1 Radikalische Substitutionsreaktionen am gesättigten C-Atom 1

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1 Inhalt 1 Radikalische Substitutionsreaktionen am gesättigten C-Atom Vorzugsgeometrien und Bindungsverhältnisse in C-Radikalen, Carbenium-Ionen und Carbanionen Vorzugsgeometrien Bindungsverhältnisse Stabilität von Radikalen Reaktive Radikale Unreaktive Radikale Relativgeschwindigkeiten analoger Radikalreaktionen Das Bell-Evans-Polanyi-Prinzip Das Hammond-Postulat Allgemeines zu radikalischen Substitutionsreaktionen: Kettenreaktionen Radikalstarter Radikalchemie von Alkylquecksilber(II)hydriden Radikalische Halogenierung von Kohlenwasserstoffen Einfach-und Mehrfachchlorierungen Regioselektivität radikalischer Chlorierungen Regioselektivität von radikalischen Bromierungen im Vergleich zu Chlorierungen Geschwindigkeitsgesetz radikalischer Halogenierungen, Reaktivitäts-/Selektivitäts-Prinzip Chemoselektivität von radikalischen Bromierungen Radikalketten-Chlorierung mit Sulfurylchlorid Sulfochlorierung, Sulfoxidation Autoxidationen Defunktionalisierungen über radikalische Substitutionsreaktionen Einfache Defunktionalisierungen Defunktionalisierung über 5-Hexenylradikale: Konkurrierende Fünfringbildung Diazen-Fragmentierungen als neuartige Alkansynthesen 49 2 Nucleophile Substitutionsreaktionen am gesättigten C-Atom Nucleophile und Elektrophile; Abgangsgruppen Gute und schlechte Nucleophile Abgangsgruppen und Qualität von Abgangsgruppen S N2-Reaktionen - Kinetische und stereochemische Analyse;- Substituenteneffekte auf die Reaktivität Energieprofil und Geschwindigkeitsgesetz von S N2-Reaktionen; Reaktionsordnung 63

2 2.4.2 Stereochemie von S N2-Substitutionen Ein verfeinertes Übergangszustands-Modell für die S N2-Reaktion; Kreuzungsexperiment und endocyclischer Restriktionstest Substituenteneffekte auf die S N2-Reaktivität S N1 -Reaktionen- Kinetische und stereochemische Analyse; Substituenteneffekte auf die Reaktivität Energieprofil und Geschwindigkeitsgesetz von S Nl-Reaktionen; Bodensteinsches Quasistationaritätsprinzip Stereochemie von S N1-Reaktionen; Ionenpaare Solvenseffekte auf die S N1-Reaktivität Substituenteneffekte auf die S N1-Reaktivität Wann erfolgen S N-Reaktionen am gesättigten C-Atom nach dem S N1- und wann nach dem S N2-Mechanismus? Unimolekulare S N-Reaktionen, die nicht über die übliche Carbenium-Ion-Zwischenstufe verlaufen: Nachbargruppenbeteiligung Voraussetzungen für und Merkmale von S N-Reaktionen mit Nachbargruppenbeteiligung Geschwindigkeitserhöhung durch Nachbargruppenbeteiligung Stereoselektivität durch Nachbargruppenbeteiligung S Ni-Reaktionen Präparativ nützliche S N2-Reaktionen: Alkylierungen 94 3 Additionen an die olefinische C = C-Doppelbindung Die Begriffe eis- und trans-addition Vokabular I zu Stereochemie und Stereoselektiver Synthese Isomerie, Diastereomere/Enantiomere, Chiralität Chemoselektivität, Diastereoselektivität/Enantioselektivität, Stereospezifität/Stereokonvergenz Additionen, die diastereoselektiv als c/s-additionen ablaufen Eine dreiringbildende Cycloaddition Mit einer Cycloaddition verwandte dreiringbildende Additionen an C=C-Doppelbindungen Cis-Hydratisierung von Olefinen über die Reaktionsfolge. Hydroborierung/Oxidation/Hydrolyse Heterogen katalysierte Hydrierung Enantioselektive eis-additionen an C=C-Doppelbindungen Vokabular II zur Stereochemie und Stereoselektiven Synthese: Topizität, Asymmetrische Synthese Asymmetrische Hydroborierung von achiralen Olefinen Gedankenexperiment I zur Hydroborierung chiraler Olefine mit chiralen Boranen: Gegenseitige kinetische Racematspaltung Gedankenexperimente II und III zur Hydroborierung chiraler Olefine mit chiralen Boranen: Reagenzkontrolle der Diastereoselektivität, matched/mismatched-paare, doppelte Stereodifferenzierung 135

3 3.4.5 Gedankenexperiment IV zur Hydroborierung chiraler Olefine mit chiralen Dialkylboranen: Kinetische Racematspaltung Katalytische Asymmetrische Synthese: Sharpless-Oxidationen von Allylalkoholen Additionen, die diastereoselektiv als trans-additionen ablaufen (Additionen über Onium-Z wischenstufen) Addition von Halogenen Bildung von Halogenhydrinen; Halogenlactonisierung und Halogenveretherung Solvomercurierung von Olefinen - Hydratisierung von C=C-Ooppelbindungen durch nachfolgende Reduktion Additionen, die mechanismusbedingt ohne Stereokontrolle verlaufen oder verlaufen können Additionen über Carbenium-Ion-Zwischenstufen Additionen über Carbanion"-Zwischenstufen /3-Eliminierungen Begriffliches und Konzeptionelles zu Eliminierungsreaktionen Die Begriffe a-, ß- und 1,n-Eliminierung Die Begriffe syn- und a/iri-eliminierung Wann sind stereogene syn- bzw. anri-selektive Eliminierungen stereoselektiv? Bildung von regioisomeren Olefinen durch /3-Eliminierung: Saytzew-und Hofmann-Produkt(e) Der synthetische Wert von Het'/Het 2 -verglichen mit H/Het-Eliminierungen j3-eliminierungen von H/Het über cyclische Übeigangszustände /3-Eliminierungen von H/Het über acyclische Übergangszustände: Die mechanistischen Alternativen E2-Eliminierungen von H/Het und die E2/S N2-Konkurrenz Substrateffekte auf die E2/S N2-Konkurrenz Baseneffekte auf die E2/S N2-Konkurrenz Ein stereoelektronischer Effekt auf die E2/S N2-Konkurrenz Die Regioselektivität von E2-Eliminierungen Die Stereoselektivität von E2-Eliminierungen Eintopfreaktionen vom Alkohol zum Olefin El-Eliminierung von H/Het aus R, er/-x und die E1/S N1-Konkurrenz Energieprofile und Geschwindigkeitsgesetze von El -Eliminierungen Die Regioselektivität von El-Eliminierungen El-Eliminierungen in der Schutzgruppentechnik El cb-eliminierungen Unimolekulare El cb-eliminierungen: Energieprofil und Geschwindigkeitsgesetz Nicht-unimolekulare El cb-eliminierungen: Energieprofil und Geschwindigkeitsgesetz Olefinbildender Teilschritt der Julia-Lythgoe-Olefmierung El cb-eliminierungen in der Schutzgruppentechnik 195

4 jft-eliminierungen von Het'/Het Fragmentierung von /3-heterosubstituierten Organometallverbindungen Peterson-Olefinierung Oxaphosphetan-Fragmentierung, letzter Teilschritt der Wittig-, Wittig-Horner- und Horner-Wadsvvorth-Emmons-Reaktion Substitutionsreaktionen an Aromaten Elektrophile aromatische Substitutionen über Wheland-Komplexe ( Ar-S E-Reaktionen") Mechanismus: Substitution von H oder zpjo-substitution Thermodynamische Aspekte von Ar-S E-Reaktionen Kinetische Aspekte von Ar-S E-Reaktionen: Reaktivität und Regioselektivität bei der Umsetzung von Elektrophilen mit substituierten Benzolen Ar-S E-Reaktionen über Wheland-Komplexe: Einzelreaktionen Ar-Hal-Bindungsknüpfung durch Ar-S E-Reaktion Ar-S0 3H-Bindungsknüpfüng durch Ar-S E-Reaktion Ar-N0 2-Bindungsknüpfung durch Ar-S E-Reaktion Ar-N = N-Bindungsknüpfung durch Ar-S E-Reaktion Ar-Alkyl-Bindungsknüpfungen durch Ar-S E-Reaktion Ar-C(OH)-Bindungsknüpfung durch Ar-S E-Reaktionen und damit verknüpfte Folgereaktionen Ar-C(= 0)-Bindungsknüpfung durch Ar-S E-Reaktion Ar-C(= 0)H-Bindungsknüpfung durch Ar-S E-Reaktion Elektrophile Substitutionsreaktionen an metallierten Aromaten Elektrophile Substitutionsreaktionen in ortho-lithiierten Benzol- und Naphthalinderivaten Elektrophile Substitutionsreaktionen in Aryl-Grignardund Aryllithiumverbindungen, die über Arylhalogenide zugänglich sind Elektrophile Substitutionen an Arylboronsäuren und Arylboronsäureestern Nucleophile Substitutionsreaktionen an Aryldiazoniumsalzen Nucleophile Substitutionsreaktionen über Meisenheimer- Komplex-analoge Zwischenstufen Mechanismus Präparativ interessante Reaktionsbeispiele Ein mechanistischer Sonderfall: Alkalischmelze von Arylsulfonaten Nucleophile aromatische Substitution über Arine; cme-substitution Nucleophile Substitutionsreaktionen (außer durch Enolate) am Carboxyl-Kohlenstoff C=0-haltige Substrate und ihre Reaktionsmöglichkeiten mit Nucleophilen

5 6.2 Mechanismus, Geschvvindigkeitsgesetze und Geschwindigkeit von nucleophilen Substitutionsreaktionen am Carboxyl-Kohlenstoff Mechanismus und Geschwindigkeitsgesetze von S N-Reaktionen am Carboxyl-Kohlenstoff SN-Reaktionen am Carboxyl-Kohlenstoff: Der Einfluss der Resonanzstabilisierung der angegriffenen C = O-Doppelbindung auf die Reaktivität des Acylierungsmittels S N-Reaktionen am Carboxyl-Kohlenstoff: Der Einfluss der Stabilisierung der Tetraeder-Zwischenstufe auf die Reaktivität Carbonsäure(derivat)aktivierung Aktivierung von Carbonsäuren und Carbonsäurederivaten in Gleichgewichtsreaktionen Umwandlung von Carbonsäuren in isolierbare Acylierungsmittel Vollständige (w-i-i/j*-aktivierung von Carbonsäuren Ausgewählte S N-Reaktionen von Heteroatom-Nucleophilen am Carboxyl-Kohlenstoff Hydrolyse und Alkoholyse von Estern Lactonbildung aus Hydroxycarbonsäuren Knüpfen von Peptidbindungen S N-Reaktionen von Heteroatom-Nucleophilen an Kohlensäurederivaten S N-Reaktionen von Hydridüberträgern, Metallorganylen und Heteroatom-stabilisierten Carbanionen" am Carboxyl-Kohlenstoff Wann gelingen mit Carbonsäure(derivate)n reine Acylierungen, wann entstehen gleich Alkohole? Acylierung von hydridübertragenden Reagenzien: Reduktion von Carbonsäurederivaten zu Aldehyden Acylierung von metallorganischen Verbindungen und Heteroatom-stabilisierten Carbanionen" mit Carbonsäure(derivate)n: Synthese von Ketonen Acylierung von metallorganischen Verbindungen und Heteroatom-stabilisierten Carbanionen" mit Kohlensäurederivaten: Synthese von Carbonsäurederivaten Carboxylverbindungen und Nitrile und deren Umwandlung ineinander Darstellung von Nitrilen aus Carbonsäure(derivate)n Umsetzung von Nitrilen und Heteroatom-Nucleophilen zu Carbonsäure(derivate)n Kohlensäurederivate und Heterocumulene und deren Umwandlung ineinander Darstellung von Heterocumulenen aus Kohlensäure(derivaten) Umsetzung von Heterocumulenen und Heteroatom-Nucleophilen zu Kohlensäurederivaten Umwandlung von Kohlensäurederivaten ineinander über Heterocumulene als Zwischenstufen 358

6 9 Additionen von Heteroatom-Nucleophilen an Carbonylverbindungen und Folgereaktionen - Kondensationen von Heteroatom-Nucleophilen mit Carbonylverbindungen Additionen von Heteroatom-Nucleophilen oder Blausäure an Carbonylverbindungen Zur Gleichgewichtslage bei Additionsreaktionen von Heteroatom-Nucleophilen an Carbonylverbindungen Halbacetalbildung Bildung von Cyanhydrinen und a-aminonitrilen Oligomerisierung von Aldehyden - Polymerisation von Formaldehyd Addition von Heteroatom-Nucleophilen an Carbonylverbindungen in Kombination mit nachfolgenden S N1 -Reaktionen des Primärprodukts: Acetalisierungen Mechanismus Bildung von O.O-Acetalen Bildung von 5,5-Acetalen Bildung von N,N-Acetalen 9.3 Addition von Stickstoffnucleophilen an Carbonylverbindungen in Kombination mit nachfolgenden El-Eliminierungen des Primärprodukts: Kondensationsreaktionen Addition von tf-nucleophilen und von Metallorganylen an Carbonylverbindungen Geeignete //-Nucleophile und Metallorganyle; Struktur von Lithiumorganylen und Grignard-Verbindungen Chemoselektivität der Addition von //-Nucleophilen an Carbonylverbindungen Diastereoselektivität der Addition von //-Nucleophilen an Carbonylverbindungen Diastereoselektivität der Addition von //-Nucleophilen an cyclische Ketone Diastereoselektivität der Addition von //-Nucleophilen an a-chirale acyclische Carbonylverbindungen Diastereoselektivität der Addition von //-Nucleophilen an js-chirale acyclische Carbonylverbindungen Enantioselektive Addition von //-Nucleophilen an Carbonylverbindungen Addition von Metallorganylen an Carbonylverbindungen Einfache Additionsreaktionen von Metallorganylen Enantioselektive Addition von Zinkorganylen an Carbonylverbindungen; chirale Verstärkung Diasteroselektive Addition von Metallorganylen an Carbonylverbindungen ,4-Additionen von OrganometallVerbindungen an a,/3-ungesättigte Ketone; Struktur von Kupferorganylen 442

7 11 Umsetzung von Phosphor- oder Schwefel-stabilisierten C-Nucleophilen mit Carbonylverbindungen: durch Additionen eingeleitete Kondensationen Kondensation von Phosphor-Yliden mit Carbonylverbindungen: Wittig-Reaktion Bindungsverhältnisse in Phosphor-Yliden Nomenklatur und Darstellung von Phosphor-Yliden Mechanismus der Wittig-Reaktion Wittig-Horner-Reaktion Horner-Wadsworth-Emmons-Reaktion Horner-Wadsworth-Emmons-Reaktionen zwischen achiralen Reaktanden Horner-Wadsworth-Emmons-Reaktionen zwischen chiralen Reaktanden - ein Potpourri stereochemischer Besonderheiten (Marc) Julia-Lythgoe- und (Sylvestre) Julia-Kocienski-Olefinierung Chemie der Enole und Enamine Keto/Enol-Tautomerie; Enolgehalt von Carbonyl- und Carboxylverbindungen a-funktionalisierung von Carbonyl- und Carboxylverbindungen über die tautomeren Enole a-funktionalisierung von Ketonen über die zugehörigen Enamine a-funktionalisierung von Enolethern und Silylenolethern Chemie der Alkalimetall-Enolate Grundlagen Formelschreibweise und Struktur von Enolaten Darstellung von Enolaten durch Deprotonierung Andere Methoden der Enolat-Erzeugung Überblick über Reaktionen von Elektrophilen mit Enolaten und die dabei auftretende Ambidoselektivität Alkylierung von quantitativ vorliegenden Enolaten und Aza-Enolaten: Kettenverlängernde Synthese von Carbonylverbindungen und Carbonsäurederivaten Kettenverlängernde Synthese von Carbonylverbindungen Kettenverlängernde Synthese von Carbonsäurederivaten Hydroxyalkylierung von Enolaten mit Carbonylverbindungen ( Aldoladdition"): Synthese von /3-Hydroxyketonen und ß-Hydroxyestern Triebkraft von Aldoladditionen und die sich daraus ergebende Produktpalette Stereokontrolle Kondensation von Enolaten mit Carbonylverbindungen: Synthese von Michael-Systemen 561

8 Aldolkondensation Knoevenagel-Reaktion Acylierung von Enolaten Acylierung von Ester-Enolaten Acylierung von Keton-Enolaten Acylierung von Enolaten methylenaktiver Verbindungen Michael-Addition von Enolaten Einfache Michael-Additionen Tandemreaktionen aus Michael-Addition und Folgereaktionen Umlagerungen Nomenklatur sigmatroper Verschiebungen Molekulare Ursachen für das Auftreten von [1,2]-Umlagerungen [1,2]-Umlagerungen in Spezies mit Valenzelektronensextett [1,2]-Umlagerungen in Carbenium-Ionen [ 1,2]-Umlagerungen in Carbenen oder Carbenoiden [1,2]-Umlagerungen ohne Auftreten eines Sextett-Intermediats Hydroperoxid-Umlagerungen Baeyer-Villiger-Umlagerungen Oxidation von Organoborverbindungen Beckmann-Umlagerung Curtius-Abbau Claisen-Umlagerung Klassische Claisen-Umlagerung Claisen-Ireland-Umlagerung Thermische Cycloadditionen Triebkraft und Durchführbarkeit von einstufigen [2 + 4]- und [2 + 2]-Cycloadditionen Übergangszustände von ausgewählten einstufigen [2 + 4]- und [2 + 2]-Cycloadditionen Stereostruktur der Übergangszustände von einstufigen [2+4]-Additionen Grenzorbital-Wechselwirkungen in den Übergangszuständen einstufiger [2 + 4]-Cycloadditionen Grenzorbital-Wechselwirkungen im Übergangszustand der unbekannten einstufigen Cycloaddition von Olefinen oder Alkinen an Olefine Grenzorbital-Wechselwirkungen im Übergangszustand von einstufigen [2 + 2]-Cycloadditionen mit Ketenen Diels-Alder-Reaktionen Stereoselektivität von Diels-Alder-Reaktionen Substituenteneffekte auf die Geschwindigkeit von Diels-Alder-Reaktionen Orientierungsselektivität von Diels-Alder-Reaktionen Einfache Diastereoselektivität von Diels-Alder-Reaktionen 662

9 15.4 [2 + 2]-Cycloadditionen mit Dichlorketen ,3-dipolare Cycloadditionen ,3-Dipole Grenzorbital-Wechselwirkungen im Übergangszustand von einstufigen 1,3-dipolaren Cycloadditionen; Sustmann-Klassifizierung ,3-dipolare Cycloadditionen von Diazoalkanen ,3-dipolare Cycloadditionen von Nitriloxiden ,3-dipolare Cycloadditionen und 1,3-dipolare Cycloreversion als Teilschritte der Ozonolyse von Olefinen Eine trickreiche 1,3-dipolare Cycloaddition von anorganischem Azid Ubergangsmetall-vermittelte Alkenylierungen, Arylierungen und Alkinylierungen Alkenylierung und Arylierung von Gilman-Cupraten Arylierung und Alkinylierung neutraler Organokupferverbindungen I Alkenylierung und Arylierung von Grignard-Verbindungen (Kumada-Kupplung) Palladium-katalysierte Alkenylierungen und Arylierungen von Organometallverbindungen Eine Vorbemerkung: Darstellung von isomerenreinen Halogenolefinen und Alkenylboronsäurederivaten, wichtigen Bausteinen für Palladium-vermittelte C,C-Kupplungen; Carbocuprierung von Alkinen Alkenylierung und Arylierung von Bor-gebundenen Organylresten (Suzuki-Kupplung) Alkenylierung und Arylierung von Zinkorganylen (Negishi-Kupplung) und von funktionalisierten Zinkorganylen Alkenylierung und Arylierung von Zinn-gebundenen Organylresten (Stille-Kupplung) Arylierung, Alkenylierung und Alkinylierung neutraler Organokupferverbindungen II Heck-Reaktionen Oxidationen und Reduktionen Oxidationszahlen in organisch-chemischen Verbindungen und organisch-chemische Redoxreaktionen Querverweise auf Redoxreaktionen, die bereits in den Kapiteln 1-16 besprochen wurden Oxidationen Oxidationen in der Reihe Alkohol -* Aldehyd-»- Carbonsäure Oxidative Spaltungen Oxidationen an Heteroatomen 767

10 17.4 Reduktionen Reduktionen R^-X -* R jp3-h oder R jp3-x -* R ip3-m Einelektronenreduktion von Carbonylverbindungen und Estern; reduktive Kupplung Reduktionen von Carbonsäurederivaten zu Alkoholen oder Aminen Reduktion von Carbonsäurederivaten zu Aldehyden Reduktion von Carbonylverbindungen zu Alkoholen Reduktion von Carbonylverbindungen zu Kohlenwasserstoffen Hydrierung von Olefinen Reduktion von Aromaten und Alkinen Der Reduktionsschritt bei der Julia-Lythgoe-Olefinierung 811 Index Namen-, Sach- und Substanzverzeichnis 819 Namensreaktionen 851 Ausgangsmaterialien hier besprochener Synthesen 853 Reagenzien hier besprochener Synthesen 857 Zielmoleküle hier besprochener Synthesen 861