Struktur und Reaktivität

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1 Vorlesung rganische Chemie 2: Struktur und Reaktivität Prof. Dr. Thomas Lindel, tu-bs.de/lindel TU Braunschweig Literatur: K. P. C. Vollhardt,. E. Schore, "rganische Chemie", Wiley-VC, 4. Aufl., Weinheim 2005; ISB: R. Brückner, "Reaktionsmechanismen", Springer Verlag, 3. Aufl., korr. achdruck, eidelberg 2007; ISB: L. Kürti, B. Czakó, "Strategic Applications of amed Reactions in rganic Synthesis", 1. Aufl., Elsevier 2005; ISB:

2 rganisatorisches Termine Vorlesung: WS 09/10; Fr, Uhr; R 30.1 Klausur: 10. Februar 2010, 8-10 Uhr, PK 2.1, 2.2, 4.3 achklausur: 15. März 2010, 8-10 Uhr, PK 11.2, 11.3 Zentrale Anmeldung für Klausuren (Details im Studiendekanat)! Tutorien: 3 Termine aus folgenden 4 auszuwählen: Mo, 8:00, 17:00; Di, 8:00, 17:00. Tutoren: Björn Raimer, Florian Mann (finanziert aus Studiengebühren) Lindel, C-2

3 Ziel der Vorlesung und Übung "Struktur und Reaktivität" (C-2) ist die Vermittlung eines gegenüber der Grundvorlesung (C-1) vertieften Verständnisses organisch-chemischer chemischer Reaktionen. Die Fähigkeit zur gezielten Veränderung von Molekülen ist die Domäne der rganischen Chemie und liefert den Schlüssel zur Welt der Wirkstoffe und Materialien.

4 1. Einleitung Die einfachste Reaktion: + 70 pm Von 2 As zu 2 Ms:

5 1. Einleitung Vom Atomorbital (A) zum Molekülorbital l (M): 1) Born-ppenheimer-äherung: Kerne seien verglichen mit Elektronen ortsfest. 2) LCA-Ansatz: Ansatz: Molekülorbitale seien Linearkombinationen von Atomorbitalen. Der LCA-Ansatz folgt dem Gedanken, dass bei der vollständigen Trennung von 2 zwei je durch ein s-rbital beschriebene -Atome mit entweder gleichen oder verschiedenen, aber nicht bekannten Vorzeichen entstünden. Beide Kombinationen haben deshalb Anteil an der Bindung. Von 2 As zu 2 Ms:

6 1. Einleitung σ* antibindendes M σ* * = 1s A 1s B σ bindendes M: σ = 1s A + 1s B 1 ev = 1.6 * J = 96.5 kj/mol r Geringe Genauigkeit des LCA-Ansatzes für 2+ (gestrichelte Kurven): Gleichgewichtsabstand: berechnet 132 pm, gemessen 106 pm Dissoziationsenergie: berechnet 1.76 ev, gemessen 2.79 ev

7 1. Einleitung: 2 Ms aus 2 As Die gegenüber isolierten As stabilisierende Wirkung bei Besetzung des bindenden Ms ψ 1 ist kleiner als die destabilisierende bei Besetzung des antibindenden Ms ψ 2. Volle Besetzung beider Ms mit 4 Elektronen führt zur Destabilisierung. e 2 existiert nicht. g 2 Besetzung mit 1 oder 2 Elektronen führt immer zur Stabilisierung. 2+ und 2 existieren. Besetzung mit 3 Elektronen kann stabilisieren oder destabilisieren. Energiegewinn bei e 2+, aber nicht bei -e! E=0 φ 1 (A) E=0 gleiche Atome ψ 2 (antibindendes M) φ 2 (A) ψ 1 (bindendes M) ψ 2 (antibindendes M) φ 2 (A) ψ 1 desto abgesenkter (und ψ 2 desto angehobener), je energetisch ähnlicher die kombinierten As (oder Ms). φ 1 (A) verschiedene Atome ψ 1 (bindendes M)

8 1. Einleitung M-Schema von Methan 1x 2s(C), 3x 2p(C), 4x 1s() => 8 Valenz-Ae => 8 Me (8 davon gezeigt (4 davon mit Geometrie)); 1x4 + 4x1 = 8 Valenzelektronen zu verteilen, idealerweise in 4 Men. ybridisierte Ae sind zur Konstruktion von Men nicht nötig, reflektieren jedoch die Koordinationsgeometrie!

9 1. Einleitung Ethen: 2x 2s(C), 6x 2p(C), 4x 1s() => 12 Valenz-Ae => 12 Me (7 davon gezeigt); 2x4 + 4x1 = 12 Valenzelektronen zu verteilen, idealerweise in 6 Men.... E LUM unbesetzt... LUM: lowest unoccupied molecular orbital M: highest occupied molecular orbital M quantenmechanische Rechnung: 6-31G** (Spartan-Programm) (niedriger liegende 1s Kohlenstoff-Rumpforbitale weggelassen)

10 Me von Ethen (vollständiger)... LUM +4 LUM +2 LUM E LUM +5 LUM +3 LUM +1 M -1 M M -3 M -5 M -2 M -4 quantenmechanische Rechnung: 6-31G** (Spartan-Programm) (niedriger liegende 1s Kohlenstoff-Rumpforbitale weggelassen)

11 1. Einleitung Grenzorbitale: LUM (lowest unoccupied molecular orbital) M (highest occupied molecular orbital) M und LUM können SMs sein (singly occupied M, auch z. B. 1s-A bei e + ). Grenzorbitale bestimmen die Möglichkeit und den Verlauf jeder chemischen Reaktion desto ausschließlicher, je ungeladener die Reaktanden sind ev (LUM) (LUM) 10.2 ev (M) Ms hybridisierte As, p-rbitale linear zu kombinieren

12 1. Einleitung rbitalkoeffizienten c i,n der Ae φ i : Anteil der Beteiligung am M π n : LCA-AnsatzAnsatz m C 2 a s i<=atomzahl Σ π n = c i,n φ i i=1 LUM s a c i,n2 : relative Elektronendichte (wenn besetzt) am Kern i im M π n. M a s Die Summen der Quadrate der s a.-k. sind in "waagerechter und in senkrechter Richtung" = 1. Q: bei Ethen? Woodward, offmann, Angew. Chem. 1969, 797. a: antisymmetrisch, s: symmetrisch bzgl. der Symmetrieelemente m (Spiegelebene) bzw. C2 (Drehachse).

13 2. Cycloadditionen [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion) Zwei Ms reagieren nie, zwei LUMs auch nicht, aber M+LUM. Die Reaktion zweier Grenzorbitale setzt räumliche Überlappung und die Möglichkeit gleicher Vorzeichen der Basis-As voraus. What's the product? 1304 kj/mol 1325 kj/mol

14 2. Cycloadditionen [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion) [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion) + Dien Dienophil endo-cycloaddukt, kinetisch bevorzugt, entsteht. exo-cycloaddukt, thermodyn. stabiler, entsteht kaum. Als Folge der Stabilisierung d. endo-üz durch rbital-ww entsteht bevorzugt das endo-produkt. tto Diels ( ) Kurt Alder ( )

15 2. Cycloadditionen [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion) [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion) + Dien Dienophil endo-cycloaddukt, kinetisch bevorzugt, entsteht. exo-cycloaddukt, thermodyn. stabiler, entsteht kaum. Als Folge der Stabilisierung d. endo-üz durch rbital-ww entsteht bevorzugt das endo-produkt. schwieriger: C, 150 bar, 1.5 d Warum? cisoid

16 2. Cycloadditionen [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion) "eutrale" Diels-Alder- Reaktion: z. B.: π 2 = 0.57ϕ ϕ ϕ ϕ 4 (1eV = J, ca kj/mol). (Summe der Quadrate aller.-k. = 1)

17 2. Cycloadditionen [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion) Diels-Alder- Reaktionen am ungünstigsten Et C

18 2. Cycloadditionen [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion) Regeln zur Diels-Alder-Reaktion DARen desto leichter, je elektronisch unterschiedlicher Dien und Dienophil. DARen sind stereospezifisch (Geometrie der Doppelbindungen wird ins Produkt übertragen). Regioselektivität: den rbitalkoeffizienten der Ms und LUMs folgend. Endo-Addukte bevorzugt.

19 2. Cycloadditionen [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion) DARen desto leichter, je elektronisch unterschiedlicher Dien und Dienophil. 3 C C 3 Cl Cl Je stärker der Elektronenzug, desto weniger positiv ist die Energie des LUMs, desto kleiner also

20 2. Cycloadditionen [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion) DARen desto leichter, je elektronisch unterschiedlicher Dien und Dienophil. Je stärker der Elektronendruck, desto weniger negativ ist die Energie des Ms, desto kleiner also dessen Energieabstand zum LUM des Reaktionspartners.

21 2. Cycloadditionen [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion) Sehr gute Donoreigenschaften beim "Danishefsky-Dien Dien": Elektronenreichste Position: Me-substituiert Maskiertes Keton!

22 2. Cycloadditionen [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion) Diels-Alder-Reaktionen: stereospezifisch

23 2. Cycloadditionen [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion) Diels-Alder-Reaktionen: stereospezifisch

24 2. Cycloadditionen [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion) Regioselektivität Et C Et + C Et + beide endo Et M -8.5eV Et LUM 0 ev E = 8.5 ev + C C Schritt 1: => DAR mit normalem Elektronenbedarf LUM ev M ev E = 13.4 ev Schritt 2: Regiokontrolle durch größtmögliche Ähnlichkeit der rbitalkoeffizienten des günstigeren M/LUM-Paars (hier jeweils gezeigt).

25 2. Cycloadditionen [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion) Schematische Abschätzung von rbitalkoeffizienten (D: Donor-Substituent; A: Akzeptor-Substituent) Dien (nur für As in 1,4-Stellung) Dienophil Ein M ist am rt des größten Quadrats des A-rbitalkoeffizienten am nukleophilsten, ein LUM am elektrophilsten. dunkel/hell: Vorzeichenwechsel des As (Zeichenebene = Spiegelebene). Reaktion zweier Moleküle setzt paarweise Entsprechung voraus. Donorsubstiuenten heben M- und LUM-Energien an, Akzeptorsubstituenten senken diese ab.

26 2. Cycloadditionen [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion) Regioselektivität Ph + Ph Ph 20 Ph Ph + Ph LUM M +0.7eV -9.1eV E =9.8eV Ph Ph Ph Ph + Schritt 1: => DAR mit neutralem Elektronenbedarf S h itt 2 R i l kti ität i d b ti t d h Schritt 2: Regioselektivität wird bestimmt durch größtmögliche Ähnlichkeit der rbitalkoeffizienten. 1 M LUM -8.5eV +1.0eV E =9.5eV

27 2. Cycloadditionen [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion) erweiterte Sicht: 8 p-ae liefern 8 π-me Styrol J. Comput. Chem. 2003, 23, 928

28 2. Cycloadditionen [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion) Regioselektivität: Dien: Elektronenschiebende Gruppe in 1-Stellung: größerer.-k. in 4-Stellung Elektronenschiebende Gruppe in 2-Stellung: größerer.-k. in 1-Stellung Dienophil: kleinerer.-k. in achbarschaft h der elektronenziehenden Gruppe EDG EDG EWG EWG + auptprodukt cisoid EDG EDG + EWG EWG auptprodukt cisoid

29 2. Cycloadditionen [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion) Regioselektivität: + + X C X C cisoid X=: 70 : 30 X=C 91 : 9 C X normale DAR X=: E (LUM Dienophil -M Dien ) = 850 kj/mol, E (LUM Dien -M Dienophil ) = 1130 kj/mol X=C: E (LUM Dienophil -M Dien ) = 705 kj/mol, E (LUM Dien -M Dienophil ) = 1175 kj/mol

30 2. Cycloadditionen [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion) Regioselektivität: Bindung bevorzugt zwischen den Atomen, die im energetisch ähnlicheren Grenzorbital-Paar die betragsmäßig größeren rbitalkoeffizienten aufweisen. + + X C X C cisoid X=: 70 : 30 X=C: 91 : 9 C X

31 2. Cycloadditionen [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion) Lewis-Säuren katalysieren die DAR durch Absenkung des LUMs des Dienophils: + + Me 2 C C 2 Me C 2 Me 25 C, 41 d 70 : C, 1 mol% AlCl 3, 3 h: 95 : 5 Me Cl 3 Al

32 2. Cycloadditionen [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion) Diels-Alder-Reaktionen: endo-selektiv Et Et C endo-produkt: -Atome zeigen auf dieselbe Seite Ursache: sekundäre M-WW

33 2. Cycloadditionen [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion) Dimerisierung von Cyclopentadien: Als Folge der Stabilisierung d. aromatischen endo-üz durch sekundäre rbital-ww entsteht bevorzugt das endo-produkt.

34 2. Cycloadditionen [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion) endo- und exo-üz bei der Dimerisierung von Cyclopentadien: um 14.2 kj/mol stabiler als: Als Folge der Stabilisierung d. endo-üz durch sekundäre rbital-ww entsteht bevorzugt das endo-produkt. Schleyer, ouk, erges, et al., J. Comput. Chem. 2007, 28,

35 2. Cycloadditionen [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion) endo- und exo-üz bei der Reaktion von Cyclopentadien mit Maleinsäureanhydrid: um 5.4 kj/mol stabiler als: Als Folge der Stabilisierung d. endo-üz durch sekundäre rbital-ww entsteht bevorzugt das endo-produkt. Schleyer, ouk, erges, et al., J. Comput. Chem. 2007, 28,

36 2. Cycloadditionen [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion) MeC, 40 C + [4+2] endo exo Et 2 C C 2 Et Bildung 500-fach schneller 8 kj/mol stabiler + Et 2 C C 2 Et Et 2 C C 2 Et 2 Et 2 C C 2 Et retro-diels-alder Et 2 C C 2 Et

37 2. Cycloadditionen ,3-dipolare Cycloaddition zonolyse Primärozonid R 1 R 1 Elektronen: [4+2] Atome: [3+2] R 1 R 1 PPh 3 reduktive Aufarb. z. B. m. Triphenylphosphan yp p Sekundär -ozonid Triphenylphosphanoxid + + PPh 3 R 1

38 2. Cycloadditionen ,3-dipolare Cycloaddition Basis-As Ms π* * n π Allyl 2 e 3 e 4 e

39 2. Cycloadditionen ,3-dipolare Cycloaddition C 2 2 C 3 Beobachtung: nicht nur Veresterung! Sichere Darstellung von Diazomethan (niemals aufkonzentrieren, explosiv!): S 1,3-Versch. S - Tos "Diazald"

40 2. Cycloadditionen ,3-dipolare Cycloaddition C Pyrazolin normale 1,3-dipolare CA

41 2. Cycloadditionen ,3-dipolare Cycloaddition

42 2. Cycloadditionen ,3-dipolare Cycloaddition Man folge dem Formalismus: stereospezifisch ein itron

43 2. Cycloadditionen ,3-dipolare Cycloaddition uisgen-reaktion: orthogonal zu funktionellen Gruppen biochemischer Systeme Cu(I)-Katalyse eröffnet "Click-Chemie" (Sharpless). Synthese von itriloxiden: R Cl R itriloxid Was entsteht bei 1,3-DPCA an Alkine?

44 2. Cycloadditionen [2+2]-Cycloaddition M d. angeregten Zustands [2+2] LUM d. Grundzustands hν

45 2. Cycloadditionen [2+2]-Cycloaddition Synthese und y Umlagerung eines xaquadricyclans (Baran et al., JACS 2007, 4762):

46 2. Cycloadditionen [2+2]-Cycloaddition Paterno-Büchi-Reaktion aliphatische Ketone: nahezu stereospezifisch C + hν C C n->π* oder π->π* C aromatische Ketone: diastereomere Produkte über 1,4-Diradikal-Intermediate, deren relative Stabilität auch die Regioselektivität bestimmt. 3 C 3 C 3 C 3 C + hν + 3 C Ph Ph Ph Ph 3 C C Ph 3 C Ph 3 Ph Ph

47 2. Cycloadditionen [2+2]-Cycloaddition Photoschädigung der DA P h ν dr dr + dr dr trans-syn- Pyrimidin-Dimer cis-syn- Pyrimidin-Dimer h ν dr dr >300 nm dr dr dr dr (6-4)-Photoaddukt analog Dewarbenzol

48 2. Cycloadditionen [2+2]-Cycloaddition Cycloreversion unter Lichtemission: C + * Schmp. 76 C LUM "M*" Ar Ar 2 2 F: z. B. 9,10-Diphenylanthracen C 2 +C* 2-2 Ar F -C 2 hν + F F* + hν Chemilumineszenz

49 2. Cycloadditionen [2+2]-Cycloaddition Cycloreversion Shimomura et al., ature 2000, 405, 372. Coelenterazin, ein "Luciferin". 1) Ca 2+ 2) Luciferase 2 R 1 via ydroperoxid R 2 R 3 Qualle Aequorea sp. -C 2 mögl. Mech. s. JACS 2005, R 1 R 2 Coelenteramid* R 3 * aequorin blue light λ max 486 nm

50 2. Cycloadditionen [2+2]-Cycloaddition Sonderfall Keten: [2+2]-Cycloaddition auch thermisch oder Cl Pyrolyse Et 3 C C 2 δ- Keten C δ+ C 2 Diketen Et Et Acetessigester

51 2. Cycloadditionen [2+2]-Cycloaddition Keten reagiert schnell, anders als normale lefine, unter therm. Bed. Grund: Beide M/LUM-WW sind stabilisierend 1387 kj/mol 1538 kj/mol besonders leicht: elektronenarmes Keten+ elektronenreiches Alken ("Ketenophil")

52 2. Cycloadditionen [2+2]-Cycloaddition cheletrop CCl 2 Cl Cl CCl 2 Cl C [2+2]-Cycloaddition, abnormale Reimer- Tiemann-R R. S E Ar, E normale Reimer- Tiemann-R. Cl Cl Dichlorcarben: Singulettcarben, "Elektronenpaar in einem der sp 2 -As"

53 2. Cycloadditionen [2+2]-Cycloaddition Reversion einer cheletropen [2+2]-Cycloaddition:

54 2. Cycloadditionen En-Reaktion Addition eines π-systems an ein Allylsystem höhere Aktivierungenergie als DAR, da σ-bindung gespalten wird.

55 2. Cycloadditionen En-Reaktion Regioselektivität: ydrid wird auf die elektronenreichere Position übertragen. Stereoselektivität: cis-addition.