E N
4 S i E N
H
langsamR X R
R Y+ R Y+
Geeignete Loumlsungsmittel fuumlr SE1-Reaktionen sind Dimethylformamid (DMF) undHexamethylphosphorsaumluretriamid (HMPA)
O N(CH3)2
HN(CH3)2
POH3)2
N(CH3)2
HMPA
N(CDMF
Stereochemie der SE1-Reaktion
Die Stereochemie von SE1-Reaktionen verlaumluft nicht einheitlich Im Allgemeinen isch aktive Verbindungen einsetzt Dies
kann zwei Ursachen haben 1 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist
ufig der Fall wenn es sich um mesomeriestabilisierte
2 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist pyramidal gebaut kann jedoch seine Struktur nicht halten (vergleichbar dem schnellen Durchschwingen von unsymmetrisch substituierten Aminen)
findet man Racematisierung wenn man opt
planar Dies ist hauml
Carbanionen handelt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 32 von 37 In Ausnahmefaumlllen kann jedoch auch bei planaren (mesomeristabilisierCarbanionen je nach Wahl des Loumls
ten) ungsmittel Inversion Retention oder
Racemisierung auftreten was durch unterschiedliche Solvatationseffekte erklaumlrt wird Beispiel fuumlr eine S 1-Reaktion E
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
HgBrRacemat
langsam
(-)+ HgBr+
+HgBr2
-HgB 2
rHgBr
Hg = isotopenmarkiertes Hg
32 S 2-ReaktionE E
eaktionen sind bimolekular Beide Mechanismus verglichen werden
Y
und S i-Reaktion
SE2 und SEi-R anisund SNi-Mech
men koumlnnen mit dem SN2-
C47
Y X
SE2 (back) nfalls um einen Frontangriff unter
C C X29
X C35
Y
X
41
SE2 (front)
Beim SEi ndashMechanismus handelt es sich ebeRetention
Y zY z
C53 X C60 XSEi
Die Bildung cyclischer Uumlbergangszustaumlnde die 4- oder 6-gliedrig sein koumlnnen foumlrdert die Losloumlsung der Abgangsgruppe Stereochemie von SE2-Reaktionen und von SEi-Reaktionen
Fuumlr die h den nucleuphilen Substitutionen von Be
8 Valenzelektronen haumltte Da nun zwischen den beiden Elektronenwolken Coulomb-Abstoszligung auftritt erfolgt der Angriff des Nucleophils gezwungenermaszligen von der Ruumlckseite des Molekuumlls Die Folge ist Inversion Anders ist es dagegen beim SE2- und Sei-Mechanismus Das angreifende Elektrophil besitzt nur ein leeres Orbital und somit ist sowohl der Front- als auch der
angriff unter Inversion verlaumluft laumlsst die Stereochemie der SE-Reaktion nur schwer Ruumlckschluumlsse auf den Mechanismus zu
Stereoc emie ist folgender Unterschied zu deutung
Bei SN-Reaktionen bringt das angreifende Nucleophil ein Elektronenpaar mit Daher muss die Abgangsgruppe bei der Neubildung der Bindung ein Elektronenpaar mitnehmen da sonst das C-Atom mehr als
Ruumlckseiten-Angriff moumlglich Da der Frontangriff unter Retention der Ruumlckseiten
Skript zum 2 OC-Kolloquium
33 Anwendungen
reu
Seite 33 von 37
Herstellung einfacher metallorganischer Verbindungen
etall-H-Austausch
aumluren betrachtet werden Dabei nimmt die H-Aciditaumlt mit zunehmendem s-Charakter der Hybridisierung zu
sp CH3 CH3
M C-H-Verbindungen koumlnnen als schwache SC Hybridisierung
3Saumlure konjugierte Base pKa-W
sp2
CH3 CH2 Zunahme der
sp
2 2
CH CH
CH2 CH
CH C15(-)
25
Aciditaumlt
Da eine staumlrkere Saumlu
ert 42
365
(-)
CH CH (-)
re eine schwaumlchere aus ihrem Salz vertreibt reagiert eine konjugierte Base mit jeder Saumlure die in der Tabelle unter ihr steht Elektronegative Gruppen an Aromaten wirken acidifizierend Beispiele
HC H Na
NaC2H6
Li H
+
pKa 42schwaumlchere Saumlure
Pentan
pKa 37schwaumlchere Saumlu
pKa 35 staumlkere Sauml re
+ Pentan +
schwaumlchere Saumlure
2 5+pKa 37 staumlkere Saumlure
Na CH3 H CH2Na
+ Pentan +
H H H LipKa 37pKa 23
staumlkere Saumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 2 von 37 c) Azo-bis-isobuyronitril (AIBN)
CH3
CH3 N NCH3
CH3
CN CN
C CH3
CH3
CN
80-100degC 2 + N2
t12 bei 100degC 5 min
Exkurs Darstellung von AIBN
CH3 CH3
O
NN
CH3 CH3
CH3CH3
CN
CN
CH3
CH3 NH
NH
CH3
CH3
CN CN
CH3
CH3 N NCH3
CH3
CN CN
2H2N-NH2
- 2 H2O
HCN
-
- HgO[Ox]
122 Photolyse Planck-Einstein
][1012 4
nmchhE
λλυ sdot
asympsdot
=sdot=
400nm ca 300kJmol 300nm ca 400kJmol 200nm ca 600kJmol hinreichend Energie rarr Homolyse so genannte Norrish-TypI-Spaltung
R CH3
O
R CH3
O
R
C 100
OCH3
h ν
290-350nm
angeregterZustand
+ + COR
123 Radiolyse
Elektronenstrahlen rarr γ-Strahlen
R-Rrsquo + e- R-Rrsquobull Energiekinet rarr + + 2e- rarr Rbull + R+
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 3 von 37
124 Redoxreaktionen
a) Einelektronen-Reduktion-Reagenzien
H2O2 + Fe2+ rarr HObull + OH- + Fe3+ (Fentonrsquos Reagenz)
b) Einelektronen-Oxidations-Reagenzien
CH3CH2Co3+ + Co2+ + H+ +
c) Elektrochemische Verfahren bdquoKolbe-Elektrolyseldquo
RO
OR
O
O- e-
Produkte
13 Stabilitaumlt von Radikalen
Man unterscheidet bei der Stabilisierung von Radikalen zwischen elektronischen und sterischen Effekten Die Stabilisierung eines Radikals fuumlhrt zu einer Verringerung der Reaktivitaumlt und zu einer houmlheren Selektivitaumlt bei Radikalreaktionen Radikale werden durch ihre Substituenten stabilisiert Ein positiver induktiver Effekt der Substituenten fuumlhrt zu einer houmlheren Elektronendichte am Radikal-Atom und stabilisiert somit das Radikal
CH3CH3 CH2
CH3 CHCH3
C 7CH3
CH3
CH3
lt lt lt
primaumlr sekundaumlr tertiaumlr Ein weiterer stabilisierender Effekt ist die so genannte Hyperkonjugation Dabei gibt es eine Wechselwirkung zwischen der σC-H-Bindung und dem 2pz-Orbital Diese Wechselwirkung kann jedoch nur auftreten wenn die σC-H-Bindung und das 2pz-Orbital in einer Ebene stehen
C1
H
H
HC5
CH2
CH2
CH2
HH
H
+ +
Alkylsubstituenten schieben Elektronendichte zum Kation
Von wesentlich groumlszligerer Bedeutung als die bisher erwaumlhnten Effekte sind Mesomerie-Effekte Dabei kann der Elektronenmangel auf ein π-Elektronensystem
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 4 von 37 ausgeweitet werden und das Radikal wird mit zunehmender Delokalisation des Elektronenmagels stabiler
CH2 CH CH2
CH2
lt
Allyl Benzyl
Dieser Effekt kann allerdings nur eintreten wenn das Orbital indem sich das ungepaarte Elektron befindet parallel zu den p-Orbitalen des π-Elektronensystem ausgerichtet ist Aus diesem Grund ist auch verstaumlndlich warum Vinyl- und Phenyl-Radikale keine Mesomeriestabilisierung erfahren (hier wuumlrde das bdquoRadikal-Orbitalldquo orthogonal zum π-Elektronensystem stehen) Radikale koumlnnen jedoch auch wie schon erwaumlhnt durch sterische Hinderung stabilisiert werden Ein Beispiel hierfuumlr ist das Gomberg- oder Trityl-Radikal welches in Benzol zu 23 vorliegt
C
Triphenylradikal (Gomberg-Radikal) weitere sterisch stabilisierte Radikale
CHO O
Galvinoxyl-Radikal
OAroxylradikal
NO2NN
O2N
O2N
N+
NN
O2N
O2N
O
O
DPPH (= Diphenylpikrylhydrazyl-Radikal) oder Goldschmidts Radikal (violett)
λmax= 520nm
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 5 von 37
14 Reaktionen von Radikalen Radikale koumlnnen auf verschiedenste Weisen reagieren
a) Reaktion zweier Radikale unter Verlust der radikalischen Eigenschaften Rekombination
CH2 CH2
CH2
2[19]
Disproportionierung
C CH3
CH3CH3
CCH3
CH2CH3
CHCH3
CH3CH3
2 +[110]
b) Uumlbertragung der Radikaleigenschaften Dabei unterscheidet man
Isomerisierung Addition und Abspaltung von Atomen und Gruppierungen durch Radikale
- Zersetzung oder Isomerisierung von Radikalen
O
O CO2+
[111] - Addition von Radikalen an Mehrfachbindungen
Br CH2 CH2
Br CH2
CH2+[112]
- Abspaltung von Atomen oder Gruppierungen durch Radikale
R H Cl R H Cl+ + [113] Die meisten Radikale sind sehr reaktionsfaumlhig Sie liegen daher nur in niedrigen Konzentrationen vor und haben eine sehr geringe Lebensdauer (lt10-3 sec) In Anwesenheit eines geeigneten Reaktionspartners (unter Umstaumlnden auch das Loumlsungsmittel) reagieren sie unter Addition [112] beziehungsweise Substitution [13] Ihre Selbstreaktionen koumlnnen unter Rekombination [19] oder Disproportionierung [110] ablaufen Diese Reaktionen sind jedoch nur als Kettenabruchsreaktionen von Bedeutung Reaktivitaumlt und Selektivitaumlt bei radikalischen Substitutionen Radikalische Substitutionsreaktionen sind im Allgemeinen dann durchfuumlhrbar wenn ihr Verlauf zu einem Energiegewinn fuumlhrt (exotherme Reaktion dh die Summe der Reaktionsenthalpien muss negativ sein) So kann beispielsweise ein Chlorradikal an einer C-H-Bindung unter Bildung der stabileren H-Cl-Bindung angreifen Bei Iod ist dies nicht der Fall daher wirkt Iod als Inhibitor
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 6 von 37
R I I R I I
R H I H I R
+ +
+ + Aus Bestimmungen der Geschwindigkeitskonstanten ist die folgende Reaktivitaumltsreihe fuumlr Radikale gefunden worden
Fbull gt HObull gt Clbull gt bullCH3 gt Brbull gt ROObull Inhibitoren Eine Substanz die eine Reaktion hemmt oder abbricht selbst wenn sie nur in kleinen Mengen vorhanden ist nennt man Inhibitor Die Zeitspanne waumlhrend deren ein Inhibitor wirkt und nach der die Reaktion mit normaler Geschwindigkeit ablaumluft wird als Inhibitionszeit bezeichnet Beispiel
CH3bull + O2 rarr CH3-O-Obull Einfluss von Loumlsungsmitteln und Temperaturabhaumlngigkeit von Radikalreaktionen Durch eine Erhoumlhung der Temperatur nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit einer exothermen Reaktion ab Bei Radikalreaktionen fuumlhrt eine Erhoumlhung der Temperatur zu einer Verminderung der Selektrivitaumlt der Reaktion so dass bei einer ausreichend hohen Temperatur das Verhaumlltnis der Abstraktion eines primaumlren sekundaumlren oder tertiaumlren Wasserstoffatoms 111 betraumlgt Fuumlr eine Radikalreaktion eignen sich besonders polare Loumlsungsmittel da diese das Radikal durch Solvatisierung stabilisieren Dies kann jedoch zu einer verringerten Reaktionsgeschwindigkeit fuumlhren
15 Nachweis von Radikalen Ein fuumlr die Bestimmung der Lebensdauer von Radikalen wichtiges Experiment ist das von Paneth und Hofeditz 1929 durchgefuumlhrte Experiment
Kuumlhlung
6 mm
40 cm
PbMe4 2 Torr 12 msec-1
Pb-SpiegelPb-Spiegel
Pb(CH3)4
∆Pb + 4 CH3
Lebensdauer von CH3 = 10-3 sec
Abb Paneth-Hofeditz-Versuch
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 7 von 37 Bei diesem Experiment konnte die Lebensdauer von Methyl-Radikalen bestimmt werden Auszligerdem kann die Anwesenheit von Radikalen durch den Transport des Pb-Spiegels gezeigt werden Eine andere bedeutende Methode zum Nachweis von Radikalen ist die Elektronenspinnresonan-Spektroskopie (ESR) Die Messmethode ist Vergleichbar mit der NMR-Spektroskopie und anhand der so erhaltenen Spektren ist die elektronische Konfiguration der untersuchten Molekuumlle erkennbar Von groszliger Bedeutung sind Radikalfaumlnger (Inhibitoren) zum nachweis von Radikalen Ein Beispiel dafuumlr ist das Hydrochinon
OH
OH
O
OH
O
O
O
O
O
O
OR
OR
R + - RH
R
- RH
+ 2 R
Weitere wichtige Radikalfaumlnger sind die Vitamine C und E (Antioxidanzien)
16 Anwendungen Wurtzrsquosche Synthese
Bildung von Kohlenwasserstoffen aus Alkylhalogeniden und Natrium
2 RX + 2Na R-R + 2 NaX
Die Reaktion wird zur Darstellung houmlherer Alkane verwendet Wird von 2 verschiedenen Alkylhalogeniden ausgegangen entsteht ein Kohlenwasserstoffgemisch Alkyliodide reagieren leichter als Bromide oder Chloride
Wurtz-Grignard-Reaktion
R-Mg-X + RX R-R + MgX2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 8 von 37 Pinakol-Reaktion
Aldehyde und Ketone gehen mit Metallen eine Ein-Elektronen-Reduktion ein die zur Ausbildung einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung zwischen zwei Carbonyl-Kohlenstoffatomen fuumlhrt So ergibt sich beispielsweise in Benzol bei Zugabe von Magnesium zu Aceton (Propanon) nach waumlssriger Aufarbeitung 23-Dimethylbutan-23-diol
Der Mechanismus der Pinakol-Kopplung verlaumluft uumlber Ein-Elektronen-Uumlbertragungsschritte Anfangs nimmt die Carbonylgruppe unter Bildung eines Radikal-Anions ein Elektron auf Anschlieszligend kombinieren zwei solcher Radikal-Anionen unter Bildung eines Dianions welches bei der waumlssrigen Aufarbeitung protoniert wird
Acyloin-Kondensation Die α-Hydroxyketone oder Acyloine sind leicht durch Acyloin-Kondensation von Estern zugaumlnglich Im Prinzip handelt es sich bei der Reaktion eher um eine reduktive Dimerisierung welche vergleichbar mit der Pinakol-Reaktion ist Erhitzt man elementares Natrium zusammen mit einem Ester in Diethylether oder Benzol und anschlieszligender waumlssriger Aufarbeitung erfolgt eine reduktive Kupplung bei der das entsprechende α-Hydroxyketon entsteht
R O RO
R O RO
R O RO
R RO O
OROR
R RO O
R RO O
R RO O
R ROH OH
R RO OH
H
+
Na
Na+
Dimerisierung
Na+ Na+
- 2Na+ OR-
++
2 NaNa+ Na+
Endiolat
2 H2O
- 2 NaOHEndiol
Acyloin
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 9 von 37 Der Mechanismus verlaumluft wahrscheinlich in aumlhnlicher Weise wie der der Pinakol-Reaktion Im ersten Schritt wird der Ester durch Uumlbertragung eines Elektrons vom Metallatom zu einem Radikal-Anion reduziert Das so entstandene Radikalanion dimerisiert zum Dianion des entsprechenden Diols Bei der Acyloin-Kondensation kann nun das Dianion zwei Alkoxid-Ionen unter Bildung eines α-Diketons abspalten Nach weiterer Reduktion durch Uumlbertragung zweier Elektronen bildet sich ein Endiolat Die waumlssrige Aufarbeitung ergibt dann uumlber eine Zwischenstufe des Endiols das α-Hydroxyketon Kolbe-Elektrolyse Bei der Kolbe-Elektrolyse wird das Elektron durch anodische Oxidation abgespalten Die entstandenen Radikale dimerisieren zu einem Alkan
RO
OR
O
O- e- R + CO2
radikalische Polymerisation
CH2 CH2
R O O RCH2 CH2
R O O R R O
R O CH2 CH2RO CH2 CH2
RO CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2
CH2
H
CH3
CH2 CH2
CH3CH2CH2
1000atmgt 100degC
2
∆21)
2)
3)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 10 von 37 HX-Addition an C=C-Doppelbindungen Setzt man frisch destilliertes 1-Buten mit Bromwasserstoff um wird entsprechend der Markownikow-Regel Addition 2-Brombutan beobachtet In Gegenwart von Sauerstoff beobachtet man jedoch die Bildung von 1-Brombutan das ein anti-Markownikow-Produkt darstellt Der Grund fuumlr diese Beobachtung ist dass die Anwesenheit des Sauerstoffs zur Peroxiden ROOR fuumlhrt und der Reaktionsmechanismus somit als Radikalreaktion ablaumluft Man spricht in diesem Zusammenhang auch vom Peroxid-Effekt Der Mechanismus laumlsst sich wie folgt beschreiben
R O O R R O
R O R O H Br
Initiation∆
2
+ HBr∆
+
C CH2
H
CH2CH3
Br
CH3 CH2
CH
CH2
BrH
Br
Kettenwachstum
+ CH3CH2CH-CH2Brsekundaumlres Radikal
CH3CH2CH-CH2Br + HBr +
Br
CH3 CH2
CH
CH2
Br
CH
CH2
BrCH2
CH3
Kettenabbruch
2 Br2
CH3CH2CH-CH2Br2
Halogenierung von Alkanen (Radikalkettenreaktion) Von groszliger technischer Bedeutung sind radikale Kettenreaktionen Formal wird eine Radikalkettenreaktion in 3 Teilschritte eingeteilt Im Folgenden wird der radikalischen Kettenreaktion anhand der Chlorierung von Methan betrachtet Die Reaktionsprodukte der radikalischen Halogenierung sind Chlormethan und Chlorwasserstoff sowie Nebenprodukte in sehr geringen Mengen
Cl ClH3 C H H3 C Cl H ClLichtWaumlrme+ +
440 kJmol 243 kJmol 356 kJmol 431 kJmol
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 11 von 37 ∆Hdeg= ((440 + 243) ndash (356 + 431)) kJmol = -104 kJmol (exotherm) Die radikale Kettenreaktion wird gestartet durch die Spaltung eines Chlormolekuumlls durch Waumlrmezufuhr oder Lichteinfall Kettenstart
Cl Cl Cl hν 2 ∆Hdeg= 243 kJmol
Im zweiten Schritt greift das Chlorradikal das Methanmolekuumll an Dabei wird eine der Wasserstoff-Kohlenstoffbindungen des Methans homolytisch gespalten und man erhaumllt Chlorwasserstoff sowie ein Methylradikal Wasserstoffabspaltung (1 Kettenfortpflanzung)
Cl CH
HH
H C H
HH
+ HCl +
440 kJmol 431 kJmol ∆Hdeg= + 9 kJmol
C
HH
H
H ClC 1
HH
H
C
H H
H
H Cl
Lappen waumlchst
+ H Cl
Im anschlieszligenden Reaktionsschritt greift nun das Methylradikal ein Chlormolekuumll an und unter homolytischer Spaltung der Chlor-Chlorbindung entsteht Chlormethan sowie ein Chlorradikal welches wiederum im vorhergehenden Schritt mit einem Methanmolekuumll reagieren kann Chlorierung des Methans (2 Kettenfortpflanzung)
C H
HH
Cl Cl CH
HH
Cl Cl + +
243 kJmol 356 kJmol
in 2
∆Hdeg= -113 kJmol
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 12 von 37 Zu Ende der Kettenreaktion findet eine Rekombination der verschiedenen Radikale statt und man erhaumllt ein Chlormolekuumll ein Ethanmolekuumll oder ein Chlormethanmolekuumll als Produkt Kettenabruchreaktion
Clmiddot + Clmiddot rarr Cl-Cl middotCH3 + middot CH3 rarr H3C-CH3
middotCH3 + Clmiddot rarr H3C-Cl Die radikale Kettenreaktion verlaumluft uumlber eine Zwischenstufe sowie zwei Uumlbergangszustaumlnde welche in dem folgenden Energiediagramm zu erkennen sind E
[H3C H Cl]ne
[H3C Cl Cl]ne
Uumlbergangszustand
CH3 + Cl2 + HCl
Zwischenstufe
CH4 + Cl + Cl2
Reaktionskinetik
Abb Energiediagramm Die radikalische Chlorierung von Methan kann durch weitere Substitutionen von Wasserstoffatomen durch Chloratome weiter bis zum Tetrachlormethan gefuumlhrt werden
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 13 von 37 Ziegler-Wohl-Bromierung
enen in der Allylstellung mit N-Bromsuccinimid ei 0degC
ittel welches die C=C-Doppelbindung nicht
BS N-Bromsuccinimid
Selektive Bromierung von AlkN-Bromsuccinimid NBS entsteht durch Einwirkung von Brom auf Succinimid bin Gegenwart von Natriumhdroxid NBS ist ein selektives Bromierungsmangreift N
N
O
O
Br N
O
O
Br
tart
Licht oderPeroxide +
S
Br CH3 CH
CH2CH2 C
HCH2
BrH
CH2 CH
CH2 Br2 CH2
CH
CH2
BrBr
N
O
O
Br BrH N
O
O
H Br2
Kette
+ +
+ +
+ +
niedrige-Konzentrationenvon Br2Solvens CCl4
Die alpha staumlndige Methylengruppe wird rascher bromiert als die Me hylgruppe
andmeyer-Reaktion us der Sandmeyer-Reaktion ist noch nicht geklaumlrt Die
t SDer genaue MechanismReaktion verlaumluft aber vermutlich uumlber zwei radikalische Zwischenstufen
CH3
NH2
CH3
N2
CH3
ClHCl NaNO2 0degC
+Cl-CuCl 60degC
+ N2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 14 von 37 Autoxidation
ther ER2CH OR O2 R2C OR R2C OR
O O
R2C ORO O H
+
Aldehyde
C6H5 C7
HO
O2 C6H5 C12
O
H O O
C6H5 C19
OO2 C6H5 C
23
OO O
C6H5 C28
OO O C6H5 C
33H
OC6H5 C
37
OO O H C6H5 C43
O
C6H5 C47
OO O H C6H5 C
53H
OC6H5 C
57
OO H
+ +
+
+ +
+ 2
ock-Verfahren H
C HC6H5
3
CH3
O2 C OC6H5
CH3
CH3
O HH
+
C6H5 OH CCH3
CH3
O+
CH
racken en von langkettigen Alkanen wird als Cracken bezeichnet Derartige
eine
isch aus hunderten verschiedener Alkane Der groumlszligte Teil wird
it l)
s Benzin zu erhalten werden laumlngerkettige Kohlenwasserstoffe durch rs
ende Radikale
CDas ZerlegProzesse spielen in der Erdoumllindustrie bei der Darstellung von Benzin aus Erdoumll wichtige Rolle Erdoumll ist ein Gemdurch langkettige wenig verzweigte Alkane gebildet Ein kleiner Teil besteht aus aromatischen Verbindungen Benzin ist ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen meiner Laumlnge von 4-12 Kohlenstoffatomen und ist in Erdoumll bis zu 30 (Volumenanteienthalten Um weiterefraktionierte Destillation abgetrennt und bei 500degC in Gegenwart eines Katalysato(Wolfram oder Nickel auf einer SiO2-Al2O3-Oberflaumlche) pyrolysiert Die Reaktion findet in einer Wasserstoffatmosphaumlre statt um entstehmit Wasserstoffatomen abfangen zu koumlnnen Auszligerdem koumlnnen Alkene zu AlkanenStickstoffhaltige Verbindungen zu NH3 und Schwefelhaltige Verbindungen zu H2S hydriert werden Man erhaumllt nach dem Cracken Erdoumll mit einem Benzin Anteil von 50
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 15 von 37
CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3
C HH
HC C C C C
H
H
H
H
H
H
H
H
H
HH
C C HH
H
H
HC C C C H
HH
H H H
H H H
+
+
Pyrolyse von Hexan
C C C H
H
H
HH
H
H2
20 Nucleophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom Bei einer Nucleophilen Substitution wird eine Abgangsgruppe unter hetereolytischer Spaltung der Bindung gegen ein Nucleophil ausgetauscht Nucleophile sind neutrale Teilchen oder Anionen welche mindestens ein freies Elektronenpaar aufweisen Gute Nucleophile sind gut polarisierbar und besitzen eine geringe Elektronegativitaumlt Sterisch anspruchsvolle Nucleophile hingegen sind schlechte Nucleophile Auszliger den bereits genannten Faktoren beeinflusst auch die Staumlrke der neu gebildeten Bindung die Guumlte eines Nucleophils Beispiele fuumlr neutrale Nucleophile sind H2O ROH RSH NR3 PR3 Beispiele fuumlr Anionische Nucleophile sind Hal- RO- HO- RS- Fuumlr die Guumlte der Abgangsgruppe (Necleofuge) gilt im Allgemeinen dass je staumlrker die konjugierte Saumlure desto besser das Nucleofug
I- gt Br- gt Cl- gt F- Man kann des weiteren Nucleofuge durch Zugabe von H+ -OH2
+ -OHR+ aktivieren Bei Nucleophilen Substitutionen unterscheidet man zwischen SN1 SN2 und SNi- Reaktionen 21 Die Bimolekulare nucleophile Substitution SN2 Zunaumlchst greift ein Nucleophil (in diesem Fall das Hydroxidion) am partiell positiv geladenen Kohlenstoffatom ruumlckseitig an Dabei entsteht ein fuumlnfbindiger (pentavalenter) Uumlbergangszustand Die Abspaltung des Chloridions sowie die Anlagerung des Hydroxidions erfolgt gleichzeitig und man erhaumllt als Reaktionsprodukt Methanol und ein Chloridion
C ClH
H H
HO
C ClH
H HOH
COHH
H HCl
- =
-+
-
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 16 von 37 Das Energiediagramm fuumlr eine solche Reaktion sieht wie folgt aus
Uumlbergangszustand ne
Edukte
Produkte
Neben der ruumlckseitigen Anlagerung des Nucleophils koumlnnte das Nucleophil auch vorderseitig angelagert werden Jedoch zeigen entsprechende Experimente dass diese Anlagerung nicht stattfindet
CCH3
HBr
CH2CH3
CCH3
H
BrCH2CH3
I
IC
CH3
HI
CH2CH3
Br
HBrI
CH2CH3CH3
C CH3
HI
CH2CH3
Br
- =
Vorderseitenangriff
--+
Retention
(S)-2-Brombutan
(S)-2-Iodbutan
- =
Ruumlckseitenangriff
Inversion
-+
(R)-2-Iodbutan Im folgenden soll eine kurze Uumlbersicht uumlber moumlgliche Nucleophile sowie die dabei entstehenden Produkte gegeben werden
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 17 von 37
-Hydroxid
R OH Alkohol
OR-Alkoxid
R OR Ether HOH R O
H
HR O H
+ -H+
Alkohol R OH R O H
RR O R-H+
Ether
R CO
O Carboxylat
R O C RO Ester
NH3 Ammoniak R NH3 R NH2
+ -H+
Amin R 2NH primaumlres Amin R NH2R R NHR
+ -H+
sekundaumlres Amin
R2 NH sekundaumlres Amin R NHR 2 R NR2+ -H+
tertiaumlres Amin
R3N tertiaumlres Amin R NR3+
R-SH Thiol R-S- Mereaptidion R-SR Thioether R2S
SRRR
+
kan CN- Cyanid R-CN Nitriole C C R R C C R A
schiene F
Nucleophil (Nu) R-Nu
O H
HS- Hydrogensulfidion
Sulfoniumion I- Iodid R-I Iodal
Acetylid cetylen
Es gibt ver aktoren die den Ablauf der SN2-Reaktion bestimmen Zum einen
I-gt Br- gt Cl- gt F-
beeinflusst die Guumlte der Abgangsgruppe den Verlauf der Reaktion Dabei beguumlnstigen stabile Abgangsgruppen den Verlauf der Reaktion
R S OO
OR S O
O
OR S O
O
O
CO
OC
O
OC
O
O-
--
--
-
uszligerdem beeinflusst die Art des Nucleophils den Verlauf der SN2-Reaktion Dabei wird die Reaktion durch negativ geladene Nucleophile ohne sterische Hinderung beguumlnstigt
A
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 18 von 37
22 Die Monokulare Substitution SN1 Neben der bimolekularen Substitution kann bei Halogenalkanen noch eine weitere
ndash die monomolekulare Substitution iese Form der Substitution tritt allerdings bevorzugt bei sekundaumlr oder tertiaumlr
lten
Substituenten in eine Ebene und das zentrale
Form der nucleophilen Substitution auftretenDgebundenen Halogenen auf Bei der Monomolekularen Substitution wird zunaumlchst das Halogenidion abgespaund es bildet sich ein Carbeniumion Anschlieszligend bdquoklappenldquo die drei noch am Kohlenstoffatom verbliebenenKohlenstoffatom nimmt eine sp2-Hybridisierung ein Danach kann die Anlagerung des Nucleophils erfolgen
CH3
OH2
C Br
CH2CH2CH3CH2CH2
Br CCH3
CH2CH2CH3
CH2CH3
OH2
C
C3
OH CH2CH3
CH2CH2CH3
C
OH
CH3
CH2CH2CH3CH2CH3
-
(R)
+
(S)-Methyl-3-hexanal
InversionRetention
-HBr -HBr
(R)-3-Methyl-3-hexanal
+
2
H
Da das Carbeniumion eine sp -Hybridisierung aufweist kann bei der SN1-Reaktion eine vorder- und eine ruumlckseitige Anlagerung des Nucleophils erfolgen Das Energiediagramm einer solchen Reaktion sieht wie folgt aus E
C BrCH3
CH3
CH3
Br (CH3)3C(CH3)3 C OH BrH2O+ -+ ++ -
Die SN1-Reaktion laumluft im Allgemeinen schneller als die SN2-Reaktion ab Dazu ist es aber noumltig dass sich ein stabiles Carbeniumion ausbilden kann Die Stabilitaumlt des Carbeniumions haumlngt von den Substituenten ab Dabei gelten tertiaumlre Carbeniumionen als besonders stabil
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 19 von 37
C
CH3
CH3
CH3 C
H
CH3
CH3 C
H
H
CH3 C
H
H
H+ + + +
CH3tertiaumlr sekundaumlr primaumlr
+gt gt gt
Der Grund fuumlr die Stabilitaumlt der tertiaumlren Carbeniumionen ist der hyperkonjugative Effekt der Alkylgruppen Dabei bdquoverschiebenldquo die Alkylsubstituenten ihre Elektronendichte zum Kation
CHH
CCH2
CH2
CH2
H
H
+ +
Alkylsubstituenten schieben Elektronendichte zum Kation
H
H
Die folgende Tabelle soll einen kurzen Vergleich zwischen SN1- und SN2-Reaktion ziehen
Vergleich von S 2 und S 1 N NReaktionsparameter SN2 SN1 Struktur des Halogenids primaumlr selten
zyl Alkyl) haumlufig
(Bensekundaumlr manchmal anchmal mtertiaumlr selten haumlufig
Racemisierung Loumlsungsmittel olare
smittel verzoumlgert olare
e Loumlsungsmittel wird durch pLoumlsung
wird durch pprotischbeschleunigt
Nucleophil Anionische Nu beguumlnstigt schlechte Abgangsgruppe gute Abgangsgruppe
bevorzugt SN1 Erhoumlhung der NucleophDie Nucleophilie e
ilieines Nucle em Maszlige w n
erabgesetzt wird Eine Verminderung der Solvatation erreicht man durch Kronether
durch Kryptatbildung ophils steigt in d ie die Solvatatio
Stereochemie Inversion
andere Abgangsgruppe als Halogenides
bevorzugt SN2
h(engl crown) zB
O
O
O
O
OO
O
O OK
+
Y
12-Crown-418-Crown-6
Kryptat
O
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 20 von 37 Bezeichnung der Kronether Die Zahl vor bdquoCrownldquo gibt die Gesamtzahl der Ringatome die Zahl dahinter die Anzahl der Sauerstoffatome an In diesen Alkylkryptaten wird das Gegenion des Nucleophils K+ komplex gebunden auszligerdem findet in unpolaren organischen Loumlsungsmitteln in denen die Kryptatte loumlslich sind nur geringe Solvatation statt so dass das Nucleophil gewissermaszligen bdquonacktldquo vorliegt und dadurch seine volle nucleophile Kraft entfalten kann Kronether werden durch eine Williamsonrsquosche Ethersynthese dargestellt
OHO OCl O O40
O OH Cl O OO
O+
-HCl
O
18-Crown-6Triethylenglykol Triethylenglykoldicklorid
Beschleunigte nucleophile Substitution Die Nachbarschaftsgruppenbeteiligung von Y fuumlhrt zu einer beschleunigten nucleophilen Substitution und erklaumlrt durch zweimalige Inversion die Retention Das Elektronenpaar der Nachbargruppe Y kann ein ein freies Elektronenpaar (Hetereoatome) oder eine π-Bindung sein (Alkene Arene) in Einzelfaumlllen auch eine C-C-Bindung (2-Norbornylkation)
LGY| Y NuInversion|Nu
-+ Inversion
Y|
LG Abgangsgruppe-LG
-
23 SNi-Reaktion Unter dem SNi-Mechanismus versteht man eine innere nucleophile Substitution die nach einem internen SN2-Mechanismus ablaumluft und somit unter Beibehaltung der Konfiguration Ein typisches Beispiel ist der Austausch einer OH-Gruppe gegen Chlor mit SOCl2
COOH
HCOOH
COOH
O SCl
COOHH ClCl2
-SO2
R(-)-Chlorbernsteinsaumlure
H OH +SO
CH2
COOHCH2
O CH2
COOH
in Dioxan-HCl
R(+)-Aumlpfelsaumlure
Hierbei bleibt die Konfiguration erhalten da primaumlr der instabile Chlorsulfinsaumlureester gebildet wird und durch diese Bindung das Nucleophil von derselben Seite angreifen muss Dies fuumlhrt zur Retention Der SNi-Mechanismus ist jedoch stark loumlsungsmittelabhaumlngig denn fuumlhrt man dieselbe Reaktion in Pyridin durch so erhaumllt man 100 Waldenumkehr also SN2-Mechanismus
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 21 von 37 Der Grund hierfuumlr ist in der unterschiedlichen Basenstaumlrke zu sehen zwischen Dioxan und Oyridin Dioxan ist nur eine schwache Base
O
O
O
OH
+ HCl
+
Cl-
Das Gleichgewicht liegt weit auf der linken Seite wodurch das Nucleophil Cl- als HCl gebunden vorliegt Anders ist es dagegen in Pyridin
CR1
R2 OH CR1
R2 OSOClR1+SOCl2 PyrH+Cl-
R3 R3C
R3R2Cl
SN2+ - -
Hierbei greift das aus dem PyrH Cl stammende Nucleophil Cl in einer SN2-Reaktion den entstehenden Chlorsulfinsaumlureester von der Ruumlckseite her an was zur Konfigurationsumkehr fuumlhrt 24 Anwendungen
ubstitution von Halogeniden
siehe SN1 und SN2-Mechanismen saure Veretherung
Eine zweite Alkoholfunktion kann sich nun das enachbarte Kohlenstoffatom nucleophil angreifen Nach der Abspaltung eines
nes Protons erhaumllt man einen Ether
Herstellung von C-O-Bindungen S
Man kann bei Anwesenheit einer Saumlure [H2SO4] zwei Alkohole durch eine saure Veretherung in einen Ether uumlberfuumlhren Dabei wird zunaumlchst eine der Alkoholfunktionen protoniert bWassermolekuumlls und ei
CH3CH2OH
CH3CH2OH
CH3CH2 OH
H
CH3CH2OH
CH3CH2 O HCH3CH2
CH3CH2 O
H+ + -H2O +
++ H
+
CH3CH2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 22 von 37 Etherspaltung In Ethern kann die ROR-Gruppe in Anwesenheit einer Saumlure protoniert werden Im nachfolgenden Schritt erfolgt ein nucleophiler Angriff des Halogenid-Anions Man erhaumllt als Produkt ein Halogenalkan und ein Alkohol
CH3CH2OCH2CH3 CH3CH2 OCH2CH3
H
CH3CH2 OCH2CH3
H
H+
+
Dialkyloxonium-Ion
+Br +-
CH3CH2Br + HOCH2CH3
Williamson-Synthese
e
H3C-CH2-O-CH2-CH3 Diethylether
Ether Alkoyalkan R-O-R
O
Tetrahydrfuran(THF)
CH3 CH2 O Na Br CH2CH3 CH3 CH2 O CH2 CH3
- + +SN2
intermolekularNaBr+
den zuvor beschriebenen Kapiteln koumlnnen verschiedene eaktionsmechanismen zusammen wirken Ein bedeutendes Beispiel dafuumlr ist die
rung von Carbonsaumluren mit Alkoholen Dabei wird zunaumlchst ein Nucleophil an as Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe addiert Anschlieszligend erfolgt die
Da Alkohole schlechte Nucleophile sind muumlssen derartige Reaktionen durch Saumlure (meist Schwefelsaumlure) katalysiert werden Im ersten Schritt lagert sich das Proton an das nicht saure Sauerstoffatom an Diesfuumlhrt zu einer positiven Ladung am Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe Hierdurch wird nun der nucleophile Angriff des Alkohols beguumlnstigt Durch die Anlagerung eines weiteren Proton wird nun die schon einmal protonierte Hydroxygruppen ein weiteres
al protoniert und somit in eine gute Abgangsgruppe umgewandelt Nach der s Wassers wird die andere Hydroxygruppe deprotoniert und man erhaumllt
Veresterung Neben den in RVerestedAbspaltung des Carboxylsauerstoffatoms
mAbspaltung deeinen Ester als Reaktionsprodukt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 23 von 37
O
OH
O
OH
H
R C OH
Nu
C O
Nu HNu
R C
O
Nu
+
+ Nu
+
+- H-H2O
Mechanismus der Veresterung (Saumlure katalysiert)
R C R C- +
+ Nu + H -δ+
OH
R
OHH
R C
O H ++ H
H2O +
+
Substitution von Diazoniumsalzen Darstellung von Salpetrigsaumlureestern
CH2 OH
C2 OH
NO(-) CH2 O
CHCH2
OO
NNN
OOO
+H++ 3 H2OCH OH 2+
H
erstellung der C-S-Bindungen arstellung von Thiolen und Thioethern nalog der Williamsonrsquoschen Ethersynthese lassen sich auch Thioether darstellen
HDA
R Br R SH NaBrMercaptane
Na+ HS-+ +
ich jedoch aufgrund ihrer groumlszligeren den Alkoholen nur schlecht abfangen Thioethern weiterreagieren lassen
Dabei entstehen primaumlr Mercaptane die sucleophilie gegenuumlber den entsprechenN
lassen und sofort zu den entsprechenden
R1 SH R2 X R1 S R2 HXThioether
+Base
SN2+
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 24 von 37 Eine selektrive Herstellung von Mercaptanen durch nucleophile Substitution von
hioharnstoff-Methode Alkylhalogeniden erfolgt mit der T
NH2
CNH
NH2
SH
NH2
CO2 3
+
OH- H2O
2+
CNH2
S
RX CNH2
NH2
SR CNH2
NH2
SR CNH2
SR
s-Alkylthiuroniumsalze
++ +
iso-ThioharnstoffR SH NH+
Herstellung der C-N- Bindung Gabriel-Synthese Ein nichtreduktiver Zugang zu primaumlren Aminen geht von dem Anion von 2-Benzoldicarboximid (Phtalimid) aus dem cyclischen Imid der 12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure) Dieses Verfahren ist als Gabriel-Sysnthese bekannt Da das Stickstoffatom in 12-Benzoldicarboximid (Phtalamis) von zwei Carbonylfunktionen flankiert ist ist die NH-Gruppe ungewoumlhnlich acide (pKa = 83) staumlrker als ein gewoumlhnliches Amid (pKa = 15) Sie wird deshalb bereits von einer so milden Base wie dem Carbonat-Ion deprotoniert das entstehende Anion wird in guter Ausbeute alkyliert Durch saure Hydrolyse setzt man das Amin anschlieszligend als Ammoniumsalz frei Behandelt man dieses mit Base erhaumllt man das freie Amin
O
O
O
O
O
2OH
O
CH CH2NH3HSO4
O
O
O
O
CH CCH2NH2
+
NaOH H2O
+Na+
Na+
N-2-Propinyl-12-benzoldicarboximid (N-Propargylphtalimid)
2-Propinamin (Propargylamin)
wird bei waumlssriger Aufarbeitung entfernt
O
OH
OH
O
NH N K+NH3 300degC
-H2O
K2CO3 H2O
CH CCH2Br
N
O
CH CH CHOH
O
DMF 100degC-KBr
H2SO4 H2O 120degC+ -
12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure)
9712-Benzoldicarboximid (Phtalimid)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 25 von 37 Hinsberg-Reaktion Die Hinsberg-Reaktion bietet die Moumlglichkeit ausgehend von primaumlren Aminen gezielt sekundaumlre Amine herzustellen
R NH2 Cl ts R NH
ts R N ts
-HCl
acides H
KOH
-H2O
(-)
K(+)
R N ts
NR
Rts NH
R
RtsOK
(-)
K(+)+R-X
-KX
Verseifung
H2O
ts = Tosylat = CH3 SO2
Quarternisierung von Aminen Nitroalkanen Isonitrilen Herstellung von C-C-Bindungen Nitrilsynthese (nach Kolbe)
ogenide meist Methyliodid oder primaumlre Alkyliodide mit eim
mit tertiaumlren Alkylhalogeniden ndash erhaumllt man jedoch hauptsaumlchlich Isonitrile
Setzt man AlkylhalNatriumcyanid um so erhaumllt man hauptsaumlchlich die entsprechenden Cyanide BUmsatz von Silbercyanid ndash vor allem
CH3 I
CH3 CN
CH3 N C 7
Acetonitril
Methylisonitril
SN2-artig
+NaCN -NaI
SN1-artig
+AgCN -AgI
er Grund fuumlr dieses Reaktionsverhalten liegt darin dass das Silber-Kation die unterstuumltzt In einer SN1-seinem
lektronegativsten Atom an im Falle der Kolbersquoschen Nitrilsynthese mit dem N-Atom ieser SN1-artige Verlauf fuumlhrt somit zu Isonitrilen at die Reaktion jedoch mehr bimolekularen Charakter so greift das ambidente CN(-) evorzugt mit dem weniger elektronegativeren dafuumlr mehr polarisierbaren Atom an ies fuumlhrt zur Bildung von Nitrilen ie Verhaumlltnisse beim CN(-) sind denen des NO2
(-) aumlhnlich Das Wesentliche ist dabei er SN1- bzw SN2-Charakter der Reaktion Dieser Charakter laumlsst sich durch die
oumlsungsmittelwahl bzw Kryptat-Einfluss in eine
DBildung eines Carbenium-Ions foumlrdert und die SN1-Reaktion rtigen Reaktion greift jedoch das ambidente Nucleophil mit a
eDHbDDdWahl des Nucleophils und durch Lbestimmte Richtung lenken
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 26 von 37 Darstellung von Alkinen Alkine koumlnnen aus anderen Alkinen erhalten werden durch Reaktion terminaler Alkinyl-Anionen mit alkylierenden Reagenzien wie primaumlren Halogenalkanen
xacyclopropanen Aldehyden und Ketonen Wie wir wissen werden solche Anionen aus terminalen Alkinen durch Deprotonierung mit starken Basen meist Alkyllithium-Verbidnungen Natriumamid in fluumlssigem Ammoniak oder Grignard-Reagenzien gewonnen Die Alkylierung mit primaumlren Halogenalkanen erfolgt uumlblicherweise in fluumlssigem Ammoniak oder Ethern Diese Loumlsungsmittel enthalten bisweilen 12-Ethandiamin H2NCH2CH2NH2 NNNrsquoNrsquo-Tetramethyl-12-ethandiamin (TMEDA) (CH3)2NCH2CH2N(CH3)2 oder HMPT als Cosolventien um die Nucleophilie des Anions zu erhoumlhen
O
CH3C CH CH3C C24
(-) (+)Na CH3C
NaNH2 fl NH3
-NH2H
CH3I
-NaI75
CCH3
2-Butin
C36
CH C44
CCH2CH2CH31 CH3CH2CH2CH2CH2Li THF H2NCH2CH2NH22 CH3CH2CH2Br
n
-LiBr85
1-Pentinylcyclohexa
enz
Alkylierung von Ketonen Die konjugierte Addition gefolgt von einer Alkylierung stellt eine nuumltzliche Sequzur αβ-Dialkylierung undgesaumlttigter Carbonylverbindungen
CO
1 R2CuLi
C C C C CR R
O O OBeispiel
1 (CH CH
O2 RX
CH3
CH CH2CH2CH3
CH3
CH2CH2CH2CH3
3 2CH2CH2)2CuLi THF2 CH3I +
84 4 1 trans- und cis-3-Butyl-2-methylcyclohexanon
2
itionGewoumlhnliche Grignard-Verbindungen reagieren mit αβ-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen in einer 12-Add einer 14-Addition oder beiden Weegen je nach Struktur Reaktionsbedingungen und reagierenden Verbindungen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 27 von 37 β-Dicarbonylverbindungen
laisen-Kondensationen fuumlhren zu β-Dicarbonylverbindungen Ethylacetat reagiert en Natriumethoxid zu Ethyl-3-oxobutanoat
Cmit stoumlchiometrischen Meng(Ethylacetacetat Acetessigester)
CH3 C2
OO
CH2CH3CH3 C
7O
OCH2CH3 CH3 C
12
OCH2
C16
OO
CH2CH3+Na+-OCH2CH3 CH3CH2OH
-CH3CH2OHEthylacetat Ethyl-3-oxobutanoat
(Ethylacetacetat) Die Claisen-Kondensation beginnt mit der Bildung eines Esterenolat-Ions Durch eine Additions-Eliminierungs-Reaktion an die Carbonylgruppe eines anderen Estermolekuumlls entsteht ein 3-Ketoester Diese Schritte sind reversibel und der geamte Vorgang ist bis zu dieser Stufe endotherm Besonders unguumlnstig ist die Deprotonierung des Esters (pKa = 25) durch Ethoxid (pKa von Ethanol = 159) Das Gleichgewicht ist trotzdem zum Produkt verschoben da die Basde den 3-Ketoester (pKa = 11) an C2 praktisch irreversibel deprotoniert Bei der Aufarbeitung mit waumlssriger Saumlure wird die konjugierte Base des Produkts protoniert womit der Prozess abgeschlossen ist
CH3 C21
O CH2CH3 Na+ CH2 C
27 OCH2CH3
CH2 C32
O
OCH2CH3
+ CH3CH2OH
O O(-)
(-)Bildung des Esterenolats
Na+-OCH2CH3
CH3 C37
OO
CH2CH3CH2 C
42O
OCH2CH3
(-)CH3 C
48OCH2CH3
O
CH2
C52
OCH2CH3
O
+
Eliminierung
Nucleophile Addition
CH3 C56
OCH2CH3
O
CH2
C60
OCH2CH3
O
CH3 C64
CH2
C66
OCH2CH3
O O
+ -OCH2CH3
Ketoester
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 28 von 37
CH3 C71
CH2
C73
OCH2CH3
O O
CH3 C78
CH C80
OCH2CH3
O O
CH3 C92
CH
C94
OCH2CH3
O OCH3 C
99CH
C101
OCH2CH3
O O(-)
CH3 C85
CH2
C87
OCH2CH3
O O
Deprtotonierung
+ -OCH2CH3
sauer pKa = 11
+CH3CH2OH
CH3 CCHO
COCH2CH3
O(-)CH3 CCH2
OCOCH2CH3
O
Protonierung bei der waumlssrigen Aufarbeitung
H+ H2O
Zur Vermeidung einer Umesterung sollten sich das Alkoxid und der Ester von demselben Alkohol ableiten lassen Malonestersynthese Mit der Malonester-Synthese erhaumllt man Carbonsaumluren Diethylpropandioat (Malonsaumlureester) ist ein gutes Ausgangsmaterial zur Darstellung 2-substituierter oder 22-disubstituierter Carbonsaumluren in einem Verfahren das man Malonestersynthese nennt
CH3 CH2
O C CH2
OCO
O CH2
CH3CH3 C
H2
O C CO
CO
O CH2
CH3
R
R
CR
RH COOH
22-disubstituierte Carbonsaumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 29 von 37 α β-ungesaumlttigte Ketone Bei α- β-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen tritt neben der 12-Verknuumlfung auch 14-Verknuumlpfung bei der Pinakol-Reaktion auf
CH2 CH
CH
O CH2 CH
CH
CH
CH
CH2
OH OH
12-Verknuumlpfung
2Zn
Ethanol 0degC
68
O O On
O O
2
14-Verknuumlpfung
+ e(-)
(-) (-)
lkylierung von Cupraten alten Doppelbindungen an denen einfache Alkylgruppen
ebunden sind Im Prinzip koumlnnen diese Verbindungen aus organometallischen
zien RLi bzw RMgX im allgemeinen icht mit Halogenalkanen Es gibt aber einen anderen Typ organometallischer
Reagenzien die Organocuprate die hier sehr effektiv wirken Organocuprate besitzen die stoumlchiometrische Zusammensetzung R2CuLi und koumlnnen direkt durch Addition zweier Aumlquivalente einer Organolithium-Verbidnung an ein Aumlquevalent Kupferiodid CuI dargestellt werden Beispiel
AViele wichtige Molekuumlle enthgReagenzien durch direkte Alkylierung gewonnen werden Ungluumlcklicherweise reagieren Organolithium- oder Grignard-Reagenn
CH2 CHLi CuI (CH2=CH)2CuLi LiI+ +Ethenyllithium Lithiumdiethenylcuprat
(ein Organocuprat-Reagenz) Lthiumcuprate reagieren mit Halogenalkanen in sogenannten Kupplungsreaktionen unter Bildung substituierter Alkene Primaumlre Iodide sind dazu am besten geeignet aber auch andere primaumlre und sekundaumlre Halogenalkane geben befriedigende Resultate
R2CuLi RX R R LiX+ +
CCH3
CH
C17
CH3
HC20
HC
23
CH3
HC26
H
CH2(CH2)6CH3
1 Li(CH3CH2)2O2 CuI CuLi
CH3(CH2)6CH2IHMPT
11H 14 Cl2
Lithium-bis(trans-1-propenyl)cuprat90
trans-2-Undecen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 30 von 37 Herstellung von C-X-Bindungen Veresterung von Alkoholen mit Mineralsaumluren
Finkelsteinreaktion (RF-Verbindungen mit Krypat-Unterstuumltzung) Bei der Finkelstein-Reaktion handelt es sich um eine nucleophile Halogenid-Austausch-Reaktion zur Synthese von Iodiden und Fluoriden aus Bromiden und Chloriden zB
R X NaI R I NaX+Aceton
+ X = Cl Br
SN2
Eine Komponente der Triebkraft dieser Reaktion hat physikalische Ursachen die n und sekundaumlren
lkylhalogeniden unguumlnstige Lage der Gleichgewichte fuumlr eine SN2-Reaktion Loumlslichkeit Bei dieser Reaktion wird die bei tertiaumlreA
R X I I R X
I R X=
++
urch physikalisch-chemische Effekte beguumlnstigt naumlmlich dadurch dass NaBr und aCl in Aceton schlecht loumlslich sind und ausfallen Dadurch werden die leichgewichte irreversibel verschoben und die Reaktion verlaumluft somit im ewuumlnschten Sinne
eispiel
dNGg B
C16
CH3 CH
Br 223 Hin Aceton
CH3
CCHCH3
C I+NaI + NaBr
CH32 CH3
2SN2
Es findet keine Neophenylumlagerung statt das heiszligt dass keine SN1-Reaktion stattfindet In einer Variante der Finkelstein-Reaktion wird der Tosylat-Rest gegen Halogenid ausgetascht Ansonsten aber arbeitet man nach dem gleichen Prinzip
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 31 von 37
30 Elektrophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom
Am alipatischen C-Atom sind elektrophile Substitutionen moumlglich wenn die C-X-Bindung so polarisiert ist dass das C-Atom eine negative und die Abgangsgruppe
s der ilen
tion Man kann jedoch zwischen folgenden Mechanismen nterscheiden
1 SE1 analog SN2 (Racemisierung)
2 SE2-back analog SN2 (Inversion)
3 S 2-front analog S i (Retention)
analog S i (Retention)
31 SE1-Reaktion
ierbei handelt es sich um eine Reaktion erster Ordnung die zweistufig verlaumluft
eine positive Ladung traumlgt Diese Voraussetzungen sind vor allem bei metallorganischen und CH-aciden Verbindungen erfuumlllt Der Mechanismuelektrophilen alipathischen Substitution ist nicht so klar wie der der nucleophaliphatischen Substituu
E N
4 S i E N
H
langsamR X R
R Y+ R Y+
Geeignete Loumlsungsmittel fuumlr SE1-Reaktionen sind Dimethylformamid (DMF) undHexamethylphosphorsaumluretriamid (HMPA)
O N(CH3)2
HN(CH3)2
POH3)2
N(CH3)2
HMPA
N(CDMF
Stereochemie der SE1-Reaktion
Die Stereochemie von SE1-Reaktionen verlaumluft nicht einheitlich Im Allgemeinen isch aktive Verbindungen einsetzt Dies
kann zwei Ursachen haben 1 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist
ufig der Fall wenn es sich um mesomeriestabilisierte
2 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist pyramidal gebaut kann jedoch seine Struktur nicht halten (vergleichbar dem schnellen Durchschwingen von unsymmetrisch substituierten Aminen)
findet man Racematisierung wenn man opt
planar Dies ist hauml
Carbanionen handelt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 32 von 37 In Ausnahmefaumlllen kann jedoch auch bei planaren (mesomeristabilisierCarbanionen je nach Wahl des Loumls
ten) ungsmittel Inversion Retention oder
Racemisierung auftreten was durch unterschiedliche Solvatationseffekte erklaumlrt wird Beispiel fuumlr eine S 1-Reaktion E
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
HgBrRacemat
langsam
(-)+ HgBr+
+HgBr2
-HgB 2
rHgBr
Hg = isotopenmarkiertes Hg
32 S 2-ReaktionE E
eaktionen sind bimolekular Beide Mechanismus verglichen werden
Y
und S i-Reaktion
SE2 und SEi-R anisund SNi-Mech
men koumlnnen mit dem SN2-
C47
Y X
SE2 (back) nfalls um einen Frontangriff unter
C C X29
X C35
Y
X
41
SE2 (front)
Beim SEi ndashMechanismus handelt es sich ebeRetention
Y zY z
C53 X C60 XSEi
Die Bildung cyclischer Uumlbergangszustaumlnde die 4- oder 6-gliedrig sein koumlnnen foumlrdert die Losloumlsung der Abgangsgruppe Stereochemie von SE2-Reaktionen und von SEi-Reaktionen
Fuumlr die h den nucleuphilen Substitutionen von Be
8 Valenzelektronen haumltte Da nun zwischen den beiden Elektronenwolken Coulomb-Abstoszligung auftritt erfolgt der Angriff des Nucleophils gezwungenermaszligen von der Ruumlckseite des Molekuumlls Die Folge ist Inversion Anders ist es dagegen beim SE2- und Sei-Mechanismus Das angreifende Elektrophil besitzt nur ein leeres Orbital und somit ist sowohl der Front- als auch der
angriff unter Inversion verlaumluft laumlsst die Stereochemie der SE-Reaktion nur schwer Ruumlckschluumlsse auf den Mechanismus zu
Stereoc emie ist folgender Unterschied zu deutung
Bei SN-Reaktionen bringt das angreifende Nucleophil ein Elektronenpaar mit Daher muss die Abgangsgruppe bei der Neubildung der Bindung ein Elektronenpaar mitnehmen da sonst das C-Atom mehr als
Ruumlckseiten-Angriff moumlglich Da der Frontangriff unter Retention der Ruumlckseiten
Skript zum 2 OC-Kolloquium
33 Anwendungen
reu
Seite 33 von 37
Herstellung einfacher metallorganischer Verbindungen
etall-H-Austausch
aumluren betrachtet werden Dabei nimmt die H-Aciditaumlt mit zunehmendem s-Charakter der Hybridisierung zu
sp CH3 CH3
M C-H-Verbindungen koumlnnen als schwache SC Hybridisierung
3Saumlure konjugierte Base pKa-W
sp2
CH3 CH2 Zunahme der
sp
2 2
CH CH
CH2 CH
CH C15(-)
25
Aciditaumlt
Da eine staumlrkere Saumlu
ert 42
365
(-)
CH CH (-)
re eine schwaumlchere aus ihrem Salz vertreibt reagiert eine konjugierte Base mit jeder Saumlure die in der Tabelle unter ihr steht Elektronegative Gruppen an Aromaten wirken acidifizierend Beispiele
HC H Na
NaC2H6
Li H
+
pKa 42schwaumlchere Saumlure
Pentan
pKa 37schwaumlchere Saumlu
pKa 35 staumlkere Sauml re
+ Pentan +
schwaumlchere Saumlure
2 5+pKa 37 staumlkere Saumlure
Na CH3 H CH2Na
+ Pentan +
H H H LipKa 37pKa 23
staumlkere Saumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 3 von 37
124 Redoxreaktionen
a) Einelektronen-Reduktion-Reagenzien
H2O2 + Fe2+ rarr HObull + OH- + Fe3+ (Fentonrsquos Reagenz)
b) Einelektronen-Oxidations-Reagenzien
CH3CH2Co3+ + Co2+ + H+ +
c) Elektrochemische Verfahren bdquoKolbe-Elektrolyseldquo
RO
OR
O
O- e-
Produkte
13 Stabilitaumlt von Radikalen
Man unterscheidet bei der Stabilisierung von Radikalen zwischen elektronischen und sterischen Effekten Die Stabilisierung eines Radikals fuumlhrt zu einer Verringerung der Reaktivitaumlt und zu einer houmlheren Selektivitaumlt bei Radikalreaktionen Radikale werden durch ihre Substituenten stabilisiert Ein positiver induktiver Effekt der Substituenten fuumlhrt zu einer houmlheren Elektronendichte am Radikal-Atom und stabilisiert somit das Radikal
CH3CH3 CH2
CH3 CHCH3
C 7CH3
CH3
CH3
lt lt lt
primaumlr sekundaumlr tertiaumlr Ein weiterer stabilisierender Effekt ist die so genannte Hyperkonjugation Dabei gibt es eine Wechselwirkung zwischen der σC-H-Bindung und dem 2pz-Orbital Diese Wechselwirkung kann jedoch nur auftreten wenn die σC-H-Bindung und das 2pz-Orbital in einer Ebene stehen
C1
H
H
HC5
CH2
CH2
CH2
HH
H
+ +
Alkylsubstituenten schieben Elektronendichte zum Kation
Von wesentlich groumlszligerer Bedeutung als die bisher erwaumlhnten Effekte sind Mesomerie-Effekte Dabei kann der Elektronenmangel auf ein π-Elektronensystem
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 4 von 37 ausgeweitet werden und das Radikal wird mit zunehmender Delokalisation des Elektronenmagels stabiler
CH2 CH CH2
CH2
lt
Allyl Benzyl
Dieser Effekt kann allerdings nur eintreten wenn das Orbital indem sich das ungepaarte Elektron befindet parallel zu den p-Orbitalen des π-Elektronensystem ausgerichtet ist Aus diesem Grund ist auch verstaumlndlich warum Vinyl- und Phenyl-Radikale keine Mesomeriestabilisierung erfahren (hier wuumlrde das bdquoRadikal-Orbitalldquo orthogonal zum π-Elektronensystem stehen) Radikale koumlnnen jedoch auch wie schon erwaumlhnt durch sterische Hinderung stabilisiert werden Ein Beispiel hierfuumlr ist das Gomberg- oder Trityl-Radikal welches in Benzol zu 23 vorliegt
C
Triphenylradikal (Gomberg-Radikal) weitere sterisch stabilisierte Radikale
CHO O
Galvinoxyl-Radikal
OAroxylradikal
NO2NN
O2N
O2N
N+
NN
O2N
O2N
O
O
DPPH (= Diphenylpikrylhydrazyl-Radikal) oder Goldschmidts Radikal (violett)
λmax= 520nm
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 5 von 37
14 Reaktionen von Radikalen Radikale koumlnnen auf verschiedenste Weisen reagieren
a) Reaktion zweier Radikale unter Verlust der radikalischen Eigenschaften Rekombination
CH2 CH2
CH2
2[19]
Disproportionierung
C CH3
CH3CH3
CCH3
CH2CH3
CHCH3
CH3CH3
2 +[110]
b) Uumlbertragung der Radikaleigenschaften Dabei unterscheidet man
Isomerisierung Addition und Abspaltung von Atomen und Gruppierungen durch Radikale
- Zersetzung oder Isomerisierung von Radikalen
O
O CO2+
[111] - Addition von Radikalen an Mehrfachbindungen
Br CH2 CH2
Br CH2
CH2+[112]
- Abspaltung von Atomen oder Gruppierungen durch Radikale
R H Cl R H Cl+ + [113] Die meisten Radikale sind sehr reaktionsfaumlhig Sie liegen daher nur in niedrigen Konzentrationen vor und haben eine sehr geringe Lebensdauer (lt10-3 sec) In Anwesenheit eines geeigneten Reaktionspartners (unter Umstaumlnden auch das Loumlsungsmittel) reagieren sie unter Addition [112] beziehungsweise Substitution [13] Ihre Selbstreaktionen koumlnnen unter Rekombination [19] oder Disproportionierung [110] ablaufen Diese Reaktionen sind jedoch nur als Kettenabruchsreaktionen von Bedeutung Reaktivitaumlt und Selektivitaumlt bei radikalischen Substitutionen Radikalische Substitutionsreaktionen sind im Allgemeinen dann durchfuumlhrbar wenn ihr Verlauf zu einem Energiegewinn fuumlhrt (exotherme Reaktion dh die Summe der Reaktionsenthalpien muss negativ sein) So kann beispielsweise ein Chlorradikal an einer C-H-Bindung unter Bildung der stabileren H-Cl-Bindung angreifen Bei Iod ist dies nicht der Fall daher wirkt Iod als Inhibitor
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 6 von 37
R I I R I I
R H I H I R
+ +
+ + Aus Bestimmungen der Geschwindigkeitskonstanten ist die folgende Reaktivitaumltsreihe fuumlr Radikale gefunden worden
Fbull gt HObull gt Clbull gt bullCH3 gt Brbull gt ROObull Inhibitoren Eine Substanz die eine Reaktion hemmt oder abbricht selbst wenn sie nur in kleinen Mengen vorhanden ist nennt man Inhibitor Die Zeitspanne waumlhrend deren ein Inhibitor wirkt und nach der die Reaktion mit normaler Geschwindigkeit ablaumluft wird als Inhibitionszeit bezeichnet Beispiel
CH3bull + O2 rarr CH3-O-Obull Einfluss von Loumlsungsmitteln und Temperaturabhaumlngigkeit von Radikalreaktionen Durch eine Erhoumlhung der Temperatur nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit einer exothermen Reaktion ab Bei Radikalreaktionen fuumlhrt eine Erhoumlhung der Temperatur zu einer Verminderung der Selektrivitaumlt der Reaktion so dass bei einer ausreichend hohen Temperatur das Verhaumlltnis der Abstraktion eines primaumlren sekundaumlren oder tertiaumlren Wasserstoffatoms 111 betraumlgt Fuumlr eine Radikalreaktion eignen sich besonders polare Loumlsungsmittel da diese das Radikal durch Solvatisierung stabilisieren Dies kann jedoch zu einer verringerten Reaktionsgeschwindigkeit fuumlhren
15 Nachweis von Radikalen Ein fuumlr die Bestimmung der Lebensdauer von Radikalen wichtiges Experiment ist das von Paneth und Hofeditz 1929 durchgefuumlhrte Experiment
Kuumlhlung
6 mm
40 cm
PbMe4 2 Torr 12 msec-1
Pb-SpiegelPb-Spiegel
Pb(CH3)4
∆Pb + 4 CH3
Lebensdauer von CH3 = 10-3 sec
Abb Paneth-Hofeditz-Versuch
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 7 von 37 Bei diesem Experiment konnte die Lebensdauer von Methyl-Radikalen bestimmt werden Auszligerdem kann die Anwesenheit von Radikalen durch den Transport des Pb-Spiegels gezeigt werden Eine andere bedeutende Methode zum Nachweis von Radikalen ist die Elektronenspinnresonan-Spektroskopie (ESR) Die Messmethode ist Vergleichbar mit der NMR-Spektroskopie und anhand der so erhaltenen Spektren ist die elektronische Konfiguration der untersuchten Molekuumlle erkennbar Von groszliger Bedeutung sind Radikalfaumlnger (Inhibitoren) zum nachweis von Radikalen Ein Beispiel dafuumlr ist das Hydrochinon
OH
OH
O
OH
O
O
O
O
O
O
OR
OR
R + - RH
R
- RH
+ 2 R
Weitere wichtige Radikalfaumlnger sind die Vitamine C und E (Antioxidanzien)
16 Anwendungen Wurtzrsquosche Synthese
Bildung von Kohlenwasserstoffen aus Alkylhalogeniden und Natrium
2 RX + 2Na R-R + 2 NaX
Die Reaktion wird zur Darstellung houmlherer Alkane verwendet Wird von 2 verschiedenen Alkylhalogeniden ausgegangen entsteht ein Kohlenwasserstoffgemisch Alkyliodide reagieren leichter als Bromide oder Chloride
Wurtz-Grignard-Reaktion
R-Mg-X + RX R-R + MgX2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 8 von 37 Pinakol-Reaktion
Aldehyde und Ketone gehen mit Metallen eine Ein-Elektronen-Reduktion ein die zur Ausbildung einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung zwischen zwei Carbonyl-Kohlenstoffatomen fuumlhrt So ergibt sich beispielsweise in Benzol bei Zugabe von Magnesium zu Aceton (Propanon) nach waumlssriger Aufarbeitung 23-Dimethylbutan-23-diol
Der Mechanismus der Pinakol-Kopplung verlaumluft uumlber Ein-Elektronen-Uumlbertragungsschritte Anfangs nimmt die Carbonylgruppe unter Bildung eines Radikal-Anions ein Elektron auf Anschlieszligend kombinieren zwei solcher Radikal-Anionen unter Bildung eines Dianions welches bei der waumlssrigen Aufarbeitung protoniert wird
Acyloin-Kondensation Die α-Hydroxyketone oder Acyloine sind leicht durch Acyloin-Kondensation von Estern zugaumlnglich Im Prinzip handelt es sich bei der Reaktion eher um eine reduktive Dimerisierung welche vergleichbar mit der Pinakol-Reaktion ist Erhitzt man elementares Natrium zusammen mit einem Ester in Diethylether oder Benzol und anschlieszligender waumlssriger Aufarbeitung erfolgt eine reduktive Kupplung bei der das entsprechende α-Hydroxyketon entsteht
R O RO
R O RO
R O RO
R RO O
OROR
R RO O
R RO O
R RO O
R ROH OH
R RO OH
H
+
Na
Na+
Dimerisierung
Na+ Na+
- 2Na+ OR-
++
2 NaNa+ Na+
Endiolat
2 H2O
- 2 NaOHEndiol
Acyloin
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 9 von 37 Der Mechanismus verlaumluft wahrscheinlich in aumlhnlicher Weise wie der der Pinakol-Reaktion Im ersten Schritt wird der Ester durch Uumlbertragung eines Elektrons vom Metallatom zu einem Radikal-Anion reduziert Das so entstandene Radikalanion dimerisiert zum Dianion des entsprechenden Diols Bei der Acyloin-Kondensation kann nun das Dianion zwei Alkoxid-Ionen unter Bildung eines α-Diketons abspalten Nach weiterer Reduktion durch Uumlbertragung zweier Elektronen bildet sich ein Endiolat Die waumlssrige Aufarbeitung ergibt dann uumlber eine Zwischenstufe des Endiols das α-Hydroxyketon Kolbe-Elektrolyse Bei der Kolbe-Elektrolyse wird das Elektron durch anodische Oxidation abgespalten Die entstandenen Radikale dimerisieren zu einem Alkan
RO
OR
O
O- e- R + CO2
radikalische Polymerisation
CH2 CH2
R O O RCH2 CH2
R O O R R O
R O CH2 CH2RO CH2 CH2
RO CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2
CH2
H
CH3
CH2 CH2
CH3CH2CH2
1000atmgt 100degC
2
∆21)
2)
3)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 10 von 37 HX-Addition an C=C-Doppelbindungen Setzt man frisch destilliertes 1-Buten mit Bromwasserstoff um wird entsprechend der Markownikow-Regel Addition 2-Brombutan beobachtet In Gegenwart von Sauerstoff beobachtet man jedoch die Bildung von 1-Brombutan das ein anti-Markownikow-Produkt darstellt Der Grund fuumlr diese Beobachtung ist dass die Anwesenheit des Sauerstoffs zur Peroxiden ROOR fuumlhrt und der Reaktionsmechanismus somit als Radikalreaktion ablaumluft Man spricht in diesem Zusammenhang auch vom Peroxid-Effekt Der Mechanismus laumlsst sich wie folgt beschreiben
R O O R R O
R O R O H Br
Initiation∆
2
+ HBr∆
+
C CH2
H
CH2CH3
Br
CH3 CH2
CH
CH2
BrH
Br
Kettenwachstum
+ CH3CH2CH-CH2Brsekundaumlres Radikal
CH3CH2CH-CH2Br + HBr +
Br
CH3 CH2
CH
CH2
Br
CH
CH2
BrCH2
CH3
Kettenabbruch
2 Br2
CH3CH2CH-CH2Br2
Halogenierung von Alkanen (Radikalkettenreaktion) Von groszliger technischer Bedeutung sind radikale Kettenreaktionen Formal wird eine Radikalkettenreaktion in 3 Teilschritte eingeteilt Im Folgenden wird der radikalischen Kettenreaktion anhand der Chlorierung von Methan betrachtet Die Reaktionsprodukte der radikalischen Halogenierung sind Chlormethan und Chlorwasserstoff sowie Nebenprodukte in sehr geringen Mengen
Cl ClH3 C H H3 C Cl H ClLichtWaumlrme+ +
440 kJmol 243 kJmol 356 kJmol 431 kJmol
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 11 von 37 ∆Hdeg= ((440 + 243) ndash (356 + 431)) kJmol = -104 kJmol (exotherm) Die radikale Kettenreaktion wird gestartet durch die Spaltung eines Chlormolekuumlls durch Waumlrmezufuhr oder Lichteinfall Kettenstart
Cl Cl Cl hν 2 ∆Hdeg= 243 kJmol
Im zweiten Schritt greift das Chlorradikal das Methanmolekuumll an Dabei wird eine der Wasserstoff-Kohlenstoffbindungen des Methans homolytisch gespalten und man erhaumllt Chlorwasserstoff sowie ein Methylradikal Wasserstoffabspaltung (1 Kettenfortpflanzung)
Cl CH
HH
H C H
HH
+ HCl +
440 kJmol 431 kJmol ∆Hdeg= + 9 kJmol
C
HH
H
H ClC 1
HH
H
C
H H
H
H Cl
Lappen waumlchst
+ H Cl
Im anschlieszligenden Reaktionsschritt greift nun das Methylradikal ein Chlormolekuumll an und unter homolytischer Spaltung der Chlor-Chlorbindung entsteht Chlormethan sowie ein Chlorradikal welches wiederum im vorhergehenden Schritt mit einem Methanmolekuumll reagieren kann Chlorierung des Methans (2 Kettenfortpflanzung)
C H
HH
Cl Cl CH
HH
Cl Cl + +
243 kJmol 356 kJmol
in 2
∆Hdeg= -113 kJmol
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 12 von 37 Zu Ende der Kettenreaktion findet eine Rekombination der verschiedenen Radikale statt und man erhaumllt ein Chlormolekuumll ein Ethanmolekuumll oder ein Chlormethanmolekuumll als Produkt Kettenabruchreaktion
Clmiddot + Clmiddot rarr Cl-Cl middotCH3 + middot CH3 rarr H3C-CH3
middotCH3 + Clmiddot rarr H3C-Cl Die radikale Kettenreaktion verlaumluft uumlber eine Zwischenstufe sowie zwei Uumlbergangszustaumlnde welche in dem folgenden Energiediagramm zu erkennen sind E
[H3C H Cl]ne
[H3C Cl Cl]ne
Uumlbergangszustand
CH3 + Cl2 + HCl
Zwischenstufe
CH4 + Cl + Cl2
Reaktionskinetik
Abb Energiediagramm Die radikalische Chlorierung von Methan kann durch weitere Substitutionen von Wasserstoffatomen durch Chloratome weiter bis zum Tetrachlormethan gefuumlhrt werden
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 13 von 37 Ziegler-Wohl-Bromierung
enen in der Allylstellung mit N-Bromsuccinimid ei 0degC
ittel welches die C=C-Doppelbindung nicht
BS N-Bromsuccinimid
Selektive Bromierung von AlkN-Bromsuccinimid NBS entsteht durch Einwirkung von Brom auf Succinimid bin Gegenwart von Natriumhdroxid NBS ist ein selektives Bromierungsmangreift N
N
O
O
Br N
O
O
Br
tart
Licht oderPeroxide +
S
Br CH3 CH
CH2CH2 C
HCH2
BrH
CH2 CH
CH2 Br2 CH2
CH
CH2
BrBr
N
O
O
Br BrH N
O
O
H Br2
Kette
+ +
+ +
+ +
niedrige-Konzentrationenvon Br2Solvens CCl4
Die alpha staumlndige Methylengruppe wird rascher bromiert als die Me hylgruppe
andmeyer-Reaktion us der Sandmeyer-Reaktion ist noch nicht geklaumlrt Die
t SDer genaue MechanismReaktion verlaumluft aber vermutlich uumlber zwei radikalische Zwischenstufen
CH3
NH2
CH3
N2
CH3
ClHCl NaNO2 0degC
+Cl-CuCl 60degC
+ N2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 14 von 37 Autoxidation
ther ER2CH OR O2 R2C OR R2C OR
O O
R2C ORO O H
+
Aldehyde
C6H5 C7
HO
O2 C6H5 C12
O
H O O
C6H5 C19
OO2 C6H5 C
23
OO O
C6H5 C28
OO O C6H5 C
33H
OC6H5 C
37
OO O H C6H5 C43
O
C6H5 C47
OO O H C6H5 C
53H
OC6H5 C
57
OO H
+ +
+
+ +
+ 2
ock-Verfahren H
C HC6H5
3
CH3
O2 C OC6H5
CH3
CH3
O HH
+
C6H5 OH CCH3
CH3
O+
CH
racken en von langkettigen Alkanen wird als Cracken bezeichnet Derartige
eine
isch aus hunderten verschiedener Alkane Der groumlszligte Teil wird
it l)
s Benzin zu erhalten werden laumlngerkettige Kohlenwasserstoffe durch rs
ende Radikale
CDas ZerlegProzesse spielen in der Erdoumllindustrie bei der Darstellung von Benzin aus Erdoumll wichtige Rolle Erdoumll ist ein Gemdurch langkettige wenig verzweigte Alkane gebildet Ein kleiner Teil besteht aus aromatischen Verbindungen Benzin ist ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen meiner Laumlnge von 4-12 Kohlenstoffatomen und ist in Erdoumll bis zu 30 (Volumenanteienthalten Um weiterefraktionierte Destillation abgetrennt und bei 500degC in Gegenwart eines Katalysato(Wolfram oder Nickel auf einer SiO2-Al2O3-Oberflaumlche) pyrolysiert Die Reaktion findet in einer Wasserstoffatmosphaumlre statt um entstehmit Wasserstoffatomen abfangen zu koumlnnen Auszligerdem koumlnnen Alkene zu AlkanenStickstoffhaltige Verbindungen zu NH3 und Schwefelhaltige Verbindungen zu H2S hydriert werden Man erhaumllt nach dem Cracken Erdoumll mit einem Benzin Anteil von 50
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 15 von 37
CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3
C HH
HC C C C C
H
H
H
H
H
H
H
H
H
HH
C C HH
H
H
HC C C C H
HH
H H H
H H H
+
+
Pyrolyse von Hexan
C C C H
H
H
HH
H
H2
20 Nucleophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom Bei einer Nucleophilen Substitution wird eine Abgangsgruppe unter hetereolytischer Spaltung der Bindung gegen ein Nucleophil ausgetauscht Nucleophile sind neutrale Teilchen oder Anionen welche mindestens ein freies Elektronenpaar aufweisen Gute Nucleophile sind gut polarisierbar und besitzen eine geringe Elektronegativitaumlt Sterisch anspruchsvolle Nucleophile hingegen sind schlechte Nucleophile Auszliger den bereits genannten Faktoren beeinflusst auch die Staumlrke der neu gebildeten Bindung die Guumlte eines Nucleophils Beispiele fuumlr neutrale Nucleophile sind H2O ROH RSH NR3 PR3 Beispiele fuumlr Anionische Nucleophile sind Hal- RO- HO- RS- Fuumlr die Guumlte der Abgangsgruppe (Necleofuge) gilt im Allgemeinen dass je staumlrker die konjugierte Saumlure desto besser das Nucleofug
I- gt Br- gt Cl- gt F- Man kann des weiteren Nucleofuge durch Zugabe von H+ -OH2
+ -OHR+ aktivieren Bei Nucleophilen Substitutionen unterscheidet man zwischen SN1 SN2 und SNi- Reaktionen 21 Die Bimolekulare nucleophile Substitution SN2 Zunaumlchst greift ein Nucleophil (in diesem Fall das Hydroxidion) am partiell positiv geladenen Kohlenstoffatom ruumlckseitig an Dabei entsteht ein fuumlnfbindiger (pentavalenter) Uumlbergangszustand Die Abspaltung des Chloridions sowie die Anlagerung des Hydroxidions erfolgt gleichzeitig und man erhaumllt als Reaktionsprodukt Methanol und ein Chloridion
C ClH
H H
HO
C ClH
H HOH
COHH
H HCl
- =
-+
-
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 16 von 37 Das Energiediagramm fuumlr eine solche Reaktion sieht wie folgt aus
Uumlbergangszustand ne
Edukte
Produkte
Neben der ruumlckseitigen Anlagerung des Nucleophils koumlnnte das Nucleophil auch vorderseitig angelagert werden Jedoch zeigen entsprechende Experimente dass diese Anlagerung nicht stattfindet
CCH3
HBr
CH2CH3
CCH3
H
BrCH2CH3
I
IC
CH3
HI
CH2CH3
Br
HBrI
CH2CH3CH3
C CH3
HI
CH2CH3
Br
- =
Vorderseitenangriff
--+
Retention
(S)-2-Brombutan
(S)-2-Iodbutan
- =
Ruumlckseitenangriff
Inversion
-+
(R)-2-Iodbutan Im folgenden soll eine kurze Uumlbersicht uumlber moumlgliche Nucleophile sowie die dabei entstehenden Produkte gegeben werden
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 17 von 37
-Hydroxid
R OH Alkohol
OR-Alkoxid
R OR Ether HOH R O
H
HR O H
+ -H+
Alkohol R OH R O H
RR O R-H+
Ether
R CO
O Carboxylat
R O C RO Ester
NH3 Ammoniak R NH3 R NH2
+ -H+
Amin R 2NH primaumlres Amin R NH2R R NHR
+ -H+
sekundaumlres Amin
R2 NH sekundaumlres Amin R NHR 2 R NR2+ -H+
tertiaumlres Amin
R3N tertiaumlres Amin R NR3+
R-SH Thiol R-S- Mereaptidion R-SR Thioether R2S
SRRR
+
kan CN- Cyanid R-CN Nitriole C C R R C C R A
schiene F
Nucleophil (Nu) R-Nu
O H
HS- Hydrogensulfidion
Sulfoniumion I- Iodid R-I Iodal
Acetylid cetylen
Es gibt ver aktoren die den Ablauf der SN2-Reaktion bestimmen Zum einen
I-gt Br- gt Cl- gt F-
beeinflusst die Guumlte der Abgangsgruppe den Verlauf der Reaktion Dabei beguumlnstigen stabile Abgangsgruppen den Verlauf der Reaktion
R S OO
OR S O
O
OR S O
O
O
CO
OC
O
OC
O
O-
--
--
-
uszligerdem beeinflusst die Art des Nucleophils den Verlauf der SN2-Reaktion Dabei wird die Reaktion durch negativ geladene Nucleophile ohne sterische Hinderung beguumlnstigt
A
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 18 von 37
22 Die Monokulare Substitution SN1 Neben der bimolekularen Substitution kann bei Halogenalkanen noch eine weitere
ndash die monomolekulare Substitution iese Form der Substitution tritt allerdings bevorzugt bei sekundaumlr oder tertiaumlr
lten
Substituenten in eine Ebene und das zentrale
Form der nucleophilen Substitution auftretenDgebundenen Halogenen auf Bei der Monomolekularen Substitution wird zunaumlchst das Halogenidion abgespaund es bildet sich ein Carbeniumion Anschlieszligend bdquoklappenldquo die drei noch am Kohlenstoffatom verbliebenenKohlenstoffatom nimmt eine sp2-Hybridisierung ein Danach kann die Anlagerung des Nucleophils erfolgen
CH3
OH2
C Br
CH2CH2CH3CH2CH2
Br CCH3
CH2CH2CH3
CH2CH3
OH2
C
C3
OH CH2CH3
CH2CH2CH3
C
OH
CH3
CH2CH2CH3CH2CH3
-
(R)
+
(S)-Methyl-3-hexanal
InversionRetention
-HBr -HBr
(R)-3-Methyl-3-hexanal
+
2
H
Da das Carbeniumion eine sp -Hybridisierung aufweist kann bei der SN1-Reaktion eine vorder- und eine ruumlckseitige Anlagerung des Nucleophils erfolgen Das Energiediagramm einer solchen Reaktion sieht wie folgt aus E
C BrCH3
CH3
CH3
Br (CH3)3C(CH3)3 C OH BrH2O+ -+ ++ -
Die SN1-Reaktion laumluft im Allgemeinen schneller als die SN2-Reaktion ab Dazu ist es aber noumltig dass sich ein stabiles Carbeniumion ausbilden kann Die Stabilitaumlt des Carbeniumions haumlngt von den Substituenten ab Dabei gelten tertiaumlre Carbeniumionen als besonders stabil
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 19 von 37
C
CH3
CH3
CH3 C
H
CH3
CH3 C
H
H
CH3 C
H
H
H+ + + +
CH3tertiaumlr sekundaumlr primaumlr
+gt gt gt
Der Grund fuumlr die Stabilitaumlt der tertiaumlren Carbeniumionen ist der hyperkonjugative Effekt der Alkylgruppen Dabei bdquoverschiebenldquo die Alkylsubstituenten ihre Elektronendichte zum Kation
CHH
CCH2
CH2
CH2
H
H
+ +
Alkylsubstituenten schieben Elektronendichte zum Kation
H
H
Die folgende Tabelle soll einen kurzen Vergleich zwischen SN1- und SN2-Reaktion ziehen
Vergleich von S 2 und S 1 N NReaktionsparameter SN2 SN1 Struktur des Halogenids primaumlr selten
zyl Alkyl) haumlufig
(Bensekundaumlr manchmal anchmal mtertiaumlr selten haumlufig
Racemisierung Loumlsungsmittel olare
smittel verzoumlgert olare
e Loumlsungsmittel wird durch pLoumlsung
wird durch pprotischbeschleunigt
Nucleophil Anionische Nu beguumlnstigt schlechte Abgangsgruppe gute Abgangsgruppe
bevorzugt SN1 Erhoumlhung der NucleophDie Nucleophilie e
ilieines Nucle em Maszlige w n
erabgesetzt wird Eine Verminderung der Solvatation erreicht man durch Kronether
durch Kryptatbildung ophils steigt in d ie die Solvatatio
Stereochemie Inversion
andere Abgangsgruppe als Halogenides
bevorzugt SN2
h(engl crown) zB
O
O
O
O
OO
O
O OK
+
Y
12-Crown-418-Crown-6
Kryptat
O
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 20 von 37 Bezeichnung der Kronether Die Zahl vor bdquoCrownldquo gibt die Gesamtzahl der Ringatome die Zahl dahinter die Anzahl der Sauerstoffatome an In diesen Alkylkryptaten wird das Gegenion des Nucleophils K+ komplex gebunden auszligerdem findet in unpolaren organischen Loumlsungsmitteln in denen die Kryptatte loumlslich sind nur geringe Solvatation statt so dass das Nucleophil gewissermaszligen bdquonacktldquo vorliegt und dadurch seine volle nucleophile Kraft entfalten kann Kronether werden durch eine Williamsonrsquosche Ethersynthese dargestellt
OHO OCl O O40
O OH Cl O OO
O+
-HCl
O
18-Crown-6Triethylenglykol Triethylenglykoldicklorid
Beschleunigte nucleophile Substitution Die Nachbarschaftsgruppenbeteiligung von Y fuumlhrt zu einer beschleunigten nucleophilen Substitution und erklaumlrt durch zweimalige Inversion die Retention Das Elektronenpaar der Nachbargruppe Y kann ein ein freies Elektronenpaar (Hetereoatome) oder eine π-Bindung sein (Alkene Arene) in Einzelfaumlllen auch eine C-C-Bindung (2-Norbornylkation)
LGY| Y NuInversion|Nu
-+ Inversion
Y|
LG Abgangsgruppe-LG
-
23 SNi-Reaktion Unter dem SNi-Mechanismus versteht man eine innere nucleophile Substitution die nach einem internen SN2-Mechanismus ablaumluft und somit unter Beibehaltung der Konfiguration Ein typisches Beispiel ist der Austausch einer OH-Gruppe gegen Chlor mit SOCl2
COOH
HCOOH
COOH
O SCl
COOHH ClCl2
-SO2
R(-)-Chlorbernsteinsaumlure
H OH +SO
CH2
COOHCH2
O CH2
COOH
in Dioxan-HCl
R(+)-Aumlpfelsaumlure
Hierbei bleibt die Konfiguration erhalten da primaumlr der instabile Chlorsulfinsaumlureester gebildet wird und durch diese Bindung das Nucleophil von derselben Seite angreifen muss Dies fuumlhrt zur Retention Der SNi-Mechanismus ist jedoch stark loumlsungsmittelabhaumlngig denn fuumlhrt man dieselbe Reaktion in Pyridin durch so erhaumllt man 100 Waldenumkehr also SN2-Mechanismus
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 21 von 37 Der Grund hierfuumlr ist in der unterschiedlichen Basenstaumlrke zu sehen zwischen Dioxan und Oyridin Dioxan ist nur eine schwache Base
O
O
O
OH
+ HCl
+
Cl-
Das Gleichgewicht liegt weit auf der linken Seite wodurch das Nucleophil Cl- als HCl gebunden vorliegt Anders ist es dagegen in Pyridin
CR1
R2 OH CR1
R2 OSOClR1+SOCl2 PyrH+Cl-
R3 R3C
R3R2Cl
SN2+ - -
Hierbei greift das aus dem PyrH Cl stammende Nucleophil Cl in einer SN2-Reaktion den entstehenden Chlorsulfinsaumlureester von der Ruumlckseite her an was zur Konfigurationsumkehr fuumlhrt 24 Anwendungen
ubstitution von Halogeniden
siehe SN1 und SN2-Mechanismen saure Veretherung
Eine zweite Alkoholfunktion kann sich nun das enachbarte Kohlenstoffatom nucleophil angreifen Nach der Abspaltung eines
nes Protons erhaumllt man einen Ether
Herstellung von C-O-Bindungen S
Man kann bei Anwesenheit einer Saumlure [H2SO4] zwei Alkohole durch eine saure Veretherung in einen Ether uumlberfuumlhren Dabei wird zunaumlchst eine der Alkoholfunktionen protoniert bWassermolekuumlls und ei
CH3CH2OH
CH3CH2OH
CH3CH2 OH
H
CH3CH2OH
CH3CH2 O HCH3CH2
CH3CH2 O
H+ + -H2O +
++ H
+
CH3CH2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 22 von 37 Etherspaltung In Ethern kann die ROR-Gruppe in Anwesenheit einer Saumlure protoniert werden Im nachfolgenden Schritt erfolgt ein nucleophiler Angriff des Halogenid-Anions Man erhaumllt als Produkt ein Halogenalkan und ein Alkohol
CH3CH2OCH2CH3 CH3CH2 OCH2CH3
H
CH3CH2 OCH2CH3
H
H+
+
Dialkyloxonium-Ion
+Br +-
CH3CH2Br + HOCH2CH3
Williamson-Synthese
e
H3C-CH2-O-CH2-CH3 Diethylether
Ether Alkoyalkan R-O-R
O
Tetrahydrfuran(THF)
CH3 CH2 O Na Br CH2CH3 CH3 CH2 O CH2 CH3
- + +SN2
intermolekularNaBr+
den zuvor beschriebenen Kapiteln koumlnnen verschiedene eaktionsmechanismen zusammen wirken Ein bedeutendes Beispiel dafuumlr ist die
rung von Carbonsaumluren mit Alkoholen Dabei wird zunaumlchst ein Nucleophil an as Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe addiert Anschlieszligend erfolgt die
Da Alkohole schlechte Nucleophile sind muumlssen derartige Reaktionen durch Saumlure (meist Schwefelsaumlure) katalysiert werden Im ersten Schritt lagert sich das Proton an das nicht saure Sauerstoffatom an Diesfuumlhrt zu einer positiven Ladung am Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe Hierdurch wird nun der nucleophile Angriff des Alkohols beguumlnstigt Durch die Anlagerung eines weiteren Proton wird nun die schon einmal protonierte Hydroxygruppen ein weiteres
al protoniert und somit in eine gute Abgangsgruppe umgewandelt Nach der s Wassers wird die andere Hydroxygruppe deprotoniert und man erhaumllt
Veresterung Neben den in RVerestedAbspaltung des Carboxylsauerstoffatoms
mAbspaltung deeinen Ester als Reaktionsprodukt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 23 von 37
O
OH
O
OH
H
R C OH
Nu
C O
Nu HNu
R C
O
Nu
+
+ Nu
+
+- H-H2O
Mechanismus der Veresterung (Saumlure katalysiert)
R C R C- +
+ Nu + H -δ+
OH
R
OHH
R C
O H ++ H
H2O +
+
Substitution von Diazoniumsalzen Darstellung von Salpetrigsaumlureestern
CH2 OH
C2 OH
NO(-) CH2 O
CHCH2
OO
NNN
OOO
+H++ 3 H2OCH OH 2+
H
erstellung der C-S-Bindungen arstellung von Thiolen und Thioethern nalog der Williamsonrsquoschen Ethersynthese lassen sich auch Thioether darstellen
HDA
R Br R SH NaBrMercaptane
Na+ HS-+ +
ich jedoch aufgrund ihrer groumlszligeren den Alkoholen nur schlecht abfangen Thioethern weiterreagieren lassen
Dabei entstehen primaumlr Mercaptane die sucleophilie gegenuumlber den entsprechenN
lassen und sofort zu den entsprechenden
R1 SH R2 X R1 S R2 HXThioether
+Base
SN2+
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 24 von 37 Eine selektrive Herstellung von Mercaptanen durch nucleophile Substitution von
hioharnstoff-Methode Alkylhalogeniden erfolgt mit der T
NH2
CNH
NH2
SH
NH2
CO2 3
+
OH- H2O
2+
CNH2
S
RX CNH2
NH2
SR CNH2
NH2
SR CNH2
SR
s-Alkylthiuroniumsalze
++ +
iso-ThioharnstoffR SH NH+
Herstellung der C-N- Bindung Gabriel-Synthese Ein nichtreduktiver Zugang zu primaumlren Aminen geht von dem Anion von 2-Benzoldicarboximid (Phtalimid) aus dem cyclischen Imid der 12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure) Dieses Verfahren ist als Gabriel-Sysnthese bekannt Da das Stickstoffatom in 12-Benzoldicarboximid (Phtalamis) von zwei Carbonylfunktionen flankiert ist ist die NH-Gruppe ungewoumlhnlich acide (pKa = 83) staumlrker als ein gewoumlhnliches Amid (pKa = 15) Sie wird deshalb bereits von einer so milden Base wie dem Carbonat-Ion deprotoniert das entstehende Anion wird in guter Ausbeute alkyliert Durch saure Hydrolyse setzt man das Amin anschlieszligend als Ammoniumsalz frei Behandelt man dieses mit Base erhaumllt man das freie Amin
O
O
O
O
O
2OH
O
CH CH2NH3HSO4
O
O
O
O
CH CCH2NH2
+
NaOH H2O
+Na+
Na+
N-2-Propinyl-12-benzoldicarboximid (N-Propargylphtalimid)
2-Propinamin (Propargylamin)
wird bei waumlssriger Aufarbeitung entfernt
O
OH
OH
O
NH N K+NH3 300degC
-H2O
K2CO3 H2O
CH CCH2Br
N
O
CH CH CHOH
O
DMF 100degC-KBr
H2SO4 H2O 120degC+ -
12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure)
9712-Benzoldicarboximid (Phtalimid)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 25 von 37 Hinsberg-Reaktion Die Hinsberg-Reaktion bietet die Moumlglichkeit ausgehend von primaumlren Aminen gezielt sekundaumlre Amine herzustellen
R NH2 Cl ts R NH
ts R N ts
-HCl
acides H
KOH
-H2O
(-)
K(+)
R N ts
NR
Rts NH
R
RtsOK
(-)
K(+)+R-X
-KX
Verseifung
H2O
ts = Tosylat = CH3 SO2
Quarternisierung von Aminen Nitroalkanen Isonitrilen Herstellung von C-C-Bindungen Nitrilsynthese (nach Kolbe)
ogenide meist Methyliodid oder primaumlre Alkyliodide mit eim
mit tertiaumlren Alkylhalogeniden ndash erhaumllt man jedoch hauptsaumlchlich Isonitrile
Setzt man AlkylhalNatriumcyanid um so erhaumllt man hauptsaumlchlich die entsprechenden Cyanide BUmsatz von Silbercyanid ndash vor allem
CH3 I
CH3 CN
CH3 N C 7
Acetonitril
Methylisonitril
SN2-artig
+NaCN -NaI
SN1-artig
+AgCN -AgI
er Grund fuumlr dieses Reaktionsverhalten liegt darin dass das Silber-Kation die unterstuumltzt In einer SN1-seinem
lektronegativsten Atom an im Falle der Kolbersquoschen Nitrilsynthese mit dem N-Atom ieser SN1-artige Verlauf fuumlhrt somit zu Isonitrilen at die Reaktion jedoch mehr bimolekularen Charakter so greift das ambidente CN(-) evorzugt mit dem weniger elektronegativeren dafuumlr mehr polarisierbaren Atom an ies fuumlhrt zur Bildung von Nitrilen ie Verhaumlltnisse beim CN(-) sind denen des NO2
(-) aumlhnlich Das Wesentliche ist dabei er SN1- bzw SN2-Charakter der Reaktion Dieser Charakter laumlsst sich durch die
oumlsungsmittelwahl bzw Kryptat-Einfluss in eine
DBildung eines Carbenium-Ions foumlrdert und die SN1-Reaktion rtigen Reaktion greift jedoch das ambidente Nucleophil mit a
eDHbDDdWahl des Nucleophils und durch Lbestimmte Richtung lenken
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 26 von 37 Darstellung von Alkinen Alkine koumlnnen aus anderen Alkinen erhalten werden durch Reaktion terminaler Alkinyl-Anionen mit alkylierenden Reagenzien wie primaumlren Halogenalkanen
xacyclopropanen Aldehyden und Ketonen Wie wir wissen werden solche Anionen aus terminalen Alkinen durch Deprotonierung mit starken Basen meist Alkyllithium-Verbidnungen Natriumamid in fluumlssigem Ammoniak oder Grignard-Reagenzien gewonnen Die Alkylierung mit primaumlren Halogenalkanen erfolgt uumlblicherweise in fluumlssigem Ammoniak oder Ethern Diese Loumlsungsmittel enthalten bisweilen 12-Ethandiamin H2NCH2CH2NH2 NNNrsquoNrsquo-Tetramethyl-12-ethandiamin (TMEDA) (CH3)2NCH2CH2N(CH3)2 oder HMPT als Cosolventien um die Nucleophilie des Anions zu erhoumlhen
O
CH3C CH CH3C C24
(-) (+)Na CH3C
NaNH2 fl NH3
-NH2H
CH3I
-NaI75
CCH3
2-Butin
C36
CH C44
CCH2CH2CH31 CH3CH2CH2CH2CH2Li THF H2NCH2CH2NH22 CH3CH2CH2Br
n
-LiBr85
1-Pentinylcyclohexa
enz
Alkylierung von Ketonen Die konjugierte Addition gefolgt von einer Alkylierung stellt eine nuumltzliche Sequzur αβ-Dialkylierung undgesaumlttigter Carbonylverbindungen
CO
1 R2CuLi
C C C C CR R
O O OBeispiel
1 (CH CH
O2 RX
CH3
CH CH2CH2CH3
CH3
CH2CH2CH2CH3
3 2CH2CH2)2CuLi THF2 CH3I +
84 4 1 trans- und cis-3-Butyl-2-methylcyclohexanon
2
itionGewoumlhnliche Grignard-Verbindungen reagieren mit αβ-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen in einer 12-Add einer 14-Addition oder beiden Weegen je nach Struktur Reaktionsbedingungen und reagierenden Verbindungen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 27 von 37 β-Dicarbonylverbindungen
laisen-Kondensationen fuumlhren zu β-Dicarbonylverbindungen Ethylacetat reagiert en Natriumethoxid zu Ethyl-3-oxobutanoat
Cmit stoumlchiometrischen Meng(Ethylacetacetat Acetessigester)
CH3 C2
OO
CH2CH3CH3 C
7O
OCH2CH3 CH3 C
12
OCH2
C16
OO
CH2CH3+Na+-OCH2CH3 CH3CH2OH
-CH3CH2OHEthylacetat Ethyl-3-oxobutanoat
(Ethylacetacetat) Die Claisen-Kondensation beginnt mit der Bildung eines Esterenolat-Ions Durch eine Additions-Eliminierungs-Reaktion an die Carbonylgruppe eines anderen Estermolekuumlls entsteht ein 3-Ketoester Diese Schritte sind reversibel und der geamte Vorgang ist bis zu dieser Stufe endotherm Besonders unguumlnstig ist die Deprotonierung des Esters (pKa = 25) durch Ethoxid (pKa von Ethanol = 159) Das Gleichgewicht ist trotzdem zum Produkt verschoben da die Basde den 3-Ketoester (pKa = 11) an C2 praktisch irreversibel deprotoniert Bei der Aufarbeitung mit waumlssriger Saumlure wird die konjugierte Base des Produkts protoniert womit der Prozess abgeschlossen ist
CH3 C21
O CH2CH3 Na+ CH2 C
27 OCH2CH3
CH2 C32
O
OCH2CH3
+ CH3CH2OH
O O(-)
(-)Bildung des Esterenolats
Na+-OCH2CH3
CH3 C37
OO
CH2CH3CH2 C
42O
OCH2CH3
(-)CH3 C
48OCH2CH3
O
CH2
C52
OCH2CH3
O
+
Eliminierung
Nucleophile Addition
CH3 C56
OCH2CH3
O
CH2
C60
OCH2CH3
O
CH3 C64
CH2
C66
OCH2CH3
O O
+ -OCH2CH3
Ketoester
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 28 von 37
CH3 C71
CH2
C73
OCH2CH3
O O
CH3 C78
CH C80
OCH2CH3
O O
CH3 C92
CH
C94
OCH2CH3
O OCH3 C
99CH
C101
OCH2CH3
O O(-)
CH3 C85
CH2
C87
OCH2CH3
O O
Deprtotonierung
+ -OCH2CH3
sauer pKa = 11
+CH3CH2OH
CH3 CCHO
COCH2CH3
O(-)CH3 CCH2
OCOCH2CH3
O
Protonierung bei der waumlssrigen Aufarbeitung
H+ H2O
Zur Vermeidung einer Umesterung sollten sich das Alkoxid und der Ester von demselben Alkohol ableiten lassen Malonestersynthese Mit der Malonester-Synthese erhaumllt man Carbonsaumluren Diethylpropandioat (Malonsaumlureester) ist ein gutes Ausgangsmaterial zur Darstellung 2-substituierter oder 22-disubstituierter Carbonsaumluren in einem Verfahren das man Malonestersynthese nennt
CH3 CH2
O C CH2
OCO
O CH2
CH3CH3 C
H2
O C CO
CO
O CH2
CH3
R
R
CR
RH COOH
22-disubstituierte Carbonsaumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 29 von 37 α β-ungesaumlttigte Ketone Bei α- β-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen tritt neben der 12-Verknuumlfung auch 14-Verknuumlpfung bei der Pinakol-Reaktion auf
CH2 CH
CH
O CH2 CH
CH
CH
CH
CH2
OH OH
12-Verknuumlpfung
2Zn
Ethanol 0degC
68
O O On
O O
2
14-Verknuumlpfung
+ e(-)
(-) (-)
lkylierung von Cupraten alten Doppelbindungen an denen einfache Alkylgruppen
ebunden sind Im Prinzip koumlnnen diese Verbindungen aus organometallischen
zien RLi bzw RMgX im allgemeinen icht mit Halogenalkanen Es gibt aber einen anderen Typ organometallischer
Reagenzien die Organocuprate die hier sehr effektiv wirken Organocuprate besitzen die stoumlchiometrische Zusammensetzung R2CuLi und koumlnnen direkt durch Addition zweier Aumlquivalente einer Organolithium-Verbidnung an ein Aumlquevalent Kupferiodid CuI dargestellt werden Beispiel
AViele wichtige Molekuumlle enthgReagenzien durch direkte Alkylierung gewonnen werden Ungluumlcklicherweise reagieren Organolithium- oder Grignard-Reagenn
CH2 CHLi CuI (CH2=CH)2CuLi LiI+ +Ethenyllithium Lithiumdiethenylcuprat
(ein Organocuprat-Reagenz) Lthiumcuprate reagieren mit Halogenalkanen in sogenannten Kupplungsreaktionen unter Bildung substituierter Alkene Primaumlre Iodide sind dazu am besten geeignet aber auch andere primaumlre und sekundaumlre Halogenalkane geben befriedigende Resultate
R2CuLi RX R R LiX+ +
CCH3
CH
C17
CH3
HC20
HC
23
CH3
HC26
H
CH2(CH2)6CH3
1 Li(CH3CH2)2O2 CuI CuLi
CH3(CH2)6CH2IHMPT
11H 14 Cl2
Lithium-bis(trans-1-propenyl)cuprat90
trans-2-Undecen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 30 von 37 Herstellung von C-X-Bindungen Veresterung von Alkoholen mit Mineralsaumluren
Finkelsteinreaktion (RF-Verbindungen mit Krypat-Unterstuumltzung) Bei der Finkelstein-Reaktion handelt es sich um eine nucleophile Halogenid-Austausch-Reaktion zur Synthese von Iodiden und Fluoriden aus Bromiden und Chloriden zB
R X NaI R I NaX+Aceton
+ X = Cl Br
SN2
Eine Komponente der Triebkraft dieser Reaktion hat physikalische Ursachen die n und sekundaumlren
lkylhalogeniden unguumlnstige Lage der Gleichgewichte fuumlr eine SN2-Reaktion Loumlslichkeit Bei dieser Reaktion wird die bei tertiaumlreA
R X I I R X
I R X=
++
urch physikalisch-chemische Effekte beguumlnstigt naumlmlich dadurch dass NaBr und aCl in Aceton schlecht loumlslich sind und ausfallen Dadurch werden die leichgewichte irreversibel verschoben und die Reaktion verlaumluft somit im ewuumlnschten Sinne
eispiel
dNGg B
C16
CH3 CH
Br 223 Hin Aceton
CH3
CCHCH3
C I+NaI + NaBr
CH32 CH3
2SN2
Es findet keine Neophenylumlagerung statt das heiszligt dass keine SN1-Reaktion stattfindet In einer Variante der Finkelstein-Reaktion wird der Tosylat-Rest gegen Halogenid ausgetascht Ansonsten aber arbeitet man nach dem gleichen Prinzip
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 31 von 37
30 Elektrophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom
Am alipatischen C-Atom sind elektrophile Substitutionen moumlglich wenn die C-X-Bindung so polarisiert ist dass das C-Atom eine negative und die Abgangsgruppe
s der ilen
tion Man kann jedoch zwischen folgenden Mechanismen nterscheiden
1 SE1 analog SN2 (Racemisierung)
2 SE2-back analog SN2 (Inversion)
3 S 2-front analog S i (Retention)
analog S i (Retention)
31 SE1-Reaktion
ierbei handelt es sich um eine Reaktion erster Ordnung die zweistufig verlaumluft
eine positive Ladung traumlgt Diese Voraussetzungen sind vor allem bei metallorganischen und CH-aciden Verbindungen erfuumlllt Der Mechanismuelektrophilen alipathischen Substitution ist nicht so klar wie der der nucleophaliphatischen Substituu
E N
4 S i E N
H
langsamR X R
R Y+ R Y+
Geeignete Loumlsungsmittel fuumlr SE1-Reaktionen sind Dimethylformamid (DMF) undHexamethylphosphorsaumluretriamid (HMPA)
O N(CH3)2
HN(CH3)2
POH3)2
N(CH3)2
HMPA
N(CDMF
Stereochemie der SE1-Reaktion
Die Stereochemie von SE1-Reaktionen verlaumluft nicht einheitlich Im Allgemeinen isch aktive Verbindungen einsetzt Dies
kann zwei Ursachen haben 1 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist
ufig der Fall wenn es sich um mesomeriestabilisierte
2 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist pyramidal gebaut kann jedoch seine Struktur nicht halten (vergleichbar dem schnellen Durchschwingen von unsymmetrisch substituierten Aminen)
findet man Racematisierung wenn man opt
planar Dies ist hauml
Carbanionen handelt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 32 von 37 In Ausnahmefaumlllen kann jedoch auch bei planaren (mesomeristabilisierCarbanionen je nach Wahl des Loumls
ten) ungsmittel Inversion Retention oder
Racemisierung auftreten was durch unterschiedliche Solvatationseffekte erklaumlrt wird Beispiel fuumlr eine S 1-Reaktion E
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
HgBrRacemat
langsam
(-)+ HgBr+
+HgBr2
-HgB 2
rHgBr
Hg = isotopenmarkiertes Hg
32 S 2-ReaktionE E
eaktionen sind bimolekular Beide Mechanismus verglichen werden
Y
und S i-Reaktion
SE2 und SEi-R anisund SNi-Mech
men koumlnnen mit dem SN2-
C47
Y X
SE2 (back) nfalls um einen Frontangriff unter
C C X29
X C35
Y
X
41
SE2 (front)
Beim SEi ndashMechanismus handelt es sich ebeRetention
Y zY z
C53 X C60 XSEi
Die Bildung cyclischer Uumlbergangszustaumlnde die 4- oder 6-gliedrig sein koumlnnen foumlrdert die Losloumlsung der Abgangsgruppe Stereochemie von SE2-Reaktionen und von SEi-Reaktionen
Fuumlr die h den nucleuphilen Substitutionen von Be
8 Valenzelektronen haumltte Da nun zwischen den beiden Elektronenwolken Coulomb-Abstoszligung auftritt erfolgt der Angriff des Nucleophils gezwungenermaszligen von der Ruumlckseite des Molekuumlls Die Folge ist Inversion Anders ist es dagegen beim SE2- und Sei-Mechanismus Das angreifende Elektrophil besitzt nur ein leeres Orbital und somit ist sowohl der Front- als auch der
angriff unter Inversion verlaumluft laumlsst die Stereochemie der SE-Reaktion nur schwer Ruumlckschluumlsse auf den Mechanismus zu
Stereoc emie ist folgender Unterschied zu deutung
Bei SN-Reaktionen bringt das angreifende Nucleophil ein Elektronenpaar mit Daher muss die Abgangsgruppe bei der Neubildung der Bindung ein Elektronenpaar mitnehmen da sonst das C-Atom mehr als
Ruumlckseiten-Angriff moumlglich Da der Frontangriff unter Retention der Ruumlckseiten
Skript zum 2 OC-Kolloquium
33 Anwendungen
reu
Seite 33 von 37
Herstellung einfacher metallorganischer Verbindungen
etall-H-Austausch
aumluren betrachtet werden Dabei nimmt die H-Aciditaumlt mit zunehmendem s-Charakter der Hybridisierung zu
sp CH3 CH3
M C-H-Verbindungen koumlnnen als schwache SC Hybridisierung
3Saumlure konjugierte Base pKa-W
sp2
CH3 CH2 Zunahme der
sp
2 2
CH CH
CH2 CH
CH C15(-)
25
Aciditaumlt
Da eine staumlrkere Saumlu
ert 42
365
(-)
CH CH (-)
re eine schwaumlchere aus ihrem Salz vertreibt reagiert eine konjugierte Base mit jeder Saumlure die in der Tabelle unter ihr steht Elektronegative Gruppen an Aromaten wirken acidifizierend Beispiele
HC H Na
NaC2H6
Li H
+
pKa 42schwaumlchere Saumlure
Pentan
pKa 37schwaumlchere Saumlu
pKa 35 staumlkere Sauml re
+ Pentan +
schwaumlchere Saumlure
2 5+pKa 37 staumlkere Saumlure
Na CH3 H CH2Na
+ Pentan +
H H H LipKa 37pKa 23
staumlkere Saumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 4 von 37 ausgeweitet werden und das Radikal wird mit zunehmender Delokalisation des Elektronenmagels stabiler
CH2 CH CH2
CH2
lt
Allyl Benzyl
Dieser Effekt kann allerdings nur eintreten wenn das Orbital indem sich das ungepaarte Elektron befindet parallel zu den p-Orbitalen des π-Elektronensystem ausgerichtet ist Aus diesem Grund ist auch verstaumlndlich warum Vinyl- und Phenyl-Radikale keine Mesomeriestabilisierung erfahren (hier wuumlrde das bdquoRadikal-Orbitalldquo orthogonal zum π-Elektronensystem stehen) Radikale koumlnnen jedoch auch wie schon erwaumlhnt durch sterische Hinderung stabilisiert werden Ein Beispiel hierfuumlr ist das Gomberg- oder Trityl-Radikal welches in Benzol zu 23 vorliegt
C
Triphenylradikal (Gomberg-Radikal) weitere sterisch stabilisierte Radikale
CHO O
Galvinoxyl-Radikal
OAroxylradikal
NO2NN
O2N
O2N
N+
NN
O2N
O2N
O
O
DPPH (= Diphenylpikrylhydrazyl-Radikal) oder Goldschmidts Radikal (violett)
λmax= 520nm
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 5 von 37
14 Reaktionen von Radikalen Radikale koumlnnen auf verschiedenste Weisen reagieren
a) Reaktion zweier Radikale unter Verlust der radikalischen Eigenschaften Rekombination
CH2 CH2
CH2
2[19]
Disproportionierung
C CH3
CH3CH3
CCH3
CH2CH3
CHCH3
CH3CH3
2 +[110]
b) Uumlbertragung der Radikaleigenschaften Dabei unterscheidet man
Isomerisierung Addition und Abspaltung von Atomen und Gruppierungen durch Radikale
- Zersetzung oder Isomerisierung von Radikalen
O
O CO2+
[111] - Addition von Radikalen an Mehrfachbindungen
Br CH2 CH2
Br CH2
CH2+[112]
- Abspaltung von Atomen oder Gruppierungen durch Radikale
R H Cl R H Cl+ + [113] Die meisten Radikale sind sehr reaktionsfaumlhig Sie liegen daher nur in niedrigen Konzentrationen vor und haben eine sehr geringe Lebensdauer (lt10-3 sec) In Anwesenheit eines geeigneten Reaktionspartners (unter Umstaumlnden auch das Loumlsungsmittel) reagieren sie unter Addition [112] beziehungsweise Substitution [13] Ihre Selbstreaktionen koumlnnen unter Rekombination [19] oder Disproportionierung [110] ablaufen Diese Reaktionen sind jedoch nur als Kettenabruchsreaktionen von Bedeutung Reaktivitaumlt und Selektivitaumlt bei radikalischen Substitutionen Radikalische Substitutionsreaktionen sind im Allgemeinen dann durchfuumlhrbar wenn ihr Verlauf zu einem Energiegewinn fuumlhrt (exotherme Reaktion dh die Summe der Reaktionsenthalpien muss negativ sein) So kann beispielsweise ein Chlorradikal an einer C-H-Bindung unter Bildung der stabileren H-Cl-Bindung angreifen Bei Iod ist dies nicht der Fall daher wirkt Iod als Inhibitor
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 6 von 37
R I I R I I
R H I H I R
+ +
+ + Aus Bestimmungen der Geschwindigkeitskonstanten ist die folgende Reaktivitaumltsreihe fuumlr Radikale gefunden worden
Fbull gt HObull gt Clbull gt bullCH3 gt Brbull gt ROObull Inhibitoren Eine Substanz die eine Reaktion hemmt oder abbricht selbst wenn sie nur in kleinen Mengen vorhanden ist nennt man Inhibitor Die Zeitspanne waumlhrend deren ein Inhibitor wirkt und nach der die Reaktion mit normaler Geschwindigkeit ablaumluft wird als Inhibitionszeit bezeichnet Beispiel
CH3bull + O2 rarr CH3-O-Obull Einfluss von Loumlsungsmitteln und Temperaturabhaumlngigkeit von Radikalreaktionen Durch eine Erhoumlhung der Temperatur nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit einer exothermen Reaktion ab Bei Radikalreaktionen fuumlhrt eine Erhoumlhung der Temperatur zu einer Verminderung der Selektrivitaumlt der Reaktion so dass bei einer ausreichend hohen Temperatur das Verhaumlltnis der Abstraktion eines primaumlren sekundaumlren oder tertiaumlren Wasserstoffatoms 111 betraumlgt Fuumlr eine Radikalreaktion eignen sich besonders polare Loumlsungsmittel da diese das Radikal durch Solvatisierung stabilisieren Dies kann jedoch zu einer verringerten Reaktionsgeschwindigkeit fuumlhren
15 Nachweis von Radikalen Ein fuumlr die Bestimmung der Lebensdauer von Radikalen wichtiges Experiment ist das von Paneth und Hofeditz 1929 durchgefuumlhrte Experiment
Kuumlhlung
6 mm
40 cm
PbMe4 2 Torr 12 msec-1
Pb-SpiegelPb-Spiegel
Pb(CH3)4
∆Pb + 4 CH3
Lebensdauer von CH3 = 10-3 sec
Abb Paneth-Hofeditz-Versuch
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 7 von 37 Bei diesem Experiment konnte die Lebensdauer von Methyl-Radikalen bestimmt werden Auszligerdem kann die Anwesenheit von Radikalen durch den Transport des Pb-Spiegels gezeigt werden Eine andere bedeutende Methode zum Nachweis von Radikalen ist die Elektronenspinnresonan-Spektroskopie (ESR) Die Messmethode ist Vergleichbar mit der NMR-Spektroskopie und anhand der so erhaltenen Spektren ist die elektronische Konfiguration der untersuchten Molekuumlle erkennbar Von groszliger Bedeutung sind Radikalfaumlnger (Inhibitoren) zum nachweis von Radikalen Ein Beispiel dafuumlr ist das Hydrochinon
OH
OH
O
OH
O
O
O
O
O
O
OR
OR
R + - RH
R
- RH
+ 2 R
Weitere wichtige Radikalfaumlnger sind die Vitamine C und E (Antioxidanzien)
16 Anwendungen Wurtzrsquosche Synthese
Bildung von Kohlenwasserstoffen aus Alkylhalogeniden und Natrium
2 RX + 2Na R-R + 2 NaX
Die Reaktion wird zur Darstellung houmlherer Alkane verwendet Wird von 2 verschiedenen Alkylhalogeniden ausgegangen entsteht ein Kohlenwasserstoffgemisch Alkyliodide reagieren leichter als Bromide oder Chloride
Wurtz-Grignard-Reaktion
R-Mg-X + RX R-R + MgX2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 8 von 37 Pinakol-Reaktion
Aldehyde und Ketone gehen mit Metallen eine Ein-Elektronen-Reduktion ein die zur Ausbildung einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung zwischen zwei Carbonyl-Kohlenstoffatomen fuumlhrt So ergibt sich beispielsweise in Benzol bei Zugabe von Magnesium zu Aceton (Propanon) nach waumlssriger Aufarbeitung 23-Dimethylbutan-23-diol
Der Mechanismus der Pinakol-Kopplung verlaumluft uumlber Ein-Elektronen-Uumlbertragungsschritte Anfangs nimmt die Carbonylgruppe unter Bildung eines Radikal-Anions ein Elektron auf Anschlieszligend kombinieren zwei solcher Radikal-Anionen unter Bildung eines Dianions welches bei der waumlssrigen Aufarbeitung protoniert wird
Acyloin-Kondensation Die α-Hydroxyketone oder Acyloine sind leicht durch Acyloin-Kondensation von Estern zugaumlnglich Im Prinzip handelt es sich bei der Reaktion eher um eine reduktive Dimerisierung welche vergleichbar mit der Pinakol-Reaktion ist Erhitzt man elementares Natrium zusammen mit einem Ester in Diethylether oder Benzol und anschlieszligender waumlssriger Aufarbeitung erfolgt eine reduktive Kupplung bei der das entsprechende α-Hydroxyketon entsteht
R O RO
R O RO
R O RO
R RO O
OROR
R RO O
R RO O
R RO O
R ROH OH
R RO OH
H
+
Na
Na+
Dimerisierung
Na+ Na+
- 2Na+ OR-
++
2 NaNa+ Na+
Endiolat
2 H2O
- 2 NaOHEndiol
Acyloin
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 9 von 37 Der Mechanismus verlaumluft wahrscheinlich in aumlhnlicher Weise wie der der Pinakol-Reaktion Im ersten Schritt wird der Ester durch Uumlbertragung eines Elektrons vom Metallatom zu einem Radikal-Anion reduziert Das so entstandene Radikalanion dimerisiert zum Dianion des entsprechenden Diols Bei der Acyloin-Kondensation kann nun das Dianion zwei Alkoxid-Ionen unter Bildung eines α-Diketons abspalten Nach weiterer Reduktion durch Uumlbertragung zweier Elektronen bildet sich ein Endiolat Die waumlssrige Aufarbeitung ergibt dann uumlber eine Zwischenstufe des Endiols das α-Hydroxyketon Kolbe-Elektrolyse Bei der Kolbe-Elektrolyse wird das Elektron durch anodische Oxidation abgespalten Die entstandenen Radikale dimerisieren zu einem Alkan
RO
OR
O
O- e- R + CO2
radikalische Polymerisation
CH2 CH2
R O O RCH2 CH2
R O O R R O
R O CH2 CH2RO CH2 CH2
RO CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2
CH2
H
CH3
CH2 CH2
CH3CH2CH2
1000atmgt 100degC
2
∆21)
2)
3)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 10 von 37 HX-Addition an C=C-Doppelbindungen Setzt man frisch destilliertes 1-Buten mit Bromwasserstoff um wird entsprechend der Markownikow-Regel Addition 2-Brombutan beobachtet In Gegenwart von Sauerstoff beobachtet man jedoch die Bildung von 1-Brombutan das ein anti-Markownikow-Produkt darstellt Der Grund fuumlr diese Beobachtung ist dass die Anwesenheit des Sauerstoffs zur Peroxiden ROOR fuumlhrt und der Reaktionsmechanismus somit als Radikalreaktion ablaumluft Man spricht in diesem Zusammenhang auch vom Peroxid-Effekt Der Mechanismus laumlsst sich wie folgt beschreiben
R O O R R O
R O R O H Br
Initiation∆
2
+ HBr∆
+
C CH2
H
CH2CH3
Br
CH3 CH2
CH
CH2
BrH
Br
Kettenwachstum
+ CH3CH2CH-CH2Brsekundaumlres Radikal
CH3CH2CH-CH2Br + HBr +
Br
CH3 CH2
CH
CH2
Br
CH
CH2
BrCH2
CH3
Kettenabbruch
2 Br2
CH3CH2CH-CH2Br2
Halogenierung von Alkanen (Radikalkettenreaktion) Von groszliger technischer Bedeutung sind radikale Kettenreaktionen Formal wird eine Radikalkettenreaktion in 3 Teilschritte eingeteilt Im Folgenden wird der radikalischen Kettenreaktion anhand der Chlorierung von Methan betrachtet Die Reaktionsprodukte der radikalischen Halogenierung sind Chlormethan und Chlorwasserstoff sowie Nebenprodukte in sehr geringen Mengen
Cl ClH3 C H H3 C Cl H ClLichtWaumlrme+ +
440 kJmol 243 kJmol 356 kJmol 431 kJmol
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 11 von 37 ∆Hdeg= ((440 + 243) ndash (356 + 431)) kJmol = -104 kJmol (exotherm) Die radikale Kettenreaktion wird gestartet durch die Spaltung eines Chlormolekuumlls durch Waumlrmezufuhr oder Lichteinfall Kettenstart
Cl Cl Cl hν 2 ∆Hdeg= 243 kJmol
Im zweiten Schritt greift das Chlorradikal das Methanmolekuumll an Dabei wird eine der Wasserstoff-Kohlenstoffbindungen des Methans homolytisch gespalten und man erhaumllt Chlorwasserstoff sowie ein Methylradikal Wasserstoffabspaltung (1 Kettenfortpflanzung)
Cl CH
HH
H C H
HH
+ HCl +
440 kJmol 431 kJmol ∆Hdeg= + 9 kJmol
C
HH
H
H ClC 1
HH
H
C
H H
H
H Cl
Lappen waumlchst
+ H Cl
Im anschlieszligenden Reaktionsschritt greift nun das Methylradikal ein Chlormolekuumll an und unter homolytischer Spaltung der Chlor-Chlorbindung entsteht Chlormethan sowie ein Chlorradikal welches wiederum im vorhergehenden Schritt mit einem Methanmolekuumll reagieren kann Chlorierung des Methans (2 Kettenfortpflanzung)
C H
HH
Cl Cl CH
HH
Cl Cl + +
243 kJmol 356 kJmol
in 2
∆Hdeg= -113 kJmol
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 12 von 37 Zu Ende der Kettenreaktion findet eine Rekombination der verschiedenen Radikale statt und man erhaumllt ein Chlormolekuumll ein Ethanmolekuumll oder ein Chlormethanmolekuumll als Produkt Kettenabruchreaktion
Clmiddot + Clmiddot rarr Cl-Cl middotCH3 + middot CH3 rarr H3C-CH3
middotCH3 + Clmiddot rarr H3C-Cl Die radikale Kettenreaktion verlaumluft uumlber eine Zwischenstufe sowie zwei Uumlbergangszustaumlnde welche in dem folgenden Energiediagramm zu erkennen sind E
[H3C H Cl]ne
[H3C Cl Cl]ne
Uumlbergangszustand
CH3 + Cl2 + HCl
Zwischenstufe
CH4 + Cl + Cl2
Reaktionskinetik
Abb Energiediagramm Die radikalische Chlorierung von Methan kann durch weitere Substitutionen von Wasserstoffatomen durch Chloratome weiter bis zum Tetrachlormethan gefuumlhrt werden
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 13 von 37 Ziegler-Wohl-Bromierung
enen in der Allylstellung mit N-Bromsuccinimid ei 0degC
ittel welches die C=C-Doppelbindung nicht
BS N-Bromsuccinimid
Selektive Bromierung von AlkN-Bromsuccinimid NBS entsteht durch Einwirkung von Brom auf Succinimid bin Gegenwart von Natriumhdroxid NBS ist ein selektives Bromierungsmangreift N
N
O
O
Br N
O
O
Br
tart
Licht oderPeroxide +
S
Br CH3 CH
CH2CH2 C
HCH2
BrH
CH2 CH
CH2 Br2 CH2
CH
CH2
BrBr
N
O
O
Br BrH N
O
O
H Br2
Kette
+ +
+ +
+ +
niedrige-Konzentrationenvon Br2Solvens CCl4
Die alpha staumlndige Methylengruppe wird rascher bromiert als die Me hylgruppe
andmeyer-Reaktion us der Sandmeyer-Reaktion ist noch nicht geklaumlrt Die
t SDer genaue MechanismReaktion verlaumluft aber vermutlich uumlber zwei radikalische Zwischenstufen
CH3
NH2
CH3
N2
CH3
ClHCl NaNO2 0degC
+Cl-CuCl 60degC
+ N2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 14 von 37 Autoxidation
ther ER2CH OR O2 R2C OR R2C OR
O O
R2C ORO O H
+
Aldehyde
C6H5 C7
HO
O2 C6H5 C12
O
H O O
C6H5 C19
OO2 C6H5 C
23
OO O
C6H5 C28
OO O C6H5 C
33H
OC6H5 C
37
OO O H C6H5 C43
O
C6H5 C47
OO O H C6H5 C
53H
OC6H5 C
57
OO H
+ +
+
+ +
+ 2
ock-Verfahren H
C HC6H5
3
CH3
O2 C OC6H5
CH3
CH3
O HH
+
C6H5 OH CCH3
CH3
O+
CH
racken en von langkettigen Alkanen wird als Cracken bezeichnet Derartige
eine
isch aus hunderten verschiedener Alkane Der groumlszligte Teil wird
it l)
s Benzin zu erhalten werden laumlngerkettige Kohlenwasserstoffe durch rs
ende Radikale
CDas ZerlegProzesse spielen in der Erdoumllindustrie bei der Darstellung von Benzin aus Erdoumll wichtige Rolle Erdoumll ist ein Gemdurch langkettige wenig verzweigte Alkane gebildet Ein kleiner Teil besteht aus aromatischen Verbindungen Benzin ist ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen meiner Laumlnge von 4-12 Kohlenstoffatomen und ist in Erdoumll bis zu 30 (Volumenanteienthalten Um weiterefraktionierte Destillation abgetrennt und bei 500degC in Gegenwart eines Katalysato(Wolfram oder Nickel auf einer SiO2-Al2O3-Oberflaumlche) pyrolysiert Die Reaktion findet in einer Wasserstoffatmosphaumlre statt um entstehmit Wasserstoffatomen abfangen zu koumlnnen Auszligerdem koumlnnen Alkene zu AlkanenStickstoffhaltige Verbindungen zu NH3 und Schwefelhaltige Verbindungen zu H2S hydriert werden Man erhaumllt nach dem Cracken Erdoumll mit einem Benzin Anteil von 50
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 15 von 37
CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3
C HH
HC C C C C
H
H
H
H
H
H
H
H
H
HH
C C HH
H
H
HC C C C H
HH
H H H
H H H
+
+
Pyrolyse von Hexan
C C C H
H
H
HH
H
H2
20 Nucleophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom Bei einer Nucleophilen Substitution wird eine Abgangsgruppe unter hetereolytischer Spaltung der Bindung gegen ein Nucleophil ausgetauscht Nucleophile sind neutrale Teilchen oder Anionen welche mindestens ein freies Elektronenpaar aufweisen Gute Nucleophile sind gut polarisierbar und besitzen eine geringe Elektronegativitaumlt Sterisch anspruchsvolle Nucleophile hingegen sind schlechte Nucleophile Auszliger den bereits genannten Faktoren beeinflusst auch die Staumlrke der neu gebildeten Bindung die Guumlte eines Nucleophils Beispiele fuumlr neutrale Nucleophile sind H2O ROH RSH NR3 PR3 Beispiele fuumlr Anionische Nucleophile sind Hal- RO- HO- RS- Fuumlr die Guumlte der Abgangsgruppe (Necleofuge) gilt im Allgemeinen dass je staumlrker die konjugierte Saumlure desto besser das Nucleofug
I- gt Br- gt Cl- gt F- Man kann des weiteren Nucleofuge durch Zugabe von H+ -OH2
+ -OHR+ aktivieren Bei Nucleophilen Substitutionen unterscheidet man zwischen SN1 SN2 und SNi- Reaktionen 21 Die Bimolekulare nucleophile Substitution SN2 Zunaumlchst greift ein Nucleophil (in diesem Fall das Hydroxidion) am partiell positiv geladenen Kohlenstoffatom ruumlckseitig an Dabei entsteht ein fuumlnfbindiger (pentavalenter) Uumlbergangszustand Die Abspaltung des Chloridions sowie die Anlagerung des Hydroxidions erfolgt gleichzeitig und man erhaumllt als Reaktionsprodukt Methanol und ein Chloridion
C ClH
H H
HO
C ClH
H HOH
COHH
H HCl
- =
-+
-
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 16 von 37 Das Energiediagramm fuumlr eine solche Reaktion sieht wie folgt aus
Uumlbergangszustand ne
Edukte
Produkte
Neben der ruumlckseitigen Anlagerung des Nucleophils koumlnnte das Nucleophil auch vorderseitig angelagert werden Jedoch zeigen entsprechende Experimente dass diese Anlagerung nicht stattfindet
CCH3
HBr
CH2CH3
CCH3
H
BrCH2CH3
I
IC
CH3
HI
CH2CH3
Br
HBrI
CH2CH3CH3
C CH3
HI
CH2CH3
Br
- =
Vorderseitenangriff
--+
Retention
(S)-2-Brombutan
(S)-2-Iodbutan
- =
Ruumlckseitenangriff
Inversion
-+
(R)-2-Iodbutan Im folgenden soll eine kurze Uumlbersicht uumlber moumlgliche Nucleophile sowie die dabei entstehenden Produkte gegeben werden
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 17 von 37
-Hydroxid
R OH Alkohol
OR-Alkoxid
R OR Ether HOH R O
H
HR O H
+ -H+
Alkohol R OH R O H
RR O R-H+
Ether
R CO
O Carboxylat
R O C RO Ester
NH3 Ammoniak R NH3 R NH2
+ -H+
Amin R 2NH primaumlres Amin R NH2R R NHR
+ -H+
sekundaumlres Amin
R2 NH sekundaumlres Amin R NHR 2 R NR2+ -H+
tertiaumlres Amin
R3N tertiaumlres Amin R NR3+
R-SH Thiol R-S- Mereaptidion R-SR Thioether R2S
SRRR
+
kan CN- Cyanid R-CN Nitriole C C R R C C R A
schiene F
Nucleophil (Nu) R-Nu
O H
HS- Hydrogensulfidion
Sulfoniumion I- Iodid R-I Iodal
Acetylid cetylen
Es gibt ver aktoren die den Ablauf der SN2-Reaktion bestimmen Zum einen
I-gt Br- gt Cl- gt F-
beeinflusst die Guumlte der Abgangsgruppe den Verlauf der Reaktion Dabei beguumlnstigen stabile Abgangsgruppen den Verlauf der Reaktion
R S OO
OR S O
O
OR S O
O
O
CO
OC
O
OC
O
O-
--
--
-
uszligerdem beeinflusst die Art des Nucleophils den Verlauf der SN2-Reaktion Dabei wird die Reaktion durch negativ geladene Nucleophile ohne sterische Hinderung beguumlnstigt
A
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 18 von 37
22 Die Monokulare Substitution SN1 Neben der bimolekularen Substitution kann bei Halogenalkanen noch eine weitere
ndash die monomolekulare Substitution iese Form der Substitution tritt allerdings bevorzugt bei sekundaumlr oder tertiaumlr
lten
Substituenten in eine Ebene und das zentrale
Form der nucleophilen Substitution auftretenDgebundenen Halogenen auf Bei der Monomolekularen Substitution wird zunaumlchst das Halogenidion abgespaund es bildet sich ein Carbeniumion Anschlieszligend bdquoklappenldquo die drei noch am Kohlenstoffatom verbliebenenKohlenstoffatom nimmt eine sp2-Hybridisierung ein Danach kann die Anlagerung des Nucleophils erfolgen
CH3
OH2
C Br
CH2CH2CH3CH2CH2
Br CCH3
CH2CH2CH3
CH2CH3
OH2
C
C3
OH CH2CH3
CH2CH2CH3
C
OH
CH3
CH2CH2CH3CH2CH3
-
(R)
+
(S)-Methyl-3-hexanal
InversionRetention
-HBr -HBr
(R)-3-Methyl-3-hexanal
+
2
H
Da das Carbeniumion eine sp -Hybridisierung aufweist kann bei der SN1-Reaktion eine vorder- und eine ruumlckseitige Anlagerung des Nucleophils erfolgen Das Energiediagramm einer solchen Reaktion sieht wie folgt aus E
C BrCH3
CH3
CH3
Br (CH3)3C(CH3)3 C OH BrH2O+ -+ ++ -
Die SN1-Reaktion laumluft im Allgemeinen schneller als die SN2-Reaktion ab Dazu ist es aber noumltig dass sich ein stabiles Carbeniumion ausbilden kann Die Stabilitaumlt des Carbeniumions haumlngt von den Substituenten ab Dabei gelten tertiaumlre Carbeniumionen als besonders stabil
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 19 von 37
C
CH3
CH3
CH3 C
H
CH3
CH3 C
H
H
CH3 C
H
H
H+ + + +
CH3tertiaumlr sekundaumlr primaumlr
+gt gt gt
Der Grund fuumlr die Stabilitaumlt der tertiaumlren Carbeniumionen ist der hyperkonjugative Effekt der Alkylgruppen Dabei bdquoverschiebenldquo die Alkylsubstituenten ihre Elektronendichte zum Kation
CHH
CCH2
CH2
CH2
H
H
+ +
Alkylsubstituenten schieben Elektronendichte zum Kation
H
H
Die folgende Tabelle soll einen kurzen Vergleich zwischen SN1- und SN2-Reaktion ziehen
Vergleich von S 2 und S 1 N NReaktionsparameter SN2 SN1 Struktur des Halogenids primaumlr selten
zyl Alkyl) haumlufig
(Bensekundaumlr manchmal anchmal mtertiaumlr selten haumlufig
Racemisierung Loumlsungsmittel olare
smittel verzoumlgert olare
e Loumlsungsmittel wird durch pLoumlsung
wird durch pprotischbeschleunigt
Nucleophil Anionische Nu beguumlnstigt schlechte Abgangsgruppe gute Abgangsgruppe
bevorzugt SN1 Erhoumlhung der NucleophDie Nucleophilie e
ilieines Nucle em Maszlige w n
erabgesetzt wird Eine Verminderung der Solvatation erreicht man durch Kronether
durch Kryptatbildung ophils steigt in d ie die Solvatatio
Stereochemie Inversion
andere Abgangsgruppe als Halogenides
bevorzugt SN2
h(engl crown) zB
O
O
O
O
OO
O
O OK
+
Y
12-Crown-418-Crown-6
Kryptat
O
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 20 von 37 Bezeichnung der Kronether Die Zahl vor bdquoCrownldquo gibt die Gesamtzahl der Ringatome die Zahl dahinter die Anzahl der Sauerstoffatome an In diesen Alkylkryptaten wird das Gegenion des Nucleophils K+ komplex gebunden auszligerdem findet in unpolaren organischen Loumlsungsmitteln in denen die Kryptatte loumlslich sind nur geringe Solvatation statt so dass das Nucleophil gewissermaszligen bdquonacktldquo vorliegt und dadurch seine volle nucleophile Kraft entfalten kann Kronether werden durch eine Williamsonrsquosche Ethersynthese dargestellt
OHO OCl O O40
O OH Cl O OO
O+
-HCl
O
18-Crown-6Triethylenglykol Triethylenglykoldicklorid
Beschleunigte nucleophile Substitution Die Nachbarschaftsgruppenbeteiligung von Y fuumlhrt zu einer beschleunigten nucleophilen Substitution und erklaumlrt durch zweimalige Inversion die Retention Das Elektronenpaar der Nachbargruppe Y kann ein ein freies Elektronenpaar (Hetereoatome) oder eine π-Bindung sein (Alkene Arene) in Einzelfaumlllen auch eine C-C-Bindung (2-Norbornylkation)
LGY| Y NuInversion|Nu
-+ Inversion
Y|
LG Abgangsgruppe-LG
-
23 SNi-Reaktion Unter dem SNi-Mechanismus versteht man eine innere nucleophile Substitution die nach einem internen SN2-Mechanismus ablaumluft und somit unter Beibehaltung der Konfiguration Ein typisches Beispiel ist der Austausch einer OH-Gruppe gegen Chlor mit SOCl2
COOH
HCOOH
COOH
O SCl
COOHH ClCl2
-SO2
R(-)-Chlorbernsteinsaumlure
H OH +SO
CH2
COOHCH2
O CH2
COOH
in Dioxan-HCl
R(+)-Aumlpfelsaumlure
Hierbei bleibt die Konfiguration erhalten da primaumlr der instabile Chlorsulfinsaumlureester gebildet wird und durch diese Bindung das Nucleophil von derselben Seite angreifen muss Dies fuumlhrt zur Retention Der SNi-Mechanismus ist jedoch stark loumlsungsmittelabhaumlngig denn fuumlhrt man dieselbe Reaktion in Pyridin durch so erhaumllt man 100 Waldenumkehr also SN2-Mechanismus
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 21 von 37 Der Grund hierfuumlr ist in der unterschiedlichen Basenstaumlrke zu sehen zwischen Dioxan und Oyridin Dioxan ist nur eine schwache Base
O
O
O
OH
+ HCl
+
Cl-
Das Gleichgewicht liegt weit auf der linken Seite wodurch das Nucleophil Cl- als HCl gebunden vorliegt Anders ist es dagegen in Pyridin
CR1
R2 OH CR1
R2 OSOClR1+SOCl2 PyrH+Cl-
R3 R3C
R3R2Cl
SN2+ - -
Hierbei greift das aus dem PyrH Cl stammende Nucleophil Cl in einer SN2-Reaktion den entstehenden Chlorsulfinsaumlureester von der Ruumlckseite her an was zur Konfigurationsumkehr fuumlhrt 24 Anwendungen
ubstitution von Halogeniden
siehe SN1 und SN2-Mechanismen saure Veretherung
Eine zweite Alkoholfunktion kann sich nun das enachbarte Kohlenstoffatom nucleophil angreifen Nach der Abspaltung eines
nes Protons erhaumllt man einen Ether
Herstellung von C-O-Bindungen S
Man kann bei Anwesenheit einer Saumlure [H2SO4] zwei Alkohole durch eine saure Veretherung in einen Ether uumlberfuumlhren Dabei wird zunaumlchst eine der Alkoholfunktionen protoniert bWassermolekuumlls und ei
CH3CH2OH
CH3CH2OH
CH3CH2 OH
H
CH3CH2OH
CH3CH2 O HCH3CH2
CH3CH2 O
H+ + -H2O +
++ H
+
CH3CH2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 22 von 37 Etherspaltung In Ethern kann die ROR-Gruppe in Anwesenheit einer Saumlure protoniert werden Im nachfolgenden Schritt erfolgt ein nucleophiler Angriff des Halogenid-Anions Man erhaumllt als Produkt ein Halogenalkan und ein Alkohol
CH3CH2OCH2CH3 CH3CH2 OCH2CH3
H
CH3CH2 OCH2CH3
H
H+
+
Dialkyloxonium-Ion
+Br +-
CH3CH2Br + HOCH2CH3
Williamson-Synthese
e
H3C-CH2-O-CH2-CH3 Diethylether
Ether Alkoyalkan R-O-R
O
Tetrahydrfuran(THF)
CH3 CH2 O Na Br CH2CH3 CH3 CH2 O CH2 CH3
- + +SN2
intermolekularNaBr+
den zuvor beschriebenen Kapiteln koumlnnen verschiedene eaktionsmechanismen zusammen wirken Ein bedeutendes Beispiel dafuumlr ist die
rung von Carbonsaumluren mit Alkoholen Dabei wird zunaumlchst ein Nucleophil an as Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe addiert Anschlieszligend erfolgt die
Da Alkohole schlechte Nucleophile sind muumlssen derartige Reaktionen durch Saumlure (meist Schwefelsaumlure) katalysiert werden Im ersten Schritt lagert sich das Proton an das nicht saure Sauerstoffatom an Diesfuumlhrt zu einer positiven Ladung am Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe Hierdurch wird nun der nucleophile Angriff des Alkohols beguumlnstigt Durch die Anlagerung eines weiteren Proton wird nun die schon einmal protonierte Hydroxygruppen ein weiteres
al protoniert und somit in eine gute Abgangsgruppe umgewandelt Nach der s Wassers wird die andere Hydroxygruppe deprotoniert und man erhaumllt
Veresterung Neben den in RVerestedAbspaltung des Carboxylsauerstoffatoms
mAbspaltung deeinen Ester als Reaktionsprodukt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 23 von 37
O
OH
O
OH
H
R C OH
Nu
C O
Nu HNu
R C
O
Nu
+
+ Nu
+
+- H-H2O
Mechanismus der Veresterung (Saumlure katalysiert)
R C R C- +
+ Nu + H -δ+
OH
R
OHH
R C
O H ++ H
H2O +
+
Substitution von Diazoniumsalzen Darstellung von Salpetrigsaumlureestern
CH2 OH
C2 OH
NO(-) CH2 O
CHCH2
OO
NNN
OOO
+H++ 3 H2OCH OH 2+
H
erstellung der C-S-Bindungen arstellung von Thiolen und Thioethern nalog der Williamsonrsquoschen Ethersynthese lassen sich auch Thioether darstellen
HDA
R Br R SH NaBrMercaptane
Na+ HS-+ +
ich jedoch aufgrund ihrer groumlszligeren den Alkoholen nur schlecht abfangen Thioethern weiterreagieren lassen
Dabei entstehen primaumlr Mercaptane die sucleophilie gegenuumlber den entsprechenN
lassen und sofort zu den entsprechenden
R1 SH R2 X R1 S R2 HXThioether
+Base
SN2+
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 24 von 37 Eine selektrive Herstellung von Mercaptanen durch nucleophile Substitution von
hioharnstoff-Methode Alkylhalogeniden erfolgt mit der T
NH2
CNH
NH2
SH
NH2
CO2 3
+
OH- H2O
2+
CNH2
S
RX CNH2
NH2
SR CNH2
NH2
SR CNH2
SR
s-Alkylthiuroniumsalze
++ +
iso-ThioharnstoffR SH NH+
Herstellung der C-N- Bindung Gabriel-Synthese Ein nichtreduktiver Zugang zu primaumlren Aminen geht von dem Anion von 2-Benzoldicarboximid (Phtalimid) aus dem cyclischen Imid der 12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure) Dieses Verfahren ist als Gabriel-Sysnthese bekannt Da das Stickstoffatom in 12-Benzoldicarboximid (Phtalamis) von zwei Carbonylfunktionen flankiert ist ist die NH-Gruppe ungewoumlhnlich acide (pKa = 83) staumlrker als ein gewoumlhnliches Amid (pKa = 15) Sie wird deshalb bereits von einer so milden Base wie dem Carbonat-Ion deprotoniert das entstehende Anion wird in guter Ausbeute alkyliert Durch saure Hydrolyse setzt man das Amin anschlieszligend als Ammoniumsalz frei Behandelt man dieses mit Base erhaumllt man das freie Amin
O
O
O
O
O
2OH
O
CH CH2NH3HSO4
O
O
O
O
CH CCH2NH2
+
NaOH H2O
+Na+
Na+
N-2-Propinyl-12-benzoldicarboximid (N-Propargylphtalimid)
2-Propinamin (Propargylamin)
wird bei waumlssriger Aufarbeitung entfernt
O
OH
OH
O
NH N K+NH3 300degC
-H2O
K2CO3 H2O
CH CCH2Br
N
O
CH CH CHOH
O
DMF 100degC-KBr
H2SO4 H2O 120degC+ -
12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure)
9712-Benzoldicarboximid (Phtalimid)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 25 von 37 Hinsberg-Reaktion Die Hinsberg-Reaktion bietet die Moumlglichkeit ausgehend von primaumlren Aminen gezielt sekundaumlre Amine herzustellen
R NH2 Cl ts R NH
ts R N ts
-HCl
acides H
KOH
-H2O
(-)
K(+)
R N ts
NR
Rts NH
R
RtsOK
(-)
K(+)+R-X
-KX
Verseifung
H2O
ts = Tosylat = CH3 SO2
Quarternisierung von Aminen Nitroalkanen Isonitrilen Herstellung von C-C-Bindungen Nitrilsynthese (nach Kolbe)
ogenide meist Methyliodid oder primaumlre Alkyliodide mit eim
mit tertiaumlren Alkylhalogeniden ndash erhaumllt man jedoch hauptsaumlchlich Isonitrile
Setzt man AlkylhalNatriumcyanid um so erhaumllt man hauptsaumlchlich die entsprechenden Cyanide BUmsatz von Silbercyanid ndash vor allem
CH3 I
CH3 CN
CH3 N C 7
Acetonitril
Methylisonitril
SN2-artig
+NaCN -NaI
SN1-artig
+AgCN -AgI
er Grund fuumlr dieses Reaktionsverhalten liegt darin dass das Silber-Kation die unterstuumltzt In einer SN1-seinem
lektronegativsten Atom an im Falle der Kolbersquoschen Nitrilsynthese mit dem N-Atom ieser SN1-artige Verlauf fuumlhrt somit zu Isonitrilen at die Reaktion jedoch mehr bimolekularen Charakter so greift das ambidente CN(-) evorzugt mit dem weniger elektronegativeren dafuumlr mehr polarisierbaren Atom an ies fuumlhrt zur Bildung von Nitrilen ie Verhaumlltnisse beim CN(-) sind denen des NO2
(-) aumlhnlich Das Wesentliche ist dabei er SN1- bzw SN2-Charakter der Reaktion Dieser Charakter laumlsst sich durch die
oumlsungsmittelwahl bzw Kryptat-Einfluss in eine
DBildung eines Carbenium-Ions foumlrdert und die SN1-Reaktion rtigen Reaktion greift jedoch das ambidente Nucleophil mit a
eDHbDDdWahl des Nucleophils und durch Lbestimmte Richtung lenken
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 26 von 37 Darstellung von Alkinen Alkine koumlnnen aus anderen Alkinen erhalten werden durch Reaktion terminaler Alkinyl-Anionen mit alkylierenden Reagenzien wie primaumlren Halogenalkanen
xacyclopropanen Aldehyden und Ketonen Wie wir wissen werden solche Anionen aus terminalen Alkinen durch Deprotonierung mit starken Basen meist Alkyllithium-Verbidnungen Natriumamid in fluumlssigem Ammoniak oder Grignard-Reagenzien gewonnen Die Alkylierung mit primaumlren Halogenalkanen erfolgt uumlblicherweise in fluumlssigem Ammoniak oder Ethern Diese Loumlsungsmittel enthalten bisweilen 12-Ethandiamin H2NCH2CH2NH2 NNNrsquoNrsquo-Tetramethyl-12-ethandiamin (TMEDA) (CH3)2NCH2CH2N(CH3)2 oder HMPT als Cosolventien um die Nucleophilie des Anions zu erhoumlhen
O
CH3C CH CH3C C24
(-) (+)Na CH3C
NaNH2 fl NH3
-NH2H
CH3I
-NaI75
CCH3
2-Butin
C36
CH C44
CCH2CH2CH31 CH3CH2CH2CH2CH2Li THF H2NCH2CH2NH22 CH3CH2CH2Br
n
-LiBr85
1-Pentinylcyclohexa
enz
Alkylierung von Ketonen Die konjugierte Addition gefolgt von einer Alkylierung stellt eine nuumltzliche Sequzur αβ-Dialkylierung undgesaumlttigter Carbonylverbindungen
CO
1 R2CuLi
C C C C CR R
O O OBeispiel
1 (CH CH
O2 RX
CH3
CH CH2CH2CH3
CH3
CH2CH2CH2CH3
3 2CH2CH2)2CuLi THF2 CH3I +
84 4 1 trans- und cis-3-Butyl-2-methylcyclohexanon
2
itionGewoumlhnliche Grignard-Verbindungen reagieren mit αβ-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen in einer 12-Add einer 14-Addition oder beiden Weegen je nach Struktur Reaktionsbedingungen und reagierenden Verbindungen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 27 von 37 β-Dicarbonylverbindungen
laisen-Kondensationen fuumlhren zu β-Dicarbonylverbindungen Ethylacetat reagiert en Natriumethoxid zu Ethyl-3-oxobutanoat
Cmit stoumlchiometrischen Meng(Ethylacetacetat Acetessigester)
CH3 C2
OO
CH2CH3CH3 C
7O
OCH2CH3 CH3 C
12
OCH2
C16
OO
CH2CH3+Na+-OCH2CH3 CH3CH2OH
-CH3CH2OHEthylacetat Ethyl-3-oxobutanoat
(Ethylacetacetat) Die Claisen-Kondensation beginnt mit der Bildung eines Esterenolat-Ions Durch eine Additions-Eliminierungs-Reaktion an die Carbonylgruppe eines anderen Estermolekuumlls entsteht ein 3-Ketoester Diese Schritte sind reversibel und der geamte Vorgang ist bis zu dieser Stufe endotherm Besonders unguumlnstig ist die Deprotonierung des Esters (pKa = 25) durch Ethoxid (pKa von Ethanol = 159) Das Gleichgewicht ist trotzdem zum Produkt verschoben da die Basde den 3-Ketoester (pKa = 11) an C2 praktisch irreversibel deprotoniert Bei der Aufarbeitung mit waumlssriger Saumlure wird die konjugierte Base des Produkts protoniert womit der Prozess abgeschlossen ist
CH3 C21
O CH2CH3 Na+ CH2 C
27 OCH2CH3
CH2 C32
O
OCH2CH3
+ CH3CH2OH
O O(-)
(-)Bildung des Esterenolats
Na+-OCH2CH3
CH3 C37
OO
CH2CH3CH2 C
42O
OCH2CH3
(-)CH3 C
48OCH2CH3
O
CH2
C52
OCH2CH3
O
+
Eliminierung
Nucleophile Addition
CH3 C56
OCH2CH3
O
CH2
C60
OCH2CH3
O
CH3 C64
CH2
C66
OCH2CH3
O O
+ -OCH2CH3
Ketoester
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 28 von 37
CH3 C71
CH2
C73
OCH2CH3
O O
CH3 C78
CH C80
OCH2CH3
O O
CH3 C92
CH
C94
OCH2CH3
O OCH3 C
99CH
C101
OCH2CH3
O O(-)
CH3 C85
CH2
C87
OCH2CH3
O O
Deprtotonierung
+ -OCH2CH3
sauer pKa = 11
+CH3CH2OH
CH3 CCHO
COCH2CH3
O(-)CH3 CCH2
OCOCH2CH3
O
Protonierung bei der waumlssrigen Aufarbeitung
H+ H2O
Zur Vermeidung einer Umesterung sollten sich das Alkoxid und der Ester von demselben Alkohol ableiten lassen Malonestersynthese Mit der Malonester-Synthese erhaumllt man Carbonsaumluren Diethylpropandioat (Malonsaumlureester) ist ein gutes Ausgangsmaterial zur Darstellung 2-substituierter oder 22-disubstituierter Carbonsaumluren in einem Verfahren das man Malonestersynthese nennt
CH3 CH2
O C CH2
OCO
O CH2
CH3CH3 C
H2
O C CO
CO
O CH2
CH3
R
R
CR
RH COOH
22-disubstituierte Carbonsaumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 29 von 37 α β-ungesaumlttigte Ketone Bei α- β-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen tritt neben der 12-Verknuumlfung auch 14-Verknuumlpfung bei der Pinakol-Reaktion auf
CH2 CH
CH
O CH2 CH
CH
CH
CH
CH2
OH OH
12-Verknuumlpfung
2Zn
Ethanol 0degC
68
O O On
O O
2
14-Verknuumlpfung
+ e(-)
(-) (-)
lkylierung von Cupraten alten Doppelbindungen an denen einfache Alkylgruppen
ebunden sind Im Prinzip koumlnnen diese Verbindungen aus organometallischen
zien RLi bzw RMgX im allgemeinen icht mit Halogenalkanen Es gibt aber einen anderen Typ organometallischer
Reagenzien die Organocuprate die hier sehr effektiv wirken Organocuprate besitzen die stoumlchiometrische Zusammensetzung R2CuLi und koumlnnen direkt durch Addition zweier Aumlquivalente einer Organolithium-Verbidnung an ein Aumlquevalent Kupferiodid CuI dargestellt werden Beispiel
AViele wichtige Molekuumlle enthgReagenzien durch direkte Alkylierung gewonnen werden Ungluumlcklicherweise reagieren Organolithium- oder Grignard-Reagenn
CH2 CHLi CuI (CH2=CH)2CuLi LiI+ +Ethenyllithium Lithiumdiethenylcuprat
(ein Organocuprat-Reagenz) Lthiumcuprate reagieren mit Halogenalkanen in sogenannten Kupplungsreaktionen unter Bildung substituierter Alkene Primaumlre Iodide sind dazu am besten geeignet aber auch andere primaumlre und sekundaumlre Halogenalkane geben befriedigende Resultate
R2CuLi RX R R LiX+ +
CCH3
CH
C17
CH3
HC20
HC
23
CH3
HC26
H
CH2(CH2)6CH3
1 Li(CH3CH2)2O2 CuI CuLi
CH3(CH2)6CH2IHMPT
11H 14 Cl2
Lithium-bis(trans-1-propenyl)cuprat90
trans-2-Undecen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 30 von 37 Herstellung von C-X-Bindungen Veresterung von Alkoholen mit Mineralsaumluren
Finkelsteinreaktion (RF-Verbindungen mit Krypat-Unterstuumltzung) Bei der Finkelstein-Reaktion handelt es sich um eine nucleophile Halogenid-Austausch-Reaktion zur Synthese von Iodiden und Fluoriden aus Bromiden und Chloriden zB
R X NaI R I NaX+Aceton
+ X = Cl Br
SN2
Eine Komponente der Triebkraft dieser Reaktion hat physikalische Ursachen die n und sekundaumlren
lkylhalogeniden unguumlnstige Lage der Gleichgewichte fuumlr eine SN2-Reaktion Loumlslichkeit Bei dieser Reaktion wird die bei tertiaumlreA
R X I I R X
I R X=
++
urch physikalisch-chemische Effekte beguumlnstigt naumlmlich dadurch dass NaBr und aCl in Aceton schlecht loumlslich sind und ausfallen Dadurch werden die leichgewichte irreversibel verschoben und die Reaktion verlaumluft somit im ewuumlnschten Sinne
eispiel
dNGg B
C16
CH3 CH
Br 223 Hin Aceton
CH3
CCHCH3
C I+NaI + NaBr
CH32 CH3
2SN2
Es findet keine Neophenylumlagerung statt das heiszligt dass keine SN1-Reaktion stattfindet In einer Variante der Finkelstein-Reaktion wird der Tosylat-Rest gegen Halogenid ausgetascht Ansonsten aber arbeitet man nach dem gleichen Prinzip
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 31 von 37
30 Elektrophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom
Am alipatischen C-Atom sind elektrophile Substitutionen moumlglich wenn die C-X-Bindung so polarisiert ist dass das C-Atom eine negative und die Abgangsgruppe
s der ilen
tion Man kann jedoch zwischen folgenden Mechanismen nterscheiden
1 SE1 analog SN2 (Racemisierung)
2 SE2-back analog SN2 (Inversion)
3 S 2-front analog S i (Retention)
analog S i (Retention)
31 SE1-Reaktion
ierbei handelt es sich um eine Reaktion erster Ordnung die zweistufig verlaumluft
eine positive Ladung traumlgt Diese Voraussetzungen sind vor allem bei metallorganischen und CH-aciden Verbindungen erfuumlllt Der Mechanismuelektrophilen alipathischen Substitution ist nicht so klar wie der der nucleophaliphatischen Substituu
E N
4 S i E N
H
langsamR X R
R Y+ R Y+
Geeignete Loumlsungsmittel fuumlr SE1-Reaktionen sind Dimethylformamid (DMF) undHexamethylphosphorsaumluretriamid (HMPA)
O N(CH3)2
HN(CH3)2
POH3)2
N(CH3)2
HMPA
N(CDMF
Stereochemie der SE1-Reaktion
Die Stereochemie von SE1-Reaktionen verlaumluft nicht einheitlich Im Allgemeinen isch aktive Verbindungen einsetzt Dies
kann zwei Ursachen haben 1 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist
ufig der Fall wenn es sich um mesomeriestabilisierte
2 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist pyramidal gebaut kann jedoch seine Struktur nicht halten (vergleichbar dem schnellen Durchschwingen von unsymmetrisch substituierten Aminen)
findet man Racematisierung wenn man opt
planar Dies ist hauml
Carbanionen handelt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 32 von 37 In Ausnahmefaumlllen kann jedoch auch bei planaren (mesomeristabilisierCarbanionen je nach Wahl des Loumls
ten) ungsmittel Inversion Retention oder
Racemisierung auftreten was durch unterschiedliche Solvatationseffekte erklaumlrt wird Beispiel fuumlr eine S 1-Reaktion E
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
HgBrRacemat
langsam
(-)+ HgBr+
+HgBr2
-HgB 2
rHgBr
Hg = isotopenmarkiertes Hg
32 S 2-ReaktionE E
eaktionen sind bimolekular Beide Mechanismus verglichen werden
Y
und S i-Reaktion
SE2 und SEi-R anisund SNi-Mech
men koumlnnen mit dem SN2-
C47
Y X
SE2 (back) nfalls um einen Frontangriff unter
C C X29
X C35
Y
X
41
SE2 (front)
Beim SEi ndashMechanismus handelt es sich ebeRetention
Y zY z
C53 X C60 XSEi
Die Bildung cyclischer Uumlbergangszustaumlnde die 4- oder 6-gliedrig sein koumlnnen foumlrdert die Losloumlsung der Abgangsgruppe Stereochemie von SE2-Reaktionen und von SEi-Reaktionen
Fuumlr die h den nucleuphilen Substitutionen von Be
8 Valenzelektronen haumltte Da nun zwischen den beiden Elektronenwolken Coulomb-Abstoszligung auftritt erfolgt der Angriff des Nucleophils gezwungenermaszligen von der Ruumlckseite des Molekuumlls Die Folge ist Inversion Anders ist es dagegen beim SE2- und Sei-Mechanismus Das angreifende Elektrophil besitzt nur ein leeres Orbital und somit ist sowohl der Front- als auch der
angriff unter Inversion verlaumluft laumlsst die Stereochemie der SE-Reaktion nur schwer Ruumlckschluumlsse auf den Mechanismus zu
Stereoc emie ist folgender Unterschied zu deutung
Bei SN-Reaktionen bringt das angreifende Nucleophil ein Elektronenpaar mit Daher muss die Abgangsgruppe bei der Neubildung der Bindung ein Elektronenpaar mitnehmen da sonst das C-Atom mehr als
Ruumlckseiten-Angriff moumlglich Da der Frontangriff unter Retention der Ruumlckseiten
Skript zum 2 OC-Kolloquium
33 Anwendungen
reu
Seite 33 von 37
Herstellung einfacher metallorganischer Verbindungen
etall-H-Austausch
aumluren betrachtet werden Dabei nimmt die H-Aciditaumlt mit zunehmendem s-Charakter der Hybridisierung zu
sp CH3 CH3
M C-H-Verbindungen koumlnnen als schwache SC Hybridisierung
3Saumlure konjugierte Base pKa-W
sp2
CH3 CH2 Zunahme der
sp
2 2
CH CH
CH2 CH
CH C15(-)
25
Aciditaumlt
Da eine staumlrkere Saumlu
ert 42
365
(-)
CH CH (-)
re eine schwaumlchere aus ihrem Salz vertreibt reagiert eine konjugierte Base mit jeder Saumlure die in der Tabelle unter ihr steht Elektronegative Gruppen an Aromaten wirken acidifizierend Beispiele
HC H Na
NaC2H6
Li H
+
pKa 42schwaumlchere Saumlure
Pentan
pKa 37schwaumlchere Saumlu
pKa 35 staumlkere Sauml re
+ Pentan +
schwaumlchere Saumlure
2 5+pKa 37 staumlkere Saumlure
Na CH3 H CH2Na
+ Pentan +
H H H LipKa 37pKa 23
staumlkere Saumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 5 von 37
14 Reaktionen von Radikalen Radikale koumlnnen auf verschiedenste Weisen reagieren
a) Reaktion zweier Radikale unter Verlust der radikalischen Eigenschaften Rekombination
CH2 CH2
CH2
2[19]
Disproportionierung
C CH3
CH3CH3
CCH3
CH2CH3
CHCH3
CH3CH3
2 +[110]
b) Uumlbertragung der Radikaleigenschaften Dabei unterscheidet man
Isomerisierung Addition und Abspaltung von Atomen und Gruppierungen durch Radikale
- Zersetzung oder Isomerisierung von Radikalen
O
O CO2+
[111] - Addition von Radikalen an Mehrfachbindungen
Br CH2 CH2
Br CH2
CH2+[112]
- Abspaltung von Atomen oder Gruppierungen durch Radikale
R H Cl R H Cl+ + [113] Die meisten Radikale sind sehr reaktionsfaumlhig Sie liegen daher nur in niedrigen Konzentrationen vor und haben eine sehr geringe Lebensdauer (lt10-3 sec) In Anwesenheit eines geeigneten Reaktionspartners (unter Umstaumlnden auch das Loumlsungsmittel) reagieren sie unter Addition [112] beziehungsweise Substitution [13] Ihre Selbstreaktionen koumlnnen unter Rekombination [19] oder Disproportionierung [110] ablaufen Diese Reaktionen sind jedoch nur als Kettenabruchsreaktionen von Bedeutung Reaktivitaumlt und Selektivitaumlt bei radikalischen Substitutionen Radikalische Substitutionsreaktionen sind im Allgemeinen dann durchfuumlhrbar wenn ihr Verlauf zu einem Energiegewinn fuumlhrt (exotherme Reaktion dh die Summe der Reaktionsenthalpien muss negativ sein) So kann beispielsweise ein Chlorradikal an einer C-H-Bindung unter Bildung der stabileren H-Cl-Bindung angreifen Bei Iod ist dies nicht der Fall daher wirkt Iod als Inhibitor
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 6 von 37
R I I R I I
R H I H I R
+ +
+ + Aus Bestimmungen der Geschwindigkeitskonstanten ist die folgende Reaktivitaumltsreihe fuumlr Radikale gefunden worden
Fbull gt HObull gt Clbull gt bullCH3 gt Brbull gt ROObull Inhibitoren Eine Substanz die eine Reaktion hemmt oder abbricht selbst wenn sie nur in kleinen Mengen vorhanden ist nennt man Inhibitor Die Zeitspanne waumlhrend deren ein Inhibitor wirkt und nach der die Reaktion mit normaler Geschwindigkeit ablaumluft wird als Inhibitionszeit bezeichnet Beispiel
CH3bull + O2 rarr CH3-O-Obull Einfluss von Loumlsungsmitteln und Temperaturabhaumlngigkeit von Radikalreaktionen Durch eine Erhoumlhung der Temperatur nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit einer exothermen Reaktion ab Bei Radikalreaktionen fuumlhrt eine Erhoumlhung der Temperatur zu einer Verminderung der Selektrivitaumlt der Reaktion so dass bei einer ausreichend hohen Temperatur das Verhaumlltnis der Abstraktion eines primaumlren sekundaumlren oder tertiaumlren Wasserstoffatoms 111 betraumlgt Fuumlr eine Radikalreaktion eignen sich besonders polare Loumlsungsmittel da diese das Radikal durch Solvatisierung stabilisieren Dies kann jedoch zu einer verringerten Reaktionsgeschwindigkeit fuumlhren
15 Nachweis von Radikalen Ein fuumlr die Bestimmung der Lebensdauer von Radikalen wichtiges Experiment ist das von Paneth und Hofeditz 1929 durchgefuumlhrte Experiment
Kuumlhlung
6 mm
40 cm
PbMe4 2 Torr 12 msec-1
Pb-SpiegelPb-Spiegel
Pb(CH3)4
∆Pb + 4 CH3
Lebensdauer von CH3 = 10-3 sec
Abb Paneth-Hofeditz-Versuch
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 7 von 37 Bei diesem Experiment konnte die Lebensdauer von Methyl-Radikalen bestimmt werden Auszligerdem kann die Anwesenheit von Radikalen durch den Transport des Pb-Spiegels gezeigt werden Eine andere bedeutende Methode zum Nachweis von Radikalen ist die Elektronenspinnresonan-Spektroskopie (ESR) Die Messmethode ist Vergleichbar mit der NMR-Spektroskopie und anhand der so erhaltenen Spektren ist die elektronische Konfiguration der untersuchten Molekuumlle erkennbar Von groszliger Bedeutung sind Radikalfaumlnger (Inhibitoren) zum nachweis von Radikalen Ein Beispiel dafuumlr ist das Hydrochinon
OH
OH
O
OH
O
O
O
O
O
O
OR
OR
R + - RH
R
- RH
+ 2 R
Weitere wichtige Radikalfaumlnger sind die Vitamine C und E (Antioxidanzien)
16 Anwendungen Wurtzrsquosche Synthese
Bildung von Kohlenwasserstoffen aus Alkylhalogeniden und Natrium
2 RX + 2Na R-R + 2 NaX
Die Reaktion wird zur Darstellung houmlherer Alkane verwendet Wird von 2 verschiedenen Alkylhalogeniden ausgegangen entsteht ein Kohlenwasserstoffgemisch Alkyliodide reagieren leichter als Bromide oder Chloride
Wurtz-Grignard-Reaktion
R-Mg-X + RX R-R + MgX2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 8 von 37 Pinakol-Reaktion
Aldehyde und Ketone gehen mit Metallen eine Ein-Elektronen-Reduktion ein die zur Ausbildung einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung zwischen zwei Carbonyl-Kohlenstoffatomen fuumlhrt So ergibt sich beispielsweise in Benzol bei Zugabe von Magnesium zu Aceton (Propanon) nach waumlssriger Aufarbeitung 23-Dimethylbutan-23-diol
Der Mechanismus der Pinakol-Kopplung verlaumluft uumlber Ein-Elektronen-Uumlbertragungsschritte Anfangs nimmt die Carbonylgruppe unter Bildung eines Radikal-Anions ein Elektron auf Anschlieszligend kombinieren zwei solcher Radikal-Anionen unter Bildung eines Dianions welches bei der waumlssrigen Aufarbeitung protoniert wird
Acyloin-Kondensation Die α-Hydroxyketone oder Acyloine sind leicht durch Acyloin-Kondensation von Estern zugaumlnglich Im Prinzip handelt es sich bei der Reaktion eher um eine reduktive Dimerisierung welche vergleichbar mit der Pinakol-Reaktion ist Erhitzt man elementares Natrium zusammen mit einem Ester in Diethylether oder Benzol und anschlieszligender waumlssriger Aufarbeitung erfolgt eine reduktive Kupplung bei der das entsprechende α-Hydroxyketon entsteht
R O RO
R O RO
R O RO
R RO O
OROR
R RO O
R RO O
R RO O
R ROH OH
R RO OH
H
+
Na
Na+
Dimerisierung
Na+ Na+
- 2Na+ OR-
++
2 NaNa+ Na+
Endiolat
2 H2O
- 2 NaOHEndiol
Acyloin
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 9 von 37 Der Mechanismus verlaumluft wahrscheinlich in aumlhnlicher Weise wie der der Pinakol-Reaktion Im ersten Schritt wird der Ester durch Uumlbertragung eines Elektrons vom Metallatom zu einem Radikal-Anion reduziert Das so entstandene Radikalanion dimerisiert zum Dianion des entsprechenden Diols Bei der Acyloin-Kondensation kann nun das Dianion zwei Alkoxid-Ionen unter Bildung eines α-Diketons abspalten Nach weiterer Reduktion durch Uumlbertragung zweier Elektronen bildet sich ein Endiolat Die waumlssrige Aufarbeitung ergibt dann uumlber eine Zwischenstufe des Endiols das α-Hydroxyketon Kolbe-Elektrolyse Bei der Kolbe-Elektrolyse wird das Elektron durch anodische Oxidation abgespalten Die entstandenen Radikale dimerisieren zu einem Alkan
RO
OR
O
O- e- R + CO2
radikalische Polymerisation
CH2 CH2
R O O RCH2 CH2
R O O R R O
R O CH2 CH2RO CH2 CH2
RO CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2
CH2
H
CH3
CH2 CH2
CH3CH2CH2
1000atmgt 100degC
2
∆21)
2)
3)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 10 von 37 HX-Addition an C=C-Doppelbindungen Setzt man frisch destilliertes 1-Buten mit Bromwasserstoff um wird entsprechend der Markownikow-Regel Addition 2-Brombutan beobachtet In Gegenwart von Sauerstoff beobachtet man jedoch die Bildung von 1-Brombutan das ein anti-Markownikow-Produkt darstellt Der Grund fuumlr diese Beobachtung ist dass die Anwesenheit des Sauerstoffs zur Peroxiden ROOR fuumlhrt und der Reaktionsmechanismus somit als Radikalreaktion ablaumluft Man spricht in diesem Zusammenhang auch vom Peroxid-Effekt Der Mechanismus laumlsst sich wie folgt beschreiben
R O O R R O
R O R O H Br
Initiation∆
2
+ HBr∆
+
C CH2
H
CH2CH3
Br
CH3 CH2
CH
CH2
BrH
Br
Kettenwachstum
+ CH3CH2CH-CH2Brsekundaumlres Radikal
CH3CH2CH-CH2Br + HBr +
Br
CH3 CH2
CH
CH2
Br
CH
CH2
BrCH2
CH3
Kettenabbruch
2 Br2
CH3CH2CH-CH2Br2
Halogenierung von Alkanen (Radikalkettenreaktion) Von groszliger technischer Bedeutung sind radikale Kettenreaktionen Formal wird eine Radikalkettenreaktion in 3 Teilschritte eingeteilt Im Folgenden wird der radikalischen Kettenreaktion anhand der Chlorierung von Methan betrachtet Die Reaktionsprodukte der radikalischen Halogenierung sind Chlormethan und Chlorwasserstoff sowie Nebenprodukte in sehr geringen Mengen
Cl ClH3 C H H3 C Cl H ClLichtWaumlrme+ +
440 kJmol 243 kJmol 356 kJmol 431 kJmol
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 11 von 37 ∆Hdeg= ((440 + 243) ndash (356 + 431)) kJmol = -104 kJmol (exotherm) Die radikale Kettenreaktion wird gestartet durch die Spaltung eines Chlormolekuumlls durch Waumlrmezufuhr oder Lichteinfall Kettenstart
Cl Cl Cl hν 2 ∆Hdeg= 243 kJmol
Im zweiten Schritt greift das Chlorradikal das Methanmolekuumll an Dabei wird eine der Wasserstoff-Kohlenstoffbindungen des Methans homolytisch gespalten und man erhaumllt Chlorwasserstoff sowie ein Methylradikal Wasserstoffabspaltung (1 Kettenfortpflanzung)
Cl CH
HH
H C H
HH
+ HCl +
440 kJmol 431 kJmol ∆Hdeg= + 9 kJmol
C
HH
H
H ClC 1
HH
H
C
H H
H
H Cl
Lappen waumlchst
+ H Cl
Im anschlieszligenden Reaktionsschritt greift nun das Methylradikal ein Chlormolekuumll an und unter homolytischer Spaltung der Chlor-Chlorbindung entsteht Chlormethan sowie ein Chlorradikal welches wiederum im vorhergehenden Schritt mit einem Methanmolekuumll reagieren kann Chlorierung des Methans (2 Kettenfortpflanzung)
C H
HH
Cl Cl CH
HH
Cl Cl + +
243 kJmol 356 kJmol
in 2
∆Hdeg= -113 kJmol
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 12 von 37 Zu Ende der Kettenreaktion findet eine Rekombination der verschiedenen Radikale statt und man erhaumllt ein Chlormolekuumll ein Ethanmolekuumll oder ein Chlormethanmolekuumll als Produkt Kettenabruchreaktion
Clmiddot + Clmiddot rarr Cl-Cl middotCH3 + middot CH3 rarr H3C-CH3
middotCH3 + Clmiddot rarr H3C-Cl Die radikale Kettenreaktion verlaumluft uumlber eine Zwischenstufe sowie zwei Uumlbergangszustaumlnde welche in dem folgenden Energiediagramm zu erkennen sind E
[H3C H Cl]ne
[H3C Cl Cl]ne
Uumlbergangszustand
CH3 + Cl2 + HCl
Zwischenstufe
CH4 + Cl + Cl2
Reaktionskinetik
Abb Energiediagramm Die radikalische Chlorierung von Methan kann durch weitere Substitutionen von Wasserstoffatomen durch Chloratome weiter bis zum Tetrachlormethan gefuumlhrt werden
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 13 von 37 Ziegler-Wohl-Bromierung
enen in der Allylstellung mit N-Bromsuccinimid ei 0degC
ittel welches die C=C-Doppelbindung nicht
BS N-Bromsuccinimid
Selektive Bromierung von AlkN-Bromsuccinimid NBS entsteht durch Einwirkung von Brom auf Succinimid bin Gegenwart von Natriumhdroxid NBS ist ein selektives Bromierungsmangreift N
N
O
O
Br N
O
O
Br
tart
Licht oderPeroxide +
S
Br CH3 CH
CH2CH2 C
HCH2
BrH
CH2 CH
CH2 Br2 CH2
CH
CH2
BrBr
N
O
O
Br BrH N
O
O
H Br2
Kette
+ +
+ +
+ +
niedrige-Konzentrationenvon Br2Solvens CCl4
Die alpha staumlndige Methylengruppe wird rascher bromiert als die Me hylgruppe
andmeyer-Reaktion us der Sandmeyer-Reaktion ist noch nicht geklaumlrt Die
t SDer genaue MechanismReaktion verlaumluft aber vermutlich uumlber zwei radikalische Zwischenstufen
CH3
NH2
CH3
N2
CH3
ClHCl NaNO2 0degC
+Cl-CuCl 60degC
+ N2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 14 von 37 Autoxidation
ther ER2CH OR O2 R2C OR R2C OR
O O
R2C ORO O H
+
Aldehyde
C6H5 C7
HO
O2 C6H5 C12
O
H O O
C6H5 C19
OO2 C6H5 C
23
OO O
C6H5 C28
OO O C6H5 C
33H
OC6H5 C
37
OO O H C6H5 C43
O
C6H5 C47
OO O H C6H5 C
53H
OC6H5 C
57
OO H
+ +
+
+ +
+ 2
ock-Verfahren H
C HC6H5
3
CH3
O2 C OC6H5
CH3
CH3
O HH
+
C6H5 OH CCH3
CH3
O+
CH
racken en von langkettigen Alkanen wird als Cracken bezeichnet Derartige
eine
isch aus hunderten verschiedener Alkane Der groumlszligte Teil wird
it l)
s Benzin zu erhalten werden laumlngerkettige Kohlenwasserstoffe durch rs
ende Radikale
CDas ZerlegProzesse spielen in der Erdoumllindustrie bei der Darstellung von Benzin aus Erdoumll wichtige Rolle Erdoumll ist ein Gemdurch langkettige wenig verzweigte Alkane gebildet Ein kleiner Teil besteht aus aromatischen Verbindungen Benzin ist ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen meiner Laumlnge von 4-12 Kohlenstoffatomen und ist in Erdoumll bis zu 30 (Volumenanteienthalten Um weiterefraktionierte Destillation abgetrennt und bei 500degC in Gegenwart eines Katalysato(Wolfram oder Nickel auf einer SiO2-Al2O3-Oberflaumlche) pyrolysiert Die Reaktion findet in einer Wasserstoffatmosphaumlre statt um entstehmit Wasserstoffatomen abfangen zu koumlnnen Auszligerdem koumlnnen Alkene zu AlkanenStickstoffhaltige Verbindungen zu NH3 und Schwefelhaltige Verbindungen zu H2S hydriert werden Man erhaumllt nach dem Cracken Erdoumll mit einem Benzin Anteil von 50
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 15 von 37
CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3
C HH
HC C C C C
H
H
H
H
H
H
H
H
H
HH
C C HH
H
H
HC C C C H
HH
H H H
H H H
+
+
Pyrolyse von Hexan
C C C H
H
H
HH
H
H2
20 Nucleophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom Bei einer Nucleophilen Substitution wird eine Abgangsgruppe unter hetereolytischer Spaltung der Bindung gegen ein Nucleophil ausgetauscht Nucleophile sind neutrale Teilchen oder Anionen welche mindestens ein freies Elektronenpaar aufweisen Gute Nucleophile sind gut polarisierbar und besitzen eine geringe Elektronegativitaumlt Sterisch anspruchsvolle Nucleophile hingegen sind schlechte Nucleophile Auszliger den bereits genannten Faktoren beeinflusst auch die Staumlrke der neu gebildeten Bindung die Guumlte eines Nucleophils Beispiele fuumlr neutrale Nucleophile sind H2O ROH RSH NR3 PR3 Beispiele fuumlr Anionische Nucleophile sind Hal- RO- HO- RS- Fuumlr die Guumlte der Abgangsgruppe (Necleofuge) gilt im Allgemeinen dass je staumlrker die konjugierte Saumlure desto besser das Nucleofug
I- gt Br- gt Cl- gt F- Man kann des weiteren Nucleofuge durch Zugabe von H+ -OH2
+ -OHR+ aktivieren Bei Nucleophilen Substitutionen unterscheidet man zwischen SN1 SN2 und SNi- Reaktionen 21 Die Bimolekulare nucleophile Substitution SN2 Zunaumlchst greift ein Nucleophil (in diesem Fall das Hydroxidion) am partiell positiv geladenen Kohlenstoffatom ruumlckseitig an Dabei entsteht ein fuumlnfbindiger (pentavalenter) Uumlbergangszustand Die Abspaltung des Chloridions sowie die Anlagerung des Hydroxidions erfolgt gleichzeitig und man erhaumllt als Reaktionsprodukt Methanol und ein Chloridion
C ClH
H H
HO
C ClH
H HOH
COHH
H HCl
- =
-+
-
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 16 von 37 Das Energiediagramm fuumlr eine solche Reaktion sieht wie folgt aus
Uumlbergangszustand ne
Edukte
Produkte
Neben der ruumlckseitigen Anlagerung des Nucleophils koumlnnte das Nucleophil auch vorderseitig angelagert werden Jedoch zeigen entsprechende Experimente dass diese Anlagerung nicht stattfindet
CCH3
HBr
CH2CH3
CCH3
H
BrCH2CH3
I
IC
CH3
HI
CH2CH3
Br
HBrI
CH2CH3CH3
C CH3
HI
CH2CH3
Br
- =
Vorderseitenangriff
--+
Retention
(S)-2-Brombutan
(S)-2-Iodbutan
- =
Ruumlckseitenangriff
Inversion
-+
(R)-2-Iodbutan Im folgenden soll eine kurze Uumlbersicht uumlber moumlgliche Nucleophile sowie die dabei entstehenden Produkte gegeben werden
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 17 von 37
-Hydroxid
R OH Alkohol
OR-Alkoxid
R OR Ether HOH R O
H
HR O H
+ -H+
Alkohol R OH R O H
RR O R-H+
Ether
R CO
O Carboxylat
R O C RO Ester
NH3 Ammoniak R NH3 R NH2
+ -H+
Amin R 2NH primaumlres Amin R NH2R R NHR
+ -H+
sekundaumlres Amin
R2 NH sekundaumlres Amin R NHR 2 R NR2+ -H+
tertiaumlres Amin
R3N tertiaumlres Amin R NR3+
R-SH Thiol R-S- Mereaptidion R-SR Thioether R2S
SRRR
+
kan CN- Cyanid R-CN Nitriole C C R R C C R A
schiene F
Nucleophil (Nu) R-Nu
O H
HS- Hydrogensulfidion
Sulfoniumion I- Iodid R-I Iodal
Acetylid cetylen
Es gibt ver aktoren die den Ablauf der SN2-Reaktion bestimmen Zum einen
I-gt Br- gt Cl- gt F-
beeinflusst die Guumlte der Abgangsgruppe den Verlauf der Reaktion Dabei beguumlnstigen stabile Abgangsgruppen den Verlauf der Reaktion
R S OO
OR S O
O
OR S O
O
O
CO
OC
O
OC
O
O-
--
--
-
uszligerdem beeinflusst die Art des Nucleophils den Verlauf der SN2-Reaktion Dabei wird die Reaktion durch negativ geladene Nucleophile ohne sterische Hinderung beguumlnstigt
A
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 18 von 37
22 Die Monokulare Substitution SN1 Neben der bimolekularen Substitution kann bei Halogenalkanen noch eine weitere
ndash die monomolekulare Substitution iese Form der Substitution tritt allerdings bevorzugt bei sekundaumlr oder tertiaumlr
lten
Substituenten in eine Ebene und das zentrale
Form der nucleophilen Substitution auftretenDgebundenen Halogenen auf Bei der Monomolekularen Substitution wird zunaumlchst das Halogenidion abgespaund es bildet sich ein Carbeniumion Anschlieszligend bdquoklappenldquo die drei noch am Kohlenstoffatom verbliebenenKohlenstoffatom nimmt eine sp2-Hybridisierung ein Danach kann die Anlagerung des Nucleophils erfolgen
CH3
OH2
C Br
CH2CH2CH3CH2CH2
Br CCH3
CH2CH2CH3
CH2CH3
OH2
C
C3
OH CH2CH3
CH2CH2CH3
C
OH
CH3
CH2CH2CH3CH2CH3
-
(R)
+
(S)-Methyl-3-hexanal
InversionRetention
-HBr -HBr
(R)-3-Methyl-3-hexanal
+
2
H
Da das Carbeniumion eine sp -Hybridisierung aufweist kann bei der SN1-Reaktion eine vorder- und eine ruumlckseitige Anlagerung des Nucleophils erfolgen Das Energiediagramm einer solchen Reaktion sieht wie folgt aus E
C BrCH3
CH3
CH3
Br (CH3)3C(CH3)3 C OH BrH2O+ -+ ++ -
Die SN1-Reaktion laumluft im Allgemeinen schneller als die SN2-Reaktion ab Dazu ist es aber noumltig dass sich ein stabiles Carbeniumion ausbilden kann Die Stabilitaumlt des Carbeniumions haumlngt von den Substituenten ab Dabei gelten tertiaumlre Carbeniumionen als besonders stabil
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 19 von 37
C
CH3
CH3
CH3 C
H
CH3
CH3 C
H
H
CH3 C
H
H
H+ + + +
CH3tertiaumlr sekundaumlr primaumlr
+gt gt gt
Der Grund fuumlr die Stabilitaumlt der tertiaumlren Carbeniumionen ist der hyperkonjugative Effekt der Alkylgruppen Dabei bdquoverschiebenldquo die Alkylsubstituenten ihre Elektronendichte zum Kation
CHH
CCH2
CH2
CH2
H
H
+ +
Alkylsubstituenten schieben Elektronendichte zum Kation
H
H
Die folgende Tabelle soll einen kurzen Vergleich zwischen SN1- und SN2-Reaktion ziehen
Vergleich von S 2 und S 1 N NReaktionsparameter SN2 SN1 Struktur des Halogenids primaumlr selten
zyl Alkyl) haumlufig
(Bensekundaumlr manchmal anchmal mtertiaumlr selten haumlufig
Racemisierung Loumlsungsmittel olare
smittel verzoumlgert olare
e Loumlsungsmittel wird durch pLoumlsung
wird durch pprotischbeschleunigt
Nucleophil Anionische Nu beguumlnstigt schlechte Abgangsgruppe gute Abgangsgruppe
bevorzugt SN1 Erhoumlhung der NucleophDie Nucleophilie e
ilieines Nucle em Maszlige w n
erabgesetzt wird Eine Verminderung der Solvatation erreicht man durch Kronether
durch Kryptatbildung ophils steigt in d ie die Solvatatio
Stereochemie Inversion
andere Abgangsgruppe als Halogenides
bevorzugt SN2
h(engl crown) zB
O
O
O
O
OO
O
O OK
+
Y
12-Crown-418-Crown-6
Kryptat
O
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 20 von 37 Bezeichnung der Kronether Die Zahl vor bdquoCrownldquo gibt die Gesamtzahl der Ringatome die Zahl dahinter die Anzahl der Sauerstoffatome an In diesen Alkylkryptaten wird das Gegenion des Nucleophils K+ komplex gebunden auszligerdem findet in unpolaren organischen Loumlsungsmitteln in denen die Kryptatte loumlslich sind nur geringe Solvatation statt so dass das Nucleophil gewissermaszligen bdquonacktldquo vorliegt und dadurch seine volle nucleophile Kraft entfalten kann Kronether werden durch eine Williamsonrsquosche Ethersynthese dargestellt
OHO OCl O O40
O OH Cl O OO
O+
-HCl
O
18-Crown-6Triethylenglykol Triethylenglykoldicklorid
Beschleunigte nucleophile Substitution Die Nachbarschaftsgruppenbeteiligung von Y fuumlhrt zu einer beschleunigten nucleophilen Substitution und erklaumlrt durch zweimalige Inversion die Retention Das Elektronenpaar der Nachbargruppe Y kann ein ein freies Elektronenpaar (Hetereoatome) oder eine π-Bindung sein (Alkene Arene) in Einzelfaumlllen auch eine C-C-Bindung (2-Norbornylkation)
LGY| Y NuInversion|Nu
-+ Inversion
Y|
LG Abgangsgruppe-LG
-
23 SNi-Reaktion Unter dem SNi-Mechanismus versteht man eine innere nucleophile Substitution die nach einem internen SN2-Mechanismus ablaumluft und somit unter Beibehaltung der Konfiguration Ein typisches Beispiel ist der Austausch einer OH-Gruppe gegen Chlor mit SOCl2
COOH
HCOOH
COOH
O SCl
COOHH ClCl2
-SO2
R(-)-Chlorbernsteinsaumlure
H OH +SO
CH2
COOHCH2
O CH2
COOH
in Dioxan-HCl
R(+)-Aumlpfelsaumlure
Hierbei bleibt die Konfiguration erhalten da primaumlr der instabile Chlorsulfinsaumlureester gebildet wird und durch diese Bindung das Nucleophil von derselben Seite angreifen muss Dies fuumlhrt zur Retention Der SNi-Mechanismus ist jedoch stark loumlsungsmittelabhaumlngig denn fuumlhrt man dieselbe Reaktion in Pyridin durch so erhaumllt man 100 Waldenumkehr also SN2-Mechanismus
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 21 von 37 Der Grund hierfuumlr ist in der unterschiedlichen Basenstaumlrke zu sehen zwischen Dioxan und Oyridin Dioxan ist nur eine schwache Base
O
O
O
OH
+ HCl
+
Cl-
Das Gleichgewicht liegt weit auf der linken Seite wodurch das Nucleophil Cl- als HCl gebunden vorliegt Anders ist es dagegen in Pyridin
CR1
R2 OH CR1
R2 OSOClR1+SOCl2 PyrH+Cl-
R3 R3C
R3R2Cl
SN2+ - -
Hierbei greift das aus dem PyrH Cl stammende Nucleophil Cl in einer SN2-Reaktion den entstehenden Chlorsulfinsaumlureester von der Ruumlckseite her an was zur Konfigurationsumkehr fuumlhrt 24 Anwendungen
ubstitution von Halogeniden
siehe SN1 und SN2-Mechanismen saure Veretherung
Eine zweite Alkoholfunktion kann sich nun das enachbarte Kohlenstoffatom nucleophil angreifen Nach der Abspaltung eines
nes Protons erhaumllt man einen Ether
Herstellung von C-O-Bindungen S
Man kann bei Anwesenheit einer Saumlure [H2SO4] zwei Alkohole durch eine saure Veretherung in einen Ether uumlberfuumlhren Dabei wird zunaumlchst eine der Alkoholfunktionen protoniert bWassermolekuumlls und ei
CH3CH2OH
CH3CH2OH
CH3CH2 OH
H
CH3CH2OH
CH3CH2 O HCH3CH2
CH3CH2 O
H+ + -H2O +
++ H
+
CH3CH2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 22 von 37 Etherspaltung In Ethern kann die ROR-Gruppe in Anwesenheit einer Saumlure protoniert werden Im nachfolgenden Schritt erfolgt ein nucleophiler Angriff des Halogenid-Anions Man erhaumllt als Produkt ein Halogenalkan und ein Alkohol
CH3CH2OCH2CH3 CH3CH2 OCH2CH3
H
CH3CH2 OCH2CH3
H
H+
+
Dialkyloxonium-Ion
+Br +-
CH3CH2Br + HOCH2CH3
Williamson-Synthese
e
H3C-CH2-O-CH2-CH3 Diethylether
Ether Alkoyalkan R-O-R
O
Tetrahydrfuran(THF)
CH3 CH2 O Na Br CH2CH3 CH3 CH2 O CH2 CH3
- + +SN2
intermolekularNaBr+
den zuvor beschriebenen Kapiteln koumlnnen verschiedene eaktionsmechanismen zusammen wirken Ein bedeutendes Beispiel dafuumlr ist die
rung von Carbonsaumluren mit Alkoholen Dabei wird zunaumlchst ein Nucleophil an as Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe addiert Anschlieszligend erfolgt die
Da Alkohole schlechte Nucleophile sind muumlssen derartige Reaktionen durch Saumlure (meist Schwefelsaumlure) katalysiert werden Im ersten Schritt lagert sich das Proton an das nicht saure Sauerstoffatom an Diesfuumlhrt zu einer positiven Ladung am Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe Hierdurch wird nun der nucleophile Angriff des Alkohols beguumlnstigt Durch die Anlagerung eines weiteren Proton wird nun die schon einmal protonierte Hydroxygruppen ein weiteres
al protoniert und somit in eine gute Abgangsgruppe umgewandelt Nach der s Wassers wird die andere Hydroxygruppe deprotoniert und man erhaumllt
Veresterung Neben den in RVerestedAbspaltung des Carboxylsauerstoffatoms
mAbspaltung deeinen Ester als Reaktionsprodukt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 23 von 37
O
OH
O
OH
H
R C OH
Nu
C O
Nu HNu
R C
O
Nu
+
+ Nu
+
+- H-H2O
Mechanismus der Veresterung (Saumlure katalysiert)
R C R C- +
+ Nu + H -δ+
OH
R
OHH
R C
O H ++ H
H2O +
+
Substitution von Diazoniumsalzen Darstellung von Salpetrigsaumlureestern
CH2 OH
C2 OH
NO(-) CH2 O
CHCH2
OO
NNN
OOO
+H++ 3 H2OCH OH 2+
H
erstellung der C-S-Bindungen arstellung von Thiolen und Thioethern nalog der Williamsonrsquoschen Ethersynthese lassen sich auch Thioether darstellen
HDA
R Br R SH NaBrMercaptane
Na+ HS-+ +
ich jedoch aufgrund ihrer groumlszligeren den Alkoholen nur schlecht abfangen Thioethern weiterreagieren lassen
Dabei entstehen primaumlr Mercaptane die sucleophilie gegenuumlber den entsprechenN
lassen und sofort zu den entsprechenden
R1 SH R2 X R1 S R2 HXThioether
+Base
SN2+
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 24 von 37 Eine selektrive Herstellung von Mercaptanen durch nucleophile Substitution von
hioharnstoff-Methode Alkylhalogeniden erfolgt mit der T
NH2
CNH
NH2
SH
NH2
CO2 3
+
OH- H2O
2+
CNH2
S
RX CNH2
NH2
SR CNH2
NH2
SR CNH2
SR
s-Alkylthiuroniumsalze
++ +
iso-ThioharnstoffR SH NH+
Herstellung der C-N- Bindung Gabriel-Synthese Ein nichtreduktiver Zugang zu primaumlren Aminen geht von dem Anion von 2-Benzoldicarboximid (Phtalimid) aus dem cyclischen Imid der 12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure) Dieses Verfahren ist als Gabriel-Sysnthese bekannt Da das Stickstoffatom in 12-Benzoldicarboximid (Phtalamis) von zwei Carbonylfunktionen flankiert ist ist die NH-Gruppe ungewoumlhnlich acide (pKa = 83) staumlrker als ein gewoumlhnliches Amid (pKa = 15) Sie wird deshalb bereits von einer so milden Base wie dem Carbonat-Ion deprotoniert das entstehende Anion wird in guter Ausbeute alkyliert Durch saure Hydrolyse setzt man das Amin anschlieszligend als Ammoniumsalz frei Behandelt man dieses mit Base erhaumllt man das freie Amin
O
O
O
O
O
2OH
O
CH CH2NH3HSO4
O
O
O
O
CH CCH2NH2
+
NaOH H2O
+Na+
Na+
N-2-Propinyl-12-benzoldicarboximid (N-Propargylphtalimid)
2-Propinamin (Propargylamin)
wird bei waumlssriger Aufarbeitung entfernt
O
OH
OH
O
NH N K+NH3 300degC
-H2O
K2CO3 H2O
CH CCH2Br
N
O
CH CH CHOH
O
DMF 100degC-KBr
H2SO4 H2O 120degC+ -
12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure)
9712-Benzoldicarboximid (Phtalimid)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 25 von 37 Hinsberg-Reaktion Die Hinsberg-Reaktion bietet die Moumlglichkeit ausgehend von primaumlren Aminen gezielt sekundaumlre Amine herzustellen
R NH2 Cl ts R NH
ts R N ts
-HCl
acides H
KOH
-H2O
(-)
K(+)
R N ts
NR
Rts NH
R
RtsOK
(-)
K(+)+R-X
-KX
Verseifung
H2O
ts = Tosylat = CH3 SO2
Quarternisierung von Aminen Nitroalkanen Isonitrilen Herstellung von C-C-Bindungen Nitrilsynthese (nach Kolbe)
ogenide meist Methyliodid oder primaumlre Alkyliodide mit eim
mit tertiaumlren Alkylhalogeniden ndash erhaumllt man jedoch hauptsaumlchlich Isonitrile
Setzt man AlkylhalNatriumcyanid um so erhaumllt man hauptsaumlchlich die entsprechenden Cyanide BUmsatz von Silbercyanid ndash vor allem
CH3 I
CH3 CN
CH3 N C 7
Acetonitril
Methylisonitril
SN2-artig
+NaCN -NaI
SN1-artig
+AgCN -AgI
er Grund fuumlr dieses Reaktionsverhalten liegt darin dass das Silber-Kation die unterstuumltzt In einer SN1-seinem
lektronegativsten Atom an im Falle der Kolbersquoschen Nitrilsynthese mit dem N-Atom ieser SN1-artige Verlauf fuumlhrt somit zu Isonitrilen at die Reaktion jedoch mehr bimolekularen Charakter so greift das ambidente CN(-) evorzugt mit dem weniger elektronegativeren dafuumlr mehr polarisierbaren Atom an ies fuumlhrt zur Bildung von Nitrilen ie Verhaumlltnisse beim CN(-) sind denen des NO2
(-) aumlhnlich Das Wesentliche ist dabei er SN1- bzw SN2-Charakter der Reaktion Dieser Charakter laumlsst sich durch die
oumlsungsmittelwahl bzw Kryptat-Einfluss in eine
DBildung eines Carbenium-Ions foumlrdert und die SN1-Reaktion rtigen Reaktion greift jedoch das ambidente Nucleophil mit a
eDHbDDdWahl des Nucleophils und durch Lbestimmte Richtung lenken
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 26 von 37 Darstellung von Alkinen Alkine koumlnnen aus anderen Alkinen erhalten werden durch Reaktion terminaler Alkinyl-Anionen mit alkylierenden Reagenzien wie primaumlren Halogenalkanen
xacyclopropanen Aldehyden und Ketonen Wie wir wissen werden solche Anionen aus terminalen Alkinen durch Deprotonierung mit starken Basen meist Alkyllithium-Verbidnungen Natriumamid in fluumlssigem Ammoniak oder Grignard-Reagenzien gewonnen Die Alkylierung mit primaumlren Halogenalkanen erfolgt uumlblicherweise in fluumlssigem Ammoniak oder Ethern Diese Loumlsungsmittel enthalten bisweilen 12-Ethandiamin H2NCH2CH2NH2 NNNrsquoNrsquo-Tetramethyl-12-ethandiamin (TMEDA) (CH3)2NCH2CH2N(CH3)2 oder HMPT als Cosolventien um die Nucleophilie des Anions zu erhoumlhen
O
CH3C CH CH3C C24
(-) (+)Na CH3C
NaNH2 fl NH3
-NH2H
CH3I
-NaI75
CCH3
2-Butin
C36
CH C44
CCH2CH2CH31 CH3CH2CH2CH2CH2Li THF H2NCH2CH2NH22 CH3CH2CH2Br
n
-LiBr85
1-Pentinylcyclohexa
enz
Alkylierung von Ketonen Die konjugierte Addition gefolgt von einer Alkylierung stellt eine nuumltzliche Sequzur αβ-Dialkylierung undgesaumlttigter Carbonylverbindungen
CO
1 R2CuLi
C C C C CR R
O O OBeispiel
1 (CH CH
O2 RX
CH3
CH CH2CH2CH3
CH3
CH2CH2CH2CH3
3 2CH2CH2)2CuLi THF2 CH3I +
84 4 1 trans- und cis-3-Butyl-2-methylcyclohexanon
2
itionGewoumlhnliche Grignard-Verbindungen reagieren mit αβ-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen in einer 12-Add einer 14-Addition oder beiden Weegen je nach Struktur Reaktionsbedingungen und reagierenden Verbindungen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 27 von 37 β-Dicarbonylverbindungen
laisen-Kondensationen fuumlhren zu β-Dicarbonylverbindungen Ethylacetat reagiert en Natriumethoxid zu Ethyl-3-oxobutanoat
Cmit stoumlchiometrischen Meng(Ethylacetacetat Acetessigester)
CH3 C2
OO
CH2CH3CH3 C
7O
OCH2CH3 CH3 C
12
OCH2
C16
OO
CH2CH3+Na+-OCH2CH3 CH3CH2OH
-CH3CH2OHEthylacetat Ethyl-3-oxobutanoat
(Ethylacetacetat) Die Claisen-Kondensation beginnt mit der Bildung eines Esterenolat-Ions Durch eine Additions-Eliminierungs-Reaktion an die Carbonylgruppe eines anderen Estermolekuumlls entsteht ein 3-Ketoester Diese Schritte sind reversibel und der geamte Vorgang ist bis zu dieser Stufe endotherm Besonders unguumlnstig ist die Deprotonierung des Esters (pKa = 25) durch Ethoxid (pKa von Ethanol = 159) Das Gleichgewicht ist trotzdem zum Produkt verschoben da die Basde den 3-Ketoester (pKa = 11) an C2 praktisch irreversibel deprotoniert Bei der Aufarbeitung mit waumlssriger Saumlure wird die konjugierte Base des Produkts protoniert womit der Prozess abgeschlossen ist
CH3 C21
O CH2CH3 Na+ CH2 C
27 OCH2CH3
CH2 C32
O
OCH2CH3
+ CH3CH2OH
O O(-)
(-)Bildung des Esterenolats
Na+-OCH2CH3
CH3 C37
OO
CH2CH3CH2 C
42O
OCH2CH3
(-)CH3 C
48OCH2CH3
O
CH2
C52
OCH2CH3
O
+
Eliminierung
Nucleophile Addition
CH3 C56
OCH2CH3
O
CH2
C60
OCH2CH3
O
CH3 C64
CH2
C66
OCH2CH3
O O
+ -OCH2CH3
Ketoester
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 28 von 37
CH3 C71
CH2
C73
OCH2CH3
O O
CH3 C78
CH C80
OCH2CH3
O O
CH3 C92
CH
C94
OCH2CH3
O OCH3 C
99CH
C101
OCH2CH3
O O(-)
CH3 C85
CH2
C87
OCH2CH3
O O
Deprtotonierung
+ -OCH2CH3
sauer pKa = 11
+CH3CH2OH
CH3 CCHO
COCH2CH3
O(-)CH3 CCH2
OCOCH2CH3
O
Protonierung bei der waumlssrigen Aufarbeitung
H+ H2O
Zur Vermeidung einer Umesterung sollten sich das Alkoxid und der Ester von demselben Alkohol ableiten lassen Malonestersynthese Mit der Malonester-Synthese erhaumllt man Carbonsaumluren Diethylpropandioat (Malonsaumlureester) ist ein gutes Ausgangsmaterial zur Darstellung 2-substituierter oder 22-disubstituierter Carbonsaumluren in einem Verfahren das man Malonestersynthese nennt
CH3 CH2
O C CH2
OCO
O CH2
CH3CH3 C
H2
O C CO
CO
O CH2
CH3
R
R
CR
RH COOH
22-disubstituierte Carbonsaumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 29 von 37 α β-ungesaumlttigte Ketone Bei α- β-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen tritt neben der 12-Verknuumlfung auch 14-Verknuumlpfung bei der Pinakol-Reaktion auf
CH2 CH
CH
O CH2 CH
CH
CH
CH
CH2
OH OH
12-Verknuumlpfung
2Zn
Ethanol 0degC
68
O O On
O O
2
14-Verknuumlpfung
+ e(-)
(-) (-)
lkylierung von Cupraten alten Doppelbindungen an denen einfache Alkylgruppen
ebunden sind Im Prinzip koumlnnen diese Verbindungen aus organometallischen
zien RLi bzw RMgX im allgemeinen icht mit Halogenalkanen Es gibt aber einen anderen Typ organometallischer
Reagenzien die Organocuprate die hier sehr effektiv wirken Organocuprate besitzen die stoumlchiometrische Zusammensetzung R2CuLi und koumlnnen direkt durch Addition zweier Aumlquivalente einer Organolithium-Verbidnung an ein Aumlquevalent Kupferiodid CuI dargestellt werden Beispiel
AViele wichtige Molekuumlle enthgReagenzien durch direkte Alkylierung gewonnen werden Ungluumlcklicherweise reagieren Organolithium- oder Grignard-Reagenn
CH2 CHLi CuI (CH2=CH)2CuLi LiI+ +Ethenyllithium Lithiumdiethenylcuprat
(ein Organocuprat-Reagenz) Lthiumcuprate reagieren mit Halogenalkanen in sogenannten Kupplungsreaktionen unter Bildung substituierter Alkene Primaumlre Iodide sind dazu am besten geeignet aber auch andere primaumlre und sekundaumlre Halogenalkane geben befriedigende Resultate
R2CuLi RX R R LiX+ +
CCH3
CH
C17
CH3
HC20
HC
23
CH3
HC26
H
CH2(CH2)6CH3
1 Li(CH3CH2)2O2 CuI CuLi
CH3(CH2)6CH2IHMPT
11H 14 Cl2
Lithium-bis(trans-1-propenyl)cuprat90
trans-2-Undecen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 30 von 37 Herstellung von C-X-Bindungen Veresterung von Alkoholen mit Mineralsaumluren
Finkelsteinreaktion (RF-Verbindungen mit Krypat-Unterstuumltzung) Bei der Finkelstein-Reaktion handelt es sich um eine nucleophile Halogenid-Austausch-Reaktion zur Synthese von Iodiden und Fluoriden aus Bromiden und Chloriden zB
R X NaI R I NaX+Aceton
+ X = Cl Br
SN2
Eine Komponente der Triebkraft dieser Reaktion hat physikalische Ursachen die n und sekundaumlren
lkylhalogeniden unguumlnstige Lage der Gleichgewichte fuumlr eine SN2-Reaktion Loumlslichkeit Bei dieser Reaktion wird die bei tertiaumlreA
R X I I R X
I R X=
++
urch physikalisch-chemische Effekte beguumlnstigt naumlmlich dadurch dass NaBr und aCl in Aceton schlecht loumlslich sind und ausfallen Dadurch werden die leichgewichte irreversibel verschoben und die Reaktion verlaumluft somit im ewuumlnschten Sinne
eispiel
dNGg B
C16
CH3 CH
Br 223 Hin Aceton
CH3
CCHCH3
C I+NaI + NaBr
CH32 CH3
2SN2
Es findet keine Neophenylumlagerung statt das heiszligt dass keine SN1-Reaktion stattfindet In einer Variante der Finkelstein-Reaktion wird der Tosylat-Rest gegen Halogenid ausgetascht Ansonsten aber arbeitet man nach dem gleichen Prinzip
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 31 von 37
30 Elektrophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom
Am alipatischen C-Atom sind elektrophile Substitutionen moumlglich wenn die C-X-Bindung so polarisiert ist dass das C-Atom eine negative und die Abgangsgruppe
s der ilen
tion Man kann jedoch zwischen folgenden Mechanismen nterscheiden
1 SE1 analog SN2 (Racemisierung)
2 SE2-back analog SN2 (Inversion)
3 S 2-front analog S i (Retention)
analog S i (Retention)
31 SE1-Reaktion
ierbei handelt es sich um eine Reaktion erster Ordnung die zweistufig verlaumluft
eine positive Ladung traumlgt Diese Voraussetzungen sind vor allem bei metallorganischen und CH-aciden Verbindungen erfuumlllt Der Mechanismuelektrophilen alipathischen Substitution ist nicht so klar wie der der nucleophaliphatischen Substituu
E N
4 S i E N
H
langsamR X R
R Y+ R Y+
Geeignete Loumlsungsmittel fuumlr SE1-Reaktionen sind Dimethylformamid (DMF) undHexamethylphosphorsaumluretriamid (HMPA)
O N(CH3)2
HN(CH3)2
POH3)2
N(CH3)2
HMPA
N(CDMF
Stereochemie der SE1-Reaktion
Die Stereochemie von SE1-Reaktionen verlaumluft nicht einheitlich Im Allgemeinen isch aktive Verbindungen einsetzt Dies
kann zwei Ursachen haben 1 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist
ufig der Fall wenn es sich um mesomeriestabilisierte
2 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist pyramidal gebaut kann jedoch seine Struktur nicht halten (vergleichbar dem schnellen Durchschwingen von unsymmetrisch substituierten Aminen)
findet man Racematisierung wenn man opt
planar Dies ist hauml
Carbanionen handelt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 32 von 37 In Ausnahmefaumlllen kann jedoch auch bei planaren (mesomeristabilisierCarbanionen je nach Wahl des Loumls
ten) ungsmittel Inversion Retention oder
Racemisierung auftreten was durch unterschiedliche Solvatationseffekte erklaumlrt wird Beispiel fuumlr eine S 1-Reaktion E
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
HgBrRacemat
langsam
(-)+ HgBr+
+HgBr2
-HgB 2
rHgBr
Hg = isotopenmarkiertes Hg
32 S 2-ReaktionE E
eaktionen sind bimolekular Beide Mechanismus verglichen werden
Y
und S i-Reaktion
SE2 und SEi-R anisund SNi-Mech
men koumlnnen mit dem SN2-
C47
Y X
SE2 (back) nfalls um einen Frontangriff unter
C C X29
X C35
Y
X
41
SE2 (front)
Beim SEi ndashMechanismus handelt es sich ebeRetention
Y zY z
C53 X C60 XSEi
Die Bildung cyclischer Uumlbergangszustaumlnde die 4- oder 6-gliedrig sein koumlnnen foumlrdert die Losloumlsung der Abgangsgruppe Stereochemie von SE2-Reaktionen und von SEi-Reaktionen
Fuumlr die h den nucleuphilen Substitutionen von Be
8 Valenzelektronen haumltte Da nun zwischen den beiden Elektronenwolken Coulomb-Abstoszligung auftritt erfolgt der Angriff des Nucleophils gezwungenermaszligen von der Ruumlckseite des Molekuumlls Die Folge ist Inversion Anders ist es dagegen beim SE2- und Sei-Mechanismus Das angreifende Elektrophil besitzt nur ein leeres Orbital und somit ist sowohl der Front- als auch der
angriff unter Inversion verlaumluft laumlsst die Stereochemie der SE-Reaktion nur schwer Ruumlckschluumlsse auf den Mechanismus zu
Stereoc emie ist folgender Unterschied zu deutung
Bei SN-Reaktionen bringt das angreifende Nucleophil ein Elektronenpaar mit Daher muss die Abgangsgruppe bei der Neubildung der Bindung ein Elektronenpaar mitnehmen da sonst das C-Atom mehr als
Ruumlckseiten-Angriff moumlglich Da der Frontangriff unter Retention der Ruumlckseiten
Skript zum 2 OC-Kolloquium
33 Anwendungen
reu
Seite 33 von 37
Herstellung einfacher metallorganischer Verbindungen
etall-H-Austausch
aumluren betrachtet werden Dabei nimmt die H-Aciditaumlt mit zunehmendem s-Charakter der Hybridisierung zu
sp CH3 CH3
M C-H-Verbindungen koumlnnen als schwache SC Hybridisierung
3Saumlure konjugierte Base pKa-W
sp2
CH3 CH2 Zunahme der
sp
2 2
CH CH
CH2 CH
CH C15(-)
25
Aciditaumlt
Da eine staumlrkere Saumlu
ert 42
365
(-)
CH CH (-)
re eine schwaumlchere aus ihrem Salz vertreibt reagiert eine konjugierte Base mit jeder Saumlure die in der Tabelle unter ihr steht Elektronegative Gruppen an Aromaten wirken acidifizierend Beispiele
HC H Na
NaC2H6
Li H
+
pKa 42schwaumlchere Saumlure
Pentan
pKa 37schwaumlchere Saumlu
pKa 35 staumlkere Sauml re
+ Pentan +
schwaumlchere Saumlure
2 5+pKa 37 staumlkere Saumlure
Na CH3 H CH2Na
+ Pentan +
H H H LipKa 37pKa 23
staumlkere Saumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 6 von 37
R I I R I I
R H I H I R
+ +
+ + Aus Bestimmungen der Geschwindigkeitskonstanten ist die folgende Reaktivitaumltsreihe fuumlr Radikale gefunden worden
Fbull gt HObull gt Clbull gt bullCH3 gt Brbull gt ROObull Inhibitoren Eine Substanz die eine Reaktion hemmt oder abbricht selbst wenn sie nur in kleinen Mengen vorhanden ist nennt man Inhibitor Die Zeitspanne waumlhrend deren ein Inhibitor wirkt und nach der die Reaktion mit normaler Geschwindigkeit ablaumluft wird als Inhibitionszeit bezeichnet Beispiel
CH3bull + O2 rarr CH3-O-Obull Einfluss von Loumlsungsmitteln und Temperaturabhaumlngigkeit von Radikalreaktionen Durch eine Erhoumlhung der Temperatur nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit einer exothermen Reaktion ab Bei Radikalreaktionen fuumlhrt eine Erhoumlhung der Temperatur zu einer Verminderung der Selektrivitaumlt der Reaktion so dass bei einer ausreichend hohen Temperatur das Verhaumlltnis der Abstraktion eines primaumlren sekundaumlren oder tertiaumlren Wasserstoffatoms 111 betraumlgt Fuumlr eine Radikalreaktion eignen sich besonders polare Loumlsungsmittel da diese das Radikal durch Solvatisierung stabilisieren Dies kann jedoch zu einer verringerten Reaktionsgeschwindigkeit fuumlhren
15 Nachweis von Radikalen Ein fuumlr die Bestimmung der Lebensdauer von Radikalen wichtiges Experiment ist das von Paneth und Hofeditz 1929 durchgefuumlhrte Experiment
Kuumlhlung
6 mm
40 cm
PbMe4 2 Torr 12 msec-1
Pb-SpiegelPb-Spiegel
Pb(CH3)4
∆Pb + 4 CH3
Lebensdauer von CH3 = 10-3 sec
Abb Paneth-Hofeditz-Versuch
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 7 von 37 Bei diesem Experiment konnte die Lebensdauer von Methyl-Radikalen bestimmt werden Auszligerdem kann die Anwesenheit von Radikalen durch den Transport des Pb-Spiegels gezeigt werden Eine andere bedeutende Methode zum Nachweis von Radikalen ist die Elektronenspinnresonan-Spektroskopie (ESR) Die Messmethode ist Vergleichbar mit der NMR-Spektroskopie und anhand der so erhaltenen Spektren ist die elektronische Konfiguration der untersuchten Molekuumlle erkennbar Von groszliger Bedeutung sind Radikalfaumlnger (Inhibitoren) zum nachweis von Radikalen Ein Beispiel dafuumlr ist das Hydrochinon
OH
OH
O
OH
O
O
O
O
O
O
OR
OR
R + - RH
R
- RH
+ 2 R
Weitere wichtige Radikalfaumlnger sind die Vitamine C und E (Antioxidanzien)
16 Anwendungen Wurtzrsquosche Synthese
Bildung von Kohlenwasserstoffen aus Alkylhalogeniden und Natrium
2 RX + 2Na R-R + 2 NaX
Die Reaktion wird zur Darstellung houmlherer Alkane verwendet Wird von 2 verschiedenen Alkylhalogeniden ausgegangen entsteht ein Kohlenwasserstoffgemisch Alkyliodide reagieren leichter als Bromide oder Chloride
Wurtz-Grignard-Reaktion
R-Mg-X + RX R-R + MgX2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 8 von 37 Pinakol-Reaktion
Aldehyde und Ketone gehen mit Metallen eine Ein-Elektronen-Reduktion ein die zur Ausbildung einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung zwischen zwei Carbonyl-Kohlenstoffatomen fuumlhrt So ergibt sich beispielsweise in Benzol bei Zugabe von Magnesium zu Aceton (Propanon) nach waumlssriger Aufarbeitung 23-Dimethylbutan-23-diol
Der Mechanismus der Pinakol-Kopplung verlaumluft uumlber Ein-Elektronen-Uumlbertragungsschritte Anfangs nimmt die Carbonylgruppe unter Bildung eines Radikal-Anions ein Elektron auf Anschlieszligend kombinieren zwei solcher Radikal-Anionen unter Bildung eines Dianions welches bei der waumlssrigen Aufarbeitung protoniert wird
Acyloin-Kondensation Die α-Hydroxyketone oder Acyloine sind leicht durch Acyloin-Kondensation von Estern zugaumlnglich Im Prinzip handelt es sich bei der Reaktion eher um eine reduktive Dimerisierung welche vergleichbar mit der Pinakol-Reaktion ist Erhitzt man elementares Natrium zusammen mit einem Ester in Diethylether oder Benzol und anschlieszligender waumlssriger Aufarbeitung erfolgt eine reduktive Kupplung bei der das entsprechende α-Hydroxyketon entsteht
R O RO
R O RO
R O RO
R RO O
OROR
R RO O
R RO O
R RO O
R ROH OH
R RO OH
H
+
Na
Na+
Dimerisierung
Na+ Na+
- 2Na+ OR-
++
2 NaNa+ Na+
Endiolat
2 H2O
- 2 NaOHEndiol
Acyloin
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 9 von 37 Der Mechanismus verlaumluft wahrscheinlich in aumlhnlicher Weise wie der der Pinakol-Reaktion Im ersten Schritt wird der Ester durch Uumlbertragung eines Elektrons vom Metallatom zu einem Radikal-Anion reduziert Das so entstandene Radikalanion dimerisiert zum Dianion des entsprechenden Diols Bei der Acyloin-Kondensation kann nun das Dianion zwei Alkoxid-Ionen unter Bildung eines α-Diketons abspalten Nach weiterer Reduktion durch Uumlbertragung zweier Elektronen bildet sich ein Endiolat Die waumlssrige Aufarbeitung ergibt dann uumlber eine Zwischenstufe des Endiols das α-Hydroxyketon Kolbe-Elektrolyse Bei der Kolbe-Elektrolyse wird das Elektron durch anodische Oxidation abgespalten Die entstandenen Radikale dimerisieren zu einem Alkan
RO
OR
O
O- e- R + CO2
radikalische Polymerisation
CH2 CH2
R O O RCH2 CH2
R O O R R O
R O CH2 CH2RO CH2 CH2
RO CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2
CH2
H
CH3
CH2 CH2
CH3CH2CH2
1000atmgt 100degC
2
∆21)
2)
3)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 10 von 37 HX-Addition an C=C-Doppelbindungen Setzt man frisch destilliertes 1-Buten mit Bromwasserstoff um wird entsprechend der Markownikow-Regel Addition 2-Brombutan beobachtet In Gegenwart von Sauerstoff beobachtet man jedoch die Bildung von 1-Brombutan das ein anti-Markownikow-Produkt darstellt Der Grund fuumlr diese Beobachtung ist dass die Anwesenheit des Sauerstoffs zur Peroxiden ROOR fuumlhrt und der Reaktionsmechanismus somit als Radikalreaktion ablaumluft Man spricht in diesem Zusammenhang auch vom Peroxid-Effekt Der Mechanismus laumlsst sich wie folgt beschreiben
R O O R R O
R O R O H Br
Initiation∆
2
+ HBr∆
+
C CH2
H
CH2CH3
Br
CH3 CH2
CH
CH2
BrH
Br
Kettenwachstum
+ CH3CH2CH-CH2Brsekundaumlres Radikal
CH3CH2CH-CH2Br + HBr +
Br
CH3 CH2
CH
CH2
Br
CH
CH2
BrCH2
CH3
Kettenabbruch
2 Br2
CH3CH2CH-CH2Br2
Halogenierung von Alkanen (Radikalkettenreaktion) Von groszliger technischer Bedeutung sind radikale Kettenreaktionen Formal wird eine Radikalkettenreaktion in 3 Teilschritte eingeteilt Im Folgenden wird der radikalischen Kettenreaktion anhand der Chlorierung von Methan betrachtet Die Reaktionsprodukte der radikalischen Halogenierung sind Chlormethan und Chlorwasserstoff sowie Nebenprodukte in sehr geringen Mengen
Cl ClH3 C H H3 C Cl H ClLichtWaumlrme+ +
440 kJmol 243 kJmol 356 kJmol 431 kJmol
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 11 von 37 ∆Hdeg= ((440 + 243) ndash (356 + 431)) kJmol = -104 kJmol (exotherm) Die radikale Kettenreaktion wird gestartet durch die Spaltung eines Chlormolekuumlls durch Waumlrmezufuhr oder Lichteinfall Kettenstart
Cl Cl Cl hν 2 ∆Hdeg= 243 kJmol
Im zweiten Schritt greift das Chlorradikal das Methanmolekuumll an Dabei wird eine der Wasserstoff-Kohlenstoffbindungen des Methans homolytisch gespalten und man erhaumllt Chlorwasserstoff sowie ein Methylradikal Wasserstoffabspaltung (1 Kettenfortpflanzung)
Cl CH
HH
H C H
HH
+ HCl +
440 kJmol 431 kJmol ∆Hdeg= + 9 kJmol
C
HH
H
H ClC 1
HH
H
C
H H
H
H Cl
Lappen waumlchst
+ H Cl
Im anschlieszligenden Reaktionsschritt greift nun das Methylradikal ein Chlormolekuumll an und unter homolytischer Spaltung der Chlor-Chlorbindung entsteht Chlormethan sowie ein Chlorradikal welches wiederum im vorhergehenden Schritt mit einem Methanmolekuumll reagieren kann Chlorierung des Methans (2 Kettenfortpflanzung)
C H
HH
Cl Cl CH
HH
Cl Cl + +
243 kJmol 356 kJmol
in 2
∆Hdeg= -113 kJmol
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 12 von 37 Zu Ende der Kettenreaktion findet eine Rekombination der verschiedenen Radikale statt und man erhaumllt ein Chlormolekuumll ein Ethanmolekuumll oder ein Chlormethanmolekuumll als Produkt Kettenabruchreaktion
Clmiddot + Clmiddot rarr Cl-Cl middotCH3 + middot CH3 rarr H3C-CH3
middotCH3 + Clmiddot rarr H3C-Cl Die radikale Kettenreaktion verlaumluft uumlber eine Zwischenstufe sowie zwei Uumlbergangszustaumlnde welche in dem folgenden Energiediagramm zu erkennen sind E
[H3C H Cl]ne
[H3C Cl Cl]ne
Uumlbergangszustand
CH3 + Cl2 + HCl
Zwischenstufe
CH4 + Cl + Cl2
Reaktionskinetik
Abb Energiediagramm Die radikalische Chlorierung von Methan kann durch weitere Substitutionen von Wasserstoffatomen durch Chloratome weiter bis zum Tetrachlormethan gefuumlhrt werden
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 13 von 37 Ziegler-Wohl-Bromierung
enen in der Allylstellung mit N-Bromsuccinimid ei 0degC
ittel welches die C=C-Doppelbindung nicht
BS N-Bromsuccinimid
Selektive Bromierung von AlkN-Bromsuccinimid NBS entsteht durch Einwirkung von Brom auf Succinimid bin Gegenwart von Natriumhdroxid NBS ist ein selektives Bromierungsmangreift N
N
O
O
Br N
O
O
Br
tart
Licht oderPeroxide +
S
Br CH3 CH
CH2CH2 C
HCH2
BrH
CH2 CH
CH2 Br2 CH2
CH
CH2
BrBr
N
O
O
Br BrH N
O
O
H Br2
Kette
+ +
+ +
+ +
niedrige-Konzentrationenvon Br2Solvens CCl4
Die alpha staumlndige Methylengruppe wird rascher bromiert als die Me hylgruppe
andmeyer-Reaktion us der Sandmeyer-Reaktion ist noch nicht geklaumlrt Die
t SDer genaue MechanismReaktion verlaumluft aber vermutlich uumlber zwei radikalische Zwischenstufen
CH3
NH2
CH3
N2
CH3
ClHCl NaNO2 0degC
+Cl-CuCl 60degC
+ N2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 14 von 37 Autoxidation
ther ER2CH OR O2 R2C OR R2C OR
O O
R2C ORO O H
+
Aldehyde
C6H5 C7
HO
O2 C6H5 C12
O
H O O
C6H5 C19
OO2 C6H5 C
23
OO O
C6H5 C28
OO O C6H5 C
33H
OC6H5 C
37
OO O H C6H5 C43
O
C6H5 C47
OO O H C6H5 C
53H
OC6H5 C
57
OO H
+ +
+
+ +
+ 2
ock-Verfahren H
C HC6H5
3
CH3
O2 C OC6H5
CH3
CH3
O HH
+
C6H5 OH CCH3
CH3
O+
CH
racken en von langkettigen Alkanen wird als Cracken bezeichnet Derartige
eine
isch aus hunderten verschiedener Alkane Der groumlszligte Teil wird
it l)
s Benzin zu erhalten werden laumlngerkettige Kohlenwasserstoffe durch rs
ende Radikale
CDas ZerlegProzesse spielen in der Erdoumllindustrie bei der Darstellung von Benzin aus Erdoumll wichtige Rolle Erdoumll ist ein Gemdurch langkettige wenig verzweigte Alkane gebildet Ein kleiner Teil besteht aus aromatischen Verbindungen Benzin ist ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen meiner Laumlnge von 4-12 Kohlenstoffatomen und ist in Erdoumll bis zu 30 (Volumenanteienthalten Um weiterefraktionierte Destillation abgetrennt und bei 500degC in Gegenwart eines Katalysato(Wolfram oder Nickel auf einer SiO2-Al2O3-Oberflaumlche) pyrolysiert Die Reaktion findet in einer Wasserstoffatmosphaumlre statt um entstehmit Wasserstoffatomen abfangen zu koumlnnen Auszligerdem koumlnnen Alkene zu AlkanenStickstoffhaltige Verbindungen zu NH3 und Schwefelhaltige Verbindungen zu H2S hydriert werden Man erhaumllt nach dem Cracken Erdoumll mit einem Benzin Anteil von 50
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 15 von 37
CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3
C HH
HC C C C C
H
H
H
H
H
H
H
H
H
HH
C C HH
H
H
HC C C C H
HH
H H H
H H H
+
+
Pyrolyse von Hexan
C C C H
H
H
HH
H
H2
20 Nucleophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom Bei einer Nucleophilen Substitution wird eine Abgangsgruppe unter hetereolytischer Spaltung der Bindung gegen ein Nucleophil ausgetauscht Nucleophile sind neutrale Teilchen oder Anionen welche mindestens ein freies Elektronenpaar aufweisen Gute Nucleophile sind gut polarisierbar und besitzen eine geringe Elektronegativitaumlt Sterisch anspruchsvolle Nucleophile hingegen sind schlechte Nucleophile Auszliger den bereits genannten Faktoren beeinflusst auch die Staumlrke der neu gebildeten Bindung die Guumlte eines Nucleophils Beispiele fuumlr neutrale Nucleophile sind H2O ROH RSH NR3 PR3 Beispiele fuumlr Anionische Nucleophile sind Hal- RO- HO- RS- Fuumlr die Guumlte der Abgangsgruppe (Necleofuge) gilt im Allgemeinen dass je staumlrker die konjugierte Saumlure desto besser das Nucleofug
I- gt Br- gt Cl- gt F- Man kann des weiteren Nucleofuge durch Zugabe von H+ -OH2
+ -OHR+ aktivieren Bei Nucleophilen Substitutionen unterscheidet man zwischen SN1 SN2 und SNi- Reaktionen 21 Die Bimolekulare nucleophile Substitution SN2 Zunaumlchst greift ein Nucleophil (in diesem Fall das Hydroxidion) am partiell positiv geladenen Kohlenstoffatom ruumlckseitig an Dabei entsteht ein fuumlnfbindiger (pentavalenter) Uumlbergangszustand Die Abspaltung des Chloridions sowie die Anlagerung des Hydroxidions erfolgt gleichzeitig und man erhaumllt als Reaktionsprodukt Methanol und ein Chloridion
C ClH
H H
HO
C ClH
H HOH
COHH
H HCl
- =
-+
-
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 16 von 37 Das Energiediagramm fuumlr eine solche Reaktion sieht wie folgt aus
Uumlbergangszustand ne
Edukte
Produkte
Neben der ruumlckseitigen Anlagerung des Nucleophils koumlnnte das Nucleophil auch vorderseitig angelagert werden Jedoch zeigen entsprechende Experimente dass diese Anlagerung nicht stattfindet
CCH3
HBr
CH2CH3
CCH3
H
BrCH2CH3
I
IC
CH3
HI
CH2CH3
Br
HBrI
CH2CH3CH3
C CH3
HI
CH2CH3
Br
- =
Vorderseitenangriff
--+
Retention
(S)-2-Brombutan
(S)-2-Iodbutan
- =
Ruumlckseitenangriff
Inversion
-+
(R)-2-Iodbutan Im folgenden soll eine kurze Uumlbersicht uumlber moumlgliche Nucleophile sowie die dabei entstehenden Produkte gegeben werden
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 17 von 37
-Hydroxid
R OH Alkohol
OR-Alkoxid
R OR Ether HOH R O
H
HR O H
+ -H+
Alkohol R OH R O H
RR O R-H+
Ether
R CO
O Carboxylat
R O C RO Ester
NH3 Ammoniak R NH3 R NH2
+ -H+
Amin R 2NH primaumlres Amin R NH2R R NHR
+ -H+
sekundaumlres Amin
R2 NH sekundaumlres Amin R NHR 2 R NR2+ -H+
tertiaumlres Amin
R3N tertiaumlres Amin R NR3+
R-SH Thiol R-S- Mereaptidion R-SR Thioether R2S
SRRR
+
kan CN- Cyanid R-CN Nitriole C C R R C C R A
schiene F
Nucleophil (Nu) R-Nu
O H
HS- Hydrogensulfidion
Sulfoniumion I- Iodid R-I Iodal
Acetylid cetylen
Es gibt ver aktoren die den Ablauf der SN2-Reaktion bestimmen Zum einen
I-gt Br- gt Cl- gt F-
beeinflusst die Guumlte der Abgangsgruppe den Verlauf der Reaktion Dabei beguumlnstigen stabile Abgangsgruppen den Verlauf der Reaktion
R S OO
OR S O
O
OR S O
O
O
CO
OC
O
OC
O
O-
--
--
-
uszligerdem beeinflusst die Art des Nucleophils den Verlauf der SN2-Reaktion Dabei wird die Reaktion durch negativ geladene Nucleophile ohne sterische Hinderung beguumlnstigt
A
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 18 von 37
22 Die Monokulare Substitution SN1 Neben der bimolekularen Substitution kann bei Halogenalkanen noch eine weitere
ndash die monomolekulare Substitution iese Form der Substitution tritt allerdings bevorzugt bei sekundaumlr oder tertiaumlr
lten
Substituenten in eine Ebene und das zentrale
Form der nucleophilen Substitution auftretenDgebundenen Halogenen auf Bei der Monomolekularen Substitution wird zunaumlchst das Halogenidion abgespaund es bildet sich ein Carbeniumion Anschlieszligend bdquoklappenldquo die drei noch am Kohlenstoffatom verbliebenenKohlenstoffatom nimmt eine sp2-Hybridisierung ein Danach kann die Anlagerung des Nucleophils erfolgen
CH3
OH2
C Br
CH2CH2CH3CH2CH2
Br CCH3
CH2CH2CH3
CH2CH3
OH2
C
C3
OH CH2CH3
CH2CH2CH3
C
OH
CH3
CH2CH2CH3CH2CH3
-
(R)
+
(S)-Methyl-3-hexanal
InversionRetention
-HBr -HBr
(R)-3-Methyl-3-hexanal
+
2
H
Da das Carbeniumion eine sp -Hybridisierung aufweist kann bei der SN1-Reaktion eine vorder- und eine ruumlckseitige Anlagerung des Nucleophils erfolgen Das Energiediagramm einer solchen Reaktion sieht wie folgt aus E
C BrCH3
CH3
CH3
Br (CH3)3C(CH3)3 C OH BrH2O+ -+ ++ -
Die SN1-Reaktion laumluft im Allgemeinen schneller als die SN2-Reaktion ab Dazu ist es aber noumltig dass sich ein stabiles Carbeniumion ausbilden kann Die Stabilitaumlt des Carbeniumions haumlngt von den Substituenten ab Dabei gelten tertiaumlre Carbeniumionen als besonders stabil
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 19 von 37
C
CH3
CH3
CH3 C
H
CH3
CH3 C
H
H
CH3 C
H
H
H+ + + +
CH3tertiaumlr sekundaumlr primaumlr
+gt gt gt
Der Grund fuumlr die Stabilitaumlt der tertiaumlren Carbeniumionen ist der hyperkonjugative Effekt der Alkylgruppen Dabei bdquoverschiebenldquo die Alkylsubstituenten ihre Elektronendichte zum Kation
CHH
CCH2
CH2
CH2
H
H
+ +
Alkylsubstituenten schieben Elektronendichte zum Kation
H
H
Die folgende Tabelle soll einen kurzen Vergleich zwischen SN1- und SN2-Reaktion ziehen
Vergleich von S 2 und S 1 N NReaktionsparameter SN2 SN1 Struktur des Halogenids primaumlr selten
zyl Alkyl) haumlufig
(Bensekundaumlr manchmal anchmal mtertiaumlr selten haumlufig
Racemisierung Loumlsungsmittel olare
smittel verzoumlgert olare
e Loumlsungsmittel wird durch pLoumlsung
wird durch pprotischbeschleunigt
Nucleophil Anionische Nu beguumlnstigt schlechte Abgangsgruppe gute Abgangsgruppe
bevorzugt SN1 Erhoumlhung der NucleophDie Nucleophilie e
ilieines Nucle em Maszlige w n
erabgesetzt wird Eine Verminderung der Solvatation erreicht man durch Kronether
durch Kryptatbildung ophils steigt in d ie die Solvatatio
Stereochemie Inversion
andere Abgangsgruppe als Halogenides
bevorzugt SN2
h(engl crown) zB
O
O
O
O
OO
O
O OK
+
Y
12-Crown-418-Crown-6
Kryptat
O
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 20 von 37 Bezeichnung der Kronether Die Zahl vor bdquoCrownldquo gibt die Gesamtzahl der Ringatome die Zahl dahinter die Anzahl der Sauerstoffatome an In diesen Alkylkryptaten wird das Gegenion des Nucleophils K+ komplex gebunden auszligerdem findet in unpolaren organischen Loumlsungsmitteln in denen die Kryptatte loumlslich sind nur geringe Solvatation statt so dass das Nucleophil gewissermaszligen bdquonacktldquo vorliegt und dadurch seine volle nucleophile Kraft entfalten kann Kronether werden durch eine Williamsonrsquosche Ethersynthese dargestellt
OHO OCl O O40
O OH Cl O OO
O+
-HCl
O
18-Crown-6Triethylenglykol Triethylenglykoldicklorid
Beschleunigte nucleophile Substitution Die Nachbarschaftsgruppenbeteiligung von Y fuumlhrt zu einer beschleunigten nucleophilen Substitution und erklaumlrt durch zweimalige Inversion die Retention Das Elektronenpaar der Nachbargruppe Y kann ein ein freies Elektronenpaar (Hetereoatome) oder eine π-Bindung sein (Alkene Arene) in Einzelfaumlllen auch eine C-C-Bindung (2-Norbornylkation)
LGY| Y NuInversion|Nu
-+ Inversion
Y|
LG Abgangsgruppe-LG
-
23 SNi-Reaktion Unter dem SNi-Mechanismus versteht man eine innere nucleophile Substitution die nach einem internen SN2-Mechanismus ablaumluft und somit unter Beibehaltung der Konfiguration Ein typisches Beispiel ist der Austausch einer OH-Gruppe gegen Chlor mit SOCl2
COOH
HCOOH
COOH
O SCl
COOHH ClCl2
-SO2
R(-)-Chlorbernsteinsaumlure
H OH +SO
CH2
COOHCH2
O CH2
COOH
in Dioxan-HCl
R(+)-Aumlpfelsaumlure
Hierbei bleibt die Konfiguration erhalten da primaumlr der instabile Chlorsulfinsaumlureester gebildet wird und durch diese Bindung das Nucleophil von derselben Seite angreifen muss Dies fuumlhrt zur Retention Der SNi-Mechanismus ist jedoch stark loumlsungsmittelabhaumlngig denn fuumlhrt man dieselbe Reaktion in Pyridin durch so erhaumllt man 100 Waldenumkehr also SN2-Mechanismus
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 21 von 37 Der Grund hierfuumlr ist in der unterschiedlichen Basenstaumlrke zu sehen zwischen Dioxan und Oyridin Dioxan ist nur eine schwache Base
O
O
O
OH
+ HCl
+
Cl-
Das Gleichgewicht liegt weit auf der linken Seite wodurch das Nucleophil Cl- als HCl gebunden vorliegt Anders ist es dagegen in Pyridin
CR1
R2 OH CR1
R2 OSOClR1+SOCl2 PyrH+Cl-
R3 R3C
R3R2Cl
SN2+ - -
Hierbei greift das aus dem PyrH Cl stammende Nucleophil Cl in einer SN2-Reaktion den entstehenden Chlorsulfinsaumlureester von der Ruumlckseite her an was zur Konfigurationsumkehr fuumlhrt 24 Anwendungen
ubstitution von Halogeniden
siehe SN1 und SN2-Mechanismen saure Veretherung
Eine zweite Alkoholfunktion kann sich nun das enachbarte Kohlenstoffatom nucleophil angreifen Nach der Abspaltung eines
nes Protons erhaumllt man einen Ether
Herstellung von C-O-Bindungen S
Man kann bei Anwesenheit einer Saumlure [H2SO4] zwei Alkohole durch eine saure Veretherung in einen Ether uumlberfuumlhren Dabei wird zunaumlchst eine der Alkoholfunktionen protoniert bWassermolekuumlls und ei
CH3CH2OH
CH3CH2OH
CH3CH2 OH
H
CH3CH2OH
CH3CH2 O HCH3CH2
CH3CH2 O
H+ + -H2O +
++ H
+
CH3CH2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 22 von 37 Etherspaltung In Ethern kann die ROR-Gruppe in Anwesenheit einer Saumlure protoniert werden Im nachfolgenden Schritt erfolgt ein nucleophiler Angriff des Halogenid-Anions Man erhaumllt als Produkt ein Halogenalkan und ein Alkohol
CH3CH2OCH2CH3 CH3CH2 OCH2CH3
H
CH3CH2 OCH2CH3
H
H+
+
Dialkyloxonium-Ion
+Br +-
CH3CH2Br + HOCH2CH3
Williamson-Synthese
e
H3C-CH2-O-CH2-CH3 Diethylether
Ether Alkoyalkan R-O-R
O
Tetrahydrfuran(THF)
CH3 CH2 O Na Br CH2CH3 CH3 CH2 O CH2 CH3
- + +SN2
intermolekularNaBr+
den zuvor beschriebenen Kapiteln koumlnnen verschiedene eaktionsmechanismen zusammen wirken Ein bedeutendes Beispiel dafuumlr ist die
rung von Carbonsaumluren mit Alkoholen Dabei wird zunaumlchst ein Nucleophil an as Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe addiert Anschlieszligend erfolgt die
Da Alkohole schlechte Nucleophile sind muumlssen derartige Reaktionen durch Saumlure (meist Schwefelsaumlure) katalysiert werden Im ersten Schritt lagert sich das Proton an das nicht saure Sauerstoffatom an Diesfuumlhrt zu einer positiven Ladung am Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe Hierdurch wird nun der nucleophile Angriff des Alkohols beguumlnstigt Durch die Anlagerung eines weiteren Proton wird nun die schon einmal protonierte Hydroxygruppen ein weiteres
al protoniert und somit in eine gute Abgangsgruppe umgewandelt Nach der s Wassers wird die andere Hydroxygruppe deprotoniert und man erhaumllt
Veresterung Neben den in RVerestedAbspaltung des Carboxylsauerstoffatoms
mAbspaltung deeinen Ester als Reaktionsprodukt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 23 von 37
O
OH
O
OH
H
R C OH
Nu
C O
Nu HNu
R C
O
Nu
+
+ Nu
+
+- H-H2O
Mechanismus der Veresterung (Saumlure katalysiert)
R C R C- +
+ Nu + H -δ+
OH
R
OHH
R C
O H ++ H
H2O +
+
Substitution von Diazoniumsalzen Darstellung von Salpetrigsaumlureestern
CH2 OH
C2 OH
NO(-) CH2 O
CHCH2
OO
NNN
OOO
+H++ 3 H2OCH OH 2+
H
erstellung der C-S-Bindungen arstellung von Thiolen und Thioethern nalog der Williamsonrsquoschen Ethersynthese lassen sich auch Thioether darstellen
HDA
R Br R SH NaBrMercaptane
Na+ HS-+ +
ich jedoch aufgrund ihrer groumlszligeren den Alkoholen nur schlecht abfangen Thioethern weiterreagieren lassen
Dabei entstehen primaumlr Mercaptane die sucleophilie gegenuumlber den entsprechenN
lassen und sofort zu den entsprechenden
R1 SH R2 X R1 S R2 HXThioether
+Base
SN2+
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 24 von 37 Eine selektrive Herstellung von Mercaptanen durch nucleophile Substitution von
hioharnstoff-Methode Alkylhalogeniden erfolgt mit der T
NH2
CNH
NH2
SH
NH2
CO2 3
+
OH- H2O
2+
CNH2
S
RX CNH2
NH2
SR CNH2
NH2
SR CNH2
SR
s-Alkylthiuroniumsalze
++ +
iso-ThioharnstoffR SH NH+
Herstellung der C-N- Bindung Gabriel-Synthese Ein nichtreduktiver Zugang zu primaumlren Aminen geht von dem Anion von 2-Benzoldicarboximid (Phtalimid) aus dem cyclischen Imid der 12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure) Dieses Verfahren ist als Gabriel-Sysnthese bekannt Da das Stickstoffatom in 12-Benzoldicarboximid (Phtalamis) von zwei Carbonylfunktionen flankiert ist ist die NH-Gruppe ungewoumlhnlich acide (pKa = 83) staumlrker als ein gewoumlhnliches Amid (pKa = 15) Sie wird deshalb bereits von einer so milden Base wie dem Carbonat-Ion deprotoniert das entstehende Anion wird in guter Ausbeute alkyliert Durch saure Hydrolyse setzt man das Amin anschlieszligend als Ammoniumsalz frei Behandelt man dieses mit Base erhaumllt man das freie Amin
O
O
O
O
O
2OH
O
CH CH2NH3HSO4
O
O
O
O
CH CCH2NH2
+
NaOH H2O
+Na+
Na+
N-2-Propinyl-12-benzoldicarboximid (N-Propargylphtalimid)
2-Propinamin (Propargylamin)
wird bei waumlssriger Aufarbeitung entfernt
O
OH
OH
O
NH N K+NH3 300degC
-H2O
K2CO3 H2O
CH CCH2Br
N
O
CH CH CHOH
O
DMF 100degC-KBr
H2SO4 H2O 120degC+ -
12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure)
9712-Benzoldicarboximid (Phtalimid)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 25 von 37 Hinsberg-Reaktion Die Hinsberg-Reaktion bietet die Moumlglichkeit ausgehend von primaumlren Aminen gezielt sekundaumlre Amine herzustellen
R NH2 Cl ts R NH
ts R N ts
-HCl
acides H
KOH
-H2O
(-)
K(+)
R N ts
NR
Rts NH
R
RtsOK
(-)
K(+)+R-X
-KX
Verseifung
H2O
ts = Tosylat = CH3 SO2
Quarternisierung von Aminen Nitroalkanen Isonitrilen Herstellung von C-C-Bindungen Nitrilsynthese (nach Kolbe)
ogenide meist Methyliodid oder primaumlre Alkyliodide mit eim
mit tertiaumlren Alkylhalogeniden ndash erhaumllt man jedoch hauptsaumlchlich Isonitrile
Setzt man AlkylhalNatriumcyanid um so erhaumllt man hauptsaumlchlich die entsprechenden Cyanide BUmsatz von Silbercyanid ndash vor allem
CH3 I
CH3 CN
CH3 N C 7
Acetonitril
Methylisonitril
SN2-artig
+NaCN -NaI
SN1-artig
+AgCN -AgI
er Grund fuumlr dieses Reaktionsverhalten liegt darin dass das Silber-Kation die unterstuumltzt In einer SN1-seinem
lektronegativsten Atom an im Falle der Kolbersquoschen Nitrilsynthese mit dem N-Atom ieser SN1-artige Verlauf fuumlhrt somit zu Isonitrilen at die Reaktion jedoch mehr bimolekularen Charakter so greift das ambidente CN(-) evorzugt mit dem weniger elektronegativeren dafuumlr mehr polarisierbaren Atom an ies fuumlhrt zur Bildung von Nitrilen ie Verhaumlltnisse beim CN(-) sind denen des NO2
(-) aumlhnlich Das Wesentliche ist dabei er SN1- bzw SN2-Charakter der Reaktion Dieser Charakter laumlsst sich durch die
oumlsungsmittelwahl bzw Kryptat-Einfluss in eine
DBildung eines Carbenium-Ions foumlrdert und die SN1-Reaktion rtigen Reaktion greift jedoch das ambidente Nucleophil mit a
eDHbDDdWahl des Nucleophils und durch Lbestimmte Richtung lenken
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 26 von 37 Darstellung von Alkinen Alkine koumlnnen aus anderen Alkinen erhalten werden durch Reaktion terminaler Alkinyl-Anionen mit alkylierenden Reagenzien wie primaumlren Halogenalkanen
xacyclopropanen Aldehyden und Ketonen Wie wir wissen werden solche Anionen aus terminalen Alkinen durch Deprotonierung mit starken Basen meist Alkyllithium-Verbidnungen Natriumamid in fluumlssigem Ammoniak oder Grignard-Reagenzien gewonnen Die Alkylierung mit primaumlren Halogenalkanen erfolgt uumlblicherweise in fluumlssigem Ammoniak oder Ethern Diese Loumlsungsmittel enthalten bisweilen 12-Ethandiamin H2NCH2CH2NH2 NNNrsquoNrsquo-Tetramethyl-12-ethandiamin (TMEDA) (CH3)2NCH2CH2N(CH3)2 oder HMPT als Cosolventien um die Nucleophilie des Anions zu erhoumlhen
O
CH3C CH CH3C C24
(-) (+)Na CH3C
NaNH2 fl NH3
-NH2H
CH3I
-NaI75
CCH3
2-Butin
C36
CH C44
CCH2CH2CH31 CH3CH2CH2CH2CH2Li THF H2NCH2CH2NH22 CH3CH2CH2Br
n
-LiBr85
1-Pentinylcyclohexa
enz
Alkylierung von Ketonen Die konjugierte Addition gefolgt von einer Alkylierung stellt eine nuumltzliche Sequzur αβ-Dialkylierung undgesaumlttigter Carbonylverbindungen
CO
1 R2CuLi
C C C C CR R
O O OBeispiel
1 (CH CH
O2 RX
CH3
CH CH2CH2CH3
CH3
CH2CH2CH2CH3
3 2CH2CH2)2CuLi THF2 CH3I +
84 4 1 trans- und cis-3-Butyl-2-methylcyclohexanon
2
itionGewoumlhnliche Grignard-Verbindungen reagieren mit αβ-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen in einer 12-Add einer 14-Addition oder beiden Weegen je nach Struktur Reaktionsbedingungen und reagierenden Verbindungen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 27 von 37 β-Dicarbonylverbindungen
laisen-Kondensationen fuumlhren zu β-Dicarbonylverbindungen Ethylacetat reagiert en Natriumethoxid zu Ethyl-3-oxobutanoat
Cmit stoumlchiometrischen Meng(Ethylacetacetat Acetessigester)
CH3 C2
OO
CH2CH3CH3 C
7O
OCH2CH3 CH3 C
12
OCH2
C16
OO
CH2CH3+Na+-OCH2CH3 CH3CH2OH
-CH3CH2OHEthylacetat Ethyl-3-oxobutanoat
(Ethylacetacetat) Die Claisen-Kondensation beginnt mit der Bildung eines Esterenolat-Ions Durch eine Additions-Eliminierungs-Reaktion an die Carbonylgruppe eines anderen Estermolekuumlls entsteht ein 3-Ketoester Diese Schritte sind reversibel und der geamte Vorgang ist bis zu dieser Stufe endotherm Besonders unguumlnstig ist die Deprotonierung des Esters (pKa = 25) durch Ethoxid (pKa von Ethanol = 159) Das Gleichgewicht ist trotzdem zum Produkt verschoben da die Basde den 3-Ketoester (pKa = 11) an C2 praktisch irreversibel deprotoniert Bei der Aufarbeitung mit waumlssriger Saumlure wird die konjugierte Base des Produkts protoniert womit der Prozess abgeschlossen ist
CH3 C21
O CH2CH3 Na+ CH2 C
27 OCH2CH3
CH2 C32
O
OCH2CH3
+ CH3CH2OH
O O(-)
(-)Bildung des Esterenolats
Na+-OCH2CH3
CH3 C37
OO
CH2CH3CH2 C
42O
OCH2CH3
(-)CH3 C
48OCH2CH3
O
CH2
C52
OCH2CH3
O
+
Eliminierung
Nucleophile Addition
CH3 C56
OCH2CH3
O
CH2
C60
OCH2CH3
O
CH3 C64
CH2
C66
OCH2CH3
O O
+ -OCH2CH3
Ketoester
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 28 von 37
CH3 C71
CH2
C73
OCH2CH3
O O
CH3 C78
CH C80
OCH2CH3
O O
CH3 C92
CH
C94
OCH2CH3
O OCH3 C
99CH
C101
OCH2CH3
O O(-)
CH3 C85
CH2
C87
OCH2CH3
O O
Deprtotonierung
+ -OCH2CH3
sauer pKa = 11
+CH3CH2OH
CH3 CCHO
COCH2CH3
O(-)CH3 CCH2
OCOCH2CH3
O
Protonierung bei der waumlssrigen Aufarbeitung
H+ H2O
Zur Vermeidung einer Umesterung sollten sich das Alkoxid und der Ester von demselben Alkohol ableiten lassen Malonestersynthese Mit der Malonester-Synthese erhaumllt man Carbonsaumluren Diethylpropandioat (Malonsaumlureester) ist ein gutes Ausgangsmaterial zur Darstellung 2-substituierter oder 22-disubstituierter Carbonsaumluren in einem Verfahren das man Malonestersynthese nennt
CH3 CH2
O C CH2
OCO
O CH2
CH3CH3 C
H2
O C CO
CO
O CH2
CH3
R
R
CR
RH COOH
22-disubstituierte Carbonsaumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 29 von 37 α β-ungesaumlttigte Ketone Bei α- β-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen tritt neben der 12-Verknuumlfung auch 14-Verknuumlpfung bei der Pinakol-Reaktion auf
CH2 CH
CH
O CH2 CH
CH
CH
CH
CH2
OH OH
12-Verknuumlpfung
2Zn
Ethanol 0degC
68
O O On
O O
2
14-Verknuumlpfung
+ e(-)
(-) (-)
lkylierung von Cupraten alten Doppelbindungen an denen einfache Alkylgruppen
ebunden sind Im Prinzip koumlnnen diese Verbindungen aus organometallischen
zien RLi bzw RMgX im allgemeinen icht mit Halogenalkanen Es gibt aber einen anderen Typ organometallischer
Reagenzien die Organocuprate die hier sehr effektiv wirken Organocuprate besitzen die stoumlchiometrische Zusammensetzung R2CuLi und koumlnnen direkt durch Addition zweier Aumlquivalente einer Organolithium-Verbidnung an ein Aumlquevalent Kupferiodid CuI dargestellt werden Beispiel
AViele wichtige Molekuumlle enthgReagenzien durch direkte Alkylierung gewonnen werden Ungluumlcklicherweise reagieren Organolithium- oder Grignard-Reagenn
CH2 CHLi CuI (CH2=CH)2CuLi LiI+ +Ethenyllithium Lithiumdiethenylcuprat
(ein Organocuprat-Reagenz) Lthiumcuprate reagieren mit Halogenalkanen in sogenannten Kupplungsreaktionen unter Bildung substituierter Alkene Primaumlre Iodide sind dazu am besten geeignet aber auch andere primaumlre und sekundaumlre Halogenalkane geben befriedigende Resultate
R2CuLi RX R R LiX+ +
CCH3
CH
C17
CH3
HC20
HC
23
CH3
HC26
H
CH2(CH2)6CH3
1 Li(CH3CH2)2O2 CuI CuLi
CH3(CH2)6CH2IHMPT
11H 14 Cl2
Lithium-bis(trans-1-propenyl)cuprat90
trans-2-Undecen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 30 von 37 Herstellung von C-X-Bindungen Veresterung von Alkoholen mit Mineralsaumluren
Finkelsteinreaktion (RF-Verbindungen mit Krypat-Unterstuumltzung) Bei der Finkelstein-Reaktion handelt es sich um eine nucleophile Halogenid-Austausch-Reaktion zur Synthese von Iodiden und Fluoriden aus Bromiden und Chloriden zB
R X NaI R I NaX+Aceton
+ X = Cl Br
SN2
Eine Komponente der Triebkraft dieser Reaktion hat physikalische Ursachen die n und sekundaumlren
lkylhalogeniden unguumlnstige Lage der Gleichgewichte fuumlr eine SN2-Reaktion Loumlslichkeit Bei dieser Reaktion wird die bei tertiaumlreA
R X I I R X
I R X=
++
urch physikalisch-chemische Effekte beguumlnstigt naumlmlich dadurch dass NaBr und aCl in Aceton schlecht loumlslich sind und ausfallen Dadurch werden die leichgewichte irreversibel verschoben und die Reaktion verlaumluft somit im ewuumlnschten Sinne
eispiel
dNGg B
C16
CH3 CH
Br 223 Hin Aceton
CH3
CCHCH3
C I+NaI + NaBr
CH32 CH3
2SN2
Es findet keine Neophenylumlagerung statt das heiszligt dass keine SN1-Reaktion stattfindet In einer Variante der Finkelstein-Reaktion wird der Tosylat-Rest gegen Halogenid ausgetascht Ansonsten aber arbeitet man nach dem gleichen Prinzip
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 31 von 37
30 Elektrophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom
Am alipatischen C-Atom sind elektrophile Substitutionen moumlglich wenn die C-X-Bindung so polarisiert ist dass das C-Atom eine negative und die Abgangsgruppe
s der ilen
tion Man kann jedoch zwischen folgenden Mechanismen nterscheiden
1 SE1 analog SN2 (Racemisierung)
2 SE2-back analog SN2 (Inversion)
3 S 2-front analog S i (Retention)
analog S i (Retention)
31 SE1-Reaktion
ierbei handelt es sich um eine Reaktion erster Ordnung die zweistufig verlaumluft
eine positive Ladung traumlgt Diese Voraussetzungen sind vor allem bei metallorganischen und CH-aciden Verbindungen erfuumlllt Der Mechanismuelektrophilen alipathischen Substitution ist nicht so klar wie der der nucleophaliphatischen Substituu
E N
4 S i E N
H
langsamR X R
R Y+ R Y+
Geeignete Loumlsungsmittel fuumlr SE1-Reaktionen sind Dimethylformamid (DMF) undHexamethylphosphorsaumluretriamid (HMPA)
O N(CH3)2
HN(CH3)2
POH3)2
N(CH3)2
HMPA
N(CDMF
Stereochemie der SE1-Reaktion
Die Stereochemie von SE1-Reaktionen verlaumluft nicht einheitlich Im Allgemeinen isch aktive Verbindungen einsetzt Dies
kann zwei Ursachen haben 1 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist
ufig der Fall wenn es sich um mesomeriestabilisierte
2 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist pyramidal gebaut kann jedoch seine Struktur nicht halten (vergleichbar dem schnellen Durchschwingen von unsymmetrisch substituierten Aminen)
findet man Racematisierung wenn man opt
planar Dies ist hauml
Carbanionen handelt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 32 von 37 In Ausnahmefaumlllen kann jedoch auch bei planaren (mesomeristabilisierCarbanionen je nach Wahl des Loumls
ten) ungsmittel Inversion Retention oder
Racemisierung auftreten was durch unterschiedliche Solvatationseffekte erklaumlrt wird Beispiel fuumlr eine S 1-Reaktion E
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
HgBrRacemat
langsam
(-)+ HgBr+
+HgBr2
-HgB 2
rHgBr
Hg = isotopenmarkiertes Hg
32 S 2-ReaktionE E
eaktionen sind bimolekular Beide Mechanismus verglichen werden
Y
und S i-Reaktion
SE2 und SEi-R anisund SNi-Mech
men koumlnnen mit dem SN2-
C47
Y X
SE2 (back) nfalls um einen Frontangriff unter
C C X29
X C35
Y
X
41
SE2 (front)
Beim SEi ndashMechanismus handelt es sich ebeRetention
Y zY z
C53 X C60 XSEi
Die Bildung cyclischer Uumlbergangszustaumlnde die 4- oder 6-gliedrig sein koumlnnen foumlrdert die Losloumlsung der Abgangsgruppe Stereochemie von SE2-Reaktionen und von SEi-Reaktionen
Fuumlr die h den nucleuphilen Substitutionen von Be
8 Valenzelektronen haumltte Da nun zwischen den beiden Elektronenwolken Coulomb-Abstoszligung auftritt erfolgt der Angriff des Nucleophils gezwungenermaszligen von der Ruumlckseite des Molekuumlls Die Folge ist Inversion Anders ist es dagegen beim SE2- und Sei-Mechanismus Das angreifende Elektrophil besitzt nur ein leeres Orbital und somit ist sowohl der Front- als auch der
angriff unter Inversion verlaumluft laumlsst die Stereochemie der SE-Reaktion nur schwer Ruumlckschluumlsse auf den Mechanismus zu
Stereoc emie ist folgender Unterschied zu deutung
Bei SN-Reaktionen bringt das angreifende Nucleophil ein Elektronenpaar mit Daher muss die Abgangsgruppe bei der Neubildung der Bindung ein Elektronenpaar mitnehmen da sonst das C-Atom mehr als
Ruumlckseiten-Angriff moumlglich Da der Frontangriff unter Retention der Ruumlckseiten
Skript zum 2 OC-Kolloquium
33 Anwendungen
reu
Seite 33 von 37
Herstellung einfacher metallorganischer Verbindungen
etall-H-Austausch
aumluren betrachtet werden Dabei nimmt die H-Aciditaumlt mit zunehmendem s-Charakter der Hybridisierung zu
sp CH3 CH3
M C-H-Verbindungen koumlnnen als schwache SC Hybridisierung
3Saumlure konjugierte Base pKa-W
sp2
CH3 CH2 Zunahme der
sp
2 2
CH CH
CH2 CH
CH C15(-)
25
Aciditaumlt
Da eine staumlrkere Saumlu
ert 42
365
(-)
CH CH (-)
re eine schwaumlchere aus ihrem Salz vertreibt reagiert eine konjugierte Base mit jeder Saumlure die in der Tabelle unter ihr steht Elektronegative Gruppen an Aromaten wirken acidifizierend Beispiele
HC H Na
NaC2H6
Li H
+
pKa 42schwaumlchere Saumlure
Pentan
pKa 37schwaumlchere Saumlu
pKa 35 staumlkere Sauml re
+ Pentan +
schwaumlchere Saumlure
2 5+pKa 37 staumlkere Saumlure
Na CH3 H CH2Na
+ Pentan +
H H H LipKa 37pKa 23
staumlkere Saumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 7 von 37 Bei diesem Experiment konnte die Lebensdauer von Methyl-Radikalen bestimmt werden Auszligerdem kann die Anwesenheit von Radikalen durch den Transport des Pb-Spiegels gezeigt werden Eine andere bedeutende Methode zum Nachweis von Radikalen ist die Elektronenspinnresonan-Spektroskopie (ESR) Die Messmethode ist Vergleichbar mit der NMR-Spektroskopie und anhand der so erhaltenen Spektren ist die elektronische Konfiguration der untersuchten Molekuumlle erkennbar Von groszliger Bedeutung sind Radikalfaumlnger (Inhibitoren) zum nachweis von Radikalen Ein Beispiel dafuumlr ist das Hydrochinon
OH
OH
O
OH
O
O
O
O
O
O
OR
OR
R + - RH
R
- RH
+ 2 R
Weitere wichtige Radikalfaumlnger sind die Vitamine C und E (Antioxidanzien)
16 Anwendungen Wurtzrsquosche Synthese
Bildung von Kohlenwasserstoffen aus Alkylhalogeniden und Natrium
2 RX + 2Na R-R + 2 NaX
Die Reaktion wird zur Darstellung houmlherer Alkane verwendet Wird von 2 verschiedenen Alkylhalogeniden ausgegangen entsteht ein Kohlenwasserstoffgemisch Alkyliodide reagieren leichter als Bromide oder Chloride
Wurtz-Grignard-Reaktion
R-Mg-X + RX R-R + MgX2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 8 von 37 Pinakol-Reaktion
Aldehyde und Ketone gehen mit Metallen eine Ein-Elektronen-Reduktion ein die zur Ausbildung einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung zwischen zwei Carbonyl-Kohlenstoffatomen fuumlhrt So ergibt sich beispielsweise in Benzol bei Zugabe von Magnesium zu Aceton (Propanon) nach waumlssriger Aufarbeitung 23-Dimethylbutan-23-diol
Der Mechanismus der Pinakol-Kopplung verlaumluft uumlber Ein-Elektronen-Uumlbertragungsschritte Anfangs nimmt die Carbonylgruppe unter Bildung eines Radikal-Anions ein Elektron auf Anschlieszligend kombinieren zwei solcher Radikal-Anionen unter Bildung eines Dianions welches bei der waumlssrigen Aufarbeitung protoniert wird
Acyloin-Kondensation Die α-Hydroxyketone oder Acyloine sind leicht durch Acyloin-Kondensation von Estern zugaumlnglich Im Prinzip handelt es sich bei der Reaktion eher um eine reduktive Dimerisierung welche vergleichbar mit der Pinakol-Reaktion ist Erhitzt man elementares Natrium zusammen mit einem Ester in Diethylether oder Benzol und anschlieszligender waumlssriger Aufarbeitung erfolgt eine reduktive Kupplung bei der das entsprechende α-Hydroxyketon entsteht
R O RO
R O RO
R O RO
R RO O
OROR
R RO O
R RO O
R RO O
R ROH OH
R RO OH
H
+
Na
Na+
Dimerisierung
Na+ Na+
- 2Na+ OR-
++
2 NaNa+ Na+
Endiolat
2 H2O
- 2 NaOHEndiol
Acyloin
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 9 von 37 Der Mechanismus verlaumluft wahrscheinlich in aumlhnlicher Weise wie der der Pinakol-Reaktion Im ersten Schritt wird der Ester durch Uumlbertragung eines Elektrons vom Metallatom zu einem Radikal-Anion reduziert Das so entstandene Radikalanion dimerisiert zum Dianion des entsprechenden Diols Bei der Acyloin-Kondensation kann nun das Dianion zwei Alkoxid-Ionen unter Bildung eines α-Diketons abspalten Nach weiterer Reduktion durch Uumlbertragung zweier Elektronen bildet sich ein Endiolat Die waumlssrige Aufarbeitung ergibt dann uumlber eine Zwischenstufe des Endiols das α-Hydroxyketon Kolbe-Elektrolyse Bei der Kolbe-Elektrolyse wird das Elektron durch anodische Oxidation abgespalten Die entstandenen Radikale dimerisieren zu einem Alkan
RO
OR
O
O- e- R + CO2
radikalische Polymerisation
CH2 CH2
R O O RCH2 CH2
R O O R R O
R O CH2 CH2RO CH2 CH2
RO CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2
CH2
H
CH3
CH2 CH2
CH3CH2CH2
1000atmgt 100degC
2
∆21)
2)
3)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 10 von 37 HX-Addition an C=C-Doppelbindungen Setzt man frisch destilliertes 1-Buten mit Bromwasserstoff um wird entsprechend der Markownikow-Regel Addition 2-Brombutan beobachtet In Gegenwart von Sauerstoff beobachtet man jedoch die Bildung von 1-Brombutan das ein anti-Markownikow-Produkt darstellt Der Grund fuumlr diese Beobachtung ist dass die Anwesenheit des Sauerstoffs zur Peroxiden ROOR fuumlhrt und der Reaktionsmechanismus somit als Radikalreaktion ablaumluft Man spricht in diesem Zusammenhang auch vom Peroxid-Effekt Der Mechanismus laumlsst sich wie folgt beschreiben
R O O R R O
R O R O H Br
Initiation∆
2
+ HBr∆
+
C CH2
H
CH2CH3
Br
CH3 CH2
CH
CH2
BrH
Br
Kettenwachstum
+ CH3CH2CH-CH2Brsekundaumlres Radikal
CH3CH2CH-CH2Br + HBr +
Br
CH3 CH2
CH
CH2
Br
CH
CH2
BrCH2
CH3
Kettenabbruch
2 Br2
CH3CH2CH-CH2Br2
Halogenierung von Alkanen (Radikalkettenreaktion) Von groszliger technischer Bedeutung sind radikale Kettenreaktionen Formal wird eine Radikalkettenreaktion in 3 Teilschritte eingeteilt Im Folgenden wird der radikalischen Kettenreaktion anhand der Chlorierung von Methan betrachtet Die Reaktionsprodukte der radikalischen Halogenierung sind Chlormethan und Chlorwasserstoff sowie Nebenprodukte in sehr geringen Mengen
Cl ClH3 C H H3 C Cl H ClLichtWaumlrme+ +
440 kJmol 243 kJmol 356 kJmol 431 kJmol
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 11 von 37 ∆Hdeg= ((440 + 243) ndash (356 + 431)) kJmol = -104 kJmol (exotherm) Die radikale Kettenreaktion wird gestartet durch die Spaltung eines Chlormolekuumlls durch Waumlrmezufuhr oder Lichteinfall Kettenstart
Cl Cl Cl hν 2 ∆Hdeg= 243 kJmol
Im zweiten Schritt greift das Chlorradikal das Methanmolekuumll an Dabei wird eine der Wasserstoff-Kohlenstoffbindungen des Methans homolytisch gespalten und man erhaumllt Chlorwasserstoff sowie ein Methylradikal Wasserstoffabspaltung (1 Kettenfortpflanzung)
Cl CH
HH
H C H
HH
+ HCl +
440 kJmol 431 kJmol ∆Hdeg= + 9 kJmol
C
HH
H
H ClC 1
HH
H
C
H H
H
H Cl
Lappen waumlchst
+ H Cl
Im anschlieszligenden Reaktionsschritt greift nun das Methylradikal ein Chlormolekuumll an und unter homolytischer Spaltung der Chlor-Chlorbindung entsteht Chlormethan sowie ein Chlorradikal welches wiederum im vorhergehenden Schritt mit einem Methanmolekuumll reagieren kann Chlorierung des Methans (2 Kettenfortpflanzung)
C H
HH
Cl Cl CH
HH
Cl Cl + +
243 kJmol 356 kJmol
in 2
∆Hdeg= -113 kJmol
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 12 von 37 Zu Ende der Kettenreaktion findet eine Rekombination der verschiedenen Radikale statt und man erhaumllt ein Chlormolekuumll ein Ethanmolekuumll oder ein Chlormethanmolekuumll als Produkt Kettenabruchreaktion
Clmiddot + Clmiddot rarr Cl-Cl middotCH3 + middot CH3 rarr H3C-CH3
middotCH3 + Clmiddot rarr H3C-Cl Die radikale Kettenreaktion verlaumluft uumlber eine Zwischenstufe sowie zwei Uumlbergangszustaumlnde welche in dem folgenden Energiediagramm zu erkennen sind E
[H3C H Cl]ne
[H3C Cl Cl]ne
Uumlbergangszustand
CH3 + Cl2 + HCl
Zwischenstufe
CH4 + Cl + Cl2
Reaktionskinetik
Abb Energiediagramm Die radikalische Chlorierung von Methan kann durch weitere Substitutionen von Wasserstoffatomen durch Chloratome weiter bis zum Tetrachlormethan gefuumlhrt werden
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 13 von 37 Ziegler-Wohl-Bromierung
enen in der Allylstellung mit N-Bromsuccinimid ei 0degC
ittel welches die C=C-Doppelbindung nicht
BS N-Bromsuccinimid
Selektive Bromierung von AlkN-Bromsuccinimid NBS entsteht durch Einwirkung von Brom auf Succinimid bin Gegenwart von Natriumhdroxid NBS ist ein selektives Bromierungsmangreift N
N
O
O
Br N
O
O
Br
tart
Licht oderPeroxide +
S
Br CH3 CH
CH2CH2 C
HCH2
BrH
CH2 CH
CH2 Br2 CH2
CH
CH2
BrBr
N
O
O
Br BrH N
O
O
H Br2
Kette
+ +
+ +
+ +
niedrige-Konzentrationenvon Br2Solvens CCl4
Die alpha staumlndige Methylengruppe wird rascher bromiert als die Me hylgruppe
andmeyer-Reaktion us der Sandmeyer-Reaktion ist noch nicht geklaumlrt Die
t SDer genaue MechanismReaktion verlaumluft aber vermutlich uumlber zwei radikalische Zwischenstufen
CH3
NH2
CH3
N2
CH3
ClHCl NaNO2 0degC
+Cl-CuCl 60degC
+ N2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 14 von 37 Autoxidation
ther ER2CH OR O2 R2C OR R2C OR
O O
R2C ORO O H
+
Aldehyde
C6H5 C7
HO
O2 C6H5 C12
O
H O O
C6H5 C19
OO2 C6H5 C
23
OO O
C6H5 C28
OO O C6H5 C
33H
OC6H5 C
37
OO O H C6H5 C43
O
C6H5 C47
OO O H C6H5 C
53H
OC6H5 C
57
OO H
+ +
+
+ +
+ 2
ock-Verfahren H
C HC6H5
3
CH3
O2 C OC6H5
CH3
CH3
O HH
+
C6H5 OH CCH3
CH3
O+
CH
racken en von langkettigen Alkanen wird als Cracken bezeichnet Derartige
eine
isch aus hunderten verschiedener Alkane Der groumlszligte Teil wird
it l)
s Benzin zu erhalten werden laumlngerkettige Kohlenwasserstoffe durch rs
ende Radikale
CDas ZerlegProzesse spielen in der Erdoumllindustrie bei der Darstellung von Benzin aus Erdoumll wichtige Rolle Erdoumll ist ein Gemdurch langkettige wenig verzweigte Alkane gebildet Ein kleiner Teil besteht aus aromatischen Verbindungen Benzin ist ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen meiner Laumlnge von 4-12 Kohlenstoffatomen und ist in Erdoumll bis zu 30 (Volumenanteienthalten Um weiterefraktionierte Destillation abgetrennt und bei 500degC in Gegenwart eines Katalysato(Wolfram oder Nickel auf einer SiO2-Al2O3-Oberflaumlche) pyrolysiert Die Reaktion findet in einer Wasserstoffatmosphaumlre statt um entstehmit Wasserstoffatomen abfangen zu koumlnnen Auszligerdem koumlnnen Alkene zu AlkanenStickstoffhaltige Verbindungen zu NH3 und Schwefelhaltige Verbindungen zu H2S hydriert werden Man erhaumllt nach dem Cracken Erdoumll mit einem Benzin Anteil von 50
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 15 von 37
CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3
C HH
HC C C C C
H
H
H
H
H
H
H
H
H
HH
C C HH
H
H
HC C C C H
HH
H H H
H H H
+
+
Pyrolyse von Hexan
C C C H
H
H
HH
H
H2
20 Nucleophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom Bei einer Nucleophilen Substitution wird eine Abgangsgruppe unter hetereolytischer Spaltung der Bindung gegen ein Nucleophil ausgetauscht Nucleophile sind neutrale Teilchen oder Anionen welche mindestens ein freies Elektronenpaar aufweisen Gute Nucleophile sind gut polarisierbar und besitzen eine geringe Elektronegativitaumlt Sterisch anspruchsvolle Nucleophile hingegen sind schlechte Nucleophile Auszliger den bereits genannten Faktoren beeinflusst auch die Staumlrke der neu gebildeten Bindung die Guumlte eines Nucleophils Beispiele fuumlr neutrale Nucleophile sind H2O ROH RSH NR3 PR3 Beispiele fuumlr Anionische Nucleophile sind Hal- RO- HO- RS- Fuumlr die Guumlte der Abgangsgruppe (Necleofuge) gilt im Allgemeinen dass je staumlrker die konjugierte Saumlure desto besser das Nucleofug
I- gt Br- gt Cl- gt F- Man kann des weiteren Nucleofuge durch Zugabe von H+ -OH2
+ -OHR+ aktivieren Bei Nucleophilen Substitutionen unterscheidet man zwischen SN1 SN2 und SNi- Reaktionen 21 Die Bimolekulare nucleophile Substitution SN2 Zunaumlchst greift ein Nucleophil (in diesem Fall das Hydroxidion) am partiell positiv geladenen Kohlenstoffatom ruumlckseitig an Dabei entsteht ein fuumlnfbindiger (pentavalenter) Uumlbergangszustand Die Abspaltung des Chloridions sowie die Anlagerung des Hydroxidions erfolgt gleichzeitig und man erhaumllt als Reaktionsprodukt Methanol und ein Chloridion
C ClH
H H
HO
C ClH
H HOH
COHH
H HCl
- =
-+
-
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 16 von 37 Das Energiediagramm fuumlr eine solche Reaktion sieht wie folgt aus
Uumlbergangszustand ne
Edukte
Produkte
Neben der ruumlckseitigen Anlagerung des Nucleophils koumlnnte das Nucleophil auch vorderseitig angelagert werden Jedoch zeigen entsprechende Experimente dass diese Anlagerung nicht stattfindet
CCH3
HBr
CH2CH3
CCH3
H
BrCH2CH3
I
IC
CH3
HI
CH2CH3
Br
HBrI
CH2CH3CH3
C CH3
HI
CH2CH3
Br
- =
Vorderseitenangriff
--+
Retention
(S)-2-Brombutan
(S)-2-Iodbutan
- =
Ruumlckseitenangriff
Inversion
-+
(R)-2-Iodbutan Im folgenden soll eine kurze Uumlbersicht uumlber moumlgliche Nucleophile sowie die dabei entstehenden Produkte gegeben werden
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 17 von 37
-Hydroxid
R OH Alkohol
OR-Alkoxid
R OR Ether HOH R O
H
HR O H
+ -H+
Alkohol R OH R O H
RR O R-H+
Ether
R CO
O Carboxylat
R O C RO Ester
NH3 Ammoniak R NH3 R NH2
+ -H+
Amin R 2NH primaumlres Amin R NH2R R NHR
+ -H+
sekundaumlres Amin
R2 NH sekundaumlres Amin R NHR 2 R NR2+ -H+
tertiaumlres Amin
R3N tertiaumlres Amin R NR3+
R-SH Thiol R-S- Mereaptidion R-SR Thioether R2S
SRRR
+
kan CN- Cyanid R-CN Nitriole C C R R C C R A
schiene F
Nucleophil (Nu) R-Nu
O H
HS- Hydrogensulfidion
Sulfoniumion I- Iodid R-I Iodal
Acetylid cetylen
Es gibt ver aktoren die den Ablauf der SN2-Reaktion bestimmen Zum einen
I-gt Br- gt Cl- gt F-
beeinflusst die Guumlte der Abgangsgruppe den Verlauf der Reaktion Dabei beguumlnstigen stabile Abgangsgruppen den Verlauf der Reaktion
R S OO
OR S O
O
OR S O
O
O
CO
OC
O
OC
O
O-
--
--
-
uszligerdem beeinflusst die Art des Nucleophils den Verlauf der SN2-Reaktion Dabei wird die Reaktion durch negativ geladene Nucleophile ohne sterische Hinderung beguumlnstigt
A
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 18 von 37
22 Die Monokulare Substitution SN1 Neben der bimolekularen Substitution kann bei Halogenalkanen noch eine weitere
ndash die monomolekulare Substitution iese Form der Substitution tritt allerdings bevorzugt bei sekundaumlr oder tertiaumlr
lten
Substituenten in eine Ebene und das zentrale
Form der nucleophilen Substitution auftretenDgebundenen Halogenen auf Bei der Monomolekularen Substitution wird zunaumlchst das Halogenidion abgespaund es bildet sich ein Carbeniumion Anschlieszligend bdquoklappenldquo die drei noch am Kohlenstoffatom verbliebenenKohlenstoffatom nimmt eine sp2-Hybridisierung ein Danach kann die Anlagerung des Nucleophils erfolgen
CH3
OH2
C Br
CH2CH2CH3CH2CH2
Br CCH3
CH2CH2CH3
CH2CH3
OH2
C
C3
OH CH2CH3
CH2CH2CH3
C
OH
CH3
CH2CH2CH3CH2CH3
-
(R)
+
(S)-Methyl-3-hexanal
InversionRetention
-HBr -HBr
(R)-3-Methyl-3-hexanal
+
2
H
Da das Carbeniumion eine sp -Hybridisierung aufweist kann bei der SN1-Reaktion eine vorder- und eine ruumlckseitige Anlagerung des Nucleophils erfolgen Das Energiediagramm einer solchen Reaktion sieht wie folgt aus E
C BrCH3
CH3
CH3
Br (CH3)3C(CH3)3 C OH BrH2O+ -+ ++ -
Die SN1-Reaktion laumluft im Allgemeinen schneller als die SN2-Reaktion ab Dazu ist es aber noumltig dass sich ein stabiles Carbeniumion ausbilden kann Die Stabilitaumlt des Carbeniumions haumlngt von den Substituenten ab Dabei gelten tertiaumlre Carbeniumionen als besonders stabil
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 19 von 37
C
CH3
CH3
CH3 C
H
CH3
CH3 C
H
H
CH3 C
H
H
H+ + + +
CH3tertiaumlr sekundaumlr primaumlr
+gt gt gt
Der Grund fuumlr die Stabilitaumlt der tertiaumlren Carbeniumionen ist der hyperkonjugative Effekt der Alkylgruppen Dabei bdquoverschiebenldquo die Alkylsubstituenten ihre Elektronendichte zum Kation
CHH
CCH2
CH2
CH2
H
H
+ +
Alkylsubstituenten schieben Elektronendichte zum Kation
H
H
Die folgende Tabelle soll einen kurzen Vergleich zwischen SN1- und SN2-Reaktion ziehen
Vergleich von S 2 und S 1 N NReaktionsparameter SN2 SN1 Struktur des Halogenids primaumlr selten
zyl Alkyl) haumlufig
(Bensekundaumlr manchmal anchmal mtertiaumlr selten haumlufig
Racemisierung Loumlsungsmittel olare
smittel verzoumlgert olare
e Loumlsungsmittel wird durch pLoumlsung
wird durch pprotischbeschleunigt
Nucleophil Anionische Nu beguumlnstigt schlechte Abgangsgruppe gute Abgangsgruppe
bevorzugt SN1 Erhoumlhung der NucleophDie Nucleophilie e
ilieines Nucle em Maszlige w n
erabgesetzt wird Eine Verminderung der Solvatation erreicht man durch Kronether
durch Kryptatbildung ophils steigt in d ie die Solvatatio
Stereochemie Inversion
andere Abgangsgruppe als Halogenides
bevorzugt SN2
h(engl crown) zB
O
O
O
O
OO
O
O OK
+
Y
12-Crown-418-Crown-6
Kryptat
O
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 20 von 37 Bezeichnung der Kronether Die Zahl vor bdquoCrownldquo gibt die Gesamtzahl der Ringatome die Zahl dahinter die Anzahl der Sauerstoffatome an In diesen Alkylkryptaten wird das Gegenion des Nucleophils K+ komplex gebunden auszligerdem findet in unpolaren organischen Loumlsungsmitteln in denen die Kryptatte loumlslich sind nur geringe Solvatation statt so dass das Nucleophil gewissermaszligen bdquonacktldquo vorliegt und dadurch seine volle nucleophile Kraft entfalten kann Kronether werden durch eine Williamsonrsquosche Ethersynthese dargestellt
OHO OCl O O40
O OH Cl O OO
O+
-HCl
O
18-Crown-6Triethylenglykol Triethylenglykoldicklorid
Beschleunigte nucleophile Substitution Die Nachbarschaftsgruppenbeteiligung von Y fuumlhrt zu einer beschleunigten nucleophilen Substitution und erklaumlrt durch zweimalige Inversion die Retention Das Elektronenpaar der Nachbargruppe Y kann ein ein freies Elektronenpaar (Hetereoatome) oder eine π-Bindung sein (Alkene Arene) in Einzelfaumlllen auch eine C-C-Bindung (2-Norbornylkation)
LGY| Y NuInversion|Nu
-+ Inversion
Y|
LG Abgangsgruppe-LG
-
23 SNi-Reaktion Unter dem SNi-Mechanismus versteht man eine innere nucleophile Substitution die nach einem internen SN2-Mechanismus ablaumluft und somit unter Beibehaltung der Konfiguration Ein typisches Beispiel ist der Austausch einer OH-Gruppe gegen Chlor mit SOCl2
COOH
HCOOH
COOH
O SCl
COOHH ClCl2
-SO2
R(-)-Chlorbernsteinsaumlure
H OH +SO
CH2
COOHCH2
O CH2
COOH
in Dioxan-HCl
R(+)-Aumlpfelsaumlure
Hierbei bleibt die Konfiguration erhalten da primaumlr der instabile Chlorsulfinsaumlureester gebildet wird und durch diese Bindung das Nucleophil von derselben Seite angreifen muss Dies fuumlhrt zur Retention Der SNi-Mechanismus ist jedoch stark loumlsungsmittelabhaumlngig denn fuumlhrt man dieselbe Reaktion in Pyridin durch so erhaumllt man 100 Waldenumkehr also SN2-Mechanismus
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 21 von 37 Der Grund hierfuumlr ist in der unterschiedlichen Basenstaumlrke zu sehen zwischen Dioxan und Oyridin Dioxan ist nur eine schwache Base
O
O
O
OH
+ HCl
+
Cl-
Das Gleichgewicht liegt weit auf der linken Seite wodurch das Nucleophil Cl- als HCl gebunden vorliegt Anders ist es dagegen in Pyridin
CR1
R2 OH CR1
R2 OSOClR1+SOCl2 PyrH+Cl-
R3 R3C
R3R2Cl
SN2+ - -
Hierbei greift das aus dem PyrH Cl stammende Nucleophil Cl in einer SN2-Reaktion den entstehenden Chlorsulfinsaumlureester von der Ruumlckseite her an was zur Konfigurationsumkehr fuumlhrt 24 Anwendungen
ubstitution von Halogeniden
siehe SN1 und SN2-Mechanismen saure Veretherung
Eine zweite Alkoholfunktion kann sich nun das enachbarte Kohlenstoffatom nucleophil angreifen Nach der Abspaltung eines
nes Protons erhaumllt man einen Ether
Herstellung von C-O-Bindungen S
Man kann bei Anwesenheit einer Saumlure [H2SO4] zwei Alkohole durch eine saure Veretherung in einen Ether uumlberfuumlhren Dabei wird zunaumlchst eine der Alkoholfunktionen protoniert bWassermolekuumlls und ei
CH3CH2OH
CH3CH2OH
CH3CH2 OH
H
CH3CH2OH
CH3CH2 O HCH3CH2
CH3CH2 O
H+ + -H2O +
++ H
+
CH3CH2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 22 von 37 Etherspaltung In Ethern kann die ROR-Gruppe in Anwesenheit einer Saumlure protoniert werden Im nachfolgenden Schritt erfolgt ein nucleophiler Angriff des Halogenid-Anions Man erhaumllt als Produkt ein Halogenalkan und ein Alkohol
CH3CH2OCH2CH3 CH3CH2 OCH2CH3
H
CH3CH2 OCH2CH3
H
H+
+
Dialkyloxonium-Ion
+Br +-
CH3CH2Br + HOCH2CH3
Williamson-Synthese
e
H3C-CH2-O-CH2-CH3 Diethylether
Ether Alkoyalkan R-O-R
O
Tetrahydrfuran(THF)
CH3 CH2 O Na Br CH2CH3 CH3 CH2 O CH2 CH3
- + +SN2
intermolekularNaBr+
den zuvor beschriebenen Kapiteln koumlnnen verschiedene eaktionsmechanismen zusammen wirken Ein bedeutendes Beispiel dafuumlr ist die
rung von Carbonsaumluren mit Alkoholen Dabei wird zunaumlchst ein Nucleophil an as Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe addiert Anschlieszligend erfolgt die
Da Alkohole schlechte Nucleophile sind muumlssen derartige Reaktionen durch Saumlure (meist Schwefelsaumlure) katalysiert werden Im ersten Schritt lagert sich das Proton an das nicht saure Sauerstoffatom an Diesfuumlhrt zu einer positiven Ladung am Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe Hierdurch wird nun der nucleophile Angriff des Alkohols beguumlnstigt Durch die Anlagerung eines weiteren Proton wird nun die schon einmal protonierte Hydroxygruppen ein weiteres
al protoniert und somit in eine gute Abgangsgruppe umgewandelt Nach der s Wassers wird die andere Hydroxygruppe deprotoniert und man erhaumllt
Veresterung Neben den in RVerestedAbspaltung des Carboxylsauerstoffatoms
mAbspaltung deeinen Ester als Reaktionsprodukt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 23 von 37
O
OH
O
OH
H
R C OH
Nu
C O
Nu HNu
R C
O
Nu
+
+ Nu
+
+- H-H2O
Mechanismus der Veresterung (Saumlure katalysiert)
R C R C- +
+ Nu + H -δ+
OH
R
OHH
R C
O H ++ H
H2O +
+
Substitution von Diazoniumsalzen Darstellung von Salpetrigsaumlureestern
CH2 OH
C2 OH
NO(-) CH2 O
CHCH2
OO
NNN
OOO
+H++ 3 H2OCH OH 2+
H
erstellung der C-S-Bindungen arstellung von Thiolen und Thioethern nalog der Williamsonrsquoschen Ethersynthese lassen sich auch Thioether darstellen
HDA
R Br R SH NaBrMercaptane
Na+ HS-+ +
ich jedoch aufgrund ihrer groumlszligeren den Alkoholen nur schlecht abfangen Thioethern weiterreagieren lassen
Dabei entstehen primaumlr Mercaptane die sucleophilie gegenuumlber den entsprechenN
lassen und sofort zu den entsprechenden
R1 SH R2 X R1 S R2 HXThioether
+Base
SN2+
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 24 von 37 Eine selektrive Herstellung von Mercaptanen durch nucleophile Substitution von
hioharnstoff-Methode Alkylhalogeniden erfolgt mit der T
NH2
CNH
NH2
SH
NH2
CO2 3
+
OH- H2O
2+
CNH2
S
RX CNH2
NH2
SR CNH2
NH2
SR CNH2
SR
s-Alkylthiuroniumsalze
++ +
iso-ThioharnstoffR SH NH+
Herstellung der C-N- Bindung Gabriel-Synthese Ein nichtreduktiver Zugang zu primaumlren Aminen geht von dem Anion von 2-Benzoldicarboximid (Phtalimid) aus dem cyclischen Imid der 12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure) Dieses Verfahren ist als Gabriel-Sysnthese bekannt Da das Stickstoffatom in 12-Benzoldicarboximid (Phtalamis) von zwei Carbonylfunktionen flankiert ist ist die NH-Gruppe ungewoumlhnlich acide (pKa = 83) staumlrker als ein gewoumlhnliches Amid (pKa = 15) Sie wird deshalb bereits von einer so milden Base wie dem Carbonat-Ion deprotoniert das entstehende Anion wird in guter Ausbeute alkyliert Durch saure Hydrolyse setzt man das Amin anschlieszligend als Ammoniumsalz frei Behandelt man dieses mit Base erhaumllt man das freie Amin
O
O
O
O
O
2OH
O
CH CH2NH3HSO4
O
O
O
O
CH CCH2NH2
+
NaOH H2O
+Na+
Na+
N-2-Propinyl-12-benzoldicarboximid (N-Propargylphtalimid)
2-Propinamin (Propargylamin)
wird bei waumlssriger Aufarbeitung entfernt
O
OH
OH
O
NH N K+NH3 300degC
-H2O
K2CO3 H2O
CH CCH2Br
N
O
CH CH CHOH
O
DMF 100degC-KBr
H2SO4 H2O 120degC+ -
12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure)
9712-Benzoldicarboximid (Phtalimid)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 25 von 37 Hinsberg-Reaktion Die Hinsberg-Reaktion bietet die Moumlglichkeit ausgehend von primaumlren Aminen gezielt sekundaumlre Amine herzustellen
R NH2 Cl ts R NH
ts R N ts
-HCl
acides H
KOH
-H2O
(-)
K(+)
R N ts
NR
Rts NH
R
RtsOK
(-)
K(+)+R-X
-KX
Verseifung
H2O
ts = Tosylat = CH3 SO2
Quarternisierung von Aminen Nitroalkanen Isonitrilen Herstellung von C-C-Bindungen Nitrilsynthese (nach Kolbe)
ogenide meist Methyliodid oder primaumlre Alkyliodide mit eim
mit tertiaumlren Alkylhalogeniden ndash erhaumllt man jedoch hauptsaumlchlich Isonitrile
Setzt man AlkylhalNatriumcyanid um so erhaumllt man hauptsaumlchlich die entsprechenden Cyanide BUmsatz von Silbercyanid ndash vor allem
CH3 I
CH3 CN
CH3 N C 7
Acetonitril
Methylisonitril
SN2-artig
+NaCN -NaI
SN1-artig
+AgCN -AgI
er Grund fuumlr dieses Reaktionsverhalten liegt darin dass das Silber-Kation die unterstuumltzt In einer SN1-seinem
lektronegativsten Atom an im Falle der Kolbersquoschen Nitrilsynthese mit dem N-Atom ieser SN1-artige Verlauf fuumlhrt somit zu Isonitrilen at die Reaktion jedoch mehr bimolekularen Charakter so greift das ambidente CN(-) evorzugt mit dem weniger elektronegativeren dafuumlr mehr polarisierbaren Atom an ies fuumlhrt zur Bildung von Nitrilen ie Verhaumlltnisse beim CN(-) sind denen des NO2
(-) aumlhnlich Das Wesentliche ist dabei er SN1- bzw SN2-Charakter der Reaktion Dieser Charakter laumlsst sich durch die
oumlsungsmittelwahl bzw Kryptat-Einfluss in eine
DBildung eines Carbenium-Ions foumlrdert und die SN1-Reaktion rtigen Reaktion greift jedoch das ambidente Nucleophil mit a
eDHbDDdWahl des Nucleophils und durch Lbestimmte Richtung lenken
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 26 von 37 Darstellung von Alkinen Alkine koumlnnen aus anderen Alkinen erhalten werden durch Reaktion terminaler Alkinyl-Anionen mit alkylierenden Reagenzien wie primaumlren Halogenalkanen
xacyclopropanen Aldehyden und Ketonen Wie wir wissen werden solche Anionen aus terminalen Alkinen durch Deprotonierung mit starken Basen meist Alkyllithium-Verbidnungen Natriumamid in fluumlssigem Ammoniak oder Grignard-Reagenzien gewonnen Die Alkylierung mit primaumlren Halogenalkanen erfolgt uumlblicherweise in fluumlssigem Ammoniak oder Ethern Diese Loumlsungsmittel enthalten bisweilen 12-Ethandiamin H2NCH2CH2NH2 NNNrsquoNrsquo-Tetramethyl-12-ethandiamin (TMEDA) (CH3)2NCH2CH2N(CH3)2 oder HMPT als Cosolventien um die Nucleophilie des Anions zu erhoumlhen
O
CH3C CH CH3C C24
(-) (+)Na CH3C
NaNH2 fl NH3
-NH2H
CH3I
-NaI75
CCH3
2-Butin
C36
CH C44
CCH2CH2CH31 CH3CH2CH2CH2CH2Li THF H2NCH2CH2NH22 CH3CH2CH2Br
n
-LiBr85
1-Pentinylcyclohexa
enz
Alkylierung von Ketonen Die konjugierte Addition gefolgt von einer Alkylierung stellt eine nuumltzliche Sequzur αβ-Dialkylierung undgesaumlttigter Carbonylverbindungen
CO
1 R2CuLi
C C C C CR R
O O OBeispiel
1 (CH CH
O2 RX
CH3
CH CH2CH2CH3
CH3
CH2CH2CH2CH3
3 2CH2CH2)2CuLi THF2 CH3I +
84 4 1 trans- und cis-3-Butyl-2-methylcyclohexanon
2
itionGewoumlhnliche Grignard-Verbindungen reagieren mit αβ-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen in einer 12-Add einer 14-Addition oder beiden Weegen je nach Struktur Reaktionsbedingungen und reagierenden Verbindungen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 27 von 37 β-Dicarbonylverbindungen
laisen-Kondensationen fuumlhren zu β-Dicarbonylverbindungen Ethylacetat reagiert en Natriumethoxid zu Ethyl-3-oxobutanoat
Cmit stoumlchiometrischen Meng(Ethylacetacetat Acetessigester)
CH3 C2
OO
CH2CH3CH3 C
7O
OCH2CH3 CH3 C
12
OCH2
C16
OO
CH2CH3+Na+-OCH2CH3 CH3CH2OH
-CH3CH2OHEthylacetat Ethyl-3-oxobutanoat
(Ethylacetacetat) Die Claisen-Kondensation beginnt mit der Bildung eines Esterenolat-Ions Durch eine Additions-Eliminierungs-Reaktion an die Carbonylgruppe eines anderen Estermolekuumlls entsteht ein 3-Ketoester Diese Schritte sind reversibel und der geamte Vorgang ist bis zu dieser Stufe endotherm Besonders unguumlnstig ist die Deprotonierung des Esters (pKa = 25) durch Ethoxid (pKa von Ethanol = 159) Das Gleichgewicht ist trotzdem zum Produkt verschoben da die Basde den 3-Ketoester (pKa = 11) an C2 praktisch irreversibel deprotoniert Bei der Aufarbeitung mit waumlssriger Saumlure wird die konjugierte Base des Produkts protoniert womit der Prozess abgeschlossen ist
CH3 C21
O CH2CH3 Na+ CH2 C
27 OCH2CH3
CH2 C32
O
OCH2CH3
+ CH3CH2OH
O O(-)
(-)Bildung des Esterenolats
Na+-OCH2CH3
CH3 C37
OO
CH2CH3CH2 C
42O
OCH2CH3
(-)CH3 C
48OCH2CH3
O
CH2
C52
OCH2CH3
O
+
Eliminierung
Nucleophile Addition
CH3 C56
OCH2CH3
O
CH2
C60
OCH2CH3
O
CH3 C64
CH2
C66
OCH2CH3
O O
+ -OCH2CH3
Ketoester
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 28 von 37
CH3 C71
CH2
C73
OCH2CH3
O O
CH3 C78
CH C80
OCH2CH3
O O
CH3 C92
CH
C94
OCH2CH3
O OCH3 C
99CH
C101
OCH2CH3
O O(-)
CH3 C85
CH2
C87
OCH2CH3
O O
Deprtotonierung
+ -OCH2CH3
sauer pKa = 11
+CH3CH2OH
CH3 CCHO
COCH2CH3
O(-)CH3 CCH2
OCOCH2CH3
O
Protonierung bei der waumlssrigen Aufarbeitung
H+ H2O
Zur Vermeidung einer Umesterung sollten sich das Alkoxid und der Ester von demselben Alkohol ableiten lassen Malonestersynthese Mit der Malonester-Synthese erhaumllt man Carbonsaumluren Diethylpropandioat (Malonsaumlureester) ist ein gutes Ausgangsmaterial zur Darstellung 2-substituierter oder 22-disubstituierter Carbonsaumluren in einem Verfahren das man Malonestersynthese nennt
CH3 CH2
O C CH2
OCO
O CH2
CH3CH3 C
H2
O C CO
CO
O CH2
CH3
R
R
CR
RH COOH
22-disubstituierte Carbonsaumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 29 von 37 α β-ungesaumlttigte Ketone Bei α- β-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen tritt neben der 12-Verknuumlfung auch 14-Verknuumlpfung bei der Pinakol-Reaktion auf
CH2 CH
CH
O CH2 CH
CH
CH
CH
CH2
OH OH
12-Verknuumlpfung
2Zn
Ethanol 0degC
68
O O On
O O
2
14-Verknuumlpfung
+ e(-)
(-) (-)
lkylierung von Cupraten alten Doppelbindungen an denen einfache Alkylgruppen
ebunden sind Im Prinzip koumlnnen diese Verbindungen aus organometallischen
zien RLi bzw RMgX im allgemeinen icht mit Halogenalkanen Es gibt aber einen anderen Typ organometallischer
Reagenzien die Organocuprate die hier sehr effektiv wirken Organocuprate besitzen die stoumlchiometrische Zusammensetzung R2CuLi und koumlnnen direkt durch Addition zweier Aumlquivalente einer Organolithium-Verbidnung an ein Aumlquevalent Kupferiodid CuI dargestellt werden Beispiel
AViele wichtige Molekuumlle enthgReagenzien durch direkte Alkylierung gewonnen werden Ungluumlcklicherweise reagieren Organolithium- oder Grignard-Reagenn
CH2 CHLi CuI (CH2=CH)2CuLi LiI+ +Ethenyllithium Lithiumdiethenylcuprat
(ein Organocuprat-Reagenz) Lthiumcuprate reagieren mit Halogenalkanen in sogenannten Kupplungsreaktionen unter Bildung substituierter Alkene Primaumlre Iodide sind dazu am besten geeignet aber auch andere primaumlre und sekundaumlre Halogenalkane geben befriedigende Resultate
R2CuLi RX R R LiX+ +
CCH3
CH
C17
CH3
HC20
HC
23
CH3
HC26
H
CH2(CH2)6CH3
1 Li(CH3CH2)2O2 CuI CuLi
CH3(CH2)6CH2IHMPT
11H 14 Cl2
Lithium-bis(trans-1-propenyl)cuprat90
trans-2-Undecen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 30 von 37 Herstellung von C-X-Bindungen Veresterung von Alkoholen mit Mineralsaumluren
Finkelsteinreaktion (RF-Verbindungen mit Krypat-Unterstuumltzung) Bei der Finkelstein-Reaktion handelt es sich um eine nucleophile Halogenid-Austausch-Reaktion zur Synthese von Iodiden und Fluoriden aus Bromiden und Chloriden zB
R X NaI R I NaX+Aceton
+ X = Cl Br
SN2
Eine Komponente der Triebkraft dieser Reaktion hat physikalische Ursachen die n und sekundaumlren
lkylhalogeniden unguumlnstige Lage der Gleichgewichte fuumlr eine SN2-Reaktion Loumlslichkeit Bei dieser Reaktion wird die bei tertiaumlreA
R X I I R X
I R X=
++
urch physikalisch-chemische Effekte beguumlnstigt naumlmlich dadurch dass NaBr und aCl in Aceton schlecht loumlslich sind und ausfallen Dadurch werden die leichgewichte irreversibel verschoben und die Reaktion verlaumluft somit im ewuumlnschten Sinne
eispiel
dNGg B
C16
CH3 CH
Br 223 Hin Aceton
CH3
CCHCH3
C I+NaI + NaBr
CH32 CH3
2SN2
Es findet keine Neophenylumlagerung statt das heiszligt dass keine SN1-Reaktion stattfindet In einer Variante der Finkelstein-Reaktion wird der Tosylat-Rest gegen Halogenid ausgetascht Ansonsten aber arbeitet man nach dem gleichen Prinzip
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 31 von 37
30 Elektrophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom
Am alipatischen C-Atom sind elektrophile Substitutionen moumlglich wenn die C-X-Bindung so polarisiert ist dass das C-Atom eine negative und die Abgangsgruppe
s der ilen
tion Man kann jedoch zwischen folgenden Mechanismen nterscheiden
1 SE1 analog SN2 (Racemisierung)
2 SE2-back analog SN2 (Inversion)
3 S 2-front analog S i (Retention)
analog S i (Retention)
31 SE1-Reaktion
ierbei handelt es sich um eine Reaktion erster Ordnung die zweistufig verlaumluft
eine positive Ladung traumlgt Diese Voraussetzungen sind vor allem bei metallorganischen und CH-aciden Verbindungen erfuumlllt Der Mechanismuelektrophilen alipathischen Substitution ist nicht so klar wie der der nucleophaliphatischen Substituu
E N
4 S i E N
H
langsamR X R
R Y+ R Y+
Geeignete Loumlsungsmittel fuumlr SE1-Reaktionen sind Dimethylformamid (DMF) undHexamethylphosphorsaumluretriamid (HMPA)
O N(CH3)2
HN(CH3)2
POH3)2
N(CH3)2
HMPA
N(CDMF
Stereochemie der SE1-Reaktion
Die Stereochemie von SE1-Reaktionen verlaumluft nicht einheitlich Im Allgemeinen isch aktive Verbindungen einsetzt Dies
kann zwei Ursachen haben 1 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist
ufig der Fall wenn es sich um mesomeriestabilisierte
2 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist pyramidal gebaut kann jedoch seine Struktur nicht halten (vergleichbar dem schnellen Durchschwingen von unsymmetrisch substituierten Aminen)
findet man Racematisierung wenn man opt
planar Dies ist hauml
Carbanionen handelt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 32 von 37 In Ausnahmefaumlllen kann jedoch auch bei planaren (mesomeristabilisierCarbanionen je nach Wahl des Loumls
ten) ungsmittel Inversion Retention oder
Racemisierung auftreten was durch unterschiedliche Solvatationseffekte erklaumlrt wird Beispiel fuumlr eine S 1-Reaktion E
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
HgBrRacemat
langsam
(-)+ HgBr+
+HgBr2
-HgB 2
rHgBr
Hg = isotopenmarkiertes Hg
32 S 2-ReaktionE E
eaktionen sind bimolekular Beide Mechanismus verglichen werden
Y
und S i-Reaktion
SE2 und SEi-R anisund SNi-Mech
men koumlnnen mit dem SN2-
C47
Y X
SE2 (back) nfalls um einen Frontangriff unter
C C X29
X C35
Y
X
41
SE2 (front)
Beim SEi ndashMechanismus handelt es sich ebeRetention
Y zY z
C53 X C60 XSEi
Die Bildung cyclischer Uumlbergangszustaumlnde die 4- oder 6-gliedrig sein koumlnnen foumlrdert die Losloumlsung der Abgangsgruppe Stereochemie von SE2-Reaktionen und von SEi-Reaktionen
Fuumlr die h den nucleuphilen Substitutionen von Be
8 Valenzelektronen haumltte Da nun zwischen den beiden Elektronenwolken Coulomb-Abstoszligung auftritt erfolgt der Angriff des Nucleophils gezwungenermaszligen von der Ruumlckseite des Molekuumlls Die Folge ist Inversion Anders ist es dagegen beim SE2- und Sei-Mechanismus Das angreifende Elektrophil besitzt nur ein leeres Orbital und somit ist sowohl der Front- als auch der
angriff unter Inversion verlaumluft laumlsst die Stereochemie der SE-Reaktion nur schwer Ruumlckschluumlsse auf den Mechanismus zu
Stereoc emie ist folgender Unterschied zu deutung
Bei SN-Reaktionen bringt das angreifende Nucleophil ein Elektronenpaar mit Daher muss die Abgangsgruppe bei der Neubildung der Bindung ein Elektronenpaar mitnehmen da sonst das C-Atom mehr als
Ruumlckseiten-Angriff moumlglich Da der Frontangriff unter Retention der Ruumlckseiten
Skript zum 2 OC-Kolloquium
33 Anwendungen
reu
Seite 33 von 37
Herstellung einfacher metallorganischer Verbindungen
etall-H-Austausch
aumluren betrachtet werden Dabei nimmt die H-Aciditaumlt mit zunehmendem s-Charakter der Hybridisierung zu
sp CH3 CH3
M C-H-Verbindungen koumlnnen als schwache SC Hybridisierung
3Saumlure konjugierte Base pKa-W
sp2
CH3 CH2 Zunahme der
sp
2 2
CH CH
CH2 CH
CH C15(-)
25
Aciditaumlt
Da eine staumlrkere Saumlu
ert 42
365
(-)
CH CH (-)
re eine schwaumlchere aus ihrem Salz vertreibt reagiert eine konjugierte Base mit jeder Saumlure die in der Tabelle unter ihr steht Elektronegative Gruppen an Aromaten wirken acidifizierend Beispiele
HC H Na
NaC2H6
Li H
+
pKa 42schwaumlchere Saumlure
Pentan
pKa 37schwaumlchere Saumlu
pKa 35 staumlkere Sauml re
+ Pentan +
schwaumlchere Saumlure
2 5+pKa 37 staumlkere Saumlure
Na CH3 H CH2Na
+ Pentan +
H H H LipKa 37pKa 23
staumlkere Saumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 8 von 37 Pinakol-Reaktion
Aldehyde und Ketone gehen mit Metallen eine Ein-Elektronen-Reduktion ein die zur Ausbildung einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung zwischen zwei Carbonyl-Kohlenstoffatomen fuumlhrt So ergibt sich beispielsweise in Benzol bei Zugabe von Magnesium zu Aceton (Propanon) nach waumlssriger Aufarbeitung 23-Dimethylbutan-23-diol
Der Mechanismus der Pinakol-Kopplung verlaumluft uumlber Ein-Elektronen-Uumlbertragungsschritte Anfangs nimmt die Carbonylgruppe unter Bildung eines Radikal-Anions ein Elektron auf Anschlieszligend kombinieren zwei solcher Radikal-Anionen unter Bildung eines Dianions welches bei der waumlssrigen Aufarbeitung protoniert wird
Acyloin-Kondensation Die α-Hydroxyketone oder Acyloine sind leicht durch Acyloin-Kondensation von Estern zugaumlnglich Im Prinzip handelt es sich bei der Reaktion eher um eine reduktive Dimerisierung welche vergleichbar mit der Pinakol-Reaktion ist Erhitzt man elementares Natrium zusammen mit einem Ester in Diethylether oder Benzol und anschlieszligender waumlssriger Aufarbeitung erfolgt eine reduktive Kupplung bei der das entsprechende α-Hydroxyketon entsteht
R O RO
R O RO
R O RO
R RO O
OROR
R RO O
R RO O
R RO O
R ROH OH
R RO OH
H
+
Na
Na+
Dimerisierung
Na+ Na+
- 2Na+ OR-
++
2 NaNa+ Na+
Endiolat
2 H2O
- 2 NaOHEndiol
Acyloin
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 9 von 37 Der Mechanismus verlaumluft wahrscheinlich in aumlhnlicher Weise wie der der Pinakol-Reaktion Im ersten Schritt wird der Ester durch Uumlbertragung eines Elektrons vom Metallatom zu einem Radikal-Anion reduziert Das so entstandene Radikalanion dimerisiert zum Dianion des entsprechenden Diols Bei der Acyloin-Kondensation kann nun das Dianion zwei Alkoxid-Ionen unter Bildung eines α-Diketons abspalten Nach weiterer Reduktion durch Uumlbertragung zweier Elektronen bildet sich ein Endiolat Die waumlssrige Aufarbeitung ergibt dann uumlber eine Zwischenstufe des Endiols das α-Hydroxyketon Kolbe-Elektrolyse Bei der Kolbe-Elektrolyse wird das Elektron durch anodische Oxidation abgespalten Die entstandenen Radikale dimerisieren zu einem Alkan
RO
OR
O
O- e- R + CO2
radikalische Polymerisation
CH2 CH2
R O O RCH2 CH2
R O O R R O
R O CH2 CH2RO CH2 CH2
RO CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2
CH2
H
CH3
CH2 CH2
CH3CH2CH2
1000atmgt 100degC
2
∆21)
2)
3)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 10 von 37 HX-Addition an C=C-Doppelbindungen Setzt man frisch destilliertes 1-Buten mit Bromwasserstoff um wird entsprechend der Markownikow-Regel Addition 2-Brombutan beobachtet In Gegenwart von Sauerstoff beobachtet man jedoch die Bildung von 1-Brombutan das ein anti-Markownikow-Produkt darstellt Der Grund fuumlr diese Beobachtung ist dass die Anwesenheit des Sauerstoffs zur Peroxiden ROOR fuumlhrt und der Reaktionsmechanismus somit als Radikalreaktion ablaumluft Man spricht in diesem Zusammenhang auch vom Peroxid-Effekt Der Mechanismus laumlsst sich wie folgt beschreiben
R O O R R O
R O R O H Br
Initiation∆
2
+ HBr∆
+
C CH2
H
CH2CH3
Br
CH3 CH2
CH
CH2
BrH
Br
Kettenwachstum
+ CH3CH2CH-CH2Brsekundaumlres Radikal
CH3CH2CH-CH2Br + HBr +
Br
CH3 CH2
CH
CH2
Br
CH
CH2
BrCH2
CH3
Kettenabbruch
2 Br2
CH3CH2CH-CH2Br2
Halogenierung von Alkanen (Radikalkettenreaktion) Von groszliger technischer Bedeutung sind radikale Kettenreaktionen Formal wird eine Radikalkettenreaktion in 3 Teilschritte eingeteilt Im Folgenden wird der radikalischen Kettenreaktion anhand der Chlorierung von Methan betrachtet Die Reaktionsprodukte der radikalischen Halogenierung sind Chlormethan und Chlorwasserstoff sowie Nebenprodukte in sehr geringen Mengen
Cl ClH3 C H H3 C Cl H ClLichtWaumlrme+ +
440 kJmol 243 kJmol 356 kJmol 431 kJmol
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 11 von 37 ∆Hdeg= ((440 + 243) ndash (356 + 431)) kJmol = -104 kJmol (exotherm) Die radikale Kettenreaktion wird gestartet durch die Spaltung eines Chlormolekuumlls durch Waumlrmezufuhr oder Lichteinfall Kettenstart
Cl Cl Cl hν 2 ∆Hdeg= 243 kJmol
Im zweiten Schritt greift das Chlorradikal das Methanmolekuumll an Dabei wird eine der Wasserstoff-Kohlenstoffbindungen des Methans homolytisch gespalten und man erhaumllt Chlorwasserstoff sowie ein Methylradikal Wasserstoffabspaltung (1 Kettenfortpflanzung)
Cl CH
HH
H C H
HH
+ HCl +
440 kJmol 431 kJmol ∆Hdeg= + 9 kJmol
C
HH
H
H ClC 1
HH
H
C
H H
H
H Cl
Lappen waumlchst
+ H Cl
Im anschlieszligenden Reaktionsschritt greift nun das Methylradikal ein Chlormolekuumll an und unter homolytischer Spaltung der Chlor-Chlorbindung entsteht Chlormethan sowie ein Chlorradikal welches wiederum im vorhergehenden Schritt mit einem Methanmolekuumll reagieren kann Chlorierung des Methans (2 Kettenfortpflanzung)
C H
HH
Cl Cl CH
HH
Cl Cl + +
243 kJmol 356 kJmol
in 2
∆Hdeg= -113 kJmol
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 12 von 37 Zu Ende der Kettenreaktion findet eine Rekombination der verschiedenen Radikale statt und man erhaumllt ein Chlormolekuumll ein Ethanmolekuumll oder ein Chlormethanmolekuumll als Produkt Kettenabruchreaktion
Clmiddot + Clmiddot rarr Cl-Cl middotCH3 + middot CH3 rarr H3C-CH3
middotCH3 + Clmiddot rarr H3C-Cl Die radikale Kettenreaktion verlaumluft uumlber eine Zwischenstufe sowie zwei Uumlbergangszustaumlnde welche in dem folgenden Energiediagramm zu erkennen sind E
[H3C H Cl]ne
[H3C Cl Cl]ne
Uumlbergangszustand
CH3 + Cl2 + HCl
Zwischenstufe
CH4 + Cl + Cl2
Reaktionskinetik
Abb Energiediagramm Die radikalische Chlorierung von Methan kann durch weitere Substitutionen von Wasserstoffatomen durch Chloratome weiter bis zum Tetrachlormethan gefuumlhrt werden
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 13 von 37 Ziegler-Wohl-Bromierung
enen in der Allylstellung mit N-Bromsuccinimid ei 0degC
ittel welches die C=C-Doppelbindung nicht
BS N-Bromsuccinimid
Selektive Bromierung von AlkN-Bromsuccinimid NBS entsteht durch Einwirkung von Brom auf Succinimid bin Gegenwart von Natriumhdroxid NBS ist ein selektives Bromierungsmangreift N
N
O
O
Br N
O
O
Br
tart
Licht oderPeroxide +
S
Br CH3 CH
CH2CH2 C
HCH2
BrH
CH2 CH
CH2 Br2 CH2
CH
CH2
BrBr
N
O
O
Br BrH N
O
O
H Br2
Kette
+ +
+ +
+ +
niedrige-Konzentrationenvon Br2Solvens CCl4
Die alpha staumlndige Methylengruppe wird rascher bromiert als die Me hylgruppe
andmeyer-Reaktion us der Sandmeyer-Reaktion ist noch nicht geklaumlrt Die
t SDer genaue MechanismReaktion verlaumluft aber vermutlich uumlber zwei radikalische Zwischenstufen
CH3
NH2
CH3
N2
CH3
ClHCl NaNO2 0degC
+Cl-CuCl 60degC
+ N2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 14 von 37 Autoxidation
ther ER2CH OR O2 R2C OR R2C OR
O O
R2C ORO O H
+
Aldehyde
C6H5 C7
HO
O2 C6H5 C12
O
H O O
C6H5 C19
OO2 C6H5 C
23
OO O
C6H5 C28
OO O C6H5 C
33H
OC6H5 C
37
OO O H C6H5 C43
O
C6H5 C47
OO O H C6H5 C
53H
OC6H5 C
57
OO H
+ +
+
+ +
+ 2
ock-Verfahren H
C HC6H5
3
CH3
O2 C OC6H5
CH3
CH3
O HH
+
C6H5 OH CCH3
CH3
O+
CH
racken en von langkettigen Alkanen wird als Cracken bezeichnet Derartige
eine
isch aus hunderten verschiedener Alkane Der groumlszligte Teil wird
it l)
s Benzin zu erhalten werden laumlngerkettige Kohlenwasserstoffe durch rs
ende Radikale
CDas ZerlegProzesse spielen in der Erdoumllindustrie bei der Darstellung von Benzin aus Erdoumll wichtige Rolle Erdoumll ist ein Gemdurch langkettige wenig verzweigte Alkane gebildet Ein kleiner Teil besteht aus aromatischen Verbindungen Benzin ist ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen meiner Laumlnge von 4-12 Kohlenstoffatomen und ist in Erdoumll bis zu 30 (Volumenanteienthalten Um weiterefraktionierte Destillation abgetrennt und bei 500degC in Gegenwart eines Katalysato(Wolfram oder Nickel auf einer SiO2-Al2O3-Oberflaumlche) pyrolysiert Die Reaktion findet in einer Wasserstoffatmosphaumlre statt um entstehmit Wasserstoffatomen abfangen zu koumlnnen Auszligerdem koumlnnen Alkene zu AlkanenStickstoffhaltige Verbindungen zu NH3 und Schwefelhaltige Verbindungen zu H2S hydriert werden Man erhaumllt nach dem Cracken Erdoumll mit einem Benzin Anteil von 50
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 15 von 37
CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3
C HH
HC C C C C
H
H
H
H
H
H
H
H
H
HH
C C HH
H
H
HC C C C H
HH
H H H
H H H
+
+
Pyrolyse von Hexan
C C C H
H
H
HH
H
H2
20 Nucleophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom Bei einer Nucleophilen Substitution wird eine Abgangsgruppe unter hetereolytischer Spaltung der Bindung gegen ein Nucleophil ausgetauscht Nucleophile sind neutrale Teilchen oder Anionen welche mindestens ein freies Elektronenpaar aufweisen Gute Nucleophile sind gut polarisierbar und besitzen eine geringe Elektronegativitaumlt Sterisch anspruchsvolle Nucleophile hingegen sind schlechte Nucleophile Auszliger den bereits genannten Faktoren beeinflusst auch die Staumlrke der neu gebildeten Bindung die Guumlte eines Nucleophils Beispiele fuumlr neutrale Nucleophile sind H2O ROH RSH NR3 PR3 Beispiele fuumlr Anionische Nucleophile sind Hal- RO- HO- RS- Fuumlr die Guumlte der Abgangsgruppe (Necleofuge) gilt im Allgemeinen dass je staumlrker die konjugierte Saumlure desto besser das Nucleofug
I- gt Br- gt Cl- gt F- Man kann des weiteren Nucleofuge durch Zugabe von H+ -OH2
+ -OHR+ aktivieren Bei Nucleophilen Substitutionen unterscheidet man zwischen SN1 SN2 und SNi- Reaktionen 21 Die Bimolekulare nucleophile Substitution SN2 Zunaumlchst greift ein Nucleophil (in diesem Fall das Hydroxidion) am partiell positiv geladenen Kohlenstoffatom ruumlckseitig an Dabei entsteht ein fuumlnfbindiger (pentavalenter) Uumlbergangszustand Die Abspaltung des Chloridions sowie die Anlagerung des Hydroxidions erfolgt gleichzeitig und man erhaumllt als Reaktionsprodukt Methanol und ein Chloridion
C ClH
H H
HO
C ClH
H HOH
COHH
H HCl
- =
-+
-
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 16 von 37 Das Energiediagramm fuumlr eine solche Reaktion sieht wie folgt aus
Uumlbergangszustand ne
Edukte
Produkte
Neben der ruumlckseitigen Anlagerung des Nucleophils koumlnnte das Nucleophil auch vorderseitig angelagert werden Jedoch zeigen entsprechende Experimente dass diese Anlagerung nicht stattfindet
CCH3
HBr
CH2CH3
CCH3
H
BrCH2CH3
I
IC
CH3
HI
CH2CH3
Br
HBrI
CH2CH3CH3
C CH3
HI
CH2CH3
Br
- =
Vorderseitenangriff
--+
Retention
(S)-2-Brombutan
(S)-2-Iodbutan
- =
Ruumlckseitenangriff
Inversion
-+
(R)-2-Iodbutan Im folgenden soll eine kurze Uumlbersicht uumlber moumlgliche Nucleophile sowie die dabei entstehenden Produkte gegeben werden
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 17 von 37
-Hydroxid
R OH Alkohol
OR-Alkoxid
R OR Ether HOH R O
H
HR O H
+ -H+
Alkohol R OH R O H
RR O R-H+
Ether
R CO
O Carboxylat
R O C RO Ester
NH3 Ammoniak R NH3 R NH2
+ -H+
Amin R 2NH primaumlres Amin R NH2R R NHR
+ -H+
sekundaumlres Amin
R2 NH sekundaumlres Amin R NHR 2 R NR2+ -H+
tertiaumlres Amin
R3N tertiaumlres Amin R NR3+
R-SH Thiol R-S- Mereaptidion R-SR Thioether R2S
SRRR
+
kan CN- Cyanid R-CN Nitriole C C R R C C R A
schiene F
Nucleophil (Nu) R-Nu
O H
HS- Hydrogensulfidion
Sulfoniumion I- Iodid R-I Iodal
Acetylid cetylen
Es gibt ver aktoren die den Ablauf der SN2-Reaktion bestimmen Zum einen
I-gt Br- gt Cl- gt F-
beeinflusst die Guumlte der Abgangsgruppe den Verlauf der Reaktion Dabei beguumlnstigen stabile Abgangsgruppen den Verlauf der Reaktion
R S OO
OR S O
O
OR S O
O
O
CO
OC
O
OC
O
O-
--
--
-
uszligerdem beeinflusst die Art des Nucleophils den Verlauf der SN2-Reaktion Dabei wird die Reaktion durch negativ geladene Nucleophile ohne sterische Hinderung beguumlnstigt
A
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 18 von 37
22 Die Monokulare Substitution SN1 Neben der bimolekularen Substitution kann bei Halogenalkanen noch eine weitere
ndash die monomolekulare Substitution iese Form der Substitution tritt allerdings bevorzugt bei sekundaumlr oder tertiaumlr
lten
Substituenten in eine Ebene und das zentrale
Form der nucleophilen Substitution auftretenDgebundenen Halogenen auf Bei der Monomolekularen Substitution wird zunaumlchst das Halogenidion abgespaund es bildet sich ein Carbeniumion Anschlieszligend bdquoklappenldquo die drei noch am Kohlenstoffatom verbliebenenKohlenstoffatom nimmt eine sp2-Hybridisierung ein Danach kann die Anlagerung des Nucleophils erfolgen
CH3
OH2
C Br
CH2CH2CH3CH2CH2
Br CCH3
CH2CH2CH3
CH2CH3
OH2
C
C3
OH CH2CH3
CH2CH2CH3
C
OH
CH3
CH2CH2CH3CH2CH3
-
(R)
+
(S)-Methyl-3-hexanal
InversionRetention
-HBr -HBr
(R)-3-Methyl-3-hexanal
+
2
H
Da das Carbeniumion eine sp -Hybridisierung aufweist kann bei der SN1-Reaktion eine vorder- und eine ruumlckseitige Anlagerung des Nucleophils erfolgen Das Energiediagramm einer solchen Reaktion sieht wie folgt aus E
C BrCH3
CH3
CH3
Br (CH3)3C(CH3)3 C OH BrH2O+ -+ ++ -
Die SN1-Reaktion laumluft im Allgemeinen schneller als die SN2-Reaktion ab Dazu ist es aber noumltig dass sich ein stabiles Carbeniumion ausbilden kann Die Stabilitaumlt des Carbeniumions haumlngt von den Substituenten ab Dabei gelten tertiaumlre Carbeniumionen als besonders stabil
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 19 von 37
C
CH3
CH3
CH3 C
H
CH3
CH3 C
H
H
CH3 C
H
H
H+ + + +
CH3tertiaumlr sekundaumlr primaumlr
+gt gt gt
Der Grund fuumlr die Stabilitaumlt der tertiaumlren Carbeniumionen ist der hyperkonjugative Effekt der Alkylgruppen Dabei bdquoverschiebenldquo die Alkylsubstituenten ihre Elektronendichte zum Kation
CHH
CCH2
CH2
CH2
H
H
+ +
Alkylsubstituenten schieben Elektronendichte zum Kation
H
H
Die folgende Tabelle soll einen kurzen Vergleich zwischen SN1- und SN2-Reaktion ziehen
Vergleich von S 2 und S 1 N NReaktionsparameter SN2 SN1 Struktur des Halogenids primaumlr selten
zyl Alkyl) haumlufig
(Bensekundaumlr manchmal anchmal mtertiaumlr selten haumlufig
Racemisierung Loumlsungsmittel olare
smittel verzoumlgert olare
e Loumlsungsmittel wird durch pLoumlsung
wird durch pprotischbeschleunigt
Nucleophil Anionische Nu beguumlnstigt schlechte Abgangsgruppe gute Abgangsgruppe
bevorzugt SN1 Erhoumlhung der NucleophDie Nucleophilie e
ilieines Nucle em Maszlige w n
erabgesetzt wird Eine Verminderung der Solvatation erreicht man durch Kronether
durch Kryptatbildung ophils steigt in d ie die Solvatatio
Stereochemie Inversion
andere Abgangsgruppe als Halogenides
bevorzugt SN2
h(engl crown) zB
O
O
O
O
OO
O
O OK
+
Y
12-Crown-418-Crown-6
Kryptat
O
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 20 von 37 Bezeichnung der Kronether Die Zahl vor bdquoCrownldquo gibt die Gesamtzahl der Ringatome die Zahl dahinter die Anzahl der Sauerstoffatome an In diesen Alkylkryptaten wird das Gegenion des Nucleophils K+ komplex gebunden auszligerdem findet in unpolaren organischen Loumlsungsmitteln in denen die Kryptatte loumlslich sind nur geringe Solvatation statt so dass das Nucleophil gewissermaszligen bdquonacktldquo vorliegt und dadurch seine volle nucleophile Kraft entfalten kann Kronether werden durch eine Williamsonrsquosche Ethersynthese dargestellt
OHO OCl O O40
O OH Cl O OO
O+
-HCl
O
18-Crown-6Triethylenglykol Triethylenglykoldicklorid
Beschleunigte nucleophile Substitution Die Nachbarschaftsgruppenbeteiligung von Y fuumlhrt zu einer beschleunigten nucleophilen Substitution und erklaumlrt durch zweimalige Inversion die Retention Das Elektronenpaar der Nachbargruppe Y kann ein ein freies Elektronenpaar (Hetereoatome) oder eine π-Bindung sein (Alkene Arene) in Einzelfaumlllen auch eine C-C-Bindung (2-Norbornylkation)
LGY| Y NuInversion|Nu
-+ Inversion
Y|
LG Abgangsgruppe-LG
-
23 SNi-Reaktion Unter dem SNi-Mechanismus versteht man eine innere nucleophile Substitution die nach einem internen SN2-Mechanismus ablaumluft und somit unter Beibehaltung der Konfiguration Ein typisches Beispiel ist der Austausch einer OH-Gruppe gegen Chlor mit SOCl2
COOH
HCOOH
COOH
O SCl
COOHH ClCl2
-SO2
R(-)-Chlorbernsteinsaumlure
H OH +SO
CH2
COOHCH2
O CH2
COOH
in Dioxan-HCl
R(+)-Aumlpfelsaumlure
Hierbei bleibt die Konfiguration erhalten da primaumlr der instabile Chlorsulfinsaumlureester gebildet wird und durch diese Bindung das Nucleophil von derselben Seite angreifen muss Dies fuumlhrt zur Retention Der SNi-Mechanismus ist jedoch stark loumlsungsmittelabhaumlngig denn fuumlhrt man dieselbe Reaktion in Pyridin durch so erhaumllt man 100 Waldenumkehr also SN2-Mechanismus
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 21 von 37 Der Grund hierfuumlr ist in der unterschiedlichen Basenstaumlrke zu sehen zwischen Dioxan und Oyridin Dioxan ist nur eine schwache Base
O
O
O
OH
+ HCl
+
Cl-
Das Gleichgewicht liegt weit auf der linken Seite wodurch das Nucleophil Cl- als HCl gebunden vorliegt Anders ist es dagegen in Pyridin
CR1
R2 OH CR1
R2 OSOClR1+SOCl2 PyrH+Cl-
R3 R3C
R3R2Cl
SN2+ - -
Hierbei greift das aus dem PyrH Cl stammende Nucleophil Cl in einer SN2-Reaktion den entstehenden Chlorsulfinsaumlureester von der Ruumlckseite her an was zur Konfigurationsumkehr fuumlhrt 24 Anwendungen
ubstitution von Halogeniden
siehe SN1 und SN2-Mechanismen saure Veretherung
Eine zweite Alkoholfunktion kann sich nun das enachbarte Kohlenstoffatom nucleophil angreifen Nach der Abspaltung eines
nes Protons erhaumllt man einen Ether
Herstellung von C-O-Bindungen S
Man kann bei Anwesenheit einer Saumlure [H2SO4] zwei Alkohole durch eine saure Veretherung in einen Ether uumlberfuumlhren Dabei wird zunaumlchst eine der Alkoholfunktionen protoniert bWassermolekuumlls und ei
CH3CH2OH
CH3CH2OH
CH3CH2 OH
H
CH3CH2OH
CH3CH2 O HCH3CH2
CH3CH2 O
H+ + -H2O +
++ H
+
CH3CH2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 22 von 37 Etherspaltung In Ethern kann die ROR-Gruppe in Anwesenheit einer Saumlure protoniert werden Im nachfolgenden Schritt erfolgt ein nucleophiler Angriff des Halogenid-Anions Man erhaumllt als Produkt ein Halogenalkan und ein Alkohol
CH3CH2OCH2CH3 CH3CH2 OCH2CH3
H
CH3CH2 OCH2CH3
H
H+
+
Dialkyloxonium-Ion
+Br +-
CH3CH2Br + HOCH2CH3
Williamson-Synthese
e
H3C-CH2-O-CH2-CH3 Diethylether
Ether Alkoyalkan R-O-R
O
Tetrahydrfuran(THF)
CH3 CH2 O Na Br CH2CH3 CH3 CH2 O CH2 CH3
- + +SN2
intermolekularNaBr+
den zuvor beschriebenen Kapiteln koumlnnen verschiedene eaktionsmechanismen zusammen wirken Ein bedeutendes Beispiel dafuumlr ist die
rung von Carbonsaumluren mit Alkoholen Dabei wird zunaumlchst ein Nucleophil an as Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe addiert Anschlieszligend erfolgt die
Da Alkohole schlechte Nucleophile sind muumlssen derartige Reaktionen durch Saumlure (meist Schwefelsaumlure) katalysiert werden Im ersten Schritt lagert sich das Proton an das nicht saure Sauerstoffatom an Diesfuumlhrt zu einer positiven Ladung am Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe Hierdurch wird nun der nucleophile Angriff des Alkohols beguumlnstigt Durch die Anlagerung eines weiteren Proton wird nun die schon einmal protonierte Hydroxygruppen ein weiteres
al protoniert und somit in eine gute Abgangsgruppe umgewandelt Nach der s Wassers wird die andere Hydroxygruppe deprotoniert und man erhaumllt
Veresterung Neben den in RVerestedAbspaltung des Carboxylsauerstoffatoms
mAbspaltung deeinen Ester als Reaktionsprodukt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 23 von 37
O
OH
O
OH
H
R C OH
Nu
C O
Nu HNu
R C
O
Nu
+
+ Nu
+
+- H-H2O
Mechanismus der Veresterung (Saumlure katalysiert)
R C R C- +
+ Nu + H -δ+
OH
R
OHH
R C
O H ++ H
H2O +
+
Substitution von Diazoniumsalzen Darstellung von Salpetrigsaumlureestern
CH2 OH
C2 OH
NO(-) CH2 O
CHCH2
OO
NNN
OOO
+H++ 3 H2OCH OH 2+
H
erstellung der C-S-Bindungen arstellung von Thiolen und Thioethern nalog der Williamsonrsquoschen Ethersynthese lassen sich auch Thioether darstellen
HDA
R Br R SH NaBrMercaptane
Na+ HS-+ +
ich jedoch aufgrund ihrer groumlszligeren den Alkoholen nur schlecht abfangen Thioethern weiterreagieren lassen
Dabei entstehen primaumlr Mercaptane die sucleophilie gegenuumlber den entsprechenN
lassen und sofort zu den entsprechenden
R1 SH R2 X R1 S R2 HXThioether
+Base
SN2+
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 24 von 37 Eine selektrive Herstellung von Mercaptanen durch nucleophile Substitution von
hioharnstoff-Methode Alkylhalogeniden erfolgt mit der T
NH2
CNH
NH2
SH
NH2
CO2 3
+
OH- H2O
2+
CNH2
S
RX CNH2
NH2
SR CNH2
NH2
SR CNH2
SR
s-Alkylthiuroniumsalze
++ +
iso-ThioharnstoffR SH NH+
Herstellung der C-N- Bindung Gabriel-Synthese Ein nichtreduktiver Zugang zu primaumlren Aminen geht von dem Anion von 2-Benzoldicarboximid (Phtalimid) aus dem cyclischen Imid der 12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure) Dieses Verfahren ist als Gabriel-Sysnthese bekannt Da das Stickstoffatom in 12-Benzoldicarboximid (Phtalamis) von zwei Carbonylfunktionen flankiert ist ist die NH-Gruppe ungewoumlhnlich acide (pKa = 83) staumlrker als ein gewoumlhnliches Amid (pKa = 15) Sie wird deshalb bereits von einer so milden Base wie dem Carbonat-Ion deprotoniert das entstehende Anion wird in guter Ausbeute alkyliert Durch saure Hydrolyse setzt man das Amin anschlieszligend als Ammoniumsalz frei Behandelt man dieses mit Base erhaumllt man das freie Amin
O
O
O
O
O
2OH
O
CH CH2NH3HSO4
O
O
O
O
CH CCH2NH2
+
NaOH H2O
+Na+
Na+
N-2-Propinyl-12-benzoldicarboximid (N-Propargylphtalimid)
2-Propinamin (Propargylamin)
wird bei waumlssriger Aufarbeitung entfernt
O
OH
OH
O
NH N K+NH3 300degC
-H2O
K2CO3 H2O
CH CCH2Br
N
O
CH CH CHOH
O
DMF 100degC-KBr
H2SO4 H2O 120degC+ -
12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure)
9712-Benzoldicarboximid (Phtalimid)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 25 von 37 Hinsberg-Reaktion Die Hinsberg-Reaktion bietet die Moumlglichkeit ausgehend von primaumlren Aminen gezielt sekundaumlre Amine herzustellen
R NH2 Cl ts R NH
ts R N ts
-HCl
acides H
KOH
-H2O
(-)
K(+)
R N ts
NR
Rts NH
R
RtsOK
(-)
K(+)+R-X
-KX
Verseifung
H2O
ts = Tosylat = CH3 SO2
Quarternisierung von Aminen Nitroalkanen Isonitrilen Herstellung von C-C-Bindungen Nitrilsynthese (nach Kolbe)
ogenide meist Methyliodid oder primaumlre Alkyliodide mit eim
mit tertiaumlren Alkylhalogeniden ndash erhaumllt man jedoch hauptsaumlchlich Isonitrile
Setzt man AlkylhalNatriumcyanid um so erhaumllt man hauptsaumlchlich die entsprechenden Cyanide BUmsatz von Silbercyanid ndash vor allem
CH3 I
CH3 CN
CH3 N C 7
Acetonitril
Methylisonitril
SN2-artig
+NaCN -NaI
SN1-artig
+AgCN -AgI
er Grund fuumlr dieses Reaktionsverhalten liegt darin dass das Silber-Kation die unterstuumltzt In einer SN1-seinem
lektronegativsten Atom an im Falle der Kolbersquoschen Nitrilsynthese mit dem N-Atom ieser SN1-artige Verlauf fuumlhrt somit zu Isonitrilen at die Reaktion jedoch mehr bimolekularen Charakter so greift das ambidente CN(-) evorzugt mit dem weniger elektronegativeren dafuumlr mehr polarisierbaren Atom an ies fuumlhrt zur Bildung von Nitrilen ie Verhaumlltnisse beim CN(-) sind denen des NO2
(-) aumlhnlich Das Wesentliche ist dabei er SN1- bzw SN2-Charakter der Reaktion Dieser Charakter laumlsst sich durch die
oumlsungsmittelwahl bzw Kryptat-Einfluss in eine
DBildung eines Carbenium-Ions foumlrdert und die SN1-Reaktion rtigen Reaktion greift jedoch das ambidente Nucleophil mit a
eDHbDDdWahl des Nucleophils und durch Lbestimmte Richtung lenken
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 26 von 37 Darstellung von Alkinen Alkine koumlnnen aus anderen Alkinen erhalten werden durch Reaktion terminaler Alkinyl-Anionen mit alkylierenden Reagenzien wie primaumlren Halogenalkanen
xacyclopropanen Aldehyden und Ketonen Wie wir wissen werden solche Anionen aus terminalen Alkinen durch Deprotonierung mit starken Basen meist Alkyllithium-Verbidnungen Natriumamid in fluumlssigem Ammoniak oder Grignard-Reagenzien gewonnen Die Alkylierung mit primaumlren Halogenalkanen erfolgt uumlblicherweise in fluumlssigem Ammoniak oder Ethern Diese Loumlsungsmittel enthalten bisweilen 12-Ethandiamin H2NCH2CH2NH2 NNNrsquoNrsquo-Tetramethyl-12-ethandiamin (TMEDA) (CH3)2NCH2CH2N(CH3)2 oder HMPT als Cosolventien um die Nucleophilie des Anions zu erhoumlhen
O
CH3C CH CH3C C24
(-) (+)Na CH3C
NaNH2 fl NH3
-NH2H
CH3I
-NaI75
CCH3
2-Butin
C36
CH C44
CCH2CH2CH31 CH3CH2CH2CH2CH2Li THF H2NCH2CH2NH22 CH3CH2CH2Br
n
-LiBr85
1-Pentinylcyclohexa
enz
Alkylierung von Ketonen Die konjugierte Addition gefolgt von einer Alkylierung stellt eine nuumltzliche Sequzur αβ-Dialkylierung undgesaumlttigter Carbonylverbindungen
CO
1 R2CuLi
C C C C CR R
O O OBeispiel
1 (CH CH
O2 RX
CH3
CH CH2CH2CH3
CH3
CH2CH2CH2CH3
3 2CH2CH2)2CuLi THF2 CH3I +
84 4 1 trans- und cis-3-Butyl-2-methylcyclohexanon
2
itionGewoumlhnliche Grignard-Verbindungen reagieren mit αβ-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen in einer 12-Add einer 14-Addition oder beiden Weegen je nach Struktur Reaktionsbedingungen und reagierenden Verbindungen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 27 von 37 β-Dicarbonylverbindungen
laisen-Kondensationen fuumlhren zu β-Dicarbonylverbindungen Ethylacetat reagiert en Natriumethoxid zu Ethyl-3-oxobutanoat
Cmit stoumlchiometrischen Meng(Ethylacetacetat Acetessigester)
CH3 C2
OO
CH2CH3CH3 C
7O
OCH2CH3 CH3 C
12
OCH2
C16
OO
CH2CH3+Na+-OCH2CH3 CH3CH2OH
-CH3CH2OHEthylacetat Ethyl-3-oxobutanoat
(Ethylacetacetat) Die Claisen-Kondensation beginnt mit der Bildung eines Esterenolat-Ions Durch eine Additions-Eliminierungs-Reaktion an die Carbonylgruppe eines anderen Estermolekuumlls entsteht ein 3-Ketoester Diese Schritte sind reversibel und der geamte Vorgang ist bis zu dieser Stufe endotherm Besonders unguumlnstig ist die Deprotonierung des Esters (pKa = 25) durch Ethoxid (pKa von Ethanol = 159) Das Gleichgewicht ist trotzdem zum Produkt verschoben da die Basde den 3-Ketoester (pKa = 11) an C2 praktisch irreversibel deprotoniert Bei der Aufarbeitung mit waumlssriger Saumlure wird die konjugierte Base des Produkts protoniert womit der Prozess abgeschlossen ist
CH3 C21
O CH2CH3 Na+ CH2 C
27 OCH2CH3
CH2 C32
O
OCH2CH3
+ CH3CH2OH
O O(-)
(-)Bildung des Esterenolats
Na+-OCH2CH3
CH3 C37
OO
CH2CH3CH2 C
42O
OCH2CH3
(-)CH3 C
48OCH2CH3
O
CH2
C52
OCH2CH3
O
+
Eliminierung
Nucleophile Addition
CH3 C56
OCH2CH3
O
CH2
C60
OCH2CH3
O
CH3 C64
CH2
C66
OCH2CH3
O O
+ -OCH2CH3
Ketoester
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 28 von 37
CH3 C71
CH2
C73
OCH2CH3
O O
CH3 C78
CH C80
OCH2CH3
O O
CH3 C92
CH
C94
OCH2CH3
O OCH3 C
99CH
C101
OCH2CH3
O O(-)
CH3 C85
CH2
C87
OCH2CH3
O O
Deprtotonierung
+ -OCH2CH3
sauer pKa = 11
+CH3CH2OH
CH3 CCHO
COCH2CH3
O(-)CH3 CCH2
OCOCH2CH3
O
Protonierung bei der waumlssrigen Aufarbeitung
H+ H2O
Zur Vermeidung einer Umesterung sollten sich das Alkoxid und der Ester von demselben Alkohol ableiten lassen Malonestersynthese Mit der Malonester-Synthese erhaumllt man Carbonsaumluren Diethylpropandioat (Malonsaumlureester) ist ein gutes Ausgangsmaterial zur Darstellung 2-substituierter oder 22-disubstituierter Carbonsaumluren in einem Verfahren das man Malonestersynthese nennt
CH3 CH2
O C CH2
OCO
O CH2
CH3CH3 C
H2
O C CO
CO
O CH2
CH3
R
R
CR
RH COOH
22-disubstituierte Carbonsaumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 29 von 37 α β-ungesaumlttigte Ketone Bei α- β-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen tritt neben der 12-Verknuumlfung auch 14-Verknuumlpfung bei der Pinakol-Reaktion auf
CH2 CH
CH
O CH2 CH
CH
CH
CH
CH2
OH OH
12-Verknuumlpfung
2Zn
Ethanol 0degC
68
O O On
O O
2
14-Verknuumlpfung
+ e(-)
(-) (-)
lkylierung von Cupraten alten Doppelbindungen an denen einfache Alkylgruppen
ebunden sind Im Prinzip koumlnnen diese Verbindungen aus organometallischen
zien RLi bzw RMgX im allgemeinen icht mit Halogenalkanen Es gibt aber einen anderen Typ organometallischer
Reagenzien die Organocuprate die hier sehr effektiv wirken Organocuprate besitzen die stoumlchiometrische Zusammensetzung R2CuLi und koumlnnen direkt durch Addition zweier Aumlquivalente einer Organolithium-Verbidnung an ein Aumlquevalent Kupferiodid CuI dargestellt werden Beispiel
AViele wichtige Molekuumlle enthgReagenzien durch direkte Alkylierung gewonnen werden Ungluumlcklicherweise reagieren Organolithium- oder Grignard-Reagenn
CH2 CHLi CuI (CH2=CH)2CuLi LiI+ +Ethenyllithium Lithiumdiethenylcuprat
(ein Organocuprat-Reagenz) Lthiumcuprate reagieren mit Halogenalkanen in sogenannten Kupplungsreaktionen unter Bildung substituierter Alkene Primaumlre Iodide sind dazu am besten geeignet aber auch andere primaumlre und sekundaumlre Halogenalkane geben befriedigende Resultate
R2CuLi RX R R LiX+ +
CCH3
CH
C17
CH3
HC20
HC
23
CH3
HC26
H
CH2(CH2)6CH3
1 Li(CH3CH2)2O2 CuI CuLi
CH3(CH2)6CH2IHMPT
11H 14 Cl2
Lithium-bis(trans-1-propenyl)cuprat90
trans-2-Undecen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 30 von 37 Herstellung von C-X-Bindungen Veresterung von Alkoholen mit Mineralsaumluren
Finkelsteinreaktion (RF-Verbindungen mit Krypat-Unterstuumltzung) Bei der Finkelstein-Reaktion handelt es sich um eine nucleophile Halogenid-Austausch-Reaktion zur Synthese von Iodiden und Fluoriden aus Bromiden und Chloriden zB
R X NaI R I NaX+Aceton
+ X = Cl Br
SN2
Eine Komponente der Triebkraft dieser Reaktion hat physikalische Ursachen die n und sekundaumlren
lkylhalogeniden unguumlnstige Lage der Gleichgewichte fuumlr eine SN2-Reaktion Loumlslichkeit Bei dieser Reaktion wird die bei tertiaumlreA
R X I I R X
I R X=
++
urch physikalisch-chemische Effekte beguumlnstigt naumlmlich dadurch dass NaBr und aCl in Aceton schlecht loumlslich sind und ausfallen Dadurch werden die leichgewichte irreversibel verschoben und die Reaktion verlaumluft somit im ewuumlnschten Sinne
eispiel
dNGg B
C16
CH3 CH
Br 223 Hin Aceton
CH3
CCHCH3
C I+NaI + NaBr
CH32 CH3
2SN2
Es findet keine Neophenylumlagerung statt das heiszligt dass keine SN1-Reaktion stattfindet In einer Variante der Finkelstein-Reaktion wird der Tosylat-Rest gegen Halogenid ausgetascht Ansonsten aber arbeitet man nach dem gleichen Prinzip
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 31 von 37
30 Elektrophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom
Am alipatischen C-Atom sind elektrophile Substitutionen moumlglich wenn die C-X-Bindung so polarisiert ist dass das C-Atom eine negative und die Abgangsgruppe
s der ilen
tion Man kann jedoch zwischen folgenden Mechanismen nterscheiden
1 SE1 analog SN2 (Racemisierung)
2 SE2-back analog SN2 (Inversion)
3 S 2-front analog S i (Retention)
analog S i (Retention)
31 SE1-Reaktion
ierbei handelt es sich um eine Reaktion erster Ordnung die zweistufig verlaumluft
eine positive Ladung traumlgt Diese Voraussetzungen sind vor allem bei metallorganischen und CH-aciden Verbindungen erfuumlllt Der Mechanismuelektrophilen alipathischen Substitution ist nicht so klar wie der der nucleophaliphatischen Substituu
E N
4 S i E N
H
langsamR X R
R Y+ R Y+
Geeignete Loumlsungsmittel fuumlr SE1-Reaktionen sind Dimethylformamid (DMF) undHexamethylphosphorsaumluretriamid (HMPA)
O N(CH3)2
HN(CH3)2
POH3)2
N(CH3)2
HMPA
N(CDMF
Stereochemie der SE1-Reaktion
Die Stereochemie von SE1-Reaktionen verlaumluft nicht einheitlich Im Allgemeinen isch aktive Verbindungen einsetzt Dies
kann zwei Ursachen haben 1 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist
ufig der Fall wenn es sich um mesomeriestabilisierte
2 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist pyramidal gebaut kann jedoch seine Struktur nicht halten (vergleichbar dem schnellen Durchschwingen von unsymmetrisch substituierten Aminen)
findet man Racematisierung wenn man opt
planar Dies ist hauml
Carbanionen handelt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 32 von 37 In Ausnahmefaumlllen kann jedoch auch bei planaren (mesomeristabilisierCarbanionen je nach Wahl des Loumls
ten) ungsmittel Inversion Retention oder
Racemisierung auftreten was durch unterschiedliche Solvatationseffekte erklaumlrt wird Beispiel fuumlr eine S 1-Reaktion E
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
HgBrRacemat
langsam
(-)+ HgBr+
+HgBr2
-HgB 2
rHgBr
Hg = isotopenmarkiertes Hg
32 S 2-ReaktionE E
eaktionen sind bimolekular Beide Mechanismus verglichen werden
Y
und S i-Reaktion
SE2 und SEi-R anisund SNi-Mech
men koumlnnen mit dem SN2-
C47
Y X
SE2 (back) nfalls um einen Frontangriff unter
C C X29
X C35
Y
X
41
SE2 (front)
Beim SEi ndashMechanismus handelt es sich ebeRetention
Y zY z
C53 X C60 XSEi
Die Bildung cyclischer Uumlbergangszustaumlnde die 4- oder 6-gliedrig sein koumlnnen foumlrdert die Losloumlsung der Abgangsgruppe Stereochemie von SE2-Reaktionen und von SEi-Reaktionen
Fuumlr die h den nucleuphilen Substitutionen von Be
8 Valenzelektronen haumltte Da nun zwischen den beiden Elektronenwolken Coulomb-Abstoszligung auftritt erfolgt der Angriff des Nucleophils gezwungenermaszligen von der Ruumlckseite des Molekuumlls Die Folge ist Inversion Anders ist es dagegen beim SE2- und Sei-Mechanismus Das angreifende Elektrophil besitzt nur ein leeres Orbital und somit ist sowohl der Front- als auch der
angriff unter Inversion verlaumluft laumlsst die Stereochemie der SE-Reaktion nur schwer Ruumlckschluumlsse auf den Mechanismus zu
Stereoc emie ist folgender Unterschied zu deutung
Bei SN-Reaktionen bringt das angreifende Nucleophil ein Elektronenpaar mit Daher muss die Abgangsgruppe bei der Neubildung der Bindung ein Elektronenpaar mitnehmen da sonst das C-Atom mehr als
Ruumlckseiten-Angriff moumlglich Da der Frontangriff unter Retention der Ruumlckseiten
Skript zum 2 OC-Kolloquium
33 Anwendungen
reu
Seite 33 von 37
Herstellung einfacher metallorganischer Verbindungen
etall-H-Austausch
aumluren betrachtet werden Dabei nimmt die H-Aciditaumlt mit zunehmendem s-Charakter der Hybridisierung zu
sp CH3 CH3
M C-H-Verbindungen koumlnnen als schwache SC Hybridisierung
3Saumlure konjugierte Base pKa-W
sp2
CH3 CH2 Zunahme der
sp
2 2
CH CH
CH2 CH
CH C15(-)
25
Aciditaumlt
Da eine staumlrkere Saumlu
ert 42
365
(-)
CH CH (-)
re eine schwaumlchere aus ihrem Salz vertreibt reagiert eine konjugierte Base mit jeder Saumlure die in der Tabelle unter ihr steht Elektronegative Gruppen an Aromaten wirken acidifizierend Beispiele
HC H Na
NaC2H6
Li H
+
pKa 42schwaumlchere Saumlure
Pentan
pKa 37schwaumlchere Saumlu
pKa 35 staumlkere Sauml re
+ Pentan +
schwaumlchere Saumlure
2 5+pKa 37 staumlkere Saumlure
Na CH3 H CH2Na
+ Pentan +
H H H LipKa 37pKa 23
staumlkere Saumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 9 von 37 Der Mechanismus verlaumluft wahrscheinlich in aumlhnlicher Weise wie der der Pinakol-Reaktion Im ersten Schritt wird der Ester durch Uumlbertragung eines Elektrons vom Metallatom zu einem Radikal-Anion reduziert Das so entstandene Radikalanion dimerisiert zum Dianion des entsprechenden Diols Bei der Acyloin-Kondensation kann nun das Dianion zwei Alkoxid-Ionen unter Bildung eines α-Diketons abspalten Nach weiterer Reduktion durch Uumlbertragung zweier Elektronen bildet sich ein Endiolat Die waumlssrige Aufarbeitung ergibt dann uumlber eine Zwischenstufe des Endiols das α-Hydroxyketon Kolbe-Elektrolyse Bei der Kolbe-Elektrolyse wird das Elektron durch anodische Oxidation abgespalten Die entstandenen Radikale dimerisieren zu einem Alkan
RO
OR
O
O- e- R + CO2
radikalische Polymerisation
CH2 CH2
R O O RCH2 CH2
R O O R R O
R O CH2 CH2RO CH2 CH2
RO CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2
CH2
H
CH3
CH2 CH2
CH3CH2CH2
1000atmgt 100degC
2
∆21)
2)
3)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 10 von 37 HX-Addition an C=C-Doppelbindungen Setzt man frisch destilliertes 1-Buten mit Bromwasserstoff um wird entsprechend der Markownikow-Regel Addition 2-Brombutan beobachtet In Gegenwart von Sauerstoff beobachtet man jedoch die Bildung von 1-Brombutan das ein anti-Markownikow-Produkt darstellt Der Grund fuumlr diese Beobachtung ist dass die Anwesenheit des Sauerstoffs zur Peroxiden ROOR fuumlhrt und der Reaktionsmechanismus somit als Radikalreaktion ablaumluft Man spricht in diesem Zusammenhang auch vom Peroxid-Effekt Der Mechanismus laumlsst sich wie folgt beschreiben
R O O R R O
R O R O H Br
Initiation∆
2
+ HBr∆
+
C CH2
H
CH2CH3
Br
CH3 CH2
CH
CH2
BrH
Br
Kettenwachstum
+ CH3CH2CH-CH2Brsekundaumlres Radikal
CH3CH2CH-CH2Br + HBr +
Br
CH3 CH2
CH
CH2
Br
CH
CH2
BrCH2
CH3
Kettenabbruch
2 Br2
CH3CH2CH-CH2Br2
Halogenierung von Alkanen (Radikalkettenreaktion) Von groszliger technischer Bedeutung sind radikale Kettenreaktionen Formal wird eine Radikalkettenreaktion in 3 Teilschritte eingeteilt Im Folgenden wird der radikalischen Kettenreaktion anhand der Chlorierung von Methan betrachtet Die Reaktionsprodukte der radikalischen Halogenierung sind Chlormethan und Chlorwasserstoff sowie Nebenprodukte in sehr geringen Mengen
Cl ClH3 C H H3 C Cl H ClLichtWaumlrme+ +
440 kJmol 243 kJmol 356 kJmol 431 kJmol
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 11 von 37 ∆Hdeg= ((440 + 243) ndash (356 + 431)) kJmol = -104 kJmol (exotherm) Die radikale Kettenreaktion wird gestartet durch die Spaltung eines Chlormolekuumlls durch Waumlrmezufuhr oder Lichteinfall Kettenstart
Cl Cl Cl hν 2 ∆Hdeg= 243 kJmol
Im zweiten Schritt greift das Chlorradikal das Methanmolekuumll an Dabei wird eine der Wasserstoff-Kohlenstoffbindungen des Methans homolytisch gespalten und man erhaumllt Chlorwasserstoff sowie ein Methylradikal Wasserstoffabspaltung (1 Kettenfortpflanzung)
Cl CH
HH
H C H
HH
+ HCl +
440 kJmol 431 kJmol ∆Hdeg= + 9 kJmol
C
HH
H
H ClC 1
HH
H
C
H H
H
H Cl
Lappen waumlchst
+ H Cl
Im anschlieszligenden Reaktionsschritt greift nun das Methylradikal ein Chlormolekuumll an und unter homolytischer Spaltung der Chlor-Chlorbindung entsteht Chlormethan sowie ein Chlorradikal welches wiederum im vorhergehenden Schritt mit einem Methanmolekuumll reagieren kann Chlorierung des Methans (2 Kettenfortpflanzung)
C H
HH
Cl Cl CH
HH
Cl Cl + +
243 kJmol 356 kJmol
in 2
∆Hdeg= -113 kJmol
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 12 von 37 Zu Ende der Kettenreaktion findet eine Rekombination der verschiedenen Radikale statt und man erhaumllt ein Chlormolekuumll ein Ethanmolekuumll oder ein Chlormethanmolekuumll als Produkt Kettenabruchreaktion
Clmiddot + Clmiddot rarr Cl-Cl middotCH3 + middot CH3 rarr H3C-CH3
middotCH3 + Clmiddot rarr H3C-Cl Die radikale Kettenreaktion verlaumluft uumlber eine Zwischenstufe sowie zwei Uumlbergangszustaumlnde welche in dem folgenden Energiediagramm zu erkennen sind E
[H3C H Cl]ne
[H3C Cl Cl]ne
Uumlbergangszustand
CH3 + Cl2 + HCl
Zwischenstufe
CH4 + Cl + Cl2
Reaktionskinetik
Abb Energiediagramm Die radikalische Chlorierung von Methan kann durch weitere Substitutionen von Wasserstoffatomen durch Chloratome weiter bis zum Tetrachlormethan gefuumlhrt werden
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 13 von 37 Ziegler-Wohl-Bromierung
enen in der Allylstellung mit N-Bromsuccinimid ei 0degC
ittel welches die C=C-Doppelbindung nicht
BS N-Bromsuccinimid
Selektive Bromierung von AlkN-Bromsuccinimid NBS entsteht durch Einwirkung von Brom auf Succinimid bin Gegenwart von Natriumhdroxid NBS ist ein selektives Bromierungsmangreift N
N
O
O
Br N
O
O
Br
tart
Licht oderPeroxide +
S
Br CH3 CH
CH2CH2 C
HCH2
BrH
CH2 CH
CH2 Br2 CH2
CH
CH2
BrBr
N
O
O
Br BrH N
O
O
H Br2
Kette
+ +
+ +
+ +
niedrige-Konzentrationenvon Br2Solvens CCl4
Die alpha staumlndige Methylengruppe wird rascher bromiert als die Me hylgruppe
andmeyer-Reaktion us der Sandmeyer-Reaktion ist noch nicht geklaumlrt Die
t SDer genaue MechanismReaktion verlaumluft aber vermutlich uumlber zwei radikalische Zwischenstufen
CH3
NH2
CH3
N2
CH3
ClHCl NaNO2 0degC
+Cl-CuCl 60degC
+ N2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 14 von 37 Autoxidation
ther ER2CH OR O2 R2C OR R2C OR
O O
R2C ORO O H
+
Aldehyde
C6H5 C7
HO
O2 C6H5 C12
O
H O O
C6H5 C19
OO2 C6H5 C
23
OO O
C6H5 C28
OO O C6H5 C
33H
OC6H5 C
37
OO O H C6H5 C43
O
C6H5 C47
OO O H C6H5 C
53H
OC6H5 C
57
OO H
+ +
+
+ +
+ 2
ock-Verfahren H
C HC6H5
3
CH3
O2 C OC6H5
CH3
CH3
O HH
+
C6H5 OH CCH3
CH3
O+
CH
racken en von langkettigen Alkanen wird als Cracken bezeichnet Derartige
eine
isch aus hunderten verschiedener Alkane Der groumlszligte Teil wird
it l)
s Benzin zu erhalten werden laumlngerkettige Kohlenwasserstoffe durch rs
ende Radikale
CDas ZerlegProzesse spielen in der Erdoumllindustrie bei der Darstellung von Benzin aus Erdoumll wichtige Rolle Erdoumll ist ein Gemdurch langkettige wenig verzweigte Alkane gebildet Ein kleiner Teil besteht aus aromatischen Verbindungen Benzin ist ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen meiner Laumlnge von 4-12 Kohlenstoffatomen und ist in Erdoumll bis zu 30 (Volumenanteienthalten Um weiterefraktionierte Destillation abgetrennt und bei 500degC in Gegenwart eines Katalysato(Wolfram oder Nickel auf einer SiO2-Al2O3-Oberflaumlche) pyrolysiert Die Reaktion findet in einer Wasserstoffatmosphaumlre statt um entstehmit Wasserstoffatomen abfangen zu koumlnnen Auszligerdem koumlnnen Alkene zu AlkanenStickstoffhaltige Verbindungen zu NH3 und Schwefelhaltige Verbindungen zu H2S hydriert werden Man erhaumllt nach dem Cracken Erdoumll mit einem Benzin Anteil von 50
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 15 von 37
CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3
C HH
HC C C C C
H
H
H
H
H
H
H
H
H
HH
C C HH
H
H
HC C C C H
HH
H H H
H H H
+
+
Pyrolyse von Hexan
C C C H
H
H
HH
H
H2
20 Nucleophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom Bei einer Nucleophilen Substitution wird eine Abgangsgruppe unter hetereolytischer Spaltung der Bindung gegen ein Nucleophil ausgetauscht Nucleophile sind neutrale Teilchen oder Anionen welche mindestens ein freies Elektronenpaar aufweisen Gute Nucleophile sind gut polarisierbar und besitzen eine geringe Elektronegativitaumlt Sterisch anspruchsvolle Nucleophile hingegen sind schlechte Nucleophile Auszliger den bereits genannten Faktoren beeinflusst auch die Staumlrke der neu gebildeten Bindung die Guumlte eines Nucleophils Beispiele fuumlr neutrale Nucleophile sind H2O ROH RSH NR3 PR3 Beispiele fuumlr Anionische Nucleophile sind Hal- RO- HO- RS- Fuumlr die Guumlte der Abgangsgruppe (Necleofuge) gilt im Allgemeinen dass je staumlrker die konjugierte Saumlure desto besser das Nucleofug
I- gt Br- gt Cl- gt F- Man kann des weiteren Nucleofuge durch Zugabe von H+ -OH2
+ -OHR+ aktivieren Bei Nucleophilen Substitutionen unterscheidet man zwischen SN1 SN2 und SNi- Reaktionen 21 Die Bimolekulare nucleophile Substitution SN2 Zunaumlchst greift ein Nucleophil (in diesem Fall das Hydroxidion) am partiell positiv geladenen Kohlenstoffatom ruumlckseitig an Dabei entsteht ein fuumlnfbindiger (pentavalenter) Uumlbergangszustand Die Abspaltung des Chloridions sowie die Anlagerung des Hydroxidions erfolgt gleichzeitig und man erhaumllt als Reaktionsprodukt Methanol und ein Chloridion
C ClH
H H
HO
C ClH
H HOH
COHH
H HCl
- =
-+
-
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 16 von 37 Das Energiediagramm fuumlr eine solche Reaktion sieht wie folgt aus
Uumlbergangszustand ne
Edukte
Produkte
Neben der ruumlckseitigen Anlagerung des Nucleophils koumlnnte das Nucleophil auch vorderseitig angelagert werden Jedoch zeigen entsprechende Experimente dass diese Anlagerung nicht stattfindet
CCH3
HBr
CH2CH3
CCH3
H
BrCH2CH3
I
IC
CH3
HI
CH2CH3
Br
HBrI
CH2CH3CH3
C CH3
HI
CH2CH3
Br
- =
Vorderseitenangriff
--+
Retention
(S)-2-Brombutan
(S)-2-Iodbutan
- =
Ruumlckseitenangriff
Inversion
-+
(R)-2-Iodbutan Im folgenden soll eine kurze Uumlbersicht uumlber moumlgliche Nucleophile sowie die dabei entstehenden Produkte gegeben werden
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 17 von 37
-Hydroxid
R OH Alkohol
OR-Alkoxid
R OR Ether HOH R O
H
HR O H
+ -H+
Alkohol R OH R O H
RR O R-H+
Ether
R CO
O Carboxylat
R O C RO Ester
NH3 Ammoniak R NH3 R NH2
+ -H+
Amin R 2NH primaumlres Amin R NH2R R NHR
+ -H+
sekundaumlres Amin
R2 NH sekundaumlres Amin R NHR 2 R NR2+ -H+
tertiaumlres Amin
R3N tertiaumlres Amin R NR3+
R-SH Thiol R-S- Mereaptidion R-SR Thioether R2S
SRRR
+
kan CN- Cyanid R-CN Nitriole C C R R C C R A
schiene F
Nucleophil (Nu) R-Nu
O H
HS- Hydrogensulfidion
Sulfoniumion I- Iodid R-I Iodal
Acetylid cetylen
Es gibt ver aktoren die den Ablauf der SN2-Reaktion bestimmen Zum einen
I-gt Br- gt Cl- gt F-
beeinflusst die Guumlte der Abgangsgruppe den Verlauf der Reaktion Dabei beguumlnstigen stabile Abgangsgruppen den Verlauf der Reaktion
R S OO
OR S O
O
OR S O
O
O
CO
OC
O
OC
O
O-
--
--
-
uszligerdem beeinflusst die Art des Nucleophils den Verlauf der SN2-Reaktion Dabei wird die Reaktion durch negativ geladene Nucleophile ohne sterische Hinderung beguumlnstigt
A
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 18 von 37
22 Die Monokulare Substitution SN1 Neben der bimolekularen Substitution kann bei Halogenalkanen noch eine weitere
ndash die monomolekulare Substitution iese Form der Substitution tritt allerdings bevorzugt bei sekundaumlr oder tertiaumlr
lten
Substituenten in eine Ebene und das zentrale
Form der nucleophilen Substitution auftretenDgebundenen Halogenen auf Bei der Monomolekularen Substitution wird zunaumlchst das Halogenidion abgespaund es bildet sich ein Carbeniumion Anschlieszligend bdquoklappenldquo die drei noch am Kohlenstoffatom verbliebenenKohlenstoffatom nimmt eine sp2-Hybridisierung ein Danach kann die Anlagerung des Nucleophils erfolgen
CH3
OH2
C Br
CH2CH2CH3CH2CH2
Br CCH3
CH2CH2CH3
CH2CH3
OH2
C
C3
OH CH2CH3
CH2CH2CH3
C
OH
CH3
CH2CH2CH3CH2CH3
-
(R)
+
(S)-Methyl-3-hexanal
InversionRetention
-HBr -HBr
(R)-3-Methyl-3-hexanal
+
2
H
Da das Carbeniumion eine sp -Hybridisierung aufweist kann bei der SN1-Reaktion eine vorder- und eine ruumlckseitige Anlagerung des Nucleophils erfolgen Das Energiediagramm einer solchen Reaktion sieht wie folgt aus E
C BrCH3
CH3
CH3
Br (CH3)3C(CH3)3 C OH BrH2O+ -+ ++ -
Die SN1-Reaktion laumluft im Allgemeinen schneller als die SN2-Reaktion ab Dazu ist es aber noumltig dass sich ein stabiles Carbeniumion ausbilden kann Die Stabilitaumlt des Carbeniumions haumlngt von den Substituenten ab Dabei gelten tertiaumlre Carbeniumionen als besonders stabil
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 19 von 37
C
CH3
CH3
CH3 C
H
CH3
CH3 C
H
H
CH3 C
H
H
H+ + + +
CH3tertiaumlr sekundaumlr primaumlr
+gt gt gt
Der Grund fuumlr die Stabilitaumlt der tertiaumlren Carbeniumionen ist der hyperkonjugative Effekt der Alkylgruppen Dabei bdquoverschiebenldquo die Alkylsubstituenten ihre Elektronendichte zum Kation
CHH
CCH2
CH2
CH2
H
H
+ +
Alkylsubstituenten schieben Elektronendichte zum Kation
H
H
Die folgende Tabelle soll einen kurzen Vergleich zwischen SN1- und SN2-Reaktion ziehen
Vergleich von S 2 und S 1 N NReaktionsparameter SN2 SN1 Struktur des Halogenids primaumlr selten
zyl Alkyl) haumlufig
(Bensekundaumlr manchmal anchmal mtertiaumlr selten haumlufig
Racemisierung Loumlsungsmittel olare
smittel verzoumlgert olare
e Loumlsungsmittel wird durch pLoumlsung
wird durch pprotischbeschleunigt
Nucleophil Anionische Nu beguumlnstigt schlechte Abgangsgruppe gute Abgangsgruppe
bevorzugt SN1 Erhoumlhung der NucleophDie Nucleophilie e
ilieines Nucle em Maszlige w n
erabgesetzt wird Eine Verminderung der Solvatation erreicht man durch Kronether
durch Kryptatbildung ophils steigt in d ie die Solvatatio
Stereochemie Inversion
andere Abgangsgruppe als Halogenides
bevorzugt SN2
h(engl crown) zB
O
O
O
O
OO
O
O OK
+
Y
12-Crown-418-Crown-6
Kryptat
O
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 20 von 37 Bezeichnung der Kronether Die Zahl vor bdquoCrownldquo gibt die Gesamtzahl der Ringatome die Zahl dahinter die Anzahl der Sauerstoffatome an In diesen Alkylkryptaten wird das Gegenion des Nucleophils K+ komplex gebunden auszligerdem findet in unpolaren organischen Loumlsungsmitteln in denen die Kryptatte loumlslich sind nur geringe Solvatation statt so dass das Nucleophil gewissermaszligen bdquonacktldquo vorliegt und dadurch seine volle nucleophile Kraft entfalten kann Kronether werden durch eine Williamsonrsquosche Ethersynthese dargestellt
OHO OCl O O40
O OH Cl O OO
O+
-HCl
O
18-Crown-6Triethylenglykol Triethylenglykoldicklorid
Beschleunigte nucleophile Substitution Die Nachbarschaftsgruppenbeteiligung von Y fuumlhrt zu einer beschleunigten nucleophilen Substitution und erklaumlrt durch zweimalige Inversion die Retention Das Elektronenpaar der Nachbargruppe Y kann ein ein freies Elektronenpaar (Hetereoatome) oder eine π-Bindung sein (Alkene Arene) in Einzelfaumlllen auch eine C-C-Bindung (2-Norbornylkation)
LGY| Y NuInversion|Nu
-+ Inversion
Y|
LG Abgangsgruppe-LG
-
23 SNi-Reaktion Unter dem SNi-Mechanismus versteht man eine innere nucleophile Substitution die nach einem internen SN2-Mechanismus ablaumluft und somit unter Beibehaltung der Konfiguration Ein typisches Beispiel ist der Austausch einer OH-Gruppe gegen Chlor mit SOCl2
COOH
HCOOH
COOH
O SCl
COOHH ClCl2
-SO2
R(-)-Chlorbernsteinsaumlure
H OH +SO
CH2
COOHCH2
O CH2
COOH
in Dioxan-HCl
R(+)-Aumlpfelsaumlure
Hierbei bleibt die Konfiguration erhalten da primaumlr der instabile Chlorsulfinsaumlureester gebildet wird und durch diese Bindung das Nucleophil von derselben Seite angreifen muss Dies fuumlhrt zur Retention Der SNi-Mechanismus ist jedoch stark loumlsungsmittelabhaumlngig denn fuumlhrt man dieselbe Reaktion in Pyridin durch so erhaumllt man 100 Waldenumkehr also SN2-Mechanismus
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 21 von 37 Der Grund hierfuumlr ist in der unterschiedlichen Basenstaumlrke zu sehen zwischen Dioxan und Oyridin Dioxan ist nur eine schwache Base
O
O
O
OH
+ HCl
+
Cl-
Das Gleichgewicht liegt weit auf der linken Seite wodurch das Nucleophil Cl- als HCl gebunden vorliegt Anders ist es dagegen in Pyridin
CR1
R2 OH CR1
R2 OSOClR1+SOCl2 PyrH+Cl-
R3 R3C
R3R2Cl
SN2+ - -
Hierbei greift das aus dem PyrH Cl stammende Nucleophil Cl in einer SN2-Reaktion den entstehenden Chlorsulfinsaumlureester von der Ruumlckseite her an was zur Konfigurationsumkehr fuumlhrt 24 Anwendungen
ubstitution von Halogeniden
siehe SN1 und SN2-Mechanismen saure Veretherung
Eine zweite Alkoholfunktion kann sich nun das enachbarte Kohlenstoffatom nucleophil angreifen Nach der Abspaltung eines
nes Protons erhaumllt man einen Ether
Herstellung von C-O-Bindungen S
Man kann bei Anwesenheit einer Saumlure [H2SO4] zwei Alkohole durch eine saure Veretherung in einen Ether uumlberfuumlhren Dabei wird zunaumlchst eine der Alkoholfunktionen protoniert bWassermolekuumlls und ei
CH3CH2OH
CH3CH2OH
CH3CH2 OH
H
CH3CH2OH
CH3CH2 O HCH3CH2
CH3CH2 O
H+ + -H2O +
++ H
+
CH3CH2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 22 von 37 Etherspaltung In Ethern kann die ROR-Gruppe in Anwesenheit einer Saumlure protoniert werden Im nachfolgenden Schritt erfolgt ein nucleophiler Angriff des Halogenid-Anions Man erhaumllt als Produkt ein Halogenalkan und ein Alkohol
CH3CH2OCH2CH3 CH3CH2 OCH2CH3
H
CH3CH2 OCH2CH3
H
H+
+
Dialkyloxonium-Ion
+Br +-
CH3CH2Br + HOCH2CH3
Williamson-Synthese
e
H3C-CH2-O-CH2-CH3 Diethylether
Ether Alkoyalkan R-O-R
O
Tetrahydrfuran(THF)
CH3 CH2 O Na Br CH2CH3 CH3 CH2 O CH2 CH3
- + +SN2
intermolekularNaBr+
den zuvor beschriebenen Kapiteln koumlnnen verschiedene eaktionsmechanismen zusammen wirken Ein bedeutendes Beispiel dafuumlr ist die
rung von Carbonsaumluren mit Alkoholen Dabei wird zunaumlchst ein Nucleophil an as Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe addiert Anschlieszligend erfolgt die
Da Alkohole schlechte Nucleophile sind muumlssen derartige Reaktionen durch Saumlure (meist Schwefelsaumlure) katalysiert werden Im ersten Schritt lagert sich das Proton an das nicht saure Sauerstoffatom an Diesfuumlhrt zu einer positiven Ladung am Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe Hierdurch wird nun der nucleophile Angriff des Alkohols beguumlnstigt Durch die Anlagerung eines weiteren Proton wird nun die schon einmal protonierte Hydroxygruppen ein weiteres
al protoniert und somit in eine gute Abgangsgruppe umgewandelt Nach der s Wassers wird die andere Hydroxygruppe deprotoniert und man erhaumllt
Veresterung Neben den in RVerestedAbspaltung des Carboxylsauerstoffatoms
mAbspaltung deeinen Ester als Reaktionsprodukt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 23 von 37
O
OH
O
OH
H
R C OH
Nu
C O
Nu HNu
R C
O
Nu
+
+ Nu
+
+- H-H2O
Mechanismus der Veresterung (Saumlure katalysiert)
R C R C- +
+ Nu + H -δ+
OH
R
OHH
R C
O H ++ H
H2O +
+
Substitution von Diazoniumsalzen Darstellung von Salpetrigsaumlureestern
CH2 OH
C2 OH
NO(-) CH2 O
CHCH2
OO
NNN
OOO
+H++ 3 H2OCH OH 2+
H
erstellung der C-S-Bindungen arstellung von Thiolen und Thioethern nalog der Williamsonrsquoschen Ethersynthese lassen sich auch Thioether darstellen
HDA
R Br R SH NaBrMercaptane
Na+ HS-+ +
ich jedoch aufgrund ihrer groumlszligeren den Alkoholen nur schlecht abfangen Thioethern weiterreagieren lassen
Dabei entstehen primaumlr Mercaptane die sucleophilie gegenuumlber den entsprechenN
lassen und sofort zu den entsprechenden
R1 SH R2 X R1 S R2 HXThioether
+Base
SN2+
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 24 von 37 Eine selektrive Herstellung von Mercaptanen durch nucleophile Substitution von
hioharnstoff-Methode Alkylhalogeniden erfolgt mit der T
NH2
CNH
NH2
SH
NH2
CO2 3
+
OH- H2O
2+
CNH2
S
RX CNH2
NH2
SR CNH2
NH2
SR CNH2
SR
s-Alkylthiuroniumsalze
++ +
iso-ThioharnstoffR SH NH+
Herstellung der C-N- Bindung Gabriel-Synthese Ein nichtreduktiver Zugang zu primaumlren Aminen geht von dem Anion von 2-Benzoldicarboximid (Phtalimid) aus dem cyclischen Imid der 12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure) Dieses Verfahren ist als Gabriel-Sysnthese bekannt Da das Stickstoffatom in 12-Benzoldicarboximid (Phtalamis) von zwei Carbonylfunktionen flankiert ist ist die NH-Gruppe ungewoumlhnlich acide (pKa = 83) staumlrker als ein gewoumlhnliches Amid (pKa = 15) Sie wird deshalb bereits von einer so milden Base wie dem Carbonat-Ion deprotoniert das entstehende Anion wird in guter Ausbeute alkyliert Durch saure Hydrolyse setzt man das Amin anschlieszligend als Ammoniumsalz frei Behandelt man dieses mit Base erhaumllt man das freie Amin
O
O
O
O
O
2OH
O
CH CH2NH3HSO4
O
O
O
O
CH CCH2NH2
+
NaOH H2O
+Na+
Na+
N-2-Propinyl-12-benzoldicarboximid (N-Propargylphtalimid)
2-Propinamin (Propargylamin)
wird bei waumlssriger Aufarbeitung entfernt
O
OH
OH
O
NH N K+NH3 300degC
-H2O
K2CO3 H2O
CH CCH2Br
N
O
CH CH CHOH
O
DMF 100degC-KBr
H2SO4 H2O 120degC+ -
12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure)
9712-Benzoldicarboximid (Phtalimid)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 25 von 37 Hinsberg-Reaktion Die Hinsberg-Reaktion bietet die Moumlglichkeit ausgehend von primaumlren Aminen gezielt sekundaumlre Amine herzustellen
R NH2 Cl ts R NH
ts R N ts
-HCl
acides H
KOH
-H2O
(-)
K(+)
R N ts
NR
Rts NH
R
RtsOK
(-)
K(+)+R-X
-KX
Verseifung
H2O
ts = Tosylat = CH3 SO2
Quarternisierung von Aminen Nitroalkanen Isonitrilen Herstellung von C-C-Bindungen Nitrilsynthese (nach Kolbe)
ogenide meist Methyliodid oder primaumlre Alkyliodide mit eim
mit tertiaumlren Alkylhalogeniden ndash erhaumllt man jedoch hauptsaumlchlich Isonitrile
Setzt man AlkylhalNatriumcyanid um so erhaumllt man hauptsaumlchlich die entsprechenden Cyanide BUmsatz von Silbercyanid ndash vor allem
CH3 I
CH3 CN
CH3 N C 7
Acetonitril
Methylisonitril
SN2-artig
+NaCN -NaI
SN1-artig
+AgCN -AgI
er Grund fuumlr dieses Reaktionsverhalten liegt darin dass das Silber-Kation die unterstuumltzt In einer SN1-seinem
lektronegativsten Atom an im Falle der Kolbersquoschen Nitrilsynthese mit dem N-Atom ieser SN1-artige Verlauf fuumlhrt somit zu Isonitrilen at die Reaktion jedoch mehr bimolekularen Charakter so greift das ambidente CN(-) evorzugt mit dem weniger elektronegativeren dafuumlr mehr polarisierbaren Atom an ies fuumlhrt zur Bildung von Nitrilen ie Verhaumlltnisse beim CN(-) sind denen des NO2
(-) aumlhnlich Das Wesentliche ist dabei er SN1- bzw SN2-Charakter der Reaktion Dieser Charakter laumlsst sich durch die
oumlsungsmittelwahl bzw Kryptat-Einfluss in eine
DBildung eines Carbenium-Ions foumlrdert und die SN1-Reaktion rtigen Reaktion greift jedoch das ambidente Nucleophil mit a
eDHbDDdWahl des Nucleophils und durch Lbestimmte Richtung lenken
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 26 von 37 Darstellung von Alkinen Alkine koumlnnen aus anderen Alkinen erhalten werden durch Reaktion terminaler Alkinyl-Anionen mit alkylierenden Reagenzien wie primaumlren Halogenalkanen
xacyclopropanen Aldehyden und Ketonen Wie wir wissen werden solche Anionen aus terminalen Alkinen durch Deprotonierung mit starken Basen meist Alkyllithium-Verbidnungen Natriumamid in fluumlssigem Ammoniak oder Grignard-Reagenzien gewonnen Die Alkylierung mit primaumlren Halogenalkanen erfolgt uumlblicherweise in fluumlssigem Ammoniak oder Ethern Diese Loumlsungsmittel enthalten bisweilen 12-Ethandiamin H2NCH2CH2NH2 NNNrsquoNrsquo-Tetramethyl-12-ethandiamin (TMEDA) (CH3)2NCH2CH2N(CH3)2 oder HMPT als Cosolventien um die Nucleophilie des Anions zu erhoumlhen
O
CH3C CH CH3C C24
(-) (+)Na CH3C
NaNH2 fl NH3
-NH2H
CH3I
-NaI75
CCH3
2-Butin
C36
CH C44
CCH2CH2CH31 CH3CH2CH2CH2CH2Li THF H2NCH2CH2NH22 CH3CH2CH2Br
n
-LiBr85
1-Pentinylcyclohexa
enz
Alkylierung von Ketonen Die konjugierte Addition gefolgt von einer Alkylierung stellt eine nuumltzliche Sequzur αβ-Dialkylierung undgesaumlttigter Carbonylverbindungen
CO
1 R2CuLi
C C C C CR R
O O OBeispiel
1 (CH CH
O2 RX
CH3
CH CH2CH2CH3
CH3
CH2CH2CH2CH3
3 2CH2CH2)2CuLi THF2 CH3I +
84 4 1 trans- und cis-3-Butyl-2-methylcyclohexanon
2
itionGewoumlhnliche Grignard-Verbindungen reagieren mit αβ-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen in einer 12-Add einer 14-Addition oder beiden Weegen je nach Struktur Reaktionsbedingungen und reagierenden Verbindungen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 27 von 37 β-Dicarbonylverbindungen
laisen-Kondensationen fuumlhren zu β-Dicarbonylverbindungen Ethylacetat reagiert en Natriumethoxid zu Ethyl-3-oxobutanoat
Cmit stoumlchiometrischen Meng(Ethylacetacetat Acetessigester)
CH3 C2
OO
CH2CH3CH3 C
7O
OCH2CH3 CH3 C
12
OCH2
C16
OO
CH2CH3+Na+-OCH2CH3 CH3CH2OH
-CH3CH2OHEthylacetat Ethyl-3-oxobutanoat
(Ethylacetacetat) Die Claisen-Kondensation beginnt mit der Bildung eines Esterenolat-Ions Durch eine Additions-Eliminierungs-Reaktion an die Carbonylgruppe eines anderen Estermolekuumlls entsteht ein 3-Ketoester Diese Schritte sind reversibel und der geamte Vorgang ist bis zu dieser Stufe endotherm Besonders unguumlnstig ist die Deprotonierung des Esters (pKa = 25) durch Ethoxid (pKa von Ethanol = 159) Das Gleichgewicht ist trotzdem zum Produkt verschoben da die Basde den 3-Ketoester (pKa = 11) an C2 praktisch irreversibel deprotoniert Bei der Aufarbeitung mit waumlssriger Saumlure wird die konjugierte Base des Produkts protoniert womit der Prozess abgeschlossen ist
CH3 C21
O CH2CH3 Na+ CH2 C
27 OCH2CH3
CH2 C32
O
OCH2CH3
+ CH3CH2OH
O O(-)
(-)Bildung des Esterenolats
Na+-OCH2CH3
CH3 C37
OO
CH2CH3CH2 C
42O
OCH2CH3
(-)CH3 C
48OCH2CH3
O
CH2
C52
OCH2CH3
O
+
Eliminierung
Nucleophile Addition
CH3 C56
OCH2CH3
O
CH2
C60
OCH2CH3
O
CH3 C64
CH2
C66
OCH2CH3
O O
+ -OCH2CH3
Ketoester
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 28 von 37
CH3 C71
CH2
C73
OCH2CH3
O O
CH3 C78
CH C80
OCH2CH3
O O
CH3 C92
CH
C94
OCH2CH3
O OCH3 C
99CH
C101
OCH2CH3
O O(-)
CH3 C85
CH2
C87
OCH2CH3
O O
Deprtotonierung
+ -OCH2CH3
sauer pKa = 11
+CH3CH2OH
CH3 CCHO
COCH2CH3
O(-)CH3 CCH2
OCOCH2CH3
O
Protonierung bei der waumlssrigen Aufarbeitung
H+ H2O
Zur Vermeidung einer Umesterung sollten sich das Alkoxid und der Ester von demselben Alkohol ableiten lassen Malonestersynthese Mit der Malonester-Synthese erhaumllt man Carbonsaumluren Diethylpropandioat (Malonsaumlureester) ist ein gutes Ausgangsmaterial zur Darstellung 2-substituierter oder 22-disubstituierter Carbonsaumluren in einem Verfahren das man Malonestersynthese nennt
CH3 CH2
O C CH2
OCO
O CH2
CH3CH3 C
H2
O C CO
CO
O CH2
CH3
R
R
CR
RH COOH
22-disubstituierte Carbonsaumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 29 von 37 α β-ungesaumlttigte Ketone Bei α- β-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen tritt neben der 12-Verknuumlfung auch 14-Verknuumlpfung bei der Pinakol-Reaktion auf
CH2 CH
CH
O CH2 CH
CH
CH
CH
CH2
OH OH
12-Verknuumlpfung
2Zn
Ethanol 0degC
68
O O On
O O
2
14-Verknuumlpfung
+ e(-)
(-) (-)
lkylierung von Cupraten alten Doppelbindungen an denen einfache Alkylgruppen
ebunden sind Im Prinzip koumlnnen diese Verbindungen aus organometallischen
zien RLi bzw RMgX im allgemeinen icht mit Halogenalkanen Es gibt aber einen anderen Typ organometallischer
Reagenzien die Organocuprate die hier sehr effektiv wirken Organocuprate besitzen die stoumlchiometrische Zusammensetzung R2CuLi und koumlnnen direkt durch Addition zweier Aumlquivalente einer Organolithium-Verbidnung an ein Aumlquevalent Kupferiodid CuI dargestellt werden Beispiel
AViele wichtige Molekuumlle enthgReagenzien durch direkte Alkylierung gewonnen werden Ungluumlcklicherweise reagieren Organolithium- oder Grignard-Reagenn
CH2 CHLi CuI (CH2=CH)2CuLi LiI+ +Ethenyllithium Lithiumdiethenylcuprat
(ein Organocuprat-Reagenz) Lthiumcuprate reagieren mit Halogenalkanen in sogenannten Kupplungsreaktionen unter Bildung substituierter Alkene Primaumlre Iodide sind dazu am besten geeignet aber auch andere primaumlre und sekundaumlre Halogenalkane geben befriedigende Resultate
R2CuLi RX R R LiX+ +
CCH3
CH
C17
CH3
HC20
HC
23
CH3
HC26
H
CH2(CH2)6CH3
1 Li(CH3CH2)2O2 CuI CuLi
CH3(CH2)6CH2IHMPT
11H 14 Cl2
Lithium-bis(trans-1-propenyl)cuprat90
trans-2-Undecen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 30 von 37 Herstellung von C-X-Bindungen Veresterung von Alkoholen mit Mineralsaumluren
Finkelsteinreaktion (RF-Verbindungen mit Krypat-Unterstuumltzung) Bei der Finkelstein-Reaktion handelt es sich um eine nucleophile Halogenid-Austausch-Reaktion zur Synthese von Iodiden und Fluoriden aus Bromiden und Chloriden zB
R X NaI R I NaX+Aceton
+ X = Cl Br
SN2
Eine Komponente der Triebkraft dieser Reaktion hat physikalische Ursachen die n und sekundaumlren
lkylhalogeniden unguumlnstige Lage der Gleichgewichte fuumlr eine SN2-Reaktion Loumlslichkeit Bei dieser Reaktion wird die bei tertiaumlreA
R X I I R X
I R X=
++
urch physikalisch-chemische Effekte beguumlnstigt naumlmlich dadurch dass NaBr und aCl in Aceton schlecht loumlslich sind und ausfallen Dadurch werden die leichgewichte irreversibel verschoben und die Reaktion verlaumluft somit im ewuumlnschten Sinne
eispiel
dNGg B
C16
CH3 CH
Br 223 Hin Aceton
CH3
CCHCH3
C I+NaI + NaBr
CH32 CH3
2SN2
Es findet keine Neophenylumlagerung statt das heiszligt dass keine SN1-Reaktion stattfindet In einer Variante der Finkelstein-Reaktion wird der Tosylat-Rest gegen Halogenid ausgetascht Ansonsten aber arbeitet man nach dem gleichen Prinzip
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 31 von 37
30 Elektrophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom
Am alipatischen C-Atom sind elektrophile Substitutionen moumlglich wenn die C-X-Bindung so polarisiert ist dass das C-Atom eine negative und die Abgangsgruppe
s der ilen
tion Man kann jedoch zwischen folgenden Mechanismen nterscheiden
1 SE1 analog SN2 (Racemisierung)
2 SE2-back analog SN2 (Inversion)
3 S 2-front analog S i (Retention)
analog S i (Retention)
31 SE1-Reaktion
ierbei handelt es sich um eine Reaktion erster Ordnung die zweistufig verlaumluft
eine positive Ladung traumlgt Diese Voraussetzungen sind vor allem bei metallorganischen und CH-aciden Verbindungen erfuumlllt Der Mechanismuelektrophilen alipathischen Substitution ist nicht so klar wie der der nucleophaliphatischen Substituu
E N
4 S i E N
H
langsamR X R
R Y+ R Y+
Geeignete Loumlsungsmittel fuumlr SE1-Reaktionen sind Dimethylformamid (DMF) undHexamethylphosphorsaumluretriamid (HMPA)
O N(CH3)2
HN(CH3)2
POH3)2
N(CH3)2
HMPA
N(CDMF
Stereochemie der SE1-Reaktion
Die Stereochemie von SE1-Reaktionen verlaumluft nicht einheitlich Im Allgemeinen isch aktive Verbindungen einsetzt Dies
kann zwei Ursachen haben 1 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist
ufig der Fall wenn es sich um mesomeriestabilisierte
2 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist pyramidal gebaut kann jedoch seine Struktur nicht halten (vergleichbar dem schnellen Durchschwingen von unsymmetrisch substituierten Aminen)
findet man Racematisierung wenn man opt
planar Dies ist hauml
Carbanionen handelt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 32 von 37 In Ausnahmefaumlllen kann jedoch auch bei planaren (mesomeristabilisierCarbanionen je nach Wahl des Loumls
ten) ungsmittel Inversion Retention oder
Racemisierung auftreten was durch unterschiedliche Solvatationseffekte erklaumlrt wird Beispiel fuumlr eine S 1-Reaktion E
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
HgBrRacemat
langsam
(-)+ HgBr+
+HgBr2
-HgB 2
rHgBr
Hg = isotopenmarkiertes Hg
32 S 2-ReaktionE E
eaktionen sind bimolekular Beide Mechanismus verglichen werden
Y
und S i-Reaktion
SE2 und SEi-R anisund SNi-Mech
men koumlnnen mit dem SN2-
C47
Y X
SE2 (back) nfalls um einen Frontangriff unter
C C X29
X C35
Y
X
41
SE2 (front)
Beim SEi ndashMechanismus handelt es sich ebeRetention
Y zY z
C53 X C60 XSEi
Die Bildung cyclischer Uumlbergangszustaumlnde die 4- oder 6-gliedrig sein koumlnnen foumlrdert die Losloumlsung der Abgangsgruppe Stereochemie von SE2-Reaktionen und von SEi-Reaktionen
Fuumlr die h den nucleuphilen Substitutionen von Be
8 Valenzelektronen haumltte Da nun zwischen den beiden Elektronenwolken Coulomb-Abstoszligung auftritt erfolgt der Angriff des Nucleophils gezwungenermaszligen von der Ruumlckseite des Molekuumlls Die Folge ist Inversion Anders ist es dagegen beim SE2- und Sei-Mechanismus Das angreifende Elektrophil besitzt nur ein leeres Orbital und somit ist sowohl der Front- als auch der
angriff unter Inversion verlaumluft laumlsst die Stereochemie der SE-Reaktion nur schwer Ruumlckschluumlsse auf den Mechanismus zu
Stereoc emie ist folgender Unterschied zu deutung
Bei SN-Reaktionen bringt das angreifende Nucleophil ein Elektronenpaar mit Daher muss die Abgangsgruppe bei der Neubildung der Bindung ein Elektronenpaar mitnehmen da sonst das C-Atom mehr als
Ruumlckseiten-Angriff moumlglich Da der Frontangriff unter Retention der Ruumlckseiten
Skript zum 2 OC-Kolloquium
33 Anwendungen
reu
Seite 33 von 37
Herstellung einfacher metallorganischer Verbindungen
etall-H-Austausch
aumluren betrachtet werden Dabei nimmt die H-Aciditaumlt mit zunehmendem s-Charakter der Hybridisierung zu
sp CH3 CH3
M C-H-Verbindungen koumlnnen als schwache SC Hybridisierung
3Saumlure konjugierte Base pKa-W
sp2
CH3 CH2 Zunahme der
sp
2 2
CH CH
CH2 CH
CH C15(-)
25
Aciditaumlt
Da eine staumlrkere Saumlu
ert 42
365
(-)
CH CH (-)
re eine schwaumlchere aus ihrem Salz vertreibt reagiert eine konjugierte Base mit jeder Saumlure die in der Tabelle unter ihr steht Elektronegative Gruppen an Aromaten wirken acidifizierend Beispiele
HC H Na
NaC2H6
Li H
+
pKa 42schwaumlchere Saumlure
Pentan
pKa 37schwaumlchere Saumlu
pKa 35 staumlkere Sauml re
+ Pentan +
schwaumlchere Saumlure
2 5+pKa 37 staumlkere Saumlure
Na CH3 H CH2Na
+ Pentan +
H H H LipKa 37pKa 23
staumlkere Saumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 10 von 37 HX-Addition an C=C-Doppelbindungen Setzt man frisch destilliertes 1-Buten mit Bromwasserstoff um wird entsprechend der Markownikow-Regel Addition 2-Brombutan beobachtet In Gegenwart von Sauerstoff beobachtet man jedoch die Bildung von 1-Brombutan das ein anti-Markownikow-Produkt darstellt Der Grund fuumlr diese Beobachtung ist dass die Anwesenheit des Sauerstoffs zur Peroxiden ROOR fuumlhrt und der Reaktionsmechanismus somit als Radikalreaktion ablaumluft Man spricht in diesem Zusammenhang auch vom Peroxid-Effekt Der Mechanismus laumlsst sich wie folgt beschreiben
R O O R R O
R O R O H Br
Initiation∆
2
+ HBr∆
+
C CH2
H
CH2CH3
Br
CH3 CH2
CH
CH2
BrH
Br
Kettenwachstum
+ CH3CH2CH-CH2Brsekundaumlres Radikal
CH3CH2CH-CH2Br + HBr +
Br
CH3 CH2
CH
CH2
Br
CH
CH2
BrCH2
CH3
Kettenabbruch
2 Br2
CH3CH2CH-CH2Br2
Halogenierung von Alkanen (Radikalkettenreaktion) Von groszliger technischer Bedeutung sind radikale Kettenreaktionen Formal wird eine Radikalkettenreaktion in 3 Teilschritte eingeteilt Im Folgenden wird der radikalischen Kettenreaktion anhand der Chlorierung von Methan betrachtet Die Reaktionsprodukte der radikalischen Halogenierung sind Chlormethan und Chlorwasserstoff sowie Nebenprodukte in sehr geringen Mengen
Cl ClH3 C H H3 C Cl H ClLichtWaumlrme+ +
440 kJmol 243 kJmol 356 kJmol 431 kJmol
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 11 von 37 ∆Hdeg= ((440 + 243) ndash (356 + 431)) kJmol = -104 kJmol (exotherm) Die radikale Kettenreaktion wird gestartet durch die Spaltung eines Chlormolekuumlls durch Waumlrmezufuhr oder Lichteinfall Kettenstart
Cl Cl Cl hν 2 ∆Hdeg= 243 kJmol
Im zweiten Schritt greift das Chlorradikal das Methanmolekuumll an Dabei wird eine der Wasserstoff-Kohlenstoffbindungen des Methans homolytisch gespalten und man erhaumllt Chlorwasserstoff sowie ein Methylradikal Wasserstoffabspaltung (1 Kettenfortpflanzung)
Cl CH
HH
H C H
HH
+ HCl +
440 kJmol 431 kJmol ∆Hdeg= + 9 kJmol
C
HH
H
H ClC 1
HH
H
C
H H
H
H Cl
Lappen waumlchst
+ H Cl
Im anschlieszligenden Reaktionsschritt greift nun das Methylradikal ein Chlormolekuumll an und unter homolytischer Spaltung der Chlor-Chlorbindung entsteht Chlormethan sowie ein Chlorradikal welches wiederum im vorhergehenden Schritt mit einem Methanmolekuumll reagieren kann Chlorierung des Methans (2 Kettenfortpflanzung)
C H
HH
Cl Cl CH
HH
Cl Cl + +
243 kJmol 356 kJmol
in 2
∆Hdeg= -113 kJmol
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 12 von 37 Zu Ende der Kettenreaktion findet eine Rekombination der verschiedenen Radikale statt und man erhaumllt ein Chlormolekuumll ein Ethanmolekuumll oder ein Chlormethanmolekuumll als Produkt Kettenabruchreaktion
Clmiddot + Clmiddot rarr Cl-Cl middotCH3 + middot CH3 rarr H3C-CH3
middotCH3 + Clmiddot rarr H3C-Cl Die radikale Kettenreaktion verlaumluft uumlber eine Zwischenstufe sowie zwei Uumlbergangszustaumlnde welche in dem folgenden Energiediagramm zu erkennen sind E
[H3C H Cl]ne
[H3C Cl Cl]ne
Uumlbergangszustand
CH3 + Cl2 + HCl
Zwischenstufe
CH4 + Cl + Cl2
Reaktionskinetik
Abb Energiediagramm Die radikalische Chlorierung von Methan kann durch weitere Substitutionen von Wasserstoffatomen durch Chloratome weiter bis zum Tetrachlormethan gefuumlhrt werden
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 13 von 37 Ziegler-Wohl-Bromierung
enen in der Allylstellung mit N-Bromsuccinimid ei 0degC
ittel welches die C=C-Doppelbindung nicht
BS N-Bromsuccinimid
Selektive Bromierung von AlkN-Bromsuccinimid NBS entsteht durch Einwirkung von Brom auf Succinimid bin Gegenwart von Natriumhdroxid NBS ist ein selektives Bromierungsmangreift N
N
O
O
Br N
O
O
Br
tart
Licht oderPeroxide +
S
Br CH3 CH
CH2CH2 C
HCH2
BrH
CH2 CH
CH2 Br2 CH2
CH
CH2
BrBr
N
O
O
Br BrH N
O
O
H Br2
Kette
+ +
+ +
+ +
niedrige-Konzentrationenvon Br2Solvens CCl4
Die alpha staumlndige Methylengruppe wird rascher bromiert als die Me hylgruppe
andmeyer-Reaktion us der Sandmeyer-Reaktion ist noch nicht geklaumlrt Die
t SDer genaue MechanismReaktion verlaumluft aber vermutlich uumlber zwei radikalische Zwischenstufen
CH3
NH2
CH3
N2
CH3
ClHCl NaNO2 0degC
+Cl-CuCl 60degC
+ N2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 14 von 37 Autoxidation
ther ER2CH OR O2 R2C OR R2C OR
O O
R2C ORO O H
+
Aldehyde
C6H5 C7
HO
O2 C6H5 C12
O
H O O
C6H5 C19
OO2 C6H5 C
23
OO O
C6H5 C28
OO O C6H5 C
33H
OC6H5 C
37
OO O H C6H5 C43
O
C6H5 C47
OO O H C6H5 C
53H
OC6H5 C
57
OO H
+ +
+
+ +
+ 2
ock-Verfahren H
C HC6H5
3
CH3
O2 C OC6H5
CH3
CH3
O HH
+
C6H5 OH CCH3
CH3
O+
CH
racken en von langkettigen Alkanen wird als Cracken bezeichnet Derartige
eine
isch aus hunderten verschiedener Alkane Der groumlszligte Teil wird
it l)
s Benzin zu erhalten werden laumlngerkettige Kohlenwasserstoffe durch rs
ende Radikale
CDas ZerlegProzesse spielen in der Erdoumllindustrie bei der Darstellung von Benzin aus Erdoumll wichtige Rolle Erdoumll ist ein Gemdurch langkettige wenig verzweigte Alkane gebildet Ein kleiner Teil besteht aus aromatischen Verbindungen Benzin ist ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen meiner Laumlnge von 4-12 Kohlenstoffatomen und ist in Erdoumll bis zu 30 (Volumenanteienthalten Um weiterefraktionierte Destillation abgetrennt und bei 500degC in Gegenwart eines Katalysato(Wolfram oder Nickel auf einer SiO2-Al2O3-Oberflaumlche) pyrolysiert Die Reaktion findet in einer Wasserstoffatmosphaumlre statt um entstehmit Wasserstoffatomen abfangen zu koumlnnen Auszligerdem koumlnnen Alkene zu AlkanenStickstoffhaltige Verbindungen zu NH3 und Schwefelhaltige Verbindungen zu H2S hydriert werden Man erhaumllt nach dem Cracken Erdoumll mit einem Benzin Anteil von 50
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 15 von 37
CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3
C HH
HC C C C C
H
H
H
H
H
H
H
H
H
HH
C C HH
H
H
HC C C C H
HH
H H H
H H H
+
+
Pyrolyse von Hexan
C C C H
H
H
HH
H
H2
20 Nucleophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom Bei einer Nucleophilen Substitution wird eine Abgangsgruppe unter hetereolytischer Spaltung der Bindung gegen ein Nucleophil ausgetauscht Nucleophile sind neutrale Teilchen oder Anionen welche mindestens ein freies Elektronenpaar aufweisen Gute Nucleophile sind gut polarisierbar und besitzen eine geringe Elektronegativitaumlt Sterisch anspruchsvolle Nucleophile hingegen sind schlechte Nucleophile Auszliger den bereits genannten Faktoren beeinflusst auch die Staumlrke der neu gebildeten Bindung die Guumlte eines Nucleophils Beispiele fuumlr neutrale Nucleophile sind H2O ROH RSH NR3 PR3 Beispiele fuumlr Anionische Nucleophile sind Hal- RO- HO- RS- Fuumlr die Guumlte der Abgangsgruppe (Necleofuge) gilt im Allgemeinen dass je staumlrker die konjugierte Saumlure desto besser das Nucleofug
I- gt Br- gt Cl- gt F- Man kann des weiteren Nucleofuge durch Zugabe von H+ -OH2
+ -OHR+ aktivieren Bei Nucleophilen Substitutionen unterscheidet man zwischen SN1 SN2 und SNi- Reaktionen 21 Die Bimolekulare nucleophile Substitution SN2 Zunaumlchst greift ein Nucleophil (in diesem Fall das Hydroxidion) am partiell positiv geladenen Kohlenstoffatom ruumlckseitig an Dabei entsteht ein fuumlnfbindiger (pentavalenter) Uumlbergangszustand Die Abspaltung des Chloridions sowie die Anlagerung des Hydroxidions erfolgt gleichzeitig und man erhaumllt als Reaktionsprodukt Methanol und ein Chloridion
C ClH
H H
HO
C ClH
H HOH
COHH
H HCl
- =
-+
-
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 16 von 37 Das Energiediagramm fuumlr eine solche Reaktion sieht wie folgt aus
Uumlbergangszustand ne
Edukte
Produkte
Neben der ruumlckseitigen Anlagerung des Nucleophils koumlnnte das Nucleophil auch vorderseitig angelagert werden Jedoch zeigen entsprechende Experimente dass diese Anlagerung nicht stattfindet
CCH3
HBr
CH2CH3
CCH3
H
BrCH2CH3
I
IC
CH3
HI
CH2CH3
Br
HBrI
CH2CH3CH3
C CH3
HI
CH2CH3
Br
- =
Vorderseitenangriff
--+
Retention
(S)-2-Brombutan
(S)-2-Iodbutan
- =
Ruumlckseitenangriff
Inversion
-+
(R)-2-Iodbutan Im folgenden soll eine kurze Uumlbersicht uumlber moumlgliche Nucleophile sowie die dabei entstehenden Produkte gegeben werden
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 17 von 37
-Hydroxid
R OH Alkohol
OR-Alkoxid
R OR Ether HOH R O
H
HR O H
+ -H+
Alkohol R OH R O H
RR O R-H+
Ether
R CO
O Carboxylat
R O C RO Ester
NH3 Ammoniak R NH3 R NH2
+ -H+
Amin R 2NH primaumlres Amin R NH2R R NHR
+ -H+
sekundaumlres Amin
R2 NH sekundaumlres Amin R NHR 2 R NR2+ -H+
tertiaumlres Amin
R3N tertiaumlres Amin R NR3+
R-SH Thiol R-S- Mereaptidion R-SR Thioether R2S
SRRR
+
kan CN- Cyanid R-CN Nitriole C C R R C C R A
schiene F
Nucleophil (Nu) R-Nu
O H
HS- Hydrogensulfidion
Sulfoniumion I- Iodid R-I Iodal
Acetylid cetylen
Es gibt ver aktoren die den Ablauf der SN2-Reaktion bestimmen Zum einen
I-gt Br- gt Cl- gt F-
beeinflusst die Guumlte der Abgangsgruppe den Verlauf der Reaktion Dabei beguumlnstigen stabile Abgangsgruppen den Verlauf der Reaktion
R S OO
OR S O
O
OR S O
O
O
CO
OC
O
OC
O
O-
--
--
-
uszligerdem beeinflusst die Art des Nucleophils den Verlauf der SN2-Reaktion Dabei wird die Reaktion durch negativ geladene Nucleophile ohne sterische Hinderung beguumlnstigt
A
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 18 von 37
22 Die Monokulare Substitution SN1 Neben der bimolekularen Substitution kann bei Halogenalkanen noch eine weitere
ndash die monomolekulare Substitution iese Form der Substitution tritt allerdings bevorzugt bei sekundaumlr oder tertiaumlr
lten
Substituenten in eine Ebene und das zentrale
Form der nucleophilen Substitution auftretenDgebundenen Halogenen auf Bei der Monomolekularen Substitution wird zunaumlchst das Halogenidion abgespaund es bildet sich ein Carbeniumion Anschlieszligend bdquoklappenldquo die drei noch am Kohlenstoffatom verbliebenenKohlenstoffatom nimmt eine sp2-Hybridisierung ein Danach kann die Anlagerung des Nucleophils erfolgen
CH3
OH2
C Br
CH2CH2CH3CH2CH2
Br CCH3
CH2CH2CH3
CH2CH3
OH2
C
C3
OH CH2CH3
CH2CH2CH3
C
OH
CH3
CH2CH2CH3CH2CH3
-
(R)
+
(S)-Methyl-3-hexanal
InversionRetention
-HBr -HBr
(R)-3-Methyl-3-hexanal
+
2
H
Da das Carbeniumion eine sp -Hybridisierung aufweist kann bei der SN1-Reaktion eine vorder- und eine ruumlckseitige Anlagerung des Nucleophils erfolgen Das Energiediagramm einer solchen Reaktion sieht wie folgt aus E
C BrCH3
CH3
CH3
Br (CH3)3C(CH3)3 C OH BrH2O+ -+ ++ -
Die SN1-Reaktion laumluft im Allgemeinen schneller als die SN2-Reaktion ab Dazu ist es aber noumltig dass sich ein stabiles Carbeniumion ausbilden kann Die Stabilitaumlt des Carbeniumions haumlngt von den Substituenten ab Dabei gelten tertiaumlre Carbeniumionen als besonders stabil
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 19 von 37
C
CH3
CH3
CH3 C
H
CH3
CH3 C
H
H
CH3 C
H
H
H+ + + +
CH3tertiaumlr sekundaumlr primaumlr
+gt gt gt
Der Grund fuumlr die Stabilitaumlt der tertiaumlren Carbeniumionen ist der hyperkonjugative Effekt der Alkylgruppen Dabei bdquoverschiebenldquo die Alkylsubstituenten ihre Elektronendichte zum Kation
CHH
CCH2
CH2
CH2
H
H
+ +
Alkylsubstituenten schieben Elektronendichte zum Kation
H
H
Die folgende Tabelle soll einen kurzen Vergleich zwischen SN1- und SN2-Reaktion ziehen
Vergleich von S 2 und S 1 N NReaktionsparameter SN2 SN1 Struktur des Halogenids primaumlr selten
zyl Alkyl) haumlufig
(Bensekundaumlr manchmal anchmal mtertiaumlr selten haumlufig
Racemisierung Loumlsungsmittel olare
smittel verzoumlgert olare
e Loumlsungsmittel wird durch pLoumlsung
wird durch pprotischbeschleunigt
Nucleophil Anionische Nu beguumlnstigt schlechte Abgangsgruppe gute Abgangsgruppe
bevorzugt SN1 Erhoumlhung der NucleophDie Nucleophilie e
ilieines Nucle em Maszlige w n
erabgesetzt wird Eine Verminderung der Solvatation erreicht man durch Kronether
durch Kryptatbildung ophils steigt in d ie die Solvatatio
Stereochemie Inversion
andere Abgangsgruppe als Halogenides
bevorzugt SN2
h(engl crown) zB
O
O
O
O
OO
O
O OK
+
Y
12-Crown-418-Crown-6
Kryptat
O
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 20 von 37 Bezeichnung der Kronether Die Zahl vor bdquoCrownldquo gibt die Gesamtzahl der Ringatome die Zahl dahinter die Anzahl der Sauerstoffatome an In diesen Alkylkryptaten wird das Gegenion des Nucleophils K+ komplex gebunden auszligerdem findet in unpolaren organischen Loumlsungsmitteln in denen die Kryptatte loumlslich sind nur geringe Solvatation statt so dass das Nucleophil gewissermaszligen bdquonacktldquo vorliegt und dadurch seine volle nucleophile Kraft entfalten kann Kronether werden durch eine Williamsonrsquosche Ethersynthese dargestellt
OHO OCl O O40
O OH Cl O OO
O+
-HCl
O
18-Crown-6Triethylenglykol Triethylenglykoldicklorid
Beschleunigte nucleophile Substitution Die Nachbarschaftsgruppenbeteiligung von Y fuumlhrt zu einer beschleunigten nucleophilen Substitution und erklaumlrt durch zweimalige Inversion die Retention Das Elektronenpaar der Nachbargruppe Y kann ein ein freies Elektronenpaar (Hetereoatome) oder eine π-Bindung sein (Alkene Arene) in Einzelfaumlllen auch eine C-C-Bindung (2-Norbornylkation)
LGY| Y NuInversion|Nu
-+ Inversion
Y|
LG Abgangsgruppe-LG
-
23 SNi-Reaktion Unter dem SNi-Mechanismus versteht man eine innere nucleophile Substitution die nach einem internen SN2-Mechanismus ablaumluft und somit unter Beibehaltung der Konfiguration Ein typisches Beispiel ist der Austausch einer OH-Gruppe gegen Chlor mit SOCl2
COOH
HCOOH
COOH
O SCl
COOHH ClCl2
-SO2
R(-)-Chlorbernsteinsaumlure
H OH +SO
CH2
COOHCH2
O CH2
COOH
in Dioxan-HCl
R(+)-Aumlpfelsaumlure
Hierbei bleibt die Konfiguration erhalten da primaumlr der instabile Chlorsulfinsaumlureester gebildet wird und durch diese Bindung das Nucleophil von derselben Seite angreifen muss Dies fuumlhrt zur Retention Der SNi-Mechanismus ist jedoch stark loumlsungsmittelabhaumlngig denn fuumlhrt man dieselbe Reaktion in Pyridin durch so erhaumllt man 100 Waldenumkehr also SN2-Mechanismus
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 21 von 37 Der Grund hierfuumlr ist in der unterschiedlichen Basenstaumlrke zu sehen zwischen Dioxan und Oyridin Dioxan ist nur eine schwache Base
O
O
O
OH
+ HCl
+
Cl-
Das Gleichgewicht liegt weit auf der linken Seite wodurch das Nucleophil Cl- als HCl gebunden vorliegt Anders ist es dagegen in Pyridin
CR1
R2 OH CR1
R2 OSOClR1+SOCl2 PyrH+Cl-
R3 R3C
R3R2Cl
SN2+ - -
Hierbei greift das aus dem PyrH Cl stammende Nucleophil Cl in einer SN2-Reaktion den entstehenden Chlorsulfinsaumlureester von der Ruumlckseite her an was zur Konfigurationsumkehr fuumlhrt 24 Anwendungen
ubstitution von Halogeniden
siehe SN1 und SN2-Mechanismen saure Veretherung
Eine zweite Alkoholfunktion kann sich nun das enachbarte Kohlenstoffatom nucleophil angreifen Nach der Abspaltung eines
nes Protons erhaumllt man einen Ether
Herstellung von C-O-Bindungen S
Man kann bei Anwesenheit einer Saumlure [H2SO4] zwei Alkohole durch eine saure Veretherung in einen Ether uumlberfuumlhren Dabei wird zunaumlchst eine der Alkoholfunktionen protoniert bWassermolekuumlls und ei
CH3CH2OH
CH3CH2OH
CH3CH2 OH
H
CH3CH2OH
CH3CH2 O HCH3CH2
CH3CH2 O
H+ + -H2O +
++ H
+
CH3CH2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 22 von 37 Etherspaltung In Ethern kann die ROR-Gruppe in Anwesenheit einer Saumlure protoniert werden Im nachfolgenden Schritt erfolgt ein nucleophiler Angriff des Halogenid-Anions Man erhaumllt als Produkt ein Halogenalkan und ein Alkohol
CH3CH2OCH2CH3 CH3CH2 OCH2CH3
H
CH3CH2 OCH2CH3
H
H+
+
Dialkyloxonium-Ion
+Br +-
CH3CH2Br + HOCH2CH3
Williamson-Synthese
e
H3C-CH2-O-CH2-CH3 Diethylether
Ether Alkoyalkan R-O-R
O
Tetrahydrfuran(THF)
CH3 CH2 O Na Br CH2CH3 CH3 CH2 O CH2 CH3
- + +SN2
intermolekularNaBr+
den zuvor beschriebenen Kapiteln koumlnnen verschiedene eaktionsmechanismen zusammen wirken Ein bedeutendes Beispiel dafuumlr ist die
rung von Carbonsaumluren mit Alkoholen Dabei wird zunaumlchst ein Nucleophil an as Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe addiert Anschlieszligend erfolgt die
Da Alkohole schlechte Nucleophile sind muumlssen derartige Reaktionen durch Saumlure (meist Schwefelsaumlure) katalysiert werden Im ersten Schritt lagert sich das Proton an das nicht saure Sauerstoffatom an Diesfuumlhrt zu einer positiven Ladung am Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe Hierdurch wird nun der nucleophile Angriff des Alkohols beguumlnstigt Durch die Anlagerung eines weiteren Proton wird nun die schon einmal protonierte Hydroxygruppen ein weiteres
al protoniert und somit in eine gute Abgangsgruppe umgewandelt Nach der s Wassers wird die andere Hydroxygruppe deprotoniert und man erhaumllt
Veresterung Neben den in RVerestedAbspaltung des Carboxylsauerstoffatoms
mAbspaltung deeinen Ester als Reaktionsprodukt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 23 von 37
O
OH
O
OH
H
R C OH
Nu
C O
Nu HNu
R C
O
Nu
+
+ Nu
+
+- H-H2O
Mechanismus der Veresterung (Saumlure katalysiert)
R C R C- +
+ Nu + H -δ+
OH
R
OHH
R C
O H ++ H
H2O +
+
Substitution von Diazoniumsalzen Darstellung von Salpetrigsaumlureestern
CH2 OH
C2 OH
NO(-) CH2 O
CHCH2
OO
NNN
OOO
+H++ 3 H2OCH OH 2+
H
erstellung der C-S-Bindungen arstellung von Thiolen und Thioethern nalog der Williamsonrsquoschen Ethersynthese lassen sich auch Thioether darstellen
HDA
R Br R SH NaBrMercaptane
Na+ HS-+ +
ich jedoch aufgrund ihrer groumlszligeren den Alkoholen nur schlecht abfangen Thioethern weiterreagieren lassen
Dabei entstehen primaumlr Mercaptane die sucleophilie gegenuumlber den entsprechenN
lassen und sofort zu den entsprechenden
R1 SH R2 X R1 S R2 HXThioether
+Base
SN2+
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 24 von 37 Eine selektrive Herstellung von Mercaptanen durch nucleophile Substitution von
hioharnstoff-Methode Alkylhalogeniden erfolgt mit der T
NH2
CNH
NH2
SH
NH2
CO2 3
+
OH- H2O
2+
CNH2
S
RX CNH2
NH2
SR CNH2
NH2
SR CNH2
SR
s-Alkylthiuroniumsalze
++ +
iso-ThioharnstoffR SH NH+
Herstellung der C-N- Bindung Gabriel-Synthese Ein nichtreduktiver Zugang zu primaumlren Aminen geht von dem Anion von 2-Benzoldicarboximid (Phtalimid) aus dem cyclischen Imid der 12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure) Dieses Verfahren ist als Gabriel-Sysnthese bekannt Da das Stickstoffatom in 12-Benzoldicarboximid (Phtalamis) von zwei Carbonylfunktionen flankiert ist ist die NH-Gruppe ungewoumlhnlich acide (pKa = 83) staumlrker als ein gewoumlhnliches Amid (pKa = 15) Sie wird deshalb bereits von einer so milden Base wie dem Carbonat-Ion deprotoniert das entstehende Anion wird in guter Ausbeute alkyliert Durch saure Hydrolyse setzt man das Amin anschlieszligend als Ammoniumsalz frei Behandelt man dieses mit Base erhaumllt man das freie Amin
O
O
O
O
O
2OH
O
CH CH2NH3HSO4
O
O
O
O
CH CCH2NH2
+
NaOH H2O
+Na+
Na+
N-2-Propinyl-12-benzoldicarboximid (N-Propargylphtalimid)
2-Propinamin (Propargylamin)
wird bei waumlssriger Aufarbeitung entfernt
O
OH
OH
O
NH N K+NH3 300degC
-H2O
K2CO3 H2O
CH CCH2Br
N
O
CH CH CHOH
O
DMF 100degC-KBr
H2SO4 H2O 120degC+ -
12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure)
9712-Benzoldicarboximid (Phtalimid)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 25 von 37 Hinsberg-Reaktion Die Hinsberg-Reaktion bietet die Moumlglichkeit ausgehend von primaumlren Aminen gezielt sekundaumlre Amine herzustellen
R NH2 Cl ts R NH
ts R N ts
-HCl
acides H
KOH
-H2O
(-)
K(+)
R N ts
NR
Rts NH
R
RtsOK
(-)
K(+)+R-X
-KX
Verseifung
H2O
ts = Tosylat = CH3 SO2
Quarternisierung von Aminen Nitroalkanen Isonitrilen Herstellung von C-C-Bindungen Nitrilsynthese (nach Kolbe)
ogenide meist Methyliodid oder primaumlre Alkyliodide mit eim
mit tertiaumlren Alkylhalogeniden ndash erhaumllt man jedoch hauptsaumlchlich Isonitrile
Setzt man AlkylhalNatriumcyanid um so erhaumllt man hauptsaumlchlich die entsprechenden Cyanide BUmsatz von Silbercyanid ndash vor allem
CH3 I
CH3 CN
CH3 N C 7
Acetonitril
Methylisonitril
SN2-artig
+NaCN -NaI
SN1-artig
+AgCN -AgI
er Grund fuumlr dieses Reaktionsverhalten liegt darin dass das Silber-Kation die unterstuumltzt In einer SN1-seinem
lektronegativsten Atom an im Falle der Kolbersquoschen Nitrilsynthese mit dem N-Atom ieser SN1-artige Verlauf fuumlhrt somit zu Isonitrilen at die Reaktion jedoch mehr bimolekularen Charakter so greift das ambidente CN(-) evorzugt mit dem weniger elektronegativeren dafuumlr mehr polarisierbaren Atom an ies fuumlhrt zur Bildung von Nitrilen ie Verhaumlltnisse beim CN(-) sind denen des NO2
(-) aumlhnlich Das Wesentliche ist dabei er SN1- bzw SN2-Charakter der Reaktion Dieser Charakter laumlsst sich durch die
oumlsungsmittelwahl bzw Kryptat-Einfluss in eine
DBildung eines Carbenium-Ions foumlrdert und die SN1-Reaktion rtigen Reaktion greift jedoch das ambidente Nucleophil mit a
eDHbDDdWahl des Nucleophils und durch Lbestimmte Richtung lenken
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 26 von 37 Darstellung von Alkinen Alkine koumlnnen aus anderen Alkinen erhalten werden durch Reaktion terminaler Alkinyl-Anionen mit alkylierenden Reagenzien wie primaumlren Halogenalkanen
xacyclopropanen Aldehyden und Ketonen Wie wir wissen werden solche Anionen aus terminalen Alkinen durch Deprotonierung mit starken Basen meist Alkyllithium-Verbidnungen Natriumamid in fluumlssigem Ammoniak oder Grignard-Reagenzien gewonnen Die Alkylierung mit primaumlren Halogenalkanen erfolgt uumlblicherweise in fluumlssigem Ammoniak oder Ethern Diese Loumlsungsmittel enthalten bisweilen 12-Ethandiamin H2NCH2CH2NH2 NNNrsquoNrsquo-Tetramethyl-12-ethandiamin (TMEDA) (CH3)2NCH2CH2N(CH3)2 oder HMPT als Cosolventien um die Nucleophilie des Anions zu erhoumlhen
O
CH3C CH CH3C C24
(-) (+)Na CH3C
NaNH2 fl NH3
-NH2H
CH3I
-NaI75
CCH3
2-Butin
C36
CH C44
CCH2CH2CH31 CH3CH2CH2CH2CH2Li THF H2NCH2CH2NH22 CH3CH2CH2Br
n
-LiBr85
1-Pentinylcyclohexa
enz
Alkylierung von Ketonen Die konjugierte Addition gefolgt von einer Alkylierung stellt eine nuumltzliche Sequzur αβ-Dialkylierung undgesaumlttigter Carbonylverbindungen
CO
1 R2CuLi
C C C C CR R
O O OBeispiel
1 (CH CH
O2 RX
CH3
CH CH2CH2CH3
CH3
CH2CH2CH2CH3
3 2CH2CH2)2CuLi THF2 CH3I +
84 4 1 trans- und cis-3-Butyl-2-methylcyclohexanon
2
itionGewoumlhnliche Grignard-Verbindungen reagieren mit αβ-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen in einer 12-Add einer 14-Addition oder beiden Weegen je nach Struktur Reaktionsbedingungen und reagierenden Verbindungen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 27 von 37 β-Dicarbonylverbindungen
laisen-Kondensationen fuumlhren zu β-Dicarbonylverbindungen Ethylacetat reagiert en Natriumethoxid zu Ethyl-3-oxobutanoat
Cmit stoumlchiometrischen Meng(Ethylacetacetat Acetessigester)
CH3 C2
OO
CH2CH3CH3 C
7O
OCH2CH3 CH3 C
12
OCH2
C16
OO
CH2CH3+Na+-OCH2CH3 CH3CH2OH
-CH3CH2OHEthylacetat Ethyl-3-oxobutanoat
(Ethylacetacetat) Die Claisen-Kondensation beginnt mit der Bildung eines Esterenolat-Ions Durch eine Additions-Eliminierungs-Reaktion an die Carbonylgruppe eines anderen Estermolekuumlls entsteht ein 3-Ketoester Diese Schritte sind reversibel und der geamte Vorgang ist bis zu dieser Stufe endotherm Besonders unguumlnstig ist die Deprotonierung des Esters (pKa = 25) durch Ethoxid (pKa von Ethanol = 159) Das Gleichgewicht ist trotzdem zum Produkt verschoben da die Basde den 3-Ketoester (pKa = 11) an C2 praktisch irreversibel deprotoniert Bei der Aufarbeitung mit waumlssriger Saumlure wird die konjugierte Base des Produkts protoniert womit der Prozess abgeschlossen ist
CH3 C21
O CH2CH3 Na+ CH2 C
27 OCH2CH3
CH2 C32
O
OCH2CH3
+ CH3CH2OH
O O(-)
(-)Bildung des Esterenolats
Na+-OCH2CH3
CH3 C37
OO
CH2CH3CH2 C
42O
OCH2CH3
(-)CH3 C
48OCH2CH3
O
CH2
C52
OCH2CH3
O
+
Eliminierung
Nucleophile Addition
CH3 C56
OCH2CH3
O
CH2
C60
OCH2CH3
O
CH3 C64
CH2
C66
OCH2CH3
O O
+ -OCH2CH3
Ketoester
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 28 von 37
CH3 C71
CH2
C73
OCH2CH3
O O
CH3 C78
CH C80
OCH2CH3
O O
CH3 C92
CH
C94
OCH2CH3
O OCH3 C
99CH
C101
OCH2CH3
O O(-)
CH3 C85
CH2
C87
OCH2CH3
O O
Deprtotonierung
+ -OCH2CH3
sauer pKa = 11
+CH3CH2OH
CH3 CCHO
COCH2CH3
O(-)CH3 CCH2
OCOCH2CH3
O
Protonierung bei der waumlssrigen Aufarbeitung
H+ H2O
Zur Vermeidung einer Umesterung sollten sich das Alkoxid und der Ester von demselben Alkohol ableiten lassen Malonestersynthese Mit der Malonester-Synthese erhaumllt man Carbonsaumluren Diethylpropandioat (Malonsaumlureester) ist ein gutes Ausgangsmaterial zur Darstellung 2-substituierter oder 22-disubstituierter Carbonsaumluren in einem Verfahren das man Malonestersynthese nennt
CH3 CH2
O C CH2
OCO
O CH2
CH3CH3 C
H2
O C CO
CO
O CH2
CH3
R
R
CR
RH COOH
22-disubstituierte Carbonsaumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 29 von 37 α β-ungesaumlttigte Ketone Bei α- β-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen tritt neben der 12-Verknuumlfung auch 14-Verknuumlpfung bei der Pinakol-Reaktion auf
CH2 CH
CH
O CH2 CH
CH
CH
CH
CH2
OH OH
12-Verknuumlpfung
2Zn
Ethanol 0degC
68
O O On
O O
2
14-Verknuumlpfung
+ e(-)
(-) (-)
lkylierung von Cupraten alten Doppelbindungen an denen einfache Alkylgruppen
ebunden sind Im Prinzip koumlnnen diese Verbindungen aus organometallischen
zien RLi bzw RMgX im allgemeinen icht mit Halogenalkanen Es gibt aber einen anderen Typ organometallischer
Reagenzien die Organocuprate die hier sehr effektiv wirken Organocuprate besitzen die stoumlchiometrische Zusammensetzung R2CuLi und koumlnnen direkt durch Addition zweier Aumlquivalente einer Organolithium-Verbidnung an ein Aumlquevalent Kupferiodid CuI dargestellt werden Beispiel
AViele wichtige Molekuumlle enthgReagenzien durch direkte Alkylierung gewonnen werden Ungluumlcklicherweise reagieren Organolithium- oder Grignard-Reagenn
CH2 CHLi CuI (CH2=CH)2CuLi LiI+ +Ethenyllithium Lithiumdiethenylcuprat
(ein Organocuprat-Reagenz) Lthiumcuprate reagieren mit Halogenalkanen in sogenannten Kupplungsreaktionen unter Bildung substituierter Alkene Primaumlre Iodide sind dazu am besten geeignet aber auch andere primaumlre und sekundaumlre Halogenalkane geben befriedigende Resultate
R2CuLi RX R R LiX+ +
CCH3
CH
C17
CH3
HC20
HC
23
CH3
HC26
H
CH2(CH2)6CH3
1 Li(CH3CH2)2O2 CuI CuLi
CH3(CH2)6CH2IHMPT
11H 14 Cl2
Lithium-bis(trans-1-propenyl)cuprat90
trans-2-Undecen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 30 von 37 Herstellung von C-X-Bindungen Veresterung von Alkoholen mit Mineralsaumluren
Finkelsteinreaktion (RF-Verbindungen mit Krypat-Unterstuumltzung) Bei der Finkelstein-Reaktion handelt es sich um eine nucleophile Halogenid-Austausch-Reaktion zur Synthese von Iodiden und Fluoriden aus Bromiden und Chloriden zB
R X NaI R I NaX+Aceton
+ X = Cl Br
SN2
Eine Komponente der Triebkraft dieser Reaktion hat physikalische Ursachen die n und sekundaumlren
lkylhalogeniden unguumlnstige Lage der Gleichgewichte fuumlr eine SN2-Reaktion Loumlslichkeit Bei dieser Reaktion wird die bei tertiaumlreA
R X I I R X
I R X=
++
urch physikalisch-chemische Effekte beguumlnstigt naumlmlich dadurch dass NaBr und aCl in Aceton schlecht loumlslich sind und ausfallen Dadurch werden die leichgewichte irreversibel verschoben und die Reaktion verlaumluft somit im ewuumlnschten Sinne
eispiel
dNGg B
C16
CH3 CH
Br 223 Hin Aceton
CH3
CCHCH3
C I+NaI + NaBr
CH32 CH3
2SN2
Es findet keine Neophenylumlagerung statt das heiszligt dass keine SN1-Reaktion stattfindet In einer Variante der Finkelstein-Reaktion wird der Tosylat-Rest gegen Halogenid ausgetascht Ansonsten aber arbeitet man nach dem gleichen Prinzip
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 31 von 37
30 Elektrophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom
Am alipatischen C-Atom sind elektrophile Substitutionen moumlglich wenn die C-X-Bindung so polarisiert ist dass das C-Atom eine negative und die Abgangsgruppe
s der ilen
tion Man kann jedoch zwischen folgenden Mechanismen nterscheiden
1 SE1 analog SN2 (Racemisierung)
2 SE2-back analog SN2 (Inversion)
3 S 2-front analog S i (Retention)
analog S i (Retention)
31 SE1-Reaktion
ierbei handelt es sich um eine Reaktion erster Ordnung die zweistufig verlaumluft
eine positive Ladung traumlgt Diese Voraussetzungen sind vor allem bei metallorganischen und CH-aciden Verbindungen erfuumlllt Der Mechanismuelektrophilen alipathischen Substitution ist nicht so klar wie der der nucleophaliphatischen Substituu
E N
4 S i E N
H
langsamR X R
R Y+ R Y+
Geeignete Loumlsungsmittel fuumlr SE1-Reaktionen sind Dimethylformamid (DMF) undHexamethylphosphorsaumluretriamid (HMPA)
O N(CH3)2
HN(CH3)2
POH3)2
N(CH3)2
HMPA
N(CDMF
Stereochemie der SE1-Reaktion
Die Stereochemie von SE1-Reaktionen verlaumluft nicht einheitlich Im Allgemeinen isch aktive Verbindungen einsetzt Dies
kann zwei Ursachen haben 1 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist
ufig der Fall wenn es sich um mesomeriestabilisierte
2 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist pyramidal gebaut kann jedoch seine Struktur nicht halten (vergleichbar dem schnellen Durchschwingen von unsymmetrisch substituierten Aminen)
findet man Racematisierung wenn man opt
planar Dies ist hauml
Carbanionen handelt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 32 von 37 In Ausnahmefaumlllen kann jedoch auch bei planaren (mesomeristabilisierCarbanionen je nach Wahl des Loumls
ten) ungsmittel Inversion Retention oder
Racemisierung auftreten was durch unterschiedliche Solvatationseffekte erklaumlrt wird Beispiel fuumlr eine S 1-Reaktion E
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
HgBrRacemat
langsam
(-)+ HgBr+
+HgBr2
-HgB 2
rHgBr
Hg = isotopenmarkiertes Hg
32 S 2-ReaktionE E
eaktionen sind bimolekular Beide Mechanismus verglichen werden
Y
und S i-Reaktion
SE2 und SEi-R anisund SNi-Mech
men koumlnnen mit dem SN2-
C47
Y X
SE2 (back) nfalls um einen Frontangriff unter
C C X29
X C35
Y
X
41
SE2 (front)
Beim SEi ndashMechanismus handelt es sich ebeRetention
Y zY z
C53 X C60 XSEi
Die Bildung cyclischer Uumlbergangszustaumlnde die 4- oder 6-gliedrig sein koumlnnen foumlrdert die Losloumlsung der Abgangsgruppe Stereochemie von SE2-Reaktionen und von SEi-Reaktionen
Fuumlr die h den nucleuphilen Substitutionen von Be
8 Valenzelektronen haumltte Da nun zwischen den beiden Elektronenwolken Coulomb-Abstoszligung auftritt erfolgt der Angriff des Nucleophils gezwungenermaszligen von der Ruumlckseite des Molekuumlls Die Folge ist Inversion Anders ist es dagegen beim SE2- und Sei-Mechanismus Das angreifende Elektrophil besitzt nur ein leeres Orbital und somit ist sowohl der Front- als auch der
angriff unter Inversion verlaumluft laumlsst die Stereochemie der SE-Reaktion nur schwer Ruumlckschluumlsse auf den Mechanismus zu
Stereoc emie ist folgender Unterschied zu deutung
Bei SN-Reaktionen bringt das angreifende Nucleophil ein Elektronenpaar mit Daher muss die Abgangsgruppe bei der Neubildung der Bindung ein Elektronenpaar mitnehmen da sonst das C-Atom mehr als
Ruumlckseiten-Angriff moumlglich Da der Frontangriff unter Retention der Ruumlckseiten
Skript zum 2 OC-Kolloquium
33 Anwendungen
reu
Seite 33 von 37
Herstellung einfacher metallorganischer Verbindungen
etall-H-Austausch
aumluren betrachtet werden Dabei nimmt die H-Aciditaumlt mit zunehmendem s-Charakter der Hybridisierung zu
sp CH3 CH3
M C-H-Verbindungen koumlnnen als schwache SC Hybridisierung
3Saumlure konjugierte Base pKa-W
sp2
CH3 CH2 Zunahme der
sp
2 2
CH CH
CH2 CH
CH C15(-)
25
Aciditaumlt
Da eine staumlrkere Saumlu
ert 42
365
(-)
CH CH (-)
re eine schwaumlchere aus ihrem Salz vertreibt reagiert eine konjugierte Base mit jeder Saumlure die in der Tabelle unter ihr steht Elektronegative Gruppen an Aromaten wirken acidifizierend Beispiele
HC H Na
NaC2H6
Li H
+
pKa 42schwaumlchere Saumlure
Pentan
pKa 37schwaumlchere Saumlu
pKa 35 staumlkere Sauml re
+ Pentan +
schwaumlchere Saumlure
2 5+pKa 37 staumlkere Saumlure
Na CH3 H CH2Na
+ Pentan +
H H H LipKa 37pKa 23
staumlkere Saumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 11 von 37 ∆Hdeg= ((440 + 243) ndash (356 + 431)) kJmol = -104 kJmol (exotherm) Die radikale Kettenreaktion wird gestartet durch die Spaltung eines Chlormolekuumlls durch Waumlrmezufuhr oder Lichteinfall Kettenstart
Cl Cl Cl hν 2 ∆Hdeg= 243 kJmol
Im zweiten Schritt greift das Chlorradikal das Methanmolekuumll an Dabei wird eine der Wasserstoff-Kohlenstoffbindungen des Methans homolytisch gespalten und man erhaumllt Chlorwasserstoff sowie ein Methylradikal Wasserstoffabspaltung (1 Kettenfortpflanzung)
Cl CH
HH
H C H
HH
+ HCl +
440 kJmol 431 kJmol ∆Hdeg= + 9 kJmol
C
HH
H
H ClC 1
HH
H
C
H H
H
H Cl
Lappen waumlchst
+ H Cl
Im anschlieszligenden Reaktionsschritt greift nun das Methylradikal ein Chlormolekuumll an und unter homolytischer Spaltung der Chlor-Chlorbindung entsteht Chlormethan sowie ein Chlorradikal welches wiederum im vorhergehenden Schritt mit einem Methanmolekuumll reagieren kann Chlorierung des Methans (2 Kettenfortpflanzung)
C H
HH
Cl Cl CH
HH
Cl Cl + +
243 kJmol 356 kJmol
in 2
∆Hdeg= -113 kJmol
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 12 von 37 Zu Ende der Kettenreaktion findet eine Rekombination der verschiedenen Radikale statt und man erhaumllt ein Chlormolekuumll ein Ethanmolekuumll oder ein Chlormethanmolekuumll als Produkt Kettenabruchreaktion
Clmiddot + Clmiddot rarr Cl-Cl middotCH3 + middot CH3 rarr H3C-CH3
middotCH3 + Clmiddot rarr H3C-Cl Die radikale Kettenreaktion verlaumluft uumlber eine Zwischenstufe sowie zwei Uumlbergangszustaumlnde welche in dem folgenden Energiediagramm zu erkennen sind E
[H3C H Cl]ne
[H3C Cl Cl]ne
Uumlbergangszustand
CH3 + Cl2 + HCl
Zwischenstufe
CH4 + Cl + Cl2
Reaktionskinetik
Abb Energiediagramm Die radikalische Chlorierung von Methan kann durch weitere Substitutionen von Wasserstoffatomen durch Chloratome weiter bis zum Tetrachlormethan gefuumlhrt werden
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 13 von 37 Ziegler-Wohl-Bromierung
enen in der Allylstellung mit N-Bromsuccinimid ei 0degC
ittel welches die C=C-Doppelbindung nicht
BS N-Bromsuccinimid
Selektive Bromierung von AlkN-Bromsuccinimid NBS entsteht durch Einwirkung von Brom auf Succinimid bin Gegenwart von Natriumhdroxid NBS ist ein selektives Bromierungsmangreift N
N
O
O
Br N
O
O
Br
tart
Licht oderPeroxide +
S
Br CH3 CH
CH2CH2 C
HCH2
BrH
CH2 CH
CH2 Br2 CH2
CH
CH2
BrBr
N
O
O
Br BrH N
O
O
H Br2
Kette
+ +
+ +
+ +
niedrige-Konzentrationenvon Br2Solvens CCl4
Die alpha staumlndige Methylengruppe wird rascher bromiert als die Me hylgruppe
andmeyer-Reaktion us der Sandmeyer-Reaktion ist noch nicht geklaumlrt Die
t SDer genaue MechanismReaktion verlaumluft aber vermutlich uumlber zwei radikalische Zwischenstufen
CH3
NH2
CH3
N2
CH3
ClHCl NaNO2 0degC
+Cl-CuCl 60degC
+ N2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 14 von 37 Autoxidation
ther ER2CH OR O2 R2C OR R2C OR
O O
R2C ORO O H
+
Aldehyde
C6H5 C7
HO
O2 C6H5 C12
O
H O O
C6H5 C19
OO2 C6H5 C
23
OO O
C6H5 C28
OO O C6H5 C
33H
OC6H5 C
37
OO O H C6H5 C43
O
C6H5 C47
OO O H C6H5 C
53H
OC6H5 C
57
OO H
+ +
+
+ +
+ 2
ock-Verfahren H
C HC6H5
3
CH3
O2 C OC6H5
CH3
CH3
O HH
+
C6H5 OH CCH3
CH3
O+
CH
racken en von langkettigen Alkanen wird als Cracken bezeichnet Derartige
eine
isch aus hunderten verschiedener Alkane Der groumlszligte Teil wird
it l)
s Benzin zu erhalten werden laumlngerkettige Kohlenwasserstoffe durch rs
ende Radikale
CDas ZerlegProzesse spielen in der Erdoumllindustrie bei der Darstellung von Benzin aus Erdoumll wichtige Rolle Erdoumll ist ein Gemdurch langkettige wenig verzweigte Alkane gebildet Ein kleiner Teil besteht aus aromatischen Verbindungen Benzin ist ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen meiner Laumlnge von 4-12 Kohlenstoffatomen und ist in Erdoumll bis zu 30 (Volumenanteienthalten Um weiterefraktionierte Destillation abgetrennt und bei 500degC in Gegenwart eines Katalysato(Wolfram oder Nickel auf einer SiO2-Al2O3-Oberflaumlche) pyrolysiert Die Reaktion findet in einer Wasserstoffatmosphaumlre statt um entstehmit Wasserstoffatomen abfangen zu koumlnnen Auszligerdem koumlnnen Alkene zu AlkanenStickstoffhaltige Verbindungen zu NH3 und Schwefelhaltige Verbindungen zu H2S hydriert werden Man erhaumllt nach dem Cracken Erdoumll mit einem Benzin Anteil von 50
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 15 von 37
CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3
C HH
HC C C C C
H
H
H
H
H
H
H
H
H
HH
C C HH
H
H
HC C C C H
HH
H H H
H H H
+
+
Pyrolyse von Hexan
C C C H
H
H
HH
H
H2
20 Nucleophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom Bei einer Nucleophilen Substitution wird eine Abgangsgruppe unter hetereolytischer Spaltung der Bindung gegen ein Nucleophil ausgetauscht Nucleophile sind neutrale Teilchen oder Anionen welche mindestens ein freies Elektronenpaar aufweisen Gute Nucleophile sind gut polarisierbar und besitzen eine geringe Elektronegativitaumlt Sterisch anspruchsvolle Nucleophile hingegen sind schlechte Nucleophile Auszliger den bereits genannten Faktoren beeinflusst auch die Staumlrke der neu gebildeten Bindung die Guumlte eines Nucleophils Beispiele fuumlr neutrale Nucleophile sind H2O ROH RSH NR3 PR3 Beispiele fuumlr Anionische Nucleophile sind Hal- RO- HO- RS- Fuumlr die Guumlte der Abgangsgruppe (Necleofuge) gilt im Allgemeinen dass je staumlrker die konjugierte Saumlure desto besser das Nucleofug
I- gt Br- gt Cl- gt F- Man kann des weiteren Nucleofuge durch Zugabe von H+ -OH2
+ -OHR+ aktivieren Bei Nucleophilen Substitutionen unterscheidet man zwischen SN1 SN2 und SNi- Reaktionen 21 Die Bimolekulare nucleophile Substitution SN2 Zunaumlchst greift ein Nucleophil (in diesem Fall das Hydroxidion) am partiell positiv geladenen Kohlenstoffatom ruumlckseitig an Dabei entsteht ein fuumlnfbindiger (pentavalenter) Uumlbergangszustand Die Abspaltung des Chloridions sowie die Anlagerung des Hydroxidions erfolgt gleichzeitig und man erhaumllt als Reaktionsprodukt Methanol und ein Chloridion
C ClH
H H
HO
C ClH
H HOH
COHH
H HCl
- =
-+
-
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 16 von 37 Das Energiediagramm fuumlr eine solche Reaktion sieht wie folgt aus
Uumlbergangszustand ne
Edukte
Produkte
Neben der ruumlckseitigen Anlagerung des Nucleophils koumlnnte das Nucleophil auch vorderseitig angelagert werden Jedoch zeigen entsprechende Experimente dass diese Anlagerung nicht stattfindet
CCH3
HBr
CH2CH3
CCH3
H
BrCH2CH3
I
IC
CH3
HI
CH2CH3
Br
HBrI
CH2CH3CH3
C CH3
HI
CH2CH3
Br
- =
Vorderseitenangriff
--+
Retention
(S)-2-Brombutan
(S)-2-Iodbutan
- =
Ruumlckseitenangriff
Inversion
-+
(R)-2-Iodbutan Im folgenden soll eine kurze Uumlbersicht uumlber moumlgliche Nucleophile sowie die dabei entstehenden Produkte gegeben werden
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 17 von 37
-Hydroxid
R OH Alkohol
OR-Alkoxid
R OR Ether HOH R O
H
HR O H
+ -H+
Alkohol R OH R O H
RR O R-H+
Ether
R CO
O Carboxylat
R O C RO Ester
NH3 Ammoniak R NH3 R NH2
+ -H+
Amin R 2NH primaumlres Amin R NH2R R NHR
+ -H+
sekundaumlres Amin
R2 NH sekundaumlres Amin R NHR 2 R NR2+ -H+
tertiaumlres Amin
R3N tertiaumlres Amin R NR3+
R-SH Thiol R-S- Mereaptidion R-SR Thioether R2S
SRRR
+
kan CN- Cyanid R-CN Nitriole C C R R C C R A
schiene F
Nucleophil (Nu) R-Nu
O H
HS- Hydrogensulfidion
Sulfoniumion I- Iodid R-I Iodal
Acetylid cetylen
Es gibt ver aktoren die den Ablauf der SN2-Reaktion bestimmen Zum einen
I-gt Br- gt Cl- gt F-
beeinflusst die Guumlte der Abgangsgruppe den Verlauf der Reaktion Dabei beguumlnstigen stabile Abgangsgruppen den Verlauf der Reaktion
R S OO
OR S O
O
OR S O
O
O
CO
OC
O
OC
O
O-
--
--
-
uszligerdem beeinflusst die Art des Nucleophils den Verlauf der SN2-Reaktion Dabei wird die Reaktion durch negativ geladene Nucleophile ohne sterische Hinderung beguumlnstigt
A
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 18 von 37
22 Die Monokulare Substitution SN1 Neben der bimolekularen Substitution kann bei Halogenalkanen noch eine weitere
ndash die monomolekulare Substitution iese Form der Substitution tritt allerdings bevorzugt bei sekundaumlr oder tertiaumlr
lten
Substituenten in eine Ebene und das zentrale
Form der nucleophilen Substitution auftretenDgebundenen Halogenen auf Bei der Monomolekularen Substitution wird zunaumlchst das Halogenidion abgespaund es bildet sich ein Carbeniumion Anschlieszligend bdquoklappenldquo die drei noch am Kohlenstoffatom verbliebenenKohlenstoffatom nimmt eine sp2-Hybridisierung ein Danach kann die Anlagerung des Nucleophils erfolgen
CH3
OH2
C Br
CH2CH2CH3CH2CH2
Br CCH3
CH2CH2CH3
CH2CH3
OH2
C
C3
OH CH2CH3
CH2CH2CH3
C
OH
CH3
CH2CH2CH3CH2CH3
-
(R)
+
(S)-Methyl-3-hexanal
InversionRetention
-HBr -HBr
(R)-3-Methyl-3-hexanal
+
2
H
Da das Carbeniumion eine sp -Hybridisierung aufweist kann bei der SN1-Reaktion eine vorder- und eine ruumlckseitige Anlagerung des Nucleophils erfolgen Das Energiediagramm einer solchen Reaktion sieht wie folgt aus E
C BrCH3
CH3
CH3
Br (CH3)3C(CH3)3 C OH BrH2O+ -+ ++ -
Die SN1-Reaktion laumluft im Allgemeinen schneller als die SN2-Reaktion ab Dazu ist es aber noumltig dass sich ein stabiles Carbeniumion ausbilden kann Die Stabilitaumlt des Carbeniumions haumlngt von den Substituenten ab Dabei gelten tertiaumlre Carbeniumionen als besonders stabil
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 19 von 37
C
CH3
CH3
CH3 C
H
CH3
CH3 C
H
H
CH3 C
H
H
H+ + + +
CH3tertiaumlr sekundaumlr primaumlr
+gt gt gt
Der Grund fuumlr die Stabilitaumlt der tertiaumlren Carbeniumionen ist der hyperkonjugative Effekt der Alkylgruppen Dabei bdquoverschiebenldquo die Alkylsubstituenten ihre Elektronendichte zum Kation
CHH
CCH2
CH2
CH2
H
H
+ +
Alkylsubstituenten schieben Elektronendichte zum Kation
H
H
Die folgende Tabelle soll einen kurzen Vergleich zwischen SN1- und SN2-Reaktion ziehen
Vergleich von S 2 und S 1 N NReaktionsparameter SN2 SN1 Struktur des Halogenids primaumlr selten
zyl Alkyl) haumlufig
(Bensekundaumlr manchmal anchmal mtertiaumlr selten haumlufig
Racemisierung Loumlsungsmittel olare
smittel verzoumlgert olare
e Loumlsungsmittel wird durch pLoumlsung
wird durch pprotischbeschleunigt
Nucleophil Anionische Nu beguumlnstigt schlechte Abgangsgruppe gute Abgangsgruppe
bevorzugt SN1 Erhoumlhung der NucleophDie Nucleophilie e
ilieines Nucle em Maszlige w n
erabgesetzt wird Eine Verminderung der Solvatation erreicht man durch Kronether
durch Kryptatbildung ophils steigt in d ie die Solvatatio
Stereochemie Inversion
andere Abgangsgruppe als Halogenides
bevorzugt SN2
h(engl crown) zB
O
O
O
O
OO
O
O OK
+
Y
12-Crown-418-Crown-6
Kryptat
O
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 20 von 37 Bezeichnung der Kronether Die Zahl vor bdquoCrownldquo gibt die Gesamtzahl der Ringatome die Zahl dahinter die Anzahl der Sauerstoffatome an In diesen Alkylkryptaten wird das Gegenion des Nucleophils K+ komplex gebunden auszligerdem findet in unpolaren organischen Loumlsungsmitteln in denen die Kryptatte loumlslich sind nur geringe Solvatation statt so dass das Nucleophil gewissermaszligen bdquonacktldquo vorliegt und dadurch seine volle nucleophile Kraft entfalten kann Kronether werden durch eine Williamsonrsquosche Ethersynthese dargestellt
OHO OCl O O40
O OH Cl O OO
O+
-HCl
O
18-Crown-6Triethylenglykol Triethylenglykoldicklorid
Beschleunigte nucleophile Substitution Die Nachbarschaftsgruppenbeteiligung von Y fuumlhrt zu einer beschleunigten nucleophilen Substitution und erklaumlrt durch zweimalige Inversion die Retention Das Elektronenpaar der Nachbargruppe Y kann ein ein freies Elektronenpaar (Hetereoatome) oder eine π-Bindung sein (Alkene Arene) in Einzelfaumlllen auch eine C-C-Bindung (2-Norbornylkation)
LGY| Y NuInversion|Nu
-+ Inversion
Y|
LG Abgangsgruppe-LG
-
23 SNi-Reaktion Unter dem SNi-Mechanismus versteht man eine innere nucleophile Substitution die nach einem internen SN2-Mechanismus ablaumluft und somit unter Beibehaltung der Konfiguration Ein typisches Beispiel ist der Austausch einer OH-Gruppe gegen Chlor mit SOCl2
COOH
HCOOH
COOH
O SCl
COOHH ClCl2
-SO2
R(-)-Chlorbernsteinsaumlure
H OH +SO
CH2
COOHCH2
O CH2
COOH
in Dioxan-HCl
R(+)-Aumlpfelsaumlure
Hierbei bleibt die Konfiguration erhalten da primaumlr der instabile Chlorsulfinsaumlureester gebildet wird und durch diese Bindung das Nucleophil von derselben Seite angreifen muss Dies fuumlhrt zur Retention Der SNi-Mechanismus ist jedoch stark loumlsungsmittelabhaumlngig denn fuumlhrt man dieselbe Reaktion in Pyridin durch so erhaumllt man 100 Waldenumkehr also SN2-Mechanismus
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 21 von 37 Der Grund hierfuumlr ist in der unterschiedlichen Basenstaumlrke zu sehen zwischen Dioxan und Oyridin Dioxan ist nur eine schwache Base
O
O
O
OH
+ HCl
+
Cl-
Das Gleichgewicht liegt weit auf der linken Seite wodurch das Nucleophil Cl- als HCl gebunden vorliegt Anders ist es dagegen in Pyridin
CR1
R2 OH CR1
R2 OSOClR1+SOCl2 PyrH+Cl-
R3 R3C
R3R2Cl
SN2+ - -
Hierbei greift das aus dem PyrH Cl stammende Nucleophil Cl in einer SN2-Reaktion den entstehenden Chlorsulfinsaumlureester von der Ruumlckseite her an was zur Konfigurationsumkehr fuumlhrt 24 Anwendungen
ubstitution von Halogeniden
siehe SN1 und SN2-Mechanismen saure Veretherung
Eine zweite Alkoholfunktion kann sich nun das enachbarte Kohlenstoffatom nucleophil angreifen Nach der Abspaltung eines
nes Protons erhaumllt man einen Ether
Herstellung von C-O-Bindungen S
Man kann bei Anwesenheit einer Saumlure [H2SO4] zwei Alkohole durch eine saure Veretherung in einen Ether uumlberfuumlhren Dabei wird zunaumlchst eine der Alkoholfunktionen protoniert bWassermolekuumlls und ei
CH3CH2OH
CH3CH2OH
CH3CH2 OH
H
CH3CH2OH
CH3CH2 O HCH3CH2
CH3CH2 O
H+ + -H2O +
++ H
+
CH3CH2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 22 von 37 Etherspaltung In Ethern kann die ROR-Gruppe in Anwesenheit einer Saumlure protoniert werden Im nachfolgenden Schritt erfolgt ein nucleophiler Angriff des Halogenid-Anions Man erhaumllt als Produkt ein Halogenalkan und ein Alkohol
CH3CH2OCH2CH3 CH3CH2 OCH2CH3
H
CH3CH2 OCH2CH3
H
H+
+
Dialkyloxonium-Ion
+Br +-
CH3CH2Br + HOCH2CH3
Williamson-Synthese
e
H3C-CH2-O-CH2-CH3 Diethylether
Ether Alkoyalkan R-O-R
O
Tetrahydrfuran(THF)
CH3 CH2 O Na Br CH2CH3 CH3 CH2 O CH2 CH3
- + +SN2
intermolekularNaBr+
den zuvor beschriebenen Kapiteln koumlnnen verschiedene eaktionsmechanismen zusammen wirken Ein bedeutendes Beispiel dafuumlr ist die
rung von Carbonsaumluren mit Alkoholen Dabei wird zunaumlchst ein Nucleophil an as Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe addiert Anschlieszligend erfolgt die
Da Alkohole schlechte Nucleophile sind muumlssen derartige Reaktionen durch Saumlure (meist Schwefelsaumlure) katalysiert werden Im ersten Schritt lagert sich das Proton an das nicht saure Sauerstoffatom an Diesfuumlhrt zu einer positiven Ladung am Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe Hierdurch wird nun der nucleophile Angriff des Alkohols beguumlnstigt Durch die Anlagerung eines weiteren Proton wird nun die schon einmal protonierte Hydroxygruppen ein weiteres
al protoniert und somit in eine gute Abgangsgruppe umgewandelt Nach der s Wassers wird die andere Hydroxygruppe deprotoniert und man erhaumllt
Veresterung Neben den in RVerestedAbspaltung des Carboxylsauerstoffatoms
mAbspaltung deeinen Ester als Reaktionsprodukt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 23 von 37
O
OH
O
OH
H
R C OH
Nu
C O
Nu HNu
R C
O
Nu
+
+ Nu
+
+- H-H2O
Mechanismus der Veresterung (Saumlure katalysiert)
R C R C- +
+ Nu + H -δ+
OH
R
OHH
R C
O H ++ H
H2O +
+
Substitution von Diazoniumsalzen Darstellung von Salpetrigsaumlureestern
CH2 OH
C2 OH
NO(-) CH2 O
CHCH2
OO
NNN
OOO
+H++ 3 H2OCH OH 2+
H
erstellung der C-S-Bindungen arstellung von Thiolen und Thioethern nalog der Williamsonrsquoschen Ethersynthese lassen sich auch Thioether darstellen
HDA
R Br R SH NaBrMercaptane
Na+ HS-+ +
ich jedoch aufgrund ihrer groumlszligeren den Alkoholen nur schlecht abfangen Thioethern weiterreagieren lassen
Dabei entstehen primaumlr Mercaptane die sucleophilie gegenuumlber den entsprechenN
lassen und sofort zu den entsprechenden
R1 SH R2 X R1 S R2 HXThioether
+Base
SN2+
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 24 von 37 Eine selektrive Herstellung von Mercaptanen durch nucleophile Substitution von
hioharnstoff-Methode Alkylhalogeniden erfolgt mit der T
NH2
CNH
NH2
SH
NH2
CO2 3
+
OH- H2O
2+
CNH2
S
RX CNH2
NH2
SR CNH2
NH2
SR CNH2
SR
s-Alkylthiuroniumsalze
++ +
iso-ThioharnstoffR SH NH+
Herstellung der C-N- Bindung Gabriel-Synthese Ein nichtreduktiver Zugang zu primaumlren Aminen geht von dem Anion von 2-Benzoldicarboximid (Phtalimid) aus dem cyclischen Imid der 12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure) Dieses Verfahren ist als Gabriel-Sysnthese bekannt Da das Stickstoffatom in 12-Benzoldicarboximid (Phtalamis) von zwei Carbonylfunktionen flankiert ist ist die NH-Gruppe ungewoumlhnlich acide (pKa = 83) staumlrker als ein gewoumlhnliches Amid (pKa = 15) Sie wird deshalb bereits von einer so milden Base wie dem Carbonat-Ion deprotoniert das entstehende Anion wird in guter Ausbeute alkyliert Durch saure Hydrolyse setzt man das Amin anschlieszligend als Ammoniumsalz frei Behandelt man dieses mit Base erhaumllt man das freie Amin
O
O
O
O
O
2OH
O
CH CH2NH3HSO4
O
O
O
O
CH CCH2NH2
+
NaOH H2O
+Na+
Na+
N-2-Propinyl-12-benzoldicarboximid (N-Propargylphtalimid)
2-Propinamin (Propargylamin)
wird bei waumlssriger Aufarbeitung entfernt
O
OH
OH
O
NH N K+NH3 300degC
-H2O
K2CO3 H2O
CH CCH2Br
N
O
CH CH CHOH
O
DMF 100degC-KBr
H2SO4 H2O 120degC+ -
12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure)
9712-Benzoldicarboximid (Phtalimid)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 25 von 37 Hinsberg-Reaktion Die Hinsberg-Reaktion bietet die Moumlglichkeit ausgehend von primaumlren Aminen gezielt sekundaumlre Amine herzustellen
R NH2 Cl ts R NH
ts R N ts
-HCl
acides H
KOH
-H2O
(-)
K(+)
R N ts
NR
Rts NH
R
RtsOK
(-)
K(+)+R-X
-KX
Verseifung
H2O
ts = Tosylat = CH3 SO2
Quarternisierung von Aminen Nitroalkanen Isonitrilen Herstellung von C-C-Bindungen Nitrilsynthese (nach Kolbe)
ogenide meist Methyliodid oder primaumlre Alkyliodide mit eim
mit tertiaumlren Alkylhalogeniden ndash erhaumllt man jedoch hauptsaumlchlich Isonitrile
Setzt man AlkylhalNatriumcyanid um so erhaumllt man hauptsaumlchlich die entsprechenden Cyanide BUmsatz von Silbercyanid ndash vor allem
CH3 I
CH3 CN
CH3 N C 7
Acetonitril
Methylisonitril
SN2-artig
+NaCN -NaI
SN1-artig
+AgCN -AgI
er Grund fuumlr dieses Reaktionsverhalten liegt darin dass das Silber-Kation die unterstuumltzt In einer SN1-seinem
lektronegativsten Atom an im Falle der Kolbersquoschen Nitrilsynthese mit dem N-Atom ieser SN1-artige Verlauf fuumlhrt somit zu Isonitrilen at die Reaktion jedoch mehr bimolekularen Charakter so greift das ambidente CN(-) evorzugt mit dem weniger elektronegativeren dafuumlr mehr polarisierbaren Atom an ies fuumlhrt zur Bildung von Nitrilen ie Verhaumlltnisse beim CN(-) sind denen des NO2
(-) aumlhnlich Das Wesentliche ist dabei er SN1- bzw SN2-Charakter der Reaktion Dieser Charakter laumlsst sich durch die
oumlsungsmittelwahl bzw Kryptat-Einfluss in eine
DBildung eines Carbenium-Ions foumlrdert und die SN1-Reaktion rtigen Reaktion greift jedoch das ambidente Nucleophil mit a
eDHbDDdWahl des Nucleophils und durch Lbestimmte Richtung lenken
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 26 von 37 Darstellung von Alkinen Alkine koumlnnen aus anderen Alkinen erhalten werden durch Reaktion terminaler Alkinyl-Anionen mit alkylierenden Reagenzien wie primaumlren Halogenalkanen
xacyclopropanen Aldehyden und Ketonen Wie wir wissen werden solche Anionen aus terminalen Alkinen durch Deprotonierung mit starken Basen meist Alkyllithium-Verbidnungen Natriumamid in fluumlssigem Ammoniak oder Grignard-Reagenzien gewonnen Die Alkylierung mit primaumlren Halogenalkanen erfolgt uumlblicherweise in fluumlssigem Ammoniak oder Ethern Diese Loumlsungsmittel enthalten bisweilen 12-Ethandiamin H2NCH2CH2NH2 NNNrsquoNrsquo-Tetramethyl-12-ethandiamin (TMEDA) (CH3)2NCH2CH2N(CH3)2 oder HMPT als Cosolventien um die Nucleophilie des Anions zu erhoumlhen
O
CH3C CH CH3C C24
(-) (+)Na CH3C
NaNH2 fl NH3
-NH2H
CH3I
-NaI75
CCH3
2-Butin
C36
CH C44
CCH2CH2CH31 CH3CH2CH2CH2CH2Li THF H2NCH2CH2NH22 CH3CH2CH2Br
n
-LiBr85
1-Pentinylcyclohexa
enz
Alkylierung von Ketonen Die konjugierte Addition gefolgt von einer Alkylierung stellt eine nuumltzliche Sequzur αβ-Dialkylierung undgesaumlttigter Carbonylverbindungen
CO
1 R2CuLi
C C C C CR R
O O OBeispiel
1 (CH CH
O2 RX
CH3
CH CH2CH2CH3
CH3
CH2CH2CH2CH3
3 2CH2CH2)2CuLi THF2 CH3I +
84 4 1 trans- und cis-3-Butyl-2-methylcyclohexanon
2
itionGewoumlhnliche Grignard-Verbindungen reagieren mit αβ-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen in einer 12-Add einer 14-Addition oder beiden Weegen je nach Struktur Reaktionsbedingungen und reagierenden Verbindungen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 27 von 37 β-Dicarbonylverbindungen
laisen-Kondensationen fuumlhren zu β-Dicarbonylverbindungen Ethylacetat reagiert en Natriumethoxid zu Ethyl-3-oxobutanoat
Cmit stoumlchiometrischen Meng(Ethylacetacetat Acetessigester)
CH3 C2
OO
CH2CH3CH3 C
7O
OCH2CH3 CH3 C
12
OCH2
C16
OO
CH2CH3+Na+-OCH2CH3 CH3CH2OH
-CH3CH2OHEthylacetat Ethyl-3-oxobutanoat
(Ethylacetacetat) Die Claisen-Kondensation beginnt mit der Bildung eines Esterenolat-Ions Durch eine Additions-Eliminierungs-Reaktion an die Carbonylgruppe eines anderen Estermolekuumlls entsteht ein 3-Ketoester Diese Schritte sind reversibel und der geamte Vorgang ist bis zu dieser Stufe endotherm Besonders unguumlnstig ist die Deprotonierung des Esters (pKa = 25) durch Ethoxid (pKa von Ethanol = 159) Das Gleichgewicht ist trotzdem zum Produkt verschoben da die Basde den 3-Ketoester (pKa = 11) an C2 praktisch irreversibel deprotoniert Bei der Aufarbeitung mit waumlssriger Saumlure wird die konjugierte Base des Produkts protoniert womit der Prozess abgeschlossen ist
CH3 C21
O CH2CH3 Na+ CH2 C
27 OCH2CH3
CH2 C32
O
OCH2CH3
+ CH3CH2OH
O O(-)
(-)Bildung des Esterenolats
Na+-OCH2CH3
CH3 C37
OO
CH2CH3CH2 C
42O
OCH2CH3
(-)CH3 C
48OCH2CH3
O
CH2
C52
OCH2CH3
O
+
Eliminierung
Nucleophile Addition
CH3 C56
OCH2CH3
O
CH2
C60
OCH2CH3
O
CH3 C64
CH2
C66
OCH2CH3
O O
+ -OCH2CH3
Ketoester
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 28 von 37
CH3 C71
CH2
C73
OCH2CH3
O O
CH3 C78
CH C80
OCH2CH3
O O
CH3 C92
CH
C94
OCH2CH3
O OCH3 C
99CH
C101
OCH2CH3
O O(-)
CH3 C85
CH2
C87
OCH2CH3
O O
Deprtotonierung
+ -OCH2CH3
sauer pKa = 11
+CH3CH2OH
CH3 CCHO
COCH2CH3
O(-)CH3 CCH2
OCOCH2CH3
O
Protonierung bei der waumlssrigen Aufarbeitung
H+ H2O
Zur Vermeidung einer Umesterung sollten sich das Alkoxid und der Ester von demselben Alkohol ableiten lassen Malonestersynthese Mit der Malonester-Synthese erhaumllt man Carbonsaumluren Diethylpropandioat (Malonsaumlureester) ist ein gutes Ausgangsmaterial zur Darstellung 2-substituierter oder 22-disubstituierter Carbonsaumluren in einem Verfahren das man Malonestersynthese nennt
CH3 CH2
O C CH2
OCO
O CH2
CH3CH3 C
H2
O C CO
CO
O CH2
CH3
R
R
CR
RH COOH
22-disubstituierte Carbonsaumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 29 von 37 α β-ungesaumlttigte Ketone Bei α- β-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen tritt neben der 12-Verknuumlfung auch 14-Verknuumlpfung bei der Pinakol-Reaktion auf
CH2 CH
CH
O CH2 CH
CH
CH
CH
CH2
OH OH
12-Verknuumlpfung
2Zn
Ethanol 0degC
68
O O On
O O
2
14-Verknuumlpfung
+ e(-)
(-) (-)
lkylierung von Cupraten alten Doppelbindungen an denen einfache Alkylgruppen
ebunden sind Im Prinzip koumlnnen diese Verbindungen aus organometallischen
zien RLi bzw RMgX im allgemeinen icht mit Halogenalkanen Es gibt aber einen anderen Typ organometallischer
Reagenzien die Organocuprate die hier sehr effektiv wirken Organocuprate besitzen die stoumlchiometrische Zusammensetzung R2CuLi und koumlnnen direkt durch Addition zweier Aumlquivalente einer Organolithium-Verbidnung an ein Aumlquevalent Kupferiodid CuI dargestellt werden Beispiel
AViele wichtige Molekuumlle enthgReagenzien durch direkte Alkylierung gewonnen werden Ungluumlcklicherweise reagieren Organolithium- oder Grignard-Reagenn
CH2 CHLi CuI (CH2=CH)2CuLi LiI+ +Ethenyllithium Lithiumdiethenylcuprat
(ein Organocuprat-Reagenz) Lthiumcuprate reagieren mit Halogenalkanen in sogenannten Kupplungsreaktionen unter Bildung substituierter Alkene Primaumlre Iodide sind dazu am besten geeignet aber auch andere primaumlre und sekundaumlre Halogenalkane geben befriedigende Resultate
R2CuLi RX R R LiX+ +
CCH3
CH
C17
CH3
HC20
HC
23
CH3
HC26
H
CH2(CH2)6CH3
1 Li(CH3CH2)2O2 CuI CuLi
CH3(CH2)6CH2IHMPT
11H 14 Cl2
Lithium-bis(trans-1-propenyl)cuprat90
trans-2-Undecen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 30 von 37 Herstellung von C-X-Bindungen Veresterung von Alkoholen mit Mineralsaumluren
Finkelsteinreaktion (RF-Verbindungen mit Krypat-Unterstuumltzung) Bei der Finkelstein-Reaktion handelt es sich um eine nucleophile Halogenid-Austausch-Reaktion zur Synthese von Iodiden und Fluoriden aus Bromiden und Chloriden zB
R X NaI R I NaX+Aceton
+ X = Cl Br
SN2
Eine Komponente der Triebkraft dieser Reaktion hat physikalische Ursachen die n und sekundaumlren
lkylhalogeniden unguumlnstige Lage der Gleichgewichte fuumlr eine SN2-Reaktion Loumlslichkeit Bei dieser Reaktion wird die bei tertiaumlreA
R X I I R X
I R X=
++
urch physikalisch-chemische Effekte beguumlnstigt naumlmlich dadurch dass NaBr und aCl in Aceton schlecht loumlslich sind und ausfallen Dadurch werden die leichgewichte irreversibel verschoben und die Reaktion verlaumluft somit im ewuumlnschten Sinne
eispiel
dNGg B
C16
CH3 CH
Br 223 Hin Aceton
CH3
CCHCH3
C I+NaI + NaBr
CH32 CH3
2SN2
Es findet keine Neophenylumlagerung statt das heiszligt dass keine SN1-Reaktion stattfindet In einer Variante der Finkelstein-Reaktion wird der Tosylat-Rest gegen Halogenid ausgetascht Ansonsten aber arbeitet man nach dem gleichen Prinzip
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 31 von 37
30 Elektrophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom
Am alipatischen C-Atom sind elektrophile Substitutionen moumlglich wenn die C-X-Bindung so polarisiert ist dass das C-Atom eine negative und die Abgangsgruppe
s der ilen
tion Man kann jedoch zwischen folgenden Mechanismen nterscheiden
1 SE1 analog SN2 (Racemisierung)
2 SE2-back analog SN2 (Inversion)
3 S 2-front analog S i (Retention)
analog S i (Retention)
31 SE1-Reaktion
ierbei handelt es sich um eine Reaktion erster Ordnung die zweistufig verlaumluft
eine positive Ladung traumlgt Diese Voraussetzungen sind vor allem bei metallorganischen und CH-aciden Verbindungen erfuumlllt Der Mechanismuelektrophilen alipathischen Substitution ist nicht so klar wie der der nucleophaliphatischen Substituu
E N
4 S i E N
H
langsamR X R
R Y+ R Y+
Geeignete Loumlsungsmittel fuumlr SE1-Reaktionen sind Dimethylformamid (DMF) undHexamethylphosphorsaumluretriamid (HMPA)
O N(CH3)2
HN(CH3)2
POH3)2
N(CH3)2
HMPA
N(CDMF
Stereochemie der SE1-Reaktion
Die Stereochemie von SE1-Reaktionen verlaumluft nicht einheitlich Im Allgemeinen isch aktive Verbindungen einsetzt Dies
kann zwei Ursachen haben 1 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist
ufig der Fall wenn es sich um mesomeriestabilisierte
2 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist pyramidal gebaut kann jedoch seine Struktur nicht halten (vergleichbar dem schnellen Durchschwingen von unsymmetrisch substituierten Aminen)
findet man Racematisierung wenn man opt
planar Dies ist hauml
Carbanionen handelt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 32 von 37 In Ausnahmefaumlllen kann jedoch auch bei planaren (mesomeristabilisierCarbanionen je nach Wahl des Loumls
ten) ungsmittel Inversion Retention oder
Racemisierung auftreten was durch unterschiedliche Solvatationseffekte erklaumlrt wird Beispiel fuumlr eine S 1-Reaktion E
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
HgBrRacemat
langsam
(-)+ HgBr+
+HgBr2
-HgB 2
rHgBr
Hg = isotopenmarkiertes Hg
32 S 2-ReaktionE E
eaktionen sind bimolekular Beide Mechanismus verglichen werden
Y
und S i-Reaktion
SE2 und SEi-R anisund SNi-Mech
men koumlnnen mit dem SN2-
C47
Y X
SE2 (back) nfalls um einen Frontangriff unter
C C X29
X C35
Y
X
41
SE2 (front)
Beim SEi ndashMechanismus handelt es sich ebeRetention
Y zY z
C53 X C60 XSEi
Die Bildung cyclischer Uumlbergangszustaumlnde die 4- oder 6-gliedrig sein koumlnnen foumlrdert die Losloumlsung der Abgangsgruppe Stereochemie von SE2-Reaktionen und von SEi-Reaktionen
Fuumlr die h den nucleuphilen Substitutionen von Be
8 Valenzelektronen haumltte Da nun zwischen den beiden Elektronenwolken Coulomb-Abstoszligung auftritt erfolgt der Angriff des Nucleophils gezwungenermaszligen von der Ruumlckseite des Molekuumlls Die Folge ist Inversion Anders ist es dagegen beim SE2- und Sei-Mechanismus Das angreifende Elektrophil besitzt nur ein leeres Orbital und somit ist sowohl der Front- als auch der
angriff unter Inversion verlaumluft laumlsst die Stereochemie der SE-Reaktion nur schwer Ruumlckschluumlsse auf den Mechanismus zu
Stereoc emie ist folgender Unterschied zu deutung
Bei SN-Reaktionen bringt das angreifende Nucleophil ein Elektronenpaar mit Daher muss die Abgangsgruppe bei der Neubildung der Bindung ein Elektronenpaar mitnehmen da sonst das C-Atom mehr als
Ruumlckseiten-Angriff moumlglich Da der Frontangriff unter Retention der Ruumlckseiten
Skript zum 2 OC-Kolloquium
33 Anwendungen
reu
Seite 33 von 37
Herstellung einfacher metallorganischer Verbindungen
etall-H-Austausch
aumluren betrachtet werden Dabei nimmt die H-Aciditaumlt mit zunehmendem s-Charakter der Hybridisierung zu
sp CH3 CH3
M C-H-Verbindungen koumlnnen als schwache SC Hybridisierung
3Saumlure konjugierte Base pKa-W
sp2
CH3 CH2 Zunahme der
sp
2 2
CH CH
CH2 CH
CH C15(-)
25
Aciditaumlt
Da eine staumlrkere Saumlu
ert 42
365
(-)
CH CH (-)
re eine schwaumlchere aus ihrem Salz vertreibt reagiert eine konjugierte Base mit jeder Saumlure die in der Tabelle unter ihr steht Elektronegative Gruppen an Aromaten wirken acidifizierend Beispiele
HC H Na
NaC2H6
Li H
+
pKa 42schwaumlchere Saumlure
Pentan
pKa 37schwaumlchere Saumlu
pKa 35 staumlkere Sauml re
+ Pentan +
schwaumlchere Saumlure
2 5+pKa 37 staumlkere Saumlure
Na CH3 H CH2Na
+ Pentan +
H H H LipKa 37pKa 23
staumlkere Saumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 12 von 37 Zu Ende der Kettenreaktion findet eine Rekombination der verschiedenen Radikale statt und man erhaumllt ein Chlormolekuumll ein Ethanmolekuumll oder ein Chlormethanmolekuumll als Produkt Kettenabruchreaktion
Clmiddot + Clmiddot rarr Cl-Cl middotCH3 + middot CH3 rarr H3C-CH3
middotCH3 + Clmiddot rarr H3C-Cl Die radikale Kettenreaktion verlaumluft uumlber eine Zwischenstufe sowie zwei Uumlbergangszustaumlnde welche in dem folgenden Energiediagramm zu erkennen sind E
[H3C H Cl]ne
[H3C Cl Cl]ne
Uumlbergangszustand
CH3 + Cl2 + HCl
Zwischenstufe
CH4 + Cl + Cl2
Reaktionskinetik
Abb Energiediagramm Die radikalische Chlorierung von Methan kann durch weitere Substitutionen von Wasserstoffatomen durch Chloratome weiter bis zum Tetrachlormethan gefuumlhrt werden
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 13 von 37 Ziegler-Wohl-Bromierung
enen in der Allylstellung mit N-Bromsuccinimid ei 0degC
ittel welches die C=C-Doppelbindung nicht
BS N-Bromsuccinimid
Selektive Bromierung von AlkN-Bromsuccinimid NBS entsteht durch Einwirkung von Brom auf Succinimid bin Gegenwart von Natriumhdroxid NBS ist ein selektives Bromierungsmangreift N
N
O
O
Br N
O
O
Br
tart
Licht oderPeroxide +
S
Br CH3 CH
CH2CH2 C
HCH2
BrH
CH2 CH
CH2 Br2 CH2
CH
CH2
BrBr
N
O
O
Br BrH N
O
O
H Br2
Kette
+ +
+ +
+ +
niedrige-Konzentrationenvon Br2Solvens CCl4
Die alpha staumlndige Methylengruppe wird rascher bromiert als die Me hylgruppe
andmeyer-Reaktion us der Sandmeyer-Reaktion ist noch nicht geklaumlrt Die
t SDer genaue MechanismReaktion verlaumluft aber vermutlich uumlber zwei radikalische Zwischenstufen
CH3
NH2
CH3
N2
CH3
ClHCl NaNO2 0degC
+Cl-CuCl 60degC
+ N2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 14 von 37 Autoxidation
ther ER2CH OR O2 R2C OR R2C OR
O O
R2C ORO O H
+
Aldehyde
C6H5 C7
HO
O2 C6H5 C12
O
H O O
C6H5 C19
OO2 C6H5 C
23
OO O
C6H5 C28
OO O C6H5 C
33H
OC6H5 C
37
OO O H C6H5 C43
O
C6H5 C47
OO O H C6H5 C
53H
OC6H5 C
57
OO H
+ +
+
+ +
+ 2
ock-Verfahren H
C HC6H5
3
CH3
O2 C OC6H5
CH3
CH3
O HH
+
C6H5 OH CCH3
CH3
O+
CH
racken en von langkettigen Alkanen wird als Cracken bezeichnet Derartige
eine
isch aus hunderten verschiedener Alkane Der groumlszligte Teil wird
it l)
s Benzin zu erhalten werden laumlngerkettige Kohlenwasserstoffe durch rs
ende Radikale
CDas ZerlegProzesse spielen in der Erdoumllindustrie bei der Darstellung von Benzin aus Erdoumll wichtige Rolle Erdoumll ist ein Gemdurch langkettige wenig verzweigte Alkane gebildet Ein kleiner Teil besteht aus aromatischen Verbindungen Benzin ist ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen meiner Laumlnge von 4-12 Kohlenstoffatomen und ist in Erdoumll bis zu 30 (Volumenanteienthalten Um weiterefraktionierte Destillation abgetrennt und bei 500degC in Gegenwart eines Katalysato(Wolfram oder Nickel auf einer SiO2-Al2O3-Oberflaumlche) pyrolysiert Die Reaktion findet in einer Wasserstoffatmosphaumlre statt um entstehmit Wasserstoffatomen abfangen zu koumlnnen Auszligerdem koumlnnen Alkene zu AlkanenStickstoffhaltige Verbindungen zu NH3 und Schwefelhaltige Verbindungen zu H2S hydriert werden Man erhaumllt nach dem Cracken Erdoumll mit einem Benzin Anteil von 50
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 15 von 37
CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3
C HH
HC C C C C
H
H
H
H
H
H
H
H
H
HH
C C HH
H
H
HC C C C H
HH
H H H
H H H
+
+
Pyrolyse von Hexan
C C C H
H
H
HH
H
H2
20 Nucleophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom Bei einer Nucleophilen Substitution wird eine Abgangsgruppe unter hetereolytischer Spaltung der Bindung gegen ein Nucleophil ausgetauscht Nucleophile sind neutrale Teilchen oder Anionen welche mindestens ein freies Elektronenpaar aufweisen Gute Nucleophile sind gut polarisierbar und besitzen eine geringe Elektronegativitaumlt Sterisch anspruchsvolle Nucleophile hingegen sind schlechte Nucleophile Auszliger den bereits genannten Faktoren beeinflusst auch die Staumlrke der neu gebildeten Bindung die Guumlte eines Nucleophils Beispiele fuumlr neutrale Nucleophile sind H2O ROH RSH NR3 PR3 Beispiele fuumlr Anionische Nucleophile sind Hal- RO- HO- RS- Fuumlr die Guumlte der Abgangsgruppe (Necleofuge) gilt im Allgemeinen dass je staumlrker die konjugierte Saumlure desto besser das Nucleofug
I- gt Br- gt Cl- gt F- Man kann des weiteren Nucleofuge durch Zugabe von H+ -OH2
+ -OHR+ aktivieren Bei Nucleophilen Substitutionen unterscheidet man zwischen SN1 SN2 und SNi- Reaktionen 21 Die Bimolekulare nucleophile Substitution SN2 Zunaumlchst greift ein Nucleophil (in diesem Fall das Hydroxidion) am partiell positiv geladenen Kohlenstoffatom ruumlckseitig an Dabei entsteht ein fuumlnfbindiger (pentavalenter) Uumlbergangszustand Die Abspaltung des Chloridions sowie die Anlagerung des Hydroxidions erfolgt gleichzeitig und man erhaumllt als Reaktionsprodukt Methanol und ein Chloridion
C ClH
H H
HO
C ClH
H HOH
COHH
H HCl
- =
-+
-
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 16 von 37 Das Energiediagramm fuumlr eine solche Reaktion sieht wie folgt aus
Uumlbergangszustand ne
Edukte
Produkte
Neben der ruumlckseitigen Anlagerung des Nucleophils koumlnnte das Nucleophil auch vorderseitig angelagert werden Jedoch zeigen entsprechende Experimente dass diese Anlagerung nicht stattfindet
CCH3
HBr
CH2CH3
CCH3
H
BrCH2CH3
I
IC
CH3
HI
CH2CH3
Br
HBrI
CH2CH3CH3
C CH3
HI
CH2CH3
Br
- =
Vorderseitenangriff
--+
Retention
(S)-2-Brombutan
(S)-2-Iodbutan
- =
Ruumlckseitenangriff
Inversion
-+
(R)-2-Iodbutan Im folgenden soll eine kurze Uumlbersicht uumlber moumlgliche Nucleophile sowie die dabei entstehenden Produkte gegeben werden
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 17 von 37
-Hydroxid
R OH Alkohol
OR-Alkoxid
R OR Ether HOH R O
H
HR O H
+ -H+
Alkohol R OH R O H
RR O R-H+
Ether
R CO
O Carboxylat
R O C RO Ester
NH3 Ammoniak R NH3 R NH2
+ -H+
Amin R 2NH primaumlres Amin R NH2R R NHR
+ -H+
sekundaumlres Amin
R2 NH sekundaumlres Amin R NHR 2 R NR2+ -H+
tertiaumlres Amin
R3N tertiaumlres Amin R NR3+
R-SH Thiol R-S- Mereaptidion R-SR Thioether R2S
SRRR
+
kan CN- Cyanid R-CN Nitriole C C R R C C R A
schiene F
Nucleophil (Nu) R-Nu
O H
HS- Hydrogensulfidion
Sulfoniumion I- Iodid R-I Iodal
Acetylid cetylen
Es gibt ver aktoren die den Ablauf der SN2-Reaktion bestimmen Zum einen
I-gt Br- gt Cl- gt F-
beeinflusst die Guumlte der Abgangsgruppe den Verlauf der Reaktion Dabei beguumlnstigen stabile Abgangsgruppen den Verlauf der Reaktion
R S OO
OR S O
O
OR S O
O
O
CO
OC
O
OC
O
O-
--
--
-
uszligerdem beeinflusst die Art des Nucleophils den Verlauf der SN2-Reaktion Dabei wird die Reaktion durch negativ geladene Nucleophile ohne sterische Hinderung beguumlnstigt
A
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 18 von 37
22 Die Monokulare Substitution SN1 Neben der bimolekularen Substitution kann bei Halogenalkanen noch eine weitere
ndash die monomolekulare Substitution iese Form der Substitution tritt allerdings bevorzugt bei sekundaumlr oder tertiaumlr
lten
Substituenten in eine Ebene und das zentrale
Form der nucleophilen Substitution auftretenDgebundenen Halogenen auf Bei der Monomolekularen Substitution wird zunaumlchst das Halogenidion abgespaund es bildet sich ein Carbeniumion Anschlieszligend bdquoklappenldquo die drei noch am Kohlenstoffatom verbliebenenKohlenstoffatom nimmt eine sp2-Hybridisierung ein Danach kann die Anlagerung des Nucleophils erfolgen
CH3
OH2
C Br
CH2CH2CH3CH2CH2
Br CCH3
CH2CH2CH3
CH2CH3
OH2
C
C3
OH CH2CH3
CH2CH2CH3
C
OH
CH3
CH2CH2CH3CH2CH3
-
(R)
+
(S)-Methyl-3-hexanal
InversionRetention
-HBr -HBr
(R)-3-Methyl-3-hexanal
+
2
H
Da das Carbeniumion eine sp -Hybridisierung aufweist kann bei der SN1-Reaktion eine vorder- und eine ruumlckseitige Anlagerung des Nucleophils erfolgen Das Energiediagramm einer solchen Reaktion sieht wie folgt aus E
C BrCH3
CH3
CH3
Br (CH3)3C(CH3)3 C OH BrH2O+ -+ ++ -
Die SN1-Reaktion laumluft im Allgemeinen schneller als die SN2-Reaktion ab Dazu ist es aber noumltig dass sich ein stabiles Carbeniumion ausbilden kann Die Stabilitaumlt des Carbeniumions haumlngt von den Substituenten ab Dabei gelten tertiaumlre Carbeniumionen als besonders stabil
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 19 von 37
C
CH3
CH3
CH3 C
H
CH3
CH3 C
H
H
CH3 C
H
H
H+ + + +
CH3tertiaumlr sekundaumlr primaumlr
+gt gt gt
Der Grund fuumlr die Stabilitaumlt der tertiaumlren Carbeniumionen ist der hyperkonjugative Effekt der Alkylgruppen Dabei bdquoverschiebenldquo die Alkylsubstituenten ihre Elektronendichte zum Kation
CHH
CCH2
CH2
CH2
H
H
+ +
Alkylsubstituenten schieben Elektronendichte zum Kation
H
H
Die folgende Tabelle soll einen kurzen Vergleich zwischen SN1- und SN2-Reaktion ziehen
Vergleich von S 2 und S 1 N NReaktionsparameter SN2 SN1 Struktur des Halogenids primaumlr selten
zyl Alkyl) haumlufig
(Bensekundaumlr manchmal anchmal mtertiaumlr selten haumlufig
Racemisierung Loumlsungsmittel olare
smittel verzoumlgert olare
e Loumlsungsmittel wird durch pLoumlsung
wird durch pprotischbeschleunigt
Nucleophil Anionische Nu beguumlnstigt schlechte Abgangsgruppe gute Abgangsgruppe
bevorzugt SN1 Erhoumlhung der NucleophDie Nucleophilie e
ilieines Nucle em Maszlige w n
erabgesetzt wird Eine Verminderung der Solvatation erreicht man durch Kronether
durch Kryptatbildung ophils steigt in d ie die Solvatatio
Stereochemie Inversion
andere Abgangsgruppe als Halogenides
bevorzugt SN2
h(engl crown) zB
O
O
O
O
OO
O
O OK
+
Y
12-Crown-418-Crown-6
Kryptat
O
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 20 von 37 Bezeichnung der Kronether Die Zahl vor bdquoCrownldquo gibt die Gesamtzahl der Ringatome die Zahl dahinter die Anzahl der Sauerstoffatome an In diesen Alkylkryptaten wird das Gegenion des Nucleophils K+ komplex gebunden auszligerdem findet in unpolaren organischen Loumlsungsmitteln in denen die Kryptatte loumlslich sind nur geringe Solvatation statt so dass das Nucleophil gewissermaszligen bdquonacktldquo vorliegt und dadurch seine volle nucleophile Kraft entfalten kann Kronether werden durch eine Williamsonrsquosche Ethersynthese dargestellt
OHO OCl O O40
O OH Cl O OO
O+
-HCl
O
18-Crown-6Triethylenglykol Triethylenglykoldicklorid
Beschleunigte nucleophile Substitution Die Nachbarschaftsgruppenbeteiligung von Y fuumlhrt zu einer beschleunigten nucleophilen Substitution und erklaumlrt durch zweimalige Inversion die Retention Das Elektronenpaar der Nachbargruppe Y kann ein ein freies Elektronenpaar (Hetereoatome) oder eine π-Bindung sein (Alkene Arene) in Einzelfaumlllen auch eine C-C-Bindung (2-Norbornylkation)
LGY| Y NuInversion|Nu
-+ Inversion
Y|
LG Abgangsgruppe-LG
-
23 SNi-Reaktion Unter dem SNi-Mechanismus versteht man eine innere nucleophile Substitution die nach einem internen SN2-Mechanismus ablaumluft und somit unter Beibehaltung der Konfiguration Ein typisches Beispiel ist der Austausch einer OH-Gruppe gegen Chlor mit SOCl2
COOH
HCOOH
COOH
O SCl
COOHH ClCl2
-SO2
R(-)-Chlorbernsteinsaumlure
H OH +SO
CH2
COOHCH2
O CH2
COOH
in Dioxan-HCl
R(+)-Aumlpfelsaumlure
Hierbei bleibt die Konfiguration erhalten da primaumlr der instabile Chlorsulfinsaumlureester gebildet wird und durch diese Bindung das Nucleophil von derselben Seite angreifen muss Dies fuumlhrt zur Retention Der SNi-Mechanismus ist jedoch stark loumlsungsmittelabhaumlngig denn fuumlhrt man dieselbe Reaktion in Pyridin durch so erhaumllt man 100 Waldenumkehr also SN2-Mechanismus
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 21 von 37 Der Grund hierfuumlr ist in der unterschiedlichen Basenstaumlrke zu sehen zwischen Dioxan und Oyridin Dioxan ist nur eine schwache Base
O
O
O
OH
+ HCl
+
Cl-
Das Gleichgewicht liegt weit auf der linken Seite wodurch das Nucleophil Cl- als HCl gebunden vorliegt Anders ist es dagegen in Pyridin
CR1
R2 OH CR1
R2 OSOClR1+SOCl2 PyrH+Cl-
R3 R3C
R3R2Cl
SN2+ - -
Hierbei greift das aus dem PyrH Cl stammende Nucleophil Cl in einer SN2-Reaktion den entstehenden Chlorsulfinsaumlureester von der Ruumlckseite her an was zur Konfigurationsumkehr fuumlhrt 24 Anwendungen
ubstitution von Halogeniden
siehe SN1 und SN2-Mechanismen saure Veretherung
Eine zweite Alkoholfunktion kann sich nun das enachbarte Kohlenstoffatom nucleophil angreifen Nach der Abspaltung eines
nes Protons erhaumllt man einen Ether
Herstellung von C-O-Bindungen S
Man kann bei Anwesenheit einer Saumlure [H2SO4] zwei Alkohole durch eine saure Veretherung in einen Ether uumlberfuumlhren Dabei wird zunaumlchst eine der Alkoholfunktionen protoniert bWassermolekuumlls und ei
CH3CH2OH
CH3CH2OH
CH3CH2 OH
H
CH3CH2OH
CH3CH2 O HCH3CH2
CH3CH2 O
H+ + -H2O +
++ H
+
CH3CH2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 22 von 37 Etherspaltung In Ethern kann die ROR-Gruppe in Anwesenheit einer Saumlure protoniert werden Im nachfolgenden Schritt erfolgt ein nucleophiler Angriff des Halogenid-Anions Man erhaumllt als Produkt ein Halogenalkan und ein Alkohol
CH3CH2OCH2CH3 CH3CH2 OCH2CH3
H
CH3CH2 OCH2CH3
H
H+
+
Dialkyloxonium-Ion
+Br +-
CH3CH2Br + HOCH2CH3
Williamson-Synthese
e
H3C-CH2-O-CH2-CH3 Diethylether
Ether Alkoyalkan R-O-R
O
Tetrahydrfuran(THF)
CH3 CH2 O Na Br CH2CH3 CH3 CH2 O CH2 CH3
- + +SN2
intermolekularNaBr+
den zuvor beschriebenen Kapiteln koumlnnen verschiedene eaktionsmechanismen zusammen wirken Ein bedeutendes Beispiel dafuumlr ist die
rung von Carbonsaumluren mit Alkoholen Dabei wird zunaumlchst ein Nucleophil an as Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe addiert Anschlieszligend erfolgt die
Da Alkohole schlechte Nucleophile sind muumlssen derartige Reaktionen durch Saumlure (meist Schwefelsaumlure) katalysiert werden Im ersten Schritt lagert sich das Proton an das nicht saure Sauerstoffatom an Diesfuumlhrt zu einer positiven Ladung am Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe Hierdurch wird nun der nucleophile Angriff des Alkohols beguumlnstigt Durch die Anlagerung eines weiteren Proton wird nun die schon einmal protonierte Hydroxygruppen ein weiteres
al protoniert und somit in eine gute Abgangsgruppe umgewandelt Nach der s Wassers wird die andere Hydroxygruppe deprotoniert und man erhaumllt
Veresterung Neben den in RVerestedAbspaltung des Carboxylsauerstoffatoms
mAbspaltung deeinen Ester als Reaktionsprodukt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 23 von 37
O
OH
O
OH
H
R C OH
Nu
C O
Nu HNu
R C
O
Nu
+
+ Nu
+
+- H-H2O
Mechanismus der Veresterung (Saumlure katalysiert)
R C R C- +
+ Nu + H -δ+
OH
R
OHH
R C
O H ++ H
H2O +
+
Substitution von Diazoniumsalzen Darstellung von Salpetrigsaumlureestern
CH2 OH
C2 OH
NO(-) CH2 O
CHCH2
OO
NNN
OOO
+H++ 3 H2OCH OH 2+
H
erstellung der C-S-Bindungen arstellung von Thiolen und Thioethern nalog der Williamsonrsquoschen Ethersynthese lassen sich auch Thioether darstellen
HDA
R Br R SH NaBrMercaptane
Na+ HS-+ +
ich jedoch aufgrund ihrer groumlszligeren den Alkoholen nur schlecht abfangen Thioethern weiterreagieren lassen
Dabei entstehen primaumlr Mercaptane die sucleophilie gegenuumlber den entsprechenN
lassen und sofort zu den entsprechenden
R1 SH R2 X R1 S R2 HXThioether
+Base
SN2+
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 24 von 37 Eine selektrive Herstellung von Mercaptanen durch nucleophile Substitution von
hioharnstoff-Methode Alkylhalogeniden erfolgt mit der T
NH2
CNH
NH2
SH
NH2
CO2 3
+
OH- H2O
2+
CNH2
S
RX CNH2
NH2
SR CNH2
NH2
SR CNH2
SR
s-Alkylthiuroniumsalze
++ +
iso-ThioharnstoffR SH NH+
Herstellung der C-N- Bindung Gabriel-Synthese Ein nichtreduktiver Zugang zu primaumlren Aminen geht von dem Anion von 2-Benzoldicarboximid (Phtalimid) aus dem cyclischen Imid der 12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure) Dieses Verfahren ist als Gabriel-Sysnthese bekannt Da das Stickstoffatom in 12-Benzoldicarboximid (Phtalamis) von zwei Carbonylfunktionen flankiert ist ist die NH-Gruppe ungewoumlhnlich acide (pKa = 83) staumlrker als ein gewoumlhnliches Amid (pKa = 15) Sie wird deshalb bereits von einer so milden Base wie dem Carbonat-Ion deprotoniert das entstehende Anion wird in guter Ausbeute alkyliert Durch saure Hydrolyse setzt man das Amin anschlieszligend als Ammoniumsalz frei Behandelt man dieses mit Base erhaumllt man das freie Amin
O
O
O
O
O
2OH
O
CH CH2NH3HSO4
O
O
O
O
CH CCH2NH2
+
NaOH H2O
+Na+
Na+
N-2-Propinyl-12-benzoldicarboximid (N-Propargylphtalimid)
2-Propinamin (Propargylamin)
wird bei waumlssriger Aufarbeitung entfernt
O
OH
OH
O
NH N K+NH3 300degC
-H2O
K2CO3 H2O
CH CCH2Br
N
O
CH CH CHOH
O
DMF 100degC-KBr
H2SO4 H2O 120degC+ -
12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure)
9712-Benzoldicarboximid (Phtalimid)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 25 von 37 Hinsberg-Reaktion Die Hinsberg-Reaktion bietet die Moumlglichkeit ausgehend von primaumlren Aminen gezielt sekundaumlre Amine herzustellen
R NH2 Cl ts R NH
ts R N ts
-HCl
acides H
KOH
-H2O
(-)
K(+)
R N ts
NR
Rts NH
R
RtsOK
(-)
K(+)+R-X
-KX
Verseifung
H2O
ts = Tosylat = CH3 SO2
Quarternisierung von Aminen Nitroalkanen Isonitrilen Herstellung von C-C-Bindungen Nitrilsynthese (nach Kolbe)
ogenide meist Methyliodid oder primaumlre Alkyliodide mit eim
mit tertiaumlren Alkylhalogeniden ndash erhaumllt man jedoch hauptsaumlchlich Isonitrile
Setzt man AlkylhalNatriumcyanid um so erhaumllt man hauptsaumlchlich die entsprechenden Cyanide BUmsatz von Silbercyanid ndash vor allem
CH3 I
CH3 CN
CH3 N C 7
Acetonitril
Methylisonitril
SN2-artig
+NaCN -NaI
SN1-artig
+AgCN -AgI
er Grund fuumlr dieses Reaktionsverhalten liegt darin dass das Silber-Kation die unterstuumltzt In einer SN1-seinem
lektronegativsten Atom an im Falle der Kolbersquoschen Nitrilsynthese mit dem N-Atom ieser SN1-artige Verlauf fuumlhrt somit zu Isonitrilen at die Reaktion jedoch mehr bimolekularen Charakter so greift das ambidente CN(-) evorzugt mit dem weniger elektronegativeren dafuumlr mehr polarisierbaren Atom an ies fuumlhrt zur Bildung von Nitrilen ie Verhaumlltnisse beim CN(-) sind denen des NO2
(-) aumlhnlich Das Wesentliche ist dabei er SN1- bzw SN2-Charakter der Reaktion Dieser Charakter laumlsst sich durch die
oumlsungsmittelwahl bzw Kryptat-Einfluss in eine
DBildung eines Carbenium-Ions foumlrdert und die SN1-Reaktion rtigen Reaktion greift jedoch das ambidente Nucleophil mit a
eDHbDDdWahl des Nucleophils und durch Lbestimmte Richtung lenken
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 26 von 37 Darstellung von Alkinen Alkine koumlnnen aus anderen Alkinen erhalten werden durch Reaktion terminaler Alkinyl-Anionen mit alkylierenden Reagenzien wie primaumlren Halogenalkanen
xacyclopropanen Aldehyden und Ketonen Wie wir wissen werden solche Anionen aus terminalen Alkinen durch Deprotonierung mit starken Basen meist Alkyllithium-Verbidnungen Natriumamid in fluumlssigem Ammoniak oder Grignard-Reagenzien gewonnen Die Alkylierung mit primaumlren Halogenalkanen erfolgt uumlblicherweise in fluumlssigem Ammoniak oder Ethern Diese Loumlsungsmittel enthalten bisweilen 12-Ethandiamin H2NCH2CH2NH2 NNNrsquoNrsquo-Tetramethyl-12-ethandiamin (TMEDA) (CH3)2NCH2CH2N(CH3)2 oder HMPT als Cosolventien um die Nucleophilie des Anions zu erhoumlhen
O
CH3C CH CH3C C24
(-) (+)Na CH3C
NaNH2 fl NH3
-NH2H
CH3I
-NaI75
CCH3
2-Butin
C36
CH C44
CCH2CH2CH31 CH3CH2CH2CH2CH2Li THF H2NCH2CH2NH22 CH3CH2CH2Br
n
-LiBr85
1-Pentinylcyclohexa
enz
Alkylierung von Ketonen Die konjugierte Addition gefolgt von einer Alkylierung stellt eine nuumltzliche Sequzur αβ-Dialkylierung undgesaumlttigter Carbonylverbindungen
CO
1 R2CuLi
C C C C CR R
O O OBeispiel
1 (CH CH
O2 RX
CH3
CH CH2CH2CH3
CH3
CH2CH2CH2CH3
3 2CH2CH2)2CuLi THF2 CH3I +
84 4 1 trans- und cis-3-Butyl-2-methylcyclohexanon
2
itionGewoumlhnliche Grignard-Verbindungen reagieren mit αβ-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen in einer 12-Add einer 14-Addition oder beiden Weegen je nach Struktur Reaktionsbedingungen und reagierenden Verbindungen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 27 von 37 β-Dicarbonylverbindungen
laisen-Kondensationen fuumlhren zu β-Dicarbonylverbindungen Ethylacetat reagiert en Natriumethoxid zu Ethyl-3-oxobutanoat
Cmit stoumlchiometrischen Meng(Ethylacetacetat Acetessigester)
CH3 C2
OO
CH2CH3CH3 C
7O
OCH2CH3 CH3 C
12
OCH2
C16
OO
CH2CH3+Na+-OCH2CH3 CH3CH2OH
-CH3CH2OHEthylacetat Ethyl-3-oxobutanoat
(Ethylacetacetat) Die Claisen-Kondensation beginnt mit der Bildung eines Esterenolat-Ions Durch eine Additions-Eliminierungs-Reaktion an die Carbonylgruppe eines anderen Estermolekuumlls entsteht ein 3-Ketoester Diese Schritte sind reversibel und der geamte Vorgang ist bis zu dieser Stufe endotherm Besonders unguumlnstig ist die Deprotonierung des Esters (pKa = 25) durch Ethoxid (pKa von Ethanol = 159) Das Gleichgewicht ist trotzdem zum Produkt verschoben da die Basde den 3-Ketoester (pKa = 11) an C2 praktisch irreversibel deprotoniert Bei der Aufarbeitung mit waumlssriger Saumlure wird die konjugierte Base des Produkts protoniert womit der Prozess abgeschlossen ist
CH3 C21
O CH2CH3 Na+ CH2 C
27 OCH2CH3
CH2 C32
O
OCH2CH3
+ CH3CH2OH
O O(-)
(-)Bildung des Esterenolats
Na+-OCH2CH3
CH3 C37
OO
CH2CH3CH2 C
42O
OCH2CH3
(-)CH3 C
48OCH2CH3
O
CH2
C52
OCH2CH3
O
+
Eliminierung
Nucleophile Addition
CH3 C56
OCH2CH3
O
CH2
C60
OCH2CH3
O
CH3 C64
CH2
C66
OCH2CH3
O O
+ -OCH2CH3
Ketoester
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 28 von 37
CH3 C71
CH2
C73
OCH2CH3
O O
CH3 C78
CH C80
OCH2CH3
O O
CH3 C92
CH
C94
OCH2CH3
O OCH3 C
99CH
C101
OCH2CH3
O O(-)
CH3 C85
CH2
C87
OCH2CH3
O O
Deprtotonierung
+ -OCH2CH3
sauer pKa = 11
+CH3CH2OH
CH3 CCHO
COCH2CH3
O(-)CH3 CCH2
OCOCH2CH3
O
Protonierung bei der waumlssrigen Aufarbeitung
H+ H2O
Zur Vermeidung einer Umesterung sollten sich das Alkoxid und der Ester von demselben Alkohol ableiten lassen Malonestersynthese Mit der Malonester-Synthese erhaumllt man Carbonsaumluren Diethylpropandioat (Malonsaumlureester) ist ein gutes Ausgangsmaterial zur Darstellung 2-substituierter oder 22-disubstituierter Carbonsaumluren in einem Verfahren das man Malonestersynthese nennt
CH3 CH2
O C CH2
OCO
O CH2
CH3CH3 C
H2
O C CO
CO
O CH2
CH3
R
R
CR
RH COOH
22-disubstituierte Carbonsaumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 29 von 37 α β-ungesaumlttigte Ketone Bei α- β-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen tritt neben der 12-Verknuumlfung auch 14-Verknuumlpfung bei der Pinakol-Reaktion auf
CH2 CH
CH
O CH2 CH
CH
CH
CH
CH2
OH OH
12-Verknuumlpfung
2Zn
Ethanol 0degC
68
O O On
O O
2
14-Verknuumlpfung
+ e(-)
(-) (-)
lkylierung von Cupraten alten Doppelbindungen an denen einfache Alkylgruppen
ebunden sind Im Prinzip koumlnnen diese Verbindungen aus organometallischen
zien RLi bzw RMgX im allgemeinen icht mit Halogenalkanen Es gibt aber einen anderen Typ organometallischer
Reagenzien die Organocuprate die hier sehr effektiv wirken Organocuprate besitzen die stoumlchiometrische Zusammensetzung R2CuLi und koumlnnen direkt durch Addition zweier Aumlquivalente einer Organolithium-Verbidnung an ein Aumlquevalent Kupferiodid CuI dargestellt werden Beispiel
AViele wichtige Molekuumlle enthgReagenzien durch direkte Alkylierung gewonnen werden Ungluumlcklicherweise reagieren Organolithium- oder Grignard-Reagenn
CH2 CHLi CuI (CH2=CH)2CuLi LiI+ +Ethenyllithium Lithiumdiethenylcuprat
(ein Organocuprat-Reagenz) Lthiumcuprate reagieren mit Halogenalkanen in sogenannten Kupplungsreaktionen unter Bildung substituierter Alkene Primaumlre Iodide sind dazu am besten geeignet aber auch andere primaumlre und sekundaumlre Halogenalkane geben befriedigende Resultate
R2CuLi RX R R LiX+ +
CCH3
CH
C17
CH3
HC20
HC
23
CH3
HC26
H
CH2(CH2)6CH3
1 Li(CH3CH2)2O2 CuI CuLi
CH3(CH2)6CH2IHMPT
11H 14 Cl2
Lithium-bis(trans-1-propenyl)cuprat90
trans-2-Undecen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 30 von 37 Herstellung von C-X-Bindungen Veresterung von Alkoholen mit Mineralsaumluren
Finkelsteinreaktion (RF-Verbindungen mit Krypat-Unterstuumltzung) Bei der Finkelstein-Reaktion handelt es sich um eine nucleophile Halogenid-Austausch-Reaktion zur Synthese von Iodiden und Fluoriden aus Bromiden und Chloriden zB
R X NaI R I NaX+Aceton
+ X = Cl Br
SN2
Eine Komponente der Triebkraft dieser Reaktion hat physikalische Ursachen die n und sekundaumlren
lkylhalogeniden unguumlnstige Lage der Gleichgewichte fuumlr eine SN2-Reaktion Loumlslichkeit Bei dieser Reaktion wird die bei tertiaumlreA
R X I I R X
I R X=
++
urch physikalisch-chemische Effekte beguumlnstigt naumlmlich dadurch dass NaBr und aCl in Aceton schlecht loumlslich sind und ausfallen Dadurch werden die leichgewichte irreversibel verschoben und die Reaktion verlaumluft somit im ewuumlnschten Sinne
eispiel
dNGg B
C16
CH3 CH
Br 223 Hin Aceton
CH3
CCHCH3
C I+NaI + NaBr
CH32 CH3
2SN2
Es findet keine Neophenylumlagerung statt das heiszligt dass keine SN1-Reaktion stattfindet In einer Variante der Finkelstein-Reaktion wird der Tosylat-Rest gegen Halogenid ausgetascht Ansonsten aber arbeitet man nach dem gleichen Prinzip
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 31 von 37
30 Elektrophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom
Am alipatischen C-Atom sind elektrophile Substitutionen moumlglich wenn die C-X-Bindung so polarisiert ist dass das C-Atom eine negative und die Abgangsgruppe
s der ilen
tion Man kann jedoch zwischen folgenden Mechanismen nterscheiden
1 SE1 analog SN2 (Racemisierung)
2 SE2-back analog SN2 (Inversion)
3 S 2-front analog S i (Retention)
analog S i (Retention)
31 SE1-Reaktion
ierbei handelt es sich um eine Reaktion erster Ordnung die zweistufig verlaumluft
eine positive Ladung traumlgt Diese Voraussetzungen sind vor allem bei metallorganischen und CH-aciden Verbindungen erfuumlllt Der Mechanismuelektrophilen alipathischen Substitution ist nicht so klar wie der der nucleophaliphatischen Substituu
E N
4 S i E N
H
langsamR X R
R Y+ R Y+
Geeignete Loumlsungsmittel fuumlr SE1-Reaktionen sind Dimethylformamid (DMF) undHexamethylphosphorsaumluretriamid (HMPA)
O N(CH3)2
HN(CH3)2
POH3)2
N(CH3)2
HMPA
N(CDMF
Stereochemie der SE1-Reaktion
Die Stereochemie von SE1-Reaktionen verlaumluft nicht einheitlich Im Allgemeinen isch aktive Verbindungen einsetzt Dies
kann zwei Ursachen haben 1 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist
ufig der Fall wenn es sich um mesomeriestabilisierte
2 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist pyramidal gebaut kann jedoch seine Struktur nicht halten (vergleichbar dem schnellen Durchschwingen von unsymmetrisch substituierten Aminen)
findet man Racematisierung wenn man opt
planar Dies ist hauml
Carbanionen handelt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 32 von 37 In Ausnahmefaumlllen kann jedoch auch bei planaren (mesomeristabilisierCarbanionen je nach Wahl des Loumls
ten) ungsmittel Inversion Retention oder
Racemisierung auftreten was durch unterschiedliche Solvatationseffekte erklaumlrt wird Beispiel fuumlr eine S 1-Reaktion E
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
HgBrRacemat
langsam
(-)+ HgBr+
+HgBr2
-HgB 2
rHgBr
Hg = isotopenmarkiertes Hg
32 S 2-ReaktionE E
eaktionen sind bimolekular Beide Mechanismus verglichen werden
Y
und S i-Reaktion
SE2 und SEi-R anisund SNi-Mech
men koumlnnen mit dem SN2-
C47
Y X
SE2 (back) nfalls um einen Frontangriff unter
C C X29
X C35
Y
X
41
SE2 (front)
Beim SEi ndashMechanismus handelt es sich ebeRetention
Y zY z
C53 X C60 XSEi
Die Bildung cyclischer Uumlbergangszustaumlnde die 4- oder 6-gliedrig sein koumlnnen foumlrdert die Losloumlsung der Abgangsgruppe Stereochemie von SE2-Reaktionen und von SEi-Reaktionen
Fuumlr die h den nucleuphilen Substitutionen von Be
8 Valenzelektronen haumltte Da nun zwischen den beiden Elektronenwolken Coulomb-Abstoszligung auftritt erfolgt der Angriff des Nucleophils gezwungenermaszligen von der Ruumlckseite des Molekuumlls Die Folge ist Inversion Anders ist es dagegen beim SE2- und Sei-Mechanismus Das angreifende Elektrophil besitzt nur ein leeres Orbital und somit ist sowohl der Front- als auch der
angriff unter Inversion verlaumluft laumlsst die Stereochemie der SE-Reaktion nur schwer Ruumlckschluumlsse auf den Mechanismus zu
Stereoc emie ist folgender Unterschied zu deutung
Bei SN-Reaktionen bringt das angreifende Nucleophil ein Elektronenpaar mit Daher muss die Abgangsgruppe bei der Neubildung der Bindung ein Elektronenpaar mitnehmen da sonst das C-Atom mehr als
Ruumlckseiten-Angriff moumlglich Da der Frontangriff unter Retention der Ruumlckseiten
Skript zum 2 OC-Kolloquium
33 Anwendungen
reu
Seite 33 von 37
Herstellung einfacher metallorganischer Verbindungen
etall-H-Austausch
aumluren betrachtet werden Dabei nimmt die H-Aciditaumlt mit zunehmendem s-Charakter der Hybridisierung zu
sp CH3 CH3
M C-H-Verbindungen koumlnnen als schwache SC Hybridisierung
3Saumlure konjugierte Base pKa-W
sp2
CH3 CH2 Zunahme der
sp
2 2
CH CH
CH2 CH
CH C15(-)
25
Aciditaumlt
Da eine staumlrkere Saumlu
ert 42
365
(-)
CH CH (-)
re eine schwaumlchere aus ihrem Salz vertreibt reagiert eine konjugierte Base mit jeder Saumlure die in der Tabelle unter ihr steht Elektronegative Gruppen an Aromaten wirken acidifizierend Beispiele
HC H Na
NaC2H6
Li H
+
pKa 42schwaumlchere Saumlure
Pentan
pKa 37schwaumlchere Saumlu
pKa 35 staumlkere Sauml re
+ Pentan +
schwaumlchere Saumlure
2 5+pKa 37 staumlkere Saumlure
Na CH3 H CH2Na
+ Pentan +
H H H LipKa 37pKa 23
staumlkere Saumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 13 von 37 Ziegler-Wohl-Bromierung
enen in der Allylstellung mit N-Bromsuccinimid ei 0degC
ittel welches die C=C-Doppelbindung nicht
BS N-Bromsuccinimid
Selektive Bromierung von AlkN-Bromsuccinimid NBS entsteht durch Einwirkung von Brom auf Succinimid bin Gegenwart von Natriumhdroxid NBS ist ein selektives Bromierungsmangreift N
N
O
O
Br N
O
O
Br
tart
Licht oderPeroxide +
S
Br CH3 CH
CH2CH2 C
HCH2
BrH
CH2 CH
CH2 Br2 CH2
CH
CH2
BrBr
N
O
O
Br BrH N
O
O
H Br2
Kette
+ +
+ +
+ +
niedrige-Konzentrationenvon Br2Solvens CCl4
Die alpha staumlndige Methylengruppe wird rascher bromiert als die Me hylgruppe
andmeyer-Reaktion us der Sandmeyer-Reaktion ist noch nicht geklaumlrt Die
t SDer genaue MechanismReaktion verlaumluft aber vermutlich uumlber zwei radikalische Zwischenstufen
CH3
NH2
CH3
N2
CH3
ClHCl NaNO2 0degC
+Cl-CuCl 60degC
+ N2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 14 von 37 Autoxidation
ther ER2CH OR O2 R2C OR R2C OR
O O
R2C ORO O H
+
Aldehyde
C6H5 C7
HO
O2 C6H5 C12
O
H O O
C6H5 C19
OO2 C6H5 C
23
OO O
C6H5 C28
OO O C6H5 C
33H
OC6H5 C
37
OO O H C6H5 C43
O
C6H5 C47
OO O H C6H5 C
53H
OC6H5 C
57
OO H
+ +
+
+ +
+ 2
ock-Verfahren H
C HC6H5
3
CH3
O2 C OC6H5
CH3
CH3
O HH
+
C6H5 OH CCH3
CH3
O+
CH
racken en von langkettigen Alkanen wird als Cracken bezeichnet Derartige
eine
isch aus hunderten verschiedener Alkane Der groumlszligte Teil wird
it l)
s Benzin zu erhalten werden laumlngerkettige Kohlenwasserstoffe durch rs
ende Radikale
CDas ZerlegProzesse spielen in der Erdoumllindustrie bei der Darstellung von Benzin aus Erdoumll wichtige Rolle Erdoumll ist ein Gemdurch langkettige wenig verzweigte Alkane gebildet Ein kleiner Teil besteht aus aromatischen Verbindungen Benzin ist ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen meiner Laumlnge von 4-12 Kohlenstoffatomen und ist in Erdoumll bis zu 30 (Volumenanteienthalten Um weiterefraktionierte Destillation abgetrennt und bei 500degC in Gegenwart eines Katalysato(Wolfram oder Nickel auf einer SiO2-Al2O3-Oberflaumlche) pyrolysiert Die Reaktion findet in einer Wasserstoffatmosphaumlre statt um entstehmit Wasserstoffatomen abfangen zu koumlnnen Auszligerdem koumlnnen Alkene zu AlkanenStickstoffhaltige Verbindungen zu NH3 und Schwefelhaltige Verbindungen zu H2S hydriert werden Man erhaumllt nach dem Cracken Erdoumll mit einem Benzin Anteil von 50
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 15 von 37
CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3
C HH
HC C C C C
H
H
H
H
H
H
H
H
H
HH
C C HH
H
H
HC C C C H
HH
H H H
H H H
+
+
Pyrolyse von Hexan
C C C H
H
H
HH
H
H2
20 Nucleophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom Bei einer Nucleophilen Substitution wird eine Abgangsgruppe unter hetereolytischer Spaltung der Bindung gegen ein Nucleophil ausgetauscht Nucleophile sind neutrale Teilchen oder Anionen welche mindestens ein freies Elektronenpaar aufweisen Gute Nucleophile sind gut polarisierbar und besitzen eine geringe Elektronegativitaumlt Sterisch anspruchsvolle Nucleophile hingegen sind schlechte Nucleophile Auszliger den bereits genannten Faktoren beeinflusst auch die Staumlrke der neu gebildeten Bindung die Guumlte eines Nucleophils Beispiele fuumlr neutrale Nucleophile sind H2O ROH RSH NR3 PR3 Beispiele fuumlr Anionische Nucleophile sind Hal- RO- HO- RS- Fuumlr die Guumlte der Abgangsgruppe (Necleofuge) gilt im Allgemeinen dass je staumlrker die konjugierte Saumlure desto besser das Nucleofug
I- gt Br- gt Cl- gt F- Man kann des weiteren Nucleofuge durch Zugabe von H+ -OH2
+ -OHR+ aktivieren Bei Nucleophilen Substitutionen unterscheidet man zwischen SN1 SN2 und SNi- Reaktionen 21 Die Bimolekulare nucleophile Substitution SN2 Zunaumlchst greift ein Nucleophil (in diesem Fall das Hydroxidion) am partiell positiv geladenen Kohlenstoffatom ruumlckseitig an Dabei entsteht ein fuumlnfbindiger (pentavalenter) Uumlbergangszustand Die Abspaltung des Chloridions sowie die Anlagerung des Hydroxidions erfolgt gleichzeitig und man erhaumllt als Reaktionsprodukt Methanol und ein Chloridion
C ClH
H H
HO
C ClH
H HOH
COHH
H HCl
- =
-+
-
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 16 von 37 Das Energiediagramm fuumlr eine solche Reaktion sieht wie folgt aus
Uumlbergangszustand ne
Edukte
Produkte
Neben der ruumlckseitigen Anlagerung des Nucleophils koumlnnte das Nucleophil auch vorderseitig angelagert werden Jedoch zeigen entsprechende Experimente dass diese Anlagerung nicht stattfindet
CCH3
HBr
CH2CH3
CCH3
H
BrCH2CH3
I
IC
CH3
HI
CH2CH3
Br
HBrI
CH2CH3CH3
C CH3
HI
CH2CH3
Br
- =
Vorderseitenangriff
--+
Retention
(S)-2-Brombutan
(S)-2-Iodbutan
- =
Ruumlckseitenangriff
Inversion
-+
(R)-2-Iodbutan Im folgenden soll eine kurze Uumlbersicht uumlber moumlgliche Nucleophile sowie die dabei entstehenden Produkte gegeben werden
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 17 von 37
-Hydroxid
R OH Alkohol
OR-Alkoxid
R OR Ether HOH R O
H
HR O H
+ -H+
Alkohol R OH R O H
RR O R-H+
Ether
R CO
O Carboxylat
R O C RO Ester
NH3 Ammoniak R NH3 R NH2
+ -H+
Amin R 2NH primaumlres Amin R NH2R R NHR
+ -H+
sekundaumlres Amin
R2 NH sekundaumlres Amin R NHR 2 R NR2+ -H+
tertiaumlres Amin
R3N tertiaumlres Amin R NR3+
R-SH Thiol R-S- Mereaptidion R-SR Thioether R2S
SRRR
+
kan CN- Cyanid R-CN Nitriole C C R R C C R A
schiene F
Nucleophil (Nu) R-Nu
O H
HS- Hydrogensulfidion
Sulfoniumion I- Iodid R-I Iodal
Acetylid cetylen
Es gibt ver aktoren die den Ablauf der SN2-Reaktion bestimmen Zum einen
I-gt Br- gt Cl- gt F-
beeinflusst die Guumlte der Abgangsgruppe den Verlauf der Reaktion Dabei beguumlnstigen stabile Abgangsgruppen den Verlauf der Reaktion
R S OO
OR S O
O
OR S O
O
O
CO
OC
O
OC
O
O-
--
--
-
uszligerdem beeinflusst die Art des Nucleophils den Verlauf der SN2-Reaktion Dabei wird die Reaktion durch negativ geladene Nucleophile ohne sterische Hinderung beguumlnstigt
A
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 18 von 37
22 Die Monokulare Substitution SN1 Neben der bimolekularen Substitution kann bei Halogenalkanen noch eine weitere
ndash die monomolekulare Substitution iese Form der Substitution tritt allerdings bevorzugt bei sekundaumlr oder tertiaumlr
lten
Substituenten in eine Ebene und das zentrale
Form der nucleophilen Substitution auftretenDgebundenen Halogenen auf Bei der Monomolekularen Substitution wird zunaumlchst das Halogenidion abgespaund es bildet sich ein Carbeniumion Anschlieszligend bdquoklappenldquo die drei noch am Kohlenstoffatom verbliebenenKohlenstoffatom nimmt eine sp2-Hybridisierung ein Danach kann die Anlagerung des Nucleophils erfolgen
CH3
OH2
C Br
CH2CH2CH3CH2CH2
Br CCH3
CH2CH2CH3
CH2CH3
OH2
C
C3
OH CH2CH3
CH2CH2CH3
C
OH
CH3
CH2CH2CH3CH2CH3
-
(R)
+
(S)-Methyl-3-hexanal
InversionRetention
-HBr -HBr
(R)-3-Methyl-3-hexanal
+
2
H
Da das Carbeniumion eine sp -Hybridisierung aufweist kann bei der SN1-Reaktion eine vorder- und eine ruumlckseitige Anlagerung des Nucleophils erfolgen Das Energiediagramm einer solchen Reaktion sieht wie folgt aus E
C BrCH3
CH3
CH3
Br (CH3)3C(CH3)3 C OH BrH2O+ -+ ++ -
Die SN1-Reaktion laumluft im Allgemeinen schneller als die SN2-Reaktion ab Dazu ist es aber noumltig dass sich ein stabiles Carbeniumion ausbilden kann Die Stabilitaumlt des Carbeniumions haumlngt von den Substituenten ab Dabei gelten tertiaumlre Carbeniumionen als besonders stabil
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 19 von 37
C
CH3
CH3
CH3 C
H
CH3
CH3 C
H
H
CH3 C
H
H
H+ + + +
CH3tertiaumlr sekundaumlr primaumlr
+gt gt gt
Der Grund fuumlr die Stabilitaumlt der tertiaumlren Carbeniumionen ist der hyperkonjugative Effekt der Alkylgruppen Dabei bdquoverschiebenldquo die Alkylsubstituenten ihre Elektronendichte zum Kation
CHH
CCH2
CH2
CH2
H
H
+ +
Alkylsubstituenten schieben Elektronendichte zum Kation
H
H
Die folgende Tabelle soll einen kurzen Vergleich zwischen SN1- und SN2-Reaktion ziehen
Vergleich von S 2 und S 1 N NReaktionsparameter SN2 SN1 Struktur des Halogenids primaumlr selten
zyl Alkyl) haumlufig
(Bensekundaumlr manchmal anchmal mtertiaumlr selten haumlufig
Racemisierung Loumlsungsmittel olare
smittel verzoumlgert olare
e Loumlsungsmittel wird durch pLoumlsung
wird durch pprotischbeschleunigt
Nucleophil Anionische Nu beguumlnstigt schlechte Abgangsgruppe gute Abgangsgruppe
bevorzugt SN1 Erhoumlhung der NucleophDie Nucleophilie e
ilieines Nucle em Maszlige w n
erabgesetzt wird Eine Verminderung der Solvatation erreicht man durch Kronether
durch Kryptatbildung ophils steigt in d ie die Solvatatio
Stereochemie Inversion
andere Abgangsgruppe als Halogenides
bevorzugt SN2
h(engl crown) zB
O
O
O
O
OO
O
O OK
+
Y
12-Crown-418-Crown-6
Kryptat
O
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 20 von 37 Bezeichnung der Kronether Die Zahl vor bdquoCrownldquo gibt die Gesamtzahl der Ringatome die Zahl dahinter die Anzahl der Sauerstoffatome an In diesen Alkylkryptaten wird das Gegenion des Nucleophils K+ komplex gebunden auszligerdem findet in unpolaren organischen Loumlsungsmitteln in denen die Kryptatte loumlslich sind nur geringe Solvatation statt so dass das Nucleophil gewissermaszligen bdquonacktldquo vorliegt und dadurch seine volle nucleophile Kraft entfalten kann Kronether werden durch eine Williamsonrsquosche Ethersynthese dargestellt
OHO OCl O O40
O OH Cl O OO
O+
-HCl
O
18-Crown-6Triethylenglykol Triethylenglykoldicklorid
Beschleunigte nucleophile Substitution Die Nachbarschaftsgruppenbeteiligung von Y fuumlhrt zu einer beschleunigten nucleophilen Substitution und erklaumlrt durch zweimalige Inversion die Retention Das Elektronenpaar der Nachbargruppe Y kann ein ein freies Elektronenpaar (Hetereoatome) oder eine π-Bindung sein (Alkene Arene) in Einzelfaumlllen auch eine C-C-Bindung (2-Norbornylkation)
LGY| Y NuInversion|Nu
-+ Inversion
Y|
LG Abgangsgruppe-LG
-
23 SNi-Reaktion Unter dem SNi-Mechanismus versteht man eine innere nucleophile Substitution die nach einem internen SN2-Mechanismus ablaumluft und somit unter Beibehaltung der Konfiguration Ein typisches Beispiel ist der Austausch einer OH-Gruppe gegen Chlor mit SOCl2
COOH
HCOOH
COOH
O SCl
COOHH ClCl2
-SO2
R(-)-Chlorbernsteinsaumlure
H OH +SO
CH2
COOHCH2
O CH2
COOH
in Dioxan-HCl
R(+)-Aumlpfelsaumlure
Hierbei bleibt die Konfiguration erhalten da primaumlr der instabile Chlorsulfinsaumlureester gebildet wird und durch diese Bindung das Nucleophil von derselben Seite angreifen muss Dies fuumlhrt zur Retention Der SNi-Mechanismus ist jedoch stark loumlsungsmittelabhaumlngig denn fuumlhrt man dieselbe Reaktion in Pyridin durch so erhaumllt man 100 Waldenumkehr also SN2-Mechanismus
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 21 von 37 Der Grund hierfuumlr ist in der unterschiedlichen Basenstaumlrke zu sehen zwischen Dioxan und Oyridin Dioxan ist nur eine schwache Base
O
O
O
OH
+ HCl
+
Cl-
Das Gleichgewicht liegt weit auf der linken Seite wodurch das Nucleophil Cl- als HCl gebunden vorliegt Anders ist es dagegen in Pyridin
CR1
R2 OH CR1
R2 OSOClR1+SOCl2 PyrH+Cl-
R3 R3C
R3R2Cl
SN2+ - -
Hierbei greift das aus dem PyrH Cl stammende Nucleophil Cl in einer SN2-Reaktion den entstehenden Chlorsulfinsaumlureester von der Ruumlckseite her an was zur Konfigurationsumkehr fuumlhrt 24 Anwendungen
ubstitution von Halogeniden
siehe SN1 und SN2-Mechanismen saure Veretherung
Eine zweite Alkoholfunktion kann sich nun das enachbarte Kohlenstoffatom nucleophil angreifen Nach der Abspaltung eines
nes Protons erhaumllt man einen Ether
Herstellung von C-O-Bindungen S
Man kann bei Anwesenheit einer Saumlure [H2SO4] zwei Alkohole durch eine saure Veretherung in einen Ether uumlberfuumlhren Dabei wird zunaumlchst eine der Alkoholfunktionen protoniert bWassermolekuumlls und ei
CH3CH2OH
CH3CH2OH
CH3CH2 OH
H
CH3CH2OH
CH3CH2 O HCH3CH2
CH3CH2 O
H+ + -H2O +
++ H
+
CH3CH2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 22 von 37 Etherspaltung In Ethern kann die ROR-Gruppe in Anwesenheit einer Saumlure protoniert werden Im nachfolgenden Schritt erfolgt ein nucleophiler Angriff des Halogenid-Anions Man erhaumllt als Produkt ein Halogenalkan und ein Alkohol
CH3CH2OCH2CH3 CH3CH2 OCH2CH3
H
CH3CH2 OCH2CH3
H
H+
+
Dialkyloxonium-Ion
+Br +-
CH3CH2Br + HOCH2CH3
Williamson-Synthese
e
H3C-CH2-O-CH2-CH3 Diethylether
Ether Alkoyalkan R-O-R
O
Tetrahydrfuran(THF)
CH3 CH2 O Na Br CH2CH3 CH3 CH2 O CH2 CH3
- + +SN2
intermolekularNaBr+
den zuvor beschriebenen Kapiteln koumlnnen verschiedene eaktionsmechanismen zusammen wirken Ein bedeutendes Beispiel dafuumlr ist die
rung von Carbonsaumluren mit Alkoholen Dabei wird zunaumlchst ein Nucleophil an as Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe addiert Anschlieszligend erfolgt die
Da Alkohole schlechte Nucleophile sind muumlssen derartige Reaktionen durch Saumlure (meist Schwefelsaumlure) katalysiert werden Im ersten Schritt lagert sich das Proton an das nicht saure Sauerstoffatom an Diesfuumlhrt zu einer positiven Ladung am Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe Hierdurch wird nun der nucleophile Angriff des Alkohols beguumlnstigt Durch die Anlagerung eines weiteren Proton wird nun die schon einmal protonierte Hydroxygruppen ein weiteres
al protoniert und somit in eine gute Abgangsgruppe umgewandelt Nach der s Wassers wird die andere Hydroxygruppe deprotoniert und man erhaumllt
Veresterung Neben den in RVerestedAbspaltung des Carboxylsauerstoffatoms
mAbspaltung deeinen Ester als Reaktionsprodukt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 23 von 37
O
OH
O
OH
H
R C OH
Nu
C O
Nu HNu
R C
O
Nu
+
+ Nu
+
+- H-H2O
Mechanismus der Veresterung (Saumlure katalysiert)
R C R C- +
+ Nu + H -δ+
OH
R
OHH
R C
O H ++ H
H2O +
+
Substitution von Diazoniumsalzen Darstellung von Salpetrigsaumlureestern
CH2 OH
C2 OH
NO(-) CH2 O
CHCH2
OO
NNN
OOO
+H++ 3 H2OCH OH 2+
H
erstellung der C-S-Bindungen arstellung von Thiolen und Thioethern nalog der Williamsonrsquoschen Ethersynthese lassen sich auch Thioether darstellen
HDA
R Br R SH NaBrMercaptane
Na+ HS-+ +
ich jedoch aufgrund ihrer groumlszligeren den Alkoholen nur schlecht abfangen Thioethern weiterreagieren lassen
Dabei entstehen primaumlr Mercaptane die sucleophilie gegenuumlber den entsprechenN
lassen und sofort zu den entsprechenden
R1 SH R2 X R1 S R2 HXThioether
+Base
SN2+
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 24 von 37 Eine selektrive Herstellung von Mercaptanen durch nucleophile Substitution von
hioharnstoff-Methode Alkylhalogeniden erfolgt mit der T
NH2
CNH
NH2
SH
NH2
CO2 3
+
OH- H2O
2+
CNH2
S
RX CNH2
NH2
SR CNH2
NH2
SR CNH2
SR
s-Alkylthiuroniumsalze
++ +
iso-ThioharnstoffR SH NH+
Herstellung der C-N- Bindung Gabriel-Synthese Ein nichtreduktiver Zugang zu primaumlren Aminen geht von dem Anion von 2-Benzoldicarboximid (Phtalimid) aus dem cyclischen Imid der 12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure) Dieses Verfahren ist als Gabriel-Sysnthese bekannt Da das Stickstoffatom in 12-Benzoldicarboximid (Phtalamis) von zwei Carbonylfunktionen flankiert ist ist die NH-Gruppe ungewoumlhnlich acide (pKa = 83) staumlrker als ein gewoumlhnliches Amid (pKa = 15) Sie wird deshalb bereits von einer so milden Base wie dem Carbonat-Ion deprotoniert das entstehende Anion wird in guter Ausbeute alkyliert Durch saure Hydrolyse setzt man das Amin anschlieszligend als Ammoniumsalz frei Behandelt man dieses mit Base erhaumllt man das freie Amin
O
O
O
O
O
2OH
O
CH CH2NH3HSO4
O
O
O
O
CH CCH2NH2
+
NaOH H2O
+Na+
Na+
N-2-Propinyl-12-benzoldicarboximid (N-Propargylphtalimid)
2-Propinamin (Propargylamin)
wird bei waumlssriger Aufarbeitung entfernt
O
OH
OH
O
NH N K+NH3 300degC
-H2O
K2CO3 H2O
CH CCH2Br
N
O
CH CH CHOH
O
DMF 100degC-KBr
H2SO4 H2O 120degC+ -
12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure)
9712-Benzoldicarboximid (Phtalimid)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 25 von 37 Hinsberg-Reaktion Die Hinsberg-Reaktion bietet die Moumlglichkeit ausgehend von primaumlren Aminen gezielt sekundaumlre Amine herzustellen
R NH2 Cl ts R NH
ts R N ts
-HCl
acides H
KOH
-H2O
(-)
K(+)
R N ts
NR
Rts NH
R
RtsOK
(-)
K(+)+R-X
-KX
Verseifung
H2O
ts = Tosylat = CH3 SO2
Quarternisierung von Aminen Nitroalkanen Isonitrilen Herstellung von C-C-Bindungen Nitrilsynthese (nach Kolbe)
ogenide meist Methyliodid oder primaumlre Alkyliodide mit eim
mit tertiaumlren Alkylhalogeniden ndash erhaumllt man jedoch hauptsaumlchlich Isonitrile
Setzt man AlkylhalNatriumcyanid um so erhaumllt man hauptsaumlchlich die entsprechenden Cyanide BUmsatz von Silbercyanid ndash vor allem
CH3 I
CH3 CN
CH3 N C 7
Acetonitril
Methylisonitril
SN2-artig
+NaCN -NaI
SN1-artig
+AgCN -AgI
er Grund fuumlr dieses Reaktionsverhalten liegt darin dass das Silber-Kation die unterstuumltzt In einer SN1-seinem
lektronegativsten Atom an im Falle der Kolbersquoschen Nitrilsynthese mit dem N-Atom ieser SN1-artige Verlauf fuumlhrt somit zu Isonitrilen at die Reaktion jedoch mehr bimolekularen Charakter so greift das ambidente CN(-) evorzugt mit dem weniger elektronegativeren dafuumlr mehr polarisierbaren Atom an ies fuumlhrt zur Bildung von Nitrilen ie Verhaumlltnisse beim CN(-) sind denen des NO2
(-) aumlhnlich Das Wesentliche ist dabei er SN1- bzw SN2-Charakter der Reaktion Dieser Charakter laumlsst sich durch die
oumlsungsmittelwahl bzw Kryptat-Einfluss in eine
DBildung eines Carbenium-Ions foumlrdert und die SN1-Reaktion rtigen Reaktion greift jedoch das ambidente Nucleophil mit a
eDHbDDdWahl des Nucleophils und durch Lbestimmte Richtung lenken
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 26 von 37 Darstellung von Alkinen Alkine koumlnnen aus anderen Alkinen erhalten werden durch Reaktion terminaler Alkinyl-Anionen mit alkylierenden Reagenzien wie primaumlren Halogenalkanen
xacyclopropanen Aldehyden und Ketonen Wie wir wissen werden solche Anionen aus terminalen Alkinen durch Deprotonierung mit starken Basen meist Alkyllithium-Verbidnungen Natriumamid in fluumlssigem Ammoniak oder Grignard-Reagenzien gewonnen Die Alkylierung mit primaumlren Halogenalkanen erfolgt uumlblicherweise in fluumlssigem Ammoniak oder Ethern Diese Loumlsungsmittel enthalten bisweilen 12-Ethandiamin H2NCH2CH2NH2 NNNrsquoNrsquo-Tetramethyl-12-ethandiamin (TMEDA) (CH3)2NCH2CH2N(CH3)2 oder HMPT als Cosolventien um die Nucleophilie des Anions zu erhoumlhen
O
CH3C CH CH3C C24
(-) (+)Na CH3C
NaNH2 fl NH3
-NH2H
CH3I
-NaI75
CCH3
2-Butin
C36
CH C44
CCH2CH2CH31 CH3CH2CH2CH2CH2Li THF H2NCH2CH2NH22 CH3CH2CH2Br
n
-LiBr85
1-Pentinylcyclohexa
enz
Alkylierung von Ketonen Die konjugierte Addition gefolgt von einer Alkylierung stellt eine nuumltzliche Sequzur αβ-Dialkylierung undgesaumlttigter Carbonylverbindungen
CO
1 R2CuLi
C C C C CR R
O O OBeispiel
1 (CH CH
O2 RX
CH3
CH CH2CH2CH3
CH3
CH2CH2CH2CH3
3 2CH2CH2)2CuLi THF2 CH3I +
84 4 1 trans- und cis-3-Butyl-2-methylcyclohexanon
2
itionGewoumlhnliche Grignard-Verbindungen reagieren mit αβ-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen in einer 12-Add einer 14-Addition oder beiden Weegen je nach Struktur Reaktionsbedingungen und reagierenden Verbindungen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 27 von 37 β-Dicarbonylverbindungen
laisen-Kondensationen fuumlhren zu β-Dicarbonylverbindungen Ethylacetat reagiert en Natriumethoxid zu Ethyl-3-oxobutanoat
Cmit stoumlchiometrischen Meng(Ethylacetacetat Acetessigester)
CH3 C2
OO
CH2CH3CH3 C
7O
OCH2CH3 CH3 C
12
OCH2
C16
OO
CH2CH3+Na+-OCH2CH3 CH3CH2OH
-CH3CH2OHEthylacetat Ethyl-3-oxobutanoat
(Ethylacetacetat) Die Claisen-Kondensation beginnt mit der Bildung eines Esterenolat-Ions Durch eine Additions-Eliminierungs-Reaktion an die Carbonylgruppe eines anderen Estermolekuumlls entsteht ein 3-Ketoester Diese Schritte sind reversibel und der geamte Vorgang ist bis zu dieser Stufe endotherm Besonders unguumlnstig ist die Deprotonierung des Esters (pKa = 25) durch Ethoxid (pKa von Ethanol = 159) Das Gleichgewicht ist trotzdem zum Produkt verschoben da die Basde den 3-Ketoester (pKa = 11) an C2 praktisch irreversibel deprotoniert Bei der Aufarbeitung mit waumlssriger Saumlure wird die konjugierte Base des Produkts protoniert womit der Prozess abgeschlossen ist
CH3 C21
O CH2CH3 Na+ CH2 C
27 OCH2CH3
CH2 C32
O
OCH2CH3
+ CH3CH2OH
O O(-)
(-)Bildung des Esterenolats
Na+-OCH2CH3
CH3 C37
OO
CH2CH3CH2 C
42O
OCH2CH3
(-)CH3 C
48OCH2CH3
O
CH2
C52
OCH2CH3
O
+
Eliminierung
Nucleophile Addition
CH3 C56
OCH2CH3
O
CH2
C60
OCH2CH3
O
CH3 C64
CH2
C66
OCH2CH3
O O
+ -OCH2CH3
Ketoester
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 28 von 37
CH3 C71
CH2
C73
OCH2CH3
O O
CH3 C78
CH C80
OCH2CH3
O O
CH3 C92
CH
C94
OCH2CH3
O OCH3 C
99CH
C101
OCH2CH3
O O(-)
CH3 C85
CH2
C87
OCH2CH3
O O
Deprtotonierung
+ -OCH2CH3
sauer pKa = 11
+CH3CH2OH
CH3 CCHO
COCH2CH3
O(-)CH3 CCH2
OCOCH2CH3
O
Protonierung bei der waumlssrigen Aufarbeitung
H+ H2O
Zur Vermeidung einer Umesterung sollten sich das Alkoxid und der Ester von demselben Alkohol ableiten lassen Malonestersynthese Mit der Malonester-Synthese erhaumllt man Carbonsaumluren Diethylpropandioat (Malonsaumlureester) ist ein gutes Ausgangsmaterial zur Darstellung 2-substituierter oder 22-disubstituierter Carbonsaumluren in einem Verfahren das man Malonestersynthese nennt
CH3 CH2
O C CH2
OCO
O CH2
CH3CH3 C
H2
O C CO
CO
O CH2
CH3
R
R
CR
RH COOH
22-disubstituierte Carbonsaumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 29 von 37 α β-ungesaumlttigte Ketone Bei α- β-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen tritt neben der 12-Verknuumlfung auch 14-Verknuumlpfung bei der Pinakol-Reaktion auf
CH2 CH
CH
O CH2 CH
CH
CH
CH
CH2
OH OH
12-Verknuumlpfung
2Zn
Ethanol 0degC
68
O O On
O O
2
14-Verknuumlpfung
+ e(-)
(-) (-)
lkylierung von Cupraten alten Doppelbindungen an denen einfache Alkylgruppen
ebunden sind Im Prinzip koumlnnen diese Verbindungen aus organometallischen
zien RLi bzw RMgX im allgemeinen icht mit Halogenalkanen Es gibt aber einen anderen Typ organometallischer
Reagenzien die Organocuprate die hier sehr effektiv wirken Organocuprate besitzen die stoumlchiometrische Zusammensetzung R2CuLi und koumlnnen direkt durch Addition zweier Aumlquivalente einer Organolithium-Verbidnung an ein Aumlquevalent Kupferiodid CuI dargestellt werden Beispiel
AViele wichtige Molekuumlle enthgReagenzien durch direkte Alkylierung gewonnen werden Ungluumlcklicherweise reagieren Organolithium- oder Grignard-Reagenn
CH2 CHLi CuI (CH2=CH)2CuLi LiI+ +Ethenyllithium Lithiumdiethenylcuprat
(ein Organocuprat-Reagenz) Lthiumcuprate reagieren mit Halogenalkanen in sogenannten Kupplungsreaktionen unter Bildung substituierter Alkene Primaumlre Iodide sind dazu am besten geeignet aber auch andere primaumlre und sekundaumlre Halogenalkane geben befriedigende Resultate
R2CuLi RX R R LiX+ +
CCH3
CH
C17
CH3
HC20
HC
23
CH3
HC26
H
CH2(CH2)6CH3
1 Li(CH3CH2)2O2 CuI CuLi
CH3(CH2)6CH2IHMPT
11H 14 Cl2
Lithium-bis(trans-1-propenyl)cuprat90
trans-2-Undecen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 30 von 37 Herstellung von C-X-Bindungen Veresterung von Alkoholen mit Mineralsaumluren
Finkelsteinreaktion (RF-Verbindungen mit Krypat-Unterstuumltzung) Bei der Finkelstein-Reaktion handelt es sich um eine nucleophile Halogenid-Austausch-Reaktion zur Synthese von Iodiden und Fluoriden aus Bromiden und Chloriden zB
R X NaI R I NaX+Aceton
+ X = Cl Br
SN2
Eine Komponente der Triebkraft dieser Reaktion hat physikalische Ursachen die n und sekundaumlren
lkylhalogeniden unguumlnstige Lage der Gleichgewichte fuumlr eine SN2-Reaktion Loumlslichkeit Bei dieser Reaktion wird die bei tertiaumlreA
R X I I R X
I R X=
++
urch physikalisch-chemische Effekte beguumlnstigt naumlmlich dadurch dass NaBr und aCl in Aceton schlecht loumlslich sind und ausfallen Dadurch werden die leichgewichte irreversibel verschoben und die Reaktion verlaumluft somit im ewuumlnschten Sinne
eispiel
dNGg B
C16
CH3 CH
Br 223 Hin Aceton
CH3
CCHCH3
C I+NaI + NaBr
CH32 CH3
2SN2
Es findet keine Neophenylumlagerung statt das heiszligt dass keine SN1-Reaktion stattfindet In einer Variante der Finkelstein-Reaktion wird der Tosylat-Rest gegen Halogenid ausgetascht Ansonsten aber arbeitet man nach dem gleichen Prinzip
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 31 von 37
30 Elektrophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom
Am alipatischen C-Atom sind elektrophile Substitutionen moumlglich wenn die C-X-Bindung so polarisiert ist dass das C-Atom eine negative und die Abgangsgruppe
s der ilen
tion Man kann jedoch zwischen folgenden Mechanismen nterscheiden
1 SE1 analog SN2 (Racemisierung)
2 SE2-back analog SN2 (Inversion)
3 S 2-front analog S i (Retention)
analog S i (Retention)
31 SE1-Reaktion
ierbei handelt es sich um eine Reaktion erster Ordnung die zweistufig verlaumluft
eine positive Ladung traumlgt Diese Voraussetzungen sind vor allem bei metallorganischen und CH-aciden Verbindungen erfuumlllt Der Mechanismuelektrophilen alipathischen Substitution ist nicht so klar wie der der nucleophaliphatischen Substituu
E N
4 S i E N
H
langsamR X R
R Y+ R Y+
Geeignete Loumlsungsmittel fuumlr SE1-Reaktionen sind Dimethylformamid (DMF) undHexamethylphosphorsaumluretriamid (HMPA)
O N(CH3)2
HN(CH3)2
POH3)2
N(CH3)2
HMPA
N(CDMF
Stereochemie der SE1-Reaktion
Die Stereochemie von SE1-Reaktionen verlaumluft nicht einheitlich Im Allgemeinen isch aktive Verbindungen einsetzt Dies
kann zwei Ursachen haben 1 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist
ufig der Fall wenn es sich um mesomeriestabilisierte
2 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist pyramidal gebaut kann jedoch seine Struktur nicht halten (vergleichbar dem schnellen Durchschwingen von unsymmetrisch substituierten Aminen)
findet man Racematisierung wenn man opt
planar Dies ist hauml
Carbanionen handelt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 32 von 37 In Ausnahmefaumlllen kann jedoch auch bei planaren (mesomeristabilisierCarbanionen je nach Wahl des Loumls
ten) ungsmittel Inversion Retention oder
Racemisierung auftreten was durch unterschiedliche Solvatationseffekte erklaumlrt wird Beispiel fuumlr eine S 1-Reaktion E
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
HgBrRacemat
langsam
(-)+ HgBr+
+HgBr2
-HgB 2
rHgBr
Hg = isotopenmarkiertes Hg
32 S 2-ReaktionE E
eaktionen sind bimolekular Beide Mechanismus verglichen werden
Y
und S i-Reaktion
SE2 und SEi-R anisund SNi-Mech
men koumlnnen mit dem SN2-
C47
Y X
SE2 (back) nfalls um einen Frontangriff unter
C C X29
X C35
Y
X
41
SE2 (front)
Beim SEi ndashMechanismus handelt es sich ebeRetention
Y zY z
C53 X C60 XSEi
Die Bildung cyclischer Uumlbergangszustaumlnde die 4- oder 6-gliedrig sein koumlnnen foumlrdert die Losloumlsung der Abgangsgruppe Stereochemie von SE2-Reaktionen und von SEi-Reaktionen
Fuumlr die h den nucleuphilen Substitutionen von Be
8 Valenzelektronen haumltte Da nun zwischen den beiden Elektronenwolken Coulomb-Abstoszligung auftritt erfolgt der Angriff des Nucleophils gezwungenermaszligen von der Ruumlckseite des Molekuumlls Die Folge ist Inversion Anders ist es dagegen beim SE2- und Sei-Mechanismus Das angreifende Elektrophil besitzt nur ein leeres Orbital und somit ist sowohl der Front- als auch der
angriff unter Inversion verlaumluft laumlsst die Stereochemie der SE-Reaktion nur schwer Ruumlckschluumlsse auf den Mechanismus zu
Stereoc emie ist folgender Unterschied zu deutung
Bei SN-Reaktionen bringt das angreifende Nucleophil ein Elektronenpaar mit Daher muss die Abgangsgruppe bei der Neubildung der Bindung ein Elektronenpaar mitnehmen da sonst das C-Atom mehr als
Ruumlckseiten-Angriff moumlglich Da der Frontangriff unter Retention der Ruumlckseiten
Skript zum 2 OC-Kolloquium
33 Anwendungen
reu
Seite 33 von 37
Herstellung einfacher metallorganischer Verbindungen
etall-H-Austausch
aumluren betrachtet werden Dabei nimmt die H-Aciditaumlt mit zunehmendem s-Charakter der Hybridisierung zu
sp CH3 CH3
M C-H-Verbindungen koumlnnen als schwache SC Hybridisierung
3Saumlure konjugierte Base pKa-W
sp2
CH3 CH2 Zunahme der
sp
2 2
CH CH
CH2 CH
CH C15(-)
25
Aciditaumlt
Da eine staumlrkere Saumlu
ert 42
365
(-)
CH CH (-)
re eine schwaumlchere aus ihrem Salz vertreibt reagiert eine konjugierte Base mit jeder Saumlure die in der Tabelle unter ihr steht Elektronegative Gruppen an Aromaten wirken acidifizierend Beispiele
HC H Na
NaC2H6
Li H
+
pKa 42schwaumlchere Saumlure
Pentan
pKa 37schwaumlchere Saumlu
pKa 35 staumlkere Sauml re
+ Pentan +
schwaumlchere Saumlure
2 5+pKa 37 staumlkere Saumlure
Na CH3 H CH2Na
+ Pentan +
H H H LipKa 37pKa 23
staumlkere Saumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 14 von 37 Autoxidation
ther ER2CH OR O2 R2C OR R2C OR
O O
R2C ORO O H
+
Aldehyde
C6H5 C7
HO
O2 C6H5 C12
O
H O O
C6H5 C19
OO2 C6H5 C
23
OO O
C6H5 C28
OO O C6H5 C
33H
OC6H5 C
37
OO O H C6H5 C43
O
C6H5 C47
OO O H C6H5 C
53H
OC6H5 C
57
OO H
+ +
+
+ +
+ 2
ock-Verfahren H
C HC6H5
3
CH3
O2 C OC6H5
CH3
CH3
O HH
+
C6H5 OH CCH3
CH3
O+
CH
racken en von langkettigen Alkanen wird als Cracken bezeichnet Derartige
eine
isch aus hunderten verschiedener Alkane Der groumlszligte Teil wird
it l)
s Benzin zu erhalten werden laumlngerkettige Kohlenwasserstoffe durch rs
ende Radikale
CDas ZerlegProzesse spielen in der Erdoumllindustrie bei der Darstellung von Benzin aus Erdoumll wichtige Rolle Erdoumll ist ein Gemdurch langkettige wenig verzweigte Alkane gebildet Ein kleiner Teil besteht aus aromatischen Verbindungen Benzin ist ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen meiner Laumlnge von 4-12 Kohlenstoffatomen und ist in Erdoumll bis zu 30 (Volumenanteienthalten Um weiterefraktionierte Destillation abgetrennt und bei 500degC in Gegenwart eines Katalysato(Wolfram oder Nickel auf einer SiO2-Al2O3-Oberflaumlche) pyrolysiert Die Reaktion findet in einer Wasserstoffatmosphaumlre statt um entstehmit Wasserstoffatomen abfangen zu koumlnnen Auszligerdem koumlnnen Alkene zu AlkanenStickstoffhaltige Verbindungen zu NH3 und Schwefelhaltige Verbindungen zu H2S hydriert werden Man erhaumllt nach dem Cracken Erdoumll mit einem Benzin Anteil von 50
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 15 von 37
CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3
C HH
HC C C C C
H
H
H
H
H
H
H
H
H
HH
C C HH
H
H
HC C C C H
HH
H H H
H H H
+
+
Pyrolyse von Hexan
C C C H
H
H
HH
H
H2
20 Nucleophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom Bei einer Nucleophilen Substitution wird eine Abgangsgruppe unter hetereolytischer Spaltung der Bindung gegen ein Nucleophil ausgetauscht Nucleophile sind neutrale Teilchen oder Anionen welche mindestens ein freies Elektronenpaar aufweisen Gute Nucleophile sind gut polarisierbar und besitzen eine geringe Elektronegativitaumlt Sterisch anspruchsvolle Nucleophile hingegen sind schlechte Nucleophile Auszliger den bereits genannten Faktoren beeinflusst auch die Staumlrke der neu gebildeten Bindung die Guumlte eines Nucleophils Beispiele fuumlr neutrale Nucleophile sind H2O ROH RSH NR3 PR3 Beispiele fuumlr Anionische Nucleophile sind Hal- RO- HO- RS- Fuumlr die Guumlte der Abgangsgruppe (Necleofuge) gilt im Allgemeinen dass je staumlrker die konjugierte Saumlure desto besser das Nucleofug
I- gt Br- gt Cl- gt F- Man kann des weiteren Nucleofuge durch Zugabe von H+ -OH2
+ -OHR+ aktivieren Bei Nucleophilen Substitutionen unterscheidet man zwischen SN1 SN2 und SNi- Reaktionen 21 Die Bimolekulare nucleophile Substitution SN2 Zunaumlchst greift ein Nucleophil (in diesem Fall das Hydroxidion) am partiell positiv geladenen Kohlenstoffatom ruumlckseitig an Dabei entsteht ein fuumlnfbindiger (pentavalenter) Uumlbergangszustand Die Abspaltung des Chloridions sowie die Anlagerung des Hydroxidions erfolgt gleichzeitig und man erhaumllt als Reaktionsprodukt Methanol und ein Chloridion
C ClH
H H
HO
C ClH
H HOH
COHH
H HCl
- =
-+
-
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 16 von 37 Das Energiediagramm fuumlr eine solche Reaktion sieht wie folgt aus
Uumlbergangszustand ne
Edukte
Produkte
Neben der ruumlckseitigen Anlagerung des Nucleophils koumlnnte das Nucleophil auch vorderseitig angelagert werden Jedoch zeigen entsprechende Experimente dass diese Anlagerung nicht stattfindet
CCH3
HBr
CH2CH3
CCH3
H
BrCH2CH3
I
IC
CH3
HI
CH2CH3
Br
HBrI
CH2CH3CH3
C CH3
HI
CH2CH3
Br
- =
Vorderseitenangriff
--+
Retention
(S)-2-Brombutan
(S)-2-Iodbutan
- =
Ruumlckseitenangriff
Inversion
-+
(R)-2-Iodbutan Im folgenden soll eine kurze Uumlbersicht uumlber moumlgliche Nucleophile sowie die dabei entstehenden Produkte gegeben werden
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 17 von 37
-Hydroxid
R OH Alkohol
OR-Alkoxid
R OR Ether HOH R O
H
HR O H
+ -H+
Alkohol R OH R O H
RR O R-H+
Ether
R CO
O Carboxylat
R O C RO Ester
NH3 Ammoniak R NH3 R NH2
+ -H+
Amin R 2NH primaumlres Amin R NH2R R NHR
+ -H+
sekundaumlres Amin
R2 NH sekundaumlres Amin R NHR 2 R NR2+ -H+
tertiaumlres Amin
R3N tertiaumlres Amin R NR3+
R-SH Thiol R-S- Mereaptidion R-SR Thioether R2S
SRRR
+
kan CN- Cyanid R-CN Nitriole C C R R C C R A
schiene F
Nucleophil (Nu) R-Nu
O H
HS- Hydrogensulfidion
Sulfoniumion I- Iodid R-I Iodal
Acetylid cetylen
Es gibt ver aktoren die den Ablauf der SN2-Reaktion bestimmen Zum einen
I-gt Br- gt Cl- gt F-
beeinflusst die Guumlte der Abgangsgruppe den Verlauf der Reaktion Dabei beguumlnstigen stabile Abgangsgruppen den Verlauf der Reaktion
R S OO
OR S O
O
OR S O
O
O
CO
OC
O
OC
O
O-
--
--
-
uszligerdem beeinflusst die Art des Nucleophils den Verlauf der SN2-Reaktion Dabei wird die Reaktion durch negativ geladene Nucleophile ohne sterische Hinderung beguumlnstigt
A
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 18 von 37
22 Die Monokulare Substitution SN1 Neben der bimolekularen Substitution kann bei Halogenalkanen noch eine weitere
ndash die monomolekulare Substitution iese Form der Substitution tritt allerdings bevorzugt bei sekundaumlr oder tertiaumlr
lten
Substituenten in eine Ebene und das zentrale
Form der nucleophilen Substitution auftretenDgebundenen Halogenen auf Bei der Monomolekularen Substitution wird zunaumlchst das Halogenidion abgespaund es bildet sich ein Carbeniumion Anschlieszligend bdquoklappenldquo die drei noch am Kohlenstoffatom verbliebenenKohlenstoffatom nimmt eine sp2-Hybridisierung ein Danach kann die Anlagerung des Nucleophils erfolgen
CH3
OH2
C Br
CH2CH2CH3CH2CH2
Br CCH3
CH2CH2CH3
CH2CH3
OH2
C
C3
OH CH2CH3
CH2CH2CH3
C
OH
CH3
CH2CH2CH3CH2CH3
-
(R)
+
(S)-Methyl-3-hexanal
InversionRetention
-HBr -HBr
(R)-3-Methyl-3-hexanal
+
2
H
Da das Carbeniumion eine sp -Hybridisierung aufweist kann bei der SN1-Reaktion eine vorder- und eine ruumlckseitige Anlagerung des Nucleophils erfolgen Das Energiediagramm einer solchen Reaktion sieht wie folgt aus E
C BrCH3
CH3
CH3
Br (CH3)3C(CH3)3 C OH BrH2O+ -+ ++ -
Die SN1-Reaktion laumluft im Allgemeinen schneller als die SN2-Reaktion ab Dazu ist es aber noumltig dass sich ein stabiles Carbeniumion ausbilden kann Die Stabilitaumlt des Carbeniumions haumlngt von den Substituenten ab Dabei gelten tertiaumlre Carbeniumionen als besonders stabil
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 19 von 37
C
CH3
CH3
CH3 C
H
CH3
CH3 C
H
H
CH3 C
H
H
H+ + + +
CH3tertiaumlr sekundaumlr primaumlr
+gt gt gt
Der Grund fuumlr die Stabilitaumlt der tertiaumlren Carbeniumionen ist der hyperkonjugative Effekt der Alkylgruppen Dabei bdquoverschiebenldquo die Alkylsubstituenten ihre Elektronendichte zum Kation
CHH
CCH2
CH2
CH2
H
H
+ +
Alkylsubstituenten schieben Elektronendichte zum Kation
H
H
Die folgende Tabelle soll einen kurzen Vergleich zwischen SN1- und SN2-Reaktion ziehen
Vergleich von S 2 und S 1 N NReaktionsparameter SN2 SN1 Struktur des Halogenids primaumlr selten
zyl Alkyl) haumlufig
(Bensekundaumlr manchmal anchmal mtertiaumlr selten haumlufig
Racemisierung Loumlsungsmittel olare
smittel verzoumlgert olare
e Loumlsungsmittel wird durch pLoumlsung
wird durch pprotischbeschleunigt
Nucleophil Anionische Nu beguumlnstigt schlechte Abgangsgruppe gute Abgangsgruppe
bevorzugt SN1 Erhoumlhung der NucleophDie Nucleophilie e
ilieines Nucle em Maszlige w n
erabgesetzt wird Eine Verminderung der Solvatation erreicht man durch Kronether
durch Kryptatbildung ophils steigt in d ie die Solvatatio
Stereochemie Inversion
andere Abgangsgruppe als Halogenides
bevorzugt SN2
h(engl crown) zB
O
O
O
O
OO
O
O OK
+
Y
12-Crown-418-Crown-6
Kryptat
O
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 20 von 37 Bezeichnung der Kronether Die Zahl vor bdquoCrownldquo gibt die Gesamtzahl der Ringatome die Zahl dahinter die Anzahl der Sauerstoffatome an In diesen Alkylkryptaten wird das Gegenion des Nucleophils K+ komplex gebunden auszligerdem findet in unpolaren organischen Loumlsungsmitteln in denen die Kryptatte loumlslich sind nur geringe Solvatation statt so dass das Nucleophil gewissermaszligen bdquonacktldquo vorliegt und dadurch seine volle nucleophile Kraft entfalten kann Kronether werden durch eine Williamsonrsquosche Ethersynthese dargestellt
OHO OCl O O40
O OH Cl O OO
O+
-HCl
O
18-Crown-6Triethylenglykol Triethylenglykoldicklorid
Beschleunigte nucleophile Substitution Die Nachbarschaftsgruppenbeteiligung von Y fuumlhrt zu einer beschleunigten nucleophilen Substitution und erklaumlrt durch zweimalige Inversion die Retention Das Elektronenpaar der Nachbargruppe Y kann ein ein freies Elektronenpaar (Hetereoatome) oder eine π-Bindung sein (Alkene Arene) in Einzelfaumlllen auch eine C-C-Bindung (2-Norbornylkation)
LGY| Y NuInversion|Nu
-+ Inversion
Y|
LG Abgangsgruppe-LG
-
23 SNi-Reaktion Unter dem SNi-Mechanismus versteht man eine innere nucleophile Substitution die nach einem internen SN2-Mechanismus ablaumluft und somit unter Beibehaltung der Konfiguration Ein typisches Beispiel ist der Austausch einer OH-Gruppe gegen Chlor mit SOCl2
COOH
HCOOH
COOH
O SCl
COOHH ClCl2
-SO2
R(-)-Chlorbernsteinsaumlure
H OH +SO
CH2
COOHCH2
O CH2
COOH
in Dioxan-HCl
R(+)-Aumlpfelsaumlure
Hierbei bleibt die Konfiguration erhalten da primaumlr der instabile Chlorsulfinsaumlureester gebildet wird und durch diese Bindung das Nucleophil von derselben Seite angreifen muss Dies fuumlhrt zur Retention Der SNi-Mechanismus ist jedoch stark loumlsungsmittelabhaumlngig denn fuumlhrt man dieselbe Reaktion in Pyridin durch so erhaumllt man 100 Waldenumkehr also SN2-Mechanismus
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 21 von 37 Der Grund hierfuumlr ist in der unterschiedlichen Basenstaumlrke zu sehen zwischen Dioxan und Oyridin Dioxan ist nur eine schwache Base
O
O
O
OH
+ HCl
+
Cl-
Das Gleichgewicht liegt weit auf der linken Seite wodurch das Nucleophil Cl- als HCl gebunden vorliegt Anders ist es dagegen in Pyridin
CR1
R2 OH CR1
R2 OSOClR1+SOCl2 PyrH+Cl-
R3 R3C
R3R2Cl
SN2+ - -
Hierbei greift das aus dem PyrH Cl stammende Nucleophil Cl in einer SN2-Reaktion den entstehenden Chlorsulfinsaumlureester von der Ruumlckseite her an was zur Konfigurationsumkehr fuumlhrt 24 Anwendungen
ubstitution von Halogeniden
siehe SN1 und SN2-Mechanismen saure Veretherung
Eine zweite Alkoholfunktion kann sich nun das enachbarte Kohlenstoffatom nucleophil angreifen Nach der Abspaltung eines
nes Protons erhaumllt man einen Ether
Herstellung von C-O-Bindungen S
Man kann bei Anwesenheit einer Saumlure [H2SO4] zwei Alkohole durch eine saure Veretherung in einen Ether uumlberfuumlhren Dabei wird zunaumlchst eine der Alkoholfunktionen protoniert bWassermolekuumlls und ei
CH3CH2OH
CH3CH2OH
CH3CH2 OH
H
CH3CH2OH
CH3CH2 O HCH3CH2
CH3CH2 O
H+ + -H2O +
++ H
+
CH3CH2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 22 von 37 Etherspaltung In Ethern kann die ROR-Gruppe in Anwesenheit einer Saumlure protoniert werden Im nachfolgenden Schritt erfolgt ein nucleophiler Angriff des Halogenid-Anions Man erhaumllt als Produkt ein Halogenalkan und ein Alkohol
CH3CH2OCH2CH3 CH3CH2 OCH2CH3
H
CH3CH2 OCH2CH3
H
H+
+
Dialkyloxonium-Ion
+Br +-
CH3CH2Br + HOCH2CH3
Williamson-Synthese
e
H3C-CH2-O-CH2-CH3 Diethylether
Ether Alkoyalkan R-O-R
O
Tetrahydrfuran(THF)
CH3 CH2 O Na Br CH2CH3 CH3 CH2 O CH2 CH3
- + +SN2
intermolekularNaBr+
den zuvor beschriebenen Kapiteln koumlnnen verschiedene eaktionsmechanismen zusammen wirken Ein bedeutendes Beispiel dafuumlr ist die
rung von Carbonsaumluren mit Alkoholen Dabei wird zunaumlchst ein Nucleophil an as Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe addiert Anschlieszligend erfolgt die
Da Alkohole schlechte Nucleophile sind muumlssen derartige Reaktionen durch Saumlure (meist Schwefelsaumlure) katalysiert werden Im ersten Schritt lagert sich das Proton an das nicht saure Sauerstoffatom an Diesfuumlhrt zu einer positiven Ladung am Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe Hierdurch wird nun der nucleophile Angriff des Alkohols beguumlnstigt Durch die Anlagerung eines weiteren Proton wird nun die schon einmal protonierte Hydroxygruppen ein weiteres
al protoniert und somit in eine gute Abgangsgruppe umgewandelt Nach der s Wassers wird die andere Hydroxygruppe deprotoniert und man erhaumllt
Veresterung Neben den in RVerestedAbspaltung des Carboxylsauerstoffatoms
mAbspaltung deeinen Ester als Reaktionsprodukt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 23 von 37
O
OH
O
OH
H
R C OH
Nu
C O
Nu HNu
R C
O
Nu
+
+ Nu
+
+- H-H2O
Mechanismus der Veresterung (Saumlure katalysiert)
R C R C- +
+ Nu + H -δ+
OH
R
OHH
R C
O H ++ H
H2O +
+
Substitution von Diazoniumsalzen Darstellung von Salpetrigsaumlureestern
CH2 OH
C2 OH
NO(-) CH2 O
CHCH2
OO
NNN
OOO
+H++ 3 H2OCH OH 2+
H
erstellung der C-S-Bindungen arstellung von Thiolen und Thioethern nalog der Williamsonrsquoschen Ethersynthese lassen sich auch Thioether darstellen
HDA
R Br R SH NaBrMercaptane
Na+ HS-+ +
ich jedoch aufgrund ihrer groumlszligeren den Alkoholen nur schlecht abfangen Thioethern weiterreagieren lassen
Dabei entstehen primaumlr Mercaptane die sucleophilie gegenuumlber den entsprechenN
lassen und sofort zu den entsprechenden
R1 SH R2 X R1 S R2 HXThioether
+Base
SN2+
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 24 von 37 Eine selektrive Herstellung von Mercaptanen durch nucleophile Substitution von
hioharnstoff-Methode Alkylhalogeniden erfolgt mit der T
NH2
CNH
NH2
SH
NH2
CO2 3
+
OH- H2O
2+
CNH2
S
RX CNH2
NH2
SR CNH2
NH2
SR CNH2
SR
s-Alkylthiuroniumsalze
++ +
iso-ThioharnstoffR SH NH+
Herstellung der C-N- Bindung Gabriel-Synthese Ein nichtreduktiver Zugang zu primaumlren Aminen geht von dem Anion von 2-Benzoldicarboximid (Phtalimid) aus dem cyclischen Imid der 12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure) Dieses Verfahren ist als Gabriel-Sysnthese bekannt Da das Stickstoffatom in 12-Benzoldicarboximid (Phtalamis) von zwei Carbonylfunktionen flankiert ist ist die NH-Gruppe ungewoumlhnlich acide (pKa = 83) staumlrker als ein gewoumlhnliches Amid (pKa = 15) Sie wird deshalb bereits von einer so milden Base wie dem Carbonat-Ion deprotoniert das entstehende Anion wird in guter Ausbeute alkyliert Durch saure Hydrolyse setzt man das Amin anschlieszligend als Ammoniumsalz frei Behandelt man dieses mit Base erhaumllt man das freie Amin
O
O
O
O
O
2OH
O
CH CH2NH3HSO4
O
O
O
O
CH CCH2NH2
+
NaOH H2O
+Na+
Na+
N-2-Propinyl-12-benzoldicarboximid (N-Propargylphtalimid)
2-Propinamin (Propargylamin)
wird bei waumlssriger Aufarbeitung entfernt
O
OH
OH
O
NH N K+NH3 300degC
-H2O
K2CO3 H2O
CH CCH2Br
N
O
CH CH CHOH
O
DMF 100degC-KBr
H2SO4 H2O 120degC+ -
12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure)
9712-Benzoldicarboximid (Phtalimid)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 25 von 37 Hinsberg-Reaktion Die Hinsberg-Reaktion bietet die Moumlglichkeit ausgehend von primaumlren Aminen gezielt sekundaumlre Amine herzustellen
R NH2 Cl ts R NH
ts R N ts
-HCl
acides H
KOH
-H2O
(-)
K(+)
R N ts
NR
Rts NH
R
RtsOK
(-)
K(+)+R-X
-KX
Verseifung
H2O
ts = Tosylat = CH3 SO2
Quarternisierung von Aminen Nitroalkanen Isonitrilen Herstellung von C-C-Bindungen Nitrilsynthese (nach Kolbe)
ogenide meist Methyliodid oder primaumlre Alkyliodide mit eim
mit tertiaumlren Alkylhalogeniden ndash erhaumllt man jedoch hauptsaumlchlich Isonitrile
Setzt man AlkylhalNatriumcyanid um so erhaumllt man hauptsaumlchlich die entsprechenden Cyanide BUmsatz von Silbercyanid ndash vor allem
CH3 I
CH3 CN
CH3 N C 7
Acetonitril
Methylisonitril
SN2-artig
+NaCN -NaI
SN1-artig
+AgCN -AgI
er Grund fuumlr dieses Reaktionsverhalten liegt darin dass das Silber-Kation die unterstuumltzt In einer SN1-seinem
lektronegativsten Atom an im Falle der Kolbersquoschen Nitrilsynthese mit dem N-Atom ieser SN1-artige Verlauf fuumlhrt somit zu Isonitrilen at die Reaktion jedoch mehr bimolekularen Charakter so greift das ambidente CN(-) evorzugt mit dem weniger elektronegativeren dafuumlr mehr polarisierbaren Atom an ies fuumlhrt zur Bildung von Nitrilen ie Verhaumlltnisse beim CN(-) sind denen des NO2
(-) aumlhnlich Das Wesentliche ist dabei er SN1- bzw SN2-Charakter der Reaktion Dieser Charakter laumlsst sich durch die
oumlsungsmittelwahl bzw Kryptat-Einfluss in eine
DBildung eines Carbenium-Ions foumlrdert und die SN1-Reaktion rtigen Reaktion greift jedoch das ambidente Nucleophil mit a
eDHbDDdWahl des Nucleophils und durch Lbestimmte Richtung lenken
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 26 von 37 Darstellung von Alkinen Alkine koumlnnen aus anderen Alkinen erhalten werden durch Reaktion terminaler Alkinyl-Anionen mit alkylierenden Reagenzien wie primaumlren Halogenalkanen
xacyclopropanen Aldehyden und Ketonen Wie wir wissen werden solche Anionen aus terminalen Alkinen durch Deprotonierung mit starken Basen meist Alkyllithium-Verbidnungen Natriumamid in fluumlssigem Ammoniak oder Grignard-Reagenzien gewonnen Die Alkylierung mit primaumlren Halogenalkanen erfolgt uumlblicherweise in fluumlssigem Ammoniak oder Ethern Diese Loumlsungsmittel enthalten bisweilen 12-Ethandiamin H2NCH2CH2NH2 NNNrsquoNrsquo-Tetramethyl-12-ethandiamin (TMEDA) (CH3)2NCH2CH2N(CH3)2 oder HMPT als Cosolventien um die Nucleophilie des Anions zu erhoumlhen
O
CH3C CH CH3C C24
(-) (+)Na CH3C
NaNH2 fl NH3
-NH2H
CH3I
-NaI75
CCH3
2-Butin
C36
CH C44
CCH2CH2CH31 CH3CH2CH2CH2CH2Li THF H2NCH2CH2NH22 CH3CH2CH2Br
n
-LiBr85
1-Pentinylcyclohexa
enz
Alkylierung von Ketonen Die konjugierte Addition gefolgt von einer Alkylierung stellt eine nuumltzliche Sequzur αβ-Dialkylierung undgesaumlttigter Carbonylverbindungen
CO
1 R2CuLi
C C C C CR R
O O OBeispiel
1 (CH CH
O2 RX
CH3
CH CH2CH2CH3
CH3
CH2CH2CH2CH3
3 2CH2CH2)2CuLi THF2 CH3I +
84 4 1 trans- und cis-3-Butyl-2-methylcyclohexanon
2
itionGewoumlhnliche Grignard-Verbindungen reagieren mit αβ-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen in einer 12-Add einer 14-Addition oder beiden Weegen je nach Struktur Reaktionsbedingungen und reagierenden Verbindungen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 27 von 37 β-Dicarbonylverbindungen
laisen-Kondensationen fuumlhren zu β-Dicarbonylverbindungen Ethylacetat reagiert en Natriumethoxid zu Ethyl-3-oxobutanoat
Cmit stoumlchiometrischen Meng(Ethylacetacetat Acetessigester)
CH3 C2
OO
CH2CH3CH3 C
7O
OCH2CH3 CH3 C
12
OCH2
C16
OO
CH2CH3+Na+-OCH2CH3 CH3CH2OH
-CH3CH2OHEthylacetat Ethyl-3-oxobutanoat
(Ethylacetacetat) Die Claisen-Kondensation beginnt mit der Bildung eines Esterenolat-Ions Durch eine Additions-Eliminierungs-Reaktion an die Carbonylgruppe eines anderen Estermolekuumlls entsteht ein 3-Ketoester Diese Schritte sind reversibel und der geamte Vorgang ist bis zu dieser Stufe endotherm Besonders unguumlnstig ist die Deprotonierung des Esters (pKa = 25) durch Ethoxid (pKa von Ethanol = 159) Das Gleichgewicht ist trotzdem zum Produkt verschoben da die Basde den 3-Ketoester (pKa = 11) an C2 praktisch irreversibel deprotoniert Bei der Aufarbeitung mit waumlssriger Saumlure wird die konjugierte Base des Produkts protoniert womit der Prozess abgeschlossen ist
CH3 C21
O CH2CH3 Na+ CH2 C
27 OCH2CH3
CH2 C32
O
OCH2CH3
+ CH3CH2OH
O O(-)
(-)Bildung des Esterenolats
Na+-OCH2CH3
CH3 C37
OO
CH2CH3CH2 C
42O
OCH2CH3
(-)CH3 C
48OCH2CH3
O
CH2
C52
OCH2CH3
O
+
Eliminierung
Nucleophile Addition
CH3 C56
OCH2CH3
O
CH2
C60
OCH2CH3
O
CH3 C64
CH2
C66
OCH2CH3
O O
+ -OCH2CH3
Ketoester
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 28 von 37
CH3 C71
CH2
C73
OCH2CH3
O O
CH3 C78
CH C80
OCH2CH3
O O
CH3 C92
CH
C94
OCH2CH3
O OCH3 C
99CH
C101
OCH2CH3
O O(-)
CH3 C85
CH2
C87
OCH2CH3
O O
Deprtotonierung
+ -OCH2CH3
sauer pKa = 11
+CH3CH2OH
CH3 CCHO
COCH2CH3
O(-)CH3 CCH2
OCOCH2CH3
O
Protonierung bei der waumlssrigen Aufarbeitung
H+ H2O
Zur Vermeidung einer Umesterung sollten sich das Alkoxid und der Ester von demselben Alkohol ableiten lassen Malonestersynthese Mit der Malonester-Synthese erhaumllt man Carbonsaumluren Diethylpropandioat (Malonsaumlureester) ist ein gutes Ausgangsmaterial zur Darstellung 2-substituierter oder 22-disubstituierter Carbonsaumluren in einem Verfahren das man Malonestersynthese nennt
CH3 CH2
O C CH2
OCO
O CH2
CH3CH3 C
H2
O C CO
CO
O CH2
CH3
R
R
CR
RH COOH
22-disubstituierte Carbonsaumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 29 von 37 α β-ungesaumlttigte Ketone Bei α- β-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen tritt neben der 12-Verknuumlfung auch 14-Verknuumlpfung bei der Pinakol-Reaktion auf
CH2 CH
CH
O CH2 CH
CH
CH
CH
CH2
OH OH
12-Verknuumlpfung
2Zn
Ethanol 0degC
68
O O On
O O
2
14-Verknuumlpfung
+ e(-)
(-) (-)
lkylierung von Cupraten alten Doppelbindungen an denen einfache Alkylgruppen
ebunden sind Im Prinzip koumlnnen diese Verbindungen aus organometallischen
zien RLi bzw RMgX im allgemeinen icht mit Halogenalkanen Es gibt aber einen anderen Typ organometallischer
Reagenzien die Organocuprate die hier sehr effektiv wirken Organocuprate besitzen die stoumlchiometrische Zusammensetzung R2CuLi und koumlnnen direkt durch Addition zweier Aumlquivalente einer Organolithium-Verbidnung an ein Aumlquevalent Kupferiodid CuI dargestellt werden Beispiel
AViele wichtige Molekuumlle enthgReagenzien durch direkte Alkylierung gewonnen werden Ungluumlcklicherweise reagieren Organolithium- oder Grignard-Reagenn
CH2 CHLi CuI (CH2=CH)2CuLi LiI+ +Ethenyllithium Lithiumdiethenylcuprat
(ein Organocuprat-Reagenz) Lthiumcuprate reagieren mit Halogenalkanen in sogenannten Kupplungsreaktionen unter Bildung substituierter Alkene Primaumlre Iodide sind dazu am besten geeignet aber auch andere primaumlre und sekundaumlre Halogenalkane geben befriedigende Resultate
R2CuLi RX R R LiX+ +
CCH3
CH
C17
CH3
HC20
HC
23
CH3
HC26
H
CH2(CH2)6CH3
1 Li(CH3CH2)2O2 CuI CuLi
CH3(CH2)6CH2IHMPT
11H 14 Cl2
Lithium-bis(trans-1-propenyl)cuprat90
trans-2-Undecen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 30 von 37 Herstellung von C-X-Bindungen Veresterung von Alkoholen mit Mineralsaumluren
Finkelsteinreaktion (RF-Verbindungen mit Krypat-Unterstuumltzung) Bei der Finkelstein-Reaktion handelt es sich um eine nucleophile Halogenid-Austausch-Reaktion zur Synthese von Iodiden und Fluoriden aus Bromiden und Chloriden zB
R X NaI R I NaX+Aceton
+ X = Cl Br
SN2
Eine Komponente der Triebkraft dieser Reaktion hat physikalische Ursachen die n und sekundaumlren
lkylhalogeniden unguumlnstige Lage der Gleichgewichte fuumlr eine SN2-Reaktion Loumlslichkeit Bei dieser Reaktion wird die bei tertiaumlreA
R X I I R X
I R X=
++
urch physikalisch-chemische Effekte beguumlnstigt naumlmlich dadurch dass NaBr und aCl in Aceton schlecht loumlslich sind und ausfallen Dadurch werden die leichgewichte irreversibel verschoben und die Reaktion verlaumluft somit im ewuumlnschten Sinne
eispiel
dNGg B
C16
CH3 CH
Br 223 Hin Aceton
CH3
CCHCH3
C I+NaI + NaBr
CH32 CH3
2SN2
Es findet keine Neophenylumlagerung statt das heiszligt dass keine SN1-Reaktion stattfindet In einer Variante der Finkelstein-Reaktion wird der Tosylat-Rest gegen Halogenid ausgetascht Ansonsten aber arbeitet man nach dem gleichen Prinzip
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 31 von 37
30 Elektrophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom
Am alipatischen C-Atom sind elektrophile Substitutionen moumlglich wenn die C-X-Bindung so polarisiert ist dass das C-Atom eine negative und die Abgangsgruppe
s der ilen
tion Man kann jedoch zwischen folgenden Mechanismen nterscheiden
1 SE1 analog SN2 (Racemisierung)
2 SE2-back analog SN2 (Inversion)
3 S 2-front analog S i (Retention)
analog S i (Retention)
31 SE1-Reaktion
ierbei handelt es sich um eine Reaktion erster Ordnung die zweistufig verlaumluft
eine positive Ladung traumlgt Diese Voraussetzungen sind vor allem bei metallorganischen und CH-aciden Verbindungen erfuumlllt Der Mechanismuelektrophilen alipathischen Substitution ist nicht so klar wie der der nucleophaliphatischen Substituu
E N
4 S i E N
H
langsamR X R
R Y+ R Y+
Geeignete Loumlsungsmittel fuumlr SE1-Reaktionen sind Dimethylformamid (DMF) undHexamethylphosphorsaumluretriamid (HMPA)
O N(CH3)2
HN(CH3)2
POH3)2
N(CH3)2
HMPA
N(CDMF
Stereochemie der SE1-Reaktion
Die Stereochemie von SE1-Reaktionen verlaumluft nicht einheitlich Im Allgemeinen isch aktive Verbindungen einsetzt Dies
kann zwei Ursachen haben 1 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist
ufig der Fall wenn es sich um mesomeriestabilisierte
2 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist pyramidal gebaut kann jedoch seine Struktur nicht halten (vergleichbar dem schnellen Durchschwingen von unsymmetrisch substituierten Aminen)
findet man Racematisierung wenn man opt
planar Dies ist hauml
Carbanionen handelt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 32 von 37 In Ausnahmefaumlllen kann jedoch auch bei planaren (mesomeristabilisierCarbanionen je nach Wahl des Loumls
ten) ungsmittel Inversion Retention oder
Racemisierung auftreten was durch unterschiedliche Solvatationseffekte erklaumlrt wird Beispiel fuumlr eine S 1-Reaktion E
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
HgBrRacemat
langsam
(-)+ HgBr+
+HgBr2
-HgB 2
rHgBr
Hg = isotopenmarkiertes Hg
32 S 2-ReaktionE E
eaktionen sind bimolekular Beide Mechanismus verglichen werden
Y
und S i-Reaktion
SE2 und SEi-R anisund SNi-Mech
men koumlnnen mit dem SN2-
C47
Y X
SE2 (back) nfalls um einen Frontangriff unter
C C X29
X C35
Y
X
41
SE2 (front)
Beim SEi ndashMechanismus handelt es sich ebeRetention
Y zY z
C53 X C60 XSEi
Die Bildung cyclischer Uumlbergangszustaumlnde die 4- oder 6-gliedrig sein koumlnnen foumlrdert die Losloumlsung der Abgangsgruppe Stereochemie von SE2-Reaktionen und von SEi-Reaktionen
Fuumlr die h den nucleuphilen Substitutionen von Be
8 Valenzelektronen haumltte Da nun zwischen den beiden Elektronenwolken Coulomb-Abstoszligung auftritt erfolgt der Angriff des Nucleophils gezwungenermaszligen von der Ruumlckseite des Molekuumlls Die Folge ist Inversion Anders ist es dagegen beim SE2- und Sei-Mechanismus Das angreifende Elektrophil besitzt nur ein leeres Orbital und somit ist sowohl der Front- als auch der
angriff unter Inversion verlaumluft laumlsst die Stereochemie der SE-Reaktion nur schwer Ruumlckschluumlsse auf den Mechanismus zu
Stereoc emie ist folgender Unterschied zu deutung
Bei SN-Reaktionen bringt das angreifende Nucleophil ein Elektronenpaar mit Daher muss die Abgangsgruppe bei der Neubildung der Bindung ein Elektronenpaar mitnehmen da sonst das C-Atom mehr als
Ruumlckseiten-Angriff moumlglich Da der Frontangriff unter Retention der Ruumlckseiten
Skript zum 2 OC-Kolloquium
33 Anwendungen
reu
Seite 33 von 37
Herstellung einfacher metallorganischer Verbindungen
etall-H-Austausch
aumluren betrachtet werden Dabei nimmt die H-Aciditaumlt mit zunehmendem s-Charakter der Hybridisierung zu
sp CH3 CH3
M C-H-Verbindungen koumlnnen als schwache SC Hybridisierung
3Saumlure konjugierte Base pKa-W
sp2
CH3 CH2 Zunahme der
sp
2 2
CH CH
CH2 CH
CH C15(-)
25
Aciditaumlt
Da eine staumlrkere Saumlu
ert 42
365
(-)
CH CH (-)
re eine schwaumlchere aus ihrem Salz vertreibt reagiert eine konjugierte Base mit jeder Saumlure die in der Tabelle unter ihr steht Elektronegative Gruppen an Aromaten wirken acidifizierend Beispiele
HC H Na
NaC2H6
Li H
+
pKa 42schwaumlchere Saumlure
Pentan
pKa 37schwaumlchere Saumlu
pKa 35 staumlkere Sauml re
+ Pentan +
schwaumlchere Saumlure
2 5+pKa 37 staumlkere Saumlure
Na CH3 H CH2Na
+ Pentan +
H H H LipKa 37pKa 23
staumlkere Saumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 15 von 37
CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3
C HH
HC C C C C
H
H
H
H
H
H
H
H
H
HH
C C HH
H
H
HC C C C H
HH
H H H
H H H
+
+
Pyrolyse von Hexan
C C C H
H
H
HH
H
H2
20 Nucleophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom Bei einer Nucleophilen Substitution wird eine Abgangsgruppe unter hetereolytischer Spaltung der Bindung gegen ein Nucleophil ausgetauscht Nucleophile sind neutrale Teilchen oder Anionen welche mindestens ein freies Elektronenpaar aufweisen Gute Nucleophile sind gut polarisierbar und besitzen eine geringe Elektronegativitaumlt Sterisch anspruchsvolle Nucleophile hingegen sind schlechte Nucleophile Auszliger den bereits genannten Faktoren beeinflusst auch die Staumlrke der neu gebildeten Bindung die Guumlte eines Nucleophils Beispiele fuumlr neutrale Nucleophile sind H2O ROH RSH NR3 PR3 Beispiele fuumlr Anionische Nucleophile sind Hal- RO- HO- RS- Fuumlr die Guumlte der Abgangsgruppe (Necleofuge) gilt im Allgemeinen dass je staumlrker die konjugierte Saumlure desto besser das Nucleofug
I- gt Br- gt Cl- gt F- Man kann des weiteren Nucleofuge durch Zugabe von H+ -OH2
+ -OHR+ aktivieren Bei Nucleophilen Substitutionen unterscheidet man zwischen SN1 SN2 und SNi- Reaktionen 21 Die Bimolekulare nucleophile Substitution SN2 Zunaumlchst greift ein Nucleophil (in diesem Fall das Hydroxidion) am partiell positiv geladenen Kohlenstoffatom ruumlckseitig an Dabei entsteht ein fuumlnfbindiger (pentavalenter) Uumlbergangszustand Die Abspaltung des Chloridions sowie die Anlagerung des Hydroxidions erfolgt gleichzeitig und man erhaumllt als Reaktionsprodukt Methanol und ein Chloridion
C ClH
H H
HO
C ClH
H HOH
COHH
H HCl
- =
-+
-
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 16 von 37 Das Energiediagramm fuumlr eine solche Reaktion sieht wie folgt aus
Uumlbergangszustand ne
Edukte
Produkte
Neben der ruumlckseitigen Anlagerung des Nucleophils koumlnnte das Nucleophil auch vorderseitig angelagert werden Jedoch zeigen entsprechende Experimente dass diese Anlagerung nicht stattfindet
CCH3
HBr
CH2CH3
CCH3
H
BrCH2CH3
I
IC
CH3
HI
CH2CH3
Br
HBrI
CH2CH3CH3
C CH3
HI
CH2CH3
Br
- =
Vorderseitenangriff
--+
Retention
(S)-2-Brombutan
(S)-2-Iodbutan
- =
Ruumlckseitenangriff
Inversion
-+
(R)-2-Iodbutan Im folgenden soll eine kurze Uumlbersicht uumlber moumlgliche Nucleophile sowie die dabei entstehenden Produkte gegeben werden
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 17 von 37
-Hydroxid
R OH Alkohol
OR-Alkoxid
R OR Ether HOH R O
H
HR O H
+ -H+
Alkohol R OH R O H
RR O R-H+
Ether
R CO
O Carboxylat
R O C RO Ester
NH3 Ammoniak R NH3 R NH2
+ -H+
Amin R 2NH primaumlres Amin R NH2R R NHR
+ -H+
sekundaumlres Amin
R2 NH sekundaumlres Amin R NHR 2 R NR2+ -H+
tertiaumlres Amin
R3N tertiaumlres Amin R NR3+
R-SH Thiol R-S- Mereaptidion R-SR Thioether R2S
SRRR
+
kan CN- Cyanid R-CN Nitriole C C R R C C R A
schiene F
Nucleophil (Nu) R-Nu
O H
HS- Hydrogensulfidion
Sulfoniumion I- Iodid R-I Iodal
Acetylid cetylen
Es gibt ver aktoren die den Ablauf der SN2-Reaktion bestimmen Zum einen
I-gt Br- gt Cl- gt F-
beeinflusst die Guumlte der Abgangsgruppe den Verlauf der Reaktion Dabei beguumlnstigen stabile Abgangsgruppen den Verlauf der Reaktion
R S OO
OR S O
O
OR S O
O
O
CO
OC
O
OC
O
O-
--
--
-
uszligerdem beeinflusst die Art des Nucleophils den Verlauf der SN2-Reaktion Dabei wird die Reaktion durch negativ geladene Nucleophile ohne sterische Hinderung beguumlnstigt
A
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 18 von 37
22 Die Monokulare Substitution SN1 Neben der bimolekularen Substitution kann bei Halogenalkanen noch eine weitere
ndash die monomolekulare Substitution iese Form der Substitution tritt allerdings bevorzugt bei sekundaumlr oder tertiaumlr
lten
Substituenten in eine Ebene und das zentrale
Form der nucleophilen Substitution auftretenDgebundenen Halogenen auf Bei der Monomolekularen Substitution wird zunaumlchst das Halogenidion abgespaund es bildet sich ein Carbeniumion Anschlieszligend bdquoklappenldquo die drei noch am Kohlenstoffatom verbliebenenKohlenstoffatom nimmt eine sp2-Hybridisierung ein Danach kann die Anlagerung des Nucleophils erfolgen
CH3
OH2
C Br
CH2CH2CH3CH2CH2
Br CCH3
CH2CH2CH3
CH2CH3
OH2
C
C3
OH CH2CH3
CH2CH2CH3
C
OH
CH3
CH2CH2CH3CH2CH3
-
(R)
+
(S)-Methyl-3-hexanal
InversionRetention
-HBr -HBr
(R)-3-Methyl-3-hexanal
+
2
H
Da das Carbeniumion eine sp -Hybridisierung aufweist kann bei der SN1-Reaktion eine vorder- und eine ruumlckseitige Anlagerung des Nucleophils erfolgen Das Energiediagramm einer solchen Reaktion sieht wie folgt aus E
C BrCH3
CH3
CH3
Br (CH3)3C(CH3)3 C OH BrH2O+ -+ ++ -
Die SN1-Reaktion laumluft im Allgemeinen schneller als die SN2-Reaktion ab Dazu ist es aber noumltig dass sich ein stabiles Carbeniumion ausbilden kann Die Stabilitaumlt des Carbeniumions haumlngt von den Substituenten ab Dabei gelten tertiaumlre Carbeniumionen als besonders stabil
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 19 von 37
C
CH3
CH3
CH3 C
H
CH3
CH3 C
H
H
CH3 C
H
H
H+ + + +
CH3tertiaumlr sekundaumlr primaumlr
+gt gt gt
Der Grund fuumlr die Stabilitaumlt der tertiaumlren Carbeniumionen ist der hyperkonjugative Effekt der Alkylgruppen Dabei bdquoverschiebenldquo die Alkylsubstituenten ihre Elektronendichte zum Kation
CHH
CCH2
CH2
CH2
H
H
+ +
Alkylsubstituenten schieben Elektronendichte zum Kation
H
H
Die folgende Tabelle soll einen kurzen Vergleich zwischen SN1- und SN2-Reaktion ziehen
Vergleich von S 2 und S 1 N NReaktionsparameter SN2 SN1 Struktur des Halogenids primaumlr selten
zyl Alkyl) haumlufig
(Bensekundaumlr manchmal anchmal mtertiaumlr selten haumlufig
Racemisierung Loumlsungsmittel olare
smittel verzoumlgert olare
e Loumlsungsmittel wird durch pLoumlsung
wird durch pprotischbeschleunigt
Nucleophil Anionische Nu beguumlnstigt schlechte Abgangsgruppe gute Abgangsgruppe
bevorzugt SN1 Erhoumlhung der NucleophDie Nucleophilie e
ilieines Nucle em Maszlige w n
erabgesetzt wird Eine Verminderung der Solvatation erreicht man durch Kronether
durch Kryptatbildung ophils steigt in d ie die Solvatatio
Stereochemie Inversion
andere Abgangsgruppe als Halogenides
bevorzugt SN2
h(engl crown) zB
O
O
O
O
OO
O
O OK
+
Y
12-Crown-418-Crown-6
Kryptat
O
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 20 von 37 Bezeichnung der Kronether Die Zahl vor bdquoCrownldquo gibt die Gesamtzahl der Ringatome die Zahl dahinter die Anzahl der Sauerstoffatome an In diesen Alkylkryptaten wird das Gegenion des Nucleophils K+ komplex gebunden auszligerdem findet in unpolaren organischen Loumlsungsmitteln in denen die Kryptatte loumlslich sind nur geringe Solvatation statt so dass das Nucleophil gewissermaszligen bdquonacktldquo vorliegt und dadurch seine volle nucleophile Kraft entfalten kann Kronether werden durch eine Williamsonrsquosche Ethersynthese dargestellt
OHO OCl O O40
O OH Cl O OO
O+
-HCl
O
18-Crown-6Triethylenglykol Triethylenglykoldicklorid
Beschleunigte nucleophile Substitution Die Nachbarschaftsgruppenbeteiligung von Y fuumlhrt zu einer beschleunigten nucleophilen Substitution und erklaumlrt durch zweimalige Inversion die Retention Das Elektronenpaar der Nachbargruppe Y kann ein ein freies Elektronenpaar (Hetereoatome) oder eine π-Bindung sein (Alkene Arene) in Einzelfaumlllen auch eine C-C-Bindung (2-Norbornylkation)
LGY| Y NuInversion|Nu
-+ Inversion
Y|
LG Abgangsgruppe-LG
-
23 SNi-Reaktion Unter dem SNi-Mechanismus versteht man eine innere nucleophile Substitution die nach einem internen SN2-Mechanismus ablaumluft und somit unter Beibehaltung der Konfiguration Ein typisches Beispiel ist der Austausch einer OH-Gruppe gegen Chlor mit SOCl2
COOH
HCOOH
COOH
O SCl
COOHH ClCl2
-SO2
R(-)-Chlorbernsteinsaumlure
H OH +SO
CH2
COOHCH2
O CH2
COOH
in Dioxan-HCl
R(+)-Aumlpfelsaumlure
Hierbei bleibt die Konfiguration erhalten da primaumlr der instabile Chlorsulfinsaumlureester gebildet wird und durch diese Bindung das Nucleophil von derselben Seite angreifen muss Dies fuumlhrt zur Retention Der SNi-Mechanismus ist jedoch stark loumlsungsmittelabhaumlngig denn fuumlhrt man dieselbe Reaktion in Pyridin durch so erhaumllt man 100 Waldenumkehr also SN2-Mechanismus
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 21 von 37 Der Grund hierfuumlr ist in der unterschiedlichen Basenstaumlrke zu sehen zwischen Dioxan und Oyridin Dioxan ist nur eine schwache Base
O
O
O
OH
+ HCl
+
Cl-
Das Gleichgewicht liegt weit auf der linken Seite wodurch das Nucleophil Cl- als HCl gebunden vorliegt Anders ist es dagegen in Pyridin
CR1
R2 OH CR1
R2 OSOClR1+SOCl2 PyrH+Cl-
R3 R3C
R3R2Cl
SN2+ - -
Hierbei greift das aus dem PyrH Cl stammende Nucleophil Cl in einer SN2-Reaktion den entstehenden Chlorsulfinsaumlureester von der Ruumlckseite her an was zur Konfigurationsumkehr fuumlhrt 24 Anwendungen
ubstitution von Halogeniden
siehe SN1 und SN2-Mechanismen saure Veretherung
Eine zweite Alkoholfunktion kann sich nun das enachbarte Kohlenstoffatom nucleophil angreifen Nach der Abspaltung eines
nes Protons erhaumllt man einen Ether
Herstellung von C-O-Bindungen S
Man kann bei Anwesenheit einer Saumlure [H2SO4] zwei Alkohole durch eine saure Veretherung in einen Ether uumlberfuumlhren Dabei wird zunaumlchst eine der Alkoholfunktionen protoniert bWassermolekuumlls und ei
CH3CH2OH
CH3CH2OH
CH3CH2 OH
H
CH3CH2OH
CH3CH2 O HCH3CH2
CH3CH2 O
H+ + -H2O +
++ H
+
CH3CH2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 22 von 37 Etherspaltung In Ethern kann die ROR-Gruppe in Anwesenheit einer Saumlure protoniert werden Im nachfolgenden Schritt erfolgt ein nucleophiler Angriff des Halogenid-Anions Man erhaumllt als Produkt ein Halogenalkan und ein Alkohol
CH3CH2OCH2CH3 CH3CH2 OCH2CH3
H
CH3CH2 OCH2CH3
H
H+
+
Dialkyloxonium-Ion
+Br +-
CH3CH2Br + HOCH2CH3
Williamson-Synthese
e
H3C-CH2-O-CH2-CH3 Diethylether
Ether Alkoyalkan R-O-R
O
Tetrahydrfuran(THF)
CH3 CH2 O Na Br CH2CH3 CH3 CH2 O CH2 CH3
- + +SN2
intermolekularNaBr+
den zuvor beschriebenen Kapiteln koumlnnen verschiedene eaktionsmechanismen zusammen wirken Ein bedeutendes Beispiel dafuumlr ist die
rung von Carbonsaumluren mit Alkoholen Dabei wird zunaumlchst ein Nucleophil an as Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe addiert Anschlieszligend erfolgt die
Da Alkohole schlechte Nucleophile sind muumlssen derartige Reaktionen durch Saumlure (meist Schwefelsaumlure) katalysiert werden Im ersten Schritt lagert sich das Proton an das nicht saure Sauerstoffatom an Diesfuumlhrt zu einer positiven Ladung am Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe Hierdurch wird nun der nucleophile Angriff des Alkohols beguumlnstigt Durch die Anlagerung eines weiteren Proton wird nun die schon einmal protonierte Hydroxygruppen ein weiteres
al protoniert und somit in eine gute Abgangsgruppe umgewandelt Nach der s Wassers wird die andere Hydroxygruppe deprotoniert und man erhaumllt
Veresterung Neben den in RVerestedAbspaltung des Carboxylsauerstoffatoms
mAbspaltung deeinen Ester als Reaktionsprodukt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 23 von 37
O
OH
O
OH
H
R C OH
Nu
C O
Nu HNu
R C
O
Nu
+
+ Nu
+
+- H-H2O
Mechanismus der Veresterung (Saumlure katalysiert)
R C R C- +
+ Nu + H -δ+
OH
R
OHH
R C
O H ++ H
H2O +
+
Substitution von Diazoniumsalzen Darstellung von Salpetrigsaumlureestern
CH2 OH
C2 OH
NO(-) CH2 O
CHCH2
OO
NNN
OOO
+H++ 3 H2OCH OH 2+
H
erstellung der C-S-Bindungen arstellung von Thiolen und Thioethern nalog der Williamsonrsquoschen Ethersynthese lassen sich auch Thioether darstellen
HDA
R Br R SH NaBrMercaptane
Na+ HS-+ +
ich jedoch aufgrund ihrer groumlszligeren den Alkoholen nur schlecht abfangen Thioethern weiterreagieren lassen
Dabei entstehen primaumlr Mercaptane die sucleophilie gegenuumlber den entsprechenN
lassen und sofort zu den entsprechenden
R1 SH R2 X R1 S R2 HXThioether
+Base
SN2+
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 24 von 37 Eine selektrive Herstellung von Mercaptanen durch nucleophile Substitution von
hioharnstoff-Methode Alkylhalogeniden erfolgt mit der T
NH2
CNH
NH2
SH
NH2
CO2 3
+
OH- H2O
2+
CNH2
S
RX CNH2
NH2
SR CNH2
NH2
SR CNH2
SR
s-Alkylthiuroniumsalze
++ +
iso-ThioharnstoffR SH NH+
Herstellung der C-N- Bindung Gabriel-Synthese Ein nichtreduktiver Zugang zu primaumlren Aminen geht von dem Anion von 2-Benzoldicarboximid (Phtalimid) aus dem cyclischen Imid der 12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure) Dieses Verfahren ist als Gabriel-Sysnthese bekannt Da das Stickstoffatom in 12-Benzoldicarboximid (Phtalamis) von zwei Carbonylfunktionen flankiert ist ist die NH-Gruppe ungewoumlhnlich acide (pKa = 83) staumlrker als ein gewoumlhnliches Amid (pKa = 15) Sie wird deshalb bereits von einer so milden Base wie dem Carbonat-Ion deprotoniert das entstehende Anion wird in guter Ausbeute alkyliert Durch saure Hydrolyse setzt man das Amin anschlieszligend als Ammoniumsalz frei Behandelt man dieses mit Base erhaumllt man das freie Amin
O
O
O
O
O
2OH
O
CH CH2NH3HSO4
O
O
O
O
CH CCH2NH2
+
NaOH H2O
+Na+
Na+
N-2-Propinyl-12-benzoldicarboximid (N-Propargylphtalimid)
2-Propinamin (Propargylamin)
wird bei waumlssriger Aufarbeitung entfernt
O
OH
OH
O
NH N K+NH3 300degC
-H2O
K2CO3 H2O
CH CCH2Br
N
O
CH CH CHOH
O
DMF 100degC-KBr
H2SO4 H2O 120degC+ -
12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure)
9712-Benzoldicarboximid (Phtalimid)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 25 von 37 Hinsberg-Reaktion Die Hinsberg-Reaktion bietet die Moumlglichkeit ausgehend von primaumlren Aminen gezielt sekundaumlre Amine herzustellen
R NH2 Cl ts R NH
ts R N ts
-HCl
acides H
KOH
-H2O
(-)
K(+)
R N ts
NR
Rts NH
R
RtsOK
(-)
K(+)+R-X
-KX
Verseifung
H2O
ts = Tosylat = CH3 SO2
Quarternisierung von Aminen Nitroalkanen Isonitrilen Herstellung von C-C-Bindungen Nitrilsynthese (nach Kolbe)
ogenide meist Methyliodid oder primaumlre Alkyliodide mit eim
mit tertiaumlren Alkylhalogeniden ndash erhaumllt man jedoch hauptsaumlchlich Isonitrile
Setzt man AlkylhalNatriumcyanid um so erhaumllt man hauptsaumlchlich die entsprechenden Cyanide BUmsatz von Silbercyanid ndash vor allem
CH3 I
CH3 CN
CH3 N C 7
Acetonitril
Methylisonitril
SN2-artig
+NaCN -NaI
SN1-artig
+AgCN -AgI
er Grund fuumlr dieses Reaktionsverhalten liegt darin dass das Silber-Kation die unterstuumltzt In einer SN1-seinem
lektronegativsten Atom an im Falle der Kolbersquoschen Nitrilsynthese mit dem N-Atom ieser SN1-artige Verlauf fuumlhrt somit zu Isonitrilen at die Reaktion jedoch mehr bimolekularen Charakter so greift das ambidente CN(-) evorzugt mit dem weniger elektronegativeren dafuumlr mehr polarisierbaren Atom an ies fuumlhrt zur Bildung von Nitrilen ie Verhaumlltnisse beim CN(-) sind denen des NO2
(-) aumlhnlich Das Wesentliche ist dabei er SN1- bzw SN2-Charakter der Reaktion Dieser Charakter laumlsst sich durch die
oumlsungsmittelwahl bzw Kryptat-Einfluss in eine
DBildung eines Carbenium-Ions foumlrdert und die SN1-Reaktion rtigen Reaktion greift jedoch das ambidente Nucleophil mit a
eDHbDDdWahl des Nucleophils und durch Lbestimmte Richtung lenken
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 26 von 37 Darstellung von Alkinen Alkine koumlnnen aus anderen Alkinen erhalten werden durch Reaktion terminaler Alkinyl-Anionen mit alkylierenden Reagenzien wie primaumlren Halogenalkanen
xacyclopropanen Aldehyden und Ketonen Wie wir wissen werden solche Anionen aus terminalen Alkinen durch Deprotonierung mit starken Basen meist Alkyllithium-Verbidnungen Natriumamid in fluumlssigem Ammoniak oder Grignard-Reagenzien gewonnen Die Alkylierung mit primaumlren Halogenalkanen erfolgt uumlblicherweise in fluumlssigem Ammoniak oder Ethern Diese Loumlsungsmittel enthalten bisweilen 12-Ethandiamin H2NCH2CH2NH2 NNNrsquoNrsquo-Tetramethyl-12-ethandiamin (TMEDA) (CH3)2NCH2CH2N(CH3)2 oder HMPT als Cosolventien um die Nucleophilie des Anions zu erhoumlhen
O
CH3C CH CH3C C24
(-) (+)Na CH3C
NaNH2 fl NH3
-NH2H
CH3I
-NaI75
CCH3
2-Butin
C36
CH C44
CCH2CH2CH31 CH3CH2CH2CH2CH2Li THF H2NCH2CH2NH22 CH3CH2CH2Br
n
-LiBr85
1-Pentinylcyclohexa
enz
Alkylierung von Ketonen Die konjugierte Addition gefolgt von einer Alkylierung stellt eine nuumltzliche Sequzur αβ-Dialkylierung undgesaumlttigter Carbonylverbindungen
CO
1 R2CuLi
C C C C CR R
O O OBeispiel
1 (CH CH
O2 RX
CH3
CH CH2CH2CH3
CH3
CH2CH2CH2CH3
3 2CH2CH2)2CuLi THF2 CH3I +
84 4 1 trans- und cis-3-Butyl-2-methylcyclohexanon
2
itionGewoumlhnliche Grignard-Verbindungen reagieren mit αβ-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen in einer 12-Add einer 14-Addition oder beiden Weegen je nach Struktur Reaktionsbedingungen und reagierenden Verbindungen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 27 von 37 β-Dicarbonylverbindungen
laisen-Kondensationen fuumlhren zu β-Dicarbonylverbindungen Ethylacetat reagiert en Natriumethoxid zu Ethyl-3-oxobutanoat
Cmit stoumlchiometrischen Meng(Ethylacetacetat Acetessigester)
CH3 C2
OO
CH2CH3CH3 C
7O
OCH2CH3 CH3 C
12
OCH2
C16
OO
CH2CH3+Na+-OCH2CH3 CH3CH2OH
-CH3CH2OHEthylacetat Ethyl-3-oxobutanoat
(Ethylacetacetat) Die Claisen-Kondensation beginnt mit der Bildung eines Esterenolat-Ions Durch eine Additions-Eliminierungs-Reaktion an die Carbonylgruppe eines anderen Estermolekuumlls entsteht ein 3-Ketoester Diese Schritte sind reversibel und der geamte Vorgang ist bis zu dieser Stufe endotherm Besonders unguumlnstig ist die Deprotonierung des Esters (pKa = 25) durch Ethoxid (pKa von Ethanol = 159) Das Gleichgewicht ist trotzdem zum Produkt verschoben da die Basde den 3-Ketoester (pKa = 11) an C2 praktisch irreversibel deprotoniert Bei der Aufarbeitung mit waumlssriger Saumlure wird die konjugierte Base des Produkts protoniert womit der Prozess abgeschlossen ist
CH3 C21
O CH2CH3 Na+ CH2 C
27 OCH2CH3
CH2 C32
O
OCH2CH3
+ CH3CH2OH
O O(-)
(-)Bildung des Esterenolats
Na+-OCH2CH3
CH3 C37
OO
CH2CH3CH2 C
42O
OCH2CH3
(-)CH3 C
48OCH2CH3
O
CH2
C52
OCH2CH3
O
+
Eliminierung
Nucleophile Addition
CH3 C56
OCH2CH3
O
CH2
C60
OCH2CH3
O
CH3 C64
CH2
C66
OCH2CH3
O O
+ -OCH2CH3
Ketoester
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 28 von 37
CH3 C71
CH2
C73
OCH2CH3
O O
CH3 C78
CH C80
OCH2CH3
O O
CH3 C92
CH
C94
OCH2CH3
O OCH3 C
99CH
C101
OCH2CH3
O O(-)
CH3 C85
CH2
C87
OCH2CH3
O O
Deprtotonierung
+ -OCH2CH3
sauer pKa = 11
+CH3CH2OH
CH3 CCHO
COCH2CH3
O(-)CH3 CCH2
OCOCH2CH3
O
Protonierung bei der waumlssrigen Aufarbeitung
H+ H2O
Zur Vermeidung einer Umesterung sollten sich das Alkoxid und der Ester von demselben Alkohol ableiten lassen Malonestersynthese Mit der Malonester-Synthese erhaumllt man Carbonsaumluren Diethylpropandioat (Malonsaumlureester) ist ein gutes Ausgangsmaterial zur Darstellung 2-substituierter oder 22-disubstituierter Carbonsaumluren in einem Verfahren das man Malonestersynthese nennt
CH3 CH2
O C CH2
OCO
O CH2
CH3CH3 C
H2
O C CO
CO
O CH2
CH3
R
R
CR
RH COOH
22-disubstituierte Carbonsaumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 29 von 37 α β-ungesaumlttigte Ketone Bei α- β-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen tritt neben der 12-Verknuumlfung auch 14-Verknuumlpfung bei der Pinakol-Reaktion auf
CH2 CH
CH
O CH2 CH
CH
CH
CH
CH2
OH OH
12-Verknuumlpfung
2Zn
Ethanol 0degC
68
O O On
O O
2
14-Verknuumlpfung
+ e(-)
(-) (-)
lkylierung von Cupraten alten Doppelbindungen an denen einfache Alkylgruppen
ebunden sind Im Prinzip koumlnnen diese Verbindungen aus organometallischen
zien RLi bzw RMgX im allgemeinen icht mit Halogenalkanen Es gibt aber einen anderen Typ organometallischer
Reagenzien die Organocuprate die hier sehr effektiv wirken Organocuprate besitzen die stoumlchiometrische Zusammensetzung R2CuLi und koumlnnen direkt durch Addition zweier Aumlquivalente einer Organolithium-Verbidnung an ein Aumlquevalent Kupferiodid CuI dargestellt werden Beispiel
AViele wichtige Molekuumlle enthgReagenzien durch direkte Alkylierung gewonnen werden Ungluumlcklicherweise reagieren Organolithium- oder Grignard-Reagenn
CH2 CHLi CuI (CH2=CH)2CuLi LiI+ +Ethenyllithium Lithiumdiethenylcuprat
(ein Organocuprat-Reagenz) Lthiumcuprate reagieren mit Halogenalkanen in sogenannten Kupplungsreaktionen unter Bildung substituierter Alkene Primaumlre Iodide sind dazu am besten geeignet aber auch andere primaumlre und sekundaumlre Halogenalkane geben befriedigende Resultate
R2CuLi RX R R LiX+ +
CCH3
CH
C17
CH3
HC20
HC
23
CH3
HC26
H
CH2(CH2)6CH3
1 Li(CH3CH2)2O2 CuI CuLi
CH3(CH2)6CH2IHMPT
11H 14 Cl2
Lithium-bis(trans-1-propenyl)cuprat90
trans-2-Undecen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 30 von 37 Herstellung von C-X-Bindungen Veresterung von Alkoholen mit Mineralsaumluren
Finkelsteinreaktion (RF-Verbindungen mit Krypat-Unterstuumltzung) Bei der Finkelstein-Reaktion handelt es sich um eine nucleophile Halogenid-Austausch-Reaktion zur Synthese von Iodiden und Fluoriden aus Bromiden und Chloriden zB
R X NaI R I NaX+Aceton
+ X = Cl Br
SN2
Eine Komponente der Triebkraft dieser Reaktion hat physikalische Ursachen die n und sekundaumlren
lkylhalogeniden unguumlnstige Lage der Gleichgewichte fuumlr eine SN2-Reaktion Loumlslichkeit Bei dieser Reaktion wird die bei tertiaumlreA
R X I I R X
I R X=
++
urch physikalisch-chemische Effekte beguumlnstigt naumlmlich dadurch dass NaBr und aCl in Aceton schlecht loumlslich sind und ausfallen Dadurch werden die leichgewichte irreversibel verschoben und die Reaktion verlaumluft somit im ewuumlnschten Sinne
eispiel
dNGg B
C16
CH3 CH
Br 223 Hin Aceton
CH3
CCHCH3
C I+NaI + NaBr
CH32 CH3
2SN2
Es findet keine Neophenylumlagerung statt das heiszligt dass keine SN1-Reaktion stattfindet In einer Variante der Finkelstein-Reaktion wird der Tosylat-Rest gegen Halogenid ausgetascht Ansonsten aber arbeitet man nach dem gleichen Prinzip
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 31 von 37
30 Elektrophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom
Am alipatischen C-Atom sind elektrophile Substitutionen moumlglich wenn die C-X-Bindung so polarisiert ist dass das C-Atom eine negative und die Abgangsgruppe
s der ilen
tion Man kann jedoch zwischen folgenden Mechanismen nterscheiden
1 SE1 analog SN2 (Racemisierung)
2 SE2-back analog SN2 (Inversion)
3 S 2-front analog S i (Retention)
analog S i (Retention)
31 SE1-Reaktion
ierbei handelt es sich um eine Reaktion erster Ordnung die zweistufig verlaumluft
eine positive Ladung traumlgt Diese Voraussetzungen sind vor allem bei metallorganischen und CH-aciden Verbindungen erfuumlllt Der Mechanismuelektrophilen alipathischen Substitution ist nicht so klar wie der der nucleophaliphatischen Substituu
E N
4 S i E N
H
langsamR X R
R Y+ R Y+
Geeignete Loumlsungsmittel fuumlr SE1-Reaktionen sind Dimethylformamid (DMF) undHexamethylphosphorsaumluretriamid (HMPA)
O N(CH3)2
HN(CH3)2
POH3)2
N(CH3)2
HMPA
N(CDMF
Stereochemie der SE1-Reaktion
Die Stereochemie von SE1-Reaktionen verlaumluft nicht einheitlich Im Allgemeinen isch aktive Verbindungen einsetzt Dies
kann zwei Ursachen haben 1 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist
ufig der Fall wenn es sich um mesomeriestabilisierte
2 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist pyramidal gebaut kann jedoch seine Struktur nicht halten (vergleichbar dem schnellen Durchschwingen von unsymmetrisch substituierten Aminen)
findet man Racematisierung wenn man opt
planar Dies ist hauml
Carbanionen handelt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 32 von 37 In Ausnahmefaumlllen kann jedoch auch bei planaren (mesomeristabilisierCarbanionen je nach Wahl des Loumls
ten) ungsmittel Inversion Retention oder
Racemisierung auftreten was durch unterschiedliche Solvatationseffekte erklaumlrt wird Beispiel fuumlr eine S 1-Reaktion E
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
HgBrRacemat
langsam
(-)+ HgBr+
+HgBr2
-HgB 2
rHgBr
Hg = isotopenmarkiertes Hg
32 S 2-ReaktionE E
eaktionen sind bimolekular Beide Mechanismus verglichen werden
Y
und S i-Reaktion
SE2 und SEi-R anisund SNi-Mech
men koumlnnen mit dem SN2-
C47
Y X
SE2 (back) nfalls um einen Frontangriff unter
C C X29
X C35
Y
X
41
SE2 (front)
Beim SEi ndashMechanismus handelt es sich ebeRetention
Y zY z
C53 X C60 XSEi
Die Bildung cyclischer Uumlbergangszustaumlnde die 4- oder 6-gliedrig sein koumlnnen foumlrdert die Losloumlsung der Abgangsgruppe Stereochemie von SE2-Reaktionen und von SEi-Reaktionen
Fuumlr die h den nucleuphilen Substitutionen von Be
8 Valenzelektronen haumltte Da nun zwischen den beiden Elektronenwolken Coulomb-Abstoszligung auftritt erfolgt der Angriff des Nucleophils gezwungenermaszligen von der Ruumlckseite des Molekuumlls Die Folge ist Inversion Anders ist es dagegen beim SE2- und Sei-Mechanismus Das angreifende Elektrophil besitzt nur ein leeres Orbital und somit ist sowohl der Front- als auch der
angriff unter Inversion verlaumluft laumlsst die Stereochemie der SE-Reaktion nur schwer Ruumlckschluumlsse auf den Mechanismus zu
Stereoc emie ist folgender Unterschied zu deutung
Bei SN-Reaktionen bringt das angreifende Nucleophil ein Elektronenpaar mit Daher muss die Abgangsgruppe bei der Neubildung der Bindung ein Elektronenpaar mitnehmen da sonst das C-Atom mehr als
Ruumlckseiten-Angriff moumlglich Da der Frontangriff unter Retention der Ruumlckseiten
Skript zum 2 OC-Kolloquium
33 Anwendungen
reu
Seite 33 von 37
Herstellung einfacher metallorganischer Verbindungen
etall-H-Austausch
aumluren betrachtet werden Dabei nimmt die H-Aciditaumlt mit zunehmendem s-Charakter der Hybridisierung zu
sp CH3 CH3
M C-H-Verbindungen koumlnnen als schwache SC Hybridisierung
3Saumlure konjugierte Base pKa-W
sp2
CH3 CH2 Zunahme der
sp
2 2
CH CH
CH2 CH
CH C15(-)
25
Aciditaumlt
Da eine staumlrkere Saumlu
ert 42
365
(-)
CH CH (-)
re eine schwaumlchere aus ihrem Salz vertreibt reagiert eine konjugierte Base mit jeder Saumlure die in der Tabelle unter ihr steht Elektronegative Gruppen an Aromaten wirken acidifizierend Beispiele
HC H Na
NaC2H6
Li H
+
pKa 42schwaumlchere Saumlure
Pentan
pKa 37schwaumlchere Saumlu
pKa 35 staumlkere Sauml re
+ Pentan +
schwaumlchere Saumlure
2 5+pKa 37 staumlkere Saumlure
Na CH3 H CH2Na
+ Pentan +
H H H LipKa 37pKa 23
staumlkere Saumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 16 von 37 Das Energiediagramm fuumlr eine solche Reaktion sieht wie folgt aus
Uumlbergangszustand ne
Edukte
Produkte
Neben der ruumlckseitigen Anlagerung des Nucleophils koumlnnte das Nucleophil auch vorderseitig angelagert werden Jedoch zeigen entsprechende Experimente dass diese Anlagerung nicht stattfindet
CCH3
HBr
CH2CH3
CCH3
H
BrCH2CH3
I
IC
CH3
HI
CH2CH3
Br
HBrI
CH2CH3CH3
C CH3
HI
CH2CH3
Br
- =
Vorderseitenangriff
--+
Retention
(S)-2-Brombutan
(S)-2-Iodbutan
- =
Ruumlckseitenangriff
Inversion
-+
(R)-2-Iodbutan Im folgenden soll eine kurze Uumlbersicht uumlber moumlgliche Nucleophile sowie die dabei entstehenden Produkte gegeben werden
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 17 von 37
-Hydroxid
R OH Alkohol
OR-Alkoxid
R OR Ether HOH R O
H
HR O H
+ -H+
Alkohol R OH R O H
RR O R-H+
Ether
R CO
O Carboxylat
R O C RO Ester
NH3 Ammoniak R NH3 R NH2
+ -H+
Amin R 2NH primaumlres Amin R NH2R R NHR
+ -H+
sekundaumlres Amin
R2 NH sekundaumlres Amin R NHR 2 R NR2+ -H+
tertiaumlres Amin
R3N tertiaumlres Amin R NR3+
R-SH Thiol R-S- Mereaptidion R-SR Thioether R2S
SRRR
+
kan CN- Cyanid R-CN Nitriole C C R R C C R A
schiene F
Nucleophil (Nu) R-Nu
O H
HS- Hydrogensulfidion
Sulfoniumion I- Iodid R-I Iodal
Acetylid cetylen
Es gibt ver aktoren die den Ablauf der SN2-Reaktion bestimmen Zum einen
I-gt Br- gt Cl- gt F-
beeinflusst die Guumlte der Abgangsgruppe den Verlauf der Reaktion Dabei beguumlnstigen stabile Abgangsgruppen den Verlauf der Reaktion
R S OO
OR S O
O
OR S O
O
O
CO
OC
O
OC
O
O-
--
--
-
uszligerdem beeinflusst die Art des Nucleophils den Verlauf der SN2-Reaktion Dabei wird die Reaktion durch negativ geladene Nucleophile ohne sterische Hinderung beguumlnstigt
A
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 18 von 37
22 Die Monokulare Substitution SN1 Neben der bimolekularen Substitution kann bei Halogenalkanen noch eine weitere
ndash die monomolekulare Substitution iese Form der Substitution tritt allerdings bevorzugt bei sekundaumlr oder tertiaumlr
lten
Substituenten in eine Ebene und das zentrale
Form der nucleophilen Substitution auftretenDgebundenen Halogenen auf Bei der Monomolekularen Substitution wird zunaumlchst das Halogenidion abgespaund es bildet sich ein Carbeniumion Anschlieszligend bdquoklappenldquo die drei noch am Kohlenstoffatom verbliebenenKohlenstoffatom nimmt eine sp2-Hybridisierung ein Danach kann die Anlagerung des Nucleophils erfolgen
CH3
OH2
C Br
CH2CH2CH3CH2CH2
Br CCH3
CH2CH2CH3
CH2CH3
OH2
C
C3
OH CH2CH3
CH2CH2CH3
C
OH
CH3
CH2CH2CH3CH2CH3
-
(R)
+
(S)-Methyl-3-hexanal
InversionRetention
-HBr -HBr
(R)-3-Methyl-3-hexanal
+
2
H
Da das Carbeniumion eine sp -Hybridisierung aufweist kann bei der SN1-Reaktion eine vorder- und eine ruumlckseitige Anlagerung des Nucleophils erfolgen Das Energiediagramm einer solchen Reaktion sieht wie folgt aus E
C BrCH3
CH3
CH3
Br (CH3)3C(CH3)3 C OH BrH2O+ -+ ++ -
Die SN1-Reaktion laumluft im Allgemeinen schneller als die SN2-Reaktion ab Dazu ist es aber noumltig dass sich ein stabiles Carbeniumion ausbilden kann Die Stabilitaumlt des Carbeniumions haumlngt von den Substituenten ab Dabei gelten tertiaumlre Carbeniumionen als besonders stabil
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 19 von 37
C
CH3
CH3
CH3 C
H
CH3
CH3 C
H
H
CH3 C
H
H
H+ + + +
CH3tertiaumlr sekundaumlr primaumlr
+gt gt gt
Der Grund fuumlr die Stabilitaumlt der tertiaumlren Carbeniumionen ist der hyperkonjugative Effekt der Alkylgruppen Dabei bdquoverschiebenldquo die Alkylsubstituenten ihre Elektronendichte zum Kation
CHH
CCH2
CH2
CH2
H
H
+ +
Alkylsubstituenten schieben Elektronendichte zum Kation
H
H
Die folgende Tabelle soll einen kurzen Vergleich zwischen SN1- und SN2-Reaktion ziehen
Vergleich von S 2 und S 1 N NReaktionsparameter SN2 SN1 Struktur des Halogenids primaumlr selten
zyl Alkyl) haumlufig
(Bensekundaumlr manchmal anchmal mtertiaumlr selten haumlufig
Racemisierung Loumlsungsmittel olare
smittel verzoumlgert olare
e Loumlsungsmittel wird durch pLoumlsung
wird durch pprotischbeschleunigt
Nucleophil Anionische Nu beguumlnstigt schlechte Abgangsgruppe gute Abgangsgruppe
bevorzugt SN1 Erhoumlhung der NucleophDie Nucleophilie e
ilieines Nucle em Maszlige w n
erabgesetzt wird Eine Verminderung der Solvatation erreicht man durch Kronether
durch Kryptatbildung ophils steigt in d ie die Solvatatio
Stereochemie Inversion
andere Abgangsgruppe als Halogenides
bevorzugt SN2
h(engl crown) zB
O
O
O
O
OO
O
O OK
+
Y
12-Crown-418-Crown-6
Kryptat
O
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 20 von 37 Bezeichnung der Kronether Die Zahl vor bdquoCrownldquo gibt die Gesamtzahl der Ringatome die Zahl dahinter die Anzahl der Sauerstoffatome an In diesen Alkylkryptaten wird das Gegenion des Nucleophils K+ komplex gebunden auszligerdem findet in unpolaren organischen Loumlsungsmitteln in denen die Kryptatte loumlslich sind nur geringe Solvatation statt so dass das Nucleophil gewissermaszligen bdquonacktldquo vorliegt und dadurch seine volle nucleophile Kraft entfalten kann Kronether werden durch eine Williamsonrsquosche Ethersynthese dargestellt
OHO OCl O O40
O OH Cl O OO
O+
-HCl
O
18-Crown-6Triethylenglykol Triethylenglykoldicklorid
Beschleunigte nucleophile Substitution Die Nachbarschaftsgruppenbeteiligung von Y fuumlhrt zu einer beschleunigten nucleophilen Substitution und erklaumlrt durch zweimalige Inversion die Retention Das Elektronenpaar der Nachbargruppe Y kann ein ein freies Elektronenpaar (Hetereoatome) oder eine π-Bindung sein (Alkene Arene) in Einzelfaumlllen auch eine C-C-Bindung (2-Norbornylkation)
LGY| Y NuInversion|Nu
-+ Inversion
Y|
LG Abgangsgruppe-LG
-
23 SNi-Reaktion Unter dem SNi-Mechanismus versteht man eine innere nucleophile Substitution die nach einem internen SN2-Mechanismus ablaumluft und somit unter Beibehaltung der Konfiguration Ein typisches Beispiel ist der Austausch einer OH-Gruppe gegen Chlor mit SOCl2
COOH
HCOOH
COOH
O SCl
COOHH ClCl2
-SO2
R(-)-Chlorbernsteinsaumlure
H OH +SO
CH2
COOHCH2
O CH2
COOH
in Dioxan-HCl
R(+)-Aumlpfelsaumlure
Hierbei bleibt die Konfiguration erhalten da primaumlr der instabile Chlorsulfinsaumlureester gebildet wird und durch diese Bindung das Nucleophil von derselben Seite angreifen muss Dies fuumlhrt zur Retention Der SNi-Mechanismus ist jedoch stark loumlsungsmittelabhaumlngig denn fuumlhrt man dieselbe Reaktion in Pyridin durch so erhaumllt man 100 Waldenumkehr also SN2-Mechanismus
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 21 von 37 Der Grund hierfuumlr ist in der unterschiedlichen Basenstaumlrke zu sehen zwischen Dioxan und Oyridin Dioxan ist nur eine schwache Base
O
O
O
OH
+ HCl
+
Cl-
Das Gleichgewicht liegt weit auf der linken Seite wodurch das Nucleophil Cl- als HCl gebunden vorliegt Anders ist es dagegen in Pyridin
CR1
R2 OH CR1
R2 OSOClR1+SOCl2 PyrH+Cl-
R3 R3C
R3R2Cl
SN2+ - -
Hierbei greift das aus dem PyrH Cl stammende Nucleophil Cl in einer SN2-Reaktion den entstehenden Chlorsulfinsaumlureester von der Ruumlckseite her an was zur Konfigurationsumkehr fuumlhrt 24 Anwendungen
ubstitution von Halogeniden
siehe SN1 und SN2-Mechanismen saure Veretherung
Eine zweite Alkoholfunktion kann sich nun das enachbarte Kohlenstoffatom nucleophil angreifen Nach der Abspaltung eines
nes Protons erhaumllt man einen Ether
Herstellung von C-O-Bindungen S
Man kann bei Anwesenheit einer Saumlure [H2SO4] zwei Alkohole durch eine saure Veretherung in einen Ether uumlberfuumlhren Dabei wird zunaumlchst eine der Alkoholfunktionen protoniert bWassermolekuumlls und ei
CH3CH2OH
CH3CH2OH
CH3CH2 OH
H
CH3CH2OH
CH3CH2 O HCH3CH2
CH3CH2 O
H+ + -H2O +
++ H
+
CH3CH2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 22 von 37 Etherspaltung In Ethern kann die ROR-Gruppe in Anwesenheit einer Saumlure protoniert werden Im nachfolgenden Schritt erfolgt ein nucleophiler Angriff des Halogenid-Anions Man erhaumllt als Produkt ein Halogenalkan und ein Alkohol
CH3CH2OCH2CH3 CH3CH2 OCH2CH3
H
CH3CH2 OCH2CH3
H
H+
+
Dialkyloxonium-Ion
+Br +-
CH3CH2Br + HOCH2CH3
Williamson-Synthese
e
H3C-CH2-O-CH2-CH3 Diethylether
Ether Alkoyalkan R-O-R
O
Tetrahydrfuran(THF)
CH3 CH2 O Na Br CH2CH3 CH3 CH2 O CH2 CH3
- + +SN2
intermolekularNaBr+
den zuvor beschriebenen Kapiteln koumlnnen verschiedene eaktionsmechanismen zusammen wirken Ein bedeutendes Beispiel dafuumlr ist die
rung von Carbonsaumluren mit Alkoholen Dabei wird zunaumlchst ein Nucleophil an as Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe addiert Anschlieszligend erfolgt die
Da Alkohole schlechte Nucleophile sind muumlssen derartige Reaktionen durch Saumlure (meist Schwefelsaumlure) katalysiert werden Im ersten Schritt lagert sich das Proton an das nicht saure Sauerstoffatom an Diesfuumlhrt zu einer positiven Ladung am Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe Hierdurch wird nun der nucleophile Angriff des Alkohols beguumlnstigt Durch die Anlagerung eines weiteren Proton wird nun die schon einmal protonierte Hydroxygruppen ein weiteres
al protoniert und somit in eine gute Abgangsgruppe umgewandelt Nach der s Wassers wird die andere Hydroxygruppe deprotoniert und man erhaumllt
Veresterung Neben den in RVerestedAbspaltung des Carboxylsauerstoffatoms
mAbspaltung deeinen Ester als Reaktionsprodukt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 23 von 37
O
OH
O
OH
H
R C OH
Nu
C O
Nu HNu
R C
O
Nu
+
+ Nu
+
+- H-H2O
Mechanismus der Veresterung (Saumlure katalysiert)
R C R C- +
+ Nu + H -δ+
OH
R
OHH
R C
O H ++ H
H2O +
+
Substitution von Diazoniumsalzen Darstellung von Salpetrigsaumlureestern
CH2 OH
C2 OH
NO(-) CH2 O
CHCH2
OO
NNN
OOO
+H++ 3 H2OCH OH 2+
H
erstellung der C-S-Bindungen arstellung von Thiolen und Thioethern nalog der Williamsonrsquoschen Ethersynthese lassen sich auch Thioether darstellen
HDA
R Br R SH NaBrMercaptane
Na+ HS-+ +
ich jedoch aufgrund ihrer groumlszligeren den Alkoholen nur schlecht abfangen Thioethern weiterreagieren lassen
Dabei entstehen primaumlr Mercaptane die sucleophilie gegenuumlber den entsprechenN
lassen und sofort zu den entsprechenden
R1 SH R2 X R1 S R2 HXThioether
+Base
SN2+
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 24 von 37 Eine selektrive Herstellung von Mercaptanen durch nucleophile Substitution von
hioharnstoff-Methode Alkylhalogeniden erfolgt mit der T
NH2
CNH
NH2
SH
NH2
CO2 3
+
OH- H2O
2+
CNH2
S
RX CNH2
NH2
SR CNH2
NH2
SR CNH2
SR
s-Alkylthiuroniumsalze
++ +
iso-ThioharnstoffR SH NH+
Herstellung der C-N- Bindung Gabriel-Synthese Ein nichtreduktiver Zugang zu primaumlren Aminen geht von dem Anion von 2-Benzoldicarboximid (Phtalimid) aus dem cyclischen Imid der 12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure) Dieses Verfahren ist als Gabriel-Sysnthese bekannt Da das Stickstoffatom in 12-Benzoldicarboximid (Phtalamis) von zwei Carbonylfunktionen flankiert ist ist die NH-Gruppe ungewoumlhnlich acide (pKa = 83) staumlrker als ein gewoumlhnliches Amid (pKa = 15) Sie wird deshalb bereits von einer so milden Base wie dem Carbonat-Ion deprotoniert das entstehende Anion wird in guter Ausbeute alkyliert Durch saure Hydrolyse setzt man das Amin anschlieszligend als Ammoniumsalz frei Behandelt man dieses mit Base erhaumllt man das freie Amin
O
O
O
O
O
2OH
O
CH CH2NH3HSO4
O
O
O
O
CH CCH2NH2
+
NaOH H2O
+Na+
Na+
N-2-Propinyl-12-benzoldicarboximid (N-Propargylphtalimid)
2-Propinamin (Propargylamin)
wird bei waumlssriger Aufarbeitung entfernt
O
OH
OH
O
NH N K+NH3 300degC
-H2O
K2CO3 H2O
CH CCH2Br
N
O
CH CH CHOH
O
DMF 100degC-KBr
H2SO4 H2O 120degC+ -
12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure)
9712-Benzoldicarboximid (Phtalimid)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 25 von 37 Hinsberg-Reaktion Die Hinsberg-Reaktion bietet die Moumlglichkeit ausgehend von primaumlren Aminen gezielt sekundaumlre Amine herzustellen
R NH2 Cl ts R NH
ts R N ts
-HCl
acides H
KOH
-H2O
(-)
K(+)
R N ts
NR
Rts NH
R
RtsOK
(-)
K(+)+R-X
-KX
Verseifung
H2O
ts = Tosylat = CH3 SO2
Quarternisierung von Aminen Nitroalkanen Isonitrilen Herstellung von C-C-Bindungen Nitrilsynthese (nach Kolbe)
ogenide meist Methyliodid oder primaumlre Alkyliodide mit eim
mit tertiaumlren Alkylhalogeniden ndash erhaumllt man jedoch hauptsaumlchlich Isonitrile
Setzt man AlkylhalNatriumcyanid um so erhaumllt man hauptsaumlchlich die entsprechenden Cyanide BUmsatz von Silbercyanid ndash vor allem
CH3 I
CH3 CN
CH3 N C 7
Acetonitril
Methylisonitril
SN2-artig
+NaCN -NaI
SN1-artig
+AgCN -AgI
er Grund fuumlr dieses Reaktionsverhalten liegt darin dass das Silber-Kation die unterstuumltzt In einer SN1-seinem
lektronegativsten Atom an im Falle der Kolbersquoschen Nitrilsynthese mit dem N-Atom ieser SN1-artige Verlauf fuumlhrt somit zu Isonitrilen at die Reaktion jedoch mehr bimolekularen Charakter so greift das ambidente CN(-) evorzugt mit dem weniger elektronegativeren dafuumlr mehr polarisierbaren Atom an ies fuumlhrt zur Bildung von Nitrilen ie Verhaumlltnisse beim CN(-) sind denen des NO2
(-) aumlhnlich Das Wesentliche ist dabei er SN1- bzw SN2-Charakter der Reaktion Dieser Charakter laumlsst sich durch die
oumlsungsmittelwahl bzw Kryptat-Einfluss in eine
DBildung eines Carbenium-Ions foumlrdert und die SN1-Reaktion rtigen Reaktion greift jedoch das ambidente Nucleophil mit a
eDHbDDdWahl des Nucleophils und durch Lbestimmte Richtung lenken
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 26 von 37 Darstellung von Alkinen Alkine koumlnnen aus anderen Alkinen erhalten werden durch Reaktion terminaler Alkinyl-Anionen mit alkylierenden Reagenzien wie primaumlren Halogenalkanen
xacyclopropanen Aldehyden und Ketonen Wie wir wissen werden solche Anionen aus terminalen Alkinen durch Deprotonierung mit starken Basen meist Alkyllithium-Verbidnungen Natriumamid in fluumlssigem Ammoniak oder Grignard-Reagenzien gewonnen Die Alkylierung mit primaumlren Halogenalkanen erfolgt uumlblicherweise in fluumlssigem Ammoniak oder Ethern Diese Loumlsungsmittel enthalten bisweilen 12-Ethandiamin H2NCH2CH2NH2 NNNrsquoNrsquo-Tetramethyl-12-ethandiamin (TMEDA) (CH3)2NCH2CH2N(CH3)2 oder HMPT als Cosolventien um die Nucleophilie des Anions zu erhoumlhen
O
CH3C CH CH3C C24
(-) (+)Na CH3C
NaNH2 fl NH3
-NH2H
CH3I
-NaI75
CCH3
2-Butin
C36
CH C44
CCH2CH2CH31 CH3CH2CH2CH2CH2Li THF H2NCH2CH2NH22 CH3CH2CH2Br
n
-LiBr85
1-Pentinylcyclohexa
enz
Alkylierung von Ketonen Die konjugierte Addition gefolgt von einer Alkylierung stellt eine nuumltzliche Sequzur αβ-Dialkylierung undgesaumlttigter Carbonylverbindungen
CO
1 R2CuLi
C C C C CR R
O O OBeispiel
1 (CH CH
O2 RX
CH3
CH CH2CH2CH3
CH3
CH2CH2CH2CH3
3 2CH2CH2)2CuLi THF2 CH3I +
84 4 1 trans- und cis-3-Butyl-2-methylcyclohexanon
2
itionGewoumlhnliche Grignard-Verbindungen reagieren mit αβ-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen in einer 12-Add einer 14-Addition oder beiden Weegen je nach Struktur Reaktionsbedingungen und reagierenden Verbindungen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 27 von 37 β-Dicarbonylverbindungen
laisen-Kondensationen fuumlhren zu β-Dicarbonylverbindungen Ethylacetat reagiert en Natriumethoxid zu Ethyl-3-oxobutanoat
Cmit stoumlchiometrischen Meng(Ethylacetacetat Acetessigester)
CH3 C2
OO
CH2CH3CH3 C
7O
OCH2CH3 CH3 C
12
OCH2
C16
OO
CH2CH3+Na+-OCH2CH3 CH3CH2OH
-CH3CH2OHEthylacetat Ethyl-3-oxobutanoat
(Ethylacetacetat) Die Claisen-Kondensation beginnt mit der Bildung eines Esterenolat-Ions Durch eine Additions-Eliminierungs-Reaktion an die Carbonylgruppe eines anderen Estermolekuumlls entsteht ein 3-Ketoester Diese Schritte sind reversibel und der geamte Vorgang ist bis zu dieser Stufe endotherm Besonders unguumlnstig ist die Deprotonierung des Esters (pKa = 25) durch Ethoxid (pKa von Ethanol = 159) Das Gleichgewicht ist trotzdem zum Produkt verschoben da die Basde den 3-Ketoester (pKa = 11) an C2 praktisch irreversibel deprotoniert Bei der Aufarbeitung mit waumlssriger Saumlure wird die konjugierte Base des Produkts protoniert womit der Prozess abgeschlossen ist
CH3 C21
O CH2CH3 Na+ CH2 C
27 OCH2CH3
CH2 C32
O
OCH2CH3
+ CH3CH2OH
O O(-)
(-)Bildung des Esterenolats
Na+-OCH2CH3
CH3 C37
OO
CH2CH3CH2 C
42O
OCH2CH3
(-)CH3 C
48OCH2CH3
O
CH2
C52
OCH2CH3
O
+
Eliminierung
Nucleophile Addition
CH3 C56
OCH2CH3
O
CH2
C60
OCH2CH3
O
CH3 C64
CH2
C66
OCH2CH3
O O
+ -OCH2CH3
Ketoester
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 28 von 37
CH3 C71
CH2
C73
OCH2CH3
O O
CH3 C78
CH C80
OCH2CH3
O O
CH3 C92
CH
C94
OCH2CH3
O OCH3 C
99CH
C101
OCH2CH3
O O(-)
CH3 C85
CH2
C87
OCH2CH3
O O
Deprtotonierung
+ -OCH2CH3
sauer pKa = 11
+CH3CH2OH
CH3 CCHO
COCH2CH3
O(-)CH3 CCH2
OCOCH2CH3
O
Protonierung bei der waumlssrigen Aufarbeitung
H+ H2O
Zur Vermeidung einer Umesterung sollten sich das Alkoxid und der Ester von demselben Alkohol ableiten lassen Malonestersynthese Mit der Malonester-Synthese erhaumllt man Carbonsaumluren Diethylpropandioat (Malonsaumlureester) ist ein gutes Ausgangsmaterial zur Darstellung 2-substituierter oder 22-disubstituierter Carbonsaumluren in einem Verfahren das man Malonestersynthese nennt
CH3 CH2
O C CH2
OCO
O CH2
CH3CH3 C
H2
O C CO
CO
O CH2
CH3
R
R
CR
RH COOH
22-disubstituierte Carbonsaumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 29 von 37 α β-ungesaumlttigte Ketone Bei α- β-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen tritt neben der 12-Verknuumlfung auch 14-Verknuumlpfung bei der Pinakol-Reaktion auf
CH2 CH
CH
O CH2 CH
CH
CH
CH
CH2
OH OH
12-Verknuumlpfung
2Zn
Ethanol 0degC
68
O O On
O O
2
14-Verknuumlpfung
+ e(-)
(-) (-)
lkylierung von Cupraten alten Doppelbindungen an denen einfache Alkylgruppen
ebunden sind Im Prinzip koumlnnen diese Verbindungen aus organometallischen
zien RLi bzw RMgX im allgemeinen icht mit Halogenalkanen Es gibt aber einen anderen Typ organometallischer
Reagenzien die Organocuprate die hier sehr effektiv wirken Organocuprate besitzen die stoumlchiometrische Zusammensetzung R2CuLi und koumlnnen direkt durch Addition zweier Aumlquivalente einer Organolithium-Verbidnung an ein Aumlquevalent Kupferiodid CuI dargestellt werden Beispiel
AViele wichtige Molekuumlle enthgReagenzien durch direkte Alkylierung gewonnen werden Ungluumlcklicherweise reagieren Organolithium- oder Grignard-Reagenn
CH2 CHLi CuI (CH2=CH)2CuLi LiI+ +Ethenyllithium Lithiumdiethenylcuprat
(ein Organocuprat-Reagenz) Lthiumcuprate reagieren mit Halogenalkanen in sogenannten Kupplungsreaktionen unter Bildung substituierter Alkene Primaumlre Iodide sind dazu am besten geeignet aber auch andere primaumlre und sekundaumlre Halogenalkane geben befriedigende Resultate
R2CuLi RX R R LiX+ +
CCH3
CH
C17
CH3
HC20
HC
23
CH3
HC26
H
CH2(CH2)6CH3
1 Li(CH3CH2)2O2 CuI CuLi
CH3(CH2)6CH2IHMPT
11H 14 Cl2
Lithium-bis(trans-1-propenyl)cuprat90
trans-2-Undecen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 30 von 37 Herstellung von C-X-Bindungen Veresterung von Alkoholen mit Mineralsaumluren
Finkelsteinreaktion (RF-Verbindungen mit Krypat-Unterstuumltzung) Bei der Finkelstein-Reaktion handelt es sich um eine nucleophile Halogenid-Austausch-Reaktion zur Synthese von Iodiden und Fluoriden aus Bromiden und Chloriden zB
R X NaI R I NaX+Aceton
+ X = Cl Br
SN2
Eine Komponente der Triebkraft dieser Reaktion hat physikalische Ursachen die n und sekundaumlren
lkylhalogeniden unguumlnstige Lage der Gleichgewichte fuumlr eine SN2-Reaktion Loumlslichkeit Bei dieser Reaktion wird die bei tertiaumlreA
R X I I R X
I R X=
++
urch physikalisch-chemische Effekte beguumlnstigt naumlmlich dadurch dass NaBr und aCl in Aceton schlecht loumlslich sind und ausfallen Dadurch werden die leichgewichte irreversibel verschoben und die Reaktion verlaumluft somit im ewuumlnschten Sinne
eispiel
dNGg B
C16
CH3 CH
Br 223 Hin Aceton
CH3
CCHCH3
C I+NaI + NaBr
CH32 CH3
2SN2
Es findet keine Neophenylumlagerung statt das heiszligt dass keine SN1-Reaktion stattfindet In einer Variante der Finkelstein-Reaktion wird der Tosylat-Rest gegen Halogenid ausgetascht Ansonsten aber arbeitet man nach dem gleichen Prinzip
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 31 von 37
30 Elektrophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom
Am alipatischen C-Atom sind elektrophile Substitutionen moumlglich wenn die C-X-Bindung so polarisiert ist dass das C-Atom eine negative und die Abgangsgruppe
s der ilen
tion Man kann jedoch zwischen folgenden Mechanismen nterscheiden
1 SE1 analog SN2 (Racemisierung)
2 SE2-back analog SN2 (Inversion)
3 S 2-front analog S i (Retention)
analog S i (Retention)
31 SE1-Reaktion
ierbei handelt es sich um eine Reaktion erster Ordnung die zweistufig verlaumluft
eine positive Ladung traumlgt Diese Voraussetzungen sind vor allem bei metallorganischen und CH-aciden Verbindungen erfuumlllt Der Mechanismuelektrophilen alipathischen Substitution ist nicht so klar wie der der nucleophaliphatischen Substituu
E N
4 S i E N
H
langsamR X R
R Y+ R Y+
Geeignete Loumlsungsmittel fuumlr SE1-Reaktionen sind Dimethylformamid (DMF) undHexamethylphosphorsaumluretriamid (HMPA)
O N(CH3)2
HN(CH3)2
POH3)2
N(CH3)2
HMPA
N(CDMF
Stereochemie der SE1-Reaktion
Die Stereochemie von SE1-Reaktionen verlaumluft nicht einheitlich Im Allgemeinen isch aktive Verbindungen einsetzt Dies
kann zwei Ursachen haben 1 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist
ufig der Fall wenn es sich um mesomeriestabilisierte
2 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist pyramidal gebaut kann jedoch seine Struktur nicht halten (vergleichbar dem schnellen Durchschwingen von unsymmetrisch substituierten Aminen)
findet man Racematisierung wenn man opt
planar Dies ist hauml
Carbanionen handelt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 32 von 37 In Ausnahmefaumlllen kann jedoch auch bei planaren (mesomeristabilisierCarbanionen je nach Wahl des Loumls
ten) ungsmittel Inversion Retention oder
Racemisierung auftreten was durch unterschiedliche Solvatationseffekte erklaumlrt wird Beispiel fuumlr eine S 1-Reaktion E
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
HgBrRacemat
langsam
(-)+ HgBr+
+HgBr2
-HgB 2
rHgBr
Hg = isotopenmarkiertes Hg
32 S 2-ReaktionE E
eaktionen sind bimolekular Beide Mechanismus verglichen werden
Y
und S i-Reaktion
SE2 und SEi-R anisund SNi-Mech
men koumlnnen mit dem SN2-
C47
Y X
SE2 (back) nfalls um einen Frontangriff unter
C C X29
X C35
Y
X
41
SE2 (front)
Beim SEi ndashMechanismus handelt es sich ebeRetention
Y zY z
C53 X C60 XSEi
Die Bildung cyclischer Uumlbergangszustaumlnde die 4- oder 6-gliedrig sein koumlnnen foumlrdert die Losloumlsung der Abgangsgruppe Stereochemie von SE2-Reaktionen und von SEi-Reaktionen
Fuumlr die h den nucleuphilen Substitutionen von Be
8 Valenzelektronen haumltte Da nun zwischen den beiden Elektronenwolken Coulomb-Abstoszligung auftritt erfolgt der Angriff des Nucleophils gezwungenermaszligen von der Ruumlckseite des Molekuumlls Die Folge ist Inversion Anders ist es dagegen beim SE2- und Sei-Mechanismus Das angreifende Elektrophil besitzt nur ein leeres Orbital und somit ist sowohl der Front- als auch der
angriff unter Inversion verlaumluft laumlsst die Stereochemie der SE-Reaktion nur schwer Ruumlckschluumlsse auf den Mechanismus zu
Stereoc emie ist folgender Unterschied zu deutung
Bei SN-Reaktionen bringt das angreifende Nucleophil ein Elektronenpaar mit Daher muss die Abgangsgruppe bei der Neubildung der Bindung ein Elektronenpaar mitnehmen da sonst das C-Atom mehr als
Ruumlckseiten-Angriff moumlglich Da der Frontangriff unter Retention der Ruumlckseiten
Skript zum 2 OC-Kolloquium
33 Anwendungen
reu
Seite 33 von 37
Herstellung einfacher metallorganischer Verbindungen
etall-H-Austausch
aumluren betrachtet werden Dabei nimmt die H-Aciditaumlt mit zunehmendem s-Charakter der Hybridisierung zu
sp CH3 CH3
M C-H-Verbindungen koumlnnen als schwache SC Hybridisierung
3Saumlure konjugierte Base pKa-W
sp2
CH3 CH2 Zunahme der
sp
2 2
CH CH
CH2 CH
CH C15(-)
25
Aciditaumlt
Da eine staumlrkere Saumlu
ert 42
365
(-)
CH CH (-)
re eine schwaumlchere aus ihrem Salz vertreibt reagiert eine konjugierte Base mit jeder Saumlure die in der Tabelle unter ihr steht Elektronegative Gruppen an Aromaten wirken acidifizierend Beispiele
HC H Na
NaC2H6
Li H
+
pKa 42schwaumlchere Saumlure
Pentan
pKa 37schwaumlchere Saumlu
pKa 35 staumlkere Sauml re
+ Pentan +
schwaumlchere Saumlure
2 5+pKa 37 staumlkere Saumlure
Na CH3 H CH2Na
+ Pentan +
H H H LipKa 37pKa 23
staumlkere Saumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 17 von 37
-Hydroxid
R OH Alkohol
OR-Alkoxid
R OR Ether HOH R O
H
HR O H
+ -H+
Alkohol R OH R O H
RR O R-H+
Ether
R CO
O Carboxylat
R O C RO Ester
NH3 Ammoniak R NH3 R NH2
+ -H+
Amin R 2NH primaumlres Amin R NH2R R NHR
+ -H+
sekundaumlres Amin
R2 NH sekundaumlres Amin R NHR 2 R NR2+ -H+
tertiaumlres Amin
R3N tertiaumlres Amin R NR3+
R-SH Thiol R-S- Mereaptidion R-SR Thioether R2S
SRRR
+
kan CN- Cyanid R-CN Nitriole C C R R C C R A
schiene F
Nucleophil (Nu) R-Nu
O H
HS- Hydrogensulfidion
Sulfoniumion I- Iodid R-I Iodal
Acetylid cetylen
Es gibt ver aktoren die den Ablauf der SN2-Reaktion bestimmen Zum einen
I-gt Br- gt Cl- gt F-
beeinflusst die Guumlte der Abgangsgruppe den Verlauf der Reaktion Dabei beguumlnstigen stabile Abgangsgruppen den Verlauf der Reaktion
R S OO
OR S O
O
OR S O
O
O
CO
OC
O
OC
O
O-
--
--
-
uszligerdem beeinflusst die Art des Nucleophils den Verlauf der SN2-Reaktion Dabei wird die Reaktion durch negativ geladene Nucleophile ohne sterische Hinderung beguumlnstigt
A
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 18 von 37
22 Die Monokulare Substitution SN1 Neben der bimolekularen Substitution kann bei Halogenalkanen noch eine weitere
ndash die monomolekulare Substitution iese Form der Substitution tritt allerdings bevorzugt bei sekundaumlr oder tertiaumlr
lten
Substituenten in eine Ebene und das zentrale
Form der nucleophilen Substitution auftretenDgebundenen Halogenen auf Bei der Monomolekularen Substitution wird zunaumlchst das Halogenidion abgespaund es bildet sich ein Carbeniumion Anschlieszligend bdquoklappenldquo die drei noch am Kohlenstoffatom verbliebenenKohlenstoffatom nimmt eine sp2-Hybridisierung ein Danach kann die Anlagerung des Nucleophils erfolgen
CH3
OH2
C Br
CH2CH2CH3CH2CH2
Br CCH3
CH2CH2CH3
CH2CH3
OH2
C
C3
OH CH2CH3
CH2CH2CH3
C
OH
CH3
CH2CH2CH3CH2CH3
-
(R)
+
(S)-Methyl-3-hexanal
InversionRetention
-HBr -HBr
(R)-3-Methyl-3-hexanal
+
2
H
Da das Carbeniumion eine sp -Hybridisierung aufweist kann bei der SN1-Reaktion eine vorder- und eine ruumlckseitige Anlagerung des Nucleophils erfolgen Das Energiediagramm einer solchen Reaktion sieht wie folgt aus E
C BrCH3
CH3
CH3
Br (CH3)3C(CH3)3 C OH BrH2O+ -+ ++ -
Die SN1-Reaktion laumluft im Allgemeinen schneller als die SN2-Reaktion ab Dazu ist es aber noumltig dass sich ein stabiles Carbeniumion ausbilden kann Die Stabilitaumlt des Carbeniumions haumlngt von den Substituenten ab Dabei gelten tertiaumlre Carbeniumionen als besonders stabil
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 19 von 37
C
CH3
CH3
CH3 C
H
CH3
CH3 C
H
H
CH3 C
H
H
H+ + + +
CH3tertiaumlr sekundaumlr primaumlr
+gt gt gt
Der Grund fuumlr die Stabilitaumlt der tertiaumlren Carbeniumionen ist der hyperkonjugative Effekt der Alkylgruppen Dabei bdquoverschiebenldquo die Alkylsubstituenten ihre Elektronendichte zum Kation
CHH
CCH2
CH2
CH2
H
H
+ +
Alkylsubstituenten schieben Elektronendichte zum Kation
H
H
Die folgende Tabelle soll einen kurzen Vergleich zwischen SN1- und SN2-Reaktion ziehen
Vergleich von S 2 und S 1 N NReaktionsparameter SN2 SN1 Struktur des Halogenids primaumlr selten
zyl Alkyl) haumlufig
(Bensekundaumlr manchmal anchmal mtertiaumlr selten haumlufig
Racemisierung Loumlsungsmittel olare
smittel verzoumlgert olare
e Loumlsungsmittel wird durch pLoumlsung
wird durch pprotischbeschleunigt
Nucleophil Anionische Nu beguumlnstigt schlechte Abgangsgruppe gute Abgangsgruppe
bevorzugt SN1 Erhoumlhung der NucleophDie Nucleophilie e
ilieines Nucle em Maszlige w n
erabgesetzt wird Eine Verminderung der Solvatation erreicht man durch Kronether
durch Kryptatbildung ophils steigt in d ie die Solvatatio
Stereochemie Inversion
andere Abgangsgruppe als Halogenides
bevorzugt SN2
h(engl crown) zB
O
O
O
O
OO
O
O OK
+
Y
12-Crown-418-Crown-6
Kryptat
O
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 20 von 37 Bezeichnung der Kronether Die Zahl vor bdquoCrownldquo gibt die Gesamtzahl der Ringatome die Zahl dahinter die Anzahl der Sauerstoffatome an In diesen Alkylkryptaten wird das Gegenion des Nucleophils K+ komplex gebunden auszligerdem findet in unpolaren organischen Loumlsungsmitteln in denen die Kryptatte loumlslich sind nur geringe Solvatation statt so dass das Nucleophil gewissermaszligen bdquonacktldquo vorliegt und dadurch seine volle nucleophile Kraft entfalten kann Kronether werden durch eine Williamsonrsquosche Ethersynthese dargestellt
OHO OCl O O40
O OH Cl O OO
O+
-HCl
O
18-Crown-6Triethylenglykol Triethylenglykoldicklorid
Beschleunigte nucleophile Substitution Die Nachbarschaftsgruppenbeteiligung von Y fuumlhrt zu einer beschleunigten nucleophilen Substitution und erklaumlrt durch zweimalige Inversion die Retention Das Elektronenpaar der Nachbargruppe Y kann ein ein freies Elektronenpaar (Hetereoatome) oder eine π-Bindung sein (Alkene Arene) in Einzelfaumlllen auch eine C-C-Bindung (2-Norbornylkation)
LGY| Y NuInversion|Nu
-+ Inversion
Y|
LG Abgangsgruppe-LG
-
23 SNi-Reaktion Unter dem SNi-Mechanismus versteht man eine innere nucleophile Substitution die nach einem internen SN2-Mechanismus ablaumluft und somit unter Beibehaltung der Konfiguration Ein typisches Beispiel ist der Austausch einer OH-Gruppe gegen Chlor mit SOCl2
COOH
HCOOH
COOH
O SCl
COOHH ClCl2
-SO2
R(-)-Chlorbernsteinsaumlure
H OH +SO
CH2
COOHCH2
O CH2
COOH
in Dioxan-HCl
R(+)-Aumlpfelsaumlure
Hierbei bleibt die Konfiguration erhalten da primaumlr der instabile Chlorsulfinsaumlureester gebildet wird und durch diese Bindung das Nucleophil von derselben Seite angreifen muss Dies fuumlhrt zur Retention Der SNi-Mechanismus ist jedoch stark loumlsungsmittelabhaumlngig denn fuumlhrt man dieselbe Reaktion in Pyridin durch so erhaumllt man 100 Waldenumkehr also SN2-Mechanismus
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 21 von 37 Der Grund hierfuumlr ist in der unterschiedlichen Basenstaumlrke zu sehen zwischen Dioxan und Oyridin Dioxan ist nur eine schwache Base
O
O
O
OH
+ HCl
+
Cl-
Das Gleichgewicht liegt weit auf der linken Seite wodurch das Nucleophil Cl- als HCl gebunden vorliegt Anders ist es dagegen in Pyridin
CR1
R2 OH CR1
R2 OSOClR1+SOCl2 PyrH+Cl-
R3 R3C
R3R2Cl
SN2+ - -
Hierbei greift das aus dem PyrH Cl stammende Nucleophil Cl in einer SN2-Reaktion den entstehenden Chlorsulfinsaumlureester von der Ruumlckseite her an was zur Konfigurationsumkehr fuumlhrt 24 Anwendungen
ubstitution von Halogeniden
siehe SN1 und SN2-Mechanismen saure Veretherung
Eine zweite Alkoholfunktion kann sich nun das enachbarte Kohlenstoffatom nucleophil angreifen Nach der Abspaltung eines
nes Protons erhaumllt man einen Ether
Herstellung von C-O-Bindungen S
Man kann bei Anwesenheit einer Saumlure [H2SO4] zwei Alkohole durch eine saure Veretherung in einen Ether uumlberfuumlhren Dabei wird zunaumlchst eine der Alkoholfunktionen protoniert bWassermolekuumlls und ei
CH3CH2OH
CH3CH2OH
CH3CH2 OH
H
CH3CH2OH
CH3CH2 O HCH3CH2
CH3CH2 O
H+ + -H2O +
++ H
+
CH3CH2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 22 von 37 Etherspaltung In Ethern kann die ROR-Gruppe in Anwesenheit einer Saumlure protoniert werden Im nachfolgenden Schritt erfolgt ein nucleophiler Angriff des Halogenid-Anions Man erhaumllt als Produkt ein Halogenalkan und ein Alkohol
CH3CH2OCH2CH3 CH3CH2 OCH2CH3
H
CH3CH2 OCH2CH3
H
H+
+
Dialkyloxonium-Ion
+Br +-
CH3CH2Br + HOCH2CH3
Williamson-Synthese
e
H3C-CH2-O-CH2-CH3 Diethylether
Ether Alkoyalkan R-O-R
O
Tetrahydrfuran(THF)
CH3 CH2 O Na Br CH2CH3 CH3 CH2 O CH2 CH3
- + +SN2
intermolekularNaBr+
den zuvor beschriebenen Kapiteln koumlnnen verschiedene eaktionsmechanismen zusammen wirken Ein bedeutendes Beispiel dafuumlr ist die
rung von Carbonsaumluren mit Alkoholen Dabei wird zunaumlchst ein Nucleophil an as Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe addiert Anschlieszligend erfolgt die
Da Alkohole schlechte Nucleophile sind muumlssen derartige Reaktionen durch Saumlure (meist Schwefelsaumlure) katalysiert werden Im ersten Schritt lagert sich das Proton an das nicht saure Sauerstoffatom an Diesfuumlhrt zu einer positiven Ladung am Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe Hierdurch wird nun der nucleophile Angriff des Alkohols beguumlnstigt Durch die Anlagerung eines weiteren Proton wird nun die schon einmal protonierte Hydroxygruppen ein weiteres
al protoniert und somit in eine gute Abgangsgruppe umgewandelt Nach der s Wassers wird die andere Hydroxygruppe deprotoniert und man erhaumllt
Veresterung Neben den in RVerestedAbspaltung des Carboxylsauerstoffatoms
mAbspaltung deeinen Ester als Reaktionsprodukt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 23 von 37
O
OH
O
OH
H
R C OH
Nu
C O
Nu HNu
R C
O
Nu
+
+ Nu
+
+- H-H2O
Mechanismus der Veresterung (Saumlure katalysiert)
R C R C- +
+ Nu + H -δ+
OH
R
OHH
R C
O H ++ H
H2O +
+
Substitution von Diazoniumsalzen Darstellung von Salpetrigsaumlureestern
CH2 OH
C2 OH
NO(-) CH2 O
CHCH2
OO
NNN
OOO
+H++ 3 H2OCH OH 2+
H
erstellung der C-S-Bindungen arstellung von Thiolen und Thioethern nalog der Williamsonrsquoschen Ethersynthese lassen sich auch Thioether darstellen
HDA
R Br R SH NaBrMercaptane
Na+ HS-+ +
ich jedoch aufgrund ihrer groumlszligeren den Alkoholen nur schlecht abfangen Thioethern weiterreagieren lassen
Dabei entstehen primaumlr Mercaptane die sucleophilie gegenuumlber den entsprechenN
lassen und sofort zu den entsprechenden
R1 SH R2 X R1 S R2 HXThioether
+Base
SN2+
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 24 von 37 Eine selektrive Herstellung von Mercaptanen durch nucleophile Substitution von
hioharnstoff-Methode Alkylhalogeniden erfolgt mit der T
NH2
CNH
NH2
SH
NH2
CO2 3
+
OH- H2O
2+
CNH2
S
RX CNH2
NH2
SR CNH2
NH2
SR CNH2
SR
s-Alkylthiuroniumsalze
++ +
iso-ThioharnstoffR SH NH+
Herstellung der C-N- Bindung Gabriel-Synthese Ein nichtreduktiver Zugang zu primaumlren Aminen geht von dem Anion von 2-Benzoldicarboximid (Phtalimid) aus dem cyclischen Imid der 12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure) Dieses Verfahren ist als Gabriel-Sysnthese bekannt Da das Stickstoffatom in 12-Benzoldicarboximid (Phtalamis) von zwei Carbonylfunktionen flankiert ist ist die NH-Gruppe ungewoumlhnlich acide (pKa = 83) staumlrker als ein gewoumlhnliches Amid (pKa = 15) Sie wird deshalb bereits von einer so milden Base wie dem Carbonat-Ion deprotoniert das entstehende Anion wird in guter Ausbeute alkyliert Durch saure Hydrolyse setzt man das Amin anschlieszligend als Ammoniumsalz frei Behandelt man dieses mit Base erhaumllt man das freie Amin
O
O
O
O
O
2OH
O
CH CH2NH3HSO4
O
O
O
O
CH CCH2NH2
+
NaOH H2O
+Na+
Na+
N-2-Propinyl-12-benzoldicarboximid (N-Propargylphtalimid)
2-Propinamin (Propargylamin)
wird bei waumlssriger Aufarbeitung entfernt
O
OH
OH
O
NH N K+NH3 300degC
-H2O
K2CO3 H2O
CH CCH2Br
N
O
CH CH CHOH
O
DMF 100degC-KBr
H2SO4 H2O 120degC+ -
12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure)
9712-Benzoldicarboximid (Phtalimid)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 25 von 37 Hinsberg-Reaktion Die Hinsberg-Reaktion bietet die Moumlglichkeit ausgehend von primaumlren Aminen gezielt sekundaumlre Amine herzustellen
R NH2 Cl ts R NH
ts R N ts
-HCl
acides H
KOH
-H2O
(-)
K(+)
R N ts
NR
Rts NH
R
RtsOK
(-)
K(+)+R-X
-KX
Verseifung
H2O
ts = Tosylat = CH3 SO2
Quarternisierung von Aminen Nitroalkanen Isonitrilen Herstellung von C-C-Bindungen Nitrilsynthese (nach Kolbe)
ogenide meist Methyliodid oder primaumlre Alkyliodide mit eim
mit tertiaumlren Alkylhalogeniden ndash erhaumllt man jedoch hauptsaumlchlich Isonitrile
Setzt man AlkylhalNatriumcyanid um so erhaumllt man hauptsaumlchlich die entsprechenden Cyanide BUmsatz von Silbercyanid ndash vor allem
CH3 I
CH3 CN
CH3 N C 7
Acetonitril
Methylisonitril
SN2-artig
+NaCN -NaI
SN1-artig
+AgCN -AgI
er Grund fuumlr dieses Reaktionsverhalten liegt darin dass das Silber-Kation die unterstuumltzt In einer SN1-seinem
lektronegativsten Atom an im Falle der Kolbersquoschen Nitrilsynthese mit dem N-Atom ieser SN1-artige Verlauf fuumlhrt somit zu Isonitrilen at die Reaktion jedoch mehr bimolekularen Charakter so greift das ambidente CN(-) evorzugt mit dem weniger elektronegativeren dafuumlr mehr polarisierbaren Atom an ies fuumlhrt zur Bildung von Nitrilen ie Verhaumlltnisse beim CN(-) sind denen des NO2
(-) aumlhnlich Das Wesentliche ist dabei er SN1- bzw SN2-Charakter der Reaktion Dieser Charakter laumlsst sich durch die
oumlsungsmittelwahl bzw Kryptat-Einfluss in eine
DBildung eines Carbenium-Ions foumlrdert und die SN1-Reaktion rtigen Reaktion greift jedoch das ambidente Nucleophil mit a
eDHbDDdWahl des Nucleophils und durch Lbestimmte Richtung lenken
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 26 von 37 Darstellung von Alkinen Alkine koumlnnen aus anderen Alkinen erhalten werden durch Reaktion terminaler Alkinyl-Anionen mit alkylierenden Reagenzien wie primaumlren Halogenalkanen
xacyclopropanen Aldehyden und Ketonen Wie wir wissen werden solche Anionen aus terminalen Alkinen durch Deprotonierung mit starken Basen meist Alkyllithium-Verbidnungen Natriumamid in fluumlssigem Ammoniak oder Grignard-Reagenzien gewonnen Die Alkylierung mit primaumlren Halogenalkanen erfolgt uumlblicherweise in fluumlssigem Ammoniak oder Ethern Diese Loumlsungsmittel enthalten bisweilen 12-Ethandiamin H2NCH2CH2NH2 NNNrsquoNrsquo-Tetramethyl-12-ethandiamin (TMEDA) (CH3)2NCH2CH2N(CH3)2 oder HMPT als Cosolventien um die Nucleophilie des Anions zu erhoumlhen
O
CH3C CH CH3C C24
(-) (+)Na CH3C
NaNH2 fl NH3
-NH2H
CH3I
-NaI75
CCH3
2-Butin
C36
CH C44
CCH2CH2CH31 CH3CH2CH2CH2CH2Li THF H2NCH2CH2NH22 CH3CH2CH2Br
n
-LiBr85
1-Pentinylcyclohexa
enz
Alkylierung von Ketonen Die konjugierte Addition gefolgt von einer Alkylierung stellt eine nuumltzliche Sequzur αβ-Dialkylierung undgesaumlttigter Carbonylverbindungen
CO
1 R2CuLi
C C C C CR R
O O OBeispiel
1 (CH CH
O2 RX
CH3
CH CH2CH2CH3
CH3
CH2CH2CH2CH3
3 2CH2CH2)2CuLi THF2 CH3I +
84 4 1 trans- und cis-3-Butyl-2-methylcyclohexanon
2
itionGewoumlhnliche Grignard-Verbindungen reagieren mit αβ-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen in einer 12-Add einer 14-Addition oder beiden Weegen je nach Struktur Reaktionsbedingungen und reagierenden Verbindungen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 27 von 37 β-Dicarbonylverbindungen
laisen-Kondensationen fuumlhren zu β-Dicarbonylverbindungen Ethylacetat reagiert en Natriumethoxid zu Ethyl-3-oxobutanoat
Cmit stoumlchiometrischen Meng(Ethylacetacetat Acetessigester)
CH3 C2
OO
CH2CH3CH3 C
7O
OCH2CH3 CH3 C
12
OCH2
C16
OO
CH2CH3+Na+-OCH2CH3 CH3CH2OH
-CH3CH2OHEthylacetat Ethyl-3-oxobutanoat
(Ethylacetacetat) Die Claisen-Kondensation beginnt mit der Bildung eines Esterenolat-Ions Durch eine Additions-Eliminierungs-Reaktion an die Carbonylgruppe eines anderen Estermolekuumlls entsteht ein 3-Ketoester Diese Schritte sind reversibel und der geamte Vorgang ist bis zu dieser Stufe endotherm Besonders unguumlnstig ist die Deprotonierung des Esters (pKa = 25) durch Ethoxid (pKa von Ethanol = 159) Das Gleichgewicht ist trotzdem zum Produkt verschoben da die Basde den 3-Ketoester (pKa = 11) an C2 praktisch irreversibel deprotoniert Bei der Aufarbeitung mit waumlssriger Saumlure wird die konjugierte Base des Produkts protoniert womit der Prozess abgeschlossen ist
CH3 C21
O CH2CH3 Na+ CH2 C
27 OCH2CH3
CH2 C32
O
OCH2CH3
+ CH3CH2OH
O O(-)
(-)Bildung des Esterenolats
Na+-OCH2CH3
CH3 C37
OO
CH2CH3CH2 C
42O
OCH2CH3
(-)CH3 C
48OCH2CH3
O
CH2
C52
OCH2CH3
O
+
Eliminierung
Nucleophile Addition
CH3 C56
OCH2CH3
O
CH2
C60
OCH2CH3
O
CH3 C64
CH2
C66
OCH2CH3
O O
+ -OCH2CH3
Ketoester
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 28 von 37
CH3 C71
CH2
C73
OCH2CH3
O O
CH3 C78
CH C80
OCH2CH3
O O
CH3 C92
CH
C94
OCH2CH3
O OCH3 C
99CH
C101
OCH2CH3
O O(-)
CH3 C85
CH2
C87
OCH2CH3
O O
Deprtotonierung
+ -OCH2CH3
sauer pKa = 11
+CH3CH2OH
CH3 CCHO
COCH2CH3
O(-)CH3 CCH2
OCOCH2CH3
O
Protonierung bei der waumlssrigen Aufarbeitung
H+ H2O
Zur Vermeidung einer Umesterung sollten sich das Alkoxid und der Ester von demselben Alkohol ableiten lassen Malonestersynthese Mit der Malonester-Synthese erhaumllt man Carbonsaumluren Diethylpropandioat (Malonsaumlureester) ist ein gutes Ausgangsmaterial zur Darstellung 2-substituierter oder 22-disubstituierter Carbonsaumluren in einem Verfahren das man Malonestersynthese nennt
CH3 CH2
O C CH2
OCO
O CH2
CH3CH3 C
H2
O C CO
CO
O CH2
CH3
R
R
CR
RH COOH
22-disubstituierte Carbonsaumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 29 von 37 α β-ungesaumlttigte Ketone Bei α- β-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen tritt neben der 12-Verknuumlfung auch 14-Verknuumlpfung bei der Pinakol-Reaktion auf
CH2 CH
CH
O CH2 CH
CH
CH
CH
CH2
OH OH
12-Verknuumlpfung
2Zn
Ethanol 0degC
68
O O On
O O
2
14-Verknuumlpfung
+ e(-)
(-) (-)
lkylierung von Cupraten alten Doppelbindungen an denen einfache Alkylgruppen
ebunden sind Im Prinzip koumlnnen diese Verbindungen aus organometallischen
zien RLi bzw RMgX im allgemeinen icht mit Halogenalkanen Es gibt aber einen anderen Typ organometallischer
Reagenzien die Organocuprate die hier sehr effektiv wirken Organocuprate besitzen die stoumlchiometrische Zusammensetzung R2CuLi und koumlnnen direkt durch Addition zweier Aumlquivalente einer Organolithium-Verbidnung an ein Aumlquevalent Kupferiodid CuI dargestellt werden Beispiel
AViele wichtige Molekuumlle enthgReagenzien durch direkte Alkylierung gewonnen werden Ungluumlcklicherweise reagieren Organolithium- oder Grignard-Reagenn
CH2 CHLi CuI (CH2=CH)2CuLi LiI+ +Ethenyllithium Lithiumdiethenylcuprat
(ein Organocuprat-Reagenz) Lthiumcuprate reagieren mit Halogenalkanen in sogenannten Kupplungsreaktionen unter Bildung substituierter Alkene Primaumlre Iodide sind dazu am besten geeignet aber auch andere primaumlre und sekundaumlre Halogenalkane geben befriedigende Resultate
R2CuLi RX R R LiX+ +
CCH3
CH
C17
CH3
HC20
HC
23
CH3
HC26
H
CH2(CH2)6CH3
1 Li(CH3CH2)2O2 CuI CuLi
CH3(CH2)6CH2IHMPT
11H 14 Cl2
Lithium-bis(trans-1-propenyl)cuprat90
trans-2-Undecen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 30 von 37 Herstellung von C-X-Bindungen Veresterung von Alkoholen mit Mineralsaumluren
Finkelsteinreaktion (RF-Verbindungen mit Krypat-Unterstuumltzung) Bei der Finkelstein-Reaktion handelt es sich um eine nucleophile Halogenid-Austausch-Reaktion zur Synthese von Iodiden und Fluoriden aus Bromiden und Chloriden zB
R X NaI R I NaX+Aceton
+ X = Cl Br
SN2
Eine Komponente der Triebkraft dieser Reaktion hat physikalische Ursachen die n und sekundaumlren
lkylhalogeniden unguumlnstige Lage der Gleichgewichte fuumlr eine SN2-Reaktion Loumlslichkeit Bei dieser Reaktion wird die bei tertiaumlreA
R X I I R X
I R X=
++
urch physikalisch-chemische Effekte beguumlnstigt naumlmlich dadurch dass NaBr und aCl in Aceton schlecht loumlslich sind und ausfallen Dadurch werden die leichgewichte irreversibel verschoben und die Reaktion verlaumluft somit im ewuumlnschten Sinne
eispiel
dNGg B
C16
CH3 CH
Br 223 Hin Aceton
CH3
CCHCH3
C I+NaI + NaBr
CH32 CH3
2SN2
Es findet keine Neophenylumlagerung statt das heiszligt dass keine SN1-Reaktion stattfindet In einer Variante der Finkelstein-Reaktion wird der Tosylat-Rest gegen Halogenid ausgetascht Ansonsten aber arbeitet man nach dem gleichen Prinzip
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 31 von 37
30 Elektrophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom
Am alipatischen C-Atom sind elektrophile Substitutionen moumlglich wenn die C-X-Bindung so polarisiert ist dass das C-Atom eine negative und die Abgangsgruppe
s der ilen
tion Man kann jedoch zwischen folgenden Mechanismen nterscheiden
1 SE1 analog SN2 (Racemisierung)
2 SE2-back analog SN2 (Inversion)
3 S 2-front analog S i (Retention)
analog S i (Retention)
31 SE1-Reaktion
ierbei handelt es sich um eine Reaktion erster Ordnung die zweistufig verlaumluft
eine positive Ladung traumlgt Diese Voraussetzungen sind vor allem bei metallorganischen und CH-aciden Verbindungen erfuumlllt Der Mechanismuelektrophilen alipathischen Substitution ist nicht so klar wie der der nucleophaliphatischen Substituu
E N
4 S i E N
H
langsamR X R
R Y+ R Y+
Geeignete Loumlsungsmittel fuumlr SE1-Reaktionen sind Dimethylformamid (DMF) undHexamethylphosphorsaumluretriamid (HMPA)
O N(CH3)2
HN(CH3)2
POH3)2
N(CH3)2
HMPA
N(CDMF
Stereochemie der SE1-Reaktion
Die Stereochemie von SE1-Reaktionen verlaumluft nicht einheitlich Im Allgemeinen isch aktive Verbindungen einsetzt Dies
kann zwei Ursachen haben 1 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist
ufig der Fall wenn es sich um mesomeriestabilisierte
2 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist pyramidal gebaut kann jedoch seine Struktur nicht halten (vergleichbar dem schnellen Durchschwingen von unsymmetrisch substituierten Aminen)
findet man Racematisierung wenn man opt
planar Dies ist hauml
Carbanionen handelt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 32 von 37 In Ausnahmefaumlllen kann jedoch auch bei planaren (mesomeristabilisierCarbanionen je nach Wahl des Loumls
ten) ungsmittel Inversion Retention oder
Racemisierung auftreten was durch unterschiedliche Solvatationseffekte erklaumlrt wird Beispiel fuumlr eine S 1-Reaktion E
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
HgBrRacemat
langsam
(-)+ HgBr+
+HgBr2
-HgB 2
rHgBr
Hg = isotopenmarkiertes Hg
32 S 2-ReaktionE E
eaktionen sind bimolekular Beide Mechanismus verglichen werden
Y
und S i-Reaktion
SE2 und SEi-R anisund SNi-Mech
men koumlnnen mit dem SN2-
C47
Y X
SE2 (back) nfalls um einen Frontangriff unter
C C X29
X C35
Y
X
41
SE2 (front)
Beim SEi ndashMechanismus handelt es sich ebeRetention
Y zY z
C53 X C60 XSEi
Die Bildung cyclischer Uumlbergangszustaumlnde die 4- oder 6-gliedrig sein koumlnnen foumlrdert die Losloumlsung der Abgangsgruppe Stereochemie von SE2-Reaktionen und von SEi-Reaktionen
Fuumlr die h den nucleuphilen Substitutionen von Be
8 Valenzelektronen haumltte Da nun zwischen den beiden Elektronenwolken Coulomb-Abstoszligung auftritt erfolgt der Angriff des Nucleophils gezwungenermaszligen von der Ruumlckseite des Molekuumlls Die Folge ist Inversion Anders ist es dagegen beim SE2- und Sei-Mechanismus Das angreifende Elektrophil besitzt nur ein leeres Orbital und somit ist sowohl der Front- als auch der
angriff unter Inversion verlaumluft laumlsst die Stereochemie der SE-Reaktion nur schwer Ruumlckschluumlsse auf den Mechanismus zu
Stereoc emie ist folgender Unterschied zu deutung
Bei SN-Reaktionen bringt das angreifende Nucleophil ein Elektronenpaar mit Daher muss die Abgangsgruppe bei der Neubildung der Bindung ein Elektronenpaar mitnehmen da sonst das C-Atom mehr als
Ruumlckseiten-Angriff moumlglich Da der Frontangriff unter Retention der Ruumlckseiten
Skript zum 2 OC-Kolloquium
33 Anwendungen
reu
Seite 33 von 37
Herstellung einfacher metallorganischer Verbindungen
etall-H-Austausch
aumluren betrachtet werden Dabei nimmt die H-Aciditaumlt mit zunehmendem s-Charakter der Hybridisierung zu
sp CH3 CH3
M C-H-Verbindungen koumlnnen als schwache SC Hybridisierung
3Saumlure konjugierte Base pKa-W
sp2
CH3 CH2 Zunahme der
sp
2 2
CH CH
CH2 CH
CH C15(-)
25
Aciditaumlt
Da eine staumlrkere Saumlu
ert 42
365
(-)
CH CH (-)
re eine schwaumlchere aus ihrem Salz vertreibt reagiert eine konjugierte Base mit jeder Saumlure die in der Tabelle unter ihr steht Elektronegative Gruppen an Aromaten wirken acidifizierend Beispiele
HC H Na
NaC2H6
Li H
+
pKa 42schwaumlchere Saumlure
Pentan
pKa 37schwaumlchere Saumlu
pKa 35 staumlkere Sauml re
+ Pentan +
schwaumlchere Saumlure
2 5+pKa 37 staumlkere Saumlure
Na CH3 H CH2Na
+ Pentan +
H H H LipKa 37pKa 23
staumlkere Saumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 18 von 37
22 Die Monokulare Substitution SN1 Neben der bimolekularen Substitution kann bei Halogenalkanen noch eine weitere
ndash die monomolekulare Substitution iese Form der Substitution tritt allerdings bevorzugt bei sekundaumlr oder tertiaumlr
lten
Substituenten in eine Ebene und das zentrale
Form der nucleophilen Substitution auftretenDgebundenen Halogenen auf Bei der Monomolekularen Substitution wird zunaumlchst das Halogenidion abgespaund es bildet sich ein Carbeniumion Anschlieszligend bdquoklappenldquo die drei noch am Kohlenstoffatom verbliebenenKohlenstoffatom nimmt eine sp2-Hybridisierung ein Danach kann die Anlagerung des Nucleophils erfolgen
CH3
OH2
C Br
CH2CH2CH3CH2CH2
Br CCH3
CH2CH2CH3
CH2CH3
OH2
C
C3
OH CH2CH3
CH2CH2CH3
C
OH
CH3
CH2CH2CH3CH2CH3
-
(R)
+
(S)-Methyl-3-hexanal
InversionRetention
-HBr -HBr
(R)-3-Methyl-3-hexanal
+
2
H
Da das Carbeniumion eine sp -Hybridisierung aufweist kann bei der SN1-Reaktion eine vorder- und eine ruumlckseitige Anlagerung des Nucleophils erfolgen Das Energiediagramm einer solchen Reaktion sieht wie folgt aus E
C BrCH3
CH3
CH3
Br (CH3)3C(CH3)3 C OH BrH2O+ -+ ++ -
Die SN1-Reaktion laumluft im Allgemeinen schneller als die SN2-Reaktion ab Dazu ist es aber noumltig dass sich ein stabiles Carbeniumion ausbilden kann Die Stabilitaumlt des Carbeniumions haumlngt von den Substituenten ab Dabei gelten tertiaumlre Carbeniumionen als besonders stabil
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 19 von 37
C
CH3
CH3
CH3 C
H
CH3
CH3 C
H
H
CH3 C
H
H
H+ + + +
CH3tertiaumlr sekundaumlr primaumlr
+gt gt gt
Der Grund fuumlr die Stabilitaumlt der tertiaumlren Carbeniumionen ist der hyperkonjugative Effekt der Alkylgruppen Dabei bdquoverschiebenldquo die Alkylsubstituenten ihre Elektronendichte zum Kation
CHH
CCH2
CH2
CH2
H
H
+ +
Alkylsubstituenten schieben Elektronendichte zum Kation
H
H
Die folgende Tabelle soll einen kurzen Vergleich zwischen SN1- und SN2-Reaktion ziehen
Vergleich von S 2 und S 1 N NReaktionsparameter SN2 SN1 Struktur des Halogenids primaumlr selten
zyl Alkyl) haumlufig
(Bensekundaumlr manchmal anchmal mtertiaumlr selten haumlufig
Racemisierung Loumlsungsmittel olare
smittel verzoumlgert olare
e Loumlsungsmittel wird durch pLoumlsung
wird durch pprotischbeschleunigt
Nucleophil Anionische Nu beguumlnstigt schlechte Abgangsgruppe gute Abgangsgruppe
bevorzugt SN1 Erhoumlhung der NucleophDie Nucleophilie e
ilieines Nucle em Maszlige w n
erabgesetzt wird Eine Verminderung der Solvatation erreicht man durch Kronether
durch Kryptatbildung ophils steigt in d ie die Solvatatio
Stereochemie Inversion
andere Abgangsgruppe als Halogenides
bevorzugt SN2
h(engl crown) zB
O
O
O
O
OO
O
O OK
+
Y
12-Crown-418-Crown-6
Kryptat
O
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 20 von 37 Bezeichnung der Kronether Die Zahl vor bdquoCrownldquo gibt die Gesamtzahl der Ringatome die Zahl dahinter die Anzahl der Sauerstoffatome an In diesen Alkylkryptaten wird das Gegenion des Nucleophils K+ komplex gebunden auszligerdem findet in unpolaren organischen Loumlsungsmitteln in denen die Kryptatte loumlslich sind nur geringe Solvatation statt so dass das Nucleophil gewissermaszligen bdquonacktldquo vorliegt und dadurch seine volle nucleophile Kraft entfalten kann Kronether werden durch eine Williamsonrsquosche Ethersynthese dargestellt
OHO OCl O O40
O OH Cl O OO
O+
-HCl
O
18-Crown-6Triethylenglykol Triethylenglykoldicklorid
Beschleunigte nucleophile Substitution Die Nachbarschaftsgruppenbeteiligung von Y fuumlhrt zu einer beschleunigten nucleophilen Substitution und erklaumlrt durch zweimalige Inversion die Retention Das Elektronenpaar der Nachbargruppe Y kann ein ein freies Elektronenpaar (Hetereoatome) oder eine π-Bindung sein (Alkene Arene) in Einzelfaumlllen auch eine C-C-Bindung (2-Norbornylkation)
LGY| Y NuInversion|Nu
-+ Inversion
Y|
LG Abgangsgruppe-LG
-
23 SNi-Reaktion Unter dem SNi-Mechanismus versteht man eine innere nucleophile Substitution die nach einem internen SN2-Mechanismus ablaumluft und somit unter Beibehaltung der Konfiguration Ein typisches Beispiel ist der Austausch einer OH-Gruppe gegen Chlor mit SOCl2
COOH
HCOOH
COOH
O SCl
COOHH ClCl2
-SO2
R(-)-Chlorbernsteinsaumlure
H OH +SO
CH2
COOHCH2
O CH2
COOH
in Dioxan-HCl
R(+)-Aumlpfelsaumlure
Hierbei bleibt die Konfiguration erhalten da primaumlr der instabile Chlorsulfinsaumlureester gebildet wird und durch diese Bindung das Nucleophil von derselben Seite angreifen muss Dies fuumlhrt zur Retention Der SNi-Mechanismus ist jedoch stark loumlsungsmittelabhaumlngig denn fuumlhrt man dieselbe Reaktion in Pyridin durch so erhaumllt man 100 Waldenumkehr also SN2-Mechanismus
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 21 von 37 Der Grund hierfuumlr ist in der unterschiedlichen Basenstaumlrke zu sehen zwischen Dioxan und Oyridin Dioxan ist nur eine schwache Base
O
O
O
OH
+ HCl
+
Cl-
Das Gleichgewicht liegt weit auf der linken Seite wodurch das Nucleophil Cl- als HCl gebunden vorliegt Anders ist es dagegen in Pyridin
CR1
R2 OH CR1
R2 OSOClR1+SOCl2 PyrH+Cl-
R3 R3C
R3R2Cl
SN2+ - -
Hierbei greift das aus dem PyrH Cl stammende Nucleophil Cl in einer SN2-Reaktion den entstehenden Chlorsulfinsaumlureester von der Ruumlckseite her an was zur Konfigurationsumkehr fuumlhrt 24 Anwendungen
ubstitution von Halogeniden
siehe SN1 und SN2-Mechanismen saure Veretherung
Eine zweite Alkoholfunktion kann sich nun das enachbarte Kohlenstoffatom nucleophil angreifen Nach der Abspaltung eines
nes Protons erhaumllt man einen Ether
Herstellung von C-O-Bindungen S
Man kann bei Anwesenheit einer Saumlure [H2SO4] zwei Alkohole durch eine saure Veretherung in einen Ether uumlberfuumlhren Dabei wird zunaumlchst eine der Alkoholfunktionen protoniert bWassermolekuumlls und ei
CH3CH2OH
CH3CH2OH
CH3CH2 OH
H
CH3CH2OH
CH3CH2 O HCH3CH2
CH3CH2 O
H+ + -H2O +
++ H
+
CH3CH2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 22 von 37 Etherspaltung In Ethern kann die ROR-Gruppe in Anwesenheit einer Saumlure protoniert werden Im nachfolgenden Schritt erfolgt ein nucleophiler Angriff des Halogenid-Anions Man erhaumllt als Produkt ein Halogenalkan und ein Alkohol
CH3CH2OCH2CH3 CH3CH2 OCH2CH3
H
CH3CH2 OCH2CH3
H
H+
+
Dialkyloxonium-Ion
+Br +-
CH3CH2Br + HOCH2CH3
Williamson-Synthese
e
H3C-CH2-O-CH2-CH3 Diethylether
Ether Alkoyalkan R-O-R
O
Tetrahydrfuran(THF)
CH3 CH2 O Na Br CH2CH3 CH3 CH2 O CH2 CH3
- + +SN2
intermolekularNaBr+
den zuvor beschriebenen Kapiteln koumlnnen verschiedene eaktionsmechanismen zusammen wirken Ein bedeutendes Beispiel dafuumlr ist die
rung von Carbonsaumluren mit Alkoholen Dabei wird zunaumlchst ein Nucleophil an as Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe addiert Anschlieszligend erfolgt die
Da Alkohole schlechte Nucleophile sind muumlssen derartige Reaktionen durch Saumlure (meist Schwefelsaumlure) katalysiert werden Im ersten Schritt lagert sich das Proton an das nicht saure Sauerstoffatom an Diesfuumlhrt zu einer positiven Ladung am Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe Hierdurch wird nun der nucleophile Angriff des Alkohols beguumlnstigt Durch die Anlagerung eines weiteren Proton wird nun die schon einmal protonierte Hydroxygruppen ein weiteres
al protoniert und somit in eine gute Abgangsgruppe umgewandelt Nach der s Wassers wird die andere Hydroxygruppe deprotoniert und man erhaumllt
Veresterung Neben den in RVerestedAbspaltung des Carboxylsauerstoffatoms
mAbspaltung deeinen Ester als Reaktionsprodukt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 23 von 37
O
OH
O
OH
H
R C OH
Nu
C O
Nu HNu
R C
O
Nu
+
+ Nu
+
+- H-H2O
Mechanismus der Veresterung (Saumlure katalysiert)
R C R C- +
+ Nu + H -δ+
OH
R
OHH
R C
O H ++ H
H2O +
+
Substitution von Diazoniumsalzen Darstellung von Salpetrigsaumlureestern
CH2 OH
C2 OH
NO(-) CH2 O
CHCH2
OO
NNN
OOO
+H++ 3 H2OCH OH 2+
H
erstellung der C-S-Bindungen arstellung von Thiolen und Thioethern nalog der Williamsonrsquoschen Ethersynthese lassen sich auch Thioether darstellen
HDA
R Br R SH NaBrMercaptane
Na+ HS-+ +
ich jedoch aufgrund ihrer groumlszligeren den Alkoholen nur schlecht abfangen Thioethern weiterreagieren lassen
Dabei entstehen primaumlr Mercaptane die sucleophilie gegenuumlber den entsprechenN
lassen und sofort zu den entsprechenden
R1 SH R2 X R1 S R2 HXThioether
+Base
SN2+
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 24 von 37 Eine selektrive Herstellung von Mercaptanen durch nucleophile Substitution von
hioharnstoff-Methode Alkylhalogeniden erfolgt mit der T
NH2
CNH
NH2
SH
NH2
CO2 3
+
OH- H2O
2+
CNH2
S
RX CNH2
NH2
SR CNH2
NH2
SR CNH2
SR
s-Alkylthiuroniumsalze
++ +
iso-ThioharnstoffR SH NH+
Herstellung der C-N- Bindung Gabriel-Synthese Ein nichtreduktiver Zugang zu primaumlren Aminen geht von dem Anion von 2-Benzoldicarboximid (Phtalimid) aus dem cyclischen Imid der 12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure) Dieses Verfahren ist als Gabriel-Sysnthese bekannt Da das Stickstoffatom in 12-Benzoldicarboximid (Phtalamis) von zwei Carbonylfunktionen flankiert ist ist die NH-Gruppe ungewoumlhnlich acide (pKa = 83) staumlrker als ein gewoumlhnliches Amid (pKa = 15) Sie wird deshalb bereits von einer so milden Base wie dem Carbonat-Ion deprotoniert das entstehende Anion wird in guter Ausbeute alkyliert Durch saure Hydrolyse setzt man das Amin anschlieszligend als Ammoniumsalz frei Behandelt man dieses mit Base erhaumllt man das freie Amin
O
O
O
O
O
2OH
O
CH CH2NH3HSO4
O
O
O
O
CH CCH2NH2
+
NaOH H2O
+Na+
Na+
N-2-Propinyl-12-benzoldicarboximid (N-Propargylphtalimid)
2-Propinamin (Propargylamin)
wird bei waumlssriger Aufarbeitung entfernt
O
OH
OH
O
NH N K+NH3 300degC
-H2O
K2CO3 H2O
CH CCH2Br
N
O
CH CH CHOH
O
DMF 100degC-KBr
H2SO4 H2O 120degC+ -
12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure)
9712-Benzoldicarboximid (Phtalimid)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 25 von 37 Hinsberg-Reaktion Die Hinsberg-Reaktion bietet die Moumlglichkeit ausgehend von primaumlren Aminen gezielt sekundaumlre Amine herzustellen
R NH2 Cl ts R NH
ts R N ts
-HCl
acides H
KOH
-H2O
(-)
K(+)
R N ts
NR
Rts NH
R
RtsOK
(-)
K(+)+R-X
-KX
Verseifung
H2O
ts = Tosylat = CH3 SO2
Quarternisierung von Aminen Nitroalkanen Isonitrilen Herstellung von C-C-Bindungen Nitrilsynthese (nach Kolbe)
ogenide meist Methyliodid oder primaumlre Alkyliodide mit eim
mit tertiaumlren Alkylhalogeniden ndash erhaumllt man jedoch hauptsaumlchlich Isonitrile
Setzt man AlkylhalNatriumcyanid um so erhaumllt man hauptsaumlchlich die entsprechenden Cyanide BUmsatz von Silbercyanid ndash vor allem
CH3 I
CH3 CN
CH3 N C 7
Acetonitril
Methylisonitril
SN2-artig
+NaCN -NaI
SN1-artig
+AgCN -AgI
er Grund fuumlr dieses Reaktionsverhalten liegt darin dass das Silber-Kation die unterstuumltzt In einer SN1-seinem
lektronegativsten Atom an im Falle der Kolbersquoschen Nitrilsynthese mit dem N-Atom ieser SN1-artige Verlauf fuumlhrt somit zu Isonitrilen at die Reaktion jedoch mehr bimolekularen Charakter so greift das ambidente CN(-) evorzugt mit dem weniger elektronegativeren dafuumlr mehr polarisierbaren Atom an ies fuumlhrt zur Bildung von Nitrilen ie Verhaumlltnisse beim CN(-) sind denen des NO2
(-) aumlhnlich Das Wesentliche ist dabei er SN1- bzw SN2-Charakter der Reaktion Dieser Charakter laumlsst sich durch die
oumlsungsmittelwahl bzw Kryptat-Einfluss in eine
DBildung eines Carbenium-Ions foumlrdert und die SN1-Reaktion rtigen Reaktion greift jedoch das ambidente Nucleophil mit a
eDHbDDdWahl des Nucleophils und durch Lbestimmte Richtung lenken
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 26 von 37 Darstellung von Alkinen Alkine koumlnnen aus anderen Alkinen erhalten werden durch Reaktion terminaler Alkinyl-Anionen mit alkylierenden Reagenzien wie primaumlren Halogenalkanen
xacyclopropanen Aldehyden und Ketonen Wie wir wissen werden solche Anionen aus terminalen Alkinen durch Deprotonierung mit starken Basen meist Alkyllithium-Verbidnungen Natriumamid in fluumlssigem Ammoniak oder Grignard-Reagenzien gewonnen Die Alkylierung mit primaumlren Halogenalkanen erfolgt uumlblicherweise in fluumlssigem Ammoniak oder Ethern Diese Loumlsungsmittel enthalten bisweilen 12-Ethandiamin H2NCH2CH2NH2 NNNrsquoNrsquo-Tetramethyl-12-ethandiamin (TMEDA) (CH3)2NCH2CH2N(CH3)2 oder HMPT als Cosolventien um die Nucleophilie des Anions zu erhoumlhen
O
CH3C CH CH3C C24
(-) (+)Na CH3C
NaNH2 fl NH3
-NH2H
CH3I
-NaI75
CCH3
2-Butin
C36
CH C44
CCH2CH2CH31 CH3CH2CH2CH2CH2Li THF H2NCH2CH2NH22 CH3CH2CH2Br
n
-LiBr85
1-Pentinylcyclohexa
enz
Alkylierung von Ketonen Die konjugierte Addition gefolgt von einer Alkylierung stellt eine nuumltzliche Sequzur αβ-Dialkylierung undgesaumlttigter Carbonylverbindungen
CO
1 R2CuLi
C C C C CR R
O O OBeispiel
1 (CH CH
O2 RX
CH3
CH CH2CH2CH3
CH3
CH2CH2CH2CH3
3 2CH2CH2)2CuLi THF2 CH3I +
84 4 1 trans- und cis-3-Butyl-2-methylcyclohexanon
2
itionGewoumlhnliche Grignard-Verbindungen reagieren mit αβ-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen in einer 12-Add einer 14-Addition oder beiden Weegen je nach Struktur Reaktionsbedingungen und reagierenden Verbindungen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 27 von 37 β-Dicarbonylverbindungen
laisen-Kondensationen fuumlhren zu β-Dicarbonylverbindungen Ethylacetat reagiert en Natriumethoxid zu Ethyl-3-oxobutanoat
Cmit stoumlchiometrischen Meng(Ethylacetacetat Acetessigester)
CH3 C2
OO
CH2CH3CH3 C
7O
OCH2CH3 CH3 C
12
OCH2
C16
OO
CH2CH3+Na+-OCH2CH3 CH3CH2OH
-CH3CH2OHEthylacetat Ethyl-3-oxobutanoat
(Ethylacetacetat) Die Claisen-Kondensation beginnt mit der Bildung eines Esterenolat-Ions Durch eine Additions-Eliminierungs-Reaktion an die Carbonylgruppe eines anderen Estermolekuumlls entsteht ein 3-Ketoester Diese Schritte sind reversibel und der geamte Vorgang ist bis zu dieser Stufe endotherm Besonders unguumlnstig ist die Deprotonierung des Esters (pKa = 25) durch Ethoxid (pKa von Ethanol = 159) Das Gleichgewicht ist trotzdem zum Produkt verschoben da die Basde den 3-Ketoester (pKa = 11) an C2 praktisch irreversibel deprotoniert Bei der Aufarbeitung mit waumlssriger Saumlure wird die konjugierte Base des Produkts protoniert womit der Prozess abgeschlossen ist
CH3 C21
O CH2CH3 Na+ CH2 C
27 OCH2CH3
CH2 C32
O
OCH2CH3
+ CH3CH2OH
O O(-)
(-)Bildung des Esterenolats
Na+-OCH2CH3
CH3 C37
OO
CH2CH3CH2 C
42O
OCH2CH3
(-)CH3 C
48OCH2CH3
O
CH2
C52
OCH2CH3
O
+
Eliminierung
Nucleophile Addition
CH3 C56
OCH2CH3
O
CH2
C60
OCH2CH3
O
CH3 C64
CH2
C66
OCH2CH3
O O
+ -OCH2CH3
Ketoester
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 28 von 37
CH3 C71
CH2
C73
OCH2CH3
O O
CH3 C78
CH C80
OCH2CH3
O O
CH3 C92
CH
C94
OCH2CH3
O OCH3 C
99CH
C101
OCH2CH3
O O(-)
CH3 C85
CH2
C87
OCH2CH3
O O
Deprtotonierung
+ -OCH2CH3
sauer pKa = 11
+CH3CH2OH
CH3 CCHO
COCH2CH3
O(-)CH3 CCH2
OCOCH2CH3
O
Protonierung bei der waumlssrigen Aufarbeitung
H+ H2O
Zur Vermeidung einer Umesterung sollten sich das Alkoxid und der Ester von demselben Alkohol ableiten lassen Malonestersynthese Mit der Malonester-Synthese erhaumllt man Carbonsaumluren Diethylpropandioat (Malonsaumlureester) ist ein gutes Ausgangsmaterial zur Darstellung 2-substituierter oder 22-disubstituierter Carbonsaumluren in einem Verfahren das man Malonestersynthese nennt
CH3 CH2
O C CH2
OCO
O CH2
CH3CH3 C
H2
O C CO
CO
O CH2
CH3
R
R
CR
RH COOH
22-disubstituierte Carbonsaumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 29 von 37 α β-ungesaumlttigte Ketone Bei α- β-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen tritt neben der 12-Verknuumlfung auch 14-Verknuumlpfung bei der Pinakol-Reaktion auf
CH2 CH
CH
O CH2 CH
CH
CH
CH
CH2
OH OH
12-Verknuumlpfung
2Zn
Ethanol 0degC
68
O O On
O O
2
14-Verknuumlpfung
+ e(-)
(-) (-)
lkylierung von Cupraten alten Doppelbindungen an denen einfache Alkylgruppen
ebunden sind Im Prinzip koumlnnen diese Verbindungen aus organometallischen
zien RLi bzw RMgX im allgemeinen icht mit Halogenalkanen Es gibt aber einen anderen Typ organometallischer
Reagenzien die Organocuprate die hier sehr effektiv wirken Organocuprate besitzen die stoumlchiometrische Zusammensetzung R2CuLi und koumlnnen direkt durch Addition zweier Aumlquivalente einer Organolithium-Verbidnung an ein Aumlquevalent Kupferiodid CuI dargestellt werden Beispiel
AViele wichtige Molekuumlle enthgReagenzien durch direkte Alkylierung gewonnen werden Ungluumlcklicherweise reagieren Organolithium- oder Grignard-Reagenn
CH2 CHLi CuI (CH2=CH)2CuLi LiI+ +Ethenyllithium Lithiumdiethenylcuprat
(ein Organocuprat-Reagenz) Lthiumcuprate reagieren mit Halogenalkanen in sogenannten Kupplungsreaktionen unter Bildung substituierter Alkene Primaumlre Iodide sind dazu am besten geeignet aber auch andere primaumlre und sekundaumlre Halogenalkane geben befriedigende Resultate
R2CuLi RX R R LiX+ +
CCH3
CH
C17
CH3
HC20
HC
23
CH3
HC26
H
CH2(CH2)6CH3
1 Li(CH3CH2)2O2 CuI CuLi
CH3(CH2)6CH2IHMPT
11H 14 Cl2
Lithium-bis(trans-1-propenyl)cuprat90
trans-2-Undecen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 30 von 37 Herstellung von C-X-Bindungen Veresterung von Alkoholen mit Mineralsaumluren
Finkelsteinreaktion (RF-Verbindungen mit Krypat-Unterstuumltzung) Bei der Finkelstein-Reaktion handelt es sich um eine nucleophile Halogenid-Austausch-Reaktion zur Synthese von Iodiden und Fluoriden aus Bromiden und Chloriden zB
R X NaI R I NaX+Aceton
+ X = Cl Br
SN2
Eine Komponente der Triebkraft dieser Reaktion hat physikalische Ursachen die n und sekundaumlren
lkylhalogeniden unguumlnstige Lage der Gleichgewichte fuumlr eine SN2-Reaktion Loumlslichkeit Bei dieser Reaktion wird die bei tertiaumlreA
R X I I R X
I R X=
++
urch physikalisch-chemische Effekte beguumlnstigt naumlmlich dadurch dass NaBr und aCl in Aceton schlecht loumlslich sind und ausfallen Dadurch werden die leichgewichte irreversibel verschoben und die Reaktion verlaumluft somit im ewuumlnschten Sinne
eispiel
dNGg B
C16
CH3 CH
Br 223 Hin Aceton
CH3
CCHCH3
C I+NaI + NaBr
CH32 CH3
2SN2
Es findet keine Neophenylumlagerung statt das heiszligt dass keine SN1-Reaktion stattfindet In einer Variante der Finkelstein-Reaktion wird der Tosylat-Rest gegen Halogenid ausgetascht Ansonsten aber arbeitet man nach dem gleichen Prinzip
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 31 von 37
30 Elektrophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom
Am alipatischen C-Atom sind elektrophile Substitutionen moumlglich wenn die C-X-Bindung so polarisiert ist dass das C-Atom eine negative und die Abgangsgruppe
s der ilen
tion Man kann jedoch zwischen folgenden Mechanismen nterscheiden
1 SE1 analog SN2 (Racemisierung)
2 SE2-back analog SN2 (Inversion)
3 S 2-front analog S i (Retention)
analog S i (Retention)
31 SE1-Reaktion
ierbei handelt es sich um eine Reaktion erster Ordnung die zweistufig verlaumluft
eine positive Ladung traumlgt Diese Voraussetzungen sind vor allem bei metallorganischen und CH-aciden Verbindungen erfuumlllt Der Mechanismuelektrophilen alipathischen Substitution ist nicht so klar wie der der nucleophaliphatischen Substituu
E N
4 S i E N
H
langsamR X R
R Y+ R Y+
Geeignete Loumlsungsmittel fuumlr SE1-Reaktionen sind Dimethylformamid (DMF) undHexamethylphosphorsaumluretriamid (HMPA)
O N(CH3)2
HN(CH3)2
POH3)2
N(CH3)2
HMPA
N(CDMF
Stereochemie der SE1-Reaktion
Die Stereochemie von SE1-Reaktionen verlaumluft nicht einheitlich Im Allgemeinen isch aktive Verbindungen einsetzt Dies
kann zwei Ursachen haben 1 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist
ufig der Fall wenn es sich um mesomeriestabilisierte
2 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist pyramidal gebaut kann jedoch seine Struktur nicht halten (vergleichbar dem schnellen Durchschwingen von unsymmetrisch substituierten Aminen)
findet man Racematisierung wenn man opt
planar Dies ist hauml
Carbanionen handelt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 32 von 37 In Ausnahmefaumlllen kann jedoch auch bei planaren (mesomeristabilisierCarbanionen je nach Wahl des Loumls
ten) ungsmittel Inversion Retention oder
Racemisierung auftreten was durch unterschiedliche Solvatationseffekte erklaumlrt wird Beispiel fuumlr eine S 1-Reaktion E
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
HgBrRacemat
langsam
(-)+ HgBr+
+HgBr2
-HgB 2
rHgBr
Hg = isotopenmarkiertes Hg
32 S 2-ReaktionE E
eaktionen sind bimolekular Beide Mechanismus verglichen werden
Y
und S i-Reaktion
SE2 und SEi-R anisund SNi-Mech
men koumlnnen mit dem SN2-
C47
Y X
SE2 (back) nfalls um einen Frontangriff unter
C C X29
X C35
Y
X
41
SE2 (front)
Beim SEi ndashMechanismus handelt es sich ebeRetention
Y zY z
C53 X C60 XSEi
Die Bildung cyclischer Uumlbergangszustaumlnde die 4- oder 6-gliedrig sein koumlnnen foumlrdert die Losloumlsung der Abgangsgruppe Stereochemie von SE2-Reaktionen und von SEi-Reaktionen
Fuumlr die h den nucleuphilen Substitutionen von Be
8 Valenzelektronen haumltte Da nun zwischen den beiden Elektronenwolken Coulomb-Abstoszligung auftritt erfolgt der Angriff des Nucleophils gezwungenermaszligen von der Ruumlckseite des Molekuumlls Die Folge ist Inversion Anders ist es dagegen beim SE2- und Sei-Mechanismus Das angreifende Elektrophil besitzt nur ein leeres Orbital und somit ist sowohl der Front- als auch der
angriff unter Inversion verlaumluft laumlsst die Stereochemie der SE-Reaktion nur schwer Ruumlckschluumlsse auf den Mechanismus zu
Stereoc emie ist folgender Unterschied zu deutung
Bei SN-Reaktionen bringt das angreifende Nucleophil ein Elektronenpaar mit Daher muss die Abgangsgruppe bei der Neubildung der Bindung ein Elektronenpaar mitnehmen da sonst das C-Atom mehr als
Ruumlckseiten-Angriff moumlglich Da der Frontangriff unter Retention der Ruumlckseiten
Skript zum 2 OC-Kolloquium
33 Anwendungen
reu
Seite 33 von 37
Herstellung einfacher metallorganischer Verbindungen
etall-H-Austausch
aumluren betrachtet werden Dabei nimmt die H-Aciditaumlt mit zunehmendem s-Charakter der Hybridisierung zu
sp CH3 CH3
M C-H-Verbindungen koumlnnen als schwache SC Hybridisierung
3Saumlure konjugierte Base pKa-W
sp2
CH3 CH2 Zunahme der
sp
2 2
CH CH
CH2 CH
CH C15(-)
25
Aciditaumlt
Da eine staumlrkere Saumlu
ert 42
365
(-)
CH CH (-)
re eine schwaumlchere aus ihrem Salz vertreibt reagiert eine konjugierte Base mit jeder Saumlure die in der Tabelle unter ihr steht Elektronegative Gruppen an Aromaten wirken acidifizierend Beispiele
HC H Na
NaC2H6
Li H
+
pKa 42schwaumlchere Saumlure
Pentan
pKa 37schwaumlchere Saumlu
pKa 35 staumlkere Sauml re
+ Pentan +
schwaumlchere Saumlure
2 5+pKa 37 staumlkere Saumlure
Na CH3 H CH2Na
+ Pentan +
H H H LipKa 37pKa 23
staumlkere Saumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 19 von 37
C
CH3
CH3
CH3 C
H
CH3
CH3 C
H
H
CH3 C
H
H
H+ + + +
CH3tertiaumlr sekundaumlr primaumlr
+gt gt gt
Der Grund fuumlr die Stabilitaumlt der tertiaumlren Carbeniumionen ist der hyperkonjugative Effekt der Alkylgruppen Dabei bdquoverschiebenldquo die Alkylsubstituenten ihre Elektronendichte zum Kation
CHH
CCH2
CH2
CH2
H
H
+ +
Alkylsubstituenten schieben Elektronendichte zum Kation
H
H
Die folgende Tabelle soll einen kurzen Vergleich zwischen SN1- und SN2-Reaktion ziehen
Vergleich von S 2 und S 1 N NReaktionsparameter SN2 SN1 Struktur des Halogenids primaumlr selten
zyl Alkyl) haumlufig
(Bensekundaumlr manchmal anchmal mtertiaumlr selten haumlufig
Racemisierung Loumlsungsmittel olare
smittel verzoumlgert olare
e Loumlsungsmittel wird durch pLoumlsung
wird durch pprotischbeschleunigt
Nucleophil Anionische Nu beguumlnstigt schlechte Abgangsgruppe gute Abgangsgruppe
bevorzugt SN1 Erhoumlhung der NucleophDie Nucleophilie e
ilieines Nucle em Maszlige w n
erabgesetzt wird Eine Verminderung der Solvatation erreicht man durch Kronether
durch Kryptatbildung ophils steigt in d ie die Solvatatio
Stereochemie Inversion
andere Abgangsgruppe als Halogenides
bevorzugt SN2
h(engl crown) zB
O
O
O
O
OO
O
O OK
+
Y
12-Crown-418-Crown-6
Kryptat
O
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 20 von 37 Bezeichnung der Kronether Die Zahl vor bdquoCrownldquo gibt die Gesamtzahl der Ringatome die Zahl dahinter die Anzahl der Sauerstoffatome an In diesen Alkylkryptaten wird das Gegenion des Nucleophils K+ komplex gebunden auszligerdem findet in unpolaren organischen Loumlsungsmitteln in denen die Kryptatte loumlslich sind nur geringe Solvatation statt so dass das Nucleophil gewissermaszligen bdquonacktldquo vorliegt und dadurch seine volle nucleophile Kraft entfalten kann Kronether werden durch eine Williamsonrsquosche Ethersynthese dargestellt
OHO OCl O O40
O OH Cl O OO
O+
-HCl
O
18-Crown-6Triethylenglykol Triethylenglykoldicklorid
Beschleunigte nucleophile Substitution Die Nachbarschaftsgruppenbeteiligung von Y fuumlhrt zu einer beschleunigten nucleophilen Substitution und erklaumlrt durch zweimalige Inversion die Retention Das Elektronenpaar der Nachbargruppe Y kann ein ein freies Elektronenpaar (Hetereoatome) oder eine π-Bindung sein (Alkene Arene) in Einzelfaumlllen auch eine C-C-Bindung (2-Norbornylkation)
LGY| Y NuInversion|Nu
-+ Inversion
Y|
LG Abgangsgruppe-LG
-
23 SNi-Reaktion Unter dem SNi-Mechanismus versteht man eine innere nucleophile Substitution die nach einem internen SN2-Mechanismus ablaumluft und somit unter Beibehaltung der Konfiguration Ein typisches Beispiel ist der Austausch einer OH-Gruppe gegen Chlor mit SOCl2
COOH
HCOOH
COOH
O SCl
COOHH ClCl2
-SO2
R(-)-Chlorbernsteinsaumlure
H OH +SO
CH2
COOHCH2
O CH2
COOH
in Dioxan-HCl
R(+)-Aumlpfelsaumlure
Hierbei bleibt die Konfiguration erhalten da primaumlr der instabile Chlorsulfinsaumlureester gebildet wird und durch diese Bindung das Nucleophil von derselben Seite angreifen muss Dies fuumlhrt zur Retention Der SNi-Mechanismus ist jedoch stark loumlsungsmittelabhaumlngig denn fuumlhrt man dieselbe Reaktion in Pyridin durch so erhaumllt man 100 Waldenumkehr also SN2-Mechanismus
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 21 von 37 Der Grund hierfuumlr ist in der unterschiedlichen Basenstaumlrke zu sehen zwischen Dioxan und Oyridin Dioxan ist nur eine schwache Base
O
O
O
OH
+ HCl
+
Cl-
Das Gleichgewicht liegt weit auf der linken Seite wodurch das Nucleophil Cl- als HCl gebunden vorliegt Anders ist es dagegen in Pyridin
CR1
R2 OH CR1
R2 OSOClR1+SOCl2 PyrH+Cl-
R3 R3C
R3R2Cl
SN2+ - -
Hierbei greift das aus dem PyrH Cl stammende Nucleophil Cl in einer SN2-Reaktion den entstehenden Chlorsulfinsaumlureester von der Ruumlckseite her an was zur Konfigurationsumkehr fuumlhrt 24 Anwendungen
ubstitution von Halogeniden
siehe SN1 und SN2-Mechanismen saure Veretherung
Eine zweite Alkoholfunktion kann sich nun das enachbarte Kohlenstoffatom nucleophil angreifen Nach der Abspaltung eines
nes Protons erhaumllt man einen Ether
Herstellung von C-O-Bindungen S
Man kann bei Anwesenheit einer Saumlure [H2SO4] zwei Alkohole durch eine saure Veretherung in einen Ether uumlberfuumlhren Dabei wird zunaumlchst eine der Alkoholfunktionen protoniert bWassermolekuumlls und ei
CH3CH2OH
CH3CH2OH
CH3CH2 OH
H
CH3CH2OH
CH3CH2 O HCH3CH2
CH3CH2 O
H+ + -H2O +
++ H
+
CH3CH2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 22 von 37 Etherspaltung In Ethern kann die ROR-Gruppe in Anwesenheit einer Saumlure protoniert werden Im nachfolgenden Schritt erfolgt ein nucleophiler Angriff des Halogenid-Anions Man erhaumllt als Produkt ein Halogenalkan und ein Alkohol
CH3CH2OCH2CH3 CH3CH2 OCH2CH3
H
CH3CH2 OCH2CH3
H
H+
+
Dialkyloxonium-Ion
+Br +-
CH3CH2Br + HOCH2CH3
Williamson-Synthese
e
H3C-CH2-O-CH2-CH3 Diethylether
Ether Alkoyalkan R-O-R
O
Tetrahydrfuran(THF)
CH3 CH2 O Na Br CH2CH3 CH3 CH2 O CH2 CH3
- + +SN2
intermolekularNaBr+
den zuvor beschriebenen Kapiteln koumlnnen verschiedene eaktionsmechanismen zusammen wirken Ein bedeutendes Beispiel dafuumlr ist die
rung von Carbonsaumluren mit Alkoholen Dabei wird zunaumlchst ein Nucleophil an as Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe addiert Anschlieszligend erfolgt die
Da Alkohole schlechte Nucleophile sind muumlssen derartige Reaktionen durch Saumlure (meist Schwefelsaumlure) katalysiert werden Im ersten Schritt lagert sich das Proton an das nicht saure Sauerstoffatom an Diesfuumlhrt zu einer positiven Ladung am Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe Hierdurch wird nun der nucleophile Angriff des Alkohols beguumlnstigt Durch die Anlagerung eines weiteren Proton wird nun die schon einmal protonierte Hydroxygruppen ein weiteres
al protoniert und somit in eine gute Abgangsgruppe umgewandelt Nach der s Wassers wird die andere Hydroxygruppe deprotoniert und man erhaumllt
Veresterung Neben den in RVerestedAbspaltung des Carboxylsauerstoffatoms
mAbspaltung deeinen Ester als Reaktionsprodukt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 23 von 37
O
OH
O
OH
H
R C OH
Nu
C O
Nu HNu
R C
O
Nu
+
+ Nu
+
+- H-H2O
Mechanismus der Veresterung (Saumlure katalysiert)
R C R C- +
+ Nu + H -δ+
OH
R
OHH
R C
O H ++ H
H2O +
+
Substitution von Diazoniumsalzen Darstellung von Salpetrigsaumlureestern
CH2 OH
C2 OH
NO(-) CH2 O
CHCH2
OO
NNN
OOO
+H++ 3 H2OCH OH 2+
H
erstellung der C-S-Bindungen arstellung von Thiolen und Thioethern nalog der Williamsonrsquoschen Ethersynthese lassen sich auch Thioether darstellen
HDA
R Br R SH NaBrMercaptane
Na+ HS-+ +
ich jedoch aufgrund ihrer groumlszligeren den Alkoholen nur schlecht abfangen Thioethern weiterreagieren lassen
Dabei entstehen primaumlr Mercaptane die sucleophilie gegenuumlber den entsprechenN
lassen und sofort zu den entsprechenden
R1 SH R2 X R1 S R2 HXThioether
+Base
SN2+
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 24 von 37 Eine selektrive Herstellung von Mercaptanen durch nucleophile Substitution von
hioharnstoff-Methode Alkylhalogeniden erfolgt mit der T
NH2
CNH
NH2
SH
NH2
CO2 3
+
OH- H2O
2+
CNH2
S
RX CNH2
NH2
SR CNH2
NH2
SR CNH2
SR
s-Alkylthiuroniumsalze
++ +
iso-ThioharnstoffR SH NH+
Herstellung der C-N- Bindung Gabriel-Synthese Ein nichtreduktiver Zugang zu primaumlren Aminen geht von dem Anion von 2-Benzoldicarboximid (Phtalimid) aus dem cyclischen Imid der 12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure) Dieses Verfahren ist als Gabriel-Sysnthese bekannt Da das Stickstoffatom in 12-Benzoldicarboximid (Phtalamis) von zwei Carbonylfunktionen flankiert ist ist die NH-Gruppe ungewoumlhnlich acide (pKa = 83) staumlrker als ein gewoumlhnliches Amid (pKa = 15) Sie wird deshalb bereits von einer so milden Base wie dem Carbonat-Ion deprotoniert das entstehende Anion wird in guter Ausbeute alkyliert Durch saure Hydrolyse setzt man das Amin anschlieszligend als Ammoniumsalz frei Behandelt man dieses mit Base erhaumllt man das freie Amin
O
O
O
O
O
2OH
O
CH CH2NH3HSO4
O
O
O
O
CH CCH2NH2
+
NaOH H2O
+Na+
Na+
N-2-Propinyl-12-benzoldicarboximid (N-Propargylphtalimid)
2-Propinamin (Propargylamin)
wird bei waumlssriger Aufarbeitung entfernt
O
OH
OH
O
NH N K+NH3 300degC
-H2O
K2CO3 H2O
CH CCH2Br
N
O
CH CH CHOH
O
DMF 100degC-KBr
H2SO4 H2O 120degC+ -
12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure)
9712-Benzoldicarboximid (Phtalimid)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 25 von 37 Hinsberg-Reaktion Die Hinsberg-Reaktion bietet die Moumlglichkeit ausgehend von primaumlren Aminen gezielt sekundaumlre Amine herzustellen
R NH2 Cl ts R NH
ts R N ts
-HCl
acides H
KOH
-H2O
(-)
K(+)
R N ts
NR
Rts NH
R
RtsOK
(-)
K(+)+R-X
-KX
Verseifung
H2O
ts = Tosylat = CH3 SO2
Quarternisierung von Aminen Nitroalkanen Isonitrilen Herstellung von C-C-Bindungen Nitrilsynthese (nach Kolbe)
ogenide meist Methyliodid oder primaumlre Alkyliodide mit eim
mit tertiaumlren Alkylhalogeniden ndash erhaumllt man jedoch hauptsaumlchlich Isonitrile
Setzt man AlkylhalNatriumcyanid um so erhaumllt man hauptsaumlchlich die entsprechenden Cyanide BUmsatz von Silbercyanid ndash vor allem
CH3 I
CH3 CN
CH3 N C 7
Acetonitril
Methylisonitril
SN2-artig
+NaCN -NaI
SN1-artig
+AgCN -AgI
er Grund fuumlr dieses Reaktionsverhalten liegt darin dass das Silber-Kation die unterstuumltzt In einer SN1-seinem
lektronegativsten Atom an im Falle der Kolbersquoschen Nitrilsynthese mit dem N-Atom ieser SN1-artige Verlauf fuumlhrt somit zu Isonitrilen at die Reaktion jedoch mehr bimolekularen Charakter so greift das ambidente CN(-) evorzugt mit dem weniger elektronegativeren dafuumlr mehr polarisierbaren Atom an ies fuumlhrt zur Bildung von Nitrilen ie Verhaumlltnisse beim CN(-) sind denen des NO2
(-) aumlhnlich Das Wesentliche ist dabei er SN1- bzw SN2-Charakter der Reaktion Dieser Charakter laumlsst sich durch die
oumlsungsmittelwahl bzw Kryptat-Einfluss in eine
DBildung eines Carbenium-Ions foumlrdert und die SN1-Reaktion rtigen Reaktion greift jedoch das ambidente Nucleophil mit a
eDHbDDdWahl des Nucleophils und durch Lbestimmte Richtung lenken
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 26 von 37 Darstellung von Alkinen Alkine koumlnnen aus anderen Alkinen erhalten werden durch Reaktion terminaler Alkinyl-Anionen mit alkylierenden Reagenzien wie primaumlren Halogenalkanen
xacyclopropanen Aldehyden und Ketonen Wie wir wissen werden solche Anionen aus terminalen Alkinen durch Deprotonierung mit starken Basen meist Alkyllithium-Verbidnungen Natriumamid in fluumlssigem Ammoniak oder Grignard-Reagenzien gewonnen Die Alkylierung mit primaumlren Halogenalkanen erfolgt uumlblicherweise in fluumlssigem Ammoniak oder Ethern Diese Loumlsungsmittel enthalten bisweilen 12-Ethandiamin H2NCH2CH2NH2 NNNrsquoNrsquo-Tetramethyl-12-ethandiamin (TMEDA) (CH3)2NCH2CH2N(CH3)2 oder HMPT als Cosolventien um die Nucleophilie des Anions zu erhoumlhen
O
CH3C CH CH3C C24
(-) (+)Na CH3C
NaNH2 fl NH3
-NH2H
CH3I
-NaI75
CCH3
2-Butin
C36
CH C44
CCH2CH2CH31 CH3CH2CH2CH2CH2Li THF H2NCH2CH2NH22 CH3CH2CH2Br
n
-LiBr85
1-Pentinylcyclohexa
enz
Alkylierung von Ketonen Die konjugierte Addition gefolgt von einer Alkylierung stellt eine nuumltzliche Sequzur αβ-Dialkylierung undgesaumlttigter Carbonylverbindungen
CO
1 R2CuLi
C C C C CR R
O O OBeispiel
1 (CH CH
O2 RX
CH3
CH CH2CH2CH3
CH3
CH2CH2CH2CH3
3 2CH2CH2)2CuLi THF2 CH3I +
84 4 1 trans- und cis-3-Butyl-2-methylcyclohexanon
2
itionGewoumlhnliche Grignard-Verbindungen reagieren mit αβ-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen in einer 12-Add einer 14-Addition oder beiden Weegen je nach Struktur Reaktionsbedingungen und reagierenden Verbindungen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 27 von 37 β-Dicarbonylverbindungen
laisen-Kondensationen fuumlhren zu β-Dicarbonylverbindungen Ethylacetat reagiert en Natriumethoxid zu Ethyl-3-oxobutanoat
Cmit stoumlchiometrischen Meng(Ethylacetacetat Acetessigester)
CH3 C2
OO
CH2CH3CH3 C
7O
OCH2CH3 CH3 C
12
OCH2
C16
OO
CH2CH3+Na+-OCH2CH3 CH3CH2OH
-CH3CH2OHEthylacetat Ethyl-3-oxobutanoat
(Ethylacetacetat) Die Claisen-Kondensation beginnt mit der Bildung eines Esterenolat-Ions Durch eine Additions-Eliminierungs-Reaktion an die Carbonylgruppe eines anderen Estermolekuumlls entsteht ein 3-Ketoester Diese Schritte sind reversibel und der geamte Vorgang ist bis zu dieser Stufe endotherm Besonders unguumlnstig ist die Deprotonierung des Esters (pKa = 25) durch Ethoxid (pKa von Ethanol = 159) Das Gleichgewicht ist trotzdem zum Produkt verschoben da die Basde den 3-Ketoester (pKa = 11) an C2 praktisch irreversibel deprotoniert Bei der Aufarbeitung mit waumlssriger Saumlure wird die konjugierte Base des Produkts protoniert womit der Prozess abgeschlossen ist
CH3 C21
O CH2CH3 Na+ CH2 C
27 OCH2CH3
CH2 C32
O
OCH2CH3
+ CH3CH2OH
O O(-)
(-)Bildung des Esterenolats
Na+-OCH2CH3
CH3 C37
OO
CH2CH3CH2 C
42O
OCH2CH3
(-)CH3 C
48OCH2CH3
O
CH2
C52
OCH2CH3
O
+
Eliminierung
Nucleophile Addition
CH3 C56
OCH2CH3
O
CH2
C60
OCH2CH3
O
CH3 C64
CH2
C66
OCH2CH3
O O
+ -OCH2CH3
Ketoester
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 28 von 37
CH3 C71
CH2
C73
OCH2CH3
O O
CH3 C78
CH C80
OCH2CH3
O O
CH3 C92
CH
C94
OCH2CH3
O OCH3 C
99CH
C101
OCH2CH3
O O(-)
CH3 C85
CH2
C87
OCH2CH3
O O
Deprtotonierung
+ -OCH2CH3
sauer pKa = 11
+CH3CH2OH
CH3 CCHO
COCH2CH3
O(-)CH3 CCH2
OCOCH2CH3
O
Protonierung bei der waumlssrigen Aufarbeitung
H+ H2O
Zur Vermeidung einer Umesterung sollten sich das Alkoxid und der Ester von demselben Alkohol ableiten lassen Malonestersynthese Mit der Malonester-Synthese erhaumllt man Carbonsaumluren Diethylpropandioat (Malonsaumlureester) ist ein gutes Ausgangsmaterial zur Darstellung 2-substituierter oder 22-disubstituierter Carbonsaumluren in einem Verfahren das man Malonestersynthese nennt
CH3 CH2
O C CH2
OCO
O CH2
CH3CH3 C
H2
O C CO
CO
O CH2
CH3
R
R
CR
RH COOH
22-disubstituierte Carbonsaumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 29 von 37 α β-ungesaumlttigte Ketone Bei α- β-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen tritt neben der 12-Verknuumlfung auch 14-Verknuumlpfung bei der Pinakol-Reaktion auf
CH2 CH
CH
O CH2 CH
CH
CH
CH
CH2
OH OH
12-Verknuumlpfung
2Zn
Ethanol 0degC
68
O O On
O O
2
14-Verknuumlpfung
+ e(-)
(-) (-)
lkylierung von Cupraten alten Doppelbindungen an denen einfache Alkylgruppen
ebunden sind Im Prinzip koumlnnen diese Verbindungen aus organometallischen
zien RLi bzw RMgX im allgemeinen icht mit Halogenalkanen Es gibt aber einen anderen Typ organometallischer
Reagenzien die Organocuprate die hier sehr effektiv wirken Organocuprate besitzen die stoumlchiometrische Zusammensetzung R2CuLi und koumlnnen direkt durch Addition zweier Aumlquivalente einer Organolithium-Verbidnung an ein Aumlquevalent Kupferiodid CuI dargestellt werden Beispiel
AViele wichtige Molekuumlle enthgReagenzien durch direkte Alkylierung gewonnen werden Ungluumlcklicherweise reagieren Organolithium- oder Grignard-Reagenn
CH2 CHLi CuI (CH2=CH)2CuLi LiI+ +Ethenyllithium Lithiumdiethenylcuprat
(ein Organocuprat-Reagenz) Lthiumcuprate reagieren mit Halogenalkanen in sogenannten Kupplungsreaktionen unter Bildung substituierter Alkene Primaumlre Iodide sind dazu am besten geeignet aber auch andere primaumlre und sekundaumlre Halogenalkane geben befriedigende Resultate
R2CuLi RX R R LiX+ +
CCH3
CH
C17
CH3
HC20
HC
23
CH3
HC26
H
CH2(CH2)6CH3
1 Li(CH3CH2)2O2 CuI CuLi
CH3(CH2)6CH2IHMPT
11H 14 Cl2
Lithium-bis(trans-1-propenyl)cuprat90
trans-2-Undecen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 30 von 37 Herstellung von C-X-Bindungen Veresterung von Alkoholen mit Mineralsaumluren
Finkelsteinreaktion (RF-Verbindungen mit Krypat-Unterstuumltzung) Bei der Finkelstein-Reaktion handelt es sich um eine nucleophile Halogenid-Austausch-Reaktion zur Synthese von Iodiden und Fluoriden aus Bromiden und Chloriden zB
R X NaI R I NaX+Aceton
+ X = Cl Br
SN2
Eine Komponente der Triebkraft dieser Reaktion hat physikalische Ursachen die n und sekundaumlren
lkylhalogeniden unguumlnstige Lage der Gleichgewichte fuumlr eine SN2-Reaktion Loumlslichkeit Bei dieser Reaktion wird die bei tertiaumlreA
R X I I R X
I R X=
++
urch physikalisch-chemische Effekte beguumlnstigt naumlmlich dadurch dass NaBr und aCl in Aceton schlecht loumlslich sind und ausfallen Dadurch werden die leichgewichte irreversibel verschoben und die Reaktion verlaumluft somit im ewuumlnschten Sinne
eispiel
dNGg B
C16
CH3 CH
Br 223 Hin Aceton
CH3
CCHCH3
C I+NaI + NaBr
CH32 CH3
2SN2
Es findet keine Neophenylumlagerung statt das heiszligt dass keine SN1-Reaktion stattfindet In einer Variante der Finkelstein-Reaktion wird der Tosylat-Rest gegen Halogenid ausgetascht Ansonsten aber arbeitet man nach dem gleichen Prinzip
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 31 von 37
30 Elektrophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom
Am alipatischen C-Atom sind elektrophile Substitutionen moumlglich wenn die C-X-Bindung so polarisiert ist dass das C-Atom eine negative und die Abgangsgruppe
s der ilen
tion Man kann jedoch zwischen folgenden Mechanismen nterscheiden
1 SE1 analog SN2 (Racemisierung)
2 SE2-back analog SN2 (Inversion)
3 S 2-front analog S i (Retention)
analog S i (Retention)
31 SE1-Reaktion
ierbei handelt es sich um eine Reaktion erster Ordnung die zweistufig verlaumluft
eine positive Ladung traumlgt Diese Voraussetzungen sind vor allem bei metallorganischen und CH-aciden Verbindungen erfuumlllt Der Mechanismuelektrophilen alipathischen Substitution ist nicht so klar wie der der nucleophaliphatischen Substituu
E N
4 S i E N
H
langsamR X R
R Y+ R Y+
Geeignete Loumlsungsmittel fuumlr SE1-Reaktionen sind Dimethylformamid (DMF) undHexamethylphosphorsaumluretriamid (HMPA)
O N(CH3)2
HN(CH3)2
POH3)2
N(CH3)2
HMPA
N(CDMF
Stereochemie der SE1-Reaktion
Die Stereochemie von SE1-Reaktionen verlaumluft nicht einheitlich Im Allgemeinen isch aktive Verbindungen einsetzt Dies
kann zwei Ursachen haben 1 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist
ufig der Fall wenn es sich um mesomeriestabilisierte
2 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist pyramidal gebaut kann jedoch seine Struktur nicht halten (vergleichbar dem schnellen Durchschwingen von unsymmetrisch substituierten Aminen)
findet man Racematisierung wenn man opt
planar Dies ist hauml
Carbanionen handelt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 32 von 37 In Ausnahmefaumlllen kann jedoch auch bei planaren (mesomeristabilisierCarbanionen je nach Wahl des Loumls
ten) ungsmittel Inversion Retention oder
Racemisierung auftreten was durch unterschiedliche Solvatationseffekte erklaumlrt wird Beispiel fuumlr eine S 1-Reaktion E
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
HgBrRacemat
langsam
(-)+ HgBr+
+HgBr2
-HgB 2
rHgBr
Hg = isotopenmarkiertes Hg
32 S 2-ReaktionE E
eaktionen sind bimolekular Beide Mechanismus verglichen werden
Y
und S i-Reaktion
SE2 und SEi-R anisund SNi-Mech
men koumlnnen mit dem SN2-
C47
Y X
SE2 (back) nfalls um einen Frontangriff unter
C C X29
X C35
Y
X
41
SE2 (front)
Beim SEi ndashMechanismus handelt es sich ebeRetention
Y zY z
C53 X C60 XSEi
Die Bildung cyclischer Uumlbergangszustaumlnde die 4- oder 6-gliedrig sein koumlnnen foumlrdert die Losloumlsung der Abgangsgruppe Stereochemie von SE2-Reaktionen und von SEi-Reaktionen
Fuumlr die h den nucleuphilen Substitutionen von Be
8 Valenzelektronen haumltte Da nun zwischen den beiden Elektronenwolken Coulomb-Abstoszligung auftritt erfolgt der Angriff des Nucleophils gezwungenermaszligen von der Ruumlckseite des Molekuumlls Die Folge ist Inversion Anders ist es dagegen beim SE2- und Sei-Mechanismus Das angreifende Elektrophil besitzt nur ein leeres Orbital und somit ist sowohl der Front- als auch der
angriff unter Inversion verlaumluft laumlsst die Stereochemie der SE-Reaktion nur schwer Ruumlckschluumlsse auf den Mechanismus zu
Stereoc emie ist folgender Unterschied zu deutung
Bei SN-Reaktionen bringt das angreifende Nucleophil ein Elektronenpaar mit Daher muss die Abgangsgruppe bei der Neubildung der Bindung ein Elektronenpaar mitnehmen da sonst das C-Atom mehr als
Ruumlckseiten-Angriff moumlglich Da der Frontangriff unter Retention der Ruumlckseiten
Skript zum 2 OC-Kolloquium
33 Anwendungen
reu
Seite 33 von 37
Herstellung einfacher metallorganischer Verbindungen
etall-H-Austausch
aumluren betrachtet werden Dabei nimmt die H-Aciditaumlt mit zunehmendem s-Charakter der Hybridisierung zu
sp CH3 CH3
M C-H-Verbindungen koumlnnen als schwache SC Hybridisierung
3Saumlure konjugierte Base pKa-W
sp2
CH3 CH2 Zunahme der
sp
2 2
CH CH
CH2 CH
CH C15(-)
25
Aciditaumlt
Da eine staumlrkere Saumlu
ert 42
365
(-)
CH CH (-)
re eine schwaumlchere aus ihrem Salz vertreibt reagiert eine konjugierte Base mit jeder Saumlure die in der Tabelle unter ihr steht Elektronegative Gruppen an Aromaten wirken acidifizierend Beispiele
HC H Na
NaC2H6
Li H
+
pKa 42schwaumlchere Saumlure
Pentan
pKa 37schwaumlchere Saumlu
pKa 35 staumlkere Sauml re
+ Pentan +
schwaumlchere Saumlure
2 5+pKa 37 staumlkere Saumlure
Na CH3 H CH2Na
+ Pentan +
H H H LipKa 37pKa 23
staumlkere Saumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 20 von 37 Bezeichnung der Kronether Die Zahl vor bdquoCrownldquo gibt die Gesamtzahl der Ringatome die Zahl dahinter die Anzahl der Sauerstoffatome an In diesen Alkylkryptaten wird das Gegenion des Nucleophils K+ komplex gebunden auszligerdem findet in unpolaren organischen Loumlsungsmitteln in denen die Kryptatte loumlslich sind nur geringe Solvatation statt so dass das Nucleophil gewissermaszligen bdquonacktldquo vorliegt und dadurch seine volle nucleophile Kraft entfalten kann Kronether werden durch eine Williamsonrsquosche Ethersynthese dargestellt
OHO OCl O O40
O OH Cl O OO
O+
-HCl
O
18-Crown-6Triethylenglykol Triethylenglykoldicklorid
Beschleunigte nucleophile Substitution Die Nachbarschaftsgruppenbeteiligung von Y fuumlhrt zu einer beschleunigten nucleophilen Substitution und erklaumlrt durch zweimalige Inversion die Retention Das Elektronenpaar der Nachbargruppe Y kann ein ein freies Elektronenpaar (Hetereoatome) oder eine π-Bindung sein (Alkene Arene) in Einzelfaumlllen auch eine C-C-Bindung (2-Norbornylkation)
LGY| Y NuInversion|Nu
-+ Inversion
Y|
LG Abgangsgruppe-LG
-
23 SNi-Reaktion Unter dem SNi-Mechanismus versteht man eine innere nucleophile Substitution die nach einem internen SN2-Mechanismus ablaumluft und somit unter Beibehaltung der Konfiguration Ein typisches Beispiel ist der Austausch einer OH-Gruppe gegen Chlor mit SOCl2
COOH
HCOOH
COOH
O SCl
COOHH ClCl2
-SO2
R(-)-Chlorbernsteinsaumlure
H OH +SO
CH2
COOHCH2
O CH2
COOH
in Dioxan-HCl
R(+)-Aumlpfelsaumlure
Hierbei bleibt die Konfiguration erhalten da primaumlr der instabile Chlorsulfinsaumlureester gebildet wird und durch diese Bindung das Nucleophil von derselben Seite angreifen muss Dies fuumlhrt zur Retention Der SNi-Mechanismus ist jedoch stark loumlsungsmittelabhaumlngig denn fuumlhrt man dieselbe Reaktion in Pyridin durch so erhaumllt man 100 Waldenumkehr also SN2-Mechanismus
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 21 von 37 Der Grund hierfuumlr ist in der unterschiedlichen Basenstaumlrke zu sehen zwischen Dioxan und Oyridin Dioxan ist nur eine schwache Base
O
O
O
OH
+ HCl
+
Cl-
Das Gleichgewicht liegt weit auf der linken Seite wodurch das Nucleophil Cl- als HCl gebunden vorliegt Anders ist es dagegen in Pyridin
CR1
R2 OH CR1
R2 OSOClR1+SOCl2 PyrH+Cl-
R3 R3C
R3R2Cl
SN2+ - -
Hierbei greift das aus dem PyrH Cl stammende Nucleophil Cl in einer SN2-Reaktion den entstehenden Chlorsulfinsaumlureester von der Ruumlckseite her an was zur Konfigurationsumkehr fuumlhrt 24 Anwendungen
ubstitution von Halogeniden
siehe SN1 und SN2-Mechanismen saure Veretherung
Eine zweite Alkoholfunktion kann sich nun das enachbarte Kohlenstoffatom nucleophil angreifen Nach der Abspaltung eines
nes Protons erhaumllt man einen Ether
Herstellung von C-O-Bindungen S
Man kann bei Anwesenheit einer Saumlure [H2SO4] zwei Alkohole durch eine saure Veretherung in einen Ether uumlberfuumlhren Dabei wird zunaumlchst eine der Alkoholfunktionen protoniert bWassermolekuumlls und ei
CH3CH2OH
CH3CH2OH
CH3CH2 OH
H
CH3CH2OH
CH3CH2 O HCH3CH2
CH3CH2 O
H+ + -H2O +
++ H
+
CH3CH2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 22 von 37 Etherspaltung In Ethern kann die ROR-Gruppe in Anwesenheit einer Saumlure protoniert werden Im nachfolgenden Schritt erfolgt ein nucleophiler Angriff des Halogenid-Anions Man erhaumllt als Produkt ein Halogenalkan und ein Alkohol
CH3CH2OCH2CH3 CH3CH2 OCH2CH3
H
CH3CH2 OCH2CH3
H
H+
+
Dialkyloxonium-Ion
+Br +-
CH3CH2Br + HOCH2CH3
Williamson-Synthese
e
H3C-CH2-O-CH2-CH3 Diethylether
Ether Alkoyalkan R-O-R
O
Tetrahydrfuran(THF)
CH3 CH2 O Na Br CH2CH3 CH3 CH2 O CH2 CH3
- + +SN2
intermolekularNaBr+
den zuvor beschriebenen Kapiteln koumlnnen verschiedene eaktionsmechanismen zusammen wirken Ein bedeutendes Beispiel dafuumlr ist die
rung von Carbonsaumluren mit Alkoholen Dabei wird zunaumlchst ein Nucleophil an as Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe addiert Anschlieszligend erfolgt die
Da Alkohole schlechte Nucleophile sind muumlssen derartige Reaktionen durch Saumlure (meist Schwefelsaumlure) katalysiert werden Im ersten Schritt lagert sich das Proton an das nicht saure Sauerstoffatom an Diesfuumlhrt zu einer positiven Ladung am Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe Hierdurch wird nun der nucleophile Angriff des Alkohols beguumlnstigt Durch die Anlagerung eines weiteren Proton wird nun die schon einmal protonierte Hydroxygruppen ein weiteres
al protoniert und somit in eine gute Abgangsgruppe umgewandelt Nach der s Wassers wird die andere Hydroxygruppe deprotoniert und man erhaumllt
Veresterung Neben den in RVerestedAbspaltung des Carboxylsauerstoffatoms
mAbspaltung deeinen Ester als Reaktionsprodukt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 23 von 37
O
OH
O
OH
H
R C OH
Nu
C O
Nu HNu
R C
O
Nu
+
+ Nu
+
+- H-H2O
Mechanismus der Veresterung (Saumlure katalysiert)
R C R C- +
+ Nu + H -δ+
OH
R
OHH
R C
O H ++ H
H2O +
+
Substitution von Diazoniumsalzen Darstellung von Salpetrigsaumlureestern
CH2 OH
C2 OH
NO(-) CH2 O
CHCH2
OO
NNN
OOO
+H++ 3 H2OCH OH 2+
H
erstellung der C-S-Bindungen arstellung von Thiolen und Thioethern nalog der Williamsonrsquoschen Ethersynthese lassen sich auch Thioether darstellen
HDA
R Br R SH NaBrMercaptane
Na+ HS-+ +
ich jedoch aufgrund ihrer groumlszligeren den Alkoholen nur schlecht abfangen Thioethern weiterreagieren lassen
Dabei entstehen primaumlr Mercaptane die sucleophilie gegenuumlber den entsprechenN
lassen und sofort zu den entsprechenden
R1 SH R2 X R1 S R2 HXThioether
+Base
SN2+
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 24 von 37 Eine selektrive Herstellung von Mercaptanen durch nucleophile Substitution von
hioharnstoff-Methode Alkylhalogeniden erfolgt mit der T
NH2
CNH
NH2
SH
NH2
CO2 3
+
OH- H2O
2+
CNH2
S
RX CNH2
NH2
SR CNH2
NH2
SR CNH2
SR
s-Alkylthiuroniumsalze
++ +
iso-ThioharnstoffR SH NH+
Herstellung der C-N- Bindung Gabriel-Synthese Ein nichtreduktiver Zugang zu primaumlren Aminen geht von dem Anion von 2-Benzoldicarboximid (Phtalimid) aus dem cyclischen Imid der 12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure) Dieses Verfahren ist als Gabriel-Sysnthese bekannt Da das Stickstoffatom in 12-Benzoldicarboximid (Phtalamis) von zwei Carbonylfunktionen flankiert ist ist die NH-Gruppe ungewoumlhnlich acide (pKa = 83) staumlrker als ein gewoumlhnliches Amid (pKa = 15) Sie wird deshalb bereits von einer so milden Base wie dem Carbonat-Ion deprotoniert das entstehende Anion wird in guter Ausbeute alkyliert Durch saure Hydrolyse setzt man das Amin anschlieszligend als Ammoniumsalz frei Behandelt man dieses mit Base erhaumllt man das freie Amin
O
O
O
O
O
2OH
O
CH CH2NH3HSO4
O
O
O
O
CH CCH2NH2
+
NaOH H2O
+Na+
Na+
N-2-Propinyl-12-benzoldicarboximid (N-Propargylphtalimid)
2-Propinamin (Propargylamin)
wird bei waumlssriger Aufarbeitung entfernt
O
OH
OH
O
NH N K+NH3 300degC
-H2O
K2CO3 H2O
CH CCH2Br
N
O
CH CH CHOH
O
DMF 100degC-KBr
H2SO4 H2O 120degC+ -
12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure)
9712-Benzoldicarboximid (Phtalimid)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 25 von 37 Hinsberg-Reaktion Die Hinsberg-Reaktion bietet die Moumlglichkeit ausgehend von primaumlren Aminen gezielt sekundaumlre Amine herzustellen
R NH2 Cl ts R NH
ts R N ts
-HCl
acides H
KOH
-H2O
(-)
K(+)
R N ts
NR
Rts NH
R
RtsOK
(-)
K(+)+R-X
-KX
Verseifung
H2O
ts = Tosylat = CH3 SO2
Quarternisierung von Aminen Nitroalkanen Isonitrilen Herstellung von C-C-Bindungen Nitrilsynthese (nach Kolbe)
ogenide meist Methyliodid oder primaumlre Alkyliodide mit eim
mit tertiaumlren Alkylhalogeniden ndash erhaumllt man jedoch hauptsaumlchlich Isonitrile
Setzt man AlkylhalNatriumcyanid um so erhaumllt man hauptsaumlchlich die entsprechenden Cyanide BUmsatz von Silbercyanid ndash vor allem
CH3 I
CH3 CN
CH3 N C 7
Acetonitril
Methylisonitril
SN2-artig
+NaCN -NaI
SN1-artig
+AgCN -AgI
er Grund fuumlr dieses Reaktionsverhalten liegt darin dass das Silber-Kation die unterstuumltzt In einer SN1-seinem
lektronegativsten Atom an im Falle der Kolbersquoschen Nitrilsynthese mit dem N-Atom ieser SN1-artige Verlauf fuumlhrt somit zu Isonitrilen at die Reaktion jedoch mehr bimolekularen Charakter so greift das ambidente CN(-) evorzugt mit dem weniger elektronegativeren dafuumlr mehr polarisierbaren Atom an ies fuumlhrt zur Bildung von Nitrilen ie Verhaumlltnisse beim CN(-) sind denen des NO2
(-) aumlhnlich Das Wesentliche ist dabei er SN1- bzw SN2-Charakter der Reaktion Dieser Charakter laumlsst sich durch die
oumlsungsmittelwahl bzw Kryptat-Einfluss in eine
DBildung eines Carbenium-Ions foumlrdert und die SN1-Reaktion rtigen Reaktion greift jedoch das ambidente Nucleophil mit a
eDHbDDdWahl des Nucleophils und durch Lbestimmte Richtung lenken
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 26 von 37 Darstellung von Alkinen Alkine koumlnnen aus anderen Alkinen erhalten werden durch Reaktion terminaler Alkinyl-Anionen mit alkylierenden Reagenzien wie primaumlren Halogenalkanen
xacyclopropanen Aldehyden und Ketonen Wie wir wissen werden solche Anionen aus terminalen Alkinen durch Deprotonierung mit starken Basen meist Alkyllithium-Verbidnungen Natriumamid in fluumlssigem Ammoniak oder Grignard-Reagenzien gewonnen Die Alkylierung mit primaumlren Halogenalkanen erfolgt uumlblicherweise in fluumlssigem Ammoniak oder Ethern Diese Loumlsungsmittel enthalten bisweilen 12-Ethandiamin H2NCH2CH2NH2 NNNrsquoNrsquo-Tetramethyl-12-ethandiamin (TMEDA) (CH3)2NCH2CH2N(CH3)2 oder HMPT als Cosolventien um die Nucleophilie des Anions zu erhoumlhen
O
CH3C CH CH3C C24
(-) (+)Na CH3C
NaNH2 fl NH3
-NH2H
CH3I
-NaI75
CCH3
2-Butin
C36
CH C44
CCH2CH2CH31 CH3CH2CH2CH2CH2Li THF H2NCH2CH2NH22 CH3CH2CH2Br
n
-LiBr85
1-Pentinylcyclohexa
enz
Alkylierung von Ketonen Die konjugierte Addition gefolgt von einer Alkylierung stellt eine nuumltzliche Sequzur αβ-Dialkylierung undgesaumlttigter Carbonylverbindungen
CO
1 R2CuLi
C C C C CR R
O O OBeispiel
1 (CH CH
O2 RX
CH3
CH CH2CH2CH3
CH3
CH2CH2CH2CH3
3 2CH2CH2)2CuLi THF2 CH3I +
84 4 1 trans- und cis-3-Butyl-2-methylcyclohexanon
2
itionGewoumlhnliche Grignard-Verbindungen reagieren mit αβ-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen in einer 12-Add einer 14-Addition oder beiden Weegen je nach Struktur Reaktionsbedingungen und reagierenden Verbindungen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 27 von 37 β-Dicarbonylverbindungen
laisen-Kondensationen fuumlhren zu β-Dicarbonylverbindungen Ethylacetat reagiert en Natriumethoxid zu Ethyl-3-oxobutanoat
Cmit stoumlchiometrischen Meng(Ethylacetacetat Acetessigester)
CH3 C2
OO
CH2CH3CH3 C
7O
OCH2CH3 CH3 C
12
OCH2
C16
OO
CH2CH3+Na+-OCH2CH3 CH3CH2OH
-CH3CH2OHEthylacetat Ethyl-3-oxobutanoat
(Ethylacetacetat) Die Claisen-Kondensation beginnt mit der Bildung eines Esterenolat-Ions Durch eine Additions-Eliminierungs-Reaktion an die Carbonylgruppe eines anderen Estermolekuumlls entsteht ein 3-Ketoester Diese Schritte sind reversibel und der geamte Vorgang ist bis zu dieser Stufe endotherm Besonders unguumlnstig ist die Deprotonierung des Esters (pKa = 25) durch Ethoxid (pKa von Ethanol = 159) Das Gleichgewicht ist trotzdem zum Produkt verschoben da die Basde den 3-Ketoester (pKa = 11) an C2 praktisch irreversibel deprotoniert Bei der Aufarbeitung mit waumlssriger Saumlure wird die konjugierte Base des Produkts protoniert womit der Prozess abgeschlossen ist
CH3 C21
O CH2CH3 Na+ CH2 C
27 OCH2CH3
CH2 C32
O
OCH2CH3
+ CH3CH2OH
O O(-)
(-)Bildung des Esterenolats
Na+-OCH2CH3
CH3 C37
OO
CH2CH3CH2 C
42O
OCH2CH3
(-)CH3 C
48OCH2CH3
O
CH2
C52
OCH2CH3
O
+
Eliminierung
Nucleophile Addition
CH3 C56
OCH2CH3
O
CH2
C60
OCH2CH3
O
CH3 C64
CH2
C66
OCH2CH3
O O
+ -OCH2CH3
Ketoester
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 28 von 37
CH3 C71
CH2
C73
OCH2CH3
O O
CH3 C78
CH C80
OCH2CH3
O O
CH3 C92
CH
C94
OCH2CH3
O OCH3 C
99CH
C101
OCH2CH3
O O(-)
CH3 C85
CH2
C87
OCH2CH3
O O
Deprtotonierung
+ -OCH2CH3
sauer pKa = 11
+CH3CH2OH
CH3 CCHO
COCH2CH3
O(-)CH3 CCH2
OCOCH2CH3
O
Protonierung bei der waumlssrigen Aufarbeitung
H+ H2O
Zur Vermeidung einer Umesterung sollten sich das Alkoxid und der Ester von demselben Alkohol ableiten lassen Malonestersynthese Mit der Malonester-Synthese erhaumllt man Carbonsaumluren Diethylpropandioat (Malonsaumlureester) ist ein gutes Ausgangsmaterial zur Darstellung 2-substituierter oder 22-disubstituierter Carbonsaumluren in einem Verfahren das man Malonestersynthese nennt
CH3 CH2
O C CH2
OCO
O CH2
CH3CH3 C
H2
O C CO
CO
O CH2
CH3
R
R
CR
RH COOH
22-disubstituierte Carbonsaumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 29 von 37 α β-ungesaumlttigte Ketone Bei α- β-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen tritt neben der 12-Verknuumlfung auch 14-Verknuumlpfung bei der Pinakol-Reaktion auf
CH2 CH
CH
O CH2 CH
CH
CH
CH
CH2
OH OH
12-Verknuumlpfung
2Zn
Ethanol 0degC
68
O O On
O O
2
14-Verknuumlpfung
+ e(-)
(-) (-)
lkylierung von Cupraten alten Doppelbindungen an denen einfache Alkylgruppen
ebunden sind Im Prinzip koumlnnen diese Verbindungen aus organometallischen
zien RLi bzw RMgX im allgemeinen icht mit Halogenalkanen Es gibt aber einen anderen Typ organometallischer
Reagenzien die Organocuprate die hier sehr effektiv wirken Organocuprate besitzen die stoumlchiometrische Zusammensetzung R2CuLi und koumlnnen direkt durch Addition zweier Aumlquivalente einer Organolithium-Verbidnung an ein Aumlquevalent Kupferiodid CuI dargestellt werden Beispiel
AViele wichtige Molekuumlle enthgReagenzien durch direkte Alkylierung gewonnen werden Ungluumlcklicherweise reagieren Organolithium- oder Grignard-Reagenn
CH2 CHLi CuI (CH2=CH)2CuLi LiI+ +Ethenyllithium Lithiumdiethenylcuprat
(ein Organocuprat-Reagenz) Lthiumcuprate reagieren mit Halogenalkanen in sogenannten Kupplungsreaktionen unter Bildung substituierter Alkene Primaumlre Iodide sind dazu am besten geeignet aber auch andere primaumlre und sekundaumlre Halogenalkane geben befriedigende Resultate
R2CuLi RX R R LiX+ +
CCH3
CH
C17
CH3
HC20
HC
23
CH3
HC26
H
CH2(CH2)6CH3
1 Li(CH3CH2)2O2 CuI CuLi
CH3(CH2)6CH2IHMPT
11H 14 Cl2
Lithium-bis(trans-1-propenyl)cuprat90
trans-2-Undecen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 30 von 37 Herstellung von C-X-Bindungen Veresterung von Alkoholen mit Mineralsaumluren
Finkelsteinreaktion (RF-Verbindungen mit Krypat-Unterstuumltzung) Bei der Finkelstein-Reaktion handelt es sich um eine nucleophile Halogenid-Austausch-Reaktion zur Synthese von Iodiden und Fluoriden aus Bromiden und Chloriden zB
R X NaI R I NaX+Aceton
+ X = Cl Br
SN2
Eine Komponente der Triebkraft dieser Reaktion hat physikalische Ursachen die n und sekundaumlren
lkylhalogeniden unguumlnstige Lage der Gleichgewichte fuumlr eine SN2-Reaktion Loumlslichkeit Bei dieser Reaktion wird die bei tertiaumlreA
R X I I R X
I R X=
++
urch physikalisch-chemische Effekte beguumlnstigt naumlmlich dadurch dass NaBr und aCl in Aceton schlecht loumlslich sind und ausfallen Dadurch werden die leichgewichte irreversibel verschoben und die Reaktion verlaumluft somit im ewuumlnschten Sinne
eispiel
dNGg B
C16
CH3 CH
Br 223 Hin Aceton
CH3
CCHCH3
C I+NaI + NaBr
CH32 CH3
2SN2
Es findet keine Neophenylumlagerung statt das heiszligt dass keine SN1-Reaktion stattfindet In einer Variante der Finkelstein-Reaktion wird der Tosylat-Rest gegen Halogenid ausgetascht Ansonsten aber arbeitet man nach dem gleichen Prinzip
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 31 von 37
30 Elektrophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom
Am alipatischen C-Atom sind elektrophile Substitutionen moumlglich wenn die C-X-Bindung so polarisiert ist dass das C-Atom eine negative und die Abgangsgruppe
s der ilen
tion Man kann jedoch zwischen folgenden Mechanismen nterscheiden
1 SE1 analog SN2 (Racemisierung)
2 SE2-back analog SN2 (Inversion)
3 S 2-front analog S i (Retention)
analog S i (Retention)
31 SE1-Reaktion
ierbei handelt es sich um eine Reaktion erster Ordnung die zweistufig verlaumluft
eine positive Ladung traumlgt Diese Voraussetzungen sind vor allem bei metallorganischen und CH-aciden Verbindungen erfuumlllt Der Mechanismuelektrophilen alipathischen Substitution ist nicht so klar wie der der nucleophaliphatischen Substituu
E N
4 S i E N
H
langsamR X R
R Y+ R Y+
Geeignete Loumlsungsmittel fuumlr SE1-Reaktionen sind Dimethylformamid (DMF) undHexamethylphosphorsaumluretriamid (HMPA)
O N(CH3)2
HN(CH3)2
POH3)2
N(CH3)2
HMPA
N(CDMF
Stereochemie der SE1-Reaktion
Die Stereochemie von SE1-Reaktionen verlaumluft nicht einheitlich Im Allgemeinen isch aktive Verbindungen einsetzt Dies
kann zwei Ursachen haben 1 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist
ufig der Fall wenn es sich um mesomeriestabilisierte
2 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist pyramidal gebaut kann jedoch seine Struktur nicht halten (vergleichbar dem schnellen Durchschwingen von unsymmetrisch substituierten Aminen)
findet man Racematisierung wenn man opt
planar Dies ist hauml
Carbanionen handelt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 32 von 37 In Ausnahmefaumlllen kann jedoch auch bei planaren (mesomeristabilisierCarbanionen je nach Wahl des Loumls
ten) ungsmittel Inversion Retention oder
Racemisierung auftreten was durch unterschiedliche Solvatationseffekte erklaumlrt wird Beispiel fuumlr eine S 1-Reaktion E
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
HgBrRacemat
langsam
(-)+ HgBr+
+HgBr2
-HgB 2
rHgBr
Hg = isotopenmarkiertes Hg
32 S 2-ReaktionE E
eaktionen sind bimolekular Beide Mechanismus verglichen werden
Y
und S i-Reaktion
SE2 und SEi-R anisund SNi-Mech
men koumlnnen mit dem SN2-
C47
Y X
SE2 (back) nfalls um einen Frontangriff unter
C C X29
X C35
Y
X
41
SE2 (front)
Beim SEi ndashMechanismus handelt es sich ebeRetention
Y zY z
C53 X C60 XSEi
Die Bildung cyclischer Uumlbergangszustaumlnde die 4- oder 6-gliedrig sein koumlnnen foumlrdert die Losloumlsung der Abgangsgruppe Stereochemie von SE2-Reaktionen und von SEi-Reaktionen
Fuumlr die h den nucleuphilen Substitutionen von Be
8 Valenzelektronen haumltte Da nun zwischen den beiden Elektronenwolken Coulomb-Abstoszligung auftritt erfolgt der Angriff des Nucleophils gezwungenermaszligen von der Ruumlckseite des Molekuumlls Die Folge ist Inversion Anders ist es dagegen beim SE2- und Sei-Mechanismus Das angreifende Elektrophil besitzt nur ein leeres Orbital und somit ist sowohl der Front- als auch der
angriff unter Inversion verlaumluft laumlsst die Stereochemie der SE-Reaktion nur schwer Ruumlckschluumlsse auf den Mechanismus zu
Stereoc emie ist folgender Unterschied zu deutung
Bei SN-Reaktionen bringt das angreifende Nucleophil ein Elektronenpaar mit Daher muss die Abgangsgruppe bei der Neubildung der Bindung ein Elektronenpaar mitnehmen da sonst das C-Atom mehr als
Ruumlckseiten-Angriff moumlglich Da der Frontangriff unter Retention der Ruumlckseiten
Skript zum 2 OC-Kolloquium
33 Anwendungen
reu
Seite 33 von 37
Herstellung einfacher metallorganischer Verbindungen
etall-H-Austausch
aumluren betrachtet werden Dabei nimmt die H-Aciditaumlt mit zunehmendem s-Charakter der Hybridisierung zu
sp CH3 CH3
M C-H-Verbindungen koumlnnen als schwache SC Hybridisierung
3Saumlure konjugierte Base pKa-W
sp2
CH3 CH2 Zunahme der
sp
2 2
CH CH
CH2 CH
CH C15(-)
25
Aciditaumlt
Da eine staumlrkere Saumlu
ert 42
365
(-)
CH CH (-)
re eine schwaumlchere aus ihrem Salz vertreibt reagiert eine konjugierte Base mit jeder Saumlure die in der Tabelle unter ihr steht Elektronegative Gruppen an Aromaten wirken acidifizierend Beispiele
HC H Na
NaC2H6
Li H
+
pKa 42schwaumlchere Saumlure
Pentan
pKa 37schwaumlchere Saumlu
pKa 35 staumlkere Sauml re
+ Pentan +
schwaumlchere Saumlure
2 5+pKa 37 staumlkere Saumlure
Na CH3 H CH2Na
+ Pentan +
H H H LipKa 37pKa 23
staumlkere Saumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 21 von 37 Der Grund hierfuumlr ist in der unterschiedlichen Basenstaumlrke zu sehen zwischen Dioxan und Oyridin Dioxan ist nur eine schwache Base
O
O
O
OH
+ HCl
+
Cl-
Das Gleichgewicht liegt weit auf der linken Seite wodurch das Nucleophil Cl- als HCl gebunden vorliegt Anders ist es dagegen in Pyridin
CR1
R2 OH CR1
R2 OSOClR1+SOCl2 PyrH+Cl-
R3 R3C
R3R2Cl
SN2+ - -
Hierbei greift das aus dem PyrH Cl stammende Nucleophil Cl in einer SN2-Reaktion den entstehenden Chlorsulfinsaumlureester von der Ruumlckseite her an was zur Konfigurationsumkehr fuumlhrt 24 Anwendungen
ubstitution von Halogeniden
siehe SN1 und SN2-Mechanismen saure Veretherung
Eine zweite Alkoholfunktion kann sich nun das enachbarte Kohlenstoffatom nucleophil angreifen Nach der Abspaltung eines
nes Protons erhaumllt man einen Ether
Herstellung von C-O-Bindungen S
Man kann bei Anwesenheit einer Saumlure [H2SO4] zwei Alkohole durch eine saure Veretherung in einen Ether uumlberfuumlhren Dabei wird zunaumlchst eine der Alkoholfunktionen protoniert bWassermolekuumlls und ei
CH3CH2OH
CH3CH2OH
CH3CH2 OH
H
CH3CH2OH
CH3CH2 O HCH3CH2
CH3CH2 O
H+ + -H2O +
++ H
+
CH3CH2
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 22 von 37 Etherspaltung In Ethern kann die ROR-Gruppe in Anwesenheit einer Saumlure protoniert werden Im nachfolgenden Schritt erfolgt ein nucleophiler Angriff des Halogenid-Anions Man erhaumllt als Produkt ein Halogenalkan und ein Alkohol
CH3CH2OCH2CH3 CH3CH2 OCH2CH3
H
CH3CH2 OCH2CH3
H
H+
+
Dialkyloxonium-Ion
+Br +-
CH3CH2Br + HOCH2CH3
Williamson-Synthese
e
H3C-CH2-O-CH2-CH3 Diethylether
Ether Alkoyalkan R-O-R
O
Tetrahydrfuran(THF)
CH3 CH2 O Na Br CH2CH3 CH3 CH2 O CH2 CH3
- + +SN2
intermolekularNaBr+
den zuvor beschriebenen Kapiteln koumlnnen verschiedene eaktionsmechanismen zusammen wirken Ein bedeutendes Beispiel dafuumlr ist die
rung von Carbonsaumluren mit Alkoholen Dabei wird zunaumlchst ein Nucleophil an as Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe addiert Anschlieszligend erfolgt die
Da Alkohole schlechte Nucleophile sind muumlssen derartige Reaktionen durch Saumlure (meist Schwefelsaumlure) katalysiert werden Im ersten Schritt lagert sich das Proton an das nicht saure Sauerstoffatom an Diesfuumlhrt zu einer positiven Ladung am Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe Hierdurch wird nun der nucleophile Angriff des Alkohols beguumlnstigt Durch die Anlagerung eines weiteren Proton wird nun die schon einmal protonierte Hydroxygruppen ein weiteres
al protoniert und somit in eine gute Abgangsgruppe umgewandelt Nach der s Wassers wird die andere Hydroxygruppe deprotoniert und man erhaumllt
Veresterung Neben den in RVerestedAbspaltung des Carboxylsauerstoffatoms
mAbspaltung deeinen Ester als Reaktionsprodukt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 23 von 37
O
OH
O
OH
H
R C OH
Nu
C O
Nu HNu
R C
O
Nu
+
+ Nu
+
+- H-H2O
Mechanismus der Veresterung (Saumlure katalysiert)
R C R C- +
+ Nu + H -δ+
OH
R
OHH
R C
O H ++ H
H2O +
+
Substitution von Diazoniumsalzen Darstellung von Salpetrigsaumlureestern
CH2 OH
C2 OH
NO(-) CH2 O
CHCH2
OO
NNN
OOO
+H++ 3 H2OCH OH 2+
H
erstellung der C-S-Bindungen arstellung von Thiolen und Thioethern nalog der Williamsonrsquoschen Ethersynthese lassen sich auch Thioether darstellen
HDA
R Br R SH NaBrMercaptane
Na+ HS-+ +
ich jedoch aufgrund ihrer groumlszligeren den Alkoholen nur schlecht abfangen Thioethern weiterreagieren lassen
Dabei entstehen primaumlr Mercaptane die sucleophilie gegenuumlber den entsprechenN
lassen und sofort zu den entsprechenden
R1 SH R2 X R1 S R2 HXThioether
+Base
SN2+
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 24 von 37 Eine selektrive Herstellung von Mercaptanen durch nucleophile Substitution von
hioharnstoff-Methode Alkylhalogeniden erfolgt mit der T
NH2
CNH
NH2
SH
NH2
CO2 3
+
OH- H2O
2+
CNH2
S
RX CNH2
NH2
SR CNH2
NH2
SR CNH2
SR
s-Alkylthiuroniumsalze
++ +
iso-ThioharnstoffR SH NH+
Herstellung der C-N- Bindung Gabriel-Synthese Ein nichtreduktiver Zugang zu primaumlren Aminen geht von dem Anion von 2-Benzoldicarboximid (Phtalimid) aus dem cyclischen Imid der 12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure) Dieses Verfahren ist als Gabriel-Sysnthese bekannt Da das Stickstoffatom in 12-Benzoldicarboximid (Phtalamis) von zwei Carbonylfunktionen flankiert ist ist die NH-Gruppe ungewoumlhnlich acide (pKa = 83) staumlrker als ein gewoumlhnliches Amid (pKa = 15) Sie wird deshalb bereits von einer so milden Base wie dem Carbonat-Ion deprotoniert das entstehende Anion wird in guter Ausbeute alkyliert Durch saure Hydrolyse setzt man das Amin anschlieszligend als Ammoniumsalz frei Behandelt man dieses mit Base erhaumllt man das freie Amin
O
O
O
O
O
2OH
O
CH CH2NH3HSO4
O
O
O
O
CH CCH2NH2
+
NaOH H2O
+Na+
Na+
N-2-Propinyl-12-benzoldicarboximid (N-Propargylphtalimid)
2-Propinamin (Propargylamin)
wird bei waumlssriger Aufarbeitung entfernt
O
OH
OH
O
NH N K+NH3 300degC
-H2O
K2CO3 H2O
CH CCH2Br
N
O
CH CH CHOH
O
DMF 100degC-KBr
H2SO4 H2O 120degC+ -
12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure)
9712-Benzoldicarboximid (Phtalimid)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 25 von 37 Hinsberg-Reaktion Die Hinsberg-Reaktion bietet die Moumlglichkeit ausgehend von primaumlren Aminen gezielt sekundaumlre Amine herzustellen
R NH2 Cl ts R NH
ts R N ts
-HCl
acides H
KOH
-H2O
(-)
K(+)
R N ts
NR
Rts NH
R
RtsOK
(-)
K(+)+R-X
-KX
Verseifung
H2O
ts = Tosylat = CH3 SO2
Quarternisierung von Aminen Nitroalkanen Isonitrilen Herstellung von C-C-Bindungen Nitrilsynthese (nach Kolbe)
ogenide meist Methyliodid oder primaumlre Alkyliodide mit eim
mit tertiaumlren Alkylhalogeniden ndash erhaumllt man jedoch hauptsaumlchlich Isonitrile
Setzt man AlkylhalNatriumcyanid um so erhaumllt man hauptsaumlchlich die entsprechenden Cyanide BUmsatz von Silbercyanid ndash vor allem
CH3 I
CH3 CN
CH3 N C 7
Acetonitril
Methylisonitril
SN2-artig
+NaCN -NaI
SN1-artig
+AgCN -AgI
er Grund fuumlr dieses Reaktionsverhalten liegt darin dass das Silber-Kation die unterstuumltzt In einer SN1-seinem
lektronegativsten Atom an im Falle der Kolbersquoschen Nitrilsynthese mit dem N-Atom ieser SN1-artige Verlauf fuumlhrt somit zu Isonitrilen at die Reaktion jedoch mehr bimolekularen Charakter so greift das ambidente CN(-) evorzugt mit dem weniger elektronegativeren dafuumlr mehr polarisierbaren Atom an ies fuumlhrt zur Bildung von Nitrilen ie Verhaumlltnisse beim CN(-) sind denen des NO2
(-) aumlhnlich Das Wesentliche ist dabei er SN1- bzw SN2-Charakter der Reaktion Dieser Charakter laumlsst sich durch die
oumlsungsmittelwahl bzw Kryptat-Einfluss in eine
DBildung eines Carbenium-Ions foumlrdert und die SN1-Reaktion rtigen Reaktion greift jedoch das ambidente Nucleophil mit a
eDHbDDdWahl des Nucleophils und durch Lbestimmte Richtung lenken
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 26 von 37 Darstellung von Alkinen Alkine koumlnnen aus anderen Alkinen erhalten werden durch Reaktion terminaler Alkinyl-Anionen mit alkylierenden Reagenzien wie primaumlren Halogenalkanen
xacyclopropanen Aldehyden und Ketonen Wie wir wissen werden solche Anionen aus terminalen Alkinen durch Deprotonierung mit starken Basen meist Alkyllithium-Verbidnungen Natriumamid in fluumlssigem Ammoniak oder Grignard-Reagenzien gewonnen Die Alkylierung mit primaumlren Halogenalkanen erfolgt uumlblicherweise in fluumlssigem Ammoniak oder Ethern Diese Loumlsungsmittel enthalten bisweilen 12-Ethandiamin H2NCH2CH2NH2 NNNrsquoNrsquo-Tetramethyl-12-ethandiamin (TMEDA) (CH3)2NCH2CH2N(CH3)2 oder HMPT als Cosolventien um die Nucleophilie des Anions zu erhoumlhen
O
CH3C CH CH3C C24
(-) (+)Na CH3C
NaNH2 fl NH3
-NH2H
CH3I
-NaI75
CCH3
2-Butin
C36
CH C44
CCH2CH2CH31 CH3CH2CH2CH2CH2Li THF H2NCH2CH2NH22 CH3CH2CH2Br
n
-LiBr85
1-Pentinylcyclohexa
enz
Alkylierung von Ketonen Die konjugierte Addition gefolgt von einer Alkylierung stellt eine nuumltzliche Sequzur αβ-Dialkylierung undgesaumlttigter Carbonylverbindungen
CO
1 R2CuLi
C C C C CR R
O O OBeispiel
1 (CH CH
O2 RX
CH3
CH CH2CH2CH3
CH3
CH2CH2CH2CH3
3 2CH2CH2)2CuLi THF2 CH3I +
84 4 1 trans- und cis-3-Butyl-2-methylcyclohexanon
2
itionGewoumlhnliche Grignard-Verbindungen reagieren mit αβ-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen in einer 12-Add einer 14-Addition oder beiden Weegen je nach Struktur Reaktionsbedingungen und reagierenden Verbindungen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 27 von 37 β-Dicarbonylverbindungen
laisen-Kondensationen fuumlhren zu β-Dicarbonylverbindungen Ethylacetat reagiert en Natriumethoxid zu Ethyl-3-oxobutanoat
Cmit stoumlchiometrischen Meng(Ethylacetacetat Acetessigester)
CH3 C2
OO
CH2CH3CH3 C
7O
OCH2CH3 CH3 C
12
OCH2
C16
OO
CH2CH3+Na+-OCH2CH3 CH3CH2OH
-CH3CH2OHEthylacetat Ethyl-3-oxobutanoat
(Ethylacetacetat) Die Claisen-Kondensation beginnt mit der Bildung eines Esterenolat-Ions Durch eine Additions-Eliminierungs-Reaktion an die Carbonylgruppe eines anderen Estermolekuumlls entsteht ein 3-Ketoester Diese Schritte sind reversibel und der geamte Vorgang ist bis zu dieser Stufe endotherm Besonders unguumlnstig ist die Deprotonierung des Esters (pKa = 25) durch Ethoxid (pKa von Ethanol = 159) Das Gleichgewicht ist trotzdem zum Produkt verschoben da die Basde den 3-Ketoester (pKa = 11) an C2 praktisch irreversibel deprotoniert Bei der Aufarbeitung mit waumlssriger Saumlure wird die konjugierte Base des Produkts protoniert womit der Prozess abgeschlossen ist
CH3 C21
O CH2CH3 Na+ CH2 C
27 OCH2CH3
CH2 C32
O
OCH2CH3
+ CH3CH2OH
O O(-)
(-)Bildung des Esterenolats
Na+-OCH2CH3
CH3 C37
OO
CH2CH3CH2 C
42O
OCH2CH3
(-)CH3 C
48OCH2CH3
O
CH2
C52
OCH2CH3
O
+
Eliminierung
Nucleophile Addition
CH3 C56
OCH2CH3
O
CH2
C60
OCH2CH3
O
CH3 C64
CH2
C66
OCH2CH3
O O
+ -OCH2CH3
Ketoester
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 28 von 37
CH3 C71
CH2
C73
OCH2CH3
O O
CH3 C78
CH C80
OCH2CH3
O O
CH3 C92
CH
C94
OCH2CH3
O OCH3 C
99CH
C101
OCH2CH3
O O(-)
CH3 C85
CH2
C87
OCH2CH3
O O
Deprtotonierung
+ -OCH2CH3
sauer pKa = 11
+CH3CH2OH
CH3 CCHO
COCH2CH3
O(-)CH3 CCH2
OCOCH2CH3
O
Protonierung bei der waumlssrigen Aufarbeitung
H+ H2O
Zur Vermeidung einer Umesterung sollten sich das Alkoxid und der Ester von demselben Alkohol ableiten lassen Malonestersynthese Mit der Malonester-Synthese erhaumllt man Carbonsaumluren Diethylpropandioat (Malonsaumlureester) ist ein gutes Ausgangsmaterial zur Darstellung 2-substituierter oder 22-disubstituierter Carbonsaumluren in einem Verfahren das man Malonestersynthese nennt
CH3 CH2
O C CH2
OCO
O CH2
CH3CH3 C
H2
O C CO
CO
O CH2
CH3
R
R
CR
RH COOH
22-disubstituierte Carbonsaumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 29 von 37 α β-ungesaumlttigte Ketone Bei α- β-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen tritt neben der 12-Verknuumlfung auch 14-Verknuumlpfung bei der Pinakol-Reaktion auf
CH2 CH
CH
O CH2 CH
CH
CH
CH
CH2
OH OH
12-Verknuumlpfung
2Zn
Ethanol 0degC
68
O O On
O O
2
14-Verknuumlpfung
+ e(-)
(-) (-)
lkylierung von Cupraten alten Doppelbindungen an denen einfache Alkylgruppen
ebunden sind Im Prinzip koumlnnen diese Verbindungen aus organometallischen
zien RLi bzw RMgX im allgemeinen icht mit Halogenalkanen Es gibt aber einen anderen Typ organometallischer
Reagenzien die Organocuprate die hier sehr effektiv wirken Organocuprate besitzen die stoumlchiometrische Zusammensetzung R2CuLi und koumlnnen direkt durch Addition zweier Aumlquivalente einer Organolithium-Verbidnung an ein Aumlquevalent Kupferiodid CuI dargestellt werden Beispiel
AViele wichtige Molekuumlle enthgReagenzien durch direkte Alkylierung gewonnen werden Ungluumlcklicherweise reagieren Organolithium- oder Grignard-Reagenn
CH2 CHLi CuI (CH2=CH)2CuLi LiI+ +Ethenyllithium Lithiumdiethenylcuprat
(ein Organocuprat-Reagenz) Lthiumcuprate reagieren mit Halogenalkanen in sogenannten Kupplungsreaktionen unter Bildung substituierter Alkene Primaumlre Iodide sind dazu am besten geeignet aber auch andere primaumlre und sekundaumlre Halogenalkane geben befriedigende Resultate
R2CuLi RX R R LiX+ +
CCH3
CH
C17
CH3
HC20
HC
23
CH3
HC26
H
CH2(CH2)6CH3
1 Li(CH3CH2)2O2 CuI CuLi
CH3(CH2)6CH2IHMPT
11H 14 Cl2
Lithium-bis(trans-1-propenyl)cuprat90
trans-2-Undecen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 30 von 37 Herstellung von C-X-Bindungen Veresterung von Alkoholen mit Mineralsaumluren
Finkelsteinreaktion (RF-Verbindungen mit Krypat-Unterstuumltzung) Bei der Finkelstein-Reaktion handelt es sich um eine nucleophile Halogenid-Austausch-Reaktion zur Synthese von Iodiden und Fluoriden aus Bromiden und Chloriden zB
R X NaI R I NaX+Aceton
+ X = Cl Br
SN2
Eine Komponente der Triebkraft dieser Reaktion hat physikalische Ursachen die n und sekundaumlren
lkylhalogeniden unguumlnstige Lage der Gleichgewichte fuumlr eine SN2-Reaktion Loumlslichkeit Bei dieser Reaktion wird die bei tertiaumlreA
R X I I R X
I R X=
++
urch physikalisch-chemische Effekte beguumlnstigt naumlmlich dadurch dass NaBr und aCl in Aceton schlecht loumlslich sind und ausfallen Dadurch werden die leichgewichte irreversibel verschoben und die Reaktion verlaumluft somit im ewuumlnschten Sinne
eispiel
dNGg B
C16
CH3 CH
Br 223 Hin Aceton
CH3
CCHCH3
C I+NaI + NaBr
CH32 CH3
2SN2
Es findet keine Neophenylumlagerung statt das heiszligt dass keine SN1-Reaktion stattfindet In einer Variante der Finkelstein-Reaktion wird der Tosylat-Rest gegen Halogenid ausgetascht Ansonsten aber arbeitet man nach dem gleichen Prinzip
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 31 von 37
30 Elektrophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom
Am alipatischen C-Atom sind elektrophile Substitutionen moumlglich wenn die C-X-Bindung so polarisiert ist dass das C-Atom eine negative und die Abgangsgruppe
s der ilen
tion Man kann jedoch zwischen folgenden Mechanismen nterscheiden
1 SE1 analog SN2 (Racemisierung)
2 SE2-back analog SN2 (Inversion)
3 S 2-front analog S i (Retention)
analog S i (Retention)
31 SE1-Reaktion
ierbei handelt es sich um eine Reaktion erster Ordnung die zweistufig verlaumluft
eine positive Ladung traumlgt Diese Voraussetzungen sind vor allem bei metallorganischen und CH-aciden Verbindungen erfuumlllt Der Mechanismuelektrophilen alipathischen Substitution ist nicht so klar wie der der nucleophaliphatischen Substituu
E N
4 S i E N
H
langsamR X R
R Y+ R Y+
Geeignete Loumlsungsmittel fuumlr SE1-Reaktionen sind Dimethylformamid (DMF) undHexamethylphosphorsaumluretriamid (HMPA)
O N(CH3)2
HN(CH3)2
POH3)2
N(CH3)2
HMPA
N(CDMF
Stereochemie der SE1-Reaktion
Die Stereochemie von SE1-Reaktionen verlaumluft nicht einheitlich Im Allgemeinen isch aktive Verbindungen einsetzt Dies
kann zwei Ursachen haben 1 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist
ufig der Fall wenn es sich um mesomeriestabilisierte
2 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist pyramidal gebaut kann jedoch seine Struktur nicht halten (vergleichbar dem schnellen Durchschwingen von unsymmetrisch substituierten Aminen)
findet man Racematisierung wenn man opt
planar Dies ist hauml
Carbanionen handelt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 32 von 37 In Ausnahmefaumlllen kann jedoch auch bei planaren (mesomeristabilisierCarbanionen je nach Wahl des Loumls
ten) ungsmittel Inversion Retention oder
Racemisierung auftreten was durch unterschiedliche Solvatationseffekte erklaumlrt wird Beispiel fuumlr eine S 1-Reaktion E
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
HgBrRacemat
langsam
(-)+ HgBr+
+HgBr2
-HgB 2
rHgBr
Hg = isotopenmarkiertes Hg
32 S 2-ReaktionE E
eaktionen sind bimolekular Beide Mechanismus verglichen werden
Y
und S i-Reaktion
SE2 und SEi-R anisund SNi-Mech
men koumlnnen mit dem SN2-
C47
Y X
SE2 (back) nfalls um einen Frontangriff unter
C C X29
X C35
Y
X
41
SE2 (front)
Beim SEi ndashMechanismus handelt es sich ebeRetention
Y zY z
C53 X C60 XSEi
Die Bildung cyclischer Uumlbergangszustaumlnde die 4- oder 6-gliedrig sein koumlnnen foumlrdert die Losloumlsung der Abgangsgruppe Stereochemie von SE2-Reaktionen und von SEi-Reaktionen
Fuumlr die h den nucleuphilen Substitutionen von Be
8 Valenzelektronen haumltte Da nun zwischen den beiden Elektronenwolken Coulomb-Abstoszligung auftritt erfolgt der Angriff des Nucleophils gezwungenermaszligen von der Ruumlckseite des Molekuumlls Die Folge ist Inversion Anders ist es dagegen beim SE2- und Sei-Mechanismus Das angreifende Elektrophil besitzt nur ein leeres Orbital und somit ist sowohl der Front- als auch der
angriff unter Inversion verlaumluft laumlsst die Stereochemie der SE-Reaktion nur schwer Ruumlckschluumlsse auf den Mechanismus zu
Stereoc emie ist folgender Unterschied zu deutung
Bei SN-Reaktionen bringt das angreifende Nucleophil ein Elektronenpaar mit Daher muss die Abgangsgruppe bei der Neubildung der Bindung ein Elektronenpaar mitnehmen da sonst das C-Atom mehr als
Ruumlckseiten-Angriff moumlglich Da der Frontangriff unter Retention der Ruumlckseiten
Skript zum 2 OC-Kolloquium
33 Anwendungen
reu
Seite 33 von 37
Herstellung einfacher metallorganischer Verbindungen
etall-H-Austausch
aumluren betrachtet werden Dabei nimmt die H-Aciditaumlt mit zunehmendem s-Charakter der Hybridisierung zu
sp CH3 CH3
M C-H-Verbindungen koumlnnen als schwache SC Hybridisierung
3Saumlure konjugierte Base pKa-W
sp2
CH3 CH2 Zunahme der
sp
2 2
CH CH
CH2 CH
CH C15(-)
25
Aciditaumlt
Da eine staumlrkere Saumlu
ert 42
365
(-)
CH CH (-)
re eine schwaumlchere aus ihrem Salz vertreibt reagiert eine konjugierte Base mit jeder Saumlure die in der Tabelle unter ihr steht Elektronegative Gruppen an Aromaten wirken acidifizierend Beispiele
HC H Na
NaC2H6
Li H
+
pKa 42schwaumlchere Saumlure
Pentan
pKa 37schwaumlchere Saumlu
pKa 35 staumlkere Sauml re
+ Pentan +
schwaumlchere Saumlure
2 5+pKa 37 staumlkere Saumlure
Na CH3 H CH2Na
+ Pentan +
H H H LipKa 37pKa 23
staumlkere Saumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 22 von 37 Etherspaltung In Ethern kann die ROR-Gruppe in Anwesenheit einer Saumlure protoniert werden Im nachfolgenden Schritt erfolgt ein nucleophiler Angriff des Halogenid-Anions Man erhaumllt als Produkt ein Halogenalkan und ein Alkohol
CH3CH2OCH2CH3 CH3CH2 OCH2CH3
H
CH3CH2 OCH2CH3
H
H+
+
Dialkyloxonium-Ion
+Br +-
CH3CH2Br + HOCH2CH3
Williamson-Synthese
e
H3C-CH2-O-CH2-CH3 Diethylether
Ether Alkoyalkan R-O-R
O
Tetrahydrfuran(THF)
CH3 CH2 O Na Br CH2CH3 CH3 CH2 O CH2 CH3
- + +SN2
intermolekularNaBr+
den zuvor beschriebenen Kapiteln koumlnnen verschiedene eaktionsmechanismen zusammen wirken Ein bedeutendes Beispiel dafuumlr ist die
rung von Carbonsaumluren mit Alkoholen Dabei wird zunaumlchst ein Nucleophil an as Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe addiert Anschlieszligend erfolgt die
Da Alkohole schlechte Nucleophile sind muumlssen derartige Reaktionen durch Saumlure (meist Schwefelsaumlure) katalysiert werden Im ersten Schritt lagert sich das Proton an das nicht saure Sauerstoffatom an Diesfuumlhrt zu einer positiven Ladung am Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe Hierdurch wird nun der nucleophile Angriff des Alkohols beguumlnstigt Durch die Anlagerung eines weiteren Proton wird nun die schon einmal protonierte Hydroxygruppen ein weiteres
al protoniert und somit in eine gute Abgangsgruppe umgewandelt Nach der s Wassers wird die andere Hydroxygruppe deprotoniert und man erhaumllt
Veresterung Neben den in RVerestedAbspaltung des Carboxylsauerstoffatoms
mAbspaltung deeinen Ester als Reaktionsprodukt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 23 von 37
O
OH
O
OH
H
R C OH
Nu
C O
Nu HNu
R C
O
Nu
+
+ Nu
+
+- H-H2O
Mechanismus der Veresterung (Saumlure katalysiert)
R C R C- +
+ Nu + H -δ+
OH
R
OHH
R C
O H ++ H
H2O +
+
Substitution von Diazoniumsalzen Darstellung von Salpetrigsaumlureestern
CH2 OH
C2 OH
NO(-) CH2 O
CHCH2
OO
NNN
OOO
+H++ 3 H2OCH OH 2+
H
erstellung der C-S-Bindungen arstellung von Thiolen und Thioethern nalog der Williamsonrsquoschen Ethersynthese lassen sich auch Thioether darstellen
HDA
R Br R SH NaBrMercaptane
Na+ HS-+ +
ich jedoch aufgrund ihrer groumlszligeren den Alkoholen nur schlecht abfangen Thioethern weiterreagieren lassen
Dabei entstehen primaumlr Mercaptane die sucleophilie gegenuumlber den entsprechenN
lassen und sofort zu den entsprechenden
R1 SH R2 X R1 S R2 HXThioether
+Base
SN2+
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 24 von 37 Eine selektrive Herstellung von Mercaptanen durch nucleophile Substitution von
hioharnstoff-Methode Alkylhalogeniden erfolgt mit der T
NH2
CNH
NH2
SH
NH2
CO2 3
+
OH- H2O
2+
CNH2
S
RX CNH2
NH2
SR CNH2
NH2
SR CNH2
SR
s-Alkylthiuroniumsalze
++ +
iso-ThioharnstoffR SH NH+
Herstellung der C-N- Bindung Gabriel-Synthese Ein nichtreduktiver Zugang zu primaumlren Aminen geht von dem Anion von 2-Benzoldicarboximid (Phtalimid) aus dem cyclischen Imid der 12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure) Dieses Verfahren ist als Gabriel-Sysnthese bekannt Da das Stickstoffatom in 12-Benzoldicarboximid (Phtalamis) von zwei Carbonylfunktionen flankiert ist ist die NH-Gruppe ungewoumlhnlich acide (pKa = 83) staumlrker als ein gewoumlhnliches Amid (pKa = 15) Sie wird deshalb bereits von einer so milden Base wie dem Carbonat-Ion deprotoniert das entstehende Anion wird in guter Ausbeute alkyliert Durch saure Hydrolyse setzt man das Amin anschlieszligend als Ammoniumsalz frei Behandelt man dieses mit Base erhaumllt man das freie Amin
O
O
O
O
O
2OH
O
CH CH2NH3HSO4
O
O
O
O
CH CCH2NH2
+
NaOH H2O
+Na+
Na+
N-2-Propinyl-12-benzoldicarboximid (N-Propargylphtalimid)
2-Propinamin (Propargylamin)
wird bei waumlssriger Aufarbeitung entfernt
O
OH
OH
O
NH N K+NH3 300degC
-H2O
K2CO3 H2O
CH CCH2Br
N
O
CH CH CHOH
O
DMF 100degC-KBr
H2SO4 H2O 120degC+ -
12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure)
9712-Benzoldicarboximid (Phtalimid)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 25 von 37 Hinsberg-Reaktion Die Hinsberg-Reaktion bietet die Moumlglichkeit ausgehend von primaumlren Aminen gezielt sekundaumlre Amine herzustellen
R NH2 Cl ts R NH
ts R N ts
-HCl
acides H
KOH
-H2O
(-)
K(+)
R N ts
NR
Rts NH
R
RtsOK
(-)
K(+)+R-X
-KX
Verseifung
H2O
ts = Tosylat = CH3 SO2
Quarternisierung von Aminen Nitroalkanen Isonitrilen Herstellung von C-C-Bindungen Nitrilsynthese (nach Kolbe)
ogenide meist Methyliodid oder primaumlre Alkyliodide mit eim
mit tertiaumlren Alkylhalogeniden ndash erhaumllt man jedoch hauptsaumlchlich Isonitrile
Setzt man AlkylhalNatriumcyanid um so erhaumllt man hauptsaumlchlich die entsprechenden Cyanide BUmsatz von Silbercyanid ndash vor allem
CH3 I
CH3 CN
CH3 N C 7
Acetonitril
Methylisonitril
SN2-artig
+NaCN -NaI
SN1-artig
+AgCN -AgI
er Grund fuumlr dieses Reaktionsverhalten liegt darin dass das Silber-Kation die unterstuumltzt In einer SN1-seinem
lektronegativsten Atom an im Falle der Kolbersquoschen Nitrilsynthese mit dem N-Atom ieser SN1-artige Verlauf fuumlhrt somit zu Isonitrilen at die Reaktion jedoch mehr bimolekularen Charakter so greift das ambidente CN(-) evorzugt mit dem weniger elektronegativeren dafuumlr mehr polarisierbaren Atom an ies fuumlhrt zur Bildung von Nitrilen ie Verhaumlltnisse beim CN(-) sind denen des NO2
(-) aumlhnlich Das Wesentliche ist dabei er SN1- bzw SN2-Charakter der Reaktion Dieser Charakter laumlsst sich durch die
oumlsungsmittelwahl bzw Kryptat-Einfluss in eine
DBildung eines Carbenium-Ions foumlrdert und die SN1-Reaktion rtigen Reaktion greift jedoch das ambidente Nucleophil mit a
eDHbDDdWahl des Nucleophils und durch Lbestimmte Richtung lenken
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 26 von 37 Darstellung von Alkinen Alkine koumlnnen aus anderen Alkinen erhalten werden durch Reaktion terminaler Alkinyl-Anionen mit alkylierenden Reagenzien wie primaumlren Halogenalkanen
xacyclopropanen Aldehyden und Ketonen Wie wir wissen werden solche Anionen aus terminalen Alkinen durch Deprotonierung mit starken Basen meist Alkyllithium-Verbidnungen Natriumamid in fluumlssigem Ammoniak oder Grignard-Reagenzien gewonnen Die Alkylierung mit primaumlren Halogenalkanen erfolgt uumlblicherweise in fluumlssigem Ammoniak oder Ethern Diese Loumlsungsmittel enthalten bisweilen 12-Ethandiamin H2NCH2CH2NH2 NNNrsquoNrsquo-Tetramethyl-12-ethandiamin (TMEDA) (CH3)2NCH2CH2N(CH3)2 oder HMPT als Cosolventien um die Nucleophilie des Anions zu erhoumlhen
O
CH3C CH CH3C C24
(-) (+)Na CH3C
NaNH2 fl NH3
-NH2H
CH3I
-NaI75
CCH3
2-Butin
C36
CH C44
CCH2CH2CH31 CH3CH2CH2CH2CH2Li THF H2NCH2CH2NH22 CH3CH2CH2Br
n
-LiBr85
1-Pentinylcyclohexa
enz
Alkylierung von Ketonen Die konjugierte Addition gefolgt von einer Alkylierung stellt eine nuumltzliche Sequzur αβ-Dialkylierung undgesaumlttigter Carbonylverbindungen
CO
1 R2CuLi
C C C C CR R
O O OBeispiel
1 (CH CH
O2 RX
CH3
CH CH2CH2CH3
CH3
CH2CH2CH2CH3
3 2CH2CH2)2CuLi THF2 CH3I +
84 4 1 trans- und cis-3-Butyl-2-methylcyclohexanon
2
itionGewoumlhnliche Grignard-Verbindungen reagieren mit αβ-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen in einer 12-Add einer 14-Addition oder beiden Weegen je nach Struktur Reaktionsbedingungen und reagierenden Verbindungen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 27 von 37 β-Dicarbonylverbindungen
laisen-Kondensationen fuumlhren zu β-Dicarbonylverbindungen Ethylacetat reagiert en Natriumethoxid zu Ethyl-3-oxobutanoat
Cmit stoumlchiometrischen Meng(Ethylacetacetat Acetessigester)
CH3 C2
OO
CH2CH3CH3 C
7O
OCH2CH3 CH3 C
12
OCH2
C16
OO
CH2CH3+Na+-OCH2CH3 CH3CH2OH
-CH3CH2OHEthylacetat Ethyl-3-oxobutanoat
(Ethylacetacetat) Die Claisen-Kondensation beginnt mit der Bildung eines Esterenolat-Ions Durch eine Additions-Eliminierungs-Reaktion an die Carbonylgruppe eines anderen Estermolekuumlls entsteht ein 3-Ketoester Diese Schritte sind reversibel und der geamte Vorgang ist bis zu dieser Stufe endotherm Besonders unguumlnstig ist die Deprotonierung des Esters (pKa = 25) durch Ethoxid (pKa von Ethanol = 159) Das Gleichgewicht ist trotzdem zum Produkt verschoben da die Basde den 3-Ketoester (pKa = 11) an C2 praktisch irreversibel deprotoniert Bei der Aufarbeitung mit waumlssriger Saumlure wird die konjugierte Base des Produkts protoniert womit der Prozess abgeschlossen ist
CH3 C21
O CH2CH3 Na+ CH2 C
27 OCH2CH3
CH2 C32
O
OCH2CH3
+ CH3CH2OH
O O(-)
(-)Bildung des Esterenolats
Na+-OCH2CH3
CH3 C37
OO
CH2CH3CH2 C
42O
OCH2CH3
(-)CH3 C
48OCH2CH3
O
CH2
C52
OCH2CH3
O
+
Eliminierung
Nucleophile Addition
CH3 C56
OCH2CH3
O
CH2
C60
OCH2CH3
O
CH3 C64
CH2
C66
OCH2CH3
O O
+ -OCH2CH3
Ketoester
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 28 von 37
CH3 C71
CH2
C73
OCH2CH3
O O
CH3 C78
CH C80
OCH2CH3
O O
CH3 C92
CH
C94
OCH2CH3
O OCH3 C
99CH
C101
OCH2CH3
O O(-)
CH3 C85
CH2
C87
OCH2CH3
O O
Deprtotonierung
+ -OCH2CH3
sauer pKa = 11
+CH3CH2OH
CH3 CCHO
COCH2CH3
O(-)CH3 CCH2
OCOCH2CH3
O
Protonierung bei der waumlssrigen Aufarbeitung
H+ H2O
Zur Vermeidung einer Umesterung sollten sich das Alkoxid und der Ester von demselben Alkohol ableiten lassen Malonestersynthese Mit der Malonester-Synthese erhaumllt man Carbonsaumluren Diethylpropandioat (Malonsaumlureester) ist ein gutes Ausgangsmaterial zur Darstellung 2-substituierter oder 22-disubstituierter Carbonsaumluren in einem Verfahren das man Malonestersynthese nennt
CH3 CH2
O C CH2
OCO
O CH2
CH3CH3 C
H2
O C CO
CO
O CH2
CH3
R
R
CR
RH COOH
22-disubstituierte Carbonsaumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 29 von 37 α β-ungesaumlttigte Ketone Bei α- β-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen tritt neben der 12-Verknuumlfung auch 14-Verknuumlpfung bei der Pinakol-Reaktion auf
CH2 CH
CH
O CH2 CH
CH
CH
CH
CH2
OH OH
12-Verknuumlpfung
2Zn
Ethanol 0degC
68
O O On
O O
2
14-Verknuumlpfung
+ e(-)
(-) (-)
lkylierung von Cupraten alten Doppelbindungen an denen einfache Alkylgruppen
ebunden sind Im Prinzip koumlnnen diese Verbindungen aus organometallischen
zien RLi bzw RMgX im allgemeinen icht mit Halogenalkanen Es gibt aber einen anderen Typ organometallischer
Reagenzien die Organocuprate die hier sehr effektiv wirken Organocuprate besitzen die stoumlchiometrische Zusammensetzung R2CuLi und koumlnnen direkt durch Addition zweier Aumlquivalente einer Organolithium-Verbidnung an ein Aumlquevalent Kupferiodid CuI dargestellt werden Beispiel
AViele wichtige Molekuumlle enthgReagenzien durch direkte Alkylierung gewonnen werden Ungluumlcklicherweise reagieren Organolithium- oder Grignard-Reagenn
CH2 CHLi CuI (CH2=CH)2CuLi LiI+ +Ethenyllithium Lithiumdiethenylcuprat
(ein Organocuprat-Reagenz) Lthiumcuprate reagieren mit Halogenalkanen in sogenannten Kupplungsreaktionen unter Bildung substituierter Alkene Primaumlre Iodide sind dazu am besten geeignet aber auch andere primaumlre und sekundaumlre Halogenalkane geben befriedigende Resultate
R2CuLi RX R R LiX+ +
CCH3
CH
C17
CH3
HC20
HC
23
CH3
HC26
H
CH2(CH2)6CH3
1 Li(CH3CH2)2O2 CuI CuLi
CH3(CH2)6CH2IHMPT
11H 14 Cl2
Lithium-bis(trans-1-propenyl)cuprat90
trans-2-Undecen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 30 von 37 Herstellung von C-X-Bindungen Veresterung von Alkoholen mit Mineralsaumluren
Finkelsteinreaktion (RF-Verbindungen mit Krypat-Unterstuumltzung) Bei der Finkelstein-Reaktion handelt es sich um eine nucleophile Halogenid-Austausch-Reaktion zur Synthese von Iodiden und Fluoriden aus Bromiden und Chloriden zB
R X NaI R I NaX+Aceton
+ X = Cl Br
SN2
Eine Komponente der Triebkraft dieser Reaktion hat physikalische Ursachen die n und sekundaumlren
lkylhalogeniden unguumlnstige Lage der Gleichgewichte fuumlr eine SN2-Reaktion Loumlslichkeit Bei dieser Reaktion wird die bei tertiaumlreA
R X I I R X
I R X=
++
urch physikalisch-chemische Effekte beguumlnstigt naumlmlich dadurch dass NaBr und aCl in Aceton schlecht loumlslich sind und ausfallen Dadurch werden die leichgewichte irreversibel verschoben und die Reaktion verlaumluft somit im ewuumlnschten Sinne
eispiel
dNGg B
C16
CH3 CH
Br 223 Hin Aceton
CH3
CCHCH3
C I+NaI + NaBr
CH32 CH3
2SN2
Es findet keine Neophenylumlagerung statt das heiszligt dass keine SN1-Reaktion stattfindet In einer Variante der Finkelstein-Reaktion wird der Tosylat-Rest gegen Halogenid ausgetascht Ansonsten aber arbeitet man nach dem gleichen Prinzip
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 31 von 37
30 Elektrophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom
Am alipatischen C-Atom sind elektrophile Substitutionen moumlglich wenn die C-X-Bindung so polarisiert ist dass das C-Atom eine negative und die Abgangsgruppe
s der ilen
tion Man kann jedoch zwischen folgenden Mechanismen nterscheiden
1 SE1 analog SN2 (Racemisierung)
2 SE2-back analog SN2 (Inversion)
3 S 2-front analog S i (Retention)
analog S i (Retention)
31 SE1-Reaktion
ierbei handelt es sich um eine Reaktion erster Ordnung die zweistufig verlaumluft
eine positive Ladung traumlgt Diese Voraussetzungen sind vor allem bei metallorganischen und CH-aciden Verbindungen erfuumlllt Der Mechanismuelektrophilen alipathischen Substitution ist nicht so klar wie der der nucleophaliphatischen Substituu
E N
4 S i E N
H
langsamR X R
R Y+ R Y+
Geeignete Loumlsungsmittel fuumlr SE1-Reaktionen sind Dimethylformamid (DMF) undHexamethylphosphorsaumluretriamid (HMPA)
O N(CH3)2
HN(CH3)2
POH3)2
N(CH3)2
HMPA
N(CDMF
Stereochemie der SE1-Reaktion
Die Stereochemie von SE1-Reaktionen verlaumluft nicht einheitlich Im Allgemeinen isch aktive Verbindungen einsetzt Dies
kann zwei Ursachen haben 1 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist
ufig der Fall wenn es sich um mesomeriestabilisierte
2 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist pyramidal gebaut kann jedoch seine Struktur nicht halten (vergleichbar dem schnellen Durchschwingen von unsymmetrisch substituierten Aminen)
findet man Racematisierung wenn man opt
planar Dies ist hauml
Carbanionen handelt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 32 von 37 In Ausnahmefaumlllen kann jedoch auch bei planaren (mesomeristabilisierCarbanionen je nach Wahl des Loumls
ten) ungsmittel Inversion Retention oder
Racemisierung auftreten was durch unterschiedliche Solvatationseffekte erklaumlrt wird Beispiel fuumlr eine S 1-Reaktion E
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
HgBrRacemat
langsam
(-)+ HgBr+
+HgBr2
-HgB 2
rHgBr
Hg = isotopenmarkiertes Hg
32 S 2-ReaktionE E
eaktionen sind bimolekular Beide Mechanismus verglichen werden
Y
und S i-Reaktion
SE2 und SEi-R anisund SNi-Mech
men koumlnnen mit dem SN2-
C47
Y X
SE2 (back) nfalls um einen Frontangriff unter
C C X29
X C35
Y
X
41
SE2 (front)
Beim SEi ndashMechanismus handelt es sich ebeRetention
Y zY z
C53 X C60 XSEi
Die Bildung cyclischer Uumlbergangszustaumlnde die 4- oder 6-gliedrig sein koumlnnen foumlrdert die Losloumlsung der Abgangsgruppe Stereochemie von SE2-Reaktionen und von SEi-Reaktionen
Fuumlr die h den nucleuphilen Substitutionen von Be
8 Valenzelektronen haumltte Da nun zwischen den beiden Elektronenwolken Coulomb-Abstoszligung auftritt erfolgt der Angriff des Nucleophils gezwungenermaszligen von der Ruumlckseite des Molekuumlls Die Folge ist Inversion Anders ist es dagegen beim SE2- und Sei-Mechanismus Das angreifende Elektrophil besitzt nur ein leeres Orbital und somit ist sowohl der Front- als auch der
angriff unter Inversion verlaumluft laumlsst die Stereochemie der SE-Reaktion nur schwer Ruumlckschluumlsse auf den Mechanismus zu
Stereoc emie ist folgender Unterschied zu deutung
Bei SN-Reaktionen bringt das angreifende Nucleophil ein Elektronenpaar mit Daher muss die Abgangsgruppe bei der Neubildung der Bindung ein Elektronenpaar mitnehmen da sonst das C-Atom mehr als
Ruumlckseiten-Angriff moumlglich Da der Frontangriff unter Retention der Ruumlckseiten
Skript zum 2 OC-Kolloquium
33 Anwendungen
reu
Seite 33 von 37
Herstellung einfacher metallorganischer Verbindungen
etall-H-Austausch
aumluren betrachtet werden Dabei nimmt die H-Aciditaumlt mit zunehmendem s-Charakter der Hybridisierung zu
sp CH3 CH3
M C-H-Verbindungen koumlnnen als schwache SC Hybridisierung
3Saumlure konjugierte Base pKa-W
sp2
CH3 CH2 Zunahme der
sp
2 2
CH CH
CH2 CH
CH C15(-)
25
Aciditaumlt
Da eine staumlrkere Saumlu
ert 42
365
(-)
CH CH (-)
re eine schwaumlchere aus ihrem Salz vertreibt reagiert eine konjugierte Base mit jeder Saumlure die in der Tabelle unter ihr steht Elektronegative Gruppen an Aromaten wirken acidifizierend Beispiele
HC H Na
NaC2H6
Li H
+
pKa 42schwaumlchere Saumlure
Pentan
pKa 37schwaumlchere Saumlu
pKa 35 staumlkere Sauml re
+ Pentan +
schwaumlchere Saumlure
2 5+pKa 37 staumlkere Saumlure
Na CH3 H CH2Na
+ Pentan +
H H H LipKa 37pKa 23
staumlkere Saumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 23 von 37
O
OH
O
OH
H
R C OH
Nu
C O
Nu HNu
R C
O
Nu
+
+ Nu
+
+- H-H2O
Mechanismus der Veresterung (Saumlure katalysiert)
R C R C- +
+ Nu + H -δ+
OH
R
OHH
R C
O H ++ H
H2O +
+
Substitution von Diazoniumsalzen Darstellung von Salpetrigsaumlureestern
CH2 OH
C2 OH
NO(-) CH2 O
CHCH2
OO
NNN
OOO
+H++ 3 H2OCH OH 2+
H
erstellung der C-S-Bindungen arstellung von Thiolen und Thioethern nalog der Williamsonrsquoschen Ethersynthese lassen sich auch Thioether darstellen
HDA
R Br R SH NaBrMercaptane
Na+ HS-+ +
ich jedoch aufgrund ihrer groumlszligeren den Alkoholen nur schlecht abfangen Thioethern weiterreagieren lassen
Dabei entstehen primaumlr Mercaptane die sucleophilie gegenuumlber den entsprechenN
lassen und sofort zu den entsprechenden
R1 SH R2 X R1 S R2 HXThioether
+Base
SN2+
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 24 von 37 Eine selektrive Herstellung von Mercaptanen durch nucleophile Substitution von
hioharnstoff-Methode Alkylhalogeniden erfolgt mit der T
NH2
CNH
NH2
SH
NH2
CO2 3
+
OH- H2O
2+
CNH2
S
RX CNH2
NH2
SR CNH2
NH2
SR CNH2
SR
s-Alkylthiuroniumsalze
++ +
iso-ThioharnstoffR SH NH+
Herstellung der C-N- Bindung Gabriel-Synthese Ein nichtreduktiver Zugang zu primaumlren Aminen geht von dem Anion von 2-Benzoldicarboximid (Phtalimid) aus dem cyclischen Imid der 12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure) Dieses Verfahren ist als Gabriel-Sysnthese bekannt Da das Stickstoffatom in 12-Benzoldicarboximid (Phtalamis) von zwei Carbonylfunktionen flankiert ist ist die NH-Gruppe ungewoumlhnlich acide (pKa = 83) staumlrker als ein gewoumlhnliches Amid (pKa = 15) Sie wird deshalb bereits von einer so milden Base wie dem Carbonat-Ion deprotoniert das entstehende Anion wird in guter Ausbeute alkyliert Durch saure Hydrolyse setzt man das Amin anschlieszligend als Ammoniumsalz frei Behandelt man dieses mit Base erhaumllt man das freie Amin
O
O
O
O
O
2OH
O
CH CH2NH3HSO4
O
O
O
O
CH CCH2NH2
+
NaOH H2O
+Na+
Na+
N-2-Propinyl-12-benzoldicarboximid (N-Propargylphtalimid)
2-Propinamin (Propargylamin)
wird bei waumlssriger Aufarbeitung entfernt
O
OH
OH
O
NH N K+NH3 300degC
-H2O
K2CO3 H2O
CH CCH2Br
N
O
CH CH CHOH
O
DMF 100degC-KBr
H2SO4 H2O 120degC+ -
12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure)
9712-Benzoldicarboximid (Phtalimid)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 25 von 37 Hinsberg-Reaktion Die Hinsberg-Reaktion bietet die Moumlglichkeit ausgehend von primaumlren Aminen gezielt sekundaumlre Amine herzustellen
R NH2 Cl ts R NH
ts R N ts
-HCl
acides H
KOH
-H2O
(-)
K(+)
R N ts
NR
Rts NH
R
RtsOK
(-)
K(+)+R-X
-KX
Verseifung
H2O
ts = Tosylat = CH3 SO2
Quarternisierung von Aminen Nitroalkanen Isonitrilen Herstellung von C-C-Bindungen Nitrilsynthese (nach Kolbe)
ogenide meist Methyliodid oder primaumlre Alkyliodide mit eim
mit tertiaumlren Alkylhalogeniden ndash erhaumllt man jedoch hauptsaumlchlich Isonitrile
Setzt man AlkylhalNatriumcyanid um so erhaumllt man hauptsaumlchlich die entsprechenden Cyanide BUmsatz von Silbercyanid ndash vor allem
CH3 I
CH3 CN
CH3 N C 7
Acetonitril
Methylisonitril
SN2-artig
+NaCN -NaI
SN1-artig
+AgCN -AgI
er Grund fuumlr dieses Reaktionsverhalten liegt darin dass das Silber-Kation die unterstuumltzt In einer SN1-seinem
lektronegativsten Atom an im Falle der Kolbersquoschen Nitrilsynthese mit dem N-Atom ieser SN1-artige Verlauf fuumlhrt somit zu Isonitrilen at die Reaktion jedoch mehr bimolekularen Charakter so greift das ambidente CN(-) evorzugt mit dem weniger elektronegativeren dafuumlr mehr polarisierbaren Atom an ies fuumlhrt zur Bildung von Nitrilen ie Verhaumlltnisse beim CN(-) sind denen des NO2
(-) aumlhnlich Das Wesentliche ist dabei er SN1- bzw SN2-Charakter der Reaktion Dieser Charakter laumlsst sich durch die
oumlsungsmittelwahl bzw Kryptat-Einfluss in eine
DBildung eines Carbenium-Ions foumlrdert und die SN1-Reaktion rtigen Reaktion greift jedoch das ambidente Nucleophil mit a
eDHbDDdWahl des Nucleophils und durch Lbestimmte Richtung lenken
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 26 von 37 Darstellung von Alkinen Alkine koumlnnen aus anderen Alkinen erhalten werden durch Reaktion terminaler Alkinyl-Anionen mit alkylierenden Reagenzien wie primaumlren Halogenalkanen
xacyclopropanen Aldehyden und Ketonen Wie wir wissen werden solche Anionen aus terminalen Alkinen durch Deprotonierung mit starken Basen meist Alkyllithium-Verbidnungen Natriumamid in fluumlssigem Ammoniak oder Grignard-Reagenzien gewonnen Die Alkylierung mit primaumlren Halogenalkanen erfolgt uumlblicherweise in fluumlssigem Ammoniak oder Ethern Diese Loumlsungsmittel enthalten bisweilen 12-Ethandiamin H2NCH2CH2NH2 NNNrsquoNrsquo-Tetramethyl-12-ethandiamin (TMEDA) (CH3)2NCH2CH2N(CH3)2 oder HMPT als Cosolventien um die Nucleophilie des Anions zu erhoumlhen
O
CH3C CH CH3C C24
(-) (+)Na CH3C
NaNH2 fl NH3
-NH2H
CH3I
-NaI75
CCH3
2-Butin
C36
CH C44
CCH2CH2CH31 CH3CH2CH2CH2CH2Li THF H2NCH2CH2NH22 CH3CH2CH2Br
n
-LiBr85
1-Pentinylcyclohexa
enz
Alkylierung von Ketonen Die konjugierte Addition gefolgt von einer Alkylierung stellt eine nuumltzliche Sequzur αβ-Dialkylierung undgesaumlttigter Carbonylverbindungen
CO
1 R2CuLi
C C C C CR R
O O OBeispiel
1 (CH CH
O2 RX
CH3
CH CH2CH2CH3
CH3
CH2CH2CH2CH3
3 2CH2CH2)2CuLi THF2 CH3I +
84 4 1 trans- und cis-3-Butyl-2-methylcyclohexanon
2
itionGewoumlhnliche Grignard-Verbindungen reagieren mit αβ-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen in einer 12-Add einer 14-Addition oder beiden Weegen je nach Struktur Reaktionsbedingungen und reagierenden Verbindungen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 27 von 37 β-Dicarbonylverbindungen
laisen-Kondensationen fuumlhren zu β-Dicarbonylverbindungen Ethylacetat reagiert en Natriumethoxid zu Ethyl-3-oxobutanoat
Cmit stoumlchiometrischen Meng(Ethylacetacetat Acetessigester)
CH3 C2
OO
CH2CH3CH3 C
7O
OCH2CH3 CH3 C
12
OCH2
C16
OO
CH2CH3+Na+-OCH2CH3 CH3CH2OH
-CH3CH2OHEthylacetat Ethyl-3-oxobutanoat
(Ethylacetacetat) Die Claisen-Kondensation beginnt mit der Bildung eines Esterenolat-Ions Durch eine Additions-Eliminierungs-Reaktion an die Carbonylgruppe eines anderen Estermolekuumlls entsteht ein 3-Ketoester Diese Schritte sind reversibel und der geamte Vorgang ist bis zu dieser Stufe endotherm Besonders unguumlnstig ist die Deprotonierung des Esters (pKa = 25) durch Ethoxid (pKa von Ethanol = 159) Das Gleichgewicht ist trotzdem zum Produkt verschoben da die Basde den 3-Ketoester (pKa = 11) an C2 praktisch irreversibel deprotoniert Bei der Aufarbeitung mit waumlssriger Saumlure wird die konjugierte Base des Produkts protoniert womit der Prozess abgeschlossen ist
CH3 C21
O CH2CH3 Na+ CH2 C
27 OCH2CH3
CH2 C32
O
OCH2CH3
+ CH3CH2OH
O O(-)
(-)Bildung des Esterenolats
Na+-OCH2CH3
CH3 C37
OO
CH2CH3CH2 C
42O
OCH2CH3
(-)CH3 C
48OCH2CH3
O
CH2
C52
OCH2CH3
O
+
Eliminierung
Nucleophile Addition
CH3 C56
OCH2CH3
O
CH2
C60
OCH2CH3
O
CH3 C64
CH2
C66
OCH2CH3
O O
+ -OCH2CH3
Ketoester
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 28 von 37
CH3 C71
CH2
C73
OCH2CH3
O O
CH3 C78
CH C80
OCH2CH3
O O
CH3 C92
CH
C94
OCH2CH3
O OCH3 C
99CH
C101
OCH2CH3
O O(-)
CH3 C85
CH2
C87
OCH2CH3
O O
Deprtotonierung
+ -OCH2CH3
sauer pKa = 11
+CH3CH2OH
CH3 CCHO
COCH2CH3
O(-)CH3 CCH2
OCOCH2CH3
O
Protonierung bei der waumlssrigen Aufarbeitung
H+ H2O
Zur Vermeidung einer Umesterung sollten sich das Alkoxid und der Ester von demselben Alkohol ableiten lassen Malonestersynthese Mit der Malonester-Synthese erhaumllt man Carbonsaumluren Diethylpropandioat (Malonsaumlureester) ist ein gutes Ausgangsmaterial zur Darstellung 2-substituierter oder 22-disubstituierter Carbonsaumluren in einem Verfahren das man Malonestersynthese nennt
CH3 CH2
O C CH2
OCO
O CH2
CH3CH3 C
H2
O C CO
CO
O CH2
CH3
R
R
CR
RH COOH
22-disubstituierte Carbonsaumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 29 von 37 α β-ungesaumlttigte Ketone Bei α- β-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen tritt neben der 12-Verknuumlfung auch 14-Verknuumlpfung bei der Pinakol-Reaktion auf
CH2 CH
CH
O CH2 CH
CH
CH
CH
CH2
OH OH
12-Verknuumlpfung
2Zn
Ethanol 0degC
68
O O On
O O
2
14-Verknuumlpfung
+ e(-)
(-) (-)
lkylierung von Cupraten alten Doppelbindungen an denen einfache Alkylgruppen
ebunden sind Im Prinzip koumlnnen diese Verbindungen aus organometallischen
zien RLi bzw RMgX im allgemeinen icht mit Halogenalkanen Es gibt aber einen anderen Typ organometallischer
Reagenzien die Organocuprate die hier sehr effektiv wirken Organocuprate besitzen die stoumlchiometrische Zusammensetzung R2CuLi und koumlnnen direkt durch Addition zweier Aumlquivalente einer Organolithium-Verbidnung an ein Aumlquevalent Kupferiodid CuI dargestellt werden Beispiel
AViele wichtige Molekuumlle enthgReagenzien durch direkte Alkylierung gewonnen werden Ungluumlcklicherweise reagieren Organolithium- oder Grignard-Reagenn
CH2 CHLi CuI (CH2=CH)2CuLi LiI+ +Ethenyllithium Lithiumdiethenylcuprat
(ein Organocuprat-Reagenz) Lthiumcuprate reagieren mit Halogenalkanen in sogenannten Kupplungsreaktionen unter Bildung substituierter Alkene Primaumlre Iodide sind dazu am besten geeignet aber auch andere primaumlre und sekundaumlre Halogenalkane geben befriedigende Resultate
R2CuLi RX R R LiX+ +
CCH3
CH
C17
CH3
HC20
HC
23
CH3
HC26
H
CH2(CH2)6CH3
1 Li(CH3CH2)2O2 CuI CuLi
CH3(CH2)6CH2IHMPT
11H 14 Cl2
Lithium-bis(trans-1-propenyl)cuprat90
trans-2-Undecen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 30 von 37 Herstellung von C-X-Bindungen Veresterung von Alkoholen mit Mineralsaumluren
Finkelsteinreaktion (RF-Verbindungen mit Krypat-Unterstuumltzung) Bei der Finkelstein-Reaktion handelt es sich um eine nucleophile Halogenid-Austausch-Reaktion zur Synthese von Iodiden und Fluoriden aus Bromiden und Chloriden zB
R X NaI R I NaX+Aceton
+ X = Cl Br
SN2
Eine Komponente der Triebkraft dieser Reaktion hat physikalische Ursachen die n und sekundaumlren
lkylhalogeniden unguumlnstige Lage der Gleichgewichte fuumlr eine SN2-Reaktion Loumlslichkeit Bei dieser Reaktion wird die bei tertiaumlreA
R X I I R X
I R X=
++
urch physikalisch-chemische Effekte beguumlnstigt naumlmlich dadurch dass NaBr und aCl in Aceton schlecht loumlslich sind und ausfallen Dadurch werden die leichgewichte irreversibel verschoben und die Reaktion verlaumluft somit im ewuumlnschten Sinne
eispiel
dNGg B
C16
CH3 CH
Br 223 Hin Aceton
CH3
CCHCH3
C I+NaI + NaBr
CH32 CH3
2SN2
Es findet keine Neophenylumlagerung statt das heiszligt dass keine SN1-Reaktion stattfindet In einer Variante der Finkelstein-Reaktion wird der Tosylat-Rest gegen Halogenid ausgetascht Ansonsten aber arbeitet man nach dem gleichen Prinzip
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 31 von 37
30 Elektrophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom
Am alipatischen C-Atom sind elektrophile Substitutionen moumlglich wenn die C-X-Bindung so polarisiert ist dass das C-Atom eine negative und die Abgangsgruppe
s der ilen
tion Man kann jedoch zwischen folgenden Mechanismen nterscheiden
1 SE1 analog SN2 (Racemisierung)
2 SE2-back analog SN2 (Inversion)
3 S 2-front analog S i (Retention)
analog S i (Retention)
31 SE1-Reaktion
ierbei handelt es sich um eine Reaktion erster Ordnung die zweistufig verlaumluft
eine positive Ladung traumlgt Diese Voraussetzungen sind vor allem bei metallorganischen und CH-aciden Verbindungen erfuumlllt Der Mechanismuelektrophilen alipathischen Substitution ist nicht so klar wie der der nucleophaliphatischen Substituu
E N
4 S i E N
H
langsamR X R
R Y+ R Y+
Geeignete Loumlsungsmittel fuumlr SE1-Reaktionen sind Dimethylformamid (DMF) undHexamethylphosphorsaumluretriamid (HMPA)
O N(CH3)2
HN(CH3)2
POH3)2
N(CH3)2
HMPA
N(CDMF
Stereochemie der SE1-Reaktion
Die Stereochemie von SE1-Reaktionen verlaumluft nicht einheitlich Im Allgemeinen isch aktive Verbindungen einsetzt Dies
kann zwei Ursachen haben 1 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist
ufig der Fall wenn es sich um mesomeriestabilisierte
2 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist pyramidal gebaut kann jedoch seine Struktur nicht halten (vergleichbar dem schnellen Durchschwingen von unsymmetrisch substituierten Aminen)
findet man Racematisierung wenn man opt
planar Dies ist hauml
Carbanionen handelt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 32 von 37 In Ausnahmefaumlllen kann jedoch auch bei planaren (mesomeristabilisierCarbanionen je nach Wahl des Loumls
ten) ungsmittel Inversion Retention oder
Racemisierung auftreten was durch unterschiedliche Solvatationseffekte erklaumlrt wird Beispiel fuumlr eine S 1-Reaktion E
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
HgBrRacemat
langsam
(-)+ HgBr+
+HgBr2
-HgB 2
rHgBr
Hg = isotopenmarkiertes Hg
32 S 2-ReaktionE E
eaktionen sind bimolekular Beide Mechanismus verglichen werden
Y
und S i-Reaktion
SE2 und SEi-R anisund SNi-Mech
men koumlnnen mit dem SN2-
C47
Y X
SE2 (back) nfalls um einen Frontangriff unter
C C X29
X C35
Y
X
41
SE2 (front)
Beim SEi ndashMechanismus handelt es sich ebeRetention
Y zY z
C53 X C60 XSEi
Die Bildung cyclischer Uumlbergangszustaumlnde die 4- oder 6-gliedrig sein koumlnnen foumlrdert die Losloumlsung der Abgangsgruppe Stereochemie von SE2-Reaktionen und von SEi-Reaktionen
Fuumlr die h den nucleuphilen Substitutionen von Be
8 Valenzelektronen haumltte Da nun zwischen den beiden Elektronenwolken Coulomb-Abstoszligung auftritt erfolgt der Angriff des Nucleophils gezwungenermaszligen von der Ruumlckseite des Molekuumlls Die Folge ist Inversion Anders ist es dagegen beim SE2- und Sei-Mechanismus Das angreifende Elektrophil besitzt nur ein leeres Orbital und somit ist sowohl der Front- als auch der
angriff unter Inversion verlaumluft laumlsst die Stereochemie der SE-Reaktion nur schwer Ruumlckschluumlsse auf den Mechanismus zu
Stereoc emie ist folgender Unterschied zu deutung
Bei SN-Reaktionen bringt das angreifende Nucleophil ein Elektronenpaar mit Daher muss die Abgangsgruppe bei der Neubildung der Bindung ein Elektronenpaar mitnehmen da sonst das C-Atom mehr als
Ruumlckseiten-Angriff moumlglich Da der Frontangriff unter Retention der Ruumlckseiten
Skript zum 2 OC-Kolloquium
33 Anwendungen
reu
Seite 33 von 37
Herstellung einfacher metallorganischer Verbindungen
etall-H-Austausch
aumluren betrachtet werden Dabei nimmt die H-Aciditaumlt mit zunehmendem s-Charakter der Hybridisierung zu
sp CH3 CH3
M C-H-Verbindungen koumlnnen als schwache SC Hybridisierung
3Saumlure konjugierte Base pKa-W
sp2
CH3 CH2 Zunahme der
sp
2 2
CH CH
CH2 CH
CH C15(-)
25
Aciditaumlt
Da eine staumlrkere Saumlu
ert 42
365
(-)
CH CH (-)
re eine schwaumlchere aus ihrem Salz vertreibt reagiert eine konjugierte Base mit jeder Saumlure die in der Tabelle unter ihr steht Elektronegative Gruppen an Aromaten wirken acidifizierend Beispiele
HC H Na
NaC2H6
Li H
+
pKa 42schwaumlchere Saumlure
Pentan
pKa 37schwaumlchere Saumlu
pKa 35 staumlkere Sauml re
+ Pentan +
schwaumlchere Saumlure
2 5+pKa 37 staumlkere Saumlure
Na CH3 H CH2Na
+ Pentan +
H H H LipKa 37pKa 23
staumlkere Saumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 24 von 37 Eine selektrive Herstellung von Mercaptanen durch nucleophile Substitution von
hioharnstoff-Methode Alkylhalogeniden erfolgt mit der T
NH2
CNH
NH2
SH
NH2
CO2 3
+
OH- H2O
2+
CNH2
S
RX CNH2
NH2
SR CNH2
NH2
SR CNH2
SR
s-Alkylthiuroniumsalze
++ +
iso-ThioharnstoffR SH NH+
Herstellung der C-N- Bindung Gabriel-Synthese Ein nichtreduktiver Zugang zu primaumlren Aminen geht von dem Anion von 2-Benzoldicarboximid (Phtalimid) aus dem cyclischen Imid der 12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure) Dieses Verfahren ist als Gabriel-Sysnthese bekannt Da das Stickstoffatom in 12-Benzoldicarboximid (Phtalamis) von zwei Carbonylfunktionen flankiert ist ist die NH-Gruppe ungewoumlhnlich acide (pKa = 83) staumlrker als ein gewoumlhnliches Amid (pKa = 15) Sie wird deshalb bereits von einer so milden Base wie dem Carbonat-Ion deprotoniert das entstehende Anion wird in guter Ausbeute alkyliert Durch saure Hydrolyse setzt man das Amin anschlieszligend als Ammoniumsalz frei Behandelt man dieses mit Base erhaumllt man das freie Amin
O
O
O
O
O
2OH
O
CH CH2NH3HSO4
O
O
O
O
CH CCH2NH2
+
NaOH H2O
+Na+
Na+
N-2-Propinyl-12-benzoldicarboximid (N-Propargylphtalimid)
2-Propinamin (Propargylamin)
wird bei waumlssriger Aufarbeitung entfernt
O
OH
OH
O
NH N K+NH3 300degC
-H2O
K2CO3 H2O
CH CCH2Br
N
O
CH CH CHOH
O
DMF 100degC-KBr
H2SO4 H2O 120degC+ -
12-Benzoldicarbonsaumlure (Phtalsaumlure)
9712-Benzoldicarboximid (Phtalimid)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 25 von 37 Hinsberg-Reaktion Die Hinsberg-Reaktion bietet die Moumlglichkeit ausgehend von primaumlren Aminen gezielt sekundaumlre Amine herzustellen
R NH2 Cl ts R NH
ts R N ts
-HCl
acides H
KOH
-H2O
(-)
K(+)
R N ts
NR
Rts NH
R
RtsOK
(-)
K(+)+R-X
-KX
Verseifung
H2O
ts = Tosylat = CH3 SO2
Quarternisierung von Aminen Nitroalkanen Isonitrilen Herstellung von C-C-Bindungen Nitrilsynthese (nach Kolbe)
ogenide meist Methyliodid oder primaumlre Alkyliodide mit eim
mit tertiaumlren Alkylhalogeniden ndash erhaumllt man jedoch hauptsaumlchlich Isonitrile
Setzt man AlkylhalNatriumcyanid um so erhaumllt man hauptsaumlchlich die entsprechenden Cyanide BUmsatz von Silbercyanid ndash vor allem
CH3 I
CH3 CN
CH3 N C 7
Acetonitril
Methylisonitril
SN2-artig
+NaCN -NaI
SN1-artig
+AgCN -AgI
er Grund fuumlr dieses Reaktionsverhalten liegt darin dass das Silber-Kation die unterstuumltzt In einer SN1-seinem
lektronegativsten Atom an im Falle der Kolbersquoschen Nitrilsynthese mit dem N-Atom ieser SN1-artige Verlauf fuumlhrt somit zu Isonitrilen at die Reaktion jedoch mehr bimolekularen Charakter so greift das ambidente CN(-) evorzugt mit dem weniger elektronegativeren dafuumlr mehr polarisierbaren Atom an ies fuumlhrt zur Bildung von Nitrilen ie Verhaumlltnisse beim CN(-) sind denen des NO2
(-) aumlhnlich Das Wesentliche ist dabei er SN1- bzw SN2-Charakter der Reaktion Dieser Charakter laumlsst sich durch die
oumlsungsmittelwahl bzw Kryptat-Einfluss in eine
DBildung eines Carbenium-Ions foumlrdert und die SN1-Reaktion rtigen Reaktion greift jedoch das ambidente Nucleophil mit a
eDHbDDdWahl des Nucleophils und durch Lbestimmte Richtung lenken
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 26 von 37 Darstellung von Alkinen Alkine koumlnnen aus anderen Alkinen erhalten werden durch Reaktion terminaler Alkinyl-Anionen mit alkylierenden Reagenzien wie primaumlren Halogenalkanen
xacyclopropanen Aldehyden und Ketonen Wie wir wissen werden solche Anionen aus terminalen Alkinen durch Deprotonierung mit starken Basen meist Alkyllithium-Verbidnungen Natriumamid in fluumlssigem Ammoniak oder Grignard-Reagenzien gewonnen Die Alkylierung mit primaumlren Halogenalkanen erfolgt uumlblicherweise in fluumlssigem Ammoniak oder Ethern Diese Loumlsungsmittel enthalten bisweilen 12-Ethandiamin H2NCH2CH2NH2 NNNrsquoNrsquo-Tetramethyl-12-ethandiamin (TMEDA) (CH3)2NCH2CH2N(CH3)2 oder HMPT als Cosolventien um die Nucleophilie des Anions zu erhoumlhen
O
CH3C CH CH3C C24
(-) (+)Na CH3C
NaNH2 fl NH3
-NH2H
CH3I
-NaI75
CCH3
2-Butin
C36
CH C44
CCH2CH2CH31 CH3CH2CH2CH2CH2Li THF H2NCH2CH2NH22 CH3CH2CH2Br
n
-LiBr85
1-Pentinylcyclohexa
enz
Alkylierung von Ketonen Die konjugierte Addition gefolgt von einer Alkylierung stellt eine nuumltzliche Sequzur αβ-Dialkylierung undgesaumlttigter Carbonylverbindungen
CO
1 R2CuLi
C C C C CR R
O O OBeispiel
1 (CH CH
O2 RX
CH3
CH CH2CH2CH3
CH3
CH2CH2CH2CH3
3 2CH2CH2)2CuLi THF2 CH3I +
84 4 1 trans- und cis-3-Butyl-2-methylcyclohexanon
2
itionGewoumlhnliche Grignard-Verbindungen reagieren mit αβ-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen in einer 12-Add einer 14-Addition oder beiden Weegen je nach Struktur Reaktionsbedingungen und reagierenden Verbindungen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 27 von 37 β-Dicarbonylverbindungen
laisen-Kondensationen fuumlhren zu β-Dicarbonylverbindungen Ethylacetat reagiert en Natriumethoxid zu Ethyl-3-oxobutanoat
Cmit stoumlchiometrischen Meng(Ethylacetacetat Acetessigester)
CH3 C2
OO
CH2CH3CH3 C
7O
OCH2CH3 CH3 C
12
OCH2
C16
OO
CH2CH3+Na+-OCH2CH3 CH3CH2OH
-CH3CH2OHEthylacetat Ethyl-3-oxobutanoat
(Ethylacetacetat) Die Claisen-Kondensation beginnt mit der Bildung eines Esterenolat-Ions Durch eine Additions-Eliminierungs-Reaktion an die Carbonylgruppe eines anderen Estermolekuumlls entsteht ein 3-Ketoester Diese Schritte sind reversibel und der geamte Vorgang ist bis zu dieser Stufe endotherm Besonders unguumlnstig ist die Deprotonierung des Esters (pKa = 25) durch Ethoxid (pKa von Ethanol = 159) Das Gleichgewicht ist trotzdem zum Produkt verschoben da die Basde den 3-Ketoester (pKa = 11) an C2 praktisch irreversibel deprotoniert Bei der Aufarbeitung mit waumlssriger Saumlure wird die konjugierte Base des Produkts protoniert womit der Prozess abgeschlossen ist
CH3 C21
O CH2CH3 Na+ CH2 C
27 OCH2CH3
CH2 C32
O
OCH2CH3
+ CH3CH2OH
O O(-)
(-)Bildung des Esterenolats
Na+-OCH2CH3
CH3 C37
OO
CH2CH3CH2 C
42O
OCH2CH3
(-)CH3 C
48OCH2CH3
O
CH2
C52
OCH2CH3
O
+
Eliminierung
Nucleophile Addition
CH3 C56
OCH2CH3
O
CH2
C60
OCH2CH3
O
CH3 C64
CH2
C66
OCH2CH3
O O
+ -OCH2CH3
Ketoester
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 28 von 37
CH3 C71
CH2
C73
OCH2CH3
O O
CH3 C78
CH C80
OCH2CH3
O O
CH3 C92
CH
C94
OCH2CH3
O OCH3 C
99CH
C101
OCH2CH3
O O(-)
CH3 C85
CH2
C87
OCH2CH3
O O
Deprtotonierung
+ -OCH2CH3
sauer pKa = 11
+CH3CH2OH
CH3 CCHO
COCH2CH3
O(-)CH3 CCH2
OCOCH2CH3
O
Protonierung bei der waumlssrigen Aufarbeitung
H+ H2O
Zur Vermeidung einer Umesterung sollten sich das Alkoxid und der Ester von demselben Alkohol ableiten lassen Malonestersynthese Mit der Malonester-Synthese erhaumllt man Carbonsaumluren Diethylpropandioat (Malonsaumlureester) ist ein gutes Ausgangsmaterial zur Darstellung 2-substituierter oder 22-disubstituierter Carbonsaumluren in einem Verfahren das man Malonestersynthese nennt
CH3 CH2
O C CH2
OCO
O CH2
CH3CH3 C
H2
O C CO
CO
O CH2
CH3
R
R
CR
RH COOH
22-disubstituierte Carbonsaumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 29 von 37 α β-ungesaumlttigte Ketone Bei α- β-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen tritt neben der 12-Verknuumlfung auch 14-Verknuumlpfung bei der Pinakol-Reaktion auf
CH2 CH
CH
O CH2 CH
CH
CH
CH
CH2
OH OH
12-Verknuumlpfung
2Zn
Ethanol 0degC
68
O O On
O O
2
14-Verknuumlpfung
+ e(-)
(-) (-)
lkylierung von Cupraten alten Doppelbindungen an denen einfache Alkylgruppen
ebunden sind Im Prinzip koumlnnen diese Verbindungen aus organometallischen
zien RLi bzw RMgX im allgemeinen icht mit Halogenalkanen Es gibt aber einen anderen Typ organometallischer
Reagenzien die Organocuprate die hier sehr effektiv wirken Organocuprate besitzen die stoumlchiometrische Zusammensetzung R2CuLi und koumlnnen direkt durch Addition zweier Aumlquivalente einer Organolithium-Verbidnung an ein Aumlquevalent Kupferiodid CuI dargestellt werden Beispiel
AViele wichtige Molekuumlle enthgReagenzien durch direkte Alkylierung gewonnen werden Ungluumlcklicherweise reagieren Organolithium- oder Grignard-Reagenn
CH2 CHLi CuI (CH2=CH)2CuLi LiI+ +Ethenyllithium Lithiumdiethenylcuprat
(ein Organocuprat-Reagenz) Lthiumcuprate reagieren mit Halogenalkanen in sogenannten Kupplungsreaktionen unter Bildung substituierter Alkene Primaumlre Iodide sind dazu am besten geeignet aber auch andere primaumlre und sekundaumlre Halogenalkane geben befriedigende Resultate
R2CuLi RX R R LiX+ +
CCH3
CH
C17
CH3
HC20
HC
23
CH3
HC26
H
CH2(CH2)6CH3
1 Li(CH3CH2)2O2 CuI CuLi
CH3(CH2)6CH2IHMPT
11H 14 Cl2
Lithium-bis(trans-1-propenyl)cuprat90
trans-2-Undecen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 30 von 37 Herstellung von C-X-Bindungen Veresterung von Alkoholen mit Mineralsaumluren
Finkelsteinreaktion (RF-Verbindungen mit Krypat-Unterstuumltzung) Bei der Finkelstein-Reaktion handelt es sich um eine nucleophile Halogenid-Austausch-Reaktion zur Synthese von Iodiden und Fluoriden aus Bromiden und Chloriden zB
R X NaI R I NaX+Aceton
+ X = Cl Br
SN2
Eine Komponente der Triebkraft dieser Reaktion hat physikalische Ursachen die n und sekundaumlren
lkylhalogeniden unguumlnstige Lage der Gleichgewichte fuumlr eine SN2-Reaktion Loumlslichkeit Bei dieser Reaktion wird die bei tertiaumlreA
R X I I R X
I R X=
++
urch physikalisch-chemische Effekte beguumlnstigt naumlmlich dadurch dass NaBr und aCl in Aceton schlecht loumlslich sind und ausfallen Dadurch werden die leichgewichte irreversibel verschoben und die Reaktion verlaumluft somit im ewuumlnschten Sinne
eispiel
dNGg B
C16
CH3 CH
Br 223 Hin Aceton
CH3
CCHCH3
C I+NaI + NaBr
CH32 CH3
2SN2
Es findet keine Neophenylumlagerung statt das heiszligt dass keine SN1-Reaktion stattfindet In einer Variante der Finkelstein-Reaktion wird der Tosylat-Rest gegen Halogenid ausgetascht Ansonsten aber arbeitet man nach dem gleichen Prinzip
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 31 von 37
30 Elektrophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom
Am alipatischen C-Atom sind elektrophile Substitutionen moumlglich wenn die C-X-Bindung so polarisiert ist dass das C-Atom eine negative und die Abgangsgruppe
s der ilen
tion Man kann jedoch zwischen folgenden Mechanismen nterscheiden
1 SE1 analog SN2 (Racemisierung)
2 SE2-back analog SN2 (Inversion)
3 S 2-front analog S i (Retention)
analog S i (Retention)
31 SE1-Reaktion
ierbei handelt es sich um eine Reaktion erster Ordnung die zweistufig verlaumluft
eine positive Ladung traumlgt Diese Voraussetzungen sind vor allem bei metallorganischen und CH-aciden Verbindungen erfuumlllt Der Mechanismuelektrophilen alipathischen Substitution ist nicht so klar wie der der nucleophaliphatischen Substituu
E N
4 S i E N
H
langsamR X R
R Y+ R Y+
Geeignete Loumlsungsmittel fuumlr SE1-Reaktionen sind Dimethylformamid (DMF) undHexamethylphosphorsaumluretriamid (HMPA)
O N(CH3)2
HN(CH3)2
POH3)2
N(CH3)2
HMPA
N(CDMF
Stereochemie der SE1-Reaktion
Die Stereochemie von SE1-Reaktionen verlaumluft nicht einheitlich Im Allgemeinen isch aktive Verbindungen einsetzt Dies
kann zwei Ursachen haben 1 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist
ufig der Fall wenn es sich um mesomeriestabilisierte
2 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist pyramidal gebaut kann jedoch seine Struktur nicht halten (vergleichbar dem schnellen Durchschwingen von unsymmetrisch substituierten Aminen)
findet man Racematisierung wenn man opt
planar Dies ist hauml
Carbanionen handelt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 32 von 37 In Ausnahmefaumlllen kann jedoch auch bei planaren (mesomeristabilisierCarbanionen je nach Wahl des Loumls
ten) ungsmittel Inversion Retention oder
Racemisierung auftreten was durch unterschiedliche Solvatationseffekte erklaumlrt wird Beispiel fuumlr eine S 1-Reaktion E
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
HgBrRacemat
langsam
(-)+ HgBr+
+HgBr2
-HgB 2
rHgBr
Hg = isotopenmarkiertes Hg
32 S 2-ReaktionE E
eaktionen sind bimolekular Beide Mechanismus verglichen werden
Y
und S i-Reaktion
SE2 und SEi-R anisund SNi-Mech
men koumlnnen mit dem SN2-
C47
Y X
SE2 (back) nfalls um einen Frontangriff unter
C C X29
X C35
Y
X
41
SE2 (front)
Beim SEi ndashMechanismus handelt es sich ebeRetention
Y zY z
C53 X C60 XSEi
Die Bildung cyclischer Uumlbergangszustaumlnde die 4- oder 6-gliedrig sein koumlnnen foumlrdert die Losloumlsung der Abgangsgruppe Stereochemie von SE2-Reaktionen und von SEi-Reaktionen
Fuumlr die h den nucleuphilen Substitutionen von Be
8 Valenzelektronen haumltte Da nun zwischen den beiden Elektronenwolken Coulomb-Abstoszligung auftritt erfolgt der Angriff des Nucleophils gezwungenermaszligen von der Ruumlckseite des Molekuumlls Die Folge ist Inversion Anders ist es dagegen beim SE2- und Sei-Mechanismus Das angreifende Elektrophil besitzt nur ein leeres Orbital und somit ist sowohl der Front- als auch der
angriff unter Inversion verlaumluft laumlsst die Stereochemie der SE-Reaktion nur schwer Ruumlckschluumlsse auf den Mechanismus zu
Stereoc emie ist folgender Unterschied zu deutung
Bei SN-Reaktionen bringt das angreifende Nucleophil ein Elektronenpaar mit Daher muss die Abgangsgruppe bei der Neubildung der Bindung ein Elektronenpaar mitnehmen da sonst das C-Atom mehr als
Ruumlckseiten-Angriff moumlglich Da der Frontangriff unter Retention der Ruumlckseiten
Skript zum 2 OC-Kolloquium
33 Anwendungen
reu
Seite 33 von 37
Herstellung einfacher metallorganischer Verbindungen
etall-H-Austausch
aumluren betrachtet werden Dabei nimmt die H-Aciditaumlt mit zunehmendem s-Charakter der Hybridisierung zu
sp CH3 CH3
M C-H-Verbindungen koumlnnen als schwache SC Hybridisierung
3Saumlure konjugierte Base pKa-W
sp2
CH3 CH2 Zunahme der
sp
2 2
CH CH
CH2 CH
CH C15(-)
25
Aciditaumlt
Da eine staumlrkere Saumlu
ert 42
365
(-)
CH CH (-)
re eine schwaumlchere aus ihrem Salz vertreibt reagiert eine konjugierte Base mit jeder Saumlure die in der Tabelle unter ihr steht Elektronegative Gruppen an Aromaten wirken acidifizierend Beispiele
HC H Na
NaC2H6
Li H
+
pKa 42schwaumlchere Saumlure
Pentan
pKa 37schwaumlchere Saumlu
pKa 35 staumlkere Sauml re
+ Pentan +
schwaumlchere Saumlure
2 5+pKa 37 staumlkere Saumlure
Na CH3 H CH2Na
+ Pentan +
H H H LipKa 37pKa 23
staumlkere Saumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 25 von 37 Hinsberg-Reaktion Die Hinsberg-Reaktion bietet die Moumlglichkeit ausgehend von primaumlren Aminen gezielt sekundaumlre Amine herzustellen
R NH2 Cl ts R NH
ts R N ts
-HCl
acides H
KOH
-H2O
(-)
K(+)
R N ts
NR
Rts NH
R
RtsOK
(-)
K(+)+R-X
-KX
Verseifung
H2O
ts = Tosylat = CH3 SO2
Quarternisierung von Aminen Nitroalkanen Isonitrilen Herstellung von C-C-Bindungen Nitrilsynthese (nach Kolbe)
ogenide meist Methyliodid oder primaumlre Alkyliodide mit eim
mit tertiaumlren Alkylhalogeniden ndash erhaumllt man jedoch hauptsaumlchlich Isonitrile
Setzt man AlkylhalNatriumcyanid um so erhaumllt man hauptsaumlchlich die entsprechenden Cyanide BUmsatz von Silbercyanid ndash vor allem
CH3 I
CH3 CN
CH3 N C 7
Acetonitril
Methylisonitril
SN2-artig
+NaCN -NaI
SN1-artig
+AgCN -AgI
er Grund fuumlr dieses Reaktionsverhalten liegt darin dass das Silber-Kation die unterstuumltzt In einer SN1-seinem
lektronegativsten Atom an im Falle der Kolbersquoschen Nitrilsynthese mit dem N-Atom ieser SN1-artige Verlauf fuumlhrt somit zu Isonitrilen at die Reaktion jedoch mehr bimolekularen Charakter so greift das ambidente CN(-) evorzugt mit dem weniger elektronegativeren dafuumlr mehr polarisierbaren Atom an ies fuumlhrt zur Bildung von Nitrilen ie Verhaumlltnisse beim CN(-) sind denen des NO2
(-) aumlhnlich Das Wesentliche ist dabei er SN1- bzw SN2-Charakter der Reaktion Dieser Charakter laumlsst sich durch die
oumlsungsmittelwahl bzw Kryptat-Einfluss in eine
DBildung eines Carbenium-Ions foumlrdert und die SN1-Reaktion rtigen Reaktion greift jedoch das ambidente Nucleophil mit a
eDHbDDdWahl des Nucleophils und durch Lbestimmte Richtung lenken
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 26 von 37 Darstellung von Alkinen Alkine koumlnnen aus anderen Alkinen erhalten werden durch Reaktion terminaler Alkinyl-Anionen mit alkylierenden Reagenzien wie primaumlren Halogenalkanen
xacyclopropanen Aldehyden und Ketonen Wie wir wissen werden solche Anionen aus terminalen Alkinen durch Deprotonierung mit starken Basen meist Alkyllithium-Verbidnungen Natriumamid in fluumlssigem Ammoniak oder Grignard-Reagenzien gewonnen Die Alkylierung mit primaumlren Halogenalkanen erfolgt uumlblicherweise in fluumlssigem Ammoniak oder Ethern Diese Loumlsungsmittel enthalten bisweilen 12-Ethandiamin H2NCH2CH2NH2 NNNrsquoNrsquo-Tetramethyl-12-ethandiamin (TMEDA) (CH3)2NCH2CH2N(CH3)2 oder HMPT als Cosolventien um die Nucleophilie des Anions zu erhoumlhen
O
CH3C CH CH3C C24
(-) (+)Na CH3C
NaNH2 fl NH3
-NH2H
CH3I
-NaI75
CCH3
2-Butin
C36
CH C44
CCH2CH2CH31 CH3CH2CH2CH2CH2Li THF H2NCH2CH2NH22 CH3CH2CH2Br
n
-LiBr85
1-Pentinylcyclohexa
enz
Alkylierung von Ketonen Die konjugierte Addition gefolgt von einer Alkylierung stellt eine nuumltzliche Sequzur αβ-Dialkylierung undgesaumlttigter Carbonylverbindungen
CO
1 R2CuLi
C C C C CR R
O O OBeispiel
1 (CH CH
O2 RX
CH3
CH CH2CH2CH3
CH3
CH2CH2CH2CH3
3 2CH2CH2)2CuLi THF2 CH3I +
84 4 1 trans- und cis-3-Butyl-2-methylcyclohexanon
2
itionGewoumlhnliche Grignard-Verbindungen reagieren mit αβ-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen in einer 12-Add einer 14-Addition oder beiden Weegen je nach Struktur Reaktionsbedingungen und reagierenden Verbindungen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 27 von 37 β-Dicarbonylverbindungen
laisen-Kondensationen fuumlhren zu β-Dicarbonylverbindungen Ethylacetat reagiert en Natriumethoxid zu Ethyl-3-oxobutanoat
Cmit stoumlchiometrischen Meng(Ethylacetacetat Acetessigester)
CH3 C2
OO
CH2CH3CH3 C
7O
OCH2CH3 CH3 C
12
OCH2
C16
OO
CH2CH3+Na+-OCH2CH3 CH3CH2OH
-CH3CH2OHEthylacetat Ethyl-3-oxobutanoat
(Ethylacetacetat) Die Claisen-Kondensation beginnt mit der Bildung eines Esterenolat-Ions Durch eine Additions-Eliminierungs-Reaktion an die Carbonylgruppe eines anderen Estermolekuumlls entsteht ein 3-Ketoester Diese Schritte sind reversibel und der geamte Vorgang ist bis zu dieser Stufe endotherm Besonders unguumlnstig ist die Deprotonierung des Esters (pKa = 25) durch Ethoxid (pKa von Ethanol = 159) Das Gleichgewicht ist trotzdem zum Produkt verschoben da die Basde den 3-Ketoester (pKa = 11) an C2 praktisch irreversibel deprotoniert Bei der Aufarbeitung mit waumlssriger Saumlure wird die konjugierte Base des Produkts protoniert womit der Prozess abgeschlossen ist
CH3 C21
O CH2CH3 Na+ CH2 C
27 OCH2CH3
CH2 C32
O
OCH2CH3
+ CH3CH2OH
O O(-)
(-)Bildung des Esterenolats
Na+-OCH2CH3
CH3 C37
OO
CH2CH3CH2 C
42O
OCH2CH3
(-)CH3 C
48OCH2CH3
O
CH2
C52
OCH2CH3
O
+
Eliminierung
Nucleophile Addition
CH3 C56
OCH2CH3
O
CH2
C60
OCH2CH3
O
CH3 C64
CH2
C66
OCH2CH3
O O
+ -OCH2CH3
Ketoester
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 28 von 37
CH3 C71
CH2
C73
OCH2CH3
O O
CH3 C78
CH C80
OCH2CH3
O O
CH3 C92
CH
C94
OCH2CH3
O OCH3 C
99CH
C101
OCH2CH3
O O(-)
CH3 C85
CH2
C87
OCH2CH3
O O
Deprtotonierung
+ -OCH2CH3
sauer pKa = 11
+CH3CH2OH
CH3 CCHO
COCH2CH3
O(-)CH3 CCH2
OCOCH2CH3
O
Protonierung bei der waumlssrigen Aufarbeitung
H+ H2O
Zur Vermeidung einer Umesterung sollten sich das Alkoxid und der Ester von demselben Alkohol ableiten lassen Malonestersynthese Mit der Malonester-Synthese erhaumllt man Carbonsaumluren Diethylpropandioat (Malonsaumlureester) ist ein gutes Ausgangsmaterial zur Darstellung 2-substituierter oder 22-disubstituierter Carbonsaumluren in einem Verfahren das man Malonestersynthese nennt
CH3 CH2
O C CH2
OCO
O CH2
CH3CH3 C
H2
O C CO
CO
O CH2
CH3
R
R
CR
RH COOH
22-disubstituierte Carbonsaumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 29 von 37 α β-ungesaumlttigte Ketone Bei α- β-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen tritt neben der 12-Verknuumlfung auch 14-Verknuumlpfung bei der Pinakol-Reaktion auf
CH2 CH
CH
O CH2 CH
CH
CH
CH
CH2
OH OH
12-Verknuumlpfung
2Zn
Ethanol 0degC
68
O O On
O O
2
14-Verknuumlpfung
+ e(-)
(-) (-)
lkylierung von Cupraten alten Doppelbindungen an denen einfache Alkylgruppen
ebunden sind Im Prinzip koumlnnen diese Verbindungen aus organometallischen
zien RLi bzw RMgX im allgemeinen icht mit Halogenalkanen Es gibt aber einen anderen Typ organometallischer
Reagenzien die Organocuprate die hier sehr effektiv wirken Organocuprate besitzen die stoumlchiometrische Zusammensetzung R2CuLi und koumlnnen direkt durch Addition zweier Aumlquivalente einer Organolithium-Verbidnung an ein Aumlquevalent Kupferiodid CuI dargestellt werden Beispiel
AViele wichtige Molekuumlle enthgReagenzien durch direkte Alkylierung gewonnen werden Ungluumlcklicherweise reagieren Organolithium- oder Grignard-Reagenn
CH2 CHLi CuI (CH2=CH)2CuLi LiI+ +Ethenyllithium Lithiumdiethenylcuprat
(ein Organocuprat-Reagenz) Lthiumcuprate reagieren mit Halogenalkanen in sogenannten Kupplungsreaktionen unter Bildung substituierter Alkene Primaumlre Iodide sind dazu am besten geeignet aber auch andere primaumlre und sekundaumlre Halogenalkane geben befriedigende Resultate
R2CuLi RX R R LiX+ +
CCH3
CH
C17
CH3
HC20
HC
23
CH3
HC26
H
CH2(CH2)6CH3
1 Li(CH3CH2)2O2 CuI CuLi
CH3(CH2)6CH2IHMPT
11H 14 Cl2
Lithium-bis(trans-1-propenyl)cuprat90
trans-2-Undecen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 30 von 37 Herstellung von C-X-Bindungen Veresterung von Alkoholen mit Mineralsaumluren
Finkelsteinreaktion (RF-Verbindungen mit Krypat-Unterstuumltzung) Bei der Finkelstein-Reaktion handelt es sich um eine nucleophile Halogenid-Austausch-Reaktion zur Synthese von Iodiden und Fluoriden aus Bromiden und Chloriden zB
R X NaI R I NaX+Aceton
+ X = Cl Br
SN2
Eine Komponente der Triebkraft dieser Reaktion hat physikalische Ursachen die n und sekundaumlren
lkylhalogeniden unguumlnstige Lage der Gleichgewichte fuumlr eine SN2-Reaktion Loumlslichkeit Bei dieser Reaktion wird die bei tertiaumlreA
R X I I R X
I R X=
++
urch physikalisch-chemische Effekte beguumlnstigt naumlmlich dadurch dass NaBr und aCl in Aceton schlecht loumlslich sind und ausfallen Dadurch werden die leichgewichte irreversibel verschoben und die Reaktion verlaumluft somit im ewuumlnschten Sinne
eispiel
dNGg B
C16
CH3 CH
Br 223 Hin Aceton
CH3
CCHCH3
C I+NaI + NaBr
CH32 CH3
2SN2
Es findet keine Neophenylumlagerung statt das heiszligt dass keine SN1-Reaktion stattfindet In einer Variante der Finkelstein-Reaktion wird der Tosylat-Rest gegen Halogenid ausgetascht Ansonsten aber arbeitet man nach dem gleichen Prinzip
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 31 von 37
30 Elektrophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom
Am alipatischen C-Atom sind elektrophile Substitutionen moumlglich wenn die C-X-Bindung so polarisiert ist dass das C-Atom eine negative und die Abgangsgruppe
s der ilen
tion Man kann jedoch zwischen folgenden Mechanismen nterscheiden
1 SE1 analog SN2 (Racemisierung)
2 SE2-back analog SN2 (Inversion)
3 S 2-front analog S i (Retention)
analog S i (Retention)
31 SE1-Reaktion
ierbei handelt es sich um eine Reaktion erster Ordnung die zweistufig verlaumluft
eine positive Ladung traumlgt Diese Voraussetzungen sind vor allem bei metallorganischen und CH-aciden Verbindungen erfuumlllt Der Mechanismuelektrophilen alipathischen Substitution ist nicht so klar wie der der nucleophaliphatischen Substituu
E N
4 S i E N
H
langsamR X R
R Y+ R Y+
Geeignete Loumlsungsmittel fuumlr SE1-Reaktionen sind Dimethylformamid (DMF) undHexamethylphosphorsaumluretriamid (HMPA)
O N(CH3)2
HN(CH3)2
POH3)2
N(CH3)2
HMPA
N(CDMF
Stereochemie der SE1-Reaktion
Die Stereochemie von SE1-Reaktionen verlaumluft nicht einheitlich Im Allgemeinen isch aktive Verbindungen einsetzt Dies
kann zwei Ursachen haben 1 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist
ufig der Fall wenn es sich um mesomeriestabilisierte
2 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist pyramidal gebaut kann jedoch seine Struktur nicht halten (vergleichbar dem schnellen Durchschwingen von unsymmetrisch substituierten Aminen)
findet man Racematisierung wenn man opt
planar Dies ist hauml
Carbanionen handelt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 32 von 37 In Ausnahmefaumlllen kann jedoch auch bei planaren (mesomeristabilisierCarbanionen je nach Wahl des Loumls
ten) ungsmittel Inversion Retention oder
Racemisierung auftreten was durch unterschiedliche Solvatationseffekte erklaumlrt wird Beispiel fuumlr eine S 1-Reaktion E
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
HgBrRacemat
langsam
(-)+ HgBr+
+HgBr2
-HgB 2
rHgBr
Hg = isotopenmarkiertes Hg
32 S 2-ReaktionE E
eaktionen sind bimolekular Beide Mechanismus verglichen werden
Y
und S i-Reaktion
SE2 und SEi-R anisund SNi-Mech
men koumlnnen mit dem SN2-
C47
Y X
SE2 (back) nfalls um einen Frontangriff unter
C C X29
X C35
Y
X
41
SE2 (front)
Beim SEi ndashMechanismus handelt es sich ebeRetention
Y zY z
C53 X C60 XSEi
Die Bildung cyclischer Uumlbergangszustaumlnde die 4- oder 6-gliedrig sein koumlnnen foumlrdert die Losloumlsung der Abgangsgruppe Stereochemie von SE2-Reaktionen und von SEi-Reaktionen
Fuumlr die h den nucleuphilen Substitutionen von Be
8 Valenzelektronen haumltte Da nun zwischen den beiden Elektronenwolken Coulomb-Abstoszligung auftritt erfolgt der Angriff des Nucleophils gezwungenermaszligen von der Ruumlckseite des Molekuumlls Die Folge ist Inversion Anders ist es dagegen beim SE2- und Sei-Mechanismus Das angreifende Elektrophil besitzt nur ein leeres Orbital und somit ist sowohl der Front- als auch der
angriff unter Inversion verlaumluft laumlsst die Stereochemie der SE-Reaktion nur schwer Ruumlckschluumlsse auf den Mechanismus zu
Stereoc emie ist folgender Unterschied zu deutung
Bei SN-Reaktionen bringt das angreifende Nucleophil ein Elektronenpaar mit Daher muss die Abgangsgruppe bei der Neubildung der Bindung ein Elektronenpaar mitnehmen da sonst das C-Atom mehr als
Ruumlckseiten-Angriff moumlglich Da der Frontangriff unter Retention der Ruumlckseiten
Skript zum 2 OC-Kolloquium
33 Anwendungen
reu
Seite 33 von 37
Herstellung einfacher metallorganischer Verbindungen
etall-H-Austausch
aumluren betrachtet werden Dabei nimmt die H-Aciditaumlt mit zunehmendem s-Charakter der Hybridisierung zu
sp CH3 CH3
M C-H-Verbindungen koumlnnen als schwache SC Hybridisierung
3Saumlure konjugierte Base pKa-W
sp2
CH3 CH2 Zunahme der
sp
2 2
CH CH
CH2 CH
CH C15(-)
25
Aciditaumlt
Da eine staumlrkere Saumlu
ert 42
365
(-)
CH CH (-)
re eine schwaumlchere aus ihrem Salz vertreibt reagiert eine konjugierte Base mit jeder Saumlure die in der Tabelle unter ihr steht Elektronegative Gruppen an Aromaten wirken acidifizierend Beispiele
HC H Na
NaC2H6
Li H
+
pKa 42schwaumlchere Saumlure
Pentan
pKa 37schwaumlchere Saumlu
pKa 35 staumlkere Sauml re
+ Pentan +
schwaumlchere Saumlure
2 5+pKa 37 staumlkere Saumlure
Na CH3 H CH2Na
+ Pentan +
H H H LipKa 37pKa 23
staumlkere Saumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 26 von 37 Darstellung von Alkinen Alkine koumlnnen aus anderen Alkinen erhalten werden durch Reaktion terminaler Alkinyl-Anionen mit alkylierenden Reagenzien wie primaumlren Halogenalkanen
xacyclopropanen Aldehyden und Ketonen Wie wir wissen werden solche Anionen aus terminalen Alkinen durch Deprotonierung mit starken Basen meist Alkyllithium-Verbidnungen Natriumamid in fluumlssigem Ammoniak oder Grignard-Reagenzien gewonnen Die Alkylierung mit primaumlren Halogenalkanen erfolgt uumlblicherweise in fluumlssigem Ammoniak oder Ethern Diese Loumlsungsmittel enthalten bisweilen 12-Ethandiamin H2NCH2CH2NH2 NNNrsquoNrsquo-Tetramethyl-12-ethandiamin (TMEDA) (CH3)2NCH2CH2N(CH3)2 oder HMPT als Cosolventien um die Nucleophilie des Anions zu erhoumlhen
O
CH3C CH CH3C C24
(-) (+)Na CH3C
NaNH2 fl NH3
-NH2H
CH3I
-NaI75
CCH3
2-Butin
C36
CH C44
CCH2CH2CH31 CH3CH2CH2CH2CH2Li THF H2NCH2CH2NH22 CH3CH2CH2Br
n
-LiBr85
1-Pentinylcyclohexa
enz
Alkylierung von Ketonen Die konjugierte Addition gefolgt von einer Alkylierung stellt eine nuumltzliche Sequzur αβ-Dialkylierung undgesaumlttigter Carbonylverbindungen
CO
1 R2CuLi
C C C C CR R
O O OBeispiel
1 (CH CH
O2 RX
CH3
CH CH2CH2CH3
CH3
CH2CH2CH2CH3
3 2CH2CH2)2CuLi THF2 CH3I +
84 4 1 trans- und cis-3-Butyl-2-methylcyclohexanon
2
itionGewoumlhnliche Grignard-Verbindungen reagieren mit αβ-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen in einer 12-Add einer 14-Addition oder beiden Weegen je nach Struktur Reaktionsbedingungen und reagierenden Verbindungen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 27 von 37 β-Dicarbonylverbindungen
laisen-Kondensationen fuumlhren zu β-Dicarbonylverbindungen Ethylacetat reagiert en Natriumethoxid zu Ethyl-3-oxobutanoat
Cmit stoumlchiometrischen Meng(Ethylacetacetat Acetessigester)
CH3 C2
OO
CH2CH3CH3 C
7O
OCH2CH3 CH3 C
12
OCH2
C16
OO
CH2CH3+Na+-OCH2CH3 CH3CH2OH
-CH3CH2OHEthylacetat Ethyl-3-oxobutanoat
(Ethylacetacetat) Die Claisen-Kondensation beginnt mit der Bildung eines Esterenolat-Ions Durch eine Additions-Eliminierungs-Reaktion an die Carbonylgruppe eines anderen Estermolekuumlls entsteht ein 3-Ketoester Diese Schritte sind reversibel und der geamte Vorgang ist bis zu dieser Stufe endotherm Besonders unguumlnstig ist die Deprotonierung des Esters (pKa = 25) durch Ethoxid (pKa von Ethanol = 159) Das Gleichgewicht ist trotzdem zum Produkt verschoben da die Basde den 3-Ketoester (pKa = 11) an C2 praktisch irreversibel deprotoniert Bei der Aufarbeitung mit waumlssriger Saumlure wird die konjugierte Base des Produkts protoniert womit der Prozess abgeschlossen ist
CH3 C21
O CH2CH3 Na+ CH2 C
27 OCH2CH3
CH2 C32
O
OCH2CH3
+ CH3CH2OH
O O(-)
(-)Bildung des Esterenolats
Na+-OCH2CH3
CH3 C37
OO
CH2CH3CH2 C
42O
OCH2CH3
(-)CH3 C
48OCH2CH3
O
CH2
C52
OCH2CH3
O
+
Eliminierung
Nucleophile Addition
CH3 C56
OCH2CH3
O
CH2
C60
OCH2CH3
O
CH3 C64
CH2
C66
OCH2CH3
O O
+ -OCH2CH3
Ketoester
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 28 von 37
CH3 C71
CH2
C73
OCH2CH3
O O
CH3 C78
CH C80
OCH2CH3
O O
CH3 C92
CH
C94
OCH2CH3
O OCH3 C
99CH
C101
OCH2CH3
O O(-)
CH3 C85
CH2
C87
OCH2CH3
O O
Deprtotonierung
+ -OCH2CH3
sauer pKa = 11
+CH3CH2OH
CH3 CCHO
COCH2CH3
O(-)CH3 CCH2
OCOCH2CH3
O
Protonierung bei der waumlssrigen Aufarbeitung
H+ H2O
Zur Vermeidung einer Umesterung sollten sich das Alkoxid und der Ester von demselben Alkohol ableiten lassen Malonestersynthese Mit der Malonester-Synthese erhaumllt man Carbonsaumluren Diethylpropandioat (Malonsaumlureester) ist ein gutes Ausgangsmaterial zur Darstellung 2-substituierter oder 22-disubstituierter Carbonsaumluren in einem Verfahren das man Malonestersynthese nennt
CH3 CH2
O C CH2
OCO
O CH2
CH3CH3 C
H2
O C CO
CO
O CH2
CH3
R
R
CR
RH COOH
22-disubstituierte Carbonsaumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 29 von 37 α β-ungesaumlttigte Ketone Bei α- β-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen tritt neben der 12-Verknuumlfung auch 14-Verknuumlpfung bei der Pinakol-Reaktion auf
CH2 CH
CH
O CH2 CH
CH
CH
CH
CH2
OH OH
12-Verknuumlpfung
2Zn
Ethanol 0degC
68
O O On
O O
2
14-Verknuumlpfung
+ e(-)
(-) (-)
lkylierung von Cupraten alten Doppelbindungen an denen einfache Alkylgruppen
ebunden sind Im Prinzip koumlnnen diese Verbindungen aus organometallischen
zien RLi bzw RMgX im allgemeinen icht mit Halogenalkanen Es gibt aber einen anderen Typ organometallischer
Reagenzien die Organocuprate die hier sehr effektiv wirken Organocuprate besitzen die stoumlchiometrische Zusammensetzung R2CuLi und koumlnnen direkt durch Addition zweier Aumlquivalente einer Organolithium-Verbidnung an ein Aumlquevalent Kupferiodid CuI dargestellt werden Beispiel
AViele wichtige Molekuumlle enthgReagenzien durch direkte Alkylierung gewonnen werden Ungluumlcklicherweise reagieren Organolithium- oder Grignard-Reagenn
CH2 CHLi CuI (CH2=CH)2CuLi LiI+ +Ethenyllithium Lithiumdiethenylcuprat
(ein Organocuprat-Reagenz) Lthiumcuprate reagieren mit Halogenalkanen in sogenannten Kupplungsreaktionen unter Bildung substituierter Alkene Primaumlre Iodide sind dazu am besten geeignet aber auch andere primaumlre und sekundaumlre Halogenalkane geben befriedigende Resultate
R2CuLi RX R R LiX+ +
CCH3
CH
C17
CH3
HC20
HC
23
CH3
HC26
H
CH2(CH2)6CH3
1 Li(CH3CH2)2O2 CuI CuLi
CH3(CH2)6CH2IHMPT
11H 14 Cl2
Lithium-bis(trans-1-propenyl)cuprat90
trans-2-Undecen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 30 von 37 Herstellung von C-X-Bindungen Veresterung von Alkoholen mit Mineralsaumluren
Finkelsteinreaktion (RF-Verbindungen mit Krypat-Unterstuumltzung) Bei der Finkelstein-Reaktion handelt es sich um eine nucleophile Halogenid-Austausch-Reaktion zur Synthese von Iodiden und Fluoriden aus Bromiden und Chloriden zB
R X NaI R I NaX+Aceton
+ X = Cl Br
SN2
Eine Komponente der Triebkraft dieser Reaktion hat physikalische Ursachen die n und sekundaumlren
lkylhalogeniden unguumlnstige Lage der Gleichgewichte fuumlr eine SN2-Reaktion Loumlslichkeit Bei dieser Reaktion wird die bei tertiaumlreA
R X I I R X
I R X=
++
urch physikalisch-chemische Effekte beguumlnstigt naumlmlich dadurch dass NaBr und aCl in Aceton schlecht loumlslich sind und ausfallen Dadurch werden die leichgewichte irreversibel verschoben und die Reaktion verlaumluft somit im ewuumlnschten Sinne
eispiel
dNGg B
C16
CH3 CH
Br 223 Hin Aceton
CH3
CCHCH3
C I+NaI + NaBr
CH32 CH3
2SN2
Es findet keine Neophenylumlagerung statt das heiszligt dass keine SN1-Reaktion stattfindet In einer Variante der Finkelstein-Reaktion wird der Tosylat-Rest gegen Halogenid ausgetascht Ansonsten aber arbeitet man nach dem gleichen Prinzip
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 31 von 37
30 Elektrophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom
Am alipatischen C-Atom sind elektrophile Substitutionen moumlglich wenn die C-X-Bindung so polarisiert ist dass das C-Atom eine negative und die Abgangsgruppe
s der ilen
tion Man kann jedoch zwischen folgenden Mechanismen nterscheiden
1 SE1 analog SN2 (Racemisierung)
2 SE2-back analog SN2 (Inversion)
3 S 2-front analog S i (Retention)
analog S i (Retention)
31 SE1-Reaktion
ierbei handelt es sich um eine Reaktion erster Ordnung die zweistufig verlaumluft
eine positive Ladung traumlgt Diese Voraussetzungen sind vor allem bei metallorganischen und CH-aciden Verbindungen erfuumlllt Der Mechanismuelektrophilen alipathischen Substitution ist nicht so klar wie der der nucleophaliphatischen Substituu
E N
4 S i E N
H
langsamR X R
R Y+ R Y+
Geeignete Loumlsungsmittel fuumlr SE1-Reaktionen sind Dimethylformamid (DMF) undHexamethylphosphorsaumluretriamid (HMPA)
O N(CH3)2
HN(CH3)2
POH3)2
N(CH3)2
HMPA
N(CDMF
Stereochemie der SE1-Reaktion
Die Stereochemie von SE1-Reaktionen verlaumluft nicht einheitlich Im Allgemeinen isch aktive Verbindungen einsetzt Dies
kann zwei Ursachen haben 1 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist
ufig der Fall wenn es sich um mesomeriestabilisierte
2 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist pyramidal gebaut kann jedoch seine Struktur nicht halten (vergleichbar dem schnellen Durchschwingen von unsymmetrisch substituierten Aminen)
findet man Racematisierung wenn man opt
planar Dies ist hauml
Carbanionen handelt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 32 von 37 In Ausnahmefaumlllen kann jedoch auch bei planaren (mesomeristabilisierCarbanionen je nach Wahl des Loumls
ten) ungsmittel Inversion Retention oder
Racemisierung auftreten was durch unterschiedliche Solvatationseffekte erklaumlrt wird Beispiel fuumlr eine S 1-Reaktion E
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
HgBrRacemat
langsam
(-)+ HgBr+
+HgBr2
-HgB 2
rHgBr
Hg = isotopenmarkiertes Hg
32 S 2-ReaktionE E
eaktionen sind bimolekular Beide Mechanismus verglichen werden
Y
und S i-Reaktion
SE2 und SEi-R anisund SNi-Mech
men koumlnnen mit dem SN2-
C47
Y X
SE2 (back) nfalls um einen Frontangriff unter
C C X29
X C35
Y
X
41
SE2 (front)
Beim SEi ndashMechanismus handelt es sich ebeRetention
Y zY z
C53 X C60 XSEi
Die Bildung cyclischer Uumlbergangszustaumlnde die 4- oder 6-gliedrig sein koumlnnen foumlrdert die Losloumlsung der Abgangsgruppe Stereochemie von SE2-Reaktionen und von SEi-Reaktionen
Fuumlr die h den nucleuphilen Substitutionen von Be
8 Valenzelektronen haumltte Da nun zwischen den beiden Elektronenwolken Coulomb-Abstoszligung auftritt erfolgt der Angriff des Nucleophils gezwungenermaszligen von der Ruumlckseite des Molekuumlls Die Folge ist Inversion Anders ist es dagegen beim SE2- und Sei-Mechanismus Das angreifende Elektrophil besitzt nur ein leeres Orbital und somit ist sowohl der Front- als auch der
angriff unter Inversion verlaumluft laumlsst die Stereochemie der SE-Reaktion nur schwer Ruumlckschluumlsse auf den Mechanismus zu
Stereoc emie ist folgender Unterschied zu deutung
Bei SN-Reaktionen bringt das angreifende Nucleophil ein Elektronenpaar mit Daher muss die Abgangsgruppe bei der Neubildung der Bindung ein Elektronenpaar mitnehmen da sonst das C-Atom mehr als
Ruumlckseiten-Angriff moumlglich Da der Frontangriff unter Retention der Ruumlckseiten
Skript zum 2 OC-Kolloquium
33 Anwendungen
reu
Seite 33 von 37
Herstellung einfacher metallorganischer Verbindungen
etall-H-Austausch
aumluren betrachtet werden Dabei nimmt die H-Aciditaumlt mit zunehmendem s-Charakter der Hybridisierung zu
sp CH3 CH3
M C-H-Verbindungen koumlnnen als schwache SC Hybridisierung
3Saumlure konjugierte Base pKa-W
sp2
CH3 CH2 Zunahme der
sp
2 2
CH CH
CH2 CH
CH C15(-)
25
Aciditaumlt
Da eine staumlrkere Saumlu
ert 42
365
(-)
CH CH (-)
re eine schwaumlchere aus ihrem Salz vertreibt reagiert eine konjugierte Base mit jeder Saumlure die in der Tabelle unter ihr steht Elektronegative Gruppen an Aromaten wirken acidifizierend Beispiele
HC H Na
NaC2H6
Li H
+
pKa 42schwaumlchere Saumlure
Pentan
pKa 37schwaumlchere Saumlu
pKa 35 staumlkere Sauml re
+ Pentan +
schwaumlchere Saumlure
2 5+pKa 37 staumlkere Saumlure
Na CH3 H CH2Na
+ Pentan +
H H H LipKa 37pKa 23
staumlkere Saumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 27 von 37 β-Dicarbonylverbindungen
laisen-Kondensationen fuumlhren zu β-Dicarbonylverbindungen Ethylacetat reagiert en Natriumethoxid zu Ethyl-3-oxobutanoat
Cmit stoumlchiometrischen Meng(Ethylacetacetat Acetessigester)
CH3 C2
OO
CH2CH3CH3 C
7O
OCH2CH3 CH3 C
12
OCH2
C16
OO
CH2CH3+Na+-OCH2CH3 CH3CH2OH
-CH3CH2OHEthylacetat Ethyl-3-oxobutanoat
(Ethylacetacetat) Die Claisen-Kondensation beginnt mit der Bildung eines Esterenolat-Ions Durch eine Additions-Eliminierungs-Reaktion an die Carbonylgruppe eines anderen Estermolekuumlls entsteht ein 3-Ketoester Diese Schritte sind reversibel und der geamte Vorgang ist bis zu dieser Stufe endotherm Besonders unguumlnstig ist die Deprotonierung des Esters (pKa = 25) durch Ethoxid (pKa von Ethanol = 159) Das Gleichgewicht ist trotzdem zum Produkt verschoben da die Basde den 3-Ketoester (pKa = 11) an C2 praktisch irreversibel deprotoniert Bei der Aufarbeitung mit waumlssriger Saumlure wird die konjugierte Base des Produkts protoniert womit der Prozess abgeschlossen ist
CH3 C21
O CH2CH3 Na+ CH2 C
27 OCH2CH3
CH2 C32
O
OCH2CH3
+ CH3CH2OH
O O(-)
(-)Bildung des Esterenolats
Na+-OCH2CH3
CH3 C37
OO
CH2CH3CH2 C
42O
OCH2CH3
(-)CH3 C
48OCH2CH3
O
CH2
C52
OCH2CH3
O
+
Eliminierung
Nucleophile Addition
CH3 C56
OCH2CH3
O
CH2
C60
OCH2CH3
O
CH3 C64
CH2
C66
OCH2CH3
O O
+ -OCH2CH3
Ketoester
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 28 von 37
CH3 C71
CH2
C73
OCH2CH3
O O
CH3 C78
CH C80
OCH2CH3
O O
CH3 C92
CH
C94
OCH2CH3
O OCH3 C
99CH
C101
OCH2CH3
O O(-)
CH3 C85
CH2
C87
OCH2CH3
O O
Deprtotonierung
+ -OCH2CH3
sauer pKa = 11
+CH3CH2OH
CH3 CCHO
COCH2CH3
O(-)CH3 CCH2
OCOCH2CH3
O
Protonierung bei der waumlssrigen Aufarbeitung
H+ H2O
Zur Vermeidung einer Umesterung sollten sich das Alkoxid und der Ester von demselben Alkohol ableiten lassen Malonestersynthese Mit der Malonester-Synthese erhaumllt man Carbonsaumluren Diethylpropandioat (Malonsaumlureester) ist ein gutes Ausgangsmaterial zur Darstellung 2-substituierter oder 22-disubstituierter Carbonsaumluren in einem Verfahren das man Malonestersynthese nennt
CH3 CH2
O C CH2
OCO
O CH2
CH3CH3 C
H2
O C CO
CO
O CH2
CH3
R
R
CR
RH COOH
22-disubstituierte Carbonsaumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 29 von 37 α β-ungesaumlttigte Ketone Bei α- β-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen tritt neben der 12-Verknuumlfung auch 14-Verknuumlpfung bei der Pinakol-Reaktion auf
CH2 CH
CH
O CH2 CH
CH
CH
CH
CH2
OH OH
12-Verknuumlpfung
2Zn
Ethanol 0degC
68
O O On
O O
2
14-Verknuumlpfung
+ e(-)
(-) (-)
lkylierung von Cupraten alten Doppelbindungen an denen einfache Alkylgruppen
ebunden sind Im Prinzip koumlnnen diese Verbindungen aus organometallischen
zien RLi bzw RMgX im allgemeinen icht mit Halogenalkanen Es gibt aber einen anderen Typ organometallischer
Reagenzien die Organocuprate die hier sehr effektiv wirken Organocuprate besitzen die stoumlchiometrische Zusammensetzung R2CuLi und koumlnnen direkt durch Addition zweier Aumlquivalente einer Organolithium-Verbidnung an ein Aumlquevalent Kupferiodid CuI dargestellt werden Beispiel
AViele wichtige Molekuumlle enthgReagenzien durch direkte Alkylierung gewonnen werden Ungluumlcklicherweise reagieren Organolithium- oder Grignard-Reagenn
CH2 CHLi CuI (CH2=CH)2CuLi LiI+ +Ethenyllithium Lithiumdiethenylcuprat
(ein Organocuprat-Reagenz) Lthiumcuprate reagieren mit Halogenalkanen in sogenannten Kupplungsreaktionen unter Bildung substituierter Alkene Primaumlre Iodide sind dazu am besten geeignet aber auch andere primaumlre und sekundaumlre Halogenalkane geben befriedigende Resultate
R2CuLi RX R R LiX+ +
CCH3
CH
C17
CH3
HC20
HC
23
CH3
HC26
H
CH2(CH2)6CH3
1 Li(CH3CH2)2O2 CuI CuLi
CH3(CH2)6CH2IHMPT
11H 14 Cl2
Lithium-bis(trans-1-propenyl)cuprat90
trans-2-Undecen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 30 von 37 Herstellung von C-X-Bindungen Veresterung von Alkoholen mit Mineralsaumluren
Finkelsteinreaktion (RF-Verbindungen mit Krypat-Unterstuumltzung) Bei der Finkelstein-Reaktion handelt es sich um eine nucleophile Halogenid-Austausch-Reaktion zur Synthese von Iodiden und Fluoriden aus Bromiden und Chloriden zB
R X NaI R I NaX+Aceton
+ X = Cl Br
SN2
Eine Komponente der Triebkraft dieser Reaktion hat physikalische Ursachen die n und sekundaumlren
lkylhalogeniden unguumlnstige Lage der Gleichgewichte fuumlr eine SN2-Reaktion Loumlslichkeit Bei dieser Reaktion wird die bei tertiaumlreA
R X I I R X
I R X=
++
urch physikalisch-chemische Effekte beguumlnstigt naumlmlich dadurch dass NaBr und aCl in Aceton schlecht loumlslich sind und ausfallen Dadurch werden die leichgewichte irreversibel verschoben und die Reaktion verlaumluft somit im ewuumlnschten Sinne
eispiel
dNGg B
C16
CH3 CH
Br 223 Hin Aceton
CH3
CCHCH3
C I+NaI + NaBr
CH32 CH3
2SN2
Es findet keine Neophenylumlagerung statt das heiszligt dass keine SN1-Reaktion stattfindet In einer Variante der Finkelstein-Reaktion wird der Tosylat-Rest gegen Halogenid ausgetascht Ansonsten aber arbeitet man nach dem gleichen Prinzip
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 31 von 37
30 Elektrophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom
Am alipatischen C-Atom sind elektrophile Substitutionen moumlglich wenn die C-X-Bindung so polarisiert ist dass das C-Atom eine negative und die Abgangsgruppe
s der ilen
tion Man kann jedoch zwischen folgenden Mechanismen nterscheiden
1 SE1 analog SN2 (Racemisierung)
2 SE2-back analog SN2 (Inversion)
3 S 2-front analog S i (Retention)
analog S i (Retention)
31 SE1-Reaktion
ierbei handelt es sich um eine Reaktion erster Ordnung die zweistufig verlaumluft
eine positive Ladung traumlgt Diese Voraussetzungen sind vor allem bei metallorganischen und CH-aciden Verbindungen erfuumlllt Der Mechanismuelektrophilen alipathischen Substitution ist nicht so klar wie der der nucleophaliphatischen Substituu
E N
4 S i E N
H
langsamR X R
R Y+ R Y+
Geeignete Loumlsungsmittel fuumlr SE1-Reaktionen sind Dimethylformamid (DMF) undHexamethylphosphorsaumluretriamid (HMPA)
O N(CH3)2
HN(CH3)2
POH3)2
N(CH3)2
HMPA
N(CDMF
Stereochemie der SE1-Reaktion
Die Stereochemie von SE1-Reaktionen verlaumluft nicht einheitlich Im Allgemeinen isch aktive Verbindungen einsetzt Dies
kann zwei Ursachen haben 1 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist
ufig der Fall wenn es sich um mesomeriestabilisierte
2 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist pyramidal gebaut kann jedoch seine Struktur nicht halten (vergleichbar dem schnellen Durchschwingen von unsymmetrisch substituierten Aminen)
findet man Racematisierung wenn man opt
planar Dies ist hauml
Carbanionen handelt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 32 von 37 In Ausnahmefaumlllen kann jedoch auch bei planaren (mesomeristabilisierCarbanionen je nach Wahl des Loumls
ten) ungsmittel Inversion Retention oder
Racemisierung auftreten was durch unterschiedliche Solvatationseffekte erklaumlrt wird Beispiel fuumlr eine S 1-Reaktion E
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
HgBrRacemat
langsam
(-)+ HgBr+
+HgBr2
-HgB 2
rHgBr
Hg = isotopenmarkiertes Hg
32 S 2-ReaktionE E
eaktionen sind bimolekular Beide Mechanismus verglichen werden
Y
und S i-Reaktion
SE2 und SEi-R anisund SNi-Mech
men koumlnnen mit dem SN2-
C47
Y X
SE2 (back) nfalls um einen Frontangriff unter
C C X29
X C35
Y
X
41
SE2 (front)
Beim SEi ndashMechanismus handelt es sich ebeRetention
Y zY z
C53 X C60 XSEi
Die Bildung cyclischer Uumlbergangszustaumlnde die 4- oder 6-gliedrig sein koumlnnen foumlrdert die Losloumlsung der Abgangsgruppe Stereochemie von SE2-Reaktionen und von SEi-Reaktionen
Fuumlr die h den nucleuphilen Substitutionen von Be
8 Valenzelektronen haumltte Da nun zwischen den beiden Elektronenwolken Coulomb-Abstoszligung auftritt erfolgt der Angriff des Nucleophils gezwungenermaszligen von der Ruumlckseite des Molekuumlls Die Folge ist Inversion Anders ist es dagegen beim SE2- und Sei-Mechanismus Das angreifende Elektrophil besitzt nur ein leeres Orbital und somit ist sowohl der Front- als auch der
angriff unter Inversion verlaumluft laumlsst die Stereochemie der SE-Reaktion nur schwer Ruumlckschluumlsse auf den Mechanismus zu
Stereoc emie ist folgender Unterschied zu deutung
Bei SN-Reaktionen bringt das angreifende Nucleophil ein Elektronenpaar mit Daher muss die Abgangsgruppe bei der Neubildung der Bindung ein Elektronenpaar mitnehmen da sonst das C-Atom mehr als
Ruumlckseiten-Angriff moumlglich Da der Frontangriff unter Retention der Ruumlckseiten
Skript zum 2 OC-Kolloquium
33 Anwendungen
reu
Seite 33 von 37
Herstellung einfacher metallorganischer Verbindungen
etall-H-Austausch
aumluren betrachtet werden Dabei nimmt die H-Aciditaumlt mit zunehmendem s-Charakter der Hybridisierung zu
sp CH3 CH3
M C-H-Verbindungen koumlnnen als schwache SC Hybridisierung
3Saumlure konjugierte Base pKa-W
sp2
CH3 CH2 Zunahme der
sp
2 2
CH CH
CH2 CH
CH C15(-)
25
Aciditaumlt
Da eine staumlrkere Saumlu
ert 42
365
(-)
CH CH (-)
re eine schwaumlchere aus ihrem Salz vertreibt reagiert eine konjugierte Base mit jeder Saumlure die in der Tabelle unter ihr steht Elektronegative Gruppen an Aromaten wirken acidifizierend Beispiele
HC H Na
NaC2H6
Li H
+
pKa 42schwaumlchere Saumlure
Pentan
pKa 37schwaumlchere Saumlu
pKa 35 staumlkere Sauml re
+ Pentan +
schwaumlchere Saumlure
2 5+pKa 37 staumlkere Saumlure
Na CH3 H CH2Na
+ Pentan +
H H H LipKa 37pKa 23
staumlkere Saumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 28 von 37
CH3 C71
CH2
C73
OCH2CH3
O O
CH3 C78
CH C80
OCH2CH3
O O
CH3 C92
CH
C94
OCH2CH3
O OCH3 C
99CH
C101
OCH2CH3
O O(-)
CH3 C85
CH2
C87
OCH2CH3
O O
Deprtotonierung
+ -OCH2CH3
sauer pKa = 11
+CH3CH2OH
CH3 CCHO
COCH2CH3
O(-)CH3 CCH2
OCOCH2CH3
O
Protonierung bei der waumlssrigen Aufarbeitung
H+ H2O
Zur Vermeidung einer Umesterung sollten sich das Alkoxid und der Ester von demselben Alkohol ableiten lassen Malonestersynthese Mit der Malonester-Synthese erhaumllt man Carbonsaumluren Diethylpropandioat (Malonsaumlureester) ist ein gutes Ausgangsmaterial zur Darstellung 2-substituierter oder 22-disubstituierter Carbonsaumluren in einem Verfahren das man Malonestersynthese nennt
CH3 CH2
O C CH2
OCO
O CH2
CH3CH3 C
H2
O C CO
CO
O CH2
CH3
R
R
CR
RH COOH
22-disubstituierte Carbonsaumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 29 von 37 α β-ungesaumlttigte Ketone Bei α- β-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen tritt neben der 12-Verknuumlfung auch 14-Verknuumlpfung bei der Pinakol-Reaktion auf
CH2 CH
CH
O CH2 CH
CH
CH
CH
CH2
OH OH
12-Verknuumlpfung
2Zn
Ethanol 0degC
68
O O On
O O
2
14-Verknuumlpfung
+ e(-)
(-) (-)
lkylierung von Cupraten alten Doppelbindungen an denen einfache Alkylgruppen
ebunden sind Im Prinzip koumlnnen diese Verbindungen aus organometallischen
zien RLi bzw RMgX im allgemeinen icht mit Halogenalkanen Es gibt aber einen anderen Typ organometallischer
Reagenzien die Organocuprate die hier sehr effektiv wirken Organocuprate besitzen die stoumlchiometrische Zusammensetzung R2CuLi und koumlnnen direkt durch Addition zweier Aumlquivalente einer Organolithium-Verbidnung an ein Aumlquevalent Kupferiodid CuI dargestellt werden Beispiel
AViele wichtige Molekuumlle enthgReagenzien durch direkte Alkylierung gewonnen werden Ungluumlcklicherweise reagieren Organolithium- oder Grignard-Reagenn
CH2 CHLi CuI (CH2=CH)2CuLi LiI+ +Ethenyllithium Lithiumdiethenylcuprat
(ein Organocuprat-Reagenz) Lthiumcuprate reagieren mit Halogenalkanen in sogenannten Kupplungsreaktionen unter Bildung substituierter Alkene Primaumlre Iodide sind dazu am besten geeignet aber auch andere primaumlre und sekundaumlre Halogenalkane geben befriedigende Resultate
R2CuLi RX R R LiX+ +
CCH3
CH
C17
CH3
HC20
HC
23
CH3
HC26
H
CH2(CH2)6CH3
1 Li(CH3CH2)2O2 CuI CuLi
CH3(CH2)6CH2IHMPT
11H 14 Cl2
Lithium-bis(trans-1-propenyl)cuprat90
trans-2-Undecen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 30 von 37 Herstellung von C-X-Bindungen Veresterung von Alkoholen mit Mineralsaumluren
Finkelsteinreaktion (RF-Verbindungen mit Krypat-Unterstuumltzung) Bei der Finkelstein-Reaktion handelt es sich um eine nucleophile Halogenid-Austausch-Reaktion zur Synthese von Iodiden und Fluoriden aus Bromiden und Chloriden zB
R X NaI R I NaX+Aceton
+ X = Cl Br
SN2
Eine Komponente der Triebkraft dieser Reaktion hat physikalische Ursachen die n und sekundaumlren
lkylhalogeniden unguumlnstige Lage der Gleichgewichte fuumlr eine SN2-Reaktion Loumlslichkeit Bei dieser Reaktion wird die bei tertiaumlreA
R X I I R X
I R X=
++
urch physikalisch-chemische Effekte beguumlnstigt naumlmlich dadurch dass NaBr und aCl in Aceton schlecht loumlslich sind und ausfallen Dadurch werden die leichgewichte irreversibel verschoben und die Reaktion verlaumluft somit im ewuumlnschten Sinne
eispiel
dNGg B
C16
CH3 CH
Br 223 Hin Aceton
CH3
CCHCH3
C I+NaI + NaBr
CH32 CH3
2SN2
Es findet keine Neophenylumlagerung statt das heiszligt dass keine SN1-Reaktion stattfindet In einer Variante der Finkelstein-Reaktion wird der Tosylat-Rest gegen Halogenid ausgetascht Ansonsten aber arbeitet man nach dem gleichen Prinzip
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 31 von 37
30 Elektrophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom
Am alipatischen C-Atom sind elektrophile Substitutionen moumlglich wenn die C-X-Bindung so polarisiert ist dass das C-Atom eine negative und die Abgangsgruppe
s der ilen
tion Man kann jedoch zwischen folgenden Mechanismen nterscheiden
1 SE1 analog SN2 (Racemisierung)
2 SE2-back analog SN2 (Inversion)
3 S 2-front analog S i (Retention)
analog S i (Retention)
31 SE1-Reaktion
ierbei handelt es sich um eine Reaktion erster Ordnung die zweistufig verlaumluft
eine positive Ladung traumlgt Diese Voraussetzungen sind vor allem bei metallorganischen und CH-aciden Verbindungen erfuumlllt Der Mechanismuelektrophilen alipathischen Substitution ist nicht so klar wie der der nucleophaliphatischen Substituu
E N
4 S i E N
H
langsamR X R
R Y+ R Y+
Geeignete Loumlsungsmittel fuumlr SE1-Reaktionen sind Dimethylformamid (DMF) undHexamethylphosphorsaumluretriamid (HMPA)
O N(CH3)2
HN(CH3)2
POH3)2
N(CH3)2
HMPA
N(CDMF
Stereochemie der SE1-Reaktion
Die Stereochemie von SE1-Reaktionen verlaumluft nicht einheitlich Im Allgemeinen isch aktive Verbindungen einsetzt Dies
kann zwei Ursachen haben 1 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist
ufig der Fall wenn es sich um mesomeriestabilisierte
2 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist pyramidal gebaut kann jedoch seine Struktur nicht halten (vergleichbar dem schnellen Durchschwingen von unsymmetrisch substituierten Aminen)
findet man Racematisierung wenn man opt
planar Dies ist hauml
Carbanionen handelt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 32 von 37 In Ausnahmefaumlllen kann jedoch auch bei planaren (mesomeristabilisierCarbanionen je nach Wahl des Loumls
ten) ungsmittel Inversion Retention oder
Racemisierung auftreten was durch unterschiedliche Solvatationseffekte erklaumlrt wird Beispiel fuumlr eine S 1-Reaktion E
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
HgBrRacemat
langsam
(-)+ HgBr+
+HgBr2
-HgB 2
rHgBr
Hg = isotopenmarkiertes Hg
32 S 2-ReaktionE E
eaktionen sind bimolekular Beide Mechanismus verglichen werden
Y
und S i-Reaktion
SE2 und SEi-R anisund SNi-Mech
men koumlnnen mit dem SN2-
C47
Y X
SE2 (back) nfalls um einen Frontangriff unter
C C X29
X C35
Y
X
41
SE2 (front)
Beim SEi ndashMechanismus handelt es sich ebeRetention
Y zY z
C53 X C60 XSEi
Die Bildung cyclischer Uumlbergangszustaumlnde die 4- oder 6-gliedrig sein koumlnnen foumlrdert die Losloumlsung der Abgangsgruppe Stereochemie von SE2-Reaktionen und von SEi-Reaktionen
Fuumlr die h den nucleuphilen Substitutionen von Be
8 Valenzelektronen haumltte Da nun zwischen den beiden Elektronenwolken Coulomb-Abstoszligung auftritt erfolgt der Angriff des Nucleophils gezwungenermaszligen von der Ruumlckseite des Molekuumlls Die Folge ist Inversion Anders ist es dagegen beim SE2- und Sei-Mechanismus Das angreifende Elektrophil besitzt nur ein leeres Orbital und somit ist sowohl der Front- als auch der
angriff unter Inversion verlaumluft laumlsst die Stereochemie der SE-Reaktion nur schwer Ruumlckschluumlsse auf den Mechanismus zu
Stereoc emie ist folgender Unterschied zu deutung
Bei SN-Reaktionen bringt das angreifende Nucleophil ein Elektronenpaar mit Daher muss die Abgangsgruppe bei der Neubildung der Bindung ein Elektronenpaar mitnehmen da sonst das C-Atom mehr als
Ruumlckseiten-Angriff moumlglich Da der Frontangriff unter Retention der Ruumlckseiten
Skript zum 2 OC-Kolloquium
33 Anwendungen
reu
Seite 33 von 37
Herstellung einfacher metallorganischer Verbindungen
etall-H-Austausch
aumluren betrachtet werden Dabei nimmt die H-Aciditaumlt mit zunehmendem s-Charakter der Hybridisierung zu
sp CH3 CH3
M C-H-Verbindungen koumlnnen als schwache SC Hybridisierung
3Saumlure konjugierte Base pKa-W
sp2
CH3 CH2 Zunahme der
sp
2 2
CH CH
CH2 CH
CH C15(-)
25
Aciditaumlt
Da eine staumlrkere Saumlu
ert 42
365
(-)
CH CH (-)
re eine schwaumlchere aus ihrem Salz vertreibt reagiert eine konjugierte Base mit jeder Saumlure die in der Tabelle unter ihr steht Elektronegative Gruppen an Aromaten wirken acidifizierend Beispiele
HC H Na
NaC2H6
Li H
+
pKa 42schwaumlchere Saumlure
Pentan
pKa 37schwaumlchere Saumlu
pKa 35 staumlkere Sauml re
+ Pentan +
schwaumlchere Saumlure
2 5+pKa 37 staumlkere Saumlure
Na CH3 H CH2Na
+ Pentan +
H H H LipKa 37pKa 23
staumlkere Saumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 29 von 37 α β-ungesaumlttigte Ketone Bei α- β-ungesaumlttigten Aldehyden und Ketonen tritt neben der 12-Verknuumlfung auch 14-Verknuumlpfung bei der Pinakol-Reaktion auf
CH2 CH
CH
O CH2 CH
CH
CH
CH
CH2
OH OH
12-Verknuumlpfung
2Zn
Ethanol 0degC
68
O O On
O O
2
14-Verknuumlpfung
+ e(-)
(-) (-)
lkylierung von Cupraten alten Doppelbindungen an denen einfache Alkylgruppen
ebunden sind Im Prinzip koumlnnen diese Verbindungen aus organometallischen
zien RLi bzw RMgX im allgemeinen icht mit Halogenalkanen Es gibt aber einen anderen Typ organometallischer
Reagenzien die Organocuprate die hier sehr effektiv wirken Organocuprate besitzen die stoumlchiometrische Zusammensetzung R2CuLi und koumlnnen direkt durch Addition zweier Aumlquivalente einer Organolithium-Verbidnung an ein Aumlquevalent Kupferiodid CuI dargestellt werden Beispiel
AViele wichtige Molekuumlle enthgReagenzien durch direkte Alkylierung gewonnen werden Ungluumlcklicherweise reagieren Organolithium- oder Grignard-Reagenn
CH2 CHLi CuI (CH2=CH)2CuLi LiI+ +Ethenyllithium Lithiumdiethenylcuprat
(ein Organocuprat-Reagenz) Lthiumcuprate reagieren mit Halogenalkanen in sogenannten Kupplungsreaktionen unter Bildung substituierter Alkene Primaumlre Iodide sind dazu am besten geeignet aber auch andere primaumlre und sekundaumlre Halogenalkane geben befriedigende Resultate
R2CuLi RX R R LiX+ +
CCH3
CH
C17
CH3
HC20
HC
23
CH3
HC26
H
CH2(CH2)6CH3
1 Li(CH3CH2)2O2 CuI CuLi
CH3(CH2)6CH2IHMPT
11H 14 Cl2
Lithium-bis(trans-1-propenyl)cuprat90
trans-2-Undecen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 30 von 37 Herstellung von C-X-Bindungen Veresterung von Alkoholen mit Mineralsaumluren
Finkelsteinreaktion (RF-Verbindungen mit Krypat-Unterstuumltzung) Bei der Finkelstein-Reaktion handelt es sich um eine nucleophile Halogenid-Austausch-Reaktion zur Synthese von Iodiden und Fluoriden aus Bromiden und Chloriden zB
R X NaI R I NaX+Aceton
+ X = Cl Br
SN2
Eine Komponente der Triebkraft dieser Reaktion hat physikalische Ursachen die n und sekundaumlren
lkylhalogeniden unguumlnstige Lage der Gleichgewichte fuumlr eine SN2-Reaktion Loumlslichkeit Bei dieser Reaktion wird die bei tertiaumlreA
R X I I R X
I R X=
++
urch physikalisch-chemische Effekte beguumlnstigt naumlmlich dadurch dass NaBr und aCl in Aceton schlecht loumlslich sind und ausfallen Dadurch werden die leichgewichte irreversibel verschoben und die Reaktion verlaumluft somit im ewuumlnschten Sinne
eispiel
dNGg B
C16
CH3 CH
Br 223 Hin Aceton
CH3
CCHCH3
C I+NaI + NaBr
CH32 CH3
2SN2
Es findet keine Neophenylumlagerung statt das heiszligt dass keine SN1-Reaktion stattfindet In einer Variante der Finkelstein-Reaktion wird der Tosylat-Rest gegen Halogenid ausgetascht Ansonsten aber arbeitet man nach dem gleichen Prinzip
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 31 von 37
30 Elektrophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom
Am alipatischen C-Atom sind elektrophile Substitutionen moumlglich wenn die C-X-Bindung so polarisiert ist dass das C-Atom eine negative und die Abgangsgruppe
s der ilen
tion Man kann jedoch zwischen folgenden Mechanismen nterscheiden
1 SE1 analog SN2 (Racemisierung)
2 SE2-back analog SN2 (Inversion)
3 S 2-front analog S i (Retention)
analog S i (Retention)
31 SE1-Reaktion
ierbei handelt es sich um eine Reaktion erster Ordnung die zweistufig verlaumluft
eine positive Ladung traumlgt Diese Voraussetzungen sind vor allem bei metallorganischen und CH-aciden Verbindungen erfuumlllt Der Mechanismuelektrophilen alipathischen Substitution ist nicht so klar wie der der nucleophaliphatischen Substituu
E N
4 S i E N
H
langsamR X R
R Y+ R Y+
Geeignete Loumlsungsmittel fuumlr SE1-Reaktionen sind Dimethylformamid (DMF) undHexamethylphosphorsaumluretriamid (HMPA)
O N(CH3)2
HN(CH3)2
POH3)2
N(CH3)2
HMPA
N(CDMF
Stereochemie der SE1-Reaktion
Die Stereochemie von SE1-Reaktionen verlaumluft nicht einheitlich Im Allgemeinen isch aktive Verbindungen einsetzt Dies
kann zwei Ursachen haben 1 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist
ufig der Fall wenn es sich um mesomeriestabilisierte
2 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist pyramidal gebaut kann jedoch seine Struktur nicht halten (vergleichbar dem schnellen Durchschwingen von unsymmetrisch substituierten Aminen)
findet man Racematisierung wenn man opt
planar Dies ist hauml
Carbanionen handelt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 32 von 37 In Ausnahmefaumlllen kann jedoch auch bei planaren (mesomeristabilisierCarbanionen je nach Wahl des Loumls
ten) ungsmittel Inversion Retention oder
Racemisierung auftreten was durch unterschiedliche Solvatationseffekte erklaumlrt wird Beispiel fuumlr eine S 1-Reaktion E
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
HgBrRacemat
langsam
(-)+ HgBr+
+HgBr2
-HgB 2
rHgBr
Hg = isotopenmarkiertes Hg
32 S 2-ReaktionE E
eaktionen sind bimolekular Beide Mechanismus verglichen werden
Y
und S i-Reaktion
SE2 und SEi-R anisund SNi-Mech
men koumlnnen mit dem SN2-
C47
Y X
SE2 (back) nfalls um einen Frontangriff unter
C C X29
X C35
Y
X
41
SE2 (front)
Beim SEi ndashMechanismus handelt es sich ebeRetention
Y zY z
C53 X C60 XSEi
Die Bildung cyclischer Uumlbergangszustaumlnde die 4- oder 6-gliedrig sein koumlnnen foumlrdert die Losloumlsung der Abgangsgruppe Stereochemie von SE2-Reaktionen und von SEi-Reaktionen
Fuumlr die h den nucleuphilen Substitutionen von Be
8 Valenzelektronen haumltte Da nun zwischen den beiden Elektronenwolken Coulomb-Abstoszligung auftritt erfolgt der Angriff des Nucleophils gezwungenermaszligen von der Ruumlckseite des Molekuumlls Die Folge ist Inversion Anders ist es dagegen beim SE2- und Sei-Mechanismus Das angreifende Elektrophil besitzt nur ein leeres Orbital und somit ist sowohl der Front- als auch der
angriff unter Inversion verlaumluft laumlsst die Stereochemie der SE-Reaktion nur schwer Ruumlckschluumlsse auf den Mechanismus zu
Stereoc emie ist folgender Unterschied zu deutung
Bei SN-Reaktionen bringt das angreifende Nucleophil ein Elektronenpaar mit Daher muss die Abgangsgruppe bei der Neubildung der Bindung ein Elektronenpaar mitnehmen da sonst das C-Atom mehr als
Ruumlckseiten-Angriff moumlglich Da der Frontangriff unter Retention der Ruumlckseiten
Skript zum 2 OC-Kolloquium
33 Anwendungen
reu
Seite 33 von 37
Herstellung einfacher metallorganischer Verbindungen
etall-H-Austausch
aumluren betrachtet werden Dabei nimmt die H-Aciditaumlt mit zunehmendem s-Charakter der Hybridisierung zu
sp CH3 CH3
M C-H-Verbindungen koumlnnen als schwache SC Hybridisierung
3Saumlure konjugierte Base pKa-W
sp2
CH3 CH2 Zunahme der
sp
2 2
CH CH
CH2 CH
CH C15(-)
25
Aciditaumlt
Da eine staumlrkere Saumlu
ert 42
365
(-)
CH CH (-)
re eine schwaumlchere aus ihrem Salz vertreibt reagiert eine konjugierte Base mit jeder Saumlure die in der Tabelle unter ihr steht Elektronegative Gruppen an Aromaten wirken acidifizierend Beispiele
HC H Na
NaC2H6
Li H
+
pKa 42schwaumlchere Saumlure
Pentan
pKa 37schwaumlchere Saumlu
pKa 35 staumlkere Sauml re
+ Pentan +
schwaumlchere Saumlure
2 5+pKa 37 staumlkere Saumlure
Na CH3 H CH2Na
+ Pentan +
H H H LipKa 37pKa 23
staumlkere Saumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 30 von 37 Herstellung von C-X-Bindungen Veresterung von Alkoholen mit Mineralsaumluren
Finkelsteinreaktion (RF-Verbindungen mit Krypat-Unterstuumltzung) Bei der Finkelstein-Reaktion handelt es sich um eine nucleophile Halogenid-Austausch-Reaktion zur Synthese von Iodiden und Fluoriden aus Bromiden und Chloriden zB
R X NaI R I NaX+Aceton
+ X = Cl Br
SN2
Eine Komponente der Triebkraft dieser Reaktion hat physikalische Ursachen die n und sekundaumlren
lkylhalogeniden unguumlnstige Lage der Gleichgewichte fuumlr eine SN2-Reaktion Loumlslichkeit Bei dieser Reaktion wird die bei tertiaumlreA
R X I I R X
I R X=
++
urch physikalisch-chemische Effekte beguumlnstigt naumlmlich dadurch dass NaBr und aCl in Aceton schlecht loumlslich sind und ausfallen Dadurch werden die leichgewichte irreversibel verschoben und die Reaktion verlaumluft somit im ewuumlnschten Sinne
eispiel
dNGg B
C16
CH3 CH
Br 223 Hin Aceton
CH3
CCHCH3
C I+NaI + NaBr
CH32 CH3
2SN2
Es findet keine Neophenylumlagerung statt das heiszligt dass keine SN1-Reaktion stattfindet In einer Variante der Finkelstein-Reaktion wird der Tosylat-Rest gegen Halogenid ausgetascht Ansonsten aber arbeitet man nach dem gleichen Prinzip
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 31 von 37
30 Elektrophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom
Am alipatischen C-Atom sind elektrophile Substitutionen moumlglich wenn die C-X-Bindung so polarisiert ist dass das C-Atom eine negative und die Abgangsgruppe
s der ilen
tion Man kann jedoch zwischen folgenden Mechanismen nterscheiden
1 SE1 analog SN2 (Racemisierung)
2 SE2-back analog SN2 (Inversion)
3 S 2-front analog S i (Retention)
analog S i (Retention)
31 SE1-Reaktion
ierbei handelt es sich um eine Reaktion erster Ordnung die zweistufig verlaumluft
eine positive Ladung traumlgt Diese Voraussetzungen sind vor allem bei metallorganischen und CH-aciden Verbindungen erfuumlllt Der Mechanismuelektrophilen alipathischen Substitution ist nicht so klar wie der der nucleophaliphatischen Substituu
E N
4 S i E N
H
langsamR X R
R Y+ R Y+
Geeignete Loumlsungsmittel fuumlr SE1-Reaktionen sind Dimethylformamid (DMF) undHexamethylphosphorsaumluretriamid (HMPA)
O N(CH3)2
HN(CH3)2
POH3)2
N(CH3)2
HMPA
N(CDMF
Stereochemie der SE1-Reaktion
Die Stereochemie von SE1-Reaktionen verlaumluft nicht einheitlich Im Allgemeinen isch aktive Verbindungen einsetzt Dies
kann zwei Ursachen haben 1 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist
ufig der Fall wenn es sich um mesomeriestabilisierte
2 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist pyramidal gebaut kann jedoch seine Struktur nicht halten (vergleichbar dem schnellen Durchschwingen von unsymmetrisch substituierten Aminen)
findet man Racematisierung wenn man opt
planar Dies ist hauml
Carbanionen handelt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 32 von 37 In Ausnahmefaumlllen kann jedoch auch bei planaren (mesomeristabilisierCarbanionen je nach Wahl des Loumls
ten) ungsmittel Inversion Retention oder
Racemisierung auftreten was durch unterschiedliche Solvatationseffekte erklaumlrt wird Beispiel fuumlr eine S 1-Reaktion E
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
HgBrRacemat
langsam
(-)+ HgBr+
+HgBr2
-HgB 2
rHgBr
Hg = isotopenmarkiertes Hg
32 S 2-ReaktionE E
eaktionen sind bimolekular Beide Mechanismus verglichen werden
Y
und S i-Reaktion
SE2 und SEi-R anisund SNi-Mech
men koumlnnen mit dem SN2-
C47
Y X
SE2 (back) nfalls um einen Frontangriff unter
C C X29
X C35
Y
X
41
SE2 (front)
Beim SEi ndashMechanismus handelt es sich ebeRetention
Y zY z
C53 X C60 XSEi
Die Bildung cyclischer Uumlbergangszustaumlnde die 4- oder 6-gliedrig sein koumlnnen foumlrdert die Losloumlsung der Abgangsgruppe Stereochemie von SE2-Reaktionen und von SEi-Reaktionen
Fuumlr die h den nucleuphilen Substitutionen von Be
8 Valenzelektronen haumltte Da nun zwischen den beiden Elektronenwolken Coulomb-Abstoszligung auftritt erfolgt der Angriff des Nucleophils gezwungenermaszligen von der Ruumlckseite des Molekuumlls Die Folge ist Inversion Anders ist es dagegen beim SE2- und Sei-Mechanismus Das angreifende Elektrophil besitzt nur ein leeres Orbital und somit ist sowohl der Front- als auch der
angriff unter Inversion verlaumluft laumlsst die Stereochemie der SE-Reaktion nur schwer Ruumlckschluumlsse auf den Mechanismus zu
Stereoc emie ist folgender Unterschied zu deutung
Bei SN-Reaktionen bringt das angreifende Nucleophil ein Elektronenpaar mit Daher muss die Abgangsgruppe bei der Neubildung der Bindung ein Elektronenpaar mitnehmen da sonst das C-Atom mehr als
Ruumlckseiten-Angriff moumlglich Da der Frontangriff unter Retention der Ruumlckseiten
Skript zum 2 OC-Kolloquium
33 Anwendungen
reu
Seite 33 von 37
Herstellung einfacher metallorganischer Verbindungen
etall-H-Austausch
aumluren betrachtet werden Dabei nimmt die H-Aciditaumlt mit zunehmendem s-Charakter der Hybridisierung zu
sp CH3 CH3
M C-H-Verbindungen koumlnnen als schwache SC Hybridisierung
3Saumlure konjugierte Base pKa-W
sp2
CH3 CH2 Zunahme der
sp
2 2
CH CH
CH2 CH
CH C15(-)
25
Aciditaumlt
Da eine staumlrkere Saumlu
ert 42
365
(-)
CH CH (-)
re eine schwaumlchere aus ihrem Salz vertreibt reagiert eine konjugierte Base mit jeder Saumlure die in der Tabelle unter ihr steht Elektronegative Gruppen an Aromaten wirken acidifizierend Beispiele
HC H Na
NaC2H6
Li H
+
pKa 42schwaumlchere Saumlure
Pentan
pKa 37schwaumlchere Saumlu
pKa 35 staumlkere Sauml re
+ Pentan +
schwaumlchere Saumlure
2 5+pKa 37 staumlkere Saumlure
Na CH3 H CH2Na
+ Pentan +
H H H LipKa 37pKa 23
staumlkere Saumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 31 von 37
30 Elektrophile Substitution am gesaumlttigten C-Atom
Am alipatischen C-Atom sind elektrophile Substitutionen moumlglich wenn die C-X-Bindung so polarisiert ist dass das C-Atom eine negative und die Abgangsgruppe
s der ilen
tion Man kann jedoch zwischen folgenden Mechanismen nterscheiden
1 SE1 analog SN2 (Racemisierung)
2 SE2-back analog SN2 (Inversion)
3 S 2-front analog S i (Retention)
analog S i (Retention)
31 SE1-Reaktion
ierbei handelt es sich um eine Reaktion erster Ordnung die zweistufig verlaumluft
eine positive Ladung traumlgt Diese Voraussetzungen sind vor allem bei metallorganischen und CH-aciden Verbindungen erfuumlllt Der Mechanismuelektrophilen alipathischen Substitution ist nicht so klar wie der der nucleophaliphatischen Substituu
E N
4 S i E N
H
langsamR X R
R Y+ R Y+
Geeignete Loumlsungsmittel fuumlr SE1-Reaktionen sind Dimethylformamid (DMF) undHexamethylphosphorsaumluretriamid (HMPA)
O N(CH3)2
HN(CH3)2
POH3)2
N(CH3)2
HMPA
N(CDMF
Stereochemie der SE1-Reaktion
Die Stereochemie von SE1-Reaktionen verlaumluft nicht einheitlich Im Allgemeinen isch aktive Verbindungen einsetzt Dies
kann zwei Ursachen haben 1 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist
ufig der Fall wenn es sich um mesomeriestabilisierte
2 Das intermediaumlr gebildete Carbanion ist pyramidal gebaut kann jedoch seine Struktur nicht halten (vergleichbar dem schnellen Durchschwingen von unsymmetrisch substituierten Aminen)
findet man Racematisierung wenn man opt
planar Dies ist hauml
Carbanionen handelt
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 32 von 37 In Ausnahmefaumlllen kann jedoch auch bei planaren (mesomeristabilisierCarbanionen je nach Wahl des Loumls
ten) ungsmittel Inversion Retention oder
Racemisierung auftreten was durch unterschiedliche Solvatationseffekte erklaumlrt wird Beispiel fuumlr eine S 1-Reaktion E
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
HgBrRacemat
langsam
(-)+ HgBr+
+HgBr2
-HgB 2
rHgBr
Hg = isotopenmarkiertes Hg
32 S 2-ReaktionE E
eaktionen sind bimolekular Beide Mechanismus verglichen werden
Y
und S i-Reaktion
SE2 und SEi-R anisund SNi-Mech
men koumlnnen mit dem SN2-
C47
Y X
SE2 (back) nfalls um einen Frontangriff unter
C C X29
X C35
Y
X
41
SE2 (front)
Beim SEi ndashMechanismus handelt es sich ebeRetention
Y zY z
C53 X C60 XSEi
Die Bildung cyclischer Uumlbergangszustaumlnde die 4- oder 6-gliedrig sein koumlnnen foumlrdert die Losloumlsung der Abgangsgruppe Stereochemie von SE2-Reaktionen und von SEi-Reaktionen
Fuumlr die h den nucleuphilen Substitutionen von Be
8 Valenzelektronen haumltte Da nun zwischen den beiden Elektronenwolken Coulomb-Abstoszligung auftritt erfolgt der Angriff des Nucleophils gezwungenermaszligen von der Ruumlckseite des Molekuumlls Die Folge ist Inversion Anders ist es dagegen beim SE2- und Sei-Mechanismus Das angreifende Elektrophil besitzt nur ein leeres Orbital und somit ist sowohl der Front- als auch der
angriff unter Inversion verlaumluft laumlsst die Stereochemie der SE-Reaktion nur schwer Ruumlckschluumlsse auf den Mechanismus zu
Stereoc emie ist folgender Unterschied zu deutung
Bei SN-Reaktionen bringt das angreifende Nucleophil ein Elektronenpaar mit Daher muss die Abgangsgruppe bei der Neubildung der Bindung ein Elektronenpaar mitnehmen da sonst das C-Atom mehr als
Ruumlckseiten-Angriff moumlglich Da der Frontangriff unter Retention der Ruumlckseiten
Skript zum 2 OC-Kolloquium
33 Anwendungen
reu
Seite 33 von 37
Herstellung einfacher metallorganischer Verbindungen
etall-H-Austausch
aumluren betrachtet werden Dabei nimmt die H-Aciditaumlt mit zunehmendem s-Charakter der Hybridisierung zu
sp CH3 CH3
M C-H-Verbindungen koumlnnen als schwache SC Hybridisierung
3Saumlure konjugierte Base pKa-W
sp2
CH3 CH2 Zunahme der
sp
2 2
CH CH
CH2 CH
CH C15(-)
25
Aciditaumlt
Da eine staumlrkere Saumlu
ert 42
365
(-)
CH CH (-)
re eine schwaumlchere aus ihrem Salz vertreibt reagiert eine konjugierte Base mit jeder Saumlure die in der Tabelle unter ihr steht Elektronegative Gruppen an Aromaten wirken acidifizierend Beispiele
HC H Na
NaC2H6
Li H
+
pKa 42schwaumlchere Saumlure
Pentan
pKa 37schwaumlchere Saumlu
pKa 35 staumlkere Sauml re
+ Pentan +
schwaumlchere Saumlure
2 5+pKa 37 staumlkere Saumlure
Na CH3 H CH2Na
+ Pentan +
H H H LipKa 37pKa 23
staumlkere Saumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 32 von 37 In Ausnahmefaumlllen kann jedoch auch bei planaren (mesomeristabilisierCarbanionen je nach Wahl des Loumls
ten) ungsmittel Inversion Retention oder
Racemisierung auftreten was durch unterschiedliche Solvatationseffekte erklaumlrt wird Beispiel fuumlr eine S 1-Reaktion E
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
C6H5 CHCOOEt
HgBrRacemat
langsam
(-)+ HgBr+
+HgBr2
-HgB 2
rHgBr
Hg = isotopenmarkiertes Hg
32 S 2-ReaktionE E
eaktionen sind bimolekular Beide Mechanismus verglichen werden
Y
und S i-Reaktion
SE2 und SEi-R anisund SNi-Mech
men koumlnnen mit dem SN2-
C47
Y X
SE2 (back) nfalls um einen Frontangriff unter
C C X29
X C35
Y
X
41
SE2 (front)
Beim SEi ndashMechanismus handelt es sich ebeRetention
Y zY z
C53 X C60 XSEi
Die Bildung cyclischer Uumlbergangszustaumlnde die 4- oder 6-gliedrig sein koumlnnen foumlrdert die Losloumlsung der Abgangsgruppe Stereochemie von SE2-Reaktionen und von SEi-Reaktionen
Fuumlr die h den nucleuphilen Substitutionen von Be
8 Valenzelektronen haumltte Da nun zwischen den beiden Elektronenwolken Coulomb-Abstoszligung auftritt erfolgt der Angriff des Nucleophils gezwungenermaszligen von der Ruumlckseite des Molekuumlls Die Folge ist Inversion Anders ist es dagegen beim SE2- und Sei-Mechanismus Das angreifende Elektrophil besitzt nur ein leeres Orbital und somit ist sowohl der Front- als auch der
angriff unter Inversion verlaumluft laumlsst die Stereochemie der SE-Reaktion nur schwer Ruumlckschluumlsse auf den Mechanismus zu
Stereoc emie ist folgender Unterschied zu deutung
Bei SN-Reaktionen bringt das angreifende Nucleophil ein Elektronenpaar mit Daher muss die Abgangsgruppe bei der Neubildung der Bindung ein Elektronenpaar mitnehmen da sonst das C-Atom mehr als
Ruumlckseiten-Angriff moumlglich Da der Frontangriff unter Retention der Ruumlckseiten
Skript zum 2 OC-Kolloquium
33 Anwendungen
reu
Seite 33 von 37
Herstellung einfacher metallorganischer Verbindungen
etall-H-Austausch
aumluren betrachtet werden Dabei nimmt die H-Aciditaumlt mit zunehmendem s-Charakter der Hybridisierung zu
sp CH3 CH3
M C-H-Verbindungen koumlnnen als schwache SC Hybridisierung
3Saumlure konjugierte Base pKa-W
sp2
CH3 CH2 Zunahme der
sp
2 2
CH CH
CH2 CH
CH C15(-)
25
Aciditaumlt
Da eine staumlrkere Saumlu
ert 42
365
(-)
CH CH (-)
re eine schwaumlchere aus ihrem Salz vertreibt reagiert eine konjugierte Base mit jeder Saumlure die in der Tabelle unter ihr steht Elektronegative Gruppen an Aromaten wirken acidifizierend Beispiele
HC H Na
NaC2H6
Li H
+
pKa 42schwaumlchere Saumlure
Pentan
pKa 37schwaumlchere Saumlu
pKa 35 staumlkere Sauml re
+ Pentan +
schwaumlchere Saumlure
2 5+pKa 37 staumlkere Saumlure
Na CH3 H CH2Na
+ Pentan +
H H H LipKa 37pKa 23
staumlkere Saumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium
33 Anwendungen
reu
Seite 33 von 37
Herstellung einfacher metallorganischer Verbindungen
etall-H-Austausch
aumluren betrachtet werden Dabei nimmt die H-Aciditaumlt mit zunehmendem s-Charakter der Hybridisierung zu
sp CH3 CH3
M C-H-Verbindungen koumlnnen als schwache SC Hybridisierung
3Saumlure konjugierte Base pKa-W
sp2
CH3 CH2 Zunahme der
sp
2 2
CH CH
CH2 CH
CH C15(-)
25
Aciditaumlt
Da eine staumlrkere Saumlu
ert 42
365
(-)
CH CH (-)
re eine schwaumlchere aus ihrem Salz vertreibt reagiert eine konjugierte Base mit jeder Saumlure die in der Tabelle unter ihr steht Elektronegative Gruppen an Aromaten wirken acidifizierend Beispiele
HC H Na
NaC2H6
Li H
+
pKa 42schwaumlchere Saumlure
Pentan
pKa 37schwaumlchere Saumlu
pKa 35 staumlkere Sauml re
+ Pentan +
schwaumlchere Saumlure
2 5+pKa 37 staumlkere Saumlure
Na CH3 H CH2Na
+ Pentan +
H H H LipKa 37pKa 23
staumlkere Saumlure
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 34 von 37 Metall-Halogenaustausch C-Metall-Bindungen lassen sich bdquohalogenolytischldquo spalten Mechanistisch handelt es dich dabei um einen elektrophilen Angriff eines Hal- an das Metall-C-Atom
R M Br Br R Br M Br+δ(-) δ(-) δ(+)δ(+) +
Die Reaktion hat praumlparative Bedeutung So lassen sich zum Beispiel ais innenstaumlndigen Olefinen endstaumlndige Bororganyle herstellen (es erfolgt π-Bindungsisomerisierung da endstaumlndige Carbanionen stabiler als innenstaumlndige sind) die sich mit Halogenen zu n-Alkylhalogeniden umsetzen lassen
CH3
CH3 CH3
CH3
BH2
CH2
CH3
BH2
CH2
CH3
Br
+ BH3 THF
Br2
α-Halogenierung von Carbonylverbindungen (Haloformreaktion Hell-Vollhardt-Zelinski-Reaktion)
E-Reaktionen werden erleichtert wenn elektromere Gruppen in α-Stellung der zu ubstituierenden C-Atoms C-H-Bindungen acidifizieren Dies ist bei arbonylverbindungen der Fall Carbonalverbindungen wie Ketone und
in α-Stellung halogeniert werden Die Reaktion kann
Basenkatalyse
SsCCarbonsaumluren koumlnnen dahersauer oder basisch katalysiert werden
R C2
OCH2
R B R C8
OCH R R C
13
O
+ -BH(+)
(-)
δ(-) δ(+)
CH R
Br Br
R C20
OCH
RBr
R C26
OC
28R
Br
Br
(-)
+Br2
Ist nach der ersten Substitution noch α-Wasserstoff vorhanden dann besteht die Gefahr der Mehrfach-Halogenierung da durch den Halogen-Substituenten die Aciditaumlt in α-Stellung erhoumlht wird Dies nutzt man in der so genannten Haloform-Reaktion praumlparativ zur Herstellung von Carbonsaumluren aus α-Methylketonen
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 35 von 37 Haloform-Spaltung
R C33
OCH3 R
OR C
OCBr+ 3Br2
- 3HBr
+OH(-)
(-)
C37
CBr3 41 3
OH
R C46
OOH CBr3
RO
OCHBr3
(-)+
Umprotonierung+
Im waumlssrig-alkalischen Milieu wird Bromoform (CHBr3) weiter zu Formiat hydrolysiert Saumlurekatalyse
R C56
OCH2
R R C62
OHCH
R
R C87
OHCH
R R C92
OHCH
(+)
+ H(+)
-H(+)
-H(+)
(-
(+)
2
R C80
OCH
82R
Br
R
R C97
OHCH
RBr
)
FeBr3 + Br2
-H(+)
(+)
Auch Carbonsaumluren lassen sich in α-Stellung halogenieren mit PBr3 (roter Phosphor und Brom) als Katalysator Diese Reaktion nennt man die Hell-Vollhard-Zelinsky-Reaktion Wegen der Carboxylatbildung ist nur Saumlurekatalyse moumlglich wobei intermediaumlr Hydrate von Ketenen gebildet werden
R CH2
C3 OH
R CH2
C8 OH
(+)
R CH C14
OH
+ H(+)
-H(+) + H(+)
-HO OH OH(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 36 von 37 Dieses Gleichgewicht liegt weit links da durch Wegfall der Mesomeriestabilisierung der Carboxylfunktion die Bildung der Enolform energetisch sehr unguumlnstig ist Daher arbeitet man mit PBr3 als Katalysator
R CH2
C19
O
OHR C
H2
C24
O
Br
R CH2
C29
O
OHR-CH2 C
33O C
35CH2R
O O
R-CH C40
O C42
CH2RO O
Br
R-CH C48
O C50
CH2RO OH
Br
rO
C60 CH2
R
2
[PBr3]
+ Br2 - HBr
+ R-CH2COOH
+
BO
R CH
COOHC64 C
HR
ODas Anhydrid wird erneut halogeniert α-Nitrosierung von Carbonylverbindungen Salpetrige Saumlure HNO2 ist in der Lage Carbonylve ndungen in α-Stellung sauer oder basisch katalysiert zu nitrosieren und zwar aufgrund folgender Eigenschaften
1 HNO2 kann Basen protonieren
rbi
OH
OH NO H ONO(-)(+)
+ 2 Aus HNO2 kann man NO+ als Elektrophil erhalten
H(+)
OH NO(+) (+)
+ H OH
NO H2O + NO
Sauer katalysierte α-Nitrosierung
R CH2
C21
ROH(+)
R CH
C27
ROH
R CH C32
R(-)
(+)
R CH
C39
ROH
NOR C
HC45
RO
NO
+ H(+)
-H(+)
+ NO(+)SE1
-H(+)
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO
Skript zum 2 OC-Kolloquium Seite 37 von 37
Basisch katalysierte α-Nitrosierung
R C C RO
R CH C RO(-)
R CH
C RO
R CH
CO
+ OH(-) + RNO2 - RO(-)
H 51 56 62
NORO (-)
71R
NO2 - H2O
Tautermerisierung der α-Nitrosoketone fuumlhrt zu Isonitrosoketonen die zu α-
Diketonen hydrolysiert werden koumlnnen
R CH
C RO
R C C RO
NOHR C C R
O
O
+ H2O
- NH2OH
Isonitrosoketon
NO