7.9 Reaktionen mit Kohlenstoff-Nucleophilen

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1 7.9 eaktionen mit Kohlenstoff-Nucleophilen Die Addition von yanwasserstoff ist reversibel und wird durch Basen katalysiert. N N N yanhydrin Beim Behandeln der yanhydrine mit einer stöchiometrischen Menge Base zerfallen die yanhydrine unter ückbildung der arbonylverbindung und von N. Modifiziertes Kiliani-Fischer-Verfahren zur Verlängerung der Kohlenstoffkette in Zuckern. N N 2 N 2 2, Pd/BaS 4, 2 Druck N 2 N 2, N 3 2 D-Erythrose D-Glycerinaldehyd D-Threose Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2009/

2 Umpolung der arbonyl-eaktivität nach ünig: Me 3 SiN [N ] bzw. [ZnI 2 ] LiN(iPr) 2 (LDA) SiMe 3 : N ' Br F Et 3 N 2F normale eaktivität umgepolte Nu eaktivität = SiMe 3 : N Streckersche Aminosäure-Synthese durch Umsetzung von Aldehyden mit N in Gegenwart von Ammoniak und nachfolgende ydrolyse. N N 3 3 N 3 2 Benzoin-Kondensation : N: : N : : N Benzoin Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2009/

3 yanid-ionen (N ) katalysieren nur die Benzoin-Kondensation aromatischer Aldehyde. Bei aliphatischen Aldehyden nicht möglich, da die Ausbildung des arbanions nicht gelingt. Statt N können hier Thiazolium-Ionen eingesetzt weden, die sich leicht deprotonieren lassen. S N N : S 2 Wirkprinzip von Vitamin B1 (Thiamin) eaktionen mit Acetyliden '' : Na ' 3 '' ' Grignard-Verbindungen Bei Metallorganischen Verbindungen besitzt Kohlenstoff eine negative Partialladung, weil Metalle weniger elektronegativ als der Kohlenstoff sind. Elektronegativitätsunterschiede in -Metall-Bindungen: Li Zn Sn 2.0 Die eaktivität metallorganischer Verbindungen hängt von vielen Faktoren ab. Eine erste rientierung über ihre eaktivität liefert die Elektronegativitäts-Differenz. rganolithium- und rganomagnesium-verbindungen sind besonders reaktiv. rganomagnesium-verbindungen lassen sich durch Umsetzung von alogenalkanen, -alkenen und arenen mit Magnesium herstellen. eaktivität: I > Br > l Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2009/

4 3 2 Br Et 2 oder TF 20 Ethylmagnesiumbromid Magnesium geht hier von der xidationsstufe 0 in die xidationsstufe II über, sodass man diese Einschiebung auch als oxidative Addition bezeichnet. Aryl- und Alkenyl-Grignard-Verbindungen werden auch durch Brom-Magnesium- Austausch hergestellt. X Br iprl / Lil Turbo-Grignard (P. Knochel) X Br iprbr rganomagnesiumverbindungen (Grignard-eagenzien) werden üblicherweise in Diethylether-Lösung oder Tetrahydrofuran-Lösung hergestellt, wobei die Ether- Sauerstoffe die freien Koordinationsstellen am Metall besetzen. ' :.. ' :.. al al.. : ' '.. : Die in Lösung tatsächlich vorliegende Situation ist jedoch viel komplizierter, da neben dem nachstehend formulierten Schlenk-Gleichgewicht auch verbrückte Strukturen, wie A, eine wichtige olle spielen. 2 al Schlenk-Gleichgewicht al al al al A Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2009/

5 Grignard-Verbindungen reagieren rasch mit Brønsted-Säuren. äufig ist dies eine unerwünschte Störung, manchmal dient diese eaktion auch zur gezielten erstellung von Amid-Anionen bzw. Acetylid-Anionen Br N 2 Durch Umsetzung von Grignard-eagenzien mit arbonylverbindungen lassen sich primäre, sekundäre oder tertiäre Alkohole erzeugen. X Formaldehyd 2 primärer Alkohol ' Aldehyd X 2 sekundärer Alkohol ' ' Keton X 2 tertiärer Alkohol Die Grignard- Verbindung fungiert sowohl als Nucleophil als auch als Lewis-Säure zur Aktivierung der arbonyl-gruppe. X ' δ δ δ δ X X δ X ' X ' δ X An die Stelle der zweiten Grignard-Verbindung kann auch Br 2 treten. Die eaktion kann auch über einen Elektronentransfer-Mechanismus erfolgen, wobei Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2009/

6 der aus dem Grignard-eagens stammende Alkylrest in das adikal-kation übergeht, das isomerisieren kann. Nebenreaktionen bei Grignard-Additionen spielen insbesondere bei sterisch anspruchvollen Systemen eine wichtige olle: Enolisierung und eduktion. Enolisierung: Das Grignard-eagens fungiert als Base, wird protoniert, und die arbonylverbindung wird nach saurer Aufarbeitung unverändert zurückgewonnen. a 3 Br a auptprodukt b b 4 Nebenprodukt 3 eduktion: Der β-wasserstoff der rganomagnesium-verbindung hat hydridischen harakter. X ' δ " δ 2 2 rganolithium-verbindungen Deutlich reaktiver als Grignard-Verbindungen sind rganolithium-verbindungen. Ihre erstellung erfolgt i. A. auf einem der drei folgenden Wege: xidative Addition Bu l 2 Li Brom-Lithium-Austausch Br Me BuLi TF 80 Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2009/

7 Deprotonierung -acider Verbindungen (orey-seebach-eaktion, s. oben) S S BuLi S S Li Zinkorganische Verbindungen eformatsky-eaktion Br Zn Et 2 β-ydroxycarbonsäureester Anders als ranomagnesium-verbindungen reagieren rganozink- Verbindungen nicht mit Estern. Moderne Entwicklungen der Zink-rganischen hemie: P. Knochel Elektronenreiche Arene als Nucleophile: Elektrophile aromatische Substitutionen mit arbonylverbindungen arbonylverbindungen sind zu wenig elektrophil, um an aromatischen Verbindungen angreifen zu können. Die elektrophile aromatische Substitution an elektronenreichen Arenen gelingt jedoch, wenn die Elektrophilie der arbonylverbindung durch Brønsted oder Lewis-Säuren erhöht wird. N elektrophile aromatische Substitution oft nicht isolierbar, da rasche Folgereaktion mit weiteren Arenen Erinnerung an 1: Die Bildung von Bakeliten (enol-formaldehyd-arze) erfolgt nach dem gleichen Mechanismus. Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2009/

8 7.10 eaktionen mit eduktionen mit komplexen ydriden Na Li B Al Et ' in Et 2 oder TF Et analog mit 3 weiteren arbonylgruppen 2 Li Al ' 4 Aldehyde und Ketone werden durch komplexe ydride rasch zu primären bzw. sekundären Alkoholen reduziert. Während Natriumborhydrid in alkoholischer Lösung eingesetzt wird, darf LiAl 4 nicht mit protischen Lösungsmitteln zusammengebracht werden (heftige eaktion unter Freisetzung von Wasserstoff, Brandgefahr). Während LiAl 4 eine Vielzahl funktioneller Gruppen reduziert (wenig selektiv), reagiert NaB 4 bevorzugt mit Aldehyden und Ketonen (sowie arbonsäurechloriden, s. Kap. 8). Da Aldehyde reaktiver als Ketone sind, kann mit dem milden eduktionsmittel NaB 4 eine Aldehyd-Gruppe in Gegenwart einer Ketogruppe reduziert werden. NaB 4 Me/ 2 l 2 78 Bei der Luche-eduktion wird eine Ketofunktion chemoselektiv in Gegenwart einer Aldehyd-Gruppe reduziert, weil durch Zusatz eines Equivalents el 3 das Keton als stärkere Lewis-Base selektiv aktiviert wird. Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2009/

9 el 3 NaB 4 Me/ 2 l 2 78 el 3 über aktiviert L-Selektrid (Li B(sekBu) 3 ) vermag wegen seines großen sterischen Anspruchs chemoselektiv zwischen Ketonen unterschiedlicher Größe zu differenzieren. Li B(sek-Bu) 3 Diastereoselektive und enantioselektive eduktionen von arbonylgruppen sind Gegenstand der Vorlesung Stereoselektive eaktionen. Die Meerwein-Ponndorf-Verley-eduktion mit ipr in Gegenwart von Aluminium-isopropylat wurde bereits im Zusammenhang mit der ppenauer- xidation behandelt. annizzaro-eaktion (Disproportionierung von Aldehyden ohne α--atom) : 2 2 Direkte ydridübertragung nachgewiesen, da kein D-Einbau bei der Durchführung der eaktion in D 2 erfolgt. Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2009/

10 7.11 eduktive Kupplungen K Ether Dieses adikalanion reagiert rasch mit Sauerstoff und Wasser Benzophenon-Kalium tiefblau Nur teilweise Dimerisierung dieses adikal-anions Pinakolbildung = = : : : Einschiebung: Pinakol-Pinakolon-Umlagerung McMurry-eaktion: Bildung von Alkenen aus Aldehyden und Ketonen in einem Schritt ohne Isolierung des intermediären Diols. 2 Til 3 /K oder Til 3 /LiAl 4 Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2009/

11 eaktion verläuft wie oben über adikalanionen, wahrscheinlich auf der berfläche von fein verteiltem Titan, das durch eduktion von Til 3 entsteht: 2 Ti(0) Titan-Metall Ti Ti 7.12 xidationen von arbonylverbindungen r VI 2 Der über das Aldehyd-ydrat verlaufende Mechanismus wurde bereits besprochen (s. Kap. 6). Baeyer-Villiger-xidation Keton Peroxysäure Ester ' " chiraler est " wandert mit Konfigurationserhalt ' " Wanderungsneigung der Substituenten: > tertiär > sekundär enyl > primär Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2009/

12 α,β-ungesättigte arbonylverbindungen Δ = 25 kj mol 1 ähnlicher Wert für die Isomerisierung von 1,4-Pentadien zu 1,3-Pentadien α,β-ungesättigte arbonylverbindungen gehen 1,2- und 1,4-Additionen ein : Nu: Nu 1,2-Addition Nu :Nu Nu Nu Nu 1,4-Addition Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2009/

13 Vgl. auch Kap. 4 Nucleophile Additionen an -Mehrfachbindungen 2 [a() 2 ] Me [Me ] S [Base] N 2 / 2 N 1,4- vs 1,2-Addition von metallorganischen eagenzien Grignard-eagenzien können 1,2- und 1,4-Additionen eingehen Bei ungesättigten Aldehyden ist immer die 1,2-Addition bevorzugt, bei ungesättigten Ketonen ist die Voraussage schwierig. EtBr 3 EtBr 3 37 % 1,2-Addukt 57 % 1,4-Addukt Bei großen Substituenten an der arbonylgruppe ist die 1,4-Addition günstiger. Br 3 Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2009/

14 Dasselbe Keton liefert mit Li nur 1,2-Addition Li 3 Es ist daher günstig, rganolithium-verbindungen zu verwenden, wenn 1,2- Addition angestrebt wird. Dagegen wird mit rganokupfer-verbindungen 1,4-Addition erreicht. 2 3 Li ui ( 3 ) 2 uli = ( 3 ) 2 u Li LiI Gilman-uprat n-alkyl 3 ( 3 ) 2 uli 78, 4 h 3 Neben den aus rganolithium-verbindungen zugänglichen Gilman-upraten werden auch Normant-uprate (aus Br und ubr S ) oder Knochel-uprate (aus ZnI und un 2 Lil) eingesetzt. Details dazu in der Fortgeschrittenen-Vorlesung Metallorganische hemie. Arbeitet man die bei der konjugaten Addition an α,β-ungesättigte arbonylverbindungen zunächst erhaltenen Enolate nicht hydrolytisch auf, lassen sich durch Umsetzung mit einem elektrophilen Alkylierungsmittel in einem Eintopf-Verfahren auch zwei neue -Bindungen knüpfen. Li uli X (±) (±) Me Me Me auptprodukt Nebenprodukt Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2009/

15 Michael-Additionen (d. h. 1,4-Additionen -acider Verbindungen: s. Kap. 9) eduktionen α,β-ungesättigter arbonyl-verbindungen eduktion der arbonylgruppe meist mit LiAl 4 möglich LiAl 4 Ether 3 (NaB 4 ist demgegenüber weniger selektiv!) eduktion der -Doppelbindung (unter Erhalt der -Doppelbindung) mit 2 /Pd bzw. Li/fl. N 3 Li N 3 N 2 Li in fl. N 3 stabil 3 Isolierte -Doppelbindungen werden durch Li/N 3 nicht reduziert, während isolierte -Doppelbindungen ebenfalls reduziert werden. Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2009/