8 arbonsäuren und Derivate 8.1 Allgemeine Darstellungsverfahren xidation primärer Alkohole und Aldehyde (s. Kap. 6) 2 2 xidation durch r 3 /, KMn 4 /, N 3 aloform-eaktion (s. Kap. 9) 3 Br 2 xidation von Alkenen (s. Kap. 2) und Alkylbenzolen (s. Kap. 5) Mn 4 / Mn 4 / 20 ückfluss 2 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 2009/2010 179
ydrolyse von Nitrilen 2 2 N Nitril Amid arbonsäure Die ydrolyse erfordert langzeitiges Erhitzen mit starker Säure oder Base. Die Isolierung der intermediären Amide ist nicht erforderlich. Nitrile sind aus Alkylhalogeniden leicht zugänglich. S N 2 40%ige 2 S 4 Ph N Ph 2 2 l : : 100 / 3 h verwandt: Strecker-Synthese von Aminosäuren (s. Kap. 7) arboxylierung metallorganischer Verbindungen MgX δ δ δ 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 2009/2010 180
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 N 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 2009/2010 181
arbonsäuren sind weniger basisch als Alkohole 3 : 3 pk a = 6.1 Die Protonierung unter Ausbildung von 3 ist weniger günstig. 8.3 erstellung und eaktionen von arbonsäurederivaten mit Nucleophilen Allgemeines eaktionsmuster : X :Nu Nu Nu Nu X für X = Alkyl, Aryl, Säure-Derivat bzw. Aldehyd, Keton X : Nu für X = elektronegative Gruppierungen Bei eaktionen mit der arbonsäure (X = ) konkurriert die Deprotonierung der arboxy-gruppe mit dem Angriff des Nucleophils am arboxy-kohlenstoff. : : Nu a a Nu: : b :Nu : Nu reversible reversible b nucleophile Säure-Base- Addition eaktion (Weg a) (Weg b) Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2009/2010 182
Additions-Eliminierungs-eaktionen können durch Säuren oder Basen katalysiert werden. :Nu : X :Nu X : Nu X Nu B Nu: B eaktivitätsreihung gegenüber Nucleophilen l ' S' Ar ' N' 2 > > > > > > Ketone Wegen der hohen eaktivität von Säurechloriden können aus diesen alle genannten arbonsäure-derivate sowie Aldehyde und Ketone hergestellt werden. Nal ' l S' 'S l ' ' 2 Na ' l 2 LiAl() 3 l 'N 2 ' MgX N l ' LiAl() 3 l 2 /Pd, BaS 4 l MgXl ' Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2009/2010 183
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: : S l l S l l S 2 l l 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 2009/2010 184
xidation von Benzol bzw. Naphthalin 2 [V 2 5 ] Maleinsäureanhydrid 2 [V 2 5 ] Phthalsäureanhydrid 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: ' 2 Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2009/2010 185
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 Nach 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 2009/2010 186
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 N 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). N( 3 ) 2 ' kat. N NEt 3 ' 2 NEt 3 : N N( 3 ) 2 ' DMAP 2 Prof.. Mayr, LMU München, -2 Vorlesung im WS 2009/2010 187