Ein kurzer Hinweis vorab:

Transkript

1 Ein kurzer inweis vorab: Die Folien 1 18 sind lediglich eine lockere Einführung in die Materie. Konzentriert lesen und mitdenken sollten Sie ab Folie 19. und ein Ratschlag für diejenigen, die massive Probleme mit dem Stoff haben: Arbeiten Sie auf jeden Fall zumindest die letzten fünf Folien r konzentriert durch!

2 Um welches seltsame Tier handelt es sich hier?

3 Ein Axolotl (Ambystoma mexicanum) ist ein Lurch, der in Mexiko beheimatet ist und ausschließlich im Wasser lebt. Auch nach Erreichen des geschlechtsreifen Stadiums behält dieser Lurch zeitlebens seine Kiemen, d.h. er verbleibt im Larvenstadium. Er ist also mit einer großen Kaulquappe zu vergleichen, die nie die Metamorphose zum erwachsenen Tier vollzieht.

4 Axolotl galten bei den indigenen Völkern des heutigen Mittelamerika zwar als heilig, wurden aber dennoch gerne als Delikatesse verspeist. eute stehen Axolotl unter strengem aturschutz und werden für Aquarienfreunde gezüchtet.

5 2 3,3',5-Triiod-L-thyronin (= T 3 ) Axolotl haben ein Defizit der Schilddrüsenfunktion und sind nicht in der Lage, die typischen ormone der Schilddrüse wie das Triiodthyronin (= T 3 ) herzustellen. Solche ormone sind aber die Voraussetzung für die Metamorphose z.b. einer Kaulquappe zum Frosch.

6 2 L-Tyrosin 2 3,3',5-Triiod-L-thyronin (= T 3 ) Der Ursprung der Biosynthese des Triiodthyronin ist die aromatische Aminosäure L-Tyrosin (vgl. Biosynthese Adrenalin / Folien zur ucleophilen Substitution).

7 4' 3' 2' 1' ' 6' 3,3',5-Triiod-L-thyronin (= T 3 ) Die Abbildung zeigt die umerierung der C-Atome der aromatischen Ringe und erklärt den intergrund des Apostrophs bei der zweiten Ziffer 3 in der omenklatur.

8 2 3,3',5-Triiod-L-thyronin (= T 3 ) Auf den ersten Blick fallen uns die beiden aromatischen Ringsysteme im Molekül des Triiodthyronins auf.

9 2 3,3',5-Triiod-L-thyronin (= T 3 ) Einer dieser beiden Ringe trägt sogar eine freie -Gruppe. Eine solche -Gruppe an einem aromatischen Sechsring kennzeichnet die Verbindungsklasse der Phenole.

10 Quelle: essen-und-trinken.de Quelle: herz-wl.de Rinderschilddrüse Abbildung: 8: Kehlkopf 9: Schilddrüse Quelle: grundhof-city.ch Ein gewisser Bezug von Schilddrüsenhormonen zur Landwirtschaft beruht auf dem Umstand, daß von Menschen nicht verzehrte Schlacht abfälle, unter anderem auch die Schilddrüsen von Rindern, als Bestandteil von undefutter verwertet werden. Die ormonkonzentration im Gemisch des undefutters wird in der Regel nicht bestimmt. Dieser Umstand kann beim und zu hormonbedingten Komplikationen führen.

11 Quelle: wikipedia Quelle: kleinepause.net 2 3,3',5,5'-Tetraiod-L-thyronin (= T 4 ) Aus genau dem gleichen Grund, nämlich der schwierigen Kontrolle der ormonkonzentration, wird die früher gängige Therapie von Schilddrüsenpatienten mit Schweinethyroxin (Thyroxin = 3,3',5,5'-Tetraiodthyronin = T 4 ) seit Mitte der 80er Jahre des letzten Jahrhunderts nicht mehr praktiziert.

12 Quelle: stadtwerke-bliestal.de Ein weiterer Bezug der Landwirtschaft zu aromatischen Verbindungen ergibt sich aus der Spurenanalyse von Biogas. Biogas enthält hauptsächlich Methan (C 4 ; 40-75%) und Kohlendioxid (C 2 ; 25-55%). Wasserdampf kann in einem Anteil von bis zu 10% enthalten sein. Daneben treten noch in Spuren auf: Schwefelwasserstoff ( 2 S) ppm Ammoniak ( 3 ) 0-1% Stickstoff ( 2 ) 0-5% Sauerstoff ( 2 ) 0-2% Wasserstoff ( 2 ) 0-1% Quelle: renewable-energy-concepts.com

13 Schematischer Aufbau eines Gaschromatographen Quelle: chemwiki.ucdavis.edu Benzol (Benzen) Toluol (Toluen) o-xylol (o-xylen) m-xylol (m-xylen) p-xylol (p-xylen) Aromatische Verbindungen wie die hier abgebildeten sind gesundheitsschädlich und sollten im Biogas nur in extrem geringen Spuren vorkommen. Die Bestimmung ihrer Konzentration ist daher wichtig für die Beurteilung der Qualität des Biogases.

14 Schematischer Aufbau eines Gaschromatographen Quelle: chemwiki.ucdavis.edu Benzol (Benzen) Toluol (Toluen) o-xylol (o-xylen) m-xylol (m-xylen) p-xylol (p-xylen) n Mikro-Gaschromatographen werden Spurenkomponenten wie die hier angegebenen Aromaten auf einem sogenannten Konzentratorchip angereichert. Danach wird das angereicherte Analysengut durch rasches Aufheizen in die Trennsäule geschickt, welche die einzelnen Komponenten je nach ihren physikalisch-chemischen Eigenschaften unterschiedlich schnell durchwandern. Somit kann man die Konzentrationen von BTX (Benzol, Toluol, Xylol)-Kohlenwasserstoffen im Biogas auch im ppm-maßstab (ppm = parts per million) bestimmen.

15 U Quelle: welt.de W Q X X Y Pyrrol T Pyrrol-Verbindungen mit starker herbizider Wirkung werden in der Landwirtschaft als Pflanzenschutzmittel eingesetzt. Die links abgebildete Verbindung ist unter der ummer EP B1 als Patent geschützt. Die rechte Abbildung zeigt Pyrrol, ein aromatisches Fünfringsystem.

16 Quelle: wattenrat.de 2 L-Tryptophan 3-Methylindol (= Skatol) ndol 3-Methylindol (auch Skatol genannt) ist als Abbauprodukt der Aminosäure L-Tryptophan eine der Komponenten von Fäkalien und für deren penetranten Geruch verantwortlich.

17 Elektrophile aromatische Substitution Benzol Die für einen Aromaten typische Reaktion ist die elektrophile Substitution. Ein Aromat wie z.b. Benzol ist ein vergleichsweise stabiles System. Wenn ein Aromat eine Reaktion eingeht, dann möchte er diese Stabilität nicht aufgeben und aus dieser Reaktion nach Möglichkeit wieder als Aromat hervorgehen. Wie wir in der Abbildung rechts erkennen, ist ein aromatischer Ring planar, d.h. sämtliche Ringatome liegen in der gleichen Ebene.

18 Benzol Würde ein Aromat die für Alkene typische Addition eingehen, dann wäre er am Ende der Reaktion kein Aromat mehr. Unter bestimmten Bedingungen kann aber auch ein Aromat wie Benzol ausnahmsweise Additionsreaktionen eingehen, so z.b. bei der katalytischen ydrierung, bei der pro Molekül Benzol drei Moleküle Wasserstoff 2 addiert werden. Das Endprodukt dieser Reaktion ist Cyclohexan. Cyclohexan gehört als Cycloalkan zu den (gesättigten) Kohlenwasserstoffen, aber nicht zu den (ungesättigten) Aromaten!

19 Br Substitution ( gegen Br) Benzol Benzol Brombenzol Die typische Reaktion für einen Aromaten ist hingegen die elektrophile Substitution. m Rahmen einer solchen Reaktion wird am aromatischen Ring ein -Atom gegen ein anderes Atom oder eine andere Atomgruppe ausgetauscht (im obigen Beispiel gegen ein Brom-Atom). Dieses andere Atom (bzw. Atomgruppe) nähert sich dem elektronenreichen aromatischen Ring als Elektrophil (also als Reaktionspartner, der ein Defizit an Elektronendichte aufweist) daher das Adjektiv elektrophil in der Bezeichnung der Reaktion. Das Reaktionsprodukt (hier: Brombenzol) ist nach wie vor ein (stabiler!) Aromat.

20 Phenol n den Schilddrüsenhormonen Tri- bzw. Tetraiodthyronin liegen Phenol-Bausteine als aromatische Komponenten vor. Die Abbildung rechts zeigt uns (wie bereits auf einer der vorhergehenden Folien), daß das Ringsystem planar ist (im Gegensatz z.b. zum Cyclohexan, das bevorzugt in der Sesselkonformation vorliegt). Die sechs C-Atome sind sp 2 -hybridisiert, d.h. pro C-Atom bleibt ein p-rbital übrig *), das nicht in die ybridisierung einbezogen wird und senkrecht zur planaren Ringebene steht. *) d.h., daß in der Außenschale eines jeden C-Atoms neben dem einen 2s-rbital nur zwei der insgesamt drei 2p-rbitale zu insgesamt drei sp 2 -ybriden kombiniert werden [für die Bindungen zu den drei achbarn C, C und (bzw. C, C und im Fall von C-1)].

21 Überlappungszone oberhalb und unterhalb der Ringebene Phenol Diese zueinander parallele Anordnung ermöglicht es den sechs p-rbitalen, oberhalb und unterhalb der Ringebene eine jeweils ununterbrochene ringförmige Überlappungszone auszubilden (Abbildung rechts). Die insgesamt sechs π Elektronen können sich dadurch, salopp ausgedrückt völlig losgelöst (und wissenschaftlich ausgedrückt: delokalisiert ), d.h. ohne konkrete Zuordnung zu einem der C-Atome, relativ frei innerhalb der Überlappungszone bewegen. Sie bilden dadurch eine sogenannte π Elektronenwolke. Diese Delokalisierung beweglicher Elektronen ist der Grund für die Stabilität eines aromatischen Systems.

22 Phenol Beim Phenol kommt noch der Umstand hinzu, dass eines der freien Elektronenpaare am -Atom räumlich so ausgerichtet werden kann, dass eine Überlappung des entsprechenden sp 3 -ybridorbitals mit dem aromatischen π-elektronensystem möglich ist. Diese elektronische Wechselwirkung, die auf der Überlappung parallel zueinander ausgerichteter rbitale beruht, also über -Bindungssysteme hinweg, bezeichnet man als Mesomeren Effekt (M-Effekt). Wenn der M-Effekt wie im Fall der -Gruppe die Elektronendichte im Ring erhöht, so spricht man von einem positiven mesomeren Effekt (+M-Effekt) der -Gruppe.

23 Exkurs: Elektronische Effekte von Substituenten auf den aromatischen Ring +M-Effekt der -Gruppe Phenol M-Effekt der 2 -Gruppe itrobenzol Die Abbildung zeigt den direkten Vergleich zweier Substituenten mit entgegengesetzten Mesomeren Effekten: Die -Gruppe übt ebenso wie die 2 -Gruppe einen positiven Mesomeren Effekt (+M-Effekt) aus, weil das -Atom über zwei freie Elektronenpaare verfügt, die sich jeweils in einem sp 3 -ybridorbital aufhalten.

24 Exkurs: Elektronische Effekte von Substituenten auf den aromatischen Ring +M-Effekt der -Gruppe Elektronendichte wird hin zum Ring verschoben Phenol Elektronendichte wird hin zum Substituenten verschoben M-Effekt der 2 -Gruppe itrobenzol Eines jener sp 3 -ybridorbitale ist in der Lage, sich räumlich so auszurichten, daß es in einer Ebene mit den sechs p-rbitalen des aromatischen Rings zu liegen kommt und mit diesen überlappen kann. Da jenes sp 3 -ybridorbital mit zwei Elektronen voll besetzt ist, werden in der Überlappungszone (in der Abbildung durch schwarze Balken gekennzeichnet) insgesamt acht -Elektronen auf sieben rbitale verteilt, so daß diese Überlappung für eine Erhöhung der -Elektronendichte im Ring im Vergleich zum unsubstituierten Benzol, also für einen +M-Effekt, sorgt.

25 Exkurs: Elektronische Effekte von Substituenten auf den aromatischen Ring +M-Effekt der -Gruppe Elektronendichte wird hin zum Ring verschoben Phenol Elektronendichte wird hin zum Substituenten verschoben M-Effekt der 2 -Gruppe itrobenzol Wir merken uns: Verfügt das eteroatom (,, S, F, Cl, Br, ), welches direkt mit dem aromatischen Ring verbunden ist, über mindestens ein freies Elektronenpaar, so liegt ein +M-Effekt vor.

26 Exkurs: Elektronische Effekte von Substituenten auf den aromatischen Ring +M-Effekt der -Gruppe Elektronendichte wird hin zum Ring verschoben Phenol Elektronendichte wird hin zum Substituenten verschoben M-Effekt der 2 -Gruppe itrobenzol Die 2 -Gruppe übt ebenso wie z.b. die C-Gruppe einen negativen Mesomeren Effekt ( M-Effekt) aus, weil das -Atom in diesem Fall über kein einziges freies Elektronenpaar verfügt. Das entsprechende p-rbital am -Atom (siehe Abbildung unten links) ist daher leer. ichtsdestotrotz ist es in der Lage, mit den sechs p-rbitalen des aromatischen Rings zu überlappen. Diese Überlappung mit einem leeren rbital bringt eine Verringerung der -Elektronendichte im Ring im Vergleich zum unsubstituierten Benzol mit sich (sechs -Elektronen werden auf sieben rbitale verteilt), also einen M-Effekt.

27 Exkurs: Elektronische Effekte von Substituenten auf den aromatischen Ring +M-Effekt der -Gruppe Elektronendichte wird hin zum Ring verschoben Phenol Elektronendichte wird hin zum Substituenten verschoben M-Effekt der 2 -Gruppe itrobenzol Wir merken uns: Verfügt das Atom (C oder ), welches direkt mit dem aromatischen Ring verbunden ist, über ein leeres p-rbital, so liegt ein M-Effekt vor. Ein leeres p-rbital liegt am betreffenden C- oder am -Atom dann vor, wenn dieses Atom im Fall von Substituenten wie C, CR, C, C, 2 sp 2 -hybridisiert ist (in dem Fall wird ja dieses eine entscheidende p-rbital nicht mit in die ybridisierung einbezogen und bleibt so, wie es ist) und über kein freies Elektronenpaar verfügt.

28 p - rbitale (mit jeweils einem Elektron besetzt) Exkurs: Elektronische Effekte von Substituenten auf den aromatischen Ring C C 3 Überlappung zwischen sp 2 -ybridorbital (Ring) und sp 3 -ybridorbital (C 3 -Gruppe) Toluol Zur Erinnerung: Alkylgruppen wie C 3, C 2 5, C 3 7 haben am C-Atom, welches direkt mit dem Ring verbunden ist, eine sp 3 -ybridisierung vorliegen und daher keine p-rbitale. Eines der vier sp 3 -ybridorbitale des C-Atoms der Methylgruppe muß natürlich mit einem sp 2 -ybridorbital eines Ring-C-Atoms überlappen (siehe Abbildung; Markierung mit dem breiten weißen Pfeil). Andernfalls käme ja keine chemische Bindung zwischen dem aromatischen Ring und der C 3 -Gruppe zustande.

29 Exkurs: Elektronische Effekte von Substituenten auf den aromatischen Ring C 3 +-Effekt der C 3 -Gruppe Elektronendichte wird hin zum Ring verschoben Toluol Die restlichen drei ybridorbitale sind bereits in eine Überlappung einbezogen, und zwar mit jeweils einem 1s-rbital eines -Atoms (siehe Abbildung). Eine Überlappung mit den p-rbitalen des Rings, wie dies im Fall der freien Elektronenpaare z.b. des -Atoms der -Gruppe von Phenol der Fall ist, ist hier nicht mehr möglich. Alkylgruppen können daher keinen Mesomeren Effekt ausüben. Sie müssen sich mit dem (schwächeren) nduktiven Effekt begnügen im Fall der Alkylgruppen einem elektronenschiebenden positiven nduktiven Effekt (+-Effekt; siehe Folien zur ucleophilen Substitution). Ein solcher -Effekt beruht also auf einer elektronischen Wechselwirkung, die auf der Überlappung längs der Kernverbindungsachse beruht, also über eine -Bindung hinweg (und nicht über -Bindungen wie im Fall des M-Effekts).

30 Exkurs: Elektronische Effekte von Substituenten auf den aromatischen Ring 3 -Effekt der 3+ -Gruppe Anilinium-on Elektronendichte wird hin zum Substituenten verschoben Den eher seltenen Fall eines negativen nduktiven Effekts (also eines Elektronenzugs weg vom Ring über eine -Bindung hinweg und nicht über -Bindungen) haben wir im protonierten Anilin, auch Anilinium-on genannt, vorliegen. Die positive Ladung am -Atom sorgt für einen gewissen Abzug von Elektronendichte über die -Bindung zwischen C und hinweg (= -Effekt). Je nach p-wert hat Anilin also einen +M-Effekt (wenn die 2 -Gruppe unprotoniert ist und das -Atom sein freies Elektronenpaar zur Verfügung hat) oder einen -Effekt, nämlich dann, wenn eine Protonierung stattgefunden hat und das -Atom in der dann vorliegenden 3+ -Gruppe kein freies Elektronenpaar mehr hat.

31 Zurück zur Substitution am Phenol: Elektronegativitätswerte: E (Cl) = 3,16 E () = 2,66 Der Austausch eines -Atoms durch ein od-atom am aromatischen Ring der Aminosäure L-Thyronin kann im Laborversuch durch den Austausch eines -Atoms gegen ein -Atom im Phenol simuliert werden. Als Partner des Phenols für diese Reaktion wählt man in der Regel odmonochlorid -Cl. Aufgrund der Differenz der Elektronegativitätswerte beider Elemente von (3,16 2,66 =) 0,5 ist die Bindung zwischen dem Chlor- und dem od-atom leicht polarisiert. Der negative Ladungsschwerpunkt liegt dabei beim elektronegativeren Chlor-Atom. Das weniger elektronegative od-atom ist in diesem Fall das positiv polarisierte Elektrophil.

32 Logischerweise erfolgt ein nucleophiler Angriff aus dem aromatischen π Elektronensystem heraus auf dieses positiv polarisierte od-atom (siehe rechter Elektronenverschiebungspfeil in beiden Abbildungen). Gleichzeitig mit dem Angriff von zwei der sechs π Elektronen auf das positiv polarisierte od-atom kommt es zum Bruch der Bindung zwischen dem od- und dem Chlor-Atom. Das negativ polarisierte Atom (hier: das Chlor-Atom) nimmt bei seinem Abgang als Chlorid-on das Bindungselektronenpaar als nunmehr freies Elektronenpaar mit. Die Übernahme des Bindungselektronenpaars zwischen und Cl durch das abgehende Chlorid-on wird durch den (kürzeren) linken Elektronenverschiebungspfeil in beiden Abbildungen symbolisiert.

33 Als Ergebnis dieses Reaktionsschritts entsteht ein positiv geladenes Zwischenprodukt, in welchem ein C-Atom des Sechsrings mit dem od-atom verbunden ist. Das Ringsystem hat hier vorübergehend seinen aromatischen Charakter aufgegeben nur vorübergehend, wohlgemerkt, denn am Ende der Reaktion möchte der Ring auf jeden Fall wieder als stabiler Aromat vorliegen!

34 Wie die Abbildungen links und rechts zeigen, ist das mit dem od-atom verbundene C-Atom hier vierbindig (es ist ja nach wie vor zusätzlich noch mit einem -Atom verbunden!!!). Die ursprüngliche sp 2 -ybridisierung dieses C-Atoms im planaren Ring des Phenols muß in diesem Zwischenprodukt zumindest vorübergehend gegen eine sp 3 -ybridisierung ausgetauscht werden.

35 Die rechte Abbildung verdeutlicht uns die folgenden beiden Umstände: 1) Die sechs C-Atome des Rings liegen zwar nach wie vor in der gleichen Ebene, aber das od-atom und das eine - Atom liegen außerhalb dieser Ebene (oberhalb bzw. unterhalb). 2) Die Überlappungszone der p-rbitale ist unterbrochen worden. Sie erstreckt sich nicht mehr ringförmig über das gesamte System hinweg (wie dies im Aromaten der Fall war), sondern nur noch über die verbliebenen fünf p-rbitale (das sechste mußte ja für die Um-ybridisierung von sp 2 nach sp 3 herangezogen werden).

36 Exkurs: Einfluß des Erstsubstituenten auf den rt der Zweitsubstitution Frage: Warum haben wir ausgerechnet das C-Atom r. 4 für die Bindung zum elektrophilen Reaktionspartner (hier: dem od-atom) gewählt? C-Atom r. 4 Antwort: Dies hängt mit dem +M-Effekt des bereits vorhandenen Erstsubstituenten (hier: der -Gruppe) zusammen.

37 Exkurs: Einfluß des Erstsubstituenten auf den rt der Zweitsubstitution V Betrachten wir in diesem Zusammenhang die mesomeren Grenzformen des Phenols. Sie lassen einen Rückschluß auf die jeweils etwas unterschiedliche -Elektronendichte an den C-Atomen des Rings zu. n den Grenzformen,, und V im linken Teil der Abbildung sind die p-rbitale der C-Atome r. 2, 4 und 6 nicht nur mit einem Elektron, sondern mit zwei Elektronen belegt. Diese C-Atome erhalten in der jeweiligen Grenzform eine negative Ladung.

38 Exkurs: Einfluß des Erstsubstituenten auf den rt der Zweitsubstitution V m rechten Teil der Abbildung sind die mit jeweils zwei Elektronen doppelt belegten rbitale in der Überlappungszone [also das eine sp 3 -ybridorbital des Sauerstoffs (Grenzform ) sowie die p-rbitale der C-Atome r. 2, 4 und 6 (Grenzformen, und V)] mit einem breiten weißen Pfeil markiert. Unter dem Strich bedeutet dies für die Ring-C-Atome r. 2, 4 und 6 eine etwas höhere Ladungsdichte als für die übrigen C-Atome des Rings. Sie sind daher die bevorzugten Positionen für eine Annäherung an den elektrophilen Reaktionspartner und für das Knüpfen einer Bindung mit ihm.

39 Exkurs: Einfluß des Erstsubstituenten auf den rt der Zweitsubstitution V Dieser Einfluß der -Gruppe auf den bevorzugten rt der Substitution durch den elektrophilen Reaktionspartner gilt für alle Substituenten mit mindestens einem freien Elektronenpaar (also alle Substituenten mit einem +M-Effekt). Den gleichen Einfluß haben Substituenten, die ausschließlich einen +-Effekt zeigen (also Alkylgruppen wie C 3 ). Da die Ring-Positionen r. 2 und 6, vom Erstsubstituenten (hier: der -Gruppe) aus betrachtet, als ortho-positionen bezeichnet werden und die Ring-Position r. 4 als para-position, werden alle Erstsubstituenten mit +M-Effekt bzw. ausschließlichem +-Effekt als ortho-para-dirigierende Substituenten bezeichnet.

40 Exkurs: Einfluß des Erstsubstituenten auf den rt der Zweitsubstitution V Umgekehrt sieht es freilich bei den Substituenten mit M-Effekt (also z.b. der 2 - oder der C-Gruppe) oder ausschließlichem -Effekt (z.b. der 3+ -Gruppe des Anilinium-ons) aus. ier zeigen uns die Grenzformen, und V des itrobenzols im linken Teil der Abbildung, daß gerade diese Ring-C- Atome in ortho- und para-position weniger elektronenreich sind als die übrigen C-Atome. Diese Atome haben in den betrachteten Grenzformen nämlich leere p-rbitale (in der Abbildung rechts mit schwarzen Pfeilen markiert), demzufolge wird ihnen in den Grenzformen eine positive Ladung zugeteilt.

41 Exkurs: Einfluß des Erstsubstituenten auf den rt der Zweitsubstitution V Dies bedeutet, daß ortho-und para-positionen im itrobenzol und allen übrigen Aromaten mit einem Substituenten mit M-Effekt (also Benzoesäure, Benzoesäureester, Benzaldehyd, Acetophenon, ) sowie die Aromaten mit einer protonierten Aminogruppe (also z.b. Aniliniumchlorid C Cl ) für die Wechselwirkung und anschließende Bindung mit dem elektrophilen Reaktionspartner ungeeignet sind. Besser geeignet sind hier die beiden sogenannten meta-positionen des Rings an den C-Atomen r. 3 und 5 (in der Abbildung rechts oben sind deren p-rbitale mit breiten weißen Pfeilen markiert).

42 Exkurs: Einfluß des Erstsubstituenten auf den rt der Zweitsubstitution Erstsubstituenten wie 2, C, CR, C (= Aldehyd), C=(R) (= Keton), S 3 (= Sulfonsäure), 3 + werden daher als meta-dirigierende Substituenten bezeichnet.

43 Exkurs: Einfluß des Erstsubstituenten auf den rt der Zweitsubstitution Erstsubstituent Effekt M Effekt Dirigierende Wirkung + Effekt +M Effekt ortho / para, R, 2, R 2 Effekt +M Effekt ortho / para Alkyl + Effekt (nicht exist.) ortho / para F, Cl, Br, Effekt +M Effekt ortho / para C, CR, C, C 2, C, 2 Effekt M Effekt meta + 3, R + 3 Effekt (nicht exist.) meta Quelle: wikipedia Diese leicht modifizierte Form einer Tabelle aus #Substituenteneffekte soll hnen den Überblick über die elektronischen Effekte von Erst-Substituenten am aromatischen Ring und deren dirigierender Wirkung erleichtern.

44 Zurück zur Substitution des Phenols mit od. Wir haben hier die para-position gewählt (wir hätten aber auch eine der beiden ortho-positionen nehmen können). Cl Chlorid-on Das Zwischenprodukt ist mesomeriestabilisiert. -Komplex in insgesamt vier mesomeren Grenzformen Diese Mesomeriestabilisierung beruht auf dem Umstand, daß die positive Ladung über den Großteil des Rings bis hin zum benachbarten -Atom delokalisiert ist (d.h. die positive Ladung ist nicht auf ein einzelnes C-Atom beschränkt).

45 Cl Chlorid-on -Komplex in insgesamt vier mesomeren Grenzformen Das hier kurzfristig vorliegende Zwischenprodukt (σ-komplex genannt) hat zwar keinen aromatischen Charakter mehr aber es ist immerhin zu einem gewissen Grad stabilisiert und gewinnt durch die anschließende Abspaltung eines Protons die aromatischen Eigenschaften und somit die maximale Stabilität wieder zurück.

46 Die Abbildung links zeigt die Deprotonierung, bei der das Bindungselektronenpaar zwischen C und in das System der π-elektronen des Rings verschoben wird. atte der (nicht aromatische) σ-komplex nur vier solcher π-elektronen im Ring, so ist das Sextett an π-elektronen, das den aromatischen Charakter ausmacht, jetzt wieder komplett.

47 Die Abbildung rechts zeigt das wieder hergestellte aromatische System mit den sechs π-elektronen und deren Überlappung hin zum benachbarten -Atom. Das anorganische ebenprodukt der Reaktion ist Chlorwasserstoffsäure + Cl.

48 Die untere Abbildung zeigt diesen Reaktionsschritt in der Sicht von oben auf den Ring. Die geschweifte Klammer soll die Delokalisierung der positiven Ladung im -Komplex wiedergeben.

49 Wird odmonochlorid im Überschuß eingesetzt, so kommt es zu weiteren Substitutionen in den beiden ortho-positionen des Rings. Wir erinnern uns: die bereits vorhandene -Gruppe am aromatischen Ring sorgt aufgrund ihres +M-Effekts dafür, daß elektrophile Substitutionen (wie hier durch od) bevorzugt an den Ringpositionen ortho und para, also an den C-Atomen r. 2, 4 und 6 ablaufen.

50 Br Br Br Br (Blick von oben) nucleophiler Angrif f auf das elektrophile Bromatom Völlig analog verläuft übrigens die Umsetzung von Phenol mit elementarem Brom. n direkter ähe elektronenreicher Bereiche wie dem -Elektronensystem eines Aromaten kommt es nämlich zu einer Polarisierung des Brom-Moleküls (siehe Partialladungen + und an den beiden Brom-Atomen). Das partial positiv geladene Brom-Atom wird von zwei der insgesamt sechs -Elektronen angegriffen, und es kommt zur Spaltung des Brom-Moleküls unter Abspaltung eines negativ geladenen Bromid-ons

51 n diesem Fall entstehen 4-Bromphenol (und 2-Bromphenol) als bevorzugte Produkte der Mono-Substitution.

52 Das Produkt der dreifachen Substitution von Phenol mit Brom ist 2,4,6-Tribromphenol.

53 Abschließend betrachten wir noch zwei elektrophile aromatische Substitutionen am Benzol selbst. Benzol Brombenzol Benzol hat aufgrund des fehlenden +M-Effekts keine so hohe Dichte an -Elektronen wie das Phenol. Es ist demnach etwas reaktionsträger als Phenol und benötigt für den Austausch eines -Atoms gegen ein Br-Atom die Unterstützung durch einen Katalysator.

54 Abschließend betrachten wir noch zwei elektrophile aromatische Substitutionen am Benzol selbst. Benzol Brombenzol Brom Brom-Eisen()-bromid-Komplex Eisen()-bromid Der in diesem Fall gerne verwendete Katalysator ist Eisen()-bromid FeBr 3. Durch die Anlagerung des Brom-Moleküls an das zentrale Fe-Atom wird das endständige Br-Atom relativ stark positiv polarisiert auf jeden Fall so stark, daß es nun mit den -Elektronen des aromatischen Rings in Wechselwirkung tritt und im Verlauf der Reaktion eines der -Atome am Ring ersetzt.

55 Abschließend betrachten wir noch zwei elektrophile aromatische Substitutionen am Benzol selbst. Benzol itrobenzol Auch für die Synthese von itrobenzol durch Austausch eines -Atoms gegen die 2 -Gruppe bedarf es eines Katalysators. Das in diesem Fall benötigte Elektrophil ist das 2+ - on (itronium-on genannt).

56 Abschließend betrachten wir noch zwei elektrophile aromatische Substitutionen am Benzol selbst. Benzol itrobenzol Wasser Salpetersäure protonierte Salpetersäure itronium-on Es wird aus der konzentrierten Salpetersäure freigesetzt, in das -Atom der -Gruppe an einem Proton der als Katalysator zugesetzten konzentrierten Schwefelsäure angreift. Dadurch wird die Abspaltung eines Wasser-Moleküls ermöglicht. Übrig bleibt das relativ starke Elektrophil 2+.

57 Auf der definitiv letzten Folie soll eine der Möglichkeiten zur erstellung von Phenol als Reaktionsschema gezeigt werden. Eine direkte Phenolsynthese aus Benzol durch Umsetzung des Benzols mit einem Elektrophil des Typs + ist nicht möglich, da dieses Elektrophil extrem energiereich ist und nur in interstellarer Materie vorkommt. Eine Möglichkeit für eine Phenolsynthese im kleineren Labormaßstab (also nicht industriell) ist der Umweg über itrobenzol. Dessen Reduktion zu Anilin mit sogenanntem nascierendem Wasserstoff (also im Reaktionsgefäß frisch hergestellten -Atomen aus Eisenschrott und Salzsäure, wobei das Proton der Salzsäure ein Elektron vom metallischen Eisen aufnimmt und dadurch zum ungeladenen -Atom wird) entspricht der großtechnischen Synthese der Zwischenstufe Anilin (vgl. BASF * ). Anilin kann im Labor (wo es wegen der geringeren Mengen nicht so sehr auf den Preis ankommt wie in der großtechnischen erstellung) mit frisch hergestellter Salpetriger Säure 2 zu Phenol umgesetzt werden ( Phenolverkochung ** ). itrobenzol + 6 Reduktion -2 2 Anilin Achtung: Salpetrige Säure 2 darf nicht mit der Salpetersäure 3 verwechselt werden! Die Salpetrige Säure 2 setzt nach der Protonierung mit + das Kation = + frei (itrosonium-on oder auch itrosyl-kation genannt), dessen -Atom zusammen mit dem -Atom der 2 -Gruppe des Anilins als elementarer Stickstoff 2 abgeht **). Die -Gruppe des Phenols stammt aus dem Lösungsmittel Wasser **). *) BASF = Badische Anilin- und Sodafabrik **) Details dazu: siehe Lehrbücher oder Wikipedia unter Verkochung. Phenol