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Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Die angehngte Mitschrift zur Vorlesung Organische Chemie II wurde im Wintersemester 2013/2014 erstellt. Es wurde auf inhaltliche Fehler durchgesehen, aber nicht im Detail korrekturgelesen. In Prfungen kann sich nicht auf Aussagen in diesem Skript berufen werden. Wenn Sie sich unsicher sind, ob einzelne Sachverhalte korrekt wiedergegeben sind, konsultieren Sie einschlgige Lehrbcher. Diese Mitschrift soll Ihnen die Prfungsvorlesung insofern erleichtern, als es einen detaillierten berblick ber die in der Vorlesung vermittelten Inhalte gibt. Sie kann und soll weder den Besuch der Vorlesung noch das Studium geeigneter Lehrbcher ersetzen. Darber hinaus knnen sich die in der Vorlesung vermittelten Inhalte von Semester zu Semester (und von Dozent zu Dozent) leicht ndern, auch dies wird durch die Momentaufnahme einer Mitschrift nicht bercksichtigt. Gerne knnen Sie inhaltliche Fehler an mich kommunizieren ([email protected]) Dieses Skript unterliegt dem Copyright; es darf nicht unerlaubt vervielfltigt oder weitergegeben werden. Prof. Dr. Joachim Podlech
Institut fr Organische Chemie Prof. Dr. Joachim Podlech
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
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Inhalt der Vorlesung OC II 1. Reaktionen 1.1 Der Mechanismus 1.2 Physikalisch-chemische Grundlagen 1.2.1 Thermodynamik und Kinetik 1.2.2 Das Hammond-Postulat 1.2.3 Die Hammett-Beziehung 1.2.4 Bindungstypen 2 Reaktive Zwischenstufen 2.1 Allgemeines 2.2 Carbanionen 2.3 Carbeniumionen 2.4 Radikale 2.5 Carbene und Nitrene 3. Radikalische Substitutionen 3.1 Reaktivitt und Selektivitt 3.2 Radikalische Substitutionsreaktionen 3.2.1 Radikalstarter 3.2.2 Chlorierung mit Sulfurylchlorid 3.2.3 Sulfochlorierung 3.2.4 Allylische Bromierung mit NBS 3.3 Reduktionen ber radikalische Zwischenstufen 3.3.1 Birch-Reduktion 3.3.2 Reduktion von Alkinen zu E-Alkenen 3.3.3 Pinakol-Kupplung 3.3.4 Reduktion von Estern 3.4 Autoxidation 4. Nukleophile Substitutionen 4.1 Grundtypen der Substitution 4.2 Faktoren, die die Reaktivitt beeinflussen 4.2.1 Austrittsfhigkeit der Abgangsgruppe 4.2.2 Struktur des Substrats 4.2.3 Einfluss des Nukleophils 4.2.4 Einfluss des Lsungsmittels und der Temperatur 4.2.4.1 Einfluss des Lsungsmittels auf die Nukleophilie 4.2.4.2 Einfluss des Lsungsmittels auf die Stabilitt von
Edukten und bergangszustnde 4.2.4.3 Phasentransferkatalyse 4.2.4.4 Salzeffekte 4.2.4.5 Ionenpaare und Racemisierung in der SN1-
Reaktion 4.2.5 Einfluss von Lewis-Suren 4.2.6 Nachbargruppeneffekte 4.3 Reaktionen von ambidenten Nukleophilen 4.4 Halogenidaustausch 4.5 Etherspaltung 4.6 ffnung von Epoxiden 4.7 Spezielle Methoden 4.7.1 Die Mitsunobu-Reaktion 4.7.2 Die Appel-Reaktion 4.7.3 Die Michaelis-Arbuzov-Reaktion 4.8 Alkylierung von Carbonsuren 4.9 SN2-Reaktionen 4.10 Die SRN1-Reaktion 5. Addition an Mehrfachbindungen 5.1 Reaktivitt von Doppelbindungen 5.2 Addition von Halogenen an Alkene 5.3 Addition von HX an Alkene
5.4 Bildung von Halogenhydrinen 5.5 Hydratisierung von Alkenen 5.6 Bildung von Epoxiden 5.6.1 Ringschluss bei Halogenhydrinen 5.6.2 Epoxidierung mit Persuren 5.6.3 Sharpless-Enantioselektive Epoxidierung von
Allylalkoholen 5.7 Hydrierung von Alkenen 5.7.1 Heterogen-katalysierte Hydrierung 5.7.2 Homogen-katalysierte Hydrierung 5.8 Dihydroxylierung von Alkenen 5.8.1 Reaktionen mit Osmiumtetroxid und
Kaliumpermanganat 5.8.2 Stereochemische Betrachtungen 5.9 Addition an konjugierte Diene 5.10 Addition an Alkine 6. Eliminierungen 6.1 Vergleich Eliminierungen und Additionen 6.2 Die wichtigsten Mechanismen 6.3 Konkurrenz zwischen SN- und E-Reaktionen 6.4 Hofmann- und Saizew-Produkte 6.5 Eliminierung in 1,2-Heteroatom substituierten
Substraten 6.6 -Eliminierung 6.7 syn-Eliminierungen 7. Reaktionen von Aromaten 7.1 Elektrophile aromatische Substitution 7.1.1 Mechanismus 7.1.2 Monosubstituierte Benzolderivate 7.1.2.1 Halogenierung 7.1.2.2 Sulfonierung 7.1.2.3 Alkylierung 7.1.2.3.1 Friedel-Crafts-Alkylierung 7.1.2.3.2 Hock'sche Phenolsynthese 7.1.2.4 Carboxylierung, Acylierung und Formylierung 7.1.2.4.1 Die Friedel-Crafts-Acylierung 7.1.2.4.2 Kolbe-Schmitt-Salicylsuresynthese/Synthese
von Aspirin 7.1.2.4.3 Vilsmeier-Formylierung 7.1.2.4.4 Gattermann-Formylierung 7.1.2.4.5 Gattermann-Koch-Formylierung 7.1.2.4.6 Reimer-Tiemann-Formylierung 7.1.2.4.7 Houben-Hoesch-Acylierung 7.1.2.5 Chlormethylierung 7.1.2.6 Synthese und Umsetzung von
Aryldiazoniumsalzen 7.1.2.6.1 Herstellung von Aryldiazoniumsalzen 7.1.2.6.2 Reduktion von Aryldiazoniumsalzen 7.1.2.6.3 Balz-Schiemann-Reaktion 7.1.2.6.4 Sandmeyer-Reaktion 7.1.2.6.5 Azokupplungen 7.1.3 Substitutionen an Heteroaromaten 7.1.4 Synthese von mehrfach substituierten
Aromaten 7.1.5 Spezielle Reaktionen 7.1.5.1 Fries-Umlagerung 7.1.5.2 Substitutionen an metallierten Aromaten 7.2 Nukleophile Substitution am Aromaten ber
den Additions-/Eliminierungs-Mechanismus
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7.3 Eliminierungs-/Additions-Mechanismus; Arin Mechanismus
8. Additionen an Carbonylverbindungen 8.1 Reaktivitt der Carbonylverbindungen 8.2 Nukleophile Addition von
Heteroatomnukleophilen an Aldehyde und Ketone
8.2.1 Hydrate und ihre Stabilitt 8.2.2 Halbacetale und Acetale 8.2.3 Bildung von Iminen, Oximen und Hydrazonen 8.2.4 Synthese und Umsetzung von Enaminen 8.3 Addition von C-Nukleophilen 8.3.1 bersicht ber metallorganische Verbindungen 8.3.2 Bildung von metallorganischen Verbindungen 8.3.3 Addition von Grignard-Verbindungen und
Lithiumorganylen an Carbonylverbindungen 8.3.4 Reformatski- und Blaise-Reaktion 8.4 Addition von Hydriden an
Carbonylverbindungen 8.4.1 Mechanismus 8.4.2 Chemoselektivitt 8.5 Stereochemie der Addition von Hydriden
und C-Nukleophilen an Aldehyde und Ketone
8.6 Reaktionen ber Enole und Enolate 8.6.1 Enolisierung, pKa-Werte fr Enolatbildung 8.6.2 Regioselektivitt der Enolatbildung 8.6.3 -Halogenierung von Carbonylverbindungen 8.6.4 Haloform-Reaktion 8.6.5 Sure- und Basen-katalysierte Aldol-
Kondensation 8.6.6 Gekreuzte Aldol-Reaktionen, gerichtete
Reaktion 8.6.7 Intramolekulare Aldol-Kondensation 8.6.8 Knoevenagel-Kondensation 8.6.9 Perkin-Zimtsuresynthese 8.6.10 Mannich-Aminomethylierung 8.7 Addition an ,-ungesttigte
Carbonylverbindungen 8.8 Olefinierungen 8.8.1 Wittig-Olefinierung 8.8.2 Die Horner-Wadsworth-Emmons-
Olefinierung 8.9 Umpolung der Polaritt von Carbonyl-CAtomen 8.9.1 Corey-Seebach-Methode 8.9.2 Benzoin-Reaktion 8.9.3 Die Hnig-Methode 9. Carbonsuren und Carbonsurederivate 9.1 Herstellung von Carbonsuren und
Carbonsurederivate 9.1.1 Reaktionen per Addition/Eliminierung 9.1.2 Synthese von Carbonsurederivaten durch
Kettenverlngerung
9.2 Darstellung von Nitrilen 9.3 Reaktionen von Enolaten von und mit
Carbonsurederivaten 9.4 Decarboxylierung von Carbonsuren 9.5 -Halogenierung von Carbonsuren 10. Oxidationen und Reduktionen 10.1 Oxidative Spaltung von Alkenen per
Ozonolyse 10.1.1 Herstellung von Ozon 10.1.2 Mechanismus der Ozonolyse 10.2 Oxidation von Alkoholen zu
Carbonylverbindungen 10.2.1 Oxidation mit Cr(VI)-Reagenzien 10.2.2 Oxidationen mit aktiviertem Dimethylsulfoxid 10.2.3 Redox-Reaktionen durch reversiblen Hydrid-
Transfer 10.3 Oxidation von Ketonen zu Estern und Lactonen 10.4 Spezielle Oxidationen 11. Reduktionen 11.1 Gezielte Synthese von primren, sekundren und
tertiren Aminen 11.2 Reduktionen mit Hydriden zu Alkoholen 11.3 Reduktionen von Carbonsurederivaten zu
Aldehyden 11.4 Reduktion von Halogeniden und
Alkoholderivaten zu Alkanen 11.5 Deoxygenierende Reduktion von
Carbonylverbindungen 11.5.1 Wolff-Kishner-Reduktion 11.5.2 Clemmensen-Reduktion 11.5.3 Reduktion von Dithiolanen mit Raney-Nickel 11.5.4 Synthese von Monoalkylaromaten 12. Umlagerungen und pericyclische Reaktionen 12.1 Vorbemerkungen 12.2 Umlagerungen bei Carbenium-Ionen 12.2.1 Wagner-Meerwein-Umlagerungen 12.2.2 Pinakol-Pinakolon-Umlagerung 12.2.3 Benzilsure-Umlagerung 12.3 Die Cope-Umlagerung 12.4 Claisen-Umlagerung 12.5 Die Beckmann-Umlagerung 12.6 Diels-Alder-Cycloaddition 12.6.1 Mechanismus 12.6.2 Orbitalbetrachtungen 13. Synthese von Biopolymeren 13.1 Peptide 13.2 Oligo- und Polysaccharide 13.3 Nukleinsuren (DNA/RNA)
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1. Reaktionen
1.1 Der Mechanismus Zwei (oder mehrere) Molekle mit ausreichender Energie in der richtigen Orientierung
treffen sich. Lewis-Strichformeln (Formalladungen) Elektronenflusspfeile (beginnen an e--Paar oder Bindung und enden an elektrophilen
Zentrum) Am Ende nicht mehr als 8e- !
Reaktionspfeil Gleichgewichtspfeil Mesomeriepfeil
Elektronenflusspfeil
Halbpfeil (1e- wandert)
Retrosynthesepfeil Reaktion findet nicht statt Umlagerung
1.2 Physikalisch-chemische Grundlagen 1.2.1 Thermodynamik und Kinematik
Reaktion muss endergonisch sein
OH
Al2O3
300C + H2O H = +92 kJ/mol G = H - T S
Gibbs- Enthalpie Entropietherm Energie
Spaltungen werden durch hohe Temperatur begnstigt. Abschtzung von Raktionsenthalpie durch Inkramentbildung (siehe Handout Dissoziationsenergien in kJ/mol).
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Reaktionsschema:
E = Energie Rk = Reaktionskoordinate Ea = Aktivierungsenergie Z = bergangszustand v = k * [A] * [B] v = Reaktionsgeschwindigkeit k = Geschwindigkeitskonstante [A] = Konzentration von Stoff A [B] = Konzentration von Stoff B v = - d[A] = - d[B] dt dt k = A * e- (Ea/ R*T) A = virtuelle Geschwindigkeit der Reaktion, wenn alle Molekle ausreichende Energie haben (Arrhenius- Konstante) R = Universelle Gaskonstante T = Temperatur Je hher die Temperatur, desto schneller verluft die Reaktion. Je hher die Aktivierungsenergie, desto langsamer verluft die Reaktion. (siehe Handout Boltzmann-Verteilung) Faustregel: Temperaturerhhung um 10C => 2-3fach schnellere Reaktion
1.2.2 Hammond-Postulat Abschtzung: Wie schaut bergangszustand aus?
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Abstand: Edukt-Z kleiner als Z-Produkt => d1< d2 In exothermer Reaktion: Z ist Edukt-hnlich In endothermer Reaktion: Z ist Produkt-hnlich In SN2-Reaktion:
Hier keine Aussage ber Struktur des Z mglich, da d1 = d2!
R OR
ONu
Z?
O OR
R NuOR
R Nu
O
Zwischenstufe(energetisch weniger gnstig als Edukt)
Bildung der ZS (= Zwischenstufe) ist endotherm => Z ist Produkt-hnlich ZS: Z:
Nu
R ORO
R OR
O
Nu
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1.2.3 Die Hammett-Beziehung Die Hammett-Beziehung beschreibt Reaktionsgeschwindigkeiten substituierter Substrate im Vergleich mit unsubstituierten. Hammett-Beziehung: log (kx/k0) = => lineare freie Energiebeziehung (LFER) bei logarithmischer Auftragung (Sigma) = Substituentenparameter (Rho) = Reaktionsparameter kx = Reaktionsgeschwindigkeit mit Substituent x k0 = Reaktionsgeschwindigkeit unsubstituiert
Substituent p m +p +m -NMe2 - 0,63 - 0,1 - 1,7 - -OMe - 0,28 0,1 - 0,78 0,05
-H 0 0 0 0 -NO2 0,81 0,71 0,79 0,73
Bsp.: SN1 (Solvolyse) Ar-CMe2-Cl (in EtOH) + = -4,67
Cl
Cl
NMe2 NO2
Cl
1
log (kx/k0) = (-1,7) (-4,67) = 7,9 log (kx/k0) = 0,79 (-4,67) = -3,73 87.000.000 0,0002 (schneller als unsubst. Fall) (langsamer als unsubst. Fall)
1.2.4 Bindungsbildung, -bruch Homolytische Bindungsbildung:
Radikale, Radikalreaktionen, ungepaarte e-, Halbpfeile Heterolytische Bindungsbildung:
Polare Reaktionen, Nucleophile, Elektrophile, geladene oder ungeladene Teilchen, keine ungepaarten e-, normale Elektronenflusspfeile
Pericyclische Reaktionen: e- werden in einer geschlossenen, cyclischen Anordnung gleichzeitig umorganisiert.
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2. Reaktive Zwischenstufen
2.1 Allgemeines
Carbanionen Carbokationen gehren alle zu den reaktiven ZS Radikale, Catbene/Nitrene (siehe Handout Reaktive Intermediate)
2.2 Carbanionen Isolierte Carbanionen sind sp3hybridisiert (tetraedrisch)
Allylanion => sp2
Benzylanion
O OEnolat
(Anmerkung: zwei Punkte sind gleichwertig mit einem Strich)
2.3 Carbeniumionen sp2-hybridisiert; trigonal planar Allylgruppenstabilisieren durch Induktiven Effekt (+I, Elektronen schiebend) Hyperkonjugation
H H
Tert. Butylkation ist 350 kJ/mol stabiler als CH3+ 186 kJ/mol stabiler als H3C-CH2+
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Allylkation
Benzylkation
CH
RHO HOCH
R
HN
CH
RR
HN
CH
RR
Iminiumverbindung -enium ein Substituenten weniger als natrlich
H H
H H
HF/SbF5(Supersure)
H H
HH
H
H
H H
H
H usw.
-onium ein Substituent mehr als natrlich 1994 Nobelpreis fr G. Olah CH5+ CH62+ => nicht klassische Kationen
2.4 Radikale sp2-hybridisiert im p-Orbital ein e- Hyperkonjugation
H H
(siehe Handout: Dissoziationsenergien in kJ/mol)
Allylradikal
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Benzylradikal Stabilisierung durch Heteroatome
O O
Orbitale
p
n
MO-Theorie
Radikalionen in Elektronentransfer-Reaktionen (ET)
Na/NH3e-
Benzol Radikalanion
OMe
Anisol
(NH4)2Ce(NO3)6
- e-
O Me
Radikalkation
2.5 Carbene und Nitrene
Carbene sind zweiwertige C-Verbindungen. Elektronenreiche oder e--arme Carbene Freies ePaar
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Halogen-Metall-Austausch:
R Hal
R M
R Hal
R Hal R'M
-R'Hal
R H
R Hal
BaseCarbenoide
-MHal
R
RCarben
R
R
N Nhv,-N2
M = Metall, Hal = Halogen Nitrene:
N3R R N-N2
hv oder
Nitren
3. Radikalreaktionen
3.1 Reaktivitt und Selektivitt Radikalische Substitutionen an Alkenen Start:
Cl2 Cl + Clhv
Radikalkette:
H+ Cl + HCl
+ Cl2 Cl + Cl Kettentrger (Anmerkung: wird ca. 100.000 durchlaufen, bevor es zum Kettenabbruch kommt) Kettenabbruch:
+
(Anmerkung: ein Beispiel von vielen Mglichkeiten)
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(siehe Handout: Energiebilanz der radikalischen Halogenierung)
Anzahl H-Atomeprimr: 6xsekundr: 2x
Cl
Cl
Verhltnis: 43:57
Normiert: 1:4
Anzahl H-Atomeprimr: 9xtertir: 1x
Verhltnis: 64:36
Normiert: 1:5,1
ClCl
Anzahl H-Atomeprimr: 9xsekundr: 2xtertir: 1x
Verhltnis:27:23:36:14
Normiert:4,5:23:18:4,5
Cl2, hv
Cl
+
Cl
+
Cl
+
Cl
Anzahl H-Atomeprimr: 9xsekundr: 2xtertir: 1x
Verhltnis:
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3.2 Radikalische Substitutionsreaktionen 3.2.1 Radikalstarter
AIBN (= Azoisobutyronitril):
NN
NN 80C
N2 + 2x
N N
C
DBPO (= Dibenzoylperoxid):
OO
O
O
80CO
O
2x
Benzylradikal
-CO22x
Phenylradikal
3.2.2 Chlorierung mit Sulfurylchlorid Cl2: gasfrmig, hoch reaktiv (=> wenig selektiv)
Start:
+ SO2Cl2
Cl
+ SO2Cl
Kette: R H + SO2Cl R + SO2 + HCl
R + SO2Cl2 R Cl + SO2Cl Kettentrger
3.2.3 Sulfochlorierung (Cl2, SO2)
Start:
Cl2 Cl + Clhv
1/2 = 1h
1/2 = 1h
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Kette:
R R + HCl
R
H + Cl
+ SO2 R SO2
R SO2 + Cl2 R SO2Cl + Cl Kettentrger
R SCl
O O
Sulfonsurechlorid
Daraus kann man herstellen: Sulfonsuren Sulfonsureester (=> Waschaktive Substanzen)
3.2.4 Wohl-Ziegler-Allylische Bromierung mit NBS
BrN
O
O
Br
NH
O
O
-
Allylische Position
N
O
O
Br
N-Bromsuccinimid (= NBS)
> intermedir: Allylradikal => Mesomeriestabilisiert
Allylradikal
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Mechanismus: Start:
CN
(aus AIBN)
+ N
O
O
Br N
O
O
Br
CN
-BrN
O
O
CN
Alternative:
CN+ Br2 Br +
Br CN Br2 ist in kleinen Mengen in NBS enthalten. Kette:
+ Br- HBr
Anmerkung:
HBr + N
O
O
Br
N
O
O
Br
H
+ Br- Br2
NH
O
O
+ Br2
N
OH
O
Tautomerie
+ Br2
Br
+ Br
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Bsp.: Br
NBS
3.3 Reduktion ber radikalische Zwischenreaktionen 3.3.1 Birch-Reduktion Solvatisierte e- (absofort Reduktionsmittel: e-)
Na + x NH3(l) N
a+[e(NH3)x]-
(blau)
e-
Radikalanion
EtOH- EtO
H
e-
H H
EtOH
- EtO
H
H1,4 - Cyclohexadien
elektronenziehend: CO2Et
e-
CO2Et
CO2EtH CO2EtH
H H
elektronenschiebend: OMe
e-
OMe OMe
H
H
H
H Eine Elektronentransfer-Reaktion (ET) Hufig ECEC: elektrochemischer Schritt chemischer Schritt elektr.chem. Schritt
- chem. Schritt Ausnahme z.B. Pinakol-Kupplung
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3.3.2 Reduktion von Alkinen zu E-Alkene Na oder Li in NH3 oder geeignetes Amin Nicht Ethanol als Protonenquelle (H2 wrde mit Edukt/Produkt reagieren) Protonenquelle: NH3
R RLi / R-NH2
e-R
RR-NH2
R
R
Re-
R
R
H
R
H
H
R
E! Stereoelektronische Effekte
R
RH
3.3.3 Pinakol-Kupplung Kupplung von Ketenen mit reduzierenden Metall
O
Mg, [Hg]e-
O
Ketylradikal
2xO O
AufarbeitungOH OH
Ketylradikal von benzophenon ist tiefblau, durch O2 oder H2O Entfrbung
Ph Ph
O
McMurry-Reaktion:
O
2x
TiCl3, LiAlH4
(86% Ausbeute) Auch fr sperrige Substanzen/Substrate
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3.3.4 Reduktion von Estern
R OR'
O
LM: EtOH
Na, e-R OR'
O
R OR'
OH
e-
R OR'
OHProtonentransfer
(P.T.) ~H+
R OR'H
O
-OR'
R H
OH H
R O
AufarbeitenR OH
Analoge Reaktion: LiAlH4 Im Lsungsmittel Toluol: Acyloinkondensation
R OR'
O
2x
RR'O
ROR'
O O
RR
O
ODiketonR
R
O
O
2 e-
R
OH
O
Rf rher:Acyloine
Auf-arbeitung
Acyloin-Kondensation:
CO2Et CO2EtO OH
Prelog/Brown: Klassifizierung von Ringen Die Acyloin-Kondensation ist gut geeignet fr die Bildung von mittlereren Ringen. Ringre: Spannung: 3,4 kleine Ringe Bayer-Spannung; Pfitzer-Spannung 5,6,7 normale Ringe - 8-12 mittlere Ringe Pfitzer-Spannung; transannulare Spannung 13- groe Ringe - Bayer-Spannung: Abweichung vom idealen Winkel 109 Pfitzer-Spannung: ekliptische Stellung
H
H
HekliptischeStellung
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Transannulare Spannung:
Ringbildung findet an der Natriumoberflche statt => entropischer Effekt
3.4 Autoxidation
Definition: Eine Autoxidation ist die Oxidation einer chemischen Verbindung durch atmosphrischen O2 (Triplett-O2), die durch Radikal initiiert autokatalytisch abluft. Autoxidation von Benzaldehyd (flssig) => Benzoesure (fest) Start:
H
O
+ X
O
+ HX
Kette:
O
+ O O
O
OO
O
OO+
H
O O
OOH+
O
OOH
O
+H
O
OH
O
2
HH
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4. Nucleophile Substitution
4.1 Grundtypen der Substitution Radikalische Substitutionen Nukleophile Substitutionen (SN1 oder SN2) Substitutionen an Carbonylverbindungen Aromatischen Substitution Nur SN2 ist einstufig; sonst 2- oder mehrstufig! SN2-Reaktion:
I
H
H
H
+ OH-H H
H
IHO HO
H
H
H
+ I-
#
Einstufig; diese eine Stufe muss geschwindigkeitsbestimmend sein Geschwindigkeitsgesetz: v = k * [AX] * [Y] Bimolekular; SN2 Rckseitenangriff; Inversion SN1-Reaktion:
Cl
Me
Me
Me
langsam
-Cl-Me Me
Me
HO-
schnell HO
Me
MeMe
Zweistufig; 1.Schritt ist geschwindigkeitsbestimmend Geschwindigkeitsgesetz: v = k * [AX] Monomolekular; SN1 Racemisierung Nukleophil reagiert mit HOMO HO
HO C X
OH
C X
C-X
C X
Arten von Substitutionen
*
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4.2 Faktoren, die die Reaktivitt beeinflussen 4.2.1 Austrittsfhigkeit der Abgangsgruppe
Allgemein: Je hher die Aciditt der korrespondierenden Sure, desto hher die Austrittstendenz.
Gute Austrittsgruppe: korrespondierende Sure: pks < 0 (siehe Handout: Surestrken wichtiger Verbindungen und Verbindungsklassen)
Mige Austrittsgruppe: Acetate, Trialkylamine Gute Austrittsgruppe: Halogenide, Wasser, Toluolsulfonate (TosO-) Sehr gute Austrittsgruppe: Trifluormethansulfonat (TfO-) Triflat
4.2.2 Struktur des Substrats Wenig Substituenten: - Keine sterische Hinderung
- Nicht stabiles Carbeniumion Viele Substituenten: - Groe sterische Hinderung
- Gut stabilisiertes Carbeniumion Neopentylsubstrate
Cl Neopentylchlorid
SN1: primres Carbeniumion => geht nicht! SN2: Rckseitenangriff nicht mglich => geht auch nicht! (siehe Handout: tert-Butyl versus Neopentyl)
R-Br + I- RI + Br-
K = Reaktionsgeschwindigkeit
Br
K = 0,8
Br
K = 0,003
Br
K = 0,00001 (findet im Vergleich zum ersten nicht statt!) (siehe Handout: SN Reaktionen (aus Brckener, Reaktionsmechanismen))
SN2
SN1
Me SO3-
F3C SO3-
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SN1: Carbeniumionen sind planar
Br
Krel = 1
Br
AdamantylbromidKrel = 10
-3
BrKrel = 10
-6
BrKrel = 10
-12
SN2: trigonal-planarer Z: C ist sp2-hybridisiert benachbarte sp2 - Zustand stabilisieren den Z
Cl
Krel = 1
Cl
Krel = 3*102
Cl
O
Krel = 3*104
4.2.3 Einfluss des Nukleophils Nukleophilie ist kinetische Gre: Reaktionsgeschwindigkeit Basizitt ist thermodynamische Gre: Gleichgewichtslage, Stabilitt Nukleophilie und Basizitt korrelieren nicht (siehe Handout):
Innerhalb einer Gruppe von Nukleophilen, die mit demselben Atom angreifen, nimmt Nukleophilie mit Basizitt zu: RO- > HO- >PhO- > RCO2- >> ROH/H2O >>> RSO3-
In Gruppen von Nukleophilen, die mit verschiedenen Atomen angreifen, sinkt Nukleophilie mit Elektronegativitt: R2N- >> RO- >> F- RS- > RO- R3P > R3N
Nukleophilie wird durch benachbarte Heteroatome mit freiem e--Paar erhht (-Effekt): HOO- > OH- (trotz 10.000facher hherer Basizitt von OH-) H2N-NH2 > H3N (250fach) H-O-NH2; OCl-; H2O2
H2N COO-
+R Cl
O
H2O/Dioxan
Na2CO3Schotten-Baumann-Bedingungen
R NH
CO2-
O
R OH
O
wenig:
wegen hherer Nukleophilie des Amins;trotz H2O als LM
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+
-
4.2.4 Einfluss von Lsungsmitteln und Temperatur 4.2.4.1 Einfluss des Lsungsmittels auf Nukleophilie
Unpolare LM: Hexan, Benzol Wenig polare LM: Diethylether, Tetrahydrofuran (THF) , CH2Cl2 Polare LM: H2O, Alkohole, Acetonitril, Dimethylsulfoxid (DMSO)
H-Brcken-fhig: H2O, Alkohole Polar aprotisch: DMSO Acetonitril Dimethylformamid (DMF) Aceton Hexamethylphosphorsuretriamid (HMPT) Polar aprotisch LM solvatisieren Kationen sehr gut, Anionen nicht
Nukleophil (Anionen) sind frei; d.h. besonders reaktiv
S
OM
positives Zentrum ist abgeschirmt
Kalium weniger kovalent an das Nukleophil gebunden als Li Nu ist freier/reaktiver (siehe Handout: Lsungsmittel-Polaritten)
Zu H-Brcken befhigte LM solvatisieren Nukleophile stark Nu wenig reaktiv
H
O
H Nu- Kronenether solvatisieren Kationen extrem Nu vllig frei; hoch reaktiv
O
S
O
H3C CN
H N
O
O
Me2NP
NMe2
NMe2
O
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O
O
O
OO
O
K
18-Krone-6 bzw. 18-K-6
O O
O
O
ONa
15-K-5
O O
OO
Li
12-K-4 Peterson 1987 Nobelpreis Lehn, Cram
KMnO4 mit 18-K-6 in Benzol lst sich violett
N- K+
O
O
+Br 89%
18-K-6/Benzol
N
O
O
+ KBr
SN1: begnstigt durch niedrige Konzentration eines schwachen, harten Nukleophils in
einen polaren protischen LM bei hoher Temperatur.
BrOR
krel 1 (fr EtOH)
krel 1200 (fr H2O)ROH
(siehe Handout: Lsungsmittel-Polaritten) Krel (H2O/Aceton, 1:9) 1 => Krel (H2O) = 400.000 Me-I + Cl- Me-Cl + I-
Krel (MeOH) 1 => Krel (DMF) =1,2 *106
4.2.4.2 Einfluss des Lsemittels auf die Stabilitt von Edukten und bergangszustnden (siehe Handout: Lsungsmitteleinfluss in Nukleophilen Substitutionen nach SN2) Zu Fall 3:
MeS
MeMe + OH- HO S
H
H H
Me
Me
S
Me Me
+ MeOH
Krel (MeOH) 1 Krel (H2O) = 5*10-5
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Zu Fall 4:
MeS
MeMe + NMe3 Me3N S
HH
H
Me
MeS
Me
Me+ NMe4
Krel (MeOH) 1 Krel (H2O) = 0,17 4.2.4.3 Phasentransferkatalyse -besteht meistens aus quaternren Ammoniumsalzen organische Phase
Phasengrenze------------------------------------------------------------------------------------------------------
wssrige Phase
[QA]+X- + R-Y
[QA]+X- + Y-
R-X + [QA]+Y-
X- + [QA]+Y-
NMe2O
OMe2N
OH
HO
+ S
MeO OMe
OO
NMe2
OMe
MeO
Me2N
O
O
Bu4N+ HSO4-
NaOH
4.2.4.4 Salzeffekt
Von Zugaben von Salzen kann die Polaritt von Lsungsmitteln erhht werden. Bei Extraktionen senken Salze Lslichkeit organischer Verbindungen in stark polaren
Lsungsmitteln. Erhhung von Reaktionsgeschwindigkeiten durch Bildung von Lsungsmittelkfigen
=> diese bilden sich verstrkt bei Salzzugabe.
4.2.4.5 Ionenpaare und Racemisierung in der SN1-Reaktion Kontakt-Ionen freie Ionen A-K+ A- K+
Ionen im Lsungsmittelkfig Solvens separierte Ionen freie Ionen
A-K+S
SSS
SS
A- K+SSS
SSSS
S S
SSS
S
A- K+S SS S S
S SSSS
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Hex
BrH
Me H2O HO
H
Hex
MeBr O
H
H
sehrrasch rasch
H
O OHex H
HH
H Hex
Me Me
HH- H+ - H+
HO
Hex
MeH
OH
Hex
HMe
83% 17%
Ph
BrH
Me H2O HO
H
Ph
MeO
H
H
rel. langsam rel. langsam
H
O OPh H
HH
H Ph
Me Me
HH- H+ - H+
HO
Ph
MeH
OH
Ph
HMe
50% 50%
+ Br
4.2.5 Einfluss von Lewis-Suren
Cl + AlCl3 Cl AlCl3 + AlCl4
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O
AcO
OAc
O
O
+ BF3
O
AcO
OAc
O
O
BF3
O
OAc
AcO
ROHO OR
OAc
AcO
O
OAc
AcO
AcOBF3-
4.2.6 Nachbargruppeneffekt
Y
X
X
- Y- Nu-
X
Nu
RS
COOR
Cl
S
COORR
Cl
Cl
COOR
SR
N
H CH3
Base
N
CH3
Cl
N
CH3
ClN
Cl
CH3
+Cl
OMe
OTos
- OTos-
OMe
HCO2H
OMe
O H
OPhenoniumion
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4.3 Reaktionen von ambidenten Nukleophilen Weiche Nukleophile: RS-, I-, R3P, RSH, R2CuLi Mittlere Nukleophile: CN-, RNH2
Harte Nukleophile: HO-, RO-, H2O, ROH, RMgBr,RLi
Ohart
weichOHhart, H
+
OMeO
Me
MeMe
hart
weich,MeI
Me
O
C N
NO
O
O
AgCN + H3C-Cl C N CH3 + AgCl
KCN + H3C-Cl N C CH3 + KCl
Me
O
MeIO
Me3OBF4
OMe
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4.4 Halogenidaustausch
OMeMeO
OMeMeO
Br
NaI, AcetonOMeMeO
OMeMeO
I
+ NaBr
94%
Finkelstein-Umhalogenierung
4.5 Etherspaltung
Ether sind reaktionstrge Harsche Bedingungen zur Spaltung
R
O
CH3
HI
R
O
CH3
H
I- SN2
-CH3IROH
R
O
CH3
BBr3
R
O
CH3
BBr3
SN2
-CH3BrROH
R
BBr2
CH3
Br- R-OBBr2
R
O
CH3
Me3SiI
R
O
CH3
SiMe3
SN2
-CH3IROHR-OSiMe3
I-
Me3S: TMS
4.6 ffnung von Epoxiden
O
RNu-
R
Nu
O
O
R
M+ O
M
R
O
M
R
O
M
Rkaum relevant
O
M
R Nu-
R
O
Nu
Achtung: bereits Li+, Mg2+ o.. sind recht gute Lewis-Suren => Angriff am hher substituierten C-Atom wird wahrscheinlich
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4.7 Spezielle Reaktionen 4.7.1 Die Mitsunobu-Reaktion
Eine OH-Gruppe wird in eine andere , oder -Gruppe unter Inversion der Konfiguration umgewandelt.
R OH + HXPh3P
NN
E
E
- Ph3P=OHN
NHE
ER X
Ph3P => gutes Nu- E (= Ester): CO2R Mechanismus:
Ph3P NNEtO2C
CO2EtN
NE
E
Ph3P
Diethylazodicarboxylat(DEAD)
R OHN
NHE
E
Ph3P
O R
R OPPh3 + N
NHE
E HXHN
NH
EEHydrazin-
Derivat
R O PPh3+ X
SN2 Ph3P=O + R Xsehr gutes Nukleofug
ggf . unter Inversionder Konfiguration
N
R
HO
SG
CO2H
NO2
N
R
SG
OH1) Ph3P, DEAD(Bildung des Esters unter Inversion)
2) NaOH (Verseifung)
98%SG = Schutzgruppe
HX
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4.7.2 Die Appel-Reaktion
R OH R Hal
Ph3P, CHal4- Ph3P=O, - HCHal3
SN2(unter Inversion)
CCl4: => -Cl CBr4: => -Br I2: => -I
Mechanismus:
Ph3P + Cl CH3 Ph3P Cl + CCl3
CCl3 + R OHHCCl3 + R O
R O Ph3P Cl+ Ph3P O R + Cl Ph3P OR Cl
+SN2
ggf . Inversion
Analog mit CBr4 oder I2. Beispiel:
Cl Cl
BrOH
Ph3P
CBr4
71%
Appel-Reaktion ist eine sehr milde Reaktion. Klassisch mit SOCl2 (Thianylchlorid) Harsche, acide Bedingungen
R OH R OS
Cl
H
O
R OS
Cl
O
Cl
Cl H
ClS
Cl
O
R Cl + SO2 + HCl
Durchfhrung: SOCl2 dazu, nach Reaktionszeit Flchtiges abdestillieren Alternativ: POCl3 oder hnliches 4.7.3 Michaelis-Arbuzov-Reaktion
Edukte fr die HWE-Reaktion Phosphorsureester
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P(OEt)3Triethylphosphit
X P
SN2(EtO)2 P R
OX
SN2-EtX
(EtO)2 P R
O
PhosphonsureesterPhosphonat
4.8 Alkylierung von Carbonsuren
Carbonsureester Carboxylate (pka ~ 5-6) sind wenig nukleophil und knnen mit Elektrophilen reagieren.
OH
O
O
OBase R' X
SN2R O R'
O
R OH
OAg2O
R O
O
AgMeI
quantitativ
R OMe
O+ AgI
R OH
O
R O
OH2C=N=N
Diazomethangelb
H3C N N -N2R OCH3
O
quantitativ Herstellung von Diazomethan:
S
O O
N
Me
NOOH H3C
NN
OTos
[Diazald]N-Methyl-N-nitroso-toluol-
sulfonsureamid
OH
-TosO-H2O
H2C=N=N in Et2O
wird abdestilliertbesser: abdekantiert
Diazomethan ist toxisch, vor allem an Glaskanten explosiv
4.9 SN2-Reaktion Beispiel:
X
SN2
SN2'
Nu
Nu
In sterisch anspruchsvollen Substraten, Nukleophile oder Nukleofugen => SN2
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Ohne Substituent:
X NuNu
SN2
Mit Substituent:
X
Nu
NuSN2'
SN2'Ph Br
H
Ph
LiAlH4"H-"PPh3
Vinylogieprinzip Aciditt:
R OH
O
O OHOH
OH
HO OH
pks = 4-5Ascorbinsure
pks = 4,10
Elektrophilie:
R R
O
R R
O
Nukleophilie: R
NR
N
R
RH Me
O
H
MeO
H
-
+
+
-
-
-
-
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HCH2
NO2
HCH2
NO2
pks = 20,4
pks = 17,2
4.10 Die SRN1-Reaktion Beispiel: Br
Br
+ 2 PhShv
92%
PhS
PhS
+ 2 Br
Mechanismus:
R-X R-X
R-Nu R-Nu
R
X
Nu
ET-Prozess
5. Addition von Alkene und Alkine
5.1 Reaktivitt von Doppelbindungen
H2C CH2 + Br BrBrBr
613 193349
286286-115 kJ/mol
H2C CH2 + HClH Cl
-59 kJ/mol433
416 340
CO2H
> > > > > >
5.2 Addition von Halogenen an Alkene OC I (siehe typischen Mechanismus dort) Mechanismus:
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Br
BrBr
Br
Br
Br LUMO
HOMO
Alternativ: ET-Mechanismus
+ Br2ET + Br Br
Br+ Br
Br2
Br
Br
Br
Br
Br
Br
Br
Br
Br
+
Br
Br
entsteht nichtkein Intermediat
Bromoniumion
Fumarsureester Maleinsureester
5.3 Addition von HX an Alkene Typisch: Markownikow-Addition (siehe OC I)
HCl
Cl
Anti-Markownikow durch radikalische Addition
+BuOO+Bu 2 +BuO
+BuO + HBr +BuOH + Br
Kette:
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Br + Br
Br + HBr Br
H
+ Br
Nur mit HBr, nicht mit Hcl oder HI
5.4 Bildung von Halogenhydrinen
Br2,H2O
HOClanalog
Br
Br
Cl
OH
HO
Clkein
H2O
-HBr
Br
OH
HO
Brkein
Bromhydrin
Br Br
Br
Beispiel:
O
H179pm
148pm
-0,460+0,420
5.5 Hydratisierung von Alkenen Siehe OC I Olefin ist lipophil, oft gasfrmig. Wssrige Sure ist hydrophil. Reaktion geht nicht gut!
Besser: Addition von H2SO4
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H2SO4konz.
H
OSO3H
H2O /separater Schritt
H
OH
Vor allem industriell! Oxymercurierung:
Hg(OAc)2-OAc-
HgOAcH2O
-H+HgOAc
OH OH
+ Hg +NaOAcNaBH4
NaOH, H2O Brownsche Hydroborierung Anti-Markownikow-Addition H.C. Brown, 1979 Nobelpreis Addition von BH3 (B2H6; H3B---LS)
1/2 B2H6
BH3
3xB
H
HH
H2O2,NaOHHOO- B
iBu2
OOH
iBu
-OH-iBuO-BiBu2
2xB(OiBu)3 B(OH)4
- + 3 OHOH-
2x
Z:
HB
H
H
Reaktion mit BH3 ist wenig regioselektiv.
Thexylboran BH2
HB
Disiamylboran
HB
9-BBN9-Borabicyclo[3.3.1]nonan
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OH
OH
+
57 : 43
1) BH32) NaOH/H2O2
OH
OH
+
99,8 : 0,2
1) 9-BBN2) NaOH/ H2O2
Enantioselektive Reaktionsfhrung mit chiralen Boranen
"BH3"2
-Pinen
HB
IpcBIpc2
Ipc
(+) - Ipc2BH
H2O2
NaOH
HO
87%ee(93,5 : 6,5)
Ipc: Isopinocampheyl BH3: BH3-Quelle, siehe Reagenzien ee: Enantiomerberschuss
5.6 Bildung von Epoxiden 5.6.1 Epoxidierung von Halogenhydrinen
OH
Br
BaseO
Br
SN2O
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5.6.2 Epoxidierung mit Persuren
OO
H O
Cl
O
O
Cl
O
H
meta-Chlorperbenzoesure(mcpba)
Z-Olefin cis-Epoxid E-Olefin trans-Epoxid 5.6.3 Sharpless-enantioselektive Epoxidierung von Allylalkoholen
OH OHO
CO2Et
CO2Et
HO
HOL-(+)-DET
+BuOOH, Ti(OiPr)43 -MS ,CH2Cl2
+BuOOH, Ti(OiPr)43 -MS ,CH2Cl2
D-(-)-DET
OHO
L: lower face
D: doesn't attack downface
DET = Diethyltartrat MS = Molekularsieb => Wasserausschluss (siehe Handout: bergangszustand der Sharpless-Epoxidierung)
5.7 Hydrierung von Alkenen 5.7.1 Heterogen katalysierte Hydrierung
Hydrierung ist die Addition von H2 an eine Mehrfachbindung. Pd auf Aktivkohle: Pd/C, H2
Pd Pd Pd
H2Pd Pd Pd
H H H2C CH2 H2C CH2
Pd Pd Pd
H H
Pd Pd Pd
H H3C CH2
Pd Pd Pd-H3C-CH3
weil konzertierter Mechanismus
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CH3
CH3
H2, Pd/C
CH3
CH3
H
H
Nukleophile Hydrierbedingungen:
> > > > > >
H2, Pd/C
C C RRH2, Pd/C
aktivR
H2C
H2C R
H2, Pdvergif tet/C
H
R
H
R
[Pd]vergif tet
Vergiftetes Pd: Lindlar-Katalysator: Pd mit BaSO4 oder Chinolin
C C RR
RR
RR
H2, [Pd]vergif tet
Na, NH3(l)H+-Quelle
(siehe dort)
N
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5.7.2 Homogen katalysierte Reaktionen
H2CCH2
H3CCH3H2
[(Ph3P)3RhCl]
Wilkinson - Kat.
CO2R' H2
HH
P
P
Ph Ph
Rh
Ph Ph
ClO4
RCO2R'
NHBt
[Rh((R)-binap)+ClO4-]
80-"100"%ee
R = H, ArR' = Me, H
Entlang C-C Bindung
PPh2
PPh2
Rh
R-konfiguriert auch Ra (a = axiale Chiralitt)1
2
3
4
5.8 Dihydroxylierung von Alkenen
Mit OsO4 (oder KMnO4) R. Criegee
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R'R
R R'
OsO4 (kat.) / NMOAceton / H2O
OH
OHR
R
R'
R'
NMO: N-Methylmorpholin-N-oxidals Cooxidans
Os
OO
O O
VIII O
O
Os
O
O
VI
R'
R'
RR
OH
OHR
R
R'
R'
H2OH2O
Os
O
OHO
VIHO
O NMe
O
O N CH3
KMnO4 reagiert genauso, neigt zur berreaktion Synthetisch unbrauchbar Zur Detektion in Dnnschichtchromatographie (DC) => Baeyer-Probe
Stereochemische Betrachtung:
MeMe
mcpba
OsO4NMO Me
Me
OH
OH
Me
Me
O H2O/OH-
Me
Me
OH
OH
(rac.)
(rac.)
(meso)
E
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5.9 Addition konjugierte Diene HBr
H
Br
+ Br
H
1,2-Addukt
0C: 70:30 (kinetische Kontrolle)40C: 15:85 (thermodynamische Kontrolle)
1,4-Addukt ist hher subst. DB => stabiler
1,4-Addukt
Kinetisch:
H
hohes GewichtH
geringeres GewichtH
langsam raschBr
H
Br
O
- ungesttigtesCarbonyl
Michael-System
O
Nu
1,2-Addukt
Nu O1,4-Addukt
5.10 Additionen von Alkine z.B. Addition von HX (Markownikow) von Hal2 von H2O (H2SO4-katalysiert oder Hg2+-katalysiert)
C CH3C HHg2+
Hg2+
H2O
H2O
H3C
Hg
H3C
Hg
O
H
-Hg2+H3C
OH
TautomerieH3C
H
O
,
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AlkineH2O
Kat.Carbonylverbindung
6. Eliminierungen
6.1 Vorbemerkungen Additionen sind hauptschlich exotherm. Eliminierungen sind hauptschlich endotherm. G = H - TS In Eliminierungen nimmt Entropie zu Eliminierungen bei hherer Temperatur begnstigt.
6.2 Die wichtigsten Mechanismen
Hier: Eliminierung von HX
C C
H
X
langsam
-X- C C
Hschnell
-H+C C E1
C C
H
X
BaseC C
H
X
B
-HX-BaseC C E2
C C
H
X
Base-H+
schnell
C C
X
langsam
-X-C C E1cb
cb: conjugate base Falls Carbeniumion gut stabilisiert (z.B. viele Alkylsubstituenten) => E1 Falls Carbanion gut stabilisiert (z.B. viele Akzeptorsubstituenten) => E1cb Sonst E2 Achtung: Zwischen E1 und E2, sowie E2 und E1cb sind flieende bergnge hufig
auftretend.
-
-
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E2: C-H und C-X stehen antiperiplanar
Br
PhHH
PhBr
Base
-HBr
Br
Ph
PhH
E
(R,S) meso
Br
PhH
Br
HPh
H
BrPh
H
PhBr
oder
(R,R) (S,S)
Base
-HBr
Ph
Ph
BrH
Z
Warum antiperiplanar?
- Dipolmomente im Z antiperiplanar => gnstig - Stereoelektronischer Effekt
H
B
H HH
Me
iPr
ClMenthylchlorid
99%
H H
H
H
H
0,1%
HiPrCl
HHH
HMe
H
Base-HCl
iPrMe
100%
H H
HH
iPrHCl
HH
HMe
H
25%
iPrMe75%
Neomenthylchlorid Curtin-Hammett-Prinzip (siehe Handout: Curtin-Hammett-Prinzip)
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H
H
Br
Br
H
H
Br2 Base
2x -HBr
6.3 Konkurrenz zwischen E- und SN-Reaktion E1/SN1
OTos
H
EtOH
H
OEt
HSN1
E1ggf.
1,2- HWagner-
Meerwein-Umlagerung E1
E1
H
HSN1
EtO
H
E2/SN2 Nukleophilie und Basizitt gehen hufig Hand in Hand.
(siehe Handout: Konkurrenz zwischen SN2 und E2) Sterisch gehinderte Nukleophile mit hinreichend hohe Basizitt E2; keine SN2 (siehe Handout: Wenige nukleophile, starke Basen)
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6.4 Hofmann- und Saizew-Produkte
X
-HX
Saizew-Produkt
Hofmann-Produkt
Saizew-Produkt ist thermodynamisch gnstig. Hofmann-Produkt: Entfernen des Protons auen, d.h. da, wo keine sterische Hinderung
auftritt Hofmann Produkt dann, wenn sterische Hinderung auftritt! (siehe Handout: Hofmann- vs. Saizew-Produkt)
Mit einer schlechten Austrittsgruppe:
Austritt der Austrittsgruppe langsamer als Deprotonierung Tendenziell E1cb
Deprotonierung ist Mechanismusbestimmend Hofmann-Produkt
Schlechte Abgangsgruppe: -NR3+, -SR2+ (siehe Handout: Abhngigkeit von der Austrittsgruppe) Hofmann-Abbau
N
MeI
N
Me I
Ag2O
N
MeH
OH
N
MeI
Me
N
MeMe I
Ag2O
N
MeMeOH
-H2O
-H2O
H
N
Me Me
MeI
N
Me MeMeI
Ag2O
N
Me MeMe
OH
H
-H2O
zur weiteren Analyse
1
2
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6.5 Eliminierung in 1,2-Heteroatom-substituierte Verbindung
NaOHBr
Br+Zn
+ e-
Br
Br
Zn+
Br
ZnBr
(+ e-)
Br
ZnBr+Br
ZnBr
Zn
-ZnBr2
-ZnBr2
auch mit Mg, I2(=> I2Br-)
6.6 Eliminierung Carbene bzw. Carbenoide
Addition an Doppelbindungen (2+1) Cycloaddition Bzw. (2+2)
Cl Cl
Cl H
NaOHCl Cl
Cl
-NaCl
Cl
ClNa+Carben
ClCl
Naphthalin-Birch
Red.
HH
1) 2x Br22) NaOH
Vogelaromat Simmons-Smith-Cyclopropanierung
C
H
H
IZn
IH2C
ZnI
I
Zn
H2CI
I
+ ZnI2
Butterf ly-Mechanismus
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 48 von 115
Bamford-Stevens-Reaktion
H
R
O
H2N-NHTos
H
R
N
HN
S
O O
1 eq. Base
R
NN
S
O OH
-Tos-SO2-
H
R
N
N
-N2H
R
H
R
Keton Olef in
Arndt-Eisert-Kettenverlngerung von Carbonsuren-Homologisierung
R OH
O
R Cl
OSOCl2
H2C N N
RH
O
N
NDiazoketon
R CH2
H
O
Ketocarben
oder hvoder Metallkat.
Umlagerung von Diazoketonen:Wolff Umlagerung
RC
H
C
O
Ketene
NuH
hier: H2O ROH
H
Ohomologe Carbonsure
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 49 von 115
H. Staudinger, 1907-1912 in Karlsruhe
Cl
Cl
R
O
Zn
-ZnCl2
C
O
R
Cl
R
O
-HCl
NEt3
heute wichtige Methode
H3C CH3
OPyrolyse
700CKetenlampe H H
C
O
+ CH4
Das Keten
R
RC O
NuHR
Nu
H
O NuH: H2O ROH => Ester NH2R => Amide RSH => Thioester Etc.
H2C C O22+2
O
O
ROH
OR
OOH
OR
O O
Acetessigester Aber:
R2C C O22+2
R
R
R
R
O
O
Nitrene
R
N
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 50 von 115
Hofmann, Curtius, Lossen, Schmidt Curtius Reaktion:
R Cl
O
NaN3
R N3
O
R N
N N
O
R
N
C
OIsocyanat
R'OH
R
HN OR'
O
H2NR'
R
HN
HN
O
R'
H2O
R
HN OH
O
-CO2R NH2
Curtius- Umlagerung:
R N3
O
R
N
C
O
gezielte Folgereaktion
Lossen-Abbau:
R NH
O
OH Ac2OR N
H
O
O
O
NaOHaq.
R N
O
O
O
Hydroxamsure
-OAc- R
N
C
O
H2O / OH-
R
HN OH
O
instabil
-CO2R NH2
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 51 von 115
Hofmann-Abbau:
R NH2
O
R NH
Br
O
R N
Br
O
R
N
C
O
R NH2NaOBrNaOH
NaOHaqwie
oben
Schmidt-Abbau:
R OH
O
R
OH2SO4 aqHN3,
Acyliumkation
N3H
R N3
O
R NH2
R N3
O
R N
O
R
N
C
ONitrene sind keine Intermediate hnliche Reaktion: Hunsdiecker-Reaktion (Borodin)
HO2C Br
Hunsdiecker
46%
Vorbereitung:
R OH
O
R OBr
O1/2 HgO, Br2- 1/2 HgBr2- 1/2 H2O
Start:
R O
Br
O
R O
O
+ Br
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 52 von 115
Kette:
R C
O
OR + CO2
spontan
R + R C
O
OBr
R C
O
O
R-Br +
Kochi-Variante: LiCl, Pb(OAc)4 Abbau zu Chloriden Arduendo-Carbene N-Heterocyclische Carbene (NHC)
Sind stabil, lagerfhig Zu Metallen starke -Hinbindungen
Schwache -Rckbindungen Elektronenreiche Metalle
N
N
R
R
N
N
C
N
N
R
R
N NRR
M
N N
M
Schreibweise:
Alkenmetathese
N NMes Mes
RuCl
Cl
PCy3Ph
Grubbs-II-Katalysator
N
Tos
Grubbs-II-Kat. N
Tos
+
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 53 von 115
6.7 syn-Eliminierungen Acetat-Pyrolyse:
OH
O
300-600C
Pyrolyse
hier: 555C-HOAc
cyclischen, konzertierterMechanismus mit 6e- Z mit aromatischen Charakter Beide Komponenten (H, OAc) auf der selben Seite => syn
Cope-Eliminierung
N
H
R'R
N
H
R'R
OH2O2 odermcpba
100-150C +R
NR'
OH
Hydroxylamin
Aminoxid
Auch zur Synthese von Hydroxylamine
NMe2H
BnO
BnO
OBn OBn
BnO
BnO
OTBDPS
1) mcpba (83%)2) 145C (63%)
OTBDPS = Schutzgruppe Selenoxid-Methode/-Pyrolyse
O O
Se
H
Ph
O
O1) Base2) Ph-Se-Se-Ph(Diphenyldiselenid)3) H2O2 oder mcpba 0-100C + Ph-Se-OH
Cyclohexenon
Phenylselenensure
Selenoxid
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 54 von 115
Xanthogenat- Pyrolyse bzw. Tschugajew-Reaktion
HCO2Me
Me
H
OHH
HCO2Me
Me
H
OH
1) NaH2) CS23) MeI oder Me2SO4
SMe
S Xanthogenat/Dithiocarbonat
100-250Chier: 190C
Me
CO2MeH
H
+
MeS SH
O
MeSH + CoS
7. Reaktionen von Aromaten
7.1 Elektrophile aromatische Substitution 7.1.1 Mechanismus
Aromat hat ber -Wolke nukleophilen Charakter Ar-SE
Br Br AlBr3
Br2 + AlBr3
Br Br AlBr3
H
- Komplex
H
BrH
BrH
Br
- KomplexWheland-Komplex
+ AlBr4-
HBr
Br
H Br AlBr3 - HBr-AlBr3
katalytischBr
+
+
-
-
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 55 von 115
7.1.2 Monosubstituierte Benzolderivate 7.1.2.1 Halogenierung
H
H
Cl
Br
Cl2, AlCl3 kat.- HCl
Br2[Fe]- HBr
F: Baltz-Schiemann I: Sandmeyer 7.1.2.2 Sulfonierung
H2SO4 (rauchend) + SO3 HO S
O
O
+ HSO4
H SO3HSO3H
HSO3+
auch: SO3
HSO4-
- H2SO4
SulfonsureH2SO4 verd.
100C
SO3H als Schutzgruppe; entfernbar
7.1.2.3 Alkylierungen Friedel-Crafts-Alkylierung Typisch R-Hal/LSKat. (LS = Lewis Sure) Andere Carbenium-Vorlufer: R-OH/H+, Alkene + H+ Rasche Wagner-Meerwein-Umlagerung
Propyl-Hal in Friedel-Crafts-Alkylierung => Isopropylaromaten Produkte werden schneller umgesetzt als Edukte => hufig Mehrfachalkylierung Einfachalkylierung besser durch Friedel-Craft-Acylierung, dann Reduktion der
Ketogruppe zum Alkan
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 56 von 115
Hocksche Phenolsynthese:
H2SO4 oderAlCl3
Cumol
Mn+
O OH
Cumolhydro-peroxid
O
OH
Halbacetal
[H+]- H2O
OH
+O
Phenol Aceton Mn+ = kationisches bergangsmetall 5Mio to/a (= Tonnen pro Jahr) Phenol Aceton deswegen billig
Cumol nur nach diesem Verfahren 8% des Propens hierfr Hydroperoxidbildung durch Autoxidation Radikalkettenmechanismus
7.1.2.4 Carboxylierungen, Acylierungen, Formylierungen Friedel-Crafts-Acylierung:
R Cl
O
+ AlCl3
stchiometrischR Cl
O
AlCl3 R Cl
OAlCl3
+
- HCl
RO
AlCl3
RO
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 57 von 115
Kolbe-Schmitt-Salicylsuresynthese/Synthese von Aspirin (Carboxylierung):
OH
NaOH
O Na
CO2p, T
O O
OH
Na
O
CO2
Na
- H+
OH
OH
O
Salicylsure
Ac2O
ortho wegen Vorkomplexierungdurch Na+
O
OH
O
O
AcetylsalicylsureASS, Aspirin
Vilsmeyer-Formylierung:
H Cl
O
instabil CO, HCl
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 58 von 115
Zur Formylierung aktivierte Aromate (Anisole, Aniline)
H NMe
Me
O
DMF
+ POCl3Phosphoryl-
chlorid
P
ClO
ClO
H N
Me
Me
Cl
- PO2Cl-
H
Cl
N
Me
Me
Vilsmeyer-Reagens
NMeMe
NMeMe
HC
Cl
Me2N H
- H+
NMeMe
Cl NMe2
H+/H2O
NMe2
HO Gattermann-Formylierung:
HCN ist schlechtes Elektrophil => Aktivierung ntig Nur stark aktivierte Aromaten: Phenole, Anisol, nicht Aniline
Zn(CN)2HCl H C N
HClAlCl3
H C N H H C NH
AlCl4OMe
+ H C N H
OH
H NH2
OMe
HO
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 59 von 115
Houben-Hoesch-Acylierung:
R C NHCl, ZnCl2
R C N H R C NHZnCl3
ZnCl2 R C NH
ZnCl2
ZnCl3 Acylierung
Auch Alkylaromaten einsetzen Auch Polyhydroxyaromaten (mit Friedel-Crafts => Mehrfachacylierung)
RO
Subst.
Gattermann-Koch-Formylierung: CO als Elektrophil
C O H C O LSHClLS H C O LS
Auch fr Benzol und Alkylaromaten (auf diese beschrnkt) Reiner-Tiemann-Formylierung:
Cl
Cl als Elektrophil (schlechtes Elektrophil) Nur mit Phenolaten oder hnlich aktivierten Aromaten
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 60 von 115
HCCl3NaOH
CCl3 -Cl
Cl
Cl
OH
NaOH
O
CCl
Cl
nur ortho wegenVorkomplexierung
O
H Cl
Cl
P.T.
O
Cl
H
Cl -Cl
O H
Cl
OH
O
Cl
OH
OH
-HCl
O
H
O
OH
H
O
Salicylaldehyde
7.1.2.5 Chlormethylierung
H H
OZnCl2
O
H H
ZnCl2
OH HCl Cl
Formaldehyd / Lewissure / HCl NP: ber Friedel-Crafts-Alkylierung
NP: extrem toxisch
Cl O Cl
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 61 von 115
7.1.2.6 Synthese und Reaktion von Diazoniumsalzen
N2
N
N
NH2
DiazotierungNaNO2, HCl
=> "NO+"
N
H
H
N O
P.T.
bei ~ 0-5C
OH
(Phenolverkochung)
SnCl2/HCl
NO2
HNO3/H2SO4
Reduktion Diazoniumsalze:
N2 Cl H3PO2
-N2, -HCl
NaHSO3
H
HNNH2
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 62 von 115
Bsp.:
NH2 NH2
Cl
Cl
Chlorierung1) Diazotierung2) H3PO4
Cl
Cl Baltz-Schiemann-Reaktion:
NH2
NaNO2HBF4
N2 BF4
scharf erhitztin Substanz-N2, -BF3
F
Sandmeyer-Reaktion:
N
N
Cl
-N2[CuCl]
+ e-
+ CuCl- CuCl2
N
N
-N2
Cl
- e-
+ CuCl2- CuCl
ET-Mechanismus
Auch mit Br, I, CN und anderen Pseudohalogenide
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 63 von 115
Azokupplungen: Diazoniumsalze sind mig gute Elektrophile Reaktion mit aktivierten Aromaten ist mglich
N
N
SO3
Cl
+
N
MeMe
O3S
NN
H
N
Me
Me-H
O3S
NN
N
Me
MeMethylorange
(Indikator)Azoverbindung
7.1.3 Substitution an Heteroaromaten
NH
2
3Pyrrol
An C-2:
NH
E
H NH
E
H NH
E
H
An C-3:
NH
NH
H
EH
E
2 GF
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 64 von 115
NH
1) DMF, POCl2) Na2CO3
NH
H
O83%
NH
Indol
C-2
NH
E
H
NH
E
H
NH
E
H
etc.
1 benzoide Grenzformel (GF) C-3!
NH
HE
NH
HE
2 benzoide GF Regel von Clar: Je mehr intakte Benzolringe, desto stabiler!
N
Pyridin
HNO3/H2SO4
300C
N
NO2
15% Funktioniert nicht!
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 65 von 115
Aber:
N
H2O2
N
O
Pyridin-N-oxid
HNO3/H2SO4
100CN
NO2
O
PCl3
N
NO2
55% (3 Stufen)
7.1.4 Synthese mehrfach substituierten Aromaten Substituenten, die positive Ladung stabilisieren => beschleunigen Alkylgruppen: +I-Effekt Heteroatome (mit freiem e--Paar): +M-Effekt (strker!) M-Effekt strker als I-Effekt +(M,I)-Effekte strker als (M,I)-Effekte
Beispiel: Elektronenschiebender Substituent
OMe
Br2/AlBr3
OMe
H
Br
OMe
H
Br
dominante GFOMe
Br-H
ortho
OMe
Br2/AlBr3
OMe
OMe
-H
meta
Br
H
OMe
Br
H
OMe
Br
H
deutlich weniger gnstig!
Br
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 66 von 115
OMe
Br2/AlBr3
OMe OMe
-H
OMe
Br
paraBr H Br H
Beispiel: Elektronenziehender Substituent Induktiv: -I-Effekt (-CF3) Mesomer: -M-Effekt (-NO2)
NO2
Br2/AlBr3N
NO2
-H
N
ortho
Br
OO OO
N
OO
H
Br
H
Br
H
Br
sehr ungnstig
=> analog fr para
NO2
Br2/AlBr3
N
NO2
-H
N
meta
OO OO
N
OO
Br
H
Br
H H
Br
Br
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 67 von 115
Wirksame Effekte in Dirigierung: Elektronisch: ortho/para versus meta Sterisch: para > ortho Vorkomplexierung: ortho Statistisch: 2x ortho versus 1x para => ortho > para Typisch hauptschlich para, kaum ortho
Substituenten meist kinetisch kontrolliert. Bei thermodynamischer Kontrolle (selten):
Br
AlCl3-40C
(hohe Temp.!)GGW
Naphthalin
12
E+
E
H
E
H
etc.
1 benzoide Grenzformel
H E H E
etc.
E
2 benzoide Grenzformeln kinetisches Produkt
H E
E
thermodynamisches Produkt
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 68 von 115
kinet. P. thermodyn.P. 0C: konz. H2SO4: ~98 : 2
165C: konz. H2SO4: 15 : 85
7.1.5 Spezielle Reaktionen 7.1.5.1 Fries-Umlagerung
O R
O
AlCl3
O R
OAlCl3
O R
O
Cl3Al
O
Cl3Al
O
R O
AlCl3
OH
H R
O
R
OAlCl3
7.1.5.2 Substitution an metallierten Aromaten
MgBr
+ CO2
CO2MgBr
u.v.a Elektrophilen
+ BuLi
Li
+ BuH
unmessbarlangsam
Br Li
BuLi
- BuBr
extremschnell
Halogen-Metall-Austausch
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 69 von 115
NMe2
O
sec.-BuLi
ortho-Metallierung
NMe2
Li
O
E
O
NMe2
bergangszustand:
NMe2
O
Li
H
7.2 Nukleophile Substitution ber Additions-/Eliminierungsmechanismus Elektronenarmer Aromat reagiert mit gutem Nukleophil Gute Austrittsgruppe Bsp.:
F
NO2
NO2
RS-
SRF
NO
O
NO2
SRF
NO
O
NO2
SRF
NO2
NO O
etc.
gute Austrittsgruppe
elektronenziehend=> e--armer Aromat
SR
NO2
NO2
-F-
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 70 von 115
Cl
NO2
OH
NO2
OH-
100C
Cl
NO2
OH
NO2
NO2 NO2
OH-
20C
Sanger-Methode
H2N
HN
R1
R2O
O
+
F
NO2
NO2
Hydrolyse
NH
HN
R1
R2O
O
NO2
O2N
O2N
NO2
NH
CO2H
R1
+
H3N CO2H
R2...n
Analyse: z.B. Schmelzpunkt, Drehwert, UV-Eigenschaften
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 71 von 115
OMe
NO2O2N
NO2
EtO-
MeO OEt
NO2O2N
NO2
+ 5 weitere GF
Meisenheimer-Komplexsehr stabil; kristallisierbar
Tschitschibabin-Reaktion
N
+ NaNH2
N NH2
ortho
N NH
N N NNH2
H
H- H
H
H2
NH2-
In Xylol (bei erhhter Temperatur) In NH3(l) H- kann auch in situ oxidiert werden mit KMnO4, KNO3
7.3 Eliminierungs-/Additionsmechanismus Arin-Mechanismus
F
NaNH2-NH3
F
Na
-F-Eliminierung
ArinBenz-in
NH2
H
NH2NaNH2
Addition
Na
NH3
zustzliche -Bindungenin der Ebene
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 72 von 115
CH3
Br
NaNH2
CH3
Br
CH3
CH3
NH2
CH3
NH2CH3
NH2
CH3
NH2
m-Toluidino-Toluidin
Kine-Substitution (kinematos: Bewegung) CO2
NH3
NaNO2HCl
CO2
N2
- CO2- N2
2x3x
Biphenylen
Triphenylen
Diels-Alder-Reaktion
Triptycen
Anthranilsure
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 73 von 115
Cl OH
KOH350C
OH
58%
42%
hauptschlich Arinetwas E/A
Isotopenmarkierung
8. Additionen an Carbonylverbindungen
8.1 Reaktivitt von Carbonylverbindungen
RR'
O
E+ oderhnliches
RR'
OH
RR'
OLS
RR'
OE
oder oder
Nu+R
Nu
O R'
Base
RR'
O
Enolat
Carbonylaktivitt (gegenber Nukleophile):
R H
C
O
Keten
>
R Cl
O
Surechlorid
>~
R O R
O O
Sureanhydrid
~
R H
O
Aldehyd
>
R R'
O
Keton
>
R OR'
O
Ester
>
R NR2
O
Amid
>
R O
O
Carboxylat +I-Effekt: stabilisiert die Doppelbindung => Zwitterionische Grenzformel hat mehr
Gewicht (noch mehr bei OR, -NR2, -O-) Umgekehrt mit Akzeptoren: -OAc, -Cl
+
-
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 74 von 115
8.2 Nukleophile Addition von Heteroatomnukleophilen an Aldehyde und Ketone 8.2.1 Hydrate und deren Stabilitt
R H
OH2O O O
R H
H
H-H+ +H+ HO OH
R H
HO OH
H HFormalin
HO OH
Cl3C HChloralhydrat
O
O
OH
OH
Ninhydrin
HO OH
F3C CF3Hexalf luoraceton
8.2.2 Halbacetale und Acetale
R H
ORO OH
R HHalbacetal
ROH
RO OH
R H
-H+ RO O
R H
HH
R H
OR
- H2O ROH RO O
R H
H
R- H+
R H
RO OR
Acetal
O O O
nParaformaldehyd n = 8-100
O O
O CH3
CH3
H3C
Paraldehyd
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 75 von 115
8.2.3 Imine, Oxime und Hydrazone
R H
O
N O
R H
RH
H - H+ + H+
N OH
R H
RH
Halbaminal
Bildung bei pH = 5!
RNH2
N OH
R H
H
R+ H+ N O
R H
H HR H
- H2ON
R H
H R
- H+
R H
N
R
Imin
N
R H
OH
Oxim
NNH2
R HHydrazon
E/Z Isomerie mglich!
Aldimine: hufig E konfiguriert Ketimine: hufig E/Z-Gemische
8.2.4 Synthese und Umsetzung von Enaminen
R
H
O
NH
R
H
ON
H
- H+ + H+
R
H
OHN
+ H+
R
H
OH2N- H2O
N
H
R
- H+N
H
Enamin
8.3 Addition von C-Nukleophilen 8.3.1 bersicht ber metallorganische Verbindungen Mg-, Li-, Zn-, Cu-, B-Gruppe
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 76 von 115
8.3.2 Bildung von metallorganischen Verbindungen R-X + 2M R-M + MX (M: Metall) Bu-Br + 2Li Bu-Li + LiBr Bu-Br + Mg Bu-MgBr (Grignard-Verbindung)
R MgBr2Schlenck-
GGW
R Mg R + MgBr2
I+ Mg
E.T.I
+ Mg
I + Mg + MgI MgI
Br
+Li
Li
+Br
Metall-Halogen-Austausch
8.3.3 Addition von Grignard-Verbindung und Lithiumorganyle an Carbonylverbindung
H
O
+
BrMg
Bu
H OMgBr
Bu
H OH
Hydrolyse
bersicht:
R H
O
R R'
O
R OR'
O
O
1. R''MgX2. Hydrolyse
R R''
OH
R R'
OH
R''
R R''
OH
R''
R''OH
-
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 77 von 115
8.3.4 Reformatski- und Blaise-Reaktion Zn- Organyle sind weniger reaktiv als Mg- oder Li-Organyle Sie reagieren nicht mit Carbonsureestern Reformatski:
R
OR'
O
Br
ZnR
OR'
O
ZnBr
R H
O
R OZnBr
R
OR'
O
R OR
OOH
R
H+/H2O
Blaise:
R
OR'
ZnBr
O
R
N
R
R
OR'
O
NZnBr
H+/H2O
R OR'
R
O O
R
N
R'-MgX
R R
NMgX
H+/H2O
R R'
O
8.4 Addition von Hydriden an Carbonylverbindungen 8.4.1 Mechanismus
R R
O
Et2O
AlH H
H HLi
H3Al O H
R R
Li
H2OHO H
R R
Reagenzien: LiAlH4 NaBH4
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 78 von 115
8.4.2 Chemoselektivitt
H
O O
H
O O
NaBH4CeCl3
CeCl3
"H- "
H
O OH
H
OH O
H
NaBH4-78CMeOH
8.5 Stereochemie
R
O
109
Nu
R
O
NuR
O
Nu
109
Cram-Modell:
L = LargeM = MiddleS = Small
Reste
L
M
S
O
R
L
M
S
R
O
L
M
S
O
NuR
L
M
S
schnell
Nu
O
Nu
NuR
langsam
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 79 von 115
Ph
H
Me
O
1) MeMgBr2) H2O/H+
Ph
Me
Me
OH71%
+
Ph
Me
Me
OH29%
8.6 Reaktionen ber Enolate und Enole 8.6.1 pka-Werte
O O OH
H
H+
O
- H+O
bersicht ber Lage des Gleichgewichtes:
O OH
H
O
H
OH
O O O O
H
O
H
O
O
H
OH
k = 8*10-8 => GGW links
k = 10-5 => GGW links
k = 0,23 => GGW links
k = 50 => GGW rechts
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 80 von 115
Basen pka LDA ~40 KOtBu 19 NaOEt 16 NEt3 10,7
8.6.2 Regioselektivitt der Enolatbildung
O
H3C
thermodynamischstabiler,
langsame Reaktion
B- B-
O
H3C H3C
O
LDANEt3
kinetischleichter zugnglich und
statistische Wahrscheinlichkeit,schnelle Reaktion
O
H3CH
H LDA
O
H3C
Me3SiCl
OSiMe3
H3C
Silylenolether
O O
O
Bredt'sche Regel
das geht, weil 8-Ringgeht nicht
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 81 von 115
8.6.3 - Halogenierung von Carbonylverbindungen
R
R
O
R
R
OH
Br-Br
R
R
Br
OH
R
R
Br
O
-HBr
Br
8.6.4 Haloform-Reaktion
R CH3
O
R
O
R
X
O
R CX3
O HO O
R CX3
R O
O
+ HCX3
OH
O
+ -CX3
X2 OH-
8.6.5 Sure- und basenkatalysierte Aldolkondensation
R
H
O[H+]
R H
O
H
+ R
H
OH
R' H
R
HO H O
H
R' H
OH
R
O- H+
Produkt der Aldoladdition
~ H+
R H
OH2
R H
O
O
R' H
E2-Eliminierung
-A-H2O
R' H
H
R
O
Produkt derAldolkondensation
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 82 von 115
A:O
R H
H
R
H
O
R
H
O-OH
R H
R
O H O
R' H
O
R H
R
HO H O
~ H+
R' H
R
H O-OH-
E1cb-Eliminierung
8.6.6 Gekreuzte Aldolreaktionen
R H
O
+N
H
R
N
HR
O
R
Cl H2O/H+
R' H NH2
OH
R
O
+
Cl
Mukaiyama Aldolreaktion
O
LDA
O
TMSCl
OSi
Me
Me MeCl
H R
OTi
Cl
Cl Cl
RCHO + TiCl4
O
R
OTi
Cl Cl
H2O
O
R
OH
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 83 von 115
Claisen-Schmidt
H
O
2 +
O
KOHMeOH
O
60% Claisen
O
OR
O
+ NaOEtEtOH
OR
O
74%
8.6.7 Intramolekulare Aldolkondensation
H
O
O
EtONa
O
8.6.8 Knoevenagel-Kondensation 1,3-Dicarbonyle: pks: 9-13 Schwache Basen
EtO OEt
O OEt3N
EtO OEt
OOH
O
EtO OEt
O Ph
O O
~ H+
EtO
O
PhHO
O
E1cb-OH-
EtO OEt
OO
Ph
+ weitere GF
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 84 von 115
C C
N N
Cl
CS-Gas
8.6.9 Perkin-Zimtsuresynthese
Ar H
O 1) Ac2O/NaOAc2) Hydrolyse
Ar OH
OAr: Aromat
O
O O
OAc-
-HOAcO
O O
Ar H
O
Ar O
OOO
Ac2O
-OAc-
Ar O
O OO
O
-HOAc
Ar O
O O
Hydrolyse-HOAc
Ar OH
O
OAc
HAr
H
H
AcO2COAc
HAr
H
CO2AcH
gnstiger => E Sure-Anhydride bilden leicht Enolate Surechloride ebenfalls: Hell-Volhard-Zelinskii-Reaktion
8.6.10 Mannich-Aminomethylierung Reaktion von CH-aciden Verbindungen mit Iminiumverbindung
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 85 von 115
R
H
R R
OO
+ +R
HN
R
SureoderBase
R N
R
R
R RO
R
O
+ N
RR
RR
aus 2+3
R NR2
R RO
R R
RO
Mannich-Produkt
ggf .
ber: Alkylierung Eliminierung
Eschenmoscher-Salz:
N
MeMe
H H
I
8.7 Additionen an ,-ungesttigete Carbonylverbindungen
R H
OR H
O
weich hart
1
23
4
Weiche Nukleophile: Enolate von 1,3-Dicarbonyle Cuprate
Harte Nukleophile: Li- oder Mg-organische Verbindungen Weiche Nukleophile reagieren in -Position
Konjugate Addition, Michael-Reaktion 1,4-Addition (im Gegensatz zur 1,2-Addition)
mit Amine, Cyanid, Alkoholate, Thiolate, Enolate, Cuprate Cuprate bilden 1,4-Addukte (im Gegensatz zu Mg- oder Li-organischen Verbindungen) 2 RLi + CuI R2CuLi + LiI 2 RMgBr + CuBr R2CuMgBr + MgBr2
+ +
+
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Seite 86 von 115
O
R
OMichael-Verbindung
R2CuLi
Michael-Addition:
R
O
R
O
R R
OO
R R
OO
1,5-Dicarbonylverbindung
1 5
Retrosynthese, am Bsp.: O Retrosynthese ist ein Gedankenexperiment.
O
FGI
OH O
OH O
E.J.Corey
Aldol-Reaktion
entsprechen nichtder natrlichen
Reaktivitt, nur berUmpolungskonzepte
OH
OH
O
O
Synthon Br
O O
FGI: Functional group interconversion Synthese:
O
LDA-78C
O OH
O1)
2) H2O
Die Robinson-Anellierung:
Michael-Addition + Aldol-Kondensation Ausgangsmaterialien von Terpenen/Steroiden
+
+
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 87 von 115
O
O
Base
+
O
Base
O
O
O
O
O
O
-OH-
Michael
Aldol-Kondensation
8.8 Olefinierungen 8.8.1 Wittig-Olefinierung
Aus Carbonyl- und CH-acider Verbindung entsteht unter C-C-Knpfung ein Olefin.
R
O
R
R'
Olefinierung
Mechanismus:
Ph3Pi +R X
SN2
Ph3P X
XBase
Ph3P
R
Ph3P
RYlid Ylen
Ph3P
O
R
R2
R1
R1 R2
O
Oxaphosphetan
R
R2
R1+Ph3P O
Welche Base wird verwendet?
R = Alkyl: starke Base erforderlich (BuLi, NaNH2, KO+Bu) 90% Z R = Ar: mittelstarke Base (NaOEt) E/Z-Gemisch R = CO2R: wenig starke Base (NaOH/H2O) 90% E
(oder hnliches)
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 88 von 115
8.8.2 Horner-Wadsworth-Emmons-Olefin (HWE) Man geht von Phosphonat-Anionen aus. Phosphonate sind aus Arbusow-Reaktion zugnglich (4.7.3)
(EtO)2P
O O
OR2
BuLi oderNaH oderKO+Bu
(EtO)2P
O O
OR2
R1 H
O
R1 CO2R2
O P(OEt)2
O
O P(OEt)2
O
R1 CO2R2
R1
CO2R2
+ O P(OEt)2
O
E Diethylphosphat
Nur mit e--armen Phosphonaten hohe E-Selektivitt Diethylphosphate sind wasserlslich und durch Extraktion entfernbar Ph3P=O (Wittig) sind schwer abtrennbar
8.9 Umpolung der Polaritt von Carbonyl-C-Atomen 8.9.1 Corey-Seebach-Methode
H H
O
E+ Nu-
H
O
Formyl-Anion
R
O
R+ + CO
Acyl-Anion
nicht existient
+
-
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 89 von 115
H H
O
HS SH
WasserabscheiderS S
H HDithian
BuLiS S
ungepoltes Substrat
R1X S S
R1
R1 H
O
HS SH+
idem
HgCl2
R1CHO
S S
R1 R2
1) BuLi2) R2X
HgCl2
R1 R2
O
S S
R R
MeI
S S
R R
Me S SMe
R
R
H2O
R R
O
Anderes Beispiel fr eine Umpolung:
R BrMg R Mg Br
8.9.2 Benzoin-Reaktion
Ph H
O
Ph H
CNOCN- P.T.
Ph
CNHO Ph H
O
Ph
Ph
O
CNHO
P.T.
Ph
Ph
O CN
OH
-CN-Ph
Ph
OH
O
CN-: Katalysator
- +
-
+
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 90 von 115
Stetter-Reaktion:
N
S
Me
N
N
NH2
N
S
OH
Cl
B1 Thiamin
Mit CN- nur aromatische Verbindungen Mit Thiazolium-Anion auch Aliphaten
R H
O
+
R'
O
Kat.
R
O
R'
O1,4-Dicarbonyl 1,5- und 1,3-Dicarbonylverbindungen durch natrliche Reaktivitt mglich 1,4- und 1,2 Dicarbonylverbindungen nur durch Umpolungskonzepte zugnglich Paal-Knorr-Synthese:
R
R
O
O
OP4O10
P4S10
R R
SR R
NR R
R
H2NRHOAc
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Seite 91 von 115
Mechanismus am Beispiel von Furan:
R
R
O
O
H+
R
R
OH
O
OR
H
R
O
OR
R
OH
P.T.H+
OR
R
OH2
HH
H2O
ORR
9. Carbonsure und deren Derivate
9.1 Herstellung 9.1.1 Addition/Eliminierung
R X
ONu-
R X
NuO
-X-R Nu
O
Abkrzende Schreibweise fr den Elektronenfluss:
R X
O
Nu-
R Nu
O
bersicht (siehe auch OC I Vorlesung):
R Cl
O
R O R
O O
R OR'
O
R OH
O
R NR'2
O
SOCl2
H2O
R'OHR'NH2
R' O
O
H2O
R2NH2
R'OH
R'OH/H+NaOH
HNR'2
H+/H2O
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Seite 92 von 115
R OH
O
+ S
O
Cl Cl R O
S
Cl
O O
Cl-Na+
R Cl
O
+ SO2 + HCl
Acylierungen mit Surechloriden gehen besser mit Pyridinzusatz (Einhorn-Variante) oder noch besser mit DMAP (Steglich-Methode).
R Cl
O
N NMe2
4-(Dimethylamino)-pyridin (DMAP)
R N
O
NMe2
geht deutlichrascher
Nu-
9.1.2 Synthese von Carbonsurenderivaten der Kettenverlngerung
Br
Mg, Et2O
NaCNDMF
MgBr
CN
COOH
1) CO2 (gasfrmig, Trockeneis)2) H+/H2O
H+/
Zur Erinnerung: Arndt-Eistert ist auch eine Homologisierung
9.2 Darstellung von Nitrilen SN2 mit Cyanid Mit wasserziehenden Mitteln aus Amiden (unsubstituiert)
R NH2
O
R
NP4O10oderDCC-DCU
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 93 von 115
DCC: Dicyclohexylcarbodiimid
NC
NH
H
DCU:
R
HN
HN
R
O
urea
R N
O
H
H
PO
P
OP
PO O
-HOP
OP
NH
PO OP
O
R
N
PO
P
OH
PO O
-
O
P
OP
O
P
O
O OP
O
O
O
O
Nu-
Skript zur Vorlesung Organische Chemie II Version 2013/14 Wintersemester
Seite 94 von 115
9.3 Reaktionen von Enolaten von und mit Carbonsurederivat Claisen-Kondensation:
R
O
ONaOEt
R
O
OR' O
O
R
O
O
O
EtO R'
Na
R
O
O
R'O
-NaOEt
NaOEt R
O
O
R'O
Auf-arbeitung
R
O
O
R'O
Dieckmann-Cyclisierung:
CO2R
CO2R
EtONa
CO2R
O
9.4 Decarboxylierung und Carbonsuren
R' O
R
O O
NaOH
R' O
R
O O
Na R' O
R
OO
Na
R'
O
R
Na
O
C
O
+
R'
R
O
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Seite 95 von 115
R R
ORO OR
O O
OR O
R
OR
O
O
O R
OR' R O
1,5-Dicarbonyl-Verbindung
NaOH-CO2
R
OR
Br
ORO OR
O O
R
O
OR
ORO
O
NaOH-CO2
R
OR'
O
O1,4-Dicarbonyl-Verbindung
CO2H
CO2H
+Diels-Alder
CO2H
CO2H
Br2
CO2H
CO2H
Br
Br
NaOH
CO2H
CO2H
hv CO2H
CO2H
Pb(OAc)4- 2 -OAc O
O
O
O
PbOAc
OAc
Dewar-Benzol Kolbe-Reaktion:
R CO22
Anode-2e-
-2CO2R R
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Seite 96 von 115
MeO2C
CO2H2 -2 e-
-2 CO2 MeO2C
CO2Me
Sebacinsuredimethylester
9.5 Halogenierung von Carbonsuren Hell-Volhard-Zelinskii:
OH
O
OH
Br
OKat. PBr3/Br2
OH
O
Br
O
1/3 PBr3-1/3 H3PO3
Br
OH
Br
O
BrBr2
[H+]
OH
O
OH
Br
O
10. Oxidationen und Redukionen
10.1 Oxidative Spaltung von Alkenen Ozonolyse 10.1.1 Herstellung von Ozon
Siemensschen Ozonisator => 15% ozonhaltiger Sauerstoff
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Seite 97 von 115
10.1.2 Mechanismus der Ozonolyse
+O
O
O O
O
O
Primrozonid
O
O
O+
O O
O O
O
Sekundrozonid(Criegee-Intermediat)
HydrolyseO O
+
O
+
O O
O
H2O2
Zn/AcOH oder Me2S
LiAlH4
OH
O O
+
O
H
O
+
OHOH
+
N
1) O32) Na2SO3
80%N
H
O
O
O
O
1) O3, HCO3H2) H2O2
95%
HO2C
HO2C
CO2H
CO2H
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Seite 98 von 115
N
N
CH2
+
N
N
Dihydro-1,2-diazol
N
O
C
CH3
+
O
N
Dihydroisoxazol Ozon:
OO
O OO
O
OO
O OO
O
Nitriloxide:
R C N O R C N O
R C N OSextett
R C N O
Oktett
Durch isoelektronische Ersetzung knnen andere 1,3-Dipole konstruiert werden:
C
N
O
O
N
O
C
N
N
O
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Seite 99 von 115
10.2 Oxidation von Alkoholen 10.2.1 Oxidation mit Cr(VI)-Reagenzien
OH OH
O
K2Cr2O7H2SO4
H OH H O
CrOO
O
CrO O
HO O
Addition/Eliminierung
-H2O
O
+
HO
Cr
O
O
Gegebenfalls:
H O
OH
CrOO
O
H
OH2O
H OH
OH CrO O
HO O
-H2OOH
O
-HCrO3-
Substanzen, um direkt nach Alkohol zu stoppen:
PCC (Pyridiniumchlorochromat) PDC (Pyridiniumdichromat) Collins-Reagenz (CrO3 Py2)
10.2.2 Oxidation mit aktivierten Dimethylsulfoxid Swern-Methode (Oxalylchlorid) Pfitzner-Moffat (DMSO, DCC) Swern:
Me S
Me
OCl
Cl
O
O
Me
S
O
Cl
O
O
MeCl
-CO-CO2 Me
S
Me
Cl
R OH
Et3N-Et3NHCl
O R
S
MeMe
ClEt3N
-Et3NHClO H
R
S
Me
Me
S H+
H R
O
N
H
Cr
O O
Cl O
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