Skript zur Vorlesung rganische hemie 2 Band II (Kapitel 6 10 Seiten 131-243) Wintersemester 2014/2015 Prof.. Mayr Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 I
Inhaltsverzeichnis: 6 eduktionen und xidationen. 131 6.1 Allgemeines.. 131 6.2 eduktionen von ()-Bindungen.. 133 6.2.1 Katalytische ydrierungen. 133 6.2.2 ydrierungen mit Metallen und Metallhydriden 136 6.3 eduktion sp 3 X sp 3... 137 6.4 eduktion von itrogruppen. 138 6.5 eduktion von Ketonen zu Alkanen.. 139 6.6 Partielle eduktionen von Aldehyden, Ketonen und arbonsäure- Derivaten... 139 6.7 xidation von eteroatomen. 140 6.8 xidation von Alkylgruppen.. 140 6.9 hinone und Dihydroxyarene 141 6.10 Spaltung von -Bindungen.. 142 6.11 xidative Kupplung von Alkinen und Diinen.. 144 6.12 xidation von Alkoholen... 145 7 Aldehyde und Ketone 148 7.1 Allgemeines.. 148 7.2 Bisher besprochene wichtige erstellungsmethoden für Aldehyde und Ketone 148 7.3 Mechanismen der Additionen an die arbonylgruppe von Aldehyden und Ketonen. 149 7.4 Bildung von ydraten durch Wasseraddition. 149 7.5 eaktion mit Alkoholen: albacetale und Acetale. 150 7.6 Thioacetale aus arbonylgruppen und Thiolen.. 153 7.7 Bisulfit-Addukte aus Aldehyden und atriumhydrogensulfit.. 154 7.8 ucleophile Addition von Ammoniak und Aminen 155 7.9 eaktionen mit Kohlenstoff-ucleophilen... 160 7.10 eaktionen mit 167 7.11 eduktive Kupplungen 169 7.12 xidationen von arbonylverbindungen. 170 7.13,-ungesättigte arbonylverbindungen. 171 8 arbonsäuren und Derivate 175 8.1 Allgemeine Darstellungsverfahren.. 175 8.2 eaktionsmöglichkeiten der arbonsäuren 177 8.3 erstellung und eaktionen von arbonsäurederivaten mit ucleophilen. 178 8.4 eduktionen von arbonsäuren und arbonsäure-derivaten.. 188 8.5 Decarboxylierungen 192 Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 II
8.6 Umlagerungen von arbonsäure-derivaten 193 8.7 Funktionalisierte arbonsäuren und derivate... 194 8.8 Verwandte Stoffklassen.. 199 9 eaktionen acider Verbindungen 205 9.1 Brønsted-Aciditäten. 205 9.2 alogenierungen. 206 9.3 Alkylierungen -acider Verbindungen.. 209 9.4 eaktionen -acider Verbindungen mit der arbonylgruppe von Aldehyden und Ketonen. 216 9.5 eaktionen -acider Verbindungen mit arbonsäure-derivaten 227 9.6 Michael-Additionen. 228 9.7 erstellung und eaktionen von Phosphor- und Schwefel-Yliden.. 231 10 Umlagerungen. 235 10.1 Allgemeines.. 235 10.2 [1,2]-Umlagerungen 236 10.3 [3,3] und [2,3]-Sigmatrope Umlagerungen. 242 Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 III
6 eduktionen und xidationen 6.1 Allgemeines Zur Bestimmung der xidationszahlen in anorganischen Verbindungen werden die Elektronen einer kovalenten Bindung A B, die verschiedene Atomsorten A und B miteinander verknüpft, am stärker elektronegativen Bindungspartner lokalisiert. Die Elektronen einer kovalenten Bindung A A, die gleiche Atomsorten miteinander verknüpft, gleichmäßig auf die beiden Bindungspartner verteilt. Die dabei erhaltene Formalladung entspricht der xidationszahl. Auf diese Weise erhält man die folgenden xidationszahlen: 1 2 1 1 1 1 1 1 3 1 1 1 Wendet man dasselbe Verfahren auf organische Verbindungen an, erhält man 1 4 1 1 1 1 3 1 1 1 1 3 1 3 2 3 3 2 3 1 2 1 1 3 3 Bei der Isomerisierung von But-1-en zu But-2-en ändern sich zwei xidationszahlen, sodass man diese eaktion als edox-disproportionierung bezeichnen müsste. Da dies unpraktikabel ist, bezieht man sich in der organischen hemie auf die xidationszahl verschiedener funktioneller Gruppen. Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 131
2 e 2 e 2 e 2 2 2 2 2 Erhöhung der xidationszahl um 2 Einheiten pro Schritt xidationsstufen wichtiger funktioneller Gruppen a xidationsstufe der Alkane xidationsstufe der Alkohole xidationsstufe der Aldehyde xidationsstufe der arbonsäuren xidationsstufe des Kohlendioxids Keine Bindung an eteroatome Eine Bindung an eteroatome Zwei Bindungen an eteroatome Drei Bindungen an eteroatome Vier Bindungen an eteroatome 2 3 1 4 Alkohole Aldehyde arbonsäuren Kohlendioxid ' ' ' Et Et Ether Ketone arbonsäureester Diethylcarbonat 2 ' ' 2 2 Amine Acetale rthoester arnstoff l l al 2 Alkylhalogenide 1,1-Dihalogenalkane arbonsäureamide l Isocyanate Br Br Br Br Alkene Alkine arbonsäurehalogenide Tetrahalogenmethan itrile l l l 1,1,1-Trihalogenalkane a Als eteroatome zählen hier Elemente, die elektronegativer als sind, d.h.,, al etc. Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 132
6.2 eduktionen von ()-Bindungen 6.2.1 Katalytische ydrierungen In Abwesenheit eines Katalysators lagert sich 2 weder an Doppel- noch an Dreifachbindungen an. In Anwesenheit von Metallen (Pt, Pd, i), die in der Lage sind, 2 zu absorbieren, findet an der Metalloberfläche eine ydrierung statt. Da beide -Atome von derselben Seite (der Metalloberfläche) kommen, ergibt sich eine syn-addition. Da die ydrierung an der Katalysator-berfläche erfolgt, sind fein verteilte Metalle besonders geeignet. Sie lassen sich i. A. durch Filtration entfernen. Adams-Katalysator (in situ Erzeugung von aktivem Platin): Pt 2 2 2 Pt 2 2 aney-ickel: Mit a wird aus Al-i-Legierung Al als atriumaluminat herausgelöst, wobei fein verteiltes, pyrophores ickel zurückbleibt. Pd Pd Pd Pd Pd Pd Pd Pd Pd Pd Pd Pd Pd Pd Pd Pd D D Katalysator hemoselektivität: ydrierung von -Doppelbindungen meist rascher als von -Doppelbindungen 2, Pd/ Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 133
Alkene werden rascher reduziert als Aromaten 2 aney-i Diastereoselektivität: Wasserstoff addiert sich bevorzugt an die sterisch am wenigsten gehinderte Seite. 3 2, Pt 3 Der Vergleich der ydrierwärmen von Ethin und Ethen zeigt, dass bei der Addition an eine -Bindung des Ethins mehr Wärme freigesetzt wird als bei der Addition an die -Bindung des Ethens. r = 176 kj mol 1 r = 136 kj mol 1 2 2 2 f /kj mol -1 228.2 52.5 83.8 Synthese von cis-alkenen durch partielle ydrierung von Alkinen ' 2 /[Pd] vergiftet 2 /[Pd] aktiv z. B.: Lindlar-Katalysator: 5 % Pd-a 3 Pb(Ac) 2 hinolin oder Pd auf BaS 4 hinolin Bei hohen Drücken auch heterogen katalysierte ydrierung von Aromaten möglich 3 2 / Pt Druck auch mit aney-ickel (150, 150 200 atm) Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 134
Die ydrierung von Mehrkern-Aromaten ist leichter. ier wird zunächst bevorzugt ein ing hydriert. 2 /i oder 2 /Pd- Druck, 2 /Pt- Druck, Tetralin Dekalin (überwiegend cis) ydrierung mit omogen-katalysatoren Wilkinson-Katalysator Ph 3 P h Ph 3 P PPh 3 l 2 Ph 3 P Ph 3 P h l h I (16 e) h III (16 e) Bei Verwendung chiraler Liganden, z. B. BIAP sind damit enantioselektive ydrierungen prochiraler Doppelbindungen möglich. PPh 2 PPh 2 ()-BIAP = 2,2 -Bis(diphenylphosphino)-1,1 - binaphthyl och bessere Ergebnisse erzielbar mit BIAP-uthenium-Komplexen (oyori, hemie-obelpreis 2001; Angew. hem. 2001, 114, 2108 2123). 3 2 3 2 2 * * 2 1 [u(ac) 2 1 2 -(S)-BIAP] Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 135
6.2.2 ydrierungen mit Metallen und Metallhydriden ydroborierung: s. Kapitel 4 9-BB 3 2 D B D Birch-eduktion von Aromaten 2 Li 2 Et in flüssigem 3 oder Et 2 2 LiEt auch mit atrium statt Lithium Mechanismus: Li Et Li Et Li Et Li Et Elektronenschiebende Substituenten gelangen an die Doppelbindung, elektronenziehende Substituenten an die sp 3 -Zentren zwischen die beiden Doppelbindungen. Me 2 Li/ 3 Et a/ 3 Et Me Grund: wird in ortho-stellung 2 wird in para-stellung zum Substituenten protoniert Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 136
eduziert man aromatische Amine auf diese Weise, kommt es zu einer nachträglichen Isomerisierung und man isoliert konjugierte Enamine. Alkine können in ähnlicher Weise reduziert werden. Weil Alkine aber weniger leicht Elektronen aufnehmen als Arene, arbeitet man häufig ohne Zusatz von Alkoholen, denn die solvatisierten Elektronen können mit einem in der Lösung vorliegenden Alkohol unter Bildung von 2 reagieren. Die Protonierung des Alkenyl-Anions erfolgt nun durch den Ammoniak. Es entsteht bevorzugt das trans-alken. e 3 e 3 2 2 6.3 eduktion sp 3 X sp 3 Bereits im Kapitel S 2-eaktionen wurden LiAl 4 und LiBEt 3 (Superhydrid) als ydridüberträger (S 2, ückseitenangriff) besprochen. Alkylchloride sowie sterisch abgeschirmte alogenide und Sulfonate lassen sich einfacher durch LiBEt 3 als durch LiAl 4 reduzieren. Bu Me 2 Ts LiBEt 3 Me Ph 1.) LiAl 4 2.) 2 Dichlorketen haben Sie als aktives eagens zur erstellung von Dichlorcyclobutanonen kennen gelernt. Dichlorcyclobutanone lassen sich mit Zn/Ac dehalogenieren. 1 2 l l 1 2 l l Zn / Ac Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 137
Katalytische ydrierung von Benzylethern: 2 2 Pd/ Diese eaktion dient zur Entfernung von Benzyl-Schutzgruppen. 6.4 eduktion von itrogruppen 2 2 Fe Et / l eduktion zur Aminogruppe auch katalytisch möglich ( 2 /Pt oder 2 /Pd) Unter verschiedenen Bedingungen kann itrobenzol zu unterschiedlichen Produkten reduziert werden. 2 2 itrobenzol itrosobenzol -Phenylhydroxylamin Anilin Azoxybenzol Azobenzol ydrazobenzol Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 138
6.5 eduktion von Ketonen zu Alkanen lemmensen-eduktion Zn (g) / l 2 Zwischenstufe vermutlich : : Wolff-Kishner-eduktion 2 4 2 Das bei der eaktion mit K erforderliche Erhitzen auf 160 200 im Autoklaven und die vorherige Isolierung des ydrazons lassen sich in der uang-minlon- Variante vermeiden: ierbei werden die arbonylverbindungen in Diethylenglykol mit ydrazinhydrat und a auf 150 erhitzt. Mit KtBu in DMS gelingt die eduktion der ydrazone meist bei 20. arboxylgruppen werden durch beide Methoden nicht reduziert. 2 Et Zn (g) / l Über Thioketale S S aney-ickel BF 3 6.6 Partielle eduktionen von Aldehyden, Ketonen und arbonsäure- Derivaten s. eaktionen der arbonylverbindungen Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 139
6.7 xidation von eteroatomen Sulfide, Selenide, Amine und Phosphane haben freie Elektronenpaare und können daher leicht oxidiert werden. Verschiedene Peroxyverbindungen sind als xidationsmittel geeignet. S ' Ar Die langsamere Weiterreaktion des Sulfoxids führt zum Sulfon: S ' Sulfoxid S ' Die xidation von Seleniden mit 2 2 zu Selenoxiden und von Aminen zu Aminoxiden wurde bereits im Kapitel Eliminierungen besprochen (syn- Eliminierungen von Aminoxiden und Selenoxiden) 6.8 xidation von Alkylgruppen -Bindungen sind i. A. durch -Abstraktion oxidierbar. adikalische Mechanismen zur radikalischen xidation tertiärer, allylischer und benzylischer -Bindungen mit molekularem 2 : siehe Kapitel 1. Erinnerung (s. S. 17): 3 3 [Bz---Bz] 2 3 3 Methylgruppen, wie auch längere Alkylseitenketten werden durch starke xidationsmittel (KMn 4, 3, r 3, a 2 r 2 7 ) bis zur arboxylgruppe abgebaut 3 3 ( 2 ) n KMn 4 2 KMn 4 2 Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 140
Auch Alkylgruppen an Pyridin-ingen lassen sich entsprechend oxidieren. 3 KMn 4 2 Allylische xidation durch Selendioxid führt zum Allylalkohol, der zur,-ungesättigten arbonylverbindung weiter oxidiert werden kann. Se 2 3 En- eaktion Se 2 3 Se 2 3 2,3-sigmatrope Verschiebung Se 2 3 Zersetzung Se 2 2 3 3 Se II -Produkte In analoger Weise lassen sich Ketone unter milden Bedingungen zu 1,2-Dicarbonylverbindungen oxidieren. 2 Se 2 ' ' 6.9 hinone und Dihydroxyarene hinone (engl.: quinones) sind xidationsmittel, deren xidationspotential durch Elektronenakzeptoren erhöht wird. 2 2 e Benzochinon ydrochinon Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 141
Wichtige xidationsmittel sind l l l l l l hloranil (Tetrachlorbenzochinon) DDQ (Dichlordicyanobenzochinon) Et 2 2 Et l l Dehydrierung unter Bildung von Aromaten auch mit S oder Se als xidationsmittel. S 3 3 6.10 Spaltung von -Bindungen zonolyse von -Doppelbindungen: s. eaktionen der Alkene Auf diese Weise können auch aromatische inge abgebaut werden. Alkyl 1) 3 2) 2 2 Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 142
Technische Spaltung von aromatischen ingen mit 2 / V 2 5 4,5 2 V 2 5 / Si 2 2 2 2 2 Anderes Ausgangsmaterial für Phthalsäureanhydrid: o-xylol is-dihydroxylierung von Alkenen durch s 4 und trans-dihydroxylierung durch Epoxidierung und hydrolytische ingöffnung: siehe eaktionen der Alkene xidative Spaltung von Diolen Vicinale Diole lassen sich durch atriumperiodat zu arbonylgruppen spalten. ai 4 2 /Me I a 7 5 I Soll im wasserfreien Milieu gearbeitet werden, kann die analoge Spaltung mit Pb(Ac) 4 durchgeführt werden, wobei meist fünfgliedrige Blei(IV)säurediester als Zwischenstufen auftreten. ' 4 Ac Pb Ac Die Periodat-Spaltung ist in der Zuckerchemie von großer Bedeutung. I 4 ed. Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 143
6.11 xidative Kupplung von Alkinen und Diinen Glaser-Kupplung Die Eglinton-Kupplung verwendet anstelle molekularen Sauerstoffs stöchiometrische Mengen an u(ac) 2 (s. Praktikumsversuch). Unsymmetrische konjugierte Diine sind durch adiot-hodkiewicz-kupplung zugänglich. ierbei wird eines der Alkine zuerst in das Brom- oder Iod-Alkin überführt. Ph Br 2 oder I 2 oder Das primär gebildete Kupferacetylid reagiert vermutlich mit dem Bromacetylen in einer oxidativen Addition. 1 ex u Br Ph oxidative Addition 3 ex u Br Ph reduktive Eliminierung Diin ubr Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 144
6.12 xidation von Alkoholen Wichtige xidationsmittel und ihre Verwendung: xidationsmittel Bezeichnung ' ' K 2 r 2 7 / verd. 2 S 4 r 3, verd. 2 S 4, Aceton Jones-eagens ± r l P (Pyridiniumchlorochromat) in wasserfreiem 2 l 2 r 2 in wasserfreiem 2 l 2 r PD (Pyridinium dichromat) 3 S 3 l l Et 3 Swern- xidation Ac I Ac Ac Dess-Martin Periodinan Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 145
Mechanismus: r hromsäureester Die hierbei entstehende hrom(iv)säure kann entweder zu r(iii) und r(vi) disproportionieren oder über einen adikalmechanismus am Alkohol angreifen. Wird unter wasserfreien Bedingungen gearbeitet, ist das Endprodukt der xidation primärer Alkohole der Aldehyd. Wird in wässriger Lösung gearbeitet, erfolgt über das ydrat eine Weiteroxidation zur arbonsäure. 2 r VI r Da hrom(vi)-verbindungen stark carcinogen sind, werden heute hrom-freie xidationsmittel bevorzugt. Bei der Swern-xidation wird zunächst ein hlordimethylsulfonium-ion erzeugt, das als Elektrophil am Alkohol-Sauerstoff angreift. S 3 3 l l S l 3 3 l 3 3 3 S S S 3 Et 3 3 : 2 l Et l 3 l Alkoxysulfonium-Ion Schwefel-Ylid Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 146
ppenauer-xidation (Umkehr der Meerwein-Ponndorf-Verley-eduktion) ' [Al(iPr) 3 ] ppenauer-xidation ' 3 3 Meerwein-Ponndorf- Verley-eduktion 3 3 Gleichgewichtsreaktion, die durch Verwendung eines Überschusses an Aceton bzw. Isopropanol in die eine oder andere ichtung verschoben werden kann. Mechanismus: Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 147
7 Aldehyde und Ketone 7.1 Allgemeines 2 eaktivitätszentren: : : X: -Wasserstoff (Kap. 9) eaktionen an der arbonylgruppe X = : Aldehyde X = Alkyl, Aryl: Ketone X = al,, 2 : arbonsäurederivate Kapitel 7: eaktionen an der arbonylgruppe von Aldehyden und Ketonen Kapitel 8: eaktionen von arbonsäuren und deren Derivaten Kapitel 9: Enolate 7.2 Bisher besprochene wichtige erstellungsmethoden für Aldehyde und Ketone xidationen primärer und sekundärer Alkohole: Kap. 6 ydratisierung von Alkinen ( 2 /g 2 bzw. ydroborierung und 2 2 ): Kap. 4 zonolyse von Alkenen und (im Fall von Aldehyden reduktive) Aufarbeitung: Kap. 4 Acylierung und Formylierung von Arenen: Kap. 5 ydrolyse von,-dihalogeniden: Kap. 2 Ph l 2 2 3 Ph xo-synthese (ydroformylierung) (Kap. 4) = 2 2 o 2 () 8 -kat. 3 2 2 Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 148
7.3 Mechanismen der Additionen an die arbonylgruppe von Aldehyden und Ketonen ~ 9 x 10 30 m Die Additionen von X an die arbonylgruppe verlaufen entweder über einen primären Angriff eines Elektrophils oder eines ucleophils ' :X :X Anders als bei -Doppelbindungen ist bei -Doppelbindungen die -Bindungsenergie größer als die -Bindungsenergie. Daher liegt das Gleichgewicht der Additionen von X an die arbonylgruppe häufig auf der Seite der eaktanten. 7.4 Bildung von ydraten durch Wasseraddition Zusammenhang zwischen Struktur und ydratisierungsgleichgewicht ' K l 3 3 3 3 % ydrat in 2 100% 99% 58% < 1% Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 149
Trichloracetaldehyd (hloral) bildet ein stabiles ydrat, Formaldehyd liegt in wässriger Lösung überwiegend als ydrat vor (Formalin) während Ketone kaum hydratisiert werden. Ausnahme: 2 7.5 eaktion mit Alkoholen: albacetale und Acetale Die Bildung von albacetalen ist wie die ydratisierung reversibel und wird durch Säuren oder Basen katalysiert. ' K albacetal (emiacetal) Die Gleichgewichtskonstanten der albacetal-bildung aus arbonylverbindungen und Alkoholen hängen in ähnlicher Weise von der Struktur der arbonylverbindungen ab wie die ydratisierungsgleichgewichte. Befinden sich Aldehyd- und ydroxylgruppe im selben Molekül, kommt es zur Bildung cyclischer albacetale, wenn dabei ein 5- oder 6-ing entsteht. 2 2 2 albacetale stehen immer im Gleichgewicht mit den Edukten, so dass sie die typischen arbonylreaktionen zeigen. Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 150
Die Bildung cyclischer albacetale spielt in der Kohlenhydrat-hemie eine wichtige olle: = = 2 D-Glucose (Traubenzucker) 2 D-ibose = = Unter Säurekatalyse entstehen in Gegenwart überschüssigen Alkohols Vollacetale. In Abwesenheit von Säure können albacetale jedoch nicht zu Vollacetalen weiterreagieren. Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 151
Acetale sind gegenüber Basen (ucleophilen) inert (warum?) lassen sich aber durch Säuren leicht spalten. Acetale eignen sich daher als Schutzgruppen. für die arbonylgruppe. Insbesondere die aus 1,2-Diolen gebildeten cyclischen Acetale finden hierbei Verwendung (warum?). 2 2 [ ] yclisches Acetal 2 Beispiele für den Einsatz von Acetal-Schutzgruppen: Bu : Li I 2 2 S 2 Bu, 2 4-oninal Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 152
Die Bildung cyclischer Acetale aus 1,2- und 1,3-Diolen ist aus Entropie-Gründen besonders günstig. yclische 1,2-Diole mit inggröße 6 bilden solche Acetale nur, wenn die beiden -Gruppen cis-ständig sind. 3 3 2 S 4 2 2 -D-Galactose 1,2:3,4-Di--isopropyliden- -D-galactopyranosid 2 l Bn kinetisches Produkt Bn thermodynamisches Produkt 7.6 Thioacetale aus arbonylgruppen und Thiolen Für die Bildung von Thioacetalen aus arbonylverbindungen und Thiolen verwendet man Lewis-Säuren (BF 3, Znl 2 ) anstelle von Protonen-Säuren wie bei der Acetal-Bildung. Ihre Spaltung gelingt ebenfalls nicht mit Brønsted-Säuren, sondern kann beispielsweise mit gl 2 durchgeführt werden. Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 153
Alternative ydrolyse von Dithioacetalen: Erwärmen mit Methyliodid in Aceton, das geringe Mengen Wasser enthält. orey-seebach-eaktion: Umpolung der arbonyl-eaktivität [BF 3 ] BuLi ' 2 Br S S ydrolyse wie oben aney- ickel 7.7 Bisulfit-Addukte aus Aldehyden und atriumhydrogensulfit : : a Ph S atriumsalze der -ydroxysulfonsäuren Die Bisulfitaddukte sind wasserlöslich und können daher zur einigung von Aldehyden verwendet werden. Sie zerfallen beim Erwärmen in verdünnter Säure oder Lauge, so dass die Aldehyde regeneriert werden. Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 154
7.8 ucleophile Addition von Ammoniak und Aminen. ' '' albaminal 2 ' '' Imin Schiffsche Base Azomethin Iminium-Ion Aminocarbenium-Ion Der vorstehend beschriebene Bildungsmechanismus eines Imins ist eine Plausibilitätsbetrachtung, wobei die eihenfolge der Protonenübertragungen von den eaktionsbedingungen abhängt. ' '' Imin 2 primäres Amin Semicarbazid ' '' xim ydroxylamin Phenylhydrazin Semicarbazon Phenylhydrazon Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 155
itron-bildung ' " itron eaktion von Ammoniak mit Formaldehyd Das aus Ammoniak und Formaldehyd gebildete Methanimin ( 2 =) (Mechanismus wie bei primären Aminen) ist nicht stabil, sondern reagiert weiter unter Bildung von Urotropin (ame wegen seiner Verwendung als arnweg- Desinfiziens). Urotropin enthält vier Triazacyclohexan-Sessel und besitzt dieselbe Struktur wie Adamantan, das als Ausschnitt aus dem Diamant-Gitter angesehen werden kann... 2 3 x 3 3 Methanimin 1,3,5-Triazacyclohexan Urotropin examethylentetramin Adamantan Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 156
Bildung von Enaminen aus Aldehyden oder Ketonen und sekundären Aminen ' '. '' analog der eaktion von '' '' primären Aminen Iminium-Ion Aminocarbenium-Ion ' Enamin Enamine enthalten eine elektronenreiche -Doppelbindung, die leicht von Elektrophilen angegriffen werden kann. Wichtiges Prinzip biochemischer Mechanismen! eduktive Aminierungen nutzen die Tatsache, dass schwache ydrid-überträger, wie ab 3, mit Iminium-Ionen, nicht aber mit arbonylverbindungen reagieren. a B 3 3 a B Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 157
Iminium-Ionen werden hierbei i. A. in situ erzeugt, wenn eine arbonylverbindung mit Ammoniak oder einem Amin und atriumcyanoborhydrid gemischt wird. 3 ab 3 2 Ph 3 p 6 Ph 3 Mechanismus: 3 B Ph 3 p 6 Als ydriddonor kann auch das Formiat-Ion dienen: Bei der Leuckart-Wallach- eaktion werden arbonylverbindungen mit Aminen und Ameisensäure (im einfachsten Fall Ammoniumformiat) erhitzt. ' 4 Auf diese Weise gelingt die Monomethylierung sekundärer Amine. Ph 2 100 Mannich-eaktion: Die aus sekundären Aminen und arbonylverbindungen entstehenden Iminiumionen können beispielsweise an elektronenreichen Arenen angreifen. Andere Varianten der Mannich-eaktion folgen in Kapitel 9. ( 3 ) 2 ( 3 ) 2 Gramin (Indol-Alkaloid, das in zahlreichen Pflanzen vorkommt) Mechanismus: Elektrophile aromatische Substitution (Aminoalkylierung) 3 2 3 Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 158
Iminium-katalysierte Diels-Alder-eaktionen (MacMillan, 2000) Da,-ungesättigte Iminiumionen viel stärkere Dienophile sind als die entsprechenden arbonylverbindungen, können chirale sekundäre Amine die enantioselektive Bildung von Diels-Alder-Addukten aus prochiralen eaktanten katalysieren. Ph 3 3 3 l (5 mol-%) 82 % 94 % ee als Dienophil fungiert 3 3 Ph 3 l eterocyclen-synthese Umsetzungen von Dicarbonylverbindungen mit Aminen sind für die erstellung von -eterocyclen sehr wichtig. So sind z. B. viele substituierte Pyrazole, Pyrrole und xazole sehr leicht zugänglich. -Diketone 2 2 2,3-Dimethyl-chinoxalin -Diketone 2 2 3,5-Dimethyl-pyrazol 2 3,5-Dimethyl-isoxazol -Diketone und analoge Verbindungen 3 2,5-Dimethyl-pyrrol Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 159
7.9 eaktionen mit Kohlenstoff-ucleophilen Die Addition von yanwasserstoff ist reversibel und wird durch Basen katalysiert. yanhydrin Beim Behandeln der yanhydrine mit einer stöchiometrischen Menge Base zerfallen die yanhydrine unter ückbildung der arbonylverbindung und von. Modifiziertes Kiliani-Fischer-Verfahren zur Verlängerung der Kohlenstoffkette in Zuckern. 2 2,Pd/BaS 4 2 l/ 2 2 D-Erythrose 2 D-Glycerinaldehyd 2 2 2 D-Threose Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 160
Umpolung der arbonyl-eaktivität nach ünig: Me 3 Si [ ] bzw. [ZnI 2 ] Li(iPr) 2 (LDA) SiMe 3 : ' Br F Et 3 2F normale eaktivität umgepolte u eaktivität = SiMe 3 : Streckersche Aminosäure-Synthese durch Umsetzung von Aldehyden mit in Gegenwart von Ammoniak und nachfolgende ydrolyse. 3 3 3 2 Benzoin-Kondensation Ph : : Ph : Ph Ph : : Benzoin Ph Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 161
yanid-ionen ( ) katalysieren nur die Benzoin-Kondensation aromatischer Aldehyde. Bei aliphatischen Aldehyden nicht möglich, da die Ausbildung des arbanions nicht gelingt. Statt können hier Thiazolium-Ionen eingesetzt werden, die sich leicht deprotonieren lassen. S : S 2 Wirkprinzip von Vitamin B1 (Thiamin) eaktionen mit Acetyliden '' : a ' 3 '' ' Grignard-Verbindungen Bei Metallorganischen Verbindungen besitzt Kohlenstoff eine negative Partialladung, weil Metalle weniger elektronegativ als der Kohlenstoff sind. Elektronegativitätsunterschiede in -Metall-Bindungen: Li Mg Zn 2.5 1.0 2.5 1.3 2.5 1.7 2.5 Sn 2.0 Die eaktivität metallorganischer Verbindungen hängt von vielen Faktoren ab. Eine erste rientierung über ihre eaktivität liefert die Elektronegativitäts-Differenz. rganolithium- und rganomagnesium-verbindungen sind besonders reaktiv. rganomagnesium-verbindungen lassen sich durch Umsetzung von alogenalkanen, -alkenen und arenen mit Magnesium herstellen. eaktivität: I > Br > l 3 2 Br Mg Et 2 oder TF 20 Ethylmagnesiumbromid Magnesium geht hier von der xidationsstufe 0 in die xidationsstufe II über, sodass man diese Einschiebung auch als oxidative Addition bezeichnet. Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 162
Aryl- und Alkenyl-Grignard-Verbindungen werden auch durch Brom-Magnesium- Austausch hergestellt. X Br iprmgl / Lil Turbo-Grignard (P. Knochel) X MgBr iprbr rganomagnesiumverbindungen (Grignard-eagenzien) werden üblicherweise in Diethylether-Lösung oder Tetrahydrofuran-Lösung hergestellt, wobei die Ether- Sauerstoffe die freien Koordinationsstellen am Metall besetzen. ' :.. ' :.. Mg al Mg al.. : ' '.. : Die in Lösung tatsächlich vorliegende Situation ist jedoch viel komplizierter, da neben dem nachstehend formulierten Schlenk-Gleichgewicht auch verbrückte Strukturen, wie A, eine wichtige olle spielen. 2 Mg al Schlenk-Gleichgewicht Mg al Mg al Mg al al Mg A Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 163
Grignard-Verbindungen reagieren rasch mit Brønsted-Säuren. äufig ist dies eine unerwünschte Störung, manchmal dient diese eaktion auch zur gezielten erstellung von Amid-Anionen bzw. Acetylid-Anionen. 2 2 3 2 MgBr 2 Durch Umsetzung von Grignard-eagenzien mit arbonylverbindungen lassen sich primäre, sekundäre oder tertiäre Alkohole erzeugen. MgX Formaldehyd 2 primärer Alkohol ' Aldehyd MgX 2 sekundärer Alkohol ' ' Keton MgX 2 tertiärer Alkohol Die Grignard- Verbindung fungiert sowohl als ucleophil als auch als Lewis-Säure zur Aktivierung der arbonyl-gruppe. X ' Mg Mg Mg X X Mg Mg Mg X ' X ' X An die Stelle der zweiten Grignard-Verbindung kann auch MgBr 2 treten. Die eaktion kann auch über einen Elektronentransfer-Mechanismus erfolgen, wobei der aus dem Grignard-eagens stammende Alkylrest in das adikal-kation übergeht, das isomerisieren kann. Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 164
ebenreaktionen bei Grignard-Additionen spielen insbesondere bei sterisch anspruchvollen Systemen eine wichtige olle: Enolisierung und eduktion. Enolisierung: Das Grignard-eagens fungiert als Brønsted-Base, wird protoniert, und die arbonylverbindung wird nach saurer Aufarbeitung unverändert zurückgewonnen. eduktion: Der -Wasserstoff der rganomagnesium-verbindung hat hydridischen harakter. X ' " Mg 2 2 rganolithium-verbindungen Deutlich reaktiver als Grignard-Verbindungen sind rganolithium-verbindungen. Ihre erstellung erfolgt i. A. auf einem der drei folgenden Wege: xidative Addition Bu l 2 Li Brom-Lithium-Austausch Br Me BuLi TF 80 Deprotonierung -acider Verbindungen (orey-seebach-eaktion, s. oben) S S Li BuLi Ph Ph S S Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 165
Zinkorganische Verbindungen eformatsky-eaktion Br Zn Et 2 -ydroxycarbonsäureester Anders als ranomagnesium-verbindungen reagieren rganozink- Verbindungen nicht mit Estern. Moderne Entwicklungen der Zink-rganischen hemie: P. Knochel Elektronenreiche Arene als ucleophile: Elektrophile aromatische Substitutionen mit arbonylverbindungen arbonylverbindungen sind zu wenig elektrophil, um an aromatischen Verbindungen angreifen zu können. Die elektrophile aromatische Substitution an elektronenreichen Arenen gelingt jedoch, wenn die Elektrophilie der arbonylverbindung durch Brønsted oder Lewis-Säuren erhöht wird. Me 2 elektrophile aromatische Substitution oft nicht isolierbar, da rasche Folgereaktion mit weiteren Arenen Erinnerung an 1: Die Bildung von Bakeliten (Phenol-Formaldehyd-arze) erfolgt nach dem gleichen Mechanismus. Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 166
7.10 eaktionen mit eduktionen mit komplexen ydriden a Li B Al Et ' in Et 2 oder TF Et analog mit 3 weiteren arbonylgruppen 2 Li Al ' 4 Aldehyde und Ketone werden durch komplexe ydride rasch zu primären bzw. sekundären Alkoholen reduziert. Während atriumborhydrid in alkoholischer Lösung eingesetzt wird, darf LiAl 4 nicht mit protischen Lösungsmitteln zusammengebracht werden (heftige eaktion unter Freisetzung von Wasserstoff, Brandgefahr). Während LiAl 4 eine Vielzahl funktioneller Gruppen reduziert (wenig selektiv), reagiert ab 4 bevorzugt mit Aldehyden und Ketonen (sowie arbonsäurechloriden, s. Kap. 8). Da Aldehyde reaktiver als Ketone sind, kann mit dem milden eduktionsmittel ab 4 eine Aldehyd-Gruppe in Gegenwart einer Ketogruppe reduziert werden. ab 4 Me/ 2 l 2 78 Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 167
Bei der Luche-eduktion wird eine Ketofunktion chemoselektiv in Gegenwart einer Aldehyd-Gruppe reduziert, weil durch Zusatz eines Equivalents el 3 das Keton als stärkere Lewis-Base selektiv aktiviert wird. L-Selektrid (Li B(sekBu) 3 ) vermag wegen seines großen sterischen Anspruchs chemoselektiv zwischen Ketonen unterschiedlicher Größe zu differenzieren. Li B(sek-Bu) 3 Diastereoselektive und enantioselektive eduktionen von arbonylgruppen sind Gegenstand der Vorlesung Stereoselektive eaktionen. Die Meerwein-Ponndorf-Verley-eduktion mit ipr in Gegenwart von Aluminium-isopropylat wurde bereits im Zusammenhang mit der ppenauer- xidation behandelt. annizzaro-eaktion (Disproportionierung von Aldehyden ohne --Atom) Ph : Ph Ph 2 Ph 2 Direkte ydridübertragung nachgewiesen, da kein D-Einbau bei der Durchführung der eaktion in D 2 erfolgt. Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 168
7.11 eduktive Kupplungen Ph Ph K Ether Dieses adikalanion reagiert rasch mit Sauerstoff und Wasser Benzophenon-Kalium tiefblau ur teilweise Dimerisierung dieses adikal-anions Pinakolbildung Me 2 = Me 2 = Me 2 : Me 2 :Mg Mg 2 Mg 2 3 Me 2 Me 2 : Me 2 Me 2 Einschiebung: Pinakol-Pinakolon-Umlagerung 3 3 3 3 2 3 3 3 3 McMurry-eaktion: Bildung von Alkenen aus Aldehyden und Ketonen in einem Schritt ohne Isolierung des intermediären Diols. 2 Til 3 /K oder Til 3 /LiAl 4 eaktion verläuft wie oben über adikalanionen, wahrscheinlich auf der berfläche von fein verteiltem Titan, das durch eduktion von Til 3 entsteht: 2 Ti(0) Titan-Metall Ti Ti Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 169
7.12 xidationen von arbonylverbindungen r VI 2 Der über das Aldehyd-ydrat verlaufende Mechanismus wurde bereits besprochen (s. Kap. 6). Baeyer-Villiger-xidation Keton Peroxysäure Ester Wanderungsneigung der Substituenten: > tertiär > sekundär Phenyl > primär 3 Ph 3 Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 170
7.13,-ungesättigte arbonylverbindungen = 25 kj mol 1 ähnlicher Wert für die Isomerisierung von 1,4-Pentadien zu 1,3-Pentadien,-ungesättigte arbonylverbindungen gehen 1,2- und 1,4-Additionen ein. 1 2 3 4 4 3 2 1 : u: u 1,2-Addition u :u u u u 1,4-Addition Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 171
Vgl. auch Kap. 4 ucleophile Additionen an -Mehrfachbindungen 2 [a() 2 ] Me [Me ] S [Base] 2 / 2 1,4- vs 1,2-Addition von metallorganischen eagenzien Grignard-eagenzien können 1,2- und 1,4-Additionen eingehen Bei ungesättigten Aldehyden ist immer die 1,2-Addition bevorzugt, bei ungesättigten Ketonen ist die Voraussage schwierig. EtMgBr 3 Ph EtMgBr 3 37 % 1,2-Addukt 57 % 1,4-Addukt Bei großen Substituenten an der arbonylgruppe ist die 1,4-Addition günstiger. Ph Ph PhMgBr 3 Ph Ph Ph Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 172
Dasselbe Keton liefert mit PhLi nur 1,2-Addition Ph Ph Ph Li 3 Es ist daher günstig, rganolithium-verbindungen zu verwenden, wenn 1,2- Addition angestrebt wird. Dagegen wird mit rganokupfer-verbindungen 1,4-Addition erreicht. 2 3 Li ui ( 3 ) 2 uli = ( 3 ) 2 u Li LiI Gilman-uprat n-alkyl 3 ( 3 ) 2 uli 78, 4 h 3 eben den aus rganolithium-verbindungen zugänglichen Gilman-upraten werden auch ormant-uprate (aus MgBr und ubr SMe 2 ) oder Knochel-uprate (aus ZnI und u 2 Lil) eingesetzt. Details dazu in der Fortgeschrittenen-Vorlesung Metallorganische hemie. Arbeitet man die bei der konjugaten Addition an,-ungesättigte arbonylverbindungen zunächst erhaltenen Enolate nicht hydrolytisch auf, lassen sich durch Umsetzung mit einem elektrophilen Alkylierungsmittel in einem Eintopf-Verfahren auch zwei neue -Bindungen knüpfen. Li Me 2 uli X (±) (±) Me Me Me auptprodukt ebenprodukt Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 173
Michael-Additionen (d. h. 1,4-Additionen -acider Verbindungen: s. Kap. 9) eduktionen,-ungesättigter arbonyl-verbindungen eduktion der arbonylgruppe meist mit LiAl 4 möglich LiAl 4 Ether 3 (ab 4 ist demgegenüber weniger selektiv!) eduktion der -Doppelbindung (unter Erhalt der -Doppelbindung) mit 2 /Pd bzw. Li/fl. 3 Li 3 2 Li in fl. 3 stabil 3 Isolierte -Doppelbindungen werden durch Li/ 3 nicht reduziert, während isolierte -Doppelbindungen ebenfalls reduziert werden. Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 174
8 arbonsäuren und Derivate 8.1 Allgemeine Darstellungsverfahren xidation primärer Alkohole und Aldehyde (s. Kap. 6) 2 2 xidation durch r 3 /, KMn 4 /, 3 aloform-eaktion (s. Kap. 9) 3 Br 2 xidation von Alkenen (s. Kap. 2) und Alkylbenzolen (s. Kap. 5) ydrocarboxylierung von Alkenen nach eppe, l 2, Pdl 2 2 über Pd-Komplexe Koch-aaf-Synthese 3 2 3, 2 S 4 2 3 3 2 3 2 : : Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 175
ydrolyse von itrilen 2 2 itril Amid arbonsäure Die ydrolyse erfordert langzeitiges Erhitzen mit starker Säure oder Base. Die Isolierung der intermediären Amide ist nicht erforderlich. itrile sind aus Alkylhalogeniden leicht zugänglich. S 2 40%ige 2 S 4 Ph Ph 2 2 l : : 100 / 3 h verwandt: Strecker-Synthese von Aminosäuren (s. Kap. 7) arboxylierung metallorganischer Verbindungen MgX 3 Li 2 3 al kann somit auf zwei verschiedene Weisen in 2 überführt werden. Meist ist der Weg über MgX einfacher. Mechanistisch verwandt: arboxylierung nach Kolbe (vgl. Kap. 5) Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 176
8.2 eaktionsmöglichkeiten der arbonsäuren : basische Zentren : E elektrophiles Zentrum saures Proton X: Die Acidität der arbonsäuren ist durch die esonanzstabilisierung der arboxylat- Ionen bedingt. Elektronenziehende Substituenten erhöhen die Acidität. 2 3 K a = ; pk a = lg K a pk a pk a pk a pk a 3.75 F 2.59 l 4.82 l 1.25 4.76 l 2.86 l 2.89 l 3 0.65 4.87 Br 2.90 l 4.06 F 3 0.23 4.82 I 3.18 l 4.52 2.46 Ph 2 4.22 Dicarbonsäuren sind acider als Monocarbonsäuren (induktive Effekte bzw. Stabilisierung der Anionen durch intramolekulare -Brücken). Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 177
arbonsäuren sind weniger basisch als Alkohole 8.3 erstellung und eaktionen von arbonsäurederivaten mit ucleophilen Allgemeines eaktionsmuster: Vergleich von arbonsäurederivaten mit Aldehyden und Ketonen : u u u X für X = Alkyl, Aryl, X :u Säure-Derivat bzw. Aldehyd, Keton X : u für X = elektronegative Gruppierungen Bei eaktionen mit der arbonsäure (X = ) konkurriert die Deprotonierung der arboxy-gruppe mit dem Angriff des ucleophils am arboxy-kohlenstoff. Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 178
Additions-Eliminierungs-eaktionen können durch Säuren oder Basen katalysiert werden. eaktivitätsreihung gegenüber ucleophilen l ' S' Ar ' ' 2 > > > > > > Ketone Wegen der hohen eaktivität von Säurechloriden können aus diesen alle genannten arbonsäure-derivate sowie Aldehyde und Ketone hergestellt werden. al ' l S' 'S l ' ' 2 a ' l 2 LiAl() 3 l ' 2 ' MgX l ' LiAl() 3 l 2 /Pd, BaS 4 l MgXl ' Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 179
Darstellung von arbonsäure-halogeniden S 2 l l Pl 3 l l Sl 2 Pl 5 l l l l 2 l l 2 l l 1/3 3 P 3 l 1/3 Pl 3 P(Ph) 3 l 4 l Ph 3 P= l 3 Mechanismus: Darstellung von arbonsäure-bromiden: 3 PBr 3 3 3 P 3 Br arbonsäureanhydride erstellung im Labor aus l: s. oben yclische arbonsäureanhydride werden auch aus Dicarbonsäure Anhydrid oder durch Erhitzen der Dicarbonsäure hergestellt. Technisch: Wacker-Verfahren 2 == 3 3 3 oechst-knapsack-verfahren: xidation von Acetaldehyd ( 3 ) mit 2 (Luft) Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 180
xidation von Benzol bzw. aphthalin 2 [V 2 5 ] 2 [V 2 5 ] Maleinsäureanhydrid Phthalsäureanhydrid arbonsäureanhydride sind etwas weniger reaktive Acylierungsmittel als arbonsäurechloride Umsetzungen mit Alkoholen, Aminen und Wasser möglich. arbonsäureester Veresterung von arbonsäuren unter -Katalyse. Basen-Katalyse nicht möglich, weil dabei 2 gebildet wird. Mechanismus (bei primären und sekundären Alkoholen): Schritt 1: Protonierung der arboxylgruppe Dihydroxycarbenium-Ion Schritt 2: Schritt 3: Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 181
Alles Gleichgewichtsreaktionen: K = [Ester][Wasser] [arbonsäure][alkohol] Umkehr: Säure-katalysierte Esterhydrolyse Mechanismus im Einklang mit dem Befund, dass 18 -markiertes Methanol 18 - markierten Ester ergibt. Bei tertiären Alkoholen verläuft die eaktion über tert.-alkyl-kationen. 3 2 ' : 3 ' 3 ach dem Prinzip der mikroskopischen eversibilität verläuft die -katalysierte ydrolyse von tert.-alkylestern ebenfalls über eine -Alkyl- Spaltung (tboc-schutzgruppe). Die Veresterung sterisch anspruchsvoller arbonsäuren verläuft über Acylium- Ionen, die in einem langsamen Schritt gebildet werden und anschließend rasch mit Alkoholen weiter reagieren. 2 [ ] 2 langsam Basische Ester-ydrolyse (Verseifung) Da equimolare Mengen an verbraucht werden, handelt es sich hier um eine basische, nicht basen-katalysierte Ester-ydrolyse. Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 182
erstellung von Estern aus Alkoholen und arbonsäurechloriden bzw. anhydriden: s. oben Arbeitsweise nach Schotten-Baumann Ph l Ph- 2 K 2 3 Ph Ph Der Alkohol bzw. Phenol wird durch das in 2 unlösliche Phl aus der wässrigen Lösung extrahiert, sodass es zur Veresterung, nicht zur ydrolyse kommt. Die ydrolyse findet nur an der Phasengrenze statt. Arbeitsweise nach Einhorn: wasserfrei Ph '- l Pyridin fungiert oft nicht nur als Base (um l zu binden), sondern auch als nucleophiler Katalysator. Als nucleophiler Katalysator besonders aktiv ist 4-Dimethylamino-pyridin (DMAP, Steglich-Base), sodass sich in gleicher Weise auch arbonsäure-anhydride für die Estersynthese nutzen lassen (Zusatz einer kostengünstigen ilfsbase). ( 3 ) 2 ' kat. Et 3 ' 2 Et 3 : ( 3 ) 2 ' DMAP 2 Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 183
Ester aus arbonsäure-salzen und Alkylhalogeniden (vgl. Kap. 2) : : a X 2 ' S 2 2 ' X = Br, I Stereochemie! Methylester aus arbonsäuren und Diazomethan (vgl. Kap. 2) 2.. : 3 Wegen der Toxizität und Explosivität von 2 2 nur eingesetzt, wenn wertvolle arbonsäure verestert werden soll. Mitsunobu-eaktion (s. Kap. 1) zum Mechanismus: s. S. 40 1 2 Ph 3 P Et 2 2 Et 2 2 Et Ph 3 P= 1 Et 2 Veresterung nach Mukaiyama l 3 3 l "Aktivester" Ph Zunächst wird durch Umsetzung mit 2-hlor-1-methylpyridinium-iodid ein Pyridiniumderivat erzeugt (Aktivester), das anschließend mit dem Alkohol zum Ester reagiert. Aktivester besitzen ein höheres Acylierungsvermögen als Phenylester. Weitere gebräuchliche Aktivester sind: F F F F F Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 184
Umsetzungen von Estern Umesterung in Gegenwart katalytischer Mengen Säure oder Base. ' '' Amid, wenn '' =, Alkyl, Aryl 2 ydrazid ydroxamsäure (geringere eaktionsgeschwindigkeiten als bei Umsetzungen von l oder arbonsäure-anhydriden) Intramolekulare Ester = Lactone 2 S 4 2 S 4 2 2 -Lacton -Lacton Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 185
arbonsäure-amide Darstellung aus Aminen und Säurehalogeniden, Anhydriden bzw. Estern und Aktivestern (vgl. oben) Darstellung aus arbonsäure und Amin gelingt nur bei erhöhten Temperaturen (> 150 ), da zunächst Ammonium-Salze gebildet werden. 2 ' : : 3 ' ' 2 2 3 290 Bernsteinsäure Succinimid Intramolekulare Amide = Lactame 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 -Aminosäure -Lactam ydrolyse von Amiden unter stark sauren ( 2 3 ) oder stark basischen Bedingungen ( 2 2 ). eaktionen mit organometallischen eagenzien Da arbonsäurechloride reaktiver sind als Ketone, können durch Umsetzung von Säurechloriden mit 1 Equivalent Grignard-eagens Ketone erhalten werden. Dazu tropft man bei tiefen Temperaturen das Grignard-eagens zum Säurechlorid. Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 186
Weniger reaktive rganometallverbindungen reagieren nur langsam mit Ketonen und sind somit besonders geeignet für selektive Umsetzungen mit arbonsäurechloriden. 2 'Li ui Liu' 2 LiI l ' 2 uli ' rganokupfer-verbindungen reagieren rasch mit arbonsäurechloriden und Aldehyden, langsam mit Ketonen, gar nicht mit Estern, Amiden und itrilen. Da Ester weniger reaktiv sind als Ketone, können Ketone nicht durch Umsetzung von Estern mit Grignard-eagenzien erzeugt werden. Die Umsetzung von Estern mit Grignard-Verbindungen ist eine einfache Darstellungsmethode für tertiäre Alkohole mit zwei gleichen esten. 'MgX Et Mg(Et)X ' 'MgX 3 ' ' Sekundäre Alkohole mit zwei gleichen esten aus Ameisensäureester 2 MgX Et 3 Tertiäre Alkohole mit drei gleichen esten aus Dimethylcarbonat 3 MgX Me Me 3 Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 187
Umsetzungen von arbonsäuren 'MgX ' MgX Li 'Li ' 'Li 3 ' Li Li MgX 'MgX 3 'MgX ' ' MgX MgX Keton-Synthese aus itrilen 'Li 'MgX Li ' MgX ' 3 3 8.4 eduktionen von arbonsäuren und arbonsäure-derivaten vgl. Kap. 6 Säurechloride l 2 /Pd/hinolin, BaS 4 osenmund-eaktion (kaum noch eingesetzt) l LiAl(tBu) 3 TF, 78 auch mit LiAl(Et) 3 oder DIBAL- bei Einsatz des eduktionsmittels im Überschuss -> primärer Alkohol Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 188
Ester werden durch LiAl 4 zu Alkoholen reduziert Li Al ' Al ' Li 2 3 LiAl 4 Ester können mit DIBAL- (Diisobutylaluminiumhydrid) zum Aldehyd reduziert werden, weil die primär gebildete Alkoxy-aluminium-Verbindung unter den eaktionsbedingungen nicht weiterreagiert. ab 4 in Et reagiert nur mit l, Aldehyen und Ketonen, nicht mit Estern. B 4 reagiert aber mit Estern nach Lewis-Säure-Zusatz. B 4 BF ' 3 Et 2 2 ' Bouveault-Blanc-Verfahren a/et 2 Et Et eaktionsprodukt wie mit LiAl 4, aber billigere eagenzien Acyloin-Kondensation tritt ein, wenn in Et 2 statt in Et gearbeitet wird. Et a 2 2a 2 2Me 3 Sil Gute Methode zur Darstellung mittlerer und großer inge (yclisierung auf Metalloberfläche). Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 189
Amide werden durch LiAl 4 zu Aminen reduziert. Wahrscheinlicher Mechanismus: Primäre und sekundäre Amide werden zunächst deprotoniert Bei,-Dialkylamiden kann die eduktion wegen der Stabilität der tetraedrischen Zwischenstufe auf der Stufe des Aldehyds angehalten werden Ein Equivalent des ydrids muss hierbei langsam zum Amid gegeben werden. Prinzipiell ist die partielle eduktion von,-dialkylamiden auch mit LiAl 4 möglich. Besonders geeignet hierfür sind vom,-dimethylhydroxlamin abgeleitete Amide (sog. Weinreb-Amide). Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 190
itrile 2 /Pt 2 2 2 1) LiAl 4 2) 3 Die eduktion mit komplexen Lithiumhydriden kann aber auch zum Aldehyd führen. Zu diesem Zweck lassen sich bevorzugt weniger reaktive ydrid- Donatoren einsetzen (z. B. LiAl(Et) 3 oder DIBAL-). arbonsäuren Die eaktivität von LiAl 4 ist so groß, dass selbst das Li-arboxylat angegriffen werden kann. Vgl. eaktion von arbonsäuren mit Li! LiAl 4 LiAl 4 2 Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 191
8.5 Decarboxylierungen Kolbe-Elektrolyse (vgl. Kap. 1) 2 elektrolytische xidation 2 2 2 2 -Abspaltung aus arboxylat-anionen Wiederhole: arboxylierung von Li und MgX bzw. Phenolat-Ion Thermodynamik: 2 2 ; 0 = 30 kj mol 1 Bei 1,3-Dicarbonsäuren und -Ketocarbonsäuren erfolgt Decarboxylierung über cyclischen Übergangszustand 3 2 Tautomerie 2 Auch ohne eine -xo-gruppe kann das arboxylat-ion 2 abspalten, wenn das resultierende arbanion durch Elektronen-Akzeptoren stabilisiert ist. : Bei 100 150 decarboxylieren z. B. 2 2 2 2 2 2 2 l 3 2 2 2 2 3 2 2 2 2 Decarbonylierung von Acylium-Ionen = (vgl. Koch-aaf-Synthese) Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 192
8.6 Umlagerungen von arbonsäure-derivaten ofmann-abbau von Säure-Amiden 2 Br 2 2 Br : itren 2 2 2 arbaminsäure Isocyanat icht immer tritt das Acylnitren als Zwischenstufe auf; die Brom-Abspaltung und die Alkylwanderung können auch konzertiert ablaufen. Mechanistisch verwandt sind Lossen-Abbau, urtius- und K. F. Schmidt-Abbau. urtius-abbau l a 3 > 80 2 Isocyanat Beim Arbeiten unter Wasserausschluss (z. B. in 3 ) kann Isocyanat isoliert werden. Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 193
8.7 Funktionalisierte arbonsäuren und -derivate alogencarbonsäuren Die radikalische alogenierung von Essigsäure ist möglich, wird aber im Labor nicht durchgeführt. Die radikalische alogenierung höherer arbonsäuren liefert Isomerengemische. ell-volhard-zelinsky-eaktion: -Brom-carbonsäuren Werden stöchiometrische Mengen P oder PBr 3 eingesetzt, wird das -Bromcarbonsäure-bromid isoliert. Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 194
ucleophile Substitution des Broms in -Bromcarbonsäuren durch (Behandeln mit wässriger Base -ydroxycarbonsäuren), 3 ( - Aminosäuren) und ( 2-yanocarbonsäure 1,3-Dicarbonsäure) ydroxycarbonsäuren -ydroxycarbonsäuren durch ydrolyse von -Bromcarbonsäuren (s. oben) -ydroxycarbonsäuren durch ydrolyse von yanhydrinen Beim Erhitzen mit Säure bilden -ydroxycarbonsäuren ein Dilacton (Lactid) 3 [ ] 2 3 Lactid -ydroxycarbonsäuren spalten unter diesen Bedingungen Wasser ab. 3 2 2 Et 3 [KS 4 ] 3 2 Et 3 3 2 Et 3 57 % 43 % - und -ydroxycarbonsäuren bilden Lactone 2 2 2 2 [ 2 S 4 ] 2 Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 195
-Aminosäuren und Peptide erstellung Umsetzung von -Bromcarbonsäuren mit 3 (häufig geringe Ausbeuten) oder nach Gabriel Strecker-Synthese: (vgl. Kap. 7) Veresterung von Aminosäuren wird wie bei gewöhnlichen arbonsäuren durch Erhitzen mit Alkoholen unter -Katalyse erreicht. Benzylester können hydrogenolytisch gespalten werden (Ph- 2 als Schutzgruppe!) 3 l 2 2 2 /Pd Schützen der Aminogruppe von Aminosäuren z. B. durch Acetylierung mit Acetanhydrid: 3 2 100 3 2 3 3 Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 196
Analog: Einführung des Benzyloxycarbonylrests (Ph 2 (), bz = arboxybenzoxy) oder des tert-butoxycarbonylrests (tbu (), Boc) als Schutzgruppen Peptid-Bindung 2 1 2 2 1 2 Aminosäure 1 Aminosäure 2 Dipeptid ' '' Aminosäure 1 Aminosäure 2 Ausschnitt aus Polypeptid Die gestrichelten echtecke zeigen die verschiedenen coplanaren Bereiche Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 197
Peptid-Synthese Wenn man bei Aminosäure 1 die Aminogruppe schützt, bei Aminosäure 2 die arboxygruppe, kann die freie arboxygruppe von Aminosäure 1 mit der freien Aminogruppe der Aminosäure 2 verknüpft werden. Eine Verknüpfung unter milden Bedingungen gelingt mit Dicyclohexylcarbodiimid (D). tbu Boc-geschützte Aminosäure : : D tbu ' 2 2 Ph tbu ' 2 Ph tbu ach Ausbildung der Peptid-Bindung können die Schutzgruppen abgespalten werden. Merrifield-Festphasen-Peptid-Synthese: s. Lehrbücher Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 198
8.8 Verwandte Stoffklassen itrile erstellung durch S 2 (z. B. l : s. oben) Alternative: 2 P 2 5 eduktionen, Umsetzung mit rganometallverbindungen, ydrolysen: s. oben Mit starken Alkylierungsmitteln Bildung von itrilium-salzen. itter-synthese von tert-alkylaminen 2 Et 3 Et Imidoester, Amidine und rthoester 2 3 Et l 3 l Acetonitril in absol. Et mit l-gas sättigen Et Acetimidoesterhydrochlorid Acetamidinhydrochlorid Essigsäure-orthoethylester gegen Alkali beständig, leicht durch verd. Säuren hydrolysierbar l 3 3 aet (Et) 3 3 al Ameisensäure-orthoethylester Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 199
Ketene (Wiederholung von Kap. 3/4) Aldoketene ' Ketoketene Aldoketene und Ketoketene mit kleinen esten und dimerisieren leicht. Allgemeine Darstellungsverfahren: Et 3 Et 3 l ' Zn ZnBr 2 ' äufig werden Ketene nach diesen Methoden in situ hergestellt. Die Stammverbindung besitzt als technisches Zwischenprodukt große Bedeutung. 3 2 [Triethylphosphat] 700 2 2 (Wacker-Verfahren) vgl. Kap. 3 nucleophiles Zentrum elektrophiles Zentrum 2 2 elektrophiler Angriff nucleophiler Angriff Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 200
' '' '' =, Alk, Ar, ' '' 2 Keten und die meisten Aldoketene dimerisieren unter Bildung von -Lactonen 2 2 Das -Lacton wird technisch in Acetessigester überführt 2 Et -Lacton Ketoketene dimerisieren i. A. unter Bildung von yclobutan-1,3-dionen 2 2 [22]-ycloadditionen mit elektronenreichen Doppelbindungen 2 Der Donor gelangt dabei in 3-Position des yclobutanons (vgl. Kap. 4, S. 91) Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 201
Kohlensäure und Derivate ydrat des 2, liegt in wässriger Lösung nur in kleiner Gleichgewichtskonzentration vor. Phosgen (= durch Licht erzeugt) l 2 h l l Die technische Synthese verwendet Aktivkohle als Katalysator bei 100. 3 l l 2 3 hlorameisensäureester Dimethylcarbonat (Kohlensäuredimethylester) l l 3 3 Bisphenol A 3 3 Polycarbonat Amide der Kohlensäure 2 2 2 arbamidsäure instabil arnstoff Ester der arbamidsäure (= Urethane) aus hlorameisensäureestern oder Isocyanaten. l 3 l Urethan Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 202
l l l - 2 l Base hlorformamid Isocyanat Diisocyanate Diole Polyurethane l l 2 2 l l arbamoylchlorid arnstoff-derivat Unsubstituierter arnstoff Technische Synthese: 2 2 2 3 4 150 40 bar 2 2 2 Ammoniumcarbamat ' 2 Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 203
Thio-Derivate der Kohlensäure Bei Kohlensäure-Derivaten, wie auch bei arbonsäure-derivaten, kann der Sauerstoff durch Schwefel ersetzt werden. => Thioderivate Schwefelkohlenstoff = Kohlendisulfid 2 S 900 S==S Xanthogenate = Alkalisalze der Xanthogensäureester S a S (vgl.kap.3) Synthese des Thioharnstoffs analog der Wöhlerschen arnstoff-synthese durch Erhitzen von Ammoniumthiocyanat. 4 : S : S 140-180 Thioharnstoff Technisch aus alciumcyanamid und 2 S: S a 2 2 S as 150-180 2 2 Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2014/2015 204