Nucleophile Reaktionsmechanismen Erkennungsmerkmale und Reaktionsschritte H. Wünsch 2012 Nucleophile Reak:onen Signale: Das organischen Molekül besitzt ein posi:v polarisiertes C- Atom in der KohlenstoKeLe. Signal am Reak:onspartner: Verfügt über ein freies Elektronenpaar, ist also eine Base. Befindet sich die AustriLsgruppe an einem ter:ären C- Atom, kann sowohl das zwischenzeitlich entstehende Karbo- Ka:on als auch die AustriLsgruppe durch ein entsprechendes LösungsmiLel wie Wasser oder Alkohol stabilisiert werden. Ist der zu verdrängende Subs:tuent an einem primären C- Atom gebunden, so benö:gt man dipolar- apro:sche LösungsmiLel wie Aceton oder Ether. Nucleophile Reak:onen sind auch an einem Carbonyl- Kohlenstoff möglich, allerdings scheidet Wasser als Reak:onspartner aus. Wich:g ist hier die Anlagerung von Alkoholen. 1
1 Nucleophile Subs:tu:on am ter:ären C- Atom (S N 1) Dieser SchriL ist der geschwindigkeitsbes:mmende SchriL der Gesamtreak:on, er ist alleine von der Konzentra:on organischen Verbindung abhängig. Daher spricht man auch von einer Reak:on 1. Ordnung, also einer S N 1. Der zweite SchriL kann nur dann erfolgen, wenn das Karbo- Ka:on zur Verfügung steht. Er hat also keinen Einfluss auf die Reak:onsgeschwindigkeit. Der Angriff der Base kann von unten oder oben erfolgen. Handelt es sich bei dem ter:ären C- Atom um ein chirales C- Atom, so entsteht ein Racemat. 2 Nucleophile Subs:tu:on am primären C- Atom (S N 2) Übergangszustand Eine starke Base wie OH oder R O greib das posi:v polarisierte C- Atom an. In dem Maße, wie sich die starke Base dem C- Atom nähert, wird die schwache Base (hier Cl ) aus der Bindung gedrängt. Es handelt sich bei der milleren Struktur um einen sog. Übergangszustand. Handelt es sich bei dem posi:v polarisierten C- Atom um ein chirales C- Atom, so ändert sich die Konfigura:on am stereochemischen Zentrum (sog. Walden- Umkehr, sog. Regenschirm- Mechanismus ). 2
3 Nucleophile Subs:tu:on an Alkoholen und Ethern (S N 1 oder S N 2) Wich:g: Alle nucleophilen Subs:tu:onen an Alkoholen und Ethern sind säurekatalysiert! Diese Subs:tu:onen können in zwei SchriLe gegliedert werden: 1. Anlagerung eines Protons an den Sauerstoff des Alkohols oder Ethers. 2. Nucleophiler Angriff einer anorganischen Säure wie Bromwasserstoff, Chlorwasserstoff, Schwefelsäure, Salpetersäure oder Borsäure. 4 Sonderfall: Alkohol und Schwefelsäure Führt man eine nucleophile Subs:tu:on an einem Alkohol mit Schwefelsäure durch, kann es zu verschiedenen Produkten kommen: 1. Bildung des Schwefelsäureesters 2. Bildung von Alkenen (s. Modul Eliminierung) 3. Bildung von Ethern Die Bildung des Ethers beruht darauf, dass der vorhandene Alkohol ebenfalls nucleophil reagieren kann: Welches Produkt gebildet wird hängt von den Reak:onsumständen ab: 1. Hohe Temperatur begüns:gt die Etherbildung, aber auch die Eliminierung. 2. Arbeitet man mit einem Alkoholüberschuss, ist die Etherbildung begüns:gt. 3. Bei Säureüberschuss steht die Esterbildung im Vordergrund. 3
5 Grundlagen der nucleophilen Addi:on (A N ) Durch die nega:ve Par:alladung kann der Carbonyl- Sauerstoff grundsätzlich mit Ka:onen wie H + (Brønsted- Säure) oder posi:v polarisierten Partnern in Wechselwirkung treten, dabei kann die posi:ve Par:alladung am Carbonyl- Kohlenstoff verstärkt werden. Durch die Wasserstoorückenbindung erklärt sich die gute Wasserlöslichkeit der niederen Alkanale und Alkanone. Das Proton greib an dem Carbonylsauerstoff an, es kommt zur Ausbildung mesomerer Grenzstrukturen. Idealerweise greib das Nucleophil am Karbo- Ka:on an. 5.1 Nucleophile Addi:on (A N ) von Alkoholen an Alkanale (Halbacetale) Halbacetal Nach der Protonierung des Carbonyl- Sauerstoffs bildet sich ein Karbo- Ka:on (mesomere Grenzstruktur), dort lagert sich der Alkohol an. Nach Abspaltung eines Protons entsteht ein Halbacetal. Achtung: Halbacetale werden auch bei dem Ringschluss von Monosacchariden wie Glucose oder Fructose gebildet. Sie verfügen in ihrer linearen Struktur sowohl über Carbonyl- wie auch über Hydroxyl- Gruppen. 4
5.2 Bildung von Acetalen aus Halbacetale durch nucleophile Subs:tu:on Halbacetale können (abhängig von der Ausgangsverbindung) erneut protoniert werden, es kommt dann im Überschuss des zugesetzten Alkohols zur Ausbildung eines Acetals. Acetale werden in der Synthese dort eingesetzt, wo eine Alkoholgruppe benö:gt wird, aber zugleich entstehendes Reak:onswasser eliminiert werden muss, da es ansonsten zu unerwünschten Nebenreak:onen kommen würde. 5