Reaktionsmechanismen in der organischen Chemie für … · 2009. 3. 4. · 1.4 lineare Freie...
193
Reaktionsmechanismen in der für Fortgeschrittene organischen Chemie
Transcript of Reaktionsmechanismen in der organischen Chemie für … · 2009. 3. 4. · 1.4 lineare Freie...
Reaktionsmechanismen
in der
für Fortgeschrittene
organischen Chemie
Themen der Vorlesung1. Aufklärung von Reaktionsmechanismen: 1.1 thermodynamische Aspekte
1.2 kinetische Untersuchungen 1.3 kinetischer Isotopeneffekt 1.4 lineare Freie Enthalpiebeziehungen
2. Reaktive Zwischenstufen 2.1 Carbokationen 2.2 Radikale 2.3 Radikalionen2.4 Carbene 2.5 Carbanionen
3. Reaktionsmechanismen:IUPAC-Nomenklatur für Reaktionen Grenzorbitaltheorieneuere Aspekte der Behandlung von:
nucleophilen Substitutionenaliphatischen electrophilen Substitutionen radikalischen Substitutionen und Additionen elektrophilen und nucleophilen Additionen pericyclischen Reaktionen (Woodward-Hoffmann-Regeln)Eliminierungenhomogene Katalyse
Literatur
M.B. Smith, J. March: March‘s Advanced Organic Chemistry, Reactions Mechanisms and Structure,5.Auflage, Wiley, 2001 (168 DM)
R.Brückner: Reaktionsmechanismen, Stereochemie, moderne Synthesemethoden,Spektrum Akad. Verlag, 1996 (79.90 DM)
P.Sykes: Reaktionsmechanismen der Organischen Chemie,Wiley-VCH, 1988 (68.26 DM)
1. Aufklärung von Reaktionsmechanismen
1.1 Thermodynamische Aspekte
A + B C + D
0S∆TH∆G∆ 0r
0r
0r <⋅−=
A + B
C + D∆rG0
RK
∆G
∑∑
∑ ∑
−≈
−=
Bindungen)(gebildeteBDEBindungen)e(gebrochenBDE
H∆H∆H∆ 0f
0f
0r (Edukte)(Produkte)
BDE = Bindungsdissoziationsenergie
Thermodynamische Aspekte: Beispiel
H3C CH3 + H2C CH2 CH3H3C (CH2)2
∆fH0 - 86.6 52.3 - 126.4 [kJ/mol]
S0 230 219 310 [J/mol K]
∆rH0 = - 92.1 kJ/mol
∆rS0 = - 139 J/mol K
∆rG0300 = - 50.4 kJ/mol
BDE248 343 [kJ/mol]
π σC CC C
∆rH0 ≈ - 95 kJ/mol
1.2 Kinetische Untersuchungen
−+−→−+− XYRYXR
SN1-Reaktion:
[ ] [ ] Beginn zuexp RXkdtRXd
⋅=−
[ ] [ ] Verlaufim]-[
]-[exp'
X
YRXkdtRXd ⋅
=−
SN1-Reaktion
R Xk1
k-1R+ + X- langsam
R YR+ + Y- k2 schnell k2 >> k1
)1(]][[][2
−+= YRkdtRYd
)2(0]][[]][[][][211 =−−= −+−+
−
+
YRkXRkRXkdtRd
Quasistationaritätsbedingung (Bodenstein)
(2a)reaktionKonkurrenz][][
][][21
1−−
−
+
+=
YkXkRXkR
(1)in(2a)][][
]][[][][
21
21−−
−
−
+=−=
YkXkYRXkk
dtRXd
dtRYd
SN1-Reaktion
Zwei Extremfälle:
exp11
21
kk[RX]kdt
d[RX]dt
d[RY]Beginnzu][Yk][Xka)
=⇒=−=
<< −−−
exp1
21
1
21
21
k'k
kk][Xk
][RX][Ykkdt
d[RX]dt
d[RY]
Endegegen][Yk][Xkb)
=⋅
⇒⋅
=−=
>>
−−
−
−
−−−
Überstöchiometrischer Zusatz von Y- : Fall a)
Zusatz von X- : Fall b)
Reaktionsdiagramm
TS1G
RK
R X Y+ -
+ X- Y+ -R+
2TS
R XY + -
Ph3CCl Ph3C+ + H2O+ N3
-
Ph3COH
Ph3CN3
Konkurrenzreaktion
]][[][ −+= XRkdtRXd
x
]][[][ −+= YRkdtRYd
y
][][
][][
−
−
=YkXk
RdRd
y
x
y
x
konstanteKonkurrenz≡y
x
kk
ätSelektivitlog
≡
y
x
kkS
Aldoladdition
PhCHO + Me-CO-Ph PhCH(OH)CH2-CO-PhEtO-
in EtOHAldol
expkdt
d[Aldol] = [PhCHO][PhCOMe][EtO-]
EtO- + H-CH2COPh EtOH + -CH2-COPhk1
k-1
PhCHO + -CH2COPh Ph-CH-CH2-COPhk2
O- Aldolat
k3
+ EtOH
OH AldolPh-CHCH2COPh + EtO-
Aldoladdition
][EtOH][Aldolkdt
d[Aldol] -3= (1)
0][EtOH][AldolkCOPh]CH[PhCHO][kdt
]d[Aldol -32
-2
-=−= (2)
[EtOH]kCOPh]CH [PhCHO][k][Aldol
3
2-
2- = (2a)
0]COPhCH[[PhCHO]k
COPh]CH[EtOH][][MeCOPh][EtOkdt
COPh]CHd[
2-
2
2-
1-
12
-
=−
−= −k
(3)
[PhCHO]k[EtOH]k][MeCOPh][EtOk]COPhCH[
21
-1
2-
+=
−
(3a)
Aldoladdition
( )[PhCHO]k[EtOH]k][k]tO[PhCOMe][Ek[PhCHO]k][Aldol
213
-12-
+⋅
=−EtOH (3a) in (2a)
( )[PhCHO]k[EtOH]k[EtOH]k][EtOH]COMe][EtO[PhCHO][Phkkk
dtd[Aldol]
213
-321
+⋅⋅
=−
(4)
[PhCHO]k[EtOH]k 21 >>−
[EtOH]kkkk
1
21exp
−
⋅=
Reaktionsdiagramm der Aldoladdition
2TS
RK
G
EtO + PhCMe
(+ PhCHO) O
-
EtOH + PhCCH
+ PhCHO
2-
O
TS1
OHPhCHCH CPh2
O
3TS
O2O-
PHCHCH CPh
+ EtOH
Prinzip der mikroskopischen ReversibilitätBei einer reversiblen Reaktion verlaufen Hin- und Rückreaktion auf demselben Reaktionsweg, d.h. nach demselben Mechanismus.
+ X- Y+ -R+
TS2∆G
RK
R X Y+ -
R XY + -
TS1
Hammond-PostulatDie Geometrie des Übergangszustandes ähnelt mehr der Seite der Reaktion (Edukt bzw. Produkt), der er bezüglich der Freien Enthalpie näher ist.
OPh
+ LDA
OHN
Li
Ph
A
O
Ph
LiN H
B
- iPr2NH
O- Li+
CThermodynamisches
Enolat
- iPr2NH
O- Li+
DKinetisches
Enolat
Raumtemp. - 78°C
+ Spur
OPh
, - 78°C
1.2 Kinetische Untersuchungen: Temperaturabhängigkeit von k
log k
1 / T
R2.303ESteigung A−=
Arrhenius-Gleichung (1889) (Svante Arrhenius 1859 - 1927)
RTE
A
AeAk
RTEAk
−⋅=
−=303.2
loglog EA AktivierungsenergieA präexponentieller Faktor,
A-Faktor
Theorie des Übergangszustandes (1940)
(Henry Eyring, 1901 – 1981)
A A B
RK
A
AB
0G∆
0rG∆
0G∆
Eyring-Gleichung – nur für Elementarreaktionen gültig!RT2.303
∆GTlogh
kloglogk0
B −+=
Theorie des Übergangszustandes (1940)
Für Elementarreaktionen gilt:
RTH∆E 0A +=
ular)(monomolekh
klogTlogR2.303
∆SlogA B0
++=
131313log0000
<><>≈∆
AS
Orientierung für logA
300K)(T2.48log30010.76h
Klog B ===
Aktivierungsparameter typischer monomolekularer Reaktionen
13
logA [l mol-1 s-1] EA [kJ mol-1]
272RK
∆GH H
DD
H D
HDH D
HDv = k [HDC=CHD]
11.7 123
O OA
v = k [A]
O
14.1 180A v = k [A]
16.7 368H3C + CH3H3C CH3
H3C CH3v = k [C2H6]
Aktivierungsparameter typischer bimolekularer Reaktionen
0≈
H3C + CH3 H3C CH3
H3C CH3
v = 2k [CH3 ]2RK
∆G
10.5
logA [l mol-1 s-1] EA [kJ mol-1]
O
H+ H
O
OH
v = k [A][B]
5.8 79
EtBr + Cl- EtCl + Br-
v = k [EtBr][Cl-]2SN
8.9 74
tBuCl + H2O tBuOH + HCl
v = k [tBuCl]1SN 16.3 102
Substituenteneffekte
Einfluß auf Aktivierungsenergie∆Me N N Me 2 Me + N2
kcal/mol33Hkcal/mol;52E ∆∆A ==
E
RK
H∆∆
EA
Me N N Me
2 Me + N2
∆N N + N2tBu tBu 2 tBu
kcal/mol24Hkcal/mol;43E ∆∆A ==
Bell-Evans-Polanyi-Beziehung
H∆k'kE rA ⋅+=
Stereoselektivität
OOO
X
1
+ c-C6H11
OOO
X c-C6H11
OOO
X c-C6H11+ DH
- D+ DH
- DOOO
X c-C6H11
(Z)-3 2 (E)-3
FPhCF3t-Buc-C6H11EtMeXGfedcba2
DH = c-C6H12, c-C6H11HgH
Chem.Ber. 1994, 127, 1069-1073
Konkurrenzreaktionen
c-C6H11
260°C 180°C
Me
Et
tBu
[ ][ ]E
Zlog
Konkurrenzreaktion
[ ] [ ][ ] ( )1DHRkdtZd
Z •=
[ ] [ ][ ] ( )2DHRkdtEd
E •=
( )( )
[ ][ ] E
Z
kk
EZ
=⇒21}
( )RTEE
AA
kk EAZA
E
Z
E
Z
303.2loglog ,, −
−
=
- 2.76- 16.8tBu- 0.79- 9.7Me
log AZ – log AEEA,Z – EA,E (kJ/mol)X
1.3 Primärer kinetischer Isotopeneffekt
r
E
0r
)(0
HCE −
)(0
DCE −
)( HCAE −)( DC
AE −
C H + X C H X
C D + X C D X
Primärer kinetischer Isotopeneffekt
( ) ( ) ( )21
210 mm
mmk4πhE1in2
⋅+
=
( )
( )µk
2π1ν2
ν~hc21hν
21E1
S
S0
=
==
Massereduzierte2m1m2m1m
µ
SchwingungderanteKraftkonstk
Bindungder.ValenzschwderFrequenzSν
+
⋅=
=
=
H)(CA
D)(CA0
cm2100
D)(C
cm3000
H)(C0
D)(C0
H)(C0
EE∆E
kJ/mol4.8ν~ν~2hc∆E
EE
)(11
−−
≈
−
≈
−
−−
−=
≈−=
>
−−321321
(300K)7kk1.35
ν~ν~
D
H
D
H ≈≈
Kinetischer Isotopeneffekt - Beispiele
H H
kH 1.5-sigmatrope Umlagerung
D D
kDkH/kD ~ 12 (25°C) ~ 5 (200°C)
a)
b)H NO2 + Base + I2 I NO2
kH
D NO2 + Base + I2 I NO2kD
Base kH/kD (25°C)Pyridin 10
24N
Me
Me
c) HNO3/H2SO4
kH
NO2
kH/kD = 1 (25°C)
HNO3/H2SO4
kD
NO2D D
Kinetischer Isotopeneffekt - Beispiele
d) (D)H OTs
H(D)
H
EtO /EtOH50°C
kH/kD = 4.47
e)
(D)H
OTsH
H(D)
EtO /EtOH50°C
kH/kD = 1.36
H(D)
f) OTs EtO /EtOH50°C
kH/kD = 1.14
H(D)
H(D)
g) Ph H(D)Ph(D)H
+ Br2 Ph
Ph
BrH(D)
Br(D)H
meso
kH/kD = 0.91(25°C)
Sekundärer kinetischer Isotopeneffekt - BeispieleOTs
H(D)
H
EtO /EtOH50°C
kH/kD 4.47
E2:Anti-Eliminierung
OTsH
D
1.36
D
OTs 1.14
D D
Ursache für sekundären Isotopeneffekt kH/kD:
Umhybridisierung im TS:
C sp3 sp2 kH/kD > 1
sp2 sp3 kH/kD < 1
Sekundärer kinetischer Isotopeneffekt - Beispiele
Ph H(D)Ph(D)H + Br2
Ph
Ph
BrH(D)
Br(D)H
meso
kH/kD = 0.91(25°C)
kH/kD
Hyperkonjugation:
(CD3)3C + (CH3)3CH (CD3)3CH + (CH3)3C K298 = 2K
1.4 Substituenteneffekte:Lineare Freie Enthalpie-Beziehungen
Acidität:
CH3COOH < ClCH2COOH < Cl2CHCOOH < Cl3CCOOH
Verseifungsgeschwindigkeit:
X-COOEt X-COO + EtOH+ OH , H2O
kx
kx : X = H > Me > Et > iPr > tBu
Man unterscheidet: - polare
- sterische
- stereoelektronische Substituenteneffekte.
Polare SubstituenteneffekteL. P. Hammett (1935):
COOH + H2OKH
COO + H3O+
COOH + H2OKX
+ H3O+COOXX
EffektesterischedurchStörungorthoeFeldeffekt,induktivemeta
Effektemesomere,Feld,induktivepara
=∑ −=∑ −−=
XvonEffektpolarertetenkonstanSubstituenσC)25O,H(inσ
KKlog X2X
H
X =°≡
COOX COO
X
0σX <
0σX >
Substituentenkonstanten
0,820,88N(CH3)3+18
0,780,71NO217
0,720,60SO2CH316
0,660,56CN15
0,500,38COCH314
0,450,37COOC2H513
0,180,35I12
0,230,39Br11
0,230,37Cl10
0,060,34F9
00H8
-0,010,06C6H57
-0,20-0,10C(CH3)36
-0,17-0,07CH35
-0,270,12OCH34
-0,370,12OH3
-0,66-0,16NH22
-0,83-0,21N(CH3)21
σpσmSubstituentNr.
Hammett - Gleichung
XCOOH
XCH2COOH
X(CH2)2COOH
XCH=CHCOOH 0.47
0.21
0.5
1
ρ
p-OMe
m-Cl
p-NO2
σ+σ−
HKxK
log
H
( ) eziehung"Enthalpiebfreielineare"RT2.3∆∆G∆∆G
GleichungHammettσρKKlog
0H
0x
xH
x
−−=
−⋅=
xH
x σρkklog ⋅= ρ Reaktionskonstante
für ρ >1: Substituenten beeinflussen die Reaktionstärker als die Dissoziation von Benzoesäure.
Beispiel: Nucleophile Addition
1.
X
CO
H+ CN -
X
X
C
OH
CN
H
C
O-
H
CN H+
H+
geschwindigkeits-bestimmender Schritt
0)20(3.2
>
°=
ρ
ρ C
-M, -I-Substituenten beschleunigen Reaktionen, bei der eineErhöhung der Elektronendichte am Reaktionszentrum erfolgt.
- nucleophiler Angriff
- Ausbildung einer negativen Ladung
Beispiel: Nucleophile Substitution (SN1)
2.
X
C
Cl
H
+ EtOH
X
C
OEt
H
+ EtOH
X
C
H
+
01.5
<
−=
ρ
ρ
+M, +I-Substituenten beschleunigen Reaktionen, bei der eineErniedrigung der Elektronendichte am Reaktionszentrum erfolgt.
- elektrophiler Angriff
- Ausbildung einer positiven Ladung
Beispiel: Radikalische Substitution
3.
X
CH3
X
CH2
+ Br
+ tBu
+ HBr
+ tBuH
7.1−=ρ
99.0+=ρ
Hammett-Korrelation: Elektrophiler Angriff
Ar NH
H
+ C Ph
O
Cl
kx, 25°CC6H6
Ar NH
C PhO
+ HCl
21.3−=ρ
Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von σ
Bildung Schiff‘scher Basen
CHO
R
+ H2NR CH
R
NH
R
OH
- H2O CH
R
N R
Hammett-Korrelation: Schiff´sche Basen
Hammett-Diagramm für die Bildung Schiff‘scher Basen aus substituierten Benzaldehyden (J.Chem.Educ. 48, 104 (1971))
Hammett-Korrelation: Acetolyse
Hammett-Korrelation: Basenkatalysierte Verseifung
X
CO
OEt
+ H2O OH-
kxX
CO
O
+ EtOH
23.2=ρ
Alkalische Esterhydrolyse 23.2=ρ
Mechanistische Möglichkeiten der alkalischen Esterhydrolyse
BAc1
Ph CO
OMe
+ OH-/H2OPh C
O+ -OMe 0<ρ
BAc2
Ph CO
OMe
OH -
Ph C
O-
OMe
OH
1>ρ
BAl1
Ph CO
OMePh C
O
O-1≈ρ
BAl2
Ph CO
O
OH -
Ph CO
O-Me
+ MeOH 1≈ρ
Saure Esterhydrolyse 106.0=ρ
XC
O
OEt XC
O
OH
XC
OH
OEtX
C
OH
OEt
OH2
H+, H2O+ EtOH
+ H+
OH2
- H+
AAc2-Mechanismus
0<ρ
0>ρ
Sterische Substituenteneffekte nach R.W.Taft (1952)
R in RCOOH ES
H +1,24Me 0Et -0,07ClCH2 -0,24ICH2 -0,37PhCH2 -0,38Me(CH2)3 -0,39Me2CHCH2 -1,13Me3C -1,54Me3CCH2 -1,74Ph2CH -1,76Et3C -3,81
Korrelation der rel. Reaktionsgeschwindigkeit mit ES
Me
Rkklog
ES
1-1-2
1
-1
H
Me
Et
iPr
tBu
RH2C Br + EtOH R
H2C OEt + HBrk
Regioselektivität S und ES
+X
COOMe
X COOMe X COOMe
k1 k2
ES
Me
RkkS log=
1-1-2
1
-1
H
MeiPr
tBu
2
00
2. Reaktive Zwischenstufen
Reaktive Zwischenstufen
R3C+ + R3C
CR3 CR3+ e-
- e- CR3 CR3
2 R3C
+ e-
- e- CR3 CR3
R3C- + R3C
R3C+ + R3C-R+ + R2C R- + R2C
+ e-
- e- R3CR3C+ R3C-+ e-
- e-
2.1 CarbokationenRH R+ + H -
R D(R+ H -) [kJ/mol]
H C HH
Me 1316
C C HH
H
HH
C C HHH
H
H+
Et 1158
C C HCH3
H
HH
iPr 1043
C CCH3
H
HH
CH3120°, eben
146 pm
tBu 970
Me3C+ SbF6- stabil < -20°C
Stabilisierung durch Hyperkonjugation
Hyperkonjugation: auch induktiver Effekt, Feldeffekt
E
C-H
C CH3
HH3C
HH
2-Butylkation2e - 3Zentrenbindung
Stabilisierung durch Konjugation
CH2 H2C
D(R+H -) 1070
Stabilität:
CH2C
HH
< CH
< C
D(R+H -) 996
<
Stabilisierung durch Konjugation
D(R+H -) 840 940 1154destabilisiert
H2C O Me H2C O Me
D(R+ H -) 1010
-NR2, -Cl
H3C C O H3C C O
Triphenylmethyl- und polycyclische Kationen
120°
145.4 pm54°
Di- und Tetracarbokationen
OHHOHSO3F / SbF5
SO2ClF, -78°C
S.A. Olah et al., J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 9994-9998
Darstellung und Reaktionen
1) R+ + X -R X
OH Me3C+HSO3F / SbF5
2)Z + E+ Z E
O + H+O
H
+
3)H(CH3)3C + R+ (CH3)3C+ + R H
Darstellung und Reaktionen
4) R NH2HNO3- N2
R+
5) R O C
O
Cl + AlCl3 - CO2R+ + AlCl4
-
6) RCO2-
- e- - CO2R - e- R+ (Anode)
7)(CH3)3CH
HSO3F / SbF5 (CH3)3C+ + H2 + SbF5(SO3F)-
[(CH3)3CH2]+
stabile Lösungen von tBu+ in „magischer Säure“;
SbF5(SO3F)- in SO2 (fl): sehr schwaches Nucleophil. (NMR bis –150°C)
Umlagerungen
OH
HSO3FSO2 H
Hbis -140°C ein Signal im 1H-NMR: sehr schnelle Wagner-Meerwein Umlagerung
H2C CH2 Cl
SbF5, SO2
-78°C
Nachbargruppeneffektdes Phenylrestes
Phenoniumion
Umlagerungen
OH
OH
OH
HO
HSO3F / SbF5
+ H+
OH
HH HH CH3
H HH
H
2e-3Zentrenbindung
Umlagerungen
transannulare Umlagerung:Me
OH
HO+ H+
- H2O
Me
OH
H
Me
O
H
H
Me
O
- H+
Carboniumionen
1. Gasphase
CH4+ e-
- 2e- CH4+ CH4 CH5
+ + CH3Methanoniumion
H3C CH3 + CH5+ C2H7
+ + CH4
Chemische IonisationAllgemein: M + CH5
+ MH+ + CH4
Carboniumionen
2. Lösung [CH4D]+DSO3F / SbF5 - H+CH3DCH4
CH3+ + H2CH5
+
- H++ H+
C2H6- H2 C2H5
+ - H+C2H4
+ CH4
C2H7+
- H+C3H8C3H7
+- H2
+ CH4
C3H9+
HCH
H
HH H C
HH
H
H
2.2 Radikale
R H R + H
R: Me Et iPr tBuBDE [kJ/mol] 440 410 396 389Stabilität R
R1
CR2 X Stabilisierung [kJ/mol]
Me 0
10 - 40Cl < OR' < NR'2 < SR'
- 5CF3
- 16NH3+
Ph < HC CH2 C CH 45 - 50≈
25 - 40COOR < C N < CR'
O
NO2≈
Struktur von Radikalen
HCHH
sp2
CF F
F
sp3
H
H R
sp2 sp2
Erzeugung und Reaktion von Radikalen1.
O O O OCH3 +∆oderhν Spaltung-β
CNCN
N N
CN CN
N N+∆oderhν
2. Atomabstraktion
O + H R OH + R
3. Addition
R + R' RR'
Spaltung-β
Erzeugung und Reaktionen von Radikalen4. UmlagerungenH
C C HHR
H
R CH CH
HH
1,2 Umlagerung (R,H)geht nicht.
OR NO
- NOO
R H1,5-Uml. OH
R NO
OHR NOhν
Erzeugung und Reaktionen von Radikalen
5. Radikal-Radikalreaktionen: Rekombination Disproportionierung
6. Radikalkettenreaktionen
Stabile Radikale
Gomberg, 1900
H
2
1-Diphenylmethylen-4-trityl-2,5-cyclohexadien
http://www.cpes.sussex.ac.uk/motm/index.html
167 pm
Mislow, 1986
H3C CH3 2 CH3
154 pm
BDE = 376 kJ mol-1
Stabile Radikale
2 Ph3CPh
PhC
Ph
Ph
PhH
N
O
MeMe
MeMe
O
4-Oxo-TEMPO
OMeOMe
MeOOMe
O O
MeMe
O2N
O2N
NO2NNPh
Ph
Diphenylpicrylhydrazyl
CHlangsam
CH CH
persistentes Radikal
Stabile Radikale
E
BDE Stabilisierung
Destabilisierung
R3C CR3
2 R3C
Phenole als Radikalfänger; Tocopherol
O
HO
OH
O
O
R + HO O + R H
Phenoxy-Radikal
Tocopherolα −OHO
HO
O
HO
OH
Vitamin C
2.3 Radikalionen
LUMO
HOMO
Radikalanion
nucleophil
Radikalkation
elektrophil
M+ e-
- e-+ e-
- e-M M
2.3.1 Radikalkationen
1. M + e- M + 2 e- Elektronenstoßionisation Massenspektrometrie
2. In Lösung: M + Ox M + Red-
Ox: EinelektronenoxidationsmittelAnode, Co3+, Mn3+, Cu2+, Ce4+ u.a.
Me2N NH2 Me2N NH2 + Br-
Me2N NH2Wursters Rotstabiles Radikalkation
2Br21+
Radikalkationen
ArCH CH2 + CH3OH 2 e-
AnodeAr
Ar
OMe
OMe
- e-
ArCH CH2
ArCH CH2 + CH2 CHAr ArAr
- e-
ArAr
+ 2 MeO-
2.3.2 Radikalanionen
M M+ e-
Kathode, Metalle wie Na, Mg u.a.
DMEEtOEt Na+ ++ Na
PhC
PhO
+ e- PhC
PhO Ketylradikal
Radikalanionen
H2C CHCN+ NCCN
H2C CHCN + 2 e- + 2 H+NC
CN+ e-
H2C CHCN
H2C CHCN
NCCN
+ e-
+ 2 H+
R Hal + e-R Hal R + Hal-
OH- + OH + Fe3+ Fentons ReagenzHO OH + Fe2+
PhN2+ + Cu+ Ph + N2 + Cu2+
2.4 Carbene
2.4.1 Struktur
CH
H102°
sp2, gewinkelt1CH2
CH
H135°
sp2
3CH2 (Grundzustand)
molkJEE /3503
01 ≈−
Arylcarbene 3HCAr
1CCl2, 1CBr2, 1CI2 C XX C X
X
Carbenoide
CH2I2 + Zn/Cu (ICH2)2Zn ZnI2
RC
Br
Br
R
nBuLiEther, -78°C
RC
Li
Br
RR2C + LiBr
Nitrene
R N
2.4.2 Erzeugung
H2C N N - N2
1 CH2∆oderhν
R2CN
N
- N2R2C∆
H2C C O - CO RHChν
CHCl3 - H2O+ OH-
CCl3-
- Cl-CCl2
Ph Hg CCl3 Benzol-PhHgCl
CCl2 Seyferth-Reagenz∆
OC
OCCl3
Na+
DME CCl2 + NaCl + CO2∆
Stabile Carbene
NCH
N
Ad
Ad
Cl-
NaH
NC
N
Ad
Ad
102°
1,3-Di-1-adamantyl-imidazol-2-yliden-imidazoliumchlorid
A.J. Arduengo, III und R. Krafczyk, ChiuZ 1998, 32, 6
Stabile Carbene
C C
Hideo Tomioka et al., Nature 2001, 412, 626
F3C
CF3
CN
t-Bu
H3C
F3C
CF3
CN
t-Bu
H3C
Guy Bertrand et al., Science 2001, 292, 1901 - 1903
2.4.3 Reaktionen
H2C N21 CH2
+schnell
3H2C N2
hνSensi-
bilisator
- N2CH2
ISClangsam
++
Reaktivität: 1 CH2 > 1 CHCl > 1 CCl2 > 1 CBr2 > 1 CI2 > Carbenoide
RCH
CH2
ZnIH2C
I
R+ ZnI2 Simmons-Smith
analog: RCHI2, ArCHI2
Reaktionen
Umlagerung: schneller 1,2 Shift
CH
C
HR
HR CH CH2
Insertion in C-H-Bindungen
CH3CH2CH3+ 1 CH2 CH3(CH2)2CH3 + H3C CH
CH3
CH3
2.5 Carbanionen
R H + B R - + HB
Me- Et- iPr- tBu-
pKS 48 50 51 > 51
Stabilität (in Lösung)
2.5.1 Stabilisierung von Carbanionen1. Konjugation
PhCH2-
40
Ph2CH-
33
Ph3C -
31pKS 43RCHCN
25
RCHCOOR'
24.5 10.6
RCHCR'
20O
-CH2NO2
2. Aromatisierung
pKS = 16
3. HybridisierungR3C CH2
-
sp3
50
R2C CH-
sp2
43sp2
43
C C-R
sp25pKS
Stabilität
4. Stabilisierung durch S, P, Si in α-Position
PhSO2 CH2
pKS 29
SC
SR
38
Me3N CH3 Br- BuLi Me3N CH2 LiBr Ylid
Ph3P CH3 I- BuLi Ph3P CH2
Ph2S CHMe2BuLi Ph2S CMe2I- Sulfoniumylid
E *CP−σ
Cn
*σ
P CHH
PhPh
Ph
"anomerer Effekt"
2.5.2 Struktur
(NaCD3)4 CD D
D
106.2°
109.4 pm
CR3
R2R1 CR3R1
R2Inversion
Racemisierungsp3
C CR1
R2
R3Retentionsp2
PhCH C N PhCH C N Li+
C C NH
Ph
Li
LiN C C
Ph
Hplanar
2.5.3 Reaktionen
Umlagerungen
HC C C C
H4e- - antiaromatischerÜbergangszustand
CPh
Ph
CH2 LiPh
Ph Ph
PhLi+
1.2-Umlagerungen der reaktiven Zwischenstufen
H H
2e
H
H H
3e
H
H H
2e H
H H
4e
H
3. Reaktionsmechanismen
3.1 IUPAC-System für die symbolische Darstellung von Mechanismen
C X C + DN
C + Y C AN
DN + AN (SN1)
Y
X
Y + C X Y C + X ANDN (SN2)
HO + C
H
C Cl H2O + C C Cl AnDE
C C Cl + Cl DN
AnDE + DN (E1cB)
IUPAC-Nomenklatur für Transformationen
HO + C
H
C Cl H2O + + Cl
Hydro-chlor-eliminierung
EtBr + MeO Et O Me + BrMethoxy-de-bromierung
CH3CHO + Ph3P CH2 H3CHC CH2 + Ph3POMethylen-de-oxo-bisubstitution
3.2 Grenzorbitaltheorie
D TS A
E
HOMO
LUMO
E1
E1*
0∆EEE 1*11 >=+
0∆E n >>∑
D TS A
EHO,LU
0E∆ LUHO, <
∑⋅
=RQQ∆E ad
Coulomb
∑ ++= CoulombLUHO,nDA, E∆E∆E∆E∆
Grenzorbitaltheorie
( )ALU,DHO,
2adLUa,HOd,
LUHO, EEβcc2
∆E−
⋅⋅=
tegralResonanzinβ = LUMO A: a
HOMO D: dadβ∫
c < 1 = Koeffizient des AO von d im HOMO von D
bzw. von a im LUMO von A
Lit.: I. Fleming: Grenzorbitale und Reaktionen organischer
Verbindungen, VCH
Grenzorbitaltheorie
SN2 (ANDN)Nu XC
DHOMO
ALUMO
Grenzorbitalwechselwirkung dominiert!
SN1 (DN + AN)Nu C
Coulomb-Term dominiert!
Nucleophile mit energiereichem HOMO - weichmit energiearmem HOMO - hart
Elektrophile mit energiearmem LUMO - weichmit energiereichem LUMO - hart
Ambidente Nucleophile
C N
C N
)n(Ψ 22
)n(Ψ 11
C N
C NI Et +
weich weich
Et CN + ISN2
Grenzorbitalterm dominiert!
Et I Ag CN+ Et I Ag
C N
hart
hart
Coulomb-Term dominiert!
Ambidente Nucleophile
O
O
O1Ψ
2Ψ
3Ψ
HOMO
LUMO
O O
O
MeI
weich
- I O O
Me3SiCl
OSiMe3
hart- Cl
ON
O
hartweich
O N O3Ψ
Nucleophile Substitution
+ SPh
Ad-SPh
NH3, fl.hν- I
ISN2 sehr
langsam + I
SRN1-Reaktion(IUPAC: T + DN + AN)
Analog:Br
Br
I
Ad-I + SPh
SPh, - I
Ad
hν
Ad-SPh
SPh
Ad-I
AdSPh+ I
Phasentransfer-Katalyse
H3C(CH2)7Cl + (NaCN)aq H3C(CH2)7CN
R4N+ Cl-kat , 2h
R4N+ CN- + OctCl OctCN + R4N+ Cl-organische Phase
R4N+ + CN- + Na+ + Cl-
wässrige Phase
MeN(Oct)3+Cl- Aliquat 336
PhCH2NEt3+Cl- TEBA
Fest-flüssig Phasentransfer-Katalyse
Kronenether
O
O
OO
O
O
+ KMnO4
O
O
OO
O
O
K + MnO4-C6H6
violette Lösung in Benzol
OctCl + KCNfest18-Krone-6katorg. Solvens OctCN + KCl
Ph C
Br
Br
CH3KOH
18-Krone-6 PhC CH + 2 KBr
Nachbargruppeneffekte
C X- X-
geschwindigkeits-bestimmend
CNu-
C Nu
ClS
Cl rasch- Cl-
ClS
OH2
- H+
OHS
Cl
rasch- Cl-
OHS
H2O- H+
HOS
OH
Nachbargruppeneffekte
H3C OTs
D D
OH
CF3
OH3C O
D D
CF3
O
Ethyltosylat +1krel ≡
1 : 1
- H+
+
O CF3
OH
- H+
OTs
D D
H HPhenyltosylat
HO CF3
OO CF3
OD D
H HO CF3
OH H
D D
1 : 1
+
3040krel =
rasch- OTs-
H H
DD
NachbargruppeneffekteOH
O C X
C X
O
O
R
2spn
C X
C X1 od.2
π
C XHet
C XHet
3spn
σ
C X
Aliphatische elektrophile Substitution
LiCH2COOMe- LiBr+ Br2
Br
+ ClCH2COOMe- LiCl
C LiE
frontRetention
C LiE
backInversion
SE2(DEAE)
E C Li
ELUMO
HOMO
C XNu
C XNuSN2 Nu C X
Nu
LUMO
HOMO
stabilisierenddestabilisierend
Aliphatische elektrophile Substitution
Et C C Ph
Me
H O
+ D2O OD-Et C C Ph
Me
D O
*
RacemisierungMe
Et
Ph
O-
+ D2O
SE1 ( DE + AE)R X langsam R + X
R + Y schnell R Y
Aliphatische elektrophile SubstitutionO
+NLi
Ph PhOLi
BH
O
OSiMe3
BH =NH
Ph PhMe3SiCl
+ 2 Li- LiBr
Br Li+ 2 CO2
COOH
HgBr
H+
- +HgBr
H
SE2'(1/3/DEAE)
nBuHgBr reagiert 107mal langsamer.
Aromatische elektrophile Substitution
EtF / BF3- 78°C
Me
MeMe
Me
MeMe
Me
MeMe
HEt
Et
- HBF4
BF4-
∆
Kinetischer Isotopeneffekt kH/kD ≈ 1
π-Komplex i.A. nicht auf der Reaktionskoordinate
Regel der Zweitsubstitution
NO2
HNO3 / H2SO4 meta93%
ortho6%
para1%
Anwendung des Hammond-Postulats:- Stabilität des Areniumions
Mechanismus: AE + DE
Röntgenstrukturanalyse eines Chlorareniumkations
Figure 1. ORTEP diagram showing chlorine attechment to a single carbon center in the chloroarenium cation 1-Cl+ from hexamethylbenzene
J.Am.Chem.Soc. 1998, 120, 13278 - 13279
Aromatische nucleophile Substitution
O2NOEt
NO2
NO2
O2N NO2
N
EtO OMe
O O
O2NOMe
NO2
NO2
+ - OMe + - OEt
Meisenheimer Salze
SNAr-Mechanismus (AN + DN)
N Nlangsam + N2
+ H2O- H+
OH
Hydroxy-de-diazotierung
SN1-Mechanismus (DN + AN)
ArN2+ + BF4
-- N2, BF3
ArF Balz-Schiemann∆
Aromatische nucleophile Substitution
C14Cl
+ NH2- C14
NH2
+
C14 NH2
+ NH2-
- NH3, Cl-+ NH3
Benzin-Mechanismus: Eliminierungs-Additions-Mechanismus ANDEDN + AE + AN
Radikalische Substitution SH (ArDR + ARDr)
R H + Br2 R Br + HBr
Br
R
R H
HBrBr2
R Br Kettenfortpflanzung
R = CH2X1.4ρ −=
CH2 H BrX
CH2 H MeX
CH2 H tBuX
- 1.4 elektrophil
- 0.2
+ 1.0 nucleophil
+δ ρ
+δ
−δ
−δ
+δ−δ
Radikalische Substitution
SOMOHOMO elektrophiler Angriff
LUMO nucleophiler Angriff
R R HE
Nucleophile Rad : tBu , ROCH2 , R2NCH2 , u.a.Elektrophile Rad : Br , Cl , CH2CN, CH2COOMe, u.a.
MeCl
H3C CH2 COOH
11
7.80.03
Radikalische Substitution
+ SPhNH3, fl.PhI PhSPhhν
Ar-I + SPh
Ar
-eoder νh
Ar-SPh
SPh
Ar-I
ArSPh+ I -
Analog: NH2-, (EtO)2P=O, NO2
SRN1 (T + DN + AN)
Radikalische Substitution
Ph N2+ + I - - N2
PhI
Ph
Ph N2+ + I -
- N2, I
PhI
I -
PhN2+
N2 + PhIAnalog: PhS-, NO2
-
CuICl
Ar + CuIICl2
ArN2+Cl-
N2
ArClSandmeyer
(CuBr, CuCN)
Radikalische Substitution
ArH + H2O2 + FeSO4 ArOH
Fe2+ + HO-OH Fe3+ + OH - + OH Fentons Reagenz
+ OH
OH
H + OH- H2O
OH
OH + Pb(OAc)4O
Hydroxylierung von Aromaten
OH+ Pb4+
- Pb3+OH HO
+ Pb3+
- Pb2+O
H
O
- AgBr
R CO Br
OR COO + Br
RRCOOBr
RBr
CO2
RCOOAg + Br2 RBr + CO2 + AgBr Hunsdiecker Reaktion
Radikalische Additionen (AR + ARDT)
Bu3Sn
RY
R
Y
R-Br
Bu3SnBrBu3SnH
RY
H
I + COOMeBu3SnH
AIBN
COOMeH
MeOOC
MeOOC
MeOOC
MeOOCBr + OMe
Bu3SnHAIBN
OMeH
R Br + PhBu3SnH
AIBN RPh
H
Radikalische Additionen
HOMO
LUMO
SOMO
RE X
elektrophilX = Alkyl, OR, NR2, u.a. nucleophil
R Z
Z = CN, NO2, COOR, u.a.
Elektrophile R addieren schneller an elektronenreiche,nucleophile R schneller an elektronenarme Doppelbindungenund umgekehrt.
Elektrophile (AE + AN) und nucleophile (AN +AE) Additionen
HO
LU
E XE
HO
LU
Nu Z
HO
LU
H+ Br- CNMeHMe Br
CN
Elektrophile AdditionenHydroborierung (H.C. Brown, 1979 Nobelpreis)
+ BH3BH
2
1.
2. NaOH, H2O2OH C
Me
H
Et
*
79 - 90% eeα-Pinen Bis(isopinocamphyl)boran
Acylierung von Alkenen (Friedel Crafts)
R CCl
O+ AlCl3
R
H
O
AlEtCl2
R
O
- H+ + Cl-
R
OCl
Cycloaddition - CycloreversionZ
+
Z
Dien Dienophil
exothermendotherm Z = CHO, COCH3, COOR
CN, NO2, SO2Ph, u.a.
Diels-Alder-Reaktion Retro-Diels-Alder (Nobelpreis 1950)
C+
C
C = Ph, CH=CH2, u.a.
Diels-Alder mit normalem Elektronenbedarf
ClCl
ClCl
Cl
Cl+
Cl
Cl
Cl
ClCl Cl
Elektrophil Nucleophil D-A mit inversem Elektronenbedarf
DienophileZ
HC C Z H2C C CH2
+
NN
COOEt
COOEt
N NCOOEt
EtOOC3O2
1O2
OO
Sensibilisatorhν
Heterodienophile: C N C N N O C O u.a.
1,3-Diene
OcisoideKonformation
+ Triptycen
O
+
CHO O CHO
Regioselektiv
Stereochemie
COOH
COOH
HOOC COOHHOOC
COOH
COOH
COOH
Ph
Ph Ph
Ph
stereospezifische syn-Addition,suprafacial
Diels-Alder Reaktion ist π4s + π2s (4 + 2)-Cycloaddition
+COOEtCOOEt
COOEt
endo: kinetische Kontrolle exo: thermodyn. Kontrolle
D-A wird durch Lewis-Säuren beschleunigt, endo-Selektivität wird erhöht.
Mechanismus
+
Woodward (Nobelpreis 1965), R.Hoffmann (1985): Pericyclische Reaktionen
E
RK
TS
konzertiert cycl. TS
+ +
E
RK
Orbitale der C=C-Bindung
Lit.: Ian Fleming, Grenzorbitale und Reaktionen organischer Verbindungen, VerlagChemie, 1979
Orbitale der C=C-Bindung
Grenzorbitalwechselwirkungen
HOMO
LUMO
Dienophil
DienHOMO
LUMO
+X
Z
HO
LU
HOMODienophil - LUMODiendominierend
D-A mit inversemElektronenbedarf
HO
+Z
LU
HOMODien- LUMODienophildominierend
D-A mit normalemElektronenbedarf
+
Grenzorbitalenergien
Grenzorbitalenergien und –koeffizientenfür Olefine und Diene. Die Energiemittel-werte sind für die verschiedenen Klassenvon Olefinen und Dienen typisch.(1 eV = 96.5 kJ = 23 kcal)
Grenzorbitaltheorie
( )ALU,DHO,
2adLUa,HOd,
LUHO, EEβcc2
∆E−
⋅⋅=
tegralResonanzinβ = LUMO A: a
HOMO D: dadβ∫
c < 1 = Koeffizient des AO von d im HOMO von D
bzw. von a im LUMO von A
Lit.: I. Fleming: Grenzorbitale und Reaktionen organischer
Verbindungen, VCH
Regioselektivität
COOH
+
COOH
COOH
COOHCOOH
COOH
1
:
8.8
COOHCOOH
HOMO LUMO
COOHCOOH
HOMOLUMO
-9.5 0.0 eV - 0.5 - 10.9 eV∆E = 9.5 eV ∆E = 10.4 eV
1. Bestimmung der dominierenden Wechselwirkung2. Größe der Koeffizienten in HOMO und LUMO
Endo-Selektivität
∆G
+ O
O
O
O
O
Okinetisch kontrolliertes
Produkt
endo
TSendo
O
O
Oexothermodyn. kontrolliertes
Produkt
TSexo
Sekundärüberlappung
Katalysierte Diels-Alder-Reaktion
Grenzorbitale und gesteigerte endo-Selektivität einer Säure-katalysierten Diels-Alder-Reaktion
Cycloadditionen
Ph
Ph
Ph
PhPh
Ph
+ 1. LiN(iPr)22. H+
Ph
Ph
Ph
PhPh
Ph
+
4e 2e
H+Base
I
+
2e 4e
- H+
1,3-Dipolare Cycloadditionen
1. Ph N N N Ph N N N
+ +N
NN
Ph
Triazolin
CH2 N N+
CO2Me
CH2 N N NNH
CO2Me
NN
CO2Me
H
Pyrazol-3-carbonsäuremethylester
2.O
OO O
OO
R R O OO
R R
1. 1,3 Dipole vom Propargyl-/Allenyl-Anion-Typ(C,N,O): 62. 1,3 Dipol vom Allyl-Anion-Typ:8
Die wichtigsten 1,3-Dipole
HC N CH2Nitrilylide
HC N NHNitrilimine
HC N ONitriloxide
H2C N NDiazoalkane
HN N NAzide
O N NDistickstoffoxide
H2CN
CH2Azomethinylide
H2CN
NHAzomethinimine
H2CN
ONitrone
H2CO
CH2Carbonylide
H2CO
NHCarbonimine
H2CO
OCarbonyloxide
En-Reaktion
R H
O
O
O
+ O
O
O
HR
[(π2 + σ2)s + π2s]
En-Reaktion (Alder)
∆
2 + 2 Cycloadditionen
∆
2
FF
F F
F2
F2 F2
F2 F2
F2 F2
F2
HO
LU
π2s + π2s„verboten“
HO
LU
π2s + π2a„erlaubt“, aber
geometrisch nicht möglich!
[2 + 2] - Cycloadditionen und -reversionenO O
+ hν
Cycloreversionthermische „verboten“
Quadricyclanhν
HO´
LU´
E
HO
LU
R R*
Grundzustand angeregter Zustand
[π2s + π2s] - Cycloadditionen
photochemisch „erlaubt“
Thermische [2 + 2] - Cycloadditionen
Cl O
HCl Cl
O
C
CCl Cl
NEt3- HCl +
O
Cl Cl
ZR2N
+
R2N Z R2N Z
Cycloadditionen - Verallgemeinerung
Thermische Grundzustandsreaktionen
s sD
A
HOMO
LUMO
Zahl der e-
m
ns a
ms + ns = 4q + 2(Hückel-aromatischer TS)
ma + ns = 4q(Möbius-aromatischer TS)
Woodward - Hoffmann - Regeln
[m + n] - Cycloadditionen
Zahl der e- thermische photochemischeReaktion
4q + 2 ms + ns ms + na4q ms + na ms + ns
Beispiele für elektrocyclische Umlagerungen
400 - 500°Chν
100°C hν
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
∆ hν
Norcaradien
Regeln für elektrocyclische ReaktionenThermische Reaktionen
Cl
Cl
konrot.Cl
ClHOMO
cis-trans-
Cl
Cl
Cl
Cltrans-trans-
4q (q = 1)antarafacialMöbius
Photochemische ReaktionenCl
Cl
disrot.
Cl
Cl
LUMO
Cl
Cl
Cl
Clsuprafacial
Me
Me
disrot.Me
Me4q + 2 (q = 1)suprafacial; Hückel
HOMO
Me
Me
Me
Me
antarafacial
LUMOkonrot.
Elektrocyclische ReaktionenOTs
disrot.
4q + 2 (q = 0)
tBu
tBu
tBu
tButBu
tBu
konrot.cis,cis,trans-Cyclohexatrien
tButBu
tBu
4q (q = 1)∆
hν ∆
[i , j] - Sigmatrope Umlagerungen
• intramolekular• unkatalysiert• neue Position der σ-Bindung• Umorganisation der π-Bindungen
H HR R1
23
4
51
1
23
4
51[1.5]-Sigmatrope Umlagerung
R
R
231
23
1
R
R
231
23
1[3.3]- ~
Sigmatrope H-WanderungenH HOMO
LUMO
4q + 2 (q = 1)suprafacial(kH/kD = 5 bei 200°C)
HH H
analog Indene∆
H
H
H [1.5]- ~∆
H H [1.2]- H-Shift (q=0)
HHomodienyl-[1.5]-H-Shift
Sigmatrope H-Wanderungen
HHOMO
LUMO
4q (Möbius)
H
[1.3]-H
H
q = 1, antarafacial
H
H
[1.3]-HCH3
Isotoluol,stabil < -30°C
H[1.7]-H
H
q = 2, antarafacial
[3.3]-Sigmatrope Umlagerungen (Cope-Umlagerung)
Z ZZ = H 300°C = Ph 170°C
Z
4q + 2 (q = 1)
Me
Me
Me
Me
230°C
rac- trans,trans- meso- cis,trans-2,4-Octadien
Me
Me
Me
MeTS: Sessel- konformation
HO
LU
[3.3]-Sigmatrope Umlagerungen (Cope-, Claisen-)
H
H
< 0°C
cis-Divinylcyclopropan
120°C
Valenztautomerie
180°C
Bicyclo[5.1.0]octadien
FluktuierendeBindungen
C10H10 Bullvalen
1 209 600 Valenztautomere
bei 100°C ein NMR-Signal
Woodward-Hoffmann-Regeln
Zahl der Elektronen thermisch photochemisch1. [m + n] – Cycloadditionen und –reversionen4q + 2 ms + ns (Hückel) ms + na
4q ms + na (Möbius) ms + ns
2. Elektrocyclische Reaktionen
4q + 2 suprafacialdisrotatorisch
antarafacialkonrotatorisch
4q antarafacialkonrotatorisch
suprafacialdisrotatorisch
3. [i , j] – Sigmatrope Wanderungen
4q + 2 suprafacial -4q antarafacial -q = 0, 1, 2...
Vitamin D2-Synthese
HO Ergosterin
HO
HH H
HOPräcalciferol Vitamin D2Calciferol
hν
∆
Eliminierungen: 1. β-Eliminierungen
C CH
XE2 (AnDEDN)
B
Stereochemie: anti-EliminierungStereochemie des Produkts: Curtin-Hammett-Prinzip
C CH
XC C
HBC C
E1 (DN + DE)
Curtin-Hammett-Prinzip
Br
E2 EtO-K+,EtOH70°C + +
59% 20% 21%
Curtin-Hammett-Prinzip
∆G
21
3
∆∆G≠TSE
EA,E
TSZ
EA,Z
Br
MeHMe
HHBr
MeHH
MeHBr
MeHH
HMek1k-1
12 3
EtO-EtO- k1 >> kEk-1 >> kZkE > kZ
kE kZ
- 31
Br
EtHH
HH
EtO-
Curtin-Hammett-Prinzip
Bei einer kinetisch kontrollierten stereoselektiven Reaktion wird die Selektivität ausschließlich durch die Differenz der Freien Aktivierungsenthalpien der diastereomeren TS bestimmt und nicht durch ∆∆G0 der Konformationen des Grundzustands.
2. Dihalogeneliminierungen
C CH
R
H
R
+ Br2
R
RBr
Br
- ZnBr2+ Zn
R R
Br
RHBr
RH
Zn
Br CH2 C C CH2 BrZn +
-ZnBr2
H2C C C CH2
3. Thermische Eliminierungen
Esterpyrolyse
HOO
HCOOEt 300 - 500°C
- CH3COOHCOOEt
- pericyclisch, monomolekular, syn-Eliminierung
Chugaev-Reaktion
HO
C S
200°C +
2 : 1
+ MeS CO
SHMeSH + S C O
3. Thermische Eliminierungen
Cope-Eliminierung
CH2NMe2H
NMe2
O-100°C+ H2O2
+ Me2NOH
H3C(CH2)5 (CH2)7COOMe910
OH
500°C
H3C(CH2)5CHO + H2C CH(CH2)8COOMe
4. Cheletrope Reaktionen
SO2
+ SO2
4q + 2 (q = 1)
∆: suprafacial
∆
SO2
∆
hν hν: antarafacial
5. Extrusionen
X Y Z X Z + Y
NN
NH
Nhνoder∆
O - CO
C O - CO
Norrish-TypI-Spaltung
νh
5. Extrusionen
C
O
- 100°C Tetrahedran (Maier 1978)νh
SO2300°C- SO2
Hydrierung
R + H2RhICl(PPh)3 R Wilkinson-Katalysator
RhCl
L L
L- L
RhCl
L
L
RhIII
Cl
L H
L
H
H2
oxidative Addition
RRh
Cl
L H
L
H
R
Insertion in Rh-H-Bindung
RhCl
L
L
H R
H
RreduktiveEliminierung
HydrierungWilkinson-Hydrierung:
RR
R R R RR
R>> > >~~
Enantioselektive Hydrierung
PPh2
PPh2
**
Chiraphos
P
PPh
Ph PhOMe
PhOMeDIPAMP
Ph NHAc
COOMe H2 PhNHAc
COOMe
> 98% eeRh-Kat
Carbonylierungen
Pd(OAc)2 / PPh3Et3N, CO, Nu-HR X
RC
Nu
O
R = Ar, Vinyl, Benzyl, Allyl (keine β-H)
X = Br, I, CF3CO2, CF3SO3
Nu-H: R‘OH, R‘NH2, u.a.
Pd(0)RX
R PdII X
oxidativeAddition
InsertionCO
C PdII XR
O
Nu-HSpaltung
RC
Nu
OH PdIIX
reduktiveEliminierung
HX
Heck-Reaktionen
PhI +Pd(OAc)2 / PPh3
NaOAc, Bu3N Ph 89 %
Pd(0)RX
R PdII X
oxidativeAddition
R´RPdII
X
R´
π-Komplex
Pd X
R´
H
R
Insertion
H Pd X
HXR
R´
reduktiveEliminierung
β-Eliminierung
R = Ar, Alkenyl, Benzyl
X = Br, I, CF3CO2, u.a.
Heck-Reaktionen
N
N
O
O
XOTfPdCl2 / Et3N / PPh3
DMF 60°CN
N
O
O
X
X = CO2Me, COMe, Ph, CN96%
N
NMe
OMe
OMe
CO2Et
CO2Me
IPd(OAc)2 catDMF, Bu4NCl
KOAc, 80°C, 6hN
NMe
OMe
OMe
CO2Et
CO2Me
89%
Heck-Reaktionen
+ ArOTfO
(R)-BINAPO
40 - 60%>96% ee
Pd(OAc)2
Ar
I
OR
PdCl2 / (R)-BINAPAg2CO3
OSiR3OSiR3
H
RO40 - 67%76% ee
Totalsynthese von 17 β-Östradiol
Br
MeO
BrOtBu
HMeO
OtBu
H
Br+Pd0
50%(+ 40% Edukt)
OtBu
HH
MeO
Pd0
Totalsynthese von enantiomerenreinem 17 β-Östradiol durch zweifache Heck-Reaktion nach Tietze.
OtBu
HH
MeO
H2 / Pd / C
H
Kalottenmodell von [{(Ar)(tBu)N}3MoCl]
Das Kalottenmodell von [{(Ar)(tBu)N}3MoCl], einem neuartigen Katalysator für die Ringschlussmetathese von Alkinen, ist umgeben von Strukturformeln einiger Naturstoffe, bei deren Synthese diese Methode eingesetzt wurde.
Olefin-Metathese
2WCl6, EtAlCl2
EtOH+
RWCl6, EtAlCl2
RC
HWLn
R
WLn
R
R
R RH2C WLnR
WLn
R
Wichtige Arten von Metathesereaktionen
ROMP
ROMP: Ringöffnungsmetathese-Polymerisation (ring opening metathesis polymerization)
RCM- C2H4
RCM: Ringschlussmetathese (ring closing metathesis)
ROM+ C2H4
ADMET- n C2H4
n
ADMET: acyclische Dienmetathese-Polymerisation (acyclic diene metathesis polymerization)
R1 R2+ CM
- C2H4 R1
R2
R2
R2
R1
R1
+ +
CM: Kreuzmetathese (cross metathesis)
Metathesereaktionen
O
O
ADMETPolymerO
O
RCM- C2H4
Metathesekatalysatoren und -katalysatorvorstufen
OM
O
Ph
NF3C
F3C
CF3F3C
R
R1 M = Mo, W
RuClCl
PCy3
PCy3
R
2 R = Ph, CH=CH2, etc.
O WArO
Cl
OEt23
O W O
Br
Br
Br
Br
O
ClCl
4
TiCl
AlMe
Me
Cp
Cp
5
OWBr
BrO
+ GaBr36+ PbEt4
[MeReO3] / Al2O3
7 ArOTa
ArOArO
8
A. Fürstner:Angew. Chem. 2000, 112, 3140
Katalysekreislauf der RCM
CH2H2C
RCM
[M]=CH2
H2C [M]
H2C [M]CH2
CH2
[M]
Olefin-Metathese
(CH2)n H2C CH2+- H2C CH2 (CH2)n
+
RCM mit einem Grubbs-Katalysator
OTBS
Solv
CH2Ru
Cy3PClCl
kettenfortpflanzende Spezies
OTBS+
- C2H4
O
Ru
Cy3PClCl
OTBS
Initiation
Ru
Cy3PClCl
OTBS
O
Terminierung
Synthese eines Metathesekatalysators[RuCl2(PPh3)3]
H p-C6H5X
N2CH2Cl2-78°C
- PPh3, - N2CRu
ClCl
PPh3
PPh3 H
XX = H 3 = Cl 4
H R
N2
CRuClCl
PPh3
PPh3 H
R
X = Me 5= Et 6
CH2Cl2ca. 20°C 2 PCy3
- 2 PPh3CRu
ClCl
PCy3
PCy3 H
XX = H 7= Cl 8
Struktur eines Grubbs-Metathesekatalysators
Metathese acyclischer Alkene mit Grubbs-Katalysator
7+ H2C=C=CH2- PhCH=CH2CRu
ClCl
PCy3
PCy3
CH
H - PhCH=CH2
+ H2C=CHRCRu
ClCl
PCy3
PCy3 H
R+ H2C=CH-CH=CH2
- PhCH=CH2
CRuClCl
PCy3
PCy3 C
H
HC
H
H
P. Schwab, M.B. France, J.W. Ziller, R.H. Grubbs, Angew. Chem. 1995, 107, 2179-2181
Tebbe-Reaktionen
Cp2TiCl2 + AlMe3 Cp2TiCH2
AlCl
CH3
CH3
py Cp2Ti CH2
Tebbe-Reagenz
Cp2Ti CH2 + OX
RCp2Ti
O R
X
X = H, ROR, NR2 H2C
X
R+Cp2TiO
X = Cl, OAc ROCp2Ti
X
Tebbe-Reaktionen
OO
H
H
CHO
"Cp2TiCH2"
OO
H
H
Pauson-Khand-Reaktion
Co2(CO)6
+ OTHP
O
OTHP
RLC CRS - 2 CO Co(CO)3
Co(CO)3RS
RLCo2(CO)8 - CO
Co(CO)2
Co(CO)3RS
RL
C CR1
Co(CO)2
Co(CO)3RS
C CR1
RL
COCo(CO)3
Co(CO)3RS
R1
RL
Co(CO)3
Co(CO)3RS
RL
OR1
CO
OR1
Co(CO)3Co(CO)3RL
RS
- [Co2(CO)6]
RLRS
OR1
Pauson-Khand-Reaktion
R
OTMS
CO
Co2(CO)8
110°C
TMSO R
O
N
MeO2C
Co2(CO)8
R3NO
N
HH
OMeOC
O
70%
Synthese von Fenestran
O
OHMgBr
O1. PCl3, 50°C2.
THF, -78°C
1. 2 Co2(CO)82. NMO
O
Me3SiOO O
H
OSiMe3
Fenestran
Gesamtausbeute: 17%über 5 Stufen
H
HC CMgBr
OSiMe3
2. Me3SiCl1.
