Kapitel 3. Nucleophile Substitution

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Sara Armbruster
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1 Kapitel 3. Nucleophile Substitution Reaktionsmechanismen - S N 1-Reaktion: Reaktionskoordinate-Energie-Diagramm; Kinetik, Struktur-Reaktivitätsbeziehungen (stabiles Carbokation, schwaches Nucleophil, gute Austrittsgruppe, polares protisches Lösungsmittel), Stereochemie: Racemisierung. Umsetzung: Solvolyse (EtOH, H 2 O), (S)-1-Brom-1- phenylethan, Racemisierung - S N 2-Reaktion: Reaktionskoordinate-Energie-Diagramm; Kinetik, Struktur-Reaktivität (weniger stabile Carbokationen, gutes Nucleophil, weniger gute Austrittsgruppe, polares aprotisches Lösungsmittel), Stereochemie: Inversion. Umsetzung: trans-4-tert-butylcyclohexyltosylat mit Kaliumacetat zu cis-4-tert-butylcyclohexylacetat (Inversion) Lcnv202k03aw.ppt - ocil/ws 2002/03 - k03 1

2 Hydrolyse nach S N 1-Mechanismus Ph Me H Br H 2 O (EtOH) Ph Me H OH + HO Ph Me H (S) (S) (R) S N 1-Mechanismus: Stabiles Carbokation Edukt optisch aktiv Endprodukt: Racemat Lcnv202k03aw.ppt - ocil/ws 2002/03 - k03 2

3 S N 2-Reaktion CH 3 Me 3 C OTs + CH 3 CO 2 - K + HOAc Me 3 C O O Ts : O 2 S CH 3 + Ts O - K + tert-butylgruppe besetzt durch den grossen van-der-waals-radius die equatoriale Position und fixiert die Sessel-Konformation S N 2-Reaktion verläuft unter Inversion (equatorial axial) gute Austrittsgruppe (p-toluolsulfonsäure ist starke Säure!!) Nucleophil mittlerer Stärke Lcnv202k03aw.ppt - ocil/ws 2002/03 - k03 3

4 Nucleophile aliphatische Substitution RX + Y - RY + X - Faktoren, die Reaktionsablauf beeinflussen - Mechanismus: S N 1 oder S N 2 - Eduktstruktur (RX) Übergangszustand; Zwischenstufe Stereochemie, sterische Hinderung - angreifendes Nucleophil (Y - ): Nucleophilie/Basizität - Austrittsgruppe (X) Maßstab pk a der konjugierten Säure HX stärkere Säure ist bessere Austrittsgruppe - Solvenseffekte: Einteilung der Lösungsmittel in a) unpolare Lösungsmittel; b) polar aprotische Lösungsmittel; c) polar protische Lösungsmittel Lcnv202k03aw.ppt - ocil/ws 2002/03 - k03 4

5 S N 1 und S N 2 im Vergleich RX + Y - RY + X - Nucleophil (Y - ) Austrittsgruppe (X) Lösungsmittel Kinetik Stereochemie S N 1-Reaktion eher schwaches Nucleophil Günstig ist gute Austrittsgruppe polar protisch Reaktion 1. Ordnung (monomolekulare Reaktion); Bildung von Carbokation ist geschwindigkeitsbestimmend vorwiegend Racemisierung durch Retention und Inversion S N 2-Reaktion gutes Nucleophil vorteilhaft begünstigt durch weniger gute Austrittsgruppe polar aprotisch Reaktion 2. Ordnung (bimolekulare Reaktion) stereoselektiv, Inversion Lcnv202k03aw.ppt - ocil/ws 2002/03 - k03 5

6 Nucleophilie und Basizität»Einem Nucleophil und einer Base ist hohe Elektronendichte gemeinsam. Beide beruhen auf der Interaktion mit elektrophilen Zentren: a) Nucleophil mit elektrophilem Kohlenstoff (Kinetik); b) Base mit Proton (Gleichgewicht/Thermodynamik),»S N 2-Reaktion: Nucleophilie beeinflusst Reaktionsgeschwindigkeit. S N 1- Reaktion: Nucleophilie beeinflusst Selektivität.»Nucleophilie wird mit der Polarisierbarkeit von Y - in Zusammenhang gebracht (Überlappung).»Anionen sind stärkere Basen und stärkere Nucleophile als vergleichbare Neutralverbindungen.»Reaktivität eines Nucleophils hängt stark vom Medium und der Solvatation ab. In polar aprotischen Lösungsmitteln (z.b. DMF) nimmt in der Reihe Cl - > Br - > I - ab. Fluorid ist in DMF ein gutes Nucleophil. In Methanol (polar protisches Lösungsmittel) ergibt sich folgende Reihenfolge abnehmender Nucleophilie: C 6 H 5 S - > HO 2 - > I - > RO - ~ HO - > Br - > C 6 H 5 O - > Cl - > CH 3 CO 2 - > NO 3 - Lcnv202k03aw.ppt - ocil/ws 2002/03 - k03 6

7 Eigenschaften von Halogeniden I - Br - Cl - F - Nucleophilie in protischen Lösungsmitteln (ROH) Nucleophilie in aprotischen Lösungsmitteln (DMF) Basizität Ionenradius pk a /25 C: HI (-10); HBr (-9); HCl (-7); HF (3.2) Lcnv202k03aw.ppt - ocil/ws 2002/03 - k03 7

8 Nucleophile Substitution: Abhängigkeit von der Struktur des Edukts S N 1: Im geschwindigkeitsbestimmenden Schritt nimmt die Zahl der Substituenten am reagierenden Kohlenstoff ab (sterisch gespannte Edukte reagieren schneller) Stabilisierte Carbokationen begünstigen Reaktion S N 2: Im geschwindigkeitsbestimmenden Schritt nimmt die Zahl der Substituenten am reagierenden Kohlenstoff zu (sterische Hinderung behindert Reaktion) Lcnv202k03aw.ppt - ocil/ws 2002/03 - k03 8

9 RCH 2 Br + Sterische Effekte bei der bimolekularen nucleophilen Substitution Bu 3 P Aceton + RCH 2 -PBu 3 Br - 1o 5 k R = H CH 3 - CH 3 CH 2 - (CH 3 ) 2 CH- (CH 3 ) 3 C » Steric Effects. III. Bimolecular Nucleophilic Substitution: M. Charton, J. Am. Chem. Soc. 1975, 97, Lcnv202k03aw.ppt - ocil/ws 2002/03 - k03 9

10 Nucleophile Substitution Beispiele und Übungen Alkylhalogenide Halogenid als Nucleophil und Halogenid als Austrittsgruppe; Solvens(Medium)effekte - Phasentransferkatalyse Halogenid als Austrittsgruppe, Reaktion mit Nucleophilen ausser Halogenid-Nucleophil Alkohole und Ether Aktivierung der Alkohole durch bessere Austrittsgruppe Etherspaltung, Schutzgruppenchemie Amine und Stickstoffverbindungen Gabrielsynthese; Glycinsynthese mit Urotropin Kohlenstoffverbindungen als Nucleophile Nucleophile: Cyanid, Acetylide, Enolate Hydrid-Nucleophil Reduktion mit komplexen Hydriden Nucleophile Substitution in der Biochemie Adenosin-5 -phosphat aus 5-Phosphoribosyl-1-pyrophosphat Lcnv202k03aw.ppt - ocil/ws 2002/03 - k03 10

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