von sebastian gohr mit hilfe von tim becker & jan...
TRANSCRIPT
1/100
Organische Chemie II – Teil 2/2 von
Sebastian Gohr mit Hilfe von Tim Becker & Jan Driller
Retrosynthese
Definitionen:
1) Zielmolekül (target molecule): das Endprodukt der Synthese 2) Retrosynthetische Analyse (retrosynthetic analysis): Vom Zielmolekül rückwärts zerlegen
a. Retrosynthesepfeil: => 3) Leicht zugängliches Startmaterial (ready accesible starting material = RASM): kommerziell
erhältlich und möglichst billig 4) Zerlegung (disconnection): Rückwärts gedacht ein Bindungsbruch, wo hingedacht bei der
Synthese eine Bindungsknüpfung ist 5) Synthon: idealisiertes, in der Regel nicht reales Synthesefragment 6) Syntheseäquivalent (synthetic equivalent): Reagenz, das einem Synthon entspricht 7) Transformation funktioneller Gruppen (functional group interconversion FGI)
Synthon-Konzept: Ein Synthon ist ein hypothetischer Baustein, es existiert nicht als eigenständiges Molekül, sondern nur als Struktureinheit in einem Molekül. Synthons sind besonders für die Planungen von Retrosynthesen wichtig. Zunächst zerlegt man das zu synthetisierende Molekül in Synthons, aus denen man sich dann entsprechende Reagenzien für die Synthesereaktion ausdenkt.
Ein negatives C-Atom-Synthon wird als Donor ( d), ein positives C-Atom-Synthon als Akzeptor ( a) bezeichnet, sie leiten sich beide von realen Reagenzien ab:
CH3- Methyl-Donor-Synthon (d-Synthon) z.B. aus dem Reagenz MeLi
CH3+ Methyl-Akzeptor-Synthon (a-Synthon) z.B. aus dem Reagenz MeI
Je nach Abstand des reaktiven Zentrums zur nächstgelegenen funktionellen Gruppe werden die Synthone mit hochgestellten Zahlen beziffert:
Beispiele: Zum Verständnis, nicht zum Wissen Synthon-Typ Beispiel Passendes Reagenz Funktionelle Gruppe
d1 d2 a0
a1
Einfach Synthese
Synthese
1. Synth
Daraus r
2. Synth
Daraus r
e Beispiele:
e von Z-Jasm
e von:
hon-Möglichk
resultierende
hon-Möglichk
resultierende
mon:
keit:
er Synthesew
keit:
e Reaktion:
weg:
2/100
3. Synth
Synthese
1. Synth
2. Synth
3. Synth
Synthese
hon-Möglichk
e von:
hon Möglichk
hon Möglichk
hon Möglichk
e von:
keit:
keit:
keit:
keit:
3/100
4/100
Regeln für Retrosynthesen:
- Möglichst wenige Schritte - Möglichst wenige FGI's - Möglichst starke Vereinfachung (Molekül zerlegen in annähernd gleich große Einheiten) - Schlüssige Mechanismen
o Also keine ungewöhnlichen Intermediate einbauen - Vorzug der konvergenten Systeme, d.h. man arbeitet nicht (!) A B C D E, sondern
[(A B) + (C D)] E - Möglichst von vornherein stereokontrolliert arbeiten
Radikalische Substitutionen
Grundbegriffe: Stabile Radikale:
- Tetramethylpiperidinoxid (TEMPO)
NO 3e2c-Bindung
sterische Abschirmung
o Sublimierbar - Galvinoxyl (hergestellt von Coppinger):
o Mesomere Grenzformeln (hier 8 Stück) o Sterische Überladung
Struktur von Radikalen:
Anion Radikal Kation
5/100
- Methylkation: sp²-Hybridisierung
o trigonal planar
- Methylanion: sp³-Hybridisierung
o tetraedrisch o isoelektronisch zu Ammoniak
- Methylradikal:
o planar
- Trifluormethylradikal:
o 3e2c-Bindung pyramidisiert (elektronischer Effekt)
- Benzylradikal:
o planar (Delokalisierung)
- Adamantan:
o pyramidal (Korsetteffekt)
Zusammenfassung von allen:
6/100
Homolytische Bindungsspaltung bei relativ unpolaren Bindungen:
Bindungsdissoziationsenergien (D; BDE; ΔHdiss): in kJ/mol:
E-E-Bindung E-H-Bindung E-C-Bindung
H H-H 435 H-H 435
Hal
Cl-Cl 247 Br-Br 192I-I 150
H-Cl 426 H-Br 364 H-I 297
H3C-Cl 326 H3C-Br 271 H3C-I 213
O HO-OH 213tBuO-OtBU 159
H-OH 497 H3C-OH 359
C
H3C-CH3 355 tBu-tBu 309
H-CH3 439 H-CH2CH3 418 H-tBu 389
In kcal/mol:
Man kann diese Tabellen benutzen, indem man sich bei einer Reaktion anschaut, was gespalten und was gebildet wird und das dann abzieht oder addiert, z.B.:
ΔHR = 439 + 247 - 426 -326 = -66 kJ/mol
Man kann ungefähre Voraussagen machen, was geht und was nicht (wohlgemerkt unter Nichtbeachtung der Entropie, daher nur ungefähr!). Stabilisierung von Radikalen:
1) Ausnutzen von Mesomerie, also von Delokalisierung (Konjugation):
.
7/100
3e2c-Bindung
o Anmerkung: In Benzylstellung ist ein Radikal stabilisiert, nicht jedoch in Phenylstellung:
2) Sterische Effekte durch Nachbarsubstituenten 3) Hyperkonjugation:
o Als Hyperkonjugation bezeichnet man die teilweise Delokalisierung benachbarter Elektronen(bindungs)paare, durch die ein Teil der Elektronendichte auf das einfach besetzte p-Orbital von sp²-C-Atomen (Radikalstelle) übertragen wird.
Das gleiche wie oben bloß mit Ethan:
Das Ethen-Radikal in der Newman-Projektion mit eingezeichnetem p-Orbital:
Auf Grund von Hyperkonjugation
schwächer und länger
8/100
Radikalische Substitution:
Startreaktion:
Kette:
Abbruchreaktionen:
o CH3· kann auch mit Cl· Reagieren beim Abbruch! o Auf Grund der Konzentrationen ist die Rekombination von Cl· und Cl· Sehr viel
weniger wahrscheinlich als die Reaktion mit Methan o Auch die Abbruchreaktionen bringen etwas Energie, sind aber so gering vertreten,
dass sie bei der Energiebilanz nicht ins Gewicht fallen Die Energie der Reaktion kommt eigentlich nur aus den Kettenreaktionen
Energieberechnung:
Cl CH3 H H Cl H3C + +
∆ 439 426 13
∆ 247 326 79
: 66 Insgesamt verläuft die Reaktion exotherm
Wenn man anstatt Chlor Brom nimmt:
∆ 439 364 75
∆ 192 271 79
: 4 - Man braucht nur den ersten Schritt zu vergleichen - Mit Brom geht das insgesamt nur noch etwas exotherm
o Bei Iod ist das insgesamt schon endotherm
9/100
Verschiedene Produkte durch verschiedene Positionen des Wasserstoffs:
- Für die normierte Produkthäufigkeit teilt man durch die Anzahl der für die entsprechende
Position verfügbaren H-Atome. - Die Ergebnisse sind stark gerundet
Selektivität: krel Verhältnisse:
prim. sek. tert.
Cl2 1 3 4
Br2 1 80 2000 Br2 ist sehr viel selektiver als Cl2
Vergleich der Energieänderungen: Chlorierung:
Das links bedeutet Cl· + R-H und rechts ist halt aufgeteilt nach ·R-Resten
Rprim· z.B. CH3-CH2· Rsek· z.B. CH3-CH·-CH3 Rtert· z.B. tBu-Radikal
Je weiter unten das Produkt liegt, desto niedriger ist die Barriere und umso weiter vorne liegt sie.
10/100
Bromierung:
Merksatz: Radikalische Substitutionen erfolgen bevorzugt an Zentren, an denen das entsprechende Radikal besser stabilisiert ist, also insbesondere in Benzyl-Stellung, und an höher substituierten Kohlenstoff-Atomen. Hammond-Postulat: Zwei auf einer Potentialenergiefläche (das, was wir in den Diagrammen immer als Kurve zeichnen) benachbarte Spezies sind sich strukturell ähnlich, wenn sie auch energetisch ähnlich sind (und umgekehrt). Benachbart sind nicht das Edukt und das Produkt, stattdessen z.B. Übergangszustand und Zwischenstufe (bzw. ÜZ und Edukt oder Produkt).
- Bei der Chlorierung sind die Übergangszustände näher bei dem Edukt Hohe Reaktivität geringe Selektivität
- Bei der Bromierung liegt der Übergangszustand weiter auf der Produktseite als bei der Chlorierung ÜZ näher bei den Produkten niedrige Reaktivität höhere Selektivität Produkte der Bromierung deutlich unterschiedlicher
- Beim Fluor ist fast keine Selektivität mehr vorhanden Weitere Möglichkeiten der Radikalerzeugung: Unter milden Bedingungen: Licht: Photolyse (UV-Licht)
Initiatoren: DBPO:
Das Elektron ist nicht über das π-System stabilisiert, da es in einem Orbital im Sigma-Gerüst sitzt! Prinzip des Starters:
11/100
AIBN:
Bodenstein-Prinzip der Quasistationarität Die gezeigten Mechanismen für Radikalreaktionen lassen die Frage offen, warum eigentlich nicht in jedem Fall die Reaktion zweier Radikale miteinander stattfindet. Der Grund ist die Kinetik: Es reicht eine sehr geringe Anzahl aktiver Radikale zur Umsetzung nach einem Kettenmechanismus, da das Kettenträgerradikal laufend regeneriert wird. Die Reaktion zu den Produkten ist eine Reaktion 1. Ordnung in Bezug auf das Radikal (also ~ [R•]), die Abbruchreaktionen aber sind Reaktionen 2. Ordnung (also ~ [R•]²) . Bei geringen Radikalkonzentrationen sind sie daher sehr viel unwahrscheinlicher, d. h. kinetisch benachteiligt. Man versucht, Radikalreaktionen unter quasi-stationären Bedingungen durchzuführen. Das bedeutet, dass sich bei gegebener Temperatur die Startreaktion und die Abbruchreaktionen die Waage halten sollten und somit die Konzentration der Kettenträger-Radikale konstant und gering bleibt. So stirbt die Reaktion weder ab, noch “geht sie durch”. Es ist wichtig festzuhalten, dass hier die Quasi-Stationarität weder eine willkürliche Annahme noch eine notwendige Folge des Reaktionsmechanismus ist, sondern eine Konsequenz der gewählten Reaktionsbedingungen. Merksatz: Radikalkettenreaktionen werden unter quasi-stationären Bedingungen durchgeführt. Das bedeutet, dass Startreaktion und die Abbruchreaktionen gleich schnell ablaufen und die Konzentration der Kettenträgerradikale konstant und gering bleibt. Synthetisch wichtige Radikalreaktionen: Allgemein ist die geringe Selektivität der meisten Radikalreaktionen ein Grund dafür, dass sie relativ wenige Anwendungen gefunden haben. Es gibt dennoch einige wichtige Reaktionen, die sich grob unterteilen lassen in (X und Y sind unterschiedliche funktionelle Gruppen):
- Funktionalisierungen: Substitution von H durch X. - Umfunktionalisierungen: Substitution von Y durch X. - Defunktionalisierungen: Substitution von Y durch H.
Funktionalisierungen: Halogenierungen:
- Bildung von CH3Cl
o Im Labor ergibt diese Reaktion nur eine schlechte Ausbeute für CH3Cl, in der Industrie ist das
aber in Ordnung, weil man den Rest auch verwerten kann bzw. wieder zurückführen (das CH4). - Bildung von Diphosgen:
Hohe Rehochreak Benzylis
selekt
I
Allylisch Bei der n
Die Stab
Will man
- D
o Stru
o Stru
eaktivität heiktiv es gib
sche Halogen
tiv und aussc
In Benzylste
he Halogenie
normalen rad
bilisierung de Da in Ben Bei Allyl
n das Brom a
Die N-Br-Bi
kturformel v
kturformel v
ißt üblicherwbt nur wenig
nierung:
chließlich ein
ellung gibt es
erung: Wohl
dikalischen B
es Radikals inzylstellung an die Dopp
aber unbedin
O
N
+
indung vom N
von Phosgen:
von Triphosg
weise geringee, die im Lab
n Produkt. D
s gute Chanc
l-Ziegler-Bro
Bromierung v
st in der Ben
pelbindung
ngt in die All
N O
Br
NBSNBS (N-Bro
12/100
:
gen:
e Selektivitätbor interessa
Das liegt dara
en für die Se
omierung (N
von Allylen p
nzylstellung d
lylstellung br
AIBN
om-Succinim
t. Die meistenant sind. s
an, dass die F
elektivität be
NBS-Bromier
passiert folg
deutlich bess
ringen, kann
Br
mid) gehört ni
n Radikalreaiehe nächste
Folgereaktion
ei der radikal
rung)
endes:
ser als in der
n man folgend
r O+
icht zu den s
aktionen sinder Punkt
n sehr viel la
lischen Reak
r Allylpositio
des machen:
N O
H
stärksten…
d
angsamer ist:
tion mit Bro
on.
m.
13/100
Mechanismus: Hier mit Allyl in einen Ring eingebaut, aber vom Prinzip das gleiche wie oben:
Initiatorzerfall:
Startreaktion:
CN
. NO O
BrNO
CN
O
Br
.+
Man beachte die „halben“ Pfeile zur Kennzeichnung der Wanderung von nur einem Elektron der Bindung (die Bindung wird gedanklich in 2 Radikale zerlegt)!
Kettenfortpflanzung:
• Angriff in Allylstellung stabilisiertes Radikal
• Schneller, ionischer Zwischenschritt
• Produktbildung und Regeneration des Kettenträgers
Abbruchreaktionen:
Radikalrekombinationen Warum keine Br2-Addition an die Doppelbindung erfolgt:
Die Reaktion oben findet bei Anwesenheit von HBr statt. Br2 wird sofort nach der Entstehung in der Reaktion "weiterverarbeitet", d.h. es bilden sich keine großen Br2 - Mengen, die notwendig wären um die Addition an die Doppelbindung durchzuführen:
Gleichgewicht! langsam!!
Isomerie
- Na
- Na
Radikali
- Ds
- Mm
Sulfochl Die ChloSulfonyldie unter
N
Mechani S
K
e bei den Wo
Neubildung/auch StereoiNur wenn mansonsten 4
intermediate:
Die Radikalbsind, da nur Mit allen Steman ein defi
lorierung:
orierung vonlchlorid. Anwr anderem zuNettogleichu
ismus:
Startreaktion
Kettenfortpfl
ohl-Ziegler-B
/Existenz vonisomere zu b
man das EdukStereoisome
:
bildung erfoldiese Radikaereoisomereniniertes Isom
n Kohlenwasswendungen sur Derivatisieung:
n:
flanzung:
•
Bromierungsp
n chiralen Zeeachten
kt nicht als Rere
lgt an den beale über Mesn würde man
mer als Edukt
serstoffen insind die Synterung von Al
Schneller Zw
14/100
produkten:
entren Es
acemat einse
eiden C-Atomsomerie stabin damit 8 ver
nimmt!!!
n Anwesenhethesen von Mlkoholen ver
wischenschri
sind nicht nu
etzt, kriegt m
men, die nächilisiert sind.rschiedene Pr
eit von SchweMesylchlorid rwendet werd
itt
ur Konstituti
man beim 2. P
hstgelegen zu
rodukte beko
efeldioxid fü(MsCl) und
den.
ionsisomere,
Produkt ein R
u der Doppe
ommen, selb
ührt selektiv Tosylchlorid
sondern
Racemat,
elbindung
st wenn
zum d (TsCl),
15/100
• Produktbildung und Regeneration des Kettenträgers
Abbruchreaktionen:
Rekombinationen Disproportionierungen
Verwendung von Sulfonylchloriden:
- Zu Synthesezwecken - OH zur guten Abgangsgruppe umfunktionieren - Bildung von Sulfonsäure (starke Säure) - Mit langem Rest Tenside (Kopf polar, Rest unpolar)
Hock'sche Phenolsynthese: („Cumol-Verfahren“)
Isopropylbenzol Autoxidation Cumolhydroperoxid Umlagerung Phenol Aceton Cumol
Sauerstoff ist ein Di-Radikal, es bildet nur eine Bindung aus. Die Radikale am Sauerstoff haben den gleichen Spin, d.h. sie lassen sich ohne Energieaufwand nicht zu einer Bindung vereinen (angeregter Zustand). Die korrekte Schreibweise für O2 lautet daher eigentlich nicht O=O, sondern: ∙O‐O∙ Mechanismus:
Startreaktion:
• Das Phenylradikal ist ein äußerst ungünstiges Radikal.
Kettenreaktionen:
• Die Elektronen des Sauerstoffs sind nicht gepaart, da sie gleiche.
Spins besitzen sitzen in versch. Orbitalen!
A
Folgerea
Bei der WUmlagerpositive Position Barton-R
O
- N- D- D- D
L- D- E- V
M
Norrish-Die Phot
AbbruchreakReko
aktion im sau
Halbac
Wasser-Absprung des O (iLadung geht. sehr wic
Reaktion: Ph
OH HNO2+
- H2O
O
Nur die SchrDie O-N-BinDas NO-RadDas ganze paLösemittelkäDie (eingezeEs ist beim PVerseifung d
Man bekomm
-Young-Reaktochemie ist
ktionen: ombinationen
uren Medium
cetal
paltung würdist genau so t nach der Um
chtig!!!
hotolyse eine
O2
O
H+
H2OOH
ritte mit den ndung ist reladikal hat eineassiert nicht äfigs (= Löseeichneten) WProdukt eine des Oxims
mt an einer n
ktion (Norrisgeeignet Dir
n & Disprop
m: ionisch
s
de der verblewie bei der Wmlagerung v
es Alkylnitril
ON O
h- N
NOH
blauen Reakativ labil e relativ hoheals Radikalk
emittelmolekWasserstoff-A
Keto-Enol-T Funktional
nicht aktivier
sh Teil 2): radikale zu p
16/100
portionierung
he Reaktion (
säurekatalysi
eibende SaueWagner-Meevom Sauersto
ls
hvH
NO
OH
Oxim
6-Rin
ktionspfeilen
e Halbwertszkette, sondernküle um die TAtome am ProTautomerie mlisierung an d
rten Position
photochemiproduzieren:
Umlag
- H2
gen
Sextett-Uml
ierte
erstoff ein Eleerwein-Umlaoff über Mes
O
H+
g-ÜZ
Keto-EnoTautome
bilden die e
zeit/Stabilitän so schnell, Teilchen rumodukt sind acmöglich Oder δ-Positio
eine funktio
ische Reakti
Ri
gerung
2O
agerung)
Acetal
ektronen-Sexagerung, bloßomerie in die
C HH
NO
ol-rie
igentliche B
t bleibt eidass es nur
m; Solvatisiercide. Oxim on
onelle Grupp
on
ingverengun
- Vers
xtett besitzenß halt mit O)e stabilere (g
OHH
+ NO
OHHH
arton-Reakti
ine Weile so innerhalb derung) abläuft
e
g zu Cyclobu
eifung
n ). Die gezeigte)
acide H
ion.
es t
utanen
17/100
- Nichtbindende Orbitale am =O - Die beiden Radikalelektronen sitzen in verschiedenen Orbitalen - Hyperkonjugation die eine Bindung wird labil - Eine intramolekulare Reaktion ist oft schneller als eine intermolekulare Ringverengung
Umfunktionalisierungen: Barton-Decarboxylierung: Ziel ist es eine Carbonsäure abzubauen C1-Kettenverkürzung reaktiveres Carbonsäureintermediat:
- Anstatt mit SOCl2 kann man das auch direkt DCC katalysiert machen - Der Schwefel ist gut, weil er sich mit Radikalen relativ leicht angreifen lässt
Mechanismus:
Startreaktion:
• Das kettentragende Radikal ist nicht das Br· • Die Bindung von C-Br ist schwächer als die von C-Cl
Kettenfortpflanzung:
• Bei dem Radikal im Benzylring existiert eine Mesomerie, wobei nur
eine der Möglichkeiten dargestellt ist! (was für den weiteren Verlauf aber egal ist, da dieser Teil nicht mehr radikaltragend ist)
• Produktbildung und Regenration des Kettenträgers
Abbruchreaktionen:
Rekombinationen etc. (in der Klausur muss das etwas ausführlicher sein!)
SOCl2
h·ν
Kettena Ersatz ei Barton-D
Hunsdie SilbersalDecarbowerden minkompa
K
Sandmey
abbau um ein
iner Carboxy
Decarboxylie
R
O
cker-Reaktio
lze von Carboxylierung” zmüssen und atibel ist.
Kolbe-ElektrDie DmögRadi
EffiznichtStoßgleic
yer-Reaktion
NH2NO+
- H2
n C1:
ylgruppe dur
erung: siehe
ON
S
on:
bonsäuren gezu Bromiden dass die Ver
rolyse: Decarboxylilich. Es findikalkettenme
ziente Rekomt so weit von
ßpartner (die ch wieder zu
n:
OO
rch Br:
auch oben
CCl3.
ehen unter Ei ein. Problem
rwendung vo
erung von Cet eine Dime
echanismus v
mbination, daneinander weElektrode ineiner Dissoz
N+
N
18/100
N
S CCl3
inwirkung vomatisch ist, don elementare
arbonsäurenerisierung staverläuft.
a das ganze deg und b) sie n dem Fall) abziation komm
Cu(I)Br +
R
O
3
+
on Brom einedass die Silbeem Brom mi
n (Carboxylatatt, die nicht
direkt an der können die bgeben, wod
men kann.
N N+ Cu(
BSE
Br
h
O
R +
e “funktionalersalze vor dit vielen funk
ten) ist auch nach einem
Oberfläche pBindungsene
durch es im A
(I)Br
BrET
SET
h·ν
CO2+
lisierende der Reaktion ktionellen Gr
via Elektroly
passiert aergie direkt aAnschluss ni
N N
C
- N2
Cu
.
+
+
isoliert ruppen
yse
a) sie sind an einen cht
Cu(II)Br2
u(II)Br2
19/100
Eigentlich handelt es sich um eine radikalische Substitution am Aromaten. Aromatische Diazonium-Verbindungen lassen sich unter Kupfer(I)-Katalyse in Halogenide überführen. Nettogleichung:
Mechanismus:
Kupfer ist ein typischer SET-Katalysator (“single electron transfer”). Das Kupfersalz kann deswegen formal als Kettenträger einer Radikalkettenreaktion gesehen werden, auch wenn kein freies Radikal vorliegt. Eine Startreaktion ist nicht notwendig. Erzeugung von NO+:
Bildung des Diazonium-Salz:
Soll Bromid an eine Nitrogruppenstelle, so wird die Nitrogruppe zuvor reduziert, z.B. mit Zn und HCl und dann wird wieder Sandmeyer durchgeführt Defunktionalisierungen: Dehalogenierung mit Zinnhydriden (Bu3Sn-H):
- EN Sn = 1,8 & EN H = 2,1 Relativ unpolare Bindung zwischen Sn und H Radikalreaktion
20/100
Beispiel: Startreaktion:
Tributylstannylradikal
Kette:
Abbruch: Radikalrekombination; Disproportionierungen...
Bei der Sn-H-Bindung handelt es sich um eine sehr schwache, relativ unpolare Bindung, die unter Homolyse-Bedingungen leicht gespalten werden kann. Es werden vor allem Brom- und Iodsubstituenten chemoselektiv entfernt, unter drastischeren Bedingungen auch Chlor. Wegen der hohen Toxizität von Zinnhydriden wird vermehrt auf Silane wie (PhSiH3) zurückgegriffen, die aber weniger reaktiv sind.
Sn ist nicht vollständig aus den Produkten zu entfernen kein Einsatz in der Pharma-Industrie Barton-McCombie-Reaktion:
Vorreaktion:
Startreaktion:
• Mit Zinnhydriden ist die Reaktion entwickelt worden, aber man kann
auch andere Radikale nehmen Kettenfortpflanzung:
- I-
21/100
Durch den Bruch der Bindung am O entsteht eine Carbonylgruppe (π-Bindung stärker als σ-Bindung!)
stabiles Teil große Triebkraft Vergleich mit der Barton-Decarboxylierung: auch dort ein π-System zusammen mit Schwefel und Bruch der Bindung in α-Stellung! Verwendung z.B. zur Defunktionalisierung von Zuckern:
Einbringen von Schutzgruppen, um nur eine von vier OH Gruppen zu entfernen:
Die Esterschutzgruppen sind nicht ganz so labil gegenüber Basen Die Reaktion zur Xanthogenat-Bildung kann durchgeführt werden. Intramolekulare Cyclisierung von 5-Hexenyl und 6-Heptenylradikalen: Eine synthetisch wichtige Nebenreaktion (oder Folgereaktion bei radikalischen Reaktionen allgemein) ist die intramolekulare Cyclisierung bei Anwesenheit von Doppelbindungen. Wichtig ist, dass die Radikalreaktion unter Bedingungen durchgeführt wird, bei denen keine direkte Addition an die Doppelbindung erfolgt, weswegen sie vor allem bei Defunktionalisierungsreaktionen auftreten, zum Beispiel bei der Dehalogenierung mit Zinnhydriden, der Barton-McCombie-Reaktion etc.
I
22/100
- Die intramolekulare Reaktion der Cyclisierung ist sehr viel schneller als irgendwelche intermolekulare Reaktionen, wenn die geometrischen Verhältnisse entsprechend passen:
o 3- und 4-Ringe sind enthalpisch ungünstig, 8-, 9-Ringe etc. sind entropisch ungünstig (die Enden finden sich nicht mehr, weil sie so viele Konformationen einnehmen können) 5- und 6-Ringe sind günstig
Die synthetische Bedeutung liegt in der Möglichkeit des Aufbaus von komplexen Kohlenstoffgerüsten in einem Schritt:
Diese beiden Ringe stehen senkrecht zueinander Spiro-Zentrum
Weitere Sache: CN Elektronenziehende Gruppe Doppelbindung reaktiver geht schneller als die H-Abstraktion vom H-SnBu3
R Br+ SnBu3
- BrSnBu3R
CH2
. .CN
Acrylnitril RCH2
C C
NR
CH2
CC
N
H+ HSnBu3
- SnBu3.
Das entstehende Radikal ist ein elektronenarmes Radikal reagiert nicht mehr so gut mit der elektronenarmen Doppelbindung des Acryl-nitril das macht dann die H-Abstraktion
23/100
Eliminierungen Einleitung: Definition: Bei Eliminierungen werden aus einem Molekül zwei Molekülfragmente X und Y entfernt. Sie sind also die Umkehrung von Additionen. Am häufigsten sind so genannte β-Eliminierungen, bei denen die beiden Fragmente vicinal zueinander stehen und die beiden frei werdenden Valenzen durch Ausbildung einer Mehrfachbindung gesättigt werden. Es sind aber auch α-Eliminierungen bekannt, bei denen beide Fragmente geminal am gleichen Kohlenstoffatom sitzen, wobei Carbene erzeugt werden, sowie auch γ-Eliminierungen, die unter Ringschluss zu Cyclo-Verbindungen verlaufen. α-Eliminierung:
Carben
β-Eliminierung:
Styrol
γ-Eliminierung (1,3):
δ-Eliminierung (1,4):
Syn- und anti-Eliminierung: Bei der β-Eliminierung wird zwischen syn- und anti-Eliminierung unterschieden:
Weiterhin wird zwischen H,X und Y,X Eliminierungen unterschieden: H,X-Eliminierung:
- Es gibt 3 unterschiedliche Mechanismen: E1, E1cb und E2 - Es handelt sich um idealisierte Mechanismen, zwischen denen ein kontinuierliches Spektrum
realer Reaktionen (Mechanismen) existiert.
24/100
E1-Mechanismus:
- Gute Abgangsgruppe notwendig wird abgespalten Carbeniumion entsteht (wie bei SN1) - Stabilisiert sich durch Abspaltung eines Protons vom benachbarten C - E1 und SN1 sind Konkurrenzreaktionen E1 kann im Prinzip bei gleichen Bedingungen
ablaufen wie SN1 o Es sollten daher für E1-Reaktionen nicht stark nucleophile Lösungsmittel verwendet werden
- Kein Zusatz einer Base notwendig Merksatz: Bei einer E1-Reaktion wird zuerst die Bindung zur Abgangsgruppe heterolytisch gespalten. Charakteristisch ist das Auftreten eines Carbeniumions, welches sich durch die Abspaltung eines Protons stabilisiert. Energieprofil einer E1-Reaktion am Beispiel von tertButylbromid:
- Charakteristisch:
o 2-Stufen-Mechanisums mit Carbeniumion als reaktiver Zwischenstufe o Der 1. Schritt (Austritt von X-) ist geschwindigkeitsbestimmend ( langsam; Austritt
von H+ [2. Schritt] schnell) o Die Reaktion verläuft im nicht-geschwindigkeitsbestimmenden Schritt irreversibel o Unimolekular folgt einer Kinetik 1. Ordnung:
Merksatz: E1 Umkehrreaktion einer AE-Reaktion, aber auch eng verwandt mit SN1 (E1, SN1, AE verlaufen alle über ein Carbeniumion)
Substitutionsweg:
25/100
Konkurrenz: E1 vs SN1:
Chlor ist eine relativ schwache Abgangsgruppe, Dimethylsulfid hingegen relativ gut, das Verhältnis der Produkte (E1- gegenüber SN1-Produkt) verändert sich dadurch jedoch fast gar nicht.
2 Aspekte: - Natur der Abgangsgruppe unwichtig für den Ausgang der Reaktion. - Bei beiden Reaktionen tritt als Zwischenstufe das Carbeniumion auf Wenn ein ausreichend
gutes Nucleophil vorhanden ist, dann sind E1 und SN1 Konkurrenzreaktionen. Begünstigungen von E1:
- Anwesenheit einer guten Abgangsgruppe: o Beispiele nach steigender Qualität:
Br- < I- < TsO- < TfO- o Bei schlechten Abgangsgruppen ist eine Aktivierung erforderlich:
2 Beispiele:
- X- (die Abgangsgruppe) ist eine schwache Base HX (die konjugierte Säure) ist eine starke
Säure Die Reaktionsbedingungen müssen so gewählt werden, dass H+ bzw. HX durch das Lösungsmittel oder bestimmte zugesetzte Reagenzien abgefangen werden, um der Eliminierung gegenüber der Rückreaktion (Addition) Triebkraft zu verleihen.
- Das Lösungsmittel darf kein gutes Nucleophil sein, sonst würde eine SN-Reaktion ablaufen Das Lösungsmittel muss das Proton abfangen können, darf aber nicht zu nucleophil sein
(das ist relativ schwierig) - Drastische Temperaturerhöhung:
o Bei E1: ΔS > 0 (es werden mehr Teilchen freigesetzt die Unordnung nimmt zu) o Bei SN1 bleibt die Entropieänderung gleich, weil keine neuen/zusätzlichen Teilchen
entstehen E1 ist in dem Fall entropiebegünstigt
Zusammenfassung: Eliminierungen unter E1-Bedingungen werden typischerweise bei erhöhter Temperatur durchgeführt, um die Eliminierung gegenüber der Addition als auch gegenüber möglicher Substitutionen zu begünstigen. E1cb-Mechanismus:
- Es wird eine externe Base zugesetzt das Proton wird in einem vorgelagerten Gleichgewicht entfernt o cb = conjugate base
H
- D- E
Vorausse
- E- E- I
N-
f Typische
- A
-
Das intermedEnergieprofi
o Beis
etzungen fürEine acide SEine starke BIdealerweiseNitrogruppe)Schlechte Abfliegt die Ab
e Substrate (Alkan:
Spezialfall: do Beis
diär gebildetil: spiel: Knoeve
1. Schrit 2. Schrit
r das Vorliegtelle (Proton
Base, da im ee Stabilisieru) bgangsgrupp
bgangsgruppe
Ausgangsve
doppelten Elspiel:
te Anion stab
enagel-Reak
tt: schnell, rett: langsam
gen eines E1cb
n) ersten Schritt
ung des Anion
pe ( Abspae raus) E1
rbindungen)
liminierung (
26/100
bilisiert sich
ktion
eversibel geschwind
b-Mechanism
t die Verbindns, vorzugsw
altung erfolgt1 und SN1 ben
für E1cb:
( reagiert z
durch Abspa
digkeitsbestim
mus:
dung deprotoweise durch π
t langsam nachteiligt
zum Alkin du
altung der Ab
mmender Sc
oniert wird π-Akzeptor-S
erst wird de
urch):
bgangsgrupp
chritt
Substituenten
eprotoniert, d
pe
n (z.B.
dann
27/100
Reaktionsführung mit NaOD: Abbruch bevor das Edukt vollständig umgesetzt ist es entstehen deuterierte Verbindungen
Beweis für das vorgelagerte Deprotonierungsgleichgewicht. Beispiel:
Wenn man beide Verbindungen bekommt (das deuterierte und das eigentliche Edukt der E1cb-Reaktion), dann weiß man, dass das Gleichgewicht existieren muss. Weiterer Hinweis: Eliminierung in D2O schneller als in Wasser
Beispiel:
E2 - Mechanismus:
- E1 zuerst X raus, dann H raus - E1cb zuerst H raus, dann X raus - E2 ist zwischen E1 und E1cb anzusiedeln - Läuft konzertiert/synchron (= in einem Schritt ohne Zwischenstufe) ab, es wird mithilfe einer
externen Base ein Proton abgespalten und gleichzeitig die Abgangsgruppe entfernt - Der E2 -Mechanismus wird am häufigsten beobachtet - Energieprofil einer E2-Reaktion
- Konkurrenzreaktion: SN2 E2 vs SN2:
o Verwandtschaft nicht mechanistisch (versch. Übergangszustände), sondern beide Reaktionen laufen unter ähnlichen Reaktionsbedingungen ab
28/100
o In beiden Fällen sind eine gute Abgangsgruppe und eine gute Base bzw. Nucleophil vorhanden
o E2 ist gegenüber SN2 bevorzugt, wenn: Der zu eliminierende Wasserstoff an einem möglichst hoch substituierten
C-Atom sitzt E2 wird "E1-artiger" (bessere Stabilisierung der Partialladung) • Beispiel:
Einsatz von "nicht-nucleophilen" Basen ( meist stark basisch, aber sterisch
gehindert) kein SN2-Angriff • Beispiele:
o LDA: Lithiumdiisopropylamid
o LiHMDS: Lithiumhexamethyldisilazid
LDA und LiHMDS spielen eine große Rolle bei der
Aldolreaktion o DBN: Diazabicyclononen
o DBU: Diazabicycloundecen
• Mit solchen Basen lassen sich prim. Halogenide, Tosylate und
Epoxide chemoselektiv in einer E2-Reaktion umsetzen o Beispiele:
29/100
- Für E2-Reaktionen ist es notwendig, dass sich die beteiligen Bindungen in einer Ebene
befinden (periplanar) o Grund: Dies ist die Voraussetzung, damit die Reaktion konzertiert ablaufen kann o Möglich, falls die Konformation entweder gestaffelt oder ekliptisch ist:
o Im Prinzip kann die Reaktion aus einer "anti-periplaneren" Konformation (H und X stehen anti zueinander H-C-C-X liegen in einer Ebene) oder aus einer "syn-periplanaren" Konformation (H und X stehen syn zueinander H-C-C-X liegen in einer Ebene) ablaufen.
o Anti günstiger, da die syn-Periplanarität benachteiligt ist (sterische Hinderung/Abstoßung in der ekliptischen Konformation)
Ausnahme: Verwendung einer neutralen Base, die sich durch Ausbildung eines Kontaktionenpaares stabilisieren kann:
Z-Olefin E-Olefin
Vergleich der Mechanismen einer H,X-β-Eliminierung: 1) E1:
- Gute Abgangsgruppen am möglichst hoch-substituierten Kohlenstoff oder π-Donor-Substituenten am Kohlenstoff.
- keine externe Base
30/100
E1cb: - Relativ schlechte Abgangsgruppen - Kohlenstoff mit einem aciden H
o begünstigt durch π-Akzeptor-Substituenten am Kohlenstoff - Zusatz starker Basen
E2:
- Kombination aus einer guten Abgangsgruppe und dem Zusatz einer externen Base 2)
- Bei E1 und E2 Beschleunigung der Reaktion durch bessere Abgangsgruppen und Stabilisierung der positiven (Partial-)Ladung.
- Bei E1cb und E2 beobachtet man Isotopeneffekte. 3)
- Sowohl bei E1 als auch bei E2 sind SN1 bzw. SN2 Konkurrenzreaktionen (bei E1cb gibt es keine Konkurrenzreaktion), gerade bei Zusatz einer nucleophilen Base Verwendung von "nicht-nucleophilen" Basen
4)
- Bei E1cb und E2 sind keine freien Carbeniumionen vorhanden beide können stereoselektiv ablaufen
- bei E1 ist eine Wagner-Meerwein-Umlagerung als Nebenreaktion möglich Zusammenfassung:
E1 E2 E1cb
Qualität der Abgangsgruppe X Gut Gut schlecht
Acides H Nein Nein Ja
Zusatz einer Base Nein Ja Ja
Beschleunigung durch π-Donoren Ja Ja Nein
Beschleunigung durch π-Akzeptoren Nein Ja Ja
Isotopeneffekte für C-D Nein Ja Ja
Konkurrenzreaktionen SN1 (& Umlagerung als
Nebenreaktion)
SN2 /
Anwendung: Schutzgruppentechnik Beispiel 1:
Das obere rote Boc-Schutzgruppe Das untere rote tert Butylether
E1
31/100
Beispiel 2:
Das rote Fmoc-Schutzgruppe
Pyrolytische H,X-β-Eliminierungen:
- Verlaufen spontan und in der Regel unkatalysiert beim Erwärmen (daher pyrolytisch) - Gemeinsamkeiten aller:
o Syn-Eliminierungen o Verlaufen synchron über einen 5- oder 6-gliedrigen ÜZ
Beispiel 1: Esterpyrolyse:
- Sehr drastische Bedingungen notwendig (500°C-600°C) wenn das Molekül noch andere
Gruppen hat sind die meist schon weg, bevor der Ester sich verabschiedet. - Ester mit β-H notwendig
Beispiel 2: Tshugaev-Reaktion:
- Xanthogenate statt Ester bessere Abgangsgruppe "nur" 200°C notwendig
Beispiel 3: Cope-Eliminierung: Pyrolyse von Aminooxiden
- Die Oxidation des NMe2 kann mit H2O2 durchgeführt werden (wird dann zu H2O)
Beispiel 4: Selenoxid-Eliminierung:
in-situ Selenalkohol
- Die in-situ-Verbindung ist nicht isolierbar - Bereits bei Raumtemperatur durchführbar
E1cb
32/100
Regioselektivität von E2-Eliminierungen: Die Regioselektivität ist vom jeweiligen Mechanismus abhängig und wird durch Faktoren bestimmt (die miteinander konkurrieren können). Zaitsev- und Hofmann-Regel Zaitsev - Produkt:
- Bei E1-artigen E2-Eliminierungen entsteht das höher substituierte Olefin - Grund: entscheidend, welches Proton abgespalten wird hier bessere Stabilisierung der
(Partial)ladung ausschlaggebend (bessere Stabilisierung durch höher substituierte Kohlenstoffe)
Thermodynamische Kontrolle Hofmann-Produkt:
- Bei E1cb -artigen E2-Eliminierungen entsteht das niedriger substituierte Olefin (besonders dann der Fall, wenn sterisch gehinderte Basen wie LDA, DBU etc. verwendet werden)
- Grund: Deprotonierung bei E2 geschwindigkeitsbestimmend erfolgt am am wenigsten substituierten Kohlenstoff.
Kinetische Kontrolle Beispiele:
- Geht auch mit NEt3 (Triethylamin; neutrale Base) anstatt dem Chinolin
o Gute Abgangsgruppen und sterisch anspruchslose, eher schwache Base Zaitsev o Schlechte Abgangsgruppen und sterisch anspruchsvolle, eher starke Basen Hofmann
Stereoelektronischer Effekt: Es entsteht das Produkt, welches am leichtesten aus einer anti-periplanaren Konformation erzeugt werden kann. Bestimmt die Regioselektivität ungeachtet der Hofmann/Zaitsev-Regeln Beispiel:
- Br und das grüne H stehen anti-periplanar zueinander - Isopropylrest konformativer Anker (das Cyclohexan bleibt in genau der Konformation wo
Isopropyl äquatorial steht) o In dem Fall von Nachteil für die Reaktion, weil die einzige Konformation mit einem
periplanaren β-H-Atom dadurch benachteiligt wird. Reaktion nur langsam
Chinolin
33/100
Bredt'sche Regel: Besagt, dass unabhängig vom Mechanismus in aller Regel keine Brückenkopf-Doppelbindungen gebildet werden.
dafür keine periplanaren Ausgangssituationen! Stereoselektivität von Eliminierungen:
- Bei Eliminierungen können E-, oder Z-Doppelbindungen entstehen - Nur dann stereoselektiv, wenn die Reaktion streng nach einer syn- oder anti-Eliminierung
verläuft - Das ist nur dann möglich, wenn die Reaktion E2-artig verläuft, E1 ist stereounspezifisch, da die
austretenden Gruppen keine bestimmte räumliche Orientierung zueinander haben müssen: E1 verläuft zweistufig Rotation um die C-C-Einfachbindung möglich
- Bei E2 müssen die austretenden Gruppen anti-periplanar zueinander stehen E2 genau dann stereoselektiv, wenn X und H(/Y) an Stereozentren sitzen.
Beispiele:
Wenn kein Stereozentrum existiert, sind 2 anti-periplanare Konformationen möglich
Stereoselektivität geht verloren:
Man beobachtet in solchen Fällen nur dann die Stereoselektivität, wenn die Reste ausreichend groß sind, so dass sie sich sterisch hindern und damit Einfluss auf die Konformation haben:
1
34/100
Das gilt z.B. auch beim Phenylrest (der bewirkt nebenbei auch noch eine energetische Bevorzugung für die Eliminierungsreaktion durch die Mesomeriestabilisierung des ÜZ):
X,Y -ß-Eliminierungen: Wittig-Reaktion: eine der wichtigsten C=C-Knüpfungsreaktionen
- Die Bildung von O=PPh3 ist die Triebkraft der Reaktion
Peterson-Olefinierung: ähnlich zu der Wittig-Reaktion, aber mit β-Hydroxysilanen
Silanol
- nPr = n-Propylrest (Alkan) - Base E:Z = 95:5, experimentell festgestellt - Säure E:Z = 8:92
-
+
1
35/100
Corey-Winter-Reaktion:
DMAP = recht starke Base
- Die Triebkraft durch die Ausbildung von S=P-Bindungen ist weniger stark als die durch die Ausbildung von O=P-Bindungen
- Die Triebkraft dieser Reaktion ist der entstehende Kohlenstoffdioxid, der als Gas weggeht ( Prinzip von Le Chatelier)
- Diese Reaktion gibt immer (auch bei Edukten, die das sterisch eigentlich nicht erlauben) das Z-Olefin
- Die Konformation wird in der zyklischen Zwischenstufe fixiert auch thermodynamisch ungünstige Z-Olefine mit sperrigen Resten sind möglich
Elektrophile aromatische Substitutionen Eigenschaften von Aromaten:
- Strukturelle Kriterien:
o Durchkonjugiertes π-System
- Elektronische Struktur (Hückel): 4n+2 π-Elektronen o Frost-Musulin-Kreis:
i. am Beispiel von Benzol:
- R
i
i
i
v
Resonanzene
o 150 sind
ii. Man zeicden Kreikommt dMolekülder x-Ac
iii. Nach Hübindende
iv. EntarteteantiaromGrund is
v. Weitere (antiarom
ergie:
muss man n, aber die Te
chne zunächis packt mandie Spitze nal geben die rechse sind antückel ist ein en Orbitale de MOs werde
matischen Cyst Cyclobutad
Beispiele sinmatisch):
icht ganz so endenz stimm
36/100
hst einen Kren dann das Mach unten). Delativen Enetibindend, disolches Systdoppelt beseten zunächst
yclobutadien dien auch so
nd das Cyclo
ernst nehmemt schon
is mit dem RMolekül (wennDie Berührun
rgien der Moe darunter bitem dann arotzt sind. einfach beseauch zur Dir
o instabil.
opropenylkat
en, es kann au
Radius „2β“ un es eine Spi
ngspunkte desolekülorbitalindend).
omatisch, wen
etzt, daher koradikalstrukt
tion (aromati
uch vorkomm
∆H0
∆H0
ge
∆H0ex
=> Re
um die x-Achitze besitzt, ds Kreises mitle wieder (M
nn alle verfü
ommt es beimtur. Aus dies
isch) und –an
men, dass da
= -119
eschätzt = -357 xp = -207esonanzenerg
hse, in dann t dem
MOs über
ügbaren
m em
nion
as 130
9 kJ/mol
kJ/mol kJ/mol gie ∆ = 150 kkJ/mol
- R
-
o
Reaktionsve
o Kein1H-NMR-Kr
o Am •
o chemo chem
o Im InnerentgegenVerschie
rhalten:
ne Addition, riterium: TBeispiel von
Den Benzobeim Anlewiederum (da wo dieVerschiebu
mische Verscmische Verscren (bzw. übengesetzte Ricebung des Si
sondern elekTieffeldverscn Benzol: olkern kann egen eines äuein rotations
e H-Atome siung der H-A
chiebung vonchiebung voner und unter)chtung und sgnals ins Ho
37/100
ktrophile Subchiebung dur
man sich alsußeren Magnssymmetrischind) das Mag
Atome ins Tie
n Doppelbindn Aromaten: ) des Benzolkchwächt das
ochfeld führt:
bstitution rch den Ring
s kurzgeschlonetfeldes B0 ehes Magnetfgnetfeld B0 veffeld versch
dungen: δ = δ = 6-9 ppmkernes geht d Magnetfeld :
gstromeffekt
ossene Spuleein Strom indfeld BL hervoverstärkt undhiebt.
5-6 ppm
m das MagnetfB0 daher ab
ΔH0 ΔH0 ΔH0
e vorstellen, iduziert wird,orruft, welchd daher die ch
feld genau in, was zu eine
= -122 kJ/m
= +8 kJ/mol
= -45 kJ/mo
in der , der es außen hemische
die er
mol
l
ol
38/100
o Beim 13C-NMR geben die Aromaten genau da ein Signal, wo auch die Doppelbindungen ihr Signal geben, weil das zusätzlich erzeugte Feld ja um sie herumgeht hat auf sie keine Auswirkungen.
Beispiel für Aromaten:
Cyclische, planare Moleküle, die über ein durchkonjugiertes π-Elektronen-System mit 4n+2 π-Elektronen verfügen.
o rote Elektronenpaare nehmen am aromatischen π-System teil Beispiel für Nicht-Aromaten: Cyclobutadien:
Cyclobutadien ist sogar antiaromatisch, da es nur die Hückel-Regel nicht erfüllt, aber cyclisch und planar ist, sowie über ein durchkonjugiertes π-Elektronen-System verfügt.
Thiophen Furan
Pyrrol
Pyridin Chinolin 1,3,5-Triazin
Cyclopropenyl-Kation Cyclopentadienyl-Anion
Cyclooc
CycloocDurch di Mechan Zunächs
π-KoDie Adddie Abs
Energies
tatetraen:
tatetraen ist ie Wannenfo
nismus der e
st findet (momplex. dition führt paltung ein
E+
pi-K
schema :
nicht-aromatorm überlapp
elektrophilen
möglicherwe
dann zu einnes Protons d
E+
Komplex
w
tisch, da es wpen die Orbit
n aromatisc
eise – nicht b
nem so genadas aromati
+
E
39/100
wannenförm
weder die Hütale nicht, we
hen Substitu
bewiesen) e
annten σ-Koische System
H
E
H+-
mig
ückel-Regel eeshalb die π-
ution (Whel
eine Annähe
omplex (= Wm wiederhe
EH
+
EH
+
erfüllt noch pElektronen l
land-Mecha
erung des E
Wheland-Krstellt:
+
sigma-Kom
planar ist. lokalisiert sin
anismus):
Elektrophils
Komplex), de
EH
+
plex
nd.
statt
er durch
EH
- D- D
Beispiele
- A Nitrierun
Halogen
Der π-KompDer σ-Komp
o Bew
io And
e: Anmerkung:
ng:
H
nierung:
plex ist nicht plex hingegenwiesen von G
i. Das Proddere Nachwei
: Die π-Komp
NO3 H+ 2
abgesichert,n ist bewiese
George A. Ole
dukt ist ein σismöglichkei
H
mplexe wurde
H2SO4
40/100
, er kann dahen! eh (Nobelpre
C2H5 FBF3
σ-Komplex, dit:
HF/SbF5
Supersäure
[SbF6]H+ -
en meistens n
NO
+
her in der Kla
eis 1994): H
+
der bei tiefer
H H
+
nicht hingesc
OH3O+
ausur auch w
r Temperatur
H
chrieben.
O+ HSO+2
weggelassen w
r kristallisier
O4-
werden
rbar ist
- R
Sulfonie
- D- A
C als Ele
Reaktivitätsro I2 weo Reako Noco Und
[Lös
erung:
Der SchwefeAnwendung
o SchuSchw
o Isoto
ektrophil: Fr
reihenfolge: enig reaktiv;ktiver ist Br2
h reaktiver isd am reaktivssung: Schiem
el im SO3 ist : utzgruppe: Awefelsäure kopenmarkieru
iedel-Crafts-
; SEAr ist rev2 (üblicher Kst Cl2 (üblich
sten ist F (ABmann-Reaktio
elektrophil,
Ab kriegt mankocht rung (für mec
-Alkylierung
Cl AlCl3
+
+
+ 3
41/100
versibel (LösKatalysator: Fher KatalysatBER: zu reakon {wird spä
auch wenn e
n die wieder,
chanistische
g:
ung: Zusatz FeBr3) tor: AlCl3)
ktiv zerstöäter erklärt}])
es nicht gelad
, indem man
Studien):
+ [AlC+
von Ag+
ört den Arom)
den ist!
bei 150 °C m
Cl4]-
AgI fällt aus
mat
mit verdünnt
s)
ter
C als Ele
Eine FrieelektroneAcylieru
- D- E
C
C als Ele
Formald
Gatterma
Gatterma
H C
ektrophil: Fr
C+
O
Acyl
edel-Crafts-Aenziehende S
ung ab. Die AcylieruEine MöglicClemmensen
ektrophil: Fo
dehyd:
ann-Koch-R
C
ann-Reaktion
N HClZnCl2
H C+
iedels-Crafts
Herstell
C+
O+
Acylierung fSubstituenten
ung ist im Gechkeit aus demn-Reduktion:
ormylierung:
Reaktion:
O
H C+
n:
H C N
NH+
s-Acylierung
lung:O
+
funktioniert nn am Aromat
egensatz zur m Acylierun:
O
C+
O H
C+
O
+
NH+
H
HNH
+
42/100
g
Cl
OAlC+
H
+
nicht an deakten sind)
Alkylierungngs-Produkt d
Zn(Hg)HCl
HClAlCl3
HO
+
H C NH+
H
H
H+-
Cl3
O
H+-
ktivierten Arodarum läuft
g nicht reversdas Ethylben
H C+
O
H
O
H+
-
+Acyliumion
H
NH
C+
O
E++
omaten (d.h.z.B. beim un
sibel! nzol zu erhalt
[AlCl4]-+
H /H2OH+
- NH3
[AlCl4]-+
O
. wenn nteren nur ein
ten ist die
H
O
H
O
nmal die
H
- F- M
Vilsmey
- D
- M Halogen
Hydroxy
Für den letztMit welcher
yer-Reaktion:
Der Angriff
Mit welcher
nalkylierung:
yalkylierung:
ten Schritt reGrenzstrukt
:
erfolgt am S
Grenzstrukt
:
R
O
eicht auch schtur man das a
Sauerstoff, w
tur man das a
R'
O H2SO482 %
43/100
hon ganz weangreifen läs
eil das Produ
angreifen läs
4
R R'
O+H
enig Säure (vst ist egal.
ukt dann mes
st ist auch hi
R
OH
+
- HN- HC
vll. auch scho
someriestabi
ier egal
R'
O
+
NMe2
Cl
on nur Wasse
ilisiert ist.
er)
44/100
Umlagerungen mit elektrophilen aromatischen Substitutionen: Fries-Umlagerung:
Umlagerung von Phenolethern:
Orientierung und Reaktivität bei der aromatischen Zweitsubstitution:
Reaktionskoordinate (RK)
- RDS = rate determining step (geschwindigkeitsbestimmender Schritt)
Die Frage ist, ob das wirklich in der Stellung substituiert!
Hammon„Zwei ausich auch Kinetisc„Die Rea Thermod„Das Gle
- I Zweitsub Nitrierun
Nitrierun
PartielleEinen quPositione
nd - Postulatuf einer Poteh energetisch
he Kontrolleaktionsgesch
dynamische Keichgewicht I.d.R. sind fa
bstitution:
ng von Nitro
ng von Toluo
e Geschwinduantitativen Ven erhält ma
t: entialenergiekh ähneln und
e: hwindigkeit e
Kontrolle: entscheidet ü
ast alle elektr
ophenol:
ol:
digkeitsfaktorVergleich den, indem ma
kurve benachd umgekehrt.
entscheidet ü
über das Prorophilen arom
ren fi: er Reaktionsgan jeweils die
45/100
hbarte Spezi“
über das Prod
oduktverhältnmatischen Su
geschwindigke einzelne Po
es sind sich g
duktverhältn
nis (K).“ ubstitutionen
keiten (k) beosition mit ei
geometrisch
is (k).“
n kinetisch ko
ei Substitutioiner Benzolp
ähnlich, wen
ontrolliert.
onen einzelneposition verg
nn sie
er leicht:
Wieso da
1)
2) -
as alles so is
Stärkerer +Ma. ob. ak
o Wei
-I & -M a. starkb. m-dic. z.B.
st: Viele B
M-Effekt als o- & p-dirigiektivierend bz
tere Bsp. für
k elektronenzirigierend bz:
O
Beispielreakt
–I-Effekt (-Ierend (durch zgl. der elektr
r Reste die o-
ziehend dzgl. der SEAr
NO2 C
46/100
tionen:
I < +M) +M negativ
rophilen Sub
- & p-dirigie
deaktivierendr (da in o- un
N
e Ladungen bstitution (erh
erend sind: -O
d nd p-Stellung
in o- & p-Stehöht die Elek
OR , -O- und
g positive Lad
ellung bei dektronendicht
-NR2
dungen bei d
en Grenzformte im Ring)
den Grenzfor
meln)
rmeln)
47/100
HO2N
+
CH2
HO2N
H+
Hyperkonjugation - Alkylgruppen haben keinen I-Effekt! Aber einen M-Effekt über die Hyperkonjugation!
OH OH
HO2N
+
Konjugation
3) -I > +M a. o- & p-dirigierend b. deaktivierend
c. Weitere Beispiele: Cl, Br, I
Überblick über die Substitutenteneffekte bei einer Zweitsubstitution:
Substituent Effekt Dirigiert nach Aktivierend/desaktivierend?O- +I, +M o, p Sehr stark aktivierend
NH2, NR2, OH, OR -I, +M o, p Stark aktivierend NHCOR, OCOR -I, +M o, p aktivierend
Ar (Aryl) -I, +M o, p Mäßig aktivierend R (Alkyl) +I o, p Mäßig aktivierend
H / / / (Vergleichsstandard) Cl, Br, I, CH=CH-COOH -I, +M o, p Schwach desaktivierend
F -I, +M o, p Geringfügig desaktivierend COOR, COOH, CHO, COR, CN, NO2,
SO3H -I, -M m Stark desaktivierend
NH3+, NR3
+, SR2+, CF3 -I m Stark desaktivierend
Kunstgr Reihenfo
Wahl der
Verwend
NH2
- De
Orientie
1) A
2)
riffe für eine
olge der Subs
r Reaktionsb
dung einer H
Br2FeBr3
Die Amino-Geinen m-dirig
erung bei m
Alle vorhand
Substituente
a. die sschw
e gezielte Or
stitutionen:
bedingungen
Hilfsgruppe:
NHBr
BrGruppe ist o-gierenden Su
ehrfach sub
denen Substi
n dirigieren
stärker aktiviwächer als o-
rientierung:
NO
:
H2
Br
r
NaNHC
- und p-dirigubstituenten.
bstituiertem
ituenten dirig
in verschied
ierende Grup- & p-dirigier
48/100
:
O2 Cl2FeCl3
NO2Cl
Br
gierend, baut .
Benzol:
gieren in die
ene Position
ppe gewinntrende Grupp
NO
Cl
Br
Br
N2+
man sie zur
gleichen Pos
en:
(meist sind m
pen)
O2
ReduktionH3PO2
Nitrogruppe
sitionen:
m-dirigierend
Br
B
e um, so hat m
de Gruppen
Br
Br
man
3) E
4) O
Nucleop Beispiele
Drei Ha
1) A2)
3) A
Einführung i
a. Der Ortho-Effekt
a. Wentritt Subs
b. Cl bUmg
phile Substit
e:
uptmechanis
Additions-/ESN1-Mechan
a. SN2 aus d
Arin-Mechan
in Positionen
Angriff an dt:
nn eine meta-das Elektropstituenten einesitzt einen sgebung als d
tution am A
smen:
Eliminierungnismus fällt weg, wedem Innerennismus
n, die an beid
doppelt ortho
-dirigierendephil bevorzugn. starken –I-Efie Carboxylg
romaten:
s-Mechanism
eil der Rückn des Ringes
49/100
den ortho-Po
o-substituiert
e Gruppe megt in der Posi
ffekt, wirkt dgruppe
mus (ipso-Su
seitenangrifferfolgen…)
sitionen bese
en Positione
eta zu einer oition ortho zu
daher stärker
ubstitution) S
f nicht geht (
etzt sind:
en ist (sterisch
o/p-dirigierenum meta-diri
r desaktiviere
SNAr
(sterisch gehi
h) ungünstig
nden Gruppe igierenden
end auf die
indert, der m
g
steht,
müsste
50/100
Additions-Eliminierungs-Mechanismus:
o Z = ziehende Gruppe o X = Fluchtgruppe
N+
N+
N+
OMe O
O
OO
O
O
NaOEtN
+
N+
N+
O
O
OO
O
O MeO OEt
N+
N+
N+
O
O
OO
O
O MeO OEt
N+
N+
N+
O
O
OO
O
O MeO OEtN
+
N+
N+
O
O
OO
O
O MeO OEt
N+
N+
N+
O
O
OO
O
O MeO OEt
N+
N+
N+
O
O
OO
O
O MeO OEt
-
-
-
- MeO-
N+
N+
N+
O
O
OO
O
O OEt
SN1-Mechanismus: Man braucht eine extrem gute Abgangsgruppe N2:
NH2NaNO2
HCl
N+
N +
N2
Nu- Nu
-
Diazoniumion Phenylkation
- Das Phenylkation ist nicht durch Mesomerie stabilisiert (die positive Ladung ist nicht im π-System)!
- Über 15N-NMR kann man zeigen, dass das Phenylkation als Zwischenstufe entsteht, weil sich die Position der Stickstoffatome im Diazoniumion umdrehen kann, das geht nur, wenn die Bindung zum Phenylring bricht:
N15 H2 N15 +N14
N14 +N15
51/100
Mechanismus der Diazotierung:
Reaktionen nach dem SN1-Mechanismus:
- Phenolverkochung
- Iodierung
o Vermutlich I3
- als Nucleophil - Schiemann-Reaktion
N+
NBF4
- T- N2
FBF3+ +
- Reduktion
o vermutlich radikalischer Mechanismus
Siehe auch Sandmeyer-Reaktion auf S. 18!
52/100
Arin-Mechanismus: Beispielreaktion:
Grund: auf jeden Fall nicht sterisch, sondern der Mechanismus:
o Der kleine Unterschied von 45% zu 55% ist möglicherweise sterisch bedingt.
Belege für den Arin-Mechanismus:
1) (radioaktive) Isotopenmarkierung:
2) Abfangreaktionen:
Orbitale
Es handeDreifachsp2-hybrDreifach Weitere
Nucleop
- HBeispiel
N
Tschitsc
N
des Arin-π-S
elt sich nichthbindungen iridisierten C-hbindung bef
Möglichkeit
hile SubstituH- als Abgan:
B+
hibabin-Rea
N
NH-+
Systems:
t um eine üblin dem Ring -Atome bleibfinden sich in
ten, Arine he
ution am Pyringsgruppe:
CH2- Li
+
BuLi
ktion:
H2
NH3 fl.
liche Dreifaclogischerwe
bt vermutlichn 2 p-Orbital
erzustellen:
idin:
.
N
53/100
chbindung, dise nicht erre
h relativ unvelen der sp2-hy
H
NNH2
H
H
da sich die lineichen lässt. erändert und ybridisierten
NLi
+
NH
H
neare Geome Das Systdie zusätzlic
n C-Atome (s
- H2
- NH2-
etrie von tem der chen Elektros. Abbildung
N
N
onen der g).
LiH+
NH2
Retrosy
1) R
2) R
nthesen von
Retrosynthes
Retrosynthes
n Aromaten:
se von Cyclo
se von Tetral
:
ohexylbenzol
lin:
54/100
l:
+
+
Achthier nicht
tung! Die stimmt so t ganz!
55/100
Carbonylchemie Den Standard dazu hatten wir schon bei Kirste, den wiederholt er nicht, da geht er von aus, den können wir. Exkurs: Umpolung der Reaktivität:
- Die Akzeptorzentren sind positiv polarisiert (bzw. tragen positive Ladung) - Die Donorzentren sind negativ polarisiert (oder tragen entsprechende Ladungen)
Normale und umgepolte Reaktivität:
1,n-dihydroxylierte (bzw. dioxygenierte) Verbindungen:
- Umpolungen (blau): in der Mitte treffen sich zwei gleiche Zentren
Herstellung der 1,3-Abstände:
Aldolreaktionen:
Herstellu
Umpolun
1) d2) z3) e
Umpolu Grignard
DiolprodMit OsO
Über die
Corey-S
- D- D
ung der 1,2-A
ng ist, wenn…die normale zwei Akzeptein 1,2-; 1,4-
ungsreaktion
d-Reaktion:
duktion: O4:
e Epoxidierun
m-C
eebach-Reak
Der Anfang Das Anion is
Abstände: m
…. Donor/Akze
tor- oder Don- oder 1,6- A
nen:
CH3
E+
a
ng:
PBA = meta
ktion:
von diesem st mesomerie
mit Acetaldeh
eptorfolge umnorzentren d
Abstand zwis
C Brd
a-Chlorperbe
Mechanismuestabilisiert:
56/100
hyd
mgekehrt wirirekt benachchen zwei fu
Mg
nzoesäure:
us ist analog
BuLi
rd. hbart sind. unktionellen
Nu-
CH3 Mgad
zur Acetalbi
Gruppen vor
Brd
ildung
rliegt.
57/100
o Die S-Atome haben jew. 2 Elektronenpaare o Das Ganze nennt sich α-Effekt.
• α-Effekt: Ein Anion in α-Stellung wird stabilisiert (z.B. auch bei der Peterson-Olefinierung [also auf dem Weg dahin])
Julia-Trick:
- Analogie zwischen einem Michael-System (links) und dem anderen System
Walsh-Orbitalmodell: Das Walsh-Modell geht davon aus, dass die C-Atome im Cyclopropan nicht sp³-, sondern sp²-hybridisiert sind:
H
H
H
H
H
H
Diese Kombination führt zu einer antibindenden Stelle (Blitz), mit der hier die Instabilität des Cyclopropans begründet wird:
Synthes Dihydrox Epoxidie Corey-Se Benzoink
- G
- D- A
Synthes AldolreaAldolkon
- D- D
e von 1,2-di
xylierung mi
erung: s.o.
eebach: s.o.
kondensation
Grüne Binduo Grün
Der erste SchAufgabe des
o aktivo leicho gute
en von 1,3-d
aktion: ndensation (
Das Prinzip Das Produkt
ioxygenierte
it Osmiumtet
n:
ung = neue Bner Pfeil = Vhritt ist die Cs Cyanids: viert die α-Poht einzuführee Abgangsgru
dioxygeniert
sauer):
dieses Mecht ist ein Mich
en Verbindu
troxid (OsO4)
Bindung Verschieben/kCyanhydrin-B
osition en ( nucleouppe
ten Verbind
hanismus wirhael-System
58/100
ungen:
4): s.o.
klappen von Bildung
ophil sein)
dungen:
rd als bekann
Elektronenp
nt vorausgese
Katalysato
paaren
etzt
or
Basisch:
CH3
Problem
Retrosynsind (Kr
Lösungs
1) E
2) D
H
O Ba-
a
m: Bei gekreu
nthetisch zwaeuzkopplungOH
H
O
smöglichkeiteEine Kompo
Doppelt akti
se
H+
H
H
uzten Aldolre
ar schön, abegsprodukte):
H
en für gekreuonente ohne e
ivierte Methy
H
O
H d
eaktionen kom
er die Synthe
OOH
uzte Aldolreenolisierbare
ylengruppen
59/100
O
mmt es zu Pr
ese ist proble
H
O
aktion: e Protonen:
(Malonester
H
O
H
O
roduktmisch
ematisch, da
OOH
rmethode):
H+/H2O
hungen
insgesamt 4
H
O
O OH
H
Produkte mö
OOH
H
O
öglich
H
O
O
EtO
OH
3) (
o Beis
H
OH
H
OH
(Silyl-)Enolea. Hers
H
spiel:
• Mechan
Base E
TemperatuUmlagerun
- CO2
• Das gesdem Pl
• Umlage
ether: stellung von
OMe
OMe
H
H++
OMe
OMe
H +
nismus der S
OO
EtO
O
OHurng
strichelte ist atz nicht hinerungsreakti
Enolethern:
e
- MeOH
H+
T- CH
60/100
Synthesereak
H
O
VO
OH
keine neue Bngekommen ion am Ende
OMe
+
wasserfreiH3OH
ktion:
O
EtO -
Verseifung d
H+/H2O
Bindung, dasist! im Detail:
e
H
OMe
H+-
H
O
des Esters
O
s hat er nur g
OMe
H
+
Oxoniumion
O
EtO
H
O
O O
EtO
gemacht, wei
H
O
OH
il er mit
4) V
b. ande
c. Wie
d. Muk
Verwendung
a. Man
ere Umsetzun
• man Silylen
• •
kaiyama - Al
• w
•
•
g von Enamin
nnich-Reaktio
ng (Enol):
Man brauchtnolether mach
Benötigt einDie Methylildolreaktion:
Wenn man dwieder abgeTiCln weil dgenau definiEnol als Nuc
nen:
on:
61/100
t oben eine ght:
n Proton in deerung setzt im
das mit einer spalten wird as da alles imiert werden wcleophil vord
gute Abgangs
er α-Positionmmer am we
Säure proton daher Ve
m Gleichgewwie viel Cl dadefiniert, dah
- H+
sgruppe S
n, sonst geht’eichen Zentru
niert, kann eerwendung e
wicht vorliegtas sind (3 od
her kein Kreu
- Cl-
Silylenolethe
s nicht um an (hier w
es passieren, eine Lewis-Sät, da kann nic
der 4) uzungsproble
H+/H2O
er
wäre es CH2
dass das SiMäure (TiCl4)cht
em
Aza-AnalogAldolpro
2-)
Me3
gon zum odukt
62/100
- Das Mannich-Produkt ist eine stabile Lagerform für Michael-Systeme. Wenn man eine Michael-System braucht, macht man einfach eine 1,2-Eliminierung:
- Michael-Systeme kann man nicht einfach so in den Schrank stellen, weil die Teile polymerisieren (Sekundenkleberprinzip, der Sekundenkleber ist nebenbei auch ein Michael-System).
Exkurs: Schiff-Basen, Enamine: Synthese Umsetzung primärer Amine mit Carbonylen:
- Das Produkt ist ähnlich zum Halbacetal (Hemiacetal) wird als Halbaminal (Hemiaminal)
bezeichnet - Imine sind furchtbar wasserempfindlich - Meist entstehen Imine in situ
Hydrazone:
Oxime:
- H2O
- H2O
-
UmsetzuO
- EK
Umsetzu
NachtragDas kannherstelle
- e- D-
ung sekundär
H NR
R+
Enamine sinKohlenstoff
ung tertiärer
g zur Aldolren man natürl
en):
enolisierbareDie äußeren 1,3-Abstand
rer Amine m
H
nd durch ihre gute C-Nucl
Amine mit C
eaktion: lich auch intr
e Position nöbevorzugt, doder Michae
mit CarbonylvNR2
OH
Halbaminal
Grenzstruktleophile.
Carbonylen:
ramolekular
ötig (orange Pda die innereel-System
63/100
verbindungen
H+
- H2O
tur als Immo
machen (bes
Pfeile). en zum Vierr
Retrosynth
n:
N+R
H
H+
-
NR R
Immonium
Enamin
niumion mit
sonders gut l
ring führen esemöglichk
+ RH
-
R
HIm
mion
n
t einem negat
lassen sich 5-
keit ist die Al
NRNR2
H+
C
N+R R
H2-
mmoniumion
A
tiv geladenen
- und 6-Ring
ldolreaktion
NR2R2
Aminal
n
ge
(meist)!
64/100
Claisen-Kondensation:
- Man nehme als Base immer das, was man eh schon am Ester dran hat - Man braucht die Base nicht in stöchiometrischen Mengen, es reichen katalytische
Dieckmann-Kondensation (intramolekulare Claisen-Kondensation):
O
OEtH H O
OEt
NaOEt
O
OEt
O
OEt
O
OEt
OEt
O
O O
OEt- OEt-
Henry-Reaktion (Stickstoffanalogon zur Claisen-Kondensation):
- pKa-Werte:
o Aceton: ~ 20-25
o Nitro-Verbindung: ~ 10
• massiv viel stärker als das Aceton
65/100
1,4-dioxygenierte Verbindungen:
- Analogie zu 1,2-dioxygenierten Verbindungen
Reaktion von Enolen mit Halogen-Elektrophilen: Haloform-Reaktion (basisch):
- SN2-Reaktion am Brom
NaOH
α-Bromi
- - G
d Hell-Vol
- P- B
Reaktion Enolate
- D
Eno
P
ierung (sauer
SN2-ReaktioGeht nur eindas Produkt
lhard-Zelinsk
PBr3 = 2P + Br ist die Ab
nen α-haloge
als Nucleoph
Die Base ist
ol
PBr3
r katalysiert)
n am Brom nmal, weil da
protonieren,
kii-Reaktion
3Br2 bgangsgrupp
enierter Carb
hile:
so zu wählen
:
as Gleichgew läge das Gle
n:
e
bonyle:
n, dass sie ni
66/100
wicht beim Edeichgewicht
icht selbst al
dukt stark austärker auf d
s Nucleophil
uf der Enolseder Ketoseite
l mit dem En
R1
Br
O
eite liegt. Wüe.
nolat reagiert
O
O O
H+
Br
ürde man
t
R1
67/100
Spezielle Transformationen:
1) Favorskii-Umlagerung: O
HCl NaOEtO
OEt
+ OEt-
OCl
Cl-
O
OEt-O OEt
EtOH- OEt- HOEt -
a. Anmerkung: Benennung von Polycyclen
Am Beispiel von:
i. Brückenkopfatome suchen (= C mit 3 Bindungen) ii. Wie viele Ringe sind das eigentlich?
so lange Brückenköpfe zerschneiden, bis alles acyclisch ist • Bicyclo
iii. Klammer „[ . . ]“ immer eine Stelle mehr als Ringe • C-Atome zwischen den Brückenköpfen nach Größe sortiert als Zahl
in die Klammer eintragen [3.1.0] iv. Größten Ring suchen
• hexan v. Zusammenschreiben:
• Bicyclo[3.1.0]hexan-6-on
2) Reformatsky-Reaktion:
„verkapptes Enolat“
3) D
R
H Cl
O
Vinylog Beispiel
Die linke
Vinyloge
Durch diein nucle
o Dopo Vario Erlau
Darzens-Gly
OR'Ba
ie-Prinzip:
Vitamin C (A
e OH-Grupp
e Reaktion:
ie Mesomerieophiler Ang
ppelte Umpoliante der Aldubt eine Sele
ycidester-Syn
ase R
Enormale
Reaktivitä
"Lieblingsk
(Ascorbinsäu
pe auf Grund
ie wird die pogriff möglich
lung (- · - = +dolreaktion ektivität in g
nthese:
ClOR'
O
Enolat
ät
lassiker für e
ure):
der besseren
ositive Laduh ist.
O
68/100
+)
ekreuzten Al
H
O
eine Klausur
n Mesomerie
ung auf das 3
H
Nu-
ldolreaktione
O
HR
raufgabe"
estabilisierun
. C-Atom we
H
O
en
OR'
O
R Cl
-
ng sauer:
eitervererbt,
R
OCl
weshalb auc
R
OOR'
O
ch dort
69/100
1,4-dioxygenierte Verbindungen über Michael-Additionen: Die Umpolung steckt nicht in der Michael-Komponente. Corey-Seebach:
H
OSH SH
H
SS BuLi SS-
O SS
O
H+
SS
O
Hg2+
H+/H2O
O
O
1 2 34
SHg
S-
Stetter-Reaktion: Vinyloge Benzoinkondensation
H
O
CN-C
C
OH
N O
OH
OCN-CN-
O
OH
O
O
+
Synthese von 1,5-dioxygenierten Verbindungen: Prototyp:
- Aus der Herstellung von 1,3 dioxygenierten Verbindungen abgeleitet, indem man das
Michael-System der 1,4-Darstellung verwendet
- E
RobinsonZiel: Au
- I- E
d- M
Mechani
Entsprecheno Muk
• •
o Dop
N
o Mit
n-Anellierunufbau von Rin
In dem orangEine Dominodass man zwMan geht voSeite vom A
ismus der Re
O
Base- HB+
d auch analokaiyama-Var
TiCl4 Lew2. Aufgabe
ppelt aktiviert
C CN
H H
Enaminen: A
ng: ngsystemen,
gen Stück steo-Reaktion =
wischendurchon einem Ket
Angriff enolis
eaktion:
O
oge Tricks, urtiante:
wis-Säure we der Silylgrute Methyleng
CN 2
Analog zu de
z.B. einen T
eckt ein Mic= 2 Reaktionh was isoliereton aus, setztsierbare Proto
O
H-
O
70/100
um das Kreuz
wirkt koordiuppe: beim Agruppen:
O
Base
en Silylenole
Teil vom Ster
hael-Systemnen verlaufenen muss at das mit eineonen hat) um
O
/H2OH+
H2O
zungsproblem
inierend Abspalten m
CN
O
1
3
ethern
roid-Gerüst (
m n direkt nacheauch Tandemem Michael-
m und macht
O
HO
m zu umgehe
ithelfen
C CN
O
2 6
3
4
5
7
(grün):
einander im m-Reaktion ge-System (dasnoch eine A
O
+ HB- Bas
O
en
selben Kolbeenannt
s auf der andeAldol-Reaktio
O
O
B+se
en, ohne
eren on
O
O
71/100
1,6-dioxygenierte Verbindungen: Weder Schnitte in der Mitte noch am Rand führen zu einfachen Syntheseverfahren Ozonolyse mit Diels Alder als Königsweg nix mehr mit Vinylogie-Prinzip, sondern viel einfacher
O
O
O
O
-
O3 Diels-Alder
+
+
- Geht bei 1,5 nicht so wirklich, weil das dann ein Cyclopenten bilden würde
Mechanismus der Ozonlyse:
OO
O+
O
OO
C+
OO
OO
O
O
Zn/AcOH
O
O
Beispiele:
O
OEtDiels-Alder
O
OEt
O3
ZnH
+/ H2O
O
OEt
OH
H
O
O
O
H H
O
EtO
+1.
2.
- Durch die Diels-Alder-Reaktion ist ein hohes Maß an Stereokontrolle gegeben
OEt
72/100
trans Reaktionen über Elektronensextetts: Nicht zu wörtlich nehmen, d.h. nicht, dass immer ein freies Elektronensextett vorhanden ist, es kann auch konzertiert während der Reaktion auftreten. Beispiele: Wagner-Meerwein-Umlagerung:
Carben, Nitren und "Oxen":
- "Oxen" bezeichnet man eigentlich als Sauerstoffatom
Bayer-Villiger-Oxidation:
- als Persäure wird bevorzugt m-CPBA (m-Chlorperbenzoesäure) verwendet - Wanderungstendenz des Restes R gegenüber R‘:
o Ph > tert > sek > prim > CH3
Keton Ester Persäure Carbonsäure
OEt OEt
EtO
73/100
Beispiele: a)
D3C CD3CD3
OHCD3
CD3
CD3
Zielmolekül
Cl
D9
AlCl3
D27
AlCl3 OCl
O
D18
m-CPBA
O
O
D18
NaOHH2O
OH
D18
o DX steht jeweils für die Anzahl an Deuteriumatomen im Molekül b)
O
m-CPBA O
O
Beckmann-Umlagerung:
R R'
O NH2 OH
H+
R R'
NOH konz. H2SO4
OximR R'
NO
+H
H - H2O N
R'
R
+
N+
R'
R
konzertiert
Nitriliumion
O R'
NR
H
H+H
+-O R'
NR
HH+
O R'
N+
R
H
H
O R'
NHR
H+-
Amid
+ H2O
- O ist nicht basischer als N, aber im GG ist es hier die produktivere Stelle - Die Wasserabspaltung verläuft konzertiert
o Es wandert immer die Gruppe, die dem Wasser gegenüber steht
74/100
Kettenverlängerung nach Arndt-Eistert:
R OH
O SOCl2
R Cl
OCH2 N N
+-
Diazomethan
Add.
R Cl
O CH2
N N+
tetraedr. Intermediat
RN
NO
H H
H+-
RN
NO
H
+
-
+
RN
NO
H
+
Azoketon
N2-RH
ORC
H
OH2O
Keten
OHR
O
H H
Acyl-Carben
Cl-
Ag2O
+
(Elektronensextett) - Diazomethan in etherischer Lösung ist okay, in reiner Form neigt es zur Explosion! - Ketene reagieren sehr leicht mit Wasser
Wolff-Umlagerung:
RC*
C
O
H
N+
NR
C*C
O
H
- N2
Ketocarben
OC*
CR
H
C CO
HR* R
C* O
H
OC
CR
H*
Ag2O
1 1:
Reaktionen von Ketenen mit Nucleophilen:
75/100
Abbau-Reaktionen für Carbonsäuren (/-derivate): Allgemeiner Mechanismus:
- LG = Leaving group - Carbaminsäuren sind nicht besonders stabil -CO2 Amin
Hofmann-Säureabbau:
R NH2
OOH-
R NH
O Br2/OH-
OH Br R NH
Br
OOH-
- H2OR N Br
O
Br-
R N C Onicht isolierbar
H2ORNH
OH
O- CO2
R NH2
Lossen-Abbau:
R NH
OHO
Cl
O
Base R NH
OO
OHydroxamsäure
BaseR N O
O
O
O
O-
R N C Onicht isolierbar
O-Acylderivat derHydroxamsäure
76/100
Curtius-Abbau:
R Cl
O N N N+- -
Add.-Elim-Mech. R NN
+
N
O
R NN
+
N
O
R N C Oisolierbar
HNu
RNH
Nu
O
- N2
Schmidt-Abbau:
Heterocumulene: Allgemein:
Es gibt kein Stereozentrum in diesem Molekülabschnitt, aber es ist trotzdem chiral, weil die 4 Substituenten in 2 senkrecht aufeinander stehenden Ebenen liegen:
- Die Drehachse geht schräg durch die Blattebene von unten nach oben durch das mittlere C-Atom.
Addition von Nucleophilen an Heterocumulene:
Ein paar Beispiele:
RN
CO
R' NH2 RN N
H
OHR' R
NH
NH
OR'+
Ketene: Synthese
1) A2) K
3)
Reaktion
1) A2)
3) K
Isocyana Synthese
1) C2)
e: Arndt-EisterKetenmecha
nen: Addition von[2+2]-Additi
Ketendimeri
o Zuga
ate:
e: Curtius-Abb
rt-Reaktion anismus:
n Nucleophilionen mit Al
isierung
ang zu 1,3 A
bau
len lkenen
Abständen üb
77/100
ber Ringöffnu
- Cl-
ung
Reaktion
1) M
Isothioc
- D- 2- I
Kohlend Angriff m
o Phos
nen: Mit Nucleop
cyanate:
Den abgespa2. Gewinn: DIn Reihe sch
dioxid /Kohl
mit Nucleoph
+
sgenersatz:
philen: Ca
altenen Teil kDie Kette ist halten Seq
lenstoffdisu
hilen an Koh
arbaminsäure
kann man chum 1 verkür
quenz rauskri
lfid:
lendioxid:
78/100
en, Urethane,
hromatographrzt iegen
, Harnstoffe
hisch analysiieren
79/100
Warum Kohlensäure in Wasser instabil ist:
Angriff mit Nucleophilen an Kohlenstoffdisulfid:
- Kommt vor in:
o Barton-McCombie-Reaktion o Tshugaev-Reaktion
Ylide: Einleitung:
- Beispiele:
Synthese von Yliden: Allgemein:
Beispiele:
- R z.B. Phenylring
- R Herstellu
Reaktion Wittig-R
-
R z.B. Pheny
ung des Phos
o Das
nen über Ylid
Reaktion:
Sehr schöne
ylring
sphonium-Yl
Ylid kann m
d-Intermedia
Reaktion zu
lids:
man sich hier
ate:
um Aufbau v
80/100
nur über die
on Doppelbi
e Grenzstrukt
indungen, ga
1
tur vorstellen
ab sogar mal
n
den Nobelpr
reis.
81/100
Beispiel:
- man verwendet Aldehyde oder Ketone, keine Ester! - Es lassen sich so gezielt unsymmetrisch substituierte Doppelbindungen erzeugen - Das ist auch eine Redox-Reaktion von +III auf +V beim Phosphor - Problem: oft cis/trans – Mischungen
o Meist Überschuss an cis - Olefinen Horner-Wadsworth-Emmons-Reaktion (HWE-Reaktion):
(EtO)3 P BrO
OEt SN(EtO)2
P
HH
O O
OEtBase
- EtBr (EtO)2
PC
O O
OEtH
-+
pKa ~ 18
(EtO)2
PC
O O
OEtH
-H
O P O
H CH3HOOEt
O(EtO)2 P O
H CH3HOOEt
O(EtO)2
CH3
H
H
EtOOC(EtO)2 P
OO
+
+ o Diese Reaktion ist trans-selektiv
Schwefel-Ylide:
- Geht gut, wenn man 3 gleiche Reste dran hat, oder einen Rest der eine besonders gut Acidität
hat (z.B. bei den Aromaten der Fall)
Pe
Reaktion
- A
- A
ericyclisch
- z- s
- f Klassen Cycload [4n+2]: G
[4n]: Ge
- ErhaltunReaktion
Die Rdurch di
- N
n als Nucleop
Allgemeine R
Angriffspunk
he Reaktio
z.B. Diels Asind konzert
o habefolgen keine
pericyclisch
dditionen:
Geht gut
eht nicht v
[…] gibt die
ng der Orbitanen sind dannReaktionen sie OrbitalsymNicht zu wis
phil:
Retrosynthes
kt bei der W
onen
lder ierte (einstufen keine Inteem Schema á
her Reaktio
erlaubt
verboten
Anzahl der
alsymmetrie:n erlaubt, weind nicht dur
mmetrie. ssen, aber ma
semöglichke
Wahl zwischen
fige) Reaktioermediate á la nucleoph
nen:
+
beteiligten π
: enn die Symmrch sterische
an sollte es m
82/100
eiten für Epox
n (konjugiert
onen
hil/elektrophi
π-Elektronen
metrie der Ooder elektro
mal gehört ha
xide:
ter) Doppelb
il und es sind
an.
Orbitale erhalonische Effek
aben
bindung und C
d auch keine
ten bleibt kte kontrollie
Carbonylbin
Radikalreak
ert, sondern n
ndung:
ktionen
nur
83/100
Elektrocyclische Reaktionen:
Sigmatrope Umlagerungen (SU):
Chelatro
Konstru Beispiel
- H- L- H
ope Reaktion
uktion von M
: Diels-Alder
HOMO: HigLUMO: LowHOMO + LU
n:
Molekülorbi
r-Reaktion
ghest occupiewest unoccupUMO: Grenz
italen:
Dieed molecularpied moleculzorbitale
84/100
en r orbital lar orbital
Dienophil
85/100
Cycloadditionen - Ableitung der Woodward-Hoffmann-Regeln aus Grenzorbitalbetrachtungen: [4n+2]:
- Bei den gestrichelten Bindungen überlappen Orbitale mit gleichem Vorzeichen bindend
erlaubt [4n]:
- Es überlappen Orbitale mit versch. Vorzeichen antibindend verboten
Exo/endo-Produkte bei der Diels-Alder-Reaktion:
86/100
- Exo bei höherer Temperatur (da thermodynamische Kontrolle "thermodynamisches Produkt") o Gleichgewichtseinstellung ergibt Produktverteilung
- Endo bei niedriger Temperatur (da kinetische Kontrolle "kinetisches Produkt") o Übergangszustände bestimmen Produktverteilung
Das Hammond-Postulat gilt hier nicht "anti-Hammond" (Eigenerfindung von Schalley)
87/100
- Immer ein HOMO und ein LUMO miteinander verbinden, nie 2 besetzte (HOMO) oder 2 unbesetzte (LUMO) miteinander!
- Pericyclische Reaktionen sind orbitalkontrolliert, nichts mit sterisch etc. - Man darf die Vorzeichen der Orbitale umdrehen, wenn man alle (!) Vorzeichen des Moleküls
umdreht! Sekundäre Orbitalwechselwirkungen: Die primären Orbitalwechselwirkungen sind die bei denen die neuen Bindungen entstehen, die sekundären helfen oder behindern das. Aufmalen von Molekülorbitalen:
- Nur das beteiligte π-System zu malen reicht aus (dabei auch auf die sekundären WW achten) - Bei den energieärmsten (unten) keine Knoten, bei den energiereichsten (oben) zwischen allen
Orbitalen ein Knoten - Die Knotenzahl steigt von oben nach unten sukzessive an
o Die Knoten werden möglichst symmetrisch verteilt
Cyclopentadien Maleinsäureanhydrid
88/100
Übergangszustand für das exo- und endo-Produkt der Diels-Alder-Reaktion von Cyclopentadien mit Maleinsäureanhydrid: [4+6]
Zur Orbital-Überlappung des endo-Produkts:
- Die rechten beiden Überlappungen sind die, die nachher die Bindungen ergeben. - Die linken Orbitale überlappen ebenfalls passend das führt zu zusätzlichen bindenden
Wechselwirkungen, daher ist das endo-Produkt kinetisch günstiger das nennt man sekundäre Orbitalwechselwirkungen
- Anmerkung: Es ist übrigens egal, bei welchem Reaktionspartner man das LUMO und bei welchem man das HOMO einmalt, man kommt auf das gleiche Ergebnis
Zweites Beispiel: [4+6]
exo endo
kinetisches Produkt thermodyn. Produkt
89/100
Die Carbonylgruppe spielt bei der Reaktion nicht mit, darum kann sie hier bei der Orbitalbetrachtung raus gelassen werden:
Beim Endo-ÜZ gibt es hinten antibindende WW erlaubt, aber kinetisch ungünstiger thermodynamisches Produkt
endo und exo kann man nicht automatisch als thermodynamisches bzw. kinetisches Produkt einordnen! 1,3-dipolare-Cycloaddition (1,3-dip. CA): 1,3 = Angabe, wo sich die beiden Enden des Dipols befinden Beispiel Ozonolyse:
OO
+
O OO
2+
O-
OO
+
O OO
O
cisPrimärozonid
H
O
H3CHCO
O-
+
H3CHCO
+O-
Carbonyloxid
OO
O
Acetalanalogon
H2O2
H+/H2O
OH
O
OH
O
H
O
H
O
H+/H2O
Zn
Sekundärozonid
1,3-dip. CA Retro-1,3-dip. CA +
1,3-dip. CA
++
90/100
π-Systeme:
Ethen Analogon zum Ozon: Allylsystem Allylkation Allylanion („Ozon“)
Orbitalbetrachtung des Angriffs von Ozon an eine Doppelbindung:
Andere 1,3-Dipole: Kamen nicht alle in der Vorlesung vor!
91/100
Reaktion dieser 1,3 – Dipole mit Olefinen:
ab
c+
-c
ba
a b c+-
cb
a
In der Vorlesung kamen nur folgende Beispiele ran: Diazoalkan:
CH2 N+
NN
+N
Nitriloxid:
Azide:
[2+2]-Cycloadditionen: gilt auch für [4+4] und [6+6] etc.
thermisch verboten!
Alternative: Photochemische Anregung:
92/100
MO-Schema:
- Das angeregte HOMO (excited HOMO) nennt man eigentlich SOMO (single occupied
molecular orbital). - In der Reaktionsmischung existieren normalerweise wenige angeregte und viele nicht
angeregte Moleküle. - Wir betrachten keine Triplett-Zustände für photochemische Reaktionen, das ist was für
Fortgeschrittene Anwendungsbeispiel in der Retrosynthese:
OO
hv H
H
O
O T
O
O
[2+2][4+2]
+
Ausnahme:
- Die π-Systeme des Ketens stehen senkrecht zueinander:
- Über eine schräge Annäherung an beide π-Systeme kommt es zu einer bindenden
Überlappung (grüne Pfeile).
93/100
Elektrocyclische Reaktionen: Man unterscheidet kon-(con-) und disrotatorische elektrocyclische Reaktionen: Conrotatorisch:
Orbitalbetrachtung: rückwärts angegangen
- Teile das Molekül in Gedanken - Konstruiere 1x HOMO & 1x LUMO
o Bei der Schnittstelle der beiden Teile muss sich eine bindende Überlappung befinden
Die Regeln angewandt auf unser Molekül:
Ethen Ethen
D DH H
conrotatorischH DD H
und
D HH D
HOMO LUMO
Schnittstelle
1 : 1 Disrotatorisch:
cis
94/100
Orbitalbetrachtung:
Ethen 1,3-Butadien
LUMO
HOMO disrotatorisch und
Beweis, dass man das Molekül auch anders zerlegen kann:
Allylkation Allylanion
Beispiele
Das 2. Bäußeren Retro-el
Bei cis melektrocy
- b- b- b
Siehe zuAbbildun
e für elektroc
Beispiel geht C in untersc
lektrocyclisc
mit 261 °C giyclische Reabei beiden: kbei trans: EAbei cis: EA =
ur gedanklichngen auf S. 8
cyclische Re
nicht, weil bchiedliche Ri
che Reaktio
ibt es das gleaktion mehr, k = 10-4 s-1 A = 120 kJ/mo= 170 kJ/mol
hen Vorgehen83.
aktionen:
H
H
H
H
d
c
gebei der conrochtungen geh
nen:
eiche Produksondern ein
ol
nsweise bei d
c
95/100
[4n+2]
disrotatorisc
[4n]
conrot.
eht nichtotatorischen Bhen würden.
kt wie bei traBindungsbru
der Überprüf
conrotatorisc
HH
ch
Bewegung di
ans mit 87 °Cuch auf Grun
fung, was ge
ch
HH
H
ie beiden Bin
C, aber bei cisnd der zugefü
eht und was n
ndungen zum
s ist das keinührten Energ
nicht auch di
m
ne gie.
ie
96/100
Sigmatrope Umlagerungen: Antarafacial:
- Wanderung des Restes von Ober- zur Unterseite des π-Systems Suprafacial:
- Wanderung des Restes auf der gleichen Seite des π-Systems 1,3-sigmatrope Umlagerung:
H
LUMO HOMO (C-H) LUMO (C-H)HOMOH
Die Orbital-Betrachtung sagt suprafacial geht nicht (keine bindenden WW) es müsste antarafacial sein, das geht aber aus sterischen Gründen nicht, die Positionen sind einfach zu weit voneinander entfernt: In einem längeren konjugierten System, wie in einem Trien, wird die [1,7]-antarafaciale Verschiebung durch eine gewisse helicale Struktur ermöglicht (kommt später). 1,5-sigmatrope Umlagerung: suprafacial
- Abgebildet sind das LUMO des Diens (4 Elektronen verteilen LUMO bei 2 Knoten) und
das HOMO von C-H. - Die Reaktion kann als eine Cycloaddition der C-H-σ-Bindung an die π-Orbitale des Diens
gedeutet werden: HOMO (σCΗ ) ↔ LUMO(Dien). - Wenn das H-Atom um fünf Bindungen verschoben wird, muss die Umlagerung suprafacial
erfolgen. Nur dann können auch die π-Bindungen konzertiert wandern.
97/100
1,7-sigmatrope Umlagerung:
- HOMO bei C-H; LUMO beim Trien (6 Elektronen verteilen LUMO bei 3 Knoten) - Helicale Struktur geometrisch möglich antarafacial
Beispiel: Vitamin D2: (nicht auswendig zu wissen!)
OHH
Hhv
OHH
H
OHH
ErgosterinPräcalciferol
Vitamin D2
[4+2] Retro-elektro-cyclische Reaktionconrotatorisch
antarafaciale1,7-SU
- Das findet bei Sonneneinfall in der Haut statt.
3,3-sigmatrope Umlagerung (Cope-Umlagerung):
98/100
Orbitalbetrachtung: In der Sesselform:
- 2'-3' und 3-2 sind die Doppelbindungen - 1-2-3 Allylanion - 1'-2'-3' Allylkation - suprafacial - bei vertauschtem HOMO LUMO klappt das genau so, da ist dann bei 2 und 2' nur das o
Sechsring gibt es aber auch noch in Wannenform:
- Die Umlagerung klappt zwar, aber durch die antibindenden sekundären Orbital-
Wechselwirkungen ist das ganze ungünstiger als in der Sessel-Konformation. - auch suprafacial
Hetero-Cope-Umlagerung: präparativ wichtig
Cheletrope Reaktionen: Unterschied zu den Cycloadditionen: Bei einer der beteiligten Komponenten werden die neuen Bindungen zum gleichen Atom geknüpft. [4n+2]: (Retro-Reaktion):
SO
OS
O
O+
- Retro-Reaktion, weil sie in der anderen Reaktionsrichtung meist nicht abläuft Orbitalbetrachtung:
- Das SO2 nähert sich in einer end-on Weise (= linear) an
99/100
Deshalb wichtig, weil man damit "lustige" Diene machen kann:
- Das Produkt kann man anders eigentlich kaum machen, und es ist auch nicht besonders
langlebig für eine Diels-Alder Reaktion einfach in situ herstellen Dienophil zu dem Edukt geben und heizen
[4n]:
Molekülorbitale:
Ethen Carben
Annäherung: Lineare Annäherung: end-on:
- Egal in welcher HOMO/LUMO-Kombination, es gibt immer antibindende WW.
Nicht-lineare (side-on) Annäherung:
- Das Carben bewegt sich gewissermaßen seitwärts auf das Alken zu.
Δ
100/100
2 Aspekte, die er einfach nur mal erwähnt haben wollte: Reaktionsgeschwindigkeiten: Je kleiner der HOMO-LUMO-Abstand bei den Orbital-Energien, desto schneller die Reaktion. Regioselektivität:
Hauptprodukt (HP) das, wo die beiden großen und die beiden kleinen Orbitalkoeffizienten überlappen. Zusammenfassung der Woodward-Hoffmann-Regeln (für thermische Reaktionen):
[4n + 2] [4n] Aussage über Cycloaddition erlaubt verboten erlaubt/verboten
Elektrocyclische Reaktion disrotatorisch conrotatorisch Stereochemie Sigmatrope Umlagerung suprafacial antarafacial Stereochemie
Cheletrope Reaktion end-on (linear) side-on (nicht-linear) Annäherung im Übergangszustand
- Bei photochemischen Reaktionen drehen sich diese Regeln häufig genau um.