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Skript zur Vorlesung OC 2- Gattermann von Prof. Dr. T. Carell 1 Radikalische Substitution .................................................................................... 1
1.1 Radikale ....................................................................................................... 11.1.1 Radikalentstehung ................................................................................ 11.1.2 Allgemeine Eigenschaften von Radikalen ............................................. 21.1.3 Sterische Faktoren ................................................................................ 31.1.4 Elektronische Faktoren ......................................................................... 4
1.1.4.1 Stabilitt der CH-Bindung per se .................................................... 41.1.4.2 Mesomeriestabilisierung ................................................................ 51.1.4.3 Induktive Stabilisierung (Hyperkonjugation) ................................... 6
1.2 Reaktivitt von Radikalen ............................................................................. 71.2.1 Bell-Evans-Polanyi-Prinzip .................................................................... 71.2.2 Hammond-Postulat ............................................................................... 8
1.3 Allgemeine Reaktionen von Radikalen ....................................................... 101.3.1 Verlust der Radikaleigenschaft ............................................................ 101.3.2 bertragung des Radikals ................................................................... 101.3.3 Die Begriffe stabil/instabil vs. labil/inert ....................................... 11
1.3.3.1 stabil - instabil ......................................................................... 111.3.3.2 inert labil ............................................................................... 12
1.4 Beispiele fr Radikalreaktionen .................................................................. 121.4.1 Radikalkettenreaktionen ...................................................................... 12
1.4.1.1 Mechanismus ............................................................................... 121.4.1.2 Entstehung des Zndradikals: ...................................................... 131.4.1.3 Reaktivittsreihe .......................................................................... 131.4.1.4 Reaktivitt vs. Selektivitt ............................................................ 14
1.4.2 Radikalische Substitution an Aromaten ............................................... 171.4.3 Sulfochlorierung / Sulfoxidation ........................................................... 181.4.4 Radikalische Addition an Doppelbindungen ........................................ 181.4.5 Wohl-Ziegler-Bromierung (Bromierung in Allylstellung) ....................... 191.4.6 Peroxygenierung (Reaktionen von Radikalen mit Sauertsoff) ............. 201.4.7 Defunktionalisierungsreaktionen ......................................................... 21
1.4.7.1 Barton-McCombie-Reaktion ......................................................... 221.4.7.2 Leicht abgenderte Barton McCombie mit Thiocarbonyldiimidazol
..
..................................................................................................... 231.4.8 Ozonabbau .......................................................................................... 231.4.9 Radikale in der Natur .......................................................................... 24
2 Nukleophile Substitution am sp3 -C-Atom ........................................................... 252.1 Allgemeine Grundlagen zur nukleophilen Substitution ............................... 252.2 Prinzipielle Reaktionswege ........................................................................ 26
2.2.1 SN1 ...................................................................................................... 262.2.2 SN2 ...................................................................................................... 262.2.3 SSi, Sp .................................................................................................. 27
2.3 Die SN1-Reaktion ....................................................................................... 282.3.1 Energieprofil und Kinetik der SN1-Reaktion ......................................... 282.3.2 Stereochemischer Verlauf der SN1-Reaktion ...................................... 292.3.3 Einfluss des Lsungsmittels auf SN1-Reaktionen ................................ 312.3.4 Substituenteneffekte auf SN1 .............................................................. 31
2.3.4.1 Hyperkonjugation ......................................................................... 312.3.4.2 Mesomerie ................................................................................... 322.3.4.3 Sterische Faktoren ....................................................................... 32
-
2.3.5 Einfluss der Abgangsgruppe ............................................................... 342.4 Die SN2-Reaktion ....................................................................................... 36
2.4.1 Reaktionsprofil und Kinetik der SN2-Reaktion ..................................... 362.4.2 Stereochemischer Verlauf der SN2-Reaktion ...................................... 382.4.3 Substituenteneffekte auf die SN2-Reaktion ......................................... 392.4.4 Lsungsmitteleffekte ........................................................................... 402.4.5 Einfluss des Nukleophils ..................................................................... 412.4.6 Stereoelektronische Effekte auf SN2-Reaktionen ................................ 412.4.7 Beispiele fr wichtige SN2-Reaktionen ................................................ 42
2.4.7.1 Alkohole und Ether ....................................................................... 422.4.7.2 Alkylhalogenide / Sulfate / Sulfonate ............................................ 432.4.7.3 Reaktionen am Stickstoff ............................................................. 452.4.7.4 Reaktionen von Phosphorverbindungen ...................................... 462.4.7.5 Reaktionen von Schwefelverbindungen ....................................... 472.4.7.6 Reaktionen mit Halogenen als Nukleophilen ................................ 482.4.7.7 SN2-Angriff durch ein Hydrid ........................................................ 492.4.7.8 Reaktionen von Kohlenstoff-Nukleophilen ................................... 492.4.7.9 C-C-Verknpfung mit metallorganischen Verbindungen .............. 51
2.5 Moderne Methoden .................................................................................... 532.5.1 Abspaltung einer NH2-Gruppe ............................................................. 532.5.2 Veresterung mit Diazomethan ............................................................. 532.5.3 Mitsunobu-Reaktion. ........................................................................... 542.5.4 Redox-Kondesation nach Mukaiyama ................................................. 54
3 Additionen an nicht-aktivierte Mehrfachbindungen ............................................ 563.1 Grundlagen zu C-C-Doppelbindung ........................................................... 56
3.1.1 Stabilitten der cis- und trans-Isomere ................................................ 573.1.2 Substituenteneffekte ........................................................................... 58
3.2 Reaktivitt von C-C-Doppelbindungen ....................................................... 583.2.1 Thermodynamische Betrachtung der Addition an Doppelbindungen .. 583.2.2 Donor / Akzeptor Substituenten .......................................................... 593.2.3 Reaktionsmechanismus und Energetik ............................................... 593.2.4 Chemoselektivitt der Alkene vs. Alkine ............................................. 623.2.5 Regioselektivitt (Markovnikov-Regel) ................................................ 623.2.6 Stereochemie der Addition .................................................................. 633.2.7 Stereochemische Betrachtung der mglichen Additionsprodukte ....... 653.2.8 Beispiele fr wichtige Additionsreaktionen .......................................... 66
3.2.8.1 Synthese von -halogenierten Alkoholen ..................................... 663.2.8.2 Brom-Veretherung ....................................................................... 673.2.8.3 Iod-Lactonisierung ....................................................................... 673.2.8.4 Solvomercurierung ....................................................................... 683.2.8.5 Epoxidierung ................................................................................ 693.2.8.6 Synthese von cis-Diolen ............................................................... 703.2.8.7 Sharpless-Epoxidierung ............................................................... 703.2.8.8 Ozonolyse .................................................................................... 713.2.8.9 Hydroborierung ............................................................................ 713.2.8.10 Cycloadditionen ........................................................................... 753.2.8.11 Orbitalwechselwirkungen bei Cycloadditionen ............................. 783.2.8.12 Heterogen katalysierte Hydrierung ............................................... 793.2.8.13 Radikalische Addition/ Polymerisation ......................................... 803.2.8.14 Nukleophile Addition/ Anionische Polymerisation ........................ 803.2.8.15 Betrachtung der Dreifachbindung ................................................ 81
-
4 Eliminierungen ................................................................................................... 824.1 Allgemeine Grundlagen zur Eliminierung ................................................... 824.2 Prinzipielle Reaktionsmechanismen der -Eliminierung ............................. 82
4.2.1 E1-Mechanismus ................................................................................. 824.2.2 E2-Mechanismus ................................................................................. 834.2.3 E1cb-Mechanismus ............................................................................... 83
4.3 Die E1-Reaktion .......................................................................................... 844.4 Die E2-Reaktion .......................................................................................... 854.5 Betrachtung der Regiochemie von Eliminierungen ..................................... 874.6 Betrachtung der Stereochemie von E2-Eliminierungen (Anti-Eliminierung) 894.7 Konkurrenz zwischen SN2 und E2 .............................................................. 914.8 Die E1cb-Reaktion ....................................................................................... 924.9 Beispiele fr E1- und E1cb-Eliminierungen ................................................... 924.10 Wichtige Eliminierungsreaktionen .............................................................. 94
4.10.1 H2O-Eliminierung aus Alkoholen ......................................................... 944.10.2 Alkohol-Eliminierung aus Ethern ......................................................... 944.10.3 Dehydrohalogenierung und Detosylierung .......................................... 954.10.4 Hofmann-Eliminierung ......................................................................... 954.10.5 Besonders milde Dehydratisierungsreaktionen ................................... 954.10.6 Syn-Eliminierungen ............................................................................. 974.10.7 Julia-Lythgoe-Olefinierung ................................................................ 1004.10.8 Corey-Winter-Reaktion ...................................................................... 1014.10.9 Peterson-Olefinierung ....................................................................... 102
5 Aromaten ......................................................................................................... 1035.1 Grundlagen zur Aromatizitt ..................................................................... 103
5.1.1 MO-Betrachtung des Benzens .......................................................... 1045.1.2 Aromatische Heterocyclen ................................................................ 1055.1.3 Der Ringstromeffekt .......................................................................... 106
5.2 Reaktionen von Aromaten ........................................................................ 1075.2.1 Elektrophile aromatische Substitution ............................................... 107
5.2.1.1 Mechanismus ............................................................................. 1085.2.1.2 Reaktivitt und Energie .............................................................. 1095.2.1.3 Regiochemie der elektrophilen aromatischen Substitution an 6-Ringen ................................................................................................... 1115.2.1.4 Reaktivitt mehrkerniger Aromaten am Beispiel Naphthalin ...... 113
5.3 Beispiele fr wichtige Reaktionen an Aromaten ....................................... 1145.3.1 Nitirierung .......................................................................................... 1145.3.2 Azokupplung ..................................................................................... 1165.3.3 Sulfonierung ...................................................................................... 1195.3.4 Halogenierung ................................................................................... 1205.3.5 Friedel-Crafts-Alkylierung .................................................................. 1215.3.6 Friedel-Crafts-Acylierung ................................................................... 1235.3.7 Vilsmeier-Haack-Reaktion ................................................................. 127
5.4 Elektrophile aromatische Substitution mit Aryl-Metall-verbindungen ........ 1295.5 Nukleophile aromatische Substitution ...................................................... 130
6 Oxidation ......................................................................................................... 1326.1 Allgemeine Grundlagen zur Oxidation ...................................................... 132
6.1.1 Oxidation von Methyl- und Methylengruppen mit KMnO4 .................. 1346.1.2 Oxidation von prim. und sek. Alkoholen mit CrO3 ............................. 1356.1.3 Selektive Reagenzien zur Oxidation bis zum Aldehyd ...................... 136
6.1.3.1 Pyridiniumchlorochromat (PCC) ................................................. 136
-
6.1.3.2 Pyridiniumdichromat (PDC) ........................................................ 1376.1.3.3 Oxidation durch Perruthenate .................................................... 1376.1.3.4 Swern-Oxidation ........................................................................ 1386.1.3.5 Dess-Martin-Oxidation ............................................................... 1396.1.3.6 TEMPO/Hypochlorit ................................................................... 1396.1.3.7 Oppenauer-Oxidation / Meerwein-Ponndorf-Verley-Reduktion .. 140
6.1.4 Oxidation mit Selenoxid .................................................................... 1416.1.5 Willgerodt-Reaktion ........................................................................... 141
6.2 Oxidation von Heteroatomen .................................................................... 1426.3 Oxidation unter C-C Spaltung ................................................................... 143
6.3.1 Glycolspaltung ................................................................................... 1436.3.2 Lemieux-Johnson-Oxidation .............................................................. 1446.3.3 Corey-Winter-Reaktion (Einschub) .................................................... 1456.3.4 Haloform-Reaktion ............................................................................ 145
6.4 Dehydrierungen ........................................................................................ 1467 Reduktion ........................................................................................................ 149
7.1 Katalysierte Hydrierung mit H2 ................................................................. 1497.1.1 Heterogen katalysierte Hydrierung .................................................... 1497.1.2 Heterogene Hydrierung von Doppelbindungen ................................. 1497.1.3 Homogene Hydrierungen von Doppelbindungen .............................. 1507.1.4 Hydrierung von Dreifachbindungen ................................................... 1517.1.5 Birch-Reduktion ................................................................................. 152
8 Carbonyle und Carbanionen ............................................................................ 1538.1 Allgemeine Grundlagen zur Carbonylgruppe ........................................... 153
8.1.1 Geometrie des Angriffs von Nukleophilen auf Carbonylverbindungen
.... .......................................................................................................... 1548.1.2 Einflsse auf die Reaktivitt von Carbonylen .................................... 155
8.1.2.1 Sterische Effekte ........................................................................ 1558.1.2.2 Winkel- und Pitzer-Spannungseffekte ........................................ 1558.1.2.3 Induktive Effekte ........................................................................ 1568.1.2.4 Mesomere Effekte ...................................................................... 158
8.1.3 Reaktivitt von Carbonylen: Addition vs. Substitution ....................... 1598.1.3.1 Addition an Carbonylverbindungen ............................................ 1598.1.3.2 Substitution an Carbonylverbindungen ...................................... 160
8.1.4 Surekatalysierte Veresterung von Carbonsuren ............................ 1618.1.4.1 Aktivierung von Carbonsuren ................................................... 1638.1.4.2 Mechanismus der Veresterung sterisch anspruchsvoller Carbonsuren .............................................................................................. 1658.1.4.3 Mechanismus der Spaltung sterisch anspruchsvoller Ester ....... 166
8.2 Reaktionen zur Carbonsureaktivierung .................................................. 1678.2.1 berfhrung in Carbonsurechloride ................................................ 1678.2.2 berfhrung in Pyridinderivate .......................................................... 1688.2.3 berfhrung in Carbonsure-Imidazolide .......................................... 1688.2.4 Veresterung nach Mukaiyama ........................................................... 1698.2.5 O-Alkylierung nach SN2 ..................................................................... 169
8.3 Weitere wichtige Transformationen der Carboxylatgruppe ....................... 1698.3.1 Oxidation mit H2O2 ............................................................................ 1698.3.2 Gabrielsynthese ................................................................................ 1708.3.3 Bildung cyclischer Ester (Lactone) oder cyclischer Amide (Lactame) 171
8.4 Acetale ..................................................................................................... 1718.4.1 Halbacetale ....................................................................................... 171
-
8.4.2 Halbacetal analoge Addukte ............................................................. 1728.4.3 Kilani-Fischer-Synthese .................................................................... 1738.4.4 Oligomerisierungen von Carbonylverbindungen ............................... 1738.4.5 Vollacetale ......................................................................................... 174
8.4.5.1 O,O-Acetale ............................................................................... 1758.4.5.2 S,S-Acetale ................................................................................ 1768.4.5.3 N,N-Acetale ................................................................................ 177
8.4.6 Wichtige Reaktionen von Carbonylverbindungen mit prim. oder sek. Aminen .......................................................................................................... 179
8.4.6.1 Reduktive Aminierung ................................................................ 1808.4.6.2 Reaktion mit Morpholin .............................................................. 1818.4.6.3 Umsetzung von Dicarbonylverbindungen ................................... 181
8.5 Umsetzung von Carbonylen mit metallorganischen Reagenzien ............. 1828.5.1 Grignard-Reagenzien ........................................................................ 182
8.5.1.1 Reaktion von Grignard-Reagenzien mit Carbonylen .................. 1838.5.1.2 Mechanismus der Reaktion von Grignard-Reagenzien mit Carbonylverbindungen ................................................................................. 1848.5.1.3 Beispiele fr Reaktionen zwischen Grignard-Reagenzien und Carbonylverbindungen ................................................................................. 184
8.5.2 Nebenreaktionen mit Grignard-Reagenzien ...................................... 1858.5.2.1 Grignard-Enolisierung ................................................................ 1858.5.2.2 Grignard-Reduktion .................................................................... 185
8.5.3 Alkyllithiumverbindungen ................................................................... 1868.5.4 Wichtige (Neben)-Reaktionen von metallorganischen Verbindungen 1878.5.5 1,2- vs. 1,4-Addition .......................................................................... 1898.5.6 Kompatibilitt von Metallorganylen mit anderen funktionellen Gruppen
..
.......................................................................................................... 1918.6 Reduktionen von Carbonylgruppen und deren Derivaten ......................... 192
8.6.1 Reduktion mit H- ................................................................................ 1928.6.1.1 Selektive Reduktion von Carbonsurederivaten zu Aldehyden .. 1938.6.1.2 Regioselektivitt der Reduktion: 1,2 vs. 1,4 ............................... 1948.6.1.3 Regioselektivitt der Reduktion: Keton vs. Aldehyd ................... 195
8.6.2 Reduktion mit Metallen ...................................................................... 1958.6.3 Weitere Reduktionsmglichkeiten ..................................................... 199
8.6.3.1 Meerwein-Ponndorf-Verley-Reduktion ....................................... 1998.6.3.2 Cannizzaro-Reaktion .................................................................. 1998.6.3.3 Grignard-Reduktion .................................................................... 2008.6.3.4 Reduktion mit Alpine-Boran ....................................................... 200
8.7 Lactolbildung bei Zuckern ........................................................................ 2009 Enolate ............................................................................................................ 203
9.1 Allgemeine Grundlagen zu Enolaten ........................................................ 2039.1.1 Entstehung von Enolaten .................................................................. 2039.1.2 MO-Struktur ....................................................................................... 2039.1.3 Struktur von Enolaten ........................................................................ 2049.1.4 Ambidente Eigenschaften von Enolaten ........................................... 2059.1.5 Geometrie von intramolekularen Enolreaktionen .............................. 207
9.2 Darstellung von Enolaten ......................................................................... 2099.3 Regioselektivitt der Deprotonierung ....................................................... 2119.4 Wichtige Reaktionen von Dicarbonylverbindungen .................................. 213
9.4.1 Malonestersynthese .......................................................................... 2139.4.2 Acetessigestersynthese .................................................................... 215
-
9.4.3 Bisenolate ......................................................................................... 2169.4.4 Beispielreaktionen ............................................................................. 216
9.5 Reaktionen mit mehreren beteiligten Carbonylverbindungen oder deren Analoga ............................................................................................................... 217
9.5.1 Aldolkondensation ............................................................................. 2179.5.1.1 Beispiele .................................................................................... 218
9.5.2 Gekreuzte Aldolkondensation ........................................................... 2189.5.2.1 Claisen-Schmidt-Reaktion .......................................................... 2189.5.2.2 Quantitative Erzeugung eines Enolats ....................................... 2199.5.2.3 Einsatz stabiler Enolate .............................................................. 2199.5.2.4 Stereochemie der gekreuzten Aldolkondensation ...................... 220
9.5.3 Mannich-Reaktion ............................................................................. 2219.5.4 Strecker-Synthese ............................................................................. 2229.5.5 Synthese von 1,3-Dicarbonylverbindungen ....................................... 2229.5.6 Perkin-Synthese ................................................................................ 2239.5.7 Knoevenagel-Kondensation .............................................................. 2249.5.8 Darzens-Glycidestersynthese ........................................................... 2259.5.9 Reformatsky-Reaktion ....................................................................... 2259.5.10 Claisen-Kondensation ....................................................................... 2269.5.11 Dieckmann-Kondensation ................................................................. 2279.5.12 Thorpe-Ziegler-Kondensation ............................................................ 2279.5.13 Michael-Addition ................................................................................ 2289.5.14 Robinson-Anellierung ........................................................................ 2299.5.15 Wittig-Reaktion .................................................................................. 229
9.5.15.1 Ylide und ihre Darstellung .......................................................... 2299.5.15.2 Reaktionsmechanismus ............................................................. 2319.5.15.3 Stereochemie der Wittig-Reaktion und deren Beeinflussung ..... 2319.5.15.4 Schlosser-Variante ..................................................................... 2329.5.15.5 Wittig-Horner-Reaktion ............................................................... 2339.5.15.6 Horner-Wadsworth-Emmons-Reaktion ...................................... 234
9.5.16 Reaktionen von Schwefel-Yliden ....................................................... 2359.5.16.1 Epoxidierung .............................................................................. 2359.5.16.2 Cyclopropanierung ..................................................................... 235
10 Umlagerungen ............................................................................................. 23710.1 [1,2]-Umlagerungen .................................................................................. 237
10.1.1 Pinakol-Umlagerung .......................................................................... 23910.1.2 Wagner-Meerwein-Umlagerung ........................................................ 23910.1.3 Wolff-Umlagerung ............................................................................. 241
10.2 Umlagerungen am Stickstoff .................................................................... 24210.2.1 Hofmann-Abbau ................................................................................ 24210.2.2 Curtius-Reaktion ............................................................................... 24210.2.3 Schmidt-Reaktion .............................................................................. 24310.2.4 Beckmann-Umlagerung .................................................................... 243
10.3 Umlagerungen am Sauerstoff .................................................................. 24410.3.1 Baeyer-Villiger-Reaktion ................................................................... 24510.3.2 Umlagerung bei der Hydroborierung ................................................. 245
10.4 Synchron verlaufende Umlagerungen ...................................................... 24510.4.1 Cope-Umlagerung ............................................................................. 24610.4.2 Oxa-Cope-Umlagerung ..................................................................... 24610.4.3 Claisen-Umlagerung ......................................................................... 24610.4.4 Aza-Claisen-Umlagerung .................................................................. 247
-
1
1 Radikalische Substitution
1.1 Radikale
1.1.1 Radikalentstehung
Radikale entstehen durch Bindungshomolyse. Die dazu bentigte
Energie wird als Bindungsdissoziationsenergie (DH
Thermolyse: 70C-150C 170 kJmol
) bezeichnet. Sie
wird blicherweise thermisch oder photochemisch zugefhrt, kann aber
auch durch eine chemische Reaktion aufgebracht werden. -1
photochemisch: UV, E = h
= 300 nm 400 kJmol-1
chemisch: RedOx-Reaktion ROOH + Fe
2+ RO + OH- + Fe
3+
Bindung DH / kJmol-1 (bei 25C)
432
155
239
190
149
435
H3CCH3 214
HOOH
374
210
Grnde fr die groen Unterschiede in DH
Stabilitt der zu spaltenden Bindung
sind
Stabilitt der entstehenden Radikale
H H
F F
Cl Cl
Br Br
I I
CH3 H
H
CH3 N N CH3
-
2
1.1.2 Allgemeine Eigenschaften von Radikalen
Aufgrund der ungepaarten Elektronen sind Radikale grundstzlich sehr
reaktive Spezies. Die Reaktivitt verschiedener Radikale unterscheidet
sich jedoch stark und ist abhngig von der chemischen Struktur des
jeweiligen Radikals.
Aber: es gibt auch stabile (persistente) Radikale, zum Beispiel:
Dieses Triphenylmethylradikal ist durch die -Elektronensysteme der
Aromaten uerst gut resonanzstabilisiert sowie elektronisch und
sterisch gut abgeschirmt. Auch wenn es berwiegend als Dimer
vorliegt, steht die dimerisierte Form im Gleichgewicht mit dem
stabilisierten Radikal.*
DH(25 C) = 46 kJmol-1
hnliches gilt auch fr TEMPO (2,2,6,6-Tetramethyl-piperidin-1-oxyl-
Radikal), ein weiteres stabiles Radikal:
; 0.1M Lsung in Benzol
Eine Stabilisierung von Radikalen ist mglich durch:
- sterische Faktoren
- elektronische Faktoren
*Eine modernere Annahme zur Dimerisierung des Triphenylmethyl-
radikals (vgl. Clayden, S. 1028):
Ph Ph Ph Ph
Ph Ph
Ph PhPh
PhPhPh
Ph CPh
PhPh C
Ph
PhCPh
PhPh
2% 98 %
Ph CPh
Ph
PhPh
NO
-
3
1.1.3 Sterische Faktoren
Die hufigsten Radikale sind C-zentrierte Radikale
Carbanionen
(doppelt
besetztes sp-
Hybridorbital)
C-zentriertes Radikal Carbokation
(leeres pz-Orbital)
Tetraeder, sp
Geometrie ist substituentenabhngig und
es liegen sowohl sp3 3 als auch sp2
Trigonal planar, sp vor
Konfigurationsumkehr per
Durchschwingen ist mglich
2
Elektronenoktett Elektronenseptett (e- Elektronensextett -Mangel!)
Bsp.:
H
H
Carbokationen an gespannten Brckenkopfatomen sind schwierig, weil
keine planare Koordination mglich ist. Radikale knnen aber
tetraedrisch umgeben sein. Sie sind also nicht konfigurationsstabil: es
sind keine chiralen Radikale mglich, da die Atome durchschwingen
knne.
Konfigurationsumkehr per Durchschwingen am Beispiel eines freien
Elektronenpaars am Stickstoff.
C109,28
C C 120 C 120
R1 NR2
R3 R1 NR2R3
sp2R1 N
R2R3
-
4
Analog jedoch mit nur einem Elektron im nichtbindenden Orbital
erfolgt auch der Verlust der stereochemischen Information beim
Vorliegen eines Radikals.
Neben C-zentrierten Radikalen existieren auch N- oder O-zentrierte
Radikale. Sie sind jedoch wesentlich seltener, da es sich um uerst
reaktive Radikale handelt. Der e-
Die MO-Beschreibung der Radikale entspricht denen der Carbenium-
bzw. Carbanionen. Welche Beschreibung jeweils zutrifft ist, abhngig
von den - durch die Substituenten bestimmten - Energieniveaus der
entsprechenden Orbitale.
Weiteres Beispiel:
-Mangel der Radikale steht in starkem
Kontrast zu der hohen Elektronegativitt der Radikalzentren.
planar, gute Resonanzstabilisierung
durch Konjugation
propellerartig verdreht, schwache
Resonanzstabilisierung
dimerisiert dimerisiert NICHT
1.1.4 Elektronische Faktoren
1.1.4.1 Stabilitt der CH-Bindung per se
Die Stabilitt einer RnC-H-Bindung hngt entscheidend von der Struktur
der Reste R ab. DH einer Cspm-H-Bindung sinkt in der Reihenfolge sp
> sp2 > sp3
R1N
R2R O
. Dies ist auch an der mit steigendem s-Charakter sinkenden
Bindungslnge zu beobachten. Dies gilt nicht nur fr C-H-Bindungen,
sondern allgemein auch fr C-Hal u.a.
O
45
O
OO
OO
O
OO
0
-
5
Alkinylradikal Phenylradikal Vinylradikal Alkylradikal
sp sp sp2 sp2 3
HD 550 kJmol HD-1 480 kJmol HD-1 460 kJmol HD-1 411 kJmol-1
unbekannt extrem schwer
Radikale sind e-
positive Ladungen sollte weit entfernt sein
-Mangel-Verbindungen.
je grer der s-Charakter, desto schwieriger ist die Radikalbildung
bzw. Kationbildung (e-
pKa von Carbanionen:
-Mangel nher am Kern wg. Ausdehnung der
Orbitale)
pKa~ 20 pKa~ 40 HC C
H3C CH2
1.1.4.2 Mesomeriestabilisierung
Mesomerie im VB-Modell
Je mehr Resonanzformeln man schreiben kann, desto stabiler ist das
Molekl.
H C C H H CH2 CH
HCH3 CH2 H
370 kJ/mol
411 kJ/mol
H
H
H 356 kJ/mol
allylisches H
benzylisches H
-
6
Aber: Aromatizitt muss aufgebrochen werden, daher handelt es sich
um eine schlechte Schreibweise. Besser ist es das MO-Modell zu
verwenden:
Mesomerie im MO-Modell
sp2-Zentrum
Radikal kann mit in Elektronenwolke
des Aromaten aufgenommen werden:
Ausdehnung der Mesomerie
1.1.4.3 Induktive Stabilisierung (Hyperkonjugation)
H3C H 435 kJmol Methyl-Radikal
-1
H3CH2C H
411 kJmol Primres
Radikal
-1
H3C C HCH3
H
396 kJmol Sekundres
Radikal
-1
H3C C HCH3
CH3
385 kJmol tertires
Radikal
-1
Das C-Atom hat keine besondere Resonanzstabilisierung, auch die
Hybridisierung ist gleich, dennoch findet man eine Stabilisierung.
Bei dem als Hyperkonjugation bezeichneten Effekt handelt es sich um
eine Wechselwirkung einer C-H-Bindung mit dem benachbarten
2pz-Orbital ber den Raum.
CH
Benzyl Allyl
-
7
Durch die bertragung von Elektronendichte der mit 2 Elektronen voll
besetzten C-H-Bindung wird ein stabilisierender Effekt auf das
benachbarte (nur 1-fach-besetzte) 2pz-Orbital induziert. Der e--Mangel
am Kohlenstoff wird durch den e-
O
-schiebenden Effekt der Substituenten
(+I-Effekt) ausgeglichen.
Je mehr CH-Bindungen in -Position zum radikaltragendem C-Atom
stehen, desto besser.
Es wird zwischen antibindend und bindend
unterschieden, wobei der Beitrag durch das bindende MO deutlich
wichtiger ist.
1.2 Reaktivitt von Radikalen
1.2.1 Bell-Evans-Polanyi-Prinzip
Reaktivitt und Selektivitt haben einen groen Zusammenhang. Eine
geringe Reaktivitt bedeutet eine hohe Selektivitt.
Das Bell-Evans-Polanyi-Prinzip beschreibt den Zusammenhang
zwischen Bildungsgeschwindigkeit und Stabilitt des entstehenden
Radikals (gilt jedoch auch fr andere Reaktionen). Die Rate einer
Reaktion ist nicht thermodynamisch bestimmt, sondern hngt von der
Energie im bergangszustand ab.
-
8
Bei Reaktionen, die dem Bell-Evans-Polanyi-Prinzip folgen, besteht ein
Zusammenhang zwischen H#
1.2.2 Hammond-Postulat
und Hr.
Je hher das Produkt liegt, desto hher liegt auch der
bergangszustand. Sehr exotherme Reaktionen sind in der Regel sehr
schnell, wenig exotherme Reaktionen langsamer.
Das Hammond-Postulat beschreibt die Molekl-Geometrien der
bergangszustnde. Es besagt, dass sich die energetisch nher
stehenden Zustnde in einer chemischen Reaktion auch geometrisch,
d.h. strukturell hnlicher sind. Daraus folgt, dass bei exergonischen
Reaktionen (G negativ) die Geometrie des bergangszustands der
des Edukts hnlich ist, da der Energieunterschied zwischen Edukt und
bergangszustand geringer ist (frher bergangszustand). In ender-
gonischen Reaktionen (G positiv) ist dagegen der bergangszustand
energetisch und damit auch geometrisch dem Produkt hnlicher (spter
bergangszustand).
-
9
Dies hat zur Folge, dass mit steigendem G die Energie des
bergangszustandes stark ansteigt, was die Reaktivitt reduziert, die
Selektivitt der Reaktion aber stark erhht. Eine hohe Reaktivitt
dagegen geht folglich mit einer geringen Selektivitt einher, da die
Geometrie und Energie des bergangszustands Edukt hnlich sind und
im Reaktionsverlauf keine groe Energiebarriere berwunden werden
muss. Je weniger exergonisch eine Reaktion ist, umso mehr wird die
Selektivitt durch die Struktur des Produktes bestimmt.
Bell-Evans-Polanyi-Prinzip und Hammond-Postulat gelten nur fr
kinetisch kontrollierte Reaktionen.
-
10
1.3 Allgemeine Reaktionen von Radikalen
1.3.1 Verlust der Radikaleigenschaft
Kombination
Disproportionierung
+H3CC
H2CC
H3CCH
H2CC +
H
1.3.2 bertragung des Radikals
Zerfall
Phenylradikale unter sp2
Addition
-Hybridisierung extrem ungnstig; Reaktion
hier entropiegesteuert
Br Br+
Radikaltransfer
Die Lebensdauer von Radikalen ist in der Regel sehr kurz und liegt
unterhalb von 10-3
CH2
2CH2
H2C
s. Es gibt jedoch auch einige Beispiele fr langlebige
Radikale:
O O
+ CO2
R H Cl+ Cl H R+
-
11
Fr die Langlebigkeit von Radikalen kann es verschiedene Erklrungen
geben. Sie knnen sowohl stabil als auch inert sein.
1.3.3 Die Begriffe stabil/instabil vs. labil/inert
1.3.3.1 stabil - instabil
Die Begriffe stabil und instabil beschreiben einen
thermodynamischen Sachverhalt. Sie sind nur dann anwendbar, wenn
die Reaktion von Edukt und Produkt unter Gleichgewichtsbedingungen
abluft. Die Energiebarriere, die beim bergang von A zu B (aber
natrlich auch bei der Rckreaktion von B zu A) berwunden werden
muss, ist vernachlssigbar gering, im Vergleich zu der unter den
Reaktionsbedingungen zur Verfgung stehenden Energie.
Ph CPh
PhPh C
Ph
PhCPh
PhPh
2% 98 %
NO
TEMPO2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-oxyl-Radikal
Triphenylmethyl-Radikal
OO
OO
OO
O2N NO2
NO2
N
N
DPPHDiphenylpicrylhydrazyl-Radikal
Tris-(2,5-dimethoxyphenyl)methyl-Radikal
-
12
1.3.3.2 inert labil
Die Begriffe inert und labil beschreiben einen kinetischen
Sachverhalt. Sie beziehen sich auf die Hhe des bergangszustandes,
der bei der Reaktion von A zu B berwunden werden muss. Je
niedriger die Energie G# des bergangszustandes desto labiler ist
eine Verbindung. Bei 25C ist eine Substanz oberhalb von etwa G# =
25 kcalmol-1 inert. Liegt der bergangszustand jedoch unterhalb von
25 kcalmol-1 ist eine Substanz bei 25C labil.
1.4 Beispiele fr Radikalreaktionen
1.4.1 Radikalkettenreaktionen
1.4.1.1 Mechanismus
Kettenstart:
X X 2 Xhv
Kettenfortpflanzung:
X + R3C-H H-X + R3CR3C + X-X R3C-X + X
Kettenabbruch: X + XR + XR + R
X-XR-XR-R
durch Kombination oder auch durch Disproportionierung und
Fragmentierung
-
13
1.4.1.2 Entstehung des Zndradikals:
Licht
Cl2hv
Cl + Cl
thermisch (Radikalstarter)
NC N N CNAIBN
(Azobisisobutyronitril)
N2 + CN2
O O
O O
Dibenzoylperoxid
O
O2 - CO2 2
1.4.1.3 Reaktivittsreihe
Trgt sich die Kette, also ist der Prozess exotherm? Die Reaktion
insgesamt muss exotherm verlaufen.
Ein Vergleich der Energiebilanzen der Teilschritte von radikalischer
Chlorierung mit denen der radikalischen Iodierung zeigt, warum
Iodierungen auf diesem Weg kaum mglich sind.
Chlorierung:
Cl + H-CH2-CH3 H-Cl + CH3-CH2CH3-CH2-Cl + Cl
+411 -428
+239 -327CH3-CH2 +Cl2
H = (411-428) kJmol-1 = -17 kJmol-1
H = (239-327) kJmol-1 = -88 kJmol-1
Gesamt: -105 kJmol-1 EXOTHERM
-
14
Iodierung:
I + H-CH2-CH3 H-I + CH3-CH2CH3-CH2-I + I
+411 -285
+149 -213CH3-CH2 +I2
H = (411-295) kJmol-1 = 116 kJmol-1
H = (149-213) kJmol-1 = -64 kJmol-1
Gesamt: 52 kJmol-1 ENDOTHERM
Die Kette trgt sich hier nicht selbst.
Analog ergibt sich bei der Betrachtung der entsprechenden Teilschritte
anderer Radikalreaktionen folgende Reaktivittsreihe:
F > OH > Cl > CH3 > Br > ROO
Die niedrige Bindungsenergie DH von z.B. F-F von nur 155 kJmol-1
1.4.1.4 Reaktivitt vs. Selektivitt
hat starken Einfluss auf die Gesamtbilanz.
Fr die Synthese zu beachten ist, dass auch hier das Hammond-
Postulat gilt: Hohe Reaktivitt hat geringe Selektivitt zur Folge. Dies
wird beim Vergleich der relativen Reaktivitt der C-H-Bindungen in
Butan bzw. Isobutan gegenber Halogenradikalen deutlich
(angegebene Werte beziehen sich auf die Gasphase bei 27C (F, Cl)
bzw. 127C (Br)).
Radikal primre C-H-Bdg. sekundre C-H-Bdg. tertire C-H-Bdg.
F 1 1,2 1,4
Cl 1 3,9 5,1
Br 1 32 1600
Diese relativen Werte lassen sich ber den Vergleich der Energiebilanz
der Reaktion R1R2R3CH + Hal R1R2R3C + HalH von verschiedenen
Halogenradikalen erklren.
-
15
Reaktionszentrum HChlorierung HBromierung
CH4 +1 kcalmol +17 kcalmol-1 -1
primCH -5 kcalmol +13 kcalmol-1 -1
sekCH -8 kcalmol +8 kcalmol-1 -1
tertCH -11 kcalmol +5 kcalmol-1 -1
Bei den stark exothermen Chlorierungsreaktionen sind die
bergangszustnde sehr frh (Edukt-hnlich) und damit unabhngig
vom Substitutionsmuster des Kohlenstoffs energetisch sehr hnlich, so
dass durch sie keine befriedigende Selektivitt induziert wird.
Neben der unbefriedigenden Regioselektivitt besteht bei radikalischen
Chlorierungen wegen der hohen Reaktivitt aber auch das Problem der
Chemoselektivitt. Die Reaktion CH4 + Cl CH3Cl lsst sich in der
Regel nicht auf dieser Stufe abbrechen, da wegen der hohen
Reaktivitt des Cl auch die mehrfachchlorierten Produkte CH2Cl2,
CHCl3 und CCl4, entstehen. Die Produkte CH3Cl, CH2Cl2, CHCl3 und
CCl4, liegen im Verhltnis 1:1:0,5:0,1 vor. Nur in Ausnahmefllen
nmlich dann, wenn das entstehende Radikal gut resonanzstabilisiert
ist sind saubere Monochlorierungen mglich.
Die Energieprofile der radikalischen Bromierungen unterscheiden sich
deutlich von denen der analogen Chlorierungen.
-
16
Durch die spten (produkthnlichen) und damit auch energetisch stark
verschiedenen bergangszustnde ist eine deutlich verbesserte
Regioselektivitt zu erreichen.
Dies ist auch experimentell an der radikalischen Halogenierung von
Isopentan zu beobachten.
Br2 Hal
Hal HalHal
Isopentan tert-Produkt sek-Produkt prim-Produkt(1)prim-Produkt(2)
Das Verhltnis der verschiedenen Produkte (tert-:sek-:prim-(1):prim-(2))
liegt fr diese Reaktion im Falle einer Chlorierung bei 22%:17%:5%:5%
fr die einfach chlorierten Produkte. Bei der analogen Bromierung
knnen dagegen die Monobromierungsprodukte im Verhltnis von
90%:4%:0,05%:0,05% erhalten werden.
-
17
1.4.2 Radikalische Substitution an Aromaten
CH3
Cl2Cl2KKK SSS
H2C ClCH3Cl
KKK = Klte, Katalysator, Kern elektrophile aromatische Substitution
SSS = Sonne, Siedehitze, Seitenkette radikalische Substitution
CH3 CH3CH2 CH2 CH3Br
Br
Br2 Br2Br2Br2hvhv
Bei Chlorierung: oft mehrfache Chlorierung:
KKK SSS
Br2, AlCl3 Br2, hv
Br
Br
(Elektrophile Aromatische Substitution)es entstehen keine Radikale
BrBr
ClCl ClClCl
-
18
1.4.3 Sulfochlorierung / Sulfoxidation
Sulfochlorierung:
SO2 + Cl2 (SO2Cl2) SO2ClR-H + SO2Cl R + SO2 + HClR + SO2Cl2 R-Cl + SO2ClR-H + SO2 + Cl2 RCl + HSO2Cl
HCl + SO2
Sulfoxidation:
R + SO2 R SO
OR S
O
OO O
R SO
OO O R S
O
OO OH
R SO
OOH
+ R
+H2O, -H2O2
R-H + SO2 + O2 R SO
OOH
eine Alkansulfonsure
1.4.4 Radikalische Addition an Doppelbindungen
Doppelbindungen sind e-
Br2
AIBN
CN + Br2 C BrN + Br
BrH
H
Br2Br
H
BrH
+ Br
-reich:
-
19
Weitere Reaktion an Alkenen: Solvomercurierung:
R RHgOAc
OH
R
OHHHg(OAc)2
H2ONaBH4
formale Addition von Wasser1. Schritt: Funktionalisierung (siehe spter, Kapitel Alkene)2. Schritt: Radikalchemie
NaBH4: bertrgt H- (Hydrid)
RHgOAc
OH
RHgH
OHH-
--OAc R
OH
HgHhomolytischer Zerfall
RHgH
OH
R
OHH R
HgOH
+
-Hg(0)
1.4.5 Wohl-Ziegler-Bromierung (Bromierung in Allylstellung)
N
O
O
Br
NBS(N-Brom-Succinimid)
NBS ist ein Bromradikalspender, der die Konzentration an vorhandenen
Bromradikalen aber niedrig hlt.
Br
Br
Br
H H
BrH H
+ Br + Br
Br Br2BrBr2
NBS - Kontrolle,[Br ] gering
hv, [Br ] hoch
ein Allylbromid
-
20
Mechanismus der Radikalbildung:
N
O
O
Br CN+ N
O
O
Br
CN
N
O
O
CN
+ Br
ein analog reagierendes Chlorreagenz:
N
O
O
Cl
N-Chlor-phthalimid
1.4.6 Peroxygenierung (Reaktionen von Radikalen mit Sauertsoff)
R + O2 R-O-O PeroxylradikalR-O-O + R-H R + R-O-O-H Hydroperoxid Reaktion mit Ethern :
O O OO
O OOO OOHH O2 +Rad
hnlich Hyperkonjugation, freie Elektronen am Sauerstoff (n-2pz-
Wechselwirkung). Je hnlicher die Energieniveaus, desto grer ist die
Aufspaltung -Stellung zu Sauerstoff besonders geeignet (stabiles Radikal).
Achtung: Hydroperoxide sind explosionsgefhrlich, daher Peroxidteststbchen verwenden und im Notfall Lsung fachgerecht
entsorgen.
-
21
Hock-Cumol-Verfahren (Phenol- und Aceton-Herstellung):
O O
O O T O
O2 -CO2 2
H
+ O2
OOHCumol Cumol-
hydroperoxid
H3O+
OH
O+
Phenol
Aceton
OO
O2 + Cumol, -
Radikalstart
1.4.7 Defunktionalisierungsreaktionen
C BrBu3Sn-H C H
C OHBu3Sn-H C HBarton
McCombie Beispiele:
OO
I OO
Ziel
O
OHOR
RO BaseO
HOR
RO Base
Fr diese Reaktionen eignen sich zwei Reagenzien:
- Tributylzinnhydrid
Bu3SnH
Sn-H-Bindung schwach, leichte homolytische Spaltung mglich
(Nachteil: Sn-Verbindung ist stark toxisch.)
-
22
- Tris(trimethylsilyl)silan
(Me3Si)3Si-H (Ist zinnfrei und nicht toxisch, aber meist etwas zu
schwach.)
Mechanismus:
R-Hal + AIBN + Bu3Sn-H
Bu3Sn + R-Hal Bu3Sn-Hal + RR + Bu3Sn-H R-H + Bu3Sn
1.4.7.1 Barton-McCombie-Reaktion
OHH
O
O HH
O
O
Base Base1.) NaH, CS2
2.) MeI, Bu3Sn-H, AIBN
OHNaH
O-Na++ H2
O-Na++ S=C=S
O CS-
S
O CS-
S+ MeI O C
S
S
MeXanthogenate
Thiokohlensureesterisolierbar
1.
-
23
AIBN + Bu3Sn-H Bu3Sn
Bu3Sn +O C
S
S
Me
O CS
S
Me
Sn
O CS
S Sn
Me
Bu3Sn-H
H
2.
3.
1.4.7.2 Leicht abgenderte Barton McCombie mit Thiocarbonyldiimidazol
C OH + NN NN
S
C O NN
S
Thiocarbonyl-diimidazol
(schonendere Methode)
Beispiel:
1.4.8 Ozonabbau
CmHnClpFx CmHnClp-1Fx + ClUV
Cl + OO+
O- Cl-O + O2
Cl-O + Cl-O Cl-O-O-Cl O2 + 2 Cl
ON
S
NH
H
H
H
H-Bu3Sn
Bu3SnH
5-exo-Cyclisierung
Bu3Sn
-
24
1.4.9 Radikale in der Natur
Bsp. 1: Radikal-SAM-Enzyme
Bsp. 2: DNA-Schden durch Radikale
BO
OPOO
O
O
PO
OO
R
BO
OPOO
O
O
PO
OO
BO
OPOO
O
O
PO
OO
O2 OO
-BaseO
OPOO
O
O
PO
OO
O
S+ O
HO OH
ACH3
+ e-
Modifikation durchRadikal-SAM-Enzym
S O
HO OH
ACH3
O
HO OH
A
S CH3
+H2N
HOOC
H2N
HOOC H2N
HOOC
-
25
2 Nukleophile Substitution am sp3-C-Atom
2.1 Allgemeine Grundlagen zur nukleophilen Substitution
Als nukleophile Substitution bezeichnet man eine Reaktion, bei der ein
sogenanntes Nukleophil (hier Y) mit einem freien Elektronenpaar ein
Molekl (R-X) angreift, das eine elektronenziehende Gruppe (hier X)
enthlt. Y R X Y R X+ +
Bei dieser Reaktion wird die elektronenziehende Gruppe X aus dem
Molekl verdrngt und es entsteht eine neue Substanz durch die
Bindung zwischen dem Moleklrest R und Nukleophil Y. Es handelt sich
hierbei um eine ionische Reaktion, das heit, es bewegen sich immer
Elektronenpaare.
Voraussetzung fr eine solche Reaktion ist die Polarisierung der
Bindung R-X. Durch die hohe Elektronegativitt der Abgangsgruppe X
bildet sich ein Dipolmoment aus. Die Bindung zwischen R und X wird
polarisiert. Dabei geht Elektronendichte von R auf X ber, wodurch R
eine positive Partialladung erhlt und ein Elektrophil wird. R kann nun
nukleophil vom elektronenreichen Y angegriffen werden.
Die Strke des durch X induzierten Dipolmoments hngt entscheidend
von 2 Faktoren ab: Der Bindungslnge R-X und der Elektronegativitt
von X.
Dipolmoment Bindungslngen Elektronegativitt CH3-F 1,82 D 1,39 4,0 CH3-Cl 1,94 D 1,78 3,2 CH3-Br 1,79 D 1,93 3,0
Nukleophile mssen ein freies Elektronenpaar besitzen, mit dem der
Angriff auf das Elektrophil erfolgen kann. Gute Nukleophile sind:
Cl-, Br-, I-, OH-, RO-, RS-, CN-, NH3, NR3
-
26
Abgangsgruppen sind elektronenziehende Gruppen (negativer
induktiver Effekt). Gute Abgangsgruppen sind z.B.:
Cl-, Br-, I-, -OH2+, -HOR+, ,
2.2 Prinzipielle Reaktionswege
2.2.1 SN1
Bei einer nukleophilen Substitution nach SN1-Mechanismus erfolgt die
Abspaltung der Abgangsgruppe vor Anlagerung des Nukleophils. Als
Intermediat (Zwischenstufe) liegt ein planares Carbokation vor.
Der Elektronenzug von X ist so stark, dass es ohne Hilfe von Y
austreten kann.
R1X
R3R2
R1
R3R2
Yplanar
R1Y
R3R2
R1Y
R3R2 +
-X-
enantiomeren-rein
1 ent-1
Chirale Molekle verlieren ihre stereochemische Information, es
entstehen beide Enantiomere (1 und ent-1). Man spricht dabei von
Racemisierung.
SN1-Reaktionen an sich sind aus zwei Grnden erst mal unerwnscht:
Durch die Racemisierung verliert man Information. Zudem sind
Carbokationen sehr reaktiv und beteiligen sich an anderen Reaktionen
(Eliminierungen, Meerwein-Umlagerung). Man bekommt also
Nebenprodukte. Die SN1-Reaktion ist also keine saubere Reaktion.
2.2.2 SN2
Bei einer nukleophilen Substitution nach SN2-Mechanismus verlaufen
Abpaltung und Anlagerung konzertiert. Im bergangszustand befinden
-
27
sich sowohl Nukleophil als auch Abgangsgruppe in direkter
Wechselwirkung mit dem Elektrophil:
CY X
R1X
R3R2
R1
R3R2XY
#
bergangszustand,nicht isolierbar
R1Y
R3R2
Walden-Umkehr
Bei der SN2-Reaktion findet eine Inversion der Konfiguration statt, die
stereochemische Information wird also umgedreht. Man spricht auch
von Walden-Umkehr.
2.2.3 SSi, Sp
Bei einer nukleophilen Substitution nach SSi-Mechanismus erfolgt vor
der Abspaltung der Abgangsgruppe die Ausbildung der Bindung
zwischen Nukleophil und Elektrophil. Das Elektrophil ist dadurch
pentavalent, was nur unter Einbeziehung von d-Orbitalen mglich ist.
Oft erfolgen nukleophile Angriffe auf Si ber diesen Mechanismus ber
eine solche 5-bindige Zwischenstufe SiY X
Beispiel: Silylschutzgruppen
H3C-OH + Cl-SiMe3 H3C-O-SiMe3 + HCl
Silylether
Si ClMeO
Die Abspaltung der Silylgruppe wird mit HF x Pyridin zur Rck-
gewinnung des Alkohols durchgefhrt.
-
28
2.3 Die SN1-Reaktion
2.3.1 Energieprofil und Kinetik der SN1-Reaktion
Eine SN1-Reaktion lsst sich in 2 Reaktionsschritte teilen: Zunchst die
Ausbildung des planaren Carbokations, danach die Reaktion des
Carbokations mit dem angreifenden Nukleophil.
Das Energieprofil einer SN1-Reaktion zeigt, dass die Bildung des
Carbokations der geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist. Dieser
Schritt ist unimolekular, die Reaktion folglich 1. Ordnung. Die
Konzentration des Nukleophils hat keinen Einfluss auf die
Reaktionsgeschwindigkeit. Der produktbestimmende Schritt ist der 2.
Teilschritt der Reaktionsfolge. Neben der Addition des Nukleophils
knnen aber auch Konkurrenzreaktionen, wie Eliminierungen oder
Umlagerungen, ablaufen.
-
29
Da der Schritt der Bildung des Carbeniumions der geschwindigkeits-
bestimmende ist, steht die Reaktionsgeschwindigkeit in engem
Zusammenhang mit der Stabilitt des Carbokations. Nach dem
Hammond-Postulat sollte der geschwindigkeitsbestimmende
bergangszustand edukthnlicher und damit energiermer sein, wenn
das Carbokations stabiler ist. Je stabiler das Carbokation ist, umso
mehr SN1 bekomme ich.
Als Beleg hierfr kann die Solvolyse (mit EtOH bei 25C) verschiedener
Chlorverbindungen herangezogen werden, deren Carbeniumionen
jeweils unterschiedlich gut resonanzstabilisiert sind. Die relativen
Geschwindigkeitskonstanten (krel) sind folgender Tabelle dargestellt.
Cl
Cl
ClPh
ClPh
Ph
ClPh
PhPh
krel 1 5104 2108 1010 41011
Die Halbwertzeiten und Aktivierungsenergien der basischen Hydrolyse
verschiedener Bromverbindungen (bei 25C) zeigen denselben Trend:
1/2 1016 j 105 j 220 j 0,7 s 0,007 s
EA / kcalmol-1 47 30 27 14 11
2.3.2 Stereochemischer Verlauf der SN1-Reaktion
Dass es sich (wie bereits oben erwhnt) im Reaktionsverlauf einer
SN1-Reaktion zeitweilig um eine planare Zwischenstufe handeln muss,
lsst sich durch den Einsatz von chiralen Edukten in eine SN1-Reaktion
zeigen.
H3C Br H3CH2C BrH3C
CH BrH3C
BrPhH2C Br
-
30
Der Angriff des Wassers als Nukleophil kann von beiden Seiten auf das
leere pz-Orbital des Carbokations erfolgen. Es knnen daher zwei
stereochemisch unterschiedliche Produkte entstehen. Es erfolgt
Racemisierung. Dass die Zwischenstufe einer solchen Reaktion planar
sein muss, kann durch Vergleich der Reaktionsgeschwindigkeiten
verschiedener Chloralkane gezeigt werden, deren Moleklgeometrie
Planarisierung unterschiedlich gut zulsst. Bei Moleklen, bei denen
Chlor an einem Brckenkopf sitzt, der aufgrund der Ringspannung nicht
planarisiert werden kann, beobachtet man eine starke Verringerung der
Reaktionsgeschwindigkeit.
Cl
Cl Cl
krel 1 10-7 10-13
In einigen Fllen ist trotz des Vorliegens des planaren Carbeniumions
keine vollstndige Racemisierung zu beobachten.
Alk
H3C HBr
optisch reines Edukt
Alk
H3C HBr
planare Zwischenstufeals Kontaktionenpaar
H2O
Alk
H3C HOH
Alk
H3C HHO
R17%
+H2O
S83%
34% Racemisierung,66% Inversion
HO CH3O S
O
O
optisch reines Edukt
H CH3O S
O
O
planare Zwischenstufe
Abgangsgruppe
H2O/AcOH100C
H2O
+ -TsOH
HO CH3OH
HO CH3HO
racemisches Produkt
+
-
31
Dies tritt dann auf, wenn das Carbeniumion besonders reaktiv ist.
Dessen Reaktion mit dem Nukleophil erfolgt so rasch, dass sich die
meist relativ groe Abgangsgruppe noch in unmittelbarer Umgebung
des Carbeniumions befindet. Da keine -Bindung mehr zwischen
beiden besteht, spricht man hier von einem Kontaktionenpaar.
Vollstndige Racemisierung ist bei solvens-getrennten Ionenpaaren zu
beobachten, die bei stabilen, langsam reagierenden Carbeniumionen
vorliegen.
2.3.3 Einfluss des Lsungsmittels auf SN1-Reaktionen
Da polare Lsungsmittel die whrend einer SN1-Reaktion auftretenden
Ionen solvatisieren knnen und damit die Energie des
Carbeniumintermediats absenken, kann die Wahl des Lsungsmittels
starken Einfluss auf den Reaktionsverlauf nehmen. Sowohl polar
aprotische Lsungsmittel als auch polar protische Lsungsmittel
beschleunigen SN1-Reaktionen, wobei letztere zustzlich eine
Protonierung der Abgangsgruppe (aber evtl. auch des angreifenden
Nukloephils) verursachen knnen, was die Rckreaktion verhindert.
Besonders gute Lsungsmittel fr SN1-Reaktionen sind: Wasser,
Alkohole und Carbonsuren. Aber auch Lewissuren wie Ag+, SnCl4
oder AlCl3 haben stabilisierende Effekte auf die auftretenden Ionen.
Ohne eine derartige Stabilisierung (z.B. in der Gasphase) sind
Bindungsheterolysen fast unmglich. Zu Bedenken ist jedoch, dass
durch polare Lsungsmittel auch das angreifende Nukleophil solvatisiert
und stabilisiert wird und damit dessen Nukleophilie geschwcht wird.
2.3.4 Substituenteneffekte auf SN1
2.3.4.1 Hyperkonjugation
Durch Hyperkonjugation wirken u.a. Alkylsubstituenten stabilisierend
auf Carbeniumionen. Durch bertragung von Elektronendichte einer
C-H-Bindung auf das unbesetzte pz-Orbital des Carbeniumions kann
das dort existierende Elektronendefizit reduziert werden. Fr die
-
32
Stabilitt des Carbeniumions in Abhngigkeit der Alkylsubstituenten gilt
folgende Reihe:
CH3+ < MeCH2+ < Me2CH+ < Me3C+ < PhCH2+.
2.3.4.2 Mesomerie
Wichtiger noch als die Hyperkonjugation ist die Stabilisierung durch
Mesomerie. -Systeme, insbesondere natrlich konjugierte -Systeme,
knnen mit dem unbesetzten pz-Orbital des Carbeniumions
wechselwirken, die positive Ladung ber das gesamte System
delokalisieren und es so stabilisieren.
2.3.4.3 Sterische Faktoren
Durch die Vergrerung des Winkels zwischen den Substituenten am
zentralen C-Atom beim bergang vom 109 im Tetraeder zu 120 im
trigonal planaren Carbeniumion werden sterische Spannungen
zwischen groen Substituenten abgebaut. Die dabei gewonnene
Energie wirkt sich stabilisierend auf das Carbeniumion aus.
CH
CR1X
R3R2
-X-
109 109
R1R3
R2120
120
-
33
Ein eindrucksvolles Beispiel fr alle diese stabilisierenden Effekte sind
die in der DNA-Synthese eingesetzten Schutzgruppen Trityl,
Monomethoxytrityl und Dimethoxytrityl.
Die Zeiten dieser mit Sure unter SN1-Bedingungen abspaltbaren
Schutzgruppe mssen bei gleicher Surestrke je nach Substituenten
deutlich angepasst werden. Sie betragen in 2%iger Dichloressigsure
fr:
Trityl (T) R1 = H R2 = H R3 = H 48 h
Monomethoxytrityl (MMT) R1 = OMe R2 = H R3 = H 15 min
Dimethoxytrityl (DMT) R1 = OMe R2 = OMe R3 = H 1 min
Ursache fr die zustzliche Stabilisierung des Carbeniumions ist ein
Zusammenspiel aller drei erwhnten stabilisierenden Effekte. Jede
zustzliche Methoxygruppe erhht den sterischen Anspruch des
Substituenten und bringt so zustzliche Spannung die bei
Planarisierung des Systems reduziert wird. Ebenso vergrert jeder an
den Aromaten gebundene Sauerstoff durch die zur Konjugation fhigen
besetzten p-Orbitale das konjugierte -System, so dass die positive
Ladung ber einen greren Raum delokalisiert werden kann. Aber
auch der die Elektronendichte im Aromaten erhhende +M-Effekt der
Methoxysubstituenten hat einen Einfluss auf die Stabilitt des Ions. Das
parallel zu den -Elektronen der Aromaten stehende leere pz-Orbital
OPO
ORO
O BaseO
R3
R2
R1 H+
H2O
OPO
ORO
O BaseHO
CR3
R2
R1
+
-
34
des positiv geladenen Kohlenstoffs kann bei gesteigerter
Elektronendichte des Aromaten leichter Elektronendichte abziehen und
so die eigene positive Ladung teilweise kompensieren.
2.3.5 Einfluss der Abgangsgruppe
Da es sich bei der SN1-Reaktion im geschwindigkeitsbestimmenden
Schritt um einen Zerfall des Eduktes (R3C-X) in die zwei Fragmente
Carbeniumion (R3C+) und Abgangsgruppe (X-) handelt, haben beide
Fragmente einen Einfluss auf die Lage des Energieniveaus des
intermedir entstehenden Ionenpaars. Die energetische Lage des
Intermediates hat wiederum Einfluss auf die Lage des
berganszustandes, so dass auch die Stabilitt der Abgangsgruppe die
Reaktionskinetik entscheidend verndern kann.
Eine gute Abgangsgruppe sollte schon als Anion sehr stabil sein. Sie
sollte also auch eine schwache Base sein, der pKa-Wert also niedrig
liegen. Folgende Tabelle zeigt einige Abgangsgruppen mit
dazugehrigen pKa-Werten:
-
35
Reaktion pKa-Wert
HI I- + H+ -9,5
HBr Br- + H+ -9
HCl Cl- + H+ -7
HF F- + H+ -3,2
HOH OH- + H+ 15,7
HNH2 NH2- + H+ 35
HOH2+ H2O + H+ -1,7
HNH3+ NH3 + H+ 9,2
Anhand dieser Werte kann man vorhersagen, dass I- und Br- relativ
gute Abgangsgruppen sind. Dies kann u.a. darin begrndet werden,
dass die negative Ladung ber das groe Elektronensystem der
schweren Halogene verteilt werden kann. OH- oder NH2- knnen
dagegen nicht als Abgangsgruppen fungieren.
Es gibt mehrere Mglichkeiten diese in gute Abgangsgruppen zu
berfhren.
a) durch Protonierung:
R3COH
R3COH2 R3C H2O+
H+
Bzw:
R3CNH2
R3CNH3 R3C NH3+
H+
b) durch Derivatisierung:
Einige Molekle stellen noch deutlich bessere Abgangsgruppen als Br-
und I- dar. In der Synthese etabliert sind vor allem die Sulfonsurereste
Mesylat, Triflat und Tosylat, sowie Sulfate.
Die Einfhrung erfolgt ber die entsprechenden Chloride.
R3 C O SO
OCH3 R3 C O S
O
OCF3 R3 C O S
O
OR3 C O S
O
OO CH3
Mesylat Triflat Tosylat Methylsulfat
-
36
c) ber Epoxidbildung:
Ohne vorherige Protonierung am Sauerstoff sind nur Epoxide als
Abgangsgruppen geeignet. Dies ist durch den Gewinn der
Ringspannungsenergie von 26 kcalmol-1 zu erklren.
2.4 Die SN2-Reaktion
2.4.1 Reaktionsprofil und Kinetik der SN2-Reaktion
Im Gegensatz zu SN1-Reaktion handelt es sich bei der SN2-Reaktion
um einen einstufigen Prozess. Whrend des Angriffs des Nukleophils Y-
ist die Abgangsgruppe X noch an das angegriffene Elektrophil
gebunden. Es entsteht ein bergangszustand, bei dem die von Y-
eingebrachte Ladung ber alle drei an der Reaktion beteiligten Zentren
(Y, C und X) verteilt ist. Der Angriff des Nukleophils erfolgt auf den nicht
an der Bindung beteiligten Orbitallappen der R-X-Bindung. Es ist also
immer ein Rckseitenangriff, bei dem Y, C und X auf einer Linie liegen.
Nur bei linearer Anordnung sind die Orbitalwechselwirkungen optimal,
was auch an den Bindungsenergien verschiedener Bindungs-
geometrien deutlich wird. Eine lineare Einfachbindung ist mit Abstand
die stabilste Geometrie.
O
Nu- NuO
-
37
Bindung
Energie / kcalmol-1 82,6 72,9 69,3
Da es sich im geschwindigkeitsbestimmenden Schritt um einen
bimolekularen Mechanismus (daher auch der Name SN2) handelt, ist
die Reaktionsgeschwindigkeit sowohl von der Konzentration des
Nukleophils Y-, als auch von der des Elektrophils R3C-X abhngig.
Einen Beweis fr die Linearitt des berganszustandes liefert
folgendes Experiment:
Der Angriff des Nukleophils CR1R2H- auf die CH3-Gruppe unter
Verdrngung der guten Abgangsgruppe O-SO2-R, sollte durch die
unmittelbare Nhe von Nukleophil und Elektrophil ausschlielich
intramolekular verlaufen, wenn der Angriff ber einen sechsgliedrigen
H3C CH3 R2C CR2
R2C CR2
H2C
CH3
SO O
CH3O
SO O
CH3
SO O
OS
O O
CH3
-
38
bergangszustand (Winkel 120) abluft. Setzt man neben dem oben
gezeigten Molekl in einer 1 : 1-Mischung auch das analoge Molekl
ein, bei dem beide Methylgruppen vollstndig deuteriert sind, erwartet
man im Fall der intramolekularen Reaktion ausschlielich die Produkte
A und B. Tatschlich erhlt man aber die Produkte A, B, C und D mit
einem Anteil von jeweils 25%. Daraus lsst sich schlussfolgern, dass
der sechsgliedrige bergangszustand ungnstig ist und keine
intramolekulare Reaktion stattfindet. Es handelt sich um eine
intermolekulare Reaktion, bei der die sechsfach deuterierte Verbindung
ber den linearen bergangszustand mit gleicher Wahrscheinlichkeit
ein anderes deuteriertes oder undeuteriertes Molekl angreift.
2.4.2 Stereochemischer Verlauf der SN2-Reaktion
Wie im vorigen Abschnitt bereits erwhnt, handelt es sich bei einer
SN2-Reaktion immer um einen linearen Rckseitenangriff. Dies hat zur
Folge, dass es sich bei diesem Reaktionstyp immer um eine Inversion
der Moleklgeometrie handelt. Der Winkel zwischen den Resten im
Molekl CR3-X mit sp3-hybridisiertem Kohlenstoff und Winkeln um 109
wird beim Angriff des Nukleophils Y- bis auf 120 vergrert, bis eine
trigonalbipyramidale Geometrie vorliegt. Dann entfernt sich die
Abgangsgruppe X- und gibt auf der dem Nukleophil entgegengesetzten
Seite des Molekls Platz frei, der von den Resten wieder aufgefllt wird.
Dieser als Walden-Umkehr bezeichnete Vorgang kann bildlich mit
einem Regenschirm beschrieben werden, in den von unten Wind hinein
blst, und ihn umklappt.
CH3
SO O
OS
O O
CH3
CD3
SO O
OS
O O
CD3
CH3
SO O
OS
O O
CD3
CD3
SO O
OS
O O
CH3
A C DB
-
39
R1X
R3R2 Y X
R1
R2R3Y- + + X-
R3Y
R1R2
Diese hohe Stereoselektivitt macht die SN2-Reaktion prparativ sehr
wertvoll. Sie gilt auch in zyklischen Systemen.
t-Bu
H
OTs
R
O
O
t-Bu
O
H
O
R
cis-Ester
Ein weiteres Beispiel ist die vollstndige Umwandlung eines optisch
reinen (S)-Alkohols in den spiegelbildlichen (R)-Alkohol:
2.4.3 Substituenteneffekte auf die SN2-Reaktion
Da sich im bergangszustand einer SN2-Reaktion fnf statt der
blichen vier Reste in unmittelbarer Umgebung des Elektrophils
befinden ist sofort verstndlich, dass groe, sterisch anspruchvolle
Reste den bergangszustand destabilisieren. Hinzu kommt, dass groe
Reste bereits den Zugang des Nukleophils zum Elektrophil abschirmen,
da der Angriff jedoch strikt von der Rckseite erfolgen muss, hat die
Gre der Reste einen wichtigen Einfluss auf die Reaktions-
geschwindigkeit. Dies gilt sowohl fr zunehmende sterische Hinderung
am -C als auch am -C wie folgende Tabellen zeigen.
OHPh
HCH3
OTsPh
HCH3
AcOPh
HCH3
HOPh
HCH3
AcO OTsPh
H CH3
TsCl NaOAcPyridin Aceton
NaOH
optisch rein optisch rein(s) (r)
[]D = 33 []D = -33
-
40
Zunehmende Hinderung am -C:
krel 1 310-2 110-3 110-5
Zunehmende Hinderung am -C:
krel 1 310-1 310-2 310-6
2.4.4 Lsungsmitteleffekte
Generell sind die Lsungsmitteleinflsse auf die SN2-Reaktion nicht so
gro wie auf SN1-Reaktionen. Einige Lsungsmittel sind jedoch
besonders gut fr SN2-Reaktionen geeignet, vor allem polar-aprotische.
Sie besitzen eine stark elektronenziehende Gruppe auf der die negative
Partialladung lokalisiert ist. Die positive Partialladung dagegen ist ber
einen groen Bereich verteilt. Dies fhrt dazu, dass Kationen gut
solvatisiert werden knnen, Anionen dagegen schlecht. Die Anionen
sind folglich ohne direkten Kontakt zu den durch die Solvenshlle
abgeschirmten Kationen und damit deutlich nukleophiler. Geeignete
Lsungsmittel sind:
H3C Cl ClCl Cl
Cl ClCl Cl
XH
H HNu:
XC
H HNu:
HH
HX
C
C HNu:
HH
H
HH H
Methyl IsopropylEthyl
XC
H HNu:
CH
H
Propyl
H
HH X
C
H HNu:
CH
H
Pentyl
Me
MeMeX
C
H HNu:
HC
H
Propyl
H HH
-
41
2.4.5 Einfluss des Nukleophils
Die Fhigkeit verschiedener Nukleophile eine SN2-Reaktion einzugehen
korreliert nicht mit dem pKa-Wert der korrespondierenden Sure.
X-: SCN- > CN- > I- > Br- OH- > Cl- > F- OAc-
pKa von HX: 0,7 9,1 -7 > -4,3 15,7 > -1 > 3,2 OAc-
Gute Nukleophile verfgen ber gut polarisierbare (weiche)
Elektronenpaare. Der Begriff Nukleophilie muss grundstzlich von der
Bezeichnung Basizitt unterschieden werden. Im Fall einer
SN2-Reaktion besteht kein Zusammenhang zwischen beiden Gren.
Die Basizitt ist einen thermodynamische Gre, die die
Gleichgewichtsreaktion mit H+ beschreibt,
Die Nukleophilie ist eine kinetische Gre, die die
Reaktionsgeschwindigkeit mit Elektrophilen (z.B. C+) beschreibt.
Besonders gute Nukleophile sind aufgrund des -Effekts HO-O- und
H2N-NH-.
2.4.6 Stereoelektronische Effekte auf SN2-Reaktionen
-Systeme in Nachbarschaft der Abgangsgruppe stabilisieren nicht nur
die bei SN1-Reaktionen auftretenden Carbeniumionen. Auch bei
SN2-Reaktionen senken die Wechselwirkungen zwischen dem
-System und dem an der Reaktion beteiligten pz-Orbital die Energie
des bergangszustandes ab.
X HX
HY
H N
OCH3
CH3
N,N-Dimethyl-formamid
DMF
N O
NMP
N-Methyl-pyrrolidin-2-on
H3CS
CH3
O
DMSO
Dimethyl-sulfoxid
N N
O
DMPU
N,N'-Dimethyl-N,N'-propylen-
harnstoff
PO
NN N
HMPT
Hexamethyl-phosphor-
suretriamid
-
42
Diese Stabilisierung ist besonders bei -Halogenketonen und
-Halogenessigsurederivaten wichtig. Hier wre eine SN1-Reaktion wegen der positiven Ladung in unmittelbarer Nhe zum
elektronenziehenden Sauerstoff extrem ungnstig. O
RHal R
O
Aber eine SN2-Reaktion ist auf Grund des Einflusses der -Bindung
mglich.
Bsp.:
HN
NH
O
O
HN
N
O
O
KOH HN
N
O
O
OEt
O
Cl OEt
O
-Cl-
Ein Vergleich der relativen Geschwindigkeitskonstanten belegt den
stabilisierenden Effekt des -Systems auf das pz-Orbital.
krel (SN2) 1 90 250 1600 2800
2.4.7 Beispiele fr wichtige SN2-Reaktionen
2.4.7.1 Alkohole und Ether
Alkohole und Ether sind schlechte Abgangsgruppe und mssen
protoniert oder derivatisiert werden, um sie in gute Abgangsgruppe zu
berfhren.
R-OH + H+ R-OH2+ X-
R-X + H2O HX = HI > HBr > HCl
Oft ist es wegen der Surelabilitt einiger Gruppen nicht mglich diesen
sehr harschen Reaktionsweg zu gehen. Dann muss eine
ClNCClEtOOCClPhClCl
-
43
Derivatisierung des Alkohols erfolgen. Dazu bestehen diverse
Mglichkeiten. Die prparativ wichtigsten sind:
- Ausbildung der uerst stabilen P-O-Doppelbindung:
R-OH PX3, -H+
PyridinPRO
X
XR-X + PO
X
X
X-
SN2 H2O POOH
OH
Bei Iodierungen oder Bromierungen nach dieser Methode werden die
Phosphortrihalogenide in situ aus rotem Phosphor und dem Halogen
hergestellt. Dies vermeidet einen berschuss z.B. von Iodwasserstoff,
der Iodalkane reduzieren kann.
- Umsetzung mit Thionychlorid:
R-OH Cl SCl
OThionylchlorid
+ R OO
ClCl-
SNiintra-molekular
R-Cl + SO2 + Cl-
Hierbei handelt es sich vermutlich um die einzige SN2-Reaktion, die
unter Retention abluft.
2.4.7.2 Alkylhalogenide / Sulfate / Sulfonate
Die Hydrolyse von Alkylchloriden oder sulfaten ist eine wichtige
technische Synthesemethode fr eine groe Anzahl von Alkoholen (z.B.
Pentanol, Allylalkohol, Ethylenglycol u.v.a.) Die Vorlufer erhlt man
durch Addition von Chlor bzw. Schwefelsure an die entsprechenden
Olefine. Sehr reaktive Alkylhalogenide knnen direkt mit Wasser in den
korrespondierenden Alkohol berfhrt werden.
Cl + H2O OH + HCl
Da Wasser jedoch ein schlechtes Nukleophil ist, muss oft entweder das
Halogenid durch Aktivierung mittels Lewis-Sure (z. B. FeCl3) in eine
-
44
bessere Abgangsgruppe berfhrt werden oder H2O durch Basen in
das wesentlich bessere Nukleophil OH- berfhrt werden.
ClH2O, HX
FeCl3
ClFe ClCl
Cl OH + Fe(Cl)4H2O
Dabei sind auch Mehrfachreaktionen mglich:
ClCl OHHO OH
FeCl3,H2O
-H2O
Das Diol ist die Hydratform des Aldehyds. Nach Apspaltung von einem
Wasser erhlt man also den Aldehyden.
ClCl
Cl OHHOOH
OHOFeCl3,H2O
-H2O
Hydratform der Carbonsure
Diese Reaktionen finden vor allem Anwendung bei der
Williamsonschen Ethersynthese
R'-O + R-X R'-O-R,
wobei primre und sekundre Alkohole und Phenole als Nukleophile
geeignet sind. Phenol mit einem pKA von etwa 10 ist besonders leicht
zu deprotonieren (z. B. mit K2CO3 oder KHCO3) und eignet sich damit
besonders gut fr einen nukleophilen Angriff.
Methylierung und Ethylierung mit Dimethyl- bzw. Diethylsulfat
R O + H3C O S OO
OCH3 R OCH3 + O S O
O
OCH3
Schtzung eines Alkohols als Silylether
R-OH + (CH3)3-Si-ClNEt3 R-O-Si-(CH3)3-HCl
-
45
Trimethylsilyl-chlorid (TMS-Cl) oder andere sterisch besser
abgeschirmte Silyl-chloride wie Triisopropylsilyl-chlorid (TIPS-Cl), tert-
Butyldimethylsilyl-chlorid (TBDMS-Cl oder auch TBS-Cl), Triphenyl-
silyl-chlorid (TPS-Cl) u.a. haben sich als wichtige Schutzgruppen fr
Alkohole etabliert. Ihre Abspaltung erfolgt entweder sauer (analog der
Etherspaltung) oder mit F- (oft in Form von TBAF (Tetrabutyl-
ammoniumfluorid) oder als HF-Pyridin-Komplex), wobei die Bildung der
uerst stabilen Si-F-Bindung die Triebkraft liefert.
R-O-Si-(CH3)3 + F- (CH3)3-Si-F + R-O
Williamson-analoge Estersynthese
R COH
O+ R'-X
NEt3R C
O-R'
O
2.4.7.3 Reaktionen am Stickstoff
Die Darstellung von primren Aminen ber SN2 ber den direkten Weg
R-X + NH3 -X-R-NH3
-H+R-NH2 R2-NH R3N R4N X
ist prparativ wenig interessant, da die Produkte reaktiver als die
Edukte sind und daher die Weiterreaktion erfolgt. Er ist folglich zur
Darstellung primrer Amine nicht geeignet.
Deren Darstellung erfolg entweder ber die:
-
46
Gabriel-Synthese:
N
O
O
K R-N
O
O-KX
R-N
O
O
HClR-NH3 Cl +
COOH
COOH
R-N
O
O
+ H2N-NH2 R-N
O
O
NH H+N
O
NH
O
HNHN
O
O
+ R-NH2H2N H2N
N
O
O
HK
oder KH
R-X
Pthalimidsalz
Abspaltung des gewnschten Amins:
sauer:
mittels Hydrazinolyse (Ing-Manske-Variante):
-H+
H
R
Reduktion von Aziden:
R-X + NaN3 R-N3 R-NH2Red.
Mgliche Reduktionsbedingungen:PPh3 + H2O -> Staudinger-ReduktionLiAlH4Bu3SnHH2, Pd/C
Mechanismus derStaudinger-Reduktion:
H3C-N3 H3C NPPh3
H3C NHPPh3
HOH3C-NH2 + O PPh3
Sekundre Amine knnen aus Sulfonamiden dargestellt werden:
2.4.7.4 Reaktionen von Phosphorverbindungen
Wie auch Amine, lassen sich Phosphine durch Alkylhalogenide
quarternisieren.
SO
ON Base (TEA)
RX, -X-SO
ON Hydrolyse S
OH
O O+ HN
CH3
RCH3
H
CH3
R
R3-P + R'-X R3P-R' + X-
-
47
Die entstehenden Phosphoniumsalze sind wichtige Verbindungen z.B.
fr die Wittig-Reaktion (siehe spter).
Synthetisch wichtigste Reaktion von Phosphorverbindungen mit
Alkylhalogeniden ist die Michaelis-Arbuzov-Reaktion. Hier wird ein O-Alkyl-Rest aus Phosphorigsureestern, Phosphonigsurediestern
oder Phosphinigsureestern durch einen Alkylrest ersetzt und Phosphor
von Oxidationsstufe III zu V oxidiert, wodurch die korrespondierenden
Alkylphosphonsurediester, Dialkylphosphinsureester oder
Trialkylphosphinoxide entstehen.
Alkylphosphonsurediester
Synthetisch wichtig ist diese Reaktion fr die Herstellung einige
Insektizide wie Parathion und Chlorthion. Auerdem knnen so die
Cholinesterasehemmer Soman, Sarin, DFP u.a. hergestellt werden, die
als chemische Kampfstoffe aufgrund einer internationalen Konvention
gechtet und verboten sind.
2.4.7.5 Reaktionen von Schwefelverbindungen
Analog der Herstellung von Alkoholen aus Alkylhalogeniden knnen
auch Thiole und Thioether hergestellt werden.
R-X + NaSHSN2 R SH R' X R S R'
ein Thiol ein Thioether
-NaX -HXR'' X
R SR'
R''+ X-
ein Sulfonium-salz
Thiole sind sehr gute Nukleophile und reagieren leicht weiter zu
Thioethern.
Methoden, um auf der Stufe der Thiole stehen zu bleiben:
- Thioharnstoff ist ein sehr gutes Nukleophil und kann daher leicht
alkyliert werden. Nach Hydrolyse erhlt man ebenfalls Thiole.
R-X + POEt
OEtOEt P
O-CH2-CH3
OEtOEtR + X- P
OEtOEt
OR + Et X
-
48
S CNH2
NH2S C
NH2
NH2 R-XS C
NH2
NH2R
H2O S CRNH2
NH2OH +
H2N NH2
O- X- R SH
S CNH2
NH2R
Thioharnstoff
Harnstoff
-H+
- Ebenfalls geeignet fr den nukleophilen Angriff auf Alkylhalogenide
sind Schwefelanaloga verschiedener Suren. So knnen aus
Alkylhalogeniden und Thiocarbonsuren Thioester gebildet werden, die
zu Thiol und Carbonsure hydrolysiert werden knnen. Analog verluft
der nukleophile Angriff auf das Alkylhalogenid mit Thiosulfat. Saure
Aufarbeitung liefert ebenfalls das entsprechende Thiol (2-Phasen-
Reaktion).
+S R2
O
S R2
OR1
H2O S CR1O
R2OH2
HO R2
OR1 X + R1 SH
-X-
ein Thioester
+OH-
2.4.7.6 Reaktionen mit Halogenen als Nukleophilen
Halogene eignen sich nur bedingt fr einen nukleophilen Angriff auf
Alkylhalogenide. Da die austretende Abgangsgruppe ebenfalls ein
nukleophiles Halogenid ist, kann auch dieses wieder das Elektrophil
angreifen. Es handelt sich also um eine Gleichgewichtsreaktion.
Anwendung findet dieser als Finkelstein-Reaktion bekannte Halogen-Halogenaustausch jedoch zur Synthese von Alkylfluoriden, da Fluor
eine sehr schlechte Abgangsgruppe ist, dass das Gleichgewicht weit
auf die Seite des Produkts verschoben ist.
R-Cl KFDMF
R-F + KCl
Durch die Durchfhrung dieser Reaktion in Aceton, knnen auch
Alkyliodide aus anderen Alkylhalogeniden gewonnen werden, da
Natriumiodid in diesem Lsungsmittel lslich ist, wohingegen alle
anderen Salze unlslich sind und ausfallen. Dadurch wird das
Gleichgewicht zugunsten des Alkyliodids verschoben.
-
49
R-ClAceton
R-I
+ NaI- NaCl
2.4.7.7 SN2-Angriff durch ein Hydrid
Neben der radikalischen Defunktionalisierung von Halogenalkanen mit
Bu3SnH oder nach Barton-McCombie kann auch durch nukleophilen
Angriff eines H- defunktionalisiert werden. bliche Hydridspender sind
LiAlH4 (sehr stark, nicht in H2O), LiBEt3H (uerst stark) und NaBH4
(mild, aber sogar in H2O einsetzbar).
R HalLiAlH4
R H
Das Hydrid-Ion ist ein relativ schlechtes Nukleophil.
2.4.7.8 Reaktionen von Kohlenstoff-Nukleophilen
Die Vergrerung des Kohlenstoffgersts ist eines der hufigsten
Syntheseziele. Auf den ersten Blick problematisch erscheint dabei die
Erzeugung von Kohlenstoff-Nukleophilen, da Kohlenstoff mit seiner
relativ geringen Elektronegativitt von 2,5 in allen bisher erwhnten
Alkyl-X-Verbindungen eine positive Partialladung trgt und damit
elektrophil und nicht nukleophil ist.
Eine wichtige Reaktion mit der es dennoch mglich ist eine
C-C-Bindung zu erzeugen, ist die Kolbe-Nitrilsynthese. Hier wird ein Halogenid durch das Pseudohalogenid CN- ersetzt. Die entstehenden
Nitrile sind wertvolle Vorlufer fr Carbonsureamide, Carbonsuren
und Amide.
R XKCN
R CNein Nitril
R-COOH
RCONH2
RCH2OH
RCH2NH2
Verlngerung der C-Kette
-
50
Bei dieser Reaktion zu beachten ist, dass es sich bei Cyanidionen um
ein ambidentes Nukleophil handelt, bei dem aufgrund der hheren
Elektronegativitt sogar der Stickstoff der Ort der hchsten
Ladungsdichte ist. Es knnen neben den Nitrilen auch Isocyanide
(durch Knpfung der C-N-Bindung statt der C-C-Bindung) entstehen.
So liefert tertire Alkylhalogenide oder der Einsatz von AgCN groe
Mengen an Isocyanid (= Isonitril).
R XAgCN
R NCein Isonitril
Synthetisch interessant ist diese Reaktion fr primre und sekundre
Alkylhalogenide bei Einsatz von KCN in aprotischen Lsungsmitteln, da
unter diesen Bedingungen fast ausschlielich Nitrile entstehen.
Eine weitere Mglichkeit, Kohlenstoff in ein Nukleophil zu berfhren,
ist die Abstraktion eines H+ aus einer R3C-H-Verbindung. Dies ist
aufgrund der geringen Aciditt der C-H-Bindung (z.B.: pKaWerte von
Methan (48), Ethan (50), Propan (51)) nur unter Einsatz extrem starker
Basen mglich. Es gibt jedoch einige Funktionalitten, die die pKa
Werte einer C-H-Bindung stark absenken. Eine dieser Gruppen ist die
C-C-Dreifachbindung. So liegen die pKaWerte von Acetylen (25),
Propin (26), Phenylacetylen (29) in einem Bereich, der von einige
starken Basen erreicht wird und synthetisch Anwendung findet.
R C C HNaH
tBuOHR C
R'prim X R C C R'
Sehr niedrige pKaWerte haben auch C-H-Bindungen in -Position zu
einer Carbonylgruppe. Ketone (pKaWerte etwa zwischen 16 und 20)
und Ester (pKaWerte etwa zwischen 22 (Phenylessigsureethylester),
24 (Essigsuremethylester) und 30 (Essigsureethylester)) eignen sich
daher schon gut fr C-C-Bindungsknpfungen.
-
51
Ketone: pKa = 16-20
R2R1
O
HH
Base
z.B. LDAR2
R1O
R2R1
O RIR2
R1O
R-LiI
Enolat
Als wenig nukleophile Base eignet sich beispielsweise LDA (Lithiumdiisopropylamin):
NLi
Li+
Li+
Ester: pKa = 22-30
O
OH
H
O
O
O
OR
Base
Zustzlich abgesenkt werden kann der pKaWert durch geeignete
Substituenten in -Position. Vergrern sie das -System, ber das die
negative Ladung delokalisiert werden kann, wird das entstehende Anion
stabilisiert. So senkt eine Nitrogruppe in -Position den pKaWert von
Essigsureethylester von etwa 30 auf etwa 9.
Synthetisch wertvoll sind vor allem -Dicarbonylverbindungen.
Malonsurediethylester hat einen pKaWert von etwa 13,
Acetessigsureethylester von etwa 11.
R1
O O
RHH R
1
O O
R R1
O O
RR2
R
OO
R1Base
R1
O O
R
2.4.7.9 C-C-Verknpfung mit metallorganischen Verbindungen
Eine weitere in vielen V
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