CHE 172.1: Organische Chemie für die Life Sciences

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1 1 CE 172.1: rganische Chemie für die Life Sciences Prof Dr. J. A. Robinson 9. Alkohole, Ether und Phenole In diesem Kapitel werden wir als Schwerpunkte folgendes betrachten ; 1) Struktur, Reaktionen und erstellung, von Alkohole, Ether und Phenole, und 2) Alkohole und Phenole als Säuren und Basen. 9.1 Nomenklatur Alkohole Nach der IUPAC-Nomenklatur werden Alkohole als Alkanderivate behandelt. Dem Namen des Alkans wird die Endung -ol angehängt. Bei komplizierten verzweigten Systemen richtet sich der Name des Alkohols nach der längsten Kette, die den -Substituenten trägt : Um den Platz der funktionellen Gruppe im Molekül festzulegen, beginnt man mit der Zählung so, dass die -Gruppe eine möglichst niedrige Nummer erhält. Die Namen der Substituenten werden dem Alkanol vorangestellt : Butan-1-ol (1-Butanol) 2,2,5-Trimethyl-3-hexanol Cyclohexanol Wie Alkylsubstituenten und alogenalkane teilen wir Alkohole in primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole ein : thanol 1 o -Alkohol 2 o -Alkohol 3 o -Alkohol Phenole Verbindungen mit ydroxygruppen am Benzolring bezeichnet man als Phenole. Bei der Benennung der substituierten Benzole haben die Carboxy- und die Carbonylgruppe eine höhere Priorität als die ydroxygruppe : Phenol 2,4-Dinitrophenol Ether

2 2 Die IUPAC-Nomenklatur behandelt Äther als Alkan mit einem Alkoxy-Substituent, also als Alkoxyalkan. Der kleinere Substituent gilt als Teil der Alkoxygruppe, der grössere Substituent bildet den Stamm des Moleküls : Ethoxyethan (Diethyl Ether) 2-Ethoxy-2-methylpropan (t-butyl-ethyl-ether) 9.2 Eigenschaften der Alkohole, Phenole und Ether Die Struktur der Alkohole ähnelt der von Wasser. Unten werden die Strukturen von Phenol, thanol, Wasser und Dimethylether miteinander verglichen : Die Elektronegativität des Sauerstoffatoms bewirkt eine ungleichmässige Ladungsverteilung im Molekül, sodass ein Dipolmoment ähnlich dem von Wasser entsteht: Alkohole haben im Vergleich zu Alkanen und Chloralkanen unterschiedliche physikalische Eigenschaften: besonders auffallend sind die höheren Siedepunkte. Siedepukte verschiedener Alkane, Chloralkane und Alkohole Alkylgruppe, R Alkane, R- Chloralkane, R-Cl Alkohole, R- C 3 C 3 -C 2 C 3 -C 2 -C 2 (C 3 ) 2 C C 3 -C 2 -C 2 -C 2 (C 3 ) 3 C Auch Phenole und aromatische Kohlenwasserstoffe haben unterschiedliche Siedepunkte : z.b. Toluol Sdp 110 o C, Phenol Sdp 182 o C. Wasser hat einen für seine Molekülmasse ungewöhnlich hohen Schmelz- und Siedepunkt, der im Vergleich zu anderen intermolekularen Kräften mit der Ausbildung starker Wasserstoffbrücken erklärt wird. Diese werden zwischen dem Sauerstoffatom des einen Moleküls und dem ydroxy- Wasserstoffatom eines anderen Moleküls gebildet. Im kristallinen Zustand bildet sich ein regelmässiges T d -Gitter, mit einer maximalen Zahl an stabilen -Brücken. Beim Aufwärmen wird dieses Gitter zuerst nur teilweise aufgebrochen, was zu einem noch dichter gepackten Zustand führt (bei 4 o C), der dann immer weiter aufgelockert wird (> 4 o C):

3 3 Im Kristall bei 4 o C Auch Alkohole können Netzwerke von -Brücken im flüssigen Zustand ausbilden: R R R R Diese Wechselwirkung führt zu einem weiten Netz derart verknüpfter Moleküle. bwohl eine - Bindung viel schwächer ist (21 KJ/mol) als eine kovalente - Bindung (435 KJ/mol, erschwert die Vielzahl der vorhandenen Wasserstoffbrücken den Siedevorgang. Dies führt zu verhaltnismässig hohen Siedepunkten. Im Wasser ist dieser Effekt noch stärker ausgeprägt. 9.3 Säuren und Basen Alkohole und Phenole sind schwache Säuren. Aber sie können auch basisch reagieren, indem das freie Elektronenpaar des Sauerstoffatoms ein Proton bindet (Vgl. Seite 73). Was bedeutet Säure und Base, und wie werden ihre Stärken verglichen? Nach dem Konzept von Brønsted sind Säuren Substanzen die ein Proton übertragen können. Eine Base ist eine Substanz die ein Proton aufnehmen kann - sie muss ein freies Elektronenpaar haben, um eine σ-bindung mit + bilden zu können. z.b.: Säure Base konjugierte Base konjugierte Säure Die Stärke einer Säure oder Base (in Wasser) wird durch ihre Aciditätskonstante K a oder pk a definiert, z.b.: K eq = [ 3 + ][A - ] [A][ 2 ] und K a = [ 3 + ][A - ] [A] [ 2 ] = Konstant pk a = - log K a Die Konstante pk a ist der p-wert für den Fall [A] = [A - ]. Je kleiner der pk a -Wert ist, umso stärker ist die Säure. Eine schwächere Säure hat ein höheres pk a. Wenn Sie eine schwache Säure betrachten (z.b. Ethanol), dann ist ihre konjugierte Base eine starke Base. Wenn Sie eine starke Säure betrachten (z.b. Cl) dann ist ihre konjugierte Base eine schwache Base:

4 Relative Stärke von verschiedener Säuren und ihrer Konjugierten-Basen 4 Säure Name pk a konjugierte Base Name Schwach Stark Säure C 3 C 2 2 CN C 3 C F N 3 Cl Ethanol Wasser Cyanwasserstoff Essigsäure Fluorwasserstoff Salpetersäure Chlorwasserstoff C 3 C - Acetat C 3 C 2 - Chlorid Nach dem Konzept von Lewis sind Säuren Substanzen die ein Elektronenpaar aufnehmen können (Elektronenpaar-Akzeptoren). Dagegen ist eine Lewis-Base eine Substanz die ein Elektronenpaar übertragen kann (Elektronenpaar-Donatoren), z.b : - CN - F - N 3 - Cl - Ethanolat ydroxid Cyanid Fluorid Nitrat Stark Schwach Base Lewis Säuren Lewis Basen 9.4 Alkohole und Phenole als Säuren Wenn Sie einen Alkohol oder ein Phenol in Wasser lösen, entsteht ein Gleichgewicht : Wenn wir ihre Stärke als Säuren vergleichen möchten, müssen wir ihre Aciditätskonstante betrachten: Alkohol oder Phenol pk a () 3 C 18.0 Schwache Säure C 3 C [ 15.74]* p-thylphenol Phenol 9.89 p-bromphenol 9.25 p-nitrophenol 7.15 [C 3 C 4.72]* [Cl -7.00]* Stärke Säure * Als Vergleich rken aber mit Alkali-tall findet eine vollständige irreversible Reaktion statt : Warum sind Phenole deutlich stärkere Säuren als Alkohole?

5 5 Der Grund dafür muss darin liegen, dass das Phenoxid-Anion im Vergleich zu einem Phenol stabiler ist, als ein Alkoxid-Anion gegenüber einem Alkohol. Das Phenoxid-Anion ist durch Resonanz (somerie-effekt) stabilisiert : Wenn der Benzol-Ring auch einem Substituent trägt, kann das Phenol entweder eine noch stärkere Säure oder eine schwächere Säure als das Phenol selbst sein : X Y X = N 2, CR, CR, CN, CF 3 Y = R, NR 2, R z.b. Nitrophenol : - USW. N N N N Es liegt schon bei p 7 im Wasser fast bis zu 50% in der Phenoxid Form vor. Ether haben kein Wasserstoffatom am und sind deshalb nicht sauer. Sie verhalten sich neutral. 9.5 erstellung der Alkohole Alkohole besetzen eine zentrale Position in der rganischen Chemie. Sie können ausgehend von verschiedenen funktionellen Gruppen hergestellt werden und lassen sich in zahlreiche andere funktionelle Gruppen umwandeln. Welche thoden haben wir schon gesehen? 1) ydratisierung von Alkenen (Seite 32): 2 S 4 2 (Achtung - Die Reaktion ist reversibel, und Bedingungen die die gewünschte Richtung bevorzugen, müssen gefunden werden). 2) xidation von Alkenen mit s 4 (Seiten 34/35): s 4, 2

6 3) Nucleophile Substitutionsreaktionen (S N 2) (Kapitel 8) K R C 2 Br R C 2 6 Ein wichtiger neuer Zugang zu Alkoholen, der uns bis jetzt nicht begegnet ist, ist die REDUKTIN von Carbonyl-Verbindungen. (Die chanismen von Reaktionen an Carbonyl- Gruppen werden wir erst im Kapitel behandeln). i) Durch die REDUKTIN von Aldehyden und Ketonen Dieser Prozess kann folgenderweise geschildert werden : Es gibt mehrere Reagenzien, die für diese Reaktionen geeignet sind. Wir werden zwei betrachten, weil sie einen ziemlich breiten Anwendungsbereich haben. Reduktion mit Natrium Borohydrid (NaB 4 ): Reduktion durch heterogene Katalysatoren und Wasserstoff : Diese Bedingungen werden auch für die Reduktion von Alkenen und Alkinen zu Alkanen verwendet (Seite 34). Aber Alkene und Alkine können nicht mit NaB 4 reduziert werden. ii Reduktion von Estern und Carbonsäuren Die Reduktion von Estern und Säuren kann folgenderweise beschrieben behandelt): werden (wird später iii Nucleophile Addition von Grignard-Reagenzien an Carbonyl Verbindungen Dieses Thema wird sorgfältig in den nächsten Kapiteln behandelt. Wir sollten hier bemerken, dass Grignard-Reagenzien für die Synthese von 1 o -, 2 o - und 3 o -Alkoholen eingestetzt werden können,

7 RC 2 C 2 D D 2 7 RC 2 C 2 C C 3 RC 2 C 2 C C 3 C 3 RC 2 C 2 Br Mg, Et 2 RC 2 C 2 MgBr Et 2 C C 2 RC 2 C 2 C 2 C 2 RC 2 C 2 RC 2 C erstellung von Ethern aus Alkoholen Ether stellt man am einfachsten durch die Reaktion eines Alkoxids mit einem primären alogenalkan oder einem Sulfonsäureester (sylat oder Tosylat - Seite-74) unter typischen S N 2- Bedingungen her. Dieses Verfahren ist als Williamson-Ethersynthese bekannt. Z.B.: Die Alkoxide können aus dem entsprechenden Alkohol und Na erzeugt werden (Seite-87). Da Alkoxide starke Basen sind, bleibt ihre Anwendung bei der Ethersynthese auf primäre ungehinderte Systeme beschränkt, da sonst ein erheblicher Anteil an E2-Produkt entstehen würde. 9.7 Reaktionen von Alkoholen Dehydratisierung Wir haben schon auf Seite-78 Eliminierungsreaktionen für die Synthese von Alkenen kennengelernt. ier werden wir die chanismus von Dehydratisierungen behandeln: Z.B.: xonium-ionen entstehen durch Protonierung von Alkoholen. Sekundäre und teritäre xonium- Ionen können daraufhin Wasser abspalten und relativ stabile sekundäre oder tertiäre Carbenium- Ionen ausbilden : Das -Atom nimmt ein Proton auf

8 Es folg ein Wasserverlust nach einem E1-chanismus: 8 Das Carbenium-Ion verliert ein Proton und ergibt ein Alken: Bildung von alogenalkanen Primäre xonium-ionen hingegen sind bezüglich dieser Weiterreaktion recht stabil, da das daraus entstehende primäre Carbenium-Ion zu energiereich (instabil) ist. Sie können jedoch von einem Nucleophil angegriffen werden (Seite-75) : 2 o - und 3 o -Alkohole lassen sich auch durch Behandlung mit Cl oder Br bei 0 o (jetzt S N 1) in alogenalkanen umwandeln. Am besten können 1 o - und 2 o -Alkohole durch Behandlung mit SCl 2 oder PBr 3 zu alogenalkanen umgesetzt werden (Seite-70) XIDATIN von Alkoholen Im Abschnitt wurde die erstellung von Alkoholen aus Aldehyden, Ketonen und Carbonsäuren beschrieben, die mit Wasserstoff (nur RC und RCR) oder NaB 4 reduziert wurden. Auch die umgekehrte Reaktion, die XIDATIN von Alkoholen zu Aldehyden, Ketonen oder Carbonsäuren ist möglich. Solche XIDATINS-REAKTINEN bilden eine der wichtigsten Reaktionsklassen, die für Alkohole möglich sind, z.b.: Primäre Alkohole können entweder zu Aldehyden oder zu Carbonsäuren oxidiert werden ; welches Produkt gebildet wird, hängt von den Reagenzien und Reaktionsbedingungen ab. Sekundäre Alkohole liefern nur Ketone. Ein häufig verwendetes Reagenz zur xidation von Alkoholen ist Chrom (VI), ein Übergangsmetall in einer hohen xidationsstufe. In dieser Form ist Chrom gewöhnlich gelb bis orange. Bei der Umsetzung mit einem Alkohol wird Chrom (VI) zu tiefgrünem Chrom (III) reduziert. z.b. Alkohol zu Aldehyd :

9 9 Die Weiteroxidation zur Säure lässt sich vermeiden, wenn man wasserfrei arbeitet, da dann der Aldehyd stabil ist : Wenn die xidation in wässeriger Lösung durchgeführt wird, erhält man ausgehend von 1 o - Alkoholen Carbonsäuren. Z. B.: Der Aldehyd tritt als Zwischenprodukt auf, aber unter diesen Reaktionsbedingungen wird er gewöhnlich weiter zur Säure oxidiert. 2 o -Alkohole können entweder unter wasserfreien Bedingungen oder in wässeriger Lösung zu Ketonen oxidiert werden : 9.8 Reaktionen von Ether Ether sind recht reaktionsträge. Sie sind unter den meisten Bedingungen inert und werden deswegen oftmals als Lösungsmittel verwendet. Einige Ether reagieren jedoch langsam mit Sauerstoff zu ydroperoxiden und Peroxiden nach einem radikalischen chanismus. Peroxide sind gefährlich, da sie sich explosionsartig zersetzen können Epoxide bwohl gewöhnliche Ether relativ inert sind, kann der gespannte Ring von Epoxiden (xacyclopropan) eine Reihe von Ringöffnungsreaktionen mit Nucleophilen eingehen. Unter mildsauren Bedingungen reagieren Epoxide sehr schnell : Zwei Millionen Tonnen Ethylenglycol für Automobil Frostschutzmittel wird jährlich durch säurekatalysierte ydratisierung aus Ethylen-xid hergestellt. 9.9 Phenole : erstellung und Reaktionen Die direkte elektrophile Addition von an Benzole ist schwierig, da Reagenzien, die eine elektrophile -Gruppe wie + erzeugen können, sehr selten sind. Man kann aber Phenol aus Natriumbenzolsulfonat oder Chlorbenzol durch Erhitzen in geschmolzenem Na darstellen.

10 10 Phenole können nicht mit Säure dehydratisiert werden, und sie können nicht mit X in Arylhalogene umgewandelt werden. Aber Phenole gehen in der Williamson-Ether-Synthese (Seite 90) ein. Phenole als elektronenreiche Aromaten gehen auch elektrophile Substitutionsreaktionen, wie Nitrierung, Sulphonierung und alogenierung, rasch ein (Vgl. Seite 39/40). o- und p-dihydroxybenzole (ydrochinone) können leicht oxidiert werden und bilden dadurch Chinone (Quinones), z.b. Cyclohexadiendion (para-chinon) (engl. quinone) Solche Chinone kommen in wichtigen Naturstoffen vor, wie dem Ubichinon (Coenzym Q) und dem Vitamin K. Vitamin K 1 3 n Coenzym Q oder Ubichinon