1.0 Eliminierungsreaktionen

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1 Skript zum 3. Kolloquium Seite 1 von liminierungsreaktionen eben den für eine nucleophile Substitution typischen eaktionsprodukten können auch Alkene im Produktgemisch nachgewiesen werden. Dabei wird die Abgangsgruppe sowie ein benachbartes Wasserstoffatom abgespalten. Derartige eaktionen bezeichnet man als liminierungen. u u u Substitution Da die Abgangsgruppe und das Proton an benachbarten Atomen gebunden sind, bezeichnet man solche liminierungen als 1,2 oder βliminierung. Waren und an Atome gebunden, bilden sich Alkene, waren sie an etereoatome gebunden, bilden sich Doppelbindungen zu etereoatomen aus. Im folgenden sollen vor allem die 1,2liminierung von unter Bildung von Mehrfachbindungen untersucht werden. Bei einer liminierung können grundsätzlich drei verschiedene eaktionsmechanismen unterschieden werden. u liminierung 1.1 Monomolekulare liminierung 1 Bei der Monomolekularen liminierung handelt es sich um eine eaktion 1. rdnung. Dabei wird zunächst im ersten Schritt (ebenso wie bei der S 1eaktion) die Abgangsgruppe abgespalten und man erhält ein arbeniumion. Dieser Schritt ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt. Im nächsten Schritt erfolgt die Abspaltung eines Protons und man erhält das Alken. langsam schnell 1.2 Bimolekulare liminierung 2 Die bimolekulare liminierung ist eine eaktion zweiter rdnung. Dabei erfolgt (ebenso wie beim S 2Mechanismus) die Anlagerung einer Base sowie die Abspaltung von Proton und der Abgangsgruppe synchron. Man erhält die korrespondierende Säure B sowie das Alken. B B

2 Skript zum 3. Kolloquium Seite 2 von cbMechanismus Beim arbanionmechanismus handelt es sich um eine eaktion 2. rdnung. Dabei wird zunächst in Gegenwart einer Base ein Proton abgespalten und man erhält ein arbanion. Im nächsten eaktionsschritt erfolgt die Abspaltung der Abgangsgruppeund man erhält das arbeniumion. Base 1.4 Saytzeff und offmann liminierung In Verbindungen wie einem 2Butylhalogenid befindet sich die Abgangsgruppe nicht an einem endständigen Kohlenstoffatom. Daher sind zwei liminierungsprodukte denkbar: 1Buten und 2Buten. Das höhersubstituierte Alken bezeichnet man als SaytzeffProdukt, das endständige Alken wird als ofmann Produkt bezeichnet. SaytzeffProdukt (trans und cis) ofmannprodukt Im SaytzeffProdukt trägt die Doppelbindung die größere Zahl an Substituenten, die über ihren Iffekt das Alken stabilisieren. Meist wird daher mehr Saytzeff als ofmannprodukt gefunden. Diese ProduktVerteilung entspricht der Stabilität der Produkte, die Verteilung ist thermodynamisch kontrolliert. Wegen der Stabilisierung der Produkte führen Substituenten, die in Konjugation mit der entstehenden Doppelbindung treten können, ebenfalls zu thermodynamischer Kontrolle (Produktkontrolle). Das ofmannprodukt bildet sich bevorzugt, wenn die liminierung kinetisch kontrolliert ist, vor allem bei schlechten Abgangsgruppen und sperrigen Basen. Gute Abgangsgruppen begünstigen eine 1liminierung, bei der überwiegende das SaytzeffProdukt gebildet wird. 2liminierungen können kinetisch kontrolliert verlaufen. Je schlechter die Abgangsgruppe ist, desto mehr ofmannprodukt entsteht, da die Bindung zum Proton im Übergangszustand stärker ausgebildet ist. Dabei kann der eaktionsmechanismus von 2 in ichtung 1cb verschoben werden. Große Anteile an ofmannprodukt werden auch bei insatz sperriger Basen wie tbu oder t 3 gefunden. Die ofmann/saytzeffegel versagt jedoch häufig bei polycyclischen Verbindungen, wenn im höhersubstituierten SaytzeffProdukt Spannungen auftreten. So gibt es bei der liminierung aus 2substituierten Bicyclo[2.2.1]heptanen kein Bicyclo[2.2.1]hept 1en, da die prbitale in einem solchen Alken gegeneinander verdrillt wären.

3 Skript zum 3. Kolloquium Seite 3 von 49 Die Bredtsche egel verallgemeinert dies: Doppelbindungen werden selten zu BrückenkopfAtomen gebildet, da die prbitale der benachbarten sp 2 hybridisierten Atome aus geometrischen Gründen meist nicht gut überlappen können. 1.5 sterischer Verlauf Bei einer liminierung wird aus einer infachbindung eine Doppelbindung. Somit kann es zur Ausbildung von und Z Stereoisomeren kommen. Welche Produkte gebildet werden, hängt vom Substrat sowie vom eaktionsmechanismus ab. In den zweistufigen 1 und 1cbMechanismen wird die Stereochemie des Alkens erst im zwieten Schritt durch die Abspaltung eines Protons (1) oder einer Abgangsgruppe (1cb) bestimmt. In den Zwischenstufen ist noch freie Drehbarkeit vorhanden. Dagegen gibt es bei der 2liminierung keine Zwischenstufe. und Bindung und =Doppelbindungbildung verlaufen synchron. 1eaktion

4 Skript zum 3. Kolloquium Seite 4 von 49 2eaktion Aus sp³hybdridisierten Kohlenstoffatomen werden sp²hybridisierte Atome im Alken. Für diesen Prozess müssen die brechenden σbindungen in einer bene liegen. Dies ist bei den gezeigten ekliptischen und gestaffelten Konformationen der Fall. Von vielen denkbaren Konformationen eines Substrates für eine liminierung liegen nur bei einer gestaffelten und einer ekliptischen Konformation die σbindungen der und der Bindung in einer bene. Man spricht von stereoelektronischer Kontrolle der eaktion. Die energetisch günstigere Konformation ist die gestaffelte. Daher verlaufen 2 liminierungen im allgemeinen aus der Konformation, bei der Atom und

5 Skript zum 3. Kolloquium Seite 5 von 49 Abgangsgruppe gegenüber, antiperiplanar, angeordnet sind. Man nennt dies antiliminierung. ine synliminierung findet man immer dann, wenn cyclische Übergangszustände durchlaufen werden. Bei solchen, meist thermisch verlaufenden cisliminierungen ist die Abgangsgruppe zugleich die angreifende Base. und das austretende Proton sind im Übergangszustand synperiplanar angeordnet, beispielsweise bei einer liminierung aus arbonsäureestern (sterpyrolsyse), aus anthogenaten (Tschugaeffliminierung) oder aus xiden (opeliminierung). Kennt man also den Mechanismus einer Synchronliminierung (anti oder synperiplanar), so lässt sich die Stereochemie des Produkts hervorsagen. S S Sie stereoeletronische Kontrolle von liminierungen spielt ebenfalls in cyclischen Systemen eine große olle. Da in cyclischen Systemen keine freie Drehbarkeit um die Bindung existiert, ist nicht immer eine antiperiplanare Anordnung der brechenden und Bindung möglich. Dies ist nur bei diaxialer Stellung der Substituenten denkbar. Im stabilsten Konformer eines Methylderivates nimmt die Abgangsgruppe eine äquatoriale Stellung ein. ine antiliminierung erfolgt aus dem ebenkonfomer, in dem alle Substituenten axial angeordnet sind. Da in diesem Konfomer nur ein Atom antiperiplanar zur Abgangsgruppe angeordnet ist, findet man bei MethylDerrivaten überwiegend die Bildung der thermodynamisch weniger stabilen ofmannprodukte.

6 Skript zum 3. Kolloquium Seite 6 von Konkurrenz zwischen liminierung und Substitution Die liminierungsreaktion ist eine Konkurrenzeaktion der ucleophilen Susbtitution, denn das angreifende Teilchen B kann mit seinem freien lektronenpaar als Base oder als ucleophil reagieren. Angriff als ucleophil B B Substitution B liminierung Angriff als Base Die Konkurrenz von liminierung und nucleophile Substitution muss nur im Falle der 1 und 2Mechanismen diskutiert werden. Beim 1cbMechanismus wird an arbanion generiert, welches selbst als ucleophil reagieren kann. 1 versus S 1 Die liminierung erster rdnung und die nucleophile Substitution erster rdnung verlaufen über die gleiche Zwischenstufe, ein arbokation, aus dem entweder das Substitutions oder das liminierungsprodukt entsteht. Dabei spielen Substituentenund sterische ffekte, die ucleophilie des Teilchen B sowie die Temperatur eine olle. Substituenten, die ein Alken stabilisieren. Die Stabilität eines Alkens ist um so größer, je mehr Alkylgruppen es trägt, da diese das Alken durch ihren Iffekt stabilisieren. Je mehr Susbtituenten ein arbokation in α und βstellung trägt, um so eher kommt es zur liminierung. Auch durch Substituenten, die durch Konjugation ein Alken stabilisieren, wird die liminierung begünstigt. Sterische Gründe fördern ebenfalls die liminierung, da die Substituenten an sp²hybridisiertenatomen einen größeren Abstand voneinander haben als an sp³hybridisierten (120 statt 109 ). Beim Übergang von primären über sekundäre zu tertiären arbokationen nimmt daher die Geschwindigkeit der liminierung zu, während die der Addition des ucleophils abnimmt.

7 Skript zum 3. Kolloquium Seite 7 von 49 Basizität und ucleophilie Teilchen mit einem freien lektronenpaar können Bindungen ausbilden, indem sie es einem eaktionspartner zur Verfügung stellen. Der eaktionspartner reagiert als lektrophil. andelt es sich beim lektrophil um ein Proton, reagiert das ucleophil als BrönstedtBase. Die Basizität kann quantifiziert werden durch Bestimmung des pk a Wertes für die protonierte Form, die korrespondierende Säure. Bei Umsetzung mit anderen lektrophilen reagieren die Teilchen als LewisBase. Die eaktivität wird durch ihr ucleophilie bestimmt. Diese verläuft häufig nicht parallel zur Basizität, denn die Basizität beschreibt das thermodynamische Verhalten gegenüber Protonen, während die ucleophilie eine kinetische Größe ist, die von vielen Faktoren, auch vom eaktionspartner, dem lektrophil, abhängt. Folgende Faktoren beeinflussen die ucleophilie: lektronegativität des lements, welches das lektronenpaar für die neue Bindung zur Verfügung stellt (ein elektronegatives lement bindet seine lektronenpaare fester als ein weniger elektronegatives), Polarisierbarkeit des ucleophils ( je geringer die lektronegativität und je größer der adius des Atoms ist, desto leichter kann lektronendichte, das neue Bindungselektronenpaar, zur Verfügung gestellt werden), Größe (sterische Abstoßung verlangsamt eine Bindungsbildung), Solvatation (eine gute Solvathülle schirmt das ucleophil ab), Stärke der sich bildenden Bindung (nach dem ammondpostulat liegt der Übergangszustand energetisch niedriger, wenn sich ein stabiles Produkt bildet). Qualitativ kann der Unterschied zwischen Basizität und ucleophilie durch das Konzept der harten und weichen Säuren und Basen beschrieben werden, nach dem Teilchen gleicher ärte bevorzugt miteinander reagieren. Sterisch anspruchsvolle Basen. Je größer die angreifende Base ist, desto mehr liminierungsprodukt wird gebildet, da die sterischen Wechselwirkungen zwischen einer als ucleophil agierenden Base und den Substituenten des αatoms bei einer Substitution zunähmen. ucleophile der Base. Bei der Konkurrenz Substitution/liminierung reagiert das angreifende Teilchen als ucleophil oder als Base. Je besser seine ucleophilie, desto mehr Substitution wird daher beobachtet. Gute ucleophile führen daher eher zur Substitution, schlechte ucleophile zur liminierung. Temperatur. Temperaturerhöhung begünstigt eine liminierung aus entropischen Gründen, da bei einer liminierung aus zwei Teilchen Base und Substrat drei werden und der Term T S die freie Aktivierungsenthalpie G stärker erniedrigt wird als bei einer Substitution, bei der die Teilchenzahl gleich bleibt. G = T S

8 Skript zum 3. Kolloquium Seite 8 von 49 2 versus S 2 Im Gegensatz zur 1/S 1Konkurrenz gibt es im bimolekularen Fall keine gemeinsame Zwischenstufe, sondern es handelt sich bei der 2 und der S 2 eaktion um zwie parallel und unabhängig voneinander ablaufende eaktionen. Die bei der 1/S 1Konkurrenz diskutierten inflüsse spielen aber auch im bimolekularen Fall eine olle, wenn auch weniger ausgeprägt. Das liegt daran, dass Substituenteneffekte, die ein arbokation und ein Alken stabilisieren (induktive und mesomere ffekte) sich auf den Übergangszustand im Vergleich zu einem arbokation nur teilweise stabilisierend wirken können. Alkyl, Phenyl und Vinylsubstituenten in α oder βstellung begünstigen daher die 2liminierung gegenüber der S 2Substitution. Auch sterische ffekte führen zur liminierung, da es, wie schon besprochen, bei der liminierung zu einer Winkelaufweitung auf 120 kommt. Außerdem wird ein ückseitenangriff einer Substitution mit zunehmender Größe des ucleophils langsamer. Bei tertiären Alkylderivaten wird nie eine S 2Substitution beobachtet. ahezu ausschließlich liminierung findet man bei wenig bis nichtnucleophilen Basen wie Triethylamin, DBU und DB. DB 1,5Diazabicyclo[4.3.0]5nonen DBU 1,8Diazabicyclo[5.4.0]7undecen Über diese inflüsse hinaus gibt es bei der bimolekularen 2eaktion zwei weitere ffekte, die das liminierungssubstitutionsverhältnis bestimmen können. Abgangsgruppe. Im Gegensatz zur 1liminierung, bei der das arbokation, das bereits von der Abgangsgruppe gelöst ist, die Selektivität bestimmt, wird das 2/S 2 Verhältnis auch durch die Abgangsgruppe beeinflusst. Je schlechter die Abgangsgruppe ist, desto mehr liminierung wird gefunden. ine schlechte Abgangsgruppe ist im Übergangszustand noch fester gebunden, wodurch der Übergangszustand für eine Substitution gedrängt wäre. Dies begünstigt die liminierung. Bei Trialkylammoniumsalzen findet man daher deutlich mehr liminierung als bei Tosylaten. Tos < Br < S Me 2 < Me 3

9 Skript zum 3. Kolloquium Seite 9 von 49 Stereoelektronischer ffekt. Im Zusammenhang mit der Stereochemie der liminierung haben wir die trans und cisliminierung kennengelernt. Die Diederwinkel müssen dafür 180 bzw. 0 betragen. Abweichende Konformationen führen zu einer Verlangsamung der liminierung und begünstigen dadurch die Substitution. Me 3 KtBu 90% liminierung tbu Me KtBu 3 100% Substitution So hängt das liminierungssubstitutionsverhältnis bei yclohexanderivaten, die durch große Substituenten wie einer tertbutylgruppe in einer Sesselkonformation fixiert sind, von der Stellung der Abgangsgruppe ab. Der stereelektronische ffekt erklärt auch, warum aus alläquatotialem exachlorcyclohexan mal langsamer eliminiert wird als aus allen anderen Stereoisomeren. Vergleicht man die liminierungssubstitutionsverhältnisse für die bi und monomolekulare eaktion, so muss festgestellt werden, dass bei einem bimolekularen eaktionsweg bevorzugt liminierung auftritt. Dies liegt an den sterischen Wechselwirkungen, die bei fünffach koordiniertem Atom im Übergangszustand der S 2eaktion viel größer ist als bei der S 1eaktion, die ja über ein dreifach koordiniertes Atom im arbokation verläuft. eaktionsbedingungen, die 2 gegenüber 1 begünstigen, vergrößern also auch das liminierungs Substitutionsverhältnis. Dies gelingt beispielsweise durch die Wahl wenig polarer, Ionen schlecht stabilisierender Lösungsmittel. Für die liminierung von Br aus Alkylbromiden werden daher AlkoholatIonen in Alkohol verwendet, da in 2 zu einem höheren Substitutionsanteil führt (Solvolyse).

10 Skript zum 3. Kolloquium Seite 10 von Weitere liminierungen ine 1,2liminierungen kann auch über radikalische Zwischenstufen verlaufen. Dies ist beispielsweise bei der Disproportionierung von adikalen der Fall. ine wichtige radikalische liminierung ist die radikalische Depolymerisation, die ückreaktion der radikalischen Polymerisation. s gibt jedoch nicht nur 1,2 oder βliminierungen. Befinden sich beide abgehenden Teilchen am gleichen Atom, so spricht man von αliminierung, durch die arbene generiert werden können, beispielsweise aus alogenkohlenwasserstoffen im Alkalischen durch Phasentransferkatalyse. αliminierung: B B Aber auch aus Dihalogenverbindungen und Metallen können sich die hochreaktiven arbene bilden. Deshalb dürfen halogenierte Lösungsmittel nie mit Alkalisalzmetallen in Berührung gebracht werden. M M 2 Als Folge einer γliminierung (1,3liminierung) können sich yclopropane bilden, wenn beispielsweise ein 1,3Dibromid mit Zink umgesetzt wird. γliminierung: Br Br Zn ZnBr 2

11 Skript zum 3. Kolloquium Seite 11 von Anwendungen Dehydratisierung von Alkoholen (mit Basen, säurekatalysiert) Bildung von lefinen aus thern Bildung von nolethern aus Acetalen Dehydrohalogenierung von Alkylhalogeniden offmannabbau quarternärer Ammoniumverbindungen

12 Skript zum 3. Kolloquium Seite 12 von 49 cisliminierung: Pyrolyse von arbonsäureestern ster sind thermisch recht stabil. rhitzt man sie jedoch auf Temperaturen über 300, zersetzen sie sich in die entsprechende arboonsäure und ein Alken. Die eaktion verläuft konzertiert über einen sechsgliedrigen cyclischen Übergangszustand. In dem Moment, in dem das arbonylsauerstoffatom mit der Abspaltung eines βwasserstoffatoms beginnt, fängt die SauerstoffKohlenstoff Bindung der Alkoxygruppe an, aufzubrechen. Bei dieser Umsetzung werden drei lektronenpaare verschoben, ähnlich wie bei der DielsAlder und der retrodiels Aldereaktion: ' ' ' sechsgliedriger cyclischer Übergangszustand mit Verschiebung von 6 lektronen Das Wasserstoffatom und die stergruppe treten auf derselben Seite der sich entwickelnden πbindung aus dem Molekül aus. Diesen Prozess bezeichnet man als synliminierung im Gegensatz zu dem antiübergangszustand der meisten 2 eaktionen, bei dem zwar auch sechs lektronen verschoben werden, die Atome aber nicht cyclisch angeordnet sind. Tschugajeffeaktion Bei der Tschugajeweaktion werden bei 200 AlkylSmethylxanthogenate zu einem lefin, Kohlenoxysulfid und Methanthiol pyrolisiert. Anders als die Selenoxidoder Sulfoxidpyrolyse erfolgt die anthogenatpyrolyse über sechsgliedrige Übergangszustände. Wie in der Selenoxid und Sulfoxidpyrolyse werden in der anthogenatpyrolyse drei lektronenpaare gleichzeitig verschoben. Das zusätzliche ingglied bedingt aber eine stereochemische Flexibilität, die Selenoxid und Sulfoxidpyrolyse nicht besitzen: Die Tschugajeweaktion ist nicht notwendigerweise synselektiv. Zwar ist auch hier der Übergangszustand begünstigt, in dem die Abgangsgruppe und das βständige Atom das Substrat in dieselbe ichtung verlassen, also im Sinn einer synliminierung. Andererseits sind aber im Übergangszustand der Tschugajeweaktion alle Bindungen der Teilstruktur α (SMe)S β schon so lang, dass die Abgangsgruppe und das βständige Atom obwohl sie Bestandteil ein und desselben Thiokohlensäurehalbesters werden das Substrat auch in entgegengesetzte ichtung verlassen können. Dann aber liegt antiliminierung vor: S SMe a; S 2 ; MeI 200 S SMe S== SMe

13 Skript zum 3. Kolloquium Seite 13 von 49 Decarboxylierung von Malonsäureestern und βketoestern αliminierung: Keten und hloroform Allgemeine Darstellungsverfahren für substituierte Ketene basieren auf der Dehydrohalogenierung von Alkanoylhalogeniden oder der Dehalogenierung von 2 alogenalkanoylhalogeniden. Die letztgenannten Ausgangsverbindungen lassen sich glatt durch die ellvollhardzelinskyeaktion mit einer stöchiometrischen Menge PBr 3 darstellen. 2 ' Br Br ( 2 3 ) 3 Darstellung von Ketenen Zn eaktionen von Ketenen 2 ' ( 2 3 ) 3 ZnBr 2 '' ' '' '' 2 '' ' '' ' '' Wegen ihres elektrophilen arbonylkohlenstoffatoms sind Ketene sehr reaktiv, sie ähneln in ihrem chemischen Verhalten den Alkanoylhalogeniden. So reagieren sie mit Wasser zu arbonsäuren, mit Alkoholen zu stern, mit Aminen zu Amiden und mit arbonsäuren zu Anhydriden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass man Anhydride aus Alkanoylhalogeniden oder Ketenen durch Behandeln mit einer arbonsäure erhält. Diese Verbindungen reagieren mit ucleophilen in derselben Weise wie Alkanoylhalogenide, nur dass die Abgangsgruppe eine arbonsäure oder ein arboxylat ist. yclische Anhydride ergeben Derrivate von Dicarbonsäuren.

14 Skript zum 3. Kolloquium Seite 14 von 49 inschubreaktionen eimertiemanneaktion

15 Skript zum 3. Kolloquium Seite 15 von Addition an die Mehrfachbindung Bei der Umkehrung einer liminierung werden zwei neue Substituenten an ein Alken gebunden. Dieser eaktionstyp heißt Addition. Dabei wird eine relativ schwache π Bindung gebrochen und es werden zwei meist recht feste σbindungen gebildet. Addition Y Y liminierung Auch bei einer Additionsreaktion sind mehrerere eaktionswege denkbar. Kehrt man die eaktionsmechanismen der liminierung um (Prinzip der mikroskopischen eversibilität), so entspricht eine synchrone synaddition einer synliminierung. Zur 1 und 1cbeaktion gehören die elektrophile und nucleophile Addition. Die gemeinsamen Zwischenstufen sind Kationen beziehungsweise Anionen. Darüber hinaus sind auch radikalische Additionsmechanismen bekannt. ine Addition die eine 2eaktion umkehrt, ist jedoch unwahrscheinlich, da drei Teilchen geometrisch passend miteinander reagieren müssten (Dreierstoß). Y Y synaddition synliminierung elektrophileaddition 1eaktion Y Y Y Y nucleophile Addition 1cbeaktion Y Y Y radikalische Addition Y radikalische Fragmentierung Dreierstoß 2eaktion Y Y Y

16 Skript zum 3. Kolloquium Seite 16 von lektrophile Addition In einer elektrophilen Addition greift ein elektronenarmes Teilchen, ein lektrophil, die πwolke eines Alkens an, welches sich dadurch als ucleophil verhält. Das lektrophil kann ein Kation sein (, g 2 ) oder neutral, beispielsweise ein hloroder Brommolekül. Über einen πkomplex (Koordination der eaktionspartner) wird das alogenmolekül dann polarisiert und bildet al und al. Iod kann sich aus thermodynamischen Gründen nicht addieren. δ al al al al δ al al al al πkomplex σkomplex aloniumion So bildet sich eine kationische Zwischenstufe, die je nach lektrophil unterschiedlich aussehen kann. Bildet ein lektrophil, wie beispielsweise ein Proton, eine Bindung zum αatom aus, so entsteht ein arbokation mit positiver Ladung in βstellung. Andere lektrophile wie alogene oder Metallsalze bilden jedoch zu beiden Atomen Bindungen aus und im resultierenden DreiringKation ist die positive Ladung dann über die drei Atome delokalisiert. s liegt eine 2lektronen3ZentrenBindung vor. u u :, 3 α β α β ' ' u ' u ' : al, g 2 Ist ein solches Kation, etwa ein BromiumIon, sterisch stark abgeschirmt, so wird die eaktion mit ucleophilen verlangsamt, und das Kation kann in inzelfällen isoloiert werden. Br Im ormalfall wird die Additionssequenz dann durch die eaktion mit einem ucleophil u abgeschlossen. Konkurrenzreaktionen zwischen verschiedenen ucleophilen, aber auch mit Solvensmolekülen zeigen die Zweistufigkeit der eaktion. Die Geschwindigkeit einer elektrophilen Addition ist um so größer, je elektronenreicher das Alken ist und je besser das Kation stabilisiert wird.

17 Skript zum 3. Kolloquium Seite 17 von 49 lektronenschiebende Substituenten am Alken begünstigen daher eine elektrophile Addition. ine elektrophile Addition ist auch bei Alkinen möglich. Allerdings reagieren Alkine langsamer als Alkene. Grund hierfür ist zum einen die größere lektronegativität eines sphybridisierten Atoms, das dadurch die πlektronen fester bindet. Zum anderen ist das resultierende Vinylkation energetisch weniger stabil als ein sp2 hybridisiertes arbokation, das bei der Addition an Alkene durchlaufen wird. eagiert ein Vinylkation mit Wasser, so bildet sich ein nol, das zu einem Keton tautomerisiert egiochemie und Stereochemie der Addition egiochemie Außer der Addition von alogenen an Alkene sind in den Produkten einer elektrophilen Addition zwei verschiedene Gruppen an die Atome der ehemaligen Doppelbindung gebunden. Bei unsymmetrisch substituierten Alkenen sind daher zwei Produkt denkbar, wenn beispielsweise Br an ein solches lefin addiert wird. Die Markownikowegel sagt vorher, welches Produkt bevorzugt gebildet wird: Im auptprodukt einer durch die Addition eines Protons eingeleiteten Addition befindet sich das Wasserstoffatom stets am niedriger substituierten Atom, da in diesem Fall das stabilere arbokation gebildet wird. Br Br Br MarkownikowProdukt antimarkownikowprodukt Alkylsubstituenten stabilisieren arbokationen. Daher wird die neue Bindung am weniger substituierten Atom des Alkens gebildet und schließlich das ucleophil, hier Br, an das höher substituierte Atom addiert. Die Stabilität der carbokationischen Zwischenstufe erklärt also die egiochemie. ine Umkehrung der egiochemie bei der Addition von Br oder Wasser an Alkene ist durch radikalische Addition oder via BoranAddition möglich. Stereochemie Verläuft die Addition an eine Doppelbindung über klassische arbokationen, so ist die otationsbarriere der =Doppelbindung bereits in der Zwischenstufe aufgehoben. Daher findet eine elektrophile Addition, die durch Protonen oder Alkylkationen eingeleitet wird, nur selten stereoselektiv statt. Anders ist dies jedoch, wenn die Addition über verbrückte Zwischenstufen verläuft. Die relative Anordnung der Substituenten im Alken ist im Kation noch erhalten. Zusätzlich schirmt das Br

18 Skript zum 3. Kolloquium Seite 18 von 49 eingetretene lektrophil, beispielsweise ein BromKation, eine Seite der ehemaligen Doppelbindung ab, so dass das ucleophil, ein BromidIon bei der Bromierung, sich nur auf der anderen Seite der ehemaligen Doppelbindung, anti, anlagern kann. ine otation um die Bindung wird so verhindert, und von zwei möglichen Stereoismomeren beispielsweise im Falle der Bromierung von cisbuten erhält man nur eines. 2.3 Anwendungen Addition von alogenen und Wird an unsymmetrisch substituierte Alkene addiert, dann tritt das Proton nach der egel von Markownikow immer an das wasserstoffreichste Atom der Doppelbindung (sogenannte MarkownikowAddition). Physikalischer intergrund ist, dass im ersten Schritt das Proton unter Bildung des stabilsten arbeniumions gebildet wird Sogenannte antimarkownikowprodukte erhält man bei solchen eaktionen nur dann, wenn aufgrund von elektroneischen Substitutiuenteneiflüssen Moleküle das weniger stabile arbeniumion als Zwischenstufe bevorzugt ist. a) 2 3 ) 3 I 3 ( 3 ) 3 I 2 ( 3 ) 3 2 b) eurin antimarkownikowaddukt 3 F 3 2 I F F F 3

19 Skript zum 3. Kolloquium Seite 19 von 49 Die Substituenten ( 3 ) 3 bzw. F 3 destabilisieren durch ihren Iffekt das sekundäre arbeniumion. Führt man die ionischen Addition in peroxidhaltigen Lösungsmitteln durch, so erhält man antimarkownikowprodukte, da die eaktion nun zum Teil radikalisch ablaufen kann. Unterchlorige bzw. unterbromige Säure (; Br) sind schwache Säuren, die ebenfalls an Alkene addiert werden können. Die ypohalogenide sind so polarisiert, dass die alogenatome eine positive Partialladung tragen: δ δ Somit wird nach dem allgemenen Mechanismus der elektrophilen Addition primär wieder ein alogeniumion gebildet, aus dem man durch transaddition des ucleophils alogenhydrine erhält: Beispiel: Bei der Addition an unsymmetrische lefine findet wieder Markownikow Addition statt. cisydroxylierung Während die ydroxylierung von lefinen über poxiden zu den transdiolen führt, erhält man bei der ydroxylierung mit Kaliumperamanganat oder smiumtetroxid in alkalischen Lösung cisdiole, da primär cyclische ster gebildet werden: KMn 4 Mn KMn 4 ist billig, hat aber jedoch den achteil, dass es leicht mit den gebildeten cis Diolen unter Spaltung der Bindung weiterreagiert. smiumtetroxid ergibt bessere Ausbeuten, ist jedoch sehr teuer und hochgiftig.

20 Skript zum 3. Kolloquium Seite 20 von 49 KMn 4 hne nennenswerte ebenreaktionen verläuft die cisydroxylierung mit KMn 4 in benzolischer Lösung in Gegenwart von Kronethern. Addition von Säuren und Wasser ydroxymercurierung Die ydroxymercurierung stellt eine präperativ ergiebige Alkoholsynthese dar. Die Bruttogleichung lautet: Mechanismus: ab 4 2 g(ac) 2 gac g(ac) 2 2 g Ac gac gac Wichtig ist hierbei, dass die eaktion nicht über freie arbeniumionen verläuft, da man keine arbeniumionenumlagerung beobachtet, sondern dass intermediär MercuriumIonen entstehen. Die gebildeten Alkohole entsprechen der egel von Markownikow. Beispiel: 3 ( 2 ) 3 2 g(ac) ( 2 ) 3 3

21 Skript zum 3. Kolloquium Seite 21 von 49 poxydierung (Prileschajeffxidation) Auch Persäuren greifen die olefinische Doppelbindung an. äufig angewendet werden Perameisen und Peressigsäure, die in der egel in situ aus der jeweiligen Säure und 2 2 hergestellt werden, sowie mhlorbenzoesäure, die den Vorteil hat, dass sie relativ gefahrlos gehandhabt werden kann. Mechanismus: δ δ 2 / Treibende Kraft der eaktion ist die Bildung des mesomeriestabilisierten arboxylat Ions. Das Gleichgewicht liegt nur dann auf der Seite der poxide, wenn nicht zu starke Säuren eingesetzt werden; d.h., die pk a Werte der den Persäuren zugrunde liegenden arbonsäuren müssen kleiner sein als die der protonierten poxide. DielsAldereaktionen Die wichtigste synchrone Addition ist die [42]ycloaddition, die Sechsringe als Produkte liefert. Sie heißt DielsAldereaktion. Aus einem Dien und einem Alken wird ein yclohexen. Dabei werden zwei der drei πbindungen in σbindungen umgewandelt. Das Dien muss für diese eaktion in der sciskonformation vorliegen. = aromatischer Übergangszustand äufige Alkensubstrate sind Acryl Malein und Fumarverbidnungen, sowie Acetylendicarbonsäureester. Als Diene werden häufig cyclische Verbindungen wie yclopentadien, yxclohexadien oder Furan verwendet. Als Produkte erhält man dann Bicyclen wie beispielsweise endo und exoorbornene. z z Wie die [22]ycloaddition verläuft die DielsAldereaktion orbitalkontrolliert. ine DielsAldereaktion verläuft um so schneller, je elektronenreicher das Dien und je elektronenärmer das Alken ist. Ist das Alken elektronenreich und das Dien elektronenarm, kann die DielsAldereaktion ebenfalls gelingen, ma spricht von inversem lektronenbedarf.

22 Skript zum 3. Kolloquium Seite 22 von 49 rbitalkontrollierte eaktionen Während die DielsAldereaktionals [42]ycloaddition durch rwärmen gelingt, verläuft eine [22]ycloaddition von Alkenen photochemisch. Diese früher als nomechanismeaktionen bezeichneten Umsetzungen können über die Woodward offmannegeln verstanden werden, die neben den ycloadditionen auch die Stereochemie pericyclischer ingschlüsse oder öffnungen oder sigmatroper Verschiedung erklären. Die eaktivität und Selektivität dieser Umsetzung wird durch die Lage der Grenzorbitale bestimmt, wobei die rbitalvorzeichen eine entscheidende olle spielen. s kann nur durch Wechselwirkungen zwischen besetzen und unbesetzten Molekülorbitalen zu einem nergiegewinn kommen. Für ycloadditionen müssen daher die Ms und LUMs der eaktanden betrachtet werden. Dabei unterscheiden sich die Symmetrien der Ms und LUMs von Alkenen und Dienen, bedingt durch eine gerade oder ungerade Anzahl an Knotenebenen. Für eine gleichzeitige, konzertierte Bindungsbildung, die entweder von oben oder von unten an den πsystemen erfolgt, müssen die rbitalvorzeichen an den Atomen, die neue Bindung bilden, gleich sein. Dies ist für die DielsAldereaktion gegeben, da sowohl das M eines Diens als auch das LUM eines Alkens je eine Knotenebene besitzen. Ist das Alken elektronenreich und das Dien elektronenarm (inverser lektronenbedarf), so reagiert das LUM des Diens mit (zwei Knotenebenen) dem M des Alkens (keine Knotenebene). Sowohl die normale DielsAldereaktion ([42]ycloaddition) als auch die mit inversem lektronenbedarf verlaufen daher ohne große Aktivierungsbarriere. Sie können durch rwärmen, also thermisch, eingeleitet werden.

23 Skript zum 3. Kolloquium Seite 23 von 49 Betrachtet man die Vorzeichen der beteiligten Grenzorbitale bei einer [22] ycloaddition, so passen die Vorzeichen nicht zueinander, da das M eines Alkens keine, das LUM jedoch eine Knotenebene aufweist. egt man jedoch ein der beiden Alkene photochemisch an, so werden zwei einfach besetzte rbitale generiert. un sind die rbitalwechselwirkungen symmetrieerlaubt und führen zu einem nergiegewinn, durch die Wechselwirkung des tieferliegenden SM1 des Alkens 1 mit dem M des zweiten Alkens B oder die Wechselwirkung des höherliegenden SM2 mit dem LUM. Konzertierte [22]ycloadditionen sind daher photochemisch Woodwardoffmannerlaubt, thermisch verboten.

24 Skript zum 3. Kolloquium Seite 24 von 49 ydroborierung Über die ydroborierung sind komplementäre terminale Alkohole (antimarkownikow Produkte) aus Alkenen zugänglich. Dabei wird die =Doppelbindung mit einer B Bindung reagiert. Unter Ausbildung einer und einer BBindung bildet sich ein rganoboran, das durch oxidative Aufarbeitung in einen Alkohol überführt werden kann. B 3 kann mit Alkenen reagieren. Mono und dialkylierte Borane entsprechend mit zwei oder nur einem. B B B Mechanismus der xidation von Alkylboranen B B yperperoxidion B 2, a B in Trialkylborat B B B 3 a 3 B 3 atriumborat Da Bor eine geringere lektronegativität als Wasserstoff besitzt, ist die BBindung polarisiert. Wasserstoff trägt hier ausnahmsweise eine negative Partialladung, Bor ist positiviert. Dies führt bei unsymmetrischen substituierten Alkenen zu Anti MarkownikowAddition, das heißt, dass das Atom am stärker substituierten Atom gebunden wird. ach oxidativer Aufarbeitung entstehen dann auch Alkohole in Anti Markownikowrientierung. Die ydroborierung mit anschließender oxidatever Aufarbeitung ( 2 2 / ) ist also komplementär zur sauer katalysierten Wasseraddition an Alkenen. Trägt das BorAtom chirale este, so kann eine ydroborierung auch enatioselektiv durchgeführt werden.

25 Skript zum 3. Kolloquium Seite 25 von lektrophile aromatische Substitution und Aromatizität 3.1 Allgemeines zur Substitutiion an Aromaten yclisch konjugierte planare Verbidnungen besitzen häufig eine besondere Stabilität, die als Aromatizität bezeichnet wird. Der Prototyp eines Aromaten ist Benzol. Während Alkene gute Substrate für Additionsreaktionen sind, beobachtet man bei analogen Umsetzungen von Aromaten meist Substitutionen, hier gezeigt für Benzol: * Y* Y * * * steht für:, oder In einem ersten eaktionsschritt addiert sich, wie bei einer Additionsreaktion, ein reaktives Teilchen *, ein lektrophil, ein ucleophil oder ein adikal, an das aromatische System, und es wird eine kationische, anionische oder radikalische Zwischenstufe gebildet. Die eaktion mit einem weiteren Teilchen Y* würde zu einem yclohexadienadditionsprodukt führen, jedoch wird eine Alternativreaktion, die liminierung eines Protons, ydridions oder Wasserstoffatoms * bevorzugt, da sich so das besonders stabile aromatische lektronensextett zurückbildet. Deshalb beobachtet man nur wenige aromatische Additionen, sondern meist aromatische Substitutionen. In allen Fällen wird das reaktive Teilchen zunächst addiert und das aromatische System dann durch liminierung regeneriert. Man spricht von Additions liminierungsmechanismus. 3.2 ückelegel Die ückelegel sagt voraus, dass in cyclisch konjugierten planaren Verbindungen mit (4n2) πlektronen aromatisches Verhalten erwartet werden kann. Dies gilt auch für etereocyclen, andere inggrößen und geladenen Verbindungen. n ist eine ganze Zahl. Für Benzol ist n = 1. yclisch konjugierte planare Verbindungen mit 4n πlektronen sind besonders instabil, antiaromatisch. Vergleicht man die M Schemata, so kann man feststellen, dass im aromatischen Fall (Benzol sowie das yclopentadienylanion) nur niedrig liegende bindende rbitale besetzt sind, während beim Antiaromaten yclobutadien nur zwei lektronen in einem bindenden rbital wären, die beiden anderen wären nicht bindend. yclobutadien liegt aber nicht quadratisch, sondern mit unterschiedlichen Bindungslängen vor, wodurch die rbitale nicht mehr entartet sind.

26 Skript zum 3. Kolloquium Seite 26 von Mechanismus und Kinetik Wie bei der elektrophilen Addition an Mehrfachbindungen wird die eaktion zwischen einer aromatischen Verbindung und einem lektrophil durch Koordination des lektrophils an das πsystem, über einen sogenannten πkomplex, eingeleitet. Unter Ausbildung einer Bindung bildet sich dann eine kationische Zwischenstufe, die als σkomplex bezeichnet wird. Dabei wird eine sp²atom des Aromaten zu einem sp³zentrum. Die positive Ladung ist über die restlichen fünf sp²atome delokalisiert. πkomplex σkomplex Die liminierung eines Protons führt dann zum Substitutionsprodukt.

27 Skript zum 3. Kolloquium Seite 27 von 49 Das nergie Diagramm einer solchen eaktion sieht wie folgt aus: Wie bei der elektrophilen Addition an Alkenen hängt die eaktionsgeschwindigkeit der Addition eines lektrophils an einen Aromaten vom lektronenreichtum des π Systems ab. Substituenten beeinflussen diesen durch induktive und mesomere ffekte. M und ISubstituenten erhöhen die lektronendichte, die Addition eines lektrophils wird schneller. M und ISubstituenten erniedrigen die lektronendicht und verlangsamen so die eaktion. Durch die elektrophile aromatische Substitution werden Substituenten in Aromaten eingeführt. Diese beeinflussen natürlich auch die eaktivitätder Produkte durch ihr elektronenziehenden oder schiebenden ffekte. Sind diese reaktiver als die Ausgangsaromaten, so beobachtet man Mehrfachsubstitution. ine Desaktivierung durch Substituenten führt zunächst zu Monosubstitution. ier zeigen die FriedelraftsAcylierung und Alkylierung ein unterschiedliches Verhalten. Die inführung von Acylresten desaktiviert die Aromaten. Man beobachtet Monosubstitution. Alkylierung hingegen aktiviert, und Mehrfachsubstitution wird gefunden. FriedelraftsAcylierung FriedelraftsAlkylierung

28 Skript zum 3. Kolloquium Seite 28 von egiochemie und Zweitsubstitution Im Gegensatz zu Benzol sind in einem substituierten Aromaten nicht alle Atome äquivalent. Man bezeichnet sie mit ipso, ortho, meta und para. ipso ortho meta para Bei einer aromatischen Substitution eines bereits substituierten Aromaten, einer Zweitsubstitution, können daher verschiedene σkomplexe gebildet werden, die zu ipso, ortho, meta und parasubstitutionsprodukten führen. ipso ortho meta para σkomplex Dabei unterscheidet sich zunächst die ipsosubstitution von der ortho, meta und parasubstitution, da das austretende Teilchen unterschiedlich ist. ipsosubstitution wird nur dann gefunden, wenn recht stabil ist wie beispielsweise ein stabilisiertes arbokation, ein 3 Si Ion oder ein Metallion. Die eversibilität der elektrophilen aromatischen Sulfonierung und der Friedelrafts Alkylierung lässt sich über ipsosubstitution verstehen. Auch ein ProtonDeuterium Austausch am Aromaten ist formal eine ipsosubstitution. = 3, 3 Si, S 2, M

29 Skript zum 3. Kolloquium Seite 29 von 49 Bei den drei weiteren eaktionen, der ortho, meta, und parasubstitution, wird jeweils ein Wasserstoffatom durch das lektrophil ersetzt. Welcher der drei σ Komplexe bevorzugt gebildet wird, hängt von der atur des Substituenten ab. Bei einem Angriff in ortho oder paraposition gibt es esonanzstrukturen, bei denen das substituierte Atom eine positive Ladung trägt. ortho meta para lektronenschiebende Substituenten können diese positive Ladung kompensieren, hier gezeigt für einen MSubstituenten in parastellung: Daher beobachtet man für alle elektronenschiebenden Substituenten bevorzugt ortho und parasubstitution, da die entsprechenden σkomplexe stabilisiert werden. Man sagt auch: dirigiert einen zweiten Substituenten in ortho oder paraposition. Durch elektronenziehende Substituenten wird die lektronendichte im ing verringert und dadurch der Angriff eines lektrophils erschwert. Zusätzlich wird die kationische Zwischenstufe destabilisiert. Man beobachtet eine Substitution daher nur mit reaktiven lektrophilen. Vergleicht man die Grenzformel der verschiedenen σ Komplexe beispielsweise für die itrierung eines Trialkylammoniumsubstituierten Aromaten, so gibt es nur bei einem metaangriff keine Grenzformel, in denen die beiden positiven Ladungen benachbart sind. Auch die itrierung von Anilin führt zu metasubstitution, da in stark saurer itriersäure ( 3 / 2 S 4 ) das Anilin protoniert vorliegt und aus dem M Substituenten 2 der ISubstituent 3 wird. Substituenten mit einem I und Mffekt führen also zu metasubstitution.

30 Skript zum 3. Kolloquium Seite 30 von 49 Substituenten haben daher zwei inflüsse auf Aromaten. Sie verändern die lektronendichte des Ausgangsmaterials und damit die eaktivität und sie bestimmen über die Stabilität der σkomplexe die egiochemie. Dass diese inflüsse nicht immer parallel laufen, zeigt die elektrophile Substitution von halogenierten Aromaten. Die alogenatome desaktivieren den Aromaten durch ihre lektronegativität (Iffekt). hlorbenzol wird langsamer angegriffen als Benzol. Für die egiochemie der Substitution von alogenbenzolen ist aber der Mffekt der alogenatomen verantwortlich. hlor und Brom dirigieren in die ortho und para Position. Auch die egiochemie von polycyclischen Aromaten lässt sich verstehen, wenn man die Stabilität der σkomplexe betrachtet. Im aphthalin kann die positive Ladung über beide inge verteilt werden. Allerding kommt den esonanzstrukturen, bei denen das aromatische System des zweiten inges nicht berührt wird, eine größere Bedeutung zu. Bei einem αangriff können zwei Grenzformeln gezeichnet werden, bei denen das lektronensextett des zweiten ings nicht angetastet wird. Im aphthalin wird daher bevorzugt Substitution beobachtet. αangriff βangriff weniger bedeutende Grenzformeln weniger bedeutende Grenzformeln

31 Skript zum 3. Kolloquium Seite 31 von 49 Die egiochemie (ortho/para oder meta, α oder β) der elektrophilen aromatischen MehrfachSubstitution wird also im wesentlichen durch elektronische Faktoren bestimmt. Aber auch sterische Faktoren spielen eine olle. Je größer das lektrophil und je größer der rstsubstituent ist, desto größer werden die absoßenden Wechselwirkungen zwischen und dem lektrophil. Dieses führt zu einer Verlangsamung eines Angriffs in orthostellung und beeinflusst daher das ortho/paraverhältnis. So kann beispielsweise tertbutylbenzol mit hoher Selektivität in parastellung bromiert werden. Ähnliche Argumente müssen bei der Substitution von kondensierten Aromaten diskutiert werden. Je größer ein lektrophil ist, desto stärker werden die abstoßenden Wechselwirkungen mit dem Wasserstoffatom in peristellung. peristellung Durch elektrophile aromatische Substitution können Atome am aromatischen ing, den man auch Kern nennt, durch alogenatome substituiert werden. Welche alogenierung bevorzugt abläuft, hängt von den eaktionsbedingungen ab, die für die Kernhalogenierung ionisch, für die Seitenkettenhalogenierung radikalisch sind. Zwei Merkregeln beschrieben die eaktionsbedingungen und die egioselektivität: SSS: Sonne, Siedehitze, Seitenkette (radikalische eaktionsbedingungen) KKK: Kälte, Katalysator, Kern (ionische eaktionsbedingungen) al SSS KKK al al stark aktivierende Substituenten (Donoren) 2 ; ; 2 2 ; ; ; ; stark desaktivierende Substituenten (Akzeptoren) F 3 ; schwach aktivierend schwach desaktivierend Allyl, Phenyl F;, Br, I 3 ; S ; 3 ;

32 Skript zum 3. Kolloquium Seite 32 von 49 Thermodynamische Kontrolle Bei der ipsostellung haben wir zwei eaktionen kennengelernt, die reversibel verlaufen können (FriedelraftsAlkylierung und Sulfonierung). eben der kinetischen Kontrolle der egiochemie, die ja durch die unterschiedliche Stabilisierung der σkomplexe erfolgt, kann das egioisomerenverhältnis der reversiblen eaktionen auch durch die Stabilität der Produkte thermodynamisch kontrolliert werden. So bildet sich thermodynamisch kontrolliert bei de Methylierung von Benzol oder Toluol Mesitylen, obwohl Mathylsubstituenten bevorzugt ortho/para dirigieren. Auch die Bildung der βaphthalinsulfonsäure erfolgt unter thermodynamischer Kontrolle. In beiden Fällen ist das Molekül mit den geringsten sterischen Wechselwirkungen das stabilste ( keine ortho oder periabstoßung). 3 S Wegen der eversibilität und der Mehrfachalkylierung führt die Friedelrafts Alkylierung daher zu anderen Substitutionsmustern als die FriedelraftsAcylierung. Da sich durch eduktion Ketone in Alkene überführen lassen, kann man mit ilfe der FriedelraftsAcylierung auch Alkylaromaten synthetisieren. Die Synthese verläuft zwar zweistufig, dafür entstehen aber keine eben oder Folgeprodukte durch eversibilität oder Mehrfachalkylierung. Synthetisch wichtig ist die Friedelrafts Alkylierung vor allem in folgenden Fällen: wenn das erschöpfend alkylierte, thermodynamisch stabilste Substitutionsprodukt hergestellt werden soll, man im Aromaten als Lösungsmittel arbeiten kann oder Polycyclen durch yclysierung aufgebaut werden sollen. 3.5 Anwendungen itrierung Als elektrophiles Agens wirkt das itroniumion 2.Man kann es auf verschiedene Art und Weise erzeugen: a) aus 3 on organischen Soventien (z.b. 3, 3 2 ) b) mit itriersäure (höhere eaktivität als konz. 3 ) 3 2 S Durch Schmelzpunktdepression wurde festgestellt, dass die Lösung von 3 in konz. 2 S 4 vier Ionen enthält. c) aus 3 in Perchlorsäure Dabei sind Salze wie 2 4 wirksame Agenzien, die in einigen Fällen als feste Salze isoliert werden können.

33 Skript zum 3. Kolloquium Seite 33 von 49 d) aus 2 Bf 4 in Sulfolan als Lösungsmittel S e) mit 3 in Acetanhydrid 3 ( 3 ) Dieses eagenz hat den Vorteil, relativ viel oprodukt zu ergeben. 2 Die Aktivität des itrierungsmittel muss auf den Aromaten abgestimmt werden. Außerdem ist zu beachten, dass als häufig störende ebenreaktion xidation stattfindet. alogenierung Mit elementarem 2, Br 2 und in einigen Fällen auch I lassen sich unter LewisSäure Katalyse Wasserstoffatome in Aromaten direkt substituieren. Die Katalysatoren (Fe 3, Al 3, BF 3 Zn 2, 2 S 4, PPAPolyphosphorsäure, FePulver, I 2 ) sind notwendig, um die alogenatome so zu polarisieren, dass sie als elektrophiles Agens wirken können: δ δ Fe 3 Fe 4 Fe 3 Die hlorierung und Bromierung von aromatischen Kohlenwasserstoffen sind gebräuchliche Syntheseverfahren. Man muss jedoch die Bedingungen (Temperatur, Lösungsmittel, Katalysator) so wählen, dass man ebenreaktionen wie radikalische Seitenkettenhalogenierung bei Alkylaromaten und unerwünschte Mehrfachsubstitutionen unterdrückt. Die direkt Iodierung verläuft nur bei stark aktivierten Aromaten glatt: 3 3 ui [u 2 ] I 70% 3 3 I I 2 80% I 2 [J 4 ] 3 I % 3 3

34 Skript zum 3. Kolloquium Seite 34 von 49 Alle alogenatome lassen sich dagegen über die entsprechenden Diazoniumsalze gewinnen. s handelt sich hierbei zwar nicht um eine elektrophile Substitution, sondern eine adikalreaktion, doch soll die eaktion an dieser Stelle erwähnt werden, da man mit ihr leicht die sonst kaum zugänglichen Iod und Fluoraromaten hestellen kann. Außerdem lassen sich über die Diazoniumsalze Substitutionsmuster erzeugen, die aufgrund der Zweitsubstitutionsregeln verboten sind (ilfsgruppenreaktionen). a) Darstellung der Diazoniumsalze 2 2 ed b) Die normale Sandmeyereaktion a a u u u 2 u c) SandmeyerVariante zur inführung von Iod in den aromatischen Kern: I I I 3 2 I 2 e 1/2 J 2 I 2 I I 3 1/2 I 2 e I Das Iodidion wird anstelle von u in dernormalen Sandmeyerreaktion zu ½ I 2 oxidiert, welches mit I zu I 3 abreagiert. Ar 2 () I 3 () wurde verschiedentlich in solchen Ansätzen isoliert. d) Schiemanneaktion zur Darstellung von Fluoraromaten rhitzt man Diazoniumtetrafluoroborate in trockenem Zustand, so erhält man Fluoraromaten:

35 Skript zum 3. Kolloquium Seite 35 von BF 4 abf 4 F e) Beispiel für ilfsgruppenreaktion BF 3 2 mdichlorbenzol lässt sich nicht durch direkte hlorierung von hlorbenzol erhalten. Geht man aber von itrobenzol aus, gelangt man leicht zum gewüschten Produkt: [Fe 3 ] 2 a 2 [Sn 4 ] [] [] [u] [] Sulfonierung Als Sulfonierungsmittel verwendet man je nach Aktivierung des Aromaten leicht verdünnte, konzentrierte oder mit verschiedenem S 3 Gehalt angereicherte 2 S 4. Als elektrophiles Agens wirkt S 3 gemäß: 2 S S S 2 4 Die Sulfonierungsgeschwindigkeit ist dem zugesetzten Wasser umgekehrt proportional: S 3 schnell S 3 langsam S 3 S 3 schnell Die bei der Sulfonierung gewonnenen Arylsulfonsäuren sind sehr korrosiv, hygroskopisch, nicht flüchtig, wasserlöslich und schwer zu reinigen. Die

36 Skript zum 3. Kolloquium Seite 36 von 49 Arylsulfonylchloride (mit Ausnahme des Benzolsulfonylchlorids) sind meist stabile, kristalline Verbindungen, die wenig reaktiv und leicht rein zu gewinnen sind. Bei erhöhter Temperatur ist die Sulfonierung reversibel. Die eversibilität kann man sich zur Synthese von Verbidnungen zu utze machen, die sonst nicht leicht zugänglich sind (ilfsgruppenreaktion). So gelingt die Darstellung von 2,6Dinitrochlorbenzol leicht, wenn man die pposition mit S 3 schützt S 3 S 3 3 FriedelraftsAlkylierung Aus Alkylhalgeniden, Alkoholen und lefinen lassen sich mit geeigneten Katalysatoren elektrophile Kohlenstoffspezies erzeugen, die aromatische Systeme angreifen können. a) Alkylhalogenide δ δ Al Al 3 3 Al 3 Katalysatoren: Lewissäuren in katalytischen Mengen. Katalysatoren mit hoher Aktivität zeigen geringe Selektrivität und umgekehrt: hohe mittlere schwache Aktivität Al 3, AlBr 3, Ga 3 Sb 5, As 5 Sb 3, Fe 3 Al Sb B 3, Sn 4 Ti 4, Fe 2 3 P 4 b) Alkohole 2 Katalysatoren: 2 S 4, 3 P 4, BF 3, Al 3 Bei Verwendung von LewisSäuren als Katalysatoren sind molare Mengen notwendig, da das entstehende Wasser den Katalysator unwirksam macht. c) lefine 2 Katalysatoren: 2 S 4, F, BF 3, Al 3 in katalytischen Mengen Bei der FriedelaftsAlkylierung entstehen meist keine einheitlichen Produkte, denn:

37 Skript zum 3. Kolloquium Seite 37 von 49 der entstehende Alkylaromat ist reaktiver als der Ausgangsaromat (Mehrfachsubstitution) ( 3 ) 3 Al % 20% 2% 2% die Alkylierung ist reversibel Al die als elektrophiles Agens wirkenden arbeniumionen lagern sich um Al 3 FriedelraftsAcylierung Diese Synthese beinhaltet die Umsetzung eines Säurehalogenids oder eines Säureanhydrids mit einem Aromaten unter Lewissäurekatalyse. Die reaktive Spezies ist das AcyliumKation: M n 59 M n1 oder ein Komplex aus LewisSäure und Acylchlorid M n M n M n : Fe 3, Al 3, Sn 4 oder andere LewisSäuren Bei der Verwendung von Säurechloriden sind stöchiometrische Mengen Katalysator notwendig, da das entstehende Keton mit der LewisSäure einen Komplex bildet, der hydrolytisch gespalten werden muss:

38 Skript zum 3. Kolloquium Seite 38 von 49 Br Br Br Al 3 Al() 3 3 Al Bei der Umsetzung mit Anhydriden sind 2mol Katalysator notwendig, da die entstehende Säure noch ein mol zusätzlich bindet. Br Br ( 3 ) 2 2 Al 3 3 Al 3 3 Im Gegensatz zur Alkylierung verläuft die Acylierung eindeutig. ine Mehrfachacylierung ist nicht zu erwarten, da ein einmal acyliertes aromatisches System für weitere elektrophile Substitutions desaktiviert ist. ed αtetralon GattermannKochSynthese Sie dient der Darstellung von aromatischen Aldehyden: u/ Al 66 3 Al Alkyl u bildet mit einen Komplex, wodurch die Löslichkeit erhöht wird. Benzol und Alkylbenzol reagieren nur langsam. Phenole und Phenolether reagieren überhaupt nicht.

39 Skript zum 3. Kolloquium Seite 39 von [Al 3 ] [u] GattermannSynthese Mit dieser eaktion gelingt die Formylierung von Phenolethern. Al 3 Al 4 Al 3 Al 3 Al ach einer Variante von Adams wird die Blausäure aus Zn() 2 und in situ erzeugt: Zn() 2 2 Al 3 Ketonsynthese nach oubenoesch Durch die Verwendung von itrilen anstelle von erhält man Ketone. Al 3 2 Al 3 4