Reaktionsmechanismen. Reinhard Brückner. Organische Reaktionen, Stereochemie, moderne Synthesemethoden

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1 Reinhard Brückner 2008 AGI-Information Management Consultants May be used for personal purporses only or by libraries associated to dandelon.com network. Reaktionsmechanismen Organische Reaktionen, Stereochemie, moderne Synthesemethoden Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg Berlin Oxford

2 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 Radikal Starter 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 Autoxidationen Defunktionalisierungen über radikalische Substitutionsreaktionen Einfache Defunktionalisierungen Defunktionalisierung über 5-Hexenylradikale: Konkurrierende Fünfringbildung 35 2 Nucleophile Substitutionsreaktionen am gesättigten C-Atom Nucleophile und Elektrophile; Abgangsgruppen Gute und schlechte Nucleophile Abgangsgruppen und Qualität von Abgangsgruppen S N 2-Reaktionen - Kinetische und stereochemische Analyse; Substituenteneffekte auf die Reaktivität Energieprofil und Geschwindigkeitsgesetz von S N 2-Reaktionen; Reaktionsordnung Stereochemie von S N 2-Substitutionen Ein verfeinertes Übergangszustands-Modell für die S N 2-Reaktion; Kreuzungsexperiment und endocyclischer Restriktionstest Substitutionseffekte auf die S N 2-Reaktivität 51

3 Inhalt IX 2.5 S N 1-Reaktionen - Kinetische und stereochemische Analyse; Substituenteneffekte auf die Reaktivität Energieprofil und Geschwindigkeitsgesetz von S N 1 -Reaktionen; Bodensteinsches Quasistationaritätsprinzip Stereochemie von S N 1-Reaktionen; Ionenpaare Solvenseffekte auf die S N 1-Reaktivität Substituenteneffekte auf die S N 1-Reaktivität Wann erfolgen S N -Reaktionen am gesättigten C-Atom nach dem S N 1 - und wann nach dem S N 2-Mechanismus? Unimolekulare S N -Reaktionen, die nicht über die übliche Carbeniumion-Zwischenstufe verlaufen: Nachbargruppenbeteiligung Voraussetzungen für und Merkmale von S N -Reaktionen mit Nachbargruppenbeteiligung Geschwindigkeitserhöhung durch Nachbargruppenbeteiligung Stereoselektivität durch Nachbargruppenbeteiligung Präparativ nützliche S N 2-Reaktionen: Alkylierungen 71 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 eis-additionen ablaufen Eine dreiringbildende Cycloaddition Mit einer Cycloaddition verwandte dreiringbildende Additionen an C=C-Doppelbindungen Cw-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 Resolution Gedankenexperimente II und III zur Hydroborierung chiraler Olefine mit chiralen Boranen: Reagenzkontrolle der Diastereoselektivität, matched/mismatched-paare, doppelte Stereodifferenzierung Gedankenexperiment IV zur Hydroborierung chiraler Olefine mit chiralen Dialkylboranen: Kinetische Racematspaltung ' Katalytische Asymmetrische Synthese: Sharpless-Oxidationen von Allylalkoholen Additionen, die diastereoselektiv als fra/w-additionen ablaufen (Additionen über Onium-Zwischenstufen) Addition von Brom 108

4 l X Inhalt Bildung von Halogenhydrinen; Halogenlactonisierung und Halogenveretherung Solvomercurierung von Olefinen - Hydratisierung von C =C-Doppelbindungen durch nachfolgende Reduktion Additionen, die mechanismusbedingt ohne Stereokontrolle verlaufen oder verlaufen können Additionen über Carbenium-Ion-Zwischenstufen Additionen über Carbanion"-Zwischenstufen ß -Eliminierungen Begriffliches und Konzeptionelles zu Eliminierungsreaktionen Die Begriffe a-, ß- und 1, n-eliminierung Die Begriffe syn- und anri-eliminierung Wann sind stereogene sxn- bzw. a«f/-selektive Eliminierungen stereoselektiv? Bildung von regioisomeren Olefinen durch ß-Eliminierung: Saytzew- und Hofmann-Produkt(e) Der synthetische Wert von Het'/Het 2 - verglichen mit H/Het-Eliminierungen ß-Eliminierungen von H/Het über cyclische Ubergangszustände ß-Eliminierungen von H/Het über acyclische Ubergangszustände: Die mechanistischen Alternativen E2-Eliminierungen von H/Het und die E2/S N 2-Konkurrenz Substrateffekte auf die E2/S N 2-Konkurrenz Baseneffekte auf die E2/S N 2-Konkurrenz Ein stereoelektronischer Effekt auf die E2/S N 2-Konkurrenz Die Regioselektivität von E2-Eliminierungen Eintopfreaktionen vom Alkohol zum Olefin E1-Eliminierung von H/Het aus R ten -X und die El/S N 2-Konkurrenz Energieprofile und Geschwindigkeitsgesetze von El-Eliminierungen Die Regioselektivität von El-Eliminierungen El -Eliminierungen in der Schutzgruppentechnik El cb -Eliminiemngen Unimolekulare E l cb -Eliminierungen: Energieprofil und Geschwindigkeitsgesetz Nicht-unimolekulare El cb -Eliminierungen: Energieprofil und Geschwindigkeitsgesetz El cb -Eliminierungen in der Schutzgruppentechnik ß-Eliminierungen von Het'/Het Fragmentierung von ß-heterosubstituierten Organometall Verbindungen * Julia-Lythgoe-Synthese von trans-oleünen Peterson-Olefinierung Oxaphosphetan-Fragmentierung, letzter Teilschritt von Wittigund Homer-Wadsworth-Emmons-Reaktion Corey-Winter-Reaktion 151

5 Inhalt XI 5 Substitutionsreaktionen an Aromaten Elektrophile aromatische Substitutionen über Wheland-Komplexe ( Ar-S E -Reaktionen") Mechanismus: Substitution von H oder (/wo-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-SO 3 H-Bindungsknüpfung durch Ar-S E -Reaktion Ar-NO 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(=O)-Bindungsknüpfung durch Ar-S E -Reaktion Ar-C(=O)H-Bindungsknüpfung durch Ar-S E -Reaktion Elektrophile Substitutionsreaktionen an metallierten Aromaten Elektrophile Substitutionsreaktionen in orrto-lithiierten Benzolund Naphthalinderivaten Elektrophile Substitutionsreaktionen in Aryl-Grignardund Aryllithiumverbindungen, die über Arylhalogenide zugänglich sind Elektrophile Substitutionen an Arylboronsäuren und Arylboronsäureestern Nucleophile Substitutionsreaktionen in Aryldiazoniumsalzen Nucleophile Substitutionsreaktionen über Meisenheimer- Komplex-analoge Zwischenstufen Mechanismus Präparativ interessante Reaktionsbeispiele Ein mechanistischer Sonderfall: Alkalischmelze von Arylsulfonaten Nucleophile aromatische Substitution über Arine, c/we-substitution Nucleophile Substitutionsreaktionen (außer durch Enolate) am Carboxyl-Kohlenstoff C = O-haltige Substrate und ihre Reaktionsmöglichkeiten mit Nucleophilen Mechanismus, Geschwindigkeitsgesetze und Geschwindigkeit von nucleophilen Substitutionsreaktionen am Carboxyl-Kohlenstoff Mechanismus und Geschwindigkeitsgesetze von S N -Reaktionen am Carboxyl-Kohlenstoff S N -Reaktionen am Carboxyl-Kohlenstoff: Der Einfluß der Resonanzstabilisierung der angegriffenen C = O-Doppelbindung auf die Reaktivität des Acylierungsmittels 205

6 XII Inhalt 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 in-situ-aktivierung von Carbonsäuren Ausgewählte S N -Reaktionen von Heteroatom-Nucleophilen am Carboxyl-Kohlenstoff Hydrolyse 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 reine Acylierungen, wann entstehen gleich Alkohole? Acylierung von hydridübertragenden Reagenzien: Reduktion von Carbonsäurederivaten zu Aldehyden Acylierung von metallorganischen Verbindungen und Heteroatom-stabilisierten Carbanionen": Synthese von Ketonen Additionen von Heteroatom-Nucleophilen an Heterocumulene - Additionen von Heteroatom-Nucleophilen an Carbonylverbindungen und deren Folgereaktionen Additionen von Heteroatom-Nucleophilen an Heterocumulene Mechanismus der Addition von Heteroatom-Nucleophilen an Heterocumulene Beispiele zur Addition von Heteroatom-Nucleophilen an Heterocumulene Additionen von Heteroatom-Nucleophilen an Carbonylverbindungen Zur Gleichgewichtslage bei Additionsreaktionen von Heteroatom-Nucleophilen an Carbonylverbindungen Halbacetalbildung Oligomerisierung/Polymerisation von Carbonylverbindungen Addition von Heteroatom-Nucleophilen an Carbonylverbindung in Kombination mit nachfolgenden S N 1-Reaktionen: Acetalisierungen Mechanismus Bildung von 0,0-Acetalen Bildung von S^S-Acetalen Bildung von N,N-Acetalen Addition von Stickstoffnucleophilen an Carbonylverbindungen in Kombination mit nachfolgenden E1-Eliminierungen: Kondensationsreaktionen von Stickstoff-Nucleophilen mit Carbonylverbindungen 266

7 Inhalt XIII 8 Addition von H-Nucleophilen und von Metallorganylen an Carbonylverbindungen Geeignete H-Nucleophile und Metallorganyle und Überblick über die Struktur von Metallorganylen Chemoselektivität der Addition von H-Nucleophilen an Carbonylverbindungen Diastereoselektivität der Addition von H-Nucleophilen an Carbonylverbindungen Diastereoselektivität der Addition von H-Nucleophilen an cyclische Ketone Diastereoselektivität der Addition von H-Nucleophilen in cn-chirale acyclische Carbonylverbindungen Diastereoselektivität der Addition von H-Nucleophilen an ß-chirale acyclische Carbonylverbindungen Enantioselektive Addition von H-Nucleophilen an Carbonylverbindungen Addition von Metallorganylen an Carbonylverbindungen Einfache Additionsreaktionen von Metallorganylen Enantioselektive Addition von Zinkorganylen an Carbonylverbindungen; chirale Verstärkung Diastereoselektive Addition von Metallorganylen an Carbonylverbindungen ,4-Additionen von Organometallverbindungen an a,/3-ungesättigte Ketone Umsetzung von Yliden mit gesättigten oder a,ß -ungesättigten Carbonylverbindungen Ylide/Ylene Umsetzungen von S-Yliden mit gesättigten Carbonylverbindungen oder mit Michael-Akzeptoren: Dreiringbildung Bildungsmechanismus von Cyclopropanen und Epoxiden Stereoselektivität und Regioselektivität der Dreiringbildung aus S-Yliden Kondensation von P-Yliden mit Carbonylverbindungen: Wittig-Reaktion Nomenklatur und Darstellung von P-Yliden Mechanismus der Wittig-Reaktion Homer- Wadsworth-Emmons-Reaktion Homer- Wadsworth-Emmons-Reaktionen mit achiralen Reaktanden Homer-Wittig-Emmons-Reaktionen zwischen chiralen Reaktanden - ein Potpourri stereochemischer Besonderheiten Chemie der Alkalimetall-Enolate Grundlagen Formelschreibweise und Struktur von Enolaten 331

8 XIV Inhalt 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 Kettenverländernde Synthese von Carbonsäurederivaten Hydroxyalkylierung von Enolaten mit Carbonylverbindungen ( Aldoladdition"): Synthese von /3-Hydroxyketonen und ß-Hydroxyestern Triebkraft von Aldolreaktionen und die sich daraus ergebende Produktpalette Stereokontrolle Kondensation von Enolaten mit Carbonylverbindungen: Synthese von Michael-Systemen Aldolkondensation Knoevenagel-Reaktion Eine Knoevenagel-Reaktion mit Pfiff' Acylierung von Enolaten Acylierung von Esterenolaten Acylierung von Ketonenolaten 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 425

9 Inhalt XV 12.2 Ubergangszustände von ausgewählten einstufigen [2+4]- und [2 + 2]-Cycloadditionen Stereostruktur der Ubergangszustände von einstufigen [2+4]-Additionen Grenzorbital-Wechselwirkungen in den Ubergangszuständen 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 [2 + 2]-Cycloadditionenmit 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 Kupfer-gebundenen Organylresten Alkenylierung und Arylierung von Grignard-Verbindungen Palladium-katalysierte Alkenylierungen und Arylierungen von Organometallverbindungen Eine Vorbemerkung: Darstellung von isomerenreinen Halogenolefinen und Alkenylboronsäurederivaten, wichtigen Bausteinen für Palladium-vermittelte C,C-Kupplungen Alkenylierung und Arylierung von Bor-gebundenen Organylresten Alkenylierung und Arylierung von Zink-gebundenen funktionalisierten Organylresten ~ Alkenylierung und Arylierung von Cu-Acetyliden Alkinylierung von Cu-Acetyliden Heck-Reaktionen 481

10 XVI Inhalt 14 Oxidationen und Reduktionen Oxidationszahlen in organisch-chemischen Verbindungen und organisch-chemische Redoxreaktionen Querverweise auf Redoxreaktionen, die bereits in den Kapiteln 1-13 besprochen wurden Oxidationen Oxidationen in der Reihe Alkohol *- Aldehyd -*~ Carbonsäure Oxidative Spaltungen Oxidationen an Heteroatomen Reduktionen Reduktionen R s/,.-x-*-r s;y -H oder R sp,-x-*-r sp,-m Einelektronenreduktion von Carbonylverbindungen und Estern; reduktive Kupplung Reduktionen von Carbonsäurederivaten zu Alkoholen oderaminen Reduktion von Carbonsäurederivaten zu Aldehyden Reduktion von Carbonylverbindungen zu Alkoholen Reduktion von Carbonylverbindungen zu Kohlenwasserstoffen Hydrierung von Olefinen Reduktion von Aromaten und Alkinen 540 Namen- und Sachverzeichnis 545 Ausgangsmaterialien, Reagenzien, Zielmoleküle 561