Skript zur Vorlesung OCI

Transkript

1 Skript zur Vorlesung CI zum 2. Vorlesungsteil Prof. Dr. Schwalbe Version 05/2015

2 C I Vorlesung - 2. Teil Verantwortliche: Prof. Dr. arald Schwalbe Institut für rganische Chemie und Chemische Biologie Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt Marie-Curie-Str. 11 N160, 314, 3. Stock D Frankfurt schwalbe@nmr.uni-frankfurt.de Telefon: Telefax: omepage: Florian Lehner lehner@nmr.uni-frankfurt.de Literaturverweis: - rganic Chemistry (bzw. rganische Chemie ) von Clayden, Greeves, Warren, and Wothers - Aspekte der rganischen Chemie von Quinkert, Egert und Griesinger Wie sollten Sie dieses Skript verwenden? Dieses Skript orientiert sich stark an der Vorlesung und ist in entsprechender eihenfolge gehalten. Es soll zur Wiederholung und teilweise Vertiefung der Vorlesung dienen. Manchen Abschnitten sind Fragen und Aufgaben nachgestellt, die Sie nach Besuch der Vorlesung und Lesen des Skriptes beantworten sollen könnten. Außerdem sind Beispiele mit einem grünen Kasten versehen, wobei diese nicht auswendig gelernt, das Prinzip jedoch verinnerlicht werden sollte. Dieses Skript orientiert sich vor allem an den oben genannten Lehrbüchern unter Literaturvorschläge. Eine aktive Bearbeitung dieser beiden Bücher kann das Vorlesungsskript jedoch nicht ersetzen. Trotz dieses Skriptes ist es ratsam die Vorlesung zu besuchen und währenddessen mitzuschreiben. Zum einen verändert sich die Vorlesung; neue Dinge kommen hinzu und andere werden eventuell weniger intensiv besprochen. Zum anderen müssen Sie lernen, die Strukturen von Verbindungen zu zeichnen. Nur durch die Übung werden Sie in der Lage sein, dieses Werkzeug der Chemie sicher anwenden zu können. Durch die Kombination aus Vorlesung, Nacharbeiten der eigenen Mitschrift

3 und Auseinandersetzung und Ergänzung mittels des Skriptes ergibt sich ein nachhaltiger Lerneffekt. Die Konzepte, die Sie in der CI-Vorlesung erlernt haben, werden Sie in Ihrem Studium der Chemie, der Biologie, der Biochemie und der Physik benötigen. Dank: Die Vorlesung ist Teil des Lehrkonzepts der rganischen Chemie, dass von den Professoren Quinkert, Egert, Engels, Göbel, Griesinger, ehm, Schneider, Schwalbe und Kessler ausgearbeitet wurde. obbin Schnieders und Florian Lehner haben das Vorlseungsskript daraufhin aktualisiert

4 Inhaltsverzeichnis 1. Die eaktivität organischer Moleküle Warum geschehen chemische eaktionen? Gleichgewichtsreaktionen, Ungleichgewichtsreaktionen Triebkraft chemischer eaktionen Irreversible eaktionen Theorie des Übergangszustands Der Einfluss von Ladungen Der Einfluss von rbitalen Das Nukleophil-Elektrophil-Modell Die Verwendung von gebogenen Pfeilen Carbonylchemie Nukleophile Angriffe an die Carbonylgruppe Das Cyanidion als C-Nukleophil Nukleophile Aufgaben Nukleophile S-Nukleophile N-Nukleophile Aufgaben Metallorganische Verbindungen als C-Nukleophile Die Grignardreaktion rganolithiumverbindungen Lösungsmittel für eaktionen mit metalloganischen Verbindungen Kommerziell erhältliche rganolithium- und Grignardreagenzien Basizität der rganometallverbindungen rtholithiierung alogen-metall-austausch Transmetallierung Synthese organischer Verbindungen mittels rganometallverbindungen Aufgaben I

5 2.3. Die Wittig-eaktion Einführung Darstellung des Wittig-eagenzes bzw. des Ylids Mechanismus Stereoselektivität Bildung & eaktion von Enolen und Enolaten Keto-Enol-Tautomerie Katalyse Azidität Struktur des Enolats Aufgaben Chemie des Enolatanions C-Alkylierung Alkylierung Vergleich der C- und -Alkylierung egioselektivität der C-Alkylierung Enolat-Analoga Enamine Enolester Silylenolether Aufgaben ,3-Dicarbonylverbindungen/ß-Dicarbonylverbindungen Decarboxylierung Doppelalkylierung von 1,3-Dicarbonylverbindungen α,β-ungesättigte Carbonylverbindungen ,4-Addition Die Aldolreaktion (Aldolddition + Aldolkondensation) Basenkatalysierte Aldoladdition und kondensation Säurekatalysierte Aldoladdition und -kondensation Vergleich der Katalysemechanismen Aldolreaktion mit unsymmetrischen Ketonen Gekreuzte Aldolreaktion Aldolreaktion von Formaldehyd Aufgaben II

6 2.11 Mannich-eaktion Claisen-Esterkondensation Dieckmann-Kondensation Michael-Addition Zusammenfassung der Enolat-eaktionen Aufgaben Diels-Alder-eaktion (4 + 2-Cycloaddition) Diels-Alder-eaktion mit normalem Elektronenbedarf Diels-Alder-eaktion mit inversem Elektronenbedarf Anlagerung der eaktanden CIS-Prinzip END-Präferenz Substitutionen am Aromaten Elektrophile aromatische Substituion (S E Ar) Mechanismus eaktionsbedingungen eaktionskinetik Friedel-Crafts-Alkylierung Friedel-Crafts-Acylierung Nukleophile aromatische Substitution (S N Ar) Mechanismus eaktionsbedingungen III

7 1. Die eaktivität organischer Moleküle Kapitel 5 in J. Clayden, N.Greeves, S. Warren, rganische Chemie 2013, 2. Auflage, Springer Verlag Chapter 5 in J. Clayden, N.Greeves, S. Warren, rganic Chemistry 2001, 1. Auflage, xford Während der erste Teil dieser Vorlesung die Klassifizierung chemischer Strukturen beinhaltet, beschäftigt sich dieser Vorlesungsteil mit den eaktionen, die Moleküle eingehen können. ierbei soll zunächst auf die Frage eingegangen werden, warum Moleküle überhaupt miteinander reagieren. So befasst sich dieses Kapitel mit den Triebkräften, die eine eaktion erst möglich machen. Dabei werden wichtige Konzepte vorgestellt, die für das Verständnis von eaktionen unerlässlich sind. So werden beispielsweise Gleichgewichtsreaktionen, Nukleophile, Elektrophile und die Verwendung von gekrümmten Pfeilen zur Darstellung von eaktionsmechanismen behandelt. 1.1 Warum geschehen chemische eaktionen? Die erste Voraussetzung dafür, dass chemische eaktionen stattfinden können, ist die thermische Bewegung der Moleküle im aum nach Boltzmann. In der Vorlesung Physikalische Chemie I wird die Maxwell-Boltzmann Verteilung als Theorie für ideale Gase eingeführt. Moleküle in idealen Lösungen verhalten sich ebenfalls wie Gase und folgen daher der in Abbildung 1 dargestellten Geschwindigkeitsverteilung. Anteil der Moleküle 4, , K 3,00 2,50 2, K 1,50 1, K 0,50 0, Geschwindigkeit/ m/s Abbildung 1 Maxwell-Boltzmann Geschwindigkeitsverteilung für ideale Gase. Aufgetragen ist der Anteil der Moleküle gegen die Geschwindigkeit bei den konstanten Temperaturen 100 K, 300 K und 1000 K. 1

8 Weiterhin geht aus Abbildung 1 hervor, dass die Geschwindigkeitsverteilung der Moleküle von der Temperatur abhängt, weshalb auch chemische eaktionen temperaturabhängig sind. Sie haben bereits im ersten Teil der Vorlesung gelernt, dass Moleküle eine charakteristische Stereochemie aufweisen. Darüber hinaus haben Moleküle auch eine eaktivität. Eine der Grundlagen zum Verständnis von eaktivitäten kann die M-Theorie sein, welche ebenfalls im ersten Teil der Vorlesung behandelt wurde. Betrachten wir nun die eaktion zweier Moleküle, wobei es zur Knüpfung von neuen Bindungen und folglich zum Entstehen von Produkten kommt. Schematisch lässt sich dies wie folgt beschreiben: Ausgangssubstanz eaktand (eaktion) Produkt Edukt Substrat Abbildung 2 Allgemeines Schema zur Beschreibung einer eaktion In der organischen Chemie lassen sich drei grundlegende Fragestellungen formulieren. Diese sollen im Folgenden zunächst beschrieben und dann in einem Schema verdeutlicht werden: Im einfachsten Fall gilt es, eine Vorhersage über die Produkte einer eaktion treffen zu können. Die Edukte A reagieren hierbei unter bestimmten eaktionsbedingungen x zu unbekannten Produkten. X A? Eine weitere Problemstellung ist die Frage nach den eaktionsbedingungen, unter welchen die Umsetzung der Edukte A zu den Produkten B erfolgt. A B? Weiterhin existiert, zum Beispiel bei der Isolierung eines Naturstoffes, die Fragestellung, woraus dieses Molekül entstanden sein könnte und unter welchen Bedingungen dies möglicherweise geschah.?? B 2

9 Diese Zielsetzung der organischen Chemie wird etrosynthese bezeichnet und stellt unter den drei hier aufgeführten Punkten den anspruchsvollsten dar. Dabei wird die eaktion nun wie folgt beschrieben: X etrons Kommt es im Zuge einer eaktion zu einer Bindungsspaltung, so kann diese homolytisch oder heterolytisch geschehen. Dabei entstehen, wie in Abbildung 3 gezeigt, adikale oder Ionen. X X Y Abbildung 3 Übersicht zur Bindungsspaltung X Y homolytisch (adikale) Y heterolytisch (Ionen) Im nachstehenden Absatz soll grundlegendend und allgemein behandelt werden, wie chemische eaktionen passieren können. Eine entscheidende olle bei der Ausbildung chemischer eaktionen stellt die Bewegung der Moleküle und daraus folgend deren Zusammenstöße dar. Aber führt jeder Zusammenstoß zweier Moleküle zu einer eaktion? Alle Moleküle besitzen eine ülle aus negativ geladenen Valenzelektronen, die die bindenden und nicht-bindenden rbitale besetzen. Bei einer eaktion kommen die eaktionspartner in unmittelbare Nähe und müssen die epulsion, die zwischen den negativen üllen entsteht, überwinden. eaktionen werden nur stattfinden, wenn die Moleküle genug Energie besitzen, um diese Energiebarriere zu überwinden. Verfügen sie bei einem Zusammenstoß nicht über diese notwendige Aktivierungsenergie, dann überwiegt die epulsion und es findet keine eaktion statt. In einem solchen Fall kommt es zu einem elastischen Stoß, wobei die Impulserhaltung gilt, es aber zu keinerlei chemischer eaktion kommt. Vergleichen lässt sich dies mit der Kollision zweier Billardkugeln, wobei sich nur der Impuls derselben verändert (siehe Abbildung 3). Es kommt demnach zu einem Energietransfer, wobei die kinetische Energie jedoch erhalten bleibt. Ist die kinetische Energie ausreichend, um die Aktivierungsenergie einer eaktion zu überwinden, findet diese statt. Als anschauliches Modell wird in diesem Fall die Kollision zweier Wackelpuddinge herangezogen. Ist die kinetische Energie hier 3

10 ausreichend bleiben die Puddinge aneinander haften und werden zu einem großen Ganzen (Abbildung 4). Es hat also eine eaktion stattgefunden. Abbildung 4 Übersicht über erfolgreiche und nicht erfolgreiche Kollisionen von Teilchen anhand der Modelle Billardkugel und Wackelpuddinge. Dass bei letzterem eine eaktion stattgefunden hat wird durch die Farbänderung von blau und rot nach lila symbolisiert. Eine andere Darstellung dieses Phänomens ist die des energetischen Übergangszustandes. Die Austauschreaktion eines Protons im Wasserstoffmolekül gegen ein Deuterium läuft beispielsweise wie folgt ab: + D D +... r r D Abbildung 5 Gleichung der eaktion eines Wasserstoffmoleküls mit einem Deuterium-adikal Der erste Schritt der eaktion 2 + D -> D + ist die Ausbildung eines höherenergetischen Übergangskomplexes D, der in ichtung der Edukte oder Produkte zerfallen kann. Während sich das Deuteriumradikal einem der Wasserstoffatome nähert (r D wird kleiner), vergrößert sich der Abstand der Atome im 2 -Molekül (r wird größer). Der eaktionsverlauf wird auf einer Energiehyperfläche G(r,r D ) wiedergegeben (siehe Abbildung 6). Unter der Annahme, dass der D-Komplex linear ist, hängt diese Energiehyperfläche in guter Näherung nur vom Abstand r 4

11 und r D ab. Damit Atome und Moleküle reagieren können, müssen sie, wie oben beschrieben, eine Aktivierungsenergie besitzen, die zu einem erfolgreichen Stoß führt. Abbildung 6 Verlauf der potentiellen Energie während der eaktion + D + D Der Übergangskomplex ist zunächst experimentell nicht erfassbar, wird aber als existent und als im Gleichgewicht befindlich mit Edukten und Produkten angenommen. a) b) Abbildung 7 a) Zusammenhang zwischen Energieverlauf einer eaktion und den Potentialen für Bindungsbruch und Bindungsbildung, b) Energiediagramm einer Einstufenreaktion Es gilt für den Übergangszustand (ÜZ): - Sattelpunkt des eaktionsverlaufs (siehe Abbildung 7 b)) - kein isolierbares Zwischenprodukt - Lebensdauer τ ÜZ ~ s - Energiedifferenz zwischen Edukten und ÜZ Aktivierungsenthalpie G E ÜZ - Energiedifferenz zwischen Edukt und Produkt eaktionsenthalpie G E P 5

12 1.2 Gleichgewichtsreaktionen, Ungleichgewichtsreaktionen Chemische eaktionen können in zwei verschiedenen Formen geschehen. Edukte und Produkte können miteinander im Gleichgewicht stehen, wobei es sich daher um eine reversible eaktion handelt. Dann spricht man von einer Gleichgewichtsreaktion. Ist die eaktion jedoch irreversibel, handelt es sich um eine Ungleichgewichtsreaktion. In Tabelle 1 sind die Gleichgewichts- und die Ungleichgewichtsreaktion gegenübergestellt. Tabelle 1 Eigenschaften von Gleichgewichts-/Ungleichgewichtsreaktionen Gleichgewichtsreaktion reversibel Produkte bestimmt durch thermodynamisches Gleichgewicht K thermodynamische Produktkontrolle Ungleichgewichtsreaktion irreversibel Produkte bestimmt durch Selektivität verschiedener eaktionen kinetische Produktkontrolle Beispiel für eine Gleichgewichtsreaktion: + C + C + 2 Abbildung 8 Veresterung als Beispiel einer Gleichgewichtsreaktion Kleine Mengen an Säure beschleunigen die Gleichgewichtseinstellung, nicht aber die Gleichgewichtslage. Es handelt sich demnach um einen Katalysator. Die Funktionsweise eines Katalysators bezüglich der Energie ist in nachstehender Abbildung gezeigt. G G unkat kat unkatalysiert katalysiert KT Abbildung 9 Energiediagramm einer katalysierten und einer unkatalysierten eaktion 6

13 Für Gleichgewichtsreaktionen lässt sich eine Gleichgewichtskonstante K berechnen, was im Folgenden beschrieben ist. Gleichgewichtskonstante: K = [ C ][ 2] [ C][ ] Die Gleichgewichtskonstante K ist unter anderem abhängig von Lösungsmittel, Temperatur, Druck, sowie den Konzentrationen von Edukten und Produkten. Beziehung von G zu K: Formel 1 G = T ln K G K = e T G = - T S entropischer Beitrag enthalpischer Beitrag In Tabelle 2 sind Beispielwerte für folgende eaktion gezeigt. A B [ B] [ A] K = T = 298 K (25 C) Tabelle 2 Zahlenwerte von G und K einer reversiblen eaktion, GG: Gleichgewicht G (kcal mol -1 ) K %-Anteil von A im GG Die Tabelle zeigt, dass eine eaktion bei großen Beträgen von G praktisch irreversibel wird. 7

14 1.2.1 Triebkraft chemischer eaktionen Typische Bindungsenergien [kcal mol -1 ]: C C C = C 148 N N 38 C C 194 N N 226 C 84 C 257 C = 172 = C 128 C Als Triebkraft einer chemischen eaktion dient meist die Bildung sehr stabiler funktioneller Gruppen oder kleiner Fragmentmoleküle, z.b. C, N 2, C 2, Carbonylgruppe, 3 P=. So ist eine C=C Doppelbindung weniger als doppelt so stabil wie eine C C Einfachbindung, während eine C= Doppelbindung mehr als doppelt so stabil ist wie C Einfachbindung Irreversible eaktionen Für vom Betrag nach große Werte von G oder für eaktionen, in denen ein eaktionspartner aus der eaktion entweicht (Bsp. Gas) gilt: A B; da es sich nicht um Gleichgewichtsreaktionen handelt, sind im Prinzip 100 % Ausbeute möglich. A B k G A A G freie Aktivierungsenthalpie G A B B KT Abbildung 10 Energiediagramm einer irreversiblen eaktion mit der freien Aktivierungsenergie G G ist die freie Aktivierungsenthalpie. hne Barriere ( G = 0) würde die eaktion mit diffusionskontrollierter Geschwindigkeitskonstante ablaufen. 8

15 Aber: Meist sind mehrere Produkte möglich! k B A B k Das Produktverhältnis wird durch k und k gegeben. Es handelt sich um eine kinetisch kontrollierte eaktion! G G B,B G B A G B B B KT Abbildung 11 Energiediagramm zweier irreversibler Konkurrenzreaktionen In Abbildung 11 sind zwei mögliche eaktionsprodukte für A aufgezeigt, B und B. B ist stabiler als B, sodass unter Gleichgewichtsbedingungen das Verhältnis [B]/[B ] aus der Stabilität von B und B berechnet werden kann. Wählt man für die Durchführung einer eaktion Bedingungen, bei denen A im Gleichgewicht mit B und B steht, dann nennt man die eaktion thermodynamisch kontrolliert. Die freien Aktivierungsenthalpien G B und G B unterscheiden sich. Das weniger stabile B ist über den eaktionspfad mit einer geringeren freien Aktivierungsenergie mit A verknüpft als das stabilere B ( G B < G B ). Das heißt: Führt man einer eaktion nur so viel Energie zu, dass die Barriere zu B überwunden werden kann (wieviel, ist eine Funktion der Temperatur, siehe unten), so kann man selektiv nur B erhalten oder zumindest B anreichern. Eine solche eaktion nennt man kinetisch kontrolliert. 9

16 1.2.3 Theorie des Übergangszustands Wir betrachten die eaktion von A nach B mit der Geschwindigkeitskonstanten k 1 und dem Übergangszustand A. K k A A B v ~ [A] k 1 v ~ [A ] k [ A ] G T k 1 = k = K k = e k [ A] Formel 2: k 1 kbt = e h G T Eyring-Gleichung G lgk 1 = lgt T (in cal) Beispielwerte (T = 298 K): Tabelle 3 albwertszeiten von eaktionen mit der Aktivierungsenergie G G [kcal mol -1 ] t 1/2 10 ~10 µs 15 ~10 ms 20 ~1 min 25 ~20 h 30 ~10 Jahre Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass die eduktion von G um 5 kcal mol -1 eine drastische Beschleunigung der eaktion liefert. Sie können nun G für zwei mögliche eaktionen in eaktionsraten umrechnen. 10

17 1.3 Aufgaben zu den Kapiteln 1.1 und 1.2 Fragen: 1. Was versteht man unter homolytischer und heterolytischer Bindungsspaltung? 2. Was versteht man unter einer eaktionskoordinate? 3. Stellen Sie zusammen, was Sie über den Übergangszustand einer eaktion wissen. 4. Nehmen Sie an, die Produkte einer eaktion sind 5 kcalmol -1 stabiler als die Edukte. Wo liegt dann die Gleichgewichtskonstante? 5. Wie unterscheiden sich thermodynamisch kontrollierte und kinetisch kontrollierte eaktionen? 1.4 Der Einfluss von Ladungen Unter Ladungen kann man sowohl Ionenladungen als auch Partialladungen verstehen. Die eaktion zwischen einem Kation und einem Anion ist durch die Anziehung der Ladungen bestimmt und führt zu einer Gitterbildung. Das entstehende Gitter ist abwechselnd aus Kation und Anion aufgebaut. Diese eaktion ist in der organischen Chemie allerdings selten zu finden. Stattdessen reagiert viel häufiger ein geladener Partner mit einem organischen Dipol. Bei dem in der rganik am meisten vorkommenden Dipol handelt es sich um die Carbonylgruppe, die durch die unterschiedliche Elektronegativität von Sauerstoff und Kohlenstoff polarisiert ist. Generell ist ein Dipol ein Molekül, dessen Valenzelektronen nicht gleichmäßig auf der Moleküloberfläche verteilt sind. Stattdessen werden die Elektronen von den Atomen, in Abhängigkeit von deren Elektronegativitäten unterschiedlich stark angezogen (siehe Tabelle 4). Anionen werden von der positiven Partialladung des Carbonylkohlenstoffs (geringe Dichte der Valenzelektronen) elektrostatisch angezogen, sodass eine eaktion stattfinden kann. Eine negative elektrische Ladung ist für eine solche eaktion nicht notwendig. Auch Moleküle mit einem freien 11

18 Elektronenpaar (z.b. N 3 ) oder solche mit einer negativen Partialladung (z.b. der Carbonylsauerstoff) können reagieren. Während partial positiv geladene Bereiche valenzelektronenarm sind, weisen die partial negativ geladenen eaktionspartner an den reaktiven Stellen eine hohe Elektronendichte auf. N C - Anion δ + N δ freies Elektronenpaar bzw negative Partialladung Abbildung 12 Beispielhafte Angriffe von Nucleophilen an einer Carbonylfunktion Ladungen resultieren also aus der ungleichmäßigen Verteilung von Elektronen der Moleküle, sodass bei einem Zusammenstoß zwischen Molekülen mit unterschiedlicher Ladung die notwendige Aktivierungsenergie geringer ist. Um ein Gefühl dafür zu bekommen, wie groß die Elektronegativität ausgewählter Elemente ist, sind in nachstehender Tabelle einige Elektronegativitäten aufgeführt. Tabelle 4 Werte der Elektronegativität ausgewählter Elemente 2.2 Li 0.94 Mg 1.31 B 2.04 Al 1.61 C 2.55 Si 1.9 N 3.04 P S 2.58 F 3.98 Cl 3.16 Br 2.96 I Der Einfluss von rbitalen Bei der Betrachtung von Ethen und Brom würde man unter Berücksichtigung des vorhergegangenen Absatzes keine eaktion erwarten. Beide Moleküle weisen keine Differenzen in den Elektronegativitäten zwischen den Atomen auf und weisen somit keinen Dipolcharakter auf. Trotzdem verschwindet die braune Farbe des Broms, sobald Ethen hinzufügt wird, sodass eine eaktion geschehen sein muss. Wenn 12

19 diese allerdings nicht auf elektrostatische Attraktionen zurückzuführen ist, worauf dann? Abbildung 13 eaktion von Ethen und Brom zu 1,2 Dibromethan + Br Br Br Br Um dies zu beantworten, muss ein weiterer Aspekt hinzugezogen werden: Der Einfluss von rbitalen. Von Brom ist bekannt, dass es ein leeres (elektronenarmes), antibindendes σ*-rbital besitzt, welches als Elektronenakzeptor dient. Gleichzeitig besitzt Ethen das volle (elektronenreiche) π- rbital der Doppelbindung. Bei einem Zusammenstoß kommt es schließlich zu einem rbitalüberlapp des leeren und des vollen rbitals, sodass Elektronen von dem vollen in das leere rbital übertragen werden und eine chemische Bindung entsteht. Abschließend kann also festgehalten werden, dass die eaktivität in der organischen Chemie immer unter den Aspekten der beteiligten Ladungen und rbitalen betrachtet werden muss. Diese Einflüsse schließen einander nicht aus. Viele eaktionen benötigen die Interaktion zwischen freien und besetzten rbitalen und zusätzlich die Anziehung durch die Ladung der Moleküle. Unabhängig davon welcher Aspekt maßgeblich ist, handelt es sich bei all diesen Phänomenen um Elektronen, die von einem Elektronenreichen zu einem elektronenarmen Bereich fließen. rbitalenergie Nu - E + Nu - E + E + Nu - abnehmende Stabilität der neuen Bindung Abbildung 14 Energiediagramme von eaktionen mit Nukleophil und Elektrophil 13

20 Es kann nur das gefüllte rbital höchster Energie des Elektronendonors (M, ighest ccupied Molecular rbital) mit dem ungefüllten rbital niedrigster Energie des Elektronenakzeptors (LUM, Lowest Unoccupied Molecular rbital) in Wechselwirkung treten. Der energetische Abstand zwischen anderen rbitalen ist zu groß. Moleküle stoßen sich aufgrund der äußeren Elektronenschale ab, ziehen sich aber an, wenn unterschiedliche Partialladungen vorliegen. Es müssen hierbei das M und das LUM überlagern. 1.6 Das Nukleophil-Elektrophil-Modell Die Mehrzahl organischer eaktionen ist polar. Daher rückt das Prinzip, in dem Elektronen von einer Elektronenquelle eines Moleküls zu einem Elektronenabfluss eines zweiten Moleküls fließen, in den Vordergrund. Bei diesem Modell existiert eine Elektronenquelle, also ein Atom, welches Elektronen doniert und daher als Nukleophil bezeichnet wird. Das Atom des zweiten Edukts, welches die Elektronen aufnimmt (akzeptiert), ist das Elektrophil. In der Vorlesung, sowie in der Übung fällt auf, wie häufig dieses Modell verwendet wird. Für das grundlegende Verständnis organischer eaktionen ist es absolut essentiell diese Begriffe verstanden und verinnerlicht zu haben! Nu: E + Nu E =Nu freies Elektronenpaar freies rbital Abbildung 15 Angriff eines Nukleophils an ein Elektrophil neue Bindung In Abbildung 15 ist die allgemeine eaktion eines Nukleophils mit einem Elektrophil gezeigt. Das Nukleophil greift hier mit seinem freien Elektronenpaar das leere rbital des Elektrophils an. Einige Beispiele für Moleküle, die als Nukleophile bzw. als Elektrophile dienen können, sind in der folgenden Abbildung aufgeführt. 14

21 Nukleophile N Me N Me Me Me S Me Me S Br C N Elektrophile Lewissäuren, z.b. AlCl 3 Carbonylverbindungen Cl Cl Cl Al Cl Cl Cl Al Abbildung 16 Beispiele für Elektrophile und Nukleophile 1.7 Die Verwendung von gebogenen Pfeilen In den hier gezeigten Grafiken wurden ganz selbstverständlich gebogene Pfeile verwendet um die ichtung anzuzeigen, in die die Elektronen von ihrer Elektronenquelle (Nukleophil) zum Elektronenakzeptor (Elektrophil) fließen. Die gebogenen Pfeile werden in der Vorlesung zur Darstellung von eaktionsmechanismen verwendet und sollten daher unbedingt verinnerlicht werden. Dabei gelten folgende egeln: Die Pfeilspitze zeigt immer in die ichtung, in die die Elektronen fließen. Pro Bindung die neu ausgebildet wird, bzw. pro Bindung die aufgelöst wird, wird ein Pfeil verwendet. Diese Punkte werden in nachstehender Abbildung verdeutlicht. 15

22 + Elektronenquelle gebogene Pfeile: Bewegung der Elektronen Nukleophil greift antibindendes rbital an: 2 Pfeile Me S Br Br Me S Br Br - Me Me Abbildung 17 Beispiele für den Gebrauch von gebogenen Pfeilen Beachte: Ladung bleibt erhalten!!! N N Abbildung 18 Beispiele für den Gebrauch von gebogenen Pfeilen und dem Erhalt der Ladung Elektronen können auch aus π-bindungen doniert werden: Br + Br - Abbildung 19 Doppelbindungen als Nukleophile Auch der Zerfall von Molekülen lässt sich durch die gebogenen Pfeile beschreiben: 16

23 X + + X - N N + + N N Abbildung 20 Gebrauch der gebogenen Pfeile beim Zerfall von Molekülen Bewegung von nur einem Elektron: Br Br Br + Br Abbildung 21 Gebrauch von gebogenen Pfeilen bei Wanderung von einzelnen Elektronen Zur Kennzeichnung, dass sich nur ein Elektron entlang des Pfeils bewegt, wird am Ende des Pfeils nur eine halbe Spitze verwendet. Nukleophiler Angriff (weit) entfernt vom Atom mit Elektronenabfluß: (a) Nu Nu (b) Me S Br Me S Abbildung 22 (a) Das Nukleophil kann am C-Atom der Doppelbindung angreifen anstatt am Carbonylkohlenstoffatom. Damit wird die eaktivität durch Konjugation der Doppelbindung vom Carbonylkohlenstoffatom auf das ungesättigte C-Atom übertragen. Dieses Prinzip nennt man Vinylogieprinzip. (b) Nukleophiler Angriff auf konjugierte Systeme. Der Elektronenabfluss ist das Bromidanion, die Stelle höchster Elektrophilie ist am Ende des konjugierten Doppelbindungssystems. + Br - 17

24 SABASBS Achtung: Bei der Konstruktion von eaktionsmechanismen muss die ktettregel bei den Elementen der 2.Periode (B, C, N, ) eingehalten werden. So darf niemals ein fünfbindiges Kohlenstoffatom entstehen! Außerdem gilt, dass die Ladung bei chemischen eaktionen immer erhalten bleibt! Intramolekulare eaktionen: Nukleophile und elektrophile Gruppen, welche miteinander reagieren, müssen sich nicht zwingend an verschiedenen Molekülen befinden. Dies ist in folgender Abbildung gezeigt. S A A B B A S B S Abbildung 23 Verwendung gebogener Pfeile bei intramolekularen eaktionen Dem Schwefelatom der Thiolgruppe (Nukleophil) stehen zwei elektrophile Stellen zur Verfügung mit denen es reagieren könnte (grüner oder roter Pfeil). Dieses Beispiel hebt sich durch zwei Unterschiede von den anderen, bis hierhin behandelten, Beispielen ab. In diesem Fall befinden sich Nukleophil und Elektrophil in einem Molekül und nicht in zwei separaten eaktanden. Nukleophile und elektrophile Gruppen können also innerhalb eines Moleküls miteinander reagieren. Des Weiteren existieren hier zwei elektrophile Stellen, mit denen die eaktion stattfinden kann. Es muss also die elektrophilere von beiden identifiziert werden und beurteilt werden, welche eaktion zum stabileren Produkt führt. In Abbildung 23 können ein 5- oder ein 6-ing gebildet werden. 6-inge sind thermodynamisch stabiler als 5-inge. Daher handelt es sich bei dem 6-ing in diesem Fall um das bevorzugte Produkt. 18

25 1.8 Aufgaben und egeln zu Kapiteln Fragen: 1. Was versteht man unter Elektronenquelle und Elektronenabfluss? Zeichnen Sie Strukturen auf, die diesen Begriffen entsprechen. 2. Zeichnen Sie die gebogenen Pfeile und KNSEQUENT die resultierenden Produkte. Nehmen Sie zur Übung Beispiele aus dem Warren oder aus der Vorlesungsmitschrift. egeln: I. Es sind immer Elektronen, die wandern! 2. Die Ladung bleibt immer erhalten. 3. Wo es eine Elektronenquelle gibt, muss auch ein Elektronenabfluss vorhanden sein, damit eine eaktion stattfindet. 4. Größter Prüfungsfehler: Kohlenstoffe fünfbindig zeichnen. Daher immer überprüfen, dass der Kohlenstoff NICT fünfbindig ist!!! 19

26 2. Carbonylchemie Kapitel 6 in J. Clayden, N.Greeves, S. Warren, rganische Chemie 2013, 2. Auflage, Springer Verlag Chapter 6 in J. Clayden, N.Greeves, S. Warren, rganic Chemistry 2001, 1. Auflage, xford In diesem Kapitel steht die Carbonylgruppe im Mittelpunkt der Vorlesung, wobei deren eaktivität in Abhängigkeit verschiedener Substituenten beleuchtet werden soll. Weiterhin werden eaktionen, in denen die Carbonylgruppe als Elektrophil oder als Nukleophil reagiert, behandelt. Es kommt hierbei zur Untersuchung der eaktionen von Carbonylfunktionen mit verschiedenen Nukleophilen, wie den -, -, S- und N-Nukleophilen. Neben diesen organischen Verbindungen sollen auch eaktionen mit Metallorganischen Verbindungen (Grignard- oder rganolithiumverbindungen) behandelt werden. Fundiertes Wissen über die eaktivität der Carbonylgruppe ist von großer Wichtigkeit und steht daher in diesem Vorlesungsteil im Mittelpunkt. Abbildung 24 Aceton als Beispiel für eine Verbindung mit Carbonylfunktion Die Carbonylgruppe ist durch ihre starke Polarisierung ein gutes Beispiel für eaktionen mit Elektrophilen und Nukleophilen. Während die Nukleophilie des Carbonylsauerstoffs durch seine hohe Elektronegativität gering ist, prägt die starke Elektrophilie des Carbonylkohlenstoffatoms die eaktivität dieser funktionellen Gruppe. Dies lässt sich anhand eines Energiediagramms von LUM und M einer Carbonylverbindung, wie sie in Abbildung 25 dargestellt ist, verdeutlichen. 20

27 C π LUM C π M Abbildung 25 Energiediagramm einer Carbonylgruppe mit entsprechendem M und LUM Im besetzten π-rbital, dem M, ist die Elektronendichte auf dem Sauerstoff gegenüber dem Kohlenstoff stark vergrößert. Daher erfolgen nukleophile Angriffe der Carbonylgruppe immer über den Sauerstoff. Dagegen ist der rbitallappen im unbesetzten π*-rbital, dem LUM, am Kohlenstoff größer, sodass Nukleophile sich hier anlagern. Diese beiden Fälle sind als eaktion in Abbildung 26 dargestellt. Nu Nu Elektronenquelle Elektronenabfluss + Nu Nu Elektronenquelle Elektronenabfluss Abbildung 26 Nukleophile und elektrophile eaktionen von Carbonylgruppen. Es ist illustriert, wie die Carbonylgruppe als Elektrophil (obere eaktion) oder als Nukleophil und dann in einem weiteren Schritt abermals als Elektrophil (untere eaktion) reagieren kann. Der Angriff eines Nukleophils an die Carbonylfunktion kann hierbei entweder von oben oder von unten erfolgen. Je nachdem, welches Enantiomer entsteht, handelt es sich um einen Angriff von der si- oder der re-seite. Ersterer führt zu dem S- und 21

28 letzterer zu dem -Enantiomer. Diese Nomenklatur wurde bereits im ersten Teil der Vorlesung eingeführt und soll hier daher nicht näher erläutert werden. Die Carbonylgruppe kann neben zwei Methylgruppen jedoch auch andere Subsituenten aufweisen. In der folgenden Abbildung sind dazu einige Beispiele gezeigt: - N 2 Cl 1 Abbildung 27 Beispiele für Carbonylfunktionen mit verschiedenen funktionellen Gruppen (von links nach rechts), oben: Aldehyd, Keton, Carbonsäure, Carboxylat, Carbonsäureester, unten: Carbonsäureamid, Carbonsäurechlorid, Carbonsäureanhydrid) Die Unterschiede in den eaktivitäten dieser Carbonylfunktionen werden in Kapitel ausführlicher diskutiert. 2.1 Nukleophile Angriffe an die Carbonylgruppe Kapitel 6 in J. Clayden, N.Greeves, S. Warren, rganische Chemie 2013, 2. Auflage, Springer Verlag Chapter 6 in J. Clayden, N.Greeves, S. Warren, rganic Chemistry 2001, 1. Auflage, xford Bei der Carbonylgruppe handelt es sich um eines der wichtigsten Elektrophile in der organischen Chemie. Es sind Angriffe von verschiedensten Nukleophilen, wie C-, N-, - oder S-Nukleophilen möglich. Im Folgenden sollen unterschiedliche Nukleophile vorgestellt werden, welche mit der Carbonylfunktion reagieren. Außerdem soll in diesem Kapitel auch die retrosynthetische Zerlegung der Produkte stattfinden. Es ist daher essentiell, dass die Verwendung der gekrümmten Pfeile sowie die Begriffe Nukleophil und Elektrophil ausnahmslos verstanden wurden. 22

29 2.1.1 Das Cyanidion als C-Nukleophil Das Cyanidion (CN - ) ist ein bekanntes Beispiel für ein C-Nukleophil. Abbildung 28 Synthese von Cyanhydrinen und der Mechanismus In dieser eaktion greift also das Kohlenstoffatom des Cyanidions mit seinem freien Elektronenpaar an das Carbonylkohlenstoffatom an. Damit diese eaktion stattfinden kann wird weiterhin Schwefelsäure benötigt. Dies wird aus dem eaktionsmechanismus ersichtlich (Abbildung 28). Nach dem nukleophilen Angriff des Cyanidions fließen die Elektronen in das leere rbital des Sauerstoffatoms (Elektronenabfluss). Daraus resultiert eine negative Ladung am Sauerstoffatom. Durch die Anwesenheit von Säure kann das Sauerstoffatom protoniert werden, wodurch ein stabiles Produkt, das Cyanhydrin, entstehen kann. Die Schwefelsäure verhindert so die ückreaktion zum Aldehyd. Allgemein lassen sich solche eaktionen wie folgt zusammenfassen: Die Addition an eine Carbonylverbindungen beinhaltet: 1.) nukleophiler Angriff eines gewählten Nukleophils 2.) Protonierung des resultierenden Anions durch beispielsweise Säure esultat: Knüpfung neuer C-C Bindung 23

30 Nukleophile Auch Wasserstoffatome können nukleophilen Charakter aufweisen. In nachstehender Abbildung ist jedoch gezeigt, dass freie - - Ionen nahezu immer als Base reagieren. - ist nicht nukleophil, sondern reagiert immer als Base: X 2 + X - Abbildung 29 Eigenschaften von freiem -, X bezeichnet ein beliebiges Atom Aufgrund der rbitalüberlappung und der hohen Ladungsdichte ist die eaktion eines freien - -Ions als Nukleophil eigentlicht unbekannt. Das 1s rbital des freien ydridions besitzt die ideale Größe, um mit dem σ*-rbital einer -X-Bindung wechselzuwirken. Die Überlappung mit dem diffuseren 2π*-LUM der Carbonylgruppe ist durch den Größenunterschied nur partiell gegeben. Entsprechend kann kein Elektronenfluss stattfinden. Zur ydrierung von Carbonylverbindungen werden aufgrund dessen verschiedene eduktionsmittel benötigt, wobei deren benötigte Stärke von der eaktivität der Carbonylfunktionen abhängt. Aus diesem Grund sollen zunächst die eaktivitäten einiger Carbonylverbindungen aufgezeigt werden, bevor zwei wichtige eduktionsmittel vorgestellt werden. 24

31 eaktivitäten unterschiedlicher Carbonylderivate Kapitel 10 in J. Clayden, N.Greeves, S. Warren, rganische Chemie 2013, 2. Auflage, Springer Verlag Chapter 10 in J. Clayden, N.Greeves, S. Warren, rganic Chemistry 2001, 1. Auflage, xford In folgender Tabelle sind die eaktivitäten unterschiedlicher Carbonylderivate zusammengefasst: Abbildung 30 eihenfolge der eaktivitäten von Carbonylfunktionalitäten enthaltenden organischen Verbindungen. Mit der eaktivität nimmt auch die Elektrophilie des Carbonylkohlenstoffs ab. Mit NaB 4 lassen sich noch Ketone reduzieren, nicht aber Ester und die unreaktiveren Verbindungen. LiAl 4 ist so reaktiv, dass alle Verbindungen zum Alkohol reduziert werden können Da es von enormer Wichtigkeit ist die relativen eaktivitäten dieser funktionellen Gruppen zu kennen und zu verstehen, wird diese Abstufung im Folgenden erklärt. Da die eaktivität von der Elektrophilie des Carbonylkohlenstoffatoms und somit von der Elektronendichte an diesem abhängt, müssen sowohl die Induktiven als auch die Mesomerie-Effekte der Substituenten für diese Erklärung herangezogen werden. ierbei erhöhen M- und I-Effekte die Elektrophilie, während +M- und +I-Effekte sie senken. 25

32 Da ein Chloratom einen sehr starken I-Effekt aufweist, ist das Säurechlorid das reaktivste der aufgeführten Elektrophile. Der +M-Effekt ist aufgrund der Größe des 3p rbitals, in dem sich das freie Elektronenpaar befindet, sehr schwach da dieses rbital schlecht mit dem 2p rbital des Kohlenstoffatoms überlappt. Das nächststärkere Elektrophil ist das Säureanhydrid. Auch Sauerstoff weist einen starken I-Effekt auf, besitzt jedoch auch einen ausgeprägten +M-Effekt. Dieser +M- Effekt verteilt sich jedoch auf zwei Carbonylfunktionen, weshalb es sich bei einem Säureanhydrid immernoch um ein starkes Elektrophil handelt. Die Elektrophilie eines Aldehydes ist größer, als die eines Ketons, da ein Alkylrest einen +I-Effekt aufweist und demnach die Elektronendichte am Carbonylkohlenstoffatom vergrößert. Die letzten vier Verbindungen sind alle aufgrund ihres +M-Effektes unreaktiver. So liegen die eaktivitäten von Carbonsäure und Ester aufgrund ihres +M-Effektes etwa auf gleicher öhe. ier entscheiden oft die este über die eaktivität der Verbindung. Das Säureamid seinerseits weist einen starken +M-Effekt auf und der I-Effekt ist im Vergleich zum jenem des Sauerstoffs der freien Carbonsäure oder des Esters wesentlich geringer. Beim Carboxylat-Anion ist die negative Ladung, wie durch die gestrichelte Linie in Abbildung 30 gezeigt, über die drei Atome -C- delokalisiert. Aus diesem Grund ist dies die unreaktivste der hier aufgezeigten Verbindungen. Die eaktivität der verschiedenen Carbonylfunktionalitäten spiegelt sich auch in den I-Banden der C= Streckschwingung wieder. Um dies zu verstehen, ist es zunächst notwendig sich mit den Grundlagen der I Spektroskopie auseinanderzusetzen. ier werden Molekülschwingungen durch infrarote Strahlung (Wellenlänge 800 nm 1 mm) angeregt. Diese Schwingungen geben Auskünfte über die Bindungsstärke. So bewegen sich die C--Streckschwingungen bei einer Frequenz von etwa 1100 cm -1, wohingegen sich die von C= zwischen 1850 und 1650 cm -1 bewegt. Daraus lässt sich schließen, dass die Frequenz der Schwingung umso höher wird je stabiler und kürzer die Bindung ist. 26

33 Betrachtet man die Stabilitäten der C=-Bindung der verschiedenen Carbonsäurederivate, dann lassen sich folgende Fälle unterscheiden: a) +M-Effekt: Bei der Konjugation wird Elektronendichte in das π*-rbital der C=-Bindung geschoben. Da es sich hierbei um das antibindende rbital handelt wird dadurch die C=-Bindung verlängert und geschwächt. ierdurch verringert sich der Wert der C=-Streckschwingung. Je ausgeprägter der +M-Effekt desto schwächer die C=-Bindung und desto niedriger die C=-Schwingungsfrequenz! b) I-Effekt: Durch elektronenziehende Substituenten (z. B. alogenide) wird die Elektronendichte am Carbonyl-Kohlenstoffatom erniedrigt, wodurch die C=- Bindung, um dies auszugleichen, verkürzt wird (siehe Abbildung 31). Sie liegt von der Bindungsstärke dadurch zwischen Doppel- und Dreifachbindung. Je ausgeprägter der I-Effekt desto stärker die C=-Bindung und desto höher die Schwingungsfrequenz! Diese zwei Fälle sollen in folgender Abbildung nochmals verdeutlicht werden. Abbildung 31 Vergleich der Effekte durch Mesomerie (oben) und Induktion (unten) auf die Stabilität der C=-Bindung und deren Frequenzen der I Banden. Die roten Pfeile in der unteren Abbildung symbolisieren den Elektronenzug. Mit dem Wissen, dass der +M-Effekt die eaktivität der Carbonylfunktion schwächt, dadurch die Schwingungsfrequenz erniedrigt wird und dass der I-Effekt die Bindung stärkt, wodurch die Schwingungsfrequenz erhöht wird, lassen sich die 27

34 Carbonsäurederivate anhand ihrer C=-Streckschwingungen nach der eaktivität sortieren. Aus Tabelle 5 geht hervor, dass die eaktivität der Carbonylfunktion mit steigender C=-Streckschwingung wie erwartet zunimmt. Es bleibt anzumerken, dass die angegebenen Werte lediglich ungefähre Schwingungsfrequenzen für die jeweilige Gruppe darstellen. Die exakten Frequenzen sind von den esten und abhängig. Tabelle 5 C=-Valenzschwingungen der Carbonsäurederivate, welche von oben nach unten nach steigender eaktivität geordnet sind. Carbonsäurederivat Streckschwingung/ cm -1 Carbonsäurederivat C=- C=- Streckschwingung/ cm -1 ~1850 ~1745 ~1790 und 1810 ~1710 ~1730 ~1650 ~1715 ~1530 Aus obiger Tabelle geht weiterhin hervor, dass zwei Signale für die Schwingung der Säureanhydride auftreten. Dem liegt zugrunde, dass die zwei Carbonylfunktionen symmetrisch und antisymmetrisch schwingen können. ierauf soll in diesem ahmen nicht weiter eingegangen werden. Der hohe Wert für die C=-Schwingung 28

35 des Esters lässt sich dadurch erklären, dass hier der I-Effekt im Gegensatz zum +M-Effekt leicht dominiert. Zu den eaktivitäten der Carbonsäurederivate sollen im Folgenden Beispiele aufgeführt werden, wobei mit dem Vergleich der eaktivitäten von Benzaldehyd und Acetophenon gestartet wird. >> C 3 Benzaldehyd Acetophenon Abbildung 32 Vergleich der eaktivität von einem Aldehyden und einem Keton Benzaldehyd reagiert 400-fach schneller als Acetophenon. Die Substitution eines Wasserstoffatoms durch eine Methyl-Gruppe hat demzufolge eine starke Auswirkung auf die Elektrophilie dieser Carbonylderivate. eaktivität von Aldehyden: Cl 3 C > > Me > t Bu Chloral Formaldehyd Acetaldehyd Pivalinaldehyd Abbildung 33 Abstufung der eaktivität von Aldehydverbindungen In Abbildung 33 sind die eaktivitäten von Aldehydverbindungen in Abhängigkeit verschiedener este gezeigt. Das unreaktive Verhalten von Pivalinaldehyd (Trimethylacetaldehyd) erklärt sich vorwiegend durch die sterische Abschirmung des elektrophilen Carbonylkohlenstoffs durch die tert-butyl-gruppe. eaktivität von Ketonen: 3 C C 3 > Ph C 3 > Ph Ph Aceton Acetophenon Benzophenon Abbildung 34 Abstufung der eaktivität von Ketonen 29

36 Die Abnahme der eaktivität in Abbildung 34 lässt sich durch die Einbindung der Carbonylgruppe in die Konjugation mit den Aromaten erklären. Außerdem sind die Phenylgruppen sterisch anspruchsvoll, wodurch die eaktivität zusätzlich herabgesetzt ist eduktionen mit NaB 4 Es gibt jedoch Alternativen, sogenannte synthetische Äquivalente, zu dem freien - -Nukleophil, mit denen es möglich ist Carbonylderivate zu reduzieren. Ein Beispiel hierfür stellt Natriumborhydrid NaB 4 dar: B Na B + rac Na B Na Na B 2 + B 2 (C 2 ) 2 B(C 2 ) 4 Boronsäureester Abbildung 35 eaktion von Natriumborhydrid als synthetisches Äquivalent eines - -Nukleophils mit einem Aldehyden Bei der Bindung zwischen Bor und Wasserstoff handelt es sich um eine σ-bindung. Da diese stark polarisiert ist, kann das ydridion mit den Bindungselektronen übertragen werden. Die Überlappung des σ-rbitals mit dem 2π*-LUM der Carbonylgruppe ist ausreichend. Bor fungiert also als ydridionen-donor. Zur Isolierung des eduktionsprodukts wird der Boronsäureester z.b. mittels Methanol im Überschuss hydrolysiert. 30

37 B 4-n n n + B 4-n n n + B 4-n n Abbildung 36 ydrolyse des Borsäureester-Zwischenprodukts mittels eines Alkohols im Überschuss zum reduzierten Produkt. esultat: Aldehyde werden zu primären Alkoholen reduziert Ketone werden zu sekundären Alkoholen reduziert eduktion +I -I rac Abbildung 37 eduktion eines Aldehyds zum primären Alkohol Beispiele für die eduktion mit NaB 4 : 1. NaB 4 Me 2. 2 Me 1. NaB 4 2. Me rac 1. NaB 4 2. i-pr Abbildung 38 eduktionen von Carbonylverbindungen zu Alkoholen mit NaB 4 31

38 Lithiumaluminiumhydrid (LiAl 4 ) als eduktionsmittel Neben Natriumborhydrid existiert auch Lithiumaluminiumhydrid (Abbildung 39) als Quelle für ydridionen. Lithiumaluminiumhydrid ist ein stärkeres eduktionsmittel als Natriumborhydrid. Abbildung 39 Lewisformel von LiAl 4 NaB 4 ist in der Lage ydridionen auf Aldehyde und Ketone zu übertragen. Zur ydrierung von Estern oder Carbonsäuren ist NaB 4 allerdings nicht reaktiv genug und es wird das stärkere eduktionsmittel LiAl 4 benötigt(siehe Abbildung 30). Die Aluminium-Wasserstoff-Bindung weist eine größere Polarisierung als die Bor- Wasserstoff-Bindung auf. Aufgrund der höheren Elektronendichte ist das Wasserstoffatom in LiAl 4 ein stärkeres Nukleophil als in NaB 4. So können durch LiAl 4 auch Carbonsäuren und Ester reduziert werden. Abstufung der eaktivität des ydridreagenzes: Aldehyd 1. LiAl 4 2. ydrolyse 1. NaB 4 2. Et Ester Abbildung 40 Selektive eduktion eines Aldehyden in Anwesenheit einer Estergruppe Wegen der Abstufung der eaktivität ist es möglich, bei Wahl eines geeigneten ydridreagenzes selektiv eine funktionelle Gruppe zu reduzieren, während weitere nicht angegriffen werden. 32

39 2.1.3 Aufgaben zu Kapitel Fragen: 1. Zeichnen Sie den Mechanismus nach dem ydrid-ionen als Nukleophile reagieren können. 2. Wie wird ein freies - reagieren? Und warum? Nukleophile Sauerstoff ist stark elektronegativ und besitzt zwei freie Elektronenpaare, wodurch es als Nukleophil reagieren kann. In diesem Kapitel sollen daher sauerstoffbasierte Nukleophile behandelt werden Gleichgewichtsreaktion Formaldehyd ydrat Mechanismus: Abbildung 41 Nukleophiler Angriff eines Wassermoleküls an Formaldehyd zum Monohydrat esultat: Addition von 2 an eine Carbonylverbindung zum ydrat Allgemein: + 2 K K = [ 2 ] Abbildung 42 Gleichgewichtsreaktion einer Addition von Wasser an eine Carbonylverbindung 33

40 Aus Abbildung 42 geht hervor, dass es sich bei der Addition von Wasser an eine Carbonylverbindung um eine Gleichgewichtsreaktion handelt, für die sich eine Gleichgewichtskonstante formulieren lässt. Diese hängt von den Substituenten an der Carbonylfunktion ab, dass in nachstehender Tabelle anhand einiger Beispiele gezeigt werden soll. Tabelle 6 Verhältnis einiger Carbonylverbindungen zu ihren ydraten. Die Gleichgewichtskonstante K gibt an, wie sehr das Gleichgewicht auf der Seite des ydrats liegt. Name Aceton Struktur der Carbonylverbindung K Acetaldehyd 1.06 Chloral Formaldehyd exafluoroaceton Cyclopropanon Cl 3 C F 3 C CF >> 1 Betäubungsmittel Chloralhydrat ist als Kristall isolierbar. wasserfreies Formaldehyd? polymeres Paraformaldehyd n C 2 Formaldehyd liegt vorwiegend als ydrat vor, da hier keine sterische inderung vorhanden ist, wenn die Bindungswinkel von 120 zu 109 verkleinert werden. Bei Chloral erklärt sich der hohe Wert für die Gleichgewichtskonstante K durch den Elektronenzug (-I Effekt) der CCl 3 -Gruppe, wodurch die Elektrophilie am Carbonylkohlenstoffatom verstärkt ist. Beim exafluoroaceton ist dieser Effekt noch größer. Kleine zyklische Ketone, z.b. Cyclopropanon, bevorzugen die hydratisierte Form, da sich hierbei die ingspannung vermindert. Bei Cyclopropanon sind die innerzyklischen Bindungswinkel auf 60 begrenzt, während das sp 2 -hybridisierte 34

41 Carbonylkohlenstoffatom einen Winkel von 120 anstrebt. In der hydratisierten Form liegt der bevorzugte Winkel bei 109, wodurch eine Entspannung des ings geschieht Alkohole - 1.Schritt: Et Et emiacetal albacetal Et Et Et Et Abbildung 43 Mechanismus der Bildung eines albacetals Bei der eaktion von Alkoholen mit Aldehyden entstehen albacetale. Die Protonierung bzw. Deprotonierung im Mechanismus (Abbildung 43) kann sowohl intra- als auch intermolekular beschrieben werden Abbildung 44 Struktur eines albketals, welches bei der Addition eines Alkohols an ein Keton gebildet wird. Bei der eaktion von Ketonen mit Alkoholen entstehen albketale. 35

42 2.Schritt: (nur im Sauren!!!) Abbildung 45 Weiterreaktion von albacetalen in saurem Milieu zum Vollacetal albacetale sind säurelabil, weshalb sie bei sauren Bedingungen zum Vollacetal reagieren. Dies gilt analog für albketale: Abbildung 46 Struktur eines Ketals, welches in saurem Milieu in der Folgereaktion der albketalbildung entsteht esultat: Addition eines Äquivalents Alkohol zum albacetal (albketal) und im sauren Addition eines weiteren Äquivalentes zum Acetal (Ketal) Aldehyd Keton Acetal Ketal Abbildung 47 Übersicht der eaktionen von Carbonylverbindungen mit Alkoholen 36

43 Zur Bildung von albacetalen oder Ketalen sollen im Folgenden Beispiele aufgeführt werden. Beispiel 1: Glucose albacetal C albacetal α-d-glucopyranose C 2 β-d-glucopyranose seco-form Abbildung 48 Isomere der D-Glucose. Die zyklischen Isomere besitzen eine albacetal-gruppe Beispiel 2: Synthese eines Ketals Abbildung 49 Synthese eines Ketals mit p-toluolsulfonsäure als Katalysator Beispiel 3: Acetale als Schutzgruppen Schutzgruppen sind vor allem in langen Synthesen, in denen mehrere unterschiedliche eaktionen aufeinander folgen, wichtig. Beispielhaft ist in der folgenden Abbildung die Anbringung einer Acetalschutzgruppe an ein Keton gezeigt. 37

44 + Ts + 2 Cyclohexanon Ethylenglykol Abbildung 50 Acetalbildung ist entropisch begünstigt. Das hieraus entstehende Acetal ist basenstabil, wodurch die Carbonylgruppe geschützt wird. Der Mechanismus dieser eaktion sieht dabei wie folgt aus: Abbildung 51 Mechanismus zur Bildung eines Acetals aus Cyclohexanon und Ethylenglykol Weiterhin können auch Tetrahydropyranylether als Schutzgruppen für Alkohole dienen. Dies ist in Abbildung 52 gezeigt. + TP-Ether Tetrahydropyranylether * Dihydropyran rac Abbildung 52 Bildung von Tetrahydropyranylethern als Schutzgruppe von Alkoholen 38

45 Ein Anwendungsbeispiel für die selektive ydrierung mittels geschützter Aldehyde ist in nachstehender Abbildung gegeben. a. C b. b. C 2 4, + * C LiAl 4 C CC 3 CC 3 C 2 a. NaB 4 + / 2 C 2 C CC 3 C 2 Abbildung 53 eaktionswege zur selektiven eduzierung einer Verbindung mit zwei funktionellen Gruppen. a.) Mit Natriumborhydrid ohne Einführung einer Schutzgruppe b.) Nach der Einführung einer acetalischen Schutzgruppe Behandlung mit Lithiumaluminiumhydrid und anschließender Entschützung. In obiger Abbildung werden zwei Synthesewege zu unterschiedlich selektiv reduzierten Produkten gezeigt. Bei Weg a.) wird NaB 4 eingesetzt. Dieses eagenz reduziert die Aldehydgruppe, wohingegen die Estergruppe erhalten bleibt. Wenn jedoch die Estergruppe reduziert und die Aldehydgruppe erhalten werden soll, muss eine alternative Strategie gewählt werden. Zunächst wird dafür LiAl 4 benötigt, da Ester durch NaB 4 nicht reduziert werden können. hne weiteres ist eine selektive eduzierung mit LiAl 4 jedoch nicht möglich, da sowohl die Aldehyd- als auch die Estergruppe zum primären Alkohol reduziert werden würden. Daher wird in Weg b.) die Aldehydgruppe acetalisch geschützt. ierbei reagiert die Aldehydgruppe mit einem Diol zu einem Acetal, welches nicht durch LiAl 4 reduziert werden kann. Nach der durchgeführten eduktion kann diese Schutzgruppe durch wässrige Säure wieder in die Aldehydgruppe umgewandelt werden. Eine solche acetalische Schutzgruppe wird also verwendet um reaktive Gruppen zu schützen, sodass selektiv weniger reaktive Gruppen chemisch modifiziert werden können, während die reaktive Gruppe danach wieder hergestellt wird. 39