Organische Chemie [3. Auflage] 3527298193

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K.P.C. Vollhardt, N. E. Schore

ORGANISCHE Dritte Auflage

Übersetzungsherausgeber: H. Butenschön

®WILEY-VCH

Periodensystem der Elemente 1 1.00794

Relative Atommasse nach IUPAC (Daten von 1999); für radioaktive Elemente (*)

1

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K. Peter C. Vollhardt Neil E. Schore

Organische Chemie

WWILEY-VCH

Lehrbucher von WILEY-VCH

einfach gut!

F. A. Carey, R. J. Sundberg Organische Chemie Ein weiterführendes Lehrbuch

1998, ISBN 3-527-29217-9

P. W. Atkins Physikalische Chemie 2. Auflage 1996, ISBN 3-527-29275-6

D. F. Shriver, P. W. Atkins, C. H. Langford

Anorganische Chemie Übersetzung herausgegeben von J. Heck, W. Kaim, M. Weidenbruch

1997, ISBN 3-527-29250-0

D.Voet, J1..G. Voet Biochemie Übersetzung herausgegeben von A. Maelicke, W. Müller-Esterl

1994, ISBN 3-527-29249-7

B. König, H. Butenschön

Memofix Organische Chemie Fakten und Konzepte kurz und bündig 2. Auflage 1999, ISBN 3-527-29867-3

-

K. Peter C. Vollhardt Neil E. Schore

Organische Chemie Dritte Auflage

Übersetzung herausgegeben von Holger Butenschön

Übersetzt von

Barbara Elvers, Arne Lüchow, Andrea Kohlmann und Robert Pfeifer

®WILEY-VCH

Titel der Originalausgabe: Organic Chemistry, Structure and Function, Third Edition First published in the United States by W. H. Freeman and Company, New York, New York and Oxford, © 1999 Prof. Dr. K. Peter C. Vollhardt Dept. of Chemistry University of California, Berkeley Berkeley, CA 94720

Prof. Dr. Neil E. Schore Dept. of Chemistry University of California, Berkeley Berkeley, CA 94720

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Prof. Dr. Holger Butenschön Institut für Organische Chemie der Universität Hannover Schneiderberg 1B 30167 Hannover

Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren, Herausgeber, Übersetzer und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler keine Haftung.

. Auflage 1988 . Auflage 1995

. Auflage 2000

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Übersetzer: Dr. Barbara Elvers, Dr. Arne Lüchow, Dipl.-Chem. Andrea Kohlmann, Dipl.-Chem. Robert Pfeifer. Umschlagsgestaltung: Gesamtgestaltung von Wolfgang Scheffler, Mainz; ELF-Darstellung von Benzol von Dr. Andreas Savin, Paris. Bildnachweis: . 110: NOOA,

Science Photo Library, Photo Researchers

. 236:

Chad Slattery, Los Angeles, USA

. 365:

Eric Bouvet, Gamma

. 370:

Riccardo Marcialis, Photo Researchers

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387:

Geoff Tompkinson,

404:

Plailly, Eurelios (links) und Paul Shambroom

Science Photo Library, Photo Researchers

(rechts), Science Photo Library, Photo Researchers

. 714: Ecole Nationale Superieure de Chimie de Paris . 1160: Evan Agostini, Gamma Liaison numumnmnmunmu . 1200: National Institute on Aging, NIH, Bethesda, USA

Die Deutsche

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Ein Titeldatensatz für diese Publikation ist bei Die Deutsche

Bibliothek erhältlich

ISBN 3-527-29819-3

© Wiley-VCH Verlag GmbH, D-69469 Weinheim (Federal Republic of Germany), 2000. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form — durch Photokopie, Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren — reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, daß diese von jedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind. All rights reserved (including those of translation into other languages). No part of this book may be reproduced in any form — by photoprinting, microfilm, or any other means — nor transmitted or translated into a machine language without written permission from the publishers. Registered names,

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be considered unprotected by law. Satz: Hagedorn Kommunikation, D-68519 Viernheim. Druck und Bindung: Franz Spiegel Buch GmbH, D-89026 Ulm. Printed in the Federal Republic of Germany.

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Vorworte des Herausgebers zur zweiten und dritten deutschen Auflage

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Struktur. und Bindung organischer’Moleküle

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Das Gebiet der organischen Chemie: Ein Überblick ..... 2.2... 22.2.2020. Ionische und kovalente Bindung: Kurzer Abriß der historischen Entwicklung ..... Das.guantenmechanische AtommiodellAtomorbialen 2 Era ln 2a a. a Bindung durch Überlappung von Atomorbitalen: Molekülorbitale ............ Bindungen n komplizierten Molekulen-Hybridorbitle 27... .2,...... 0.4. Nicht alle Elektronen werden gleichmäßig aufgeteilt: Die polare kovalente Bindung . RESOHANZIDreIT I een Song ea ee Zusammensetzung, Struktur und Formeln organischer Moleküle ............. De rstandnE UDUDS ET N ee ee BIICHEIDEU onZzepie ee a une sn AULSSDEH EEE Sure a RE N ea ee ae

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Die Stärke. der Bindungenzin Alkanen: Radikale 4 mr ra DENN ER. 9 Strakwr von ak vlradiialens Hyperkonjusatong Sr REN, Erdöl und das Cracken von Kohlenwasserstoffen: Ein Beispiel für Pyrolyse ...... Die Chlorierung von Methan: Radikalkettenmechanismus . ........! 2.2.0.0... Andererradikalsche HalogenierungensvonsMethan u. Rn. 1 RAW TER. Die Chlorierung höherer Alkane: Relative Reaktivität und Selektivität ......... Die Selektivität der Halogenierung von Alkanen mit Fluor und Brom... ....... Synthetische Bedeutung der radikalischen Halogenisfüng . ...... 1... Zu. 8%

88 90 92 95 99 101 105 107

Inhaltsverzeichnis

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3.9 3.10

Synthetische Chlorverbindungen und die stratosphärische Ozonschicht ......... Verbrennung und die relativen Stabilitäten der Alkane. ... m. un ce... n.. VOrSSAANISWDUNE", ap cn 4.2 a. De on PR U SE 7 Wichtise Konzepts TE en er Aigaben 2 a fe u ee ee a ee TE

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4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7

Namen und physikalische Eigenschaften der Cycloalkane . .. 2... ccm... Rıngspanauns-und.die Struktur der.Cyeloalkane u. 2 Er een Cyclohexan, ein spannungstieies Cyeloalkany . 22. Substifüierte,Cyelohexane’ zuE Sera Fun Se ne un 9 ag oki Cydealkaner ee 2A Bolyeyelische-Alkaneı. RE ee 20h 202. Carbocyclische: Naturstoffer a 2.2. 20. me en re en ee ee Verstandiisubung tn a U Ne TEN ae Wichtige Konzepte m 9 our u SE er N EEE, NE ee a See nn AUlEADEn:

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Inhaltsverzeichnis

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205 205 206 208 211 214 216 218 220 224

28 236 238 239

247 247 249 252 253 256 20 262 265 269 272 274 274 275

KONG |CHWERHE IB

RR

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ILRIETDN EHE TREND. RR

a

rl

INGEBENMATLZOCHEALKONO CE EN Strukturzund physikalischerBigenschäften der Alkohole" 7 227. 2. AIRORSHCHS INN SAUTEN TONAED ASC TIERE EN ae En N N Technische Alkoholsynthesen mit Kohlenmonoxid und Ethen ..... 2... 2.2.2... Alkorelsynthese/durch nucleophile Substitution. Epssir nal era dr Pt: Die Redox-Beziehung zwischen Alkoholen und Carbonylverbindungen ......... Metallorganische Verbindungen: Reagenzien mit nucleophilen Kohlenstoffatomen ... Metallorsanische-Reagenziender.-AlKoholsyntkese hs a entre sn ataren age Komplizierte Alkohole: Eine Einführung in die Synthesestrategie ......2..2.... VERSTSRONISUDDIETE Sea ee re Ar en an RE NCHeERe AK FIONENn)r 1. 2 Ne Ran N Ener en WENIG Konzepte... 8 2 Ra a a ee vente aid era herpeyer af AUSLESEN a ld lau French

Weitere Reaktionen der Alkohole und die Chemie der Ether

.......

Reaktionen von Alkoholen mit Basen: Die Darstellung von Alkoxiden ......... Reaktionen von Alkoholen mit starken Säuren: Alkyloxonium-Ionen in Substitutions- und Eliminierungsreaktionen von Alkoholen .. Winlag tungen vom Cat beim Toner men a en Die Bildung organischer und anorganischer Ester aus Alkoholen ............. Nomenklatur und. physikalische Eigenschaften von Efhem 7 2. 2. EN PDTEE WAL I1NSON>ELHETSy TIL ESC RL ee N RE ELBE SEO RINDE Piher aus? AIKoholensundAiımeralsaute nen N Keaktione EOS Eher Ir EI ee a RN RR DERSERE ReaKktoNENL von ®xacyelopfopanen Fr Eee Schwelelanalogarder Alkohole, unKEThETE FE Physiologische Eigenschaften und Verwendungszwecke einiger Alkohole und Ether . . Verstand HUN SH da RE ee DNeuerRearUonEens se RL AL N Miichtigetkonze Die 25 7.0.30 rs a a N USTICADC EEE nn Lats er ae Er a lan a ae ae

10

NMR-Spektroskopie zur-Strukturaufklärung

10.1 10.2 10.3 10.4

Enysikalisen2)Mebmethoden und’chemisch Nachweise re NYastIst\SPEKLIOSKODIE Dr MET RE NER ERBEN En AN LS Protwnen-Kernresonanz (H-NMR)F ES 2 Sr BRITEN BEE TOR IENNTLIT, ON Anwendung der NMR-Spektren zur Analyse der Konstitution von Molekülen: DrescheinisehesVersenieDUnE WONPETOTONETIE MR N es Chemisch äquivalente Wasserstoffatome haben dieselbe chemische Verschiebung IDKTE EPA IOFPERBBE Ben. 4 6108 a neDeo Re EL ei ee late er Spin-Spin-Kopplung: Die gegenseitige Beeinflussung nichtäquivalenter Wasserstoffatome ........... Komplizierteresspin-Spin-Kopplungsen a nr en BE-NMR-Speioskopies2. Ra NEE EEE IE SBINOTEITIO SENT RENT NIS LAN UNISUDUIN Sms ee Re RE tn Zu EV Ichtjee IKONZepIeAe ar Be 2 RE NEN Sr FENTE ee N RE: Knie. a re

10.5 10.6 107 10.8 10.9

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ner

11

Alkenerundalnttarot-SpektrosKoplehn

KIT 102 11:3 11.4 11:5 11.6

DIANomenklatumsder? Ikea N ea aa Stmukttrsund Bineuge un Ethen 2Diere Bindunees a N RI NET EhysikalischeElpenschaften der. AlkeneintEaE I. 2A RR EEE RRUAGHFESEN, NMRSSPektroskopiesvonr A Tkenen u ZERO ENEINI EN.SO SRORGESZ Eine Methode zur Identifizierung funktioneller Gruppen: Die Infrarot-Spektroskopie Der Grad der Ungesättigtheit: Eine weitere Hilfe zur’Identifizierung von Verbindungen In. rn. N Die relative Stabilität von Doppelbindungen: Hydrierungswärmen ............ Darstellung von Alkenen aus Halogenalkanen und Alkylsulfonaten: Anwendung bimolekularer Eliminierungen EHE IHN IRINA ARGOH RR

NE

Inhaltsverzeichnis

283 284 285 288 291 292 294 302 306 309 316 318 323 323 331 332 334 336 343 347 331 354 337 358 363 367 Sa 372 341 3]:

387 388 389 391 398 403 408

412 420 427 434 436 437 449 450 453 456 458 464 470 471 474

IX

29

Darstellung der Alkene durch Dehydratisierung von Alkoholen ........ Verständnisübuneht ze Mae Be AM EA NeterReaktionen „u. .aenhornsh ee ee WichtigeKonzepte 1 er: 5 u ee ren 2 er EN. Aufeabend[tr 2.0: 2a Sie Sale an ad ee wech be

479 484 486 489 490

12

Die-Reaktionen: der: Alkene

ai 122 23

Warum Additionsreaktionen stattfinden können: Thermodynamische Aspekte Dierkatalyasche Hydrierung vor Alkenen eo ey. Der nucleophile Charakter der r-Bindung: Blektropinle’ Addıtfonzvon Halogenwasserstältene rn te Alkoholsynthese durch elektrophile Hydratisierung: Thermedynamisen>Reaktionskonttollee) 2 WE En a Blektrophale»Additionvon Halogenenzan ÄAlkener I an. Sana DieVeralleemeinerung derelektrophilen Addition. 7 2 un. as ner Oxymercurierung-Demercurierung: Eine spezielle elektrophile Addition ... Regioselektive und stereospezifische Funktionalisierung von’ Alkenen dureh Liydroborierung sy me a nr Oxacyclopropan-Synthese: Die Oxidation mit Peroxycarbonsäuren ....... Synthese vicinaler syn-Diole durch Oxidation mit Permanganat GIEL OSMIUNNELLORIE a ae ek ee ee Oxidativerspaltung. Ozonolyse er a a en Addition von Radikalen an Alkene: Bildung von anti-Markovnikov-Produkten Dimerisierung, Oligomerisierung und Polymerisation von Alkenen....... Syuthese vonsPolymeren x. % „at Ba Me Eihen »Emswichtieer industrieller Robstoft a ya rt Alkenerin der Natur! Insekten-Eheromone a 8. El a ee Verstanamisnbungne, cr aa Ir ee ee a a N NeyerReaktionen' 2. Er Re ee RE Ed. Wiehtee Konzepte... Sn. ae ee RE N. Aulsabens sms Rare ee ee Ben

499 500 501

12.4 25 19:6 1277. 1225 12:9 240 hl 1242 123 12.14 12415 12.16

..:.PRRIE Sir mE EN

504 507 510 513 516 519 322 524 527 329 332 534 339 541 543 546 382 392

13

Alkmern

15:1 132 15 13.4 15.5 13.6 13:7 13.8 13.9 13.10 13.11 15,12

Die Nomenklatur der Alkıner 7 rrferzk Wi SERIE FEIR BE Eigenschaften und’ Bindung der’ A Ikıineny I ur Ss a FE ee Spektroskopierderilkine, En en a PR a DieStabiität der Dretfachbindune 2 2: 2 2 2 rn Ey Darstellung von Alkinen durch doppelte Eliminierung .............. Darstellung der Alkine durch Alkylierung von Alkinyl-Anionen ........ Reduktion der Alkine: Die relative Reaktivität der beiden n-Bindungen ... Blektrophile Additonsreaktionen der Alkner 2 2 2... Zei Zr Anti-Markovnikov-Additionen an Dreifachbindungen .........2..... Die Chemie der Alkenylhalogenide und Cuprat-Reagenzien ........... Eithin als indüstrielles-Ausgangsmaterlial 27. 22 2 0 a Natürlich vorkommende und physiologisch aktive Alkine ............ Verstandnisubung: rm Bat a te ee Een RE Neues/Reaktionen ns m Sa Ba 2 ee en Wichtige Konzeptes Ss ee ya a le SE Fa a Pr Aufgaben? ee a ES LE NNE de DEN NyAREE EBENE. RER

563 563 565 567 570 574 Sy 579 582 588 590 392 595 307 598 602 604

14

Delokalisierte n-Systeme und ihre Untersuchung durch UVZVIS-Sspektroskopieu 2. era re Benz:

613

14.1

Überlappung von drei benachbarten p-Orbitalen: Resonanz im Allyisystem (2-Propenyl-System) , 2: mupuı, se. Ela. Sure: Radikalische.Halogenierung nAlylsteluinee rn: Sa ur Nucleophile Substitution an Allylhalogeniden: Kinetische und thermödynamischeiKontrelle nr ek. a Allylmetall-Reagenzien: Wertvolle C;-Nucleophile ........ 2.2.2.2... Zwei benachbarte Doppelbindungen: Konjugierte Diene ............. Elektrophiler Angriff. an konjugierte Diene Fasern ns a ei: Delokalisation über mehr als zwei n-Bindungen: Ausgedehnte Konjugation und Benzol” rn. A ee Eine besondere Reaktion konjugierter Diene: Die Diels-Alder-Cycloaddition

14.2 14.3

14.4 14.5 14.6 14.7 14.8

X

re

Inhaltsverzeichnis

RE

ER Hr

ae

Be

Che

614 618

620 623 624 628 630 632

14.9 14.10 14.11 14.12

ElekurdeyelschsReakvonenik. Yen. Eee ee ee ie: Robymenisation, konjugierter Diene >Kautschulg 2 Sa, cher naeher Elektronenspektren: Spektroskopie im ultravioletten und im sichtbaren Bereich ....... Eine Zusammenfassung der Reaktionsmechanismen in der organischen Chemie .... Verse ad SU DURCH ya 1 N a ee erg een Neucsle Klone ne a a N Es WNICRUSCARKONZEDIE.. ee a ge er ie a ea NEED IE TI ee Ne Sa A ee ee ee nd Lin nt

640 645 650 654 658 660 662 663

15

Die besondere Stabilität des cyclischen Elektronensextetts

Art Dr 139 15.4 1325 15.6 127 19.6 1539 15.10 15,11 1512 15.13 15.14

Diessystematische Benennung von Benzoldenvatene we ee ak Struktur und Resonanzenergie von Benzol: Ein erster Blick auf die Aromatizität ... 1 NIoleR Ulorbitaleades Benzol er ee Diesspektroskopischen Eigenschaften von Benzolen rn nme. Mebske1mige-benzotde-KohlenwasselSstonterne U Kondensierte benzoide Kohlenwasserstoffe: Naphthalin und die tricyclischen Systeme Anderercyclischerbolyene.: DierHückel’RegclEsr ae Ne Dir rruckehKerelund geladene?Molekulem Mr, Synthese von Benzolderivaten: Elektrophile aromatische Substitution .......... Die Talogenierung von; Benzol’erfordert einen Ratalysater 7. 2.2. near. NittiesungsundSulfonierungvonsBenzolnur ae ee ei Piesknie deltTrarts-Alkylierun ga elta ee eh bes Die Grenzen.der Eriedel-Cratts-Alkylerunsss 2 a ehe sarkeh Friedel-Crafts-Alkanoylierungen (-Acylierungen), Su... 73 2 2. So anAa kenn N erstanelagsubUNDa. a Sur: Sc gen re a Re ae a 2 a a a en he Neue}Reaktioneng ....t.. Aug we 2 ee ee a eg Wichtige 3 onzepte vu. sent a A a ea ANNTSODEIE a en kenne er ee ee Da ee

671 673 675 678 680 687 688 697 703 706 708 710 713 716 77 721 723 128 729

.........

16

Rlektrophiler#AneritraufBenzolderivatene

16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 16.6 10-7.

Nktivieruns und Desaktivierung des Benzoliins ee rem sen, DiiisierenderinduktiverFiiekt.von Alkyieruppene zer ee ee. Dirigierende Wirkung von Substituenten, die in Resonanz zum Benzolring treten ... Plektropiiler Aneriff aufidisubstitulerterBenzolemm nm Syathe sestratesjenturssubsttinierte/benzolen ee Bee ae. Reaktivital. mehrkermiser benzorderKohlenwasserstofter m. en Vorkommen und Herstellung von Benzol und anderen aromatischen Kohlenwasserstoffen .. .. 2. ..2.... 2... Mehrkernisesaromatische Kohlenwasserstoffe und Krebs 2.2.2... . nn NOS RN UDO Neuceckeakmonenk nr Dante en 1 EEE BR er Sn BEN ee, REN eHN Nichts dKtanze Die He a a N a N Asıtgaben, Zar ern een er et

16.8

17

171 > 17.3 17.4 17.5 17.6 17.7 17.8 17.9 E70 17.1 17412 17.13 17.14

Aldehyderund#Retone "Die: Carbonyleruppemma

2a 2. ME 2 EEE

rl

FIN.

NeomenklatnzdersAldcehydesund-Ketone ve ee ek BR Dier tr oktuggerCarbonvlsrupper = 2.20 Saas En Er a ZA Er Spektroskopische Eigenschaften von Aldehyden und Ketonen ..........2.2.2.. Die,DarstellunszvonAldehyden,und’Ketonene 2 ee 2 a Rn se es Die Reaktivität der Carbonylgruppe: Additionsmechanismen ..... 2... 2.2.2... DicpArdditionsgens Wasserszir Hydratent ee ee Die Addition von Alkoholen zu Halbacetalen und Acetalen ............... CE Pal 1S SEHUTZSLUPPIEHTE Ne ee we oe Nucleophile Addition von Ammoniak und seinen nz at a EN DesoxiscenierinerndeniGarbonyleruppe Sa aa ee DiesAddition von.Cyanwasserstoff zu ’Gyanhydrinent I. 2.2. N. a Meran ann. Die Addition von Phosphor-Yliden: Die Wittig-Reaktion ......... 2.2.2.2... Die Oxidation mit Peroxycarbonsäuren: Die Baeyer-Villiger-Oxidation ......... Daidanye chemecherNachweise-tur, Aldehyder u a 202 2 ER ee SS SEINTANSTESSIUDET orDD Re Le AP RE DeNcHR ek Io ee ee a een DICHoc aRonz epaie en ESUTTADEDe, Var ee ee ed

Inhaltsverzeichnis

N 738 741 745 a 754 759 764 766 768 770 12: 113 781 782 784 786 789 128 796 Don 800 803 807 sll 812 818 819 820 822 827 832

XI

18

Enöle’und Bnone

18.1 18.2 18.3 18.4 18.5 18.6 18.7 18.8 18.9 18.10 18.11 18.12

Die Acidität’ von -Aldehyden und KeionenssEnolat- onen Sr EM BE: Keto-Enol-Gleichgewichte IN An RECENT RE BEN BEI EEE EEE ARRLEHENEE Halosenmierung von Aldehyden und Ketonen Were Mn RE EEE NEE DierAlkylierung’ von Aldehyden und Ketonen ya ae SEEN EEE Angriff von Enolaten auf Carbonylgruppen: Aldoladdition und Aldolkondensation .. Die gekreuzte:Aldolkondensation 5. E Ar re a A RE Die. miramolekulare,Aldolköndensaton Sa 28 Br RE RE Andere Darstellungen von a,ß-ungesättigten Aldehyden und Ketonen .......... Eigenschaften ,ß-ungesättigter Aldehydesungh Retone . „rare Konjugierte Additionen an a,ß-ungesättigte Aldehyde und Ketone ............ 1,2». und 1,4-Additionen metallorganischer Reagenzien . 2 0. un se een Konjugierte Additionen von Enolat-Ionen: Die Michael-Addition. und die Robinson-Anellierung..... «2 a..22. 2... 100002. .len Verstandnisübung er. rs 0m a a A ae fee Netie; ReaktiONen. Arafat We a I RER en Wichtige; Konzepte). 2 u sn ne ee a ec er A ee BUTSADEN er Aare EL a a SR eich ea ee

TAI.

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OECD BEEN MAIER

19

Carbonsäuren-

1971 1902 19.3 19.4 195 19.6 1927 19.8 2) 49210 1911

Die.-Nomenklatur der Earbonsaureny ea EN ET RAR ARE EinBRRREe RERRE Struktur und physikalische Eigenschaften der Carbonsäuren................. NMR- und IR-Spektroskopie von Carbonsauren 7W sr men en Acrdität und Basızitat- von Carbonsaurenyanı nee N Die-Synthese von Earbonsäauten in derAindustiier 2 a Methoden’ zur, Erzeusungrder Carboxyeruppe 0 2a 2 Ba EB N SEE Substitution am Carboxy-Kohlenstoffatom: Der Additions-Eliminierungs-Mechanismus Carbonsäure-Derivate: Alkanoyl-(Acyl-Jhalogenide und Anhydride ........... Carbonsaure-Derivates,Ester . 2... Apsis ee re TEN ER Garbonsaufe-Derivate sAdern ee Reaktionen von Carbonsäuren mit Organolithiumverbindungen und Lithiumaluminiumhydrid: Nucleophiler Angriff auf die Carboxygruppe ......... Substitution in Nachbarstellung zur Carboxygruppe: Die ‚Hell-Volhard-Zelinsky- Reaktion]. „eat... ur ass ae a a Decarboxylierung von Carbonsäuren durch Ein-Elektronen-Übertragung: DiesElunsdiecker-Resklion Yan Re ne es a Eee Biologische, Aktivität'von Earbonsäuren) re Tr a ner ee Verstandnisübung, wi... u ags, el tu ee ee a N Be Nene-Reaktionen fir. 2122 zn el St ers en ra oe N er Wichuise,Konzepfein . Ar a ge a ee ee a RE EI ee Aufgaben .da a. a ae Ms ee er Be Ne Bear a: 7 ee

19,12 1913 19.14

73

IV

EHA

TEDS DENT

EEE

LER

TEE

20

Derivate von Carbonsäuren und Massenspektrometrie

20.1 20.2 208 20.4 20.5 20.6 20.7 20.8 20.9 20.10 20,11

Relative Reaktivitäten, Strukturen und Spektren der Carbonsäure-Derivate ...... Die Chemie der Alkanoylbalogenide 7. a ea el a er Eee Dieichemie der Carbonsaufeanhydride”... Ds ge een Da Die: Chemie der/Esten.. Rn. 0, Se rl a ee a 1

Xu

Ester'in der Natur: Wachse, Fette, Öle und Lipide . . . 2 u. ur

....:2.......

sn

een

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Amide: Die reaktionsträgsten Carbonsäure-Derivate 2 2.0022 20 u. ne Amidate und ihre Halogenierung: Die Hofmann-Umlagerung ..........2.2... Eine besondere Klasse von Carbonsäure-Derivaten: Nitrile . ... „2... 2.2.0... Bestimmung der molaren Masse organischer Verbindungen: Massenspektrometrie Die Fragmentierungsmusterorganischer, Meleküler 2. 0.8... are seit. ne Hochauflösende.-Massenspektromettie, ....2 zu 20 er a Verständnisübung .., ...n.-2 002 ke a se Neue Reaktionen : =... % 2... wi er re ae A Wichtiee Konzepte, 6, „Em alatsy aba a ee 1 AU DSaDEN nr. a. 43 ee ee Er a Br ee a a Berk, 1 ae Ee

Inhaltsverzeichnis

841 842 843 847 851 854 858 859 861 864 868 870 872 874 876 88l 88l 893 894 896 897 900 904 904 909 911 915 un, 921 923

927. 929 934 937 943 943 953 ‚> 957 962 965 972 974 978 981 987 992 999 1001 1003 1009 1010

21

Ammestindälre: Dervater

241-1 DAR 213 21.4 219 21.6 21.7 21.8 21.9 21.10

Nom aktaturlew Aminerr un AN a ET Bra BEN RAR Strukturelle und physikalische Eigenschaften der Amine . ....2....... es... SDERLLESKOpIEslleT ATAIDOSTUPPe a RAUF RER Neidiragund- Basızitat VORAMIDEnEH SEE ea tn an MBREN, SIMIDEISVONFAMINEN: AUTEN AIKVIETUNg ee 2 u Arnd pe Synthese von Aminen:durch reduktive Aminierung 2... 2.42 3a 2 urban 2 enge SYntaese von Aminen aus Carbonsaure-Derivaten u. Sr. chen ee Ouartare a,mmeniumsalze: Hofmann-Eliminierung nu nk Mannich-Reaktion: Die Alkylierung von Enolen durch Iminium-Ionen ......... Oxidation und Nitrosierung von Aminen:

21.11 2142 21.13

Diazomethan, Carbene und Cyclopropan Synthesen 7 1a En ae ke opt Quartäre Ammoniumsalze als Phasentransfer-Katalysatoren ........ 2.2.2222... AIR Inrderiindustrie-- N VIONS er N NE Re Ban var NeEStEndnisUDUNS SR 2 Se a tee NEUER caKloNe N ee re ee N ENE Re area ke ee NVTEHlIDe HK onze Die ee a ee ee Pe N N ne ae gene REEL, A ER WE Een OR Er ER

1045 1049 1053 1055 1057 1059 1063 1066

22

Chemierden substituenten.am,;DBenzoliine

1075

22.1

Reaktivität des Phenylmethyl-(Benzyl-) Kohlenstoffatoms: Resonanzstabilisterung der» Benzyleruppeste vr ta ae Oxidation und Reduktion von Benzol und seinen Derivaten ..... 2.2.2222 200.. Namenwuad-Eigenschallen der-Phenoley aa Aa ae 8 anne Darstellung von Phenolen: Nucleophile aromatische Substitution ............. DierAlkobolchemie gerPhenole a E a N a hin 1 en ee zer pe ElektrophilessubsttugontansPhenolen eg. Be ae u eaiube Claisenzund, Cope-Unilagserung, uses Ha Sa nes Oxidation der Phenole: Cyclohexandiendione (Benzochinone) ..... 2.2.2020. OxidetionssBeduktions-Prozesserin’deizNaturzre A a ee ke manche Atendiazommumsalzeupsn. en a EI ee rer Elektrophile Substitution durch Arendiazoniumsalze: Azokupplung ........... NELStONndDSUDUNS REEL SE BE ee ap Seat Neu Reakionena He ee. re a ang Nichtise Konzeptes sa ee ee ee RL goes PAULSADENEE Re een Mer Ms N a a ee re ba

Ammoxıde,.N-Nitrosamine

222 22.3 22.4 225 22.6 ZU, 22:8 22:9 22.10 22.11

2

3.

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23

DIET DONYISSLDINdUNDEN

23 232 25

B-Dicarbonylverbindungen: Die Claisen-Kondensation .. 2.2... 2.2.2.2... B-Dicarbonylverbindungen als synthetische Zwischenstufen ....... 2.2.2222... Weitere Reaktionen von ß-Dicarbonyl-Anionen: Die Knoevenagel-Kondensation und die Michael-Addition ....... 22.2.2220. a-Dicarbonylverbindungen und die Synthese von a-Hydroxyketonen: Acyloinkondensation, Benzoinkondensation und Acylanion-Äquivalente ........ Verstanenisubunsers Se ra ae

23.4

BNeIegReakHOnenyer

24 24.1 24.2 24.3 » 24.4 24.5 24.6 24.7 24.8 24.9 24.10 24.11

Nr

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Kohlenhydrates

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Die,Namen und-Rormmeln derfrKohlenhydrateı Fra m IE EP en nenn Konformationen ond’eydischerFormenvonrZucken N Fri „22. nenne Anomere einfacher Zucker Mütarotationder!Glucoser. 7 m. „sen Polyfunktionelle Chemie der Zucker: Oxidation zu Carbonsäuren ............ OuidativeispaltasvontZuckern PUR NEE nee Reduktion vonBMlonosacchanden zu Alditolen 2 rn... rennen Kondensationsreaktionen von Carbonylgruppen mit Aminderivaten ........... Bildung von Esiemnrund)ErhernB@lycostde N Eee ie pe Stnienweiser Auf und ADBausvon ZUckern in aa een Relative Konfiguration der Aldosen: Eine Übung zur Strukturbestimmung N I KomplexerZuckeriinrderNatunsDisacchatidssn fe. DENE ee nen

Inhaltsverzeichnis

1021 1022 1025 1027 1030 1034 1038 1040 1042 1043

1076 1081 1087 1090 1098 1101 1104 1106 1108 1113 1116 1118 119 1126 1126 4197 1139 1145 1150 1182 1167 1169 1172 1172

1181 1182 1186 1190 1191 1193 1196 17 1198 1202 1205 1208

XI

212

25

. Polysacchande-undiandere Zucker in der Natur 2. 22 MBREE Br Be Verständnisübung ce se It Kein stern N ae A ee Neiie Reaktionen... 43% 5 ana ee le Me Wichtige Konzepte Ysera. m ae a ee A Aufgaben. 87. 12. N a rer eine oe BE

Heterocyclen

en: 27.20

02

EEE

RSHEEOFER

1033

23... * Die Nomenklatur"der, Lleterocyelen #2 So Seo 29.2.7. Nichtargmatische. Heteroeyclen 2%. 27Ser a NR 25.3 Struktur und Eigenschaften aromatischer Heterocyclopentadiene ............. 23:4 Reaktionen der aromatisehen Hieterocevciopentadiene,. . en u ea 25:0, , Sttuktur-und Darstellung von?Pyridin, einem zapenzel ee ee 25.6, “Reaktionen des Pyridinse.t ern en RER EN NR 23%. ©:Chinohn!und Isochimoln Die Benzpyridinesa een Ze a a 25.8. Alkaloide: Physiologisch wirksame Heterocycden ın der Natur... .........5 VEerStindNISUDUNSE me Re N ee SO ERBE. NE EN BE EN RE Neue. Resklonen 1 NR N a Re N I Eee Wichtige Konzepte 0 8 ee re RE Ba en ee SR Re N AUTBADEN. ES RE Ne ON

1238 1239 1246 1249 1254 1257 1262 1265 1268 1270 1274 22

26

1285

Amımesauten,.Peptiderund- Brote

RR

ne

I

na

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1212 1220 1223 1227 1228

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26.1 26.2 26.3 26.4 26.5 26.6 26.2 26.3

Konstututionen und. Eigenschaften der A 1mınos uren ne Synthese von Aminosäuren: Eine Kombination aus Amin- und Carbonsäurechemie . 1 SYDENesC/enantlometenreiner AmımosamenTe a ee Le Peptide und Proteine: Oligomere und Polymere von Aminosäuren ........... Bestimmung der Primärstruktur von Polypeptiden: Sequenzanalyse ........... Synthese von Polypeptiden: Eine Herausforderung für die Schutzgruppenchemie ... ‚Die Merritield-Festphasen-Beptidsynthese, zur N. 0 ee ee ea.ee Polypeptide in der Natur: Sauerstofftransport durch die Proteine Myoglobin und Hämoglobin ........... 20:9, "Die-Biosyathese der Proteine Nueleinsautene ur ee ne a 26.120: Proteimsynfnese uUber,Ue.RNA eu ee ee ee Er re 26.11 DNA-Sequenzierung und -Synthese: Ecksteine der Gentechnologie ........... Verständnssubung at ee RR Re RE ER BER NeuexReaktionen, u ge ee Le Ren Bra BrORE PRESEE SEE. ee Wichtige Konzepte u... 4. en RER Br LEE Aufpaben an ae ee ee len ve ee ee ee le a ee

Lösunsenzusden Übungen Sachregister

XIV

Inhaltsverzeichnis

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Vorwort zur amerikanischen

Ausgabe

Nach unserer Überzeugung ist es wichtiger, die Konzepte und Ideen der organischen Chemie zu verstehen, als eine Vielzahl von Fakten auswendig zu beherrschen. Dieser Gedanke hat uns begleitet, als wir das vorliegende Lehrbuch schrieben. Bereits in der ersten und zweiten Auflage wurde die organische Chemie nicht als eindrucksvolle Ansammlung von statischem Wissen dargestellt, sondern als eine lebendige, sich laufend verändernde Wissenschaft. Unser ständiger Umgang mit Studenten hatte uns bestärkt, eine Vielzahl aktueller Anwendungen des Stoffes mit in das Buch aufzunehmen und zu zeigen, wie aufregend wissenschaftliche Entdeckungen sein können. Um eine gute Verständlichkeit zu erreichen, wurden die einzelnen Reaktionstypen Schritt für Schritt behandelt, und gleichzeitig wurden auch die Arbeitsmethoden des Organikers ausführlich vorgestellt. Die Möglichkeiten farbiger Gestaltung wurden als didaktisches Hilfsmittel konsequent eingesetzt, was bei der überwiegenden Zahl der Studenten großen Beifall gefunden hat. An dieser Auflage hat neben Peter Vollhardt als zweiter Autor Neil Schore mitgewirkt. Dem breiten Spektrum der Interessen und Vorkenntnisse der Studenten konnten wir gemeinsam besser gerecht werden. Jeder Abschnitt, jeder Satz und jede einzelne Formulierung wurden überprüft, um sicherzustellen, daß — von der Auswahl der Reaktionen über das Niveau der Theorie bis zur Klarheit der Sprache — der Stoff optimal präsentiert wird.

Von der ersten Auflage übernommen: die moderne, systematische Einführung Wir

glauben,

ist, wenn

daß

man

Wortschatz

die organische

sie als eine

und

Sprache

die Mechanismen

Begriff des Mechanismus

Chemie ansieht:

am Die

einfachsten

erlernbar

Reaktionen

die Grammatik.

Wir

sind der

führen

den

bereits in Kapitel 3 ein, diskutieren die Reak-

tionsmechanismen Schritt für Schritt in den Kapiteln 6 und 7 und stellen in den nachfolgenden Kapiteln neben den chemischen Reaktionen die jeweiligen Mechanismen vor, nach denen diese Reaktionen ablaufen. Die einzelnen Kapitel sind systematisch aufgebaut. Ein typisches Kapitel beginnt mit der Definition einer funktionellen Gruppe und einer

kurzen

Einleitung,

dann

werden

Nomenklatur,

Bindung

und

Formel angegeben, die charakteristischen Spektren, Reaktionen und Synthesen behandelt, und schließlich folgen Anwendungen. Wir glauben, daß dieser konsistente und logische Aufbau das Lernen der organischen Chemie erleichtert. XV

Vorwort zur amerikanischen Ausgabe

Zweckmäßige Farbgebung. Eines der innovativsten Merkmale dieses Lehrbuchs ist die konsistente Farbgebung. Diese optische Hilfe erleichtert die Beherrschung der grundlegenden Prinzipien und wird eingesetzt bei der Nomenklatur, den Orbitaldarstellungen, den Sequenzregeln in der Stereochemie und den Beziehungen der Spektrallinien zu funktionellen Gruppen. Bei der schematischen Darstellung eines Reaktionsmechanismus spezifiziert Farbe die Reaktivität der Reaktionszentren und macht dem Leser so beispielsweise die elektrostatische Grundlage von polaren Reaktionen deutlich. Diese Farbgebung ist ausführlicher direkt im Anschluß an dieses Vorwort beschrieben

und, soweit erforderlich,

an den betreffenden

Stellen

im Text. Wir haben auch einige Randmarkierungen bei den Reaktionen eingefügt, die die Bedeutung der Farben noch einmal erläutern. In den Zusammenfassungen und Aufgaben benutzen wir jedoch bewußt keine Farbe, um das Abstraktionsvermögen der Studenten zu fördern. Frühzeitige Einführung der Spektroskopie. Unser Lehrbuch hat auch mit der Einführung in die spektroskopischen Analyseverfahren gleich nach der Chemie der Alkohole Neuland betreten. Die Anwendung dieser Methoden auf viele Verbindungen, angefangen mit der NMR-Spektroskopie in Kapitel 10, kann so ausreichend geübt werden. Seit Erscheinen der ersten Auflage hat die spektroskopische Charakterisierung neuer Verbindungen in der organischen Chemie und angrenzenden Gebieten noch an Bedeutung gewonnen. Wir führen die IR- und die UV-VISSpektroskopie in dieser Auflage früher ein, in den Kapiteln 11 bis 14 im Zusammenhang mit den dort behandelten funktionellen Gruppen, so daß alle wichtigen spektroskopischen Verfahren nun in der ersten Hälfte des Lehrbuchs behandelt sind. Betonung von Synthesestrategien. Die Retrosynthese ist ein weiterer Schlüsselbegriff chemischen Denkens, der bereits in der ersten Auflage eingeführt wurde. In dieser Auflage wird die retrosynthetische Analyse noch stärker in den Vordergrund gestellt. Die wichtigsten Synthesestrategien werden in eigenen Abschnitten beschrieben, und das Ziel, Synthesen für ein vorgegebenes Molekül zu entwickeln, wird vom ersten Kapitel an hervorgehoben. Häufige Fallstricke bei der Synthese und die zunehmende Rolle metallorganischer Reagenzien werden in Kapitel 8 skizziert, Polymersynthesen in Kapitel 12 und die Synthesen von Aromaten in Kapitel 16. Die organischen Umsetzungen werden durchweg an solchen Reaktionen illustriert, die in Syntheselabors häufig durchgeführt werden. Anwendungen aus Biologie und Industrie. Wie schon in der ersten Auflage haben wir Reaktionen ausgewählt, die die Bedeutung der organischen Chemie in den life sciences Biologie und Medizin, in unserem täglichen Leben und in der Wirtschaft demonstrieren. Besondere Mühe haben wir uns gegeben, das Umfeld von organischen Verbindungen gleich bei ihrer Einführung aufzuzeigen. Weitere Anwendungen finden sich in den Aufgaben. Einige Naturstoffe und Industrieprodukte werden in eigenen Abschnitten ausführlicher behandelt. Kapitel 9 endet beispielsweise mit der Bedeutung der physiologischen Wirkung von Alkoholen und Ethern, Kapitel 12 mit der der Insekten-Pheromone und Kapitel 21 mit der Darstellung des industriellen Einsatzes von Aminen. Weitere Anwendungen, oft aus der Biologie oder Medizin, werden in vielen Kästen vorgestellt, mit Themen wie Antibiotika, gegen Krebs wirksame Substanzen oder die Chemie des Sehprozesses, aber auch mit Themen aus Umwelt und Industrie.

XVI

Weitere Veränderungen in der zweiten und dritten Auflage: Ein leichter zugänglicher Aufbau In dieser Auflage wird in Bezug zum Alltag Zusammenhang“ oder den die Konzepte der führt. Neu

Vorwort zur amerikanischen Ausgabe

der Lehr- und Lernstoff zu Beginn jedes Kapitels gestellt. So begreift man schnell den „größeren die Relevanz der organischen Chemie. Auch werorganischen Chemie mit großer Sorgfalt einge-

ist auch der Fokus

auf Struktur und Funktion,

der sich als

roter Faden durch das Buch zieht. Unter Berücksichtigung der Ratschläge vieler Dozenten und Studenten der organischen Chemie haben wir Inhalt und Gliederung erheblich klarer gestaltet. Neue Reihenfolge der funktionellen Gruppen. Wir haben die bewährte Reihenfolge gewählt, die mit den einfachen Alkanen beginnt und mit den komplexen funktionellen Gruppen endet. Große Teile der Aromatenchemie wie die Hückel-Regel und die polycyclischen Aromaten wurden vorgezogen und mit in die Kapitel 15 und 16 aufgenommen. Auf die Chemie der Carbonylgruppe in den Kapiteln 17 bis 20 folgt jetzt direkt die der Amine in Kapitel 21, so daß in dieser Auflage die Behandlung der wichtigsten funktionellen Gruppen mit Kapitel 21 abgeschlossen ist. Gestraffte Darstellung von Reaktionen. In dieser Auflage ist die Darstellung von Reaktionen und Mechanismen an einigen Stellen gestrafft worden. Wir beginnen systematisch jedes Thema mit experimentellen Beobachtungen und illustrieren die Umsetzungen dann mit wichtigen Reaktionen; wir haben den theoretischen Teil etwas komprimiert und längere

Abschweifungen vermieden. Das Ergebnis ist eine merkliche Neugruppierung des Stoffs innerhalb der einzelnen Themen. Die Substitutionsund Eliminierungsreaktionen der Halogenalkane und Alkohole werden etwas ausführlicher behandelt,

so daß die Erläuterungen

zu den Säure-

Base-Beziehungen und den Abgangsgruppen jetzt eigene Abschnitte in Kapitel 6 erhalten haben. Die Überführung der Hydroxygruppe OH in eine gute Abgangsgruppe wird jetzt erst in Kapitel 9 behandelt. Die Kapitel 15 und 16 sind mit dem Schwerpunkt auf den Grundlagen der Aromatenchemie neu geschrieben worden. Wir konzentrieren uns auf den Einfluß, den die relative Stabilität der Intermediate

tivität der aromatischen

Verbindungen

tionen hat, während weiterführende

auf die Reak-

und die Selektivität der Reak-

Themen

aus diesem

Gebiet in den

Kapiteln 22 und 25 behandelt werden.

Sorgfältige Darlegung neuer Konzepte. Wir haben immer wieder überprüft, ob alle wesentlichen Punkte überzeugend dargestellt werden. Die meisten Abschnitte beginnen mit einer Fragestellung, an die sich die entscheidenden Schlußfolgerungen sofort anschließen. Bei der Überarbeitung des Lehrbuchs wurden komplizierte Satzstrukturen vermieden. Viele längere Diskussionen wurden stärker untergliedert, so daß die Zahl der Abschnitte innerhalb der Kapitel angewachsen ist. Die Abschnitte zur Synthese in Kapitel 6 wurden beispielsweise vereinfacht, indem die Alkoholsynthesen über die Reduktion mit Hydriden oder über die Addition von Grignard-Verbindungen an Carbonsäuren oder ihre Derivate auf spätere Kapitel verschoben wurden. Die Kontinuität ° der Themen wurde zum Beispiel in den Kapiteln 17 bis 20 verbessert, wo Reaktionen mit verwandtem Mechanismus jetzt zusammenhängend abgehandelt werden. Die Darstellung der Reaktivität wird zum einfacheren Verständnis vor den speziellen Reaktionen eingeführt. Betonung der Bedeutung wissenschaftlicher Entdeckungen. Einige neue Abschnitte dieser Auflage zeigen die organische Chemie als einen Prozeß ständiger Entdeckungen. Die Kästen sind so gestaltet, daß die Studenten

sie auch mit Interesse

Fußnoten

geben wir Hinweise

allein lesen können,

zu den Chemikern,

und in zahlreichen

deren Namen

mit

XV

Vorwort zur amerikanischen Ausgabe

einer Reaktion verbunden sind. Auch damit wird gezeigt, daß es in der Chemie kein statisches Wissen gibt. Ein neuer Abschnitt ist vielleicht von besonderem Interesse: In Abschnitt 22.9 werden freie Radikale und ihr krankheitserregendes Potential diskutiert, die biologische Oxidation und Reduktion wird dagegen schon in Kapitel 8 behandelt. Weitere neue Beispiele sind der Kasten 15-1 über die noch wachsende Klasse von Molekülen, die als Fullerene

bezeichnet

werden,

und

der

Kasten

26-4

über

AZT,

ein

Medikament für die HIV-Therapie.

Verbesserte Didaktik Viele der didaktischen Hilfsmittel aus der ersten und zweiten Auflage sind erweitert und verbessert worden. Zusammenfasssungen. Jedes Kapitel beginnt mit einem kurzen Überblick, jeder Abschnitt beginnt mit einer Überschrift, einem vollständigen Satz, der das Thema

umreißt,

und endet fast immer

mit einer Zusam-

menfassung. Am Kapitelende werden die neuen Konzepte noch einmal wiederholt, ab Kapitel 7 werden in einer weiteren Zusammenstellung auch die neuen Reaktionen mit typischen Reagenzien und Lösungsmitteln zusammengefaßt. Kapitel 7 enthält außerdem eine ausführliche Zusammenfassung der Chemie der Halogenalkane, soweit sie in den vorangegangenen Kapiteln bereits dargestellt wurde. Die Liste der neuen Reaktionen enthält Hinweise auf den zugehörigen Abschnitt im Kapitel. Eine ausführliche Zusammenfassung der wichtigsten funktionellen Gruppen, ebenfalls mit Hinweisen auf den zugehörigen Abschnitt, findet sich auf der Innenseite des hinteren Buchdeckels, während das Periodensystem im vorderen Buchdeckel auf den neuesten Stand gebracht wurde. Hervorhebungen. Neue Begriffe sind fett gedruckt, und die Reaktionen sind so beschriftet, daß der Leser schnell allgemeine Umsetzungen von speziellen Beispielen unterscheiden kann. Da die einzelnen Themen der organischen Chemie stark miteinander verknüpft

sind, findet

man

überall

Querverweise.

Die

entscheidenden

Ideen werden noch einmal betont und in einem neuen Zusammenhang verallgemeinert. Viele Bildunterschriften sind nun ausführlicher, um den Zusammenhang zwischen Diagramm und Text deutlicher herauszustellen. Übungen und Aufgaben. Dieses Lehrbuch gibt dem Studenten reichlich Gelegenheit, den Stoff in mehr als 450 Übungen innerhalb der Kapitel und 650 Aufgaben am Kapitelende zu: üben. Viele der Übungen und Aufgaben in dieser Auflage sind neu. Die Lösungen zu den Übungen sind am Ende des Buches zu finden. In den Übungen und den jeweils ersten Aufgaben werden die eingeführten Konzepte direkt auf einfache Moleküle angewendet. Die restlichen Aufgaben stellen eine größere Herausforderung an den Studenten dar und kombinieren häufig verschiedene Konzepte und Reaktionstypen. Die schwierigsten Aufgaben wurden aus der Forschungsliteratur abgeleitet und sollen zu Kritischem Denken auf höherem Niveau anregen. Neu sind auch Verständnisübungen mit sehr ausführlichen Lösungswegen sowie Gruppenübungen, die das gemeinsame Lernen in Teams unterstützen. Mit Übung und Anleitung werden den Studenten tiefere Einblicke in die organische Chemie ermöglicht,

und sie werden

in die Lage versetzt,

ihre Rolle unter den

Wissenschaften zu würdigen. Nomenklatur und Abbildung der Moleküle. Als Student wird man mit einer verwirrenden Vielfalt von Trivialnamen und Nomenklatursystemen konfrontiert. In dieser Auflage wird die Nomenklatur nach Chemical Abstracts benutzt; IUPAC-Namen werden genannt, und wenn ein XVII

Trivialname allgemein üblich ist, wird er in Klammern hinter dem systematischen Namen angegeben. Die Fischer-Projektion wird in dieser Auflage nur in Kapitel 24 für die Kohlenhydrate

verwendet,

wenn

die Studenten

über

Vorwort zur amerikanischen Ausgabe

hinreichende

Erfahrung verfügen, um damit fertig zu werden. Sie wird jedoch schon in Kapitel 5 eingeführt, welches in der ersten Auflage wegen seiner klaren Darstellung der Stereochemie besonders gelobt wurde. Die Fischer-Projektionen sind nur eine von mehreren Darstellungen, die durch den konsistenten, funktionalen Gebrauch der Farben profitieren.

Verläßlichkeit und Genauigkeit Diese Auflage hat von der umfangreichen Überprüfung durch Studenten und Dozenten profitiert, ebenso von dem Testeinsatz an drei verschiedenen Hochschulen. Wir selbst haben weiter mit dem Lehrbuch gearbeitet, auch mit Nebenfachstudenten. Mit Hilfe unserer Studenten ist es gelungen, ein verläßliches Lehrbuch zu schreiben und kontinuierlich weiter zu entwickeln. Fast alle Spektren wurden von uns oder unseren Studenten mit modernem Gerät aufgenommen. Alle Reaktionen wurden in der Literatur oder im Laboratorium von uns und unseren Studenten überprüft. Die Lösungsmittel und andere Reaktionsbedingungen sind sorgfältig im Text angegeben. K. Peter C. Vollhardt Neil E. Schore

XIX

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9

An die Studenten Manchmal glauben Studenten, daß die organische Chemie ein furchterregendes Fach sei mit einer überwältigenden Anzahl von Fakten, die auswendig zu lernen, und vielen schwierigen Konzepten, die zu begreifen seien. Doch die organische Chemie hat eine ziemlich klare Struktur, da ein neues Thema

immer auf bekanntem

Stoff aufbaut.

Wir meinen,

daß es nichts wirklich Schwieriges in der organischen Chemie gibt, und wir glauben, daß wir den Studenten einige Ratschläge geben können, denn wir haben einen Großteil unseres Lebens damit zugebracht, organische Chemie zu studieren und zu lehren.

Das Studium der organischen Chemie Vermeiden Sie, den Anschluß an den Stoff zu verpassen! Wir empfehlen, jeden Tag den Vorlesungs- oder Seminarstoff aufzuarbeiten, die entsprechenden Abschnitte im Buch zu lesen und die Aufgaben zu bearbeiten. Wir möchten die organische Chemie als eine Sprache verstanden wissen. Beim Lernen der Reaktionen erfaßt man das „Vokabular“, während man die „Grammatik“ beim Studium der Mechanismen der Reak-

tionen kennenlernt. Sie werden dann Freude an der organischen Chemie haben, wenn Sie nicht unter dem Druck stehen, Stoff aufarbeiten zu müssen. Dann werden Sie zu einer neuen, stimulierenden Sicht der Sie

umgebenden Welt der Chemie gelangen.

Der Aufbau

des Lehrbuchs

Das Buch ist so angelegt, daß ein schneller Überblick möglich ist. Der Aufbau der meisten Kapitel ist sehr ähnlich: Zunächst lernt man die Benennung der Verbindungen, danach ihre physikalischen Eigenschaften und ihre spektroskopische Charakterisierung, dann die Methoden zur Herstellung dieser Verbindungen und schließlich ihre Reaktionen. Auch die Reaktionen selbst werden einheitlich dargestellt: Zuerst wird ein Überblick über Reaktionspartner und Reaktionsbedingungen gegeben, dann wird der Mechanismus im Detail behandelt. Darüber hinaus gibt es eine Reihe weiterer aktiver Lernhilfen:

Jedes Kapitel beginnt mit einem kurzen einleiterrden Absatz,

wie hier am Beispiel aus einem Kapitel des Buches gezeigt ist. Wie im gesamten Buch werden hier neue wichtige Begriffe und Konzepte durch ‘Fettdruck hervorgehoben. Neue Verbindungen werden durch Kursivdruck kenntlich gemacht.

Wir leben Farbtönen keit vieler sichtbaren

in einer Welt voller Farben. Unsere Fähigkeit, Tausende von wahrnehmen und unterscheiden zu können, ist mit der FähigVerbindungen verknüpft, unterschiedliche Frequenzen des Lichtes absorbieren zu können. Diese Eigenschaft der Ver-

bindungen resultiert daraus, daß ihre Molekülstrukturen

mehrere r-Bin-

dungen enthalten.

In den letzten drei Kapiteln stand die Bedeutung der Überlappung zweier benachbarter, paralleler p-Orbitale im Mittelpunkt. Diese Wechselwirkung setzt Energie frei und führt zu einer n-Bindung mit neuer Reaktivität. Wenn die Überlappung zweier p-Orbitale energetisch günstig ist, fragt man sich, ob drei oder mehr derartige Wechselwirkungen

vielleicht sogar noch besser sind. In diesem Kapitel wird eine Antwort gegeben: Verbindungen mit drei oder mehr aneinandergrenzenden pOrbitalen können durch deren ausgedehnte Überlappung stabilisiert sein. Die Elektronen solcher Orbitale sind über mehrere atomare Zentren verteilt: man sagt, sie sind delokalisiert. Unsere Diskussion wird mit dem 2-Propenyl-System — auch AllylSystem genannt — beginnen, das drei miteinander wechselwirkende pOrbitale enthält. Dann werden wir zu Verbindungen mit mehreren aneinandergrenzenden Doppelbindungen wie den Dienen und ausgedehnteren n-Systemen übergehen. Bei diesen Molekülen findet man nicht nur die gewöhnlichen Reaktionen der Alkene, angepaßt an die besondere Situa-

tion bei mehrfacher Überlappung, sondern auch besondere thermische und photochemische Cycloadditionen und Ringschlußreaktionen.

XXI

Zur schnellen Orientierung hat jede Reaktion eine Überschrift bekommen.

Diazotierung

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e NaNO,, H*, H,0, 0°C

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In die Kapitel sind Übungen eingebaut, mit denen die neuen

anderen Alkohol- oder zu Wassermolekülen zustande. Wasserfreie Alkohole in verdünnter Lösung zeigen schärfere Banden, die in einem enge-

Konzepte geübt werden können. Am Ende des Buches sind die Lösungen angegeben.

ren Bereich liegen (3620-3650 cm"). Übung 11-9 Drei Alkene mit der Summenformel C,H, haben folgende IR-Absorptionen: Alken A

bei 964 cm”', Alken B bei 908 und 986 cm’ und Alken C bei 890 cm”. Geben Sie die @ zugehörigen Formeln an.

Fassen wir zusammen: Das Vorliegen bestimmter funktioneller Gruppen

läßt sich mit Hilfe der Infrarot-Spektroskopie nachweisen. Durch infrarotes Licht werden Bindungen in Molekülen zu Schwingungen angeregt.

Am Ende jedes Abschnitts werden die Hauptpunkte zusammengefaßt.

Zur Auflockerung sind in den Kästen interessante Anwendungen zum Thema angegeben. Wir hoffen, daß die darin gegebenen Hintergrund-Informationen die organische Chemie noch lebendiger machen.

Kasten 11-2

Die Knoblauch-Story: Infrarot-Spektroskopie in der Lebensmittelchemie In Tabelle 11-4 fehlen die Infrarot-Daten für einige funktionelle Gruppen, z.B. für die Halogenalkane und die Ether. Diese Daten fehlen, da die IR-Banden für die Valenzschwingungen der C—Xund C-O-Bindungen im FingerprintBereich des Spektrums liegen, wo die Zuordnung zu individuellen Absorptionen schwierig ist. Viele schwefelhaltige funktionelle Gruppen können jedoch leicht IR-spektroskopisch identifiziert werden. Die S=O-Bindung in Allicin, der wichtigsten flüchtigen Komponente in zerdrücktem Knoblauch (siehe Aufgabe 36 in Kapitel 9), führt zu einer intensiven Bande bei 1080 cm"'. Allicin ist aber instabil: Die IR-Bande bei 1080 cm! ver-

schwindet in weniger als 24 Stunden bei Raumtemperatur. Das wichtigste Zersetzungsprodukt, das auch nach Knoblauch riecht, konnte spektroskopisch identifiziert werden. Zwei wahrscheinliche Kandidaten, 2-Propen-1-thiol und das zugehörige Disulfid, wurden synthetisiert. Man stellte fest, daß sie ähnliche Spektren haben mit einer C=C-Alken-Bande bei 1630 cm”! und einer

C-H-Alkenyl-Bande

bei 3070 cm”!. Das Thiol

hat aber zusätzlich eine Absorptionsbande für die

S-H-Gruppe

bei 2535 cm!. Das Zersetzungs-

produkt von Allicin hatte diese Bande nicht und konnte so als das Disulfid identifiziert werden.

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IR: Weder S=O noch S-H-Banden

Die Verständnisübungen am Ende des Lernstoffs jeden Kapitels sollen das Wissen über die gelernten Konzepte - auch Kapitel-übergreifend — vertiefen. Der Lösungsweg dieser Übungen ist Schritt für Schritt ausgearbeitet und leicht nachvollziehbar. So lernen Sie, Fragestellungen zu erfassen und zu analysieren, die Gedankenketten zur Problemlösung aufzubauen und die logischen Schlüsse daraus zu ziehen.

An die Studenten

Verständnisübung Iodmethan reagiert mit Iodwasserstoff unter den Bedingungen der radikalischen Substitutionsreaktion zu Methan und Iod. Die Bruttogleichung ° der Reaktion lautet

CH

neo.

a Schlagen Sie für diesen Prozeß einen Mechanismus vor, der eine Startreaktion, alle Kettenfortpflanzungsschritte und einen Kettenabruchschritt berücksichtigt. Hinweis: Nehmen Sie die Tabellen 3-1 und 3-4 sowie die Dissoziationsenergien der elementaren Halogene (Abschn. 3.4) zu Hilfe.

Lösung Schritt 1 Beginnen Sie mit einer möglichen Startreaktion. Wir haben im Abschnitt 3.4 gelernt, daß im ersten Schritt der radikalischen Kettenreaktion die schwächste Bindung innerhalb der Reaktionspartner bricht. Nach den Tabellen 3-1 und 3-4 ist dies die Kohlenstoff-Iod-Bindung im Iodmethan. Dieser Schritt benötigt mindestens 239 kJ/mol an Energie.

Kettenstart

H;C—I > H;C++:TSchritt 2 Folgen Sie weiterhin dem Modell. Beachten Sie nur mögliche

im Abschnitt 3.4 vorgestellten Kettenfortpflanzungsschritte, in

XXI

An die Studenten

Am Schluß eines Kapitels findet man eine ausführliche Zusammenfassung der neuen Reaktionen und wichtigen Konzepte sowie Aufgaben und Gruppenübungen, die eine optimale Lernkontrolle ermöglichen.

Neue Reaktionen Additionen (Abschn. 12.1) Ä

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Hiydrohalogenierung (Abschn. 12.3)

Wichtige Konzepte 1 Die Reaktivität der Doppelbindung wird durch exotherme Additionsreaktionen deutlich, die zu gesättigten Produkten führen. 2 Die Hydrierung von Doppelbindungen ist unmeßbar langsam, wenn nicht ein Katalysator zur Spaltung der H—H-Bindung zugegen ist. Mögliche Katalysatoren sind Palladium auf Aktivkohle, Platin (als PtO,) und Raney-Nickel. Die Addition von Wasserstoff ist sterisch kontrolliert, normalerweise wird die weniger gehinderte Seite der Doppelbindung bevorzugt angegriffen.

XXIV

5

Man kann sich Peroxycarbonsäuren so vorstel-

len, daß sie ein elektrophiles Sauerstoffatom enthalten, das unter Bildung von Oxacyclopropanen auf Alkene übertragen werden kann.

6 Permanganat und Osmiumtetroxid verhalten sich gegenüber Alkenen als elektrophile Oxidationsmittel; im Laufe der Reaktion verringert sich die Oxidationszahl des Metalls um zwei Stufen. Die Addition erfolgt konzertiert über cyclische

Sechs-Elektronen-Übergangszustände

unter

dung vieinaler syrı-Diole als Endprodukte.

Bil-

Ab Kapitel 8 finden Sie für jede funktionelle Gruppe oder Verbindungsklasse sehr hilfreiche Zusammen-

An die Studenten

fassungen der Synthesemethoden sowie der Reaktionen. Auf einen Blick können Edukte, Produkte und Reagentien erfaßt werden; darüber hinaus wird auf die jeweiligen Kapitel verwiesen, in denen die Reaktionen diskutiert werden.

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Am meisten unterscheidet sich dieses Lehrbuch von anderen wohl durch den Einsatz von Farbe als didaktischem Hilfsmittel. Im Text wird genau erklärt, welche Bedeutung die verschiedenen farbigen Markierungen im einzelnen haben, wir wollen hier aber doch u wie vielfältig Farbe in diesem Buch eingesetzt wird.

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CH;C==CCH,

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2-Butin

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CHC=CCHCH:CH, 4-Brom-2-hexin

Farbe wird erstens benutzt, um die Beziehung zwischen dem Namen einer organischen Verbindung und ihrer Struktur zu verdeutlichen. Der Stamm, die funktionelle Gruppe, die das chemische Verhalten bestimmt, und andere

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— CH3CC=CH CH;

3,3-Dimethyl-1-butin

Substituenten werden mit denselben Farben wie die entsprechenden Teile des VerbindungsBr

a

Zweitens wird Farbe zur Markierung bestimmter Atome in einem Molekül und bestimmter Spektrallinien, die diesen zugeordnet werden, verwendet.

CH3CH>CH,Br.

Drittens wird durch die farbige Gestaltung die Orbitalstruktur eines Moleküls verdeutlicht. Soweit möglich, werden s-Orbitale rot abgebildet, 2p-Orbitale blau, sp"-Orbitale violett und 3p-Orbitale grün.

1,1-Dimethylethylradikal (tert-Buty!)

Viertens liefert die Farbe einen Hinweis auf die Stereochemie-eines Moleküls, die räumliche Anordnung der Atome. Wie in Kapitel 5 gezeigt wird, kann Substituenten mit Hilfe sogenannter „Sequenzregeln“eine Rangfolge zugeordnet werden. Diese Rangfolge wird, in abnehmender

Priorität,

durch

die Farben

Rot,

Blau,

Grün und Schwarz hervorgehoben.

| Denken Sie daran, daß die | Priorität einer Gruppe durch

| die Farbgebung gekennzeichnet wird: höchste Priorität — rot zweithöchste — blau

dritte niedrigste

— grün — schwarz

a -Molekül unter Benutzung von Atomorbitalen konstruieren? Linus Pauling* hat eine Antwort auf diese Frage gefunden: Bindungen entstehen durch In-Phase-Überlappung von Atomorbitalen. Was ist damit gemeint? Erinnern Sie sich, daß Atomorbitale Lösungen der Wellengleichung sind. Genau wie Wellen können sie sich gegenseitig verstärken (s. Abb. 1-1), wenn die Überlap‘ pung zwischen Gebieten der Wellenfunktion mit gleichem Vorzeichen stattfindet. Findet die Überlappung zwischen Bereichen mit entgegengesetzten Vorzeichen statt, erfolgt eine gegenseitige Schwächung oder Auslöschung. Durch In-Phase-Überlappung der beiden 1s-Orbitale entsteht ein neues Orbital mit niedrigerer Energie als die beiden ursprünglichen Atomorbitale, das bindende Molekülorbital (s. Abb. 1-8). Auf der anderen Seite ergibt die Außer-Phase-Überlappung zwischen beiden Orbitalen eine destabilisierende Wechselwirkung, es entsteht ein antibindendes Molekülorbital (s. Abb. 1-8). In der bindenden Kombination ist die Wellenfunktion im Bereich zwischen beiden Kernen außerordentlich verstärkt. Dies bedeutet, daß die Aufenthaltswahrscheinlichkeit

der Elektronen im Raum zwischen den Kernen sehr groß ist: es kommt zu einer Bindung zwischen den beiden Atomen. Die Benutzung zweier Wellenfunktionen mit positivem Vorzeichen zur Darstellung der InPhase-Kombination der zwei 1s-Orbitale aus Abb. 1-8 ist willkürlich. Überlappung zwischen zwei negativen Orbitalen würde zu demselben Ergebnis führen. Mit anderen Worten führt die Überlappung zwischen Orbitallappen mit gleichem Vorzeichen zu einer Bindung, unabhängig vom Vorzeichen der Wellenfunktion. Im antibindenden Molekülorbital ist die Amplitude der Wellenfunktion im Raum zwischen beiden Atomen null, es befindet sich dort eine Knotenebene.

Die Wechselwirkung der beiden 1s-Atomorbitale des Wasserstoffs ergibt also zwei Molekülorbitale. Eines ist bindend und von niedrigerer

©:0-@-€8 bindendes MO

Abb. 1-8 In-Phase- (bindende) und Außer-Phase- (antibindende) Kombination der WasserstoffAtomorbitale zu WasserstoffMolekülorbitalen. Die Punkte stellen die Elektronen dar. Das antibindende Molekülorbital hat eine Knotenebene.

8:0 —®

©

Knotenebene

antibindendes MO

* Linus Pauling, 1901-1994, Professor der Stanford Universität, Kalifornien, Nobelpreise 1954 (Chemie) und 1963 (Frieden).

18

1.4 Bindung durch Über-

antibindendes MO

H>

Abb.

1-9 Schematische

lappung von Atomorbitalen: Molekülorbitale

I} bindendes MO

Darstellung

der Kombination

von

zwei A. einfach

besetzten und B. doppelt (wie im He,) besetzten Atomorbitalen

(wie im H3,)

zu zwei Molekülorbitalen

(MOs). (Nicht maßstabsgetreu.) Die Bildung einer H-H-Bindung ist energetisch begünstigt, da sich zwei Elektronen in einem energieärmeren Molekülorbital befinden. Bei Bildung einer He-He-Bindung wirken zwei Elektronen stabilisierend, während zwei andere im antibindenden Molekülorbital destabilisierend wirken, weswegen die He-He-Bindung insgesamt nicht energetisch begünstigt ist. Daher liegt Helium monoatomar vor.

Energie als die Ausgangsorbitale, das andere antibindend und von höherer Energie. Da das System insgesamt nur zwei Elektronen enthält, besetzen beide das Molekülorbital mit der geringeren Energie. Hieraus ergibt sich im Vergleich mit zwei isolierten Wasserstoffatomen ein Energiegewinn. Dieses läßt sich schematisch durch ein Energiediagramm, wie in Abb. 1-9A darstellen. Gibt es nun irgendwelche Hinweise darauf, daß antibindende Molekülorbitale tatsächlich existieren? Die gibt es tatsächlich. Unter gewissen Bedingungen lassen sich bindende Elektronen durch bestimmte Energieformen (Wärme oder Licht) derart aktivieren, daß eines der bindenden Elektronen auf das höherenergetische antibindende Niveau angehoben wird. Auf die Stärke der Bindung bezogen, bedeutet das angenähert, daß keine Bindung vorliegt. Der Energiegewinn durch Besetzung eines bindenden Molekülorbitals mit einem Elektron wird durch den Energieverlust durch die Plazierung des zweiten Elektrons in das antibindende Niveau aufgehoben. Das Ergebnis einer solchen Anhebung kann daher ein Bindungsbruch sein. Leicht ist auch zu verstehen, warum Wasserstoff als H,-Molekül, Helium jedoch in monoatomarer Form auftritt. Die Überlappung zweier vollständig gefüllter Atomorbitale, wie im Helium, ergibt keinen Energiegewinn, da sowohl das bindende wie das antibindende Molekülorbital vollständig aufgefüllt sind (Abb. 1-9B). Daher ist die Ausbildung einer He— He-Bindung energetisch nicht begünstigt.

Bindungen entstehen durch Überlappung von Atomorbitalen: o- und r-Bindungen Die Aufspaltung der Energieniveaus bei der Wechselwirkung von Atomorbitalen ist ein allgemeines Orbitale des Wasserstoffs,

Phänomen, das sich nicht nur auf die 1ssondern auch auf andere Atomorbitale

anwenden läßt. Das Ausmaß der Aufspaltung der Energieniveaus — ‘also der Energiebetrag, um den das bindende Energieniveau absinkt und das antibindende ansteigt und der die Stärke der Bindung ausmacht — ist von einer Reihe von Faktoren abhängig. Zum einen ist von Bedeutung, wie ähnlich sich beide Atomorbitale in ihrem Energieinhalt vor der Wechselwirkung waren. So ist beispielsweise das Ausmaß der Überlappung zwischen zwei 1s-Orbitalen größer als das zwischen einem 1sund einem

3s-Orbital.

Dies ist leicht zu verstehen, wenn

man

sich die

äußere Gestalt der Orbitale ansieht. Das Ausmaß der Überlappung zwischen Orbitalen ist davon abhängig, inwieweit die bindenden Elektronen denselben Aufenthaltsraum haben. Daher ist die Überlappung eines 19

1 Struktur und Bindung organischer Moleküle Is

1s

2p

Is

2p

2p

2p

2p

D Abb. 1-10 Bindung zwischen Atomorbitalen: A. 1s und 1s (z.B. H,); B. 1s und 2p (z.B. HF); C. 2p und 2p, entlang der Kernverbindungsachse angeordnet (z.B. F,); D. 2p und 2p, senkrecht auf der Kernverbindungsachse, eine n-Bindung; E. 2p und 3p (z.B. FCI). Die Plus- und Minuszeichen sind willkürlich gewählt.

kleinen Orbitals mit einem weitaus größeren gering, weil die Elektronenverteilung im größeren Orbital diffuser ist. Geometrische Faktoren spielen ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Bestimmung des Ausmaßes der Überlappung. Dies ist bei Orbitalen mit nicht kugelsymmetrischer Gestalt, wie den p-Orbitalen, besonders wichtig. Bei diesen ergeben sich hierdurch zwei Typen von Bindungen: Einen Typ, in dem sich das Maximum der Elektronendichte auf der Kernverbindungsachse (Abb. 1-10, A, B, C und E) befindet und einen anderen,

in dem

es ober-

und

unterhalb

dieser

Achse

lokalisiert

ist

(D). Den ersten Typ bezeichnet man als sigma-(o-), den anderen als pi-(r-)Bindung. Alle Kohlenstoff-Kohlenstoff-Einfachbindungen sind o-Bindungen, Doppel- und Dreifachbindungen enthalten immer einen

r-Bindungsanteil (Kapitel 11 und 13).

| Zeichnen

Sie ein Molekülorbital-

und Energieaufspaltungsdiagramm

der Bindung im

He; -Molekül. Ist es energetisch begünstigt?

Bei unserer Beschreibung der chemischen Bindung haben wir schon einen weiten Weg zurückgelegt. Wir haben mit einer Beschreibung der ionischen Bindung begonnen, haben dann den Begriff der Kovalenz und des gemeinsamen Elektronenpaars eingeführt und sind schließlich zu einem quantenmechanischen Modell gelangt. Bindungen entstehen in diesem Modell durch Überlappung von Atomorbitalen. Die beiden bindenden Elektronen besetzen das bindende Molekülorbital. Da dieses eine geringere Energie als die beiden Ausgangsorbitale besitzt, wird Energie bei der Entstehung einer chemischen Bindung frei. Die so freigesetzte Energiemenge steht in engem Zusammenhang zur Stärke der chemischen Bindung.

1.5 Bindungen in komplizierten Molekülen: Hybridorbitale Als nächsten wollen wir Bindungsschemata von komplexeren Molekülen mit Hilfe von quantenmechanischen Überlegungen zeichnen. Wie lassen sich lineare (wie im BeH;3), trigonale (wie im BH;) und tetraedrische Moleküle (CH,, NH;, H,O) mit Hilfe von Atomorbitalen konstruieren? 20

Durch Linearkombination

von Atomorbitalen

eines Atoms

entstehen Hybridorbitale: Berylliumhydrid

1.5 Bindungen in komplizierten Molekülen: Hybridorbitale

Im allgemeinen läßt sich die Bindung in einfachen zweiatomigen Molekülen durch Überlappung der entsprechenden Atomorbitale darstellen. Dieses Schema versagt jedoch bei mehratomigen Systemen. Als Beispiel wollen wir das dreiatomige Berylliumhydrid-Molekül, BeH,, betrachten. Nach dem Aufbauprinzip hat Beryllium eine geschlossene Elektronenkonfiguration,

mit zwei Elektronen

im 1s- und

zwei weiteren im 2s-Orbital. Bei dieser Anordnung sollte man erwarten, daß Beryllium chemische Bindungen eingeht.

-hsze

4

Energie

—

Be[(1s)2 (29)2]

nicht

Ah Be[(15) (25)! (2p)"]

Abb. 1-11 Anhebung (Promotion) eines 2s-Elektrons im Beryllium auf ein 2p-Niveau.

Tatsächlich gibt es jedoch eine Reihe von Berylliumverbindungen. Bei der Bindungsbildung wird Energie frei, das System gewinnt Stabilität. Um diese Befunde mit unseren bisherigen Vorstellungen in Einklang zu bringen, müssen wir unser Modell der chemischen Bindung modifizieren. Beginnen wir mit einem Gedankenexperiment. Es ist nur ein kleiner Energiebetrag nötig, um ein Elektron aus dem 2s-Orbital in eines der 2p-Niveaus anzuheben (Abb. 1-11). In dieser 15° 2s! 2p!-Konfiguration ist Beryllium leicht in der Lage, eine chemische Bindung einzugehen, da nun zwei einfach besetzte Atomorbitale zur Verfügung stehen. Man sollte annehmen, daß eine Bindung durch Überlappung des Be2s-Orbitals mit dem

1s-Orbital des einen Wasserstoffatoms,

die andere

Bindung durch Überlappung des Be-2p-Orbitals mit dem 1s-Orbital des anderen Wasserstoffatoms zustandekommt (s. Abb. 1-12). Diese Annahme hat einige Konsequenzen für die Struktur des Moleküls. Man sollte nämlich zwei verschiedene Bindungen unterschiedlicher Länge erwarten, und das gesamte Molekül wäre vermutlich gewinkelt. Leider existiert BeH; nicht als einzelnes Molekül (Monomer), sondern als polymere Struktur aus vielen einzelnen Monomereinheiten,

die Vor-

hersage läßt sich also nicht experimentell nachprüfen. Es gibt jedoch sehr ähnliche Verbindungen, wie das gasförmige Be(CH;),, die linear gebaut sind und CBe-Bindungen von gleicher Länge enthalten. Wie läßt sich nun die Bindung in diesen Molekülen mit Hilfe von s- und p-Orbitalen erklären? Zur Beantwortung dieser Frage benutzen wir einen quantenmechanischen Ansatz, der als Hybridisierung von Orbitalen bezeichnet wird.

Abb. 1-12 Mögliche, jedoch unzutreffende Beschreibung der Bindung im BeH;, über ein 2s und ein 2p-Orbital des Berylliums. Die Knotenebene im 2s-Orbital ist nicht eingezeichnet, die beiden anderen leeren p-Orbitale und das gefüllte 1s-Orbital mit niedrigerer Energie sind der Deutlichkeit wegen fortgelassen. Die Valenzelektronen sind durch Punkte eingezeichnet.

21

1 Struktur und Bindung organischer Moleküle

sp-Hybridisierung führt zu linearen Strukturen Ebenso durch

wie

sich

Atomorbitale

Linearkombination

verschiedener

in Molekülorbitale

Atome

mathematisch

überführen

lassen,

kann

man auch Atomorbitale desselben Atoms durch mathematische Operationen in Hybridorbitale überführen. Beim Beryllium entstehen durch geeignete Kombination oder Mischung der 2s- und einer 2p-Funktion zwei neue

Hybride,

die sogenannten sp-Orbitale,

die 50%

s- und 50%

p-Charakter haben. Durch diese Mischung erfolgt eine räumliche Umorientierung der Orbitallappen, wie in Abb. 1-13 gezeigt. Die größeren Orbitallappen, die sogenannten Vorderlappen, bilden miteinander einen Winkel von 180°. Daneben entstehen noch zwei kleinere Hinterlappen (jeweils einer für jedes sp-Hybrid) mit entgegengesetztem Vorzeichen. Die beiden nicht besetzten p-Orbitale bleiben unverändert. Diese Hybridisierung minimiert die gegenseitige Abstoßung der Elektronen und maximiert die Bindung. Durch Überlappung der sp-Hybridorbitale mit den beiden Wasserstoff-1s-Orbitalen entsteht dann das lineare BeH;. Entsprechend können die beiden sp-Hybride des Berylliums auch mit den Orbitalen anderer Elemente überlappen, wodurch die anderen Berylliumverbindungen gebildet werden. Die Gesamtzahl aller für die Bindung zur Verfügung stehenden Orbitale wird durch die Hybridisierung nicht verändert. Wie wir in Abschn. 13.2 sehen werden, läßt sich auch die Kohlenstoff-Dreifachbindung unter Benutzung von sp-Hybridorbitalen beschreiben. 2s

Vorderlappen

Hinterlappen

f

Hybridisierung

—

sp Abb. 1-13 Hybridisierung im Berylliumatom zu zwei sp-Hybridorbitalen und die resultierende Bindung im BeH3,. Wieder sind die verbleibenden p-Orbitale und das 1s-Orbital der Deutlichkeit wegen fortgelassen. Das Vorzeichen der Wellenfunktion ist in den großen sp-Lappen umgekehrt wie in den kleinen.

Bindung

| 2

Berylliumhydrid

sp--Hybridorbitale bilden trigonale Strukturen Als nächstes wollen wir die Gruppe von Elementen im Periodensystem mit drei Valenzelektronen (Gruppe 13) betrachten. Welches Bindungsschema

können

wir für Boran,

BH,,

Aluminiumtrimethyl,

Al(CH3;);,

und ähnliche Moleküle ableiten? Zur Beschreibung der Bindung im Boranmolekül mit Hilfe von Atomorbitalen benutzen wir wieder die Hybridisierung. In diesem Falle entstehen durch mathematische Kombination eines 2s- und zweier 2pOrbitale drei neue Hybridorbitale. Man bezeichnet sie als sp°-Hybridorbitale, um die Anzahl der an der Hybridisierung beteiligten Orbitale anzugeben (s. Abb. 1-14). Das dritte p-Orbital nimmt nicht an der Hybridisierung teil, die Gesamtzahl der Orbitale bleibt unverändert vier. Wie beim Beryllium brauchen wir uns nicht darum zu kümmern, daß nach dem Aufbauprinzip für Bor eine Elektronenkonfiguration (15)? (2s)° (2p)' und daher nur ein ungepaartes Elektron zu erwarten ist. Durch Anhebung eines 2s-Elektrons auf eines der 2p-Niveaus erge22

Vorderlappen sp?

Vast

:

\

Hinterlappen

Hybridisierung —

120°

Borhydrid

ben sich die drei einfach besetzten Atomorbitale (ein 2s, zwei 2p), die für die Hybridisierung erforderlich sind. Die drei sp’-Orbitale des Bors im BH; (Boran) haben die gewünschte trigonale Anordnung, die mit einer Minimierung der Elektron-ElektronAbstoßung verbunden ist. Durch die Hybridisierung vergrößert sich auch die Möglichkeit der Überlappung mit anderen Atomorbitalen. Es können sich daher stärkere Bindungen als über normale p-Orbitale ausbilden (s. Abb. 1-14). Die drei Vorderlappen haben dasselbe Vorzeichen und überlappen mit den 1s-Orbitalen der Wasserstoffatome unter Bildung von BH;. Das dritte 2p-Orbital des Bors steht senkrecht auf der Ebene, in der sich die sp’-Hybridorbitale befinden. Es ist leer und nicht in signifikantem Maße an der Bindung beteiligt. Genau wie sp-Hybridorbitale können auch sp?-Hybridorbitale Bindungen zu anderen Atomorbitalen als den besprochenen 1s-Orbitalen einge-

Abb. 1-14 Hybridisierung des Boratoms zu drei sp-Hybridorbitalen und die resultierende Bindung im BH;. Die drei vorderen Orbitallappen haben dasselbe Vorzeichen, das der drei hinteren ist umgekehrt. Das verbleibende p-Orbital (p,) steht senkrecht auf der Molekülebene (die Papierebene, ein Lappen liegt oberhalb, der andere unterhalb der Ebene) und ist nicht eingezeichnet.

hen. So läßt sich beispielsweise die Bindung im Bortrifluorid, BF;, durch

Wechselwirkung der drei sp’-Orbitale des Bors mit drei einfach besetzten 2p-Orbitalen der Fluoratome darstellen. Hierdurch entstehen drei

doppelt besetzte sp’—p-Molekülorbitale. Das

BH;-Molekül

ist mit dem

Methyl-Kation,

CH3,

isoelektronisch,

das bedeutet, daß es dieselbe Anzahl von Elektronen hat. Die Bindung im CH$ erfolgt ebenfalls über drei sp’-Hybridorbitale, und wie wir in Abschn. 11.2 sehen, lassen sich Doppelbindungen am Kohlenstoff ebenfalls unter Benutzung von sp’-Hybriden beschreiben.

sp’-Hybridisierung in gesättigten Kohlenstoffverbindungen: Methan hat eine tetraedrische Struktur Nun wollen wir das Element betrachten, an dessen Bindungen wir am meisten interessiert sind, den Kohlenstoff.

Kohlenstoff hat die Elektro-

nenkonfiguration (15)? (25)” (2p)’, mit zwei ungepaarten 2p-Elektronen. Die Anhebung eines Elektrons vom 2s- auf das unbesetzte 2pNiveau ergibt vier einfach besetzte Orbitale, die für eine Bindung zur Verfügung stehen. Untersuchungen der Molekülstruktur des Methans haben ergeben, daß die vier Wasserstoffatome tetraedrisch um das zentrale Kohlenstoffatom angeordnet sind. Durch Mischen des 2s- mit allen drei 2p-Orbitalen ergeben sich nun vier äquivalente sp’-Orbitale mit der gewünschten geometrischen Anordnung, wobei jedes von einem Elektron besetzt ist. Die Überlappung mit vier Wasserstoff-1.s-Orbitalen

Abb.1-15 Hybridisierung im Kohlenstoffatom zu vier sp’-Hybridorbitalen und die resultierende Bindung im CH,. Das Vorzeichen der kleineren Hinterlappen der sp’Hybridorbitale ist entgegengesetzt zu dem der Vorderlappen.

Methan

23

1 Struktur und Bindung organischer Moleküle

ergibt dann das Methanmolekül mit vier äquivalenten CH-Bindungen. Die HCH-Bindungen bilden miteinander den charakteristischen Tetraederwinkel von 109.5° (s. Abb. 1-15). Wie alle bisher diskutierten Hybridorbitale können auch die sp°Hybride mit anderen Orbitalen überlappen. Durch Überlappung mit vier Chlor-p-Orbitalen entsteht beispielsweise Tetrachlormethan, CC]. Auch Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen werden durch Überlappung zweier Hybridorbitale gebildet. Im Ethan, CH;CH;,, (s. Abb. 1-16) fin-

det die Überlappung zwischen zwei einfach besetzten sp’-Hybridorbitalen der beiden CH;-Einheiten

statt. Jedes Wasserstoffatom

im Methan

und Ethan läßt sich durch eine CH;- oder eine andere Gruppe ersetzen, wodurch eine Fülle von neuen Kombinationen möglich wird. In all diesen Molekülen sind die Bindungen am Kohlenstoff in etwa tetraedrisch angeordnet. Die außerordentliche Vielfalt der organischen Chemie kommt aufgrund dieser Eigenschaft des Kohlenstoffs, mit sich selbst Ketten bilden zu können, an denen eine Vielzahl weiterer Substituenten

gebunden sein können, zustande.

1-16 Ausbildung der KohlenstoffKohlenstoff-Bindung im Ethan

durch Überlappung zweier sp’-Orbitale.

Ethan

Im Ethen (Ethylen) und im Ethin (Acetylen) liegen n-Bindungen vor Die Doppelbindung in Alkenen wie dem Ethen (Ethylen) sowie die Dreifachbindung in Alkinen wie dem Ethin (Acetylen) sind auf die sp‘bzw. die sp-Hybridisierung von Kohlenstoffatomen zurückzuführen. Die o-Bindungen werden von sp?-Hybridorbitalen aufgebaut: Csp’-Csp? für die C-C-Bindungen und Csp’-His zur Bindung der vier Wasserstoffatome (Abb. 1-17). Im Gegensatz zu BH;, das ein leeres p-Orbital senkrecht auf der durch die sp?-Hybridorbitale aufgespannten Ebene aufweist, sind die beiden verbleibenden p-Orbitale im Ethen jeweils einfach besetzt, so daß sie unter Bildung einer n-Bindung überlappen (vgl. Abb. 1-10 D). Im Ethin wird das o-Gerüst durch Bindungen aus CspHybridorbitalen aufgebaut. Es verbleiben an beiden Kohlenstoffatomen je zwei zueinander senkrecht stehende einfach besetzte p-Orbitale, die zu zwei n-Bindungen überlappen (Abb. 1-17). 1-17 Die Doppelbindung im Ethen (Ethylen) und die Dreifachbindung im Ethin (Acetylen). o-Bindung

2p-Orbital

z-Bindung

sp-Orbital Ethen

z-Bindung

z-Bindung

o-Bindung Ethin

Hybridorbitale können freie Elektronenpaare enthalten: Ammoniak und Wasser

1.5 Bindungen in komplizierten Molekülen: Hybridorbitale

Mit welchen Typen von Orbitalen läßt sich nun die Bindung im Ammoniak- und im Wassermolekül beschreiben? Lassen Sie uns mit dem Ammoniak beginnen. Aus der Elektronenkonfiguration des Stickstoffs,

(15)? (25) (2p)°, ergibt sich dessen Dreibindigkeit, drei kovalente Bindungen sind zur Erreichung eines Elektronenoktetts nötig. Wir könnten zur Bindung reine p-Orbitale benutzen, das nichtbindende Elektronenpaar verbliebe dann im 2s-Niveau. Dies steht jedoch im Widerspruch zu der beobachteten Molekülstruktur, einem angenäherten Tetraeder mit den drei Wasserstoffatomen an der Basis und dem Stickstoff an der Spitze. Nimmt man jedoch eine sp’-Hybridisierung am Stickstoff an, ergibt sich die gewünschte Geometrie. Drei der sp’-Orbitale werden für die Bindungen zu den Wasserstoffatomen benutzt, im vierten befindet sich das freie Elektronenpaar (s. Abb. 1-18). Entsprechend läßt sich auch die Bindung im Wassermolekül am besten über sp’-Hybridorbitale beschreiben. Der HOH-Bindungswinkel beträgt 104.5°, was dem Tetraederwinkel recht nahe kommt. Die bei beiden Molekülen beobachteten geringen Abweichungen vom Tetraederwinkel lassen sich erklären, wenn man die freien Elektronenpaare dieser Systeme berücksichtigt (s. Abb. 1-18). Da freie Elektronenpaare nicht zur Bindung benutzt werden, befinden sie sich näher am Stickstoffbzw. Sauerstoffkern als die bindenden Elektronen. Hierdurch ist die Abstoßung zwischen den freien und den bindenden Elektronenpaaren größer als die der bindenden

untereinander,

der Winkel

zwischen

den

bindenden Paaren verkleinert sich. Übung 1-6 Schreiben Sie ein Schema für die Hybridisierung und Bindung im Methyl-Kation, CH; , und im Methyl-Anion, CH;.

Um also die gegenseitige Abstoßung der Elektronen zu minimieren und die Bindungen in dreiatomigen und größeren Molekülen zu maximieren, wenden wir das Konzept der Hybridisierung von Atomorbitalen an, um zu Hybridorbitalen der zutreffenden geometrischen Gestalt zu gelangen. So entstehen beispielsweise durch geeignete Mischung eines s- und eines p-Orbitals zwei lineare sp-Hybride, bei einem s- und zwei p-Orbitalen drei trigonale sp?-Hybridorbitale und aus einem s- und drei p-Orbitalen vier tetraedrisch angeordnete sp’-Orbitale. Es sei aber noch einmal darauf hingewiesen, daß es sich hierbei um mathematische Überlegungen und Gedankenexperimente handelt, die keiner physikalischen

Realität

in den

Atomen

(„erst promoviert

der Kohlenstoff

ein

Elektron, danach hybridisiert er sich“) entsprechen. =

1-18 Bindung und Elektronenabstoßung in Ammoniak und Wasser. Die Bögen deuten eine verstärkte Abstoßung durch die freien Elektronenpaare, die sich dicht am Kern des Zentralatom befinden, an.

TUT

freies Elektronenpaar im

sp3-Orbital

freie Elektronen- —__, paare

\

104.5° Ammoniak

Wasser

25

TE

role

1.6 Nicht alle Elektronen werden gleichmäßig aufgeteilt: Die polare kovalente Bindung Aufgrund ihres unterschiedlichen Aufbaus haben die Atome verschiedener Elemente eine unterschiedliche Neigung, Elektronen anzuziehen oder abzugeben. So versteht man unter dem Ionisierungspotential (IP) den Energiebetrag, der erforderlich ist, um von einem Atom oder Ion in der Gasphase ein Elektron zu entfernen. Den Energiebetrag, der benötigt wird, um das erste Elektron zu entfernen, bezeichnet man als erstes Ionisierungspotential den zur Entfernung des zweiten Elektrons erforderlichen Betrag das zweite Ionisierungspotential und so weiter. In Tab. 1-1 sind die Ionisierungspotentiale einiger ausgewählter Elemente aufgeführt. Die Größe des ersten und der folgenden /Ps hängt stark, aber nicht ausschließlich von der Größe der Kernladung ab. Ein höher positiv geladener Atomrumpf hat meist ein größeres /P zur Folge. Als Beispiel möge der Vergleich der Ionisierungspotentiale von Kohlenstoff (/P = 1089kJ/mol) und von Fluor (/P = 1683kJ/mol) dienen. Wird durch Abgabe eines Elektrons eine Edelgaskonfiguration erhalten, ist das Ionisierungspotential relativ klein (s. /P von Li, Na). Die Elektronenaffinität (EA) ist definiert als die Energiemenge, die bei der Aufnahme eines Elektrons durch ein Atom freigesetzt wird. Die Elektronenaffinität eines Atoms entspricht im Zahlenwert dem ersten lonisierungspotential des dazugehörigen einfach negativ geladenen Anions. In Tabelle 1-2 sind die EAs einiger Elemente angegeben. Mit beiden Größen im Zusammenhang steht die sogenannte Elektronegativität,

die ein Maß

dafür

ist, wie stark ein Atom

die bindenden

Elektronen einer kovalenten Bindung anzieht. Die Elektronegativität von Fluor, dem elektronegativsten Element, ist dabei willkürlich gleich 4 gesetzt. In Tabelle 1-3 sind die relativen Elektronegativitäten einiger Elemente angegeben. Kommt es nun zur Knüpfung einer kovalenten Bindung zwischen Atomen mit unterschiedlicher Elektronegativität, zieht das elektronegativere von beiden die bindenden Elektronen stärker zu sich hin, man bezeichnet eine solche Bindung als polar.

Polare Bindungen 54

43

A3’:B?

Be weniger elektronegativ

Obwohl

ein Dipol d ee o)

DR

ö’H:F:5

5°31:C1257

stärker elektronegativ

Fluorwasserstoff

Iodmonochlorid

H H:C:F:° H

das Molekül

Fluormethan

als ganzes nach außen hin neutral bleibt, besitzt

das eine Ende des Moleküls eine positive, das andere Ende eine negative Partialladung. Positive und negative Partialladung werden durch die Zeichen d° und ö symbolisiert. Ein Molekül A:B dieses Typs ist ein elektrischer Dipol, der durch eine positive Ladung am einen und eine numerisch gleich große negative Ladung am anderen Ende, die durch den Abstand d voneinander getrennt sind, charakterisiert ist. Das Produkt aus Ladung g und Abstand d bezeichnet man als Dipolmoment u. Das Dipolmoment läßt sich durch den Grad der Ausrichtung des Dipols in einem äußeren elektrischen Feld messen. Die SI-Einheit des Dipolmoments ist Cm. Häufig findet man daneben noch. die alte

Einheit Debye (D, ID = 3.33 x 10°” Cm). Das Dipolmoment von HF

beträgt 5.8 x

10°” Cm,

das von

HCI

ist kleiner

(warum?),

es

beträgt 3.6 x 10°’ Cm. Die Polarität einer Bindung ist auch noch bei benachbarten Gruppen zu spüren. Der elektronenanziehende Charakter des Fluors führt im 26

1.6 Nicht alle Elektronen werden gleichmäßig aufgeteilt: Die polare kovalente Bindung

Tabelle 1-1 Ionisierungspotentiale einiger häufig vorkommender Elemente Ionisierungspotential* in kJ/mol Element

Igva2

H He Li Be B C N oO F Ne

1315 2374 519 896 800 1089 1403 1315 1683 2085

2,102

5255 7302 1758 2428 2353

Element

ih, 102

Na Mg Al Si IE S Cl Br I

498 188 578 787 1013 1001 1256 1143 1009

Da zur Abspaltung eines oder mehrerer Elektronen Energie erforderlich ist, haben alle aufgeführten Elemente positive /Ps. Es sind aber auch negative Werte möglich (z.B. bei den /Ps von Anionen). Tabelle 1-2 Elektronenaffinitäten einiger ausgewählter Elemente Element

Elektronenaffinität* in kJ/mol

H C O F cl Br I

9 —105 —142 —335 —348 —322 —297

*® Das Vorzeichen der Werte der Elektronenaffinität ist negativ, da bei den aufgeführten Elementen bei Aufnahme eines Elektrons Energie frei wird. Es gibt jedoch auch positive EA-Werte. Tabelle 1-3 Elektronegativitäten einiger ausgewählter Elemente H 22 Li 1.0

Be 1.6

B 2.0

@& 2.6

N 3.0

oO 3.4

F 4.0

. Na 0.9

Mg 18

Al 1.6

Si 1.9

P DD

S 2.6

cl 32

K

Br

0.8

3.0

pn

Fluormethan dazu, daß auch die an den Kohlenstoff gebundenen Wasserstoffatome etwas positiv polarisiert sind. Dieses Phänomen der Ladungsübertragung bezeichnet man als induktiven Effekt. Der induktive Effekt wird uns noch einmal im Abschn. 8.3 begegnen. Nicht alle Moleküle mit polaren Bindungen wirken nach außen als Dipole. Dies ist nur dann der Fall, wenn der Schwerpunkt der positiven und der negativen Ladung des Moleküls nicht an demselben Ort liegen. Das gilt beispielsweise für die bereits erwähnten Moleküle HF, HCI und CH3zF. Bei einer symmetrischen Struktur, wie beim linearen CO-und dem tetraedrischen CCl;-Molekül, liegen jedoch die Zentren der positiven und negativen Ladung an demselben Punkt, das Dipolmoment ist null. Um zu entscheiden, ob eine Struktur symmetrisch ist, müssen wir die Gestalt des entsprechenden Moleküls kennen.

Moleküle können polare Bindungen enthalten und trotzdem kein Dipolmoment haben DIOR

° 0::C::O [ ö @l:

See

Sl

221520:

Übung 1-7 Zeigen Sie die Bindungspolarisation in H,O, SCO, SO, IBr, CH,, CHCI,, CH>Cl, und CH3;Cl, indem Sie Dipol-Pfeile einzeichnen, um die Ladungstrennung zu beschreiben.

27

1 Struktur und Bindung organischer Moleküle

; | RE

0 i ER ; OA .O, | B

er =0%

| BR } O5: 208 j c br:

1.7 Resonanzformeln Als nächstes wollen wir eine Guppe von Molekülen betrachten, die sich nicht nur durch eine einzige, sondern durch mehrere richtige Strukturformeln beschreiben lassen. Wie ist das möglich?

Das Carbonat-Ion läßt sich durch mehrere richtige Strukturformeln beschreiben Lassen Sie uns noch einmal zu den Lewis-Formeln zur Beschreibung kovalenter Bindungen zurückkehren, weil sich an ihnen die folgenden Betrachtungen am einfachsten demonstrieren lassen. Außerdem werden auch heutzutage noch die zweidimensionalen Abbildungen von Molekülen mit Hilfe von Lewis-Formeln dargestellt, weil sie sich einfach zeichnen

lassen,

auch

wenn

jedem

Chemiker

bewußt

ist, daß sich hieraus

wenig über die tatsächliche Gestalt des Moleküls und die Art der Bindung aussagen läßt. Für das Carbonat-Ion könnten wir eine Lewis-Formel A zeichnen, in der jedes Atom ein Elektronenoktett besitzt. In dieser Formel befinden sich die negativen Ladungen auf den beiden unteren Sauerstoffatomen. Das dritte Sauerstoffatom an der Spitze ist neutral und durch eine Doppelbindung an das zentrale Kohlenstoffatom gebunden. Es hat zwei freie Elektronenpaare. Warum haben wir uns aber gerade die beiden unteren Sauerstoffatome als Ladungsträger ausgewählt? Dafür gibt es überhaupt keinen Grund, diese Entscheidung ist völlig willkürlich. Formel B oder C sind zur Beschreibung des Carbonat-Ions ebenso geeignet. Alle drei Lewis-Formeln sind äquivalent, man bezeichnet sie als Resonanzformeln oder als mesomere Grenzformeln. Verschiedene Resonanzformeln desselben Moleküls lassen sich allein durch Verschiebung von Elektronenpaaren ineinander überführen, die Position der Kerne im Molekül bleibt unverändert. Um A in B und dann in C zu überführen, müssen wir in jedem Falle zwei Elektronenpaare verschieben. Eine derartige Bewegung von Elektronen läßt sich durch gebogene Pfeile darstellen.

Darstellung des Verschiebens von Elektronenpaaren durch gebogene Pfeile

0:

-:0:

A| h eo oo

A

=

—

B

2:0:

e ®

Wie sieht nun die wahre Struktur des Carbonat-Ions

aus?

Liegen im Carbonat-Ion nun tatsächlich ein nicht geladenes Sauerstoffatom, das an das Kohlenstoffatom durch eine Doppelbindung gebunden ist, und zwei negativ geladene Sauerstoffatome, die jedes durch eine Einfachbindung gebunden sind, vor? Die Antwort ist nein. Das Carbonat-Ion ist vollständig symmetrisch gebaut und enthält ein trigonales zentrales Kohlenstoffatom. Alle C-O-Bindungen haben dieselbe Länge, die zwischen der einer Doppel- und der einer Einfachbindung liegt. Die negative Ladung verteilt sich gleichmäßig über alle drei Sauerstoffatome, sie ist delokalisiert. Mit anderen Worten stellt keine der LewisFormeln allein eine ausreichende Beschreibung des Moleküls dar. Eine richtige Beschreibung des Moleküls bekommen wir, wenn wir annehmen,

28

daß die wahre Struktur des Moleküls

in der Mitte zwischen

allen dreien liegt. Das Carbonat-Ion ist ein sogenannter Resonanzhybrid dieser

drei Resonanzformeln

A, B und

C, die man

auch

als Grenz-

formeln bezeichnet. Da alle drei Formeln äquivalent sind, ist ihr Beitrag zum Resonanzhybrid gleich groß, aber keine von ihnen allein beschreibt das Molekül hinreichend. Da Resonanzformeln hypothetisch sind, lassen sich die ihnen entsprechenden Spezies weder beobachten noch isolieren. Um die Darstellung eines Moleküls durch Resonanzformeln von normalen chemischen Gleichungen zu unterscheiden, werden erstere durch einen zweiköpfigen Pfeil verbunden und oft in eckige Klammern gesetzt. Das Wort Resonanz impliziert, daß das Molekül zwischen den Resonanzstrukturen hin und her vibriert oder oszilliert. Dies ist aber nicht richtig. Das Molekül hat nur eine Struktur, die sich aber unter Verwendung dieser Strukturformeln nicht besser beschreiben läßt. Deswegen ist der Terminus Hybrid besser gewählt. Ein Hybrid ist in der Biologie definiert als Nachkomme genetisch ungleicher Eltern. Im Falle des Carbonat-Ions

bedeutet

das, daß es drei „Eltern“

Das Carbonat-Ion läßt sich auch mit Hilfe gepunkteter Linien als Resonanzhybrid zeichnen O3= ° . .

& =)

O3

hat (A, B und C), die

eine Hybrid-Struktur ergeben. Die Carbonat-Struktur läßt sich auch mit Hilfe anderer Konventionen beschreiben. So kann man die Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindung auch als Kombination einer durchgezogenen und einer gestrichelten Linie darstellen. Da jedes Sauerstoffatom nur einen Teil (etwa 2/3) einer negativen Ladung trägt, wird dies durch das 2/3" -Zeichen angedeutet. Man sagt, die Ladung sei delokalisiert. Weitere Beispiele für Resonanzhybride sind das Acetat- und das Allyl-Kation*.

H

le

|

Bet

9 O:

H—C—-C

nn

H

H

£ OÖ

SH = O—C

-

„.(DR

HL

OÖ

ON

E—E H

oder» .O .

H

3—

OÖ

Acetat-Ion (Ethanoat-Ion)

H

N

H

Er

LEER

H

Te

H Son

Fe

H

CR

H

H

H oder

er H

EA

H

Ct

H

kr €H H

Allyl-Kation (2-Propenyl-Kation)

Für das Zeichnen von Resonanzformeln sei noch einmal darauf hingewiesen, daß (1) das Verschieben eines Elektronenpaars von einem Atom zu einem anderen mit einer Bewegung von Ladung verbunden ist; (2) die relativen Positionen aller Atome unverändert bleiben müssen; (3) die Energien aller äquivalenter Resonanzformeln dieselben sind und daß (4) zwischen die einzelnen Formeln zweiköpfige Pfeile gezeichnet werden. Übung 1-8 Zeichnen ‚Sie zwei Resonanzformeln für das Nitrit-Ion, NO;. Was läßt sich über die Geometrie des Moleküls sagen? (Hinweis: Beachten Sie die abstoßende Wirkung des

freien Elektronenpaares am Stickstoffatom!)

Dies sind die Trivialnamen. Der systematische Name für Acetat ist Ethanoat (s. Abschn. 20.4), der für Allyl 2-Propenyl (Abschn. 14.1). Auf die systematischen Namen gehen wir später ein.

29

1 Struktur und Bindung organischer Moleküle

Nichtäquivalente Resonanzformeln Die Resonanzformeln des Carbonat-, Acetat- und Allyl-Kations sind untereinander äquivalent. Viele Moleküle lassen sich jedoch durch einen Satz von Lewis-Formeln beschreiben, die nicht äquivalent sind. Ein Beispiel hierfür ist das Enolat-Ion, ein Sauerstoff-Analogon des Allyl-Anions. Beide Resonanzformeln unterscheiden sich in der Lage der Doppelbindung und der Ladungsverteilung. Da sich beide Formeln unterscheiden, entspricht eine von beiden eher dem wahren Zustand des Moleküls, obwohl keine das Molekül ausreichend beschreibt.

Die beiden nichtäquivalenten Resonanzformeln des Enolat-Ions H

H

Hass

Bir

H

ET

H

H

RE

20%

Wie läßt sich nun erkennen, welche Resonanzformel den größeren Anteil am Resonanzhybrid besitzt? Wenn wir unsere Überlegungen ein wenig erweitern und bei nichtäquivalenten Resonanzformeln auch solche miteinbeziehen, die kein Elektonenoktett aufweisen, gewinnt die Frage allgemeinere Natur. [Oktett Nichtoktett]-Resonanzformeln

3%)

ne SEE HO

Formaldehyd

u Iin=0: en stärkere

Beteiligung am Resonanzhybrid

ER N geringere Beteiligung am Resonanzhybrid

Eine derartige Erweiterung

:07 O2: n

3:

OH Be

HO

en 5

r OH

Schwefelsäure

erfordert, daß wir unsere

Begriffe von

„wahrer“ und „falscher“ Strukturformeln weiter fassen und alle denkba-

ren Resonanzformeln als Beitrag zur zutreffenden Beschreibung eines Moleküls miteinbeziehen. Die eigentliche Aufgabe besteht nun darin zu erkennen, welche Resonanzformel die wichtigste ist, d.h. den größten Anteil an der wahren Struktur des Moleküls hat. Dieses Problem können wir durch Beachtung einiger Regeln lösen.

Regel 1 Resonanzformeln mit der größtmöglichen Anzahl von Elektronenoktetts sind bevorzugt. Im Enolat-Ion sind alle Atome in beiden möglichen Resonanzformeln von einem Oktett von Elektronen umgeben. Betrachten wir im Gegensatz dazu die Resonanzformeln des NitrosylKations, NO*. In der Formel mit der positiven Ladung am Sauerstoffatom haben beide Atome ein Elektronenoktett, während in derjenigen mit der positiven Ladung am Stickstoffatom nur das Sauerstoffatom ein Oktett erhält. Aus diesem Grund ist der Beitrag der zweiten Formel zum Resonanzhybrid geringer. Die Bindung im Molekül entspricht daher eher einer Dreifach- als einer Doppelbindung, und die positive Ladung ist eher am Sauerstoffatom lokalisiert. Regel 2 Negative Ladungen sollten bevorzugt am Atom mit der größten, positive Ladungen am Atom mit der geringsten Elektronegativität lokalisiert sein. Betrachten Sie wiederum das Enolat-Ion. Welche Resonanzformel ist nach dem eben gesagten die bevorzugte? Aufgrund von Regel 2 ist es die erste mit der negativen Ladung am Sauerstoff. Beim Betrachten von NO* kann Ihnen Regel 2 vielleicht verwirrend erscheinen. In der Formel mit der höheren Beteiligung am Resonanzhybrid liegt die positive Ladung am elektronegativeren Sauerstoffatom. In

30

solchen Fällen ist zu beachten, daß Regel 1 gegenüber Regel 2 die höhere Priorität zukommt, die Einhaltung der Oktettregel ist wichtiger als die Berücksichtigung der Elektronegativität.

1.3 Zusammensetzung, Struktur und Formeln organischer Moleküle

Regel 3_ Resonanzformeln mit geringerer Ladungstrennung sind bevorzugt. Diese Regel ergibt sich aus dem Coulombschen Gesetz. Das Trennen von Ladungen erfordert Energie, daher sind neutrale Resonanzformeln gegenüber dipolaren begünstigt. 0:

: fe)Sg

Iialı He

font

C=9=H

—>

HCZO-H geringere Beteiligung

stärkere U Beteiligung

-

Ameisensäure

Regel 4 Trennung von Ladungen kann durch die Oktettregel erzwungen sein. In einigen Fällen ist Ladungstrennung zur Einhaltung der Oktettregel akzeptierbar. Regel 1 besitzt wiederum eine höhere Priorität als Regel 3. Ein Beispiel hierfür ist Kohlenmonoxid: e

H

u

Ec=0;

geringere Beteiligung

H

:’C=0O |

ee EZSNEN:

N

stärkere Beteiligung

|

stärkere Beteiligung

Az

So

Kohlenmonoxid

Sind in derartigen Fällen mehrere Resonanzformeln möglich, ist die energetisch günstigste diejenige, in der die Ladungsverteilung am besten den relativen Elektronegativitäten der beteiligten Atome entspricht (Regel 2). Im Diazomethan beispielsweise ist Stickstoff elektronegativer als Kohlenstoff.

ne

Be

E-N=N: geringere Beteiligung

Diazomethan

Übung 1-9 Zeichnen Sie die Resonanzformeln der folgenden zwei Moleküle. Geben Sie in jedem Fall die Formel mit der größeren Beteiligung am Resonanzhybrid an. (a) CNO ;

(b) NO”.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß es Moleküle gibt, die sich durch eine einzige Strukturformel nicht hinreichend beschreiben lassen, sondern als Hybride von mehreren Resonanzformeln dargestellt werden müssen. Um die Formel mit der größten Beteiligung am Resonanzhybrid zu finden, prüft man zunächst, ob die Oktettregel erfüllt ist, danach, ob die Ladungstrennung möglichst klein ist und schließlich, ob die elektronegativeren Atome so viel negative und so wenig positive Ladung wie möglich tragen.

1.8 Zusammensetzung, Struktur und Formeln organischer Moleküle Nachdem wir uns nun einen Einblick in die chemische Bindung in organischen

Molekülen

verschafft

haben,

wollen

wir

sehen,

auf

welche

Weise man in der organischen Chemie vorgeht, um Zusammensetzung und Struktur einer organischen Verbindung aufzuklären. Danach befassen wir uns

damit,

wie sich eine bekannte

Molekülstruktur

mit Hilfe

bestimmter Konventionen auf dem Papier darstellen läßt. Unterschätzen Sie nicht die Wichtigkeit dieses Punktes! Nachlässigkeit beim Zeichnen von Formeln ist die Ursache vieler Fehler in der Literatur und — wohl nicht weniger wichtig - in Prüfungen im Fach Chemie.

31

1 Struktur und Bindung organischer Moleküle

Durch die Elementaranalyse wird die Zusammensetzung organischer Verbindungen bestimmt Woher wissen wir eigentlich, welche Zusammensetzung ein bestimmtes Molekül hat? Die klassische Methode, um erste Informationen über die Zusammensetzung einer unbekannten Struktur zu erhalten, ist die Elementaranalyse. Bei der Elementaranalyse wird eine kleine, genau ausgewogene Menge einer unbekannten Verbindung in eine meßbare Menge einer bekannten

Substanz,

in der alle Elemente,

die bestimmt

werden

sollen, enthalten sind, überführt. So läßt sich beispielsweise die vollständige Oxidation oder Verbrennung eines Kohlenwasserstoffs zu Kohlendioxid und Wasser exakt mit Hilfe eines Geräts, eines sogenannten C-HAnalysators, bestimmen. Aus der bekannten Masse beider Produkte kann man dann sehr einfach den Massenanteil von Kohlenstoff und Wasserstoff in der ursprünglichen Probe bestimmen (das Gerät macht das automatisch). Aus stickstoffhaltigen Verbindungen läßt sich durch bestimmte Reaktionen der Stickstoff als N,-Gas abspalten und bestimmen. Der Chlorgehalt von chlororganischen Verbindungen wird durch Aufschluß und anschließende gravimetrische Bestimmung des Chlors als Silberchlorid bestimmt. So gibt es für jedes Element einen speziellen quantitativen Nachweis. Einige Ergebnisse von quantitativen Elementaranalysen sind im folgenden angegeben: Beispiele für Ergebnisse von Elementaranalysen CH,

CH74:87%,0E12313%

Methan

CEh

C 7.81%; Cl 2.19%

Tetrachlormethan

CH,SH = CH,S

C 24.97%; H 8.38%; S 66.65 %

Methanthiol CH;CH3;CH;

=

C,H;

C Sl

o: H

18.29

%

Propan

Aus der quantitativen Analyse können wir die empirische Formel berechnen, d.h. die einfachste Formel, die die relative Anzahl der Atome jedes Elements in einem Molekül angibt. So ist z.B. die empirische Formel von Methan CH,, denn aus der Elementaranalyse ergibt sich, daß das Molekül viermal soviel Wasserstoff- wie Kohlenstoffatome enthält. Wie geht diese Berechnung nun in der Praxis vor sich? Wir wollen annehmen,

daß uns jemand eine Probe eines unbekannten

Gases gegeben hat. Zur Ermittlung der empirischen Formel würden wir dann eine bestimmte Menge dieser Substanz — sagen wir einfachheitshalber 100mg - vollständig oxidieren. Nach dieser Behandlung erhielten wir 275mg CO, und 225mg H;O. Hieraus berechnen wir dann:

m(CO;) _ 275 mg n(CO,) = n(C) = ae

= 6.25 mmol

und

1 m(H>0O) = n(H>0O) — 5 n(H) = MO)

=

225 mg IB.chnel =-12.5 12.5 mmol

n(H) = 25 mmol Das Stoffmengenverhältnis von H zu C in unserer Verbindung ergibt sich dann als 25:6.25 = 4. Da 6.25mmol Kohlenstoff eine Masse von 6.25mmol x 12g/mol = 75mg, und 25mmol atomarer Wasserstoff eine Masse von 25mmol x 1g/mol = 25mg haben (beides zusammen ergibt die gesamte

Masse

der Probe), liegen keine weiteren

Elemente

vor, es

ergibt sich die empirische Formel CH;. Die tatsächliche Zusammenset32

zung des Moleküls, die Summenformel, könnte im Prinzip auch ein Vielfaches von

CH,, z.B.

OH;,

GH);

sein. Die Summenformel

muß

mit

Hilfe anderer Methoden bestimmt werden. Eine Möglichkeit wäre die Massenspektrometrie, die wir in Kapitel 18 besprechen, mit deren Hilfe sich die molare Masse eines Moleküls bestimmen läßt. In unserem Fall würde sich 16g/mol ergeben, wir erhalten als Summenformel CH, (1x 12g/mol + 4 x 1g/mol = 16g/mol). Die Interpretation des Ergebnisses bestimmter chemischer Reaktionen läßt auch häufig einen Rückschluß auf die Summenformel der Ausgangsverbindung zu. So ergibt die Einführung eines Chloratoms in C,H, das Molekül C;H5Cl. Durch Reaktion von Chlor mit C,H}, würde

1.83 Zusammensetzung, Struktur und Formeln

organischer Moleküle

C,H, Cl erhalten, eine Substanz mit völlig anderer elementarer Zusammensetzung. Beim Methan ist die Sache allerdings einfach: auf der Grundlage des Konzepts der chemischen Bindung ergibt nur die Formel CH, ein sinnvolles Molekül. Die Bestimmung des Massenanteils des Sauerstoffs durch Elementaranalyse ist ziemlich kompliziert und wird selten durchgeführt. Stattdessen wird der Gehalt an Sauerstoff durch Subtraktion der Summe der Massenanteile der übrigen Elemente von 100 bestimmt. So ergibt beispielsweise die Elementaranalyse von (einfachheitshalber angenommen) 100g einer Flüssigkeit 52.2g Kohlenstoff und 13.0g Wasserstoff, weitere Elemente

sind nicht

nachzuweisen,

die Masse

des enthaltenen

Sauer-

stoffs muß daher 34.8g betragen. Wir erhalten also für das Stoffmengenverhältnis der einzelnen Elemente in der Verbindung:

32.2420 12 g/mol

n(C):n(H):n(O) =

13.0877 34878 1 g/mol 16 g/mol

4.35 mol:13 mol:2.175 mol

Da das Teilchenzahlverhältnis gleich dem Stoffmengenverhältnis ist, könnte eine empirische Formel daher C, 35H}30;175 lauten. Da Moleküle natürlich

nur

ganze

Atome

enthalten,

teilen

wir durch

den

kleinsten

Index (2.175) und erhalten ein Stoffmengenverhältnis C:H:O = 2:5.98:1. Durch Aufrundung ergibt sich dann die empirische Formel C,H;O. Wenn wir annehmen, daß die empirische Formel gleich der Summenformel

ist, gibt es

Dimethylether, CH;OCH;,

zwei

Verbindungen

mit

diesen

Formeln:

und Ethanol, CH;CH>OH.

Ü Übung 1-10 Berechnen

Sie

das

Massenverhältnis

von

Kohlenstoff

und

Wasserstoff

in

Glucose

(s. Kap. 24).

Wie‘ ermittelt man

nun die Identität und die Konstitution

einer Verbindung? Ethanol und Dimethyl-

Aus einer empirischen Formel läßt sich weder die tatsächliche Identität noch die Struktur einer Verbindung erkennen. Wenn auch üblich, ist es doch

nicht

vollkommen

korrekt,

hier von

der

Struktur

zu

ether: zwei Isomere

HH

sprechen,

denn es ist ja nicht die geometrische Gestalt eines Moleküls gemeint, sondern die Konnektivität der darin enthaltenen Atome. Richtiger ist

ER

a

es, hierfür den Fachbegriff der. Konstitution zu verwenden. Zur Unter-

HH

scheidung zwischen möglichen alternativen Konstitutionen gibt es mehrere Möglichkeiten. So existieren, wie bereits erwähnt, zwei Verbindungen mit der empirischen Formel CGH;O: Ethanol und Dimethylether.

Ethanol

Eine

Möglichkeit,

zwischen

beiden

zu

unterscheiden,

ergibt sich auf-

grund ihrer verschiedenen physikalischen Eigenschaften - z.B. Schmelzund Siedepunkt,

Brechungsindex,

Dichte und so weiter.

(Sdp. 78.5°C) H

H

ee

So ist Ethanol

beispielsweise bei Raumtemperatur flüssig (Sdp. 78.5°C), Dimethylether gasförmig (Sdp. —-23°). Beide unterscheiden sich auch in ihrer chemischen Reaktivität. So reagiert Ethanol mit Natrium unter Bildung

H

H

Dimethylether

(Sdp. —23°C)

33

1 Struktur und Bindung organischer Moleküle

von Wasserstoff und Natriumethoxid, dungen,

die

dieselbe

empirische

Dimethylether ist inert. Verbin-

Formel

besitzen,

sich

aber

in der

Folge, in der die Atome aneinander gebunden sind, unterscheiden, bezeichnet man als Konstitutionsisomere, der ungenaue Begriff Strukturisomere ist auch gebräuchlich. Übung 1-1 Zeichnen Sie alle möglichen Isomere mit der Summenformel

CyH)jo-

Nehmen wir nun an, die fragliche Verbindung ist noch nie zuvor untersucht worden, und es liegen daher auch keine Literaturdaten vor, mit denen sie verglichen werden könnte. In diesen Fällen müssen andere Methoden zur Unterscheidung herangezogen werden, bei den meisten von ihnen handelt es sich um Formen der Spektroskopie. Als Spektroskopie bezeichnet man den Zweig der Physik und Chemie, der sich mit den Wechselwirkungen von Materie mit elektromagnetischen Strahlungen der verschiedensten Wellenlängenbereiche befaßt. Die Reaktion der Substanzen auf unterschiedliche Wellenlängen hängt von der Anordnung der Atome im Molekül, der Struktur, ab. Die verschiedenen spektroskopischen Methoden und ihre Anwendung bei der Bestimmung organischer Verbindungen behandeln wir in späteren Kapiteln. Neben der Reihenfolge, in der die Atome aneinander gebunden sind, interessieren wir uns auch für deren Anordnung im Raum. Einige Informationen hierüber lassen sich ebenfalls durch spektroskopische Methoden erhalten. Die genaueste und vollständigste Methode ist die Röntgenstrukturanalyse, mit deren Hilfe sich die Struktur eines Moleküls im kristallinen Zustand aufklären läßt. Kristallographische Untersuchungen mit Röntgenstrahlen ergeben ein detailliertes Bild des Moleküls und der genauen Position aller Atome, vergleichbar einem Blick durch eine ungewöhnlich stark vergrößernde Lupe. Nach der Bestimmung der Positionen der Atome kann man Bindungslängen und -winkel sowie andere geometrische Faktoren ableiten. Die strukturellen Anordnungen, die auf diese Weise für die beiden Isomere Ethanol und Dimethylether erhalten wurden, sind in Form von Kugel-Stab-Modellen in Abb. 1-19 dargestellt. Die tetraedrische Anordnung der Bindungen um die Kohlenstoffatome und die gewinkelte Anordnung der beiden Bindungen zum Sauerstoff sind gut zu erkennen. In Abb. 1-19 stoßen wir das erste Mal auf ein Problem, das uns durch das ganze Buch verfolgen wird. Da es eine unglaubliche Zeit in Anspruch nimmt, Strukturen als Kugel-Stab-Modelle zu zeichnen, haben organische Chemiker verschiedene Konventionen zur vereinfachten Darstellung entwickelt.

Zeichnen

von Strukturen und Formeln

Eine besonders einfache Art, organische Moleküle so zu zeichnen, daß ihre dreidimensionale Anordnung deutlich wird, und die wir in diesem Buch sehr häufig benutzen, ist die Darstellung durch Keilstrichformeln.

Dabei werden die Kohlenstoffatome einer Kette zickzackförmig auf das Papier gezeichnet und durch gerade Linien verbunden, um die tetraedri-

Abb. 1-19 Dreidimensionale Kugel-Stab-Modelle von Ethanol und Dimethylether. Bindungslängen sind in pm, Bindungswinkel in Grad angegeben.

34

Ethanol

Dimethylether

H

H

\ !

\ /

RS Er EN B7

ee

Hl

H

3

De

HH

Bee

So “

20

OH

Re

schen Bindungswinkel um jeden Kohlenstoff zu verdeutlichen. An jedem Kohlenstoffatom der Kette werden dann die verbleibenden zwei Bindungen durch gestrichelte oder keilförmige Linien dargestellt. Eine gestrichelte Linie bedeutet, daß sich die Bindung unterhalb, eine keilförmige, daß sich die Bindung oberhalb der Papierebene befindet (Abb. 1-20). Alle Kohlenstoffatome der Kette befinden sich dann in der Papierebene. Die gebundenen Atome oder Gruppen wie H, OH, CH; und so weiter zeichnet man dann an das Ende der gestrichelten oder keilförmigen Linien. In der Darstellung des Methanmoleküls stehen zwei Wasserstoffatome anstelle von zwei Kohlenstoffatomen der Kette, beim Ethan ist es nur eines. Die Veranschaulichung der dreidimensionalen Struktur organischer Moleküle ist zum Verständnis ihrer Struktur und Reaktivität unerläßlich. Vielleicht finden Sie es schwierig, sich die räumliche Anordnung der Atome selbst in den einfachsten Molekülen vorzustellen. Hierfür ist ein Molekülbaukasten, mit dessen Hilfe sich recht genaue Modelle der Moleküle konstruieren lassen, eine gute Hilfe. Solche Baukästen sind nicht sehr teuer und für organische Chemiker unerläßlich. Häufig ist die dreidimensionale Darstellung von Molekülen nicht erforderlich. In diesen Fällen sind einfache Lewis- oder Strichstrukturen

2c—H

Hi

Hp

a

2

c

B

A

H

. H

H

Abb. 1-20 Keilstrichformeln (Keile blau, gestrichtelte Linien rot) von: A. einer Kohlenstoffkette; B. Methan;

C. Ethan; D. Ethanol

und E. Dimethylether.

ausreichend. Um diese noch weiter zu vereinfachen, benutzt man Kurzstrukturformeln, in denen die bekannten Gruppen als CH;, CH,, OH

und so weiter geschrieben werden. Wie dargestellt, werden die an jedes Kohlenstoffatom gebundenen Atome normalerweise rechts hingeschrieben. Freie Elektronenpaare läßt man im allgemeinen fort.

Beispiele von Kurzstrukturformeln

je

H—C—C—ÖH HH

entspricht CHSCHOH

ne CC, Ethen

Ethanol

a

H—C=C—Hentsprichtt

HC=CH

non H

Ethin

Cl... _

02,0,

Carbonat-Ion

utspricht CH2==CH;

|

Fand entspricht

I

CH3CCH;

H Aceton

entspricht

COs

Bo

entspricht

5

HCOH

Ameisensäure

Sie sollten nun in der Lage sein, die elementare Zusammensetzung eines Moleküls zu bestimmen und empirische Formeln abzuleiten. Die dreidimensionale Struktur von Molekülen läßt sich zeichnerisch am einfachsten durch Keilstrichformeln darstellen. Kurzstrukturformeln sind zur schnellen Zeichnung von Molekülen nützlich.

35

1 Struktur und Bindung organischer Moleküle

Verständnisübung Propin kann mit einer starken Base unter Bildung eines Dianions zweifach deprotoniert werden (d.h. eine Base entfernt zwei Protonen). H

ee

|

starke

Bas

2-

HEN

H Propin

Man

kann

zwei

Propin-Dianion

Resonanzformeln

schreiben,

die

der

Oktettregel

genügen.

a

Zeichnen Sie beide Formeln und kennzeichnen Sie die wichtigere!

Lösung Wir wollen das Problem Schritt für Schritt analysieren: Schritt 1 Welche strukturelle Information enthält die angegebene Formel des Propinyl-Dianions? Antwort (Abschn. 1.2, Regel 1): Die Abbildung zeigt die Konnektivität der Atome, und zwar eine Kette aus drei Kohlenstoffatomen, von denen ein terminales zwei Wasserstoffatome trägt.

Schritt 2 _Wieviele Valenzelektronen (Abschn. 1.2, Regel 2):

stehen

2H 3r@

= =

D»xXT Elektron 3x4 Elektronen

= =

2-Elektronen 12 Elektronen

Ladung

=

-2

=

2 Elektronen

=

16 Elektronen

Summe

zur Verfügung?

Antwort

Schritt 3 Wie können wir eine der Oktettregel entsprechende LewisFormel für dieses Ion erhalten? Antwort (Abschn. 1.2, Regel 3): Wenn wir von der durch die Struktur des Propin-Dianions gegebenen Konnektivität ausgehen, können wir sofort acht der Elektronen unterbringen:

H EIER OH Nun benutzen wir die verbleibenden acht Elektronen, um so viele Kohlenstoffatome wie möglich mit vollständigen Oktetts auszustatten, indem wir freie Elektronenpaare hinzufügen. Wir beginnen rechts, denn dieses Kohlenstoffatom benötigt nur noch ein weiteres Elektronenpaar. Das mittlere Kohlenstoffatom erhält dementsprechend zwei Elektronenpaare und das letzte Elektronenpaar wird zunächst dem linken Kohlenstoffatom zugeteilt. :C:C:C:H

Auf diese Weise hat das linke Kohlenstoffatom nur vier AußeneleKtronen. Daher machen wir aus den zwei freien Elektronenpaaren des mittleren Kohlenstoffatoms zwei gemeinsame Elektronenpaare zwischen dem linken und dem mittleren Kohlenstoffatom. So erhalten wir die folgende Formel: H :CERCSCHH

36

Schritt 4 Nun hat jedes Atom ein vollständiges Oktett bzw. Duett. Wir müssen uns jedoch noch mit den Ladungen befassen. Welche Ladung befindet sich an welchem Atom? Antwort (Abschn. 1.2, Regel 4): Wir

Verständnisübung

beginnen wieder rechts und erkennen schnell, daß die Wasserstoffatome

elektroneutral sind. Jedes von ihnen ist durch ein gemeinsames Elektronenpaar mit seinem Kohlenstoffatom verbunden. Da jedes gemeinsame Elektronenpaar

nur halb, also als ein Elektron zu zählen ist, entspricht

die Elektronenzahl der des freien Wasserstoffatoms. Demgegenüber trägt das rechte Kohlenstoffatom drei gemeinsame und ein freies Elektronenpaar,

also insgesamt 5 Elektronen,

eines mehr als im freien Koh-

lenstoffatom. Daher ist eine negative Ladung am rechten Kohlenstoffatom lokalisiert. Das zentrale Kohlenstoffatom trägt vier gemeinsame Elektronenpaare,

hat also eine Elektronenzahl

von 4 und ist demnach

nicht geladen. Schließlich ist das linke Kohlenstoffatom durch drei gemeinsame Elektronenpaare mit dem zentralen verbunden und hat zusätzlich ein freies Elektronenpaar. Daraus ergibt sich eine Elektronenzahl von 5, d.h. das linke Kohlenstoffatom ist ebenfalls negativ geladen. Das Resultat ist demnach :C:::C:

Schritt zu.

5 Wir wenden

Kann

man

31a NOREE

uns nun der Frage nach den Resonanzformeln

Elektronenpaare

Oktettregel entsprechende

so verschieben,

Lewis-Formeln

daß

sich andere,

ergeben? Antwort

der

(Abschn.

1.7): Ja, indem wir vom rechten Kohlenstoffatom das freie Elektronenpaar in die Position eines gemeinsamen Elektronenpaares zwischen dem rechten und dem zentalen Kohlenstoffatom verschieben und gleichzeitig eines der gemeinsamen Elektronenpaare zwischen dem zentralen und dem linken Kohlenstoffatom in die Position eines freien Elektronenpaares am linken Kohlenstoffatom verschieben:

= TORE

H

As

QEH


EICHErEe:H

Ra:

Nr

Eine Konsequenz ist die Verschiebung der negativen Ladung des rechten Kohlenstoffatoms auf das linke, das nun zweifach negativ geladen ist. Schritt 6 Welche Resonanzformel ist die wichtigere? Antwort (Abschn. 1.7): Die gegenseitige Abstoßung der Elektronen führt dazu, daß der rechten Resonanzformel ein größerer Anteil zukommt.

Ein weiterer Punkt: Sie hätten die erste Resonanzformel viel schneller entwickeln können, wenn Sie die Informationen in der Reaktionsgleichung zur Bildung des Dianions herangezogen hätten. Die Valenzstrichformel von Propin entspricht seiner Lewis-Formel, und die Entfernung je eines Protons von den beiden terminalen Kohlenstoffatomen führt dort durch die verbleibenden Elektronenpaare zu je einer negativen Ladung:

H H-Ö=C CH = H

H :c=C-C—H

Aus diesem Beispiel können wir etwas Wichtiges lernen: Ist man mit einem

Problem

konfrontiert,

sollte man

sich zunächst

die nötige

Zeit

nehmen und zunächst alle Informationen sammeln und sich vor Augen führen (am besten: aufzuschreiben).

b

Zeichnen Sie ein Orbital-Bild des Propin-Dianions, das der folgen-

den Hybridisierung entspricht: [CspCspCsp’H>]”". 37.

Lösung

1 Struktur und Bindung organischer Moleküle

Sie können

das Orbital-Bild

recht einfach konstruieren,

indem

Sie die

Hälfte der Darstellung des Ethens (eine =CH3,-Gruppe) aus Abb. 1-17 mit der des Ethins ohne eines seiner Wasserstoffatome

kombinieren.

Man kann deutlich erkennen, wie das doppelt besetzte p-Orbital der CH;-Gruppe mit einem der n-Orbitale der Alkin-Gruppe überlappt. Dies führt zur Delokalisierung der Ladung, wie sie durch die beiden Resonanzformeln beschrieben wird.

Wichtige Konzepte 1 Die organische Kohlenstoffs.

Chemie

ist die Chemie

des

2 lonenbindungen entstehen durch Coulombsche Anziehung zwischen entgegengesetzt geladenen Ionen. Diese Ionen entstehen durch vollständige Übertragung von Elektronen von einem Atom auf ein anderes. Durch eine solche Elektronenübertragung wird häufig Edelgaskonfiguration erreicht. 3 Kovalente Bindungen entstehen durch gemeinsame Inanspruchnahme von Elektronen durch zwei Atome. Auch so können die an der Bindung beteiligten Atome Edelgaskonfiguration erhalten. Das Zustandekommen von dativen kovalenten Bindungen kann man sich so vorstellen, daß das eine Atom beide Elektronen der kovalenten Bindung zur Verfügung stellt. 4 Polare Bindungen bilden sich zwischen Atomen mit unterschiedlicher Elektronegativität. Diese ist ein Maß für die Fähigkeit eines Atoms, Elektronen in einer Bindung anzuziehen.

7 Als Elektronenaffinität bezeichnet man den Energiebetrag, der bei der Aufnahme eines Elektrons durch ein gasförmiges Atom, Ion oder Molekül, freigesetzt oder verbraucht wird. 8 Ein polares Molekül hat eine unsymmetrische Ladungsverteilung mit einem positiven und einem negativen Ende. Das Dipolmoment u ist das Produkt aus Ladung g und Abstand d, u =qx.d. 9 In den Lewis-Formeln werden chemische Bindungen durch Punkte, die Elektronen symbolisieren, dargestellt. Man zeichnet sie so, daß Wasserstoff ein Duett, die anderen Atome möglichst ein Oktett von Elektronen erhalten. 10 Läßt sich ein Molekül durch zwei oder mehrere Lewis-Formeln darstellen, bezeichnet man diese als Resonanzformeln. Formal können Resonanzformeln durch Verschieben von Elektronen allein, ohne daß dabei Atome ihren Platz tauschen, ineinander überführt werden. Keine Resonanzformel beschreibt das Molekül hinreichend, der wahre Zustand des Moleküls läßt sich als

gewichtetes Mittel (Hybrid) aus allen Lewis-For5

Unter

Kern

und

dem

Atomrumpf

die inneren

versteht

Elektronen,

man

die nicht

den an

Bindungen beteiligt sind.

meln beschreiben.

meln

6 Das lonisierungspotential ist die Energie, die bei der Entfernung eines Elektrons aus einem Atom,

Ion

oder

Molekül

in der

braucht (positives Vorzeichen) (negatives Vorzeichen).

38

Gasphase

oder

frei

Sind die Resonanzformeln

zur

Beschreibung eines Moleküls nicht äquivalent, leisten die Formeln, die die Regeln für Lewis-Foram

besten

erfüllen und die relativen Elek-

tronegativitäten der Atome berücksichtigen, größten Beitrag zum Resonanzhybrid.

den

ver-

wird

11 Die Bewegung der Elektronen um den Kern läßt sich durch Wellengleichungen beschreiben.

Die Lösungen der Wellengleichung sind die Wellenfunktionen (Atomorbitale). Das Quadrat der Wellenfunktion an jedem Punkt des Raumes ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit,

ein Elektron

an diesem Punkt zu finden.

12

s-Orbitale

Gestalt,

haben

p-Orbitale

eine

sehen

kugelsymmetrische

wie

zwei

sich

berüh-

rende Kugeln oder wie eine „räumliche Acht“ aus. Das Vorzeichen der Orbitale an einem Punkt des Raumes kann positiv, negativ oder null sein (Knotenebene). Mit der Zunahme der Energie des Orbitals steigt auch die Anzahl der Knotenebenen an. Jedes Orbital kann maximal von zwei Elektronen mit entgegengesetztem Spin besetzt werden (Pauli-Prinzip, Hundsche Regel). 13 Den Vorgang des Auffüllens von einem Orbital nach dem anderen mit Elektronen bezeichnet man als Aufbauprinzip.

14

Bei der Überlappung von zwei Atomorbita-

len entsteht ein Molekülorbital.

Hat die Wellen-

16 Durch mathematische Kombination von Orbitalen desselben Atoms lassen sich Hybridorbitale bilden, deren Form sich von den ursprünglichen Orbitalen unterscheidet. Durch Kombination eines s- und eines p-Orbitals entstehen zwei lineare sp-Hybride, die z.B. in der Bindung des BeH; benutzt werden. Aus einem s- und zwei pOrbitalen ergeben sich drei trigonale sp’-Hybride, über die sich die Bindung im BH; erklären läßt. Kombination eines s- und dreier p-Orbitale ergibt vier tetraedrische sp’-Hybride, wie sie im CH;-

Molekül vorliegen. Durch Überlappung der sp’Hybridorbitale von verschiedenen Kohlenstoffatomen entsteht die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung im Ethan und anderen organischen Molekülen. Hybridorbitale können auch, wie im NH; und im H;O, durch freie Elektronenpaare besetzt sein. 17 Die elementare Zusammensetzung organischer Moleküle ergibt sich aus der Elementaranalyse. Die empirische Formel gibt das kleinste ganzzahlige Stoffmengenverhältnis der enthalte-

funktion der miteinander überlappenden Orbitale

nen

dasselbe Vorzeichen, entsteht ein bindendes Orbi-

tal mit niedrigerer Energie. Bei entgegengesetztem Vorzeichen der Wellenfunktion bildet sich

Atome der einzelnen Elemente pro Molekül bzw. die entsprechenden Stoffmengen in einem Mol der Verbindung an.

ein antibindendes Molekülorbital mit höherer Energie, das eine zusätzliche Knotenebene zwischen den Kernen besitzt. Die Anzahl der Molekülorbitale ist gleich der Zahl der Atomorbitale, aus denen sie entstanden sind.

18 Moleküle mit derselben Summenformel, aber einer unterschiedlichen Verknüpfung der Atome bezeichnet man als Konstitutionsisomere (Strukturisomere).

15 Bindungen, bei denen das Maximum der Elektronendichte auf der Kernverbindungsachse liegt, bezeichnet man als o-Bindungen; Bindungen, bei denen sich die Elektronendichte oberund unterhalb der Kernverbindungsachse befindet, als n-Bindungen.

Atome,

die Summenformel

die Anzahl

der

19 Die dreidimensionale Struktur eines Moleküls läßt sich mit Hilfe von Keilstrichformeln auf dem Papier wiedergeben. Eine vereinfachte Schreibweise gegenüber den Lewis-Formeln stellen die sogenannten Kurzstrukturformeln dar.

Aufgaben 1 Zeichnen Sie die Lewis-Formeln der folgenden Moleküle und ordnen Sie, falls erforderlich, Ladungen zu. Die Anordnung der Atome im Molekül ist in Klammern angegeben.

(a) CIF

(b) (0) (d) (e)

BrCN HOCI SOC, (OSCh,) CH;NH;

( (CH,),O (e) (h) () ()

NH, (HNNH) CH,CO HN, (HNNN) NO (NNO)

2 Einige der Verbindungen aus Aufgabe 1 lassen sich nicht adäquat durch eine einzige Lewis-Formel darstellen, sondern als Hybride aus mehreren

Resonanzformeln.

Identifizieren

Sie

diese

Moleküle,

und

schreiben Sie alle möglichen Resonanzformeln auf. Geben Sie in jedem Falle an, welche die größte Beteiligung am Resonanzhybrid besitzt.

39

1 Struktur und Bindung organischer Moleküle

3 Zeichnen Sie alle Resonanzformeln für die folgenden Spezies. Geben Sie die Formel(n) mit der größten Beteiligung am Resonanzhybrid an.

(a) OCN° (b) CH,CHNH

(D) SO, (OSO) (g) CH,NH5 (h) HC(OH)NHF

o (©) HCONH; (HCNH;)) (d) O; (000) (e) CH,CHCHF

o () HONO, (HONO) () CH,CNO

4 Jede der folgenden Formeln enthält mindestens einen Fehler, beispielsweise eine falsche Anzahl an Elektronen oder Bindungen bei einem oder mehreren Atomen oder eine Verletzung der Oktettregel. Finden Sıe die Fehler und formulieren Sie korrekte Formeln.

(a) HOCH,

(b) H-COH

(©) :CH,

(d) NH,OH

CH;

H

(Ö) CH;—CH,=CH

(e) CH,—CH,-CH,

H

(h)

H,C=CH>

(i)

(8) MER.

H

Juno ul

ae

oo

() C=0=0O

5 Für jede Bindung zwischen einem dreibindigen Boratom und einem beliebigen Atom mit freiem Elektronenpaar lassen sich zwei Resonanzformeln zeichnen. (a) Zeichnen Sie beide Resonanzformeln für jedes der drei folgenden Moleküle: (i) RoBNR;; (ii) R,BOR; und (iii) R,BF (in jedem Falle ist R = CH;).

(b) Bestimmen

Sie mit Hilfe der Regeln aus Abschn.

1.7 bei allen

Verbindungen in Übungsteil (a) die relative Bedeutung nanzformeln für das Resonanzhybrid. (c) Wie

beeinflußt

der Unterschied

der Reso-

in der Elektronegativität

zwi-

schen N, Ound F in jedem Falle die relative Bedeutung der Resonanzformeln? (d) Wie ist N in (i) und © in (ii) hybridisiert?

6

Das ungewöhnliche Molekül [2.2.2]Propellan ist im folgenden abge-

bildet, einige geometrische Parameter sind ebenfalls angegeben. Welche Hybridisierung würden Sie aufgrund der Molekülgeometrie für die mit Stern markierten Kohlenstoffatome erwarten? Welche Orbitale werden für die Bindung zwischen den beiden mit Stern markierten Kohlenstoffatomen benutzt? Erwarten Sie, daß diese Bindung stärker oder schwächer als eine gewöhnliche Kohlenstoff-Kohlenstoff-Einfachbindung ist? (Im allgemeinen beträgt die Länge einer solchen Bindung 154 pm). ‚ab CH> BBeN:

an H>C

“

en

CH,

oder

€

RA

* D ICH;

120° [2.2.2.]Propellan

40

160.pm ON _155 pm

7 Sagen Sie anhand einer Analyse der Molekülorbitale voraus, in welcher Spezies aus den folgenden Paaren die Atome stärker aneinander gebunden sind.

Aufgaben

(a) H, oder H5 (b) O, oder O5 (ec) N, oder N5 8 Geben Sie die Hybridisierung eines jeden Kohlenstoffatoms in den folgenden Strukturen an. Begründen Sie ihre Antwort mit Hilfe der Geometrie um die entsprechenden Kohlenstoffatome.

(a) CH;Cl

(6)

(b) CH;OH

(c) CH,CH)CH; H;C

H

(lineare Struktur) Ö

(d

®

|

BE 9

|

ER

(d) CH,CH; (trigonale Struktur) (e) HCCH

(6)

a H

|

BIC

H

(a) Geben Sie aufgrund der Informationen aus Aufgabe 8 an, welche Hybridisierung das Orbital, in dem sich das freie Elektronenpaar der folgenden Anionen befindet, besitzt. (i) CH;CH3; (ii) CH>CH’; (ii) HG. (b) Die Energie von Elektronen ist um so geringer, je näher sie sich am Kern befinden. Ordnen Sie die drei Anionen aus Teil (a) nach Stabilität der negativen Ladung an (Hinweis: Welche Elektronen befinden sich im Durchschnitt dichter am Kern, s- oder p-Elektronen?) (ec) Die Stärke einer jeden Säure HA

hängt von der Stabilität ihrer

konjugierten Base, A”, ab. Anders gesagt, ist das Dissoziationsgleichgewicht HA = H* + A” bei einem stabilen A” nach rechts verschoben. Obwohl CH;CH;, CH,=CH;3 und HC=CH schwache Säuren sind, lassen sie sich doch in ihrer Säurestärke unterscheiden.

Ordnen Sie sie nach zunehmender Säurestärke.

10 Berechnen Sie empirische Formeln aufgrund der im folgenden angegebenen prozentualen Massenanteile. Wenn ihre Summe in einer Verbindung

nicht

100%

ergibt, nehmen

Sie an, daß es sich beim

Rest

um Sauerstoff handelt. (2),,&:9231%3.0H47:69%: (b) C’62.07%; _H 10.34 %. (BCHULELNE E67 EN. 1037; (d) C 48.70%; H 2.90%; C120.58%. (e1E83,72:%57 H1623%. ($) C 57.14%; H 4.76%. 11

Überführen Sie die folgenden Kurzstrukturformeln in Strichformeln

(a) CH,CN (b)

(d) CHBrCHBr; HN

O

le (©) CH;CHOHCH;CH;

One) en () HOCH;CH,OCH>CH;OH

4

1 Struktur und Bindung organischer Moleküle

12

Überführen

Sie die folgenden

Keilstrichformeln

in Kurzstruktur-

formeln.

NE:

(b)

a u 2

Be

..

H

(©

H\_

>

NH>

3709:

HL

Mn

cr

i

MW

a: Br

13 Überführen formeln.

Sie die folgenden

Kurzstrukturformeln

in Keilstrich-

a

H—C—N—C—H

Me FH

2

Eh Ho

®)

A

CN Are [a2 0)

Js

NH ”

HH

up: H

=

Dr

el

H

H (

2

O—H

H—S—C—

H

Be Eiyın

nn

HR

REN

0)

SR

H\

pi ii c=C

RE T H

H

6)

ah 14

c—H

Überführen Sie die folgenden Formeln in Keilstrichformeln.

(b) CHCH,

(d) CH.CH(SH)CH;CH,

15 Berechnen Sie die prozentualen Massenanteile der Elemente in den folgenden Verbindungen. Schmerzmittel: (a) Aspirin, CoHsO, (b) Paracetamol, C;H,NO, (ce) Ibuprofen, C;H1sO>

künstliche Süßstoffe: (d) Saccharin, C-H:NO;S (e) Cyclamat, C,H ,3NO;S (MD Aspartam, C4HısN>0O;

16 Eine Reihe von Verbindungen, in denen sich Kohlenstoffatome am positiven Ende von polaren Bindungen befinden, sind als potentielle Cancerogene eingestuft. Unter der Annahme, daß das Ausmaß der positiven Polarisierung ein Faktor für die cancerogene Wirkung ist, ordnen Sie die folgenden Substanzen nach steigender Wahrscheinlichkeit, als Cancerogen zu wirken.

(a) CH;CI (b) (CH,),Si (ec) CICH,OCH;Cl

(d) CH,OCH;CI (e) (CH,),C"

Dies ist natürlich nur einer von vielen Faktoren, aufgrund derer, wie vermutet wird, eine cancerogene Wirkung zustandekommt. Außerdem ist noch von keinem der Faktoren allein der Nachweis einer direkten Krebsauslösung erbracht.

42

17 Die Struktur von Lynestrenol, einem Contraceptiva, ist im folgenden gezeigt.

Bestandteil

4

H

einiger oraler

Aufgaben

CH

C

HRS CH Be

ie

CH

me Ir

Ze, wer

2

Se

CH

2%

=

Se

CH a

ae

CH, EN CH; Sch Sch; Lynestrenol

Geben Sie an, an welcher Stelle sich in diesem Molekül ein Beispiel für die folgenden Bindungen oder Atome befindet: (a) eine stark polarisierte kovalente Bindung. (b) eine nicht polarisierte kovalente Bindung. (c) ein sp-hybridisiertes Kohlenstoffatom. (d) ein sp’-hybridisiertes Kohlenstoffatom.

(e) ein sp’-hybridisiertes Kohlenstoffatom. (f) eine Bindung zwischen unterschiedlich hybridisierten Atomen.

Gruppenübung Gruppenübungen sollen die Diskussion und das gemeinsame Lernen fördern. Versuchen Sie, diese Übungen mit einem Partner oder einer

Übungsgruppe zu bearbeiten. Beachten Sie, daß die Übungen in Einzelaufgaben gegliedert sind. Anstatt jede Einzelaufgabe alleine zu bearbeiten, sollten Sie jede Teilaufgabe in der Gruppe besprechen. Versuchen Sie dabei das Vokabular zu verwenden, das Sie im Kapitel gelernt haben.

Je mehr

Sie

sich

der

Terminologie

des

Lernstoffs

bedienen,

desto vertrauter werden Ihnen die Molekülstrukturen und desto besser können Sie sich die Reaktionen von Verbindungen mit brechenden und sich bildenden Bindungen vorstellen. Sie werden die Regeln der Organischen Chemie verstehen und nicht auf blindes Auswendiglernen angewiesen sein. Das gemeinsame Lernen und Diskutieren der Zusammenhänge mit einem Partner oder in einer Gruppe führt dazu, daß Sie Ihre Vorstellungen artikulieren können. Wenn Sie einen Lösungsvorschlag präsentieren, werden durch die Gruppe zusätzliche Kontrollmechanismen wirksam, die Sie nicht nutzen könnten, wenn Sie das Ergebnis nur in Ihrem

eigenen Kopf durchdenken

würden.

„Ihr wißt schon, was ich

meine“ wird Ihnen in der Gruppe niemand abnehmen, vermutlich, weil die anderen doch nicht wissen, was Sie meinen.

Indem

Sie von anderen

lernen und andere von Ihnen festigen Sie Ihr eigenes Verständnis. 18

Betrachten Sie die folgende Reaktion: H OÖ

10) CH;CH>CH>CCH3

ar HCN

m

CH;CH>CH>CCH3

& N A

(a) Zeichnen

Sie

diese

B

Kurzformeln

als Lewis-Formeln.

Welche

Geometrie liegt an den Kohlenstoffatomen in A und B vor? Hat sich deren Hybridisierung durch die Reaktion geändert? (b) Überführen Sie die Kurzformeln in Strichformeln.

43

1 Struktur und Bindung organischer Moleküle

(ec) Betrachten

Sie

die

Verbindungen

der

Reaktion

unter

dem

Gesichtspunkt der Bindungspolarität. Kennzeichnen Sie in den Strichformeln polare Bindungen durch Verwendung der Symbole ö" und ö” für partielle Ladungstrennung. (d) Diese

Reaktion

ist in Wirklichkeit

ein Zweistufenprozeß:

dem

Cyanid-Angriff folgt eine Protonierung. Beschreiben Sie diesen Prozeß unter Verwendung der Elektronenverschiebungen, wie wir sie zur Formulierung von Resonanzformeln in Abschnitt 1.7 benutzt haben, jetzt jedoch, um die Elektonenbewegung der beiden Reaktionsschritte darzustellen. Kennzeichnen Sie klar den Anfang Ihres Pfeils (das zu verschiebende Elektronenpaar) und sein Ende (ein positiv polarisiertes oder geladenes Atom).

Alkane: Moleküle ohne

funktionelle Gruppen

Organische Verbindungen werden auf der Basis ihrer chemischen Reaktivität eingeteilt. Wie wir sehen werden, zeigen organische Verbindungen, die bestimmte Atomgruppierungen — die funktionellen Gruppen enthalten, eine für diese Gruppen charakteristische Reaktivität. Nach einer kurzen Beschreibung der funktionellen Gruppen beschäftigen wir uns mit der einfachsten Klasse organischer Verbindungen, den Alkanen: ihren Namen, physikalischen Eigenschaften und ihren internen Bewegungsmöglichkeiten (Konformationen), die sich aus der räumlichen Beweglichkeit der Bindungen am tetraedrischen Kohlenstoffatom ergeben.

2.1 Funktionelle Gruppen: Zentren der Reaktivität Viele organische Moleküle bestehen hauptsächlich aus einem Gerüst von durch Einfachbindungen miteinander verbundenen Kohlenstoffatomen, an deren freie Valenzen Wasserstoffatome gebunden sind. Sie können jedoch auch doppelt oder dreifach gebundene Kohlenstoffatome und andere Elemente enthalten. Diese Atome oder Atomgruppen zeigen eine vergleichsweise hohe chemische Reaktivität, man bezeichnet sie als funktionelle Gruppen. Sie haben charakteristische Eigenschaften und bestimmen die Reaktivität des gesamten Moleküls.

Kohlenwasserstoffe enthalten nur Wasserstoff und Kohlenstoff Moleküle, deren empirische Formel der allgemeinen Formel C,H, entspricht, bezeichnet man als Kohlenwasserstoffe. Kohlenwasserstoffe, die nur Einfachbindungen

enthalten,

wie Methan,

Ethan

und Propan,

tragen die Bezeichnung Alkane oder gesättigte Kohlenwasserstoffe. Ein Beispiel für die ringförmigen Alkane, die Cycloalkane, ist das Cyclohe45

2 Alkane: Moleküle ohne funktionelle Gruppen

xan. Alkene und Alkine enthalten Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppel- und -Dreifachbindungen. Da sie sehr leicht Additionsreaktionen eingehen, bezeichnet man sie auch als ungesättigte Kohlenwasserstoffe. Beispiele hierfür sind Ethen, Propen, Ethin und Propin. Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane Hz

Ne ER

CH4

CH SCHI

Methan

Ethan

ES

ICH

CH,

ne Ch, H, Cyclohexan

Propan

Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene und Alkine

H CH,=CH>

u

a

HOCH

CH; —C=CH

Ethin (Acetylen)

Propin

CH3 Ethen (Ethylen)

Propen

Chemie und Eigenschaften der Alkane besprechen wir im nächsten Abschnitt und in den Kapiteln 3 und 4. Mit den Alkenen befassen sich die Kapitel 11 und 12, mit den Alkinen das Kapitel 13. Ein Sonderfall eines ungesättigten Kohlenwasserstoffs ist Benzol, C,H,;, das mit drei Doppelbindungen in einem sechsgliedrigen Ring beschrieben wird. Benzol und seine Derivate bezeichnet man als aromatische Verbindungen. Diese Bezeichnung ist historisch bedingt und kommt dadurch zustande, daß einige Benzolderivate einen angenehmen Geruch besitzen. Im Gegensatz dazu nennt man nicht-aromatische Verbindungen aliphatisch. Mit den aromatischen Verbindungen befassen sich die Kapitel 14, 15, 16, 22 und 25.

Aromatische Verbindungen

H

4 ® ena

Be Ei

A

WRITER

H

H

=

L C EnFRE a

Be

er

’

H

H

Benzol

Methylbenzol

H

Nu

(Toluol)

Kohlenwasserstoffe sind auf der Erde weit verbreitet. So ist Methan beispielsweise der Hauptbestandteil des Erdgases. Erdöl (Rohöl) besteht größtenteils aus gesättigten, ungesättigten und aromatischen Kohlenwasserstoffen. Nach chemischer Bearbeitung und Destillation erhält man als ein Hauptprodukt das Benzin, mit dem unsere Autos fahren. Aus anderen Erdölfraktionen entstehen Kerosin (Flugzeugtreibstoff), Heizöl, Dieselkraftstoff,

gen. 46

Schmieröle,

Paraffine und andere nützliche Verbindun-

Viele funktionelle Gruppen enthalten polare Bindungen

2.1

Funktionelle Gruppen: Zentren der Reaktivität

Polare

Bindungen

bestimmen

das Verhalten

erinnere sich, daß die Polarität ihre Ursache

vieler Stoffklassen. in den Unterschieden

Man der

Elektronegativitäten aneinander gebundener Atome hat (Abschn. 1.6). In den Kapiteln 6 und 7 werden die Halogenalkane, welche polare Koh-

lenstoff-Halogen-Bindungen als funktionelle Gruppen enthalten, behandelt. Ein weiteres Beispiel ist die Hydroxygruppe, —O—H, die für die Alkohole charakteristisch ist. Die Abkürzung R (für „Radikal“ oder „Rest“) wird üblicherweise

benutzt, um

den Kohlenwasserstoff-Teil

des

Moleküls zu beschreiben. Solche Fragmente werden Alkylgruppen genannt. Daher ist die allgemeine Formel der Halogenalkane R—X, wobei X für ein Halogen steht. Alkohole werden entsprechend durch R-O-.H repräsentiert. Die Alkoxygruppe, —O—.R, ist die charakteristische Funktionalität der Ether, welche die allgemeine Formel R-O-—.R’ haben. Die funktionelle Gruppe der Alkohole und die einiger Ether können in eine Vielzahl anderer Funktionalitäten umgewandelt werden und sind daher wichtig in der Synthese. Diese Chemie ist Gegenstand der Kapitel 8 und 9.

Halogenalkane CH;Cl

Alkohole

CH;CH;Cl

Chlormethan Chlorethan (Methylchlorid) (Ethylchlorid) (Alkylierungsmittel)

CH;0OH

CH;CH;,0OH

Methanol (Holzgeist)

Ethanol („Normaler“ Alkohol, Spiritus)

Ether

CH-OCH422.CH.CH-0CH;CH, Methoxymethan (Dimethylether) (Kühlmittel)

Ethoxyethan (Diethylether) (Inhalationsanästheticum)

Die einfachsten Vertreter dieser beiden Verbindungsklassen werden häufig als Lösungsmittel bei organischen Reaktionen verwendet. Ethanol ist der wirksame Bestandteil von alkoholischen Getränken und wird gelegentlich als Brennstoff (Brennspiritus) benutzt. Die Carbonylfunktion, C=O, findet sich in Aldehyden und Ketonen, und, in Verbindung mit einer OH-Gruppe, in den Carbonsäuren. Aldehyde und Ketone besprechen wir in den Kapiteln 17 und 18, die Carbonsäuren und ihre Derivate in den Kapiteln 19 und 20.

Aldehyde

Ketone

\ HCH

CH; CH

oder

CH;CHO

CH;CCH3

CH;CH>CCH3

Methanal

Ethanal

Propanon

Butanon

(Formaldehyd)

(Acetaldehyd)

(Aceton)

(Ethylmethylketon)

(Desinfektionsmittel)

(Hypnoticum)

(häufig verwendete Lösemittel)

Carbonsäuren

|

HCOH oder HCOOH Methansäure (Ameisensäure) (stark reizend)

|

CH;COH oder

CH3 COOH

Ethansäure (Essigsäure) (Bestandteil des Essigs)

47

Tabelle 2-1 Häufig vorkommende funktionelle Gruppen Verbindungsklasse

allgemeine Formel

Alkane

R—H

funktionelle Gruppe

keine

Beispiel

CH;CH,CH3,CH, Butan

Halogenalkane

RNAX

= BCl, Br,D)

ex

CH,CH,- 1 Iodethan

Alkohole

R—OH

|

=z0H

(CH3)„C— OH 2-Propanol (Isopropylalkohol)

Ether

CH3CH>— O—CH3

—0-

OR

R

Methoxyethan (Ethylmethylether)

Thiole

RsSH

— SH

CH3CH>— SH

Ethanthiol

Alkene

(H)R

Eeu

N

7

\

a)

ER

a

R(H)

CH3

a7

2-Methylpropen (ER

C=Z@ZEREN

ne =C—

CH3 C=CCH3

Alkine

i 2-Butin

_ (H)R

aromatische Verbindungen

C

| R(H)

N

vr 34 ee (H)R

|

VE

a

(6

(@

SEN

1

se

C

C

R(H)

Be nr HC

Ne

CH

H

R(H)

Methylbenzol (Toluol)

Beachten Sie: Der Buchstabe R steht für eine Alkylgruppe. Unterschiedliche Alkylgruppen werden meist mit R’, R’ usw. gekennzeichnet

Es gibt auch eine Reihe funktioneller Gruppen, die andere Elemente enthalten. So bezeichnet man gesättigte aliphatische Stickstoffverbindungen als Amine. Durch Ersetzen des Sauerstoffs in den Alkoholen durch Schwefel ergeben sich Thiole (Mercaptane).

Amine

Thiol

H CH3NH3 Methanamin

ee

oder (CH3)>;NH

N-Methylmethanamin

(Methylamin) (Dimethylamin) (werden in der Gerberei verwendet)

CH3SH Methanthiol (scheiden wir nach dem Verzehr von

Spargel aus)

In Tabelle 2-1 sind die häufigsten funktionellen Gruppen in der Reihenfolge, in der wir sie besprechen, die Namen der Verbindungsklassen,

für die sie charakteristisch sind, und ein Beispiel für jede Klasse angegeben.

Tabelle 2-1 (Fortsetzung) Verbindungsklasse

allgemeine Formel

funktionelle Gruppe

OÖ

O

|

Aldehyde

Beispiel

RA

=

|

|

e—H

CH3CH>CH Propanal

[0]

Ketone

O

|

|

R—C—R'

|

——

CH3CH>CCH>CH3 3-Pentanon

Carbonsäuren

|

KALN-R

—C—-OH

CH3CH>COH Propansäure

Ö Anhydride

(6)

|

R—-C—O

|

CR

(H)

—_

|

|

oe

CH3CH>COCCH>CH3 Propansäureanhydrid

E

n

l

(HR-C-O—R’

FE

|

ga

CH3COCH3 Methylethanoat (Essigsäuremethylester)

Amide

(6) RC

|

Nitrile

I NER

SH)

|

er

CH3CH>CH>CNH>

R” (H)

Butanamid

RNEeN

—C=N

CH3C=N Ethannitril (Acetonitril)

Amine

# me

R—N—R’

(CH3)3N

IR

N,N-Dimethylmethanamı

(Trimethylamin)

2.2 Unverzweigte und verzweigte Alkane Wie wir bereits erwähnt haben, nennt man

Kohlenwasserstoffe,

die nur

Einfachbindungen enthalten, Alkane. Aufgrund ihrer Struktur lassen sie sich in verschiedene Typen unterteilen: die unverzweigten Alkane; die verzweigten Alkane, in denen sich in der Kohlenstoffkette ein oder mehrere Verzweigungspunkte befinden; die cyclischen Alkane oder Cycloalkane sowie die komplizierteren bicyclischen, trieyclischen und polycyclischen Alkane. Ein Beispiel für jeden Typ ist im folgenden dargestellt. verzweigtes Alkan

unverzweigtes Alkan

Cycloalkan

bieyclisches Alkan CH;

CHz | BACH

CH3

CH>—CH>—CH>—CH 3 ee PA LRART)

3

CH;—C—H Sa |

CH; Butan, C,H,o

2-Methylpropan, ers C,H,o

CH,—CH 2773, |

|

2

CH>—CH3>

Cyclobutan, C,H;

BL

a

Ion,

we HL. CH»

Bicyclo[2.2.2Jjoctan, C,H,,

sobutan

49

2 Alkane: Moleküle ohne funktionelle Gruppen

Homologe und isomere Alkane Die unverzweigten Alkane bestehen aus Ketten von Kohlenstoffatomen, in denen jedes Kohlenstoffatom an seine beiden Nachbarn und an zwei Wasserstoffatome gebunden ist. Eine Ausnahme stellen die beiden endständigen Kohlenstoffatome dar, die nur an ein weiteres Kohlenstoffatom und an drei Wasserstoffatome gebunden sind. Diese Reihe von Kohlenwasserstoffen läßt sich durch mehrere allgemeine Formeln darstellen:

C.Han+2

CH; — (CH;)„.ı—H

H-(CH;)„—H

(diese Formel gilt für alle Typen von nichtcyclischen Alkanen)

Jedes Glied dieser Reihe unterscheidet sich vom vorhergehenden nur durch das Vorhandensein einer weiteren Methylengruppe (—CH>—). Moleküle,

die sich auf diese Weise

eins aus dem

anderen

allein durch

Einfügen immer derselben Gruppe ergeben, bezeichnet man als Homologe (homos, griechisch: dasselbe) und eine solche Reihe als homologe Reihe. Methan (n = 1) ist das erste Glied der homologen Reihe der Alkane, Ethan (n = 2) das zweite und so weiter. Verzweigte Alkane leiten sich von den geradkettigen durch Ersatz eines Wasserstoffatoms einer Methylengruppe durch eine Alkylgruppe ab. Sie besitzen dieselbe empirische Formel wie die unverzweigten Alkane, C„H3>„+>. Das einfachste Beispiel eines verzweigten Alkans ist

2-Methylpropan, C,H,,, mit derselben Summenformel wie Butan. Die beiden Isomere unterscheiden sich nur durch die Reihenfolge der C—C- und C—H-Bindungen. Theoretisch könnte man Butan in 2Methylpropan überführen, indem man ein Wasserstoffatom in der Mitte des Moleküls mit einer endständigen Methylgruppe vertauscht. Tatsächlich ist das nicht so einfach, da C—C- und C—H-Bindungen gebrochen und wieder neu geknüpft werden müßten. Bei den höheren homologen Alkanen (n>4) sind mehr als zwei Konstitutionsisomere möglich. Es gibt drei isomere Pentane, CsH;, (S.u.), fünf

Hexane,

C,H},

neun

Heptane,

C,H,.,

und

achtzehn

Octane,

Die Konstitutionsisomeren des Pentans Tabelle 2-2 Anzahl der möglichen isomeren Alkane mit der Summenformel

CH3 CH; —CH,

CH; —CH; —CH;

CH3

CH = cheat

Ba.

=3

IE}

C,H», +> Isomere

n

Pentan

Methylbutan

Dimethylpropan (Neopentan)

Wie aus Tab. 2-2 ersichtlich, steigt die Anzahl der Möglichkeiten,

Kohlenstoffatome kJ DDHkr mo

oo m UuPpPODDND NA

\o

50

9 18 35 75 4347 366319

stoffatomen

n

untereinander und mit 2n + 2 umgebenden Wasser-

zu verbinden,

mit der Größe

von

n außerordentlich

stark

an.

Übung 2-1 (a) Zeichnen Sie die Konstitutionsformeln der fünf isomeren Hexane; (b) zeichnen Sie die Konstitutionsformeln aller möglichen nächsthöheren und -niederen Homologen von 2-Methylbutan.

2.3 Die systematische Nomenklatur der Alkane

2.3

Die systematische

Nomenklatur der Alkane

Die Mannigfaltigkeit der Möglichkeiten, Kohlenstoffatome und daran gebundene Substituenten anzuordnen, ist der Hauptgrund dafür, daß es eine solche Fülle unterschiedlicher organischer Moleküle gibt. Hierdurch ergibt sich ein Problem: Wie können wir durch eine systematische Namensgebung alle diese Verbindungen voneinander unterscheiden? Ist es z.B. möglich, allen C,H,4-Isomeren einen eindeutigen Namen zu geben, so daß sich über jedes von ihnen leicht Informationen (wie Siedepunkt,

Schmelzpunkt,

chemische

Reaktionen)

in einem

organischen

Handbuch finden lassen? Gibt es eine Möglichkeit, eine Verbindung, die Sie noch nie vorher gesehen haben, zu benennen und ihre Formel auf das Papier zu zeichnen? Tatsächlich gibt es ein genaues System zur Benennung der Alkane. Das Problem der Benennung organischer Moleküle hat die organische Chemie seit ihren Anfängen begleitet; es wurde im Laufe der Zeit mit der Fülle neuer

Verbindungen,

die jedes Jahr entdeckt

wurden,

immer

schwieriger. Bei der Verständigung zwischen Chemikern unterschiedlicher Nationalitäten ergaben sich außerdem Sprachprobleme. So würde ein englischer Chemiker die Verbindung, die wir im Deutschen Tetrachlorkohlenstoff (CCl,) nennen, als tefrachloromethane, ein Franzose als tetraclorure de carbone, ein Spanier als tetracloruro de carbono und ein Däne als tetrachlorkulstof bezeichnen. Einige Verbindungen sind zu Ehren ihrer Entdecker benannt, z.B. „Prelog-Djerassi-Lacton“ oder „Wieland-Miescher-Keton“,

andere nach dem Ort, an dem sie entdeckt

oder das erstemal dargestellt wurden wie „Münchnone“, eine Klasse von Verbindungen, die in München entdeckt wurde oder „Sydnone“,

die man zuerst in Sydney darstellte. Eine Reihe von Namen leiten sich von der geometrischen Gestalt des Moleküls ab wie „Cuban“ (s. Abschn.

1.1), ein würfelförmiger

Kohlenwasserstoff,

„Basketan“,

ein

korbförmiges (engl. basket) Molekül, „Barrelen“ oder „Snoutan“. Andere ergeben sich aus dem Namen des Tieres oder der Pflanze, aus denen sie erstmals isoliert wurden wie „Ameisensäure“ aus Ameisen, „Anisol“ aus dem Anisöl und „Vanillin“ aus der Vanille. Diese Namen, die man als Trivialnamen bezeichnet, haben teilweise nur noch histori-

sche Bedeutung, andere haben sich so eingebürgert, daß man sie anstelle der systematischen Namen benutzt, insbesondere, wenn diese sehr kompliziert sind. Die systematische Nomenklatur wurde erstmalig auf einem chemischen Kongreß in Genf im Jahre 1892 eingeführt und ist seitdem kontinuierlich verändert und neuen Entwicklungen angepaßt worden. Diese Aufgabe

liegt in den

Händen

der

„International

Union

of Pure

and

Applied Chemistry“ (IUPAC), und Regeln zur Benennung organischer Verbindungen bezeichnet man als IUPAC-Regeln. Die Namen und wichtige physikalische Eigenschaften der ersten zwanzig unverzweigten Alkane finden sich in Tabelle 2-3. Der Wortstamm ist meist lateinischen oder griechischen Ursprungs und gibt die Anzahl der Kohlenstoffatome der Kette an. So setzt sich der Name Heptadecan aus dem griechischen Wort hepta, sieben, und dem lateinischen Wort decem, zehn, zusammen. Die ersten vier Alkane

haben eigene Namen, die in das IUPAC-System mit aufgenommen wurden,

aber

alle

enden

auf

-an.

Es

ist sehr

wichtig,

Tabelle

2-3

im

Gedächtnis zu behalten, da sie die Grundlage für die Benennung vieler organischer Moleküle darstellt. Die Namen der Alkylgruppen ergeben sich aus den Namen der entsprechenden Alkane, indem die Endung -an durch -yl ersetzt wird. Für einige niedere Homologe der verzweigten Alkane sind teilweise noch Trivialnamen gebräuchlich. Zur Bezeichnung dieser Verbindungen werden Namensvorsätze wie iso- oder neo- verwendet. Beispiele hierfür sind Isobutan, Isopentan und Neohexan.

Primäre Alkylgruppen

CH3— Methyl

(Ha

CH5— Ethyl

CH

CH,

CH

=

Propyl

sl

2 Alkane: Moleküle ohne

Tabelle 2-3 Namen und physikalische Eigenschaften der unverzweigten Alkane, C,H»,+5

funktionelle Gruppen n

Name

Formel

Sdp. G

Smp. ne

Dichte bei 20°C in g/ml

l 2 3 4 5 6 W 8 9 10 11 19 13

Methan Ethan Propan Butan Pentan Hexan Heptan Octan Nonan Decan Undecan Dodecan Tridecan

CH, CH;CH; CH;CH3CH3 CH;CH;CH;CH; CH;(CH3);CH3 CH;(CH3),CH; CH;(CH3)sCH; CH;(CH3);CH; CH;(CH3)-CH; CH;(CH3)sCH; CH;(CH3),CH; CH;(CH;) oCH; CH;(CH3;) CH;

— 161.7 —88.6 —42.1 = 05 36.1 68.7 98.4 OS 150.8 174.0 195.8 216.3 235.4

1825 — 1838 — 180 1588 129.8 —03 90.6 56.8 535 — 2997 2580 = SB,

0.466 (bei —164 °C) 0.572 (bei -100°C) 0.5853 (bei —45 °C) 0.5787 0.6262 0.6603 0.6837 0.7026 0.7177 0.7299 0.7402 0.7487 0.7564

14

Tetradecan

CH;(CH3>) CH;

25397

5.9

0.7628

15 16 17 18 19 20

Pentadecan Hexadecan Heptadecan Octadecan Nonadecan Eicosan

CH;(CH3) CH;(CH3) CH;(CH3) CH;(CH3) CH;(CH3;) CH;(CH;3)

270.6 287 301.8 316.1 329.7 343

10 18.2 22 28.2 32 36.8

0.7685 0.7733 0.7780 0.7768 0.7855 0.7886

CH; 4CHz sCH; 6CH3 7CH3 sCH;

CH;

CH3

|

| rn) (GHI);-FCH3

re

(CH)

Hl

CH;

H ein Isoalkan (z.B., n = 1, Isopentan)

‘ein Neoalkan

(z.B., n = 2, Neohexan)

| Übung 2-2 Zeichnen Sie die Konstitutionsformeln von Isohexan und Neopentan.

Tabelle 2-4 Verzweigte Alkylgruppen abgeleitet von

Bezeichnung

1-Methylethyl

Propan

sekundär

2-Methylpropyl

2-Methylpropan (Isobutan)

primär

sec-Butyl

1-Methylpropyl

Butan

sekundär

tert-Butyl

1,1-Dimethylethyl

2-Methylpropan

tertiär

Trivialname

Struktur

systematischer Name

Isopropyl

CH; — C— CH, — Isobutyl

| H

H | Parer

ie CH;

©

cH,

—

EC —

|

(Isobutan)

CH;

ja CH, — Y—CH>— Neopentyl CH;

52

2,2-Dimethylpropyl

2,2-Dimethylpropan (Neopentan)

primär

Auch viele verzweigte Alkylgruppen haben Trivialnamen (s. Tab. 2-4). Bei ihnen verwendet man neben den Vorsätzen iso- und neo- noch sec(oder s-) für sekundär und tert- (oder t-) für tertiär. Sekundär und tertiär leiten sich ab von der Bezeichnung primär, obwohl diese nicht als Namensvorsatz verwendet wird. Ein primäres Kohlenstoffatom ist nur an ein weiteres Kohlenstoffatom gebunden, wie beispielsweise alle Kohlenstoffatome an den Enden von Alkanketten. Die Wasserstoffatome, die an diese Kohlenstoffatome gebunden sind, bezeichnet man ebenfalls als primäre Wasserstoffatome. Ein sekundäres Kohlenstoffatom ist an

2.3

Die systematische

Nomenklatur der Alkane

zwei, ein tertiäres an drei weitere Kohlenstoffatome gebunden. Mit dem Term quartär bezeichnet man Kohlenstoffatome, die an vier andere

Kohlenstoffatome gebunden sind. Diese Bezeichnung wird aber nicht in der Nomenklatur verwendet. Alkylgruppen benennt man in gleicher Weise. Eine Alkylgruppe, die durch Entfernung eines primären Wasserstoffatoms entsteht, bezeichnet man als primär. Entsprechend erhält man durch Entfernung eines sekundären Wasserstoffatoms eine sekundäre, durch Entfernung eines tertiären eine tertiäre Alkylgruppe (s. Tab. 2-4). Primäre, sekundäre und tertiäre Kohlenstoff- und Wasserstoffatome primär sekundär

AN

CH3

_ tertiär

De y

sekundär

a

primär

=)

Übung 2-3 Kennzeichnen

©

2-Methylpentan (Isohexan).

Sie

die

primären,

sekundären

und

tertiären

Wasserstoffatome

im

Regeln für die Nomenklatur verzweigter Alkane Mit Hilfe von Tabelle 2-3 können Sie nun die ersten zwanzig unverzweigten Alkane benennen. Wie geht man aber bei einem verzweigten System vor? Die IJUPAC hat uns mit einem Satz von Regeln ausgestattet, die, wenn man sie genau befolgt, die Sache recht einfach machen. Regel 1 Suchen Sie die längste Kette von Kohlenstoffatomen im Molekül, und benennen Sie sie. Diese Aufgabe ist nicht so einfach, wie sie aussieht. Das Problem ist, daß komplexe Alkane in der Kurzstrukturformel so gezeichnet

sein können,

daß schwer

herauszufinden

ist, welche

Kette die längste ist. In den folgenden Beispielen ist die längste Kette, der Stammkohlenwasserstoff, genau markiert. Das Stammalkan gibt dem Molekül seinen Namen. CH; AR w Methyl

Methyl

ch;

CHSCH>CH

CH;3CHCH3>CH3 ein methyl-substituiertes Butan (ein Methylbutan) CH3

CH>CH

CH>CH>CH3 ein methyl-substituiertes Hexan (ein Methylhexan) CH>CH>

CH>CH3>CH>CH3

CH;CHCH>CH>CHCH

„CH3

ein ethyl- und methyl-substituiertes Decan (ein Ethylmethyldecan)

CH3

ee, CH „CH;

CH3

ein ethyl- und methyl-substituiertes Octan (ein Ethylmethyloctan)

53

Alle Gruppen, die an die Kohlenstoffkette gebunden sind — mit Aus-

2 Alkane: Moleküle ohne

funktionelle Gruppen

nahme von Wasserstoff natürlich —, bezeichnet man als Substituenten.

Besitzt ein Molekül zwei oder mehrere Ketten gleicher Länge, ist der Stamm diejenige Kette mit den meisten Substituenten. CH3

CH;

CH;

wer

nichtt

CH3

CH3CHCHCHCHCH3>CH3

I

CH3

wir uns

1%

u

5

CH3

CH3

4 Substituenten ein Heptan

Bevor

CH;

3 Substituenten ein Heptan

mit Regel 2 befassen,

wollen

wir eine weitere,

noch

einfachere Methode zur graphischen Darstellung verzweigter Alkane vorstellen. Da bei komplexen Alkanen selbst Kurzstrukturformeln recht unübersichtlich werden können, ist die im folgenden dargestellte Methode bei diesen Verbindungen vorteilhafter. Die Alkanketten werden hierbei durch Zickzacklinien dargestellt, wobei das Ende eines aufoder abwärts weisenden Strichs ein Kohlenstoffatom bedeutet. Alle Wasserstoffatome sind weggelassen, und die längste Kette wird normalerweise horizontal gezeichnet. Einige der bereits im vorausgehenden Text gezeichneten Alkane sind hier noch einmal auf die beschriebene Weise dargestellt:

| ein Methylbutan

De x

OBER

ein Methylhexan

>. “

Ethyl

ASWETST.

u

ein Ethylmethyldecan

ein Ethylmethyloctan

Bei der folgenden Diskussion verwenden wir beide Formeltypen.

Regel 2 Bestimmen Sie die Namen der an die längste Kette gebundenen Alkylgruppen. Bei unverzweigten Substituenten können wir Tab. 2-3 zur Ableitung des Substituentennamens heranziehen. Wie verfahren wir jedoch, wenn die Kette verzweigt ist? In diesem Fall wenden wir die gleichen Regeln wie bei der Hauptkette an: zuerst suchen wir die längste

Kette

des

Substituenten,

danach

benennen

wir

alle

gebundenen

Gruppen und gehen darauf zu Regel 3 über. Regel

3 Numerieren

Sie die Kohlenstoffatome

der längsten Kette von

dem Ende her, das einem Substituenten am nächsten ist.

ge

CH3CHCH3>CH3 |

23

l

h

4

hicht! 47 Ba n2 er]

nicht 12H

BA

7 BR

Sind zwei Substituenten gleich weit von beiden Kettenenden entfernt, nehmen Sie zur Numerierung des Stammalkans das Alphabet zu Hilfe. 54

Der Substituent, dessen Anfangsbuchstabe eher im Alphabet kommt, ist

an das Kohlenstoffatom mit der niedrigeren Nummer gebunden.

CH;CH3»

2.3

Die systematische

Nomenklatur der Alkane

CH3

| CH3CH>CHCH>CH>CHCH;CH3 1

2

RrASzmeser,

8

17

15

13

11

Ethyl vor Methyl

9

7

Butyl vor Propyl

In einer Seitenkette

ıst das Kohlenstoffatom

mit der Nummer

eins

immer dasjenige, das an die Hauptkette gebunden ist. 9

8

7

6

5

4

3

2

l

CH3CH>CH>CH>CH>CHCH3>CH>CH3 Ze

EICH CH; Was nun, wenn es drei oder mehr Substituenten gibt? Dann numeriert man die Kette in der Richtung, in der der erste Unterschied zwischen den beiden Numerierungsmöglichkeiten bei einem Kohlenstoffatom mit niedrigerer Bezifferung auftritt. Dieses Verfahren folgt dem Prinzip der ersten unterschiedlichen Stelle.

Regel 4 Schreiben Sie den Namen des Alkans, indem Sie zunächst die Namen der Seitenketten in alphabetischer Reihenfolge ordnen (jedem geht die Nummer des Kohlenstoffatoms, an das es gebunden ist, und ein Bindestrich voraus), und fügen Sie dann den Namen des Stammalkans, wie am Rand gezeigt, hinzu. Tritt die gleiche Alkylgruppe mehrfach als Seitenkette auf, wird durch den Vorsatz Di-, Tri-, Tetra- usw. angezeigt, wie oft dieser Substituent im Molekül vorhanden ist (s. Tab. 2-3). Die Positionen der Kohlenstoffatome des Stamms, an die die Alkylgruppen gebunden sind, werden insgesamt vor seinen Namen gesetzt und durch Kommata getrennt. Diese Vorsätze werden ebenso wie sec- und tert- nicht bei der alphabetischen Anordnung der Namen berücksichtigt. Ausnahmen sind einige komplexe Substituentennamen.

ar

CH3

CH;CHCHCH3

na

|

CH; 2,3-Dimethylbutan

CH;

CH3

|

|

|

22.118

Th 1008

8

TOR 7

CH>CH; er

CH3 3- Ethyl-2-methylpentan

wa

3

4,5-Diethyl-3,6-dimethyldecan

substituierten Kohlenstoffatome

ET

6

Methylbutan

Bezifferung der

CH3CH>CHCH>CH>CH>CH>CHCH>JCHCHJCH

Bey

CH;CHCH>CH3

7

es

CH;CH> CH3 4-Ethyl-2,2,7-trimethyloctan

CH3

CHz

6

Fund 9 erh) 1

3,5,10-Trimethyldodecan

3,3

und 10 (richtig; 5 kleiner

u

Obwohl die IUPAC auch die in Tab. 2-4 angegebenen Trivialnamen als Substituentennamen zuläßt, sollte man möglichst die systematische Nomenklatur

benutzen.

Um

Zweifelsfälle

komplizierteren Substituentennamen ben.

auszuschließen,

werden

gewöhnlich in Klammern

diese

angege-

55

2 Alkane: Moleküle ohne funktionelle Gruppen

die komplexe Alkylgruppe

CH3

der erste Substituent

ist mit Kohlenstoff 1 an das Stammalkan gebunden \

es

2

an Position 2 legt die Numerierung fest

|

CH;CH

|

3

CH,CH,CH,CHCH ;CH;CH; 4-(1-Methylethyl)heptan (4-Isopropylheptan)

|

x 9)

Die längste Kette mit der größten Zahl von Substituenten

4-(1-Ethylpropyl)-2,3,5-trimethylnonan

Weitere Einweisungen in die Nomenklatur erfolgen, wenn wir neue Klassen von Verbindungen wie die Cycloalkane und Halogenalkane vorstellen. Übung 2-4 Schreiben Sie die Namen

der eben behandelten acht verzweigten Alkane auf, schließen

Sie das Buch und zeichnen Sie deren Formeln aufgrund des Namens.

Zusammengefaßt läßt sich sagen, daß bei der Benennung eines verzweigten Alkans folgende Reihenfolge eingehalten werden muß: (1) Auffinden der längsten Kette; (2) Bestimmung des Namens aller an das Stammalkan gebundenen Alkylgruppen; (3) Numerierung der Kette; (4) Aufschreiben des Namens der Verbindung, wobei zuerst die Namen der Alkylsubstituenten in alphabetischer Reihenfolge geordnet und deren Stellung in der Kette als Zahl vor den Substituentennamen gesetzt werden. Als letztes folgt der Name des Stammalkans.

2.4 Struktur und physikalische Eigenschaften der Alkane Wie sehen nun

die dreidimensionalen

Strukturen

der Alkane

aus, und

welche physikalischen Eigenschaften haben sie? Diese Fragen wollen wir als nächstes beantworten. Bei Raumtemperatur sind die homologen Alkane mit kleinerer molarer Masse Gase oder farblose Flüssigkeiten, die mit größerer molarer Masse Feststoffe. Ihre Strukturen sind bemerkenswert regelmäßig und können (neben anderen) die Zickzackanordnung annehmen, die zur vereinfachten Darstellung langer Kohlenwasserstoffketten verwendet wird (s. Abb. 2-1). Die Bindungen um alle Kohlenstoffatome sind tetraedrisch angeordnet. Die Bindungswinkel betragen etwa 109°, die C—-C- und C—HBindungslängen liegen im normalen Bereich (154 pm bzw. »110 pm). Zur Verdeutlichung der dreidimensionalen Struktur der Kohlenwasserstoffkette können wir die Darstellung als Keilstrichformeln verwenden (s. Abb. 1-19). Dabei zeichnet man die Hauptkette und je ein endständiges Wasserstoffatom in die Papierebene (s. Abb. 2-2).

Ye Abb. 2-1 Molekülmodell des Hexans, das die typische ZickzackAnordnung der Kohlenstoffkette in den Alkanen zeigt. (Modell mit freundlicher Genehmigung von Maruzen Co. Ltd., Tokyo)

56

Übung 2-5 Zeichnen Sie Keilstrichformeln für 2-Methylbutan und 2,3-Dimethylbutan.

Aufgrund der Regelmäßigkeit der Alkanstrukturen kann man annehmen, daß auch ihre physikalischen Eigenschaften einen eindeutigen Trend erkennen lassen. Dies ist auch richtig; die Daten in Tab. 2-5 zeigen, daß sich die Eigenschaften in der homologen Reihe kontinuierlich mit zunehmender (oder abnehmender) molarer Masse ändern. So bewirkt beispielsweise in der Reihe von Pentan bis Pentadecan jede weitere CH,-Gruppe eine Zunahme des Siedepunktes um 20°C bis 30°C (s. Abb. 2-3). Trägt man hingegen die Schmelzpunkte der Alkane gegen die molare Masse auf, erhält man eine unregelmäßige Kurve. Diese Unregelmäßigkeit kommt

dadurch

zustande,

von Kohlenstoffatomen

daß

im Molekül

die Alkane

mit ungerader

Anzahl

einen etwas niedrigeren Schmelz-

punkt als die mit gerader Anzahl haben, welche im festen Zustand dich-

ter gepackt sind. Auf der anderen Dichte gleichmäßig zu.

Seite nehmen

die Werte

für die

jehisd.

Ehıe

Abb. 2-2 Keilstrichformeln

der

Alkane Methan bis Pentan.

Beachten Sie, daß die Hauptkette und zwei endständige Wasserstoffatome in einer ZickzackAnordnung gezeichnet werden.

in Temperatur °C

Tuw/3 3.07 ur Pq ya

Abb. 2-3 Abhängigkeit einiger physikalischer Konstanten der unverzweigten Alkane von der Molekülgröße.

Moleküle ziehen sich gegenseitig an Wodurchkommt diese Regelmäßigkeit zustande? Der Grund dafür liegt in den zwischenmolekularen oder van-der-Waals-Kräften.“ Moleküle üben Anziehungskräfte aufeinander aus, wodurch eine höher geordnete Struktur, wie in Festkörpern und Flüssigkeiten, zustandekommt. Zum Aufbrechen dieser Strukturen ist Energie, im allgemeinen Wärme, erforderlich. Die meisten organischen Verbindungen sind im festen Zustand kristallin, der Ordnungszustand der Moleküle ist also sehr groß. Der hohe Ordnungsgrad der Salze kommt dadurch zustande, daß die Ionen aufgrund starker Coulombscher Kräfte starr an ihrem Gitterplatz festgehalten werden. Nichtionische, polare Moleküle wie Chlormethan (CH;Cl) ziehen sich gegenseitig durch schwächere Dipol-DipolWechselwirkungen,

die

wiederum

Coulombscher

Natur

sind,

an

(s.

Abschn. 6.2). Im Gegensatz dazu wirken bei den vollständig unpolaren

*

Johannes

D.

van

der

Waals

(1837-1923),

Professor

an

der

Universität

Amsterdam

(Niederlande), Nobelpreis für Physik 1910.

Ss

Abb. 2-4 A. Coulombsche Anziehungskräfte in kristallinem Natriumethanoat

(-acetat).

B. Dipol-Dipol-Wechselwirkungen im festen Chlormethan; die Moleküle ordnen sich so an, daß die Coulombschen Anziehungskräfte am stärksten sind.

C. London-Kräfte in kristallinem Pentan. In diesem vereinfachten Bild treten die gesamten Elektronenwolken der einzelnen Moleküle miteinander in Wechselwirkung, wodurch Partialladungen entgegengesetzten Vorzeichens induziert werden. Dies ist kein statischer Zustand, die Elektronenverteilung ändert sich kontinuierlich mit der Bewegung der Elektronen.

Alkanen sogenannte London-Kräfte.* Diese Kräfte kommen durch gegenseitige Beeinflussung von Elektronen zustande. Eine stark vereinfachende Erklärung dieses Effekts geht davon aus, Alkane als Elektronenwolken anzusehen. Die Ladungsverteilung im Molekül ist im Mittel symmetrisch, durch die Bewegung der Elektronen besteht jedoch in jedem Augenblick eine kleine, jedesmal andere Abweichung von der Durchschnittsverteilung, die ein kleines momentanes Dipolmoment erzeugt. Dieser kurzlebige Dipol beeinflußt die Elektronenwolke eines benachbarten Alkanmoleküls. Sein negatives Ende stößt die Elektronen des anderen

Moleküls

ab, sein positives Ende zieht sie an, so daß auch

in dem zweiten Molekül ein kurzlebiges Dipolmoment induziert wird, das dem ersten entgegengerichtet ist. Obwohl, wie bereits gesagt, diese Dipole ständig auf und abgebaut werden und dauernd ihre Richtung ändern, kommt es im Endeffekt doch zu einer Anziehung zwischen beiden Molekülen. Naturgemäß sind London-Kräfte nur sehr schwach und haben eine sehr geringe Reichweite (Kräfte zwischen induzierten Dipolen sind umgekehrt proportional zu der sechsten Potenz des Abstandes), so daß sie nur zwischen direkt benachbarten Molekülen wirksam sind. Trotz ihrer geringen Stärke und Reichweite haben London-Kräfte einen merkbaren Einfluß auf die physikalischen Eigenschaften der Alkane. In Abb. 2-4 ist ein vereinfachter Vergleich zwischen ionischen, dipolaren und London-Kräften dargestellt. In welcher Weise bestimmen diese Kräfte die physikalischen Konstanten von Elementen

und Verbindungen?

Die Antwort ist, daß man Ener-

gie aufbringen muß, normalerweise in Form von Wärme, um Festkörper zu schmelzen und Flüssigkeiten zu verdampfen. Beim Schmelzvorgang beispielsweise müssen die Anziehungskräfte, die für den kristallinen Zustand

verantwortlich

sind,

überwunden

werden.

In einer

ionischen

Verbindung wie Natriumacetat (Abb. 2-4A) ist aufgrund der starken Kräfte zwischen den Ionen eine relativ hohe Temperatur (324°C) erforderlich, um die Verbindung zum Schmelzen zu bringen. In der Reihe der Alkane nehmen die Schmelzpunkte mit zunehmender Molekülgröße zu: Moleküle mit relativ großer Oberfläche zeigen größere LondonAnziehungskräfte. Diese Kräfte sind jedoch immer noch relativ schwach und auch Alkane mit großer molarer Masse haben relativ niedrige Schmelzpunkte. So liegen beispielsweise die Schmelzpunkte der unverzweigten Alkane CH, und C;,H;, (wachsartige Feststoffe, die in der schützenden Deckschicht von Blättern vorkommen) unterhalb von 70°C. * Fritz London (1900-1954), Professor an der Duke University, North Carolina (USA). Anmerkung: In der älteren Literatur wird der Begriff „van-der-Waals-Kräfte“ für die Kräfte verwendet, die heute als London-Kräfte bezeichnet werden. Unter van-derWaals-Kräften verstehen wir heute alle anziehenden intermolekularen Kräfte.

58

Damit ein Molekül die Anziehungskräfte des flüssigen Zustands überwinden kann, um in den gasförmigen Zustand überzugehen, muß noch mehr Wärme zugeführt werden. Ist der Dampfdruck einer Flüssigkeit gleich dem äußeren Druck, so beginnt die Flüssigkeit zu sieden. Ebenso wie die Schmelzpunkte nehmen auch die Siedepunkte mit steigender molarer Masse zu: Es erfordert mehr Energie, Verbindungen höherer molarer Masse zum Verdampfen zu bringen. (Darüber hinaus sind Siedepunkte von Verbindungen auch dann relativ hoch, wenn zwischen den einzelnen Molekülen relativ große zwischenmolekulare Kräfte bestehen.) Diese Effekte führen zu dem monotonen Anstieg der Siedepunkte der unverzweigten Alkane, der in Abb. 2-3 gezeigt ist. Verzweigte Alkane haben kleinere Oberflächen als ihre unverzweigten Isomere. Es wirken daher geringere London-Kräfte zwischen den Molekülen, und ihre Packungsdichte im kristallinen Zustand ist geringer. Aus diesen kleineren Anziehungskräften resultieren niedrigere Schmelzund Siedepunkte. Verzweigte Moleküle mit dichter Packung sind Ausnahmen.

Beispielsweise schmilzt 2,2,3,3-Tetramethylbutan

wegen seiner

2.5

Rotation um

Einfachbindungen: Konformationen

2,2,3,3-Tetramethylbutan

dichten Molekülpackung bei +101°C (vgl. Octan, Smp. —57°C). Auf der anderen Seite wird die vergleichsweise größere Oberfläche des Octanmoleküls im Vergleich zum mehr sphärisch aufgebauten 2,2,3,3Tetramethylbutan an ihren Siedepunkten deutlich (126°C gegenüber 106°C). Unterschiede in der Packungsdichte im Kristall sind auch für die etwas niedriger als erwarteten Schmelzpunkte der geradkettigen Alkane mit ungerader Anzahl von Kohlenstoffatomen im Vergleich zu denen mit gerader Anzahl von Kohlenstoffatomen verantwortlich (Abb. 2-3). Zusammenfassend läßt sich sagen, daß unverzweigte Alkane regelmäßige Strukturen haben. Ihre Schmelz- und Siedepunkte und ihre Dichte nehmen mit steigender molarer Masse aufgrund der zunehmenden Anziehungskräfte zwischen den Molekülen zu.

2.5 Rotation um Einfachbindungen: Konformationen Wir haben gesehen, wie intermolekulare Kräfte die physikalischen Eigenschaften von Verbindungen beeinflussen. Diese Kräfte wirken zwischen Molekülen.

In diesem Abschnitt wollen wir die Kräfte, die inner-

halb eines Moleküls wirksam sind (die intramolekularen Kräfte) genauer betrachten. Durch das Wirken dieser Kräfte sind einige räumliche Anordnungen von Molekülen energetisch begünstigter als andere.

Die verschiedenen Konformationen des Ethans werden durch Rotation ineinander überführt Wenn Sie ein Modell des Ethanmoleküls bauen, sehen Sie, daß sich die

beiden Methylgruppen leicht gegeneinander verdrehen lassen. Beim Molekül selbst beträgt die Energie, die erforderlich ist, um die Wasserstoffatome

aneinander

vorbei

zu

bewegen,

die Rotationsbarriere,

12.6

kJ/mol. Dieser Zahlenwert ist sehr klein, sogar so klein, daß man allgemein von einer freien Drehbarkeit der Methylgruppen spricht. Verallgemeinernd gilt, daß ein Molekül um jede Einfachbindung frei drehbar ist. In Abb. 2-5 sind die Rotationsmöglichkeiten im Ethanmolekül in der vereinfachten dreidimensionalen Darstellung gezeigt. Bei der Zeichnung des Moleküls sind zwei Extreme möglich: die gestaffelte (engl. staggered) und die verdeckte (ekliptische, engl. eclipsed) Konformation. Betrachtet man die gestaffelte Konformation entlang der C—C-Verbindungsachse, sieht man, daß jedes Wasserstoffatom des ersten Kohlenstoffatoms genau in der Mitte zwischen zwei Wasserstoffatomen des

59

Abb. 2-5 Rotation im Ethan: A. und ©. gestaffelte Konformationen; B. verdeckte (ekliptische) Konformation.

N

H

cHc-H ee

Hd

Sa

H

H

H

> 2 er

ee) I

A

H

j

B

C

zweiten liegt. Der zweite Extremfall

ergibt sich aus dem

A

2

Q

ersten, indem

man eine der beiden Methylgruppen um 60° um die C—C-Bindung dreht. Betrachtet man diese verdeckte oder ekliptische Konformation entlang der C—C-Achse, liegen alle Wasserstoffatome des zweiten Kohlenstoffatoms genau hinter denen des ersten, die Wasserstoffatome des ersten Kohlenstoffatoms verdecken die des zweiten. Eine weitere Drehung um 60° überführt die verdeckte Form in eine weitere gestaffelte Konformation, die zu der ersten äquivalent ist. Zwischen beiden Extremen sind noch zahlreiche andere Stellungen der Wasserstoffatome zueinander möglich, die man zusammenfassend als schiefe (engl. skew) Konformationen bezeichnet. Die vielen verschiedenen

Formen

des Ethans

(und, wie wir sehen,

auch seiner Derivate), die durch eine solche Drehung entstehen, bezeichnet man als Konformationsisomere. Andere Bezeichnungen sind Konformere oder Rotamere. Alle gehen bei Raumtemperatur rasch ineinander über. Die Untersuchung ihres thermodynamischen und kinetischen Verhaltens bezeichnet man als Konformationsanalyse.

Newman-Projektionen zeigen die Konformationen des Ethans Eine einfache Alternative zu Keilstrichformeln stellen die Newman*Projektionen dar. Sie gelangen von der Keilstrichformel zur NewmanProjektion,

indem

Sie das Molekül

„aus der Papierebene

drehen“

und

es entlang der C—C-Achse betrachten (Abb. 2-6A und B). In dieser Darstellung verdeckt das vordere das hintere Kohlenstoffatom, aber die von beiden ausgehenden Bindungen sind deutlich zu erkennen. Das vordere Kohlenstoffatom ist der Verbindungspunkt der drei auf ihn treffenden Bindungen, eine von ihnen wird gewöhnlich senkrecht nach oben gezeichnet. Das hintere Kohlenstoffatom ist ein Kreis (Abb. 2-6C), und die Bindungen ragen aus der Kreislinie heraus. Die verschiedenen Konformationsisomere des Ethans lassen sich auf diese Weise sehr einfach zeichnen (Abb. 2-7). Um die drei hinteren Wasserstoffatome bei verdeckten

Konformationen

besser

sichtbar

zu machen,

zeichnet

man

etwas aus der genauen verdeckten Position herausgedreht.

Blick-

H

Dig het

H IN

ZI —>

NT

H

strichformel (A) in eine NewmanProjektion (C).

SR

IR

Abb. 2-7 Newman-Projektionen des gestaffelten und des verdeckten (eclipsed) Rotamers des Ethans. Eine Projektion geht in die nächste durch Drehung des hinteren Koh-

HomuSE

lenstoffatoms um jeweils 60° über.

*

H

H

— H C

B HH

H

=

H

H

De

A H

60

—

HH

Abb. 2-6 Überführung einer Keil-

H

H

H

H

60°

ee

H

eg

na

NOBRSLL,

H

H

H

H gestaffelt

verdeckt

H gestaffelt

(staggered)

(eclipsed)

(staggered)

Professor Melvin S. Newman,

1908-1993, Ohio State University (USA).

sie

2.6 Diagramme der potentiellen Energie Wie bereits erwähnt,

die Methylgruppen

ist etwa

12.6 kJ/mol an Energie erforderlich,

im Ethan zu drehen.

Wie kann man

2.6 Diagramme der potentiellen Energie

um

sich das er-

klären?

Die Rotamere des Ethans haben

unterschiedliche potentielle Energien Nicht alle Rotamere des Ethans haben dieselbe potentielle Energie. Eine einfache Erklärung für diese Energieunterschiede geht von der Abstoßung der Elektronen aus. Dreht sich eine Methylgruppe, von einer gestaffelten Konformation ausgehend, um die C—C-Achse, nimmt der Abstand zwischen den Wasserstoffatomen beider Methylgruppen ab. Das Ergebnis ist eine Zunahme der Wechselwirkung der bindenden Elektronenpaare in den C—H-Bindungen, sie stoßen sich gegenseitig ab. Die potentielle Energie des Systems nimmt also im Laufe der Drehung der Methylgruppe aus der gestaffelten in die verdeckte Konformation stetig zu. In der verdeckten Konformation ist die Energie des Moleküls am größten, da in diesem Zustand alle sechs Wasserstoffatome und alle sechs bindenden Elektronenpaare am dichtesten zusammengerückt sind. Die Energie des Moleküls liegt an diesem Punkt um 12.6 kKJ/mol über der des energieärmsten Zustands des Moleküls, des gestaffelten Rotamers. Abb. 2-8 Diagramm der potentiellen Energie der Rotationsisomere des Ethans. Da die ekliptischen Konformationen die höchste Energie haben, entsprechen sie den Maxima des Diagramms. Diese

Eine einfache Möglichkeit zur Darstellung der Energieänderungen während der Rotation um eine Bindung: Diagramme der potentiellen Energie

Maxima können als Übergangs-

Die Unterschiede in den potentiellen Energien von Rotameren lassen sich graphisch durch Auftragen der Energieänderung gegen den Drehwinkel veranschaulichen (Abb. 2-8). Derartige Diagramme sind auch zur Beschreibung anderer chemischer Prozesse sehr nützlich.

HH

zustände (TS, engl. transition state) zwischen den stabileren gestaffelten Rotameren angesehen werden. Die Aktivierungsenergie (E,) ist die Energiebarriere der Rotation.

HH

E, = 12.6 kJ/mol

0

60

120

180

240

300

360

Drehwinkel in °

61

2 Alkane: Moleküle ohne funktionelle Gruppen

In solchen Diagrammen trägt man die Änderung der potentiellen Energie im Laufe eines Prozesses oder einer Reaktion gegen eine Reaktionskoordinate, in diesem Falle den Drehwinkel, auf. Andere Koordinaten, wie der Abstand zwischen Paaren von Wasserstoffatomen an bei-

den Kohlenstoffatomen, würden ein ähnliches Diagramm ergeben. In der gestaffelten Konformation beträgt der Abstand zwischen einem Wasserstoffatom des einen und den beiden benachbarten Wasserstoffatomen des anderen Kohlenstoffatoms 255 pm. In der verdeckten Konformation ist dieser Abstand kleiner geworden, er beträgt 229 pm. Ethan wird am besten in seiner gestaffelten Konformation beschrieben. Tatsächlich besitzt das verdeckte Konformer nur eine kurze Lebenszeit in der Größenordnung der Dauer einer Molekülschwingung

(10°’s), da sich die Wasserstoffatome sehr schnell aneinander vorbeibewegen, um von einer gestaffelten Konformation in eine andere zu gelangen. Da verdeckte Konformationen die höchste Energie in diesem Prozeß besitzen,

stellen

sie die Maxima

im Energiediagramm

dar.

Diese

Maxima bezeichnet man als Übergangszustände, sie stellen den Übergang von der einen gestaffelten Konformation zur nächsten dar. Die Energie des Übergangszustands kann als Barriere, die beim Übergang von einer gestaffelten Konformation in die nächste überwunden werden muß, angesehen werden. Man bezeichnet diese Energie als Aktivierungsenergie, E,, des Rotationsprozesses. Je geringer ihr Betrag ist, desto schneller verläuft die Rotation.

Die erforderliche Aktivierungsenergie wird durch Zusammenstöße aufgebracht Die Energie, die zur Überschreitung der Energiebarriere nötig ist, erlangen Moleküle durch Zusammenstöße mit gleichartigen Molekülen, mit Molekülen des Lösungsmittels oder mit der Gefäßwand. Die Häufigkeit und Wucht der Zusammenstöße hängt von der kinetischen Energie der Teilchen ab. Bei Raumtemperatur beträgt die mittlere kinetische Energie der Moleküle einer organischen Verbindung nur etwa 2.5 KJ/mol. Die Häufigkeitsverteilung der kinetischen Energie bei einer gegebenen Temperatur wird durch die Boltzmann*-Verteilung angegeben (s. Abb. 2-9). Diese zeigt, daß, obwohl die meisten Moleküle nur eine mittlere Geschwindigkeit haben, es immer einen Anteil von Molekülen mit

beträchtlich niedrigerer und beträchtlich höherer Energie gibt. Bei Raumtemperatur kann die mittlere kinetische Energie bis zu 105 kJ/mol betragen. Aufgrund der schnellen Energieumverteilung durch fortwährende Zusammenstöße haben prinzipiell alle Moleküle die Möglichkeit, die Energiebarriere zu überwinden. Dies ist der Grund für die sogenannte

„freie Drehbarkeit“

der Ethanmoleküle.

Bei höheren Tempera-

turen steigt die mittlere kinetische Energie an, die Verteilungskurve ist abgeflacht und zu höheren Energien hin verschoben (s. Abb. 2-9). Jetzt

Fe

Abb. 2-9 Boltzmannsche Verteilungskurve bei zwei verschiedenen Temperaturen. Bei der höheren Temperatur (grüne Kurve) haben mehr Moleküle die kinetische Energie E als bei niedrigeren Temperaturen (blaue Kurve).

der Anzahl Moleküle E

kinetische Energie (Geschwindigkeit der Moleküle) —> *

62

Ludwig Boltzmann,

1844-1906, Professor an der Universität Wien.

besitzt ein größerer Anteil der Moleküle mindestens die zur Erreichung des Übergangszustands erforderliche Energie, die Geschwindigkeit des Rotationsprozesses nimmt zu. Auf der anderen Seite nimmt die Rotationsgeschwindigkeit bei niedrigeren Temperaturen ab.

2.7

Rotation in substituierten Ethanen

2.7 Rotation in substituierten Ethanen Wie ändert sich das Energiediagramm, wenn ein Substituent in das Ethanmolekül eingefügt wird? Nehmen Sie als Beispiel Propan, dessen Struktur bis auf den Ersatz eines Wasserstoffatoms durch eine Methylgruppe der des Ethans entspricht.

Sterische Hinderung vergrößert die Aktivierungsenergie der Rotation Abbildung 2-10 zeigt das Energiediagramm der Rotation um eine C—CBindung im Propan. Die Newman-Projektionen des Propans unterscheiden sich von denen des Ethans nur durch Einzeichnen einer Methylgruppe anstelle eines Wasserstoffatoms. Wiederum sind die beiden extremen Konformationen gestaffelt und verdeckt. Die Energiebarriere zwischen beiden beträgt nun aber 14.2 kJ/mol, ist also etwas größer geworden. Dieser Unterschied kommt durch eine ungünstige sterische Wechselwirkung zwischen dem Methylsubstituenten und dem nächsten Wasserstoffsubstituenten des anderen Kohlenstoffatoms in der verdeckten Konformation zustande. Dieses Phänomen bezeichnet man als sterische Hinderung. In erster Näherung läßt sich dieser Effekt einfach darauf zurückführen,

daß zwei Teile des Moleküls

den gleichen

Raumbe-

reich beanspruchen. Die sterische Hinderung im Propan ist sogar noch stärker, als man nach dem Betrag der Aktivierungsenergie vermuten sollte. Methylsubstituenten erhöhen nicht nur die Energie der verdeckten, sondern auch die der gestaffelten Konformation, letzteres allerdings in geringerem Maße, da die sterische Wechselwirkung geringer ist. Die Aktivierungsenergie ist nur die Energiedifferenz zwischen Grund- und

H CH3

Abb. 2-10 Diagramm der potentiellen Energie der Rotationsisomere des Propans.

H CH3

H CH3

E, = 14.2 kJ/mol

HzC H

H

H

H

H

H

H { 0

60

je 120

ER 180

Be 240

_

Abe

L

300

360

Drehwinkel in °

63

I

H CH3

H;C

CH3

HC en ee

he

Btc,

H

gauche

anti

Abb. 2-11 Verschiedene NewmanProjektionen des Butans. Das hintere Kohlenstoffatom der

C2-—C3-Bindung wird beim Übergang von einer Projektion zur nächsten im Uhrzeigersinn gedreht.

Übergangszustand,

ie

der gesamte

Effekt

beim

Einführen

einer Methyl-

gruppe anstelle eines Wasserstoffatoms in einer verdeckten Konformation wird hierdurch nicht wiedergegeben. Im Propan besitzen beide Konformationen eine höhere Energie als im Ethan, der Einfluß auf die verdeckte Konformation ist noch etwas größer. Insgesamt findet man nur eine geringe Zunahme von E,.

Konformationsanalyse des Butans: Es gibt mehrere gestaffelte und verdeckte Konformationen Wenn Sie ein Molekülmodell des Butans bauen und die Drehung um die zentrale C—C-Bindung

betrachten,

sehen Sie, daß es bei diesem Mole-

kül mehr als eine gestaffelte und eine verdeckte Konformation gibt (s. Abb. 2-11). Beginnen Sie mit dem Konformeren, in dem beide Methylgruppen soweit wie möglich voneinander entfernt sind. Diese sogenannte anti-(entgegengesetzte) Anordnung ist die stabilste, da die sterische Hinderung am geringsten ist. Durch Drehung des hinteren Kohlenstoffatoms der Newman-Projektion um 60° in beide Richtungen (in Abb. 2-11 im Uhrzeigersinn) entsteht eine verdeckte Konformation mit zwei CH;—H-Wechselwirkungen. Die Energie dieses Rotamers liegt um 15.9 kJ/mol höher als die des anti-Konformers. Durch weitere Drehung entsteht ein weiteres gestaffeltes Konformer, in dem die beiden Methylgruppen näher zueinander als in der anti-Konformation stehen.

Um

dieses

Konformer

vom

anderen

zu unterscheiden,

bezeichnet

man es als gauche (gauche, französisch im Sinne von ungeschickt, linkisch). Aufgrund der sterischen Hinderung besitzt das gauche- eine um etwa 3.8 kJ/mol höhere Energie als das anti-Konformer. Durch weitere Drehung (s. Abb. 2-11) entsteht eine zweite verdeckte Konformation, in der beide Methylgruppen hintereinander liegen. Aufgrund dieser Anordnung ist die Energie dieses Rotamers am größten, sie liegt um etwa 18.8 kJ/mol höher als die der stabilen anti-Konformation. Dreht man wiederum um 60°, ergibt sich ein zweites gauche-Konformer. Die Aktivierungsenergie für eine gauche = gauche-Umlagerung beträgt 15.1 kJ)/mol. In Abb. 2-12 ist ein Energiediagramm der Rotation um die zentrale C—C-Bindung im Butan dargestellt. Bei 25°C liegt in Lösung zu 72% das stabilste anti-Konformer, zu 28% das etwas weniger stabile gauche-Konformer vor.

Qualitative Voraussagen mit Hilfe der Konformationsanalyse Die Konformationsanalyse ist für das Verständnis der Reaktivität eine wichtige Hilfe. Da das stabilste Konformer auch das am häufigsten vorkommende

ist, ist es oft auch die Spezies, die an einer Reaktion

betei-

ligt ist. In vielen Fällen verlaufen Reaktionen jedoch auch über weniger stabile Konformationen, da ein bestimmtes Reagenz gerade diese angreift. Die Konformationsanalyse ist insbesondere wichtig bei der Behandlung von komplizierteren Alkanen als dem Butan. Betrachten Sie beispielsweise die beiden gestaffelten Konformere des 2,3-Dimethylbutans entlang der C2—C3-Bindung. Zählt man die Anzahl der ungünstigen gauche-Wechselwirkungen in beiden Konformeren, ist eine qualitative Voraussage, welche Struktur in Lösung oder in der Gasphase stabiler

2.7

H CHa

Rotation in substituierten Ethanen

H CH3

E,, = 15.9 kJ/mol

0

60

120

180

300

360

Drehwinkel in ° Abb. 2-12 Diagramm der potentiellen Energie im Butan während der Drehung um die C2—C3-Bindung. Es gibt drei Prozesse: die anti > gauche-Umlagerung (E,, = 15.9 kJ/mol), die gauche > gauche-Umlagerung (E,, = 15.1 kJ/mol) und die gauche — antiUmlagerung (E,;= 12.1 kJ/mol).

sein sollte, möglich. Derartige Voraussagen lassen sich für den festen Zustand nicht anstellen, da sich aufgrund von van-der-Waals-Kräften andere Konformationen als besonders günstig erweisen können.

H H

CH;

CH, Beh N ET

Hs

1 EN H

ch,

CH;

CH ch: San er CH;

„drei gauche-Wechselwirkungen: weniger stabil

zwei gauche-Wechselwirkungen: stabiler

Noch deutlicher wird dies beim 2,2,4-Trimethylpentan. Die gestaffelte Konformation mit der sperrigen 1,1-Dimethylethyl-(tert-Butyl-)Gruppe zwischen zwei Methylgruppen ist eindeutig weniger begünstigt als das Konformer, in dem sie sich zwischen einer Methylgruppe und einem Wasserstoffatom befindet, wie am Rand gezeigt ist. Übung 2-6

Zeichnen Sie ein Energiediagramm der Drehung um die C2-C3-Bindung im 2,3-Dimethylbutan. Zeichnen Sie auch die Newman-Projektionen jeder gestaffelten und verdeckten Konformation.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß die Anordnung der Substituenten an benachbarten, miteinander verbundenen, gesättigten Kohlenstoffatomen durch intramolekulare Kräfte bestimmt wird. Beim Ethan und seinen Derivaten liegen zwischen den relativ stabilen gestaffelten Konformationen höherenergetische Übergangszustände, in denen die Substi-

2,2,4-Trimethylpentan

nn

u

H;C

CH3

H

H H

weniger stabil

SE, a

ER

65

2 Alkane: Moleküle ohne funktionelle Gruppen

tuenten verdeckt stehen. Die zur Erreichung des Übergangszustands notwendige Energie erlangen Moleküle durch Zusammenstöße mit anderen. Die Energieverteilung in einem Kollektiv von Molekülen bei bestimmter Temperatur ist durch eine Boltzmann-Kurve gegeben. Die Energieänderung während der Drehung um eine C—C-Bindung läßt sich am einfachsten durch ein Energiediagramm darstellen. Beträgt der Winkel zwischen zwei Substituenten an benachbarten Kohlenstoffatomen in einer gestaffelten Newman-Projektion 180°, bezeichnet man dies als anti-Konformer. Beträgt er 60°, spricht man von einer gauche-Konformation. Als Konformationsanalyse bezeichnet man die Untersuchung der Veränderungen der potentiellen Energie während der Drehung um Einfachbindungen.

2.8 Kinetik und Thermodynamik der Konformationsisomerie und einfacher Reaktionen Die anti=gauche-Konformationsisomerie ist ein typisches Beispiel für ein Gleichgewicht zwischen zwei chemisch unterschiedlichen Spezies. Obwohl in diesem Fall keine Bindungen gebrochen oder geknüpft werden, wie bei gewöhnlichen chemischen Reaktionen, gelten für diesen Prozeß die gleichen physikalischen Gesetzmäßigkeiten. In diesem Abschnitt wollen wir einige der Grundlagen, nach denen chemische Reaktionen ablaufen, wiederholen: 1 Die chemische Thermodynamik befaßt sich mit den Energieänderungen bei chemischen

Reaktionen.

Diese sind ein Maß

dafür, wo sich

ein chemisches Gleichgewicht einpendelt. 2 Die chemische Kinetik betrachtet die Geschwindigkeit, mit der sich die Konzentrationen der Reaktanten und Produkte ändern, also die

Schnelligkeit, mit der die Reaktion abläuft. Beide Aspekte stehen oft in Beziehung zueinander. Thermodynamisch sehr begünstigte Reaktionen verlaufen häufig schneller als weniger begünstigte. Andererseits verlaufen einige Reaktionen schneller als andere, obwohl sie zu thermodynamisch weniger stabilen Produkten führen. So bezeichnet man als thermodynamisch kontrollierte Reaktionen solche Reaktionen, bei denen die Produkte mit der geringsten Energie entstehen,

als kinetisch

kontrolliert

Reaktionen,

deren

Aktivierungs-

energie niedrig ist, bei denen aber thermodynamisch weniger stabile Produkte gebildet werden. Dies wollen wir im folgenden etwas genauer betrachten.

Gleichgewichte werden durch die Thermodynamik chemischer Umsetzungen bestimmt Alle chemischen

Reaktionen

sind reversibel, und Reaktanten

und Pro-

dukte lassen sich in unterschiedlichem Maße gegenseitig ineinander überführen. Wenn die Reaktion so weit abgelaufen ist, daß sich die Konzentrationen

von

Reaktanten

und

Produkten

nicht

mehr

ändern,

hat die Reaktion ihren Gleichgewichtszustand erreicht. In vielen Fällen liegt das Gleichgewicht sehr weit (sagen wir, zu mehr als 99.9%) auf der Seite der Produkte. Dann sagt man, daß die Reaktion vollständig abgelaufen ist. (In diesem Falle läßt man den Pfeil, der die Rückreaktion andeutet, im allgemeinen weg.) Gleichgewichte werden durch ihre Gleichgewichtskonstante K beschrieben. Zur Bestimmung einer Gleichgewichtskonstanten teilt man das arithmetische Produkt der Konzentrationen (eigentlich Aktivitäten) der Komponenten auf der rechten Seite

66

der Gleichung durch das der Komponenten auf der linken Seite der Gleichung. Die Konzentrationen werden üblicherweise in mol/L angegeben. Eine große Gleichgewichtskonstante bedeutet, daß das Gleichgewicht auf der Seite der Produkte liegt: die Triebkraft der Reaktion ist groß.

2.8

Kinetik und

Thermodynamik der Konformationsisomerie und einfacher Reaktionen

Typische chemische Gleichgewichte

K

2

A=B K

[B]

= m

[Al

Auh CıD

R=-

[C] ID] [A] IB]

Wenn eine Reaktion „vollständig abgelaufen ist“, ist eine bestimmte Energiemenge freigesetzt worden. Die Gibbs’sche“ freie Standard-Reaktionsenthalpie A G’** im Gleichgewicht ist eine Funktion der Gleichgewichtskonstanten. AG” =

-RT In K = -9.64 RT log K (in kJ/mol)

Hier ist R die allgemeine Gaskonstante (8.314 J mol”! K”!) und T die absolute Temperatur in Kelvin* (K). Hat AG” ein negatives Vorzeichen, wird Energie freigesetzt. Aus obiger Gleichung folgt, daß ein großer Wert von K einen großen negativen Wert der freien Standard-Reaktionsenthalpie ergibt. Bei Raumtemperatur (298 K) läßt sich die obenstehende Gleichung vereinfachen zu

AG" = =2.48 kl/mol : In K Da die Beziehung zwischen AG” und K logarithmisch ist, ändert sich der Wert der Reaktionsenthalpie exponentiell mit der Änderung der Gleichgewichtskonstanten. Ist K = 1, liegen im Gleichgewicht zwischen A und B Ausgangsverbindung und Produkt in gleichen Konzentrationen vor, und AG ist null (Tabelle 2-5). Übung 2-7 Berechnen Sie die Gleichgewichtskonzentration von gauche-Butan 100°C. Verwenden Sie die Daten aus Abb. 2-12.

bei 25°C

und bei

Die Änderung der freien Enthalpie hängt von Änderungen der Bindungsenergien und des Ordnungszustandes ab Die Änderung der freien Standardenthalpie ist eine Funktion der Änderungen zweier anderer thermodynamischer Größen, der Enthalpie, AH und der Entropie, AS":

AG® = AH® - TAS In dieser Gleichung ist T wiederum die Temperatur in K, AH” besitzt die Einheit kJ/mol und AS" die Einheit J/K-mol. *

Josiah Willard Gibbs,

1839-1903,

Professor an der Yale University,

New

Haven,

Con-

necticut, USA.

**

AG" bezeichnet die freie Enthalpie einer Reaktion, bei der sich alle beteiligten Moleküle im Standardzustand befinden, nach erfolgter Gleichgewichtseinstellung. Temperaturintervalle in Kelvin und Celsiusgraden sind identisch. Die beiden Temperatureinheiten sind nach Lord Kelvin (Sir William Thomson), 1824-1907, Professor an der Universität Glasgow und Anders Celsius, 1701-1744, Professor an der Universität

Uppsala, benannt.

67

2 Alkane: Moleküle ohne funktionelle Gruppen

Tabelle 2-5 Gleichgewichte und freie Enthalpie für die Reaktion K

0.01 0.10 0.33 l 2 3 4 5 10 100

1000 10.000

A=B; K = [BJ[A]

ng (— =:=) 100

nA (- 7 =) 100

AG? (a)

0.99 9.1 25 50 67 75 80 83 90.9

99.0 90.9 75 50 33 25 20 17 9.1

+11.43 +5.69 ED) 0 12 HR — 3.43 —3198 3109

99.0

0.99

— 11.43

99.9 99.99

0.1 0.01

=D — 22.86

Pe; bei255@

Die Enthalpieänderung, AH”, ist definiert als Reaktionswärme bei konstantem Druck. Enthalpieänderungen bei organischen Reaktionen kommen hauptsächlich durch Änderungen der Bindungsenergien beim Übergang von den Edukten zu den Produkten zustande. Der Wert von AH" läßt sich also aus der Differenz der Bindungsenergien der im Laufe einer Reaktion gebrochenen und der neu geknüpften Bindungen abschätzen. Summe Bindungsenergien\ gebrochener Bindungen

/Summe Bindungsenergien \ _ AH® neu geknüpfter Bindungen )

Wird bei der Knüpfung der neuen Bindungen ein größerer Energiebetrag frei, als zum

Aufbrechen

der

alten

erforderlich,

bekommt

AH”

einen negativen Wert, und man bezeichnet die Reaktion als exotherm.

Im Gegensatz dazu ist ein positiver Wert von AH” charakteristisch für einen endothermen Prozeß. Ein Beispiel für einen exothermen Vorgang ist die Verbrennung von Methan, dem Hauptbestandteil des Erdgases, zu Kohlendioxid und Wasser. Die Standardreaktionsenthalpie dieses Prozesses beträgt —892 kJ/mol.

CH, + 2 0, — > CO, + 2 H,O(fl)

AH” = —892 kJ/mol

Dieser Prozeß ist deshalb exotherm, weil die Bindungsstärken

in den

Produkten sehr groß sind. Viele Kohlenwasserstoffe verbrennen unter Freisetzung großer Energiebeträge und sind daher wertvolle Brennstoffe. Wenn die Reaktionsenthalpie stark von Änderungen der Bindungsenergie abhängt, welche Bedeutung hat dann die Entropieänderung AS"? Die Reaktionsentropie kann man sich anschaulich als Maß für die Änderung des Ordnungszustands des Systems vorstellen. Der Wert von AS nimmt mit steigender Unordnung zu. Da das Vorzeichen des TAS"Terms in der Gleichung für AG” negativ ist, ist mit einer Zunahme der Entropie ein negatives AG” verbunden. Anders gesagt, der Übergang von der Ordnung in die Unordnung ist energetisch begünstigt. Was bedeutet der Begriff Unordnung bei einer chemischen Reaktion? Betrachten wir eine Umsetzung, in der die Anzahl der reagierenden Moleküle pro Formelumsatz sich von der Anzahl der gebildeten Moleküle unterscheidet. Bei starkem Erhitzen wird z.B. 1-Penten zu Ethen und Propen gespalten. Dieser Prozeß, bei dem aus einem Molekül zwei gebildet werden, hat ein relativ großes positives AS". Die größere

CH;CH,CH,CH=CH; —> CH,=CH, + CH;CH=CH, 1-Penten

Ethen (Ethylen)

68

Propen

AH?

|

AS’

= +139.4

+93.8 KJ/mol JK mol

Anzahl von Teilchen nach der Spaltung der Bindung bedeutet eine größere Anzahl von Bewegungsmöglichkeiten, also eine Abnahme des Ordnungszustandes des Systems. ©

2.8

Kinetik und

Thermodynamik der Konformationsisomerie und einfacher Reaktionen

Übung 2-8

| Berechnen Sie AG” bei 25°C für obige Reaktion. Ist sie bei 25°C thermodynamisch begünstigt? Was für einen Einfluß hat eine Zunahme der Temperatur auf AG"? Ab welcher Temperatur ist die Reaktion begünstigt?

Im Gegensatz dazu nehmen Unordnung und Entropie ab, wenn die Anzahl der gebildeten Moleküle pro Formelumsatz kleiner als die der Moleküle der Ausgangsverbindungen ist. So wird beispielsweise bei der Reaktion von Ethen (Ethylen) mit Chlorwasserstoff zu Chlorethan eine Wärmemenge von —64.9 kJ/mol frei, die Reaktionsentropie ist aber ebenfalls negativ (-130.1 Y/K-mol), begünstigt also die Reaktion nicht.

CH,=CH, + HCI—

CH;CH;Cl

AH” |= -64.9 kJ/mol ASP = -130 YK-mol

Übung 2-9

Berechnen Sie AG" bei 25°C für obenstehende Reaktion. Erklären Sie mit Ihren eigenen Worten,

warum

bei einer Reaktion,

bei der sich zwei Moleküle

zu einem

vereini-

gen, die Entropieänderung stark negativ ist.

Wie schnell kommt es zur Gleichgewichtseinstellung? Die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion hängt von der Aktivierungsenergie ab Können wir aufgrund der thermodynamischen Betrachtung einer Reaktion irgendetwas über ihre Geschwindigkeit aussagen? Lassen Sie uns zu der Konformationsanalyse des Butans zurückkehren (Abb. 2-12). Wie wir gesehen haben, ist es thermodynamisch günstig, wenn das Molekül die anti-Konformation einnimmt. Die Triebkraft für eine gauche-anti-Umlagerung ist jedoch sehr klein, teilweise deshalb, weil Bindungen weder gebrochen noch neu geknüpft werden. Trotzdem stellt sich das anti-gauche-Gleichgewicht selbst bei sehr niedrigen Temperaturen außerordentlich rasch ein. Im Gegensatz dazu verlaufen einige Reaktionen, die stark exotherm sind, wie die Verbrennung von Methan, so langsam, daß man sie bei normalen Temperaturen nicht beobachten kann. Wir wissen, daß sich Methan bei Raumtemperatur nicht spontan an der Luft entzündet, obwohl die Enthalpieänderung bei dieser Reaktion —892 kJ/mol beträgt. Der Grund für diesen scheinbaren Widerspruch liegt darin, daß die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion durch den Betrag ihrer Aktivierungsenergie, E,, bestimmt wird. Die Aktivierungsenergie hängt von der Energie des Übergangszustands ab. Ein hochenergetischer Übergangszustand, wie bei der Methan-Oxidation, hat bei normalen Temperaturen eine geringe, ein Übergangszustand mit niedriger Energie (gauche-anti-Rotation von Butan) eine große Reaktionsgeschwindigkeit zur Folge (s. Abb. 2-13). Wie ist es möglich, daß eine exotherme Reaktion eine so große Aktivierungsenergie besitzt? Eine einfache Antwort ist, daß der Knüpfung einer Bindung gewöhnlich der Bruch einer anderen Bindung vorausgeht. Bevor also Energie durch die Ausbildung einer neuen Bindung gewonnen wird, muß zunächst ein bestimmter Energiebetrag aufgebracht werden,

damit

es zum

Bindungsbruch

kommt.

Der

Punkt,

an

dem

die

anfängliche Energieaufnahme in eine Energieabgabe übergeht, d.h. das Maximum der Energiekurve, entspricht dem Übergangszustand.

69

E, ist groß

E, ist klein

gauche-Butan

AH® = 3.8 kJ/mol

AH°® = — 892 kJ/mol

anti-Butan

CO, +2 H0 Reaktionskoordinate

Reaktionskoordinate B

Abb. 2-13 Vergleich der Änderung der potentiellen Energie bei (A) der gauche > antiRotation im Butan und (B) der Verbrennung von Methan. Der Vergleich der Aktivierungsenergien erklärt, warum die Rotation um die Bindungen im Butan so viel schneller verläuft, auch wenn die Verbrennungsreaktion von Methan thermodynamisch weit mehr begünstigt ist, wie aus dem stark negativen AH” ersichtlich ist. Die Diagramme sind nicht maßstabsgetreu gezeichnet.

Die Konzentration

von Reaktanten

kann

die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen Die Konzentration der Reaktanten kann Einfluß auf die Reaktionsgeschwindigkeit haben. Betrachten wir die Reaktion der beiden Edukte A und B zum Produkt €: A+B-,C

Bei vielen derartigen Prozessen beobachtet man, daß die Erhöhung der Konzentration beider Reaktanten die Geschwindigkeit der Reaktion erhöht. Für die Reaktionsgeschwindigkeit gilt dann:

Geschwindigkeit = k[A][B] Da man als Reaktionsgeschwindigkeit entweder die Geschwindigkeit der Abnahme der Konzentration eines Edukts oder der Zunahme der Konzentration eines Produkts bezeichnet, gibt man sie in der Einheit mol/L:-s an. Die Proportionalitätskonstante k bezeichnet man auch als Geschwindigkeitskonstante der Reaktion. Reaktionen, bei denen die Geschwindigkeit von der Konzentration zweier Reaktanten abhängt, bezeichnet man als Reaktionen zweiter Ordnung. Bei anderen Reaktionen hängt die Geschwindigkeit nur von der Konzentration eines Reaktanten ab, wie im folgenden allgemeinen Fall:

A——B Geschwindigkeit = k[A] Reaktionen dieses Typs sind erster Ordnung. Ein Beispiel für einen Prozeß, der nach einem Geschwindigkeitsgesetz erster Ordnung verläuft, ist die Drehung um eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Einfachbindung. Auch für Reaktionen erster Ordnung wird die Reaktionsgeschwindigkeit in mol/L:s angegeben. Daraus folgt, daß sich die Einheiten der Geschwindigkeitskonstanten k für Reaktionen unterschiedlicher Ordnungen unterscheiden: Für Reaktionen erster Ordnung ergibt sich die Einheit 1/s, während k für Reaktionen zweiter Ordnung in L/mol:s angegeben wird. 70

©

Übung 2-10

" | = ©

Die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration der Reaktanten bedeutet, daß die Reaktionsgeschwindigkeit sich mit dem Verbrauch der Edukte verringert. Wenn beispielsweise ein Prozeß erster Ordnung zu 50% abgelaufen ist, also 50 % des Eduktes verbraucht ist, ist die Reaktionsgeschwindigkeit gerade halb so groß wie zu Beginn. Wie groß ist die Verminderung der Geschwindigkeit einer Reaktion zweiter Ordnung nach Verbrauch von 50% der Edukte?

2.8

Kinetik und

Thermodynamik der Konformationsisomerie und einfacher Reaktionen

Die Arrhenius-Gleichung beschreibt den Zusammenhang zwischen Temperatur und Reaktionsgeschwindigkeit Die Reaktionsgeschwindigkeit wird ebenfalls stark durch die Temperatur beeinflußt. Erhöhung der Temperatur führt zu schnelleren Reaktionen. Der Grund hierfür liegt in der Zunahme der kinetischen Energie der Moleküle bei Wärmezufuhr, wodurch ein größerer Anteil der Moleküle die Aktivierungsenergie aufbringt (s. Abb. 2-9). Eine Faustregel, die für viele Reaktionen gilt, besagt, daß eine Erhöhung der Temperatur um 10°C eine Erhöhung der Geschwindigkeit um das Doppelte bis Dreifache bedingt. Der schwedische Chemiker Arrhenius* fand eine Gesetzmäßigkeit für die Abhängigkeit der Geschwindigkeitskonstanten von der Temperatur, die sogenannte Arrhenius-Gleichung: =

ABER,

Der Term A ist die maximale Geschwindigkeitskonstante, die die Reaktion hätte, wenn alle Moleküle genügend Stoßenergie besäßen, um die Aktivierungsenergie aufzubringen. Bei sehr hohen Temperaturen

ist E,/RT klein, e””“*? geht gegen 1 und k wird fast gleich A. Die Konstante A hat für jede Reaktion einen eigenen charakteristischen Wert. Die Arrhenius-Gleichung beschreibt die temperaturabhängige Änderung der Geschwindigkeit von Reaktionen mit unterschiedlicher Aktivierungsenergie. Zwei Reaktionen, die bei etwa 600K ablaufen (dann ist RT = 5 kJ mol) und deren Aktivierungsenergien um etwa 50 kJ/mol voneinander verschieden sind, unterscheiden sich bei gleichem Wert von A in ihrer Geschwindigkeit um einen Faktor von mehr als 20000. Übung 2-11 (a) Berechnen Sie AG? bei 25°C für die Reaktion CH;CH>Cl > CH>=CH;

+ HCI (die

Umkehrung der Reaktion von Übung 2-9). (b) Berechnen Sie AG° bei 500°C für dieselbe Reaktion. (Hinweis: Verwenden Sie AG” = AH” — TAS° und denken Sie daran, °C in Kelvin umzurechnen.)

Übung 2-12

©

Für obige Reaktion beträgt A = 10'* und E, = 244.5 kJ/mol. Berechnen Sie mit Hilfe der Arrhenius-Gleichung k bei 500 °C für diese Reaktion. (R = 8.314

JK mol).

Wie lassen sich Aktivierungsenergien messen? Die Arrhenius-Gleichung läßt sich durch Logarithmieren beider Seiten umformen:

Ink = In (A&=X7) Ink=lmnA-E/RT Hieraus ist ersichtlich, wie sich aus der Temperaturabhängigkeit der Geschwindigkeitskonstanten die Aktivierungsenergie bestimmen läßt. Tragen wir In k gegen U/T auf, ist die Steigung der erhaltenen Geraden gleich -E,/R und der Schnittpunkt mit der y-Achse bei V/T = 0 gleich In A. *

Svante

Arrhenius,

1859-1927,

Professor

am

Technischen

Institut in Stockholm.

Nobel-

preis 1903, Direktor des Nobelinstituts von 1905 bis kurz vor seinem Tode.

71

2 Alkane: Moleküle ohne

funktionelle Gruppen

Hiermit ist unsere kurze Wiederholung der einfachen thermodynami-

nach denen organische Prozesse

schen und kinetischen Beziehungen,

ablaufen, abgeschlossen. In späteren Kapiteln lassen wir, wenn nötig, weitergehende Betrachtungen und Vertiefungen folgen. Zusammenfassend läßt sich sagen, daß alle chemischen Reaktionen nach einer gewissen Zeit zu einem Zustand des chemischen Gleichgewichts kommen. Auf welcher Seite der Reaktionsgleichung das Gleichgewicht liegt, hängt ab von der Größe der Gleichgewichtskonstanten K, die wiederum

in Beziehung zu der Änderung der freien Standardenthalpie, AG”, steht.

AG" ist außerdem eine Funktion der Standardreaktionsenthalpie, AH”, und der -entropie, AS°. Die Enthalpieänderung AH” hängt hauptsächlich von der Änderung der Bindungsenergien beim Übergang von den Edukten zu den Produkten ab, die Entropieänderung ergibt sich aus der unterschiedlichen Anzahl von Freiheitsgraden in den Molekülen der Ausgangs- und der Endstoffe. Während diese Terme die Lage des Gleichgewichts bestimmen, hängt die Geschwindigkeit der Gleichgewichtseinstellung

von

der Konzentration

der Reaktanten,

der Aktivie-

rungsenergie und der Temperatur ab. Die Beziehung zwischen Geschwindigkeit, E, und T ist durch die Arrhenius-Gleichung gegeben.

2.9 Säuren und Basen: Ein kurzer Rückblick In diesem Kapitel haben wir unser Studium der Organischen Chemie mit der Betrachtung der nicht funktionalisierten Alkane begonnen, und wir haben die unterschiedlichen funktionellen Gruppen, mit denen man sie versehen kann, kurz angesprochen. Wir haben uns auch mit den energetischen Aspekten eines physikalischen Prozesses befaßt, der in fast allen Molekülen abläuft, der Rotation um. Einfachbindungen. Wir wenden uns nun einer grundlegenden Anwendung der Thermodynamik zu, der Chemie von Säuren und Basen. Wir werden sehen, daß Säure-Base-Reaktionen als Modelle für die Reaktionen polarer organischer funktioneller Gruppen dienen können. In diesem Abschnitt werden die Prinzipien der Wechselwirkung zwischen Säuren und Basen zusammengefaßt und einer quantitativen Betrachtung unterzogen.

Die Stärken von Säuren und Basen werden durch

Gleichgewichtskonstanten angegeben Bronstedt und Lowry formulierten eine einfache Definition von Säuren und Basen: Eine Säure ist ein Protonen-Donor, eine Base ist ein Proto-

nen-Akzeptor. Acidität und Basizität mißt man gewöhnlich in Wasser. Eine Säure überträgt ein Proton auf ein Wassermolekül, das zu einem Hydronium-Ion wird, eine Base zieht ein Proton von einem Wassermolekül ab und erzeugt ein Hydroxid-Ion. Chlorwasserstoff, HCl, ist ein Beispiel für eine Säure, Natriummethoxid,

Na’CH;O”,

ist ein Beispiel

für eine Base. H

CHz0:"Na* + HOH —= CHzOH + Na* + ":ÖH

CHE HOME H HydroniumIon

HydroxidIon

Wasser selbst ist neutral. Durch Eigendissoziation entstehen eine gleiche Anzahl von Hydronium- und Hydroxid-Ionen: Ku H,O

72

Ei H,O

——

H;0*

+

OH °

Die Gleichgewichtskonstante K,, wird als Eigendissoziationskonstante von Wasser bezeichnet.

RA

2.9 Säuren und Basen: Ein kurzer Rückblick

H.O2] OH] > 10, mol,

Die Konzentration von Wasser erscheint nicht in der Gleichung, da sie konstant bleibt: 1000 g L”/molare Masse (18 g mol”') = 55.5 mol/L. Aus dem Wert für K,, ergibt sich eine Konzentration von H3O* in rei-

nem Wasser von 10°’ mol/L. Der pH-Wert ist definiert als der negative dekadische Logarithmus der H3O'-Konzentration:

pH = — log[H;O"] Für reines Wasser ist er deshalb +7. Eine wäßrige Lösung mit einem pH-Wert kleiner als 7 ist sauer, eine Lösung mit einem pH-Wert größer als 7 ist basisch. Allgemein gilt für die Acidität einer Säure HA folgende Gleichung: HA

+

H,O

K =

H;07

+

A”

Für sie gilt die Gleichgewichtskonstante K. Nach der allgemeinen Definition einer Gleichgewichtskonstanten wird K ausgedrückt durch

[H30* ][A]

x = HAIIR;0]

Da in wäßriger Lösung [H,O] konstant 55 mol/L beträgt, wird diese Zahl gen:

in eine

neue

Konstante

K,, die Aciditätskonstante,

Kı = K[H5O] = E,.07133] BA

miteinbezo-

moVL

Wie der pH-Wert kann K, durch den negativen dekadischen Logarithmus ausgedrückt werden: pK, = -logK, Der pK, ist der pH, bei welchem die Säure zu 50% dissoziiert ist. Eine Säure mit einem pK,-Wert kleiner als 1 ist eine starke Säure, eine mit einem pK,-Wert größer als 4 ist eine schwache Säure. In Tabelle 2-6 sind die Stärken verschiedener gebräuchlicher Säuren aufgeführt. Man sieht, daß die Halogenwasserstoffe (mit Ausnahme von HF) und Schwefelsäure sehr. starke Säuren sind. Cyanwasserstoff, Wasser,

Methanol und Methan dagegen sind sehr schwache Säuren. Die Protonierung von Basen und ihre Basenstärke lassen sich durch analoge Gleichungen ausdrücken. Die Basizität einer Base A wird durch folgende Gleichung beschrieben: E AO OHR. # HA Dafür gilt die Gleichgewichtskonstante K’:

‚ _ [OH-][HA] S:He) Durch Einbeziehen stante erhält man

der konstanten

H,O-Konzentration

En OH-][HA] TE Re

in die Kon-

molL

73

2 Alkane: Moleküle ohne funktionelle Gruppen

Tabelle 2-6 pK,-Werte häufig vorkommender

Säuren bei 25°C

Name

Säure

pK,

Iodwasserstoff Bromwasserstoff Chlorwasserstoff Schwefelsäure

HI HBr HCl H,SO,

—i) a) nl, 72.

Hydronium-Ion

H;O*

le

Methansulfonsäure Fluorwasserstoff

CH;SO;H HF

—

Essigsäure

CH;COOH

Cyanwasserstoff Methanthiol Methanol

HCN CH3;SH CH;OH

Wasser

H,O

Ammoniak Methan

NH; CHy

a

2, 3.2

4.7 O2 10.0 153 1SW7.

35 -50

Erste Dissoziationsstufe

Hier ist X, als Basizitätskonstante definiert. Aus ihr erhält man wie-

derum den pK,-Wert. Die beiden Konstanten X, und K, sind über eine einfache Multiplika-

tion miteinander verknüpft:

KıXx K, = [H30* ][A7] „ [OH-J[HA] _ [H30* ][OH-] = K, = 10-4 [HA] [A=] Man sieht, daß das Produkt der beiden gleich der Eigendissoziationskonstante von Wasser ist. Daher gilt: pK, + pK, =

14

Kennt man den pK,-Wert einer Säure HA, so kennt man automatisch auch den pX,-Wert von A . Aufgrund dieser Beziehung wird A oft als konjugierte Base der Säure HA bezeichnet (vom lateinischen coniunctus, miteinander verbunden). Umgekehrt ist HA die konjugierte Säure der Base A’. Beispielsweise ist Cl” die konjugierte Base von HCl, CH;OH ist die konjugierte Säure von CH;O°. Umgekehrt kann man HCl als konjugierte Säure von Cl betrachten, und CH;O als konjugierte Base von CH;OH. Auch folgt aus dieser Beziehung, daß die konjugierte Base einer starken Säure schwach ist. Ebenso ist die Konjugierte Säure einer starken Base schwach. M\ ©

Übung 2-13 Berechnen Sie die pKy-Werte für die konjugierten Basen der Säuren in Tabelle 2-6.

Wir können

die relative Stärke von Säuren und Basen

vorhersagen Gibt es nun Strukturmerkmale,

die es erlauben, zumindest qualitativ die

relative Stärke einer Säure HA abzuschätzen (und damit auch die ihrer konjugierten Base)? Die Antwort ist ja, es gibt mehrere! Zu den wichtigsten gehören 1 Die Stärke der H—- A-Bindung. Klar erkennbar ist dies in der Reihe der Halogenwasserstoffe, in der die Säurestärke folgendermaßen abnimmt: HI > HBr > HCl > HF. 2 Die Fähigkeit von A, eine negative Ladung zu stabilisieren. geschieht durch einen oder mehrere folgender Faktoren: 74

Dies

a Die Elektronegativität von A. Je elektronegativer das Atom ist, das das acide Proton trägt, desto bereitwilliger gibt es das Proton ab. In der ersten Reihe des Periodensystems nimmt z.B. die Säurestärke in der Reihe HF > H,O > H;N > H}C ab. Dies spiegelt die abnehmende Elektronegativität in dieser Reihe wider (Tab. 1-3). Bei den Halogenwasserstoffen überwiegt die Bindungsstärke diesen Effekt. b Die Fähigkeit zu Resonanz in A , die eine Verteilung der Ladung über mehrere Atome erlaubt. Essigsäure z.B. ist acider als Methanol. Zwar wird bei beiden eine O—H-Bindung heterolytisch gespalten, für das entstehende Acetat-Ion gibt es jedoch, im Gegensatz zum Methoxid-Ion, zwei Resonanzformeln (Abschn. 1.7). Das Acetat-Ion ist die schwächere Base.

2.9 Säuren und Basen: Ein kurzer Rückblick

Resonanz erhöht die Acidität von

Essigsäure

CHHO—H+H,0 =

CH;—0:” + H;0*

schwächere Säure

stärkere Base

= N.

‘ 1.

CH;C—O—H +H,0. =

a ?:

|CH5C—0:7 CHsC=0O| + H,0*

stärkere Säure

schwächere Base

Noch stärker ist dieser Effekt bei Schwefelsäure und Methansulfonsäure ausgeprägt. Da das Schwefelatom d-Orbitale zur Verfügung hat, lassen

sich bei diesen

Verbindungen

„valenzerweiterte“

Lewis-Formeln

mit bis zu 12 Elektronen beschreiben. Außerdem ist Ladungstrennung mit bis zu zwei positiven Ladungen am Schwefel möglich. Diese Vielfalt möglicher Resonanzformeln weist auf niedrige pK,-Werte dieser Säuren hin: en

ei

ee ..

2

..

”

one

..

os

..

:O0:

..

KOST

Äen

we I

..

..

20%

..

:O:

Hydrogensulfat-Ion

:0:°

303

ae: Con

on

O8

I

h

wer Be

20:7

:0:

R

aar::

_— nn

0:

>

etc.

:O:

Methansulfonat-Ion

Als Faustregel gilt: Innerhalb des Periodensystems nimmt die Stärke einer Säure HA nach rechts und nach unten hin zu. Dieselbe Verbindung kann unter bestimmten Reaktionsbedingungen als Säure reagieren, während sie unter anderen basische Eigenschaften zeigt.

Wasser

ist das

bekannteste

Beispiel

für ein solches

Verhalten,

aber auch eine Reihe anderer Verbindungen verhalten sich so. Salpetersäure reagiert in Gegenwart von Wasser als Säure, jedoch in Gegenwart der stärkeren Schwefelsäure als Base. Salpetersäure als Säure HNO;

a

150

NO;

Ir H350*

Salpetersäure als Base H,SO, zn HNO;

—

HSO,

I HNO;

*

75

2 Alkane: Moleküle ohne funktionelle Gruppen

Analog kann Essigsäure Wasser protonieren, wird jedoch ihrerseits durch eine stärkere Säure wie HBr protoniert: HBr

Lewis-Säuren

+ CHEGCO>HZ—

Brise:

und Lewis-Basen

CH;CO,H;,*

bilden Addukte

mit einem

gemeinsamen Elektronenpaar Lewis führte eine allgemeinere Beschreibung der Wechselwirkung von Säuren und Basen ein. Danach versteht man unter einer Lewis-Säure einen Elektronenpaar-Akzeptor und unter einer Lewis-Base einen Elektronenpaar-Donator. Lewis-Säuren

H(X) |

H*

H(R) |

B—H(X)

MgX2, AIX,, viele

"C—H(R)

| H(X)

Übergangsmetall-

halogenide

H(R) Lewis-Basen

=:ÖHR)

:0—HR)

:S—HR)

H(R)

H(R)

H(R) :N—HR) H(R)

H(R) :P—H@) H(R)

Das freie Elektronenpaar einer Lewis-Base kann durch Adduktbildung mit einer Lewis-Säure zum gemeinsamen Elektronenpaar einer kovalenten Bindung werden. Aus Abschnitt 1.7 wissen wir, daß man die Verlagerung von Elektronenpaaren durch gebogene Pfeile symbolisieren kann. Die Wechselwirkung zwischen einer Lewis-Säure und einer Lewis-Base kann demnach durch einen Pfeil vom freien Elektronenpaar der Lewis-Base zur Elektronenlücke der Lewis-Säure dargestellt werden. Die Reaktion der Brönsted-Säure H' mit der Brönsted-Base OH ist auch ein Beispiel für die Reaktion einer Lewis-Base mit einer Lewis-Säure. Lewis-Säure-Base-Reaktion

ehr

ic

H* + t0—H — cl

CH;

st en + a Cl

\

| MER

H—-0—H Bayer:

—o

oe CI—AlI—N-CH;z

CH EN

PB N Aa CH,CH;

CO

|

SCHE ..

2, PISpHElCH,cH, F CH;CH;

Die Dissoziation einer Bronsted-Säure HA ist genau das Gegenteil der Bildung eines Adduktes aus Lewis-Säure und Lewis-Base: Dissoziation einer Brensted-Säure

HC A —H'+!A

Beachten Sie, daß der gebogene Pfeil von der Bindung nach A geht, also in der Richtung, in der sich das Elektronenpaar bewegt. Bei der Dissoziation einer Bronsted-Säure weist der Pfeil nie zum Wasserstoffatom.

76

Dissoziation eines Halogenalkans in ein Halogenid-Anion und ein Alkyl-Kation 2 |

CH;

Seureja 169

ee

Verständnisübung

CH;

iR

|

us Man

CH;

CH3

Viele Prozesse in der Organischen Chemie beinhalten entweder Lewis-Säure-Base-Reaktionen oder ihre Umkehrung, die Dissoziation einer kovalenten Bindung in Ionen. Beispielsweise können bestimmte Halogenalkane zu Halogenid-Anionen und Alkyl-Kationen reagieren. Wie der gebogene Pfeil anzeigt, ist das Elektronenpaar, das die C-ClBindung gebildet hat, jetzt am Chlorid-Anion lokalisiert. Am Kohlenstoffatom verbleibt entsprechend eine positive Ladung. Wenn sich das Alkyl-Kation gebildet hat, kann es mit einer LewisBase wie Wasser reagieren. Diese Prozesse bilden Teilschritte der Umwandlung von Halogenalkanen in Alkohole (Abschn 7.1)

Lewis-Säure-Base-Reaktion von Wasser und einem Alkyl-Kation

gl

CH;

H

CH,

nee “+ N

CH;

&uH

un]

? =

H.

CH;

CH.

Zusammenfassend bleibt festzuhalten, daß nach Bronsted und Lowry Säuren Protonendonatoren und Basen Protonenakzeptoren sind. SäureBase-Reaktionen werden durch Gleichgewichte charakterisiert, die durch die Säurestärke X, quantitativ beschrieben werden. Die Abspaltung eines Protons von einer Säure führt zur konjugierten Base; die Aufnahme eines Protons durch eine Base führt zur Bildung ihrer konjugierten Säure. Lewis-Basen sind Elektronenpaardonatoren und bilden mit Lewis-Säuren (Elektronenpaar-Akzeptoren) unter Bildung kovalenter Bindungen Addukte. Dies kann durch gebogene Pfeile dargestellt werden, die vom freien Elektronenpaar der Lewis-Base zur Elektronenlücke der Lewis-Säure zeigen.

Verständnisübung Betrachten Sie das am Rand gezeigte Molekül.

a

Benennen Sie es entsprechend der IUPAC-Nomenklatur.

Lösung * Schritt 1 Suchen Sie die längste Kette im Molekül (schwarz). Lassen Sie sich nicht verwirren: Komplexe Alkane können so gezeichnet sein, daß es schwer herauszufinden ist, welche die längste Kette im Molekül ist. Die längste Kette besteht hier aus acht Kohlenstoffatomen. Das Stammmalkan ist also Octan. Schritt 2 Finden und benennen Sie alle Substituenten (farbig gekennzeichnet): zwei Methylgruppen, eine Ethylgruppe und ein vierter verzweigter Substituent. Die Benennung des verzweigten Substituenten erfolgt, indem zunächst das Kohlenstoffatom, das an die Hauptkette gebunden ist, die Nummer eins erhält (in der nachfolgenden Abbildung kursiv). Von hier aus werden die nachfolgenden Kohlenstoffatome der Seitenkette durchnumeriert. Wir kommen hier bis zur Nummer zwei, der Substituent ist also ein Ethylsubstituent (grün dargestellt), von dem an Position eins eine Methylgruppe abzweigt (rot dargestellt). Dieser Substituent wird 1-Methylethyl-Gruppe genannt. 77

2 Alkane: Moleküle ohne funktionelle Gruppen

Schritt 3 Numerieren Sie die Kohlenstoffatome der längsten Kette von dem Ende her, das einem Substituenten am nächsten ist. Nach der unten gezeigten Numerierung befindet sich eine Methylgruppe in Position 3. Hätten wir die Hauptkette von der anderen Seite beginnend durchnumeriert, so wäre der erste Substituent erst in der C4-Position zu finden. Schritt

4

Schreiben

Sie den

Namen

des Alkans,

indem

Sie zunächst

den Namen der Seitenketten in alphabetischer Reihenfolge ordnen: Zuerst Ethyl-, dann Dimethyl- und schließlich Methylethyl (beachten Sie, daß Vorsilben wie Di- nur anzeigen, wie oft ein Substituent im Molekül

vorhanden

ist; diese Vorsilbe wird daher bei der Ordnung

der

Substituenten nicht berücksichtigt!)

2

4-Ethyl-3,4-dimethyl-5-(1-methylethyl)octan

b Zeichnen Sie Strukturen, um eine Rotation um die C6-C7-Bindung darzustellen. Zeichnen Sie (qualitativ) das entsprechende Energiediagramm.

Lösung Schritt 1 Suchen Sie die C6-C7-Bindung. Beachten Sie, daß ein großer Teil des Moleküls einfach als komplizierter Substituent an C6 betrachtet werden kann, dessen genaue Struktur für die Beantwortung dieser Frage ohne Bedeutung ist. Zu diesem Zweck wird dieser Substituent durch „R“ ersetzt. Unser Augenmerk

richtet sich auf die C6-C7-Bindung:

Schritt 2_ Sie erkennen, daß der erste Schritt diese Aufgabe vereinfacht hat: eine Rotation um die C6-C7-Bindung hat große Ähnlichkeit mit einer Rotation um die C2-C3-Bindung im Butan. Der einzige Unterschied: die Methylgruppe wurde durch den großen Substituenten „R“ ersetzt.

Schritt 3 Zeichnen Sie die Konformationsisomere analog zum Butan (S. Abschn. 2.7) und zeichnen Sie diese in ein Energiediagramm wie in Abbildung 2-12 dargestellt. Der einzige Unterschied zwischen den Diagrammen besteht

OH

darin, daß wir nicht die genaue

Differenz

zwischen

Energiema-

xima und Energieminima wissen. Wir können aber erwarten, daß die Energiedifferenz hier größer ist, da der Substituent „R“ im Vergleich zur „kleineren“ Methylgruppe, eine größere sterische Hinderung verursacht.

ce Zwei Alkohole, die aus dem obigen Alkan abgeleitet werden können, sind am Rand dargestellt. Alkohole werden klassifiziert anhand

Alkohol I

des Kohlenstoffatoms,

an dem die OH-Gruppe

gebunden ist (primär,

sekundär, tertiär). Charakterisieren Sie die dargestellten Alkohole!

Lösung Im Alkohol

OH Alkohol 2

78

gebunden.

1 ist die OH-Gruppe

Alkohol

an ein primäres

1 ist somit ein primärer Alkohol.

Kohlenstoffatom

Analog ergibt

sich für Alkohol 2, daß es sich hier um einen tertiären Alkohol handelt.

d Die OH-Bindung in Alkoholen ist von vergleichbarer Acidität wie die der OH-Gruppe in Wasser. Primäre Alkohole haben einen K,-Wert in der Größenordnung von 10°!°, tertiäre einen von 10°'°. Berechnen Sie die ungefähren pK,-Werte der Alkohole 1 und 2. Welcher Alkohol ist die stärkere Säure?

Verständnisübung

Lösung Alkohol 1 hat einen pK,-Wert von ca. 16 (-log (K,)), Alkohol 2 von ca. 18. Der Alkohol 1 ist aufgrund des kleineren pK,-Wertes die stärkere Säure. e Auf welcher Seite liegt das folgende Gleichgewicht? Berechnen Sie die Gleichgewichtskonstante K und den Betrag der Anderung der freien Enthalpie, AG”, für die nachfolgende Reaktion.

OH

07

Lösung Die stärkere Säure (Alkohol 1) steht auf der linken Seite; die schwächere (Alkohol 2) rechts. Erinnern wir uns an den Zusammenhang zwischen konjugierten Säuren und Basen: Starke Säuren haben schwache konjugierte Basen und umgekehrt. Daraus ergibt sich für unseren Fall:

Alkohol 1

+

konjugierte Base von Alkohol2

(stärkere Säure)

Das

(stärkere Base)

Gleichgewicht

schwächeren

konjugierte Base von Alkohol 1

=

liegt auf der rechten

Säure-Base-Paars.

Erinnern

+

(schwächere Base)

Seite,

auf der Seite

(schwächere Säure)

des

wir uns, daß für eine thermo-

dynamisch bevorzugte Reaktion, also eine, die von links nach rechts abläuft, folgende Gesetzmäßigkeit gilt: K>1 und AG’CH3

der TUPAC-

Nomenklatur.

(b)

CHACHSCHCH,

@)

CH;

HI

d

CH>

CH3CHCH>CH>CCH>CH>CH>CH3

CH

N

CH,

(0)

|

CHACHAÜCHACH;

CH3CHCH;

CH3

DE

CHAeH

Par CH e 02

CH;

0-01,CH5CH,CHLCH:

CH> CH2 CH; CH;

CH;

CH—CH3

(e)

CH3CH(CH3)CH(CH3)CH(CH3)CH(CH

3)»

CH; a

(f)

(8)

>

a

(h)

a

N

a

ee

CH>CH>CH;CH3 4 Zeichnen Sie die Konstitutionsformeln der Moleküle, deren Namen im folgenden angegeben sind. Danach prüfen Sie, ob der angegebene Name jedes Moleküls in Einklang mit der IUPAC-Nomenklatur steht. Wenn

(a) (b) (c) (d) 5

nicht, finden Sie den richtigen Namen

2-Methyl-3-propylpentan 5-(1,1-Dimethylpropyl)nonan 2,3,4-Trimethyl-4-butylheptan 4-tert-Butyl-5-isopropylhexan

des Moleküls.

(e) 4-(2-Ethylbutyl)decan (f) 2,4,4-Trimethylpentan (g) 4-sec-Butylheptan

Zeichnen und benennen Sie alle möglichen Isomere der Formel CH3,

(isomere Heptane). 6 Identifizieren Sie die primären, sekundären stoffatome in den folgenden Molekülen.

und tertiären

Kohlen-

(a) Ethan

(ce) 2-Methylbutan

(b) Pentan

(d) 3-Ethyl-2,2,3,4-tetramethylpentan

81

2 Alkane: Moleküle ohne

7

funktionelle Gruppen

märe, sekundäre oder tertiäre handelt und bestimmen Sie ihren systematischen JUPAC-Namen.

Geben Sie an, ob es sich bei den folgenden Alkylgruppen um pri-

(a)

CH;

CHz (b)

(d)

EN CH,—CH3

en.

CH3

(e)

CH3>—CH—-CH>— (©) CH5

CH3—CH3>

CHE

CH;

en

en

CH

CH

ER

BARREE SS) (K)

MET

CH;—CH3> ade

ee

8 Ordnen Sie die folgenden Moleküle nach steigenden Siedepunkten, ohne dabei die tatsächlichen Werte nachzuschlagen. (a) 2-Methylhexan (b) Heptan

(ce) 2,2-Dimethylpentan (d) 2,2,3-Trimethylbutan

9 Zeichnen Sie Keilstrichformeln angegebenen Konformation. (a) gestaffeltes Propan (b) verdecktes Propan

für die folgenden

Moleküle

in der

(ec) anti-Butan (d) gauche-Butan

10 Zeichnen Sie mit Hilfe von Newman-Projektionen jedes der folgenden Moleküle in seiner stabilsten Konformation, bezogen auf die angegebene Bindung: (a) 2-Methylbutan, C2—C3-Bindung; (b) 2,2-Dimethylbutan C2—C3-Bindung; (c) 2,2-Dimethylpentan, C3—C4-Bindung; (d) 2,2,4-Trimethylpentan,

C3— C4-Bindung.

11 Bei Raumtemperatur liegt 2-Methylbutan überwiegend in zwei verschiedenen Konformationen vor, die sich durch Rotation um die C2-—C3-Bindung ineinander überführen lassen. Etwa 90% der Moleküle nehmen die günstigere, 10% die weniger begünstigte Konformation ein. (a) Berechnen Sie den Unterschied der freien Enthalpie (AG) zwischen beiden Konformationen. (b) Zeichnen Sie ein Energiediagramm für die Rotation um die C2—C3-Bindung im 2-Methylbutan. Ordnen Sie, so gut Sie es können, allen Konformationen in Ihrem Diagramm relative Energien zu. (ce) Zeichnen Sie Newman-Projektionen für alle gestaffelten und verdeckten Rotameren bevorzugten sind.

in Teil (b) und geben Sie an, welche

die

12 Geben Sie bei den folgenden Naturstoffmolekülen an, zu welcher (welchen) Verbindungsklasse(n) sie gehören und kreisen Sie alle funktionellen Gruppen ein. H

4

OÖ

Pe

|

. En

O CH3

N

CH3CHCH>CH>0CCH3 3-Methylbutylacetat (Bananenaroma)

|

a OH 2,3-Dihydroxypropanal (Glycerinaldehyd)

En

In

NH;

HC

CH

| ne

eG H

Benzaldehyd (in Fruchtkernen und -steinen)

82

ae

O Cystein (in Proteinen)

C——CH—C

al Y OÖ

PEN CH

4

Chrysanthenon (in Chrysanthemen)

zen

N

CH;

1 Ze

CH3 / CH;

|

_CH

a CH

CH

At

ee ” ü

ch

Aufgaben

N "Sch |

CH

CH;

a CH | €N

CH

CH VRR >

ch,

De

CH \

CHE

I CH»

noch

CH;C=CC=CC=CCH=CHCH;>OH

Cineol

Limonen

Heliotridan

Matricarianol

(aus Eukalyptus)

(in Zitronen)

(ein Alkaloid)

(aus Kamillen)

13 Geben Sie die IUPAC-Namen für alle eingekastelten Alkylgruppen in den folgenden biologisch wichtigen Verbindungen an. Bestimmen Sie, ob es sich um primäre, sekundäre oder tertiäre Alkylgruppen handelt. Berti ICH3

sch a a adenOU ı CH;

B|a

CH; |

CH

SEEN ee

a

Nr

l

aan

ensge a CHs-

|

|

|

Es

Br” |

CH>

nn

wi |

N!

NH>—CH—CO>H

NH>—CH—CO;H

Valin (eine Aminosäure)

Leuein (eine andere Aminosäure)

KERRRSTE

|

Le)

ı CH3

|

CH; ı

CH

Pa

Bee

|

Bi

NH; —CH—CO;H

E

Isoleucin (noch eine Aminosäure)

EE

=

ee N. ı HC

gr CH; |

]

CH;||

CH>

|CH>—-CH

| |

|

CH; !

a ee

J

Cholesterin (ein Steroid)

HO

BITTE

ao

engear

1 |

|

we

CH>CH,CH>CHCH>CH>CH>CHCH>CH>CH>CHCH3 | Vitamin Dy

Vitamin E

14 In der Beziehung zwischen AG” und K ist ein Temperatur-Term enthalten. Benutzen Sie Ihr Ergebnis von Übungsaufgabe 11, Teil a, um die folgenden Aufgaben zu lösen. Außerdem müssen Sie noch wissen, daß

AS"

für das stabilste Konformer von 2-Methylbutan + 5.9 Jmol'K”!

relativ zu dem nächststabilsten Konformer beträgt. (a) Berechnen Sie die Enthalpiedifferenz (AH) zwischen beiden Konformeren mit Hilfe der Gleichung AG” = AH” — TAS®. Wie gut stimmt dieser Wert mit dem aus der Anzahl der gauche-Wechselwirkungen in beiden Konformeren berechneten überein? (b) Berechnen Sie unter der Annahme, daß AH” und AS" keine Temperaturabhängigkeit zeigen, AG" für den Übergang zwischen beiden Konformeren bei folgenden Temperaturen: (i) —250°C, (ii) = WC und (ii) +500°C. (ec) Berechnen Sie K für diese Prozesse bei denselben Temperaturen.

83

2 Alkane: Moleküle ohne

15

funktionelle Gruppen

schiedene Arten mit Brom reagieren (Kapitel 12 und 14):

Der Kohlenwasserstoff Propen

(CH; —CH=CH;,) kann auf zwei ver-

Br

Br

— CE

—er

|

(i)

(i)

CH;

—CH==CH3>

rn Br> Sec

CH3>—CH=CH> + Br, —

@HE

ze,

202 + HBr

Br

(a) Berechnen Sie AH” für beide Reaktionen unter Benutzung der am Rand angegebenen Bindungsenergien.

Bindung

durchschnittliche Stärke in kJ/mol

ee CE

348 611

Reaktion (ii). Erklären Sie kurz, wie dieser Unterschied zustandekommt. Berechnen Sie AG" für beide Reaktionen bei Raumtempera-

CH

415

tur (25°C) und bei 600°C.

ER a

n nn

(c) Die Aktivierungsenergie beider Reaktionen ist niedrig genug, um unter Normalbedingungen mit vernünftiger Geschwindigkeit abzulaufen, E, von Reaktion (i) ist jedoch kleiner als E, von Reaktion (ii). Sagen Sie unter Benutzung aller gegebenen und von Ihnen berechneten Daten voraus, welches Produkt (welche Produkte) bei der Reaktion von Propen mit Brom mit bei 25°C und bei 600°C entstehen.

(b) AS’ = —146 J mol"!K”! bei Reaktion (i); AS’ < 0 J mol"'K! bei

16

Berechnen Sie mit Hilfe der Arrhenius-Gleichung, welchen Einfluß

eine Temperaturerhöhung

um

10K, 30K und 50K

auf K hat, wenn

die

folgenden Aktivierungsenergien gegeben sind. Nehmen Sie 300K (ungefähr Raumtemperatur) als Ausgangswert für die Temperatur. (a) E, 60 kJ/mol (b) E, = 120 kJ/mol (c) E, = 180 kJ/mol

17 (i) Geben Sie für jede Substanz in den folgenden Reaktionen an, ob es sich um eine Bronsted-Säure oder um eine Bronsted-Base handelt. (ii) Geben Sie an, ob die Gleichgewichte rechts oder links liegen. (iii) Schätzen Sie soweit möglich für jede Reaktion die Gleichgewichtskonstante K ab. (Hinweis: Benutzen Sie die Angaben aus Tabelle 2-6).

(a) H,O + HCN == H,O + CN’ (b) CH;O + NH, == CH,OH + NH; (0) HF + CH,COO- =—=F + CH,COOH (ICHS ENG, ein, ONE () HONHCH =eH,0 Hd (Hd CH;COOH. + CH;S"—= CH.COOT-4 CEESH 18 Kennzeichnen Sie jede der folgenden Verbindungen als Lewis-Säure oder Lewis-Base, und geben Sie jeweils eine Reaktionsgleichung einer Lewis-Säure-Base-Reaktion damit an. Benutzen Sie gebogene Pfeile, um die Verlagerung der Elektronen zu symbolisieren. Achten Sie darauf, daß jedes Produkt durch eine vollständige, korrekte Lewis-Formel beschrieben wird.

(a) CN

(b) CH,OH

(0) (CH),CH*

(d) MeBr,

(e) CH;BH;

(N

CH;S

Gruppenübung

Aufgaben

Betrachten Sie den Unterschied in den Reaktionsgeschwindigkeiten der beiden folgenden Reaktionen zweiter Ordnung.

Reaktion 1 Die Reaktion von Bromethan mit einem lodid-Ion zur Darstellung von lIodethan und Bromid ist eine Reaktion zweiter Ordnung: Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt sowohl von der Konzentration des Bromethans,

als auch von der Iodid-Ionen-Konzentration ab.

Reaktionsgeschwindigkeit = k[CH3CH;Br][I"] mol L"'s"' Reaktion 2 Die Reaktion von 1-Brom-2,2-dimethylpropan (Neopentylbromid) mit Iodid liefert Neopentyliodid und Bromid. Sie verläuft ca. 10.000mal langsamer als die Umsetzung von Bromethan mit lodid.

Reaktionsgeschwindigkeit = k[Neopentylbromid][I"] mol L”' s”' (a) Formulieren

Sie beide

Reaktionen

unter Verwendung

der Kurz-

strukturformeln. (b) Finden Sie das reaktive Zentrum in den Ausgangssubstanzen Bro-

methan und Neopentylbromid. Geben Sie an, ob es ein primäres, sekundäres oder tertiäres Zentrum ist! (ec) Diskutieren Sie einen möglichen Reaktionsverlauf. Wie müssen die beiden Reaktionspartner interagieren, damit diese Reaktion stattfinden kann? Bedenken Sie dabei, daß die Reaktion zweiter Ordnung ist. Das bedeutet, daß beide Reaktionspartner am Übergangszustand beteiligt sein müssen. Nehmen Sie Ihren Molekülbaukasten zu Hilfe, um sich den Verlauf der Annäherung des lodid-Ions an das Bromalkan vorstellen zu können, der eine gleichzeitige Bindungsbildung zwischen Kohlenstoffatom und lodid-Ion und einen Bindungsbruch zwischen Kohlenstoffatom und Bromatom ermöglicht, der für eine Kinetik zweiter Ordnung Voraussetzung ist. Entscheiden Sie unter allen möglichen

Reaktionsverläufen,

welcher

am

besten

den experi-

mentell bestimmten Unterschied der Reaktionsgeschwindigkeiten der beiden Reaktionen erklärt. (d) Zeichnen Sie unter Zuhilfenahme der Keilstrichformeln ein dreidimensionales Modell der Annäherung!

85

-

u =

Be

a

{

BE

eh a»

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To

Die Reaktionen der Alkane Bindungsdissoziationsenergien, radikalische Halogenierung und relative Reaktivität

Die Verbrennung von Alkanen ist die wichtigste Energiequelle der Industriegesellschaften. Wie läuft sie im Detail ab? Besteht ein Zusammenhang zu Reaktionen, die Alkane in andere organische Verbindungen überführen? Wir werden feststellen, daß derartige Transformationen denselben Schlüsselschritt beinhalten: den Bruch chemischer Bindungen. Viele der flüssigen und festen Alkane lassen sich einfach und billig durch Destillation und Cracken aus dem Erdöl gewinnen (s. Abschn. 3.3). Aus natürlichen Quellen stehen uns also große Mengen von Kohlenwasserstoffen zur Verfügung, die man als Ausgangsverbindungen für die Synthese anderer organischer Moleküle verwenden kann. Natürliche Alkane sind durch langsamen Abbau tierischer und pflanzlicher Materie in Anwesenheit

von

Wasser

und unter Luftausschluß

entstanden,

ein Pro-

zeß, der Millionen von Jahren in Anspruch genommen hat. Die Alkane mit

kleinerer

molarer

Masse

—

Methan,

Ethan,

Propan

und

Butan

-

sind gasförmig und Bestandteile des Erdgases. Die bei weitem wichtigste Komponente ist das Methan. Das Erdgas stellt eine unserer wichtigsten Energiequellen dar, der Erdgasverbrauch in der Bundesrepublik belief

sich 1993 auf 72.7 x 10° m? (4775 x 10° MW). Wie wi? bereits in Kapitel 2 gesehen haben, sind Alkane organische Verbindungen ohne funktionelle Gruppen. Zu Beginn dieses Kapitels wollen wir untersuchen, was passiert, wenn Alkane auf hohe Temperaturen erhitzt werden: Kohlenstoff-Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen werden aufgebrochen. Diesen Prozeß bezeichnet man als Bindungsdissoziation, die zum Aufbrechen einer Bindung erforderliche Energie als Bindungsdissoziationsenergie, DH". Eine Diskussion der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen bringt uns dann zu einer Beschreibung der Methoden, mit deren Hilfe man den Wärmeinhalt von Molekülen, ihre Standardbildungsenthalpie AH}, bestimmt. Als nächstes werden wir lernen, wie man funktionelle Gruppen einführen kann, wodurch die Alkane in für die Synthese nützliche Verbindungen umgewandelt werden. Diesen Prozeß bezeichnet man auch als Funktionalisierung. Eine wichtige Funktionalisierung von Alkanen ist die Halogenierung, wodurch Wasserstoffatome von Alkanen durch Halogenatome ersetzt werden. Für jede dieser Reaktionen werden wir ihren detaillierten Ablauf, den Reaktionsmechanismus, studieren. Wir werden dabei auch erkennen, auf welche Weise bestimmte Halogenverbindun-

3 Die Reaktionen der Alkane

gen die stratosphärische Ozonschicht beschädigen. Schließlich werden wir die Verbrennung von Alkanen diskutieren und dabei Methoden zur Bestimmung ihres Energieinhaltes sowie der relativen Stabilität von Molekülen kennenlernen.

3.1 Die Stärke der Bindungen in Alkanen: Radikale In Kapitel 1 haben wir beschrieben, warum und wie es zur Ausbildung einer Bindung kommt, und haben gesehen, daß bei der Bindungsbildung Energie freigesetzt wird. Bringt man beispielsweise zwei Wasserstoffatome so nahe zusammen, daß zwischen ihnen eine Bindung geknüpft wird, wird ein Wärmebetrag von 435 kJ/mol frei (s. Abb. 1-9).

H-+H-——H-H

AH” = —435 kJ/mol

Entsprechend ist zum Aufbrechen einer solchen Bindung Energie erforderlich, und zwar derselbe Energiebetrag, der bei der Bindungsbildung freigesetzt wurde. Diese Energie bezeichnet man als Bindungsdissoziationsenergie, DH” oder als Bindungsstärke.

H-H—>H-+H-

Homolytische Spaltung

A—B

|

A-++B Radikale

Ch. Chloratom

Bricht die Bindung so auf, daß das bindende Elektronenpaar gleichmäßig zwischen den beiden beteiligten Atomen (oder Molekülfragmenten) aufgeteilt wird, bezeichnet man dies als homolytische Spaltung. Die entstandenen Bruchstücke besitzen ungepaarte Elektronen, wie H;, Cl, CH; und CH;CH;.. Diese Fragmente bezeichnet man als Radikale. (Diese Bezeichnung leitet sich von dem lateinischen Wort für Wurzel, radix, hier im Sinne von Grundkörper, ab.) Wegen der ungepaarten Elektronen sind Radikale außerordentlich reaktiv und lassen sich normalerweise nicht isolieren. Sie können jedoch in geringen Konzentrationen als Zwischenstufen in chemischen Reaktionen auftreten. Die Alternative zu der eben beschriebenen homolytischen ist die sogenannte heterolytische Spaltung. Hierbei werden beim Aufbrechen der Bindung beide Elektronen einem der beiden vorher miteinander verbundenen Atome übertragen, es kommt zur Bildung von Ionen.

N Ha

AH®= DH® = 435 kJ/mol

Heterolytische Spaltun a PAS (N, 1 dsrichen bis be ann

'

NET

«DM

-

Ionen

©—H

Methylradikal

+

Dissoziationsenergien, DH, beziehen sich ausschließlich auf homolytische Spaltungen. Je nach Art der Bindung und der miteinander verbundenen Atome besitzen sie einen charakteristischen Wert. In Tabelle 3-1

H;C I -

H Ethylradikal

Tabelle 3-1 Dissoziationsenergien einiger A—B-Bindungen (DH in kJ/mol)

B A

H

F

cl

Br

I

OH

NH;

H CH, CH;CH! CHCHSCH, (CH,);CH (CH,)5E

435 440 410 410 395.7 389

565 460 448 448 444 460

431 356 335 339 339 339

364 297 285 285 285 280

297 239 222 222 222 218

498 389 385 381 385 389

448 335 322 326° 389 389

Die Dissoziationsenergien werden wegen der ständig verbesserten Meßmethoden kontinuierlich überprüft. Einige der hier angegebenen Werte können daher mit einem (kleinen) Fehler behaftet sein.

88

sind die Dissoziationsenergien einiger häufig vorkommender Bindungen aufgeführt. Auffällig sind die relativ starken Bindungen zu Wasserstoff, wie beispielsweise im H—F und im H—-OH. Obwohl die Dissoziationsenergie dieser Bindungen groß ist, brechen sie doch in Wasser vergleichsweise leicht heterolytisch unter Bildung von H' und F° oder OH auf. Hierbei handelt es sich jedoch, wie gesagt, um heterolytische und nicht um homolytische Prozesse. Bindungen, die durch Überlappung von Orbitalen ähnlicher Energie und Größe zustandekommen, besitzen eine vergleichsweise größere Dissoziationsenergie als solche, für die das nicht zutrifft. So nimmt beispielsweise die Stärke der Bindungen zwischen Wasserstoff und den Halogenen in der Reihe F > Cl > Br > I ab, da das an der Bindung beteiligte p-Orbital von den leichteren zu den schwereren Halogenen immer größer und diffuser und deshalb das Ausmaß der Überlappung mit dem relativ kleinen 1s-Orbital des Wasserstoffs immer geringer wird. Entsprechendes gilt auch für die Bindung zwischen den Halogenen und Kohlenstoff.

3.1

Die Stärke der Bindungen in Alkanen: Radikale

Übung 3-1 Berechnen

Sie die Bindungsstärken

von

CH;—F,

CH;—OH

und CH;—NH,.

Warum

werden die Bindungen innerhalb dieser Reihe immer schwächer, obwohl sich die an der Bindung beteiligten Orbitale in Größe und Energie immer ähnlicher werden? (Nehmen Sie Tab. 1-3 für Ihre Erklärung zu Hilfe.)

Die Stabilität der entstehenden Radikale bestimmt die

C—H-Bindungsstärke Die Stärke einer C—H-Bindung in einem Alkan beträgt ungefähr 410 kJ/mol, die einer C—C-Bindung etwa 360 kJ/mol. In Tab. 3-2 sind die Bindungsdissoziationsenergien verschiedener Alkanbindungen aufgeführt. Hierbei fällt auf, daß die C—H-Bindungsenergien von Methan über primäre und sekundäre zu tertiäiren C—H-Bindungen hin abnehmen. So ist DH° für die C—-H-Bindungen im Methan mit 440 kJ/mol recht groß, die Dissoziationsenergie einer entsprechenden Bindung im Ethan ist mit 410 KJ/mol bereits um 30 KJ/mol kleiner. Dieser Wert ist typisch für primäre C—H-Bindungen und gilt auch für gleiche Bindungen im Propan und 2-Methylpropan. Eine sekundäre C—H-Bindung ist etwas schwächer (DH° = 395.7 kJ/mol), die Stärke der Bindung zwischen einem tertiären Kohlenstoffatom und Wasserstoff beträgt nur noch 389 kKJ/mol.

C-H-Bindung be ist

nn

CH,—

CH; +H-

R-H—>R-+H:

ieichter

DH? =440 kJ/mol

Roprimär

: DH = 410 kJ/mol

R sekundär : DH® = 395.7 kJ/mol

zu

R tertär

brechen

: DH? = 389 kJ/mol

Er

ee

eD1lde-

A stabuler

Tabelle 3-2 Dissoziationsenergien einiger Alkane

Verbindung

DH® kJ/mol

Verbindung

DH" kJ/mol

Ei SH ei eNH GEH H (CH,),CHCH; —& H (CH,), CH H (EC H

440 410 410 410 395.7 389

CH, SCH, Oi sssch, CH SCH er er (CH,),CH CH; (CH;),C-$ CH;

377 360 364 343 360 352

(CH3);C I C(CH;);

301

Vgl. Fußnote von Tab. 3-1

89

H- + CH>CHJCHR;

3 Die Reaktionen der Alkane

14.6 kKJ/mol H- + CH3CHCHR>

6.3 KJ/mol

409.6 kJ/mol

H- + CH3CH3CR,

395.0 kJ/mol 388.7 kJ/mol

Abb. 3-1 Der unterschiedliche Energieinhalt von primären, sekundären

eh

und tertiären Radika-

Ro

ee

H

len des Alkans CH;CH>CHR..

CHE

H

H

Für die etwas schwächeren C—C-Bindungen gilt ein etwas weniger ausgeprägter, aber vergleichbarer Trend, die Extreme stellen die zentrale Bindung im Ethan (DH° = 377 kJ/mol) und im 2,2,3,3-Tetramethylbutan (DH° = 301 kJ/mol) dar. Warum haben nun alle diese Dissoziationsenergien verschiedene Werte? Eine Erklärung hierfür ist, daß die bei der Dissoziation entstehenden Radikale eine unterschiedliche Energie haben. Ihre Stabilität nimmt in der Reihe primär — sekundär - tertiär zu, entsprechend nimmt die Energie, die zu ihrer Bildung benötigt wird, ab. Hieraus kön-

nen wir schließen, daß primäre Radikale die größte, tertiäre Radikale die geringste Energie besitzen (s. Abb. 3-1). Stabilität von Alkylradikalen

CH;,- < primär < sekundär < tertiär Aus welchen Gründen ergibt sich diese Reihenfolge? Zur Beantwortung dieser Frage müssen wir die Struktur von Alkylradikalen genauer untersuchen. u Übung 3-2

4 In welcher w propan?

Reihenfolge

brechen

die C—C-Bindungen

in Ethan

und

2,2-Dimethyl-

Zusammenfassend gilt, daß bei der Homolyse einer Bindung Radikale entstehen. Die zum Aufbrechen der Bindung erforderliche Energie ist die Bindungsdissoziationsenergie, DH’, die für alle möglichen Bindungen zwischen allen Elementen charakteristische Werte besitzt. Da die Stabilität von Alkylradikalen in der Reihe tertiär > sekundär > primär abnimmt, muß zur Bildung von tertiären Radikalen der geringste Energiebetrag aufgewendet werden. Am schwierigsten sind Methylradikale auf diese Weise zu erzeugen.

3.2 Struktur von Alkylradıkalen: Hyperkonjugation Um

die Frage, warum

sind, beantworten

zu

einige Typen von Radikalen stabiler als andere können,

müssen

wir uns

als erstes

die Struktur

der Bindungen in einem Alkylradikal genauer betrachten. Nehmen wir zunächst das Methylradikal, das durch Abspaltung eines Wasserstoffatoms aus dem Methanmolekül entsteht. Im Prinzip sollte sich die Bindung in diesem Radikal über ein sp’-hybridisiertes Kohlen-

%

7

H5 EC,

—;

e =

H

re

Ca—Hı5

nicht

a

H nahezu eben

Abb. 3-2 Umhybridisierung von Methan bei der Bildung des Methylradikals. Die nahezu ebene Anordnung erinnert an die Hybridisierung im BH; (Abb. 1-14).

Ethylradikal

1-Methylethylradikal

1,1-Dimethylethylradikal

(Isopropyl) Abb. 3-3 Hyperkonjugation (grün gestrichelte Linien) zwischen gefüllten sp’-Hybridorbitalen und dem teilweise gefüllten p-Orbital im Ethyl-, 1-Methylethyl- und 1,1-Dimethylethylradikal. Die daraus resultierende Delokalisierung der Elektronendichte hat einen stabilisierenden Effekt.

stoffatom mit drei sp’-C—H-Bindungen und dem einzelnen Elektron im vierten sp’-Molekülorbital beschreiben lassen. Spektroskopische Untersuchungen haben jedoch ergeben, daß das Methyl- und wahrscheinlich auch alle anderen Alkylradikale eine nahezu planare Struktur besitzen, die sich besser mit einer sp’-Hybridisierung beschreiben läßt (s. Abb. 3-2). Das ungepaarte Elektron besetzt dann das nicht hybridisierte p-Orbital, das senkrecht auf der Molekülebene steht. Mit Hilfe der planaren Struktur der Alkylradikale läßt sich ihre relative Stabilität erklären. Die Stabilitätszunahme kommt durch die steigende Zahl von Methylgruppen, die sich anstelle von Wasserstoffatomen im Molekül befinden, zustande. So ist im Ethylradikal ein Wasserstoffatom durch eine Methylgruppe ersetzt. Im Modell läßt sich zeigen, daß es ein Konformer gibt, in dem eine C—H-Bindung des Methylsubstituenten verdeckt (eclipsed) zu einem Lappen des einfach besetzten p-Orbitals steht (s. Abb. 3-3). In dieser Konformation ist eine gewisse Delokalisierung des bindenden Elektronenpaars durch Überlappung mit dem einfach aufgefüllten p-Lappen möglich, ein Phänomen, das man als Hyperkonjugation bezeichnet. Es sei daran erinnert, daß die Wechselwirkung zwischen einem aufgefüllten und einem einfach besetzten Orbital insgesamt eine stabilisierende Wirkung hat (s. Abb. 3-4). Sowohl Hyperkonjugation als auch Resonanz (s. Abschn. 1.5) sind Formen der Ladungsdelokalisation. Sie unterscheiden sich durch die beteiligten Orbitale: Resonanz bezieht sich normalerweise auf die Überlappung von p-Orbitalen unter Bildung von n-Molekülorbitalen, während Hyperkonjugation die Überlappung mit o-Bindungen umfaßt. Werden weitere Wasserstoffatome des Alkylradikals sukzessive durch Alkylsubstituenten ersetzt, verdoppelt (wie im 1-Methylethylradikal) oder verdreifacht (wie im 1,1-Dimethylethylradikal) sich die Wahrscheinlichkeit einer Hyperkonjugation. Auf diese Weise läßt sich die relative Stabilität von Radikalen leicht mit der Stabilisierung durch 91

Abb. 3-4 Die Wechselwirkung zwischen einem gefüllten und einem einfach besetzten Orbital ist stabilisierend: Die Energieänderung (in erster Näherung AE — 2AE = —AE) ist negativ. Beim Ethylradikal entspricht das aufgefüllte Niveau dem bindenden Orbital der C—H-Bindung, das einfach besetzte Orbital einem 2p-Orbital des Kohlenstoffs. Sonst kann das gefüllte Orbital für jede C—R-Bindung stehen.

Energieänderung: +AE |AE

ME

DER mama:

ie p-Orbital

| AE Energieänderung: —2AE

Hyperkonjugation erklären. Sekundäre und tertiäre Radikale erfahren eine zusätzliche Stabilisierung durch Abnahme der sterischen Wechselwirkung zwischen den Substituenten durch den Übergang von einem tetraedrischen zu einem planaren System.

3.3 Erdöl und das Cracken von Kohlenwasserstoffen: Eın Beispiel für Pyrolyse Für das Verständnis des Verhaltens von Kohlenwasserstoffen bei hohen Temperaturen ist es unerläßlich, über die Dissoziationsenergien der beteiligten Bindungen und die relative Stabilität von Radikalen genauer Bescheid zu wissen. Wir wollen sehen, wie man mit unseren Kenntnissen die Überführung von Rohöl in flüchtigere Kohlenwasserstoffe erklären kann.

Hohe Temperaturen führen zur Homolyse chemischer Bindungen Erhitzt man Alkane auf hohe Temperaturen, werden C—H- und C—-CBindungen aufgebrochen. Diesen Prozeß bezeichnet man als Pyrolyse. Pyrolyse von Hexan Beispiele für Spaltung in Radikale: C-1-, C-2-Spaltung |

2

3

4

C-2-, C-3-Spaltung

CH;CH>CH>CH>CH>CH3 Hexan

CH3+

+

»CH>CH>CH>CH3>CH3

CH3CH3> : + - CH3zCH>CH>CH3

C-3-, C-4-Spaltung CH>CH3;CH3;

“r -CH>CH>CH3

Beispiele für Rekombination von Radikalen:

CHz-

at -CH;CH3

Se

CH>CH>CH3

Propan

CH3CH>CH>CH3>CH; » +

CH;3CH>CH>CH>CH>CH>CH>CH3 Octan

Beispiele für Wasserstoffabspaltungen:

| CH3CH3 - + CH3SCH—CHz

ER rsgagser

CH>CH3

Ethan

IE CH;CH=CH;

Propen

H

|

CH;CH; * + CH5CH>CH; * —>

H

|

CH>=Ch;

Ethen

92

+ CH;CH>CH>

Propan

. Kasten 3-1

Die Wirkungsweise eines Katalysators Welche Wirkung hat der Zeolith-Katalysator? Ein Katalysator ist eine Substanz, die eine Reaktion beschleunigt, d.h. die Geschwindigkeit, mit der das

chemische

Gleichgewicht

erreicht

wird,

erhöht. Dies wird meist erreicht, indem die Reaktion am Katalysator über einen anderen Weg geführt wird, in dem der geschwindigkeitsbestim-

mende Schritt eine geringere Aktivierungsenergie als der ursprüngliche Prozeß hat (s. Abb. 3-5). Neben Zeolithen und anderen mineralischen Oberflächen wirken auch viele Metalle als Katalysatoren. In der Natur übernehmen gewöhnlich Enzyme diese Funktion (s. Kap. 26). In Anwesenheit eines Katalysators verlaufen viele Prozesse bei niedrigerer Temperatur und ganz allgemein unter milderen Bedingungen.

Abb. 3-5 Unterschied

Reaktionskoordinate

——— >

in der Akti-

vierungsenergie zwischen einer katalysierten (E,.) und einer nicht katalysierten (F,) Reaktion.

In Abwesenheit von Sauerstoff können sich die entstandenen Radikale miteinander zu neuen höheren oder niederen Alkanen verbinden. Ebensogut kann ein Radikal von einem dem radikalischen Zentrum benachbarten Kohlenstoffatom ein Wasserstoffatom abspalten — man spricht von einer Wasserstoff-Abstraktion —, wobei ein Alken gebildet wird. Bei

einer Pyrolyse entsteht also ein sehr kompliziertes Gemisch aus Alkanen und Alkenen. Unter bestimmten Bedingungen läßt sich die Produktverteilung bei diesen Reaktionen jedoch kontrollieren, so daß man einen hohen Anteil von Kohlenwasserstoffen mit definierter Kettenlänge erhält. An diesen Reaktionen sind meistens bestimmte Katalysatoren beteiligt, wie beispielsweise kristalline Natriumaluminiumsilikate, sogenannte Zeolithe. Diese Katalysatoren bilden ein dreidimensionales Netzwerk aus tetraedrischen SiO,- und AlO,-Einheiten. „Zeolith A“ hat die Formel Na,,(AlO,) >(SiO;) (H,O). Die Pyrolyse von Dodecan an einem Katalysator diesen Typs ergibt hauptsächlich Kohlenwasserstoffe mit

Dodecan Zeolith

482°C | 2 min

Ge, EEE Ib ale 23% 18% + andere Produkte 11%

drei bis sechs Kohlenstoffatomen.

Erdöl ist eine wichtige Quelle für Alkane Das Zerlegen eines Alkans in kleinere Bruchstücke bezeichnet man als Cracken. Derartige Prozesse spielen in der Mineralölindustrie eine wichtige Rolle bei der Produktion von Benzin und anderen flüssigen Kraftstoffen.

Wie bereits in der Einleitung zu diesem Kapitel erwähnt, nimmt man an, daß Erdöl durch mikrobiellen Abbau von Organismen entstanden ist, die vor mehreren hundert Millionen Jahren auf der Erde gelebt haben. Rohöl, eine dunkle, viskose Flüssigkeit, ist ein Gemisch aus mehreren hundert verschiedenen Kohlenwasserstoffen, hauptsächlich geradkettigen Alkanen, einigen verzweigten Alkanen und einem schwankenden Anteil von aromatischen Kohlenwasserstoffen. Außerdem sind noch sauerstoff-, schwefel- und stickstoffhaltige Verbindungen enthalten. Durch Destillation werden mehrere Fraktionen mit unterschiedlichem Siedebereich erhalten. Eine typische Produktverteilung ist

93

Tabelle 3-3 Produktverteilung bei einer typischen Rohöldestillation

3 Die Reaktionen der Alkane

Menge (in %

Sdp.

Kohlenstoff-

Volumenanteil

ne

atome

400

>Cs

Rückständsöle, Paraffinwachse,

Asphalt (Teer) *

Hiermit

bezeichnet

man

direkt

aus

Erdöl

destilliertes

Benzin,

das nicht vorbehandelt

wurde.

in Tabelle 3-3 angegeben. Die Zusammensetzung des Erdöls ist aber, je nach Herkunft, großen Schwankungen unterworfen. So enthält beispielsweise Ol aus dem Nahen Osten einen hohen Anteil an niedrigsiedenden, mexikanisches Öl einen hohen Anteil an hochsiedenden Kohlenwasserstoffen. Um mehr von der begehrten Benzinfraktion zu erhalten, werden die höhersiedenden Öle pyrolytisch gecrackt. Ursprünglich (in den zwanziger Jahren) mußte man diesen Prozeß bei hohen Temperaturen durch-

führen (800 °C-1000°C). Moderne katalytische Crackverfahren laufen bei relativ niedrigen Temperaturen ab (500°C). Neben den bereits erwähnten Zeolithen finden Katalysatoren, bei denen Nickel oder Wolfram auf eine SIO,— ALO;-Oberfläche aufgetragen sind, Verwendung. Die Reaktion läuft in einer Wasserstoffatmosphäre ab (Hydro-CrackProzeß), die das Abfangen der Radikale durch Wasserstoff fördert, so daß Produkte mit niedrigerem Siedepunkt entstehen. Gleichzeitig werden einige der Alkene zu Alkanen hydriert und die stickstoff- und schwefelhaltigen Bestandteile, die die Umwelt belasten und den Kataly-

Kasten 3-2

Erdöl und quellen

Benzin

sind

unsere

Hauptenergie-

Durch Erdöl werden etwa 58.5% des Energiebedarfs der Bundesrepublik Deutschland gedeckt, in anderen Industrienationen findet man ähnliche Zahlen. Im Jahre 1993 entstammten 40.6% unserer Energieversorgung aus Öl, 17.9% aus Gas, 28.9% aus Kohle und 10.3% aus Kernenergie. Der Erdölverbrauch in der Bundesrepublik Deutschland

belief sich

1993

auf 24.0

x

10° t,

davon wurden 21.0 x 10° t importiert. Für Länder wie die Bundesrepublik Deutschland, die keine nennenswerten eigenen Erdölvorkommen haben, hat die Abhängigkeit von den Ölimporten tiefgreifende ökonomische und politische Konsequenzen. Beispiele sind der

94

starke Anstieg der Rohölpreise in den siebziger Jahren, das arabische Ölembargo und andererseits das Abbröckeln der Olpreise im Jahre 1986. Daher werden überall in der Welt große Anstrengungen unternommen, die wirtschaftliche Abhängigkeit vom Öl zu verringern und neue Energiequellen zu finden, die nach einer Erschöpfung der Öl- und Gasreserven den Bedarf decken können. Beispiele hierfür sind einerseits die Kernenergie, der umstrittene schnelle Brüter und die Kernfusion,

andererseits

Wasserkraft,

Solar- und

geothermische Energie und immer noch Kohle. Andere Versuche befassen sich mit Nutzung der Windenergie, der Energie Meereswellen oder mit der Herstellung Brennstoffen aus Stallmist und organischen fällen (Biogas).

die der von von Ab-

sator vergiften können, in leicht abtrennbares Ammoniak, Schwefelwasserstoff,

H,S, überführt.

Das Cracken

NH;, und

des Rückstands

Erdöldestillation ergibt etwa 30% Gas, 50% Benzin, höherer molarer Masse und als Rückstand Petrolkoks.

20%

CH;CH>CH>CH>CH>CH>CH3z

der

Heptan

Öle mit

Pr/SiO,/Al,O, 500 °C

Ein anderer Prozeß überführt Alkane in aromatische Kohlenwasserstoffe mit etwa derselben Anzahl von Kohlenstoffatomen. Diese Aromaten werden zur Erhöhung der Octanzahl dem Benzin beigemischt und sind wichtige Ausgangsprodukte in der chemischen Industrie. Da in diesem Prozeß aus einem Kohlenwasserstoff ein neuer gebildet wird, bezeichnet man ihn als Reforming (Neubildung) und das Produkt als Reformat. Andere Bezeichnungen für dieses Verfahren beziehen sich auf die Reaktionsbedingungen wie Platforming (an einem Platinkatalysator) oder Hydroforming (inAnwesenheit von Wasserstoff). Ein Beispiel für Reforming stellt die UÜberführung von Heptan in Methylbenzol (Toluol) dar. Etwa 15 Millionen Liter Reformatbenzin werden jährlich allein in der Bundesrepublik Deutschland produziert.

ara

CH; H

H +4H,

H

H

H Mäbsibewol (Toluol)

3.4 Die Chlorierung von Methan: Radıkalkettenmechanismus Wir haben gesehen, daß Alkane trotz ihrer fehlenden chemischen

tivität

Pyrolyse-

und

Verbrennungsreaktionen

eingehen.

In

Reak-

diesem

Abschnitt wollen wir untersuchen, was passiert, wenn ein Alkan, wie z.B. Methan, und elementares Halogen, etwa Chlor, miteinander zur

Reaktion gebracht werden. Dabei entstehen ein Halogenmethan und Halogenwasserstoff. Um den Mechanismus aufzuklären, wollen wir jeden einzelnen Schritt des Prozesses analysieren.

Chlor reagiert mit Methan zu Chlormethan Gibt

man

Methan

und

Chlorgas

im

Dunkeln

bei Raumtemperatur

zusammen, findet keine Reaktion statt. Das Gemisch muß erst auf Tem-

peraturen oberhalb von 300°C erwärmt oder mit ultraviolettem Licht bestrahlt werden, bevor eine, dann allerdings oft recht heftige, Reaktion eintritt. Eines der beiden ersten Produkte ist Chlormethan, das sich vom

Methan durch Ersatz eines Wasserstoffatoms durch ein Chloratom ableitet. Man bezeichnet diesen Prozeß als Substitutionsreaktion. Daneben entsteht Chlorwasserstoff. Bei weiterer Substitution werden Dichlormethan (Methylenchlorid), CH,Ch, Trichlormethan (Chloroform), CHCl, und Tetrachlormethan (Tetrachlorkohlenstoff), CCl,, gebildet.

Warum kann diese Reaktion ablaufen? Ein Anhaltspunkt ergibt sich aus einer Betrachtung von AH°. Bei der Reaktion werden eine C-HBindung im Methan (DH° = 438.9 kJ/mol) und eine C1—Cl-Bindung (DH" = 242.4 kJ/mol) aufgebrochen, die C—Cl-Bindung im Chlorme-

than (DH” = 355.3 kJ/mol) und die H-Cl-Bindung (DH° = 430.5 kJ/mol) neu geknüpft. Die neu gebildeten Bindungen sind also um 104.5 kJ/mol energieärmer als die aufgebrochenen, die Reaktion ist aus-

geprägt exotherm. Chlorierung von Methan

CH;

—H

Aoderir er a + :CH-Cl: Fa pr

2389 DH?° (in kl/mol)

224

CH;

.. =. C1: = H—Cl: ? }

3553 Chlormethan

=

AH® = zugeführte Energie — freigesetzte Energie = L DH" (aufgebrochene Bindungen) — Z DH® (neugebildete Bindungen)

— (438.9 kJ/mol + 242.2 kJ/mol)

— (353.3 kJ/mol + 430.5 kJ/mol)

= — 104.5 kJ/mol

95

Warum läuft dann die thermische Chlorierung von Methan nicht bei Raumtemperatur ab? Die Antwort auf diese Frage ist uns schon bekannt. Die Tatsache, daß eine Reaktion exotherm ist, bedeutet nicht notwendigerweise, daß sie mit meßbarer Geschwindigkeit abläuft. Erinnern wir uns daran, daß die Geschwindigkeit einer Reaktion unabhängig von AH" ist, sondern allein von den Aktivierungsparametern des Prozesses abhängt. In diesem Fall muß die Aktivierungsenergie offensichtlich recht groß sein. Woher kommt das, und warum verläuft die Reaktion bei Bestrahlung doch bei Raumtemperatur? Diese Fragen lassen sich nur über eine Untersuchung des Mechanismus der Reaktion beant-

3 Die Reaktionen der Alkane

worten. Dieser Mechanismus besteht aus drei Stufen: Der Startreaktion,

den Kettenfortpflanzungsschritten und den Abbruchreaktionen. Die einzelnen Stufen im Mechanismus der Chlorierung von Methan: Startreaktion:

Kettenfortpflanzung:

Abbruchreaktionen:

de

CH,+ :CI-— CHz-+ HÜ:

:Cl-+ :C-— Cl,

CH» + Cl, — CH£I:+:Cl-

:&-+ CH,— CH;Öl:

ach

CH,-+ CH, —>CH,-CH, Lassen Sie uns diese Stufen genauer betrachten.

Die Chlorierung von Methan Schritt für Schritt analysiert Der Mechanismus der Chlorierung von Methan verläuft über intermediär gebildete Radikale. Im ersten Schritt der Reaktionsfolge bricht die schwächste

Bindung

innerhalb

der

Reaktionspartner,

die

Cl—ClI-Bin-

dung auf. Dies kann, wie bereits erwähnt, einerseits thermisch bei Temperaturen oberhalb von 300°C (A) oder andererseits durch Absorption eines Photons geeigneter Wellenlänge (hv) erfolgen. Im letzteren Fall werden die bindenden Elektronen auf das antibindende Niveau angehoben (s. Abschn. 1.3), was zum Aufbrechen der Bindung führt. Woher die Energie auch stammt, die Dissoziation des Chlors zu Beginn, die sogenannte Startreaktion, erfordert mindestens 242.4 kJ/mol an Energie. Anmerkung: In diesen und den folgenden Schemata sind alle Radikale und freien Atome in grün wiedergegeben.

|

Schritt

1

Kettenstart A bzw. Av

:C1-Cl:

Te

2 :Cl -

AH° = + DH°(Ch) = + 242.4 kJ/mol

Im nächsten Schritt greift das Chloratom das Methanmolekül unter Wasserstoffabspaltung an. Daher entstehen Chlorwasserstoff und ein Methylradikal.

Schritt

2_ Wasserstoffabspaltung H

Ei

HH

J

438.9

\

H

n

Pe 430.5

RK

=

AH° = DH°(CH;-H)

-DH°CH-CN)

= + 8.4 kJ/mol

Methylradikal

DH?® (in kJ/mol)

AH” für diesen Prozeß ist leicht positiv, aber nicht positiv genug, als daß nicht im Gleichgewicht doch beträchtliche Konzentrationen an Produkten gebildet werden. Wie groß ist die Aktivierungsenergie, E,, der Wasserstoffabspaltung? Steht genug Energie von außen zur Verfügung,

HH

N

E, = 16.7 kJ/mol

zur Wachsen des Hinterlappens

Ausgangsverbindungen

Übergangszustand

Methviradikal

Chlorwasserstoff

Abb. 3-6 Darstellung der an der Abspaltung eines Wasserstoffatoms des Methans durch ein Chloratom beteiligten Orbitale. Im Übergangszustand erfolgt die Umhybridisierung am Kohlenstoff zum ebenen Methylradikal. Die Orbitale sind nicht maßstabsgetreu gezeichnet.

[H3C ++H---C1]#

E, = +16.7 kJ/mol

-CHz + HCl: AH® = +8.4 kJ/mol

Bindungen im Übergangszustand sind durch gepunktete Linien gezeichnet.

ee Reaktionskoordinate

——

um die Energiebarriere zu überschreiten? Die Antwort ist ja, da die radikalische Abspaltung allgemein eine sehr geringe Aktivierung erfordert. Eine Beschreibung der Molekülorbitale des Chloratoms während des Übergangszustands der Wasserstoffabspaltung aus dem Methan (s. Abb. 3-6) macht deutlich, wie leicht dieser Prozeß verläuft. Das abzuspaltende Wasserstoffatom befindet sich zwischen Kohlenstoff und Chlor und ist partiell an beide gebunden. Der Übergangszustand liegt energetisch nur etwa 16.7 kJ/mol über den Ausgangsstoffen. Da sich dieser Zustand nicht isolieren läßt (er ist nur ein Punkt auf der Reaktionskoordinate), kennzeichnet man ihn mit einem besonderen Zeichen, *.

Im Übergangszustand hat sich die H-Cl-Bindung in demselben Maße gebildet, wie die H-—C-Bindung aufgebrochen wurde. Wäre der Bindungsbruch vor der Knüpfung der neuen Bindung schon in beträchtlich größerem Maße vollzogen, wäre E, weitaus größer. Ein Energiediagramm für diesen Reaktionsschritt ist in Abbildung 3-7 dargestellt. In Schritt 2 entsteht eines der Produkte der Chlorierungsreaktion, HCl. Wann bildet sich nun das gewünschte Produkt CH;C1? Dies erfolgt in Schritt 3. In diesem Schritt spaltet das Methylradikal ein Chloratom

Schritt

3 Bildung von Chlormethan H

RR

BT

Ba

H

ERER er :CI—Cl:

ipl

|

——

PO

242.4

3 Pe eh .C:

j

355.3

DH? (in kJ/mol)

Abb. 3-7 Änderung der potentiellen Energie bei der Reaktion von Methan mit einem Chloratom. Die partiell ausgebildeten

AH®

=

— 112.9 k/mol

3 Die Reaktionen der Alkane

aus einem

Chlormolekül

ab, wobei

Chlormethan

CH rdeie

mechanismus:

:Cl-+ CH, —CH;+HÖÜ: +84 kJ/mol CH: + Ch — CH3CI: + :C1- — 112.9 kJ/mol

Kettenstart:

2:X-

CH, + C, — CH,Cl: + HCl: — 104.5 kJ/mol

Kettenfortpflanzung:

:X- + RH —R-

+ HX:

Koh:

4X:

RX:

Kettenabbruch:

> X

R- + :X- — RerzRe

stark begünstigt, „treibt“ die Reaktion

Schritte 2 und 3 sind die Kettenfortpflanzungsschritte, in ihnen werden die Produkte gebildet. Im Energiediagramm in Abbildung 3-8 ist noch einmal der gesamte Prozeß dargestellt. Der zweite Schritt bestimmt eindeutig die Geschwindigkeit der Kettenfortpflanzung. Im Diagramm wird auch deutlich, daß das gesamte AH” der Reaktion sich aus zwei Werten zusammensetzt [AA (Schritt 2) und AH (Schritt 3)]: (+8.4 — 112.9.0) kJ/mol = -104.5 kJ/mol. Dies folgt auch aus dem Heßschen Satz, wenn man die Reaktionsgleichungen von Schritt 2 und 3 addiert:

Radikalketten-

ne

Chlor-

FHge Sr eHa terre

weniger begünstigt

X —

und ein neues

atom gebildet werden. Das letztere reagiert wieder in Schritt 2, der Kreislauf ist geschlossen. Schritt 3 verläuft stark exotherm, AH = —112.9 kJ/mol. Dieser Schritt ist für die große Triebkraft des gesamten Prozesses verantwortlich. Aufgrund der exothermen Natur von Schritt 3 wird das ungünstige Gleichgewicht von Schritt 2 in Richtung der Produkte verschoben, da das Methylradikal im folgenden Schritt sofort wegreagiert und damit aus dem Gleichgewicht entfernt wird.

RX

—>R

Die Chlorierung von Methan verläuft nach einem Radikalkettenmechanismus. Zum Start der Reaktion sind nur wenige Halogenatome erforderlich, da im zweiten Fortpflanzungsschritt ebenso viele Halogenatome gebildet wie im ersten verbraucht werden. Die neugebildeten Halogenatome treten dann wieder im ersten Kettenfortpflanzungsschritt in den Kreislauf ein.

Ist eine

Kettenreaktion

einmal

gestartet,

kann

sie über

tausende

von Cyclen laufen. Läßt sich die Kettenreaktion auch beenden? Die Antwort ist ja, zum Abbruch der Kette kommt es hauptsächlich durch Knüpfen kovalenter Bindungen zwischen Radikalen. Die Konzentration der Radikale im

E, = 16.7 kJ/mol

ICHz-ChH-- Ct

E, < 4.2 kK)/mol

CH3(+ HCI:)

CHHtEcE

AH® = +8.4 kJ/mol

(+ Ch)

AH° = —112.9kJ/mol

AH® = —104.5 kJ/mol Abb. 3-8 Änderung der potentiellen Energie bei der Bildung von CH;Cl aus einem Chlorradikal und Methan.

CH3CI + HCI +:Cl-

AH° für die Gesamtreaktion CH, + Ch > CH;Cl + HCl beträgt — 104.5 kJ/mol.

98

Reaktionskoordinate ——>

Reaktionsgemisch ist allerdings klein und die Wahrscheinlichkeit, daß zwei Radikale aufeinander treffen, ebenfalls gering. Kettenabbruchreaktionen sind daher relativ selten. In der Praxis ist das größte Problem der Methan-Chlorierung deren geringe Selektivität. Wie bereits erwähnt, ist diese Reaktion nicht mit der Bildung von Chlormethan beendet, sondern durch weitere Substitution entstehen Di-, Tri- und Tetrachlormethan

(Methylenchlorid,

3.5 Andere radikalische Halogenierungen von Methan

Chlo-

roform und Tetrachlorkohlenstoff). Die weitere radikalische Substitution ist noch dadurch begünstigt, daß die Stärke der C—H-Bindungen in der

Reihe CH,Cl (DH° = 423 kJ/mol) über CH,Ch (DH° = 414.5 kJ/mol) zu CHC], hin abnimmt (DH° = 402 kJ/mol), diese Verbindungen also leichter als Methan ein Wasserstoffatom abspalten. Dieses Problem läßt sich einfach

dadurch

lösen,

daß man

die Reaktion

mit einem

hohen

Überschuß an Methan ablaufen läßt. Unter diesen Bedingungen ist das reaktive Chloratom zu jedem Zeitpunkt von weitaus mehr Methan- als CH3;Cl-Molekülen umgeben. Die Wahrscheinlichkeit, daß Cl- auf ein CH;ClI-Molekül trifft und mit ihm zu CH>Ch reagiert, ist also außerordentlich klein, man

erreicht Produktselektivität.

Übung 3-3 Bei der Chlorierung von Ethan entsteht Chlorethan. Formulieren Sie einen Mechanismus für diesen Prozeß und berechnen Sie für jeden Reaktionsschritt AH” (s. Tab. 3-1 el und 3-2).

3.5 Andere radikalische Halogenierungen von Methan Fluor und Brom, nicht jedoch Iod reagieren mit Methan ebenfalls über einen Radikalmechanismus zu den entsprechenden Halogenalkanen. Die Dissoziationsenergien von X, (X = F, Br, I) sind geringer als die von Ch, der Kettenstart erfordert also weniger Energie. F,

DEI Co)Anklimole,

Ch

Br,

15478724249

I,

102371505

Fluor ist das reaktivste, Iod das am wenigsten reaktive Halogen Es ist interessant, die Enthalpien der beiden Kettenfortpflanzungsschritte zu vergleichen (s. Tab. 3-4). Offensichtlich ist die Triebkraft der Wasserstoffabspaltung bei den verschiedenen Halogenen sehr unterschiedlich. Beim Fluor verläuft dieser Prozeß exotherm,

—125.4 kJ/mol

an Energie werden frei. Wie wir bereits gesehen haben, ist dieser Schritt beim Chlor leicht, beim Brom

dann schon deutlich endotherm.

Für die

Reaktion von atomarem Iod mit Methan muß schließlich ebensoviel Energie aufgebracht werden (AH = +142.1 kJ/mol) wie bei der Reak-

Tabelle 3-4 Enthalpien der Kettenfortpflanzungsschritte bei der Halogenierung von Methan in kJ/mol

F

cı

Br

X + CH — EEE

-CH3 + HX: _125.4 +8.4 ERMESIR TIEREm PIIMR 21 OROERTE

295.9, TR

40.1401 87.8

CH4 + X? —

CH3X: + HX:

Se

+54.3

430.5

-104.5

I

99

Kasten 3-3

Frühe und späte Übergangszustände

bedeutet, er liegt auf der Reaktionskoordinate in

In einigen Fällen läßt sich die relative Leichtig-

zustände sind häufig für schnelle exotherme Prozesse charakteristisch (Hammond*-Postulat). Auf der anderen Seite ist in der hypothetischen Reaktion von I: mit Methan die C—H-Bindung vor Erreichung des Übergangszustands bereits in beträchtlichem Maße gespalten (s. Abb. 3-9), der Übergangszustand ähnelt eher den Endprodukten, man spricht von einem späten Übergangszustand. Späte Übergangszustände sind meist für relativ langsame, schwach exotherme oder endotherme Reaktionen typisch.

Abbildung keit, mit der eine Reaktion

abläuft, durch Unter-

suchung der Struktur des Übergangszustands abschätzen. Betrachten wir die Reaktion von Fmit Methan (s. Abb. 3-9). Der Übergangszustand entspricht dem in Abbildung 3-6 dargestellten Typ; die H—F-Bindung ist teilweise ausgebildet, das Kohlenstoffatom besitzt partiell Radikalcharakter. Da jedoch die Stärke der H—F-Bindung weitaus größer als die der H—Cl-Bindung ist (S. Tab. 3-1), greift das Fluoratom

das Methanmole-

kül zu einem Zeitpunkt an, in dem die C—HBindung noch kaum aufgebrochen ist. Der Übergangszustand ähnelt den Ausgangsstoffen — das

3-9 weiter

* George S. Hammond, town University.

links.

Frühe

Übergangs-

geb. 1921, Professor an der George-

später Übergangszustand

früher Übergangszustand

Abb. 3-9 Diagramm der potentiellen Energie für einen frühen Übergangszustand (exotherme Reaktion) und einen späten Übergangszustand (endotherme Reaktion). Reaktionskoordinate

tion mit Fluor frei wird. Dies ist eine Folge der abnehmenden Bindungsenergie in den Halogenwasserstoffen in der Reihe Fluor bis Iod (s. Tab. 3-1). Die Tatsache, daß das Fluoratom eine starke Bindung zu Wasserstoff ausbildet, spiegelt sich in seiner Reaktivität bei der Wasserstoffabspaltung wider. Fluor ist reaktiver als Chlor, dieses reaktiver als Brom, das reaktionsträgste Halogenatom ist lod. Relative Reaktivität von X- bei der Wasserstoffabspaltung

F>C->Br>I Wir sollten jedoch vorsichtig mit dem Wort reaktiv umgehen. Wir müssen immer die thermodynamische Reaktivität, die sich aus der Reaktionsenthalpie, AH (oder, wenn wir den Entropieterm berücksichtigen, der

freien

Reaktionsenthalpie,

AG’),

von

der

kinetischen

Reaktivität,

die sich aus der Aktivierungsenergie ergibt, unterscheiden.

Der zweite Kettenfortpflanzungsschritt ist exotherm Lassen Sie uns nun den zweiten Schritt in Tabelle 3-4 betrachten. Dieser Prozeß verläuft bei allen Halogenen exotherm. Am schnellsten und stärksten exotherm reagiert wiederum Fluor. Addiert man die Reaktionsenthalpien beider Schritte, ergibt sich ein AH " von -430.5 kJ/mol.

100

Dieser Wert ist so groß, daß bei ausreichenden Konzentrationen von Methan und Fluor eine außerordentlich heftige Reaktion abläuft. Die Bildung von Chlormethan ist weniger, die von Brommethan noch weniger exotherm. Im letzteren Fall ist der Energiegewinn aus dem zweiten Schritt (AH = -104.5 kJ/mol) kaum größer als der Energiebetrag, der für den ersten aufgebracht werden muß (AH = +75.2 kJ/mol). Für die gesamte Substitution ergibt sich dann ein Energiegewinn von nur —29.3 kJ/mol. Betrachtet man schließlich die Thermodynamik der lodierung,

3.6

Die Chlorierung höherer

Alkane: Relative Reaktivität und Selektivität

wird deutlich, warum keine Reaktion eintritt. Der erste Schritt erfordert so viel Energie, daß sogar der recht exotherme zweite Schritt das

Gleichgewicht nicht auf die Seite der Produkte verschiebt. ]

Übung 3-4 Welche Produktverteilung ergibt die Reaktion von Methan Mischung von Chlor und Brom nach kurzer Umsatzzeit?

Fassen wir zusammen: ren mit Methan

mit

einer

äquimolaren

Die Halogene mit Ausnahme von lod reagie-

(und, wie wir sehen werden,

auch mit anderen

Alka-

nen) zu Halogenalkanen. Die Reaktion verläuft über einen Mechanismus, in dem ein kleiner Anteil der Halogenmoleküle homolytisch durch Wärme oder Licht in Halogenatome gespalten wird (Kettenstart). Diese sind in der Lage, eine Radikalkettenreaktion, die aus zwei Schritten besteht, aufrechtzuerhalten. Dies sind die beiden Schritte: (1) Wasserstoffabspaltung unter Bildung eines Methylradikals und HX, (2) Reaktion von CH; zu CH;X und erneute Bildung von X:. Abgebrochen wird die Kette durch Rekombination von Radikalen. Die Reaktionsenthalpie der einzelnen Schritte läßt sich aus den Bindungsenergien der gebrochenen und neu geknüpften Bindungen berechnen. Bei diesen Prozessen haben die exothermeren Schritte auch die geringere Aktivierungsenergie. Hieraus erklärt sich die relative Reaktivität der Halogene, Fluor ist am reaktivsten, Iod am wenigsten reaktiv. Schließlich ist ein früher Übergangszustand, der in seiner Struktur den Ausgangsstoffen ähnelt, häufig charakteristisch für eine stark exotherme Reaktion, wo bei der Ausbildung der neuen Bindungen ein relativ großer Energiebetrag frei wird. Im Gegensatz dazu ist ein später Übergangszustand, der in seiner Struktur den Produkten

ähnlich ist, meist für einen endother-

men oder leicht exothermen Prozeß typisch.

3.6 Die Chlorierung höherer Alkane: Relative Reaktivität und Selektivität Wie verläuft die radikalische Chlorierung von Methan im Vergleich zu anderen Alkanen? Reagieren primäre, sekundäre und tertiäre C—HBindungen unterschiedlich? Diese Fragen wollen wir beantworten, indem wir zunächst die Chlorierung von Ethan, dann von Propan und schließlich die von 2-Methylpropan betrachten. Bei der Monochlorierung von Ethan entsteht Chlorethan. Die Chlorierung von Ethan CH;CHz;

+

A oder hv

Ch ——0

CH;CH3>Cl

+ HCl

AH®

= -113 kl/mol

Chlorethan

Diese Reaktion verläuft über einen analogen Radikalkettenmechanismus wie die beim Methan. In den Fortpflanzungsschritten wird zunächst ein Ethylradikal durch Reaktion von Ethan mit einem Chloratom gebildet, im nächsten Schritt entsteht das Produkt und ein neues Chloratom

(Übung 3-4). Beide Reaktionen unterscheiden sich jedoch stark in ihrer Reaktionsenthalpie. Die Abspaltung eines Wasserstoffatoms aus dem

101

3 Die Reaktionen der Alkane

Ethanmolekül (DH° = 410 kJ/mol) ist nicht, wie bei Methan, endotherm, sondern verläuft unter Freisetzung eines Energiebetrags von —21 kJ/mol. Der Grund hierfür ist die schwächere C—H-Bindung im Ethan. Kettenfortpflanzungsschritte bei der Chlorierung von Ethan

CH,CH, +:Cl-— CH,CH, +HÄl: AH®= —21 kJ/mol CH,CHz- + Ch — CH;CH;Cl:+ Cl: AH° = 96 kJ/mol Was ergibt sich nun für das nächste Homologe, Propan?

Sekundäre C—H-Bindungen sind reaktiver als primäre Im Propan können zwei Arten von gebundenen Wasserstoffatomen mit Chlor reagieren, sechs primäre und zwei sekundäre. Würden beide Typen mit gleicher Geschwindigkeit reagieren, sollte man nach Beendigung der Reaktion rein statistisch dreimal soviel 1-Chlorpropan wie 2Chlorpropan finden. Die Chlorierung von Propan 7

CErCHÄALch Ze ARdBcHe Propan

I E*

1-Chlorpropan

CHscHeR, 2-Chlorpropan

6 primäre H (blau)

2 sekundäre H (rot)

erwartetes statistisches Verhältnis

j (56)

N

erwartetes Verhältnis der Reaktivität

der C—H-Bindungen

weniger reaktiv

:

experimentelles Verhältnis bei 25°C

43

et!

3

Ba:

experimentellesVerhältnis bei 600 °C

reaktiver

Da andererseits die sekundäre C—H-Bindung schwächer als die primäre ist (DH° = 395.7 kJ/mol im Vergleich zu 410 kJ/mol), sollte man erwarten, daß mehr 2-Chlor- als 1-Chlorpropan gebildet wird. Unterschied von AH” beim ersten Kettenfortpflanzungsschritt der Chlorierung von Propan

CH,CH,CH; + :CI-— CH,CH,CH,: +HC: :

AH°= — 21 kJ/mol

Propylradikal

CH,CH,CH; + :Cl-—> CH,CHCH, + HÜ:

AH°= —35.6 kJ/mol

1-Methylethyl(Isopropyl-)radikal

Es ist schwierig, aufgrund dieser Unterschiede in DH ein genaues Produktverhältnis vorauszusagen, da das Verhältnis nicht durch die unterschiedlichen Bildungsenthalpien des Propyl- und des 1-Methylethyl-(Isopropyl-)Jradikals, sondern durch die relativen Energien der Übergangszustände bestimmt ist. Da die Spezies in beiden Übergangszuständen nur teilweise radikalischen Charakter besitzen, spiegelt sich die unterschiedliche Stabilität der radikalischen Produkte nur in geringem Maße in den relativen Energien des Übergangszustandes wider. Daher beträgt die Energiedifferenz beider möglicher Übergangszustände nur etwa 4.2 kJ/mol (s. Abb. 3-10).

102

3.6 Die Chlorierung höherer Alkane: Relative Reaktivität und Selektivität

CH/CHSCH3+ Cl’

AH® = —20.9 kJ/mol Te

CH3CH>CH3>

se:

(CH3)2CH°

Reaktionskoordinate

+

HCl

+ HCI

Abb. 3-10 Die Wasserstoffabspaltung durch ein Chloratom ist an einem sekundären Kohlenstoffatom des Propans stärker exotherm und erfolgt schneller als an einem primären Kohlenstoffatom.

—>

Experimentell findet man bei 25°C ein Produktverhältnis von 1Chlorpropan zu 2-Chlorpropan von 43:57. Dies zeigt, daß bei der Bildung der Produkte statistische und thermodynamische Faktoren eine Rolle spielen. Die relative Reaktivität von sekundären und primären Wasserstoffatomen können wir durch Eliminierung des statistischen Faktors im Produktverhältnis bestimmen. So steuert die Reaktion jedes der sechs primären Wasserstoffatome 43/6 = 7.2% der Gesamtausbeute an 1-Chlorpropan bei. Entsprechend ist jedes sekundäre Wasserstoffatom mit 57/2 = 28.5% an der Gesamtmenge von 2-Chlorpropan beteiligt. Das relative Reaktivitätsverhältnis sekundär : primär ist daher 28.5:7.2 = 4:1. Die sekundären Wasserstoffatome sind also bei der Chlorierung von Propan bei 25°C viermal so reaktiv wie die primären. Man ist nun leicht geneigt anzunehmen, daß generell alle sekundären Positionen in allen Radikalkettenreaktionen viermal so reaktiv wie die entsprechenden primären sind. Diese Verallgemeinerung ist allerdings nicht ganz richtig. Obwohl sekundäre Wasserstoffatome generell schneller als primäre reagieren, hängt ihre relative Reaktivität sehr stark von der Natur des angreifenden

Radikals,

X-, der Stärke der entstehenden

H—X-Bindung und sogar von der Temperatur ab. So ergibt die Chlorierung von Propan bei 600 °C die statistisch zu erwartende Produktverteilung. Bei dieser Temperatur haben beide reagierenden Spezies soviel thermische Energie, daß fast jeder Zusammenstoß zur Reaktion führt. Man sagt, daß das Chloratom bei höheren Temperaturen weniger selektiv ist und die Produktverteilung allein von statistischen Faktoren abhängt. Bei niedrigen Temperaturen und damit geringeren thermischen Energien ist die Selektivität größer. Übung 3-5 Welche Produkte entstehen bei der Monochlorierung von Butan? Welches Produktver-

=

hältnis ergibt sich bei 25°C?

Tertiäire C—H-Bindungen sind reaktiver als sekundäre Als nächstes wollen stoffatoms bei der Zweck unterwerfen und einem tertiären

wir die relative Reaktivität eines fertiären WasserChlorierung von Alkanen untersuchen. Zu diesem wir 2-Methylpropan, ein Molekül mit neun primären Wasserstoffatom, bei 25°C den Bedingungen einer

103

radikalischen Chlorierung. Wir erhalten dabei 2-Chlor-2-methylpropan (tert-Butylchlorid) und 1-Chlor-2-methylpropan im Produktverhältnis 36:64.

3 Die Reaktionen der Alkane

Die Chlorierung von 2-Methylpropan CH;

4

en

CH3

HS

CH3

er

CH;

+

CH,—C-G

CH3

CH;

1-Chlor-2-methylpropan (Isobutylchlorid)

erwartetes statistisches Verhältnis

9

erwartetes Reaktivitätsverhältnis der C—H-Bindungen

weniger

2-Chlor-2-methylpropan (tert-Butylchlorid)

;

1

:

reaktiver

reaktiv

experimentelles Verhältnis (25°C)

64

3

experimentelles Verhältnis (600 °C)

80

920

Unter Berücksichtigung, daß neun primäre einem tertiären Wasserstoff gegenüberstehen, erhalten wir eine relative Reaktivität von primär:tertiär

= 64/9:36/1

=

1:5.1; diese Selektivität wird wiederum

bei

höheren Temperaturen kleiner. Bei 25°C ergibt sich folgende Reaktivitätsreihe der verschiedenen C—H-Bindungen für die radikalische Chlorierung: tertiär : sekundär : primär = 5:4:1 Dieses Verhältnis sollte man auch aufgrund der Bindungsenergien erwarten. Die tertiäre C—H-Bindung ist schwächer als die sekundäre und diese wiederum schwächer als die primäre. Die Reihenfolge läßt sich durch Untersuchung der unterschiedlichen Reaktivität der Wasserstoffatome in einem einzigen Substrat, 2-Methylbutan, nachprüfen. Dieses Molekül enthält neun primäre, zwei sekundäre und ein tertiäres Wasserstoffatom. Da sich die neun primären Wasserstoffatome noch in zwei Gruppen (eine Gruppe von sechs und eine von drei) unterteilen lassen, ergibt die Reaktion mit Chlor insgesamt vier verschiedene Monochlorierungsprodukte.

Die Chlorierung von 2-Methylbutan

Ch, + Ge

|

-ncı | hr

De

|

CH3

|

+ Zn

CH; H aa

H 1-Chlor-2-methylbutan

3

ee

me a

re! 14%

36%

1-Chlor-3-methylbutan

2-Chlor-3-methylbutan

CH;

|

Ösen ET

cı 23% 2-Chlor-2-methylbutan

Die gesamte Ausbeute an beiden primären Halogeniden beträgt 41% (1-Chlor-2-methylbutan plus 1-Chlor-3-methylbutan), zu 36% bildet sich das sekundäre, zu 23% das tertiäre Halogenid. Wie erhalten daher: primäres :sekundäres:: tertiäres Halogenid = 41:36:23 104

relative Reaktivität:

3.7 Die Selektivität der Halogenierung von Alkanen mit Fluor und Brom

primär :sekundär ::tertiär = 41/9:36/2:23/ 1 = 1:4:5 Dies entspricht genau unseren Erwartungen. ©

Übung 3-6 Geben Sie die Produkte und das Produktverhältnis der Monochlorierung von Methylcy-

3

clohexan bei 25°C an.

Zusammenfassend gilt: Die relative Reaktivität von primären, sekundären und tertiären Wasserstoffatomen entspricht dem Trend, den man aufgrund der Bindungsenergien der unterschiedlichen C—H-Bindungen erwarten sollte. Relative Reaktivitätsverhältnisse berechnet man durch Eliminierung von statistischen Faktoren. Diese Verhältnisse sind temperaturabhängig, die Selektivität ist bei niedrigen Temperaturen größer.

3.7 Die Selektivität der Halogenierung von Alkanen mit Fluor und Brom Wie groß ist die Selektivität der anderen Halogene bei der radikalischen Halogenierung? Können wir ähnliche Reaktivitätsunterschiede erwarten? Wie wir in diesem Abschnitt sehen, kann unsere frühere Beobach-

tung, daß gesteigerte Reaktivität Hand in Hand mit geringerer Selektivität geht, verallgemeinert werden. Wie

aus Tabelle

3-4 ersichtlich,

ist das Fluoratom

in der Reihe

der

Halogene am reaktivsten, bei der Wasserstoffabspaltung aus Methan zur Bildung der starken H—F-Bindung wird ein Energiebetrag von

—125.4 kJ/mol frei. Aus diesem stark negativen AH" ergibt sich ein früher Übergangszustand und eine geringe Aktivierungsenergie. Das Bromatom ist auf der anderen Seite weitaus weniger reaktiv, wir finden für denselben Schritt ein positives AH" von +75.2 kJ/mol, eine große Aktivierungsenergie (E, = 79.5 kJ/mol) und einen späten Übergangszustand. Ergibt sich hieraus ein Unterschied in der Selektivität? Die Antwort auf diese Frage folgt aus den Ergebnissen der Reaktion von 2-Methylpropan mit Fluor bzw. Brom. Die einfache Fluorierung ergibt bei 25°C die beiden möglichen Produkte 2-Fluor-2-methylpropan (tert-Butylfluorid) und 1-Fluor-2-methylpropan (Isobutylfluorid) im Verhältnis 14:86. Auf der anderen Seite erhält man bei der Bromierung derselben Verbindung fast ausschließlich das tertiäre Bromid. Sogar bei 98°C ergibt sich aus dem Produktverhältnis eine relative Reaktivität von 630%:1. Fluor ist daher wenig selektiv. Woher kommt das? Dies

CHENBSE, CH; +

a

(CHY)JCHCH>*

Abb. 3-11 Diagramm der potentiellen Energie für die Abspaltung eines primären bzw. tertiären Wasserstoffatoms aus 2-Methylpropan durch ein Fluoratom. Die

(CH3)3C * +HF

gangszustände sind nahezu identisch und kaum größer als die der Ausgangsmaterialien (d.h. beide

Energien der beiden frühen Über-

0000000

Reaktionskoordinate

E,-Werte sind etwa null). Hieraus

resultiert eine geringe Selektivität.

105

3 Die Reaktionen

Fluorierung von 2-Methylpropan

der Alkane

F, + (CH):CH

—

(CH3)3CF

2

2

ze

+ HF

CH; 306%

14% 2-Fluor-2-methylpropan

1-Fluor-2-methylpropan

(tert-Butylfluorid)

(Isobutylfluorid)

Relative Reaktivität, tertiär :primär=1.4:

1 (bei 25°C)

liegt daran, daß die Übergangszustände für die beiden konkurrierenden Prozesse relativ früh auf der Reaktionskoordinate liegen. Ihre Energien und Strukturen sind einander und auch denen der Ausgangsstoffe ähnlich (Abb. 3-11). Im Gegensatz dazu ist die Bromierung dieser Verbindung hochselektiv, es wird fast ausschließlich das tertiäre Bromid gebildet. Die Wasserstoffabspaltung durch Brom verläuft über späte Übergangszustände, bei denen es schon zu einem weitgehenden Bruch der C—H- und der H-—Br-Bindungen gekommen ist. Die Strukturen und Energien dieser Übergangszustände ähneln daher denen der entstehenden Radikale. Hieraus ergibt sich, daß die Aktivierungsenergie der Reaktion von Brom mit primären und tertiären Wasserstoffatomen fast so unterschiedlich wie die Stabilität von primären und tertiären Radikalen ist (Abb. 3-12). Dieser Unterschied führt zu der beobachteten hohen Selektivität

(>6000 :1!).

Bromierung von 2-Methylpropan

Bi PICHJSCHEI

(CH3)3CBr

je

+

Sr"

+ HBr

CH;

>99%

CHCH>

+ HBr

Abb. 3-12 Diagramm der potentiellen Energie für die Abspaltung eines primären oder tertiären

E

(CH3)3C * +HBr

Wasserstoffatoms aus 2-Methyl-

propan durch ein Bromatom. Die beiden späten Übergangszustände unterscheiden sich in ihrer Energie, was die Energiedifferenz zwischen den entstehenden primären und tertiären Radikalen widerspiegelt. Hieraus resultiert

die erhöhte Produktselektivität.

106

CH;CHCH;3 + :Br° | E CH; DEEEE

EL EEE

EEE

ERBEN SEEN

Reaktionskoordinate

3.8

Tabelle 3-5 Relative Reaktivitäten der Halogenatome mit C-H-Bindungen von Alkanen

FCl: ClBrBr-

(25°C, Gas) ).(25°C, Gas) (100°C, Flüssigkeit) (98°C, Gas) (150°C, Gas)

CH-H

RCH-H

R;CH-H

RCH

0.5 £ 4 2 0.002

1 n 1 1 1

12 4 2.0 250 so

1.4 5 43:0 6300 1700

Synthetische Bedeutung der radikalischen Halogenierung

3.8 Synthetische Bedeutung der radikalischen Halogenierung Welche Überlegungen muß man bei der Entwicklung einer erfolgreichen Methode zur Alkan-Halogenierung anstellen? Man muß auf Selektivität, leichte Durchführbarkeit, Effektivität und den Preis achten.

Fluorierungen sind aus mehreren Gründen unattraktiv. Fluor ist relativ teuer,

korrosiv,

und, was

wahrscheinlich

noch schlimmer

ist, recht

unselektiv und gefährlich reaktiv. Um Fluorierungsreaktionen unter Kontrolle zu halten, sind besondere Bedingungen erforderlich. Andererseits

lassen

sich

radikalische

Iodierungen

nicht

durchführen,

weil

sie

thermodynamisch ungünstig sind. Im Gegensatz dazu spielt die radikalische Chlorierung insbesondere in der Industrie eine wichtige Rolle und dies aus dem einfachen Grund, weil Chlor billig ist. Chlor wird fast ausschließlich durch Elektrolyse von Natriumchlorid dargestellt. Die Schwierigkeit bei der Verwendung von Chlor zur Halogenierung liegt in der relativ geringen Selektivität des Prozesses, wodurch Isomerengemische entstehen, die schwierig zu trennen sind. Manchmal umgeht man dieses Problem, indem man Alkane verwendet, die nur einen Typ von Wasserstoffatomen enthalten, so daß (zumindest am Anfang) nur ein Produkt entsteht. Ein Beispiel ist Cyclopentan: Cl ER

+ Ch — Cyclopentan

+ HCI Chlor cyclopentan

Sogar in solchen Fällen kann das Ergebnis der Reaktion durch Mehrfachsubstitution kompliziert werden. Da jedoch die Produkte der Mehr‚fachchlorierung gewöhnlich höhere Siedepunkte haben, lassen sie sich destillativ-trennen. Im Industriemaßstab werden Alkane in großen Reaktionsgefäßen chloriert, die mit hochentwickelten Kontrollinstrumenten ausgestattet sind, um eine einfache und sichere Handhabung zu ermöglichen. In Forschungslaboratorien versucht man die Verwendung von Chlorgas möglichst zu vermeiden, da es stark giftig und korrosiv und relativ schwierig genau abzuwiegen ist. Für den Gebrauch im Labor sind verschiedene Chlorierungsmittel entwickelt worden, die denselben Zweck erreichen, aber leichter und genauer handhabbar sind. Diese Verbindungen sind gewöhnlich Flüssigkeiten oder Feststoffe, wie Sulfurylchlorid, SO,Ch, und N-Chlorbutanimid (N-Chlorsuceinimid, NCS). Bei der Verwendung von Sulfurylchlorid oder NCS als Chlorierungsmittel müssen katalytische Mengen eines Radikalstarters (Initiators) verwendet werden. Dies ist aufgrund der relativ hohen Dissoziationsenergie der C1—SO,;CI-Bindung (etwa 264 kJ/mol) im Vergleich zu der Cl,-Bindung, wodurch eine thermische oder photolytische Spaltung erschwert wird, erforderlich.

| O Sulfurylchlorid

(Sdp. 69°C)

N-Chlorbutanimid (N-Chlorsuceinimid, NCS)

(Smp. 148°C)

Der Radikal-Initiator spielt bei diesen Chlorierungen

die Rolle des Lichts. 107

Kasten 3-4

letztere Verbindung ist der wirksame Bestandteil einiger Aknecremes.) Beide Initiatormoleküle spalten leicht unter Bildung von Radikalen auf,

Initiatoren von Radikalreaktionen

Als Initiatoren von radikalischen Reaktionen werden häufig die Moleküle 2,2’-Azodi(2-methylpropannitril), auch Azobisisobutyronitril oder AIBN genannt, und Dibenzoylperoxid benutzt. (Die

DEREK

er CH3

u

HC

eh.

en

CH;

+ :N=N:

2-Cyano-2-propylradikal

OÖ

OÖ

Kagr

LO

e0970-€

bei die

GER

2,2’-Azodi(2-methylpropannitril)

OÖ

die mit SO,C], reagieren. Die Wellenlinien den unten angegebenen Strukturen zeigen Bindungen an, die bevorzugt aufbrechen.

G>597

"-:Q ro

Dibenzoylperoxid

Phenylradikal

Beispiele: Chlorierung mit Sulfurylchlorid Cl

+ S0,CH,

Radikal-Initiator

+ SO, + HCI 57% Chlorcyclohexan

Chlorierung mit RH

+

NCI CA

Radikal-Initiator

NCS RCI +

NH

OÖ Butanimid (Succinimid)

Übung 3-7 Schlagen Sie einen Mechanismus für die radikalische Chlorierung eines Alkans RH mit (a) SO,Cl, und (b) N-Chlorbutanimid vor. Geben Sie deutlich die Start-, Kettenfortpflanzungs- und Abbruchsschritte an. Übung 3-8 Welche der folgenden Verbindungen ergeben mit normaler Selektivität ein Monochlorierungsprodukt: Propan, 2,2-Dimethylpropan, Cyclohexan, Methylcyclohexan?

Im Labor verwendet

man bevorzugt Brom

als Halogenierungsmittel

für Alkane, weil es selektiver und, da es flüssig ist, leichter zu handha-

ben ist. Als Lösungsmittel werden häufig Chlorierungsprodukte des Methans (CCl,, CHCL, CH,Ch) benutzt, die gegenüber Brom vergleichsweise reaktionsträge sind. Brom erhält man aus wäßrigen Natriumbromid-Lösungen, die in natürlichen Solen vorkommen,

durch Behandeln mit Chlor. Hierbei ent-

stehen Natriumchlorid und Brom. Die Bromdämpfe werden im Luftstrom ausgewaschen und dann kondensiert. In der Industrie findet

108

" Kasten 3-5. Chlorierung, Chloral und DDT

Sch | cl RC-+:C

sphärische Ozonschicht

Chloratome reagieren mit Ozon nach dem Mechanismus einer radikalischen Kettenreaktion.

Kettenfortpflanzungsschritte:

:Cl-+03 —

-CI0+0,

-CI0 +0 —

9,+:Cl-

Das Ergebnis dieser beiden Schritte ist die Überführung eines Moleküls Ozon und eines Sauerstöffatoms in zwei Moleküle Sauerstoff. Im Gegensatz zu anderen Radikalkettenreaktionen, die wir in diesem Kapitel kennengelernt haben, wird hier die reaktive Spezies, das Chloratom,

zwar in einem Kettenfortpflanzungsschritt verbraucht, aber im nächsten wieder freigesetzt. Die logische Konsequenz hieraus ist, daß eine geringe Konzentration an Chlor ausreicht, um viele Ozonmoleküle zu zerstören. Finden solche Prozesse momentan in der Atmosphäre statt?

Die Menge stratosphärischen Ozons wurde seit 1978 um ca. 3% verringert Seit Beginn der Messung der atmosphärischen Zusammensetzung wurde eine meßbare Abnahme an stratosphärischem Ozon verzeichnet. Diese Veränderungen sind jahreszeitlich bedingt und zeigen ihre größte Auswirkung im Winter. Sie zeigen extreme Unterschiede in Abhängigkeit vom Breitengrad: Eine größere Abnahme der Ozonschicht über der Antarktis wurde bereits 1978 bemerkt. Satellitenmessungen bestätigten, daß die Gesamkonzentration des Ozons in diesem Teil der Atmosphäre 1987 weniger als halb so groß war wie üblich und 1994 war sie sogar auf weniger als ein Drittel des Normalwertes gesunken. Einige Gebiete der Antarktis hatten überhaupt keine Ozonschicht mehr: Ein „Ozonloch“

konnte erstmals beobachtet werden.

Die Ozonmenge

nörd-

lich des arktischen Polarkreises sank 1996 auf 45%, der geringste Wert, der hier je gemessen wurde. Stratosphärische Wolken, die nur in der extremen Kälte der Polarregionen gebildet werden können, scheinen mit der Ozonlochbildung in Zusammenhang zu stehen. Die Reduzierung der Gesamtozonmenge über den gemäßigten Zonen der nördlichen Hemisphäre beträgt zur Zeit 3%, was ungefähr dem Weltdurchschnittswert entspricht. Aber eine Abnahme um 6% wird während der Wintermonate bei 40° nördlicher Breite beobachtet. Epidemilogische Studien legen den Schluß nahe, daß eine Verringerung der stratosphärischen Ozondichte um 1% zu einem Anstieg der Hautkrebserkrankungen

um

1-3%

führt. Eine Konsequenz

hieraus war, daß viele

Anstrengungen unternommen wurden, um die Ursachen des Ozonabbaus zu finden. Sind FCKWs verantwortlich oder könnten natürliche Quellen atmosphärischen Chlors oder anderer Substanzen signifikant dazu beitragen? Die Antwort auf diese Fragen konnte aus systematischen Untersuchungen von Satellitenbildern, die zwischen 1987 und 1994 aufgenommen wurden, erhalten werden. Chlormonoxid, der entscheidende Bestandteil der ozonzerstörenden Kettenreaktion, wird inzwischen

mehr als fünfhundert mal häufiger als üblich in der Umgebung des antarktischen Ozonlochs gefunden. Ferner wird Chlormonoxid und wenigstens 75% des stratosphärischen Chlors aus FCKWs gebildet. Dieser Zusammenhang konnte durch die Beobachtung entsprechender Mengen gasförmigen Fluorwasserstoffs (HF) bestätigt werden. Weder HF noch

irgend eine andere gasförmige Fluorverbindung wird bei einem natürlichen chemischen Prozess gebildet. Es ist aber bekannt, daß der FCKW-Abbau in Gegenwart von Kohlenwasserstoffverbindungen HF erzeugt. Diese Beobachtungen zeigen, daß natürliche Quellen wie Vulkanausbrüche und Meeresgischt, im Vergleich zu FCKW keinen großen Beitrag zur Erzeugung von stratosphärischen Chlor leisten. Vulkanische Aerosole tragen jedoch indirekt zum Ozonabbau bei, indem sie chemische Prozesse zur Verringerung stratosphärischen Chlors stören.

3 Die Reaktionen der Alkane

Die Welt auf der Suche nach geeigneten FCKW-Ersatzstoffen

FCKW-Ersatzstoffe

CH;FCH; HFC-134a

CHCIF, HCFC-22

GHCHCE, HCFC-123

CH;CCLF HCFC-141b

CH;CCIF, HCFC-142b

'

Das Montreal-Abkommen über die „Ozonschicht zerstörenden Substanzen“, das 1987 unterzeichnet wurde, legt eine Reduzierung des FCKW-Ausstoßes bis 1998 um 50% fest. Zunehmend alarmierende Berichte bezüglich des Ozonabbaus führten 1990 und 1992 zu Zusatzartikeln, die schließlich eine Frist für einen vollständigen Produktionsstop anstelle der Reduzierung festsetzte: Der 31. Dezember 1995 bedeutete das Ende der FCKW-Produktion in den Industriestaaten. Inzwischen wurden Ersatzstoffe für FCKW entwickelt. Hydrierte Chlorfluorkohlenwasserstoffe (HCFCs) und hydrierte Fluorkohlenwasserstoffe (HFCs) konnten erfolgreich kommerziell eingesetzt werden. HCFCs sind chemisch reaktiver als FCKWs und werden in einem stärkeren Maße in niedrigeren atmosphärischen Schichten abgebaut. Ihre Gefahr für die stratosphärische Ozonschicht ist geringer, da nur kleinere Mengen der Substanzen die notwendige Höhe erreichen. Zur Zeit ersetzt HFC-134a das FCKW CFC-12 in Kühlschränken und in den Kompressoren von Fahrzeug-Klimaanlagen. HCFCs-22 und -141b haben das FCKW CFC-11 bei der Produktion von Hartschaumisolation ersetzt. Hydrierte Fluorkohlenwasserstoffe (HFCs) sind erwiesenermaßen ungefährlich für die Ozonschicht. Jedoch sind hydrierte Chlorfluorkohlenwasserstoffe (HCFCs) eine potentielle Gefahr für die Ozonschicht und ihre Verwendung ist deshalb auf die Zeit bis 2030 beschränkt. Der Austausch von HCFCs durch HFCs wird bereits versucht. Es besteht die Hoffnung, daß die weltweiten Bemühungen zu einem Stop der Zerstörung der Ozonschicht bis zum Jahr 2000 führt. Eine Regenerierung der stratophärischen Gaskonzentrationen auf ursprüngliche Werte wird innerhalb der darauffolgenden zehn Jahren erwartet.

3.10 Verbrennung und die relativen Stabilitäten der Alkane Wir

wollen

kurz

zusammenfassen,

was

wir

in diesem

Kapitel

bisher

gelernt haben: Wir haben am Anfang die Bindungsstärken als die zur homolytischen Bindungsdissoziation erforderlichen Energien kennengelernt. Einige typische Werte sind den Tabellen 3-1 und 3-2 zu entnehmen und wurden anhand der Stabilitäten der entsprechenden Radikale erklärt, wobei dem unterschiedlichen Ausmaß der Hyperkonjugation entscheidende Bedeutung zukam. Diese Informationen haben wir dann genutzt, um die Reaktionsenthalpien AH” der einzelnen Schritte im Mechanismus der radikalischen Halogenierung abzuschätzen. Dies bildete die Basis unserer Diskussion des Zusammenhanges zwischen Reaktivität und Selektivität. Die Kenntnis von Bindungsdissoziationsenergien ı erweist sich so als große Hilfe bei der thermochemischen Analyse organischer Reaktionen. Wie kann man diese Energien experimentell bestimmen? Chemiker bestimmen Bindungsstärken, indem sie zunächst den Energieinhalt des ganzen Moleküls bestimmen.

112

Tabelle 3-6 Verbrennungsenthalpien in kJ/mol (normiert auf 25°C) von einigen organischen Verbindungen Verbindung (Aggregatzustand)

Name

CH, Gas

Methan

—891.0

C,H, (Gas) CH;CH3CH; (Gas)

Ethan Propan

—1560.9 ZDDDIEG

CH;(CH3),CH;

(Gas)

Butan

—2878.1

2-Methylpropan Pentan Pentan

—2869.8 —3538.8 —3512.0

CH;(CH3),CH; (Flüssigkeit)

Hexan

—4166.1

Cyclohexan

392238

CH;CH;OH (Gas) CH,;CH;OH (Flüssigkeit)

Ethanol Ethanol

—1408.5 —1367.9

C,H»O,,

Rohrzucker (Saccharose)

—5644.1

(Feststoff)

Verbrennung und

DAN

(CH3;);CH (Gas) CH;(CH3);CH; (Gas) CH;(CH3);CH; (Flüssigkeit)

(Flüssigkeit)

3.10

die relativen Stabilitäten der Alkane

Bezogen auf die Verbrennung zu CO; (g) und H,O (fl)

Wie können wir den Energieinhalt von Kohlenwasserstoffen (und damit von einigen unserer wichtigsten Brennstoffen) messen? Die Antwort ist ganz einfach: durch Verbrennen. Als Verbrennung einer Substanz bezeichnet man ihre chemische Reaktion mit Sauerstoff, die gewöhnlich bei erhöhten Temperaturen abläuft. Bei der Verbrennung der Alkane und auch der meisten anderen organischen Verbindungen entstehen gasförmiges Kohlendioxid und flüssiges Wasser als Produkte. Der Energieinhalt beider Produkte ist sehr niedrig, so daß die Reaktionsenthalpie, die sogenannte Verbrennungsenthalpie, stark negativ ist. 2 GERHSHE

Br

1) OÖ; =

2n

CO;

+@n=2)

H,O

AH

BR;C-CH;

H;C+ + :!I- —

(Eihan)

CHjl

b Berechnen Sie die Änderung der Standardreaktionsenthalpie (AH®) für die Bruttoreaktion und für alle Reaktionsschritte (s. Tab. 3-1, 3-2 und Abschn. 3.4).

Lösung Zum Brechen einer Bindung ist eine gewisse Energiemenge erforderlich, während bei einer Bindungsbildung Energie frei wird. AH” läßt sich aus der Differenz der Bindungsenergien berechnen: AH" = (Summe Bindungsenergien der gebrochenen Bindungen) — (Summe Bindungsenergien der geschlossenen Bindungen). Für die Bruttoreaktion ergibt sich ı Folgendes:

CHI DH°:

118

239

HER 297

He 440

HT 150

Die Lösung lautet: AH° = (239 + 297) — (440 + 150) = -— 54 kJ/mol (siehe Tabelle 3-4). Für die mechanistischen Zwischenschritte gelten die gleichen Prinzipien. Mit einer Ausnahme sind die vier geraden gezeigten DH-Werte alles, was Sie benötigen, da sie den Bindungen, die in den einzelnen Schritten des Reaktionmechanismus geschlossen oder geöffnet werden,

Wichtige Konzepte

zugeordnet werden können.

Startreaktion: AH® = DH? (CH>-I) = + 239 kJ/mol Kettenfortpflanzungsschritt (i): AH” = DH? (H-I) — DH? (CH;-H)

=

— 143 kJ/mol

Kettenfortpflanzungsschritt

(iv): AH”

=

DH?

(CH;-I)

—

DH°

(I-D) =

+89 kJ/mol

Beachten Sie, daß die Summe der AH°-Werte für die beiden Kettenfortpflanzungsschritte dem A/°-Wert der Gesamtreaktion entspricht. Dies gilt entsprechend für jede Radikalkettenreaktion. Abbruchreaktionen: AH’ = — DH? für die neu geschlossen Bindung; — 150 kJ/mol für J, —239 kJ/mol für CH3;I und —-377 kJ/mol für die C-C-

Bindung in Ethan.

Wichtige Konzepte 1 Den zur homolytischen Spaltung dung erforderlichen Enthalpiebetrag man als Bindungsdissoziationsenergie, der Homolyse einer Bindung entstehen

einer Binbezeichnet DH". Bei Radikale.

2 Die Dissoziationsenergie der C—H-Bindung nimmt in der Gruppe der Alkane in der Reihenfolge =

R

Ey Hay en

primär

ab, da die Stabilität

sekundär

von

steigt von

I, bis F, an, in derselben

Reihenfolge

nimmt die Selektivität ab. Auch mit Zunahme der Temperatur wird die Selektivität geringer.

R

| | CH3>—H > RCH,—H >R— Mr > R—C—H

Methyl (am stärksten)

5 Der erste Kettenfortpflanzungsschritt ist geschwindigkeitsund produktbestimmend. In diesem Schritt wird ein Wasserstoffatom aus der Alkankette abgespalten, wobei ein Alkylradikal und HX entstehen. Die Reaktivität der Halogene

tertiär (am schwächsten)

Alkylradikalen

in der

6 Das Hammond-Postulat sagt aus, daß schnelle, exotherme Reaktionen durch frühe UÜbergangszustände, die in ihrer Struktur den Ausgangsmaterialien ähnlich sind, charakterisiert sind. Im Gegensatz dazu haben langsame, endotherme Reaktionen späte (produktähnliche)

Übergangszustände.

Reihe R

R

| - CH3

ar F

CH3

CH3

got

(c) Me

CH3

(d) CH

2

Ca,

ey ayiggeeidlänn,

CH;z

CH, ech; an

ei

CH3 (e)

+ Br AS

16 Berechnen Sie die Produktverhältnisse bei den Reaktionen aus Übungsaufgabe 15. Benutzen Sie die Daten für die relative Reaktivität von Fund Ch bei 25°C und für Br, bei 150°C (s. Tab. 3-5).

17 Bei welchen der Reaktionen aus Aufgabe 15 entsteht das Hauptprodukt mit vernünftiger Selektivität (welche der Reaktionen sind brauchbare „synthetische Methoden“)?

18 Sagen Sie das Hauptprodukt (die Hauptprodukte) der radikalischen Bromierung der folgenden Verbindungen (angegeben ist der Trivialname) voraus. Geben Sie alle Reaktionen an, bei denen das Hauptprodukt mit vernünftiger Selektivität entsteht. Alle gezeigten Kohlenwasserstoffe leiten sich von Molekülen aus der Naturstoffklasse der Terpene ab (s. Abschn. 4.7). 122

Aufgaben

CH3

(a) 1

)-cicnn

(b)

Menthan

CH;

CH(CH3)2

Pseudoguajan

CH3

(c)

(d) (CH3),CH CH; Eudesman

Twistan

19 Ein hypothetischer alternativer Mechanismus für die Halogenierung von Methan hat die folgenden Fortpflanzungsschritte:

OH (a) Berechnen

>

HX.X

Sie mit Hilfe der tabellierten DH°- oder AH;-Werte

AH° für beide Schritte bei allen Halogenen. (b) Vergleichen

Sie

Ihre

AH°"-Werte

Mechanismus

(s. Tab.

Mechanismus

eine echte Alternative

mit: denen

3-4). Meinen

des

anerkannten

Sie, daß der hypothetische für den etablierten

darstellt?

(Hinweis: Berücksichtigen Sie die Aktivierungsenergien.) 20

Gibt man zu einer Halogenierungsreaktion bestimmte Stoffe, soge-

nannte

Radikalinhibitoren,

hinzu, kommt

die Reaktion

zum

Stillstand.

Ein Beispiel ist die Inhibierung der Methan-Chlorierung durch b. Erklären Sie, wie es dazu kommt. (Hinweis: Berechnen Sie AH" für die möglichen Reaktionen der verschiedenen Spezies, die in dem System mit L vorliegen und schätzen Sie die Reaktivität dieser Produkte im weiteren Verlauf der Reaktion ab.) 21 Stellen Sie sich vor, daß Sie ein gasförmiges Gemisch aus CH3I und HI erhitzen. Was könnte dabei entstehen? Schlagen Sie einen detaillierten Mechanismus vor und berechnen Sie AH für jeden Reaktionsschritt. (Hinweis: Beginnen Sie mit dem Bruch der schwächsten Bindung in allen Ausgangsmaterialien und untersuchen Sie die möglichen radikalischen Kettenreaktionen, die darauf folgen könnten.)

22 In Abbildung 3-10 werden die Reaktionen von Cl: mit den primären und sekundären Wasserstoffatomen im Propan verglichen. Zeichnen Sie ein ähnliches Diagramm für die Reaktion von Br: mit den primären und sekundären Wasserstoffatomen des Propans. Benutzen Sie dafür die in der Randspalte angegebenen Daten und beantworten Sie die folgenden Fragen: (a) Berechnen Sie AH” für die Abspaltung der primären und der sekundären Wasserstoffatome. (b) Welchen

Übergangszustand würden

Sie als „früh“, welchen

als

„spät“ bezeichnen? (ec) Schätzen Sie aus der Lage der Übergangszustände auf der Reaktionskoordinate ab, ob sie einen stärker oder weniger ausgeprägten radikalischen Charakter als die entsprechenden Übergangszustände der Chlorierung besitzen (s. Abb. 3-10). (d) Stimmt Ihre Antwort zu Teil e mit den Selektivitätsunterschie-

den zwischen Cl- und Br: bei der Reaktion Geben Sie eine Erklärung dafür.

mit Propan überein?

Tabelle 3-8

AH? Spezies

(kJ/mol)

cl clO

+121 +138

oO

2251

& @

0 + 142

123

3 Die Reaktionen der Alkane

23 Zwei der Fortpflanzungsschritte im ClW/O;-System verbrauchen Ozon beziehungsweise Sauerstoffatome (die für die Bildung von Ozon erforderlich sind).

AERO >C9.70, @0-2.0. 2 as, Berechnen Sie unter Benutzung der AH}-Werte in der Randspalte die AH"-Werte für jeden Fortpflanzungsschritt. Stellen Sie die Gesamtreaktionsgleichung, die sich aus der Kombination dieser Schritte ergibt, auf und berechnen Sie deren AH. Ist dieser Prozeß thermodynamisch begünstigt?

Gruppenübung 24

(a) Nennen Sie die IUPAC-Namen

aller Isomere, die Sie in Übung

2-1(a) gezeichnet haben. (b) Geben

Sie für jedes Isomer,

das Sie gezeichnet

und benannt

haben, alle isomeren Produkte einer radikalischen Monochlorierung sowie einer Monobromierung an. (ec) Diskutieren

Sie unter

Verwendung

von

Tabelle

3-5, welches

Alkan und welches Halogen als Ausgangsverbindungen sten Anzahl isomerer Produkte führen.

124

zur klein-

Cyclische Alkane

Wenn Sie von Steroiden hören oder lesen, kommen

Ihnen wahrscheinlich

zwei Dinge in den Sinn, zum einen Sportler, die illegal Steroide zum Muskelaufbau zu sich nehmen, und zum anderen die Anti-Baby-Pille. Aber was wissen Sie über diese eher oberflächliche Assoziation hinaus über Steroide? Wie sind sie aufgebaut? Wie unterscheidet sich ein Steroid von einem anderen? Wo treten sie in der Natur auf? Ein Beispiel für ein natürlich vorkommendes Steroid ist Diosgenin, das aus der mexikanischen Yamswurzel gewonnen und als Ausgangsmaterial bei der kommerziellen Synthese einiger Steroide benutzt wird. Am auffälligsten an seiner Konstitution ist die Vielzahl der Ringe in der Verbindung.

CH;

Diosgenin

Kohlenwasserstoffe, die durch Einfachbindungen aneinander gebundene, ringförmig angeordnete Kohlenstoffatome enthalten, nennt man cyclische Alkane, Carbocyclen (im Gegensatz zu Heterocyclen, s. Kap. 25) oder Cycloalkane. Die überwiegende Mehrheit der in der Natur vorkommenden organischen Verbindungen enthält Ringe im Molekül. Tatsächlich werden so viele grundlegende biologische Funktionen durch die Chemie ringförmiger Verbindungen bestimmt, daß das Leben, so wie wir es kennen, ohne diese Ringverbindungen nicht existieren könnte. In diesem Kapitel befassen wir uns mit den Namen, physikalischen Eigenschaften, strukturellen Eigenheiten und den Konformationen von Cycloalkanen. Anhand von Vertretern dieser Verbindungsklasse wiederholen und vertiefen wir einige der Prinzipien, die wir in Kapitel 2 bei den unverzweigten und verzweigten Alkanen kennengelernt haben. Wir 125

4 Cyclische Alkane

schließen das Kapitel mit der Betrachtung der biologischen Bedeutung einiger Carbocyclen und ihrer Derivate, unter ihnen einige verbreitete Geruchs- und Aromastoffe, Cholesterin und andere biologische Regulatoren.

4.1 Namen und physikalische Eigenschaften der Cycloalkane Zu Beginn wollen wir herausfinden, wie sich die Cycloalkane in ihren Namen und einfachen physikalischen Eigenschaften von ihren nicht cyclischen (auch als acyclisch bezeichneten) Analoga mit derselben Anzahl von Kohlenstoffatomen unterscheiden.

CH>

en,

IN

CH>z—-CH> Cyclopropan CH>—CH3>

ec,

Cyclobutan

rn CH>

CH» CH>

CH> Cyclohexan

Nomenklatur der Cycloalkane Mit einem Molekülbaukasten können Sie ein Modell eines Cycloalkans konstruieren, indem sie zwei endständige Wasserstoffatome aus dem Modell eines unverzweigten Alkans entfernen und zwischen den beiden terminalen radikalischen Zentren eine neue Bindung knüpfen. Alle cyclischen Alkane haben die empirische Formel C,As,. Die Nomenklatur dieser Verbindungsklasse ist ganz einfach: Dem Namen des offenkettigen Alkans mit derselben Zahl von Kohlenstoffatomen wird einfach die Vorsilbe eyeclo vorangesetzt. Drei Glieder der homologen Reihe sind, beginnend mit dem kleinsten, dem Cyclopropan, am Rand dargestellt. Dabei wurden die Moleküle einmal mit Hilfe der Kurzstrukturformel, einmal in der Strichschreibweise gezeichnet.

-) "

Übung 4-1 Bauen Sie Modelle für die Moleküle Cyclopropan bis Cyclododecan. Vergleichen Sie die Flexibilität der Konformation des Ringes innerhalb der Reihe und vergleichen Sie sie | mit der Beweglichkeit der entsprechenden offenkettigen Alkane.

Bei der Benennung eines substituierten Cycloalkans müssen die einzelnen Kohlenstoffatome im Ring nur dann numeriert werden, wenn mehr als ein Substituent an den Ring gebunden ist. Bei monosubstituierten Systemen ist das Kohlenstoffatom, an das der Substituent gebunden ist, definitionsgemäß C1. Bei mehrfach substituierten Verbindungen können die Kohlenstoffatome des Ringes prinzipiell entweder im oder gegen den Uhrzeigersinn numeriert werden. Die Numerierung sollte dann immer so erfolgen, daß die Substituenten an die Kohlenstoffatome mit möglichst niedriger Nummer gebunden sind. Sind zwei solche

Er

H

CH>—CH>

. EN CH» j

Br

Dr

SE

rg

CH>CH3

CHCH,

1-Ethyl-I-methyleyclobutan

Methyleyclopropan

Tl CH H;C—CH CH>

CH» CH CH>CH>CH3

1-Chlor-2-methyl-4-propyleyclopentan (nicht 1-Methyl-2-chlor-4-propyleyclopentan)

126

Cyclobutylcyclohexan

Numerierungsfolgen möglich, gibt die alphabetische Reihenfolge der Substituenten den Ausschlag. Radikale, die sich von den Cycloalkanen durch Abspaltung eines Wasserstoffatoms ableiten, nennt man Cyecloalkylradikale. Sind zwei Cycloalkane über eine Bindung aneinander gebunden, wird der kleinere Ring als Substituent (als Cycloalkylgruppe), der größere als Stammverbindung aufgefaßt.

4.1 Namen und physikalische Eigenschaften der Cycloalkane

Disubstituierte Cycloalkane zeigen Isomerie Betrachtet man Molekülmodelle disubstituierter Cycloalkane, bei denen sich beide Substituenten an unterschiedlichen Kohlenstoffatomen befin-

den, genauer, so erkennt man, daß es in jedem Fall zwei mögliche 1somere gibt. Bei einem Isomer liegen beide Substituenten auf derselben, beim anderen auf entgegengesetzten Seiten der Ringebene. Substituen- ten auf derselben Seite stehen cis (cis, lateinisch: diesseits), Substituenten auf entgegengesetzten Seiten frans (trans, lateinisch: jenseits) zueinander. CH3 CH3

CH3

CH3

57 oder

CH3

H

Swz

CH;

oder Daws CH3

cis-1,2-Dimethyleyclopropan

trans-1,2-Dimethyleyclopropan

ei .

(@

oder

er

cl =

Br

cl oder

Br

eis-1-Brom-3-chloreyclobutan

Bar Br

trans-1-Brom-2-chloreyclobutan

Cis- und frans-Isomere sind Stereoisomere, die sich in ihrer relativen Konfiguration unterscheiden. Dies sind Moleküle, die dieselbe Reihenfolge von Atomen und Bindungen (Konstitution) besitzen, sich aber in der räumlichen Anordnung der gebundenen Atome oder Gruppen unterscheiden. Man muß sie von den Konstitutions- oder Strukturisomeren

(s. Abschn.

1.8 u. 2.2) unterscheiden,

bei denen

die Reihenfolge

der aneinander gebundenen Atome eine andere ist. Auf der anderen Seite sind Konformationsisomere (s. Abschn. 2.5) nach obiger Definition auch Stereoisomere. Sie lassen sich jedoch im Gegensatz zu Konfigurationsisomeren wie cis-trans-Isomeren, die nur durch Aufbrechen und Neuknüpfen von Bindungen ineinander überführt werden können (versuchen Sie das mit Ihrem Modell), leicht durch Drehung um Bindungen miteinander ins Gleichgewicht bringen. Die Stereochemie wollen wir detaillierter in Kapitel 5 diskutieren. Zur Darstellung der dreidimensionalen Anordnung der Substituenten kann man wiederum Keilstrichformeln verwenden. Die Wasserstoffatome sind häufig nicht eingezeichnet. Da bei den Cycloalkanen neben > Strukturisomerie auch noch Konfigurationsisomerie auftritt, sind eine Fülle von unterschiedlichen strukturellen Anordnungen bei derselben Summenformel möglich. So gibt es beispielsweise acht isomere Brommethylcyclohexane (drei von ihnen sind im folgenden dargestellt), die sich alle in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften unterscheiden. Übung 4-2 Zeichnen Sie die Formeln geben Sie ihre Namen an.

der übrigen

fünf isomeren

Brommethylcyclohexane

und

127

BrCH3

4 Cyeclische Alkane

H;3C

jr

Br

H5C'Hvu

Rt =H

(Brommethyl)-

1-Brom-l-methyF-

cis-1-Brom-2-

eyclohexan

cyclohexan

methyleyclohexan

Die Eigenschaften der Cycloalkane unterscheiden sich von denen ihrer offenkettigen Analoga Die physikalischen Eigenschaften einiger Cycloalkane sind in Tabelle 4-1 zusammengefaßt. Bemerkenswert ist, daß die cyclischen Alkane höhere Siede- und Schmelzpunkte und größere Dichten als die entsprechenden offenkettigen Verbindungen haben (s. Tab. 2-5). Der Grund hierfür liegt in den stärkeren London-Kräften,

die in den starreren und symme-

trischeren cyclischen Systemen wirken können. Beim Vergleich der Schmelzpunkte der niederen Cycloalkane mit ungerader mit denen mit gerader Zahl von Kohlenstoffatomen fällt ein noch stärker alternierendes Verhalten als bei den offenkettigen Verbindungen auf. Dies wird Unterschieden in der Packungsdichte der Kristalle in beiden Reihen zugeschrieben. Lassen Sie uns zusammenfassen: Die Namen der Cycloalkane leiten sich von den Namen der entsprechenden offenkettigen Verbindungen ab. Ist im Molekül

ein einziger Substituent

enthalten,

bezeichnet

man

das Kohlenstoffatom, an das er gebunden ist, als C1. Bei disubstituierten Cycloalkanen können, je nach der Stellung der Substituenten, cisund frans-Isomere auftreten. Die einfachen physikalischen Eigenschaften ähneln denen der offenkettigen Aikane, nur liegen die Werte der Schmelz- und Siedepunkte sowie der Dichten bei den cyclischen Verbindungen mit gleicher Kohlenstoffzahl höher. Tabelle 4-1 Physikalische Eigenschaften einiger Cycloalkane

Cyclopropan Cyclobutan

Cyclopentan Cyclohexan Cycloheptan Cyclooctan Cyclododecan Cyclopentadecan *

Sdp. =

Smp. se

2, =190r5

12726 — 50.0

49.3 80.7 118.5 148.5 160 (13 kPa) 110 (19 Pa’)

939 6.6 —120 14.3 64 66

Dichte bei 20°C in g/mL

0.720

0.7457 0.7786 0.8098 0.8349 0.861 0.860

Sublimationspunkt.

4.2 Ringspannung und die Struktur der Cycloalkane Die für Übung 4-1 angefertigten Molekülmodelle zeigen bemerkenswerte Unterschiede zwischen Cyclopropan, Cyclobutan, Cyclopentan usw. und den entsprechenden geradkettigen Alkanen auf. Auffällig bei den Modellen der ersten beiden Verbindungen dieser Reihe ist die Schwierigkeit, den Ring zu schließen, ohne die Plastikröhrchen zu zerbrechen, die die Bindungen darstellen. Dieses Problem resultiert aus

der Ringspannung, die sich aus dem Tetraedermodell des Kohlenstoffatoms ergibt. Die C—C—C-Bindungswinkel in Cyclopropan und Cyclo128

butan weichen erheblich vom Tetraederwinkel ab. Mit zunehmender Ringgröße wird dieser Unterschied kleiner. Das Cyclohexan-Molekül läßt sich beispielsweise ohne Verdrehungen oder Spannungen zusammenbauen. Ringspannung entsteht bei den niedrigen Cycloalkanen auch durch die nahezu ekliptische (verdeckte) Konformation, in die die an den Ring gebundenen Wasserstoffatome gezwungen werden. Nimmt die Ringgröße zu, können die Wasserstoffatome gestaffelte Konformationen einnehmen. Können wir aus diesen Beobachtungen irgendetwas über die relative Stabilität der Cycloalkane entnehmen? Wie groß ist z.B. ihre Verbrennungsenthalpie, AH\%..»? Wie werden

in den kleineren

4.2 Ringspannung und die Struktur der Cycloalkane

Ringen die Ver-

drehungen am tetraedrischen Kohlenstoff ausgeglichen, die für diese Strukturen erforderlich sind? Wird die Konformation hierdurch beeinflußt? Dieser und der nächste Abschnitt sollen diese Fragen beantwor{en}

Die Verbrennungsenthalpien der Cycloalkane sind ein Hinweis auf das Vorliegen einer Ringspannung In Abschnitt 3.10 haben wir Methoden beschrieben, mit denen sich der relative Wärmeinhalt der Alkane messen läßt. So läßt sich der Wärme-

inhalt

beispielsweise

aus

der

WVerbrennungsenthalpie

(s. Tab.

3-6)

abschätzen. Aus dieser Tabelle läßt sich entnehmen, daß der Wert von AH\,.,, in der homologen Reihe der offenkettigen Alkane von Verbin-

dung zu Verbindung um etwa denselben Betrag ansteigt. Die AH Y,„-Werte nehmen in der homologen Reihe der Alkane regelmäßig zu

CH;CH3>CH; (Gas)

-2217.9

CH;CH>CH;CH;

(Gas)

-—2873.3

CH;(CH3);CH;

(Gas)

—3532.9

\ 655.4 kJ/mol } 659.6 kJ/mol

Das Inkrement für jede zusätzliche CH>-Gruppe beträgt etwa 656.3 kJ/mol. Bildet man den Mittelwert über eine große Zahl von Alkanen, läßt sich der Wert auf 657.9 kJ/mol verbessern. Was sagt uns das über die Cycloalkane? Da Cycloalkane die empirische Formel (CH,), haben, sollte ihre Verbrennungsenthalpie näherungsweise n X —657.9 kJ/mol betragen. Vergleicht man diese Werte aber mit den tatsächlich gemessenen (Tab. 4-2, Spalte 2), stellt man fest, daß die gemessenen Werte größer sind. So sollte AH \,.., von CycloTabelle 4:2 Berechnete und experimentell bestimmte Verbrennungsenthalpien einiger Cycloalkane

Ringgröße

AHN,.,, (berechnet)

AMY, (gemessen)

gesamte Ring-

Spannung pro

(&)

kJ/mol

kJ/mol

spannung in kJ/mol

CH3-Gruppe in kJ/mol

3

—1973.8

—2089.2

115.4

38.5

4

—y68487

.

—2741.7

110.0

DS

5

—3289.6

—3316.8

DI

6 7 8 9) 10

—3947.5 —4605.5 —5263.4 5921 —6579.2

—3948.0 —4632.3 —52053 ZEN) —6629.5

0.5 26.8 41.9 54.0 50.3

=() 3.8 3.2 6.0 5.0

11

PN

—7281.6

44.5

4.0

12 14

—7895.0 —9210.8

79052) 9208

10.2 0.0

0.8 0.0

5.4

Die berechneten Zahlen ergeben sich aus dem Wert —657.9 kJ/mol pro CH>,-Gruppe

129

4 Cyclische Alkane

propan

etwa

—-1973.8 kJ/mol betragen, experimentell findet man

aber

—2089.2 kJ/mol. Der Unterschied

zwischen dem erwarteten und dem beobachteten Wert beträgt 115.4 kJ/mol und kommt aufgrund einer Eigenschaft des Cyclopropans, die Sie schon beim Zusammenbauen des Modells bemerkt haben, zustande: der Ringspannung. Die Spannung pro CH>Gruppe beträgt in dieser Verbindung 38.5 kJ/mol. Eine ähnliche Rechnung für Cyclobutan (s. Tab. 4-2) ergibt eine Ringspannung von 110.0 kJ/mol, 27.5 kJ/mol für jede CH,-Gruppe. Beim Cyclopentan ist dieser Effekt weitaus schwächer, die gesamte Ringspannung beträgt nur 27.2 kJ/mol, der Cyclohexanring ist fast spannungsfrei. Bei den darauffolgenden Homologen treten jedoch wieder beträchtliche Spannungen auf. Nur die sehr großen Ringe haben spannungsfreie Strukturen. Aufgrund dieser Beobachtungen haben die organischen Chemiker die Cycloalkane grob in vier Gruppen eingeteilt: kleine Ringe (Cyclopropan, Cyclobutan) normale Ringe (Cyclopentan, Cyclohexan, Cycloheptan) mittlere Ringe (acht bis zwölf Ringglieder) PUOVDrDeH große Ringe (dreizehn und mehr Ringglieder) Aufgrund welcher Faktoren kommt nun die Spannung in einem Ring zustande? Diese Faktoren sind: (1) die Winkelspannung, die Energie, die zur Veränderung der Tetraederwinkel für den Ringschluß erforderlich ist; (2) die ekliptische Spannung, die sich aus der ekliptischen Stellung von Wasserstoffatomen ergibt; (3) gauche-Wechselwirkungen, wie im Butan (s. Abschn. 2.5); und (4) die transannulare Spannung, die durch gegenseitige sterische Hinderung von Wasserstoffatomen, die auf entgegengesetzten Seiten des Ringes gebunden sind, entsteht (trans,

R 115°

HH

lateinisch: jenseits; anulus, lateinisch: Ring).

4 y2

IL = Se Re: «

Spannung prägt die Strukturen und Konformationen der kleineren Cycloalkane

>

H

H

ee 2

Die Struktur des kleinsten Cycloalkans, Cyclopropan, ist in Abbildung 4-1 gezeigt. Cyclopropan besitzt die Gestalt eines ebenen gleichseitigen

Dreiecks, die C-C—C-Winkel betragen daher 60°, was eine beträchtli-

Abb. 4-1 Cyclopropan:

che

(A) Molekülmodell; (B) Bindungslängen und -winkel.

stehen alle Wasserstoffatome eclipsed zueinander. Wie aus Tabelle 4-2 ersichtlich, ergibt sich hieraus eine Bildungsenthalpie, die weitaus positi-

Abweichung

vom

Tetraederwinkel

bedeutet

(109.5°).

Außerdem

Winkel zwischen den Orbitalen

Abb. 4-2 Darstellung der Molekülorbitale (A) des TrimethylenDiradikals und (B) der gebogenen Bindungen im Cyclopropan. Es sind nur die Hybridorbitale, die an der Ausbildung von C—C-Bindungen beteiligt sind, eingezeichnet.

Beachten Sie den Winkel von 104° zwischen den Orbitalen des Cyclo-

propans.

130

ver als die der anderen Cycloalkane ist. Anders gesagt, Cyclopropan ist weitaus instabiler, als man es für ein Molekül mit drei Methylengruppen erwarten sollte. Wie ist es überhaupt möglich, daß zwischen drei vermutlich tetraedrischen Kohlenstoffatomen eine derart verformte Bindung aufrechterhalten werden kann? Das Problem ist vielleicht am besten in Abb. 4-2 dargestellt, in der die Bindung im spannungsfreien „offenen Cyclopropan“, dem Trimethylen-Diradikal, CH-CH;CH;, mit der in der geschlossenen Form verglichen wird. Sie können daraus erkennen, daß die beiden Enden des Trimethylen-Diradikals nicht weit genug „reichen“, als daß es ohne „Verbiegen“ der beiden bereits vorhandenen Bindungen zum Ringschluß kommt. Sind jedoch alle drei C—C-Bindungen gebogen (Orbitalwinkel 104°, s. Abb. 4-2B), ist die Überlappung groß genug, um zu einer Bindung zu führen. Eine Folge dieser Bindungsstruktur ist, daß die C—C-Bindungen im Cyclopropan relativ schwach sind. Die zum Öffnen des Rings benötigte Energie beträgt 272 kJ/mol. Dieser Wert ist aufgrund der Aufhebung der Ringspannung sehr klein (es sei daran erinnert, daß die Dissoziationsenergie der C—C-Bindung im Ethan 377 kJ/mol beträgt). Aus diesem Grund geht Cyclopropan einige ungewöhnliche Reaktionen ein. So lagert es sich z.B. beim Erhitzen in Propen um und reagiert mit Wasserstoff in Gegenwart eines Palladiumkatalysators zu Propan:

:

NICH,

CHCH,

AHV

4.2 Ringspannung und die Struktur der Cycloalkane

2233. 1 kKl/mol

Propen

oe

rer eiyaundE GEBeH;CcH,

PUAHN=I157A1k)/mel

Propan Übung 4-3 N trans-1,2-Dimethyleyclopropan ist stabiler als cis-1,2-Dimethylcyclopropan. Warum? "ı Erklären Sie ihre Antwort anhand einer Zeichnung. Bei der Verbrennung welches Iso| mers wird mehr Wärme frei?

Die Struktur von nicht eben, sondern

Cyclobutan

(s. Abb.

4-3) zeigt, daß das Molekül

gefaltet ist: Der eine Teil des Moleküls

ist um

26°

aus der Ebene gedreht. Die nichtplanare Struktur des Ringes ist jedoch nicht sehr starr. Das Molekül klappt schnell von einer gefalteten Konformation in die andere.

En

H

H

DSH

N schnelles Umklappen

H Im Molekülmodell

rings aus der Ebene

H wird deutlich, warum

H

das Herausdrehen

begünstigt ist: Die Spannung,

ekliptisch stehenden Wasserstoffatome

H

des Vier-

die durch die acht

entsteht, wird hierdurch teilweise

verringert. Außerdem hat das Molekül eine beträchtlich geringere Win-

um 26° aus der

Ebene gefaltet

H

110.9 pm

Abb. 4-3 Cyclobutan: (A) Molekülmodell; (B) Bindungslängen und -winkel.

131

4 Cyeclische Alkane

Abb. 4-4 Cyclopentan: (A) Molekülmodell;

(B) Bindungslängen und -winkel.

A

B

kelspannung als Cyclopropan, obwohl eine maximale Überlappung wiederum nur über gebogene Bindungen zu erreichen ist. Die Dissoziationsenergie der C—C-Bindung ist im Cyclobutan ebenfalls niedrig (etwa 264 kJ/mol), da mit der Ringöffnung eine Aufhebung der Spannung und die Ausbildung von neuen Bindungen mit größerer Überlappung verbunden ist. Cyclobutan ist weniger reaktiv als Cyclopropan, geht aber ähnliche Ringöffnungsreaktionen ein. ®

500 °C

2 CH>z=CH3> Ethen

ne

a

H,

Pd-Katalysator

CH3CH>CH>CH3

Butan

Man könnte erwarten, daß Cyclopentan eben gebaut ist, da die Winkel in einem regelmäßigen Fünfeck 108° betragen, also nahezu dem Tetraederwinkel entsprechen. Eine solche planare Anordnung wäre jedoch mit zehn ungünstigen ekliptischen H—H-Wechselwirkungen verbunden.

Dies wird, wie aus Abbildung 4-4 ersichtlich, durch Falten des

Ringes umgangen. Das Falten verringert zwar die ekliptischen Wechselwirkungen, vergrößert aber die Winkelspannung. Die Konformation mit der geringsten Energie ist ein Kompromiß, in dem die Energie des Systems minimiert ist. Das Cyclopentanmolekül kann zwei gefaltete Strukturen einnehmen, die „envelope“-(Briefumschlag) und die

A-I-=

„Halbsessel“konformation.

Briefumschlag

Halbsessel

Der Energieunterschied zwischen beiden Konformationen ist gering und die Aktivierungsenergie der Umlagerung klein. Insgesamt ist das Cyclopentanmolekül relativ wenig gespannt, und es läßt sich weder durch einfaches Erhitzen zerstören noch zu Pentan hydrieren.

4.3 Cyclohexan, ein spannungsfreies Cycloalkan Der Cyclohexanring ist eine der am häufigsten vorkommenden und wichtigsten Struktureinheiten in der organischen Chemie. Substituierte Cyclohexanderivate finden sich in vielen Naturprodukten (s. Abschn. 4.7), und ein Verständnis der konformellen Beweglichkeit des Cyclohexanrings ist sehr wichtig für die organische Chemie. Tabelle 4-2 zeigt, daß Cyclohexan deshalb ungewöhnlich ist, weil es fast frei von Winkelund ekliptischer Spannung ist. Warum?

132

Die Sesselkonformation des Cyclohexans ist nahezu spannungsfrei

4.3 Cyclohexan, ein spannungsfreies Cycloalkan

Ein hypothetisches, ebenes Cyclohexan enthielte zwölf ekliptische H—H-Wechselwirkungen und eine sechsfache Winkelspannung. Die Spannung würde sich daraus ergeben, daß ein regelmäßiges Sechseck 120 °-Bindungswinkel erfordern würde. Es gibt jedoch eine nahezu spannungsfreie Konformation des Cyclohexan, die sich dadurch ergibt, daß man die Kohlenstoffatome 1 und 4 in entgegengesetzter Richtung aus der Ebene bewegt (s. Abb. 4-5). Diese Struktur bezeichnet man als Sesselkonformation des Cyclohexans (sie hat gewisse Ähnlichkeit mit einem Sessel). In dieser Konformation stehen alle Wasserstoffatome gestaffelt und alle Bindungswinkel sind nahezu tetraedrisch. Wie aus Tabelle 4-2 ersichtlich, entspricht der berechnete Wert von AH \,..» (-3954.0 kJ/mol) für ein spannungsfreies Cyclohexan fast dem experimentell bestimmten (-3954.4 kJ/mol).

ebenes Cyclohexan

Sessel-Cyclohexan

(Bindungswinkel 120°C, 12 ekliptische Wasserstoffatome)

(nahezu tetraedrische Bindungswinkel; keine ekliptischen Wasserstoffatome)

Abb. 4-5 A. Überführung des hypothetischen ebenen Cyclohexans in die Sesselkonformation; B. Bindungslängen und -winkel; C. Molekülmodell.

Um die im weiteren gemachten Aussagen besser nachprüfen zu können, nehmen Sie am besten ein Molekülmodell des Cyclohexans zu Hilfe. Wenn Sie das Modell entlang irgendeiner beliebigen C—C-Bindung betrachten, sehen Sie, daß alle Substituenten gestaffelt angeordnet sind. Dies läßt sich auch aus der Newman-Projektion entnehmen (Abb. 4-6). Aufgrund der fehlenden Spannung ist Cyclohexan so inert wie ein normales Alkan. Übung 4-4

In Abbildung 2-12 ist der Energieunterschied zwischen gauche- und verdecktem Butan angegeben. Berechnen Sie die Energiedifferenz zwischen der ebenen und der Sesselkonformätion

von

Cyclohexan

unter

der Annahme,

daß für eine verdeckte

Stellung der

C—C-Bindungen im Cyclohexan ein ähnlicher Energiebetrag erforderlich ist (vernachlässigen Sie die Winkelspannung).

Übung 4-5 Zeichnen Sie Newman-Projektionen der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen im Cyclopropan, Cyclobutan und Cyclopentan in deren stabilsten Konformationen. Nehmen Sie Ihr Modell aus Übung 4-1 zur Hilfe und betrachten Sie Abbildung 4-6. Wie groß sind bei allen drei Ringen in etwa die Torsionswinkel zwischen den C—H-Bindungen?

Tabelle 4-2 können wir entnehmen, daß Cyclohexan nicht völlig spannungsfrei ist, sondern etwa 0.4 kJ/mol Spannung im Ring verbleibt. Wie kommt sie zustande? Die Antwort findet man am leichtesten, wenn man

die Newman-Projektion der Sesselkonformation des Cyclohexans in Abbildung 4-6 betrachtet: Alle Methylengruppen sind als gauche-Substituenten der benachbarten C—C-Bindung anzusehen. Ein anti-Konformer ist in einem Sechsring nicht möglich.

gauche-Wechselwirkung

Abb. 4-6 Newman-Projektion entlang einer der C—C-Bindungen in der Sesselkonformation von Cyclohexan. Beachten Sie die gestaffelte Anordnung aller Substituenten und die gauche- Methylengruppen.

133

Cyclohexan kann auch weniger stabile Konformationen einnehmen

4 Cyclische Alkane

Es gibt noch weitere, weniger stabile Konformationen des Cyclohexans, deren Energieunterschied zur Sesselform allerdings nicht allzu groß ist. Eine von ihnen ist die Wannenform oder Bootform, in der die Kohlenstoffatome 1 und 4 in derselben Richtung aus der Ebene ragen (s. Abb. 4-7). Sie ist um 27.2 kJ/mol energiereicher als die Sesselform. Dies ergibt sich aus der ekliptischen Stellung von acht Wasserstoffatomen und der sterischen Hinderung zweier nach innen stehender Wasserstoffatome in der Wannenkonformation. Der Abstand zwischen beiden Wasserstoffatomen beträgt nur 183 pm und ist damit klein genug, um eine Abstoßungsenergie von etwa 12.6 kJ/mol zu bewirken. Dieser Effekt ist ein Beispiel für transannulare Spannung. Sterische Abstoßung

ekliptische Stellung

ebenes Cvclohexan

Wannen-Cvelohexan

Abb. 4-7 Überführung des hypothetischen, ebenen Cyclohexans in die Wannenform. Beachten Sie die nichtbindende Wechselwirkung zwischen den inneren Wasserstoffatomen an C1 und C4 und die verdeckte

Twistform

| H

H

H

H

Abb. 4-8 Überführung der Wannenform des Cyclohexans in eine Twistform.

Abb. 4-9 Änderung der potentiellen Energie des Cyclohexans in Abhängigkeit von der Konformation. Die Sesselkonformation ist die stabilste; die beiden Twistformen, die um 20.9 kJ/mol energiereicher sind, können jedoch leicht erreicht werden. Die Twistformen wandeln sich leicht über einen Wannen-Übergangszustand ineinander um.

134

Stellung der Wasserstoffe

an den Kohlenstoffatomen

C2, C3, C5

und C6.

Die Wannenform des Cyclohexans ist recht beweglich. Verdrillt man eine der C—C-Bindungen des Ringes relativ zu der benachbarten, stabilisiert sich die Konformation etwas, weil die sterische Abstoßung zwischen den inneren Wasserstoffatomen vermindert wird. Diese neue Konformation bezeichnet man als Twistform oder verdrehte Form (s. Abb. 4-8), sie ist um etwa 6.3 kJ/mol stabiler als die Wannenform. Wie nebenstehend gezeigt, gibt es zwei Twistformen, die sich leicht ineinander überführen lassen. Der Übergangszustand zwischen beiden ist die Wannenform (prüfen Sie das anhand Ihres Modells nach). Die Wannen-

Twistformen 20.9 kJ/mol

ER;

Sessel

Reaktionskoordinate der Konformationsänderung

form stellt also kein isolierbares Konformer, sondern einen höherenergetischen Übergangszustand dar. Die Twistform liegt in sehr geringen Mengen vor, die Sesselform ist das Hauptkonformer (s. Abb. 4-9), das von der Twistform durch eine Energiebarriere von 45.2 kJ/mol getrennt ist. Wie wir im folgenden sehen, gibt es auch zwei miteinander im Gleichgewicht stehende Sesselkonformere des Cyclohexans.

4.3 Cyclohexan, ein spannungsfreies Cycloalkan

Cyclohexan hat axiale und äquatoriale Wasserstoffatome Wenn Sie die Sesselkonformation des Cyclohexans betrachten, sehen Sie, daß es im Molekül zwei unterschiedliche Typen von Wasserstoffatomen gibt. Sechs Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen stehen parallel zu der Drehachse des Molekül (s. Abb. 4-10), man bezeichnet sie als axial,

die anderen

sechs

stehen

etwa

senkrecht

zu

dieser

Achse,

die

äquatorialen“ Wasserstoffatome. Molekülachse SE

axiale Positionen

a

i äquatoriale

axiale (a) und äquatoriale (e)

Positionen

Positionen

Abb. 4-10 Axiale und äquatoriale Positionen in der Sesselkonforma-

tion des Cyclohexans.

Als Äquatorebene ist eine Ebene definiert, die senkrecht auf der Rotationsachse eines sich drehenden Körpers steht und von beiden Polen gleichweit entfernt ist, wie der Äquator der Erde. Die äquatorialen H-Atome des Cyclohexans stehen dementsprechend

in der Äquatorebene.

| Kasten 4-1

Regeln zum Zeichnen von Sesselkonformationen des Cyclohexans Das Zeichnen von richtigen Sesselkonformationen ist eine große Hilfe beim Verständnis der Chemie von Sechsringen. Dazu können folgende Regeln dienen: 1

Zeichnen

Sie den

Sessel

so, daß

C2 und

C3

3 Zeichnen Sie die beiden äquatorialen Bindungen an Cl und C4 in einem kleinen Winkel zur Horizontalen. Die Bindung an Cl zeigt nach oben, die an C4 zeigt nach unten. Beide sind parallel zu der Bindung zwischen C2 und C3 (bzw. C5 und C6). parallel

rechts von C5 und C6 stehen. Die Spitze an C1 zeigt nach links unten, die Spitze an C4 nach rechts oben. parallel EN

2 1

2

4

parallel

a

Zeichnen Sie alle axialen Bindungen als senk-

“ rechte Linien, die an Cl, C3 und C5 nach unten, an C2, C4 und C6 nach oben weisen.

4 die C5 an

Diese Regel ist die schwierigste: Zeichen Sie fehlenden äquatorialen Bindungen an C2, C3, und C6. Die Bindungen an C2 und C5 sowie C3 und C6 müssen parallel zueinander stehen. arallel

5

5

8

en

2

parallel 1 57

?

en parallel

3

135

4 Cyclische Alkane

Beim Umklappen der Konformation werden aus axialen Wasserstoffatomen äquatoriale und umgekehrt Cyclohexan

ist kein starres Gebilde.

die andere über, wodurch

Eine Sesselkonformation

geht in

axiale und äquatoriale Wasserstoffatome

ihre

Positionen tauschen, d.h. daß beim Umklappen des Ringes alle axialen Wasserstoffatome zu äquatorialen und umgekehrt (s. Abb. 4-11) werden. Die Aktivierungsenergie für diesen Prozeß beträgt 45.2 kJ/mol. Wie

Abb. 4-11 Umklappen des Sessels beim Cyclohexan. Bei dem Vorgang, der bei Raumtemperatur schnell ist, bewegt sich ein Ende des Moleküls (grün) nach oben, während sein Gegenstück am anderen Ende (auch grün) sich nach unten bewegt. Alle Gruppen in ursprünglich axialer Position (rot in der linken Formel) werden äquatorial und die ursprünglich äquatorialen (blau) werden axial.

wir bereits

in Abschnitt

2.5 bis 2.7 festgestellt

haben,

ist dieser

Wert klein genug, daß sich die beiden Sesselformen bei Raumtemperatur außerordentlich schnell ineinander umlagern (etwa 100000 mal pro Sekunde). Um die Abschnitte 4.2 und 4.3 noch einmal zusammenzufassen: Bei den Cycloalkanen ergibt sich der Unterschied zwischen berechneter und gemessener Bildungsenthalpie aus der Winkel-, der ekliptischen, der gauche- und der transannularen Spannung. Aufgrund der starken Ringspannung sind die Cycloalkane mit kleinen Ringen chemisch reaktiv und gehen leicht Ringöffnungsreaktionen ein. Cyclohexan ist, von gauche-Wechselwirkungen abgesehen, nahezu spannungsfrei. Die Cyclohexan-Konformation mit der niedrigsten Energie ist die Sesselkonformation, daneben gibt es noch einige höherenergetische Konformationen, insbesondere die Wannen- und die Twistformen. Das Umklappen von einer Sesselform in die andere geschieht bei Raumtemperatur sehr rasch. Bei diesem Prozeß tauschen äquatoriale und axiale Wasserstoffatome ihre Positionen.

E, = 45.2 kJ/mol STITITITTT—

4.4 Substituierte Cyclohexane Wir wollen nun unsere Kenntnis der Konformationsanalyse auf die substituierten Cyclohexane anwenden. Beginnen wir mit dem einfachsten Alkylcyclohexan, Methylcyclohexan.

Axiale und äquatoriale Methylcyclohexane haben nicht denselben Energieinhalt In Methylcyclohexan kann die Methylgruppe entweder eine äquatoriale oder eine axiale Position einnehmen: H

H

1,3-diaxiale Wechselwirkungen weniger stabil

stabiler

Verhältnis 95:5

136

H

H

4.4

anti-Konformation

H

H

gauche-Konformation

Substituierte

Cyclohexane

H

Y äquatorial

Yaxial

BE

Y;

; X EN L j Abb. 4-12 Newman-Projektionen

H

CH3=:

H

H

H Y anti

H

CH>

H

H

H Y gauche

eines substituierten Cyclohexans.

Die Konformation mit axialem Y ist wegen der 1,3-diaxialen

Wechselwirkung weniger stabil.

Sind beide Formen äquivalent? Offensichtlich nicht. Beim äquatorialen Konformer ragt die Methylgruppe in den Raumbereich, in dem sich keine anderen Teile des Moleküls befinden, während im axialen Konformer der Methylsubstituent gauche zu zwei C—C-Bindungen und sehr nahe bei zwei axialen Wasserstoffatomen auf derselben Seite des Ringes steht. Der Abstand zu diesen Wasserstoffatomen ist klein genug (etwa 270 pm), um sterische Abstoßungen zu erzeugen, ein weiteres Beispiel für transannulare Spannung. Da dieser Effekt durch axiale Substituenten an Kohlenstoffatomen, die eine 1,3-Beziehung zueinander haben (in der Zeichnung

1,3 und 1,3’), zustande kommt,

bezeichnet man ihn als 1,3-

diaxiale Wechselwirkung. Beide Sesselformen von Methylcyclohexan stehen miteinander im Gleichgewicht. Das äquatoriale Konformer ist um 7.1 kJ/mol stabiler und ist bei 25°C im Verhältnis 95:5 begünstigt. Mit Hilfe der Gleichung AG’ = -RTIn K(T = 298.15 K, K = 5/95) erhalten wir für den Unterschied der freien Standardenthalpie zwischen beiden Konformeren: AG” = 7.1 kJ/mol. Die Aktivierungsenergie für das Umklappen des Sessels ist von ähnlicher Größe wie die beim Cyclohexan selbst (etwa 46 kJ/mol), das Konformerengleichgewicht stellt sich bei Raumtemperatur rasch ein. Die ungünstigen gauche- und 1,3-diaxialen Wechselwirkungen bei axialer Substitution sind leicht aus der Newman-Projektion der C—CBindung des Ringes, an der sich der Substituent befindet, zu erkennen.

Im Gegensatz dazu steht der Substituent im äquatorialen Konformer anti zu C3 und C5 (s. Abb. 4-12) und entfernt von den axialen Wasserstoffatomen. Übung 4-6 "" Berechnen Sie X für das Gleichgewicht zwischen äquatorialem und axialem MethyleyIn clohexan bei 298 K aus dem AG°-Wert von 7.1 kJ/mol. (Hilfe: Wenn In X = x, dann BistK= e*.) Wie gut stimmt Ihr Wert mit dem hier angegebenen Konformerenverhältnis

E von 95:5 überein?

:

Die Differenz der freien Enthalpie, AG°, zwischen

dem

axialen und

dem äquatorialen Isomer ist bei vielen monosubstituierten Cyclohexanen gemessen worden, einige der Werte sind in Tabelle 4-3 angegeben. In vielen Fällen (aber nicht in allen) nimmt der Energieunterschied zwischen beiden Formen mit der Größe des Substituenten zu. Dies ist eine direkte Folge der zunehmenden gauche- und 1,3-diaxialen Wechselwirkung, die besonders ausgeprägt im (1,1-Dimethylethyl)cyclohexan (tertButylcyclohexan) ist. Der Energieunterschied ist hier so groß (etwa 21 kJ/mol), daß nur ein geringer Anteil (ca. 0.01%) des axialen Isomers in Lösung vorliegt. Der tert-Butyl-Substituent fixiert die Konformation.

137

4 Cyclische Alkane

Tabelle 4-3 Unterschiede in der freien Enthalpie zwischen axialen und äquatorialen Konformeren des Cyclohexans (bei allen Beispielen ist die äquatoriale Form stabiler)

Substituent

AG°

Substutuent

AG®

kJ/mol -H

kJ/mol

0

F

1.05

CH,CH, (CH,),CH

Te,

7.33 9.21

Cl

2.18

(CH;);C

=21

HO

3.94

5.90

CH;O

3.14

5.40

H;N

5.86

CH;

Br I

2.30 1.93

(©)

| HOZ@ (0)

CH,O—C

I

Die Sesselkonformation mit einer größeren Anzahl äquatorialer Gruppen ist normalerweise stabiler Um vorhersagen zu können, welches das stabilere Konformer eines höhersubstituierten Cyclohexanderivats ist, müssen wir den kumulativen Effekt unterschiedlicher Substituenten in axialer oder äquatorialer Position berücksichtigen. Bei disubstituierten Cyclohexanen ist allgemein die Konformation mit der größten Zahl von äquatorialen Substituenten die bevorzugte. Lassen Sie uns einige einfache Beispiele betrachten. Es gibt verschiedene isomere Dimethylcyclohexane. Im 1,1-Dimethylcyclohexan steht immer eine Methylgruppe äquatorial, die andere axial. Beide Sesselformen sind identisch, daher ist AG” für das Umklappen der Konformation null.

CH; CH

ana

AG° = 0 kJ/mol CH; Ha

eine CH;-Gruppe axial,

eine CH;-Gruppe

eine äquatorial

axial, eine äquatorial

Bei den 1,2-, 1,3- und 1,4-Dimethylcyclohexanen gibt es cis- und trans-Isomere mit unterschiedlicher Konformation. So liegt im cis-1,4Dimethylcyclohexan in beiden Sesselformen ein axialer und ein äquatorialer Substituent vor, beide besitzen dieselbe Energie. = 0 kJ/mol

Die Bindungen zu beiden Methylgruppen zeigen nach unten, sie sind cis-ständig.

Wr

ig

ein Substituent axial, einer äquatorial

ein Substituent axial, einer äquatorial

Das trans-Isomer kann hingegen in zwei unterschiedlichen Sesselkonformationen, einer mit zwei axialen (diaxial) und einer mit zwei äquatorialen (diäquatorial) Methylgruppen vorliegen. Bei

der

Spannung

diaxialen

bei beiden

Anordnung

ist die gauche-

Substituenten

etwa

und

die

1,3-diaxiale

gleich groß. Sie sind daher

etwa zweimal so stark (AG” = +14.2 kJ/mol) wie das axiale Monome138

H

CH3z CH3

AG® = +14.2 kJ/mol

H

Die Bindung zu der einen Methylgruppe zeigt nach oben, die zu der anderen nach unten.

Beide Methylgruppen stehen

H;C

H ps

E

DR

trans zueinander, unabhängig von der Konformation.

CH33

diäquatoriale Methylgruppen

diaxiale Methylgruppen

stabiler

weniger stabil: + 14.2 kJ/mol

trans-1,4-Dimethylcyclohexan

thyleyclohexan im Vergleich zum stabileren Konformer destabilisiert. Hieraus läßt sich schließen, daß sich die Substituenteneffekte aus Tabelle 4-3 in etwa additiv verhalten und daß man sie zur Berechnung der AG"-Werte von Sessel-Sessel-Gleichgewichten bei einer Reihe von substituierten Cyclohexanen benutzen kann. Beispielsweise beträgt AG” (diaxial — diäquatorial) für trans-1-Fluor4-methylcyclohexan —8.19 kJ/mol [ — ( 7.14 kJ/mol für CH; +1.05 kJ/ mol für F)]. Demgegenüber konkurrieren die beiden Substituenten im cis-L-Fluor-2-methylcyclohexan um die äquatoriale Position, AG” beträgt hier —6.09 kJ/mol [| — (7.14 kJ/mol — 1.05 kJ/mol), so daß die größere Methylgruppe und nicht der kleinere Fluorsubstituent bevorzugt äquatorial angeordnet ist. CH;

F

AG? = — 6.09 kJ/mol

H —=

FE

CH; H

große Gruppe axial,

kleine Gruppe axial,

kleine Gruppe äquatorial, große Gruppe äquatorial, weniger stabil stabiler cis-1-Fluor-4-methylcyclohexan

Übung 4-7 Berechnen Sie AG für das Gleichgewicht zwischen den beiden Sesselkonformeren von: (a) 1-Ethyl-1-methyleyclohexan; (b) cis-1-Ethyl-4-methyleyclohexan; (c) trans-1-Ethyl-4methylcyclohexan.

Übung 4-8 Welche der vier Wannenkonformationen | warum?

von

Methylcyclohexan

ist die stabilste und

IN Übung 4-9 \ Zeichnen Sie beide Sesselkonformationen für die folgenden Verbindungen: (a) cis-1,2Dimethylcyclohexan; (b) trans-1,2-Dimethyleyclohexan; (c) cis-1,3-Dimethylcyclohexan; (d) trans-1,3-Dimethylceyclohexan. Welche von diesen haben gleichviele axiale und äqua\ toriale Substituenten? Welche liegen als Gleichgewichtsgemische diaxialer und diäquato-

| rialer Formen vor?

Beim trans-1,2-Dimethylcyclohexan ist das diäquatoriale Konformer um etwa 8.4 kJ/mol stabiler als das diaxiale (s. Abb. 4-13). Vielleicht 1,3-diaxiale en.

H >

a>

gauche-

H

n

H

|

CH

H

Abb. 4-13 Konformere

RN

B

RE

cH> Wechselwirkung

=

ı

N

zn

ECH;

H) 1,3-diaxiale

Wechselwirkungen

H

Wechsel-

wirkungen

des tran: S-

1,2-Dimethyleyclohexans. Die Newman-Projektion zeigt eine gauche-Wechselwirkung zwischen den beiden Methylgruppen im diäquatorialen Isomer, im diaxialen Isomer treten die erwarteten

gauche- und 1,3-diaxialen Wechselwirkungen auf (insgesamt vier,

die nicht alle eingezeichnet sind).

139

4 Cyclische Alkane

haben Sie erwartet, daß der Unterschied etwas größer ist, wenn man berücksichtigt, daß das äquatoriale Isomer im Monomethylcyclohexan um 7.1 kJ/mol stabiler als das axiale ist. Mit zwei Methylgruppen im Molekül sollte sich der Unterschied in etwa verdoppelt haben. Der Hauptgrund für diese Abweichung vom erwarteten Wert liegt darin, daß das diäquatoriale Konformer eine zusätzliche Methyl-Methylgauche-Wechselwirkung enthält (s. Abb. 4-13), wodurch dessen Grundzustand im Verhältnis zur diaxialen Form angehoben wird.

H RS

H

AG? = + 8.4 kJ/mol

CH3

en

diäquatorial

CH;

se

diaxial trans-1,2-Dimethylcyclohexan

Bei den cis-1,2-disubstituierten Cyclohexanen steht immer ein Substituent axial, der andere äquatorial. Das Überwiegen des einen Konformers über das andere hängt dann davon ab, mit welcher Wahrscheinlichkeit jeder Substituent eine äquatoriale oder axiale Stellung einnimmt. So zwingt beispielsweise die 1,1-Dimethylethyl-(fert-Butyl)-Gruppe im cis-1-(1,1-Dimethylethyl)-2-methylcyclohexan aufgrund ihrer Größe die Methylgruppe in die axiale Position. N

CH3 cCH;3

CH3

u

CH

3

dx ch, H CH

CH 3 H das Gleichgewicht liegt auf der rechten Seite

Wenn

Sie so nacheinander

alle 1,2-, 1,3- und 1,4-Isomere in cis- und

trans-Konfiguration untersuchen, erkennen Sie zwei allgemeine Gesetzmäßigkeiten: (1) bei den cis-1,2-, trans-1,3- und cis-1,4-disubstituierten Cyclohexanen

nimmt

immer

ein Substituent

die axiale, der andere

die

äquatoriale Position ein. (2) Die trans-1,2-, cis-1,3- und frans-1,4-disubstituierten Cyclohexane liegen als miteinander im Gleichgewicht stehende Paare von diaxialen und diäquatorialen Konformeren vor. Fassen wir zusammen: Mit Hilfe der Konformationsanalyse von Cyclohexan ist es uns möglich, die relative Stabilität seiner verschiedenen Konformere vorauszusagen und sogar die Energiedifferenzen zwischen zwei Sesselkonformationen zu berechnen. Sperrige Substituenten, insbesondere eine 1,1-Dimethylethylgruppe, neigen dazu, das SesselSessel-Gleichgewicht auf der Seite zu fixieren, in der sie selbst eine äquatoriale Stellung einnehmen. Gelten ähnliche Beziehungen auch für die größeren Cycloalkane?

4.5 Höhere Cycloalkane Aus Tabelle 4-2 ist ersichtlich, daß die Spannung in größeren Ringen als dem Cyclohexan wieder zunimmt. Diese Spannung ergibt sich aus einer Kombination von Winkelspannung, ekliptischer Stellung von Wasserstoffatomen, gauche-Wechselwirkungen und Abstoßung von H-Atomen 140

an gegenüberliegenden Seiten des Ringes. Die einzelnen Moleküle nehmen dann Konformationen an, in denen diese Spannung, so gut es geht, minimiert wird. Dies ergibt häufig mehrere geometrische Anordnungen von sehr ähnlicher Energie. Die folgenden Diskussionen lassen sich am besten mit Hilfe von Molekülmodellen nachvollziehen. Cycloheptan kann man sich als ein Cyclohexan in der Sesselform vorstellen, in dem eine Spitze um eine CH>-Gruppe erweitert ist (s. Abb. 4-14). Dies ist jedoch nicht die stabilste

Konformation,

da die Wasser-

stoffatome an C4 und C5 vollständig verdeckt stehen. Durch eine leichte Verdrehung um diese C—C-Bindung entsteht eine günstigere Anord-

Sessel-Cycloheptan

nung, „Twist-Cycloheptan“.

Cyclooctan liegt überwiegend in einer Wannen-Sessel-Konformation, in geringerem Maße in der Kronenform (die Struktur ähnelt einer Krone) vor:

Twist-Cycloheptan

Sessel

Wannen-Sessel-Form

Kronenform

Abb. 4-14 Zwei Konformationen

Der Cyclodecanring ist groß genug, um einige anti-Konformationen zu ermöglichen. Trotzdem ist das Molekül, teilweise aufgrund von transannularen Wechselwirkungen zwischen Wasserstoffatomen, nicht spannungsfrei.

transannulare Wechselwirkungen

© |

des Cycloheptans. Die obere leitet sich vom Sessel-Cyclohexan durch Einschub von Kohlenstoffatom C5 ab. Durch Verdrillen wird die

ekliptische Spannung an C4 und C5 etwas verkleinert.

ee anti-Konforma

Cyclodecan

Praktisch spannungsfreie Konformationen sind nur bei den Cycloalkanen mit großen Ringen, wie dem Cyclotetradecan, möglich (s. Tab. 4-2). In diesen Ringen nimmt die Kohlenstoffkette eine sehr ähnliche Struktur wie in den offenkettigen Alkanen an (s. Abschn. 2-4). Alle Wasserstoffatome sind gestaffelt angeordnet und nehmen anti-Konformationen ein.‘Aber auch in diesen Systemen ist mit der Einführung eines Substituenten ein unterschiedliches Ausmaß von Ringspannung verbunden. Die meisten cyclischen Moleküle, die wir in diesem Buch beschreiben, sind nicht spannungsfrei.

4.6 Polycyclische Alkane Die bisher betrachteten Cycloalkane enthalten alle nur einen Ring, man bezeichnet sie daher als monocyclische Alkane. In den komplexeren Strukturen — den bi-, tri-, tetra- und den höheren polycyclischen Kohlenwasserstoffen — haben zwei oder mehr Ringe Kohlenstoffatome gemeinsam. Wir werden im folgenden sehen, welche strukturelle Vielfalt in diesen Molekülen möglich ist. Viele von ihnen, die Alkyl- oder funktionelle Gruppen enthalten, kommen in der Natur vor.

14

4 Cyclische Alkane

Polycyclische Alkane können kondensierte oder überbrückte Ringe enthalten Molekülmodelle polycyclischer Alkane lassen sich leicht konstruieren, indem man die Kohlenstoffatome zweier Alkylsubstituenten in einem monocyclischen Alkan miteinander verbindet. Entfernt man z.B. aus den beiden endständigen Methylgruppen im 1,2-Diethylcyclohexan jeweils einen Wasserstoff und knüpft eine neue C—C-Bindung, entsteht ein neues Molekül mit dem Trivialnamen Decalin. Im Decalinmolekül teilen zwei Cyclohexanringe zwei Kohlenstoffatome miteinander, beide Ringe sind kondensiert oder anelliert. Gruppen, die an BrückenkopfKohlenstoffatome gebunden sind, heißen Brückenkopfsubstituenten. Pr

CH,

Brückenkopf-C-Atom

Fa

——

CH3

Na

Brückenkopf-C-Atom Decalin

Wenn wir eine solche Verknüpfung bei einem Molekülmodell von cis1,3-Dimethylcyclopentan vornehmen, erhalten wir ein anderes Grundgerüst, das des Norbornans: CH3

=

Brückenkopf-C-Atom

-2H >

identisch mit

\

N

Norbornan

CH3

Brückenkopf-C-Atom

Diese Verbindungen sind Beispiele für überbrückte bicyclische Ringsysteme. Sie sind dadurch charakterisiert, daß zwei nicht benachbarte Kohlenstoffatome, die Brückenkopfatome, von zwei Ringen geteilt werden. Brückenkopf-Kohlenstoffatom

RR

SCH

C 2% H Brückenkopf-Kohlenstoffatom

allgemeiner Aufbau überbrückter bicyclischer Ringsysteme

Bicyclische Verbindungen werden systematisch als Derivate des Cycloalkans mit derselben Zahl von Ringkohlenstoffatomen bezeichnet. Der Name des Alkans erhält den Vorsatz bicyclo. Decalin ist dann ein Bicyclodecan. Die Anzahl der Glieder der Brücke (Anzahl der Kohlenstoffatome) zwischen beiden Brückenköpfen ist in der Reihenfolge abnehmender Größe durch Zahlen in eckigen Klammern zwischen dem Vorsatz bicyclo- und dem Namen des Alkans angegeben. So ist z.B. Norbornan ein bicyclisches Heptan mit zwei zweigliedrigen und einer 142

4.6

H

H

H

H

H

Be.

Bar H äquatoriale

H C—C-Bindungen

axiale

C—-C-Bindungen

frans-Bicyclo[4.4.0]decan (trans-Decalin)

äquatoriale

C—C-Bindungen

cis-Bicyclo[4.4.0]decan (cis-Decalin)

Polycyclische Alkane

Abb. 4-15 Übliche Darstellung und Sesselkonformation von fransund cis-Bicyclo[4.4.0]decan (trans- und cis-Decalin). Das transIsomer hat nur äquatoriale Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen an der Verknüpfungssteile der beiden Ringe, während das cis-Isomer zwei äquatoriale (grün) und zwei axiale C—C-Bindungen (rot), jeweils eine in jedem Ring, besitzt.

eingliedrigen Brücke. Der systematische Name lautet daher: Bicyclo[2.2.1]heptan. Decalin ist ein etwas anderer Fall. Hier ist eine der Brücken einfach eine Bindung ohne Atome, eine „nullgliedrige“ Brücke. Der IUPAC-Name ist daher Bicyclo[4.4.0]decan. Weitere Beispiele bicyclischer Kohlenwasserstoffe sind cis-Bicyclo[1.1.0]butan und cis-Bicyclo[4.2.0]octan. Bei der Numerierung des bicyclischen Gerüsts beginnt man bei einem der Bückenkopf-Kohlenstoffatome, geht über die längste Brücke zum zweiten Brückenkopf, geht zurück über die zweitlängste Brücke zum ersten Brückenkopf-Kohlenstoff und beendet die Numerierung über die verbleibende Brücke.

nullgliedrige Brücke

3 H Bicyclo[2.2.1]heptan

Bicyclo[4.4.0]decan

(Norbornan)

(Decalin)

eis-Bieyclo| 1.1.0]butan

cis-Bicyclo|4.2.0Joctan

Bicycloalkane können cis- oder trans-verknüpft sein. Manchmal ist die trans-Verknüpfung, wie im Norbornan oder im cis-Bieylo[1.1.0]butan, sterisch.nicht möglich. Beim Bicyclo[4.4.O]decan gibt es dagegen beide Isomere (s. Abb. 4-15). Übung 4-10 Bauen Sie Molekülmodelle

von cis- und trans-Bicyclo[4.4.0]decan.

Was läßt sich über

die Beweglichkeit der Konformationen sagen?

» Gespannte Kohlenwasserstoffe: Wo ist die Grenze? Die Suche nach den Grenzen der Spannung in der Bindung von Kohlenwasserstoffen ist ein faszinierendes Forschungsgebiet, aus dem bereits eine Reihe von exotischen Molekülen hervorgegangen ist. Es ist wirklich erstaunlich, wie stark die Winkel am gesättigten Kohlenstoffatom verdreht werden können. Sie haben ja bereits Modelle von Molekülen gebaut,

die sich nur mit Mühe

spiel in der Serie

clo[1.1.0]butan,

konstruieren

der bicyclischen

dessen

ließen.

Ein extremes

Kohlenwasserstoffe

Spannungsenergie

auf 278

Bei-

ist das Bicy-

kJ/mol

geschätzt 143

4 Cyeclische Alkane

wird. Wenn man bedenkt, daß die Bildungsenthalpie dieses Moleküls +217.3 kJ/mol beträgt, ist es bemerkenswert, daß das Molekül über-

C(CH3)3

(CH3)3C —

>

GiCH3)3

C(CH3)3

haupt existiert. Eine Reihe von Verbindungen, die die Aufmerksamkeit der synthetisch orientierten Chemiker besonders erregt, hat ein Kohlenstoffgerüst, dessen Geometrie den Platonischen Körpern entspricht: dem Tetraeder (Tetrahedran), dem Hexaeder (Cuban) und dem pentagonalen Dodecaeder (Dodecahedran). Als erste dieser Strukturen wurde im Jahre 1964 der Hexaeder synthetisiert, ein würfelförmiger Kohlenwasserstoff der Formel

Tetrakis(1,1-dimethylethyl)-

C;Hg.

lateinischen

tetrahedran

Nach

cubus

dem

englischen Wort für Würfel, cube, bzw. dem

erhielt

die Verbindung

auch

ihren

Namen,

Cuban.

Die experimentell gemessene Spannungsenergie (657 kJ/mol) ist etwa gleich der gesamten Spannung von sechs Cyclobutanringen. Obwohl Tetrahedran selbst unbekannt ist, wurde ein Tetra(1,1-dimethylethyl)Derivat im Jahre 1978 synthetisiert. Trotz der geschätzten Ringspannung von etwa 540 bis 574 kJ/mol ist die Verbindung stabil und schmilzt erst bei 135°C. Im Jahre 1982 gelang es, Dodecahedran zu synthetisieren. Die Synthese verläuft über 23 Stufen, mit einem einfachen Cyclopentanderivat als Ausgangsverbindung. Im letzten Syntheseschritt wurden 1.5 mg der reinen Verbindung erhalten. Die Ausbeute war dennoch ausreichend, um das Molekül vollständig charakterisieren zu können. Der Schmelzpunkt von 430°C liegt für einen Czy-Kohlenwasserstoff außerordentlich hoch und bestätigt die hohe Symmetrie der Verbindung. Eicosan als Vergleich schmilzt bei 36.8°C (s. Tab. 2-5). Zusammenfassend können wir sagen, daß Kohlenstoffatome in cyclischen Verbindungen einen hohen Anteil von Spannung im Vergleich zu anderen Kohlenstoffatomen tolerieren können. Diese Fähigkeit hat die Darstellung einer Reihe von cyclischen Molekülen ermöglicht, in denen die Geometrie am Kohlenstoffatom stark von der Tetraederstruktur abweicht.

(Tetra-tert-butyltetrahedran)

>

Tetrahedran

a Cuban

I Dodecahedran

Kasten 4-2

Cuban-Derivate können als Sprengstoffe eingesetzt werden Die Synthese von Cuban und seiner Derivate wurde zum Kilogramm-Maßstab ausgebaut, da man ihre potentiellen Anwendungen als Sprengstoffe und als hochenergetische Treibstoffe erkannt hatte. Die wichtigste Funktionalisierung von Cuban ist in diesem Zusammenhang die radikalische Chlorcarbonylierung, ausgehend von der kommerziell erhältlichen Cubancarbonsäure zum „tetraedrisch“ tetrasubstituierten Cuban, das in den starken Sprengstoff Tetranitrocuban umgewandelt werden kann.

freigesetzt, wodurch eine (üblicherweise zerstörerische) Schockwelle im umgebenden Medium entsteht. Diese Reaktion kann mechanisch durch Reibung, durch Wärme (z.B. Funken) oder durch die Schockwelle einer anderen Explosion (Zündkapseln) ausgelöst werden.

O,N

O;N NO,

NO,

O,N

NO,

ON

O;N

| ES =

N

-

SCHON

\

Cubancarbonsäure

(COCH,,

O;N

NO,

Octanitrocuban

In

Zu

HCI, - CO;

Zweifellos trägt die Ringspannung zur thermi-

CIOC

schen

„tetraedrisches“

seine Summenformel C;H,N4O, legt die Bildung gasförmiger Reaktionsprodukte nahe (z.B. 8 CO + 22 N, + 2 H,, um nur ein hypothetisches Resultat zu nennen). ÖOctanitrocuban, vermutlich das Nitrocubanderivat mit der größten Sprengkraft, wurde bislang nicht hergestellt.

Cubanderivat

Sprengstoffe sind Verbindungen, die sich sehr schnell zersetzen. Dabei wird sehr viel Wärme und eine erhebliche Menge gasförmiger Produkte

IH

NO,

Tetranitrocuban

-NO;

Labilität

von

Tetranitrocuban

bei,

und

4.7 Carbocyclische Naturstoffe

4.7

Carbocyeclische Naturstoffe

Lassen Sie uns nun einen kurzen Blick auf die Vielfalt der cyclischen Moleküle, die in der Natur gebildet werden, die cyclischen Naturstoffe, werfen. Naturstoffe sind organische Verbindungen, die von lebenden Organismen produziert werden. Einige dieser Verbindungen sind extrem einfach,

wie

das Methan,

andere

haben

sehr

komplexe

Strukturen.

Die

Naturwissenschaftler haben versucht, die Fülle der Naturstoffe auf verschiedene Weise zu klassifizieren. Im allgemeinen wendet man vier Schemata an, in denen diese Verbindungen nach (1) chemischer Struktur, (2) physiologischer Wirkung, (3) Organismus- oder Pflanzenspezifität (Taxonomie) und (4) biochemischer Herkunft geordnet werden. Es gibt viele Gründe, warum organische Chemiker an Naturstoffen interessiert sind. Viele dieser Verbindungen sind wichtige Arzneigrundstoffe, andere

wirken

als Farb-

oder

Aromastoffe,

und

wieder

andere

sind wichtige Rohprodukte. Untersuchungen von Tiersekreten ergeben Informationen darüber, in welcher Weise Tiere chemische Stoffe zur Markierung von Pfaden, zur Abwehr von Feinden oder als Sexuallockstoff verwenden. Die Erforschung der biochemischen Abbauwege, über die ein Organismus eine Verbindung metabolisiert, ermöglicht eine Einsicht in die Vorgänge im Körper. Dieser Abschnitt befaßt sich mit zwei Naturstoffklassen, den Terpenen und Steroiden, die aus obigen Gründen immer eine wichtige Rolle in der organischen Chemie gespielt haben.

Pflanzen bilden Terpene aus Isopren-Einheiten Die meisten von Ihnen haben schon den oft sehr intensiven Geruch von frisch zerriebenen Blättern gerochen. Durch das Zerreiben wird ein Gemisch aus recht flüchtigen Substanzen mit normalerweise fünfzehn oder zwanzig Kohlenstoffatomen pro Molekül freigesetzt, die Terpene. Man verwendet diese Verbindungen als Aromastoffe für Lebensmittel (Nelken- und Pfefferminzextrakte), in Parfums (Rosen, Lavendel, Sandelholz) und als Lösungsmittel (Terpentin). Die Biosynthese der Terpene geschieht in der Pflanze durch Verknüpfung mindestens zweier Moleküleinheiten mit fünf Kohlenstoffatomen. Die Konstitution dieser Einheiten entspricht der von 2-Methyl-1,3-butadien (Isopren), man bezeichnet sie daher als „Isopren-Einheiten“. Je nachdem, wie viele Isopren-Einheiten in einem Molekül enthalten sind, unterteilt man die Terpene in Mono- (C,o), Sesqui- (Cj;) und Diterpene(CH). (In den im folgenden dargestellten Terpenen sind die IsoprenEinheiten farbig herausgehoben.) >

In 2-Methyl-1,3-butadien (Isopren)

£ Isopren-Einheit in Terpenen (einige enthalten Doppelbindungen)

Die Chrysanthemumsäure ist ein monocyclisches Terpen, das einen »Dreiring enthält. Sie tritt in Form ihrer Ester in den Blüten von Pyrethrum (Chrysanthemum cinerariae-folium) auf. Die Ester sind natürliche Insektizide, wobei die cis-Isomere gewöhnlich aktiver als die irans-Verbindungen sind. In Grandisol, dem Sexuallockstoff des männlichen Baumwollrüsselkäfers (Anthonomus grandis), liegt ein Cyclobutanring vor. Menthol (Pfefferminzöl) ist ein Beispiel eines natürlich vorkommenden Cyclohexanderivats, während Campher (aus dem Campherbaum) und ß-Cadinen (aus Wacholder und Zeder) einfache bicyclische Terpene sind, ersteres ist ein Bicyclo[2.2.1]system, das zweite ein Bicyclo[4.4.0](Decalin)-Derivat.

145

4 Cyclische Alkane

oO

OR

CH,

>

H;C, S

Te

Da

)

EN

e

Ka

le

trans-Chrysanthemumsäure (R=H)

Grandisol

trans-Chrysantemumsäureester (R # H)

H;C

CH3 _CH3

CH3

er.

H;C H

1

CH(CH3)>

Re

ß-Cadinen

Campher

Menthol

Taxol (Paclitaxel) ist ein komplexes, hochfunktionalisiertes Diterpen, das 1962 aus der Rinde der Pazifischen Eibe taxus brevifolia im Rahmen eines Forschungsprogramms des National Cancer Institutes (USA) zur Identifizierung von Naturstoffen mit Antitumor-Wirkung isoliert wurde. Taxol erwies sich als die wohl interessanteste von über 100000 Verbindungen, die aus über 35000 pflanzlichen Spezies isoliert wurden. Es ist heute in der klinischen Anwendung eines der besten Hilfsmittel im Kampf gegen das Wachstum bösartiger Tumore beim Menschen. Da man zur Behandlung eines einzigen Patienten die Rinde von sechs Pazifischen Eiben benötigt, werden intensive Anstrengungen unternommen, die Effizienz der Gewinnung, die Zugänglichkeit sowie die Ausbeuten zu verbessern. Bei diesen Bemühungen spielen Synthesechemiker eine wichtige Rolle, denen es im Jahr 1994 erstmals gelang, Taxol in einer Totalsynthese herzustellen.

u. HO o

\ Ö

Taxol

Übung 4-12 | Die Formeln zweier Terpene, die Insekten zu ihrer Verteidigung versprühen, sind in der Randspalte gezeigt. Geben Sie an, ob es sich um Mono-, Sesqui- oder Diterpene han| delt. Zeigen Sie bei beiden Verbindungen die einzelnen Isopren-Einheiten.

| Übung 4-13 | Geben Sie an, welche funktionellen Gruppen in den in diesem Abschnitt gezeigten Terpenen vorliegen.

146

Steroide: Tetracyclische Naturstoffe mit starker physiologischer Wirkung Steroide

kommen

4.7

Carbocyelische Naturstoffe

häufig in der Natur vor, und viele dieser Verbindun-

gen haben physiologische Aktivität. Eine Reihe von Steroiden wirken als Hormone, so wird im menschlichen Körper z.B. die geschlechtliche Reifung und die Fruchtbarkeit durch Steroidhormone gesteuert. Daher werden in der Medizin viele, häufig synthetisch hergestellte Steroide, in der Krebstherapie, bei der Behandlung von Arthritis oder Allergien und bei der Empfängnisverhütung eingesetzt. In den Steroiden sind drei Cyclohexanringe in der Sesselform aneinander kondensiert und meist /rans-verknüpft, entsprechend der Struktur von frans-Decalin. Der vierte Ring ist ein Cyclopentan, alle vier zusammen ergeben die charakteristische Steroidstruktur. Man bezeichnet die vier Ringe als A, B, C und D, und die Kohlenstoffatome werden nach einem bestimmten, für die Steroide spezifischen Schema numeriert. In vielen Steroiden sind an C1O und C13 Methylgruppen, an C3 und C17 Sauerstoffatome gebunden. Teilweise findet sich an C17 auch eine längere Seitenkette. Die frans-Verknüpfung der Ringe ermöglicht eine weitgehend spannungsfreie All-Sessel-Konformation, in der die Methylgruppen und Wasserstoffatome an den Verbindungsstellen der Ringe axiale Positionen einnehmen.

trans-

7

Trans-

ae

u Verknüpfung trans-

Verknüpfung

Steroid-Grundgerüst (R = H, Epiandrosteron)

IN

IN

a

&

@

Epiandrosteron

Gruppen, :bezeichnet

die man

oberhalb

der

Ebene

als ß-Substituenten,

des

unterhalb

Steroidmoleküls der Ebene

stehen,

befindliche

Gruppen als a-Substituenten. In der obigen Formel ist also eine 3ßOR-Gruppe, ein 5a-H, eine 10ßB-CH;-Gruppe etc. enthalten. Die axialen CH;-Gruppen bezeichnet man auch als angulare Methylgruppen, da sie stark aus dem übrigen Molekülgerüst herausragen (angulus, lateinisch: im Winkel; an einer scharfen Ecke).

Cholesterin (engl.: cholesterol) gehört zu den am weitesten verbreiteten Steroiden. Es kommt in fast allen tierischen und menschlichen Geweben

vor, insbesondere

im Gehirn

und im Rückenmark.

Im Rük-

kenmark von Rindern ist es sogar so konzentriert, daß es hieraus kom-

147

4 Cyclische Alkane

merziell durch einfache Extraktion gewonnen Erwachsenen

enthält

200

wird. Der Körper eines

bis 300 g Cholesterin,

Gallensteine

können

völlig daraus bestehen. Dieses Steroid ist vermutlich für einige Kreislauferkrankungen verantwortlich, da es sich an den Arterienwänden absetzt, was zu Arteriosklerose und Herzerkrankungen führt. Seine biologische Funktion im Körper ist noch nicht vollständig geklärt, man weiß aber, daß es eine Vorstufe der Steroidhormone und der Gallensäuren ist. Die Gallensäuren werden in der Leber gebildet und sind Teil eines Sekretgemischs, das im Zwölffingerdarm zur Emulgierung, Verdauung und Absorption der Fette dient. Ein Beispiel ist die Cholsäure. CH3

CH;

Cholsäure

Cholesterin

Cortison

Cortison, das eine breite Anwendung bei der Behandlung rheumatischer Erkrankungen findet, ist eines der Nebennierenrindenhormone. Diese Hormone sind an der Regulierung des Elektrolyt- und Wasserhaushalts und am Protein- und Kohlenhydrat-Metabolismus beteiligt. Die Sexualhormone lassen sich in drei Gruppen aufteilen: (1) die männlichen Sexualhormone oder Androgene; (2) die weiblichen Sexual-

hormone oder Östrogene, und (3) die Schwangerschaftshormone oder Progestine. Testosteron

ist das wichtigste männliche Sexualhormon. Es wird von den Hoden produziert und ist auch für die sekundären männlichen Geschlechtsmerkmale wie tiefe Stimme, Bartwuchs und allgemeine physische Konstitution verantwortlich. Das weibliche Sexualhormon ist das Östradiol. Es wurde erstmals durch Extraktion von etwa vier Tonnen Schweineovarien gewonnen, wobei nur einige Milligramm reines Steroid isoliert wurden. Östradiol ist für die Entwicklung der sekundären weiblichen Geschlechtsmerkmale verantwortlich und ist an der Regulierung des weiblichen Menstruationscyclus beteiligt. Ein Beispiel eines Schwangerschaftshormons ist Progesteron, das dafür sorgt, daß der Uterus für die Einnistung der befruchteten Eizelle bereit ist.

\

cH.OH

EIS

H HO Testosteron

cu. (Ce

H O

Östradiol

Progesteron

Die strukturellen Ähnlichkeiten der Steroidhormone sind bemerkenswert, wenn man ihre völlig unterschiedliche Wirkungsweise berücksichtigt. Steroide sind die Wirkstoffe der „Anti-Baby-Pille“, die aufgrund der Kontrolle des weiblichen Menstruationscyclus und des Eisprungs als Empfängnisverhütungsmittel wirkt. Nach heutigen Schätzungen ist die Anti-Baby-Pille für 50 bis 60 Millionen Frauen weltweit das Verhütungsmittel Nummer 1. Wir fassen noch einmal zusammen: Es gibt eine außerordentliche Vielfalt von Naturstoffen, die sich in ihrer Struktur und Wirkungsweise stark unterscheiden. Als Beispiele von Naturstoffen haben wir die Ter148

Kasten 4-3 Geburtenkontrolle: Von der „Pille“ zu RU-486

Der Menstruationscyclus wird von drei Proteinhormonen der Hypophyse kontrolliert. Das follikelstimulierende Hormon (FSH) induziert das Reifen

der

Eizelle,

das

luteinisierende

Hormon

(LH) den Eisprung. Das dritte Hypophysenhormon (luteotropes Hormon) induziert die Bildung eines Ovariengewebes, des Gelbkörpers (corpus luteum). Mit Beginn des Cyclus und der Initiation der Eireifung produziert das die Eizelle umgebende Gewebe zunehmende Mengen von Östrogenen. Ist eine bestimmte im

Blut

erreicht,

hört

Östrogenkonzentration

die FSH-Produktion

auf.

In diesem Stadium erfolgt als Antwort auf LH der Eisprung. LH bewirkt zum Zeitpunkt der Ovulation ebenfalls die Bildung des Gelbkörpers, der mit der Produktion steigender Mengen von Progesteron beginnt. Dieses Hormon unterdrückt jeden weiteren Eisprung durch Stoppen der LHProduktion.

Wird

die

Eizelle

nicht

befruchtet,

werden Gelbkörper und Ei ausgestoßen (Menstruation). Eine Schwangerschaft führt andererseits zur Zunahme der Östrogen- und Progesteronproduktion, um die Sekretion von Hypophysenhormonen und damit eine erneute Ovulation zu verhindern. Die Anti-Baby-Pille besteht aus einer Mischung synthetischer stark wirksamer Östrogen- und Progesteronderivate (wirksamer als die natürlichen Hormone),

die, wenn sie wäh-

rend des überwiegenden Teils des Menstruationscyclus eingenommen werden, die Eireifung und den Eisprung verhindern, da sie die FSH- und LH-Produktion stoppen. Dem weiblichen Körper wird eine Schwangerschaft vorgetäuscht. Eine der im Handel befindlichen Pillen enthält eine Kombination aus 0.05 mg Mestranol und 1 mg Norethynodrel. Andere Präparate bestehen aus ähnlichen Verbindungen mit geringen strukturellen Änderungen.

en

Mestranol

RU-486 ist ein synthetisches Steroid, das die Wirkung des Progesterons blockiert. Die befruchtete Eizelle kann sich nicht einnisten, weil die dafür notwendige Vorbereitung des Endometriums verhindert wird. seit 1988 als RU-486 ist in Frankreich „Morgen-danach“ Pille eingeführt.

pene und die Steroide betrachtet. In den folgenden Kapiteln zeigen wir häufig anhand von Naturstoffen die Chemie bestimmter funktioneller Gruppen, demonstrieren an ihnen Synthesestrategien oder die Wirkungsweise eines Reagenzes und ziehen sie zur Darstellung dreidimen„sionaler Wechselbeziehungen und als Beispiele für medizinische Anwendungen heran. Einige Naturstoffklassen werden wir genauer diskutieren: die Fette (Abschn. 19.12 und 20.4), die Kohlenhydrate (Kapitel 24), die Alkaloide (Abschn. 25.7) und die Amino- und Nucleinsäuren (Kap. 26).

149

4 Cyclische Alkane

Verständnisübung a Von Isomere. formeln!

1,2,3,4,5,6-Hexachlorcyclohexan gibt es mehrere _ cis-transZeichnen Sie alle Isomere unter Zuhilfenahme der Keilstrich-

Lösung Bevor Sie jetzt aufs Geratewohl ziellos probieren, versuchen Sie es mit einer etwas systematischeren Methode. Beginnen Sie zunächst mit dem einfachsten Fall: Alle Chloratome sind cis angeordnet (nur Keilstriche benutzen). Betrachten Sie nun die verschiedenen Permutationen, die Sie erhalten, wenn Sie eine zunehmende Anzahl von Substituenten trans anordnen (keilförmige durch gestrichelte Linien ersetzen). Sie können mit dem Zeichnen aufhören, sobald wir das Stadium „drei Chloratome oben, drei Chloratome unten“ erreicht haben, da „zwei oben,

vier unten“ „vier oben, zwei unten“ etc. entspricht. Die ersten beiden Fälle, „sechs oben“ (A) und „fünf oben, eins unten“ (B), unterscheiden sich von den anderen Fällen, da es jeweils nur eine Struktur gibt, die

diese Bedingung erfüllt:

cl elseraı

cl Bel

Eiazci

AC1

Meine!

eiIzti

2°C

cl

cl

B

C

Cl D

E

Nun sehen wir uns die „vier oben, zwei unten“-Isomere an. Es gibt drei Möglichkeiten, zwei Chloratome nach „unten“ zu zeichnen: in

1,2- (C), 1,3- (D) und 1,4-Position (E). (1,5 und 1,3 bzw. 1,2 und 1,6 sind identisch. Schließlich führt uns der selbe Gedankengang zur Erkenntnis, daß „drei oben, drei unten“ ebenfalls zu drei unterschiedlichen Konfigurationsisomeren führt, nämlich 1,2,3 (F), 1,2,4 (G) und KSaaEh:

Cl Cl

b Das sogenannte y-Isomer ist ein Insektizid Kwell) mit der folgenden Konfiguration:

(Lindan,

Gammexan,

y-Hexachlorcyclohexan

Zeichnen Sie die zwei Sesselkonformationen dieser Verbindung. Welche ist stabiler?

150

Lösung

Verständnisübung

Beachten Sie, daß das y-Isomer unserer Konfiguration E aus Aufgabenteil a) entspricht. Sie müssen nur die ebene Cyclohexan-Keilstrichformel in die Sesseldarstellung überführen; betrachten Sie dazu Abbildung 4-10. Achten Sie dabei auf die alternierende Anordnung der Mitglieder der beiden Wasserstoff-Gruppen (axial oder äquatoriale) relativ zueinander. Während wir uns um den Ring herum bewegen, können wir sehen, daß benachbarte

Wasserstoffatome

(z.B. solche

in „1,2“-Position)

aus

derselben Gruppe immer trans zueinander stehen. Analog ist die „1,3“Anordnung immer cis, während die als „1,4“ beschreibbare wiederum trans ist. Und natürlich gilt im Umkehrschluß für die cis zueinander stehenden direkten Nachbarn (,„1,2“) einer Keilstrich-Zeichnung, daß einer

der beiden Substituenten axial und der andere äquatorial in den beiden Sesselkonformationen des Moleküls angeordet ist. Sind sie trans, werden sie in der einen Darstellung als diäquatorial, in der anderen als diaxial erscheinen.

Diese

Zuordnung

ändert

sich für die „1,3“-Anordnung:

cis

resultiert in einem diäquatorial-diaxialen Paar in der Sesselkonformation, aus frans hingegen das axial-äquatoriale bzw. äquatorial-axiale Paar und so weiter. Tabelle 4-4 faßt diese Beziehungen zusammen. Die beiden Sesselkonformationen von y-Hexachlorcyclohexan sehen also folgendermaßen aus: Cl

cl

|

cl

Cl ei

|

Cl ——

AG° = 0 kJ/mol

cl

cl Cl

Cl

Beide Strukturen haben drei axiale Chlorsubstituenten, ist identisch.

ihre Energie

ce Für welches Isomer erwarten Sie die größte Energiedifferenz zwischen den beiden Cyclohexan-Sesselkonformationen?

Lösung Den größten Wert für AG° für das Umklappen der Sesselkonformationen ist für das all-axial-Hexachlorcyclohexan zu erwarten. Nimmt man Tabelle 4-4 und Abbildung 4-10 zu Hilfe, so erkennt man sofort, daß dies nur für das all-trans-Isomer zutrifft. Tabelle 4-3 gibt den AG”-Wert (äquatorial-axial) für Cl mit 2.2 kJ/mol an. Daher ist AG° in unserem Beispiel.6 x 2.2 kJ/mol = 13.2 kJ/mol.

cl

cl

cl cl

cl =_

cl

AG? = + 13.2 kJ/mol

(6) cl cl

cl

all-trans-Hexachlorhexan

Beachten Sie, daß dieser Wert nur geschätzt ist. Dabei werden beispielsweise die sechs Cl-Cl-gauche-Wechselwirkungen in der all-äquatorialen Konformation nicht berücksichtigt, die die Energiedifferenz zwischen den beiden Konformeren verringert. Aber ebenso werden die sechs 1,3-diaxialen Wechselwirkungen in der all-axialen Sesselkonformation vernachlässigt, die diesem Effekt entgegenwirken würden.

151

4 Cyclische Alkane

Tabelle 4-4 cis-trans-Beziehung zweier Substituenten in den beiden Sesselkonformationen disubstituierter Cyclohexanderivate

cis-1,2 trans-1,2 cis-1,3

axial-äquatorial axial-axial axial-axial

äquatorial-axial äquatorial-äquatorial äquatorial-äquatorial

trans-1,3 cis-1,4 trans-1,4

axial-äquatorial axial-äquatorial axial-axial

äquatorial-axial äquatorial-axial äquatorial-äquatorial

Wichtige Konzepte 1 Die Nomenklatur der Cycloalkane leitet sich von der der offenkettigen Verbindungen ab. 2

Alle

disubstituierten

Cycloalkane

außer

den

1,1-disubstituierten können als zwei verschiedene Isomere auftreten: Befinden sich beide Substituenten auf derselben Seite des Moleküls, stehen

sie cis; befinden Seiten,

stehen

sie sich auf entgegengesetzten

sie trans.

cis- und

trans-Isomere

sind Stereoisomere — Verbindungen, bei denen die Konnektivität der Atome (Konstitution) identisch ist, die sich aber in der räumlichen

9

Bei den monosubstituierten Cyclohexanderiva-

ten ist AG” für das Gleichgewicht zwischen beiden Sesselkonformationen substituentenabhängig. Axiale Substituenten sind 1,3-diaxialen Wechselwirkungen ausgesetzt. 10 Bei den höher substituierten Cyclohexanderivaten verhalten sich die Effekte der Substituenten häufig additiv, die sperrigsten Substituenten nehmen mit größter Wahrscheinlichkeit äquatoriale Positionen ein. f

Anord-

nung der Atome unterscheiden.

11 Völlig spannungsfreie Cycloalkane liegen bei den sehr großen Ringen vor, die leicht eine all-

3 Einige Cycloalkane sind gespannt. Verdrehung der Bindungen an tetraedrischen Kohlenstoffatomen führt zu Winkelspannung. Ekliptische Spannung resultiert aus dem Unvermögen einer Struktur, gestaffelte Konformationen an C—C-Bindungen einzunehmen. Sterische Abstoßung zwischen

anti-Konformation

Atomen,

die

sich

auf

unterschiedlichen

Seiten

des Rings befinden, führt zu transannularer Spannung.

denen ten.

keine

annehmen

transannularen

können,

Spannungen

und

in

auftre-

12 Bicycloalkane enthalten zwei BrückenkopfKohlenstoffatome, die beiden Ringen gemeinsam sind. Die Verknüpfung kann cis oder trans sein.

13 Naturstoffe werden allgemein Struktur, physiologischer Wirkung,

nach ihrer Taxonomie

4 Die Winkelspannung wird in den kleinen Cycloalkanen großenteils durch Ausbildung gebogener Bindungen ausgeglichen.

oder nach ihrem biochemischem Ursprung eingeteilt. Beispiele für die letztgenannte Klasse sind

5 Winkel-, ekliptische und andere Spannungen werden in größeren Cycloalkanen als dem Cyclopropan (das naturgemäß eben sein muß) durch Abweichungen von einer ebenen Anordnung verringert.

14 Terpene bestehen aus Isopren-Einheiten mit fünf Kohlenstoffatomen.

6 Die Ringspannung in den kleineren hat Ringöffnungsreaktionen zur Folge.

ten stehen oberhalb tuenten darunter.

7

Ringen

Durch Herausbewegen aus der Ebene ergeben

sich bewegliche

Konformere,

wie die Sessel-, die

Wannen- und die Twistform des Cyclohexans. Sessel-Cyclohexan ist nahezu spannungsfrei. 8 In der Sesselform des Cyclohexans lassen sich zwei Typen von Wasserstoffatomen, die axialen und die äquatorialen, unterscheiden. Sie gehen bei Raumtemperatur rasch durch „Umklappen“ des Sessels ineinander über. Die Aktivierungsenergie für diesen Prozeß beträgt 45.2 kJ/mol.

152

die Terpene, für die erste die Steroide.

15 Steroide enthalten drei trans-verknüpfte Cyclohexanringe (A, B, C-Ringe), die an den Cyclopentanring D gebunden sind. ß-Substituender Molekülebene,

a-Substi-

16 Eine wichtige Klasse von Steroiden bilden die Sexualhormone, die eine Reihe von physiologischen Funktionen, einschließlich der Regulierung der Fruchtbarkeit, haben.

Aufgaben 1

Aufgaben

Zeichnen Sie für die Formel C;H;o so viele Formeln mit,einem Ring

wie möglich und benennen Sie sie. 2 Benennen klatur.

Sie die folgenden

Moleküle

nach

der IUPAC-NomenH

(a)

\

N

(d)

(8) en

CH3

H

er H

Br

(b)

ran

(e)

H Br &)

CH,

Br

[Hs CH3

(ec) H

(f)

H

Br

3 Die folgenden kinetischen Daten für die radikalische Chlorierung einiger Cycloalkane zeigen, daß die C—H-Bindungen im Cyclopropan und, in geringerem Ausmaß, auch im Cyclobutan, ungewöhnlich sind. (a) Was können Sie aus diesen Daten über (i) die Stärke der C—HBindung im Cyclopropan und (ii) über die Stabilität des Cyclopropylradikals sagen? (b) Finden

Sie

einen

Grund

für

die

Stabilitätseigenschaften

des

Cyclopropylradikals. (Hinweis: Vergleichen Sie die Winkelspannung im Cyclopropylradikal mit der von Cyclopropan selbst.) (ec) Unter den beschriebenen experimentellen Bedingungen besitzt 2,2-Dimethyleyclopropan pro Wasserstoffatom gegenüber Cl- eine relative Reaktivität von 0.6. Geben Sie aufgrund dieser Information das Hauptprodukt der Halogenierung in den beiden folgenden Reaktionen an:

H,C'

CH, i

4

H Ch, hv MT —

Relative Reaktivität pro Wasserstoffatom gegenüber Cl: e bezogen auf Reaktivität von Cyclohexan = 1.0? Cycloalkan

Reaktivität

Cyclopentan Cyclobutan Cyclopropan

0.9 0.7 0.1

%

Bedingungen: 68°C, hv, CCl, als Lösungsmittel

ICH; £

Ch, hv

eo

Schätzen Sie mit Hilfe der Daten aus Tabellen 3-2 und 4-2 DH

für

eine C—C-Bindung in: (a) Cyclopropan (b) Cyclobutan

(ce) Cyclopentan (d) Cyclohexan

»5 Zeichnen Sie die folgenden Cyclobutane in ihren beiden gefalteten Konformationen (Abb. 4-3). Wenn sich die beiden Konformere in ihrer Energie unterscheiden, identifizieren Sie das stabilere und geben Sie die Form(en) von Spannung an, die die Energie des weniger stabilen erhöhen. (Hinweis: Die axialen und äquatorialen Positionen in gefaltetem Cyclobutan sind ähnlich wie im Sessel-Cyclohexan.) (a) Methylcyclobutan (b) cis-1,2-Dimethyleyclobutan

(d) cis-1,3-Dimethylcyclobutan (e) trans-1,3-Dimethyleyclobutan

(ec) trans-1,2-Dimethyleyclobutan

153

4 Cyclische Alkane

Was ist stabiler: cis- oder trans-1,2-Dimethylcyclobutan; cis- oder trans1,3-Dimethylcyclobutan?

6

Schätzen Sie AH” für das Gleichgewicht ebenes Cyclopentan =

Briefumschlag-Cyclopentan ab. Berücksichtigen Sie nur Unterschiede in der ekliptischen Spannung.

7 Geben Sie für jedes der folgenden Cyclohexanderivate an, (1) ob das Molekül ein cis- oder trans-Isomer ist und (2) ob die angegebene die stabilste Konformation ist. Wenn Sie die zweite Frage mit „nein“ beantworten, klappen Sie den Ring um und zeichnen Sie die stabilste Konformation. CH3

(c) @ o%

(b)

NOCH;

(d) HO CH(CH3)>

CHz F

CH;CH;

|

(e)

Re

Tann

OÖ

QN &

OH

(f)

NH>

Be

(i) Br

Cl

() (8) CH;

OCH3

CH(CH3)»

8 Zeichnen Sie die stabilste Konformation der folgenden substituierten Cyclohexane. Klappen Sie dann den Ring um und zeichnen Sie das nächststabilere Konformer. i (a) Cyclohexanol

(b) (ec) (d) (e)

trans-3-Methylcyclohexanol cis-1-(1-Methylethyl)-2-methyleyclohexan cis-l-Ethyl-2-methoxycyclohexan trans-1-(1,1-Dimethylethyl)-4-chlorcyclohexan

9 Schätzen Sie für jedes Molekül aus Aufgabe 8 die Energiedifferenz zwischen der stabilsten und der nächststabileren Konformation ab. Berechnen Sie das ungefähre Verhältnis beider Konformere bei 300 K.

10 Welche ist die stabilste der vier Wannenformen hexan und warum? 154

von Methyleyclo-

11 Die stabilste Konformation des trans-1,3-Bis-(1,1-dimethylethyl)cyclohexans ist kein Sessel. Welche Konformation würden Sie für dieses Molekül erwarten? Geben Sie eine Erklärung.

Aufgaben

12 Der bicyclische Kohlenwasserstoff, der durch Anellierung eines Cyclohexan- und eines Cyclopentanrings entsteht, wird als Hexahydroindan bezeichnet. Zeichnen Sie unter Zuhilfenahme der Formeln von cisund frans-Decalin (Abb. 4-15) die Formeln von cis- und trans-Hexahydroindan, die jeden Ring in seiner stabilsten Konformation zeigen.

, Hexahydroindan

13 Wenn Sie sich die Strukturen von cis- und frans-Decalın in Abb. 4-15 ansehen, welche, meinen Sie, ist stabiler? Beantworten Sie dieselbe

Frage für die unten gezeigten cis- und trans-dimethylsubstituierten Decaline.

ch;

CH3

Ei,

CH3

cis-9,10-Dimethyldecalin

trans-9,10-Dimethyldecalin

14 Geben Sie bei jedem der folgenden Moleküle an, ob es sich um ein Monoterpen, ein Sesquiterpen oder ein Diterpen handelt (es sind die Trivialnamen angegeben). H;C (a)

CO,CH3 Tan

nn (e)

H;C

CH;

CH>OH

o

HOCH;

Geraniol

OH

Genipin

CH;

CH3

(b)

v HOCH»

Castoramin 0

Eremanthin

OÖ

OÖ

CH3

(8)

5

CH;

CH»

Ä

CH; ‚0

CH;

(0

OH

Eudesmol

oO

HC

Cantharidin

CH CH3 OIebekl

CH; 3 CH

m

d

CH3 &

CH3

3

CHL,OH

Sn

CH3

OÖ Ipomeamaron

Vitamin A

155

4 Cyclische Alkane

15 Suchen Sie die 2-Methyl-1,3-butadien-(Isopren-)Einheiten Naturstoffmolekülen aus Aufgabe 14.

in allen

16 Umranden und benennen Sie alle funktionellen Gruppen in allen in Abschnitt 4.7 dargestellten Steroiden. Kennzeichnen Sie polarisierte Bindungen mit positiven und negativen Partialladungen (8° und ö"). 17 Im folgenden sind noch einige Beispiele von natürlich vorkommenden Molekülen mit gespannten Ringen dargestellt. H;N 2

COOH

H3C SCNCH,

1-Aminocyclopropancarbonsäure

L

(natürliches Vorkommen in Pflanzen, spielt eine Rolle beim Reifwerden von Früchten und beim Laubabwurf im Herbst)

CH3

«-Pinen j aus dem Terpentin

O-CERERCHO

Africanon

HO

OH

(ebenfalls ein ae isoliert SD)

Thymidin-Dimer

(bildet sich in der DNA nach Bestrahlung mit UV-Licht)

(a) Geben Sie an, bei welchen der angegebenen Formeln es sich um Terpene handelt (falls welche darunter sind). Suchen Sie die 2Methyl-1,3-butadien-Einheiten in jeder Struktur und geben Sie an, ob es sich um Mono-, Sesqui- oder Diterpene handelt. (b) Wie lauten die IJUPAC-Namen

der bicyclischen Alkane i und ii,

von denen sich Pinen und Africanon ableiten?

Zn.

18 Wenn Cyclobutan eben gebaut wäre, betrügen alle C-C—-C-Bindungswinkel exakt 90°, und man könnte zur Beschreibung dieser Bindung reine p-Orbitale heranziehen. Wie wären dann die Kohlenstoffatome hybridisiert, damit alle C—H-Bindungen äquivalent sein könnten? Wie groß würde der Winkel zwischen beiden C—H-Bindungen sein? Welche Befunde über die Struktur des Cyclobutanmoleküls widersprechen dieser Hypothese? 19

Vergleichen Sie die Struktur von Cyclodecan in der All-Sessel-Kon-

formation (im folgenden gezeigt) mit der von trans-Bicyclo[4.4.0]decan (trans-Decalin). Erklären Sie, warum die All-Sessel-Konformation stark gespannt ist und trans-Bicyclo[4.4.0]decan dennoch ein nahezu spannungsfreies Molekül ist. Bauen Sie Molekülmodelle.

156

>

e

z

All-Sessel-Cyclodecan

20

Fusidinsäure

Aufgaben

trans-Bicyclo[4.4.0]decan

ist ein steroidähnliches

mikrobielles

Produkt,

das ein

extrem wirksames Antibiotikum mit einem breiten Spektrum biologischer Aktivität darstellt. Die Gestalt des Moleküls ist ausgesprochen ungewöhnlich (s. unten) und hat wichtige Anhaltspunkte bei der Erforschung der Steroidsynthese in der Natur gegeben.

Fusidinsäure

(a) Lokalisieren Sie alle Ringe in der Fusidinsäure und beschreiben

Sie ihre Konformation. (b) Geben Sie die Verknüpfungsart der Ringe (cis oder trans) an. (ec) Geben Sie an, welche der an den Ring gebundenen Gruppen 0-, welche ß-Substituenten sind.

(d) Beschreiben Sie genau, in welcher Weise sich dieses Molekül von den typischen Steroiden in Struktur und Stereochemie unterscheidet. Um Ihnen bei der Beantwortung dieser Fragen zu helfen, sind die Kohlenstoffatome des Molekülgerüsts numeriert. 21

Die enzymatische

Abschn.

3.4) ist eine

Oxidation vereinfachte

von Cyclohexan Version

zu Cyclohexanol

der Reaktion,

(Ss.

die bei der

Produktion der Nebennierenrindenhormone abläuft. Bei der Biosynthese von Corticosteron aus Progesteron (s. Abschn. 4.7) laufen zwei derartige Oxidationen nacheinander ab:

CH, Steroid-21-Hydroxylase, 0;

OÖ Progesteron Steroid-11 ß-Hydroxylase, O,

Corticosteron

157

4 Cyclische Alkane

Man nimmt an, daß die Hydroxylasen (oder Mono-Oxygenasen) in diesen Reaktionen als komplexe Sauerstoffatom-Donoren fungieren. Für diese Reaktion ist ein Zweischritt-Mechanismus vorgeschlagen, der im folgenden am Beispiel des Cyclohexans dargestellt ist. OH

E% + O (atomar)

an, ©:

SOEI er

Berechnen Sie AH für jeden Schritt und für die Gesamtreaktion. Benutzen Sie hierfür die Daten aus Tab. 3-5 und die folgenden AHVWerte: Cyclohexan, —123.5 kJ/mol; Cyclohexanol, —286.4 kJ/mol; Cyclohexylradikal, +62.8 kJ/mol; HO-, +39.4 kJ/mol. 22

Iodbenzoldichlorid,

das bei der Reaktion von Iodbenzol und Chlor

entsteht, ist wie Sulfurylchlorid und NCS (Abschn. 3.8) ein Reagenz zur Chlorierung von C—H-Bindungen in Alkanen. Chlorierungen mit Iodbenzoldichlorid

können

durch

Licht initiiert werden,

und man

muß

keinen chemischen Radikal-Initiator hinzugeben.

Oram O%

Cl

Cl

Iodbenzoldichlorid

(a) Schlagen Sie einen Radikalkettenmechanismus

für die Chlorie-

rung eines Alkans RH durch Iodbenzoldichlorid vor. Die Gleichungen der Gesamt- und der Startreaktion sind im folgenden angegeben.

RS 2

ROH

HR

@z

Kettenstart:

„a 4

Av, ( -i-e tg

a (b) Die radikalische Chlorierung typischer Steroide durch Iodbenzoldichlorid gibt hauptsächlich drei isomere Monochlorierungsprodukte. Sagen Sie aufgrund von Reaktivitätsbetrachtungen (tertiär, sekundär, primär) und sterischen Einflüssen (die vielleicht den Angriff eines Reagenzes auf eine C—H-Bindung, die sonst reaktiv wäre, verhindern können) voraus, an welchen drei Stellen im Mole-

kül die Chlorierung am günstigsten erfolgt. Nehmen Sie entweder ein Modell zur Hilfe, oder analysieren Sie sorgfältig die Abbildungen des Steroidgerüsts in Abschn. 4.7.

an 2

in Hauptprodukte: 3 Monochlorsteroide

23 Wie Sie Aufgabe 21 entnehmen können, sind die enzymatischen Reaktionen, mit deren Hilfe funktionelle Gruppen in das Steroidgerüst eingeführt werden, hochselektiv, ganz anders als die Chlorierung im Labor, die wir in Aufgabe 22 beschrieben haben. Dennoch läßt sich

158

durch eine geschickte Abänderung dieser Reaktion die Selektivität der Natur im Labor teilweise nachahmen. Zwei Beispiele hierfür sind im folgenden dargestellt.

Aufgaben

CH;

(a)

eo

H

Cl}, hv

er

H

Versuchen Sie, die Ergebnisse beider Reaktionen zu erklären. Bauen Sie ein Modell des Additionsprodukts von Cl, (vgl. Ubungsaufgabe 22), um beide Systeme analysieren zu können.

Gruppenübung 24

Betrachten Sie die folgenden Verbindungen: O

[6) H,, Katalysator

mn) 2 z - +

22 --

A

B

Konformationsanalysen zeigen, daß zwar die Verbindung A in einer Sesselkonformation vorliegt, aber nicht B.

(a) Fertigen Sie ein Modell von A an. Zeichnen Sie die Sesselkonformation und bezeichnen Sie die Substituenten mit äquatorial und axial. Markieren Sie die stabilste Konformation. (Bedenke Sie, daß das Carbonyl-Kohlenstoffatom sp?-hybridisiert ist und somit das gebundene Sauerstoffatom weder axial noch äquatorial sein kann. Lassen Sie sich dadurch nicht verwirren!) (b) Fertigen Sie ein Modell von B an. Beziehen Sie sowohl transan-

nulare als auch gauche-Wechselwirkungen in Ihre Untersuchung der beiden Sesselkonformationen mit ein. Diskutieren Sie die sterischen Probleme dieser Konformationen im Vergleich zu denen von A. Verdeutlichen Sie Ihre Kernaussagen mit Hilfe von Newman-Projektionen. Schlagen Sie eine sterisch weniger gehinderte Kontformation für B vor.

159

=;

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PaTRm ARner Er

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Y

ruhe

Fe

Se

-

-

=

si En

ua a

Stereoisomerie

Haben

Sie je morgens in den Spiegel geschaut und gedacht:

„Das bin

nicht ich!“ - Sie hatten recht! Das, was Sie sahen, waren nicht Sie, son-

dern Ihr Spiegelbild, das mit Ihnen nicht identisch ist. Bild und Spiegelbild sind nicht deckungsgleich! Sie können sich dies klarmachen, indem Sie versuchen, Ihrem Spiegelbild die Hand zu schütteln: Wenn Sie ihm die rechte Hand reichen, wird Ihr Spiegelbild seine linke Hand reichen. Wir werden sehen, daß auch bei vielen Molekülen Bild und Spiegelbild nicht deckungsgleich und daher auch nicht identisch sind. Wie können wir derartige Moleküle systematisch einordnen? In den vorhergehenden Kapiteln haben wir zwei Arten von Isomerie kennengelernt, die Konstitutionsisomerie (auch Strukturisomerie genannt) und die Stereoisomerie. Konstitutionsisomere sind Verbindungen mit derselben Summenformel, die sich in der Reihenfolge der aneinander gebundenen Atome unterscheiden. Konstitutionsisomere CH3 ;=

C4H jo

CH3CH>CH3>CH3

Butan

C5HgO

a

CH; 2-Methylpropan

CH;CH>OH

CH3OCH3

Ethanol

Methoxymethan (Dimethylether)

‘ Übung 5-1 Sind Cyclopropylcyclopentan und Cyclobutylceyclobutan Isomere?

Mit

dem

Begriff

Stereoisomere

bezeichnet

man

Isomere,

deren

Atome in derselben Reihenfolge aneinander gebunden sind, die sich aber in deren räumlichen Anordnung unterscheiden. Beispiele für Stereoisomere sind die relativ stabilen cis-trans-Isomere und die schnell äquilibrierenden Konformere (Abschn. 4.1).

161

5 Stereoisomerie

Enantiomere Bild und Spiegelbild sind nicht ineinander überführbar: Abschnitt 5.1

1

ee l Br cı

In diesem Kapitel stellen wir einen dritten Typ von Stereoisomeren vor, der sich aus der „Händigkeit“ bestimmter Moleküle ergibt: die „Spiegelbildisomere“. Wir werden sehen, daß es Strukturen gibt, die

sich nicht mit ihrem Spiegelbild zur Deckung bringen lassen, genauso wie Ihre linke Hand nicht deckungsgleich mit Ihrer rechten ist. Beide Strukturen sind daher verschiedene Objekte, sie können unterschiedliche Eigenschaften besitzen und auf andere Weise reagieren. Sie können auch einen vollkommen unterschiedlichen Geruch und verschiedene biologische Eigenschaften haben.

Stereoisomere

CH; H

H

cis-1,3-Dimethylcyclopentan

CH3 H

CH; anti-Rotamer des Butans

CH, H;C

trans-1,3-Dimethyleyclopentan

Han, CH3

CH; H

H

H H

gauche-Rotamer des Butans

äquatoriales Konformer des Methylcyclohexans

Übung 5-2 Zeichnen Sie weitere Stereoisomere des Methylcyclohexans.

162

H

axiales Konformer des Methyleyclohexans

CH3

j

5.1 Chirale Moleküle

5.1

Chirale Moleküle

Wie kann es Moleküle geben, die sich mit ihrem Spiegelbild nicht zur Deckung bringen lassen? Lassen Sie uns die radikalische Bromierung von Butan betrachten. Die Reaktion läuft hauptsächlich an einem der sekundären

Kohlenstoffatome

ab, es entsteht 2-Brombutan.

Ein Mole-

külmodell der Ausgangsverbindung zeigt, daß zwei anscheinend äquivalente Wasserstoffatome an diesem Kohlenstoffatom substituierbar sind, wodurch nur ein „mögliches“ 2-Brombutan entsteht (s. Abb. 5-1). Ist das wirklich wahr?

H;C

H;C

HS

Rn

ue Bra, 25 hv

\

5

B/N

\

HZ/N

ne Hab

Abb. 5-1 Durch Substitution eines der sekundären Formen

Ge

\

‘CH;

zwei stereoisomere

„Br

NcSBr

—HBr

Ban

H;C

‚H

Hohe

Wasserstoffatome

des Butans erhält man

des 2-Brombutans.

Chirale Moleküle können nicht mit ihren Spiegelbildern zur Deckung gebracht werden Betrachten

wir die beiden

2-Brombutane,

die sich durch

Substitution

eines der beiden Methylen-Wasserstoffatome ergeben, genauer, stellen wir fest, daß sich beide Strukturen nicht zur Deckung‘ bringen lassen und daher nicht identisch sind. Beide Moleküle stehen zueinander wie Objekt und Spiegelbild. Wollte man eines in das andere überführen, müßte man Bindungen aufbrechen und neu knüpfen. Paare von Molekülen, die sich zueinander

spiegelbildlich

verhalten,

bezeichnet

man

als

Enantiomere (enantios, griechisch: entgegengesetzt). Diese Verbindungen besitzen keine Symmetrieebene und kein Symmetriezentrum, sie sind chiral. In unserem Beispiel, der Bromierung von Butan, wird ein 1:1Gemisch von Enantiomeren gebildet. Ein solches Gemisch bezeichnet man als Racemat oder racemisches Gemisch. Im Gegensatz zu den chiralen Molekülen bezeichnet man Strukturen, die sich mit ihrem Spiegelbild zur Deckung bringen lassen, als achiral. Beispiele chiraler und achiraler Moleküle sind im folgenden dargestellt (die ersten beiden chiralen Strukturen stellen Enantiomerenpaare dar). Pe

CH;

HE

HaGauı;H (arees

|

Brac

n

|

Kr ZÜNS

„c EN chiral

|

Br

chiral

CLi.

Br

chiral

en H

HK

|

>

Br

chiral

Spiegelebene

Be ne Mean

KON

I

chiral

Spiegelebene

ex I

'

Gsdnlinglac Zac

\

H

achiral

(Si =

ne

\

CH3

achiral

ne {

CH;CH,

@% >

\xH

OCH3

chiral

163

"Kasten 5-1 Chirale Naturstoffe

CH;

|

|

er

x

ee

7 V>co0H

7 \ COOH

2-Aminopropansäure (Alanin)

2-Hydroxypropansäure (Milchsäure)

Hz (

x

RECH>

2

2-Methyl-5-(1-methylethenyl)-2-cyclohexenon (Carvon)

Von vielen chiralen Naturstoffen kommt in der Natur nur eines von beiden Enantiomeren vor, von einigen beide. So ist z.B. natürliches Alanin (systematischer Name: 2-Aminopropansäure)

zwei getrennte und unterschiedliche Substituenten an, sind an das gekennzeichnete Kohlenstoffatom vier verschiedene Gruppen gebunden. Sie sind

eine weitverbreitete Aminosäure,

trum beginnend, die Folge der Atome und Bindungen im Ring im Uhrzeigersinn eine andere als gegen den Uhrzeigersinn ist. Carvon tritt in der Natur in beiden enantiomeren Formen auf. Der charakteristische Geruch von Kümmel und Dillsamen kommt durch das gezeigte, das Aroma der Krauseminze (spearmint) durch das andere Isomer zustande.

die nur in einer

Form gefunden wird. Milchsäure (2-Hydroxypropansäure) tritt im Blut und in der Zellflüssigkeit als eines von beiden Enantiomeren, in saurer Milch und einigen Früchten und Pflanzen als Racemat auf. Ein interessanter Fall ist Carvon [2-Methyl-5-(1-methylethenyl)-2-cyclohexenon],

das

ein

Chiralitätszentrum

Sechsring enthält. Sieht man

A |

1

a

are

A |

We Se Spiegelebene

(C* = Chiralitätszentrum durch

in einem

deshalb unterschiedlich, weil, vom

Chiralitätszen-

den Ring selbst als

Alle gezeigten chiralen Moleküle enthalten ein Atom, an das vier verschiedene Substituenten gebunden sind. Man bezeichnet es als asymmetrisches Atom (z.B. asymmetrisches Kohlenstoffatom), Stereozentrum oder Chiralitätszentrum. Zentren dieser Art werden häufig mit einem Stern gekennzeichnet. Moleküle mit einem Chiralitätszentrum sind immer chiral. Wie wir in Abschnitt 5.5 sehen werden, gilt dies nicht notwendigerweise auch für Strukturen mit mehr als einem dieser Zentren.

asymmetrisches C-Atom

|

Übung 5-3 Welche der Naturstoffe aus Abschnitt 4-7 sind chiral, welche achiral? Geben Sie in allen Fällen die Anzahl der Chiralitätszentren an.

Anhand der Molekülsymmetrie können chirale Strukturen von achiralen unterschieden werden Das

Wort

„Hand“

chiral leitet sich von dem oder

„Händigkeit“

bedeutet.

griechischen Wort Ein

Paar

cheir ab, das

menschliche

Hände

steht zueinander in der Bild-Spiegelbild-Beziehung, die für Enantiomere typisch ist (s. Abb. 5-2). Zu den vielen chiralen Objekten, mit denen wir tagtäglich zu tun haben, gehören Schuhe, Ohren, Schrauben und Wendeltreppen. Sie können als ein Extremfall nur in einer enantiomeren Form

vorliegen,

wie z.B.

eine

Sammlung

linker

Schuhe,

im anderen

Extrem als Racemate, wie Schuhpaare im Karton. Auf der anderen Seite gibt es auch viele achirale Gegenstände wie Bälle, gewöhnliche Wassergläser, Hämmer und Nägel. Viele chirale Objekte, wie beispielsweise Wendeltreppen, haben keine Chiralitätszentren. Dies gilt auch für viele chirale Moleküle. Es sei noch einmal daran erinnert, daß das einzige Kriterium für Chiralität ist, daß sich Objekt und Spiegelbild nicht zur Deckung bringen lassen. Unter den vielen chiralen Molekülen ohne Chiralitätszentrum sind diejenigen mit spiral- oder helixförmiger Struktur (helix, griechisch: Spirale), wie die Helicene (Kapitel 15, Kasten 15-1) besonders faszinierend.

164

5.1

linke Hand

rechte Hand

Spiegel

Chirale Moleküle

linke und rechte Hand lassen sich nicht

zur Deckung bringen Abb. 5-2 Linke und rechte Hand als Modell für eine enantiomere Beziehung. Wie diese Spiegelbilder können auch chirale Moleküle nicht mit ihrem Enantiomeren zur Deckung gebracht werden.

A

B

[6

D

Abb. 5-3 Beispiele für Symmetrieebenen A) in Methan (nur eine ist gezeigt), B) in Dichlormethan und C) in Bromchlormethan. Bromchlorfluormethan (D) hat keine Spiegelebene.

Wie Sie sicher schon festgestellt haben, ist es nicht immer einfach zu sehen, ob ein Molekül

chiral ist oder nicht. Absolut narrensicher ist es,

Modelle des Moleküls und seines Spiegelbilds zu bauen und zu prüfen, ob man sie zur Deckung bringen kann. Leider erfordert dieses Verfahren sehr viel Zeit. Glücklicherweise gibt es zwei Hilfen, mit denen man schnell feststellen kann, ob ein Molekül

chiral ist oder nicht. Sie basie-

ren auf den Symmetrieeigenschaften des Moleküls. Durch bestimmte Symmetrieoperationen, die man nehmen

am Molekül

kann, bleiben dessen Struktur und die Position der Atome

vorim

Raum unverändert. Wir brauchen hier nur zwei zu berücksichtigen: Die Einführung einer Symmetrieebene oder eines Symmetriezentrums. Eine Symmetrieebene (intramolekulare Spiegelebene) schneidet das Molekül derart, daß der Teil der Struktur, der auf der einen Seite der Ebene liegt, das Spiegelbild des Teils auf der anderen Seite ist. So hat beispielsweise Methan sechs Symmetrieebenen, Dichlormethan (Methyl»enchlorid) zwei, Bromchlormethan eine und Bromchlorfluormethan keine (s. Abb. 5-3, für das Methanmolekül ist nur eine Symmetrieebene dargestellt). Ein Symmetriezentrum ist ein Punkt in einem Molekül, der jede Gerade, die durch ihn gezeichnet wird, in zwei gleichgroße Gruppen von Punkten auf jeder Seite mit derselben Umgebung teilt. Es kann immer

nur einen solchen

Punkt geben. Das Molekül,

das in Abbildung

5-4 dargestellt ist, besitzt ein solches Symmetriezentrum. Es gibt weitaus weniger Strukturen mit einem Symmetriezentrum als mit einer Symmetrieebene.

CH,CH;

H CHz

CH3 H CH>CH;

H

Symmetriezentrum

Abb. 5-4 Molekül mit einem Symmetriezentrum. Die farbig gezeichneten Gruppen befinden sich auf verschiedenen Geraden durch das Symmetriezentrum in derselben Umgebung.

165

5

Stereoisomerie

Um

ein chirales Molekül von einem achiralen zu unterscheiden, müs-

sen wir uns nur merken, daß chirale Moleküle weder ein Symmetriezentrum noch eine Symmetrieebene enthalten dürfen. Liegt eines von beiden Symmetrieelementen im Molekül vor, ist es achiral. So sind die Moleküle A, B und C in Abb. 5-3 eindeutig achiral, weil sie Symmetrieebe-

nen besitzen. Im Beispiel aus Abb. 5-4 fehlt eine solche Ebene, das Molekül ist aber aufgrund des Vorhandenseins eines Symmetriezentrums achiral. Bei den meisten Molekülen in diesem Buch können Sie schon, indem Sie nach einer Symmetrieebene suchen, feststellen, ob das Mole-

kül chiral ist oder nicht. Unsere Definition der Achiralität von Molekülen geht stillschweigend von einem bestimmten Verständnis ihrer Struktur aus: Man geht dabei üblicherweise von dem aus, was direkt beobachtbar, besser noch bei Raumtemperatur als Verbindung stabil und isolierbar ist. Wie wir in den Kapiteln 2 und 4 gelernt haben, können solche Verbindungen jedoch als Rotamere oder Konformationsisomere vorliegen, die sich in schnellen Gleichgewichtsreaktionen ineinander umwandeln. Solche Prozesse können Verbindungen, die schnell — etwa über ein achirales Intermediat oder einen achiralen Übergangszustand - zwischen enantiomeren Formen äquilibrieren, als achiral erscheinen lassen. Zum Beispiel wird Butan als achiral angesehen, obgleich seine gauche-Konformation zweifelsfrei chiral ist, denn die Rotation um die Bindung C2—C3 führt zur enantiomeren gauche-Konformation. In ähnlicher Weise betrachtet man cis-1,2-Dimethylcyclohexan als achiral, da sich die beiden enantiomeren Konformationen durch rasche Äquilibrierung der beiden Sessel-Konformationen schnell ineinander umwandeln (vgl. auch Abschn. 5.6). Solchen Molekülen spricht man eine zeitlich gemittelte „Symmmetrie“ zu. Die meisten in diesem Buch behandelten chiralen Moleküle verdanken ihre Chiralität einem fixen Stereozentrum, beispielsweise einem asymmetrischen Kohlenstoffatom. Fassen

wir

zusammen:

Chirale

Moleküle

sind

Stereoisomere,

bei

denen Bild- und Spiegelbild nicht deckungsgleich sind. Man bezeichnet die beiden Isomere als Enantiomere. In vielen chiralen organischen Molekülen

ist ein Chiralitätszentrum

enthalten,

in anderen

nicht.

Ein

chirales Molekül besitzt weder eine Symmetrieebene noch ein Symmetriezentrum. © Übung 5-4 [2 Zeichnen Sie die folgenden achiralen Gegenstände aus dem täglichen Leben und geben Sie bei jedem die Symmetrieebene(n) an: ein Ball, ein gewöhnliches Wasserglas, ein "

Hammer,

ein Stuhl, ein Koffer, eine Zahnbürste.

© Übung 5-5 @

Schreiben Sie die Strukturen aller Dimethyleyclobutane auf. Geben Sie an, welche chiral sind. Zeigen Sie bei den achiralen Dimethylcyclobutanen die Symmetrieebenen.

5.2 Optische Aktivität Wenn Sie daran denken, wie ähnlich Enantiomere einander sind (alle Bindungen sind identisch, ihr Energieinhalt ist daher derselbe), werden Sie sich fragen, wie es überhaupt möglich ist, das eine Enantiomer vom anderen

zu

unterscheiden.

Dies

ist in der Tat sehr schwierig,

da die

Enantiomere in den meisten physikalischen Eigenschaften übereinstimmen. Eine bemerkenswerte Ausnahme ist die Wechselwirkung mit einer bestimmten Art von Licht. Erinnern Sie sich an unser erstes Beispiel chiraler Moleküle, die beiden Enantiomeren von 2-Brombutan, und nehmen Sie an, Sie hätten

jedes Enantiomer in reiner Form isoliert. Vergleicht man die physikalischen Eigenschaften wie Schmelzpunkt, Siedepunkt und Dichte miteinander, stellt man keinen Unterschied fest. Schickt man jedoch einen 166

Ausbreitungsrichtung ‚des Lichts

5.2

Optische Aktivität

A

elektrischer Feldvektor

magnetischer Feldvektor

C B

Strahl von linear polarisiertem Licht (wir erklären gleich, was das ist) durch eine Probe eines der beiden Enantiomere, wird die Schwingungsebene des einfallenden Lichtes um einen bestimmten Betrag in eine Richtung gedreht (entweder im oder gegen den Uhrzeigersinn). Wiederholt man dasselbe Experiment mit dem anderen Enantiomer, wird die Schwingungsebene um genau denselben Betrag, nur in die andere Richtung, gedreht. Ein Enantiomer, das die Ebene des polarisierten Lichts im Uhrzeigersinn dreht, bezeichnet man als rechtsdrehend und nennt es willkürlich (+)-Enantiomer. Entsprechend ist das andere Enantiomer, das die Ebene gegen den Uhrzeigersinn dreht, das linksdrehende oder das (-)-Enantiomer. Aufgrund dieser besonderen Wechselwirkung mit dem Licht nennt man Enantiomere häufig optische Isomere und das beobachtete Phänomen optische Aktivität.

Abb. 5-5 Darstellung elektromagenetischer Wellen. A. Ein elektrischer Feldvektor und der dazu senkrechte magnetische Feldvektor. In dieser Darstellung steht die Ausbreitungsrichtung des Lichts senkrecht auf der Papierebene, die Feldvektoren stehen in der Ebene. B. Bei gewöhnlichem Licht weisen die Feldvektoren in alle Richtungen. C. Eine andere Ansicht von Teil A, in der sich das Licht von der

linken zur rechten Seite des Papiers ausbreitet. Teil A und € gelten auch für linear polarisiertes Licht.

Die Messung der optischen Drehung Was ist nun linear polarisiertes Licht, und wie mißt man die Drehung der Schwingungsebene? Gewöhnliches Licht kann man als elektromagnetische Wellenbewegung beschreiben, deren elektrische und magnetische Feldvektoren im rechten Winkel zueinander und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes schwingen (s. Abb. 5-5). Dabei können die Feldvektoren in alle Richtungen des Raumes weisen. Beim linear polarisierten Licht ist das anders, alle elektrischen Feldvektoren liegen in einer Ebene. Gewöhnliches Licht wird linear polarisiert, wenn es durch ein Nicolsches Prisma geleitet wird, das alle der unzähligen Schwingungsebenen bis auf eine absorbiert, so daß nur Licht mit einer einzigen Schwingungsebene durchgelassen wird. Der entstehende Lichtstrahl ist linear polarisiert (s. Abb. 5-5). Bewegt sich Licht durch ein Molekül, treten die Elektronen der verschiedenen Bindungen und in der Umgebung der Kerne in Wechselwirkung mit dem elektrischen Feld des Lichtstrahls. Ist das Licht linear polarisiert, kann der elektrische Feldvektor seine Richtung in Abhängigkeit von der Probe verändern oder beibehalten.

Enthält die Probe

achirale Moleküle,

bleibt die

Richtung dieselbe, die Probe ist optisch inaktiv. Sie ist deshalb inaktiv, weil in diesen Strukturen eine Spiegelebene oder ein Symmetriezentrum enthalten ist. Grob vereinfacht kann man sagen, daß aufgrund dieser Symmetrie jeder Effekt, den der eine Teil des Moleküls (oder vielmehr die Elektronen) auf das Licht hat, vom spiegelbildlichen Teil aufgehoben wird. Schickt man andererseits einen Strahl linear polarisierten Lichts ° durch eine chirale Substanz, ist die Wechselwirkung des elektrischen Feldes mit der „linken“ Hälfte des Moleküls anders als mit der „rechten“ (s. Abb. 5-6), und beide heben sich nicht gegenseitig auf. In

Lösung können die chiralen Moleküle viele verschiedene räumliche Orientierungen besitzen, das Licht geht also in allen möglichen Winkeln durch sie hindurch. Hieraus ergeben sich sehr unterschiedliche Drehungen der Polarisationsebene. Die gemessene Drehung ist eine makroskopische Eigenschaft — die Summe über alle Rotationen durch die einzelnen Moleküle. Man bezeichnet dies als optische Drehung, und eine Probe, die Anlaß zu einer optischen Drehung gibt, als optisch aktiv. 167

5

Stereoisomerie

elektrischer Feldvektor

H

a

| sr

Lichtstrahl

Br /A CH3 I durch die Asymmetrie am Chiralitätszentrum wird die Schwingungsebene gedreht

Abb. 5-6 Ungleichmäßige Wechselwirkung des schwingenden elektrischen Felds von linear polarisiertem Licht mit einem chiralen Molekül. „Links ist nicht gleich rechts“, hieraus folgt eine Drehung der Polarisationsebene, und man sagt, das Molekül ist optisch aktiv.

_

en

7"

ER

Natriumlampe

>

Nicolsches

linear

Prisma

polarisiertes Licht

Meßzelle

Schwingungs-

Analysator

ebene ist gedreht

Abb. 5-7 Ein Polarimeter, das zur Messung von optischen Drehungen verwendet wird. Wenn der Analysator so gedreht wird, daß der durchgelassene Strahl die maximale Intensität hat, ist seine Polarisationsebene identisch mit der des Lichtes, das durch die Küvette mit der Probe gegangen ist.

Der Apparat, mit dem man optische Drehungen mißt, ist ein Polarimeter (s. Abb. 5-7). Als Lichtquelle wird meist eine monochromatische (nur eine Wellenlänge emittierende) Natrium-D-Lampe (X = 589 nm) verwendet. Als erstes wird das Licht durch ein Nicolsches Prisma linear polarisiert. Dann geht der Strahl durch die Meßzelle mit der Probe. Die Drehung der Schwingungsebene wird anschließend mit Hilfe eines zweiten Nicolschen Prismas, des Analysators, nachgewiesen. In der Praxis geschieht dies einfach, indem der Analysator so lange gedreht wird, bis der durchgelassene Lichtstrahl dem Auge des Beobachters maximal hell erscheint. Der am Analysator abgelesene Drehwinkel ist die beobachtete optische Drehung, a, der Probe. Der Wert hängt ab von der Konzentration und Struktur des optisch aktiven Moleküls, der Länge der Meßzelle,

der Wellenlänge

des Lichts, dem

Lösungsmittel

und der

Temperatur. Um Zweifelsfälle auszuschließen, haben sich die Chemiker auf einen Standardwert von a, die spezifische Drehung, [a], geeinigt. Diese Größe (die unabhängig vom Lösungsmittel ist) ist definiert als:

a

[c), rn

[al = spezifische Drehung 0 = Temperatur in °C

168

%

= Wellenlänge des einfallenden Lichts; für die Natrium-D-Lampe einfach durch „D“ gekennzeichnet

a

= beobachtete optische Drehung in °

! c

= Länge der Küvette (Meßzelle) in dm (meist 1 dm lang) = Konzentration in g/mL (Lösung) oder Dichte in g/mL (reine flüssige Phase)

5.2

Tabelle 5-1 Spezifische Drehung [a]%° einiger chiraler Moleküle

w „CH3

\H;CH;

/NH H;C

CH;

(— )-2-Brombutan

j|

FE

“

Br

(+)-2-Brombutan

j

+8.5

HN 4 N

+ 23.1

er

— 23.1

fe

H/N B

Optische Aktivität

em

CH, COOH

HOOC

(+)-2-Aminopropansäure [(+)-Alanin]

/ \OH

— 3.8

CH;

(— )-2-Hydroxypropansäure [(—-)-Milchsäure]

Bei den Halogenalkanen in reiner Phase, bei den Säuren in wäßriger Lösung gemessen.

Übung 5-6 Eine Lösung von 1 g Haushaltszucker (die natürlich vorkommende Form der Saccharose) in 10 mL wäßriger Lösung in einer 10-cm-Küvette zeigt einen Drehwert von

+6.65°. Berechnen Sie [a]. Können Sie hieraus Rückschlüsse auf [a] des anderen, linksdrehenden Enantiomers der Saccharose ziehen?

Die spezifische Drehung einer optisch aktiven Verbindung ist eine physikalische Konstante, die für diese Substanz charakteristisch ist, ebenso wie der Schmelzpunkt, der Siedepunkt und die Dichte. Die spezifischen Drehungen einiger Substanzen sind in Tab. 5-1 angegeben.

Aus der optischen Rotation Kann man auf die Zusammensetzung eines Enantiomerengemischs schließen Wie bereits erwähnt, drehen Enantiomere die Schwingungsebene des linear polarisierten Lichts um denselben Betrag, nur in entgegengesetzte Richtungen. Das (—)-Enantiomer von 2-Brombutan dreht die Ebene um 23.1 gegen den Uhrzeigersinn, das Spiegelbild (+)-2-Brombutan also um 23.1 im Uhrzeigersinn. Hieraus folgt, daß die optische Drehung eines Racemats

null ist, es ist optisch inaktiv.

Wenn ein Enantiomer über einen chemischen Prozeß mit seinem Spiegelbild ins Gleichgewicht kommt, spricht man von Racemisierung: das Enantiomer racemisiert. Man hat z.B. gefunden, daß optisch aktive Säuren, wie (+)-Alanin (Tabelle 5-1), nur sehr langsam racemisieren, hierdurch nimmt die optische Aktivität ab. Es läßt sich auch die optische Aktivität eines Enantiomerengemisches bestimmen,

aber nur dann, wenn

beide Enantiomeren

in unterschiedli-

chen Anteilen vorliegen. Aus dem gemessenen Drehwert kann die Zusammensetzung eines solchen Gemischs bestimmt werden. Wenn beispielsweise die Lösung von (+)-Alanin, das aus einem Fossil gewonnen wurde, ein [a] von nur +4.25 zeigt (d.h. den halben Wert des reinen Enantiomers),

kann

man

daraus

ableiten,

daß 50%

der Probe

reines

(+)-Enantiomer ist und die anderen 50 % racemisch sind. Da der racemische Anteil aus gleichen Mengen von (+)- und (-)»Enantiomer besteht, setzt sich die Probe aus 75% (+) und 25% (-—) zusammen.

ist dasselbe wie

u) 3 Teile (+) 1 Teil (—)

»]

j

50% Racemat

Der beobachtete Drehwert ist 50% des Drehwertes des reinen (+ )-Enantiomers

169

5

Stereoisomerie

Die 25% (-)-Enantiomer heben die Rotation einer gleichen Menge (+)-Enantiomer auf. Man sagt, das Gemisch ist 50% optisch rein. Die beobachtete optische Rotation beträgt die Hälfte der Rotation des reinen rechtsdrehenden Enantiomers. Ein Gemisch dieser Zusammensetzung bezeichnet man als 50% optisch rein. Man spricht auch von 50% Enantiomerenüberschuß (ee, englisch: enantiomeric excess). Der beobachtete spezifische Drehwert ist nur die Hälfte des Maximalwerts.

optische Reinheit in % =

[[e](beobachtet

|

[o]

’ .100|

= Enantiomerenüberschuß (ee)

Die präzise Definition des Enantiomerenüberschusses lautet: Enantiomerenüberschuß

(% ee) = (Molenbruch Überschußenantiomer — Molenbruch Unterschußenantiomer - 100

Übung 5-7 =-

Wie groß ist die optische Rotation einer Probe von (+)-2-Brombutan, das 75% optisch

, rein ist? Zu welchen Anteilen liegen (+)- und (—)-Enantiomer in der Probe vor? Beant© worten Sie dieselben Fragen für Proben, die 50% bzw. 25% optisch rein sind. ——

Zusammengefaßt können wir sagen, daß sich zwei Enantiomere aufgrund ihrer optischen Aktivität unterscheiden lassen — also aufgrund ihrer Wechselwirkung mit linear polarisiertem Licht, die man in einem Polarimeter messen kann. Beide Enantiomere drehen die Schwingungsebene des linear polarisierten Lichts um denselben Betrag, das eine im Uhrzeigersinn (rechtsdrehend), das andere entgegen dem Uhrzeigersinn (linksdrehend). Die spezifische Drehung [a] ist eine physikalische Konstante, die nur bei chiralen Verbindungen gefunden wird. Die Umwandlung von Enantiomeren ineinander führt zur Racemisierung und zum Verlust der optischen Aktivität.

5.3 Absolute Konfiguration: Die R-S-Sequenzregeln Wie können wir die Struktur eines reinen Enantiomers bestimmen? Und, wenn wir die Antwort wissen, gibt es eine Möglichkeit, wie man ein Enantiomer eindeutig benennen und es von seinem Spiegelbild unterscheiden kann?

Die absolute Konfiguration steht in keiner Beziehung zum Vorzeichen der optischen Drehung und kann durch Röntgenstrukturanalyse bestimmt werden Wie können wir die Molekülstruktur eines reinen Enantiomers einer chiralen Verbindung ermitteln? Die relative Anordnung der Atome zueinander, die relative Konfiguration, ist bei beiden Enantiomeren gerade umgekehrt, aber welches ist welches? Wie wir bereits gesehen haben, sind alle physikalischen Eigenschaften mit Ausnahme der optischen Drehung bei beiden Enantiomeren identisch. Besteht nun eine Beziehung zwischen dem Vorzeichen der optischen Drehung und der tatsächlichen räumlichen Anordnung der Substituenten, der absoluten Konfiguration? Ist es möglich, die Struktur eines Enantiomers durch Messen des spezifischen Drehwerts zu bestimmen? Die Antwort auf beide Fragen lautet leider nein. Es besteht keine eindeutige Beziehung zwischen dem Vorzeichen des Drehwerts und der Struktur eines Enantiomers (außer der, daß das Vorzeichen entgegengesetzt zu dem des Spiegelbilds sein muß). 170

Aus welchen Gründen Brombutan

konnten wir dann einem Stereoisomeren von 2-

ein positives,

dem

anderen

ein negatives

Vorzeichen

von

5.3

Absolute Konfiguration: Die R-S-Sequenzregeln

[a] zuordnen (s. Tab. 5-1)? Diese Zuordnung war nur aufgrund zusätzlicher Informationen über die Struktur möglich. Solche Informationen ergeben sich aus einer bestimmten Form der Röntgenstrukturanalyse (unter Ausnutzung der sogenannten anomalen Dispersion), mit deren Hilfe man direkt die dreidimensionale Anordnung der Atome in einem Molekül erkennen kann. Die absolute Konfiguration eines Enantiomers läßt sich auch durch chemische Korrelation mit einer anderen Struktur, deren absolute Konfiguration durch Röntgenstrukturanalyse ermittelt wurde, ableiten.

Benennung von Enantiomeren: Die absolute Konfiguration wird durch R und $ angegeben Um

Enantiomere

eindeutig zu benennen,

brauchen

wir ein System, mit

dessen Hilfe wir die absolute Konfiguration des Moleküls angeben können, eine Art „linke Hand“

vs. „rechte Hand“

Nomenklatur.

Ein sol-

ches System ist von drei Chemikern entwickelt worden, von R. S. Cahn und C. Ingold aus London und von V. Prelog aus Zürich.” Obwohl die drei auch Nomenklaturregeln für chirale Moleküle ohne Chiralitätszentrum formuliert haben, beschränken wir uns im folgenden auf die Regeln, die für Stereoisomere mit asymmetrischen Kohlenstoffatomen entwickelt wurden, weil diese in der organischen Chemie am häufigsten sind. Der erste Schritt bei der Bestimmung der Chiralität an einem solchen Kohlenstoffatom besteht darin, alle vier Substituenten nach abnehmender Priorität als a, b, c und d zu ordnen. Die Priorität

wird mit Hilfe von Sequenzregeln, die wir gleich besprechen, bestimmt. Substituent a hat dann die höchste, b die zweithöchste,

c die dritte und

d die geringste Priorität. Als nächstes dreht man das Molekül so (in Gedanken, auf dem Papier oder unter Verwendung eines Molekülmodells), daß der Substituent mit der geringsten Priorität am weitesten vom Betrachter entfernt ist (s. Abb. 5-8). Danach ergeben sich zwei (und nur zwei) mögliche Anordnungen für die übrigen Substituenten. Bewegt man sich, um von a über b nach c zu gelangen, entgegen dem Uhrzeigersinn, besitzt das Chiralitätszentrum die Konfiguration $ (sinister, lateinisch: links). Bewegt man sich im anderen Fall im Uhrzeigersinn, ist die Konfiguration R (rectus, lateinisch: rechts). Das Symbol R oder 5 wird in Klammern vor den Namen der chiralen Verbindung gesetzt, wie (R)-2-Brombutan und (S)-2,3-Dihydroxypropanal. Racemische Gemische kennzeichnet man durch (R,S) wie im (R,S)-Bromchlorfluormethan. Das Vorzeichen der Drehung der Ebene des linear polarisierten Lichts kann man noch dazuschreiben (das ist aber für die eindeutige Kennzeichnung nicht erforderlich), wie in (S)-(+)-2-Brombutan und (R)-(+)-2,3 Dihydroxypropanal. Wir wollen noch einmal daran erinnern, daß eine einfache Korrelation der Symbole R und 5 mit dem Drehsinn nicht existiert.

/

a

cl \\c AB

f

a

al\b

b a

c

*

|

5

£ a

c

Y .S

a N,

S

R

Abb. 5-8 Bestimmung der R- oder S-Konfiguration an einem tetraedrischen Chiralitätszentrum. Bei vielen der Strukturzeichnungen in diesem Kapitel verwenden wir dasselbe Farbschema zur Angabe der Priorität der Substituenten — in abnehmender Reihenfolge: rot, blau, grün, schwarz.

Dr. Robert S. Cahn, 1899-1981, Fellow am Royal Institute of Chemistry, London; Christopher Ingold, 1893-1970, Professor am University College, London; Vladimir Prelog, 1906-1998,

Professor an der ETH

Zürich, Nobelpreis für Chemie

1975.

171

Kasten 5-2

Absolute Konfiguration: Eine historische Betrachtung Vor der Entdeckung der Röntgenstrukturanalyse war die absolute Konfiguration chiraler Moleküle unbekannt. Um wenigstens ein einheitliches System von relativen Konfigurationen zu schaffen, wurden willkürlich beiden Enantiomeren von 2,3Dihydroxypropanal (Glycerinaldehyd), einer synthetisch außerordentlich wichtigen Substanz, die sich in eine Fülle anderer chiraler Moleküle überführen läßt, Konfigurationen zugeordnet.

H I | R TE OH CH>OH

a] ua

verwechselt

ange-

werden,

schreibt man das Vorzeichen des Drehsinns (+ oder —) in Klammern hinter die Angabe der Konfiguration und vor den Namen der Verbindung. Alle chiralen Verbindungen, die durch chemische Prozesse mit D-(+)-Glycerinaldehyd korreliert werden konnten — das bedeutet, daß man sie mit Hilfe von chemischen

Reaktionen,

wurde.

Die

ursprünglich

vom

Bezeichnung

lateinischen

„p“

Wort

„dexter“ für rechts ab, bezieht sich aber nicht auf

das Vorzeichen der Drehung des linear polarisierten Lichts, sondern auf die relative Anordnung der

Substituenten,

die

willkürlich

wie

unten

gezeigt, geschrieben wurde.

!

c_ı\ /R=CH

[&]52%.

87

CH>OH

[L-(— )-Glycerinaldehyd]

und L, die, wie wir noch einmal betonen möchten, diesem

sich

L-(—)-2,3-Dihydroxypropanal

die Konfiguration und nicht den Drehsinn mit

bezeichnet

leitet

HO

Entsprechend bezeichnete man das linksdrehende Isomer als L-Glycerinaldehyd (rL von lateinisch: /aevus, links). Damit die Buchstaben D

nicht

dehyd

= +8.7

D-(+)-2,3-Dihydroxypropanal [o-(+)-Glycerinaldehyd]

ben,

Man postulierte, daß das rechtsdrehende Enantiomer eine Struktur besäße, die mit D-Glycerinal-

die die Konfi-

guration des chiralen Kohlenstoffatoms nicht ver-

ändern, in rechtsdrehenden Glycerinaldehyd überführen konnte — wurde die D-Konfiguration zugeordnet, ihren Spiegelbildisomeren die L-Konfiguration. Beispiele für Moleküle mit D- und L-Konfiguration sind unten abgebildet. Erst im Jahre 1951 gelang es mit Hilfe der Röntgenstrukturanalyse, die absolute Konfiguration des D-Glycerinaldehyds zu bestimmen. Dabei stellte es sich heraus, daß die tatsächliche Konfiguration zufällig mit der willkürlich angenommenen übereinstimmte. Die

D,L-Nomenklatur

wird noch

bei den Zuk-

kern (Kap. 24) und den Aminosäuren verwendet.

(Kap. 26)

ı-Konfiguration

D-Konfiguration

H

| 0 a CH;0OH

H

| em

\COCH3 Ho / \CH;SH

Ermittlung der Priorität von Substituenten: Die Sequenzregeln Mit Hilfe der Sequenzregeln können wir die Prioritäten tuenten an einem Chiralitätszentrum bestimmen.

der Substi-

Regel 1_ Wir betrachten zunächst die Atome, die direkt an das Chiralitätszentrum gebunden sind. Ein Substituentenatom mit höherer Ordnungszahl hat eine höhere Priorität als eines mit einer niedrigeren Ord172

nungszahl. Der Substituent mit der niedrigsten Priorität ist folglich der Wasserstoff. Im Falle von Isotopen erhält das Isotop mit der größeren Atommasse die höhere Priorität.

0Z1

7

d oze

02 53

)

al »B

ist identisch mit

12

dH—C.

\ Br b

CH3 c

u

>

CHare

nz

(R)-1-Brom-

OZ = Ordnungszahl

1-iodethan

Regel 2 Besitzen zwei Substituenten dieselbe Priorität, wenn man die direkt an das Chiralitätszentrum gebundenen Atome betrachtet, führt man dieselbe Einstufung entlang beider Ketten so lange weiter, bis in beiden Ketten ein Unterschied in der Priorität auftritt. Ein Ethylsubstituent hat z.B. eine höhere Priorität als eine Methylgruppe. Warum? Beide Gruppen sind über ein Kohlenstoffatom an das Chiralitätszentrum gebunden, unterscheiden sich also dort nicht in ihrer Priorität.

Entfernt

man

sich nun vom

Zentrum,

sieht man,

daß an das

Kohlenstoffatom der Methylgruppe nur Wasserstoffatome, an das der Ethylgruppe zwei Wasserstoffatome und ein Kohlenstoffatom gebunden sind (höhere Priorität). H

|

—C—H

Heer

hat eine niedrigere Priorität as

—C—C—H

H

HH

Methyl

Ethyl

Auf der anderen Seite hat die 1-Methylethylgruppe eine höhere Rangordnung als die Ethylgruppe, da an das erste Kohlenstoffatom der Ethylgruppe nur ein Kohlenstoffatom, an das der 1-Methylethylgruppe aber zwei gebunden sind. Entsprechend hat die 2-Methylpropyl- eine höhere Priorität als die Butyl- aber eine niedrigere als die 1,1-Dimethylethylgruppe. CH;

H a

hat eine niedrigere Priorität als Ba

H

H

Ethyl

H’H

1-Methylethyl (Isopropyl)

H

|

—C—C—CH>CH;

hat eine niedrigere Priorität als

HH

—C—C—CH3 HH

Butyl

H

CH3

2-Methylpropyl

CH;

—C—C—CH; Der 2-Methylpropyl

hat eine niedrigere Priorität als

CH3 |

ECH3 1,1-Dimethylethyl (tert-Butyl)

5.3

Absolute Konfiguration: Die R-S-Sequenzregeln

5 Stereoisomerie

Denken wir daran, daß die Priorität an der ersten unterschiedlichen Stelle bei sonst ähnlichen Substituentenketten bestimmt wird. Ist dieser Punkt erreicht, ist die Struktur des Rests der Kette irrelevant:

H

CH3

—C—CH;OH

hat eine niedrigere Priorität als

h

—C—CH;z

h

’

CH3

ieh CH>CH>CClI;

hat eine niedrigere Priorität als

iR CH3

H

H

Erreichen Sie in einer Substituentenkette einen Verzweigungspunkt, wählen Sie den Zweig mit höherer Priorität. Haben zwei Substituenten ähnliche Verzweigungen, gehen Sie so weit, bis Sie eine unterschiedliche Stelle gefunden haben:

CH>CH>CH3 —C-—-CH3—SH

CH,CH,CH, hat eine niedrigere Priorität als

H

7

Eror

Se

Fr

H

Unterschiedliche Stelle Beispiele:

Ia

C(CH3)3 a

&

|

2 \ CH2CH3 b

BR

er ah

CH3 c

a

&

CH(CH3)2 b

(R)-2-Iodbutan

(S)-3-Ethyl-2,2,4-trimethylpentan

Regel 3 Doppel- und Dreifachbindungen werden wie gesättigte Verbindungen behandelt, wie im folgenden gezeigt: Die roten Atome, die an die

H

Gruppen auf der rechten Seite der

H N

Darstellung gebunden sind, sind

ui

z

nicht wirklich vorhanden! Sie sind nur hinzugefügt, damit allen Gruppen auf der linken Seite eine relative Priorität zugeordnet wer-

Fa

HH 3

Se

wird angesehen als R

|

ER \ j

ee | |

den kann.

HR

wird angesehen als

ae ER

|

ch

wird angesehen als

E

a

= Oo H

CH=CH;3 b

OH a

|

dH

onen R

. (&

| ?

dH

ARyCHb .CH.OHe

O —

ll 0

BERE = wird angesehen als

R

OH

Beispiele sind in der Randspalte gezeigt. 174

er |

Mi

Übung 5-8

5.4

Fischer-Projektionen

Zeichnen Sie die Formeln der folgenden Substituenten und ordnen Sie sie innerhalb jeder Gruppe nach abnehmender Priorität. (a) Methyl, Brommethyl, Trichlormethyl, Ethyl: (b) 2-Methylpropyl (Isobutyl), 1-Methylethyl (Isopropyl), Cyclohexyl; (c) Butyl, 1-Methylpropyl (sec-Butyl), 2-Methylpropyl (Isobutyl), 1,1-Dimethylethyl (tert-Butyl); (d) Ethyl, 1-Chlorethyl, 1-Bromethyl, 2-Bromethyl.

i Übung 5-9 Bestimmen Sie die absolute Konfiguration der Moleküle aus Tab. 5-1.

©

Übung 5-10 Zeichnen

Sie ein Enantiomer

(geben

Sie an,

welches)

von:

2-Chlorbutan,

2-Chlor-2-

fluorbutan und von (HC=C)(CH;=CH)C(Br)(CH;).

Um die räumliche Struktur von Stereoisomeren richtig bestimmen zu können,

müssen

Sie

ein

dreidimensionales

„Sehen“

oder

„sterisches

Sehgefühl“ entwickeln. Bei den Strukturen, die wir zur Veranschaulichung der Prioritätsregeln benutzt haben, lag immer der Substituent mit der niedrigsten Priorität links vom chiralen Kohlenstoffatom in der Papierebene, der Rest des Moleküls rechts davon, mit der oberen rechten Gruppe ebenfalls in der Papierebene. Dies ist jedoch nicht die einzige Möglichkeit zur Zeichnung dreidimensionaler Strukturen, andere sind ebenso richtig. Betrachten Sie als Beispiel einige der Darstellungen von (S)-2-Brombutan. In jeder ist das Molekül einfach aus einem anderen Blickwinkel gezeigt. Sechs Möglichkeiten zur Zeichnung von (S)-2-Brombutan Be

re

\CH3

CH>CH;

ie

Neht, Br#/_"CH>CH; CH;

H

Br-C-CH; CH>CH3

'

H3C--C--Br l CH>CH;

N

C—H CH3CHz 4 CH

_CH3CH>—C—CH3

Lassen Sie uns zusammenfassen: Zur Bestimmung der absoluten Konfiguration kann man das Vorzeichen der optischen Drehung nicht heranziehen. Stattdessen muß man besondere Verfahren der Röntgenbeugung (oder chemische Korrelationen) benutzen. Die absolute Konfiguration des chiralen Moleküls läßt sich mit Hilfe der Sequenzregeln, aufgrund derer wir die Substituenten nach abnehmender Priorität ordnen können,

als R oder $ angeben. Dreht man die Strukturen so, daß die Gruppe mit der geringsten Priorität nach hinten weist, können die übrigen Substituenten entweder im (R) oder entgegen dem Uhrzeigersinn (S) angeordnet sein.

5.4 Fischer-Projektionen Eine Fischer*-Projektion ist eine Standardmethode zur zweidimensionalen Abbildung tetraedrischer Kohlenstoffatome und ihrer Substituenten. In dieser Darstellungsmethode wird das Molekül als Kreuz mit dem asymmetrischen Kohlenstoffatom im Schnittpunkt der beiden Achsen gezeichnet. Die waagerechten Linien stellen Bindungen dar, die auf den Betrachter zu gerichtet sind, senkrechte Linien weisen von ihm weg. Um von Keilstrichformeln leichter zu Fischer-Projektionen zu gelangen, zeichnet man sie in derselben Anordnung. Dies ist im folgenden für 2-Brombutan gezeigt.

*

Emil Fischer,

1852-1919,

Professor an der Universität Berlin, Nobelpreis für Chemie

1902.

175

5 Stereoisomerie

Überführung von Keilstrichformeln in Fischer-Projektionen am Beispiel der beiden Enantiomere

H Br

von 2-Brombutan

H

C—CH;CH;

H

eich,

CH;

CH5SCH5—

CH;

Keilstrichformel

H

C—Br

Ci

CH;

FischerProjektion

CH;

Keilstrichformel

(R)-2-Brombutan

FischerProjektion

(S)-2-Brombutan

Da man ein Molekül durch mehrere Keilstrichformeln darstellen kann, gibt es auch mehrere korrekte Fischer-Projektionen für ein chirales Molekül. Zwei weitere Projektionen des (R)-2-Brombutans CH;

CH;

|

H-CCH;CH, —> H4-cnch, Br Br

CH-C-Br —> Br CH;CH; CH-CH;

Drehung einer Fischer-Projektion kann, muß aber nicht,

die absolute Konfiguration ändern Da die Fischer-Projektionen Abbildungen dreidimensionaler Objekte in die Ebene darstellen, müssen wir sehr vorsichtig sein, wenn wir irgendwelche Manipulationen an ihnen vornehmen. Drehen wir z.B. eine solche Projektion um 90° in der Ebene, erhalten wir die Struktur des Spie-

gelbildisomers. Daraus folgt, daß man bei Drehung um 180° wieder zur Struktur des ursprünglichen Enantiomers zurückkommt. Dies können Sie leicht nachvollziehen,

indem

Sie die Keilstrichformeln

drehen, oder

indem Sie ein Molekülmodell zur Hilfe nehmen. Br Drehung um 90°

Br

onen, Bene, H;C

Br AL,

H

CH;

h

:

ist identischmit

H;3C = C —H

CH>CH; R

CH>CH;

S H

S

CH3

a

Drehung um 180°

ONCH

—

CH3

Br

CH,

CH>CH3

MI:

:

h

ist identisch mit

Br®-C—CH>CH; :

H

Ss

H 5

Ss

| Übung 5-11 ©

Zeichnen Sie Fischer-Projektionen für alle Moleküle aus den Übungen 5-9 und 5-10.

Die Vertauschung von Substituenten in einer FischerProjektion ändert auch die absolute Konfiguration Genau wie bei den Keilstrichformeln gibt es auch mehrere Fischer-Projektionen für dasselbe Enantiomer, was zu Verwirrung führen kann. Wie können wir schnell feststellen, ob zwei Fischer-Projektionen dasselbe Enantiomer oder Bild und Spiegelbild abbilden? Wir müssen eine Methode zur Überführung einer Fischer-Projektion in eine andere entwickeln,

bei

der wir genau

wissen,

wann

die

absolute

Konfiguration

unverändert bleibt und wann wir die umgekehrte Konfiguration bekommen.

176

Es zeigt sich,

daß

man

dies

am

einfachsten

durchführen

kann,

wenn man Substituenten die Plätze tauschen läßt. Wie Sie leicht anhand von Molekülmodellen nachprüfen können, überführt jeder einfache Platztausch ein Enantiomer in sein Spiegelbild. Bei zweimaligem Platztausch (es können jedesmal andere Substituenten sein) erhält man wieder die ursprüngliche absolute Konfiguration.

5.4

Fischer-Projektionen

Änderungen der absoluten Konfiguration beim Vertauschen von Substituenten in Fischer-Projektionen CH3

Br

air

CH>CH3

uU Bt, a—t-cm, ...

CH>CH3

am

CH>CH3

s

Br

R

s

(der Doppelpfeil bedeutet, daß zwei Gruppen ihre Plätze tauschen)

Jetzt ist es sehr einfach festzustellen,

ob zwei verschiedene

Fischer-

Projektionen dieselbe oder unterschiedliche Konfigurationen darstellen. Muß man eine gerade Zahl von Substituentenvertauschungen vornehmen, um von der einen in die andere Struktur zu gelangen, sind die Strukturen identisch. Bei einer ungeraden Zahl von Vertauschungen verhalten sich die Strukturen wie Bild und Spiegelbild. Betrachten Sie beispielsweise die beiden Fischer-Projektionen A und B. Stellen Sie Moleküle mit derselben Konfiguration dar? Die Antwort ist leicht gefunden. Wir überführen A durch zweimaligen Austausch in B,A ist gleich B. Cl

H

Castle

ach

CH>CH3

ISCH

SE

cl

CH>CH3

CH;CH3

A

B

Übung 5-12

") ©

Zeichnen Sie die Keilstrichformeln, die den oben gezeigten Fischer-Projektionen A und B entsprechen. Ist es möglich, A durch Drehung um eine Einfachbindung in B zu überführen? Wenn ja, geben Sie die Bindung an und um welchen Winkel gedreht werden muß. Verwenden Sie Modelle, wenn nötig.

Eine einfache Methode zur Konfigurationsbestimmung mit Hilfe von Fischer-Projektionen Obwohl eigentlich

man

bei der

immer

Behandlung

dreidimensionale

von

stereochemischen

Modelle

zur

Hand

Problemen

nehmen

muß,

kann man auch anhand einer Fischer-Projektion die absolute Konfiguration bestimmen, ohne sie in ein Molekülmodell zu überführen. Zeichnen Sie zu diesem Zweck eine beliebige Fischer-Projektion des Moleküls. Bestimmen Sie dann die Reihenfolge der Substituenten nach der Sequenzregel. Tauschen Sie schließlich zwei Gruppen des Moleküls so aus, daß der Substituent mit niedrigster Priorität oben steht, danach vertauschen Sie irgendein anderes Paar (damit die absolute Konfiguration wieder die ursprüngliche wird). Nun können sie sehen, daß die drei

d

Zar

d

ne

d

d

Bun

Ber

d

a2

d

Be

G

b

a

c

b

a

R

R

R

5

5

5

177

5

Stereoisomerie

Gruppen a, b und c entweder im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn angeordnet sind, was dann einer R- oder S-Konfiguration entspricht. Ü

Übung 5-13 | Welche absolute Konfiguration besitzen die folgenden Moleküle?

Br

ei!

CH3

ae u:

Br

CH;

I

H>N

ou EusO

7 Übung 5-14 | \ | " ', un

Überführen Sie die Fischer-Projektionen aus Übung 5-13 in Keilstrichformeln und bestimmen Sie die absoluten Konfigurationen der Moleküle nach dem in Abschnitt 5-3 beschriebenen Verfahren. Wenn die Gruppe mit der niedrigsten Priorität an der Spitze der Fischer-Projektion ist, liegt sie vor oder hinter der Papierebene? Kann man hieraus ableiten, warum das gezeigte Verfahren zur Bestimmung von Konfigurationen aus Fischer-Projektionen zu richtigen Ergebnissen führt?

Zusammenfassend können wir sagen, daß sich chirale Moleküle sehr einfach durch Fischer-Projektionen abbilden lassen. Durch ungeradzahliges Vertauschen von Substituenten wird die absolute Konfiguration umgekehrt, ist die Anzahl der Vertauschungen gerade, bleibt die ursprüngliche Konfiguration erhalten. Schreibt man in der Fischer-Projektion den Substituenten mit geringster Priorität an die Spitze des Moleküls, läßt sich die absolute Konfiguration leicht bestimmen.

5.5 Moleküle mit mehreren Chiralıtätszentren: Diastereomere Mit Molekülen, die mehrere asymmetrische Kohlenstoffatome enthalten, wollen wir uns in diesem Abschnitt befassen. Da an jedem Zentrum die Konfiguration entweder R oder $ sein kann, ist eine Vielzahl verschiedener Strukturen möglich, die alle Isomere sind.

Zwei Chiralitätszentren können vier Stereoisomere

ergeben: Die Chlorierung von 2-Brombutan an C3 In Abschnitt 5.1 haben wir gesehen, wie durch radikalische Monohalogenierung von Butan ein asymmetrisches Kohlenstoffatom entsteht. Lassen Sie uns nun die Chlorierung von 2-Brombutan zu (neben anderen Produkten) 2-Brom-3-chlorbutan betrachten. Unser Ausgangsmaterial liegt als Racemat, als äquimolares Gemisch der R- und S-Isomere vor. Durch Einführung eines Chloratoms an C3 entsteht ein neues Chiralitätszentrum im Molekül. Dieses Zentrum kann entweder R- oder SKonfiguration haben, die sich mit Hilfe derselben Sequenzregeln, die wir bei Molekülen mit einem derartigen Zentrum entwickelt haben, bestimmen läßt. H * |

CH; no Br 2-Brombutan ein Chiralitätszentrum

178

\ Ch, h

DL

Sn

*

*

CH; oc Bush 2-Brom-3-chlorbutan zwei Chiralitätszentren

Spiegelebene

A SE

a HQ

H3C

|

a

Rz NBr

|

ei Br Are

a

H3C

CH; a

ri

CH3

CH;

\

‘B

r

0)

Hm

"a

Br

Br’/2

H

cl RZH

ex

CH3

.

%

Tr |

B

s

mowzBt H

e

H Ne

|

CH3

|

/u°H

(2R,3R)-2-Brom-3-chlorbutan

Diasteromere

|

|

Se

BR

Ba

Br H a3

$

\

CH3

’

CH:

Br

|

(25,38)-2-Brom-3-chlorbutan

ch URS

R

CH3

Enantiomere

|

|

r

.

@

|

CH;

H

(25,3R)-2-Brom-3-chlorbutan

NE

Se

CH;

ng gl H

Au

B

4

ng

iR.

er

3

ch;

CH3

(2R,3S)-2-Brom-3-chlorbutan

Abb. 5-9 Die vier Stereoisomere von 2-Brom-3-chlorbutan. Jedes ist das Enantiomer eines der drei anderen (sein Spiegelbild) und gleichzeitig das Diastereomer der beiden übrigen. So ist z.B. das 2R,3R-Isomer das Enantiomer des 2$,35-Moleküls und das Diastereomer der 2$,3R- und 2R,3$-Strukturen. Zwei Verbindungen sind nur dann Enantiomere, wenn sie an allen Stereozentren entgegengesetzte Konfiguration haben.

Wie viele Stereoisomere sind bei 2-Brom-3-chlorbutan möglich? Diese Frage läßt sich durch eine einfache Permutationsübung beantworten: Jedes Chiralitätszentrum kann entweder die Konfiguration R oder $ besitzen,

es gibt also die möglichen

Kombinationen

RR,

RS, SR

und

SS. Dies ergibt vier Stereoisomere (Abb. 5-9). Da alle horizontalen Linien in Fischer-Projektionen Bindungen darstellen, die auf den Betrachter hin gerichtet sind, zeigen Fischer-Projektionen das Molekül in ekliptischer Konformation. Daher besteht der erste Schritt beim Überführen einer Newman-Projektion oder einer Keilstrichformel eines Moleküls in eine Fischer-Projektion immer darin, das Molekül so zu drehen, daß man das ekliptische Rotamer erhält. Beim Bestimmen der Konfiguration betrachtet man jedes Chiralitätszentrum für sich und die Gruppe, die das andere Chiralitätszentrum enthält, als normalen Substituenten (Abb. 5-10). Betrachten wir die Konfigurationen der vier Stereoisomeren von 2Brom-3-chlorbutan genauer, so sehen wir, daß wir zwei Paare von Verbindungen haben: ein R,R/S,S-Paar und ein R,S/S,R-Paar. Die beiden

Moleküle eines Paars sind Spiegelbilder voneinander und daher Enantiomere. Andererseits ist jedes Molekül des einen Paars von keinem der beiden Moleküle des anderen das Spiegelbild: beide Enantiomerenpaare sind zueinander nicht enantiomer.

Stereoisomere,

die sich nicht wie Bild

und Spiegelbild verhalten, sind Diastereomere (dia, griechisch: jenseits). CH; als tetrasubstituiertes H

Be

|

Br

Methan zeichnen

N

FRAGE: R oder 5?

er

CH3

——

CHBrCH3

Ül

H

zweifacher Austausch

H

CHBrCH;

H;C

=:

S S

ANTWORT: das Zentrum hat $S-Konfiguration

Abb. 5-10 Bestimmung

der absoluten

Konfiguration

an C3 in 2-Brom-3-chlorbutan.

Wir

sehen die Gruppe, die das Chiralitätszentrum C2 enthält, nur als einen der vier Substituenten an. Prioritäten (auch in Farbe angegeben) werden wie üblich bestimmt (Cl > CHBrCH; > CH; > H). Hieraus folgt die Darstellung in der Mitte der Abbildung. Nach zweimaligem

Austauschen kommt das Wasserstoffatom mit der niedrigsten Priorität an die Spitze der Fischer-Projektion, wodurch die Zuordnung erleichtert wird.

179

5 Stereoisomerie

CH-CH H 3

2a

CH;

Im Gegensatz zu Enantiomeren sind Diastereomere, weil sie sich nicht wie Bild und Spiegelbild verhalten, voneinander unterscheidbare Moleküle mit unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften. Sie lassen sich durch fraktionierte Destillation oder Kristallisation oder 5 5 . : chromatographisch trennen. Sie haben verschiedene Schmelz- und Sie-

NH> & y OH

depunkte und Dichten, genau wie Strukturisomere. sie einen unterschiedlichen spezifischen Drehwert.

Bo: H

NH

Außerdem

haben

Übung 5-15

CH3 \ 2 CHıCH N CO,H az H Alloisoleucin

Die beiden Aminosäuren Isoleucin und Alloisoleucin sind am Rand in gestaffelten Konformationen gezeigt. Überführen Sie beide in Fischer-Projektionen. (Denken Sie daran, daß Fischer-Projektionen die Moleküle in ekliptischer Konformation zeigen.) Sind die \ beiden Moleküle Enantiomere oder Diastereomere?

7) Übung 5-16 In welcher stereochemischen Beziehung (identisch, Enantiomere, hen die folgenden vier Moleküle? Bestimmen Sie die absolute jeden Chiralitätszentrums.

CH;

H

H

F

H

CH>CH;

CH;

HC

F

H

CH-CH;

CH;

H

F

H

CHSsCH;

H

CH; 1

Diastereomere) steKonfiguration eines

Ä

2

HC

CH>CH3

F

H

CH;

CH;

3

4

cis- und tfrans-Isomere sind cyclische Diastereomere Es ist hilfreich, die Stereoisomeren

eines cyclischen

Analogons,

von 2-Brom-3-chlorbutan

1-Brom-2-chlorcyclobutan,

mit denen

zu vergleichen

(Abb. 5-11). In beiden Fällen gibt es vier Stereoisomere:

R,R, S,S, R,S

und S,R. In der cyclischen Verbindung läßt sich die stereoisomere Beziehung des ersten zu dem zweiten Enantiomerenpaar leicht erkennen: eines hat cis-, das andere trans-Konfiguration. cis- und frans-Isomere in Cycloalkanen (Abschn. 4-1) sind also auch Diastereomere.

uabr R

Spiegelebene

|

Sa

H

so umklappen, daß HBr

l

Cl

Lk

Ss

j

H

R

Ben

i

el

S

|

cı P' ae | |

>

R

|

H

| N

Br oc 5

ER cin

H nach hinten

drehen

zeigt

CIHCN. CH,

NIS

x

UN 2

Br H Cl ist Rkonfiguriert

He

CI H C2 istRB

konfiguriert

Abb. 5-11 (A) Diastereomere Beziehung zwischen cis- und trans-1-Brom-2-chloreyclobutan. (B) Stereochemische Bestimmung des R,R-Isomers. Denken Sie daran, daß die Priorität der Gruppen an jedem Chiralitätszentrum durch die Farbe gekennzeichnet wird: Rot > blau > grün > schwarz.

Mehr als zwei Chiralitätszentren: Noch mehr Stereoisomere Welche strukturelle Vielfalt können wir bei einer Verbindung mit drei Chiralitätszentren erwarten? Dieses Problem können wir wieder durch Permutieren der verschiedenen Möglichkeiten lösen. Kennzeichnen wir

180

die drei Zentren nacheinander als entweder R oder S, ergibt sich die folgende Sequenz:

5.6 meso-Verbindungen

RRR RRS RSR SRR RSS SRS SSR SSS, also insgesamt acht Stereoisomere. Enantiomerenpaaren ordnen:

Bild Spiegelbild

Sie lassen sich zu folgenden

vier

RRR RRS RSS SRS SSS SSR SRR RSR

Allgemein gilt, daß eine Verbindung mit n Chiralitätszentren maximal 2" Stereoisomere haben kann. Daher kann eine Verbindung mit drei asymmetrischen Kohlenstoffatomen maximal in acht Stereoisomeren, bei vier asymmetrischen Kohlenstoffatomen in maximal sechzehn, bei fünf in 32 Stereoisomeren auftreten. Bei größeren Systemen ergeben sich phantastische strukturelle Möglichkeiten. Übung 5-17 Zeichnen Sie alle Stereoisomere von 2-Brom-3-chlor-4-fluorpentan.

Fassen wir zusammen: Hat ein Molekül mehr als ein Chiralitätszentrum, führt dies zu Diastereomeren. Dies sind Stereoisomere, die sich

zueinander nicht wie Bild und Spiegelbild verhalten. Bei den cyclischen Verbindungen sind cis- und frans-Isomere Diastereomere. Enthält ein Molekül n asymmetrische

Kohlenstoffatome,

sind maximal

2" Stereoiso-

mere möglich.

3.6 meso-Verbindungen Wir haben gesehen, daß das Molekül 2-Brom-3-chlorbutan zwei verschiedene Chiralitätszentren, jedes mit einem anderen Halogensubstituenten,

enthält.

Wie

viele

Stereoisomere

kann

man

erwarten,

wenn

beide Chiralitätszentren identisch substituiert sind?

Bei zwei gleich substituierten Chiralitätszentren gibt es nur drei Stereoisomere Wir

betrachten

2,3-Dibrombutan,

von 2-Brombutan chlorbutan

müssen

das

dargestellt werden wir vier

durch

kann.

Konfigurationen

den verschiedenen Permutationen ben (s. Abb. 5-12).

radikalische

Genau

Bromierung

wie bei 2-Brom-3-

betrachten,

die sich

der R- und S-Konfigurationen

aus

erge-

Beim ersten Paar von Stereoisomeren, mit R,R- und $,$-Konfiguration, läßt sich klar erkennen, daß es sich um ein Enantiomerenpaar han-

delt. Betrachtet man das zweite Paar jedoch genauer, sieht man, daß sich Bild ($,R) und Spiegelbild (R,S) durch eine Drehung der FischerProjektion um 180° zur Deckung bringen lassen. Beide Moleküle sind .daher identisch. Das $,R-Isomer von 2,3-Dibrombutan ist achiral und nicht optisch aktiv, obwohl es zwei Chiralitätszentren enthält. Die Iden-

|

Eee, Br

er

La

sch Bi

H

2,3-Dibrombutan ein Chiralitätszentrum

zwei Chiralitätszentren

181

5 Stereoisomerie

Spiegelebene

CH;

|

CH;

s

R

H

Br

a

Enantiomere

rl

Br

|

H

Hal

) CH3

CH;

Diastereomere

Chan

UM

CHE

j

s

R

H

Br

Enantiomere?

HB

Abb. 5-12 Die stereochemische

Beziehung der Stereoisomere des

nein! identisch!

CH;

2,.3-Dibrombutans.

Br

H

1 Do BrteH CH;

tität beider Strukturen läßt sich schnell an Molekülmodellen nachprüfen. Eine Verbindung,

die zwei (oder, wie wir sehen werden,

auch mehr als

zwei) Chiralitätszentren enthält, aber deckungsgleich mit ihrem Spiegelbild

ist,

bezeichnet

man

als

meso-Verbindung

(mesos,

griechisch:

Mitte). Alle meso-Verbindungen besitzen eine Symmetrieebene, die das eine Chiralitätszentrum (oder mehrere von ihnen) auf das andere abbildet.

So ist z.B.

in 2,3-Dibrombutan

das 2R-Zentrum

das Spiegelbild

des 35-Zentrums. Dies läßt sich am besten in einer dreidimensionalen Abbildung der ekliptischen Konformation erkennen (s. Abb. 5-13). Das Vorliegen einer Symmetrieebene in irgendeiner energetisch zugänglichen Konformation eines Moleküls (Abschn. 2-5 und 2-7) reicht aus, um

es achiral zu machen.

Hieraus folgt, daß 2,3-Dibrombutan

nur

in drei verschiedenen Stereoisomeren vorkommt: einem Paar von (notwendigerweise chiralen) Enantiomeren und einem achiralen meso-Diastereomer. meso-Diastereomere können bei Molekülen mit mehr als zwei Chiralitätszentren

auftreten,

Beispiele

sind 2,3,4-Tribrompentan

und 2,3,4,5-

Tetrabromhexan. meso-Verbindungen mit mehreren Chiralitätszentren

ü

Br H

Br——H Br

H BriBr } Bryj |H Br

H

CH;

Spiegelebene

Spiegelebene

Übung 5-18 Zeichnen Sie alle Stereoisomere von 2,4-Dibrom-3-chlorpentan.

H;C

\

>

/»Br

Drehung

H;C

Br,/R CN ra H CH3 gestaffelt ei

Br’/

A

ekliptisch

Abb. 5-13 meso-2,3-Dibrombutan enthält eine Symmetrieebene, wenn es in die gezeigte, ekliptische Konformation gedreht wird. Ein Molekül mit mehr als einem Chiralitätszentrum ist eine achirale meso-Form, solange es in irgendeiner leicht zugänglichen Konformation eine Symmetrieebene enthält, meso-Stereoisomere besitzen identisch substituierte Chiralitätszentren.

182

5.6 meso-Verbindungen

Es ist nicht erforderlich, daß die Chiralitätszentren bei Diastereomeren direkt benachbart sind Bis jetzt hat sich unsere Diskussion in diesem Abschnitt auf Verbindungen beschränkt, bei denen zwei asymmetrische Kohlenstoffatome direkt nebeneinander liegen. Dieselbe stereochemische Beziehung gilt jedoch auch für Systeme, bei denen derartige Zentren durch ein oder mehrere Atome getrennt sind. Sind beide Chiralitätszentren unterschiedlich substituiert, gibt es prinzipiell vier Stereoisomere,

bei gleichem

Substituti-

onsmuster nur drei: zwei Enantiomere und eine meso-Verbindung. Beispiele hierfür sind 2-Brom-4-chlorpentan und 2,4-Dichlorpentan. Das erste Beispiel hat vier, das andere drei Stereoisomere (es ist nur jeweils ein Enantiomer von jedem Diastereomer abgebildet). Er

N

Ai

POEZCHFEN H;C

d

\ CH;

Br

Di

LE H3C

Cl

(2R,4S)-2-Brom-4-chlorpentan

ee

d

ER \ cı

Br

CH;

(2R,4R)-2-Brom-4-chlorpentan

Spiegelebene

|

H

|

H

H

ala.

n

|

ea

EN

RT

CH

H;C

Eide

ei

meso-2,4-Dichlorpentan

ne

H

Recı

CH;

(2R,4R)-2,4-Dichlorpentan

meso-Formen können auch bei cyclischen Verbindungen auftreten Es ist wieder recht lehrreich, die Stereochemie

in 2,3-Dibrombutan

mit

der in einem analogen cyclischen Molekül, dem 1,2-Dibromcyclobutan, zu vergleichen.

Wie Sie sehen können,

tritt frans-1,2-Dibromeyclobutan

als Enantiomerenpaar auf (R,R und $,5) und ist daher optisch aktiv. Das cis-Isomer besitzt hingegen eine Symmetrieebene, ist also eine meso-Verbindung, achiral und optisch inaktiv (s. Abb. 5-14). Wir haben den Ring planar gezeichnet, um die Spiegelsymmetrie besser zeigen zu können, obwohl wir aus Kapitel 4 wissen, daß die Ringe von Cycloalkanen mit vier oder mehr Kohlenstoffatomen nicht planar sind. Führt diese Vereinfachung trotzdem zu richtigen Ergebnissen? Im allgemeinen ja, weil diese Verbindungen, ebenso wie ihre acyclischen Analoga, bereits bei Raumtemperatur eine Vielzahl von Konformationen-einnehmen können (Abschn. 4-2 bis 4-4). Zumindest eine dieser Konformationen wird die notwendige Symmetrieebene enthalten, aufgrund derer alle cis-disubstituierten Cycloalkane mit identisch konstituierten Stereozentren achiral sind. Einfach gesagt, zum Auffinden einer Symmetrieebene können cyclische Moleküle im allgemeinen so behandelt werden, als ob sie planar wären.

Bein

H

|

EBt

| R

|

H 5

|

R

HensH Br

Ä

S Br Abb. 5-14 Das trans-Isomer von

Spiegelebene

Symmetrieebene 1R,2$ ist identisch mit 1$,2R

1,2-Dibromeyclobutan ist chiral, das cis-Isomer ist eine meso-Form

und optisch inaktiv.

183

Kasten 5-3 Die Stereoisomere

der Weinsäure

liche Weinsäure

Weinsäure (systematischer Name: 2,3-Dihydroxybutandisäure) ist eine natürlich vorkommende Dicarbonsäure,

die

zwei

Chiralitätszentren

mit

identischem Substitutionsmuster enthält. Sie kommt daher einmal als Enantiomerenpaar mit identischen physikalischen Eigenschaften (abgesehen von der entgegengesetzten Drehung der Schwingungsebene des linear polarisierten Lichts), zum anderen als achirale meso-Verbindung mit davon unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften vor. Das rechtsdrehende Enantiomer der Weinsäure ist in der Natur weit verbreitet, es kommt in vielen

Früchten vor (Fruchtsäure). Das Monokaliumsalz ist der sogenannte Weinstein, der bei der Fermentation des Traubensaftes ausfällt, und dessen Kri-

stalle man häufig als Bodensatz in Weinflaschen findet. Linksdrehende Weinsäure kommt selten vor.

Das

Racemat

bezeichnet

man,

wie

bereits

erwähnt, als Traubensäure. Ebenso wie das linksdrehende Enantiomer wird auch die meso-Weinsäure in der Natur nur selten angetroffen. Die Weinsäure hat in der Geschichte eine wichtige Rolle gespielt, denn sie war die erste chirale Verbindung, die in ihre Enantiomeren zerlegt werden konnte. Dies geschah im Jahre 1848, lange

bevor

man

erkannte,

daß

die

Bindungen

des Kohlenstoffs in organischen Molekülen in die Ecken eines Tetraeders gerichtet sind. Um das Jahr 1848 herum war gezeigt worden, daß natür-

COOH Hl 29H HO- 1 COOH (+)-Weinsäure [a]2°°° = +12.0 Smp. 168-170°C Dichte d = 1.7598 g/mL

rechtsdrehend

ist, und auch das

Racemat Traubensäure war bekannt. Der französische Chemiker Louis Pasteur* erhielt zu dieser Zeit eine Probe des gemischten Natrium-Ammonium-Salzes der Traubensäure und stellte fest, daß zwei Typen von Kristallen vorlagen: der eine Typ war das Spiegelbild des anderen. Anders gesagt, die Kristalle waren chiral. Louis Pasteur trennte

beide

Kristallarten

manuell

voneinander,

löste sie in Wasser und bestimmte ihre optische Drehung. Er fand, daß die eine Kristallsorte das reine Salz der (+)-Weinsäure, die andere die reine linksdrehende Form war. Es ist bemerkenswert, daß die Chiralität der einzelnen Moleküle in diesem Fall eine Chiralität des gesamten Kristalls,

also

eine

makroskopische

Eigenschaft,

bewirkt. Pasteur folgerte aus seinen Beobachtungen, daß die Moleküle selbst chiral sein müssen. Aufgrund dieser und anderer Befunde postulierten im Jahre 1874 van’t Hoff und Le Bel** unabhängig voneinander, daß die Bindungen am gesättigten Kohlenstoff tetraedrisch — und nicht beispielsweise planar-quadratisch — angeordnet sind. (Warum ist die Vorstellung eines planaren Kohlenstoffs unvereinbar mit der eines Chiralitätszentrums?) *

Louis

®*

Paris. Jacobus

Pasteur,

1822-1895,

H. van’t Hoff,

Professor

1852-1911,

an

der

Sorbonne,

Professor an der Uni-

versität Amsterdam, Nobelpreis für Chemie 1901, Dr. Joseph A. Le Bel, 1847-1930, Dissertation Sorbonne, Paris.

COOH

HO us H 2/2 OH COOH (—)-Weinsäure [a] = 12.0 Smp. 168 — 170°C

= 1.7598 g/mL

COOH

Berg H Ss OH COOH meso-Weinsäure

2:10 Smp. 146-148°C d = 1.6666 g/mL

Übung 5-19 Zeichnen Sie jedes der folgenden Moleküle, wobei Sie den Ring planar darstellen. Welche sind chiral? Welche sind meso-Formen? Zeichnen Sie bei jeder meso-Form die Symmetrieebene ein. (a) cis-1,2-Dichlorcyclopentan; (b) dessen trans-Isomer; (c) cis-1,3Dichloreyclopentan; (d) dessen trans-Isomer; (e) cis-1,2-Dichlorcyclohexan; (f) dessen

trans-Isomer; (g) cis-1,3-Dichlorcyclohexan; (h) dessen trans-Isomer.

Übung 5-20 Zeichnen Sie für jedes meso-Stereoisomer Symmetrieebene

aus Übung 5-19 die Konformation,

die die

enthält. Sehen Sie in den Abschnitten 4-2 und 4-3 nach, welche Kon-

formationen energetisch günstig sind.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß Moleküle mit zwei oder mehr identisch substituierten Stereozentren als meso-Stereoisomere vorliegen können. meso-Formen lassen sich mit ihrem Spiegelbild zur Deckung bringen und sind daher achıral.

184

5.7 Stereochemie bei chemischen Reaktionen

5.7 Stereochemie bei chemischen Reaktionen

In diesem Abschnitt wollen wir detailliert beschreiben, wie aufgrund einer chemischen Reaktion Chiralität in ein Molekül eingeführt wird. Insbesondere befassen wir uns genauer damit, warum bei der Überführung von achiralem Butan in chirales 2-Brombutan ein Racemat erhalten wird. Wir sehen auch, daß ein bereits im Molekül vorhandenes Chiralitätszentrum die Stereochemie einer Reaktion, die zur Einführung eines

zweiten führt, in gewissem Ausmaß kontrolliert. Beginnen wir mit einer erneuten Betrachtung der radikalischen Bromierung von Butan.

Der radikalische Mechanismus

erklärt, warum

die

Bromierung von Butan ein Racemat ergibt Durch radikalische Bromierung von Butan an C2 entsteht ein chirales Molekül (s. Abschn. 5-1). Dies geschieht, weil eines der Methylen-Wasserstoffatome durch einen neuen Substituenten ersetzt wird und wir ein Kohlenstoffatom mit vier verschiedenen Substituenten erhalten. Es gibt zwei von diesen Wasserstoffatomen, der Austausch des einen gegen Brom ergibt das eine Enantiomer, der Austausch des anderen dessen Spiegelbild. Ein solches Paar von Wasserstoffatomen bezeichnet man als enantiotop, da die Umgebung des einen genau das Spiegelbild der Umgebung des anderen ist. Da beide Wasserstoffatome bei dieser Reaktion chemisch äquivalent sind, werden

sie von

einem

Bromatom

mit derselben

Geschwindigkeit

abgespalten. Betrachtet man jedoch den Mechanismus der radikalischen Halogenierung (Abschn. 3.6 und 3.7) sieht man, daß bei diesem Schritt kein neues

Chiralitätszentrum

entsteht, da das Produkt dieses Schrittes

ein planares und daher achirales Radikal ist. Das radikalische Zentrum hat ebenfalls zwei enantiotope Stellen, an denen die Reaktion abläuft — die beiden Lappen des p-Orbitals (s. Abb. 5-15). Da beide Lappen in gleichem Maße für einen Angriff des Broms geeignet sind, führt diese Reaktion zu racemischem 2-Brombutan. Wie Sie aus der Abbildung erkennen können, stehen die beiden Übergangszustände, die zu den entsprechenden Enantiomeren führen, spiegelbildlich zueinander. Sie sind enantiomer und daher energetisch äquivalent. Die Geschwindigkeit der Bildung des R- und S-Produkts ist gleich, es entsteht ein Racemat. Allgemein gilt, daß bei der Bildung chiraler Verbindungen, (z.B. 2-Brombutan) aus achiralen Reaktanten (z.B. Butan und Brom) Racemate entstehen. Oder, anders gesagt, optisch inaktive Reaktionspartner ergeben optisch inaktive Produkte.”

Die Anwesenheit eines Chiralitätszentrums beeinflußt das Ergebnis der Reaktion: Chlorierung von (S)-2-Brombutan Nachdem wir nun verstanden haben, warum bei der Halogenierung eines achiralen Moleküls ein racemisches Halogenid entsteht, können wir uns fragen: Welche Produkte sind bei der Halogenierung eines chiraJen und optisch reinen Moleküls zu erwarten? Betrachten wir z.B. die radikalische Chlorierung des S-Enantiomers von 2-Brombutan. In Abschnitt 5.5 hatten wir vereinfachend angenommen, daß der Angriff nur an C3 erfolgt, in Wirklichkeit gibt es aber eine Reihe von Möglichkeiten: die beiden endständigen Methylgruppen, das einzelne Wasserstoffatome an C2 und beide Wasserstoffatome an C3. Lassen Sie uns jeden einzelnen Reaktionsweg untersuchen. * Wie wir später sehen, ist es möglich, optisch aktive Produkte aus optisch inaktiven Ausgangsmaterialien darzustellen, wenn man optisch aktive Hilfsreagenzien benutzt.

185

ER

CH3

HN enantiotope Wasserstoffatome

CH,CH3

(S)-2-Brombutan

—HBr | Br-

enantiotoper

«TU

_

Orbitallappen

CH3

Spiegelebene

NW 1,CH; enantiotoper Orbitallappen (beide Lappen sind äquivalent)

H

27 CH3

N es CH5CH; Br a

Br:

Abb. 5-15 Bildung von racemischem 2-Brombutan aus Butan durch radikalische Bromierung an C2. Die Abspaltung eines von beiden Methylen-Wasserstoffatomen ergibt ein achirales Radikal. Der Angriff von Brom auf dieses Radikal ist von oben ebenso wahrscheinlich wie von unten, als Produkt entsteht ein racemisches Gemisch.

(R)-2-Brombutan

enantiomere Übergangszustände

Die Chlorierung an C1 ist leicht zu überblicken, sie verläuft über das primäre Radikal, und es entsteht 2-Brom-1-chlorbutan als Produkt. Die Chlorierung am C4-Zentrum ergibt entsprechend 3-Brom-I-chlorbutan. Hier bezeichnet man nun das ursprüngliche C4 als Cl, um die niedrigst mögliche Numerierung zu ermöglichen. Die entstandene Verbindung ist optisch aktiv, da das ursprüngliche Chiralitätszentrum noch vorhanden ist. Dennoch hat die Überführung der Methyl- in eine ChlormethylChlorierung von (S)-2-Brombutan an C1 oder C4 Denken Sie daran, daß die Priorität einer Gruppe durch die Farbgebung gekennzeichnet wird: höchste

Priorität — rot

zweithöchste

— blau

dritte niedrigste

— grün

186

— schwarz

H

Cl, hv

CIH-C \ be> HCl „-C2 / Nr

H

CH;CH>

33 ie Nr CH3CH>

4

4

3

3

Cl, hv

aHCI

H

age 3 - nn NBr CICH>CH» 1

2R

2S

35

Optisch aktiv

Optisch aktiv

Optisch aktiv

gruppe etwas Wichtiges bewirkt: Die Reihenfolge der Prioritäten an C2 hat sich verändert. Obwohl das Chiralitätszentrum selbst nicht an der Reaktion teilgenommen und kein Platztausch von Substituenten stattgefunden hat, hat sich seine absolute Konfiguration von $S in R geändert. Diese Änderung haben wir durch die Farbgebung deutlich gemacht, die Sequenzfolge läuft von rot (höchste Priorität) über blau zu grün. Was passiert bei einer Halogenierung an C2, dem Chiralitätszentrum? Das Produkt der Chlorierung von (S)-2-Brombutan an C2 ist 2-Brom-2chlorbutan. Die Reaktion läuft am Chiralitätszentrum ab, aber das Molekül bleibt chiral, auch wenn sich das Substitutionsmuster verändert hat. Versucht man jedoch den Drehwert des Produkts zu bestimmen, findet man keine optische Aktivität: Die Halogenierung am Chiralitätszentrum ergibt ein racemisches Gemisch. Wie läßt sich das erklären? Es entsteht ein Racemat, weil sich bei der Wasserstoffabspaltung an

5.7

Stereochemie

bei

chemischen Reaktionen

C2 ein planares und achiırales Radikal bildet.

H | 10% SE

en

£ H;C\ 3 Rh

elle —HCI

CH;CH

Pr 25

cı |

Ch

H3C/

CH

N)

sc

+ CHSCHS

ee achiral

7 |

nn

cı

50%

25

50%

2R

Optisch aktiv

Der Angriff des Chloratoms kann von beiden Seiten aus erfolgen und verläuft wie bei der Bromierung von Butan über enantiomere Übergangszustände gleicher Energie (s. Abb. 5-15). Die Bildungsgeschwindigkeit von (S)- und (R)-2-Brom-2-chlorbutan ist gleich, es entsteht das Racemat. Diese Reaktion ist ein Beispiel für einen Prozeß, bei dem aus einer optisch aktiven Verbindung ein optisch inaktives Produkt wird. | Übung 5-21 hi Bei welchen anderen Halogenierungen von (S)-2-Brombutan entstehen optisch inaktive

|

Produkte?

Bei der Chlorierung von (S)-2-Brombutan an C3 entsteht ein zweites Chiralitätszentrum, es kommt zur Bildung von Diastereomeren. Die Substitution des linken Wasserstoffatoms an C3 in der unteren Zeichnung ergibt (25,38)-2-Brom-3-chlorbutan, die des rechten das Diastereomer (25,3R)-2-Brom-3-chlorbutan. Da beide Wasserstoffatome an C3 nicht

äquivalent

sind,

bezeichnet

man

sie als diastereotop,

weil

bei

ihrer Substitution Diastereomere gebildet werden. Chlorierung von (S)-2-Brombutan an C3 lx

|ir

H

lb,

H

ee” 4 au

Si

aktiv

hv hv _

4CH3

25,3R Optisch aktiv

4CH3

25,35 Optisch aktiv

(ungleiche Mengen)

Die Chlorierung an C2 ergibt ein 1:1-Gemisch von Enantiomeren. Entsteht bei der Reaktion an C3 ebenfalls ein äquimolares Gemisch von Diastereomeren? Die Antwort ist nein. Dieser Befund läßt sich leicht durch Betrachtung der beiden Übergangszustände, die zu den Produkten führen, erklären (s. Abb. 5-16). Durch Abspaltung eines der beiden diastereotopen Protonen entsteht ein angenähert planares radikalisches Zentrum

an C3. Im Gegensatz zu dem Radikal, das bei der Chlo-

187

Br

Ch

H

N

a 2

ZEN &u

H3C

DE

ER

=

diastereotope

Br

Wasserstoffatome

Cl

AN 2.83 Hi

(S)-2-Brombutan

TEN

= var

(25,38)-2-Brom-3-chlorbutan

R CH3

H

zer

25% diastereotoper Ar Orbitallappen

SS

Br

H;C

U H

PA

Ch

NNcH,

| 5 diastereotoper Orbitallappen

(beide Lappen sind nicht äquivalent)

Br

7 CH; 3

Dee E77

Es

c’4 H

\cl +

Cl (28,3R)-2-Brom-3-chlorbutan

75% Abb. 5-16 Die Chlorierung von (S)-2-Brombutan an C3 ergibt die beiden Diastereomere

des 2-Brom-

3-chlorbutans in ungleichen Mengen aufgrund der Chiralität an C2.

. diastereomere Übergangszustände von unterschiedlicher Energie

rierung an C2 gebildet wird, stehen hier die beiden Seiten nicht spiegelbildlich zueinander: sie sind nicht enantiotop. Der Grund hierfür liegt in der Erhaltung der Chiralität des Moleküls bei der reagierenden Spezies, wodurch beide Lappen des p-Orbitals nicht äquivalent bleiben (unabhängig von der Konformation des Moleküls). Beide Seiten des Radikals sind diastereotop. Welche Konsequenzen ergeben sich nun hieraus? Wenn beide Seiten des Radikals, wie man vermuten

kann, mit unterschiedlicher Geschwin-

digkeit angegriffen werden, sollten beide Diastereomere in unterschiedlichem Ausmaß gebildet werden, was auch zutrifft. Die beiden Übergangszustände stehen nicht spiegelbildlich zueinander und sind nicht deckungsgleich, sie sind Diastereomere. Sie haben daher unterschiedliche Energien und stellen verschiedene Reaktionswege dar.

188

Ü

Übung 5-22 | Zeichnen Sie die Formeln der Produkte der Monobromierung von (S)-2-Brompentan an jedem Kohlenstoff. Benennen Sie sie und geben Sie an, ob sie chiral oder achiral sind, ob sie in gleicher oder ungleicher Menge gebildet werden und welche von ihnen optisch \ aktiv sind.

5.7 Stereochemie bei chemischen Reaktionen

Stereoselektivität: Die Bevorzugung eines Stereoisomers Die Beobachtung, daß beide Diastereomere bei der Chlorierung von 2-Brombutan an C3 in unterschiedliichem Ausmaß gebildet werden, zeigt, daß das Vorhanden- oder Nichtvorhandensein von Symmetrie im Molekül in einem gewissen Ausmaß das stereochemische Ergebnis der Reaktion beeinflussen oder sogar kontrollieren kann. Eine Reaktion, bei der überwiegend (oder ausschließlich) eines von mehreren möglichen Stereoisomeren gebildet wird, bezeichnet man als stereoselektiv. So ist z.B. die Chlorierung von (S)-2-Brombutan an C3 stereoselektiv, oder noch genauer, diastereoselektiv, da die Produkte Diastereomere sind. Die entsprechende Chlorierung an C2 ist andererseits nicht stereoselektiv (genauer gesagt, nicht enantioselektiv, da Enantiomere gebildet werden), da ein Racemat entsteht. Wieviel Stereoselektivität ist möglich? Die Antwort hängt stark vom Substrat, der betrachteten Reaktion und den Reaktionsbedingungen ab. In der Natur sind die Enzyme in der Lage, mit hoher Stereoselektivität achirale in chirale Moleküle zu überführen. Dies können sie deshalb, weil Enzyme selbst chiral sind und daher achirale Materialien in solche überführen, die mit ihrer eigenen Chiralität im Einklang stehen. Ein Beispiel ist die enzymkatalysierte Oxidation von Dopamin zu (-)Noradrenalin, die detailliert in Übungsaufgabe 27 am Ende dieses Kapitels besprochen wird. Die chirale Reaktionsumgebung, die das Enzym schafft, ergibt 100% Stereoselektivität zugunsten des gezeigten Enantiomers. Die Situation ist vergleichbar mit dem Verformen von flexiblen achiralen Objekten mit den Händen. Wenn Sie beispielsweise ein Stück Ton

fest in Ihrer

linken

Hand

zusammendrücken,

erhalten

Sie eine

Form, die das Spiegelbild der Form ist, die Sie mit Ihrer rechten Hand erhalten. HO\ HO

CH>CH>NH>

HO

Dopamin B-Monooxygenase, O, De eg

HO

e H @

N

CH>NH> HO

Dopamin

(-)-Noradrenalin

>

Es ergibt sich also folgendes: Chemische Reaktionen können, wie wir am Beispiel der radikalischen Halogenierung gezeigt haben, stereoselektiv oder nicht stereoselektiv sein. Bei achiralen Ausgangsstoffen wie Butan entsteht ein racemisches Produkt (bei Butan durch Bromierung an C2). Die beiden enantiotopen Wasserstoffatome an den Methylenkohlenstoffatomen des Butans sind in gleichem Maße substituierbar, der Halogenierungsschritt im Mechanismus der radikalischen Bromierung verläuft über zwei enantiomere Übergangszustände gleicher Energie. Entsprechend ergibt die Halogenierung eines enantiomerenreinen chiralen 2-Brombutans am Chiralitätszentrum ebenfalls ein racemisches Produkt, da das Zwischenprodukt ein achirales Radikal ist. Andererseits

ist bei der Bildung eines neuen Chiralitätszentrums Diastereoselektivität möglich, da aufgrund der chiralen Umgebung, die im Molekül erhalten bleibt, der Angriff auf das radikalische Zwischenprodukt von Zwei unter-

schiedlichen Seiten her erfolgen kann. Beide UÜbergangszustände sind Diastereomere und haben unterschiedliche Energien, die Produkte bilden sich daher mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten.

189

5

5.8 Trennung von Enantiomeren

Stereoisomerie

Obwohl

wir

bereits

wiederholt

die

physikalischen

und

chemischen

Besonderheiten von Enantiomeren besprochen haben, haben wir uns noch keine Gedanken darüber gemacht, wie man sie chemisch rein gewinnen kann. Wie wir wissen, entsteht bei der Bildung einer chiralen

Verbindung aus achiralen Ausgangsstoffen ein racemisches Gemisch, und es erhebt sich nun die Frage, wie man reine Enantiomere einer chiralen Verbindung erhält. Eine mögliche Methode ist die, vom Racemat auszugehen und die Enantiomeren voneinander zu trennen. Diesen Prozeß bezeichnet man als Racematspaltung. Wie wir bereits bei der Weinsäure erwähnt haben (Kasten 5-4), kristallisieren Enantiomere gelegentlich in spiegelbildlichen Kristallstrukturen aus, die man manuell und nach Augenschein trennen kann. Dieser Prozeß ist jedoch zeitraubend und daher nur bei kleinen Ansätzen anwendbar. Außerdem gelingt es nur in den seltensten Fällen, Racemate in spiegelbildliche Kristallformen zu zerlegen. Besser ist es, sich die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften von Diastereomeren zunutze zu machen. Wenn wir eine Reaktion finden können, bei der durch Zugabe des reinen Enantiomers einer chiralen Verbindung ein Racemat in ein Diastereomerengemisch überführt wird, müßte sich die R-Form des ursprünglichen Enantiomerengemischs von der S-Form durch fraktionierende Kristallisation, Destillation oder Chromatographie trennen lassen. So ergäbe beispielsweise die Reaktion des Racemats Xrs (in dem X; und X, die beiden Enantiomere sind) mit einer optisch aktiven Verbindung Y; (wir haben ihr völlig willkürlich S-Konfiguration gegeben, das Spiegelbild würde genausogut gehen) zwei optisch aktive Diastereomere, XxYs und X;Y;, die sich durch Standardverfahren trennen lassen (s. Abb. 5-17). Wenn sich die Bindung zwischen beiden Teilen des Moleküls leicht aufbrechen läßt, können Xr und X, aus den Diastereomeren als reine Enantiomere gewonnen werden. Außerdem läßt sich so möglicherweise das optisch aktive Hilfsreagens zurückerhalten und bei anderen Racematspaltungen wiederverwenden.

|Ys

Trennung der Diastereomeren

Spaltung |

Spaltung |

Abb. 5-17 Flußschema für die

Trennung (Spaltung) zweier Enantiomere. In diesem Verfahren werden die Enantiomere durch

Trennung und Zurückgewinnung von Y;

Trennung und Zurückgewinnung von Ys

Reaktion mit einem optisch reinen Reagenz in trennbare mere überführt.

1%

Diastereo-

XR

rein

rein

Kasten 5-4

Die meisten synthetischen chiralen Arzneimittel sind als racemische Gemische im Handel

EN N

O

Nahezu 90% aller synthetischen chiralen Substanzen, die heutzutage in der Medizin verwendet werden, werden als racemische Gemische herge-

stellt. Warum? Ein Grund ist, daß die Spaltung solcher Racemate die Entwicklungskosten dieser Arnzeimittel stark erhöhen würde. Glücklicherweise haben in vielen Fällen beide Enantiomere vergleichbare Aktivität oder das „falsche“ Spiegelbildisomer ist biologisch inaktiv. Eine schreckliche Ausnahme ist der Fall des Sedativums Contergan, das im Jahre 1960 als racemisches Gemisch verkauft und schwangeren Frauen verordnet wurde. Contergan führte zu schweren Mißbildungen bei Hunderten von Säuglingen. In diesem

Falle

scheint

das „falsche“

Enantiomer

für

diese Tragödie verantwortlich zu sein. Neueste Fortschritte in der synthetischen organischen Chemie beginnen, die Situation zu ändern. H,, chiraler

u

Katalysator

De

H H

H

N

KR

GE

»

HR

R

oo

N

Contergan

oO

Zu Anfang der neunziger Jahre sind industriell verwendbare Methoden entwickelt worden, mit denen achirale Alkene in reine Enantiomere chiraler Additionsprodukte (Kap. 12) mit Hilfe von optisch aktiven Katalysatoren überführt werden konnten. Wie das Enzym bei der Oxidation von Dopamin (Abschn. 5-7) erzeugen diese Katalysatoren eine chirale Umgebung um das reagierende Molekül, was zu einer hohen Stereoselektivität führt. Wie unten gezeigt, Können mit diesen Verfahren Arzneimittel wie das antiphlogistisch wirkende Naproxen und das Antihypertonikum Propranolol in hoher Enantiomerenreinheit gewonnen werden.

> % HC HO,C

|

R

OCH3 (R)-Naproxen

R’ R"’OOH,

CH3),CHNH (CH3)2CHNH, ‚ OH H,C—C,

o

chiraler

N

Katalysator

EN

—R’OH

“ H

*

er

H

R’

cm, -o

N

©

R

(S)-Propranolol

(C* = ein neues Chiralitätszentrum)

Was wir also brauchen, ist eine leicht erhältliche, enantiomerenreine Verbindung, die sich mit den Molekülen des Racemats in einer reversi-

blen Reaktion verknüpfen läßt. Häufig werden Naturstoffe für diesen Zweck verwendet, da eine Reihe von optisch reinen Molekülen in der Natur vorkommen. Ein Beispiel ist (+)-(R,R)-2,3-Dihydroxybutandisäure |(+)-(R,R)-Weinsäure]. Eine häufig angewandte (und leicht reversible) Reaktion zur Racematspaltung ist die Salzbildung zwischen Säuren und Basen. So wirkt z.B. (+)-Weinsäure sehr gut bei der Spaltung racemischer

Amine.

In Abb.

5-18 sehen Sie, wie 3-Butin-2-amin

auf diese

Weise in die Enantiomere zerlegt wird. Man behandelt das Racemat zunächst mit (+)-Weinsäure, wobei die beiden diastereomeren Tartrate (Salze der Weinsäure,

lateinisch: acidum tartaricum, bezeichnet

man

als

Tartrate) entstehen. Das rechtsdrehende Isomer kristallisiert beim Stehenlassen aus und kann von der Mutterlauge mit dem linksdrehenden Tartrat abfiltriert werden. Beim Behandeln des (+)-Salzes mit wässeriger Carbonatlösung wird das Amin, (+)-(R)-3-Butin-2-amin, freigesetzt, das man mit Ether extrahieren und durch Destillation reinigen kann. Das Kaliumtartrat verbleibt in der wäßrigen Phase. Durch entsprechendes Behandeln der Mutterlauge erhält man das (—)-(S)-Enantiomer (augenscheinlich weniger rein, da die optische Drehung etwas geringer ist).

191

5

NH>

Stereoisomerie

CH;CHC=CH racemisches (R,S)-3-Butin-2-amin (+)-Weinsäure H,O, mehrere Tage

OLONT

H +

HO

H

coOO

CH3

i

COOH

HO

H COOH

(+ )-Tartratsalz

(—)-Tartratsalz

[02° = +24.4 Kristallisiert aus der Lösung aus

2° = —24.4 verbleibt in der Mutterlauge

un

Ix.c0, H>0

IR2c0, H,O

H

H -e=c

CH3

47% (+)-(R)-3-Butin-2-amin

et Abb. 5-18 Racematspaltung von 3-Butin-2-amin mit (+)-2,3-Dihydroxybutandisäure

H Ss

}

R

= +53.2

Sdp. 82-84°C

[(+)-Weinsäure].

C

II a

nich C

|| ®

5%

(-)-(S)-3-Butin-2-amin

[a = 52.7 Sdp. 82-84 °C

In diesem Beispiel haben wir das reine Enantiomer einer Säure zur Spaltung eines racemischen Amins verwendet. Das Umgekehrte ist auch möglich: Die Spaltung einer racemischen Säure mit einem enantiomerenreinen Amin. Neben den beschriebenen gibt es noch viele Möglichkeiten, wie man die Bildung von Diastereomeren zur Racematspaltung benutzen kann. Ein sehr bequemer Weg zur Racematspaltung ist die sogenannte chirale Chromatographie. Das Prinzip ist dasselbe wie das in Abbildung 5-18 dargestellte, jedoch ist das chirale Hilfreagenz (beispielsweise (+)Weinsäure oder irgendeine andere geeignete, preiswerte, optisch aktive Verbindung) auf einem festen Träger (z.B. Kielselgel, SiO,, oder Aluminimoxid, Al,»O,;) immobilisiert. Dieses Material wird in ein Rohr, die „Säule“, gefüllt, das lang sein kann. Eine Lösung des Racemates wird dann durch die Säule geschickt, die einzelnen Enantiomere werden reversibel, aber unterschiedlich fest (die Wechselwirkung ist diastereomer) an das chirale Material gebunden und somit von der Säule unterschiedlich lange zurückgehalten (Retentionszeit). Daher werden die Enantiomere die Säule zu verschiedenen Zeiten verlassen und können daher getrennt am Säulenende aufgefangen werden.

Verständnisübung In chemischen Reaktionen ist selektive Hauptziel des Synthesechemikers. Wir eine solche Selektivität bis zu einem Halogenierungen erreichen kann: In haben wir die Abhängigkeit von dem

192

Herstellung eines Produkts ein haben bereits gelernt, wie man gewissen Grad in radikalischen den Abschnitten 3.6 und 3.7 zu ersetzenden Wasserstoffatom

(z. B. primär vs. sekundär vs. tertiär) diskutiert und in Abschnitt 5.7 den Bezug zur Stereochemie. Sie haben sicherlich bemerkt, daß aufgrund der hohen Reaktivität des Radikals und der Planarität des radikalischen Alkylintermediates radikalische Halogenierungen häufig nicht besonders selektiv sind, und deshalb eine Syntheseplanung alle denkbaren Produkte berücksichtigen muß. Betrachten wir noch einmal das SteroidGrundgerüst (Abschn. 4.7): Alle Wasserstoffatome könnten grundsätzlich durch ein Halogenatom ersetzt werden.

Verständnisübung

CH;

Aufgrund

der großen

viele Wissenschaftler

biologischen

versucht,

Bedeutung

diese Verbindungen

der Steroide,

haben

selektiv zu funktio-

nalisieren. Durch geschickte Wahl der Reaktionsbedingungen und mit Hilfe von spezieller Halogenierungsreagenzien gelang es, die Reaktionssteuerung so zu verfeinern, daß der Angriff des Halogens nicht nur selektiv am tertiären Kohlenstoffatom stattfindet, sondern spezifisch an C5, C9 oder C14. Die folgende Aufgabe illustriert die Art der Untersuchungen, die an einem weniger komplexen Cyclohexan-Fragment des Steroid-Grundgerüstes unternommen wurde. Wieviele Produkte erhält man bei der radikalischen Monobromierung von (S)-1-Brom-2,2-dimethylcyclohexan an Cl und C3? Zeichnen sie die Struktur der Ausgangsverbindung. Benennen Sie die resultierenden Dibromdimethylcyclohexanderivate und bestimmen Sie, welche chiral und welche achiral sind. Überlegen Sie welche der möglichen Produkte in äquimolaren Anteilen gebildet werden, welche nicht, und welche Pro-

dukte optisch aktiv sind.

Lösung Wir beginnen mit dem Zeichnen der Struktur der Ausgangsverbindung ohne die Stereochemie zu berücksichtigen (A). H;C

CH;

EN

N

Br.

ER

CH;

ne

A

B

C

4E9 CH; Be

D

Wir bestimmen mit Hilfe der Sequenzregeln (B, s. Abschn. 5.3) die Priorität der Substituenten am Chiralitätszentrum C1. Es ergeben sich zwei Enantiomere (C und D). Zur Bestimmung der absoluten Konfiguration drehen wir das Molekül „vor unserem geistigen Auge“ so, daß der Substituent mit der niedrigsten Priorität (Wasserstoff) soweit wie möglich von uns entfernt ist. Zum besseren Verständnis: Stellen Sie sich vor, Sie wären um den Faktor 10" auf Molekülgröße geschrumpft und stehen auf dem betreffenden Stereozentrum. Die C-H-Bindung zeigt von Ihnen weg. Die drei verbleibenden Substituenten umgeben Sie entweder im Uhrzeigersinn (R) oder gegen den Uhrzeigersinn ($): D ist hier also die Stuktur des S-Enantiomers. Nun können wir Brom an Cl oder C3 einführen. Dabei ist es wichtig, sich den Mechanismus der radikalischen Halogenierung zu vergegenwärtigen. Das intermediär gebildete, planare Alkylradikal - C1 (E) oder C3 193

Br

Spiegel- !ebene

E

F

G

H

I

(F) -— kann vom Halogeatom an beiden enantiotopen Seiten des p-Orbitals angegriffen werden (Abschn. 3.4). Da das Molekül E symmetrisch ist, ist der Angriff von beiden Seiten des Moleküls gleich wahrscheinlich. Würde die Halogenierung mit F, oder Ch, durchgeführt, bliebe C1 das Stereozentrum, R- und S-Enantiomere würden in äquimolaren Mengen gebildet werden (Abschnitt 5.7, Abbildung 5-15). In diesem Fall jedoch führt die Bromierung zum Verlust der Chiralität: Verbindung G, 1,1-Dibrom-2,2-dimethylcyclohexan, ist achiral und somit optisch inaktiv. Wenden wir uns F zu: Da hier das ursprüngliche Stereozentrum (c1 in D) erhalten

bleibt, sind die beiden

Seiten des Radikals

nicht mehr

spiegelbildlich zueinander, sie sind nicht enantiotop. Die beiden Diastereomere H und I werden mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und somit in ungleichen Mengen gebildet (Abschn. 5.7, Abb. 5-16). In Verbindung H, cis-1,3-Dibrom-2,2-dimethylcyclohexan, ist das zweite Bromatom so eingeführt worden, daß eine Spiegelebene resultiert. H ist eine meso-Verbindung, achiral und somit nicht optisch aktiv (Abschn. 5.6). Anders ausgedrückt: Die absolute Konfiguration von Cl in D hier: 5 — wird durch die Einführung seines “Spiegelbildes“ an C3 hier: R — ausgelöscht. Die beiden Stereoisomere werden ununterscheidbar, da (15,3R)-H identisch ist mit (1R,3$)-H. (Sie können das ganz einfach überprüfen, indem Sie das Molekül H um die Spiegelebene drehen.) Im

Gegensatz

dazu

enthält

I, (15,35)-1,3-Dibrom-2,2-dimethylcyclo-

hexan, keine Symmetrieebene: Das Molekül ist chiral, enantiomerenrein und optisch aktiv. In anderen Worten: Die Reaktion läßt die stereochemische

Information

von

gebildet, das mit seinem (Abschn. 5.5).

Wichtige Konzepte

Cl

unberührt,

es

(1R,3R)-Spiegelbild

sind Stereoisomere,

wird

nur

ein

Enantiomer

nicht deckungsgleich

bei denen

ist

sich das eine zum

anderen wie Bild zu Spiegelbild verhält. 1 Isomere haben dieselbe Summenformel, sind aber verschiedene Verbindungen. Strukturisomere unterscheiden sich in der Reihenfolge, in der die einzelnen Atome aneinander gebunden sind. Bei den Stereoisomeren ist die Reihenfolge dieselbe, die dreidimensionale Anordnung der Atome aber unterschiedlich. Zu den Stereoisomeren gehören cis- und frans-Isomere sowie Enantio- und Diastereomere.

5

3 Ein Kohlenstoffatom, an das vier verschiedene Substituenten gebunden sind (ein asymmetrisches Kohlenstoffatom), ist ein Beispiel für ein Chirali-

ein Molekül

chiral

ist, darf es weder

6 Diastereomere sind Stereoisomere, die sich nicht wie Objekt und Spiegelbild zueinander verhalten. cis- und trans-Isomere cyclischer Verbindungen sind Spezialfälle von Diastereomeren. 7

2 Ein Objekt, das sich nicht mit seinem Spiegelbild zur Deckung bringen läßt, ist chiral.

Damit

eine Symmetrieebene noch ein Symmetriezentrum haben.

Bei zwei Chiralitätszentren im Molekül gibt es

maximal vier Stereoisomere — zwei enantiomere Paare von Diastereomeren. Ein Molekül mit n Chiralitätszentren kann maximal in 2” Stereoiso-

meren auftreten. Besitzt das Molekül einige Symmetrieelemente, ist die Zahl der Stereoisomeren kleiner. Ein Molekül, das neben Chiralitätszen-

tätszentrum.

tren auch eine Spiegelebene enthält, ist identisch mit seinem Spiegelbild (achiral) und wird als

4 Enthält ein Molekül ein Chiralitätszentrum, tritt es als Enantiomerenpaar auf. Enantiomere

meso-Form

194

bezeichnet.

Dabei

reicht

das Vorlie-

gen einer Spiegelebene in irgendeiner beliebigen

energetisch zugänglichen Konformation das Molekül achiral zu machen.

aus, um

8 Die meisten physikalischen Eigenschaften von Enantiomeren sind gleich. Die Ausnahme ist ihre Wechselwirkung mit linear polarisiertem Licht: das eine Enantiomer dreht die Schwingungsebene um

einen

bestimmten

Betrag

nach

rechts,

das

andere um denselben Betrag nach links. Dieses Phänomen bezeichnet man als optische Aktivität. Das Ausmaß der Drehung der Ebene des linear polarisierten Lichts wird in Grad gemessen und durch die spezifische Drehung [a] angegeben. Ein Racemat hat den Drehwert null. Die optische Reinheit einer chiralen Verbindung ist gegeben durch Al/pe

% optische Reinheit = \an

11 Die chemische Einführung von Chiralität in eine achirale Verbindung durch radikalische Halogenierung führt über enantiomere Übergangszustände zu einem Racemat, da beide enantiotopen Seiten des ebenen Radikals mit gleicher Geschwindigkeit und Wahrscheinlichkeit angegriffen werden.

am

9 Die absolute Konfiguration eines Chiralitätszentrums wird mit Hilfe der Sequenzregeln von Cahn, Ingold und Prelog als R oder $ bestimmt. 10 Fischer-Projektionen benutzt man zur vereinfachten Darstellung von Stereoformeln und zur Bestimmung der absoluten Konfiguration.

12 Die radikalische Halogenierung eines chiralen Moleküls mit einem Chiralitätszentrum ergibt ein Racemat, wenn die Reaktion an diesem Zentrum abläuft. Sind zwei diastereotope Wasserstoffatome an der Reaktion beteiligt, entstehen zwei Diastereomere in ungleichem Mengenverhältnis über diastereomere Übergangszustände. 13 Von Stereoselektivität spricht man, wenn bevorzugt eines von mehreren möglichen Stereoisomeren gebildet wird. 14 Die Trennung von Enantiomeren bezeichnet man als Racematspaltung. Eine Racematspaltung läßt sich am

besten

durchführen,

indem

man

das

Racemat mit dem reinen Enantiomer einer chiralen Hilfsverbindung reagieren läßt, wobei trennbare Diastereomere entstehen. Durch Abspaltung der chiralen Hilfsverbindung lassen sich beide Enantiomere rein erhalten. Daneben können Enantiomere durch chirale Chromatographie an einem chiralen Trägermaterial getrennt werden.

Aufgaben 1 Geben Sie an, ob die folgenden Dinge aus dem täglichen Leben chiral oder achiral sind. Nehmen Sie in jedem Fall an, daß das Objekt in seiner einfachsten Form, ohne Verzierungen oder aufgeklebte Etiketten, Preisschilder etc. vorliegt. (a) (b) (ce) (d) (e) (f)

eine Leiter eine Tür ein Propeller ein Kühlschrank die Erde ein Fußball

(g) ein Tennisschläger (h) ein Fausthandschuh

(i) ein glattes Stück Papier (j) eine Gabel (k) ein Löffel (l) ein Messer

2 In jedem Teil dieser Frage werden zwei Objekte oder Paare von Objekten beschrieben. Geben Sie so genau wie möglich an, welche Beziehungen zwischen ihnen bestehen. Benutzen Sie hierfür die Terminologie dieses Kapitels: spezifizieren Sie also, ob die Gegenstände identisch, enantiomer, diastereomer etc. sind.

(a) Ein deutsches Spielzeugauto im Vergleich zu einem englischen (gleiche Farbe und Typ, aber Steuerrad auf der anderen Seite). (b) Zwei linke Schuhe im Vergleich zu zwei rechten Schuhen (gleiche Farbe, Größe und Form). (c) Ein Paar Schlittschuhe im Vergleich zu zwei linken Schlittschuhen

(gleiche Farbe, Größe und Form). (d) Ein rechter Handschuh auf einem linken Handschuh (Handfläche

auf Handfläche) im Vergleich zu einem linken Handschuh auf einem rechten, wobei die Handfläche

des linken auf dem Handrücken

des

rechten Handschuhs liegt (gleiche Farbe, Größe und Schnitt).

195

5 Stereoisomerie

3 Geben Sie bei den folgenden Molekülpaaren an, ob die einzelnen Teile (1) Stereoisomere (2) Konstitutionsisomere oder (3) identisch sind. Kennzeichnen Sie die Stereoisomere, die sich durch Drehung um Bindungen leicht ineinander überführen lassen.

a

(a)

u

re

und CH3CH>CHCH>CH3

Be

we

. =

3%

(d)

HN Ve

(e)

e

v OCH 3

H;C 3

Id

Ncı

A

vv B OCH 3

Sur

H

Cl

ER

und

cı

H cl

©

DE H

und ein H

H

\ on H H CH

(8)

CH,

Cl| (h)

und

zn

|

Be

\ De

und

:

2

CH;CHCH3>CHCH3

Br

4

Welche der folgenden Verbindungen sind chiral? (a) 2-Methylheptan (b) 3-Methylheptan (ce) 4-Methylheptan

(N 1,3-Dibrompropan (g) Ethen, HC = CH, (h) Ethin, HC=CH

(d) 1,1-Dibrompropan (e) 1,2-Dibrompropan

(i) Benzol An

(Beachten Sie: Genau wie im Ethen sind im Benzol alle Kohlenstoffatome sp--hybridisiert, das Molekül ist daher planar.) 196

(j) Adrenalin

r

CH

HO

CHCH>NHCH3

HO

Aufgaben

(k) Vanillin

HO

CH;O

(I) Citronensäure

Or=2r0H

1

N L

&

07 NOH

(m) Ascorbinsäure

(n) p-Menthan-1,8-diol

HOCH;

HOCH> HOCH H

HO

_O

[6)

e

OH

H3C—C—0OH CH3

(0) Pethidin (Dolantin)

CE

OCH3>CH;

5 Welche der folgenden Cyclohexanderivate sind chiral? Bei der Bestimmung der Konfiguration einer cyclischen Verbindung kann man den Ring vereinfacht als planar ansehen. CH;

CH; CH3

” @)

(c)

SCH CH;

CH;

„CH3

(b)

(d)

Se

197

5 Stereoisomerie

6 Welche der folgenden Cyclohexanderivate sind chiral? Wie in Aufgabe 5 können Sie den Ring als planar ansehen. oO

OÖ

H;C

CH3

(a)

CH3

(c) H;C oO

OÖ

oO

oO

se

CH3

CH3

(d) H;C’ Ö

7

(6)

Entscheiden Sie für jedes der folgenden Paare von Verbindungen, ob

es sich um Konstitutionsisomere, identische Moleküle handelt. CH;

und

(a) IE

Enantiomere,

CH;

CH;

ee

(b) Ey

und

(e) Er (@]

=

H

CH,

Ar

(d) Fin

2

cl

we

oO

Asa H

F 24

und

CH

cl

:

Cl

Cl

F

cl

cl

2] (j)

und

i

ar

Fa

u

x Fa

CH, und

CH; f

Bi

und

”

CH;

N:

cl

F

oder um

F

CHF Ei

CH;

a

un

cl

cl

Cl

a

Diastereomere

@

cı (k)

al

wi (m)

cl und

+

ae

198

un

H Br A

BG

0)

ee

cl

H Br

H

ar

cl H

Br

.

H c

oc:

(n)

H

Br H

Br

m

a

CI H

H &i

und

is

H Br

De

Br H

und

Jon

8 Identifizieren Sie bei den folgenden Formeln (1) alle Strukturisomeren, die ein oder mehrere Chiralitätszentren enthalten, (2) geben Sie für jedes die Anzahl der Stereoisomeren an und (3) zeichnen und benennen Sie in jedem Fall mindestens ein Stereoisomer.

Aufgaben

(a) CH%

(b) CsHıs (ec) CsH,o, mit einem Ring

9 Markieren Sie die Chiralitätszentren der chiralen Moleküle aus Aufgabe 4. Zeichnen Sie alle Stereoisomeren und bestimmen Sie die absolute Konfiguration an jedem Chiralitätszentrum. 10 Die beiden Isomere von Carvon [systematischer Name: 2-Methyl-5(1-methylethenyl)-2-cyclohexanon] (s. Abschn. 5.1) sind im folgenden gezeichnet. Welches ist das R-, welches das S-Isomer?

CH;

CH, O

O

a

0

un

B:

en

el or

eH

(+)-Carvon

(—)-Carvon

(in Kümmelsamen)

(aus der Krauseminze)

11 Zeichnen Sie die Strukturformeln der folgenden Moleküle. Prüfen Sie, ob Ihre Strukturformeln deutlich die Konfiguration an jedem Chiralitätszentrum zeigen.

(a) (b) (ec) (d) (e) ()

(R)-3-Brom-3-methylhexan (1 S, 2 S)-1-Chlor-1-trifluormethyl-2-methylcyclobutan (3 R, 5 S)-3,5-Dimethylheptan

(2 R, 3 S)-2-Brom-3-methylpentan (S)-1,1,2-Trimethyleyclopropan (1 R,2R,3 S)-1,2-Dichlor-3-ethylcyclohexan.

12 Nehmen Sie bei den folgenden Fragen an, daß alle Messungen in 1 dm-Polarimeterküvetten durchgeführt werden. (a) Eine Lösung von 0.4 g von optisch aktivem 2-Butanol in 10 mL Wasser zeigt eine optische Drehung von —0.56°. Wie groß ist die spezifische Drehung? (b) Die spezifische Drehung von Saccharose (gewöhnlicher Haushaltszucker) beträgt [a] ° = +66.4. Welchen Drehwert hat eine Lösung von 3 g Saccharose in 10 mL Wasser? (c) Eine Lösung von reinem (S)-2-Brombutan in Ethanol hat ein «& von 57.3°. Wenn [a] von (S)-2-Brombutan 23.1 ist, wie groß ist dann die Konzentration der Lösung?

13

Natürliches Adrenalin, [a]5 ° = -50, wird in der Medizin verwen-

det. Sein Enantiomer ist medizinisch wertlos, und, nicht nur das, außer-

dem giftig. Stellen Sie sich Lösung, die 1 g Adrenalin optische Reinheit aber nicht Polarimeter (1 dm-Küvette) optische Reinheit hat die Adrenalin abzugeben?

vor, Sie sind Apotheker und erhalten eine in 20 mL Flüssigkeit enthalten soll, deren angegeben ist. Sie geben die Lösung in ein und lesen am Analysator —2.5° ab. Welche Probe? Können Sie es verantworten, das

199

5 Stereoisomerie

14

Natriumhydrogen-(S)-glutamat

[(S)-Mononatriumglutamat],

[a]°

= +24 wird in der Lebensmittelindustrie als Geschmacksverstärker verwendet. Die Kurzstrukturformel der Verbindung ist im folgenden angegeben.

O

NH,

HOC—CHCH>CH;CO Nat (a) Zeichnen

Sie die

Struktur

des

S-Enantiomers

von

Monona-

triumglutamat. (b) Eine käufliche Probe der Verbindung hat einen spezifischen Drehwert [a] ° von +8. Wie groß ist die optische Reinheit? Wie groß sind die Prozentanteile des S- und des R-Enantiomers in der Mischung? (ec) Beantworten Sie dieselben Fragen für eine Probe mit

(oJ ©= +16.

15 Markieren Sie bei den folgenden Molekülen (1) alle Chiralitätszentren, (2) geben Sie an, ob sie R- oder S-Konfiguration haben, und (3) zeichnen Sie ein eindeutiges Bild der entsprechenden Enantiomere.

0

H (a)

OH

Ze HS’ SG

OH

CH, © |

6)

(8)

CH,

|

U

N

F

{

"CICH;CH,N(CH 2CH3N(CH3)3

Ka

RL

=

H

Ben

CH,CH>OCH;CH3 cl Chlorpheniramin

CH3

cl

HEN (© H

(Antihistaminikum)

2a Die Kohlenstoffatome in Benzol- oder benzolähnlichen Ringen werden ebenso wie die in Alkenen behandelt

Fa N :

Hl e1 (d)

OH

(s. Regel 3 der Prioritätsregeln, Abschn. 5.3).

Br

CH;

H

(e)

RG

(6)

HC

CH;

(h) H

EN

H

BE CH3 Limonen

(aus Bäumen, Früchten usw.)

16 Geben Sie bei den folgenden Paaren von Formeln an, ob die zwei Moleküle identisch sind oder Enantiomere.

N

(a) 200

und

Br Cl

ls

CH>CH3

Ä

FAN Bt CH;CH3>

Cl

CH;

iR Cl

5

und

Aufgaben

az Se

Br

CH; o

OCH;

an

und

BC—-Ch

OCH;

cl

H HN=-C—CO;H

()

NH» und onen.

CH(CH3),

17

Bestimmen

Sie an

allen

CO,H

Chiralıtätszentren

in den

Molekülen

aus

Aufgabe 16 die absolute Konfiguration. 18 Zeichnen Sie die folgenden Moleküle in der Fischer-Projektion und bestimmen Sie dann, ob die Chiralitätszentren R- oder S-Konfiguration haben.

G (a)

na

:

(b)

cl

H>N

an

OHC

(©)

CH,

CO,H

CH;

H,C

CR

a

Sn

HY

ca

CH;

HO

OH

er

m

COOH

B a N

CH

OH 19 Die am Rand abgebildete Verbindung ist ein Zucker, die (—)-Arabinose. Ihr spezifischer Drehwert ist — 105. (a) Zeichnen Sie ein Enantiomer von (—)-Arabinose. (b) Gibt es noch andere Enantiomere? (ec) Zeichnen Sie ein Diastereomer der (—)-Arabinose.

(d) (e) (die (f)

Gibt es noch andere Diastereomere der (—)-Arabinose’? Sagen Sie, wenn möglich, die spezifische Drehung der Struktur, Sie in Teil a gezeichnet haben, voraus. Sagen Sie, wenn möglich, die spezifische Drehung der Struktur,

H

OH H—1-OH CH>0OH (-)-Arabinose

die sie in Teil e gezeichnet haben, voraus.

(g) Gibt es optisch inaktive Diastereomere der (—)-Arabinose? Wenn ja, zeichnen Sie eines. 20 Geben Sie den vollständigen JUPAC-Namen der folgenden Verbindung an. (Vergessen Sie nicht die Angabe der absoluten Konfiguration.)

GHLCH; Be a cl di> CH>CH>Cl

CsH H,0Cl 0Cla

Bei der Reaktion dieser Verbindung mit 1 mol Ch in Gegenwart von Licht bilden sich mehrere Isomere der Formel C;H,Ch. Geben Sie bei jedem möglichen Konstitutionsisomer an:

201

5

Stereoisomerie

(1) Wie viele Stereoisomere entstehen?

(2) Wenn mehr als eines gebildet wird, entstehen sie in gleicher oder ungleicher Menge? (3) Geben

Sie

die

absolute

Konfiguration

aller

Chiralitätszentren

in

jedem möglichen Stereoisomer bei (a) Chlorierung an C3 (b) Chlorierung an C4 (ce) Chlorierung an C5 an.

21 Bei der Monochlorierung von Methyleyclopentan können mehrere Produkte entstehen. Betrachten Sie die Monochlorierung von Methyleyclopentan an Cl, C2 und C3 und beantworten Sie die gleichen Fragen wie in Aufgabe 20. 22

Zeichnen Sie alle möglichen Produkte der Chlorierung von (S)-1-

Brom-2,2-dimethylceyclobutan.

Geben

Sie an, ob sie chiral oder achiral

sind, ob sie in gleichen oder unterschiedlichen Mengen gebildet werden und welche optisch aktiv sind.

DR C,HsCHCH3

23 Beschreiben Sie, wie man racemisches 1-Phenylethanamin über eine reversible Überführung in Diastereomere in Enantiomere spalten kann.

24 Zeichnen Sie ein Flußdiagramm für die Spaltung von racemischer 2-Hydroxypropansäure (Milchsäure) mit (S)-1-Phenylethanamin (die Formel können Sıe der UÜbungsaufgabe 23 entnehmen). 25

Wie

viele verschiedene

stereoisomere

Produkte

entstehen

bei der

Monobromierung von (a) racemischem trans-1,2-Dimethylcyclohexan? (b) reinem (R, R)-1,2-Dimethylcyclohexan? (c) Geben

Sie bei Ihren Antworten

zu Teil a und b an, ob Sie die

verschiedenen Produkte im gleichen oder unterschiedlichen Stoffmengenverhältnis erwarten. Inwieweit können die Produkte aufgrund unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften (z.B. Löslichkeit, Siedepunkt, etc.) getrennt werden? 26 Bauen Sie ein Modell von cis-1,2-Dimethylcyclohexan in seiner stabilsten Konformation. Wäre das Molekül chiral, wenn es starr an diese Konformation gebunden wäre? (Prüfen Sie Ihre Antwort, indem Sie ein Modell des Spiegelbilds bauen und probieren, ob Sie beide zur Dekkung bringen.) Klappen Sie den Ring des Modells um. In welcher stereochemischen Beziehung stehen die ursprüngliche Konformation und die nach dem Umklappen? Vergleichen Sie Ihre Ergebnisse bei der Beantwortung dieser Frage mit Ihrer Antwort auf Übungsaufgabe 6, Teil a.

27

Morphinan ist die Stammverbindung einer großen Klasse von chira-

len Molekülen,

die als Morphin-Alkaloide

bekannt

sind. Interessanter-

weise haben die (+) und (-)-Enantiomere der Verbindungen dieser Familie recht unterschiedliche physiologische Eigenschaften. Die (—)Verbindungen, wie Morphinan sind „narkotische Analgetika“ (Schmerzmittel), die (+)-Verbindungen „Antitussiva“ (Hustenmittel). Eines der einfachsten und bekanntesten Mitglieder der zweiten Gruppe ist Dextromethorphan. (a) Lokalisieren

und

identifizieren

Sie

alle

Chiralitätszentren

in

Dextromethorpan. (b) Zeichnen Sie das Enantiomer von Dextromethorphan. (ec) Bestimmen Sie die absolute Konfiguration aller Chiralitätszentren in Dextromethorphan so gut Sie können (das ist nicht einfach). 202

Aufgaben

Morphinan

Dextromethorphan

28 Die enzymatische Einführung einer funktionellen Gruppe in ein biologisch wichtiges Molekül ist nicht nur spezifisch in Bezug auf den Ort der Reaktion im Molekül (s. Kap. 4, Übungsaufgabe 21), sondern gewöhnlich auch bezüglich der Stereochemie. Bei der Biosynthese von Adrenalin muß zunächst eine Hydroxygruppe spezifisch eingeführt werden, so daß aus dem achiralen Substrat Dopamin (-)-Noradrenalin wird. (Die letzten Stufen der Synthese von Adrenalin stellen wir in Aufgabe 26 von Kap. 6 vor.) Nur das (—-)-Enantiomer ist physiologisch in der gewünschten Weise wirksam, die Synthese muß daher äußerst stereoselektiv verlaufen.

HO

ı

EFSCHLNEN

|

Dopamin-Hydroxylase, O,

Ho, ,H € Se

HO

NH» 2

HO

2

HO Dopamin

(—-)-Noradrenalin

(a) Hat (—-)-Noradrenalin R- oder $-Konfiguration? (b) Wie bezeichnet man die beiden Wasserstoffatome am Methylenkohlenstoffatom von Dopamin, an denen die Reaktion stattfindet? (c) Nehmen

Sie an, die Reaktion verläuft nicht in Gegenwart eines

Enzyms. Wären die beiden Übergangszustände der radikalischen Oxidation, die zu (+) bzw. (—-)-Noradrenalin führen, von gleicher oder unterschiedlicher Energie? Mit welchem Ausdruck bezeichnet man die Beziehung zwischen diesen Übergangszuständen? (d) Beschreiben Sie mit Ihren eigenen Worten, wie das Enzym die Energie des Übergangszustands beeinflussen muß, damit die Bildung des (—-)-Enantiomers begünstigt ist. Muß das Enzym unbedingt chiral sein?

Gruppenübung 29 Untersuchungen haben gezeigt, daß ein Isomer der Verbindung A ein effektives Mittel gegen bestimmte Arten von neurodegenerativen Funktionsstörungen ist. Beachten Sie, daß A die als B dargestellte Decalin-Grundstruktur enthält. Das Stickstoffatom kann hier vereinfacht wie ein Kohlenstoffatom behandelt werden. 8a

HO;P

:

da

N

CO,H

A

(a) Benutzen

Sie Ihren Molekülbaukasten,

B

um die Brückenstruktur

genauer zu untersuchen. Bauen Sie sowohl die cis- als auch die trans-Verknüpfung. Sie sollten vier verschiedene Modelle erhalten. Geben Sie die stereochemischen Beziehungen (identisch, diastereomer oder enantiomer) zwischen ihnen an. Zeichnen Sie die Stereoisomere und bestimmen Sie die R- bzw. S-Konfiguration der Chiralitätszentren an der Ringverknüpfung.

203

5 Stereoisomerie

(b) Obwohl die trans-Verknüpfung energetisch bevorzugt ist, zeigt nur das cis-verknüpfte Isomer biologische Aktivität. Bauen Sie ein Molekülmodell, in dem die Ringe cis-verknüpft sind. Behalten Sie das Stereozentrum C3, wie in Abbildung A gezeigt, bei und variieren Sie lediglich die stereochemische Anordnung an C6. Sie sollten wieder vier verschiedene Modelle erhalten. Zeichnen Sie diese Modelle. Überzeugen Sie sich, daß keine Struktur ein Enantiomere

ist, indem Sie die R- und S-Konfiguration aller vier Stereozentren in jeder der Verbindungen bestimmen. (ec) Das Stereoisomer von A mit der größten biologischen Aktivität

ist cis-verknüpft und die Substituenten an C3 und C6 stehen beide äquatorial. Welches der von Ihnen gezeichneten Stereoisomere erfüllt diese Voraussetzungen? Identifizieren Sie es, indem Sie die absoluten Konfigarationen von C3, C4a, C6 und C8a bestimmen.

204

Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane Bimolekulare nucleophile Substitution

Nachdem wir in Kapitel 3 die Darstellung der Halogenalkane durch radikalische Halogenierung von Alkanen ausführlich besprochen haben und in Kapitel 5 auf die stereochemischen Konsequenzen dieser Reaktion eingegangen sind, wollen wir uns nun mit der Chemie der Halogenalkane befassen. Das Kennzeichen der Halogenalkane ist die polarisierte Kohlenstoff-Halogen-Bindung, das Reaktionszentrum, das das Reaktionsverhalten dieser Stoffklasse bestimmt. In diesem Kapitel führen wir einen neuen

Mechanismus

ein, der die Kinetik einer für Halo-

genalkane typischen Reaktion erklären kann. Und wir zeigen auch, wie verschiedene Lösungsmittel diese Reaktion beeinflussen können. Zunächst wollen wir aber mit der Nomenklatur dieser Stoffklasse beginnen.

6.1 Nomenklatur der Halogenalkane Ähnlich wie Alkane‘mit R-H werden Halogenalkane mit R—X abgekürzt, wobei X für ein Halogen steht. In der systematischen IUPAC-Nomenklatur gilt das Halogenatom als Substituent

des Alkangerüsts;

der halogenierte

Kohlenwasserstoff

wird

als Halogenalkan benannt.

n

CH; I

CH3I Iodmethan

—Br

CH; Fluorcyclohexan

2-Brom-2-methylpropan

Die längste fortlaufende Alkankette wird so numeriert, daß Substituenten möglichst niedrige Nummern erhalten. Wie gewöhnlich ordnet man Substituenten alphabetisch.

205

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

CH3 | CH>CCH3 CH3

I

|

|

ICH>CCH3

'

CCH3

H

H

1-Iod-2- methylpropan

CICCH3

|

|

CH3CH>CH>CH>CH>CHCH;>CH;CH>CH3>CH3

(1-Iodethyl)cyclooctan

6-(2-Chlor-2,3,3-trimethylbutyl)undecan

Für die Halogenalkane ist auch die ältere Bezeichnung Alkylhalogenide gebräuchlich. Die drei Verbindungen oben werden also auch als Methyliodid, Cyclohexylfluorid bzw. tert-Butylbromid bezeichnet. Einige chlorierte Lösungsmittel haben Trivialnamen, z. B. Tetrachlorkohlenstoff CCl,, Chloroform CHC]; und Methylenchlorid CH>Ch. Übung 6-1 Zeichnen Sie die Konstitutionsformeln Ze E 2,2,3-trimethyldecan.

—— —

von (2-Iodethyl)ceyclooctan und 5-Butyl-3-chlor-

Wir halten fest: Halogenalkane werden nach denselben Regeln wie Alkane benannt (Abschn. 2.3), dabei hat das Halogen den gleichen Rang wie eine Alkylgruppe.

6.2 Physikalische Eigenschaften der Halogenalkane Halogenalkane unterscheiden sich in ihren physikalischen Eigenschaften beträchtlich von den entsprechenden Alkanen. Bindungsstärken, Bindungslängen, Dipolmomente und Siedepunkte werden stark von den unterschiedlichen Größen der Halogenatome und von der Polarität der Kohlenstoff-Halogen-Bindung beeinflußt.

SAZO Sa

sp’

p

Abb. 6-1 Bindung zwischen einem aliphatischen Kohlenstoffatom und einem Halogen. Für X=Cl, Br oder I ist das p-Orbital erheblich größer als hier gezeigt.

Die C—X-Bindungsstärke nimmt mit zunehmender Größe von X ab Die Bindung zwischen einem Kohlenstoffatom und einem Halogenatom

kommt hauptsächlich durch die Überlappung eines sp’-Hybridorbitals des Kohlenstoffs mit einem fast reinen p-Orbital des Halogenatoms (Abb. 6-1) zustande. Da in der Gruppe von Fluor zu lod die Größe des p-Orbitals zunimmt, wird die Elektronenwolke um das Halogenatom diffuser; das Orbital kann nicht mehr so gut mit dem Kohlenstofforbital überlappen. Als Folge davon wird die C—X-Bindung schwächer. So nehmen erwartungsgemäß die C—X-Bindungsstärken in den Halogenmethanen CH;X in dem Maße ab, wie die Länge der C—X-Bindung zunimmt (Tab. 6-1).

Tabelle 6-1 Bindungslängen und Bindungsstärken in CH3X

206

Halogenmethan

Bindungslänge in pm

Bindungsstärke in kJ/mol

CH3;F CH;Cl CH3Br CH;l

138.5 178.4 192.9 329

461 356 297 239

Die C—X-Bindung ist polar Eine charakteristische Eigenschaft der Halogenalkane ist die polare Natur der C—X-Bindung, da Halogene elektronegativer als Kohlenstoff sind (Abschn. 1.6, Tab. 1-3). Dies führt zu einer ungleichmäßigen Elektronendichteverteilung entlang der Bindung zugunsten des Halogenatoms, das dadurch eine negative Partialladung (ö ) erhält, während das Kohlenstoffatom eine positive Partialladung (d°) trägt. Das daraus resultierende Dipolmoment (Abschn. 1.3) beeinflußt das chemische Verhalten der Halogenalkane beträchtlich. Wir werden z.B. sehen, daß Anionen und andere elektronenreiche Spezies das positiv polarisierte Kohlenstoffatom angreifen können. Kationen und andere elektronenarme Teilchen dagegen greifen das Halogenatom an.

6.2 Physikalische Eigenschaften der Halogenalkane

Polarer Charakter der

C—X-Bindung dt

ö

Das 4,

Siedepunkte und Polarisierbarkeit Beeinflußt der polare Charakter der C—X-Bindung andere physikalische Eigenschaften der Halogenalkane? Ja, die Siedepunkte von Halogenalkanen liegen im allgemeinen höher als die der entsprechenden Alkane (Tab. 6-2), was hauptsächlich auf die Dipolstruktur der Halogenalkane zurückzuführen ist, die zu Dipol-Dipol-Wechselwirkungen in flüssiger Phase führt. Außerdem nehmen die Siedepunkte mit steigender Größe des Halogenatoms zu. Dies wird durch die größere molare Masse und die stärkeren London-Kräfte (Abschn. 2.4) bedingt. Wir erinnern uns, daß London-Kräfte hauptsächlich auf gegenseitige Wechselwirkung der Elektronen zwischen Molekülen zurückzuführen sind. Bei Molekülen, die schwerere

Atome

der höheren

Perioden

enthalten,

sind die Kräfte

naturgemäß stärker ausgeprägt, da die Elektronen von den Kernen weniger stark angezogen werden. Dieses Phänomen ist als Polarisierbarkeit des Atoms meßbar. Die Polarisierbarkeit (im Gegensatz zur Polarität) ist, einfach ausgedrückt, ein Maß für die Fähigkeit der Elektronenhülle eines Kerns, auf die Änderungen eines elektrischen Feldes mit einer Deformierung zu reagieren. Je größer die Polarisierbarkeit eines Atoms ist, desto stärker unterliegt es den London-Kräften. Dipol-DipolWechselwirkung \Ö on

N 6 NE

CR

Cc—X

4

74

Wir merken uns: Die zunehmend diffuse Natur der Halogenorbitale in der Reihe F, Cl, Br, I wirkt sich in mehrfacher Hinsicht aus: (1) Die Stärke der C—X-Bindung nimmt ab. (2) Die C—X-Bindung wird länger. (3) Für gleiche Reste R steigen die Siedepunkte. (4) London-Kräfte gewinnen an Bedeutung. (5) Die Polarisierbarkeit des Moleküls nimmt zu. Am Beispiel der nucleophilen Substitution werden wir sehen, wie stark diese Effekte das chemische Verhalten von Halogenalkanen beeinflussen.

Tabelle 6-2 Siedepunkte von Halogenalkanen (R-X) R

Siedepunkt in °C

x = CH; CH;CH; CH;(CH3), CH;(CH3;); CH;(CH3); CH;(CH3)7

H

R

cl

Br

I

1087 — 88.8 —40] =.0:5 36.1 125.7

— 78.4 ae. 5 32.5 62.8 142.0

—24.2 12.3 46.6 78.4 107.8 182.0

3.6 38.4 71.0 101.6 129.6 200.3

42.4 1223 102.5 130.5 157.0 DES

207

Kasten 6-1

Halogenierte organische Verbindungen und Umweltschutz Heutzutage werden mehr als fünfzehntausend halogenierte organische Verbindungen für kommerzielle Anwendungen produziert. Vergleicht man die industriellen Anwendungen von Chlor, wird bei der Herstellung von Kunststoffen, die Polychlorethylen enthalten (Polyvinylchlorid, PVC, Abschn. 12.14), die größte Menge Chlor eingesetzt. Mehr als sechs Millionen Tonnen auf PVC basierenden Materials werden jährlich in den Vereinigten Staaten produziert. Andere wichtige Anwendungen von chlorierten Verbindungen

cl

cl

Kaffeebohnen

zu

extrahieren,

wofür

man

zuvor

Dichlormethan verwendet hat. Durch kontrollierte Verbrennung kann man Abfall, der halogenierte Kohlenwasserstoffe enthält, mit nur geringem Schaden für die Umwelt entsorgen. Das größte Problem, die Dekontamination von ver-

Cl

cl

/B Cl

cl

Cl Chlordan

cı cl

sind Lösungsmittel, industrielle Schmiermittel und Isolatoren, Herbizide, Pestizide und Insekti-

zide. Einige dieser Substanzen sind nicht oder nur schwer im der Natur abbaubar und verursachen zahlreiche gesundheitliche Schäden bei Mensch und Tier. Insektizide wie DDT (Kasten 3-5), Chlordan und Hexachlorcyclohexanderivate wie Lindan, schädigen sogar das Erbgut. Diese gegenüber Umwelteinflüssen sehr beständigen Substanzen können in der Natur noch heute in signifikanten Mengen nachgewiesen werden, obwohl ihre Verwendung in den frühen 70er Jahren verboten wurde. Eine ähnliche Gefahrenquelle sind PCBs (polychlorierte Biphenyle), die als flüssiges Isoliermaterial für elektrische Übertragungsgeräte seit den frühen 20er Jahren bis zu ihrem Verbot im Jahr 1976 eingesetzt wurden. Sie sind ein Hauptverschmutzer in der Region der Großen Seen in den USA. Zahlreiche Lösungsansätze für das Problem der Nutzung und Entsorgung von chlorierten organischen Verbindungen wurden entwickelt. Beispielsweise kann Kohlendioxid unter leicht erhöhtem Druck und Temperatur verflüssigt werden. Somit kann man Kohlendioxid nutzen, um Coffein aus

@l

za cı Lindan

@l

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

Decachlorbiphenyl

seuchtem Gelände, hat man durch zahlreiche neue Technologien in den Griff bekommen. Zur biologischen Dekontamination werden bei den Böden Mikroorganismen eingesetzt, die sich von chlorierten organischen Substanzen ernähren. Schon in den frühen 90er Jahren hatten exotische anaerobe Organismen, die im Bereich des oberen Hudson River natürlich vorkommen, den Hauptteil des Chlors der in den Flußsedimenten abgelagerten PCBs beseitigt, indem sie diese Moleküle in Substanzen umwandelten, die von gewöhnlichen aeroben Organismen leicht abbaubar waren. Inwiefern menschliche Anstrengungen bei der biologischen Dekontamination in großem Maßstab erfolgreich sein werden, ist eine Frage, die zur Zeit nicht beantwortet werden kann (s. auch Kästen 6-2 und 22-2).

6.3 Nucleophile Substitution Halogenalkane

reagieren

Elektronenpaar

aufweisen,

oft mit Verbindungen, meist mit einem Anion

die ein ungepaartes wie lodid, I , oder

einem neutralen Teilchen wie Ammoniak :NH;. Solche Reagenzien können das Halogenalkan angreifen und den Halogensubstituenten ersetzen, ein Vorgang, der als nucleophile Substitution bezeichnet wird. Auf diesem Wege sind zahlreiche Verbindungsklassen zugänglich, wobei diese Reaktionen meist in Lösung durchgeführt werden. Solche Reaktionen treten auch in der Natur oft auf, ihr Ablauf kann sowohl im kleinen

als auch im industriellen Maßstab gut kontrolliert werden.

208

Dieser Abschnitt beschreibt, wie es zu einer solchen Reaktion kommt

und welche Moleküle daran beteiligt sind. In vielen der folgenden Gleichungen und Mechanismen werden Nucleophile rot, Elektrophile blau und Abgangsgruppen grün dargestellt, wie im oben gezeigten Schema.

Nucleophile greifen elektrophile Zentren an Wie bereits erwähnt, erzeugt die Polarität der Kohlenstoff-Halogen-Bindung eine positive Partialladung an dem Kohlenstoffatom, wodurch dieses elektrophil wird. Seine Reaktivität richtet sich auf elektronenreiche Spezies (elektrophil = elektronenliebend, vom griechischen philos, liebend). Umgekehrt nennt man elektronenreiche Verbindungen, die mit elektrophilen Zentren reagieren, Nucleophile, Nu („kernliebend“). Charakteristisch für Nucleophile ist eine negative Ladung, freie Elektronenpaare oder beides. Am Anfang dieses Abschnitts wurde gezeigt, daß ein negativ geladenes Nucleophil mit einem Halogenalkan unter Substitution des Halogen-Anions zu einem neutralen Substitutionsprodukt reagiert. Ein neutrales Nucleophil erzeugt ein positiv geladenes Produkt. In beiden Fällen wird ein negativ geladenes Halogenid-Ion, X”, verdrängt. Die aus der Ausgangsverbindung austretende Gruppe nennt man Abgangsgruppe. Der Begriff Substrat (substratus, lateinisch: der Unterworfene) wird für die organische Ausgangsverbindung - hier das Halogenalkan — verwendet, die mit dem Nucleophil reagiert. ö

Nuss Nucleophil

Na Nucleophil

8

Re X

2,

R—Nu+

Elektrophil

RE

u

Elektrophil

x: Abgangsgruppe

one Abgangsgruppe

Beachten Sie, daß die zwei Gleichungen, die die nucleophile Substitu-

tion eines Halogenalkans beschreiben, mit Ausnahme der Ladungen völlig identisch sind. In der ersten Gleichung ist die Gesamtladung Null, da auf jeder Seite eine negative Ladung steht. In der zweiten Gleichung haben wir auf der linken Seite zwei neutrale Verbindungen, auf der . rechten Seite wird die positive Ladung des substituierten Produkts durch die negative Ladung der Abgangsgruppe ausgeglichen. Der Ausdruck nucleophile Substitution könnte nahelegen, daß das Nucleophil die angreifende Spezies ist. In gewissem Sinne trifft diese Bezeichnung nicht exakt zu, da die Reaktivität zwischen Nucleophil und Elektrophil gegenseitig ist. So kann man nucleophile Substitution ebensogut als elektrophilen Angriff der Alkylgruppe ansehen; man sagt, das Halogenalkan alkyliert das Nucleophil.

Die nucleophile Substitution ist sehr variationsreich Tabelle 6-3 zeigt uns einige typische Nucleophile und ihre Reaktionen mit verschiedenen Halogenalkanen. Im allgemeinen ist es stets die gleiche Reaktion zwischen Nucleophil und Substrat. In diesen Beispielen finden wir jedoch nur primäre und sekundäre Halogenalkane als Substrate. Dies aus gutem Grund, denn tertiäre Halogenalkane — obwohl sie unter gewissen Voraussetzungen ähnlich reagieren — verhalten sich gegenüber den aufgeführten Nucleophilen anders und werden deshalb in Kapitel 7 getrennt behandelt. Auch sekundäre Halogenalkane können mit Nucleophilen anders als unter Substitution reagieren (Kap. 7). Die „reinste“ nucleophile Substitution erhält man mit primären Halogenalkanen.

6.3 Nucleophile Substitution

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

Tabelle 6-3 Beispiele nucleophiler Substitutionen Substrat

1

Nucleophil

CH3Cl

7 NO

Produkt

az

CH30H

Chlormethan

2

CH3CH3l

+ CH;0°

>,

CH3CH>0CH3

j

a

22.1197

"SFr?

ee

Br

Br

|

Sa

2-Iodbutan

+ N=C

|

Fu

ee

CH;

Te

CH3

1-Iod-2-methyl-

3-Methylbutan-

propan

nitril

Br

anf:

SCH3

+. CH35”

..—

Bromcyclohexan

6

+

I

2-Brombutan

5

Fur

Methoxyethan

|

4

AnGı a

Methanol

Iodethan

3

Abgangsgruppe

CH;CH3l

fun

+ Br

(Methylthio)cyclohexan

+ :NH3

|

—

CH3CH>NH

|

Kt

H Iodethan

Ethylammoniumiodid

a +

Farbcode für nucleophile Substitutionen: Nucleophile — rot Elektrophile — blau Abgangsgruppen — grün

7

CHszBr

äh

:P(CH3)3

SER

ri

>. :eBr

CH3 Brommethan

Tetramethylphosphonium-

bromid

Wir wollen diese Umwandlungen näher betrachten. In Reaktion I verdrängt ein Hydroxid-Ion das Chlorid von Chlormethan, und es bildet sich Methanol. Dies ist ein allgemeiner Syntheseweg, um ein Halogenalkan in einen Alkohol zu überführen. Normalerweise verwendet der organische Chemiker dazu Alkalimetallhydroxide, z.B. Natrium- oder Kaliumhydroxid. Reaktion 2 stellt eine Variante dar. Hier reagiert das Methoxid-Ion mit Iodethan zu Methoxyethan, ein Beispiel für die Williamson-Ethersynthese (Abschn. 9.6). In den Reaktionen 1 und 2 wird das Halogenalkan von einem negativ geladenen, nucleophilen Sauerstoffatom angegriffen. Wie Reaktion 3 zeigt, kann das Halogenid-Ion nicht nur als Abgangsgruppe, sondern auch als Nucleophil fungieren. Die umgekehrte Reaktion (die Substitution von lodid in 2-Iodbutan durch Bromid) ist ebenfalls möglich. Auf diese Weise besteht in Reaktion 3 ein Gleichgewicht zwischen den verschiedenen Halogenalkanen. Die Verwendung von Propanon (Aceton) als Lösungsmittel steigert die Ausbeute

an 2-Iodbutan, weil es Natrium-

iodid gut löst, während das Produkt Natriumbromid (oder Natriumchlorid bei Verwendung von Chloralkanen) in diesem Solvens unlöslich ist. Da eines der Produkte ausfällt, verschiebt sich das Gleichgewicht der Reaktion zur rechten Seite. Auch mit einem Überschuß Natriumiodid ließe sich das erreichen.

210

Diese Methode ist für die Darstellung von Iodalkanen geeignet, denn anders als Brom und Chlor reagiert Iod nicht direkt mit Alkanen zu Iodalkanen (Abschn. 3.5). Die Beispiele zeigen auch, wie man die Lage des Gleichgewichts durch die Wahl der Reaktionsbedingungen häufig so beeinflussen kann, daß man hohe Ausbeuten des gewünschten Produkts erhält. Reaktion 4 verwendet ein Kohlenstoffatom als Nucleophil in Form von Cyanid (z.B. Natriumceyanid, Na"CN°). Hier entsteht eine neue Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung, eine wichtige Methode zur Verlängerung der Kohlenstoffkette. Reaktion 5 verläuft analog zu Reaktion 2 mit einem Schwefel-Nucleophil anstelle des nucleophilen Sauerstoffatoms und zeigt, daß Nucleophile aus derselben Gruppe im Periodensystem ähnlich reagieren und zu analogen Produkten führen, wie es auch in den Reaktionen 6 und 7 der Fall ist. In diesen beiden Reaktionen sind die Nucleophile neutral, und der Austritt der negativ geladenen Abgangsgruppe führt hier jeweils zu kationischen Spezies, einem Ammonium- bzw. einem Phosphoniumsalz. Alle in Tabelle 6-3 gezeigten Nucleophile sind ziemlich reaktiv, jedoch nicht alle aus demselben Grund. Einige sind reaktiv, weil sie starke Basen sind (OH , CH;O). Bei anderen muß die Nucleophilie auf andere Eigenschaften zurückzuführen sein, denn sie sind schwache Basen (I ). Es ist bemerkenswert, daß in allen Fällen ein HalogenidIon als Abgangsgruppe fungiert. Die Halogenide unterscheiden sich insofern von den übrigen Nucleophilen in Tabelle 6-3, als sie sowohl als Nucleophil als auch als Abgangsgruppe reagieren können. Die Gleichgewichte der Reaktionen liegen jeweils auf der Seite der Produkt. Auf diese Aspekte werden wir in den Abschnitten 6.8 und 6.9 genauer eingehen. Zunächst wollen wir uns jedoch dem Mechanismus der nucleophilen Substitution zuwenden.

6.4

Reaktionsmechanismen

mit polaren Gruppen: Verschieben von Elektronenpaaren

U Übung 6-2 ©

Welche Substitutionsprodukte entstehen bei der Reaktion von

1-Brombutan mit:

(a) 15°; (b) CH3CH2O :”; (c) Na?;(d) :As(CH3)3; (6) (CH3)2Se? Übung 6-3 Schlagen Sie Ausgangsmaterialien Kal

vor für die Darstellung

von:

(a) (CH;),N'I ; (b)

CH;SCH3>CH..

Wir fassen zusammen: Die nucleophile Substitution ist eine typische Reaktion primärer und sekundärer Halogenalkane, wobei das Halogenid als Abgangsgruppe austritt. Verschiedene Arten von Nucleophilen können an der Reaktion teilnehmen. >

6.4 Reaktionsmechanismen mit polaren Gruppen: Verschieben von Elektronenpaaren Bei der radikalische Halogenierung in Kapitel 3 haben wir gelernt, daß es sehr hilfreich ist den Mechanismus einer Reaktion zu kennen, um die experimentellen Beobachtungen zu verstehen. Dies gilt auch für die nucleophile Substitution und für jede andere Reaktion, die wir noch kennenlernen werden. Die nucleophile Substitution ist ein Beispiel für eine polare Reaktion, denn geladene Teilchen und polarisierte Bindungen treten im Rotationsverlauf auf. Erinnern wir uns (Kap. 2), daß man die elektrostatischen Wechselwirkungen kennen muß, um den Reaktionsablauf nachvollziehen zu können. Gegensätzliche elektrische 211

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

Ladungen ziehen sich an — Nucleophile werden von Elektrophilen angezogen — und dieses einfache Prinzip reicht tatsächlich aus, um die Mechanismen von polaren organischen Reaktionen zu verstehen. In diesem Abschnitt werden wir das Konzept der Verschiebung von Elektronen, das wir zuerst im Zusammenhang mit Säure-Base-Reaktionen (Abschn. 2.9) besprochen haben, erweitern. Die übliche Methode, den Mechanismus polarer Reaktionen darzustellen, ist das Verschieben von Elektronen von elektronenreichen zu elektronenarmen Teilchen. In den folgenden Abschnitten werden wir dieses Prinzip gezielt auf die nucleophile Substitution anwenden.

Gebogene Pfeile geben die Richtung der Elektronenverschiebung an Wir haben in Abschnitt 2.9 gelernt, daß Säure-Base-Reaktionen die Verschiebung von Elektronen erfordern. Betrachten wir kurz die BrgnstedLowry-Reaktion in der die Säure HCl ein Proton auf ein Molekül Wasser überträgt: HCI + H3HO —IN IE H30* + CI”

In dieser Reaktion bildet ein vormals freies Elektronenpaar des Sauerstoffatoms von Wasser eine Bindung zu einem Proton aus. Dabei entsteht ein Hydronium-Ion (H3O°). Analog wurde das Bindungselektronenpaar des HCI-Moleküls auf das Chloratom übertragen, wodurch es in ein negativ geladenes Chlorid-Ion überführt wurde: Beschreibung einer Bronsted-Lowry-Reaktion durch gebogene Pfeile H

REN

H—-O—-H+HTGCI

=

|

IH-O—H|

+

+Cl

Beachten Sie, daß der Pfeil am freien Elektronenpaar des Sauerstoffatoms beginnt und am Wasserstoffatom des HCI-Moleküls endet. Dies bedeutet nicht, daß das freie Elektronenpaar komplett vom Sauerstoffatom auf das Wasserstoffatom übertragen wird, sondern daß ein gemeinsames Elektronenpaar gebildet wird. Im Gegensatz dazu bedeutet der Pfeil, der an der H-Cl-Bindung beginnt und auf das Chloratom zeigt, daß diese Bindung gebrochen wird. Dieses Elektronenpaar wird vollständig auf das Chloratom übertragen, wobei ein negativ geladenes Chlorid-Ion entsteht. M

Übung 6-4 |

I)

Benutzen Sie gebogene Pfeile, um die Elektronenverschiebung in den folgenden SäureBase-Reaktionen

zu beschreiben.

a) Wasserstoff-Ion

+ Hydroxid-Ion, b) Fluorid-Ion

+

IM Bortrifluorid (BF,), c) Ammoniak + Chlorwasserstoff, d) Schwefelwasserstoff + Natri| ummethanolat (NaOCH,), e) Dimethyloxonium-Ion ((CH,),OH*) + Wasser), f) Autoprotolyse-Reaktion von Wasser zu Hydronium-Ion und Hydroxid-Ion.

Wie steht es mit Mechanismen in der Organischen Chemie? Wir werden sehen, daß sie in vielen Aspekten den Säure-Base-Reaktionen ähneln. Wie wir in Abschnitt 6.3 gelernt haben, entspricht ein Nucleo-

phil einer Lewis-Base, die ein Elektrophil (kein Wasserstoffatom) angreift. Elektrophile und Lewis-Säuren hängen ebenfalls miteinander zusammen, wenngleich auf eine andere Art und Weise: Lewis-Säuren sind Elektrophile, denen noch zwei Elektronen zur Edelgaskonfiguration fehlen. Betrachten wir ein Kohlenstoffatom in einem Halogenalkan, so sehen wir, daß es eine gefüllte äußere Schale hat, aber dennoch aufgrund der partiellen positiven Ladung elektrophil ist. Die nucleophile 212

Substitution ist nur eine von vielen Reaktionstypen, bei denen Elektrophile und Nucleophile miteinander reagieren. Einige Beispiele sind hier dargestellt, wobei die gebogenen Pfeile die jeweilige Elektronenverschie-

6.4

Reaktionsmechanismen

mit polaren Gruppen: Verschieben von

bung angeben:

ERS

H-0:7+ CC

ae

Peunake

|

————> — 7

vergleichbar mit

—C-OH +CI7 ) Bıpnsted-Säure-Base-

|

Reaktionen

|

RE

cTe |

ne a

N

a en

y“

Se

9“

N

Umkehrung einer

ig |

nn

sleonhile Additi

a

EN

Hr

Elektronenpaaren

na ile Bun

Additic nn

FEW Sadie-BaseReaktion

nur „eine Bindung” der

v

Kohlenstoff-SauerstoffDoppelbindung wird

l

gebrochen

n

a

S4 Cat

2

1.

“

die Kohlenstoff-KohlenstoffDoppelbindung verhält sich

|

wie eine Lewis-Base

Das erste und das dritte Beispiel zeigen eine charakteristische Eigenschaft von Elektronenverschiebungen: Wenn ein Elektronenpaar zu einem Atom

wandert, so muß dieses Atom

sozusagen

„Platz haben, an

dem dieses Elektron untergebracht werden kann“. Bei nucleophilen Substitutionen hat das Kohlenstoffatom des Halogenalkans zu Beginn eine gefüllte äußere Schale. Ein weiteres Elektronenpaar kann nur hinzugefügt werden, wenn das Bindungselektronenpaar der KohlenstoffHalogen-Bindung entfernt wird. Die Verschiebung der beiden Elektronenpaare kann als eine simultane Bewegung angesehen werden: Sobald ein Elektronenpaar an das Atom mit der abgeschlossenen Schale bindet, muß sich das andere davon lösen, ansonst würde die Oktettregel verletzt

werden. Wenn Sie die Elektronenverschiebung mit Hilfe der gebogenen Pfeile beschreiben, so ist es unerläßlich, stets die Regeln zum Zeichnen der Lewis-Strukturen zu beachten. Verwendet man gebogene Pfeile, um das Umklappen von Elektronenpaaren zu beschreiben, stellt man fest, das es einfacher ist, die richtige Struktur zu zeichnen, da alle Elek-

tronen zu ihrem richtigen Zielort bewegt werden. Es gibt natürlich noch weitere Reaktionstypen, doch überraschenderweise nicht sehr viele. Eine der wichtigsten Schlußfolgerungen der mechanistischen Untersuchungen von Prozessen in der organischen Chemie

ist, daß

die meisten

polaren

Reaktionen

sehr

ähnlich

ablaufen,

unabhängig von den betrachteten Atomen und Bindungen. Übung 6-5 Bestimmen Sie das elektrophile und nucleophile Reaktionszentrum ı gezeigten Reaktionsmechanismen.

in den vier oben

| Übung 6-6 | Benutzen Sie gebogene Pfeile, um die Elektronenverschiebung in den folgenden Reaktio| nen zu beschreiben. (Diese Reaktionen werden in Kapitel 6 u. 7 detailliert besprochen.) %

(a) —C*

\

+

Wir haben

CI? —

|

—C—Cl

|

also in diesem

HOT

Abschnitt

>

\+

H |

N

1.

|

2

Fee — —5H0"F

L=C

gelernt, daß wir mit Hilfe von

gebogenen Pfeilen den Mechanismus einer Reaktion sowie die Verschiebung von Elektronen während einer Reaktion gut beschreiben Können. Dabei wandern Elektronen vom nucleophilen bzw. Lewis-basischen Atom zum elektrophilen bzw. Lewis-sauren Atom. Nähert sich ein Elektronenpaar einem Atom mit gefüllter Valenzelektronenschale, so muß von diesem Atom ein Elektronenpaar entfernt werden, damit die Oktettregel nicht verletzt wird.

213

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

6.5 Ein erster Blick auf den Mechanismus der Substitution: Die Kinetik An diesem Punkt ergeben sich etliche Fragen: Welche Kinetik liegt der Reaktion zugrunde? Ist sie 1. Ordnung, 2. Ordnung (Abschn. 2.8) oder komplizierter? Was geschieht mit optisch aktiven Halogenalkanen? Gibt es andere Abgangsgruppen? Lassen sich aus der Art der Abgangsgruppe oder des Nucleophils, aus der räumlichen Umgebung des Substrats oder des Lösungsmittels Vorhersagen über relative Substitutionsgeschwindigkeiten treffen? Im restlichen Kapitel soll auf jede einzelne dieser Fragen eingegangen werden. In diesem Abschnitt wird uns eine Untersuchung der Kinetik der Reaktion

weiterhelfen,

mögliche

Mechanismen

auszuschließen

und

den wahrscheinlichsten Reaktionsverlauf aufzuzeigen. Als Beispiel soll uns die Reaktion von Chlormethan mit Natriumhydroxid in Wasser dienen.

CH;CI + NaOH |m0, IN CH:OH + NaCl

Wärmezufuhr (ausgedrückt durch den Großbuchstaben Delta, A) erhöht sicher die Ausbeute an Methanol und Natriumchlorid, doch sagt das nichts aus über die Art, wie die Ausgangssubstanzen in die Produkte umgewandelt werden. Eines der besten Mittel zur Untersuchung von Reaktionsmechanismen ist die Messung der Kinetik einer Reaktion (Abschn. 2.8). Vergleicht man die Geschwindigkeiten der Produktbildung bei unterschiedlichen Anfangskonzentrationen der Ausgangsverbindungen, so kann man ein Geschwindigkeitsgesetz für die betreffende Reaktion formulieren.

rıment über die Reaktion

Lassen Sie uns überlegen, was dieses Expe-

von Chlormethan

mit Natriumhydroxid

aus-

sagt.

Die Reaktion von Chlormethan mit Natriumhydroxid ist bimolekular Man kann die Reaktionsgeschwindigkeit messen, indem man entweder das Verschwinden eines Reaktanten oder das Entstehen eines Produkts verfolgt. Wenn wir diese Methode auf die Reaktion von Chlormethan mit Natriumhydroxid anwenden, finden wir, daß die Reaktionsgeschwindigkeit von den Anfangskonzentrationen beider Reaktanten abhängig ist. Die Verdopplung der Konzentration des Hydroxids führt zu einer Verdopplung der Reaktionsgeschwindigkeit, und zu demselben Ergebnis führt bei konstanter Hydroxidkonzentration auch die Verdopplung der Chlormethan-Konzentration. Die Verdopplung beider Ausgangskonzentrationen erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit um den Faktor 4. Diese Ergebnisse stehen in Einklang mit einem Geschwindigkeitsgesetz zweiter Ordnung (Abschn. 2.8):

Geschwindigkeit = k[CH;C1][ OH] mol/(L s) Alle Beispiele in Tabelle 6-3 folgen dieser Kinetik zweiter Ordnung, d.h. ihre Reaktionsgeschwindigkeiten sind proportional zu den Konzentrationen sowohl des Substrats als auch des Nucleophils.

214

Übung 6-7 Die kinetische Analyse der Reaktion in einer Lösung, die 0.01 M Natriumazid (Na'N;) und 0.01 M Iodmethan enthält, bei 0°C führt zu dem Schluß, daß das Iodid-Ion mit der

6.5 Ein erster Blick auf den Mechanismus der Substitution: Die Kinetik

Geschwindigkeit 3.0 x 10 "" mol/(L s) gebildet wird. Geben Sie die Formel des gebildeten organischen Produkts an und berechnen Sie die Geschwindigkeitskonstante k. Wie groß wäre die Bildungsgeschwindigkeit für I bei den folgenden Anfangskonzentrationen der Reaktanten? (a) [NaN;] = 0.02 M, [CH3I] = 0.01 M. (b) [NaN;] = 0.02 M,

[CH;1I] = 0.02 M. (c) [NaN;] = 0.03 M, [CH;I] = 0.03 M.

Die bimolekulare nucleophile Substitution ist ein konzertierter, einstufiger Prozeß Welcher Reaktionsmechanismus steht im Einklang mit einem Geschwindigkeitsgesetz zweiter Ordnung? Die einfachste Möglichkeit ist ein einstufiger Prozeß beider Reaktanten, eine sogenannte bimolekulare Reaktion: Das Nucleophil greift das Halogenalkan unter gleichzeitigem Austritt der Abgangsgruppe an. Die Bindungsbildung erfolgt dabei zu derselben Zeit wie der Bindungsbruch. Einen Prozeß, bei dem zwei Ereignisse gleichzeitig ablaufen, nennt man konzertiert. Dieser konzertierte Prozeß wird allgemein als bimolekulare nucleophile Substitution bezeichnet und mit Sn2 (S für Substitution, N für nucleophil und 2 für bimolekular) abgekürzt. Für diese konzertierte Verdrängungsreaktion kann man sich zwei alternative Abläufe vorstellen. Nähert sich das Nucleophil dem Substrat von der Seite der Abgangsgruppe her und verdrängt diese, spricht man von einem Vorderseitenangriff (Abb. 6-2). Die andere Möglichkeit ist der Rückseitenangriff, bei dem sich das Nucleophil dem Kohlenstoffatom von der entgegengesetzten Seite her nähert (Abb. 6-3). In beiden Abbildungen markieren wir die Verschiebung der Elektronenpaare mit Pfeilen. Ein Elektronenpaar des negativ geladenen Hydroxid-Sauerstoffatoms wird zum Kohlenstoffatom hin verschoben, so daß sich eine C—O-Bindung bildet. Das Elektronenpaar der C—Cl-Bindung wird zum Chlor bewegt, und dieses wird als CI abgespalten. In beiden Fällen ist die negative Ladung im Übergangszustand auf das Sauerstoffatom und das Chloratom verteilt.

Mit dem Symbol * wird ein Übergangszustand, ein sehr kurzlebiger und nicht isolierbarer Zustand, gekennzeichnet (siehe die Abschitte 2.6 und

3.4)

| Übung 6-8 Zeichnen Sie den hypothetischen Vorderseitenangriff und den Rückseitenangriff für den Verdrängungsmechanismus einer Sn2-Reaktion von Natriumiodid mit 2-Brombutan (Tab. 6-3). Geben Sie die Elektronenpaarverschiebung wie in den Abbildungen 6-2 und 6-3 mit Pfeilen an.

BR Eo

gr

Fr

1:

Kesı

s-|*

1

H

ö

H H7

"Cl:

r C—OH+ ..

:Cli” ..

H

Abb. 6-2 Nucleophiler Vorderseitenangriff. Die punktierten Linien deuten das gleichzeitige (konzertierte) Bilden der neuen Bindung zu OH und das Lösen der Bindung zu Cl an. Beachten Sie in der ersten Formel die Pfeile, die die Verschiebung der Elektronen verdeutlichen. Auf diese Weise läßt sich der Weg der Elektronen während einer Reaktion verfolgen. Im vorliegenden Fall schließt das Elektronenpaar des Hydroxid-Ions eine Bindung zu Kohlenstoff, während die Abgangsgruppe beim Austritt die Elektronen der Bindung zwischen Kohlenstoff und Chlor mitnimmt.

: N

BE ET E : Eu

x HO Sersklse Cs cl:

Mar

ARD:

HO=C

1H

+ :Cl:”

Abb. 6-3 Nucleophiler Rückseitenangriff. Das Nucleophil greift von der Seite an, die der Abgangsgruppe gegenüber liegt.

215

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die Reaktion von Hydroxid mit Chlormethan zu Methanol und Chlorid ebenso wie ähnliche Umsetzungen vieler anderer Nucleophile mit Halogenalkanen Beispiele für einen

bimolekularen

Prozeß

sind, der als Sy2-Reaktion

wird. Zwei einstufige Mechanismen oder

von

der Rückseite

bezeichnet

— der Angriff von der Vorderseite

— sind für diese

Reaktion

denkbar,

die beide

konzertiert verlaufen und die experimentell beobachtete Reaktionsordnung erklären können. Wie können diese beiden Mechanismen unterschieden werden? Die Antwort zu dieser Frage liefert uns ein Gebiet, das wir ausführlich im letzten Kapitel behandelt haben: die Stereochemie.

6.6 Vorderseiten- oder Rückseitenangriff? Die Stereochemie der Sy2-Reaktion Wenn man die räumliche Anordnung der Atome in den Abb. 6-2 und 6-3 miteinander vergleicht, stellt man fest, daß beim Vorderseitenangriff die Wasserstoffatome

unverändert

links vom

Kohlenstoffatom

bleiben,

während sie beim Rückseitenangriff nach rechts „umklappen“. Die beiden resultierenden Methanolstrukturen verhalten sich wie Bild und Spiegelbild, allerdings sind beim achiralen Methanolmolekül beide Strukturen natürlich deckungsgleich und folglich ununterscheidbar. Wenn nun das elektrophile Kohlenstoffatom des Halogenalkans ein Chiralitätszentrum ist, sieht das vollkommen

anders aus.

Die Sy2-Reaktion ist stereospezifisch Betrachten wir einmal die Reaktion von (S)-2-Brombutan mit Iodid. Der Vorderseitenangriff sollte zu 2-Iodbutan mit derselben Konfiguration wie der Ausgangsstoff führen, beim Rückseitenangriff erwarten wir das Produkt mit umgekehrter Konfiguration.

Stereochemie des Vorderseitenangriffs

H „C—Br x 2

a? -

H EGE

[2

H;C° Ä CH3CH3>

x

S

13

H sera

ri

H;C’/ CH3CH3

2

in

’

H;C° j CH>CH3>

Br

N)

si

Er

N)

Chiral und optisch aktiv

Vorderseitenangriff

Chiral und optisch aktiv: Retention

Stereochemie des Rückseitenangriffs

H

H

„C —Br H3C"/ CH;CH3>

1

=

|

2 ee IN

CH3 CH;CH3

5 Chiral und optisch aktiv

216

#

HM Pi

i=C\ \ CH;

+ Br

CH>CH3

R Rückseitenangriff

Chiral und optisch aktiv: Inversion

Kasten 62 Stereospezifische und stereoselektive Reaktionen Die bimolekulare Substitution eines Halogenalkans, bei der ein Stereoisomer (in der Umwandlung von 2-Brombutan zu 2-Iodbutan entweder das R- oder das S-Enantiomer der Ausgangssubstanz) vollständig in ein Produkt mit definierter Konfiguration umgewandelt wird, ist ein Beispiel einer stereospezifischen Reaktion. Dieser Ausdruck ist hier dem allgemeineren Begriff stereoselektiv (Abschn. 5.7) vorzuziehen. Stereoselektiv ist ein Prozeß, bei dem unabhängig von der Konfiguration des Ausgangsmaterials von verschiede-

nen möglichen Stereoisomeren eines bevorzugt gebildet wird. Eine stereospezifische Reaktion ist stets auch stereoselektiv, aber nicht umgekehrt. Leider werden diese Begriffe in der chemischen Literatur oft verwechselt und ungenau angewendet. Manchmal werden Reaktionen unkorrekt als stereoselektiv bezeichnet, die nach unserer Definition teilweise stereospezifisch sind, während „stereospezifisch“ für Reaktionen mit quantitativer Selektivität verwendet wird. In diesem Buch werden wir die Begriffe streng nach obiger Definition verwenden.

Was wird nun beobachtet? Man findet als Produkt der Umsetzung von ($5)-2-Brombutan mit Iodid nur (R)-2-Iodbutan: Diese Reaktion verläuft wie auch alle anderen Sy2-Reaktionen unter Inversion der Kon-

figuration. Eine Umsetzung, bei der ein reines Stereoisomer als Ausgangsstoff zu einem reinen Stereoisomer als Produkt reagiert, wird als stereospezifisch bezeichnet. Die Sn2-Reaktion ist daher ein stereospezifischer Prozeß, der unter Rückseitenangriff zu einer Inversion der Konfiguration am Reaktionszentrum führt. Übung 6-9 Geben Sie die Produkte folgender Sy2-Reaktionen an. (a) (R)-3-Chlorheptan + Na'SH‘, (b) (S)-2-Bromoctan + N(CH;);, (c) (3R,4R)-4-Iod-3-methyloctan +

K*'SeCH;.

U Übung 6-10 Zeichnen Sie die Formeln der Produkte der Sy2-Reaktion von Cyanid mit: (a) meso-2,4-

Dibrompentan (zweifache Sy2-Reaktion) und (b) trans-L-Iod-4-methyleyclohexan.

Molekülorbitale im Übergangszustand der Sy2-Reaktion Der Übergangszustand der Sy2-Reaktion läßt sich mit Begriffen der Molekülorbital-Theorie beschreiben, wie uns Abbildung 6-4 zeigt. Sobald sich das Nucleophil dem hinteren Lappen des sp’-Hybridorbitals nähert,

mit

dem

das Halogenatom

an

das Kohlenstoffatom

gebunden

ist, wird das Molekül planar, das Kohlenstoffatom rehybridisiert zu sp”. >

Se) N Abb. 6-4 Molekülorbitale während

einer Sn2-Reaktion. Der Vorgang der Inversion erinnert an das

sp?-hybridisiertes Kohlenstoffatom

Umklappen eines Schirms bei Sturm.

217

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

Abb. 6-5 Die Veränderung der potentiellen Energie während einer Sn2-Reaktion.

Die Reaktion

erfolgt in einem Schritt, wobei nur ein Übergangszustand durchlaufen wird.

Reaktionskoordinate ——>

Die negative Ladung ist jetzt nicht mehr ausschließlich auf dem Nucleophil lokalisiert, sondern teilweise auch auf der Abgangsgruppe. Im weiteren Verlauf der Reaktion, wenn sich die Produkte bilden, wird die Inversion vollständig, das Kohlenstoffatom nimmt wieder die tetraedrische sp’-Konfiguration an, und aus der Abgangsgruppe wird ein Anion, das die volle negative Ladung trägt. Abbildung 6-5 zeigt den Reaktionsverlauf der Sy2-Reaktion;

im Dia-

gramm ist die potentielle Energie gegen die Reaktionskoordinate aufgetragen.

6.7 Die Folgen der Inversion bei Sn2-Reaktionen Was sind die Folgen der Inversion der Konfiguration bei der Sn2-Reaktion? Da die Reaktion stereospezifisch ist, kann sie für die gezielte Synthese bestimmter Stereoisomere ausgenutzt werden.

Mit der Sy2-Reaktion können reine Enantiomere

synthetisiert werden Betrachten wir die Umwandlung von 2-Bromoctan in 2-Octanthiol durch Reaktion mit Hydrogensulfid: Setzen wir optisch reines R-Bromid ein, so erhalten wir das S-Thiol als einziges Produkt. Das R-Enantiomer entsteht nicht.

Inversion der Konfiguration einer optisch reinen Verbindung bei einer Sy2-Reaktion Farbcode für die Prioritäten (s. Abschn. 5-3): höchste - rot zweithöchste — blau dritthöchste — grün

niedrigste — schwarz

218

N

H

HSer

CH;(CH,)4CH;

Tu x

CH;

I ne

A

H

+ Br

"CH,(CH,)4CH CH; ( 2)a 3

(R)-2-Bromoctan

(S)-2-Octanthiol

[a] = -34.6

[@]

= +36.4

R

Wie aber können wir (R )-2-Bromoctan in das R-Thiol überführen? Eine Möglichkeit besteht darin, zwei aufeinanderfolgende Sy2-Reaktionen durchzuführen, von denen jede mit Inversion am Chiralitätszentrum einhergeht. Eine erste Sy2-Reaktion, z.B. mit lIodid, erzeugt (S$)-2Iodoctan unter Konfigurationsumkehr. Eine darauffolgende Substitution des Iodids durch das HS -Ion liefert das R-Thiol. Durch doppelte Inversion erhalten wir das gewünschte Resultat, die Beibehaltung der Konfiguration, die als Retention der Konfiguration bezeichnet wird.

6.7 Die Folgen der Inversion bei Sy2-Reaktionen

Rentention durch doppelte Inversion

H

H

nt

®

72 = \ nn „C—SH \SCHS(CH2)ACHz; = 1 CH3(CHR)4CHzA

CH3

CH3

CH3(CH2J4CHz “4

$

CH3

(R)-2-Bromoctan

(S)-2-Iodoctan

(R)-2-Octanthiol

[a] = -34.6

[@] = +46.3

[@] = -36.4

Übung 6-11 Wie wir bei Carvon gesehen haben (Kap. 5, Aufgabe

mere

manchmal

im Geruch

oder Geschmack.

10), unterscheiden sich Enantio-

3-Octanol

und einige seiner Derivate

sind Beispiele dafür: Die rechtsdrehenden Verbindungen findet man im natürlichen

4

Pfefferminzöl, die linksdrehenden Gegenstücke tragen zum Geruch von Lavendel bei. Zeigen Sie, wie man optisch reine Proben beider Enantiomere von 3-Octylacetat ausgehend von (S)-3-Iodoctan erhalten kann.

oO

|

OCCH3

CH3CH>CHCH>CH>CH>CH>CH3 3-Octylacetat

Übung 6-12 Erklären Sie, warum die optische Aktivität von (S)-2-Iodoctan bei der Behandlung mit " Natriumiodid verschwindet.

Die Sn2-Reaktion bei Diastereomeren führt zu Diastereomeren Bis jetzt traten in unseren Beispielen von Sy2-Reaktionen nur Moleküle mit einem

Chiralitätszentrum

auf. Was

aber,

wenn

Moleküle

mehrere

solcher Zentren haben? Die Reaktionen dieser Moleküle lassen sich im

allgemeinen vorhersagen:

An allen primären und sekundären

Kohlen-

stoffatomen, die mit einem Nucleophil reagieren, — und nur an diesen — findet Inversion statt. Beachten Sie, daß bei der Reaktion von (25,4R)-

2-Brom-4-chlorpentan

mit einem Überschuß

an Cyanid ein meso-Pro-

dukt entsteht!

H

2

a

©“ CH3CH>

Br

ge

H

2

I

2

mavatlipe:

CH>CH>

H

CH3

CH3

25,3R

2R,3R

CH3z

CH3

Br

H

NC

ir, SCREEN

H

H+Br”

+cl

Überschuß

‚|

2S,4R

NC

H

2R,4S: meso

219

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

Übung 6-13 Viele organische Chemiker benutzen oft zur Vorhersage der Stereochemie die Regel Diastereomere reagieren zu Diastereomeren“. Ersetzen Sie die Ausgangsverbindungen in den beiden letzten Beispielen durch eines ihrer Diastereomere und zeichnen Sie das Produkt der Sy2-Substitution mit dem angegebenen Nucleophil. Stehen die resultierenden Produkte in Einklang mit dieser Regel?

Durch die Inversion der Konfiguration am Reaktionszentrum in disubstituierten Cyclohexanen oder anderen Cycloalkanen ändern Substituenten ihre Stellung von cis nach trans oder von trans nach cis. H Br

I Nal, Propanon (Aceton)

zu

—-

Hi CH,

H@ CH;

cis

trans

+ NaBr

Wir fassen zusammen: Die Inversion der Konfiguration bei Sy2-Reaktionen hat veschiedene Auswirkungen auf die Stereochemie. Die optische Aktivität bleibt erhalten, solange nicht Abgangsgruppe und Nucleophil identisch sind oder meso-Verbindungen entstehen. Bei cyclischen Systemen werden cis- und frans-Stereoisomere ineinander umgewandelt. Bei Halogencyclopropanen verhindert ein stark gespannter Übergangszustand mögliche Substitutionsreaktionen.

6.8 Die Abgangsgruppe beeinflußt die Geschwindigkeit der Sn2-Reaktion Die relative Leichtigkeit von Sn2-Substitutionen hängt von mehreren Faktoren ab: von der Abgangsgruppe, der relativen Reaktivität des Nucleophils und von der Struktur der Alkylgruppe im Substrat. Einen genaueren Einblick in den Mechanismus gewinnen wir, wenn wir systematisch die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von den einzelnen Faktoren messen. Wir wollen mit der Abgangsgruppe beginnen: Gibt

es hier Strukturmerkmale,

die uns

zumindest

qualitativ erlauben

vorherzusagen, ob eine Abgangsgruppe „gut“ oder „schlecht“ ist?

Das Austrittsvermögen korreliert mit der Basenstärke Die Abgangsgruppe in einer nucleophilen Substitution ist häufig negativ geladen. Daher läßt sich die relative Leichtigkeit, mit der sie substituiert wird, ihr Austrittsvermögen, mit ihrer Fähigkeit, eine negative Ladung zu stabilisieren, korrelieren. Wir erinnern uns, daß die Abgangsgruppe im Übergangszustand der Reaktion einen Teil der negativen Ladung übernimmt (Abb. 6-4). Bei den Halogenen nimmt das Austrittsvermögen von Fluor zu lod hin zu. Iodid ist daher eine „gute“ Abgangsgruppe; Fluorid dagegen reagiert so „schlecht“, daß Sy2-Substitutionen bei Fluoralkanen selten beobachtet werden. Austrittsvermögen IS

BET

CP

Übung 6-14 Welches Produkt entsteht bei der Reaktion von |

220

valent Natriummethylselenid (Na*CH;Se”)?

TE

1-Chlor-6-iodhexan

mit einem Äqui-

Ob Halogenide gute oder schlechte Abgangsgruppen sind, sollte demnach von ihrer Basenstärke abhängen: je schwächer basisch X” ist, d.h. je stärker die konjugierte Säure HX ist, desto besser fungiert X” als Abgangsgruppe. Ein Vergleich der pK,-Werte (Tab. 2-6 u. 6-4) und experımentelle Befunde bestätigen das: HF ist deutlich die schwächste Säure, HCl ist stärker, am stärksten sind HBr und HI. Will man schnell abschätzen, ob eine Säure stark ist oder nicht, findet man hierzu die Kriterien in Abschnitt 2.9. Halogenide sind jedoch nicht die einzigen Substituenten, die in Sy2Reaktionen durch Nucleophile verdrängt werden können. In Tabelle 2-6 sind auch die pK,-Werte anderer starker Säuren aufgeführt, deren konjugierte (schwache) Basen gute Abgangsgruppen in Sn2-Reaktionen sind. Typische Beispiele dafür sind Schwefelderivate des Typs ROSO3 und RSO; , wie das Methylsulfat-Ion CH;OSO; und verschiedene Sulfonate. Ihre konjugierten Säuren sind sehr stark, vergleichbar mit Methansulfonsäure und Schwefelsäure, hauptsächlich aufgrund der Resonanzstabilisierung der entsprechenden Anionen. Alkylsulfate und Sulfonate treten so häufig als Abgangsgruppen auf, daß Trivialnamen wie Mesylat, Triflat und Tosylat ihren festen Platz in der chemischen Literatur behaupten.

6.3 Die Abgangsgruppe beeinflußt die Geschwindigkeit der Sn2-Reaktion

Gute Abgangsgruppen

I.

a:

SO re

un on

See:

OR

erhältliche

:O:

>

CH;

:

a

:

:O:

flüssige Dimethylsulfat,

R

20: 4-Methylbenzolsulfonat-Ion (p-Toluolsulfonat-Ion, Tosylat-Ion)

Trifluormethansulfonat-Ion (Triflat-Ion)

Methansulfonat-Ion (Mesylat-Ion)

im Handel

ne

:O:

:O:

Methylsulfat-Ion

Das

(

OR

(CH3;)-SO,,

wird

z.B. oft als Methylierungsreagenz verwendet, da es gegenüber Sauerstoff- und Stickstoff-Nucleophilen sehr reaktiv ist. Das Nucleophil greift am elektrophilen Methyl-Kohlenstoffatom an, während Methylsulfat als Abgangsgruppe das Molekül verläßt. Man sagt, das Nucleophil wird methyliert.

aa CHSCH50:”

(ig ou

|

> Hz C— Fan

Ethanol

ee

ne

CH;CH>OCH3 +

aMe:

I

Nre Tabelle 6-4 Abgangsgruppen und ihre Basenstärke

Abgangsgruppe

Methylsulfat

NIEREN

56

CH=CH>NH> + On

|neICH;

Abgangsgruppe

jr +

20, CH,CH>NH> +

PS

|

os

Alkylsulfonate wie Mesylate oder Tosylate kann man leicht aus den entsprechenden Sulfonylchloriden und Alkoholen darstellen. Diese Reaktion wird in Abschnitt 9.4 ausführlicher besprochen.

CH3CH>CH>OH +

CHH-S—C1lı Methansulfonylchlorid (Mesylchlorid)

2 2—>

ECKE

6) | CH + HCI

O Propylmethansulfonat (Propylmesylat)

K,

gute Abgangsgruppen (schwächere Basen) 17 631052

HSO, Br’ €lg H,O CH,SOz

1.0 x A 63.% 20x 6.3 x

10° 10727 10=1° 10-16

schlechte Abgangsgruppen (stärkere Basen)

F’ EHEE€95 NC° CH;S” €HR,07 HO7 HN’ H;C°

1610 0 19 2 0) > 10222102: 32 50 1.0 x 10° —1.0 x 10°

221

6 Eigenschaften und

Cl

Reaktionen

der Halogenalkane ae

0=S—=O

|

ve us

Frch

7

ano

CH3

CH3

Yen

+ HG

16)

CH3 4-Methylbenzolsulfonylchlorid

1-Methylethyl-4-methylbenzol-

(»-Toluolsulfonylchlorid)

sulfonat (Isopropyltosylat)

Die Produkte lassen sich in einer glatten Reaktion mit vielen verschiedenen Nucleophilen umsetzen. OÖ

16)

|

Se

|

ARE

El

>

CH;3CH> CH3> 1 +

Ö

a

H |

o | Y

90% “

CHz+:CHsCH>S

f

aan

.

so; °

ein,

ce

CH3

85%

CH;

Werden die hier gezeigten Reaktionen nacheinander durchgeführt, so stellen sie eine brauchbare Methode dar, um Alkohole in neue Derivate umzuwandeln, in denen die Hydroxygruppe durch ein Nucleophil ersetzt ist. Dies ist umso wichtiger, als Wasser, im Gegensatz zu Halogenwasserstoffen und Sulfonsäuren, einen sehr hohen pK, hat und deshalb Hydroxid eine äußerst schlechte Abgangsgruppe ist. Durch die Überführung in ein Sulfonat dagegen wird die Darstellung vieler Produkte über nucleophile Substitutionen möglich. Aus Tabelle 6-4 könnte man vorhersagen, daß CH;CO; ,CN, CH;S", OH und NH; zunehmend schlechtere Abgangsgruppen sind. Qualitativ trifft das auch zu. In der Praxis tritt keine dieser Verbindungen als Abgangsgruppe auf. Hier liegt jedoch nur eine vereinfachte Korrelation vor! Die Daten aus Tabelle 6-4 erlauben keine quantitativen Vorhersagen über die relativen Substitutionsgeschwindigkeiten bei Alkylgruppen mit verschiedenen Abgangsgruppen. Übung 6-15 A Welches Produkt entsteht bei dieser Reaktionsfolge?

OH CH3SO;Cl

>

Nal

>

CH; Wasser als Abgangsgruppe Wie bereits erwähnt, wird OH durch die Überführung in ein Sulfonat zu einer guten Abgangsgruppe. Noch einfacher läßt sich das durch Protonierung erreichen. Durch Protonierung des Sauerstoffatoms erhält man ein Oxonium-lon. Indem die ursprünglich neutrale OH-Gruppe ein Proton bindet, erhält das Sauerstoffatom eine positive Ladung. Aus der schlechten Abgangsgruppe OH wird eine gute Abgangsgruppe, nämlich Wasser. Wasser ist eine schwache Base, wie der sehr niedrige pK,-Wert (-1.7) ihrer konjugierten Säure, des Hydronium-Ions H,O", zeigt.

pK,(H30*) =.14 — pK,(H;0) = 14 - 15.7 = -1,7 222

Die nucleophile Substitution von H;O kann durch die konjugierte Base der Säure erfolgen, mit der anfangs protoniert wurde.

a

El

BON

HBr >

6.3 Die Abgangsgruppe beeinflußt die Geschwindigkeit der Sy2-Reaktion

H

Br

Br —>o

R—Br+

H,O

H

Auf diese Weise erhält man durch Umsetzung verschiedener Alkohole mit konzentrierten Halogenwasserstoffsäuren die entsprechenden Halogenalkane in guten Ausbeuten. Beispiele:

CH,(CH,),„CH;OH + HBr — CH,(CH,),„CH;Br + H,O 1-Dodecanol

1-Bromdodecan

1,6-Hexandiol

1,6-Diiodhexan

Genauso kann die RO-Gruppe in Ethern ROR durch sehr starke Säuren protoniert werden und so eine gute Abgangsgruppe bilden. Der Mechanismus dieser Reaktion ist der gleiche wie bei Alkoholen.

CH;CH>OCH>CH3 Ethoxyethan jr

Mechanismus: [Beachten Sie, daß hier die Farbe funktionelle Bedeutung hat: Aus dem Nucleophil (rot) wird eine Abgangsgruppe (grün).] ..

>

./

CH3>CH3>Br Bromethan +

H

CH>CH>0OH

CH;CH5ÖCHJCH; == CH3CHH— 04

Ethanol

CH>CH; Dialkyloxonium-Ion

Br

Era

+ CH5CH,

ers

H

ir

OT

—> CHsCHaBr + HOCHSCH> CH;CH;

Der entstehende Alkohol kann erneut reagieren und ein weiteres Bromalkan erzeugen. In Kapitel 9 werden die Reaktionen von Alkoholen und Ethern in Gegenwart von Säuren ausführlich besprochen. Übung 6-16

Die Reaktion von Oxacyclohexan (Tetrahydropyran) mit HI ergibt 1,5-Diiodpentan. „ Nach welchem Mechanismus verläuft die Reaktion? (Schreiben Sie Gleichungen mit Pfeilen für Elektronenverschiebungen.)

en Oxacyclohexan (Tetrahydropyran)

Wir halten fest: Das Austrittsvermögen einer Abgangsgruppe ist in etwa proportional der Stärke ihrer konjugierten Säure. Beides hängt von der Fähigkeit ab, eine negative Ladung zu stabilisieren. Dieser Abschnitt gab einen kurzen Rückblick auf die Gleichungen, die pK, und pK, korrelieren (pK, + pK, = 14). Die Säurestärke (und damit das Austrittsvermögen der konjugierten Base) ist abhängig von der Dissoziationsenergie DH° von HA, der Elektronegativität von A und von Resonanzeffekten. Neben den Halogeniden (Cl, Br" und I’) spielen vor allem Sulfonate (z.B. Methyl- oder 4-Methylbenzolsulfonate, Tosylate) als gute Abgangsgruppen eine wichtige Rolle bei chemischen Synthesen. Die Umwandlung eines Alkohols in das entsprechende Sulfonat und dessen darauffolgende Substitution ist eine Methode, um OH in einer zweistufigen Reaktion zu substituieren. Auch über die Protonierung durch eine starke Säure wird OH zu einer guten Abgangsgruppe. Dadurch läßt sich manchmal

OH durch Br oder I ersetzen; eine analoge

Methode kann auch zur Etherspaltung eingesetzt werden.

223

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

6.9 Einfluß der Nucleophilie auf die Sn2-Reaktion Nun wollen wir verschiedene Nucleophile untersuchen und ihre relative nucleophile Stärke, ihre Nucleophilie, diskutieren. Wir werden sehen, daß Nucleophilie von einer Reihe von Faktoren abhängt: von der Ladung,

der

Basizität,

dem

Lösungsmittel,

der

Polarisierbarkeit

und

den Substituenten. Aus einer Reihe vergleichender Experimente geht die Bedeutung dieser Faktoren und ihr Verhältnis zueinander hervor.

Eine negative Ladung erhöht die Nucleophilie Beeinflußt eine veränderte Ladung am nucleophilen Atom die Reaktivität? Die folgenden Experimente geben darauf Antwort: Experiment 1 CH;Cl + HO° CH;Cl + H,O

—o —>

CH;OH +Cl CH;0OH,* + CI

schnell sehr langsam

Experiment 2 CH;Cl

nr HN

CH;Cl + HN

rt,

CH;NH3,

—>

CHsNH3* + CI”

miele

sehr schnell

langsamer

Ergebnis: Von zwei Nucleophilen mit dem gleichen reaktiven Atom ist dasjenige mit einer negativen Ladung das stärkere Nucleophil. Anders ausgedrückt, die Base ist stets stärker nucleophil als ihre konjugierte Säure. Dies ist in der Tat einleuchtend. Da ein nucleophiler Angriff zu einer Bindung mit einem elektrophilen Kohlenstoffatom führt, muß die Reaktion umso schneller sein, je elektronenreicher (negativer) die angreifende Spezies ist. M) Übung 6-17 Welches Nucleophil der folgenden Paare ist das jeweils # CH3S’; (b) CH;NH oder CH;NH;3; (c) HSe” oder H;Se.

reaktivere:

(a) CH3S

oder

Die Nucleophilie nimmt im Periodensystem nach rechts hin ab In den Experimenten 1 und 2 werden Nucleophile mit dem gleichen nucleophilen Atom verglichen (z.B. Sauerstoff in H,O mit OH‘, Stickstoff in NH; mit NH3>). Was aber, wenn Nucleophile eine ähnliche Struktur, aber verschiedene

nucleophile Atome

haben?

Wir wollen nun

die Elemente in einer Periode des Periodensystems untersuchen. Experiment 3 CH;CH;»Br + HHN —> CH;CH;»Br + HHO —>

CH;CH,NH3;* + Br” CH;CH>»0H3,* + Br”

schnell sehr langsam

Experiment 4 CH;CH>Br + HHN CH;CH;Br + HO°

—— -——

CH;CH;NH3 CH;CH;OH

+ Br + Br

sehr schnell langsamer

Experiment 5 CH,CH,Br CH,CH

224

‚Br

+ +

CH4S7 ir

7 arena

CH,CH,SCH; CH,CH,Cl

+

Tr Br

Bra

schnell sehr langsam

Ergebnis: Auch die Basizität scheint mit der Nucleophilie zu korrelie-

6.9 Einfluß der Nucleophilie

ren: Die stärker basische Spezies ist offensichtlich auch das reaktivere

auf die Sn2-Reaktion

Nucleophil. Im Periodensystem nimmt daher die Nucleophilie von links nach rechts ab. Die wichtigsten Verbindungen der Elemente der ersten Periode lassen sich nach ihrer Nucleophilie ungefähr so ordnen: NE5GR@ > OH=

> NEE > E7 > H,O

Daraus sehen wir auch, daß eine negative Ladung mehr wiegt als die Stellung im Periodensystem (z.B. OH” > NH;; F’ > H,O). Hier spiegelt sich die relativ stärkere Basizität der Verbindungen wider. Übung 6-18 Mi

Welche der folgenden Verbindungen ist das stärkere S(CH3)s; (b) CH;3CH3Se” oder Br’; (c) H,O oder HF.

Nucleophil:

(a) P(CH3;);

oder

Welcher Zusammenhang besteht zwischen Basizität und Nucleophilie? Auf den ersten Blick erwartet man, daß Basizität und Nucleophilie sich in etwa entsprechen. Beachten Sie jedoch folgende Überlegungen: Basizität (wie auch Acidität) messen ein thermodynamisches Phänomen, nämlich das Gleichgewicht zwischen einer Base und ihrer konjugierten Säure in Wasser:

K AN2E50O==>AH

#'0H:

K = Gleichgewichtskonstante

Nucleophilie dagegen ist ein Maß für einen kinetischen Vorgang, der Geschwindigkeit der Reaktion eines Nucleophils mit einem Elektrophil: No

HRXTE SINER

X

k = Geschwindigkeitskonstante

Es ist interessant, daß trotz dieser grundlegenden Unterschiede von Basizität und Nucleophilie ein so guter Zusammenhang besteht, zumindest bei den bisher behandelten Beispielen.

Solvatation beeinträchtigt die Nucleophilie Wenn ein allgemeiner Zusammenhang zwischen Nucleophilie und Basizität besteht, sollte die Nucleophilie der Elemente in einer Gruppe des Periodensystems von oben nach unten hin abnehmen, da die Basizität in ähnlicher Weise geringer wird (Abschn. 6.7). Mit einer weiteren Testreihe wollen wir diese Vorhersage überprüfen. ns

Experiment 6

a

|

| Free 6) )

+ CI OH,

CHSCH,CH;CI + "OsSCH;

+Br HH,

CH;CH>CH.Br + "Oz3SCHz _ schneller

| CHACH.CH,OSCH, +

08,H CH;CHSCHJI + ”O3SCHz

langsam

"am schnellsten

16) 225

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

Experiment 7

CH>CH,CH;Br + CH;0- > CH;CH>CH3»Br + CH;S”

CH;OH

———>

CH,CH>CH,OCH; + Br”

nichtsch

CH;>CH;CH3SCH; + Br”

sehr schnell

Experiment 8

CH5E-HN(CH,J SEAN CHIHT>

schnell

CHST > PERF

schneller

FIR

Ergebnis: Innerhalb einer Gruppe nimmt die Nucleophilie nach unten hin zu, während man aufgrund der Basızität der eingesetzten Nucleophile gerade das Gegenteil erwartet. Schwefel-Nucleophile sind reaktiver als Sauerstoff-Nucleophile, aber weniger reaktiv als entsprechende Selen-Verbindungen. Das gleiche gilt für Phosphor-Nucleophile verglichen mit Stickstoff-Nucleophilen. Wie läßt sich das erklären? In der nun folgenden Diskussion unterscheiden wir zwischen neutralen und geladenen Nucleophilen. Für die zunehmende Nucleophilie negativ geladener Nucleophile innerhalb einer Gruppe von oben nach unten scheinen im wesentlichen Solvenseffekte verantwortlich zu sein. Beim Lösen einer Festsubstanz werden die intermolekularen Kräfte, die sie im festen Zustand zusammenhalten (Abschn. 2.4), durch Mole-

kül-Solvens-Wechselwirkungen abgelöst. Dieses Phänomen bezeichnet man als Solvatation. Ein Molekül in Lösung ist von einer Solvathülle umgeben, d.h. es wird von Lösungsmittelmolekülen solvatisiert. Salze gehen nur in sehr polaren Solventien, wie Wasser und Alkoholen, in Lösung. Wie wirken sich Solvatationseffekte

auf die Stärke eines Nucleophils,

seine Nucleophilie, aus? Generell wird die Nucleophilie durch Solvatation geschwächt, denn die Solvathülle, die sich um das Nucleophil bildet, behindert den nucleophilen Angriff auf das Elektrophil. Hınzu kommt, daß kleinere Ionen stärker solvatisiert sind als große, da sie eine höhere Ladungsdichte aufweisen. Abbildung 6-6 illustriert diesen Effekt für Methanol als Lösungsmittel. Das kleinere Fluorid-Ion ist viel stärker solvatisiert als das größere lodid-Ion. Trifft dies für alle Lösungsmittel zu?

A

B

Abb. 6-6 Vereinfachte schematische Darstellung der unterschiedlichen Solvatation von (A) einem kleinen Anion (F‘) und (B) einem großen Anion (1). Die dichtere Solvenshülle um das kleinere F* beeinträchtigt seine Fähigkeit zur Teilnahme an nucleophilen Substitutionen.

226

Protische und aprotische Lösungsmittel: die Wirkung von Wasserstoffbrücken-Bindungen

6.9

Einfluß der Nucleophilie auf die Sy2-Reaktion

In einigen polaren Lösungsmitteln wie Methanol, Ethanol und Wasser ist ein Wasserstoffatom an ein elektronegatives Atom Y gebunden.

Hier liegt also eine stark polarisierte H’ — Y? -Bindung vor. Wegen des protonenähnlichen Charakters des Wasserstoffatoms nennt man das Lösungsmittel protisch. Protische Lösungsmittel werden oft bei nucleophilen Substitutionen eingesetzt, sie solvatisieren Salze besonders gut, weil das kleine, positiv polarisierte Wasserstoffatom gut mit dem Anion des Salzes in Wechselwirkung treten kann. Diese Wechselwirkung nennt man Wasserstoffbrücken-Bindung, sie wird in Abschnitt 8.2 ausführlicher besprochen. Polare Lösungsmittel, in denen kein positiv polarisiertes Wasserstofffatom auftritt, nennt man aprotisch. Auch aprotische Lösungsmittel wie Propanon (Aceton) sind bei Syn2Reaktionen sehr nützlich. Da in diesen Medien keine Wasserstoffbrükken gebildet werden, ist das Nucleophil hier sehr viel weniger fest solvatisiert, es liegt sozusagen fast „nackt“ vor. Dadurch ist seine Reaktivität oft drastisch gesteigert. Die Umsetzung von Brommethan mit Kaliumiodid zu Iodmethan verläuft zum Beispiel in Propanon (Aceton) ungefähr 500mal schneller als in Methanol. In Tabelle 6-5 sind verschiedene polare aprotische Lösungsmittel zusammengestellt. Sie zeichnen sich aus durch Abwesenheit von positiv

Tabelle 6-5 Polare aprotische Lösungsmittel Name

Formel

Propanon

Siedepunkt in °C

|

Dielektrizitäts-

Dipolmoment (zw) in

konstante

(sem

56.5

20.70

9,6

CH5C=N

81.8

37.5

13.1

a) HCN(CH;3)3)2

39,9 39.9

36. 36.71

& 12.9

22

2.9

111.0

12.4

46.6;

3; 13.0

30

14.4

43.3

16.0

(Aceton)

CH;CCH3

EN (Acetonnitril) N, N-Dimethylmethanamid N Dimethyl.

kP; (13 (1.3 kPa)

formamid, DMF)

6) | HCNCH;

N-Methylmethanamid* (N-Methylformamid)

>

2

na

H

Methanamid*

|

rad)

HCNH3

Dimethylsulfoxid

|

(DMSO)

CH3SCH3

Hexamethylphosphorsäure-

| FAR

mid

Ba

TEREE)

(CH3);N

|

N(CH3)»

N

IIE@777KP3)

ä

P kPa) B 87 (2.7

i

100 (0.8 kPa)

N

(HMPT)

(CH3),

Sulfolan

>

283

HAN

(6) # No * noch schwach protisch

227

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

Tabelle 6-6 Relative Sy2-Reaktionsgeschwindigkeiten von Iodmethan mit dem Chlorid-Ion in verschiedenen Lösungsmitteln CH;I au all

Lösungsmittel et

CH,OH 1

een!

HCONH; 12.5

CH;CI

Te

HCONHCH,; 45.3

HCON(CH3»)» 1200 000

polarisierten Wasserstoffatomen, die an Wasserstoffbrücken teilnehmen könnten, durch hohe Dipolmomente und hohe Dielektrizitätskonstanten. Die Dipolmomente polarer Moleküle wurden bereits in Abschnitt 1.6 diskutiert. Die Dielektrizitätskonstante eines Lösungsmittels ist ein Maß für seine Fähigkeit, ein positiv geladenes Ion M* von dessen Gegenion X” zu trennen. In unpolaren Lösungsmitteln neigen Salze, auch wenn sie sich darin lösen, zur Ausbildung von Ionenpaaren M'X” und komplexeren Aggregaten, die in Sy2-Reaktionen nur mäßig reaktiv sind. Mit diesem Verhalten läßt sich erklären, weshalb nucleophile Substitutionen in Lösungsmitteln mit hoher Dielektrizitätskonstante rascher verlaufen. Die Bedeutung von Solvenseffekten bei diesen Reaktionen wird

deutlich,

wenn

man

die

Geschwindigkeit

der

Substitution

von

Iodid in Iodmethan durch Chlorid in verschiedenen Lösungsmitteln vergleicht. Testet man Methanol (protisch), Methanamid (Formamid, schwach protisch), N-Methylmethanamid (N-Methylformamid, sehr schwach protisch), und

N,N-Dimethylmethanamid (N,N-Dimethylforma-

mid, DMF, aprotisch), erhält man die unterschiedlichsten Ergebnisse (8. Tab. 6-6). Die Reaktion verläuft in DMF mehr als eine Million mal schneller als in Methanol. Solvenseffekte bewirken auch, daß sogar Dimethylpropylderivate in einem polaren aprotischen Lösungsmittel bereitwillig in einer Sy2-Reaktion reagieren: OÖ

(CH3)3CCH30S

|

.

ee

N

Er

2,2-Dimethylpropyl4-methylbenzolsulfonat

90%

3,3-Dimethylbutannitril

Wie stark sich Solvenseffekte

auf die relative Reaktivität auswirken,

zeigt sich auch in einem weiteren Befund. Wir wissen, daß kleine Ionen in protischen Lösungsmitteln stärker solvatisiert sind als große. Dies erklärt, weshalb die Nucleophilie der Halogenide in der Gruppe nach unten hin zunimmt. In aprotischen Lösungsmitteln, in denen Solvatation nicht mehr die überragende Rolle spielt, sollte sich diese Reihenfolge ändern. Tatsächlich nimmt in DMF die Nucleophilie in der Reihe Cl’ > Br” > I’ ab, was nun auch mit der Abstufung der Basizitäten übereinstimmt. In Propanon (Aceton) gilt dieselbe Reihenfolge wie in Alkoholen, die Unterschiede in der Reaktivität sind jedoch geringer.

Zunehmende Polarisierbarkeit erhöht die Nucleophilie Die hier beschriebenen Solvenseffekte sollten nur bei geladenen Nucleophilen stark ausgeprägt sein. Dennoch nimmt die Nucleophilie auch ungeladener Nucleophile in der Gruppe nach unten hin zu, z.B. H,Se > HS > H,O und PH; > NH;. Für die beobachteten Anderungen der Nucleophilie muß es daher noch einen anderen Grund geben. Beziehen wir deshalb die Polarisierbarkeit des Nucleophils in unsere. Überlegungen mit ein. Die Elektronenhüllen von schweren Elementen sind

größer,

diffuser

und

leichter

polarisierbar.

Diese

bessere

„Verschiebbarkeit“ erlaubt eine wirksamere Überlappung im Übergangszustand mit dem langsam zu sp’ rehybridisierenden Orbital, das 228

Sp-Orbital, zum elektrophilen Kohlenstoff hin polarisiert

2p-Orbital, u kaum polarisiert

hinterer Lappen

A

des sp°’-Hybridorbitals

B

Abb. 6-7 Vergleich von I" und F’ während einer Syn2-Reaktion: (A) Orbital von Iodid ist zum elektrophilen Kohlenstoff ausgerichtet. (B) baren Punkt auf der Reaktionskoordinate besteht hier eine geringere schlecht polarisierbaren 2p-Orbitals von Fluorid mit dem elektrophilen

Das polarisierte 5pAn einem vergleichWechselwirkung des Kohlenstoff im Ver-

gleich zu (A).

an die Abgangsgruppe gebunden war (Abb. 6-4). Aus dem gleichen Grund sind größere Elemente schwächer basisch als kleinere, da sie schlechter mit dem 1s-Orbital von Wasserstoff überlappen können. In Abbildung 6-7 wird die unterschiedliche Reaktivität von Iodid und Fluorid in Sy2-Reaktionen deutlich. 0 Übung 6-19 Welche oder

Verbindung

ist stärker nucleophil:

(a) CH;SH

oder CH;3SeH;

(b) (CH;);NH

(CH3;);PH?

Sterisch gehinderte Nucleophile reagieren schlecht Wir sahen, daß eine feste Solvathülle das Nucleophil in seiner Reaktivität beeinträchtigt. Auch raumerfüllende Substituenten im Molekül selbst stellen solche sterischen Hindernisse dar. Ihren Einfluß auf die Reaktionsgeschwindigkeit zeigt Experiment 9. Experiment 9

CHaL-HCH307.——. CH30CH, + 7 CH, CH3l

CH, —> CHzOCCH3 + I”

CH;

schnell langsamer

CH;

Ergebnis: Sterisch’ gehinderte Nucleophile reagieren langsamer.

U Übung 6-20 "

Welches der beiden Nucleophile (a) oder (b) reagiert rascher mit Brommethan?

(a) CH3S oder u,

Fe

(b) (CHz)-NH oder (CH3CH)>NH.

CHz

Nucleophile Substitutionen können reversibel sein Die Halogenid-Ionen Cl, Br” und I sind sowohl gute Nucleophile als auch gute Abgangsgruppen, daher sind Sy2-Reaktionen auch reversibel. In solchen Fällen muß experimentell ermittelt werden, auf welcher Seite des Reaktionspfeiles das Gleichgewicht liegt. Bindungsstärken 229

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

alleine sind zur Bestimmung der thermodynamischen Gleichgewichtslage nicht ausreichend, da diese Berechnungen die Solvatationsenergien nicht berücksichtigen. Sie sehen, die Bestimmung der Gleichgewichtslage ist eine komplexe Aufgabe. Zum Beispiel sind in Propanon (Aceton) die Reaktionen zwischen Lithiumchlorid und primären Brom- und Iodalkanen reversibel, und das Gleichgewicht liegt auf der Seite der Chloralkane.

CH;CH>CH;CH3>I + LiC]

Propanon (Aceton)

=

CH;CH;CH;CH3;Cl + Lil

Das Ergebnis steht mit den relativen Bindungsstärken in Produkten und Ausgangsmaterialien in Einklang (DH°c.cı = 335 kJ/mol gegenüber DH’. = 222 kJ/mol). Man kann das Gleichgewicht jedoch durch einen einfachen Trick auf die andere Seite hin verschieben: Während alle Lithiumhalogenide in Aceton gut löslich sind, nimmt die Löslichkeit der Natriumhalogenide in der Reihenfolge Nal > NaBr > NaCl drastisch ab; letzteres ist in Aceton nahezu unlöslich. In der Tat wird das Gleichgewicht der Reaktion zwischen Nal und einem primären oder sekundären Chloralkan in Aceton vollständig auf die Seite des Iodalkans verschoben (im Gegesatz zur gerade angesprochenen Reaktion), da NaCl aus der Reaktionslösung ausfällt und somit dem Gleichgewicht entzogen wird. Propanon

CH3;CH>,CH>CH;C1 + Nal

(Aceton)

=

CH;CH;CH;CH)I + NaCl unlöslich in Propanon

Die Gleichgewichtslage von Reaktion 3 in Tabelle 6-3 kann in derselben Weise beeinflußt werden. Wenn das Nucleophil in einer Sy2-Reaktion jedoch eine starke Base ist (z.B. OH oder CH;O°, vgl. Tab. 2-6), ist es keine gute Abgangsgruppe. In solchen Fällen ist die Gleichgewichtskonstante sehr groß, so daß die Substitutionsreaktion nahezu irreversibel ist (Tab. 6-3, Reaktionen 1 und 2). Nucleophilie hängt also von einer ganzen Reihe von Faktoren ab. Sie nimmt im Periodensystem von rechts nach links und von oben nach unten hin sowie mit zunehmender negativer Ladung zu. In Tabelle 6-7 werden die Reaktivitäten verschiedener Nucleophile mit der Reaktivität von Methanol (willkürlich 1 gesetzt) verglichen. Hier sehen Sie die Ergebnisse dieses Abschnitts bestätigt. Tabelle 6-7 Relative Reaktionsgeschwindigkeiten verschiedener Nucleophile mit Iodmethan Nucleophil

Relative Geschwindigkeit

CH;OH NO; FT

1 2 500

SO

3160 10)

en cr CH;CH>SCH;CH; NH;

230

20 000 23500 219000 316000

Nucleophil

CH;SCH; N; Br”

Relative Geschwindigkeit

347000 603000 617000

CH;O°

1950 000

CH;SeCH;

2090. 000

ENT (CH3CH3)3As I HS7

5010000 7940000 26 300. 000 100 000.000

6.10 Der Einfluß der Substratstruktur auf dıe Geschwindigkeit der nucleophilen Substitution

6.10 Der Einfluß der Substratstruktur auf die Geschwindigkeit der nucleophilen Substitution

Beeinträchtigt die Struktur des Substrats, besonders in der Nähe des Reaktionszentrums, die Geschwindigkeit des nucleophilen Angriffs? Wie in den vorhergehenden Abschnitten können wir Reaktivitäten in etwa abschätzen, indem wir die Reaktionsgeschwindigkeiten verschiedener Halogenalkane mit passenden Nucleophilen miteinander vergleichen. Aussagen über relative Reaktivitäten erhält man am einfachsten durch ein Konkurrenzexperiment. In einem solchen Test wird ein äquimolares Gemisch von zwei Substraten, deren Reaktivität wir vergleichen wollen, mit einem Unterschuß (i.allg. 0.05-0.1 Moläquivalente) des Reagenzes umgesetzt. Das Mengenverhältnis der beiden möglichen Produkte gibt uns unmittelbar Aufschluß über die relativen Geschwindigkeiten,

mit

denen

die

beiden

Substrate

um

das

Nucleophil

konkurriert

haben.

Kettenverlängerung um ein oder zwei Kohlenstoffatome verringert die Sn2-Reaktivität Zuerst wollen wir untersuchen, ob das Hinzufügen von Methylengruppen zu einem Halogenmethan dessen Sy2-Substitutionsgeschwindigkeit beeinflußt. Zu diesem Zweck starten wir ein Konkurrenzexperiment, in dem eine 1:1-Mischung von Chlormethan und Chlorethan mit einer kleinen Menge lodid umgesetzt wird. Experiment 10 CH;C1 + CH5CH;CI| Verhältnis

T —

|CH3l + CH>CHJI | + eingesetzte Chloralkane

kleine

1

1

+

Menge

Verhältnis

80

1

Aus dem Experiment geht hervor, daß Chlormethan ungefähr achtzig Mal schneller als Chlorethan mit Iodid reagiert. Wird dieser Unterschied durch eine weitere Methylengruppe noch größer? Ein ähnliches Experiment mit Chlormethan und 1-Chlorpropan als Konkurrenten soll uns darüber Auskunft geben. Experiment 11 CH;C1 + CH;CH;CH;CI

+ 7 —

Verhältnis

kleine

1

1

Menge

|CH3I + CH>5CH;CHJI | + eingesetzte Chloralkane Verhältnis

150

il

Wie man sieht, wird die Reaktivität des Chloralkans durch die Verlän-

gerung der Alkylkette fast um den Faktor zwei erniedrigt. Dieses Ergebnis kann durch ein unabhängiges Kontrollexperiment bestätigt werden. Man findet nämlich, daß Chlorethan etwa doppelt so reaktiv wie 1-Chlorpropan ist. Diese Tendenz setzt sich jedoch nicht fort! Alle höheren Halogenalkane zeigen etwa die gleiche Reaktivität gegenüber Nucleophilen. Gibt es nun eine Erklärung für die bei diesen Experimenten gemachten Beobachtungen? Man findet eine Erklärung des Phänomens, wenn man überlegt, wie sich das Nucleophil dem Elektrophil nähert (Abb. 6-8). Die Reaktion verläuft etwa so wie die von Chlormethan mit dem Hydroxid-Ion (Abb. 6-4 und 6-8A). Das Nucleophil wird auf seinem Weg nicht be-

231

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

H

Ne H Methyl kaum sterisch gehindert

Propyl (Konformation

[6

1, anti)

(Methylgruppe behindert den Angriff des Nucleophils erheblich)

Abb. 6-8 Sy2-Angriff eines Nucleophils Nu” auf (A) ein Halogenmethan, (B) ein Halogenethan und (C) drei verschiedene Konformationen eines 1-Halogenpropans. Die schattierten Gebiete heben die sterische Wechselwirkung mit dem Nucleophil hervor. Der Einfachheit halber sind die Partialladungen weggelassen (s. Abb. 6-3).

Ethyl Ein Wasserstoffatom behindert die Annäherung des Nucleophils

Propyl (Konformation 2)

Propyl (Konformation 3)

(Hinderung durch ein

wie in Konformation 2

Wasserstoffatom wie in Ethyl;

CH; steht gauche zur Abgangsgruppe X)

hindert. Ersetzt man jedoch im Halogenmethan ein Wasserstoffatom durch eine Methylgruppe, so stören die zusätzlichen Wasserstoffatome wegen ihrer räumlichen Ausdehnung den Angriff des Nucleophils (Abb. 6-8B). Dadurch wird die Reaktivität im Vergleich zur analogen Reaktion mit einem Halogenmethan erheblich herabgesetzt (um den Faktor 80 in Experiment 1). Bei den 1-Halogenpropanen mit einer weiteren Methylgruppe in der Nähe des Reaktionszentrums ist die Reaktivität jedoch nur wenig vermindert, weil das Molekül eine von zwei möglichen gestaffelten Konformationen (2 und 3 in Abb. 6-8C) annehmen kann, in denen die zusätzliche Methylgruppe außerhalb des Angriffsweges des Nucleophils liegt. Diese beiden für die nucleophile Substitution so günstigen Konformationen sind jedoch relativ energiereiche Rotamere, weil die Methylgruppe gauche zum Halogenatom steht. Andererseits würde in der energieärmsten und damit stabilsten anti-Konformation 1 die Methylgruppe genau im Angriffsweg des Nucleophils liegen und damit die Reaktion verhindern. Deshalb muß ein Molekül der Konformation 1 zuerst eine energiereichere gauche-Form (2 oder 3) durchlaufen, um zu einer Sy2-Reaktion fähig zu sein. Dieser geringe Energieaufwand führt dazu, daß sich die Reaktionsgeschwindigkeit im Vergleich zu einem Halogenethan weiter verringert. Eine weitere Kettenverlängerung bringt keinen zusätzlichen Nachteil, da die neuen Kohlenstoffatome immer Bestandteil eines energiearmen Konformers sein können, das den Angriff des Nucleophils nicht beeinträchtigt.

Verzweigungen am reaktiven Kohlenstoffatom erniedrigen die Geschwindigkeit der nucleophilen Substitution Bei Sy2-Reaktionen ruft der Ersatz eines Wasserstoffatoms in einem Halogenmethan durch eine Methylgruppe eine deutliche sterische Hinderung hervor (Abb. 6-8B). Was geschieht nun, wenn man der Reihe nach alle drei Wasserstoffatome durch Methylgruppen ersetzt? Mit anderen Worten, wie unterschiedlich sind die Reaktivitäten von Halogenme-

232

Abb. 6-9 Sterische Auswirkungen von Verzweigungen am reaktiven Kohlenstoffatom bei Sy2-Reak-

tionen. Angriff eines Nucleophils auf (A) ein Halogenmethan, (B) ein Halogenethan, (C) ein 2-Halogenpropan und (D) ein 2-Halogen-2-methylpropan. Die zunehmende sterische Hinderung verhindert schließlich den Angriff des Nucleophils auf das elektrophile Kohlenstoffatom (s. auch

Abb. 6-8).

1,1-Dimethylethyl

1-Methylethyl C

D

thanen, primären, sekundären und tertiären Halogeniden bei der bimo-

Tabelle 6-8 Relative Sy2-Reak-

lekularen nucleophilen Substitution? Konkurrenzexperimente, wie wir sie bereits am Beispiel der Chloralkane kennengelernt haben, zeigen, daß die Reaktivität rasch mit zunehmender Substitution abnimmt (Tab. 6-8). Die sukzessive Einführung von Alkylgruppen hat also einen kumulativen Effekt auf die sterische Hinderung der Substitution (Abb. 6-9). Die Daten der Tabelle 6-8 gelten ausschließlich für einen bimolekularen Mechanismus. Tertiäre (und manche sekundäre) Halogenide können aber auch nach anderen Mechanismen reagieren (Kap. 7).

tionsgeschwindigkeiten verzweigter Bromalkane mit lodid

Übung 6-21 Welche relativen Geschwindigkeiten erwarten Sie für die Sy2-Reaktionen der folgenden Substratpaare mit Cyanid-Ionen?

Br

(a)

CH;

und

Br

:

(b) es,

[

CB

r

und

Bromalkan

Geschwindigkeit

CH,Br

145

CH;CH,Br @}3

1

CH.CHBr

0.0078

RE

|

CH;CBr

vernachlässigbar

CH,

CH;>CH>CH3>Br.

CH; Verzweigungen in der Nachbarschaft des reagierenden Kohlenstoffatoms verlangsamen die Sy2-Reaktion Wir können uns nun eine Reihe von Experimenten überlegen, um die Wirkung mehrerer Substituenten am Kohlenstoffatom neben dem elektrophilen Reaktionszentrum zu untersuchen. Die Reaktivitäten verschie“ dener Bromalkane relativ zu Bromethan (willkürlich 1 gesetzt) sind in der Tabelle 6-9 dargestellt. Die Tabelle enthält außerdem zwei Verbindungen, bei denen die Verzweigung noch weiter vom Brom-substituierten Kohlenstoffatom entfernt ist. Man bemerkt eine drastische Verminderung der Reaktivität bei den höher substituierten 1-Brompropanen: 1-Brom-2-methylpropan reagiert mit Iodid in einer Sn2-Reaktion um zwei Größenordnungen langsamer als 1-Brompropan. 1-Brom-2,2-dimethylpropan reagiert so langsam, daß man es als inert betrachten kann. Also gilt folgende Reaktivitätsreihe:

233

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

Tabelle 6-9 Relative Reaktivität verzweigter Bromalkane mit Iodid

Bromalkan

Relative Geschwindigkeit

Bromalkan

H

Relative Geschwindigkeit

CH3

Ber

1

j

Ba

1.3200

CH,

H

CH3

CH;CCH»Br

0.8

Eher

H

=

CH;

CH;

CH;CCH3Br

0.003

Re

0.03

a,

H

1

It

CH3

CH,CCH»Br

13210,°

CH3

Methyl- > Ethyl- > Propyl- > 2-Methylpropyl- > 2,2-DimethylpropylIst die Verzweigungsstelle allerdings noch weiter vom Brom-substituierten Kohlenstoffatom

entfernt, so wird der retardierende

Einfluß der

Substituenten wieder wesentlich geringer (vgl. die rechte Spalte von Tabelle 6-9). Wie kann man das verstehen? Erinnern Sie sich, daß aus sterischen Gründen Halogenpropane weniger reaktiv sind als Halogenethane (Abb. 6-8). Ähnlich lassen sich die Reaktionen der Tabelle 6-9 bildlich darstellen (Abb. 6-10). Ein 1-Halogen-2-methylpropan kann nur eine Konformation annehmen, bei der ein Angriff des Nucleophils von der Rückseite möglich ist (Abb. 6-10C). Bei dieser Konformation stehen zwei Methylgruppen gauche zum Halogenatom, was mit starker sterischer Spannung verbunden ist, bei 1-Halogenpropan dagegen nur eine. 1-Halogen-2-methylpropan bildet deshalb ein größeres sterisches Hindernis, deshalb sind 1-Halogen-2,2-dimethylpropane für einen Rückseitenangriff fast völlig unzugänglich (Abb. 6-10E und F). | Übung 6-22 ‚ Bestimmen Sie die Reihenfolge der Sy2-Reaktivität von

en, J Be

und

Br

Halogencycloalkane: Die Ringgröße beeinflußt die Geschwindigkeit der Sy2-Reaktion Sy2-Reaktionen an Halogencycloalkanen weisen beträchtliche Unterschiede in der Reaktionsgeschwindigkeit auf, die von der Ringgröße abhängen. Die stark gespannten Halogencyclopropane z.B. sind völlig unreaktiv,

was

sich mit der Struktur

des Übergangszustandes

erklären

läßt. Wie wir in Abbildung 6-4 gesehen haben, ist das Kohlenstoffatom, an dem die Substitution stattfindet, im Übergangszustand sp -hybridisiert, wobei der normale Bindungswinkel 120° betragen müßte. Der Cyclopropanring läßt sich aber kaum über 60° hinaus verzerren (Abb. 234

D

F

E

Abb. 6-10 Sterische Hinderung bei einer Sy2-Reaktion von 1-Halogen-2-methylpropanen (A bis D) und 1-Halogen-2,2- dimethylpropanen (E und F). Bei einem 1-Halogen-2-methylpropan behindern in den Konformationen A und B Methylgruppen die Annäherung des Nucleophils; nucleophile Substitution ist nur bei Konformation C möglich, hier stellen jedoch die beiden gauche-stehenden Methylgruppen ein erhebliches Hindernis dar (Teil D zeigt eine Newman-Projektion dieser Konformation). Bei 1-Halogen-2,2-dimethylpropanen schirmen in jeder Konformation Methylgruppen die Rückseite des Halogen-substituierten Kohlenstoffatoms vor dem Nucleophil ab, wie in E und F gezeigt wird.

4-1). Der Übergangszustand würde also unter zusätzlicher starker Spannung stehen (Abb. 6-11). Damit wird die Reaktion praktisch unmöglich. Ähnliches gilt für die relativ geringe Reaktivität von Halogencyclobutanen, obwohl diese — wenn auch zögernd — Sy2-Reaktionen eingehen. Substitutionen bei Halogencyclopentanen verlaufen ähnlich rasch wie bei deren alicyclischen Analoga, z.B. 2-Halogenpentanen. Halogencyclohexane jedoch reagieren langsamer, obwohl man bei ihnen eine bereitwillige sp’-Hybridisierung am reaktiven Kohlenstoffatom erwartet. Es scheint, daß hier sterische Gründe vorliegen: Der Angriff des Nucleophils ist bei äquatorialer Stellung der Abgangsgruppe behindert, die axiale Stellung der Abgangsgruppe ist für deren Austritt sterisch ungünstig (Abb. 6-12).

A

Abb. 6-11 Hypothetischer Übergangszustand während einer Sn2-Reaktion eines Halogencyclo-

propans.

B

Abb. 6-12 A. Ein Nucleophil nähert sich dem äquatorialen Halogenid X. Die sterische Behinderung durch die beiden axialen Wasserstoffatome an C3 und C5 ist offensichtlich. B. Substitution eines axialen Halogenids X. Der Austritt ist sterisch behindert.

235

Kasten 6-3

Das Dilemma mit dem Brommethan: Vielseitig verwendbar aber auch sehr giftig

Brommethan (CH;Br) kann sehr einfach und preiswert synthetisiert werden, deshalb wird es häufig in vielen Bereichen eingesetzt. Brommethan wird beispielsweise zum Ausräuchern von Insekten an großen Lagerplätzen wie Warenlager und Güterwagons,

verwendet.

Es ist ferner wirk-

sam bei Insektenbefall im Boden sowie in der Umgebung einer großen Zahl von Nutzpflanzen wie Kartoffeln und Tomaten. Seine Nützlichkeit

tionen ein, schädigt dies das Lungengewebe, führt zu Lungenödemen und zum Tod. Die maximale Arbeitsplatzkonzentration (MAK-Wert) für Brommethandampf in einer gut belüfteten Umgebung beträgt 20 ppm. Wie bei vielen nützlichen Substanzen, die in großen Mengen eingesetzt werden, bedeutet die Toxizität von Brommethan ein Dilemma, das uns zur außerordentlich verant-

wortungsvollen Kontrolle seiner Anwendungen zwingt. Nützlichkeit und Sicherheit sind oft schwer miteinander vereinbar, und die Kosten für Mensch, Umwelt und Wirtschaft müssen äußerst

vorsichtig gegeneinander abgewogen werden.

resultiert aus der hohen Toxizität und Sy2-Reaktivität. Lebenswichtige Prozesse hängen häufig von

Molekülen wie Amine (-NH, und verwandte Funktionen) und Thiolen (-SH) ab, die nucleophile Gruppen enthalten. Die biochemischen Funktionen ihrer Substituenten sind sehr zahlreich und vielfältig, und sie spielen eine wichtige Rolle für das Überleben vieler Organismen. Sehr reaktive Elektrophile wie Brommethan schädigen stark

die

biochemischen

Prozesse,

in

dem

sie

über einen Sn2-Mechanismus diese nucleophilen Moleküle alkylieren, (hier: methylieren; siehe nachfolgenden Mechanismus). In einigen dieser Reaktionen wird HBr als Nebenprodukt gebildet, wodurch die Gefahr von Brommethan für Lebewesen verstärkt wird. Die Toxizität von Brommethan ist nicht nur auf Insekten beschränkt. Beim Menschen können durch den Kontakt zahlreiche Gesundheitsprobleme verursacht werden: Der direkte Kontakt führt zu Hautverätzungen; Langzeitschäden werden an Niere, Leber und dem zentralen Nerven-

Rn

CH;

Lie

Frank

„Brommethan-Unterschied“ rechte ist mit Brommethan

handelten Feld geschädigt.

system beobachtet. Atmet man große Konzentra-

=

Pflanzenpathologe

ers

em Br —> R-S:-H + Br —

gewachsen,

Westerlund anhand

demonstriert

zweier

Erdbeeren:

den Die

behandelt, die linke, in einem unbe-

ist infolge

Verticilliumpilz-Befall

di

R—S—CH; + HBr

Zusammenfassend kann man sagen, daß die Struktur des Alkylteils von Halogenalkanen einen ausgeprägten Effekt auf den nucleophilen Angriff haben kann. Konkurrenzexperimente haben gezeigt, daß die einfache Kettenverlängerung nur geringen Einfluß auf die Geschwindigkeit von Sy2-Reaktionen hat, Verzweigungen jedoch zu einer starken sterischen Hinderung und damit zu einer Verlangsamung der Reaktion führen.

Verständnisübung a Formulieren Sie einen Mechanismus und geben Sie das Endprodukt der Reaktion zwischen Natriumethanolat, NaOCH,CH;, und Bromethan, CH,CH3>Br, in Ethanol, CH;CH;>OH, an.

236

Lösung

Verständnisübung

Der Mechanismus ist ein konzertierter Rückseitenangriff. Das Nucleophil greift dabei das Substrat an, das die Abgangsgruppe trägt (Sn2Reaktion, Abschnitt 6.6). Wir beginnen mit der Identifizierung einer jeden der Komponenten. Das nucleophile Atom ist das negativ geladene Sauerstoffatom im Ethanolat, CH;CH,O . Der Angriff erfolgt an demjenigen Kohlenstoffatom im Substratmolekül CH;CH3»Br, an das die Abgangsgruppe Br” gebunden ist. H;C CHCHO

DER H

%

CH;CH;0—CH;CH;

ar lie

H Man erhält als Produkt ein Bromid-Ion H;CCH;0OCH3CH;.

und den Ether Ethoxyethan,

b Wie würde diese Reaktion beeinflußt werden, falls folgende derungen durchgeführt würden: 1. Verwendung von Fluorethan anstatt Bromethan. 2. Verwendung von Brommethan anstatt Bromethan. 3. Verwendung von Natriumethanthiolat, NaSCH,CH;,

Än-

anstatt Natrium-

ethanolat. 4. Verwendung von Dimethylformamid (DMF) anstatt Ethanol.

Lösung 1. Wie wir Tabelle 6-4 entnehmen können, ist Fluorid die stärkere Base als

Bromid und deshalb eine schlechtere Abgangsgruppe. Die Reaktion würde zwar mit Fluorethan weiterhin stattfinden, jedoch sehr viel langsamer. (Die Reaktionsgeschwindigkeit wird um den Faktor 10°? verlangsamt.) 2. Brommethan ist sterisch weniger gehindert als Bromethan, so daß die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht wird (Abschnitt 6.10). Als Produkt würde man anstelle von Diethylether hier Methoxyethan, CH;OCH;CH;, erhalten. 3. Sowohl das Ethanolat als auch das Thiolat sind negativ geladen. Das Sauerstoffatom im Ethanolat ist stärker basisch als das Schwefelatom im Thiolat (s. Tab. 6-4). Jedoch ist Schwefel stärker polarisierbar und wird nicht so stark durch Wasserstoffbrückenbindungen im Ethanol solvatisiert.

Wir wissen,

daß starke Basen

gute Nucleophile

sind, aber

in diesem Fall geben Polarsierbarkeit und geringere Solvatation des größeren Atoms der selben Gruppe des Periodensystems (s. Abschn. 6.9) und nicht die Basenstärke den Ausschlag: Ethanthiolat reagiert hundertmal: schneller als Ethanolat. Man erhält als Produkt das Sulfid CH;CH3SCH3>CH;, (Abschn. 9.10). 4. Wird anstelle eines protischen, Wasserstoffbrückenbindungen bildenden Lösungsmittels ein polares aprotisches verwendet, so wird die Reaktion enorm beschleunigt, da das negativ geladene Sauerstoffatom weniger solvatisiert wird.

ce

Welche

nismus

mit

in Ethanol Antwort!

der folgenden

Moleküle

ausreichender

reagieren?

Welche

Nr) En (iv)

OH

werden

Geschwindigkeit

nicht?

>

W ee

nach mit

einem

Sy2-Mecha-

Natriumazid,

Begründen

Sie

jeweils

NaN;,

Ihre

(ii) er Br cı (wi) “CN 237

Lösung

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

Unter welchen Vorraussetzungen findet eine Sy2-Reaktion statt? Wir benötigen ein starkes Nucleophil, ein geeignetes Substrat und eine gute Abgangsgruppe. In allen Beispielen ist uns das Nucleophil bereits vorgegeben. Daher lenken wir unsere Aufmerksamkeit auf die anderen beiden Bestandteile. Die Verbindungen (i), (iv) und (vi) haben schlechte Abgangsgruppen: NH, , OH und CN sind zu basisch um eine gute Abgangsgruppe zu sein (s. Tab. 6-4). Diese Verbindungen können keine Syn2-Reaktion eingehen. Substrat (ii) enthält zwar eine gute Abgangsgruppe, aber das Reaktionszentrum ist ein tertiäres Kohlenstoffatom, das nicht nach einem Sn2-Mechanismus reagieren kann. Die verbleibenden Substrate (iii) und (v) sind beide primäre Halogenalkane mit guten Abgangsgruppen und ohne Verzweigung am reaktiven Kohlenstoffatom (Abschn. 6.10). Sie werden sehr schnell nach einem Sy2Mechanismus reagieren.

Wichtige Konzepte 1 Verbindungen, die aus einer Alkylgruppe und einem Halogenatom aufgebaut sind, bezeichnet man nach der IUPAC-Systematik als Halogenalkane, trıvial als Alkylhalogenide, wobei das Halogen und die Alkylgruppe gleichrangig sind. 2 Die physikalischen Eigenschaften der Halogenalkane sind weitgehend von der Polarität der C—X-Bindung und der Polarisierbarkeit des Halogens X geprägt.

3 Eine Verbindung reagiert als Nucleophil, wenn sie mit freien Elektronenpaaren ein positiv geladenes,

Proton einem

elektrophiles

ist) angreift. Austausch

von

Reaktionszentrum

Führt

diese

Substituenten,

8 Das Austrittsvermögen ist in etwa der Stärke der konjugierten Säure proportional. Chlorid, Bromid,

Iodid, Sulfonate und Wasser sind beson-

ders gute Abgangsgruppen. Hydroxid selbst ist eine schlechte Abgangsgruppe, durch die Reaktion mit Sulfonylchloriden oder durch Protonierung wird es in eine gute Abgangsgruppe überführt.

(das kein

Reaktion

zu

spricht man

von einer nucleophilen Substitution. Die durch das Nucleophil verdrängte Gruppe ist die Abgangsgruppe. 4 Die Reaktion von Nucleophilen mit primären (und den meisten sekundären) Halogenalkanen folgt einer Kinetik zweiter Ordnung, dies deutet auf einen bimolekularen Mechanismus.

5 Die bimolekulare nucleophile Substitution (Sn2) ist stereospezifisch und verläuft unter Inversion der Konfiguration am Reaktionszentrum.

6 Mit Hilfe von Orbitalen läßt sich der Übergangszustand der Sn2-Reaktion folgendermaßen beschreiben: Das Kohlenstoffatom, an dem die Reaktion stattfindet, ist sp’-hybridisiert, zum eintretenden Nucleophil wird eine Bindung aufgebaut, während gleichzeitig die Bindung zur Abgangsgruppe gelöst wird. Nucleophil und Abgangsgruppe tragen Partialladungen.

238

7 Bei gespannten Halogencycloalkanen finden Sn2-Reaktionen entweder gar nicht (z.B. bei Dreiringen) oder wegen der damit verbundenen Winkelspannung nur sehr schwer statt.

9 Die Nucleophilie steigt mit zunehmender negativer Ladung, im Periodensystem nach links und nach unten hin und in polaren aprotischen Lösungsmitteln. 10 Verzweigungen am Reaktionszentrum oder an dem diesem benachbarten Kohlenstoffatom verlangsamen die bimolekulare Substitution. Tertiäre Halogenide gehen keine Sn2-Substitutionen ein. Ihre Reaktionen werden in Kapitel 7 besprochen. 1-Halogen-2,2-dimethylpropane sind normalerweise gegenüber Nucleophilen inert.

11 Polare aprotische Lösungsmittel beschleunigen die Sy2-Reaktion; (a) indem hier „nackte“ Nucleophile ohne feste, durch Wasserstoffbrücken gebundene Solvathüllen vorliegen; (b) da sie aufgrund ihres Dipolmoments polare Moleküle gut lösen und (c) da sie aufgrund ihrer hohen Dielektrizitätskonstante die Entstehung von Ionenpaaren verhindern.

Aufgaben

ee

1 Benennen Sie folgende Verbindungen Nomenklatur.

(a)

CHSCHJCI

(d)

(b)

BrCH>CH>Br

(e)

(©

Gum

neu

CH,CH; 2

(f)

nach dem IUPAC-System

der

(CH3)3CCH>I

wo CHBrz

Zeichnen Sie die Konstitutionsformeln folgender Moleküle: (a) 3-Ethyl-2-iodpentan (b) 3-Brom-1,1-dichlorbutan (e) cis-1-(Brommethyl)-2-(2-chlorethyl)cyclobutan

(d) (Trichlormethyl)cyclopropan (e) 1,2,3-Trichlor-2-methylpropan 3 Zeichnen und benennen Formel C;H,BrCÜl.

Sie alle möglichen

Strukturisomere

der

4 Zeichnen und Formel CH Br.

Sie

Strukturisomere

der

benennen

alle

möglichen

5 Kennzeichnen Sie bei jedem Isomer der Aufgaben 3 und 4 die Chiralitätszentren, und geben Sie die Gesamtanzahl der Stereoisomeren an, die für diese Konstitution existieren. 6 Bezeichnen Sie bei den Reaktionen der Tabelle 6-3 (1) das Nucleophil, (2) dessen nucleophiles Atom (zeichnen Sie zuerst dessen LewisFormel), (3) das elektrophile Atom des organischen Substrats und (4) die Abgangsgruppe. 7 Für eines der Nucleophile aus Aufgabe 6 gibt es eine weitere LewisFormel. (a) Welches

Nucleophil

ist das?

Zeichnen

Sie die zweite

mögliche

Formel (sie ist eine alternative Resonanzformel). (b) Zeigt diese zweite Resonanzformel die Gegenwart eines weiteren nucleophilen Atoms? Wenn das der Fall ist, schreiben Sie die betreffende Reaktion in Aufgabe 6 um, indem Sie das neue nucleophile Atom angreifen lassen. Zeichnen Sie für das Produkt eine korrekte Lewis-Formel. 8 Inder nachstehenden Tabelle finden Sie die Geschwindigkeit der folgenden Reaktion bei verschiedenen Konzentrationen der Reaktanten:

GELCHEKSENN CHLSCN I KCl _ [CHzC1] in mol/L

[KSCN] in mol/L

0.1

0.1

0.2

0.1

0.2

0.3

0.4

0.4

Geschwindigkeit in mol/(L s)

22x10,

(a) Berechnen Sie die Geschwindigkeitskonstante dieser Reaktion. (b) Fügen Sie die fehlenden Werte der Reaktionsgeschwindigkeiten ein.

239

6 Eigenschaften und

9

Reaktionen der Halogenalkane

stitutionen an. angegeben.

Geben Sie das Produkt jeder der nachfolgenden bimolekularen SubDas

Lösungsmittel

dem

Reaktionspfeil

opnon een)

(a) CHSCH>CH>Br + Na't

(b) (CHS),CHCHSTFNa

ist jeweils über

cn 2m

(©) :CHsI + Na ÖGH(CH,), CSeEEBZ (0) CHSCHSBr + Nas SCH,CH, ol (e) [_J-ancı PCHLCHSSECH,CH,

ru

rung

(f) (CH3);CHOSO,CH3 + N(CH,), #220 , 10 Bestimmen Sie die Konfigurationen (R oder $) der Ausgangssubstanzen und der Produkte der folgenden Sx2-Reaktionen. Welche Produkte sind optisch aktiv? (a)

H

CH;

(©)

eG

Br

+ "OCCH3

CH>CH;3 (b)

el

m.

cl

H

H

Br

(d)

ä

:Cı

O

| + TOCCH3

HO

11 Welches Produkt (welche Produkte) entstehen bei der Reaktion von 1-Brompropan mit den folgenden Reagenzien? Findet in jedem Fall eine Reaktion statt? (a) H,O

(fh) HC

(b) H,SO,

() KOH

(d) Csl (e) NaCl

(g) (CH3),S

(h) NH,

GC, () KF

12 Geben Sie für die Produkte folgender Reaktionen - sofern sie stattfinden — passende Kurzstrukturformeln.

(). ®&)

CH,CH,OH

CH,CH,CH,CH,Br +K+0H —

5

DMF

CH,CH.I+K’C —

©

CH,OH ©: CH;CI + Lit-OCH,cH, HE,

()

(CH,),CHCH3Br + Cs’

0

, ©. »CH,CH,.CHLCIFRISEN > Hu. LCH,.CH,EHALI ER (@ -CH.CH.CH.oHT KL I,

®

Aufgaben

Na ters a

(ICH

_CH,CH,OCH;CH, + NatOH- =, OÖ

| "GBEHTERroccH, DE

N 13

Wie können die folgenden Umwandlungen ermöglicht werden?

OSO,CH3

N3

CH3

(a) (R)-CH3CHCH,CHz3 —> (S)-CH3CHCHJCH3

Er,

es

CN H

CH30 CH3

H

H

H

H

CH;

er

Hi:

14 Ordnen Sie die Miglieder der folgenden Gruppen (1) nach ihrer Basizität, (2) ihrer Nucleophilie und (3) ihrem Austrittsvermögen. Erklären Sie kurz ihre Reihenfolge:

(a) H;O, OH”, CH,;CO; (b) Br, Ch, F,T () NHz, NH;, PHz

(d) OCN”, SCN(e) Ba, OH. SICH Sr (D H,O, HS, NH;

15 Welches Produkt (welche Produkte) entstehen bei folgenden Reaktionen? Findet in jedem Fall eine Reaktion statt? (a)

(Di

CH3CH>CH>CH3

_CH3OH |

en Na’cı”

CHLCHLEI+ emorNa+ Br

H

H3C

N

(ce)

ia

Propanon (Aceton)

H

H3C H

n ’ (d) =

At Na'SCHz

HZ CH3CH;

Propanon

( A ceton)

CH3

OH

()

CGHLCHCH, + NaICcN > OH

)

en

»HcNIe >

OH (@) a

SHpr => N

(h) ch

„B CH,OH

IIKHSENn )-socncinci | Sn oO 3

241

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

)

CHICHNE, FT Nat

()

CHI+ NAT NB

(k)

en

Produkt von Teil j+ weiteres CH,I —>

I

®

N

Se

EN

I Nenn.

(m) HO

OCH3

CH;

| (n) CH3CHCH3Br +

_CH3CH2OH|

P

16 Nachdem Sie Kapitel 3 und 6 durchgearbeitet haben, suchen Sie das bestmögliche Verfahren, um die nachstehend aufgeführten Verbindungen zu synthetisieren. Verwenden Sie Propan als organische Ausgangsverbindung und nach Bedarf beliebig andere Reagenzien. Hinweis: Aufgrund

dessen,

was

Sie in Abschnitt

3.6 gelernt

haben,

werden

Sie

für a, ce und e keine besonders elegante Lösungen finden, es gibt jedoch ein allgemeines Verfahren, das in diesen Fällen das beste ist.

(a) 1-Chlorpropan (b) 2-Chlorpropan (ec) 1-Brompropan

(d) 2-Brompropan (e) 1-Iodpropan (f) 2-Iodpropan

17 Schlagen Sie vier Syntheseverfahren für trans-1-Methyl-2-(methylthio)ceyclohexan (siehe unten) vor. Gehen Sie dabei von den nachstehenden Ausgangsverbindungen aus. 3

CH3 (a) cis-1-Chlor-2-methyleyclohexan (b) trans-1-Chlor-2-methylcyclohexan (c) cis-2-Methylcyclohexanol

(d) trans-2-Methylcyclohexanol

18 Ordnen Sie die Verbindungen folgender Gruppen nach zunehmender Sy2-Reaktivität. (a)

CH;CH3Br,

CH3Br,

(b) (CH3)-CHCH>CH>CI, ()

CH3CH>CI,

CHsCH;jl,

(d) (CH3CH>)CHCH>Br,

(CH3)2CHBr.

(CH3)JCHCH;CI, (ya

EIDEIBEIDEHEN, (ash

242

(CH3),CHCI.

(CH3);CHCH>Br.

19 Wie wirken sich die nachstehend aufgeführten Änderungen auf die Reaktionsgeschwindigkeit aus?

Aufgaben

CHHOKS CEO I. CHKOCHSI HE (a) Ändern des Substrats: CH3I statt CH,Cl

(b) Ändern des Nucleophils: CH,S” statt CH,O° (c) Ändern des Substrats: (CH,),CHCI statt CH;Cl (d) Ändern des Lösungsmittels: (CH;),SO statt CH;OH

20 Die folgende Tabelle gibt die relativen Geschwindigkeiten der Reaktionen von CH;lI mit drei verschiedenen Nucleophilen in zwei verschiedenen Lösungsmitteln wieder. Nucleophil

‚

CE Br NCSe

k,eı. ;,CH;OH

kycı. , DMF

1 20 4x

1.2.x°10° 0,x.10° GEN:

10°

Was sagen diese Ergebnisse über die relative Reaktivität von Nucleophilen unter verschiedenen Bedingungen aus? 21 Ringe kann man durch intramolekulare Sy2-Reaktionen herstellen. Geben Sie für die nachstehenden Reaktionen den jeweiligen Mechanismus in allen Einzelschritten an.

I)

()

I HE, + NaOH HOCH5CH3CH>CHRC

(b)

HSCH>CH;>Br + NaOH H3CH2OH | WW

(c)

Br CH>CH>CH>CH>CH>Br

+ NaOH

CH30H

&

(0)

(d)

BrCH,CH>CH>CH>CH>Br + NHz _CH3CHzOH| ©

N H

22 Die nachstehend aufgeführten Beispiele von bimolekularen nucleophilen Substitutionen sind alle gleichermaßen thermodynamisch begünstigt. Dennoch reagieren die cyclischen Substrate sehr langsam verglichen mit der acyclischen Verbindung. Wie erklären Sie sich das? o

Reaktion 1

Br

ee

H

Reaktion

e.

+Nar

'

Di

occH

a

2

H

una

1

OCccH,

OCCH3z

ME,

Na Br

H

3

FC

N @HBr.E. NA?

H;C

+ Na*Br

H

Br

Reaktion

3

HC

OccH, MR

1 CHOCCH3 + Na*’Br

HC 243

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

23 Der nucleophile Angriff auf Halogencyclohexane ist etwas erschwert im Vergleich zu dem Angriff auf sekundäre acyclische Halogenalkane, obwohl in diesem Fall die Winkelspannung kein wichtiger Grund

dafür

sein

kann.

Versuchen

Sie,

das

anhand

eines

Molekül-

modells zu erklären (Hinweis: Siehe Kap. 4 und Abschn. 6.9). 24 Die so kompliziert scheinende Verbindung 5-Methyltetrahydrofolsäure (abgekürzt 5-Methyl-FH,) entsteht auf biologischem Wege durch verschiedene mehrstufige Reaktionen, durch die Kohlenstoffatome in verschiedenen einfachen Molekülen wie Ameisensäure oder der Aminosäure Histidin in Methylgruppen umgewandelt werden: O

Hbon Vier Sy fen

Ameisensäure

NH>

H;N__N |

Se

6) N nl

N

5

N

OH

+

"CH>NH

(0)

|

CNHCHCH;CH>COH

OÖ Sy ie.

5-Methyltetrahydrofolsäure

Histidin

(5-Methyl-FH,)

Der einfachste Weg zur Darstellung von 5-Methyltetrahydrofolsäure geht von Tetrahydrofolsäure (FH,) und dem Trimethylsulfonium-Ion aus. Diese Reaktion findet in bodenlebenden Mikroorganismen statt.

“

jeEee, ae —

H

N H;C

—; % CH;

|

ol R

+ CH3—S—CHz + H*

CHNH--

CH3

Trimethylsulfonium-Ion

5-Methyl-FH4

(a) Erscheint es Ihnen sinnvoll, für diese Reaktion einen nucleophi-

len Substitutionsmechanismus anzunehmen? Schreiben Sie den Mechanismus nieder, deuten Sie die Elektronenverschiebungen mit Pfeilen an. (b) Kennzeichnen Sie das Nucleophil, das nucleophile und das elektrophile Atom und die Abgangsgruppe. (c) Verhalten sich die Gruppen, die Sie so gekennzeichnet haben, bei dieser Reaktion gemäß den Sachverhalten aus den Abschnitten 6.7 bis 6.9? Hilft es Ihnen weiter, wenn

Sie wissen, daß eine Spe-

zies wie H,3S' eine sehr starke Säure ist (z.B. hat CH,SH7 pK, von ungefähr -7)?

einen

25 Biologische Systeme gebrauchen 4-Methyl-FH, (Aufgabe 24), um Methylgruppen auf einfache Moleküle zu übertragen. Das vielleicht bekannteste Beispiel in diesem Zusammenhang ist die Darstellung der Aminosäure Methionin aus Homocystein:

Ni XaR

en

oc

Aufgaben

x

ICH>CH>SH

Air a

N

hr

CHNH--

HB

CH,CH>SCHS

@

5-Methyl-FHy

ee

FH,

Methionin

Beantworten Sie für diese Reaktion dieselben Fragen, die in Aufgabe 24 gestellt wurden. FH, hat für die Abspaltung des eingekreisten Wasserstoffatoms als Proton einen pK,-Wert von 5. Ist dieser Wert mit den Erfordernissen Ihres Mechanismus vereinbar? In der Tat benötigen Methyl-Transferreaktionen mit 5-Methyl-FH, eine Protonenquelle. Wiederholen Sie den Abschnitt 6.7, besonders den Unterabschnitt „Wasser als Abgangsgruppe“. Was können Sie daraufhin über die Rolle des Protons in der obigen Reaktion aussagen?

26 Der Körper baut Adrenalin in einem Zweistufenprozeß auf, bei dem eine Methylgruppe von Methionin (Aufgabe 25) auf Noradrenalin übertragen wird (siehe die nachstehenden Reaktionen 1 und 2). (a) Erklären

Sıe die mechanistischen

Einzelheiten

dieser Reaktio-

nen. Welche Rolle hat die Verbindung ATP dabei inne? (b) Glauben Sie, daß Methionin Erklären Sie Ihre Antwort. (c) Wie könnte man Adrenalin stellen? Reaktion

direkt mit Noradrenalin aus

Noradrenalin

im

reagiert?

Labor

her-

1

f HO HO HO h | | | HZ "—CH;CH, SCH; + HO—P—-0—P—0—P--0— CH; HOC | | \ | 6 Ö O

R Y N € | a N NN“

OÖ

OH Methionin

OH ATP

NH>

Ne

os

CH

HY/ TEI5CH5 HOC

I

3

€

SCH;

N

!

+

OH S-Adenosylmethionin

HaP3010

OH (Triphosphat)

245

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

Reaktion

2

HO

HO S-Adenosylmethionin

+

H x

LT

Br

RR CH>NH3

HO Noradrenalin

EL

NH,

N

NH3

Ss CH, oO HI SCHSCH, HOC | ) Da

OR

HO\

seen

TR

‚H

+H CH>NHCH3

ar,

TOH

S-Adenosylhomocystein

Adrenalin

Gruppenübung Die Verbindungen A - H sind isomere Bromalkane mit der Summenformel C,H,,Br. Zeichnen Sie alle Konstitutionsisomere. Finden Sie alle Stereozentren, aber warten Sie mit der Zuordnung der absoluten Konfiguration, bis Sie Ihre Analyse beendet haben. Unter Berücksichtigung der unten angegebenen Informationen ordnen Sie A - H den Isomeren zu. Teilen Sie die Aufgaben untereinander auf. Diskutieren Sie Ihre Ergebnisse miteinander. Dann sollten sie die Konfiguration unter Verwendung von Keilstrichformeln angeben. e Die Umsetzung von A - G mit NaCN in DMF folgt einem Geschwindigkeitsgesetz zweiter Ordnung. Für die relativen Reaktionsgeschwindigkeiten ergibt sich folgender Trend: AeaTBEI@EFIDE7ER IR> >>

e Verbindung

H reagiert unter

den oben

angegebenen

Bedingungen

nicht nach einem Sy2-Mechanismus e Verbindungen C, D und F sind optisch aktiv. Sie haben jeweils SKonfiguration an ihren Stereozentren. Substitutionen an D und F mit NaCN in DMF führen zu einer Inversion der Konfiguration, während die Umsetzung von C unter diesen Bedingungen unter Retention der

Konfiguration verläuft.

Weitere Reaktionen der

Halogenalkane Unimolekulare Substitution und Eliminierungen

Schon in Kapitel 6 wurde erwähnt, daß vor allem sekundäre und tertiäre Halogenalkane in Gegenwart von Nucleophilen auch andere als Sx2Reaktionen eingehen können. In diesem Kapitel werden wir sehen, daß die bimolekulare Substitution nur eine von vier möglichen Reaktionen ist. Die drei anderen sind die unimolekulare Substitution und zwei Arten von Eliminierungen, bei denen unter Austritt von Halogenwasserstoff eine Doppelbindung gebildet wird.

7.1 Solvolyse tertiärer und sekundärer Halogenalkane Wir haben bereits gelernt, daß Sy2-Reaktionen bei sekundären und tertiären Halogenalkanen drastisch verlangsamt sind. So reagieren Brommethan und Bromethan in einer Sn2-Reaktion mit Iodid in Propanon (Aceton) mäßig schnell, 2-Brompropan reagiert langsamer und 2-Brom2-methylpropan sehr langsam. Das gilt jedoch nur für eine bimolekulare Substitution. Sekundäre und tertiäre Halogenide können auch nach einem

anderen

Mechanismus

substituiert

werden,

der in einer glatten

Reaktion auch mit schwachen Nucleophilen zu den entsprechenden Substitutionsprodukten führt. Wenn beispielsweise 2-Brom-2-methylpropan (tert-Butylbromid) in wäßrigem Propanon (Aceton) gelöst wird, reagiert es schnell zu Hydrolyse, ein Beispiel für Solvolyse CH; |

CHzCBr | CH3

CH3

+H—OH

Propanon (Aceton)

== relativ schnell

cH,COH + HBr z | CH;

2-Brom-2-methylpropan

2-Methyl-2-propanol

(tert-Butylbromid)

(tert-Butanol)

Nucleophil — rot Elektrophil — blau Abgangsgruppe — grün

247

7 Weitere Reaktionen der

Halogenalkane

Primäre Halogenalkane und Halogenmethan: unreaktiv bei der Solvolyse CH;Br CH;CH;Br CH;CH;CH;Br Praktisch keine Reaktion mit H,O bei Raumtemperatur

2-Methyl-2-propanol (tert-Butanol) und Bromwasserstoff. Das Nucleophil ist hier Wasser, obwohl es nur ein schwaches Nucleophil ist. Eine Reaktion, bei der ein Substrat mit einem Solvensmolekül unter Substitution reagiert, nennt man Solvolyse. Ist das Lösungsmittel Wasser, spricht man von Hydrolyse. 2-Brompropan wird analog, aber sehr viel langsamer hydrolysiert, während 1-Brompropan, Bromethan und Brommethan unter diesen Bedingungen nahezu inert sind. CH3

CHz Propanon (Aceton)

CH3CBr

+H-0OH —

|

CHzCOH

relativ langsam

H

H

2-Brompropan (Isopropylbromid)

2-Propanol (Isopropanol)

Ist das Lösungsmittel ein Alkohol, so spricht man oder genauer von Methanolyse, Ethanolyse usw.

ai

Gr 2-Chlor2-methylpropan

von Alkoholyse,

He

+CH;OH —

CHAOCH;

CH;

Tabelle 7-1 Relative Reaktivitäten verschiedener Bromalkane gegenüber Wasser

+HBr

|

+ HCI

CH; Solvens

2-Methoxy2-methylpropan

Tabelle 7-1 zeigt die relativen Geschwindigkeiten der Reaktionen von 2-Brompropan und 2-Brom-2-methylpropan mit Wasser zu den entsprechenden Alkoholen und ım Vergleich dazu die entsprechenden Hydrolysegeschwindigkeiten ihrer unverzweigten Analoga. Eine Sy2-Reaktion führt zwar zu den gleichen Produkten, die Reaktivitäten sind jedoch genau entgegengesetzt: Primäre Halogenalkane reagieren sehr langsam

Bromalkane

Relative Geschwindigkeit

CH;Br

1

mit

CH;CH3;Br

1

(CH3);CBr

1.2.x10-

Verbindungen reagieren ungefähr eine Million mal schneller als primäre. All das spricht stark dafür, daß die Solvolyse tertiärer Halogenalkane nach einem anderen Mechanismus als eine bimolekulare Substitution

(CH,,CHBr

12

Wasser,

verläuft. Um

sekundäre

Halogenide

sind

etwas

reaktiver,

und

tertiäre

diese Reaktion in ihren Einzelheiten zu verstehen, können

wir uns der gleichen Mittel bedienen, mit denen wir den Mechanismus der Sy2-Reaktion aufgeklärt haben: der Kinetik, der Stereochemie und den Einflüssen der Substratstruktur und des Lösungsmittels auf die Reaktionsgeschwindigkeit. Übung 7-1 “ Während die Verbindung A in Ethanol völlig stabil ist, wird B rasch zu einer anderen Verbindung umgewandelt. Wie erklären Sie das? H>C

CH>Br

H;C

Br

7.2 Unimolekulare nucleophile Substitution In

diesem

Abschnitt

werden

wir

einen

weiteren

7.2

Mechanismus

nucleophilen Substitution kennenlernen. Die Merkmale tion wollen wir hier nochmals kurz zusammenfassen: Kinetik zweiter Ordnung, verläuft stereospezifisch, und des Substrats nimmt in der Reihe tertiär < sekundär < Gegensatz dazu verläuft die Solvolyse nach einer Kinetik und

ist nicht stereospezifisch.

Für

sie gilt, wie

Unimolekulare

nucleophile Substitution

der

der Sy2-Reaksie folgt einer die Reaktivität primär zu. Im erster Ordnung

bereits

erwähnt,

eine

genau entgegengesetzte Reaktivitätsreihe. Wir wollen sehen, wie diese Beobachtungen mit einem Mechanismus in Einklang gebracht werden können.

Die Solvolyse folgt einer Kinetik erster Ordnung Übereinstimmend mit einem bimolekularen Übergangszustand des geschwindigkeitsbestimmenden Schritts ist die Geschwindigkeit einer Sn2-Reaktion der Konzentration beider Reaktanten — Halogenalkan und .Nucleophil — proportional. Dagegen ergeben kinetische Untersuchungen der Reaktion von 2-Brom-2-methylpropan mit Wasser, daß die Geschwindigkeit der Hydrolyse nur zur Konzentration des eingesetzten Bromids proportional ist.

Geschwindigkeit = k [(CH;);CBr] moV/(L s) Was kann man aus dieser Beobachtung schließen? Das Halogenalkan muß erstens einen Reaktionsschritt ohne Beteiligung weiterer Reaktanten ausführen, bevor weitere Schritte folgen. Da das Endprodukt eine Hydroxygruppe enthält, muß zweitens Wasser (oder allgemeiner: ein Nucleophil) an der Reaktion beteiligt sein, aber ohne Beeinflussung der Reaktionsgeschwindigkeit. Dieses Verhalten kann nur erklärt werden, wenn

man

annimmt,

daß alle Schritte, die dem ersten Reaktionsschritt

des Halogenids folgen, im Vergleich dazu sehr schnell sind. Mit anderen Worten: Beobachtet wird die Reaktionsgeschwindigkeit des langsamsten Reaktionsschritts, des geschwindigkeitsbestimmenden Schritts. Nur die am Übergangszustand dieses Schritts beteiligten Moleküle gehen in das Geschwindigkeitsgesetz mit ein, in diesem Fall also nur das eingesetzte Halogenalkan. Betrachten Sie den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt als „Flaschenhals“!

Stellen Sie sich einen Wasserschlauch

vor, an dem

Sie

mehrere Klammern angebracht haben, um die Strömung zu regulieren (Abb. 7-1). Sie sehen, daß die Geschwindigkeit, mit der das Wasser am Ende herausspritzt, am Ort der stärksten Verengung kontrolliert wird. Wenn Sie die Flußrichtung umkehren (um die Rückreaktion zu veranschaulichen), müßte wieder diese engste Stelle passiert werden. Genauso liegt der Fall bei einer mehrstufigen Reaktion. Verengung

ohh;

Strömung

__ RU BI TR

m>—

Strömung

geschwindigkeitsbestimmend

Abb. 7-1 Die Geschwindigkeit, mit der Wasser durch einen Schlauch fließt, wird von der stärksten Verengung bestimmt: Die Strömungsgeschwindigkeit an verschiedenen Stellen ist mit k,, k, und k; bezeichnet. Nach Passieren der engsten und damit geschwindigkeitsbestim-

menden Verengung bleibt die Geschwindigkeit k; konstant.

249

7 Weitere Reaktionen der

Halogenalkane

Der Mechanismus der Solvolyse verläuft über die Bildung von Carbenium-Ionen Der Mechanismus der Hydrolyse von 2-Brom-2-methylpropan wird unimolekulare nucleophile Substitution genannt, abgekürzt mit S\l. Die Zahl 1 zeigt an, daß nur ein Molekül, hier das Halogenalkan, am geschwindigkeitsbestimmenden Schritt beteiligt ist, so daß die Reaktionsgeschwindigkeit nicht von der Konzentration des Nucleophils abhängt. Im einzelnen umfaßt der Mechanismus drei Schritte. Schritt 1 Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist die Dissoziation des Halogenalkans zu einem Alkyl-Kation und zum Bromid-Ion. Schritt

1

Dissoziation zum Carbenium-Ion

nn

geschwindigkeits-

ar

CH,C-Br

u

d

BANSEITOR

r

a

CH3

+

Br

CH3 1,1-DimethylethylKation (tert-Butyl-Kation)

Diese Reaktion ist ein Beispiel für eine heterolytische Bindungsspaltung. Das Kohlenwasserstoff-Produkt besitzt ein positiv geladenes Kohlenstoffatom, das drei Bindungen und nur ein Elektronensextett aufweist. Eine solche Spezies wird Carbenium-Ion genannt. Schritt 2 Das im ersten Schritt gebildete 1,1-Dimethylethyl-Kation (tert-Butyl-Kation) ist ein starkes Elektrophil und wird sofort von den es umgebenden Wassermolekülen abgefangen. Diesen Vorgang kann man als nucleophilen Angriff eines Lösungsmittelmoleküls auf das elektronenarme Kohlenstoffatom auffassen.

Schritt

2 _Nucleophiler Angriff durch Wasser

CH3

H

|

1% 3%;

Altes 52ur

CH;

CH schnell

|

y n£

=—— CH;C—0:

H

cn,’

H

ein Alkyloxonium-Ion

Das entstandene Alkyloxonium-Ion ist die konjugierte Säure eines Alkohols - in diesem Fall des 2-Methyl-2-propanols, dem Endprodukt der Reaktion. Schritt

RL

H Alkyloxonium-Ion

3 Alle Alkyloxonium-Ionen

Hydronium-Ion

sind starke Säuren, wie auch das

H;O", die Stammverbindung

Schritt

3 Deprotonierung

CH;

CH3

| ni Su

en

S

RE

Alkyloxonium-Ion (stark sauer)

=>

+H,0...

ll

250

in dieser Serie, und wer-

den schnell durch das umgebende Wasser deprotoniert, so daß schließlich ein Alkohol gebildet wird.

..

schnell

==

| ..

Bo OH ..

CH3 2-Methyl-2-propanol

F

+ HOH3>

Übergangszustand des geschwindigkeitsbestimmenden Schritts

E 5

(CH3)3C Br + HOH

CH;OH + Cl

a H 3)3 CO H (CH ee

(CH3)3COH

Sushi

3

Be

Reaktionskoordinate —>

Reaktionskoordinate —>

B ;

Abb. 7-2 Diagramm der potentiellen Energie für (A) die Sy2-Reaktion von Chlormethan mit Hydroxid und (B) die S\l-Hydrolyse

von 2-Brom-2-methylpropan. Während der Sn2-Prozeß in einem Schritt abläuft, besteht der Syl-Mechanismus aus drei unterscheidbaren Ereignissen: der geschwindigkeitsbestimmenden Dissoziation des Halogenalkans in ein Halogenid-Ion und ein CarbeniumIon, dem nucleophilen Angriff von Wasser auf letzteres unter Bildung eines Alkyloxonium-Ions und schließlich der Abgabe eines Protons, die zum Endprodukt führt.

In Abb. 7-2 sind die Veränderungen der potentiellen Energie für die Sn2-Reaktion von Chlormethan mit Hydroxid und für die Syl-Reaktion

von 2-Brom-2-methylpropan mit Wasser graphisch dargestellt. Die Sy1-Reaktion weist drei Übergangszustände auf, einen für jeden Reaktionsschritt. Der erste Schritt hat die größte Aktivierungsenergie — ist also geschwindigkeitsbestimmend -, da er eine Trennung entgegengesetzt geladener Teilchen erfordert. Übung 7-2 Berechnen Sie mit Hilfe der in Tabelle 3-1 aufgeführten Bindungsstärken die AH’-Werte für die Hydrolyse von 2-Brom-2-methylpropan zu 2-Methyl-2-propanol und Bromwasserstoff.

Die Solvolyse ist reversibel Alle drei Schritte der Solvolyse sind reversibel. Die drei Gleichgewichte werden auf die Seite der Produkte verschoben, weil diese von geringerer Energie als die Substrate und damit thermodynamisch bevorzugt sind. Durch einen großen Überschuß an Bromwasserstoff läßt sich diese Situation jedoch umkehren. Zum Beispiel kann man 2-Brom-2-methylpropan leicht herstellen, indem man eine Lösung von 2-Methyl-2-propanol in konzentriertem wäßrigem Bromwasserstoff in einem Scheidetrichter schüttelt. Das Produkt scheidet sich als wasserunlösliche Phase ab.

(CH3);COH + HBr—— (CH3),CBr + H,O Überschuß

Beachten Sie, daß hier ein völlig anderer Mechanismus vorliegt als bei der auf den ersten Blick ähnlich aussehenden Bildung von primären Halogenalkanen aus primären Alkoholen in Gegenwart konzentrierter Halogenwasserstoffe (Abschn. 6.7). Bei der Reaktion tertiärer Alkohole entstehen

Carbenium-Ionen

als

Zwischenstufen,

während

eine

Sx2-

Reaktion über ein intermediäres Oxonium-Ion verläuft. 251

7 Weitere Reaktionen der

Halogenalkane

Zusammenfassend stellen wir fest, daß die Kinetik der HalogenalkanSolvolyse einen Mechanismus nahelegt, bei dem als erster und geschwindigkeitsbestimmender Schritt durch heterolytische Dissoziation ein Carbenium-Ion gebildet wird. Können wir diesen hypothetischen Mechanismus durch weitere experimentelle Beobachtungen untermauern?

7.3 Stereochemische Konsequenzen der Syl-Reaktion Der vorgeschlagene Mechanismus für die unimolekulare nucleophile Substitution bestimmt aufgrund der Struktur des intermediären Carbenium-Ions die Konfiguration des Produkts. Um die ElektronenabstoBung zu verringern, nehmen die drei Bindungen des positiv geladenen Kohlenstoffatoms eine trigonal-planare Anordnung an, das Ergebnis einer sp’-Hybridisierung (Abschn. 1.3 und 1.8). Damit ist ein solches Intermediat zwangsläufig achiral. Setzt man ein optisch aktives tertiäres Halogenalkan ein, sollte man daher racemische Syl-Produkte erhalten, da das Nucleophil das Carbenium-Ion von beiden Seiten angreifen kann (Abb. 7-3). Tatsächlich kann man dies bei vielen Solvolysereaktionen beobachten, was als starkes Argument für ein symmetrisches, achirales Intermediat zu werten ist.

Übung 7-3 (R)-3-Brom-3-methylhexan (Aceton). Weshalb?

verliert

seine optische

Aktivität

beim

Lösen in Propanon

| Übung 7-4 Die Hydrolyse von A führt zu zwei verschiedenen Alkoholen. Weshalb?

HC

el

OH

BE\$ CH,CH3,CH3

CH; Viehansenkeg

3

& H,O

CH; Re DR —Br+|

CH3CH,CHz ""d

CH —

3-methylhexan

CH;CH3

P_-CH,CH>CH3 DV CH,CH;

CH;CH, (R)-3-Brom-

‚

(R)-3-Methyl3-hexanol

-HBr

H50

REG planar , achiral

CH

CH;CH;

s \ /-amenen, | OH (S)-3-Methyl-

3-hexanol Racemat

Abb. 7-3 Hydrolyse von (R)-3-Brom-3-methylhexan. Durch heterolytische Dissoziation entsteht ein planares, achirales Carbenium-Ion, das mit einem Wassermolekül zum racemischen Alkohol reagiert.

252

Kasten 7-1

Unvollständige Racemisierungen in

das Molekül,

Snl-Reaktionen

zu bilden. Eine Konsequenz denz,

in

um

der

ein sekundäres

Nähe

des

Carbenium-Ion

hieraus ist die TenKations

zu

bleiben,

Zahlreiche Solvolysereaktionen optisch reiner Verbindungen, in denen die Abgangsgruppe sich an einem Stereozentrum befindet, liefern racemische Mischungen. Doch häufig werden auch Aus-

wodurch eine Seite partiell gegenüber nucleophilen Angriffen geschützt ist. Der Angriff auf der anderen Seite des Carbenium-Ions ist nicht gehin-

nahmen

dukts erhalten wird. Im Gegensatz dazu ist das Halogen in der Brom-substituierten Verbindung eine sehr gute Abgangsgruppe, die somit keine Seite des entstehenden Carbokations abschirmt. Man beobachtet stattdessen die Bildung eines vollständig racemischen Gemisches. Interessanterweise kann dieses Ergebnis auch ohne anspruchsvolle Laborausrüstung (zumindest qualitativ) überprüft werden: Die beiden enantiomeren 1-Phenylethanole riechen unterschiedlich. Starten wir mit dem (R)-Chlorid, so erhalten wir eine Mischung, die einen Überschuß des (S)Alkohols enthält. Ihr Geruch unterscheidet sich von der Produktmischung, die durch die Hydro-

hiervon

beobachtet.

Man

ungleiche Mengen des R- und einer S„l-Reaktion entstehen. Hauptenantiomer

ist jeweils

findet,

daß

S-Produktes in Das gebildete

das,

in

dem

eine

Inversion des reaktiven Zentrums des Substrates stattgefunden hat. Dieses Phänomen wird unter anderem bei der Hydrolyse von optisch reinen (1-Chlorethyl)benzol beobachtet, im Gegensatz zu optisch reinem (1-Bromethyl)benzol. Die Bromsubstituierte Verbindung reagiert mit Wasser unter Bildung von racemischem 1-Phenylethanol. Das Chlor-Analogon hingegen reagiert unter 1520% Überschuß zu dem Alkohol-Enantiomer mit invertierter Konfiguration am Reaktionszentrum. Wie kann man dieses Ergebnis erklären? Ein Chlorid-Ion ist eine gute, wenn auch keine sehr gute Abgangsgruppe. Sie verläßt nur zögerlich

nt

dert, so daß ein Überschuß

lyse des

erhalten

wird,

in der

die Überschußkomponente

Pro-

der

erhalten

H +

CH;

CH;

Ss

R

50% 41%

50% 59%

5 wenn X =Br: wenn X=Cl:

(S)-Chlorids

(R)-Alkohol wird.

des invertierten

racemisch Überschuß an invertiertem Produkt

7.4 Einflüsse des Lösungsmittels, der Abgangsgruppe und des Nucleophils auf die unimolekulare Substitution Wie bei den Sy2-Reaktionen hat die Änderung des Lösungsmittels, der Abgangsgruppe und des Nucleophils einen tiefgreifenden Einfluß auf die unimolekulare

Substitution.

Polare Lösungsmittel beschleunigen die Syl-Reaktion Die heterolytische Spaltung einer C—X-Bindung im geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Syl-Reaktion verläuft über einen stark polaren Übergangszustand (Abb. 7-4) zu zwei Ionen. Im Gegensatz dazu nimmt A

+ | ) /\ C

Abb. 7-4 Die jeweiligen Übergangszustände für die Syl- und die Sn2-Reaktion erklären, warum erstere durch polare Lösungsmittel stark beschleunigt wird. Die heterolytische Dissoziation erfordert eine Ladungstrennung, ein Prozeß, der durch polare Solvatation unterstützt wird.

253

7

Weitere Reaktionen der

Halogenalkane

im Übergangszustand einer typischen Sy2-Reaktion (Abb. 7-4) die Ladungsdichte auf dem eintretenden Nucleophil in dem Maße ab, wie sie auf der Abgangsgruppe wächst. Ladungen werden nicht erzeugt, sondern vielmehr lediglich umverteilt. Aufgrund des stark polaren Übergangszustandes wird die Sxl-Reaktion mit zunehmender Polarität des Lösungsmittels schneller. Besonders auffällig ist dieser Effekt, wenn man von einem aprotischen zu einem protischen Solvens wechselt. Die Hydrolyse von 2-Brom-2-methylpropan verläuft z.B. in reinem Wasser viel schneller als in einer 9: 1-Mischung aus Propanon (Aceton) und Wasser. Die Wirkung des protischen Solvens besteht in der Stabilisierung des Übergangszustands in Abbildung 7-4 durch die Ausbildung von Wasserstoffbrücken. Wir erinnern uns, daß im Gegensatz dazu eine Sy2-Reaktion durch polare aprotische Lösungsmittel beschleunigt wird. Hier beeinflußt das Solvens jedoch die Reaktivität des Nucleophils und nicht die des Substrats. Einfluß des Lösungsmittels auf die Geschwindigkeit einer S\1-Reaktion Relative

Geschwindigkeit:

(CH3),;CBr (CH3),CBr

100% H5O

(CH3;),COH + HBr

90% Propanon( Aceton), 10% H3O

(CH3);COH

400 000 ET,

1

Gute Abgangsgruppen beschleunigen die Syl-Reaktion Da die Abgangsgruppe im geschwindigkeitsbestimmenden Schritt das Molekül verläßt, übt ihr Austrittsvermögen einen großen Einfluß auf die Reaktionsgeschwindigkeit aus. Deshalb werden tertiäre Iodalkane rascher hydrolysiert als tertiäre Bromide, diese wiederum schneller als Chloride. Besonders leicht dissoziieren Sulfonate. Relative Solvolysegeschwindigkeit von RX (R = tertiäre Alkylgruppe)

X OSOR

IT. Bro

rd

Die Stärke des Nucleophils beeinflußt die Produktverteilung, nicht die Geschwindigkeit der Reaktion Wird die Reaktionsgeschwindigkeit der Solvolyse durch einen Wechsel des Nucleophils beeinflußt? Die Antwort ist nein. Wir erinnern uns, daß eine Syn2-Reaktion mit zunehmender Nucleophilie der angreifenden Spezies beschleunigt wird. Am geschwindigkeitsbestimmenden Schritt einer Snl-Reaktion ist das Nucleophil jedoch nicht beteiligt, und demnach sollte es auf die Reaktionsgeschwindigkeit, d.h. auf die Konzentrationsabnahme des tertiären Halogenalkans, keinen Einfluß haben. Wenn jedoch zwei oder mehr verschiedene Nucleophile um das intermediär gebildete Carbenium-Ion konkurrieren, sollten deren relative Stärke und Konzentration die Produktverteilung bestimmen. Ein Beispiel: Die Solvolyse von 0.1 mol/L 2-Chlor-2-methylpropan in Methanol ergibt 2-Methoxy-2-methylpropan mit einer Geschwindigkeitskonstanten k,. In Gegenwart einer äquivalenten Menge Natriumazid jedoch wird mit gleicher Geschwindigkeit 1,1-Dimethylethylazid (tertButylazid) gebildet. In diesem Fall gewinnt Azid, N; (Tab. 6-5), als das stärkere Nucleophil. Obwohl die Konzentration der Ausgangsverbindung 2-Chlor-2-methylpropan mit k, abnimmt (ungeachtet welches Produkt entsteht), bestimmt die relative Stärke der konkurrierenden Nucleophile die Geschwindigkeit, mit der die möglichen Produkte entstehen, d.h. das Produkt des stärkeren Nucleophils entsteht rascher (kemon ist viel kleiner als ky,): 254

Konkurrierende Nucleophile bei der Sy1-Reaktion

(CH3)3COCH3 + HCI &

(CH3)3 CC1

2-Methoxy-

a

7.4 Einflüsse des Lösungsmittels, der Abgangsgruppe und des Nucleophils auf die unimolekulare Substitution

2-methylpropan

+

EIsOB

+

k

:

geschwindigkeits-

+

bestimmend

332

"

‚

-

Produkt-

5 Dr bestimmend

cı

rg

+ NaCl

(CH3)3CN3

Sa

1,1-Dimethylethylazid (tert-Butylazid)

Übung 7-5 , Eine Lösung von 2-Methyl-2-propylmethansulfonat in Propanon (Aceton) | Überschuß an Natriumchlorid ünd Natriumbromid liefert ausschließlich methylpropan. Warum?

mit einem 2-Brom-2-

Daher ist es sinnvoll, zwischen zwei Übergangszuständen zu unterscheiden: dem des geschwindigkeitsbestimmenden und dem des produktbestimmenden Schritts (Abb. 7-5). Ungeachtet der Anzahl der Übergangszustände und Zwischenstufen einer Reaktion bestimmt der energiereichste Übergangszustand die Geschwindigkeit; die relativen Energien der darauffolgenden Übergangszustände bestimmen jedoch die Produktverteilung. In diesem Abschnitt haben wir uns verschiedener Hilfsmittel bedient,

um den Mechanismus der Reaktion zwischen tertiären Halogenalkanen und bestimmten Nucleophilen aufzuklären: der Kinetik, der Stereochemie, des Einflusses des Lösungsmittels, des Austrittsvermögens der Abgangsgruppe und der Stärke des Nucleophils. Die Ergebnisse zeigen, daß zu Beginn der Reaktion eine geschwindigkeitsbestimmende Dissoziation des Substrats als entscheidender mechanistischer Schritt stattfindet. Als nächstes erheben sich die Fragen, weshalb tertiäre Halogenide nach Sl reagieren, während primäre Systeme Sn2-Reaktionen eingehen, und wie sekundäre Halogenalkane sich in dieses Bild einfügen. Übergangszustände der produkt-

Übergangszustand des geschwin-

bestimmenden Schritte

digkeitsbestimmenden Schritts

fürNulsr

RE

RX

+Nul: ” + Nu:

für Nu:

RNu!

+ X”

RNu2 +X7 Reaktionskoordinate

—>

Abb. 7-5 Die unterschiedlichen Übergangszustände des geschwindigkeitsbestimmenden und des produktbestimmenden Schritts bei der Syl-Reaktion eines tertiären Halogenalkans in Gegenwart zweier konkurrierender Nucleophile. E, bezeichnet die Aktivierungsenergie der Reaktion. Die Produktverteilung wird von den unterschiedlichen Energien der beiden produktbestimmenden Übergangszustände kontrolliert.

255

7 Weitere Reaktionen der

Halogenalkane

7.5 Der Einfluß der Substratstruktur auf

die Geschwindigkeit der Sy1-Reaktion: Die Stabilität von Carbenium-Ionen In diesem

Abschnitt werden

wir sehen, daß der Grad der Substitution

des reaktiven Kohlenstoffatoms im wesentlichen bestimmt, ob Halogenalkane (und ähnliche Derivate) mit Nucleophilen bevorzugt nach Syl oder nach SZ reagieren. Je höher substituiert ein Kohlenstoffatom ist, desto leichter bildet es ein Carbenium-Ion. Aus diesem Grund reagieren tertiäre Halogenalkane, deren sterischer Raumanspruch eine Sy2-Reaktion verhindert, nach dem Sl-Mechanismus und primäre Halogenalkane nach Sy2; bei sekundären Verbindungen können beide Mechanismen auftreten, je nach den vorliegenden Reaktionsbedingungen.

Die Stabilität von Carbenium-Ionen

nimmt in der Reihe

primär < sekundär < tertiär zu Wir wissen nun, daß von den zwei möglichen Substitutionsmechanismen primäre Halogenalkane

direkt, d.h. in einem konzertierten Schritt, sub-

stituiert werden, während sekundäre und tertiäre Systeme mit zunehmendem sterischem Anspruch bevorzugt Carbenium-Ionen bilden. Warum entstehen Carbenium-Ionen nicht aus primären Halogenalkanen? Der Grund dafür liegt in dem relativ hohen Energieinhalt primärer Carbenium-Ionen, die deshalb in Lösung unter den Bedingungen einer Snl-Reaktion nicht entstehen. Messungen in der Gasphase zeigten, daß die Stabilität von Carbenium-Ionen mit zunehmender Alkylsubstitution zunimmt. Relative Stabilität von Carbenium-Ionen +:

+

CH3CH>CH>CHz < CH3CH>CHCHz < (CH3)zC primär




—= zz.

(b)

HEN-

An

:

Propanon om)

H

H

x

|

L’5H

|

R

+ CH30OH —

;

CN

0 OCH; R+Ss

Im Gegensatz zu Sy2-Reaktionen sind Sl-Reaktionen für die Synthese nur von begrenztem Wert, vor allem aufgrund der Komplexität der Chemie der Carbenium-Ionen. Wie wir in Abschnitt 9.3 noch sehen werden, neigen diese zu Umlagerungen, wobei komplizierte Produktgemische entstehen. Eine weitere Reaktion der Carbenium-Ionen wird in Abschnitt 7.6 beschrieben: die Bildung einer Doppelbindung nach Abgabe eines Protons. Wir fassen wie folgt zusammen: Die Reaktion tertiärer Halogenalkane mit Nucleophilen erfolgt nicht über einen Sy2-Mechanismus, da sie zu stark sterisch gehindert sind. Sie bilden jedoch leicht tertiäre Carbenium-Ionen, die durch Hyperkonjugation stabilisiert sind. Anschließend werden diese durch ein Nucleophil abgefangen, z.B. durch ein Lösungsmittelmolekül (Solvolyse), und es entsteht das Produkt einer nucleophilen Substitution. Primäre Halogenalkane reagieren nicht auf diese Weise — ein primäres Kation ist zu energiereich, um in Lösung zu entstehen. Das reaktive Kohlenstoffatom ist sterisch nicht gehindert, und die Reaktion erfolgt durch einen Sy2-Prozeß. Bei sekundären Systemen beeinflussen die Natur der Abgangsgruppe, das Lösungsmittel, das Nucleophil und die Struktur des Substrats den Mechanismus der nucleophilen Substitution.

258

7.6 Unimolekulare Eliminierung: El

7.6 Unimolekulare Eliminierung: Ei

Wir haben gelernt, daß Carbenium-Ionen schnell von Nucleophilen durch einen Angriff am positiv geladenen Kohlenstoffatom abgefangen werden. Das ist jedoch nicht ihre einzige Reaktionsweise. Eine Alternative ist die Deprotonierung, die zu einer neuen Verbindungsklasse führt, den Alkenen. Die Gesamtreaktion eines verzweigten Halogenalkans ist dann der Austritt von HX unter Bildung einer Doppelbindung. Der allgemeine Begriff für einen derartigen Prozeß ist Eliminierung, abgekürzt mit E. Eliminierung

as

cc“ 3

Wr

on

FR

BEN

Sc=c Bi +H-B+X7 N

Eliminierungen können nach verschiedenen Mechanismen ablaufen. Wir wollen nun den bei der Solvolyse stattfindenden kennenlernen. Wenn 2-Brom-2-methylpropan in Methanol gelöst wird, verschwindet es schnell. Wie erwartet, entsteht als Hauptprodukt 2-Methoxy-2-methylpropan durch Methanolyse. Bei genauer Analyse findet man jedoch auch signifikante Mengen eines weiteren Produkts, 2-Methylpropen, das durch Eliminierung gebildet wird.

RG

(CH3)3C Br

CH;

H>:C—C

2-Brom-

+ Br” CH3z

2-methyl-

propan

El

Sn! \ CH3OH

nn ee

20%

+ H’ + Br

CH;

2-Methylpropen

(CH3)3

COCH3

+ H*

+Br

80% 2-Methoxy2-methylpropan

Es muß folglich noch einen neuen Mechanismus in Konkurrenz zur Solvolyse geben, nach dem sich tertiäre Halogenide umsetzen können. Aber welchen? Ein weiteres Mal wollen wir die kinetische Analyse zu Hilfe nehmen. Das Ergebnis ist: Die Reaktionsgeschwindigkeit der Alken-Bildung hängt nur von der Konzentration des eingesetzten Halogenids ab, d.h. die Reaktion ist erster Ordnung. Eliminierungen dieses Typs sind unimolekular und werden als El bezeichnet. Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt in der EI-Reaktion ist derselbe wie in der SyIReaktion: die Dissoziation zu einem Carbenium-lon. Dieses Zwischenprodukt kann dann, statt durch Einfang eines Nucleophils, entlang eines zweiten Reaktionspfads weiterreagieren und unter Abgabe eines Protons von einem Kohlenstoffatom, das dem positiv geladenen Atom benachbart ist, ein Alken bilden.

Auf welche Weise wird das Proton abgegeben? In der Abbildung 7-8 ist die Abspaltung des Protons ausführlich dargestellt. Erinnern wir uns, daß ein substituiertes Carbenium-Ion durch Hyperkonjugation mit benachbarten C—H-Bindungen stabilisiert wird. Dabei wird Elektronendichte aus diesen Bindungen in das leere p-Orbital übertragen, wodurch die Bindungen geschwächt werden (Abb. 7-8A). Außerdem verursacht der elektronenziehende Effekt des positiv geladenen Kohlenstoffatoms

259

7 Weitere Reaktionen der

eine

Halogenalkane

eine positive Partialladung erhält. Dieses Wasserstoffatom kann nun als

Polarisierung

der

C—H-Bindung,

Proton abgegeben werden, z.B. an Fall als Base wirkt. Durch die Abspaltung des Protons eine Doppelbindung enthält. Dieser Hilfe eines Orbitalschemas (Abb. Schema (Abb. 7-8C) dargestellt,

wodurch

das

Wasserstoffatom

das Lösungsmittel,

das in diesem

entsteht ein neutrales Molekül, das Vorgang wird in Abbildung 7-8 mit 7-8B) und mit einem einfacheren das zeigt, wie die Elektronen

„wandern“.

In allen Darstellungen von Mechanismen in diesem Buch wird die Abspaltung eines Protons als Dissoziation dargestellt, gemeint ist jedoch immer die Abstraktion durch eine Base. Jedes Wasserstoffatom in der Nachbarschaft des Reaktionszentrums kann in einer El-Reaktion abgespalten werden. Das 1,1-DimethylethylKation (tert-Butyl-Kation) hat neun solcher Wasserstoffatome, die alle ö

Ve H

3%

ser

ME

Geschwächte Bindung

+

ie un

Are‘ ziehend

H

A

HaC..N 1,9

5

RR

|

N

H3C

\

II

De

ET o

Rehybridisierendes Kohlenstoffatom

p-Orbitale

Carbenium-Ion

Übergangszustand

Alken

HÖCH3 He Te

Be De

BB

+

OCH3

Abb. 7-8 A Das 1,1-Dimethylethyl-Kation (tert-Butyl-Kation). Die elektronenabziehende positive Ladung schwächt die C—H-Bindung, das an der Hyperkonjugation beteiligte Wasserstoffatom nimmt eine positive Partialladung an. B Protonübertragung des 1,1-Dimethylethyl-Kations an das Solvens (Methanol) als Molekülorbital-Schema. Das elektronenreiche Sauerstoffatom von Methanol nähert sich dem aktivierten Wasserstoffatom. Im Übergangszustand ist die Bindung zwischen dem Sauerstoffatom zu diesem Wasserstoffatom schon teilweise geschlossen, seine Bindung zum Kohlenstoffatom ist teilweise gelöst. Das ursprünglich sp°hybridisierte Orbital, das das Wasserstoffatom band, rehybridisiert zu sp’. Das Proton tritt aus und hinterläßt ein Elektronenpaar, das sich über die p-Orbitale verteilt und die neue Doppelbindung herstellt. C Derselbe Vorgang dargestellt mit Pfeilen, die die Elektronen-,wanderung“

verdeutlichen.

gleich reaktiv

Produkt,

7.6 Unimolekulare

unabhängig davon, welches Proton abgespalten wird. Andere Substrate

sind.

In diesem

Fall entsteht immer

dasselbe

Eliminierung: El

können mehr als ein Produkt liefern. Ein Beispiel ist 3-Chlor-3-methylhexan,

das zu sechs verschiedenen

Reaktionsprodukten

führt, darunter

fünf isomeren Alkenen. Die Reaktionswege, die zu diesen Produkten führen, werden ausführlich in Kapitel 11 besprochen.

CH;

CH;

CH3CH>CHZCCH:CH;

CH30H, A

CH;

|

|

— 7, > CHSCHSCHSOCH:CH3 +

N

BR

A

3-Chlor-3-methylhexan

CH3CH>CH;

S\1-Produkt

CH3 =

N

C=C

Ei

fi

CH3CH;CH3>

H

CH3

CH3

+

CH,CHICIE,

H

Ei

CH; C=C

Y

CH3

u

Ey

Ei

CH>CH,

CH;CH3

u nu

CH>;CH;

„EB: GE

CH;CH;

Ei

CH;CH3 El

Die relativen Geschwindigkeiten von Sy1- und El-Reaktionen Bei der Solvolyse tertiärer Halogenalkane sollte unabhängig von der Natur der Abgangsgruppe das Verhältnis von Eliminierung zu Substitution immer gleich sein, weil beide Reaktionen über die gleiche Zwischenstufe verlaufen. Das wird im großen und ganzen auch beobachtet (Tab. 7-3). Das Produktverhältnis kann durch Zusatz einer Base zugunsten der Eliminierung verschoben werden, weil die Deprotonierung des Carbenium-Ions beschleunigt wird. Gibt man zum Beispiel ein Aquivalent NaOH zu einer Lösung von 2-Chlor-2-methylpropan in wäßrigem Ethanol, so erhält man fast ausschließlich 2-Methylpropen. In diesem Fall greift das Hydroxid-Ion, das eine viel stärkere Base als Wasser oder Ethanol ist, das intermediär gebildete Carbenium-Ion rasch und ausschließlich am Wasserstoffatom an. Kompliziert wird das ganze allerdings dadurch, daß starke Basen mit Halogenalkanen auch über eine direkte Eliminierung reagieren können. Diese Reaktion wird im nächsten Abschnitt besprochen.

Tabelle 7-3 Verhältnis von SylZu El-Produkt bei der Hydrolyse Yon 2-Halogen-2-methylpropanen Be x;, (CHJ),CX Verhältnis Sul: El Cl

55

Br

95475

I

96:4

Bevorzugte E1-Reaktion von 2-Chlor-2-methylpropan in Ethanol in > Gegenwart von Hydroxid-Ionen

„eu: (CH,),CCl

URCHERERN

a 0

a

ee

schnell

Et langsam

ne H3 Cl + HOH + CH,=C

cH

3

(CH3)3COCH>CH3 + (CH,)3;COH + H* + Cl 2-Ethoxy-2-

2-Methyl-2-

methylpropan

propanol

2-Methylpropen

7] Übung 7-7 ") "

Löst man 2-Brom-2-methylpropan bei 25°C in wäßrigem Ethanol, so erhält man eine Mischung von (CH;);COCH;CH; (30%), (CH;);COH (60%) und (CH3;);C=CH; (10%). Erklären Sie diesen Befund.

261

7 Weitere Reaktionen

Halogenalkane

der

Wir fassen zusammen: Bei einer Solvolyse kann das Carbenium-Ion nicht nur durch ein Nucleophil abgefangen werden, wobei Produkte einer Snl-Reaktion entstehen, sondern auch durch Deprotonierung Produkte einer Eliminierungsreaktion ausbilden (El). In solchen Fällen dient das Nucleophil, d.h. gewöhnlich das Lösungsmittel, als Base.

7.7 Bimolekulare Eliminierung: E2 Neben

Sx2-, Snl- und El-Reaktionen

können

Halogenalkane

noch auf

eine weitere Art mit Nucleophilen reagieren: Wie bei El-Reaktionen reagiert das Nucleophil als Base und führt eine Eliminierung herbei, die jedoch nun nach einem bimolekularen Mechanismus verläuft.

Starke Basen führen zu einer bimolekularen

Eliminierung Aus dem vorangegangenen Kapitel wissen wir, daß tertiäre Halogenalkane in nicht-nucleophilen, schwach basischen Lösungsmitteln wie Wasser und Alkoholen neben Substitutionsreaktionen auch EI-Reaktionen eingehen können. Dabei kann der Anteil an E1-Produkten durch Zugabe von geringen Mengen einer Base erhöht werden. Wenn wir die Konzentration

der Base

weiter

erhöhen,

stellen wir jedoch

ab

einem gewissen Schwellenwert fest, daß die Bildungsgeschwindigkeit des Alkens nunmehr proportional zur Konzentration des Halogenids und der Base ist. Die Kinetik der Eliminierung ist zweiter Ordnung, der zugehörige Mechanismus heißt bimolekulare Eliminierung oder kurz E2.

Kinetik der E2-Reaktion von 2-Chlor-2-methylpropan

(CH3);CCl + Na+tOH- — >CH3=C(CH3), + NaCl + H,O Geschwindigkeit = k[(CH;);CCl] [OH] mol/(L s) Offensichtlich sind starke Basen in der Lage, ein dem Reaktionszentrum

benachbartes

Wasserstoffatom

anzugreifen,

bevor

sich ein Carbe-

nium-Ion ausbilden kann. Diese Reaktion ist bei allen Halogenalkanen möglich, bei sekundären und primären jedoch in Konkurrenz zu Sy2Prozessen. Konkurrenz von E2- und Sn2-Reaktion

CH,CH-CH,Br

H

Nat

20 Na CO

N

E CH, CH OCHE

cc

IBE

Ü M

Übung 7-8 Welche Produkte Ionen?

U

Übung 7-9 Reagieren

262

erwarten

die folgenden

Substrate

nach

8%

1-Methoxypropan

Propen

von Bromeyclohexan

E2, und welche

Produkte

H

H

92%

Sie bei der Reaktion

BE

mit Hydroxid-

entstehen

dabei:

Bei der E2-Reaktion

7.7 Bimolekulare Eliminierung: E2

findet eine konzertierte

anti-Eliminierung von HX statt Kinetische Untersuchungen der E2-Reaktion legen einen bimolekularen Übergangszustand nahe. Dieser ist in Abbildung 7-9 dargestellt, einmal als Bild der Elektronenverschiebungen und einmal als Orbitalbild. Er ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Proton bevorzugt in anti-Stellung zum austretenden Halogenid abgegeben wird und daß folgende Vorgänge gleichzeitig ablaufen: Bindungsbildung zwischen Hydroxid-Ion und Proton; Rehybridisierung von sp’ zu sp? und Ausbildung der Doppelbindung durch die beiden entstehenden p-Orbitale; Lösen der Bindung zwischen Kohlenstoffatom und Abgangsgruppe. Ein Vergleich mit dem Übergangszustand der El-Reaktion (Abb. 7-8) zeigt, daß beide einander sehr ähnlich sind und sich nur in der Reihenfolge der Vorgänge unterscheiden. Hier finden Proton-Abstraktion und Austritt der Abgangsgruppe gleichzeitig statt, bei der El-Reaktion greift die Base nach dem Austritt des Halogenids an. Um sich den Unterschied

der beiden

Mechanismen

klar zu verdeutlichen,

mag

es helfen,

sich die starke Base bei der E2-Reaktion als sehr „aggressiv“ vorzustellen, die das Substrat sofort angreift, ohne die Dissoziation in Carbenium-Ion und Halogenid abzuwarten.

Wie erhält man ein genaues Bild des Übergangszustands der E2-Reaktion? Um den Übergangszustand genau beschreiben zu können, wurden verschiedene Experimente durchgeführt, von denen jedes bestimmte Merkmale seiner Struktur offenlegte. Wie bereits erwähnt, zeigt uns die Kinetik deutlich, daß Halogenalkan und Base eng zusammenwirken müssen. Indem wir die Abgangsgruppe variieren, sehen wir, daß ihre Bindung zum Substrat im Übergangszustand teilweise gelöst ist. Bessere Abgangsgruppen beschleunigen die Eliminierung. Reaktivitätsreihe der E2-Reaktion

\enso-

OO

RCICHCH;CH,z #308, 22: 80° ,CHY„CH,CHCH.CHz + CH3CH=CHCH>CH3 |

‚oO,

85%

15%

Stark basische Nucleophile reagieren mit zunehmender sterischer Hinderung vermehrt unter Eliminierung Wie wir gesehen haben, kann bei starken Basen Eliminierung über den E2-Reaktionsweg auftreten. Gibt es eine einfache Möglichkeit vorherzusagen, wie groß der Anteil der Eliminierung im Vergleich zur Substitution in einer bestimmten Situation ist? Ja, wenn man noch weitere Faktoren berücksichtigt. Untersuchen wir einmal die Reaktionen der starken

Base

Natriumethoxid

mit

mehreren

Halogeniden,

indem

wir die

Produktverteilung auf Ether und Alken für jedes Beispiel feststellen.

CH;CH>CH3>»Br

CH3CH,O =Na* Na, CH3CHZOH

Ether

Alken

(Substitutionsprodukt)

(Eliminierungsprodukt)

H;C

CH3CH>CH>OCH3>CH3 +

FIR

— HBr

cC=€

sa

H

91%

N

| H

9%

E:

CH3CCH>Br —_—

HC

CH3CCH>OCH-CH, nn

en

int R CH3CH5O Na, CH3CH,OH Zotibr

H

0 H

+

| H

c=o H oa 3

40%

CH,CBr |

H

I

H

ig

Ä

m

CH3COCH>CH3

H 60%

+

a: EV

C=C

A NeH

H

3

13%

87%

Reaktionen einfacher primärer Halogenalkane mit stark basischen Nucleophilen führen überwiegend zu Sy2-Produkten. Voluminöse Substituenten am Kohlenstoffatom, das die Abgangsgruppe trägt, verlangsamen die Substitution gegenüber der Eliminierung, da eine Annäherung an das Kohlenstoffatom sterisch stärker gehindert ist als ein Angriff auf das Wasserstoffatom. Verzweigte primäre Substrate geben daher etwa gleiche Mengen an Sy2- und E2-Produkten, letzteres ist das Hauptprodukt von sekundären Halogeniden. Der Sy2-Mechanismus läuft bei tertiären Halogeniden nicht ab. Fügt man verdünnte Base hinzu, wird die Syl-Substitution unterdrückt, da das Zwischenprodukt nach dem E1-Weg abgefangen wird (Abschn. 7.6), bei höherer

266

Konzentration

einer starken

Base wird ausschließlich

der

E2-Weg

Hydroxid

beschritten.

Acetat,

sind Reagenzien

Ammoniak,

Cyanid

mit mittlerer Basenstärke,

und

wäßriges

zwischen

7.8 Konkurrenz zwischen

den

Substitution und Eliminierung

Halogeniden und den Alkoxiden. Sie reagieren mit primären und sekundären Halogenalkanen entlang des Sy2-Reaktionspfads, mit tertiären Substraten geben sie aber überwiegend E2-Produkte.

Sterisch gehinderte basische Nucleophile bevorzugen Eliminierung Die relativ ungehinderten primären Halogenalkane reagieren auch mit starken Basen wie OR” oder OH bevorzugt nach Sn2, da bei ihnen das Reaktionszentrum dem Nucleophil frei zugänglich ist. Dies ändert sich,

wenn

wir

eine

sterisch

anspruchsvolle

Base

verwenden,

deren

Angriff räumlich stark gehindert ist. Hier kann auch bei primären Verbindungen Eliminierung vorherrschen, da die Deprotonierung an der besser zugänglichen Peripherie des Moleküls erfolgt.

CH3CH>CH>CH»Br „ennco K (encon, CH;CHSCH=CH> + CHzCH>CH;CH>OC(CH3)3 85% 15% CH; CH; CB: Ch CH; Li RE, CHAECHSCH=CH, a CHACCHSCHSCHSNICHCHJ) CH3CCH>CH>CHJCI ea Sg

r

N

l

N

87%

13%

Beispiele für sterisch gehinderte Basen sind Kalium-tert-butoxid und Lithiumdiisopropylamid (LDA), die wir hier mit ihren Trivialnamen bezeichnen.” Bei Reaktionen mit diesen Basen verwendet man oft die entsprechende konjugierte Säure als Lösungsmittel, z.B. 2-Methyl2-propanol oder N-(1-Methylethyl)-1-methyl-ethanamin (Diisopropylamin). Sterisch gehinderte Basen

CH3

HC Ei uk CH3

CHsC0:7K*

|

H

Rn

ge

CH 3

lei!

Kalium-tert-butoxid

Lithiumdiisopropylamid

(LDA) Ist eine sehr gute Abgangsgruppe vorhanden, z.B. ein Sulfonat (wie in 4-Methylbenzolsulfonat), wird jedoch auch hier die Sy2-Reaktion bevorzugt:

sCiCHCh080,

| Y-Ci a -

m

-s0.n

CH3CH>CH>CH>OC(CH3)3 99%

+ CH3CH>CH=CH> 1%

Zunehmend sperrige Gruppen am Reaktionszentrum verlangsamen die Substitution und begünstigen die Eliminierung. Sekundäre und tertiäre Halogenalkane reagieren mit starken Basen daher hauptsächlich

* Die Basen R'R’N (Amide) dürfen nicht mit den gleichnamigen (Carbonsäure-) Amiden RCONR’R’ (Abschn. 19.10) verwechselt werden!

267

7 Weitere Reaktionen der Halogenalkane

unter bimolekularer Eliminierung, mit sterisch gehinderten Basen findet sogar ausschließlich Eliminierung statt. CH;

ss ö

\

H

(CH3)3;CO K*, (CHz)3COH — HBr

starken

H

N ei

RN

H

CH;

98%

Fassen wir zusammen: Die drei wichtigsten Faktoren, die die Konkurrenz von Substitution und Eliminierung beeinflussen, sind die Basizität des Nucleophils, die sterische Hinderung beim Halogenalkan und der sterische Raumanspruch am nucleophilen (basischen) Zentrum.

1. Faktor

Basenstärke des Nucleophils schwache Basen

H,O*, ROH*,

PR;, Halogenide,

starke Basen HO’, RO’, H,N’, R,N

RSTLNS A,NCY -RCOOZ Substitution wahrscheinlicher 2. Faktor

Eliminierung wahrscheinlicher

Sterische Hinderung am reagierenden Kohlenstoffatom

sterisch ungehindert

sterisch gehindert

Primäre Halogenalkane

verzweigte primäre, sekundäre, tertiäre Halogenalkane

Substitution wahrscheinlicher

Eliminierung wahrscheinlicher

3. Faktor

Sterische Hinderung am stark basischen Nucleophil

sterisch ungehindert

sterisch gehindert

HO’, CH;0”, CH;CH,0”, HN”

(CH3)3CO”, [CH(CH3), N”

Substitution möglich

Eliminierung stark bevorzugt

Für eine einfache Vorhersage nehmen wir an, daß das relative Gewicht der drei Faktoren etwa gleich ist, wenn wir das Verhältnis von Eliminierung zu Substitution abschätzen wollen. Diese Methode der Analyse ist einigermaßen verläßlich. Alle Beispiele dieses Abschnitts und der nachfolgenden Zusammenfassung stehen mit den Vorhersagen dieser Methode in Einklang. Wir empfehlen, das als Übung einmal zu überprüfen. Übung 7-12 Welches Nucleophil der folgenden Gruppen ergibt ein höheres E2/Sy2-Produktverhältnis bei der Reaktion mit 1-Brom-2-methylpropan?

1 (a) N(CH3)3, P(CH3)3; (b) NH3, (CH5CH)N’;

(c) T,CH.

] Übung 7-13 )

Wenn Substitution und Eliminierung konkurrieren, stellt man fest, daß eine Temperatur-

erhöhung immer zu einem größeren Anteil an Eliminierungsprodukten führt. So verdoppelt sich die Menge der Eliminierungsprodukte bei der Hydrolyse von 2-Brom-2-methyl| propan, wenn die Temperatur von 25°C auf 65°C erhöht wird. Bei der Reaktion von

2-Brompropan mit Ethoxid steigt der Anteil von 80% 55°C. Erklären Sie diese Befunde!

bei 25°C zu nahezu 100% bei

* Reagiert nur mit Syl-Substraten; keine Reaktion mit einfachen Halogeniden.

268

7.9 Zusammenfassung der Reaktivität von Halogenalkanen

79 Zusammenfassung der Reaktivität von Halogenalkanen

Primäre, sekundäre und tertiäre Halogenalkane können mit Nucleophilen nach verschiedenen Reaktionspfaden reagieren. In Tabelle 7-4 ist eine Zusammenfassung der jeweils wahrscheinlichen Mechanismen für die Substitution oder die Eliminierung aufgeführt.

Primäre Halogenalkane Ungehinderte primäre Alkylderivate reagieren stets nach einem bimolekularen Mechanismus, dabei entstehen überwiegend Substitutionsprodukte, außer wenn sterisch gehinderte starke Basen, z.B. Kalium-tertbutoxid, vorliegen. In diesem Fall wird die Sy2-Reaktion aus sterischen Gründen so langsam, daß der E2-Mechanismus zum Tragen kommt. Auch Verzweigungen im Substratmolekül beeinträchtigen die Substitution. Starke Nucleophile führen aber selbst in diesen Fällen hauptsächlich zu Substitutionsprodukten.

Nur starke

Basen

wie Alkoxide,

RO’,

oder Amide, R;N , bewirken hauptsächlich Eliminierung. Ausnahmen bilden 2,2-Dialkylpropyl- und ähnliche Systeme, bei denen kein Proton in der Nachbarschaft des Reaktionszentrums vorhanden und deshalb Eliminierung unmöglich ist. Auch eine Sn2-Reaktion verläuft hier sehr langsam, so daß diese Verbindungen in Gegenwart von Nucleophilen bemerkenswert inert bleiben. Die Reaktionsmöglichkeiten primärer Alkylderivate sind nachfolgend nochmals zusammengefaßt. Reaktivität primärer Halogenalkane R—X

Ungehinderte R—X. GELHCHSCHEBE

mit Nucleophilen (Basen)

Sy2 mit guten Nucleophilen:

FRONT

Propanon (Aceton)

a —

CH CHE CH CN

#1 Br

Auch mit starken Basen: CH,OH CH;CH;CH3;Br

Ar CH;0”

ne

a. CH;CH,

CH;0CH;3

b#Br

Aber E2 mit einer starken, sterisch gehinderten Base:

CH; CH;CH;CH3Br

| _ (CH;),;COH EE Eon Fe —HBr

CH;CH=CH3

CH;

Keine oder nur äußerst langsame Reaktion mit schwachen Nucleophilen (CH;OH). Tabelle 7-4 Wahrscheinliche Mechanismen, nach denen Halogenalkane mit Nucleophilen (Basen) reagieren Typ des Nucleophils (Base) schwach

stark

stark

basisches,

basisches,

basisches,

5

schwaches

starkes

ungehindertes

Typ des

Nucleophil

Nucleophil

Nucleophil

Nucleophil

gehindertes

Halogenalkans

(z.B. H,O)

(Z2B21:)

(BZCHEO)

(z.B. (CH3;);CO°)

Methyl

keine Reaktion

Sn2

Sn2

Sn2

keine Reaktion keine Reaktion

Sn2 Sn2

Sn2 E2

E2 E2

sekundär

langsame Syl, El

Sn2

E2

B2

tertiär

Sxl, El

Sul, El

E2

E2

primär ungehindert verzweigt

269

7 Weitere Reaktionen der Halogenalkane

Verzweigte R—X. Sn2 mit starken Nucleophilen als bei ungehinderten R— X): CH3

(allerdings langsamer

CH3z

|

Propanon (Aceton)

ne

ar lln

Rabe

—

H

+

Br

H

Mit starken Basen (auch mit ungehinderten) E2:

ns

CH3

Seh

+ CHICH,0" ee "z

CH3C=CH>

r

H

Mit schwachen Nucleophilen keine oder nur äußerst langsame Reaktion.

Sekundäre Halogenalkane Sekundäre Alkylderivate gehen je nach den vorherrschenden Bedingungen Eliminierung und Substitution ein, sowohl unimolekular als auch bimolekular. Starke Nucleophile begünstigen Sn2, starke Basen führen zu E2, in polaren, nicht-nucleophilen Medien entstehen hauptsächlich Snl und E1-Produkte. Nachstehend sind die Reaktionsmöglichkeiten sekundärer Verbindungen nochmals zusammengefaßt.

Reaktivität sekundärer Halogenalkane R—X Wenn X eine gute Abgangsgruppe nucleophilen Medium: Sy1 (+ El).

CH3

Ce

mit Nucleophilen (Basen)

ist, in einem

stark polaren, nicht

ir

ne ia

SO Te + CH5;CH=CH,

r

H

H Hauptprodukt

Nebenprodukt

Sn2 mit starken Nucleophilen geringer Basizität in hoher Konzentration:

CH3

Fe

CHRCHE + CH35” HbfbOH, CH,CSCH3 + Br” H

H

" E2 mit starken Basen in hoher Konzentration:

Ike + CHsCHz0”

en

H

270

CH3CH20H

> —

CHsCH=CH;

Tertiäre Halogenalkane

79 Zusammenfassung der Reaktivität von Halogen-

Tertiäre Substrate reagieren unter Eliminierung (E2) in Gegenwart kon-

alkanen

zentrierter starker Basen, in nicht-basischen Medien aber unter Substitu-

tion (Snl). Bimolekulare Substitution findet nicht statt, Eliminierung nach El tritt jedoch als Nebenreaktion von Syl auf. Die verschiedenen Reaktionen sind nachstehend zusammengefaßt:

Reaktivität tertiärer Halogenalkane R—X

mit Nucleophilen (Basen)

Wenn X eine gute Abgangsgruppe ist, ein polares Solvens vorliegt und in Abwesenheit einer Base: Sl + El 8

I

CHSCHaEBr m CH; HOH, P

=

A T

CHSCH3COH + Alkene CH;

E2 mit starken Basen in hoher Konzentration:

CH,

H

El mit schwachen Basen oder geringen Konzentrationen einer starken Base: CH3

CH3

|

CH,CH,OH, schwache Base

CHiCBn = |

— HBr

ei CH

CCH;

CH; Übung 7-14 Bei welcher der folgenden Reaktionen Weshalb?

B

entsteht ein größeres EW/E1-Produktverhältnis?

CH;

CH; H30H

(OR CH-CHSCHBE. ST,

CHSCHSCHEr

CH30 "Na", CH30H

I

Ss (b)

(CH3CH)-N m

n2 Li", (CH3CH)2NH

Propanon (Aceton) [03

——[

271

Verständnisübung

7 Weitere Reaktionen der

Halogenalkane

a 2-Brom-2-methylpropan (tert-Butylbromid) Chlorid- und Iodid-Ionen in Nitromethan.

reagiert vollständig mit

1 Geben Sie die Konstitution der beiden Substitutionsprodukte an und beschreiben Sie den Mechanismus ihrer Bildung examplarisch für ein Produkt. 2 Vergleichen sie die relativen Reaktionsgeschwindigkeiten der beiden Reaktionen unter der Annahme gleicher Konzentrationen aller Reaktanten. 3 In welcher der beiden Reaktionen wird häufiger eine Eliminierung beobachtet? Geben Sie den vollständigen Mechanismus an.

Lösung 1

Wir beginnen mit der Analyse der beteiligten Reaktionspartner und

versuchen anschließend zu bestimmen, welche Reaktion eher stattfindet.

Das Substrat ist ein Halogenalkan

mit einer guten Abgangsgruppe

an

einem tertiären Kohlenstoffatom. Nach Tabelle 7-4 ist der Sy2-Mechanismus unwahrscheinlich, aber Sy1l-, El-und E2-Mechanismen kommen

sehr wohl in Betracht. Chlorid- und Iodid-Ionen sind gute Nucleophile und schwache Basen. Dies legt den Schluß nahe, daß in erster Linie eine Substitution zu (CH3);CCl bzw. zu (CH3);CI erfolgt (Abschn. 7.8). Der Mechanismus (Sl) verläuft wie in Abschnitt 7.2 vorgestellt, mit der Ausnahme, daß im Anschluß an die heterolytische Spaltung der C-Br-Bindung unter Bildung eines Carbenium-Ions das Halogenid-Ion das Kohlenstoffatom angreift und direkt zum Produkt führt. Das sehr polare Nitromethan ist ein sehr gutes Lösungsmittel für Syl-Reaktionen (Abschn. 7.4). 2 In Abschnitt 7.4 haben wir gelernt, daß die Stärke des Nucleophils keinen Einfluß auf die Reaktionsgeschwindigkeit unimolekularer Reaktionen hat. Die Reaktionsgeschwindigkeiten sollten gleich sein, was experimentell auch bestätigt wird. 3 Zur Beantwortung dieser Teilaufgabe müssen wir etwas mehr nachdenken. Nach Tabelle 7-4 und Abschnitt 7.8 treten El- und Sy1-Reaktionen immer nebeneinander auf. Wird jedoch die Basizität des Nucleophils erhöht, so werden Eliminierungen nach dem E2-Mechanismus möglich und das Verhältnis zugunsten des Eliminierungsproduktes erhöht. Schauen wir uns die Tabellen 2-6 und 6-6 an, so sehen wir, daß

%HO

[N]

WRNz

Ka

10 10 15 20 50 50 50 50

0M 0.0.5M 0.05M 0.0.5M 0.05M 0.10M 0.20 M 0.50M

0 60 60 60 60 75 85 95

1 I 7 2, > x ä er

*

nicht schnell

272

meßbar,

Reaktion

das Chlorid-Ion basischer (und somit weniger nucleophil) als das IodidIon ist. Mit Chlorid werden mehr Eliminierungen beobachtet als mit Iodid. Die Reaktion verläuft nach dem in Abbildung 7-8 gezeigten Mechanismus, nur daß hier Chlorid als Base reagiert und ein Proton von dem Carbenium-Ionen abstrahiert.

in

ist zu

b Die nebenstehende Tabelle gibt die Ergebnisse der Reaktion wieder, die abläuft, wenn die unten gezeigte Chlorverbindung in Propanon (Aceton) in variierenden Mengen Wasser und Natriumazid gelöst wird: Dabei bedeuten % H,O den prozentualen Anteil von H,O im

Lösungsmittel, [N; ] die Natriumazid-Konzentration,

% RN; den pro-

zentualen Anteil des organischen Azids in der Produktmischung (der Rest ist der Alkohol) und k,.; die relative Geschwindigkeitskonstante der Reaktion, bezogen auf den Umsatz des Substrates. Die Ausgangskonzentration des Substrates ist jeweils 0.04 M. Beantworten Sie folgende Fragen:

N:

Hych

Jan

3

Beschreiben

und

?

in

no nk 1

Propanon

3

ne

Verständnisübung

H;O, NaN;,

Ya

anne Yu

erklären

Sie den

Einfluß,

den

en

die Variation

des

prozentualen Wasseranteils (% H;O) auf die Reaktionsgeschwinigkeit und die Produktverteilung hat. 2 Beantworten Sie die gleiche Frage für die Variation der Azid-IonenKonzentration ([N; ]). Hinweis: Die relative Geschwindigkeitskonstante würde dieselben Werte aufweisen, wenn anstelle von Azid-Ionen andere

Nucleophile, würden.

beispielsweise

Chlorid-

oder

Bromid-Ionen,

verwendet

Lösung 1 Wir beginnen, indem wir die gegebenen Reaktionsdaten analysieren. Zur Beantwortung der ersten Frage sind vor allem die Experimente 2-5 von Bedeutung. Hier wird die Konzentration des Azid-Ions konstant gehalten, aber der Wasseranteil

wird variiert. Wir sehen, daß die rela-

tive Geschwindigkeitskonstante mit steigendem Wasseranteil wächst, aber die Produktverteilung konstant bleibt (60% RN;, 40% ROH). Diese beiden Beobachtungen legen den Schluß nahe, daß durch die Erhöhung des Wasseranteils lediglich das Lösungsmittel polarer wird und der erste Reaktionsschritt,

die Ionisierung des Substrats,

schneller

erfolgt. Selbst wenn der Anteil an Wasser nur 10% beträgt, so liegt es doch in so großem Überschuß vor, daß die gebildeten CarbeniumIonen sehr schnell vom Wasser abgefangen werden, insbesondere im Vergleich mit der Geschwindigkeit, mit der Azid-Ionen dieselbe Reaktion eingehen. 2 Betrachten wir zunächst die Experimente 1 und 2. Durch den Zusatz von Natriumazid wird k,., um 50% erhöht. Ohne zusätzliche Informationen könnten wir annehmen, daß dies die Konsequenz eines Sy2-Mechanismus ist. Wäre das der Fall, so müßten andere Nucleophile die Reaktionsgeschwindigkeit in einer unterschiedlichen Weise beeinflussen. Wir wissen aber, daß die Zugabe stärkerer Nucleophile wie Br und CI’ zum gleichen Effekt führt. Dieses Ergebnis steht in Einklang mit einem Snt-Mechanismus, bei dem zugesetzte Ionen die Reaktionsgeschwindigkeit nur

in der Weise

erhöhen,

daß

die Polarität

des Lösungsmittels,

und damit auch die Geschwindigkeit des Dissoziationsschrittes, erhöht wird (Abschn. 7.4). Den Experimenten 5-8 können wir entnehmen, daß die Erhöhung des Anteils der Azid-Ionen die Produktverteilung beeinflußt. In hohen Konzentrationen ist das Azid-Ion ein stärkeres Nucleophil als Wasser und geht somit eher eine Reaktion mit dem intermediären Carbenium-lIon ein.

273

7

Weitere Reaktionen

Neue Reaktionen

der

Halogenalkane

1

Bimolekulare Substitution Sy2 (Abschn. 6.3 bis 6.10, 7.5)

Nur primäre und sekundäre Substrate H;C

E

CH3

Betas N

H%

CH;CH3

H>CH3

Direkter Rückseitenangriff mit 100%

2

+

\°“H

Inversion der Konfiguration

Unimolekulare Substitution Syl (Abschn. 7.1 bis 7.5)

Nur sekundäre und tertiäre Substrate CH3

CH3

CHSCHa BE en

CH3

HCl

—#DE

CH3

un GEBEN

CH3

CH3

Über Carbenium-Ion:

Chirale Systeme bilden Racemate

3

Unimolekulare Eliminierung El (Abschn. 7.6)

Nur sekundäre und tertiäre Substrate

CH3 CH3C

CH CCI

Chs

HBu H

A

CH;C

—

en

>H

u

CH3 CHSC——C H|

pa;

H;C +

CH3 + BH

C=C

ee: 3

Über Carbenium-Ion

4

Bimolekulare Eliminierung E2 (Abschn. 7.7)

CH,CHSCHST E33: eH,cHEcH #BH Fe Gleichzeitige Eliminierung von Abgangsgruppe und benachbartem Proton

Wichtige Konzepte 1 Die unimolekulare Substitution verläuft bei sekundären Halogenalkanen langsam und bei tertiären schnell. Ist das Lösungsmittel gleichzeitig das Nucleophil, so wird der Vorgang Solvolyse genannt.

5

Eliminierung

zu Alkenen

Base begünstigt die Eliminierung. 6

2 Der langsamste, d.h. der geschwindigkeitsbestimmende Schritt bei der unimolekularen Substitution ist die heterolytische Spaltung der C—XBindung, wobei ein Carbenium-Ion gebildet wird. Der Zusatz starker Nucleophile ändert das Produkt, nicht aber die Reaktionsgeschwindigkeit.

Die unimolekulare

ist die Nebenreaktion der Substitution bei sekundären und tertiären Substraten. Der Zusatz einer

Bei einer hohen

Konzentration

einer starken

Base kann bimolekulare Eliminierung eintreten. Der Austritt der Abgangsgruppe findet gleichzeitig mit der Abstraktion eines Wasserstoffatoms an einem benachbarten Kohlenstoffatom durch eine Base statt. Dieser Mechanismus erfordert eine anti-Konformation von Wasserstoffatom und

Abgangsgruppe. 3 Carbenium-Ionen werden durch Hyperkonjugation stabilisiert, folglich sind tertiäre Carbenium-Ionen stabiler als sekundäre. Primäre und Methyl-Kationen werden in Lösung nicht gebildet. 4

Die

unimolekulare

Substitution

an

einem

asymmetrischen Kohlenstoffatom führt häufig zur Racemisierung.

274

7 Substitution wird begünstigt durch sterisch ungehinderte Substrate und kleine, nur schwach basische Nucleophile. 8 Eliminierung wird begünstigt durch sterisch gehinderte Substrate und räumlich anspruchsvolle, stärker basische Nucleophile.

Auf g ab en

1

Welche

Aufgaben

Hauptprodukte

entstehen

bei

folgenden

Solvolysereak-

tionen?

ne

a

(d)

aecHicenr Fo

CH;

CH3

CH;

Br (b)

N CH3COH

i

=

|

(CH3)>CCH>CH3

Seh

(e)

m

=. CH 3 ec | CH;

CH>CH>

H

CH:

Cl

©)

_CH3OH |

(©)

OD

Chsccı CH;

2 Welche beiden Substitutionsprodukte nebenstehender Reaktion?

entstehen

überwiegend

bei

(a) Erklären Sie die Mechanismen, die zu den einzelnen Produkten führen. (b) Unterbricht man die Reaktion vorzeitig, so findet man ein /somer der Ausgangsverbindung in der Reaktionsmischung. Welche Struktur hat es und wie ist es entstanden?

3

CH;OH

———

€ CH>H

Welche beiden Hauptprodukte entstehen bei folgender Substitutions-

reaktion?

OSO,CH3 H;C

CeHs

CH3CH>OH

>

H;C

CeHs H

4 Wie würde sich das Hinzufügen der folgenden Substanzen Solvolysereaktion in Aufgabe 1 auswirken?

(a) H,O

(d) NaN,

(b) HS

(e) Propanon (Aceton)

(©) KI

(HD CH;CH>OCH3CH;

5 Ordnen Stabilität.

Sie

die

folgenden

Carbenium-Ionen

nach

bei der

abnehmender

+

275

7 Weitere Reaktionen der

6

Halogenalkane

mender Solvolysegeschwindigkeit in wäßrigem Propanon (Aceton).

Ordnen Sie die Verbindungen

der folgenden Gruppen nach abneh-

regen.

(a) CHZCHCH;CH;CI,

SIERT

6) \

San

a: a Cl

Cl

OCCH3

Cl

HO

Br

Cl

CH;

Cl

7 Welche Produkte entstehen bei folgenden Substitutionsreaktionen? Verlaufen sie nach Sl oder Sy2? Stellen Sie die einzelnen Schritte vollständig dar, verwenden Sie Pfeile, um die Elektronenverschiebungen und Bindungsänderungen deutlich zu machen.

(a) (CH,),CHOSO,CF,

CH,CH,OH

—

CH3 (b)

‚konz. HCI, H,O

(c) CH,CH,CH,CH,Br

(C,H )3P, DMSO

—

(d) CHLCH,CHEICH.CH;

en,

Se

8 Geben Sie die Produkte der gezeigten Substitutionsreaktionen an. Welche dieser Umsetzungen sollte schneller in polaren aprotischen Lösungsmitteln (wie Propanon oder DMSO) als in polaren protischen (wie Wasser oder Methanol) ablaufen? Begründen Sie Ihre Antwort anhand des zu erwartenden Mechanismus.

(a) CH,CH,CH;,Br + Na* "CN —

(b) (CH,),CHCH;I + NatN5 — (c) (CH;);CBr

jr HSCH3;CH;

m?

(d) (CH,),CHOSO,CH; + HOCH(CH,), — 9 Schlagen Sie eine Synthese von von (R )-2-Chlorbutan vor.

(R )-CH;CHN;CH;CH;

ausgehend

10 Geben Sie die absolute Konfiguration der Produkte für die beiden folgenden Substitutionsreaktionen von (S)-2-Brombutan an.

ESECERCELCHBICH,

o I

o |

(S)-CH3CH>CHBrCH; BSP

NTER

11 Welche El-Produkte können bei den Reaktionen der Aufgaben 1, 2 und 3 entstehen?

276

12 Welche Produkte entstehen bei folgenden Eliminierungen? Geben Sie für jede Reaktion an, ob sie hauptsächlich nach EI oder E2 verläuft und beschreiben Sie sämtliche mechanistischen Schritte wie in Aufgabe 7. konz. H,SO,, A

_—

0

(a)

(CH3)3COH

(b)

KCHSCHECHSCHSCH-

(e)

(ef)

Br

EHI

Überschuß KOH, CH,CH,OH,

CH3

Nachstehend

PRINT

cl

(d)

13

Aufgaben

sehen

Sie

drei

NaOCH3, CH3OH

a I

Reaktionen

von

2-Chlor-2-methyl-

propan:

DicH)cca en, I (3)

(CH3),CCI

CH;O-K*, CH,OH

(a) Geben Sie das Hauptprodukt jeder Reaktion an. (b) Vergleichen Sie die Geschwindigkeiten der drei Reaktionen, setzen Sie dabei identische Substratkonzentration und Polarität des Mediums voraus. Welche Mechanismen liegen vor? (e) Zeichnen Sie für jede Reaktion ein Diagramm des qualitativen Verlaufs der potentiellen Energie. 14

Geben

Sie bei folgenden Reaktionen

an, ob sie stattfinden, welche

Produkte hauptsächlich entstehen und nach welchem (Sul, Sn2, El oder E2) die Reaktionen ablaufen.

a)

px

EHa@l

Mechanismus

Br

KOCI(CH»)3, (CHz)3COH |

(f)

H

e@

H;C N 7

1 Nal, Propanon (Aceton)

CH>CH3

„F (b)

CHCH;CH;

CH3CHCH;>CH3

KBr, Propanon (Aceton) —

(@) ax

OH

KOH, CH3CH>OH

H

©

Inc

CH>CHz Br ON H

(h)

a

Überschuß KCN,

)-Cichchher een

OSO, (d)

NaNH,, fl. NH,

di Ce—

(e)

NaOCH>CH3, CH3CH>OH CH3CH;OH | (CHz)-CHCH>CH>CH3>Br _NaOCH;CH3,

CH;

|

NaSH, CH,OH

(R)-CH3CH>CHCH3

Beeich.,con

an konz.

HCI, H, 277

7 Weitere Reaktionen der

Br

Halogenalkane

(k)

(CH,).CCI

| (m) . (CH), CCHCH, ru

NaNH,,fl.NH,

CH:CH, 1 _CH3OH |

()

|

Gekane

15 Betrachten Sie die folgende Reaktion. Wird sie unter Substitution oder unter Eliminierung verlaufen? Welche Faktoren bestimmen den wahrscheinlichsten Mechanismus? Geben Sie die erwarteten Produkte an. (Hinweis: Zeichnen Sie das Substrat in der Sessel-Konformation.)

CH3 Cl NaOCH>CH3, CH3CH3OH

'CH3 CH3CHCH3 16 Tragen Sie das Hauptprodukt oder die Hauptprodukte der Reaktion zwischen den Halogenalkanen und den angegebenen Reagenzien in die Tabelle ein. Halogenalkan

Reagenz

H,O

NaSCH;

NaOCH;

KOC(CH;3);

CH;Cl

Ben

et

TEEN

ee

CH;CH;Cl

ET

N

BRRERE

BELN

(CH3),CHCl (CH;),CCl

2

17 Geben Sie für jedes Produkt, das Sie in die Tabelle in Aufgabe 16 eingetragen haben, den Mechanismus an, nach dem es entstanden ist (Snl,

Sn2,

El

oder

B2):

18 Geben Sie für jede der folgenden Gleichungen an, ob die Reaktion rasch, träge oder überhaupt nicht vonstatten geht. Bei Reaktionen, die anders als aufgeführt verlaufen, geben Sie das tatsächliche Reaktionsprodukt an. (a)

CH=CH>CHCH;

NaOH, Propanon (Aceton)

GR

Br

OH

CH3

| (b) CHSCHCH;CI > H (c)

Cl

CH3

| CH3CHCH>OCH3 H,

er

HCN,

CH3OH

CN

“=

CH3 (d)

|

CH3—C—CH;CH>;CH>5 CHR OH

CH3SO-0 278

(CH3CH>)>0

—

CH3

CH3

o

CH3 CH3l (e)

©

CH3 CH>SCH3 NaSCH3,

Aufgaben

CH30H

(ICH.EILCHEBr > ICH CHSCH,N, (e)

(CH,),CCI

Nal, Propanon REN

(CH3,);CI

CH;3I (h) (CH,CH,),0 3 (CH,CH,),ÖCH; + I”

6) CHIT->» CH,OCH, CH;0H

= Zar errcHh-ch

Geeukerierenicer

gs

CH; (k) CH,CHCH;CH,CI

() (CH,CH,);COCH,

N2OCHCH, SHRetBOH, CH,CHCH=CH; NaBr, CH,OH

u —

(CH,CH,),CBr

19 Entwerfen Sie Synthesen für die nachfolgend aufgeführten Verbindungen, ausgehend von den angegebenen Substanzen. Wählen Sie nach Belieben die Lösungsmittel oder zusätzliche Reagenzien. In manchen Fällen werden Sie stets Produktgemische erhalten, geben Sie dann die Reagenzien und die Bedingungen an, die zu einer maximalen Ausbeute des erwünschten Produkts führen (vgl. Aufgabe 16 in Kap. 6). I

(a) (b) (c) (d) (e)

DL

CHSCHZCHCH5, aus Butan CH,CH,CH3;CHj3I, aus Butan (CH.),COCH,, aus Methan und 2-Methylpropan Cyclohexen, aus Cyclohexan Cyclohexanol, aus Cyclohexan

Kohn aus HOCH,CH,CH,CH,OH.

en (8) CO

aus 1,3-Dibrompropan.

20 2-Brom-2-phenylpropan (siehe Rand) wird nach einem unimolekularen Mechanismus streng nach erster Ordnung hydrolysiert. Bei einer Konzentration [RBr] = 0.1 mol//L in 9:1 Propanon/Wasser mißt man eine Reaktionsgeschwindigkeit von 2 x 10° mol/(L s).

ne

Ne.

>

u CH

(a) Errechnen Sie daraus die Geschwindigkeitskonstante k. Welches Produkt entsteht? (b) In Gegenwart von 0.1 mol/L LiCl wird die Reaktion schneller,

4 x 10°* mol/(L s), obwohl sie weiterhin genau nach erster Ordnung verläuft. Berechnen Sie die neue Geschwindigkeitskontante kı;cı und erklären Sie die Wirkung von LiCl. (ec) Wenn anstelle von LiCl 0.1 moVL LiBr vorliegen, sinkt die Reak-

tionsgeschwindigkeit auf 1.6 x 10°* mol/(L s). Wie erklären Sie sich das? Beschreiben Sie die Reaktion mit chemischen Gleichungen! 21 Die nachfolgend dargestellten cyclischen Carbenium-Ionen sind von unterschiedlicher Stabilität. Schlagen Sie eine Stabilitätsreihe vor und begründen Sie diese.

Are]

Cyclopropyl

Cyclobutyl

Cyclohexyl

279

7 Weitere Reaktionen der

Halogenalkane

22 Ordnen Sie nachstehenden Reaktionen das passende Reaktionsprofil (s.u.) zu. Zeichnen Sie die Übergangszustände, Zwischenstufen oder Produkte, die auf den Energiekurven mit einem Großbuchstaben bezeichnet sind. (a) (CH;);CCl

=

(C,H; )3P rd

(b) (CH3;),;CHI + KBr — (c) (CH;);COH

+

HBr

>

(d) CH,CH,Br + NaOCH;CH, > (1)

(2)

A

@

E

E D B Reaktionskoordinate —o

Reaktionskoordinate —>

(3)

(4)

E G E

E

F H

Reaktionskoordinate —>

Reaktionskoordinate —>

23 Welches ist das wahrscheinlichste Produkt der Reaktion von 4-Chlor-4-methyl-I-pentanol in neutralem, polaren Lösungsmittel? Die Summenformel des Produkts lautet C,H,,O.

Cs

| (CH»),CCH;CH;CH;OH —

HCI + ?

Dieselbe Verbindung in basischer Lösung ergibt ein Produkt mit derselben Summenformel C,H],O, das aber eine völlig andere Struktur hat. Welches Produkt entsteht, und wie erklären Sie die unterschiedlichen Ergebnisse?

24 Die nachstehend gezeigte Reaktion kann sowohl nach El als auch nach E2 verlaufen. CH;

re

|

CH;

_NaOCH;,CH5OH |GEHLCH=C(CEHL I HIGH CH: CE «

CH;

Die Geschwindigkeitskonstante für El lautet kg; = 1.4 x 10°* s', die Geschwindigkeitskonstante für E2 lautet kp = 1.9 x 10°* L/(mol s); die Halogenalkan-Konzentration beträgt 0.02 moVL. 280

(a) Welcher Eliminierungsmechanismus herrscht vor bei einer Konzentration von NaOCH; von 0.5 mol/L?

(b) Welcher

Eliminierungsmechanismus

überwiegt

bei

Aufgaben

einer

NaOCH;-Konzentration von 2.0 mol/L? (ce) Bei welcher Konzentration der Base reagiert das Substrat genau zu 50% nach E1 und zu 50% nach E2?

25 Schüttelt man 2-Methyl-2-propanol mit konzentriertem wäßrigen HBr, bildet sich schnell 2-Brom-2-methylpropan (siehe Rand) in einer Umkehrung der Sn1-Hydrolyse (Abschn. 7.1). Schlagen Sie einen detaillierten Mechanismus für diese Reaktion vor.

(CH;);COH ee { (CH;);CBr

26 Ein sekundäres Halogenalkan reagiert mit jedem der unten aufgeführten Nucleophile in einem polaren protischen Solvens (die pK,Werte der konjugierten Säuren der Nucleophile sind in Klammern angegeben). Geben Sie für jede Reaktion das Hauptprodukt und den vorliegenden Mechanismus an.

(a) N; (4.6) (b) NH (35)

(DEF (3.2) (9) CHsO” (9.9)

() NH, 95) (d) HSe” (3.7) (e) H” (38)

(PH; (-12) () NH>OH (6.0) () NCS” (-0.7)

27 Cortison ist ein Steroid, das entzündungshemmend erhält es leicht aus dem unten gezeigten Alken.

wirkt.

Man

Ye

2

CH>OH

Ge

|

CH3

en

az

OÖ

CH3

HO= Alken

Cortison

Nachstehend sind drei chlorierte Verbindungen gezeigt. Zwei davon ergeben mit einer Base unter E2-Eliminierung gute Ausbeuten des oben gezeigten Alkens. Mit welcher Verbindung ist das nicht möglich und weshalb? Welches Produkt erhält man in diesem Fall durch eine E2-Eliminierung?

A

B

C

28 Das Ringsystem von trans-Bicyclo[4.4.0]decan-Derivaten ist als Teil von Steroidgerüsten von besonderem Interesse. Fertigen Sie sich Modelle der am Rand gezeigten bromierten Systeme an, und beantworten Sie mit deren Hilfe folgende Fragen:

281

(a) Eines der am Rand gezeigten Moleküle reagiert in einer E2Reaktion mit NaAOCH3>CH; in CH;CH,OH wesentlich schneller als das andere. Welches Molekül ist das und weshalb? (b) Deuteriert man das Kohlenstoffatom neben dem bromsubstituierten Kohlenstoffatom, erhält man folgendes Ergebnis:

CH3z

CH; Br

CH3 NaOCH>CH3, CH3CH>OH

(D vollständig erhalten)

>

CH;

i

CH;

CH;

ji)

NaOCH;CH3, CHsCH;OH „ De

(D vollständig

|

|

az is ee CH3

H

abgespalten)

CH;

Geben Sie bei jeder Reaktion an, ob syn- oder anti-Eliminierung vorliegt. Zeichnen Sie jeweils die Konformation, die das Molekül vor der Eliminierung annehmen muß. Kann Ihnen das helfen, die Frage a zu lösen? Auf welche Weise? (ec) Finden Sie bei jeder der in b beschriebenen Reaktionen einen Deuterium-Isotopeneffekt? Erklären Sie ihre Antwort!

Gruppenübung 29 Betrachten wir den allgemeinen Mechanismus und Eliminierungsreaktion eines Bromalkans. R—Br

mr

R—Nu

Wie wird der Reaktionsmechanismus flußt, wenn

die Struktur des Substrates

einer Substitutions-

+ Alken

und die Produktbildung beeinund die Reaktionsbedingungen

verändert werden? Um die Einzelheiten der bimolekularen und unimolekularen Substitutions- und Eliminierungsreaktionen detaillierter zu betrachten,

sehen

Sie sich die Umsetzungen

der Bromalkane

A bis D

unter den Bedingungen a) bis e) an. Teilen Sie die Aufgabe unter sich so auf, daß jeder von Ihnen sich mit der Frage nach Reaktionsmechanismen und qualitativer Produktverteilung auseinandersetzen muß. Besprechen Sie Ihre Ergebnisse und kommen Sie zu einem Konsens. Wenn Sie Ihrer Gruppe einen Reaktionsmechanismus erläutern, benutzen Sie zur Darstellung gebogene Pfeile um die Verschiebung der Elektronen darzustellen. Geben Sie die absoluten Konfigurationen der Substrate und Produkte mit R und $ an.

D

D

no

AM

Br

Br

Br

B

(a) NaN;, DMF

282

(b) LDA, DMF

c

(ec) NaOH, DMF

Br ni

D

(d) CH;CO "Na", CH;COH

(e) CH3;OH

Alkohole Eigenschaften der Hydroxyverbindungen, Einführung in die Synthesestrategie

Der Begriff „Alkohol“ wird, ob im erfreulichen Sinne oder nicht, meist

mit Trinkalkohol, Ethanol, in Verbindung gebracht. Die stimulierende Wirkung nach (maßvollem) Alkoholgenuß ist seit tausenden von Jahren bekannt. Das ist nicht sehr überraschend, denn Ethanol kann auf natürlichem Wege durch die Fermentation von Kohlenhydraten erzeugt wer-

den. Beispielsweise wird bei der Behandlung einer wäßrigen Zuckerlösung mit Hefe Kohlendioxid (CO) entwickelt, und es kommt dabei zur Bildung von Ethanol. Hefe-Enzyme C,H,:0%

a

u CH;CH>OH

Zucker

et

CO,

Ethanol

In diesem Kapitel wird eine Einführung in die Chemie der Alkohole gegeben. Wie wir aus Kapitel 2 wissen, enthalten Alkohole den Substituenten OH, die Hydroxy-Gruppe, und man kann sie als Derivate des Wassers ansehen, bei denen ein Wasserstoffatom durch eine Alkylgruppe ‚ersetzt ist. Der Ersatz des zweiten Wasserstoffatoms liefert einen Ether (Kapitel 9).

H=O_reet20- m, VCH Wasser

.

OSCH.

Methanol

Methoxymethan

(ein Alkohol)

(ein Ether)

Alkohole kommen in der Natur häufig und in vielfältiger Struktur vor (siehe z.B. Abschn. 4.7). Einfache Alkohole werden als Lösungsmittel benutzt, andere sind wichtig für die Synthese komplexer Moleküle. Sie sind auch ein gutes Beispiel dafür, wie die Eigenschaften und die Anwendungen organischer Verbindungen durch die funktionellen Gruppen bestimmt werden. Nach der Nomenklatur der Alkohole diskutieren wir ihre Strukturen und andere physikalische Eigenschaften im Vergleich zu den Alkanen und Halogenalkanen. Schließlich lernen wir anhand der Darstellung der Alkohole effiziente Synthesestrategien für neue organische Verbindungen kennen. 283

8 Alkohole

8.1 Nomenklatur der Alkohole Wie auch bei anderen Verbindungsklassen benutzt man für Alkohole systematische und Trivialnamen. Nach der systematischen IUPAC-Nomenklatur werden Alkohole als Alkanderivate behandelt. Dem Namen des Alkans wird die Endung -ol angehängt, aus dem Alkan wird ein Alkanol. Der einfachste Alkohol, Methanol, leitet sich von Methan ab. Ethanol ist ein Derivat des Ethans, Propanol stammt von Propan usw. Bei komplizierten verzweigten Systemen richtet sich der Name des Alkohols nach der längsten Kette, die den OH-Substituenten trägt. Diese muß nicht unbedingt die längste Kohlenstoffkette im Molekül sein.

OH ein Methylheptanol

ein Methylpropyloctanol

Um den Platz der funktionellen Gruppe im Molekül festzulegen, beginnt man mit der Zählung so, daß die OH-Gruppe eine möglichst niedrige Nummer erhält. H

u

voraleg

A

CH;3CH>CH>0OH

Wade

1-Propanol

OH 2-Propanol

H

EL

a

SE;

ernie

-

OH 2-Pentanol

Damit ist die Numerierung anderer Substituenten der Kette automatisch festgelegt. Die Namen dieser Substituenten werden dem Alkanol vorangestellt. Komplexe Alkylsubstituenten werden nach den IUPACRegeln für Kohlenwasserstoffe benannt (Abschn. 2.3). Stehen für die Benennung zwei Ketten gleicher Länge zur Auswahl, wählt man diejenige mit der größeren Anzahl von Substituenten.

6

3

l

3

4

3

HOCH>CH>CHCH>CH>CH3

CH3

2

5-Methyl-3-propyl-I-hexanol

2,2,5-Trimethyl-3-hexanol

2-Methyl-1-propanol

N

TERIETEE

.

Bet

CH;CHCH>OH :

F

CH; HO CH;

CH;

[nicht 3-(2-Methylpropyl)-1-hexanol]

Cyclische Alkohole tuenten

tragen,

zählt

heißen man

Cycloalkanole;

so, daß

das

funktionelle Gruppe bindet, die Nummer

wenn

sie weitere

Kohlenstoffatom,

Substi-

welches

die

1 erhält.

OH

HO

CH;CH;

OH 1

Cyclohexanol

1-Ethyleyclopentanol

cis3-Chlorcyclobutanol

Die OH-Gruppe als Teil eines Moleküls ist eine Hydroxygruppe. Wie Alkylsubstituenten und Halogenalkane teilen wir Alkohole in primäre, sekundäre und tertiäre Alkanole ein: 284

RCH>OH

OH

OH |

RCR’

RCR’

H

primärer Alkohol

8.2

Struktur und physikalische Eigenschaften der Alkohole

R”

sekundärer Alkohol

tertiärer Alkohol

Übung 8-1 Zeichnen Sie die Formeln folgender Alkohole: (a) (S)-3-Methyl-3-hexanol; (b) trans-2Bromeyclopentanol; (c) 2,2-Dimethyl-1-propanol (Neopentylalkohol). Übung 8-2 Benennen Sie folgende Verbindungen:

v

eg

OH

(a) CH;CHCH>CHCH,;

(b) CH;CH

han. 2

(©) CH,CHCHCH>OH

In der chemischen Umgangssprache werden Alkohole als Alkylderivate behandelt, wobei dem Namen der Alkylgruppe das Wort „Alkohol“ nachgestellt wird. In der älteren Literatur findet man solche Namen noch oft, wir sollten sie aber nicht mehr verwenden.

CH;

CH;

CH;CH

N

CH,OH

OH

Methylalkohol

Isopropylalkohol

CH; tert-Butylalkohol

Manche häufig verwendete Alkohole haben Trivialnamen:

CH>OH HCOH HOCH3;>CH>0OH Ethylenglycol (1,2-Ethandiol)

CH>0OH Glycerin (1,2,3-Propantriol)

Die Stellung eines Substituenten bezüglich der funktionellen Gruppe

dr

Bu.

wird durch einen griechischen Buchstaben angegeben. Das Kohlenstoff-

CICHZCHZCHZCHZOH

atom, das die Hydroxygruppe trägt, ist das a-Atom, das benachbarte Kohlenstoffatom heißt ß, und entsprechend wird die Kette alphabetisch weitergezählt. Wir fassen zusammen: Nach der IUPAC-Nomenklatur sind Alkohole Alkanole. Die längste Kette, die die Hydroxygruppe trägt, gibt der Verbindung den Namen. Die funktionelle Gruppe erhält eine möglichst niedrige Nummer. In Trivialnamen kennzeichnen griechische Buchstaben die Stellung weiterer Substituenten bezüglich der OH-Gruppe.

ö-Chlorbutylalkohol

:8.2 Struktur und physikalische Eigenschaften der Alkohole Die physikalischen Eigenschaften der Alkohole werden durch die Anwesenheit der funktionellen Hydroxygruppe geprägt. Die Polarität der Hydroxygruppe bewirkt die Assoziation der Alkoholmoleküle über Wasserstoffbrücken. Diese Eigenschaft spiegelt sich im Löslichkeitsverhalten und in den Siedepunkten wider.

285

8 Alkohole

Die Struktur der Alkohole ähnelt der des Wassers In Abbildung 8-1 ist gezeigt, wie stark die Struktur des Methanols der des Wassermoleküls und der des Methoxymethans (Dimethylether) ähnelt. In allen drei Molekülen ist das Sauerstoffatom annähernd sp°hybridisiert, so daß der Bindungswinkel annähernd der Tetraederwinkel ist. Die geringen Unterschiede in Bindungswinkeln und Bindungslängen sind auf sterische Effekte zurückzuführen, die beim Austausch von Was-

serstoffatomen gegen Alkylgruppen auftreten. Der Winkel R-O-—-R nimmt z.B. von 104.5° über 108.9° auf 111.7° zu, wenn man schrittweise H durch CH; ersetzt. Hauptsächlich aufgrund der höheren Elektronegativität des Sauerstoffs verglichen mit der des Kohlenstoffs ist die O—HBindung beträchtlich kürzer als die C—H-Bindung. In Einklang damit nimmt die Bindungsstärke zu: DH’(OH) = 435 kJ/mol, DH’(CH) = 410 kJ/mol. Die Elektronegativität des Sauerstoffs bewirkt eine ungleichmäßige Ladungsverteilung im Molekül, so daß ein Dipolmoment ähnlich dem in Wasser entsteht (Abschn. 1.6). Dipolmomente von Wasser und Methanol 6.0 x 10°°°Cm

Sn H

H

ER a oO

CH3

H

Dipolmoment (insgesamt)

Dipolmoment (insgesamt)

‘Oo:

Su

H 110 pm 03ma 111.7

109

o

H

HH

ins SC-=B

H

„e Wasser

Methanol

Methoxymethan

Abb. 8-1 Die Ähnlichkeit der Strukturen von Wasser, Methanol und Methoxymethan. Kohlenstoff- und Sauerstoffatom sind nahezu sp’-hybridisiert, so daß die Bindungswinkel am Sauerstoffatom annähernd Tetraederwinkel sind. Erinnern Sie sich, daß das tetraedrische Sauerstoffatom zwei freie Elektronenpaare in zwei nichtbindenden sp’-Hybridorbitalen

trägt. Dies wird in der Struktur B besonders gut sichtbar.

Wasserstoffbrücken-Bindungen erhöhen die Siedepunkte und die Löslichkeiten in Wasser Bei der Diskussion der physikalischen Eigenschaften der Halogenalkane (Abschn. 6.2) stellten wir fest, daß polare Alkylderivate generell höher sieden als die entsprechenden unpolaren Alkane. Das Dipolmoment eines Alkohols gleicht in etwa dem eines entsprechenden Halogenalkans

(z.B. CH;Cl, u = 6.5x 10° C m; CH,OH, u

57x LICH

ähnliche Korrelation von Dipolmomenten und Siedepunkten wäre daher auch bei vergleichbaren Vertretern dieser beiden Verbindungsklassen zu erwarten. Tabelle 8-1 zeigt jedoch, daß das nicht zutrifft. Tatsächlich finden wir, daß die Siedepunkte der Alkohole ungewöhnlich hoch sind, viel höher als die von Alkanen und Halogenalkanen vergleichbarer Größe. Wie läßt sich das erklären?

286

Tabelle 8-1 Physikalische Eigenschaften von Alkoholen und ausgewählten analogen Halogenalkanen und Alkanen

Verbindung

TUPAC-

Trivial-

Schmelzpunkt

Siedepunkt

Löslichkeit

Name

name

ine

In

in H,O bei 23°C

CH;OH

Methanol

CH;Cl

Chlormethan

Methylalkohol Methylchlorid

— 97.8 MU 1825 — 114.7 — 136.4 — 1833 265 805 ID — 187.7

65.0 —24.2 — ll 78.5 103 —88.6 97.4 82.4 Sl —42.1 117.3 82.2 138 114

CH;

Methan

CH;CH,OH CH;CH>Cl

Ethanol Chlorethan

CH;CH;

Ethan

CH;CH>CH>0H CH;CHOHCH;

1-Propanol 2-Propanol

CH;CHECICH3

2-Chlorpropan

CH;CH3;CH; CH;CH;,CH;>CH>,OH

Propan 1-Butanol

(CH;);COH

2-Methyl-2-propanol

CH;(CH3)4OH

1-Pentanol

(CH3;);CCH;0OH

2,2-Dimethyl-I-propanol

Ethylalkohol Ehtylchlorid

Propylalkohol Isopropylalkohol Isopropylchlorid Butylalkohol tert-Butylalkohol Pentylalkohol Neopentylalkohol

899 23 = 53

@

unbegrenzt 0.74 g/100 ml 3.5 ml (g)/100 ml unbegrenzt 0.477 g/100 ml 4.7 ml (g)/100 ml unbegrenzt unbegrenzt 0.305 g/100 ml 6.5 ml (g)/100 ml 8.0 g/100 ml unbegrenzt 2.2 g/100 ml unbegrenzt

Der Grund dafür liegt in der Ausbildung von Wasserstoffbrücken. Bei Alkoholen werden diese zwischen dem Sauerstoffatom des einen Moleküls und dem Hydroxy-Wasserstoffatom eines anderen Moleküls gebildet. Diese Wechselwirkung führt zu einem weiten Netz derart verknüptfter Moleküle (Abb. 8-2A). Obwohl eine Wasserstoffbrücken-Bindung

viel schwächer ist (DH® — 21 kJ/mol) als eine kovalente O—H-Bindung (DH” = 435 kJ/mol) — was sich auch in der relativ langen Wasserstoffbrücken-Bindung äußert (Abb. 8-2A) — erschwert jedoch die Vielzahl der vorhandenen Wasserstoffbrücken das Verlassen der flüssigen Phase. Dies führt zu verhältnismäßig hohen Siedepunkten. In Wasser ist dieser Effekt noch stärker ausgeprägt, da hier zwei Wasserstoffatome für Wasserstoffbrücken zur Verfügung stehen (Abb. 8-2B). In reinem flüssigem Wasser ist jedes Molekül im Durchschnitt an 3.4 Nachbarmoleküle durch Wasserstoffbrücken gebunden. Obwohl diese Bindungen ständig gelöst und neu geknüpft werden, besteht doch im Ganzen eine hochgeordnete Struktur. Dies erklärt auch den - bei einer molaren Masse von 18 g/mol — ungewöhnlich hohen Siedepunkt (100°C) des Wassers. Ohne diese Wasserstoffbrücken wäre Wasser unter Normalbedingungen ein Gas. Bedenkt man, daß Wasser die Grundlage des Lebens ist, kann man sich kaum vorstellen, wie die Evolution auf unserem Planeten ohne flüssiges Wasser verlaufen wäre. Die Fähigkeit zur Ausbildung von Wasserstoffbrücken ist für die gute Wasserlöslichkeit vieler Alkohole verantwortlich (Tab. 8-1). Die Löslichkeit ist um so besser, je kleiner die Alkylkette des Alkohols ist. Die unpolaren Alkane lösen sich schlecht in Wasser. Deshalb nennt man sie hydrophob (vom griechischen hydro, Wasser, und phobos, Furcht). Dagegen, kann Wasser die Hydroxygruppe und andere polare Gruppen (z.B. COOH und NH,) solvatisieren. Man nennt sie deshalb hydrophil. 96 pm

(DH® = 435 kJ/mol)

H°

ER

207 pm

(DH° = 21 kJ/mol)

Abb. 8-2 Wasserstoffbrücken-Bindungen (A) zwischen Alkoholmolekülen und (B) zwischen Alkohol- und Wassermolekülen.

287

8 Alkohole

Methanol

1-Pentanol

Abb. 8-3 Hydrophobe (grün) und hydrophile (rot) Teile von Methanol und von 1-Pentanol (Kalottenmodelle). Die polare funktionelle Gruppe bestimmt die physikalischen Eigenschaften von Methanol: Die Verbindung ist in Wasser unbegrenzt löslich, jedoch nur teilweise in Hexan. Im Unterschied dazu führt der große hydrophobe Anteil in 1-Pentanol zu einer unbegrenzten Löslichkeit in Hexan und einer verminderten Löslichkeit in Wasser

(Tab. 8-1).

Tabelle 8-1 zeigt, daß die Löslichkeit von Alkoholen in polaren Lösungsmitteln abnimmt, wenn der hydrophobe Alkylteil des Moleküls größer wird. Gleichzeitig nimmt die Löslichkeit in unpolaren Lösungsmitteln zu (Abb. 8-3). Alkohole sind beispielsweise gut geeignet, um fetthaltige Ablagerungen auf den Tonköpfen von Kassetten- oder Videorecordern zu entfernen. Durch ihre ‚„wasserähnliche“

Struktur sind die niederen Alkohole,

besonders Methanol und Ethanol, ausgezeichnete Lösungsmittel für polare Verbindungen und sogar Salze. Auch in Sn2-Reaktionen werden sie häufig verwendet (Kapitel 6). Wir fassen zusammen: Das Sauerstoffatom in Alkoholen (und Ethern) ist tetraedrisch umgeben und nahezu sp’-hybridisiert. Die kovalente O—H-Bindung ist stärker als die C—H-Bindung. Das elektronegative Sauerstoffatom bewirkt ein beachtliches Dipolmoment in Alkoholen und Ethern. Alkoholmoleküle bilden untereinander Wasserstoffbrücken. Diese sind für die relativ hohen Siedepunkte und für die gute Löslichkeit von Alkoholen in polaren Lösungsmitteln verantwortlich.

8.3 Alkohole sind Säuren und Basen Alkohole sind Säuren, sie werden durch Basen deprotoniert und bilden Alkoxidsalze (Abschn. 6.7; Tab. 6-4). In diesem Abschnitt wollen wir untersuchen, wie induktive und sterische Effekte sowie die Polarisierbar-

keit die pK,-Werte der Alkohole beeinflussen. Alkohole reagieren auch basisch, indem das freie Elektronenpaar des Sauerstoffatoms

ein Proton

bindet. Dadurch entsteht ein Alkyloxonium-Ion (Abschn. 6.7).

Die Säurestärken von Alkoholen

und Wasser sind ähnlich

Die Acidität von Alkoholen in Wasser wird durch die Gleichgewichts-

konstante K ausgedrückt (Abschn. 6.7): K

ROH

+ MO

ZRH;

0?

+ RO AlkoxidIon

Wird das Gleichgewicht in Wasser gemessen, so kann man die Konzentration von Wasser als konstant (55.5 mol/L) ansehen neue Gleichgewichtskonstante K, mit einbeziehen: 1A

R =

KIH>0]

_ [50°] [RO]

Z= ROH

und PK, =. —log K,

moVL

und

in eine

Tabelle 8-2 pK,-Werte einiger Alkohole und verwandter Verbindungen in Wasser

8.3

Verbindung

pK,

Verbindung

pK,

H,O CH;OH CH;CH;OH (CH;);CHOH (CH3);COH H;0;

15% 195 1559 17.1 18 11.64

HOCI CICH,CH,OH CF;CH,OH CF;CH;CH,0H CF;CH;CH,CH,OH

7.53 14.3 12.4 14.6 15.4

Alkohole sind Säuren und Basen

Tabelle 8-2 enthält die pK,-Werte verschiedener Alkohole und verwandter Verbindungen. Vergleicht man diese mit den Werten von Mineralsäuren

und anderen

starken

Säuren

in Tabelle

6-4, sieht man,

daß

Alkohole wie Wasser recht schwache Säuren sind. Ihre Acidität ist jedoch sehr viel größer als die von Alkanen und Halogenalkanen. Im Gegensatz zu Alkanen und Halogenalkanen reagieren Alkohole auch sauer, da das positiv polarisierte Wasserstoffatom als Proton an eine Base abgegeben werden kann. Dadurch entsteht ein negativ geladenes Alkoxid-Ion, in dem wiederum die Elektronegativität des Sauerstoffatoms die Ladung stabilisiert. Um das Gleichgewicht zwischen Alkohol und Alkoxid auf die Seite der konjugierten Base zu verschieben, muß man eine stärkere Base als das Alkoxid einsetzen; mit anderen Worten: Die Konjugierte Säure der Base muß schwächer als der Alkohol sein. Als Beispiel betrachten wir die

Reaktion

zwischen

Natriumamid,

NaNH3,,

und

Methanol,

die zu

Natriummethoxid und Ammoniak führt. K CH;0OH + NATNH, ——CH3;30O7Na* pKa

=

15.5

Natriumamid

Natriummethoxid

+ NH; pKa

=

35

Das Gleichgewicht liegt hier weit auf der rechten Seite (K- 10° > = 10'”°), da Methanol eine viel stärkere Säure ist als Ammoniak oder, anders ausgedrückt, weil das Amid-Ion eine viel stärkere Base ist als Methoxid. In Abschnitt 9.1 werden wir sehen, daß bei der Darstellung von Alkoxiden starke Basen eingesetzt werden. Bei vielen Reaktionen

genügt es, das Alkoxid während

der Reaktion

zu erzeugen, wo es dann in der Gleichgewichtskonzentration Zu diesem Zweck gibt man ein Alkalihydroxid zum Alkohol. CH;CH;0OH pK, = 15.9

+ NA*!OH"-

K =

CH3;CH>0O”"Na*

vorliegt.

+ HHO pk, = 15.7

In: Gegenwart dieser Base liegt der Alkohol etwa zur Hälfte als Alkoxid vor, wenn äquimolare Konzentrationen der Reaktionspartner eingesetzt werden. Übung 8-3 Welche der folgenden Basen ist hinreichend stark, eine praktisch vollständige Deprotonierung von Methanol zu erreichen? In Klammern sind die pK,-Werte der jeweils konjugierten Säuren angegeben,

(a) KCN (9.2); (b) CH;CH;CH;CH;Li (50); (c) CH3CO;Na (4.7); (d) LIN[CH(CH3),]; (LDA, 40); (e) KH (38); (£) CH;SNa (10).

Sterische Hinderung und induktive Effekte beeinflussen die pK,-Werte von Alkoholen Wie aus der ersten Spalte von Tabelle 8-2 ersichtlich ist, nehmen die pK,-Werte der Alkohole von Methanol zu primären, sekundären und tertiären Systemen hin zu. 289

8

pX,-Werte von Alkoholen in Lösung

Alkohole

CH;OH < primär < sekundär < tertiär stärkste Säure

schwächste Säure

Diese Reihenfolge ist darauf zurückzuführen, daß die Solvatation und die Ausbildung von Wasserstoffbrücken bei großen Molekülen sterisch gehindert sind. Da sowohl Solvatation wie auch Wasserstoffbrücken-Bindungen die negative Ladung des Sauerstoff-Ions stabilisieren, wirkt sich die Beeinträchtigung dieser Prozesse auf den pK, aus.* Die zweite Spalte in Tabelle 8-2 zeigt einen weiteren Beitrag zum pK,-Wert der Alkohole: Halogenatome im Molekül erhöhen die Säurestärke. Das Kohlenstoffatom der C—X-Bindung ist wegen der hohen Elektronegativität der Halogene positiv polarisiert (Abschn. 1.6). Die elektronenziehende Eigenschaft der Halogenatome bewirkt, daß auch die benachbarten Atome geringfügig positiv geladen werden. Diese Weiterleitung einer Ladung entlang einer Kette von Atomen wird induktiver Effekt

genannt

(Abschn.

1.6). Dieser

Effekt

ist dafür verantwortlich,

daß die negative Ladung des Alkoxid-Sauerstoffatoms durch elektrostatische Anziehung stabilisiert wird. Der induktive Effekt wächst mit der Anzahl der elektronegativen Gruppen, aber er sinkt mit zunehmender Distanz vom Sauerstoffatom. © Übung 8-4 Ordnen Sie folgende Alkohole nach zunehmender Aecidität:

OH

OH

OH

OH cl

Cl cl ©

Übung 8-5 Auf welcher Seite bei folgender Reaktion liegt das Gleichgewicht in Lösung (äquimolare Anfangskonzentrationen vorausgesetzt)?

(CH3);CO- + CHHOH —> (CH3);COH + CH30-

Durch das freie Elektronenpaar des Sauerstoffatoms reagieren Alkohole basisch Tabelle 8-3 pX,-Werte einiger protonierter Alkohole Verbindung

a) I

CH,OH; CH,CH,OH; (CH,);CHOH, (CH3),;COH>

ala N Dem D [0'e] DON

Alkohole können nicht nur als Säuren, sondern aufgrund der beiden freien Elektronenpaare am Sauerstoffatom auch als Basen reagieren. In Abschnitt 6.7 wurden Alkohole als Basen bereits erwähnt, wir erfuhren,

daß sehr starke Säuren die OH-Gruppe protonieren. Alkohole sind jedoch nur sehr schwach basisch, wie aus den niedrigen pK,-Werten ihrer (Tab.

den Alkyloxonium-Ionen, die sowohl sauer als auch

ersichtlich ist basisch wirkt,

nennt man amphoter (vom griechischen ampho, beide). Die amphotere Natur der funktionellen Hydroxygruppe prägt das chemische Verhalten der Alkohole. In stark saurer Lösung liegen sie als Alkyloxonium-Ionen vor, in neutralem Medium als Alkohole, in stark basischer Lösung als Alkoxide. Amphotere Verbindungen haben mehr als einen pK,-Wert. Diese Eigenschaft finden wir sonst nur bei einigen Mineralsäuren, z.B. Schwefelsäure und Phosphorsäure, die mehr als einmal deprotoniert werden können. Normalerweise bezieht sich der pK, eines Alkohols jedoch auf sein Gleichgewicht mit dem Alkoxid und nicht mit dem Alkyloxonium-Ion. *

2%

konjugierten Säuren, 8-3). Eine Substanz,

In der Gasphase ist aufgrund der fehlenden Solvation die Aciditätsskala gerade umgekehrt. Die Erklärung dafür ist in der Polarisierbarkeit zu suchen: Verzweigte Alkylsubstituenten stabilisieren die Ladung besser.

8.4 x 8

starke Säure

R-—O

m

IR

H

schwache Säure ROH

schwache Base

Alkyloxonium-Ion

——

mm

RO

7

und Ethen

starke Base

Alkohol

Technische Alkohol-

synthesen mit Kohlenmonoxid

Alkoxid

Wir halten fest: Alkohole sind amphoter. Das elektronegative Sauerstoffatom bewirkt ein schwach saures Verhalten. In Lösung beeinträchtigen sperrige Substituenten die Solvatation und erhöhen damit die pXK,Werte. Die entgegengesetzte Wirkung, die Stabilisierung der negativen Ladung durch die größere Polarisierbarkeit von Alkylsubstituenten kommt nur in der Gasphase zum Tragen. Elektronenziehende Substituenten in der Nähe der funktionellen Gruppe senken den pK,-Wert. Alkohole sind auch schwach basisch und können ein Proton (oder eine Lewis-Säure,

z.B.

ein

Carbenium-Ion)

binden.

Dadurch

entstehen

Alkyloxonium-Ionen.

8.4 Technische Alkoholsynthesen mit Kohlenmonoxid und Ethen Wenden wir uns nun der Darstellung der Alkohole zu. Wir beginnen in diesem Abschnitt mit wichtigen Methoden für die technische Darstellung, im nächsten Abschnitt werden dann allgemeine Laborverfahren behandelt, mit denen die Hydroxygruppe als funktionelle Gruppe in die verschiedensten organischen Moleküle eingeführt werden kann. 1993 wurden in der Bundesrepublik Deutschland über 1200000 Tonnen Methanol hergestellt. Bei diesem Verfahren wird ein Gasgemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff (Synthesegas) katalytisch unter hohem Druck umgesetzt, wobei CO zu CH;OH hydriert, d.h. reduziert wird. Der Katalysator besteht aus Kupfer, Zinkoxid und Chrom(III)oxid. Cu/ZnO/Cr,O,, 250°C, 5-10 MPa

Beim Erhitzen von Synthesegas in Gegenwart von Rhodium- oder Rutheniumkatalysatoren unter hohem Druck entsteht selektiv 1,2Ethandiol (Ethylenglycol) durch reduktive Kopplung von CO. 1,2Ethandiol spielt in der chemischen Industrie eine wichtige Rolle. Hauptsächlich wird es jedoch durch Hydrolyse des cyclischen Ethers Oxacyclopropan (Oxiran, Ethylenoxid) dargestellt (Abschn. 9.8). -:2C0

+ 3H3

Rh oder Ru, Druck, Erhitzen

jnharie

OH

OH

1,2-Ethandiol

(Ethylenglycol) Die selektive Bildung eines einzigen Produkts aus Synthesegas ist technisch besonders interessant, da Mischungen aus CO und H, durch ‚Kohlevergasung in Gegenwart von Wasser leicht herzustellen sind (ungefähre Zusammensetzung von Kohle siehe Abschn. 15.6).

Kohle

Luft, H,O, A

—

xCO +yH,

Die reichen Kohlelagerstätten der Erde bilden daher die Basis für chemische Grundstoffe und weitere wichtige Produkte, unter ihnen auch flüssige Kraftstoffe. Diese als Fischer-Tropsch-Reaktion bekannte Eisen- oder Cobalt-katalysierte Bildung von Kohlenwasserstoffen aus Synthesegas wurde um die Jahrhundertwende entdeckt und in Deutsch-

291

8

Alkohole

land in den zwanziger Jahren weiterentwickelt. Im zweiten Weltkrieg, als das Land von Ölimporten abgeschlossen war, war es mit der Fischer-Tropsch-Synthese möglich, den Energiebedarf, vor allem den Bedarf

an

flüssigen

Kraftstoffen,

aus

heimischer

Kohle

zu

decken.

Gegenwärtig ist Südafrika das einzige Land, das einen Großteil seines Treibstoffbedarfs durch die Fischer-Tropsch-Reaktion deckt. nCO

+(2n +1)H,

Co oder Fe, Druck, 200-350°C

PER Rt ne

C,Ha„n+2 + nH,O

Ethanol wird in großen Mengen durch Fermentation von Zuckern gewonnen (Kapitel 24). Für Industriezwecke stellt man es durch Phosphorsäure-katalysierte Hydratisierung von Ethen her (Abschnitt 12.15).* Insgesamt wurden in der Bundesrepublik Deutschland 1993 über 150000 Tonnen Ethanol hergestellt.

CH,;=CH; + HOH +3?9a 300€, cy,—cH, | | H OH Nach diesem Verfahren sind auch andere, einfache Alkohole

aus den

entsprechenden Alkenen zugänglich (s. Abschn. 12.4). Kompliziertere Alkohole kann man herstellen, indem man andere funktionelle Gruppen in eine Hydroxygruppe umwandelt, z.B. durch nucleophile Substitution eines Halogenalkans. Wir fassen zusammen: Die technische Synthese von Methanol und 1,2-Ethandiol verläuft über die Reduktion von Kohlenmonoxid

mit Was-

serstoff, die Synthese von Ethanol über die säurekatalysierte Hydratisierung von Ethen (Ethylen).

8.5 Alkoholsynthese durch nucleophile Substitution Im Labormaßstab können wir Alkohole aus einer Vielzahl von Ausgangsstoffen darstellen. In den Kapiteln 6 und 7 haben wir bereits eine Methode kennengelernt, durch die man funktionelle Gruppen in eine Hydroxygruppe überführt: die Hydrolyse von Alkylderivaten mit guten Abgangsgruppen nach Sx2 und Syl. Dieses Verfahren kann man jedoch nicht generell anwenden, da umgekehrt die benötigten Halogenalkane aus den entsprechenden Alkoholen gebildet werden. Auch können hier die bekannten Nebenreaktionen der nucleophilen Substitution auftreten, z.B. bimolekulare Eliminierung bei sterisch gehinderten primären und sekundären Verbindungen. Die aus tertiären Halogenalkanen gebildeten Carbenium-Ionen neigen zu El-Reaktionen oder Umlagerungen (s. Abschn. 9.2 u. 9.3). Trotzdem wird die nucleophile Substitution in einer Reihe von Alkoholsynthesen verwendet, von denen wir hier zwei zeigen wollen. Im ersten Beispiel wird die Inversion durch die Einhaltung der Sn2Bedingungen erreicht, während im zweiten Beispiel eine Solvolyse als Snl-Reaktion abläuft und die Stereoselektivität dadurch erreicht wird, daß die Oberseite des Moleküls weitaus stärker sterisch gehindert ist als die Unterseite. In beiden Substitutionsreaktionen wird ein zweites organisches Lösungsmittel (Cosolvens), hier Pyridin bzw. THF, eingesetzt, um die Löslichkeit der Subtrate zu erhöhen.

*

Anm.

d. Übers.:

In zunehmendem

Maß

wird Industrie-Ethanol

Überschußproduktion von EU-Weinen hergestellt.

292

durch

Destillation der

Kasten 31 In diesem zweiten Schritt wird die CarbonylSauerstoff-Bindung gespalten, so daß der Alkoxyrest unbeeinflußt bleibt. Diese Reaktion ist als Esterhydrolyse bekannt und wird genauer in Kapitel 20 behandelt. Diesen Weg hat man bei der Darstellung von (R)-2-Hydroxycarbonsäuren eingeschlagen, die im Gegensatz zu ihren Enantiomeren nicht in der Natur vorkommen, aber äußerst nützlich bei der Untersuchung der Enzymtätigkeit sind. Der entscheidende Schritt ist die Substitution des Halogens in einem (S)-2Halogencarbonsäureester unter Inversion. Die Ausgangsstoffe dieser Synthese werden aus den in der Natur weit verbreiteten (S)-2-Aminocarbonsäuren erhalten.

Darstellung von Alkoholen aus Acetaten Die Darstellung von Alkoholen durch die Reaktion von Halogenalkanen mit dem HydroxidIon wird durch konkurrierende Eliminierungen erschwert. Letztere kann in einigen Fällen stark zurückgedrängt werden, indem ein weniger basischer Sauerstoff-Nucleophil wie das Acetat-Ion (Abschn. 7.8) eingesetzt wird. Das dabei entstehende Alkylacetat kann dann mit wäßriger Hydroxid-Lösung zum gewünschten Alkohol umgesetzt werden.

0

Schritt

0

H-olch;

Roten;

Essigsäure

Alkylacetat

1 Acetat-Darstellung (Sy2-Reaktion)

CH;

CH;

oO

CHCH>CHCH;CHBr + CH3CO”Na* DME80’C, CH„CH,CHCH,CH>OCCH; + Na*Br” 95% 1-Brom-3-methylpentan

Schritt

3-Methylpentylacetat

2_ Umsetzung zum Alkohol (Esterhydrolyse)

je

|

CH3CH>CHCH>CH>O+-CCH, + Na* "OH

=. 1-27;

-CH3CO "Na

E

CH3CH>CHCH;CH;OH 85% 3-Methyl-1-pentanol

Darstellung eines Alkohols aus einem Ester O

OC(CH3)3

N

= ER

2“ "Cs, DMF me, Sn2

cı-H-H CH>

R-=(

[6) Q

)-

OC(CH3)3

e DE

u4oer|

CH» fe)

65%

OÖ N

Leon. 0 2 Ha, Esterhydrolyse

OH

co

H=4-0H CH>

84%

(R)-2-Hydroxy-3-phenylpropansäure

* Die Zahlen beziehen sich auf Reagenzien, die nacheinander eingesetzt werden. Die erste Reaktion ist somit die Behandlung des Substrats links des Reaktionspfeils mit den unter 1. aufgeführten Reagenzien. Das Produkt dieser Reaktion wird dann mit den unter 2. aufgeführten Reagenzien umgesetzt usw. Die letzte Reaktion liefert das rechts vom Pfeil angegebene Endprodukt.

293

Alkohole durch nucleophile Substitution

S Alkohole H;C

Ö

H 3C

H>C

Br

H ;C NaOH,

H50,

—[1

HO

OÖ

Pyridin

[5

Sn?

.n

-OH

*

HO 95%

Pyridin = 0) N

Steroid aus dem Blut der menschlichen Nabelschnur

CO,CH3 CH,CH3 HOH, THF BON, THF _

[> OH

Sn!

CH;O

Br

CHO

OH 86%

THF = [ oO

\ = Oxacyclopentan (Tetrahydrofuran)

Vorstufe in der Synthese von Antitumor-Antibiotika

| Übung 8-6 | Geben Sie eine Möglichkeit für die Umsetzung der folgenden Halogenalkane zu Alko-

h i holen an. u

(a) Bromethan, (b) Chloreyelohexan, (c) 3-Chlor-3-methylpentan.

F Übung 8-7 =

Setzt man (R)-2-Iodbutan nacheinander mit Natriumacetat und mit Hydroxid um, erhält man einen optisch aktiven Alkohol. Welche absolute Konfiguration hat er?

Wir fassen zusammen: Alkohole können aus Halogenalkanen mittels nucleophiler Substitution dargestellt werden unter der Voraussetzung, daß die Halogenalkane leicht zugänglich sind und Nebenreaktionen wie die Eliminierung unterdrückt werden können.

8.6 Die Redox-Beziehung zwischen Alkoholen und Carbonylverbindungen In diesem Abschnitt wird ein wichtiger Syntheseweg für Alkohole beschrieben: die Reduktion von Aldehyden und Ketonen. Später werden wir sehen, daß diese Verbindungen auch bei gleichzeitiger Bildung einer neuen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung zu Alkoholen umgesetzt werden können. Wegen der Vielseitigkeit von Aldehyden und Ketonen in der Synthese zeigen wir auch ihre Darstellung durch die Oxidation von Alkoholen.

Oxidation und Reduktion haben eine besondere Bedeutung in der organischen Chemie Bei anorganischen Verbindungen kann man einen Oxidations- oder Reduktionsvorgang leicht als Elektronenabgabe bzw. -aufnahme erkennen. Bei Reaktionen organischer Verbindungen ist es dagegen oft viel weniger offensichtlich, ob Elektronen aufgenommen oder abgegeben werden. Die organischen Chemiker definieren Oxidation und Reduktion daher etwas zweckmäßiger: Ein Vorgang, bei dem elektronegative Atome, wie ein Halogen oder Sauerstoff, an ein Molekül addiert oder Wasserstoff entfernt wird, wird eine Oxidation genannt. Umgekehrt 294

Schrittweise Oxidation von CH, zu CO,

+0

CH

—

—2H

CHOH

—

+0

H£=0

8.6

Die Redox-Beziehung zwischen Alkoholen und Carbonylverbindungen

|

—

—2H

HCOH

—>

CO,

wird die Entfernung von Sauerstoff oder die Addition von Wasserstoff als Reduktion definiert. Man kann dies anhand der schrittweisen Oxidation von Methan, CH,,

zu Kohlendioxid, CO,, veranschaulichen. Diese

Definition

ermöglicht

uns,

eine

Oxidation-Reduktions-Bezie-

hung (Redox-Beziehung) zwischen Alkoholen einerseits und Aldehyden und Ketonen andererseits aufzustellen: Die Addition zweier Wasserstoffatome an die Doppelbindung der Carbonylgruppe stellt eine Reduktion zu dem korrespondierenden Alkohol dar. Aldehyde führen zu primären, Ketone zu sekundären Alkoholen. Der umgekehrte Vorgang, die Entfernung von Wasserstoff in Alkoholen unter Bildung von Carbonylverbindungen y 2

ist eine Oxidation.

Kasten 8-2

Biologische Oxidation und Reduktion

der beiden Enantiomere von 1-Deuterioethanol von diesem Enzym katalysiert, so läuft er stereo-

Alkohole werden durch Stoffwechselreaktionen zu Carbonylverbindungen oxidiert. In biologischen Systemen wird Ethanol durch das kationische Oxidationsmittel Nikotinamidadenindinucleotid

spezifisch ab. NAD

(abgekürzt NAD'; Struktur s. Kap. 25) in Acetaldehyd überführt. Die Reaktion wird durch das Enzym Alkoholdehydrogenase katalysiert (dieses Enzym katalysiert auch die Rückreaktion, die Reduktion von Aldehyden und Ketonen zu Alkoholen). Wird der biologische Oxidationsprozeß

CH; SON But D

.

Alkohol-

O

dehydrogenase

l

TE NAD NAD-H

‚e srl CH;

CH;

Alkohol-

\ D

abstrahiert nur das in der

Reaktionsgleichung markierte Wasserstoffatom an C1 (s. Kasten 25-4). Andere Alkohole werden auf ähnliche Weise biochemisch oxidiert. Die relativ hohe Toxizität von Methanol beruht vor allem auf dem oxidativen Abbau zu Formaldehyd. Das Aldehyd stört ein System, das für die Übertragung von C;-Fragmenten zwischen nucleophilen Zentren in Biomolekülen verantwortlich ist.

»Df

HIST

0

Il

dehydrogenase

ee NAD-D

C

DEÖs

CH;

H

H

(R)-1-Deuterioethanol

($)-1-Deuterioethanol

Die Fähigkeit von Alkoholen enzymatisch oxidiert zu werden macht sie zu wichtigen Zwischenprodukten

im Stoffwechsel.

Eine

der wichtigsten

Funktionen des metabolischen Abbaus von Nah“rung ist deren kontrollierte „Verbrennung“, (Ss. Abschn. 3.10). Bei dieser Verbrennung wird Wärme und chemische Energie freigesetzt, die wir benötigen, damit unser Körper „funktioniert“.

Eine weitere Aufgabe ist die selektive Einführung funktioneller Gruppen, insbesondere von Hydroxyfunktionen, in nichtfunktionalisierte Moleküle oder Molekülteile, oder anders ausgedrückt, in

Alkane oder Alkylsubstituenten. zeß spielen C'ytochrom-Proteine Rolle. Diese Biomoleküle sind lebenden Zellen vorhanden. Sie etwa Zeit,

Bei diesem Prodie entscheidende in nahezu allen entwickelten sich

vor 1.5 Milliarden Jahren, also in der Pflanzen und Tiere noch

zu einer nicht als

Cytochrom-Modell

unterschiedliche Spezies existierten. 295

x

Cytochrom P-450 (s. Abschn. 22.9) nutzt O, für die direkte Hydroxylierung organischer Moleküle. In der Leber dient dieser Prozeß dem entgiftenden Abbau von körperfremden (xenobiotischen) Substanzen, beispielsweise von eingenommenen Medikamenten. Häufig ist der primäre Effekt der Hydroxylierung eine erhöhte Wasserlöslichkeit der Medikamente, wodurch die Ausscheidung des Medikaments beschleunigt und dadurch die Bildung toxischer Konzentrationen verhindert wird.

E:

Die selektive Hydroxylierung ist auch bei gezielten Steroidsynthesen wichtig (s. Abschn. 4.7). Beispielsweise wird aus Progesteron durch dreifache Hydroxylierung an C17, C21 und Cil Cortison gebildet. Nicht nur, daß die als Enzym wirkenden Proteine sehr spezifisch bestimmte Positionen stereoselektiv funktionalisieren, sie kontrolieren auch die Reihenfolge, in der diese Prozesse stattfinden. Sie können die Herkunft dieser Selektivität erahnen, wenn Sie sich das Cytochrommodell genau ansehen. oO

kaı

Das aktive Zentrum durch eine Häm-Gruppe Abschn. 26.8), und in tein-)-Strang eingebettet

ist ein Eisenatom, das fest gebunden wird (Ss. einen Polypeptid-(Proist. Das Eisenzentrum bindet O, unter Bildung einer Fe-O,-Spezies, die dann zu H,O und der Fe=O-Einheit reagiert.

Dieses Oxid reagiert als Radıkal (s. Abschn. 3.4) mit einem Alkan (R-H). Dabei entsteht ein FeOH-Intermediat und ein Alkylradikal. Dieses Radıkal spaltet die Hydroxyfunktion vom Eisenzentrum ab, wobei ein Alkohol entsteht.

2H° -H0

— ”

Fr

®:

3__ir Bo:

=

En

Es

n-.

Bo

Die sterische und elektronische Umgebung des Polypeptid-Strangs ermöglicht Substraten wie Progesteron eine Annäherung an das aktive Eisen-

zentrum nur in wenigen, sehr spezifischen Orientierungen. Dies führt dazu, daß nur bestimmte Positionen wie C17, C21 und C11 oxidiert werden.

Die Redox-Beziehung zwischen Alkoholen und Carbonylverbindungen HH

. Reduktion wm eN—AN

H

Aldehyd

Oxidation

H

Primärer Alkohol

BD mo

R'

Keton

HH

Reduktion er ———R--oO Oxidation

ir

Sekundärer Alkohol

Die Reduktion von Carbonylverbindungen kann entweder durch direkte Addition von molekularem Wasserstoff oder durch ein HydridReagenz erreicht werden.

Darstellung von Alkoholen durch katalytische Hydrierung von Aldehyden und Ketonen Die Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindung von Aldehyden und Ketonen (Abschn. 2.1) reagiert mit Wasserstoff, H,, unter Bildung von Alkoholen.

Diese Reaktion erfordert einen Katalysator und in vielen Fällen erhöhten Wasserstoffdruck. Meist verwendet man heterogene Katalysatoren (vom griechischen heteros, anderer, und genos, Art). Sie bestehen gewöhnlich aus feinverteiltem Metall, das eine große Oberfläche bietet, z.B.

Palladium,

Platin

oder

Nickel

auf

einem

Trägermaterial,

8.6

Die Redox-Beziehung zwischen Alkoholen und Carbonylverbindungen

z.B.

Kohle. Der Katalysator ist im Reaktionsmedium unlöslich und liegt darin suspendiert vor. (Im Gegensatz dazu werden lösliche Katalysatoren als homogen bezeichnet.)

Hydrierung eines Ketons

Hydrierung eines Aldehyds

CH

O0

|

CH;

|

|

H,. Pd-C

CH,CHCHCH — >

OH |

o

CHSCHCHZCH H

Ho, Pt

wo) Cyclohexanol

Cyclohexanon

3-Methyl-1-butanol

3-Methylbutanal

H

Re

Der Mechanismus dieser katalytischen Hydrierung wird am Beispiel der Alkene in Abschnitt 12.2 ausführlich erläutert. Er verläuft über atomaren

Wasserstoff, der zusammen

mit dem Substrat an die Oberflä-

che des Katalysators gebunden wird. Der Katalysator ist notwendig, da die Bindungsdissoziationsenergie von Wasserstoff mit DH” = 435 kJ/ mol zu hoch ist, als daß Wasserstoffatome auf einfachem thermischem Wege entstehen könnten. Mit dem Katalysator ist ein Reaktionsverlauf von geringerer Aktivierungsenergie möglich (s.a. Abb. 3-5 u. Kasten 3-1).

Darstellung von Alkoholen durch Reduktion der Carbonylgruppe mit Hydriden Da Sauerstoff elektronegativer als Kohlenstoff ist, sind die Elektronen in der Carbonylgruppe ungleichmäßig verteilt, das Kohlenstoffatom ist elektrophil, das Sauerstoffatom nucleophil. Die Elektronenverteilung läßt

sich

durch

polare

Resonanzformeln

Carbonyl-Kohlenstoffatom einem einem Alkoxid-Ion entspricht: Nar

ee$

ER

c=o

beschreiben,

Carbenium-Ion,

..

+

=0

in denen

das

das

Sauerstoffatom

.

0%

+

Polarisierung in einer Carbonylgruppe

Resonanzformeln einer Carbonylgruppe

Das elektrophile -Carbonyl-Kohlenstoffatom kann durch ein Äquivalent Hydrid, H, reduziert werden. Als hydridübertragende Reagenzien verwendet man Natriumborhydrid, NaBH,, und Lithiumaluminiumhydrid, LiAIH,. Hydrid-Reduktion von Aldehyden und Ketonen

Re

R

N

01823 Pag LE H

?

ER SE H

6) \

NL Npı

OH + LiAIH,

(CH,CH,),RO

_ H5O Aufarbeitung

BE,

| H

297

8 Alkohole

Diese

hydridübertragenden

Reagenzien

kann

man

sich entstanden

denken durch Reaktion eines Alkalimetallhydrids mit Boran, BH;, bzw. Alan, AIH;. Durch Addition von Hydrid, H, können die Elektro-

nenmangelverbindungen BH; bzw. AIH;, in denen Bor bzw. Aluminium sp’-hybridisiert sind, ihr Elektronenoktett vervollständigen (siehe Abb. 1-14). Im BH;-Ion und im AIH;-Ion nehmen die vier äquivalenten Wasserstoffatome die Ecken eines Tetraeders ein. Diese Moleküle haben die gleiche elektronische Struktur wie Methan oder das Ammonium-Ion NH}. H

H

Ben HEN

=.

In:B:H|

H

Nat

H

H_ An HE, H

HN Tp:ÄlsHl H

ut

Der Hydrid-Charakter des Wasserstoffatoms charakterisiert die Chemie dieser Verbindungen. Mit protischen Verbindungen wie Wasser und Alkoholen reagieren sie unter Bildung von Wasserstoff, wobei Natriumborhydrid reaktionsträger ist als Lithiumaluminiumhydrid.

NaBH, + 4 HOH — @"®®® NaOH + B(OH), + 4H-H LiAIH, + 4 CHH OH — X 3 LiAI(OCH3), + 4H-H Bei diesen Reaktionen wirkt das Hydrid-Ion als Base. Da NaBH,;, weniger reaktiv ist, kann es in Wasser und Alkohol als Lösungsmittel umgesetzt werden. Für protische Medien ist Lithiumaluminiumhydrid zu reaktiv, in diesem Fall greift man zu Ethoxyethan (Diethylether) oder anderen Ethern als Lösungsmittel. Man arbeitet die Reaktionsmischung mit wäßriger Säure auf, um einen Überschuß an Reagenz sowie eventuell gebildete Bor- oder Aluminiumsalze zu hydrolysieren.

Reduktion von Aldehyden und Ketonen mit Hydrid

O | CH-CH,CH,CH,CH

OH | e Pe GBCBOR, 7.CH,CH,CH, cn

En

H

Q 1. LiAIH4, (CH3SCH2)20

a

ee

H

OH 90%

85% 1-Pentanol

Pentanal

Cyclobutanon

Cyclobutanol

) Übung 8-8 e Geben Sie die Formeln aller Produkte der Reduktion mit NaBH, an, die Sie für die fol-

A genden Carbonylverbindungen erwarten. Denken Sie dabei an das mögliche Auftreten von Stereoisomeren.

|

ie

(a) CHZÜCHLCHLCH;

(b) CHSCHSÜCH;CH;

’LCH>CH3

(©) CISCHDEEN

H n Übung 8-9 Hydrid-Reduktionen verlaufen häufig sehr stereoselektiv, wobei das Hydrid-Ion die ste" risch weniger gehinderte Seite des Substrats angreift. Welche relative Konfiguration wird das Hauptprodukt der Hydrid-Reduktion von Verbindung A mit NaBH, haben?

Oo (CH3)2CH

298

CH(CH 3)»

Wie

wir

wissen,

vollzieht

sich

die

Hydrid-Reduktion

durch

eine

nucleophile Addition des Hydrids an das elektrophile Carbonyl-Kohlen-

stoffatom.

Setzt man

Borhydrid

in einem

protischen Solvens, z.B.

8.6 Die Redox-Beziehung

zwischen Alkoholen

und Carbonylverbindungen

Ethanol ein, überträgt das Lösungsmittel im Augenblick des Angriffs ein Proton auf das Sauerstoffatom des Substrats. Das Ethoxid-Ion verbindet sich mit der Borverbindung zu einem Ethoxyborhydrid.

Mechanismus der NaBH,-Reduktion

Na'

|

Ethanol (Solvens)

2

Na*H,BOCH3>CH;

+

aa

C=D>h-öchsch —

BR

Alkohol

Natriumethoxyborhydrid

Das Ethoxyborhydrid kann drei weitere Carbonylmoleküle reduzieren, bis alle Hydridsubstituenten verbraucht sind. Die Borverbindung wird schließlich zu Tetraethoxyborat, BÜLOCH,CH;); umgewandelt. Lithiumaluminiumhydrid ist reaktiver und sehr viel basischer als Natriumborhydrid, die Wasserstoffatome werden von Wasser und Alkoholen in oft heftiger Reaktion unter Bildung von molekularem Wasserstoff angegriffen. Reduktionen mit Lithiumaluminiumhydrid werden deshalb in aprotischen Lösungsmitteln wie Ethoxyethan (Diethylether) durchgeführt.

Reaktion von Lithiumaluminiumhydrid mit protischen Lösungsmitteln

LiAIH4 + 4 CH30H Bei der Addition oder ein Keton

von

Pl,

LiAIKOCH3)4 + 4 H—Hf

Lithiumaluminiumhydrid

entsteht zunächst

einen

Aldehyd

ein Alkoxyaluminiumhydrid,

an

das drei

weitere Hydrid-Ionen auf Carbonylgruppen überträgt, so daß schließlich vier Äquivalente Aldehyd oder Keton reduziert werden. Addition einer verdünnten Säure (wäßrige Aufarbeitung) setzt überschüssiges Reagenz um und hydrolysiert das Tetraalkoxyaluminat zum Alkohol als Produkt. Mechanismus der LiAIH,-Reduktion

8

N

ng HAIH

co —

|

analoge Reaktion mit drei weiteren

e

HC-OAlB, Bin nn

3 E=O

Lithiumalkoxyaluminiumhydrid

F |

a

TO

KL

Li"

Lithiumtetraalkoxyaluminat

Ä

|

„0H-Auferbeitung, , 4 H-C-OH + AI(OH)3 + LiOH Produkt: Alkohol

7 Übung 8-10 |

Welche Reduktionen führen zu den folgenden Alkoholen?

(a) 1-Decanol, (b) 4-Methyl-

\ 2-pentanol, (c) Cyclopentylmethanol, (d) 1,4-Cyclohexandiol.

I\

Chrom-Reagenzien oxidieren Alkohole zu Carbonylverbindungen Im letzten Abschnitt wurde die Darstellung von Alkoholen aus Aldehyden und Ketonen durch Reduktion mit Wasserstoff oder Hydriden beschrieben. Auch die umgekehrte Reaktion, die Oxidation von Alko-

299

CH3CH>CH>OH K;Cr0,

H>SO4. H50

CH;CH di H 49%

holen zu Aldehyden und Ketonen, ist möglich. Ein häufig verwendetes Reagenz zur Oxidation von Alkoholen ist Chrom(VI), ein Übergangsmetall in einer hohen Oxidationsstufe. In dieser Form sind Chromverbindungen gewöhnlich gelb bis orange. Bei der Umsetzung mit einem Alkohol wird Chrom(VI) zu tiefgrünem Chrom(IIlI) reduziert. Das Reagenz kann man als Dichromat (K;Cr;0; oder Na,Cr,O-) oder als CrO; kaufen. Die Oxidation von sekundären Alkoholen zu Ketonen wird häufig in saurer wäßriger Lösung durchgeführt.

Propanal

(Nüchtig)

Na>Cr504. H>SO4. H5O

|Weiteroxidation

”

6) |

96%

CH3CH>COH Propansäure

\

er. CrO;Ci

Unter diesen Bedingungen neigen primäre Alkohole dazu, weiter zu Carbonsäuren oxidiert zu werden, wie am Rand für 1-Propanol gezeigt ist. Für diese Reaktion gilt folgende stöchiometrische Gleichung:

Pyridiniumchlorchromat

4 H>SO,

HS

CH;CH;CH,OH

ein K,Cr>0-

Zr

1

(PCC oder pyH*CrO;,Cl”)

3 CH;CH;,CH

SF Cr,(SO,);

Sr K,SO,

+7

H,O

Bei Abwesenheit von Wasser sind die Aldehyde dagegen stabil und werden nicht weiter oxidiert. Man hat daher eine wasserfreie Form von Cr(VI) entwickelt, die durch Reaktion von CrO; mit HCl und nachfolgender Addition der organischen Base Pyridin gebildet wird und Pyridiniumchlorchromat, kurz pyH'CrO;Cl” oder einfach PCC (Rand), genannt wird. PCC gibt mit primären Alkoholen im Lösungsmittel Dichlormethan ausgezeichnete Ausbeuten an Aldehyden.

Oxidation eines primären Alkohols zu einem Aldehyd mit PCC

CH3CH>CH>CH>CH>CH>CH>CH>CH>JCH,OH

— I

CH3CH>CH>CH>CH>CH>CH>CH>CH>CH 92%

Chromsäureester sind Zwischenstufen bei der Alkoholoxidation Die Oxidation von Alkoholen mit Cr(VI) verläuft über einen Chromsäureester als Zwischenstufe,

der formal wie organische Ester aus Carbon-

säuren gebildet wird. Dabei bleibt die Oxidationstufe von Chrom halten: Chromsäureesterbildung mit einem Alkohol

..

..

|

..

RCH;OH + HÖ—Cr—ÖH

=

..

ee

| vw

vs

er-

..

+ H,O

:O: Chromsäure

Chromsäureester

Der zweite Schritt gleicht einer E2-Reaktion, wobei Wasser (oder Pyridin bei PCC) als milde Base das dem Alkohol-Sauerstoffatom benachbarte Proton entfernt. HCrO; tritt aus dem Molekül aus. Das Bindungselektronenpaar verbleibt beim Chrom, das damit seine Oxidationsstufe um zwei zu Cr(IV) verringert:

300

Aldehydbildung aus einem Chromsäureester : ..

.

N Pr

|

£

R-Cz0: |

..

PH

?

A

N

und Carbonylverbindungen N

O:

8.6 Die Redox-Beziehung zwischen Alkoholen

OH

er

..

+

=:

;

H;O

ar H;0:

IV m

"O;CrH

.

Diese Eliminierung unterscheidet sich von den bisher behandelten E2Reaktionen, da hier statt einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung eine Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindung entsteht. Die gebildete Cr(IV)-Spezies kann zu Cr(III) und Cr(V) disproportionieren oder weiter reduziert

werden,

d.h.

als Oxidationsmittel

wirken.

Am

Ende

ist

Cr(VI) vollständig zu Cr(IIl) reduziert. Die Oxidation tertiärer Alkohole mit Chromat bereitet Schwierigkeiten, da sie keine Wasserstoffatome neben der funktionellen Gruppe tragen.

|

Ä

H

0

(a) CHSCHZÜCHICH),

(b)

we

©)

(ORCHSCH, WAREN

Wir fassen zusammen: Die Reduktion von Aldehyden und Ketonen stellt einen allgemeinen Syntheseweg für primäre bzw. sekundäre Alkohole dar. Sowohl die katalytische Hydrierung als auch Hydrid-Reagenzien können dafür eingesetzt werden. Die umgekehrte Reaktion, die Oxidation von primären Alkoholen zu Aldehyden und von sekundären Alkoholen zu Ketonen wird mit Chrom(VI)-Verbindungen bewirkt. Durch den Einsatz von Pyridiniumchlorchromat (PCC) wird die Weiteroxidation der Aldehyde verhindert.

Kasten 8-3

lang der Röhre einen signifikanten von orange zu grün beobachten.

Alkotest

Der Farbwechsel von Chrom(VI) (orange) zu Chrom(Ill) (grün) in Gegenwart von Alkohol wird für die vorläufige Bestimmung der Alkoholkonzentration im Atem (und somit im Blut) alkoholisierter

Personen,

insbesondere

von

Atemluft

ebensoviel

Ethanol

enthalten

ist,

wie in 1 ml Blut. In der einfachsten Version des Tests bläst man für zehn bis zwanzig Sekunden (angezeigt durch das Aufblasen einer Plastiktüte) durch eine Röhre, die mit K,Cr,O- und H,SO, auf feingepulvertem Kieselgel (SiO,) gefüllt ist. Der Alkohol,

der sich in der Atemluft

befindet,

wird zu Essigsäure oxidert. Dabei kann man ent-

+

8H,SO,

+

3CH;CH,. OH

—>

orange

I

Autofah-

rern, genutzt (physiologische Auswirkungen von Ethanol s. Abschn. 9.10). Falls dieser Test positiv ausfällt, kann er als juristische Begründung für die Durchführung des exakten Blut- oder Urintests gelten. Die wissenschaftliche Grundlage dieser Nachweisreaktion ist die Diffusion von Blutalkohol über die Lungen in den Atem. Das Verhältnis Ethanol in der Atemluft zu Ethanol im Blut ‚beträgt etwa 2100 : 1. Das bedeutet, daß in 2100 ml

2 K,Cn0O;

Farbwechsel

2 Cr,(SO,)3

as 2 K,S0O,

ar 3 CH,;COH

+13

H,O

grün

Falls der grüne Bereich sich über einen bestimmten Bereich im Röhrchen hinaus ausdehnt (etwa die Hälfte), so ist die Blutalkoholkonzentration höher als 0.08%. Dies ist in vielen Ländern strafbar. Eine anspruchsvollere Version dieses einfachen Tests beruht auf der Bestimmung des Ausmaßes der Oxidation durch spektrophotometrische Methoden, der sogenannte Alkotest. Noch modernere Verfahren nutzen Mini-Gaschromatographen, elektrochemische Analysatoren und Infrarotspektrometer (Abschn. 11.5). Einige Leute behaupten, daß der Alkotest durch Rauchen,

das Kauen

von

Kaffeebohnen

lauchgenuß ausgetrickst Behauptungen sind falsch.

werden

oder

Knob-

kann:

Diese

301

8

Alkohole

8.7 Metallorganische Verbindungen: Reagenzien mit nucleophilen Kohlenstoffatomen Mit der Hydrid-Reduktion von Carbonylverbindungen kennen wir bereits eine effiziente Methode zur Darstellung von Alkoholen. Könnte man die Reaktion so erweitern, daß anstelle von Hydrid ein nucleophiles Kohlenstoffatom angreift, würde ein Alkohol mit einer neu geknüpften Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung entstehen. Für eine solche Reaktion brauchen wir ein Reagenz mit einem nucleophilen Kohlenstoffatom. In diesem

Abschnitt

erfahren

wir, wie man

Klasse von Verbindungen, lichen

kann.

Diese

dieses

Ziel durch

eine neue

den metallorganischen Reagenzien, verwirk-

enthalten

ein

Metallatom,

meist

Lithium

oder

Magnesium, gebunden an ein Kohlenstoffatom eines organischen Moleküls. Sie zeichnen sich durch starke Basizität und Nucleophilie aus und spielen in organischen Synthesen eine überaus wichtige Rolle.

Alkyllithium- und Alkylmagnesium-Verbindungen werden aus Halogenalkanen dargestellt Meist stellt man metallorganische Verbindungen von Lithium und Magnesium durch direkte Reaktion eines Halogenalkans mit dem in Ethoxyethan (Diethylether) oder in Oxacyclopentan (Tetrahydrofuran, THF) suspendierten Metall her. Die Reaktivität des Halogenalkans nimmt in der Reihenfolge Cl < Br < I zu; Fluoride werden normalerweise nicht verwendet. Synthese von Alkyllithium-Verbindungen

CH3Br + 2 Li

(CH3CH>)50, 0°-10°C _(CH3C

CH3Li + LiBr Methyllithium

CHzCH,CH>CH3Br + 2 Li EIS,

cH,CHSCH>CHHLi + LiBr Butyllithium

THF = [

\ = Oxacyelopentan (Tetrahydrofuran)

OÖ

Synthese von Alkylmagnesium-Verbindungen (Grignard-Verbindungen) I

\

H;C

Mel

+ Mg

THF, 20°C

Ko

\ CH;

| N

IC ı CH; 1-Methylethylmagnesiumiodid

Organomagnesium-Verbindungen, RMgX, nennt man nach ihrem Entdecker V. Grignard* auch Grignard-Verbindungen. Man kann sie aus primären, sekundären und tertiären Halogenalkanen darstellen und, wie wir in späteren Kapiteln sehen werden, auch aus Halogenalkenen und Halogenbenzolen. * Professor Francois Auguste Victor Grignard, Lyon, Nobelpreis 1912

302

1871-1935,

Professor an der Universität

trockener N,

8.7 Metallorganische Verbindungen: Reagenzien mit nucleophilen

|

Kohlenstoffatomen

Mechanischer Rührer

Überdruckventil

Tropftrichter mit Halogenalkan

Rückflußkühler

“— 10

Dreihalskolben

Abb. 8-4 Reaktionsapparatur zur Darstellung eines metallorganischen Reagenzes. Ein Halogenalkan wird zu Lithium oder Magnesium, suspendiert in Ether, zugetropft.

In Abbildung 8-4 sehen wir einen typischen Reaktionsaufbau für die Synthese dieser Verbindungen. Er besteht aus einem Dreihalskolben, einem Rührer, einem Tropftrichter und einem Rückflußkühler. Die gesamte Apparatur wird mit trockenem Stickstoff gespült. Während der Reaktion geht das suspendierte Metall langsam in Lösung. Legt man Lithium vor, fällt das Halogenid als Lithiumhalogenid aus und kann abfiltriert werden. Alkyllithium- und Grignard-Verbindungen werden normalerweise nicht isoliert, sondern in der Reaktionsmischung erzeugt und sofort mit dem Substrat umgesetzt. Verschiedene Alkyllithium-Reagenzien (Methyllithium, Butyllithium und 1,1-Dimethylethyllithium, tertButyllithium) sind als Standardlösungen käuflich. Diese Reagenzien sind sehr luft- und feuchtigkeitsempfindlich, man muß sie deshalb unter strengem Luft- und Feuchtigkeitsausschluß herstellen und handhaben. Die Strukturen von Alkyllithium-Verbindungen variieren, je nachdem, welches System vorliegt. Oft kennt man die genaue Zusammensetzung nicht, da.sie dazu neigen, zu Clustern unterschiedlicher Größe zu aggregieren. Grignard-Verbindungen unterscheiden sich in ihrer Zusammensetzung von Alkyllithium-Verbindungen. Das Halogenalkan entzieht praktisch der Metalloberfläche ein Magnesiumatom und fügt es zwischen die R—X-Bindung ein. In dem so gebildeten RMgX ist die Valenz des zweiwertigen Magnesiums abgesättigt; um sein Elektronenoktett zu vervollständigen, ist es jedoch noch an zwei Ethermoleküle koordiniert. Diese

Grignard-Verbindungen sind an Lösungsmittelmoleküle koordiniert

CH3CH>OCH>CH3 \ R—

X+ Mg _(CH5CH3»O

R—Mge—

X

T CH3CH>OCH;CH3 303

8 Alkohole

Wechselwirkung kann man als Beispiel einer typischen dativen kovalenten Bindung (Abschn. 1.2) ansehen oder als eine Lewis-Säure-BaseWechselwirkung (Abschn. 8.3). In der Konstitutionsformel einer Grignard-Verbindung führt man die koordinierten Ethermoleküle zwar nicht auf, ihre Bedeutung zeigt sich jedoch in der Tatsache, daß ein Ether bei der Darstellung vorhanden sein muß, da sonst die Reaktion sehr schlecht verläuft.

Die Alkyl-Metall-Bindung ist stark polar Die Kohlenstoff-Metall-Bindung ist zwar kovalent, jedoch durch das elektropositive Metall (Tab. 1-3) stark polarisiert. Das Metallatom bildet das positive Ende des Dipols. Der Grad der Polarität wird manchmal als „7 lonencharakter“ ausgedrückt. Die Kohlenstoff-Lithium-Bindung zum Beispiel ist zu etwa 40%, die Kohlenstoff-Magnesium-Bindung zu etwa 35% ionisch. Das chemische Verhalten solcher Verbindungen entspricht dem einer Verbindung mit einem negativ geladenen Kohlenstoffatom, einem Carbanion. Diese Eigenschaft kommt in einer Resonanzformel zum Ausdruck, in der das Kohlenstoffatom die volle negative Ladung trägt.

Die Kohlenstoff-Metall-Bindung in Alkyllithiumund Alkylmagnesium-Verbindungen

esse Ei

Ba

Be =M’

|

|

MM = Metall

|

polarisiert

ladungsgetrennt

Die Darstellung von Alkylmetall-Verbindungen aus Halogenalkanen ist ein Kunstgriff der synthetischen organischen Chemie, mit dem die Reaktivität einer Verbindung genau umgekehrt wird und den man deshalb als Umpolung bezeichnet. In einem Halogenalkan stellt das Kohlenstoffatom das elektrophile Zentrum dar. Durch die Reaktion mit

dem Metall wird die C’'—X°”-Gruppe umgewandelt in C”—M?’*, in dem das ursprüngliche Dipolmoment umgekehrt ist. Durch die Metallierung wird das elektrophile Kohlenstoffatom nucleophil und ändert dementsprechend seine Reaktivität.

Die Alkylgruppe in Alkylmetall-Verbindungen reagiert basisch Metallorganische Reagenzien müssen unter Feuchtigkeitsausschluß hergestellt werden, da sie mit Wasser meist heftig unter Bildung von Metallhydroxid und Alkan reagieren. Allein aufgrund der Ladungsverteilung läßt sich diese Reaktion vorhersagen: Der negativ polarisierte Alkylrest reagiert als Base und wird protoniert, während die Hydroxygruppe das positiv polarisierte Metall bindet. ON R-MSTORE

OSENOS +H-OH

CH3Li j + HOH

—>

HCH3

j + LiOH

100% Alkylmetall

CH3

| R—H Alkan

+ M—OH Metallhydroxid

CH3CH>CHCH>CH3MgBr 3-Methylpentylmagnesiumbromid

CH3

+ HOH

—>

CH3CH,>CHCH>CH>H

+ BrMgOH

100% 3-Methylpentan

Mit dieser Methode - obgleich sie ihre Grenzen hat — kann man einen Halogensubstituenten durch ein Wasserstoffatom ersetzen. Dasselbe läßt

304

sich auf direkterem Wege durch die Reaktion eines Halogenalkans mit dem starken Hydrid-Donor-Lithiumaluminiumhydrid in einer Sy2-Substitution des Halogens durch Hydrid erreichen.

Ki CHACHHCHET Br

(CH;CH,),O -LiBr

Tr

8.7 Metallorganische Verbindungen: Reagenzien mit nucleophilen Kohlenstoffatomen

CH;(CH>, CH; —H

1-Bromnonan

Nonan

Eine andere Möglichkeit, um etwa ein Wasserstoffisotop wie Deuterıum

in ein Molekül

einzuführen,

besteht

darin,

die metallorganische

Verbindung mit deuteriertem Wasser zu hydrolysieren. 1. Mg

2. D,O

' Wie würden Sie 1-Deuteriocyclohexan aus Cyclohexan herstellen?

Das an das Metall gebundene Kohlenstoffatom ist nucleophil Metallorganische Verbindungen mit anderen Metallen als Lithium oder Magnesium kann man durch nucleophile Reaktion von Alkyllithiumoder Grignard-Verbindungen mit Metallhalogeniden herstellen. Diese Reaktion ist Beispiel einer Transmetallierung, da sie eine organometallische Verbindung in eine andere überführt. Transmetallierung

R—M+M’X

—

R—-M’+MX

Beispiele:

3CH3MgCl

+ Sich —>

(CH3)3SiCl + 3 MgCha Chlor-

trimethylsilan

CH; 3CH;CHMgCI + CdCh —

CH} \CHSCH )Cd

+ 2 MgCh

Di-(1-methylethyl)cadmium

3CHsLi + AlCy —> (CH3)Al + 3 LiCl Trimethylaluminium

Manche dieser Reagenzien haben für die Synthese große Bedeutung, wie wir in folgenden Kapiteln noch mehrmals sehen, wenn funktionelle Gruppen ineinander umgewandelt werden. Direkte Cuprat-Synthese 2 RLi + Cul—>

R;Culi + Lil Ein Cuprat

305

8

Alkohole

Ein weiteres Beispiel, das an dieser Stelle erwähnt werden muß, ist die Bildung einer neuen C—C-Bindung bei der Reaktion von Cupraten R;CuLi und (meist) primären Halogenalkanen R’X zu einem neuen Alkan R—-R’. Cuprate erhält man durch direkte Reaktion zweier Äquivalente einer Alkyllithium-Verbindung mit einem Aquivalent Kupferiodid, Cul. Auf die Chemie der Cuprate werden wir in Abschnitt 18.11 zurückkommen.

Darstellung von Alkanen aus Cupraten und Haloganalkanen

R;CuLi

+

2R’X —0

2 R—-R’

+ LiX + Kupfersalze

(CH,),CuLi + 2 CH,(CH,),CH,L- EHb0.0S, CH Lithiumdimethylcuprat

CH.(CH,). CHIC

1-Ioddecan

90% Undecan

Diesen Abschnitt fassen wir wie folgt zusammen: Organolithiumoder Organomagnesium-Verbindungen (Grignard-Verbindungen) erhalten wir durch die Umsetzung eines Halogenalkans mit dem entsprechenden Metall in Etherlösung. Metallorganische Verbindungen enthalten, im Gegensatz zu Halogenalkanen, einen negativ polarisierten Alkylteil. Obwohl die Bindung zwischen Metall und Kohlenstoff zum großen Teil kovalent ist, reagiert das an das Metall gebundene Kohlenstoffatom wie ein Carbanion.

Es kann

ein Proton

aufnehmen,

dadurch

entsteht

ein

Alkan; Alkyllithium- und Grignard-Verbindungen reagieren mit anderen Metallhalogeniden in einer Transmetallierung, wodurch weitere Alkylmetall-Verbindungen, z.B. mit Cd oder Si entstehen. Durch die Reaktion von Cupraten R-CuLi mit Halogenalkanen werden zwei Alkylreste unter Ausbildung einer neuen C—C-Bindung verbunden. Bereits in der Einleitung zu diesem Abschnitt erwähnten wir, daß bei den interessantesten Reaktionen organischer Lithium- und MagnesiumVerbindungen durch nucleophilen Angriff des Alkylrestes auf eine Carbonylgruppe Alkohole unter Neuknüpfung einer C—C-Bindung entstehen.

Im

nächsten

Abschnitt werden

wir dieses

Thema

ausführlich

besprechen.

8.8 Metallorganische Reagenzien der Alkoholsynthese Die Nucleophilie der an ein Metall gebundenen Alkylgruppe nutzt man zur Darstellung von Alkoholen durch die Umsetzung von metallorganischen Reagenzien mit Carbonylverbindungen und bei der nucleophilen Ringöffnung gespannter cyclischer Ether.

Darstellung von Alkoholen durch Addition metallorganischer Verbindungen an die Carbonylgruppe von Aldehyden und Ketonen Metallorganische Reagenzien addieren an Aldehyde und Ketone in gleicher Weise wie Hydride unter Bildung von Alkoholen. Dabei wird im Unterschied zur Hydrid-Reduktion eine neue C—C-Bindung ausgebildet.

306

Synthese von Alkoholen durch Reaktion von Aldehyden und Ketonen mit metallorganischen Reagenzien

Au a,

R

Ins EN

:0:7M*

8.8

Metallorganische Reagenzien der Alkoholsynthese

OH H*, H,O

|. 0. R

ee

R

Die Reaktion läßt sich leichter verstehen, wenn man sich die Wande-

rung der Elektronen vergegenwärtigt. Die negativ polarisierte Alkylgruppe, genauer das nucleophile, an das Metall gebundene Kohlenstoffatom greift das Carbonyl-Kohlenstoffatom mit dem Bindungselektronenpaar nucleophil an. Das Carbonyl-Sauerstoffatom übernimmt das Metall unter Bildung eines Metallalkoxids. Durch Zugabe von verdünnter wäßriger Säure wird die Sauerstoff-Metall-Bindung hydrolysiert, so entstehen der Alkohol und ein Salz. Wie bereits erwähnt, läßt man die weite-

ren Aufarbeitungsschritte oft in der Reaktionsgleichung weg. Formaldehyd (Methanal) reagiert mit metallorganischen Reagenzien unter Bildung von primären Alkoholen:

H CH;CH>CH-CH>MsBr

+

H,c=o

-Eetino, H.O,

|

LCHSGHSCH. VOR 93%

Butylmagnesium-

Formaldehyd

H

1-Pentanol

bromid

Mit anderen Aldehyden erhält man sekundäre Alkohole: MeBr

BcHeN

7

g

Heinen

NEN.

Hal, (CHJCHECH, H 54%

1-Methylethylmagnesiumbromid

Acetaldehyd

3-Methyl2-butanol

Ketone werden in tertiäre Alkohole umgewandelt: O

FH

CH;

OCcH-Li+ CHOCcH, 5 |

THE

EN, a

EHLCHLCH.CH,C OR |

| Butyllithium

95% Propanon

CH;

2-Methyl-2-hexanol

(Aceton)

| Übung 8-13 Schlagen Sie Reaktionen vor, mit denen man 2-Propanol, (CH,);CHOH, l-propanol, (CH;),„ CHCH,OH, umwandeln kann.

in 2-Methyl-

Darstellung von Alkoholen durch Addition metallorganischer Verbindungen an Ester Die Umsetzung von Carbonsäureestern mit zwei Äquivalenten eines Alkyllithium- oder Grignard-Reagenzes führt zu tertiären (wenn R= Alkyl) oder zu sekundären Alkoholen (wenn R=H). Man nimmt an, daß bei dieser Reaktion die Alkoxygruppe des Esters verdrängt wird,

307

8 Alkohole

wobei intermediär ein Keton oder ein Aldehyd entsteht, der mit dem metallorganischen Reagenz schneller als der vorliegende Ester reagiert. Dieser Mechanismus wird in Abschnitt 20.5 ausführlich diskutiert. Alkoholsynthese aus Estern

RCOR'’

a

1}

-

ar

|

R” Li

— LiOR

2

H

. H>0

schnell

|

nicht isolierbar Ester

u

RCR"”

R"

Aldehyd oder Keton

Alkohol

Beispiele:

HCOCH;

+ 2 CH3MgBr -CH#r0 ,H,O,

ji

yccH, CH3

Methylformiat (Ameisensäure-

90% 2-Propanol

methylester)

|

OH

CH3COCH;CH3 + 2 CH5CH>MgBr #20,

#0 , CH,CCH,CH, CH>CH3 67%

Ethylacetat

3-Methyl-3-pentanol

(Essigsäureethylester)

Darstellung von Alkoholen durch Addition metallorganischer Reagenzien an gespannte cyclische Ether Grignard- und Alkyllithium-Verbindungen greifen gewöhnliche Ether nur schwer an, gespannte cyclische Ether sind jedoch ausreichend reaktiv. Wie ein Hydrid-Reagenz kann auch das nucleophile Kohlenstoffatom im Alkylmetall den Ring von Oxacyclopropan öffnen:

ZN

-

H>C—CH; + CHSCH>CH>CH>MgBr HD, #20, CH,CH>CH;CH>CH>CH>OH 62% 1-Hexanol

o + HC —CH, + (CHz),CLi #5 #8, ar!

(CH); CCH>CH>OH 72% 3,3-Dimethyl-1-butanol

U

Übung 8-14 | Schlagen Sie effiziente Synthesen für die folgenden Produkte vor. Die Ausgangssubstan-

"zen

sollten nicht mehr als vier Kohlenstoffatome pro Molekül enthalten.

en

| Mr

OH

|

C(CH3)3

(a) CH3CH>CH>CHCH;3;

(b)

OH

(c) CH3C(CH3)2; 308

(d) CH3(CHz)sOH

’

Wir

halten

addieren

fest:

an

Alkyllithium-

Aldehyde

und

und

Ketone

Alkylmagnesium-Verbindungen

unter

Bildung

von

8.9 Komplizierte Alkohole:

Alkoholen.

Eine Einführung in

Dabei knüpft die ans Metall gebundene Alkylgruppe eine neue Bindung

die Synthesestrategie

zum Carbonyl-Kohlenstoffatom. Ester addieren zwei Moleküle der metallorganischen Verbindung. Aus dreigliedrigen cyclischen Ethern entstehen Alkohole durch Ringöffnung, die Kohlenstoffkette des Produkts wird dabei um zwei Methylen-Einheiten verlängert.

8.9 Komplizierte Alkohole: Eine Einführung in die Synthesestrategie Die neuen Reaktionen, die in diesem Kapitel vorgestellt werden, sind sozusagen ein Teil des Vokabulars der organischen Chemie. Nur wenn man die Reaktionen kennt, mit denen man bestimmte Änderungen an Molekülen vornehmen kann und funktionelle Gruppen ineinander umwandeln kann, ist man in der Lage, sich in der organischen Chemie zu bewegen. Man muß sich daher mit diesen Reaktionen vertraut machen,

mit ihrer Vielfalt,

tionsbedingungen,

den

verwendeten

Reagenzien,

sofern sie für den Erfolg einer Reaktion

gebend sind, und den Grenzen

den

Reak-

ausschlag-

einer Methode.

Diese Aufgabe scheint gewaltig zu sein und sehr viel Auswendiglernen zu erfordern,

aber sie wird durch das Verständnis der Reaktionsme-

chanismen vereinfacht. Wir wissen bereits, daß die Reaktivität aus wenigen Faktoren, wie Elektronegativität, elektrostatischen Kräften oder Bindungsstärke, vorhergesagt werden kann. Wir wollen nun sehen, wie organische Chemiker deren Kenntnis nutzen, um sinnvolle Synthesestrategien zu entwickeln. Zunächst werden ein paar Beispiele angeführt, in denen wir die Reaktivität auf der Basis der Reaktionsmechanismen vorhersagen werden, um uns dann der Synthese - der Bildung von Molekülen — zuzuwenden. Wie

entwerfen

Chemiker

neue

synthetische

Methoden,

und

wie kann

das gewünschte Molekül so effizient wie möglich dargestellt werden? Diese beiden Punkte sind miteinander eng verknüpft. Der zweite ist als Totalsynthese bekannt und erfordert gewöhnlich eine Reaktionsfolge. Für diese Problemstellung werden wir auch einen Großteil der bereits behandelten Reaktionen wieder aufgreifen.

Mechanismen helfen bei der Vorhersage der Reaktionsprodukte Wir wollen uns noch einmal in Erinnerung rufen, wie wir die Produkte einer Reaktion voraussagen. Was sind die Gründe, die einen bestimmten Mechanismus ablaufen lassen? Hier sind drei Beispiele. Vorhersage einer Reaktion aufgrund mechanistischer Überlegungen

ICH.CH.CHBr

x

=

ECH,.CH,CH,Br

I, Propanon (Aceton)

» FCH,CH,CH;I

entsteht nicht

Erklärung: Bromid ist eine bessere Abgangsgruppe als Fluorid.

OCH3 un H

0® (CH3CH3)0

OMeBr

irn

———

EEE

„E & + CH3MgBr H;C

H

REN

—

227, CH,CCH3 H

entsteht nicht

309

Erklärung: Das positiv polarisierte Carbonyl-Kohlenstoffatom bildet eine Bindung zum negativ polarisierten Alkyl-Kohlenstoffatom des organometallischen Reagenzes.

85 Alkohole

CH, Fa

Andere en Bromide " |

ee

CH3Br ä) »

A

i

E

CH; Br>,

H;C_ Bra, hv

u

Ihv

c

x

SQ Br

Br

E

entsteht nicht

Erklärung: Die tertiäre C—-H-Bindung ist schwächer als die primäre oder sekundäre C—H-Bindung. Übung 8-15 "| Welche Produkte entstehen "| Mechanismen entstehen sie?

bei

den

folgenden

Reaktionen,

und

aufgrund

welcher

ji

(a) CICH;CH>CH3;C(CH3;), + CH;CH;OH — CH;CI | (b) CICH,CH,CHLC(CH;), + (CH,),CO” +K CHRLCOH, OH |

(HHOCHCHCHe Ce en

4

Neue Reaktionen ermöglichen neue Synthesewege Man kann neue Reaktionen entweder sorgfältig planen oder durch Zufall entdecken. Stellen wir uns vor, wie zwei Studenten die Reaktion eines Grignard-Reagenzes mit einem Keton zu einem Alkohol unabhängig voneinander entdeckt haben könnten. Der erste, erfahrene Student sagte aufgrund von Elektronegativitäts-Betrachtungen und der elektronischen Struktur von Ketonen vorher, daß der nucleophile Alkylrest der Grignard-Verbindung an das elektrophile Carbonyl-Kohlenstoffatom addiert. Das Ergebnis des Experiments bestätigte seine theoretische Vorhersage. Ein zweiter, unerfahrener Student versuchte vielleicht, eine besonders konzentrierte Lösung eines Grignard-Reagenz mit einem — wie er glaubte — besonders guten polaren Lösungsmittel zu verdünnen, nämlich mit Propanon (Aceton). Die einsetzende heftige Reaktion enthüllte die Reaktivität dieses Reagenz bei der Alkohol-Darstellung. Ist eine neue Reaktion erst entdeckt, ist es auch wichtig, ihre Reich-

weite und ihre Grenzen abzustecken. Zu diesem Zweck testet man verschiedene Substrate, stellt mögliche Nebenprodukte fest, unterwirft neue

funktionelle Gruppen den Reaktionsbedingungen und führt mechanistische Studien durch. Sollte sich die neue Reaktion nach diesen Untersuchungen als generell anwendbar erweisen, wird sie als neues Syntheseinstrument dem Werkzeug des organischen Chemikers beigefügt. Da eine Reaktion eine sehr spezifische Änderung in einem Molekül hervorruft, ist es von Nutzen, diese Änderung hervorzuheben.

RM Alkylgruppe +

OÖ

N

BC

CH

C,-Einheit

V R—

310

CH „—CH5—OH

Nehmen

wir als Beispiel die Addition eines Grignard-Reagenz an einen Dreiringether. Welche Strukturänderung findet bei der Umsetzung statt? Eine C,-Einheit, —CH>CH;— , wird an eine Alkylgruppe addiert. Dieses wertvolle Verfahren macht es möglich, eine Alkylkette direkt um zwei Kohlenstoffatome zu verlängern, man spricht hier auch von einer doppelten Homologisierung. Da Grignard-Verbindungen durch die Reaktion von Halogenalkanen mit Magnesium gut zugänglich sind, und auch Halogenalkane leicht aus den entsprechenden Alkoholen (z.B. durch Behandlung mit HX, Abschn. 6.7) oder aus Alkanen (durch radikalische Halogenierung, Abschn.

3.5 u. 3.6) darzustellen sind, kann man

möglichkeiten ausdenken.

sich weitere Synthese-

l. HBr

l. Bra, hv

2. Mg

2. Mg oO

AN

ROH

8.9

3. H5C—CH3 EEE ar,

FR

RCH>CH-OH

3. H,C—CH3 4. H*, H,O —— >

RH

RCH>CH-OH

Dieses Verfahren hat außerdem den Vorteil, daß am Ende der verlän-

gerten Kohlenstoffkette eine neue Hydroxygruppe entsteht, die weitere synthetische Möglichkeiten eröffnet. Man kann sie auch entfernen, wenn sie unerwünscht ist. Die Methode dazu kennen Sie bereits. So kann man z.B. den Alkohol in ein Halogenalkan umwandeln und dann mit Lithiumaluminiumhydrid reduzieren. Warum kann man die OH-Gruppe nicht direkt mit LiAIH, reduzieren? Dafür gibt es zwei Gründe: Zum einen ist die OH-Gruppe eine schlechte Abgangsgruppe, zum zweiten reagiert das Hydrid mit dem aciden Proton des Alkohols,

dadurch entstehen Alkoxide

4 RCH>CH;OH + LiAIH4 —

Komplizierte Alkohole: Eine Einführung in die Synthesestrategie

RCH>CH>OH = 10] HBr RCH>CH>

- LiBr|

Br

LiAIH, w

RCH>CH>H

und Wasserstoff.

Li[ANOCH,CH;R),] + 4H—H

Die endständige Hydroxygruppe ist für weitere Umsetzungen besonders nützlich, da man sie durch ein Bromid ersetzen kann. Als gute Abgangsgruppe erlaubt Bromid die Einführung vieler neuer funktioneller Gruppen am Ende der Kette: l. HBr

RCH>CH>OH 2 > RCH>CH>Nu

Nu= OH, OR. I, CN, SR, NH», (R’ durch Reaktion mit Cupraten usw.)

Außerdem sind Bromalkane ausgezeichnete Substrate für die Synthese organometallischer Reagenzien, die wiederum eine Vielzahl von molekularen Anderungen eingehen können: RCH,CH;,Nu

7

Nu: / DMSO

RCH.CH,Br

RCH;CH;D

Mg, (CH,CH,);O

> —

KOC(CH;); \(CH3),;COH

oT

RCH;CH,MeBr (6) I

O

l CH N

CH;C H

Ä OH RCH=CH,

RCH;CH,CH, — OH

RCELCILCCH, CH;

OH RCHLCHACCH, H

Jedes der Produkte in diesem Schema kann weiter zu einer noch komplexeren Verbindung umgesetzt werden. Sie sehen, wieviele Synthesemöglichkeiten Ihnen schon zur Verfügung stehen, obwohl Sie bisher erst wenige Reagenzien kennen. Wenn wir fragen „Wie gut ist eine Reaktion? Welche Verbindungen können wir damit herstellen?“, beschäftigen wir uns mit der Methodologie. Die Entwicklung eines neuen Syntheseverfahrens, das Auffinden der optimalen Bedingungen, das Abstecken seiner Reichweite und. Grenzen und letztlich seine Anwendung bei der Herstellung interessanter Verbindungen sind wichtige Themen synthetischer organischer Forschung. Nun wollen wir eine andere Aufgabe angehen. Unser Ziel ist es, ein ganz bestimmtes Molekül herzustellen. Wie gehen wir dabei vor? Wie finden wir die richtigen Ausgangsverbindungen? Die Aufgabe, mit der wir uns nun befassen müssen, ist die Totalsynthese einer Verbindung.

31

8

Alkohole

Organische Chemiker befassen sich mit der Synthese komplexer Moleküle aus verschiedenen Gründen. Manche Verbindungen haben wertvolle pharmakologische Eigenschaften, sind jedoch aus natürlichen Quellen nicht erhältlich. Biochemiker brauchen oft spezifisch isotopenmarkierte Verbindungen, um den Metabolismus verfolgen zu können. Physikochemiker messen an neuen Verbindungen physikalische Konstanten, spektroskopische und andere Eigenschaften und chemisches Verhalten. (Erinnern Sie sich an die gespannten Cycloalkane in Abschnitt 4.2.) Es gibt viele Gründe für die Totalsynthese organischer Moleküle. Was auch immer das Ziel sein mag, eine erfolgreiche Synthese zeichnet sich durch Kürze und hohe Gesamtausbeute aus. Die Ausgangssubstanzen sollten leicht zugänglich, möglichst käuflich und preiswert sein. In der Industrie erfordert die Umsetzung großer Chemikalienmengen eine besondere Verfahrenstechnik. Hinzu kommen Sicherheitsansprüche und Umweltanliegen, die möglichst ungiftige und leicht zu handhabende Reagenzien erfordern.

Die retrosynthetische Analyse erleichtert das Syntheseproblem Meist sind käufliche, preiswerte Substanzen einfache Verbindungen mit fünf oder weniger Kohlenstoffatomen. Deshalb steht der synthetisch orientierte Chemiker meistens vor der Aufgabe, große, komplizierte Moleküle aus einfachen kleinen Bausteinen herzustellen. Dieses Problem geht man am besten von rückwärts an, eine Arbeitsweise, die man auch retrosynthetische Analyse“ (vom lateinischen retro, umgekehrt) nennt. Dabei nimmt man sich das Zielmolekül vor. An einer Stelle, an der die Neuknüpfung zweier C—C-Bindungen möglich scheint, bricht man

diese Bindungen.

Zum Beispiel legt die retrosynthetische Analyse der Darstellung von 3-Hexanol aus zwei C;-Einheiten die Bildung aus einer organometallischen Verbindung und Propanal nahe.

Retrosynthetische Analyse der 3-Hexanol-Synthese aus zwei C,-Bausteinen OH

T

|

CH3CH7CH>CHCH>CH3

=>

+ HÜCHSCH,

CH3CH>CH;»MeBr Propylmagnesiumbromid

Propanal

Der Doppelpfeil zeigt die sogenannte strategische Zerlegung an. Die in dieser Analyse „gebrochene“ Bindung zwischen C3 und C4 kann durch eine Umsetzung gebildet werden, die wir bereits kennen: CH;CH>CH;MgBr + CH;CH;CHO. In diesem Fall ist nur eine Reaktion erforderlich,

um

die Verbindung

aufzubauen,

während

in anderen

Fällen mehrere Schritte notwendig sein können. Zwei alternative, aber weniger geeignete Retrosynthesen von 3-Hexanol sind OH CHSCH>CHZCHCHSCH,

O =>

OH

CH3CH>CH>CHCH>CH3 —2

NaBHy

[6)

TCH \CHLCH-ÜCH;CH;

a

NaOECH; + CH3CH>CH,>CHCH;CH3

Die Zielstruktur wird nicht wesentlich vereinfacht, da keine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung „gebrochen“ wird, und deshalb sind diese Retrosynthesen nicht so gut wie die erste.

*

312

Entwickelt von Elias J. Corey, geb. 1928, Professor an der Harvard University, Nobelpreis für Chemie 1990.

Retrosynthesen helfen beim Aufbau von Alkoholen

8.9

Komplizierte Alkohole: Eine Einführung in die Synthesestrategie

Wir wollen nun die retrosynthetische Analyse auf die Darstellung eines tertiären Alkohols, 4-Ethyl-4-nonanol, anwenden. In jedem Analyseschritt müssen zwei Schritte durchgeführt werden: Zuerst bestimmt man alle möglichen strategischen Zerlegungen durch „Bruch“ der Bindungen, die durch bekannte Reaktionen gebildet werden können, danach werden alle diese Zerlegungen in dem Sinne bewertet, daß die Zerlegung bestimmt wird, die die Struktur am stärksten vereinfacht. Die strategischen Bindungen in 4-Ethyl-4-nonanol sind die Bindungen nahe der funktionellen Gruppe. Es gibt drei Stellen, an denen das Molekül in einfachere Vorstufen gespalten werden kann. Spaltet man wie in Weg a die Ethylgruppe von C4 ab, so wird die Darstellung des Alkohols aus Ethylmagnesiumbromid und 4-Nonanon nahegelegt. Spaltung b führt analog zu einer Darstellung aus einer Propyl-Grignardverbindung und 3-Octanon als Vorstufen. Die Bindungsöffnung nach Weg c liefert schließlich als dritten Syntheseweg die Addition von Pentylmagnesiumbromid an 3-Hexanon. Da bei Weg c die Ausgangsfragmente mit fünf bzw. sechs Kohlenstoffatomen fast dieselbe Größe haben, ergibt die Bewertung, daß dieser Weg zu der stärksten Vereinfachung der Struktur führt. Übung 8-16 Wenden Sie die retrosynthetische Analyse auf 4-Ethyl-4-nonanol an, spalten Sie jetzt aber die Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindung. Kann man mit dieser Spaltung eine sinnvolle Synthese erhalten? Begründen Sie Ihre Antwort.

Retrosynthetischer Analyseschritt der Synthese von 4-Ethyl-4-nonanol

| CH3CH>MgBr

Va a

OH

Ethylmagnesiumbromid

b =)

+ CH3CH3+C+CH>CH;CH3

Eh CH3CH>CHZLCCH>CH>CH>CH>CH3

4-Nonanon

j CH3CH>CH»MgBr + CH3CH3ZCCH>CH>CH>CH>CH

3-Octanon

Krug yimmgmenveu:

CH3CH>CH>CHJCH3

bromid

4-Ethyl-4-nonanol c

N

l

CH3CH>CH>CH>CH>MgBr + CH3CHzCCH>CH>CH 3 Pentylmagnesium-

3-Hexanon

bromid

Können wir die Analyse mit den Fragmenten der Spaltung nach Weg c noch weiterführen? Wir können, wenn wir uns in Erinnerung rufen (Abschn. 8.6), daß Ketone durch Oxidation sekundärer Alkohole mit Cr(VI)-Reagenzien erhalten werden. Wir können daher die Darstellung von

3-Hexanon

aus

dem

korrespondierenden

Alkohol,

3-Hexanol,

in

Betracht ziehen.

1 CH;CH>CH>CCH3>CH;3

3-Hexanon

Mi =>. Na,Cn,0-

|

Ar CH;CH>CH;CHCH3>CH;

3-Hexanol

Für diesen Alkohol haben wir bereits eine effiziente Zerlegung in zwei C;-Fragmente diskutiert, so daß wir jetzt eine vollständige Synthese für 4-Ethyl-4-nonanol angeben können.

313

8

Synthese von 4-Ethyl-4-nonanol

Alkohole

Be CH;CH,CH 2

OH ;CH3CH>MsBr,

(CH3CH> JO

‚H50

——

| N2CnO7,

Propanon

H>SO,,

ee

CH;CH>CHCH3CH;>CH;

H>0

es

3-Hexanol

OÖ

|

CHLCH,CCHLGELGER

1. CH5CH,CH, CH,CH> MBBr, (CH3CH>),O

) 2 Eu BO 2.H*,

ie

EN SCHLCHEE

3-Hexanon

CHLCH,CHLCHEGHR 4-Ethyl-4-nonanol

Diese Synthese ist ein Beispiel für eine ganz allgemeine Reaktionssequenz zur Darstellung komplexer Alkohole: Zuerst wird eine Grignard- oder Organolithiumverbindung an einen Aldehyd addiert, dann wird der entstandene sekundäre Alkohol zu dem entsprechenden Keton oxidiert, und schließlich wird ein weiteres organometallisches Reagenz addiert, wobei ein tertiärer Alkohol gebildet wird. Alkoholoxidation als Syntheseschritt ”

RCH

OH

1. R'MeBr, (CH3CH>),O

2.H+,H,0

(0)

|

CrO;, 15

-

> Sn 2

ba H>0

RCR’

1. R’"MeBr, (CH3CH3),O

24,90
Re R”

im Auge behalten, daß es bei der Synthese eines im Prinzip stets mehrere Möglichkeiten gibt, dieeines passenden organometallischen Reagenzes mit Keton herzustellen.

Allgemeine Darstellungswege für Alkohole O

OH

10)

| | | RCR’ + RM &= R—C—’ => RCR” + R'M |

R’

\

|

R'CR”

+ RM

© Übung 8-17 Entwerfen Sie eine ökonomische Retrosynthese von 3-Cyclobutyl-3-octanol.

U Übung 8-18 Wie würden Sie 2-Methyl-2-propanol stoff darstellen?

aus Methan

als einzigem organischen Ausgangs-

Fehlerquellen bei der Syntheseplanung und mögliche Auswege Beim Entwurf einer Synthese muß man verschiedene Punkte beachten, wenn die Darstellung des gewünschten Moleküls in hoher Ausbeute gelingen soll. Erstens sollte man versuchen, die Anzahl der Reaktionsschritte von den Ausgangsstoffen zum Endprodukt so klein wie möglich zu halten. Dieser Punkt ist sehr wichtig, denn es kann sinnvoll sein, einen Schritt mit niedriger Ausbeute in Kauf zu nehmen, wenn dadurch die Reaktionsfolge deutlich abgekürzt werden kann. Ein Beispiel: Unter der Voraussetzung vergleichbarer Kosten für die Ausgangsmaterialien ist eine siebenstufige Synthese, bei der jeder Schritt eine Aus-

314

beute von 85% hat, weniger effizient als eine vierstufige Synthese, bei der drei Schritte mit 95% Ausbeute verlaufen und einer mit 45%. Die Gesamtausbeute der ersten Reaktionsfolge errechnet sich zu 0.85’ x 100% = 32%. Die Gesamtausbeute der zweiten Methode dagegen, die

8.9

Komplizierte Alkohole: Eine Einführung in die Synthesestrategie

drei Schritte weniger hat, beträgt 0.95° x 0.45 x 100% = 39%. In diesen Beispielen wurden alle Schritte nacheinander ausgeführt, man spricht von einer linearen Synthese. Im allgemeinen ist es jedoch besser, komplexe Syntheseziele durch zwei oder mehr parallel durchgeführte Synthesewege (bei vergleichbarere Stufenzahl) anzugehen. Diese Strategie nennt man konvergente Synthese. Wenn auch eine einfache Berechnung der Gesamtausbeute bei einer konvergenten Synthese nicht so leicht möglich ist, kann man sich doch leicht von der größeren Effizienz überzeugen, indem man die tatsächlichen Mengen an Ausgangsmaterial vergleicht, die zur Bildung einer bestimmten Menge des gewünschten Produktes erforderlich sind. Im folgenden Beispiel werden 10 g des Produktes H in drei Schritten mit jeweils 50% Ausbeute in einer linearen Synthese AB CH gebildet. Dem wird eine konvergente Synthese ausgehend von D über E sowie F über G mit ebenfalls 50% Ausbeute in jedem Schritt gegenübergestellt. Gehen wir der Einfachheit halber von gleichen Molekulargewichten aus, erfordert der erste Weg 80 g, der zweite nur 40 g an Ausgangsverbindungen. 50%

A

50%

B 40 8

80.8

ü 20 8

50%

H 108

lineare Synthese von H

D

50%

20 8 F

20 8

E

108 > 2%

G

® 108

108 konvergente Synthese von H

Zweitens darf man keine Reagenzien mit funktionellen Gruppen einsetzen, die die angestrebte Reaktion stören. So würde z.B. die Reaktion eines Hydroxyaldehyds mit einer Grignard-Verbindung zur Alkoholyse und nicht zur Ausbildung einer C—C-Bindung führen: OH

16)

OÖ

| | HOCH>CH>CH CH>CH + CH3»MgBr — | CH;

| BrMgOCH;CH>CH +CH;

Dieses Problem läßt sich umgehen, indem man mit zwei Äquivalenten des Grignard-Reagenzes arbeitet: ein Äquivalent dient zum Abfangen des aciden Protons und eines zur Reaktion mit der Carbonylgruppe. Stellen Sie niemals eine Grignard-Verbindung aus einem Bromketon her. Ein solches Reagenz ist nicht stabil und würde sogleich nach seiner Entstehung mit der Carbonylgruppe der Ausgangssubstanz reagieren.

Envereinbar

Br

= 7)

BrMg

Um störende funktionelle Gruppen unwirksam zu machen, benutzt der Chemiker sogenannte Schutzgruppen. Dabei wird eine funktionelle Gruppe reversibel in eine unreaktive Form überführt. Einen Alkohol kann man z.B. in Form des 1,1-Dimethylethylethers schützen

315

8 Alkohole

(s.a. Kasten 9-4). Der Ether wird durch Reaktion des Alkohols mit einem tertiären Halogenalkan gebildet. Durch Hydrolyse mit Säure läßt sich die Alkoholgruppe wieder regenerieren (Abspaltung der Schutz-

gruppe): ROH

CH3); un

ROC(CH,),,

Addition der Schutzgruppe

Beispiele neopentyl-ähnlicher gehinderter Halogenalkane & CH; CH:CH>CCH>Br Dr

*,Eb 0

"ROM

(Cyan)

Abspaltung der Schutzgruppe

Später werden wir weitere Methoden kennenlernen, mit denen man verschiedene funktionelle Gruppen schützen kann. Drittens sollte man alle mechanistischen und strukturellen Einschränkungen der betreffenden Reaktion berücksichtigen. So verlaufen z.B. radikalische Bromierungen selektiver als Chlorierungen. Bedenken Sie sterische Einflüsse bei nucleophilen Reaktionen; vergessen Sie nicht, daß 2,2-Dimethyl-I1-halogenpropane (Neopentylhalogenide) nur träge reagieren. Auch wenn es nicht auf den ersten Blick auffällt, haben auch andere Halogenalkane „neopentyl-ähnliche“ Struktur und reagieren ebenso schlecht. Andererseits kann man aus solchen Systemen metallorganische Reagenzien herstellen und sie so für weitere Reaktionen zugänglich machen. Überführt man z.B. 1-Brom-2,2-dimethylpropan in das Grignard-Reagenz und setzt es mit Formaldehyd (Methanal) um, erhält man den entsprechenden Alkohol.

CHz r

1.Mg

CH3 N

ee CH>Cl

(CH;);CCH3,Br

L er

1-Brom-2,2-dimethylpropan

Oft ist es schwer,

Fe‘

\

en

ker / Bi

ein tertiäres

(CH;);CCH>CH,0OH

3,3-Dimethyl-1-butanol f

Halogenid

als solches

zu

erkennen,

wenn es Teil eines komplizierteren Gerüsts ist. Bedenken Sie, daß tertiäre Halogenide nicht nach Sx2, sondern in Gegenwart von. Basen

\ /

2.CH,=O

—

unter Eliminierung reagieren. /

\ =

Br

Geschicklichkeit bei Synthesefragen erwirbt man, wie in so vielen anderen Bereichen der organischen Chemie nur durch Erfahrung. Wenn Sie die Synthese komplexer Moleküle planen, müssen sie die Reaktionen und Mechanismen vorangegangener Abschnitte wiederholen. Auf diese Weise tragen Sie Kenntnisse zusammen, die sie bei späteren Problemen anwenden können.

Verständnisübung Tertiäre

Alkohole

sind

wichtige

Additive

in Industrieprozessen,

bei

denen Lewis-saure Metallverbindungen als Katalysatoren eingesetzt werden (s. Abschn. 2.9 u. 6.4). Durch die Alkoholmoleküle entsteht um das Metallzentrum eine sterisch abschirmende und hydrophobe Umgebung (s. Abb. 8-3 u. Kasten 8-2), so daß sich die Verbindungen besser in organischen Lösungsmitteln lösen, länger katalytisch aktiv sind und selektiver bei der Substrataktivierung. Diese tertiären Alkohole werden üblicherweise mit der Synthesestrategie, die wir in Abschnitt 8.9 gelernt haben, hergestellt. Synthetisieren Sie den tertiären Alkohol A, ausgehend von Cyclohexan. Sie können beliebige Synthesebausteine verwenden, solange nicht mehr als vier Kohlenstoffatome enthalten.

316

Verständnisübung

OH

Lösung Bevor wir diese Aufgabe durch einfaches Ausprobieren zu lösen versuchen, sollten wir zuerst alle Informationen sammeln: 1) Die Ausgangsverbindung ist Cyclohexan, das zugleich ein Substituent des späteren Produktes, des tertiären Alkohols A, ist. 2) Das Produkt enthält sieben

weitere Kohlenstoffatome. Deshalb benötigen wir mehr als einen zusätzlichen Baustein, da wir ja keine weitere Verbindung mit mehr als vier Kohlenstoffatome verwenden dürfen. 3) Das Zielmolekül A ist ein tertiärer Alkohol, der über eine retrosynthetische Analyse, wie wir sie in Abschnitt 8.9 kennengelernt haben, zugänglich sein sollte (M = Metall):

Weg a erweist sich als der beste Weg: Der tertiäre Alkohol A wird in zwei etwa gleich große Fragmente B und C zerlegt. Nachdem wir erkannt haben, das die Route a die günstigste ist, müssen wir eine Möglichkeit

finden,

die beiden

Vorläufermoleküle

von

A

zu finden. Unsere Analyse muß nun die Fragmente B und C in noch kleinere Synthesebausteine zerlegen. Was sind die geeigneten Vorstufen für B und C? B sollte aus unserer Ausgangsverbindung Cyclohexan zugänglich sein. Der Vorstufe der metallorganischen Verbindung B ist ein halogeniertes Cyelohexan, das aus Cyclohexan über eine radikalische Halogenierung entsteht.

®

M

X

ER

ns

[ )+%

in zwei kleinere

Komponenten

zerlegt werden.

B

Keton

CE muß

Am

besten wäre eine Kombination eines C;- und eines C,-Fragmentes. Es ist die Lösung mit zwei Komponenten vergleichbarer Größe, die die Verwendung eines Cyclobutyl-Intermediates nahelegt. Die einzige Mög-

lichkeit zur C-C-Bindungsverknüpfung, die wir bisher kennengelernt haben, ist die Addition von metallorganischen Verbindungen an Carbonylfunktionen. Der erste retrosynthetische Schritt ausgehend von C führt zum entsprechenden Alkohol (und einem Chrom-Oxidationsmittel), die Folgeschritte zu den Ausgangssubstanzen D und E.

317

A

8 Alkohole

0

|

OH

M

Nun können wir ein detailliertes Syntheseschema von Cyclohexan, D und E formulieren:

Ra Li

1%

D

@

net a

E

unter Verwendung

en

OÖ

Verbindung A

Ze

“

-

FE

”

Br, Im

Br

Se

MeBr oO

_

u

Me;

B:

ar

er

Eine abschließende Bemerkung: In dieser und in den folgenden Übungen sollten Sie immer alle Reaktionen nicht nur vorwärts (also: Substrat + Reagenz > Produkt), sondern auch rückwärts (Produkt — Substrat + Reagenz) planen können. Die beiden Ansätze geben Antwort auf zwei unterschiedliche Fragen: 1) Welche möglichen Produkte, können aus einem Substrat und den gegebenen Reagenzien erhalten werden? 2) Welche Ausgangsverbindungen und welche Reagenzien liefern mir das vorgegebene Produkt? Die Schemata am Ende dieses Kapitels, aber auch diejenigen in den Folgekapiteln, fassen Reaktionen zusammen und illustrieren diese beiden Ansätze.

Neue Reaktionen 1

Säure-Base-Eigenschaften der Alkohole (Abschn. 8.3) H

+

H*

R6|

Base

ROH —

:B

PN

sRgrBHH

H Alkyloxonium-Ion

Alkohol

Alkoxid

Technische Alkohol-Synthesen

2

Synthesegas (Abschn. 8.4) Kong 227006,

yH;

Synthesegas

3

Darstellung von Methanol aus Synthesegas (Abschn. 8.4)

&@ 4

2.

Cu/ZnO/Cr;O;, 250 °C, 5-10 MPa ——

—

CH;OH

Fischer-Tropsch-Synthese (Abschn. 8.4) nco

Ar (2n Ar 1) H>

Co oder Fe, Druck, 200 °-350 °C nn

@/,Eb4:5

Ir nH>O

Kohlenwasserstoffe

5

Ethanol durch Hydratisierung von Ethen (Abschn. 8.4) CH;

318

—

CH;

Sr H;0O

HyPO,, 300 °C „= I

CH;CH>OH

Darstellung von Alkoholen im Labor

6

Neue

Nucleophile Substitution von Halogeniden gruppen durch Hydroxid (Abschn. 8.5)

und

anderen

Reaktionen

Abgangs-

RCH>X + HO“ ——> RCH3OH + X” N X = Halogen, Sulfonat

\

\

RCHBr+ CH:CO7

10”

— >. RCHOCCH,

|

Sn2

nme ——

|

R'’

ARCHOH

Esterhydrolyse

|

R'’

j

R'CX

R#

j

H,O, Propanon (Aceton).

R'COH

Si R”

7

R4

Katalytische Hydrierung von Aldehyden und Ketonen (Abschn. 8.6)

|

ROH

NRCH-OH

SReRz

primärer

Keton

H,,

NE

Katalysat

H Aldehyd

sekundärer

Alkohol

8

Reduktion 8.6)

von

Alkohol

Aldehyden

|

RCH PHe CHREOH,

und Ketonen

durch

Hydride

(Abschn.

1. LiAIH4, (CH3CH2)20

Rcy,oH

RER HMO 5, ı

_2.

OH |

‚H0

‚ H

Aldehyd

primärer

Keton

sekundärer

Alkohol

9

Reduktion

von

Alkohol

Carbonsäuren

und Estern

durch

Lithiumaluminium-

hydrid (Abschn. 8.8) II, LiAIHg

Recon

1

Recon

Carbonsäure

10

IR LiAIH4

Recon En N

TPOH U R’OH

Ester

Nucleophile Ringöffnung von miniumhydrid (Abschn. 8.8)

Oxacyclopropan

durch

Lithiumalu-

1. LiAIH4

H,C—CH;

2. H*,H,0

nn

CH;CH>OH

Oxidation von Alkoholen

11

Chrom(VI)-Reagenzien (Abschn. 8.6) 1

REHLOH, primärer Alkohol

PCC, CH3Cl artenzer rt, REH

Aldehyd

OH

RCHR

Na>Cr207, H2S04

sekundärer Alkohol

319

8 Alkohole

Metallorganische Reagenzien 12

Reaktion von Metallen mit Halogenalkanen (Abschn. 8.7)

RX

meer

Ber

nr

Alkyllithium-Verbindung

Rx 4 me. an

TRMeERX Grignard-Verbindung

R darf keine sauren Gruppen wie O—H wie C=O enthalten. 13

oder elektrophile Gruppen

Transmetallierung (Abschn. 8.7)

4 RMgeX + SIX,—

SiR,

+4 MsX,

Tetraalkylsilan

2 RMeX

+ Cd, —

CdR,

+2 MgX,

Dialkylcadmium

3RLi+

AI, —

R3Al

+3LixX

Trialkylaluminium

RLi + Culı —

RCu

une!

ein Alkylkupfer-Reagenz

RCu

RI

0

B,CcıB:

Lithiumdialkylcuprat (ein Cuprat)

14

Hydrolyse (Abschn. 8.7)

RLi + H,O — RMsX + D;0 —

RH + LiOH RD + Mg(OD)X

15

Alkane aus Cupraten und (primären) Halogenalkanen (Abschn. 8.7) R,CuLi + 2 R'X — 2 R-R’ + LiX + Kupfersalze

16

Alkane aus Halogenalkanen und Lithiumaluminiumhydrid (Abschn. 8.7) RX + LiAIH, — RH

17

Addition metallorganischer Verbindungen an Aldehyde und Ketone (Abschn. 8.8) RLi oder RMgX + CHy»=0O —> Formaldehyd

RCH>OH primärer Alkohol

vr

RLi oder RMgX +

R’CH

—>

a H

Aldehyd

| RLi oder RMgX + R'CR" —

sekundärer Alkohol

OH

RR: R”

Keton

tertiärer Alkohol

Aldhyd oder Keton dürfen keine Gruppen wie O—H oder weitere C=O-Gruppen enthalten, die mit metallorganischen Reagenzien reagieren.

320

ke

{6)

[6)

Et

0°

Be

>

0

ai

| OH OH

n J9po SON

|

OH ;H |

Eee!

Puydsqy

a

OHSH

| fe

) (HIOO Ef

ar

ker

[6)

HA=

1d°H

(ROHDA

HIVIT JO9po 'HEEN

Be

A Ba . (Ü) (A ))u. wa IH: O2 [e) [6)

La 120 XaWA

GODHIA

XxH UoseusdXxQ

304

UPJOYOoy[YAydıs

AOIA

|

b: =

z NET 2

| | | ıgaw,a -OH 10 ,H ‘OH "HIVIT

’HEEN 7

e

UCHIIO)EH I OXHTX

I [e)

|

= RS ee

I3sayjJuÄg UoA

HIA

-OH "OH 7

e

N a=

Oo

[e)

an

| 7OH '-OH

| Be is

|

KON ‚a

xHAa \

„eN-709°H9"I Rn vn u ER zus" on z“S ‘_OH

a

et

INS'OH

A SEN

|

‚a

‘Hal

En = Da

2

Neue Reaktionen

Ne

Sof

HT+O9 +

Te 01-05 DOkt “O)-0u7-)

E

OH

310-1 =!

7% „OH,

G

8 Alkohole

h usaIzuaseayg-pIeustıs) 3yalSs Pıuydsgqy

nn

m X ’ au

„1 9=I,8

HN’Y i N=J,4

HO

na

3

wintgpIjÄy]Y pw

0)

[8

ee

R-(0eR:

|

Ö| OA

fo")Ä

"CH’DMIHIY

_RD

322

HOda „NA HO öÖ

'CH’II=HIA

|

04

RR! AT HO,A H=IN l

QD—

Da

16)

& |

RN

UAUOHNEAN UOA

erö .n

Wichtige Konzepte 1

Alkohole

bezeichnet

Nomenklatur

man

als Alkanole.

nach

Aufgaben

der IUPAC-

6 Die Umwandlung der elektrophilen Alkylgruppe eines Halogenalkans, C’'—X°”, in sein nucleophiles Analogon in einer organometallischen Verbindung, C’—M’°*, ist ein Beispiel für Umpolung.

Die Kohlenstoffkette,

die die funktionelle Gruppe trägt, gibt der Verbindung den Namen. Alkyl- und Halogensubstituenten werden dem Namen vorangestellt. 2

Alkohole

bestehen

aus

einem

hydrophoben

7 Das Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe C=O eines Aldehyds oder eines Ketons ist elektrophil und kann daher von Nucleophilen wie dem Hydrid einer Hydridverbindung oder der Alkylgruppe einer metallorganischen Verbindung angegriffen werden. Nach der wäßrigen Aufarbeitung erhält man Alkohole als Produkte dieser Umsetzungen.

Molekülteil, der Alkankette, und einem hydrophi-

len Teil, der OH-Gruppe mit einer kurzen polaren OÖ—H-Bindung. Das positiv polarisierte Wasserstoffatom kann Wasserstoffbrücken-Bindungen eingehen. 3 Alkohole sind sowohl Säuren als auch Basen. Elektronenziehende Substituenten erhöhen die Säurestärke (und verringern die Basizität). Eine Base, deren konjugierte Säure beträchtlich schwächer ist als der Alkohol, deprotoniert diesen vollständig.

8 Gespannte cyclische Ether sind ungewöhnlich reaktiv, da durch die nucleophile Ringöffnung die Ringspannung nachläßt. 9 Die Oxidation von Alkoholen zu Aldehyden und Ketonen mittels Chrom(VI)-Verbindungen eröffnet wichtige Synthesewege, die auf nachfolgenden Reaktionen mit metallorganischen Reagenzien beruhen.

4 Ein Alkyloxonium-Ion kann als Lewis-SäureBase-Komplex zwischen einem Carbenium-Ion und einem Alkohol aufgefaßt werden. 5

Die Hydrierung von Aldehyden und Ketonen

erfordert

einen

Katalysator,

Substrat durch Adsorption aktiviert.

der Wasserstoff

10 Die retrosynthetische Analyse ist bei der Syntheseplanung komplexer organischer Moleküle sehr wertvoll, da sie die Bestimmung der strategischen Bindungen erlaubt, die in einer effizienten Reaktionssequenz geknüpft werden können.

und

an seiner Oberfläche

Aufgaben 1 Geben Sie die IJUPAC-Namen der folgenden Verbindungen an. Nennen Sie gegebenenfalls die absolute Konfiguration und geben Sie an, ob es sich um einen primären, sekundären oder tertiären Alkohol handelt. (a) (b) (d

CH3CH>CHOHCH3 CH3CHBrCH>CHOHCH>CH3 HOCH>CH(CH>CH3>CH3)>2

(gB

C(CH>OH)4 CH>0H H OH

C

OH

(ers CH>OH

AM NoH

.L

CH>CH3

a

OH CH>CH>OH EN

OH

() Och

(f) “Br

Oi0N

CH3 323

8 Alkohole

2

Zeichnen Sie die Konstitutionsformeln folgender Verbindungen.

(a) (b) (c) (d)

2-(Trimethylsilyl)ethanol 1-Methylcyclopropanol 3-(1-Methylethyl)-2-hexanol (R)-2-Pentanol

(e) 3,3-Dibromcyclohexanol

3 Ordnen Sie die Verbindungen Siedepunkten.

aus folgenden

Gruppen

nach ihren

(a) Cyclohexan, Cyclohexanol, Chlorcyclohexan (b) 2,3-Dimethyl-2-pentanol, 2-Methyl-2-hexanol, 2-Heptanol 4

Erklären

Sie die unterschiedliche

Wasserlöslichkeit

der Verbindun-

gen aus nachstehenden Gruppen. (a) Ethanol > Chlorethan > Ethan (b) Methanol > Ethanol > 1-Propanol 5

Weshalb

liegt

1,2-Ethandiol

in

viel

größerem

Ausmaß

als

1,2-

Dichlorethan in der gauche-Konformation vor? Was erwarten Sie für das Verhältnis gauche/anti bei 2-Chlorethanol? Gleicht

es mehr

dem

von

1,2-Dichlorethan

oder

mehr

dem

von

1,2-

Ethandiol?

6 Ordnen Sie die Alkohole nachstehender Gruppen nach ihrer Säurestärke in Lösung.

(a) CH,;CHCICH>OH, CH,CHBrCH;OH, CICH>CH;CH>OH (b) CH;CChLCH,OH, CCHCH>OH, (CH,);CCICH>OH (c) (CH,)-CHOH, (CR,);CHOH, (CCk);CHOH 7 Fassen Sie die Reaktionen der folgenden Alkohole in Lösung (1) als Säure und (2) als Base in Gleichungen. Vergleichen Sie jeweils die Basen- bzw. Säurestärke qualitativ mit der von Methanol.

(a) (CH,),CHOH (b) CH,.CHFCH;OH (c) CCLCH>OH

8

Der

pK,-Wert

von

CH,OH3

beträgt —2.2,

der von

CH;OH

15.5.

Errechnen Sie daraus das pH, bei dem (a) Methanol zu genau gleichen Teilen CH,ÖH, und CH;O” enthält. (b) 50% (c) 50%

CH;OH CH;OH

und 50% und 50%

CH;OH; vorliegen. CH;O” vorliegen.

9 Glauben Sie, daß Hyperkonjugation bei der Stabilisierung von Oxonium-Ionen (z.B. ROH;, R,OH'* u.a.) eine Rolle spielt? Erklären Sie ihre Antwort. 10 Betrachten Sie nachfolgende Alkoholsynthesen. Schätzen Sie ab, ob sie brauchbar (wenn der gewünschte Alkohol ausschließlich oder überwiegend entsteht), weniger brauchbar (wenn der gewünschte Alkohol nur ein Nebenprodukt ist) oder wertlos sind. |

akeskonse se (b) 324

cn0s0(

CH;CH>OH

Y-cH 9380

Ir OH

OH

I

=

(c)

Aufgaben

HO”, H0, A OH

I

| H>0, A CH3CHCH>CH>CH3 ne CH3CHCH>CH>CH3 CN OH | | CH,CHCH3 _HO_, H,O, A, CH;CHCH; HO, H50, A 1,0H GEROCH? 20 |

(d)

() (f)

=

H;C.

Br N | : 1. CH3COH

©

H3C

2. HO,H,0 ge a

(8)

OH

CH; z | 769, 8, (CH.GHEHSOH CH,CHCH;CI 0 CH3

(h)

11 Welches Hauptprodukt oder welche Hauptprodukte entstehen bei folgenden Reaktionen? (Wo es nötig ist, wird die Reaktionsmischung wäßrig aufgearbeitet.) Br

_H3PO4, 30, A _

CH3CH=CHCH3

(a)

(S)-CH(CH,)sCHCHk

(b) (2),

Produkt von Teil b

Hi

0

OSO,CH3

>

Na* "OCCH3, DMSO

NaOH, CH,OH, H,O,

O

13

CH30CCH;

6)

Dana}

O CH;

NaBH4, CH3CH>OH

(h)

m

CH;CH>

12 Auf welcher Seite liegt das nachstehend wicht? Der pK,-Wert für H, beträgt etwa 38.

Hosr0=

|

\

(8)

| | H>, Pt (d) CH3CCH>CH>CCH3 H 3CHz ” a 7 OÖ NaBH4 ‚ CH3CH>OH Ss H

>

LiAIH4, (CH3CH>)20 &

Tb

beschriebene

Gleichge-

OU:

Geben Sie die Produkte folgender Reaktionen an.

N (a)

CH;>CH

1. LiAID, 2

H,O,

as (©)

CH>—CH>

(d)

>

1. LiAIH4 + (b)

CH3CH

2.D

‚DO,

1. LiAID, 2

H,O,

1. LiAlDy 4 25H

H>0

325

8 Alkohole

14

Geben

Sie das Hauptprodukt

oder die "Hauptprodukte folgender

Reaktionen an.

@

|

Ekch.cHen cherZ, Fe

()

(W Produkt von e + Ü )-cam —

D,O a—

Produkt von

Br

Br o

@

Of

491;

_(CH5CH90

Li, (CH3CH,),0 (h)

2 mol Produkt von g +1 mol

ZnCl,

(d

Produkt von

ce——

e)

CHCHCHEI + Me

o

| CH3CCH,CH,CCH; —>

15 Welches Hauptprodukt (oder welche Hauptprodukte) entstehen bei folgenden Reaktionen (mit anschließender wäßriger Aufarbeitung)? In allen Fällen ist das Lösungsmittel Ethoxyethan (Diethylether).

| (a)

(b)

>—MeBr

|

ar EEE

|

v

CH3CHCH»MgCl + CH;CH —

2 |

() _C6HsCH>Li + CHHSCH —

(d)

CH;CHCH3

air

FE

2 CH;Mgl

)

2 CH3CH»Li + HCOCH, —>

@)

H,

|

0.08 Ne% c

MecCl

+ CH3CH>CHCH>CHz —

N

MeBr

+ C.H5COCH3

(e)

ES

OÖ

ZEN (h)

CeHsLi

hr CH>—CH>

=——.2

16 Geben Sie die zu erwartenden Hauptprodukte für die folgenden Reaktionen an. PCC ist die Abkürzung für Pyridiniumchlorchromat (Abschn. 8.6).

H2$04, H30, @ _CHSCHSCH,OH -N2C107, (b)

@ RR

326

CH>OH

=reiz, (CH3)2CHCH,OH CH 4)

(0c

PCC, CHzCH,

H5O

Be

CH,OH

Na,Cr207, 20 EZ ar 13 H5SO4, se

PCC, CH3Cla

a

OH

17 Welches sind die Hauptprodukte der folgenden Reaktionssequenzen? PCC steht für Pyridiniumchlorchromat.

Aufgaben

1. CrO3, H>zSO4, H>0

2% CH3CH2MsBr, (CH3CH3)>20

@

(CH.CHOH

1

122 1. "OH, H0 2. ECCNCH;Ch

3. J-Li, (CH3CH2)20 4: H7,,H,0

(b) CH3CH>CH>CH;CI

2

>

1. CrO3, H5SO4, H>0

2. LiAlD4, (CH3CH3>)20

„u

fe) Produkt vonp

2

1,0

Fe

18 Metallorganische Verbindungen mit stark elektropositiven Metallen sind nur schwer herzustellen, da diese Metalle Halogenalkane angreifen. So erhält man

beim

Versuch,

ein Alkylnatrium

herzustellen,

meistens

ein Alkan durch die sogenannte Wurtz-Kupplung:

2RX

+2

Na —oR-R +2 NaX

R-X

+ 2 Na —o

Einzelschritte:

R-Na

+ R-X—

R-Na

+ NaX

R-R

+ NaX

Früher diente die Wurtz-Kupplung hauptsächlich zur Darstellung von Alkanen aus zwei identischen Alkylgruppen (siehe Gl. 1 unten). Was spricht dagegen, die Wurtz-Reaktion zur Kupplung unterschiedlicher Alkylgruppen zu verwenden (Gl. 2 unten)?

SCHLEH,CH,C| + 2 Na CH;CH3;Cl

> CH,CH,CH,CH,CH,CH, HaANscia.()

ah CH;CH>CH;Cl

+2Na =

19 Die Reaktion zweier Verbindung A. Durch CH;CHO (Acetaldehyd) ter wäßriger Säure erhält C,H

s0;.

Was

sind

A

und

CH;CH>CH3>CH3;CH;

+

2 NaCl

(2)

Äquivalente Mg mit 1,4-Dibrombutan erzeugt Reaktion von A mit zwei Äquivalenten mit anschließender Aufarbeitung mit verdünnman Verbindung B mit der Zusammensetzung B?

20 Schlagen Sie möglichst effiziente Synthesen der nachstehenden einfachen Alkohole vor, gehen Sie dabei in jedem Fall von einem einfachen Alkan aus. Welche Probleme treten generell auf, wenn man Alkane einsetzt? (a) Methanol (b) Ethanol

(e) 1-Butanol (f) 2-Butanol

(ce) 1-Propanol

(g) 2-Methyl-2-propanol

(d) 2-Propanol

21 Versuchen Sie, jeden Alkohol aus Aufgabe 20 auch, sofern es möglich ist, aus (1) einem Aldehyd, (2) einem Keton und (3) einem Oxacyclopropan (einem Dreiringether) herzustellen.

327

8

22 Skizzieren Sie die jeweils beste Methode zur Darstellung der folgenden Verbindungen aus einem geeigneten Alkohol.

Alkohole

o

| C,

(a)

(d)

(b)

I

a

CH3CH>CH>CH>COOH

(e)

(c)

|

CH3CH

23 Formulieren Sie vier verschiedene Synthesen von 2-Methyl-2hexanol ausgehend von den nachstehend aufgeführten Ausgangssubstanzen. Verwenden Sie beliebig andere Reagenzien und beliebig viele Reaktionsschritte.

| (a)

CH;CCH3

6)

(b)

(c)

CH;CH>CH>CH>CO;CH3

(d)

(CH3)»CHCH>CH>Br

CHSOCHSCH;CH.CH,

24 Entwerfen Sie drei verschiedene Synthesen von 3-Octanol ausgehend von (a) einem Keton, (b) einem Aldehyd und (c) einem anderen Aldehyd als in (b). 25 Entwerfen Sie zwei oder drei mögliche Synthesen der nachstehenden Verbindungen nach den Regeln der retrosynthetischen Analyse. Verwenden

Sie dazu niedere Aldehyde,

serstoffe. Wählen Abschnitt 8.9.

Ketone, Ester oder Kohlenwas-

Sie den jeweils besten

Weg nach den Kriterien in

(a)

(d)

_

(b)

CHCHEL CHOR,

x (e)

CH;CH>

CHz(CH3) 4CO(CH3) sCH3 1-Hexadecylhexadecanoat

CsHSCH>ZCHCH3>CEH 0255 2 2364225

CH>CH>OH

26 Wachse sind natürlich vorkommende Ester (Alkylalkanoate) mit langen unverzweigten Alkylketten. Das Wachs 1-Hexadecylhexadecanoat ist ein Bestandteil des Walrats. (a) Wie würden Sie dieses Wachs durch eine Sy2-Reaktion darstellen? (b) Welche Produkte entstehen bei der Spaltung dieser Verbindung mit wäßrigem Natriumhydroxid?

27 Mit dem Niacin genannten Vitamin der B-Gruppe baut der Körper das Coenzym Nicotinamid-adenin-dinucleotid (NAD, siehe Kapitel 25) auf. Zusammen mit verschiedenen Enzymen wirkt diese Substanz in ihrer reduzierten Form (NADH) als biologischer Hydrid-Donator, der Aldehyde und Ketone zu Alkoholen reduziert nach der allgemeinen Gleichung.

en |

RCR + NADH + HF

328

Enzym ——

RCHR + NAD*

Welche reduziert:

(a)

(b)

Produkte

CH;CH

|

+

entstehen,

NADH

|

CH;CCOH

wenn

NADH

folgende

en

+

NADH

he

Lactat Dehydrogenase

ET.

2-Oxopropansäure

I "MH HOCCH;CCOH.

Aufgaben

e, Alkohol Dehydrogenas

Milchsäure

(Brenztraubensäure)

()

Verbindungen

34 NAD

aarDaiyerogenns

2-Oxobutandisäure (Oxalessigsäure)

© Apfelsäure

28 Reduktionen durch NADH (Aufgabe 27) verlaufen stereospezifisch, die Konfiguration des Produkts wird enzymatisch kontrolliert. Die gewöhnlichen Formen der Lactat- und der Malat-Dehydrogenase erzeugen ausschließlich die S-Stereoisomere von Milchsäure bzw. Äpfelsäure. Zeichnen Sie diese Stereoisomere. 29 Chemisch modifizierte Steroide gewinnen immer mehr an Bedeutung für die Medizin. Geben Sie das Produkt oder die Produkte der nachstehenden Reaktionen an. Wenn mehr als ein Stereoisomer entstehen kann, geben Sie das überwiegende Produkt an, das durch Angriff des Reagenzes von der weniger gehinderten Seite des Moleküls entsteht.

(a)

1. Überschuß CH3Mgl

2. H*, H,O

>

1. Überschuß CH;Li

(b)

>=H*, 3:0

7

CH;

2. H*,H,0

ne

329

8 Alkohole

Gruppenübung 30 Ihre Gruppe hat die Aufgabe, den tertiären Alkohol 2-Cyclohexyl2-butanol A zu synthetisieren. Ihr Labor ist mit den üblichen Lösungsmitteln, sowie organischen und anorganischen Chemikalien gut ausgerüstet. Eine Überprüfung der vorhandenen Chemikalien zeigt, daß zahlreiche Bromalkane und Alkohole vorhanden sind, die für die Synthese von A genutzt werden können. Analysieren Sie in Ihrer Gruppe den Alkohol A retrosynthetisch. Schlagen Sie vor, in welche einfache Vorstufen Sie das Molekül A zerlegen können. Überprüfen Sie anhand der unten angegebenen Chemikalienliste, welche Synthesewege möglich sind. Teilen Sie die vorgeschlagenen Synthesewege gleichmäßig untereinander auf und wägen Sie jeweils Vor- und Nachteile ab. Stellen Sie einen detaillierten Syntheseplan, basierend auf Ihrer gewählten Retrosynthese, von 2-Cyclohexyl-2-butanol A auf. Treffen Sie sich danach wieder, um ihre Synthese zu diskutieren. Wählen Sie die sinnvollste Möglichkeit aus. Ermitteln Sie unter Verwendung der angegeben Preisliste den billigsten Syntheseweg.

Zielmolekül

vorhandene Chemikalien (Preis)

OH

2-Cyclohexyl-2-butanol

A

330

2-Brombutan (€ 60/kg) Bromcyclohexan (€ 31/kg) Bromethan (€ 56/100 g) Brommethan (€ 40/100 g)

2-Butanol (€ 44/100 g) Cyclohexanol (€ 14/kg) 1-Cyclohexylethanol (€ 115/25 g) 1-Cyclohexylmethanol (€ 11/25 g) (Brommethy)cyclohexan (€ 145/100 g)

Weitere Reaktionen der Alkohole und die Chemie der Ether

Nachdem hole

wir die Eigenschaften

kennengelernt

haben,

und Darstellungsmethoden

wollen

wir

nun

weitere

der Alko-

Reaktionen

der

Hydroxygruppe mit anderen funktionellen Gruppen untersuchen. Abbildung 9-1 zeigt eine Vielzahl von Reaktionsmöglichkeiten für Alkohole. Gewöhnlich wird dabei mindestens eine der vier markierten Bindungen

|

ir Se

&

Alkoxid

| Su

Ben,

x Halogenalkane und andere Alkanderivate

ION TG dur

bir

Sr

=

|

u aure

C

H

EN

Alkene

| a,d

Oxidation

ec

Pe

en Pi

(6)

Aldehyde und Ketone

Abb. 9-1 Vier typische Reaktionswege für Alkohole. Jeweils wird mindestens eine der vier mit a-d markierten Bindungen gebrochen (die geschlängelte Linie deutet den Bindungsbruch an): (a) Deprotonierung durch eine Base, (b) Protonierung durch eine Säure und anschließende uni-oder bimolekulare Substitution, (b, c) Eliminierung und (a, d) Oxidation.

331

9 Weitere Reaktionen der Alkohole und die Chemie der Ether

a, b, c oder d gespalten; in Kapitel 8 haben wir bereits gelernt, daß bei der Oxidation zu Aldehyden oder Ketonen die Bindungen a und d gebrochen werden. Diese Reaktion kann in Verbindung mit der Addition organometallischer Reagenzien benutzt werden, um Alkohole mit großer struktureller Vielfalt darzustellen. Vor der weiteren Untersuchung der Reaktionen von Alkoholen wollen wir einen kurzen Blick auf deren Säure/Base-Eigenschaften werfen. Die Deprotonierung an der Bindung a liefert Alkoxide, die als starke Basen und als Nucleophile reagieren (Abschn. 7.8), während starke Säuren die Alkohole in Alkyloxonium-Ionen überführen (Abschn. 8.3) und so die OH-Gruppe in eine gute Abgangsgruppe umwandeln. Anschließend kann die Bindung 5b unter Substitution gebrochen werden oder gemeinsam mit Bindung c unter Eliminierung. Die CarbeniumIonen, die bei der Behandlung sekundärer oder tertiärer Alkohole mit Säure gebildet werden, zeigen, wie wir sehen werden, eine vielfältige Chemie. Nach einer Einführung in die Darstellung der Ester und ihre Anwendung bei der Synthese folgt die Chemie der Ether und der Schwefelverbindungen. Alkohole, Ether und ihre Schwefel-Analoga sind in der Natur weit verbreitet und haben zahlreiche Anwendungsgebiete in der Industrie und in der Medizin.

9,1 Reaktionen von Alkoholen

mit Basen: Die Darstellung von Alkoxiden In Abschnitt

8.3 wurde

diskutiert, daß Alkohole

sowohl

als Säuren als

auch als Basen reagieren können. In diesem Abschnitt werden die Methoden aufgeführt, mit denen Alkohole unter Bildung ihrer konjugierten Basen, den Alkoxiden (Alkanolaten), deprotoniert werden.

Für die vollständige Deprotonierung von Alkoholen sind starke Basen notwendig Um

aus einem Alkohol durch eine Deprotonierung in guter Ausbeute

ein Alkoxid

herzustellen,

ist eine stärkere Base als dieses erforderlich.

Geeignete starke Basen sind z.B. Kalium-tert-butoxid, Lithiumdiisopropylamid oder Butyllithium (siehe unten).

Drei Darstellungsweisen von Methoxid aus Methanol rer

CH;OH

+ (CH3)3CO

K = 300

K

——

CH(CH3)>

LET

CH;O”’K”

+

(CH3);COH

CH(CH3)2 3

24.5

CH=OH. + Lit "NCHICHs)2 2°— CH,O”Li* + HNCH(CH3); pK, = 15.5 DK, = 40

CHz;OH

pK, = 15.5

—

+ CH3CH>CH;CH»Li =

34,5

CH30”Li* + CH3CH>CH>CH5H

pK, = 50

Natriumamid, NaNH;, und Hydride wie z.B. Natriumhydrid, NaH, oder Kaliumhydrid, KH, sind weitere Beispiele für Basen, die Alkohole

deprotonieren können. Hydride haben den Vorteil, daß als einziges Nebenprodukt bei der Reaktion mit Alkoholen gasförmiger Wasserstoff entsteht.

332

— 1015 K=10

9.1 Reaktionen von Alkoholen mit Basen:

(CH,)„COH + Na*NH; —— (CH,),CO-Na* + NH, pK, = 18

pK, = 33

CH,CH,OH

Die Darstellung von Alkoxiden

K=10 22.1 + K'H" == CH,CH,0 °K* +H-H

pK, = 15.9

pK, = 38

Übung 9-1 Würden Sie anhand der pX,-Werte in Tabelle 6-4 Natriumeyanid zur Umwandlung von Methanol in Natriummethoxid verwenden? Begründen Sie Ihre Antwort.

Alkalimetalle reagieren mit Alkoholen zu Alkoxiden Ein weiteres, häufig angewandtes Verfahren, Alkoxide herzustellen, besteht in der Reaktion von Alkoholen mit Alkalimetallen. Diese Metalle reagieren mit Wasser in einer oft heftigen Redoxreaktion zum Alkalihydroxid und Wasserstoff. Die reaktivsten Metalle (Natrium, Kalium und Cäsium) reagieren mit Wasser an der Luft oft explosionsartig, da sich der entstehende Wasserstoff spontan entzünden und sogar detonieren kann.

2H-OH +2M-——>2M*OH° +H, (M =Li, Na,K, Cs)

Dieselbe Reaktion findet auch mit Alkoholen unter Alkoxiden statt, nur verläuft sie hier weniger heftig.

Bildung

von

Bildung von Alkoxiden aus Alkoholen und Alkalimetallen

> CH,OH #2 Li > 2 CH,O-Li* +H, 2 (CH,);,COH

5

2 K u

2 (CH3,CO°K?

+ H,

Dabei nimmt die Reaktivität der Alkohole mit zunehmendem Substitutionsgrad ab; Methanol ist also am reaktivsten, tertiäre Alkohole am

wenigsten reaktiv.

R = CH; > primär > sekundär > tertiär 2-Methyl-2-propanol reagiert so langsam, daß man damit Kaliumreste im Labor sicher vernichten kann. Wofür können wir Alkoxide verwenden? Wir haben sie bereits als nützliche Reagenzien bei organischen Synthesen kennengelernt. So erhalten wir bei der Umsetzung sterisch gehinderter Alkoxide mit Halogenalkanen Eliminierungsprodukte.

:CH;CH,CH,CH,Br 7 E95

cy CH,CH=CH, +(CH,),COH + K*Br”

Weniger stark verzweigte Alkoxide greifen primäre und sekundäre Halogenalkane in einer Sy2-Reaktion an, dadurch entstehen Ether. Dieses Verfahren wird in Abschnitt 9.6 ausführlich beschrieben. Wir fassen zusammen: Alkoxide werden bei der Umsetzung von Alkoholen mit starken Basen oder einem Alkalimetall gebildet. Wir wollen nun die Protonierung der Alkohole mit starken Säuren untersuchen.

333

9 Weitere Reaktionen der Alkohole und die Chemie der Ether

9.2 Reaktionen von Alkoholen mit starken Säuren: Alkyloxonium-Ionen in Substitutions- und Eliminierungsreaktionen von Alkoholen Wie wir gesehen haben, gelingt eine heterolytische Dissoziation der O-—H-Bindung von Alkoholen leicht mit starken Basen. Es stellt sich nun die Frage, ob auch die C—O-Bindung (b in Abb. 9-1) leicht gespalten werden kann: sie kann, aber jetzt benötigen wir Säure. Wir erinnern uns (Abschn. 2.9), daß Wasser einen hohen pK,-Wert hat, also eine schwache Säure ist. Folglich ist das Hydroxid-Ion als die zugehörige konjugierte Base eine außerordentlich schlechte Abgangsgruppe. Eine OH-Gruppe eines Alkohols kann nur dann substituiert oder eliminiert werden, wenn sie vorher in eine bessere Abgangsgruppe überführt worden ist.

Halogenalkane aus primären Alkoholen und HX: Wasser kann als Abgangsgruppe fungieren

RD

Hrn

Pi Ra H Alkyloxonium-Ion

Iodalkansynthese HO(CH3)6OH

+ 2 HI

1,6-Hexandiol

|

I(CH,)el + 2 HO 85% 1,6-Diiodhexan

Der einfachste Weg, eine Hydroxygruppe in eine gute Abgangsgruppe zu überführen, ist die Protonierung des Sauerstoffatoms unter Bildung eines Alkyloxonium-Ions. Wir erinnern uns, daß die Bindung zum Proton von einem der beiden freien Elektronenpaare gebildet wird, so daß am Sauerstoffatom eine positive Ladung entsteht (Abschn. 8.3). Die Protonierung überführt die schlechte Abgangsgruppe OH in eine gute, nämlich in neutrales Wasser. Die Alkyloxonium-Ionen primärer Alkohole können von Nucleophilen unter Substitution angegriffen werden. Setzt man beispielsweise 1-Butanol mit HBr um, so reagiert das primär entstandene Alkyloxonium-Ion mit dem Bromid-Ion unter Substitution zu 1-Brombutan. Man beachte, daß das folgende Schema systematisch farbig gestaltet worden ist. Das ursprünglich nucleophile (rote) Sauerstoffatom wird von dem elektrophilen (blauen) Proton protoniert, und es wird ein Alkyloxonium-Ion mit einem elektrophilen (blauen) Kohlenstoffatom und H,O als Abgangsgruppe (grün) gebildet. In der anschließenden Sn2-Reaktion ist das Bromid-Ion das Nucleophil. Synthese primärer Bromalkane aus einem Alkohol + a CH3CH>CH>CH>0H + HBr —> CH3CH>CH>CH>0H3> + Br —o CH3CH>CH>CH3>Br + H,O

Iodalkane können analog dargestellt werden. Primäre Chloralkane sind aber wegen der geringen Nucleophilie des Chlorid-Ions auf diesem Wege nicht zugänglich, so daß die Umwandlung eines primären Alkohols in das entsprechende Chloralkan andere Methoden erfordert (Abschn. 9.4).

Sekundäre und tertiäre Alkohole reagieren mit Säuren über Carbenium-Ionen Im Gegensatz zu den Alkyloxonium-Ionen von primären Alkoholen geben die Alkyloxonium-Ionen sekundärer und tertiärer Alkohole leicht Wasser ab und bilden das zugehörige Carbenium-Ion. Je nach den Reaktionsbedingungen folgen eine Syl-, eine El-Reaktion oder beide. Ist ein Nucleophil vorhanden, beobachtet man bevorzugt die S\l-Produkte.

334

Eine gebräuchliche Methode zur Herstellung tertiärer Halogenalkane ist daher die Mischung eines tertiären Alkohols mit einem Überschuß an

9.2 Reaktionen von Alkoholen mit starken Säuren:

konzentriertem wäßrigem Halogenwasserstoff. Nach wenigen Minuten hat sich das Produkt bei Raumtemperatur gebildet. Der Mechanismus ist die exakte Umkehrung der Solvolyse (Abschn. 7.2) und verläuft

Alkyloxonium-Ionen in Substitutions- und

Eliminierungsreaktionen

Fk ikokölen

über die Bildung eines Carbenium-Ions.

Umsetzung von 2-Methyl-2-propanol zu 2-Brom-2-methylpropan (CH3)3COH

+

HBr

7

(CH3)3CBr + H5O

Überschuß

Mechanismus der S1-Reaktion tertiärer Alkohole mit Halogenwasserstoff

NtcH—Bti.

(CH3)3C—OH

==>

pr

ICH), CO

HB

S

Er —

H}0 + (CH3);C +Br

=

H50 + (CH3)5C—Br

Sind keine guten Nucleophile vorhanden, werden bevorzugt die Produkte einer El-Reaktion erhalten (Abschn. 7.6), vor allem bei höheren Temperaturen.” Diese Reaktion ist eine Möglichkeit zur Darstellung von Alkenen (Kapitel 11), sie wird wegen der Abspaltung eines Wassermoleküls Dehydratisierung genannt (Abb. 9-1, Bruch von Bindung b und c).

Alkoholdehydratisierung über den E1-Mechanismus

OH H>S0,,130-140°C | -H>0 87% Cyclohexanol

Cyclohexen

Mechanismus der Dehydratisierung von Cyclohexanol

+

N

ale

WEN

H

5

v\_H

=

ET,

nn

30 + # er | + ei

In diesem Beispiel ist das Säure-Anion das schwache Nucleophil HSO, , und man beobachtet die Abspaltung eines Protons vom intermediären Carbenium-Ion. Die Dehydratisierung tertiärer Alkohole ist noch leichter möglich, sie geschieht häufig schon bei Raumtemperatur oder bei nur geringfügig höheren Temperaturen. Übung 9-2 Welches Produkt erwarten Sie bei der Reaktion von 4-Methyl-I-pentanol mit konzentriertem wäßrigen Iodwasserstoff? Nach welchem Mechanismus wird es gebildet?

Die Eliminierung ist bei höheren Temperaturen aufgrund ihrer relativ großen positiven Entropie (Abschn. 2.8) begünstigt, da aus einem Molekül (Alkohol) zwei Moleküle (Alken und Wasser) gebildet werden, und da der Entropieterm in der Gleichung AG? = AH° — TAS° mit steigender Temperatur zunimmt (vgl. auch Übung 7-13).

335

9 Weitere Reaktionen der Alkohole und die Chemie der Ether

Übung 9-3 Welche Produkte erwarten Sie bei der Reaktion von 1-Methyleyclohexanol mit (a) konzentrierter Salzsäure und (b) konzentrierter Schwefelsäure? Stellen Sie die Mechanismen der beiden Reaktionen einander gegenüber.

Wir fassen zusammen: Alkyloxonium-Ionen entstehen bei der Protonierung der Alkohole durch starke Säuren. Primäre AlkyloxoniumIonen sind relativ stabil, werden aber von guten Nucleophilen nach dem. Sn2-Mechanismus substituiert. Alkyloxonium-Ionen sekundärer und

tertiärer

Alkohole

bilden

Carbenium-Ionen,

die ihrerseits

unter

Substitution oder Eliminierung (Dehydratisierung) weiterreagieren.

9.3 Umlagerungen von Carbenium-Ionen Carbenium-Ionen können sich durch Alkyl- oder Hydridverschiebungen zu neuen Carbenium-Ionen umlagern. Diese reagieren in Syl- und EIReaktionen weiter, so daß man oft komplexe Mischungen erhält, wenn nicht ein Produkt thermodynamisch sehr begünstigt ist.

Hydridverschiebung führt zu neuen Syl-Produkten Normale S\1-Reaktion eines Alkohols ohne Umlagerung

> CH3CHCH3 + HBr |

Br

| CH3CHCH3 + H-OH

Setzt man 2-Propanol mit Bromwasserstoff bei tiefen Temperaturen (um Eliminierung zu verhindern)

um, erhält man,

wie erwartet, 2-Brompro-

pan. Ein höher substituierter sekundärer Alkohol, z.B. 3-Methyl-2butanol, führt unter den gleichen Reaktionsbedingungen jedoch zu einem unerwarteten Ergebnis. Das erwartete 2-Brom-3-methylbutan fällt nur in geringen Mengen an, während 2-Brom-2-methylbutan das Hauptprodukt ist. In diesem und in weiteren Reaktionsschemata verdeutlichen farbige Atome oder Atomgruppen deren Herkunft in einem Produkt. Die wandernde Gruppe oder das wandernde Atom ist fettgedruckt.

Wasserstoffverschiebung bei einer S1-Reaktion eines Alkohols mit HBr H

OH

H Br, 0°

CHIC— SCH; a. H;C

H

3-Methyl-2butanol

Er

Ei N

CHEOCH: 2 CHID-CCH, + H—OH H;C

H

H;C

| H

Nebenprodukt

Hauptprodukt

2-Brom-3methylbutan

methylbutan

2-Brom-2-

Nach welchem Mechanismus verläuft diese Umwandlung? Die Erklärung ist die Umlagerung von Carbenium-lonen durch eine Hydridverschiebung, bei der das Wasserstoffatom mit seinen beiden Elektronen zum benachbarten Kohlenstoffatom wandert. Ursprünglich entsteht durch Protonierung des Alkohols und anschließende Wasserabspaltung ein sekundäres Carbenium-Ion. Durch die Wanderung eines tertiären Wasserstoffatoms an den elektronenarmen Nachbarn entsteht ein tertiäres, stabileres Carbenium-Ion. Diese Spezies reagiert nun mit Bromid zu einem umgelagerten Sy1-Produkt. Dieser Mechanismus ist nachstehend dargestellt. Die Pfeile zeigen wiederum den Elektronenfluß. Auch in diesem und in den darauffolgenden Schemata heben wir die Reaktionszentren farbig hervor: das Elektrophil blau, das Nucleophil rot und die Abgangsgruppe grün. Deshalb können auch Atome oder Atomgruppen im Reaktionsverlauf ihre Farbe ändern.

336

Mechanismus hi

Schritt

1

N

Protonierung

Schritt

Hielogk H 0.

H :OH

en CH3C—CCH3; + H* — H;C

HsC.

ee

H;C

H

i —— Fee

HH

H;C

Carbenium-Ionen

Hydridverschiebung

H

H;C

H

H;C

H

sekundäres Kation

tertiäres Kation

(weniger stabil)

(stabiler)

Schritt

0

t nk

3

:

IN: „at CHEZICH, —> CH;C—CCH;

2 _ Abspaltung von Wasser

a

{

H

past a

H

Schritt

9.3 Umlagerungen von

R

4

Abfang durch Bromid

ae.

1. + H50

. +:Bri

a

H

HC

—

H

]

Se

H;C

H

Der Übergangszustand der beobachteten Hydridverschiebung ist in Abbildung 9-2 ausführlich dargestellt. Die Umlagerung ist wiederum ein Beispiel für einen konzertierten Prozeß, in dem das Lösen und das Neuknüpfen einer Bindung gleichzeitig stattfinden. Zu Beginn der Umlagerung besteht eine zunehmende Wechselwirkung des Wasserstoffatoms mit dem leeren p-Orbital des benachbarten positiv geladenen Kohlenstoffatoms. Im Übergangszustand rehybridisieren beide Kohlenstoffatome: das ursprünglich sp’-hybridisierte Zentrum nimmt sp?-Konfiguration an und trägt nach der Hydridverschiebung die positive Ladung. Das Wasserstoffatom wandert zusammen mit seinen Bindungselektronen, die die neue Bindung schließen, und deshalb spricht man hier manchmal

von

„Hydrid-Transfer“,

obwohl

ein freies Hydrid,

H,

nicht

auftritt. Wird die Bindung zwischen dem umgelagerten Wasserstoffatom

+

\

se

c--

H3C“

-H

Vo,

Hal,

N, sp

”

ö

H3;C a

Bi

H3C Fi

>H

H3C

CH3

Er Br

C

HzC "N

-

7

a

Nor

„3

sp-

Ark

Beide Kohlenstoflatome rehybridisieren

,H n%

ch;

R,

f>

‚m

In

DR H;C Y

B

H

En

H

p-Hinterlappen nimmt zu

\

\CH3

p-Hinterlappen nimmt ab

Abb. 9-2 Umlagerung eines Carbenium-Ions durch eine Hydridverschiebung: (A) die im Übergangszustand gelösten bzw. neu gebildeten Bindungen sind punktiert dargestellt; (B) ein Orbitalbild. Man beachte, daß das wandernde Wasserstoffatom und die positive Ladung ihre Plätze tauschen.

337

und dem ehemals positiv geladenen Kohlenstoffatom geschlossen, rehy-

9 Weitere Reaktionen der Alkohole und die Chemie der Ether

H

bridisiert dieses von sp? zu sp’. Als einfache Regel gilt, daß bei einer Wasserstoffverschiebung in einem Carbenium-Ion die positive Ladung und ein Wasserstoffatom an einem benachbarten Kohlenstoffatom ihre Plätze tauschen. Diese 1,2-Verschiebung, die auch Alkylgruppen eingehen können (siehe unten), bezeichnet man auch als Wagner-MeerweinUmlagerung. Wasserstoffverschiebungen verlaufen gewöhnlich sehr rasch und sind besonders dann bevorzugt, wenn das neue Carbenium-Ion wesentlich stabiler ist als das ursprüngliche, so wie es bei unserem Beispiel in Abbildung 9-2 der Fall ist.

OH

rs H;C

H

2-Methyl-3-pentanol

u Übung 9-4

H>SO, H>0

©

Durch Einwirkung von HBr auf 2-Methylcyclohexanol erhält man 1-Brom-1-methylU eyclohexan. Geben Sie einen Mechanismus zur Erklärung dieses Befunds an.

0°C

OHH

Umgelagerte Carbenium-Ionen können durch ein gutes Nucleophil, das in der Reaktionsmischung vorhanden ist, abgefangen werden. So erhält man durch Umsetzung von 2-Methyl-3-pentanol mit wäßrıger Schwefelsäure den umgelagerten Alkohol 2-Methyl-2-pentanol. In diesem Fall ist das Hydrogensulfat-Ion ein zu schwaches Nucleophil, das mit Wasser nicht um das intermediäre Kation konkurrieren kann.

|

ae | H;C_ H 2-Methyl-2-pentanol

J Übung 9-5 ki Welche

Hauptprodukte

entstehen

bei folgenden

Reaktionen:

(a) 2-Methyl-3-pentanol

N CH>sCH

”

\

H

a

hi)1 IN)

HC]

re

Eine Umlagerung führt nie zu primären Carbenium-Ionen, weil diese zu instabil sind. Carbenium-Ionen mit vergleichbarer Stabilität, z.B. verschiedene

sekundäre

oder

verschiedene

tertiäre

Carbenium-lonen,

liegen in einem Gleichgewicht miteinander vor. In derartigen Fällen kann ein beliebiges zugefügtes Nucleophil alle vorhandenen CarbeniumIonen abfangen, wodurch Produktgemische entstehen. OH

| ae

Br

Br

a: | Mu. alt

H

| 2 GROHE CHE

H

H

Wenn äußere Bedingungen die Dissoziation begünstigen, entstehen auch aus Halogenalkanen Carbenium-Ionen, die sich weiter umlagern können. So können z.B. bei der Ethanolyse von 2-Brom-3-ethyl-2methylpentan zwei verschiedene tertiäre Ether entstehen. Verlagerung bei der Solvolyse eines Halogenalkans

Ciao

Bd CH;C—-CCH;CH, Et , H;C

CH>CH3

H

OCH>CH3

| CH3C—CCH>CHz + CHsC—CCH>CH; + H—Br | H3C CH>CH3

2-Ethoxy-3-ethyl2-methylpentan

2-Brom-3-ethyl2-methylpentan

U

H

H;C CH>CH3 3-Ethoxy-3-ethyl2-methylpentan

Übung 9-6 Welches Ergebnis Methanol?

erhalten

Sie durch

die Reaktion

von

2-Chlor-4-methylpentan

mit

Kasten 9-1 schiedene Bromide in einem Verhältnis von 1:2:2. Der einzige Unterschied zwischen ihnen besteht in der Stellung des Bromids bezüglich des markierten Kohlenstoffatoms. Umwandlungen dieser Art, in der eine molekulare Umlagerung wieder zu dem gleichen Molekül führt, und die deshalb gewöhnlich nicht auffallen, nennt man entartete Umlagerungen (engl. degenerate).

Die entartete Umlagerung des Cyclopentyl-Kations Beim Cyclopentyl-Kation läßt sich eine besonders faszinierende Umlagerung beobachten. Hier findet eine rasche Folge von Wasserstoffverschiebungen statt, durch die alle Kohlenstoffatome

im Mit-

tel äquivalent werden. Dieses Phänomen läßt sich mit der Isotopenmarkierung eines Kohlenstoffatoms verfolgen. Setzt man einfach "’C-markiertes Cyclopentanol mit HBr um, erhält man drei verOH

Br SERHBrAMUT — HOH

a / \

- = '?C Markierung statistisches Verhältnis

Mechanismus: KOOH

Bo) H

DE \ \

H

f /

ng

H

H

Va

+H' t

N

-H,0 em

H7

H

SH

H-

RE

\

/ IE

Verschiebung ————r

+ H,O

;

Hy

H

He H

Auch \

H

pH

/

H

HM

H-

|

Verschiebung

H

nk

eic. m——z

er

\

/ )

l

H

H

EN, FE Verschiebung /

ve, en

N

——

AL

as)

Helene I

N >’

ve \ \

ne

ZH

/

Umlagerungen zu Hydroxycarbenium-Ionen Besonders bevorzugt ist die durch eine Wasserstoffverschiebung verlaufende Umlagerung zu einem Hydroxy-substituierten Carbenium-lon. Dieses Carbenium-Ion ist resonanzstabilisiert, wobei das Sauerstoffatom mit einem seiner freien Elektronenpaare an das elektronenarme Kohlenstoffatom bindet. Durch die Deprotonierung dieses Ions entsteht eine Carbonylverbindung. Hydroxycarbenium-Ionen können bei Reaktionen von 1,2-Diolen als Zwischenstufen auftreten. Behandelt "Butandiol mit Schwefelsäure, erhält man Butanon.

man

Resonanzformeln

eines

Hydroxycarbenium-Ions ]

CZ

öH | | | |

z.B. 2,3-

| C=ö—H|

)

Er

en CH; a7

HH 2,3-Butandiol

Br

i

CH3CCHCH; |

H 95% Butanon

339

9 Weitere Reaktionen

Mechanismus:

der Alkohole und die Chemie der Ether

:OH :ÖH

:ÖH :ON

CHSC—-CCH; | | HH

——

:0HCa

CH; C—CCH; Bi H

-H

—

cH,c—cH N H

+ H>0:

i

NeN

:OH CH3

rchiebung

Ei

CHC—EH AR CHSC-CH H H

a; CH3

== CHC-EH H

Erhitzt man unsymmetrische 1,2-Diole mit Säure, entsteht das stabilere Carbenium-Ion schneller und kontrolliert so die Produktbildung. Die Darstellung von 2,3-Dimethylbutanal aus 2,3-Dimethyl-1,2-butandiol ist dafür ein Beispiel.

1:

(CH)2CHÜCH,OH

|

nn

(CH)JCHEHCH

CH;

CH; 61% 2,3-Dimethylbutanal

2,3-Dimethyl-1,2-butandiol

Mechanismus: : ÖH

er

r

5

H

u ass

+H'

CH;

HC

_—

H

Eee. Rene ..

RC—C H,C

wc

+H

— RCHCH H;C

1,2-Cyclohexandiol

mit Schwefel-

N

H

.

er

.

Übung 9-7 Welches säure?

Produkt

entsteht

bei der Umsetzung

von

Auch E1-Produkte entstehen durch Umlagerungen von Carbenium-Ionen Bei erhöhter Temperatur und in Gegenwart eines relativ schwach nucleophilen Mediums entstehen aus umgelagerten Carbenium-Ionen nach einem E1-Mechanismus Alkene.. Zum Beispiel erhält man aus der Reaktion von 2-Methyl-2-pentanol mit Schwefelsäure bei 80°C und aus 4-Methyl-2-pentanol dasselbe Alken als Hauptprodukt. Bei der Umsetzung des sekundären Alkohols findet eine Wasserstoffverschiebung in dem anfänglich gebildeten Carbenium-Ion und anschließende Deprotonierung statt.

OH re:

2-Methyl-2-pentanol

HC H>S0,, 80°C

a

CHCH;

an

Hauptprodukt

2-Methyl-2-penten

ne OH H,S04, 80°C

ee

CH,

CH

4-Methyl-2-pentanol

Mechanismus: CH3

[0

4

«MH

„Verschebung

CH3C—CHUCH3 H

H

H

H;C

,H

HC

CH>CH3

H3C

|

Hr

N -

CHZECHCCH —= N

Carbenium-Ionen

” ee

+

H>0 —= + H50

CH3CCH;CCH3 + H' Hr

H

H;C

OH

9.3 Umlagerungen von 2

Ubung 9-8 Behandelt man 4-Methylcyclohexanol mit heißer Säure, erhält man 1-Methyleyclohexen. Stellen Sie für diese Reaktion einen Mechanismus auf.

CH;

Umlagerungen von Carbenium-Ionen durch Alkylverschiebung

Wanderung einer Alkylgruppe R

N

Bei Carbenium-Ionen, die kein sekundäres oder tertiäres Wasserstoffatom in Nachbarschaft zum positiv geladenen Kohlenstoffatom haben, kann eine andere Art der Umlagerung auftreten: die Alkylverschiebung. So entsteht bei der Reaktion von 3,3-Dimethyl-2-butanol

an

mit Bromwas-

Mn

serstoff in hohen Ausbeuten 2-Brom-2,3-dimethylbutan, das durch Wanj M Methylgruppe entstanden ist. ei derung g einer

H;C

CH3

Br

=

HC

HBr

'

Er 7„CC I |

CH;

n

H

u |

+

R

H;C H 94%

3,3-Dimethyl-2-butanol

2-Brom-2,3-dimethylbutan

Mechanismus:

H3C CH;

Een

Ast

+

- H50

a

.

—>+

SE

EHC-CCH, En

+

CH3

CHRC-ECH,

2

Hs

2

-n =

HC

H

HC

H

Br CH3

CHRO-ECH,

BT

H;C

H

Wie auch bei der Wasserstoffwanderung nimmt die wandernde Gruppe das Elektronenpaar mit und bindet damit an das benachbarte Carbenium-Ion. Die wandernde Alkylgruppe und die positive Ladung tauschen ihre Plätze. U

Übung 9-9

"| Bei höherer Temperatur entstehen aus 3,3-Dimethyl-2-butanol zwei El-Produkte, eines aus dem Carbenium-Ion vor der Umlagerung und das andere aus dem durch eine Alkyl"| verschiebung gebildeten Ion. Geben Sie die Konstitutionsformeln beider Eliminierungsprodukte an.

341

9 Weitere Reaktionen der Alkohole und

die Chemie der Ether

Alkylwanderung zu einem Hydroxycarbenium-Ion Behandelt man tetraalkylierte vicinale Diole mit Mineralsäure, lagern sich auch diese durch eine Alkylverschiebung um. Diese Reaktion wird nach der Verbindung Pinakol (2,3-Dimethyl-2,3-butandiol), bei der sie erstmalig entdeckt wurde, Pinakol-Umlagerung genannt. (Der Trivialname dieser Verbindung leitet sich vom griechischen pinax, Plättchen, ab und geht auf die äußere Form der Kristalle der Verbindung zurück.) Als Produkt entsteht wiederum eine Carbonylverbindung.

OH OH

HsC

CH C—CCH; H;C

He- H,O20,

0

— CH3SC—CCH; =

CH3

CH3

70% 2,3-Dimethyl-2,3-butandiol

3,3-Dimethyl-2-butanon

Mechanismus:

HO: su

H3C :OH —-

H,O

CH3>C——CCH3 + H" ————

Be: HC. Cr

+ H20

H;C

3 Cr

CH;C—CCH,

CH; H;C

CH3C—CCH3 + CH;

—

a CH;

e)

H H;C

:0O:

—— CH3C—CCH3 + H* sol: CH;

Übung 9-10 \ Behandelt man das Diol A mit wäßriger Schwefelsäure im kochenden Wasserbad, erhält )

man B in 15%

Ausbeute.

Erklären Sie den Mechanismus dieser Reaktion.

OH

H+ —

OH

we

’ 120

16) A

B

Die Umlagerung von 2,2-Dimethyl-1-propanol Obwohl primäre Carbenium-Ionen in Lösung nicht entstehen, kann man Alkyl- und Protonenverschiebungen zu primären Kohlenstoffatomen beobachten, wenn diese Abgangsgruppen tragen. 2,2-Dimethyl-1-propanol (Neopentylalkohol) ist dafür ein Beispiel. Behandelt man diese Verbindung mit einer starken Säure, lagert sich das Kohlenstoffgerüst zu einem substituierten 2-Methylbutan um, obwohl ein primäres Carbenium-Ion als Zwischenstufe nicht entstehen kann. In diesem Fall erfolgt nach der Protonierung die Abspaltung von Wasser gleichzeitig mit der Methylwanderung an das benachbarte Kohlenstoffatom. Auf diese Weise läßt sich die Bildung eines primären Carbenium-Ions vermeiden. CH 3 ee

CH3 2,2-Dimethyl-1-propanol (Neopentylalkohol)

342

ı ne

ee

CH3 2-Brom-2-methylbutan

Mechanismus:

CH3

Dt

ui

a

RR

CH3

2

B

* Br:

— H}0 "N: —

CHEZ

H a

| CH,CCH.CH;

+ :Br: — _ :Br:

CH3

CH;z

Wir halten

CH3

fest: Zusätzlich

zu „normalen“

S\l- und

CH3

El-Reaktionen

Nucleophil — rot Elektrophil — blau Abgangsgruppe — grün

können Carbenium-Ionen sich durch Wasserstoff- oder Alkylwanderung umlagern. Dabei überträgt die wandernde Gruppe ihr Bindungselektronenpaar dem benachbarten positiv geladenen Kohlenstoffatom, tauscht also den Platz mit der positiven Ladung. Die Umlagerung kann entartet sein oder zu einem stabileren Kation führen, wenn z.B. aus einem sekundären Carbenium-Ion ein tertiäres oder aus einem Alkyl-Kation ein Hydroxycarbenium-Ion entsteht. Durch die Umsetzung vicinaler Diole mit Säuren entstehen am Ende Aldehyde oder Ketone. Auch primäre Alkohole können sich umlagern, jedoch erfolgt dieser Vorgang konzertiert, nicht über ein intermediäres primäres Carbenium-Ion.

9.4 Die Bildung organischer und anorganischer Ester aus Alkoholen Eine der wichtigsten Reaktionen der Alkohole ist ihre Umwandlung in Ester. Dieser Begriff bezieht sich meist auf organische Ester, auch Carboxylate oder Alkanoate genannt (Tabelle 2-1). Formal leiten sie sich von organischen (Carbon-)Säuren durch Austausch des sauren Wasserstoffatoms gegen eine Alkylgruppe ab. Ganz analog leiten sich anorganische Ester von anorganischen Säuren ab.

\

\

a

KOHL...

BR Carbonsäure

|

„N

R

Ö

ÖH

Chromsäure

Phosphorsäure

nes

OR

Carbonsäureester (ein organischer Ester)

N

|

anOR’

ROH

Ö Sulfonsäure

|

BHO—P—- OR:

Ö Chromsäureester

\

HO--R-OH

OH

|

ge

OR’

Ö

Phosphorsäureester

Sulfonsäureester

Eopas st = Tartıge "Tassakasıt atertzieiert (anorganische

ö Ester)

Die Darstellung organischer Ester durch die Reaktion eines Halogenalkans mit einem Alkanoat-Ion wurde bereits in Abschnitt 7.8 angesprochen. Auch die Bedeutung von Chromsäureestern bei der Oxidation von Alkoholen zu Aldehyden und Ketonen wurde schon diskutiert (Abschn. 8.6). Im Organismus haben Alkylphosphate mehrere Funktionen, sie können beispielsweise die Hydroxygruppe in eine gute Abgangsgruppe umwandeln; andere Aufgaben werden in den Kapiteln 20 und 26 beschrieben. Sulfonate sind kurz als Substrate in nucleophilen Substitutionsreaktionen in Abschnitt 6.8 erwähnt worden. In diesem Abschnitt werden wir sehen, wie diese Verbindungen direkt durch Reaktion eines Alkohols mit einer Carbonsäure oder einem anorganischen Reagenz gewonnen werden können. Organische und anorganische Ester sind wichtige Zwischenprodukte in der Synthese.

343

9 Weitere Reaktionen der Alkohole und die Chemie der Ether

Alkohole reagieren mit Carbonsäuren zu organischen Estern In Gegenwart katalytischer Mengen von Mineralsäure reagieren Alkohole mit Carbonsäuren unter Bildung eines Esters und Wasser. Bei dieser Reaktion liegt zwischen Edukten und Produkten ein Gleichgewicht vor, das durch den Überschuß einer der Komponenten in die gewünschte Richtung verschoben werden kann. Verwendet man Alkohol als Lösungsmittel, verschiebt man das Gleichgewicht auf die Seite des Esters, ein Überschuß an Wasser dagegen treibt die Hydrolyse des Esters voran. Nachstehend sehen Sie Beispiele dafür. Die Bildung und die Reaktionen der Ester werden in den Kapiteln 19 udn 20 ausführlich erläutert.

Veresterung

\

CH3COH

+CH:CHÖH

Essigsäure

|

=——

CHSCOCH-CH, . ‚+ HOB

Ethanol

Ethylacetat

(Lösungsmittel)

Esterhydrolyse 16)

7

l ;

Hr

COCH; + H30 — Br

En

Überschuß

COH + CH;OH

En x

Anorganische Ester als Zwischenstufen bei der Synthese von Halogenalkanen Primäre und sekundäre Alkohole reagieren mit Phosphortribromid, einer käuflichen Verbindung, zu Bromalkanen und phosphoriger Säure. Dieses Verfahren dient generell zur Darstellung von Bromalkanen aus Alkoholen. Phosphortribromid kann alle drei Bromatome übertragen. Die treibende Kraft dieser Reaktion ist die Bildung der starken Phosphor-Sauerstoff-Doppelbindung.

Bromalkansynthese mit PBr;

CH3CH>

sie

CH3CH;

EEE

SCHEEHR Hr +

H

"H4PO3

H 47%

3-Pentanol

Phosphor-

3-Brompentan

phosphorige Säure

tribromid

Welches ist der Mechanismus dieser Reaktion? Im ersten Schritt reagieren Alkohol und die Phosphorverbindung unter Ausbildung einer Spezies, die man als protoniertes anorganisches Esterderivat der phosphorigen Säure auffassen kann: Schritt 1

h

RCH,ÖH > Pr _ Br

344

Be H

+ Br”

HOPBır;, ist eine gute Abgangsgruppe und wird durch Bromid drängt (Sy2), das im esterbildenden Schritt entsteht.

ver-

9.4 Die Bildung organischer und anorganischer Ester aus Alkoholen

Schritt 2 Br:

+ ph

——

RCH>»Br:

+ HOPBr;

H

HOPBTr; reagiert daraufhin nacheinander mit zwei weiteren Alkoholmolekülen nach dem gleichen Mechanismus wie bei dem ersten esterbildenden Schritt:

R

Br

R

Be

>

RCH,OH + HOPBr, el

+ :Br:

H

Br ..

EEE

‘Br:

BES

as Se

Br os

.

es

—>

.. |Din

RCH3»Br: + HOPOH

H

RCH3OH + (HO)aPBr — —> RCH3Br: + H3PO; Beachten Sie, daß das Gelingen dieser Umsetzung darauf beruht, daß die Hydroxygruppe zu Beginn der Reaktion in eine gute Abgangsgruppe umgewandelt

wird,

wie es auch

bei der Reaktion

von

Alkoholen

mit

Bromwasserstoff zu Bromalkanen der Fall ist. Dieses letztere Verfahren wird jedoch durch die stark sauren Reaktionsbedingungen und durch mögliche Umlagerungen kompliziert. Wollen wir anstelle eines Bromalkans das entsprechende lodalkan herstellen, erzeugen wir das dazu benötigte Phosphortriiodid, PI;, am besten in situ, da es äußerst reaktiv ist. Dazu fügen wir elementaren roten Phosphor und lIod zum Alkohol. Bei diesem Verfahren reagiert PI; sofort nach seiner Entstehung weiter. Um Alkohole in Chloralkane zu überführen, kann man auch mit Phosphorpentachlorid,

CH>OH

PCI;, arbeiten:

+ PCIls —

CH3(CH>) |4CH>OH

rt. A

CH3(CH>) 4CH3l 85% ar

H3PO3z

_ CH>CI + HCI + POCI

B

Diese Reaktion verläuft nach einem ähnlichen Mechanismus wie die Bromierung durch PBr;, nur enthält jetzt das Reagenz ein fünfbindiges Phosphoratom. Durch die Reaktion mit einem Äquivalent Alkohol entsteht anfangs Phosphoroxychlorid, POC]. Die weitere Reaktion mit zusätzlichen Alkoholmolekülen erzeugt weiteres Chloralkan und schließlich Phosphorsäure H;PO,. Mechanismus:

RCH,OH + PCI, — H* + CI” + RCH,OPC, —> HOPC1,C1— 3 RCH,OH + O=PCl,—>

RCH,OPCL, + H* + C1° RCH,CI + HOPCH O=PCI, + HCI 3 RCH,CI + O=P(OH)3 Phosphorsäure

345

9 Weitere Reaktionen

Thionylchlorid,

SOC,

ist ein

weiteres

gutes

Chlorierungsmittel.

der Alkohole und

Durch einfaches Erwärmen eines Alkohols in Gegenwart dieses Reagen-

die Chemie der Ether

zes entsteht ein Chloralkan, daneben entwickeln sich SO, und HCl.

CH,CH,CH,OH + SOCL, — CH,CH,CH,C1I+0=S=0 +HCI 91%

Die Bildung des Chloralkans aus dem Alkohol RCH,OH verläuft auch hier über einen anorganischen Ester, RCH,OSOCI, als Zwischenstufe. Das dabei freigewordene Chlorid-Ion greift den Ester nucleophil an, so entstehen das Chloralkan und je ein Molekül SO, und HCl.

Mechanismus:

| RCH>OH

(CH5CH3)3N:

a

N,N-Diethylethanamin (Triethylamin)

1

+ CISCI

“

—>

..

.

H’ + :Cl!" + CH, T0—S-zCl: —o ü Re

+

R

RCH;OSCI+H"+CI

=

:

e

F-

:CICH,zR + .O=S=O, + HCI: a 3

HC

Die Gegenwart eines Amins, das den gebildeten Chlorwasserstoff neutralisiert, verbessert den Reaktionsablauf. So kann man zum Beispiel N, N-Diethylethanamin (Triethylamin) verwenden, das unter diesen

| f

R

(CH3CH3)3 NHCI

Bedingungen das entsprechende Ammoniumchlorid bildet.

Alkylsulfonate sind vielseitige Substrate für Substitutionsreaktionen Die anorganischen Ester, die bei diesen Reaktionen auftreten, sind spezielle Beispiele für Abgangsgruppen, die sich letztlich von „SchwefelSäuren“

ableiten lassen.

Sie sind mit den Sulfonaten

verwandt,

denen

wir ın Abschnitt 6.8 begegnet sind. Dort erfuhren wir, daß man sie leicht aus den entsprechenden Sulfonylchloriden und einem Alkohol herstellen kann. Wie Thionylchlorid reagieren auch Sulfonylchloride am besten in Gegenwart eines Amins.

|

OÖ

CH;z

|

CH;CHCH>OH

+

A

|

_

N N

L

[6)

|

I

na

(0) 2-Methyl-I-propanol

CH3

:

| H;

+

er

ji cl

OÖ Pyridin

Methansulfonylchlorid

2-Methylpropylmethansulfonat

Pyridiniumhydrochlorid

Anders als die anorganischen Ester aus Phosphortribromid und Thionylchlorid sind die Alkylsulfonate häufig kristalline Feststoffe, die vor dem nächsten Reaktionsschritt isoliert und gereinigt werden können.

050: 25

Cyclohexanol

346

CH3

SO;C1

4-Methylbenzolsulfonylchlorid (p-Toluolsulfonylchlorid)

2, (CH;CH>)3N

Y-cH

a.

+ Ex (CH3CH>)3NHCI

Cyclohexyl-4-methylbenzolsulfonat (Cyclohexyltosylat)

Wir wissen, daß man vor allem primäre und sekundäre Halogenalkane gut durch Sy2-Substitution von Sulfonatgruppen durch Halogenide (Cl, Br”, IT) darstellen kann. Für die Darstellung tertiärer Halogenide ist diese Methode weniger geeignet, da hier leicht Carbenium-Ionen entstehen, die zu Eliminierungs- und Umlagerungsprodukten führen. Tertiäre Chloride und Bromide stellt man daher am besten aus den entsprechenden Alkoholen her, die man mit kaltem konzentriertem Halogenwasserstoff behandelt. Während mit Halogenwasserstoff, Phosphoroder Thionylhalogenid die Hydroxygruppe nur durch ein Halogen ersetzt werden kann, erlauben Alkylsulfonate als Zwischenprodukt die Substitution der Hydroxygruppe durch jedes gute Nucleophil.

9,5

Nomenklatur und

physikalische Eigenschaften von Ethern

Sulfonate als Zwischenprodukte bei der nucleophilen Substitution der Hydroxygruppe von Alkoholen

R-OH

— > R a

|

— > R-Nu

OÖ Substitutionsreaktionen von Alkylsulfonaten

| a

nl U

nn.

CH;>CH>CH3l

6)

ae

0-3 CH

27

4

(6)

90%

)-cH + CH5CH,5S” —

eu

O0

Lne

:

CH; 85%

| Übung 9-11 @ Welches Produkt entsteht bei der am Rand gezeigten Reaktionssequenz?

OH

0 Übung 9-12

1. CH3SO:C1

© Welche Reagenzien benötigen Sie zur Darstellung der folgenden Halogenalkane aus den =) entsprechenden Alkoholen: (a) I(CH;)sl; (b) (CH3CH3,);CCI;

2. Nal

(e)

eh

euer

Wir fassen zusammen: Die Reaktion von Alkoholen mit Carbonsäuren führt unter Wasserabspaltung zu organischen Estern. Mit anorganischen Halogeniden wie z.B. PBr;, PCls, SOCh und RSO;CI reagieren Alkohole unter Abspaltung von HX zu anorganischen Estern. Diese enthalten gute Abgangsgruppen, die leicht nucleophil substituiert werden können, z.B. durch Halogenid-Ionen zu den entsprechenden Halogenalkanen.

9.5 Nomenklatur und physikalische Eigenschaften von Ethern Ether sind in den vorangegangenen Kapiteln bereits mehrfach erwähnt worden (siehe Tab. 2-1), und es wird Zeit, diese Verbindungsklasse systematisch zu behandeln. In diesem Abschnitt werden die Nomenklaturregeln angegeben und einige der physikalischen Eigenschaften beschrieben.

347

Ether sind im IUPAC-System Alkoxyalkane

9 Weitere Reaktionen der Alkohole und die Chemie der Ether

CH30OCH>CH; Methoxyethan

CH; CH,CH.ÖCCH,

CH; 2-Ethoxy-2-methylpropan :OCH;

a JÖCHSCH3 cis-1- Ethoxy-2methoxycyclopentan

Das IUPAC-System behandelt Ether als Alkane mit einem Alkoxy-Substituenten, als Alkoxyalkane also. Der kleinere Substituent gilt als Teil der Alkoxygruppe, der größere Substituent bildet den Stamm des Moleküls. Alkoxyalkane kann man sich als Derivate von Alkoholen denken, in denen das Hydroxy-Proton durch eine Alkylgruppe ersetzt wurde. Auf dieser Betrachtungsweise basieren die Trivialnamen, die sich aus den Namen der beiden Alkylgruppen, gefolgt von dem Wort „Ether“ zusammensetzen. CH;OCH; heißt daher Dimethylether, CH;OCH3;CH; wird Ethylmethylether genannt und so weiter. Ether sind im allgemeinen recht reaktionsträge (bis auf gespannte cyclische Ether, siehe Abschn. 9.8). Deshalb verwendet man Ether (darunter auch cyclische Ether, Verbindungen mit mehreren Etherfunktionen oder Systeme mit beiden Eigenschaften) gerne als Lösungsmittel bei organischen Synthesen. Für diese häufig verwendeten Verbindungen sind deshalb Trivialnamen im Gebrauch. Ether-Lösungsmittel und ihre Namen

CH3CH>0OCH3>CH3

EN o

Ethoxyethan

1,4-Dioxacyclohexan

1,2-Dimethoxy-

Oxacyclopentan

(Diethylether)

(1,4-Dioxan)

ethan

(Tetrahydrofuran, THF)

CH3OCH>CH>0CH;

R0)

(Glycoldimethylether, Glyme)

Cyclische Ether gehören zu einer Klasse von Cycloalkanen, in denen ein oder mehrere Kohlenstoffatome durch ein Heteroatom — in diesem Fall ein Sauerstoffatom — ersetzt wurden. Ein Heteroatom kann jedes Atom außer Kohlenstoff oder Wasserstoff sein. Cyclische Verbindungen dieser Art nennt man Heterocyclen (Kap. 25). Die Benennung der cyclischen Ether kann nach verschiedenen Regeln erfolgen (Abschn. 25.1). Am einfachsten bezieht sich der Name auf das Grundgerüst des Oxacycloalkans, bei dem die Vorsilbe Oxa auf die Substitution eines Kohlenstoffatoms durch ein Sauerstoffatom hinweist. Danach heißen dreigliedrige cyclische Ether Oxacyclopropane (andere Namen dafür sind Oxirane, Epoxide oder Alkenoxide), VierringSysteme heißen Oxacyclobutane, die beiden nächsthöheren Homologen sind Oxacyclopentane (Tetrahydrofurane) und Oxacyclohexane (Tetrahydropyrane). Die Zählung beginnt beim Heteroatom, hier dem Sauerstoffatom, und wird um den Ring fortgeführt.

Die physikalischen Eigenschaften der Ether sind gekennzeichnet durch die Abwesenheit von Wasserstoffbrücken-Bindungen Die Summenformel

von einfachen Alkoxyalkanen,

C,H>„+>,0, ist iden-

tisch mit der von Alkanolen. Dennoch liegen die Siedepunkte von Ethern viel niedriger als die von isomeren Alkoholen, da bei ihnen keine Wasserstoffbrücken ausgebildet werden (Tab. 9-1). Die beiden einfachsten Mitglieder dieser Reihe sind mit Wasser mischbar, mit zunehmendem Kohlenwasserstoffanteil nimmt die Löslichkeit in Wasser jedoch ab. So ist Methoxymethan z.B. mit Wasser in jedem Verhältnis mischbar, während Ethoxyethan nur eine ungefähr 10 %ige wäßrige Lösung bildet.

348

Tabelle 9-1 Siedepunkt von Ethern und isomeren 1-Alkanolen Ether

Name

Siedepunkt

1-Alkanol

Siedepunkt

7 C CH;OCH;

Methoxymethan (Dimethylether)

CH;OCH;CH;

Methoxyethan

9.5 Nomenklatur und physikalische Eigenschaften von Ethern

INC

—y3

CH;CH>0OH

78.5

10.8

CH;CH;CH,OH

82.4

34.5

CH;(CH3,);OH

110723

CH;(CH;)-OH

194.5

(Ethylmethylether)

CH;CH;OCH;CH;

Ethoxyethan (Diethylether)

(CH;CH;CH;CH3;);O

1-Butoxybutan (Dibutylether)

142

Einige cyclische Polyether binden selektiv Kationen — die Wirt-Gast-Beziehung Es gibt gewisse cyclische Ether mit mehreren Etherfunktionen, die ungewöhnliche Lösungseigenschaften haben. Die sogenannten Kronenether sind aus 1,2-Ethandiol-Einheiten aufgebaut. Ihren Namen verdanken Sie ihrer kronenähnlichen Struktur im kristallinen Zustand, viel-

leicht auch in Lösung. Der Polyether [18]Krone-6 ist in Abbildung 9-3 dargestellt. Die Zahl 18 bezieht sich auf die Gesamtzahl der Atome im Ring, die Zahl 6 gibt die Anzahl der Sauerstoffatome an. = Sauerstoff

Abb. 9-3 Die kronenähnliche

Struktur von [18]Krone-6.

Kronenether

haben

die bemerkenswerte

Fähigkeit, stark an einfache

Kationen zu binden, so daß diese sich in organischen Lösungsmitteln lösen. Das tief violette Kaliumpermanganat z.B., das in Benzol völlig unlöslich ist, löst sich bereitwillig in diesem Solvens, wenn man

[18]Krone-6

hinzufügt.

sechs Sauerstoffatome

Der

Lösevorgang

des Kronenethers

wird

ermöglicht,

einen „Käfig“

weil

die

bilden, in dem

sie das Metall-Ion festhalten. So ist eine sehr wirkungsvolle Solvatation möglich. Auf diese Weise kann man Oxidationen mit Kaliumpermanganat in organischer Lösung durchführen. Hier finden wir ein Beispiel einer Wirt-Gast-Beziehung,

(der Kronenether

der Gast), wie sie auch der Wechselwirkung ihren Substraten zugrundeliegt.

GR

KMnO4,CgHg

ist der Wirt, das Kation

zwischen

Enzymen

Een)

u

| Pr MnO4 =

ER O

ö

(6)

Very gene [18] Krone-6

Den „Käfig“ des Kronenethers

und

ee

Oo

Klar

|

Ö

x Da

Ö

die)

Violette [K* 18-Krone-6] PermanganatLösung in Benzol

kann man so maßschneidern,

daß nur

manche Kationen selektiv gebunden werden — nämlich die, die aufgrund ihres Ionenradius am besten in den Käfig passen. Dieses Konzept konnte man durch die Herstellung polycyclischer Ether, der sogenann-

349

n-+

N

— 15)

N

FR Em OÖ

De

[6

Ö

Kryptand

Kation

Kryptat

Abb. 9-4 Ein polycyclischer Ether (Kryptand) bindet ein Kation, wobei ein Komplex (Kryptat) entsteht. Der hier dargestellte Kryptand bindet selektiv ein Kalium-Ion mit einer Bin-

dungskonstante K = 10". Die Selektivität nimmt in der Reihenfolge K* > Rb* > Na’ > Cs" > Li” ab. Das Lithium-Ion wird mit einer Bindungskonstanten von ungefähr 100 gebunden. Die Unterschiede innerhalb der Reihe der Alkalimetalle umfassen also acht Größenordnungen.

ten Kryptanden (aus dem griechischen kryptos, versteckt) nach drei Dimensionen hin ausweiten. Diese binden hochselektiv Alkali- und andere Metallionen (Abb. 9-4). Die Bedeutung dieser Verbindungsklasse wurde durch die Verleihung des Nobelpreises für Chemie

im Jahre 1987 an Cram, Lehn und Peder-

sen* gewürdigt. Kronenether und Kryptanden werden oft als Ionentransport-Reagenzien betrachtet und gehören zur Gruppe der Ionophoren (-phoros, griechisch: tragend, hier also „ionentragend“). Die Struktur dieser Verbindungen wird durch die Koordination um ein Kation gebildet. Durch diese Wechselwirkung wird die polare, hydrophile Natur des Kations durch eine hydrophobe Hülle kaschiert, so daß es sich in unpolaren Lösungsmitteln besser löst. In der Natur können Ionophore Ionen durch hydrophobe Zellmembranen transportieren. Das ionische Gleichgewicht zwischen Innen- und Außenseite einer Zelle muß sorgfältig reguliert werden, um das Überleben der Zelle zu gewährleisten. Deshalb kann jede unplanmäßige Störung dieses Gleichgewichts zum Zelltod führen. Dieses Prinzip wird in der Medizin genutzt, um Krankheitserreger mit Polyether-Antibiotika zu bekämpfen. Da der Ionentransport aber auch die Signalübertragung in den Nerven beeinflußt, sind manche natürlich vorkommende Ionophore auch tödliche Nervengifte.

HO

CH;CH; ER

CH 3 -—

& \

& H; se

0

%

Oo

an / AR EN Pe f ' [6)

CH; H

2ii =

H

OCH; CH; COOH Tetrodotoxin (Nervengift von Kofferfischen)

Monensin (Antibioticum eines Streptomyces-Stamm)

Zusammenfassend halten wir fest, daß Ether als Alkoxyalkane oder als Dialkylether bezeichnet werden können. Ether haben niedrigere Siedepunkte als vergleichbare Alkohole, da zwischen zwei Ethermolekülen keine Wasserstoffbrücken-Bindung möglich ist. Kronenether können Kationen komplexieren und dadurch deren hydrophile Eigenschaften „maskieren“. * Professor Donald J. Cram (geb. 1919), University of California at Los Angeles; Professor Jean-Marie Lehn (geb. 1939), Universität Strasbourg und College de France, Paris; Dr. Charles J. Pedersen (1904-1989), E. I. du Pont de Nemours & Company, Wilmington, Delaware.

350

9.6 Die Williamson-Ethersynthese

9.6

Die WilliamsonEthersynthese

In ihrer Eigenschaft als ausgezeichnete Nucleophile werden Alkoxide bei der gebräuchlichsten Methode zur Darstellung von Ethern eingesetzt. Sie wird in diesem Abschnitt beschrieben.

Ether können durch Sy2-Reaktionen hergestellt werden Ether stellt man am einfachsten durch die Reaktion eines Alkoxids mit einem primären Halogenalkan oder einem Sulfonsäureester unter typischen Sy2-Bedingungen her (Kap. 6). Dieses Verfahren ist als Williamson*-Ethersynthese bekannt. Das Medium, in dem diese Reaktion stattfindet, kann der Alkohol sein, von dem das Alkoxid stammt (wenn dieser preiswert ist). Genausogut oder sogar noch besser geeignet sind andere polare Lösungsmittel wie Dimethylsulfoxid (DMSO) oder Hexamethylphosphorsäuretriamid (HMPT) (Tab. 6-4). Beispiele der Williamson-Ethersynthese CH3CH3CH3CH;OH, 14 h

BECHSCHSCH,OTNat + CICH.CH-CHICH, —

ah CH;CH>CH>CH>OCH>CH>CH>CH3 + Na* CI” 60% (in Butanol) 95% (in DMSO) 1-Butoxybutan

(CH), CHO”Na* + CH3CH»Br

HMPT

» (CH3)-CHOCH;CH3 + Na*Br” 85% 2-Ethoxypropan

H

O Na*

=

H

OCH>(CH3>)

sCH3

#-CH4(CH,)1sCH;0S0.CHs >

+ Nat "0,SCH; 91% Cyclopentoxy-

Nucleophil - rot

heptadecan

4 *

Elektrophil — blau

&1: i A E Alexander W. Williamson, 1824-1904, Professor am University College, London

Abgangsgruppe — grün E

Kasten 9-2

Aromatische Ether und die Williamson-Synthese Ether mit einer aromatischen Gruppe (s. Tab. 2-1) am Sauerstoffatom können leicht mit der Williamson-Synthese dargestellt werden. Diese Alkoxyarene haben häufig angenehme Aromen.

Fe er

KOH, CH3CH>OH -H>0

Ein Beispiel: Versetzt man 2-Naphthalinol (2Naphthol) mit KOH, wird es deprotoniert, und die Addition von Bromethan führt zu 2-Ethoxynaphthalin, das meist Nerolin II genannt wird. Bei der Parfumherstellung wird es als Ersatz für Orangenblütenessenz verwendet.

“on

: e OCH>CH3 CH 3CH>Br —3

—KBr

2-Naphthalinol (2-Naphthol)

2-Ethoxynaphthalin

(ein Phenol*)

(ein Alkoxyaren)

(Nerolin II)

* vgl. Abschn. 22.3

351

9 Weitere Reaktionen

Da Alkoxide starke Basen sind, bleibt ihre Anwendung bei der Ether-

der Alkohole und

synthese auf primäre ungehinderte

die Chemie der Ether

Systeme beschränkt,

da sonst ein

erheblicher Anteil an E2-Produkt entstehen würde (Abschn. 7.8). | Übung 9-13

=

Geben Sie Williamson-Synthesen für die folgenden Ether an: (a) 1-Ethoxybutan (zwei Wege), (b) 2-Methoxypentan (gibt es hier auch zwei gute Wege?), (c) Propoxycyclohexan und (d) 1,4-Diethoxybutan.

Bildung cyclischer Ether durch intramolekulare Williamson-Synthese Die Williamson-Ethersynthese dient auch zur Herstellung cyclischer Ether, die aus Halogenalkoholen durch eine intramolekulare Sy2-Reaktion entstehen.

Darstellung cyclischer Ether

Mn: 17 SR

u

:BrZzCH;

N. HÖ:” erg schnell

Bromalkohol

:O

Sr

RiingschußB (CH2)„ ——>

2:07

=

. Br—CH>

Bromalkoxid

langsam

> (CHyn+ı Fan

„nn.

Cyelischer Ether

Dt

ae

ne

Ho Alkandiol

Bei dieser Reaktion entsteht zunächst durch rasche Protonübertragung auf die Base ein Bromalkoxid, bevor der Ringschluß zum cyclischen Ether erfolgt. Die anfangs stattfindende Deprotonierung und der darauffolgende Schritt verlaufen viel schneller als der Angriff des Hydroxids

auf das bromierte

Ende, welcher zu einem Alkandiol führen

würde. Intramolekulare Ringschlüsse muß man in verdünnter Lösung ausführen, um die Wahrscheinlichkeit

einer intermolekularen

Reaktion zu ver-

ringern. In konzentrierter Lösung kann das intermediär auftretende Bromalkoxid ein noch unverändertes Eduktmolekül angreifen und ein neues Bromalkoxyalkanol bilden. Dieses wiederum kann weiter alkyliert werden, wodurch am Ende langkettige Ether entstünden. In verdünnter Lösung ist die Geschwindigkeit der bimolekularen intermolekulare Reaktion drastisch verringert (Kap. 28). Intermolekulare Bromalkohol-Kupplung

2 Br— CH,(CH,)„— OH —— Br— CH,(CH,),— O- CH,(CH,)„— OH

etc.

ein Bromalkoxyalkanol

Durch die intramolekulare Williamson-Ethersynthese ist es möglich, cyclische Ether verschiedener Größe einschließlich kleiner Ringe herzustellen.

352

2

HOCH>CH>»Br

+ HO_

——

3

\ /

+ Br.

x HOH

9.6

Die WilliamsonEthersynthese

|

Oxacyclopropan (Oxiran, Ethylenoxid)

3 HO(CH>),CH>Br

+ HO

2——

+ Br”

2 2

+ HOH

Oxacyclobutan Ye

HO(CH>)3CH>Br

+ HO_ —o

>

No

4

5

+ Br + HOH

|

Oxacyclopentan (Tetrahydrofuran)

HOÖ(CH>)4CH>Br

+

H0O

—o

+

Br"

+

HOH

Oxacyclohexan (Tetrahydropyran)

Der blaue Punkt markiert das Kohlenstoffatom des Produkts, an dem: die nucleophile Substitution erfolgt.

Übung 9-14 Geben Sie das Produkt der Reaktion von 5-Brom-3,3-dimethyl-1-pentanol mit Hydroxid an und schlagen Sie einen Mechanismus vor.

Die Ringgröße bestimmt die Geschwindigkeit der Ringschlußreaktion Ein Vergleich der relativen Bildungsgeschwindigkeiten cyclischer Ether führt zu dem überraschenden Ergebnis, daß dreigliedrige Ringe schnell gebildet werden, fünfgliedrige nahezu ebenso schnell, aber daß sechsund viergliedrige Ringe wie auch größere Ringe deutlich langsamer gebildet werden. Welche Effekte sind die Ursache dafür? Verantwortlich für dieses Verhalten sind vor allem die Reaktionsentropie und die Ringspannung.

Relative Bildungsgeschwindigkeiten cyclischer Ether kzek>krkcokh>k

k„ = Reaktionsgeschwindigkeit,

n = Ringgröße

Die Bildung eines Oxacyclopropans aus einem 2-Bromalkohol ist durch die Reaktionsentropie begünstigt, da Nucleophil und Abgangsgruppe einander bereits so nahe wie möglich sind. Obwohl die Ringspannung in diesem Fall am größten ist, ist die Energie des Übergangszustands vergleichsweise gering, da der Entropiebeitrag eine relativ schnelle Ringbildung erlaubt. Warum werden Oxacyclobutane so viel langsamer gebildet? Der Entropiebeitrag ist hier deutlich verringert, da die beiden Reaktionszentren durch eine zusätzliche Methylengruppe getrennt sind. Die Ringspannung ist jedoch etwa die gleiche, so daß insgesamt eine sehr niedrige relative Bildungsgeschwindigkeit resultiert. Die Synthese fünfgliedriger Ringe ist wieder einfacher, denn obwohl die Reaktionszentren noch weiter voneinander getrennt sind, ist die Ringspannung stark vermindert. Geht man weiter zu den Oxacyclohexa-

353

Rn WEN

s H

H SEE = TEN

5

PER

TR ee

&

A

as Q

A Br

x

Bin

ce HEN ©

et 14 \b B

Abb. 9-5 Nur aus der anti-Konformation (A) eines 2-Bromalkoxids heraus kann ein Oxacyclopropan entstehen; bei den gauche-Konformeren (B und C) ist ein intramolekularer

Rückseitenangriff nicht möglich.

nen, so spielt die Ringspannung keine Rolle mehr, aber der Beitrag der Entropie wird ungünstiger. Dieser Trend setzt sich zu den größeren Ringen fort, wobei zusätzlich noch die transannulare Spannung sowie ekliptische und gauche-Wechselwirkungen auftreten.

Die intramolekulare Williamson-Synthese ist stereospezifisch Bei der Williamson-Ethersynthese ändert sich die Konfiguration am Kohlenstoffatom, das die Abgangsgruppe trägt. Dieser Befund steht im Einklang mit den Erfordernissen eines Sy2-Mechanismus. Das Nucleophil greift das Elektrophil auf der der Abgangsgruppe entgegengesetzten Seite an. Das Halogenalkoxid

kann nur eine Konformation

einnehmen,

bei der eine Substitution durch Rückseitenangriff möglich ist. So setzt die Bildung von Oxacyclopropan eine anti-Anordnung von Nucleophil und Abgangsgruppe voraus. Die anderen möglichen gauche-Konformationen können nicht zum Produkt führen (Abb. 9-5). Übung 9-15 (1R,2R)-2-Bromcyclopentanol reagiert mit Natriumhydroxid rasch zu einem optisch inaktiven Produkt. Das (1$,2R)-Enantiomer dagegen reagiert viel langsamer. Wie erklären Sie sich das?

Wir fassen zusammen: Ether können mit der Williamson-Synthese, einer Sn2-Reaktion eines Alkoxids mit einem Halogenalkan, dargestellt werden. Diese Reaktion läuft am besten mit primären Halogeniden oder Sulfonaten, die schlecht eliminieren. Cyclische Ether können durch die intramolekulare Version dieser Reaktion dargestellt werden. Die Bildungsgeschwindigkeiten sind in diesem Fall für drei- und fünfgliedrige Ringe am höchsten.

9.7 Ether aus Alkoholen und Mineralsäuren Die Reaktion von primären Alkoholen mit HBr oder HI führt über Oxonium-Ionen als Zwischenstufen zu den entsprechenden Halogenalkanen (Abschn. 9.2). In Gegenwart katalytischer Mengen starker, nicht-nucleophiler Säuren, z.B. Schwefelsäure, entstehen jedoch bei erhöhter Temperatur Ether. In diesem Fall ist der unprotonierte Alkohol das stärkste in der Lösung anwesende Nucleophil. Der nucleophile Angriff erfolgt nach der Protonierung eines Alkoholmoleküls und führt schließlich zur Bildung von Ether und Wasser. Mit dieser Methode können ausschließlich symmetrische Ether dargestellt werden. Synthese eines Ethers aus einem primären Alkohol und einer starken Säure

2CH.CH,OH 354

er , CHSCH;OCH:CH;

+

HOH

Mechanismus der Ethersynthese aus Alkoholen CH3CH>OH

CE

+ CH;CH3ÖH

=

CHsCH,

H

0° = H

9.7

Ether aus Alkoholen und Mineralsäuren

CH;CH>

ss CHSCH;

CH;CH>ÖH

“ H2O

HUF HU CH3CH» OÖ +

H'+

H>0

CH;CH>

- Kasten 9-3 1,2-Dioxacyclobutane können chemilumineszieren

mineszierender Organismen, von mikroskopisch kleinen Bakterien über Plankton zu Fischen. Das

Ein Spezialfall der intramolekularen WilliamsonEthersynthese findet mit einem 2-Bromhydroperoxid statt. Das Produkt dieser Reaktion ist ein 1,2-Dioxacyclobutan (1,2-Dioxetan), ein cyclisches Peroxid. Diese Spezies zeigt ein ungewöhnliches Verhalten: Sie zerfällt unter Aussendung von Licht in die entsprechenden Carbonylverbindungen (Chemilumineszenz). Bei diesem Vorgang wird die O—O-Bindung zu einem Diradikal gespalten, das zum Produkt umgewandelt wird. Der Zerfall von Dioxacyclobutanen ist vermutlich auch für manche natürliche Leuchtvorgänge (Biolumineszenz) verantwortlich, daneben gibt es jedoch weitere Mechanismen, die bei diesem Phänomen ablaufen. Beispiele landlebender biolumineszierender Arten sind die Feuerfliege, das Glühwürmchen und manche Schnellkäfer. Der Ozean jedoch beherbergt die größte Vielfalt biolu-

emittierte

Licht

dient

vielerlei

Zwecken,

unter

anderem scheint es bei der Paarung und der Geschlechtsunterscheidung, der Kommunikation, der Beutesuche und zur Abschreckung von Feinden eine Rolle zu spielen. Das Luciferin* der Feuerfliege ist ein Beispiel für eine chemolumineszierende

Substanz,

die

in

der

Natur

vor-

kommt. Die Oxidation dieser Verbindung in basischer Umgebung führt zu einem Dioxacyclobutanon

als Zwischenstufe,

das

unter

Emission

von

Licht in gleicher Weise wie 3,3,4,4-Tetramethyl1,2-dioxacyclobutan zu einem Heterocyclus und Kohlendioxid zerfällt. * Anm. d. Übers.: Luciferin ist ein Sammelbegriff für strukturell oft unterschiedliche Verbindungen, die in lebenden Organismen unter Aussendung von Licht zerfallen. Die dabei beteiligten Enzyme heißen Luciferasen.

Echt 16]

0+0

| (CH3)»C—-C(CH3)»

HO SE gs

|

H—on

Br

ein 2-Bromhydroperoxid

| C.cH

ei

H3C

d

\

CH;

CH;

A —>7?

| CH;CCH3

+ hv

:

3,3,4,4-Tetramethyl1,2-dioxacyclobutan

Propanon (Aceton)

(ein 1,2-Dioxetan)

N

N

0%

H a ase,

HO

IE

S

re

S

Luciferin der Feuerfliege

Ö

N LI

OÖ,

en

Sc

S

N Y, F

£

? 1-

IN

en S

Ö

1,2-Dioxacyclobutanon (Zwischenstufe)

Bft

+ C0O2 + hv

355

% Weitere: Reaktionen des; Alkohole- und) die. Chemie-der; Ether:

Die Bildung eines Alkens dunch Eliminienung vom Wasser (E2, vel. Abschnm. 7.77 u. 111.9)) findet: ebenfalls statt. diese Reaktiom erfordert jedoch gewöhnlich höhene: Tempenatunen (well. Abschm. 9.2): Synthese eines; Alkens; aus Alkohell und! stanker Säumme bei hohen Tempenratunem

|

CH5CHCH;OH 18T, CHRCH=CH, + HOH Ebenso) kann mam sekundäre undi tentiäne Ethen aus: sekunmdänem und

tertiärem Alkoholen: dureiı Behandlung mit: Säune herstellem. Hier bildet sich, zuerst: eim CarbeniiumIom, das vom einem weiterem Alkoholmeleküll im einer Yl+-Reaktiom angegriffem wind! (Abschm. AD). Als; Nebenreak-

tiom tritt: Hauptsächlich eine El-Reaktiom auf.

OH | + » CH,ECH, ——> (CH ,),‚CHOCH(CH,),

H

75%

2>Prepanelı

2>(1+-Methylethaxy)prapanı

+ HOH + H*

(Diisoprepylathen))

Gemischte: Etherr mitt zweii unterschiedlichem Alkylgnuppem sind! mu

schwer: zugänglich. Die: Reaktiom zweien verschiedenen Alkohele im (BESNakt Wan‘Sure führt: Be

einen Mischung den dhesimög-

remoderr en Alkylgruppe entstehem kanalim Be Säune im gutem Ausbeuten, dan sach Hier dass tentiäne» Canbenium-Iom bevonzugt bildet: und! mitt einem Moleküli des; anderem Alkohols neagient.. Dabeii erweist: ass sich alss verteilhafti, den gebildetem tent+-Butylethen;. welchen oft: dies niedrigstsiadende® Komponente: ist, denn Gleichgewicht dinelh azeatrape: Destillatiom zu entziehen. Synthese eines;gemischtem Ethers; CH; +CH,CH,QH1

15% weißrige.NeHISOH FETTE

a

CH3:

ve a CHR. 30M

2:Ethoxyr22methiplprapam

1, 1+:Dimethylethylether: (terr-Butylather)) werden mit: verdilnnten Säune

raschhhydtalysiert:. Deshalb» kann

mammittilinem die Alkolelgruppe wir-

kungsvellischützen: (Abschm.&9)). Als Beispiel betrachtem win 4-Brom-IH-

butanel dasswiinimeineGrignard+Verbindung,überführem undimit: Fonmraldekhydiumsetzem wellem. Zuvor müssem wii die Hydtexygruppe dunehh

Überführung im dem termButylether schützem. Die Abspaltung den

BrQH3CHCHHQHZOH 4-Bromniibutanahı

CHEND, BrCHICHSCHICHZOCICH,),"&> BrMECHSCHECHRCHROC(CH,);, H,Q. Addition; der. Schutzgruppe.

geschütztes d4«Brom- IHbutanel |

uQ vagre,)

22H]; WO), HOCHsCH3CHICHIGHHOCICH ,); ann.

einfschigeschütztes. 15:Pentandiah

33%

Grignard;Reagenz (vor; Bigenpretonierung: geschützt))

H@ICH3)5OH! + H,C=C N

.

a

CH,

europe 1,5:Pentandiol |

2:Methyiprepen

Schutzeruppee geschieht in werdünnter wäßriger Säure, die ınur Itettiäre Alkyleiker angreift. Das 1,1-DimethyletihyHKation ((ertBuwyHKation) zerfällt nach einem El-Mechanismus rasch zu 2.Meihyiipropen. Übung 9-16 Welche Mechanismen liegen !bei folgenden Reaktionen wor: ((a) 1..44Butandiol + IH" — Oxacyclopentan (Tetrahydrofuran); ((b) SMethyH-lS.hexandidl + IH* — 221Dimethytoxacyclohexan (2,2-Dimethyltstrahyäropyran).

Darstellung von Ethern durch Alkoholyse Wir wissen, daß tertiäre und sekundäre Biher audh durdh Allkoholyse der entsprechenden Halogenalkane oder Alkyiksulfonate entstehen (Abschn. 7.1). Dazu löst man die Ausgangssubstanz einfach iin einem Alkohol bis die S,1-Reaktion vollständig ist. Am Rand schen Sie ein Beispiel.

1-Chlor-1methyl cyelohexan

Übung 9-17

|CH}CHL,OH

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, einen Biher aus einem |Halogenalkan und @inem Alkohol zusammenzusetzen. Wie würden Sie worgdhen, wm ((a) 2!Meihyl-24(Hmethyt-

H;C_

ethoxy)butan; (b) 1-Methoxy-2,2-dimethylpropan herzustellen?

Wir fassen zusammen:

OCHLCH, + H*+ 1”

Bther kann man herstellen, indem man Allko-

hole mit Säure nach einem Sy2- oder S\1-Mechanismus umsetzt, wobei Alkyloxonium-Ionen oder Carbenium-Ionen als Zwischenstufen auftre-

86% +-EihoxyImethyleyelohexan

ten. Eine weitere Methode zur Synthese von Ethern besteht in der Alkoholyse sekundärer oder tertiärer Halogenalkane oder Allkylsulfonate.

9.8 Reaktionen der Ether Ether sind, wie wir bereits wissen, recht reaktionsträge. Binige Ether

Peroxide aus Hihern

reagieren jedoch nach einem radikalischen Mechanismus langsam mit

|

Sauerstoff zu Hydroperoxiden und Peroxiden. Peroxide sind sehr gefähr-

2 KOCH +20,

lich, da sie sich explosionsartig zersetzen können. Deshalb sollte iman mit Etherlösungen, die einige Tage der Luft ausgesetzt waren, äußerst vorsichtig sein. Auch starke Säuren greifen Ether unter Ausbildung von Alkoholen

| | 2 00

oder Halogenalkanen an. Diese Reaktionen verlaufen unter Protonierung des Sauerstoffatoms über intermediäre Oxonium-Ionen. Wegen der stark sauren Bedingungen ist dieses Verfahren jedoch nur begrenzt von Nutzen (Abschn. 9.2 u. 9.3).

Ein PiherAydiöperoxid

Ubung 9-18 }Behandelt man Methoxymethan mit heißer HI, erhält man Iodmethan. Stellen Sie einen Mechanismus auf.

|

y

KoR-0-0-boR |

Etherspaltung mit HBr

CH,CH5OCH>CH,; Ethoxyethan

—>

CH;CH»Br

+ CHACHSOH

Bromethan

Bin Eiherperoxid

Ethanol

Mechanismus

CH3CHÖCH;CH;

De

ne

==

CH;CH,—[°&

‚Br: —

CH;CH; Alkyloxonium-Ion

” CH;CH;Br

+

HOCH;CH;

9 Weitere Reaktionen der Alkohole und die Chemie der Ether

Der als Nebenprodukt gebildete Alkohol kann seinerseits von HBr angegriffen werden, so daß zusätzlich Bromalkan entsteht. Ether mit sekundären oder tertiären Alkylgruppen bilden schon mit verdünnter

Säure

intermediär

Carbenium-Ionen,

die

entweder

von

Nucleophilen abgefangen werden (Sl) oder deprotonieren (E1).

© oO

Oxacyclohexan (Tetrahydropyran)

0 Übung 9-19 Ri Bei der Reaktion von Oxacyclohexan (Tetrahydropyran, siehe Rand) mit HI wird 1,5-

@ Diiodpentan gebildet. Schlagen Sie einen Mechanismus vor. Übung 9-20 Wie könnte man folgende Umwandlung erreichen (der gestrichelte Pfeil deutet mehrere Stufen an)? BrCH>CH;,CH>OH

=)

DCHJ;CH;CH;0H

Zusammenfassend kann festgehalten werden, daß Ether durch (starke) Säuren gespalten werden. Die Protonierung eines Ethers, der primäre oder sekundäre Alkylgruppen enthält, ergibt ein Alkyloxonium-Ion, das in einer Sy2-Reaktion vom Nucleophil angegriffen wird. Carbenium-Ionen werden nach der Protonierung gebildet, wenn sekundäre oder tertiäre Alkylgruppen vorhanden sind. Die Produkte werden von Snl- und EI-Reaktionen gebildet.

9.9 Reaktionen von Oxacyclopropanen Obwohl gewöhnliche Ether relativ inert sind, wissen wir bereits, daß der

gespannte Ring von Oxacyclopropan eine Reihe von Ringöffnungsreaktionen mit Nucleophilen eingehen kann. In diesem Abschnitt werden wir Einzelheiten dieser Reaktionen erfahren.

Die nucleophile Ringöffnung von Oxacyclopropanen nach Sn2 verläuft regioselektiv und stereospezifisch Neben metallorganischen Reagenzien (Abschn. 8.8) können auch andere anionische Nucleophile den Oxacyclopropan-Ring angreifen. Der Angriff kann an jedem Kohlenstoffatom des Ethers erfolgen, da diese aufgrund der symmetrischen Struktur gleichwertig sind. Die Reaktion verläuft über einen nucleophilen Angriff, bei dem das Sauerstoffatom des Ethers als intramolekulare Abgangsgruppe fungiert.

Nucleophile Ringöffnung von Oxacyclopropan durch ein Anion

) ı new he

Ein Beispiel:

N

EN

—

ri

ER

CHz— CH; + CH3$:

> HO—CHR—CH, —Nu

.

—75 HOCHSCH3SCH;

Diese Sy2-Reaktion ist aus zwei Gründen ungewöhnlich: Zum einen sind Alkoxide als sehr schlechte Abgangsgruppen bekannt. Zum anderen wird die Abgangsgruppe bei dieser Reaktion ja nicht wirklich

358

der

9.9 Reaktionen von

Umsetzung ist die freiwerdende Ringspannung beim Öffnen des gespannten Rings. Wie erfolgt die Ringöffnung bei unsymmetrischen cyclischen Ethern? Stellen Sie sich die Reaktion von 2-Methyloxacyclopropan mit Methoxid vor. Zwei Angriffsmöglichkeiten bieten sich hier an: das primäre Kohlenstoffatom (a), wobei 1-Methoxy-2-propanol entsteht, und das methylsubstituierte sekundäre Kohlenstoffatom (b), das zu 2-Methoxy-1-propanol führt. Die Analyse der Produkte zeigt, daß ausschließlich 1Methoxy-2-propanol nach Möglichkeit (a) gebildet wurde.

„abgespalten“,

Oxacyclopropanen

i

Hg Er

sondern

OH

N:

bleibt

Teil des Moleküls.

Die

Triebkraft

o

nozcmon

H7

a

Ss

on, b

CH

ab

H

"N. Rech:

2

z

(R)-2-Methoxy-I-propanol

(S)-2-Methyloxacyclopropan

(S)-1-Methoxy-2-propanol

HO

(entsteht nicht)

Dieses Ergebnis überrascht nicht, da uns bereits bekannt ist, daß ein

nucleophiler Angriff bevorzugt an dem weniger substituierten Kohlenstoffatom erfolgt (Abschn. 6.9). Geht man von optisch reinem (S)-2Methyloxacyclopropan aus, bleibt die Konfiguration am Chiralitätszentrum erhalten, da dieses an der Reaktion nicht beteiligt ist. Die Möglichkeit (b) würde Inversion zur Folge haben. Die Regeln der nucleophilen Substitution, die anhand einfacher Alkylderivate abgeleitet wurden, gelten also auch für gespannte cyclische Ether. Man bezeichnet die nucleophile Ringöffnung substituierter Oxacyclopropane auch als regioselektiv, da von zwei möglichen, ähnlichen „Regionen“ nur eine nucleophil angegriffen wird. Die Ringöffnung ist erwartungsgemäß mit Inversion am Reaktionszentrum verbunden.

Mit Hydriden und Organometall-Verbindungen werden gespannte Ether in Alkohole umgewandelt Das hochreaktive Lithiumaluminiumhydrid kann den Oxacyclopropanring unter Bildung eines Alkohols öffnen, reagiert aber nicht mit anderen, weniger gespannten Ethern. Diese Reaktion verläuft nach einem Sn2-Mechanismus. In unsymmetrischen Molekülen greift das Hydrid folglich die weniger substituierte Seite an. Inversion bei der Ringöffnung von Oxacyclopropan OH “

x

I. LiAID, “CH3\_2- H*, H,O

CH;

H D 99,4% D und OH stehen zueinander trans, nicht cis

In diesem Beispiel dient LiAID, als Deuterierungsmittel. Übung 9-21 Welches Oxacyclopropan würde nach Behandlung mit LiAIH, und Aufarbeitung mit verdünnter Säure 3-Hexanol (Abschn. 8.9) liefern? Gibt es mehr als eine Möglichkeit?

359

9 Weitere Reaktionen der Alkohole und

Analog führen Grignard-Reagenzien und Alkyllithium-Verbindungen zu Alkoholen, bei denen die Alkylgruppe der Organometall-Verbindung

die Chemie der Ether

um zwei Kohlenstoffatome verlängert worden ist.

Ringöffnung von Oxacyclopropanen mit einem Grignard-Reagenz OÖ H>C—CH;

THF

55 CH;CH>CH>CH;MeBr

en

H", MO

Re

CH3CH>CH>CH,CH>CH>OH

62% 1-Hexanol Übung 9-22 Schlagen Sie eine effiziente Synthese von 3,3-Dimethyl-1-butanol vor, ausgehend von Verbindungen mit maximal vier Kohlenstoffatomen.

Übung 9-23 Geben Sie das Hauptprodukt der Ringöffnung von 2,2-Dimethyloxacyclopropan an bei Behandlung mit (a) LiAIH,, dann H*, H;O; (b) CH;CH,CH,MsBr, dann H*, H,O; (ce) CH;3SNa in CH;3OH; (d) verd. HCl in CH;CH;OH und (e) konz. wäßrige HBr.

Säuren katalysieren die Ringöffnung von Oxacyclopropanen Die Ringöffnung von Oxacyclopropanen wird durch Säuren katalysiert. Zu Beginn dieser Reaktion entsteht ein cyclisches Alkyloxonium-Ion, das sich durch nucleophilen Angriff öffnet.

Säurekatalysierte Ringöffnung von Oxacyclopropan

’A

CH, Ich, + CH;OH

H5SO

——— > HOCH»>CH20CH; 2-Methoxyethanol

Mechanismus

j “

FHt,CHÖN

EN

| =>

CH,—CH3>

=

CH>—CH>

T

_ eyelisches Alkyloxonium-Ion

” en

ıCH5—CH,

ir ++

HOCH OCH3

=

HOCH3>CHZOCH3

a

Ör

"q . ;*CH;

Ist diese Reaktion ebenfalls regioselektiv und stereospezifisch wie die bereits diskutierte nucleophile Ringöffnung von Oxacyclopropanen mit Anionen? Ja, aber sie läuft etwas anders ab, denn bei der säurekatalysierten Methanolyse von 2,2-Dimethyloxacyclopropan findet die Ringöffnung ausschließlich am sterisch stärker gehinderten Kohlenstoffatom statt.

Säurekatalysierte Ringöffnung von 2,2-Dimethyloxacyclopropan

0 HC,

_H2S04, CH:OH _ |'CH3

CH3 yclopropan thyloxac 2,2-Dime

HO\

CH „

‚Es OCH;

2-Methoxy-2-methyl-1-propanol

Kasten 9-4

Schutzgruppen bei der Synthese Reaktionen an R mit Grignard-Reagenzien,

H, H* ROH nz

ROC(CH3)3

Oxidationsmitteln, etc.

Addition der

geschützter

R geändert in R’

Schutzgruppe

Alkohol

Wenn eine reaktive funktionelle Gruppe eine Reaktion an einer anderen Stelle im Molekül stören kann, benutzen Chemiker Schutzgruppen, d.h. die funktionelle Gruppe wird vorübergehend durch die Addition einer Schutzgruppe in eine weniger reaktive Form überführt, so daß die gewünschte Reaktion ungestört ablaufen kann. Anschließend wird die ursprüngliche Molekülgruppe durch Abspaltung der Schutzgruppe wiederhergestellt. Eine geschützte Form eines Alkohols ist beispielsweise ein 1,1-Dimethylethylether (tert-Butylether), der leicht in einer säurekatalysierten Reaktion mit 2-Methyl-2-propanol (tertButylalkohol) (Abschn. 9.7) erhalten wird. Die so geschützte funktionelle Gruppe ist jetzt inert gegenüber Basen, Organometall-Verbindungen und Oxidations- bzw. Reduktionsmitteln. Reaktionen mit diesen Verbindungen können ohne Störung durch die Hydroxygruppe durchgeführt werden. Wie weiter unten gezeigt wird, kann die Schutzgruppe mit verdünnter wäßriger Säure wieder abgespalten werden.

HC.

r

R'OC(CH,), 20, Abspaltung der Schutzgruppe

Alkohole können auch durch Veresterung (Abschn. 9.4) geschützt werden. Bei der Synthese des Sexualhormons Testosteron (Abschn. 4.7) aus einem

Edukt,

das sich vom

9

HC H3C

— —.

1. LiAlH4, (CH3CH3)20

2.150

Schützt C3-OH

Ho’ 3

ableitet,

oO 17

(CH3)3COH, H*

H

Cholesterin

wird diese Schutzgruppentechnik angewendet. Das natürliche Vorkommen der Steroidhormone reicht bei weitem nicht für die Bedürfnisse von Medizin und Forschung aus, so daß diese Verbindungen synthetisiert werden müssen. In unserem Fall ist eine selektive Reduktion der Carbonylgruppe an C17 und eine Oxidation der Hydroxyfunktion an C3 erforderlich. Nach der Bildung des 1,1-Dimethylethylethers (tert-Butylethers) an C3 folgt die Reduktion an C17. Durch Veresterung (Abschn. 9.4) wird die neu entstandene Hydroxygruppe an C17 geschützt. Gegenüber verdünnter Säure sind Ester stabil, während tertiäre Ether hydrolysiert werden. Mit dieser Strategie kann die Hydroxygruppe an C3 freigesetzt und zu einem Keton oxidiert werden, während die Hydroxygruppe an C17 geschützt bleibt. Mit starker Säure wird das hier gezeigte Endprodukt in Testosteron überführt.

17

Je

R'OH

reduziert Carbonylgruppe an C17 zu OH

(CH3)3C0°

3

17

H3C

Veresterung

H

(CH3)3CO

Hzc

°

\

-O-

verd. H*, H,O Abspaltung an C3,

H

(CH3)3CO °

HC

„OCR 17

H3C

schützt c17-OH

PCC, CHzClz

N

‚PCR 17

Te oxidiert C3-OH

H3C

aber nicht

an C17-OH

H

I

361

Kasten 9-5

Epoxidharze: Eine wertvolle Klebstoffklasse

CH3

Die Reaktivität von Oxacyclopropanen wird bei der Entwicklung von Epoxidharzen ausgenutzt (Epoxid ist ein Trivialname für Oxacyclopropan). Ein typisches Beispiel dafür ist DGEBA (vgl. Formel). Die charakteristische Reaktion für Epoxidharze ist das sogenannte Härten beim Erhitzen oder unter Einfluß einer Reihe von Reagenzien, meist

Oxacyclopropanringe als funktionelle Gruppen. Der basenkatalysierte Härtungsprozeß beginnt mit einer Ringöffnung durch einen Hydroxidangriff unter Bildung einer Alkoxidgruppe, die ihrerseits andere Moleküle des Harzes angreift. Man nennt diesen Prozeß Vernetzung, denn bei jeder Ringöffnung entsteht eine neue Alkoxidgruppe, die eine Bindung knüpft, so daß schließlich ein Stoff mit einem sehr hohen Molekulargewicht entsteht. Dieser Vorgang ist unten schematisch dargestellt. Wenn das Härten an einem Feststoff mit Hydroxygruppen an der Oberfläche (Glas ist ein gutes Beispiel) stattfindet, wird diese kovalent

Säuren oder Basen, wobei ein extrem harter Fest-

gebunden,

stoff entsteht. Die meisten Harze enthalten zwei

starke Klebstoffe sein können.

u CHCH-O2

c

0.9

OCH 2 ee

|

:Ö

CH3 Epoxidharz DGEBA („Diglycidether von Bisphenol A“)

und

es

wird

klar,

daß

diese

Harze

Härten eines Epoxidharzes

N IE

DE:

CHX S92 |

a

ei

B

Den

Sr

_CH2 |—cHX n

|

8

B = ar Bi

Ba

Hoc

_CH,

a

SCH _CH2 RX X = Br oder I "

(Sn2-Mechanismus) ...

konz. HX

sekundärer oder tertiärer ROH ——— X = Cl, Br oder I

3

Mit Phosphor-Reagenzien (Abschn. 9.4) 3 ROH

+ PBrz

—> 3 RBr

3 ROH L- PCI SIRCI 372

RX

(Sn1-Mechanismus)

+ H;PO;

HLPO, + IEO

4 Mit Schwefel-Reagenzien (Abschn. 9.4) ROH

+ SOC,

N(CH3;CH;3);

——

Neue Reaktionen

RCI + SO, +

(CH;CH,);NH*CIROH + R’SO,CL-—— ROSO,R:

> RX ERSOS

Alkylsulfonat

Umlagerung von Carbenium-Ionen aus Alkoholen

5

Umlagerung von Carbenium-Ionen durch Wasserstoff- und Alkylverschiebung (Abschn. 9.3)

S

OH

“N

EC Wer

HT, Ne

un

ee Ber

ar N

H

H

-HYEI

N ec

SniNNu

H(R)

Nu H(R)

We. |

Slpess 6

Konzertierte )

R—C—CH;0H

Ta

Alkylverschiebung

BEN

bei primären

+

— R—C—CH5--OH:

R

——

Alkoholen

(Abschn.

N

5

C—CHaR' —>

etc.

Eliminierungsreaktionen der Alkohole

7

Dehydratisierung mit starken 92959.75.119) H

|

OH

|

0-0 |

so, Wärme

—

\

06

y4

nichtnucleophilen

Säuren

(Abschn.

erforderliche Temperatur:

+20

|

primäre ROH:

sekundäre ROH:

tertiäre ROH:

170-180° (E2-Mechanismus)

100-140° (meist EI) 25-80°

(E1-Mechanismus)

Umlagerung der Carbenium-Ionen kann auftreten.

Darstellung der Ether 8

Williamson-Synthese (Abschn. 9.6)

ROH

NaH, DMSO —

RO Nat un

ROR'’

N

R’ nur Methyl-oder primäre Alkylgruppe ROH kann primär oder sekundär sein (auch tertiär, wenn R’ = Methyl) Leichtigkeit des intramolekularen

Ringschlusses: ka > ks >k, > ky

kr > kg

(kn: Reaktionsgeschwindigkeit, n: Ringgröße)

373

9 Weitere Reaktionen der Alkohole und die Chemie der Ether

9 Mineralsäuremethode (Abschn. 9.7) Primäre Alkohole RCH;OH

H*, niedrige Temperatur . RCHÖH;

urn

RCH>OCH;R

ie

Sekundäre

Alkohole

OH

R

a

2er

R NcH-0—-cH

- 40,

70.4

nn

+ E1-Produkte R

Tertiäre Alkohole

R;COH + R'OH

NaHSO,

> H>

Suzane

Q R;C-OR’ + EI-Produkte

R’ = (hauptsächlich) primär

Reaktionen

10

der Ether

Spaltung mit Halogenwasserstoff (Abschn. 9.8) ROR

konz. HX

RX

+

ROH

konz. HX

IRX

X = Br oder I

primäres R: Sy2-Mechanismus sekundäres oder tertiäres R: Sy 1-Mechanismus

11 Nucleophile Ringöffnung der Oxacyclopropane (Abschn. 9.9, 25.2) Anionische Nucleophile OH

AR

en

RR

4", 20,

U 6) 2 NUCHJÖR

EN

Nu Beispiele für Nu: HO’, RO’, RS”

Säurekatalysierte Ringöffnung H

I: n OÖ /\DR —> HOCH3CR, A Nu Beispiele für Nu: H,O, ROH, Halogenid

12

Nucleophile Ringöffnung der Oxacyclopropane niumhydrid (Abschn. 9.9)

mit Lithiumalumi-

1. LiAIH4, (CH3CH>)20

neo 13

HB :H,0 2

pen

Nucleophile Ringöffnung der Oxacyclopropane schen Verbindungen (Abschn. 9.9)

mit metallorgani-

6) RLi oder RMeX + HC

374

CH,

THF

H,O

> 2

RcCH,CH,OH

Schwefelverbindungen 14

Neue Reaktionen

Darstellung von Thiolen und Sulfiden (Abschn. 9.10)

RX + HS’ —

RSH

Überschuß

Thiol

RSH +RX-SRSR Alkylsulfid 15

Acidität von Thiolen (Abschn. 9.10)

RSH+OH"——RS"+H,0 16

pK,(RSH)=9-12

Nucleophilie von Sulfiden (Abschn. 9.10)

REST ER X FR RX Trialkylsulfoniumsalz

17

Oxidation von Thiolen (Abschn. 9.10) RSH

KMnO,

oder H,O,

RSO,H

Alkansulfonsäure

RSH

:

I,

Li, fl. NH;

RS-SR

Dialkyldisulfid

18

Oxidation von Sulfiden (Abschn. 9.10)

RSR' 22,

]

RSR’ Chiral

Dialkylsulfoxid

WO,"

RER \

Dialkylsulfon

375

‚H

X

a

BL a.

HO

_OH

Ba

0

oseg

en,

ae:

23

un x

‚a

(OHR

PR

a0

en

w ‚W_OA

a)

xy

|

x e) KEN

=

JOPo AOI,A | HO

N

ö

OU

\AR

mess

N

I

+H GODHIA

20p0,H"

BE

J

\ a, I [6)

N IN

ensang

HO

HO_

'

O

| uoylv

8

| (6)

6-61’9-6 BoD

Na

ZZ

er

I

= Pa

II a H

|

+

A093 l (6)

1

DIA

== xy

|

yr Pruydsqy

309,4 1 [6)

11

‚AIOIA

zu)

USJOYoyIYy 3yaIs

194

° 16)

309,3 I Ö

.

I

+H „AO0I,A

NEE

uauoyyuay uUoA

>=0+0
SO, (als Katalysator)

10 Welches Produkt (welche Produkte) erwarten Sie bei der Reaktion von trans-3-Methyleyclopentanol mit jedem der Reagenzien aus Aufgabe 9? 11 Schlagen Sie jeweils eine gute Synthese zur Darstellung der folgenden Halogenalkane aus den entsprechenden Alkoholen vor.

CH; (a) CH3CH;CH;Cl

12

(b) CH3CHZCHCH3>Br

Geben Sie die IUPAC-Namen

(a)

sel

I

(d) (CICH>CH>)>0

I (d) CH3CHCH(CH3),

der folgenden Verbindungen an.

(CH3)5, CHOCH>CH3

(b) CH3ZOCH>CH>OH

(ec)

Koi

H;C

OCH3

(e)

f) no

Joch

(2) CHZOCH>CI 13 Weshalb haben Ether sehr viel niedrigere Siedepunkte als Alkohole derselben molaren Masse’ Was erwarten Sie für die Wasserlöslichkeit von Ethern verglichen mit der Wasserlöslichkeit von Alkoholen derselben molaren Masse’? 379

9 Weitere Reaktionen der Alkohole und die Chemie der Ether

14 Mit nachstehenden Reaktionen sollen Ether synthetisiert werden. Welches Hauptprodukt (eventuell mehrere) erwarten Sie jeweils?

Be | DMSO (a) CHSCH,CH>CI + CHSCH-CHCHLCH E— >

el

|

(b) CHSCH>CH,OT + CHLCIL.CHeIBene H3C

OO

(©

SCHE

SER

H

H

Orc GH

| (£) wa

a

+ (EIBSCHCH,CHhBr

(@) (CHILCHO

NR

En

Cyclohexanol

3

CHscH, 175

15 Schlagen Sie für jede Reaktion der Aufgabe 14, bei der Sie keine guten Ausbeuten an Ether erwarten, ein besseres Verfahren vor. Gehen Sie dabei von Alkoholen oder Halogenalkanen aus, die Ihnen ein besseres Ergebnis versprechen. Hinweis: siehe Aufgabe 1, Kapitel 7.

16 Welches Produkt (welche Produkte) erwarten Sie bei der Reaktion der folgenden Substrate mit NaOH in verdünnter DMSO-Lösung? H

n (a) CHSCHCH,EHSCH,

H

| „OH

\ JOH

ib) DE H

(© @: CH>CH>Br

Br

H

17 Schlagen Sie effiziente Methoden zur Darstellung folgender Ether vor, gehen Sie dabei von Halogenalkanen oder Alkoholen aus. CH3

CH3

| (a)

CH;CH>CHOCH3>CH3

(e)

O,.CHs

CH;

(0)

18 Welche Hauptprodukte entstehen bei nachstehenden Schlagen Sie, falls nötig, in Abschnitt 6.7 nach. Überschuß

konz. Hl

(a) CH.CH,OCH.cHeeH = 5

Demoenean

un .

(0) CH,OCH,CH,0CH, 380

HB

konz. HI Übersc —huß ——

Reaktionen?

(d)

CHS

N .-

L

Aufgaben

erschuß k konz. HB 1, Überschuß

OÖ (e)

CHz.)

,H

Hr

OH;

h

Überschuß konz. HBr

er

(k)

r

H

2

Überschuß konz. HBr,

CH,

OÖ

19

Welche Hauptprodukte entstehen bei folgenden Umsetzungen?

O @)

OÖ

Na’ "NH>, NH3

b)

1. / X, Na” SCH>CH3, CH3CH>OH

CH3 O

a [E] Sossaunnnnum,

a

verdünnte HCl in CH,OH

(d)

OÖ Überschuß konz. HBr

CH3 (e)

CH;

HI A

Na* dr TOCH; iin CH3OH

0)

CH3

ıl2 LiAID4, ann

5 2. H* ‚H50

CH3

CH3 1.penis

(CH3CH>)>0

a

}: Ü)-LCH5CH220

CH3 20 Schlagen Sie für jeden Alkohol aus Aufgabe 20 in Kapitel 8 eine Synthese vor, die mit einem Oxacyclopropan beginnt, soweit das möglich ist.

21

Geben

Sie

die

Hauptprodukte

der

folgenden

Reaktionen

an.

Beachten Sie die Stereochemie! o

oO

verd. H5SO, in CH5CH>OH (a) H

>CH3

()

(a) D>-CH;sH

CH,

Verbindungen

2. H*

H”

CH; H 22 Benennen Sie die folgenden System der Nomenklatur.

1E Ban a

l

nach

CH3

CH

.H

dem

IUPAC-

() CH3CH>CH>SOzH

(dd CF3SO;Cl

(b) CH3CH>CHSCH; 23 Entscheiden Sie, welche Verbindung aus folgenden Paaren (1) die stärkere Säure und (2) die stärkere Base ist. (a) CH;SH, CH;OH (b) HS , OH (c) H;S",

H3S

381

24

9 Weitere Reaktionen der Alkohole und die Chemie der Ether

Nennen Sie zu erwartende Produkte folgender Reaktionen. Üb

Sereckercresen (b)

huß NaSH

ein Äquivalent Na,S,

CICH>CH>CH>CH3Cl

CH>CH>»

Br ()

()

CHCHCL IE CH>CH;

)

eu,

KSH

en ı CH,

SH

H (d)

I

—

(Ro

KSH

ar

/

Re

\

N

Überschuß H,O,

Su

u

25 Geben Sie die Formeln der Verbindungen A, B und C mit relativer Konfiguration nach den Informationen aus dem angegebenen Schema an. (Hinweis: A ist acyclisch.) Zu welcher Verbindungsklasse gehört das Produkt?

H;C 3

I A

2 CH3SO3;C1,

(CH3CH3)3N,

CH>Ch

B

Na»S,

H>0,

C5H195505

CH 1402

DMF

C

Überschuß

CH3

H,O;

CeH12S

Br re

26 Bei einem Versuch 1-Chlor-I-cyclobutylpentan darzustellen, wurde die angegebene Reaktionsfolge durchgeführt, aber das isolierte Produkt war nicht das gewünschte, sondern ein Isomer. Schlagen Sie eine Konstitution für das Produkt vor, und geben Sie eine mechanistische Erklärung für dessen Bildung.

cl Bi

MsCl Mg, (CH3CH>),0 ee

S

l. CH3CH>CH>CH>CHO 2. H’, H,O

u

OH

e1 konz. HCl

————

u

ie ii SCHSCHSCHLC CH;

D |pmso

j

nicht

27 Was ist das Produkt der am Rand angegebenen Reaktion? (Beachten Sie die Konfiguration an den Reaktionszentren.) Was wird die kinetische Reaktionsordnung sein?

28 Entwerfen Sie Synthesen für die nachstehenden Verbindungen. Wählen Sie vernünftige Ausgangssubstanzen nach den Kriterien der Synthesestrategie, wie Sie sie vor allem in Abschn. 8.9 kennengelernt haben. Schlangenlinien deuten an, wo neue C—C-Bindungen aufgebaut werden können.

CH; (a) CH,CH>;CH-{-CH>CH5SO3H

I}

(b) CHLCHSCH2-E-FCHO CH>CH3

382

29 Schlagen Sie effiziente Synthesen für die folgenden Verbindungen vor. Beginnen Sie mit den angegebenen Edukten.

Aufgaben

(a) trans-1-Brom-2-methylcyclopent an aus cis-2-Methyleyclopentanol (b) 3-Cyanopentan aus 3-Pentanol (ce) 3-Chlor-3-methylhexan aus 3-Methyl-2-hexanol

(d)

_O ß ‚) , aus 2-Bromethanol (2 Mol) S

30 Vergleichen Sie die folgenden Möglichkeiten der Darstellung eines Alkens aus einem primären Alkohol. Nennen Sie bei jedem Verfahren Vorteile und Nachteile.

Rn

we RCH>CH>0H

RCH=CH3

ww

RR

ReseHpge

CHREOSKS

>

Inch

cr

31 Als Polyhydroxyverbindungen zeigen Zucker (Kap. 24) das für Alkohole charakteristische chemische Verhalten. In einem fortgeschrittenen Abschnitt der Glycolyse — dem Metabolismus der Glucose -, wird 2- Phosphoglycerinsäure, ein Metabolit mit einer restlichen Hy-

droxygruppe Reaktion

zu 2-Phosphoenolbrenztraubensäure

wird durch das Enzym

Enolase

umgewandelt;

in Gegenwart

diese

OPO3” | HOCH, —CH—-COOH 2-Phospho-

EIySLIEEnTe

einer Lewis-

|Eraise, Mg’*

Säure wie Mg? katalysiert.

OPO;“

(a) Wie würden Sie diese Reaktion klassifizieren? (b) Worin könnte die Rolle der Lewis-Säure, d.h. des Metall-Ions

liegen?

mc 2

CO5H

2-Phosphoenol-

32 Das kompliziert aussehende Molekül 5-Methyltetrahydrofolsäure (abgekürzt 5-Methyl-FH,) ist das Produkt einer Sequenz von biologischen Reaktionen, die Kohlenstoffatome von einigen einfachen Molekülen wie Ameisensäure oder die Aminosäure Histidin in Methylgruppen umwandelt.

brenztraubensäure

Ö

|

H—-©—0H

Ameisensäure

4 Stufen

a

TE

Nr

NH3

| ON E\.

en

CH>NH

B.a

[6) | HCH;CH,COH

7 ER 5

Itetrahydrofolsäure

(5-Methyl-FH,) in

Die einfachste Synthese von 5-Methyltetrahydrofolsäure geht von Tetrahydrofolsäure (FH,) und dem Trimethylsulfonium-Ion aus. Diese Reaktion, wird von Mikroorganismen, die im Boden (Erde) leben, durchgeführt.

383

H

|

H

a

ne

|

4

N ICHNH—

H

N

En

zz

SE

H,C ’ 'CH;

DE

CH;—S—CH;

+ H*

nn CH:NH—

:

FH,

r

CH; Trimethylsulfonium-Ion

3

5-Methyl-FH,

(a) Kann der Reaktionsmechanismus eine nucleophile Substitution sein? Formulieren Sie den Mechanismus! Kennzeichnen Sie dabei die formale Elektronenverschiebung durch gebogene Pfeile! (b) Identifizieren Sie das Nucleophil, die nucleophilen und elektrophilen Atome,

die an der Reaktion beteiligt sind, sowie die Abgangs-

gruppe! (ec) Überprüfen Sie, ob alle in Aufgabenteil (b) identifizierten Gruppen an dieser Reaktion so teilnehmen, wie es, basierend auf den in den Abschnitten 6.8, 6.9, 9.2 und 9.9 vorgestellten Kon-

zepten, zu erwarten ist! Hilft Ihnen bei Ihren Überlegungen, daß Sie wissen,

daß

H;S*

eine sehr starke

Säure

ist (z.B.

pK, von

CH3;SH,* = -7)? 33 In der Biologie fungiert 5-Methyl-FH, (Aufgabe 32) als MethylDonor für kleine Moleküle. Die Synthese der Aminosäure Methionin aus Homocystein ist vermutlich das bestbekannte Beispiel. H |

H

NH;

N CH;

en

58 Methyl-FH,

*

H7/c “CH,CH,SH Re 6) sa | 6)

ee

NH;

| IL 28 R CH,NH—?

Homocystein

FH,

2

H/en “CH;CH;SCH HOC 7 ae \ (6) Methionin

Beantworten Sie in dieser Aufgabe dieselben Fragen wie in Aufgabe 32. Der pK,-Wert des eingekreisten Wasserstoffatoms in FH, ist 5. Wird dadurch ein Teil Ihres Mechanismus negativ beeinflußt? Tatsächlich erfordern Methyl-Übertragungsreaktionen bei 5-Methyl-FH, eine Protonenquelle. Lesen Sie nochmals den Abschnitt 9.2, insbesondere das Unterkapitel „Halogenalkane aus primären Alkoholen und HX“. Schlagen Sie nun eine sinnvolle Rolle für das Proton in der obigen Reaktion vor.

34 Epinephrin (Adrenalin) wird in Ihrem Körper in einem zweistufigen Mechanismus über den Methyltransfer von Methionin (Aufgabe 33) zu Norepinephrin (s. Reaktionen 1 und 2) hergestellt. (a) Beschreiben Sie detailliert den Mechanismus dieser beiden Reaktionen! Wie würden

Sie

die

Rolle

von

ATP

beschreiben?

(b) Würden

Sie eine

direkte Rektion zwischen Methionin und Noreinephrin erwarten? Erklären Sie! (c) Schlagen Sie eine Synthese von Epinephin ausgehend von Norepinephrin vor (Labormaßstab). Reaktion 1

; Sn c

H7 N HO

HHH 000 CH,CHJSCH, +; ee b) J

| 0

OO

ö

er

CH, de HS 2 ÖCHCH—St—CHR

+ HuP3Oo r

5

I

6) Methionin

384

NH; Ts, |

ATP

S-Adenosylmethionin

Triphosphat

Aufgaben

Reaktion 2

\/ “

+

S-Adenosylmethionin

u ad

CH;NR,

HO

Ö S-Adenosylhomocystein

NH,

(T ee N

0

HO ei;/ H

"N

i

HO

ee CH,NHCH;

|

— HO

+

| Norepinephrin

R=-

CH,CH3SCH;R

OH

+ H*

|

HO Epinephrin

35

(a) Nur das frans-Isomer von 2-Bromcyclohexanol reagiert mit Natriumhydroxid zu einem Punkt, das einen Oxacyclopropan-Ring enthält. Weshalb ist das cis-Isomer unreaktiv? Hinweis: Zeichnen Sie die möglichen Konformationen der beiden Isomere um die C1-—C2-Bindung (vgl. Abb. 4-13). Bauen Sie sich, wenn nötig, ein Modell. (b) Einige Steroide, die einen Oxacyclopropan-Ring im Molekül enthalten, wurden in einer Zweistufenreaktion ausgehend von Steroiden mit einem Brom und einer Ketogruppe im Molekül synthetisiert. Wählen Sie die für die folgende Umwandlung nötigen Reagenzien.

Bis,

(c) Beinhaltet Ihre Reaktionsfolge Schritte, die bestimmte dernisse hinsichtlich der Stereochemie haben?

Erfor-

36 Frisch geschnittener Knoblauch enthält Allicin, eine Verbindung, die den charakteristischen Knoblauchgeruch ausmacht. Allicin zeigt bemerkenswerte antibakterielle Wirkungen und ist offensichtlich in der Lage, den Cholesterinspiegel bei Tieren, die cholesterinreich ernährt wurden, zu senken. Schlagen Sie eine kurze Synthese für Allicin vor, ausgehend von 3-Chlorpropen.

CH>=CHCH>—S—S—CH>CH=CH3 Allicin

Gruppenübung 37 Es gibt vier Diastereomere (A -D) von (48)-2-Brom-4-phenylcyclohexanol. Geben Sie jeweils die Struktur in der Keilstrichformel an und zeichnen Sie jedes Diastereomer in der stabilsten Sesselkonformation (Hinweis: Benutzen Sie Tabelle 4-3; der AG°-Wert für den Unterschied zwischen axialer und äquatorialer Position beträgt 12.1 kJ/mol). Teilen Sie Ihr Team in gleich große Gruppen auf und diskutieren Sie für jedes Diastereomer, warum bei der Umsetzung mit der Base (HO°) die unten angegebenen Produkte erhalten werden.

385

9 Weitere Reaktionen der Alkohole und die Chemie der Ether

R oder S R oder $

a“

OH.

£

Br

en

i

Hinweis:

entspricht C,H, |

ar

von (4$)-2-Brom-4phenylcyclohexanol

j N

Ss

CsHs "OH er

o

0)

OH OH

—>

—

CoHs

CoHs Enol

-OH langsam

(a)

(b)

CH

386

(c)

Tr

CH

CuHs

schnell

To E

OH er

langsam

schnell

Hinweis: Enole sind instabil; sie isomerisieren leicht zu den korrespondierenden Ketonen

Benutzen Sie gebogene Pfeile (s. Abschn. 6.4), um das Verschieben der Elektronen beim Angriff der Base auf die verschiedenen Cyclohexan-Konformere darzustellen. Überprüfen Sie anschließend Ihren Mechanismus und stellen Sie ihn Ihrem Team vor. Erklären Sie jeweils, warum Sie den Diastereomeren A - D die jeweilige Konformation zugeordnet haben. Finden Sie eine Erklärung für die unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeiten und Reaktionsverläufe der Umsetzungen von A und B im Vergleich mit CundD. Wenn die Verbindungen A — D Reaktionsbedingungen unterworfen werden, die die Abspaltung eines Bromid-Ions begünstigen (z.B. unterstützt durch die Zugabe von Ag'-Salzen, die das freigesetzte Bromid-Ion in Form von AgBr aus der Reaktionslösung entfernen und so den Prozeß beschleunigen), reagieren A, C und D zu demselben Produkt wie der bei der Reaktion mit der Base. Diskutieren Sie den Mechanismus in Ihrer Gruppe! Merkwürdigerweise verhält sich B unter den in b) beschriebenen Bedingungen anders. Man erhält über eine Umlagerung Aldehyd E. Schlagen Sie einen Mechanismus für diese Ringverengung vor (Hinweis: Erinnern Sie sich an die Synthesestrategie, die wir in Abschnitt 9.3 kennengelernt haben. Der Mechanismus verläuft über ein Hydroxy-Kation. Was ist die Triebkraft seiner Bildung?)!

NMR-Spektroskopie zur Strukturaufklärung

Die Kenntnis der zahlreichen organischen Reaktionen und funktionellen Gruppen, die in den vorangegangenen Kapiteln vorgestellt wurden, dürften den Leser befähigen, manches komplizierte Molekül im Laboratorium herzustellen. Hier müssen wir auf eine Frage zurückkommen, die schon in Abschnitt 1.8 angeschnitten wurde: Wie können wir sicherstellen, daß es sich bei der dargestellten Verbindung tatsächlich um die gewünschte Substanz handelt? Wie können wir beispielsweise wissen, daß ein Grignard-Reagenz ein Keton tatsächlich in den entsprechenden Alkohol umgewandelt hat? Wäre es nicht interessant, wenn wir mit Hilfe einer Methode bestimmte Kerne in einem Molekül, ihre Anzahl, die Natur ihrer Umgebung (,ihre Nachbarn“) sowie die Art ihrer Ver-

knüpfung mit anderen Atomen nachweisen könnten? Dieses Kapitel wird helfen, solche Fragen zu beantworten. Wir werden sehen, daß die als NMR-Spektroskopie bekannte Methode eine Art „Fingerabdruck“

Abb. 10-1 MRI-Aufnahme eines Schnittes durch den Unterleib eines Menschen. Man erkennt die von oben nach untern verlaufende Wirbelsäule. Die Nieren befinden sich in der unteren Bildhälfte links und rechts der Wirbelsäule. Über ihnen sind die Leber (links,

dunkel) und der Magen sowie die Milz (rechts) zu erkennen.

387

10 NMR-Spektroskopie zur Strukturaufklärung

der Moleküle liefert. Die Methode ermöglicht es nicht nur, organische Moleküle zu identifizieren. Man kann sie auch zur Abbildung („Magnetic Resonance Imaging“, MRI) ganzer Körperorgane einsetzen, eine wichtige Anwendung in der medizinischen Diagnostik. Zunächst wollen wir jedoch physikalische Meßmethoden und chemische Nachweise diskutieren, mit denen eine Verbindung identifiziert werden kann.

10.1 Physikalische Meßmethoden ud chemische Nachweise Wir stellen

uns

vor, daß wir bei einer chemischen

Reaktion

eine un-

bekannte Substanz erhalten haben. Wenn man eine Probe davon untersuchen will, muß man sie zuerst reinigen — durch Chromatographie, Destillation oder Umkristallisation. Dann kann man Schmelzpunkt, Brechungsindex und andere physikalische Eigenschaften bestimmen und mit den Daten bekannter Verbindungen vergleichen. Wenn die Meßdaten mit Werten in der Literatur (z.B. in geeigneten Handbüchern) übereinstimmen, kann man sich der Identität und damit der Konstitution der Verbindung ziemlich sicher sein. Viele im Labor dargestellte Substanzen sind aber neu, und folglich sind keine publizierten Daten verfügbar. Wir brauchen daher Wege, selbst die Konstitutionen aufzuklären. Eine wichtige Methode dazu ist die Elementaranalyse, die in Abschnitt 1.8 erwähnt wurde, da sie über die Gesamtzusammensetzung der Verbindung Auskunft gibt. Ein weiterer Ansatz besteht in der Durchführung einer Reihe von chemischen Tests, um die Chemie der unbekannten Verbindung und damit die vorhandenen funktionellen Gruppen zu ermitteln. Beispielsweise haben wir früher gelernt, daß man Methoxymethan und Ethanol anhand ihrer Reaktion mit Natriummetall unterscheiden kann (Abschn. 1.8). Das Problem wird jedoch bedeutend schwieriger, wenn es sich um große Moleküle von umfangreicher struktureller Vielfalt handelt. Was können wir tun, wenn wir aus einer

Reaktion

einen

Alkohol

der Summenformel

C-H,,;O

erhalten?

Obwohl die Reaktion mit Natrium auf eine Hydroxygruppe hinweist, wüßten wir noch wenig über die Konstitution der Verbindung. Tatsächlich gibt es viele Möglichkeiten, von denen drei hier gezeigt sind. Drei mögliche Konstitutionen für einen Alkohol der Summenformel

C,H, ,O

ib CH;(CH;)sCH;OH

Ge

CH;CH; >

CH 3

an CH;

N) Übung 10-1 Zeichnen

Sie weitere

Summenformel

Konstitutionsformeln

für sekundäre

und tertiäre Alkohole

der

CH ,.O.

Wie können wir zwischen all diesen Möglichkeiten unterscheiden? In der modernen organischen Chemie steht ein weiteres Mittel zur Lösung solcher Probleme zur Verfügung: Die Spektroskopie.

388

10.2 Was ist Spektroskopie?

10.2

Was ist Spektroskopie?

Unter Spektroskopie versteht man Analysenmethoden, die auf der Absorption (oder Emission) von Strahlung durch die zu untersuchenden Moleküle beruhen. Die vier in der organischen Chemie am häufigsten eingesetzten spektroskopischen Methoden sind: (1) Kernresonanz-Spektroskopie (engl.: nuclear magnetic resonance, NMR), (2) Infrarot-Spektroskopie (IR), (3) Ultraviolett-Spektroskopie (UV) und (4) Massenspektrometrie (MS; bei der Massenspektrometrie handelt es sich streng genommen nicht um eine spektroskopische Methode; vgl. Kap. 20). Das erste Verfahren, meist NMR-Spektroskopie genannt, liefert Informationen über die Struktur in der Umgebung bestimmter Atomkerne,

insbesondere

von

Wasserstoff-

oder

Kohlenstoffatomen,

es

ist

das leistungsfähigste Verfahren zur Konstitutionsaufklärung eines Moleküls. Wir beginnen mit einem einfachen Überblick über die spektroskopischen Grundlagen von NMR-, IR- und UV-Spektroskopie. Anschließend diskutieren wir eingehender die Prinzipien und Anwendungen der NMR-Spektroskopie. Die übrigen wichtigeren spektroskopischen Methoden werden in den Kapiteln 11, 14 und 20 behandelt.

Moleküle

werden in charakteristischer

Weise angeregt Organische AE

=

Moleküle

hv, die auch

absorbieren Quanten

Strahlung

genannt

in diskreten

werden

(Abb.

„Portionen“

10-2).

Die

ab-

sorbierte Strahlung bewirkt im Molekül irgendeine Veränderung des elektronischen oder mechanischen Zustandes, ein Prozeß, der auch als Anregung bezeichnet wird. Die dazu erforderliche Energie ist gequantelt; die Anregung erfolgt nur, wenn die eintretende Strahlung exakt die für das betrachtete Molekül richtige „Portion“ Energie liefert. Ein Molekül kann vielen unterschiedlichen Arten der Anregung unterliegen, von denen jede eine bestimmte Energie AE erfordert (s. Abb. 10-3). Röntgenstrahlung ist zum Beispiel sehr energiereiche Strahlung, die Elektronen aus energieärmeren Orbitalen in energiereichere anregen kann; ein solcher Wechsel wird als Elektronenanregung bezeichnet, die (in diesem Fall) eine Energie erfordert, die 1250 kJ/mol übersteigt. Ultraviolettes und sichtbares Licht können Elektronen aus der Valenzschale anregen; typisch sind Übergänge aus einem besetzten bindenden Molekülorbital in ein unbesetztes antibindendes (s. Abb. 1-9). Die dazu nötige Energie liegt zwischen 160 und 1250 kJ/mol. Infrarot-Strahlung bewirkt die Anregung von Schwingungen im Molekülgerüst einer Verbindung (AE liegt zwischen 4 und 40 kJ/mol). Die Quanten von Mikrowellen führen zu Rotationen um chemische Bindungen (AE etwa 4 x 10°* kJ/mol). Radiowellen sind schließlich in der Lage, die Orientierung von Kernspins in einem Magnetfeld umzukehren (AE etwa 4 x 10°° kJ/mol). Dieses Phänomen ist die Grundlage der NMRSpektroskopie. Die unterschiedlichen

Strahlungsarten,

die damit verbundenen

angeregter Zustand

=hv

Grundzustand Abb. 10-2 Der Energieunterschied AE zwischen dem Grundzustand und dem angeregten Zustand wird durch die eintretende Strahlung der Frequenz v überbrückt, die exakt dem Energieunterschied AE entspricht. v Frequenz der absorbierten Strahlung /Ss Plancksches Wirkungsquantum

=-6.6251 X 107° I s

Ener-

giebeträge AE und die dem entsprechenden Wellenlängen sind in Abbildung 10-3 zusammengestellt. Man erinnere sich, daß die Energie von Strahlung mit der Frequenz v und der Wellenzahl » ansteigt, mit steigender Wellenlänge 4 jedoch abnimmt.

© Übung 10-2 ") Welche Strahlungsart (Wellenlänge A) ist mindestens erforderlich, um die radikalische I Chlorierung von Methan

@

zu initiieren? Hinweis:

Der Kettenstart erfordert den Bruch

einer CI-CI-Bindung. Vgl. Abschn. 3.4.

389

> 1200

1200-160

abnehmendes » (cm "!) — 10°

10°

il

| E

extremes

Röntgenstrahlung

nen a : Atomorbitalen

10 nm

viölet

nahes Infrarot

Anregung von Valenzelektronen in Atomen und Molekülen

50

zunehmendes

Ultra-

leravislet

100

200

on sung

Molebtieen

1 um

fernes Infrarot

se guns

10

Anregung von Rotationen

20

A —>

Abb. 10-3 Das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung. Energien werden in kJ/mol wiedergegeben, Wellenzahlen # in cm !, Wellenlängen A in nm (1 nm = 10°” m), um (1 um = 10° m), mm (1 mm = 10°? m) und m. Die Wellenzahl ist definiert als $ = l/A und entspricht der Periodenanzahl einer Welle je Zentimeter. Die Wellenzahl ist der Frequenz nach der Beziehung v = c/A =

c X Y proportional, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist (c = 3 x 10!" cm s'). Die Frequenz v wird in Hz oder s"' gemessen. Eine einfache Umrechnung von AE in die dazugehörige Wellenlänge A ist gegeben durch die Beziehung AE = 120000/2 (AE in kJ/mol, } in nm).

Ein Spektrometer mißt die Strahlungsabsorption Wie in Abbildung 10-2 gezeigt, überführt die Absorption eines Strahlungsquants ein Molekül von seinem (normalen) Grundzustand in einen angeregten Zustand. Als Spektroskopie bezeichnet man Verfahren, bei denen diese Absorptionen mit Geräten, die Spektrometer genannt werden, gemessen werden können. Abbildung 10-4 zeigt, wie ein Spektrometer funktioniert. Es enthält eine Quelle elektromagnetischer Strahlung mit Frequenzen im jeweiligen Bereich, also etwa für Infrarotstrahlung oder für Radiowellen. Das Gerät ist so aufgebaut, daß Strahlung einer bestimmten Wellenlänge durch die Probe geleitet wird. Die Frequenz der einfallenden Strahlung wird kontinuierlich verändert, und die Intensität der ausgetretenen Strahlung wird relativ zu einem Referenzstrahl von einem Detektor gemessen und auf kalibriertem Papier mit einem Schreiber aufgezeichnet. Bei Abwesenheit von Absorption wird eine gerade Linie aufgezeichnet, die Basislinie. Immer wenn die Probe die einfallende Strahlung Signale

Referenzstrahl

Basislinie

u

Intensität

Detektor

RR

|

Strahlungs-

eintretender| Meßstrahl

|

s

jaustretender Meßstrahl

Spektrum

ee dur den Recorder)

quelle Abb. 10-4 Schematische Darstellung eines IR- bzw. UV-VIS-Spektrometers. Die einfallende Strahlung wird in einen Referenzstrahl und einen Meßstrahl gleicher Intensität aufgespalten (/, = I;). Der Meßstrahl durchläuft die Probe und verläßt sie mit einer Intensität /.. Erfolgt keine Absorption, gilt /, = /, und auch 7, = I,. Wenn /, = I,, mißt der Detektor keinen Intensitätsunterschied, der Schreiber zeichnet eine gerade Linie (Grund- oder Basislinie). Erfolgt Absorption, /, # /,, wird ein Signal (Peak) aufgezeichnet.

Das so erhaltene Diagramm wird als Spektrum bezeichnet.

3%

«——

ungefähres AE (kJ/mol') 4.10°°

10?

10'

fernes Infrarot

. 5 Anregung von Rotationen

|

10°

0

Mikrowellen

Radiowellen

ER e Anregung von Rotationen

Anregung von Kernspin-Zuständen

Fr 100

[ mm

10

100

im

absorbiert, wird die veränderte Intensität als Auslenkung von der Basislinie („Peak“) aufgezeichnet. Das so erhaltene Diagramm wird Spektrum der vermessenen Probe genannt (spectrum, lat.: Erscheinung, Sichtbarwerden). Wir fassen zusammen: Die Absorption elektromagnetischer Strahlung erfolgt in diskreten Quanten und kann mit spektroskopischen Methoden gemessen werden. Die vier wichtigsten spektroskopischen Verfahren in der organischen Chemie sind die Kernresonanz-(NMR-), die Infrarot(IR-) und die Ultraviolett-(UV-) Spektroskopie sowie die Massenspektrometrie (MS).

10.3 Protonen-Kernresonanz ('H-NMR) Kernresonanz-Spektroskopie erfordert Strahlung niedriger Energie im Radiowellenbereich. In diesem Abschnitt werden die grundlegenden Prinzipien dieses Verfahrens vorgestellt.

Kernspins und die Absorption von Radiowellen Viele Atomkerne verhalten sich so, als würden sie sich um ihre eigene Achse drehen. Man sagt daher, daß sie einen Kernspin haben (to spin, engl., sich drehen). Einer dieser Atomkerne ist 'H (das Wasserstoffisotop der Masse 1), der sich hier von den anderen Isotopen (Deuterium und Tritium) unterscheidet. Der Atomkern von !H, das Proton, ist positiv geladen. Seine Rotation verursacht (wie die Bewegung eines jeden geladenen Teilchens) ein magnetisches Moment y. Das bedeutet vereinfacht, daß man das Proton als einen kleinen Stabmagneten betrachten kann, der sich in einer Lösung oder im Raum frei bewegt. Setzt man das Proton einem äußeren Magnetfeld B, aus, kann es im Prinzip eine von zwei Orientierungen einnehmen: Die energiearme Orientierung ist die zum Magnetfeld parallele, während die zum Magnetfeld antiparallele energetisch weniger vorteilhaft ist. Die beiden Orientierungen werden als Spin a und Spin ß bezeichnet (Abb. 10-5). Mit der Existenz dieser beiden energetisch unterschiedlichen Zustände ist die Voraussetzung für Spektroskopie erfüllt. Der Übergang vom energieärmeren (a) in den energiereicheren Zustand (ß) erfordert die Zufuhr eines entsprechenden Energiequants.

391

10 NMR-Spektroskopie zur Strukturaufklärung

|

Magnetpol

& 'B

ß |

A

1

Magnetpol

B

Abb. 10-5 (A): Wasserstoffkerne H als kleine Stabmagnete. Die Richtung des Magnetfeldes, das durch die jeweiligen Kernspins erzeugt wird, ist durch die Pfeile angezeigt. (B): Bei Anlegen eines äußeren Magnetfeldes richten sich die Kernspins in Feldrichtung («) oder entgegen der Feldrichtung (ß) des äußeren Feldes aus.

Um den Übergang spektroskopisch zu messen, bedarf es einer Strahlung geeigneter Frequenz. Dann kommt es zur Resonanz, d.h. die zum Übergang vom Spinzustand «a zum Spinzustand ß erforderliche Energie wird von der Probe aufgenommen, was sich spektroskopisch als Energieabsorption beobachten

läßt. Resonanz

ist ein generelles Phänomen,

das

dann eintritt, wenn zum Übergang von einem energieärmeren in einen energiereicheren Zustand eines Systems genau die Strahlung absorbiert wird, deren Frequenz dem zu überbrückenden Energieunterschied entspricht. Für die Kernresonanz von Protonen ist dieser Zusammenhang in Abbildung 10-6 schematisch dargestellt. Das Besondere an der Kernresonanz ist, daß die energetisch unterschiedlichen Zustände der Protonen (Spin a und Spin ß) erst durch den Einfluß eines äußeren Magnetfeldes erzeugt werden. Bei anderen spektroskopischen Methoden (z.B. UV- oder IR-Spektroskopie) sind die unterschiedlichen Energieniveaus bereits im Molekül vorhanden. Nach der Anregung fallen die Spins auf unterschiedlichen Wegen wieder in ihren energieärmeren Zustand zurück, die absorbierte Energie wird dabei als Wärme an die Umgebung abgegeben. Diese Rückkehr in den energieärmeren Zustand wird als |

Magnetpol

|

Magnetpol

B

ß

|

Einstrahlung mit

Bl

a

B

|

Magnetpol

Absorption von hv

BEHEFBRHEISEN

Magnetpol

Bo

|

A

ß

E

gegen Feldrichtung

AE=hv

&

BB +

ee

in Feldrichtung

B Abb. 10-6 Energetisch unterschiedliche Spinzustände bei Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes auf Protonen. Die Einstrahlung elektromagnetischer Strahlung der Frequenz »v, d.h. der Energie AE = hv, bewirkt Absorption. (A): Spinumkehr von a nach ß bei Einstrahlung der Energie hv. (B): Energieniveaus zur Spinumkehr in (A).

392

Relaxation bezeichnet; eine eingehendere Behandlung dieses Phänomens übersteigt den Rahmen dieses Buches. Unter Resonanzbedingungen finden deshalb kontinuierlich Anregung und Relaxation statt. Der Energieunterschied AE zwischen den Spinzuständen a und ß hängt direkt von der Stärke B, des externen Magnetfeldes ab. Je stärker dieses Magnetfeld ist, desto größer wird der Energieunterschied AE. Die Frequenz der absorbierten Strahlung v ist der Stärke des äußeren - Magnetfeldes B, mit einer Konstante y proportional. Dabei ist die Konstante y für die Art des betrachteten Atomkerns und seine Umgebung charakteristisch.

10.3

Protonen-Kernresonanz

(H-NMR)

yzyDo

Wieviel Energie muß man aufwenden, um eine Spinanregung von & nach ß zu bewirken? Diese Frage kann man nur beantworten, wenn man typische Werte für die Stärke des externen Magnetfeldes kennt. Die heute üblichen Magneten weisen Feldstärken zwischen 1.4 und 15 Tesla (T) auf. Die entsprechenden Frequenzen v reichen von 60 bis 600

MHz (1 MHz = 10° Hz = 10° s”'). Beispielsweise erfordert Wasserstoff bei einem magnetischen Feld B, von 2.115 T zur Kernresonanz Radiowellen einer Frequenz v von 90 MHz; bei 7.050 T ist eine Frequenz von 300 MHz erforderlich. Der Zusammenhang zur absorbierten Energie ergibt sich aus der Gleichung: AB,_. = hv

Die Größe der absorbierten Energie berechnet sich so zu 3.8 x 10”° bzw. 1.3 x 10° kJ/mol, einem relativ kleinen Wert. Da der Energieunterschied zwischen den beiden Spinzuständen klein ist, erfolgt die Einstellung eines Gleichgewichtes zwischen den Spins in den beiden Zuständen schnell. Im Durchschnitt befinden sich nur wenig mehr als die Hälfte aller Spins im energieärmeren Zustand, die anderen befinden sich im energiereicheren.

Auch Kerne anderer Atome zeigen Kernresonanz

als Wasserstoff

Das Proton (!H) ist nicht der einzige Kern, der zur Kernresonanz befähigt ist. Weitere Kerne, die in der organischen Chemie wichtig sind, und die das Phänomen

der Kernresonanz

zeigen können,

sind Deute-

rium (D oder ”H, Wasserstoffisotop der Atommasse 2), das Isotop "’C des Kohlenstoffs (nicht jedoch das natürlich überwiegend vorhandene

OWENFund”N,

20! michtjedoch ONE

FIP, SGltundiCir(Tab!

10-1). Jeder dieser Kerne hat einen anderen charakteristischen Wert y; dies führt dazu, daß bei gleicher Feldstärke unterschiedliche Atomkerne bei unterschiedlichen Frequenzen v absorbieren. Dies gilt auch für unterschiedliche Isotope des gleichen Elementes: Die Resonanzfrequenzen von Wasserstoff (!'H) unterscheiden sich von denen des Deuteriums

Tabelle 10-1 NMR-Aktivität und natürliche Häufigkeit ausgewählter Kerne

Kern

NMRAktivität

Natürliche Häufigkeit in %

Kern

NMRAktivität

'H °H (D)

ja ja

99.985 0.015

e ae)

nein ja

>H (T)

ja

SC SC “N BN

nein ja ja ja

0

Oo

nein

98.89 1.11 99.63 0.37

SF “pP > 270]

ja ja ja ja

Natürliche Häufigkeit in %

99.759 0.037 0.204

100 100 75.53 24.47

393

10 NMR-Spektroskopie zur Strukturaufklärung

D—C —cı

Bo = 2.115 Tesla (T)

3271

90 84.6

2.6 CH>OCH3 Abb. 10-14 90 MHz 'H-NMRSpektrum von 1,2-Dimethoxyethan, CH;OCH>CH>OCH;, in CCl,. Man beobachtet zwei Signale für die beiden unterschiedlichen Sätze von Wasserstoffatomen. Das scharfe Signal am rechten Rand gehört zum internen Standard Tetramethylsilan, (CH3),Si. Die

Skala am oberen Rand zeigt den Frequenzunterschied in Hz zwischen einem zur Substanz gehörenden Signal und dem des internen Standards.

39

10 NMR-Spektroskopie zur Strukturaufklärung

Start of sweep 900 Hz

—B— 750

600

450

End of sweep 300

150

0

CH3

|

CH —C—CH> —OH

|

CH3-

Abb. 10-15 90 MHz 'H-NMR-Spektrum von 2,2-Dimethyl-1-propanol in CCl,. Man beobachtet drei Signale für die drei unterschiedlichen Sätze von Wasserstoffatomen. Die Skala am unteren Rand zeigt die chemische Verschiebung d.

Die Lage eines NMR-Signals wird durch die chemische Verschiebung angegeben Wie kann man NMR-spektroskopische Daten mitteilen? Es wurde schon erwähnt, daß die NMR-Signale organischer Verbindungen in einem 90 MHz NMR-Spektrum in einen Bereich von 900 Hz fallen. Anstatt nun die exakte Frequenz eines jeden Signals zu vermessen — das wäre technisch ziemlich aufwendig — wird meist eine kleine Menge eines internen Standards zur Probe gegeben. Die Lage der NMR-Signale der zu untersuchenden Substanz werden dann relativ zu den Signalen des internen Standards angegeben. Als interner Standard dient Tetramethylsilan, (CH3;),Si, eine Flüssigkeit, die bei 26.5°C siedet und daher notfalls bequem wieder entfernt werden kann. Die zwölf chemisch äquivalenten Wasserstoffatome dieser Verbindung sind im allgemeinen stärker abgeschirmt als die von üblichen organischen Verbindungen. Kommerziell sind NMR-Lösungsmittel erhältlich, denen bereits eine geringe Menge (1%) Tetramethylsilan hinzugefügt worden ist. Die NMR-Signale einer Substanz werden dann als Frequenzunterschied (in Hz) zum Signal des internen Standards angegeben. So kann man beispielsweise die Signale des 2,2-Dimethylpropanols (Abb. 10-14) wiedergeben, indem man sagt, daß sie relativ zum internen Standard (CH;),Si um 78, 258 und 287 Hz nach tieferem Feld verschoben sind. Dabei hat man allerdings das Problem, daß diese Angaben je nach der Stärke des angelegten Magnetfeldes variieren. Da Feldstärke und Resonanzfrequenz zueinander proportional sind, führt eine Verdopplung oder Verdreifachung der Feldstärke zu einer Verdopplung oder Verdreifachung der Resonanzfrequenz. Um diese Komplikation zu umgehen, und um in der Literatur publizierte Spektren unterschiedlicher Feldstärke vergleichbar zu machen, bildet man den Quotienten aus dem Frequenzunterschied zum Signal des Tetramethylsilans und der Meßfrequenz des jeweiligen Spektrometers. Dies führt zu einer von der Feldstärke unabhängigen Größe, der chemischen Verschiebung Ö: __ Frequenzunterschied zum Signal von (CH3),Si in Hz Spektrometerfrequenz vw in MHz

400

(06

Die chemische Verschiebung ist eine dimensionslose Größe. Bei 'HNMR-Spektren werden meist die ersten zwei Dezimalen angegeben. Für den internen Standard (CH,),Si ist ö per definitionem 0.00. Das 'HNMR-Spektrum des 2,2-Dimethyl-l-propanols (Abb. 10-14) wird demnach folgendermaßen wiedergegeben: !'H-NMR (90 MHz, CCl): ö=0.83, 2.87, 3.19.

10.4

Anwendung der NMRSpektren zur Analyse der Konstitution von Molekülen: Die chemische Verschiebung von Protonen

0 Übung 10-3 © Bei einer Meßfrequenz von 300 MHz werden die drei NMR-Signale von 2,2-Dimethyl-1"

| ©

propanol

bei 261, 861

und

957 Hz,

tieffeldverschoben

gegenüber

Tetramethylsilan,

beobachtet. Berechnen Sie die chemischen Verschiebungen ö und vergleichen Sie sie mit den bei einer Meßfrequenz von 90 MHz erhaltenen.

Funktionelle Gruppen haben charakteristische chemische Verschiebungen Der große Wert der NMR-Spektroskopie liegt darin, daß die chemische Verschiebung für die chemische (strukturelle) Umgebung der betreffenden Kerne charakteristisch ist. In Tabelle 10-2 sind die für die üblichen organischen funktionellen Gruppen charakteristischen chemischen Verschiebungen zusammengestellt. Sie werden detailliert in den Kapiteln diskutiert, die die jeweiligen Gruppen behandeln. Der Leser mache sich mit denjenigen Werten vertraut, die in Tabelle 10-2 für diejenigen Stoffgruppen angegeben sind, die schon behandelt wurden: Alkane, Halogenalkane, Ether und Alkohole. Weitere werden wir in den nächsten Kapiteln detailliert diskutieren. Man beachte, daß die Signale der Alkane bei ziemlich hohem Feld (8 =0.8-1.7) erscheinen und mit zunehmender Substitution eine kleine, jedoch deutliche Verschiebung nach höherer Frequenz (tieferem Feld) aufweisen. Mit anderen Worten wächst Ör_u in der Reihe primär
CH>CI 5

#2

> CHSCH>CHCh + CH5CHCICH3CI + CICHZCH3CH;CI 10% 27% 14% 1,1-Dichlor-

propan Sdp. 87° — 90°C

1,2-Dichlor-

propan Sdp. 96°C

1,3-Dichlor-

propan Sdp. 120°C

Durch die NMR-Spektroskopie kann man die drei Isomeren klar voneinander unterscheiden. 1,1-Dichlorpropan enthält drei Sorten unter*schiedlicher Wasserstoffatome, was zu drei NMR-Signalen im Intensitätsverhältnis 3:2:1 führt. Das einzelne Wasserstoffatom absorbiert wegen des kumulativen entschirmenden Effektes der Chloratome bei ziemlich hoher Frequenz (tiefem Feld, ö = 5.93), die anderen bei relativ niedriger Frequenz (hohem Feld, ö = 1.01 und 2.34). Das chirale 1,2-Dichlorpropan zeigt vier verschiedene NMR-Absorptionen im Intensitätsverhältnis 3:1:1:1 (die Methylen-Wasserstoffatome sind diastereotop). In diesem Falle erscheinen drei Signale im Verhältnis 1:1:1 bei relativ tiefem Feld (ö = 2.62, 2.74 und 4.17) und nur ein drei Wasserstoffatomen entspre409

10 NMR-Spektroskopie zur Strukturaufklärung

chendes bei hohem Feld (ö = 1.70). Schließlich zeigt das Spektrum des 1,3-Dichlorpropans nur zwei Signale (ö = 3.71 und 2.25) im Verhältnis 2:1,

die

sich

von

denen

der

anderen

Moleküle

klar

unterscheiden.

Somit ist es möglich, die Formeln aller drei Produkte durch eine einzige Messung eindeutig zuzuordnen. M

Übung 10-7 Die Chlorierung von Chlorcyclopropan liefert drei isomere Produkte der Summenformel

h C;H,Ch. Zeichnen Sie ihre Formeln und erläutern Sie, wie man die Produkte 'H-NMR-

ll spektroskopisch unterscheiden kann.

Wir fassen zusammen: Die Spektrenintegration liefert die relativen Signalintensitäten (Peakflächen), die der relativen Anzahl der zu den Signalen gehörenden Wasserstoffatome entsprechen. Dies ist für die Strukturaufklärung von großem Nutzen.

Abb.

10-19

Integrierte

90

(B) Chlor(methoxy)methan

MHz

'H-NMR-Spektren

von

und (C) 1,2-Dimethoxyethan

(A)

2,2-Dimethyl-1-propanol,

in CCl, mit internem Standard

(CH3;),Si. Mit einem Lineal kann man die Integrale in Beispiel A zu 11:6:52 (in mm) ausmessen (Man beachte, daß durch die Integration Peakflächen, die in mm? zu messen wären, in Stufenhöhen umgewandelt werden, die in mm gemessen werden). Division durch den kleinsten gemessenen Wert (Normalisierung) ergibt ein Peakflächenverhältnis von 1.8:1:8.7. Geringfügige Abweichungen von ganzen Zahlen sind auf Meßfehler zurückzuführen.

Rundung

führt zum

daß die Integration nur

erwarteten

Peakflächenverhältnis

beachte,

von 2:1:9. Man

Verhältnisse liefert, und keine absoluten Werte

für die Anzahl

der

in einem Molekül vorhandenen Wasserstoffatome. So werden in den Beispielen B und C Peakflächenverhältnisse von 3:2 gemessen, wobei diese Werte nur bei B zutreffend sind. In der Verbindung zu Beispiel C liegen die Wasserstoffatome tatsächlich im Verhältnis 6:4

vor.

—B—

Start of sweep 900 Hz

750

600

450

CH3

End of sweep

300

|

11 mm (entspricht 2 H)

410

150

0

Start of sweep

u

Bd

End of sweep

au

N

|

Ho

I

|

|

|

|

50

CICH>OCH; —

|

|

BEE nat 2

_

35 mm (entspricht 3 H) |

u

rn

nn.

en

Dez |

w

2

||u |1 |SE

- 11

| I#{ii

| |

If Pi

=]

End of sweep

Start of sweep

‚|

34 mm (entspricht 6 H) | |

CH3OCH>CH>0CH; l 1

!

1

| (CH3)4Si

I

RER

RE

BER. WERE

2

RER

Tr

LE

j ji

ESEERERSERERRERRATELLER,

I

0

BIER. REFRLEHEEER.

N 1

41

10.7 Spin-Spin-Kopplung: Die gegenseitige Beeinflussung nichtäquivalenter Wasserstoffatome

10 NMR-Spektroskopie zur Strukturaufklärung

Die bisher behandelten Spektren hatten ziemlich einfache Linienmuster: einfache scharfe Linien, die man auch als Singuletts bezeichnet. Die diesen Spektren entsprechenden Verbindungen haben eines gemein: In jedem Fall sind nichtäquivalente Wasserstoffatome durch wenigstens ein Atom (Kohlenstoff oder Sauerstoff) voneinander getrennt, welches kein Wasserstoffatom trägt, wie in Chlor(methoxy)methan, 1,2-Dimethoxymethan und 2,2-Dimethylpropanol. Diese Beispiele wurden aus gutem Grund ausgewählt, denn wenn zwei nichtäquivalente Kerne in direkter Nachbarschaft zueinander stehen, führt das zu komplizierteren Spektren, da es dann zur Spin-Spin-Kopplung oder Spin-Spin-Aufspaltung kommt. Ein Beispiel für dieses Phänomen zeigt das NMR-Spektrum von 1,1-Dichlor-2,2-diethoxyethan (Abb. 10-20). Die Art der SpinSpin-Aufspaltung (Multiplizitäten) in solchen Spektren gibt Auskunft über die Art und die Anzahl der Wasserstoffatome, die dem zum Signal gehörenden Kern (bzw. Kernen) benachbart sind. In Verbindung mit den anderen Größen des NMR-Spektrums (chemische Verschiebung, Integral) ermöglicht die Analyse der Kopplungen oft die vollständige Konstitutionsaufklärung einer unbekannten Verbindung. >—B-—

Start of sweep 900 Hz

Pu

750

450

Ha

C1——

End of sweep

300

150

0

Hp

C —C-—-0— CH; —CH3 |

Pe

d

a } eb

|

6H

CH>

CH3

4H IH

IH

| ||

u

6

©

4

3

an

|

(CH3)4Si

Io

ö Abb. 10-20 90 MHz !H-NMR-Spektrum von 1,1-Dichlor-2,2-diethoxyethan in CCl,. Als Aufspaltungsmuster beobachtet man zwei Dubletts, ein Triplett und ein Quartett für die vier verschiedenen Typen von Wasserstoffatomen. benachbarter Wasserstoffatome.

412

Diese

Multipletts zeigen den Einfluß

Ein Nachbarkern spaltet das Signal eines Kerns in ein Dublett

10.7 Spin-Spin-Kopplung:

Die gegenseitige Beeinflussung nichtäquivalenter

auf

Wasserstoffatome

Das Spektrum in Abbildung 10-20 zeigt vier Absorptionen, die den Wasserstoffatomen H,—-H, zuzuordnen sind. Obwohl die Methylen-Wasser-

stoffatome H, diastereotop sind, haben sie praktisch dieselbe chemische Verschiebung und können in erster Näherung als gleich behandelt werden. Anstatt als einfache Linien erscheinen die NMR-Signale in Form

komplizierterer

Muster:

Zwei

Zwei-Linien-Muster

(Dubletts),

eine Vier-Linien-Absorption (Quartett) und eine Drei-Linien-Resonanz (Triplett). Wie kann man das verstehen? Wir wollen zunächst die zwei Dubletts betrachten, die aufgrund ihrer Integrale der relativen Größe 1 den zwei einzelnen Wasserstoffatomen H, und H, zugeordnet werden. Die Aufspaltung dieser Signale kann mit dem Verhalten der Kerne in externen Magnetfeldern erklärt werden. Die Kerne verhalten sich wie kleine Stabmagneten in Richtung (a) oder entgegen der Richtung (ß) des Feldes. Der Energieunterschied ist außerordentlich klein, und bei Raumtemperatur sind beide Zustände bei leichter Bevorzugung von a fast gleich wahrscheinlich (s. Abschn. 10.3). Im vorliegenden Fall heißt das, daß im Prinzip zwei verschiedene Wasserstoffatome H, vorliegen: Etwa die Hälfte haben als Nachbar ein H, im a-Zustand und die andere Hälfte sind einem H, im ß-Zustand benachbart. In entsprechender Weise hat H, zwei unterschiedliche H,’s zum

Nachbarn,

von denen die Hälfte im oa- und die andere

Hälfte im

ß-Zustand sind. Was bedeutet dies für das NMR-Spektrum? Wenn ein Wasserstoffatom H, ein H, zum Nachbarn hat, welches in Feldrichtung ausgerichtet ist, so ist H, nicht nur dem externen Magnetfeld B, ausgesetzt,

sondern

erfährt

durch

den

a-Spin

von

H, eine -

wenn auch sehr kleine — Verstärkung des effektiven Magnetfeldes. Zur Kernresonanz dieses Wasserstoffatoms wird daher ein schwächeres äußeres Magnetfeld benötigt, als es ohne diese Wechselwirkung erforderlich wäre. In der Tat beobachtet man das entsprechende NMR-Signal bei tieferem Feld (Abb. 10-21A). Diese Absorption wird jedoch nur von der Hälfte der in der Probe enthaltenen Wasserstoffatome H, erzeugt.

TÜREN Hy)

Ha

t 3

|| Erwartete

Beobachtete Resonanz

für H,mit Hy,

|

Resonanz

| für H, ohne H,

als Nachbar

| als Nachbar

Bo Externes Feld,

;

das zur Resonanz

RN: erforderlich ist:

er

?

;

Abb. 10-21 Die Wirkung eines

Verschiebung nach tieferem Feld

Wasserstoffkerns auf die chemische

(höherer Frequenz)

Verschiebung seines Nachbarkerns RL nl i

i ei Bo - Biokal

ist ein Beispiel für Spin-Spin-Aufspaltung. Zwei Signale werden

A

erzeugt, da das beobachtete Wasserstoffatom zwei Arten von

Nachbarn hat. (A) Wenn der

H.

Hy ı 8 |

Nachbarkern H, im a-Zustand ist, führt sein lokales Feld Bjoxaı ZUr | Beobachtete Resonanz Verringerung der zur Resonanz für H, mit Hy) von H, erforderlichen Feldstärke als Nachbar von By, auf By-Bjoxaı- Man beob-

achtet also eine Verschiebung nach tieferem Feld. (B) Wenn der Bo

Externes Feld, das zur Resonanz erforderlich ist:

Bo + Biokal B

:

N Verschiebung nach höherem Feld (tieferer Frequenz)

Nachbarkern H, im ß-Zustand ist,

ist sein lokales Feld Bjyx.ı dem externen entgegengerichtet, so daß zur Resonanz ein Ansteigen der Feldstärke von B, auf By + Biokal

erforderlich ist. Das H,-Signal ist

nach höherem Feld verschoben.

413

10 NMR-Spektroskopie zur Strukturaufklärung

Ha

Hb

| N

er

N

7

Jab Spin vonH;:

«

ß

SpinvonH,:

«

ß

Bo Abb. 10-22 Spin-Spin-Aufspaltung zwischen H, und H, in 1,1-Dichlor-2,2-diethoxyethan. Die Kopplungskonstante J,, ist für beide Dubletts gleich. Die chemische Verschiebung wird als der Mittelwert der beiden Signale eines Dubletts folgendermaßen wiedergegeben: öp,= 5.36 (d, J = 7 Hz, 1H), ö1,= 4.39 (d, J = 7 Hz, 1H), wobei „d“ das Aufspaltungs-

muster wiedergibt (Dublett) und die letzte angegebene Zahl der integrierten Intensität des Signals entspricht.

Kopplung zwischen nahe benachbarten Wasserstoffatomen H,

NA Ba

H,

J,p, geminale Kopplung (zwischen 8-18 Hz*) HR;

H,

|

||

J,„ Vieinale Kopplung, 6-8 Hz

H,

H,

had. u — CC C— Ber J,» 1:3-Kopplung, meist vernachlässigbar

* Hier handelt es sich nur um die Beträge von absoluten Genau genommen tragen die Kopplungskonstanten geminaler H,H-Kopplungen ein negatives Vorzeichen.

414

Die andere Hälfte hat Atome H, mit ß-Spin zum Nachbarn, also mit einer Orientierung gegen die Richtung des äußeren Feldes; das lokale Feld bei H, wird in diesem Fall geschwächt. Zur Resonanz ist ein stärkeres äußeres Feld erforderlich, man beobachtet im Spektrum eine Verschiebung nach höherem Feld (Abb. 10-21B). Da der lokale Beitrag von H, zum externen Magnetfeld in beiden Fällen von dem gleichen Betrag ist, entspricht die Verschiebung des hypothetischen Signals nach tieferem Feld der der Verschiebung nach höherem Feld. Man sagt, das Signal eines H, ohne Nachbarn sei durch die Nachbaratome in ein Dublett „aufgespalten“. Die Integration der Einzellinien zeigt für jede eine relative Intensität von 0.5. Das Gesamtintegral der Linien dieses Wasserstoffatoms entsprechen einer relativen Intensität von 1. Als die chemische Verschiebung eines Dubletts wird der Mittelwert aus den chemischen Verschiebungen der beiden Linien angegeben (Abb. 10-22). Für H, gelten entsprechende Überlegungen. Auch H, hat zwei Typen von Nachbaratomen: H,. und H,.s. Daher erscheint sein Signal im Spektrum auch als Dublett. Man sagt, H, werde durch H, aufgespalten und umgekehrt. Dabei ist der Betrag der gegenseitigen Aufspaltung für beide Dubletts gleich; das heißt, daß der Abstand der beiden Linien eines Dubletts (in Hz) für beide Signale gleich ist. Dieser Abstand ist die Kopplungskonstante, J. In unserem Beispiel ist J,» = 7 Hz (Abb. 10-22). Die Kopplungskonstante ist unabhängig von der Stärke des externen Magnetfeldes. Zum Beispiel ist bei einer Meßfrequenz von 90 MHZ J,» = 7 Hz, wie auch bei 300 MHz.

Spin-Spin-Kopplungen lente Wasserstoffatome

sie an dasselbe

beobachtet

man

direkte Nachbarn

Kohlenstoffatom

generell, wenn

nichtäquiva-

sind, und zwar sowohl, wenn

gebunden

sind [geminale

Kopplung

(geminus, lat., Zwilling)]|, als auch, wenn sie an direkt miteinander ver-

bundene Kohlenstoffatome gebunden sind [vicinale Kopplung (vicinus, lat., Nachbar)]. Wasserstoffkerne, die über mehr als zwei Atome voneinander getrennt sind, sind normalerweise zu weit voneinander entfernt, um zu beobachtbaren Kopplungen zu führen. Man beachte, daß bei Kernen mit gleicher chemischer Verschiebung keine Spin-Spin-Kopplungen beobachtet werden können. Das NMR-Spektrum von Ethan, CH;—CH;, besteht folglich aus einer einzigen Linie bei ö = 0.85. Aufspaltung beobachtet man nur zwischen Kernen mit verschiedenen chemischen Verschiebungen.

Die Beiträge mehrerer Nachbaratome verhalten sich additiv Wir wollen zum Spektrum des 1,1-Dichlor-2,2-diethoxyethans zurückkehren, das in Abb. 10-20 gezeigt ist. Neben den beiden Dubletts für H, und H, zeigt es ein Triplett für die Methylprotonen H, und ein Quartett, das den Methylenprotonen H. zugeordnet werden kann. Da diese nichtäquivalenten Gruppen von Protonen benachbart sind, beobachtet man erwartungsgemäß eine vicinale Kopplung. Die Aufspaltungsmuster sind jedoch deutlich komplizierter als die aus der Kopplung zwischen H, und H, resultierenden. Mit dem, was gegenseitigen Aufspaltung der Signale von können wir sie jedoch verstehen. Wir wollen zunächst das Triplett mit betrachten. Seine chemische Verschiebung es, dieses Signal den beiden Methylgruppen

10.7 Spin-Spin-Kopplung: Die gegenseitige Beeinflussung nichtäquivalenter Wasserstoffatome

wir über die Ursachen der H, und H, gelernt haben,

der relativen Intensität 6 und das Integral erlauben zuzuordnen. Anstatt eines Signals beobachten wir drei Linien im ungefähren Intensitätsverhältnis 1:2:1. Diese Aufspaltung resultiert aus der vicinalen Kopplung zu den benachbarten Methylengruppen: Die drei äquivalenten Methyl-Wasserstoffatome der beiden Ethoxygruppen sind jeweils zwei Methylen-Wasserstoffatomen

benachbart,

von

denen

sich jedes im a- oder ß-Zustand

befinden kann. Demnach sind für die beiden Wasserstoffatome H. die Spinkombinationen aa, aß, Ba und BB möglich. Diejenigen Methyl-Wasserstoffatome H,„, die einem H...., benachbart sind, sind einem stärkeren lokalen Feld ausgesetzt und absorbieren daher bei niedrigerem Feld. Bei den Kombinationen aß oder ßa ist jeweils ein Spin H. parallel zum äußeren Magnetfeld und der andere dem entgegengesetzt. Die Einflüsse dieser beiden Spins auf das lokale Feld bei H, heben sich daher gegenseitig auf. Das Resonanzsignal sollte daher da erscheinen, wo H, ohne Kopplung zu H, absorbieren würde. Darüberhinaus sollte, da zwei Spinkombinationen hierzu beitragen (H,«.s) und H,sy), die Intensität dieses Signals doppelt so groß sein wie die der ersten Linie. Dies wird tatsächlich beobachtet. Schließlich kann H, einem Protonenpaar der Spinkombination ßß benachbart sein. In diesem Fall wird das externe Feld entsprechend geschwächt, und ein nach hohem Feld verschobenes Signal der einfachen Intensität ist die Folge. Insgesamt resultiert ein Triplett vom Intensitätsverhältnis 1:2:1, dessen Gesamtintegral 6 Wasserstoffatomen entspricht (das Molekül enthält zwei äquivalente Methylgruppen).

Der Abstand von je zwei benachbarten Linien des Tripletts entspricht der Kopplungskonstanten J.;, = 8 Hz. Die Aufspaltung des Signals der Methylgruppe durch die benachbarte Methylengruppe ist in Abbildung 10-23 schematisch dargestellt.

Spinorientierungen

«aß

der beiden H,.-Protonen:

Ba

BB

PRESS ÄEEBBE BSSE PENESERFEFEERRENSERNEEFREE EEE

Bo Abb. 10-23 Das NMR-Signal

des Kerns

unterschiedliche Spin-Kombinationen

H, erscheint als Triplett, da es drei magnetisch

der Nachbarkerne

gibt: Hau); Heap una pa) und Hexpp):

Als chemische Verschiebung eines derartigen Signals wird die chemische Verschiebung der mittleren der drei Linien folgendermaßen angegeben:

ö,,= 1.23 (t, J = 8 Hz, 6H), wobei

„t“ für Triplett steht.

415

10 NMR-Spektroskopie zur Strukturaufklärung

r

{

\

Y

.

\

)

)

|

)

j Jed

aaa

Paa Pa

Spinorientierungen

aßa

PBapß

der drei H;-Protonen:

aaß

aßß

J |

BBB

ge,

Bo Abb. 10-24 Aufspaltung des Signals von H, in ein Quartett durch die vier verschiedenen Spinkombinationen von H,. Die chemische Verschiebung wird als das Zentrum aller vier Linien folgendermaßen angegeben: d,,= 3.63 (q, J = 8 Hz, 4H), wobei „q“ für Quartett steht.

Das für H, beobachtete Quartett kann in ähnlicher Weise analysiert werden. H, kann vier verschiedenen H,-Spinkombinationen benachbart sein: Eine, bei der alle Methyl-Spins in Richtung des externen Feldes

ausgerichtet sind [H.....,]; drei äquivalente Kombinationen,

bei denen

ein H,-Spin entgegen dem externen Feld und die beiden anderen in Feldrichtung stehen (H u.6,08«,840)); drei weitere äquivalente Kombinationen, bei denen zwei Spins entgegen und einer ın Richtung des exter-

nen Feldes stehen (H„.ss.45.85,)) und schließlich eine Kombination, bei der alle drei Spins dem externen Feld entgegengerichtet sind (H.(ges))Für das Spektrum erwartet man daher — und dies wird tatsächlich beobachtet — ein Quartett mit den

relativen

Linienintensitäten

1:3:3:1

und

einem totalen Integral von 4 Wasserstoffatomen (Abb. 10-20 u. 10-24). Die Kopplungskonstante J., ergibt sich als der Frequenzunterschied zwischen je zwei benachbarten Linien des Quartetts und entspricht dem für das Triplett von H, gemessenen (J.; = 8 Hz).

In vielen Fällen folgt die Spin-Spin-Aufspaltung der (N+1)-Regel Wir können unsere zusammenfassen:

bisherige

Diskussion

in drei

einfachen

Regeln

1. Äquivalente Kerne mit einem benachbarten Wasserstoffatom ergeben ein Dublett. 2. Äquivalente Kerne mit zwei benachbarten, untereinander äquivalenten Wasserstoffatomen ergeben ein Triplett. 3. Äquivalente Kerne mit drei benachbarten, untereinander äquivalenten Wasserstoffatomen ergeben ein Quartett. In Tabelle 10-4 sind die zu erwartenden Aufspaltungsmuster für Kerne angegeben, die N äquivalente Nachbarkerne haben. Die NMRSignale dieser Kerne spalten in N + 1 Signale auf, ein Ergebnis, das als (N+1)-Regel bekannt ist. Ihre relativen Intensitätsverhältnisse folgen dem Pascalschen Dreieck*. Jede Zahl in diesem Dreieck ist die Summe der beiden nächsten Zahlen in der darüberliegenden Zeile.

* Blaise Pascal, 1623-1662, französischer Mathematiker, Physiker und Religionsphilosoph.

416

Tabelle 10-4 NMR-Aufspaltungsmuster von Wasserstoffatomen mit N äquivalenten Nachbarkernen sowie die integrierten Verhältnisse der Intensitäten der Einzellinien (Pascalsches Dreieck) Anzahl N der Nachbarkerne

Anzahl der Linien (N+1)

Bezeichnung des Aufspaltungsmusters (Abkürzung)

Integriertes Intensitätsverhältnis der Einzellinien

0

1

Singulett (s)

1

1

2

Dublett (d)

1:] \/

2

3

Triplett (t)

3

4

Quartett (q)

4

3

Quintett (quin)

10.7 Spin-Spin-Kopplung: Die gegenseitige Beeinflussung nichtäquivalenter Wasserstoffatome

y

.

121 \| \\f I sh

|

I

/ WW

35

6

Sextett (sex)

i173210:10; N A 1 5:]

6

7

Septett (sep)

1:6: 15:20:15:6:1

\F

,

\J

Typische Aufspaltungsmuster sind in den Abbildungen 10-25 und 10-26 gezeigt. In Abbildung 10-26 erzeugen die äquivalenten Kerne zweier Gruppen (der beiden äquivalenten Methylgruppen bei 2-Iodpropan) ein Septett (N +1=7) für das Wasserstoffatom am zentralen Kohlenstoffatom. Man beachte, daß die äußeren Signale dieses Septetts eine so geringe Intensität haben, daß sie leicht übersehen werden können. In der Abbildung ist das Multiplett auch bei größerer Verstärkung (durch Einstellung einer höheren Empfindlichkeit) gezeigt, wobei alle sieben Linien zu erkennen sind. Wie erwartet erscheint das Signal der Abb. 10-25 Das 90 MHz 'H-NMR-Spektrum von Bromethan in CC]; illustriert die (N + 1)Regel. Das Signal der Methylengruppe erscheint als Quartett bei ö = 3.24, J = 7 Hz. Die Methyl-Wasserstoffatome absorbieren dagegen als Triplett bei ö = 1.58, J = 7 Hz.

Start of sweep 900 Hz

BR 750

600

450

End of sweep 300

150

417

Start of sweep

en

Diae

End of sweep

Abb. 10-26 Das 90 MHz 'H-NMR-Spektrum von 2-Iodpropan in CCh: d = 4.12 (sep, J = 7.5 Hz, 1H), 1.82 (d, J = 7.5 Hz, 6H), wobei „sep“ für Septett steht. Man beachte, daß die äußeren Signale des Septetts eine so geringe Intensität haben, daß sie im normalen Spektrum kaum zu erkennen sind. Es ist daher häufig empfehlenswert, die aufgespaltenen Signale zu verstärken, um ihren Charakter deutlicher zu erkennen.

Eine derartige Verstär-

kung ist in dem eingefügten Spektrum zu sehen, in dem das Septett für das tertiäre Wasser-

stoffatom mit höherer Empfindlichkeit aufgezeichnet wurde.

beiden Methylgruppen in diesem Molekül wegen der Kopplung zum tertiären Wasserstoffatom als Dublett. In beiden Spektren zeigt die Integration der Multipletts die relative Anzahl der Wasserstoffatome, die ihnen entsprechen. Es ist wichtig, sich zu merken, daß nichtäquivalente Kerne ihre Signale wechselseitig aufspalten. Mit anderen Worten, beobachtet man eine Aufspaltung im Spektrum, muß es ein weiteres aufgespaltenes Signal geben, das dieselbe Kopplungskonstante zeigt. Einige häufig anzutreffenden Multipletts und die zugehörigen Struktureinheiten sind in Tabelle 10-5 angegeben. ©

Übung 10-8 Sagen Sie die 'H-NMR-Spektren von (a) Ethoxyethan (Diethylether), (b) 1,3-Dibrompropan, (c) 2-Methyl-2-butanol und (d) 1,1,2-Trichlorethan voraus. Geben Sie die ungefähren chemischen Verschiebungen und die Multiplizitäten an.

Wir fassen zusammen, daß Spin-Spin-Kopplungen zwischen nichtäquivalenten vicinal oder geminal benachbarten Wasserstoffatomen entsprechend der (N + 1)-Regel auftreten. Normalerweise bewirkt die Kopplung zu N äquivalenten Nachbarkernen eine Signalaufspaltung inN +1 Linien, deren relative Intensitäten den Zahlen des Pascalschen Dreiecks

entsprechen. Dies führt zu typischen Linienmustern Alkylgruppen.

418

für die üblichen

Tabelle 10-5 Häufig zu beobachtende Alkyleruppen Aufspaltungsmuster

Aufspaltungsmuster

Strukturelement

für H,

der 'H-NMR-Signale

einfacher

Aufspaltungsmuster

für H,

10.7 Spin-Spin-Kopplung: Die gegenseitige Beeinflussung nichtäquivalenter Wasserstoffatome

ASS EI oc a

Anmerkung: Es wird davon ausgegangen, daß H, und H, keine weiteren koppelnden Kerne in ihrer Umgebung haben.

419

10 NMR-Spektroskopie zur Strukturaufklärung

10.3 Kompliziertere Spin-Spin-Kopplungen Die Regeln für die Spin-Spin-Aufspaltung, die in Abschnitt 10.7 entwikkelt wurden, sind etwas idealisiert. Es gibt Fälle, in denen wegen eines nur kleinen Frequenzunterschieds zweier Signale im Vergleich zur Kopplungskonstanten die Aufspaltungen zu komplizierteren Mustern (Multipletts) führen, die ohne den Einsatz von Computern kaum zu analysieren sind. Daneben ist die (N + 1)-Regel dann nicht direkt anwendbar, wenn mehrere nichtäquivalente Kerne mit dem in Resonanz stehenden Kern mit unterschiedlichen Kopplungskonstanten koppeln. Schließlich kommt es vor, daß Hydroxy-Protonen als Singulett erscheinen, selbst wenn vicinale Wasserstoffatome. vorhanden sind. Betrachten wir nun der Reihe nach jede dieser Komplikationen.

Kopplungen zwischen Kernen mit wenig unterschiedlicher chemischer Verschiebung d führen zu Spektren höherer Ordnung Die eingehendere Betrachtung der Spektren in den Abbildungen 10-20 und 10-25 zeigt, daß die relativen Intensitäten der Aufspaltungsmuster nicht vollkommen mit den nach dem Pascalschen Dreieck zu erwartenden Verhältnissen übereinstimmen: Sie wirken etwas verzerrt. Dies ist eine allgemeine Erscheinung, die bisweilen hilfreich ist, denn die Signale sind in der Regel in Richtung auf das Signal des Kopplungspartners hin verzerrt („Dacheffekt“). Ideale Intensitätsverhältnisse werden nur dann beobachtet, wenn die Signale der Kopplungspartner weit auseinander liegen. Präziser kann man diese Bedingung folgendermaßen formulieren:

Intensitätsverhältnisse,

wie sie sich aus

dem

Pascalschen

Dreieck und der (N + 1)-Regel ergeben, können dann beobachtet werden, wenn der Unterschied der Resonanzfrequenzen* der Signale der Kopplungspartner viel größer ist (Faustregel: Faktor 10) als die Kopplungskonstante: Av > J. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, spricht man von einem Spektrum erster Ordnung**. Wird der Frequenzunterschied Av kleiner, so daß die Bedingung nicht mehr erfüllt ist, unterliegt das Aufspaltungsmuster einer zunehmenden Störung. Anfangs tritt nur die erwähnte Verzerrung ein, bei noch kleinerem Av wird das Signal jedoch noch komplizierter. Hier sind die einfachen Regeln aus Abschnitt 10.5 nicht mehr gültig, die Signalaufspaltungen sind komplexer, und man spricht von Spektren nicht-erster oder höherer Ordnung. Man kann solche Spektren mit der Hilfe von Computern analysieren, dies überschreitet jedoch den Rahmen unserer Diskussion. Besonders eindrucksvolle Beispiele für Spektren höherer Ordnung sind die von längeren Alkylketten, auch die von unverzweigten Alkanen. Abbildung 10-27 zeigt das Spektrum von Octan, welches offensichtlich nicht erster Ordnung ist, da alle nichtäquivalenten Protonen (es gibt derer vier) fast dieselbe chemische Verschiebung aufweisen. Alle Methylenprotonen führen zu einem breiten Singulett, und das Signal der terminalen Methylgruppen erscheint als ein verzerrtes Triplett.

* ®*

420

Man beachte, daß der Unterschied der Resonanzfrequenz Av im Gegensatz zum Unterschied der chemischen Verschiebungen Ad von der Meßfrequenz abhängig ist. Dieser Ausdruck stammt von der Definition einer ‚Theorie erster Ordnung‘. Darunter versteht man allgemein eine Theorie, die nur die wichtigsten von mehreren Variablen eines Systems berücksichtigt.

Start of sweep 900 Hz

750

as

450

600

10.8 Kompliziertere

End of sweep

—B—

=

300

Spin-Spin-Kopplungen

0

150

12H CH3CH>CH>CH>CH>CH>CH>CH3

6H

(CH3)4Si

Abb. 10-27 90 MHz 'H-NMR-Spektrum von Octan in CCl,. Verbindungen mit Alkylketten zeigen oft derartige Aufspaltungen höherer Ordnung.

40 Hz

300

150

CH3

N)

(CH3)4Si

1250 Hz

.

625

v

CH3

(CH3)4Si

Abb. 10-28 NMR-Spektrum von Methylcyclohexan in CCl, bei (A) 90 MHz ‘MHz. Die höhere Meßfrequenz führt zu einem besser aufgelösten Spektrum.

und (B) 250

Abbildung 10-28A zeigt das bei 90 MHz aufgenommene NMR-Spektrum des Methylcyclohexans, welches etwas komplizierter als das des Octans ist, da acht unterschiedliche Wasserstoffatome vorliegen. Das bei größerer Meßfrequenz (250 MHz) aufgenommene Spektrum (Abb. 10-28B) ist viel besser aufgelöst, jedoch auch nicht erster Ordnung.

421

10 NMR-Spektroskopie zur Strukturaufklärung

Ein Fall, in dem eine erhöhte Feldstärke einen wesentlich stärkeren Effekt hat, ist der des 2-Chlor-1-(2-chlorethoxy)ethans (Abb. 10-29). Hier ist der entschirmende Effekt des Sauerstoffatoms etwa von der gleichen Größe wie der des Chlorsubstituenten. Daher erscheinen die Signale der Methylengruppen dicht beieinander. Das Aufspaltungsmuster wirkt symmetrisch, ist jedoch sehr kompliziert, da es aus über 32 Linien unterschiedlicher Intensität besteht. Da ein Spektrum dann nicht erster Ordnung ist, wenn Av (in Hz) in der Größenordnung von J liegt, sollte es möglich sein, das Signal durch Messung bei einer höheren Feldstärke

zu

„verbessern“,

d.h.

zu

vereinfachen.

Man

erinnere

sich

(Abschn. 10.3), daß die Feldstärke der Meßfrequenz proportional ist, während die Kopplungskonstante J von der Meßfrequenz unabhängig ist. Wenn man das Spektrum der Verbindung bei einer Meßfrequenz von 500 MHz

aufnimmt,

erhält man

in der Tat eine Aufspaltung erster

Ordnung (Abb. 10-29B).

Start of sweep

>——B—

0

150

300

450

600

750

900 Hz

End of sweep

(CH3)4Si CICH>CH>OCH>CH>Cl

10 A

9

8

7

5

6

3

4

2

|

0

ö

CICH>CH>OCH>CH3>CI

(CH3)4Si

Abb. 10-29 NMR-Spektrum von 2-Chlor-1-(2-chlorethoxy)ethan in

CCl, bei (A) 90 MHz und (B) 500 MHz. Bei hoher Feldstärke wird das komplexe Multiplett, das man bei 90 MHz beobachtet, zu zwei leicht verzerrten Tripletts vereinfacht, wie man es für zwei miteinander koppelnde Methylengruppen erwarten würde.

422

Dehnung

Kopplung mit nichtäquivalenten Nachbarn:

10.3 Kompliziertere Spin-Spin-Kopplungen

Eine Modifikation der (N + 1)-Regel Ein kompliziertes Aufspaltungsmuster muß nicht heißen, daß das Spektrum von höherer Ordnung ist. Wasserstoffatome können mit mehreren nichtäquivalenten Nachbarn koppeln, was zu ziemlich komplizierten Aufspaltungsmustern führt, die dennoch erster Ordnung sind. Ein Beispiel dafür ist das 1-Brompropan, dessen NMR-Spektrum in Abbildung 10-30 wiedergegeben ist. Hier befinden sich die Wasserstoffatome an C2 zwischen einer Methyl- und einer Methylengruppe. Die Kopplung erfolgt unabhängig voneinander zu beiden Nachbarn. Wir wollen das Spektrum detailliert analysieren. Zunächst erkennen wir zwei Tripletts, eines bei hoher Frequenz (tiefem Feld, ö = 3.28, J = 6.0 Hz, 2H) und eines bei tiefer Frequenz (hohem Feld, ö = 1.03, = 6.5 Hz, 3H), die der 1-Methylengruppe und der Methylgruppe zuzuordnen sind. Die Absorption bei hoher Frequenz (tiefem Feld) ist der 1-Methylengruppe zuzuordnen, da sie dem entschirmenden Einfluß des Halogensubstituenten am stärksten ausgesetzt ist, und die Methylgruppe tritt erwartungsgemäß bei der tiefsten Frequenz (höchstem Feld) in Resonanz. Die 2-Methylengruppe führt zu einem Aufspaltungsmuster, das man auf den ersten Blick als leicht verzerrtes Sextett ansehen würde (ö = 1.86, J = 6-7 Hz, 2H). Ist das das zu erwartende Aufspaltungsmuster? Zunächst werden wir diese Frage bejahen. Die Wasserstoffatome an C2 koppeln mit insgesamt fünf Nachbarn, nämlich mit drei Wasserstoffatomen der Methylgruppe und mit zwei Wasserstoffatomen der Methylengruppe. Bei Anwendung der (N + 1)-Regel erwarten wir in der Tat ein Sextett.

Dieser

Schluß

ist jedoch

nicht

vollkommen

richtig,

denn

die (N + 1)-Regel gilt streng nur für die Kopplung zu magnetisch äquivalenten Kernen. In unserem Beispiel erfolgt die Kopplung jedoch zu zwei unterschiedlichen Sätzen von Protonen (1-Methylen- und Methylprotonen), die jeder mit einer charakteristischen Kopplungskonstante mit den 2-Methylenprotonen koppeln. Die Auswirkungen dieser KoppStart of sweep

|

ee

..900 Hz

750

600

lalhri eat; |

|

|

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| | en |

ab

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End of sweep

450

300

—

=

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‚\CHs3CH>CH>Br'|

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(CH3)4Si

|

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|

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R |We

|

|

||

|

|

|

0

|

|

| |

150

| | | | a

|

| |

CCl,. Das Signal bei ö = 1.86 zeigt Kopplungen zu beiden anderen Signalen.

a Fr

|

| | | | | MH

Abb. 10-30 90 MHz NMRSpektrum von 1-Brompropan in

RER 2

1

0

ö

423

CH3>—- CHH—- CH5>— X a

b

c

H,

She

H,

Kar

Pf

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|

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|

|

| |

| |

|

|

la ılı III Eh; be

NER

JSsbc

Se

Jr

A Abb. 10-31 Das für H, einer Propylverbindung zu erwartende Aufspaltungsmuster (A) bei J.n > Jucs (B) bei Jg. > Jap und I(C) bei Jab > J5.. Im letzten Fall fallen

mehrere Signale zusammen, was zu einem täuschend einfachen Signal führt: Man beobachtet ein Sextett.

lungen können durch eine sequentielle Anwendung der (N + 1)-Regel abgeschätzt werden. Zunächst sollte die Methylgruppe eine Aufspaltung des Signals der 2-Methylengruppe in ein Quartett bewirken. Die nochmalige Anwendung der Regel - bezüglich der Kopplung zur 1-Methylengruppe - sollte für jede der Linien des Quartetts zu einer zusätzlichen Aufspaltung in ein Triplett führen. Es sollten daher maximal zwölf Linien erscheinen. Dabei ist die Reihenfolge der sequentiellen Anwendung der (N + 1)-Regel nicht wichtig: Wir hätten ebenso gut zuerst die Kopplung zur 1-Methylengruppe betrachten können, die zu einem Triplett führt, dessen Linien durch die Kopplung zur Methylgruppe jeweils in ein Quartett aufgespalten werden. Man sagt, das Signal der 2-Methylenprotonen sei ein Quartett von Tripletts oder auch ein Triplett von Quartetts. Warum werden in Wirklichkeit nur sechs Linien beobachtet? Die Antwort liegt in der Tatsache, daß das endgültige Erscheinungsbild eines derartigen komplizierteren Aufspaltungsmusters empfindlich von den dazugehörigen Kopplungskonstanten abhängt. Wenn die Kopplungskonstanten hinreichend unterschiedlich sind, werden in der Tat alle zwölf Linien beobachtet (Abb. 10-31A u. B). Wenn die Kopplungskonstanten ähnlicher werden, vereinfacht sich das Spektrum, da verschiedene Resonanzen entarten, d.h. denselben Wert annehmen.

Abbil-

dung 10-31C kann entnommen werden, daß dann mehrere Linien zusammenfallen. In Alkylverbindungen wie 1-Brompropan sind die beiden Kopplungskonstanten sehr ähnlich, so daß das Spektrum nach dem äußeren Anschein der (N + 1)-Regel genügt. Man beachte jedoch, daß dies mehr eine zufällige Übereinstimmung und keine notwendigerweise zu erwartende Erscheinung ist. Die große Ähnlichkeit der Kopplungskonstanten der beiden Nachbargruppen zur 2-Methylengruppe kann durch genaues Ausmessen der beiden Tripletts verdeutlicht werden: Im 1-Brompropan ergeben sie sich zu 6 und 6.5 Hz. Übung 10-9 Erklären Sie die Aufspaltungsmuster propans (Abb. 10-32).

im

'H-NMR-Spektrum

des

1-Chlor-2-methyl-

Ein Fall, in dem die beiden Kopplungskonstanten zu zwei benachbarten Sätzen unterschiedlicher Wasserstoffatome eine hinreichend große Differenz

aufweisen,

um

die

theoretisch

zu

erwartende

Resonanzlinien auch tatsächlich zu beobachten, 1,1,2-Trichlorpropans (Abb. 10-33). 424

Anzahl

von

ist das Spektrum

des

Start of sweep

a

900 Hz

750

600

|

|

|

|

| |

|

|

|

|

||

|

\

\

Ken ae |

| |

|

ei

N

NR

End of sweep

450

300

0

150

CH3 |

CH3—-C—-CH;t1 | IH

|

|

(CH3)4Si | Zweifache Dehnung

|

| PEPOPEFUESPENDONER, SHEEEREEEE

10

Abb. 10-32 90 MHz 'H-NMR-Spektrum von 1-Chlor-2-methylpropan in CCly. Die eingefügte Abb. zeigt eine Dehnung (Faktor 2) des Signals bei ö = 1.88.

End of sweep

Start of sweep 900 Hz

750

600

Hs

0

450

Ha

CHH—C—C—Cl aıc

a

10

EEE N TERN

9

EEE

FREE LE RR

u

8

|

ee RR ze

7

" Zweifache Dehnung

-

6

3

ö

Abb. 10-33 90 MHz

'H-NMR-Spektrum

von 1,1,2-Trichlorpropan in CCl,. Das Signal des Kerns H, erscheint als Dublett von

Quartetts bei d = 4.18: Man beobachtet acht Linien.

425

10 NMR-Spektroskopie

zur Strukturaufklärung

Wegen

der Kopplung zu H, erscheinen

1.64) als zwei Dubletts.

H, (ö = 5.69) und H, (öÖ

Die beiden Kopplungskonstanten

sind J,,

3.6 Hz und J,. = 6.8 Hz. Daher sollte H, als Dublett von Quartetts ent-

sprechend diesen Kopplungskonstanten erscheinen, wie es in der Dehnung gezeigt ist. Die chemische Verschiebung von H, ist der Mittelpunkt dieses Signals (d = 4.18). Übung 10-10 Welche Kopplungsmuster sind für die fett gedruckten Wasserstoffatome in den !HNMR-Spektren der folgenden Verbindungen zu erwarten? Erstens entsprechend der \ (N+1)-Regel und zweitens entsprechend der sequentiellen Anwendung der (N+1)Regel.

(a) BrCH,;CH;CH;Cl

(b)

CH;CHCHCH

Nas (6) CLCHCHCH3CH;

ao

(e) (CH,);CHCH;>OH

cHH

Ein schneller Protonenaustausch entkoppelt Hydroxyprotonen Wir wollen mit dem, was wir über vicinale Kopplungen gelernt haben, zu den NMR-Spektren von Alkoholen zurückkehren. Dem '!H-NMRSpektrum des 2,2-Dimethyl-I-propanols (Abb. 10-15) war zu entnehmen, daß das der OH-Gruppe entsprechende Signal als eine einzelne Linie erschien, ohne irgendeine Aufspaltung. Dies ist merkwürdig, da das Hydroxy-Wasserstoffatom zwei Wasserstoffatomen vicinal benachbart ist, die sein Signal eigentlich zu einem Triplett aufspalten sollten. Das Signal der Methylenprotonen erscheint seinerseits als Singulett anstatt des aufgrund einer Kopplung zum Hydroxy-Wasserstoffatom zu erwartenden Dubletts. Warum kann man hier keine Spin-Spin-Kopplung beobachten? Die Ursache dafür liegt in einem sehr schnellen Protonenaustausch zwischen der Hydroxygruppe des Alkohols mit Spuren von Wasser (oder anderen Alkoholen). Der Austausch erfolgt schnell relativ zur NMR-Zeitskala, etwa 10° Protonen werden pro Sekunde ausgetauscht. Das entspricht einer Aufenthaltsdauer eines Protons in der direkten Nachbarschaft zu den vicinalen Methylenprotonen von 10° s. Aus diesem Grunde wird mit dem NMR-Spektrometer für die OH-Protonen nur ein zeitlicher Durchschnitt aller Resonanzen erfaßt. Wegen der kurzen Zeit, die ein bestimmtes Proton als Hydroxyproton gebunden ist, wird keine Kopplung beobachtet. Die drei Situationen, in denen ein Proton den unterschiedlichen Spinorientierungen der Methylengruppe (aa, aß/ßa, BB) benachbart ist, wechseln so schnell, daß nur eine gemittelte chemische Verschiebung gefunden wird. Eine analoge Argumentation erklärt die fehlende Aufspaltung des Signals der Methylengruppe. Man sagt, daß derartige Absorptionen durch Protonenaustausch entkoppelt werden. Man kann den Austausch verlangsamen, indem man jede Spur von Wasser oder Säuren entfernt, oder indem man die Probe derart abkühlt, daß ein Proton bezüglich der NMR-Zeitskala hinreichend lange an einer Sauerstoffatom bleibt, um beobachtet werden zu können. Ein Beispiel dafür zeigt Abbildung 10-34 für Methanol. Bei 37°C beobachtet man zwei Singuletts, die ohne Kopplung den unterschiedlichen Protonen entsprechen. Kühlt man die Probe ab, verbreitern sich die Signale, bis bei -65°C das zu erwartende Kopplungsmuster beobachtet werden kann: ein Quartett und ein Dublett. Dieses Phänomen wird als Koaleszenz bezeichnet. Wir fassen zusammen: In vielen NMR-Spektren sind die Aufspaltungen nicht erster Ordnung, da der Unterschied der Resonanzfrequenzen der miteinander koppelnden nichtäquivalenten Wasserstoff-Atomkerne

426

10.9 P’C-NMR-Spektroskopie

—- 10°C

Abb. 10-34 Temperaturabhängigkeit der Spin-Spin-Aufspaltung in Methanol (nach H. Günther, NMR-Spektroskopie, 3. Aufl. Georg Thieme Verlag, Stuttgart 1992).

in der Größenordnung der Kopplungskonstante liegt. Aufnahmen bei höheren Meßfrequenzen können zu besser aufgelösten Kopplungsmustern führen, die dann erster Ordnung sein können. Die Kopplung von Wasserstoffatomen zu unterschiedlichen nichtäquivalenten Wasserstoffatomen erfolgt getrennt mit der für jede Kopplung charakteristischen Kopplungskonstante. In vielen Fällen, z.B. bei Alkylgruppen, sind diese Kopplungskonstanten so ähnlich, daß sich das Kopplungsmuster zu dem vereinfacht, was man bei Anwendung der (N + 1)-Regel erwarten würde. In anderen Fällen gilt dies nicht, man kann die entstehenden Multipletts jedoch meist dennoch analysieren. Vicinale Kopplungen zu Hydroxyprotonen werden wegen des schnellen Protonenaustauschs in der Regel nicht beobachtet.

10.9 PC-NMR-Spektroskopie Da die meisten organischen Verbindungen Wasserstoffatome

enthalten,

ist die 'H-NMR-Spektroskopie ein außerordentlich wirksames Hilfsmittel zur Strukturaufklärung. Potentiell noch wertvoller sollte jedoch die NMR-Spektroskopie des Kohlenstoffs sein, denn per definitionem enthalten alle organischen Verbindungen dieses Element als Teil ihres Gerüstes. Allein oder in Verbindung mit der 'H-NMR-Spektroskopie hat sich die "’C-NMR-Spektroskopie zur wichtigsten analytischen Methode zur Strukturaufklärung organischer Verbindungen entwickelt. Dieser Abschnitt soll eine kurze Einführung in die NMR-Spektroskopie des Kohlenstoffs und ihre Anwendungen geben.

Kohlenstoff-NMR mit einem Isotop geringer natürlicher Häufigkeit: "C Es ist möglich, Kohlenstoff-NMR-Spektroskopie zu betreiben; es gibt jedoch eine wesentliche Komplikation: Das häufigste Isotop des Kohlenstoffs, '”C, ist NMR-spektroskopisch nicht nachweisbar. Glücklicher427

CH3CH>Br

(CH3)J4Si

60

50

40

30

20

10

0

ö

Abb. 10-35 62.8 MHz "’C-NMR-Spektrum von Bromethan. Bei hohem Feld (niedriger Resonanzfrequenz) bei ö = 18.3 beobachtet man ein Quartett und bei niedrigerem Feld (höherer Resonanzfrequenz)

bei

ö = 26.6 ein Triplett, die den beiden Kohlenstoffatomen

des Moleküls zuzuordnen sind. Man beachte den großen Gesamtbereich der chemischen Verschiebung. Das Signal des Tetramethylsilans (CH;),Si erscheint per definitionem (wie in der 'H-NMR-Spektroskopie) bei ö = 0.00. Wegen der Kopplung der Kohlenstoffatome mit den jeweils drei benachbarten Wasserstoffatomen ist es zum Quartett aufgespalten (J = 118 Hz; die beiden äußeren Linien des Quartetts sind kaum zu erkennen). Die eingefügte gedehnte Darstellung des Tripletts und des Quartetts der Kohlenstoffatome des Bromethans läßt erkennen,

daß es sich bei dem Quartett des Methyl-Kohlenstoffatoms

des Bromethans

tatsächlich um ein Quartett von Tripletts handelt (J = 126 und 3 Hz). Dies beruht auf der Kopplung zu den drei Methyl-Wasserstoffatomen (große Kopplungskonstante) und der weiteren Aufspaltung aufgrund der Kopplung zu den benachbarten Methylen-Wasserstoffatomen (kleine Kopplungskonstante). Das Methylen-Kohlenstoffatom absorbiert entsprechend als Triplett von Quartetts (J = 151 und 5 Hz).

weise gibt es in der Natur ein weiteres Isotop, '”C, das mit einer Häufigkeit von 1.11%

auftritt. Im Magnetfeld verhält sich dieses Isotop ähn-

lich dem Isotop 'H. Man würde daher erwarten, daß "C-NMR-Spektren den 'H-NMR-Spektren ähneln. Es zeigt sich jedoch, daß diese Erwartung nur teilweise zutreffend ist, denn es gibt wichtige (und in der Tat sehr nützliche) Unterschiede zwischen den beiden Meßverfahren. Es ist viel schwieriger, "C-NMR-Spektren aufzunehmen als 'H-NMRSpektren. Das liegt nur zum Teil an der erheblich geringeren natürlichen

Häufigkeit des Isotops '”C; ein weiterer Grund ist die geringere Empfindlichkeit von "°C. Unter vergleichbaren Bedingungen ist ein 'HNMR-Signal etwa 6000mal stärker als ein "C-NMR-Signal. Diese Nachteile konnten durch die Entwicklung der Fourier-Transform-NMR-Spektroskopie (FT-NMR, s. Abschn. 10.3) kompensiert werden, die die

schnelle Aufnahme von '’C-NMR-Spektren ermöglicht. Ein Vorteil der geringen natürlichen Häufigkeit des Isotops "C liegt darin, daß in normalen "’C-NMR-Spektren keine Kohlenstoff-Kohlen428

stoff-Kopplungen auftreten. Wie beim Wasserstoff sollten zwei magnetisch nichtäquivalente benachbarte Kohlenstoffatome (wie z.B. im Bromethan) miteinander koppeln, und ihre NMR-Signale sollten entsprechend aufgespalten sein. In der Praxis wird dies jedoch nicht beobachtet. Warum ist das so? Es liegt daran, daß eine Kopplung nur dann auf-

10.9 "’C-NMR-Spektroskopie

treten kann, wenn zwei "’C-Kohlenstoffatome einander benachbart sind.

Bei einer natürlichen Häufigkeit von "”C von 1.11% ist eine solche Situation sehr wenig wahrscheinlich. Die meisten Kohlenstoffatome des Isotops "°C sind von solchen des Isotops '”C umgeben, die, da sie keinen Kernspin haben, keine Spin-Spin-Kopplungen eingehen können. Dies vereinfacht die "’C-NMR-Spektren erheblich; Kopplungen zu benachbarten Wasserstoffatomen treten dagegen sehr wohl auf. Abbildung 10-35 zeigt das '"’C-NMR-Spektrum von Bromethan. Die chemische Verschiebung d wird relativ zu einem internen Standard,

meist der '"’C-Absorption von (CH;),Si, angegeben. Man beachte, daß der Bereich der chemischen Verschiebung bei Kohlenstoff viel größer ist als bei Wasserstoff. Die meisten "C-NMR-Signale organischer Verbindungen liegen im Bereich zwischen ö = 0 und ö = 200. Dies ist ein deutlicher

Unterschied

zum

relativ

kleinen

„Fenster“

der

!'H-NMR-

Spektroskopie (ö = 0-10). Abbildung 10-35 vermittelt auch einen Ein-

druck von der relativen Komplexität der Spektren, die auf "C—H-

Kopplungen beruht. Direkt gebundene Wasserstoffatome koppeln mit SC mit relativ großen Kopplungskonstanten (125-200 Hz). Die Kopplung nimmt mit der Entfernung der Kopplungspartner im Molekül schnell ab, so daß geminale Kopplungen Kopplungskonstanten Jsc_c_H zwischen 0.7 und 6 Hz zeigen. ©

Übung 10-11 Sagen Sie das '’C-NMR-Spektrum von 1-Brompropan (mit Aufspaltungen) voraus. Hinweis: Wenden Sie die (N + 1)-Regel an!

!H-Breitband-Entkopplung führt zu einzelnen Linien (Singuletts) Man kann mittels der 'H-Breitband-Entkopplung bewirken, daß die Signale im Spektrum nicht aufgespalten sind, sondern als einzelne Linien erscheinen. Dazu wird während der eigentlichen "C-NMR-Messung ein intensives, breites Radiofrequenz-Signal eingestrahlt, das die Resonanzfrequenzen aller Wasserstoffatome vollkommen abdeckt. Zum

CH3 CHaBr

Beispiel tritt ''C bei einem Magnetfeld von 5.875 T bei einer Frequenz von 62.8 MHz in Resonanz (s. in Abb. 10-35), Wasserstoff hingegen bei 250 MHz. Zur Aufnahme eines 'H-Breitband-entkoppelten Spektrums wird die Probe auf beiden Frequenzen bestrahlt. Die erste Fre-

quenz dient zur Messung der '’C-Kernresonanz. Die gleichzeitige Wirkung der zweiten Frequenz läßt die Wasserstoffkerne schnell zwischen den Spinzuständen a und ß „hin und her springen“. Dies geschieht hin-

reichend schnell, so daß das an das Wasserstoffatom gebundene "’C nicht einem

bestimmten

Spinzustand

a oder ß benachbart

ist, sondern

einem zeitlichen Durchschnittszustand. Dadurch wird die Kopplung nicht mehr beobachtbar. Durch die Anwendung dieser Technik vereinfacht sich das erwähnte Spektrum des Bromethans beträchtlich: Es werden nur noch zwei einzelne Linien beobachtet (Abb. 10-36). Der Wert dieser Methode

wird besonders

deutlich, wenn

man

Spek-

tren relativ komplizierter Moleküle betrachtet. Jedes magnetisch einzigartige Kohlenstoffatom in einem Molekül liefert genau eine Linie im ”CNMR-Spektrum. Man stelle sich dazu einen Kohlenwasserstoff wie Methylcyclohexan vor. Die Interpretation des 'H-NMR-Spektrums wird dadurch erheblich erschwert, daß die chemischen Verschiebungen der acht verschiedenen Wasserstoffatome sehr ähnlich sind (Abb. 10-28). Zahlreiche H—H-Kopplungen machen das Spektrum noch kKomplizierter. Im Gegensatz dazu zeigt das ''C-NMR-Spektrum des Methylcyclohexans nur fünf Linien, die den fünf magnetisch nichtäquivalenten Koh-

30

20

10

0

Abb. 10-36 62.8 MHz "’C-NMRSpektrum von Bromethan mit

!IH-Breitband-Entkopplung bei 250 MHz und einem Magnetfeld von 5.875 T. Alle Signale, auch das des Tetramethylsilans, werden zu Singuletts vereinfacht.

429

10 NMR-Spektroskopie zur Strukturaufklärung

Abb. 10-37 62.8 MHz ""C-NMRSpektrum von Methylcyclohexan,

'H-entkoppelt, in C,D;. Das Molekül enthält fünf chemisch unterschiedliche Kohlenstoffatome, die zu fünf unterschiedlichen Signalen führen; ö = 23.1, 26.7, 26.8, 33.1, 35.8.

lenstoffatomen des Moleküls entsprechen (Abb. 10-37). Diese Spektren zeigen aber auch eine Einschränkung bei der '"’C-NMR-Spektroskopie: Die

Integration

ist normalerweise

nicht

möglich,

da die Peakflächen

wegen der Anwendung des FI-NMR-Verfahrens nicht mehr der Anzahl der Kerne entsprechen. Aus Tabelle 10-6 geht hervor, daß, ähnlich der 'H-NMR-Spektrosko-

pie, die chemischen Verschiebungen in der '’C-NMR-Spektroskopie durch die chemische Umgebung des jeweiligen Kohlenstoffatoms bestimmt werden. Wie in der 'H-NMR-Spektroskopie wirken elektronenziehende Gruppen entschirmend. Die chemischen Verschiebungen steigen in der Reihenfolge primäres < sekundäres < tertiäres Kohlenstoffatom. Neben den chemischen Verschiebungen d kann auch die Kenntnis der Zahl unterschiedlicher Kohlenstoffatome im Molekül für die Strukturaufklärung von großer Bedeutung sein. Wenn man das Methylcyclohexan mit anderen Isomeren der Summenformel C,H}, vergleicht, erkennt man, daß es Isomere gibt, die eine andere Anzahl nichtäquivalenter Kohlenstoffatome haben, und die daher im "’C-NMR-Spektrum eine andere Anzahl von Signalen zeigen (Der Leser möge sich Iso-

Tabelle 10-6 Charakteristische chemische Verschiebungen in "C-NMR-Spektren Kohlenstoffatom

Chemische Verschiebung ö

Primäres Alkyl, RCH;

5-20

Sekundäres Alkyl, RCH;R’

20-30

Tertiäres Alkyl, R,CH

30-50

Quatäres Alkyl, R,C

30-45

Allylisches C, ReROBE R'

20-40

Chloralkan, RCH;Cl

25-50

Bromalkan, RCH,Br

20-40

Ether oder Alkohol, RCH;OR’

O

50-90

O

Aldehyd oder Keton, RCH oder RER

170-200

Alken, Aromat,

100-150

Alkin, RC=CR

430

oder RCH,OH

R,C=CR,

50-95

mere überlegen, die wie das Methylcyclohexan fünf Signale zeigen). Man beachte den engen Zusammenhang zwischen der Symmetrie eines

10.9

"’C-NMR-Spektroskopie

Moleküls und der Zahl der "C-NMR-Signale! Die Anzahl der "C-NMR-Signale einiger Isomere der Summenformel C-H,, m

4 Signale

4 Signale

3 Signale

1 Signal

MW Übung 10-12

Wie viele "C-NMR-Signale sind für die 'H-Breitband-entkoppelten "C-NMR-Spektren ii der folgenden Verbindungen zu erwarten:

(b)

:

(a) 2,2-Dimethyl-I-propanol;

(c)

H Hinweis: Beachten Sie die Symmetrie!

Fortschritte in der FI-NMR-Spektroskopie erleichtern die Strukturbestimmung: DEPT-"C-NMR-Spektroskopie Die FT-Technik zur Messung von NMR-Spektren ist außerordentlich vielseitig und ermöglicht die Darstellung der Meßdaten auf unterschiedliche Weisen,

die alle Informationen

zur Struktur der betreffenden

Ver-

bindung liefern. Fortschritte wurden durch die Entwicklung komplexer zeitabhängiger Pulssequenzen erzielt, beispielsweise das gleichzeitige Einstrahlen zweier Pulse unterschiedlicher Frequenz (zweidimensionale NMR-Spektroskopie oder 2D-NMR). Mit solchen Methoden ist es heute möglich, Kopplungen (und so Bindungen oder wenigstens eine räumliche Nähe) zwischen eng benachbarten Wasserstoffatomen (homonucleare Korrelation) oder benachbarten Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen (heteronucleare Korrelation) nachzuweisen. Mittels 'H-NMRund "C-NMR-Spektroskopie kann man den magnetischen Einfluß einander benachbarter Atome entlang einer Kohlenstoffkette messen und so die molekulare Konnektivität — die Konstitution — bestimmen. Ein B£ispiel einer derartige Pulssequenz, die heutzutage in den Forschungslaboratorien routinemäßig angewendet wird, ist die DEPT-"CNMR-Spektroskopie (,„Distortionless Enhanced Polarization Transfer“), mit deren Hilfe man erkennen kann, ob ein Signal einem primären (CH;), einem sekundären (CH,), einem tertiären (CH) oder einem quartären (C) Kohlenstoffatom zuzuordnen ist. Die Methode vermeidet

die Komplikationen eines Protonen-gekoppelten

""C-NMR-Spektrums

(vel. Abb. 10-35), insbesondere die Überlappung nahe beieinanderliegender Multiplett-Signale. Das DEPT-Experiment besteht aus drei Spektren: dem normalen Breitband-entkoppelten Spektrum, einem zweiten Spektrum mit einer Pulssequenz (DEPT-90), das nur die Signale der an ein Wasserstoffatom gebundenen Kohlenstoffatome (CH) zeigt, und schließlich einem

dritten Spektrum

(DEPT-135),

das die CH;- und

CH-Signale in der üblichen Weise zeigt, die CH,-Signale jedoch mit negativer Phase darstellt, während Signale quartärer Kohlenstotfatome (C) nicht abgebildet werden. In Abbildung 10-38 sind die dementsprechenden Spektren von Limonen abgebildet. Das erste Spektrum

431

10 NMR-Spektroskopie zur Strukturaufklärung 6

2

5

3

4 8

10

Se9 Limonen

A

B

C

Abb. 10-38 Das DEPT-""’C-NMR-Experiment am Beispiel von Limonen. (A): Breitbandentkoppeltes Spektrum mit 6 Alkyl-Signalen bei hohem Feld (d = 20-40) und 4 AlkenylSignalen bei tieferem Feld (öd = 108-150, vgl. Tab. 10-6); (B): DEPT-90-Spektrum, das nur die beiden CH-Signale für C-2 und C-4 zeigt; (C): DEPT-135-Spektrum. Die positive Phase entspricht den Signalen für CH; (C-7, C-10) und CH (C-2, C-4) sowie die negative Phase den Signalen für CH; (C-3, C-5, C-6, C-9), keine Signale für C-1 und C-8.

(Abb. 10-38A) zeigt die zu erwartende Anzahl von 10 Signalen, und zwar für 6 Alkyl- und 4 Alkenyl-Kohlenstoffatome bei hohem bzw. tiefem Feld. Das zweite Spektrum (Abb. 10-38B) zeigt lediglich die Signale der CH-Kohlenstoffatome. Diese entsprechen den Signalen in Abbildung 10-38C positive Phase, die zusätzlichen Signale mit positiver Phase sind den CH;-Kohlenstoffatomen zuzuordnen. Die Signale mit negativer Phase gehören zu den CH3>-Kohlenstoffatomen. Die Signale, die in Abbildung 10-38A, nicht jedoch in Abbildung 10-38C auftreten, sind quartären Kohlenstoffatomen (C) zuzuordnen. Übung 10-13 Kann man die beiden angegebenen bicyclischen Verbindungen direkt anhand ihres !HBreitband-entkoppelten "’C-NMR-Spektrums unterscheiden? Könnte man sie mit

einem DEPT-Spektrum unterscheiden?

Hack (a)

ll aus CH;

H (b)

Man kann die '’C-NMR-Spektroskopie auf das Problem der Monochlorierung von 1-Chlorpropan anwenden In Abschnitt 10.6 haben wir gelernt, wie man anhand der chemischen Verschiebungen im 'H-NMR-Spektrum sowie der Integration der Signale die drei bei der Monochlorierung von 1-Chlorpropan entstehenden isomeren Dichlorpropane unterscheiden kann. Wie kann die "CNMR-Spektroskopie hier helfen? Wir erwarten, daß sowohl 1,1- als auch 1,2-Dichlorpropan im "C-NMR-Spektrum drei Signale aufweisen, allerdings bei recht unterschiedlichen chemischen Verschiebungen, da in 432

Strukturbestimmung medizinischer Wirkstoffe aus dem Meer Im Meer gibt es reiche Vorkommen pharmazeutisch wertvoller Substanzen, Die seltene C>;-Verbindung Manoalid, ein Sesterterpen (s. Abschn. 4-7), wurde

1977 aus einem Schwamm

gewonnen,

aber nur 58 mg konnten isoliert werden. Für die Strukturaufklärung konnten angesichts der geringen verfügbaren Menge keine Verfahren angewendet

werden,

die

die

Substanz

verbrauchen,

wie die Elementaranalyse oder chemische Nachweise. Stattdessen wurde eine Kombination mehrerer spektroskopischer Verfahren (IR, UV, MS und NMR) eingesetzt, und so konnte 1980 die unten angegebene Konstitution bestimmt werden, die später durch eine Totalsynthese bestätigt wurde. Die Charakterisierung von Manoalid beruht

teilweise auf 'H- und ""C-NMR-Daten. Die fünf

Signale der Protonen der Doppelbindungen atomen zwischen zwei nen zwischen ö = 4.8

an den Kohlenstoffatomen oder an den KohlenstoffSauerstoffatomen erscheiund 6.2 (siehe Tab. 10-2).

und 45, siehe Tab. 10-6). Alle Signale konnten aufgelöst werden und mittels der Anzahl der zugehörigen Wasserstoffatome auch identifiziert werden. Eine derartige Strukturaufklärung mag bereits außergewöhnlich erscheinen, aber seit 1980 können derartige Bestimmungen aufgrund neuer Geräteentwicklungen schon mit Mikrogramm-Mengen durchgeführt werden. 1990 haben klinische Tests gezeigt, daß Manoalid ein starker Wirkstoff ist mit einer außerordentlichen Fähigkeit, die Freisetzung der für Schmerz und Entzündung verantwortlichen Enzyme zu blockieren. Noch in den 90er Jahren kann Manoalid ein wertvolles Medikament gegen die Symptome von Arthritis und Muskeldystrophie werden. Weitere Aspekte der Strukturbestimmung von Manoalid werden in späteren Kapiteln diskutiert.

Das "C-NMR-Spektrum zeigt das C=O-Kohlenstoffatom bei ö = 172.3 und unterscheidet deutlich zwischen den Alken-Kohlenstoffatomen (8> 115), den Kohlenstoffatomen neben einem EtherSauerstoffatom (dö = 63.3), den Kohlenstoffatomen zwischen zwei Sauerstoffatomen (d = 91.7 und 99.1) und den verbleibenden tetraedrisch koordinierten Kohlenstoffatomen (8 zwischen 15

Manoalid

1,1-Dichlorpropan beide elektronenziehenden Substituenten an ein Kohlenstoffatom gebunden sind (und damit die beiden anderen Kohlenstoffatome keinen Chlorsubstituenten tragen), wogegen in 1,2-Dichlorpropan jeweils C-1 und C-2 Chlor-substituiert sind. 1,3-Dichlorpropan ist aufgrund seiner symmetrischen Struktur eindeutig von den anderen beiden Isomeren zu unterscheiden; man kann nur zwei Signale beobachten. Die am Rand wiedergegebenen experimentellen Daten bestätigen unserer Erwartungen. Die eindeutige Zuordnung der beiden Chlor-substituierten ”Kohlenstoffatome in 1,2-Dichlorpropan kann mit Hilfe der DEPT-Technik erfolgen: Das Signal bei ö = 49.5 erscheint im DEPT135 mit negativer Phase (CH,), und das bei ö = 55.8 ist das einzige im DEPT-90 (CH) auftretende Signal.

Dieses Beispiel zeigt, wie sich 'H-NMR- und "’C-NMR-Spektroskopie

ergänzen. 'H-NMR-Spektren vermitteln anhand der chemischen Verschiebung ö einen Eindruck von der elektronischen Umgebung (elektronenreich oder elektronenarm) eines bestimmten Wasserstoffkerns, seine relative Häufigkeit (Integration) sowie von der Anzahl gleicher oder

unterschiedlicher

Nachbarkerne

(Spin-Spin-Kopplung).

Breitband-ent-

CH;CH,CHCH,

\ 10.1

34.9

132

CH;CHCICH;Cl

koppelte "C-NMR-Spektren zeigen die Anzahl chemisch unterschiedlicher Kohlenstoffatome, ihre elektronische Umgebung (8) und, bei DEPT-Messungen, sogar die Anzahl der daran gebundenen Wasserstoffatome. Die kombinierte Anwendung beider Methoden gleicht der Lösung eines Kreuzworträtsels: Die horizontalen Worte (hier die 'HNMR-Daten) müssen zu den vertikalen (die entsprechenden "C-NMRDaten) passen, um zur richtigen Lösung zu gelangen.

22.4

55.8

49.5

CICR,CH,CH,CI N 42.2

35.6

433

10 NMR-Spektroskopie zur Strukturaufklärung

Wir wollen nun das Gelernte zusammenfassen: Die "’C-NMR-Spektroskopie benötigt aufgrund der geringen natürlichen Häufigkeit des Isotops '”C und seiner geringeren Empfindlichkeit in der NMR-Spektro-

skopie die FT-Technik.

'’C-"C-Kopplungen werden nicht beobachtet,

da die Wahrscheinlichkeit der direkten Nachbarschaft zweier solcher Kerne vernachlässigbar klein ist. '’C-'H-Kopplungen können gemessen werden; die Aufspaltungen der Signale werden jedoch meist durch Breitband-Protonenentkopplung vermieden, so daß die unterschiedlichen Kohlenstoffatome jeweils eine Linie im Spektrum liefern. Der Bereich der chemischen Verschiebung ist in der "C-NMR-Spektroskopie groß und erstreckt sich für typische organische Verbindungen etwa von 0 = ö = 200. "C-NMR-Spektren können nicht integriert werden, das DEPT-Experiment ermöglicht jedoch die Zuordnung der Signale zu CH;-, CH>- CH- und C-Kohlenstoffatome.

Verständnisübung Ein Wissenschaftler führt die folgende Reaktionssequenz durch, um (S)2-Chlorbutan herzustellen:

O / \

CH3Li

HO ”

H7

\

3

a E

H

CH;

%

-SO,,—HCI

CH;

H;C

H;C

SOCh,

R

Cl

(S)-2-Chlorbutan

(R)-2-Methyloxacyclopropan

Bei der sorgfältig durchgeführten präparativen Gaschromatographie des Reaktionsproduktes (Sdp. 68.2°C) wurde eine geringe Menge einer weiteren Verbindung (C,H,Cl; Sdp. 68.5°C) nachgewiesen. Diese Verbindung ist optisch inaktiv. Die dazugehörigen NMR-Spektren sind unten abgebildet. Geben Sie die Struktur dieser Verbindung an und machen Sie einen Vorschlag für ihre Bildung.

6H

CH»,

2H

u ENTE FEB

2.05

2.00

1.95

1.90

(CH3)4 Si

50 300-MHz-"H-NMR-Spektrum ö

434

25 "C-NMR-Spektrum 6

0

Lösung

Verständnisübung

Wie bereits bei anderen mechanistischen oder Syntheseproblemen (siehe Verständnisübungen in Kap. 8 u. 9) beginnen wir auch hier mit der Zusammenstellung der gegebenen Informationen und ihrer Bedeutung, bevor wir uns mit der Reaktion im Detail befassen:

1)

Wir haben ein Reaktionsschema, in dem ein Oxacyclopropan bei der Reaktion mit CH;Li (Abschn. 9.9) geöffnet wird, und der resultierende Alkohol mit SOCI, (Abschn. 9.4) unter Inversion der Konfiguration zum gewünschten (S)-2-Chlorbutan umgesetzt wird. Irgendwo in dieser Reaktionssequenz kann ein weiteres Produkt — wenn auch nur in geringen Mengen - gebildet werden.

2)

Das

Nebenprodukt

hat

ebenso

wie

2-Chlorbutan

die

Formel

C,HsCl. Anders ausgedrückt: es handelt sich um ein Isomer.

3)

Obwohl das Nebenprodukt vier Kohlenstoffatome enthält, findet man im "’C-NMR-Spektrum (Zuordnung der Signalmultiplizitäten durch DEPT) nur drei Signale bei ö = 20 (CH;), 31 (CH) und 52 (CH3;). Die beiden ersten Signale liegen im typischen Bereich für Alkylverbindungen. Das dritte Signal kann einem Kohlenstoffatom zugeordnet werden, an das ein Chloratom gebunden ist (Tab. 10-6). Da nur drei Signale beobachtet werden, muß eines der Alkyl-Signale zwei magnetisch äquivalenten Kohlenstoffatomen entsprechen.

4)

Im 'H-NMR-Spektrum (300 MHz) werden Signale für drei unterschiedliche Wasserstoffatomkerne beobachtet (& = 1.0, 1.9, 3.4). Analog zum '’C-NMR-Spektrum können wir davon ausgehen, daß das am stärksten entschirmte Signal den Protonen, die an das chlorsubstituierte Kohlenstoffatom gebunden sind, zuzuordnen ist (Abschn. 10.4). Die relativen Signalintensitäten entsprechen 6, 1 und 2, in Einklang mit der ermittelten Summenformel (C,HsCN).

5)

Im !H-NMR-Spektrum kann eine Spin-Spin-Kopplung beobachtet werden. Das Signal bei der tiefsten und bei der höchsten Frequenz sind zwei Dubletts mit nahezu identischen Kopplungskonstanten J. Dies bedeutet, daß jeder der zwei Protonensätze (6 + 2) ein vicinal benachbartes Wasserstoffatom aufweist (das verbliebene Wasserstoffatom). Dieses Wasserstoffatom führt zu einem Nonett, wie es nach der N + 1-Regel erwartet werden kann (N = 6. + 2; s. Abschn. 10.7). Nun

wollen wir diese Informationen

so miteinander

verknüpfen,

daß

wir eine Aussage zur Struktur machen können. Ähnlich wie in einem Rätsel gibt es mehrere Wege, die richtige Antwort zu finden. Bei der Auswertung von 'H-NMR-Spektren beginnt man am besten mit der Formulierung von Teilstrukturen, die man aus den Spektren erkennt und benutzt die weiteren Informationen zur Bestätigung. Das Signal bei tiefster Frequenz ist ein Dublett, dessen relative Signalintensität sechs Wasserstoffatomen entspricht. Es kann also einem (CH;),CH-Fragment zugeordnet werden. Das Gegenstück bei hoher Frequenz deutet auf eine -CH>-CH-Teilstruktur hin. Die Kombination dieser beiden Fragmente führt zu -CH,;CH(CH;),-. Fügen wir das Chloratom hinzu, so erhalten wir die Lösung: das achirale (also optisch inaktive) CICH,CH(CH3).. Dieses Ergebnis wird durch das "C-NMR-Spektrum bestätigt, in dem das Signal bei kleiner Frequenz den beiden äquivalenten Methyl-Kohlenstoffatomen entspricht. Das mittlere Signal kann dem tertiären Kohlenstoffatom und das Signal bei der höchsten Frequenz dem chlorsubstituierten Kohlenstoffatom zugeordnet werden (s. Tab. 10-6). Sie können Ihre Lösung auch auf eine andere Weise überprüfen. Betrachten wir die Summenformel, so erkennen wir, daß

435

10 NMR-Spektroskopie zur Strukturaufklärung

es

nur

vier

unterschiedliche

Isomere

gibt:

CH,CH,CHLEEBEN

CH;CH(CHCH;CH; (unser Hauptprodukt), (CH3);CHCH3;CI (unser Nebenprodukt) und (CH;);CCl. Diese vier Isomere unterscheiden sich deutlich in ihren 'H-NMR- und "®C-NMR-Spektren. Sie weisen jeweils eine unterschiedliche Anzahl von Signalen, chemische Verschiebungen, Integrationen und Spin-Spin-Multiplizitäten auf (Überprüfen Sie dies zur Übung!). Der zweite Teil unserer Aufgabe befaßt sich mit dem Mechanismus. Wie kommt es durch die vorgegebene Reaktionssequenz zur Bildung von 1-Chlor-2-methylpropan? Die Antwort ergibt sich aus der nachfolgenden retrosynthetischen Analyse unter Verwendung der anfangs gegebenen Reagenzien:

Ei,

CH; | ER@__ ‘—CHsCI

socı, 7

| 7

C Ei — CH,OH

erbE

er)

H

H

Das Nebenprodukt ist also die Folge einer nucleophilen Ringöffnungsreaktion von Oxacyclopropan. Es wird nur in geringen Mengen gebildet, da der Angriff am sterisch stärker abgeschirmten Ringkohlenstoffatom unter den gegebenen Reaktionsbedingungen weniger bevorzugt ist.

Wichtige Konzepte 1 Die NMR-Spektroskopie ist die wichtigste spektroskopische Methode zur Strukturaufklärung in der organischen Chemie. 2 Spektroskopie wird dadurch möglich, daß sich ein Molekül in verschiedenen energetischen Zuständen

befinden

kann, und dadurch,

daß das

Molekül durch die Aufnahme diskreter Quanten elektromagnetischer Strahlung vom energetisch niedrigeren in den energetisch höheren Zustand angeregt werden kann. 3 Die NMR-Spektroskopie wird dadurch möglich, daß die Kernspins bestimmter Atomkerne

(insbesondere

'H und '’C) unter dem

Einfluß

eines äußeren Magnetfeldes zwei energetisch unterschiedliche Spinzustände a und ß einnehmen können. Der Übergang vom a- zum ß-Zustand kann durch die Einstrahlung von Radiowellen bewirkt werden. Dann erfolgt Kernresonanz mit einer charakteristischen Schwächung der eingestrahlten Energie. Je stärker das externe Magnetfeld ist, desto höher ist die Resonanzfrequenz. Beispielsweise tritt Wasserstoff in einem externen Magnetfeld von 2.115 T bei einer Frequenz von 90 MHz in Resonanz. 4 Hochaufgelöste NMR-Spektren erlauben es, Wasserstoff- bzw. Kohlenstoffatome in unterschiedlichen chemischen Umgebungen zu unterscheiden. Die spezifische Lage ihrer Signale im Spektrum wird durch die chemische Verschiebung ö relativ zum internen Standard Tetramethylsilan angegeben.

436

5 Die chemische Verschiebung ist sehr empfindlich hinsichtlich Anwesenheit (Abschirmung) oder Abwesenheit (Entschirmung) von Elektro-: nendichte. Abschirmung bewirkt eine Verschiebung nach niedrigerer Frequenz (höherem Feld, d.h. nach kleineren chemischen Verschiebungen ö), während eine Entschirmung zu einer Verschiebung nach niedrigerem Feld (höheren Frequenzen, größeren chemischen Verschiebungen Ö) führt. Elektronenliefernde Substituenten schirmen ab,

elektronenziehende

entschirmen.

OH-Proto-

nen in Alkoholen und NAH-Protonen in Aminen haben unterschiedliche chemische Verschiebungen, je nach dem Ausmaß von Wasserstoffbrükken und der Geschwindigkeit von Protonenaustauschreaktionen.

6 Chemisch äquivalente Wasserstoff- oder Kohlenstoffatome haben die gleiche chemische Verschiebung. Die Äquivalenz von Atomen wird am besten durch die Anwendung von Symmetrieoperationen wie Spiegelung oder Rotationen gezeigt. 7

Die relative Anzahl der Wasserstoffatome,

auf

die ein NMR-Signal zurückzuführen ist, wird durch die Integration (Peakfläche) gemessen.

8 Die Anzahl und die Art von benachbarten Wasserstoffatomen kann durch Analyse der SpinSpin-Kopplung entsprechend der (N + 1)-Regel ermittelt werden. Aquivalente Wasserstoffatome zeigen keine gegenseitige Spin-Spin-Aufspaltung.

9 Wenn sich die chemischen Verschiebungen koppelnder Wasserstoffatome nicht hinreichend unterscheiden, werden Spektren höherer Ordnung erhalten, die kompliziertere Aufspaltungsmuster aufweisen. Spektren erster Ordnung entstehen, wenn der Unterschied der Resonanzfrequenzen viel größer ist (Faustregel: Faktor 10) als die

betreffende Kopplungskonstante (Av > J). 10

Wenn

schiedlichen

die

Kopplungskonstanten

Nachbarkernen

zu

unter-

unterschiedlich

sind,

11 Die NMR-Spektroskopie des Kohlenstoffs erfolgt am relativ seltenen Isotop "’C. In norma-

len '’C-NMR-Spektren beobachtet man keine Bc-PC-Kopplungen. Die ®C-'H-Kopplungen können durch 'H-Breitband-Entkopplung unterdrückt

werden, wodurch die meisten "’C-NMR-Signale nichtäquivalenter Kohlenstoffatomen zu einzelnen Linien vereinfacht werden. Mit Hilfe des DEPTExperimentes kann man zwischen CH>-, CH>-, und CH-Gruppen sowie quartären C-Atomen

unterscheiden.

wird die (N + 1)-Regel sequentiell bezüglich der einzelnen Kopplungen angewandt.

Aufgaben 1 Wo im Spektrum der elektromagnetischen Strahlung (s. Abb. 10-2) sind die folgenden Wellen angesiedelt: AM-Radiowellen (Mittelwelle, v - 1 MHz = 1000 kHz = 10° Hz); FM-Radiowellen (UKW-Rundfunk und Fernsehen, v»— 100 MHz =

10° 5)?

2

Rechnen Sie die folgenden Größen in die angegebenen um:

(a) 1050 cm "! in A (in um). (b) 510 nm (grünes Licht) in v (in s”! oder Hz).

(c) 6.15 um in 5 (in cm"). (d) 2250 cm

in v (in s”! oder Hz).

3 Rechnen Sie die folgenden Größen in die entsprechenden Energien (in kJ/mol) um: (a) Eine Rotation um eine Bindung bei 750 cm. (b) Eine Bindungsschwingung bei 2900 cm. (ec) Ein Elektronenübergang bei 350 nm (ultraviolettes Licht, welches einen Sonnenbrand verursachen kann). (d) Ein Ton einer Orgelpfeife von 20 Hz. (e) Ein Ton einer Hundepfeife von 40000 Hz. ($) Die Radiofrequenz eines UKW-Senders von 87.25 MHz. (g) Die Wellenlänge eines „harten“ Röntgenstrahls von 0.07 nm.

4 Berechnen Sie auf zwei Stellen hinter dem Komma genau die Energie, die” bei der Kernresonanz eines Wasserstoffatoms aufgenommen wird in einem äußeren Magnetfeld von

(a) 2.115 Tv = 90 MHz) (b) 13.75 T (v = 500 MHz). 5 Zeichnen Sie die bei geringer Auflösung (d.h. ohne Aufspaltungen) zu erwartenden NMR-Spektren der folgenden Verbindungen. Berück"sichtigen Sie alle NMR-aktiven Kerne. Die Stärke des externen Magnetfeldes betrage 2.115 T. (a) CHC]; (Chloroform). (b) CFC]; (Freon 11).

(ce) CF;CHCIBr (Halothan). Wie würden sich die Spektren verändern, genommen würden?

wenn sie bei 8.46 T auf437

10 NMR-Spektroskopie zur Strukturaufklärung

6 Wie würden die Spektren der Verbindungen aus Aufgabe 5 aussehen, wenn man für jeden Kern ein hochaufgelöstes Spektrum aufnehmen würde? Was wäre anders?

7 Das 'H-NMR-Spektrum von 4,4-Dimethyl-2-pentanon [CH,;C(O) CH;C(CH;3);] zeigt bei einer Meßfrequenz von 90 MHz Signale bei den folgenden Frequenzen: 92, 185 und 205 Hz nach höherer Frequenz (tieferem Feld) bezüglich Tetramethylsilan. (a) Welche chemischen Verschiebungen (ö) haben diese Signale? (b) Welche Frequenzen würde man erhalten, wenn und bei 360 MHz messen würde?

man bei 60 MHz

(ce) Ordnen Sie jedes Signal dem ihm entsprechenden Satz äquivalenter Wasserstoffatome zu.

8 Welche Wasserstoffatome haben die größere Tieffeldverschiebung gegenüber (CH,),Si im 'H-NMR? Begründen Sie Ihre Antwort. (0)

(a) (CH,)zO oder (CH3);N

| (b) CHzCOCH; T oder

(d)

(©) CH3CH>CH>OH

T

Toder!

(CH3),S oder (CH3),5s—O

9 Wie viele Signale sind für die 'H-NMR-Spektren der folgenden Verbindungen zu erwarten? Bei welchen ungefähren chemischen Verschiebungen sind die Signale zu erwarten? Ignorieren Sie in dieser und der nächsten Aufgabe die Spin-Spin-Aufspaltungen. (a)

CH3CH>CH;CH3

(b) CH3CHCH3 | Br

CH

(© HOCH,ECI CH;

($)

CH3CH>CH(CH>CH3)2

(eg) CH3OCH;CH;CH3

h) (h)

CH, | 2 CH|

2

che r N chen

CH

Hu Cı

;

(d) CH>CHCH,CHz

H BR

3

NoH

OH

Ci: (e)

Dre

CH;

ee

CH3

10 Geben Sie für jede Verbindung in jeder der unten aufgeführten Gruppen von Isomeren (1) die Anzahl der Signale im 'H-NMR-Spektrum, (2) die ungefähre chemische Verschiebung eines jeden Signals und (3) die relativen Integrale der Signale an. Sagen Sie, ob man mit ausschließlich diesen Informationen die Isomeren einer jeden der drei Gruppen unterscheiden kann.

438

(a))

lü&CH}

CH;

Hs

Aufgaben

CH3CBrCH>CH;, BrCH>CHCH>CH3, CH3CHCH>CH>Br

(b) CICH3ZCH>CH>CH>OH,

CH3

CH3

CH;Cl

CH3

CH3CHCH>OH,

CHSECH>OH

CH3 CH3

(c) CICH5C——CHCH3,

CICH5CH—CCH3,

er

11

N

ei

CH3

CH3

CICH>E—CHCHS, CICH,CHECH, in. ”

" CH;

Schlagen Sie für die abgebildeten Spektren zweier Halogenalkane

C;H,,Cl (Spektrum A) und C,H;Br;, (Spektrum B) Strukturen vor, die

mit den Spektren vereinbar sind.

A

ö Br‘

12 Unten sind die 'H-NMR-Signale von drei Molekülen aus der Stoffklasse der Ether angegeben. Alle Signale erscheinen als einfache, scharfe Linien. Schlagen Sie Konstitutionen für diese Verbindungen vor. (a) C;H;O>, ö = 3.3 und 4.4 (Integralverhältnis 3:1). (b) CAH,00;, d = 3.3 und 4.9 (Integralverhältnis 9:1). (c) C;H1»0;, d = 1.2 und 3.1 (Integralverhältnis 1:1).

Vergleichen Sie diese Spektren mit dem des 1,2-Dimethoxyethans (Abb. 10-13); worin unterscheiden sich die Spektren davon? 13

(a) Das 'H-NMR-Spektrum

eines Ketons der Formel C,H,,O zeigt

Signale bei ö = 1.2 und 2.1 (Integralverhältnis 3:1). Machen einen damit zu vereinbarenden Konstitutionsvorschlag.

Sie

439

10 NMR-Spektroskopie zur Strukturaufklärung

(b) Es gibt zwei dem Keton aus a ähnliche isomere Moleküle der Summenformel

C;H],0;.

Ihre !'H-NMR-Spektren

zeigen folgende

Signale: Isomer 1, öd = 1.5 und 2.0 (Integralverhältnis 3:1). Isomer 2, ö = 1.2 und 3.6 (Integralverhältnis 3:1). Alle Signale sind scharfe einfache Linien. Schlagen Sie Formeln für diese zwei Isomeren vor. Zu welcher Verbindungsklasse gehören sie? 14 Nachfolgend sind drei C,HsCh-Isomere und drei 'H-NMR-Datensätze angegeben. Finden Sie die korrekte Zuordnung von Konstitution und Spektraldaten. (Hinweis: Es kann eine Hilfe sein, die Spektren zu skizzieren.)

cıcı | (a) CHzZCH>CHCH,

() 8 = 1.5 (d, 6 H) und 4.1 (quin, 2H)

Ij

di)d =1.6(4,3H),21(4,2M

(b) CH3CHCHCH3z

Cl

|

3.6. (6, 2. H), und 4.2. (sex,

Cl

Gi) ö = 1.0 (t,

3H), 1.9 (quin, 2 H),

3.6 (d, 2 H), und 3.9 (quin, 1 H)

(c) CH3CHCH>CH>

15

u

Die !'H-NMR-Spektren C bis F entsprechen vier isomeren Alkoho-

len mit der Summenformel Konstitutionen zuzuordnen. nen zu können,

wurden

C;H),O. Versuchen Sie, den Spektren die Um die Aufspaltungsmuster besser erken-

die Spektren D, E und F bei 300 MHz

aufge-

nommen. In den Ausschnitten der Spektren D und F sind einige wichtige Signale gespreizt (vergrößert). 6H

3.0

28

2.0

1.5

1.0

90-MHz-"H-NMR-Spektrum ö

0.5

0.0

Aufgaben

6H

18 1716 13114

AN

4.0

34

0 35.630.523 920.130 300-MHz-'H-NMR-Spektrum ö

She

3.0

20

2.0

10

1.5

1.0

EN

0.5

0.0

300-MHz-"H-NMR-Spektrum ö

PRESENT

N VE E01 en AT 300-MHz-"H-NMR-Spektrum ö

U a

16 Skizzieren Sie die 'H-NMR-Spektren der folgenden Verbindungen. Schätzen Sie die chemische Verschiebungen ab (s. Abschn. 10.4) und geben Sie die korrekte Multiplettstruktur für die Signale mit Spin-SpinKopplung an. (a) CH;CH,OCH3Br;

(b) CH;OCH3;CH3Br;

(c) CH,CH,CH,OCH;CH;CH5 ; (d) CH,CH(OCH;„).. 17 Ein Kohlenwasserstoff der Formel C,H,, hat das 'H-NMR-Spektrum G. Wie ist seine Konstitution? Dieses Molekül hat eine strukturelle

Gemeinsamkeit

mit einem

anderen

Molekül,

dessen

'H-NMR-

Spektrum in diesem Kapitel abgebildet ist. Um welches Molekül handelt es sich dabei? Erklären Sie Gemeinsamkeiten

und Unterschiede in den

beiden Spektren. 441

10 NMR-Spektroskopie zur Strukturaufklärung

2 G

1

0

ö

18 Behandelt man den Alkohol mit dem NMR-Spektrum D aus Aufgabe 15 mit konzentriertem HBr, erhält man eine Verbindung mit der Summenformel

CsH,ıBr.

Deren

NMR-Spektrum

hat Signale bei d =

1.0 (t, 3H), 1.2 (s, 6H) und 1.6 (q, 2H). Erklären Sie diesen Befund. (Hinweis: Man beachte das NMR-Spektrum C aus Aufgabe 15.) 19 Das 'H-NMR-Spektrum von 1-Chlorpentan ist bei 60 MHz (Spektrum H) und bei 500 MHz (Spektrum I) gezeigt. Erklären Sie die Unterschiede in den beiden Spektren und ordnen Sie die Signale den Wasserstoffatomen des Moleküls zu.

kA,

442

Aufgaben

20

Kann man die drei isomeren Pentane allein aufgrund ihrer 'H-Breit-

band-entkoppelten "C-NMR-Spektren unterscheiden? Wie steht es mit

den fünf isomeren Hexanen? 21 Wie sollten die "C-NMR-Spektren der Verbindungen aus Aufgabe 9 mit und ohne Protonenentkopplung aussehen?

22 Beantworten Sie für jede Gruppe isomerer Verbindungen aus Aufgabe 10 die dort gestellten Fragen auf der Basis der für sie zu erwartenden "C-NMR-Spektren. 23 Entscheiden Sie für jede der folgenden Gruppen, welche Verbindung am besten mit dem angegebenen protonenentkoppelten "’CNMR-Spektrum zu vereinbaren ist. Erklären Sie Ihre Entscheidung.

(a) CH;(CH;),CH;, (CH3);CCH;CH;, (CH; ,CHCH(CH3);; ö = 19.5, 33.9. (b) 1-Chlorbutan,

1-Chlorpentan, 3-Chlorpentan; ö =

13.2, 20.0,

34.6, 44.6. (ec) Cyclopentanon, Cycloheptanon, Cyclononanon; d = 24.0, 30.0, 43.5, 214.9. (d) CICH,CHCICH;>Cl, CH;CChCH3>Cl, CH, = CHCH3;C]; 0 =45.1,.118.3, 133.8. 24

Schlagen Sie für die folgenden zwei Moleküle Formeln vor, die mit

den abgebildeten 'H-NMR- und !'H-Breitband-entkoppelten "C-NMRSpektren vereinbar sind: (a) C-H,;O, Spektren J und K. (b) C;H,50,>, Spektren L und M.

443

10 NMR-Spektroskopie zur Strukturaufklärung

4

3

J

Ne Eat 80

K

2

1

0

ö

7 60

40 ö

in 20

Aufgaben

4

3

L

80 M

2

|

0

ö

60

| 40 ö

| 20

| 0

10 NMR-Spektroskopie zur Strukturaufklärung

25 Das 300 MHz-'H-NMR-Spektrum des Cholesterylbenzoates, einem Derivat eines typisch komplexen biologisch wichtigen Moleküls, ist als Spektrum N abgebildet. Trotz seiner Komplexität, kann man bestimmte Signale erklären. Erklären Sie so viele Signale und Aufspaltungsmuster, wie Sie Können. Im Spektrum ist das Signal bei ö = 4.85 mit zweifacher Dehnung wiedergegeben. Warum ist das Signal derart komplex? Wie kann man die vergleichsweise einfache Aufspaltung des Signals bei ö = 5.4 erklären? H3C CH3

CH; CH

CH;

,

OÖ

Ich

co

Cholesterylbenzoat

3H 3H

6H

|

|

3H

|

RE

8.0

7.5

070360

3.9

5.0

45

40

3:3

3.0

1,0

Oz

300-MHz-'"H-NMR-Spektrum ö 26 Das Terpen o-Terpineol hat die Formel C,oH1sO und ist Bestandteil von etherischen Ölen aus Kiefern. Wie die Endung -ol zeigt, handelt es

sich um einen Alkohol. Ermitteln Sie anhand Spektrum O die Struktur des a-Terpineols, so gut Sie können. Dazu sollten Sie von den folgenden Hinweisen Gebrauch machen: (1) a-Terpineol hat das gleiche 1-Methyl4-(1-methylethyl)ceyclohexan-Gerüst wie einige andere Terpene (z.B. Carvon, Aufgabe 9, Kap. 5); (2) anstatt dieses komplizierte NMR-Spektrum vollständig zu interpretieren, sollten Sie sich auf die offensichtlichen Signale konzentrieren (bei ö = 1.1, 1.6 und 5.3) und dabei die chemischen Verschiebungen, Integrale und - soweit vorhanden — Aufspaltungen als Hilfe heranziehen.

Aufgaben

o

Ö

27 Das Studium von Solvolysereaktionen von Derivaten des Menthols [5-Methyl-2-(1-methylethyl)-1-cyclohexanol] hat unser Verständnis derartiger Reaktionen erheblich erweitert. Das Erhitzen des 4-Methylbenzolsulfonates

des

abgebildeten

speziellen

Menthol-Isomeren

in 2,2,2-Tri-

fluorethanol (einem stark ionisierenden Lösungsmittel geringer Nucleophilie) führt zu zwei Produkten der Formel C,oHıs:

CH; CF3CH>OH, A

—

(D)H

5

050,0

C;0oHıs (zwei Produkte)

ch

CH(CH3)>

(a) Das Hauptprodukt zeigt im "’C-NMR-Spektrum zehn unterschiedliche Signale, von denen zwei bei niedrigerem Feld als ö = 100 Niegen, nämlich bei ö = 120 und ö = 145. Das 'H-NMR-Spektrum zeigt bei ö = 5 ein einem Wasserstoffatom entsprechendes Multiplett; die anderen Signale erscheinen bei höherem Feld als d = 3. Identifizieren Sie das Reaktionsprodukt. (b) Das Nebenprodukt hat im '’C-NMR-Spektrum nur sieben Signale. Wiederum erscheinen zwei davon bei tiefem Feld (etwa ö = 125 und ö = 140). Es werden jedoch keine 'H-NMR-Signale bei niedrigerem Feld als ö = 3 gefunden. Identifizieren Sie dieses Produkt und erklären Sie seine Bildung mechanistisch. (c) Wenn das Ausgangssulfonat an C-2 des Cyclohexanringes anstatt eines Wasserstoffatoms (H) ein Deuteriumatom (D) trägt, werden wiederum zwei Produkte gebildet. Das Hauptprodukt zeigt

im Prinzip das gleiche '"C-NMR-Spektrum wie in a, das 'H-NMRSignal bei ö = 5 ist jedoch erheblich kleiner als erwartet. Wie kann man diesen Befund erklären? Dabei spielt der Mechanismus der Bildung des Nebenproduktes (Teil b) eine Rolle.

447

10 NMR-Spektroskopie zur Strukturaufklärung

Gruppenübung 28

Ihre Gruppe wird mit einem Rätsel konfrontiert. Vier isomere Ver-

bindungen A - D mit der Summenformel C,HsBrO reagieren mit KOH zu den Produkten E - G mit der Summenformel C,H3O. Die Moleküle

A und B führen zu den Verbindungen E bzw. F. Die NMR-Spektren der Verbindungen C und D sind identisch und beide führen zu demselben Produkt G. Obwohl einige der Ausgangsverbindungen optisch aktiv sind, trifft dies auf keines der Produkte zu. E, F und G zeigen im !H-NMR-Spektrum jeweils nur zwei Signale mit unterschiedlichen chemischen Verschiebungen. Kein Signal wird zwischen d = 4.6 und d = 5.7 beobachtet. Die Aufspaltungsmuster von E und G sind komplex, während im Spektrum von F nur zwei Singuletts beobachtet werden. Das Protonen-entkoppelte "C-NMR-Spektrum zeigt für E und G jeweils nur zwei Signale, während im Spektrum von F drei Peaks beobachtet werden. Benutzen Sie diese Informationen aus den Spektren, um mit Ihrem gesamten Team zu bestimmen, aus welchen Isomeren von C,HsBrO welche Isomere von C,H;O entstehen. Wenn Sie die passenden Edukt-Produkt-Paare herausgefunden haben, teilen Sie Ihr Team

auf, um die 'H- und '’C-NMR-Spektren der Produkte qualitativ vorauszusagen. Schätzen sie jeweils die chemischen Verschiebungen im !Hund "C-NMR-Spektrum ab und beschreiben Sie abschließend das dazugehörige DEPT-Spektrum.

Alkene und Infrarot-

Spektroskopie

In den fünf vorangegangenen Kapiteln haben wir mehrere funktionelle Gruppen kennengelernt und mit dem Studium der Spektroskopie begonnen. Wir haben uns dabei überwiegend mit Molekülen,

die nur Einfach-

bindungen enthalten, beschäftigt. Wir haben festgestellt, daß aus diesen Molekülen durch Eliminierungsreaktionen Alkene gebildet werden können. Mit diesem Kapitel beginnend, werden wir uns die Verbindungsklassen genauer ansehen, die durch Mehrfachbindungen charakterisiert sind. Alkene enthalten eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung. In Kapitel 12 werden wir lernen, daß diese Bindung eine beträchtliche Reaktivität besitzt und Alkene zu wertvollen Ausgangsstoffen für Kunststoffe, Kunstfasern, Baumaterial und eine Reihe anderer industriell wichtiger Substanzen macht. Viele gasförmige Alkene setzen sich bei Additionsreaktionen an die Doppelbindung zu Ölen um, weshalb diese Verbindungsklasse früher als die der Olefine (von lat. oleum facere, Öl machen) bezeichnet wurde. Da Alkene Additionsreaktionen eingehen können, sagt man, sie seien ungesättigt, im Gegensatz zu den Alkanen, die als gesättigt bezeichnet werden. In diesem Kapitel werden die Nomenklatur und die physikalischen Eigenschaften der Alkene diskutiert, und es werden neue Methoden eingeführt, mit denen die relative Stabilität von Isomeren beurteilt werden kann. Die Diskussion der Alkendarstellung ist eine Gelegenheit, unseren Kenntnisstand über Eliminierungsreaktionen wieder aufzufrischen und zu erweitern. Wir werden außerdem als zweite spektroskopische Methode die Infrarot-Spektroskopie (IR-Spektroskopie) vorstellen und zeigen, wie organische Chemiker mit ihrer Hilfe die Anwesenheit oder Abwesenheit — funktioneller Gruppen in einem Molekül bestimmen können.

449

11

Alkene und Infrarot-

Spektroskopie

11.1 Die Nomenklatur der Alkene Die charakteristische funktionelle Gruppe der Alkene ist eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung. Die allgemeine Summenformel der Alkene ist C„H>„, dieselbe wie die der Wie bei anderen Verbindungsklassen noch Trivialnamen in Benutzung. Bei Alkans durch die Endung -ylen ersetzt.

Cycloalkane. sind auch bei manchen Alkenen diesen wird die Endung -an des Substituentennamen werden als

Präfixe hinzugefügt. Trivialnamen von Alkenen

CH CH,=CH ee

CH ei FR

Ethylen

Propylen

(Fruchtreifungshormon in Pflanzen)

Cl

H

cl

cl Ne GR Fa >

H

Trichlorethylen

(Ausgangsverbindung für Kunststoffe)

(gebräuchliches Reinigungsmittel)

In der IJUPAC-Nomenklatur wird die einfachere Endung -en anstatt -ylen benutzt, wie beispielsweise in Ethen und Propen. Kompliziertere Systeme erfordern Anpassungen und Erweiterungen der Nomenklaturregeln für Alkene (Abschnitt 2.3):

Regel 1_ Finden Sie die längste Kette von Kohlenstoffatomen, die die funktionelle Gruppe - hier beide an der Doppelbindung beteiligte Kohlenstoffatome — enthält. Das Molekül kann längere Kohlenstoff-Ketten enthalten, aber diese werden bei der Benennung des Stammsystems nicht beachtet.

CH,CHLCH; CH,=CHCH(CH,), CH;

CH;=CHCHCH;CH, ein Methylpenten

H;C CH,CHz CHSCH,ZCH,CH,C=CCH,CH;CH;CH;

ein Propyloeten

ein Ethylmethyldecen

(kein Hexen- oder Nonanderivat)

(kein Penten-, Hepten- oder Octenderivat)

Regel 2 Die Position der Doppelbindung in der Hauptkette wird durch eine Nummer angezeigt. Die Numerierung beginnt an dem Ende, das der Doppelbindung näher ist. In Cycloalkenen sind die Kohlenstoffatome 1 und 2 immer die, zwischen denen die Doppelbindung steht. Die Lage der Doppelbindung muß deshalb nicht extra angegeben werden.

Alkene

gleicher Summenformel,

die sich nur

in der Position der

Doppelbindung unterscheiden (wie in 1-Buten und 2-Buten), heißen Doppelbindungs-Isomere. Ein 1-Alken wird auch als terminales Alken bezeichnet,

die übrigen

als interne.

Beachten

Sie, daß

Alkene

leicht

durch Strichformeln dargestellt werden. 1 6 1

a

CH,=CHCH;CH; 1-Buten (ein terminales Alken,

nicht 3-Buten)

ns

ana

CH,CH=CHCH, 2-Buten (ein internes Alken und

1

2

: aa

2-Penten (nicht 3-Penten)

5

2 :

3

Cyclohexen

Doppelbindungsisomer von I-Buten)

Regel 3 Die Substituenten und ihre Positionen werden dem Namen des Alkens als Präfixe vorgestellt. Bei Alkenen mit symmetrischem Stammsystem ist so zu numerieren, daß der erste Substituent entlang der Kette die niedrigst mögliche Nummer erhält.

450

H;C

CH; 1

203

4

11.1

3

3

5

CH; N

CH; =CHCHCH;CH;

9%

3

45

Die Nomenklatur der Alkene

6

CH,CHCH=CHCH>CH;

3-Methyl-1-penten

3-Methyleyclohexen

2-MethylL-3-hexen

(nicht 6-Methyleyclohexen)

(nicht 5-Methyl-3-hexen)

Übung 11-1 Benennen Sie die folgenden zwei Alkene:

CH;

(a) en

rt

CH;

Br

Regel 4 In einem 1,2-disubstituierten Ethen können die zwei Substituenten auf derselben oder auf entgegengesetzten Seiten der Doppelbindung stehen. Die erste relative Konfiguration wird cis genannt, die zweite trans. Zwei Alkene der gleichen Summenformel, die sich nur in ihrer relativen Konfiguration unterscheiden, werden cis-trans-Isomere genannt und sind Beispiele für Diastereomere: Stereoisomere, die sich nicht wie Bild und Spiegelbild verhalten. % CiS A

H;C

CH

Be H

on

Dr

trans

H;C

H

ONDEN Je ee ICH, rg

cis-2-Buten

trans-2-Buten

7

CH;>CH

Lu Pe H

CH

H

4-Chlor-cis-2-penten

Übung 11-2 Benennen Sie die folgenden zwei Alkene:

Rn

(a)

u

PN H

(b)

Far

H

In kleineren substituierten Cycloalkenen kann die Doppelbindung nur in der cis-Konfiguration existieren. Wie man sich anhand eines Molekülmodells vor Augen führen kann, ist die frans-Konfiguration viel zu stark gespannt, um existieren zu können. In größeren Cycloalkenen sind trans-Isomere allerdings stabil.

"CH3

CH3

CH>CH3 F 3-Fluor-1-methyleyclopenten

H;C 1-Ethyl-2,4-dimethylcyclohex en

trans-Cyelodecen

(In beiden Fällen ist nur das cis-Isomer stabil.)

Regel 5 Bei Verbindungen, in denen an beide Kohlenstoffatome der Doppelbindung nur ein oder gar kein Wasserstoffatom gebunden sind, ist die eindeutige Zuordnung der Präfixe cis oder trans schwieriger. Ein alternatives und allgemeineres System zur Benennung von substituierten (insbesondere tri- oder tetrasubstituierten) Alkenen wurde von der IUPAC eingeführt: Das E,Z-System. In dieser Konvention werden die Sequenzregeln für die Priorität von Substituenten in R,S-Namen (Abschn. 5.3) getrennt auf die Substituenten eines jeden doppelt gebun-

451

11

Alkene und Infrarot-

Spektroskopie

denen Kohlenstoffatoms (geminale Gruppen) angewandt. Wenn die beiden Gruppen höchster Priorität auf entgegengesetzten Seiten der Doppelbindung stehen, hat das Molekül E-Konfiguration (E von entgegen). Wenn die zwei Gruppen höchster Priorität auf derselben Seite der Doppelbindung stehen, liegt eine Z-Konfiguration vor (Z von zusammen). Br

F

SRH /

F

x

AR

CH;C

H

2

CH>CH3>CH3

CICH>CH>

(Z) -1-Brom-1,2-difluorethen

CH3

(E) -1-Chlor-3-ethyl-4-methyl-3-hepten

Übung 11-3 " Benennen Sie die folgenden Alkene:

D

N

D Wi

F

H

H;C

H;C

OCH; Ye

cl

CH;CH;

Regel 6 Die Hydroxygruppe hat gegenüber der Doppelbindung Vorrang. Alkohole, die in ihrem Kohlenstoffgerüst eine Doppelbindung enthalten, werden Alkenole genannt, und das beide funktionelle Gruppen enthaltende Stammsystem wird so numeriert, daß das Kohlenstoffatom mit der OH-Gruppe die kleinste mögliche Nummer erhält.

’

OH

CH,CH

I3

A my „CHCHLCH, 3 CH;

a | =CHCH,0OH

H;C

2-Propen-1-ol

2

Mi N

H

(Z)-5- Chlor -3-ethyl-4-hexen-2-0l

(nicht 1-Propen-3-ol)

(die beiden Chiralitätszentren sind nicht spezifiziert)

Übung 11-4 Zeichnen Sie die Konstitutionsformeln der folgenden Moleküle: b) 3-Cyelohexenol.

a) trans-3-Penten-1-ol;

Regel 7 Substituenten, die eine Doppelbindung enthalten, werden Alkenyl genannt, wie Ethenyl (Trivialname Vinyl), 2-Propenyl (Allyl) und cis-l-Propenyl. H CH, —=CH—

CH,=CH—CH>

an

ae

.

H

H;C Ethenyl

2-Propenyl

(Vinyl)

(Ally)

cis-1-Propenyl

Üblicherweise beginnt die Numerierung Anknüpfungspunkt an das Stammsystem. l

eines

3

Substituenten

5

er

OH trans-3-(4- Penteny)eyclooctanol

Übung 11-5 a) Zeichnen Sie die Konstitutionsformel von trans-1,2-Diethenyleyclopropan; b) benennen Sie das am Rand abgebildete Molekül

452

am

11.2 Struktur und Bindung in Ethen: Die r-Bindung

11.2 Struktur und Bindung in Ethen: Die z-Bindung

Aufgrund ihrer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen haben Alkene besondere elektronische und strukturelle Eigenschaften, die Gegenstand dieses Abschnittes sind: Hybridisierung, die Natur der beiden Bindungen (o und r), die Stärke der n-Bindung und die Molekülstruktur von Ethen, dem einfachsten Alken.

Die Doppelbindung besteht aus einer o- und einer n-Bindung Die Molekülstruktur von Ethen ist planar, die Bindungswinkel an den beiden Kohlenstoffatomen mit trigonaler Geometrie betragen annähernd 120° (Abb. 11-1). Daher werden die beiden Kohlenstoffatome am besten als sp’-hybridisiert beschrieben (Abschn. 1.8). Zwei Orbitallappen der sp’-Hybridorbitale eines jeden Kohlenstoffatoms überlappen unter Bildung von insgesamt vier o-Bindungen mit den 1s-Orbitalen der Wasserstoffatome. Die verbliebenen zwei Orbitallappen der sp’-Hybridorbitale der beiden Kohlenstoffatome überlappen unter Bildung einer C—C-o-Bindung. Daneben haben die beiden Kohlenstoffatome jeweils noch ein 2p-Orbital, die parallel zueinander stehen und überlappen können (Abb. 11-2A). Dieser Typ einer chemischen Bindung wird als z-Bindung bezeichnet und ist charakteristisch für die Doppelbindungen in Alkenen. Die Elektronen einer r-Bindung sind über beide Kohlenstofffatome delokalisiert und befinden sich oberhalb und unterhalb der Mole-

gl?

T

any 116.6°(,

c=C

H

H N

107.6 pm

4 133.0 pm

Abb.

11-1 Molekülstruktur

von

Ethen.

külebene (Abb. 11-2B).

a 2p-Orbital A

m sp2-Orbital

ER

|

B

Abb. 11-2 Molekülorbitale (A) des Ethens. Die aus der Überlappung zweier sp’-Orbitale gebildete C—C-Bindung wird als o-Bindung bezeichnet. Die beiden zur Molekülebene senkrecht steheitden p-Orbitale überlappen unter Bildung der zusätzlichen r-Bindung. Zur Verdeutlichung wurde diese Überlappung durch die durchbrochenen grünen Linien dargestellt, wobei die Orbitallappen voneinander entfernt sind. Eine andere Art der Darstellung der n-Bindung ist in (B) wiedergegeben. Hier befindet sich die „rn-Elektronenwolke“ oberhalb und unterhalb der Molekülebene.

Die relative Stärke von o- und n-Bindungen Wie unser Orbital-Bild zeigt, besteht die Doppelbindung aus zwei unterschiedlichen Bindungen: einer o- und einer n-Bindung. Wie groß ist ihr jeweiliger Anteil an der Stärke der Doppelbindung? Wir wissen aus Abschnitt 1.4, daß chemische Bindungen durch die Überlappung von Orbitalen entstehen und daß die Bindungsstärke von der Effektivität dieser Überlappung bestimmt wird. Wegen der räumlichen Anordnung der Orbitale dürfen wir daher erwarten, daß die Orbital-Überlappung in einer o-Bindung deutlich besser ist als in einer n-Bindung. Diese

453

11 Alkene und InfrarotSpektroskopie

„Außer-

Phase-Überlappung“ (Abstoßung) o*

bindendes Molekülorbital

„In-PhaseÜberlappung“ (Bindung) o H

Abb. 11-3 Überlappung zweier sp’-Hybridorbitale unter Bildung der o-Bindung des Ethens. Eine Wechselwirkung zwischen Orbitalen ist in Phase, wenn sie zwischen Bereichen der Wellenfunktion mit gleichem Vorzeichen erfolgt; dieses wird willkürlich als (+) bezeichnet [man hätte auch (—) wählen können; man beachte, daß es sich dabei nicht um elektrische Ladungen handelt]. Eine solche Überlappung verstärkt die Bindung. Die beiden Elektronen besetzen das so gebildete bindende Molekülorbital in spingepaartem Zustand. Die Darstellung eines solchen o-Molekülorbitals macht deutlich, daß sich die Elektronen dieses Orbitals mit größter Wahrscheinlichkeit in der unmittelbaren Umgebung der Kern-Kern-Verbindungslinie aufhalten. Eine außer-Phase-Überlappung erfolgt zwischen Bereichen der Wellenfunktion mit unterschiedlichem Vorzeichen und führt zur Bildung eines unbesetzten antibindenden Orbitals, das üblicherweise als solches durch einen Stern gekennzeichnet wird, hier o*. Das antibindende Orbital ist durch eine Knotenebene gekennzeichnet, entlang derer die Wellenfunktion ihr Vorzeichen wechselt, wie in der Abb. gezeigt. Die das System stabilisierende Energie AK, bei Bildung einer o-Bindung ist größer als AZ, bei Bildung einer n-Bindung (s. Abb. 11-4).

Situation wird als Wechselwirkung zwischen Energieniveaus in MOSchemata dargestellt (Abb. 11-3 und 11-4), wie sie schon benutzt wurden, um die chemische Bindung im Wasserstoffmolekül zu beschreiben (Abb. 1-8 u. 1-9). Für jeden der beiden Orbital-Typen gibt es zwei verschiedene Wechselwirkungen, eine bindende und eine antibindende. Bei der bindenden Wechselwirkung überlappen die beiden Orbitale anziehend (in Phase) unter Bildung der o- und n-Bindungen; bei der antibindenden überlappen sie abstoßend (außer Phase) und ergeben die antibindenden Kombinationen o* und rr®. Die Gestalten der Molekülorbitale bei bindender und bei antibindender Wechselwirkung sind in Abb. 11-3 und 11-4 gezeigt. Weil die Überlappung in r-Orbitalen geringer ist als in o-Orbitalen, ist der Energieunterschied AF, geringer als AB, Das bindende Molekülorbital der o-Bindung ist energieärmer als das der entsprechenden r-Bindung. Dieser Unterschied zwischen den beiden beteiligten Bindungen hat chemische und physikalische Konsequenzen.

454

Knoten-

„Außer-Phase-

Überlappung“ (Abstoßüng) r*

Abb. 11-4 Überlappung zweier p-Orbitale unter Bildung einer n-Bindung in Ethen (sp°-Orbitale wurden weggelassen). Die gleichphasige Wechselwirkung führt zur Bildung eines bindenden r-Orbitals, das durch die beiden Elektronen gefüllt wird. Die gegenphasige

Wechselwirkung ergibt ein anti-

56

Dr

bindendes n*-Orbital, welches nicht besetzt ist und eine Knotenebene aufweist. Der Darstellung des n-Molekülorbitals ist zu entnehmen, daß sich die dieses Orbital besetzenden Elektronen mit größter Wahrscheinlichkeit zwischen den beiden sp’-hybridisierten Kohlenstoffatomen über und unter der Molekülebene aufhalten. Die das System stabilisierende Energie AE, ist kleiner als AR, (s. Abb. 11-3).

„In-Phase-

Überlappung“ (Bindung) x

Beispielsweise erfolgt die Abspaltung eines Elektrons aus einem Alken, wie man anhand des lonisierungspotentials messen kann (Abschn. 1.6), aus dem energetisch höher liegenden n-Niveau, denn r-Elektronen sind weniger stark gebunden als o-Elektronen. Die energetische Abfolge der Molekülorbitale in einer Doppelbindung ist in Abb. 11-5 dargestellt.

o*-Orbital antibindende Orbitale n*-Orbital

--

ra-Orbital

Abb. 11-5 Energieniveaus der an einer Doppelbindung beteiligten Molekülorbitale.

bindende Orbitale =F

o-Orbital

Die vier Elektro-

nen besetzen nur die bindenden Orbitale.

Die thermische cis-trans-Isomerisierung ermöglicht die Bestimmung der Stärke einer n-Bindung Die relative Stärke von n- und o-Bindungen kann durch eine Messung der Energie abgeschätzt werden, die für eine thermische cis-trans-Isomerisierung eines spezifisch substituierten Alkens — etwa

1,2-dideuterierten

Ethens - erforderlich ist. Bei dieser Isomerisierung werden die zwei pOrbitale, die die n-Bindung bilden, um 180° gedreht. Bei einer Rotation um 90° stehen die beiden p-Orbitale senkrecht zueinander und überlappen daher nicht; dies ist der Übergangszustand der Isomerisierung (Abb. 11-6). In diesem Zustand ist die n-Bindung, nicht jedoch die oBindung, gebrochen; daher entspricht die Aktivierungsenergie dieser Isomerisierung ungefähr der Bindungsstärke der r-Bindung in der Doppelbindung. Experimentell erfordert eine solche rein thermische Isomerisierung ziemlich hohe Temperaturen (400-500 °C), um mit meßbarer Geschwindigkeit abzulaufen. Die Aktivierungsenergie beträgt 272 kJ/mol, ein Wert, den man üblicherweise

der Stärke der n-Bindung

zuschreibt. Bei Temperaturen unter 300°C sind die meisten Doppelbin455

B

c

Abb. 11-6 Thermische Isomerisierung von cis-Dideuterioethen zum trans-Isomer. Die Reaktion verläuft vom Ausgangsmaterial (A) über eine Rotation um die C—C-Bindung, bis im Übergangszustand (B) der Zustand höchster Energie erreicht ist. Hier stehen die beiden p-Orbitale, aus denen die r-Bindung gebildet wurde, senkrecht zueinander. Weitere Rotation führt zur Bildung des Produktes (C), in dem die beiden Deuteriumatome zueinander trans-ständig sind.

Das Symbol * in Abb. 11-6 kennzeichnet den Übergangszustand.

© 419

Abb. 11-7 Ungefähre Bindungsstärken in einem Alken (in kJ/mol).

dungen

konfigurationsstabil;

cis bleibt

cis und

trans

bleibt

trans.

Die

Stärke der gesamten Doppelbindung im Ethen — mit anderen Worten die Energie, die zur Spaltung in zwei Methylen-Fragmente benötigt wird — wurde zu 724 kJ/mol abgeschätzt; dementsprechend hat die oBindung in diesem Molekül eine Bindungsstärke von etwa 452 kJ/mol (Abb. 11-7). Die Bindung zwischen einem Alkyl-Substituenten oder einem Wasserstoffatom und einem Alkenyl-Kohlenstoffatom ist ungewöhnlich stark, verglichen mit entsprechenden Bindungen in Alkanen (Tab. 3-2); der Unterschied macht mehr als 42 kJ/mol aus. Zu einem großen Teil beruht dieser Unterschied auf der verbesserten Überlappung der relativ dichten sp’-Hybride und den Orbitalen der Substituenten. Daher laufen Radikalreaktionen von Alkenen nicht unter Abspaltung der stark gebundenen Vinyl-Wasserstoffatome ab. Tatsächlich ist der größte Teil der Chemie der Alkene durch die Reaktivität der schwächeren Bindung charakterisiert: der n-Bindung (Kap. 12). Zusammenfassend ist festzuhalten, daß die für eine Doppelbindung eines Alkens charakteristische Hybridisierung seine physikalischen und elektronischen Eigenschaften bestimmt. Diese Hybridisierung ist die Ursache für die Bildung einer starken o-, sowie einer schwächeren n-Bindung,

für stabile

cis- und

trans-Isomere

und

für die Stärke

der

Bindung zwischen Alkenyl-Kohlenstoff und Substituent. Sie bewirkt die Planarität der Doppelbindung mit den trigonalen Kohlenstoffatomen.

11.3 Physikalische Eigenschaften der Alkene

Tabelle 11-1 Vergleich der Schmelzpunkte von Alkanen und Alkenen Schmelz-

Verbindung

punkt (°C)

Butan

— 138

trans-2-Buten cis-2-Buten

— 106 — 189

Pentan

—130 183 — 180 295 85 —141 —115 —138

trans-2-Penten cis-2-Penten Hexan

trans-2-Hexen cis-2-Hexen trans-3-Hexen cis-3-Hexen

456

Verändern sich die physikalischen Eigenschaften von Alkenen im Vergleich zu denen entsprechender Alkane durch die Doppelbindung? Die Siedepunkte von Alkenen unterscheiden sich Kaum von denen entsprechender Alkane. Wie auch die jeweiligen gesättigten Alkane sind Ethen, Propen und die Butenisomere bei Raumtemperatur gasförmig. Bei den Schmelzpunkten ist die Situation etwas anders, da diese teilweise von der molekularen Packung im Kristallgitter abhängen, einer Funktion der Molekülstruktur. Die Doppelbindung cis-konfigurierter Alkene führt zu einer U-förmigen Molekülstruktur, die die Packung der Moleküle im Kristall stört. Dadurch liegen die Schmelzpunkte von cis-Alkenen üblicherweise unter denen des entsprechenden Alkans und des entsprechenden trans-Alkens (Tab. 11-1). Daß Speiseöl erst bei niedrigeren Temperaturen als Raumtemperatur fest wird, ist eine Folge der cis-konfigurierten Doppelbindung. Die funktionelle Gruppe (Doppelbindung) beeinflußt auch andere physikalische Eigenschaften, beispielsweise die Polarität und die Acidität. In Abhängigkeit von ihrer Struktur können Alkene Dipolmomente aufweisen, denn die Alkenyl-Alkyl-Bindung ist in Richtung auf das sp°hybridisierte Kohlenstoffatom polarisiert. Die Polarisierung hat ihre

Ursache darin, daß der prozentuale Anteil des s-Charakters in einem sp’-Hybridorbital größer ist als in einem sp’-Hybridorbital. Im allgemeinen halten sich Elektronen in Orbitalen mit höherem s-Charakter dichter am Atomkern auf als solche in einem Orbital mit räumlich stärker

11.3

Physikalische

Eigenschaften der Alkene

gerichtetem p-Charakter. Dieser Effekt macht sp’-Kohlenstoffatome relativ elektronenziehend und verursacht einen Dipol entlang einer Alkenyl-Alkyl-Bindung. Häufig, besonders bei cis-disubstituierten Alkenen, führt dies zu einem Dipolmoment des gesamten Moleküls. In trans-disubstituierten Alkenen sind solche Dipolmomente klein, da die Polarisierung der einzelnen Bindungen entgegengesetzt gerichtet sind, so daß sich die Dipole gegenseitig ausgleichen können. Polarisierung in Alkenen H;C

Resultierendes

|

CH>CH3

H;C X

aan a

Dipolmoment

%

u

H

H

Kei

Ra x

H

een

SS

H

Dipolmoment

CH3

Eine weitere Konsequenz des elektronenziehenden Charakters des sp’-Kohlenstoffatoms ist die erhöhte Acidität der Vinyl-Wasserstoffatome. Während Ethan einen pK, von ungefähr 50 hat, ist Ethen mit einem pK, von 44 etwas acider. Dennoch ist Ethen ein sehr schwacher Protonen-Donator, verglichen mit anderen Verbindungen wie Alkoholen oder gar Carbonsäuren. Acidität von Vinyl-Wasserstoffatomen

CH»—CH,—Ha —

CH>—CH,”+ H* Ethyl-

H

Va CH,=C

Anion

N —K-10#

Ss:

a CH,=CH

i +

H

Ethenyl(vinyl-)

Anion

U Übung 11-6 ’ Ethenyllithium (Vinyllithium) wird üblicherweise nicht durch Deprotonierung von Ethen dargestellt, sondern durch Metallierung von Chlorethen (Vinylchlorid) oder Transmetallierung von Tetraethenylzinn (Tetravinylzinn) (Abschn. 8.7):

CH,=CHe + 2. CEO

CH,—CHLi + LiCı 60%

THF

4 CH3CH>CH>CH3>Li + (CHy=CH)4Sn ——

4 CH,=CHLi + (CH3CH>CH>CH3)4Sn

| Wenn man Ethenyllithium mit Propanon (Aceton) behandelt, erhält man nach wäßriger Aufarbeitung in 74% Ausbeute eine farblose Flüssigkeit. Schlagen Sie dafür eine Formel vor.

_

Wir fassen zusammen: Die Gegenwart der Doppelbindung beeinflußt die Siedepunkte der Alkene nur unwesentlich, aber sie führt zu schwach polaren Bindungen und zu erhöhter Acidität von Alkenyl-Wasserstoffatomen gegenüber Alkyl-Wasserstoffatomen.

457

11

Alkene und Infrarot-

Spektroskopie

11.4 NMR-Spektroskopie von Alkenen Die 'H- und "’C-NMR-Spektren von Alkenen enthalten deutliche Hinweise auf die Anwesenheit dieser funktionellen Gruppe (s. Tab. 10-2 u. 10-6). Wir werden uns damit befassen, wie dies zur Strukturbestimmung isomerer Alkene ausgenutzt werden kann.

Die n-Elektronen wirken entschirmend

auf die

Alkenyl-Wasserstoffatome Wasserstoffatome, die an sp’-hybridisierte Kohlenstoffatome gebunden sind, treten bei deutlich tieferem Feld in Resonanz als die von Alkanen. Die Signale terminaler Alken-Wasserstoffatome (RR’C=CH;3) erscheinen bei öd = 4.6-5.0, die interner (RCH=CHR'’) bei ö = 5.2-5.7. Abbildung 11-8 zeigt ein Spektrum des trans-2,2,5,5-Tetramethyl-3-hexens. Man beobachtet nur zwei Signale, eines für die 18 äquivalenten Methyl-Wasserstoffatome und eines für die beiden Alken-Wasserstoffatome. Die Signale erscheinen als Singuletts, weil zwischen äquivalenten Kernen keine Spin-Spin-Kopplung beobachtet wird, und da die Methylgruppen für eine beobachtbare Kopplung zu weit von den Alkenyl-Wasserstoffatomen entfernt sind. Warum ist die Entschirmung von Wasserstoffatomen an Doppelbindungen so ausgeprägt? Ein Grund dürfte der elektronenziehende Charakter der sp’-hybridisierten Kohlenstoffatome sein. Wir erinnern uns, daß in der NMR-Spektroskopie der Abzug von Elektronendichte zu einer Entschirmung führt. Obwohl dieser Effekt einen Beitrag zu den

—B-—>

Start of sweep 900 Hz

600

750

End of Sweep

450

300

Era: Die IR ze TESTEN FRE

ee

| re a

”

150

| 6

5

4

| 3

2

0

|

—

Abb. 11-8 Das 90 MHz 'H-NMR-Spektrum von trans-2,2,5,5-Tetramethyl-3-hexen in CCl, veranschaulicht den abschirmenden Effekt der n-Bindung bei Alkenen. Es zeigt zwei scharfe Singuletts für die beiden Sätze äquivalenter Protonen; das Signal der sechs Methylgruppen erscheint bei ö = 0.97 und das der beiden stark entschirmten Alkenyl-Wasserstoffatome bei ö = 5.30.

458

Abb. 11-9 Das externe Feld 3,

induziert eine kreisförmige Bewegung der r-Elektronen (in rot dargestellt) über und unter der Molekülebene. Diese Bewegung induziert ein lokales Magnetfeld

t Biokal

Bioxaı (in grün dargestellt), das dem externen Feld im Zentrum der Doppelbindung entgegen gerichtet ist, das es jedoch in den Bereichen, in denen sich die Alkenyl-Wasserstoffatome befinden, verstärkt.

Biokat )

|

externes Feld 39

beobachteten nach tiefem Feld verschobenen

Resonanzen

leistet, ist ein

anderes Phänomen hier wichtiger: Die Bewegung der Elektronen in der m-Bindung. Werden diese Elektronen der Wirkung eines äußeren, zur Doppelbindung senkrecht stehenden Magnetfeldes ausgesetzt, wird eine Kreisbewegung dieser Elektronen induziert. Dadurch entsteht um das Zentrum der n-Bindung ein lokales Magnetfeld, welches dem äußeren Magnetfeld entgegen gerichtet ist (Abb. 11-9). Die Bewegung der Elektronen

ist

dem

Induktionsstrom

in

einer

Drahtschleife,

die

in

ein

Magnetfeld gebracht wird, ähnlich (s. auch Abb. 10-12). Am Rand der Doppelbindung, da, wo sich die Alkenyl-Wasserstoffe befinden, verstärkt das lokal induzierte Magnetfeld das äußere. Die Folge ist, daß zur Kernresonanz dieser Wasserstoffatome eine geringere magnetische Feldstärke erforderlich ist: sie werden stark entschirmt. In Lösung werden sich nicht alle Moleküle in der in Abb. 11-9 gezeigten Weise exakt senkrecht zum äußeren Magnetfeld und damit für eine maximale Entschirmung ausrichten. Die meisten werden irgendeinen Winkel zum äußeren Feld einnehmen, der sich mit ihrer Bewegung in der Lösung schnell ändert. Diese Änderungen sind bezüglich der NMR-Zeitskala schnell, weswegen die beobachtete chemische Verschiebung ein Durchschnittswert aus allen beteiligten Molekülen ist, der nicht dem maximal möglichen Wert entspricht, jedoch, wie beobachtet, charakteristisch hoch ist.

Übung 11-7

=

Erklären Sie die Unterschiede der chemischen Verschiebungen der an C7 gebundenen Wasserstoffatome in den am Rand dargestellten Molekülen. Hinweis: Versuchen Sie, die in Abb. 11-9 entwickelten Prinzipien auf diese Verbindungen anzuwenden.

Kopplung durch die Doppelbindung: cis unterscheidet sich von trans Unsymmetrisch 1,2-disubstituierte Doppelbindungen haben nicht äquivalente benachbarte Alkenyl-Wasserstoffe, die miteinander koppeln. Als Beispiele dienen die Spektren von cis- und trans-3-Chlorpropensäure (Abb. 11-10). Man beachte, daß sich die Kopplungskonstante der zueinander cis-ständigen Wasserstoffatome (J = 9 Hz) von der der zueinander trans-ständigen (J = 14 Hz) unterscheidet. In Tabelle 11-2 findet sich eine Zusammenstellung der Größen der verschiedenen möglichen Kopplungen um eine Doppelbindung. Obwohl der Bereich für J., sich mit dem für Jun; überschneidet, ist in einer Gruppe isomerer Alkene die erste immer kleiner als die zweite. Dadurch können cis- und trans-Isomere leicht unterschieden werden. J.;, und Jan; sind vieinale Kopplungskonstanten (vgl. Abschn. 10-7). Die Kopplung zwischen nicht äquivalenten terminalen Wasserstoffatomen ist klein und wird geminale Kopplung 459

Start of sweep

|

Seen Bee

Offset von Ad = 3.0 nach höherem Feld

(tieferer Frequenz)

!

— ERERE

\

|

E:7 RER URETIETER. ‚IE 10

9

un

8

x

7

a

REIN

i

RR

|

BEN

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6

ee

ee

450

TE

u

300

150 iv

0

I

ale

a

BE

Birke

ee.

H

|

C==C'|

|

H

m

Co 9 Te

|

o

|

ie

ee

|

|

ee

|

2

(CH3)48i Offset von Ad = 3.0

|

nach höherem Feld

(tieferer Frequenz)

|

| em

|

|

|

|

|

|

Be | nn 10 B

9

| 8

7

6

5

4

y

Le Sn.

BA 4

kan 3

a 2

nie. 1

0

ö

Abb. 11-10 90 MHz 'H-NMR-Spektren von (A) cis-3-Chlorpropensäure und (B) des entsprechenden trans-Isomers in CCl,. Die beiden Alkenyl-Wasserstoffatome sind jeweils nicht äquivalent und koppeln daher miteinander. Das Wasserstoffatom der Carboxylgruppen tritt bei ö = 12.35 in Resonanz. Sein Signal ist um Ad = 3.0 nach höherem Feld verschoben (,„offset“ von Ad = 3.0 als Einfügung dargestellt).

460

Tabelle 11-2 Kopplungskonstanten um eine Doppelbindung Kopplungstyp

H

11.4

Bezeichnung

Jin Hz

vicinal, cis

6-14

NMR-Spektroskopie von Alkenen

H Ne

yG

> e H

Sec

Y

EN

R

H C=

Fi

vicinal, trans

A

ir

11-18

geminal

0-3

-

4-10

H

cu er

a c H

H

er KENN H

— CC

allylisch, (1,3)-cis oder -trans

0.5-3

H

=c—Cc—

Dt]

(1,4)- oder Fernkopplung

0-1.6

genannt (Tab. 11-2). Eine Kopplung zu benachbarten Alkyl-Wasserstoffatomen (Allylkopplung, s. Abschn. 11.1) und über die gesamte Doppelbindung (1,4- oder Fernkopplung) sind auch möglich und führen bisweilen zu komplizierten Aufspaltungsmustern. Somit hat die für gesättigte Systeme eingeführte Regel, daß Kopplungen zwischen weiter als drei Bindungen voneinander entfernten Wasserstoffatomen vernachlässigt werden können, für Alkene keine Gültigkeit.

Zusätzliche Kopplungen führen zu komplexeren Spektren Die Spektren des 3,3-Dimethyl-I-butens und des 1-Pentens illustrieren die potentielle Komplexität der Aufspaltungsmuster (Abb. 11-11). In beiden Spektren erscheinen die Signale der Alken-Wasserstoffatome als komplizierte Multipletts. Im 3,3-Dimethyl-1-buten tritt das an das höher substituierte Kohlenstoffatom gebundene H, bei niedrigerem Feld (ö = 5.81) als doppeltes Dublett mit zwei ziemlich großen Kopplungskonstanten (J,,) = 18 Hz, J,. = 10.5 Hz) in Resonanz. Die Signale von H, und von H. sind auch doppelte Dubletts; das liegt an ihren Kopplungen zu H, und ihrer geminalen Kopplung (J,. = 1.5 Hz). Wegen des geringfügigen Unterschieds zwischen ihren chemischen Verschiebungen überlappen ihre Signale. Die zweifache Dehnung zeigt jedoch ein Kopplungsmuster, das leicht analysiert werden kann und &ine Zuordnung der beiden Signale erlaubt. Im Spektrum des 1-Pentens führt eine zusätzliche Kopplung, die auf die Alkylgruppe zurückzuführen ist (s. Tab. 11-2), zu einem Signal, das für eine Analyse erster Ordnung zu kompliziert ist. Dennoch sind die beiden unterschiedlichen Typen von Wasserstoffatomen (terminal und intern) klar unterschieden. Daneben bewirkt die elektronenziehende Wirkung des sp?-Kohlenstoffatoms eine leichte Entschirmung der unmittelbar daran gebundenen (Allyl-)CH>-Gruppe; das ihr zuzuordnende Multiplett erscheint bei tieferem Feld (d = 1.94) als das der anderen Alkyl-Absorptionen. 461

|

|

ca

er

EEE)ee am Tan

1

|

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|

DD

I

End of sweep

eeTa8 r |

900 Hz

"enge 2 |

3

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>—B-—o |

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Start of sweep r en

|

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=

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\

-®

|

iE

ng

|| | |

|

Sr

0

End of sweep } |

|

abe

750

Abb. 11-11 90 MHz

462

'H-NMR-Spektren von (A) 3,3-Dimethyl-1-buten und (B) 1-Penten in CCl..

E

m

Su_

|

I”

A

v1

en

j

n«

|

||

eh

ee

r£

|

I

| |;

Ho

|

He

1}

nn —

\

|

|

|

||

(CH3)aSi

A

900 Hz

|

——

10

Start of sweep

SER...

age |

3 |

|

|

11.4

U Übung 11-8 R Ethyl-2-butenoat (Ethylerotonat), CH; CH=CHCO;CH3CH;, hat in CCl, das folgende A IH-NMR-Spektrum: ö = 6.95 (dq, J = 16, 6.8 Hz, 1H), 5.81 (dq, J = 16, 1.7 Hz, UEN)A-13 (925, HD), 1.88 (dd. 276.8, 1.77E17,,3H),. 1224 (1, = 720 H7, 3m). Ordnen sie die verschiedenen Wasserstoffatome zu und entscheiden Sie, ob es sich um " eine cis- oder trans-Doppelbindung handelt (vgl. dazu Tab. 11-2).

NMR-Spektroskopie von Alkenen

Kasten 11-1

Prostaglandine Die Prostaglandine (PG) sind eine Familie von außerordentlich wirksamen hormonähnlichen Substanzen mit vielen biologischen Funktionen, darunter die Stimulation der Muskeln, die Unterdrückung der Aggregation von Blutplättchen, die Verringerung des Blutdrucks, die Verstärkung von Entzündungsreaktionen und die Auslösung von Wehen bei der Geburt. Die entzündungshemmende Wirkung von Aspirin beruht auf seiner Fähigkeit, die Prostaglandin-Biosynthese zu unterdrücken. Hier sind drei Prostaglandine aufgeführt,

von

denen

das

als PGE,bezeichnete

das

biologisch aktivste ist. Die 'H-NMR-Spektren dieser Verbindungen sind ziemlich kompliziert mit vielen überlappenden Signalen. Ein "’C-NMR-Spektrum ermöglicht dagegen eine schnelle Identifizierung der PGDerivate, indem nur die Signale in drei Bereichen gezählt werden. PGE; ist beispielsweise leicht von anderen Prostaglandinen unterscheidbar: durch die Existenz von zwei Signalen bei d = 70 für

zwei

Alkohol-Kohlenstoffatome,

von

vier

"C-

Signalen zwischen d = 125 und 140 für Alkengruppen und von zwei Signalen für die beiden Carbonylgruppen oberhalb von ö = 170.

SC-NMR-Spektroskopie: Alkenyl-Kohlenstoffatome sind ebenfalls entschirmt Die ®C-NMR-Spektren der Alkene sind ebenfalls sehr informativ. Verglichen mit den Alkanen absorbieren die Alken-Kohlenstoffatome (mit vergleichbaren Substituenten) bei etwa um ö = 100 niedrigerem Feld (s. Tab. 10-6). Tabelle 11-3 zeigt zwei Beispiele, in denen die chemische Verschiebung der Kohlenstoffatome im Alken mit der der entsprechenden gesättigten Verbindung verglichen wird. Man erinnere sich, daß in

den Breitband-entkoppelten "C-NMR-Spektren alle magnetisch unterSchiedlichen Kohlenstoffatome als scharfe Linien absorbieren. Mit dieser Methode

ist es daher

sehr

einfach,

die Anwesenheit

von

sp--Kohlen-

stoffatomen nachzuweisen. Insgesamt ist die NMR-Spektroskopie zur Bestimmung von Doppelbindungen in organischen Molekülen besonders geeignet. AlkenylWasserstoffatome und -Kohlenstoffatome werden stark entschirmt. Die Kopplungskonstanten nehmen in der Reihenfolge Jans > Jeis > I gem ab.

Daneben sind bestimmte charakteristisch.

Kopplungskonstanten

für Allyl-Substituenten

463

11

Alkene und Infrarot-

Spektroskopie

Tabelle 11-3 Vergleich der chemischen Verschiebungen der "C-NMR-Absorptionen von Alkenen mit denen der entsprechenden Alkane Konstitution des Alkens

N

CH;

Konstitution des Alkans

-

CH

CH,

ae

ES

CH;

CH;

34.0 yR

JEH—CH

Sch,

19.2

in H

H

137 RR, C=C es

CH>CH3

CH3

PR

2 20.5

22.2

,

132.7

14.0

CH3CH>CH>CH>CH3 13.5

34.1

11.5 Eine Methode zur Identifizierung funktioneller Gruppen: Die Infrarot-Spektroskopie Eine weitere Methode zur Identifizierung von Kohlenstoff-KohlenstoffDoppelbindungen und anderen funktionellen Gruppen ist die InfrarotSpektroskopie. Bei diesem Verfahren macht man es sich zunutze, daß Moleküle durch Absorption von infraroter Strahlung zu Schwingungen angeregt werden. Die Lage der Absorptionslinien hängt von der Art der im Molekül vorhandenen funktionellen Gruppen ab, das gesamte Spektrum ist aber wie ein „Fingerabdruck“ für ein bestimmtes Molekül charakteristisch.

Durch Absorption von infrarotem Licht werden Molekülschwingungen angeregt Bei der kernmagnetischen Resonanz werden Kernspins durch Radiowellen dazu angeregt, ihre Ausrichtung im magnetischen Feld zu ändern (AE = 4 x 10°° kJ/mol; Kap. 10). Spektroskopie im ultravioletten und sichtbaren Bereich wird mit energiereicherem Licht durchgeführt, das Übergänge von Elektronen auf höhere Energieniveaus ermöglicht (AE =

167-1256

kJ/mol; Abschn.

14.11). Bei Absorption von Energien, die

etwas niedriger als die des sichtbaren Lichtes sind, werden Moleküle zu Schwingungen angeregt. Licht, das diese Energie besitzt, entstammt dem infraroten oder IR-Bereich des elektromagnetischen Spektrums (8. Abb.

10-2). Der mittlere Bereich, das mittlere Infrarot ist in der organi-

schen Analyse der wichtigste. IR-Absorptionsbanden werden entweder durch die Wellenlänge X des absorbierten Lichts in Mikrometern (A = 2.5-16.7 um; s. Abb. 10-2) oder durch deren reziproken Wert, die Wellenzahl, 5 (Einheit cm'; 9 = 1/A) charakterisiert. Ein typisches IR-Spektrum umfaßt einen Bereich von 600 bis 4000 cm!, die Energie der Strahlung reicht etwa von 4 bis 42 kJ/mol. Die Wirkungsweise eines einfachen IR-Spektrometers entspricht dem in Abb. 10-4 gezeigten Bild. Moderne Systeme benutzen hochentwikkelte Rapid-Scan-Techniken und sind mit Computern verbunden. Hierdurch wird die Speicherung von Daten, die Manipulation von Spektren, der Vergleich mit Spektrensammlungen und die Bestimmung unbekannter Verbindungen mit Hilfe gespeicherter Spektren ermöglicht. Die Anregung von Molekülschwingungen kann man sich anhand eines einfachen Modells veranschaulichen. Die Atome A und B seien wie 464

zwei Massen an einer Feder miteinander verbunden. Diese Feder dehnt sich und zieht sich mit einer bestimmten Frequenz v zusammen (s. Abb. 11-12). In diesem Bild hängt die Frequenz, mit der beide Atome schwingen, von der Stärke der Bindung zwischen ihnen und ihrer Atommasse ab. Tatsächlich läßt sich diese Bewegung mit Hilfe des Hooke-

schen* Gesetzes beschreiben.

i

Das Hookesche Gesetz und die Anregung von Schwingungen v=k:ı/f

Il Wellenzahl

=| ET

ERONKOONOKIINNI S A

B Frequenz v

Abb. 11-12 Zwei ungleiche Massen an einer schwingenden Feder: Ein Modell für die Schwingungsanregung einer Bindung.

(mıtm) u

der Schwingung in cm

1

Konstante Kraftkonstante, charakteristisch für die Stärke der Feder

(Bindung) m,, m» = An den Enden der Feder befindliche Massen (Atome)

Diese Gleichung könnte dazu verleiten, in einem IR-Spektrum für jede Bindung in einem Molekül nur jeweils einen Peak zu erwarten. Die Interpretation eines vollständigen Spektrums ist in der Praxis jedoch erheblich komplizierter. Der Hauptgrund für die Komplexität von Infrarot-Spektren liegt in der Vielzahl möglicher Schwingungen und in der Tatsache, daß viele Schwingungen mechanisch gekoppelt sind. Moleküle, die infrarotes Licht absorbieren,

führen

nämlich

nicht nur Streck-, sondern

auch die

verschiedensten Biegebewegungen aus, daneben gibt es noch Kombinationen aus beiden Bewegungsarten. Die unterschiedlichen Schwingungsmöglichkeiten an einem tetraedrischen Kohlenstoffatom sind in Abb. 11-13 gezeigt. Zu ihnen gehören symmetrische und asymmetrische Valenzschwingungen (stretching), Deformations- (bending), Pendel(rocking), Torsions- (twist) und Kippschwingungen (wagging).

BIN symmetrische Valenz-

symmetrische Deformations-

schwingung (beide äußeren

schwingung „in plane“

Atome entfernen sich gleichzeitig vom Zentrum oder

(bending)

Torsionsschwi

„out of plane“ (twist)

nähern sich ihm).

asymmetrische Valenzschwingung (wenn sich das eine Atom zum Zentrum hin bewegt, entfernt sich das andere)

asymmetrische Deformationsschwingung „in plane“ (rocking)

Kippschwingung „out of plane“ (wagging)

Abb. 11-13 Die verschiedenen Möglichkeiten der Schwingung einer CH,-Gruppe mit tetraedrischen Kohlenstoffatom. Diese Schwingungen werden als symmetrische oder asymmetrische Valenz-, Deformations-, Torsions-, oder Kippschwingung

*

bezeichnet.

Robert Hooke, 1635-1703, Professor für Physik am Gresham College, London.

465

11

Alkene und Infrarot-

Spektroskopie

Diese Fülle von Möglichkeiten macht eine Interpretation des gesamten Spektrums recht schwierig. Dennoch ist die IR-Spektroskopie in der Praxis des organischen Chemikers aus zwei Gründen von großem Nutzen: erstens erscheinen die Schwingungsbanden einer Reihe von funktionellen Gruppen bei charakteristischen Wellenzahlen, und zweitens läßt sich das gesamte Spektrum zur Identifizierung einer Verbindung verwenden, da jede Substanz ihr eigenes unverwechselbares Spektrum hat.

Funktionelle Gruppen zeigen typische InfrarotAbsorptionen In Tabelle

11-4 sind die Wellenzahlen

der charakteristischen Valenz-

schwingungen (die jeweilige Bindung ist rot markiert) einiger organischer Verbindungsklassen aufgeführt. In den nachfolgenden Kapiteln werden bei der Behandlung der neuen funktionellen Gruppen auch die typischen IR-Spektren dieser Verbindungen angegeben. In den Abbildungen 11-14 und 11-15 sind die IR-Spektren von Pentan und Hexan gezeigt. Obwohl das Grundmuster dieser Spektren ähnlich ist, unterscheiden sie sich in ihrer Feinstruktur. Diese Unterschiede werden bei größerer Empfindlichkeit sogar noch deutlicher, insbesondere im Bereich zwischen 600 und 1500 cm”', dem sogenannten fingerprintBereich. Die typischen C—H-Valenzschwingungen der Alkane liegen im Bereich von 2840 bis 3000 cem!. Drei andere Banden, die durch Deformationsbewegungen zustandekommen, befinden sich bei etwa 1460,

1380 und 730 cm”!. Alle gesättigten Kohlenwasserstoffe der Cycloalkane) zeigen ähnliche Absorptionen.

(einschließlich

Tabelle 11-4 Wellenzahlbereich von charakteristischen Valenzschwingungen organischer Moleküle Bindung oder funktionelle Gruppe

RO -H

(Alkohole)

Fin cm"!

3200-3650

N RCO —-H (Carbonsäuren)

2500-3300

R,N-H (Amine) RC=C-H (Alkine)

3300-3500 3260-3330

Ns

3050-3150

„£

x

|

—C-—H

(Alkene) H

(Alkane)

|

RC=CH (Alkine) RC=N (Nitrile)

I

2840-3000 2100-2260 2220-2260

ı

RCH, RCR’ (Aldehyde, Ketone)

1690-1750

RCOR'’ (Ester)

1735-1750

n RCOH

(Carbonsäuren)

Bi u“ ” =C =

En—OR’

466

(Alkene )

(Alkohole, Ether)

1710-1760

1620-1680

1000-1260

Durchlässigkeit (%)

| aufgenommen bei höherer

| || |

—

H -— CH;CHCHCHCH>

4000

keit

|

H|H

|

Empfindlich-

| DE REF 13 ee 3000 2500 2000

——H

3500

ir

1500 Wellenzahl

a

a

1000

600 cm"!

#

Abb. 11-14 Das IR-Spektrum von Pentan. Man beachte die Darstellung: Die Wellenzahl wird von links nach rechts fallend gegen die Durchlässigkeit in Prozent aufgetragen. 100% Durchlässigkeit bedeutet keine Absorption, die Banden in einem IR-Spektrum zeigen also nach unten. Im Spektrum sind Absorptionen bei fc_y valcnz = 2960, 2930 und 2870 cm!

und bei We_y Detorm =

1460,

1380 und 730 cm”! zu erkennen. Der Bereich zwischen 600 und 1300 cm”! ist auch bei höherer Empfindlichkeit aufgenommen worden, wobei die Details des Spektrums im fingerprint-Bereich besser zu erkennen sind.

en

ee Tarass BEINEN SETRRER |

|

& 3

& E

aufgenommen

= a

bei höherer Empfindlich|

keit

I

| \ USE

(er 1000

Wellenzahl

600 cm!

»

Abb. 11-15 Das IR-Spektrum von Hexan. Der Vergleich mit dem Spektrum von Pentan (Abb. 11-14) zeigt, daß Lage und Gestalt der wichtigsten Banden sehr ähnlich sind, daß aber die beiden Spektren bei höherer Empfindlichkeit im fingerprint-Bereich deutlich voneinander abweichen.

In Abb. 11-16 ist das IR-Spektrum von 1-Hexen dargestellt. Ein charakteristischer Unterschied der Alkene im Vergleich zu den Alkanen liegt in der stärkeren C,„-H-Bindung, deren Signal im IR-Spektrum daher bei höheren Energien liegen sollte. Tatsächlich ist in der Abbildung eine scharfe Absorptionsbande bei 3080 cm”! zu erkennen, die durch diese Valenzschwingung zustandekommt, und die bei etwas höheren Wellenlängen als die übrigen C—H-Streckschwingungen liegt. Nach Tabelle 11-4 sollte die C=C-Streckschwingung zwischen etwa 1620 und 1680 cm! auftreten. Abb. 11-16 zeigt eine relativ starke und scharfe Bande bei 1640 cm', die dieser Schwingung zugeordnet werden 467

3080

% in Durchlässigkeit y,

Nee

BR:

Hs

1 e

JHuLcH

|

| 915

1500

1000

600 cm

Wellenzahl »

Abb. 11-16 IR-Spektrum von 1-Hexen; Üc 2-H Valenz = 3080 cm!

Ungefähre Wellenzahlen für starke

Deformationsschwingungen der Alkene ER

H

De

Yan

H

915, 995 cm !

5 Ve=c Valenz

—

1640

em’', Vo

Deform

995

und

915

cm.L:

kann. Die anderen scharfen Banden kommen durch Deformationsschwmaungen zustande. So sind z.B. die beiden Signale bei 915 un] 995 cm! typisch für ein endständiges Alken. Zwei andere scharfe Deformationsschwingungen sind typisch für bestimmte Substitutionsmuster in Alkenen. Die eine ergibt eine einzelne Bande

bei 890 cm!

und ist charakteristisch für die 1,1-Dialkylethene;

die andere gibt ein scharfes Signal bei 970 cm! und kommt durch die C,»»-Deformationsschwingungen einer trans-Doppelbindung zustande. Das Vorhandensein oder Fehlen solcher Banden ist meist ein deutlicher Hinweis für das Vorliegen spezifisch substituierter Doppelbindungen. Zusammen mit den NMR-Spektren (Abschn. 11-4) ist so eine ziemlich sichere Strukturbestimmung möglich. Die O—H-Valenzschwingung ist die auffälligste Bande in den IRSpektren

der Alkohole,

die als eine breite Bande,

die sich über einen

recht großen Bereich erstreckt, erscheint (3200-3650 cm', Abb. 11-17). Die Breite dieser Bande kommt durch Wasserstoffbrücken-Bindungen zu anderen Alkohol- oder zu Wassermolekülen zustande. Wasserfreie Alkohole in verdünnter Lösung zeigen schärfere Banden, die in einem engeren Bereich liegen (3620-3650 cm°'). Im Gegensatz dazu treten die Absorptionsbanden der C-X-Streckschwingungen von Halogenalkanen (Kap. 6 u. 7) bei Wellenzahlen unter 800 cm”! auf. Dieser Energiebereich des Spektrums ist meist für die Charakterisierung von Verbindungen nicht aussagekräftig. Übung 11-9 Drei Alkene mit der Summenformel

C,H, haben folgende IR-Absorptionen:

Alken A

bei 964 cm!, Alken B bei 908 und 986 cm! und Alken C bei 890 cm!. Geben Sie die zugehörigen Formeln an.

Fassen wir zusammen: Das Vorliegen bestimmter funktioneller Gruppen läßt sich mit Hilfe der Infrarot-Spektroskopie nachweisen. Durch infrarotes Licht werden Bindungen in Molekülen zu Schwingungen angeregt. Die Valenzschwingungen starker Bindungen und leichter Atome haben relativ hohe Frequenzen. Im Spektrum werden anstelle der Frequenzen v (=c/A) die Wellenzahlen # (=1/}) angegeben. Schwache Bin468

SS o

I

8

|

B &

3

|

| i

|

|

||

E

| |

|

Ik

he

|

NEE |

1

| 3345

|

|

i

ER 4000

er 3500

Pa

Ne Ver? REN 3000

DERSERDRLS N

2500

2000

Wellenzahl

®

Abb. 11-17 IR-Spektrum von Cyclohexanol: Yo-y valenz = 3345 cm;

co

= 1070 cm”!. Auffällig ist der breite OH-Peak.

dungen mit schweren Atomen absorbieren entsprechend dem Hookeschen Gesetz bei niedrigeren Wellenzahlen, und umgekehrt absorbieren starke Bindungen mit leichteren Atomen bei höheren Wellenzahlen. Wegen der Vielfalt der Valenz- und Deformationsschwingungen sind Infrarot-Spektren gewöhnlich kompliziert aufgebaut. Sie sind jedoch für eine Verbindung so charakteristisch wie ein Fingerabdruck. Unterschiedlich substituierte Alkene zeigen Valenzschwingungen bei etwa 3080 (C—H) und 1640 (C=C) cm! und Deformationsschwingungen zwischen 890 und 990 cm”!. Die charakteristischen Banden der Alkohole liegen bei 3345 (O—H) cm".

Kasten 11-2

Die Knoblauch-Story: Infrarot-Spektroskopie in der Lebensmittelchemie In Tabelle 11-4 fehlen die Infrarot-Daten für einige funktionelle Gruppen, z.B. für die Halogenalkane und die Ether. Diese Daten fehlen, da die IR-Banden für die Valenzschwingungen der C—-X- und C-—O-Bindungen im FingerprintBereich des Spektrums liegen, wo die Zuordnung zu individuellen Absorptionen schwierig ist. Viele schwefelhaltige funktionelle Gruppen können jedoch leicht IR-spektroskopisch identifiziert werden. Die S=O-Bindung in Allicin, der wichtigsten flüchtigen Komponente in zerdrücktem Knoblauch (siehe Aufgabe 36 in Kapitel 9), führt zu

einer intensiven Bande bei 1080 cm'. Allicin ist aber instabil: Die IR-Bande

bei 1080 cm!

schwindet in: weniger als 24 Stunden bei Raumtemperatur. Das wichtigste Zersetzungsprodukt, das auch nach Knoblauch riecht, konnte spektroskopisch identifiziert werden. Zwei wahrscheinliche Kandidaten, 2-Propen-1-thiol und das zugehörige Disulfid, wurden synthetisiert. Man stellte fest, daß

sie ähnliche

Spektren

haben

mit einer

C=C-Alken-Bande bei 1630 cm”! und einer C-—H-Alkenyl-Bande bei 3070 cm°'!. Das Thiol hat aber zusätzlich eine Absorptionsbande für die S-H-Gruppe bei 2535 cm”!. Das Zersetzungsprodukt von Allicin hatte diese Bande nicht und konnte so als das Disulfid identifiziert werden.

ver-

16]

l

Allicin IR: #=1080 cm!

2-Propen-1-thiol IR: #= 2535 cm”!

2-Propenyldisulfid IR: Weder S=O

noch S-H-Banden

469

1 Alkene und InfrarotSpe ktroskopie

Einige C;H;Kohlenwasserstoffe Be

ad

ie

(Zwei z-Bindungen)

CH=CH37

E

(Eine rx-Bindung + ein Ring)

N (Zwei Ringe)

11.6 Der Grad der Ungesättigtheit: Eine weitere Hilfe zur Identifizierung von Verbindungen Die NMR- und die IR-Spektroskopie sind wichtige Hilfsmittel bei der Identifizierung unbekannter Verbindungen. In der Summenformel des Moleküls ist jedoch noch eine weitere Information verborgen, die die Identifizierung vereinfacht, der Grad der Ungesättigtheit, der als Summe der Zahl der Ringe und r-Bindungen im Molekül definiert wird. In Tabelle 11-5 ist die Beziehung von Summenformel, Struktur und Grad der Ungesättigtheit für verschiedene Kohlenwasserstoffe angegeben. Wie aus Tabelle 11-5 hervorgeht, entspricht jeder Erhöhung des Grades der Ungesättigtheit um eine Einheit eine Verringerung von zwei Wasserstoffatomen in der Summenformel. Ausgehend von der allgemeinen Summenformel für acyclische Alkane (gesättigt, Grad der Ungesättigtheit 0) C„Ha„+2 (Abschn. 2.2), erhält man den Grad der Ungesättigtheit eines Kohlenwasserstoffs einfach durch Vergleich der tatsächlichen Zahl von Wasserstoffatomen mit der Zahl in der entsprechenden gesättigten Verbindung, 2n+2, wobei n die Anzahl der Kohlenstoffatome ist. Ein Beispiel: Was ist der Grad der Ungesättigtheit eines Kohlenwasserstoffs mit der Summenformel C;H3? Die gesättigte Verbindung mit fünf Kohlenstoffatomen hat die Formel CH» (n = 5), also fehlen C;H, vier Wasserstoffatome zur Sättigung, und der Grad der Ungesät-

tigtheit ist 4/2 = 2. Alle Moleküle mit dieser Formel enthalten insgesamt zwei Ringe und n-Bindungen. Mehrere Beispiele sind am Rand gezeigt. Sind Heteroatome vorhanden, ändert sich die Rechnung. Vergleichen wir einmal die Summenformeln mehrerer gesättigter Verbindungen: Ethan, OH,, und Ethanol, C,H,O, haben dieselbe Zahl Wasserstoffatome, Chlorethan, CH;Cl, hat eines weniger, Ethanamin, OH-N, hat eines mehr. Die Zahl der zur Sättigung erforderlichen Wasserstoffatome wird verringert bei Anwesenheit von Halogenen, vergrößert durch Stickstoff und bleibt unverändert durch Sauerstoffatome. Das allgemeine Vorgehen zur Bestimmung des Grades der Ungesättigtheit aus einer Summenformel ist wie folgt:

Schritt 1 Man bestimme mit der Zahl der Kohlenstoffatome (ne), Halogenatome (nx) und Stickstoffatome (n„) aus der Summenformel die Zahl der zur Sättigung erforderlichen Wasserstoffatome,

Hg.

Hu) = 2ne + 2 ng Finn (Sauerstoff und Schwefel bleiben unberücksichtigt)

Tabelle 11-5 Grad der Ungesättigtheit als Schlüssel zur Konstitution Summenformel CeHıa

Beispielformeln

Ban

Grad der Ungesättigtheit

wreG

0

BERN CH,

CH

470

WEGES

EAN

FG (eine -Bindung); oe

ZI

Ken

(ein Ring)

1

3

Schritt 2 Man vergleiche H;;.. mit der tatsächlichen Anzahl von Wasserstoffatomen im Molekül H;, und bestimme den Grad der Ungesättigtheit mit Grad der Ungesättigtheit = (Hgau. — H;u)/2

11.7

Die relative Stabilität von Doppelbindungen: Hydrierungswärmen

Übung 11-10 Berechnen Sie den Grad der Ungesättigtheit Verbindungen. (a) CsH)o;

(b) GH„0;

(c) C;H-CIO;

aus den Summenformeln

(d) CsHısN;

der folgenden

(e) C,HsBr;».

Übung 11-11 Spektroskopische Daten für drei Verbindungen mit der Summenformel CsHg sind nachfolgend angegeben. m bezeichnet ein komplexes Multiplett. Bestimmen Sie die Konstitutionen. (Hinweis: Eine Verbindung ist acyclisch, die anderen enthalten einen Ring.)

(a) IR: 5 = 910, 1000, 1650, 3100 cm”'; 'H-NMR ö = 2.79 (t, J = 8 Hz), 4.8-6.2 (m), Verhältnis der Signalflächen = 1:3.

(b) IR: # = 900, 995, 1650, 3050 cm'; "H-NMR 8 = 0.5-1.5 (m), 4.8-6.0 (m), Verhältnis der Signalflächen = 5:3. () IR:

5 =

1611,

3065

cm !; 'H-NMR

5 =

1.525

(m),

5.7 (m), Verhältnis

der

Signalflächen = 3:1. Gibt es mehr als eine Möglichkeit der Zuordnung?

Wir fassen zusammen: Der Grad der Ungesättigtheit ist gleich der Summe der Zahl der Ringe und der n-Bindungen in einem Molekül. Die Berechnung dieses Wertes erleichtert die Konstitutionsbestimmung aus spektroskopischen Daten.

11.7 Die relative Stabilität von Doppelbindungen: Hydrierungswärmen Wir haben gesehen, daß es je nach Anzahl der Substituenten und ihrer Positionen mehrere mögliche Substitutionsmuster an einer Doppelbindung gibt. Führt dies zu Unterschieden in der Stabilität der verschiedenen Verbindungen? Gibt es beispielsweise Unterschiede in den Hydrierungswärmen der drei verschiedenen Butene (1-Buten, cis-Buten und trans-Buten)? Diese Frage wird im folgenden durch eine Betrachtung der Hydrierungswärmen isomerer Alkene beantwortet.

Hydrierungswärmen als Maß der relativen Stabilität isomerer Alkene Wie kann man den relativen Energieinhalt einer Verbindung ermitteln? Eine Methode,

mit der diese Frage beantwortet werden könnte, wurde

in Abschnitt 3.10 vorgestellt: die Messung der Verbrennungswärme zur Abschätzung der Bildungswärme AH}. Entsprechend dem jeweiligen Energieinhalt eines Alkens erwartet man bei diesem Experiment die Freisetzung von mehr oder weniger Energie (Wärme). Eine weitere Möglichkeit, die sich besonders für Alkene eignet, ist die Messung der Wärmetönung einer anderen Reaktion, nämlich die der Hydrierung der Doppelbindung. Wenn ein Alken und Wasserstoff in Anwesenheit eines Katalysators (üblicherweise Palladium oder Platin) gemischt werden, addieren zwei Wasserstoffatome unter Bildung eines gesättigten Alkans an die Doppelbindung (s. Abschn. 12.2) - ähnlich der Hydrierung einer Carbonyl-Verbindung unter Bildung eines Alkohols (Abschn. 8.6). Die Reaktionswärme dieser Reaktion kann exakt gemessen werden und beträgt (in Abhängigkeit vom Alken) ungefähr -120 kJ/mol je Doppelbindung: Die Reaktion ist exotherm. Bei den isomeren Butenen führt die Hydrierung in allen Fällen zum gleichen Produkt: Butan. Wenn die

Hydrierung eines Alkens

Se KR

HH AH°® = -120 kJ/mol 471

11 Alkene und InfrarotSpektroskopie

Bildungswärmen

der verschiedenen

Hydrierungswärmen nicht der Fall:

CH3CH> FR

IR

ns

7

H

+ H2 > CH:CH,CH;CH,

müßten

ihre

jedoch sieht, ist das

cC=C

AH® = 126.9 kJ/mol

Butan

4

ER

CH;

Pt

+ H5} —

CH;CH>CH>CH3

AH°® = -119.8 kJ/mol

H

cis-2-Buten

H;C

man

H

1-Buten

H;C

gleich wären,

H

c=C

H

Butene

auch gleich sein. Wie

Butan

H

x

7

H

Pt

+ H3 —

AH® 0 = — 115.6 kJ/mol

CH;CH>CH>CH3

CH,

trans-2-Buten

Butan

Der größte Energiebetrag wird bei der Hydrierung der terminalen Doppelbindung frei. Dem folgt die Hydrierungswärme des cis-2-Butens; am wenigsten Energie wird bei der Hydrierung des trans-Isomers frei. Dies

führt

zu

dem

Schluß,

daß

der Butene in der Reihenfolge ansteigen (Abb. 11-18).

die

thermodynamischen

Stabilitäten

1-Buten < cis-2-Buten < trans-2-Buten

4C+4H5 AHr

CHSCHHCH=CH,

+ -------- -- -1-- - -

- Tar = 7.1 K)/mol _ ]AE=42K)/mol

+H

| — 126.9 KJ/mol

- 119,8 kJ/mol

— 115.6 kJ/mol

_CHSCH>CH>CHz Abb. 11-18 Die relativen Bildungswärmen der isomeren Butene, wie sie aus ihren Hydrierungswärmen errechnet wurden. Die Abbildung ist nicht maßstabsgerecht.

472

Hochsubstituierte Alkene sind besonders stabil, %

trans-Isomere

;

:

11.7 Die relative Stabilität

ER

von Doppelbindungen:

sind stabiler als cis-Isomere

Hydrierdhg wären

Diese Ergebnisse können verallgemeinert werden: Die relative Stabilität von Alkenen steigt mit zunehmender Substitution, und frans-Isomere sind üblicherweise stabiler als ihre cis-Gegenstücke. Die erste Beobachtung läßt sich nicht auf einfache Weise erklären, ist aber zum Teil auf Hyperkonjugation zurückzuführen. So, wie die Stabilität von Radikalen mit zunehmender Substituenten-Anzahl steigt (wegen Hyperkonjugation des einfach besetzten p-Orbitals mit den benachbarten C—H-Bindungen, Abschn. 3.2), können die p-Orbitale einer n-Bindung durch AlkylSubstituenten stabilisiert werden. Die zweite Beobachtung ist leichter zu

erklären,

insbesondere,

wenn

man

Molekülmodelle

betrachtet.

In

cis-Alkenen behindern sich die Substituenten oft gegenseitig. Diese sterische Wechselwirkung ist energetisch ungünstig und fehlt in den entsprechenden trans-Isomeren (Abb. 11-19). Relative Stabilitäten der Alkene

> CH>=CH3, < RCH=CH3;


+

HOH

+

NRz

Cope-Eliminierung (Abschn. 21.10)

H

abi

2 hier ge

ber

Er

ame

x

gar R>NOH

Die Regioselektivität in E2-Reaktionen hängt von der Base ab Wie schon früher diskutiert, können Halogenalkane (oder Alkylsulfonate) bei Anwesenheit von Basen unter simultaner Bildung einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung ein Molekül HX eliminieren. Zur Vermeidung von El-Nebenreaktionen und anderen Reaktionen, die aus der Bildung von Carbenium-Ionen resultieren, werden vorzugsweise ste-

risch anspruchsvolle, starke Basen wie Kalium-tert-butoxid (Abschn. 7.7) eingesetzt. Bei vielen Substraten kann die Eliminierung in mehr als eine Richtung der Kohlenstoff-Kette erfolgen, was zur Bildung von Doppelbindungs-isomeren Alkenen führt. Kann man in solchen Fällen die Regioselektivität der Reaktion kontrollieren? Die Antwort lautet ja, aber nur in begrenztem Maß. Ein einfaches Beispiel ist die Dehydrobromierung von 2-Brom-2-methylbutan. Die Reaktion mit Natriumethoxid in heißem Ethanol liefert vorwiegend 2-Methyl-2-buten, aber auch etwas 2-Methyl-1-buten: „E2-Reaktion von 2-Brom-2-methylbutan

CH; CH3CH;CCH;

| 2-Brom2-methylbutan

Te er

mit Ethoxid

HsC\ en.

CH; CHsCH>

EN

H

+

CH; 70% 2-Methyl2-buten

Beh

HC 30% 2-Methyl1-buten

Das erste Alken enthält eine trisubstituierte Doppelbindung und ist thermodynamisch stabiler als das zweite. Tatsächlich sind viele Reaktionen in der Weise regioselektiv, daß das thermodynamisch stabilere Produkt überwiegt. Dieses Ergebnis kann durch eine Betrachtung des Übergangszustandes der Reaktion erklärt werden (Abb. 11-20). Die Eliminierung des Bromwasserstoffs erfolgt durch einen Angriff der Base auf eines der vicinalen Wasserstoffatome, die sich in anti-Posi475

Abb. 11-20 Die beiden zu unterschiedlichen Produkten führenden Übergangszustände der Dehydrobromierung von 2-Brom-2-methylbutan. Übergangszustand A ist gegenüber B bevorzugt, da die partielle Doppelbindung hier mehr Substituenten trägt (Saytzev-

Regel).

Base ö

Base ö

H,

ER:

H

eaDeb* HC’ h

H

CH;

Hr H

Br g

Partieller Doppelbindungscharakter führt

\

rs

‘Br ö

Doppelbindung

Partieller Doppelbindungscharakter führt zu einer terminalen Doppelbindung

A

B

zu einer trisubstituierten

tion zur Abgangsgruppe (Br) befinden. Im Übergangszustand finden ein partieller C—-H-Bindungsbruch, eine partielle C—C-Doppelbindungsbildung und ein partieller C—Br-Bindungsbruch statt. Der zum 2-Methyl2-buten führende Übergangszustand ist etwas mehr stabilisiert als der zum 2-Methyl-I-buten führende. Das stabilere Produkt wird schneller gebildet, weil der Übergangszustand der Reaktion den Produkten in gewissem Ausmaß ähnelt. Eliminierungsreaktionen dieser Art führen zum höher substituierten Alken und folgen damit der Saytzev-Regel* Eine andere Produktverteilung erhält man in derselben Reaktion bei Benutzung einer sterisch stärker gehinderten Base; dann wird mehr von dem thermodynamisch weniger bevorzugten terminalen Alken gebildet:

E2-Reaktion von 2-Brom-2-methylbutan mit tert-Butoxid, einer sterisch gehinderten Base

CH3

ta)

abn

CH3CH,CCH, ES u

Abb. 11-21 Reaktionsprofile der

E2-Eliminierung von 2-Brom-2methylbutan mit (A) Natriumethoxid (Saytzev-Regel) und (B) Kalium-tert-butoxid (Hofmann-Regel).

Pi

CH3CH;

ER H

27%

CH3

H;C

73%

Dieser Befund kann wieder durch eine Betrachtung des Übergangszustandes erklärt werden. Die Abspaltung eines sekundären Wasserstoffatoms von C3 im Ausgangsmaterial ist sterisch schwieriger als die Abspaltung eines der primären Wasserstoffatome einer Methylgruppe, die dem Angriff der Base in stärkerem Maße ausgesetzt sind. Dieser Effekt ist dann besonders ausgeprägt, wenn die Base sterisch anspruchsEine sterisch anspruchsvolle Base erhöht die Energie des Übergangszustandes, der zum stabileren, internen Alken führt.

N

Eı

X

Kr

E

+

Na0OCH3;CH;

Der energieärmere Übergangs-

ER

+

Eine sterisch anspruchsvolle Base führt zu einem energie-

KOC(CH»3

ärmeren Übergangszustand, ger nun die Bildung des weniger stabilen Produkts begünstigt.

zustand begünstigt die Bildung

des stabileren Produktes. —————

Reaktionskoordinate

Reaktionskoordinate —>

—>

B

* Alexander M. Saytzev (auch Zaitsev oder Saytzeff), 1841-1919, Russischer Chemiker.

476

voll ist; dann wird wegen der sterischen Beschränkungen das thermodynamisch weniger bevorzugte Isomer schneller gebildet, da der dahin führende Übergangszustand energieärmer ist. Man sagt, daß eine solche kinetisch kontrollierte E2-Reaktion der Hofmann-Regel* folgt.

11.8

Darstellung von Alkenen aus Halogenalkanen und Alkylsulfonaten: Anwendung bimolekularer Eliminierungen

Übung 11-14 Die folgende Reaktion wurde zum einen mit tert-Butoxid in 2-Methyl-2-propanol (tertButanol) und zum anderen mit Ethoxid in Ethanol ausgeführt und lieferte zwei Produkte A und B. Das Mengenverhältnis A:B betrug unter den ersten Bedingungen 23:77, unter den zweiten 82:18. Was sind A und B? Is

Base,

|

Lösungsmittel

CHCCCH, H

E2-Reaktionen

Be

NEE

05-0

bilden eher frans- als cis-Produkte

Je nach Struktur der eingesetzten Alkyl-Verbindung kann eine E2-Reaktion auch zu cis-trans-Isomerengemischen führen, wobei in einigen Fällen eine Selektivität beobachtet wird. Beispielsweise liefert die Reaktion von 2-Brompentan mit Natriumethoxid 51% trans- und nur 18% cis-2Penten, daneben entsteht das terminale Regioisomer. Das Ergebnis dieser und ähnlicher Reaktionen wird offenbar von der relativen thermodynamischen

Stabilität der Produkte

bestimmt,

wobei

die stabilste

frans-

Doppelbindung bevorzugt gebildet wird. Stereoselektive Dehydrobromierung von 2-Brompentan CH3 CH,CH>CH>CBr

CH3CH,0

|

Na’,

CH;3CH>OH

— HBr

H

CH3CH3>

neu BEER

H

H

CH3sCH>» +

CH3 51%

CH

8

H

re

+ CH3CH>CH;CH==CH3

18%

1818-1892, Universität Berlin.

H

31%

Es könnte jedoch auch eine bevorzugte Konformation im Grundzustand der Ausgangsverbindung für die Stereochemie der Reaktion verantwortlich sein. Diese Konformation (Abb. 11-22A) vermeidet im Gegensatz zur weniger bevorzugten Alternative, die in Abb. 11-22B gezeigt ist, gauche-Wechselwirkungen zwischen der Ethyl- und der Methylgruppe. Da die Eliminierungsreaktion vom Grundzustand (s. Abb. 11-22A) ausgeht, können sich die zwei Substituenten in die weniger gehinderte trans-Position bewegen. Dagegen würde eine von der in Abb. 11-22B gezeigten Konformation ausgehende Eliminierung die zwei zueinander gauche-konfigurierten Alkylgruppen noch näher aneinanderdrängen. Die Eliminierung dürfte daher vorzugsweise von der Konformation A aus erfolgen und aus zwei Gründen zu frans-Alkenen . führen: Zum einen liegt sie im Grundzustand bevorzugt vor, zum anderen führt sie zum energieärmeren Übergangszustand. Vom synthetischen Standpunkt aus ist es bedauerlich, daß eine vollkommene trans-Stereoselektivität bei E2-Reaktionen selten ist. Kapitel 13 befaßt sich mit alternativen Methoden zur Darstellung stereochemisch reiner cis- und trans-Alkene. * Professor August W. von Hofmann,

H

H

CH; H

A

a:

H

Gi Br

%

re

CH3

CH>CHa fi

B Abb. 11-22 Die beiden Konformationen des 2-Brompentans, die entweder (A) zum irans-2-Penten oder (B) zum cis-2-Penten führen.

477

11

Alkene und Infrarot-

Spektroskopie

Einige E2-Reaktionen sind stereospezifisch Daß im bevorzugten Übergangszustand das zu abstrahierende Proton relativ zur austretenden Gruppe anti steht (Abschn. 7.7), hat weitere stereochemische Konsequenzen. Beispielsweise ist eine E2-Reaktion der beiden Diastereomere des 2-Brom-3-methylpentans, die zum 3-Methyl-2-penten führt, vollkommen stereospezifisch. Einsatz des (R,R)- oder des (S,S)-Isomers führt in beiden Fällen ausschließlich zur Bildung des (E)-Isomers des Alkens. Andererseits liefert die Reaktion des (R,S)- oder des (S,R)-Diastereomers oder beider ausschließlich das (Z)-Alken. Wie den räumlich gezeichneten Strukturen zu entnehmen ist, bestimmt die anti-Eliminierung des Bromwasserstoffs die Konfiguration der Doppelbindung des Produktes. Die Reaktion ist stereospezifisch, ein Diastereomer (und sein Spiegelbild) führen nur zu einem stereoisomeren Alken; das andere Diastereomer liefert die entgegengesetzte Konfiguration.

Stereospezifität bei der E2-Reaktion von 2-Brom-3-methylpentan

ü

JECH 3

Sc

CHCHI FRN

GL

en:

oder

e \

R

nn

08

- HBr.

j we

CH3CH3

nina

H

H,C””

CH;

(E)-3-Methyl-2-penten

c—C

H5C775 IN, CH;CH>

H

H

“ cc

HC

CH:

8 RN Br

CH

a

N oder

ELEN

_—o

H 5

— HBr CH

H

C

-TRS

CH>CH24

CH3

a

=Cc\ CH

CH3

H>

3

(Z)-3-Methyl-2-penten

N Br

il) Übung 11-15 " Welches Diastereomer des 2-Brom-3-deuteriobutans ergibt in einer E2-Reaktion (E)-2N Deuterio-2-buten und welches das (Z)-Isomer? Was kann man über die Isotopenreinheit l der jeweiligen Produkte sagen?

Warum anti-Eliminierung? Warum findet eine Eliminierungsreaktion aus der anti-Konformation so viel leichter statt als die aus der, in der das Proton und die austretende

Gruppe gauche zueinander stehen? Die Antwort ist, daß nur aus der energieärmeren anti-Konformation die zwei p-Orbitale der n-Bindung in zueinander paralleler Anordnung gebildet werden, die für die Überlappung nötig ist (Abb. 11-23, s. auch Abb. 7-9). Eine Eliminierung aus der gauche-Konformation würde zwei p-Orbitale erzeugen, die um 60° gegeneinander verdreht sind, eine wenig vorteilhafte Situation. Die dritte Möglichkeit, eine syn-Eliminierung, bei der das Proton H und die austretende Gruppe X das Molekül auf derselben Seite verlassen, würde von einem ebenfalls ungünstigen ekliptischen Rotamer ausgehen und ebenfalls zu einer schlechteren Überlappung der sich bildenden p-

478

yj A

B

\

Abb. 11-23 Die verschiedenen denkbaren Übergangszustände der E2-Reaktion: (A) H und X sind zueinander anti-ständig, die übrigen Substituenten stehen zueinander in gestaffelter Konformation, und die sich bildenden p-Orbitale stehen zueinander vollkommen parallel, um die n-Bindung zu bilden. (B) H und X sind zueinander gauche-ständig, die Konformation ist wiederum gestaffelt, die sich bildenden p-Orbitale bilden zueinander jedoch einen Winkel von 60°; (C) H und X sind zueinander syn-ständig, die Konformation ist ekliptisch. Obwohl die beiden p-Orbitale in (C) zueinander parallel stehen, ist die Überlappung schlechter als in (A); daneben macht das Erfordernis einer ekliptischen Konformation einen solchen Reaktionspfad wenig wahrscheinlich.

Orbitale führen. Daher ist unter diesen Konformationen die anti-Eliminierung bevorzugt. Die anderen Möglichkeiten zur Eliminierung werden nur in Spezialfällen beobachtet, oder wenn eine anti-Eliminierung nicht möglich ist. Normalerweise erfordern sie drastischere Reaktionsbedin-

gungen (Abschn. 7.7). Zusammenfassend

ist festzustellen, daß Alkene meist durch E2-Reak-

tionen dargestellt werden. Um Sx2-Nebenprodukte, besonders bei primären Substraten, zu vermeiden, ist die Verwendung einer sterisch anspruchsvollen Base anzuraten. Normalerweise werden die thermodynamisch stabileren internen Alkene schneller gebildet als die terminalen Isomere (Saytzev-Regel). Die Reaktion kann in der Weise stereoselektiv sein, daß größere Ausbeuten an frans-Isomeren erhalten werden als an den cis-Isomeren, wenn man von racemischen Substraten ausgeht. Die Reaktion ist stereospezifisch, da bestimmte Diastereomere von Halogenalkanen nur zu einem von zwei möglichen stereoisomeren Alkenen führen. Sterisch anspruchsvolle Basen können verstärkt zu thermodynamisch weniger stabilen (z.B. terminalen) Doppelbindungen führen (Hofmann-Regel). Die anti-Eliminierung ist bevorzugt, da die Überlappung der beiden entstehenden p-Orbitale zur Bildung der n-Bindung am größten ist.

11.9 Darstellung der Alkene durch Dehydratisierung von Alkoholen Die Behandlung von Alkoholen mit Mineralsäuren führt bei erhöhter Temperatur zur Abspaltung von Wasser, ein Prozeß, der Dehydratisierung genannt wird, und der nach dem EIl- oder dem E2-Mechanismus ablaufen kann (Kap. 7 u. 9). Dieser Abschnitt gibt einen Überblick über einige präparative und mechanistische Gesichtspunkte dieser Reaktion. Die übliche Methode zur Dehydratisierung von Alkoholen besteht darin, sie in Gegenwart von Schwefel- oder Phosphorsäure relativ hoch (120-170°C) zu erhitzen. Eine andere Dehydratisierungs-Methode, die manchmal

wirksamer

ist, erfordert

den

Einsatz

von

Aluminiumoxid,

AlO;, als Lewis-Säure-Katalysator. Dabei wird der Alkohol als Dampf

Säurekatalysierte Dehydratisierung von Alkoholen es

H

er

OH Säure,A

EN

Ei

>

ii

Lu

FHOH

479

11 Alkene und Infrarot-

über das Aluminiumoxid-Pulver geführt, wobei die Temperaturen zwi-

Spektroskopie

schen 350 und 400°C liegen. Das Alken wird am Ende des Reaktionsgefäßes in eine Kühlfalle kondensiert. Die Leichtigkeit der Wasserabspaltung aus Alkoholen wächst mit zunehmendem Substitutionsgrad des die Hydroxygruppe tragenden Kohlenstoffatoms. Für diese Dehydratisierungsreaktionen sind zwei Mechanismen in Betracht zu ziehen, ein unimolekularer und ein bimolekularer (s. auch Abschn. 7.6, 7.7, 9.3 und 9.6).

Die unimolekulare Dehydratisierung Sekundäre und tertiäre Alkohole beschreiten den unimolekularen Eliminierungs-Pfad. Eine Protonierung des schwach basischen Hydroxy-Sauerstoffatoms liefert, gefolgt von der Wasserabspaltung, die entsprechenden sekundären oder tertiären Carbenium-Ionen, die dann unter Deprotonierung zum Alken abreagieren. Leichtigkeit der Dehydratisierung von Alkoholen R = tertiär > sekundär > primär konz. H,SO,, 170°C

CH;CH;OH HO H CH,C—CCH; h I

en

50% H,SO,, 100°C

en

CH;=CH;

CH;CH=CHCH; 80%

+

CH;=CHCH;CH; Spur CH;

(CHHCOHY

verd. H;SO,, 50°C

H.C=C

=,

ee

5)

=.

100%

CH;

Mechanismus der unimolekularen Dehydratisierung ir + N

se i

© n

RE

+ H*

R—C—c—-

ae

H;0

——

Roc

=H,

——

od

u

; N

n

ii

>42

>-c—-

——=

er Ge

a

Sn

ee

el

c=C

Die Alken-Bildung ist besonders bei hohen Temperaturen begünstigt, bei denen die große Reaktionsentropie — aus einem Molekül werden zwei — dominiert (AG = AH’- TAS). Daneben ist auch die Abwesenheit Dehydratisierung mit Umlagerung

CH,

N

=

+ CH3CCH=CHCH3 + und andere Isomere

c=C

EHSÄCHHCcH, ar

H

CH,

y.

C

OH

(Nebenprodukte)

|

NCH,CH,

ea

8%

54%

CH;

IT chic chen HC OH ;

480

= H0

IS

a

EHER,

CH,

HC c=C 64%

SI

CH;

ee

I eh

3

Nebenprodukt

jeglicher Nucleophile förderlich.

Andernfalls entstehen bevorzugt Sy1-

Produkte.

als Zwischenstufen

Da

Carbenium-Ionen

auftreten,

ist die

Reaktion nicht stereoselektiv. Es treten die bei Carbenium-Ionen möglichen Nebenreaktionen auf, insbesondere Wasserstoffverschiebung und Gerüstumlagerungen (Abschn. 9.3).

11.9 Darstellung der Alkene durch Dehydratisierung von Alkoholen

Übung 11-16 Formulieren !

Sie unter Zuhilfenahme

beiden vorstehenden

der Abschnitte

7.6 und 9.3 Mechanismen

für die

Reaktionen.

Reversible Deprotonierung: Vergleich zwischen kinetischer und thermodynamischer Kontrolle Selbst ohne Umlagerungen erhält man bei säurekatalysierten Dehydratisierungen oft mehrere Produkte. Dies ist bei unsymmetrischen Alkoholen der Fall:

ch:

CH;

OH H3PO,,

—

CHR

100°C

Hauptprodukt

Nebenprodukt

Dennoch bilden sich meist die thermodynamisch stabileren Alkene. Wenn immer möglich, bildet sich das System mit der am höchsten substituierten Doppelbindung, wobei tfrans-substituierte Alkene über ihre cis-Isomeren dominieren. Der Grund liegt darin, daß die Reaktion thermodynamisch kontrolliert ist, da die Deprotonierung reversibel ist. Selbst wenn sich im Anfangsstadium der Reaktion (kinetisch kontrolliert) eine gewisse Menge des thermodynamisch weniger stabilen Alkens bildet, wird die Reprotonierung das ursprüngliche oder ein neues Carbenium-Ion

erzeugen,

woraus

sich

am

Ende

das

thermodynamisch

bevorzugte Produkt bildet.

Thermodynamische Kontrolle bei säurekatalysierten Dehydratisierungen Protonierung/Wasserabspaltung/Deprotonierung:

OH H',-H,O a

t

- H"

I

H

IR

CH;CH>CH=

CH>

H

je

Reprotonierung und Isomerisierung:

CH3CH;CH=CH,

H' ——

lee

H' —=——

CH;CH—=CHCH3

H ° Daher wird die endgültige Produktverteilung ausschließlich von den relativen freien Bildungsenthalpien der erzeugten Alkene bestimmt. Bei den isomeren Butenen ist, wie wir schon früher feststellten (Abb. 11-18), cis-2-Buten um 7.1 kJ/mol stabiler als 1-Buten, und trans2-Buten ist wiederum um 4.2 kJ/mol stabiler als das cis-Isomer. Die Anwendung der thermodynamischen Gleichung AG" = -RTinK (Abschn. 2.8) ergibt, daß die bei Raumtemperatur im thermodynamischen Gleichgewicht befindliche Buten-Mischung aus 74% trans-2Buten, 23%

des cis-Isomers und nur

3% 1-Buten bestehen muß:

481

Kasten 11-3

Die säurekatalysierte Dehydratisierung von a-Terpineol Die säurekatalysierte Dehydratisierung ist für prä-

mes

parative Zwecke

Hauptbestandteil von Zitronen- und Orangenölen, und auf das ebenfalls nach Zitronen riechende a-Terpinen zurückzuführen ist. Die meisten Leser werden sogar schon mit diesem Kohlenwasserstoffgemisch in Berührung gekommen sein, denn es wird bei der Herstellung parfümierter Seifen verwendet.

nicht immer anwendbar,

da Pro-

duktgemische gebildet werden können. Ein Beispiel ist die Dehydratisierung von a-Terpineol, einem in der Natur vorkommenden, ungesättigten Terpen-Alkohol (siehe auch Abschn. 4.7), der aus Pinienöl isoliert wird und einen angenehmen Duft nach Flieder hat. In diesem Fall hat das Produktgemisch glücklicherweise ebenfalls ein angeneh-

33% H>SO4,

das

zum

Teil

auf Limonen,

einen

IFOT

| h, 100°C

MR

- 0

OH

«-Terpineol

Aroma,

15%

9%

28.5%

18.5%

Terpinolen

Limonen

o-Ierpinen

15%

Isoterpinolen

Yy-Terpinen

OH CH,CCH>CH;

60% H>SO,, 25°C

|

85%

H

(isoliert)

H;C

H

H;C

Das

H

CH3

X

H

74%

CH3

+ CH;CH,CH=CH>

H 23%

3%

(relative Ausbeuten)

Wenn man eines der Isomere rein isoliert und es dann wieder den sauren Reaktionsbedingungen aussetzt, erhält man erneut die thermodynamische Gleichgewichtsmischung (Abschn. 12.4). Übung 11-17 Schlagen Sie einen Mechanismus

für die folgende Umlagerung

vor. Was ist treibende

Kraft der Reaktion?

H4C

Zn

CH;CH3

H;C Da

—

Die bimolekulare Dehydratisierung primärer Alkohole Wenn man primäre Alkohole bei erhöhten Temperaturen mit Mineralsäuren behandelt, erhält man ebenfalls Alkene; zum Beispiel ergibt Ethanol Ethen, und 1-Propanol liefert Propen (Abschn. 9.7).

CH;CEHLEI5OH 482

ONZ. H>SO,,

un

180°C

CH

CH=CH

;‚CH—CH

Der Mechanismus dieser Reaktion besteht aus einer Protonierung des

Sauerstoffatoms,

welches

dann

einem anderen Alkoholmolekül

von

einem

Hydrogensulfat-Ion

11.9 Darstellung der Alkene

oder

durch Dehydratisierung von

angegriffen wird, um dann bimolekular

Alkoholen

H* und H,O zu eliminieren. Mechanismus er

es:

+ H”

RCH>CH>OH

./

RCH>CH>0

..

N

H

16)

l..

HOSO:

. H

x

RCH--CH, 07 —

I a

[6]

/

Dr

H

7l.. + Be n/ RCH=CH, + H3Ö +HOSOH oder RCHSCH>O\ ü

H

|

6)

H H

oder _, Roman

ön /

Eine Syn2-Reaktion kann zur E2-Eliminierung in Konkurrenz treten und zu Ethern führen (Abschn. 9.6). Wie wir wissen, überwiegt dieser Reaktionsweg bei tieferen Temperaturen. Ether unterliegen bei erhöhten Temperaturen jedoch auch einer Eliminierungsreaktion, die nach einem ähnlichen Mechanismus abläuft, und führen so zum gleichen Alken. Alkene aus Ethern konz. H-SO,, A CH.CH>0OCH;CH;

p4 CH,=CH;

+

H:0

Übung 11-18 Formulieren Sie einen Mechanismus für die Bildung (Diethylether) bei Behandlung mit heißer Säure.

von

Ethen

aus

Ethoxyethan

Übung 11-19 Eines der Produkte der Oxidation von Cholesterin mit saurem Dichromat ist das Keton A. Können Sie einen Mechanismus für seine Bildung vorschlagen? Hinweis: Beachten Sie die Diskussion der Hydroxy-Kationen in Abschn. 9.3.

CH, R CH3

CH3 & ji HS»

CH3 Na>Cr307

—

HO Cholesterin

Abschließend kann man folgendes festhalten: Alkene können durch Dehydratisierung von Alkoholen hergestellt werden. Sekundäre und tertiäre Systeme reagieren über Carbenium-Ionen, wogegen primäre Alkohole E2-Reaktionen über intermediäre Oxoniumionen eingehen. Alle Systeme unterliegen Umlagerungen als Folge reversibler Deprotonierungs-Reprotonierungs-Cyclen und ergeben daher meist Produktgemische.

483

11

Alkene und Infrarot-

Spektroskopie

Verständnisübung Die säurekatalysierte Dehydratisierung von 2-Methyl-2-pentanol (verd. H,SO,, 50°C) liefert ein Haupt- und ein Nebenprodukt. Beide haben die Summenformel C;H,,. Die spektroskopischen Daten dieser Verbindungen im folgenden zusammengefaßt: 1

Hauptprodukt

IR: 5 = 1660, 3080 cm’.

IH-NMR: 5 = 0.91 (t, 3H, J = 7 Hz), 1.60 (s, 3H), 1.70 (s, 3H), 1.98 (quin, 2H, J = 7 Hz), 5.08 (t, IH, J = 7 Ha).

2

Nebenprodukt

IR: 5 = 1640, 3090 cm. "H-NMR: ö = 0.92 (t, 3H, J = 7 Hz), 1.4 (sex, 2H, 7 1.7485 3), 2.02. 2 = 12) Aero:

BE

Leiten Sie aus diesen Daten die Konstitutionen der beiden Produkte ab und schlagen Sie einen geeigneten Mechanismus für ihre Bildung vor. Diskutieren Sie in Ihrer Antwort, warum das Hauptprodukt in einer größeren Ausbeute erhalten wird!

Lösung Beginnen wir zunächst mit der Konstitutionsformel der Ausgangsverbindung (Nomenklatur von Alkoholen, s. Abschn. 8.1) und mit dem, was wir über die Reaktion wissen: OH

DM

verd. H:SO,, EVER REES 50°C

Ba

2-Methyl-2-pentanol

Es handelt sich um eine säurekatalysierte Reaktion eines tertiären Alkohols (Abschn. 11.9). Obwohl wir bereits genug wissen, um eine vernünftige Lösung vorschlagen zu können, wollen wir zunächst die gegebenen spektroskopischen Daten interpretieren und damit überprüfen, ob unsere Erwartungen bestätigt werden. Für das Hautprodukt beobachten wir im IR-Spektrum eine Bande bei 1660 und eine bei 3080 cm”!. Diese Banden können wir den Schwingungen einer C=C-Doppelbindung bzw. einer C-H-Bindung zuordnen (1620-1680 und 3050-3150 cm!, Tab.

11-4). Wenden

wir uns nun dem

NMR-Spektrum zu und suchen sofort nach Signalen im charakteristischen Bereich von Alkenylwasserstoffatomen, d = 4.6-5.7 (Tab. 10-2, Abschn. 11-4). Tatsächlich ist ein Signal bei ö = 5.08 vorhanden. Die zusätzliche Information (t, IH, J = 7 Hz) verrät uns, daß das Signal in ein Triplett aufgespalten ist, eine Kopplungskonstante von 7 Hz aufweist, und das Integral über die Fläche des Signals einem Proton (1H) entspricht. Im Spektrum finden wir drei weitere Signale, deren relative Intensität jeweils 3H entspricht. Es erscheint vernünftig, daß Signale mit einer relativen Intensität von 3 und einer Verschiebung von d = 0-4 auf Methylgruppen hindeuten, es sei denn, andere Informationen widersprechen dieser Vermutung. Zwei der Methylgruppen bilden Singuletts, die dritte ein Triplett. Desweiteren kann ein zum Quintett aufgespaltenes Signal mit einer relativen Intensität von 2H bei ö = 1.98 beobachtet werden. Unter der Annahme, daß das letzte Signal einer CH,-Gruppe entspricht, müssen beim Zusammensetzen der Struktur folgende Fragmente

vorhanden

Atome

in diesen Fragmenten

sein:

CH=C,

Summe

der

beträgt C£H),, in Übereinstimmung

3 CH;

und

CH,.

Die

mit

der uns bekannten Summenformel des Produktes. Dies bestätigt uns, daß wir uns auf dem richtigen Weg befinden. Es gibt nur wenige Möglichkeiten, wie diese Fragmente in einer sinnvollen Weise verknüpft werden können:

Verständnisübung

CH;

|

(unter Vernachlässigung der Stereochemie) nd

CH; — CH=C—CH,—CH;

| CH;—CH,—

CH=C—CH;

Um entscheiden zu können, welches die richtige Konstitution ist, können wir entweder unser chemisches Wissen oder die spektroskopischen Daten zu Hilfe nehmen. Betrachten wir die Aufspaltungsmuster im NMR-Spektrum: Die (N+1)-Regel (Abschn. 10.7) besagt, daß im Idealfall jedes NMR-Signal von N benachbarten Protonen in (N+1) Linien aufgespalten wird. In der ersten Strukturformel ist das Alkenylwasserstoffatom einer CH;-Gruppe benachbart und sollte somit (3+1) = 4 Linien aufweisen (Quartett). Im Spektrum wird jedoch ein Triplett beobachtet. Desweiteren enthält diese Formel drei Methylgruppen, denen 0, 1 bzw. 2 Wasserstoffatome benachbart sind und deshalb als Singulett, Dublett und Triplett beobachtet werden sollten. Dies widerspricht dem erhaltenen NMR-Spektrum. Die zweite Molekülstruktur hingegen steht mit dem NMR-Spektrum in Einklang. Das olefinische Wasserstoffatom hat zwei benachbarte Protonen und wird, wie im Spektrum beobachtet, zum Triplett aufgespalten. Zwei der drei CH;-Gruppen befinden sich an einem Alkenkohlenstoffatom und haben somit keine benachbarten Wasserstoffatome; sie sollten jeweils ein Singulett ergeben. Wir überprüfen dieses Ergebnis mit Hilfe unseres chemischen Wissens: Die spektroskopisch ermittelte Struktur zeigt dasselbe Kohlenstoffgerüst wie das Edukt, während

zur Bildung des falschen Produktes

eine Umlagerung hätte stattfinden müssen. Untersuchen wir nun das Nebenprodukt mit der gleichen Methode. Das IR-Spektrum zeigt ebenfalls ein Signal für die Schwingung einer C=C-Doppelbindung (1640 cm!) und einer olefinischen C-H-Bindung (3090 cm). Im NMR-Spektrum wird ein Singulett bei ö = 4.78 beobachtet, dessen relative Intensität zwei Protonen entspricht. Der Bereich der chemischen Verschiebung weist darauf hin, daß es sich um olefinische Protonen handelt. Desweiteren werden zwei Methyl-Signale und ein Signal einer CH,-Gruppe beobachtet. Unser Molekül besteht also aus zwei CH;-, zwei CH>-Gruppen und zwei Alkenylwasserstoffatomen, was der Summenformel C,H}, entspricht. Betrachten wir das Aufspaltungsmuster im NMR-Spektrum, so können wir leicht die richtige Lösung finden: Ein CH;-Gruppe liefert ein Singulett. Dies bedeutet, daß sie einem Kohlenstoffatom

benachbart

sein muß, daß kein Wasser-

stoffatom trägt. Sehen wir uns die Fragmente genauer an, so gelangen wir zu dem Schluß, daß es sich dabei nur um ein Alkenkohlenstoffatom

handeln kann. Wir haben also ein CH;-C=C-Fragment. An das fettgedruckte Kohlenstoffatom sind keine Wasserstoffatome gebunden. Die olefinschen Protonen müssen sich also am zweiten Alkenkohlenstoff-

| atom befinden: CH;-C=CH,.

Die restlichen Fragmente

können

an diese Teilstruktur sinnvoll nur

ein einer Art und Weise angebracht werden:

CH; — CH, — CH;

| CH;

—

C=CH;

Nun können wir die folgende Reaktionsgleichung formulieren: OH Bir.

50°C verd. H;SO., ER SE 3

2-Methyl-2-pentanol

| | ER,

% | -+-

EEE

Hauptprodukt

485

11

Alkene und Infrarot-

Spektroskopie

Entspricht dieses Ergebnis unseren Erwartungen? Betrachten wir hierzu den Reaktionsmechanismus (Abschn. 11.9). Die Dehydratisierung eines sekundären oder tertiären Alkohols beginnt mit der Protonierung des Sauerstoffatoms, wodurch die Hydroxy-Gruppe in eine gute Abgangsgruppe (H,O) überführt wird. Nach der Abspaltung der Abgangsgruppe erhält man ein Carbenium-Ion, und durch Abstraktion eines Protons eines benachbarten Kohlenstoffatoms (höchst wahrscheinlich durch ein zweites Alkohol-Molekül, das als Lewis-Base fungiert) entsteht dann über einen El-Mechanismus ein Alken.

Das Produkt mit der höhersubstituierten Doppelbindung ist das Hauptprodukt, da es die thermodynamisch stabilere Verbindung ist (Abschn. 11.7, 11.9). Dies ist ein typisches Ergebnis für säurekatalysierte El-Dehydratisierungen.

Neue Reaktionen 1

Hydrierung von Alkenen (Abschn. 11.7) Pd

cs

|

+ H5 et,

—

|

|nn

AH°® = -120 kJ/mol

HH

Ordnung der Stabilität der Doppelbindung: R

R Nc=CH» =

6

RR Nce=c/

BA




H Sn

a

>,

< höhersubstituierte Alkene

Darstellung von Alkenen 2 Eliminierung aus Halogenalkanen (Dehydrohalogenierung) (Abschn. 11.8)

Er EST SE HCHE

FE

ei

HRG

EN

x

3

Saytzev-Eliminierung (Abschn. 11.8)

nk ee | x

CH HX

De,N L

Höhersubstituiertes

(stabileres) Alken

486

;

4

Hofmann-Eliminierung (Abschn. 11.8) |

|

Voluminöse

ee

erg —

Neue Reaktionen N

H

—- ze

|

=(CH>

NEN

Geringer substituiertes (weniger stabiles) Alken

5

Stereochemie der E2-Reaktion (Abschn. 11.8) Bl:

a

’

R'’'

ER

|

7

c=c

vu:

en

anti-Eliminierung

6

Dehydratisierung von Alkoholen (Abschn. 11.9)

Bene: 5 |

H

|

H%

N

Hi

OH

Reihenfolge der Reaktivität: tertiär > sekundär > primär

7

Isomerisierung von Alkenen (Abschn. 11.9) H

— cn, Mercer RCH> terminal

R

intern

R

Da

R

H

NEE Dr

cis

en!

”

IR

trans

487

te

(ODıN HOA 09

‘-OH) ‘_ON (NY

t

BE2R

Oyarıs asegg

|

ey

no—f

v’OosH

HI |AT IHI

\

L\ %I

E66 94 '26 6-11 N

v ie

7 y-f X

|

v’oH 'o8v

Yı

“IPd

HOOI°HI 20

WI=-4)

NEITEITRAIGESEITTLTEIDER) EILITIRDTRTZETTEIC

SI

11

Spektroskopie

Alkene und Infrarot-

’S-81 ’9-81 2-81 |

Wichtige Konzepte

Wichtige Konzepte

1 Die IUPAC-Namen der Alkene werden von denen der Alkane abgeleitet, wobei die längste, die Doppelbindung einschließende Kette als Stammsystem dient. Isomere ergeben sich aus terminalen und internen Alkenen sowie aus cisund rans-Doppelbindungen. Tri- und tetrasubsti-

6 Alkane haben die charakteristischen IR-Banden der C—H-Bindung im Bereich von 2840 bis 3000 cm”!. Die Absorption der C=C-Valenzschwingung der Alkene ist im Bereich 1620 bis

tuierte

schwingungen haben manchmal verwertbare Absorptionsbanden unterhalb von 1000 cm"!. Alkohole werden durch eine breite Bande für die O-—H-Valenzschwingung zwischen 3200 cm! und

Alkene

werden

nach

dem

benannt, wobei die Prioritätsregeln Systems angewendet werden.

E,Z-System

des

R,S-

2 Die Doppelbindung besteht aus einer o- und einer n-Bindung. Die o-Bindung wird durch Überlappung der zwei sp’-Hybridorbitale der beiden Kohlenstoffatome gebildet, die n-Bindung durch Überlappung der beiden verbleibenden p-Orbitale. Die n-Bindung ist schwächer (ca. 270 KJ/ mol) als die o-Bindung (ca. 450 kJ/mol), jedoch stark genug, um die Existenz von cis- und fransIsomeren zu erlauben. 3 Doppelbindungen sind planar, d.h. die beiden Kohlenstoffatome der Doppelbindung und die vier direkt an diese gebundenen Atome liegen in einer Ebene. Die sp’-Hybridisierung ist die Ursache für die mögliche Ausbildung von Dipolmomenten und für die relativ hohe Acidität der Alkenyl-Wasserstoffatome im Vergleich zu AlkylWasserstoffatomen. 4 Alkenyl-Wasserstoffe treten im !H-NMRSpektrum bei tiefem Feld in Resonanz (d = 4.65.7), Alkenyl-Kohlenstoffatome verhalten sich im

BC-NMR-Spektrum ebenso (ö = 100-140). Jyans ist größer als Juin Jgem Ist sehr klein, J,,, unterschiedlich, jedoch klein.

5 Die Infrarot-Spektroskopie mißt die Anregung von Schwingungen. Die Energie der absorbierten Strahlung reicht von etwa 4 bis 40 kJ/mol (M >

2.5-16.7 um; Ad = 600-4000 cm). Bestimmte funktionelle Gruppen zeigen charakteristische Signale, die sich aus Valenz-, Deformations- und anderen “Arten von Schwingungen sowie aus Kombinationen von diesen ergeben. Jedes Molekül hat sein eigenes Absorptionsmuster im IRSpektrum (Fingerprint), durch das es, wie durch einen Fingerabdruck, charakterisiert ist.

1680 cm”! zu finden und die der Alkenyl-C—HBindung bei etwa 3100 cm°!. Deformations-

3650 cm”! charakterisiert. 7 Der Grad der Ungesättigtheit (Anzahl der Ringe und der n-Bindungen) kann aus der Summenformel mit der Formel Grad der Ungesättigtheit = (Hau -H;u)/2 mit Hg.

= 2nc + 2-nx + nn (ohne Berücksich-

tigung von werden.

Sauerstoff

und

Schwefel)

berechnet

8 Die relative Stabilität isomerer Alkene kann durch Messung ihrer Hydrierungswärmen bestimmt werden. Sie nimmt mit abnehmendem Substitutionsgrad ab. trans-Isomere sind stabiler als ihre cis-Analoga. 9 Eliminierungen von Halogenalkanen (oder auch anderen Alkyl-Verbindungen) folgen der Saytzev-Regel (sterisch wenig anspruchsvolle Base, Bildung interner Alkene) oder der Hofmann-Regel (sterisch anspruchsvolle Base, Bildung terminaler Alkene). trans-Alkene überwiegen als Reaktionsprodukte über cis-Alkene. Als Folge des anti-Übergangszustandes, der die optimale Überlappung der sich bildenden p-Orbitale ermöglicht, ist die Eliminierung stereospezifisch.

10 Die Dehydratisierung von Alkoholen in Gegenwart einer starken Säure führt meist zu einem Produktgemisch mit dem stabilsten Alken als Hauptprodukt.

489

11

Aufgaben

Alkene und Infrarot-

Spektroskopie

1 Benennen Sie jedes der folgenden IUPAC-System der Nomenklatur.

(a)

CH>CH>

H

(b)

()

CH3

S\

N

HOCH; Q

H oe

H (d)

a

ee

H

en NCHSCHACHCH;

@

CH;0 3

(h)

CHCH H;C

cı

ET.

dem

CH;

H

(£) CHACH»

CH;CH>

entsprechend

@=@

CHR,

H

CH3CH>;CHCH=CH3>

cı

I CHCH;

Moleküle

„EHCHSCH;

a. H

CH; ()

Cl

” OCH 3 ER

HC

Br

())

H

OCH>CH=CH>

u 2 Bestimmen Sie die Konstitutionen der folgenden Moleküle anhand ihrer abgebildeten 'H-NMR-Spektren (siehe folgende Seiten). Bedenken Sie, wenn nötig, die Stereochemie. (a) (b) (ce) (d) (e)

C,H-Cl, NMR-Spektrum C;H;0O,, NMR-Spektrum C;H,1l, NMR-Spektrum C,H,Il,NMR-Spektrum C;H,Ch, NMR-Spektrum

Start of sweep

A B C D E

>——B-——

End of sweep

A

3 Erklären Sie das Aufspaltungsmuster im 'H-NMR-Spektrum D genau. Der Bereich ö = 5.7-6.7 ist zusätzlich fünffach gedehnt wiedergegeben. 4

Start of sweep

—B-—

End of sweep

Aufgaben

Bd u DM

B

Start of sweep

Q

ö

—B—

End of sweep

491

11 Alkene und InfrarotSpektroskopie

Start of sweep

>—B-—

ml 7

End of sweep

|

6

5

4

3

2

l

0

ö

D

Start of sweep

7

6

>—B—

5

4

3

ö

E

492

End of sweep

2

l

0

4 Entscheiden Sie für jedes der folgenden Paare von Alkenen, ob man die beiden Verbindungen allein anhand einer Messung des Dipolmomentes unterscheiden kann. Wo möglich, nennen Sie die Verbindung mit dem größeren Dipolmoment.

H (a)

SE

CHs

nr

H;C H;C (b)

und

CHiCH,

ER

H;C c=C

(e)

H 5

e

CH;3CH>CH=CH>

H „ERCHSCH, und

H

74

H

CH>CH>CH;

H und

H

93

CHLCH, Cc=C

CH;CH

H

CHACH;

=

H

EN

Aufgaben

H

Die Summenformeln und die "C-NMR-Daten einiger Verbindungen

sind nachfolgend angegeben; das Aufspaltungsmuster eines jeden Signals, das aus dem nicht entkoppelten Spektrum bestimmt wurde, ist in Klammern hinzugefügt. Bestimmen Sie die Identitäten der Verbindungen.

(a) C,Hg: 30.2 (t), 136.0 (d). (b) C,H,O: 18.2 (q), 134.9 (d), 153.7 (d), 193.4 (d). (OEGRE 13.6 (9),25:8 (t), 112.7 (t),139.018)) (d) C;H,00: 17.6 (q), 25.4 (q), 58.8 (t), 125.7 (d), 133.7 (s). (e, CE,215.8 (&)5 3144) 103909, 149.2 (8). () C-Hıo: 25.2 (t), 41.9 (d), 48.5 (t), 135.2 (d). (Diese Aufgabe ist schwierig. Hinweis: Das Molekül enthält eine Doppelbindung. Wie viele Ringe muß es enthalten?) 6 Die "’C-NMR-Spektren von drei Verbindungen der Summenformel C;H;,. sind mit den aus den nicht entkoppelten Spektren erhaltenen Multiplizitäten (in Klammern) angegeben. Machen Sie Vorschläge für die drei Verbindungen!

(a) 25.3 (t). (b) 13.3 (q), 17.1 (q), 25.5 (q), 118.7 (d), 131.7 (8). (0) 12.0 (g), 13.8 (q), 20.3 (t), 122.8 (d), 132.4 (d). 7 Würden Sie nach dem Hookeschen Gesetz erwarten, daß die IR-Banden der C—X-Bindungen von gewöhnlichen Halogenalkanen (X=Cl, Br, I) bei höheren oder niedrigeren Wellenzahlen als die von Bindungen von Kohlenstoff zu leichteren Elementen (z.B. Sauerstoff) liegen? > 8 Welchen Wellenlängen von IR-Banden?

entsprechen

die angegebenen

Wellenzahlen

(a) 1720 cm”! (C=O) (b) 1650 cm! (C=C)

(d) 890 cm"! (Alken-Deformationsschwingung)

(ec) 3300 cm”! (Alkin-C-H)

(e) 1100 cm”! (C-O)

($ 2260 cm! (C=N) 9 Sie sind ins Chemikalienlager gegangen, um nach einigen isomeren Brompentanen zu suchen. Auf dem mit CsH,,Br gekennzeichneten Regal befinden sich drei Flaschen, deren Etiketten abgefallen sind. Das NMR-Gerät ist kaputt, und so entwickeln Sie folgendes Experiment, um zu bestimmen, welches Isomer in welcher Flasche ist: Eine Probe aus jeder Flasche wird in wäßrigem Ethanol mit NaOH behandelt und dann das IR-Spektrum jedes Produktes oder Produktgemisches aufgezeichnet.

493

11 Alkene und Infrarot-

Dabei erhalten Sie die folgenden Ergebnisse:

Spektroskopie

(i) CsH,,Br-Isomer in Flasche A

MOHN, IR-Banden bei 1660,

2850-3020 und 3350 cm!

(ii) CsH,,Br-Isomer in Flasche B CE, IR-Banden bei 1670 und 2850-3020 cm”!

(iii) CH Br-Isomer in Flasche C X, IR-Banden bei 2850-2960 und 3350 cm! Beantworten Sie die folgenden Fragen: (a) Was können Sie den Daten über jedes Produkt oder Produktgemisch entnehmen? (b) Schlagen Sie eine Formel für den Inhalt jeder Flasche vor. Läßt sich mit den Daten einer der drei Flaschen mehr als eine Struktur in Einklang bringen? 10 Berechnen sie den Grad der Ungesättigtheit für folgende Summenformeln. (a) CH, (Benutzen Sie das Ergebnis für Aufgabe 11);

(b) CSH-NO;; (ce) Elle; (A) CioH20O11; (e) CHH10S; M CısH2sO>. 11

Ein Kohlenwasserstoff

mit der Summenformel

C-H,, hat folgende

spektroskopische Daten: 'H-NMR ö = 1.3 (m, 2H), 1.7 (m, 4H), 2.2 (m, 4H) und 4.8 (quin, J = 3 Hz, 2H); "C-NMR ö = 26.390285 35.7, 106.9 und 149.7, das IR-Spektrum ist abgebildet (Spektrum F). Die Hydrierung der Verbindung liefert ein Produkt mit der Summenformel C-Hj4. Schlagen Sie eine zu diesen Daten passende Konstitutionsformel für die Verbindung vor. 100

SS

s nn©

3072

&

Ee

7 ID

=

= =:

=

1649

888

0

4000

3500

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2500

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| 2000

1500

1000

600 cm

Wellenzahl sin cm ' F

12 Die Isolierung einer neuen Form molekularen Kohlenstoffs mit der Formel C;,, wurde 1990 publiziert. Die Verbindung hat die Gestalt eines Fußballs aus Kohlenstoffatomen und wird auch „Buckyball“ genannt. (Buckminsterfulleren, C,o-Fulleren; Sie werden den TUPACNamen nicht wissen wollen.) Die Hydrierung liefert einen Kohlenwasserstoff mit der Summenformel C,oHzs. Wie groß ist der Grad der Ungesättigtheit in Cu? Und in C.oH35? Begrenzt das Ergebnis der Hydrierung die Zahl der n-Bindungen und der Ringe im „Buckyball“-Molekül? (Die Diskussion von C,, wird in Kapitel 15 fortgesetzt.) 13 Ordnen Sie jede der folgenden Gruppen von Alkenen a) nach steigender Stabilität der Doppelbindung und b) nach steigender Hydrierungswärme.

494

1

N

H;C H

(b)

Sn er 2

H;C

Aufgaben

In

CHE

H

H

CH(CH3)»

H3C

H

H

N

er ”

CH(CH;3)

>>

H

Fi

(CH,CH

CH(CH3)>

CH3

CH>

Be.

CH3

IC) A 14 Die E2-Eliminierung von 2-Brombutan mit Natriumethoxid in Ethanol ergibt drei Produkte. Welche? Zeichnen Sie Newman-Projektionen der reaktiven Konformationen, die für die Bildung eines jeden der drei Produkte ursächlich sind. Was sagen diese Projektionen über die Leichtigkeit der Bildung eines jeden Produktes aus? 15

Welche

Strukturmerkmale

unterscheiden

Halogenalkane,

die

bei

einer E2-Reaktion mehr als ein Stereoisomer (z.B. 2-Brombutan, Aufgabe 14) ergeben, von solchen, die ausschließlich ein Stereoisomer erge-

ben (z.B. 2-Brom-3-methylpentan, Abschn. 11.8)? 16 Welches sind die zu erwartenden Hauptprodukte der Reaktionen der folgenden Halogenalkane mit (1) Natriumethoxid in Ethanol und (2) Kalium-zert-butoxid in 2-Methyl-2-propanol (tert-Butanol)? (a) Chlormethan (b) 1:Brompentan (ce) 2-Brompentan

(d) (e) (f) (8) (h)

1-Chlor-l-methylceyclohexan (1-Bromethyl)cyclopentan (2R,3R)-2-Chlor-3-ethylhexan (2R,3S)-2-Chlor-3-ethylhexan (25,3R)-2-Chlor-3-ethylhexan

17 Zeichnen Sie Newman-Projektionen der vier Stereoisomere des 2Brom-3-methylpentans in den für E2-Reaktionen nötigen Konformationen (Beachten Sie die Strukturen zur Stereospezifität in der E2-Reaktion von 2-Brom-3-methylpentan in Abschn. 11.8). Sind die reaktiven Konformationen auch die stabilsten? Erklären Sie!

18 Schätzen Sie (qualitativ) die relativen Mengen der isomeren Alkene ab, die bei den Eliminierungsreaktionen in Aufgabe 11 in Kap. 7 gebildet werden.

495

11 Alkene und Infrarot-

19

Spektroskopie

Alkenen bei den Reaktionen in Aufgabe 4 in Kap. 9 ab.

Schätzen

Sie (qualitativ)

die relativen

Ausbeuten

an gebildeten

20 Welches sind die Formeln der als Hauptprodukte zu erwartenden Alkene bei E2-Eliminierungen der in Aufgabe 27 in Kap. 7 abgebildeten chlorierten Steroide? 21 Im Bakterium Escherichia coli hat man ein Enzym entdeckt, das die Dehydratisierung von Thioestern der (-)-3-Hydroxydecansäure so katalysiert, daß ein Gemisch der entsprechenden Thioester der trans-2Decensäure und der cis-3-Decensäure entsteht:

6 | CHZESR

ie 1 CH»(CH,).CHCH,CSR

CHACHDs, PER H H

“

CHalCHaa MH ER H 2 Ö

Vergleichen Sie dieses Ergebnis mit dem für eine normale säurekatalysierte Dehydratisierung (z.B. H,SO, und Wärme) zu erwartenden. CH>

CH>

A

B

22 1-Methylcyclohexen ist stabiler als Methylencyclohexan (A am Rand), Methylencyclopropan (B) ist jedoch weniger stabil als 1-Methylcyclopropen. Erklären Sie diesen Befund. 23 Welches sind die Produkte meren Halogen-Verbindungen? (a)

einer E2-Reaktion

CH:

der folgenden iso-

(b)

Br

CoHs

H

CH;

Br

H;C

H

CoHs

CoHs

Die eine Verbindung reagiert dabei 50 mal schneller als die andere. Welche der beiden ist das? Warum? Wie hängt der Faktor 50 in der Reaktionsgeschwindigkeit mit der Aktivierungsenergie bei 298K zusammen? Ergibt dieser Energieunterschied chemisch einen Sinn? Hinweis: Vgl. Aufgabe 17. 24 Erklären Sie genau die Unterschiede in den Reaktionsmechanismen, die zu den folgenden zwei experimentellen Ergebnissen führen:

CH3

CH;

7

Cl

CH,CH,O"Na*, CH,CH,OH 0

CH(CH3)»

CH(CH3)3 100%

CH3

CH3

CH,CH,O"Na*, CH;CH,OH

a

A

ER

FE

CH3

a

ESS

Ncı CH(CH3)>

496

CH(CH3)» 25%

CH(CH3)> 75%

25 Sie sind gerade zum Vorstandsvorsitzenden des berühmten ParfumHerstellers „Scents ’R’ Us“ ernannt geworden. Auf der Suche nach einem zugkräftigen neuen Produkt stoßen Sie auf ein Fläschchen, das nur mit „CioH%»O0“ beschriftet ist und eine Flüssigkeit mit einem wundervoll süßen Rosenduft enthält. Sie wollen mehr davon und beschließen, die Konstitution aufzuklären. Versuchen Sie es mit den folgenden Daten: (i) 'H-NMR: deutliche Signale bei ö = 0.94 (d, J = 7 Hz, 3H), NS SH) NS 7 Hz, 20), 3100, 26 Hz; 1 H), die übrigen 8 H haben überlappende Signale im Bereich ö =

1.3-2.2. (ii) "C-NMR

Aufgaben

('H-entkoppelt): ö = 60.7, 125.0, 130.9, alle

anderen Signale bei höherem Feld als d = 40. (ii) IR: 7 = 1640 und 3350 cm!. (iv) Oxidation mit gepuffertem PCC ergibt eine Verbindung mit der Summenformel

C,oHısO

und den folgenden

Veränderungen

in

den Spektren gegenüber der Ausgangsverbindung: 'H-NMR: Das Signal bei ö = 3.68 ist verschwunden, aber ein neues Signal bei ö = 9.64 wird beobachtet; "’C-NMR: Das Signal bei ö = 60.7 ist verschwunden, ersetzt von einem bei ö = 202.1; IR: Das Signal bei $ = 3350 cm! ist verschwunden, eine neue Bande findet man bei $ = 1728 cm’'. (v) Hydrierung liefert C,H»O, dieselbe Verbindung, die auch bei der Hydrierung des Naturstoffs Geraniol entsteht. 26

Ordnen

Sie die folgenden

Informationen

bindungen

in Tabelle

zu:

Campher,

Sätze

von

IR-Banden

mit

Hilfe

11-3 diesen in der Natur vorkommenden

Menthol,

Chrysanthemumsäureester,

rin

OH

Geraniol

der Ver-

Epi-

androsteron. Sie finden die Formeln dieser Naturstoffe in Abschnitt 4.7. (a) 3355 cm!, (b) 1630, 1725, 3030 cm!; (e) 1730, 3410 cm"!; (d) 1738 cm. 27

Identifizieren

Sie die im folgenden

mit A, B und

€ bezeichneten

Verbindungen und erklären Sie die ablaufenden Reaktionen: Reaktion von exo-Bicyclo[3.3.0]octan-2-ol (Rand) mit 4-Methylbenzolsulfonylchlorid in Pyridin ergibt A (C,sH%»SO;). Die Reaktion von A mit Lithiumdiisopropylamid (LDA, Abschn. 7.8) ergibt ein einziges Produkt B (CyH,,), welches in seinem 'H-NMR-Spektrum ein zwei Protonen entsprechendes Multiplett bei ö = 5.6 zeigt. Wenn man A jedoch vor seiner Reaktion mit LDA mit Nal behandelt, bilden sich zwei Produkte, B und ein Isomer C, dessen 'H-NMR-Spektrum bei ö = 5.2 ein Multiplett zeigt, dessen Integral nur einem Proton entspricht. 28 Der Citronensäure-Cyclus ist eine Folge von biologisch wichtigen Reaktionen, die im Metabolismus der Zelle eine zentrale Rolle spielen. Der Cyclus beinhaltet Dehydratisierungsreaktionen der Milchsäure und der Citronensäure, wobei Fumarsäure und Aconitsäure gebildet werden (Trivialnamen). Beide Reaktionen verlaufen über einen Enzym-katalysierten anti-Eliminierungs-Mechanismus.

CO,H H

H*®

H

OH

CO,H H*

H m

Fumarsäure

CO,>H

HO

CH>CO>H

Aconitase

Aconitsäure

CO,>H

Äpfelsäure

Citronensäure

(a) In beiden Reaktionen wird nur das durch einen Stern gekennzeichnete Wasserstoffatom zusammen mit der OH-Gruppe des darunterstehenden Kohlenstoffatoms entfernt. Welches sind die Konstitutionen der Fumarsäure und der Aconitsäure, wie sie durch diese Reaktionen gebildet werden? Machen Sie sich die Konfigurationen der beiden Produkte klar. (b) Benennen

Sie die Konfigurationen

der beiden

Produkte

unter

Verwendung der cis-trans- oder der E,Z-Nomenklatur.

497

11 Alkene und InfrarotSpektroskopie

(ec) Sind die Wasserstoffatome der CH,-Gruppe der Äpfelsäure enantiotop oder diastereotop? Beantworten Sie die Frage auch für die Citronensäure. (d) Isocitronensäure

OH

|

HO,CCHCHCH>CO;H | CO;H wird auch durch Aconitase dehydratisiert. Wieviele Stereoisomere der Isocitronensäure können existieren? Nennen Sie die Konfiguration eines Stereoisomers der Isocitronensäure, das bei Dehydratisierung (anti-Eliminierung!) das gleiche Isomer der Aconitsäure ergibt, das man aus Citronensäure erhält. Markieren Sie die asymmetrischen Kohlenstoffatome in diesem Isomer der Isocitronensäure unter Verwendung der R, S-Notation.

Gruppenübung 29 Die folgenden Angaben (Reaktionsgleichung und Tabelle) legen den Schluß nahe, daß einige Aminosäurederivate stereospezifisch dehydratisiert werden können:

kin

|

or

—

2.RıN, Base

CC,

R I

CO;CH3C;Hs

FOCH2CsR5

f

x

a

NHCO,CH>C,H;

2

1

R'

R?

CH; H

H CH; H CcHeH.)

CH(CH;),

Su nr

H

NHCO;CH; C,H;

Teilen Sie die Aufgabe untereinander auf: Untersuchen Sie diese Daten unter dem Aspekt der Stereokontrolle dieser Eleminierungsreaktion. Bestimmen Sie die absolute Konfiguration (R,S) der Verbindungen 1ald und geben Sie an, ob die gebildeten Alkene 2a-2d E- oder Z-konfiguriert sind. Zeichnen Sie eine Newman-Projektion der aktiven Konformation jeder Ausgangsverbindung (l1a-1d). Tragen Sie anschließend Ihre Ergebnisse zusammen und entscheiden Sie, welche absolute Konfiguration das Stereozentrum (durch einen Stern gekennzeichnet) der Verbindung 3 hat. Durch die Dehydratisierung von 3 gelangt man zu 4, das eine wichtige Zwischenstufe in der Synthese des Antitumormittels 5 ist.

Da Bi =. Be N * < 2 BR H In

ER

EN I

1.CH— — %-80;C1, Pyridin

ES. Tossa /

Sn ]

o

„CHE

N j

NH

2. R,N, Base

pIS en 2

Dar

NH

x

pIS. a “

et

z

NH

U

(P'! und P? sind Schutzgruppen)

498

NHP

I

ö

Die Reaktionen der Alkene

Für die Doppelbindung besteht eine Vielzahl von Reaktionsmöglichkeiten, ein Großteil führt durch eine Addition zu gesättigten Produkten. Additionen verändern die Funktionalität an beiden Kohlenstoffatomen der Doppelbindung und können deshalb zu einer besonders großen Vielfalt wertvoller organischer Moleküle führen. In diesem Kapitel werden wir sehen, daß Additionen an die r-Bindung generell exotherm sind und sie daher nahezu

mit Sicherheit

stattfinden werden,

wenn

es einen

Reaktionsweg gibt. Wir werden mehrere dieser Reaktionswege diskutieren, wie die Orientierung

der Addition

und wie die Konfiguration

der

Produkte kontrolliert werden können, und wie sie in der Synthese angewendet werden. Die Kontrolle der Stereochemie hat in der Synthesechemie der 90er Jahre eine besondere Bedeutung erlangt und wurde beispielsweise bei der Herstellung enantiomerenreiner Arzneimittel außerordentlich verfeinert. Bei der Diskussion der Hydrierung wird der katalytische Aktivierungsprozeß im Detail beschrieben. Danach werden wir einen häufig auftretenden

Reaktionstyp

vorstellen,

der Elektrophile,

wie Protonen,

Halogene oder Quecksilber-Ionen, erfordert. Andere in diesem Kapitel behandelte Additionsreaktionen sind die Hydroborierung, eine Reaktion, die zu Alkylboranen führt (die weiter umgesetzt werden können), die Oxidation (die zu Diolen oder sogar zum vollständigen Bruch der Doppelbindung führen kann) und Radikalreaktionen. Wir beschließen das Kapitel mit Reaktionen, die mit so einfachen Molekülen wie Ethen durchgeführt werden und die in der Lage sind, Polymere in vielfältiger Struktur, Stärke, Elastizität und Funktion zu bilden.

499

12 Die Reaktionen der Alkene

Addition an die

Doppelbindung eines Alkens

Se

ei

+ A-B

N

AH° =? AB

Piel

12.1 Warum Additionsreaktionen stattfinden können: Thermodynamische Aspekte Die n-Bindung ist relativ schwach, weswegen die Chemie der Alkene vor allem von den Reaktionen dieser Bindung bestimmt wird. Die einfachste Reaktion ist die Addition einer Verbindung A-B, die zu einer gesättigten Verbindung führt. Die Thermodynamik dieses Prozesses hängt ab von der Stärke der r-Bindung, der Dissoziationsenthalpie DH,» und der Stärke der neu gebildeten Bindungen von A und B zu Kohlenstoff. Man erinnere sich, daß man die Reaktionsenthalpie AH” derartiger Reaktionen abschätzen kann, indem man die Bindungsstärken der gebrochenen Bindungen von denen der gebildeten Bindungen abzieht (Abschn. 3.4; C steht für Kohlenstoff): AH" = (DHe_, + DHe») - (DEN Bindung + DHA5) Tabelle 12-1 zeigt die DH”-Werte (bestimmt aus den Daten in Tab. 3-1 und Abschn. 3.5 für eine n-Bindungsstärke von 272 kJ/mol) sowie abgeschätzte Reaktionsenthalpien AH” für verschiedene Additionen an Ethen. In allen Beispielen übertrifft die gesamte Stärke der gebildeten Tabelle 12-1 Abgeschätzte Reaktionsenthalpien AH” (in kJ/mol) einiger Additionsreaktionen an Ethen AB

CH>=CH>

+

DH’ Bindung

A—B

—

RT

HH DH®, co :DR

DH°, »

=AH”

Hydrierung

H

H

Eie

CH>=CH35

Fr

272

HH

a,

435

CH>,—CHa

40

—113

410

Bromierung

Br

CH,=CH,

+

272

B-Br

72—

|

kamen H 285

193

Br

—105

H 285

Hydrochlorierung I,

CH>—CH3;

=3

H—CI

Fur

Hi |== |—H

—42

HH 272

431

=410

335

Hydratisierung

H

CH3—=CH; 272

500

+

H—OH 498

—

OH

aa HH =410 385

—25

Bindungen - bisweilen beträchtlich — die der gebrochenen Bindungen. Daher ist zu erwarten, daß Additionen an Alkene unter Freisetzung von Energie ablaufen, wenn dies kinetisch möglich ist.

12.2 Die katalytische Hydrierung von Alkenen

Übung 12-1 Berechnen Sie die Reaktionsenthalpie AH” für die Addition von H,O, an Ethen, die zu 1,2-Ethandiol (Ethylenglycol) führt (DHYo-on

= 214 kl/mol).

12.2 Die katalytische Hydrierung von Alkenen Die einfachste der Reaktionen von Doppelbindungen ist ihre Absättigung mit Wasserstoff. Diese Umwandlung wurde in Abschnitt 11.7 im Zusammenhang mit den Hydrierungswärmen als Maß der relativen Stabilität unterschiedlich substituierter Alkene diskutiert. Die Hydrierung erfordert einen Katalysator, der heterogen (Abschn. 8.6) oder homogen sein kann, d.h. der im Reaktionsmedium entweder unlöslich oder löslich ist.

Die Hydrierung erfolgt an der Oberfläche eines heterogenen Katalysators Die Hydrierung eines Alkens zu einem Alkan läuft, obschon therm

ist,

nicht

einmal

bei

erhöhten

Temperaturen

ab.

sie exo-

Man

kann

Ethen und Wasserstoff in der Gasphase für längere Zeit auf 200°C erhitzen, ohne daß ein meßbarer Umsatz erfolgt. Wenn man jedoch einen Katalysator zusetzt, findet die Hydrierung sogar bei Raumtemperatur mit gleichmäßiger Geschwindigkeit statt. Die Katalysatoren sind üblicherweise dieselben wie bei der katalytischen Hydrierung von Carbonylverbindungen zu Alkoholen (Abschn. 8.6): heterogene Stoffe wie Palladium (z.B. dispergiert auf Aktivkohle, Pd/C), Platin (Adams-Katalysator*, PtO,, welches in Gegenwart von Wasserstoff in kolloidales metallisches Platin umgewandelt wird) und Nickel (fein dispergiert wie bei Raney-Nickel**, Ra-Ni). Die Aufgabe des Katalysators liegt im wesentlichen in der Aktivierung des Wasserstoffs und der Bildung Metallgebundenen Wasserstoffs auf der Katalysator-Oberfläche (Abb. 12-1).

Abb. 12-1 Bei der katalytischen Hydrierung von Ethen zu Ethan sind die Wasserstoffatome

und werden dann an die Kohlenstoffatome des adsorbierten Alkens

übertragen.

SER H—H —ıy

een

HH

me

H,C= CH, —

ERREGER

an der

Katalysatoroberfläche gebunden

SC—CS

--H

Sy

is

—H>C=CH3>

>

Katalysator-Oberfläche

**

Professor Roger Adams, 1889-1971, University of Illinois, Urbana-Champaign. Dr. Murray Raney, 1885-1966, Raney Catalyst Company.

501

Ohne das Metall ist die Spaltung der starken H—H-Bindung energetisch kaum möglich. Als Lösungsmittel werden bei solchen Hydrierungen üblicherweise Methanol, Ethanol, Essigsäure, Ethylacetat (Essigsäureethylester) und andere verwendet.

12 Die Reaktionen der Alkene

Beispiel:

HsC

x ex ei

MC

H

10° PaH—H, PtO,, CH4OH, 25°C

Mn:

CHZC—CHCHACH;CH,

CH>CH>CH3

\ \ 100%

2-Methyl-2-hexen

2-Methylhexan

Die Hydrierung ist stereospezifisch Eine wichtige Eigenschaft der Hydrierung ist ihre Stereospezifität. Die zwei Wasserstoffatome werden von derselben Seite an die Doppelbindung addiert (syn-Addition). Zum Beispiel ergibt die Hydrierung von l-Ethyl-2-methylcyclohexen über Platin spezifisch cis-1-Ethyl-2-methylcyclohexan. Die Addition des Wasserstoffs kann mit gleicher Wahrscheinlichkeit von beiden Seiten der Molekülebene her erfolgen. Daher verhalten sich die beiden so gebildeten Moleküle wie Bild und Spiegelbild, das Produkt ist racemisch.

@«

CH>CH3

H H Ha: PtO,, CH3CH3OH, 25°C|st CH>CH3 + em] -H H } CH3 H;C

CH;

)

82% 1-Ethyl-2-methyleyclohexen

cis-1-Ethyl-2-methyleyclohexan (Racemat)

Durch den Einsatz von Deuteriumgas kann man eine syn-Deuterierung bewirken. So liefert beispielsweise die Deuterierung von cis-2Buten meso-2,3-Dideuteriobutan.

Man

beachte,

daß die einfache Addi-

tion von zwei Wasserstoff- oder Deuteriumatomen auf dem zunächst eine verdeckte Konformation des Produktes liefert:

He

CH; C=

H

CH;

DBIC —

ze H

CH;

Papier

CH

8

ER HM, NS Ir Ho _c=E ist das gleiche wie Sc D

ER

D

D

ekliptisch

a

CH3

gestaffelt

meso-2,3-Dideuteriobutan

In diesem Fall führt die Addition von jeder der beiden Seiten des Moleküls zum gleichen Stereoisomer. Im Gegensatz dazu führt die Deuterierung von frans-2-Buten zu einer racemischen Mischung aus (2R,3R)- und (28,38)-2,3-Dideuteriobutan. Dabei entsteht das eine Enantiomer durch syn-Deuterierung von der einen Seite des n-Systems, das andere durch die von der entgegengesetzten Seite des 1-Systems.

H

CH3

H

None? he Y wu Bumie, Halo we RR Srch, ist aandas gleiche 3

ekliptisch

CH3

wie ” RR SCH,

gestaffelt (2R,3R)-2,3-Dideuteriobutan

502

D

Se

und

RAS

HiCy

ISEÄES

i ist das gleiche wie

Sr

=

MOzEIS

D

°°H

Schr ekliptisch

12.2 Die katalytische Hydrierung von Alkenen

CH3

D

D

D

gestaffelt

(25,35)-2,3-Dideuteriobutan

Übung 12-2 Welches sind die Produkte der Hydrierung von 2,3-Dideuterio-cis-2-penten? Geben Sie

| die Konfiguration genau an!

Die Hydrierung eines chiralen Alkens wird zur Bevorzugung eines Diastereomers führen, wenn die Addition von einer Seite des n-Systems her gehindert ist. Besonders deutlich tritt dieser Effekt bei starren bicyclischen Systemen auf. Zum Beispiel gibt die Hydrierung von Car-3-en, einem Bestandteil des Terpentins, über Platin nur ein gesättigtes Produkt, mit dem Trivialnamen

cis-Caran.

Der Präfix cis zeigt an, daß sich

die Methylgruppe und der Cyclopropanring auf derselben Seite des Cyclohexanringes befinden. Dieser Befund zeigt, daß der Wasserstoff nur von der sterisch weniger gehinderten, dem Cyclopropanring gegenüberliegenden Seite der Doppelbindung her in das Molekül eingetreten ist. Dadurch ergibt sich zwangsläufig die beobachtete cis-Konfiguration (man mache sich dies anhand eines Molekülmodells klar, wobei man einen Tisch benutzen kann, um wie in Abb. 12-1 die Katalysator-Ober-

fläche zu repräsentieren).

|

CH3

HC,

‚H

H „H

_ 107 Pa H,, PtO2, CH,CH3OH, 25°C , HC

H ‚sc

CH;

nicht

| CH;

H ;3C

| CH3

|

98% Car-3-en

cis-Caran

Übung 12-3 Erklären Sie den folgenden Befund: C(CH3)3

C(CH3)3

D

D,,Pd/C, CH,OH

ar

\

C(CH3)3

H2

+

D

.

H

>H 20%

ei 80%

Übung 12-4 Die katalytische Hydrierung von (S)-2,3-Dimethyl-I-penten ergibt nur noch ein optisch aktives Produkt. Zeichnen Sie dessen Konstitutionsformel und erklären Sie den Befund!

“ Abschließend ist festzuhalten, daß die Hydrierung der Doppelbindung in Alkenen einen Katalysator erfordert. Sie verläuft syn-stereospezifisch und erfolgt von der sterisch weniger gehinderten Seite des n-Systems her. Achirale Alkene können Racemate chiraler Produkte ergeben. Chirale Alkene können zu Diastereomeren führen; die Diastereoselektivität

wird dabei durch sterische Faktoren bestimmt.

503

12 Die Reaktionen der Alkene

12.3 Der nucleophile Charakter der r-Bindung: Elektrophile Addition von Halogenwasserstoffen Wie schon früher erwähnt, sind die r-Elektronen einer Doppelbindung nicht so stark gebunden wie die einer o-Bindung. Die Elektronenwolke über und unter der Molekülebene des Alkens ist polarisierbar und unterliegt ähnlich den freien Elektronenpaaren in Lewis-Basen dem Angriff von Spezies mit Elektronenmangel. Das Proton ist nicht das einzige Elektrophil, das eine Doppelbindung angreift; vielmehr eignen sich neben anderen auch Halogene und Quecksilber-Ionen dazu. Ähnlich wie bei der Hydrierung geht die Doppelbindung eine Additionsreaktion ein, jedoch nach einem

anderen

Mechanismus.

Wir werden

sehen, daß

diese Umwandlungen regioselektiv und stereospezifisch sein können. Wir wollen die Betrachtung mit dem einfachsten Elektrophil, dem Proton, beginnen. i

Der elektrophile Angriff durch Protonen liefert Carbenium-Ionen Das Proton einer starken Säure kann sich unter Bildung eines Carbenium-Ions.an eine Doppelbindung addieren (Abschn. 11.9). Der Übergangszustand für diesen Prozeß ist derselbe wie im Deprotonierungsschritt einer El-Reaktion (Abschn. 7.6, Abb. 7-8). Wenn kein geeignetes Nucleophil zum Abfang des Carbenium-Ions zur Verfügung steht, werden Umlagerungsreaktionen beobachtet. Wenn jedoch ein geeignetes Nucleophil vorhanden ist, bildet sich, insbesondere bei tiefen Temperaturen, das Produkt einer elektrophilen Addition an die Doppelbindung. Tiefe Temperaturen sind erforderlich, um die bei höheren Temperaturen mögliche Umkehrung der Reaktion zu vermeiden. Zum Beispiel führt die Behandlung von Alkenen mit Halogenwasserstoffen zu den entsprechenden Halogenalkanen.

Elektrophile Addition von HX an Alkene

’

|

Nele er 7a

N

elektrophiler Angriff

let |

Wi NS

nucleophiler Angriff

|

|

Beispiele: Br H Mi

CH;CH>,CH;CH=CH3>

HBr, 0°C

en

gnsrmige

CH3CH>CH>CHCH3>

> 84% 1-Penten

2-Brompentan

=)

HI, 0°C

_—

us

H

90% Cyclohexen

Iodeyclohexan

In einem typischen Experiment wird gasförmiger Halogenwasserstoff in das reine oder gelöste Alken eingeleitet. Er kann auch in einem Lösungsmittel wie Essigsäure zum Alken gegeben werden. Wäßrige Aufarbeitung liefert in hohen Ausbeuten die Halogenalkane. 504

Kasten 12-1

Darstellung optisch aktiver Aminosäuren durch asymmetrische Hydrierung

Aminosäuren, die Bausteine der Proteine (siehe Kap. 26), werden in optisch aktiver Form im Labor wie auch in der Industrie durch die katalytische Hydrierung achiraler, stickstoffhaltiger Alkene gewonnen, die Enamide genannt werden. Bei diesem Vorgang wird ein homogener (löslicher) Katalysator verwendet, der aus einem Metall wie Rhodium oder Ruthenium und daran gebundenen, optisch aktiven Phosphan-Liganden besteht. Sperrige Gruppen am Phosphoratom dirigieren die Hydrierung mit hoher Selektivität auf eine Seite des Alkens, so daß nur ein Enantiomer gebildet wird. Die meisten Liganden, die in dieser asymmetrischen Hydrierung verwendet werden, sind in beiden enantiomeren Formen erhältlich. Beide Enantiomere eines Produkts können daher auf diese Weise dargestellt werden. Ein Beispiel: Bei der Hydrierung von (Z)-2-Acetamido-3-phenylpropensäure mit einem Rhodium-Katalysator, der den Liganden „(R,R)-Degphos“ enthält, wird das angegebene (S)-Phenylalanin-Derivat mit einer Stereoselektivität von über 99% erhalten.

H

Sat.

iR

N

I

| | IE

(R,R)-Degphos (ein Phosphan-Ligand)

(S)-Phenylalanin wird bei der Herstellung des künstlichen Süßstoffs Aspartam eingesetzt. Sein R-Enantiomer, das im Antibiotikum Gramicidin S vorkommt, kann leicht erhalten werden, wenn

das gleiche Enamid des enantiomeren hydriert wird.

\COH

H \

mit Rhodium in Gegenwart Liganden, (S,S)-Degphos,

F5 doH

Hz Rh-(RR-Degpos ,— No.” IN N NHECH, Er NHCCH;

e

OÖ

OÖ

(Z)-2-Acetamido-

(S)-N-Acetylphenylalanin

3-phenylpropensäure (ein Enamid)

Die Regel von Markovnikov sagt die Regioselektivität bei der elektrophilen Addition voraus Sind Additionen von HX an unsymmetrische Doppelbindungen regioselektiv? Zur Beantwortung dieser Frage betrachten wir die Reaktion von Propen mit Chlorwasserstoff. Zwei Produkte sind denkbar: 2-Chlorpropan und 1-Chlorpropan. Man findet jedoch als einziges Produkt 2Chlorpropan. Regioselektive elektrophile Addition an Propen

CH;CH=CH, HE,

CHSCHCH;

CI H weniger substituiert

2-Chlorpropan

aber kein

—

ne H Cl

1-Chlorpropan

In ähnlicher Weise liefert die Reaktion von 2-Methylpropen mit Bromwasserstoff nur 2-Brom-2-methylpropan, und 1-Methylcyclohexen reagiert mit lodwasserstoff ausschließlich zu 1-Iod-1-methylcyclohexan: 505

12 Die Reaktionen

CH3

der Alkene

C=CH; -E> CH;CCH;>H H 7

|

3

Br|

weniger substituiert

SE u, Be weniger substituiert

Andererseits

liefert

die

Addition

von

HBr

an

frans-2-Penten

eine

Mischung der zwei denkbaren Brompentane: H

CH3

CH;CH> Schon

H

Er

an diesen wenigen

EEE

Del + CH, CH, Ha

HL Euch

Sec

Br

Beispielen kann man

erkennen,

daß, wenn

die an der Doppelbindung beteiligten Kohlenstoffatome nicht den gleichen Substitutionsgrad haben, das Proton des Halogenwasserstoffs an das weniger substituierte Kohlenstoffatom gebunden wird. Entsprechend findet man das Halogenatom dann meist am höher substituierten Kohlenstoffatom. Dieser Befund ist Ausdruck der nach ihrem Entdecker benannten Regel von Markovnikov”. Die Regel kann mit Hilfe unserer Kenntnisse über den Mechanismus der elektrophilen Addition von Protonen an Alkene und der relativen Stabilität der so gebildeten Carbenium-Ionen erklärt werden. Wir betrachten die Hydrochlorierung von Propen. Im ersten Schritt greift das Proton das r-System unter Bildung eines intermediären Carbenium-Ions an. Die Regiochemie der Reaktion wird von diesem Schritt bestimmt, denn wenn das Carbenium-lIon erst gebildet ist, erfolgt der Abfang durch das Chlorid-Ion schnell. Das Proton greift beide Kohlenstoffatome an. Addition an das interne Kohlenstoffatom führt zum primären 1-Propyl-Kation.

Protonierung von Propen an C2 H

c=C or )

Pe;

SH

H\

ö .H

HslSc_—c —H

H;C

45"

| #

Tr

CH3CH>CH» 4 primäres Carbenium-Ion

H'

Im Gegensatz dazu resultiert eine Protonierung am terminalen Kohlenstoffatom in der Bildung des sekundären 1-Methylethyl-Kations (Isopropyl-Kation).

Protonierung von Propen an C1 HERE:

CH” C a

CH;

Er

* Professor Vladimir V. Markovnikov, sität Moskau.

506

Hl ö H

CH3CHCH3 sekundäres Carbenium-Ion

1838-1904, formulierte seine Regel 1869, Univer-

UÜZ1

12.4 Alkoholsynthese durch elektrophile Hydratisierung: Thermodynamische Reaktionskontrolle

2 CH3CH>CH3 er

r

CH3CHCH3 CH3CH=CH3>

cı

CH3CH;CH;CI

+

HCl

CH;CHCICH3

Abb. 12-2 Energiediagramm der beiden denkbaren Wege der Addition von HCI an Propen. Übergangszustand 1 (UZ 1), der zum energetisch ungünstigeren primären Propyl-Kation führt, ist weniger wahrscheinlich als der Übergangszustand 2 (UZ 2), der zum 1-Methylethyl-Kation (Isopropyl-Kation) führt.

Reaktionskoordinate ——

Das sekundäre Carbenium-Ion ist stabiler und wird, da der Übergangszustand der Protonierung dem gebildeten Kation ähnelt, deutlich schneller gebildet. Abbildung 12-2 zeigt ein Diagramm der potentiellen Energie dieses Zusammenhanges. Nach dieser Analyse kann die Regel von Markovnikov wie folgt neu formuliert werden: HX addiert an unsymmetrische Alkene in der Weise, daß die zuerst erfolgende Protonierung das stabilere CarbeniumIon bildet. Für Alkene, die an beiden sp’-Kohlenstoffatomen ähnlich substituiert

sind, wie es im frans-2-Penten

gemische zu erwarten, gebildet werden.

der Fall ist, sind Produkt-

weil Carbenium-Ionen

vergleichbarer

Stabilität

| Übung 12-5 Sagen Sie die Produkte der Addition von HBr an die folgenden Verbindungen voraus. Wie viele Produkte können jeweils gebildet werden? (a) 1-Hexen; (b) 2-Methyl-2buten; (c) 4-Methylceyclohexen.

Übung 12-6 Skizzieren Sie das Energiediagramm für die Reaktion (b) aus Übung 12-5.

Wir fassen zusammen: Die Addition von Halogenwasserstoffen an Alkene ist eine elektrophile Reaktion. Sie beginnt mit der Protonierung der Doppelbindung zu einem Carbenium-Ion, das dann von einem Halogenid-Ion unter Bildung des Produkts abgefangen wird. Die Regel von Markovnikov sagt die Regioselektivität der Hydrohalogenierung zu Halogenalkanen voraus.

12.4 Alkoholsynthese durch elektrophile Hydratisierung: Thermodynamische Reaktionskontrolle Bislang waren die nucleophilen Abfangreagenzien die Gegenionen der Protonen der eingesetzten Säuren. Wie steht es mit anderen Nucleophilen? Wenn man ein Alken einer wäßrigen Lösung einer Säure aussetzt, die ein wenig nucleophiles Gegenion besitzt, wie z.B. Schwefelsäure, übernimmt das Wasser die Rolle des abfangenden Nucleophils und reagiert mit dem durch die Protonierung gebildeten Carbenium-Ion. Insgesamt werden so die Bestandteile

des Wassers

addiert, es handelt sich

507

um eine elektrophile Hydratisierung. Die Reaktion ist das Gegenstück zur säureinduzierten Dehydratisierung von Alkoholen (Abschn. 11.9), und der Mechanismus ist derselbe in umgekehrter Richtung. Er ist am Beispiel der Hydratisierung des 2-Methylpropens dargestellt, einem

12 Die Reaktionen der Alkene

industriell liefert.

wichtigen

Prozeß,

der

2-Methyl-2-propanol

(tert-Butanol)

Elektrophile Hydratisierung CH;

CH3

50% HOH, H5SOs

D*

RR OH H 50%

1-Methylcyclohexen

\

CH3CCH>CH;CH=CI(CH3),

1-Methylcyclohexanol

\

-HOH.H2SO,,

iE

I

H CH3 85% 6-Hydroxy-6-methyl-2-heptanon

6-Methylhept-5-en -2-on

Mechanismus der Hydratisierung von 2-Methylpropen

H;C

=

BC

—

H;C\ B

FE

|

CH;

+HÖH -HOH

CH;

|

„Zu

-H'

|

ar

+H

CH;

CH;

ce

Kanes

CH;

Die Hydratisierung von Alkenen und die Dehydratisierung von Alkoholen sind Gleichgewichtsprozesse

HydratisierungsDehydratisierungsGleichgewicht RCH=CH>

an H>O

| katalytische

Menge H*

RCHCH3

| OH

Im Mechanismus der Alken-Hydratisierung sind alle Schritte reversibel. Das Proton fungiert lediglich als ein Katalysator und wird durch die Reaktion nicht verbraucht. Ohne Säure würde die Hydratisierung nicht ablaufen; Alkene sind in neutralem Wasser stabil. In Gegenwart einer Säure etabliert sich jedoch ein Gleichgewicht zwischen Alken und Alkohol. Dieses Gleichgewicht kann nach beiden Seiten verschoben werden, zum Alken (Dehydratisierung) oder zum Alkohol (Hydratisierung). Aus Gründen der Entropie wird bei höheren Temperaturen allgemein die Bildung des Alkens bevorzugt (Abschn. 11.9). Wenn das Alken flüchtig ist, kann das Gleichgewicht zu seinen Gunsten verschoben werden, indem man es direkt aus der Reaktionsmischung abdestilliert. Bei tieferen Temperaturen, wenn ein großer Überschuß an Wasser vorhan-

den ist, ist der Alkohol das überwiegende Produkt. Alkohol

konz. H>SO,, hohe Temperatur

Alken + H,O

H>SO,, Überschuß H,O, niedrige Temperatur

Übung 12-7 Die Behandlung von 2-Methylpropen mit einer katalytischen Menge deuterierter Schwefelsäure in D,O führt zur Bildung von (CD;);COD. Erklären Sie dies anhand des Mechanismus.

Die Reversibilität der Alken-Protonierung führt zu einer Gleichgewichtseinstellung isomerer Alkene In Abschnitt 11.9 wurde erläutert, daß bei der säurekatalysierten Dehydratisierung von Alkoholen Gemische von Alkenen gebildet werden, in denen die stabileren Isomere überwiegen. Die Gleichgewichtseinstellung

508

durch Umlagerungen der Carbenium-Ionen sind zum Teil für dieses Resultat verantwortlich, aber es gibt noch einen weiteren Reaktionsweg: die reversible Protonierung der primär gebildeten Alkene, die nach dem El-Mechanismus entstanden sind. Rufen wir uns die Dehydratisierung von 2-Butanol in Erinnerung. Die Abspaltung von Wasser aus dem protonierten Alkohol ergibt das 2Butyl-Carbenium-Ion. Durch Abgabe eines Protons können aus diesem Kation

alle drei beobachteten

Produkte

gebildet werden:

1-Buten,

12.4 Alkoholsynthese durch elektrophile Hydratisierung: Thermodynamische Reaktionskontrolle

cis-

2-Buten und frans-2-Buten. Unter stark sauren Bedingungen kann ein Proton jedoch auch wieder an die Doppelbindung addiert werden. Wie bereits diskutiert, ist diese Addition stark regioselektiv (Regel von Markovnikov) und regeneriert daher das gleiche sekundäre Carbenium-Ion, das bei der ursprünglichen Dehydratisierung gebildet wurde. Da dieses Kation nun wieder ein Proton abgeben kann und dabei wieder die gleichen

drei

Alken-Isomere

gebildet

werden,

ist der

Gesamteffekt

eine

Umwandlung der Isomere zu einem Gleichgewichtsgemisch, in dem das thermodynamisch stabilste Isomer das Hauptprodukt ist. Dieses System ist damit ein Beispiel für eine Reaktion unter thermodynamischer Kontrolle. Mechanismus der säurekatalysierten Dehydratisierung unter thermodynamischer Kontrolle

Schritt 1 Deprotonierung des Carbenium-Ions kann zu einem terminalen Alken führen.

OH CHCHECH, H Schritt

2 Durch

$

a8

Br

— = CHSCHLECH, —— H

+

CH,CH;CH—=CH,

Protonierung wird das Carbenium-Ion

zurückgewon-

nen, und es kann ein internes Alken gebildet werden.

CH;CH>CH=CH,

H

+

H'

=

NE

==

CH;CH=CHCH3

terminal

H

katalytische

Menge H"

Durch diese Reaktionssequenz können weniger stabile Alkene katalytisch in stabilere Isomere umgewandelt werden. Säurekatalysierte Gleichgewichtseinstellung bei Alkenen (CHIC

a H;C 7

katalytische

„35

Menge =

CH

CHI

a

be

H

| H—C—H

3

c=C

CH3

H;C

cis

C(CH3)3 intern

trans

| Übung 12-8 Geben Sie einen Mechanismus für die folgende Umlagerung an. Was ist die treibende Kraft für die Reaktion?

=

CH,CH3

HsC

H;C 8“

—

Wir fassen zusammen: Das durch Addition eines Alken gebildete Carbenium-Ion kann von Wasser unter abgefangen werden, in Umkehrung der Alken-Synthese Dehydratisierung. Die reversible Protonierung führt zu wichtseinstellung der Alkene in Gegenwart von Säure, verhältnis der Isomere ist thermodynamisch kontrolliert.

Protons an ein Alkoholbildung durch Alkoholeiner Gleichgedas Mischungs-

509

12.5 Elektrophile Addition von Halogenen an Alkene

12 Die Reaktionen der Alkene

Halogen-Addition an Alkene

N e c=C 7 5‘

Es gibt Reagenzien, denen man ihren elektrophilen Charakter nicht sofort ansieht, und die ebenfalls Doppelbindungen angreifen können. Ein Beispiel dafür ist die Halogenierung von Alkenen, die unter Addition von zwei Halogenatomen an die Doppelbindung vicinale Dihalogenide liefert. Die Reaktion funktioniert mit Chlor und Brom am besten. Fluor geht mit Alkenen eine zu heftige Reaktion ein; die Bildung von Diiodiden ist thermodynamisch wenig begünstigt. BiN Übung 12-9 bi Berechnen Sie (wie in Tab.

Die N

!

x

? x

vieinales Dihalogenid

X=Cl,

Br

12-1) die Reaktionsenthalpien AH" für die Addition von F,

|=| und I, an Ethen (zu DHX, s. Abschn. 3.5). Brom-Addition

ist besonders

leicht

zu

verfolgen,

da die roten

Brom-Lösungen bei der Reaktion mit Alkenen sofort entfärbt werden. Diese Erscheinung wird bisweilen zum Nachweis von Doppelbindungen ausgenutzt. Gesättigte Systeme reagieren nicht mit Brom, es sei denn, ein Radikal-Initiator wäre zugegen (Abschn. 3.5). Halogenierungen werden am besten bei Raumtemperatur oder unter Kühlung in inerten halogenierten Lösungsmitteln wie Halogenmethanen ausgeführt.

CH;(CH>);‚CH=CH3

Br—Br, CCls

CH

HB Br 90%

1-Hexen

1,2-Dibromhexan

CH3

Cl CI—Cl, CHCH, 0°C

cl

“CH3

\-C ei) 30%R-50%

1-Chlor-2-methylceyclohexen

anti-Bromierung von Cyclohexen

1,1,2-Trichlor-2-methylcyclohexan

Oberflächlich betrachtet sind Halogen-Additionen der Hydrierung von Doppelbindungen ähnlich. In Wirklichkeit sind sie es jedoch nicht. Die Stereochemie der Halogen-Addition zeigt, daß ihr ein vollkommen anderer Mechanismus zugrunde liegt.

Bromierung erfolgt als anti-Addition

|Bra, CChs Br

Br, +

"Br

Br 83%

racemisches trans-1,2-Dibromcyclohexan

510

Hier werden wir uns mit der Bromierung von Alkenen befassen; die Argumentation ist jedoch auch auf andere Halogenierungen anwendbar. Was ist die Stereochemie der Bromierung? Treten die beiden Bromatome von derselben Seite in das Alken ein (wie bei der katalytischen Hydrierung) oder von entgegengesetzten Seiten? Betrachten wir die Bromierung von Cyclohexen. Addition von nur einer Seite sollte cis1,2-Dibromceyclohexan ergeben; Addition von entgegengesetzten Seiten dürfte zu trans-1,2-Dibromcyclohexan führen. Das Experiment zeigt, daß die zweite Möglichkeit zutrifft, man beobachtet ausschließlich anti-Addition. Da die anti-Addition an die beiden ungesättigten Kohlenstoffatome mit gleicher Wahrscheinlichkeit auf

zwei möglichen Wegen erfolgt — für beide Kohlenstoffatome von der Oberseite oder von der Unterseite des n-Systems -—, ist das Produkt racemisch. Auch mit acyclischen Alkenen verläuft die Reaktion vollkommen stereospezifisch. So erhält man aus der Bromierung von cis-2-Buten ein racemisches Gemisch von (2R,3R)- und (2$,38)-2,3-Dibrombutan, wogegen trans-2-Buten zum meso-Diastereomer führt.

12.5 Elektrophile Addition von Halogenen an Alkene

Stereospezifische Bromierung von cis- und trans-2-Buten

H

H Dr

H;C

De

A

Br Bra, CCls _

H

cc

HYRORN

CH;

H;C

eis-2-Buten

H

=CH;

+

H

&

Br

Br

eg

ye

Br>,

CCla

N

H

H3C/S

CH3

(25,35)-2,3-Dibrombutan

3

DER,

CH;

SCH

5

Br

(2R,3R)-2,3-Dibrombutan

H;C

Br

H3G Soc

H

H;C

2 H

C

3

oe

RN

H

RO Br

Br

RS,

H Sec

NHA

Br

CH 3.

identisch

trans-2-Buten

meso-2,3-Dibrombutan

Durch cyclische Bromonium-Ionen kann die Stereochemie der Bromierung erklärt werden Mit welchem Mechanismus kann man die beobachtete Stereochemie erklären? Wie greift Brom die elektronenreiche Doppelbindung an, obwohl es offenbar kein elektrophiles Zentrum besitzt? Diese Fragen kann man mit der Polarisierbarkeit der Br—Br-Bindung beantworten, die bei einer Reaktion mit einem Nucleophil eine heterolytische Spaltung erfährt. Die n-Elektronenwolke hat nucleophilen Charakter und greift das Brommolekül an einem Ende an, wobei am anderen Ende simultan ein Bromid-Ion abgespalten wird. Das daraus entstehende Zwischenprodukt ist ein ceyclisches Bromonium-Ion. Im Bromonium-Ion überbrückt das Bromatom die ursprüngliche Doppelbindung so, daß ein dreigliedriger Ring gebildet wird. Man kann sich die Bildung dieser Spezies so vorstellen,

daß eines der freien Elektronenpaare

des Broms

mit

den zwei p-Orbitalen der an der n-Bindung beteiligten Kohlenstoffatome überlappt (Abb. 12-3). Ähnlich wie in einer Sy2-Reaktion greifen die nElektronen als Nucleophile das Brommolekül an und substituieren das Bromid-Ion, welches als Abgangsgruppe fungiert. Daß ein Bromonium-Ion Zwischenprodukt der Reaktion ist, erklärt die beobachtete

Stereochemie.

Die Struktur

des Ions ist starr, und es

kann daher nur von der dem Bromatom gegenüberliegenden Seite angeÜbung 12-10

Zeichnen Sie das Zwischenprodukt der Bromierung von Cyclohexen anhand der abgebildeten Formeln. Zeigen Sie, warum das Produkt racemisch ist. Was kann man über die "anfängliche Konformation des Produktes sagen?

H

H H

|

H

I

Hy \ PEAERE: H H

H

äye

ZN

2

|

Ark

/ “4 H H

Umklappen der Konformation des Cyclohexens

si

12 Die Reaktionen der Alkene

Nucleophile Öffnung eines eyclischen Bromonium-Ions Abgangsgruppe

a a der’

d

Br:

:Br

v

:Br: RR

oT Nucleophil

5, 2) ®

:Br:”

|

n..+

ö :Br:

gr

ya

CC

ö

_--

CE.—CcC-__

>

+

:Br:

N

Pe

Abb. 12-3 Zur Bildung des cyclischen Bromonium-Ions.

A. Valenzstrichformel. Das Alken

fungiert als ein Nucleophil, das ein Bromid-Ion des Broms substituiert. Das molekulare Brom verhält sich vereinfacht so, als ob es stark polarisiert wäre, so daß ein Bromatom als Bromid-Anion und das andere als Brom-Kation orbitale bei der Bildung des Bromonium-Ions.

angesehen werden kann. B. Molekül-

griffen werden. Dies geschieht durch das im ersten Schritt der Reaktion abgespaltene Bromid-Ion. So wird der dreigliedrige Ring stereospezifisch geöffnet. Der zweite Reaktionsschritt ist vollkommen analog der nucleophilen Öffnung von Oxacyclopropanen (Epoxiden, Abschn. 9.8). Das überbrückende Bromatom fungiert als Abgangsgruppe. Bei symmetrischen Bromonium-Ionen ist ein nucleophiler Angriff auf jedes der beiden Kohlenstoffatome gleich wahrscheinlich, was bei der Bildung chiraler Dibromide zu racemischen Gemischen (oder meso-Verbindungen) führt. Wir fassen zusammen: Halogene addieren als Elektrophile an Alkene und bilden dabei intermediär verbrückte Halonium-Ionen. Diese werden stereospezifisch durch die Halogenid-Ionen geöffnet, die im ersten Schritt gebildet worden sind, so daß insgesamt eine anti-Addition an die Doppelbindung resultiert.

512

12.6 Die Verallgemeinerung der elektrophilen Addition

12.6 Die Verallgemeinerung der elektrophilen Addition

Eine ganze Reihe von Elektrophil-Nucleophil-Paaren sind in der Lage, an Doppelbindungen zu addieren. Mit diesen Reaktionen können viele wertvolle Produkte gewonnen werden.

Das Bromonium-Ion kann mit anderen Nucleophilen abgefangen werden Die Bildung eines Bromonium-Ions in Bromierungen von Alkenen legt den Gedanken nahe, daß es bei Anwesenheit anderer Nucleophile zu einer Konkurrenzreaktion mit dem Bromid-Ion beim nucleophilen Abfang des Intermediates kommt. Dies ist in der Tat möglich. Zum Beispiel erhält man bei der Bromierung von Cyclopenten in Gegenwart eines Überschusses an Chlorid-Ionen (als Salz hinzugefügt) eine Mischung von trans-1,2-Dibromcyclopentan und trans-1-Brom-2-chlorcyclopentan.

Konkurrenzreaktion beim Abfang eines cyclischen Bromonium-Ions (Obwohl alle Produkte racemisch sind, wurde nur ein Enantiomer gezeichnet.)

H

:Brt N

N)

Br, CI, CCL, 0°C

EB

&

£

Der Einsatz eines großen Überschusses an konkurrierendem Nucleophil kann die Bildung von Produktgemischen unterbinden. Wenn man beispielsweise die Bromierung von Cyclopenten in Wasser ausführt, erhält man ausschließlich den vicinalen Bromalkohol (Bromhydrin). In diesem Fall wurde das Bromonium-Ion von Wasser angegriffen. Per Saldo wurde Br—OH an die Doppelbindung addiert. Daneben wird HBr gebildet. Entsprechend läßt sich ein Chloralkohol durch Umsetzung des Alkens mit Chlor in Wasser erhalten, wobei intermediär ein Chloro-

nium-Ion gebildet wird. >

Bildung eines Bromalkohols (Bromhydrins)

H :Br,

Er

er

Br, H50, 0°C

H,

de

ray

+öt

—- Br”

je

Br:

H

Bo

6

2

H H”

H

:Br: R

,

r

H

Re trans-2-Bromceyclopentanol

513

12 Die Reaktionen der Alkene

Übung 12-11 " Welche Produkte erhält man bei der Reaktion von (a) trans-2-Buten und (b) cis-2-Penten mit wäßrigem Chlor? Welche Konfigurationen haben die Produkte?

2-Halogenalkohole gehen in Gegenwart von Basen einen intramolekularen Ringschluß unter Bildung von Oxacyclopropanen ein (Abschn. 9.6) und sind daher wertvolle Zwischenprodukte in der organischen Synthese.

Oxacyclopropan-Darstellung aus einem Alken über einen a

Cl, H20, 0°C |

_NaOH, H20, 25°C | 5. 22 2

n o x

H 70- 73%

Synthese vicinaler Halogenether

® er HB

H-OCHz3

H

x Br

Verwendet man Alkohol anstatt Wasser, werden die entsprechenden vicinalen Halogenether gebildet.

Halonium-Ionen können regioselektiv geöffnet werden

Br-Br,

d

70-73%

'0CH;

Im Gegensatz zur Umsetzung mit Dihalogenen können gemischte Additionen an Doppelbindungen Probleme der Regioselektivität aufwerfen. Ist die Addition von Br—OR an eine unsymmetrische Doppelbindung selektiv? Die Antwort lautet ja. Zum Beispiel wird 2-Methylpropen mit wäßrigem Brom nur zu 1-Brom-2-methyl-2-propanol umgesetzt, das alternative Regioisomer 2-Brom-2-methyl-l-propanol wird nicht gebildet.

H 76%

trans-I-Brom-2-methoxycyclohexan

—=Ch, Zi, r

CHOCH2Br

H;C

aber kein CH

CH;

RU

CH;

82% 1-Brom-2-methyl2-propanol

2-Brom-2-methyl1-propanol

Man beobachtet in anderen Fällen eine ähnliche Selektivität:

CH,

CH;0

‚CH;Cl

CI--Cl, H—OCH3 = - HCl

Cl

CH30OCH3

aber kein

78%

Das elektrophile Halogen wird im Produkt immer an das weniger substituierte Kohlenstoffatom der ursprünglichen Doppelbindung gebunden, und das danach eintretende Nucleophil greift immer das höher substituierte Zentrum an. Die Situation erinnert an die Markovnikov-Addition von Halogenwasserstoffen und hat einen ähnlichen Ursprung. Im Unterschied zur Markovnikov-Addition von Säuren, die über CarbeniumIonen verläuft, sind hier Halonium-Ionen die Intermediate. Die Frage der Regiochemie ist eine nach der Selektivität des nucleophilen Angriffs auf dieses Intermediat: Das höher substituierte Kohlenstoffatom wird bevorzugt angegriffen. Wie kann man diese Beobachtung erklären? Sie ist der säurekatalysierten nucleophilen Öffnung von Oxacyclopropanen (Epoxiden,

514

Abschn. 9.8) sehr ähnlich, bei der das Intermediat ein protoniertes Sauerstoffatom im dreigliedrigen Ring enthält. In beiden Fällen greift das eintretende Nucleophil das höher substituierte Kohlenstoffatom an, weil dieses in stärkerem Maße positiv polarisiert ist, als das andere.

12.6 Die Verallgemeinerung der elektrophilen Addition

Regioselektive Öffnung des aus 2-Methylpropen gebildeten Bromonium-Ions größeres ö

ER

(Br ie

(CH3)2C

CH3

ne

+ H—OH —>

(CH3),C—CH3Br : Er

ar:

On.t

Angriff am höhersubstituierten

Ä

H--0:

Kohlenstoffatom des Bromonium-Ions

R OH

\

Eine einfache Faustregel besagt, daß elektrophile Additionen an unsymmetrische Alkene im Sinne der Markovnikov-Regel regioselektiv erfolgen, so daß der elektrophile Teil des addierenden Substrates das geringer substituierte Kohlenstoffatom angreift. Gemische werden nur gebildet,

wenn

die beiden

Kohlenstoffatome

nicht

hinreichend

Zur Erinnerung: Nucleophil — rot Elektrophil — blau Abgangsgruppe — grün

unter-

schiedlich sind (s. Teil (b) von Übung 12-12). Übung 12-12 Welches sind die Produkte der folgenden Reaktionen?

(a), CHsCH=CH,

Cl,, CH;OH

——

(b)

A

Br,, H,O

var

H;C | Übung 12-13 Welches Alken wäre eine gute Vorstufe zur Darstellung eines racemischen Gemisches von (2R,3R)- und (25,35)-2-Brom-3-methoxypentan? Welche anderen isomeren Produkte sind bei der von Ihnen vorgeschlagenen Reaktion zu erwarten?

Allgemeine Betrachtung der elektrophilen Addition von polarisierten oder polarisierbaren Reagenzien A—B Alkene gehen stereo- und regioselektive Additionsreaktionen mit Reagenzien des Typs A—B ein, wobei A als ein Elektrophil und B als ein Nucleophil reagiert. Solche Reagenzien sind neben den Produkten ihrer Addition an 2-Methylpropen in Tabelle 12-2 zusammengestellt. Wie können wir voraussagen, welcher Teil der Reagenzien als Elektrophil und welcher als Nucleophil reagiert? Mit anderen Worten, was bestimmt die Richtung der Polarisierung der A—B-Bindung? Erwartungsgemäß sind die relativen Elektronegativitäten entscheidend. Bei Additionen an Alkene fungiert der Teil mit der höheren Elektronegativität als Nucleophil, der mit der geringeren Elektronegativität als Elektrophil. Um eine qualitative Vorstellung der relativen Elektronegativitäten verschiedener

interessierender

Strukturelemente

zu gewinnen,

sei

auf Tabelle 1-3 verwiesen. Das Vermögen, Elektronen anzuziehen, steigt im Periodensystem der Elemente von links nach rechts sowie von unten nach oben. Beispielsweise ist BrCl im Sinne von Br’'CI” polarisiert, es enthält also ein elektrophiles Bromatom. In ähnlicher Weise ist ICI

gemäß I’*CI°” polarisiert, und RSCI ist als RS°"CI” anzusehen. Die Hybridisierung und die relative Elektronegativität anderer an die reaktiven Zentren gebundener Atome leisten ebenfalls einen wichtigen Beitrag zur Richtung der Polarisierung. Bromcyan ist beispielsweise ziemlich stark gemäß Br’'CN” polarisiert, obwohl der Unterschied der Elektronegativitäten von Brom (3.0) und Kohlenstoff (2.6) minimal ist. Der Grund für die beobachtete Richtung der Polarisierung liegt in der sp-Hybridisierung des Kohlenstoffatoms, und das Stickstoffatom ist mit einer Elektronegativität von 3.0 ebenfalls elektronenziehend.

515

12

Die Reaktionen

Tabelle 12-2 Reagenzien A-B, die unter elektrophilem Angriff an Alkene addieren

der Alkene

H

CH3

H

CH;

H

CH3

Bi

A

B

Name

Formel

Additionsprodukt an 2-Methylpropen

Bromchlorid

Br—Cl

BrCH;3C(CH3)2

Bromcyanid

Br—CN

BrCH>C(CH3)>

a

CN

Iodchlorid

I—Cl

ICHzC(CH3)2

Sulfenylchlorid

RS—CI

RSCH>C(CH3)3

Quecksilbersalz

XHg—X"

XH ee

6

ci

x °

X steht hier meist für Acetat.

Wir fassen zusammen: Halonium-Ionen sind einer stereospezifischen und regioselektiven Ringöffnung unterworfen, ganz analog der nucleophilen Ringöffnung der protonierten Oxacyclopropane. Halonium-Ionen können von Halogenid-Ionen, Wasser und Alkoholen unter Bildung von vicinalen Dihalogenalkanen, Halogenalkoholen bzw. Halogenethern abgefangen werden. Das Prinzip der elektrophilen Addition kann auf jedes Reagenz A—B mit einer polarisierten oder polarisierbaren Bindung angewendet werden.

12.7 Oxymercurierung-Demercurierung: Eine spezielle elektrophile Addition Das letzte Beispiel in Tabelle 12-2 ist eine elektrophile Addition eines Quecksilbersalzes an ein Alken. Diese Reaktion heißt Mercurierung. Das Reaktionsprodukt ist eine Alkylquecksilberverbindung, aus der das Quecksilber in einer weiteren Reaktion abgespalten werden kann. Besonders nützlich ist eine Reaktionsfolge, die OxymercurierungDemercurierung genannt wird. Setzt man ein Alken mit Quecksilberacetat in Gegenwart von Wasser um, bildet sich das entsprechende Additions-Produkt (Oxymercurierung). Oxymercurierung

N

CH3

o I 1 + CH3COHgOCCH3 +

H—OH Ehe

N &“ 1 HeOCCH, 3

Quecksilberacetat

516

Alkylquecksilberacetat

Oo | + CH;COH

Im Anschluß daran kann der quecksilberhaltige Substituent durch Umsetzung mit Natriumborhydrid, NaBH,, in alkalischer Lösung abgespalten werden (Demercurierung). Das Endresultat der Reaktionsfolge ist eine Hydratisierung der Doppelbindung unter Bildung eines Alkohols.

12.7

OxymercurierungDemercurierung: Eine spezielle elektrophile Addition

Demercurierung

CH3

NaBH,, NaOH, H,O

OH

CH3

+ Hg +CH3CO"

\

\H EOCCH,

Hin H

H Ö

1-Methylcyclopentanol

Die Oxymercurierung verläuft üblicherweise stereospezifisch als antiAddition und regioselektiv. Das legt einen Mechanismus ähnlich dem bisher diskutierten der elektrophilen Addition nahe, den man folgendermaßen formulieren kann: Das Quecksilber-Reagenz dissoziiert zu Beginn in ein quecksilberhaltiges Kation und ein Acetat-Ion. Das Kation greift dann die Doppelbindung des Alkens an und bildet ein Mercurinium-Ion mit einer Struktur, die vermutlich der eines cyclischen Bromonium-lIons ähnelt. Ein Wassermolekül greift das höher substituierte Kohlenstoffatom unter Bildung des Zwischenprodukts Alkylquecksilberacetat an, das im nachfolgenden Schritt mit Natriumborhydrid reduziert wird. Der Mechanismus der Reduktion ist komplex und nicht vollständig verstanden. Das Endprodukt nach der Reduktion ist dasselbe wie das Produkt einer Hydratisierung des Edukts nach Markovnikov. Die gesamte Oxymercurierung-Demercurierung kann bequem in einem Arbeitsgang ohne Isolierung der Zwischenprodukte durchgeführt werden. Die Reaktionssequenz Oxymercurierung-Demercurierung ist eine wichtige Alternative zur säurekatalysierten Hydratisierung, weil sie nicht anfällig gegenüber Umlagerungen ist, die unter sauren Bedingungen gewöhnlich ablaufen.

Kasten 12-2

Oxymercurierung-Demercurierung in der Synthese eines Juvenilhormon-Analogen

Dieses

Unten ist eine Anwendung der OxymercurierungDemercurierung bei der Synthese eines Juvenilhormon-Analogen gezeigt. Juvenilhormon ist eine Substanz, die die Metamorphose von Insektenlarven kontrolliert. Es wird von der wilden Seidenmotte Hyalophora cecropia L. produziert und verhindert die Reifung der Insektenlarve. Die Verbindung selbst wurde wie auch modifizierte Analoga als potentielle Insektizide vorgeschlagen.

Beispiel

ist

bemerkenswert,

weil

die

Reaktion so gesteuert werden kann, daß sie nur an der sterisch am wenigsten gehinderten elektronenreichen Doppelbindung stattfindet. Leider beträgt die Aktivität des Produktes nur 1/500 von der des Naturstoffes.

2

H;C

A

H3C

CH3

|

OÖ

COCH3

H;C”

SS

m

En ER

Juvenilhormon

o

CH;

|

I. Hg(OCCH3)>, CHzOH

u

EI

Nat, 2 KOR BC.

H;C

0CH,

H

CH;

CH

%

”

09 ) COCH;

74% Juvenilhormon-Analoges

517

12 Die Reaktionen der Alkene

Der Mechanismus der Oxymercurierung-Demercurierung

1

Dissoziation:

| | l CH3COHgOCCH; == CH3CO”+ 2

Elektrophiler Angriff:

1

= N

el

| "HgOCCH;

Hgocch,

I

„CE + "HEOCCH, —

IR

7

N

Mercurinium-Ion

3

Nucleophile Öffnung:

I

1

HgOCCH,

4.

CH ROH | nn

0+204 ..

=

H

OH

Alkylquecksilberacetat 4

Reduktion: 6)

h CH3COHg

6

„NaBH, NaOH, 30

H

u

OH

gt cHsf ee OH

Wenn die Oxymercurierung eines Alkens in einem Alkohol als Lösungsmittel ausgeführt wird, erhält man bei der Demercurierung einen Ether.

Synthese von Ethern durch Oxymercurierung-Demercurierung o N

Tee

re

1. Hg(OCCH3), CH30H

H |

2. NaBH,, NaOH

2

HOCH>

OCH3 65%

CH>OH

1-Hexen

2-Methoxyhexan

n 2. NaBH,, NaOH

CH>OH 42%

518

Erklären Sie die am Rand dargestellte Reaktion eines Cyclohexenderivats.

Wir fassen zusammen: Die Oxymercurierung-Demercurierung ist eine synthetisch wertvolle Methode, Alkene regioselektiv (nach der Regel von Markovnikov) in Alkohole oder Ether umzuwandeln. Da keine Carbenium-Ionen auftreten, finden keine Umlagerungen statt.

12.8 Regioselektive und stereospezifische Funktionalisierung von Alkenen durch Hydroborierung Dieser Abschnitt

beschreibt

eine Reaktion,

12.8 Regioselektive und stereospezifische Funktionalisierung von Alkenen durch Hydroborierung

die mechanistisch

irgendwo

zwischen der Hydrierung und der elektrophilen Addition angesiedelt zu sein scheint: die Hydroborierung von Doppelbindungen. Die daraus gebildeten Alkylborane sind synthetisch außerordentlich nützlich, weil das Boratom durch funktionelle Gruppen wie die Hydroxygruppe oder Halogene ersetzt werden kann.

Die Bor-Wasserstoff-Bindung addiert an Doppelbindungen In einer Reaktion, die von ihrem Entdecker H. C. Brown” Hydroborierung genannt wurde, addiert Boran, BH;, ohne katalytische Aktivierung an Doppelbindungen. Hydroborierung von Alkenen H

a

FA

H

5

Ber

Hoc

BHSTANG a

BEN

4 Boran

Boran,

Fa

welches

Se la

—

ein Alkylboran

als Dimer

B,H,

existiert,

H

(--05-8B

Ei

ein Trialkylboran

ist als etherische

Lösung

oder in Tetrahydrofuran (THF) kommerziell erhältlich. In diesen Lösungen liegt Boran als Lewis-Säure-Base-Addukt mit dem Sauerstoffatom des Ethers vor. Ein solches Aggregat ermöglicht dem Bor die Ausbildung eines Elektronenoktetts (Darstellung der Hybridorbitale des Bors s. Abb. 1-14). Wie addiert die B—-H-Einheit an die n-Bindung? Weil die n-Bindung elektronenreich

und

Boran

elektronenarm

ist, erscheint

es

BH3+ [_

2

1-6]

sinnvoll,

zunächst einen Lewis-Säure-Base-Komplex ähnlich einem BromoniumIon zu formulieren (wie in Abb. 12-3, ohne die positive Ladung); dabei wird das leere p-Orbital des BH; benutzt wie im Boran-Ether-Komplex. Danach wird eines der Wasserstoifatome über einen Vier-ZentrenÜbergangszustand auf eines der Kohlenstoffatome des Alkens übertra-

Boran-THF-Addukt

Mechanismus der Hydroborierung

mel...

—

HH.

N

:

® y\ H

Cm +

ER re H ID

ja “H

H;B

a

c—c

Vierzentren-

übergangszustand

Boran-Alken-Komplex

leeres p-Orbital

* Professor Herbert C. Brown, geb. 1912, Purdue University, Nobelpreis 1979.

519

12 Die Reaktionen der Alkene

Regioselektive Hydroborierung

3 RCH=CH> + BH3

|

(RCH>CH3)3B

gen,

während

das Boratom

zum

anderen

Kohlenstoffatom

transferiert

wird, ohne daß irgendein weiteres Intermediat entsteht. Die Hydroborierung ist syn-stereospezifisch. Alle drei B—-H-Bindungen des Borans sind in diesem Sinne reaktiv. Die Hydroborierung ist nicht nur stereospezifisch (syn-Addition), sondern auch regioselektiv. Anders als bei den bisher beschriebenen elektrophilen Additionen kontrollieren jedoch in erster Linie sterische und nicht elektronische Faktoren die Regioselektivität: Das Boratom wird an das weniger gehinderte (weniger substituierte) Kohlenstoffatom gebunden. Die Reaktivität der aus diesen Hydroborierungen gebildeten Trialkylborane beansprucht besonderes Interesse.

Die Oxidation von Alkylboranen ergibt Alkohole Trialkylborane können mit einer basischen wäßrigen Lösung von Wasserstoffperoxid unter Bildung von Alkoholen in der Weise oxidiert werden, daß die Hydroxygruppe den Boran-Rest ersetzt. Das Gesamtergebnis der zweistufigen Reaktionsfolge Hydroborierung-Oxidation ist die Addition der Bestandteile des Wassers an eine Doppelbindung. Im Gegensatz zu den Hydratisierungen, die in den Abschnitten 12.4 und 12.7 beschrieben wurden, erfolgt die hier diskutierte jedoch mit umgekehrter Regioselektivität: Man sagt, es sei eine anti-MarkovnikovAddition. Hydroborierung-Oxidation

R

3 RCH=CHR 4, — (RCH,CHR); B

| 392: NaOH. H20 , 3 RCH,CHOH

Beispiel: 1. BH3

(CHz), CHCH;CH=CH, #202. NsOR, H30 „ (CHY.),CHCH,CH>;CHOH 80% 4-Methyl-1-penten

4-Methyl-1-pentanol

Die Oxidation des Alkylborans verläuft mechanistisch so, daß das stark nucleophile und elektronenreiche Hydroperoxid-Ion das elektronenarme Boratom angreift. Die daraus resultierende Spezies unterliegt einer Umlagerung, bei der eine Alkylgruppe mit ihrem Elektronenpaar (unter Retention der Konfiguration) zum benachbarten Sauerstoffatom wandert, wobei ein Hydroxid-Ion abgespalten wird.

Mechanismus der Oxidation von Alkylboranen 44 R

Fe

6-00

Hydroperoxid-Ion

RR

a

30-64

[0° R

—,

nor

Bas

NGOR

Dieser Vorgang wiederholt sich, bis alle drei Alkylgruppen zu den Sauerstoffatomen gewandert sind. Das Produkt ist ein Trialkylborat, (RO);B, ein anorganischer Ester, der anschließend von einer Base zum Alkohol und Natriumborat hydrolysiert wird.

(RO);B + 3 NAOH — 4 Na;BO; + 3 ROH Die Umlagerung bei der Oxidation von Alkylboranen ähnelt der Wanderung einer Alkylgruppe bei der Protonierung von 2,2-Dimethyll-propanol. In beiden Fällen wandert die Gruppe zu einem relativ elek-

tronenarmen Zentrum. 520

CH3

H

CH3 fi

./

CH3C—CH3

—O

Er

—>

CH3C—CHz

SH

er

12.8 Regioselektive und stereospezifische Funk-

+ H50

tionalisierung von Alkenen

|

CH3

durch Hydroborierung

CH3

Wegen der hohen Selektivität der Boran-Addition erlaubt die nachfolgende Oxidation die stereospezifische und regioselektive Synthese von Alkoholen.

Stereospezifische und regioselektive Synthese von Alkoholen durch Hydroborierung-Oxidation

D

ae

3

BH3

-D

D

OH H>0> , NaOH, H,O

3

-D

ran,

uud

D

D

87% 1,2-Dideuteriocyclohexen

cis-1,2-Dideuteriocyclohexanol

H _H202 H>0;, ,NaOH, NaOH, H,O _

3

-CH3

OH

"H 86% trans-2-Methylcyclopentanol

1-Methyleyclopenten Übung 12-15

Welches sind die Produkte einer Hydroborierung-Oxidation von (a) Propen (E)-2,3-Dideuterio-2-buten? Geben Sie die Konfigurationen genau an!

und (b)

Hydroborierung-Halogenierung: anti-Markovnikov-Hydrohalogenierung Alkylborane können auch als Vorläufer von Halogenalkanen dienen. Zum Beispiel liefert die Reaktion mit Brom oder Iodmonochlorid die entsprechenden Halogenalkane. Wieder bewirkt die Spezifität der Hydroborierung, daß das Halogen nur an einem Ende der ursprünglichen Doppelbindung in das Molekül eintritt. Das Gesamtergebnis dieser Hydroborierung-Halogenierung ist die regioselektive und stereospezifische Hydrohalogenierung eines Alkens, wobei das Halogen im Unterschied zu Markovnikov-Additionen (Abschn. 12.4) an das weniger substituierte Kohlenstoffatom der ursprünglichen Doppelbindung gebunden wird. Hydroborierung-Halogenierung

ON

i

©

70% 1-Brom-2-methylpentan

2-Methyl-1-penten

I. BH3 Cl, Icı

Cyclohexen

100% lodeyclohexan

iÜbung 12-16 Zeichnen Sie die Produkte der Hydroborierung-Halogenierung von (a) 1,2-Dideuteriocyclopenten und (b) (Z)-2,3-Dideuterio-2-buten unter Angabe der Stereochemie!

521

12

Zusammenfassend bleibt festzustellen, daß die Hydroborierung eine weitere Methode zur Funktionalisierung von Alkenen darstellt. Die anfängliche Boran-Addition verläuft syn-stereoselektiv und regioselektiv, das Boratom wird an das weniger substituierte Kohlenstoffatom der Doppelbindung gebunden. Die Oxidation von Alkylboranen mit basischer Wasserstoffperoxid-Lösung liefert anti-Markovnikov-Alkohole, mit Retention der Konfiguration der Alkylgruppe; Halogenierung ergibt die entsprechenden Halogenalkane.

Die Reaktionen

der Alkene

Peroxycarbonsäuren

12.9 Oxacyclopropan-Synthese: Die Oxidation mit Peroxycarbonsäuren

Ey R—C—O—OH Eine Peroxycarbonsäure

|

In den nächsten drei Abschnitten wird beschrieben, wie elektrophile Oxidationsmittel Sauerstoffatome auf eine n-Bindung übertragen, wobei

CH;3COOH Peroxyethansäure

(Peressigsäure)

cl | COOH meta-Chlorperbenzoesäure (MCPBA)

Oxacyclopropane (Epoxide), vicinale syn- und anti-Diole, sowie durch vollständigen Bruch der Doppelbindung Carbonylverbindungen entstehen. Wir wollen mit der Bildung von Oxacyclopropanen durch Reaktion von Alkenen mit Peroxycarbonsäuren beginnen, einer Umwandlung, die nach hydrolytischer Ringöffnung schließlich zu vicinalen anti-Diolen führt.

Peroxycarbonsäuren übertragen Sauerstoffatome auf Doppelbindungen: Bildung von Oxacyclopropanen O | Die OH-Gruppe in Peroxycarbonsäuren, RCOOH,

2

Magnesiummonoperoxyphthalat

(MMPP)

enthält ein elektrophiles Sauerstoffatom. Diese Verbindungen reagieren mit Alkenen unter Übertragung dieses Sauerstoffatoms auf die Doppelbindung, was zu Oxacyclopropanen führt. Das andere Produkt der Reaktion ist eine Carbonsäure, die mit wäßriger Base bequem abgetrennt werden kann. Die Umwandlung ist präparativ wertvoll, da Oxacyclopropane, wie wir wissen, vielseitige Zwischenprodukte in der Synthese sind (Abschn. 9.9). Die Reaktion läuft bei Raumtemperatur in inerten Lösungsmitteln Bildung von Oxacyclopropanen: Epoxidierung einer Doppelbindung

Ne=c

BA +

i

55

RC-0—0-—H

I

—

elektrophil

eispi Beispiele:

_cC

N0

‘

N

ö

8 CHChr

—>>

CH3CH>5CH—CH; +

CH;CH,CH——-CHz 90%

Ethyloxacyclopropan

meta-Chlorperbenzoesäure (MCPBA)

J

IH, CH>Ch

\H H 87%

522

+ RCOH

Ein Oxacyclopropan

|

1-Buten

I

‚u

wie Chloroform,

Dichlormethan

oder Benzol ab. Eine häufig benutzte,

käufliche, kristalline Peroxycarbonsäure ist die meta-Chlorperbenzoesäure (MCPBA). Für Anwendungen in größerem Maßstab und in der

12.9

Oxacyclopropan-

Synthese: Die Oxidation mit Peroxycarbonsäuren

Industrie hat man die etwas stoßempfindliche MCPBA durch Magnesiummonoperoxyphthalat (MMPP) ersetzt. Die Übertragung des Sauerstoffatoms erfolgt stereospezifisch syn, die Konfiguration des ursprünglichen Alkens bleibt im Produkt erhalten. Zum Beispiel ergibt trans-2-Buten trans-2,3-Dimethyloxacyclopropan, im Gegensatz dazu erhält man aus cis-2-Buten cis-2,3-Dimethyloxacyclopropan. H

CH;

Ne

H;C

MCPBA, CH;Cl,

er

ce Sc

H-7

H

„SCH

1

Se 85%

frans-2-Buten

H;C

trans-2,3-Dimethyloxacyclopropan

CH;

m

er

(6)

MCPBA, CH;Cl,

H

Hczf

A

Inch;

85% cis-2-Buten

cis-2,3-Dimethyloxacyclopropan

Was ist der Mechanismus dieser Oxidation? Man kann sich einen cyclischen Übergangszustand vorstellen, in welchem simultan das Proton der Peroxycarbonsäure auf ihre eigene Carbonylgruppe übertragen wird, während das elektrophile Sauerstoffatom an die n-Bindung addiert wird. Formal beteiligt sich das Elektronenpaar der n-Bindung des Alkens an der Bildung einer Bindung zum elektrophilen Sauerstoffatom, während das für die O—H-Bindung verantwortliche Elektronenpaar die andere Bindung bildet. Mechanismus der Bildung von Oxacyclopropanen




Ethanal (Acetaldehyd)

i

CH;C(CH>)4CH 85%

1-Methylcyclohexen

HC

\

SCHSCHSCCH- + ‚BELCH

2

6-Oxoheptanal

HC 1. O, CH30H

2. (CH2S

7 +

76%

CH,=O

(bei der Aufarbeitung entfernt)

Der Mechanismus der Ozonolyse verläuft über eine elektrophile Addition des Ozons an die Doppelbindung; diese Umwandlung liefert das Primärozonid (auch Molozonid genannt). Bei dieser Reaktion bewe527

12

Die Reaktionen

der Alkene

gen sich, wie wir es schon bei zahlreichen anderen Reaktionen kennen-

gelernt haben, sechs Elektronen konzertiert in einem cyclischen Übergangszustand. Das Primärozonid ist instabil und fragmentiert in eine Carbonylverbindung und ein Carbonyloxid. Dieser Prozeß läuft wiederum über einen Übergangszustand mit sechs Elektronen. KopfSchwanz-Kombination der beiden Fragmente führt zum Ozonid. Die zum Primärozonid sowie die zum Ozonid führenden Reaktionen sind Beispiele der 1,3-dipolaren Cycloaddition. Sowohl für Ozon wie auch für ein Carbonyloxid lassen sich 1,3-dipolare Grenzformeln formulieren.

Mechanismus der Ozonolyse

Schritt

1

Bildung des Primärozonids und dessen Spaltung

rs 2 RE Ro \a EN

ee

.

RN

+

A ..

ein Primärozonid

O +

Schritt

3a

0%

oO ..

.o R NG O:

4 0

ein Carbonyloxid

2 Bildung des Ozonids und Reduktion -

Dal

;Q: &

—

,

a (CC

+

zuC nr

„A Nr

Ozonid

IR,

(CH22S ee

u

„E09 +20

2

n

Sau

Dell Sana

1

„0

Dt

+ CH

R

Übung 12-20 Ein unbekannter Kohlenwasserstoff der empirischen Formel (nicht Summenformel) C;H; hat ein 'H-NMR-Spektrum mit einem komplexen Multiplett von Signalen zwischen ö=1 und 2.2. Die Ozonolyse dieser Verbindung ergibt zwei Äquivalente Cyclohexanon

(Rand). Welche Formel hat die unbekannte Verbindung?

Übung 12-21 Welches sind die Produkte der folgenden Reaktionen:

(a)

On H3C

(b) CH; 1. O3 2. (CH3)5S

(e) 1. O3 2. NaBHy

N 0% » CH3

CH,=CH Übung 12-22 Welche Konstitutionsformel hat das Ausgangsmaterial der folgenden Reaktionen:

O

CjoHıs

1205 2. Ho, Pt

(6)

528

H 2Cl2 2. (CH3)2S

Es bleibt festzustellen, daß man durch Ozonolyse von Alkenen bei anschließender Reduktion des Ozonids unter Bruch der Doppelbindung zu Aldehyden und Ketonen gelangt. Behandlung des Ozonids mit Natriumborhydrid ergibt die entsprechenden Alkohole. Mechanistisch können alle diese Reaktionen auf einen elektrophilen Angriff auf die Doppelbindung zurückgeführt werden, der zu ihrem Bruch führt, wobei die beiden n-Elektronen zur Bindung des Oxidationsmittels verwendet werden.

12.12 Addition von Radikalen an Alkene:

Bildung von antiMarkovnikov-Produkten

12.12 Addition von Radikalen

an Alkene: Bildung von anti-Markovnikov-Produkten In diesem Abschnitt befassen wir uns mit einer anderen Art der Reaktivität von Doppelbindungen, mit Radikaladditionen. Im Unterschied zu den elektrophilen Additionsreagenzien, die beide n-Elektronen der Doppelbindung benötigen, erfordert ein Radikal nur eines, so daß ein Alkylradikal gebildet wird. Die Konsequenz dieses Unterschiedes ist die Bildung von anti-Markovnikov-Produkten.

Addition von Bromwasserstoff an Alkene

In diesem Abschnitt werden alle Radikale und freien

unter Bildung des anti-Markovnikov-Produktes:

Atome wie in Kapitel 3 grün dargestellt.

Ein Wechsel im Mechanismus Setzt man frisch destilliertes 1-Buten mit Bromwasserstoff um, wird ent-

sprechend der Markovnikov-Regel Addition zu 2-Brombutan beobachtet. Dies steht in Einklang mit dem in Abschnitt 12.3 diskutierten ionischen Mechanismus.

Erstaunlicherweise

führt die Reaktion, wenn

man

sie mit einer Probe 1-Buten ausführt, die einige Zeit der Luft ausgesetzt war, deutlich schneller zu einem ganz anderen Resultat. In diesem Fall isoliert man

1-Brombutan,

das anti-Markovnikov-Produkt.

Dieser Wechsel führte in den Anfängen der Alken-Chemie zu einer beträchtlichen Verwirrung, weil ein Forscher das eine Hydrobromierungs-Produkt erhielt und ein anderer bei der scheinbar gleichen Reaktion ein anderes oder eine Mischung aus beiden. Das Rätsel wurde in den dreißiger Jahren von Kharasch* gelöst, als gefunden wurde, daß Radikale die Verursacher waren; sie waren aus Peroxiden, ROOR, entstanden, wenn das betreffende Alken der Luft ausgesetzt worden war.

Unter ionisch,

diesen

Bedingungen

sondern

Anfangsschritt

eine

viel

(Initiation)

ist die Natur schnellere

besteht

Mechanismus

nicht

Radikalketten-Reaktion.

Der

zunächst

des

im Bruch

Markovnikov-Addition von HBr CH;CH;>CH =CH3;

(frisch destilliert) HBr 24 h

Br

|

CH3CH>CHCH>H 90%

Markovnikov-Produkt

der schwachen

RO-OR-Bindung (DH® = 146.5 kJ/mol) und der dann folgenden Reaktion der gebildeten Alkoxyradikale (oder daraus gebildeter Radikale) mit dem Bromwasserstoff. Die treibende Kraft für den zweiten (exothermen) Schritt ist die Bildung der starken O—H-Bindung. Das so gebildete Bromatom initiiert die Kettenreaktion durch Angriff auf die Doppelbindung. Eines der n-Elektronen kombiniert mit dem ungepaarten Elektron des Broms unter Bildung der Brom-Kohlenstoff-Bindung. Das andere r-Elektron verbleibt am anderen Kohlenstoffatom und führt zur Bildung eines Radikals. Der Angriff durch das Halogenatom erfolgt regioselektiv, wobei das stabilere sekundäre Radikal anstatt des weniger stabilen primären gebildet wird. Dies erinnert an die ionische Addition von Bromwasserstoff an Alkene,

nur daß die Rollen von Pro-

ton und Brom vertauscht sind. Beim ionischen Mechanismus greift das Proton in der Weise an, daß das stabilere Carbenium-Ion gebildet wird.

Anti-MarkovnikovAddition von HBr CH;3CH>CH=CH3>

(in Gegenwart von Sauerstoff) HBr 4h

H

|

CH;CH>CHCH3>Br 65% Anti-Markovnikov-Produkt

* Professor M. S. Kharasch, 1895-1957, University of Chicago.

529

12 Die Reaktionen der Alkene

Beim radikalischen Mechanismus ist das Bromatom die angreifende Spezies, und es wird das stabilere Radikal gebildet. Letzteres reagiert dann mit noch vorhandenem Bromwasserstoff unter Abstraktion des Wasserstoffatoms, wobei das für die Kettenreaktion erforderliche Bromatom übrig bleibt. Beide Schritte des Kettenwachstums sind exotherm, und die Reaktion läuft schnell ab. Wie üblich erfolgt der Abbruch der Kettenreaktion durch Radikalkombination oder einen anderen Abfang der Radikale (Abschn. 3.4).

Mechanismus der radikalischen Hydrobromierung

Initiation:

RÖ—OR > 2RÖ-

AH® » + 146 kJ/mol

RO- + HBr: ex ROH +:Br°

AH® z — 64.9 kl/mol

Kettenwachstum:

N

C=CH3>

+ :Br’ —>

CH3CH;CH—CH>»Br:

AH® x — 12.6 kJ/mol

sekundäres Radikal

CH;CH3>

H

CHsCH>CHCH3Br + H:Br: —> CHsCH>CHCH3Br: + :Br®

AH° 2 — 31.4 kl/mol

Kettenabbruch: :Br' + „Br: —>

Bn

;

CH;3CH>CHCH3Br

2 CH3CH>CHCH3>Br

ed CH>;CH>CHCH3>Br

Haben radikalische Additionen allgemeine Bedeutung? Chlorwasserstoff und lodwasserstoff geben bei der Addition

an Alkene

keine anti-Markovnikov-Produkte; in beiden Fällen ist einer der Schritte des Kettenwachstums endotherm und so langsam, daß die Kettenreaktion abbricht. Beim lIodwasserstoff ist der erste Schritt endotherm, da

die Stärke der neu gebildeten Iod-Kohlenstoff-Bindung den Verlust der n-Bindung nicht wettmacht. CH;CH>;CH=CH3

+ I ————> endotherm

CH;CHSCH— CHI

Beim Chlorwasserstoff ist der zweite Schritt endotherm; hier muß die

starke

Chlor-Wasserstoff-Bindung

gebrochen

Reaktion zu langsam wird, obwohl man beobachten kann.

werden,

sie in manchen

weswegen

die

Fällen dennoch

H CH3CH;CHCH3;Cl

+ HCI

|

endotherm

CH3CH>CHCH;Cl

+ Cl»

Es gibt jedoch andere Reagenzien, die in Gegenwart eines Radikalstarters wie Dibenzoylperoxid oder Di-iert-butyl-peroxid einer radikalischen Addition an Alkene zugänglich sind. Beispiele sind Thiole und manche Halogenmethane.

530

Beispiele für andere radikalische Additionen an Alkene

12.12 Addition von

Radikalen an Alkene: Bildung von antiMarkovnikov-Produkten

CH;CH=CH, + CHsCHzSH OR, CHSCHCH3SCH.CH, H Eithanthiol

CH3

+ Hp

Ethylpropylsulfid

_ROOR

CH3 SH 29% 2-Methyleyclohexanthiol (Gemisch von cis- und trans-Isomeren)

HsC

\ C=CH; + CICCl, OR,

CH3CCH,CCh 78% 1,1,1,3-Tetrachlor-3-methylbutan

H CH3(CH,);CH=CH;

+

ROOR

HCCls ——

|

CH3(CH>)sCHCH, CC]; 22% 1,1,1-Trichlornonan

In den meisten dieser Beispiele abstrahiert das initiierende Alkoxyradikal wegen der Stärke der O—H-Bindung ein Wasserstoffatom vom Substrat und erzeugt so das in der Kettenreaktion wirksame Radikal. Ein typisches Beispiel ist Trichlormethan (Chloroform): cl RO: + CHC,k —

ROH

+

-CCl;

Kettenüberträger

nicht

RO-+ a

Te —>

ROCI + + CHCh

u

Übung 12-23 Bei der Bestrahlung einer Mischung von 1-Octen und Diphenylphosphan, (C,Hs);PH, mit ultraviolettem Licht erhält man durch radikalische Addition 1-(Diphenylphosphano)octan. Geben Sie einen plausiblen Mechanismus für diese Reaktion an.

(C,H5)2PH + H,C=CH(CH,);CHz —> (C,Hs),P—CH;—CH3,(CH;)sCH; Präparativ sind anti-Markovnikov-Additionen sehr nützlich, da sie die ionischen Additionen komplementieren. Diese Art der Kontrolle der Regioselektivität ist sehr wichtig für die Entwicklung neuer synthetischer Methoden. Es bleibt festzuhalten: Radikal-Initiatoren ändern den Mechanismus der Addition von Bromwasserstoff an Alkene von einem ionischen zu einem Radikalketten-Mechanismus. Die Folge ist eine anti-Markovnikov-Regioselektivität. Daneben reagieren auch andere Spezies wie Thiole oder einige Halogenmethane in ähnlicher Weise nach diesem Mechanismus.

531

12 Die Reaktionen der Alkene

12.13 Dimerisierung, Oligomerisierung und Polymerisation von Alkenen Können Alkene mit ihresgleichen reagieren? In der Tat ist das möglich, allerdings muß ein geeigneter Katalysator vorhanden sein — beispielsweise eine Säure, ein Radikal, eine Base oder ein Übergangsmetall. Bei diesen Reaktionen werden die ungesättigten Zentren des AlkenMonomeren (monos, griech., allein; meros, griech., Teil) unter Bildung von Dimeren,

Trimeren,

Oligomeren

(oligos, griech., wenig, klein) und

schließlich Polymeren (polymeres, griech., aus vielen Teilen) verbunden, welche große industrielle Bedeutung besitzen.

Polymerisation Dimerisierung von 2-Methylpropen CH>==C(CH3)3

L.:a9r Ice

FI ag:

RI

+

C—C—lc— _—

N 4

1

Monomere

N

CH>=C(CH3)>

Iü ; CH;

CH3

rn

CH; Hauptprodukt

2,4,4-Trimethyl1-penten +

CH3

CH,CCH=C(CH3)» CH3 Nebenprodukt 2,4,4-Trimethyl2-penten

Carbenium-Ionen greifen r-Bindungen an Die Behandlung von 2-Methylpropen mit heißer wäßriger Schwefelsäure führt zu zwei Dimeren:

2,4,4-Trimethyl-l-penten und 2,4,4-Trimethyl-2-

penten. Die Reaktion ist möglich, da 2-Methylpropen unter den Reaktionsbedingungen unter Bildung des 1,1-Dimethylethyl-Kations_(tertButyl-Kations) protoniert werden kann. Die elektrophile Addition erfolgt entsprechend der Markovnikov-Regel unter Bildung des stabileren Carbenium-Ions. Die folgende Deprotonierung von jedem der benachbarten Kohlenstoffatome führt zur Mischung der beiden beobachteten Produkte. Erstaunlicherweise überwiegt das terminale Alken in der Produktmischung. Diese scheinbare Verletzung der Regeln über die Stabilität von Alkenen hat ihren Ursprung offenbar in der relativ starken sterischen Abstoßung zwischen der 1,1-Dimethylethyl-Gruppe (tert-Butylgruppe) und der Z-Methylgruppe des im Unterschuß gebildeten Isomers. Eine solche sterische Hinderung macht das interne Alken weniger stabil als das terminale. Mechanismus der Dimerisierung von 2-Methylpropen

CH cmLc 2 x

CH; er 3 X 2

BR. CH;

CH RT

CH;

CH3

CH3 CH3z + gap

CHZC—

CH3

&

C—C

CH; H

a

are

re

he

CH;

FR en

CH;

H

Die beiden Dimere des 2-Methylpropens neigen dazu, mit dem Ausgangsalken weiter zu reagieren. So liefert die Reaktion von 2-Methylpropen in Gegenwart von Mineralsäuren unter schärferen Bedingungen Trimere,

Tetramere,

Pentamere

usw.,

die durch wiederholten

elektro-

philen Angriff auf die Doppelbindung gebildet werden. Dieser Prozeß, der zu Alkanketten mittlerer Länge führt, wird Oligomerisierung genannt.

532

Kasten 12-4

Natürliche Steroid-Synthese Eine bemerkenswerte Folge intramolekularer Alkenkupplungen wird in der Natur als Teil des biosynthetischen Weges zum Steroid-System beobachtet. In diesem Prozeß wird ein Squalen genanntes Molekül enzymatisch zum Oxacyclopropan Squalenoxid oxidiert. Der enzymatisch säurekatalysierten Ringöffnung des Oxacyclopropans folgt eine Sequenz aus vier Bildungen von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen, die der

Alken-Oligomerisierung mechanistisch verwandt ist. Eine weitere biochemische Reaktion führt zum Lanosterin, dem biologischen Vorläufer des Cholesterins. Solche Cyclisierungen (biomimetische Alken-Cyclisierungen) wurden auch im Laboratorium ausgeführt. Diese Reaktionen sind hoch regioselektiv und bieten einen einfachen Weg zur Synthese einer Vielzahl von Steroiden.

H*, Enzym

Squalen

Squalenoxid

Lanosterin

533

Oligomerisierung von 2-Methylpropen CH3

ii PR CH3 Di: ers GROCHTSICH 4 el ne CREHE + CH,=C . cm 8 cm; CH CH; CH3

CH3CCH>CCH3 ( + HC S:CHHOCHSCCHSOCHJE Sch NcH Be CH; CH; CH, HB; CH; CH; CH;

etc. CH 3

Bei höheren Temperaturen setzt sich die Oligomerisierung von Alkenen fort und führt zu Polymeren, die aus vielen Monomer-Einheiten aufgebaut sind.

ae

Polymerisation von 2-Methylpropen

n CH,=C(CH3), HCC, y —ICH

Oh

— CHSCCH

CH3 Poly-2-methylpropen (Polyisobutylen)

Wir fassen zusammen: Eine Säure als Katalysator verursacht AlkenAlken-Additionen, ein Prozeß, bei dem Dimere, Trimere, Oligomere mit mehreren Komponenten und schließlich Polymere gebildet werden, die aus sehr vielen Alken-Untereinheiten aufgebaut sind.

12.14 Synthese von Polymeren Viele Alkene sind geeignete Monomere für eine Polymerisation. Obgleich die Polymerisation eine unerwünschte Nebenreaktion in der Alken-Chemie sein kann, ist sie in der chemischen Industrie zunehmend wichtig, weil viele Polymere wünschenswerte Eigenschaften wie Haltbarkeit, Unempfindlichkeit gegen viele Chemikalien, Elastizität, Transparenz, elektrischen Widerstand oder geringe thermische Leitfähigkeit besitzen. Namen wie Polyethylen, Poly(vinylchlorid) (PVC), Teflon, Polystyrol, Orlon und Plexiglas (Tab. 12-3) sind in fast jedem Haushalt gebräuchlich. Diese Substanzen erfahren eine Vielzahl von Anwendungen als synthetische Fasern, Filme, Rohre, Überzüge, gegossene Formen und so fort. In jüngerer Zeit hat die Notwendigkeit des Energiesparens zum Bau leichterer Fahrzeuge geführt. Dazu haben Kunststoffe wegen ihrer Festigkeit und ihres geringen Gewichtes einen wesentlichen Beitrag geleistet. 1980 resultierte der Einbau von ca. 180 kg Kunststoff in einem durchschnittlichen Gewichtsrückgang von 450 kg je Fahrzeug. Dem Nutzen der Polymere steht allerdings ihr beträchtlicher Beitrag an der Umweltverschmutzung entgegen, da viele Kunststoffe nicht biologisch abbaubar sind. Säurekatalysierte Polymerisationen, wie sie für 2-Methylpropen beschrieben wurden, werden mit H,SO,, HF oder BF; als Initiatoren durchgeführt. Da hier Kationen als Intermediate auftreten, werden sie kationische Polymerisationen genannt. Andere Mechanismen sind radikalische, anionische und metallkatalysierte Polymerisationen. m

Radikalische Polymerisationen

Radikalische Polymerisation

führen zu kommerziell verwendbaren

von Ethen

Stoffen

n CH>=CH7

Rn. : TER N RE Ein Beispiel für eine radikalische Polymerisation ist die von Ethen in Gegenwart eines organischen Peroxids bei Drucken um 100 MPa und Temperaturen über 100°C. Der Mechanismus dieser Reaktion ähnelt in den ersten Schritten dem der radikalischen Addition an Alkene (Abschn. 12.12). Das Peroxid zerfällt in Alkoxyradikale, die die Polymerisation durch Addition an die Doppelbindung des Ethens auslösen.

ROOR {08 Pa >100°C =+CHr=-CHB)5> Polyethen (Polyethylen)

Das so gebildete Alkylradikal greift die Doppelbindung eines weiteren Ethenmoleküls

unter

Bildung

eines neuen

radikalischen

Zentrums

an,

usw. Die Reaktion kann durch Dimerisierung, Disproportionierung des Radikals oder Abfangreaktionen beendet werden. Mechanismus der radikalischen Polymerisation von Ethen Initiation:

RO—OR —> 2RORO- + CHH,=CH5; —> ROCH;—CH> Kettenwachstum: ROCHACH>

euch CH>=CH37

RES

ROCH3;CH3CH;CH,

(n - 1) CH3=CH3

ROCH>CH>CHCH; »

B

RO—(CH;CH>),„—CH5CH;

Kettenabbruch:

2 RO—(CH>CH>),„—CH3CH> + — 2 RO—(CH3CH3),—CH:CH3>

RO—(CH3CH32)2,42—OR

u

RO—(CH3CH;)„—CH>CH3 + RO—(CH>CH>),—CH=CH3 Von dem so gebildeten Polyethen (Polyethylen) erwartet man eine lineare Struktur. Es tritt jedoch Kettenverzweigung ein, indem von der wachsenden

Kette

ein

Wasserstoffatom

neues radikalisches Zentrum

abstrahiert

wird,

entsteht, von dem aus neues

wobei

ein

Kettenwachs-

tum erfolgt. Die durchschnittliche molare Masse eines so hergestellten Polyethens beträgt fast 10° g/mol. .

Verzweigung bei der Polymerisation von Ethen H

ICH

| CHLCH.CH,—

kr SSH

Überschuß

H

H

H ET

ee

CH>

| CH;

—CH>CCH;CH,

CH>

CH;

535

12 Die Reaktionen

Poly(chlorethen)

der Alkene

[Polyvinylchlorid,

PVC]

wird durch eine ähnliche

radikalische Polymerisation hergestellt. Interessanterweise ist die Reaktion regioselektiv. Der Peroxid-Initiator und die intermediären Kettenradikale addieren nur an das unsubstituierte Ende des Monomers,

da das

am substituierten Kohlenstoffatom gebildete Radikal ziemlich stabil ist. PVC hat daher eine sehr einheitliche Kopf-Schwanz-Struktur mit molaren Massen über 1.5 x 10°. Obwohl PVC selbst ziemlich hart und spröde ist, kann es durch Zusatz von Carbonsäureestern (Abschn. 19.9,

Tabelle 12-3 Wichtige Polymere und ihre Monomeren Monomer

Struktur

Polymer (Trivialname)

Anwendungen

Ethen

H,C = CH,

Polyethylen

Tragetaschen, Behälter

Chlorethen (Vinylchlorid)

H,C = CHCI

Poly(vinylchlorid) (PVC)

Rohre, Vinyl-Kunststoffe

Tetrafluorethen

FC=Ch

Teflon

nichthaftendes Geschirr

Ethenylbenzol (Styrol)

Gab

Polystyrol

geschäumtes Verpackungsmaterial

Propennitril

cc

CH=CH3

H Orlon

Kleidung, synthetische Stoffe

EN

(Acrylnitril)

CH3

Plexiglas

H>5C=C

Methyl-2-methyl-

Elastol

CH3

2-Methylpropen

Bekämpfung von

Ölverschmutzungen

er ce

(Isobutylen)

schlagfeste Verschalungen

COCH3z |

propenoat (Methylmethyerylat)

CH;

Kasten 12-5 Polymere als Hilfsmittel bei der Beseitigung von Ölverschmutzungen Poly(2-methylpropen) bestandteil

eines

(Polyisobutylen) ist Haupt-

Produkts

namens

Elastol,

das

sich als ein effektives Mittel bei der Beseitigung von Ölverschmutzungen erwiesen hat. Wenn Elastol auf einen Ölteppich gesprüht wird, entwirren sich die Polymerketten, die normalerweise fest verdrillt sind, und mischen sich mit dem Öl. Das Öl wird von dem Polymer zu einer viskosen Matte

gebunden,

die

von

der

Wasseroberfläche

abgehoben werden kann. Ein besonders wertvolles Merkmal

dieser

Reinigungsmethode

ist, daß

das Öl aus dem Polymer wiedergewonnen werden

536

kann, wenn man die Mischung durch eine spezielle Pumpe laufen läßt. Diese Vorgehensweise wurde erfolgreich bei der Ölverschmutzung 1990 im Hafen von New Haven in Connecticut (USA) demonstriert.

Eine

eu, n

VE

Poly(2-methylpropen)

(Polyisobutylen)

20.4), sogenannten

Weichmachern,

formbar

gemacht

werden.

Das

so

CH>=CHCI

gebildete elastische Material wird als Kunstleder, für Plastikabdeckungen oder für Gartenschläuche verwendet. Der Kontakt mit Chlorethen (Vinylchlorid) ist mit dem Auftreten einer seltenen Form von Leber-

|roox

krebs (Angiocarcinom) in Zusammenhang gebracht worden.

— (CH, CH), =

Eisensulfat (FeSO,) wird in Gegenwart von Wasserstoffperoxid zur Initiation der radikalischen Polymerisation von Propennitril (Acrylnitril) eingesetzt. Polypropennitril (Polyacrylnitril), —(CH,CHCN)„—, auch als Orlon bekannt, wird zur Herstellung von Fasern verwendet. Ähnliche Polymerisationen anderer Monomerer liefern Teflon oder Plexiglas.

d

Poly(chlorethen) (Polyvinylchlorid, PVC)

Übung 12-24 Eine Frischhaltefolie wird durch radikalische Copolymerisation " und Chlorethen hergestellt. Schlagen Sie eine Formel vor.

von

1,1-Dichlorethen

Bei anionischen Polymerisationen sind Basen als Kettenstarter erforderlich Anionische

Polymerisationen

lithium-Verbindungen,

werden

Amide,

durch

starke

Alkoxide

oder

Basen

wie Alkyl-

Hydroxide

initiiert.

Methyl-2-cyanopropenoat (a-Cyanoacrylsäuremethylester) polymerisiert beispielsweise auch in Gegenwart kleinster Spuren von Hydroxid schnell. Wird es zwischen zwei Flächen gestrichen, bildet es einen starken, festen Film, der die beiden Flächen verklebt. Aus diesem Grund werden kommerzielle Versionen dieses Monomers als Sekundenkleber vermarktet. Was ist der Grund für diese leicht stattfindende Polymerisation? Wenn die Base die Methylengruppe des a-Cyanoacrylsäureesters angreift, bildet es ein Carbanion, dessen negative Ladung an dem Kohlenstoffatom zwischen der stark elektronenziehenden Estergruppe und der ebenfalls stark elektronenziehenden Nitrilgruppe lokalisiert ist. Das Anion ist stabilisiert, da die Mehrfachbindungen des Stickstoff- und des

Sauerstoffatoms polarisiert sind (*C=N’

und °*C=O°),

und da

die Ladung durch Resonanz delokalisiert ist.

Anionische Polymerisation von Sekundenkleber (a-Cyanoacrylsäuremethylester)

0:

.:O: j .

AT)

HÖ:” + CH2EC

“ 1.

_

„FOCH3 >

N Methyl2-cyanopropenoat (a-Cyanoacrylsäureester,

COCH3|

|

8COCH3

ER

EN

„OCH3

r

” HOCH,C—CH,—

| FEIN : ?:

lOch; en

=N:

KROCHZEN

x“:

c

CH2=C\

Feiner

CN:

loch;

Sekundenkleber)

HOTEL,

&

537

Metallkatalysierte Polymerisation führt zu hochregulären Ketten

12 Die Reaktionen der Alkene

Eine wichtige metallkatalysierte Natta-Katalysatoren* initiierte. tetrachlorid

und

AI(CH;CH;3);,

einem

Polymerisation ist die durch ZieglerSie werden üblicherweise aus Titan-

Trialkylaluminium,

z.B.

Triethylaluminium,

hergestellt. Das System polymerisiert Alkene, insbeson-

dere Ethen, bei ziemlich niedrigen Drucken mit bemerkenswerter Leich-

tigkeit und Effektivität.

Ziegler-Natta-Polymerisation

|

R—Ti—R

CH>

=CH3

nd

| RR

R

at

R

| CH,= =(H, | RE CHEHER ee R—TICH>CH;R— CH>==CH>

—

2)CH3z =CH>

\

R-Ti—(CH,CH,),R — R(CHCEAFER Obwohl der Mechanismus der Reaktion Gegenstand kontroverser Diskussion ist, glaubt man nicht, daß sie über eine der bislang diskutierten klassischen Reaktionsfolgen verläuft. Vielmehr wird angenommen, daß die Polymerisation durch sukzessive Komplexierungen des Monomers an das die Kette tragende Übergangsmetall, gefolgt von wiederholten Insertionen, verläuft. Interessant ist, daß die Ziegler-Natta-Polymerisation stereochemisch einheitlich verläuft, wenn man substituierte Alkene einsetzt. In Abhängigkeit von den Reaktionsbedingungen wird ein terminales Alken so polymerisiert, daß der Substituent entweder abwechselnd auf beiden Seiten der Kette (syndiotaktisches Polymer) oder immer auf der gleichen Seite (isotaktisches Polymer) zu stehen kommt. Diese Regularität gibt dem Polymer vorteilhafte Eigenschaften wie z.B. höhere Kristallinität, verglichen mit Polymeren zufälliger Stereochemie (ataktische Polymere), die durch andere Polymerisationen erhalten werden. RU AUE, PARSE

BuR

RAR

Syndiotaktisches Polymer

R

ne

HERCHR

ur

AR EN HR

er

U

re

Isotaktisches Polymer

RR

HH

RR

HH

RH

„R

Ataktisches Polymer

Es ist festzuhalten,

daß

Alkene

durch

Carbenium-Ionen,

Radikale,

Anionen und Übergangsmetalle unter Bildung von Polymeren angegriffen werden können. Im Prinzip kann jedes Alken als Monomer dienen. Die Intermediate werden üblicherweise nach den Regeln über die Stabilität von Ladungen und radikalischen Zentren gebildet.

* Professor Karl Ziegler, 1898-1976, Max Planck-Institut für Kohlenforschung, Mülheim an der Ruhr, Nobelpreis für Chemie 1963; Professor Giulio Natta, 1903-1979, Polytechnisches Institut Mailand, Nobelpreis für Chemie 1963.

538

P.19-Pihen:

12.15

Ethen: Ein wichtiger industrieller Rohstoff

Ein wichtiger industrieller Rohstoff Ethen dient als wichtiges Monomer zur Produktion von Polyethen. Mehr als 3 Millionen Tonnen dieses Polymers werden jährlich allein in der Bundesrepublik Deutschland hergestellt. Derzeit wird Ethen durch Pyrolyse von Erdöl oder Kohlenwasserstoffen wie Ethan, Propan oder anderen Alkanen und Cycloalkanen hergestellt, die aus Erdgas gewonnen werden. Bei Temperaturen zwischen 750°C und 900°C liegen die Ausbeuten an Ethen zwischen 20 und 30%. Crack-Prozesse höherer Alkane verlaufen meist unter C—C-Bindungsbruch zu Alkylradikalen, die unter weiterer Fragmentierung u.a. Ethen bilden (Abschn. 3.3). 1993 wurde mit Ethen ein Umsatz von mehr als 1,4 Mrd. DM gemacht. Das entspricht mehr als 6% des Gesamtumsatzes mit organischen Chemikalıien. Neben seiner Eignung als Monomer dient Ethen als Ausgangsmaterial für die Herstellung einer Vielzahl wichtiger Industrie-Chemikalien, die bisweilen ihrerseits wertvolle Monomere darstellen. Zum Beispiel wird Ethenylacetat (Vinylacetat) durch eine Reaktion zwischen Ethen und Essigsäure in Gegenwart eines Palladium(II)-Katalysators, Luft und Kupferchlorid dargestellt. oO CH3=CH5

CH3COH, O,, kat. PdCl, und CuCl,

——

>

|

2CH>=CHOCCH3

+ H,O

Ethenylacetat (Vinylacetat)

Eine

ähnliche

Reaktion,

bei der anstatt

Essigsäure

Wasser

benutzt

wird, führt zum Zwischenprodukt Ethenol (Vinylalkohol). Diese Spezies ist instabil und lagert spontan zum Acetaldehyd (s. Kapitel 13 und 18) um. Die katalytische Umwandlung von Ethen in Acetaldehyd ist auch als Wacker-Prozeß bekannt. Wacker-Prozeß

CH;=CH;

H,O, O,, kat. PdCl, und CuCl, ————— >>

CH; =CHOH Ethenol

—=

(Vinylalkohol)

| _ CH3;>CH Ethanal

(Acetaldehyd)

(instabil)

Chlorethen (Vinylchlorid) wird aus Ethen durch eine Sequenz aus Chlorierung und Dehydrochlorierung dargestellt. Da Chlor teuer ist, wurde ein’ indirekter Prozeß entwickelt, der HCl in Gegenwart von Sauerstoff und CuCl, verwendet. Unter diesen Bedingungen entsteht das gleiche Intermediat, 1,2-Dichlorethan, welches durch thermische Eliminierung von HCl zum gewünschten Produkt umgesetzt wird.

Synthese von Chlorethen (Vinylchlorid) 1 CH5=CH, —>

EHEN, ca .cı :

1,2-Dichlorethan

— > CH=CHCI Chlorethen

(Vinylchlorid)

Die Oxidation von Ethen mit Sauerstoff in Gegenwart von Silber ergibt Oxacyclopropan (Ethylenoxid), dessen Hydrolyse zum 1,2-Ethandiol (Ethylenglycol, Abschn. 9.10) führt. Die Hydratisierung von Ethen

liefert Ethanol (Abschn. 8.4). 539

Mm a Reaktionen

I

o

E

CHz==CH,

O,, kat. A

E90

BEER

ie

je:

+, MO

CH, CHE 1,2-Ethandiol

Oxacyclopropan (Ethylenoxid)

(Ethylenglycol)

Ethen ist somit eine wertvolle Quelle industrieller Grundstoffe, insbe-

sondere für Monomere, Ethanol und 1,2-Ethandiol (Ethylenglycol). Tabelle 12-4 vermittelt einen Eindruck von den produzierten Mengen.

Tabelle 12-4 Industrielle Zwischenprodukte, die aus Ethen hergestellt werden. Quelle: Statistisches Bundesamt

Zwischenprodukt

Produktion in der Bundesrepublik Deutschland (1993) in 1000 t

1,2-Dichlorethan

1655

Ethenylbenzol (Styrol)

1042

Ethylbenzol

1174

Chlorethen (Vinylchlorid)

1296

Oxacyclopropan (Ethylenoxid)

623

1,2-Ethandiol (Ethylenglycol)

232

Essigsäure"

341

Ethanol

156

Ethenylacetat (Vinylacetat)

260°

a

b

Essigsäure wird auch nach anderen Verfahren hergestellt. jährliche Produktionskapazität am 1.1. 1993.

Kasten 12-6

Synthesen von Verbindungsbibliotheken auf polymeren Trägern In der pharmazeutischen Industrie ist der entscheidende Faktor bei der Entwicklung neuer Medikamente die Zeit, die für die Synthese neuer organischer Verbindungen benötigt wird. Erst wenn die neue Substanz fertig hergestellt ist, kann sie auf ihre biologische Wirksamkeit getestet werden. Das beste Beispiel für diesen langen Zeitraum ist das jahrzehntelange weltweite Bemühen zur Synthese von Penicillin-Analoga, die als potentielle Antibiotika im Kampf gegen medikamentenresistente infektiöse Mikroorganismen eingesetzt werden könnten. Tausende Verbindungen wurden auf diese Weise synthetisiert, und jede einzelne Synthese erforderte aufwendige Trennungen und Aufarbeitungen, nur um einen einzigen reinen Kandidaten für die Untersuchungen zu erhalten. In den 90er Jahren wurde klar, daß diese Art des Arbeitens einfach nicht effizient ist. Die Zahl der Verbindungen, die untersucht werden müssen, nur um einen einzigen hoffnungsvollen Kandidaten für ein Medikament zu finden, kann sehr groß sein. Deshalb kommt die herkömmliche Synthesestrategie, eine Substanz nach der anderen herzustellen, nicht mehr länger in Frage. Daher wurden Strategien zur simultanen parallelen Syn-

540

these und Untersuchung einer großen Anzahl verwandter Verbindungen, sogenannten Verbindungsbibliotheken, entwickelt. Diese Synthesen werden meist nicht in Lösung durchgeführt, wo das Produkt eines jeden Syntheseschrittes von den

Nebenprodukten, Überschußkomponenten und Lösungsmitteln abgetrennt werden müßte. Stattdessen werden die Ausgangsverbindungen kovalent an unlösliche Polymere (im Schema als P bezeichnet) gebunden, die dann den entsprechenden Reaktionsbedingungen (Reagenzien, Lösungsmittel) unterworfen werden. Die Substrate gehen, während sie mit dem festen Polymer („Träger“) verankert sind, eine chemische Reaktion ein und werden am Ende eines jeden Schrittes einfach von allen nicht Polymer-gebundenen Komponenten abfiltriert. Nachdem die gewünschten chemischen Reaktionen durchgeführt worden sind, wird das Endprodukt durch einfache Abspaltung vom Polymer in hoher Reinheit erhalten. Die Anpassung dieser Strategie auf die parallele Synthese einer neun Verbindungen umfassenden Verbindungsbibliothek ist schematisch dargestellt. Die Sequenz besteht aus nur zwei Reaktionsschritten. Drei Variationen (zum Beispiel drei Reagenzien, die unterschiedliche Alkylsubstituen-

Kasten 12-6 (Fortsetzung) ten enthalten) in jedem Schritt führen jedoch zu den neun Endprodukten, wie im Schema gezeigt. Vier Variationen in jedem der zwei Schritte würden zu 16, in drei Schritten zu 64 Verbindungen führen. Bibliotheken mit Millionen (!) von Verbindungen konnten so hergestellt werden. Diese Synthesestrategie bezeichnet man als kombinato-

rische Chemie,

da die viele Produkte

aus Kombi-

nationen weniger, unterschiedlicher Baueinheiten erhalten werden. Mit dieser Methode kann man dem Bedarf an großen Mengen von Verbindungen für pharmazeutische Untersuchungen gerecht werden, und zugleich wurde ein neuer Stil der organischen Synthese entwickelt.

Anbindung des Substrats $

+C

+ D

+E

+ F

+D

& N

= SAE

+E|

Abspaltung oe P

SAF

SBF

SBE

SBD

|

12.16 Alkene in der Natur: Insekten-Pheromone Zahlreiche Naturstoffe enthalten rn-Bindungen; einige wurden schon in den Abschnitten

bestimmte

4.7 und 9.10 erwähnt.

In diesem Abschnitt wird eine

Gruppe natürlich vorkommender

chen: die Insekten-Pheromone griech., stimulieren). Vorkommen

(pherein,

Alkene detailliert besprogriech.,

tragen;

hormon,

von Insekten-Pheromonen

(Soweit nicht anders vermerkt, handelt es sich um Sexualpheromone)

2 * Be

ebenen

1 OCCH;

ai

EN H

H Traubenwickler

o

>

H

Japankäfer

54

12 Die Reaktionen der Alkene

)

OCCH3

CH;

a

1 H;C

I

en

+ He

ng CH> oH

z CH;

,

H;C

OR

CH>

Aonidiella aurantü (eine Art Deckelschildlaus)

H

16)

H

|

H

H

5

H

|

OCCH3

ICE

H

o

me

H

H

Baumwollkapselwurm

&

CH3

Ha

en

OH

o

| CH

Sn H

CH3

[6 | CH

|

H;C

CH;

CH3

Männlicher

Amerikanische

Verteidigungspheromon

Baumwollkapselkäfer (Grandisol)

Küchenschabe (Periplanon-B)

der Larven des Blattkäfers

H

Be ”

—

CH;

a

in

er

Alarmpheromon einiger Aphiden

NO,

en

H Verteidigungspheromon der Termiten

Pheromone sind chemische Substanzen, die zur Kommunikation unter lebenden Spezies dienen. Unter ihnen sind Sexual-, Lock-, Alarm- und

Verteidigungspheromone, um nur einige zu nennen. Sie werden durch Extraktion bestimmter Teile der betreffenden Insekten und chromatographische Abtrennung aus der Produktmischung isoliert. Oft können nur geringste Mengen der bioaktiven Verbindungen isoliert werden. In solchen Fällen kann der synthetisch-organische Chemiker eine wichtige Rolle spielen, indem er Totalsynthesen entwirft und durchführt. Es ist bemerkenswert, daß die spezifische Aktivität eines Pheromons oft von der Konfiguration an der Doppelbindung (z.B. E oder Z), der absoluten Konfiguration eines jeden asymmetrischen Zentrums (R,S) und der Zusammensetzung des Isomerengemisches abhängt. Zum Beispiel wird das Männchen des Maiszünzlers Ostrinia nubilalis (Fam. Zünzler) von seinem reinen Sexualpheromon, cis-3-Tetradecenylacetat nur schwach angezogen. Eine andere Spezies aus der Familie der Wickler zeigt überhaupt keine Reaktion auf diese Verbindung. In ähnlicher 542

Weise ist das trans-Isomer vollkommen inaktiv. Wenn man jedoch eine geringe Menge der trans-Verbindung zur cis-Verbindung gibt, werden beide Spezies stark angezogen. Das Phänomen, daß eine Mischung von zwei oder mehr Verbindungen eine größere physiologische Aktivität entfaltet als aufgrund der Wirksamkeit der einzelnen Verbindungen zu erwarten wäre, nennt man Synergismus (synergos, griech., zusammenarbeiten). Allgemein ist Synergismus definiert als die simultane Wirkung mehrerer separater Kräfte, die zusammen eine größere Wirkung haben als die Summe ihrer einzelnen Wirkungen („Das Ganze ist größer als die Summe der Teile“). Synergismus wird auch bei Mischungen von Enantiomeren beobachtet. Zum Beispiel entfaltet der Borkenkäfer auf das Sexuallockpheromon Ipsdienol die optimale Reaktion bei einer Mischung aus 65% rechtsdrehendem und 35% linksdrehenden Enantiomer.

Verständnisübung

H

| CH,

HO

|

H;C CHa Ipsdienol

Sexualhormone des Maismünzlers Argyrotaenia velutinana

| a

a

a

H

H

cis-3-Tetradecenylacetat

ru: H

ee ut

OÖ

H trans-3-Tetradecenylacetat

Die Pheromon-Forschung bietet wichtige Schädlingsbekämpfung. Geringste Mengen von nen auf großen Ackerflächen genügen, um die der Suche nach den Weibchen beträchtlich zu

Möglichkeiten bei der Sexualpheromonen könmännlichen Insekten bei verwirren. Diese Phero-

mone

benutzt

können

daher

als Lockstoffe

in Fallen

werden,

um

die

Insekten effektiv zu entfernen, ohne die Pflanzen mit großen Mengen von Chemikalien zu spritzen. Es ist zu erwarten, daß organische Chemiker in Zusammenarbeit mit auf Insekten spezialisierten Biologen in den kommenden Jahren hier wesentliche Beiträge leisten werden.

Verständnisübung Diskutieren Sie Gemeinsamkeiten und Unterschiede der Additionsreaktionen der folgenden Reagenzien mit (E)-3-Methyl-3-hexen: H, (kat. PtO,); HBr, verdünnte wässrige H,SO,; Br, in CCl; Quecksilber(II)acetat in H,O; B>H, in THF. Berücksichtigen Sie die Regio- und Stereochemie. Welche dieser Reaktionen können zur Synthese von Alkoholen genutzt werden? Wie unterscheiden sich die gebildeten Alkohole?

- Lösung Wir beginnen, indem wir die Struktur der Ausgangsverbindung zeichnen. Wie wir in Abschnitt 11.1 gelernt haben, gibt die Bezeichnung „E“ an, daß die beiden

Substituenten

mit der höchsten

Priorität (ent-

sprechend den Cahn-Ingold-Prelog-Regeln) auf entgegengesetzten Seiten der Doppelbindung stehen, also trans zueinander. Im 3-Methyl-3hexen haben die beiden Ethylgruppen die höchste Priorität. Deshalb beginnen wir mit Struktur auf der Randspalte.

543

12 Die Reaktionen

Nun überlegen wir, wie dieses Alken mit den oben aufgezählten Rea-

der Alkene

genzien reagiert. In jedem Fall wird es notwendig sein, stets sowohl die Regiochemie als auch die Stereochemie der Additionsreaktionen zu berücksichtigen, da das reagierende Alken an jedem Kohlenstoffatom unterschiedlich substituiert ist und seine relative Konfiguration genau definiert ist (E). Um diese Frage vollständig zu beantworten, ist es notwendig, den Mechanismus einer jeden Reaktion zu berücksichtigen — also mechanistisch zu denken. Die Addition von H; mit PtO, als Katalysator ist ein Beispiel einer katalytischen Hydrierung. Da die gleiche Atomsorte (Wasserstoff) an jedes der olefinischen Kohlenstoffatome addiert wird, braucht die Regiochemie hier nicht berücksichtigt zu werden, die Stereochemie der Addition hingegen schon. Bei der katalytischen Hydrierung handelt es sich um eine syn-Addition, in der beide Wasserstoffatome von derselben

Seite der n-Bindung her angreifen (Abschn. 12.2). Wenn wir das Molekül in einer

Ebene

senkrecht

zur

Papierebene

betrachteten,

so fände

die Additon zu 50% von oben und zu 50% von unten statt:

H

H

H;C-___CHCH: „—— H CH:;CH;

7?

CH;CH, a: H

NCH:CH;, 2 3 4

9,07% 3 CHCH

H

CHOR

CH;

ER

/CH;CH;

+

H;CN

/

N

H—H

Hg

H

racemische Mischung

Die Addition führt zu einem Stereozentrum (in den beiden Formeln in der Mitte des Schemas durch einen Stern gekennzeichnet); die Produkte sind also chiral (Abschn. 5.1). Da die Produkte aber in gleicher Menge gebildet werden, ergibt sich am Ende eine racemische Mischung aus (R)- und (S)-3-Methylhexan. Die nächsten beiden Reaktionen, mit HBr und mit wäßriger H,SO,, beginnen mit der Addition des elektrophilen H*-Ions (Abschn. 12.3 und 12.4). Bei diesen Prozessen werden Carbenium-Ionen erzeugt. Sie folgen den regiochemischen Gesetzmäßigkeiten der MarkovnikovRegel, nach der die Addition des H'-Ions an dem weniger substituierten

Kohlenstoffatom erfolgt, um das stabilere Carbokation zu erzeugen. Letzteres kann dann von jedem verfügbaren Nucleophil abgefangen werden - Br’ im Falle von HBr, H,O im Falle von wäßriger H,SO,. Beide

Schritte sind nicht 1 stereoselektiv. Da das entstandene Carbenium-Ion bereits tertiär ist, ist eine Umlagerung zu einem stabileren Carbokation nicht möglich. Demnach liegt folgenden Mechanismus vor: H’

( H4C.. Rs

H

= CH;

+

H;CN

H /.CH>CH;

racemische Mischung

545

12

Die Reakti

re

D

Neue Reaktionen Additionen (Abschn. 12.1)

N [= z N 1

A—B

——c—c

|

Hydrierung (Abschn. 12.2) 3

HJ, Kataly-

GcMe

I

yr

nice 4

5:

syr-Addition

Elektrophile Additionen 2

Hydrohalogenierung (Abschn. 12.3)

kai c=C

re

ER]

Rn

\ C=CH>

H

>

H

@

Z

CH3

x regiospezifisch (Markovnikov-Regel) über das stabilere Carbenium-Ion

3

Hydratisierung (Abschn. 12.4) N

NEE „2

OH

ER N

Ile über das stabilere Carbenium-Ion

4

Halogenierung (Abschn. 12.5) X

ER ea A N

/

See

1

>

>

stereospezifisch (anti) X, = Cl, oder Br,, aber nicht I,

5

Synthese vicinaler Halogenalkohole (Abschn. 12.6) X De

K

X>,

BN

H>0

‚ Ne

L

7

N

OH

OH an das höher substituierte Kohlenstoffatom gebunden

546

6

Synthese vicinaler Halogenether (Abschn.

12.6)

Neue Reaktionen

x Nee

z

Zar,

x

Ne_/

U

EN en

OR an das höher substituierte Kohlenstoffatom gebunden

7

Allgemeine elektrophile Addition (Abschn. 12.6, Tab. 12-2) A = elektropositiv,

B = elektronegativ A

Ne

BR

AB,

'

ee

SQ

Yd

Be

N

Sc

i?

2

N

B an das höher substituierte Kohlenstoffatom gebunden

8

Oxymercurierung -— Demercurierung (Abschn. 12.7) oO

N

#

|

%

I. Hg(OCCH3)2, H5O 2. NaBH4,

a

' OH

NaOH

en er

=

ee

Erste Addition ist anti, über Mercurinium-Ion (6)

. He Sn os

ee

Z.

A

on

NaBHy,

3)2» ROH

NaO

>

'

nn

@

C—

Bn

OH oder OR an das höher substituierte Kohlenstoffatom gebunden

9

Hydroborierung (Abschn. 12.8)

Ba

“

BR (—C—CO3—B

BH3; —

>

De

H

C=CH> + BH3 —> (RCH>CH3>),—B H

regiospezifisch

H an das höher substituierte Kohlenstoffatom gebunden

D

D

\

D

e

\

ne

stereospezifisch (syn) und anti-Markovnikov

10

Hydroborierung - Oxidation (Aschn. 12.8) nn

2. H5O,, HO

ie

OH an das weniger substituierte Kohlenstoffatom gebunden

11

Hydroborierung - Halogenierung (Abschn. 12.8)

N

a

=

N

l. BH;

Dh

HA

|

|

Bei 547

12 Die Reaktionen

Oxidationen

der Alkene

12

Bildung von Oxacyclopropanen (Abschn. 12.9)

(6)

EN cC=C” ——> _.C——C_ A 13

N

|

‘

s

Vicinale anti-Dihydroxylierung (Abschn. 12.9) |

ERCOOH

H®

)

+

Nee

O

N

KMnOy, H50, 0°C, pH 7

HO

N aa

OsO,,HJS; s0,H,

OH

ee

2

S

S; oder oder OsO,, oderkat. OsO,, Na kat. OsO,, OsO,, 4 NaHSO;; 3 ‚ oder 4, H,O H50,

ZN 15

+ RCOH

EiSee y

!

;

über cyclische Zwischenstufen

Ozonolyse (Abschn. 12.11) 1203

u

2

n

2. (CH,)28; oder Zn, CH,COH; oder H,, Pt

N

1.0. 03

en

Ya

S

Ss

=

-

Sn

ee:

'

'

|

|

Radikalische Additionen

16

Radikalische Hydrobromierung (Abschn. 12.12) HaaBr

N

HBr, ROOR

Pe)

en

H anti-Markovnikov

nicht mit HCl oder HI

17

Weitere radikalische Reaktionen (Abschn. 12.12)

N a

RS. BOB N

es

Ba

548

3

Ka

BER

ER

Wr

ie

ROOR N re

I

Monomere und Polymere

18 Dimerisierung, 12.13 und 12.14)

Neue Reaktionen

Oligomerisierung

H* oder oder RO’ oder od B %

5 Nasa

Z

und

Polymerisation

(Abschn.

| Io

ER

Pe

Ziegler-Natta-Polymerisation: TICH, AIR;

—_—

n CH>=CH>

—ACH>CcH,)

=

syndiotaktisch oder isotaktisch

19

Ethen in industriellen Prozessen (Abschn. 12.15)

Synthese durch Cracken: R—-eH, = CH) > -R 5

CH, =CH;, + R—R

+ andere Kohlenwasserstoffe

Synthese von Vinylacetat: H

oO

CH,=CH,

GH

—

-

dor, O,, kat. PdCl,

-

und CuCl

> CH,—=C

a

OCCH; [6 Wacker-Prozeß:

CH,=CH,

—

H,0, O,, kat. PdCl, und CuCl,

|

77 2772, CH>CH

Chlorierung und Synthese von Chlorethen (Vinylchlorid):

a Cl

Synthese von Oxacyclopropan lenglycol):

a Cl

(Ethylenoxid) und 1,2-Ethandiol (Ethy-

+

CH>=CH3>

_ Spk , 07 Sen, HMO,

OH

|

OH

|

C,—CcH,

549

12 Die Reaktionen der Alkene 12

|Reaktionen von Alkenen

®

H

NNeey

H 2

ls

A3E\

H

|

ER

ae x

H

HO

H

R

„ri

H

11-7, 12-2, 18-9

CH

H

HS an

mc

R

sem

ER

Substrat:

Substrat:

ER

a

C=CH;

|

=

=

H

Su

er

X

GE

®; Su./

ou

RO

H

H.. Katalysator

CHCh, ROOR

H*

H*oderROOR

CH:COOH,

oder Base oder

O;, kat. PdCl,

TIChH-RaAl

CuCh,

HX

H?, H,O

|

0, H:0,

H»SO,

|

kat. PdCh, Cuch Or kat. Ag

1. Brı

H»SO,

|

x Sebi en

CH ‚Substrat:

CH=CH;

H

[

T

CCh

550

1

ae

.

Dimer oder

Oligomer

F

Sibera!

CH;=CH;

CHCH

X}, ROH

|

|

Nu

ge

,

ROH- Cyclopenten und (d) Cyclopenten — Chlorcyclopenten.

8

(a) Geben

CH;SeCl

Sie

das

Additionsprodukt

(polarisiert °'Se—CI’”),

von

an Propen

Methylselenylchlorid,

an. Erläutern

Sie die

Regiochemie. (b) Die Reaktion von CH;SeCl mit Cyclohexen ist eine stereospezifische anti-Addition. Wie kann man das mechanistisch erklären? 9 Geben Sie die Produkte an, die Sie für die folgenden Reaktionen erwarten, und berücksichtigen Sie die Stereochemie.

HCl

(a)

Cl,

(b) trans-3-Hepten —>

CH>CH3 NaOH,

(d) Produkt von (c) ee

(c) 1-Ethyleyclohexen Bari SR

CH;

?

|

H

1. Hg(OCCH3)>, CH3OH

2. NaBH4, CH3OH

(e)

TI Sr

N

CH;

(f)

H,O

Bed ER

n

Br,, Überschuß Na’N;°

I

EEE

1. BH3, THF 2. H>0>, NaOH,

(g)

m

H,O

Tan

10 Wie würden Sie die folgenden Verbindungen, ausgehend von einem geeigneten Alken Ihrer Wahl, darstellen? OH ()

(CH3)2,CHCHCH3 CH3

(b) (cl)

CICHZCHOCH(CH3)2 meso-CH3CH3CH>CHCHCH3;CH;CH3

BrBr

(z.B. das 4R,5S-Stereoisomer)

553

12 Die Reaktionen der Alkene

(d)

RE

a

(racemisches Gemisch von 4R,5R und 48,5)

Br Br

_& a

(e)

CH;

-.

Bi

Ri

a

(f)

Er

|

|

u

(0)

SO

et

11 Schlagen Sie effiziente Methoden vor, um die folgenden Umwandlungen zu bewerkstelligen. Meist werden mehrere Schritte erforderlich sein. j: (a

CH3CH3ZCHCH3 —> CH3CH>CH>CH3>I

OH (b)

HO

CH3CHCH>CH3 —> TE

OH

meso-CHzCHCHCH; HO

(z.B. 2R,3S)

OH

()

CH3CHCH>5CHz3 —>

CH3CHCHCH;3

(d)

(CH3)»)C=CHCH>CH>CH=CH3>

(1:1 Gemisch aus 2R,3R und 28,3)

5 =>

|

(CHIC. —CHCHSCH>CH>CH

6) | (e)

cis-(CH3)aCHCH5CH=CHCH3

—>

AI

ie

CH3

12 Welche Produkte sind bei der Reaktion von 2-Methyl-I-penten mit den folgenden Reagenzien jeweils zu erwarten: (a)

H>,

(b)

Ds, Pd/C

()

PtO,

(k)

Br + CH3;CH>OH

o

BH3, dann NaOH + H302

x) _ Hg(OCCH3)> + H>O, dann NaBH4

(dd

HCl

(m)

MCPBA

()

HBr

(n)

kat. OsO, + H,O,

(f)

HBr+

()

HI + Peroxide

(0)

Oz,dann Zn + aren

(h)

H2504 + H,O

(PP

CH3SH + Peroxide

Q

Ch

(9

CHBrz3 + Peroxide

()

kat. H,SO, + Wärme

Ic

Peroxide

13 Welche Produkte sind bei der Reaktion von (E)-3-Methyl-3-hexen mit den Reagenzien aus Aufgabe 12 jeweils zu erwarten? 14 Welche Produkte sind bei der Reaktion von 1-Ethylceyclopenten mit den Reagenzien aus Aufgabe 12 jeweils zu erwarten?

15 Welches Hauptprodukt erwarten Sie für die Reaktion von 3-Methyll-buten mit den angegebenen Reagenzien? Erläutern Sie gegebenenfalls das Auftreten unterschiedlicher Produkte mechanistisch.

OÖ l (b) Hg(OCCH3); in H,O, anschließend NaBH,

(a) 50% wäßrige H,SO, (c) BH; in THF, anschließend NaOH

554

und H>O,.

16 Beantworten Sie bitte die in Aufgabe hexylethen. 17 Das 'H-NMR-Spektrum menformel C;HsCl.

15 gestellte Frage für Cyclo-

A entspricht einer Verbindung

Aufgaben

der Sum-

(a) Leiten Sie die Konstitution des Moleküls ab.

(b) Ordnen Sie jedes NMR-Signal einem einer Gruppe von Wasserstoffatomen zu.

Wasserstoffatom

oder

(ce) Das „Dublett“ bei ö = 4 hat eine Kopplungskonstante J = 6 Hz.

Steht das in Einklang mit ihren Signal-Zuordnungen in b? (d) Eine fünffache Dehnung des „Dubletts“ (rechts oben in Spektrum A) zeigt, daß es sich dabei in Wirklichkeit um ein Dublett von Tripletts handelt. Die Triplett-Aufspaltung beträgt etwa 1 Hz. Was ist die Ursache für diese Aufspaltung? Steht sie mit der Signal-Zuordnung in b in Einklang?

VE

6.0

5.5

5.0

4.5

4.0

A

18 Die Reaktion H;O ergibt zwei

3.5 3.0 3 300-MHz-"H-NMR-Spektrum ö

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

von C;HsCl (Aufgabe 17, Spektrum A) mit Ch, in Produkte der Summenformel C;H,OCh mit den

IH-NMR-Spektren B und C. Beide reagieren mit KOH Produkt C;H;OCI mit dem 'H-NMR-Spektrum D.

zum

gleichen

(a) Leiten Sie anhand der Spektren B, C und D die Strukturen der Produkte ab. (b) Warum

werden

bei der

Reaktion

der chlorierten

Ausgangs-

verbindung (Spektrum A) mit Ch in H,O zwei isomere Produkte gebildet? (ec) Nach welchen

C;HsOCl und C)?

Mechanismen

erfolgt die Bildung des Produktes

(Spektrum D) aus den Isomeren C;H,OC], (Spektren B

555

3.5 D

3.0

2.5

2.0 300-MHz-'H-NMR-Spektrum

19 Eine Verbindung Spektrum E.

1.5

der Summenformel

1.0

C,H;O

hat das

0.5

!'H-NMR-

(a) Bestimmen sie ihre Struktur.

(b) Ordnen Sie jedes Signal den entsprechenden Protonen zu. (c) Erklären Sie die Aufspaltungsmuster der Signale bei d = 1.2, 4.2 und 5.8 unter Verwendung der fünffachen Dehnung in Spektrum E genau.

556

Aufgaben

) near 6.0

E

3,3

ö Er Aura 5.0

4.5

analai 4.0

3.5

TTERPETT N Ta TREE

Ka Ale 3.0

23

2.0

15

1.0

0.5

0.0

300-MHz-'H-NMR-Spektrum ö

20 Die Reaktion der Verbindung zu Spektrum E mit SOC], ergibt eine Verbindung C,H-Cl, deren Spektrum mit Spektrum E fast übereinstimmt, außer, daß das Signal bei ö = 3.5 fehlt. Behandlung dieser Verbindung mit H, in Gegenwart von PtO, führt zur Bildung einer Verbindung C,H,C1 (Spektrum F). Identifizieren Sie diese beiden Moleküle!

557

12

Die Reaktionen

der Alkene

21

Geben

Sie die Formel

eines

Alkens

an,

das

bei

Ozonolyse

mit

nachfolgender Reduktion mittels (CH;),S zu den folgenden CarbonylVerbindungen führt: (a) nur CH,;CHO

o

(b) CH;CHO und CH;CH;CHO

l _(d) CH,CH;>CCH; und CH,CHO

(ec) (CH;),C=O

(e) Cyclopentanon und CH;CH,CHO

und H;C=O

22 Stellen Sie Synthesen für die angegebenen Verbindungen auf, benutzen Sie dabei die Methode der retrosynthetischen Analyse. Ausgangsstoffe sind in Klammern angegeben. Sie können aber andere einfache Alkane oder Alkene einsetzen, solange in jeder these mindestens eine C—C-Bindung geknüpft wird.

und Die auch Syn-

OH

|

(b)

(Propen)

(a) ar

\

CH;

(Cyclohexen)

(c) a

(Propen)

Cl 23 Wie würden Sie mit den bislang vorgestellten Methoden Cyclopentan in ein jedes der folgenden Moleküle umwandeln? (a) cis-1,2-Dideuteriocyclopentan (b) trans-1,2-Dideuteriocyclopentan

©

SE

SCH>CH3

cl

CH>CCI;

\

er cı

(6)

(g) 1,2-Dimethylceyclopenten

(h) trans-1,2-Dimethyl-1,2-cyclopentandiol CH;

()

v 16

24 Welches Reaktionen?

sind die zu erwartenden

Hauptprodukte

\

l. Hg(OCCH3)>,

(a)

a

CHOCH>;CH,CH—EH, o

&

Eucc

CH3

1. CHCooH 2.4, 10

CH;0OH

CH=CH3> (e)

558

konz. HI

Sn

CH3OH

der folgenden

|

CH,CHS HH N 7 Be H CH>CH

(d)

1. 0% u

2 .(CH3)S

Aufgaben

e

ee: (e)

BrCN

C—=C CH3CH>

oe CH3

Gl kaltes KMnO

(f)

SE Fre

OH

| ce en

ORLCH (h)

(2

Br>, CCly

kat. HF (i)

CH3CH=CH3>

()

CH=CHNO,

kat. KOH

(Hinweis: zeichnen Sie die Lewis-Formel für die NO,-Gruppe.)

25 (E)-5-Hepten-l-ol reagiert mit den folgenden Reagenzien unter Bildung von Produkten mit den angegebenen Summenformeln. Bestimmen Sie die Konstitutionen und erläutern Sie die Bildung mit detaillierten Mechanismen. (a) HCl, CH,,O (kein Cl!), (b) Ch, C-H,CIO (IR: 740 cm, keine Bande zwischen 1600 und 1800 cm”! und zwischen 3200 und

3700 cm"). 26

Mischt man ein cis-Alken mit einer geringen Menge I, in Gegen-

wart von Licht oder Wärme,

isomerisiert es teilweise zum

frans-Alken.

Schlagen Sie einen Mechanismus zu Erklärung dieser Beobachtung vor.

27 Die Behandlung von a-Terpineol (Kap. 10, Aufgabe 26) mit wäßrigem Quecksilberacetat, gefolgt von einer Reduktion mit Natriumborhydrid, führt überwiegend zu einem Isomer der Ausgangsverbindung (C.oHısO), anstatt zum Hydratisierungs-Produkt. Dieses Isomer ist die Hauptkomponente des Eucalyptusöls und heißt deswegen Eucalyptol. Üblicherweise wird es wegen seines Aromas benutzt, um sonst übelschmeckenden Medikamenten eine angenehmen Geschmack zu verleihen. Schlagen Sie aufgrund des Mechanismus der beschriebenen Reak-

tion und des folgenden

Protonen-entkoppelten

""C-NMR-Spektrums

eine Struktur für Eucalyptol vor!

CH; Sn

O

I

l. Hg(OCCH3», 2. NaBH,, H>0

H>50

Eucalyptol,

(C}oH 30) CH RELHERN :

C-NMR:

8 = 22.8, 27,5, 28187> 3173 ; 32.9, 69.6, und 73.5

559

CH;

28 Sowohl Boran als auch MCPBA reagieren mit Molekülen wie Limonen, die Doppelbindungen mit sehr unterschiedlichen Umgebungen enthalten, hochselektiv. Welche Produkte sind bei der Reaktion von Limonen mit (a) einem Äquivalent BH;, gefolgt von basischer Aufarbeitung mit H,O,,

und (b) mit einem

Äquivalent

MCPBA

zu erwarten?

Erklären Sie Ihre Anworten! N

H;C ee CH;

ar

DO 2 as des

hält Majorans enthält

ei EN RU: eine angenehm zitronenähnlich

i rie-

chende Substanz C,oHıs (Verbindung G). Ihre Ozonolyse ergibt zwei

Produkte. Eines von ihnen, H, hat die Formel C;H,4O, und kann auf folgendem Weg unabhängig dargestellt werden; H3C

1. Mg

I. BH3

2. BC —CHcH,

H3C

CH3Br

2

ER

u

aI

I

j

2. Hz, NaOH

j

en —

Schlagen Sie auf der Basis dieser Informationen sinnvolle Konstitutionen für die Verbindungen G bis J vor! 30 Caryophyllen ist ein ungewöhnliches Sesquiterpen, das Ihnen als Hauptbestandteil des Geruches von Gewürznelken bekannt sein dürfte. Ermitteln Sie seine Struktur anhand der folgenden Informationen. Summenformel:

C,sHz4

Reaktion 1 Caryophyllen

H,, Pd/C

——>

CsHag

Reaktion 2

1. O5 Caryophyllen

2SZn,

Reaktion 3

Caryophyllen

1. 1 Äquivalent BH;

1. O3

2. HsO>, NaOH, H50

2. Zn, CH3COH

——= = — > C5H360

-

|

;

HOCH, H Ein Isomer, Isocaryophylien, ergibt bei Hydrierung und bei Ozonolyse die gleichen Produkte wie Caryophyllen. Hydroborierung-Oxidation von Isocaryophylien ergibt Produkt C,sH,O, das ein Isomeres des in Reaktion 3 gezeigten ist. Ozonolyse wandelt dieses Produkt jedoch in das abgebildete um. Wie unterscheiden sich Caryophyllen und Isocaryophylien? 31 Juvenilhormon (JH, Kasten 12-2) selbst wurde auf zahlreichen Wegen synthetisiert. Drei Moleküle, aus denen es dargestellt wurde, sind unten abgebildet. Schlagen Sie Synthesen des JH vor, die von einer jeden der drei Verbindungen ausgehen. Die Synthese zu a und b sollten stereospezifisch sein. Beachten Sie bei a und b, daß die Doppelbindungen zwischen C-10 und C-11 die gegenüber Elektrophilen reaktivsten sind (Ziehen Sie die Synthese des JH-Analogons in Kasten 12.2 zum Vergleich heran).

H3C (a)

H3C u

H3C

a

x H3C =

OLE

H3C 3

(

6)

O |

CH;

H;C

De

Aufgaben

SR] U zCOCHE

CH:

OÖ

N

_

komplexer

Naturstoffe

COCH3

cı 32

Viele

natürlich

Synthesen

vorkommenden

Molekülen

aus.

gehen

Der

von

einfacheren,

Plan, den komplizierten

Sesquiterpen-Aldehyd Sinensal zu synthetisieren, erfordert die Umwandlung des Monoterpens Myrcen in das abgebildete Heptadienyliodid. CH;a

a

CH>

CH;

CH>

Myrcen

Schlagen Sie eine einfache Reaktionsfolge für diese Umwandlung vor. Hinweis: Nutzen Sie die unterschiedlichen Reaktivitäten der drei Doppelbindungen des Myrcens aus.

33 Das Monoterpen-Keton Campher wird zur Darstellung zahlreicher Produkte von Weichmachern über Mottenkugeln bis zu Feuerwerkskörpern genutzt. Obwohl man es gut aus natürlichen Quellen erhalten kann, ist die Nachfrage so groß, daß man es aus besser zugänglichen Naturstoffen wie Pinen und Camphen synthetisiert. Die Behandlung von Camphen mit Essigsäure ergibt in Gegenwart von H,SO, Isobornylacetat, welches in zwei folgenden Schritten in Campher umgewandelt wird. Erklären Sie die Reaktion, die Camphen in Isobornylacetat umwandelt, mechanistisch.

Überrascht Sie an der Reaktion irgend etwas?

I

0 CH2

CH;COH,

CH3 CH;

CH,CO H>S04

ET

CH3

>

FCH:

0

CH;

—3

CH3

CH; - Camphen

Isobornylacetat

Campher

Gruppenübung 34 Die Selektivität der Hydroborierung Anspruch des eingesetzten Borans.

steigt

mit

dem

sterischen

I [(CH,),CHCH] BH 2

(a) Zum

Beispiel wird 1-Penten selektiv in der Gegenwart von cis-

und frans-2-Penten hydroboriert, wenn als Hydroborierungsreagenz Bis (1,2-Dimethylpropyl)boran (Disiamylboran) oder 9-Borabicyclo[3.3.1]boran (9-BBN) verwendet wird. Teilen Sie die folgende Aufgabe in Ihrer Gruppe auf: Geben Sie an, welche Alkene geeignet sind, die obengenannten Hydroborierungsreagenzien zu bilden. Formulieren Sie die Konstitution und bauen Sie Molekülmodelle, um sich zu verdeutlichen, woher die Selektivität dieser Reagenzien rührt.

2

Bis(1,2-dimethylpropyl)boran (Disiamylboran)

BR

H

ES

9-BBN

561

12 Die Reaktionen der Alkene

(b) In einer enantioselektiven Reaktion zur Synthese von sekundären Alkoholen werden zwei Äquivalente eines a-Pinen-Enantiomers mit BH; umgesetzt. Das resultierende Boranreagenz wird anschließend zur Hydroborierung mit cis-2-Buten umgesetzt, gefolgt von einer Oxidation mit basischem Wasserstoffperoxid. Man erhält optisch aktives 2-Butanol.

H,C

Bei

HL BH,

2 «-Pinen

Benutzen

|

SICH, H

»BH

Mt 2. H;0,, ‘OH

CH; i

Or

ä

Sie gemeinsam

optisch aktiv

Ihre Molekülbaukästen,

um

Modelle von a-

Pinen und dem resultierenden Boranreagenz anzufertigen. Diskutieren Sie, welche Aspekte zur Enantioselektivität dieser HydroborierungsOxidations-Reaktion führen. Welche Nebenprodukte außer 2-Butanol erhält man im Oxidationsschritt?

562

Alkıne Die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Dreifachbindung

Wir wenden uns nun der Struktur, der Darstellung und den Reaktionen der Alkine

zu, Verbindungen,

die durch

eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-

Dreifachbindung charakterisiert sind. Da die funktionelle Gruppe — C=C— zwei aufeinander senkrecht stehende r-Bindungen enthält (s. Abb. 13-1), ähnelt ihre Reaktivität sehr der der Doppelbindung. Beispielsweise sind Alkine ebenso wie Alkene elektronenreich und werden von Elektrophilen angegriffen. Sie können ebenfalls durch Eliminierungsreaktionen

dargestellt

werden,

und

sie sind

am

stabilsten,

wenn

die Mehrfachbindung intern und nicht terminal ist. Die Alkinyl-Wasserstoffatome sind im Vergleich zu den Alkenyl-Wasserstoffatomen acider, eine Eigenschaft, die eine leichte Deprotonierung mit starken Basen ermöglicht. Die dabei gebildeten Alkinyl-Anionen sind wertvolle nucleophile Reagenzien in der Synthese. Das einfachste Alkin, HC=CH (Ethin oder Acetylen), ist eine Vorstufe einer Reihe industriell wichtiger Alken-Monomerer (Kap. 11 u. 12). Die funktionelle Gruppe der Alkine findet man auch in mehreren physiologisch aktiven Verbindungen, die zum Teil natürlichen Ursprungs sind. Wir beginnen mit der Nomenklatur und der Diskussion der strukturellen Merkmale der Alkine. In den nachfolgenden Abschnitten werden die spektroskopischen und chemischen Eigenschaften einiger dieser Verbindungen behandelt.

15.1 Die Nomenklatur der Alkıne Eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Dreifachbindung ist die charakteristische funktionelle Gruppe der Alkine. Die allgemeine Summenformel für Alkine ist C„H>„,, dieselbe wie für Cycloalkene. Für viele Alkine sind noch

Trivialnamen

im

Gebrauch,

darunter

Acetylen,

der Trivialname

für das einfachste Alkin, Hs. Andere Alkine werden als dessen Derivate bezeichnet, wie zum Beispiel die Alkylacetylene.

563

13

Alkine

Trivialnamen von Alkinen

HC=CH Acetylen

CH;C=CCH3 Dimethylacetylen

CH3CH>CH>C=CH Propylacetylen

Die IUPAC-Regeln zur Benennung von Alkenen werden auch auf Alkine angewandt, wobei die Endung -in die Endung -en der Alkene ersetzt. Die Position der Dreifachbindung in der Hauptkette wird durch eine Nummer angegeben. Br

1.2 HC=CH

SU

CH;C=CCH3

CH;C=CCHCH3>CH3

2-Butin

4-Brom-2-hexin

Ethin

CH3

ı

CH;CC=CH CH3z

3,3-Dimethyl-1-butin

Alkine der allgemeinen Konstitution RC=CH heißen terminal, wogegen solche der allgemeinen Formel RC=CR’ als interne Alkine bezeichnet werden. Substituenten, die eine Dreifachbindung tragen, werden als AlkinylGruppe bezeichnet. Der Substituent der Struktur —C=CH heißt Ethinyl, sein Homologes —CH>C=CH heißt 2-Propinyl (Propargyl). Wie Alkane und Alkene kann man Alkine auch durch Strichformeln graphisch darstellen.

>

LG

® =N

>—CH;C=CH 1

trans-1,2-Diethinyleyclohexan

In der IUPAC-Nomenklatur Vorrang

vor

der

der

Alkene;

2

3

3

208

HC=CCH2OR.

2-Propinylceyclopropan

2-Propin-l-ol

(Propargylcyclopropan)

(Propargylalkohol)

hat die funktionelle Gruppe der Alkine daher

wird

ein Kohlenwasserstoff,

der

Dreifach- und Doppelbindungen enthält, Alkenin genannt. Die Bezifferung einer Kohlenwasserstoffkette erfolgt dabei so, daß die Summe der Ziffern für die Mehrfachbindungen so klein wie möglich ist. Befinden sich Dreifach- und Doppelbindung in einem Molekül an äquivalenten Positionen, wird das Alkin so benannt, daß die Doppelbindung die niedrigere Nummer erhält. Alkohole haben Priorität vor Alkinen; daher heißen Alkine, die eine Hydroxy-Funktion enthalten, Alkinole. | OH

N

a

Yet.

Re

CH;CH;CH=CHC=CH 3-Hex en -1-in (nicht 3-Hexen-5-in)

ARE

SORRY Talk

CH,;=CHCH,C=CH

4

G°

6

3

1-Penten -4-in

5-Hexin -2- ol

(nicht 4-Penten-1-in)

(nicht 1-Hexin-5-ol)

|] Übung 13-1 Geben Sie die IUPAC-Namen

(bye

Hl ER

an für (a) alle Alkine der Summenformel

;

(c) alle Butinole.

‚c—-C=CH H‘

CH==CH> |

564

2

Beziehen Sie alle Stereoisomeren ein und benennen

Sie sie!

C,Hjo;

i

13.2 Eigenschaften und Bindung der Alkiıne

13.2

Eigenschaften und Bindung der Alkine

Dieser Abschnitt beschreibt die Dreifachbindung anhand ihrer Molekülorbitale: Die Kohlenstoffatome sind sp-hybridisiert, und die vier einfach besetzten p-Orbitale bilden zwei zueinander senkrecht stehende rBindungen. Dies hat weitreichende Konsequenzen für die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Alkine.

Alkine sind relativ unpolar Die Siedepunkte der Alkine ähneln denen der entsprechenden Alkene und Alkane. Ethin ist insofern ungewöhnlich, als es bei atmosphärischem Druck keinen Siedepunkt hat; es sublimiert bei -84 °C. Propin (Sdp. -23.2°C) und 1-Butin (Sdp. 8.1°C) sind Gase, wogegen 2-Butin (Sdp. 27°C) bei Raumtemperatur gerade noch flüssig ist. Die Alkine mittlerer Größe sind destillierbare Flüssigkeiten. Der Umgang mit Alkinen erfordert Vorsicht; sie polymerisieren leicht, bisweilen in heftiger Reaktion. Ethin explodiert unter Druck, Kann jedoch in Druckgasflaschen aus Stahl transportiert werden, die Aceton und ein poröses Füllmaterial (Bimsstein) enthalten. In Analogie zu den Alkenen führt der hohe s-Charakter der Hybridorbitale der Kohlenstoffatome zur Ausbildung von Dipolmomenten, wenn es sich nicht um ein symmetrisches Alkin handelt. Polarität in Alkinen

CH:C==CH

CH;CH;C=CH

CH;3CH>C=CCH>CH3

ni a

+—

4-3

u=25% 10° Cm

a=27x

107°°Cm

=

u=0Cm

Ethin ist linear und hat starke, kurze Bindungen Im Ethin sind die zwei Kohlenstoffatome sp-hybridisiert (Abb. 13-1A). Eines der beiden Hybridorbitale überlappt mit dem s-Orbital des Wasserstoffatoms, das andere wird zur Bildung der C—C-o-Bindung verwendet (Abb. 13-1B). Die zwei zueinander senkrechten p-Orbitale eines jeden Kohlenstoffatoms enthalten je ein Elektron. Diese p-Orbitale überlappen mit den entsprechenden p-Orbitalen des anderen Kohlenstoffatoms und bilden zwei zueinander senkrecht orientierte n-Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen. Der diffuse Charakter der r-Elektronenwolken gibt der Elektronenverteilung der Dreifachbindung eine zylindrische Gestalt (Abb. 13-1C). Als Konsequenz der Hybridisierung und der zwei n-Bindungen ist die Stärke der Dreifachbindung beträchtlich: sie beträgt ungefähr 962 kJ/mol. Die Dissoziationsenergie der C—H-Bindung ist mit 536 kJ/mol ebenfalls hoch. “ In Einklang mit der sp-Hybridisierung beider Kohlenstoffatome des Ethins ist seine Struktur linear (Abb. 13-2). Die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungslänge beträgt 120.3 pm und ist kürzer als die der Doppelbindung (133 pm, Abb. 11-1). Die Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungslänge ist wegen des hohen s-Anteils an den für die Bindung zum Wasserstoffatom verwendeten sp-Hybridorbitalen ebenfalls kurz. Die Elektronen dieser Orbitale und der aus ihnen durch Überlappung mit anderen Orbitalen gebildeten Bindungen halten sich relativ nahe am Atomkern auf und führen so zu kürzeren und stärkeren Bindungen.

Dissoziationsenergien von C-C-Bindungen HC=CH DH?’ = 962 kJ/mol

H,C=CH; DR’ = 682 kJ/mol

H,C-+CH;

565

p-Orbital

sp-Orbital

sp-Orbital

H c Abb. 13-1 A. Molekülorbitale eines sp-hybridisierten Kohlenstoffatoms. B. Bildung der Dreifachbindung in Ethin durch Überlappung zweier CH-Fragmente unter Bildung einer ound zweier n-Bindungen. C. Die beiden zueinander senkrecht angeordneten r-Orbitale des Ethins führen zu einer zylindrischen Elektronenverteilung um die C-C-Bindungsachse.

120.3 pm He 106.1 pm

——H N

Abb. 13-2 Molekülstruktur von Ethin.

180

Terminale Deprotonierung von 1-Alkinen

KEN Rc=C—H + :B

|

RC=C:”7

Alkine sind bemerkenswert

sauer

Aus demselben Grunde sind terminale Alkine acider als die entsprechenden Alkene oder Alkane. Beispielsweise liegt der pX,-Wert des Ethins mit 25 deutlich unter dem des Ethens (pX, = 44) und dem des Ethans (pK, = 50).

Reihenfolge der Acidität von Alkinen, Alkenen und Alkanen + HB

HC=CH > H,C=CH, > H,C-CH; Hybridisierung:

sp

sp?

sp?

pK;:

25

an

50

Es zeigt sich, daß dieser Effekt präparativ nützlich ist, weil zahlreiche starke Basen benutzt werden können, um ein terminales Alkin stöchio-

metrisch zum entsprechenden Alkinyl-Anion zu deprotonieren. Beispiele für solche starken Basen sind Natriumamid in flüssigem Ammoniak, Alkyllithium-Verbindungen und Grignard-Reagenzien. Die so erzeugten Anionen reagieren wie andere Anionen auch als Basen oder als Nucleophile (Abschn. 13.6). | Übung 13-2 Wir haben andere als die eben erwähnten starken Basen früher kennengelernt. Zwei Beispiele sind Kalium-zert-butoxid und Lithiumdiisopropylamid (LDA). Ist eine von die') sen Basen (oder beide) geeignet, um aus Ethin Ethinyl-Anionen darzustellen? Erklären

Sie Ihre Antwort mit Hilfe ihrer pK,-Werte. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Alkine werden durch die sp-Hybridisierung der an der Dreifachbindung beteiligten Kohlenstoffatome bestimmt. Sie ist verantwortlich für starke Bindungen, die lineare Struktur der Alkine, Dipolmomente und die relativ hohe Acidität der Alkinyl-Wasserstoffatome.

566

Deprotonierung von Alkinen

13.3

Spektroskopie der Alkine

H

CH;CH,C=CH + CH>CH,CHJCH;Li -EbH220 „CH,CH,C=CLi + CH;CH,CH;CH;

Sra

H

|

+ CH>CH,MgBr

| C=CMeBr + CHzCH,

H

| NaC=CNa + 2 NH,

fl.NHz

HC=CH + 2 NaNH,

13.3 Spektroskopie der Alkine Alkenyl-Wasserstoffatome sind entschirmt und haben NMR-Signale bei relativ hohen Frequenzen im Vergleich zu den Signalen gesättigter Alkane (Abschn. 11.4). Im Gegensatz dazu haben Alkinyl-Wasserstoffatome geringere chemische Verschiebungen, die sehr viel näher an denen von Alkanen liegen. Terminale Alkine können leicht IR-spektroskopisch identifiziert werden.

Die NMR-Absorptionen der Alkin-Wasserstoffatome zeigen eine charakteristische Abschirmung Anders als die Alkenyl-Wasserstoffatome, die entschirmt sind und Signale bei ö = 4.6-5.7 haben, findet man Signale von Protonen, die an ein sp-hybridisiertes Kohlenstoffatom gebunden sind, bei ö = 1.7-3.1 (Tabelle 10-2). Ein Beispiel ist das Spektrum des 3,3-Dimethyl-1-butins, das in Abb. 13-3 gezeigt ist. Das Alkinyl-Wasserstoffatom absorbiert bei öd = 1.74.

Start of sweep

—

an

a

B—

a

10» a

|

|

1

|

|

0,4 N

I

| \

|

—

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hatt an en |

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|a |

LCHSCC=ECH j

|

|

Ko

N

| | | CH3 3 ||

|

Bor

|

inikimrsunme

Terre

\ |

|| |

|

| |

| |

apa

in Hosen? muy .|

(CH3)4Si

|

AR

|

Spektrum von 3,3-Dimethyll-butin in CCl,. Das Signal des Alkinyl-Wasserstoffatoms liegt bei niedriger Frequenz (Ö = 1.74).

| &eH9 us)

N |

)

’\ |

Abb. 13-3 90 MHz 'H-NMR-

End of sweep

BEER

DAR!

| } \ I

| — 10

j'

|

||

|

STR NERTIETE PER, vr u — 9 8 Y 6

|a 5

d

| 3

en 2

Ze l

0

ö

567

Biokal J

Biokal J

am Ns Il. 2

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\

ERNEUT Farsf

In] BioxaıtP N BER

T Bioratı

\

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FE

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Yayı B r 1 T Biokat

NIc\\

\

1.3

TASIaNN

2,

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N

DR

2

N H

/ >

2

Biokal|

externes Feld By

externes Feld B, B

A

Abb. 13-4 Die Elektronenzirkulation in Gegenwart eines externen Magnetfelds erzeugt lokale magnetische Felder, die für die charakteristischen chemischen Verschiebungen von Alkenyl- und Alkinyl-Wasserstoffatomen verantwortlich sind. (A) Alkenyl-Wasserstoffatome

befinden sich in einem

Raum,

in dem B, von Bjoxaı verstärkt wird. Für die Resonanz

ist daher ein äußeres Feld mit

geringerer Stärke erforderlich, so daß diese Elektronen relativ entschirmt sind. (B) Bei Alkinen erzeugt die Elektronenzirkulation ein lokales Feld, das B, in der Umgebung der Alkinyl-Wasserstoffatome entgegen gerichtet ist. Aufgrund dieses Abschirmungseffekts ist eine höhere Feldstärke zur Resonanz notwendig.

Warum wird das terminale Alkin-Proton so sehr abgeschirmt? Offensichtlich wird der elektronische Effekt, der die Entschirmung der Alkenyl-Protonen bewirkte, in Alkinen irgendwie aufgehoben. Die Erklärung liegt in der zylinderförmigen Elektronenwolke entlang der Achse der Dreifachbindung (s. Abb. 13-1C), welche eine andersartige Elektronenbewegung ermöglicht. Liegt die Achse der Dreifachbindung parallel zum externen Magnetfeld B,, erzeugen die sich bewegenden Elektronen in der Umgebung der Alkinyl-Wasserstoffatome ein dazu entgegengesetztes Magnetfeld (Abb. 13-4). Das Ergebnis ist ein starker abschirmender Effekt, der die entschirmende Tendenz des elektronenzie-

henden sp-hybridisierten Kohlenstoffatoms aufhebt und zu einer relativ kleinen chemischen Verschiebung nach hohem Feld führt.

Die Dreifachbindung überträgt Spin-SpinKopplungen Fernkopplungen in Alkinen

H

| en:

Die Dreifachbindung überträgt Kopplungen so gut, daß das Signal eines terminalen Wasserstoffatoms aufgespalten wird, obwohl es von dem nächsten Wasserstoffatom durch mindestens drei Kohlenstoffatome getrennt ist. Dies ist ein weiteres Beispiel für eine Fernkopplung. Die un liegen zwischen 2 und 4 Hz. Abbildung 13-5 zeigt das

'H-NMR-Spektrum

des 1-Pentins,

an dem

dieser Effekt besonders

deutlich wird. Die Alkinyl-Wasserstoffatome treten bei ö = 1.71 als Triplett (J = 2.5 Hz) in Resonanz, da sie mit den zwei äquivalenten Wasserstoffatomen an C3 koppeln, die bei ö = 2.07 als Dublett von Tripletts absorbieren (J = 2.5, 6 Hz). Derartige Fernkopplungen (J > 2-3 Hz) werden auch über vier Kohlenstoffatome zwischen zwei Gruppen nicht äquivalenter Wasserstoffatome beobachtet, die durch eine Dreifachbindung getrennt sind, wie zum Beispiel im 3-Heptin,

CH;CH;C=CCH;CH;CHh;.

Übung 13-3 @

568

Sagen Sie das Aufspaltungsmuster erster Ordnung im 'H-NMR-Spektrum von 3-Methyl1-butin voraus.

Start of sweep

RE N

I

|

|

—

Re

|

B—

End of sweep

0. On | I

H

|

|

|

|

d|

|

|

Sul

13.3

Spektroskopie der Alkine

|

| | CH3CH>CH>C == CH a

ns

nn

Abb. 13-5 Das 90 MHz !H-NMRSpektrum von 1-Pentin in CCl, zeigt die Kopplung zwischen Alkinyl- (grün) und PropargylWasserstoffatomen (blau).

SC-NMR-Spektroskopie von Alkinen Die ’C-NMR-Spektroskopie ist für die Strukturaufklärung von Alkinen nützlich. Beispielsweise absorbieren die dreifach gebundenen Kohlenstoffatome in Alkyl-substituierten Alkinen in dem engen Bereich von ö = 65-95, der sich deutlich von den chemischen Verschiebungen entsprechender Alkene (ö = 100-150) oder Alkane (d = 5-45) unterscheidet.

Typische chemische Verschiebungen in PC-NMR-Spektren von Alkinen HC=CH ö= 71.9

HC=CCH>CH;CHECH3 68.6

84.0

18.6

31.1

22.4

CH3CH;C=CCH;CH3 14.1

SI

13081332

Terminale Alkine zeigen zwei charakteristische Infrarot-Absorptionen Die Infrarot-Spektroskopie ist hilfreich bei der Identifizierung terminaler Alkine. Die charakteristischen IR-Valenzschwingungensbanden der

Alkine (8. Tab. 11-4) kommen

durch die C—H-Bindung zum Wasser-

stoff (3260-3330 cm) und die C=C-Dreifachbindung (2100-2260 cm, Abb. 13-6) zustande. Beide erscheinen bei höheren Wellenzahlen als die der entsprechenden Schwingungen in den Alkenen. Solche Daten sind besonders wertvoll, wenn 'H-NMR-Spektren komplex und schwierig auszuwerten sind. Die Bande für die C=C-Valenzschwingung bei internen Alkinen ist allerdings häufig von geringer Intensität, wodurch der Wert der IR-Spektroskopie zur Charakterisierung dieser Verbindungen eingeschränkt wird. Wir fassen zusammen: Die zylindrische rn-Elektronenwolke um die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Dreifachbindung induziert lokale Magnetfelder, die für Alkinyl-Wasserstoffatome zu chemischen Verschiebungen im NMR-Spektrum bei niedrigeren Frequenzen als für Alkenyl-Protonen führen. Man beobachtet Fernkopplungen über die C=C-Bindung hinweg. Die Infrarot-Spektroskopie bietet eine wichtige Ergänzung zur NMR-Spektroskopie mit den charakteristischen Banden für die C=Cund die =C—H-Bindungen terminaler Alkine.

569

2120|

|

H

|SS |

|

|

N.

|

|

C--=c—H

u

in Durchlässigkeit %

|

| |

a

| Ba || H C+C=c—H | Biascs 3000

2500

2000

1500 Wellenzahl

|

|

STE 1000

600 cm

#

Abb. 13-6 IR-Spektrum von 1,7-Octadiin: Fe u vatenz = 3300 em, dc =c valenz = 2120 em; de, -Hpm — 640 em.

13.4 Die Stabilität der Dreifachbindung Hängt der Energieinhalt von Alkinen von den Substituenten ab, wie es für Alkene der Fall ist? Welche Alkine sind stabiler — terminale oder interne? Wie steht es mit Cycloalkinen? Wie groß muß ein Ring sein, um eine lineare Dreifachbindung enthalten zu können? Inwieweit ist eine Abweichung von der Linearität möglich? Diese Fragen können durch das Studium der relativen Verbrennungs- und Hydrierungswärmen sowie von basenkatalysierten Isomerisierungen beantwortet werden.

Alkine sind energiereiche Verbindungen Alkine haben einen beträchtlichen Energieinhalt. Zum Beispiel beträgt die Bildungsenthalpie des Ethins AA? = +227.4 kJ/mol. Demnach ist Ethin relativ zu den Elementen im Grundzustand außerordentlich instabil. Aufgrund dieser Eigenschaft reagieren Alkine in vielen Fällen unter Freisetzung von Energie. Zum Beispiel zersetzt sich Ethin, wenn man es schlagartig hohem Druck oder katalytischen Mengen Kupfer aussetzt, explosiv zu Kohlenstoff und Wasserstoff. Bei der Verbrennung des Ethins werden 1327 kJ/mol frei. Diese Energie wird in AcetylenBrennern beim Schweißen ausgenutzt, welches sehr hohe Temperaturen erfordert (über 2500 °C). Verbrennung von Ethin

HC=CH + 2.5 05 —> 2 CO, + H,O Wie

in Aufgabe

8 von

AH® = — 1327 kJ/mol

Kapitel 3 diskutiert wurde,

ist die Flammen-

temperatur abhängig von der Verbrennungswärme und der Menge austretenden Gases. Bei der Verbrennung von Ethin verteilt sich freigesetzte Wärme auf nur drei Moleküle des Produktgases je brauchtem Ethin-Molekül. Das gebildete Gas wird daher auf

570

des die vereine

höhere Temperatur erhitzt als bei der Verbrennung von beispielsweise Propan, einem Bestandteil des Erdgases. Die Verbrennungswärme beträgt in diesem Fall zwar 2220 kJ/mol, sie wird aber auf sieben Moleküle des gebildeten Gases (3 CO, und 4 H,O) je Molekül Propan verteilt, folglich ist die Flammentemperatur niedriger.

13.4

Die Stabilität der Dreifachbindung

Interne Alkine sind stabiler als terminale Alkine Auch wenn man die relativen Stabilitäten der Alkin-Isomere mit Hilfe ihrer Verbrennungswärmen

bestimmen

könnte,

ist es doch

bequemer,

ihre Hydrierungswärmen zu vergleichen, wie wir es bereits bei Alkenen getan haben. Die katalytische Hydrierung des Ethins läuft in zwei Schritten zuerst wird Ethen gebildet, dann Ethan. Die Hydrierungswärmen gen, daß die erste n-Bindung einen höheren Energieinhalt hat als zweite.

den ab, zeidie

Hydrierung von Ethin Kataly-

HC=CH + H;

—#>

De

> —

H,C=CH,

AH? = — 175.4 kKJ/mol

ILCCH,

AH® = — 136.9 KJ/mol

Kataly-

Chr

Um die relativen Energien terminaler und interner Alkine zu messen, können wir ihre Hydrierungswärmen vergleichen. Zum Beispiel werden die beiden isomeren Butine zu Butan hydriert, geben jedoch unterschiedlich viel Energie ab: Kataly-

CRBCH,RC=CH

sator

# 2.9) ———>

CH;CHLCH>CH,

AH° = — 292.7 kJ/mol

CH;CH>CH3>CH3

AH°=

KatalyCH3C=CCH3

2

En

sator

—

Relative Stabilitäten der Alkine RC==CH

272.6

< RC=CR'

kJ/mol

Wieder ist das interne r-System stabiler als das terminale, wie man es aufgrund der Hyperkonjugation erwarten sollte (Abschn. 3.2 u. 11.7).

Cyclische Alkine sind gespannt Man kann den Energieinhalt von Alkinen weiter erhöhen, wenn man die eigentlich lineare Dreifachbindung verbiegt, wie es in Cycloalkinen der Fall ist. ES

Berechnete Spannungsenergien einiger Cycloalkine

9-09-9-& Cycloheptin

Cyclooetin

Cyelononin

Cyelodeein

87.1

68.7

41.5

130.2

kJ/mol

Die Spannungsenergie der Cycloalkine steigt mit kleiner werdender Ringgröße. Das kleinste isolierte unsubstituierte Cycloalkin ist Cyclooctin. Kleinere Homologe sind zu reaktiv, um isoliert werden zu können.

Daß gespannte

Cycloalkine reaktiv sein sollten, wird auch anhand

ihrer Molekülmodelle deutlich. Die Verbiegung der Dreifachbindung vermindert die Überlappung der p-Orbitale der n-Bindung in der Molekülebene, was zu einem gewissen diradikalischen Charakter führt

571

|

13 Alkine

A

Schwächere Überlappung, stärkerer Diradikal-Charakter B

X A

CH3>

B

Abb. 13-7 A. Nicht gespannte Dreifachbindung; die beiden Sätze von p-Orbitalen können unter Bildung der beiden r-Orbitale gut überlappen. B. Gespannte Dreifachbindung; die Orbitallappen der in der Biegeebene liegenden p-Orbitale werden voneinander entfernt, die Überlappung wird daher schlechter.

(s. Abb. 13-7). Dieser radikalische Charakter manifestiert sich in erhöhter Reaktivität, insbesondere hinsichtlich der Polymerisation und der Reaktion mit Sauerstoff.

Basen katalysieren die Isomerisierung von Alkinen Die relativen Stabilitäten verschiedener isomerer Alkine können direkt durch die Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichtes zwischen ihnen abgeschätzt werden, ähnlich wie bei der säurekatalysierten Isomerisierung von Alkenen (s. Abschn. 12.4). Bei Alkinen ist die Isomerisierung basenkatalysiert. Beispielsweise Kann man 1-Alkine in Gegenwart heißer alkoholischer Kaliumhydroxid-Lösung in 2-Alkine umwandeln. Bei

25°C

anhand

ist diese

Reaktion

der Bildungsenthalpien

mit

etwa

17 kJ/mol

der beiden

exotherm,

Verbindungen

wie

es

zu erwarten

1st.

Basenkatalysierte Isomerisierung von 1-Hexin zu 2-Hexin CH3CH>CH>CH>C=CH

KOH, CH3CH;OH,

175°C

=

CH;CH>CH,C=CCH3

AH°’»

—

17 kJ/mol

2-Hexin

U

Übung 13-4 Im Gleichgewicht bei 175°C liegen 2-Hexin und l-Hexin im Verhältnis 70:1 vor. Berech-

Ü nen Sie AG für diese Temperatur.

Welches ist der Mechanismus dieser Umwandlung? Wenn die Base das terminale Alkin angreift, wird zuerst das acide terminale Proton abgespalten, wodurch ein Alkinyl-Anion entsteht.

Reversible Deprotonierung terminaler Alkine

RCHRC=CH + CH3CH20 :° ———>* RCH5C=C:”+ CH5CHzOH pK, = 25

pK, = 16

Dieser Prozeß ist reversibel und erlaubt nur die Bildung geringer Konzentrationen des Anions, denn der pK,-Wert des Ethanols ist niedriger als der eines terminalen Alkins. Die Reaktion ist nicht nur thermodynamisch ungünstig, sie führt auch mechanistisch in eine Sackgasse, da sie nicht zum Produkt führt. Obwohl die C3-Position mit einem pK,-Wert von etwa 35 deutlich weniger acid ist, wird die Base gelegent-

572

lich auch hier ein Proton abstrahieren und zum entsprechenden Anion

führen.

In diesem

Gleichgewicht

ist das Anion

nicht begünstigt,

13.4 Die Stabilität der

es

Dreifachbindung

erlaubt aber in geringem Ausmaß die Bildung eines Zwischenproduktes, das dann zum Produkt weiterreagieren kann. Man kann sich eine Resonanzformel überlegen, bei der die negative Ladung die terminale Position einnimmt. Reprotonierung in dieser Position führt zur Bildung eines neuen Isomers, eines Allens.

Mechanismus der Isomerisierung von Alkinen: Schritt

1

Bildung des Anions an C3

RCHC=CH

RN:

+ CHsCH,0:

=—

H

N)

NN

Man

H

\

—

N

H

T

ä

RN

| + CH3CHzOH

R

Schritt 2_ Reprotonierung

HU. \ ech

HN Rt a rn | + CH3CHzZOH —

HN Nr

RT

R

R

Fa H

ER NE + CH3CH30:

H Ein Allen

Schritt

3 Zweite Deprotonierung-Reprotonierung

»& nt

en

C=C=C

Sy

RN

Bi

+CHsCH50:” —|R-CSc#&C ..

Na

Be

Rc=Cc—CH; | + CH;CHzOH ..

RC==CCH3H + CH3CH30:” Die Isomerisierung von 1-Alkinen zu den entsprechenden Allenen ist normalerweise mit etwa 4 kJ/mol leicht exotherm. Im weiteren Verlauf der Isomerisierung abstrahiert die Base ein internes Proton des Allens, wodurch sich erneut ein Anion bildet. Reprotonierung liefert schließlich das isomerisierte Alkin. Übung 13-5 Welche der folgenden Verbindungen wird in der fettgedruckten Position schneller deprotoniert: CH;-CH,C=CH; CH; CH=C=CH.. >

Allene können chiral sein Manchmal, insbesondere wenn eine Weiterreaktion nicht möglich ist, kann man die Intermediate der Alkin-Isomerisierung isolieren. Zum Beispiel isomerisiert 3-Methyl-1-butin bei Behandlung mit Base zu 1,1Dimethylallen.

Darstellung von 1,1-Dimethylallen

'

CH» —C—C=cH

3-Methyl-1-butin

LEN

K0H, CH;CH2OH, 170°C

C=C—cH,

3-Methyl-1,2-butadien (1,1-Dimethylallen)

573

13

Alkine

Abb. 13-8 n-Molekülorbitale des Allens. Die beiden r-Bindungen stehen senkrecht zueinander. Jede Doppelbindung hat eine Länge von 131 pm (zum Vergleich: Ethen 134 pm, Ethin 120 pm).

Allene haben eine ungewöhnliche Struktur (Abb. 13-8). Die beiden n-Bindungen sind senkrecht zueinander ausgerichtet, da das zentrale Kohlenstoffatom sp-hybridisiert ist. Man beachte, daß die vier Wasserstoffatome der Stammverbindung Allen sich in den Positionen eines gedehnten Tetraeders befinden. Infolgedessen können substituierte Allene chiral sein, ohne ein asymmetrisches

Kohlenstoffatom

zu enthal-

ten. Ein Beispiel dafür ist 1,3-Dichlor-1,2-propadien. Anhand von Molekülmodellen erkennt man deutlich, daß sich Bild und Spiegelbild dieser Verbindung nicht zur Deckung bringen lassen. Chiralität in 1,3-Dichlor-1,2-propadien

cl N

"C=C=C

HH”

cı

FL y

N

H

H

R

—Cc—C

|

ae:

Spiegelebene

7 Übung 13-6 "

EBEN H

& el H

Die am Rand gezeigten Strukturen A und B scheinen topologisch der des 1,3-Dichlor1,2-propadiens zu ähneln. Sind sie chiral?

Es bleibt festzuhalten, daß Alkine energiereiche Verbindungen sind, deren erste n-Bindung bei Hydrierung mehr Energie freisetzt als die zweite. Cyclische Alkine können sehr gespannt sein. Interne Alkine sind stabiler als terminale, wie anhand der Hydrierungswärmen und der basenkatalysierten Isomerisierung gezeigt wurde. Letztere verläuft über Allene als Zwischenprodukte, die chiral sein können.

13.5 Darstellung von Alkinen durch doppelte Eliminierung Zur Darstellung von Alkinen gibt es zwei grundlegende Methoden, die doppelte Eliminierung von 1,1- oder 1,2-Dihalogenalkanen und die Alkylierung terminaler Alkinyl-Anionen. In diesem Abschnitt wird die erste diskutiert, die einen Syntheseweg von Alkenen zu Alkinen eröffnet.

Alkine können aus Dihalogenalkanen durch Eliminierung dargestellt werden Wie

schon

in Abschnitt

11.8 diskutiert,

kann

man

Alkene

durch

E2-

Reaktionen aus Halogenalkanen darstellen. Die Anwendung dieses Prinzips auf Alkine legt den Gedanken nahe, daß die Behandlung von vicinalen oder geminalen Dihalogenalkanen mit starken Basen unter doppelter Eliminierung zur Bildung einer Dreifachbindung führen sollte. 574

Alkine durch doppelte Eliminierung aus Dihalogenalkanen

1

1 | | HH

= = EHX

5

—-c=c—

durch doppelte Eliminierung

—01 | H X

vicinales Dihalogenalkan

13.5 Darstellung von Alkinen

—8, —c=c— = 2 HX

geminales Dihalogenalkan

Tatsächlich erhält man, wenn man 1,2-Dibromhexan (erhältlich durch Bromierung von 1-Hexen) zu Natriumamid in Ammoniak gibt, nach dem Abdampfen des Lösungsmittels und wäßrıger Aufarbeitung 1Hexin: l. NaNH,,

fl. NH;

2. H,O

ee

Br erg; x

-

CH3CH>;CH>CH>C=CH

r

Br

Die anderen Produkte dieser Reaktion sind die protonierte Base (z.B. NH3,), die verdampft, und Natriumbromid, das bei der wäßrigen Aufarbeitung entfernt wird. Eliminierungen in flüssigem Ammoniak werden üblicherweise bei der Siedetemperatur des Ammoniaks ausgeführt, welche mit —33°C niedrig ist. Dadurch sind die Reaktionsbedingungen üblicherweise mild und erlauben die Darstellung von Alkinen ohne Isomerisierung (Abschn. 13.4). Da vicinale Dihalogenalkane durch Halogenierung der entsprechenden Alkene leicht erhältlich sind, ist die Reaktionsfolge Halogenierung — doppelte Dehydrohalogenierung eine einfache Methode zur Umwandlung von Alkenen in die entsprechenden Alkine. Alkine durch Halogenierung — doppelte Dehydrohalogenierung 1. Bra, CCh

CHCHSCHCH, 2-Buten

Ze 3.4.0

N

c=cch;

ä

2-Butin

1. Br,, CCL

CH3—CHCHSCH,CH=CH;

7, —— — >

HC=CCH:CH,C=CH 53%

1,5-Hexadien

1,5-Hexadiin

Auch andere Basen als Natriumamid, z.B. Alkoxide, können für Dehydrohalogenierungen benutzt werden. Ihr Gebrauch ist dann sinnvoll, wenn Isomerisierungen strukturell unmöglich sind. Ein Beispiel ist die Bromierung-Dehydrobromierung von 3,3-Dimethyl-l-buten mit Kalium-tert-butoxid. |

CH;3z

2

us

aa,

3

I. Bra, CC, e e _. (CH32)3CO_K_ , (CH32)3COH |

je CH;CC=CH

ae

CH;

CHz 95%

3,3-Dimethyl-1-buten

3,3-Dimethyl-1-butin

Geminale Dihalogenalkane reagieren wie ihre vicinalen Gegenstücke: Il. NaNH,, 2,2,4-Trimethylpentan, 170°C

(CH3)aCHCH>CHCI,

1,1-Dichlor-3-methylbutan

um 0.2.3 210

Er

(CH3)»CHC=CH

75%

3-Methyl-1-butin

575

13

Ü

Alkine

Übung 13-7 Zeigen Sie die Anwendung halogenierung

anhand

der Reaktionssequenz

der Synthese

der Alkine

Halogenierung-doppelte

(a) 2-Pentin,

(b) 1-Octin

Dehydround (c) 2-

Jı Methyl-3-hexin.

Halogenalkene sind Zwischenprodukte bei der Alkinsynthese durch Eliminierung Der Mechanismus der Dehydrohalogenierung von Dihalogenalkanen verläuft in zwei Schritten über Halogenalkene, die auch Alkenyl- oder Vinylhalogenide genannt werden. Obwohl Mischungen aus E- und ZHalogenalkenen im Prinzip möglich sind, führen diastereomerenreine vicinale Dihalogenalkane nur zu einem Produkt, da die Eliminierung

stereospezifisch anti verläuft (Abschn. 11.8).

%|

|

7)

ln

ER

X>

anti-Eliminierung

FA

EN

ln rinnen

C=C

x

+ BH +X

Ein Halogenalken

| | C——

|

anti-Eliminierung —

N

3% rl

>.

:

+ BHSH&

e.

Ein Halogenalken

B:> ):

Wir wissen bereits, daß man stereoisomerenreine vicinale Dihalogenalkane durch Addition von Brom an Alkene erhalten kann (s. Abschn. 12.5). So erhält man durch Addition von Brom an cis-2-Buten nur (2R,3R)- und (25,38)-2,3-Dibrombutan (nur das S, S-Isomer ist abgebildet), welches ausschließlich zu (Z)-2-Brom-2-buten dehydrobromiert wird. Entsprechend erhält man aus trans-2-Buten selektiv (E)-2-Brom2-buten.

Stereospezifische Bromierung-Dehydrobromierung

hr LK "a c=C H

Ad

3C

2

EN

Br; Senne:

/ c—C "

fi

Br

CH;

H;C

(25,38)-2,3-Dibrombutan

H3

Fe

H

H

Br

NS ee TR ereenn

Ve

H

Cc=C

Bi

Fu

—HBr

\H

H;C

Br

N )

CH;z

(Z)-2-Brom-2-buten

B:

2. Base

2

H

EN

ı B%

HR R

Rotation ——

NH

(2R,3R)- und

cis-2-Buten

Br CH;

Br

“H

H

H

H

en

CH;

trans-2-Buten

H

Br

AN we (4

RT

Tg

CH3

(E)-2-Brom-2-buten

Die Konfiguration des intermediären Halogenalkens hat keine Konsequenzen für das Ergebnis der zum

Alkin führenden Reaktion, beide Iso-

mere liefern dasselbe Produkt. Wenn man vom Halogenalken ausgeht, ist jedoch meist die anti-Eliminierung schneller als die syn-Eliminierung. Offenbar ist die Ursache dafür ähnlich der, die die anti-Eliminierung bei der E2-Reaktion zu Alkenen bevorzugt — die Überlappung der p-Orbitale der neuen n-Bindung ist im anti-Übergangszustand günstiger. 576

ER er

ur

y

NaNH;,

fl. N

aNH3, fl. NH rn

=

CHSC=CcH,

schnell

WE

m 1,

langsam

GES cCH,

CH3

H3;C

CH3

Br

Na NH3,fl.NH

c=C /

Der Leser dürfte bemerkt haben, daß die Eliminierung von HX aus einem vicinalen Dihalogenalken nur zum Halogenalken, nicht aber zum Allylhalogenid führt (s. Kap. 14). Warum greift die Base nur das Proton an dem Kohlenstoffatom an, das an ein Halogenatom gebunden ist? Die Antwort ist, daß das Halogen eine höhere Elektronegativität hat als das Kohlenstoffatom, weswegen das daran gebundene Wasserstoffatom ziemlich acid ist. Daher ist die zum Halogenalken führende E2-Reaktion schneller als die zum Allylhalogenid führende.

Regioselektive Eliminierung aus vicinalen Dihalogenalkanen

Sy

x X

x en

TE

>

EUER

I

1

=—_

HHNH

H

N

TG nr =C

oder

a

B “=

E:I

Allylhalogenid

Sc

DEE

Alkenylhalogenid

H

Übung 13-8 U

Welches Produkt

liefert die Reaktion

von Natriummethoxid

mit 1-Brom-2-fluorethan?

| Übung 13-9 " Welche Konfiguration hat das Bromalken, das bei der Reaktionssequenz Bromierung) doppelte Dehydrobromierung von cis-2-Buten zu 2-Butin auftritt? Und welche Konfigu| ration hat es beim trans-Isomer? (Hinweise: In Abschnitt 12.5 sind einige Informationen dazu gegeben; bauen Sie sich ein Molekülmodell.)

Wir fassen zusammen: Alkine werden aus vicinalen Dihalogenalkanen durch doppelte Eliminierung dargestellt. Alkenylhalogenide sind Zwischenprodukte, die stereospezifisch bei der ersten Eliminierung gebildet werden.

13.6 Darstellung der Alkıne durch Alkylierung von Alkınyl-Anionen Alkine können aus anderen Alkinen erhalten werden durch terminaler Alkinyl-Anionen mit alkylierenden Reagenzien wie Halogenalkanen, Oxacyclopropanen, Aldehyden und Ketonen. wissen, werden solche Anionen aus terminalen Alkinen durch

Reaktion primären Wie wir Deproto-

Alkylierung von Alkinyl-Anionen

CH,C=CH

>

CHC=C:"'Na

> CH5C=CCH; 75%

2-Butin

C=CH

|, cH3CH3CH3CH;Li, THF, H5NCH3CHaNH;

=CCH;CH;CH;

ik CH3CH;CH3Br

— LiBr

85% 1-Pentinylcyclohexan

577.

13 Alkine

nierung mit starken Basen, meist Alkyllithium-Verbindungen, Natriumamid in flüssigem Ammoniak oder Grignard-Reagenzien, dargestellt. Die Alkylierung mit primären Halogenalkanen erfolgt üblicherweise in flüssigem Ammoniak oder Ethern. Diese Lösungsmittel enthalten bisweilen

1,2-Ethandiamin,

H,NCH;CH3,NH;,

N,N,N',N'-Tetramethyl-

1,2-ethandiamin (TMEDA), (CH;);NCH>CH>N(CH;), oder HMPT als Cosolventien, um die Nucleophilie des Anions zu erhöhen (Abschn. 6.10). Ethin selbst wird über mehrere Stufen über die selektive Bildung des Monoanions zu Mono- und Dialkylderivaten alkyliert. Der Komplex aus Ethinyllithium und 1,2-Ethandiamin ist auch kommerziell erhältlich. Um nur Monoalkylierung zu erhalten, muß die Alkylierung bei tiefer Temperatur erfolgen. Bei hohen Temperaturen disproportioniert das einfach metallierte Ethin zum unlöslichen Dianion (oder dem doppelten Grignard-Reagenz) und Ethin.

Disproportionierung des einfach metallierten Ethins

2 HC=CMgBr (CHCH220 LS ,yC=CH + BrMgC=CMgBr Der Versuch der Alkylierung von Alkinyl-Anionen mit sekundären oder tertiären Halogenalkanen führt wegen des stark basischen Charakters des Alkinyl-Anions zu den Produkten einer E2-Reaktion. Reaktionen mit Oxacyclopropanen oder Carbonylverbindungen verlaufen auf die gleiche Weise wie mit anderen metallorganischen Reagen-

zien. Reaktionen von Alkinyl-Anionen

H Di Ri ee

LINH (1 Äquivalent), fl.NH; HC=CH

Be Tg

RT ze

>H

ne pe

HC=CLi

—

or HC=CCH;CH> 92%

— LiOH

3-Butin-1-0l

u 1 ae CH;C=CH

CH3CH»MegBr, (CH3CH32)20, 20°C

—

— 1 CHSCH;H 51.

{3

ze CH;C=CMgBr

OH

2. H50

———

S_

CH; 66%

U

Übung 13-10 Schlagen Sie kurze Synthesen für die folgenden Verbindungen vor:

DH (a) CH;CH,CH,C=CCHCH;CRH; aus CH;(CH,);C=CH

On aus Ethin; (b) CHz(CH,),C=CCHC=C(CH;);CH;

(Hinweis: Konsultieren Sie Abschn. 8.9).

Neben den als Ausgangsmaterial gegebenen Alkinen können Sie jedes andere Reagenz

ll zusätzlich benutzen.

Wir fassen zusammen: Alkine können aus anderen, terminalen Alkinen durch Alkylierung mit primären Halogenalkanen, Oxacyclopropanen oder Carbonylverbindungen dargestellt werden. Ethin selbst kann in mehreren Schritten alkyliert werden.

578

13.7 Reduktion der Alkine: Die relative

Reaktivität der beiden rr-Bindungen

13.7 Reduktion der Alkine: Die relative Reaktivität der

beiden z-Bindungen

Die Reaktionen der Alkine ähneln in vieler Hinsicht denen der Alkene,

wobei bei den Alkinen zwei n-Bindungen zur Verfügung stehen. So unterliegen Alkine Additionsreaktionen wie der Hydrierung, Hydroborıerung und anderen elektrophilen Angriffen. Solche Reaktionen können mit syn- oder anti-Stereochemie mit oder ohne Regioselektivität

verlaufen. Addition von Reagenzien A-B an Alkine

RL

en

OR RL ® et denn CA

RR oder AB

RR |

AC-O—B B

A

In diesem Abschnitt werden die Reaktionen der Alkine besprochen und dabei zwei neue Reaktionen vorgestellt: Die schrittweise Hydrierung und Ein-Elektronen-Reduktion mit Natrium unter Bildung von cis- bzw. trans-Alkenen.

Synthese von cis-Alkenen durch katalytische Hydrierung Alkine können unter den gleichen Bedingungen wie Alkene hydriert werden. Üblicherweise werden Platin oder Palladium auf Aktivkohle in der Lösung des Alkins suspendiert und die Mischung einer Wasserstoffatmosphäre ausgesetzt. Unter diesen Bedingungen wird die Dreifachbindung vollständig abgesättigt.

Vollständige Hydrierung von Alkinen

CH;CH>CH,;C=CCH,CH; —2,

100% Heptan

3-Heptin

CH30CH;CH;C=CH *

4-Methoxy-1-butin

CH,CH,CH,CH>CH;CH;CH;

H>», Pd/C

———

CH30CH>CH>CH>CH>H 100% 1-Methoxybutan

Die Hydrierung ist ein schrittweiser Prozeß; das heißt, daß man in manchen Fällen die Reaktion auf der intermediären Alken-Stufe anhalten kann. Daneben besteht die Möglichkeit, die Hydrierung des Alkens durch die Verwendung modifizierter Katalysatoren zu vermeiden. Ein solches System ist auf Calciumcarbonat niedergeschlagenes Palladium, welches mit Bleiacetat und Chinolin behandelt wurde. Dieses Material ist unter dem Namen Lindlar-Katalysator“ bekannt. Die Metalloberfläche des Lindlar-Katalysators hat eine weniger aktive Konfiguration als Palladium auf Aktivkohle, so daß nur eine r-Bindung hydriert wird. Da die Hydrierung stereoselektiv syn verläuft, stellt diese Methode eine stereoselektive Synthese von cis-Alkenen dar.

* Dr. Herbert H. M. Lindlar, geb. 1909, Hoffmann La Roche & Co. AG, Basel.

579

13 Alkine

Hydrierungen mit Lindlar-Katalysator

|

Lindlar-Katalysator: 5% Pd/CaCO3,

ns

Pb(OCCH3),, |

Chinolin

H H,,

Lindlar-Katal

WR

®

CH;CH;CH;C==Cch, ch; Setalyssten er 29%

D

yo CH.CH,CH, 100%

CH;CH3

cis-3-Hepten Übung 13-11 Welche Konstitution erwarten Sie für das Produkt der folgenden Reaktion?

G H, ‚Lindlar-Katalysator ,25°C CH3

>

ser (6)

Ö

Übung 13-12 Die Parfümindustrie macht beträchtlichen Gebrauch von natürlich vorkommenden Substanzen, wie sie zum Beispiel aus Rosen- und Jasminextrakten gewonnen werden. In vielen Fällen sind die Mengen der Duftöle, die aus Naturprodukten isoliert werden, so gering, daß es notwendig ist, sie zu synthetisieren. Beispiele findet man unter den

Geruchsstoffen

im Veilchen,

zu denen

trans-2-cis-6-Nonadien-l-ol

und

der entspre-

chende Aldehyd gehören. Ein wichtiges Zwischenprodukt bei ihrer technischen Synthese ist cis-3-Hexen-1-ol, dessen industrielle Darstellung als ein „gut gehütetes Geheimnis“ beschrieben wird. Schlagen Sie eine Synthese, ausgehend von 1-Butin, unter Verwendung der Methoden dieses und des vorangegangenen Kapitels vor.

Nachdem uns nun eine Methode zur stereoselektiven Umwandlung von Alkinen in cis-Alkene zur Verfügung steht, ist die Frage aufgeworfen, wie wir die Reduktion

von Alkinen

modifizieren

können,

um

aus-

schließlich trans-Alkene zu erhalten. Dies ist mit einem anderen Reduktionsmittel nach einem anderen Mechanismus möglich.

Aufeinanderfolgende Ein-Elektronen-Reduktionen von Alkinen führen zu frans-Alkenen

CH3CH>CH,C=CCH3>CH3 3-Heptin 1. Na, fl. NH,

2. H,O

CH;CH>CH;

H

Wenn man anstatt des katalytisch aktivierten Wasserstoffs als Reduktionsmittel in flüssigem Ammoniak gelöstes Natriummetall verwendet, erhält man aus Alkinen trans-Alkene als Produkte. Zum Beispiel wird 3-Heptin auf diese Weise zu trans-3-Hepten reduziert. Im Unterschied zu in Ammoniak gelöstem Natriumamid, welches als starke Base fungiert, wirkt in flüssigem Ammoniak gelöstes Natrium als starker Elektronendonator (d.h. als Reduktionsmittel). Im ersten Schritt des Mechanismus dieser Reaktion nimmt das rSystem der Dreifachbindung ein Elektron auf, wodurch ein RadikalAnion entsteht. Dieses Anion wird durch Ammoniak unter Bildung eines

H

CH;CH3

86% trans-3-Hepten

580

Alkenylradikals

protoniert,

welches

ein weiteres

Elektron

auf-

nimmt. Das so gebildete Alkenyl-Anion wird zum Alken protoniert, welches gegenüber weiterer Reduktion stabil ist. Die trans-Konfiguration des gebildeten Alkens wird in den ersten zwei Schritten des Mecha-

nismus festgelegt, bei denen bevorzugt das sterisch weniger gehinderte trans-Alkenyl-Radikal entsteht. Unter den Reaktionsbedingungen (fl. NH;, -33°C) erfolgt die zweite Einelektronenübertragung schneller als die cis-trans-Äquilibrierung des Radikals. Solche Reduktionen liefern üblicherweise trans-Alkene mit einer stereochemischen Reinheit von über

13.7 Reduktion der Alkine: Die relative Reaktivität der

beiden rz-Bindungen

98%.

© Übung 13-13 Die Behandlung von 1,7-Undecadin (11 Kohlenstoffatome) mit einer Mischung aus Natrium und Natriumamid in flüssigem Ammoniak führt unter ausschließlicher Reduktion der internen Dreifachbindung zu trans-7-Undecen-1-in. Erklären Sie diesen

Befund.

Mechanismus

der Reduktion von Alkinen durch Natrium

in flüssigem Ammoniak

Schritt 1 Ein-Elektronen-Übertragung

EN

se . Alkinradikal-Anion

Schritt

2_ Erste Protonierung

H

Sg —®

gr

“

+

:NH

Alkenylradikal

B

Schritt 3 Zweite Ein-Elektronen-Übertragung R Na

+

Alkenyl-Anion

Schritt

4 Zweite Protonierung

H

R N

> —® a

00 RR

R

D

c BA

R x

+

..

NH;

DS H trans-Alken

581

Kasten 13-1

Synthese eines Sexualpheromons Das nachstehende Schema zeigt eine Anwendung der Ein-Elektronen-Reduktion von Alkinen bei der Synthese des Sexualpheromons (Abschn. 12.16) von Choristoneura fumiferana (Fam. Wickler). Die Ausgangsverbindung, 10-Brom-1-decanol, wird zunächst als Zert-Butylether geschützt. Dadurch wird eine Reaktion der Hydro-

HO(CH,)ı0Br 10-Brom-1-decanol

xygruppe mit dem Organolithium-Reagenz im nächsten Schritt verhindert. Dann wird das Bromatom durch 1-Butinyllithium substituiert, die Schutzgruppe wird abgespalten, und das so gebildete Alkinol wird zum trans-Alkenol reduziert. Oxidation des Alkohols liefert das Sexualpheromon.

TER FMET , HURZHZH, (CH32)3COCCH))ı0Br —SSC— HacH LiBr ne

(Abschn. 9.7 u.12.4)

22 “ Dee 2 H’ ee (CH3)3CO(CH3>) ı0C=CCH3;CH3 — CHI,CZCH,

HOCH

ken FEINE; 11-Tetradecin-1-ol

(CH3)

Entblockierung

ı0C

Na, fl. NH3

STERN

(Abschn, 6.7)

HO(CH3)ıo

H

H

”

c=C

nd N

PCC, CH,Ch

HC(CH>)o

REEL Oxidation

H

CH>CH; (Abschn. 9.8)

trans-11-Tetradecen-1-ol

SE P

G==(

e x

H

CH>CH3

Sexualpheromon von Choristoneura fumiferana (Fam. Wickler)

Wir fassen zusammen:

Alkine sind in ihrer Reaktivität den Alkenen

sehr ähnlich, nur haben sie zwei n-Bindungen,

die durch Additionsreak-

tionen gesättigt werden können. Die Hydrierung nur einer n-Bindung zu cis-Alkenen wird am besten mit dem Lindlar-Katalysator durchgeführt. Zu trans-Alkenen können Alkine durch Behandlung mit Natrium in flüssigem Ammoniak umgesetzt werden. Dieser Prozeß verläuft über zwei aufeinanderfolgende Ein-Elektronen-Reduktionen.

13.8 Elektrophile Additionsreaktionen der Alkıne Als ein Zentrum mit hoher Elektronendichte kann die Dreifachbindung leicht von Elektrophilen angegriffen werden. In diesem Abschnitt wollen wir die Resultate dreier solcher Prozesse beschreiben: die Addition von Halogenwasserstoff, die Reaktion mit Halogenen und die Hydratisierung. Die Hydratisierung wird von Quecksilber(II)-Ionen katalysiert. Bei der Umsetzung terminaler Alkine wird die Markovnikov-Regel befolgt.

Bei der Addition von Halogenwasserstoff werden Halogenalkene und geminale Dihalogenalkane gebildet Die Addition von Bromwasserstoff an 2-Butin ergibt (Z)-2-Brombuten.

582

Addition eines Halogenwasserstoffs an ein internes Alkin

13.8

Elektrophile Additionsreaktionen der Alkine

H 5

CH;C=CcH; HF

Bas

de H;C

Br

60% (Z)-2-Brombuten

Die Stereochemie solcher Additionsreaktionen ist meist (aber nicht immer) anti, insbesondere bei einem Überschuß an Bromid-Ionen. Addition eines weiteren Moleküls Bromwasserstoff an das Bromalken ergibt das geminale Dihalogenalkan mit der der Markovnikov-Regel

entsprechenden Regioselektivität.

Himsuch, H Br c=C aBer, Br CHOOHS erBr H;C a| 90% 2,2-Dibrombutan

Auch die Addition von Halogenwasserstoffen verläuft gemäß der Regel von Markovnikov.

an

terminale

Alkine

Addition an ein terminales Alkin

1.c.H | CH,sC=cH 4-75, c=C + CHC—-Cc—H on sol H3C H un 35% 65% N

sr

Meist ist es schwierig, derartige Reaktionen auf die Addition nur eines Moleküls HX zu begrenzen. Der Mechanismus der Reaktion verläuft über eine Protonierung der Dreifachbindung unter Bildung eines Alkenyl-Kations, das dann vom Gegenion abgefangen wird. Mechanismus der Hydrohalogenierung von Alkinen H Er RC=CR

Re,

R = ER,

2,

R

H

x

x eu

H — ER

BEER

R

Alkenyl-Kation Übung 13-14 Die Reaktion von 2-Brom-3-methyl-2-buten mit Dibrom-3-methylbutan. Erklären Sie! (Hinweis:

Bromwasserstoff liefert nur 2,2Ziehen Sie Resonanzformeln in

ll Betracht.)

Übung 13-15 Formulieren Sie einen detaillierten Mechanismus für die Additon von 2 Äquivalenten HBr an 2-Butin unter Bildung von 2,2-Dibrombutan. Geben Sie die Konstitution jedes einzelnen Zwischenprodukts genau an.

Die Halogenierung kann ebenfalls ein- oder zweimal stattfinden Die elektrophile Halogenaddition an Alkine verläuft über die isolierbaren vicinalen Dihalogenalkene und liefert schließlich Tetrahalogenalkane. 583

CH;CH,C==CCH,CH,

| CH;CH; SOON. Le c=C Br 99%

3-Hexin

Br

Br Br Er 2. SC4 , CH,CH,C—-CCHREH, | u CH>CH3 95%

(E)-2,3-Dibrom-3-hexen

CH Cl HERE

CH;CH,.C=CH u,

3,3,4,4-Tetrabromhexan

aa CHSCH TH

au,

qı H Hauptproduk

cr &

t

(E)-1,2-Dichlor-1-buten

1,1,2,2,-Tetrachlorbutan

Übung 13-16 | Welche Additionsprodukte entstehen bei der Addition von einem oder zwei Molekülen

| Ch an 1-Butin?

Die Hydratisierung von Alkinen unter Katalyse mit Quecksilber-Ionen ergibt Ketone Ähnlich wie bei der Hydratisierung von Alkenen kann Wasser an Alkine in Markovnikov-Orientierung addiert werden. Die dabei entstehenden Alkohole sind Enole, bei denen die Hydroxygruppe sich direkt an einem Kohlenstoffatom der Doppelbindung befindet. Wie bereits in Abschnitt 12.15 angemerkt, lagern sich Enole spontan in die isomeren Carbonylverbindungen um. Bei diesem Tautomerisierung genannten Vorgang werden zwei Isomere durch eine gleichzeitige Proton- und Doppelbindungsverschiebung ineinander umgewandelt. Man sagt, daß das Enol zur Carbonylverbindung tautomerisiert, und man nennt die beiden Isomere Tautomere (griech.: tauto, das gleiche; meros, Teil). Auf diese Weise werden Alkine schließlich in Ketone überführt. Diese Reaktion wird durch Hg(IlI)-Ionen katalysiert.

Hydratisierung von Alkinen

2.93

Rc=cr FREE , RcH= CR >

RER

H Enol

Terminale

Alkine

führen

zu

Keton

Methylketonen,

und

nur

Ethin

einen Aldehyd, nämlich Acetaldehyd.

OH

H =

H3S04, H,O, HgSO;

O

91%

a

N

N

Re er H

584

nn H

CHSCH Acetaldehyd

ergibt

Symmetrische interne Alkine ergeben nur eine Carbonylverbindung, unsymmetrische liefern Produktgemische.

CH3CH,C=CCH3;CH3

13.8 Elektrophile Additionsreaktionen der Alkine

| | „22 20, 0H50 ,, ,y,CH,CCH,CH-CH; 80%

einzig mögliches Produkt

OÖ

|

CH3CH>CH;C =CCH;

„2504, #20, HgS04 ,Cy.CH,CHZCCH>CH3 + CH>CHZCH>CHLICCH; 50%

\Übung 13-17 Geben Sie die Produkte der von Quecksilber-Ionen katalysierten Hydratisierung an für (a) Ethin, (b) Propin, (ce) 1-Butin, (d) 2-Butin und (e) 2-Methyl-3-hexin.

Übung 13-18 ") Schlagen Sie eine Reaktionsfolge zur Umwandlung von A in B vor.

\| OIBCGEHS

EI

> ER

CH3 A

B

Wir fassen zusammen: Alkine können mit Elektrophilen wie beispielsweise Halogenwasserstoffen und Halogenen ein- oder zweimal reagieren. Terminale Alkine folgen dabei der Markovnikov-Regel. Bei der von Quecksilber-Ionen katalysierten Hydratisierung erhält man Enole, die sich über einen Tautomerisierung genannten Prozeß in Ketone umwandeln.

Carbenium-Ionen greifen Dreifachbindungen an: Kationische Cyclisierungen Carbenium-Ionen greifen Dreifachbindungen elektrophil an. Diese Reaktion ist bisweilen präparativ nützlich, insbesondere, wenn sie intramolekular abläuft. Zum Beispiel führt Erhitzen des 4-Methylbenzolsulfonats (Tosylats) von 6-Heptin-2-ol in wäßriger Säure zur Bildung von 3-Methyleyclohexanon.

3-Methylceyclohexanon

Wie läuft diese bemerkenswerte Umwandlung ab? Zunächst wird durch die Abspaltung des Sulfonats wie in einer Syl-Reaktion ein sekundäres Carbenium-Ion gebildet. Das elektrophile Kohlenstoffatom greift dann im Sinne der Markovnikov-Regel die elektronenreiche Dreifachbindung unter Bildung eines Alkenyl-Kations an. Dieses wird durch Wasser zum intermediären Enol abgefangen, das zum Keton tautomerisiert.

50%

13 Alkine

Mechanismus:

9

H

CHSCHCH>CH;CH-C=CH 0,

e

H B 5sr

Me ,

| CH3CCH>CH>CH,C=CH + nA

H HOH er ei |

Hr

|

SO;H

H ©; | Bi:

—

OH

öÖ

Cyelisches Alkenyl-Kation

H

3-Methylcyclohexanon

Carbenium-Ionen können auch eine Polymerisation von Alkinen auslösen, die zu Polyalkinen führt. Eine ungewöhnliche Eigenschaft des Polyethins (Polyacetylens) ist die elektrische Leitfähigkeit — ähnlich einem Metall -, die durch Behandlung mit Ein-Elektronen-Oxidationsmitteln erzeugt wird. Eine solche Behandlung nennt man Dotierung. So behandeltes Polyethin ist hinreichend gut leitfähig, um in bestimmten wıederaufladbaren Batterien verwendetzu werden. Polymerisation von Ethin

VREDL GREEN

KANIHC=SCH

N

—— a HC=C

HC=CH —o HC=C\

RA

R

H

n HC=CH 2-7,

,— —(CH=CH)42

C=CHR

Polyethin (Polyacetylen)

BG

| Übung 13-19 |

Schlagen Sie einen Mechanismus

für die folgende Reaktion vor:

Oxidation von Alkinen: Aktivierung der terminalen C—H-Bindung Die Oxidation von Alkinen — etwa mit Peroxycarbonsäuren - läuft nicht so glatt ab wie die von Alkenen; die Oxidation von Alkinen führt meist zu komplexen Produktgemischen. Unter kontrollierten Bedingungen können Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen in Gegenwart von Dreifachbindungen selektiv oxidiert werden:

G

wei

> NN

MCPBA (1 Äquivalent) _ JE

®) > 70%

Eine von

einzigartige

Kupfersalzen

Reaktivität

in Aminen

terminaler

Alkine

als Lösungsmittel

wird in Gegenwart

beobachtet,

wenn

man

sie mit Sauerstoff umsetzt. Die terminalen Alkinyl-Wasserstoffatome werden unter gleichzeitiger Kupplung zweier Dreifachbindungen zu Diinen abgespalten. Diese Reaktion heißt oxidative Kupplung.

586

Oxidative Kupplung terminaler Alkine RC=CH

+ HC=CR

13.8

Elektrophile Additions-

AERO, Roc —C=CR+ 150

reaktionen der Alkine

Ein Diin

Zum Beispiel kann 1-Ethinylcyclohexanol in Gegenwart von Kupfer(I)-chlorid (CuCl), N,N,N’,N'-Tetramethylethandiamin (TMEDA) und Sauerstoff mit 93% Ausbeute gekuppelt werden.

ae

OH @uel

(CH3)aNCH>CH>N(CH3)»,

HO

Os, 28°C

e=C—e=C

€=CH

sw

93%

1-Ethinyleyclohexanol

Tatsächlich ist Kupfer(II) in dieser Reaktion das Oxidationsmittel; der Sauerstoff dient dazu, es aus Cu(l) zu regenerieren. Redox-Reaktivität des Kupfers in der oxidativen Kupplung von Alkinen

2 RC=CH +.2:Cu(l) —

RC=CC=CR

+ 2H" +2 Cull)

2H* —> 2 Cull) + BO

2 Cudl) + 402 +

Die Methode kann intramolekular zur Bildung großer Ringe benutzt werden, die auch Makrocyclen heißen (makros griech., lang).

ut et

CuCi,

NH4Cl,

O2, CH3CH>OH,

OH

.

SE

60°C

e

40%

In ähnlicher Weise können Diine cyclodimerisiert, -trimerisiert und -oligomerisiert werden, wobei entsprechend große Ringe entstehen. Diese Makrocyclen wurden von Sondheimer* und seinen Mitarbeitern mit starken

Basen

zu cyclischen Polyenen

isomerisiert,

die man

Annu-

lene nennt (Abschn. 15.7).

0|

HC=CCH,CH,C=CH

MON

CuOCCH 3,Pyridin, 0, ———————

G

PAS

a

Yı

M

1926-1981, University College, London.

Ne

ee,

Mi

ne

W

\ N

ü

)

I

) N 6%

Professor Franz Sondheimer,

\

Q ES

\\

*

II

I 6%

\

W 2%

587

13

Alkine

© Übung 13-20 ©

' Schlagen Sie eine Synthese aus vier Schritten für 1,8-Octandiol aus Ethin und anderen Reagenzien vor.

Die Dreifachbindung wird von Carbenium-Ionen angegriffen. Intramolekular führt diese Reaktion zu Cyclisierungsprodukten, intermolekular kann sie zu Polymeren führen. Alkene können in Gegenwart von Dreifachbindungen selektiv zu Oxacyclopropanen oxidiert werden. Die oxidative Kupplung von Alkinen mit Kupfer(I)-Ionen und Sauerstoff ist eine einzigartige Reaktion, bei der terminale Alkine unter Bildung einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung gekuppelt werden.

13.9 Anti-Markovnikov-Additionen

an

Dreifachbindungen In diesem

Abschnitt

Additionen

an

werden

terminale

zwei

Alkine

Methoden

in

beschrieben,

mit

denen

anti-Markovnikov-Orientierung

ablaufen.

Radikalische Addition von HBr ergibt 1-Bromalkene Wie bei den Alkenen kann Bromwasserstoff auch radikalisch an Dreifachbindungen addieren, wenn Licht oder andere Radikalbildner zugegen sind. Es werden die anti-Markovnikov-Produkte gebildet, und zwar sowohl im Sinne einer syn- als auch einer anti-Addition. CH;(CH,,C=cH

HBr, ROOR

——

1-Hexin

CH3(CH>)3C H=CHBr 74% cis- und trans-1-Brom-1-hexen

Br

Hi

ji ‚

Sch, ERROR,

CH,CCH,Br

|

66% 2-Brompropen

1,2-Dibrompropan

Die Hydroborierung-Oxidation terminaler Alkine liefert Aldehyde Eine weitere Möglichkeit der Reduktion von Alkinen zu cis-Alkenen, die ohne die Verwendung von Wasserstoff auskommt, ist die Hydroborierung. Die Reaktion eines internen Alkins mit Boran führt zur Bildung eines Alkenylborans, das mit Essigsäure in das Alken umgewandelt werden kann. Die cis-Konfiguration des gebildeten Alkens wird durch die syn-Stereospezifität der Hydroborierung bestimmt. Terminale Alkine werden regiospezifisch so hydroboriert, daß das Boratom das weniger gehinderte Kohlenstoffatom angreift. Mit Boran selbst führt die Reaktion jedoch zur Hydroborierung beider r-Bindungen. Um

die Reaktion auf der Alken-Stufe

anzuhalten, werden weniger

reaktive sterisch gehinderte Boran-Reagenzien benutzt, wie Di(1,2dimethylpropyl)boran (Diisoamylboran) oder Dicyclohexylboran. Diese modifizierten Borane zeigen auch bei der Hydroborierung unsymmetrischer interner Alkine eine bemerkenswerte Regioselektivität.

Hydroborierung-Hydrolyse von Alkinen zu cis-Alkenen

13.9 Anti-MarkovnikovAdditionen an Dreifachbindungen

CH3>CH>

3 CH;CH,C=CCH;CH, 0,

CH>CH3

Dash

3-Hexin

0

„ 2Cheon,

EN

3 Ein Alkenylboran

CH;CH

CH;CH

a H

">

80%

+ B(OCCH3)

H

cis-3-Hexen Übung 13-21 Entwickeln Sie

von

1-Hexin

ausgehende

Synthesen

für cis-

und

trans-1-Deuterio-

l-hexen.

Ähnlich wie die Alkylborane (Abschn. 12.8) können auch Alkenylborane zu den entsprechenden Alkoholen oxidiert werden - in diesem Fall zu Enolen, die sich sofort zu den isomeren Carbonylverbindungen umlagern (Abschn. 13.8 u. 18.2).

CH3 CH3 CH3(CH3)3C=CH

+ RR

a

NA

—

H Bis(1,2-dimethylpropyl)boran (Diisoamylboran)

CHz3(CH3>)3

JH

el H

\

ne

#bC90F, CH,(CH2);CH=CH

(ncnch») 2

er

0%

(CH).CH

CH3CHC=CCH3

+

BH.

CH,

Ze

ins>

c=C

f

B

Dicyclohexylboran

92% (+ 8% des anderen Regioisomeren)

Hydroborierung-Oxidation von Alkinen

BR

CHICHRSC I CHICH,

2. H50,, HO” m

—

CHSCH> x

m

CHJCH; |

Te Man

EEE

N

N

j

CH3CH>C—CCH3;CH3

68% 3-Hexin

Enol

1. Dicyclohexylboran

Fr—— CH;(CH,);C=CH

2. H,0,, HO” >

CH;(CH3)s

Nee Pe ——| x

H

3-Hexanon

H

y

Ar Tauomnerie

CHICH IC R Ah CH 3 2/5

OH

H 70%

Enol

Octanal

589

13 Alkine

Auf diese Weise werden interne Alkine in Ketone umgewandelt, während terminale Alkine Aldehyde liefern. N Übung 13-22

Hi und Geben Sie die Produkte der Hydroborierung-Oxidation an für (a) Ethin, (b) 1-Propin @ (c) 1-Butin.

O |

) Übung 13-23 ©)

©

(CH3)3CCH>CH

Schlagen Sie für das am Rande abgebildete Molekül eine von 3,3-Dimethyl-1-butin aus-

gehende Synthese vor.

Wir fassen zusammen: HBr reagiert in Gegenwart von Peroxiden mit terminalen Alkinen in einer anti-Markovnikov-Addition zu 1-Bromalkenen. Die Reaktionsfolge Hydroborierung-Oxidation mit sterisch gehinderten Boranen liefert intermediär Enole, die zu einem Aldehyd als Endprodukt tautomerisieren.

13.10 Die Chemie der Alkenylhalogenide und Cuprat-Reagenzien Halogenalkene sind uns bereits als Zwischenprodukte bei der Darstellung der Alkine durch doppelte Dehydrohalogenierung und bei der Addition von Halogenwasserstoffen an Dreifachbindungen begegnet. In diesem Abschnitt wird ein Teil der Chemie dieser Verbindungen vorgestellt und ein neuer Typ organometallischer Reagenzien für die Bildung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen eingeführt, die Organocuprate.

Alkenylhalogenide gehen keine Sy2- oder Syl-Reaktionen ein Verglichen mit Halogenalkanen sind Halogenalkene ziemlich unreaktiv gegenüber Nucleophilen. Obwohl wir gesehen haben, daß sie mit starken Basen Eliminierungsreaktionen zu Alkinen eingehen, reagieren sie nicht mit schwachen Basen oder relativ wenig basischen Nucleophilen wie Iodid. Auch Syl-Reaktionen laufen normalerweise nicht ab, da die intermediär gebildeten Alkenyl-Kationen besonders wegen der minimalen Delokalisierung der Elektronen als Spezies hoher Energie wenig stabil sind. Abbildung 13-9 zeigt das Molekülorbital-Schema des VinylKations.

Man

beachte,

daß das Kohlenstoffatom,

das dem

die positive

Ladung tragenden benachbart ist, nicht über ein p-Orbital verfügt, das zu dem leeren Orbital, das die positive Ladung trägt, parallel steht. H "Re

CH=C\

1

—>

=

H

Der

Br

+ Br

A

I

he

Bl

H >

Br

+

CH,=C—H

+ Br

ee

Vinyl-Kation

Halogenalkene können jedoch über metallorganische Intermediate in Reaktionen eingesetzt werden (s. Ubung 11-6). Diese Intermediate eröffnen den Zugang zu einer Vielzahl spezifisch substituierter Alkene.

sp2-hybridisiert

sp-hybridisiert

Abb. 13-9 Molekülorbitale des Ethenyl-Kations (Vinyl-Kations).

Ein Kohlenstoffatom ist sp?-, das andere sp-hybridisiert.

5%

leeres p-Orbital

Alkenylmetall-Verbindungen in der Synthese

13.10 OH

Br

E20

THE

Sr

MeBr

=

Fr Mg —

en

1. CH3CCH3 2.HC HN,

C(CH3), Pr

—ı

H

H

H 65%

90%

1-Bromethen

Ethenylmagnesium-

(Vinylbromid)

CH3>CH;

Br

Bar

H

BIN

CH3

Die Chemie der

Alkenylhalogenide und Cuprat-Reagenzien

2-Methyl-3-buten-2-ol

bromid (Ein Vinyl-Grignard-Reagenz)

cH3CHZCHJCHaLi,

CH3CH3

(CH3CH>)0, —78°C selkarrtar

H

Em;

N

Li

CH;I

Eu

Lil

CH;CH>

H

rg

en

CH;

CH3

72% (Z)-2-Brom-2-penten

(E)-2-Pentenyl-2-lithium

2-Methyl-2-penten

Organocuprate bilden Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen Viele wichtige Moleküle enthalten Doppelbindungen, an denen einfache Alkylgruppen gebunden sind. Im Prinzip können diese Verbindungen aus organometallischen Reagenzien durch direkte Alkylierung abgeleitet werden. Unglücklicherweise reagieren Organolithium- oder GrignardReagenzien RLi bzw. RMgX im allgemeinen nicht mit Halogenalkanen (es sei denn, R ist eine Alkinylgruppe, s. Abschn. 13.6). Es gibt aber einen anderen Typ organometallischer Reagenzien, die Organocuprate, die hier sehr effektiv wirken. Organocuprate haben die stöchiometrische Zusammensetzung R>CuLi und können direkt durch Addition zweier Äquivalente einer Organolithium-Verbindung an ein Äquivalent Kupferiodid, Cul, dargestellt werden (vgl. Abschn. 8.7). Die genaue Struktur dieser Spezies ist unbekannt, und die Reagenzien erzeugt man gewöhnlich in situ (lateinisch: am Ort) und verarbeitet sie sofort weiter.

Ein Beispiel: 2 CH3a=CHLi+ Cull —o

(CH

Ethenyllithium

=CH)Culi

+Lil

Lithiumdiethenylcuprat (ein Organocuprat-Reagenz)

Lithiumalkenylcuprate reagieren mit Halogenalkanen in sogenannten Kupplungsreaktionen unter Bildung substituierter Alkene. Primäre Iodide sind dazu am besten geeignet, aber auch andere primäre und sekundäre Halogenalkane geben befriedigende Resultate. Reaktion von Organocupraten mit Halogenalkanen R>zCuLi

CH

H

3

S

HM

cl

+ RX

Li, (CH3CH>)20 >1. m 3CH3)2 —

—

R—R’' + LiX

CH

3

H er,

CH3(CH>)&CHal, u 2)6CH2 CuLi ——

Be

H

2

CH

rH „ee ce

EN

H

CH2(CH32)6CH3 %

Lithiumbis(frans-1-propenyl)cuprat

trans-2-Undecen

591

13

Alkine

Derartige Kupplungen können auch mit Alkylcupraten durchgeführt werden. Beachten Sie, daß bei dieser Reaktion auch anorganische Produkte entstehen, die in der Gleichung nicht aufgeführt sind. Diese Produkte werden durch neutrale oder schwach saure wäßrige Aufarbeitung entfernt und sind für die organischen Chemiker gewöhnlich uninteressant. IN Übung 13-24

darstellen würden. Methyl-2-hepten aus cis-2-Buten 2 Zeigen Sie, wie Sie (Z)-3-

Wir fassen zusammen: Alkenylhalogenide sind unreaktiv bei nucleophilen Substitutionen, können aber in Alkenyllithium- oder AlkenylGrignard-Verbindungen überführt werden. Organocuprate können effiziente Kupplungsreaktionen mit Halogenalkanen eingehen.

13.11 Ethin als industrielles Ausgangsmaterial Aus zwei Gründen war Ethin früher eines der vier oder fünf bedeutendsten Edukte in der chemischen Industrie: Zum einen liefern Additionsreaktionen an eine der rn-Bindungen wertvolle Alken-Monomere (Abschn. 12.14), und der andere Grund ist sein großer Energieinhalt. Seine industrielle Verwendung ist inzwischen zurückgegangen, da auf Erdölbasis billiges Ethen, Propen, Butadien und andere Alkene verfügbar sind. Im Laufe des 21. Jahrhunderts werden die Erdölreserven jedoch so weit verbraucht sein, daß andere Energiequellen entwickelt werden müssen. Eine solche Energiequelle ist die Kohle. Zur Zeit gibt es keinen Prozeß zur direkten Umwandlung von Kohle in die erwähnten Kohlenwasserstoffe. Ethin kann jedoch aus Kohle und Wasserstoff oder aus Koks (Kohle nach Entfernung der flüchtigen Bestandteile) und Kalkstein über die Bildung von Calciumcarbid gewonnen werden. Daher. könnte es wieder zu einem bedeutenden industriellen Ausgangsmaterial werden.

Die Produktion von Ethin aus Kohle erfordert hohe

Temperaturen Der große Energieinhalt des Ethins erfordert energieaufwendige Methoden zu seiner Herstellung. Ein solcher Prozeß unter Verwendung von Kohle und Wasserstoff in einem elektrischen Lichtbogen läuft bei einigen tausend Grad ab.

Kohle

+ Hs ——>

HC=CH

+

nichtflüchtige Salze

33% Umsatz

Die älteste Methode zur Herstellung von Ethin in großem Maßstab verläuft über Calciumcarbid. Kalkstein (Calciumoxid) und Koks werden auf etwa 2000°C erhitzt, wodurch neben dem gewünschten Produkt auch Kohlenmonoxid gebildet wird.

are Koks

Kalk

as Calciumcarbid

Calciumcarbid wird dann bei Raumtemperatur und Calciumhydroxid umgesetzt.

GOES 592

mit Wasser zu Ethin

HEECH +.Ca0H)

Ethin ist ein Rohstoff

13.11

für wertvolle Monomere

Ethin als industrielles

in der Industrie

Ausgangsmaterial

Die industrielle Chemie des Ethins gewann in den dreißiger und den vierziger Jahren in den Laboratorien der Badischen Anilin- und Sodafabriken (BASF) in Ludwigshafen eine erhebliche kommerzielle Bedeutung. Unter Druck wurde Ethin mit Kohlenmonoxid, Carbonylverbindungen, Alkoholen und Säuren in Gegenwart von Katalysatoren zu einer Vielzahl wertvoller Zwischenprodukte umgesetzt. Zum Beispiel katalysiert Nickeltetracarbonyl die Addition von Kohlenmonoxid und Wasser an Ethin unter Bildung von Propensäure (Acrylsäure). In ähnlicher Weise führt der Ersatz des Wassers durch Alkohole oder Amine zu den entsprechenden Säurederivaten. All diese Produkte sind wertvolle Monomere (s. Abschn. 12.14). Die Addition von Formaldehyd an Ethin verläuft mit Kupferacetylid als Katalysator besonders wirkungsvoll. Industrielle Chemie

des Ethins

Carbonylierung:

BU

H Ni(CO),,

107 Pa, > 250°C

ROH MO En

JE=CHCooH H

Propensäure (Acrylsäure)

HC=CH + CO + CH30H

H $

| „ECHCOCH;

Ni(CO)a, A —i

H

80% Methylpropenoat (Methylacrylat)

H

HC=CH + CO + RNH,

| Ce 2, C=CHENHR H Ein Propenamid

(Ein Acrylamid)

Addition von Formaldehyd:

Cu,C,—SiO,,125°C, .105

HC=CH + CH,=0 ——## > HC==CCH,0H 2-Propin-1-ol

oder HOCH;C=CCH;OH 2-Butin-1,4-diol

(Propargylalkohol)

Die gebildeten Alkohole sind nützliche synthetische Zwischenprodukte. Zum Beispiel ist 2-Butin-1,4-diol ein Vorläufer für die Produktion von Oxacyclopentan (Tetrahydrofuran) durch Hydrierung, gefolgt von einer säurekatalysierten Dehydratisierung. Synthese von Oxacyclopentan (Tetrahydrofuran)

H,P

HOCH>,C=CCH;OH ———>

H 2, 260°-280

°C

ee 5 SEE HO(CH>)4OH IN

(6) I9%

+ H0

Oxacyclopentan (Tetrahydrofuran, THF)

593

13

Alkine

Ethin kann auch zu seinem Trimer, Benzol, oder zu seinem Tetramer, 1,3,5,7-Cyclooctatetraen, cyclooligomerisiert werden (s. Kap. 15).

&

THE, 70°C , CN sHg)n, 3 HC=CH PiC

80% Benzol

4 HC=CH

„+

Ni(CN),, THF, 70°C, 12 - 10°— 25 - 105 Pa

eure

70% 1,3,5,7-Cyclooctatetraen

Katalysierte nucleophile Additionsreaktionen Es sind eine Reihe technischer

Prozesse

entwickelt worden,

bei denen

Reagenzien des Typs A°'—B°" in Gegenwart eines Katalysators an eine Dreifachbindung addiert werden. Beispielsweise kann Ethin zu Acetaldehyd hydratisiert werden, doch wurde dieses Verfahren durch die Entwicklung des Wacker-Prozesses überflüssig (vgl. Abschn. 12.15). Ähnlich liefert die Addition von Essigsäure Vinylacetat und die von Chlorwasserstoff Chlorethen (Vinylchlorid). Die Chlorierung resultiert in der Bildung von Tetrachlorethan, und durch Addition von Cyanwasserstoff erhält man Propennitril (Acrylnitril). Additionsreaktionen

an Ethin

H,SO,, HgSO,, FeSO,, 95°C, 2: 105 Pa HC=CH + H,0 727775 —— 2

| CH;CH 95% Acetaldehyd

|

H

N +

HC=CH + CH5COH ——

H

PuWe 70%

O

Vinylacetat

HC=CH + Haı # g2*, 100°-200°C

H

N

C=CHCI

H Chlorethen (Vinylchlorid)

HEECH

Cu*, NH,CI, 70°-90°C,1.3-100Pa_ FF HEN TEEEEERERLNERE HE SE

H H

N

£

C=CHCN

80%-90% Propennitril (Acrylnitril)

]

Übung 13-25 Formulieren

Sie einen plausiblen Mechanismus

für die Hydratisierung

Gegenwart von Quecksilberchlorid (Hinweis: Beachten Sie die durch "! Ionen katalysierte Hydratisierung von Alkenen, Abschn. 12.7).

594

von

Ethin in

Quecksilber-

Ethin war früher wegen seiner Fähigkeit, mit einer Vielzahl von Substraten zu nützlichen Monomeren und anderen Verbindungen mit funktionellen Gruppen zu reagieren, ein wertvoller industrieller Rohstoff. Möglicherweise wird seine Bedeutung in der Zukunft wieder zunehmen. Ethin kann aus Kohle und Wasserstoff bei hohen Temperaturen hergestellt oder durch Hydrolyse von Calciumcarbid freigesetzt werden. Wichtige industrielle Reaktionen des Ethins sind die Carbonylierung, die Addition von Formaldehyd, die Cyclooligomerisierung und Additionsreaktionen mit H,O, HX und X..

13.12 Natürlich vorkommende

13.12 Natürlich vorkommende und physiologisch aktive Alkine

und

physiologisch aktive Alkine Obwohl

Alkine

in der Natur

nicht

sehr verbreitet

sind, kommen

sie

doch in einigen Pflanzen und anderen Organismen vor. Als die erste derartige Substanz wurde 1826 der Dehydromatricariaester isoliert. CHC=SC—

==

T

H

2 H

TEEn

RE4 ne )

COCH3

16) Dehydromatricariaester

Capillin (bekämpft Hautpilz)

Es sind mehr

als tausend

solcher Verbindungen

bekannt,

von

denen

einige physiologisch aktiv sind. Zum Beispiel haben einige natürlich vorkommende Ethinylketone wie Capillin fungizide Aktivität. Das Alkin Ichthyotherol ist die aktive Komponente eines Pfeilgiftes der Indianer im Niederen Amazonasbecken. Es verursacht bei Säugetieren Krämpfe. Die Verbindung Hystrionicotoxin enthält zwei Alkin-Funktionen. Diese Substanz wurde aus der Haut des „Pfeilgiftfrosches“ isoliert, einer stark

gefärbten Spezies der Art Dendrobates. Der Frosch sekretiert diese und ähnliche Verbindungen als Verteidigungsgifte und als Schleimhaut-Reizstoff sowohl gegen Säugetiere als auch gegen Reptilien. Die Biosynthese der Alkingruppen und ihre exakte Funktion sind nicht bekannt.

CH,L=C—C=C—C=

Ichthyotherol (krampfauslösend)

ER E Hystrionicotoxin

Viele Medikamente wurden synthetisch so modifiziert, daß sie Dreifachbindungen enthalten, weil solche Verbindungen meist leichter vom Körper aufgenommen werden, weniger giftig und oft aktiver sind als die entsprechenden Alkene oder Alkane. Zum Beispiel ist 3-Methyl-1pentin-3-ol ein in den USA rezeptfreies Schlafmittel, und zahlreiche andere Alkinole haben eine ähnliche Wirksamkeit. Bestimmte chlorierte Alkinamine erwiesen sich als Wirkstoffe gegen Krebs. Diese Wirkung wird jedoch auf ihr Alkylierungsvermögen und nicht auf die Dreifachbindung zurückgeführt.

395

CH>SSSCH3

13 Alkine

CH3z CICH>CH>NCH>

Oi

CH;

|

X.

CH3

a

OH

OÖ

en

N

G

=CCH,NCH>CH>Cl

(wirksam gegen Krebs)

3-Methyl-1-pentin-3-ol

Calicheamicin (X = H)

(ein Schlafmittel)

Esperamicin (X = OR) R und R' = Zucker (Kap. 24)

Übung 13-26 @

Formulieren Sie einen Mechanismus zur alkylierenden Reaktivität des oben abgebildeten Wirkstoffes gegen Krebs (Hinweis: Beachten Sie Übung 9-24).

Die hochreaktive Endiin-Gruppe (—C=C—CH=CH— C=C-—) und die Trisulfidgruppe (RSSSR) sind die charakteristischen funktionellen Gruppen einer Klasse natürlich vorkommender antibiotischer Antitumor-Wirkstoffe, die Ende der 80er Jahre entdeckt wurde. Beispiele sind Calicheamicin und Esperamicin. Ethinylöstrogene wie 17-Ethinylöstradiol sind weit wirksamere Verhütungsmittel als die natürlich vorkommenden Hormone (s. Abschn. 4.7 u. Kasten 4-2). Das Diaminoalkin Tremorin löst Symptome aus, die für die Parkinson-Krankheit typisch sind: krampfhafte unkontrollierte Bewegungen. Interessanterweise wirkt ein einfaches cyclisches Homologes des Tremorins als Muskelrelaxans und damit dem Effekt des Tremorins entgegen. Verbindungen, die die physiologischen Wirkungen anderer Verbindungen aufheben, heißen Antagonisten (antagonizesthai, griech., gegen etwas kämpfen). Schließlich wurden auf der Suche nach alternativen,

aktiveren,

spezifischer wirkenden

und weniger suchtauslö-

senden Stimulantien für das Zentralnervensystem Amphetamins synthetisiert.

Ethinyl-Analoga des

CH, OH --C=C[CH

4

?

|

NCH,C=CCH;N

HO 17-Ethinylöstradiol

(

NeiRc=cchN Tremorin-Antagonist

Tremorin

—)

1°

(Jane C=CH Ein Amphetamin-Analoges (wirksam im Zentralnervensystem)

Wie wir sehen, gibt es eine ganze Reihe von synthetischen Verbindungen, in denen die Alkineinheit eine nötige oder hilfreiche Komponente für eine bestimmte physiologische Wirkung darstellt.

596

Verständnisübung

Verständnisübung

Schlagen Sie eine effiziente Synthese von 2,7-Dimethyl-4-octanon vor. Benutzen Sie nur solche organische Bausteine, die nicht mehr als vier Kohlenstoffatome enthalten. OÖ

2,7-Dimethyl-4-octanon

Lösung Wir beginnen mit der retrosynthetischen Analyse (s. Abschn. 8.9). Welche Methoden zur Herstellung von Ketonen kennen wir? Wir können sekundäre Alkohole zu den entsprechenden Ketonen oxidieren (8. Abschn. 8.6). Ist dies in unserem Fall ein sinnvoller Ansatz? Betrachten wir zur Beantwortung dieser Frage den entsprechenden Alkohol-Vorläufer. Es ist leicht vorstellbar, daß dieser durch die Addition geeigneter metallorganischer Verbindungen an einen Aldehyd zugänglich ist. Durch diese Addition könnte entweder die Bindung a oder 5b gebildet werden (s. Abschn. 8.9): |

6)

OH

|

ZN

a

er

=

Po

Zielmolekül

b

ER

1

Alkoholvorstufe

Zählen wir nun die Kohlenstoffatome in den Fragmenten, die für jeden dieser Synthesewege notwendig sind: Um die Bindung a zu schließen, müssen wir einen metallorganischen C;-Baustein an einen C,-Aldehyd addieren. Die zweite Alternative über Bindung 5 würde zwei CzBausteine benötigen. Von unserem Standpunkt aus erscheint keine der beiden Syntheserouten besonders attraktiv, da wir nur Bausteine benutzen

dürfen,

die nicht

mehr

als vier Kohlenstoffatome

enthalten.

Wir

werden im folgenden die Syntheseroute a genauer betrachten, b jedoch verwerfen.

Dies ist leicht einsichtig, da die letztgenannte

über zwei C;-

Fragmente verläuft, der erste Weg jedoch nur einen C,-Baustein beinhaltet, der aus zwei Fragmenten mit vier oder weniger Kohlenstoffatomen darstellbar ist. Lassen Sie uns eine zweite, grundsätzlich andere Möglichkeit betrachten, Ketone zu synthetisieren: die Hydratisierung eines Alkins (Abschn. 13.8). Jede der folgenden beiden Vorstufen, 2,7-Dimethyl-3-octin und 2,7-Dimethyl-4-octin, führt zum Zielmolekül, allerdings führt ausschließ-

lich das symmetrische 2,7-Dimethyl-4-octin zu einem einzigen Produkt, unabhängig von der ursprüglichen Richtung der Addition.

ER

.

4:50, H:SO., H;0, H3O, HgSO,

Ir

2,7-Dimethyl-3-octin

m

SR

A

| \

0 en“

H,SO,, H,O, HgSO,

MER

“

—

2,7-Dimethyl-4-octin

597

13

Alkine

Mit 2,7-Dimethyl-4-octin als Vorstufe fahren wir fort, indem wir seine

Synthese aus Bausteinen mit vier oder weniger Kohlenstoffatomen planen. Die Alkylierung terminaler Alkine (s. Abschn. 13.6) ist eine einfache Möglichkeit zur C-C-Bindungsbildung. Wir können das Molekül in drei geeignete Fragmente unterteilen:

——

ARTni

gs

er

Te | a

LiNH,

Br

Es ergibt sich folgender Syntheseweg: B le

LICcH DMSO, ——

|re we >

LINH,, f1. NH,

Tr

Be

zu

BE

Li.

*

DMSO

—

——

|

|

2,7-Dimethyl-

Obwohl diese dreistufige Synthese die effektivste Möglichkeit ist, gibt es einen ähnlichen Zugang, den wir näher betrachten wollen. Er nutzt die Prinzipien der Ketonsynthese durch Oxidation von Alkoholen. Auch hier verläuft der Syntheseweg über ein Alkin. Die Knüpfung der Bindung a des Zielmoleküls kann durch Addition eines geeigneten metallorganischen Reagenz an ein C,-Aldehyd erfolgen, der wiederum durch eine Hydroborierung-Oxidation (s. Abschn. 13.9) des gerade erwähnten terminalen Alkins erhältlich ist:

l. Dicyclohexylboran Baer N NaOH, H,O N

ISal

Oxidation dieses Alkohols mit einem Cr(VI)-Reagenz (s. Abschn. 8.6) vervollständigt diese Synthesesequenz, die damit nur geringfügig länger ist als die zuvor vorgestellte optimale Lösung.

Neue Reaktionen 1

Acidität von 1-Alkinen (Abschn. 13.2) RC=CH

+ :B7 =

Rc=C:

+BH

PK, = 25 Base: NaNH,-fl. NH,, RLi-(CH,CH,),O, RMgX-THF

Darstellung von Alkinen

2

Eliminierung aus Dihalogenalkanen (Abschn. 13.5)

X i NR

RC—CR

NaNH,,fl.NH,

lei

|

ei

—

2 HX

HH vieinales Dihalogenalkan

h

RCCH>R |

X geminales Dihalogenalkan

598

NaNH,„, fl. NH

a

E

IR ER

—- 2 HX

.

4-octin

3 Aus Alkenen durch Halogenierung-Dehydrohalogenierung 13.5) WEN COH

Neue Reaktionen

R

2. NaNH,, fl. NH, RCH=CHR

(Abschn.

NaNH,,fl.NH,

—————

RCH=C

—

[7 RC=CR

X HalogenalkenZwischenstufe

Umwandlung von Alkinen in andere Alkine und Allene 4

Basenkatalysierte Isomerisierung (Abschn. 13.4)

RCH,C==CcH SBEIBOR 0% 2 , Rc=CcH, 1-Alkin

AH = 217 Kiimol

2-Alkin

a c=Cc=CH, Pi

RSCHC=CH HH,

R

1-Alkin

5

Allen

Alkylierung von Alkinyl-Anionen (Abschn. 13.6) 1. NaNH,, fl. NH, ne: i

R

RC=CH

— 5

RC=CR

ß

R’ = primär

6

Alkylierung mit Oxacyclopropan (Abschn. 13.6) 1. CH3CH>CH>CH;Li, THF 6)

Rc=cH 7

2

____, Rc==CCH,CH,OH

Alkylierung mit Carbonylverbindungen (Abschn. 13.6) Base, 1 . Sr

H THF

Resch =

OH

in leccR! R"

Reaktionen der Alkine

8

Hydrierung (Abschn. 13.7) ”

Katalysator,

H

RC=CR ———>

RCH>CH>R

H,, Lindlar-Kataly-

H

Rc=cR Hi ——

AH° = -293 kJ/mol H

5= R

AH" = -167 kJ/mol R

cis-Alken

9

Reduktion mit Natrium in flüssigem Ammoniak 1. Na, fl. NH,

Resch?

2.H*,

H\

H,O

u, — 1

(Abschn. 13.7) R

Be

R

H

trans-Alken

599

13 Alkine

10

Hydroborierung (Abschn. 13.9) I

RO=CR

3,

WE,

„= R

R 2%

RC==CH

B,Pn

Diisoamyl- [R’ = (CHACHCHCH,)

oder Dicyclohexylboran (R' =(

11

Be

BE

>

C=C

H

j

BR;

Reaktionen der Alkenylborane (Abschn. 13.9)

Umwandlung in Alkene:

|

H “

en

Zı

R

H\_

CH3COH

„AH

„—

R

R

R cis-Alken

Oxidation:

H

n

N

ni

An

H>0,,

Ru

H

HO”

OH

Ne =

RT

Tautomerie

Enol

12

Elektrophile Additionen (Abschn. 13.8)

RC=CR 2°, RCH=CXR IS

TSRCHLCIGR geminales Dihalogenalkan

RC=CH 7%

RCX;CH;

Markovnikov-Addition: R

Br

Nee

Reck ei, Br

A

N

ReBnCBoR

2 R

überwiegend trans

(6)

RC=CR 13

——

H,O

|

5 RCHLCR

Radikalische Addition von Bromwasserstoff (Abschn. 13.9)

RC=cH 14

Hg’*,

Er. ROOR ) RCHCHBr

Kationische Cyclisierung und Polymerisation (Abschn. 13.10)

Cyclisierung:

(0)

H-en =W| Ss en, ee, R 600

oO

+

Sea can

eea Hua € CHR

Polymerisation:

Neue Reaktionen Kataly-

ZUR@—

sator

ER

—

(RC=CR),Polyalkin

15

Oxidation (Abschn. 13.10) Cu*, Amin, O,

ZRC

16

CHEDD

RCEL-

Oxidative Kupplung

C=CR

Alkenylmetall-Verbindungen (Abschn. 13.10)

R

X X

R Sr alır A

R’

R’

R

ee N 74 R'

X

MgX DE

R'

R”

R

CH3CH>CH>CH;Li, THF |

Rner a

Sr

Be

R’

Li

17 Kupplungsreaktion von Organocupraten (Abschn. 13.10, vgl. auch Abschn. 8.7).

R—X

1. Li, (CH3CH>),0 2. Cul

RKalıa

aeDn

em

LithiumR = Alkyl oder Alkenyl

diorganocuprat

18 Industrielle Darstellung und Anwendung und 13.11)

von Ethin (Abschn.

13.4

Darstellung: Direkt aus Kohle + H,, A; oder aus Koks + CaD

—>

CaC;

bO,

HC=CH

Verbrennung (Acetylen-Brenner):

HC=CH + 2,505 —>

2.C0, + H50

AH® = - 1327kJ/mol

Industrielle Chemie:

SH; + C0E 10 EMS

ep cHco;H

C>H; +CH,0. 22» — HOCH,C=CH + HOCH,C=CCH;OH 4 CH,

| H Ni(CN), P(CsHs)3 _ ()

Additionen:

Katalysiert durch Übergangsmetall-Kationen; EELC(O)OH, HX, %,HCN.

Addition

von

H,O,

601

Wichtige Konzepte 1 Die Nomenklaturregeln für Prinzip die gleichen wie die für Dreifachbindung genießt Vorrang bindung. Hydroxygruppen haben als beide funktionelle Gruppen.

Alkine sind im die Alkene. Die vor der Doppelhöhere Priorität

atom gebunden sind, weniger acid sind (pX, > 35) als Alkinyl-Wasserstoffe, können sie durch Basen abgespalten werden, wodurch geringe Gleichgewichtskonzentrationen der entsprechenden Anionen gebildet werden.

2 Die elektronische Struktur der Dreifachbindung zeichnet sich durch zwei zueinander senkrechte n-Bindungen und eine aus den beiden einander überlappenden sp-Orbitalen gebildete oBindung aus. Die Bindungsstärke der Dreifachbindung beträgt etwa 837 kJ/mol, die der Alkinyl-C—H-Bindung etwa 536°kJ/mol. Dreifachbindungen bilden mit daran gebundenen Atomen lineare Strukturen mit kurzen C—C-(120 pm) und C—H-Bindungen (106 pm).

8 Allene haben eine etwas geringere Energie (4-8 kJ/mol) als die isomeren terminalen Alkine, jedoch höhere Energie (12 kJ/mol) als interne Alkine.

3 Der hohe s-Charakter des Alkin-Kohlenstoffatoms verleiht dem daran gebundenen Wasserstoffatom eine relativ hohe Acidität (pK, = 25). 4 Durch die vom äußeren Magnetfeld induzierte cyclische Bewegung der r-Elektronen um die Achse der Dreifachbindung ist die chemische Verschiebung von Alkinyl-Protonen mit dö = 1.7-3.1 verglichen mit der von Alkenyl-Protonen niedrig. Die Abschirmung durch diesen Effekt gleicht die normalerweise mit einer n-Bindung verbundene Entschirmung aus. Die Dreifachbindung ermöglicht Fernkopplungen. IR-spektroskopisch erkennt man die Anwesenheit von C=C- und =C—HBindungen terminaler Alkine an den Banden bei

2100-2260 cm! bzw. 3260-3330 cm’. 5 Interne Alkine sind um etwa 16-20 kJ/mol stabiler als die isomeren terminalen Alkine.

6 Kleine cyclische Alkine sind gespannt, da die normalerweise lineare Anordnung um die funktionelle Gruppe durch Biegung gestört wird. 7

Obwohl

die

Wasserstoffatome,

einer Dreifachbindung benachbartes

602

die

an

ein

Kohlenstoff-

9

Allene-

können

unter

bestimmten

Vorausset-

zungen chiral sein. 10 Die Eliminierungsreaktionen vicinaler Dihalogenalkane verlaufen regioselektiv unter ausschließlicher Bildung von Halogenalkenen, da Protonen in o-Stellung zu einem Halogen relativ sauer sind. 11 Eine selektive cis-Hydrierung von Alkinen ist mit dem Lindlar-Katalysator möglich, dessen Oberfläche weniger aktiv ist als die von Palladium auf Aktivkohle, weswegen Alkene nicht hydriert werden. Eine selektive trans-Hydrierung ist mit in flüssigem Ammoniak gelöstem Natrium möglich, da einfache Alkene nicht durch Ein-Elektronen-Übertragung reduziert werden können. Die Konfiguration wird durch die höhere Stabilität des irans-disubstituierten radikalischen Intermediates bestimmt. 12 Um die Hydroborierung terminaler Alkene auf der Alkenylboran-Stufe anzuhalten, verwendet man modifizierte Dialkylborane — insbesondere Diisoamyl- oder Dicyclohexylboran. Die Oxidation der resultierenden Alkenylborane ergibt Enole, die instabil sind und sich in Carbonylverbindungen umwandeln (Tautomerie).

13 Mit Organocuprat-Reagenzien können Kupplungsreaktionen mit Halogenalkanen durchgeführt werden.

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Wichtige Konzepte

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603

13

Alkine

Aufgaben 1 Benennen Sie jede der folgenden Verbindungen nach dem IUPACNomenklatursystem.

CH3

CH3

Oele -3

AH

a)

OH C=CH

CH3 (b)

C=€CH

He

(8)

Sl

A

CH=CH;

() °CH3CH>CH>CHCH>CH>CH>OH

| l

€ C H H;C

(d)

H

yd H

C=CH

EN

@=€@CH;

(e)

Eee

CHSCH»

CHCILCHLCH, Si

2 Vergleichen Sie die C—H-Bindungsstärken in Ethan, Ethen und Ethin. Wie stehen diese Daten im Zusammenhang mit a) der Hybridisierung, b) der Polarität und c) der Acidität der Wasserstoffatome?

3 Vergleichen Sie die C2—C3-Bindungen in Propan, Propen und Propin. Sollte es Unterschiede in der Bindungsstärke oder der Bindungslänge geben? Wenn ja, wie sollten sie variieren? 4 Die Verbrennungswärmen dreier Verbindungen mit der Summenformel C;H; sind wie folgt: Cyclopenten, AA,» = —4297 kJ/mol; 1,4-Pentadien, AA,» = -4359 kJ/mol; und 1-Pentin, AA,» = -4402 kJ/mol. Erklären Sie diese Werte mit Hilfe der relativen Stabilität und der Bindungsstärke.

5

Ordnen Sie nach fallender Stabilität: (a) 1-Heptin und 3-Heptin

(Hinweis: Bauen Sie sich ein Molekülmodell der dritten Verbindung. Ist die Dreifachbindung in irgendeiner Weise ungewöhnlich?)

6

Leiten Sie die Konstitutionen der folgenden Verbindungen her. (a)

Summenformel

C,H,

NMR-Spektrum

A, keine

starken

IR-Banden

zwischen 2100 und 2300 und zwischen 3250 und 3350 cm”'. (b) Summenformel C,H}, NMR-Spektrum B, IR-Banden bei etwa 2120 und 3330 cm"!. (c) Summenformel C;H;O, NMR-Spektrum und IR-Spektrum C. Das NMR-Spektrum ist auch bei 300 MHz aufgenommen worden, um eine bessere Auflösung der Signale bei ö=1.6 und 2.4 zu erreichen (siehe eingefügtes Spektrum).

604

6H

Aufgaben

|

4H

2.0

1.5

1.0

0,5

0.0

300-MHz-"H-NMR-Spektrum ö

IH

2H

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Mm

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1.0 300-MHz-"H-NMR-Spektrum

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[7]

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3500

|

| |

|% 3000

RR a 2500

an e

2000

IR-C

1500

1000

600 cm!

Wellenzahl

7 Das IR-Spektrum von 1,4-Nonadiin zeigt eine starke, scharfe Bande bei 3300 cm”. Woher stammt diese Absorption? Die Behandlung von 1,4-Nonadiin mit NaNH; und anschließend mit D,O führt zum Einbau von zwei Deuteriumatomen in das ansonsten unveränderte Molekül. Im IR-Spektrum ist die Bande bei 3300 cm”! verschwunden, aber eine neue bei 2580 cm’! zu erkennen. (a) Was ist das Produkt dieser Reaktion? (b) Welche neue Bindung ist verantwortlich für die IR-Absorption bei 2580 cm"!? (c) Berechnen Sie mit Hilfe des Hookeschen Gesetzes die ungefähr zu erwartende Lage dieser neuen Bande aus der Konstitution des ursprünglichen Moleküls und seinem IR-Spektrum. Nehmen Sie dabei an, daß k und f sich nicht verändert haben.

8 Welches tionen:

sind die zu erwartenden

Produkte

der folgenden

Reak-

CH; NaNH,, fl. NH,

Cl

(b)

NaNH,, fl. NH,

CHROCHLERCHLCHEHER, Br Br

CH;z (e)

a

CH3

|

|

ae | a

ai

NaOCH3;, CH30H

Arie

cıcı (d)

H5C a CLIS CHE (4R,SR)-CH3CHCH>CHCHCH>CHCH; -NiocHa, CHSOH |

(e) Würde das Produkt aus Aufgabe (c) oder das aus Aufgabe (d) schneller mit NaNH; reagieren?

9 Welches sind die Hauptprodukte der Reaktionen der folgenden Verbindungen mit 1-Propinyllithium, CH,C=C'Li':

Aufgaben

O (a)

CH3CH>Br

(f)

CH,CHCH,

H;C Cl (b)

O

een

(8)

cn

Cl

CH3

(c)

en

(d)

Cyclohexanon

(e)

”

o

|

H

|

en:

10 Schlagen Sie unter Anwendung retrosynthetischer Überlegungen sinnvolle Synthesen für die folgenden Alkine vor. Jede Alkin-Funktion im

Zielmolekül

sollte

aus

einem

irgendeine Verbindung mit zwei Ethin, Ethen, Acetaldehyd etc.).

getrennten

Molekül

Kohlenstoffatomen

stammen,

sein kann

das

(z.B.

(a) CH,CH,C=CCH,CH;,CH, (b) (CH;);CC=CH (Vorsicht! Warum geht (H;C);CCI + ": C=CH nicht?) (e) HC=CCH,CH,C=CH

(d)

vn

Pen OH

OH (e)

HC=CCHC=CH

O

)

o=en

(0) CH,CH,C= C-C= Gch,;cH, 11 Zeichnen Sie die Struktur von (R)-4-Deuterio-2-hexin. Schlagen Sie eine Strategie zur Darstellung dieser Verbindung vor! 12 Welches sind die Hauptprodukte der Reaktion von Propin mit den folgenden Reagenzien: (a) D,, Pd/BaSO,, Chinolin (b) Na, ND; (ec) [(CH;);,CHCH3;CH;])BD,

(d) Diisoamylboran,

dann

CH;CO,H

dann CH,CO,D

(e) 1 Äquivalent HI (D 2 Äquivalente HI (g) 1 Äquivalent Br,

(h) 1 Äquivalent ICI (i) 2 Äquivalente ICI ()

550%

HgSO,,

H,SO,

(k) Diisoamylboran, dann NaOH, () CuwCh, O,, Pyridin

H,O,

607

13 Alkine

13 Welches sind die Produkte der Reaktion von Dicyclohexylethin mit jedem der Reagenzien aus Aufgabe 12?

14 Welches sind die Produkte der Reaktionen aus den Verbindungen Ihrer Antworten aus Aufgabe 13(a) und 13(b) mit jedem der folgenden Reagenzien: (a) H;, P4/C

(b) Br, (c) BH;, dann NaOH, (d) MCPBA (e) kaltes KMnO,

H>0,

15 Schlagen Sie einen Mechanismus für die Bildung einer Alkenyllithium-Verbindung aus einem Bromalken durch Transmetallierung mit CH;CH>CH3CH;3Li (Abschn. 13.6) vor. Welches sind die Produkte der folgenden Reaktionen: I (a)

(b)

+ CH3CH>CH3>CH3Li

—>

(CH;);CC=CBr + CH5CH,CH>CH;Li —>

16 Geben Sie die Produkte der folgenden Reaktionen bzw. Reaktionssequenzen an.

-CH0 (a) (CH, ),CHBr + 2 Li H

|

(b) Produkt von (a) (2 Äquivalente) + Cul —

CH;

(ec) Produkt von (b) + CH3CHCH3>CH>Br —o

(d) CH3CH;CH,;C=CCH;CH3;CH3z + HBr (1 Äquivalent) + Br’ (Überschuß) — 1. Li, (CH;CH,),O (e) Produkt von (d)

2. Cul (0.5 Aquivalente)

(f) Produkt von (e) + H,C=CHCH3,Cl —>

17 Schlagen Sie für die folgenden Verbindungen vernünftige Synthesen vor, die in mindestens einem Schritt ein Alkin verwenden. Ar (a)

CH>CH>CCH3

| cı

(b) CH,CH,CH,CH,CLCH; (ce) meso-2,3-Dibrombutan (d) Racemisches Gemisch aus (2R,3R)- und (28,35)-2,3-Dibrombutan

(e)

CH3 Br

Cl

H

Cl

CH;z

| () _ CH3(CH>)sC(CH>)4CH3 OH (2) 608

HOCH>CH;CHCH;

Aufgaben

| a

(i)

CHA

H3C__ () 6) o (k)

H

CH>CH>CH>CH3 CH;

18 Schlagen Sie auf der Basis seiner Reaktivität eine sinnvolle Struktur für Calciumcarbid vor. Wie würde ein systematischer Name dafür lauten? 19 Schlagen Sie zwei verschiedene Synthesen für Linalool vor, einem Terpen aus dem Zimt, Sassafras und Orangenblütenöl. Beginnen Sie mit dem abgebildeten Octenon und verwenden Sie in beiden Synthesen Ethin als Quelle für die beiden benötigten zusätzlichen Kohlenstoff-

atome. 16)

OH

Linalool

20 Die Synthese von Chamaecynon, dem ätherischen Öl des Benihibaumes, erfordert die Umwandlung eines Chloralkohols in ein Alkinylketon. Schlagen Sie eine synthetische Strategie zur Lösung dieser Aufgabe vor.

Bun. HO

SEN. DBENES OÖ

Ai

en

_ScH

Ö

21 Die Synthese des Sesquiterpens Bergamoten geht vom abgebildeten Alkohol aus. Schlagen Sie eine Reaktionsfolge zur Vervollständigung der Synthese vor.

HOH.C.

SS

=,

co.

Ä

S.

CH;

CH; Bergamoten

22 Ein unbekanntes Molekül hat das 'H-NMR- und IR-Spektrum D. Reaktion mit H, in Gegenwart des Lindlar-Katalysators führt zu einer Verbindung, die nach Ozonolyse und Behandlung mit Zn in wäßriger

en

ScH

13 Alkine

an % ll Säure CH;CCH und zwei Äquivalente Welches ist die Formel der ursprünglichen Verbindung?

OÖ | HCH

e ein Aquivalent

ergibt.

NMR-D

j

'

|

I

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H

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13

H|

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1

Durchlässigkeit (%)

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IR-D

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RN. 2

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2500

en

Wellenzahl

;

2000

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1500

1000

Be

|

600 cm-!

23 Formulieren Sie einen plausiblen Mechanismus für die Hydratisierung von Ethin in Gegenwart von Quecksilberchlorid. (Hinweis: Schen Sie sich noch einmal die Hydratisierung von Alkenen mit QuecksilberIonen als Katalysator in Abschnitt 12.7 an).

Aufgaben

24 Eine Synthese des Sesquiterpens Farnesol erfordert die Umwandlung einer Dichlorverbindung in ein Alkinol. Schlagen Sie eine Möglichkeit für diese Umwandlung vor.

>

a

C=C—-CH,0H

—y

—

N

Ss

Farnesol

Gruppenübung 25 Ihr Team untersucht das Problem eines intramolekularen Ringschlusses, an dem eine Endiin-Einheit beteiligt ist, die für die Totalsynthese von Dynemicin A, einem potentiellen Antitumormittel, von Bedeutung ist.

OB720O

OH Dynemicin A

Eine Arbeitsgruppe von Wissenschaftlern versuchte die folgenden Strategien, um diesen Ringschluß zu verwirklichen. Unglücklicherweise waren sie alle erfolglos. Teilen Sie die Syntheseschemata unter sich auf und geben Sie die Strukturen der Zwischenstufen A - D an (Hinweis: R’ und R’' sind Schutzgruppen).

m |

DearoT ;

ya

N

Ro CH,SO;CI, (CH,CH,),N

|

N

LiNR,

“OCH;

RIAOCH, OH

OCH;

61

1. (CH,CH;CH;CH3).NF, THF- (-R') 2. CH;SO;CI, (CH;CH;N

OCH;

OCH,

OCH;

OCH;

Eine andere Modellstudie führte zu einer anderen Synthesestrategie, mit der die Totalsynthese erfolgreich durchgeführt werden konnte.

RS

A: LDA

;

N Q

CHO

|

ei

OH

>

Diskutieren Sie die Vor- und Nachteile dieser Ringschlußreaktion und wenden Sie sie auf geeignete Verbindungen für die Synthesewege 1, 2 und 3 an.

612

Delokalisierte 7-Systeme und ihre Untersuchung durch UV-VIS-Spektroskopie

Wir leben in einer Welt voller Farben. Unsere Fähigkeit, Tausende von Farbtönen wahrnehmen

und unterscheiden zu können, ist mit der Fähig-

keit vieler Verbindungen verknüpft, unterschiedliche Frequenzen des sichtbaren Lichtes absorbieren zu können. Diese Eigenschaft der Verbindungen resultiert daraus, daß ihre Molekülstrukturen mehrere r-Bindungen enthalten. In den letzten drei Kapiteln stand die Bedeutung der Überlappung zweier benachbarter, paralleler p-Orbitale im Mittelpunkt. Diese Wechselwirkung setzt Energie frei und führt zu einer n-Bindung mit neuer Reaktivität. Wenn die Überlappung zweier p-Orbitale energetisch günstig ist, fragt man sich, ob drei oder mehr derartige Wechselwirkungen vielleicht sogar noch besser sind. In diesem Kapitel wird eine Antwort gegeben: Verbindungen mit drei oder mehr aneinandergrenzenden pOrbitalen können durch deren ausgedehnte Überlappung stabilisiert sein. Die Elektronen solcher Orbitale sind über mehrere atomare Zentren verteilt: man sagt, sie sind delokalisiert. Unsere Diskussion wird mit dem 2-Propenyl-System — auch AllylSystem genannt — beginnen, das drei miteinander wechselwirkende pOrbitale enthält. Dann werden wir zu Verbindungen mit mehreren aneinandergrenzenden Doppelbindungen wie den Dienen und ausgedehnteren n-Systemen übergehen. Bei diesen Molekülen findet man nicht nur die gewöhnlichen Reaktionen der Alkene, angepaßt an die besondere Situation bei mehrfacher Überlappung, sondern auch besondere thermische und photochemische Cycloadditionen und Ringschlußreaktionen. Anschließend werden wir das ungewöhnlich stabile und unreaktive cyclische Trien Benzol diskutieren und sind damit bei dem Herzstück großer Teile der organischen und bioorganischen Chemie angelangt. In ‚späteren Kapiteln werden wir noch viel mehr über die Chemie des Benzols lernen. Zum Schluß dieses Kapitels werden wir erfahren, wie das Ausmaß der r-Delokalisation durch Spektroskopie mit ultraviolettem und sichtbarem Licht untersucht werden kann.

613

undlhre Unmengen

[4-1 Überlappung von drei

Dog

benachbarten p-Orbitalen: Resonanz im

Allylsystem (2-Propenyl-System) Was ist die Wirkung einer benachbarten Doppelbindung auf die Reaktivität an einem Kohlenstoffatom? Drei entscheidende experimentelle Befunde beantworten diese Frage. Befund 1 Die C—H-Bindungsstärke an der Methylgruppe des Propens ist mit 364 kJ/mol relativ gering. H

7

H,C=C\

2

en ie

'CH,H

H +H:

DH° = 364 kJ/mol

CH,

Propen

2-Propenylradikal (Allylradikal)

Dissoziationsenergien verschiedener C-H-Bindungen CH,=CHCH,+H DH®° = 364 kJ/mol

(CH,);C+H DH° = 389 kJ/mol

(CH,),CH+ H 3/2

DH® = 395.7 kJ/mol CH,CH, + H

DH® = 410 kJ/mol

Ein Vergleich dieser Dissoziationsenergie mit der anderer Kohlenwasserstoffe (s. Tab. 3-2) zeigt, daß die primäre C—H-Bindung in Propen sogar schwächer ist als eine tertiäire C—H-Bindung. Offensichtlich erfährt das Allylradikal eine spezielle Stabilisierung.

Befund

2

Im Unterschied zu gesättigten primären Halogenalkanen dis-

soziiert 3-Chlorpropen unter Syl-Bedingungen

relativ schnell (Solvolyse)

und geht eine schnelle unimolekulare Substitution über ein kationisches

Intermediat Br

H.c= A gr}

lenein.

H

H

CHOR, A, 1, ce

ES

- CI

2

BO

X

CH;Cl

el

Bra *

2

CH,

3-Chlorpropen

H CH,OCH,

2-PropenylKation

3-Methoxypropen (Sy1-Produkt)

(Allyl-Kation)

Dieser Befund steht in klarem Gegensatz zu dem, was wir über die Stabilität primärer Carbenium-Ionen gelernt haben. Das aus dem 3Chlorpropen gebildete Carbenium-Ion scheint stabiler zu sein als andere primäre Carbenium-lonen. Um wieviel? Die Leichtigkeit der Bildung des Allyl-Kations in Solvolysereaktionen entspricht nach groben Messungen etwa der eines sekundären Carbenium-Ions.

Befund 3_

Der pK,-Wert des Propens beträgt etwa 40.

H,C=C

H EN

N

CH,H

—

=

K = 10%

H,C=C

{

N

H + H'

CHzs

2-Propenyl-Anion

(Allyl-Anion)

Demnach ist Propen deutlich acider als Propan (pK, = 50), und die Bildung des Allyl-Anions scheint ungewöhnlich begünstigt zu sein. Wie kann man diese drei Befunde erklären?

614

Das Allylsystem ist durch Resonanz stabilisiert In jeder der drei erwähnten

Reaktionen

wird eine Spezies — Radikal,

Carbenium-Ion, Carbanion — in direkter Nachbarschaft zum n-System einer Doppelbindung gebildet. Diese Anordnung bewirkt offenbar die besondere Stabilisierung. Warum? Der Grund liegt in der Elektronendelokalisation.

Moleküle,

von denen

man

mehrere

Lewis-Formeln

14.1 Überlappung von drei benachbarten p-Orbitalen: Resonanz im Allylsystem (2-Propenyl-System)

schrei-

ben kann, haben eine ungewöhnliche Stabilität (s. Abschn. 1.7). Jedes Produkt kann durch ein Paar äquivalenter Resonanzformeln beschrieben werden. Wegen der speziellen Anordnung der Elektronen und der daraus resultierenden ungewöhnlichen Chemie wurde diesen Intermediaten aus drei Kohlenstoffatomen der Trivialname Allyl - gefolgt von der entsprechenden Endung -radikal, -Kation oder -Anion — gegeben. Allgemein befinden sich Kohlenstoffatome und ihre Bindungen in direkter Nachbarschaft zu einer Doppelbindung in Allyistellung. Resonanz im Allylsystem

[CHH=CH—CH; «> CHr—CH=CH3] Radikal

CH, —— [CH5,=CH—

ji

oder

u

H;C ER CH»

CH;—CH=CH;]

|

Pt

oder

H;C +

Kation

ER

[CH,»=CH—CH, «> CH>—CH=CH;]

3x

oder H>C

Anion

CH,

Au = “ CH;

Bei der Betrachtung der Resonanzformeln des Allylsystems muß man sich darüber im klaren sein, daß es sich dabei nicht um Isomere handelt,

sondern um Grenzformeln ein und desselben Moleküls. Die wahre Struktur liegt irgendwo zwischen diesen extremen Darstellungen. Die mit punktierten Linien gezeichneten Formeln rechts neben den klassischen Darstellungen zeigen die Symmetrie der Allylsysteme deutlicher.

Das r-System der 2-Propenyl-(Allyl)-gruppe wird durch drei Molekülorbitale beschrieben Die Stabilisierung des 2-Propenyl-(Allyl)-Systems kann auch mit Molekülorbitalen beschrieben werden. Jedes der drei Kohlenstoffatome ist sp’-hybridisiert und trägt ein p-Orbital senkrecht zur Molekülebene (Abb. 14-1). Wenn man sich ein Molekülmodell baut, sieht man: Die Struktur ist symmetrisch und hat gleichlange C—C-Bindungen.

rn

r-Bindung

z-Bindung

o-Bindung o-Bindung

p-Orbital

Abb. 14-1 Die drei p-Orbitale in der 2-Propenyl-(Allyl-)gruppe überlappen und geben eine symmetrische Struktur mit delokalisierten Elektronen. Das o-Gerüst ist durch schwarze Linien dargestellt.

615

14 Delokalisierte 7-Systeme und ihre Untersuchung durch UV-VIS-Spektroskopie

Läßt man das o-Gerüst außer acht, kann man die drei p-Orbitale mathematisch so kombinieren, daß drei n-Orbitale entstehen. Dieses Vorgehen ist analog zur Kombination zweier p-Orbitale unter Bildung

zweier n-Orbitale (Abb. 11-2 und 11-4), nur daß nun ein drittes Orbital vorliegt. Unter den drei neuen Molekülorbitalen ist eines bindend und besitzt keine Knotenebene (n}), eines ist nichtbindend (m.a.W.: es hat dieselbe Energie wie nicht wechselwirkende p-Orbitale) und hat eine Knotenebene (n,), und eines ist antibindend und hat, wie in Abbildung 14-2 dargestellt, zwei Knotenebenen (nz). Wenn die drei Orbitale zur Verfügung stehen, können wir sie mit der entsprechenden Anzahl an Elektronen füllen (Abb. 14-3). Da wir nur die n-Elektronen betrachten, hat das Allyl-Kation mit zwei n-Elektronen nur ein besetztes Orbital, rı. Beim Allylradikal und beim Allyl-Anion wird das nächste Orbital, n,, mit einem bzw. zwei Elektronen besetzt. In allen Fällen ist die Gesamtenergie des Systems niedriger (günstiger) als die von drei nicht wechselwirkenden p-Orbitalen. Die Energie von r; liegt deutlich niedriger, und das Orbital ist voll besetzt, wogegen das antibindende Orbital nz in allen Fällen leer bleibt.

Zwei Knotenebenen

rt, antibindend

7%, nichtbindend

7, bindend

Abb. 14-2 Die drei n-Molekülorbitale des Allylsystems.

en

ee

BEE

Abb. 14-3 Das Aufbauprinzip wird beim Auffüllen der n-Molekülorbitale des 2-PropenylKations (Allyl-Kations), des -Radikals und des -Anions angewandt. In jedem der drei Fälle ist die Gesamtenergie niedriger als die dreier wechselwirkungsfreier p-Orbitale. Aufgrund der räumlichen Ausrichtung der Orbitallappen im Molekülorbital m, findet sich partieller kationischer, radikalischer bzw. anionischer Charakter an den terminalen Kohlenstoffatomen.

616

Nach der Resonanzbeschreibung der drei 2-Propenyl-Systeme ist zu erwarten, daß die Ladung in den Ionen bzw. das ungepaarte Elektron im Radikal hauptsächlich an den beiden terminalen Kohlenstoffatomen sitzt. Das Molekülorbital-Bild steht in Einklang mit dieser Vorstellung: Die drei Strukturen unterscheiden sich nur in der Anzahl der in Mole-

14.1 Überlappung von drei benachbarten p-Orbitalen: Resonanz im Allylsystem (2-Propenyl-System)

külorbital rt, vorhandenen Elektronen. Da n, eine Knotenebene durch das mittlere Kohlenstoffatom hat, wird an dieser Position nur ein sehr geringer Elektronenüberschuß oder -mangel auftreten.

Partielle Elektronendichteverteilung im Allylsystem

i

|

C HC}. 3+

j

C CH, I+

H;C' }-

C

Sch; }-

HC“ 4—

Sch, I1—

Wie stark ist die n-Bindung im Allylradikal? Zur Abschätzung der Stärke der n-Bindung im Allylradikal kann man ein Experiment durchführen, das dem zur Bestimmung der n-Bindungsstärke im Ethen ähnelt (Abschn. 11.2), nämlich der Bestimmung der Aktivierungsenergie der cis-trans-Isomerisierung in 1,2-Dideuterioethen; zur Beantwortung unserer Frage betrachten wir die entsprechende Reaktion des 1-Deuteriopropenylradikals. Die Aktivierungsenergie dieser Isomerisierung beträgt etwa 65.7 KJ/mol und vermittelt damit einen Eindruck von der Größe der Wechselwirkung eines Elektrons in einem p-Orbital mit einer Doppelbindung. Man beachte, daß die Wechselwirkung zwar vorhanden, aber deutlich schwächer ist als die n-Bindung im Ethen.

cis-trans-Isomerisierung des 1-Deuteriopropenylradikals

E, = 65.7 kJ/mol Wir fassen zusammen: Allylische Radikale, Kationen und Anionen sind außergewöhnlich stabil. In der Beschreibung mit Lewis-Formeln kann diese Stabilisierung gut durch Resonanz erklärt werden. In der Beschreibung mit Molekülorbitalen bilden die drei miteinander wechselwirkenden p-Orbitale drei neue Molekülorbitale: eines mit deutlich niedrigerer Energie als das p-Niveau, eines mit unveränderter Energie

und das dritte mit höherer Energie. Da nur die beiden ersten mit Elek'tronen besetzt werden, ist die Gesamtenergie des Systems abgesenkt.

617

14 Delokalisierte 7-Systeme und ihre Untersuchung durch UV-VIS-Spektroskopie

14.2 Radikalische Halogenierung in Allylstellung Obgleich Halogene unter Bildung vicinaler Dihalogenide an Alkene addieren können (Abschn. 12.5), wird der Ablauf einer solchen Reaktion verändert, wenn das Halogen in nur geringer Konzentration vorliegt. Diese Bedingungen begünstigen radikalische Kettenmechanismen und führen zur radikalischen Substitution in Allylstellung*.

Radikalische Substitution in Allylstellung X, (geringe Konzentration)

CH,=CHCH; ————

CH>=CHCH>X

+ HX

Ein Reagenz, das für Bromierungen in Allylstellung häufig benutzt wird, ist N-Brombutanimid (N-Bromsuccinimid, NBS, vgl. Abschn. 3.8), welches in Tetrachlormethan suspendiert wird. Diese Verbindung ist in CCl; unlöslich und eine andauernde Quelle sehr kleiner Mengen Brom, die mit Spuren von Bromwasserstoff gebildet werden. NBS als Quelle für Brom (6)

Ö

/

Ü

®

C

H,C“

SS

HC

/

|

N-Br

HC

+HB

Rn

| NH + Br> HC *

\

\

16)

-Brombutanimid

Butanimid

{N-Bromsuccinimid, NBS)

Beispiel: o

) + u

Br

nz

N

Oo

85%

oO

+ 2 16)

3-Bromceyclohexen

Das Brom reagiert dann mit dem Alken nach einem radikalischen Kettenmechanismus (Abschn. 3.4), der beginnt, wenn Brom unter Einfluß von Strahlung oder Spuren von Radikalen dissoziiert. Das Bromatom abstrahiert im ersten Schritt der Wachstumsreaktion das schwächer gebundene Wasserstoffatom, wodurch ein Allylradikal entsteht. Diese Reaktion ist energetisch praktisch neutral, da die dabei gebildete H—Br-Bindung genauso stark ist wie die gebrochene AllylC—H-Bindung. Im zweiten Schritt reagiert das Allylradıkal mit weiterem

Brom,

wobei

neben

dem

Allylbromid

ein neues

Bromradikal

ent-

steht, welches dann nach Schritt 1 weiterreagiert. Schritt 2 ist exotherm.

* Die Begründung dieses Wechsels erfordert eine detaillierte kinetische Analyse der drei möglichen Prozesse — Substitution in Allylstellung, ionische Addition und radikalische Addition; eine solche Diskussion überschreitet jedoch den Rahmen dieses Buches. Es genügt hier festzustellen, daß bei geringen Bromkonzentrationen die konkurrierenden Additionsreaktionen soweit verlangsamt werden, daß man praktisch nur Substitution beobachtet.

618

Mechanismus der Bromierung in Allylstellung: Kettenstart:

14.2

Radikalische Halogenierung in Allylstellung

| Br;

hv oder Radikalstarter

Br:

Kettenwachstum:

Schritt 1

j

a

Han

+ Br- —o

12

RCH—=CHCH

olpen

es

|

CHCH=CHR

DH’ = 364 kJ/mol

re DH° = 364 kJ/mol

Schritt 2 R

|

RCH=CHCH

R

+ Ber _—

|

un

DH’ = 193 kJ/mol

+BrDH® = 230 kJ/mol

Der im ersten Schritt gebildete Bromwasserstoff reagiert mit weiterem N-Brombutanimid unter Bildung von weiterem Br, und so weiter. Man kann die Reaktion gut verfolgen, da NBS eine höhere Dichte hat als CCl, und daher am Gefäßboden bleibt. Im Gegensatz dazu hat das in CCl, ebenfalls unlösliche Reaktionsprodukt Butanimid eine geringere Dichte als das Lösungsmittel und schwimmt daher an dessen Oberfläche. Wenn

das

intermediäre

Allylradikal

nicht

symmetrisch

ist, können

Produktgemische entstehen. Br

R CH>=CH(CH3>)5CH3 1-Octen

nn

|

BrCH>CH=CH(CH3>)4CH3 72%

+ CH5=CHCH(CH>)4CH3 28%

(cis-trans-Gemisch)

3-Brom-1-octen

Übung 14-1 Geben Sie ohne Berücksichtigung der Konfiguration alle isomeren Bromheptene an, die als Produkte der Behandlung von 2-Hepten mit NBS auftreten können.

Da Chlor relativ billig ist, sind Chlorierungen in Allylstellung auch industriell wichtig. Zum Beispiel wird 3-Chlorpropen (Allylchlorid) kommerziell durch Gasphasen-Chlorierung von Propen bei 400°C hergestellt.

CH;CH=CH; + Ch LE, CICHSCH=CH, + HCl =

3-Chlorpropen

(Allylchlorid) Übung 14-2 Welche Produkte sind bei der Bromierung der folgenden Sustrate in Allylstellung mit

einem Äquivalent NBS zu erwarten? (a) Cyclohexen; (b) (ec) 1-Methyleyclohexen.

: Fe

Der biochemische Abbau ungesättigter Moleküle verläuft häufig über eine radikalische Abspaltung eines Allyl-Wasserstoffatoms durch sauerstoffhaltige Verbindungen. In Kapitel 22 werden diese Prozesse diskutiert. Wir fassen zusammen: Unter radikalischen Bedingungen findet bei Alkenen mit allylischen Wasserstoffatomen eine Halogenierung in Allylstellung statt. Ein besonders gutes Reagenz für die allylische Bromierung ist N-Brombutanimid (N-Bromsuccinimid, NBS).

619

14 Delokalisierte 7-Systeme und ihre Untersuchung durch UV-VIS-Spektroskopie

14.3 Nucleophile Substitution an Allylhalogeniden: Kinetische und thermodynamische Kontrolle Wie wir am Beispiel 3-Chlorpropen in Abschnitt 14.1 gesehen haben, dissoziieren Allylhalogenide leicht heterolytisch und bilden Allyl-Kationen, die von Nucleophilen an beiden Enden im Sinne von Sy1-Reaktionen abgefangen werden können. Allylhalogenide gehen ebenso leicht Sn2-Reaktionen ein, sowie einen neuen Typ von Substitutionsreaktionen, Sy2'-Reaktionen. In letzterem Fall greift das Nucleophil die Doppelbindung an und verschiebt das n-Elektronenpaar gewissermaßen zur Abgangsgruppe.

Allylhalogenide können Syl-Reaktionen eingehen Die leichte heterolytische Dissoziation von Allylhalogeniden hat wichtige Konsequenzen. Zum Beispiel kann man durch Hydrolyse von entweder 1-Chlor-2-buten oder 3-Chlor-l-buten das gleiche Gemisch von Alkoholen erhalten. Der Grund liegt im gemeinsamen Intermediat, dem Allyl-Kation.

Hydrolyse isomerer Allylchloride 4

3

zul

CH3CH=CHCH3 " CH;CH=CHCH3Cl Zwrz:

|

SASCHGH=CH,

3 a,

3-Chlor-1-buten

Allyl-Kation

1-Chlor-2-buten

CH;3CHCH=CH3>

ron

Fa CH;CH=CHCH>OH

+ CH3CHCH=CHR;

Nebenprodukt 2-Buten-1-ol

=

Übung 14-3 Die Hydrolyse von (R)-3-Chlor-1-buten Erklären Sie diesen Befund.

+ H"

Hauptprodukt 3-Buten-2-ol

liefert

ausschließlich racemische

Alkohole.

Interessanterweise ist das Hauptprodukt dieser Hydrolyse 3-Buten2-ol, obwohl dafür die thermodynamisch weniger begünstigte terminale Doppelbindung gebildet werden muß. Warum? Das instabilere Isomer muß schneller gebildet werden. Wir sagen, die Reaktion verlaufe unter kinetischer Kontrolle: Bei kurzen Reaktionszeiten oder bei niedrigen Temperaturen ist das Resultat durch die Kinetik bestimmt. Bei höheren Temperaturen beginnt das stabilere Produkt, 2-Buten1-ol, zu überwiegen. Der Unterschied zeigt sich bei der Untersuchung der Gleichgewichtseinstellung der beiden Isomere. Das kinetisch bevorzugte Isomer bildet sich zuerst, aber seine Bildung ist reversibel. Erhitzt man nun die saure Mischung, wird das Allyl-Kation aus den Alkoholen regeneriert und die langsamere nucleophile Reaktion, die zum thermodynamisch stabileren Isomer führt, hat eine Chance abzulaufen. Die Reaktion verläuft unter thermodynamischer Kontrolle.

620

Vergleich zwischen kinetischer und thermodynamischer Reaktionskontrolle Kinetische Kontrolle OH

(schnell, er

CHsSCHCH=CH,

|CH.CH=CHCH> 3

reversi

.

+ H* ———

"|

Thermodynamische

2

(Ger

|

|

angsam

|

CH3CH=CHCH,OH

+ H"

Fe

Weniger stabiles Produkt,

CH; CHCH=CH3>

Stabileres Produkt, überwiegt bei langen Reaktionszeiten und höheren Temperaturen.

überwiegt bei kurzen

Reaktionszeiten und

+ HOH

tiefen Temperaturen.

Das Energiediagramm in Abbildung 14-4 zeigt die niedrigere Aktivierungsbarriere bei der Bildung des instabileren Produkts. Bei höheren Temperaturen und längeren Reaktionszeiten wird die relativ langsame Bildung des thermodynamisch begünstigten Isomers konkurrenzfähig. Warum hat die Bildung des instabileren Produkts eine niedrigere Aktivierungsbarriere? Der Grund ist, daß das Allyl-Kation in diesem System unsymmetrisch ist, denn seine positive Ladung ist ungleich zwischen den Kohlenstoffatomen 1 und 3 verteilt. Die größere positive Ladung befindet sich an C3, dem höher substituierten Kohlenstoffatom, so daß der nucleophile Angriff (in diesem Fall durch Wasser) schneller an dieser Position erfolgen kann. Übung 14-4 Die Behandlung von 3-Buten-2-ol mit kaltem Bromwasserstoff ergibt 1-Brom-2-buten | und 3-Brom-1-buten im Verhältnis 15:85. Beim Erhitzen ändert sich dieses Verhältnis, es entsteht überwiegend 1-Brom-2-buten. Erklären Sie diesen Befund.

langsam

ne

5

OH +

CH3CH=CHCH3>OH

‘(weniger stabiles Isomer)

(stabileres Isomer)

+

H*

4? Reaktionskoordinate

—

Abb. 14-4 Vergleich von kinetischer und thermodynamischer Reaktionskontrolle in der Reaktion des 1-Methyl-2-propenyl-Kations (1-Methallyl-Kations) mit Wasser. Zur Verdeut“lichung wurden Oxonium-Ionen-Zwischenstufen im Diagramm weggelassen. Bei tiefer Temperatur wird die Produktverteilung im wesentlichen durch die relativen Geschwindigkeiten ihrer Bildung (k,, k;) bestimmt, d.h. durch die relativen Höhen der Aktivierungsenergien, denn die Geschwindigkeiten der Rückreaktionen (k_, , k,) sind hier vernachlässigbar. Dabei wird die Bildung von 3-Buten-2-ol begünstigt. Bei höherer Temperatur gewinnt k_| an Bedeutung, wodurch das Allyl-Kation zurückgebildet wird, aus dem langsam mehr und mehr thermodynamisches Produkt, 2-Buten-l-ol, entsteht. Die Geschwindigkeit der Rückreaktion des thermodynamischen Produktes, k,, ist die kleinste im gesamten System. Die grünen Pfeile zeigen an, zu welcher Richtung entlang der Reaktionskoordinate die jeweilige Geschwindigkeitskonstante k gehört.

621

14 Delokalisierte 7-Systeme

Allylhalogenide können auch Sy2-Reaktionen eingehen

UV-VIS-Spektroskopie

Sy2-Reaktionen von Allylhalogeniden sind deutlich schneller als Sy2-

und ihre Untersuchung durch

Reaktionen normaler primärer Halogenalkane. Dies liegt vermutlich daran, daß das p-Orbital im Übergangszustand der Substitutionsreaktion mit der Doppelbindung überlappt (Abb. 14-5). Die Sx2-Reaktionen von 3-Chlor-l1-propen und 1-Chlorpropan Relative

n

CH=CHc CHCHICHSCH

N

RR

Geschwindigkeit

CH HOLT CH TI ERBENNT ECHTE 0

73 1

Diese bimolekularen Austauschprozesse können durch eine weitere Art des nucleophilen Angriffs kompliziert werden, wobei die Doppelbindung Ziel des Angriffs ist. Während der Bildung der neuen Bindung bewegen sich die r-Elektronen zur Abgangsgruppe. Im Endprodukt sind dann die Positionen der Doppelbindung und die des Allylsubstituenten vertauscht. Wegen der Ähnlichkeit zu einer Sy2-Reaktion wird diese Art der Substitution als Sy2’-Reaktion (Sy2-„Strich“) bezeichnet.

Die Sy2'-Reaktion

CH; ae + : (CH3CH;) NH

E CR,—CH=C/|

Dee

or

CH; N

(CHZCH,SNCH,CH=C

+ H* + ci” CH;

U Übung 14-5 ——

Die Solvolyse von 3-Chlor-3-methyl-1-buten in Essigsäure bei 25°C führt zunächst zu einem Gemisch, das überwiegend das strukturell isomere Chlorid und wenig des angegebenen Acetats enthält. Nach längerer Zeit ist kein allylisches Chlorid mehr vorhanden,

— 2 -—_

und das Acetat ist das einzige Produkt. Erläutern Sie dieses Resultat.

Abb. 14-5 Delokalisierter Übergangszustand dem lodid-Ion.

622

der Sy2-Reaktion

von 3-Chlor-l-propen

mit

ir

1

CH3—£-CH=CHz a

2 Ben

DER,

ER

„C=CH—CH2—Cl +

3-Chlor-3-methyl1-buten

CH3

6) „C=CH—CH2—OCCH; l 3-Methyl-2-butenyl-

1-Chlor-3-methyl2-buten

acetat

) Übung 14-6 Erklären Sie die folgende Umwandlung:

OÖ OCR

se

yo HOT,

>

CH; Wir fassen zusammen: Allylhalogenide gehen sowohl Syl- wie auch Sn2-Reaktionen ein. Bei niedrigen Temperaturen (Bedingungen, die kinetische Reaktionskontrolle begünstigen) führt die unimolekulare Substitution an unsymmetrischen Systemen zu dem nucleophilen Angriff an

der höher

substituierten

allylischen

Position,

ein Resultat,

das die

dort größere positive Partialladung im intermediären Carbenium-Ion widerspiegelt. Längeres Erhitzen und längere Reaktionszeiten führen zum UÜberwiegen des stabileren Substitutionsprodukts (thermodynamische Reaktionskontrolle). Mit guten Nucleophilen reagieren Allylhalogenide in Sy2-Reaktionen schneller als das entsprechende gesättigte Substrat. Sy2’-Reaktionen erfolgen unter Verschiebung der Doppelbindung.

14.4 Allylmetall-Reagenzien: Wertvolle C;-Nucleophile Wegen der größeren relativen Stabilität des gebildeten konjugierten Carbanions ist Propen deutlich acider als Propan (vgl. Abschn. 14.1). Daher können Allyllithium-Reagenzien durch Abstraktion eines Protons aus Propenderivaten mittels eines Alkyllithiums in Gegenwart von N,N,N',N'-Tetramethylethan-1,2-diamin (Tetramethylethylendiamin, TMEDA), einem gut solvatisierenden Reagenz, erhalten werden. Allylische Deprotonierung

CH;>CH>CH>CH-Li

CH; I H,C=C

CH; (CH3);NCH>CH>N(CH3)»

uc=c

REN

CH»Li

CH3

Allylmetall-Verbindungen

können

+ CH5CH>CH,CH,—H

(TMEDA)

auch

durch

Transmetallierung

erzeugt werden (Abschn. 8.7). Zum Beispiel resultiert die Behandlung von Tetra(2-propenyl)zinn (Tetraallylzinn) mit Butyllithium in der Bil‘dung von 2-Propenyllithium und Tetrabutylzinn.

4 CHsCH>CH;CH;Li+ (CHJ=CHCH»)4Sn >

4 CH,=CHCHLLi + (CHZCH>CH>CH>)4Sn 2-Propenyllithium (Allyllithium)

Tetrabutylzinn

Einen direkteren Zugang zu Allylmetall-Verbindungen bietet die Bildung von Grignard-Reagenzien.

623

er Mg, THF, 0°C CH5>=CHCH,Br 7, —

14 Delokalisierte 7-Systeme und ihre Untersuchung durch UV-VIS-Spektroskopie

1-Brom-2-propen

CH>=CHCH,MeBr 2-Propenylmagnesiumbromid

Mg, THF, 0°C Te —

cl

MgCl

3-Chlorcyclopenten

2-Cyclopentenylmagnesiumchlorid

Wie ihre Alkyl-Analoga können dungen als Nucleophile dienen.

Allyllithium- und -Grignardverbin-

CH; CH; C + CHzCH,CH,CH;Br TMEDA 2 ,CH,CH>CH>CH>CH>C—=CH; PEN — LiBr CC FReR 35% H> 1j*

2-Methyl-1-hepten

| CH>=CHCH>»MgBr

er CH3CCH3

OH (CH3CH2,0 _ H*, H20

Sea Fer:

CH>=CHCH>CCH3

CH; 85% 2-Methyl-4-penten-2-ol

Übung 14-7 | Wie kann man die folgende Umwandlung mit möglichst wenigen Schritten realisieren?

6)

HO

_CH;CHO

---3

Wir halten fest, daß Alkene in der Allylposition deprotoniert werden können, wodurch delokalisierte Allyl-Anionen entstehen. Allyl-Grignard-Reagenzien sind über die entsprechenden Allylhalogenide zugänglich. Wie ihre Alkylanaloga kann man Allylmetall-Reagenzien als Nucleophile einsetzen.

14.5 Zwei benachbarte Doppelbindungen: Konjugierte Diene Dieser Abschnitt geht einen Schritt über das Allylsystem hinaus, indem noch ein weiteres p-Orbital hinzugefügt wird, wie es in Strukturelementen anzutreffen ist, bei denen zwei Doppelbindungen durch eine o-Bindung verbunden sind. Systeme mit alternierenden Doppel- und Einfachbindungen heißen allgemein konjugiert (conjunctio, lat., Verbindung, Zusammenhang); wir sprechen daher von konjugierten Dienen. Auch bei konjugierten Dienen bewirkt die Delökalisierung eine Stabilisierung, wie Messungen der Hydrierungswärmen belegen. Die Wechselwirkung zwischen den Doppelbindungen wird in den molekularen und elektronischen Strukturen dieser Diene widergespiegelt, sowie in ihren Additionsreaktionen mit Elektrophilen und Radikalen. 624

Kohlenwasserstoffe mit zwei Doppelbindungen werden Diene genannt

14.5 Zwei benachbarte Doppelbindungen: Konjugierte Diene

Man muß konjugierte Diene zum einen von solchen unterscheiden, bei denen die beiden Doppelbindungen durch gesättigte Kohlenstoffatome voneinander getrennt sind (nichtkonjugierte Diene), und zum anderen von den Allenen (kumulierte Diene; vgl. Abschn. 13.4), in denen eine Überlappung der n-Orbitale der beiden Doppelbindungen wegen ihrer zueinander senkrechten Anordnung unmöglich ist. Die Namen von konjugierten und nichtkonjugierten Dienen leiten sich von denen der entsprechenden Alkene sinngemäß ab. Die längste Kette, die beide Doppelbindungen enthält, bildet das Stammsystem. Sie wird zur Angabe der Positionen funktioneller Gruppen oder Substituenten durchnumeriert. Wenn nötig, wird die Konfiguration der Doppelbindungen durch die Präfixe cis, trans oder E,Z angegeben. Cyclische Diene werden entsprechend benannt. 5

En,

You

An

nn [4

——

nr

\4

&

ur N er 2

H

trans-1,3-Pentadien

45

5

4

ER

fl

a

H

Sc

Tr

H

H

%%

——

:

(Z)-4-Brom-1,3-pentadien

cis-2-trans-4-Heptadien 1

7

5

7

6

CH,CH

——

i

H

H

2

3

2

4

6

Die einfachsten 1,3-Cyclohexadien

cis-1,4-Heptadien (ein nichtkonjugiertes Dien)

1,4-Cycloheptadien (ein nichtkonjugiertes cyclisches Dien)

konjugierten und nichtkonjugierten

Diene

ne Schlagen

CH,=CH—CH=CH, Sie Namen

für die folgenden Verbindungen vor, bzw. zeichnen sie ihre Kon-

\ stitutionsformeln:

CH») (a)

; (b) Br

Ya

CH, CH3

; (c) cis-3,6-Dimethyl-1,4-cyclohexadien; (d) cis,cis-1,4-Dibrom-1,3-butadien. 1,3-Butadien

Konjugierte Diene sind stabiler als nichtkonjugierte Im vorangegangenen Abschnitt wurde festgestellt, daß die Delokalisierung der Elektronen das Allylsystem besonders stabilisiert. Wenn ein konjugiertes Dien dieselbe Eigenschaft hat, sollte man dies an den Hydrierungswärmen erkennen. Weil die Hydrierungswärme eines terminalen Alkens etwa -125 kJ/mol beträgt (s. Abschn. 11.7), sollte eine Verbindung mit zwei miteinander nicht wechselwirkenden Doppelbindungen eine etwa doppelt so hohe Hydrierungswärme aufweisen, etwa 250 kJ/mol. In der Tat wird bei der katalytischen Hydrierung von 1,5Hexadien oder 1,4-Pentadien ungefähr diese Energie frei.

1,4-Pentadien

CH;=C=CR; Hydrierungswärmen nichtkonjugierter Alkene

GELCH;CH=CH, + Hz» CH;CH,CH;CH;

AH® = 126.9 kJ/mol

SH, =CHCH;CH,CH=CH; +2 H, — > CH,(CH,),CH,; AH" =-253,3 kJ/mol

Br CHCcH,CH=CH; +2. H, 5: CH,(CH,),CHz.-

AH? =:254.6.kl/mol

1,2-Propadie

ee

625

Abb. 14-6 Die Hydrierungswärmen von zwei Äquivalenten eines Monoalkens (1-Buten) im Vergleich zur Hydrierungswärme eines konjugierten Diens (1,3-Butadien)*.

2 CH3CH;CH=CH>

CH;=CH—CH=CH37 + CH;CH,CH;CH;3*

+2H

[* Um die beiden Prozesse ver-

AE = 15 kJ/mol

+2H5

gleichbar zu machen, muß zur Bildungswärme des 1,3-Butadiens

AE = —254 kJ/mol

die eines Äquivalents Butan hin-

AE = —239 kJ/mol

zugezählt werden.]

2 CH3CH>CH>CH3 Wenn man das Experiment jedoch mit einem konjugierten Dien ausführt, wird weniger Energie frei.

Hydrierungswärme von 1,3-Butadien

CH,

CH

CH

CH.

2 15 > CILEIBCIBEH.

AH" =-239.1 kJ/mol

Der Unterschied der Hydrierungswärmen beträgt etwa 15 kJ/mol. Mit anderen Worten, das konjugierte Dien ist um 15 kJ/mol stabiler als ein System ohne stabilisierende Wechselwirkung zwischen den zwei Doppelbindungen. Dieser Befund ist in Abbildung 14-6 dargestellt (s. auch Abb. 11-18). Die durch die stabilisierende Wechselwirkung zwischen zwei benachbarten Doppelbindungen freiwerdende Energie wird Resonanzenergie genannt. ] Übung 14-9 Die Hydrierungswärme von trans-1,3-Pentadien beträgt -227 kJ/mol, das sind 28 kJ/mol weniger als die von 1,4-Pentadien; sie ist sogar geringer als aufgrund der Resonanzenergie des 1,3-Butadiens zu erwarten wäre. Erklären Sie den Befund! (Hinweis: trans1,3-Pentadien enthält eine interne Doppelbindung.)

Die Struktur des 1,3-Butadiens zeigt die Auswirkung der

Konjugation Wie findet die Wechselwirkung zwischen den beiden Doppelbindungen in 1,3-Butadien statt? Die Antwort liegt in der parallelen Ausrichtung ihrer n-Systeme, die eine Überlappung der p-Orbitale an C2 und C3 ermöglicht (Abb. 14-7A). Die resultierende rn-Wechselwirkung ist schwach, beträgt jedoch einige Kilojoule pro Mol. Erwartungsgemäß ist die Rotationsbarriere niedriger als bei einer normalen n-Bindung (Abb. 14-7B). Die Betrachtung von Molekülmodellen zeigt, daß das Molekül zwei mögliche coplanare Konformationen

einnehmen

kann. In der einen, die

s-cis genannt wird, liegen die beiden n-Bindungen der Achse

* Die s-cis-Konformation hat annähernd dieselbe Energie wie eine nichtplanare Konformation, in der die beiden Doppelbindungen in gauche-Stellung sind (Abschn. 2.7). Ob die s-cisoder die gauche-Konformation stabiler ist, wird noch kontrovers diskutiert.

626

C2-C3;

auf derselben Seite

in der anderen, s-trans genannten,

befinden sich die

n-Bindungen auf entgegengesetzten Seiten (Abb. 14-7B). Das Präfix s (single, engl. einfach) bezieht sich auf die Tatsache, daß es sich bei der Bindung zwischen C2 und C3 im Prinzip um eine Einfachbindung handelt. Die s-cis-Form ist wegen der sterischen Wechselwirkung der inneren Protonen der Dien-Einheit 12 kJ/mol weniger stabil als die s-trans-Konformation. Dies ist das Ergebnis der Untersuchung der cistrans-Isomerisierung von cis-l-Deuterio-1,3-butadien (Abb. 14-8). Übung 14-10 Erklären Sie, warum die Dissoziationsenergie der zentralen C—H-Bindung in 1,4-Pentadien nur 297 kJ/mol beträgt!

schwache z-Überlappung

z-Bindung

14.5

r-Bindung

Zwei benachbarte Doppelbindungen: Konjugierte Diene

E, = 16 kJ/mol

te B

yariyg. SW

=

ae

s-Cis

—12 kJ/mol

s-trans

Abb. 14-7 A. Molekülstruktur des 1,3-Butadiens. Die zentrale Bindung ist kürzer als die eines Alkans (Die Bindungslänge der zentralen C-C-Bindung in Butan beträgt 154 pm). Die auf der Molekülebene senkrecht stehenden p-Orbitale kombinieren zu einem über das ganze Kohlenstoffgerüst delokalisierten n-Orbital. B. 1,3-Butadien kann in zwei unterschiedlichen Konformationen vorliegen.

Die cis-trans-Isomerisierung von cis-1-Deuterio-1,3-butadien

rg

„W

WD

=

i

u

Propenyl-(Allyl-) Radikal-Teil

cis-1-Deuterio-1,3-butadien

trans-1-Deuterio-1,3-butadien

Abb. 14-8 Die cis-trans-Isomerisierung von cis-1-Deuterio-

1,3-butadien.

De Molekülorbitale des 1,3-Butadiens Die elektronische Struktur der n-Orbitale des 1,3-Butadiens kann beschrieben werden, indem man die vier p-Atomorbitale zu vier Molekülorbitalen kombiniert (Abb. 14-9). Die Energie der Molekülorbitale steigt mit steigender Knotenzahl. Das energieärmste Molekülorbital, 77, hat keine Knotenebene und realisiert nur bindende Wechselwirkungen zwischen den beteiligten p-Orbitalen. Das Orbital rn, hat eine Knoten-

627

14 Delokalisierte 7-Systeme und ihre Untersuchung durch UV-VIS-Spektroskopie

n4

drei Knotenebenen

nn, —

13

zwei Knotenebenen

N; —

1%)

eine Knotenebene

Ty J-

rn

keine Knotenebene

Tj J-

E

Abb. 14-9 n-Molekülorbitale des 1,3-Butadiens. Seine vier Elektronen besetzen die beiden untersten, bindenden Ttı und m.

r-Orbitale,

ebene und damit eine antibindende Wechselwirkung. Insgesamt ist dieses Orbital jedoch bindend, da die antibindende Wechselwirkung zwischen C2 und C3 durch die bindende Wechselwirkung zwischen den äußeren Orbitalen mehr als ausgeglichen wird. Sowohl rı, als auch m sind energieärmer als isolierte p-Orbitale. Das Molekülorbital rn; ist mit zwei Knotenebenen insgesamt antibindend (eine bindende und zwei antibindende Wechselwirkungen), und rt, ist vollständig antibindend. Die vier n-Elektronen besetzen die beiden bindenden Molekülorbitale (Abb. 14-9), woraus die relative Stabilisierung verglichen mit vier nicht wechselwirkenden p-Orbitalen resultiert.

14.6 Elektrophiler Angriff an konjugierte Diene Konjugierte Diene sind wegen ihrer n-Elektronen Spezies von hoher Elektronendichte. Obwohl sie thermodynamisch stabiler sind als Diene mit isolierten Doppelbindungen, sind sie gegenüber Elektrophilen und anderen Reagenzien dennoch reaktiver. Beispielsweise nimmt 1,3-Butadien leicht ein Äquivalent gasförmigen Chlorwasserstoff auf. Man erhält zwei isomere Additionsprodukte,

3-Chlor-1-buten und 1-Chlor-2-buten.

cl 0 | CH,=CH—-CH=CH; + HCI 2% CHz=CH—CH—CH5H + HCH,—CH=CH—CH;CI 3-Chlor-1-buten

80%

1-Chlor-2-buten

20%

Die Bildung des ersten Produktes kann anhand der bekannten Chemie der Alkene verstanden werden. Es handelt sich um eine der Markovnikov-Regel folgende elektrophile Addition an eine der beiden Doppelbindungen. Wie kommt es jedoch zur Bildung des zweiten Produktes? Die Bildung von 1-Chlor-2-buten kann durch eine Betrachtung des Reaktionsmechanismus erklärt werden. Die anfängliche Protonierung erfolgt an Cl und führt zur Bildung des thermodynamisch stabilsten Allyl-Kations.

628

Protonierung von 1,3-Butadien

14.6 Elektrophiler Angriff an konjugierte Diene

H

5

|

lei

CHz>—CH—CH=CH;

*%-

en Fr primäres, nicht delokalisiertes Kation (wird nicht gebildet)

Angriff ac

Fan.

2

3

4

u*

CH,=CH—CH =CH, —— Angriff ancH

nnAr

ICH>—CH—CH=CH;,

>

CH—CH=CH—

CH,

delokalisiertes Allyl-Kation (wird ausschließlich gebildet)

Dieses Kation kann durch Chlorid-Ionen auf zwei Weisen abgefangen werden,

wobei

die beobachteten

Produkte

entstehen:

am

terminalen

Kohlenstoffatom zu 1-Chlor-2-buten und am internen Kohlenstoffatom zu 3-Chlor-1-buten. Man sagt, daß die Bildung von 1-Chlor-2-buten das Resultat

einer 1,4-Addition

von

Chlorwasserstoff

an

1,3-Butadien

sei,

da die Reaktion an Cl und C4 erfolgt. Das andere Produkt folgt aus einer normalen 1,2-Addition. Viele elektrophile Additionen an Diene führen auf beiden Reaktionswegen zu Produktgemischen. Nucleophiler Abfang des aus der Protonierung von 1,3-Butadien entstandenen Allyl-Kations N

CHSCHCH=CH, |

Cl

H

$

=1

C

Angriff an

EN

internem Kohlenstoffatom

CH;CH°

CH;CH=CH—CH;CI

Angriff an "CH;

terminalem Kohlenstoffatom

1,2-Addition

1,4-Addition

Beispiel: CH;=CH—CH=CH3

+ Br—Br

u,

ae Br

Ems Br

+ Ki

zn

Br

Br

54%

46%

3,4-Dibrom-1-buten

1,4-Dibrom-2-buten

Diese Reaktionen folgen den Regeln über thermodynamische und kinetische Reaktionskontrolle. Normalerweise lagern sich die 1,2Addukte beim Erhitzen in die thermodynamisch stabileren 1,4-Isomere um.

Vergleich zwischen kinetischer und thermodynamischer Reaktionskontrolle bei elektrophilen Additionen an 1,3-Butadien

A

BrCH,

CHCH=CH,

n. kinetisches Produkt

——

H B EN

BrCH,CH“ Br”

A

=

BrCH;CH=CHCH>Br

"CH, thermodynamisches Produkt

Konjugierte Diene finden auch als Monomere in durch Elektrophile, Radikale oder andere Initiatoren induzierten Polymerisationen Anwendung (s. Abschn. 14.10) Übung 14-11 " Konjugierte Diene können durch dieselben Methoden hergestellt werden, die auch zur il Darstellung normaler Alkene dienen. Schlagen Sie Synthesen vor für (a) 2,3-Dimethyl1,3-butadien aus 2,3-Dimethyl-1,4-butandiol und (b) 1,3-Cyclohexadien aus Cyclohexan.

629

Kasten 14-1

Sorbinsäure in der Weinherstellung Die Herstellung von Wein ist sowohl Kunst als auch Wissenschaft. Die Weine, die in den USA gekeltert werden, enthalten weniger Zusätze als die meisten Lebensmittel und Getränke. Die vorhandenen Zusätze sind jedoch zulässig und erfüllen ganz spezielle Aufgaben. Wein unterstützt zwar nicht das Wachstum von Mikroorganismen, die für den Menschen schädigend sein könnten; Bakterien und Hefen können aber dazu führen,

daß der Wein ungenießbar wird. Eine kleine Menge (etwa 0.001%) Schwefeldioxid (SO;), das üblicherweise als Sulfit zugesetzt wird, verhindert das Wachstum von Bakterien. Allerdings ist es gegenüber Pilzkulturen eher ineffektiv. Durch Pilze kann der Wein an Aroma verlieren und einen unangenehmen Geruch entwickeln. Sorbinsäure (trans,trans-2,4-Hexadiensäure) ist aus

EN

Malolactoseee

N

II

Vogelbeeren erhältlich und wird bereits seit 1954 für kommerzielle Zwecke synthetisiert. Sie ist das Fungizid der Wahl für Wein und einige andere Lebensmittel,

aber

nicht

antibakteriell.

trans,trans-2,4-Hexadienol

reduziert,

und

dieser

Alkohol reagiert unter den sauren Bedingungen, die im Wein vorliegen, wiederum zu frans-5Ethoxy-1,3-hexadien weiter (ein übelriechenden Ether; erinnern Sie sich an den Geruch allylischer Derivate, Abschn. 14.3). Sorbinsäure wurde 1971 von der amerikanischen „Food and Drug Administration“ überprüft. 1982 erlaubte die amerikanische „Environmental Protection Agency“ den Einsatz von Sorbinsäure als Fungizid zum Schutz von Getreiden und anderen landwirtschaftlichen Produkten.

TIng

trans, trans-2,4Hexadienol

Sorbinsäure

wirkt

Schwefeldioxid und Sorbinsäure ergänzen sich also in ihrer konservierenden Wirkung bei Wein. Ohne SO, wird Sorbinsäure durch Bakterien zu

N ‚CH,C MON

u

>

OCHJCH; trans-5-Ethoxy-1,3-hexadien

MT Übung 14-12 ‘ Geben Sie die Produkte der 1,2-Addition und der 1,4-Addition von (a) HBr und (b) ' DBr an 1,3-Cyclohexadien an. Was ist ungewöhnlich an den Produkten der 1,2- und I 1,4-Addition von HX an einfache cyclische 1,3-Diene?

Wir fassen zusammen: Konjugierte Diene sind elektronenreich und werden von Elektrophilen angegriffen. Über ein intermediäres AllylKation werden die 1,2- oder 1,4-Additionsprodukte gebildet.

14.7 Delokalisation über mehr als zwei rt-Bindungen: Ausgedehnte Konjugation und Benzol Was passiert, wenn ein Molekül mehr als zwei konjugierte Doppelbindungen enthält? Unterscheiden sich cyclisch konjugierte Systeme von acyclischen? Dieser Abschnitt soll mit der Beantwortung dieser Fragen beginnen.

Ausgedehnte n-Systeme sind thermodynamisch stabil, aber kinetisch reaktiv Bei Molekülen mit mehr als zwei konjugierten Doppelbindungen spricht man von ausgedehnten x-Systemen. Ein Beispiel ist 1,3,5-Hexatrien, das nächsthöhere Doppelbindungshomologe des 1,3-Butadiens; man spricht auch vom Vinylogen, da eine Vinylgruppe hinzugefügt wurde. Diese Verbindung ist ziemlich reaktiv und polymerisiert leicht, insbesondere

630

in der Gegenwart von Elektrophilen. Trotz der wegen des ausgedehnten n-Systems hohen Reaktivität ist das Molekül thermodynamisch relativ

14.7 Delokalisation über mehr als zwei n-Bindungen:

stabil. Seine erhöhte Reaktivität ist auf die verminderte Aktivierungs-

Ausgedehnte Konjugation

energie für elektrophile Additionen zurückzuführen, welche über stark

und Benzol

delokalisierte Kationen verlaufen. Zum Beispiel liefert die Bromierung von

1,3,5-Hexatrien

ein

substituiertes

Pentadienyl-Kation,

das

durch

drei Resonanzformeln beschrieben werden kann. Bromierung von 1,3,5-Hexatrien

BrCH-—CH-CH>=CH—CH=CH; B

CH,=CH—CH=CH—CH=CH; —

|BrCH,-—CH=CH—CH-CHICHR|

1,3,5-Hexatrien

+ Br”

I

ıBr CH-—CH=CH—CH=CH—CH,

Br

Br

BrCH;CHCH=CHCH=CH3>

+ BrCH,CH=CHCHCH=CH;>

5,6-Dibrom-1,3-hexadien, ein 1,2-Additionsprodukt

3,6-Dibrom-1,4-hexadien, ein 1,4-Additionsprodukt

+ BrCH,

CH=CHCH=CHCH3Br

1,6-Dibrom-2,4-hexadien, ein 1,6-Additionsprodukt

Das am Ende der Reaktion erhaltene Produktgemisch ist das Ergebnis von 1,2-, 1,4- und 1,6-Additionen, wobei das letzte Produkt thermo-

dynamisch

bevorzugt

1,3,5-Hexatrien

ist, da es ein konjugiertes

wird auch

durch

angegriffen, wobei intermediär kale und -Anionen entstehen.

Radikale

ähnlich

Diensystem

und anionische

delokalisierte

behält.

Reagenzien

Pentadienylradi-

U Übung 14-13 Die

Behandlung

Mengen

von

von

1,3,5-Hexatrien

1,2,5,6-Tetrabrom-3-hexen.

mit

zwei

Nach

Äquivalenten welchem

Brom

Mechanismus

liefert

mäßige

könnte

dieses

Produkt entstehen?

Einige stark ausgedehnte r-Systeme finden sich in der Natur. Ein Beispiel ist ß-Carotin, der Farbstoff der Karotten, und sein biologisches Abbauprodukt Vitamin A.

CH;

CH;

CH;

CH3 !

Or CH,

es

Se CH3

CH3

NN CH

CH3z

ß-Carotin

CH,

CH

CH;

A

SENSRIR CH; CH3z

CHROH

VitaminA

Derartige Verbindungen können sehr reaktiv sein, da sie viele Angriffspunkte für Reagenzien, die an Doppelbindungen addieren, bieten. Dieses Verhalten steht im Gegensatz zu einigen cyclisch konjugierten Systemen, welche je nach der Anzahl ihrer r-Elektronen deutlich weniger reaktiv sein können (s. Kap. 15). Das herausragendste Beispiel dafür ist Benzol, das cyclische Analogon des 1,3,5-Hexatriens.

631

14 Delokalisierte 7-Systeme und ihre Untersuchung durch UV-VIS-Spektroskopie

Benzol und seine Resonanzformeln

H H

|

ef?

Ab

re

|

l

HN.

H

Benzol, ein cyclisches Trien, ist ungewöhnlich stabil Cyclisch konjugierte Systeme sind Sonderfälle. Die bekanntesten Beispiele sind das cyclische Trien C,H,, besser bekannt als Benzol, sowie seine Derivate (Kap. 15, 16, 22). Im Unterschied zum 1,3,5-Hexatrien ist Benzol sowohl thermodynamisch als auch kinetisch wegen seiner

elektronischen Struktur außerordentlich stabil (s. Kap. 15). Daß es sich beim Benzol um eine ungewöhnliche Verbindung handelt, wird schon beim Zeichnen seiner Resonanzformeln deutlich: Es gibt zwei gleichwertige Formeln. Benzol geht nicht oder nur sehr langsam die für ungesättigte Systeme typischen Additionsreaktionen ein, wie z.B. die katalytische Hydrierung, Hydratisierung, Halogenierung und Oxidation. Vielmehr kann Benzol wegen seiner geringen Reaktivität als Lösungsmittel für organische Reaktionen verwendet werden.

_C H

Benzol ist ungewöhnlich reaktionsträge

| C

Außerordentlich

langsame Reaktion u

Benzol

O-O

ee

Me

®

Keine Reaktion

Se

Keine Reaktion

Keine Reaktion

In den nachfolgenden Kapiteln werden wir sehen, daß die ungewöhnlich geringe Reaktivität des Benzols mit der Anzahl der r-Elektronen im cyclisch konjugierten System zusammenhängt, nämlich sechs. Im nächsten Abschnitt wird eine Reaktion eingeführt, die nur möglich ist, weil im Übergangszustand eine cyclische Überlappung von sechs p-Orbitalen existiert. Wir fassen zusammen: Ausgedehnte konjugierte acyclische Systeme zeigen eine wachsende Reaktivität aufgrund der vielen Positionen, an denen sie angegriffen werden können, und aufgrund der Leichtigkeit, mit der delokalisierte Intermediate gebildet werden können. Im Gegensatz dazu ist das Cyclohexatrien Benzol ungewöhnlich unreaktiv.

14.8 Eine besondere Reaktıon konjugierter Diene: Die Diels-Alder-Cycloaddition Konjugierte Doppelbindungen können auch andere Reaktionen eingehen als die für Alkene typischen wie die elektrophile Addition. In diesem Abschnitt wird ein Reaktionstyp beschrieben, bei dem konjugierte Diene und Alkene zu substituierten Cyclohexenen verknüpft werden. Bei dieser Umsetzung, sie ist als Diels-Alder-Cycloaddition bekannt, werden die Enden der Diene an die Alken-Doppelbindung addiert, wodurch ein Ring gebildet wird. Die neuen Bindungen werden gleichzeitig und stereospezifisch gebildet.

Die Cycloaddition von Dienen an Alkene führt zu Cyclohexenen Wird erhitzt,

eine

Mischung

findet

eine

aus

1,3-Butadien

bemerkenswerte

und

Reaktion

Ethen statt,

in der Gasphase in welcher

unter

simultaner Bildung von zwei Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen Cyclohexen entsteht. Dies ist das einfachste Beispiel für die Diels-Alder-

Reaktion*, in welcher ein konjugiertes Dien an ein Alken addiert und Derivate des Cyclohexens entstehen. Die Diels-Alder-Reaktion ist ein Spezialfall der allgemeineren Klasse von Cycloadditionsreaktionen von n-Systemen. In der Diels-Alder-Reaktion reagiert eine Einheit aus zwei konjugierten Doppelbindungen mit vier n-Elektronen mit einer Doppelbindung mit zwei Elektronen. Daher wird die Reaktion auch als [4 + 2]-Cycloaddition bezeichnet. L/ HC a

CH>

a

|

rs

CH>

R

|

HC

200,

||

CH Fe

|

HC Y

CH,

1,3-Butadien,

Ethen,

Cyclohexen,

4 r-Elektronen

2 „-Elektronen

ein [4+2]-Cycloaddukt

CH,

HC \

14.8 Eine besondere Reaktion konjugierter Diene: Die Diels-Alder-Cycloaddition

CH;

PieH)

20%

Die erwähnte Reaktion zwischen Butadien und Ethen geht in Wirklichkeit nicht sehr gut und liefert nur geringe Ausbeuten an Cyclohexen. Es ist viel besser, ein elektronenarmes

Alken mit einem elektronenrei-

chen Dien zur Reaktion zu bringen. Besonders günstige Reaktionspartner erhält man daher durch Substitution des Alkens mit elektronenziehenden Resten und des Diens mit elektronenliefernden. Wie kann man solche Gruppen erkennen? Bestimmte Substituenten üben einen induktiven Effekt aus, der die Elektronendichte

des Stamm-

F;C

systems ändert. Zum Beispiel ist die Trifluormethylgruppe wegen der großen Elektronegativität des Fluors induktiv elektronenziehend, wogegen Alkylgruppen wegen der Hyperkonjugation elektronenliefernd sind (Abschn. 7.5). Es gibt auch zahlreiche

Substituenten,

die durch

Resonanz

H Ein elektronenarmes Alken

Elektro-

Va

nendichte liefern oder abziehen. Zum Beispiel sind Carbonylgruppen, Nitrile und Nitrosubstituenten gute Elektronenakzeptoren. Man erkennt dies, wenn man die ladungsgetrennten Resonanzformeln betrachtet, bei denen die Alken-Kohlenstoffatome positive und die elektronegativeren Substituenten negative Ladungen tragen.

Lt

1

Sch,

Ein elektronenreiches Dien

Durch Resonanz elektronenziehende Gruppen (6)

:0:7

Er 10=C[

& —

10-c”

H

9 en

:0:7

NR ——

16

NR

H

-

a

H

w

H

7

N:

4

H

-

H

*

för H;C=C

IND: Syrg cc

H

N erg 10

H

H

P

Professor Otto Diels,

1876-1954, Universität Kiel,

Nobelpreis für Chemie 1950; Professor Kurt Alder, 1902-1958, Universität zu Köln,

Nobelpreis für Chemie 1950.

633

14 Delokalisierte 7-Systeme und ihre Untersuchung durch UV-VIS-Spektroskopie

U Übung 14-14 Klassifizieren Sie die angegebenen Alkene als elektronenarm oder elektronenreich im ‚ Vergleich zu Ethen. Erläutern Sie Ihre Zuordnungen.

0

(a) H,C=CHCH,CH;

(b)

(©)

F

On.) S

F

FU Übung 14-15 “ Erläutern Sie mit Hilfe von Resonanzformeln, warum \ vinylsulfon, H,C=CHSO;CH, elektronenarm ist, in H,C=CHOCH,, elektronenreich ist.

die Doppelbindung in Methylund die in Methoxyethen,

Ein Beispiel für die Wirkung einer solchen elektronischen „pushpull“-Substitution auf die Diels-Alder-Reaktion ist die Cycloaddition von 2,3-Dimethyl-1,3-butadien an Propenal (Acrolein). O

2,3-Dimethyl-

Propenal

1,3-butadien

(Acrolein)

OÖ

90% Diels-Alder-Cycloaddukt

Die unsubstituierte Stammverbindung 1,3-Butadien ist hinreichend elektronenreich, um mit elektronenarmen Alkenen eine [4 + 2]-Cycloaddition einzugehen:

ke +

|

are |

EEE

|

COCH3>CH3

EEE

Er Ethylpropenoat (Ethylacrylat)

94%

In [4 + 2]-Cycloadditionen wird das substituierte Ethen üblicherweise als Dienophil bezeichnet (d.h. „dienliebend“), um es von der Dienkom-

ponente zu unterscheiden. Viele typische Diene und Dienophile haben Trivialnamen als Folge ihrer verbreiteten Anwendung in Diels-AlderSynthesen von Stoffen industrieller oder pharmazeutischer Bedeutung (Tab. 14-1). | Übung 14-16 © Formulieren Sie die Produkte der [4 + 2]-Cyeloaddition von Tetracyanoethen | (a) 1,3-Butadien; (b) Cyclopentadien; (c) 1,2-Dimethylencyclohexan.

Die Diels-Alder-Reaktion

mit

ist konzertiert

Die Diels-Alder-Reaktion läuft in einem Schritt ab. Beide neue Kohlenstoff-Kohlenstoff-o-Bindungen und die neue r-Bindung werden simultan mit dem Brechen der drei n-Bindungen in den Edukten gebildet. Es wurde bereits erwähnt, daß solche Reaktionen, in denen Bindungsbruch und Bindungsbildung gleichzeitig erfolgen, konzertiert genannt werden. Die konzertierte Natur der Reaktion kann durch einen delokalisierten Übergangszustand verdeutlicht werden, in dem alle sechs n-Elektronen durch einen punktierten Kreis dargestellt werden, oder aber durch das Umklappen von Elektronenpaaren. 634

Tabelle 14-1 Einige Diene und Dienophile für die Diels-Alder-Reaktion

Dien

Dienophil

a

NC 1,3-Butadien

SR

CN

NC Hz;C n

L =

Tetracyanoethen* (TCNE)

u;

CN

H 2,3-Dimethyl-1,3-butadien

CN WY

eo

cis-1,2-Dicyanoethen*

BISCEN

CH3 H N

CO;CH3

trans,trans-2,4-Hexadien

Dimethyl-cis-2-butendioat (Maleinsäuredimethylester)

|

I

H

CO;CH3

CH3 H E

1,3-Cyclopentadien

CO;CH3 Dimethyl-trans-2-butendioat

|

(Fumarsäuredimethylester)

CH3CO3

H

[e) 1,3-Cyclohexadien

2-Butendisäureanhydrid

Od

(Maleinsäureanhydrid)

je) CO;CH3 ;

5-Methylen-1,3-cyclopentadien (Fulven)

Dimethylbutindioat (Acetyldicarbonsäuredimethylester)

N |

\

CO,CH3 a

16)

1,2-Dimethylencyclohexan

|

N

*

Propenal

H>zC=CHCH

(Acrolein)

| H,C=CHCOCH;

Methylpropenoat (Acrylsäuremethylester)

Trivialname

Zwei Darstellungen des Übergangszustandes der Diels-Alder-Reaktion

Li

Ba

OD

cyclischer delokalisierter Übergangszustand

In einer Molekülorbital-Darstellung (Abb. 14-10) wird die Bindungsbildung klar durch die Überlappung der p-Orbitale des Dienophils mit den terminalen p-Orbitalen des Diens hervorgerufen. Auf diese Weise unterliegen alle vier Atome einer Umhybridisierung nach sp’. Die beiden internen p-Orbitale des Diens bleiben übrig und bilden die neue rBindung.

635

wird zu einer vollwertigen "Bindung

Dien & ; (1,3-Butadien)

\

vollwertige -Bi a-Bindung

2% +

"'

0 ;

|

vollwertige o-Bindung

BR

wird zu einer

o-Bindung

es

)

|

wird zu en o-Bindung

vollwertige o-Bindung

N C'

NW

®

sp?

Dienophil

Cycloaddukt

(Ethen)

(Cyclohexen)

Abb. 14-10 Die an der Diels-Alder-Reaktion von 1,3-Butadien und Ethen beteiligten Orbitale. Die beiden p-Orbitale an C1 und C4 des 1,3-Butadiens und die beiden p-Orbitale des Ethens gehen eine Wechselwirkung ein. Dabei erfolgt an diesen Kohlenstoffatomen eine Rehybridisierung nach sp’, was eine maximale Überlappung der an den gebildeten Einfachbindungen beteiligten Orbitale ermöglicht. Gleichzeitig erfolgt eine Überlappung der p-Orbitale von C2 und C3 des Diens unter Ausbildung einer n-Bindung.

Die Diels-Alder-Reaktion ist stereospezifisch Als eine Folge des konzertierten Mechanismus ist die Diels-Alder-Reaktion stereospezifisch. Zum Beispiel liefert die Reaktion von 1,3-Butadien mit Dimethyl-cis-2-butendioat (Dimethylmaleat, ein cis-Alken) Dimethyl-cis-4-cyclohexen-1,2-dicarboxylat. Mit anderen Worten, die ursprüngliche Konfiguration des Dienophils findet sich im Produkt wieder. Die entsprechende Reaktion des trans-Dienophils, Dimethyl-trans2-butendioat (Dimethylfumarat, ein trans-Alken), liefert das trans-konfigurierte Addukt.

In der Diels-Alder-Reaktion wird die Konfiguration des Dienophils beibehalten

N

Hd

H "

H

|

Sie

Re

CO;CHz

150°-160°C, 20h

=-H

U

= CO:CH3 H

De

68% Dimethyl-cis-2-butendioat

Dimethyl-cis-4-cyclohexen-1,2-dicarboxylat

(Dimethylmaleat)

cis-Produkt

cis-Ausgangsmaterial

\

H

- E

COCH3

% 6) Dimethyl-trans-2-butendioat (Dimethylfumarat)

200°-205°C, 3.5 h 95% Dimethyl-trans-4-cyclohexen-1,2-dicarboxylat trans-Produkt

trans-Ausgangsmaterial

In ähnlicher Weise wird auch die Konfiguration des Diens beibehalten.

636

In der Diels-Alder-Reaktion wird die Konfiguration des Diens beibehalten CH3 NE

ZU x

14.8 Eine besondere Reaktion konjugierter Diene: Die Diels-Alder-Cycloaddition

ISEN

+

u

HH

BE

CH; trans,trans-2,4-Hexadien (beide Methylgruppen „außen”)

Tetracyanoethen

(Methylgruppen cis-ständig)

NETSEN

CH;

Be

A

RN

4

NC

CH3 cis,trans-2,4-Hexadien (eine Methylgruppe „innen”,

CN

Tetracyanoethen

(Methylgruppen

eine „außen””)

trans-ständig)

Übung 14-17 Fügen Sie in die folgenden Reaktionsgleichungen

die fehlenden Produkte

und Edukte

ein.

CH;

er

H;C ——

(b)

?

te

?

H3C

_—-

eritr] !

CH;

Übung 14-18 cis-trans-2,4-Hexadien reagiert in [4 + 2]-Cycloadditionen sehr träge; die trans,transVerbindung ist viel reaktionsfreudiger. Erklären Sie das. Hinweis: Für die DielsAlder-Reaktion ist die s-cis-Konformation des Diens erforderlich (Abb. 14-10, s.a

Abb. 14-8).

Diels-Alder-Reaktionen befolgen die endo-Regel Die Diels-Alder-Reaktion ist nicht nur bezüglich des Substitutionsmusters der ursprünglichen Doppelbindungen stereospezifisch, sondern auch in Bezug auf die Orientierung der beiden Ausgangsverbindungen zueinander. Wir betrachten dazu die Reaktion von 1,3-Cyclopentadien mit Dimethyl-cis-2-butendioat. Zwei Produkte erscheinen möglich; zum »

exo- und endo-Cycloadditionen anee

re

ER

SE

H:

H

I

exo-Addition -Addition |

:CO:CH va =cd;ch,

ne

0>CH,

endo-Addition endo „

H

H er C0,CH, 637

14 Delokalisierte 7-Systeme und ihre Untersuchung durch UV-VIS-Spektroskopie

einen dasjenige, bei dem die beiden Estergruppen auf derselben Seite stehen wie die CH>-Brücke (cis) und zum anderen das, bei dem die Estergruppen und die CH>-Brücke auf entgegengesetzten Seiten stehen (trans). Das erste Produkt wird als exo-Addukt bezeichnet und das zweite als endo-Addukt (exo, griech., außen; endo, griech., innen). Diese Ausdrücke beziehen sich auf die Substituenten in überbrückten Systemen. exo-Substituenten befinden sich cis bezüglich der kürzeren Brücke, endo-Substituenten befinden sich trans bezüglich der kürzeren Brücke. Die Diels-Alder-Reaktion ist im allgemeinen endo-selektiv: es wird nur das endo-Produkt gebildet. Diese Selektivität bezeichnet man als endo-Regel. Die Ursache für die Bevorzugung ist vermutlich eine anziehende Wechselwirkung zwischen dem n-System des Diens und dem n-System des ungesättigten Substituenten am Dienophil. Die endo-Regel

ex,

\

?

'COCH;

9;

——>

l

:

Anziehung

Ä E

WU

CH;O

3

H

endoAddition

a

ra

H

)

o

H

I

O

91% Die relative Stereochemie der Diels-Alder-Reaktion Regel nach folgendem Schema: a

1

a _ \ 2eXo > endo exo 2

endo_ __exo

> ” f a j irn

|

+ endo

m

>

|

folgt der endo-

"exo

“endo

|

%

a

1

a=außen i= innen

Übung 14-19 Nennen Sie die Produkte der folgenden Reaktionen und geben Sie ihre relativen Konfiha gurationen genau an: (a) irans,trans-2,4-Hexadien mit Methylpropenoat; (b) trans-1,3"\ Pentadien mit cis-2-Butendisäureanhydrid (Maleinsäureanhydrid, MSA); (c) 1,3-Cyclopentadien mit Dimethyl-trans-2-butendioat (Dimethylfumarat).

M Übung 14-20 Die Diels-Alder-Reaktion ist auch intramolekular möglich. Zeichnen Sie die beiden ) Übergangszustände, die zu den Produkten der folgenden Reaktion führen:

N

ICOCH3z

COCH3z

COCH3

2 |

|

> 2er

180°C, 5 h —

=

H

+

fi H

65

75%

638

H

:

35

(Gesamtausbeute)

Alkine als Dienophile führen zu 1,4-Cyclohexadienen

14.3 Eine besondere Reaktion konjugierter Diene: Die Diels-Alder-Cycloaddition

Auch Alkine können als Dienophile in [4 + 2]-Cycloadditionen eingesetzt werden. Sowohl eine als auch beide n-Bindungen eines Alkins können dabei reagieren. Die einfache Cycloaddition führt zu einem 1,4-Cyclohexadienderivat. CO;sCH3

CO,CH3

CL

140°-155°C, 12 h

Y

< + IQ

|

CO,CH3

Dimethylbutindioat

Dimethyl-1,4-cyclohexadien-

(Acetylendicarbonsäure-

1,2-dicarboxylat

dimethylester)

Die elektronenarme Doppelbindung dieses Produktes kann mit einem weiteren Molekül Dien reagieren.

CO>CH; Se

3

CO,CH3

CO;CH; Ein cis-Bicyclo[4.4.0]decadien-Derivat

| Kasten 14-2

Eine Cycloaddition unter Lichteinwirkung

gezeigt ist. Bei dieser thermisch nicht durchführ-

Cycloadditionen können normalerweise nicht mit isolierten Doppelbindungen durchgeführt werden, wenn die Edukte erhitzt werden, aber in Anwesenheit von UV-Licht erfolgt eine Reaktion zu Vierringen. Derartige Reaktionen werden [2 + 2]Cycloadditionen genannt. Ein ungewöhnliches Beispiel ist die intramolekulare photochemische Umwandlung von Norbornadien in Quadricyclan (Trivialname), die unten

sie zu dem gespannten Produkt ablaufen lassen zu können. Letzteres setzt sich bei Anwesenheit von Metallkatalysatoren schnell wieder zum Edukt um, wobei die Spannungsenergie von 109 kJ/mol freigesetzt wird. Ein System dieser Art könnte bei den Bemühungen, die Energie des Sonnenlichts in eine chemisch speicherbare und transportierbare Form zu überführen, in Zukunft Bedeutung erlangen.

baren

Reaktion

ist Lichtenergie

erforderlich,

um

Photochemische [2 + 2]-Cycloaddition H

2 CH30;C

x

CH30;C CH30;C

CO;CH3

=C

CO;CH; CO,CH3

—>

H

60% Ein photochemisches Energiespeichersystem

__Metallkatalysator _

Ba ET =+ kJ/mol

ES,

95% Norbornadien

-109 KJ/mol TAR%= 2109 Kl/mel

L 100%

Quadricyclan

639

14 Delokalisierte 7-Systeme und ihre Untersuchung durch UV-VIS-Spektroskopie

Die Cycloaddition eines Alkins an ein cyclisches Dien führt zu einem biceyclischen Dien.

1

9 ee a

N

|

az

M Übung 14-21 (N

N)

I

u) | ES

Die Reaktion von A mit Dimethylbutindioat ergibt die Cycloaddukte B und €. Erklären Sie dies anhand des Mechanismus.

N

'coch,

| a

ya

828; x

CO;CH;

Bi CO;CH;

ee &

Wir fassen zusammen:

Die Diels-Alder-Reaktion ist eine Cycloaddi-

tion, die am besten zwischen elektronenreichen

1,3-Dienen und elektro-

nenarmen Dienophilen abläuft und zu Cyclohexenen führt. Sie ist stereospezifisch bezüglich der Konfigurationen der Doppelbindungen und bezüglich der Anordnung der Substituenten am Dien und Dienophil: Sie folgt der endo-Regel.

14.9 Elektrocyclische Reaktionen Bei der Diels-Alder-Reaktion werden die Enden zweier getrennter nSysteme gekoppelt. Es stellt sich die Frage, ob Ringe auch durch die Verknüpfung der Enden eines einzelnen konjugierten Di-, Tri- oder Polyens gebildet werden können. Ja, sie können, und in diesem Abschnitt werden die Bedingungen beschrieben, unter denen derartige Ringschlußreaktionen, elektrocyclische Reaktionen genannt, ablaufen können. Cycloadditionen und elektrocyclische Reaktionen gehören zu einer Klasse von Transformationen, die man pericyclisch nennt (peri, griechisch, herum), da sie über Übergangszustände mit einer cyclischen Anordnung der Kerne und Elektronen verlaufen.

Elektrocyclische Reaktionen verlaufen unter Wärmeoder Lichteinwirkung In Abwesenheit anderer Reaktionspartner können konjugierte Di-, Triund höhere Polyene durch elektrocyclische Reaktionen isomerisieren. In diesen Prozessen wird das Polyen dadurch in ein cyclisches Isomer umgewandelt, daß die beiden Molekülenden verknüpft werden und sich die Doppelbindungen anders anordnen. Durch den umgekehrten Prozeß ist bei geeigneten Molekülen eine Ringöffnung möglich. Die Lage des Gleichgewichtes richtet sich nach den relativen Bildungsenthalpien der Isomere.

Zum

Beispiel

geht cis-1,3,5-Hexatrien

beim

Erhitzen

einen

elektrocyclischen Ringschluß zum 1,3-Cyclohexadien ein. Andererseits ist der Ringschluß von 1,3-Butadien zu Cyclobuten wegen der Ringspannung endotherm; daher öffnet der Cyclobutenring beim Erhitzen. Wenn man mit UV-Licht bestrahlt (photochemische Reaktionsbedingungen), sind diese einfachen thermodynamischen Überlegungen nicht mehr gültig, und

man

kann

die Lichtenergie

einen Ringschluß herbeizuführen.

benutzen,

um

beim

1,3-Butadien

Beispiele elektrocyclischer Reaktionen

|CH,

A

N CC;

7

=

CR

SC

cis-1,3,5-Hexatrien

14.9

Elektrocyclische Reaktionen

AH® = — 60.7 kJ/mol

1,3-Cyclohexadien

Se Sch, CH

N

CH,

hv

Cyclobuten

©

AH® = — 40.6 kJ/mol

I

1,3-Butadien

Übung 14-22 Benzocyclobuten A kann in Gegenwart von Dimethyl-2-butendioat B unter Bildung von C erhitzt werden. Erklären Sie diese Reaktion. Hinweis: Kombinieren Sie eine elektroeyclische mit einer Diels-Alder-Reaktion.

CO>CH3 Ss

COSCH; "CO;CH3

A

B

C

Elektrocyclische Reaktionen sind konzertiert und stereospezifisch Wie die Diels-Alder-Reaktion sind auch elektrocyclische Reaktionen konzertiert und hoch stereospezifisch. Zum Beispiel erhält man beim Erhitzen von cis-3,4-Dimethylcyclobuten ausschließlich cis,trans-2 ,4Hexadien. H CH3

Ki N

+

KL CH3

Or

BE:

H CH; cis-3,4-Dimethylcyclobuten

cis,trans-2,4-Hexadien

Andererseits öffnet trans-3,4-Dimethylcyclobuten thermisch zu trans, trans-2,4-Hexadien.

+

CC

CH3

CH3

>cH}

CH3 trans-3,4-Dimethylcyclobuten

Man

kann

diesen

Befund

erklären,

trans,trans-2,4-Hexadien

indem

man

annimmt,

daß sich

beim Bruch der Bindung zwischen C3 und C4 diese beiden Kohlenstoffatome in dieselbe Richtung (im oder gegen den Uhrzeigersinn) drehen. Dies nennt man eine conrotatorische Ringöffnung. Während dieser Rotation ändert sich die Hybridisierung der beiden Kohlenstoffatome von sp’ nach sp?, und die dadurch gebildeten p-Orbitale überlappen mit den schon vorhandenen der ursprünglichen Doppelbindung des Cyclobu-

64

Abb. 14-11 A. Conrotatorische Ringöffnung des cis-3,4-Dimethylcyclobutens. Man stellt sich für die beiden reagierenden Kohlenstoffatome eine Rotation im Uhrzeigersinn vor. Aus den beiden den Ring schließenden sp’-Orbitalen werden p-Orbitale, die Kohlenstoffatome sind dann sp°-hybridisiert. Die Überlappung der so entstandenen p-Orbitale mit den beiden schon im Molekül vorhandenen führt zur Bildung der zwei Doppelbindungen des cis,trans-Diens. B. In ähnlicher Weise führt die conrotatorische Ringöffnung des trans-3,4Dimethyleyclobutadiens zum trans, trans-Dien. Die Ringöffnung, bei der die beiden Substituenten voneinander weggerichtet sind, heißt conrotatorisch auswärts und ist sterisch begünstigt. C. Wegen sterischer Hinderung im Übergangszustand findet die conrotatorisch inwärtige Ringöffnung nicht statt.

tens. Dies führt zum n-Gerüst des Diens (Abb. 14-11A). Man beachte, daß es für das trans-3,4-Dimethylcyclobuten zwei Möglichkeiten für eine conrotatorische Ringöffnung gibt, nämlich eine, bei der die beiden Methylgruppen sich voneinander wegbewegen und eine, bei der sie sich aufeinander zubewegen. Die erste Möglichkeit (conrotatorisch auswärts) führt zum tatsächlich beobachteten Produkt (Abb. 14-11B). Die zweite Möglichkeit (conrotatorisch inwärts) würde zum cis,cis-2,4-Hexadien führen (Abb. 14-11C), welches sterisch stark gehindert wäre und aus diesem Grunde nicht beobachtet wird. Bemerkenswerterweise führen photochemische elektrocyclische Reaktionen zu anderen stereochemischen Ergebnissen. Zum Beispiel erfolgt der photochemische Ringschluß von 1,3-Butadien zu Cyclobuten mit einer Stereochemie, die der beim thermischen Ringschluß genau entgegengesetzt ist. In diesem Fall erfolgt die Produktbildung durch Rotation

642

mn 8 EN

Hk

%ı

H

HzC

H

CH; i

H;C

14.9

Elektrocyclische Reaktionen

H Abb. 14-12 Disrotatorischer photochemischer Ringschluß von

H

DR

RS)

N H;C

N H

H

H

hv EEETET CH3

H;C

CH3

cis,trans- und trans, trans-2 ,4-

Hexadien. Bei disrotatorischen Reaktionen rotiert ein Kohlenstoffatom im Uhrzeigersinn und das andere gegenläufig.

der beiden reagierenden Kohlenstoffatome in entgegengesetzte Richtungen; eines rotiert im Uhrzeigersinn und eines gegen den Uhrzeigersinn. Diese Art der Rotation nennt man disrotatorisch (Abb. 14-12). Ebenso erfolgt die photochemische Cyclobuten-Ringöffnung disrotatorisch, während die thermische conrotatorisch verläuft.

Die Stereochemie

der Umwandlung

von

1,3,5-Hexatrien

in Cyclohexadien Das Erhitzen von cis-1,3,5-Hexatrien führt zur Bildung von hexadien.

trans-1,3,5-Hexatrien

kann eine solche

Reaktion

1,3-Cyclonicht einge-

hen, da die terminalen Kohlenstoffatome sterisch nicht die Möglichkeit der Bindungsbildung haben. Entspricht die Stereochemie der Reaktion der der thermischen Umwandlung von 3,4-Dimethylcyclobuten in Hexadien?

Die Antwort

sechsgliedrige

lautet, und das wird wohl

Ring

wird

thermisch

überraschen,

disrotatorisch

gebildet,

nein.

Der

wie

man

durch den Einsatz substituierter Derivate nachweisen kann. Zum Beispiel erhält man beim Erhitzen von trans,cis,trans-2,4,6-Octatrien cis5,6-Dimethyl-1,3-cyclohexadien, und cis,cis,trans-2,4,6-Octatrien geht einen Ringschluß ein zu trans-5,6-Dimethyl-1,3-cyclohexadien; in beiden Fällen handelt es sich um disrotatorische Ringschlüsse.

Stereochemie thermischer Ringschlüsse des 1,3,5-Hexatrien-Systems I

CH 3

n

CH 3

—

oe

disrotatorisch

CH3

CH; cis-5,6-Dimethyl-1,3-cyclohexadien

trans,cis,trans-2,4,6-Octatrien

CH3

.

SoeR

—

CH;

disrotatorisch

%

CH 3

CH 3

trans-5,6-Dimethyl-1,3-cyclohexadien

cis,cis,trans-2,4,6-Octatrien

Im Gegensatz dazu erfolgen Reaktionen conrotatorisch.

die entsprechenden

photochemischen

Stereochemie des photochemischen Ringschlusses des 1,3,5-Hexatrien-Systems

CH3 ES

hv

>

a

conrotatorisch

CH3 trans,cis,trans-2,4,6-Octatrien

\CH3 trans-5,6-Dimethyl-1,3-cyclohexadien

643

14 Delokalisierte 7-Systeme und ihre Untersuchung durch UV-VIS-Spektroskopie

Demnach

unterliegen

Ringschlußreaktionen

konjugierte

zu

den

Triene

isomeren

thermisch

disrotatorischen

1,3-Cyclohexadienen,

während

photochemisch die entsprechende conrotatorische Reaktion eintritt. Dies steht in exaktem Gegensatz zur Stereochemie der Umwandlungen von 1,3-Dienen in Cyclobutene. Die Gesetzmäßigkeiten der Stereochemie der hier besprochenen elektrocyclischen Reaktionen sind zwei Beispiele für die Woodward-Hoffmann-Regeln“, nach denen solche Prozesse ablaufen. Diese Regeln wurden aus der Symmetrie der für diese Reaktionen wesentlichen Molekülorbitale abgeleitet [z.B. die Folge von (+)- und (—)-Orbitallappen] und sind für den Fall der elektrocyclischen Reaktionen im folgenden zusammengefaßt. Eine vollständige Beschreibung der Woodward-Hoffmann-Regeln muß, wie auch ihre theoretische Analyse, weiterführenden Lehrbüchern der organischen Chemie vorbehalten bleiben. Woodward-Hoffmann-Regeln für elektrocyclische Reaktionen Anzahl der

hv

A

n-Elektronen

photochemisch

thermisch

An An + 2

disrotatorisch conrotatorisch

conrotatorisch disrotatorisch

7 Übung 14-23 \ | Die Photolyse von Ergosterin liefert Provitamin D,, eine Vorstufe des Vitamins D, | (wirksam gegen Rachitis). Erfolgt die Ringöffnung conrotatorisch oder disrotatorisch?

CH CH3

R

| H

OH f

hv ——

!

H >

CH3

HO“ Vitamin D,

Provitamin Dz

Ergosterin

Wir halten fest, daß konjugierte n-Syteme konzertierte Cycloadditionen und elektrocyclische Reaktionen eingehen können. Die DielsAlder-Reaktion ist eine [4 + 2]-Cycloaddition, die am besten zwischen einem

elektronenreichen

1,3-Dien

und einem

elektronenarmen

Dieno-

phil abläuft und zu Cyclohexenen führt. Die Reaktion ist bezüglich der Konfiguration der Doppelbindungen und der Anordnung der Substituenten in Dien und Dienophil stereospezifisch; sie folgt der endo-Regel. Elektronenarme

Alkine

als Dienophile

führen zu 1,4-Cyclohexadienen.

Photochemische [2 + 2]-Cycloadditionen resultieren in der substituierten Cyclobutanen. Elektrocyclische Reaktionen und Hexatrienen sind (reversible) Ringschlußreaktionen tenen bzw. 1,3-Cyclohexadienen. Die Stereochemie solcher scher Reaktionen folgt den Woodward-Hoffmann-Regeln.

*

Professor

R.

B.

1965; Professor

1981.

Woodward,

R. Hoffmann,

1917-1979,

Harvard

geb. 1937, Cornell

Bildung von von Dienen zu Cyclobuelektrocyecli-

University,

Nobelpreis

für Chemie

University,

Nobelpreis

für Chemie

Kasten 14-3 Eine ungewöhnliche elektrocyclische Reaktion eines Antikrebswirkstoffes Erhitzt man 3-Hexen-1,5-diin auf über 200°C, so wird eine Elektrocyclisierung (Bergman*-Reak-

tion) induziert, die dem thermischen von

1,3,5-Hexatrien

Elektronen der Dreifachbindungen daß anstelle eines Cyclohexadiens Intermediat,

das

Ringschluß

ähnlich ist. Die zusätzlichen

führen dazu, ein reaktives

1,4-Benzoldiradikal,

gebildet

wird.

| 2IC

xXQ

|R ” \e/

und

Esperamicin

an, daß diese

Radikale

die DNA

Zellen

normalerweise

vor

Schäden

durch

Benzoldiradikalen, die 1973 im Laboratorium entdeckt wurde, auch in der Natur beobachtet wer-

1,4-Benzoldiradikal

Calicheamicin

nımmt

Radikale (s. Kap. 25). Deshalb zerstören diese Antikrebsmittel Tumorzellen mit ihrem eigenen Verteidigungssystem. Es war zumindest überraschend, daß die Cyclisierung von Endiinen zu

l

>x

S

viert,

9) |

Man

(Kap. 26) von Tumorzellen durch WasserstoffAbspaltung zerstören. Ironischerweise schützt das Enzymsystem, das die Antitumormoleküle akti-

Elektrocyclisierung von 3-Hexen-1,5-diin

LG

Adriamicein. Eine enzymkatalysierte Reaktionssequenz (für Calicheamicin unten gezeigt) spaltet eine S-S-Bindung und addiert Schwefel an die C9-Doppelbindung. Dadurch wird die Hybridisierung von sp’ zu sp’ an C9 verändert, so daß sich C2 und C7 so stark annähern, daß eine Bindung geknüpft werden kann (Bauen Sie ein Modell!). Eine Cyclisierung vom Bergman-Typ führt unterhalb von -10°C zu Benzol-Diradikalen.

(Abschn.

den konnte.

13.12) haben eine Endiin-Struktureinheit und sind wirksam gegen Krebstumore und Bakterien

(Antibiotika). Ihre biologische Aktivitäten sind 4000mal höher als die des klinischen Wirkstoffs

* Professor Robert G. California, Berkeley.

Bergman,

geb.

1942,

University

of

H

EN en

H

OR

Enzymm H,COENH OR

Oo H,CENE OR 6)

Calicheamicin (R = Zuckerrest)

14.10 Polymerisation konjugierter Diene: Kautschuk >

Gerade so, wie einfache Alkene polymerisieren können (Abschn. 12.14), können dies auch konjugierte Diene. Da jedoch vier anstatt zwei ungesättigte Zentren vorliegen, gibt es mehr Möglichkeiten zur Verknüpfung der einzelnen Dien-Einheiten. Die Elastizität der dadurch erhaltenen Materialien hat zu ihrem Einsatz als synthetischer Kautschuk geführt. Die Biosynthese von Naturkautschuk verdeutlicht die Struktur von Terpenen - insbesondere die immer wiederkehrende Einheit des aus ‘fünf Kohlenstoffatomen bestehenden 2-Methyl-1,3-butadiens (Isopren, s. Abschn. 4.7).

1,3-Butadien kann vernetzte Polymere bilden 1,3-Butadien kann durch verschiedene Initiatoren zur Polymerisation gebracht werden. Polymerisation an den Kohlenstoffatomen Cl und C2

ergibt

ein

Poly(ethenylethen)

[Poly(vinylethylen)].

In Abhängigkeit 645

14 Delokalisierte a-Systeme und ihre Untersuchung durch

UV-VIS-Spektroskopie

vom Initiator (Kation, Radikal, Anion, metallorganische Verbindung) können syndio-, iso- und ataktische Polymere gebildet werden, die alle

unterschiedliche Eigenschaften haben (Abschn. 12.14). 1,2-Polymerisation von 1,3-Butadien

CH,

CH,

GC

2n CH,=CH—CH=CH, Mister, a Die andere Möglichkeit, die Polymerisation an C1 und C4, liefert entweder trans-Polybutadien, cis-Polybutadien oder ein gemischtes

a

Polymer. von 1,3-Butadien

1,4-Polymerisation Be

n CH,=CH—CH=CH, tet, _(CH-—CH=CH—CH,),— cis- oder trans-Polybutadien

een

Die Polymerisation von Butadien ist in der Hinsicht ungewöhnlich, daß das Produkt selbst Doppelbindungen enthalten kann. Die Doppelbindungen des Polymers können durch Chemikalien wie Radikal-Initiatoren oder durch Strahlung miteinander verknüpft werden. Dies führt zur Bildung eines vernetzten Polymers, in dem die einzelnen Ketten zu einem starreren Gerüst verbunden sind (Abb. 14-13). Vernetzung erhöht allgemein die Dichte und die Härte eines Polymers. Die Vernetzung hat auch beträchtliche Auswirkungen auf die herausragende Eigenschaft der Butadien-Polymeren, die Elastizität. Die einzelnen Ketten der meisten Polymeren können gegeneinander bewegt werden, so daß eine äußere deformierende Kraft eine irreversible Veränderung hervorruft.

Abb. 14-13 Vernetzung ist die

In vernetzten

Polymeren

Ursache der Elastizität der Poly-

der äußeren

Kraft

springen

butadienketten in Kautschuk.

zurück. Diese Elastizität ist charakteristisch für Kautschuk.

jedoch

mehr

die Polymerketten

oder

weniger

nach

in ihre

Entfernung

alte Position

Synthetischer Kautschuk leitet sich von Poly-1,3-dienen ab Die Polymerisation von 2-Methyl-1,3-butadien mit einem Ziegler-Natta-Katalysator (Abschn. von synthetischem Kautschuk (Polyisopren) mit butadien-Konfiguration. Ähnlich kann man einem

elastischen,

(Isopren, Abschn. 4.7) 12.14) führt zur Bildung fast 100% (Z)-1,4-Poly2-Chlor-1,3-butadien zu

hitze- und sauerstoffbeständigen

Polymer

umsetzen,

das Neopren genannt wird und auch fast ausschließlich in der Z-Form vorliegt. Man kann viele nützliche Kautschuk-Arten durch Copolymerisation von Butadien mit anderen Alkenen herstellen. Zum Beispiel bilden 1,3-Butadien und Phenylethen (Styrol) einen Kautschuk, der BUNA S CH;

untitie

TiC4, A n H-C=C—CH=cH, FH,

HC

ze

—(H;C 2-Methyl-1,3-butadien

e

Ce

(Z)-Polyisopren

ach TiCl4, AIR

nr H,C=C—CH==CH, >

2 —(H>C

2-Chlor-1,3-butadien

3

H

H

Neopren

genannt wird. Man erhält dieses Material durch Vernetzung aller Doppelbindungen der Ausgangsstoffe. Das 1,3-Butadien geht dabei sowohl 1,2- als auch

1,4-Verknüpfungen

ein, wobei

letztere

statistisch

14.10 Polymerisation konjugierter Diene: Kautschuk

Z- und

E-Doppelbindungen liefern, die dann vernetzt werden. Natürlicher Hevea-Kautschuk ist ein 1,4-polymerisiertes (Z)-Poly(2-methyl-1,3-butadien), dessen Konstitution der des Polyisoprens ähnelt. Zur Erhöhung seiner Elastizität wird es mit heißem elementarem Schwefel behandelt. Dieser Prozeß, der zu einem über Schwefelbrücken vernetzten Material führt, heißt Vulkanisation (Vulcanus lat., der römische Gott des Feuers). Die Reaktion wurde 1839 von Goodyear” entdeckt. Copolymere, bei denen die Doppelbindungen von 1,3-Butadien mit Doppelbindungen anderer Alkene polymerisieren, haben in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Die Anteile der unterschiedlichen Monomere

können

so variiert werden, daß die Eigenschaf-

ten der entstehenden Polymere über einen bestimmten Bereich bestimmt werden können. Dies gilt beispielsweise für das Dreikomponenten-Copolymer aus Propennitril (Acrylnitril), 1,3-Butadien und Ethenylbenzol (Styrol), das als ABS bekannt ist. Das Dien ist für die kautschukähnlichen Eigenschaften, insbesondere die Elastizität, verantwortlich, wogegen das Nitril zur Härtung des Polymers führt. Das Ergebnis ist ein vielseitig verwendbares Material, das in nahezu jede gewünschte Form geschmolzen werden kann. Seine Festigkeit und seine Fähigkeit, Deformationen und anderen Beanspruchungen zu widerstehen, hat zu außerordentlich vielen Anwendungen geführt: von Uhrwerken, Computergehäusen, Autokarosserien bis hin zu Stoßstangen.

Biosynthese des Naturkautschuks Wie entsteht Kautschuk in der Natur? Pflanzen erzeugen das Grundgerüst des Polyisoprens, indem sie 3-Methyl-3-butenylpyrophosphat (Isopentenylpyrophosphat) als Baustein benutzen. Dieses Molekül ist ein Ester aus Pyrophosphorsäure und 3-Methyl-3-buten-1-ol. Ein Enzym äquilibriert eine geringe Menge dieser Verbindung zum 2-Butenyl-Isomer, einem Allylpyrophosphat. Biosynthese der zwei isomeren 3-Methylbutenylpyrophosphate

Wi

H>C=CCH>CH>0H

|

|

| OH

| OH

HO—P-—-OH + HO—P--OH

3-Methyl-3-buten-1-ol

Phosphorsäure

- HÖH

| | Ho Fe-tertrrDH OH

= HOH

OH

Pyrophosphorsäure

IE

BR

a

OH

OH

E

——

BsC Rn H;c

3-Methyl-3-butenylpyrophosphat

Il

er

OH

DH

OH

3-Methyl-2-butenylpyrophosphat

* Charles Goodyear, 1800-1860, amerikanischer Erfinder.

647

14 Delokalisierte 7-Systeme und ihre Untersuchung durch UV-VIS-Spektroskopie

Obgleich die folgenden Prozesse in Wirklichkeit enzymatisch kontrolliert sind, können sie mit Hilfe uns geläufiger Mechanismen formuliert werden (OPP = Pyrophosphat). Mechanismus der Synthese von Naturkautschuk:

1

Heterolytische Dissoziation zum stabilisierten (allylischen) Kation

Som” Be

N 2

— er

Elektophiler Angriff

bi, Ma- 2SUR OPP —> In

om

H 3

Deprotonierung

OPP Geranylpyrophosphat

4

Bir

u

Zweite Oligomerisierung

=

OP

OPP—— =OPP”

N

I

I

+

Farnesylpyrophosphat

Die heterolytische Dissoziation des allylischen Pyrophosphats zum allylıschen Kation, gefolgt von einem elektrophilen Angriff auf ein weiteres Molekül 3-Methyl-3-butenylpyrophosphat und Deprotonierung, liefert ein Dimer, das Geranylpyrophosphat. Weitere Oligomerisierung führt schließlich zu einem Polymer, das das Grundgerüst des (E)-Poly2-methylbutadiens [(E£)-Polyisopren] aufweist; dabei handelt es sich um einen natürlichen Kautschuk,

der Guttapercha genannt wird. Zahlreiche

Pflanzen bilden Kautschukarten, die durch einen enzymatischen Prozeß Z-Doppelbindungen enthalten.

Viele Naturstoffe setzen sich aus 2-Methyl-1,3-butadienEinheiten (Isopreneinheiten) zusammen Viele Naturstoffe leiten sich vom 3-Methyl-3-butenylpyrophosphat ab, darunter die Terpene, die schon in Abschn. 4.7 besprochen wurden. Terpene

bestehen

aus

Einheiten

von

fünf Kohlenstoffatomen,

die sich

auf das 2-Methyl-1,3-butadien zurückführen lassen. In der Tat entstehen Terpene durch Verknüpfung mehrerer Moleküle 3-Methyl-3-butenylpyrophosphat auf unterschiedliche Weise. Das Monoterpen Geraniol und das Sesquiterpen Farnesol entstehen durch Hydrolyse ihrer Pyrophosphate.

Ber... ER

ei

ARTERSRITRI 3

OH

TH

Ba

Geraniol

Den

14.10 Polymerisation konjugierter Diene: Kautschuk

OH

Farnesol

Die reduktive Kupplung zweier Moleküle Farnesylpyrophosphat führt zu Squalen, einem Vorläufer des Steroidgerüstes (Kasten 12-4).

N

N

ST

OPP

|Reduktive |Kupplung

——

Steroide

Squalen

Bicyclische Diterpene, die sich vom Campher ableiten, entstehen aus Geranylpyrophosphat durch enzymatisch kontrollierte elektrophile Bildung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen.

Biosynthese des Camphers aus Geranylpyrophosphat

u

>opPp

cis, trans-Isomerisierung

IS — OPP

Geranylpyrophosphat

=

-

ist das gleiche wie e

+

PER

Bas

RN

2

o Campher

Andere höhere Terpene werden durch ähnliche Cyclisierungsreaktionen gebildet. Es ist zusammenzufassen,

daß 1,3-Butadien 1,2- oder 1,4-polymerisie-

ren kann, wodurch Polybutadiene mit unterschiedlichem Vernetzungsgrad und daher unterschiedlicher Elastizität entstehen. Synthetischer Kautschuk kann durch Polymerisation von 2-Methyl-1,3-butadien zu Polymeren mit unterschiedlichem Anteil von E- und Z-Doppelbindungen erhalten werden. Natürlicher Kautschuk entsteht durch Isomerisierung von 3-Methyl-3-butenylpyrophosphat zum 2-Butenyl-System, heterolytische Dissoziation und schrittweise elektrophile Polymerisation. Ahnliche Mechanismen liegen dem Einbau von Isopreneinheiten in die polyceyclischen Gerüste der Terpene zugrunde. 649

14 Delokalisierte 7-Systeme und ihre Untersuchung durch UV-VIS-Spektroskopie

14.11 Elektronenspektren: Spektroskopie ım ultravioletten und im sichtbaren Bereich In Abschnitt 10.2 hatten wir festgestellt, daß organische Moleküle Strahlung verschiedener Wellenlänge absorbieren können. Spektroskopie wird dadurch möglich, daß die Moleküle die Strahlung in Form von Quanten bestimmter Energie, hv, aufnehmen, um dadurch unter Aufnahme einer Energie AE angeregt zu werden.

AE = hv = z

(c = Lichtgeschwindigkeit)

In diesem Abschnitt behandeln wir eine Form der Spektroskopie, die verhältnismäßig energiereiche elektromagnetische Strahlung erfordert, nämlich die Ultraviolett-Spektroskopie (UV-Spektroskopie), die im Bereich von 200 bis 400 nm arbeitet und die Spektroskopie im sichtbaren Bereich (VIS-Spektroskopie), die Strahlung von 400 bis 800 nm verwendet (s. Abb. 10-3). Diese Art der Spektroskopie ist wichtig für die Untersuchung der elektronischen Struktur von ungesättigten Molekülen und zur Messung des Ausmaßes ihrer Konjugation. So erhaltene Spektren nennt man Elektronenspektren (UV-Spektren, UV-VIS-Spektren). Der Vorgang, der durch eine derartige Absorption von Strahlung ausgelöst wird, ist die Anregung von Elektronen aus besetzten bindenden (und nichtbindenden) in unbesetzte antibindende Molekülorbitale.

Ultraviolettes und sichtbares Licht führen zu elektronischer

Anregung In den meisten Molekülen besetzen alle Elektronen außer den freien Elektronenpaaren bindende Molekülorbitale. Man sagt, das Molekül sei im elektronischen Grundzustand. Elektronenspektroskopie ist möglich, da ultraviolettes oder sichtbares Licht genügend Energie enthält, um Elektronen in antibindende Orbitale zu überführen und so einen elektronisch angeregten Zustand zu erzeugen (Abb. 14-14). Die absorbierte Energie kann in einer chemischen Reaktion (s. Abschn. 14.9), durch Aussendung von Licht (Fluoreszenz, Phosphoreszenz) oder einfach in Form von Wärme wieder abgegeben werden. Diese elektronische Anregung ist die Basis für die Spektroskopie im ultravioletten (UV) und im sichtbaren (VIS) Bereich. Die Wellenlänge des absorbierten Lichtes hängt vom Energieunterschied der beiden Zustände ab; dieser ist wiederum ein Maß für den Energieunterschied zwischen den besetzten und den unbesetzten Molekülorbitalen. Kohlenstoff-Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Wasserstoff-o-Bindungen haben eine große Energielücke zwischen diesen Orbitalen, ein Zeichen für gute Orbitalüberlappung. Die Anregung der Elektronen einer solchen Bindung heißt o —> o*-Übergang, wobei die Wellenlänge der absorbierten Strahlung üblicherweise im extremen oder Vakuum-Ultraviolett-Bereich, unter 200 nm, des Spektrums liegen. Zur Messung von Spektren in die-

a

antibindendes MO Abb. 14-14 Durch den Übergang eines Elektrons aus einem bindenden in ein antibindendes wird ein Molekül

angeregt, d.h. von seinem elektroin einen

angeregten Zustand überführt.

650

E=hv

_—

AE

Anregung

Orbital

elektronisch

nischen Grundzustand

E

_]- Bindendes MO Grundzustand

we angeregter Zustand

o*

antibindend

14.11

(Einfachbindungen)

Elektronenspektren:

Spektroskopie im ultravioletten

RR"

und im sichtbaren Bereich

7* (Mehrfachbindungen) E

n

7

0

nichtbindend [z.B. freie Elektronenpaare oder das Propenylradikal (Allylradikal)] bindend (Mehrfachbindungen)

Abb. 14-15 Verschiedene mögliche Elektronenübergänge in einem

bindend (Einfachbindungen)

konjugierten Molekül.

sem Bereich benötigt man eine besondere apparative Ausstattung (z.B. Vakuumpumpen zur Entfernung der Luft, die die Strahlung unter 200 nm absorbiert). Im Gegensatz dazu erfordert die Anregung der Elektronen in n-Bindungen weniger Energie und kann im Spektralbereich über 200 nm beobachtet werden. Dabei spricht man von an —> rx-Übergängen. Auch nichtbindende Elektronen können in höhere Niveaus angeregt werden, man spricht dann von n — > n*- oder n — o*-Über-

gängen (n steht für nichtbindend). Ein konjugiertes Molekül kann eine Vielzahl bindender, nichtbindender und antibindender Molekülorbitale haben. Daher sind zahlreiche Übergänge möglich, und man sollte viele Absorptionssignale in den Elektronenspektren erwarten (Abb. 14-15). Man findet diese Signale für energiereiche Übergänge im Bereich der kürzeren Wellenlängen des Spektrums, die Signale für weniger energieaufwendige Übergänge erscheinen bei größeren Wellenlängen. Konjugierte Systeme, die bei Wellenlängen über 400 nm absorbieren, sind farbig; daher wird dieser Bereich auch als sichtbarer Bereich bezeichnet. Zum Beispiel sind Moleküle, die bei 450 nm absorbieren, orangerot, die bei 550 nm absorbierenden sind violett, und die bei 650 nm absorbierenden sind blaugrün

(s. Tab. 14-2).

Das UV-VIS-Spektrometer und die aufgenommenen Spektren Der Aufbau eines UV-VIS-Spektrometers entspricht dem allgemeinen Schema in Abb. 10-4. Wie in der NMR-Spektroskopie verwendet man Lösungsmittel, die im interessierenden Bereich nicht selbst absorbieren. Beispiele sind Ethanol, Methanol und Cyclohexan, von denen keines oberhalb 200 nm absorbiert. Ein typisches UV-Spektrum ist das des 2Methyl-1,3-butadiens (Isoprens), das in Abb. 14-16 dargestellt ist. Ein Signal im Spektrum wird durch die Lage des Absorptionsmaximums >

CH3 =} 2 -

1

3

\

=

m ww

=at.H

CH> ==C--CH 6

\

|

|

||

4 3 2

0

a0

220

240

nie

280

Wellenlänge / (nm)

300

e' aaa

340

Abb. 14-16 UV-Spektrum von 2-Methyl-1,3-butadien in Methanol, Amax = 222.5 nm (e = 10800). Die beiden Ausbuchtungen an den seiten des Hauptsignals heißen

Schultern.

651

14

Delokalisierte 7-Systeme

und ihre Untersuchung durch UV-VIS-Spektroskopie

Tabelle 14-2 Einige A„.„-Werte für die energieärmsten Übergänge in Ethen und konjugierten

n-Systemen

Alken

Amax In nm

&

Ethen

171

15500

1,4-Pentadien

178

unbek.

Y

CH;

VA

\

1,3-Butadien

DA

21000

)

\

2-Methyl-1,3-butadien

DS

10800

trans-1,3,5-Hexatrien

268

36300

trans-trans-1,3,5,7-Octatetraen

330

unbek.

2,5-Dimethyl-2,4-hexadien

241.5

1,3-Cyclopentadien

239

4200

1,3-Cyclohexadien

259

10000

ein Steriod-Dien

282

unbek.

ein Steroid-Trien

324

unbek.

ein Steriod-Tetraen

355

unbek.

Lou ß-Carotin (Vitamin AVorläufer

497 (orange)

133 000

Azulen, ein ceyclisch konjugierter Kohlenwasserstoff

969 (blau-violett)

7

\

\

Name

Y

Formel s. Abschn. 14.7 ER

N

13 100

150

(der Bandenspitze) Aa, in nm charakterisiert. Die Höhe des Signals ist die Extinktion FE; sie wird in Form des für das Molekül charakteristischen Extinktionskoeffizienten e angegeben. Der Wert von e berechnet sich für eine 1 cm dicke Küvette (Probengefäß) als der Quotient aus Extinktion E und molarer Konzentration c der Probe: a

E @

652

14.11 Elektronenspektren: Spektroskopie im ultravioletten und im sichtbaren Bereich

Abb. 14-17 UV-VIS-Spektrum von Azulen in Cyclohexan. Die Extinktion ist als log & dargestellt,

220

250

300

350 400

500 600 700

um die Skala zu komprimieren. Auch die die Wellenlänge wiedergebende horizontale Skala ist nichtlinear.

Wellenlänge A (nm)

Extinktionskoeffizienten bewegen sich in der Größenordnung von einigen hundert bis zu mehreren hunderttausend. Die Signale von Elektronenspektren

sind, wie auch in Abb.

14-17, üblicherweise

breit und

nicht so scharf wie die vieler NMR-Spektren.

Elektronenspektren zeigen das Ausmaß der Konjugation an Elektronenspektren können zeigen, inwieweit ein Molekül kKonjugiert ist. Je mehr Doppelbindungen konjugiert sind, desto größer wird die Wellenlänge für die energieärmste Absorption sein, und desto mehr Signale werden im Spektrum auftreten. Ethen absorbiert beispielsweise bei Ana = 171 nm, und ein unkonjugiertes Dien wie 1,4-Pentadien absorbiert bei Ana = 178 nm. Dagegen absorbiert ein Konjugiertes Dien wie 1,3-Butadien bei deutlich größerer Wellenlänge Ama = 217 nm), wie es der geringeren Anregungsenergie entspricht. Die Einführung weiterer konjugierter Doppelbindungen führt zu einem inkrementellen Ansteigen der A„.,-Werte, wie es in Tabelle 14-2 dargestellt ist. Der Tabelle ist darüber hinaus zu entnehmen,

daß auch andere Fakto-

ren die Lage der Absorption mit der größten Wellenlänge beeinflussen, insbesondere die Art der Einbindung des n-Systems in das carbocyclische Gerüst und der Grad der Substitution. Einige Moleküle mit komplizierten Elektronenspektren sind Benzol (s. Abschn. 15.4, Abb. 15-6) und das intensiv blau-violette Azulen (Abb. 14-17). Warum hat die Zahl der konjugierten Doppelbindungen einen derart starken Einfluß auf das Elektronenspektrum? Mit ansteigendem Grad der Konjugation wächst die Zahl der Energieniveaus, die zu den entsprechenden r-Orbitalen gehören (Abb. 14-18). Entsprechend sinkt der Energieunterschied zwischen dem höchsten besetzten (highest occupied molecular orbital, HOMO)

und dem niedrigsten unbesetzten Molekülor-

bital (lowest unoccupied molecular orbital, LUMO). Dieser Energieunterschied bestimmt die Absorption mit der größten Wellenlänge. Ausgedehntere r-Systeme erfordern daher zur elektronischen Anregung weniger energiereiche Strahlung von größerer Wellenlänge. | Übung 14-24 © "

Mit jeder Substitution eines Wasserstoffatoms gegen eine Alkylgruppe an einem sp?hybridisierten Kohlenstoffatom wächst die dem energieärmsten rn —> n*-Übergang zuzuordnende Wellenlänge um 5 nm. Berechnen Sie mit Hilfe dieser Information und dem Anax- Wert für 1,3-Butadien die A„.,-Werte für 2-Methyl-1,3-butadien und 2,5-Dime-

a

thyl-2,4-hexadien. Vergleichen Sie Ihr Resultat mit den gemessenen Werten in Tabelle 142.

Es ist festzustellen, daß die UV-VIS-Spektroskopie benutzt werden kann, um elektronische Übergänge in konjugierten Molekülen nachzuweisen. Mit steigender Zahl an Molekülorbitalen werden mehr UÜber-

653

14 Delokalisierte r-Systeme und ihre Untersuchung durch UV-VIS-Spektroskopie

m* a*

—-

LUMO

LUMO

ar

A m3*

hv E

n —

HOMO

hv m -|| - HOMO

#1. nomo 2 Ar

H3C——=CH ae

eine

14-18 Energieniveaus

| JH

c

2

—

oe

ug Abb.

- LUMO

der Molekülorbitale

A

Se

des Ethens, des Allylradikals und des 1,3-

Butadiens. Der Energieunterschied zwischen dem höchsten besetzten Molekülorbital (HOMO) und dem niedrigsten unbesetzten Molekülorbital (LUMO) nimmt mit wachsendem Ausmaß der Konjugation ab. Die Anregung erfordert daher weniger Energie und wird bei größerer Wellenlänge beobachtet.

gänge möglich, was zu einer steigenden Zahl von Absorptionsbanden in den Spektren führt. Das Absorptionssignal mit der größten Wellenlänge im UV-VIS-Spektrum steht in engem Zusammenhang mit dem Übergang eines Elektrons vom höchsten besetzten Molekülorbital in das niedrigste unbesetzte Molekülorbital. Mit zunehmender Konjugation und zunehmender Substitution wächst diese Wellenlänge, was auf der geringer werdenden Energiedifferenz dieser Molekülorbitale beruht. Ihr Wert ist auch für bestimmte Strukturtypen charakteristisch.

14.12 Eine Zusammenfassung der Reaktionsmechanismen in der organıschen Chemie Obwohl mit dem Abschluß von Kapitel 14 erst die Hälfte unserer Rundreise durch die organische Chemie hinter uns liegt, haben wir schon die drei großen Reaktionsklassen der organischen Chemie kennengelernt: radikalische, polare und pericyclische Reaktionen. In diesem Abschnitt werden noch mal alle uns bisher bekannten Reaktionsmechanismen zusammengefaßt und diesen drei Klassen zugeordnet.

Radikalische Reaktionen folgen einem Kettenmechanismus Radikalreaktionen beginnen mit der Bildung eines reaktiven Intermediats mit einem ungepaarten Elektron. Üblicherweise beginnt der Mechanismus

einer Radikalreaktion

mit einem

Initiierungsschritt,

dem

Kettenstart. Danach werden die Ausgangsverbindungen durch eine Folge von Kettenfortpflanzungsschritten in die Produkte überführt. Wir haben sowohl radikalische Substitutionen (Kap. 3) als auch radikalische Additionen (Kap. 12) kennengelernt. Durch die radikalische Substitutionsreaktion ist es möglich, eine funktionelle Gruppe in ein zuvor unsubstituiertes Alkan einzuführen. Bei der radikalischen Additionsreaktion wird eine funktionelle Gruppe in eine andere umgewandelt. Die einzelnen Reaktionen werden in Tabelle 14-3 zusammengefaßt.

654

Tabelle 14-3 Radikalreaktionen 1. Radikalische Substitution Mechanismus:

(Abschn. 3.4)

radikalische Kettenreaktion

KETTENSTART A oder hv

BEI

2X:

KETTENFORTPFLANZUNGSSCHRITTE

|

—C-H

+X: —HX+

|

C

BIS

+ KR —

C

EN

—Cc—+X

Beispiele:

ARE) RE

r

FIX

RX

X

(Abschn. 3.4-3.8)

(Allylische Verbindungen) CHH=CHCH;,

+

X

PUR

CH; =CHCH,X

+

HX

(Abschn. 4.2, 22.9)

2. Radikalische Addition Mechanismus:

(Abschn.

radikalische Kettenreaktion

12.

m SG

Beispiele:

(Alkene) RCH=CH,

+ HBr @®@,

RCH,CH;Br

(Abschn.

12.12, 12.14)

Anti-MarkovnikovProdukt

(Alkine) RC=CH

Peroxide + HBr ®®,

RCHBr

(Abschn.

13.9)

Polare Reaktionen bilden die größte Klasse organischer Reaktionen Aus den Wechselwirkungen zwischen polarisierten oder geladenen Teilchen resultiert der größte Teil der Vielfalt in der organischen Chemie und auch die meisten Reaktionsmechanismen: die typische Chemie der funktionellen organischen Gruppen. Wir lernten in den Kapiteln 6 und 7 jeweils zwei Mechanismen für Substitution und Eliminierung kennen. Die Reaktionen können nach einem unimolekularen oder einem bimolekularen Weg verlaufen. Welcher Reaktionsweg beschritten wird, ist abhängig von der Struktur des Substrats und in einigen Fällen auch von den Reaktionsbedingungen. Mit der Einführung funktioneller Gruppen, die n-Bindungen enthalten, lernten wir zwei Arten polarer Additionsreaktionen kennen: nucleophile Additionen (Kap. 8) und elektrophile Additionen (Kap. 12). Diese Reaktionen werden in Tabelle 14-4 zusammengefaßt.

Pericyclische Reaktionen verlaufen nicht über Intermediate Abschließend wollen wir einen Reaktionstyp betrachten, bei dem sich ein cyclischer Übergangszustand ausbildet. Die Überlappung der Orbitale in diesem Cyclus ist ein kontinuierlich ablaufender Prozeß. Diese Reaktionen verlaufen in einem Schritt ohne Intermediate. Die Ausgangsverbindungen können mit einem Ringschluß zu neuen cyclischen Produkten reagieren (Diels-Alder-Reaktion oder andere Cycloadditionen). In dem elektrocyclischen Reaktionen können Ringe geöffnet oder geschlossen werden. Beispiele dieser Reaktionen sind in Tabelle 14-5 gezeigt.

655

Tabelle 14-4 Polare Reaktionen

1. Bimolekulare nucleophile Substitution

Mechanismus: konzentrierter Rückseitenangriff (Sn2)

Nu?”

u) —

OT

(Abschn. 6.4, 6.5)

E89,

B%

Beispiel:

HOr Freche

3 CHOR

ICH

(Abschn. 6.3-6.9)

100 % Inversion am Stereozentrum

2. Unimolekulare nucleophile Substitution

Mechanismus: Bildung eines Carbenium-Ions, anschließend nucleophiler Angriff (Syl; Nebenreaktion normalerweise E1) (Abschn. 7.2)

AR

PORN u

“De

KEN

ER

|

Beispiel:

50.4

1(CH..CGh

= 3 (@1,),COHR |

HIHE

(Abschn. 7.2-7.5)

Racemisierung am Stereozentrum

3. Bimolekulare Eliminierung Mechanismus: konzentrierte Deprotonierung, n-Bindungsbildung und Abspaltung der Abgangsgruppe (E2)

Si BH

SEN

Y

Car

>— _— ee

+ HB + X

A

FR

(Abschn. 7.2)

Beispiel:

CH.CH,O-

+ CHLCHEICH, = SICH. CHOH

SFC

H>Ce

(Abschn. 7.7, 11.8)

anti-Übergangszustand bevorzugt

4. Unimolekulare Eliminierung Mechanismus: Bildung eines Carbenium-Ions, anschließende Deprotonierung und r-Bindungsbildung (El; Nebenreaktion Sl)

(Abschn. 7.6)

0 |

H—C—-C--X

De

|

Ra

74

+

Bi H e. EEE we: LER

X

ga:

Beispiel:

(SH),CC >>

(CH,,C=CHF

HE

(Abschn. 7.6, 11.9)

5. Nucleophile Addition Mechanismus: nucleophile Addition, Protonierung

656

(Abschn. 8.6, 8.8)

Tabelle 14-4 Polare Reaktionen (Fortsetzung) Beispiele: (Hydrierungsreagenzien) NaBH,

+

(CH3),C=O

(metallorganische Reagenzien) RMgX

+

—>

(CH,)CHOH

(CH),C=O

(Abschn. 8.6)

ge

—n

ee

(Abschn. 8.8, 14.4)

CH; 6. Elektrophile Addition Mechanismus: elektrophile Addition, anschließend nucleophiler Angriff

(Abschn.

12.3, 12.5)

(Abschn.

12.3-12.7)

7A E*

SR

c=C

TE

|

4

rt

RE

AEREN

ee

(oder cyclisches „Onium-lon”)

ER

TREU

Beispiel:

Br

(Alkene) RCH=CH,

+

HBr

—>

RCHCH; MarkovnikovProdukt

Tabelle 14-5 Pericyclische Reaktionen 1. Cycloadditionen Mechanismus:

konzentriert durch cyclische Anordnung der Elektronen

(Abschn.

14.8)

(Abschn.

14.9)

e |

“fa ee Beispiel:

CN (Diels-Alder-Reaktion)

>

N

[

rt

/ mN

CN

CN stereoselektiv,

endo-Produkt bevorzugt

2. Elektrocyclische Reaktionen Mechanismus: Konzertiert durch ceyclische Anordnung der Elektronen Beispiele: (Cyclobuten

CH; —>

Butadien)

CH;

INES

CH;=

—

> CH; conrotatorisch, thermisch

CH;

(Hexatrien

—>

Cyclohexadien)

yes

ern

CH;

(Abschn. 14.9)

IN.cH; disrotatorisch, thermisch

657

14 Delokalisierte 7-Systeme und ihre Untersuchung durch UV-VIS-Spektroskopie

Verständnisübung a Schlagen Sie einen sinnvollen Mechanismus für die Bildung von trans-5-Ethoxy-1,3-hexadien aus trans, trans-2,4-Hexadien-1-ol (Sorbylalkohol) vor (in Kasten 14-1 beschrieben!).

Lösung Diese Reaktion läuft in einer sauren Ethanollösung (auch als Wein bekannt) ab. Wir betrachten zuerst die Strukturen des Start- und des Zielmoleküls. Dabei stellen wir fest, daß ein Alkohol in einen Ether umgewandelt wurde und daß die Doppelbindungen gewandert sind. Lassen Sie uns die wesentlichen Informationen, die wir über diese funk-

tionellen Gruppen gesammelt haben, näher betrachten. Die Umwandlung von zwei Alkoholen in einen Ether in Gegenwart von Säure wurde in Abschnitt 9.7 vorgestellt. Die Protonierung eines Alkoholmoleküls führt zu einem Alkyloxonium-Ion. Die relativ gute Abgangsgruppe (Wasser) kann dann in einer Sy2- oder Syl-Reaktion durch ein zweites Alkoholmolekül ersetzt werden:

CH,CHÖH,;

+ CH,CH,OH

->

CH;

[Rs

CH:;COH;,

+

|

CH;CHLOCH;CH;

SN2

CH;

Su

CHCHHOH

|

——>

en

CH,

CH;

Kann einer dieser Mechanismen zu unserer Reaktion passen? Sorbylalkohol ist ein allylischer Alkohol. In Abschnitt 14.3 wir haben gelernt, daß allylische Halogenide sowohl Syl- als auch Sy2-Reaktionen eingehen. In Kapitel 9 wurden die Eigenschaften und das Reaktionsverhalten von Alkoholen und Halogenalkanen verglichen. Dabei haben wir gelernt, daß die Protonierung von Alkoholen sowohl zu einer Substitution als auch zu einer Eliminierung führen kann. Wir dürfen daher annehmen, daß allylische Alkohole vergleichbar reagieren. Wir müssen nun entscheiden, ob die Reaktion dem Syl- oder Sy2-Mechanismus folgen wird. Die Tatsache, daß die Doppelbindungen im Verlauf der Reaktion ihren Platz gewechselt haben, ist eine wertvolle Information. Rückblikkend auf Abschnitt 14.3 erkennen wir, daß das allylische Kation, das aus der Abspaltung der Ausgangsgruppe im ersten Schritt der Syl-Reaktion hervorgeht, delokalisiert ist. Nucleophile können daher an mehr als einer Position addieren. Lassen Sie uns diese Überlegung weiterspinnen. Wir sehen uns das Carbenium-Ion an, das durch Protonierung und anschließende Wasserabgabe aus frans,trans-2,4-Hexadienol erhalten wird: rs

en

o H

trans, trans-2,4-Hexadienol

|H BET

Te

OH, Aue?

|-H,0 + | ae

658

+ -

ae

RE

+ ne

>

RR

a

|

Wie im allylischen Kation ist auch bei diesem Carbenium-Ion die Ladung delokalisiert. Das entstehende Molekül weist jedoch eine ausgedehntere Konjugation mit drei anstelle von zwei Resonanzformeln auf. Das eintretende Nucleophil hat wie in der elektrophilen Addition an konjugierten Trienen (Abschn. 14.7) die Möglichkeit, sich ‚an jeder dieser drei geladenen Positionen anzulagern. In diesem Fall erfolgt die Addition von Ethanol vorwiegend (kinetisch kontrolliert) an einem sekundären Kohlenstoffatom, da die positive Partialladung hier stärker stabilisiert ist.

H

a TS

SICHOH

In}

re

DLvo

0

za

b Ester der Sorbinsäure gehen Diels-Alder-Reaktionen ein. Sagen Sie das Hauptprodukt der Reaktion von Ethylsorbat mit 2-Butendisäureanydrid (Maleinsäureanhydrid, Formel s. Tab 14-1) bei erhöhter Temperatur voraus! Berücksichtigen Sie alle stereochemischen Aspekte.

Verstän dnisübung

% - "z

ER u N

re

SI

oo

Neon

"OCH;CH;

Ethyl-frans, trans-2,4-hexadienoat (Ethylsorbat)

Lösung Die Diels-Alder-Reaktion ist eine Cycloaddition zwischen einem Dien, hier Ethylsorbat,

und

einem

armes Alken (s. Abschn. ner genauer

betrachten,

Dienophil,

üblicherweise

ein elektronen-

14.8). Sie sollten zunächst die Reaktionspartum

sich zu verdeutlichen,

welche

neuen

Bin-

dungen während der Reaktion geschlossen werden. Zu diesem Zweck führen wir eine Rotation um die Einfachbindung zwischen C3 und C4 des Ethylsorbats durch, um die Doppelbindungen in die notwendige Konformation zu bringen. Wir müssen dabei sehr vorsichtig sein, um nicht versehentlich die Konfiguration der Doppelbindungen zu ändern: Beide waren vor der Rotation frans-konfiguriert und müssen es auch nachher sein. Als nächsten Schritt müssen wir die Enden des Diensystems mit den Kohlenstoffatomen der Alkenfunktion des Dienophils verbinden (gepunktete Linien in der nachfolgenden Formel). Dies liefert uns das Bindungsmuster im Produkt unter Vernachlässigung der Stereochemie:

CIECH.O,C ES

2.

en

a

CH;CH,0;C

SRE

es Um die Frage vollständig zu beantworten, müssen wir zwei zusätzliche Aspekte der Diels-Alder-Reaktion berücksichtigen: 1) Die Konfiguratuion der Edukte bleibt während der Reaktion erhalten. 2) Die Substituenten an den Doppelbindungen des Dienophils werden während der Cycloaddition bevorzugt unterhalb des Diensystems positioniert („endoRegel“). Graphisch kann dies wie folgt dargestellt werden:

4—4y "CH

Anziehung :

Ere.

= 4

Pe

I EN ee N

H;C NH H

of

659

14 Delokalisierte z-Systeme

Es ist ein wenig schwierig zu erkennen, wie die räumliche Anordnung

und ihre Untersuchung durch

der Gruppen in der schematischen Darstellung des Übergangszustandes

UV-VIS-Spektroskopie

in die Endposition des Produkts übertragen wird. Während Sie an diesem Teil der Aufgabe arbeiten, achten Sie besonders auf die Kohlenstoffatome, die an der Ausbildung der beiden neuen Einfachbindungen beteiligt sind (gepunktete Linien im Übergangszustand, linke Seite der Reaktionsgleichung). Untersuchen Sie die Positionen der Substituenten an diesen Kohlenstoffatomen im Vergleich zu den neugeknüpften Bindungen. Eine Molekülansicht, die für diese Aufgabe von Nutzen sein

CH;CH>0;,C

H

=

kann, ist die, in der das Molekül um 90° gedreht ist (siehe Rand). Aus

dieser Perspektive ist es klar erkennbar, daß die vier Wasserstoffatome im neugebildeten Cyclohexen cis zueinander stehen.

Neue Reaktionen 1 Dissoziationsenergie der Allyl-Wasserstoffatome in Propen (Abschn. 14.1 u. 14.2)

CH;CH=CH, — 2

DH°® = 364 kJ/mol

Syl-Reaktivität von Allylhalogeniden (Abschn. 14.3)

XCH>;CH=CH; — 3

H- + -CH;CH=CH;

X” + *CH;CH=CH, - > X” + NuCH;CH=CH;

pK, von Propen (Abschn. 14.1)

CH;CH=CH,;, —

H* +

":CHCH=CH,

pK,=40

4 Vergleich thermodynamischer und kinetischer Reaktionskontrolle in Snl-Reaktionen von Allylderivaten (Abschn. 14.3) x

CH;CH=CHCH>X

langsam

«—

j

CH5CH=CHCH>*

2

+X

I

stabiler

5

schnell

——

|

CH,CHCH=CH,

re

weniger stabil

Sy2-Reaktivität von Allylhalogeniden (Abschn. 14.3)

CH3>=CHCH;>X + Nu: —

CH5=CHCH,Nu + X”

Sn2’-Reaktivität von Allylhalogeniden

R | CH5=CHCHX + Nu: —> NuCH>CH=CHR + X" 6

Radikalische Halogenierung in Allylposition (Abschn. 14.2) Br

RCH>CH=CH3

7

NBS, hv

|

RCHCH=CH3>

Allyl-Grignard-Reagenzien (Abschn. 14.4)

CH>=CHCH>Br —&> CH>—=CHCH>MgBr 660

8

Allyllithium-Reagenzien (Abschn. 14.4)

Neue Reaktionen

RCHSCH-SCH, -SUERZERRCH,EI, TMEDA , N CH3CH>CH>CH3Li

(CHz„=—=CHCH3)4Sn

9

Lit

CH; —=CHCH>:

Hydrierung konjugierter Diene (Abschn. 14.5)

CH;=CH—CH=CH3>

rera

CH3CH>CH>CH3

AH®

=

—

239.1

kJ/mol

Dagegen zum Vergleich:

CH5>=CH—CH>—CH=CH; —> CHz(CH>),;CHz 10

AH® = — 254.6 kJ/mol

Elektrophile Reaktionen mit 1,3-Dienen (Abschn. 14.6)

f

CH,=CH—CH=CH, —%> CH,=CHCHCH3; + XCH;CH=CHCH; Kinetisches

Thermodynamisches

Produkt

Produkt

X

| CH,=CH—CH=CH; —2 > CH,=CHCHCH>X + XCH-CH=CHCH>X 11 Diels-Alder-Reaktion (konzertiert endo-Regel) (Abschn. 14.8) Alkene:

und

R

stereospezifisch,

folgt der

R

A

=,

ER

A

Ar |

A

——

>

R

A

R

R A = Elektronenacceptor

ae]

Alkine:

A

|

a

x

A

N

|

A

A

12

[2 +2]-Photocycloaddition (Abschn. 14.8) Re

Nur

R

mies il

R

R

13

R

Elektrocyclische Reaktionen (Abschn. 14.9)

Bale

a

nn

conrotatorisch

N

BR

ee

©

> hv

IL

disrotatorisch

|

er

661

14 Delokalisierte 7-Systeme und ihre Untersuchung durch UV-VIS-Spektroskopie

14

Polymerisation von 1,3-Dienen (Abschn. 14.10) 1,2-Polymerisation:

2n CH,=CH—CH=CH, 8,

—(CH—CH,—CH—CH)),—

1,4-Polymerisation:

n CHH=CH—CH=CH, -,

_(CH,—CH—=CH—CH>),— cis oder trans

15 3-Methyl-3-butenylpyrophosphat als biochemischer Baustein (Abschn. 14.10). CH3 CH3—=C—CH>CH>OPP

:

Enzym

(CH3)zC=CHCH,0OPP —> (CH3),C=CHCH>* + Allyl-Kation

3-Methyl-3-butenylpyrophosphat

OPP PyrophosphatIon

C—C-Bindungsbildung:

=

Ber

EN

+

Be

=

ne

OPP —

Se

+

gps |

ce

ER

Kar

+

Se

=

—IS0PP)

Wichtige Konzepte 1 Das Allylsystem (2-Propenyl-System) wird durch Resonanz stabilisiert. Es hat drei n-Molekülorbitale, ein bindendes, ein nichtbindendes und ein antibindendes. Seine Struktur ist symmetrisch, alle Ladungen oder ungepaarten Elektronen verteilen sich zu gleichen Teilen auf die beiden terminalen Kohlenstoffatome. Die n-Bindungsstärke im Allylradikal beträgt etwa 63 kJ/mol. 2 Die Chemie des Allyl-Kations kann sowohl kinetischer als auch thermodynamischer Kontrolle unterliegen. Der nucleophile Abfang kann an einem internen Kohlenstoffatom wegen der relativ größeren positiven Partialladung schneller erfolgen als an einem terminalen, was zum thermodynamisch weniger stabilen Produkt führt. Das kinetische Produkt kann durch Dissoziation und Abfang unter thermodynamischer Kontrolle zum thermodynamisch stabileren Isomer umlagern. 3 Die besondere Stabilität des Allylradikals ermöglicht radikalische Halogenierungen von Alkenen in der Allylposition.

662

4 Die Sy2-Reaktion von Allylhalogeniden wird durch Konjugation im Ubergangszustand beschleunigt.

5 Die besondere Stabilität des Allyl-Anions erlaubt durch starke Basen wie Butyllithium/ TMEDA Deprotonierung in Allylposition. 6 Die Konjugation von Heteroatomen, welche freie Elektronenpaare tragen, mit einer Doppelbindung macht diese elektronenreich. 7 1,3-Diene spiegeln die Auswirkung der Konjugation durch ihre Resonanzenergie, eine relativ kurze interne C—C-Bindung (147 pm) und eine Rotationsbarriere von 16 kJ/mol wider. Die cistrans-Isomerisierung der Doppelbindungen wird

durch

die Allyl-radikalische

Natur

des

Über-

gangszustandes erleichtert (E, > 217 kJ/mol). 8 Der elektrophile Angriff auf 1,3-Diene führt bevorzugt zur Bildung von Allyl-Kationen. 9 Ausgedehnte konjugierte Systeme sind besonders reaktiv, da sie viele Angriffspunkte für Reaktionspartner aufweisen und die Intermediate durch Resonanz stabilisiert werden.

10 Benzol ist wegen der sation besonders stabil.

cyclischen

Delokali-

13 Die Polymerisation von 1,3-Dienen resultiert in 1,2- oder 1,4-Additionen und liefert Polymere,

11 Die Diels-Alder-Reaktion ist eine stereospezifische konzertierte [4 + 2]-Cycloaddition zwischen einem s-cis-Dien und einem Dienophil. Sie führt unter Beachtung der endo-Regel zur Bildung von Cyclohexenen oder zu 1,4-Cyclohexadienen. 12 Konjugierte Diene, Triene und ihre cyclischen Analoga gehen elektrocyclische Reaktionen ein, die zu konzertierten und stereospezifischen Ringschlüssen oder Ringöffnungen führen. Conrotatorische Ringöffnungen oder Ringschlüsse wechseln zu disrotatorischen, wenn man von einer thermischen Reaktion zur entsprechenden photo‘chemischen wechselt.

die zur weiteren Vernetzung befähigt sind. Auf diese Weise kann man synthetischen Kautschuk darstellen. Naturkautschuk entsteht durch elektrophile Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungsbildung aus

biochemischen

C;-Bausteinen,

die sich vom

3-Methyl-3-butenylpyrophosphat ableiten.

14 Spektroskopie im ultravioletten (UV) und im sichtbaren (VIS) Spektralbereich erlaubt die Messung des Ausmaßes der Konjugation in einem Molekül. Die Spektren haben üblicherweise breite Signale, die als Aa, wiedergegeben

werden.

Ihre

Intensität wird durch den Extinktionskoeffizienten e angegeben.

Aufgaben 1 Zeichnen Sie für die folgenden Spezies sämtliche Resonanzformeln sowie eine Formel, aus der die Delokalisierung der Elektronen deutlich wird (Resonanzhybrid).

(a)

H;€

7

H €

CH N ee

CH; 3

CH;

CH; H (b)

H3C

3

EN

me CH>

CH3

(e)

2 Zeigen Sie durch geeignete Formeln - darunter alle relevanten Resonanzformeln -, welche Spezies zuerst entstehen (a) durch Bruch der schwächsten C—H-Bindung

in 1-Buten;

(b) durch Behandlung von 4-Methylcyclohexen mit einer starken Base (z.B. Butyllithhum/TMEDA); (c) Erhitzen einer Lösung von 3-Chlor-1-methylceyclopenten in wäßrıgem Ethanol. 3

Ordnen Sie primäre, sekundäre, tertiäre und Allylradikale nach ihrer

Stabilität. Wie würde die Reihenfolge für die entsprechenden Car“ benium-Ionen aussehen? Was sagen die Ergebnisse aus über die relative Fähigkeit von Hyperkonjugation und Resonanz zur Stabilisierung von radikalischen oder kationischen Zentren?

4

Welches sind die Hauptprodukte der folgenden Reaktionen? Geben

Sie, wenn

mehr

als ein Produkt

entsteht,

an,

welches

das kinetische

(größte Ausbeute bei tiefer Temperatur und kurzer Reaktionsdauer) und welches das thermodynamische (größte Ausbeute bei hoher Temperatur und langen Reaktionszeiten) ist. 663

CH

>

B2

N

ern

a

(CHS)CHu RN

CH;

H

konz. HBr

(d)

CH,OH H,O

CHjI

;

&

CK

= (©

Br

Br

6) arlof ; —

CH3

KSCH3, DMSO

CHJI H

CH3CH>OH |

CH=CH,

© 5

Sika

0730

CICH>

H

(CH3CH))20,A

CH>CH>CH>0H

Stellen Sie detailliert die Reaktionsmechanismen

zu den Reaktionen

a, c, e und f aus Aufgabe 4 dar. 6 Ordnen Sie primäre, sekundäre und tertiäre Allylchloride in ihrer ungefähren Reihenfolge bezüglich (1) abnehmender S,l-Reaktivität und (2) abnehmender Sy2-Reaktivität. 7 Ordnen Sie die folgenden Moleküle (1) nach abnehmender Reaktivität und (2) nach abnehmender Sy2-Reaktivität. cl

(d)

|

De

3 N

H;C a

N

H5C

Ser C=C

CH»CI

PS CH>Cl

(ed)

(CH;),CCH=CH,

CH3

(f)

Sen;ci

” 8

B

u

C=C

H ()

eg

Syl-

CH,=CHCH;Cl

Welches sind die Hauptprodukte der folgenden Reaktionen: CHz I

(a)

CH3CH;

_H20

CH3

NBS, CCla, ROOR

(b)

A

CH;CH>H

CH;CH> H eiL

| (0 (S)-CH;CH,CH — CH=CH, P3 Col, ROOR (d)) CH>CH 2

2 CH>CH3

c=c\

H

CHSCH>CH>CH;Li, TMEDA

H

(e)

Produkt aus Teil d

| 1. CH5CH 2 H ‚HO_

(f)

(CH;)»,C=CH H Nur

KSCH3,IN DMSO I

eo

Npr

en,

9 Welches sind die beiden isomeren Produkte der folgenden tionssequenz? Erklären Sie den Mechanismus ihrer Bildung.

Reak-

Aufgaben

Cl Mg

dann

D,O

CH3

10 Schlagen Sie eine von Cyclohexen ausgehende Synthese für die am Rand abgebildete Verbindung vor. 11

H.@s ec CH,

Wie lauten die systematischen Namen der folgenden Moleküle: (a)

ER

Be

Br

u

(©

H

HH

CH;

Daran cr Con 12

S

er Sr In

(d)

Vergleichen Sie die Bromierung in Allylstellung von 1,3-Pentadien

mit der von 1,4-Pentadien.

energetisch gemische?

stärker

Welche sollte schneller ablaufen?

begünstigt?

Wie

unterscheiden

CH>—=CH-—-CH—=CH—CH,

CH

- OH

CH,

CH

Welche ist

sich die Produkt-

-NB$; ROOR, CCl ,

em, re

13 Vergleichen Sie die Addition von H" an 1,3-Pentadien mit der an 1,4-Pentadien (s. Aufg. 12). Welches sind die Formeln der Reaktionsprodukte? Zeichnen Sie ein qualitatives Reaktionsprofil mit beiden Dienen und beiden Protonen-Additionsprodukten im gleichen Diagramm. Welches Dien addiert das Proton schneller? Welches gibt das stabilere Produkt? 14 Welche Produkte sind für die elektrophile Addition der folgenden Reagenzien an 1,3-Cycloheptadien zu erwarten:

(HI (b) Br; in H,O

(d) H,SO, in CH,CH;OH (e) HBr

+ ROOR

(c) IN;

15

Welches sind die Produkte der Reaktionen von frans-1,3-Pentadien

mit den Reagenzien aus Aufgabe 14? 16

Welches sind die Produkte

der Reaktionen

von 2-Methyl-1,3-penta-

°dien mit den Reagenzien aus Aufgabe 14? 17 Ordnen Sie die folgenden Carbenium-Ionen in der Reihenfolge abnehmender Stabilität. Zeichnen Sie für jedes die weiteren möglichen Resonanzformeln.

G@Ner- CHe GH (b) CH,=CH* (0 CH,CH}

undd)[email protected] (ch et ei CH che 665

14 Delokalisierte 7-Systeme und ihre Untersuchung durch UV-VIS-Spektroskopie

18 Zeichnen Sie die Molekülobitale des Pentadienyl-Systems in der Reihenfolge steigender Energie (s. Abb. 14-2 u. 14-9). Machen Sie deutlich, wie viele Elektronen sich in welchen Orbitalen aufhalten für (a) das

Radikal, (b) das Kation und (c) das Anion (s. Abb. 14-3 u. 14-9). Zeichnen Sie alle sinnvollen Resonanzformeln einer jeden dieser drei Spezies.

19 Diene können durch Eliminierungsreaktionen verbindungen dargestellt werden, zum Beispiel:

CH;

CH3

kat. H,SO,, A

substituierter Allyl-

—

CH;

H3C=C—CH=CHz

LDA

———

|

H;C—C=CH—CH3;Cl

Schlagen Sie einen detaillierten Mechanismus für diese Synthese von 2-Methyl-1,3-butadien (Isopren) vor. 20 Zeichnen Sie die Strukturen aller möglichen katalysierten Dehydratisierung von Vitamin A.

Produkte

der säure-

21 Schlagen Sie Synthesen über Diels-Alder-Reaktionen für jedes der folgenden Moleküle vor.

L

CN (a)

©

()

HszC

"CN

9 >

Y

H3C

COCH3

H;C

COCH3

| O

H

(e)

CH3

6) 1.

(d)

7

COCHs C3

OÖ

(Hinweis: s. Übung 14-20.) We!

Hc/ No

22 Dimethylazodicarboxylat fungiert in Diels-Alder-Reaktionen als Dienophil. Zeichnen Sie die Formeln der Produkte der Cyloaddition dieser Verbindung mit einem jeden der folgenden Diene. NeocH;

\ )

Dimethylazodicarboxylat

2 666

(a) 1,3-Butadien; (b) trans,trans-2,4-Hexadien;

(ec) 5,5-Dimethoxycyclopentadien; (d) 1,2-Dimethylencyclohexan.

23 Das bicyclische Dien A (Rand) reagiert mit geeigneten Alkenen gut in Diels-Alder-Reaktionen. Dagegen ist das Dien B vollkommen unreaktiv. Erklären Sie!

24 Zeichnen Produkte.

Sie

für

die

folgenden

Reaktionen

zu

erwartenden

Aufgaben

CH5O_ (a)

ahun

(d)

hr

CH3O D

(b)

u ı

D

(e)

at

H

H;C

CH3

--H

(c)

CH3

HC 25 Zeichnen Verbindungen:

Sie

die

ER

abgekürzten

Strukturformeln

der

folgenden

(a) (E)-1,4-Poly-2-methyl-1,3-butadien [(Z)-1,4-Polyisopren]; (b) 1,2-Poly-2-methyl-1,3-butadien (1,2-Polyisopren); (c) 3,4-Poly-2-methyl-1,3-butadien (3,4-Polyisopren); (d) Copolymer aus 1,3-Butadien und Ethenylbenzol (Styrol, C,H;CH=CH;3; das Copolymer wird in Autoreifen verwendet); (e) Copolymer aus 1,3-Butadien und Propennitril (Acrylnitril, CH,=CHCN, Latex); (f) Copolymer aus 2-Methyl-1,3-butadien (Isopren) und 2-Methylpropen (Butylkautschuk, wird für Schläuche verwendet). CH3

26 Am Rande ist die Formel des Terpens Limonen abgebildet. Zeigen Sie die 2-Methyl-1,3-butadien-Einheiten (Isopreneinheiten) in Limonen.

(a) Behandelt man Isopren mit katalytischen Mengen Säure, erhält man eine Reihe oligomerer Produkte, darunter auch Limonen. Schlagen Sie einen detaillierten Mechanismus für die säurekatalysierte Dimerisierung zweier Moleküle Isopren zum Limonen vor. Beachten Sie insbesondere Intermediate eines jeden Schrittes. (b) Zwei Moleküle

Isopren können

auch nach einem vollkommen

C H eo

Sch,

Limonen

anderen Mechanismus in völliger Abwesenheit irgendeines Katalysators zu Limonen dimerisieren. Wie lautet der Name dieser Reaktion? Welcher Mechanismus läuft ab? 27 Das von Geranylpyrophosphat abgeleitete Carbenium-Ion (Abschn. 14.10) ist die biosynthetische Vorstufe nicht nur von Campher, sondern auch von Limonen (Aufgabe 26) und a-Pinen (Kapitel 4, Aufgabe 17). Schlagen Sie Mechanismen für die Bildung der beiden letzteren vor. 28 Geben Sie den jeweils langwelligsten elektronischen Übergang für die folgenden Moleküle an unter Angabe der Molekülorbitalbezeichnun"gen wie n —> 7*, m —> m. (Hinweis: Stellen Sie für jede Verbindung ein Energiediagramm für die Molekülorbitale wie in Abbildung 14-18 auf.) (a) 2-Propenyl-(Allyl-)Kation, (b) 2-Propenyl-(Allyl-)Radikal, (ec) Formaldehyd, H,C=O, (d) N;, (e) Pentadienyl-Anion (Aufgabe 18) und (f) 1,3,5-Hexatrien. 29 Ethanol, Methanol und Cyclohexan sind häufig benutzte Lösungsmittel in der UV-Spektroskopie, weil sie keine Strahlung im Wellenlängenbreich oberhalb von 200 nm absorbieren. Warum nicht?

667

14 Delokalisierte 7-Systeme

30

und ihre Untersuchung durch

Konzentration 2 x 10°

UV-VIS-Spektroskopie

Das

Ultraviolett-Spektrum

einer

Lösung

von

3-Penten-2-on

der

mol/L zeigt eine x —> z*-Absorption bei 224

nm mit E = 1.95 und eine n —

#*-Bande bei 314 nm mit E = 0.008.

Berechnen Sie die Extinktionskoeffizienten dieser Banden.

31 In einer publizierten Darstellungsvorschrift wird Propanon (Aceton) mit Ethenylmagnesiumbromid (Vinylmagnesiumbromid) behandelt. Danach wird die Reaktionsmischung mit starker wäßriger Säure neutralisiert. Wenn die Vorschrift genau befolgt wird, erhält man ein Produkt mit dem 'H-NMR-Spektrum A. Welche Konstitution hat das Produkt? Wenn die Reaktionsmischung (entgegen der Vorschrift) zu lange in Kontakt mit der wäßrigen Säure bleibt, erhält man ein Produktgemisch, das 'H-NMR-Spektrum B ergibt. Neue Signale treten auf bei ö = 1.77 (viele Linien), 4.10 (Dublett, J=8 Hz) und 5.45 (breites Triplett, J=8 Hz). Die relativen Intensitäten dieser drei Signale betragen 6:2:1. Welche andere Verbindung hat sich neben dem ursprünglichen Produkt gebildet? Wie konnte es dazu kommen? 32 Farnesol läßt Pflanzen, beispielsweise Flieder, angenehm duften. Die Behandlung mit heißer konzentrierter Schwefelsäure wandelt Farnesol zunächst

in Bisabolen

und

schließlich

in Cadinen

um,

eine

Ver-

bindung, die in den ätherischen Ölen von Wacholder und Zeder vorkommt. Schlagen Sie für diese Umwandlungen detaillierte Mechanismen vor. CH3z

CH3

I

CH3

H;C

CH3

N

H

CH 3

—

CH

ee

nike

CH;

33

Das Verhältnis

von

CH3

(CH3),CH Cadinen

Bisabolen

Farnesol

H

1,2- zu 1,4-Addition

von Br, an 1,3-Butadien

(Abschn. 14.6) ist temperaturabhängig. Welches ist das kinetische und welches das thermodynamische Produkt? Begründen Sie Ihre Antwort. (6)

34

CH; CH30 OÖ

Die Diels-Alder-Cycloaddition von 1,3-Butadien mit dem am Rand

gezeigten Dienophil findet nur an einer der beiden Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen von letzterem unter Bildung eines einzigen Produkts statt. Geben Sie dessen Konstitution an und begründen Sie Ihre Antwort. Beachten Sie die Konfiguration. Diese Transformation ist der Anfangsschritt bei der Totalsynthese von Cholesterin (Abschn. 4.7), die R. B. Woodward (siehe Abschn. 14.9) 1951 durchgeführt hat. Diese damals monumentale Leistung hat die synthetische organische Chemie revolutioniert.

35

Beim

Erhitzen

isomerisiert

Bicyclo[2.2.0]hexa-2,5-dien

(Dewar-

Benzol) in einer mit etwa 251 kJ/mol exothermen Reaktion zu Benzol. Diese Reaktion hat jedoch die ungewöhnlich hohe Aktivierungsenergie von 155 kJ/mol. Versuchen Sie, diese hohe Aktivierungsenergie zu erklären.

[1 —() Dewar-Benzol

668

Aufgaben

669

14 Delokalisierte r-Systeme

36

und ihre Untersuchung durch

Umsetzung:

Erklären

Sie eine jede

mit

einem

Buchstaben

gekennzeichnete

UV-VIS-Spektroskopie

cı

a (a)

cl

IH

Or

in HH

hv ——

3

(©)

O# CD (d)

Eine spezielle Kombination

**

"|

©

von Reagenzien, die genau für diese Reaktion benutzt wird. Bewirkt eine langsame trans — cis-Isomerisierung der fransDoppelbindung.

37 Bestimmen Sie anhand der folgenden Informationen so gut Sie können die Konstitutionen der dazugehörenden vier Moleküle. Jedes reagiert mit einem Überschuß H, über Pd zu Hexan als einzigem Produkt. (a) "H-NMR: 5 = 1.6-2.9 (5H), 4.5-65 (5H) - UV: Me AS2.nm. 2.02 (4H), 4.5-6.5 (6H) w IH-NMR: ö Amax — 177 nm. (c) IH-NMR: dö = 1.68 (6H), 5.5-6.5 (4H) - UV: Amax = 227 nm.

(d) "H-NMR: ö

Anarı

|

0.8-2.0 (5H), 4.5-6.5 (5H) - UV:

222. nm:

Gruppenübung 38 DBeschäftigen Sie sich in Ihrer Arbeitsgruppe mit der historischen Synthese des Tris(1,1-dimethylethyl)-Derivates (B) von Dewar-Benzol durch die photochemische Isomerisierung von 1,2,4-Tris(1,1-dimethylethyl)benzol von van Tamelen und Pappas (1962). Die Rückreaktion zu A erfolgt weder über einen thermischen noch photochemischen elektrocyclischen Mechanismen. Formulieren Sie einen Mechanismus für die Bildung von B aus A und erklären Sie die kinetische Stabilität von B bezogen auf die Rückreaktion zu A.

f

N

Dr ar-Benzol

670

az

Rs En

x

ER

Die besondere Stabilität

des cyclischen Elektronensextetts Benzol, andere cyclische Polyene und

die elektrophile aromatische Substitution

Im Jahr 1825 erhielt der englische Wissenschaftler Faraday” durch die Pyrolyse von Walrat eine farblose Flüssigkeit (Sdp. 80.1°C, Smp. 5.5°C) mit der empirischen Formel CH. Diese Verbindung war mit der Theorie, nach der jedes Kohlenstoffatom vier Valenzen zu anderen Atomen ausbilden mußte, nicht in Einklang zu bringen. Besonders die ungewöhnliche Stabilität und chemische Trägheit (Abschn. 14.7) dieser Substanz fielen auf. Man nannte die Verbindung Benzol und stellte schließlich die Summenformel C,H, dafür auf. In der darauffolgenden Zeit schlugen mehrere Forscher Konstitutionen für diese Verbindung vor, die sich jedoch alle als inkorrekt erwiesen, so z.B. Dewar-Benzol, Claus-Benzol, Ladenburg**-Prisman und Benzvalen. Tatsächlich wurden seither Dewar-Benzol, Ladenburg-Prisman und Benzvalen (nicht aber Claus-Benzol) hergestellt. Diese Verbindungen sind jedoch instabil und ihre Isomerisierung zu Benzol verläuft sehr exotherm. Obwohl Benzol ziemlich inert ist, ist es doch nicht völlig unreaktiv. Beispielsweise wird es von Brom angegriffen, allerdings nur, wenn eine

katalytische Menge einer Lewis-Säure wie Eisentribromid, FeBr; zugegen ist (Abschn. 15.10). UÜberraschenderweise ist das Ergebnis nicht

eine

Addition,

sondern

eine

Substitution,

H

k

HH [

m [

+.

5;Br—Br

RL

Ladenburg-Prisman

aaa)

|

|

eb

le 3

N

3

sH

H

Benzol

Brombenzol (Substitutionsprodukt)

**

Claus-Benzol

2

|

=Ra

«Br;

°——>

en

*

Dewaär-Benzol

R

H

A ne

Konstitutionen für Benzol

bei der Brombenzol

entsteht.

|

Vorgeschlagene

Benzvalen Additionsprodukt wird nicht gebildet

Michael Faraday, 1791-1867, Professor an der Royal Institution of Chemistry, London. Benannt nach James Dewar,

1842-1923, Professor an der Universität Cambridge,

Eng-

land; Adolf Carl Ludwig Claus, 1838-1900, Professor an der Universität Freiburg, und Albert Ladenburg, 1842-1911, Professor an der Universität Breslau.

671

15 Die besondere Stabilität des cyclischen

Daß sich nur ein Produkt bei der Monobromierung bildet, steht vollkommen in Einklang mit der hexagonalen Symmetrie der Benzolstruk-

Elektronensextetts

tur. Die weitere Substitution unter Einführung eines zweiten Bromatoms liefert drei Isomere, 1,2-, 1,3- und 1,4-Dibrombenzol.

Br

EA

eRt

a Br

Br Br-, FeBr;

t |

-

HB

a l |DH

r

Br

En

ii

|SL, Br N

\=

%

N

III vv

Br

on

|

—

|

rt

EEE,

Br ce

3%

B er I

|

|

Br 1,2-Dibrombenzol

1,3-Dibrom-

1,4-Dibrom-

(identisch mit 1,6 Dibrombenzol)

benzol

benzol

Historisch

bereitete

die

Tatsache,

daß

nur

ein

1,2-Dibrombenzol

gebildet wurde, einige Probleme. Wenn es sich bei Benzol um ein Cyeclohexatrien mit alternierenden Doppel- und Einfachbindungen handeln würde,

hätte

man

zwei

unterschiedliche

Isomere

finden

müssen,

1,2-

und 1,6-Dibrombenzol, in denen die bromierten Kohlenstoffatome durch eine Einfach- bzw. durch eine Doppelbindung verknüpft wären. Es war

Kelul&*,

der dieses Rätsel auf brillante Weise löste, indem

er

im Jahre 1865 zwei schnell äquilibrierende (er gebrauchte den Ausdruck „oszillierende“) Strukturen vorschlug, die 1,2- und 1,6-Dibrombenzol ununterscheidbar machen würden. Wir wissen, daß diese Vorstellung

nicht vollkommen zutreffend war. Nach heutigen Vorstellungen ist Benzol eine Verbindung, die durch zwei äquivalente CyclohexatrienResonanzformeln beschrieben wird (Abschn. 14.7). Zu Anfang dieses Kapitels stellen wir die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Benzols vor. Zunächst lernen wir das System zur Benennung substituierter Benzole kennen. Dann betrachten wir die Elektronen- und Molekülstruktur der Stammverbindung und wenden uns schließlich der Ursache für die ungewöhnliche Stabilität des Benzols, seiner Aromatizität, zu. Diese Aromatizität und die besondere Struktur des Benzols beeinflussen seine Eigenschaften und Reaktivität. Danach wollen wir sehen, was geschieht, wenn mehrere Benzolringe zu einem ausgedehnten r-System kondensiert sind. Besitzen diese Verbindungen auch die besondere Stabilität und die Eigenschaften des Benzols? Ist Aromatizität nur typisch für sechsgliedrige Ringe, oder findet man sie auch bei anderen cyclischen Polyenen? Dieses Kapitel beantwortet auch diese Fragen. Die Reaktivität aromatischer Verbindungen unterscheidet sich beträchtlich von der der Alkene. Wir werden die elektrophile aromatische Substitution als eine der wichtigsten Reaktionen dieser Stoffklasse kennenlernen. Sie ermöglicht in Gegenwart einer Lewis-Säure die Halogenierung, Nitrierung, Sulfonierung und Friedel-Crafts-Alkylierung der Aromaten. Letztere hat einige Nachteile, die aber durch die FriedelCrafts-Alkanoylierung (-Acylierung) umgangen werden können, welche durch Umsetzung mit Alkanoylhalogeniden zu Arylketonen führt. Durch eine Reduktion der so erhaltenen Ketogruppe, etwa durch eine Clemmensen-Reduktion unter sauren Bedingungen, sind alkylierte Aromaten gut zugänglich. Ähnlich lassen sich auch viele Derivate des Naphthalins und des Anthracens herstellen.

* F. August Kekule, 1829-1896, Professor an der Universität Bonn.

672

systematische 15.1. DieBenennung von

15.1 Die systematische Benennung von

Benzolderivaten

B = nzolderiv aten

Aufgrund des starken Aromas vieler Benzolderivate nennt man sie aromatische Verbindungen. Deshalb gilt Benzol, obwohl es nicht unbedingt besonders angenehm riecht, als Stammverbindung der Aromaten. Sie sollten

sich darüber

im klaren

sein, daß

wann

immer

Sie Benzol

als

CH; | 103 a TR

| I

Sechseck mit drei Doppelbindungen niederschreiben, dies nur eine von zwei Resonanzformeln darstellt. Anders kann man die Benzolformel auch als Sechseck mit einem inneren Kreis schreiben. Viele monosubstituierte Benzolderivate benennt man, indem man den Substituentennamen dem Wort „Benzol“ voranstellt:

F |

NO, a

vr

or |

|

S

L_

Sa

Fluorbenzol

Nitrobenzol

ist dasselbe wie : CH;

©)

J CH x

(1,1-Dimethylethyl)benzol (tert-Butylbenzol)

Bei disubstituierten Benzolderivaten können die Substituenten drei mögliche Stellungen zueinander einnehmen. Bei benachbarten Substituenten stellt man dem Namen die Ziffern 1,2-(ortho, oder o-, griechisch für gerade) voran, 1,3-(meta-, oder m-, griechisch für versetzt) für 1,3disubstituierte Derivate und 1,4-(para-, oder p-, griechisch für jenseits) für

1,4-disubstituierte

Verbindungen.

Die

Substituenten

werden

in

alphabetischer Reihenfolge genannt.

Br

er: ER?!

CH>CH;

er

NO,

Say

=

ah

CH,CH CH; 1,2-Dichlorbenzol (o-Dichlorbenzol)

1-Brom-3-nitrobenzol (m-Bromnitrobenzol)

1-Ethyl-4-(1-methylethyl)benzol (p-Ethylisopropylbenzol)

Für die Benennung drei- oder höhersubstituierter Derivate werden die sechs Kohlenstoffatome des Rings so gezählt, daß die Substituenten möglichst niedrige Nummern erhalten. Dies kennen wir bereits von der Nomenklatur des Cyclohexans. CH;z 3

’ 1-Brom-2,3-dimethylbenzol

NO; 1,2,4-Trinitrobenzol

HC“

XS

2

ICH-=CH;

1-Ethenyl-3-ethinyl-S-ethylbenzol

Auf die folgenden Verbindungen werden wir in diesem Buch öfter stoßen: 673

oe CH;

Methylbenzol (Toluol)

# H3

a

vr

CH3

H;C

1,2-Dimethylbenzol (o-Xylol)

CH==CH>

CH;3

1,3,5-Trimethylbenzol (Mesitylen)

Ethenylbenzol (Styrol)

(häufig verwendete Lösungsmittel in Laboratorium und Industrie)

(Monomer für die

Phenol (Antiseptikum)

Herstellung von Susi,

OCH3

Methoxybenzol (Anisol) (in Parfüms verwendet)

NecH 3

Benzolcarbonsäure (Benzoesäure) (ein Konservierungsstoff für Lebensmittel)

Benzolcarbaldehyd (Benzaldehyd)

1- Phenylethanon (Acetophenon)

Benzolamin (Anilin)

(ein künstlicher Aromastoff)

(ein Hypnotikum)

(Grundstoff für die Farbstoffproduktion)

Wir werden mit Ausnahme von drei Systemen stets die TUPACNomenklatur verwenden. Für Phenol, Benzaldehyd und Benzoesäure folgen wir der in Chemical Abstracts bevorzugten Indexierung, d.h. wir benutzen diese Trivialnamen anstelle der systematischen Namen. Tragen diese Verbindungen weitere Substituenten am Ring, benennt man sie, indem man den Ring durchzählt oder die Präfixe o-, m- und p- benutzt. Das Kohlenstoffatom, das den Substituenten höchster Prio-

rität bindet, Nummer

der der Verbindung

den

Stammnamen

gibt, erhält

die

1. CH=CH>

1-Iod-2-methylbenzol (o-Iodtoluol)

BERN.

1-Brom-3-ethenylbenzol (m-Bromstyrol)

Eine Anzahl wohlriechender aromatischer Verbindungen haben Eigennamen, die oft auf die natürliche Herkunft hinweisen. Manche dieser Namen sind anerkannte JUPAC-Namen.

Einige Aromastoffe

vr

Ss

00H

“COOCH; CH(CH3)3 Methyl-2-hydroxybenzolcarboxylat (Methylsalicylat,

a benzolcarbaldehyd (Vanillin, Vanille-Aroma)

5-Methyl-2-(1-methylethyl)phenol (Thymol, Thymian-Aroma)

Wintergrün-Öl)

Der allgemeine Name für substituierte Benzole ist Arene. Ein Aren als Substituent heißt Arylgruppe, abgekürzt Ar. Der Stamm-Arylsubstituent heißt Phenyl, C,Hs. Die C;5HsCH>-Gruppe, die mit dem 2-Propenyl-(Allyl-)Substituenten verwandt ist (Abschn. 22.1), nennt man Phenylmethyl (Benzyl). 674

Br

CH>OH

CH>CH>CH>COOH

15.2 Struktur und Resonanzenergie von Benzol: Ein erster Blick auf die

Aromatizität

"CH3 Phenylmethanol (Benzylalkohol)

4-Phenylbutansäure

trans-1-(4-Bromphenyl)2-methylcyclohexan

Übung 15-1 ‚, Geben Sie die systematischen Namen und die Trivialnamen der folgenden substituierten .\ Benzolderivate an:

Cl

CH;

OH

D (a)

;

(b)

NO, :

NO-

(ce)

NO;

] Übung 15-2 Zeichnen Sie die Formeln der folgenden Moleküle: (a) (1-Methylbutyl)benzol; (b) L-Ethenyl-4-nitrobenzol (p-Nitrostyrol), (c) 2-Methyl-1,3,5-trinitrobenzol, (2,4,6-Trinitrotoluol — das hochexplosive TNT).

] Übung 15-3 Die folgenden Namen sind falsch. Geben Sie die korrekten Namen benzol; (b) o-Aminophenylfluorid; (c) p-Fluorbrombenzol.

an: (a) 3,5-Dichlor-

Wir fassen zusammen: Einfach substituierte Benzolderivate benennt man, indem man den Namen des Substituenten vor das Wort Benzol

stellt. Bei höher substituierten Systemen gibt die Bezeichnung ortho, meta oder para die Stellung der Substituenten an. Alternativ kann man den Ring durchnumerieren und die so festgelegten Substituenten alphabetisch ordnen. Viele einfache Benzolderivate haben Trivialnamen.

15.2 Struktur und Resonanzenergie von Benzol: Ein erster Blick auf die Aromatizität Benzol ist ungewöhnlich reaktionsträge: Bei Raumtemperatur verhält es sich vollkommen

inert gegenüber

Säuren,

H,, Br, und

KMnO,,

also

Reagenzien, die sich leicht an konjugierte Diene addieren (Abschn. 14.6). In diesem Abschnitt bekommen wir hierfür eine Erklärung: Die °cyclische Sechs-Elektronen-Anordnung wird durch eine besonders große Resonanzenergie stabilisiert (Abschn. 14.7). Wir wollen zunächst kurz die Ergebnisse zusammenfassen, aufgrund derer man die Konstitution des Benzols postuliert hat. Danach schätzen wir die Resonanzenergie des Benzols ab, indem wir seine Hydrierungswärme mit der von Modellsystemen vergleichen, bei denen keine cyclische Konjugation möglich ist, wie z.B. dem 1,3-Cyclohexadien.

675

15 Die besondere Stabilität

des cyclischen Elektronensextetts

Der Benzolring enthält sechs gleichmäßig überlappende £ p-Orbitale

Abbildung 15-IA zeigt uns die elektronische Struktur des Benzolrings. Alle Kohlenstoffatome sind sp’-hybridisiert und jedes p-Orbital überlappt gleichmäßig mit seinen beiden Nachbarn. Die auf diese Weise delokalisierten Elektronen bilden eine n-Wolke oberhalb und unterhalb der Ringebene (Abb. 15-1B). r-Bindung in Benzol

Abb. 15-1 Orbitalbild der Bindung im Benzol. (A) Die o-Bindungen sind als gerade Linien dargestellt mit Ausnahme der Bindungen zu einem Kohlenstoffatom, bei dem

das p-Orbital und die sp’-Orbitale explizit gezeigt sind. (B) Die sechs überlappenden p-Orbitale im Benzol bilden eine n-Wolke oberund unterhalb der Molekülebene.

Nach diesem Bild sollte das Benzolmolekül ein völlig symmetrisches Sechseck mit gleichartigen C—C-Bindungen bilden. In der Tat wurde diese Struktur experimentell bestätigt (Abb. 15-2). Es liegen keine alternierenden Einfach- und Doppelbindungen vor, wie es zu erwarten wäre, wenn Benzol ein konjugiertes Trien, ein „Cyclohexatrien“ wäre. Die C—C-Bindungslänge in Benzol beträgt 139 pm und liegt damit zwischen dem Wert einer Einfachbindung (147 pm) und dem einer Doppelbindung (134 pm) in 1,3-Butadien (Abb. 14-7).

Benzol ist besonders stabil: Hydrierungswärmen 109 pm

139 pm N

H

H

120° 120° Rn 159 ruktan des Denzal: Beeklle Ale sechs ce: Bindungen sind gleich lang; alle Bindungswinkel betragen 120°.

676

Um ein Maß für die relative Stabilität einer Reihe von Alkenen zu bekommen, kann man ihre Hydrierungswärmen bestimmen (Abschn. 11.7 u. 14.5). Ein ähnliches Experiment können wir mit Benzol durchführen und seine Hydrierungswärme mit der von 1,3-Cyclohexadien und Cyclohexen vergleichen. Diese Verbindungen sind besonders gut dafür geeignet, da man aus allen durch Hydrierung Cyclohexan erhält. Bei der Hydrierung von Cyclohexen werden etwa 120 kJ/mol frei. Dieser Wert steht in Einklang mit der Hydrierungswärme einer cis-Doppelbindung (Abschn. 11.7). Die Hydrierungswärme von 1,3-Cyclohexadien (AH® = —230 kJ/mol) beträgt etwas weniger als die doppelte von Cyclohexen, da das konjugierte Dien resonanzstabilisiert ist (Abschn. 14.5), wobei die Resonanzenergie in diesem Fall (2 x 120) kJ/mol — 230 kJ/mol = 10 kJ/mol ausmacht.

15.2

+ H;

„Pi-Katalysator

AH® = — 120 kJ/mol

+2

me,

AH® = —230 kJ/mol

Struktur und

Resonanzenergie von Benzol: Ein erster Blick auf die Aromatizität

Wie können wir die Hydrierungswärme von Benzol abschätzen? Läßt man

besondere

Resonanzeffekte

außer

Betracht,

könnte

man

für das

Molekül drei konjugierte Doppelbindungen annehmen, die sich ähnlich wie in Cyclohexen, mit Einfachbindungen abwechseln. (Dies wird in der Formel links hervorgehoben, die das normalerweise für Benzol reguläre Sechseck verzerrt wiedergibt.) Wenn der Resonanzeffekt in Benzol ebensoviel

ausmacht

wie in 1,3-Cyclohexadien,

könnten

wir AH”

der

Hydrierungswärme von Benzol folgendermaßen abschätzen: I

|

+3H,

Katalysator —

AH? =?

AH” = 3 (AH" der Hydrierung von ©) + 3 (Resonanz-Korrektur in a»

3x (-120) kJ/mol + (3 x 10) kJ/mol |

—360 kJ/mol + 30 kJ/mol —330 kJ/mol

Betrachten wir jetzt die experimentellen Daten. Obwohl Benzol nur schwer zu hydrieren ist (Abschn. 14.7), kann die Reaktion katalytisch durchgeführt werden, und man erhält für die Hydrierungswärme einen Wert von AH” = -206 kJ/mol, viel weniger also als der errechnete Wert von -330 kJ/mol. In Abbildung 15-3 sind die Ergebnisse der drei Hydrierungsexperimente nochmals zusammengefaßt und dem errechneten Wert eines hypothetischen Cyclohexatriens gegenübergestellt. Es fällt sofort

+3H3>

3H,

+ H,

+

| Resonanzenergie

= 124 kJ/mol

—330 kJ/mol | (errechnet) — 206 kJ/mol

— 230 kJ/mol — 120 kJ/mol

= Cyclohexan

Abb. 15-3 Die Hydrierungswärmen sind ein Maß für die ungewöhnliche Stabilität des Benzols. Aufgrund experimenteller Daten für Cyclohexen und 1,3-Cyclohexadien kann die Hydrierungswärme des hypothetischen „1,3,5-Cyclohexatriens“ abgeschätzt werden. Der Vergleich mit dem experimentellen AH” von Benzol ergibt einen Wert von etwa 124 kJ/mol für die aromatische Resonanzenergie.

677

15

Die besondere Stabilität

des cyclischen Elektronensextetts

auf, daß Benzol viel stabiler ist als ein cyclisches Trien mit alternierenden Einfach- und Doppelbindungen. Der Unterschied zwischen den Hydrierungswärmen (und den Bildungsenthalpien) beträgt ungefähr 124 kJ/mol und wird als Resonanzenergie von Benzol bezeichnet. Andere Namen dafür sind Delokalisierungsenergie, aromatische Stabilisierung, oder einfach Aromatizität von Benzol. Die ursprüngliche Bedeutung dieses Wortes hat sich also im Lauf der Zeit gewandelt, und sie bezeichnet heute eher eine thermodynamische Eigenschaft, keinen Geruch mehr. Lassen Sie uns zusammenfassen: Benzol hat die Struktur eines regelmäßigen Sechsecks, das von sechs sp’-hybridisierten Kohlenstoffatomen gebildet wird. Die Länge der C—C-Bindung liegt zwischen der einer Einfach- und einer Doppelbindung. Die Elektronen, die die p-Orbitale besetzen, bilden eine n-Wolke ober- und unterhalb der Ringebene. Die Struktur des Benzols kann durch zwei äquivalente Cyclohexatrien-Resonanzformeln beschrieben werden. Bei der Hydrierung von Benzol zu Cyclohexan werden etwa 124 kJ/mol weniger Energie frei, als anhand von nichtaromatischen Modellverbindungen zu erwarten wäre. Dieser Unterschied ist die Resonanzenergie des Benzols.

15.3 n-Molekülorbitale des Benzols In diesem Abschnitt vergleichen wir die sechs n-Molekülorbitale des Benzols mit denen von 1,3,5-Hexatrien, seinem offenkettigen Analogon. Beide Sätze von Orbitalen entstehen durch gegenseitige Überlappung von sechs p-Orbitalen, allerdings unterscheidet sich das cyclische System erheblich von dem acyclischen. Ein Vergleich der Energie der bindenden Orbitale in beiden Molekülen zeigt, daß die cyclische Konjugation dreier Doppelbindungen vollständiger als die acyclische ist.

Die Molekülorbitale von Benzol sind aufgrund cyclischer UÜberlappung verändert Die sechs cyclisch angeordneten, überlappenden p-Orbitale bilden einen Satz von sechs Molekülorbitalen. Dem gegenübergestellt sind in Abbildung 15-4 die Molekülorbitale eines offenkettigen Analogons, 1,3,5Hexatrien. Wie auch bei 1,3-Butadien (Abb. 14-9) haben die Molekülor-

bitale mit zunehmender Energie eine zunehmende Anzahl von Knoten. Aufgrund der Symmetrie des Benzolmoleküls kann das Hinzufügen eines oder zweier Knoten auf zweierlei Weise erfolgen, damit entstehen zwei

Diese

Paare

von

energiegleichen

energiegleichen

besetzten

Orbitale

Molekülorbitalen,

sind entartet,

und die niedrigsten unbesetzten

y,y;

sie bilden

und

w4,%s.

die höchsten

Orbitale des Benzols.

1,3,5-

Hexatrien dagegen läßt sich mit einem Satz unterschiedlicher (nicht entarteter) Molekülorbitale beschreiben. Die Energieniveaus der Molekülorbitale beider Systeme sind qualitativ in Abb. 15-5 gezeigt. Jedes System hat sechs p-Elektronen, die sich auf die drei bindenden Molekülorbitale

verteilen.

Benzol

ist stabiler

als 1,3,5-Hexatrien,

da zwei

seiner drei besetzten Molekülorbitale von niedriger Energie sind.

Manche

Reaktionen

verlaufen über aromatische

UÜbergangszustände Manche Reaktionen, die über eine scheinbar komplizierte, Konzertierte Bewegung von drei Elektronenpaaren verlaufen, können auf einfache Weise erklärt werden, wenn man benzolähnliche Übergangszustände in Betracht zieht. Beispiele sind die Diels-Alder-Reaktion (Abschn. 14.8), die Addition von Permanganat an Alkene (Abschn. 12.10) und der erste Schritt der Ozonolyse (Abschn. 12.11). Alle drei Reaktionen ver-

678

A

B

Abb. 15-4 n-Molekülorbitale von Benzol (A) und von 1,3,5-Hexatrien (B). Der Einfachheit halber sind alle Molekülorbitale gleich groß gezeichnet. Orbitallappen gleichen Vorzeichens können überlappen (bindende Wechselwirkung). Knotenebenen sind durch gestrichelte Linien festgelegt; sie trennen unterschiedliche Vorzeichen. Die Energie der Orbitale nimmt mit steigender Anzahl von Knoten zu. Beachten Sie, daß Benzol zwei Sätze von entarteten Orbitalen hat, von denen die mit geringerer Energie besetzt sind (%», ya). Die anderen sind leer (4, ps).

——

-

? Antibindende Molekülorbitale

Bindende Molekülorbitale

Abb. 15-5 Energieniveaus der n-Molekülorbitale von Benzol und 1,3,5-Hexatrien.

In beiden

Systemen besetzen die r-Elektronen nur bindende Molekülorbitale. In Benzol sind zwei besetzte Molekülorbitale von geringerer Energie als in 1,3,5-Hexatrien,

eines ist energiereicher, so daß insgesamt das n-System des Benzols stabiler ist.

679

15

Die besondere Stabilität

des cyclischen Elektronensextetts

laufen über Übergangszustände, bei denen sich die sechs cyclisch angeordneten Elektronen in n-Orbitalen (oder in Orbitalen mit n-Charakter) überlappen. Die elektronische Struktur gleicht der des Benzols und ist energetisch gegenüber einer alternativen, stufenweise ablaufenden Bindungsbildung bevorzugt. Übergangszustände dieses Typs nennt man daher aromatisch.

Aromatische Übergangszustände

IR )\ir

I a4

N Diels-AlderReaktion

ENG

74

NS

OsmiumtetroxidAddition

BR

Ö:

Ay On

| Übung 15-4 | Wenn Benzol ein Cyclohexatrien wäre, gäbe es jeweils zwei Isomere von 1,2-Dichlor|

A

| GI

N B

AH° = +42 kJ/mol

benzol und 1,2,4-Trichlorbenzol.

Zeichnen Sie diese Isomere.

Ü Übung 15-5 Die thermische Ringöffnung von Cyclobuten zu 1,3-Butadien verläuft exotherm (AH! = —42 kJ/mol. Abschn. 14.9). Andererseits ist dieselbe Reaktion von Benzocyclobuten, \ A zu B endotherm um den gleichen Betrag. Erklären Sie diesen Befund.

Wir halten fest, daß zwei der besetzten n-Molekülorbitale des Benzols

eine niedrigere Energie als die des 1,3,5-Hexatriens haben. Benzol wird daher durch eine erheblich größere Resonanzenergie als sein acyclisches Analogon stabilisiert. Eine ähnliche Orbitalanordnung stabilisiert auch aromatische Übergangszustände.

15.4 Die spektroskopischen Eigenschaften von Benzol Spiegelt sich die einzigartige Natur des Benzols und seiner Derivate auch in deren Spektren wider? Dieser Abschnitt zeigt, daß die Elektronenkonfiguration in diesen Molekülen zu charakteristischen UV-Spektren führt. Die hexagonale Struktur zeigt sich auch in spezifischen IRBanden. Noch bemerkenswerter ist aber, daß durch die cyclische Delokalisation

der r-Elektronen

„induzierte

Ringströme“

auftreten,

was zu

einer ungewöhnlich großen Entschirmung der Ringwasserstoffatome in der NMR-Spektroskopie führt. Darüber hinaus kann man aus den unterschiedlichen Kopplungskonstanten von 1,2-(ortho-), 1,3-(meta-) und 1,4-(para-)ständigen Wasserstoffatomen auf das Substitutionsmuster schließen.

Das UV/VIS-Spektrum von Benzol als Folge seiner elektronischen Struktur Die cyclische Delokalisation der n-Elektronen im Benzol führt zu einer charakteristischen Anordnung der Energieniveaus der Molekülorbitale (Abb. 15-4). Insbesondere ist der Energieunterschied zwischen bindenden und antibindenden Niveaus sehr ausgeprägt (Abb. 15-5). Läßt sich dies aus dem Elektronenspektrum erkennen? Wie in Abschnitt 14.11 gezeigt, ist die Antwort ja: Im Vergleich zu den Spektren der acyclischen Triene können wir für Benzol und seine Derivate kleinere Anax-

680

1,3,5-Hexatrien

Extinktion (E)

Extinktion (E)

230

240

250

260

270

280

230

270

240

Wellenlänge/nm

280

Wellenlänge/nm

Abb. 15-6 UV-Spektrum von Benzol: Amax (£) = 234 (30), 238 (50), 243 (100), 249 (190), 255 (220), 261 (150) nm und 1,3,5-Hexatrien: Amax (E) = 247 (33900), 258 (43700), 268 (36300) nm. Die dazugehörigen Extinktionskoeffizienten sind bei 1,3,5-Hexatrien sehr viel größer als bei Benzol, das rechte Spektrum wurde deshalb bei niedrigerer Konzentration aufgenommen.

Werte erwarten.

Sie können dies anhand von Abb.

15-6 nachvollziehen,

die langwelligste Absorption des Benzols liegt bei 261 nm, entspricht also eher der des 1,3-Cyclohexadiens (259 nm, Tabelle 14-2) als der des 1,3,5-Hexatriens (268 nm). Die Elektronenspektren aromatischer Verbindungen ändern sich durch Einführung von Substituenten; diesen Effekt nutzt man bei der Synthese maßgeschneiderter Farbstoffe aus (Abschn. 22.10). Einfach substituierte Benzole absorbieren zwischen 250 und 290 nm. So hat beispielsweise die wasserlösliche 4-Aminobenzoesäure (p-Aminobenzoesäure) 4-H-N— C,H,— COOH ihr Anax bei 289 nm mit einem relativ großen Extinktionskoeffizienten von 186000. Aufgrund dieser Eigenschaft (und weil sie praktisch nichttoxisch ist) wird sie in Sonnencremes verwendet, wo sie die gefährliche ultraviolette Sonnenstrahlung in diesem Wellenlängenbereich herausfiltert.

Das Infrarotspektrum zeigt das Substitutionsmuster von Benzolderivaten an Die Infrarot-Spektren von Benzol und seinen Derivaten zeigen in drei Bereichen charakteristische Banden. Die Phenyl-Wasserstoff-Valenzschwingung erscheint bei 3030 cm!. Dieser Wert liegt sehr nahe an der Wellenzahl einer Alkenyl-Wasserstoff-Valenzschwingung und steht in Einklang mit einer C,»—H-Bindung. In der nächsten Region, von 1500-2000 cm!, absorbiert die C—C-Valenzschwingung des aromatischen Rings. Endlich findet man zwischen 650 und 1000 cm”! eine Reihe von Banden, die der C—H-Deformationsschwingung out of plane (aus der Molekülebene heraus) zuzuordnen sind. Typische Infrarot-C — H-Deformationsschwingungen (out of plane) von substituierten Benzolderivaten (Y in cm) R

R

R

Trees!

R

R R

690-710 730-770

735-770

690-710

790-840

750-810

681

100

H

H

H\

= H

Durchlässigkeit % in

H“

H

| H——-C —H

H

4000

3500

3000

2500

2000

1500 Wellenzahl

1000

600 cm

#

Abb. 15-7 IR-Spektrum von 1,3-Dimethylbenzol (m-Xylol). Man sieht zwei Banden von C—H-Valenzschwingungen, die aromatische C—H-Valenzschwingung bei 3030 cm’ und die gesättigte C—H-Valenzschwingung bei 2920 cm"!. Die zwei Absorptionen bei 690 und 765 cm sind für 1,3-disubstituierte Benzolderivate charakteristisch.

Aus der genauen Lage dieser Banden geht das spezifische Substitutionsmuster eindeutig hervor. So liegt die Absorption von 1,2-Dimethylbenzol (o-Xylol) bei 738 cm!, das 1,4-Isomer absorbiert bei 793 cm!,

und das 1,3-Isomer (Abb. 15-7) Bereich, bei 690 und 765 cm.

hat

zwei

Absorptionen

in diesem

Die NMR-Spektren von Benzolderivaten zeigen die Auswirkungen des elektronischen Ringstroms

Chemische Verschiebung von Allylund Benzylprotonen

CH>=CH—CH3

Für die Identifizierung aromatischer Verbindungen ist die 'H-NMRSpektroskopie ein unentbehrliches Hilfsmittel geworden. Die cyclische Delokalisation des aromatischen Rings hat eine ungewöhnlich starke Entschirmung zur Folge, so daß die Ringprotonen bei sehr hoher Frequenz absorbieren (ö = 6.5-8.5), höher sogar als Alkenyl-Protonen (ö = 4.6-5.7, s. Abschn. 11.4). Das 'H-NMR-Spektrum von Benzol zeigt ein scharfes Singulett der sechs äquivalenten Wasserstoffatome bei ö = 7.27. Wie kann man diese starke Entschirmung erklären? Vereinfacht könnte man das cyclische rSystem mit einer Schleife aus einem leitenden Material vergleichen. Bringt man diese Schleife in ein dazu senkrechtes magnetisches Feld (Bo), fließt ein elektrischer Strom (genannt Ringstrom) in der Schleife, der wiederum ein neues lokales magnetisches Feld (Bjox.) aufbaut, das in der Schleife dem äußeren Feld B, entgegengerichtet ist (Abb. 15-8). Außerhalb äußere

in einem

lokalen

Feld,

das sich aus B, +

Benzylprotonen

Bjoxaı aufbaut, befinden sich die Aren-Wasserstoffatome. Um bei einer konstanten Frequenz v Resonanz zu erzeugen, muß man also die Feldstärke auf diesen Wert (Bo + Bioraı) reduzieren: die Kerne sind entschirmt. Dieser Effekt ist nahe am Ring am stärksten und nimmt mit zunehmender Entfernung von diesem ab. Benzylprotonen sind deshalb nur um etwa 0.4 bis 0.5 mehr entschirmt als Allylprotonen. Sind die

ö = 2.35

Wasserstoffatome

Allylprotonen

ö = 1.68

682

der Schleife verstärkt jedoch das induzierte Feld Bjoraı das

Feld B,. Hier, d.h.

noch weiter vom

n-System entfernt, unterscheiden sie

magnetisches

15.4 Die spektroskopischen Eigenschaften von Benzol

Bioxal | 5 r —

nr ar

De, Feld,

Ringstrom

as

kreisender Elektronen

a

"Externes Feld, 3, Abb. 15-8 Der Einfluß eines äußeren Magnetfeldes B, auf die n-Elektronen in Benzol. Ein Ringstrom im Sechsring erzeugt ein lokales Magnetfeld, das im Ring dem äußeren Feld entgegengerichtet ist, dieses jedoch außerhalb des Rings verstärkt. Daher treten die Wasserstoffatome bei höherer Frequenz in Resonanz.

sich in ihrer chemischen Verschiebung nur wenig voneinander und absorbieren fast an gleicher Stelle wie Alkan-Wasserstoffatome. Das Ringstrom-Modell kann nicht nur die Entschirmung von Wasserstoffatomen

außerhalb

des n-Elektronenkreises

erklären,

sondern

auch

die Abschirmung von Kernen, die über dem Ring liegen. Bei manchen substituierten Benzolderivaten läßt sich dieser Effekt gut beobachten. Betrachten wir als Beispiel das para-verbrückte Benzolderivat [10]Cyclophan (vom griechischen phainein, ähneln, z.B. einem Ring ähneln). Die Methylenprotonen dieser Verbindung haben sehr unterschiedliche chemische Verschiebungen, da manche von ihnen sich in der entschirmten Region befinden, manche jedoch im abschirmenden Bereich des induzierten Feldes liegen (Abb. 15-9).

(CH3)J4Si

ö Abb. 15-9 Der Alkan-Bereich eines 220 MHz

'H-NMR-Spektrums

von [10]Cyclophan in

CCl;. (Mit freundlicher Genehmigung von Prof. Michael J. McGlinchey, McMaster University, Hamilton, Ontario, Kanada.)

683

Start of sweep

>——B—

900 Hz

750

600

End of sweep

450

300

150

0

Br

10

9

8

7

6

5

4

3

FRE"

1

ws

Abb. 15-10 90 MHz 'H-NMR-Spektrum von Brombenzol in CCl,. Die ortho-, meta- und para-Wasserstoffatome haben unterschiedliche chemische Verschiebungen und koppeln untereinander.

Obwohl das NMR-Spektrum von Benzol nur ein einziges scharfes Signal zeigt, erhält man von substituierten Derivaten oft komplizierte Muster. So sind in einer monosubstituierten Verbindung die zum Substituenten ortho, meta und para-ständigen Wasserstoffatome spektroskopisch verschieden und können deshalb unterschiedliche chemische Verschiebungen haben. Darüber hinaus können alle nicht äquivalenten Kerne über den Ring miteinander koppeln, so daß man oft ein Spektrum höherer Ordnung erhält. Betrachten wir als Beispiel das NMRSpektrum von Brombenzol (Abb. 15-10). Durch das Bromatom erfahren die benachbarten Wasserstoffatome verglichen mit Benzol eine Hochfrequenzverschiebung (Ad = 0.22), das meta-Wasserstoffatom ist dagegen leicht zu niedrigen Frequenzen verschoben (Ad = -0.13), ebenso das para-Wasserstoffatom (Ad = -0.03). Außerdem koppeln alle Protonen miteinander und erzeugen so ein kompliziertes Spektralmuster. Es gibt Substituenten, die die chemische Verschiebung der Ringprotonen nur wenig beeinflussen, so daß diese (fast) alle an der gleichen Stelle absorbieren und ein verbreitetes Singulett ergeben. Solch eine Absorption finden wir im NMR-Spektrum von Methylbenzol (Toluol, s. Abb. 15-11). Manchmal bewirken Substituenten Unterschiede in den chemischen Verschiebungen, die groß genug sind, um ein Spektrum erster Ordnung zu erzeugen. Dies ist besonders bei Benzolderivaten der Fall, die sowohl elektronenabziehende (entschirmende) Substituenten und elektronenliefernde (abschirmende) Substituenten tragen. So zeigt das 'H-NMRSpektrum von 4-(N,N-Dimethylamino)benzolcarbaldehyd (p-Dimethylaminobenzaldehyd) einen Satz von zwei Dubletts für die aromatischen Wasserstoffatome (Abb. 15-12). Die Absorptionen bei höherem Feld (ö = 6.69) sind den Wasserstoffatomen ortho zur elektronenreichen Aminogruppe zuzuordnen, während das Dublett bei ö = 7.76 den Wasserstoffatomen ortho zur elektronenziehenden Methanoyl-(Formyl)Gruppe zuzuordnen ist. Die Kopplungskonstante zwischen jedem der

Start of sweep PT

pn

900 Hz

750

i |

|

I

\

=

——

600

End of sweep ne

Fr 450

300

150

0

1

'|

|

ö Abb. 15-11 90 MHz 'H-NMR-Spektrum von Methylbenzol (Toluol) in CCl,. Die chemischen Verschiebungen der Aren-Wasserstoffatome unterscheiden sich hier nur wenig und führen zu einem verbreiterten Singulett.

Start of sweep 900 Hz

—B-— 750

600

450

End of sweep 300

150

0

6H

(CH3)aSi

Abb. 15-12 90 MHz 'H-NMR-Spektrum von 4-N,N-Dimethylaminobenzolcarbaldehyd (p-Dimethylaminobenzaldehyd) in CCl,. Neben den zwei Dubletts im aromatischen Bereich (J = 9 Hz) zeigt es Singuletts der Methylprotonen (d = 3.07) und der Methanoyl-(Formyl-)Protonen (d = 9.80).

685

Start of sweep 900 Hz

750

600

450

300

150

0

N

(CH3)4Si

10

Abb. 15-13 'H-NMR-Spektrum von 1-Methoxy-2,4-dinitrobenzol Bereich zeigen alle drei Kopplungstypen.

(2,4-Dinitroanisol)

in CDCh.

Die

Signale

im aromatischen

beiden Wasserstoffatome neben der Aminogruppe und ihrem entsprechenden Nachbarn neben der Methanoyl-(Formyl)-Gruppe beträgt 9 Hz. Dieser Wert ist typisch für eine ortho-Kopplung. Andere Kopplungskonstanten in Benzol sind kleiner, 2—3 Hz für meta-Kopplung und ungefähr 1 Hz für para-Kopplung. In Abbildung 15-13 ist ein Spektrum erster Ordnung mit allen drei Arten von Kopplungskonstanten dargestellt. 1-Methoxy-2,4-dinitrobenzol (2,4-Dinitroanisol) trägt drei Ringwasserstoffatome mit recht unterschiedlichen chemischen Verschiebungen und Aufspaltungsmustern. Die para-Kopplung ist so gering, daß sie nur als Verbreiterung erkennbar ist. Das Wasserstoffatom ortho zur Methoxygruppe erzeugt deshalb ein verbreitertes Dublett bei ö = 7.30 mit einer ortho-Kopplungskonstanten von J = 9 Hz. Das Wasserstoffatom, das zu beiden Seiten von Nitrogruppen flankiert ist, absorbiert bei höchster Frequenz (öd = 8.73), es ergibt ebenfalls ein Dublett mit einer meta-Kopplungskonstanten von J = 3 Hz, da es durch Kopplung mit dem Kern meta zur Methoxygruppe aufspaltet; dieses letztgenannte Wasserstoffatom erzeugt ein doppeltes Dublett bei ö = 8.50, da es gleichzeitig mit den anderen beiden Ringprotonen koppelt. Im Gegensatz zu den 'H-NMR-Spektren von Benzol und seinen Derivaten zeigt die "’C-NMR-Spektroskopie keinen Ringstromeffekt, da die chemischen Verschiebungen von Kohlenstoffatomen weitgehend von der Ladung und der Hybridisierung bestimmt werden. Außerdem liegen die Kohlenstoffatome des Rings genau in der Mitte zwischen entschirmten und abgeschirmten Bereichen um den Benzolkern, so daß jeglicher Einfluß des Ringstroms erlischt. Charakteristische Werte von unsubstituierten Benzolkohlenstoffatomen finden sich in einem Bereich von ö = 120 bis 135, gleichen also denen von Alken-Kohlenstoffatomen. Alkylsubstituierte Kerne absorbieren bei niedrigerem Feld, Benzol-Kohlenstoffatome, die polare Gruppen tragen, können zu hohen oder niedrigen Frequenzen verschoben sein (Tab. 15-1). Symmetrisch substituierte

686

Tabelle 15-1 ®C-NMR-Daten

15.5

ausgewählter Benzolderivate (chemische Verschiebung, d)

Mehrkernige benzoide Kohlenwasserstoffe

H;C

137. eo.

721.3

155.6

96,7

ey

133. 9ı—_>

116.02 2a

“

130. Be

128.7 %

Benzolderivate

haben

I

eh

x 1297

120

recht einfache

BC-NMR-Spektren.

1,3,5-Trime-

thylbenzol zum Beispiel zeigt nur drei Linien, die Spektren des 1,2,3Isomers und des 1,2,4-Isomers dagegen sind komplizierter (sechs bzw. neun Linien). ) Übung 15-6 j Lassen sich die drei isomeren Trimethylbenzole anhand der Anzahl der Peaks im proto-

nenentkoppelten "C-NMR-Spektrum unterscheiden? Übung 15-7 Die Elementaranalyse eines Kohlenwasserstoffs hatte folgendes Ergebnis: 89.55% C 10.45% H. Man erhielt folgende spektroskopischen Daten: 'H-NMR (90 MHz): ö = 1

ı 7.02 (s, 4H), 2.82 (Septett, J = 7.0 Hz, 1 H), 2.28 (s, 3 H), und 1.22 (d, J = 7.0 Hz, 6 H); PC-NMR: d = 21.3, 24.2, 38.9, 126.6, 128.6, 134.8 und 145.7; Massenspektrum

"I (s. Kap. 20): m/z = 134 (M*), 119 und 77; IR:.v = 3030, 2970, 2880, 1515, 1465 und 813 cm; UV: Ayax (€) = 265 (450). Welche Konstitution hat dieser Kohlenwasserstoff?

Wir fassen zusammen: Mit spektroskopischen Methoden kann man Benzol und seine Derivate identifizieren und ihre Konstitution aufklären. Elektronenabsorption findet zwischen 250 und 290 nm statt. Infrarot-Schwingungsbanden findet man bei 3030 (Cyromatisch—H), von 1500 bis 2000 (C—C) und von 650 bis 1000 cm”! (C—H-Deformation, out of plane). Die meiste Information erhält man durch das NMR-Spektrum, das die Absorption von Aren-Wasserstoffatomen und -Kohlenstoffatomen bei niedrigem Feld zeigt. Die stärkste Kopplung findet zwischen ortho-Wasserstoffatomen statt, meta- und para-Kopplung sind schwächer.

15.5 Mehrkernige benzoide Kohlenwasserstoffe >

Was passiert, wenn mehrere Benzolringe zu einem ausgedehnten tSystem kondensiert sind? Moleküle dieser Art heißen mehrkernige (polycyclische) benzoide oder mehrkernige (polycyclische) aromatische Kohlenwasserstoffe

(PAKs).

In

diesen

Strukturen

teilen

zwei

oder

mehr Benzolringe zwei oder mehr Kohlenstoffatome. Sind diese Verbindungen ebenso stabil wie Benzol? Wie die nächsten beiden Abschnitte zeigen werden, ist dies größtenteils der Fall. Es gibt kein einfaches Nomenklatursystem für diese Verbindungen, wir werden daher ihre Trivialnamen benutzen. Es gibt nur eine Möglichkeit, zwei Benzolringe zu kondensieren; dabei entsteht das Naphthalinmolekül. Die weitere Kondensation kann in linearer Weise erfolgen, wobei

Anthracen,

Tetracen,

Pentacen

usw.

entstehen.

Diese

Verbin-

dungsreihe bezeichnet man als Acene. Wird der dritte Benzolring nicht linear, sondern angular ankondensiert (peri-Kondensation), erhält man Phenanthren. An dieses Molekül können weitere Ringe anelliert werden, woraus sich eine Fülle neuer benzoider Polycyclen ergibt.

687

15

Die besondere Stabilität

|

des cyclischen Elektronensextetts

E

a

8

!

R

e

9

e

8

1

3 Ele |be: | Se & da 4a

4

5

4

Naphthalin

l

ne

NZ

10

5

& 4

Anthracen

10

Da 5

12

h

11

4aI 5a

2 I

10

8

6a

:)

6

7

Tetracen (Naphthacen)

6

Phenanthren

Triphenylen

Pyren

Jedes dieser Moleküle hat sein eigenes Numerierungssystem für die Kohlenstoffatome entlang der Peripherie. Ein quartäres Kohlenstoffatom erhält die Nummer des vorhergehenden Kohlenstoffatoms, woran die Buchstaben „a“, „b“ usw. angehängt werden, die angeben, wie nahe sich das quartäre Kohlenstoffatom an diesem befindet. ]) Übung 15-8 | Benennen Sie die folgenden Verbindungen bzw. zeichnen Sie deren Konstitutions" formeln. (a) 2,6-Dimethylnaphthalin; (b) 1-Brom-6-nitrophenanthren; (c) 9,10-Diphe„ nylanthracen;

OD

Br

HO3S

m

NO,

15.6 Kondensierte benzoide Kohlenwasserstoffe: Naphthalin und die trıcyclischen Systeme Im Gegensatz zu Benzol, das bei Raumtemperatur flüssig ist, ist Naphthalin eine farblose kristalline Substanz mit einem Schmelzpunkt von 80°C. Sicherlich kennt jeder von uns Naphthalin als Mottenpulver (den charakteristischen Geruch dieser Verbindung bringt jeder sofort mit Mottenkugeln in Verbindung) und Insektizid, obwohl es in diesem Bereich teilweise durch chlorierte Verbindungen wie 1,4-Dichlorbenzol (p-Dichlorbenzol) ersetzt wurde. Ist Naphthalin noch aromatisch? Hat es eine dem Benzol vergleichbare delokalisierte elektronische Struktur und eine dementsprechende thermodynamische Stabilität? Die spektroskopischen Eigenschaften von Naphthalin legen nahe, daß dem so ist. Besonders aussagekräftig sind hier die UV- und NMR-Spektren.

Naphthalin ist aromatisch: Ein Blick auf die Spektren Das Ultraviolett-Spektrum von Naphthalin (s. Abb. 15-14) ist mit Banden bis zu Wellenlängen von 320 nm typisch für ein ausgedehntes konjugiertes System. Hieraus läßt sich schließen, daß die Elektronen delokali-

688

5

-

15.6

Kondensierte benzoide Kohlenwasserstoffe: Naphthalin und die tricyclischen Systeme

Absorption log in & Abb. 15-14 Die ausgedehnte n-Konjugation im Naphthalin zeigt sich im UV-Spektrum (gemessen

m

in 95%

1

200

Ethanol). Die Komplexität

und Lage der Absorptionsbanden sind typisch für ausgedehnte

20

240

20

230

30

320

340

n-Systeme.

Wellenlänge in nm

siert sind und das n-System sich über mehr Atome als beim Benzol erstreckt (s. Abschn. 15.2 u. Abb. 15-6). Offensichtlich überlappen also die p-Orbitale der vier zusätzlichen Kohlenstoffatome mit denen des anellierten Benzolrings. Tatsächlich ist es möglich, mehrere Resonanzformeln zu zeichnen. Resonanzformeln von Naphthalin

OD| L

Das Orbitalbild der Überlappung der zehn p-Orbitale ist in Abb. 15-15 gezeigt. Nach diesen Darstellungen sollte Naphthalin eine symmetrische Struktur mit planaren und nahezu sechseckigen Benzolringen und zwei senkrecht aufeinanderstehenden Symmetrieebenen haben. Diese Erwar-

Abb. 15-15 Orbitalbild von Naphthalin, in dem die aus-

gedehnte Überlappung der n-Orbitale gezeigt ist.

15

Die besondere Stabilität

Abb. 15-16 Molekülstruktur von Naphthalin. Die Bindungswinkel in den Ringen betragen etwa 120°.

142 pm

des cyclischen r

Elektronensextetts

137 pm 140 pm

121

BC.NMR-Daten von Naphthalin (6)

°

tung wird durch die Röntgenstrukturanalyse bestätigt (s. Abb. 15-16). Die C—C-Bindungen unterscheiden sich in ihrer Länge kaum von denen im Benzol (139 pm), sind aber deutlich verschieden von reinen Einfach- (154 pm) und Doppelbindungen (133 pm). Einen weiteren Anhaltspunkt für Aromatizität liefert das 'H-NMRSpektrum des Naphthalins (Abb. 15-17). Man erkennt zwei symmetrische Multipletts bei ö = 7.40 und 7.77, die charakteristisch für aromatische Wasserstoffatome sind, die durch den Ringstrom der rn-Elektronen entschirmt werden (s. Abschn. 15.4, Abb. 15.8). Die Kopplungskonstanten im Naphthalinring sind sehr ähnlich denen in 'substituierten' Benzolen: Joa. = 7.5 HZ, Ju = WARE undu) = 057 dlze 100 BC-NMR-Spektrum finden sich drei Linien in dem auch für andere Benzolderivate typischen Bereich (siehe Randspalte). Die chemischen Verschiebungen liegen also im Bereich von Benzolderivaten. Aus diesen strukturellen und spektroskopischen Befunden läßt sich ableiten, daß Naphthalin aromatisch ist. Entsprechendes gilt auch für die meisten anderen mehrkernigen benzoiden Kohlenwasserstoffe. Offensichtlich wird die Delokalisierung der n-Elektronen in den einzelnen Benzolringen nicht wesentlich dadurch gestört, daß sie mindestens eine r-Bindung mit einem anderen Ring teilen müssen.

Abb. 15-17 Das 90-MHz 'H-NMR-Spektrum von Naphthalin in CCl, zeigt die charakteristische Entschirmung durch die ringförmige Delokalisierung von r-Elektronen.

Zn

Start of sweep 900 Hz

6%

750

600

Bm 450

End of sweep 300

150

0

) Übung 15-9

15.6

Ein substituiertes Naphthalin C,oHsO; liefert die folgenden spektroskopischen

Daten:

Kondensierte benzoide Kohlenwasserstoffe:

IH-NMR 8 = 6.92 (dd, J = 7.5 Hz und 1.4 Hz, 2 H), 7.00 (s, 2 H) und 7.60 (d, J =

Naphthalin und die

B 7.5 Hz, 2 H); "C-NMR = 107.5, 115.3, 123.0, 129.3, 136.8 und 155.8; IR # = 3100

tricyclischen Systeme

l cm-!, Welche Konstitution hat diese Verbindung?

Synthese von Naphthalinen: Eine Übung in Anellierung Naphthalin und seine Methylderivate isoliert man aus dem Steinkohlenteer, spezifisch substituierte Derivate müssen jedoch synthetisiert werden. Eine allgemeine Darstellung des Naphthalinsystems beginnt mit einem substituierten Benzol und benutzt dann eine Folge von Reaktionen, die wir zum Teil schon kennengelernt haben. Friedel-CraftsAlkanoylierung (-Acylierung, s. auch Abschn. 15.12-15.14) mit Butandisäureanhydrid (Bernsteinsäureanhydrid), Clemmensen-Reduktion (s. Abschn. 16.6) des entstandenen Ketons, danach eine intramolekulare Friedel-Crafts-Alkanoylierung zur Ausbildung des zweiten Ringes und schließlich die Überführung des entstandenen bicyclischen Systems in die aromatische Verbindung durch Grignard-Addition (s. Abschn. 8.7), säurekatalysierte Dehydratisierung (s. Abschn. 7.6) und Dehydrierung (s. Abschn. 16.5). Hierüber lassen sich z.B. 1,7-dialkylierte Naphthaline sehr einfach darstellen.

Eine einfache Synthese von 1,7-Dialkylnaphthalinen OÖ Pe

H

Su

|

Br Ä

ale ee

area

Ach, Friedel-CraftsAlkanoylierung

R

Rs

|

OH

Dr

Rn,

|

_ZuHg), HCI, Clemmensen-

OÖ

R

Reduktion

Ö Benzolderivat (R aktivierend)

Butandisäureanhydrid (Bernsteinsäureanhydrid)

H

7

PX R

OH OÖ

G

H

4-Aryl-4-oxobutansäure

in 2 EUOH HEDSETUN intramolekulare Friedel-

2,

Crafts-Alkanoylierung

4-Arylbutansäure

m

Bun

I

Pd/C, A

|

7

H 7

a

Er DS |

R’

£. |

R'

Substituiertes Dihydro-

1,7-disubstituiertes

naphthalin

Naphthalin

Lassen Sie uns zusammenfassen: Die physikalischen Eigenschaften von Naphthalin sind typisch für ein aromatisches System. Aus dem UVSpektrum erkennt man, daß alle r-Elektronen über beide Ringe delokalisiert sind, die Röntgenstrukturanalyse ergibt Bindungslängen und -winkel, die sehr ähnlich denen im Benzol sind. Das 'H-NMR-Spektrum zeigt Signale stark entschirmter Protonen, die einen aromatischen Ringstrom anzeigen. Andere mehrkernige benzoide Kohlenwasserstoffe haben ähnliche Eigenschaften, man betrachtet sie als aromatisch.

691

15 Die besondere Stabilität

Die meisten kondensierten benzoiden Kohlenwasserstoffe

Elektronensextetts

sınd

des cyclischen

HA

seh

aromalisc

Durch lineare bzw. angulare Kondensation eines dritten Benzolrings entstehen die beiden nächsthöheren Systeme, Anthracen und Phenanthren. Obwohl sie Isomere sind und sehr ähnlich scheinen, sind sie thermodynamisch unterschiedlich stabil: Anthracen ist um 25 kJ/mol instabiler als Phenanthren. Formuliert man alle möglichen Resonanzformeln für beide Moleküle, sieht man auch, warum. Für Anthracen lassen sich nur vier verschiedene Formeln zeichnen, von denen nur zwei zwei vollstän-

dig aromatische

Ringe enthalten.

nanzformeln repräsentiert, Ringe, eine sogar drei.

Phenanthren

zwei von

ihnen

wird durch fünf Reso-

enthalten

zwei aromatische

Resonanz im Anthracen

OOII-ITID-IDCO Resonanz im Phenanthren

or -o a M J)

Übung 15-10 Formulieren Sie alle möglichen Resonanzformeln von Tetracen (Naphthacen, s. Abschn. | 15.5). Wieviele vollständig aromatische Ringe sind maximal in einer Formel möglich?

Synthese von Anthracen und Phenanthren Genau wie Naphthalin lassen sich auch die höheren benzoiden Kohlenwasserstoffe Anthracen und Phenanthren durch Ringschlußreaktionen darstellen. So ergibt z.B. eine Friedel-Crafts-Reaktion von Benzol mit 1,2-Benzoldicarbonsäureanhydrid (Phthalsäureanhydrid) mit nachfolgender Clemmensen-Reduktion der entstandenen Säure und dem Ringschluß über eine zweite (intramolekulare) Friedel-Crafts-Reaktion Anthron

(Trivialname), das sich leicht in Anthracen und sein 9-substitu-

iertes Derivat umsetzen läßt.

AlCh, A,

za,

u —

>

2

0% 2-(Phenylmethanoyl)benzolcarbonsäure (2-Benzoylbenzoesäure)

m anhydrid (Phthalsäureanhydrid)

95%

I. CH3CH3MgBr 2.H%zn.H30 z

Zr

nee a:

>

Ö

32% Anthron

692

CH3CH;

OH

CH;CH>

80-0 % 9-Ethylanthracen

Interessanterweise

ist Anthron

stabil,

vollständig delokalisierten Anthracenols

obwohl

es die Ketoform

des

15.6

darstellt. Offensichtlich gleicht

Kondensierte benzoide

Kohlenwasserstoffe:

der Gewinn an Resonanzenergie bei der Tautomersierung zum Enol

Naphthalin und die

nicht den Verlust der starken C—O-Doppelbindung aus.

tricyclischen Systeme

HEMR

IN oO Anthron

Das läßt vermuten,

OH 9-Anthracenol

daß der mittlere Ring im Anthracen nicht ganz so

aromatisch wie Benzol selbst ist. Zu einem ähnlichen Schluß kommt man auch, wenn man die Resonanzformeln (in nur zwei der vier Resonanzformeln ist der Ring aromatisch) oder, wie wir gleich sehen, die Reaktionen von Anthracen untersucht. Eine andere Möglichkeit zur Konstruktion des Anthracen-Gerüsts geht von Diels-Alder-Cycloadditionen aus. So reagiert 2,5-Cyclohexadien-1,4-dion

(p-Benzochinon)

mit 1,3-Butadien

über eine Diels-Alder-

Reaktion nicht nur einmal (s. Abschn. 14.8), sondern zweimal. Diels und Alder selbst haben diese Umsetzung im Jahre 1928 durchgeführt. Das entstandene Addukt läßt sich leicht zum entsprechenden Dion (9,10-Anthrachinon) oxidieren, das man dann mit Natriumborhydrid und einer Lewis-Säure zu Anthracen reduziert. Da sich die doppelte Diels-Alder-Reaktion auch mit substituierten Dienen durchführen läßt, kann man auf diese Weise die unterschiedlich-

sten substituierten Anthracene herstellen. Durch Reaktionen der beiden Carbonylgruppen mit organometallischen Reagenzien lassen sich auch Modifikationen der 9- und 10-Positionen vornehmen. O

16) 33 ER CH,CH,OH, 100 °C

K’OH”,O,

ı/ O

OÖ 60% OÖ

NaBH4, BF3, (CH5CH3)30

| 3

I

ne

B

Ö

Anthracen

9,10-Anthrachinon

73% (für die beiden letzten Stufen)

Übung 15-11 Schlagen Sie einen plausiblen Mechanismus für die Reduktion von 9,10-Anthracendion (9,10-Anthrachinon) mit Natriumborhydrid zu Anthracen vor. Hinweis: Was bewirkt die Lewis-Säure?

Übung 15-12 Entwickeln Sie eine Synthese von 2,3,6,7-Tetramethyl-9,10-diphenylanthracen, hend von 2,5-Cyclohexadien-1,4-dion (p-Benzochinon).

ausge-

Auch Phenanthrene lassen sich durch Ringschlußreaktionen darstellen. So bekommt man z.B. bei der Friedel-Crafts-Reaktion von Naphthalin mit Butandisäureanhydrid (Bernsteinsäureanhydrid) in Nitro-

693

15 Die besondere Stabilität

benzol

des cyclischen

(1-Naphthyl)-

Elektronensextetts

eine

Substitution

und

an

Cl

und

C2.

Die

beiden

4-(2-Naphthyl)-4-oxobutansäuren

gebildeten

werden

4-

unter

Clemmensen-Bedingungen (s. Abschn. 16.6) reduziert und dann zum Phenanthren-Gerüst cyclisiert.

=

| IF

=

>

oO ÄAN

ö

HOOC COOH

|

At No Cain,

© Zug, Hcı, A

Se

N

Bu

36%

47%

Ir oe

_AICh |

0

90%

88%

Die entstandenen Ketone werden durch nachfolgende Reduktion, Dehydratisierung und Dehydrierung in Phenanthren überführt, oder man trennt sie und setzt jedes für sich zu substituierten Derivaten um.

1. CH3CH>CH>CH3Li 2. H*, H,O Dar

Fee Fe

Eine alternative Reaktionsfolge beginnt mit 1,2-Diarylethenen (auch Stilbene genannt) und benutzt den photochemischen conrotatorischen elektrocyclischen Ringschluß von cis-1,3,5-Hexatrienen zu Cyclohexadienen (s. Abschn. 14.9). Das zunächst gebildete Dihydrophenanthren ist sehr reaktiv und läßt sich nicht isolieren.

10, I>, Teonrotatorischer -

Ringschluß

OR trans-4a,4b-

cis-1,2-Diphenylethen

% €

phenanthren

(cis-Stilben)

Es kann jedoch durch Zugabe von Oxidationsmitteln, wie Sauerstoff in Gegenwart katalytischer Mengen lod, abgefangen werden. Unter diesen Bedingungen erhält man die entsprechenden Phenanthrene in guten Ausbeuten.

Der mittlere Ring von Anthracenen und Phenanthrenen ist reaktiv Durch Addition an C9 und C10 von Anthracen und Phenanthren entstehen Moleküle mit zwei getrennten, intakten Benzol-Einheiten. Infolgedessen

sind

diese

beiden

Positionen

weitaus

reaktiver,

als man

für

einen Benzolring erwarten sollte. So ergibt die katalytische Hydrierung die entsprechenden Dihydroaromaten.

694

Kasten 15-1 Helicene

Die oxidative Photocyclisierung von 1,2-Diarylethenen hat man auch für die Synthese komplexerer benzoider Kohlenwasserstoffe ausgenutzt. Ein besonders interessanter Fall ist Phenanthro[3,4-c]phenanthren, in dem sechs angular kondensierte Benzolringe in einem fast vollständigen Kreis angeordnet sind. Man hat diese Verbindung durch doppelte Photocyclisierung dargestellt. Dieses Molekül trägt den Trivialnamen Hexahelicen,

da es in eine schraubenförmige

Struktur

gezwungen wird — wäre das Molekül planar, müß-

ten Teile der beiden endständigen Benzolringe denselben Raumbereich einnehmen (deshalb mußten wir die obere Abbildung verzerrt zeichnen). Das Molekül ist also aus der Ebene herausgedreht und bildet eine Schraube,

die in Abhän-

gigkeit von der Richtung der Verdrehung entweder rechts- oder linksgängig sein kann. Aufgrund dieser Helix-Struktur ist Hexahelicen chiral, und seine reinen Enantiomere haben einen

großen spezifischen Drehwert:

[a] ° = 3640.

Andere höhere Helicene zeigen eine noch ausgeprägtere optische Aktivität. Helicene sind übrigens Verbindungen, die chiral sind, obwohl sie kein Chiralitätszentrum besitzen (s. Kap. 5).

Synthese von Hexahelicen

CH==CH

124

CH==CH

H CoHe, hv, I, O2

EEE IE Abder

Phenanthro[3,4-c]phenanthren (Hexahelicen)

Abb. 15-18 Räumliche Struktur des Hexahelicens. Die Helixstruktur läßt sich mit Hilfe der drei eingezeichneten Ebenen beschreiben. In jeder liegt näherungsweise eine Naphthalin-Einheit. Der Winkel zwischen den beiden Ebenen, die die endständigen Benzolringe enthalten, beträgt etwa 58.5°.

695

15 Die besondere Stabilität des cyclischen Elektronensextetts

H Be)

BSR? H,,

H

Se

H

H 85%

9,10-Dihydroanthracen

>

_H,, Cu-Cr-Oxid Cu-Cr-Oxid _

ee.

77% 9,10-Dihydrophenanthren

Bei der Halogenierung entstehen häufig Additions- anstelle von Substitutionsprodukten, das gebildete Dihalogenid geht aber leicht unter Halogenwasserstoffabspaltung in die entsprechenden Halogenarene über.

Cl

H

a

ER

cr-cı, 08,0%

I

= HH!

7?

H

cı

80%

9,10-Dichlor-

9-Chloranthracen

9,10-dihydroanthracen

Br

H

5

x

d

|

Br

H Br—Bi

I

A

CC

Ep 94% 9,10-Dibrom-

9-Bromphenanthren

9,10-dihydrophenanthren

Man kann die Halogenierung von Anthracen als 1,4-Addition an ein 1,3-Dien ansehen (s. Abschn. 14.6). Der Dien-Charakter dieser Einheit manifestiert sich auch in Diels-Alder-Cycloadditionen. Diels-Alder-Cycloaddition von Anthracen

OÖ 1,2-Dimethylbenzol ns

oO

Se

(Maleinsäureanhydrid)

696

“

95%

2

Diese

Reaktion

ist bei Phenanthren

nicht

möglich,

da das Molekül

nur eine reaktive Doppelbindung enthält. Diese Bindung kann jedoch photochemische [2 + 2]-Cycloadditionen eingehen (s. Abschn. 14.8).

Mm e

COCH; e\ü

Da

= hv, (CH3CH>),0

15.7 Andere cyclische Polyene: Die Hückel-Regel

CO;CH3

e

CO>CH3

[=

CO;CH3

62%

Übung 15-13 Es gibt Methoden zur in situ-Herstellung von 1,2-Dehydrobenzol A (vgl. auch Abschn. 22.4). Wozu reagiert A mit Anthracen B? Wieviele unterschiedliche Signale zeigt das Reaktionsprodukt im 'H- und im "C-NMR-Spektrum?

a

= A

B

15.7 Andere cyclische Polyene: Die Hückel-Regel Ist die besondere Stabilität und Reaktivität, die mit der cyclischen Delokalisierung verbunden ist, einzigartig für Benzol und mehrkernige benzoide Aromaten, oder haben andere cyclische r-Systeme ähnliche Eigenschaften? Die Antwort lautet ja und nein. Wir werden sehen, daß cyclisch konjugierte Polyene aromatisch sein können, aber nur, wenn sie (4n+2) n-Elektronen aufweisen (n = 0, 1, 2, 3...). Im Gegensatz dazu können

Cyclen mit 4n n-Elektronen

destabilisiert sein, man

nennt

sie antiaromatisch. Diese Gesetzmäßigkeit wird als Hückel-Regel“ bezeichnet. Nichtplanare Systeme, in denen die cyclische r-Überlappung so sehr gestört ist, daß sie die typischen Eigenschaften von Alkenen zeigen,

werden

als

nichtaromatisch

klassifiziert.

Wir

wollen

nun

einige cyclische Polyene näher betrachten und beginnen mit 1,3-Cyclobutadien. >

1,3-Cyclobutadien, das kleinste cyclische Polyen, ist antiaromatisch 1,3-Cyclobutadien, ein An n-System (n = 1), ist eine luftempfindliche und extrem reaktive Verbindung (viel reaktiver als 1,3-Butadien oder Cyclobuten). Es zeigt keine aromatischen Eigenschaften, sondern wird durch die r-Überlappung sogar destabilisiert. Daraus folgt, daß 1,3Cyclobutadien im Gegensatz zu Benzol, das durch zwei CyclohexatrienResonanzformeln beschrieben werden kann, ein Paar schnell äquilibrierender

rechteckiger

Strukturisomerer

bildet,

die sich über einen

Über-

gangszustand ineinander umwandeln.

* Erich Hückel, 1896-1984, Professor an der Universität Marburg.

697

15 Die besondere Stabilität des ceyclischen Elektronensextetts

1,3-Cyclobutadien ist unsymetrisch 4

—)

E,-3-6 kcal mol”

Übergangszustand

Freies 1,3-Cyclobutadien ist bei extrem tiefen Temperaturen beobachtbar und muß aus speziellen Vorstufen durch Zersetzung unter Belichtung dargestellt werden. Darstellung von 1,3-Cyclobutadien

Eh

16)

In —266°C (infestem Argon), Bu

+0

—O 1,3-Cyclobutadien

Die Reaktivität zeigt sich an der Schnelligkeit, mit der es sich in Diels-Alder-Reaktionen umsetzt, in denen es entweder als Dien (in rot) oder Dienophil (in blau) reagieren kann. Reaktionen von Cyclobutadien

Substituierte Cyclobutadiene sind weniger reaktiv, insbesondere, wenn die Substituenten sperrig sind; sie wurden dazu benutzt, die spektroskopischen Eigenschaften des 4rr-Systems zu untersuchen. Besonders interessant ist das 'H-NMR-Spektrum von 1,2,3-Tris(1,1-dimethylethyl)cylobutadien (1,2,3-Tri-zert-butyleyclobutadien), bei dem das Signal des Ringwasserstoffatoms bei ö = 5.38 liegt, also bei weitaus tieferer Frequenz, als man für ein aromatisches System erwarten sollte. Diese und andere Eigenschaften von Cyclobutadien zeigen, daß es keinerlei

Ähnlichkeit mit Benzol hat. © -

Übung 15-14 1,3-Cyclobutadien dimerisiert bereits bei -200°C zu den beiden gezeigten Produkten.

)

Nach welchem Mechanismus verläuft die Reaktion?

H.>H +

H

698

mau H

L

HH

| Kasten 15-2 un Die allotropen Modifikationen des Kohlenstoffs: Graphit, Diamant und Fulleren Elemente können in unterschiedlichen sogenannten allotropen Modifikationen vorkommen. Welche Form jeweils gebildet wird, ist abhängig von den Bedingungen und der Art der Synthese. Das Element Kohlenstoff tritt in mehr als 40 Modifikationen auf, von denen die Mehrzahl jedoch amorph (das heißt: nichtkristallin) sind. Hierzu gehören unter anderem Koks, der feste Rückstand einer Destillation von unreinem Petroleum (Abschn. 3.3), und Kohle (Abschn. 13.11, vgl. auch Abschn. 16.8). Sie alle kennen Ruß, der durch unvollständige Verbrennung von organischen Materialien gebildet wird. Carbon Black ist ein wichtiges kommerzielles Produkt, das durch Erhitzen gasförmiger Kohlenwasserstoffe auf mehr als 1000°C hergestellt wird. Carbon Black findet unter anderem Anwendung in der Produktion von Druckerschwärze. Aktivkohle ist ein sehr poröses Material, das zahlreiche organische Moleküle aus der Luft (Luftreiniger, Atemschutz-

masken) und aus Wasser (Wasserfilter) adsorbieren kann. Vermutlich sind Ihnen die beiden kristallinen Modifikationen des Kohlenstoffs, Graphit und Diamant, am besten bekannt. Graphit ist das stabilste Kohlenstoffallotrop. Er bildet ein vollständig anelliertes polycylisches benzoides 7System, das aus mehreren wabenartig angeordneten

Schichten,

die 3.35

A

voneinander

entfernt

sind, aufgebaut ist. Die vollständige Delokalisation innerhalb dieser Schichten (alle Kohlenstoffatome sind sp’-hybridisiert) erklärt die schwarze Farbe und die elektrische Leitfähigkeit. Graphit kann als Schmiermittel verwendet werden, da die einzelnen Schichten leicht aneinander vorbeigleiten. Das „Blei“ in Bleistiften ist Graphit, und die schwarzen Zeichen, die beim Schreiben auf

Papier hinterlassen werden, entsprechen abgeriebenen Schichten von Kohlenstoff.

Diamant

Im farblosen Diamant

atome

bilden die Kohlenstoff-

(alle Kohlenstoffatome

sind sp’-hybridi-

siert) ein nichtleitendes Netzwerk aus verknüpften Cyclohexan-Sesselkonformeren. Diamant ist das dichteste und härteste (am wenigsten deformierbare) bekannte Material. Es ist um 1.9 kJ/g CAtom weniger stabil als Graphit und wandelt sich bei hohen Temperaturen oder unter hochenergetischer Strahlung in Graphit um, eine Tatsache, die in der Schmuckindustrie wenig Anklang findet. Eine spektakuläre Entdeckung wurde 1985 von Curl, Kroto und Smalley* gemacht (wofür sie 1996 den Nobelpreis gewannen): Buckminsterfulleren, Co, ein neues sphärisches Allotrop, das die Form eines Fußballs hat. Sie entdeckten, daß Laserverdampfung von Graphit eine Vielzahl an Kohlenstoffclustern in der Gasphase erzeugt, von denen der Hauptbestandteil 60 Kohlenstoffatome enthält.

Der

beste

Weg,

einen

solchen

Cluster

unter gleichzeitiger Beachtung der Vierbindigkeit des Kohlenstoffatoms zusammenzustellen, ist, anellierte Benzolringe daß man formal 20

Buckminsterfulleren

Graphit

* Professor Robert F. Curl (*1933), Rice University, Houston, Texas; Professor Harald W. Kroto, (*1939), University of Sussex, England; Professor Richard E. Smalley (1943), Rice University, Houston, Texas.

699

Kasten 15-2 (Fortsetzung) „aufrollt“ und die übriggebliebenen Valenzen miteinander

verbindet,

daß

12

Fünfecke

so ent-

stehen: ein sogenannter abgestumpfter Ikosaeder mit 60 äquivalenten Eckpunkten. Das Molekül wurde

nach Buckminster

Fuller* benannt,

da die

Struktur von C,, der der von ihm entwickelten „geodätischen“ Dome entspricht. Es ist in organischen Lösungsmittel löslich, was hilfreich bei der Bestimmung seiner Struktur und seiner Chemie

ist. Das "’C-NMR-Spektrum zeigt nur ein Singulett bei ö = 142.7 und liegt damit im erwarteten Bereich (Abschn. 15.4 u. 15.6). Wegen seiner Krümmung sind die beteiligten Benzolringe im C,n gespannt, und bezogen auf Graphit beträgt sein Energieinhalt 42.5 KJ/g pro C-Atom. Diese Spannung führt zu einer vielseitigen Chemie. So geht C,, elektrophile, nucleophile, radikalische und Konzertierte Additionsreationen ein (Kap. 14). Das große Interesse, das durch die Entdeckung von C,, ausgelöst wurde, führte zu einer Vielzahl aufregender Entwicklungen, wie der Suche nach Synthesemethoden im Multigramm-Maßstab (C,, wird für € 220 pro g verkauft), der Isolierung einiger größerer Kohlenstoffcluster wie dem an einen Rugbyball erinnernde Fulleren C,, chirale Systeme (zum Beispiel

in

C,),

isomere

Formen,

Fullerene,

in

denen Gastatome (Helium, Metallatome) eingelagert sind (endohedrale Fullerene) und der Synthese leitfähiger Salze (zum Beispiel Cs;C,,

bei 40 K supraleitend wird). legen die Untersuchung alter neue

Studien

den

Schluß

das

Darüber hinaus Literatur sowie

nahe,

daß

C,

und

andere Fullerene unter bestimmten Bedingungen durch unvollständige Verbrennung organischen Materials oder durch Erhitzen von Ruß gebildet werden und deshalb wahrscheinlich seit Urzeiten „natürliche Produkte“ auf unserem Planeten sind.

Photographie (von Michel Proulx) des geodätischen Doms, der von Buckminster Fuller für den Pavillon der USA der EXPO

’67 in Montreal konstruiert Chem. 1992, 104, 119).

wurde

(H.W.

Kroto,

Angew.

Aus der Sicht eines Materialwissenschaftlers ist die Darstellung von Graphitröhren, den sogenannten

„Nanotubes“,

Fulleren-Leitmotiv, erwartet

von

von

basierend

größtem

den Nanotubes,

auf

dem

Interesse.

Man

daß

sie härter

als

Diamant und dennoch elastisch sind sowie ungewöhnliche magnetische und elektrische (metallische) Eigenschaften zeigen. Sie können ebenso als molekulares „Packungsmaterial“ für andere Materialien wie Metallkatalysatoren und Biomoleküle dienen. Daher steht das Kohlenstoffatom in seiner Fulleren-Modifikation im Zentrum des Interesses in dem neuen Feld der Nanotechnologie, insbesondere bei der Konstruktion von Anwendungen im molekularen Maßstab. * Richard Buckminster Fuller (1895-1983), Architekt, Erfinder und Philosoph.

amerikanischer

Kohlenstoff-Nanoröhren

1,3,5,7-Cyclooctatetraen ist nicht planar und nichtaromatisch Lassen Benzols,

*

Richard Willstätter, 1872-1942, Professor an der Technischen Universität München, Nobel-

preis 1915.

700

Sie uns nun

das nächsthöhere

1,3,5,7-Cyclooctatetraen,

cyclische Polyen-Analogon

des

betrachten.

Erstmalig 1911 von Willstätter* dargestellt, läßt sich diese Verbindung heute in guten Ausbeuten durch nickelkatalysierte Cyclotetramerisierung von Ethin (s. Abschn. 13.11) darstellen. 1,3,5,7-Cyclooctatetraen ist eine gelbe Flüssigkeit vom Sdp. 152°C, die bei Kühlung stabil ist, aber beim Erhitzen rasch polymerisiert. 1,3,5,7-Cyclooctatetraen wird an der Luft oxidiert, läßt sich leicht zu Cycloocten und Cyclooctan

15.7 Andere cyclische Polyene: Die Hückel-Regel

Ni(CN),, 70°C, 1.5-2.5 MP:

4 HC=CH

N

yestiz, 70% 1,3,5,7-Cyclooctatetraen

H

126.1° Abb. 15-19 Die Molekülstruktur

117.6°

von

1,3,5,7-Cyclooctatetraen.

Man

erkennt deutlich das Alternieren

von Einfach- und Doppelbindungen in diesem nichtebenen,

148 pm

134 pm

hydrieren und geht elektrophile Additionen Diese Reaktivität sollte man

nichtaromatischen

und Cycloadditionen

nicht erwarten, wenn

das Molekül

Molekül.

ein.

aroma-

tisch wäre. Spektroskopische und Strukturdaten bestätigen dieses Ergebnis. Im 'H-NMR-Spektrum ist ein scharfes Singulett bei ö = 5.68 zu erkennen, das typisch für ein Alken ist. Die Bestimmung der Molekülstruktur ergibt, daß Cyclooctatetraen eindeutig nicht planar, sondern wannenförmig ist (s. Abb. 15.19). Die Doppelbindungen sind nahezu orthogonal zueinander und alternieren mit Einfachbindungen: Das Molekül ist nichtaromatisch. Übung 15-15 Wenn Sie die Molekülstruktur von 1,3,5,7-Cyclooctatetraen betrachten, würden Sie des-

sen Doppelbindungen als konjugiert bezeichnen (d.h., daß ein delokalisiertes n-System vorliegt)? Wäre es richtig, für dieses Molekül ebenso wie für Benzol zwei Resonanzformeln zu zeichnen?

U Übung 15-16 ı 1,3,5,7-Cyclooctatetraen A liegt im Gleichgewicht mit weniger als 0.05% eines bicy© clischen Isomers B vor, das in einer Diels-Alder-Reaktion mit Butendisäureanhydrid ") (Maleinsäureanhydrid, MSA, vgl. Tab. 14-1) unter Bildung der Verbindung C abgefangen werden kann.

oO

8

x

A

i

EN

€

) Worum handelt es sich bei B? Formulieren Sie einen Mechanismus für die Umwandlung ") von A über B nach C (Hinweis: Arbeiten Sie rückwärts von C nach B und berücksichti-

M

gen Sie Abschnitt 14.9).

Nur cyclische konjugierte Polyene mit (4n + 2) :s-Elektronen sind aromatisch Anders als Cyclobutadien und Cyclooctatetraen sind bestimmte höhere cyclische konjugierte Polyene aromatisch. Alle von ihnen haben eine gemeinsame Eigenschaft: sie besitzen (4n + 2) n-Elektronen. Das erste derartige System wurde im Jahre 1956 von Sondheimer” synthetisiert,

es

war

das

1,3,5,7,9,11,13,17-Cyclooctadecanonaen

mit

achtzehn r-Elektronen. Um derart umständliche Namen zu vermeiden, führte Sondheimer ein einfacheres Nomenklatursystem für die cyclischen

*

Franz Sondheimer,

1926-1981,

Professor am University College, London.

701

15

Die besondere Stabilität

des ceyclischen Elektronensextetts

Polyene ein. Er gab vollständig konjugierten monocyclischen Kohlenwasserstoffen der allgemeinen Formel (CH), den Namen [N]Annulene, wobei N die Größe des Rings bezeichnet. Cyclobutadien wäre demnach

[4]Annulen, Benzol [6]Annulen, Cyclooctatetraen [8]Annulen. Die von Sondheimer synthetisierte Verbindung, das erste ungespannte aromatische System in dieser Reihe nach Benzol, heißt [18]Annulen.

[18]Annulen (1,3,5,7,9,11,13,15,17-Cyclooctadecanonaen)

[18]Annulen enthält delokalisierte Elektronen, ist nahezu planar gebaut, und alle Bindungen im Molekül sind von etwa gleicher Länge. Ebenso wie Benzol läßt es sich daher als Hybrid von zwei gleichen Resonanzformeln beschreiben. In Übereinstimmung mit seinem aromatischen Charakter ist das Molekül relativ stabil und geht elektrophüle aromatische. Substitutionen ein. Es zeigt genau wie Benzol im H-NMR-Spektrum auf einen Ringstrom zurückzuführende Signalverschiebungen. Inzwischen sind viele andere Annulene synthetisiert worden: solche mit An n-Elektronen wie Cyclobutadien und Cyclooctatetraen sind nicht aromatisch, diejenigen mit (An + 2) n-Elektronen wie Benzol und [18]Annulen sind aromatisch. Dieses Verhalten ist bereits früher von dem theoretischen Chemiker Hückel vorhergesagt worden, der die (An + 2)- oder Hückel-Regel im Jahre 1931 formulierte. Diese Regel ergibt sich aus dem Aufbau und der Besetzung der Molekülorbitale von cyclischen konjugierten Dienen. Durch Mischen der p-Atomorbitale der Ring-Kohlenstoffatome ergibt sich eine gleiche Anzahl von n-Molekülorbitalen (s. Abb. 15-20). Alle n-Niveaus, mit Ausnahme des niedrig-

A

B

C

Abb. 15-20 (A) Die Hückelsche (4n + 2)-Regel ergibt sich aus der regelmäßigen Anordnung der n-Orbitale in cyclischen konjugierten Polyenen. Die Energieniveaus haben gleiche Abstände und nur das höchste und das niedrigste sind nicht entartet. (B) Molekülorbitale des 1,3-Cyclobutadiens. Vier r-Elektronen reichen nicht aus für eine geschlossene Schale, das Molekül ist nicht aromatisch. (C) Die sechs Elektronen im Benzol ergeben eine geschlossene Schale.

702

sten bindenden

und des höchsten

antibindenden

Orbitals, bestehen

aus

Paaren entarteter Orbitale. Die vollständige Besetzung aller bindenden Orbitale,

und

damit

ein stabiler

Zustand,

ist nur

möglich,

System (4n + 2) n-Elektronen vorhanden sind (s. Abschn.

©

wenn

15.8

Die Hückel-Regel und geladene Moleküle

im

1.4).

Übung 15-17 Das 'H-NMR-Spektrum von [18]Annulen zeigt zwei Signale, bei ö = 9.28 (12 H) und —2.99 (6 H). Können Sie das erklären? Hinweis: Sehen Sie sich die Abb. 15-8 und 15-9 genauer an.

Übung 15-18 Das ungewöhnliche Molekül 1,6-Methano[10]Jannulen ergibt im 'H-NMR-Spektrum zwei Gruppen von Signalen bei ö = 7.10 (8 H) und —0.50 (2 H). Läßt sich hieraus ein aromatischer Charakter ableiten?

HH > > 1,6-Methano[10]annulen

Übung 15-19 Geben Sie aufgrund der Hückel-Regel an, ob die folgenden Moleküle aromatisch oder nichtaromatisch sind: (a) [30]Annulen; (b) [16]Annulen;

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß cyclische konjugierte Polyene dann aromatisch sind, wenn sie (4n + 2) n-Elektronen enthalten. Diese Zahl entspricht einem vollständig gefüllten Satz von bindenden Molekülorbitalen. Im Gegensatz dazu haben Systeme mit 4n n-Elektronen unvollständig besetzte bindende Molekülorbitale, sie sind instabil, reaktiv und zeigen im 'H-NMR-Spektrum keine auf einen aromatischen Ringstrom zurückzuführende Signalverschiebungen.

15.8 Die Hückel-Regel und geladene

Moleküle Die Hückel-Regel gilt auch für geladene Moleküle, solange eine cyclische Delokalisierung möglich ist. Dieser Abschnitt zeigt, wie geladene aromatische Systeme synthetisiert werden können.

Das Cyclopentadienyl-Anion und das CycloheptatrienylKation sind aromatisch 1,3-Cyelopentadien ist ungewöhnlich sauer (pk, => 16), da durch Abspaltung eines Protons das Cyclopentadienyl-Anion mit sechs delokalisierten n-Elektronen entsteht, in dem die negative Ladung gleichmäßig über alle fünf Kohlenstoffatome verteilt ist. Der pX, von Propen (s. Abschn. 14.1) beträgt als Vergleich 40. 703

15 Die besondere Stabilität

des cyclischen

Das aromatische Cyclopentadienyl-Anion

H

Elektronensextetts

DT

(Jo

etc.|

oder

pK, = 16 Die Acidität von 1,3-Cyclopentadien läßt sich durch elektronenziehende Substituenten noch steigern. So beträgt der pK, von Cyclopentadien mit einer Cyanogruppe 9.8, der des 1,3--Dicyanoderivats 2.52, 000 ist damit kleiner als der von Essigsäure. Im Gegensatz dazu läßt sich das Cyclopentadienyl-Kation, ein System mit vier n-Elektronen, nur bei niedrigen Temperaturen erzeugen, indem man 5-Brom-1,3-cyclopentadien mit SbF; behandelt. Das Produkt ist extrem reaktiv und liegt nach den spektroskopischen Daten als Diradikal vor. Das nichtaromatische Cyclopentadienyl-Kation Br

H

(7

SbFs, — 200°C

_

er =, |

WE

—

Ss

etc.|

SbFsBr

+

Behandelt man 1,3,5-Cycloheptatrien mit Brom, erhält man ein stabiles Salz, Cycloheptatrienylbromid. Das organische Kation dieses Salzes, welches auch als Tropylium-Ion bezeichnet wird, besitzt sechs delokalisierte n-Elektronen, und die positive Ladung ist gleichmäßig über sieben Kohlenstoffatome verteilt. Obwohl es sich um ein Carbenium-Ion handelt, ist das System so reaktionsträge, wie man es für ein aromatisches System erwarten würde. Im Gegensatz dazu ist das CycloheptatrienylAnion antiaromatisch, wie aus der im Vergleich zum Cyclopentadien viel geringeren Acidität (pX, = 39) geschlossen werden kann. Das aromatische Cycloheptatrienyl-Kation

BrZBr, —Br, A,

arg _

M)

Übung 15-20 Zeichnen Sie ein Orbitalbild (a) des Cyclopentadienyl-Anions und (b) des Cyclohepta-

Öl trienyl-Kations (s. Abb. 15-1). Übung 15-21 Kennzeichnen Sie anhand der Hückel-Regel die folgenden Moleküle als aromatisch oder nicht-aromatisch: (a) Cyclopropenyl-Kation; (b) Cyclononatetraenyl-Anion;

()

Nichtaromatische cyclische Polyene können aromatische Dianionen und Dikationen bilden Cyclische Systeme mit 4nr-Elektronen lassen sich durch Zwei-Elektronen-Oxidationen und -Reduktionen in die entsprechenden aromatischen Verbindungen überführen. So wird z.B. Cyclooctatetraen durch Alkali-

704

metalle zum aromatischen Dianion reduziert. Diese Spezies ist planar, enthält vollständig delokalisierte Elektronen, ist relativ stabil und zeigt im 'H-NMR einen aromatischen Ringstrom.

15.8 Die Hückel-Regel und geladene Moleküle

Das nichtaromatische Cyclooctatetraen bildet ein aromatisches Dikation

acht n-Elektronen,

zehn nx-Elektronen,

nichtaromatisch

aromatisch

Ähnlich läßt sich [16]Annulen zum Dianion reduzieren oder zum Dikation oxidieren, die beide aromatisch sind. Bei der Bildung des Dikations ändert sich die Konfiguration des Moleküls. Das aromatische [16] Annulen-Dikation und -Dianion entstehen beide aus dem nichtaromatischen [16]Annulen

CF3SO;H, SO,, CH,Ch, -80°C

[16]Annulen vierzehn n-Elektronen, aromatisch

sechzehn x-Elektronen, nichtaromatisch

achtzehn x-Elektronen, aromatisch

Übung 15-22 Das Trien A geht leicht durch zweifache Deprotonierung in das stabile Dianion B über. Hingegen ist das neutrale Analogon von B, das Tetraen C (Pentalen) extrem instabil.

Übung 15-23 Azulen ist eine tiefblaue (s. Abb. 14-17) aromatische Verbindung, die von Elektrophilen leicht an Cl, von Nucleophilen an C4 angegriffen wird. Wie erklären Sie sich das?

8

1

Or S 3

6 a

Azulen

Zusammengefaßt gilt, daß auch geladene cyclische konjugierte Polyene aromatisch sind, wenn sie (4n + 2) n-Elektronen besitzen. Die wichtigsten Beispiele sind das Cyclopentadienyl-Anion und das Cycloheptatrienyl-Kation (Tropylium-Ion). Nichtaromatische Konjugierte cyclische Polyene können aromatische Dianionen und Dikationen bilden.

705

15

Die besondere Stabilität

des cyclischen Elektronensextetts

15.9 Synthese von Benzolderivaten: Elektrophile aromatische Substitution In diesem Abschnitt beginnen wir mit der systematischen Betrachtung der Reaktivität des Benzols, dem Prototyp einer aromatischen Verbindung. Seine Stabilität macht Benzol recht reaktionsträge. Daher erfordern chemische Umsetzungen am Benzol spezielle Bedingungen und neue Reaktionswege.

Benzol geht mit Elektrophilen Substitutionsreaktionen ein Benzol kann von Elektrophilen angegriffen werden. Im Gegensatz zu den entsprechenden Reaktionen an den Alkenen ist das Ergebnis dieser Reaktion eine Substitution von Wasserstoffatomen - elektrophile aromatische Substitution — keine Addition an den Ring. Elektrophile aromatische Substitution

H H

E

Y

H

yon

H

+

E!XT — Elektrophil

BA Y

H

H

H

H

+HX

H

Unter diesen Reaktionsbedingungen würden nichtaromatische konjugierte Polyene rasch polymerisieren. Der Benzolring kann diese Reaktion jedoch aufgrund seiner Stabilität überstehen. Lassen Sie uns mit dem allgemeinen Mechanismus der elektrophilen aromatischen Substitution beginnen.

Die elektrophile aromatische Substitution am Benzol verläuft über eine Addition des Elektrophils mit nachfolgender Abspaltung eines Protons Der aus an, ren um

Mechanismus der elektrophilen aromatischen Substitution besteht zwei Schritten. Zunächst greift das Elektrophil E* den Benzolkern genauso als wenn es mit einer gewöhnlichen Doppelbindung reagiewürde. Das kationische Zwischenprodukt gibt dann ein Proton ab, den aromatischen Zustand zurückzuerlangen. Mechanismus der elektrophilen aromatischen Substitution

Schritt

Eh

1 Angriff des Elektrophils

I—>E*

I

Schritt SE

+

Ze

Fr

706

+

E +>

H

H

E

vH

2 Abspaltung des Protons +

+

Er

a

E +r>

H

Er H

EI +

H

+H”

E

15.9

Synthese von Benzolderivaten: Elektrophile aromatische Substitution

B Abb. 15-21 A. Orbitalbild des Cyclohexadienyl-Kations, das als Zwischenprodukt beim Angriff eines Elektrophils auf den Benzolring entsteht. Die Aromatizität geht verloren, da die cyclische Konjugation durch das sp’-hybridisierte Kohlenstoffatom unterbrochen wird. Die vier Elektronen des n-Systems sind nicht gezeigt. B. Die delokalisierte Ladung des Hexadienyl-Kations, dargestellt durch punktierte Linien.

Der erste Schritt ist thermodynamisch ungünstig, da die cyclische Delokalisierung und damit der aromatische Charakter dabei verlorengeht. Dieser Verlust wird zum Teil durch die Delokalisierung der Ladung in dem resultierenden Cyclohexadienyl-Kation ausgeglichen (Abb. 15-21). Nach diesem Schritt wird der aromatische Ring wieder regeneriert, indem das Proton von dem sp’-hybridisierten Kohlenstoffatom abgespalten wird. Dies ist energetisch günstiger als eine Reaktion mit dem Gegenion von E*, wodurch das Additionsprodukt entstünde. Beide Schritte der elektrophilen aromatischen Substitution sind im Prinzip reversibel. Die Gesamtreaktion verläuft jedoch exotherm, da die neue Bindung stärker ist als die alte. Ein Diagramm des Verlaufs der potentiellen Energie während der elektrophilen aromatischen Substitution in Abbildung 15-22 zeigt dies deutlich. Der erste Schritt der Reaktion ist geschwindigkeitsbestimmend, er führt zu einem Übergangszustand, in dem die Bindung zwischen dem Elektrophil und einem RingKohlenstoffatom gerade ım Entstehen ist. Die Abspaltung des Protons

langsam

Intermediäres Cyclohexadienyl-Kation nicht aromatisch

ae‘

\

schnell

aromatisch

ae

ee 7A

N

———/

:

Abb. 15-22 Die Änderung der

SE

SBarE

Reaktionskoordinate

Fa —>

rg

E+H* aromatisch

potentiellen Energie während der Reaktion von Benzol mit einem Elektrophil. Die Bildung des ersten Übergangszustands ist geschwindigkeitsbestimmend. Das Proton wird verhältnismäßig rasch abgespalten. Die Geschwindigkeit der Gesamtreaktion wird von E, bestimmt, die Menge der freigesetzten

Wärme

ist AB.

707

15 Die besondere Stabilität des cyclischen Elektronensextetts

erfolgt rasch, da sie in einem exothermen Schritt zur Ausbildung des aromatischen Produkts führt. Dieser Schritt treibt die Gesamtreaktion

voran.

Dies ist eine verallgemeinernde matischen Substitution; wie sie Elektrophil ab. In den folgenden zien, die bei diesen Umsetzungen

Beschreibung der elektrophilen aroin Einzelheiten verläuft, hängt vom Abschnitten wollen wir die Reagenüblich sind, genauer untersuchen.

7 Übung 15-24 "| Wiederholen Sie Abschnitt 12.1 und erklären Sie, weshalb Benzol keine AdditionsKi reaktionen eingeht. (Berechnen Sie die AH°-Werte für einige Additionsreaktionen)

Wir fassen zusammen: Die elektrophile aromatische Substitution wird mit dem Angriff des Elektrophils E" eingeleitet. So entsteht im geschwindigkeitsbestimmenden Schritt ein ladungsdelokalisiertes Cyclohexadienyl-Kation. Während der darauffolgenden schnellen Abspaltung des Protons wird der aromatische, nun substituierte Ring wiederhergestellt.

15.10 Die Halogenierung von Benzol erfordert einen Katalysator In diesem Abschnitt wollen wir ein Beispiel der elektrophilen aromatischen Substitution, die Halogenierung, näher untersuchen. In Gegenwart von Halogenen ist Benzol reaktionsträge, da Halogene nicht elektrophil genug sind, um die Aromatizität aufzuheben. In Verbindung mit Lewis-Säuren, z.B. Eisen(III)-halogeniden FeX; oder Aluminiumhalogeniden AIX; wird das Halogen aktiviert, und seine Elektrophilie wächst. Wie funktioniert das? Lewis-Säuren sind Elektronenmangelverbindungen. Halogene sind aufgrund ihrer freien Elektronenpaare relativ elektronenreich. Bringt man ein Halogen, z.B. Br,, mit FeBr, zusammen, so bilden die beiden Verbindungen einen Lewis-Säure-Base-Komplex. Ein ganz analoger Fall tritt auf, wenn ein Grignard-Reagenz als Lewis-Säure von Lösungsmittelmolekülen (Ether, Lewis-Base) koordiniert wird (Abschn. 8.7). Aktivierung von Brom durch die Lewis-Säure FeBr;

:Br—Br:/

Bromierung von Benzol |

I Ei

N FeBrz —o

:Br—Br—FeBrz

br

Feb]

In diesem Komplex ist die Br—Br-Bindung polar, wodurch ein Bromatom elektrophilen Charakter hat. Der elektrophile Angriff auf Benzol erfolgt nun so, wie es im vorangehenden Abschnitt beschrieben ist.

nr

Elektrophiler Angriff auf Benzol durch aktiviertes Brom

= er FeBr,

—o Le —Br—FeBrz : Br at

> uf

u

ee

Br + FeBrz Z

Br

Das bei diesem Schritt entstandene

Brombenzol 708

FeBr,

wirkt als Base und ent-

zieht dem intermediären Hexadienyl-Kation ein Proton. Es bilden sich Brombenzol und Bromwasserstoff, gleichzeitig wird der Katalysator FeBr; regeneriert.

Tabelle 15-2 Bindungsstärken DH” von Bindungen A—B

A

15.10 Die Halogenierung von Benzol erfordert einen Katalysator

in kJ/mol

B

CH: F cl Br I

F

cı

Br

I

H

528 155

402

339

272

465 569 432 366 299

243 193 151

Die Bildung von Brombenzol

Ei ar:Br—FeBrz rn +

©:

Ro

+ HBr+ FeBr; m

Eine rasche Überschlagsrechnung bestätigt, daß die elektrophile Bromierung exotherm verläuft. Die Phenyl-Wasserstoff-Bindung ist etwa so stark wie die Alkenyl-Wasserstoff-Bindung (Abb. 11-7), nämlich ungefähr 465 kJ/mol (Tab. 15-2). Die Dissoziation des Brommoleküls in zwei Bromatome

erfordert

193 kJ/mol.

Insgesamt,

für beide

Prozesse,

müssen also 658 kJ/mol aufgewendet werden. Demgegenüber stehen die Energien, die bei einer Phenyl-Brom-Bindung (DH° = 339 kJ/mol)

und bei einer Wasserstoff-Brom-Bindung (DH” = 366 kJ/mol) frei werden, zusammen also 705 kJ/mol. Bildet man die Differenz, erhält man 47 kJ/mol, die bei der Gesamtreaktion freiwerden. Ebenso wie die radi-

kalische Halogenierung von Alkanen (Abschn. 3.7) wird die aromatische Halogenierung mit den schwereren Halogenen immer weniger exotherm. Die Fluorierung ist so exotherm, daß Fluor mit Benzol explosionsartig reagiert. Die Chlorierung hingegen läßt sich kontrollieren, sie erfordert jedoch einen Katalysator, z.B. Aluminiumchlorid oder Eisen(III)-chlorid. Diese Reaktion verläuft nach dem gleichen Mechanismus wie die Bromierung. Die elektrophile Iodierung mit lod ist jedoch bereits endotherm und gelingt auf diesem Wege nicht. Die ungünstige Energiebilanz der Iodierung kann man ändern, indem man der Reaktionsmischung ein Silbersalz zufügt, das lod aktiviert. Außerdem fällt eines der Produkte (Silberiodid) aus der Mischung aus und treibt so die Reaktion voran.

H

I + I—1+ Ag’NO5” —

Er

+ Agl + HNO;

Eine andere Möglichkeit besteht darin, Iod in das reaktive IodoniumIon zu überführen, indem man lod in situ mit Silbernitrat umsetzt.

L>

I" NO,” Iodoniumnitrat

H

I 7 I"NO;

—

+ HNO3

Ü Übung 15-25 Löst man Benzol in D,SO,, verschwindet seine IH-NMR-Absorption beiö

@

= 7.27. Eine

neue Verbindung mit einer molaren Masse von 84 g/mol entsteht. Welche Verbindung ist das? Nach welchem Mechanismus könnte sie entstanden sein?

709

15

Die besondere Stabilität

des cyclischen

)

Übung 15-26

'\

Elektronensextetts

|

Professor G. Olah* und seine Mitarbeiter ließen Benzol mit der extrem starken Säure HF-SbF; in dem nicht nucleophilen Solvens SO,CIF-SO;F, in einem NMR-Rohr reagie-

) ren. Sie beobachteten ein neues 'H-NMR-Spektrum mit Absorptionen bei d = 5.69 (2 H), 8.22 (2 H), 9.42 (1 H), 9.58 (2 H). Schlagen Sie für diese Spezies eine Struktur vor.

Wir fassen zusammen: Die Halogenierung von Benzol wird von Iod (endotherm) zu Fluor (explosiv) zunehmend exotherm. Chlorierung und Bromierung erfordern die Katalyse einer Lewis-Säure, die die X—X-Bindung polarisiert und damit die Elektrophilie des Halogens steigert.

15.11 Nitrierung und Sulfonierung von Benzol Betrachten wir zwei weitere typische elektrophile Substitutionsreaktionen von Benzol, mit dem Nitronium-Ion,

Schwefeltrioxid,

NO;, zu Nitrobenzol und mit

SO,;, zu Benzolsulfonsäure.

ihnen zugrundeliegenden Abschnitts.

Diese Reaktionen

Mechanismen

sind

das

und die

Thema

dieses

Nitrierung von Benzol durch elektrophilen Angriff des Nitronium-Ions Nitrierung von Benzol

|mos H2S04 NO,

Die Reaktion von Benzol mit konzentrierter Salpetersäure in Gegenwart konzentrierter Schwefelsäure bei mäßig erhöhter Temperatur führt zur Nitrierung des Benzolrings. Da das Stickstoffatom in der Nitrogruppe von HNO; nicht elektrophil ist, muß es zuvor irgendwie aktiviert werden. Dies geschieht durch die zugefügte Schwefelsäure, die die Salpetersäure protoniert, worauf diese ein Molekül Wasser abspaltet unter Ausbildung des stark elektrophilen Nitronium-Ions,

NO}.

Aktivierung von Salpetersäure durch Schwefelsäure i Nitrobenzol

j

O:

Ho?

DIN 5:-

4039 0:

+nlbsoH==Hö-N?

ea

- + H507

|

no nn

H

a

Salpetersäure

ee: H

Cr Nitronium-Ion

Man kann sogar einige Salze dieses Ions, z.B. NO; PF; isolieren und diese getrennt zur Nitrierung von Benzol einsetzen. Der elektrophile Angriff auf Benzol verläuft in etwa nach dem zuvor allgemein formulierten Mechanismus.

*

710

George A. Olah, geb. 1927, Professor an der University of Southern Angeles, Nobelpreis für Chemie 1994.

California, Los

Mechanismus der aromatischen Nitrierung

15.11 Nitrierung und Sulfonierung von Benzol

em ÖSO,H

Nitrobenzol

Sulfonierung: Eine reversible Substitution Konzentrierte Schwefelsäure reagiert bei Raumtemperatur nicht mit Benzol, sieht man von Protönierung ab (siehe Übung 15-25). Eine reaktivere Form dieser Säure, die „rauchende Schwefelsäure“ greift jedoch elektrophil an, da sie SO; enthält. Die handelsübliche rauchende Schwefelsäure enthält ungefähr 8% Schwefeltrioxid, SO;, in konzentrierter Säure. SO; ist die eigentliche reaktive Spezies. Aufgrund der stark elektronenziehenden Wirkung der drei Sauerstoffatome ist das Schwefelatom in SO; so elektrophil, daß es Benzol direkt angreift. Anschließend entsteht durch Protontransfer das Produkt Benzolsulfonsäure.

Sulfonierung von Benzol

®

|s0sH2S04

SOzH

Mechanismus der aromatischen Sulfonierung

:0:

:Q:

Benzolsulfon-

5.

VRR

r

va

|

St

N

säure

ae

Fa0%

N NOSH

:O

“

Benzolsulfonsäure

Die aromatische Sulfonierung bildet ein thermodynamisches Gleichgewicht, das auf die Seite der Ausgangssubstanzen verschoben werden kann, indem

man

Schwefeltrioxid

durch Reaktion

mit Wasser entfernt.

Dadurch entsteht in einer stark exothermen Reaktion Schwefelsäure. Erhitzt man daher Benzolsulfonsäure in wäßriger Schwefelsäure, kehrt sich die Sulfonierung vollständig um. Hydratisierung von SO;

.

2

T $

ZR

Q

:Q

\

+ HÖH —

| Ö=$-ÖH + Wärme ..

0:

..

:OH

Umkehrung der Sulfonierung 8:

SO;H H

20, H,SO, als Katalysator, 100 9 °C

[>E

H

BEN

Die reversible Sulfonierung kann man bei aromatischen Substitutionen präparativ nutzen, da der Sulfonsäure-Substituent eine bestimmte Position des Benzolrings blockieren und so weitere Substituenten in andere Stellungen dirigieren kann. Wie man dies als Synthesestrategie einsetzen kann, zeigen wir in Abschnitt

16.5.

zu

15

Die besondere Stabilität

des cyclischen Elektronensextetts

Benzolsulfonsäuren haben wichtige Anwendungen Die Sulfonierung ist ein wichtiges Verfahren bei der Herstellung von Iensiden (Detergentien). Bis vor kurzem wurden langkettige verzweigte Alkylbenzolderivate zu den entsprechenden Sulfonsäuren sulfoniert und dann in ihre Natriumsalze überführt. Da solche Waschmittel jedoch nur schwer biologisch abbaubar sind, verwendet man heute stattdessen umweltfreundlichere Alternativen. Mit diesen Verbindungen befassen wir uns in Kapitel 19.

Darstellung aromatischer Tenside

2

R = verzweigte Alkylgruppe

Auch bei der Herstellung von Farbstoffen spielt die Sulfonierung eine Rolle, da die Sulfonsäuregruppe farbige organische Verbindimei wasserlöslich macht (Kap. 22). Sulfonylchloride sind die Säurechloride der Sulfonsäuren (siehe Abschn. 9.4). Man stellt sie, ebenso wie auch Alkanoylchloride gewöhnlich durch die Reaktion der Natriumsalze mit PCI; oder SOC] her.

Darstellung von Benzolsulfonylchlorid

| SO"Na”

2 (I?

I

+ PCs —2

L|

SO;,CI

|

+ POCI +2 NaZcH

Obwohl sie nicht ganz so reaktiv wie Alkanoylchloride sind, sind sie präparativ von Nutzen. Erinnern wir uns, daß wir die Hydroxygruppe eines Alkohols in eine gute Abgangsgruppe umwandeln können, indem wir den Alkohol in das 4-Methylbenzolsulfonat, (p-Toluolsulfonat, Tosylat, Abschn. 6.8 u. 9.4) überführen. Durch Reaktion von Sulfonylchloriden mit Aminen entstehen die Sulfonamide, zu deren Gruppe wichtige Arzneimittel gehören. Die antibakterielle Wirkung der Sulfonamide wurde 1932 entdeckt (Abschn. 9.10). Alle Sulfonamide enthalten die 4-Aminobenzolsulfonamid-Funktion (Sulfanilamid). Ihre Wirkungsweise besteht darin, bakterielle Enzyme, die die Synthese der Folsäure katalysieren, kompetitiv zu hemmen (Kasten 25-5).

Einige Sulfonamide

run] )-sonur

ne

Allgemeine Formel

u

2)

)-SO,NH— /

CH30O

not

N= Sulfadiazin (gegen Malaria)

712

Sulfamethoxazol (antibakteriell, bei Harnwegsinfektionen eingesetzt

Sulfalen (gegen Lepra)

\

Ungefähr 15000 Sulfonamide wurden hergestellt und systematisch auf eine mögliche antibakterielle Wirkung getestet; aus einigen davon wurden neue Medikamente entwickelt. Mit der Entdeckung der Antibiotika rückten die Sulfonamide immer mehr in den Hintergrund. Dennoch war ihre Entdeckung ein Meilenstein in der systematischen Entwicklung der medizinischen Chemie.”

15.12

Die Friedel-CraftsAlkylierung

Übung 15-27 [Beschreiben Sie den Mechanismus Hydratisierung von SO;.

(a) der Umkehrung

der Sulfonierung und (b) der

Wir fassen zusammen: Bei der Nitrierung von Benzol ist das Nitronium-Ion, NO}, das aktive Elektrophil. Es entsteht durch Abspaltung von Wasser aus protonierter Salpetersäure. Die Sulfonierung von Benzol gelingt mit rauchender Schwefelsäure, die Schwefeltrioxid, SO;, als elektrophiles Agens enthält. Durch die Einwirkung von heißer verdünnter Säure wird die Sulfonierung reversibel. Benzolsulfonsäuren sind Vorstufen bei der Herstellung von Waschmitteln und Farbstoffen, nicht zuletzt bilden sie bei nucleophilen Substitutionen gute Abgangs-

gruppen.

15.12 Die Friedel-Crafts-Alkylierung Bei keiner der elektrophilen Substitutionen, die wir bisher besprochen haben,

entstanden

neue

C—C-Bindungen,

obwohl

dies eines der wich-

tigsten Ziele synthetischer organischer Chemie ist. Prinzipiell kann man sich eine Reaktion mit Benzol in der Gegenwart eines Reagenzes mit einem elektrophilen Kohlenstoffatom vorstellen. In diesem und den folgenden beiden Abschnitten werden wir zwei solcher Umsetzungen kennenlernen,

die nach

ihren Entdeckern

Friedel-Crafts-Reaktionen”*

heißen. Das Gelingen dieser Reaktion beruht auf der Verwendung einer Lewis-Säure, gewöhnlich Aluminiumchlorid. In Gegenwart dieses Reagenzes greifen Halogenalkane Benzol unter Bildung von Alkylbenzolderivaten an, Alkanoylhalogenide ergeben Alkanoylbenzolderivate. Im Jahr 1877 entdeckten Friedel und Crafts, daß Benzol mit Halogenalkanen in Gegenwart von Aluminiumhalogeniden reagiert. Als Produkte identifizierten sie Alkylbenzol und Halogenwasserstoff. Die Reaktion, die auch in Gegenwart anderer Lewis-Säure-Katalysatoren abläuft, heißt Friedel-Crafts-Alkylierung von Benzol. Friedel-Crafts-Alkylierung H

Dg

AIX 2 og

R

+ HX

Die Reaktivität des Halogenalkans nimmt in der Reihenfolge RF > RCI > RBr > Rl ab. Typische Lewis-Säuren bei dieser Reaktion sind (nach abnehmender Reaktivität geordnet) AlBr;, AlCk,, FeCl;, SbCl; und BF;.

*

Anm. d. Übers.: Heute finden Sulfonamide als orale Antidiabetika Verwendung.

**

Charles

Friedel,

1832-1899.

Professor an der Sorbonne,

Paris, und James

M. Crafts,

1839-1917, Professor am Massachusetts Institute of Technology, Boston.

713

15

Die besondere Stabilität

des cyclischen Elektronensextetts

ERLTER

9

TC#I AL”

Abb. 15-23 Die ersten Aufzeich-

nungen in Professor Crafts Laborjournal zur Reaktion von Benzol mit CH3l1 (geschrieben als

2

dur

oo,

ICH’) in Gegenwart von ACH; (geschrieben als Al’CI°), datiert vom 21. Mai 1877. [Ecole Nationale Superieure de Chimie de Paris, gegründet von Charles Friedel und Henri Moissan.]

:

CH;CH;C1

H +

A

AlClz, 25°C

|

Eee

CH>CH3

.

+ HCI

27,5% Ethylbenzol

H (CH3)3CCl + 5:

CICHs)a sn

©%

+ HCI

0% (1,1-Dimethylethyl)benzol

(tert-Butylbenzol)

Bei primären Halogeniden koordiniert das Halogenatom des Halogenalkans an die Lewis-Säure. Diese Reaktion wird also ebenso wie die elektrophile Halogenierung eingeleitet. Dadurch entsteht eine positive Partialladung auf dem an das Halogen gebundene Kohlenstoffatom, das dadurch stärker elektrophil wird. Dem Angriff auf den Benzolring folgt wiederum die Abspaltung des Protons, und man erhält die beobachteten Produkte.

Mechanismus der Friedel-Crafts-Alkylierung mit primären Halogenalkanen Schritt

1 Aktivierung des Halogenalkans ..

RCH—X: AIX3 714

=

ö'

ee

RCH3:X: AlX3

Schritt 2 _Elektrophiler Angriff

15.12

Die Friedel-CraftsAlkylierung

|

7

=

Er SUP EC RR, Schritt

| Se

+ AIX4

x

Bis

3 Abspaltung des Protons

Au :X—ÄIX, — (%

+ HX + AlXz

CH-R Aus sekundären und tertiären Halogeniden entstehen meistens freie Carbenium-Ionen als Zwischenstufen, die den Benzolring in gleicher

Weise angreifen wie das Kation NO,. Übung 15-28 "| Beschreiben Sie den Mechanismus der Bildung von (1,1-Dimethylethyl)benzol (tert"| Butylbenzol) aus 2-Chlor-2-methylpropan (tert-Butylchlorid) und Benzol in Gegenwart il von AlCI..

MM] Übung 15-29 Behandelt man Benzol mit 1-Brom-3-fluorpropan in Gegenwart der Lewis-Säure Bortribromid, BBr;, 30 min bei —10°C, erhält man eine Verbindung der Summenformel C,H, .Br, die im BC-NMR-Spektrum

l

sieben Peaks zeigt. Schlagen Sie für diese Verbin-

dung eine Konstitution vor.

Durch intramolekulare Friedel-Crafts-Alkylierung wird einen weiteren Ring an den Benzolkern zu kondensieren. De

Be

es möglich,

RR

Rn

|

AIC1,, CS, und CH,NO, als Lösungsmittel, 25°C, 72h x = HC

IE

H 31% Tetralin (Trivialname)

Für Friedel-Crafts-Alkylierungen kann man alle Verbindungen benutzen, die Carbenium-Ionen

ausbilden können, z.B. einen Alkohol oder

ein Alken (Abschn. 9.2 u. 12.3). Br

H

CH3CH> CHCH3 OH

FICHCHcHcH,

Se el, - HOH 36% (1-Methylpropyl)benzol

H

62% Cyclohexylbenzol

715

15

Die besondere Stabilität

Bi Übung 15-30

des ceyclischen

" (1-Methylethyl)benzol (Isopropylbenzol, Cumol) ist eine wichtige Industriechemikalie, die zu Phenol weiterverarbeitet wird (Kap. 22). Isopropylbenzol wird aus Propen und Benzol in Gegenwart von Phosphorsäure hergestellt. Nach welchem Mechanismus entsteht diese Verbindung?

Elektronensextetts

Fassen wir zusammen: Bei der Friedel-Crafts-Alkylierung entstehen Carbenium-Ionen (oder deren Äquivalente) die gegenüber dem Benzolring als Elektrophil wirken, indem sie Aryl-Kohlenstoff-Bindungen ausbilden. Halogenalkane, Alkene und Alkohole können in Gegenwart von Lewis- oder Mineralsäuren zur Alkylierung von Aromaten verwendet werden.

15.13 Die Grenzen der Friedel-Crafts-

Alkylıerung Bei der Friedel-Crafts-Alkylierung treten zwei Nebenreaktionen auf, die die Bedeutung dieser Reaktion stark einschränken: zum einen die Mehrfachalkylierung, zum anderen die Umlagerung von Carbenium-Ionen. Dadurch verringert sich die Ausbeute an erwünschtem Produkt, gleichzeitig entstehen Mischungen, die nur schwer zu trennen sind. Beispielsweise erhält man durch die Reaktion von Benzol mit 2Brompropan in Gegenwart von FeBr; als Katalysator eine Mischung von (1-Methylethyl)benzol und 1,4-Bis(1-methylethyl)benzol, beide in relativ geringen Ausbeuten, da noch viele Nebenprodukte entstehen.

H

CH(CH3),

I

+ (CH) CHBr nr

CH(CH3)2

+

|

A H 25% (1-Methylethyl)benzol (Isopropylbenzol)

CH(CH3)3 15% 1,4-Bis(1-methylethyl)benzol (p-Diisopropylbenzol)

Bei den bisher besprochenen Beispielen der elektrophilen aromatischen Substitution blieb die Reaktion stets auf der Stufe der Monosubstitution stehen. Warum ergibt sich bei Friedel-Crafts-Alkylierungen das Problem der mehrfachen Substitution? Der Grund dafür liegt in der Natur des neu eingeführten Substituenten. Durch Bromierung, Nitrierung und Sulfonierung werden elektronenziehende Substituenten in den Benzolring eingeführt, das Produkt wird weniger leicht elektrophil angegriffen als das Edukt. Dagegen ist ein alkylierter Benzolring elektronenreicher als ein unsubstituierter Ring und wird deshalb leichter, d.h. schneller elektrophil angegriffen. Übung 15-31 Die Reaktion von Benzol mit Chlormethan in Gegenwart von AlCl; führt zu einer komplexen Mischung von Tri-, Tetra- und Pentamethylbenzolderivaten. Aus dieser Mischung kristallisiert eine Komponente selektiv aus: Smp. 80°C; molare Masse 134

g/mol; 'H-NMR 8 = 2.27 (s, 12 H) und 7.15 (s, 2 H); "C-NMR d = 19.2, 131.2 und 133.8. Zeichnen Sie die Konstitutionsformel dieses Produkts.

Bei der aromatischen Alkylierung kann sich außerdem der Alkylrest umlagern (Abschn. 9.3), was diese Reaktion noch komplizierter macht.

716

So führt der Versuch, Benzol mit 1-Brompropan lieren, zu (1-Methylethyl)benzol.

und AlC]; zu propy-

15.14 Friedel-CraftsAlkanoylierungen (-Acylierungen)

CH(CH3), ECHSCHLCH,Br

N — HBr

>

Das Halogenalkan lagert sich dabei in Gegenwart der Lewis-Säure zum thermodynamisch begünstigten 1-Methylethyl-(Isopropyl)-Kation um.

Umlagerung von 1-Brompropan zum 1-Methylethyl-(Isopropyl)-Kation H >

CHSCH-

+

CH

{Br + AICH, —>

CH;CHCH;

+ BrAlCl;

1-Methylethyl(Isopropyl)-Kation Übung 15-32 Beim Versuch, Benzol mit 1-Chlorbutan in Gegenwart von AlCI; zu alkylieren, erhielt man nicht nur wie erwartet, Butylbenzol, sondern als Hauptprodukt (1-Methylpropyl)benzol. Beschreiben Sie den Mechanismus dieser Reaktion.

Aufgrund dieser Einschränkungen werden Friedel-Crafts-Alkylierungen in der synthetischen Chemie selten benutzt. Gibt es eine Möglichkeit, diesen Prozeß zu verbessern? Man braucht hierzu eine elektrophile Kohlenstoff-Spezies, die sich nicht umlagern kann und die obendrein den Ring desaktiviert, so daß keine weitere Substitution möglich ist. Es gibt solches Spezies, die Acylium-Kationen, und sie werden in der zweiten

Friedel-Crafts-Reaktion

verwendet,

die

im

nächsten

Abschnitt

behandelt wird. Zusammenfassend läßt sich sagen, daß Friedel-Crafts-Alkylierungen zwei Nachteile haben: Mehrfachalkylierungen des Aromaten und Gerüstumlagerungen des Alkylsubstituenten aufgrund von Wasserstoffund Alkylverschiebungen.

15.14 Friedel-Crafts-Alkanoylierungen

(-Acylierungen) Die zweite elektrophile aromatische Substitution, bei der KohlenstoffKohlenstoff-Bindungen gebildet werden, ist die Friedel-Crafts-Alkanoylierung oder -Acylierung. Diese Reaktion verläuft über Acylium-Kationen als Zwischenstufe, die die allgemeine Formel RC=O:" haben. In diesem Abschnitt sehen wir, wie diese Ionen Benzol unter Bildung von Ketonen angreifen. Friedel-Crafts-Alkanoylierung

717

15 Die besondere Stabilität een

Bei der Friedel-Crafts-Alkanoylierung werden . Alkanoylhalogenide verwendet

des cyclischen

Die Bildung des Acylium-Kations geschieht allgemein durch die Reaktion von Alkanoylhalogeniden mit Aluminiumtrichlorid. Ähnlich reagieren Carbonsäureanhydride mit Lewis-Säuren. Dabei koordiniert die Lewis-Säure an das Carbonyl-Sauerstoffatom. Dieser Komplex liegt im Gleichgewicht mit einer anderen Spezies vor, in der Aluminiumchlorid an das Halogenatom (von Alkanoylhalogeniden) oder an das verbrückende Sauerstoffatom (von Carbonsäureanhydriden) gebunden ist.

Friedel-Crafts-Alkanoylierung von Benzol mit Acetylchlorid

u, |

ıC—CH3

0 |

AlClz

+ HCI

— >

+ CHzCCl a

61% 1-Phenylethanon (Acetophenon)

Alkanoyl-(Acyl-)chloride sind reaktive Carbonsäurederivate. Sie bilden sich glatt aus den Säuren beim Behandeln mit SOC. (Diese Reaktion werden wir detailliert in Kap. 19 besprechen.) Darstellung eines Alkanoyl-(Acyl-)chlorids

Q | | | RCOH + SOCI- —> RCCI + SOz + HCI Komplexbildung der Lewis-Säure mit Alkanylhalogeniden

AICI; nr

AlCIz

| 5

C

Ro:=

+Alck—|

ee

-

C

AlC,

i£

ee

”

4 ES} &

5

RAN

N

PN: N

„Ch Oo

:O:

|

|

Ro Hagn)NN:

VER Be a,

Komplexbildung der Lewis-Säure mit Carbonsäureanhydriden

ACH 5 S-

0:

RC—O—CR

ö 05 + All;

0:

2

=

AICI;

| RC-0O—CR

= >

2:

%

ir

En

AICI, 7:0

|

:O:

|

0:

|

:0:

|

RC—O—CR — RC-0—CR "AICI, 718

AICH ‚D

0:

+

RC=0—CR

Diese Addukte

können weiter in das Acylium-Ion

15.14 Friedel-CraftsAlkanoylierungen (-Acylierungen)

dissozieren, wobei

dieses in geringer Gleichgewichtskonzentration vorliegt. Das geschieht relativ leicht, da das Produkt resonanzstabilisiert ist (s. auch Abschn. 20.10). Bildung des Acylium-Ions

AlClz Br: 1

ae

RC—X:

0:

l

..

EU

ler;

..

..

1 Bad N ——

nn

+

RC--X —AlCIz

=

7

RC=0!

|

CR

+ AlClz

—— |

Da durch diese Komplexierung AlCl; als Katalysator für weitere Umsetzungen ausgeschaltet wird, muß man mindestens ein ganzes Aquivalent der Lewis-Säure zugeben, damit die Reaktion vollständig verläuft. Am Ende muß die Reaktionsmischung wäßrig aufgearbeitet werden, um das komplexierte Aluminiumchlorid zu hydrolysieren und das Keton freizusetzen. 719

15

Wäßrige Aufarbeitung nach der Friedel-Crafts-Alkanoylierung

Die besondere Stabilität

des ceyclischen

AlCIz

Elektronensextetts :O

Hr

| CR

| CR

+ 3HOH —

7

+ AI(OH)3 + 3 HCI

Beispiele dafür (sie alle beinhalten wäßrige Aufarbeitung):

I

5|

H

| er

CCH3>CH3

AICI, (1.7 Aquivalente)

+ CH3CH>CCl BIRHES zz

ER re Ca

84% 1-Phenyl-I-propanon (Propiophenon)

| 5 >”

2

h I il AICI, (2.4 Äquivalı + CH3COCCH; ee — CH;COO

t

85% 1-Phenylethanon (Acetophenon)

| Übung 15-33

O0

I lorid, rid, ' Das einfachste Alkanoylch Formylchlo H—C—Cl1, ist instabil. Versucht man es darzustellen, zerfällt es in HC] und CO. Daher findet die direkte Friedel-Crafts-Formylierung des Benzolrings nicht statt. Als alternatives Verfahren ermöglicht die Gattermann-Koch-Reaktion die Einführung der Formylgruppe, —CHO, in den Benzolring durch Behandlung mit CO unter Druck in Gegenwart von HCl und einer Lewis-Säure als Katalysator. So läßt sich beispielsweise Methylbenzol (Toluol) in para-Stellung auf diese Weise in 51% Ausbeute formylieren. Beschreiben Sie einen Mechanismus für diese Reaktion. (Hinweis: Fangen Sie mit der Lewis-Formel von CO an und überlegen |, Sie als nächstes, welche Spezies in Gegenwart einer Säure entstehen könnte.)

CH;

CH; + co + Hal

AlCl;, CuCl

H

CHO

Die Produkte der Friedel-Crafts-Alkanoylierung enthalten eine Carbonylgruppe, die man mit verschiedenen Methoden reduzieren Kann (Clemmensen-Reduktion, Wolff-Kishner-Reduktion, reduktive Entschwefelung eine Thioketals mit Raney-Nickel, s. Abschn. 16.6, 17.8 u. 17.10). Damit bietet die Reaktionsfolge Alkanoylierung-Reduktion einen bequemen Zugang zu Alkylbenzolen, ohne die Nachteile der Friedel-Crafts-Alkylierung in Kauf zu nehmen. Wolff-Kishner-Reduktion

eines Produkts der Friedel-Crafts-

Alkanoylierung

6) |

CCH;

CH;CH3 NH;NH>, H50, KOH, HOCH>CH>OCH>CH>OCH>CH>OH, A 95%

720

Wir fassen zusammen: Die Friedel-Crafts-Alkylierung verläuft über Carbenium-Ionen oder Carbenium-Ion-Äquivalente, die den aromatischen Ring elektrophil angreifen und eine Aryl-Kohlenstoff-Bindung knüpfen. In Gegenwart von Lewis- oder Mineralsäuren sind Halogenalkane, Alkene und Alkohole die Reagenzien der aromatischen Alkylierung. Dabei treten jedoch leicht Mehrfachalkylierung und Umlagerungen durch Wasserstoff- oder Alkylverschiebungen auf. Die FriedelCrafts-Alkanoylierung umgeht diese Nebenreaktionen. Bei dieser Reaktion reagiert ein Alkanoylhalogenid oder ein Carbonsäureanhydrid mit dem Aromaten. Hier entstehen intermediär Acylium-Kationen, die den Ring elektrophil angreifen. Die dadurch gebildeten aromatischen Ketone können weiter modifiziert werden.

Verständnisübung

Verständnisübung Das Insektizid DDT (s. Kasten 3-5) wurde durch die Umsetzung von Chlorbenzol mit 2,2,2-Trichloracetaldehyd in Gegenwart von konzentrierter Schwefelsäure im Tonnenmaßstab hergestellt. Formulieren Sie einen Mechanismus für diese Reaktion. (ei | an z

2| =

|

+

te | ıl

2 99% H>SO,, 15°C, 5h

cHCcCcH

3

————n

af

Kr

EN

NW

\

CC RT

N

%-0— |

bee f

£

H

N

\ er

-cıE

a,

H 98%

Chlorbenzol

2,2,2-Trichloracetaldehyd

DDT

Lösung Wir wollen zunächst die gegebenen Informationen zusammenstellen: 1. Das Produkt setzt sich aus drei Fragmenten zusammen, zwei davon sind

Chlorbenzol-Einheiten

und

eine

vom

2,2,2-Trichloracetaldehyd

ableitbar. 2. In dieser Reaktion werden die Ausgangsverbindungen (2 Moleküle Chlorbenzol, 1 Molekül 2,2,2-Trichloracetaldehyd, totale Summenformel C,4H,,C1;O) zu einer Verbindung mit der Summenformel C,4HsCl;O (DDT) umgesetzt. Dies entspricht einer Abspaltung von zwei Wasserstoff- und einem Sauerstoffatom, wahrscheinlich in Form von Wasser. 3. Formal entspricht die Reaktion einem Austausch eines Wasserstoffatoms- in aromatischer Position durch einen Alkylsubstituenten. Dies deutet stark auf eine Friedel-Crafts-Alkylierung hin (Abschn. 45:12): Wir können nun mit der Formulierung eines möglichen Mechanismus beginnen. Friedel-Crafts-Alkylierungen erfordern positiv polarisierte oder geladene Kohlenstoffatome. In unserem Fall zeigt die Betrachtung des Reaktionsproduktes, daß das Carbonyl-Kohlenstoffatom des AldeAktivierung von 2,2,2-Trichloracetaldehyd als Elektrophil

Oo: >

CHE.

BEER

Oktett

nn

CH

j

..

ee

-

r

GEOh

BEN

|

—-

CH

dipolare Grenzformel

Dt

+

4

:OH

:OH

27

Ne

VS

——

=

Hydroxycarbenium-Ion

ER

ZEN

]

H

protonierter Aldehyd

721

15 Die besondere Stabilität des cyclischen

hyds den elektrophilen Angriff ausführt. Zunächst ist es durch den Elektronenzug des Sauerstoffatoms und der drei Chlorsubstituenten positiv

Elektronensextetts

polarisiert. Das wird anhand der Resonanzformeln deutlich (Abschn. KS): In Gegenwart einer starken Säure wird das negativ polarisierte Sauerstoffatom des neutralen Aldehyds protoniert. Dadurch wird ein positiv geladenes Intermediat (das Hydroxycarbenium-Ion) erhalten, in dem der elektrophile Charakter des Carbonylkohlenstoffatoms noch stärker ausgeprägt ist. Wir können nun die beiden Schritte der elektrophilen aromatischen Substitution formulieren (Abschn. 15.12): Erster Schritt der elektrophilen aromatischen Substitution

7

ES N

:OH

|

We CHE

Pat

— 1 dad H

£

NY,

Sr Ber

I

OH

/

er

IN.

Vs

Das Produkt des ersten Schritts ist ein Alkohol, der unter sauren Bedingungen leicht in das entsprechende Carbenium-Ion überführt werden kann (Abschn. 9.2). Das gebildete Carbenium-Ion wird durch Resonanz mit dem Phenylring zusätzlich stabilisiert (benzylische Resonanz, Abschn. 22.1, vergleichbar mit der allylischen Resonanzstabilisierung, Abschn. 14.1 u. 14.3). Dieses Kation ermöglicht den zweiten elektrophilen aromatischer Substitutionsschritt, der zur Bildung von DDT führt.

Aktivierung des Alkohols und zweiter Schritt der elektrophilen aromatischen Substitution

OH

cı

| anne | —H;,0 SCH H

cı

ea I

H

ed

RG N

CCI,

EERNEE

EIG:

CC,

cl

& Koll a

eine

en

ı

HM

m

4

DDT

6)

Sie haben sich vielleicht gewundert, warum diese Synthesesequenz nicht zu einer Mischung aus ortho-, meta- und para-Produkten führt, sondern statt dessen ausschließlich das para-Substitutionsprodukt erhalten wird. Der dirigierende Einfluß des Erstsubstituenten auf die Position des Zweitsubstitution ist Thema des folgenden Kapitels und soll hier nicht im Detail besprochen werden. Chlor dirigiert in ortho- und paraPosition (Abschn. 16.3), da die positive Ladung des positiven o-Komplexes durch Resonanz mit freien Elektronenpaaren des Chlors stabilisiert werden kann. Das geht nicht, wenn der Angriff in der meta-Position erfolgt (Um sich das zu verdeutlichen, zeichnen Sie alle Resonanzformeln der entsprechenden Intermediate). In der DDT-Synthese führt der sterische Anspruch des Elektrophils zur Bevorzugung der para-Substitution im Vergleich zur nicht beobachteten ortho-Substitution.

7122

Neue Reaktionen

Neue Reaktionen 1

Hydrierung von Benzol (Abschn. 15.2) ©

H,, Katalysator

©

AH® = -206,4 kJ/mol Resonanzenergie: =-124 kJ/mol

2

Aromatische Übergangszustände (Abschn. 15.3)

a

Se

>

ZRIEN a us

ne)

=

EN)

o

rg

un Be nn °

(6) +

Diels-Alder Reaktion

3

PermanganatAddition

Ozonolyse

Darstellung von Naphthalin (Abschn. 15.6) Oo op AlClz 2. Zn are HF

4

HCI ler,

3 i Palc,Aa,

Darstellung von Anthracen und Phenanthren (Abschn.

15.6)

Anthracen: l. AlClz, DEZn Ks HCI, A ae HF

5m

1. 2 CHH=CHCH=CH> er UNE KOH,

ERBE TUER

_NaBH,, NaBH,,

BF3, BF3, (CH5CH>)0

|

(6) Phenanthren:

1. = AICI, 1 NaBH; nen 2:enne HCl

FraC 5

—m

2,

z =

F

&

e

:

3

723

15 Die besondere Stabilität

5

des eyclischen Elektronensextetts

Reaktionen von Anthracen und Phenanthren (Abschn. 15.6)

Reduktion:

Ss

1.

Er

Halogenierung (Addition-Eliminierung):

N

R-

15 MD

ee

|

8

ma

ei

— om 2

&

Cycloaddition:

ee)® e

O

|

9.

16)

* CO:CH; CO,CH3

CO>CH3

an

" ü

hv, (CHSCH2)20 |

CO>CH3

vn

en

Hückel-Regel

6

1,3-Cyclobutadien (Abschn. 15.7)

Darstellung: O

ER 724

hv, —266°C, EN

Ar

I

+cCco

1+co

Diels-Alder-Cycloaddition:

Neue Reaktionen

CH300C H

H

CH;00C 7

le

COOCH3

(7

a

u —

COOCH;

Darstellung des Cyclopentadienyl-Anions (Abschn. 15.8)

mo 8

Darstellung des Cyclopentadienyl-Kations (Abschn. 15.8) Br

9

H

Darstellung des Cycloheptatrienyl-Kations (Abschn. 15.8)

Ban

mu =

10

Darstellung des Cyclooctatetraen-Dianions (Abschn. 15.8)

(FW

11 Darstellung des [16]Annulen-Dikations und -Dianions (Abschn. 15.8)

[16]2+„CESOH. CE,S0;H,S0,, SO,.CHIC, CHyCh, -80°C - 80°C

KUHR,

12-

[16]Annulen

Elektrophile aromatische Substitution 12 Chlorierung, 19.10:.u. 15,11)

Bromierung,

Ger

Wax

Eee SO;, HSO, eine H>SO,, H50, 4

Nitrierung

und

tn

Sulfonierung

(Abschn.

X = Cl, Br

NOSEHO 2 EESO,Hr

Treversibel

725

15

Die besondere Stabilität

13

Iodierung (Abschn. 15.10)

des cyclischen

CHR

Elektronensextetts

HARD,

EHMFATLINO

oder

2.CHE FL +2 HNO Ss 2 CHI 14

Benzolsulfonylchloride (Abschn. C,HsSO,Na

15

Sc PCI; ee

FINO Horne

15.11)

C,H5S0O;C1

är POCI,

+

NaCl

Friedel-Crafts-Alkylierung (Abschn. 15.12) GBaIRX

en

C,HsR + HX mehrfach alkylierte Produkte

R kann umlagern

Intramolekular:

(er

Alkohole

und Alkene

@| Ra

S®

BR

als Substrate:

OH RCHR’ + ee

R' CHR R

RCH=

16

CH;

Sr CHE

u

HF, 0°C

C,H CHCH;

Friedel-Crafts-Alkanoylierung (Abschn. 15.14)

Säurechloride:

l CH, ARCEH je

D

ER + HC

Anhydride:

EHISRTGE: COCCH, US

726

0 e CH. + CH,COOH

USLALIIPJOZUIH USLIIINIHSQnS pun [ozuag] U0A uonNyeay

ROT

m

"iD:

|

H=W (H=W (H=W) (ON=W CHN=W) (H!OS=W et: (H=%9) (1ordasay=y) 3DW DON diy' WB 1 °H 3509.

ET

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709

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a

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727

ID°HI

Dus

(1ÄNIV=N)

m

BDO

Wichtige Konzepte 1 Die Namen substituierter Benzolderivate bildet man, indem man dem Namen des Substituenten dem Wort „Benzol“ je nach Priorität voranoder nachstellt. Bei disubstituierten Verbindungen geben die Vorsilben 1,2-, 1,3- und 1,4- oder ortho, meta und para die Stellung der Substituenten an. Für viele Benzolderivate sind Trivialnamen gebräuchlich, die manchmal den Stammnamen substituierter Derivate bilden. Als Substituent wird ein aromatisches System Aryl genannt; der einfachste Vertreter davon, C,H;, heißt Phenyl; dessen Homologes C,HsCH;, heißt Phenylmethyl (Benzyl). 2 Benzol ist kein Cyclohexatrien, sondern ein Molekül mit einem delokalisierten cyclischen nSystem aus ‘sechs r-Elektronen. Es bildet ein regelmäßiges Sechseck aus sechs sp*-hybridiserten Kohlenstoffatomen. Alle sechs p-Orbitale überlappen gleichmäßig mit ihren Nachbarn. Aus der ungewöhnlich niedrigen Hydrierungswärme kann man die Resonanzenergie zu ungefähr 124 kJ/mol errechnen. Auch die Übergangszustände mancher Reaktionen, z.B. die Diels-Alder-Cycloaddition, erhalten durch aromatische Delokalisierung eine besondere Stabilität. 3 Die Besonderheit des Benzols ist in auffälligen UV-, IR- und NMR-Spektren zu erkennen. Am meisten Information erhält man aus den

IH-NMR-Spektren, da die an den Aromaten gebundenden Wasserstoffatome durch den ten Ringstrom einer ungewöhnlichen mung unterliegen. Aus den o-, m- und lungskonstanten erhält man Auskunft Substitutionsmuster.

induzierEntschirp-Koppüber das

4 Die mehrkernigen benzoiden Kohlenwasserstoffe bestehen aus linear oder angular kondensierten Benzolringen. Die einfachsten Vertreter dieser Verbindungsklasse sind Naphthalin, Anthracen und Phenanthren. 5 In diesen Molekülen teilen die Benzolringe zwei (oder mehr) Kohlenstoffatome miteinander, deren rn-Elektronen über das gesamte Ringsystem delokalisiert sind. Naphthalin zeigt also einige der charakteristischen Eigenschaften des aromatischen Benzolrings: Das Elektronenspektrum ist typisch für eine ausgeweitete Konjugation der rElektronen, im 'H-NMR-Spektrum ist der entschirmende Ringstromeffekt zu erkennen, die Bindungen alternieren kaum und das n-System geht elektrophile aromatische Substitutionen ein.

728

6 Benzol ist nach der Hückel-(An + 2)-Regel der zweiteinfachste aromatische Kohlenwasserstoff (n = 1). Die meisten An-n-Systeme sind recht reaktiv und zeigen keine aromatischen Eigenschaften. Die Hückel-Regel läßt sich auch auf aromatische geladene Systeme, wie das Cyclopentadienyl-Anion, das Cycloheptatrienyl-Kation und das Cyclooctatetraen-Dianion anwenden.

7 Die wichtigste Reaktion von Benzol ist die elektrophile aromatische Substitution. Im geschwindigkeitsbestimmenden Schritt wird das Elektrophil an den Ring addiert, wobei ein delokalisiertes Hexadienyl-Kation entsteht, der aromatische Charakter jedoch verlorengeht. Dieser wird durch rasche Deprotonierung zum jetzt substituierten Ring wieder hergestellt. Die Substitution ist exotherm, eine Addition dagegen wäre endotherm und findet deshalb nicht statt. Mit dieser Reaktion kann man Halogen- und Nitrobenzol,

Benzolsulfonsäuren

und

alkylierte

und

alkanoylierte Derivate herstellen. Oft ist die Katalyse einer Lewis-Säure (bei der Chlorierung, Bromierung und Sulfonierung) oder die einer Mineralsäure (bei der Nitrierung und Sulfonierung) oder anderer Substanzen (Ag' bei der Iodierung) notwendig. Die Wirkung dieser LewisSäuren besteht darin, die Elektrophilie des Reagenzes zu verstärken (so bei der Chlorierung, Bromierung, Alkylierung mit primären Alkylgruppen und Sulfonierung), oder stark elektrophile, positiv geladene Elektrophile zu erzeugen (bei der Iodierung I*; bei der Nitrierung NO3; bei der Alkylierung R*; bei der Alkanoylierung RCO'), oder die Reaktion auf andere Weise voranzutreiben (bei der Iodierung). 8 Die Sulfonierung von Benzol ist ein reversibler Prozeß, die Sulfonsäuregruppe wird durch Erhitzen mit verdünnter Säure entfernt. 9 Benzolsulfonsäuren sind Vorstufen der Benzolsulfonylchloride. Diese reagieren mit Alkoholen zu Sulfonsäureestern, die gute Abgangsgruppen bilden,

und

mit

Aminen

zu

Sulfonamiden,

zu

deren Gruppe wichtige Arzneimittel gehören. 10 Im Gegensatz zu anderen elektrophilen Substitutionen aktiviert die Friedel-Crafts-Alkylierung den aromatischen Ring für weitere Substitutionen, so daß Mischungen mehrfach alkylierter Produkte entstehen.

Aufgaben

Aufgaben

Benennen Sie die folgenden Verbindungen anhand des IUPACSystems und, falls möglich, mit einem gebräuchlichen Trivialnamen.

1

COOH

OCH3

OH CHO

(b)

(a)

(c)

cl NO,

NH>

NH>

CH; CH3z

(e)

(d)

(f)

COOH

CH; CH>CH3

Br

OH

CH3O

OCH; Br

6)

Benennen Sie die folgenden trival bezeichneten ihrem systematischen IJUPAC-Namen.

Verbindungen

2

CH3z

mit

OH

CH; CH3

(a)

(b) H;C

OH

CH3z Duren

CH>(CH3>)4CH3 Hexylresorcin

6) |

@

(c)

°

H;CNH

(d) nnscuen(

CH; |

)-Cncoon

OH

Acetaminophen

Ibuprofen

‘3 Zeichnen Sie die Konstitutionsformeln der folgenden Verbindungen. Falls der Name nicht korrekt ist, geben Sie dem Molekül einen richtigen systematischen Namen. (a) o-Chlorbenzaldehyd; (b) 2,4,6-Trihydroxybenzol; (ce) 4-Nitro-o-xylol; (d) m-Isopropylbenzoesäure; manilin; (f) p-Methoxy-m-nitroacetophenon.

(e) 4,5-Dibro-

4 Die vollständige Verbrennung von Benzol verläuft exotherm; dabei werden ungefähr 3300 KJ/mol frei. Wieviel Wärme würde freigesetzt, wenn Benzol nicht aromatisch wäre?

729

15

Die besondere Stabilität

des cyclischen Elektronensextetts

5 Das 'H-NMR-Spektrum von Naphthalin zeigt zwei Multipletts (s. Abb. 15-17). Die Absorption bei niedriger Frequenz (ö = 7.40) kommt durch die Wasserstoffatome

an C2, C3, C6 und C7, die bei hoher Fre-

quenz (d = 7.70) durch die Wasserstoffatome an Cl, C4, C5 und C8 zustande. Warum sind Ihrer Meinung nach die letzteren Protonen stärker entschirmt? 6 Die vollständige Hydrierung von 1,3,5,7-Cyclooctatetraen verläuft exotherm, dabei werden 473 kJ)/mol frei. Für die Hydrierung von Cycloocten ergibt sich ein Wert von AH" = —96 kJ/mol. Steht dies in Einklang mit den in diesem Kapitel beschriebenen Eigenschaften des Cyecloocatatetraen? 7 Welche der aromatisch ?

folgende

Verbindungen

a /N

sind

nach

|

(b) ST.

der

Hückel-Regel

ie

©

an

| (e)

—

@|

LI ®

8

8 Nachfolgend sind die spektroskopischen und andere Daten mehrerer Verbindungen aufgeführt. Schlagen Sie für jedes Beispiel eine Konstitution Vor. (a) Analyse: 30.55% C, 1.71%

A, (S. 658); PC-NMR:

H, 67.75 % Br. IH-NMR:

3 Signale; IR: 9% =745

Spektrum

(s, breit) cms

UV: Amax (E) = 263 (150), 270 (250), und 278 (180) nm. (b) Analyse: 79.98% C, 6.71% H. 'H-NMR: Spektrum B, ($. 658); SC-NMR: 5 = 26.3 (q), 128.3 (d), 128.6 (d), 133:0.(d), Des und (e) (ec) IR: (d)

197.4 (s). IR: v = 1680 (s), 755 (s) und 690 (s) cm. UV: Anax = 240 (13000), 278 (1100) und 319 (50) nm. Analyse: 70.57% C, 5.92% H. 'H-NMR: Spektrum C, (S. 659); v = 1690 (s) und 825 (s) cm’. Analyse: 44.95% C, 3.78% H, 42.72% Br. 'H-NMR: Spektrum

D, (S. 659); ®C-NMR: 7 Signale; IR: v = 765 (s) und 680 (s) cm". (e) Analyse: 54.29% C, 5.57% H, 40.14% Br. 'H-NMR: Spektrum E, (S. 660); ®C-NMR: ö = 20.6 (q), 23.6 (g), 124.2 (s), 129.0 (d), 136.0 (s) und 137.7 (s). 9 Durch Addition von Benzol an HF-SbF; (Übung 15-26) erhält man eine Spezies mit den folgenden "C-NMR-Absorptionen: d = 52.2 (t), 136.9 (d), 178.1 (d) und 186.6 (d). Die Signale bei ö = 136.9 und 186.6 sind von doppelter Intensität als die übrigen Signale. Ordnen Sie die Signale dieses Spektrums zu.

730

Aufgaben

731

10 Welches Hauptprodukt erwarten Sie bei der Addition der folgenden Reagenz-Mischungen an Benzol: (a) Ch + AlC]

(b) TO + BF, (T = Tritium, °H) (ec) IC + FeCl; (Vorsicht! DH'c = 74 kJ/mol. Ist diese Reaktion exotherm?)

(d) N>O; (dissoziiert leicht in NO’, und NO";) (e) (CH;),C

=

CH;

ZE H;PO,

() (CH;);CCH>CH;Cl Br (g)

|

+ AlCI,

Br

|

(CH3)aCCH>CH>C(CH3)2

+ AlBrz

(h) H5C— _)—COCI + SbCls 732

Aufgaben

E

11

ö

Beschreiben

Sie die Mechanismen

der Reaktionen

e und f aus Auf-

gabe 10.

EN

IL

12 Nach welchem Mechanismus könnte die direkte Chlorsulfonierung von Benzol (siehe Rand) verlaufen? Sie ist eine alternative Synthese von Benzolsulfonsäurechlorid.

+

2 CISO3H

|

13 In diesem Buch wird behauptet, daß alkylierte Benzolderivate leichter einem elektrophilen Angriff unterliegen als Benzol selbst. Zeichnen Sie ein Energieprofil (ähnlich wie in Abb. 15-22) der elektrophilen Substitution von Methylbenzol (Toluol), das sich qualitativ von dem des Benzols unterscheidet.

SO;CI

14

HCl

Halogenarene

lische

können

Reagenzien

wie

überführt

Halogenalkane

werden,

leicht in organometal-

die als Quelle

nucleophilen

Koh-

lenstoffs dienen:

2)20,

25°C

ö

H>SO,

E

Phenylmagnesiumbromid GrignardReagenzien Mg, THF, 50°C

Phenylmagnesiumchlorid

i,

o (CH3CH3)20, 25°C

=) OTeR:

Phenyllithium

733

15 Die besondere Stabilität

In ihrem chemischen Verhalten gleichen diese Reagenzien ihren allyli-

des cyclischen

schen

Elektronensextetts

Reaktionssequenzen

Analoga.

Geben

Sie jeweils das Hauptprodukt

der folgenden

an:

l. Mg, THF IMMER

(a)

ACH

(CH3CH3>)z0

ER

2. CH3CHO EB en

17%

Ms,

oh) CH,

2. CH,—CH, +

(CH3CH3>)20

2. CH3CH>COOCH3 zu

CHE 15

Wie kann man die folgenden Verbindungen, von Benzol ausgehend,

am

besten

synthetisieren?

(a)

1-Phenyl-I-heptanol;

(b)

2-Phenyl-2-

butanol; (ec) 1-Phenyloctan. (Hinweis: Wählen Sie eine Methode aus Aufgabe 14. Warum kann man keine Friedel-Crafts-Alkylierungen verwenden?) 16 Aufgrund der cyclischen Delokalisation sind die im folgenden gezeigten Formeln A und B des o-Dimethylbenzols (o-Xylols) einfach zwei Resonanzformeln desselben Moleküls. Gilt dasselbe auch für die beiden Dimethylcyclooctatetraen-Formeln C und D? Geben Sie eine Erklärung.

CHz fE

CH; & in

A

CH;

B

C

CH3 ® D

17 Im folgenden Diagramm sehen Sie die potentiellen Energien zweier n-Systeme, der 2-Propenyl-(Allyl-)Gruppe und der CyclopropenylGruppe, qualitativ dargestellt. _—— - ——

Antibindende Molekülorbitale

.._—er7T E

pr

—— Nichtbindendes Molekülorbital ame

Cyelopropenyl

(a) Zeichnen

KR

m ——

Bindende Molekülorbitale

2-Propenyl (Allyl)

Sie die drei Molekülorbitale

eines jeden Systems mit

ihren Vorzeichen, und markieren Sie bindende UÜberlappung und Knoten mit gestrichelten Linien wie in Abb. 15-4. Hat jedes dieser Systeme entartete Molekülorbitale?

734

(b) Mit wie vielen r-Elektronen würde das Cyclopropenyl-System (verglichen mit dem 2-Propenyl-System) maximale Stabilität erreichen? (Vergleichen Sie mit Benzol, Abb. 15-5). Zeichnen Sie die Lewis-Formeln dieser Systeme mit der von Ihnen gefundenen Anzahl von Elektronen und dazu passenden formellen Ladungen. (ce) Würden Sie das Cyclopropenyl-System, das Sie in Teil b gezeichnet haben, als aromatisch bezeichnen? Erklären Sie Ihre Antwort.

18 Das zeigt zwei sind zwei scheiden

'H-NMR-Spektrum des stabilsten Signale, bei ö = —0.61 (4 H) und mögliche Formeln für [14]Annulen sie sich? Welche entspricht dem

Isomers von [14]Annulen 7.88 (10 H). Im folgenden dargestellt. Wodurch unterbeschriebenen NMR-Spek-

In 2

Aufgaben

u

\ .. u

19 Erklären Sie die folgende Reaktion und das stereochemische tat durch einen Mechanismus.

Resul-

a f6)

ERS + HCT—C, ? \-CH3 H

1. AlCla 2.H*, H,O

20 Metall-substituierte Benzolderivate werden seit langem in der Medizin verwendet. Vor der Entdeckung der Antibiotika waren PhenylarsenDerivate die einzigen Mittel, mit denen man Syphilis bekämpfen konnte. Auch heute noch verwendet man Phenylquecksilber-Verbindungen als Fungizide und keimabtötende Wirkstoffe. Nachdem Sie nun die Grundprinzipien aromatischer Reaktionen kennen und aufgrund Ihrer Kenntnisse über das charakteristische Verhalten von Hg?'-Verbindungen (siehe Abschn. 12.7), schlagen Sie für Phenylquecksilberethanoat eine vernünftige Synthese vor.

OÖ

HgOCCH;

Phenylquecksilberethanoat

Gruppenübung 21 Diskutieren Sie in Ihrer Gruppe die folgenden Versuchsergebnisse zur elektrophilen aromatischen Substitution. (a) Eine Lösung von HCl in Benzol ist farblos und leitet den elek-

trischen Strom nicht, während eine Lösung von HCl und AlCI; in Benzol farbig und elektrisch leitend ist. (b) Die folgenden Daten sind dem BC-NMR-Spektrum angegebenen o-Komplexes entnommen:

des unten

ö-Werte: Cl und C5: 186.6 23:178.] C2 und C4: 136.9 26:.52.2

m

15 Die besondere Stabilität

(c) Die relativen Reaktionsgeschwindigkeiten der folgenden Verbin-

des cyclischen

dungen lauten:

Elektronensextetts Verbindungen

relative Geschwindigkeit

Benzol

0.0005

Methylbenzol (Toluol)

0.157

1,4-Dimethylbenzol (p-Xylol)

1.00

1,2-Dimethylbenzol (o-Xylol)

Bil

1,2,3-Trimethylbenzol

340

1,2,3,4-Tetramethylbenzol

2000

1,2,3,5-Tetramethylbenzol

240000

Pentamethylbenzol

360000

(d) Wird 1,3,5 Trimethylbenzol mit Fluorethan und einem Äquivalent BF3 bei -80°C umgesetzt, so isoliert man ein Salz mit einem Schmelzpunkt von -15°C. Erhitzt man dieses Salz, so erhält man 1-Ethyl-2,4,6-trimethylbenzol.

736

Elektrophiler Angriff auf Benzolderivate Substituenten kontrollieren die Regioselektivität

Zu irgendeinem Zeitpunkt in Ihrem Leben haben Sie wahrscheinlich eines der gängigen Schmerzmittel wie Acetylsalicylsäure, Acetaminophen, Naproxen oder Ibuprofen benutzt, die unter ihrem Markenbe-

zeichnungen bekannter sind: Aspirin®, Tylenol®, Naprosyn® und Advil®. Bei den ersten drei handelt es sich um ortho- oder para-disubstituierte Benzolderivate, letzteres ist ein disubstituierte Naphthalinverbindung. Wie werden diese Wirkstoffe hergestellt? Die Antwort lautet: durch elektrophile aromatische Substitution.

oO mei

HC £

OH

cooH ©

|

Su

OH

OCCH; HNCCH;

| 6)

2-Acetylsalicylsäure (Aspirin) : R

UN

(6)

CH;O

N-(4-Hydroxyphenyl)acetamid (Acetaminophen)

A

ER

2-[2-(6-Methoxynaphthyl)]propansäure (Naproxen)

2-[4-(2-MethylpropyDphenyl]|propansäure (Ibuprofen)

In Kapitel 15 haben wir gelernt, wie nützlich diese Reaktion zur Herstellung monosubstituierter Benzolderivate ist. In diesem Kapitel werden wir die Wirkung des so eingeführten Substituenten auf die Reaktivität und die Regioselektivität (Orientierung) eines weiteren Substituenten untersuchen, der in einem folgenden elektrophilen Substitutionsschritt an den Benzolring gebunden werden soll. Wir werden erkennen, daß

„ is x

men 737

16

Elektrophiler Angriff

auf Benzolderivate

man die Substituenten am Benzolring in zwei Gruppen unterteilen kann, nämlich 1) aktivierende Substituenten (Elektronendonoren), die den zweiten Substituenten generell in die ortho- und para-Positionen dirigieren und 2) desaktivierende Substituenten (Elektronenakzeptoren), die Elektrophile in die meta-Position lenken. Mit diesem Wissen können wir Wege zur Synthese substituierter Arene wie den anfangs erwähnten Analgetica kennenlernen und steuern.

16.1 Aktivierung und Desaktivierung des Benzolrings Welche Faktoren bestimmen die Aktivierung oder Desaktivierung des Benzolkerns hinsichtlich der elektrophilen aromatischen Substitution? Ein Substituent des Benzolrings übt entweder einen aktivierenden Effekt aus, indem er Elektronendichte auf den Ring überträgt, oder er desaktiviert diesen, indem er Elektronendichte abzieht. Auf diese Weise wird ein monosubstituierter Benzolring für einen weiteren elektrophilen Angriff entweder leichter oder schwerer zugänglich. Der elektronische Einfluß eines Substituenten wird durch ein Wechselspiel zweier Effekte bestimmt, die in Abhängigkeit von der Natur des Substituenten gleichzeitig wirken können: induktive und Resonanzeffekte. Ein induktiver Effekt wirkt über das o-Gerüst, nimmt mit der Entfernung vom aromatischen Kern schnell ab und wird im wesentlichen von der Elektronegativität der Atome und der sogenannten Bindungspolarisation (Tab. 1-3 u. 8-2) bestimmt. Resonanzeffekte wirken über n-Bindungen, können daher über größere Abstände Einfluß ausüben und sind insbesondere in geladenen Systemen stark (Abschn. 1.7, Kap. 14). Wir wollen diese Effekte in diesem Abschnitt anhand typischer Substituenten detailliert betrachten. Woher wissen wir, ob ein Substituent aktivierend oder desaktivierend ist? Im Falle der elektrophilen aromatischen Substitution ist die Antwort einfach: Je elektronenreicher das Aren ist, desto schneller erfolgt der elektrophile Angriff. Umgekehrt: Je elektronenärmer das Aren ist, desto langsamer erfolgt der elektrophile Angriff. Dementsprechend aktivieren Elektronendonoren den Benzolring, während Elektronenakzeptoren ihn desaktivieren. Relative Geschwindigkeiten der Nitrierung von C;HsR

R=

OH >CHH>H> 1000 25 I

Ci >COCHCH> 0.033 0.0037

CB > 326x107

NG un

Induktive Aktivierung und Desaktivierung durch Alkylgruppen Betrachten wir als Beispiel Methylbenzol (Toluol). Die Alkylgruppe wirkt durch Induktion und durch Hyperkonjugation (Abschn. 7.5) elektronenliefernd, diese Verbindung ist deshalb gegenüber weiterer SubDer Einfluß von elektronenliefernden und elektronenziehenden

Substituenten auf die Reaktivität des Benzolrings

er

738

or

jiCH3

P

Akzeptor

1CF,

Relativ elektronenreicher

Relativ elektronenarmer

Ring (reaktiv)

Ring (weniger reaktiv)

stitution reaktiver als Benzol.

ist (Trifluormethyl)-

16.1 Aktivierung und

benzol. Hier wirken die elektronegativen Fluoratome stark elektronen-

Ein Gegenbeispiel

Desaktivierung des Benzolrings

ziehend. Dieses Benzolderivat ist deshalb gegenüber Elektrophilen sehr viel weniger reaktiv als Benzol. 5© Übung 16-1

ESS

E

Ordnen Sie die am Rand gezeigten Verbindungen nach abnehmender Reaktivität gegen‘ über elektrophiler Substitution.

Resonanzbeiträge von Amino- und Hydroxygruppen überwiegen deren induktive Wirkungen Betrachten

wir

nun

einige

Substituenten,

die

mit

dem

De NH

| NH

.

er NH

(Anilin)

2

nn

CH;

aromatischen

n-System in Resonanz treten, z.B. die Aminogruppe in Anilin, C,Hs>NH;. Da Stickstoff elektronegativer ist als Kohlenstoff, übt die Aminogruppe einen leicht elektronenziehenden Effekt aus. Das freie Elektronenpaar des Stickstoffatoms kann jedoch in das aromatische rSystem mit eingebracht werden, so daß die Ladungsdichte des Rings erhöht wird. Dieser Resonanzbeitrag überwiegt den induktiven Effekt bei weitem. Anilin ist deshalb für weitere Substitution leicht zugänglich. Induktive und Resonanzeffekte in Benzolamin

A

© CF3

= C

Er

D

Induktiver Effekt (weniger ausgeprägt)

Resonanzeffekt (überwiegt)

Das elektronegative Sauerstoffatom in Phenol, C,H;sOH, wirkt ebenfalls elektronenziehend. Aber auch hier überwiegt der Einfluß der Resonanz, so daß der Benzolkern aktiviert wird. Induktive und Resonanzeffekte in Phenol Di Oo

Induktiver Effekt

Resonanzeffekt

(weniger ausgeprägt)

(überwiegt)

U Übung 16-2 Der pK,-Wert von Phenol ist mit 10 viel niedriger als der eines Alkanols. Können Sie dies mit Hilfe von Resonanzformeln von Phenol und des entsprechenden Anions erklären? Ebenso ist Benzolamin (Anilin) viel schwächer basisch als Methanamin (Abschn.

@ 21.4). Erklären Sie auch dies.

Halogensubstituenten: Induktive Effekte übertreffen Resonanzeffekte Bei Halogenarenen sind sowohl starke induktive Effekte wie auch Resonanzbeiträge in Betracht zu ziehen. Fluor als Substituent ist so elektronegativ, daß Fluorbenzol trotz Resonanz verglichen mit Benzol leicht desaktiviert ist. Man

möchte

erwarten,

daß diese Tendenz,

Elektronen

739

Abb. 16-1 Überlappung zwischen dem 2p-Orbital des Fluoratoms mit dem n-System von Benzol (A). Die Orbitale können gut überlappen, daher kompensiert der elektronenliefernde Resonanzeffekt den induktiven Elektronenzug durch Fluor nahezu. Bei den größeren Halogenen wird die Überlappung zunehmend schlechter (B). Da gleichzeitig aber auch die Elektronegativität abnimmt, bleibt netto die Wirkung des Halogens — schwache Desaktivierung — ungefähr konstant.

abzuziehen, in der Gruppe nach unten hin abnimmt, da in dieser Richtung auch die Elektronegativität abnimmt (siehe Tab. 1-3). Es zeigt sich jedoch, daß alle Halogene den Ring desaktivieren, da sie mit zunehmender Größe immer schlechter in Resonanz mit dem r-System eintreten können. Erinnern wir uns, daß Resonanz durch Überlappung von n-Orbitalen zustandekommt, die sich in Größe und Energieinhalt möglichst ähnlich sein sollten (Abschn. 1.7). Bei Chlor-, Brom- und lodbenzol ist das zunehmend schlechter der Fall (Abb. 16-1); in der Gruppe nehmen also sowohl induktive wie Resonanzbeiträge in gleicher Weise nach unten hin ab, wobei induktive Effekte die Resonanzwirkung immer leicht übertreffen.

Desaktivierung durch Resonanz Durch

Resonanz

kann

der Benzolring

auch desaktiviert

gutes Beispiel dafür ist Benzolcarbonsäure

werden.

Ein

(Benzoesäure), C,5HsCOOH,

bei der die Carboxygruppe Elektronen durch Resonanz abzieht. Aufgrund der Polarität der C—O-Doppelbindung (Abschn. 8.6 u. 17.2) trägt der Ring in den dipolaren Resonanzformeln eine positive Ladung. Die gleichen Verhältnisse finden wir bei Nitroarenen, aromatischen Carbonylverbindungen, Arennitrilen und Arensulfonsäuren. Elektronenziehende Wirkung durch Resonanz am Beispiel der Benzolcarbonsäure ..

(Benzoesäure)

..

:O OH Nr”

Übung 16-3 Ist der Benzolkern bei den folgenden Verbindungen aktiviert oder desaktiviert?

CH>CH3

O

CH>CH3 A

Wir fassen zusammen:

B

Induktive

COOH

OCH3

CF3

N(CH3)2

C

Effekte

D

und Resonanz

bestimmen,

ob ein Substituent den Benzolring aktiviert oder desaktiviert. Resonanzeffekte überwiegen im allgemeinen induktive Effekte, außer bei den Halogenen. In Tab. 16-1 sind einige häufige Substituenten aromatischer Verbindungen und ihr Einfluß auf den Benzolring zusammengestellt.

740

16.2

Tabelle 16-1 Aktivierende und desaktivierende Substituenten am Benzolring stark aktivierend

stark desaktivierend

—NH>, —NHR, —NR>,

NO, or

a

OÖ

rn

—OH,

l

—OR

Dirigierender induktiver Effekt von Alkylgruppen

i

ER

COOH,

|

—COR,

—CR,.

—SO3H,

—C=N

schwach aktivierend

schwach desaktivierend

Alkyl, Phenyl

—F:, —O;, —Bri, —T:

©

Übung 16-4

=

Weshalb wirken (a) -NO;, (b) -NR;, und (c) -SO;H stark desaktivierend? (d) Weshalb wirkt Phenyl leicht aktivierend? (Hinweis: Zeichnen Sie dipolare Grenzformeln).

16.2 Dirigierender induktiver Effekt von Alkylgruppen Übt ein bereits vorhandener

Substituent

einen

Einfluß

darauf

aus,

an

welcher Stelle im Ring ein Elektrophil angreift? Wir wollen einige der Substrate, die wir im letzten Abschnitt besprochen haben, einer weiteren

elektrophilen

Substitution

unterziehen,

und

die Produktverteilung

untersuchen. Beginnen wir mit Methylbenzol (Toluol), das die induktiv aktivierende Methylgruppe trägt.

Gruppen, die über Hyperkonjugation elektronenliefernd wirken, sind aktivierend und dirigieren nach ortho und para Die elektrophile Bromierung von Methylbenzol (Toluol) verläuft wesentlich schneller als die von Benzol selbst. Die Reaktion ist auch regioselektiv: Man erhält hauptsächlich para-(60 %) und ortho-Substitution (40%) und praktisch kein meta-Produkt. Elektrophile Bromierung von Methylbenzol (Toluol) führt zu ortho- und para-Substitution CH 3

CH 3

ER

CH 3

Br Br—Br, FeBrz, CC

(

— HBr

F

Br 40% 2-Brom-1-methylbenzol (o-Bromtoluol)

Br 60%

NO; 60%

35%

1-Methyl-2-nitro-

1-Methyl-3-nitro-

1-Methyl-4-nitro-

benzol (o-Nitrotoluol)

benzol (m-Nitrotoluol)

benzol (p-Nitrotoluol)

CH;

&

5%

CH3

CH3

CH;

SO,;H

SO;, H3SO,, 0°C Te

+

SO;H

SO;H 43% 2-Methylbenzol-

Können

wir einen

4% 3-Methylbenzol-

53% 4-Methylbenzol-

sulfonsäure

sulfonsäure

sulfonsäure

(o-Toluolsulfonsäure)

(m-Toluolsulfonsäure)

(p-Toluolsulfonsäure)

Mechanismus

formulieren,

der diese

Selektivität

erklären kann? Dazu wollen wir die möglichen Resonanzformeln des Kations zeichnen, das nach dem Angriff des Elektrophils E* entsteht.

Resonanzformeln nach Angriff auf Methylbenzol (Toluol) in ortho-, meta- und para-Stellung

(E* = Elektrophil) ortho-Angriff:

eos.

CH3

wichtigste

[stabileres Kation]

Resonanzformel

meta-Angriff:

H;

CH;

H;

A +

F

H;

+

H

H

2

[weniger stabiles Kation]

para-Angriff:

CH3

CH3

B

3

4

—

© —

>

+

Ser

+

HE

HE wichtigste Resonanzformel

[stabileres Kation] 742

HE

H

Nür durch den Angriff in ortho- und para-Stellung entsteht ein Hexadienyl-Kation mit einer Resonanzformel, die eine positive Ladung neben der Alkylgruppe trägt. Da diese Struktur etwas vom Charakter eines tertiären Carbenium-Ions hat, kommt ihr mehr Bedeutung zu als anderen, die die positive Ladung an einem sekundären Kohlenstoffatom tragen. Durch einen meta-Angriff dagegen entsteht eine Zwischenstufe, in der keine der möglichen Resonanzformeln von der Stabilität eines tertiären Carbenium-Ions profitiert. Der elektrophile Angriff auf ein Kohlenstoffatom ortho oder para zu einer Methylgruppe oder einer anderen Alkylgruppe führt deshalb zu einer Zwischenstufe, die stabiler ist als die, die durch einen meta-Angriff entstehen würde. Sie entsteht daher relativ schnell über einen Übergangszustand mit relativ niedriger Energie. Im Vergleich bilden sich bei der elektrophilen Substitution von Benzol nichtstabilisierte Carbenium-Ionen (Abschn. 15.9). Die Energie des Übergangszustands für den ortho- und para-Angriff auf Methylbenzol (und Alkylbenzole ganz allgemein) ist also niedriger als die für den Angriff auf Benzol selbst. Die Substitutionsreaktionen am Methylbenzol verlaufen daher schneller.

16.2

Dirigierender induktiver Effekt von Alkylgruppen

Induktiv elektronenziehende Gruppen sind desaktivierend und dirigieren nach meta Die stark elektronegativen Fluoratome im Trifluormethylbenzol bewirken, daß die Trifluormethyl-Gruppe induktiv elektronenziehend wird. In diesem Fall verläuft die Reaktion extrem langsam. Unter schärferen Bedingungen findet eine Substitution statt, aber nur in metaStellung. Die Trifluormethyl-Gruppe ist desaktivierend und dirigiert nach meta.

Elektrophile Nitrierung von (Trifluormethyl)benzol ergibt meta-Substitution CF3

CF3

HNO; , H3804 - BO

NO, einziges Produkt

Wiederum

läßt sich dies anhand der unterschiedlichen

meln der Kationen,

Resonanzfor-

die beim ortho-, meta- und para-Angriff entstehen,

erklären»: Der Trifluormethyl-Substituent destabilisiert die CarbeniumIonen, die beim elektrophilen Angriff auf jede beliebige Position des Ringes entstehen. Resonanzformeln nach ortho-, meta- und para-Angriff auf (Trifluormethyl)benzol

„ortho- Angriff:

CF;

CF; BE

|

CF; E

H

a

+

CF; E

+

E

H

H -—|

>

+ unbedeutende

Me

i

[stark destabilisiertes Kation]

Resonanz-

formel

743

16 Elektrophiler Angriff

meta-Angriff:

CF;

CF;

CF;

—

CF;

u

2

E’

H

H

r

HB

[weniger destabilisiertes Kation]

para-Angrıff: 3

CF;

CF

CF;

Se € ER s per E

H E

E

HE

unbedeutende Resonanzformel

Istark destabilisiertes Kation]

Dieselben Ursachen, die einen ortho- oder para-Angriff bei Methylbenzol (Toluol) begünstigen, wirken sich hier ungünstig aus: Bei orthound para-Angrıff entsteht intermediär ein Kation mit Resonanzformeln,

in denen die positive Ladung neben dem Substituenten plaziert wird. Eine elektronenliefernde Gruppe stabilisiert diese Struktur, ein elektronenziehender Substituent destabilisiert sie jedoch - stets ist es energetisch ungünstig, von einem positiv geladenen Zentrum Elektronendichte abzuziehen. Bei einem meta-Angriff wird diese Situation umgangen. Die Trifluormethyl-Gruppe dirigiert einen Substituenten daher in die meto-Stellung, genauer: Sie dirigiert ihn weg von ortho- und paraKohlenstoffatomen.

Übung 16-5 Ordnen Sie die folgenden Verbindungen nach abnehmender Reaktivität gegenüber elektrophilen Substitutionen.

OL,

© :O Qt CH;

CF;

CH;

CR

CH3

CH3

Übung 16-6 Die elektrophile Bromierung einer äquimolaren Mischung von Methylbenzol (Toluol) und (Trifluormethyl)benzol mit einem Äquivalent Bromid ergibt nur 2- und 4-Brom-1methylbenzol. Wie erklären Sie das?

Folgendes gilt es also festzuhalten: Elektronenliefernde Substituenten aktivieren den Benzolring und dirigieren Elektrophile nach ortho und para. Elektronenziehende Gruppen desaktivieren den Ring und dirigieren Elektrophile in die meta-Stellung.

744

ua

Wirkung 16.3 Dirigierende von Substituenten,

16.3 Dirigierende Wirkung

von Substituenten, die in Resonanz zum Benzolring treten

or:

Welche dirigierende Wirkung haben Substituenten, die mit ihren Elektronen zum Benzolring in Resonanzwechselwirkung treten können? Wieder wollen wir diese Frage klären, indem wir die Resonanzformeln vergleichen, die durch verschiedene Angriffsstellen entstehen.

Gruppen, die durch Resonanz als Elektronendonor wirken, sind aktivierend und dirigieren nach ortho und para Benzolringe, an die NH>- und OH-Gruppen gebunden sind, sind stark aktiviert. So braucht man beispielsweise zur Halogenierung von Benzolamin (Anilin) nicht einmal einen Katalysator, und es ist zudem schwierig, die Reaktion auf der Stufe der Monohalogenierung anzuhalten. Die Reaktion verläuft außerordentlich rasch und ergibt ausschließlich ortho- und para-substituierte Produkte. Elektrophile Bromierung von Benzolamin (Anilin) und Phenol in ortho- und para-Stellung NH> |

33 Br—Br, Br—Br, H3O _

Br—Br, 3 H>0 H20 _

en - 3

RE _

TTT HBreg

Br Be Benzolamin (Anilin)

100%

2,4,6-Tribrombenzolamin (2,4,6-Tribromanilin)

Phenol

2,4,6-Tribromphenol

Die Reaktion läßt sich besser unter Kontrolle halten, wenn man weniger aktivierte Derivate dieser Substrate einsetzt, wie z.B. N-Phenylacetamid (Acetanilid) oder Methoxybenzol (Anisol). Auch diese Substituenten dirigieren nach ortho und para. Auch bei diesen Verbindungen lassen sich die Aktivierung und die beobachtete Regioselektivität der elektrophilen Substitution durch anhand der Resonanzformeln der verschiedenen intermediären Kationen erklären. r Elektrophile Nitrierung von N-Phenylacetamid (Acetanilid) und Methoxybenzol

nn

(Anisol)

mia,

BR

HNO;, H2S0,, 20°C — H,O

NO, 21% N-Phenylethanamid (Acetanilid)

N-(2-Nitrophenyl)ethanamid

Spuren

79%

N-(3-Nitrophenyl)-

N-(4-Nitrophenyl)-

ethanamid

ethanamid

(o-Nitroacet-

(m-Nitroacet-

(p-Nitroacet-

anilid)

anilid)

anilid)

745

16 Elektrophiler Angriff

OCH3

OCH3

auf Benzolderivate

OCH3

OCH3

|

NO, HNO;, 45°C

2%

_——

- 4,0

*

NO, 40%

Methoxybenzol (Anisol)

NO, 58%

2%

1-Methoxy-2-nitrobenzol (o-Nitroanisol)

1-Methoxy-3-nitrobenzol (m-Nitroanisol)

1-Methoxy-4-nitrobenzol (p-Nitroanisol)

Resonanzformeln nach ortho, meta- und para-Angriff auf Benzolamin (Anilin) ortho-Angriff: :NH3>

wichtige [stark stabilisiertes Kation]

Resonanzformel

meta-Angriff: s

2

B NH>

: NH3> +

: NH,

+

H

3.

H

+

para-Angriff:

: NH»

:NH>

+

|

N

E

|

H

CNB2

-0-

\

eh Resonanzformel

[stark stabilisiertes Kation] Da das Stickstoffatom elektronegativer als das Kohlenstoffatom ist, wirkt die Aminogruppe im Benzolamin (Anilin) induktiv elektronenziehend. Das einsame Elektronenpaar am Stickstoffatom kann jedoch an der Resonanz teilnehmen, wodurch die Kationen, die als Zwischenstufe

beim ortho- und para-Angriff (aber nicht beim meta-Angriff) entstehen, stabilisiert werden. Dieser aktivierende Resonanzbeitrag ist weitaus stärker als der desaktivierende induktive Effekt. Daher wird die Barriere der Aktivierungsenergie für ortho- und para-Angriff stark erniedrigt. Benzolamin (Anilin) ist im Vergleich zu Benzol gegenüber einer elektrophilen Substitution außerordentlich aktiviert, und die Reaktion verläuft sehr regioselektiv.

Übung 16-7 Zeichnen Sie Resonanzformeln der gebildeten Kationen für die verschiedenen Angriffspunkte eines Elektrophils auf Methoxybenzol (Anisol).

746

Kasten 16-1

Explosive Nitroarene: TNT und Pikrinsäure An allen ortho- und para-Positionen von Toluol (Methylbenzol) oder Phenol (Hydroxybenzol) können Nitrogruppen eingeführt werden. Trinitro-Derivate

TNT

und

Pikrinsäure,

sind als sehr

explosive Verbindungen bekannt (s. Kasten 4-2) und werden aufgrund ihrer leichten Zugänglichkeit seit langem für industrielle und militärische Zwecke eingesetzt. CH; O,N, ee

z

| NO, 2

I

bezogen. Beispielsweise hatte die erste Atombombe, die am 16. Juni 1945 in New Mexico gezündet wurde, die gleiche Zerstörungskraft wie 19.000 Tonnen TNT. Die Atombombe, die über Hiroshima, Japan, explodierte und mehr als

140.000 Menschen tötete, hatte eine Explosivkraft von 13.000 Tonnen TNT. Obwohl diese Werte sehr groß erscheinen, sind sie im Vergleich mit der Wasserstoffbombe, die eine äquivalente Zerstörungskraft von 10 Millionen Tonnen TNT aufweist, doch recht klein. Zum weiteren Vergleich: alle Explosionen des zweiten Weltkriegs zusammengerechnet entsprechen einer Zerstörungskraft von nur zwei Millionen Tonnen TNT. Pikrinsäure wird nicht nur als Explosivstoff eingesetzt,

NO,

NO,

2-Methyl-1,3,5-trinitro-

2,4,6-Trinitrophenol

benzol (2,4,6-Trinitrotoluol, TNT)

(Pikrinsäure)

Pikrinäure kann durch Nitrierung leicht zugänglicher Vorstufen einfach synthetisiert werden. Solche Synthesen sind jedoch extrem gefährlich, und viele haben sich erhebliche Verletzungen zugezogen (nicht zu reden vom matriellen Scha-

den), die es auszuprobiert haben. TNT

hat sich als ein „Standard“, besonders

im

militärischen Bereich etabliert. Die Zerstörungskraft anderer Explosivstoffe, zum Beispiel von Bomben, wird häufig auf ein Äquivalent TNT

sondern

hat

noch

weitere

kommerzielle

Anwendungen. Sie wird für Streichhölzer, in der Lederindustrie, für elektrische Batterien und für farbige Gläser verwendet. Der Name läßt sich auf die ungewöhnlich hohe Acidität der Hydroxygruppe (pK, 0.38, s. Abschn. 22.3) zurückführen. Der pK,-Wert wird durch den elektronenziehenden Effekt der drei Nitrogruppen so weit erhöht, daß er kleiner wird als der pK,-Wert von Essigsäure- (4.7) und Fluorwasserstoffsäure (3.2, S. Tab. 2-6). In modernen kommerziellen Anwendungen, wie im Bergbau und bei Sprengungen zum Abriß von

Bauwerken,

wurden

TNT

und

Pikrinsäure

durch Nitroglycerin ersetzt (Abschnitt 9.11).

j Übung 16-8

N-Phenylethanamid (Acetanilid) wird langsamer bromiert als Benzolamin (Anilin). Wes-

‚ halb? [Hinweis: Beeinflußt die Ethanoyl-(Acetyl)-Gruppe die Fähigkeit des Stickstoff" atoms, mit dem freien Elektronenpaar in Resonanz zum Benzolring zu treten?]

Übung 16-9 In stark saurer Lösung wird Benzolamin \ und meta-Substitution

(Anilin) nur schwer elektrophil angegriffen,

nimmt zu. Wie erklären Sie das?

..

Gruppen, die aufgrund von Resonanz elektronenziehend wirken, desaktivieren den Ring und

dirigieren nach meta Viele Gruppen desaktivieren den Benzolring über induktive und Resonanzeffekte (Abschn. 16.1). Hierzu gehört die Benzolcarbonsäure (Benzoesäure), bei der die Nitrierung tausendfach langsamer verläuft als bei Benzol. Zum Vergleich: Methoxybenzol (Anisol) reagiert ungefähr tausend Mal schneller als Benzol. Während man aus Methoxybenzol fast ausschließlich ortho- und para-Substitutionsprodukt erhält, führt die

Nitrierung von Benzolcarbonsäure überwiegend zum meta-Produkt. Die C=O-Doppelbindung in der COOH-Gruppe ist aufgrund der unterschiedlichen Elektronegativität des Kohlenstoff- und des Sauerstoffatoms und wegen einer Resonanzformel, bei der sich eine positive Ladung auf dem Kohlenstoffatom befindet, stark polarisiert. 747

16 Elektrophiler Angriff

Elektrophile Nitrierung von Benzoesäure

auf Benzolderivate

CO,H

ws

CO>H

CO,H

18.5%

80%

2-Nitrobenzolcarbonsäure

3-Nitrobenzolcarbonsäure

4-Nitrobenzolcarbonsäure

(o-Nitrobenzoesäure)

(m-Nitrobenzoesäure)

(p-Nitrobenzoesäure)

HNO,;, H2SO,, A

— H,O

NO, 1.5%

Polarisierung der C=O-Doppelbindung „ö;

626

re .

Als nächstes wollen wir sehen, wie diese Polarisierung die Resonanzformeln der Kationen,

die beim elektrophilen Angriff entstehen, beein-

flußt. Resonanzformeln nach ortho-, meta- und para- Angriff auf Benzolcarbonsäure

(Benzoesäure)

ortho-Angriff:

Be

Ne

0:

HA.

HÖ,

c

Br

0:

E H

HÖ,

5

B —H

—-

+

0:

+

HÖ,

ca

,0:*

E

E

H

—

H

oo

B unbedeutend

sehr unwichtig

[stark destabilisiertes Kation]

meta-Angriff: HOÖ

Ds

Ö:

HO

oO

..

HO

u

(6)

HO

\F

am H

oO NA

H

+.

M

alle sind wichtig

[weniger stark destabilisiertes Kation]

para-Angriff:

3

Ö

re,

Ö:

HO

NY

o

a

ge

Be

Ne -— +

E unbedeutend

sehr unwichtig

[stark destabilisiertes Kation]

748

E

Beim Angriff auf die meta-Stellung wird vermieden, daß die positive Ladung

sich direkt benachbart

zur elektronenziehenden

Gruppe

16.3

Dirigierende Wirkung

befin-

von Substituenten,

det, während beim ortho- und para-Angriff sehr ungünstige Resonanzformeln entstehen. Das Carbenium-Ion, das bei der meta-Substitution

die in Resonanz zum Benzolring treten

gebildet wird, wird dennoch durch den Substituenten destabilisiert, und die Substitution verläuft langsamer als am Benzol selbst. Es sieht also so aus, als ob desaktivierende Gruppen, ganz egal, ob sie über

Resonanz-

oder

induktive

Effekte

desaktivieren,

neu

eintre-

tende Elektrophile in die meta-Stellung, aktivierende Gruppen diese in die ortho- und para-Stellung dirigieren. Diese Aussage gilt für alle Gruppen von Substituenten mit einer Ausnahme — den Halogenen.

Ausnahmen bestätigen die Regel: Halogene desaktivieren, lenken jedoch nach ortho und para Halogenatome ziehen durch induktive Effekte Elektronen ab, haben jedoch freie Elektronenpaare, mit denen sie mit dem Benzolring in Resonanz treten können. Gewöhnlich überwiegt jedoch der induktive Effekt, so daß Halogenarene desaktiviert sind (Abschn. 16.1). Dennoch erfolgt elektrophile Substitution hauptsächlich in ortho- und paraStellung. cl

Cl

| |

NO;

NO, "PFe_

+

| - H*PFS”

+

| NO, NO; 70%

1%

29% 1-Chlor-2-nitrobenzol

1-Chlor-3-nitrobenzol

1-Chlor-4-nitrobenzol

(o-Chlornitrobenzol)

(m-Chlornitrobenzol)

(p-Chlornitrobenzol)

Br

Br

Br

Br Br—Bs

FeBrz >

ı +

en

I

— HBr

Br 13% 1,2-Dibrombenzol (o-Dibrombenzol)

2% 1,3-Dibrombenzol (m-Dibrombenzol)

85% 1,4-Dibrombenzol (p-Dibrombenzol)

Diese scheinbar widersprüchliche Reaktivität läßt sich aus der Konkurrenz zwischen Resonanz- und induktivem Effekt erklären. Wieder müssen wir die Resonanzformeln der verschiedenen möglichen Zwischenstufen betrachten.

Auswirkungen von ortho-, meta- und para- Angriff auf ein Halogenbenzol ‚ortho-Angriff:

ıX:

B>

X:

E

ıX: 10.478

starker Beitrag

749

16 Elektrophiler Angriff

meta-Angriff:

auf Benzolderivate .

..

By, ar

:

*

Be

ıX:

ıX:

Kiligie

Pens

E

X

X:

& :X:

H

E

Zn

pi >

iX

+

4

+

E*

EH

E

H starker Beitrag

Wir halten also fest, daß der ortho- und para-Angriff zu Resonanzformeln führt, in denen die positive Ladung sich direkt neben dem Halogensubstituenten befindet. Obwohl man erwarten sollte, daß dies ungünstig ist, da der Halogensubstituent induktiv elektronenziehend wirkt, wird die Ladung durch Resonanz mit den einsamen Elektronenpaaren des Halogenatoms delokalisiert. Daher findet bevorzugt ortho- und

Tabelle 16-2 Dirigierende Wirkung von Substituenten bei der elektrophilen aromatischen Substitution ortho- und para-dirigierend

meta-dirigierend

stark aktivierend

stark desaktivierend

—NHy, —NHR, —NR>, $:

—OH,

Mr

—OR

—NO>

schwach aktivierend

—CF»

+

|

—NRz»

—COB;

7

Alkyl, Phenyl

—COR —CR, —SO;H, —C=N

schwach desaktivierend

Ei, —Ch, —Br;, —: Tabelle 16-3 Relative Geschwindigkeiten und bevorzugte Orientierung bei der Nitrierung einiger monosubstituierter Benzole, RC,Hs

R

OH CH; H CH;Cl I cl CO;CH;CH3 CF; NO,

N(CH3); 750

Relative Geschwindigkeit

1000 25 l 0.71 0.18 0.033 0.0037 2.6.x. 1.02 kl:

1.2 x 10°

Prozentualer Anteil der Isomere Ortho

Meta

Para

40 58

NO, Der zweite Syntheseweg versagt aus mehreren Gründen: Zum einen ist der Nitrobenzolring extrem desaktiviert, zum anderen ist das Acylium-Ion ein relativ schwaches Elektrophil, zumindest im Vergleich zu anderen Elektrophilen der aromatischen Substitution. Allgemein gilt, daß weder Friedel-Crafts-Alkylierungen noch -Alkanoylierungen an Benzolderivaten,

die durch meta-dirigierende

Gruppe

stark desaktiviert

sind, ablaufen. Friedel-Crafts-Reaktionen sind auch nicht an Benzolringen mit NH;- oder NHR-Gruppen möglich, da es zu störenden Nebenreaktionen mit der stickstoffhaltigen Gruppe, die als Lewis-Base wirkt, kommt. Übung 16-19 Schlagen Sie eine Synthese von 2-Brom-4-ethylbenzolamin

ausgehend von Benzol vor.

Überlegen Sie genau, in welcher Reihenfolge Sie die Gruppen einführen.

Über die reversible Sulfonierung lassen sich ortho-disubstituierte Benzole in guten Ausbeuten darstellen Ein anderes Problem ergibt sich, wenn man versucht, ein o-disubstituier-

tes Benzol darzustellen, selbst wenn eine der Gruppen nach ortho und para dirigiert. Obwohl beträchtliche Mengen ortho-Isomer bei der elektrophilen Substitution von Benzolen mit derartigen Gruppen entstehen können, bildet sich doch in den meisten Fällen hauptsächlich die paraVerbindung (Abschn. 16.1). Stellen Sie sich vor, Sie suchen nach einer effizienten Synthese von 1-(1,1-Dimethylethyl)2-nitrobenzol [o-(tertButyl)nitrobenzol]. Die direkte Nitrierung von (1,1-Dimethylethyl)benzol (tert-Butylbenzol) liefert unbefriedigende Ergebnisse.

Eine ungeeignete Synthese von 1-(1,1-Dimethylethyl)-2-nitrobenzol [o-(£-Butyl)nitrobenzol]

C(CH3)3

C(CH3);

z

HNO,, H;S0,, 30°C

|

NO;

C(CH3)3

C(CH3);

LH

a

I

"NO,

LH

.

|

NO, 16% 1-(1,1-Dimethylethyl)2-nitrobenzol [o-(t-Butyljnitrobenzol]

11% 1-(1,1-Dimethylethyl)3-nitrobenzol Ir-(t-Butyl)nitrobenzol]

73% 1-(1,1-Dimethylethyl)4-nitrobenzol [p-(t-Butyl)nitrobenzol]

Eine intelligente Lösung nutzt die reversible Sulfonierung (Abschn. 15.11) zur Blockierung aus. Aus sterischen Gründen wird (1,1-Dimethylethyl)benzol fast ausschließlich in para-Stellung sulfoniert, wodurch dieses Kohlenstoffatom vor einem weiteren elektrophilen Angriff geschützt wird. Die Nitrierung kann nun nur in ortho-Stellung zur Alkylgruppe erfolgen. Durch Erhitzen in wäßriger Säure wird die Schutzgruppe entfernt und die Synthese abgeschlossen. 757

16 Elektrophiler Angriff auf Benzolderivate

Reversible Sulfonierung zum Schutz der para-Stellung

C(CH3);

|

era

C(CH3)3 $O,konz.H;SO, —n nn,

I

|

C(CH3)3 HNO,, HS, _—ı

|

$O,H

in

NO,

C(CH3)3

NO

44,H0,4 _——_.

;

SO,H

Übung 16-20

Schutzgruppen mindern den aktivierenden Einfluß von Amino- und Hydroxygruppen Blockierung des Sauerstoffatoms im Phenol

OH

konz. HI

||NaOH, CH3l

OCH3

Im Abschn. 16.3 haben wir gesehen, daß die elektrophilen Substitutionen am Benzolamin (Anilin) und Phenol manchmal schwer zu steuern sind. Daneben kann es zu Problemen aufgrund der Lewis-Basizität (Abschn. 2.9) durch einen Angriff auf die Heteroatome kommen. Die Derivate N-Phenylacetamid (Acetanilid, Abschn. 20.2) und Methoxybenzol (Anisol) sind als Ausgangsstoffe geeigneter, insbesondere für Halogenierungen, Nitrierungen und die Friedel-Crafts-Reaktionen. Die unten gezeigte Synthese von 2-Nitrobenzolamin (o-Nitroanilin) setzt die reversible Acetylierung des Stickstoffs im Benzolamin und die Sulfonierung zur Blockierung der para-Stellung ein. Beim Phenol läßt sich eine kontrollierte Substitution am Ring durch Methylierung des Sauerstoffatoms erreichen (Williamson-Ethersynthese; Abschn. 9.6). Durch Etherspaltung mit konzentrierter HI (Abschn. 9.8) wird die Hydroxygruppe zurückgebildet (s. Randspalte). Eine Synthese von 2-Nitrobenzolamin

NH,

o ll

CH,CL, Pyridin

O

|

| HNCCH;

|

HNCCH3

SO3»

konz. H2SO4

HNCCH3

HNO,

SO;H

(o-Nitroanilin)

[en

2

NO:

1.u*, 0,4

2. "OH, BO

NO,

SO3H

Elektrophile ipso-Substitution Es gibt Fälle der aromatischen Substitution, in denen ein bereits vorhandener Substituent verdrängt wird. Dieser Vorgang heißt ipso-Substitution (lat. ipso, auf sich selbst) und kann auf unterschiedliche Weise ablaufen und verschiedene Abgangsgruppen verdrängen. ipso-Substitution beobachtet man bei der Protiodealkylierung von Alkylbenzolen, einer Reaktion, die die Friedel-Crafts-Alkylierung umkehrt. Am leichtesten werden dabei tertiäre Alkylgruppen abgespalten.

C(CH3)3

AICh, a, mis el

Be CH3

758

Dabei findet wahrscheinlich anfangs Protonierung durch Spuren von HCl statt. Anschließend wird das 1,1-Dimethylethyl-(tert-Butyl)-Kation abgespalten, das sich umlagert, wobei das Proton regeneriert wird und 2-Methylpropen entsteht.

16.6

Reaktivität mehrkerniger

benzoider Kohlenwasserstoffe

Mechanismus der Protiodealkylierung von (1,1-Dimethylethyl)benzol H

H

C(CH3)3

N —-

|

++ C(CH3)3

E *C(CH3)3

——

CH>=C(CH3),

+

H*

Ein ipso-Angriff findet auch bei der Umlagerung von Alkylbenzolen in Isomere statt; dabei wandert eine Alkylgruppe zu einem anderen Kohlenstoffatom des Benzolrings, es handelt sich also um eine typische Umlagerung eines Carbenium-Ions (Abschn. 9.3). Umlagerung von 1,2- zu 1,3-Dimethylbenzol (o-Xylol zu m-Xylol)

CH;

CH; H +

CH; Mechanismus: CH3

CH3

H CH, — +

Rn

H +CH;

H ——

H

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß man durch sorgfältiges Auswählen der Reihenfolge, in der neue Gruppen eingeführt werden, spezifische Synthesen mehrfach substituierter Benzole entwickeln kann. In diesen Synthesen kann der dirigierende Einfluß von Substituenten umgekehrt und die Stärke der Aktivierung durch Substituenten verändert werden, und Ringpositionen können reversibel blockiert werden. Elektrophile ipso-Substitutionen ermöglichen Protiodealkylierungen sowie Umlagerungen von Alkylbenzolen.

16.6 Reaktivität mehrkerniger benzoider Kohlenwasserstoffe In diesem Abschnitt untersuchen wir am Beispiel des Naphthalins, wie man Resonanzformeln benutzen kann, um die Regioselektivität und Aktivität mehrkerniger aromatischer Systeme vorherzusagen. Die Reaktivität dieser Verbindungen ist auch von biologischer Bedeutung, dies zeigen wir in Abschnitt 16.8.

Naphthalın ist für elektrophile Substitutionen aktiviert Beim Behandeln von Naphthalin mit Brom erhält man sogar ohne Katalysator rasch und glatt 1-Bromnaphthalin. Der aromatische Charakter dieser Verbindung zeigt sich also auch an seinem Reaktionsverhalten: Mit Elektrophilen reagiert es in Substitutions- und nicht in Additionsreaktionen. 759

16 Elektrophiler Angriff

H

Br

auf Benzolderivate

a

Br—Br, CC, A

2

— HBr

75% 1-Bromnaphthalin

Die milden Bedingungen, unter denen diese Umsetzung abläuft, zeigen auch, daß Naphthalin für elektrophile aromatische Substitutionsreaktionen aktiviert ist. Der elektrophile Angriff verläuft deshalb so leicht, weil das intermediär gebildete Kation resonanzstabilisiert ist. Bei zwei der möglichen Resonanzformeln bleibt das aromatische System eines Benzolrings erhalten. Auch andere elektrophile Substitutionen laufen leicht ab und zeigen eine deutliche Selektivität zugunsten der Substitution an C2. NO;

NO; NO,

CH,COOH, CRRLUSERR&

SET-H;rn

l-Nitronaphthalin (Hauptprodukt)

2-Nitronaphthalin (Nebenprodukt)

Warum erfolgt die Substitution durch Brom bevorzugt an Cl und nicht an C2? Dies können wir beantworten, wenn wir die Resonanzformeln für das Kation, das wir im zweiten Fall erhalten würden, genauer betrachten. Ebenso wie für den elektrophilen Angriff an Cl lassen sich fünf solcher Formeln formulieren.

Elektrophile Substitution von Naphthalin: Angriff an C1

WEN

B.cH

Se:

+

+

BicH

&

=

1 ee

+

+

.

Elektrophiler Angriff auf Naphthalin an C2 +

E

+

E

E

N Ps

4

E

E

+

Obwohl man diesem Ergebnis auf den ersten Blick entnehmen könnte, daß beide Übergangszustände von ähnlicher Energie sind, besteht doch ein wichtiger Unterschied: Beim Angriff auf CI gibt es

760

zwei

Resonanzformeln,

bei

denen

ein

Benzolring

intakt

bleibt,

16.6

beim

Angriff auf C2 nur eine. Da der erste Schritt der elektrophilen aromatischen Substitution geschwindigkeitsbestimmend ist (s. Abschn. 15.9, Abb. 15-22) und das Energieniveau des Übergangszustands der relativen Stabilität des entstandenen Carbenium-Ions entspricht, erfolgt der Angriff an Cl schneller als an C2. Dies gilt auch für andere elektrophile Substitutionsreaktionen am Naphthalin, wie die Nitrierung und FriedelCrafts-Alkanoylierung. Ein besonderer Fall ist die Sulfonierung von Naphthalin. Bei 80°C erhält man hauptsächlich 1-Naphthalinsulfonsäure. Behandelt man diese Verbindung jedoch bei 165 °C mit konzentrierter Schwefelsäure, isomerisiert sie zur stabileren 2-Naphthalinsulfonsäure. Die Erklärung ist, daß die erste Sulfonierung reversibel ist (s. Abschn. 15.11) und dann ein Angriff an C2 erfolgt, der das thermodynamisch begünstigte Produkt ergibt.

Reaktivität mehrkerniger

benzoider Kohlenwasserstoffe

SO3H

N

1

Fa

165 °C

Nr

21

|

konz. H,SO,, 165°C

konz. H,SO,, 80°C

II

50H

Ä

96%

85%

1-Naphthalinsulfonsäure

2-Naphthalinsulfonsäure

(kinetisches Produkt)

(thermodynamisches Produkt)

Warum ist 2-Naphthalinsulfonsäure stabiler als das I-Isomer? Das hat hauptsächlich sterische Gründe: Bei der Substitution an Cl kommt die neu eintretende Gruppe in enge Nachbarschaft zu dem Wasserstoffatom an C8, was zu sterischer Hinderung führt. Wird die Gruppe an C2 gebunden, sind beide benachbarten Wasserstoffatome genügend weit entfernt. Sterische Hinderung in 1-substituierten Naphthalinen

er

Elektrophiler Angriff auf substituierte Naphthaline: Kontrolle der Regioselektivität Die Orientierungsregeln für den elektrophilen Angriff auf monosubstituierte Benzole lassen sich leicht auf das Naphthalinsystem ausweiten. Der substituierte Ring wird durch die bereits vorhandene Gruppe am meisten beeinflußt: eine aktivierende Gruppe lenkt den neuen Substituenten in denselben Ring, eine desaktivierende Gruppe in den noch unsubstituierten. So wird z.B. 1-Naphthalinol (1-Naphthol) an C2 und C4 elektrophil nitriert. Befindet sich die aktivierende Gruppe an C2, gibt es zwei Möglichkeiten für eine ortho-Substitution, an Cl und C3. In para-Stellung befindet sich ein quartäres Kohlenstoffatom, das keine Substitutionsreaktionen eingehen kann. Die Resonanzformeln für die intermediären Kationen beim Angriff an Cl und C3 zeigen, daß die Substitution an Cl trotz der sterischen Hinderung begünstigt ist, da in diesem Fall einer der beiden Benzolringe seinen aromatischen Charakter behält. 761

16 Elektrophiler Angriff

Nitrierung von 1-Naphthalinol (1-Naphthol)

auf Benzolderivate

en

Da

OH

I

HNO}, uno, H2SO4, a

7

er Fi

und

ER

0

ortho-Angriff

er

NO; 4-Nitro-I-naphthalinol (4-Nitro-1-naphthol; Hauptprodukt)

2-Nitro-1-naphthalinol (2-Nitro-1-naphthol; Nebenprodukt)

Eine desaktivierende Gruppe lenkt einen zweiten Substituenten in den noch unsubstituierten Ring. Die Substitution erfolgt dort an den Positionen, die in Nachbarstellung zum ersten Ring sind (C5 und CB). Man erhält also dieselbe Orientierung wie bei einem unsubstituierten Naphthalin. Aktivierender Substituent an C2

an NHCCH3 =

ar

| 25

HNO, CH3COOH

A\

— H,O

SL

m

en

3 Per.

Angriff an C1 begünstigt

i HNO-, CH3COOH

H*

T NHCCH; {

|

NO, —>

ec.

1a

NO,

? NHCCH3

.|

ER

H

71%

Angriff an C3 nicht begünstigt

N-(1-Nitro-2-naphthyl)ethanamid

NO>

I

"NS

uno, H>SO,, 0°C

2

>

BR.

”

NO>

762

30%

60%

1,8-Dinitronaphthalin

1,5-Dinitronaphthalin

Übung 16-21 Geben Sie anhand der Zahl der verschiedenen Resonanzformeln und der relativen Sta-

16.6 Reaktivität mehrkerniger benzoider Kohlenwasserstoffe

bilität, die Sie für das intermediäre Kation beim elektrophilen Angriff zeichnen können, an, in welcher Stellung eine Nitrierung von (a) 1-Ethylnaphthalin; (b) 2-Nitronaphthalin und (c) 5-Methoxy-I-nitronaphthalin erfolgt.

Resonanzformeln ermöglichen die Vorhersage der Regioselektivität von Reaktionen größerer mehrkerniger Aromaten Die gleichen Prinzipien von Resonanz, sterischen Überlegungen und der dirigierenden Wirkung bereits vorhandener Substituenten können auch auf größere mehrkernige Aromaten angewandt werden. Diese mehrkernigen Aromaten lassen sich von Naphthalin durch weitere Benzanellierungen ableiten, wie man beispielsweise bei Anthracen und Phenanthren leicht sehen kann (Abschn. 15.5). So wird Phenanthren bevorzugt an C9(10) elektrophil angegriffen, da die entsprechende Resonanzformel mit dem größten Beitrag am resultierenden Kation zwei intakte, delokalisierte Benzolringe aufweist, wogegen alle anderen Resonanzformeln mindestens einen aromatischen Ring weniger enthalten. Elektrophiler Angriff auf Phenanthren

a a, ae rn H

z

a

n

aH

H

Hauptform

Durch

ähnliche

Phenathren,

Überlegungen

beispielsweise

für

für

die

Anthracen,

höheren kann

Homologen man

einfach

von die

Regioselektivität eines elektrophilen Angriffes vorhersagen. Übung 16-22 Zeichnen Sie eine Resonanzformel des Kations, das man beim elektrophilen Angriff auf Phenanthren an C9 erhält und in der die Aromatizität aller Benzolringe unterbrochen ist.

Übung 16-23 Die elektrophile Protonierung von Anthracen läuft mit den folgenden relativen Geschwindigkeiten ab: k(C9) : k(Cl) : k(C2) = 11.000 : 7 : 1. Erklären Sie! (Zur

Numerierung des Anthracengerüstes s. Abschn.

15.5)

Zusammenfassend können wir sagen, daß Naphthalin für elektrophile aromatische Substitutionen aktiviert ist, der kinetisch begünstigte Angriff erfolgt an C1. Die Sulfonierung ist reversibel und ergibt schließlich das an C2 substituierte Derivat. Dies ist das thermodynamisch stabilere Produkt, da hier keine gegenseitige sterische Hinderung mit dem Wasserstoffatom an C8 erfolgt. Ein aktivierender Erstsubstituent lenkt » einen zweiten in den Ring, an den er selbst gebunden ist, ein desaktivierender in den noch unsubstituierten Ring. Die Regioselektivität bei Zweit- und Drittsubstitutionen steht in Einklang mit den allgemeinen Regeln, die man für die elektrophile aromatische Substitution von Benzolderivaten entwickelt hat. Ähnliche Prinzipien lassen sich auch auf höhere benzoide Aromaten (Arene) anwenden.

763

16 Elektrophiler Angriff auf Benzolderivate

16.7 Vorkommen und Herstellung von Benzol und anderen aromatischen Kohlenwasserstoffen In diesem Abschnitt befassen wir uns mit der technischen Herstellung von Benzol und mit Laboratoriumssynthesen von Aromaten. Viele benzoide Kohlenwasserstoffe,

gewinnen. Leuchtgas, besteht.

einschließlich

Benzol,

lassen sich aus Kohle

Beim Erhitzen von Kohle unter Luftabschluß entsteht das aus Methan und anderen gasförmigen Produkten

Als

Destillationsrückstand

verbleibt

der Steinkohlenteer,

der

bei der fraktionierenden Destillation Benzol, Methylbenzol (Toluol), die Dimethylbenzole (Xylole), Phenole, Naphthalin, höhere mehrkernige Aromaten und heterocyclische Verbindungen ergibt (s. Kap. 25). Der Rest ist Koks, den man in großen Mengen für die Eisen- und Stahlproduktion benötigt. Kohle ist nicht einfach Kohlenstoff, sondern ein amorphes Polymer, das aus Schichten von durch schwache Kräfte verbundenen mehrkernigen aromatischen und hydroaromatischen Verbindungen besteht (8. Abb. 16.3). Beim Erhitzen zerfällt die ursprüngliche Kohlestruktur in Fragmente mit molaren Massen zwischen 300 und 1000 g/mol, von denen ein großer Anteil in organischen Lösungsmitteln löslich ist. An Verfahren zur Kohleverflüssigung und der Überführung von Kohle in flüssige Brennstoffe wird ständig gearbeitet, da sich hieraus eine Möglichkeit ergibt, Kohle als Grundprodukt neuer Industriechemikalien zu verwenden.

Industrielle Herstellung von Benzol Benzol fällt bei verschiedenen technischen Prozessen an, z.B. in der aromatischen Fraktion von Rohöl-Destillat, dem „Steam-Cracking“ von

Alkenen, der sogenannten Hydrodealkylierung von Methylbenzol (Toluol) und der Pyrolyse von Kohle. In der Bundesrepublik Deutschland wurden 1993 über 1500000 Tonnen Benzol auf Petrobasis hergestellt, hauptsächlich durch katalytisches Reforming der Benzinfraktionen (Abschn. 3.3). Durch katalytisches Reforming erhält man auch Methylbenzol (Toluol) und Dimethylbenzole (Xylole). Bei diesem „Platforming“ genannten Prozeß werden C;- bis C3-Kohlenwasserstoffe zu einfachen Aromaten dehydriert. Dabei reagieren die gasförmigen Ausgangssubstanzen über einem Platinkatalysator auf einem Aluminium oxid-Träger bei Temperaturen um 450-550 °C und einem Druck von 1-5 MPa Wasserstoff (siehe Abschn. 3.3). Platforming-Prozeß zur Produktion von Aromaten

CH;

CH; CH3

CH3

Pr/A1l,O,, 450- 550°C, H, Druck

+ 3H»

1,2-Dimethylbenzol

1,2-Dimethylcyclohexan

(o-Xylol)

Auf den ersten Blick scheint es befremdend, einer

Wasserstoffatmosphäre

stattfindet,

obwohl

daß dieser Prozeß in Wasserstoff

eines

der

Produkte ist. Dies ist jedoch nötig, um Verkokung (die Bildung hochmolekularer Verbindungen, letztlich Koks) zu verhindern. Koks würde zusammenbacken und die Katalysatoroberfläche desaktivieren. Durch Zusatz von Benzol, Methylbenzol (Toluol) und Dimethylbenzolen (Xylole) kann man die Qualität von Benzin verbessern, da die Oktanzahlen dieser Verbindungen größer als 100 sind (Abschn. 3.4). 764

HO

Abb. 16-3 Vorgeschlagenes Modell für einen Ausschnitt aus der Struktur der Kohle.

H

Dehydrierung hydroaromatischer Verbindungen ım Labor Durch die Dehydrierung von Cyclohexan, Cyclohexen und Cyclohexadien-Derivaten (die man „hydroaromatische Verbindungen“ nennt), kann man im Labor substituierte Benzole herstellen. Diese Umsetzungen finden gewöhnlich bei höheren Temperaturen unter Platin- oder Palladiumkatalyse statt. Das Metall liegt entweder als feines Pulver vor oder ist auf Aktivkohle aufgebracht. Der Mechanismus dieser Reaktion stellt wahrscheinlich die Umkehrung der Hydrierung von Doppelbindungen dar (Abschn. 12.2). Auf diese Weise werden z.B. kondensierte Benzole wie Naphthalin dargestellt (Abschn. 15.5).

’ Pd-C, 300°C

|

>

© Pt oder Pd/C 30°C

_

v

Fa 7 4734,

Fr

;

+4H,

d 82% Naphthalin

Eine „Alternative ist die chemische z.B. mit Schwefel, Selen oder KMnO..

Oxidation

von

Hydroaromaten

Darstellung von Aromaten durch Oxidation von Hydroaromaten

CH;

CH3 Se

DerlJens

By

KMnO,, Benzol, 18-Krone-6 (s. Abschn. 9.6)

©

100% 1-Methyl-4-(1-methylethyl)1,4-cyclohexadien

1-Methyl-4-(1-methylethyl)benzol (p-Methylisopropylbenzol)

765

16

Elektrophiler Angriff

auf Benzolderivate

Fassen wir zusammen: Benzol erhält man technisch hauptsächlich durch Reforming von Erdöldestillaten. Im Laboratorium lassen sich Hydroaromaten durch Palladium-Kohle in Aromaten überführen.

16.5 Mehrkernige aromatische Kohlenwasserstoffe und Krebs Viele der mehrkernigen benzoiden Kohlenwasserstoffe sind carcinogen (krebserregend). Die erste Beobachtung, daß Krebs beim Menschen durch solche Verbindungen ausgelöst werden kann, wurde im Jahre 1775 von Sir Percival Pott, einem. Chirurgen am Londoner St. Bartholomew’s Hospital gemacht, der entdeckte, daß Schornsteinfeger häufig an Hodenkrebs erkrankten. Seit der Zeit sind viele Forschungen darüber angestellt worden, welche mehrkernigen Aromaten diese physiologische Wirkung zeigen und in welcher Beziehung ihre Konstitution zu ihrer Wirkung steht. Ein besonders gut erforschtes Molekül ist Benz[a]pyren, ein Umweltgift, das fast ubiquitär verbreitet ist. Benz[a]pyren entsteht bei der Verbrennung organischer Materie, wie Automobilkraftstoff und Erdöl (in Ölheizungen und Kraftwerken), bei der Müllverbrennung, bei Waldbränden, man findet es im Zigaretten- und Zigarrenrauch und sogar in gegrilltem Fleisch. In Ballungsgebieten wie dem Ruhrgebiet wurden vor ein paar Jahren noch 10-15 ng Benz[a]pyren pro m? Luft gemessen.

Carcinogene benzoide Kohlenwasserstoffe

A 11

6

2

Ä

CH3

BD:

5 CH3

Benzl[alpyren

7,12-Dimethylbenz-

Cholanthren

[aJanthracen

Wodurch kommt nun die carcinogene Wirkung von Benz[a]pyren zustande? Diese Frage kann man noch nicht vollständig beantworten. Man nimmt an, daß ein oxidierendes Enzym (eine Oxidase) aus der Leber den Kohlenwasserstoff in das Oxacyclopropan (Epoxid) an C7 und C8 überführt. Ein anderes Enzym (Epoxid-Hydratase) katalysiert die Hydratisierung des Produkts zum trans-Diol. Durch weitere Oxidation entsteht dann das eigentliche Carcinogen, ein neues Oxacyclopropan an C9 und C10. Vermutlich erfolgt das krebsauslösende Ereignis dann, wenn das Aminstickstoffatom des Guanins, einer der Basen im DNA-Strang (8. Abschn. 26.9), den Dreiring nucleophil angreift. Bei dieser Reaktion wird die Struktur eines der Basenpaare der DNA signifikant geändert, was zu Fehlern und Störungen bei der DNA-Replikation führt. Diese Fehler können zu einer Veränderung (Mutation) des genetischen Codes führen, wodurch dann unter Umständen das Wachstum einer Linie von rasch und undifferenziert wuchernden Zellen ausgelöst wird, was typisch für Krebs ist. Nicht alle Mutationen sind carcinogen, die meisten von ihnen führen nur zur Zerstörung der einen betroffenen Zelle. Die Exposition gegenüber dem Carcinogen erhöht jedoch die Wahrscheinlichkeit eines krebsauslösenden Ereignisses. 766

Enzymatische Überführung von Benz[a]pyren in das eigentliche Carcinogen

16.3

Mehrkernige aromatische

Kohlenwasserstoffe und Krebs

Hydratase

Benz[a]pyrenoxacyclopropan

Carcinogen

7,8-Dihydrobenzja]pyrentrans-7,8-diol

Das krebsauslösende Ereignis

DNA

—

DNA

Wie Sie sehen, wirkt das Carcinogen bei der DNA

als Alkylierungs-

mittel. Daraus läßt sich schließen, daß auch andere Alkylierungsmittel krebserregend sein können, und das scheint tatsächlich der Fall zu sein.

Die MAK-Kommission der Deutschen Forschungsgemeinschaft stuft auch solche einfachen Alkylierungsmittel wie 1,2-Dibromethan, Diazomethan, Ethylmethansulfonat und ß-Propiolacton in die Gruppe der krebserregenden Arbeitsstoffe ein. Carcinogene Alkylierungsmittel und deren reaktive Zentren

S j Br CH>zCH3Br

1

1,2-Dibromethan

CH3>N>

Diazomethan

CH3SOCH;>CH3

|

Ethylmethansulfonat

Cem,

9,

H>

:

ßB-Propiolacton

Wir fassen zusammen, daß polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe carcinogen sein können. In der Zelle werden sie enzymatisch zu Derivaten oxidiert, die im krebsauslösenden Ereignis die DNA alkylıeren. Auch andere Alkyliermittel können carcinogen wirken. 767

Verständnisübung

16 Elektrophiler Angriff auf Benzolderivate

Bestimmte funktionalisierte Benzolamine (Aniline) sind wichtige Zwischenstufen in der medizinischen Chemie und in der Farbstoffindustrie. Schlagen Sie eine geeignete Synthese von 5-Chlor-2-methoxy-1,3-benzoldiamin (B) ausgehend von Methoxybenzol (Anisol, A) vor.

OCH;

OCH; H>N

NH3

-- >

cl A

B

Lösung Die retrosynthetische Analyse (Abschn. 8.9) beantwortet die Frage, welche Bindungen gespalten werden müssen, um zu einer einfachen Vorstufe von B zu kommen (a, b oder c)? Die Antwort ist: keine. Der retrosynthetische Schritt a ist mit einer Umsetzung verbunden, die wir mit unserem jetzigen Repertoire an Reaktionen nicht verwirklichen können. Dieser Syntheseschritt ist schwierig und kann nur mit speziellen Reagenzien durchgeführt werden (Man benötigt eine Substanz, die CH;O* freisetzen kann!). Es erscheint darüber hinaus auch nicht sinnvoll, daß eine Bindung gebrochen wird, die in unserer Ausgangsverbindung enthalten ist. Schritt c ist die Umkehrung einer elektrophilen Chlorierung (Abschn. 15.10). Dieser Schritt ist zwar prinzipiell geeignet, aber in unserem Fall ungünstig, da keine Garantie für eine selektive Chlorierung an C5 gegeben werden kann. Die Methoxygruppe dirigiert zwar wie gewünscht nach para (C5), aber die beiden Aminogruppen aktivieren in noch stärkerem

Maße

C4 und C6, die wiederum

zu ihnen

ortho- und para-ständig sind (Abschn. 16.3). Somit scheidet Weg c ebenfalls aus.

OCH;

HN

NH,

a

HN ——

NH,

2

ii

?

4 cl

b

| cl

—ı cl

OCH; HN

NH,

Wenden wir uns nun Schritt b zu. Obwohl die direkte elektrophile Aminierung von Arylverbindungen (ebenso wie die Hydroxylierung und Alkoxylierung) nicht leicht möglich ist, kann über eine Nitrierung gefolgt von einer Reduktion eine Aminofunktion am aromatischen Ring eingeführt werden (Abschn. 16-5). Dies vereinfacht unser Problem nur auf die Nitrierung von 1-Chlor-4-methoxybenzol. Wird die Reaktion mit der gewünschten Regioselektivität ablaufen? Wenden wir zur Beantwortung dieser Frage die in Abschnitt 16.4 gelernten Regeln zur dirigierenden Wirkung von Substituenten für die elektrophile Substitution an. Unser neuer Ausgangspunkt ist 1-Chlor-4-methoxybenzol, das neben dem ortho-Isomer durch die elektrophile Chlorierung von Methoxybenzol entsteht. 768

OCH;

OCH;

ae |

B

we

k

Verständnisübung

|

Be | Cl 1-Chlor-4methoxybenzol

Daher würde eine sinnvolle Lösung dieser Aufgabe folgendermaßen aussehen: Das Syntheseschema enthält alle benötigen Reagenzien und alle auftretenden Intermediate, die Pfeile zeigen nun in die Reaktionsrichtung:

Syntheseschema 1 OCH; =

OCH3

nie ON

a

rer u

HNO,, H:SO,

cHrch

er 7

=

SL

\

Ed

>

|

cl

DCHR EN (07

|

H>N SE

aa:

H,, Ni

nt Z

|

|

el

c1 B

(+ ortho-Isomer)

A

i

NH>

Als Perfektionist werden Sie mit der fehlenden Regioselektivität im ersten Syntheseschritt unzufrieden sein, die eine Verringerung der Ausbeute und einen lästigen Reinigungsschritt zur Folge hat. Dies könnte man mit der reversiblen Blockierung der C4-Position in Methoxybenzol, zum Beispiel durch eine Sulfonierung, lösen (Abschn. 16.5). SO; ist sterisch anspruchsvoller als Chlor und wird ausschließlich para zur Methoxygruppe eingeführt. Die Blockierung der para-Position ermöglicht eine selektive Dinitrierung ortho zur Methoxygruppe. Im Anschluß an die Abspaltung der Schutzgruppe kann der Chlorsubstituent, wie unten dargestellt, eingeführt werden. Syntheseschema 2 OCH;

OCH;

OCH;3

ON, SO;, H,SO,

«A

}

BREIT ‚0,

SO;H

SO;H

OCH, ON

NO;

HNO,;, H,;SO,

OCH, Cl,, FeCl; ee

NH,

HN

NO,

ON

NO;

OCH3 H,, Ni =——>

Cl

Cl B

Das zweite Reaktionsschema erfordert zwei zusätzliche Syntheseschritte. In der Praxis ist es von den Faktoren Ausbeuten, Schwierigkeit der einzelnen Syntheseschritte, Entsorgung der Chemikalien, Preis sowie Verfügbarkeit der benötigten Reagenzien abhängig, welcher Syntheseweg beschritten wird, der in Schema 1 oder in Schema 2.

769

16 Elektrophiler Angriff auf Benzolderivate

Neue

Reaktionen

Elektrophile Substitution am substituierten Benzolring 1

ortho- und para-dirigierende Gruppen (Abschn. 16.2 u. 16.3) G

G

G E

ER

4 E

ortho-Isomer

para-Isomer (überwiegt normalerweise)

G = NH,, OH; stark aktivierend

= NHCOR, OR; mäßig aktivierend = Alkyl, Aryl; schwach aktivierend = Halogen; schwach desaktivierend

2

meta-dirigierende Gruppen (Abschn. 16.2 u. 16.3)

G

E meta-Isomer G = N(CH3);*, NO,, CF;, C=N, SO,H; sehr stark desaktivierend = CHO, COR, COOH, COOR, CONH;; stark desaktivierend

Syntheseplanung: Umschalten oder Ausschalten dirigierender Effekte 3 Gegenseitige Umwandlung von Nitro- und Aminogruppen (Abschn. 16.5)

NO,

NH> HCI, Zn(Hg) CF3CO3H

meta-dirigierend

4

ortho, para-dirigierend

Umwandlung der Alkanoyl- in die Alkylgruppe (Abschn. 16.5)

RCH>

RC=O H,NNH,,. KOH, H,O, (HOCH,CH,),O, 240°C I

U

-

m

—

meta-dirigierend

5

MR

.

ortho, para-dirigierend

Blockieren durch Sulfonierung (Abschn. 16.5)

E H,O, „0, AA a

=H,50, zu Entblockierung

SO;H 770

SO;H

6 Schwächung der Wirkung stark aktivierender Gruppen (Abschn. 16.5)

Neue Reaktionen

HNÜCH;

OCHz

_CHCC, Pyridin Pyridin

_ NaOH, NaOH, CHal _

| H>0

konz. HI

stark

mäßig

stark

mäßig

aktivierend

aktivierend

aktivierend

aktivierend

Elektrophile ipso-Substitution

7

Protiodealkylierung (Abschn. 16.5)

; ne

AR + CH2=c/| NR

u] =

8

Umlagerung (Abschn. 16.5) R

Sk

R

R

AlCI,

fe

R

R R

9

Elektrophile aromatische Substitution an Naphthalin (Abschn. 16.6) E E

2

B%

ee a

thermodynamisches Produkt

E+

kinetisches Produkt

Darstellung von Benzol und seinen Derivaten 10 Industrielle Darstellung von Benzol durch Platforming »(Abschn. 16.7)

Pt/Al,O,, 450-550°C, H, Druck

771

16 Elektrophiler Angriff

11

Dehydrierung von Hydroaromaten (Abschn. 16.7)

auf Benzolderivate

Pt oder Pd/C, a —H,

S oder Se mit A, oder KMnO,, C,H,, Kronenether

RI Wichtige Konzepte 1 Die Substituenten des Benzolrings kann man in zwei Klassen aufteilen: elektronenliefernde, die den Ring aktivieren, und elektronenziehende, die den Ring desaktivieren. Diese Effekte können durch Induktion oder Resonanz ausgeübt werden. Sie können gleichzeitig auftreten und sich gegenseitig verstärken oder gegeneinander gerichtet sein. Aminound Alkoxygruppen aktivieren stark, Alkylund Phenylsubstituenten nur schwach. Zu den stark desaktivierenden zählen die Nitro-, Trifluormethyl-, Sulfonsäure-, Carbonsäure-, Nitril- und positiv geladene Gruppen, während Halogene nur schwach desaktivieren.

2 Aktivierende Gruppen dirigieren das Elektrophil nach ortho und para, desaktivierende Gruppe dirigieren nach meta, setzen gleichzeitig jedoch die Reaktionsgeschwindigkeit stark herab. Eine Ausnahme bilden die Halogene, die nach ortho und para dirigieren.

3 Sind mehrere Substituenten vorhanden, bestimmt die aktivierende Wirkung jeder Gruppe die elektrophile aromatische Substitution. Im allgemeinen kontrolliert die stärker aktivierende Gruppe (oder die schwächer desaktivierende) die Regioselektivität des Angriffs in folgender Reihenfolge: stark aktivierende, nach ortho/para lenkende > schwach aktivierende, nach ortho/ para lenkende > desaktivierende, nach ortho/ para lenkende > schwach desaktivierende, nach meta lenkende > stark desaktivierende nach meta lenkende. Zum Beispiel: OH 772

> CHı > Br

2CH02

NO

4 Die Synthesestrategie zur Herstellung mehrfach substituierter Benzole basiert auf der dirigierenden Wirkung der Substituenten, der Möglichkeit, durch chemische

rung umzukehren, render Gruppen.

Manipulation

die Orientie-

und der Anwendung

blockie-

5 Bei Naphthalin ist die elektrophile Substitution an C1 kinetisch begünstigt, da das intermediär gebildete Carbenium-lIon relativ stabil ist. Allerdings besteht zwischen Substituenten an dieser Stellung und der Gruppe an C8 sterische Hinderung. Bei reversiblen Substitutionsreaktionen erhält man daher bei erhöhten Temperaturen das thermodynamisch stabile Produkt, in dem das Elektrophil an C2 gebunden ist. 6 Elektronenliefernde Gruppen an einem der beiden Ringe im Naphthalin dirigieren einen Zweitsubstituenten in den Ring, an den sie gebunden sind, und zwar in die ortho- und para-Positionen. Elektronenziehende Gruppen lenken ein neues Elektrophil in den noch unsubstituierten Ring, die Substitution erfolgt dort bevorzugt an C5 und C8.

7 Der krebserregende Aromat Benzla]pyren geht erst durch den Metabolismus im Körper in das eigentliche Carcinogen über. Dieses ist wahrscheinlich ein Oxacyclopropandiol, in dem an C7 und C8 Hydroxygruppen gebunden, und C9 und C10 über eine Sauerstoffbrücke verbunden sind. Dieses Molekül kann die Stickstoffatome der DNA-Basen alkylieren, wodurch Mutationen ausgelöst werden können.

Aufgaben

Aufgaben

1 Ordnen Sie die Verbindungen der folgenden Gruppen nach abnehmender Reaktivität gegenüber elektrophiler Substitution und erläutern Sie Ihre Auswahl.

neleieye ‚sushere isieke Nee CC

HS

CH>CH3

CHCH

CH3;CCl3

OCH3

2 Ist der Benzolring desaktiviert?

in den

CF;CH3

a

COO Na’

folgenden

COOH

(a)

CH>CF3

Nat

COCH3

cr;

CONH3»

Verbindungen

aktiviert

oder

NO;

e 1 & zer (b)

| CH;

NO;

COOH

COOH

(d)

NHR OH lanc}— vn

CH; SO;3H

C(CH3)3

5

(h) NOR

N

>8

CH3

3

Zeichnen

Sie Resonanzformeln,

meta-dirigierende

Wirkung

der

mit denen

Sie die desaktivierende,

—SO;H-Gruppe

in Benzolsulfonsäure

erklären können.

173

16 Elektrophiler Angriff

4

auf Benzolderivate

Antwort.

Können

Sie folgender Behauptung

zustimmen?

Erläutern

Sie Ihre

„Stark elektronenziehende Substituenten am Benzolring dirigieren nach meta, indem Sie die meta-Stellung weniger als die ortho- und para-Stellung desaktivieren.“ 5 Welches Produkt (welche Produkte) entstehen folgenden elektrophilen Substitutionsreaktionen?

bei

il

N(CH3)2

NHCCH3

CH3CCI, Oel, AlCIz,

(a)

b, HNO;

(f)

Br,

(b)

überwiegend

—

Fe,

1 ,, , _CHLLOCCHAICH,

@ NecH;CcH; )

_HNO;, H>S04 H5504 |

(e

NO(h)

Ir

a)

HNO;, H>SO4, A

a

2

SO, HoSO4 ,

. Fa cisO3H 6

Welche Hauptprodukte erwarten Sie bei folgenden Reaktionen? Cl

2

S Ch, FeCh ,

(©)

_SO3, H2SO4 , CH3

(b)

na

HNO;,

H>SO

=

CH;CH» "

774

wos

HNOz, 2504,

NH>

Aufgaben

i Bra, 50 er ya?

(e)

NHCCH3

H>N

(h)

Ch,

Fe

NO, SO3H ©

Br>, FeBrz

NO,

ac

N

CH3Cl, AlClz

(0) Cl

CH 3

HNO3, H5SO4

OR,

(8)

O,N

ö

SO3, H5SO, NO, OCH3

7

(a) Wenn

ein Gemisch,

das aus jeweils einem

CH;

Mol der drei Dime-

thylbenzole (o-, m- und p-Xylol) besteht, mit 1 mol Chlor in Gegenwart einer Lewis-Säure

als Katalysator

behandelt

Kohlenwasserstoffe mit 100% Ausbeute monochloriert, während die beiden anderen überhaupt nicht reagieren. Welches Isomer reagiert? Erklären Sie die unterschiedliche Reaktivität. (b) Wird derselbe Versuch mit einem Gemisch der drei in der Randspalte gezeigten Trimethylbenzole durchgeführt, zeigt sich ein ähnliches Ergebnis. Beantworten Sie die unter (a) gestellten Fragen auch für dieses Verbindungsgemisch. 8 Entwerfen Sie eine vernünftige substituierten Arene aus Benzol.

Synthese

CH>CH,

CH

wird, wird einer der drei

der folgenden

CH,CH,

CH; 1,2;3-Trimethylbenzol

EH; CH;

mehrfach

CH;

NO,

1,2,4-Trimethylbenzol

CH3

D

ÖLSe

C

\S0,H NH}

0° “ch,

H;C

CH;

1,3,5-Trimethylbenzol

Cl

Br

NO,

&

N)

cı

’@r

Br

a

(@

ON NO, NO,

CH; Br

Br

CH>CH>CH ER

Br

(i)

j (j)

Cl cl

775

CH>0H

OCHz 4-Methoxyphenylmethanol (Anisalkohol)

9 4-Methoxyphenylmethanol (Anisalkohol) ist ein Bestandteil des Dufts von Lavendel und des Geschmacks von Lakritze. Schlagen Sie eine Synthese dieser Verbindung, ausgehend von Methoxybenzol (Anisol), vor. 10 Identifizieren Sie die Verbindungen A bis D anhand ihrer Elementaranalysen und der nachfolgend gezeigten Spektren. Schlagen Sie daraufhin Synthesen vor für die Verbindungen B, C und D, ausgehend von Verbindung A.

A: 45.90 C; 3.21 H; 50.89% Br. 'H-NMR und IR-Spektrum A. B: 41.89 C; 3.52 H; 46.45 Br; 8.14% N. 'H-NMR und IR-Spektrum B. C: Analyse identisch mit der von B. 'H-NMR und IR-Spektrum C. D: 28.72 C; 2.01 H; 63.69 Br; 5.58%

N. !'H-NMR und IR-Spektrum D.

2H

ae

Pe

7.7

7.6

Z us

7.4

DEEST 7.3

a 1.2

EN FEN RE 7.1

300-MHz-'H-NMR-Spektrum

7.0

6.9

6.8

6.7

ö

NMR-A

100

|

IM | x |

=

|

'D a

„ad 3

685

= nz

oO

=

735

=

0 4000 IR-A

776

2000

3000 Wellenzahl

v

1000

600 cm

B:

Aufgaben

7

6

5

4

3

90-MHz-'H-NMR-Spektrum

2

|

0

ö

NMR-B

100

\

| |

=

||

=

||

3 BV

a

|

>

N

Ben

I

3

I

3

a7k

o

|

820 Diese,

4000

3000

>

IR-B

2000

1000

600 cm!

Wellenzahl

iH

H

Fe ee‘ 74 12 70 68 66

EIER

EENN

55,50

045

AN

3530

25,20,

1005

300-MHz-'H-NMR-Spektrum ö NMR-C

777.

16

Elektrophiler Angriff

100

auf Benzolderivate

Durchlässigkeit % in 3468

745 Be

0 4000

3000

IR-C

2000

Wellenzahl

600 cm

N Zi

v

90-MHz-!H-NMR-Spektrum

NMER-D

1000

ö

100

& =

Z

#5) ee

N a

iS

Ke|

= =}

A

754

ei,

R

710.

FE 4000 0

IR-D

778

3000

2000 Wellenzahl

1000

600 cm! u

11 Bei der katalytischen Hydrierung von Naphthalin über Pd/C werden rasch 2 mol H, aufgenommen. Schlagen Sie eine Formel für das Produkt vor.

12 Welche Hauptprodukte entstehen folgenden disubstituierten Naphthaline? (a) (b) (ce) (d)

bei

der

Mononitrierung

Aufgaben

der

1,3-Dimethylnaphthalin. 1-Chlor-5-methoxynaphthalın. 1,7-Dinitronaphthalin. 1,6-Dichlornaphthalin.

13 Welche(s) Produkt(e) entstehen Ihrer Meinung nach bei den folgenden Reaktionen?

E

cc.a, OCH;

NEN konz. H A

e. &

Y

SO;H

AlCl3, CS3

NaOH, a,

HO3s-{_

N, NaOH, 5°C

(f) Produkt von e

|

o(]

Orange II (Farbstoff) _Br2, Bra, FeBrz _

CO,, KOH

14 Thiophenol, C;HsSH, geht keine elektrophile Substitution am Ben- zolring ein. Weshalb? Was geschieht wohl, wenn Thiophenol mit einem Elektrophil reagiert? (Hinweis: Wiederholen Sie in Abschn. 9.9 das Verhalten von Schwefelverbindungen). 15 Die Methoxygruppe wirkt stark aktivierend und dirigiert nach ortholpara. Dennoch sind die meta-Positionen in Methoxybenzol (Anisol) gegenüber elektrophiler Substitution verglichen mit Benzol leicht desaktiviert. Weshalb? 16

Welche Produkte entstehen bei der Mononitrierung von

779

16

Elektrophiler Angriff

auf Benzolderivate

(a) eo

(b)

(c)

EI

Om

O

17 Die Nitrosogruppe, -NO, wirkt als Substituent des Benzolrings ortho-, para-dirigierend, desaktiviert jedoch. Zeichnen Sie die LewisFormel der Nitrosogruppe, um diesen Befund zu erklären. Wie wirkt diese Gruppe induktiv und durch Resonanz auf den Benzolring? (Hinweis: Kennen Sie andere Substituenten, die ebenfalls ortho-, para-dirigieren, jedoch desaktivieren?) 18 In der nachfolgenden Reaktionsgleichung sehen Sie die für eine Nitrosierung typischen Bedingungen. Schlagen Sie für diese Reaktion einen detaillierten Mechanismus vor.

OH

OH

OH NO

NaNO,, HCl, H50

a

NO 19 Ordnen Sie die folgenden Verbindungen nach abnehmender tivität gegenüber wäßriger Base. Br

Br

: .NO>

i

Br

Reak-

Br

NO,

NO; NO,

NO,

Gruppenübung Polystyrol (Polyethenylbenzol) wird häufig bei der Herstellung von Getränkebechern und Verpackungen eingesetzt. Prinzipiell sollte es möglich sein, Polystyrol durch kationische Polymerisation aus Styrol zu synthetisieren, jedoch schlugen bisher alle Versuche fehl. Das Dimer A wurde stets als Produkt erhalten. a

| Dr en

[ ”

> al

Styrol

CH; ]

H.S0,, 150

_—

5

_ a

[ x

Fa

2

T

5

He Tu

Y(a

\

\

PRSENel, AR, Teilen Sie Ihr Team in zwei Gruppen auf. Die ersten Gruppe soll einen Mechanismus für die Bildung von Polystyrol durch kationische Polymerisation erarbeiten, die zweite einen für die Bildung von A. Besprechen Sie gemeinsam, in welchem Schritt die Polymerisation in die Bildung von A übergeht. 780

Aldehyde und Ketone: Die Carbonylgruppe

Wir wenden uns jetzt der Chemie der Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindung zu, der Carbonylgruppe. In diesem und dem folgenden Kapitel konzentrieren wir uns auf zwei Klassen von Carbonylverbindungen: Aldehyde, bei denen mindestens ein Wasserstoffatom an das Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe gebunden ist, und Ketone, bei denen zwei Kohlenstoffatome daran gebunden sind. Diese Verbindungen sind in der Natur

weit

verbreitet,

sie tragen

zum

Geschmack

und

Aroma

vieler Nahrungsmittel bei und unterstützen eine Reihe von Enzymen in ihrer Funktion. Industriell werden Aldehyde und Ketone in beträchtlichem Umfang sowohl als Reagenzien als auch als Lösungsmittel in der Synthese eingesetzt. Häufig wird die Carbonylgruppe als die wichtigste funktionelle Gruppe in der organischen Chemie angesehen.

:O:

AS Carbonylgruppe

Do:

BA Aldehyd

[

:O:

RR

Keton

Nach der Nomenklatur der Aldehyde und Ketone werden in diesem Kapitel die Strukturen und die physikalischen Eigenschaften diskutiert. Ebenso wie Alkohole sind Carbonylgruppen schwache Lewis-Basen, denn das Sauerstoffatom trägt zwei freie Elektronenpaare. Da die Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindung polarisiert ist, hat das Carbonyl-Koh» lenstoffatom elektrophilen Charakter. Im Rest des Kapitels wird gezeigt, wie diese Eigenschaften die Chemie dieser vielseitigen funktionellen Gruppe prägen.

781

17.1 Nomenklatur der Aldehyde und Ketone

17 Aldehyde und Ketone: Die Carbonylgruppe

Aus historischen Gründen haben zahlreiche einfache Aldehyde und Ketone ihre Trivialnamen beibehalten. Viele Namen von Aldehyden leiten sich von den Trivialnamen der entsprechenden Carbonsäuren (s. Abschn. 19.1) durch Ersatz der Endung -säure durch -aldehyd ab.

1

OÖ

H

iR

TS

[6]

|

OH

H

BE

Bat

2

ueı

Formaldehyd

Ameisensäure

oO

ET

16)

IoH

2

Mer

Essigsäure

>

|

u

Pa

Acetaldehyd

OÖ

oO

\

1 |

Br

{

o-Brombenzoesäure

Br

o-Brombenzaldehyd

Viele Ketone haben ebenfalls Trivialnamen, die aus den Namen der Substituenten, gefolgt von der Endung -keton, bestehen. Dimethylketon, das einfachste Beispiel, ist ein häufig benutztes Lösungsmittel und weithin als Aceton bekannt. Phenylketone haben Trivialnamen, die auf -phenon enden. 6)

L

CH,CCH;

CH;CCH,CH;

1

CH3CH,CCH,CH,

\

Dimethylketon

N/

|

Ethylmethylketon

Kar

Diethylketon

Benzophenon

(Aceton)

In der IUPAC-Nomenklatur werden die Aldehyde als Derivate der Alkane behandelt, indem die Endung -al angehängt wird, so daß aus dem Alkan ein Alkanal wird. Methanal, der systematische Name für den

einfachsten

Aldehyd,

leitet

sich

von

Methan

ab,

Ethanal

von

Ethan, Propanal von Propan, und so weiter. Ebenso wie die Chemical Abstracts, belassen wir den ersten beiden ihre Trivialnamen. Die Numerierung des Substituenten beginnt am Carbonyl-Kohlenstoffatom.

HCH

6) | CH;CH

Methanal (Formaldehyd)

Ethanal (Acetaldehyd)

6) I GH,CH,CH Propanal

O ee CICH,CH>CH,CH 4-Chlorbutanal \

%

4

ee

2

De

B:OÖ

4,6-Dimethylheptanal

Man beachte, daß die Namen denen der 1-Alkanole (Abschn. 8.1) entsprechen, nur daß die Position der Carbonylgruppe bei Aldehyden nicht näher spezifiziert werden muß: Das Carbonyl-Kohlenstoffatom wird als C1 definiert. Aldehyde,

die nicht so einfach

nach

den

Alkanen

benannt

werden

können, werden als Carbaldehyde bezeichnet. Die Stammverbindung der aromatischen Aldehyde ist beispielsweise Benzolcarbaldehyd, wenn auch der Trivialname Benzaldehyd weiterhin im Gebrauch ist und von den Chemical Abstracts akzeptiert wird. 782

: ae

17.1 Nomenklatur der Aldehyde und Ketone

en)

er

[

CHO Cyelohexancarbaldehyd

4-Hydroxy-3-methoxybenzolcarbaldehyd (4-Hydroxy-3-methoxybenzaldehyd)

Ketone werden als Alkanone bezeichnet. An den Alkannamen wird die Endung -on angehängt, so daß Aceton beispielsweise Propanon genannt werden kann. Die Carbonylgruppe erhält die kleinste mögliche Nummer in der Kette, unabhängig von der Anwesenheit anderer Substituenten oder der funktionellen Gruppen OH, C=C und C=C. Aromatische Ketone werden als Aryl-substituierte Alkanone bezeichnet. Ketone können, anders als Aldehyde, Teil eines Ringes sein. Die entsprechenden Verbindungen heißen dann Cycloalkanone. OÖ

5

3

ne 4 2

'

cı

if

re nn

OÖ

3 Fa) In

|

s

z 3 CH,

|

[0]

2-Pentanon

Man

Oo

|

4-Chlor -6-methyl-3-heptanon

beachte,

daß

das

2,2-Dimethyleyclopentanon

Carbonyl-Kohlenstoffatom

die

1-Phenylethanon (Acetophenon)

Nummer

I

erhält, wenn es Teil eines Ringes ist. Aldehyde und Ketone mit anderen funktionellen Gruppen [0]

OH

EI,

4

oO

3°2llı

(0)

I

CHECH,CH=CHCHÜCH, CH,

HESCCH

7-Hydroxy-7-methyl-4-octen-2-on

Propinal

Br 5-Brom -3-ethinylcyeloheptanon

OÖ l Der systematische Name für das allgemeine Fragment RC-— ist Alkanoyl, obwohl die ältere Bezeichnung Acyl weit verbreitet ist. Sowohl die IUPAC als auch die Chemical Abstracts belassen die Trivialnamen OÖ OÖ | J Formyl für HC— und Acetyl für CH;C—. Mit dem Ausdruck Oxo wird die Lage einer Keton-Carbonylgruppe festgelegt, wenn sie gemeinsam mit einer Aldehydfunktion auftritt.

CHO

Übung 17-1 Benennen oder zeichnen Sie die Konstitutionen der folgenden Verbindungen: 4-Formyleyclohexancarbonsäure

OÖ

(a)

10)

2b)

(d) 3-Hydroxybutanal.

2,

(6) 4-Octin-3-on;

Ih

CH,CCH;CH 3-Oxobutanal

783

17 Aldehyde und Ketone: Die Carbonylgruppe

Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, Formeln von Aldehyden und Ketonen zu zeichnen. Strichformeln können wie üblich angewendet werden. In Kurzstrukturformeln werden Aldehyde als RCHO und nicht als RCOH bezeichnet, um Verwechslungen mit der Hydroxygruppe von Alkoholen zu vermeiden. Möglichkeiten zum Zeichnen der Konstitutionsformeln von Aldehyden und Ketonen

Butanal:

CH3CH>CH>CH

Pi

CH;CH>CH>CHO

OÖ H

y Keine Hydroxygruppe

Butanon:

|

CH3CH>CCH3

CH3CH>COCH3

er

oO

Insgesamt werden Aldehyde und Ketone systematisch als Alkanale und Alkanone benannt. Die Carbonylgruppe genießt Vorrang vor der Hydroxygruppe und vor C—C-Doppel- und Dreifachbindungen. Ansonsten werden die bekannten Regeln zur Numerierung des Stammsystems und zur Benennung der Substituenten befolgt.

17.2 Die Struktur der Carbonylgruppe Wenn wir uns die Carbonylgruppe als ein Sauerstoff-Analogon der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung vorstellen, können wir eine korrekte Molekülorbital-Darstellung, die Strukturen der Aldehyde und Ketone und einige ihrer physikalischen Eigenschaften angeben. Die Doppelbindungen der Alkene und der Carbonylverbindungen unterscheiden sich allerdings beträchtlich in ihrer Reaktivität, weil das Sauerstoffatom stark elektronegativ ist und zwei freie Elektronenpaare trägt.

Die Carbonylgruppe enthält eine kurze, starke und sehr polare Bindung Sowohl das Sauerstoffatom als auch das Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe sind sp”-hybridisiert und liegen daher in der gleichen Ebene wie die beiden anderen Nachbaratome des Kohlenstoffatoms; die Bindungswinkel am Kohlenstoffatom betragen etwa 120°. Senkrecht zu der so aufgespannten Molekülebene stehen zwei p-Orbitale, eines am Kohlenstoff- und eines am Sauerstoffatom, die die n-Bindung bilden (Abb. 17-1). p-Orbital

Abb. 17-1 Orbitalbild der Carbonylgruppe. Die sp’-Hybridisierung und die Orbitalanordnung sind ähnlich der bei Ethen (Abb. 11-1). Die beiden freien

Elektronenpaare und die Elektronegativität des Sauerstoffatoms sind für die veränderten Eigenschaften dieser funktionellen Gruppe verantwortlich.

784

freie Elektronenpaare

Abbildung 17-2 zeigt die Molekülstruktur der Carbonylverbindung Ethanal (Acetaldehyd). Wie erwartet, bilden die Formylgruppe und das

17.2

Die Struktur der

Carbonylgruppe

daran gebundene Kohlenstoffatom eine Ebene, mit einem trigonalen Carbonyl-Kohlenstoffatom und einer kurzen Kohlenstoff-SauerstoffBindung, wodurch ihr Doppelbindungscharakter deutlich wird. Es überrascht nicht, daß die Bindungsstärke dieser Bindung mit 730-750 kJ/mol relativ groß ist. Der Vergleich mit der elektronischen Struktur der Doppelbindung in Alkenen zeigt zwei wesentliche Unterschiede. Zum einen trägt das Sauerstoffatom

keine weiteren Atome,

sondern

nur zwei freie Elektronen-

paare in seinen beiden übrigen sp’-hybridisierten Orbitalen. Diese weisen in die Raumrichtungen, in denen man die Substituenten eines sp’hybridisierten Kohlenstoffatoms erwarten würde. Daneben ist Sauerstoff stärker elektronegativ als Kohlenstoff. Dies beeinflußt die n-Elektronenwolke so, daß eine nennenswerte Polarisierung der Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindung zu beobachten ist. Dadurch wird das Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe leicht positiv polarisiert und das Sauerstoffatom um den gleichen Betrag negativ. Auf diese Weise wird das Kohlenstoffatom elektrophil und das Sauerstoffatom nucleophil und leicht basisch. Diese Polarisierung kann zum einen durch eine polare Resonanzformel, zum anderen durch Angabe von Partialladungen dö* und ö” verdeutlicht werden. Die Carbonylgruppe weist ein relativ großes Dipolmoment von etwa 9 x 10°” Cm auf, was fast dem von Halogenalkanen entspricht (Abschn. 6.2).

112.4 pm

H ar

et

’ 114 © ( C N

E H;C

125°

2

N 120.4 pm

150.0 pm

Abb. 17-2 Molekülstruktur von

Acetaldehyd.

Polarität der Carbonylgruppe lg

Nö — Fi Er

&

Nctö:I .

oder

Beni

N=h ..

er

u==9x10"°° Cm elektrophil

nucleophil und basisch

Die Polarisierung bestimmt die physikalischen Daten der Aldehyde und Ketone Durch die Polarisierung der Carbonylgruppe liegen die Siedepunkte von Aldehyden und Ketonen höher als die der entsprechenden Kohlenwasserstoffe (Tab. 17-1). Die Siedepunkte der stärker polaren Halogenalkane (Tab. 6-2) sind denen der Aldehyde und Ketone vergleichbarer Größe bemerkenswert ähnlich. Die Siedepunktsunterschiede isomerer Aldehyde und Ketone sind vernachlässigbar. Homologe mit mehr als zwölf Kohlenstoffatomen sind bei Raumtemperatur Feststoffe. Wegen ihres Dipolmomentes und wegen der Wasserstoffbrücken-Bindungen zu negativ polarisierten Sauerstoffatomen sind die kleineren Carbonylverbindungen in Wasser löslich. Beispielsweise sind Acetaldehyd und Propanon (Aceton) in jedem Verhältnis mit Wasser mischbar. Mit dem Anwachsen der hydrophoben Alkylgruppen sinkt jedoch die WasserlösTabelle 17-1 Siedepunkte einiger Aldehyde und Ketone

Formel

Name

Siedepunkt in °C

HCHO

Formaldehyd

-21

CH;CHO

Acetaldehyd

21

CH;CH;CHO CH;COCH; CH;CH;CH,CHO

Propanal (Propionaldehyd) Propanon (Aceton) Butanal (Butyraldehyd)

49 56 76

CH;CH;,COCH;

Butanon (Ethylmethylketon)

CH;CH,CH>CH,CHO

Pentanal

102

CH;COCH>CH3>CH;3 CH;CH,COCH3CH;

2-Pentanon 3-Pentanon

102 102

80

785

17 Aldehyde und Ketone: Die Carbonylgruppe

lichkeit. Carbonylverbindungen mit mehr als sechs Kohlenstoffatomen sind in Wasser praktisch unlöslich. Wir fassen zusammen: Die Carbonylgruppe in Aldehyden und Ketonen ist ein Sauerstoff-Analogon der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung. Wegen der Elektronegativität des Sauerstoffs ist die n-Bindung polarisiert, so daß der Alkanoylsubstituent elektronenziehend ist. Die Anordnung der Bindungen des Kohlenstoff- und der freien Elektronenpaare des Sauerstoffatoms ist aufgrund der sp’-Hybridisierung planar.

17.3 Spektroskopische Eigenschaften von Aldehyden und Ketonen IH-NMR-Entschirmung in Aldehyden und Ketonen

RcHCH

?

Die Carbonylgruppe führt zu charakteristischen Spektren. In 'H-NMRSpektren ist das Formyl-Wasserstoffatom stark entschirmt und tritt zwischen dö = 9 und 10 in Resonanz, ein Wert, der für diese Stoffklasse einzigartig ist. Es gibt zwei Gründe dafür. Zum einen induziert die Bewegung der n-Elektronen wie bei Alkenen (Abschn. 11.4) ein lokales Magnetfeld, das das äußere verstärkt. Zum anderen hat die positive Partialladung des Carbonyl-Kohlenstoffatoms einen zusätzlichen entschirmenden Effekt. Abbildung 17-3 zeigt das 'H-NMR-Spektrum von Propanal mit dem Signal des Formylprotons, das bei ö = 9.89 in Resonanz tritt. Wegen einer kleinen Kopplung mit den Methylenprotonen auf der anderen Seite der Carbonylgruppe ist das Signal mit einer Kopplungskonstanten von J = 2 Hz zu einem Triplett aufgespalten. Aufgrund des elektronenziehenden Charakters der Carbonylgruppe treten auch die beiden Methylenprotonen bei tieferem Feld in Resonanz als die entsprechender Alkane. Dieser Effekt wird auch in 'H-NMR-Spektren von Ketonen beobachtet: Für diese Wasserstoffatome beobachtet man normalerweise ein Signal im Bereich ö = 2.0-2.8. Wegen der charakteristischen chemischen Verschiebung des CarbonylKohlenstoffatoms sind "C-NMR-Spektren für Aldehyde und Ketone besonders aussagekräftig. Man erinnere sich (Abschn. 11.4), daß die sp--hybridisierten Kohlenstoffatome eines Alkens bei tiefem Feld in Resonanz treten (d = 120-130). Zum Teil wegen der Elektronegativität des direkt an das Carbonyl-Kohlenstoffatom gebundenen Sauerstoffatoms treten Carbonyl-Kohlenstoffatome von Aldehyden und Ketonen

Start of sweep

OH.

Ya

—B—

750

|

600

| |

|

450

|

|

L-CH3CH>zCH ——

End of sweep

300

150

0

|

|

|

|

|3

Ho

\

|

|

nn

1

De

(CH3)4Si 5

Abb. 17-3 90 MHz 'H-NMRSpektrum von Propanal in CCl;. Das Formyl-Wasserstoffatom (bei ö = 9.8) ist stark entschirmt.

786

|

17.3 Spektroskopische Eigenschaften von Aldehyden und Ketonen

CDCA,

3°C 3pgeame Ten pmaL=a +19MIR TErSN RoBETEN BEESTEERBE IHISeEeE Bummezuzan SSTH 7223 SRTSGeTEn Drrruemee Zum 220

200

180

160

140

120

100

80

60

4)

20

1)

ö

Abb. 17-4 "C-NMR-Spektrum von Cyclohexanon bei 75.5 MHz in CDCI;. Das CarbonylKohlenstoffatom ist, verglichen mit den anderen, stark entschirmt und tritt bei ö = 211.8 in Resonanz. Aus Symmetriegründen zeigt das Spektrum des Moleküls nur vier Signale. Je näher die Methylen-Kohlenstoffatome der Carbonylgruppe sind, bei desto niedrigerem Feld bzw. bei desto höherer Frequenz treten sie in Resonanz. Das Triplett bei ö& = 77 gehört zum Kohlenstoffatom des Lösungsmittels CDCH;, die Aufspaltung beruht auf der Kopplung zwischen Kohlenstoff und Deuterium (die Regeln für die Aufspaltung durch Deuterium unterscheiden sich von denen für Aufspaltungen durch Protonen und werden hier nicht näher besprochen).

bei noch tieferem Feld (d > 200) in Resonanz. Die der Carbonylgruppe benachbarten Kohlenstoffatome sind ebenfalls stärker entschirmt als die weiter entfernten. In Abbildung 17-4 ist das ""’C-NMR-Spektrum von Cyclohexanon dargestellt.

Chemische Verschiebungen in "'C-NMR-Spektren typischer Aldehyde und Ketone

ö=

|

|

CH3—CH

R 3>—-CH>—CH

31.2

19.6

ö=52

\ A

30.2

N

205.1

201.8

j

CH3CCH3 ö=

36.7

H3C—CH>—CH>—CH3 =

293

u, 206.6

45.2

17.5

13.5

Übung 17-2 Ein Student fand eine alte Flasche mit Propanon (Aceton), das der Luft ausgesetzt worden war. Gaschromatographisch war eine geringe Menge einer neuen Verbindung nachweisbar. Ihr 'H-NMR-Spektrum (CCl,) hatte Signale bei ö = 2.11 (s, 3H) und 2.60 (s, 2H). Ihr ’C-NMR-Spektrum zeigte nur drei Linien, eine davon bei ö = 206.8. Die Elementaranalyse ergab eine Zusammensetzung C;HsO. Schlagen Sie eine Konstitution für diese Verbindung vor. Hinweis: Beachten Sie, daß NMR-Integration und Elementaranalyse nur die Verhältnisse der fraglichen Atome liefern!

Die Infrarot-Spektroskopie ist eine weitere wertvolle Methode, mit der direkt die Anwesenheit einer Carbonylgruppe festgestellt werden kann. Die C=O-Valenzschwingung führt zu einer intensiven Bande, die meist in einem relativ engen Bereich (1690-1750 cm’, Abb. 17-5) erscheint. Die Carbonyl-Absorption der Aldehyde erscheint üblicher787

1715

Durchlässigkeit % in

o

a

H——CH>CHCCHCH, ——H HH

3

N Wellenzahl»

Abb. 17-5 IR-Spektrum von 3-Pentanon:

Vc-o vatenz = 1715 cm.

weise bei etwa 1735 cm, die der acyclischen Alkanone und der Cyclohexanone findet man bei etwa 1715 cm’. Durch die Konjugation mit dem n-System eines Alkens oder dem des Benzols verringert sich die Wellenzahl der Carbonylbande um etwa 30-40 cm, so daß 1-Phenylethanon (Acetophenon) diese Bande bei 1680 cm hat. Umgekehrt wächst die Wellenzahl für die Valenzschwingung der Carbonylgruppe in Ringen mit weniger als sechs Atomen: Cyclopentanon absorbiert bei

1745 cm', Cyclobutanon bei 1780 cm’. Carbonylverbindungen haben auch charakteristische Elektronenspektren, da die freien Elektronenpaare des Sauerstoffatoms energiearme n —> n*- und die n-Elektronen nr— n*-Übergänge eingehen können (Abb. 17-6). Als Konsequenz zeigen Aldehyde und Ketone Absorptionsbanden

im ultravioletten

Bereich

zwischen

275 und 295 nm,

das

sind deutlich größere Wellenlängen (geringere Energie) als bei einfachen Alkenen (Abschn. 14.11). Zum Beispiel weist Propanon (Aceton) in Hexan einen n — > n*-Übergang bei 280 nm (e = 15) auf. Der entsprechende m —> n*-Übergang wird bei 190 nm (e = 1100) beobachtet. Konjugation mit einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung hat auf die Elektronenspektren von Carbonylverbindungen den gleichen Einfluß wie auf die von Alkenen: Die Absorptionen werden nach größeren Wellenlängen verschoben. Zum Beispiel zeigt das Elektronenspektrum von

3-Buten-2-on,

n —

CH;,=CHCOCH,,

n*) und 219 nm (& = 3600,

Signale

mn—

bei

324

nm

(e =

24,

n*).

Elektronenübergänge im Propanon (Aceton) und im 3-Buten-2-on

||

I

CH3CCH3

CH>=CHCCH3

Propanon (Aceton)

3-Buten-2-on

Rn —.R* 1,5) E2OAUHF — n* x 0) 190 (110

Aae

nen E34 CH — n* 0) (360 219

0 Übung 17-3 ni Eine Abb. 17-6

mn—o

n*- und

n —> n*-Übergänge in Propanon (Aceton).

788

unbekannte

Verbindung

der Summenformel

C,H;O

hat die folgenden

spektro-

1a skopischen Daten: 'H-NMR (CCl): 5 = 2.03 (dd, J = 6.7, 1.6 Hz, 3H), 6.06 (dq, = 7 = 16:1, 7.7.1.6 Hz, 1H), 6.88 (dd. 7 = 16.1, 6.7 Hz, 1H),'9.47.(d, =’ 7E2 1H). - ®C-NMR (CCL): 5 = 18.4, 132.8, 152.1, 191.4. - UV: Ama(E) = 220 (15000), 314 (21) nm. Schlagen Sie eine damit zu vereinbarende Konstitution vor.

Fassen wir die spektroskopischen Merkmale von Aldehyden und Ketonen zusammen: Die 'H-NMR-Spektren der Formyl-Wasserstoffatome und der Carbonyl-Kohlenstoffatome weisen eine starke Entschirmung auf. Die Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindung führt zu einer starken Infrarotbande bei etwa 1715 cm", die durch Konjugation zu niedrigerer Wellenzahl und in kleinen Ringen zu höherer Wellenzahl verschoben ist. Schließlich hat die Carbonylgruppe charakteristische langwellige UV-Absorptionen, da die Anregung nichtbindender Elektronen in n*-Molekülorbitale möglich ist.

17.4 Die Darstellung von Aldehyden und Ketonen

17.4 Die Darstellung von Aldehyden und Ketonen Es gibt zahlreiche Methoden zur Darstellung von Aldehyden und Ketonen, von denen die wichtigsten bereits im Zusammenhang mit der Besprechung anderer funktioneller Gruppen erwähnt wurden: Oxidation von Alkoholen (Abschn. 8.6), oxidative Spaltung von Alkenen (Abschn. 12.11) und Hydroborierung-Oxidation oder Hydratisierung von Alkinen (Abschn. 13.8) sowie die Friedel-Crafts-Alkanoylierung (Abschn. 15.14). In diesem Abschnitt werden einige industrielle Darstellungsmethoden angesprochen und die bereits erwähnten Methoden zusammengefaßt, wobei auf spezielle Gesichtspunkte eingegangen wird und weitere Beispiele angeführt werden. Andere Wege zu Aldehyden und Ketonen

werden

an anderer Stelle beschrieben,

1 Reaktion einer Carbonsäure 1911),

mit Alkyllithium-Reagenzien

l

RCOH + Ri — 2

darunter:

+

(Abschn.

|

H%0, gcr'

Reaktion von Alkanoylchloriden (Acylchloriden) mit organometalli-

schen Reagenzien (Abschn. 20.2),

| RCCI + RM —

| HY, + BO , ger’

3 Reduktion von Alkanoylchloriden (Acylchloriden) mit einem modifizierten Hydrid oder katalytisch aktiviertem Wasserstoff (Abschn. 20.2), >

| RCCI + MH —

£ H*, H,O

| RCH

4 Reduktion von Estern und Amiden (Abschn. 20.5 u. 20.6),

| RCCI+H;

mit Diisobutylaluminiumhydrid

CH3 | | RCOR’ oder RCNR’2 + (CH5CHCH,),AIH — 5 Reaktion 20.8),

von Nitrilen mit metallorganischen

RC=N + RM —

| 1 Pa/BaSOs , RC

H*, H,O

—

er 9, Reagenzien

| RcH (Abschn.

| RER’ 789

17 Aldehyde und Ketone:

6

Die Carbonylgruppe

Reduktion von Nitrilen mit modifizierten Hydriden (Abschn. 20.8),

6)

HY, WO,

RC=N + MH —

—

| al

7 Reaktionen von Diazomethan mit Alkanoylchloriden (Acylchloriden, Abschn. 21.11),

| RCCI

' +CH3N:

—>

1

RCCH,Cl

+ Na

|

RCCI

8 Alkylierung von Äquivalenten Abschn. 23.5),

+ 2CH2Na

—>

des Alkanoyl-Anions

| er

xl

RCCHN>

+ HCI

(Acyl-Anions,

0 ad

R'

9

Decarboxylierung von 3-Ketosäuren (Abschn. 23.2),

|

Ba

|

|

A, RCCHAR” # CO,

R'

Formaldehyd und Propanon (Aceton) sind wichtige industrielle Carbonylverbindungen Der industriell wichtigste Aldehyd ist Formaldehyd; das wichtigste Keton ist Propanon (Aceton). In der Bundesrepublik Deutschland werden jährlich über 500000 Tonnen Formaldehyd durch Oxidation von Methanol hergestellt: CH;OH

O>, 600°-650°C, kat. Ag

? CH,

=O

Als wäßrige Lösung (,„Formalin“) wird Formaldehyd als bakterizides und fungizides Desinfektionsmittel eingesetzt. Die wichtigste Verwendung ist die zur Herstellung von Phenolharzen (Abschn. 22.6). Propanon (Aceton) ist ein wertvolles Nebenprodukt des Cumolhydroperoxid-Verfahrens (Kasten 22-3) und dient als Lösungsmittel sowie als Ausgangsmaterial zur Darstellung anderer Industriechemikalien. Butanal wird durch Hydroformylierung hergestellt; dabei wird Propen mit Synthesegas (CO + H,, Abschn. 8.4) in Gegenwart von Cobaltoder Rhodium-Katalysatoren umgesetzt. Die Reaktion ist allgemein anwendbar und kann auch zur Darstellung anderer Aldehyde angewandt werden. CH; CH=CHh;

+ CO + H>

Co oder Rh, A, Druck

> CH3CH>CH>CHO

Vier Methoden zur Laborsynthese von Aldehyden und Ketonen In Tabelle 17-2 sind vier Möglichkeiten zur Synthese von Aldehyden und Ketonen zusammengefaßt. Die erste Methode, wir haben sie schon in Abschnitt 8.6 kennengelernt, ist die Oxidation von Alkoholen mit Chrom(VI)-Reagenzien zu Carbonylverbindungen. Sekundäre Alkohole 7%

Tabelle 17-2 Synthesen von Aldehyden und Ketonen

17.4 Die Darstellung von Aldehyden und Ketonen

Reaktionstyp

Reaktionsgleichung

1. Oxidation von Alkoholen

— CH,OH

PCC, CH;Cl, EN

| CH

1. O3, CH,Ch, N

2. Ozonolyse von Alkenen

E

3. Hydratisierung von Alkinen

@_@

GEF

N

DS(eH5)2S

IN

—

Gen

%

en

>

2-0

£

+0=C

Z

\

—C-CH,

1. RCOCI, AlCI,, CS, 2

h

OÖ

2.H*, H,O

4. Friedel-Crafts-Alkanoylierung

F

DZ

Ss

R

liefern Ketone und primäre Alkohole Aldehyde,

letztere aber nur bei

Abwesenheit von Wasser, wodurch die Weiteroxidation zur Carbonsäure

verhindert wird. Die Oxidation mit Chrom(VI) von Alken- und Alkingruppen selektiv.

ist auch in Gegenwart

Selektive Oxidation von Alkoholen

OH

|

'

|

CH>CHC==C(CH;);CH3 _ (703, H3S0,, Propanon (Aceton), 0°C__ CH;CC==C(CH3)3CH3

80% 3-Octin-2-ol

3-Octin-2-on

HC=CCH=CHCH,OH

92 #259 Propanon (Aoeton) ST, HC=CCH=CHCOH 60%

2-Penten-4-in-1-ol

2-Penten-4-insäure

Einsatz von PPC (CrO; + Pyridin + HCl) zur

Oxidation eines primären Alkohols zu einem Aldehyd Ö

6)

er OÖ

PCC, CH,Ch, CH,COO'Na*

o

=.

I

Br

CH>30H

2

CH

85%

Die Weiteroxidation von Aldehyden in Gegenwart von Wasser ist eine Folge der Hydratisierung zu einem 1,1-Diol (Abschn. 17.6). Die Oxidation dieses Diols führt dann zu der Carbonsäure. Wasser bewirkt Weiteroxidation von primären Alkoholen

Bo

u

o | | © | ch =, RCOH OD, RCoH H

Ein weiteres mildes Reagenz, das spezifisch Allylalkohole (s. Abschn. 14.3) zu Aldehyden bzw. Ketonen oxidiert, ist Mangandioxid. Einfache Alkohole werden bei Raumtemperatur nicht angegriffen, wie anhand der selektiven Oxidation zu einem Steroid aus der Nebenniere gezeigt ist.

791

17 Aldehyde und Ketone:

Selektive Oxidationen von Allylalkoholen mit Mangandioxid

Die Carbonylgruppe

CH3

CH3

HC=CCH=CCH,OH

en Pe) DT, HC==CCH=ÜCHO MnO,,P

A

, 25°C

35% 2-Methyl-penten-4-in-1-ol

2-Methyl-2-penten-4-inal

>:

H.C

HO

OH

wird nicht oxidiert

(nicht allylisch)

H

2

HO

H;C

OH

3

H;C

MnO;, CHCH;, 25°C HO

16)

62% Ü

Übung 17-4 Entwerfen Sie eine von Cyclohexan ausgehende Synthese von Cyclohexyl-1-propinylketon. Sie dürfen alle möglichen Reagenzien verwenden.

Ozonolyse

Die

CH4 er Er

2

Le

5 ee 233

I

|

CH.C(CH3>)4CH

zweite

Darstellungsmethode,

die wir diskutiert

haben,

ist die

oxidative Spaltung der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung — die Ozonolyse (Abschn. 12.11). Die Einwirkung von Ozon und die anschließende Behandlung mit einem milden Reduktionsmittel wie katalytisch aktiviertem Wasserstoff oder Dimethylsulfid spaltet Alkene in Aldehyde bzw. Ketone.

Die dritte Methode ist die Hydratisierung der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Dreifachbindung unter Bildung von Enolen, die zu Carbonylverbindungen tautomerisieren (Abschn. 13.8 u. 13.9). In Gegenwart von Quecksilber-Ionen folgt die Wasseraddition der Markovnikov-Regel bei der Bildung von Ketonen.

85% Markovnikov-Hydratisierung von Alkinen

REN

Rc=cH HH,

Anti-Markovnikov-Addition tion.

HO

|

H

|

Nooc I ro NH

RCCH3

erfolgt bei der Hydroborierung-Oxida-

Anti-Markovnikov-Hydratisierung von Alkinen

Rc=cH

Wi — 2

A \c=c Kan:

A

A“Re

„em

H

—> RCH,CH

OH

2

In Abschnitt 15.14 wurde schließlich die Synthese von Arylketonen durch die Friedel-Crafts-Alkanoylierung diskutiert, einer elektrophilen aromatischen Substitution. Das folgende Beispiel zeigt die Bildung eines industriell genutzten Parfumzusatzes.

792

Friedel-Crafts-Alkanoylierung (-Acylierung)

17.5

Die Reaktivität der

Carbonylgruppe:

CH;0

=,

CH30

1. CH3COCCH3,

Additionsmechanismen

AlCI;, CSy

2. HCI, ir H,O ER ER

®

CH,’

@ ERES ‘0 93%

Wir fassen zusammen: Vier wichtige Methoden zur Aldehyd- und Ketonsynthese sind die Alkoholoxidation, die oxidative Alkenspaltung, die Alkinhydratisierung und die Friedel-Crafts-Alkanoylierung. Viele andere Möglichkeiten werden in späteren Kapiteln diskutiert.

17.5 Die Reaktivität der

Carbonylgruppe: Additionsmechanismen Dieser Abschnitt beginnt mit einer Diskussion der Chemie der Carbonylgruppe in Aldehyden und Ketonen. Wie bei der n-Bindung in Alkenen geht auch die Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindung Additionsreaktionen ein. Zum Beispiel führt die katalytische Hydrierung zu Alkoholen. Elektrophile greifen das Sauerstoffatom, Nucleophile das Kohlenstoffatom an.

Die drei reaktiven Positionen in Aldehyden und Ketonen Aldehyde und Ketone haben drei Positionen, an denen die meisten Reaktionen ablaufen: das Sauerstoffatom, das Carbonyl-Kohlenstoffatom und das daran gebundene Kohlenstoffatom: ah, Angriff durch Elektrophile

®

N m: N Po DR

u

Angriff durch Nucleophile

sauer

Für den Rest dieses Kapitels befassen wir uns mit den ersten beiden reaktiven Zentren, die beide zu einer Addition an die Carbonyl-r-Bindung führen. In diesem Abschnitt werden zwei unterschiedliche Wege gezeigt, wie dies erreicht werden kann: die katalytische Hydrierung und die ionische Addition.

Andere

Reaktionen,

die an dem benachbar-

„ten Kohlenstoffatom ablaufen, werden in Kapitel 18 behandelt.

Die Carbonyl-r-Bindung kann hydriert werden Wie C—C-n-Bindungen kann man auch die Carbonylgruppe katalytisch hydrieren (Abschn. 8.6), wobei Alkohole gebildet werden. In Abhängigkeit vom Katalysator können Aldehyde und Ketone reaktionsträger sein als Alkene, was Druck oder erhöhte Temperatur erforderlich macht, damit die Reaktion mit brauchbarer Geschwindigkeit abläuft.

793

Selektive Hydrierung eines Enons

Hz, Ru, 160°C,

CH3CH>CH>CH

Eh H,, Ber

N

CHECHEH, H,, Pt, 105 Pa, 25°C

H

(6) H 100% Additionen an die

'

CH;CH>CH>CHOH IN,80°C,

OH

en

CH,ECH,CH,

H Diesen Unterschied in der Reaktivität kann man sich zunutze machen bei der selektiven Hydrierung ungesättigter Aldehyde (Enale) oder Ketone (Enone). In schwierigen Fällen kann man den Wasserstoffverbrauch verfolgen und die Reaktion anhalten, wenn das erforderliche Volumen Wasserstoff aufgenommen worden ist. Die katalytischen Hydrierungen von Aldehyden und Ketonen sind Additionsreaktionen, die an der Katalysatoroberfläche ablaufen. Additionen an die Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindung können jedoch auch unter Ausnutzung der polaren Natur der Carbonylgruppe ionisch verlaufen.

Carbonylgruppe

0

Ionische Additionen an die Carbonylgruppe

Fe

Polare Reagenzien addieren gemäß dem Coulombschen Gesetz an die Carbonylgruppe. Nucleophile werden an das Kohlenstoffatom, Elektrophile an das Sauerstoffatom gebunden. In den Abschnitten 8.6 und 8.8 wurden zahlreiche solcher Additionen mit organometallischen Reagenzien oder Hydriden besprochen, wobei Alkohole gebildet wurden. In Tabelle 17-3 sind diese Additionen zusammengestellt. Die Hydrierungsmittel NaBH, und LiAIH, reduzieren Carbonylgruppen, nicht aber Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen. Diese Reagenzien setzen folglich ungesättigte Aldehyde und Ketone zu ungesättigten Alkoholen um, so daß deren Selektivität gerade umgekehrt zur Selektivität der katalytischen Hydrierung ist.

„|C

»,

1. LiAIH4, (CH3CH7)20, — 10°C ‚H50

CH=CH- cHo

(

J-en-cn-cnon 90%

Weil die in Tabelle 17-3 aufgeführten nucleophilen Reagenzien sehr starke Basen sind, sind ihre Additionen irreversibel. Dieser und der folgende Abschnitt gehen auf ionische Additionsreaktionen mit milderen Nucleophilen Nu—H, ein. Diese Reaktionen

wie Wasser, Alkoholen, Thiolen und Aminen sind nicht so stark exotherm, sondern führen zu

Gleichgewichten, die durch geeignete Reaktionsbedingungen der beiden Richtungen gedrängt werden können. Tabelle 17-3 Additionen von Hydriden und organometallischen Reagenzien an Aldehyde und Ketone Reaktionstyp

l. Aldehyd

Reaktionsgleichung + Hydridreagenz

RCHO

Pu SACBOR

RRcrH;OH

primärer Alkohol

2.

Keton + Hydridreagenz

R,co SROHOH ee IRCHOH

sekundärer Alkohol

3.

Formaldehyd

H,co

primärer Alkohol

4. Aldehyd

+ Grignardreagenz

+ Grignardreagenz

5.

Keton + Grignardreagenz

“

Nach wäßriger Aufarbeitung

794

MR CHFb)9, R-CH,OoH°

RCHO #M%

(CH5CHp)0, R/RCHOH°

sekundärer Alkohol

R,HO

Cibeb)9, RR,COH?

tertiärer Alkohol

EM

in jede

Nach welchem Mechanismus erfolgt die ionische Addition dieser Reagenzien an die C—O-Doppelbindung? Man kann zwei Wege formulieren. Der erste beginnt mit dem nucleophilen Angriff und erfordert die Abwesenheit von Säure. Mit der Annäherung des Nucleophils an das Carbonyl-Kohlenstoffatom rehybridisiert dieses, wobei das Elektronenpaar der r-Bindung unter Bildung eines Alkoxid-Ions auf das Sauerstoff-

17.5

Die Reaktivität der

Carbonylgruppe: Additionsmechanismen

atom übertragen wird. Die abschließende Protonierung durch ein protisches Lösungsmittel wie Wasser oder Alkohol liefert das Additionsprodukt.

Nucleophile Addition-Protonierung

RL:

2 5

=.

N,

HÖH

——=

5:

=

Nu Alkoxid-

Nu:

an

Sen

on:

Ark

HO:

Nu

Ion

Man beachte, daß die neue Nu—C-Bindung ausschließlich durch das Elektronenpaar des Nucleophils gebildet wurde. Die gesamte Reaktion ähnelt einer Sn2-Reaktion. Anstatt einer Abgangsgruppe wird jedoch ein Elektronenpaar aus einer Position zwischen zwei Atomen in eine an einem Atom (dem Sauerstoffatom) lokalisierte verschoben. Die Addition stark basischer Nucleophile an Carbonylgruppen verläuft normalerweise über die Reaktionssequenz nucleophile Addition-Protonierung. Der zweite Mechanismus ist besonders in sauren Medien wirksam und beginnt mit einem elektrophilen Angriff. Hier begünstigt die Polarisierung der Carbonylgruppe und die Anwesenheit von freien Elektronenpaaren eine Protonierung. Protonierte Carbonylgruppen wurden in Abschnitt 9.3 angesprochen. Die Basizität des Sauerstoffatoms_ ist gering, wie die Acidität der Konjugierten Säure zeigt, die einen pK, zwischen -—7 und -8 aufweist. Daher bleibt in einem verdünnten sauren Medium, in dem die meisten Reaktionen mit Carbonylverbindungen durchgeführt werden, der größte Teil der Moleküle unprotoniert. Der kleine protonierte Anteil verhält sich jedoch wie ein außergewöhnlich reaktives Kohlenstoff-Elektrophil. Der Angriff des Nucleophils vervollständigt die Additionsreaktion und zieht das Gleichgewicht in die gewünschte Richtung.

Elektrophile Protonierung-Addition

Bar“

a en ale

2

+

(>

Ba

er

N

oo

=

= =

Na

ORG:

ET Nu

c—

protonierte Carbonylgruppe

= -8 PK, Nach dem Mechanismus elektrophile Protonierung-Addition laufen Reaktionen von relativ schwach basischen Nucleophilen ab. Die sauren Bedingungen sind mit stark basischen Nucleophilen unverträglich, da das Nucleophil protoniert werden würde. » Wir fassen zusammen, daß es in Carbonylverbindungen drei reaktive Positionen gibt. Die ersten zwei sind die beiden Atome der Carbonylgruppe und Gegenstand dieses Kapitels. Die dritte Position wird in Kapitel 18 besprochen. Die Reaktivität der Carbonylgruppe wird im wesentlichen durch Additionsreaktionen bestimmt. Die katalytische Hydrierung führt zu Alkoholen. Ionische Additionen von NuH (Nu = OH, OR, SR, NR;3) sind reversibel und können mit einem nucleophilen Angriff auf das Carbonyl-Kohlenstoffatom beginnen, gefolgt von einem Abfang des so gebildeten Alkoxid-Ions. Alternativ erfolgt in sauren Medien zuerst die Protonierung und dann der nucleophile Angriff.

795

17

Aldehyd

a

d Ket

2

z

25

17.6 Die Addition von Wasser zu

Hydraten In den folgenden drei Abschnitten werden die Reaktionen von Aldehyden und Ketonen mit Wasser und Alkoholen vorgestellt. Diese Verbindungen greifen die Carbonylgruppe unter Säure- oder Basenkatalyse nach einem der beiden gerade diskutierten Mechanismen an.

Wasser hydratisiert die Carbonylgruppe Wasser ist eines der Reagenzien, die die Carbonylgruppen von Aldehyden und Ketonen angreifen können. Diese Umwandlung, die entweder durch

Säure

oder

durch

Base

katalysiert

wird,

führt

zur

Einstellung

eines Gleichgewichtes zwischen Carbonylverbindung und dem entsprechenden geminalen Diol, das auch als Carbonylhydrat bezeichnet wird. Im basenkatalysierten Mechanismus agiert das Hydroxid-Ion als das Nucleophil; Wasser fängt dann das intermediäre Addukt unter Bildung des geminalen Diols ab, wobei der Katalysator wieder frei wird. Hydratisierung der Carbonylgruppe

Mechanismus der basenkatalysierten Hydratisierung

„C=0+ HOH K

>45 A

De:

H "oder HO“

=

HO

a

e—ön + HO:” HO

Hydroxyalkoxid

geminales Diol

"C—OH Ho

Im säurekatalysierten Mechanismus ist die Reihenfolge der einzelnen Schritte umgekehrt. Hier folgt der anfänglichen Protonierung der nucleophile Angriff des Wassers, wonach durch Deprotonierung der Katalysator frei wird, der neu in den Katalysecyclus eintritt. Mechanismus der säurekatalysierten Hydratisierung x

O4 wi

4:

ec ITAETT:

Ha Ö

N

+/

protonierte

H>0?

ee ri ®

N

a‘

”

=

HO

Carbonylgruppe

>

geminales Diol

Die Hydratisierung ist reversibel

D

En

Sc:

Lu RE

n2

elektrophil

796

0

.. ;

Den Reaktionsgleichungen ist zu entnehmen, daß die Hydratisierung von Aldehyden und Ketonen reversibel ist. Für Ketone liegt das Gleichgewicht auf der linken Seite, für Formaldehyd und Aldehyde mit elektronenziehenden Substituenten rechts. Normale Aldehyde nehmen eine mittlere Position ein und weisen Gleichgewichtskonstanten um 1 auf. Wie kann man diesen Trend erklären? Allgemein sind Additionen an Carbonylgruppen umso mehr bevorzugt, je elektrophiler das CarbonylKohlenstoffatom ist. Wenn wir die Resonanzformeln der Carbonylgruppe betrachten, wie sie in Abschnitt 17.2 beschrieben wurden und hier am Rand wiederholt sind, so erkennt man, daß in der dipolaren Resonanzform das Kohlenstoffatom carbeniumartigen Charakter hat. Substituenten,

die

Carbenium-Ionen

stabilisieren,

vermindern

den

elektrophilen Charakter der Carbonylgruppe. Daher gilt: Das höher alkylierte Carbonyl-Kohlenstoffatom ist das stabilere und die Begünsti-

gung der Hydratisierung nimmt ab in der Reihe Formaldehyd, Acetaldehyd, Aceton. Umgekehrt gilt: Elektronenziehende Substituenten destabilisieren das positiv geladene Kohlenstoffatom, so daß die Addition von Nucleophilen begünstigt wird. Wir werden sehen, daß dieselben Trends auch bei anderen Additionsreaktionen gelten.

Gleichgewichtskonstanten K für die Hydratisierung einiger Carbonylverbindungen o |

CHECHR >10:

Reihenfolge der Reaktivität von Carbonylgruppen

H-C=0O K > 10° 2ö

Nö

u

7

at

a

102

=

.

Wu

mc

ur

nö

Na

ä

R

CH 3 Ir K=l =

mc? Ser;

O Die elektronenziehende CCI,-Gruppe schafft zusätzliche positive Ladung am CarbonylKohlenstoffatom

Elektronenliefernde CH,-Gruppen reduzieren die positive Ladung am Carbonyl-Kohlenstoffatom

CH;CCH3;

K
NH> H 80% 1-Amino-2-butanol

2-Hydroxybutannitril (Propanal-Cyanhydrin)

Wir fassen zusammen: Die Carbonylgruppe in Aldehyden und Ketonen kann von Cyanid-Ionen unter Bildung von Cyanhydrinen angegriffen werden. Deren Hydrolyse liefert 2-Hydroxycarbonsäuren, während die Reduktion zu 1-Amino-2-alkanolen führt.

17.12 Die Addition von Phosphor-Yliden: Die Wittig-Reaktion In der Wittig-Reaktion® wird ein spezielles Reagenz benutzt, in dem ein Carbanion durch einen positiv geladenen, phosphorhaltigen Substituenten stabilisiert wird. Eine solche Spezies nennt man ein Phosphor-Ylid (ein anderer Name ist Phosphoran). Die Delokalisierung der negativen Ladung führt zu einer neuen Resonanzformel mit fünffach Koordiniertem Phosphor und einer Kohlenstoff-Phosphor-Doppelbindung. Bei den üblicherweise benutzten Yliden trägt das Phosphoratom Phenylgruppen. R

Na

R

4

ETUI:

—

H

ER

|

ne. H

Ylid

Die Deprotonierung von Phosphoniumsalzen führt zu Phosphor-Yliden Phosphor-Ylide werden am einfachsten in einer zweistufigen Synthese aus Halogenalkanen dargestellt; der erste Schritt ist eine nucleophile Substitution des Halogenatoms durch Triphenylphosphan, wodurch ein Alkyltriphenylphosphoniumsalz entsteht. Bildung von Phosphoniumsalzen

R he

Triphenylphosphan

*

812

eN

ee

+

. au

%

RCH>P(CeHs)3

"et N

x*

Ein Alkyltriphenylphosphoniumhalogenid

Professor Georg Wittig, 1897-1987, Universität Heidelberg, Nobelpreis 1979.

Das positiv geladene Phosphoratom steigert die Acidität eines jeden benachbarten Protons beträchtlich. Im zweiten Schritt, einer Deprotonierung durch Basen wie Alkoxide, Natriumhydrid oder Butyllithium, entsteht das Ylid, welches auch durch eine Ylen-Grenzformel beschrieben wird. Ylide können isoliert werden, werden jedoch meist nach der Darstellung als Reagenzien in situ weiterverwendet.

17.12

Die Addition von Phosphor-Yliden: Die Wittig-Reaktion

Ylid-Bildung Ylid

|RCHP(CgHs)s

RCH>P(CsHs)3X" + CHSCHSCH;CH.Li -E,

+ CH5CH;CH;CH3H + LiX

| RCH=P(CgH35)3 Ylen

Bei der Wittig-Reaktion wird eine Kohlenstoff-KohlenstoffDoppelbindung gebildet Wird ein Ylid mit einem Aldehyd oder Keton zur Reaktion gebracht, erhält man am Ende ein Alken, welches aus einer Kupplung des YlidKohlenstoffatoms mit dem Carbonyl-Kohlenstoffatom resultiert. Daneben entsteht Triphenylphosphanoxid.

Die Wittig-Reaktion

Ex

r C=P(CH5); 65) Ylid

e

+0=C x Aldehyd

>

N

2

= C=c \S + Alken

(CH 6

5); P=O

Triphenylphosphanoxid

oder Keton

Beispiele: 6)

+ CHH—=P(CgHs),; EL,

“

+ (CoHs)3PO

40% Methylencyclohexan CH3

CH3CH>CH>CH + CH3CH5C=P(C,Hs), H3H220: 10°C,

Bi CH>3CH>CH>CH=CCH>CH3

+ (CoHs)3PO

66% 3-Methyl-3-hepten

Die Wittig-Reaktion ist für den präparativ arbeitenden Chemiker außerordentlich wertvoll, da durch sie Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen gebildet werden. Im Gegensatz zu Eliminierungen (Abschn. 11.8 u. 11.9) ist hier die Position der neu gebildeten Doppelbindung im gebildeten Alken unzweideutig. Dies wird am Beispiel der Darstellung des 2-Ethyl-I-butens durch Wittig-Reaktion und durch Eliminierung deutlich.

813

17 Aldehyde und Ketone:

Vergleich zweier Synthesen von 2-Ethyl-1-buten

Die Carbonylgruppe

Durch Wittig-Reaktion:

CH;

|

CH3CH>CCH>CH3

+ CH5=P(CgHs)a —>

CH3CH>CCH>CH3z

+ (CeHs);P=O

nur ein Isomer

Durch Eliminierung:

CH;

CH;

CH3 CH3CH>CCH>CHz >

CH3CH3CCH>CHz + CH3CH;C =CHCH3 Isomerengemisch

ne

Was ist der Mechanismus der Wittig-Reaktion? Das negativ polarisierte Ylid-Kohlenstoffatom ist nucleophil und kann die Carbonylgruppe angreifen, wohingegen das positiv geladene Phosphoratom das Carbonyl-Sauerstoffatom attackiert. Das Ergebnis ist ein neutraler Heterocyclus, ein Oxaphosphacyclobutan (Oxaphosphetan), ein viergliedriger Ring, der Phosphor und Sauerstoff enthält. Dieses Intermediat zersetzt sich schließlich zu den Produkten Alken und Triphenylphosphanoxid. Die treibende Kraft des letzten Schrittes ist die Bildung der sehr starken Phosphor-Sauerstoff-Doppelbindung. Mechanismus der Wittig-Reaktion

oh RCH=P(CsH5)3;

—

7

R Sr

RCH—P(CsHs)3 |=

a

R" R’

RCH_C I Nas

—>

RCH—C

(CoHs);P—O:

Ya

+ (CHHs);P—O

Nr

Ein Oxaphosphacyclobutan (Oxaphosphetan)

Wittig-Reaktionen können in Gegenwart von Ether-, Ester-, Halogenund Alkin-Funktionen ausgeführt werden. Sie sind jedoch nur manchmal stereoselektiv, üblicherweise entstehen Mischungen der E- und ZAlkene.

d

S

C, CHSCEHCH3CH=P(CsHs)3 + CH,=CHCH FD = (CH s)3PO

Bo CHSCEH>CH; H

Fr

—C

50%

CH=CH; H

Hauptisomer

CH3CH>CHSCH=P(CsHs)3 + CHZCCH-ICHO Be

R

i

2

—

= (C6H5)3PO

H

H cc

CH3(CH>) 814

60%

CH;(CH3) “

(CH})4CH5

H DAR H (CH,JaCH3 10%

Kasten 17-3 Die Wittig-Reaktion in der Synthese Die Wittig-Reaktion wurde insbesondere in Totalsynthesen extensiv angewandt, zum Beispiel in der folgenden Totalsynthese des Pheromons (s. Abschn. 12.16) Bombykol, dem Sexuallockstoff der Seidenspinner-Raupe; hier können neben der Wittig-Reaktion zahlreiche andere Reaktionen angewandt werden, die wir in den vorangegangenen Kapiteln besprochen haben. Der erste Schritt ist die Alkylierung eines Alkinyl-Anions (Abschn. 13.6) zum 1-Pentin. 1-Pentin wird durch Behandlung mit Ethylmagnesiumbromid in das entsprechende Grignard-Reagenz umgewandelt. Diese Verbindung reagiert mit Formaldehyd zum entsprechenden Alkohol (Abschn.

8.8), der mit PBr,; (Abschn. 9.4) in das Bromid umgewandelt wird. Nucleophile Substitution mit Triphenylphosphan ergibt das Phosphoniumsalz,

welches einer Wittig-Reaktion mit Ethyl-10-oxodecanoat unterworfen wird. Dabei reagiert nur die Aldehyd-Funktion, und zwar zu einer Mischung von cis-und trans-Eninen. Nach einer Isomerentrennung wird das trans-Isomer stereospezifisch .hydriert (Lindlar-Katalysator), was zu einer neuen cis-Doppelbindung führt (Abschn. 13.7). Die Esterfunktion wird dann mit Lithiumaluminiumhydrid zum entsprechenden Alkohol reduziert (Abschn. 8.6). Die Anwendung der Wittig-Reaktion ist auch in der Industrie weit verbreitet. Die BASF AG synthetisiert Vitamin A, (Abschn. 14.7) nach einem Verfahren, bei dem die Wittig-Reaktion ein Schlüsselschritt ist. In diesem Fall ist die Reaktion stereospezifisch und führt ausschließlich zum frans-Alken.

Die Totalsynthese von Bombykol I. CH3CH>MgBr

CH;CH;CH,Br HAN,

__, CH;CH>CH,C==CCH;OH > 2 CH,CH,CH,C=cH &3=0

CH3CH;O Na” Biberte winter CH,CH>CH>C=CCH,Br 2CH93, CH,CH>CH;C=CCH>P(CsHs)3Br ” een

CH3CH>CH;C=CCH=PI(CHH); EBEHRSCCHDISCHO, H,„, Lindlar-Katalysator

CH ;CH>,CH,C=CCH= CH(CH3>)gCO>CH>CH3

(nur trans-Isomeres)

cis- und frans-Isomere

|

CH>CH>CH>

N

Y

c=Cc

“

c=C

=

LiAlHs

H

(CH32)3CH>0H

H

Resch,

ER

CH;>CH>CH>

Ser.

”

a

=C \

Ss

H

H

H

SR

G=0

Bombykol

*

Vitamin-A,-Synthese der BASF AG

x P(CsHs)3X” CHOH ,

Sn

|

SCHHL

©Zr

0

7

TOCCH5

an

EBD

en

OH

Esterhydrolyse

Vitamin Aı

815

17 Aldehyde und Ketone: Die Carbonyleruppe

U Übung 17-12 Schlagen Sie Synthesen von 3-Methylencyclohexen mit Hilfe der Wittig-Reaktion vor, ausgehend von (a) 2-Cyclohexenon und (b) 3-Bromcyclohexen.

=

Übung 17-13 ) Schlagen Sie eine Synthese des folgenden Dienons aus den beiden angegebenen Edukten vor. (Hinweis: Setzen Sie eine Schutzgruppe ein (Abschn. 17.8).)

O

\%

l OÖ I

aus CH;CCH>CH3>CH>Br

OÖ |

und HCCH=CH;

© Übung 17-14 ‚ Wie kann man auf kurzem Wege von den Edukten zu den angegebenen Produkten gelangen? Man kann zusätzlich zu den angegebenen Edukten jedes beliebige Material ") verwenden; für die Umwandlungen werden mehrere Schritte nötig sein.

(a) |

| ---- > CH>—=CH(CH>)„CH=CH>

Schwefel-Ylide führen zu Oxacyclopropanen Während Phosphor-Ylide mit Aldehyden und Ketonen unter nucleophilem Angriff gefolgt von einer Eliminierung von Phosphanoxid unter Ausbildung einer Doppelbindung reagieren, setzen sich Schwefel-Ylide, die durch Deprotonierung der entsprechenden Sulfoniumsalze erhältlich sind, auf andere Weise zu Oxacyclopropanen um.

Bildung von Schwefel-Yliden

Pass

S

CH3l + CH3SCH3

—>

CH:

52

I

—S

CH; Trimethylsulfonium-

_

Ir

i_, CH3CHSCHSCHHL H,Lil

CH»

— CH,CHSCH,CH;

|

. „CHa

a

2

en

CH;

=

CH3 w

CH;

Schwefel-Ylid

iodid

Schwefel-Ylide sind nucleophil; wie im ersten Schritt der Wittig-Reaktion greifen sie das Carbonyl-Kohlenstoffatom unter Bildung eines Schwefel-Betains an. Im Unterschied zu Phosphor-Betainen fungiert bei diesem Addukt jedoch Dimethylsulfid als Abgangsgruppe. Es wird durch einen intramolekularen nucleophilen Angriff eines Alkoxid-Ions substituiert, was zur Bildung eines Oxacyclopropans führt. So hat das Schwefel-Ylid die Funktion eines Methylen-Transfer-Reagenzes, das eine Methylengruppe an die Carbonyl-Doppelbindung addiert. Man erinnere sich, daß Oxacyclopropane auch auf einem alternativen Syntheseweg zugänglich sind (Abschn. 12.9), bei dem mittels einer Peroxycarbonsäure ein Sauerstoffatom auf ein Alken übertragen wurde. 816

Bildung von Oxacyclopropanen mit Schwefel-Yliden

17.12

Phosphor-Yliden: Die Wittig-Reaktion

u

sr 0 Se +

3

N

:CH,—

Er = :ö_\CH,

CH3 N

Die Addition von

x :O— CH; e

—

a

„2

Fr CH3SCH;

CH3 82% Schwefel-Betain

Oxacyclopropan

] Übung 17-15 Wie kann man folgende Verbindungen mit einem Schwefel-Ylid darstellen?

H3C 5

CH;

(a)

") |

(b)

Q (© IN cn,cH;

OÖ;

Übung 17-16 Erklären Sie die folgende Umwandlung mechanistisch. beinhaltet eine Umlagerung von Carbenium-Ionen.)

(Hinweis:

oO CCCH3

+:

yr

CH

ee

—N=N

&

.

F==2CH; a

(Lösungsmittel), 80h

=

u

er

=

ER

CH;CCH>CH3

CH;

H;C 33%

38%

Wir fassen zusammen, daß die Carbonylgruppe in Aldehyden und Ketonen durch Ylide angegriffen werden kann. Phosphor-Ylide addieren zu Oxaphosphetanen, die unter Ausbildung einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung zerfallen, und Schwefel-Ylide führen zu Oxacyclopropanen. Mit der Wittig-Reaktion steht eine Methode zur Synthese von Alkenen aus Carbonylverbindungen und Halogenalkanen über die entsprechenden Phosphoniumsalze zur Verfügung.

817

17.13 Die Oxidation mit Peroxycarbonsäuren: Die Baeyer-Villiger-Oxidation

17 Aldehyde und Ketone: Die Carbonylgruppe

In diesem Abschnitt wird gezeigt, wie die Hydroperoxygruppe von Peroxycarbonsäuren an die Carbonylgruppe von Ketonen addieren kann. Nach einer Umlagerung wird bei dieser Reaktion schließlich ein Ester gebildet. Die Addition einer Peroxycarbonsäure führt zu dem Peroxid-Analogon des Halbacetals. Dieses instabile Addukt zersetzt sich über einen cyclischen Übergangszustand, bei dem eine Alkylgruppe vom CarbonylKohlenstoffatom zum Sauerstoffatom wandert, so daß ein Ester entsteht. Diese Umsetzung wird Baeyer-Villiger*-Oxidation genannt. Baeyer-Villiger-Oxidation

n

|

R’CR'

EN

,

+ RCOOH

—>R

2re /

EN

N

e

Ds

.

—>

a

1N, &

R;

+

E v.C—R

|

10)

OÖ CF co

| rare. EEION,

CH,Cl,

2,

|

CHSCOCHLCHz T2%

2-Butanon

Ethylacetat

Cyclische Ketone werden in cyclische Ester umgewandelt. Der Angriff erfolgt an einer Carbonylgruppe leichter als an einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung (s. Abschn. 12.9).

O

(6) N r CH3COOH, 40°C, 6 h

) oO

90%

CH3COOH, CHCI;

Bei Einsatz unsymmetrischer Ketone kann man im Prinzip zwei verschiedene Ester erhalten. Wie die Beispiele zeigen, wird jedoch jeweils nur einer gebildet. Durch eine Serie von Experimenten wurde eine Reihenfolge aufgestellt, die die relative Wanderungsneigung verschiedener Substituenten wiedergibt. Die Reihenfolge legt die Vermutung nahe, daß die wandernde Gruppe im Übergangszustand Carbenium-Ion-Charakter hat.

56%

Wanderungsneigung in der Baeyer-Villiger-Oxidation Wasserstoff > tertiär > Cyclohexyl > sekundär — Phenyl > primär > Methyl

*

818

Professor Adolf von Baeyer, 1835-1917, Universität München, Villiger, 1868-1934, BASF, Ludwigshafen.

Nobelpreis 1905; Victor

Übung 17-18 Welches

17.14

sind die Produkte

der Reaktionen

der folgenden

Verbindungen

mit Peroxy-

Oxidative chemische

Nachweise

für Aldehyde

carbonsäuren:

il

(a) CH=CHCH>CH>CCH;;

CH;

0 29

(b)

I

(CHSSECCHSCH-.

Wir fassen zusammen: Ketone können mit Peroxycarbonsäuren zu Estern oxidiert werden. Bei unsymmetrischen Ketonen wird der Ester meist selektiv gebildet, da oft nur einer der Substituenten wandert.

17.14 Oxıdatıve chemische Nachweise

für Aldehyde Obwohl der Fortschritt in der NMR-Spektroskopie und in anderen spektroskopischen Methoden chemische Nachweise funktioneller Gruppen zu Seltenheiten

hat werden

lassen,

werden

sie dennoch

in Spezialfällen

benutzt, in denen andere Methoden versagen. Zwei charakteristische einfache Nachweise für Aldehyde werden in der Diskussion der Chemie der Kohlenhydrate in Kapitel 24 wieder auftauchen; sie machen sich die leichte Oxidierbarkeit von Aldehyden zu den entsprechenden Carbonsäuren zunutze. Der erste Nachweis ist der Fehling-Test”, in welchem Kupfer(II)-Ionen als Oxidationsmittel dienen. In basischem Medium zeigt der Niederschlag von Kupfer(I)oxid die Gegenwart der Aldehydfunktion an.

Fehling-Nachweis von Aldehyden

RCH

+

Cu?+

NaOH, Tartrat, H,O

CWO

+

|

RCOH

ziegelrot

Der zweite

Test ist der Tollens-Nachweis**,

Silbersalzlösung bei Gegenwart geschieden wird.

von

Aldehyden

bei welchem

aus einer

ein Silberspiegel

ab-

Tollens-Nachweis von Aldehyden

RCH + Ag* a0,

Ag

+ RCOH

Silberspiegel

* **

Professor Hermann C. von Fehling, 1812-1885, Universität Stuttgart. Professor Bernhard Tollens, 1841-1918, Universität Göttingen.

819

17 Aldehyde und Ketone: Die Carbonylgruppe

Verständnisübung a Schlagen Sie einen Syntheseweg für Norethynodrel, der Hauptkomponente des gebräuchlichen Verhütungsmittels Enovid (vgl. Kasten 4-2), vor. Benutzen Sie als Ausgangsverbindung das links gezeigte Nortestosteron-Derivat.

OH

a CH 2% a

re

0“

N

SOGESSOL H

I

rt

Fe

iv / Pa

_

ERS

OH

Re 1C=CH

EN ;

H ) De NE Die 1 ! —/

-

0

Ausgangsverbindung

De

N

Rx

ut

E>,

Norethynodrel

Lösung Betrachten wir dieses Problem retrosynthetisch (s. Abschn. 8.9). Das Zielmolekül ist nahezu identisch mit der Ausgangsverbindung, bis auf eine Ausnahme: In der Position C17 am Cyclopentanring befindet sich ein zusätzlicher Substituent. Wir wissen, daß es nicht möglich ist, einen Alkylrest in einen sekundären Alkohol unter Bildung eines tertiären Alkohols einzuführen. Durch die Addition einer metallorganischen Verbindung an ein Keton, lassen sich jedoch tertiäre Alkohole herstellen (s. Abschn. 8.8). Das Reagenz der Wahl wäre in diesem Fall

Li'"'C=CH, ein Alkinyl-Anion (s. Abschn. 13.6). Es scheint, daß der letzte Schritt in dieser Synthese die Addition von Li'"C=CH an das C17-Keton ist. Betrachten wir die hierzu benötigte Vorstufe genauer, so erkennen wir ein wichtiges Problem: Sie erhält eine zweite Carbonylgruppe an C3. Eine Addition an C17 ist nicht selektiv, da das Alkinyllithium-Reagenz nicht zwischen den beiden Carbonylgruppen unterscheiden kann.

Was ist nun zu tun? Ein ähnliches Problem hatten wir bei der Totalsynthese von Testosteron (Kasten 9-4). Es konnte durch den Einsatz von Schutzgruppen gelöst werden. Auf ähnlichem Wege sollten wir auch hier vorgehen. Unser Problem läßt sich vereinfachen: Wir müssen vermeiden, daß in irgendeiner Zwischenstufe unserer Synthese gleichzeitig an C3 und an C17 eine Carbonylgruppe vorliegt. Wenn dies nicht gelingt, wird unser Syntheseplan scheitern. Um dies zu erreichen, muß die Carbonylfunktion an C3 im Additionsschritt durch eine Gruppe geschützt sein, die mit metallorganischen Reagenzien nicht reagiert. Nach der erfolgten Addition muß die Schutzgruppe wieder zu entfernen sein. Ein Acetal,

das durch

Umsetzung

mit

1,2-Ethandiol

diese Vorraussetzungen erfüllen (Abschn. 17.8).

820

erhalten

wird,

sollte

RSSEeN

Norethynodrel

In dem oben gezeigten Reaktionsschema erfüllt die wäßrige Säure zwei Aufgaben: Das gebildete Alkoxid wird protoniert, und das Acetal wird zum Keton hydrolysiert. Wie beginnt unser Syntheseweg? Die Hydroxyfunktion an C17 muß zur Ketogruppe oxidiert werden. Dies kann jedoch nicht in Gegenwart der Ketogruppe an C3 erfolgen, da dies zu einem Molekül mit zwei Carbonylgruppen (an C3 und C17) führen würde. Dies würde das zuvor beschriebene Prinzip verletzen, da wir ansonsten ein Molekül erhalten würden, in dem die beiden Carbonylgruppen gleichzeitig vorhanden wären. Bei der nachfolgenden Acetalisierung könnte keine Differenzierung zwischen den beiden Carbonylgruppen erfolgen. Wenn wir .dies berücksichtigen, ist einsichtig, daß vor dem Oxidationsschritt an C17, die Keto-Funktion an C3 geschützt werden muß. {

CH, PH

re Ausgangsver-

bindung

H", HOCH,CH,ON

3

I

| CH?

pcc

SE

CH,

N

|

;

f

/ g

ek j

a

NM SER ä Hi

N TER | RR a

ee

2220 b Warum ist Pyridinchlorchromat (PCC) in CH,Cl, als Oxidationsmittel im zweiten Schritt besser geeignet als K,Cr,O07?

Lösung Welche unerwünschten Nebenreaktionen können bei der Oxidation mit K;Cr,07 eintreten? Erinnern wir uns, unter welchen Bedingungen die Oxidation mit K,Cr,O- abläuft: Sie wird üblicherweise in einem schwefelsauren Medium durchgeführt, d.h. die Acetalfunktion könnte hydrolysiert werden. PCC ist ein neutrales, nichtwäßriges Reagenz und somit besonders für Moleküle geeignet, die säureempfindliche Gruppen enthalten.

ce Warum führt die Addition des Alkinyllithium-Reagenz an die Carbonylgruppe an C17 stereoselektiv zu dem gezeigten tertiären Alkohol’? Würde eine Addition an die Ketogruppe an C3 ebenfalls stereoselektiv ablaufen?

Lösung Warum sind solche Reaktionen normalerweise stereoselektiv? Durch sterische Hinderung in der unmittelbaren Umgebung des reaktiven Zentrums! Der Methylsubstituent, der sich am direkt benachbarten Kohlenstoffatom von C17 befindet, ist axial positioniert und behindert sterisch die Annäherung des Alkinyl-Substituenten auf der Oberseite des Moleküls. Der Angriff von der Unterseite ist deswegen stark bevorzugt (s. Abschn. 4.7). In der Umgebung der Carbonylgruppe an C3 gibt es keine vergleichbare Hinderung, die zu einer bevorzugten Angriffsseite führen könnte. 821

Aldehyde und ee 17

Ketone:

Neue Reaktionen Synthesen von Aldehyden und Ketonen 1

Oxidation von Alkoholen (Abschn. 8.6 u. 17.4) N

RCHOH

RCHJOH.

93504,

RCR'

i

EC Eb@b,

RCH

Stabil gegen das Oxidationsmittel

Oxidation in Allylstellung:

|

RCH=CHCH>0H -—2> RCH=CHCH 2

Ozonolyse von Alkenen (Abschn. l. O3 2. Reduktion

N

a 3

N

12.11 u. 17.4)

Es

R

et

%

N

Hydratisierung von Alkinen (Abschn.

13.8 u. 17.4)

16) 2+

Rescm 2 N

Rc=cr' 4

|

RceH

2+

|

|

29. Hg. H2504, RCCH,R’ + RCH;CR'

Hydroborierung-Oxidation von Alkinen (Abschn. 13.9 u. 17.4) I. HBR>'

|

2. H;50,, HO

RC=CH —— = — > RCH>CH

RC

CR

1. HBR>” 1. H50,, HO°

_—

| | RCH>CR’ + RCCH;R'

Reaktionen von Aldehyden und Ketonen

5

Hydrierung (Abschn. 8.6 u. 17.5) OÖ nm

OH H,, Ru oder Raney-Ni, Druck

Al

H

822

Selektivität:

Neue

|

|

RCH=CHCH3>CH;CR’

6

Reaktionen

|

Hp, Pt

—_

R(CH3>)4CR’

Reduktion mit Hydriden (Abschn. 8.6 u. 17.5)

6) | RCH

6) NaBH,,

CH3CH>30H

RCH,OH

|

OH

1. LiAIH4, (CH3CH5)50

RCR'

DENE

H,O

Ss

H Selektivität:

Dei. LAIH4, (CHaCH2)20

RCH= CHENL.CHSCH A

7

u

0 I

OH

, RCH=CHCHCH2CR" H

Addition organometallischer Verbindungen (Abschn. 8.8 u. 17.5) RLi oder RMgX

+

THF

CH,=0

——>

Formaldehyd

|

RLioder RMeX +

RcH

RCH,OH primärer Alkohol

ie

HE

RER’ H

Aldehyd

sekundärer Alkohol

’

ü

RLi oder RMgX + -R'CR" HE,

RER R“

Keton

8 Addition 217.7)

tertiärer Alkohol

von Wasser und Alkoholen

OÖ |

— Halbacetale

(Abschn.

17.6

OH

H,O, H* oder OH

RCR’

| Ei OH Carbonylhydrat (geminales Diol)

OH N RER

R’OH, H* or HO° >

?

RCR'

?

Keg: R-C—R < R-C-H < H2C=O

OR”

Halbacetal

Intramolekulare

Addition: oO

HO

Bud

HO

H E

oder OH

v

R O

R Cyelisches Halbacetal

823

17 Aldehyde und Ketone:

9

Die Carbonylgruppe

u. 17.8)

Säurekatalysierte Addition von Alkoholen — Acetale (Abschn. OR’

| u N RCR’ + 2R’OH —— RCR’ + 50 OR”

Acetal

Cyclische Acetale:

OÖ | 2.

=

RCR/AHOCH,CH,OH

16)en OÖ

©

+ H50

Sa

Keton, als cyclisches Acetal geschützt (stabil gegenüber Basen, LiAIH,, RMgX)

EC OH

OÖ |

OH

ai

HF CH3CCH3

s

ch,

5 —

\

x

R

|

+ H5O

R

Diol, als Propanon(Aceton-)Acetal geschützt

10

Thioacetale (Abschn. 17.8) oO

R'’S

|

RER

BF, oder ZnCl,

+:R’SH

=

SR’

Ns

—

a R

R'

(stabil gegenüber wäßrigen Säuren, Basen, LiAIH,

RMgX)

Hydrolyse von Thioacetalen:

R’S R

11

x

SR"

1

H30, HgCh, CaCO, CHJCN, RER

R’

Entschwefelung mit Raney-Nickel (Abschn. 17.8)

N

SE

N

MS

Bi nn

12

ET

RCHaR’

Addition von Amin-Derivaten (Abschn. 17.9) a

1

7

RORS NEE

N

+

„E

R Imin

824

“ Ho

R’

17.7

nz \ H>NOH, H* RCR’ RER

OH

Neue Reaktionen

\ N

yaroxylamın

+ H>O

R

R£ Oxim

G

ale _H2NNH,, H", 30 ,

NH>

\

Hydrazin

ee

RER

x

R

R’ Hydrazon

7

R

RER END HT 9,

Sn

IR +20

R'

But R4

Azin

NHNH3

|

O>N

z

N NO,,

H*

2,4-Dinitrophenylhydrazin

ER

NO,

N

r’150

NO2

vs

R

R'

2,4-Dinitrophenylhydrazon

| NHCNH3> RER’

[Betr

BANHENK,, H

zolanigiN

Semicarbazid

a

+40 ne

Semicarbazon

13

Enamine (Abschn. 17.9) R'

| R’

=»

|

RCH>CR’

N--R&

N

+

NH®=—

SREEH—E@

RZ

IE

35 120) R

"

IN

Sekundäres

!

Enamin

Amin

14

Wolff-Kishner-Reduktion (Abschn. 17.10) H>NNH>, H>0, HO”, A

15

RCHOR’

Clemmensen-Reduktion (Abschn. 17.10, vgl. auch Abschn. 16.5)

| RCR’

Zn(Hg), HCI, A

RCH>R’ 825

17 Aldehyde und Ketone: Die Carbonylgruppe

16

Pinakol-Reaktion (Abschn. 17.10)

6 2 CHSccHa |

OH OH SG ccHs

IE Ms

20T

Pinakol

17

Kupplung durch niedervalentes Titan (McMurry-Reaktion) N C

2

Till; 4 Reduktionsmittel

N

ns

”

Reduktionsmittel:

18

y. C—c

N

Li; K; LiAIH,; Zn-Cu

Cyanhydrine (Abschn. 17.11) |

RCR’

HO + HCN

—

CN

SNeA

OH LiAIH

en

—-—2>

Na!

|

RCCH>NH>

1

Cyanhydrin

10, H'

OH Ber R'

19

Wittig-Reaktion (Abschn. 17.12)

R’CH,X +

+

Pie:H5);

——

R’CH3>P(CeHs)3X

Phosphoniumhalogenid

Triphenylphosphan +

R’CH>P(CsH>), X” 2

R'CH=P(CsH>); Ylid

R

| RCR’ + R’CH=P(CgHs); —

NC=CHR"

+ (C,H s),;P=O

R'

Nicht immer stereoselektiv

20

Schwefel-Ylide als Methylen-Transfer-Reagenzien (Abschn. 17.12)

CH3I + CH3SCH;, —

_ (EH3),S "I Trimethylsulfonium iodid

CH3 (CH=)s5"

IE

CH3CH>CH>CH3Li

H,C=S

CH3 Schwefel-Ylid

N RCR’

826

CH; ==

+ H,C=S

RER

R

CH3

St

RT

M C

S 16)

+ CH3SCH3

21

Baeyer-Villiger-Oxidation (Abschn. 17.13)

|

Wichtige Konzepte

\ \ RCOR’ + R’COH

|

RCR’ + R’COOH > Keton

Ester

Wanderungsneigung bei der Baeyer-Villiger-Oxidation: H > tertiär > Cyclohexyl > sekundär » Phenyl > primär > Methyl

22

Nachweis für Aldehyde (Abschn.

|

RCH

Cu?* oder Ag*

u

|

ReOH Er

17.14)

CO

oder

roter Niederschlag

Ag Silberspiegel

Wichtige Konzepte 1 Die Carbonylgruppe ist die funktionelle Gruppe der Aldehyde (Alkanale) und der Ketone (Alkanone). Bei der Benennung von Molekülen hat sie Vorrang vor Hydroxy-, Alkenyl- und Alkinylgruppen. 2 Die Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindung und die beiden an das Carbonyl-Kohlenstoffatom gebundenen Atome liegen in einer Ebene. Die C=O-Gruppe ist mit einer negativen Partialladung am Sauerstoffatom und einer positiven Partialladung am Kohlenstoffatom polarisiert. 3 Die 'H-NMR-Spektren der Aldehyde zeigen ein Signal bei ö = 9.8. Das Carbonyl-Kohlenstoffatom tritt bei etwa ö = 200 in Resonanz. Wegen der Möglichkeit niederenergetischer n —> n"Übergänge zeigen die Elektronenspektren von Aldehyden und Ketonen Banden bei relativ großer Wellenlänge.

4 Die Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindung geht katalytische Hydrierungen und ionische Additionen ein. Für die erste Reaktion dienen Oberflächen von Übergangsmetallen als heterogene Katalysatoren, für die zweite Säuren und Basen.

6 Intramolekulare Additionen an Carbonylgruppen sind entropisch gegenüber intermolekularen bevorzugt. 7 Primäre Amine gehen Kondensationsreaktionen mit Aldehyden und Ketonen ein, wobei Imine entstehen. Sekundäre Amine kondensieren zu Enaminen.

8 Die Kombination von Friedel-Crafts-Alkanoylierung und Wolff-Kishner- oder ClemmensenReduktion ermöglicht die Synthese von Alkylbenzolen ohne die Einschränkungen der FriedelCrafts-Alkylierung. 9 Die Wittig-Reaktion ist eine wichtige Reaktion, bei der aus Aldehyden und Ketonen direkt eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung entsteht. 10 Die Ketonen

Methylenierung von Aldehyden und mit Schwefel-Yliden führt zu Oxacyclo-

propanen. 11 Die Addition von Peroxycarbonsäuren an Carbonylgruppen von Aldehyden oder Ketonen führt zur Bildung von Carbonsäuren bzw. Estern.

5 Die Reaktivität der Carbonylgruppe steigt mit zunehmend elektrophilem Charakter des Carbo„nyl-Kohlenstoffatoms. Daher sind Aldehyde reaktiver als Ketone.

827

|Herstellung von Aldehyden und

RCH:OH, RCHR'

|

OH

\

/

C=C

s

N

1.0

er

2. (CH3%S oder Zn, CHıCOOH

—_—Cul—

—Cac—

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2

Hg’*,

2. H,O, HO

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R’OH

R’NH,

NH

|

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o | RCNHR”

Produkt

R'CH; ’

R’

RC=N

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1..R’O”, R"O”, R’OH Zip

OH R’CH;COR” OH

828

|

|

c 1. LIAI[OCICHY | en | x 1. R3CuLi A duIH | ie AH MO ZH Ho N \cmcHchrhain 1.\cmcuchrhan 1.\cncHch;ham | | 2.H*, H,O 2.H*, 0 2.H*, 0

| 0 Sri RCX

Produkt:

6; Sf S° ==

|

LURXr Ho

600°-650%C

RnCucı

| Produkt:

Produkt;

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H* oder "OH,

Ho

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H'

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jod Pr

anderes Produkt: R'NH;

Be er

Kg

K.

ei

I. CH5CH;>CH>CH;Li

j)

1. R'CH,CCH;R', R"O”, R"OH 24H’ Ho

I

RCOR"

“OH, 0 2.H*, 0 l.

I

1

RCCHCOR“ |

A 2. RCR 3. HgCh. HgO, CH5OH

H», Pd- BaSO, H*, H:O

|

= i

ng

RCH

>

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|

|

—C—OH = —OH

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829

I

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2

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HO

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|

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830

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.

EN:

Sr h

.

A

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H

De N d

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NS

4

ensgng |

pi O°H '-OH

831

17 Aldehyde und Ketone: Die Carbonylgruppe

Aufgaben 1 Benennen Sie bzw. zeichnen Sie die Konstitutionsformeln der folgenden Verbindungen.

(a)

(CH3)JCHCCH(CH 3 )>

(b)

(CH3)»CHCH>CH>CHO

Cl

(d

CH3CCH=CH>

(d)

H

Nc=c/ Ei

(e)

NCH,CHO

(f) Br

(g) (Z)-2-Ethanoyl-2-butenoat

(h) trans-3-Chlorcyclobutancarbaldehyd

2

Es sind die spektroskopischen Daten zweier Carbonylverbindungen

mit der Summenformel

C;H],O

gegeben.

Schlagen

Sie Konstitutionen

für beide Verbindungen vor (m steht für ein nicht interpretierbares Multiplett an dieser Stelle des Spektrums).

(a) 'H-NMR: 8 = 1.6 (m, 4H), 2.15 (s, 3H), 2.19 (m, 4H), 6.78 (t, 1H). - PC-NMR: ö = 21.8, 22.2, 23.2, 25.0, 26.2, 139.8, 140.7, 198.6. (b) 'H-NMR: ö = 0.9 (t, 3H), 1.48 (sex, 2H), 2.2 1 (quin, 2H), 5.8-7.1 (m, 4H), 9.56 (d, 1H). - ®C-NMR: ö = 13. 6, 21.0 129.0, 135.2, 146.7, 152.5, 193.2. 3

Die in Aufgabe

schiedliche

2 beschriebenen

UV-Spektren.

Die

eine

Verbindungen

haben

zeigt Banden

sehr unter-

bei Anıx(E)

=

232

(13000) und 308 (1450) nm, wogegen die andere bei Anıx(E) = 272 (35000) nm und deutlich schwächer bei 320 nm absorbiert (wegen der großen Intensität der stärkeren Bande ist es schwierig, den Extinktionskoeffizienten exakt zu ermitteln). Bringen Sie die von Ihnen für Aufgabe 2 ermittelten Konstitutionen mit diesen UV-Spektren in Einklang. Erklären Sie die Spektren anhand der Konstitutionen. 4 Welche Reagenzien oder Kombinationen von die folgenden Reaktionen am besten geeignet? OH

(b)

HI

O

HH CH>OH

832

Reagenzien

CH3CH>CHCH3>CH3 CHO

sind für

Aufgaben

(e)

) (CH3);CHCCH>CH(CH;3)> (CHsy CHC=CCH(ICH3—>

EB 5 Welche Produkte erhält man bei der Ozonolyse der folgenden Verbindungen gefolgt von einer milden Reduktion, z.B. mit Zn?

(a)

CH3CH>CH>,CH=CH3>

ii (e)

6 Ordnen Sie in den folgenden Gruppen die Moleküle nach absteigender Reaktivität bezüglich der Addition eines Nucleophils an das am stärksten elektrophile sp’-hybridisierte Kohlenstoffatom.

(a) (CH,),C=0, (CH,);C=NH, (CH,),C=ÖH

I 1 I .(b) CH,CCH;, CH,CCCH;, CH;CCCCH,

(©) BECH;COCH;, CH;COCH;, CH;CHO, BrCH,CHO 7

Welche Produkte

erwarten

Sie für die Reaktion

von 4-Acetylcyclo-

hexen mit den folgenden Reagenzien? (a) H; (1 Äquivalent), Pd, CH;CH,OH (b) LiAIH,,

(CH;CH3;),O,

dann

ER

H,O

(c) CH,CH,»MgBr, (CH,CH,),O, dann H', H,O 8

Welches

sind

die für die folgenden

Reaktionen

zu

erwartenden

Produkte:

16) >

(a)

+ Überschuß CH;OH

OH

——>

O 8

(b)

+ Überschu3

HT

CH;ZOH —>

OÖ

:

OÖ

+ HC

s NHNtE, A Ö

833

17 Aldehyde und Ketone: Die Carbonylgruppe

I

F

(d) :CHLCCH, + HOCHSEHEBSEHB CHI

>

CH, (e)

VeH.chssh

3

o OÖ

(f)

> + (CH3CH>)„NH —> OÖ

O

CH3

22 & ’ m

(8)

N H

9 Beschreiben Sie detailliert den Mechanismus der BF;-katalysierten Reaktion von CH;SH mit Butanal (Abschn. 17.8). 10 Das in wäßrig sauren Cr(VI)-Reagenzien vorhandene Wasser kann zur Weiteroxidation von Alkoholen zu Carbonsäuren führen. Dabei addiert das Wasser an den zunächst gebildeten Aldehyd, wodurch ein Hydrat gebildet wird, das dann weiteroxidiert wird (Abschn. 17.6). Erklären Sie in Kenntnis dieses Sachverhaltes die folgenden zwei Beobachtungen:

(a) Wasser addiert unter Hydratbildung an Ketone. Man beobachtet jedoch keine Weiteroxidation, wenn man einen sekundären Alkohol in ein Keton umwandelt. (b) Die

Oxidation

eines

primären

Alkohols

zum

entsprechenden

Aldehyd verläuft mit dem wasserfreien Reagenz PCC erfolgreich, wenn der Alkohol langsam zum CrO;-Reagenz gegeben wird. Wenn man stattdessen PCC zum Alkohol gibt, erhält man als Resultat einer neuen Nebenreaktion einen Ester. Dies ist hier am Beispiel des 1-Butanols dargestellt:

CH;CH;CH,CH,0OH

#aneli 77,

O

| CH,CH,CH,CCHE OCCER GER H,

(ec) Welche Produkte erwarten Sie aus der Reaktion von 3-Phenyl-1-

propanol mit wasserfreiem CrO;, wenn (1) der Alkohol zum Oxidationsmittel gegeben wird, und wenn (2) das Oxid zum Alkohol gegeben wird? 11 Erläutern Sie die Ergebnisse der folgenden Reaktionen anhand der Mechanismen.

834

(d) Warum wird die Halbacetalbildung von Säuren und Basen kata-

lysiert,

die Acetalbildung

aber

nur

von

Säuren

und

nicht

von

Basen?

12 Formulieren Sie einen plausiblen Mechanismus für die angegebene Reaktion. Das Produkt ist eine Vorstufe von Mediquox (siehe Rand), einem Wirkstoff zur Behandlung von Infektionen der Atemwege bei Hühnern (kein Witz).

NH>

O

| In

an

ECHO

NH>,

Benzol-1,2-diamin

Hz

NASCH SQ

CH3CH3OH

C

|

N

0

3

Mediquox

3

CH

2,3-Dimethylchinoxalin

13 Die Bildung von Iminen, Oximen, Hydrazonen und ähnlichen Derivaten aus Carbonylverbindungen ist reversibel. Schreiben Sie einen detaillierten Mechanismus für die säurekatalysierte Hydrolyse des Cyclohexanon-Semicarbazons zurück zu Cyclohexanon und Semicarbazid.

G

| NHCNH>

en

os

+ NH>NHCNH3>

14 Schlagen Sie sinnvolle Synthesen der folgenden Verbindungen vor, die von den angegebenen Edukten ausgehen.

OH (a)

OH

OH

EOLBECHSERFBGEBSCHSNRIEHAOSBECHEIEGISCR ON CH;

(b)

CsHsSN—=C(CH3;CH;3), aus 3-Pentanol

a

dualen aus 1,5-Pentandiol

OH SS aus

Ö

(6)

HO_ ©

COOH aus Cyclopentan

15 Die UV-Absorptionen und die Farben von 2,4-Dinitrophenylhydrazonen von Aldehyden und Ketonen hängen empfindlich von der Indentität der Carbonylverbindung ab. Stellen Sie sich vor, Sie müßten die Inhalte dreier Flaschen herausfinden, deren Etiketten abgefallen sind.

835

17 Aldehyde und Ketone: Die Carbonylgruppe

Den Etiketten ist zu entnehmen,

daß eine Flasche Butanal, eine trans-2-

Butenal und die dritte trans-3-Phenyl-2-propenal enthält. Die 2,4-Dinitrophenylhydrazone zeigen folgende Eigenschaften: Flasche 1: Smp. 187-188 °C; Anax = 377 nm; orange Farbe Flasche 2: Smp. 121-122°C; Aynax = 358 nm; gelbe Farbe Flasche 3: Smp. 252-253 °C; Anax = 394 nm; rote Farbe

Schlagen Sie, ohne vorher die Schmelzpunkte nachzusehen, eine Zuordnung der Etiketten zu den Flaschen vor und begründen Sie Ihre Wahl. (Hinweis: siehe Abschn. 14.11) 16 Welche Reagenzien Umwandlungen:

eignen

sich

am

besten

für

die

folgenden

r-9-

(b)

6) |

CH3CH=CHCH>CH5;CH —>

|

CH3CH>CH>CH>CH>CH

Boa ()

CH3CH=CHCH>CH>zCH —>

CH3CH=CHCH>CH>CH>OH

17 Schlagen Sie für jedes der folgenden Moleküle zwei Synthesen vor, die von den unterschiedlichen angegebenen Edukten ausgehen. (0)

(a) ee

aus (1) einem Alken und (2) einem Keton.

CHz

(b) CH,CH=CHCH,CH(CH,), nem anderen Aldehyd.

(e)

Ge

aus (1) einem Aldehyd und () ei-

(1) einem Dialdehyd und (2) einem Di-

keton. CH;

18 Drei isomere Ketone mit der Summenformel C-H,,O werden mit der Clemmensen-Reduktion zu Heptan umgesetzt. Verbindung A ergibt ein einziges Produkt bei der Baeyer-Villiger-Oxidation, Verbindung B liefert zwei verschiedene Produkte in sehr unterschiedlichen Ausbeuten und Verbindung C führt zu zwei verschiedenen Produkten, deren Ausbeuten und C.

annähernd

im Verhältnis

19 Welches sind die Produkte dungen mit Hexanal:

der Reaktionen

(a) HOCH>CH>OH, (b) LiAIH, (c) NH,OH, H'

H*'

(d) NH,NH;>,

Erwärmen

KOH,

(e) (CH3),CHCH;CH = P(CsHs);

836

1:1 stehen.

Bestimmen

Sie A, B

der folgenden Verbin-

Aufgaben

(h) CH,

=

S(CH3),

() Ag’, NH; ()

CrO;,

H,SO,,

H,O

(k) HCN, dann H*, H,O und Erwärmen () Mg, dann H*, H,O 20 Welches sind die Produkte der Reaktionen von Cycloheptanon mit den Reagenzien aus Aufgabe 19? 21 Schreiben Sie einen detaillierten Mechanismus der Baeyer-VilligerOxidation des am Rand abgebildeten Ketons (s. dazu Übung 17-18).

[6)

22 Welches sind die beiden theoretisch möglichen Produkte der Baeyer-Villiger-Oxidation der folgenden Verbindungen? Welches wird jeweils bevorzugt gebildet? O

|

(@

N

@

o

CH,

wo

/

H

(b)

l

Be

\

()

CeHS5CH

(f)

C.H5CCH3

\ (c)

(CH3)-„CHCCH>CH(CH3)3

23 Schlagen Sie eine effiziente Synthese für jedes der abgebildeten Moleküle vor, die vom angegebenen Edukt ausgeht. CHO

CHO

(a)

aus

BsCZ720H OÖ

H-

200

CH

N

;

(b)

CHO aus 1204

O\_0H (e)

CH3

aus

CICH>CH>CH>OH

837

17 Aldehyde und Ketone: Die Carbonylgruppe

24 Die Ketonen basischer schwach Befund.

Geschwindigkeit der Reaktion von NH,OH mit Aldehyden und ist stark pH-abhängig. In Lösungen, die saurer als pH 2 oder als pH 7 sind, verläuft die Reaktion sehr langsam, sie ist in sauren Lösungen (pH = 4) am schnellsten. Erklären Sie diesen

25 Verbindung D, C;H,,O, wird durch CH,P(C,H;); in E, CHHys; umgewandelt. Behandlung von Verbindung D mit LiAIH, ergibt zwei isomere Produkte F und G, beide C;H},sO, mit unterschiedlicher Ausbeute. Erhitzt man entweder F oder G mit konzentrierter H,SO,, erhält man Verbindung H, CyH,,. Ozonolyse von H ergibt nach Behandlung mit Zn/H" und H,O einen Ketoaldehyd. Oxidation dieses Ketoaldehyds mit wäßrigem Cr(VI) ergibt

a

CHLCGEBCHLCHFEHEO:H Identifizieren Sie die Verbindungen D bis H und schenken Sie dabei der Stereochemie von D besondere Beachtung. 26 1862 wurde entdeckt, daß Cholesterin (Formel s. Abschn. 4.7) durch Bakterien im menschlichen Verdauungstrakt in eine neue Verbindung namens Coprostanol umgewandelt wird. Ermitteln Sie anhand der folgenden Informationen die Identität dieser Verbindung. Identifizieren Sıe auch die unbekannten Verbindungen J bis M. (i) Coprostanol ergibt durch Behandlung mit Cr(VI)-Reagenzien Verbindung J; UV: Anax(&) = 281(22) nm. (ii) Die Behandlung von Cholesterin mit H, über Pt ergibt Verbindung K, ein Stereoisomer des Coprostanols. Umsetzung von K mit Cr(VI)-Reagenzien ergibt L, dessen UV-Absorption der von J sehr ähnelt, UV :Anax(E) = 285(23) nm. Es zeigt sich, daß L ein Stereoisomer von J ist. (ii) Die vorsichtige Behandlung von Cholesterin mit Cr(VI)-Reagenzien ergibt M: UV: Anax(E) = 286(109) nm. Umsetzung von M mit H, über Pt ergibt die schon beschriebene Verbindung L. 27 Im folgenden sind drei Reaktionen mit der Verbindung M aus Aufgabe 26 beschrieben. (a) Die Umsetzung von M mit katalytischen Mengen von Säure in Ethanol bewirkt die Isomerisierung zu N: UV:AnnxlE) = 24 (17500), 310 (72) nm. Schlagen Sie eine Formel für N vor.

(b) Die Hydrierung von N (H»/Pd, in Ether) ergibt J (Aufg. 26). Hätten Sie dieses Ergebnis erwartet oder ist daran irgendetwas ungewöhnlich? (c) Die Wolff-Kishner-Reduktion (H-NNH;, H,O, HO’, A) von N ergibt 3-Cholesten. Schlagen Sie einen Mechanismus für diese Umwandlung vor.

CH; CH;

CH3

3-Cholesten

838

28 Es wurde eine effiziente Synthese für das Hormon Östron ausgearbeitet, die vom Diketoester A ausgeht und über die Verbindung B verläuft. Schlagen Sie einen Syntheseweg von A nach B vor. Hinweis: Benutzen Sie eine Wittig-Reaktion für die Knüpfung der KohlenstoffKohlenstoff-Bindung.

CH;

16)

O mehrere Schritte

O7 ne

\H

0

“

|

Östron

H

O OCH3z A

B

Gruppenübung 29 In saurer methanolischer Lösung wird 3-Oxobutanal in eine Verbindung mit der Summenformel C,H,,O; überführt. O

O

pl

CH;OH, H* Hi 26503

3-Oxobutanal

Analysieren

Sie in ihrer Gruppe

die folgenden

'H-NMR-

und IR-

spektroskopischen Daten: 'H-NMR: ö = 2.19 (s, 3H), 2.75 (d, 2H), 3.38 (s, 6H), 4.89 (t, IH); IR: v = 1715 cm’. Betrachten Sie die chemischen Verschiebungen, Aufspaltungsmuster und relativen Intensitäten. Ordnen Sie diese möglichen Fragmenten zu. Geben Sie mit Hilfe des IR-Spektrums die funktionelle Gruppe des Moleküls an. Erklären Sie Ihre Strukturzuordnung mit Hilfe der spektroskopischen Daten. Schlagen Sie einen detaillierten Reaktionsmechanismus für die Bildung der neuen Verbindung vor.

839

E77 ae Zur ze an 5 A

45

Byte Ar Iran

SS

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2%

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F

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4

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x

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.

I Ast

4

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I

a

4

N M.

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N)

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DS

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B

N

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HA

erst

TA

v

7e

datirs.

tere,

Enole und Enone a,ß-ungesättigte Alkohole, Aldehyde und Ketone

Im vorangehenden Kapitel wurden zwei Reaktionszentren in Aldehyden und Ketonen behandelt: das Sauerstoff- und das Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe. Wie wir in den Abschnitten 17.5 bis 17.12 gesehen haben, wird das Sauerstoffatom leicht von Elektrophilen (meist Protonen) angegriffen und das Kohlenstoffatom von Nucleophilen. Wir wenden uns jetzt einem dritten Reaktionszentrum zu, dem Kohlenstoffatom,

das der Carbonylgruppe benachbart ist, dem sogenannten a-Kohlenstoffatom. Wasserstoffatome an einem a-Kohlenstoffatom werden durch die benachbarte Carbonylgruppe sauer, und der Austritt eines solchen a-Wasserstoffatoms führt zu einer von zwei elektronenreichen Verbindungen: zu ungesättigten Alkoholen, die Enole genannt werden, oder zu deren Anionen, die als Enolat-Ionen bezeichnet werden.

nl je it

N a-Wasserstoffatom

H

a-Kohlenstoffatom

Beide Verbindungen sind wichtige nucleophile Zwischenprodukte bei den Reaktionen der Carbonylverbindungen. Wir werden sehen, daß sie von Elektrophilen wie Protonen, Alkylierungsmitteln, Halogenen und selbst anderen Carbonyl-Kohlenstoffatomen angegriffen werden. Beginnen wir mit der Einführung in die Chemie der Enolate und Enole. Besonders wichtig ist eine Reaktion zwischen dem Enolat-Ion „und Carbonylverbindungen, die Aldoladdition. Diese Reaktion wird sowohl im Labor als auch in der Natur sehr häufig eingesetzt, um Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen zu knüpfen. Unter den möglichen Folgeprodukten sind a,ß-ungesättigte Aldehyde und Ketone, die konjugierte Kohlenstoff-Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Sauerstoff-n-Bindungen enthalten. Wie zu erwarten, können elektrophile Additionen an der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung stattfinden. Bedeutsamer ist jedoch, daß a,ß-ungesättigte Carbonylverbindungen auch einem nucleophilen Angriff unterliegen, der am Carbonyl-Kohlenstoffatom oder unter Einbeziehung des gesamten konjugierten Systems auftreten kann.

84

18 Enole und Enone

18.1 Die Acıdität von Aldehyden und Ketonen:

Enolat-Ionen

Die pK,-Werte der a-Wasserstoffatome von Aldehyden und Ketonen liegen zwischen 19 und 21, also deutlich niedriger als die von Ethen

(44) oder Ethin

(25), jedoch höher

als die von

Starke Basen können daher ein a-Proton tierenden Anionen werden als Enolat-Ionen bezeichnet.

Alkoholen

abstrahieren. oder einfach

(15-18).

Die resulals Enolate

Deprotonierung einer Carbonylverbindung

RN

2

BE

WER.

u

Se

|%

H

Enolat-Ion

pK, = 19-21

Warum sind Aldehyde und Ketone relativ acide? Es gibt dafür zwei Gründe: Der induktive elektronenziehende Effekt des positiv polarisierten Kohlenstoffatoms und, wichtiger, Resonanz. Die durch Deprotonierung gebildeten Enolat-Ionen sind durch Resonanz stabilisiert. Die Bildung stöchiometrischer Mengen von Enolat-Ionen aus Aldehyden ist wegen Nebenreaktionen (s. Abschn. 18.5) schwierig. Ketone können jedoch durch Lithiumdiisopropylamid (LDA, Abschn. 7.8) oder Kaliumhydrid deprotoniert werden. Im Kaliumhydrid agiert das Hydrid-Ion als Base und nicht als Nucleophil, weswegen man keine Alkohole erhält, die beim Einsatz anderer Hydride wie Natriumborhydrid oder Lithiumaluminiumhydrid entstehen (Abschn. 8.6). Darstellung von Enolaten

| CH3CCH; + KH HE, Kt] TcHIc

ge:

a

ne

CH;

iu

CH;

Propanon-(Aceton-)Enolat-Ion

OUT

:0:

CH3

CH3

H

H

H

H + (CHsCHINLI ED LDA

|

+ (CHzCH)>NH

CyelohexanonEnolat-Ion

Übung 18-1 Bestimmen Sie die am stärksten sauren Wasserstoffatome der nachfolgenden Verbindun% gen. Geben Sie jeweils die Konstitutionsformel des aus der Deprotonierung resultieren" den Enolat-Ions an. (a) Acetaldehyd, (b) Propanal, (c) Propanon, (d) 4-Heptanon und =

EU

RE

Fi in Resonanzhybrid

842

(e) Cyclopentanon.

Beide Resonanzformeln des Enolats tragen zum Charakter des Anions bei. Setzt man die negative Ladung auf das Kohlenstoffatom, bleibt die starke Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindung intakt. Andererseits ist Sauerstoff elektronegativer als Kohlenstoff, weswegen man

erwarten würde, daß sich die negative Ladung bevorzugt am Sauerstoffatom aufhält. In den nucleophilen Reaktionen der Enolat-Ionen sind beide Grenzformeln wichtig, und der elektrophile Angriff kann sowohl am Kohlenstoff- als auch am Sauerstoffatom erfolgen. Obwohl meistens das Kohlenstoffatom Ziel des Angriffs ist, gibt es auch Fälle, in denen das Sauerstoffatom angegriffen wird. Eine Spezies, die an zwei verschiedenen Stellen reaktionsfähig ist, was zu zwei unterschiedlichen Produkten führt, heißt ambident

(ambi, lat., beide, dens, lat., Zahn).

18.2 Keto-EnolGleichgewichte

Das

Enolat-Ion ist ein ambidentes Anion. Zum Beispiel erfolgt die Alkylierung des Cyclohexanon-Enolates mit 3-Chlorpropen am Kohlenstoffatom (C-Alkylierung), während eine Protonierung am Sauerstoffatom stattfindet (O-Protonierung). Das Produkt der Protonierung ist ein Enol,

welches

instabil

ist

und

schnell

zum

Keton

tautomerisiert

(Abschn. 13.8). Ambidentes Verhalten des Cyclohexanon-Enolats

0:

CH>CH==CH3> +

c]- «CH2=CHCh,Ch, CH>=CHCH;CI, THF THF

C-Alkylierung

62% 2-(2-Propenyl)cyclohexanon

Cyclohexanon-Enolat-Ion

:OH

:O:

Cyelohexanon-Enol (1-Cyclohexenol)

Cyclohexanon

Übung 18-2 Welche

Produkte

entstehen

bei der Reaktion

des Cyclohexanon-Enolats

mit (a) lod-

ethan (reagiert unter C-Alkylierung) und (b) Chlortrimethylsilan, (CH3);SiCl, (reagiert

unter O-Silylierung).

Wir fassen zusammen: Die Wasserstoffatome an dem Kohlenstoffatom, das der Carbonylgruppe von Aldehyden und Ketonen benachbart ist, sind sauer und haben pK,-Werte zwischen 19 und 21. Die Deprotonierung führt zu den entsprechenden Enolat-Ionen, die von elektrophilen Reagenzien entweder am Sauerstoffatom oder am Kohlenstoffatom angegriffen werden können. Die Protonierung am Sauerstoffatom ergibt Enole.

18.2 Keto-Enol-Gleichgewichte Wie

wir gesehen

Sauerstoffatom

haben,

zu einem

führt Enol.

die Das

Protonierung Enol,

eines

ein instabiles

Enolats Isomer

am eines

Aldehyds oder Ketons, wandelt sich schnell in eine Carbonylverbindung um: es tautomerisiert (Abschn. 13.8). Die Isomere werden Enol- und Keto-Tautomer genannt. In diesem Abschnitt werden zunächst die Faktoren diskutiert, die das Gleichgewicht zwischen den beiden Tautomeren, in dem normalerweise die Ketoform dominiert, beeinflussen. Dann

werden die Mechanismen Folgen diskutiert.

der Tautomerisierung

und ihre chemischen

843

18

Ein Enol steht in saurer oder basischer Lösung mit seiner Ketoform im Gleichgewicht

Enole und Enone

Die Keto-Enol-Tautomerisierung findet entweder unter Base- oder unter Säurekatalyse statt. Bei der basekatalysierten Reaktion wird das Sauerstoffatom

einfach

deprotoniert,

eine Umkehrung

der erwähnten

Proto-

nierung. Der darauf folgende (langsamere) Angriff am Kohlenstoffatom liefert die thermodynamisch stabilere Ketoform.

Basekatalysierte Keto-Enol-Äquilibrierung

ze c=C £

OH

R

+:B7

=]

| A c=C

1

Enolform

Os

a

N

aRL EN eK

ö:|

H

ae ——cC

+BH =

BR

Enolat-Ion

|

0:

:

+:B

Ketoform

Im säurekatalysierten Prozeß wird die Enolform an der Doppelbindung protoniert, was zu einem resonanzstabilisierten Carbenium-Ion direkt neben dem Sauerstoffatom führt. Dessen Deprotonierung ergibt die Ketoform.

Säurekatalysierte

&

Na

Pop:

OH =

Keto-Enol-Ä quilibrierung

2

+

N

HI

Hr

WAOH

eo

ee

OH

>

Bd

SEN

H

| == BR

Y oO

eh

We

+ H*

In Lösung laufen sowohl die base- als auch die säurekatalysierte Tautomerisierung relativ schnell ab, wenn Spuren des jeweiligen Katalysators vorhanden sind. Kann man nennenswerte Mengen einfacher Enole isolieren? Ja, aber nur unter bestimmten Bedingungen, wenn Säuren und Basen streng ausgeschlossen werden können. Zum Beispiel kann man Ethenol (Vinylalkohol) durch vakuum-pyrolytische Dehydratisierung von 1,2-Ethandiol darstellen.

H

oT OH OH 1,2-Ethandiol

900°C, Vak

Pe OH Ethenol (Vinylalkohol)

Ethenol hat bei Raumtemperatur eine Halbwertszeit von etwa 30 min, das reicht für eine strukturelle Charakterisierung aus (s. Abb. 18-1). Die Energiebarriere für die unkatalysierte Umwandlung von Ethenol (Vinylalkohol) zu Ethanal (Acetaldehyd) in der Gasphase wurde zu 310 kJ/mol berechnet. Dieser ziemlich hohe Wert unterstreicht die Bedeutung der Katalyse für die Tautomerisierung. 844

H

119.5°

18pm I”

Abb. 18-1 Die Molekülstruktur

H

123.8°

von Ethenol (Vinylalkohol) set zt

Tr

108. pm

sich aus Strukturelementen

des

Ethens (Ethylen, Abb. 11-1) und 109 pm Terz EN

Ar

121.0°

H

126.0° 133

137 pm

des Methanols (Abb. 8-1B)

zusammen. Aufgrund der Resonanz ist die C—O-Bindung jedoch

)

ziemlich kurz (zeichnen Sie die

pm 5

dipolaren Grenzformeln!).

er

H Übung 18-3 \ Die Pyrolyse von Cyclobutanol bei 950°C ergab eine neue Verbindung mit dem folgen-

©

den 'H-NMR-Spektrum:

ö = 3.91 (dd, J = 6.5, 1.8 Hz, 1H), 4.13 (dd, J = 14.0, 1.8

hi

Hz, 1H), 6.27 (dd, J =

14.0, 6.5 Hz,

1H), 7.12 (breites s, IH). Welche

Konstitution

hat diese Verbindung? Ordnen Sie die einzelnen Signale des NMR-Spektrums den entsprechenden Wasserstoffatomen in der Formel zu. Gibt es eine andere Verbindung, die gebildet werden sollte? Wenn ja, welche?

Substituenten Können das Keto-Enol-Gleichgewicht verschieben Für normale Aldehyde und Ketone sind die Gleichgewichtskonstanten des Keto-Enol-Gleichgewichtes sehr klein, nur Spuren der Enole sind vorhanden. Das Enol des Acetaldehyds ist relativ zu seiner Carbonylform etwa tausendmal so stabil wie das Enol des Propanons (Aceton) relativ zu dessen Ketoform. Das dürfte an der geringeren Stabilität der weniger substituierten Aldehydgruppe liegen.

Keto— Enol-Gleichgewichte

DO

on

H—CH;>CH

Pe:

H>C

EN

AG

+38 kJ/mol

H Ethenol (Vinylalkohol)

Acetaldehyd

H—CH,CCH; ————— = H)C=C K=6x10

AG” = +46 kJ/mol

Er

CH3 Propanon

2-Propenol

(Aceton) >

Einige spezielle Carbonylverbindungen liegen bevorzugt in der Enolform vor. Beispiele sind ß-Diketone wie 2,4-Pentandion (Acetylaceton, Abschn. 23.2). Dafür verantwortlich sind beim 2,4-Pentandion die Ausbildung eines konjugierten Enols sowie einer intramolekularen Wasserstoffbrücken-Bindung zwischen dem Enol-Wasserstoffatom und dem Sauerstoffatom der verbliebenen Carbonylgruppe. Man beachte, daß die so gebildete Struktur einen relativ spannungsfreien sechsgliedrigen Ring enthält.

As ter

1

pen

N

"a

ERS

H 10% 2,4-Pentandion (Acetylaceton)

:O:

gb

c 90% (Z)-4-Hydroxypent-3-en-2-on

845

18 Enole und Enone

Die Enolbildung führt zu Deuteriumaustausch und Stereoisomerisierung Welche Konsequenzen hat die Enolbildung durch Tautomerisierung? Eine Folge ist der vollständige Austausch aller a-Wasserstoffatome bei der Behandlung eines Ketons mit Spuren von Säure oder Base im Lösungsmittel DO. Wasserstoff-Deuterium-A ustausch

enolisierbarer Carbonylverbindungen

|

i

|

CHCCH;CH, EI,

CD,CCD;CH;z

2-Butanon

1,1,1,3,3-Pentadeuterio-2-butanon

Diese Reaktion kann bequem 'H-NMR-spektroskopisch verfolgt werden, da die Signale dieser Wasserstoffatome langsam verschwinden, weil jedes dieser Wasserstoffatome durch Deuterium ersetzt wird. Der Mechanismus dieser Austauschreaktion ist derselbe wie der für die säure- oder basekatalysierte Tautomerisierung formulierte, mit der Ausnahme, daß nach der Enolisierung oder der Enolatbildung die ursprüngliche Carbonylverbindung durch Angriff von D* anstatt H" zurückgebildet wird. Mechanismus

des einfachen H-D-Austausches

Basekatalyse:

Be

— (ar

Be DB;

ER ER Zi

SR

..

[

I

SER IMFETET

DOES

+ D-OD

5

#

=

— CC

Se

..

L Sn

+ DO:

D

Säurekatalyse:

.

:0:—\ ef Ange

+ DOH

a

FD

+D’ ——

_c” u

OD == u

+ H*

H

[.öp > ha ”

ö-D na

0?

ar

BR, —— IR |

Da D,O als Lösungsmittel dient, ist eine Reprotonierung zur Deuterierung sehr unwahrscheinlich. Das Proton geht im großen Überschuß von D,O verloren. Das mehrfache dieser Austauschreaktion führt zum vollständigen Ersatz stoffatome gegen Deuterium.

+ D*

im Vergleich buchstäblich Durchlaufen aller Wasser-

Übung 18-4 Welches sind die Produkte (sofern überhaupt welche entstehen) des Deuteriumeinbaus durch Umsetzung der folgenden Verbindungen mit D;O-NaOD: (a) Cycloheptanon; (b) 2,2-Dimethylpropanal; (c) 3,3-Dimethyl-2-butanon; (d) .

CHO

Eine weitere Konsequenz der Enolbildung, der Enolisierung, ist die Leichtigkeit, mit der Stereoisomere sich am a-Kohlenstoffatom ineinander umwandeln. Zum Beispiel liefert die Behandlung cis-2,3-disubstituierter Cyclopentanone mit schwacher Base die entsprechenden frans-Isomere. stabiler.

Diese

sind

aus

sterischen

Gründen

18.3 Halogenierung von Aldehyden und Ketonen

thermodynamisch

Basekatalysierte Isomerisierung eines a-substituierten Ketons (6)

FR?

CH;CH=CH3

CH>CH==CH>

10% KOH, CH3CH>OH —

Tr

-CH;CH=CH> ——

—

p—

CH3

CH3

ch; >95%

Die Reaktion verläuft über das Enolat, in dem das sp-hybridisierte a-Kohlenstoffatom kein Chiralitätszentrum mehr ist. Reprotonierung auf der Seite cis zur 3-Methylgruppe führt zum beobachteten Produkt (Abschn. 5.5). Aus demselben Grund ist es schwierig, die optische Aktivität einer enolisierbaren Verbindung zu erhalten, deren Chiralitätszentrum direkt an die Carbonylgruppe gebunden ist. Zum Beispiel racemisiert optisch aktives 3-Phenyl-2-butanon bei Raumtemperatur in basischem Ethanol mit einer Halbwertszeit von einigen Minuten.

Racemisierung von optisch aktivem 3-Phenyl-2-butanon

Rs

7

zn

CH;CH;0°,

_CHSCHOH OÖ

1,c

CeH;

72)

— No_ f H;C

H°

($)-3-Phenyl2-butanon

CHSCH.OT,

Cotls

2

error, CH=CH>OH

H:C/

CH;

H

achiral

(R)-3-Phenyl2-butanon

Fassen wir zusammen: Aldehyde und Ketone stehen im Gleichgewicht mit ihren Enolformen, die etwa 40 kJ/mol weniger stabil sind. Die Gleichgewichtseinstellung wird von Säuren oder Basen katalvysiert. Die Enolisierung ermöglicht den leichten H-D-Austausch in D,O und bewirkt

die Stereoisomerisierung

an Chiralitätszentren,

die der funktio-

nellen Gruppe benachbart sind.

18.3 Halogenierung von Aldehyden und Ketonen In diesem Abschnitt untersuchen wir eine Reaktion der Carbonylgruppe, die über die Zwischenstufe eines Enols oder eines Enolats verläuft: die Halogenierung. Aldehyde und Ketone reagieren mit Halogenen am a-Kohlenstoffatom. Im Gegensatz zur Deuterierung hängt das Ausmaß der Halogenierung davon ab, ob Säure- oder Basekatalyse angewandt wurde. So kommt die Halogenierung bei Säurekatalyse normalerweise zum Erliegen, sobald das erste Halogenatom eingeführt wurde. 847

18

Säurekatalysierte a-Halogenierung von Ketonen

Enole und Enone

|

|

Br—Br, CH3CO5H, H30, 70°C

H—CH;CCH;3

BrCH;CCH;

+ HBr

44% Brompropanon (Bromaceton)

16)

16) CH3

CH;

H

CC, H_, CCls _ —

+

|

I

cl

+ HC

85% 2-Methylcyclohexanon

2-Chlor-2-methylcyclohexanon

Die Geschwindigkeit der säurekatalysierten Halogenierung ist unabhängig von der Konzentration der Halogens, was einen geschwindigkeitsbestimmenden ersten Schritt unter Einbeziehung der Carbonylverbindung nahelegt. Bei diesem Schritt handelt es sich um die Enolisierung. Das Halogen greift dann die Doppelbindung unter Bildung eines intermediären Sauerstoff-stabilisierten halogenierten CarbeniumIons an (Abschn. 9.3). Die darauf folgende Deprotonierung führt zum Produkt. Mechanismus der säurekatalysierten Bromierung von Propanon (Aceton)

Schritt

1 Enolisierung

OH

H'

Be,

CH3 Schritt

2 _Angriff des Halogens

A

OH

|

CH3

ÖH Mara &

CH;

+

ee)

Schritt

3 Deprotonierung SB

H

| | BrCH,;CCH; —> BrCH3CCHz + H* Warum verläuft die Halogenierung langsamer, wenn das erste Halogenatom in das Molekül eingebaut worden ist? Die Antwort liegt in der Notwendigkeit der Enolisierung. Für eine weitere Halogenierung muß die Halogencarbonylverbindung nach dem üblichen säurekatalysierten Mechanismus enolisieren. Die elektronenziehende Wirkung des ersten Halogensubstituenten erschwert jedoch den ersten Schritt der Enolisierung, die Protonierung, im Vergleich zur unhalogenierten Carbonylverbindung.

Halogenierung verlangsamt die Enolisierung Weniger basisch als im unsubstituierten K eton Berl: ın»

.

18.3 Halogenierung von Aldehyden und Ketonen

H

| H | BrCH:;CCH; —— BrCH5CCHz rigen | +

elektronenziehend

Aus diesem Grund wird das einfach halogenierte Produkt so lange nicht weiter halogeniert, wie noch unhalogenierte Carbonylverbindung vorhanden ist. Erst danach tritt weitere Halogenierung ein.

(0) |

CsHsCCH3

CI—Ci{Überschuß), CH,CO;H, 60°C

AITE

DIFERT

C6HSCCHCH 94%

Tr Hc) BT

1-Phenylethanon (Acetophenon)

2,2-Dichlor-1-phenylethanon

Kasten 18-1 Die Haloform-Reaktion: ein Nachweis für Methylketone Die durch Basen bewirkte Halogenierung verläuft vollkommen anders als die unter sauren Bedingungen. Hier ist es schwierig, die Reaktion nach dem ersten Halogenierungsschritt anzuhalten, weswegen die Reaktion präparativ wenig nützlich ist. Bei Methylketonen entstehen Trihalogenmethylketone, deren Trihalogenmethylgruppe eine gute Abgangsgruppe ist. Unter basischen Bedingungen erhält man in der Regel Carbonsäuren und Trihalogenmethan (Trivialname: Haloform). Diese Reaktion (Haloform-Reaktion) findet in der Iodoform-Probe auf sekundäre 2-Alkanole und Methylketone Anwendung. Wenn als Halogen lod eingesetzt wird, setzt sich Triiodmethan (Iodoform) als gelber Niederschlag ab. Diese sogenannte /odoform-Reaktion

ist ein qualitativer Nachweis auf die Strukturein-

Eine Iodoform-Reaktion

@. \

1. I, NaOH 2. H*,H,0

—

\ gelber Niederschlag

Iodoform

ist ein Desinfektionsmittel.

Es

war

aufgrund seiner weiten Verbreitung und des charakteristischen Geruchs verantwortlich für den typischen „Krankenhausgeruch“, den die Patienten älterer Generationen noch kennen.

(0) I heit RCCH..

Go: RCCBr;

Sr + On

RC-(CBr, —>

ee

RCÖH + :CBr3z — E

:OH

l Rau

H’, H,O

RCO:” + HCBra > —

|

RCOH + HCBr;

849

18

Enole und Enone

Die basekatalysierte Halogenierung verläuft über die Bildung eines Enolat-Ions, welches dann das Halogen angreift. Hier läuft die Reaktion ab, bis das a-Kohlenstoffatom vollständig halogeniert ist. Warum ist es so schwer, die basekatalysierte Halogenierung auf der Stufe der Monohalogenierung zu unterbrechen? Die elektronenziehende Kraft des Halogenatoms steigert die Acidität der verbleibenden a-Wasserstoffatome und beschleunigt so die erneute Enolatbildung und damit die weitere Halogenierung.

Mechanismus der basekatalysierten Bromierung eines Methylketons Schritt

1 Enolatbildung

RO-CHI-H _/" + OH —

"Noch, + HÖH x

©

Schritt 2 Nucleophiler Angriff auf Brom -, ö)

4%

N

Sich, PorBr —>

RCCH»Br + Br

R Schritt

u

3 Vollständige Bromierung

te:

“.r

Oo

|

— > " len CCHBr \C=CHB BrBr, Bes RÜCHBr 2 Se were -HOH

Tr -Br”

:

R

MW Übung 18-3 "| Welches sind die Produkte der säure- und der basekatalysierten Bromierung von Acetylcyclopentan?

) Übung 18-6 ı Erklären Sie das Ergebnis der folgenden Reaktion mechanistisch:

10)

O

1. Ci, NaOH, 35°-40°C

x „H>0 =

(CH3)JC(CH>CO>H) 96%

H;C

CH3

(Hinweis: Der Ring öffnet aus einer Zwischenstufe der Reaktion nach einem Mechanismus, der dem der Haloform-Reaktion von 2-Alkanonen ähnelt.)

Zusammengefaßt verläuft die Halogenierung unter sauren Bedingungen selektiv bis zur Monohalogencarbonylverbindung. In basischen Medien werden dagegen alle a-Wasserstoffatome substituiert.

850

18.4 Die Alkylierung von Aldehyden und Ketonen

a

Die Alkylierung eines Enolats ist eine allgemein anwendbare Methode, um einen Alkylsubstituenten an der o-Position der Carbonylgruppe eines Ketons einzuführen. In diesem Abschnitt geben wir Beispiele für diese Methode an und vergleichen sie mit der Alkylierung eines anderen . Zwischenprodukts, eines Enamins.

Die Alkylierung von Enolaten kann nur schwer kontrolliert werden Die meisten Alkylierungen finden am Kohlenstoffatom statt. Besitzt ein Keton

nur ein einzelnes a-Wasserstoffatom,

kann man

hohe Ausbeuten

des Alkylierungsprodukts erhalten. Aldehyde kann man dagegen nicht auf diese Weise alkylieren. Sie gehen eine andere Reaktion ein, die in Abschnitt 18.5 beschrieben wird. Alkylierung eines Ketons

j

1. NaH, Benzol, A

CeHSCCH (CH)

1

Te — H-H,

CeHsCCICH3)

Nr

CH,CH=C(CH3), 88% 2,2,5-Trimethyl-1-phenyl4-hexen-1-on

2-Methyl-1-phenyl1-propanon

In anderen Fällen ist die Vermeidung der Dialkylierung ein Problem. Bei den gegebenen Reaktionsbedingungen kann das monoalkylierte Keton von dem noch vorhandenen Enolat deprotoniert werden, so daß eine weitere Alkylierung auftreten kann. Einfache und doppelte Alkylierung von Enolaten

1. NaH, CH3OCH>CH>OCH;3

EikeRe a

_

Ey — NalRE

H

27%

Eine weitere Komplikation tritt beim Einsatz unsymmetrischer Ketone auf: Beide a-Positionen Können alkyliert werden. Alkylierung eines unsymmetrischen Ketons

O H

H

}

O CH3

H

NaH, CH3l,

CH30CH2CH50CH;

H

H

j

36%

O CHz3

CH;

H>C

H

|

CH3

H

52% (1:1 cis:trans)

851

18 Enole und Enone

Übung 18-7 Nach welchem Mechanismus läuft die C-Alkylierung des Cyclohexanon-Enolats mit 3-

Chlorpropen ab (Abschn. 18.1)? (Hinweis: siehe Kap. 6) Welches Produkt oder welche Produkte

erwarten

Sie bei der Reaktion

des Cyclohexanon-Enolats

mit (a) 2-Brom-

propan und (b) 2-Brom-2-methylpropan? (Hinweis: siehe Kap. 7)

M Übung 18-8 )

(CH3)3Br

Die Reaktion der Verbindung A mit Base ergibt drei Produkte der Summenformel CsH2O. Welche? (Hinweis: Beziehen Sie intramolekulare Alkylierungen in Ihre Überlegung ein.)

Übung 18-9 Wie würden Sie das Cycloalkin B in das Kelon C umwandeln?

CH>CH3

I c=C

(o!

Io)

Enamine eröffnen einen alternativen Weg zur Alkylierung von Aldehyden und Ketonen Resonanz in Enaminen

In Abschnitt 17.9 wurde gezeigt, daß die Reaktion von sekundären Aminen mit Aldehyden oder Ketonen zu Enaminen führt. Obgleich sie

\

neutral sind, sind Enamine

wegen

des Stickstoffatoms

elektronenreich.

Sie können von Elektrophilen an der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung angegriffen werden. Dies ist eine Konsequenz der Resonanz dieser Doppelbindung mit dem freien Elektronenpaar am Stickstoff“

atom.

Die dipolare Resonanzformel zeigt, daß ein Enamin die gleichen ambidenten Eigenschaften aufweisen sollte wie ein Enolat-Ion. In der Tat führt die Umsetzung mit Halogenalkanen zur Alkylierung am Kohlenstoffatom unter Bildung eines Iminiumsalzes. Bei wäßriger Aufarbeitung hydrolysieren Iminiumsalze nach einem Mechanismus, der dem ihrer Bildung genau entgegengesetzt ist (Abschn. 17.9). Am Ende erhält man ein neues alkyliertes Keton und das ursprüngliche sekundäre Amin.

| E BON Net 2 IR

Alkylierung eines Enamins

| CH3CH>CCHJ;CH3 +

n IP EHE,

7

- H,O

2 3-Pentanon

Azacyclopentan (Pyrrolidin)

@,

N

Oo Sc —=CHCH; rg

2 alkyliert am Kohlenstoffatom

CH;

von, aLCCH5 Es

N

2 CH; au

a

|

—>

| CH;CH,CCH(CH3)2+

H Ein Iminiumsalz

852

2-Methyl-3-pentanon

Übung 18-10

18.4 Die Alkylierung von

Formulieren Sie den Mechanismus für den Sequenz, der Hydrolyse des Iminiumsalzes.

letzten

Schritt

der

oben

angegebenen

Aldehyden

und Ketonen

Der Vergleich dieser Reaktionssequenz mit der Alkylierung des Enolats zeigt, daß die Alkylierung von Enaminen weit überlegen ist, denn sie minimiert wegen der geringeren Basizität der ungeladenen Enamine das Auftreten der doppelten bzw. mehrfachen Alkylierung. Sie hat auch den zusätzlichen Vorteil, daß sie zur Alkylierung von Aldehyden eingesetzt werden kann.

0: l. CH3CHJ,CH>CH3I1

2. H3S04, H2O

44% 2-Butylceycloer

|

(CH,CHH

hexanon

N 1: H Z; CH3CHzBr

en

1

(CH3)-CCH CH>CH; 67%

2-Methylpropanal

2,2-Dimethylbutanal

Übung 18-11 Alkylierungen des Enolats von Keton A sind sehr schwer vor der Dialkylierung abzubrechen. Zeigen Sie, wie das monoalkylierte Keton B mit Hilfe eines Enamins dargestellt werden kann.

C5HZ0SCCH, . CH,COHESN;, OÖ 1. NaH, CeHs 2. BrCH5C0>C5Hs

CHSCO5C5H3

O

0)

[m

A

94%

B

Wir fassen zusammen: Enolate ergeben unter Einwirkung von Halogenalkanen alkylierte Derivate. Bei diesen Reaktionen kann die Kontrolle des Ausmaßes und der Position der Alkylierung ein Problem sein, wenn es mehrere Möglichkeiten gibt. Die von Aldehyden oder Ketonen abgeleiteten Enamine gehen Alkylierung zu den entsprechenden Iminiumsalzen ein, die zu den alkylierten Carbonylverbindungen hydrolysiert werden können.

853

18

Enole und Enone

18.5 Angriff von Enolaten auf Carbonylgruppen: Aldoladdition und Aldolkondensation Enolate können Carbonylverbindungen unter Bildung von Hydroxycarbonylverbindungen angreifen (Aldoladdition). Die darauf folgende Eliminierung von Wasser liefert a,ß-ungesättigte Aldehyde und Ketone. Die Reaktionsfolge aus beiden Schritten ist eine Aldolkondensation.

Aldehyde gehen basenkatalysierte Kondensationen ein Der kleinste enolisierbare Aldehyd, Acetaldehyd, ist in Gegenwart von wäßrigem Natriumhydroxid instabil. Neben dem sich schnell einstellenden Gleichgewicht mit seinem Hydrat tritt eine langsame (und bei Erhitzen schnelle) Kondensation zum a,ß-ungesättigten Aldehyd, dem trans2-Butenal (Crotonaldehyd) ein. Aldokondensation von Acetaldehyd

H\

1 C=0 + HCCH —————

HzC

|

H\

j

„H

+H50 H;C

H

trans-2-Butenal

(Crotonaldehyd) (ein a,ß-ungesättigter Aldehyd)

Diese Reaktion ist ein Beispiel für die Aldolkondensation. Die Aldolkondensation ist für Aldehyde eine allgemeine Reaktion und kann auch bei Ketonen stattfinden. Wir werden zunächst den Mechanismus beschreiben, bevor wir uns dann der Anwendung in der Synthese zuwenden. Der Mechanismus dieser Reaktion ist ein anschauliches Beispiel für die Chemie der Enolate. Unter den vorliegenden basischen Bedingungen stellt sich zwischen dem Aldehyd und dem entsprechenden EnolatIon ein Gleichgewicht ein. Das Enolat-Ion, welches von überschüssigem Aldehyd umgeben ist, benutzt sein nucleophiles Kohlenstoffatom zum Angriff auf das Carbonyl-Kohlenstoffatom eines weiteren AldehydMoleküls. Protonierung des Alkoxid-Ions liefert das Aldoladdukt, eine ß-Hydroxy-Carbonylverbindung, hier 3-Hydroxybutanal, dem der Trivialname Aldol (von Aldehydalkoho/) gegeben wurde. Mechanismus der der Aldolbildung Schritt

1_ Enolatbildung

0: N

:0:7 bir ..

I

HC=-CH,— Hr, OH se

EN

f

..

+ HOH

H Kleine Gleichgewichtskonzentration des Enolats

854

Schritt

2_ Nucleophiler Angriff

:d:)

18.5

(8:

ni

m

0: 9: ee ee

R: Schritt

Angriff von Enolaten auf Carbonylgruppen: Aldoladdition und Aldolkondensation

H

3_ Protonierung

We

Me

ve + HOH

=

H

ER

+ HO”

H 50%-60% 3-Hydroxybutanal („Aldol’’)

Man beachte, daß das Hydroxid-Ion in dieser Reaktion die Rolle eines Katalysators spielt. Die letzten zwei Schritte der Reaktion ziehen das anfängliche ungünstige Gleichgewicht auf die Produktseite. Die Gesamtreaktion ist nicht sehr exotherm und vollkommen reversibel. Das Aldol wird in 50-60% Ausbeute gebildet und reagiert nicht weiter, wenn die Reaktion bei niedriger Temperatur (5°C) ausgeführt wird. ] Übung 18-12

N

Geben Sie die Formeln der Hydroxyaldehyde an, die bei der Aldoladdition bei 5°C mit den folgenden Aldehyden gebildet werden. (a) Propanal, (b) Butanal, (c) 2-Phenylacetaldehyd und (d) 3-Phenylpropanal.

| Übung 18-13 ©

Kann Benzaldehyd eine Aldoladdition eingehen? Warum oder warum nicht?

Bei erhöhter Temperatur wird das Aldol in sein Enolat-Ion umgewandelt, welches ein Hydroxid-Ion zum Endprodukt eliminiert. Das Ergebnis des zweiten Schritts ist eine Hydroxid-katalysierte Dehydratisierung des Aldols. Mechanismus der Dehydratisierung

Ir nGo:

OH

j

Ce

|

zcH+

—

. oO »

chic H|

ee

en

H

+ HOH xH

hm; Gr nee H

——

CH;CH=CHCH

+ HO:

H

Was macht die Aldoladdition und die Aldolkondensation synthetisch so wertvoll? In Abhängigkeit von der Temperatur wird entweder eine Hydroxycarbonylverbindung oder eine neue Kohlenstoff-KohlenstoffDoppelbindung — und damit eine a,ß-ungesättigte Carbonylverbindung — gebildet. Bei niedriger Temperatur zum Beispiel: 7

CHSOHCH CH3 2-Methylpropanal

CH;

300, 230,30,

OH

CH;

CHCH—C —CCHO H 85%

CH3

3-Hydroxy-2,2,4-trimethylpentanal

855

18

Und bei höherer Temperatur:

Enole und Enone

H

fe)

H

OÖ 80% Heptanal

(Z)-2-Pentyl-2-nonenal

WM Übung 18-14 ©

Geben Sie die Konstitutionen der a,ß-ungesättigten Aldehyde an, die als Produkte der Aldolkondensation aus den Aldehyden in Übung 18-12 bei höherer Temperatur gebildet werden.

Kasten 18-2 Aldolkondensationen

in der Natur

Aldolkondensationen treten auch in natürlichen Systemen auf. Zum Beispiel werden Collagenfasern durch chemische Vernetzung von Aldehydgruppen durch Aldolkondensationen verstärkt. Collagen ist das am häufigsten vorkommende Faserprotein in Säugetieren; es ist die überwiegende faserige Komponente von Haut, Knochen, Sehnen, Knorpel und Zähnen. Seine Struktur besteht im wesentlichen aus einer gestaffelten Anordnung von Tropocollagen-Molekülen, welche aus dreisträngigen Polypeptidketten aufgebaut

! | H—N | a

sind (Kap. 26). Die Vernetzung dieser Ketten (s. Abschn. 12.14 u. 14.10 zur Vernetzung von Polymeren) verläuft über enzymkatalysierte Aldolkondensationen. Zunächst werden LysinReste (Abschn. 26.1) der Ketten enzymatisch zu Aldehydderivaten oxidiert; dann verknüpft eine Aldolkondensation zwei Ketten. Das Ausmaß der Vernetzung hängt vom jeweiligen Zweck des Gewebes ab. Zum Beispiel ist die Achilles-Sehne von Ratten hochvernetzt, wäh-

rend die erheblich flexiblere Schwanzsehne lich weniger vernetzt ist.

3 |

4

N me

u

N—H

+ a

|

Co |

Lysin-Reste

}

[oxiain

H—N

00

H-C-(CHor CL

En|

a“

Ne a HH

=0

Aldehyd-Derivate

|

wo]

H—N

! |

Ei|

| N

H

H-C(CHodz—CHr—O=e (CH)

BSR. EN

vernetztes

Aldol-Kondensationsprodukt

856

\ | Nee |

} |

| N—H CH c=O

deut-

18.5

Ketone können als Substrate in Aldoladditionen

fungieren

Angriff von Enolaten auf Carbonylgruppen: Aldoladdition und Aldolkondensation

Bisher haben wir nur Aldehyde als Substrate für die Aldoladditionen diskutiert. Wie steht es mit Ketonen? Behandelt man Propanon (Aceton) mit Base, erhält man in der Tat etwas 4-Hydroxy-4-methyl-2-pentanon, aber nur in wenigen Prozent Ausbeute und im Gleichgewicht mit dem Ausgangsmaterial. Aldolbildung aus Propanon (Aceton)

OH O0 on CH3 6%

| KO“ CH;CCH; —= 94%

4-Hydroxy-4-methyl-2-pentanon

Hier liegt ein echtes Gleichgewicht vor, das sich von beiden Seiten her bilden kann, wie die Behandlung von 4-Hydroxy-4-methyl-2-pentanon mit Base lehrt. Dann tritt eine schnelle Umkehr der Aldoladdition (Retro-Aldoladdition) ein, die zum Propanon (Aceton) führt. Retro-Aldoladdition

H

12

ech

”

|

|

#:B" —— CH3CCH3 + CH,=CCHz + HB —— 2 CH3CCHz + :B”

CH3

Der Grund für die geringere Reaktivität von Ketonen in Aldoladditionen im Vergleich zu Aldehyden liegt in der geringfügig stärkeren Carbonylbindung (etwa 12 kJ/mol) in den Ketonen. Während die Aldoladdition bei Aldehyden

leicht exotherm

verläuft, ist die von Ketonen

leicht

endotherm. Die Aldoladdition von Ketonen kann jedoch zur Produktseite hin gezogen werden, indem man den gebildeten Alkohol kontinuierlich aus der Reaktionsmischung extrahiert, sobald er gebildet wird. Unter schärferen Bedingungen kann man bei der Aldolkondensation das Gleichgewicht durch Entfernung des neben den a,ß-ungesättigten Carbonylverbindungen gebildeten Wassers zur Produktseite ziehen, wie es am Rand dargestellt ist. Fassen wir zusammen: Die Behandlung enolisierbarer Aldehyde mit einer Base als Katalysator führt bei niedrigen Temperaturen zu Hydroxyaldehyden (Aldoladdition) und zu a,ß-ungesättigten Aldehyden nach Erhitzen (Aldolkondensation). Die Reaktion verläuft über den Angriff des Enolats auf die Carbonylfunktion. Die Aldoladdition an die Carbo“ nylgruppe eines Ketons ist energetisch ungünstig. Um die Aldolkondensation von Ketonen zur Produktseite hin zu ziehen, müssen spezielle Reaktionsbedingungen, wie die Entfernung von Wasser oder des gebildeten Aldols, eingehalten werden.

I

CHRSHLLCH: CH; mon, H>0, A

H;C

2 SL

H;C 80% 4-Methyl-3-penten-2-on +

H,O (wird entfernt)

857

a

18.6 Die gekreuzte Aldolkondensation Ein Nachteil der Aldoladdition liegt in der mangelhaften Selektivität, wenn zwei unterschiedliche Aldehyde eingesetzt werden (gekreuzte Aldoladdition). Zum Beispiel erhält man aus einer Mischung von Acetaldehyd und Propanal im Verhältnis 1:1 die vier möglichen Aldol-Additionsprodukte (oder bei höheren Temperaturen «,ß-ungesättigte Aldehyde) in praktisch statistischen Verhältnissen. Unselektive gekreuzte Aldoladdition von Acetaldehyd und Propanal (Alle vier Reaktionen laufen gleichzeitig ab.)

|

|

(6)

|

en

CH;CH + CH3CH + CH;CH;CH — ee

nimmt an der Reaktion

nicht teil

H

3-Hydroxybutanal

| CH;CH

| +

|

CH;3CH>;CH

—>

CH3C—CHCH

H

CH;

3-Hydroxy-2-methylbutanal

a

|

|

nie

OH ns

a

|

|

H 3-Hydroxypentanal

| CH;>CH>CH

+

|

|

CH3CH>CH

+ CH;CH N

BT

t

der

| —>

So

Reakti

na kalt? TE

Lan

H

CH;

3-Hydroxy-2-methylpentanal

Dieses Problem wird umgangen, wenn einer der Aldehyde nicht enolisierbar ist, denn dann können

sich zwei der sonst möglichen Produkte

nicht bilden. Um in einem solchen Fall eine effektive Reaktion jeweils eines der beiden Aldehyd-Moleküle miteinander sicherzustellen, wird der enolisierbare Aldehyd langsam zum nicht-enolisierbaren Aldehyd gegeben, der meist im Überschuß eingesetzt wird. Sobald das Enolat gebildet ist, wird es bevorzugt mit dem anderen Aldehyd reagieren. Beispiele:

CH;

CH,

|

NaOH, H;0, A

CH3;CCHO + CH3CHZCHO —————

CH,

gl

+ H,O

wird langsam zugegeben

CH3 2,2-Dimethyl-

CH3 65% 2,4,4-Trimethyl-2-pentenal

Propanal

propanal

De CeHsSCH=CHCHO 3-Phenyl-2-propenal

858

+ CH3CH;CH>CHO Butanal

NaOH, H,O

- ” ne

C;H5sCH=CHCH=CCHO 55% 2-Ethyl-5-phenyl-2,4-pentadienal

Kasten 18-3

Enzyme bei der gekreuzten Aldoladdition

acetonmonophosphat) unter Bildung eines Iminiumsalzes. Die enzymkatalysierte Deprotonie-

Bei der Biosynthese der Zucker dienen gekreuzte Aldoladditionen (katalysiert von einem Enzym mit dem passenden Namen Aldolase) zum Aufbau von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen. Eine an ein Protein gebundene primäre Amingruppe (ein Substituent der Aminosäure Lysin) reagiert zunächst mit der Carbonylgruppe von 1,3-Dihydroxypropanon-monophosphat (1,3-Dihydroxy-

rung liefert ein Enamin, dessen nucleophiles Kohlenstoffatom die Carbonylgruppe von 2,3-Dihydroxypropanal3-phosphat (Glycerinaldehyd-3phosphat) in einer stickstoffanalogen gekreuzten Aldoladdition angreift. Durch die Hydrolyse des

CH,OPOZ E

nn m—NHJ, ® +

\

O=C

2

—3

Enzym

entstandenen ker Fructose.

„EHLOPOz

+8 —N=C

langes a

RT2 Mr

C---H

EIN

HO

H

Iminiumsalzes entsteht der C,-Zuk-

/

HO

:Base

——

H

1,3-Dihydroxyacetonmonophosphat

CH,OPOz

Bl,

u

HO

v:

H\\,® NER

>

HO—-H

C 7 EB

Enamin

CH-OPO;

Erg

aan

een

H

+

HO CH>OPOz (R)-Glycerinaldehyd-

120

>

CH-OPO;

|

|

Ol

HO-—+-H |

OH

ee

H

H-—-OH CH5OPOz

ls CH-OPOZ°

3-phosphat

Fructose-

1,6-diphosphat

Übung 18-15 | Welche Produkte sind bei den folgenden Aldoladditionen zu erwarten?

\CH (a) GR

CHO

+ CH;CHO;

(c) CH3—=CHCHO

(b) 2

(reagiert mit sich selbst);

+ CH3CH>CHO.

Wir fassen zusammen:

Die gekreuzte Aldoladditon führt zu Produkt-

gemischen, es sei denn, einer der Reaktionspartner ist nicht enolisierbar.

18.7 Die intramolekulare Aldolkondensation Es ist möglich, die Aldolkondensation zwischen einem Enolat-Ion und einer Carbonylgruppe innerhalb des Moleküls durchzuführen. Man nennt eine solche Reaktion intramolekulare Aldolkondensation. In diesem Abschnitt wird die Einsatzmöglichkeit dieses Reaktionstyps bei der Synthese cyclischer Verbindungen beschrieben.

859

18

Die Behandlung einer verdünnten Lösung von 1,6-Hexandial mit wäßriger Base führt zur Bildung eines cyclischen Produkts. Sobald ein Enolat-Ion gebildet worden ist, greift es das Carbonyl-Kohlenstoffatom am anderen Ende des Moleküls an.

Enole und Enone

o

(6)

O

|

I

|

KOH

HCCH>CH>CH>CH>CH —

H:0

Tr CH

+ H,0

H 62% 1-Cyclopentencarbaldehyd

Der Angriff auf ein Carbonyl-Kohlenstoffatom eines anderen Moleküls (intermolekulare Aldolkondensation) wird durch die niedrige Konzentration des Dialdehyds und die kinetisch begünstigte Bildung eines Fünfrings weitgehend vermieden. Die intramolekulare Keton-Kondensation ist eine gute Methode zur Darstellung von cyclischen und bicyclischen Enonen.

0 er ae”

u,

+ H50 CH;

42% 2,5-Hexandion

3-Methyl-2-cyclopentenon

Im Prinzip kann die intramolekulare Aldolkondensation in vielen Fällen mehrere Produkte mit unterschiedlichen Ringgrößen ergeben. Normalerweise wird jedoch der am wenigsten gespannte Ring bevorzugt gebildet, typischerweise Fünf- oder Sechsringe. Beispielsweise ergab in einem der vorangegangenen Beispiele 2,5-Hexandion nur 3-Methyl-2cyclopentenon, nicht aber das alternative Produkt mit einem dreigliedrigen Ring.

l

|

H;C

HOT, H20|

CH;CCH>CH>CCH; _

ae y

3

or 2,5-Hexandion

2-Acetyl-I-methylcyclo-

propanol In ähnlicher Weise cyclisiert 2,7-Octandion zum Fünfring-Enon und nicht zum siebengliedrigen Ring. Warum ist die intramolekulare Aldolkondensation von Ketonen so leicht zu erreichen, wo doch die intermolekulare Reaktion so schwierig ist? Ein Teil der Antwort liegt in der Thermodynamik des Prozesses.

EN H>0 +

H3

3-Methyl2-cycloheptenon

-

o

oO

|

_xon. mo

CH3CCHSCHSCHSCHCCH; —— B—* 27.0

CCH3 (6)|

83%

1-Acetyl2-methyleyclopenten

u

Wir wissen bereits, daß die Reaktion

zwischen

zwei Ketonen

einen

ungünstigen Enthalpiebeitrag aufgrund des Verlusts der starken Carbonylbindung hat (Abschn. 18.5). Außerdem muß diese Reaktion den Entropieverlust überwinden, der durch die Umwandlung zweier Moleküle in eines bei der Bildung des Hydroxyketons entsteht. Im Gegensatz dazu wandelt die intramolekulare Reaktion lediglich ein acyclisches Substrat in ein cyclisches Produkt um, ein entropisch günstigerer Vorgang, der daher thermodynamisch bevorzugt wird.

18.8

Andere Darstellungen von a,ß-ungesättigten Aldehyden und Ketonen

Ubung 18-16 Welche

Produkte erhält man

bei den intramolekularen Aldolkondensationen

von

(a) Cyclodecan-1,5-dion;

b) (b)

el

C6HsC(CH,)CCH;3; CoHsC(CH>)2 3

(©)

(d) 2,7-Octandion

en

(6)

OÖ

Übung 18-17 Die intramolekulare Aldolkondensation von 2-(3-Oxobutyl)cyclohexanon (siehe Rand) kann im Prinzip zu vier verschiedenen Verbindungen führen (ohne Berücksichtigung der Stereochemie). Welche Konstitutionen haben die Verbindungen und welche davon wird am wahrscheinlichsten gebildet?

Ü

2-(3-Oxobutyl)cyciohexanen

Übung 18-18 Wie kann man die folgenden Verbindungen aus beliebigen Ausgangsmaterialien so herstellen,

daß im entscheidenden

Schritt Aldoladditionen

ablaufen?

Hinweis:

Die

letzte

Synthese erfordert eine doppelte Aldoladdition.

OH

O4

@)

©

1

[_>-en-cncen,

(c)

H

OH

Fassen wir zusammen: Die intramolekulare Aldolkondensation läuft sowohl bei Aldehyden als auch bei Ketonen ab. Sie kann hochselektiv sein und führt zu dem am wenigsten gespannten Cycloalkenon.

18.8 Andere Darstellungen von a,ß-ungesättigten Aldehyden und Ketonen Der Rest dieses Kapitels behandelt die a,ß-ungesättigten Aldehyde und Ketone.

Wir werden feststellen, daß ihre Chemie

Cyclopentanon

sich entweder einfach

aus dem Verhalten der beiden Arten von Doppelbindungen verstehen läßt oder von der a,ß-ungesättigten Carbonylgruppe, der Enongruppe, als Ganzes bestimmt wird. Wie spätere Kapitel zeigen werden, ist diese komplexe Reaktivität typisch für Moleküle mit zwei funktionellen Gruppen, für difunktionelle Verbindungen. In den Abschnitten 18.5 bis 18.7 wurde gezeigt, daß man a,ß-ungesättigte Aldehyde und Ketone durch die Aldolkondensation darstellen kann. Es gibt jedoch auch andere Wege zu dieser Substanzklasse. Zum

1. Ch 2. Na5CO3

OÖ

73% 2-Cyclopentenon

861

18

Beispiel kann die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung in direkter Nachbarschaft zur Carbonylgruppe durch Halogenierung (Abschn. 18.3) gefolgt von baseninduzierter Dehydrohalogenierung eingeführt werden, wie am Rand (S. 861) gezeigt. Ein anderer Weg zur Einführung der Doppelbindung ist die WittigReaktion (Abschn. 17.12) von Carbonyl-Yliden. Zum Beispiel kann 2Chloracetaldehyd in das Phosphoniumsalz umgewandelt werden, welches zum entsprechenden Ylid deprotoniert werden kann.

Enole und Enone

Darstellung eines stabilisierten Ylids

| P(CeHs)3 + || CICH,CH —> Cl" (CeHs)3PCHSCH

NaOH

— HOH, — NaCl

0:7 l ca

N

.

|

Ein stabilisiertes Ylid

Die Deprotonierung erfolgt leicht, da das Ylid resonanzstabilisiert ist. Solche stabilisierten Ylide sind vergleichsweise wenig reaktiv und können bequem isoliert und gelagert werden. Beispielsweise gehen sie keine Wittig-Reaktionen mit Ketonen ein. Mit Aldehyden reagieren sie jedoch zu den entsprechenden a,ß-ungesättigten Aldehyden. Analoge Reaktionen sind mit anderen Alkanoyl-Yliden möglich.

Wittig-Synthese eines a,ß-ungesättigten Aldehyds

Br

|

(C,Hs)aP=CHCH + u,

H _(CH3CH2)30, CHCHO, AL.A _

— (CHs)3PO

N

TI

N st:

Gs

81% trans-2-Nonenal

Heptanal

Ein vierter Weg zur Darstellung von a,ß-ungesättigten Aldehyden und Ketonen besteht in der Oxidation von Allylalkoholen. Ein spezifisches Reagenz für derartige Reaktionen ist Mangandioxid, MnO, (Abschn. 17.4). Vitamin A kann auf diesem Wege zum Beispiel zum all-transRetinal

oxidiert

werden,

einem

Molekül,

welches

für die Chemie

des

Sehens von großer Wichtigkeit ist (siehe Kasten 18-4). MnO,

CH>0H

Propanon (Aceton)

CH3

CH;

CH3

—

80% all-trans-Retinal

Wir fassen zusammen: In diesem Abschnitt wurden die Synthesemethoden zur Darstellung «a,ß-ungesättigter Aldehyde und Ketone zusammengestellt. Es sind die Aldolkondensation, die HalogenierungDehydrohalogenierung gesättigter Aldehyde und Ketone, die WittigReaktion mit stabilisierten Yliden und die MnO--Oxidation von Allylalkoholen.

862

| Kasten 18-4

Reaktionen ungesättigter Aldehyde in der Natur: Die Chemie des Sehens Vitamin A (Retinol) ist ein für den Sehvorgang unentbehrlicher Faktor, der mit der Nahrung zugeführt werden muß. Mangel an Vitamin A verursacht Nachtblindheit. Lebende Organismen benutzen ein Enzym namens Retinol-Dehydrogenase, um das Vitamin zu frans-Retinal zu oxidie-

ren.

Dieses

Molekül

ist Bestandteil

der

Licht-

rezeptorzellen des menschlichen Auges. Bevor es jedoch seine Funktion erfüllen kann, muß es durch ein weiteres Enzym, Retinal-Isomerase, zum cis-Retinal isomerisiert werden.

CH;

CH i)

Retinal-

H ‚C

Hm

nr Ar

H

1sSomerase

|

|

H

l

ä 3°CH,

Frech; CH 0%

Ö cis-Retinal

trans-Retinal

Dieses Molekül paßt gut in das aktive Zentrum eines Proteins, das Opsin heißt (molare Masse etwa 38000). cis-Retinal reagiert mit einem der Amin-Substituenten des Opsins, wodurch das Imin Rhodopsin entsteht, die lichtempfindliche Substanz des Auges. Das Elektronenspektrum des Rhodopsins, Ana = 306 nm (e = 40000), spricht für das Vorliegen einer protonierten Imingruppe. Trifft ein Photon auf ein Rhodopsin-Molekül, isomerisiert der cis-Retinal-Teil extrem schnell, in

nur einigen Picosekunden (10°? s), zum transIsomer. Diese Isomerisierung bewirkt erhebliche geometrische Veränderungen, welche offenbar das genaue Passen des ursprünglichen Moleküls in den Proteinhohlraum beträchtlich stören. Innerhalb von Nanosekunden (10° s) entstehen aus diesem Photoprodukt eine ganze Reihe neuer Intermediate, die von Konformationsänderungen

in der Proteinstruktur begleitet werden, was schließlich zur Hydrolyse des schlecht passenden Retinal-Moleküls führt. Diese Reaktionsfolge induziert das Nervensignal, das von uns als Licht wahrgenommen wird. Dann wird das trans-Retinal durch die Retinal-Isomerase zum cis-Retinal isomerisiert und bildet wiederum Rhodopsin, welches für ein neues Photon frei ist. Das Beeindrukkende an diesem Mechanismus ist die Empfindlichkeit, die es dem Auge ermöglicht, eine so kleine Lichtmenge wie ein Photon auf der Netzhaut zu registrieren. Bemerkenswerterweise benutzen alle bekannten visuellen Systeme der Natur, auch wenn sie evolutionär eine vollkommen unterschiedliche Vergangenheit haben, das Retinalsystem zur visuellen Anregung. Offensichtlich liefert diese Molekül die optimale Lösung des Problems des Sehens.

(

Protein +

cis-Retinal

863

ee

18.9 Eigenschaften a,ß-ungesättigter Aldehyde und Ketone Durch die Konjugation erhalten die a,ß-ungesättigten Aldehyde und Ketone zusätzliche Stabilität im Vergleich zu entsprechenden nichtkonjugierten Verbindungen. In diesem Abschnitt werden einige Folgen dieser Stabilisierung vorgestellt und Reaktionen beschrieben, die charakteristisch für die beteiligten funktionellen Gruppen des Enon-Systems sind.

Konjugierte ungesättigte Aldehyde und Ketone sind stabiler als ihre nichtkonjugierten Isomere Wie konjugierte Diene (Abschn. 14.5) sind auch a,ß-ungesättigte Aldehyde und Ketone durch Resonanz stabilisiert. Resonanz im 2-Butenal

9

:0:7

on

| |CH;CH=CH—CH «> CH;CH=CHCH,CH =, —

CH,CH=CHCH

3-Butenal

2-Butenal

H "oder HO”,H,O 5

|

|

EZ

3-Cyclohexenon

2-Cyelohexenon

Mechanismus der säurekatalysierten Isomerisierung

ß.y-ungesättigter Carbonylverbindungen

"3 |

CH;=CHCH-CH

H*

——

:OH

aa see

Pi

H*

=—— H

Dienol

a :OH =

H-ChzCHcHc

54 OH >

H

CH,CH=CH—

&

o |

=——

CH;CH=CHCH

ei H

Die Isomerisierung kann säure- oder basekatalysiert sein. Der säurekatalysierte Weg verläuft über ein protoniertes Dienol. Protonierung am von der Hydroxygruppe abgewandten Ende führt zu einem resonanzstabilisierten

Carbenium-Ion,

das am Sauerstoffatom

18.9 Eigenschaften a,ß-ungesättigter Aldehyde und Ketone

unter Bildung

des Produktes deprotoniert wird. In der basekatalysierten Reaktion ist ein konjugiertes Dienolat-Ion das Intermediat, welches am Kohlenstoff-Ende reprotoniert wird.

Mechanismus der basekatalysierten Isomerisierung ß,y-ungesättigter Carbonylverbindungen

| CH>=CHCH;>CH

FE + HO:

=

|

CH,=CH—CH—CH

en

«>

CH; =CH—CH=CH

+—

-

E

:CH2—CH=CH—-CH | + HOH

ns

Dienolat-Ion

:O:

| R CH3CH=CHCH + HO:a,ß-Ungesättigte Aldehyde und Ketone gehen Reaktionen ein, die für ihre einzelnen funktionellen Gruppen typisch sınd a,ß-Ungesättigte Aldehyde und Ketone gehen zahlreiche Reaktionen ein, deren Ausgang durch die Kenntnis der Chemie der KohlenstoffKohlenstoff-Doppelbindung und der Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindung vollkommen vorausgesagt werden kann. Beispielsweise führt die Hydrierung über Palladium auf Aktivkohle zu gesättigten Carbonylverbindungen. H;, Pd/C, CH;CO,CH;CH; >

(Ethylacetat als Lösungsmittel)

0

O 95%

Gewisse spezielle Katalysatoren bewirken eine selektive Reduktion der Carbonylgruppe, ohne die Alken-Doppelbindung anzutasten.

u

L

|

C=CHCH

H-, NPtO,,

—

s

FeSO,,Z lan „ ZU

2

3.106Pa

BE

0»)

H;C

|

C=CHCHOH

H;C 3-Methyl-2-buten-1-ol

3-Methyl-2-butenal

Die Doppelbindung einiger konjugierter Enone kann eine „konjugierte Reduktion“ durch reduzierende Systeme eingehen, die wir schon früher zur Umwandlung von Alkinen in frans-Alkene kennengelernt haben: Alkalimetall in flüssigem Ammoniak (Abschn. 13.7).

oO

oO CH;

1.Li,f.NH, 2.H*, H,O

H Ha

——

H

50% 865

18

Enole und Enone

Die Mechanismen dieser Reduktionen sind ähnlich und schließen zwei Ein-Elektronen-Übertragungen und zwei Protonierungen ein. Bei der Reduktion von Enonen ergibt die erste Elektronenübertragung ein resonanzstabilisiertes Enolatradikal-Ion, welches hinreichend basisch ist, um

vom Lösungsmittel Ammoniak zum entsprechenden Radikal protoniert zu werden. Weitere Reduktion ergibt das Enölat-Ion, welches bei der wäßrigen Aufarbeitung protoniert wird. Man beachte, daß im Unterschied zur Pinakol-Reaktion (Abschn. 17.10) bei dieser Reduktion keine Kupplung stattfindet.

Mechanismus der Reduktion konjugierter Enone und Enale mit Alkalimetall in Ammoniak (Anmerkung:

Die Konfiguration der Doppelbindungen ist nicht angegeben.)

Schritt

1 Erste Ein-Elektronen-Übertragung

Schritt

2_ Protonierung 0

Sesnilaunl Et Schritt

HN

hi a

ui +": NH

3 Zweite Ein-Elektronen-Übertragung

Bi

N

En

Kran

RT

23

|

is

Schritt 4 und 5 Protonierung und Keto-Enol-Tautomerisierung wäßrige Aufarbeitung

durch

Diese Methode erlaubt die selektive Reduktion der konjugierten Doppelbindung in Gegenwart von nichtkonjugierten Doppelbindungen.

CH3

CH; 866

2.NH,CI, H,O

ne

o

H

1. Li, f. NH, CH»

vg CH;

Ra H;C A

E SZ

98%

1er CH;

CH3

Eine andere nützliche Eigenschaft dieser Reaktion ist die anfängliche Bildung eines Enolat-Ions. Eine Alternative zur wäßrigen Aufarbeitung besteht in der Behandlung mit alkylierenden Reagenzien.

o er

hai i,0. NH;

Die “2 Bo ee

o

H

18.9 Eigenschaften a,ß-ungesättigter Aldehyde und Ketone

u CH;

H 40% 2,2-Dimethylcyclohexanon

2-Methyl2-cyclohexenon

Elektrophile Angriffe erfolgen am Kohlenstoff-Kohlenstoff-r-System. Zum Beispiel erhält man bei einer Bromierung eine Dibromcarbonylverbindung.

|

CHLCH-CHCCH, I,

nee!

CH.CHEHCCH, Br

60% 3-Penten-2-on

3,4-Dibrom-2-pentanon

Die Carbonylgruppe unterliegt den bekannten Additionsreaktionen. So führt die Reaktion mit Aminen zu den zu erwartenden Kondensationsprodukten (s. jedoch Abschn. 18.10) OH

il CH=CHCCH3

N NH>OH, H*

CH=CHCCH3

—_

4-Phenylbut-3-en-2-on

Oxim Smp. 119-120°C

Übung 18-19 Schlagen Sie eine Synthese von 1-Pentanol vor, die von Propanal ausgeht. >

Wir fassen zusammen: a,ß-ungesättigte Aldehyde und Ketone sind stabiler als die entsprechenden nichtkonjugierten Verbindungen. Sowohl Säuren als auch Basen katalysieren die Umwandlung der Isomere. Reaktionen, die typisch für Alkene und Carbonylverbindungen sind, sind auch charakteristisch für a,ß-ungesättigte Aldehyde und Ketone.

867

18 Enole und Enone

18.10 Konjugierte Additionen an a,ß-ungesättigte Aldehyde und Ketone In diesem Abschnitt wird erklärt, wie die konjugierte Carbonylgruppe von a,ß-ungesättigten Aldehyden und Ketonen Reaktionen eingehen kann, die die Funktionalität des Systems als Ganzes erfordern. Dabei handelt es sich um 1,4-Additionen, denen wir schon bei der Behandlung des 1,3-Butadiens begegnet sind (Abschn. 14.6). In Abhängigkeit vom Reagenz können solche Reaktionen säurekatalysiert, radikalisch oder durch nucleophile Additionsmechanismen ablaufen.

Bei 1,4-Additionen ist das gesamte konjugierte System beteiligt Die in Abschnitt 18.9 beschriebenen Reaktionen a,ß-ungesättigter Aldehyde und Ketone können als 1,2-Additionen an eine der beiden r-Bindungen des Systems klassifiziert werden. Beispiele sind die im letzten Abschnitt

diskutierten Additionen

von Br, an die Kohlenstoff-Kohlen-

stoff-Doppelbindung und von NH,OH an die Kohlenstoff-SauerstoffDoppelbindung von a,ß-ungesättigten Aldehyden und Ketonen. 1,2-Addition eines polaren Reagenzes A-B an ein konjugiertes Enon o

N &

Be Pi

Tin

x

2

a

IR

SIE

2

A

c=C

|

Fi

B

D;

Verschiedene Reagenzien reagieren mit dem n-System jedoch unter 1,4-Addition, die auch konjugierte Addition genannt wird. In diesen Umwandlungen verbindet sich der nucleophile Teil des Reagenzes mit dem ß-Kohlenstoffatom, und der elektrophile Teil (meist ein Proton) wird an das Carbonyl-Sauerstoffatom gebunden. Das zunächst gebildete Produkt ist ein Enol, welches dann zur Ketoform

tautomerisiert.

1,4-Addition eines polaren Reagenzes A-B an ein konjugiertes Enon

?

Neeas

c

EN

ie, —

=

L

A=H ars,

|

Ba

Line

B

B

e) N

H

neue Bindung an das P-Kohlenstoffatom

Konjugierte Addition von Sauerstoffund Stickstoff-Nucleophilen Wasser, Alkohole und Amine

können

1,4-Additionen eingehen. Obwohl

diese Reaktionen durch Säuren oder Basen katalysiert werden können, werden die Produkte in Gegenwart von Basen schneller und in höherer Ausbeute gebildet. Man beachte, daß die Hydratisierung einer a,ß-ungesättigten Carbonylverbindung die Umkehrung des zweiten Schrittes der Aldolkondensation ist. In der Tat wird die 1,4-Addition bei höheren Temperaturen 868

reversibel, und es können auch andere Produkte gebildet werden - beispielsweise aus Aldol- oder Amin-Kondensationsreaktionen (Abschn. 18.5).

| CH,=CHCCH, HU: CaOB),,

B-5°C

18.10 Konjugierte Additionen an a,ß-ungesättigte Aldehyde und Ketone

| HOCH,CHCH; H

3-Buten-2-on

4-Hydroxy-2-butanon

CH;0

CH;CH=CHCH

I

0 E

O

GSCHOHCH H 50%

2-Butenal

ar

HC .

0

een

3-Methoxybutanal H

HIN ‚H50

CH3NH

2

O

(CH3),JCCHCCH, H|

75% 4-Methyl-3-penten-2-on

4-Methyl-4-(methylamino)-2-pentanon

Der Mechanismus der basekatalysierten Addition an konjugierte Aldehyde und Ketone besteht in einem direkten nucleophilen Angriff am ß-Kohlenstoffatom unter Bildung des Enolat-Ions, welches anschließend protoniert wird.

Mechanismus der basekatalysierten Hydratisierung a,ß-ungesättigter Aldehyde und Ketone

iD c

..

HO:" +> DR

ne 5 EN

Ya Höc—c=c/

al

HOH

=

> |

ge

|

T

+ :OH

:Übung 18-20 Die Behandlung von 3-Chlor-2-cyclohexenon mit Natriummethoxid in Methanol 3-Methoxy-2-cyclohexenon. Beschreiben Sie den Mechanismus dieser Reaktion.

ergab

Ü Übung 18-21 | Schlagen Sie einen Mechanismus für die folgende Reaktion vor:

che

o | HCI, H>O CH, -CHÜCH, # NIENBS 0

N

N H

|

+ H,O

CsH sC CH=CH

>

1-Phenylpropenon |xcn H'

Cyanwasserstoff reagiert mit konjugierten Carbonylverbindungen zu ß-Cyanocarbonylverbindungen Im Gegensatz zur Cyanhydrinbildung (Abschn. 17.11) kann die Behandlung von konjugierten Aldehyden oder Ketonen mit Cyanid in Gegenwart von Säure zu einem Angriff des Cyanid-Ions am ß-Kohlenstoffatom führen. Obwohl das Endprodukt der Reaktion den Anschein einer 1,2-

ls

l

THOREN

H 67% 4-Oxo-4-phenylbutannitril

869

18 Enole und Enone

Addition an die C—C-Doppelbindung erweckt, verläuft sie tatsächlich über eine 1,4-Addition mit anfänglicher Protonierung des CarbonylSauerstoffatoms, gefolgt von einem ß-Angriff und schließlich einer Keto-Enol-Tautomerisierung. Mechanismus der Addition von Cyanwasserstoff an eine a,ß-ungesättigte Carbonylverbindung

Schritt

:O:

HOS

C6HsCCH=CH, == |

1 Protonierung

H'

HO:

|C6HsSC—CH—=CHz —

Schritt

HO:

CeHsC--CH=CHz «— CoHsC=CH— CH; ERBEN

+

2_Cyanid-Angriff

Ho;

HO:

CHseIcHLm

T: C=N: —— CgHsC=CH—CH,CN

Schritt 3 Keto-Enol-Tautomerisierung

ar CoHs5C=CHCH>CN

m

ROH

Smeiad

H

Wir fassen zusammen: a,ß-ungesättigte Aldehyde und Ketone sind aufgrund ihrer Fähigkeit, 1,4-Additionen einzugehen, wertvolle Bausteine in der organischen Synthese. Die Addition von Cyanwasserstoff führt zu ß-Cyanocarbonylverbindungen. Auch Sauerstoff- und Stickstoff-Nucleophile können an das ß-Kohlenstoffatom addieren.

18.11 1,2- und 1,4-Additionen

metallorganischer Reagenzien Metallorganische Reagenzien können an a,ß-ungesättigte Carbonylfunktionen zu 1,2- oder 1,4-Addukten reagieren. Organolithium-Verbindungen reagieren zum Beispiel bevorzugt unter direktem nucleophilen Angriff an das Carbonyl-Kohlenstoffatom.

Ausschließliche 1,2-Addition einer Organolithium-Verbindung

N

C=CHCcH

1. CHaLi, (CH3CH2)20

OH

H;C

it_

H;C

H3C

CH; 81%

4-Methyl-3-penten-2-on

Andererseits Additionen.

870

ergeben

2,4-Dimethyl-3-penten-2-ol

Cuprate

nur

die Produkte

von

konjugierten

Ausschließliche 1,4-Addition eines Organocuprats

18.11 1,2- und 1,4-Additionen metallorganischer Reagenzien CH; |

1. (CH3)3CuLi, THF, —78°C, 4 h

EHL(CHDICH=CEH Be er

muras

O0

in CHACHISCHCHCH

CH;

CH3 40% 2,3-Dimethylnonanal

2-Methyl-2-nonenal

6) l. (CHa=CH),CuLi,

2. H’, H,O

THF,

—78°C

H

CH=CH, 65% 3-Ethenylcyclohexanon

2-Cyclohexenon

(3-Vinyleyclohexanon)

Man geht davon aus, daß die Kupfer-vermittelten 1,4-Additionen durch schnelle und komplexe Elektronenübertragungsmechanismen ablaufen, wobei Radikale und möglicherweise andere OrganokupferSpezies als Intermediate durchlaufen werden. Das erste isolierbare Zwischenprodukt ist ein Enolat-Ion, welches mit Alkylierungsreagenzien abgefangen werden kann, wie es in Abschnitt 18.4 gezeigt wurde. Die konjugierte Addition gefolgt von einer Alkylierung stellt eine nützliche Sequenz zur a,ß-Dialkylierung ungesättigter Aldehyde und Ketone dar. a,ß-Dialkylierung ungesättigter Carbonylverbindungen

0

L

1. RzCuLi

Vest NER ie

N

|

0

|

en

Due

Beispiel: 6)

1. (CHsCH>CH>CH>)CuLi, THF 2. CH3l

CH

CH;

7 N CH,CH,CH>CH; 84%, 4:1

>

Gewöhnliche

I CHCHLCH;CH;

trans- und cis-3-Butyl-2-methylcyclohexanon

Grignard-Reagenzien

reagieren

mit

a,ß-ungesättigten

Aldehyden und Ketonen in einer 1,2-Addition, einer 1,4-Addition oder

beiden Wegen, je nach Struktur, Reaktionsbedingungen und reagierender Verbindung.

Übung 18-22 Wie könnte man die folgenden Verbindungen aus 3-Methyl-2-cyclohexenon darstellen? Hinweis: Arbeiten Sie rückwärts; der letzte Schritt in Aufgabe b ist eine intramolekulare Aldolkondensation. oO

OÖ

CH; (a)

CH,

CH;

(b)

CH; 871

Kasten 18-5 Prostaglandine: a,ß-Dialkylierung in der Synthese

stellen sie potentielle Pharmaka von

Die a,ß-Dialkylierung wurde bei der Totalsynthese von Prostaglandinen, einer physiologisch extrem aktiven Substanzklasse, ausgenutzt (s. Kasten 11-1 u. Abschn. 19.14). Die Prostaglandine scheinen eine bemerkenswerte Vielfalt physiologischer Funktionen zu steuern, darunter die der Drüsen und Nerven, die Fortpflanzung, Verdauung, Atmung, die Aggregation der Blutplättchen, sowie

die Funktionen

und Nierensystems.

Wegen

des Herz-,

erhöhtem

Blutdruck,

zur Behandlung

Asthma,

Fieber,

Ent-

zündungen und Geschwüren dar. Eines der kommerziell erhältlichen Prostaglandine löst bei schwangeren Frauen Wehen aus. Andere finden ihre Anwendung in der Tierzucht, um die Brunstzeit von Tieren zu kontrollieren. Eine Synthese des Prostaglandins PGF,,, die von Stork* entwickelt wurde, schließt zwei konjugierte Additionen sowie eine Aldolreaktion ein.

Kreislauf

dieser Eigenschaften

*

Professor Gilbert Stork, geb. 1921, Columbia

University.

Eine Prostaglandin-Synthese (R, R', R" sind Schutzgruppen; C,H, , = pentyl)

o

OLE

sHıı\

1. CH,=0, -50°C

(CH3CH,),0, 78°C

2. H?, 4012108

1 ,4-Addition

RO

\

2

>

CsH) 1

Aldol-Kondensation

RO OR’

1, [rOtCHD4 CH RO

x

+

he #0

CuLi —=/

2

1,4-Addition

6)

ar h CH;

y (CH>)4OR”

ee

RO

ee

®

p

148 CH> ae

nie

(CH3)3CO2H =

CsHıı

&

CH 1

HO

OR’

OH PGF;.«

Wir fassen zusammen: Organolithium-Verbindungen reagieren mit a,ß-ungesättigten Carbonylverbindungen in einer 1,2-Addition, Organocuprate in einer 1,4-Addition. Letztere führt zunächst zu a,ß-substituierten Enolaten, die sich unter Einwirkung von Halogenalkanen zu a,ßdialkylierten Aldehyden und Ketonen umsetzen.

18.12 Konjugierte Additionen von Enolat-Ionen: Die Michael-Addition und die Robinson-Anellierung _ Wie andere Nucleophile können auch Enolat-Ionen konjugierte Additionen an a,ß-ungesättigte Aldehyde und Ketone eingehen; diese Reaktion heißt Michael-Addition*. Sie funktioniert am besten mit Enolaten aus

ß-Dicarbonylverbindungen (Kapitel 23), geht aber auch mit einfacheren Systemen. *

872

Professor Arthur Michael,

1853-1942, Harvard

University.

Die Michael-Addition

RR

ar

CH;CCH>CCH;3

+ CH;=CHCH

|

——

CHCH>CH>CH CH;C

OO

CH;

27%

CH;

O0 | CH>CH>CCEHs

| DE : + CH5=CHCC,H, -CH3CH20_K7, CH,CHZOH, (CHSCH2)O „

64%

Der Mechanismus der Michael-Addition besteht aus einem nucleophilen Angriff des Enolat-Ions auf das ß-Kohlenstoffatom der ungesättigten Carbonylverbindung (den „Michael-Akzeptor“), gefolgt von einer Protonierung. Mechanismus

ce

TASTER

der Michael-Addition

N‘—

Orc

FE

|

SUR

Re

Selen

ol

Die

Wie der Mechanismus zeigt, funktioniert die Reaktion aufgrund des nucleophilen Potentials des a-Kohlenstoffatoms eines Enolates und des elektrophilen Potentials des B-Kohlenstoffatoms einer a,ß-ungesättigten Carbonylverbindung. Bei manchen Michael-Akzeptoren, wie 3-Buten-2-on, können die Produkte der anfänglichen Addition eine weitere intramolekulare Aldolkondensation eingehen, wodurch ein neuer Ring gebildet wird. Michael-Addition gefolgt von einer intramolekularen Aldolkondensation

H;C | oO

+ x

o l CH,=CHCCH,

CH,CH,O "Na", CH,CH,OH, (CH;CH;);0,

mn Michael-Addition

3-Buten-2-on

A, HO” Bis

ER SESTENDIAERT oe:

(0)

0 CH;

CH;

CH;

CH; intramolekulare

Aldolkondensation

— 10°C

- HOH

6)

o

OH

54%

86%

Die Folge aus Michael-Addition und intramolekularer Aldolkondensation wird auch Robinson-Anellierung” genannt. Die Robinson-Anellierung hat bei der Synthese polycyclischer Ringsysteme wie Steroidsynthesen vielfältige Anwendung gefunden.

*

Sir Robert Robinson,

1886-1975, Oxford University, Nobelpreis

1947.

873

18 Enole und Enone

Robinson-Anellierung Michael-Addition

PRTERF

°

A

\

er

el of &

+ H50

2

Aldolkondensation

Übung 18-23 — |

E

o|

Auch Enamine können Michael-Additionen Umwandlung mechanistisch:

| 1,4-Dioxacyclohexan

1,4-Dioxan), r e,=cHhccH, N

oO

| CH3COH,

eingehen.

Erklären

Sie

die

folgende

| CH-CH>CCH;

(6)

Als Na’,

CH3CO H>0, A

nr een

25°C

Ü Übung 18-24 , Schlagen Sie Synthesen der folgenden ‚ Robinson-Anellierungen vor:

|

_ı

Verbindungen

durch

Michael-Additionen

oder

A

0

?

CH 3

;

CeHs

Fassen wir zusammen: Die Michael-Addition ist die konjugierte Addition eines Enolat-Ions an a,ß-ungesättigte Aldehyde oder Ketone und führt zu Dicarbonylverbindungen. Bei der Robinson-Anellierung wird eine Michael-Addition mit einer nachfolgenden intramolekularen Aldolkondensation verknüpft, so daß ein neues cyclisches Enon gebildet wird.

Verständnisübung OCH;3

Oo

Die Robinson-Anellierung ist eine wirkungsvolle Methode zur Darstellung sechsgliedriger Ringe, deshalb wird sie häufig bei Steroid-Synthesen eingesetzt. Schlagen Sie ausgehend von dem auf der Randspalte abgebildeten bicyclischen Keton einen Syntheseweg für das folgende Steroid vor, der eine oder mehrere Robinson-Anellierungen enthält.

OCH;

874

Lösung

Verständnisübung

Die Robinson-Anellierung kombiniert die Michael-Addition an einem a,ß-ungesättigten cyclischen Keton mit einer intramolekularen Aldolkondensation (Abschn. 18.12) unter Bildung eines Cyclohexanons. Die retrosynthetische Analyse (Abschn. 8.9) des Zielmoleküls ergibt den Bruch von zwei Bindungen in Ring A, und zwar der C—C-Doppelbindung infolge einer Retro-Aldolkondensation und einer Einfachbindung durch eine Retro-Michael-Addition. Die Robinson-Anellierung, die zum Aufbau des Rings A verwendet wird, ähnelt der aus dem Beispiel

in Abschnitt 18.12, die unter Kondensation von 2-Methylcyclohexanon mit 3-Buten-2-on verläuft.

OCH;

OCH;

1 oO

&

—,

®

ge OÖ

Jetzt haben wir das Problem

ide

CH;

vereinfacht,

5 OÖ

da wir nun

nicht mehr ein

tetracyclisches, sondern ein tricyclisches Molekül betrachten. Dabei handelt es sich jedoch um ein ß,y-ungesättigtes Keton, das nicht auf den ersten Blick als Produkt einer Robinson-Anellierung unter Bildung des Rings B zu erkennen ist. Wir verschieben dieses Problem auf später und stellen uns die Frage, ob wir eine Robinson-Anellierung formulieren können, die das ursprünglich gegebene Keton in ein tricyclisches Produkt

überführt,

das

dasselbe

Reaktion aufweist. Die Antwort dungsisomer konstruieren:

Gerüst

wie

das

Produkt

ER

PD

Ö

A |

< —#

Br

letzten

is

no De

der

lautet ja, wir können ein Doppelbin-

ER

GI Tase

=

na

CH,O-Na*, CH,OH

küh:ler

o1

EI

=

Ex

=

:

7

=CH:;

ECH CH,CH. CH=CH; | H.C CHC Michael-Addition

OCH;

ea il

e

LG (0)

,

I

rt

U

Aldolkondensation

>

| [=

Wir sind der endgültigen Lösung jetzt schon sehr nahe. Alles was noch verbleibt, ist die Verknüpfung des tricyclischen Ketons, das wir gerade erhalten haben, mit der notwendigen zweiten Robinson-Anellierung. Um dies zu erreichen, müssen wir mechanistisch denken: „Welche Struktur muß das Enolat haben, das für diese Anellierung erforderlich

ist?“ Es ist das rechts dargestellte Molekül in der folgenden Reaktion. Sie werden bemerken, daß es sich um ein allylisches Enolat handelt (Abschn. 14.4), für das eine zweite Resonanzformel möglich ist. Letztere zeigt uns, daß seine Darstellung durch Deprotonierung der allylischen y-Position des tricyclischen Ketons der vorherigen Reaktion möglich ist.

875

OCH;,

OCH; Base

H;C

O

————

en

H;C

Sur

=

ee

ONE

OÖ

ex

resonanzstabilisiertes, allylisches Enolat-Anion

Was bedeutet dies für unsere Reaktionssequenz? Wir können die notwendige zweite Robinson-Anellierung an einem Molekül ausführen, das direkt aus dem ursprünglichen a,ß-ungesättigten Keton synthetisiert wurde. Es ist nicht notwendig, zunächst das ß,y-ungesättigte Keton herzustellen, das wir aus unserer retrosynthetischen Betrachtung erhalten haben, da nach der Deprotonierung dasselbe Enolat erhalten wird. Die vollständige Synthese sieht folgendermaßen aus:

OCH,

L

OCH,

SE

en CH;O Nat, CH;OH

1

OCH;

=——>

o

oO

en

o H,C

5 OCH;

1 CH;CCH=CH;

CH;O-Na*, CH;OH >

Eine letzte Anmerkung: Sie werden bemerkt haben, daß das oben besprochene allylische Anion benzylisch ist, und daher eine weitere Resonanzstabilisierung erfährt, indem der Ring in die Konjugation mit eingebunden wird. Die benzylische Resonanz wird in Abschnitt 22.1 eingehender diskutiert.

Neue Reaktionen Synthesen und Reaktionen von Enolaten und Enolen

1

Enolat-Ionen (Abschn. 18.1) LDA oder KH oder (CH,),CO "K* RCEH,CRT

oder eine andere starke Base, — 78°C

> —

DE RCH==C

Der

Enolat-Ion

2

Keto-Enol-Gleichgewichte (Abschn. 18.2)

RCH,CR' —

kat. H*

oder

ET

HO°

RCH=C R’

876

3

Wasserstoff-Deuterium-Austausch (Abschn. 18.2)

|

D,O, DO” oder D*

RCHSCRE

4

Er ——>

;

RED5CR

Stereoisomerisierung (Abschn. 18.2) R

O

R

Na

oder iO

pen

HS 5

Neue Reaktionen

0)

|

i

eo

RT,d

Halogenierung (Abschn. 18.3)

|

X

Frs

|

REHLCH? 2 I I RCHER: —HX

x Haloform-Reaktion:

|

a

RCCH, #0 , Rccx; 6

|

9 > RCO” + CHX;

Alkylierung von Enolaten (Abschn. 18.4)

>

RCH=C II

|

RX, RCHCR' =

|

RS

R’

Sn2-Reaktion: R’X muß ein primäres oder Methylhalogenid sein

7

Alkylierung von Enaminen (Abschn. 18.4)

N—R

C=C

|

|

"N—R

ET, oc

|

zz

ai

R’

+ R-NH

R’

SS 2-Reaktion: R'X muß ein sekundäres, primäres oder Methylhalogenid sein

8

Aldolkondensationen (Abschn. 18.5 bis 18.7)

os

PERCESCHTT

SS

je

I

ZRCEBEZCHICH

HO,A

ee

HR Aldol-Addukt

us

+ H,O

5 Kondensationsprodukt

Gekreuzte Aldolreaktion (ein Aldehyd ist nicht enolisierbar):

| | ä RCH + R’CH>CH eo . RCH=C

R’

CHO

877

18

Enole und Enone

Ketone:

|

OHR’ tl

nom.

RCCH3>R’

—

1

16) - H50

DS

Kt

zieht das Gleichgewicht

CH>R’

CHR!

Retro-Aldolkondensation:

6) | N A

e —e®

un

HO”.H-0

Karel

er

\

Intramolekulare

CC

—C

el HO='H

„=

HO”, H50

er

|

@

ZEN

Aldolkondensation:

6) = Ss (CH),

ae

9

(CH)

ao

ar

| R'

R’

Weniger gespannte Ringe werden bevorzugt.

9 Synthese u. 18.9)

a,ß-ungesättigter

Aldolkondensation:

Aldehyde

Siehe vorstehende

und

Ketone

(Abschn.

18.8

Reaktionen.

Bromierung-Dehydrobromierung von Aldehyden und Ketonen: (0)

|

EX

RCH>CH;CR’

I

| RCH=CHCR’

2. Base

Wittig-Reaktion mit stabilisierten Yliden:

\| Reiz:

6) |

|

Je=cher'

(CoH5)3P=CHCR’

nr (CH 5); P—=O

Oxidation von Allylalkoholen: HO

N

7

ER ®

C=C

DENE

ii

H

MnO3

N

nn

De,

4

BI

Isomerisierung ß,y-ungesättigter Aldehyde und Ketone zu konjugierten Carbonylverbindungen:

| RCH=CHCH>CH

878

H* oder HO-

un

6) |

RCH>;CH=CHCH

Reaktionen a,ß-ungesättigter Aldehyde und Ketone: 10

Neue

Reaktionen

Reduktionen (Abschn. 18.9)

Hydrierung

ı C

Bi

N an > DE a 0 N

h

C=G

Ga

OÖ

Ce Erler H

HO

N

/ N Hy, PtO,, FeSO,, Zu(OCOCH;),, 3106 Pa N -

Ss

ee

—E

%

Dr

H

Aue

N

Reduktion durch Ein-Elektronen-Übertragung

| e

ee

%

ag

NH,

So,

rs

ak

(6)

1/9

Reduktion-Alkylierung

|ETHUNEE

de

Na POS: a N

2 Ya N

ne |

OÖ

H

11

Halogenaddition (Abschn. 18.9)

| EEE c—=C 4

N

7 Se IS

|

Sn

REN

12

Kondensation mit Amin-Derivaten (Abschn. 18.9) vr

6) | Z

es

N

|

z

CC ER N

Z = OH, NH3;, RNH, R, etc.

| Konjugierte Additionen an a,ß-ungesättigte Aldehyde und Ketone

13

Cyanwasserstoff-Addition (Abschn. 18.10)

879

18 Enole und Enone

14

Wasser, Alkohole und Amine (Abschn. 18.10)

oO

Fo) Be

un

rt

\

OH H

@

ee

Eh

—

ee

|.

Ko

OR H

RNH>

en

Ina

OÖ

I

ee

(6)

San

RNH H

15

Metallorganische Reagenzien (Abschn. 18.11) HO IE RLi

S

2.H*, H,O 2

N

22

Er

R

BE

z

N 1,2-Addition

OÖ

I, Ren

el R

H

1,4-Addition

Cuprat-Addition gefolgt von Alkylierungen des Enolates:

oO

h

1.RaCuLi

BR N

16

el

ee

0

R@

RE

Michael-Addition (Abschn. 18.12)

-

n Nc=c s

|€ = Nce=c

OÖ

RR —>

Syn

——

|

72

Seh |

Gr

x

Ö

CH>

Ö

oO

BE | RC—C—C—C— CR’

17 _Robinson-Anellierung (Abschn. 18.12)

880

>

2,25% Ba

HOZ

o

Wichtige Konzepte 1 Die der Carbonylgruppe benachbarten Wasserstoffatome sind acide wegen der elektronenziehenden Eigenschaft der Carbonylgruppe und weil die gebildeten Enolat-Ionen resonanzstabilisiert sind.

2 Ein elektrophiler Angriff auf Enolate kann sowohl am a-Kohlenstoffatom als auch am Sauerstoffatom erfolgen. Halogenalkane bevorzugen in der Regel die erste Möglichkeit. Die Protonierung am Sauerstoffatom führt zu Enolen. 3 Enamine sind neutrale Analoga der Enolate. Sie können zu Iminium-Kationen ß-alkyliert werden. Diese hydrolysieren bei wäßriger Aufarbeitung zu Aldehyden oder Ketonen. 4 Aldehyde und Ketone stehen mit ihren Enolformen im Gleichgewicht. Die Umwandlung wird durch Säuren oder Basen katalysiert. Dadurch besteht die Möglichkeit einer einfachen a-Deuterierung und die der stereochemischen Äquilibrie-

rung. 5 Die a-Halogenierung gen kann säure- oder der Säurekatalyse wird auf die Doppelbindung

von Carbonylverbindunbasekatalysiert sein. Bei das Enol durch Angriff halogeniert; eine weitere

Enolisierung wird durch das schon vorhandene Halogenatom stark verlangsamt. Bei der Basekatalyse wird das Enolat am Kohlenstoffatom angegriffen, und die erneute Enolatbildung wird durch die schon eingebauten Halogenatome beschleunigt.

6 Enolate sind Nucleophile und greifen in der Aldolreaktion die Carbonyl-Kohlenstoffatome von Aldehyden und Ketonen reversibel an. In der Michael-Addition wird das ß-Kohlenstoffatom a,ß-ungesättigter Carbonylverbindungen angegriffen.

7

Carbonyl-Ylide sind resonanzstabilisiert.

8 a,ß-Ungesättigte Aldehyde und Ketone zeigen die normale Chemie der jeweiligen Doppelbindung (C=C oder C=O). Das konjugierte System kann auch als Ganzes reagieren, wie säure- und basekatalysierte 1,4-Additionen zeigen (konjugierte Addition). Cuprate alkylieren die ß-Position, wahrscheinlich durch einen Elektronenübertragungsmechanısmus. Auf eine ß-Protonierung bei Reduktionen in flüssigem Ammoniak kann eine a-Alkylierung des gebildeten Enolat-Ions folgen.

Aufgaben 1 Zeichnen Sie die Formeln von (i) jedem Enol und (ii) jedem EnolatIon, das aus einer jeden der folgenden Verbindungen gebildet werden kann. (0)

(0)

|

(a)

»CH3CH>CCH>CH3

(e)

OÖ (b)

CH, CH3

CHO

CH3CCH(CH3)

Hie

(0)

CH;

(0

D (@)

HC,

?

CH;

dh)

(CH3)3CCH

\

.(CH,),CCH,CH

(d)

881

18

Enole und Enone

2 Welche Produkte würden entstehen, wenn man eine jede der Carbonylverbindungen aus Aufgabe 1 behandeln würde mit (a) alkalischem DO; (b) 1 Aquivalent Br, in Essigsäure; (ec) überschüssigem Ch, in wäßriger Base.

3 Beschreiben Sie die experimentellen Bedingungen, die Ihnen am geeignetsten erscheinen, um die folgenden Verbindungen aus den entsprechenden unhalogenierten Ketonen darzustellen.

11 (a)

Bin

CoH5CHCCH;

(b)

SESREl

| (ec)

CH;CCH3>Cl

Eure]

4 Welche Produkte sind zu erwarten, wenn man Cyclohexanon mit einem Aquivalent LDA umsetzt, gefolgt von einem Äquivalent von:

() (b)

CH3CH>Br (CH3)>CHCI O

5

(©)

een

(d)

(CH3);CCl

IN

Y-cn,

Welches sind die Produkte der folgenden Reaktionssequenzen:

@).

KeiLcHo

6 Das Problem einfacher und doppelter Alkylierung von Ketonen durch Behandlung mit Iodmethan und Base wurde in Abschnitt 18.4 erwähnt. Schreiben Sie einen detaillierten Mechanismus, der zeigt, wie selbst dann eine geringe Menge Dialkylierungsprodukt entsteht, wenn nur ein Äquivalent Iodmethan und ein Äquivalent Base vorhanden sind. Glauben Sie, daß. das Problem durch die Alkylierung der entsprechenden Enamine gelöst werden kann? Erklären Sie Ihre Antwort. 7 Würde die Alkylierung eines Enamins anstatt eines Enolates durch ein sekundäres Halogenalkan eher zur erfolgreichen Alkylierung eines Ketons führen? 8 Schlagen Sie einen Mechanismus für die säurekatalysierte Hydrolyse des Pyrrolidin-Enamins von Cyclohexanon vor (s. Rand). 9 Zeichnen Sie die für die folgenden Aldoladditionen sationen zu erwartenden Produkte.

882

bzw. -Konden-

NaOH

Aufgaben

(a)

2 ( y-amcno ZIELE

(b)

Ü Y-cuo + (CH3), CHCHO ——

NaOH

OCH3 (©)

ea

ers

A

CHO

(4)

Ben CHO

10 Wie würden Sie die folgenden Verbindungen bzw. -kondensationen darstellen?

mit Aldoladditionen

|

OH

(a)

|

ae

(d)

CH=CHC

CH(CH3)2

CH;

HO CH,CH3 (b)

CH3CH>CHCHCCHO

CH>CH>

en

(e)

CH;CH;z

m (c)

EEE

o

(f)

year ud

CEBCESCH:CH>

OH

11 Aldolkondensationen können durch Schlagen Sie einen Mechanismus für eine densation vor, und verdeutlichen Sie dabei weis: Überlegen Sie, welches Nucleophil liegt, in der kaum

Säuren katalysiert werden. säurekatalysierte Aldolkondie Rolle des Protons (Hinin einer sauren Lösung vor-

Enolat-Ionen vorhanden

sein werden).

12 Ein frischer Salat könnte die folgenden Verbindungen enthalten: 2Hexenal (Aroma von Tomaten), 3-Octen-2-on (Pilzgeschmack), 2-Nonenal und 2,4-Nonadienal (Geschmack und Aroma von Gurken). In Abschnitt 18.8 wurde die Synthese von 2-Nonenal vorgestellt. Schreiben Sie ähnliche Reaktionsfolgen für die Darstellung der übrigen dieser natürlich vorkommenden Verbindungen aus gesättigten Aldehyden. 13 In Abschnitt 18.83 wurden vier präparative Wege zu a,ß-ungesättigten Aldehyden und Ketonen beschrieben. Wählen Sie für jede der folgenden Verbindungen die Methode aus, die nach Ihrer Meinung besonders geeignet und praktikabel ist.

0)

ER@ 3)

(b) (a)

x

CH,CH>CH3 2 3

r:

VER HzC

© 6)

| (c)

H>C=CHCCH>CH>CH>CH>CH3

883

18 Enole und Enone

14 Geben Sie für jede der Carbonylverbindungen aus Aufgabe 13 die zu erwartenden Hauptprodukte der Reaktion mit den folgenden Reagenzien an.

(a) H,, Pd, CH,CHH,OH

(b) LiAIH,, (CH;CH>);O

(ce) Ch, CCh

(d) KCN, H', H,O

(e) eR,Bi

1)

(CH;CH3)>,O

(8) NH,NHCNH;,,

CH;CH,OH

(CH;CH;CH>CH;3),CuLi,

THF

(h) (CH;CH;>CH>CH;3),CuLi,

n

gefolgt von der Behandlung mit

CH;,=CHCH;Cl in THF 15 Zeichnen Produkte:

Sie die für die folgenden

zu erwartenden

l. LDA

|

(a)

Reaktionen

CH3CH3Br | CeaHsCCH>CH>CH3z _2. I. NaH 2 na

H (b)

0

OO > —

6)

H H;C

CH; I

(©)

(CH3)>CuLi

2. C6HsCH3CI (0) CH; OH

(d)

l. Li, NH 2. CH3CH>CH;Cl

CH3

Ö (0) CH; &

LDA

(CH;3)4Br () Formulieren Sie einen detaillierten Mechanismus

16 Welche Produkte werden bei wäßriger Aufarbeitung gebildet?

| (a)

CeoH5CCH3

|,

+ CH>5=CHCCEHs5

o | SIGHSBC- CHCHE

(b) O (ce)

884

den

1. (CHH=CH)zCuLi 2. CH-=CHCCH3z EEE TE

folgenden

1A

——>

für Reaktion e.

Reaktionen

nach

1. (CH3)>CuLi Den

CH3

Aufgaben

(d)

? 10)

(e) Welche Ergebnisse erwarten Sie bei der Behandlung der Produkte aus den Reaktionen e und d mit Base? 17

Schreiben Sie die Endprodukte der folgenden Reaktionssequenzen:

\

LH (a)

h a0CH;, CH+OH, DECH,—CHöcH, nn,

A

|

nz

I

(b)

me

OÖ ih

OÖ

|

KOH,

CH;:OH,

+ CH-=CHCCH, ——

A

I. NaH, (CH4CH>)O 2; ai

3

(6) (c)

(d) Formulieren Sie einen detaillierten Mechanismus für Reaktions-

folge c. 18

Schlagen Sie Synthesen für die folgenden Verbindungen vor, wobei

Sie

von

Michael-Additionen

Gebrauch

machen,

denen

Aldolkonden-

sationen folgen (z.B. Robinson-Anellierung). Jede der abgebildeten Verbindungen kommt in einer oder mehreren Totalsynthesen von Steroidhormonen vor.

(a)

o (b)

CO>CHJCH, CHE

)

\

(U

KERO

Er

o CH; (4) o 885

6) | 3-Buten-2-on

19 Erwarten Sie, daß die Addition von HCl an die Doppelbindung von 3-Buten-2-on der Markovnikov-Regel hinsichtlich der Orientierung der Addition folgt? Erklären Sie Ihre Antwort durch ein mechanistisches Argument. 20 Die unten gezeigten Verbindungen sind Bestandteile einer sehr geschickten Steroidsynthese für die Klasse der Cortisone. Beschreiben Sie, wie (Reagenzien, Reaktionsbedingungen) die drei Umwandlungen (a, b, c) ausgeführt werden könnten.

CH;

Cr

OR

i

CH;

OR

(b) H;C Ö

CHOR

Ö (ce)

H;C

OÖ R = Si(CH,)„C(CH3),, eine Schutzgruppe für Alkohole

Die letzte Reaktion der Sequenz (c) könnte zu einem unerwünschten isomeren Produkt führen. Schlagen Sie eine Struktur für dieses Isomer vor, schreiben Sie einen Mechanismus für seine Bildung und nennen Sie einen Grund, warum tatsächlich die abgebildete Verbindung isoliert wird. 21 Schlagen Sie anhand der gegebenen jede der folgenden Verbindungen vor:

Informationen

Strukturen für

(a) C;H,00, NMR-Spektrum A, UV Amax(&) = 280 (18) nm. (b) C;H3O, NMR-Spektrum B, UV Anax(&) = 220 (13200), 310 (40) nm. (c) C,H15, NMR-Spektrum C, UV Amax(&) = 189 (8000) nm. (d) C,H];0, NMR-Spektrum D, UV Anax(&) = 282 (25) nm.

Schlagen Sie nun für jede der folgenden Umwandlungen geeignete Reagenzien vor (Die Buchstaben beziehen sich auf die Verbindungen, die die NMR-Spektren A—D haben). (e) A—> C dd B-——D () B—A

22 Die Behandlung von Cyclopentan-1,3-dion mit lodmethan Gegenwart von Base führt zu einem Gemisch aus drei Produkten:

oO

o NaOH, CH3l

na

H

Oo

Ar

CH;

|

O

CH;

Oo i

886

O

CH;

H -t

Oo ü

in

OCH; iii

Aufgaben

(a) Geben Sie eine mechanistische Beschreibung der Bildung dieser

drei Produkte.

(b) Die Reaktion von Produkt (iii) mit Cuprat-Reagenzien zum Verlust der Methoxygruppe, z.B. O

führt

(6) je (CH3CH>CH>CH3)>CuLi

2.H", O0 OCH3

CH>CH>CH>CH3

iii

IV

Schlagen Sie für diese Reaktion, die einen weiteren Weg zu ß-substituierten Enonen eröffnet, einen Mechanismus vor. (Hinweis: Betrachten Sie Übung 18-20.) Eine ungewöhnliche Synthese von Steroiden beinhaltet die folgenden zwei Reaktionen:

der Cortisongruppe

CH; OC(CH3)3 (CH3);CO OC(CH3)3

K*, Benzol

{

Ar CH;CHCH>CH3Br

CH; CH3l, (CH3)3CO”K*, Benzol

OC(CH3)3

EICH OC(CH3)3

x

CH;

OÖ |

H;C

OC(CH3)3 (CH3)3CO

Ö \

887

18 Enole und Enone

3H

3H

2H

5.0

4,5

4.0

3:5

3.0

2.5

300-MHz-"H-NMR-Spektrum

888

2.0 ö

1.5

1.0

0,5

Aufgaben

300-MHz-"H-NMR-Spektrum

ö

(a) Schlagen Sie Mechanismen für diese beiden Umwandlungen vor. Überlegen Sie sich gründlich, wo das Edukt-Enon deprotoniert wird. Insbesondere wird das Alkenyl-Wasserstoffatom in dieser Reaktion nicht als erstes durch Base abgespalten. (b) Schlagen Sie eine Reaktionsfolge vor, durch die die durch Pfeile

markierten Kohlenstoffatome in der abgebildeten Struktur Bildung eines sechsgliedrigen Ringes verbunden werden.

unter

24 Die folgende Steroidsynthese enthält modifizierte Versionen von zwei wichtigen Reaktionstypen, die in diesem Kapitel behandelt wurden. Identifizieren Sie diese Reaktionstypen und formulieren Sie detaillierte Mechanismen für die dargestellten Reaktionen. H3C

Kae

)

OD

(CH,);CO"K*, THF

+

u

Zo,. CO,CH3 HC K>COz, CH3OH OÖ CO,CH3

CO;CH3 Ö

Ö

25 Überlegen Sie sich sinnvolle Synthesen für die folgenden Verbindungen. Ignorieren Sie dabei die Stereochemie.

CH; (a)

‚ aus Cyclohexanon.

CN

889

18

Enole und Enone

H3C

CH3

CH; ;

ro „ aus 2-Cyclohexenon

(b)

OÖ

(Hinweis: Stellen Sie im ersten Schritt

CH,

dar).

CH> 26 Setzen Sie die Reagenzien a, b, c, d und e in das folgende Reaktionsschema ein. Jeder Buchstabe steht für einen oder mehrere Reaktionsschritte. Dies ist der Anfang einer Synthese von Germanicol, einem natürlichen Triterpen.

nn (a)

er

on

e

H", HOCH>CH3OH* |

CH;

Germanicol

* **

890

Selektiver Schutz der reaktiveren Carbonylgruppe Hinweis: S. Aufgabe 23.

S

ie

=

(b)**

27 (a) In Abschnitt 18.5 (Kasten 18-2) wurde die enzymatische Oxidation einer Lysingruppe zu einem Aldehyd beschrieben. Welche Arten von Intermediaten sind für eine solche Reaktion zu erwarten? Hinweise: Konsultieren Sie Aufgabe 21 in Kap. 4, Abschn. 3.4 und Abschn. 17.9. (b) Eine ähnliche enzymkatalysierte Oxidation ist der erste Schritt im Metabolismus des Amphetamins, welcher im endoplasmatischen Retikulum der Leber abläuft. Zeichnen Sie die Strukturen sowohl des Endproduktes dieser Oxidation wie auch des Intermediates, das unmittelbar vor dem Endprodukt durchlaufen wird.

CH3 „H

en Oxidation

Amphetamin

Gruppenübung 28 Wird 2-Methylcyclopentanon mit der sterisch anspruchsvollen Base Triphenylmethyllithium unter den folgenden zwei unterschiedlichen Reaktionsbedingungen umgesetzt, so werden die beiden möglichen Enolate in unterschiedlichen Mengenverhältnissen gebildet. Warum?

O

|

er \

\

CH;

(GH;C

N

Li

/

0U 9a N

U;

Bedingung A: Überschuß an Base Bedingung B: Überschuß an Keton

72% 6%

!

O-Li* CH;

n

s

Br N \

URER,;

CH; 7

28% 94%

Um dieses Problem zu lösen, müssen Sie sich das Prinzip der kinetischen Reaktionskontrolle im Gegensatz zur thermodynamischen Reaktionskontrolle vergegenwärtigen (wiederholen Sie Abschn. 11.8, 14.3 u. 18.2). In anderen

Worten:

Welches

Enolat wird schneller gebildet, wel-

ches ist stabiler? Teilen Sie Ihr Team so auf, daß eine Gruppe die Bedingung A, die andere Bedingung B untersucht. Benutzen Sie gebogene Pfeile, um die Elektronenverschiebung darzustellen, die zur Bildung eines jeden Enolates führt. Entscheiden Sie dann, ob Ihre Reaktionsbedingungen zu einer Gleichgewichtseinstellung der beiden Enolate führt (thermodynamische Reaktionskontrolle) oder nicht (kinetische Reaktionskontrolle). Treffen Sie sich wieder, um diese Ergebnisse zu diskutieren, und zeichnen Sie ein qualitatives Potentialenergie-Diagramm, das den Verlauf der Deprotonierung der beiden a-Positionen beschreibt.

891

ri

. #

kicis

HE

ur

L

1 ‘ RT

Hlor

i

Jar ;%

I} KEN

«

I

R

es

re

u

3

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f

FR

J

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98

ERODAHEARNZ

h russ

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“

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er ı

'

D

Erer

I

j

TS

I

AUT

&

Carbonsäuren

Ist an das Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe eine Hydroxygruppe gebunden, ergibt sich eine neue funktionelle Gruppe, die Carboxygruppe, die für die Carbonsäuren charakteristisch ist. Man schreibt diesen

Substituenten

allgemein

—COOH

oder

—CO,H,

wir

werden

in

den folgenden Abschnitten beide Schreibweisen verwenden. Carbonsäuren

sind in der Natur

weit verbreitet,

und

sie sind auch

wichtige Industriechemikalien. Essigsäure ist beispielsweise nicht nur der wichtigste Baustein für den Aufbau komplexer Moleküle in der Biologie, sondern auch ein industrieller Grundstoff, der in großen Mengen hergestellt wird. Wir alle kennen sie, denn sie gibt Essig seinen charakteristischen Geruch und Geschmack. In gewisser Hinsicht kann man Carbonsäuren als HydroxycarbonylDerivate

auffassen, da sie in einigen Reaktionen

O —€C0B Die Carboxygruppe

ähnlich wie Alkohole,

in anderen ähnlich wie Ketone reagieren. Sie zeigen also sowohl: saures als auch basisches Verhalten: das Proton der OH-Gruppe wie auch die ganze Gruppe selbst läßt sich durch andere Substituenten ersetzen, und das Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe kann durch Nucleophile angegriffen werden. Aufgrund der unmittelbaren Nachbarschaft beider Gruppen’hat die Carboxygruppe jedoch auch ihre eigene unverwechselbare Chemie.

elektrophil y Fr basisch

ZINE

öÖ

N

ae OBER

In diesem Kapitel stellen wir zunächst das Nomenklatursystem der Carbonsäuren und einige ihrer physikalischen und spektroskopischen Eigenschaften vor. Danach befassen wir uns mit ihrer Acidität und Basizität, die beide stark von den Wechselwirkungen

zwischen der elektro-

nenziehenden Carbonylgruppe und der Hydroxygruppe beeinflußt werden. Es folgen die Diskussion der Darstellungsmethoden der Carboxygruppe und die Untersuchung ihrer Reaktivität. Bei letzterer wird ein

893

19 Carbonsäuren

neuer Substitutionsmechanismus vorgestellt, der Additions-Eliminierungs-Mechanismus, nach dem die Substitution der Hydroxygruppe durch andere Nucleophile, wie Halogenide, Alkoxide und Amide, abläuft. Die Chemie der Carbonsäure-Derivate, die bei diesen Umset-

zungen entstehen, sind Gegenstand von Kapitel 20.

19.1 Die Nomenklatur der Carbonsäuren Von vielen Carbonsäuren sind die Trivialnamen gebräuchlich, die meist die natürliche Quelle, aus der die Säuren erstmals isoliert wurden, ange-

ben (s. Tab. 19-1). Diese werden auch häufig (insbesondere bei den kleineren Vertretern dieser Verbindungsklasse) in der Literatur verwendet. In den Chemical Abstracts werden die Trivialnamen der beiden einfachsten Säuren, Ameisensäure („formic acid“) und Essigsäure (,„acetic acid“), beibehalten. Im IUPAC-System wird der Name einer Carbonsäure aus dem Namen des Stammalkans durch Anhängen des Wortes -säure abgeleitet. Der Stamm der Alkansäure wird so numeriert, daß das Kohlenstoffatom

der Carboxygruppe die Nummer 1 erhält. Alle Substituenten entlang der längsten Kette, die die funktionelle Gruppe enthält, werden dann mit einem entsprechenden Zahlenvorsatz versehen. Br

u

CH;

H

OH

©

H;C

AS

COOH

CH, =CHCOOH

H

0

(R)-2-Brompropansäure

Propensäure

(2R,3S)-Dimethylpentansäure

(a-Brompropionsäure)

(Acrylsäure)

(aR,$S-Dimetylvaleriansäure)

Die Carboxygruppe hat eine höhere Priorität als alle anderen bisher diskutierten Gruppen. Bei Carbonsäuren mit mehreren funktionellen Gruppen wählt man diejenige längste Kette, die soviele funktionelle Gruppen wie möglich enthält. Gesättigte cyclische Säuren bezeichnet man als Cycloalkancarbonsäuren. Ihre aromatischen Pendants heißen Benzoesäuren. Bei diesen Verbindungen ist jeweils dasjenige Kohlenstoffatom Cl, an das die Carboxygruppe gebunden ist. Rangfolge funktioneller Gruppen

|

RCOH Carbonsäuren

>

1 ER: > RCOR'

I

RCOCR

Anhydride

Ester

>

| jowreaäh > RCNR

RCX

Alkanoylhalogenide

Amide

Tabelle 19-1 Namen

>

RCN

>

Nitrile

RCH

>

Aldehyde

und natürliches Vorkommen

BER’ Ketone

>

ROH Alkohol

>

BSH Thiole

Amine

einiger Carbonsäuren

Konstitution

IUPAC-Name

Trivialname

natürliches Vorkommen

HCOOH CH;COOH CH;CH,COOH

Methansäure Ethansäure Propansäure

Ameisensäure" Essigsäure" Propionsäure

CH;CH>CH,COOH CH;(CH3;);COOH

Butansäure Pentansäure

Buttersäure Valeriansäure

CH;(CH,);,COOH

Hexansäure

Capronsäure

Ameisen Essig Milchprodukte (pion, griechisch: Fett) Butter (besonders ranzige) Baldrianwurzeln Ziegengeruch

(caper, latein.: Ziege) * Benutzt in den Chemical Abstracts.

894

ı

OH

?

CH,CCHCH;CH,COOH |

Ö

COOH

cl 2

Br

HO_

%-COOH

CH,CH;CH;

5-Butyl-6-heptensäure

X

| | Bee

5-Oxo-4-propylhexansäure

1-Brom-2-chlor-

2-Hydroxybenzoesäure

eyclopentancarbonsäure

(o-Hydroxybenzoesäure, Salicylsäure)

Dicarbonsäuren werden systematisch als Alkandisäuren, häufig jedoch mit ihren Trivialnamen benannt. In den folgenden Beispielen sind die IUPAC-Namen und die Trivialnamen einer Reihe von Dicarbonsäuren angegeben.

1

1

HOCCOH Ethandisäure

HOCCH,COH Propandisäure

(Oxalsäure)

HOOCCH3;CH,COOH Butandisäure

(Malonsäure)

HOOC(CH,),; COOH Pentandisäure

(Bernsteinsäure)

HOOC(CH,), COOH Hexandisäure

(Glutarsäure)

HO,CCH=CHCO;H cis-2-Butendisäure

(Adipinsäure)

(Maleinsäure) oder trans-2-Butendisäure (Fumarsäure)

Die Frivialnamen der Carbonsäuren beziehen sich auf ihren natürlichen Ursprung. Butandisäure (Bernsteinsäure) wurde beispielsweise im Destillat von Bernstein entdeckt, 2-Hydroxybenzoesäure (Salicylsäure) ist ein weitverbreitetes analgetisches (schmerzstillendes) Heilmittel, das in der Rinde der Weide (salix, lat., Weide) vorkommt, und trans2-Butendisäure (Fumarsäure) findet man im Erdrauch (Fumaria officinalis), einer Pflanze, die in vergangenen Zeiten verbrannt wurde, um böse Geister zu vertreiben (fumus, lat., Rauch).

Übung 19-1 Geben Sie bei den folgenden Beispielen die systematischen Namen für die gezeichneten Konstitutionsformeln an oder zeichnen Sie die Formeln für die angegebenen Namen:

COOH 2)

en

Bra

OH

ib)

COOH (©

CO

CH3O OÖ

NO>

(d) 2,2-Dibromhexandisäure (e) 4-Hydroxypentansäure; (f) 4-(1,1-Dimethylethyl)benzoesäure

Fassen wir zusammen: Der systematische Name der Carbonsäuren ergibt sich aus dem Namen des Stammalkans durch Anhängen des Wortes -säure. Cyclische Derivate bezeichnet man als Cycloalkancarbonsäuren, ihre aromatischen Pendants als Benzoesäuren und Verbindungen mit zwei Carboxygruppen als Alkandisäuren.

895

ee

19.2 Struktur und physikalische Eigenschaften der Carbonsäuren Wie sieht die Struktur einer typischen Carbonsäure aus? Haben Carbonsäuren charakteristische physikalische Eigenschaften? Im folgenden Abschnitt wollen wir diese Fragen beantworten, wobei wir besonders auf die Struktur der Ameisensäure eingehen. Carbonsäuren liegen meist in Form von über Wasserstoffbrücken gebundenen Dimeren vor.

Ameisensäure ist planar 109.7 7

MR

124.1°

Die Struktur des Ameisensäure-Moleküls ist in Abb. 19-1 dargestellt. 1202 Sie entspricht ungefähr der eines „Hydroxyformaldehyds“ mit angeone:nähert trigonal ebenem Carbonyl-Kohlenstoff (s. die; Strukturen von Methanol,

Abb.

8-1B und von Acetaldehyd,

Abb.

17-2). Dieses Struk-

turmerkmal findet man allgemein in Carbonsäuren.

Die Carboxygruppe ist polar und bildet über Wasserstoffbrücken gebundene Dimere Die Carboxyfunktion ist aufgrund der polarisierbaren Carbonyl-Doppelbindung und der Hydroxygruppe, die Wasserstoffbrücken zu anderen Abb. 19-1 Die Molekülstruktur von

polaren Molekülen, wie Wasser, Alkoholen und Carbonsäuren ausbildet,

Ameisensäure. Wie bei den anderen Carbonsäuren ist die Carboxygruppe planar mit einer annähernd

stark polar. Es ist daher nicht überraschend, daß die Carbonsäuren mit kleinerer molarer Masse vollständig mit Wasser mischbar sind (bis zur Butansäure). Als reine Flüssigkeiten und sogar in recht verdünnten

symmetrischen trigonalen Anordnung der Atome um das Carbonyl-

Lösungen (in aprotischen Lösungsmitteln) liegen Carbonsäuren größtenteils als über Wasserstoffbrücken gebundene Dimere vor, die Stärke

Kohlenstoffatom.

einer einzelnen O—H:--O-Bindung beträgt etwa 25 bis 33 KJ/mol. Carbonsäure

dimerisieren leicht

N 2 RCOOH

—>

Ei

Ps

zwei Wasserstoffbrücken-Bindungen

Tabelle 19-2 SchmelzKettenlänge

896

und Siedepunkte

von Derivaten

der Alkane

mit unterschiedlicher

Derivat

Smp./’C

Sdp./’C

CH, CH;Cl CH;OH HCHO HCOOH CH;CH; CH;CH;C1 CH;CH;0H CH,;CHO CH;COOH CH;CH;CH; CH;CH;CH;Cl CH;CH;CH;0H CH;COCH; CH;CH;,CHO CH;CH;COOH

-182.5 -97.7 -97.8 -92.0 8.4 -183.3 -136.4 -114.7 -121.0 16.7 -187.7 -122.8 -126.5 -95.0 -81.0 20.8

-161.7 24.2 65.0 21.0 100.6 -88.6 125 78.5 20.8 118.2 42.1 46.6 97.4 56.5 48.8 141.8

Aufgrund ihrer Fähigkeit, im festen und im flüssigen Zustand Wasserstoffbrücken

auszubilden,

haben

Carbonsäuren

relativ

hohe

Schmelz-

und Siedepunkte (s. Tab. 19-2). Carbonsäuren mit vergleichsweise kleinen molaren Massen und folglich großer Flüchtigkeit haben starke, charakteristische Gerüche. Butansäure trägt beispielsweise zum charakteristischen Geruch vieler Käsesorten bei und (E)-3-Methyl-2-hexensäure konnte 1991 als die Verbindung ‚identifiziert werden, die hauptsächlich für den Geruch des menschlichen Schweißes verantwortlich ist. Wir fassen zusammen: Die Carboxygruppe ist planar und enthält eine polarisierbare Carbonylgruppe. Über Wasserstoffbrücken gebunden, treten Carbonsäuren als Dimere auf. Sie haben ungewöhnlich hohe Schmelz- und Siedepunkte.

19.3

NMR- und IR-Spektroskopie von Carbonsäuren

(0) Ba

(E)-3-Methyl-2-hexensäure

19.3 NMR- und IR-Spektroskopie von Carbonsäuren Die polarisierbare Doppelbindung und die Hydroxygruppe bestimmen auch die Spektren der Carbonsäuren. In diesem Abschnitt zeigen wir, wie mit Hilfe der NMR- und IR-Spektroskopie die Carboxygruppe charakterisiert werden kann.

Das Wasserstoff- und das Kohlenstoffatom

der

Carboxygruppe sind entschirmt Wie in den Aldehyden und Ketonen sind die Wasserstoffatome am der Carboxygruppe benachbarten Kohlenstoffatom im 'H-NMR-Spektrum etwas entschirmt, teilweise wegen des lokalen Magnetfeldes, das durch die Bewegung der r-Elektronen entsteht, teilweise aufgrund des induktiven Effektes der positiv polarisierten Carbonylfunktion. Der Effekt nimmt mit steigendem Abstand von der funktionellen Gruppe rasch ab. Ein besonderer Fall ist die Ameisensäure. Diese Verbindung hat ein „aldehydisches“ Proton, das ein Signal bei charakteristisch niedrigem Feld gibt. Die Resonanz des Hydroxy-Protons liegt bei sehr niedrigem Feld (ö = 10-13). Wie in den NMR-Spektren der Alkohole hängt dessen chemische Verschiebung stark von der Konzentration, dem Lösungsmittel und der Temperatur ab. Dies ergibt sich aus der ausgeprägten Neigung der OH-Gruppe, Wasserstoffbrücken auszubilden. Das freie (nicht in einer Wasserstoffbrücke gebundene) Säure-Proton hat eine chemische Verschiebung ö = 5.7. Das 'H-NMR-Spektrum von Pentansäure ist in Abb. 19-2 dargestellt.

Chemische Verschiebungen in den 'H-NMR-Spektren von Alkansäuren CH3COOH

CH3CH>COOH

(CH3)a) CHCOOH

HCOOH

t "=

2.08

Die

1.16

2.36

SC-NMR-Verschiebungen

121022746

der Carbonsäuren

8.08

sind ebenfalls

ähn-

lich denen der Aldehyde und Ketone, sie zeigen mäßig entschirmte Kohlenstoffatome in direkter Nachbarschaft zur Carbonylgruppe und die typische Carbonylabsorption bei niedrigem Feld. Das Ausmaß der Entschirmung ist allerdings nicht ganz so groß, da die positive Polarisierung des Carboxy-Kohlenstoffatoms durch die Anwesenheit der OH-Gruppe etwas verringert wird. 897

19 Carbonsäuren

Typische chemische Verschiebungen in den "C-NMR-Spektren von Alkansäuren

CH3COOH

CH3CH>COOH

im Vergleich zu

CH3CH>CHO T

=

21.1 177.2

9.04

27.8

180.4

5.23

36.7

201.8

Wie diese geringe Entschirmung zustandekommt, versteht man am besten, wenn man dipolare Resonanzformeln zeichnet. Bei Aldehyden und Ketonen hat nur eine dieser Formeln eine merkbare Beteiligung am Resonanzhybrid — die mit dem Carbenium-Ion-Charakter. Resonanzformeln bei Aldehyden und Ketonen ..

0: I

H;C

& ES

*

®

:0: |

—

R

H3C

C EN

27

R

Die, wenn auch geringere, Beteiligung der zweiten Resonanzformel am Resonanzhybrid erklärt die starke Entschirmung des Carbonyl-Kohlenstoffatoms und der benachbarten Kohlenstoffatome.

Bei den Carbonsäuren gibt es jedoch noch eine weitere wichtige Resonanzformel, in der das Hydroxy-Sauerstoffatom ein Elektronenpaar zur Verfügung stellt, genau wie in der Oxonium-Ion-Resonanzformel eines Hydroxy-Carbenium-Ions. So wird die Menge der positiven Ladung auf dem Carbonyl-Kohlenstoffatom verringert.

Abb. 19-2 90 MHz 'H-NMR-Spektrum von Pentansäure in CCl,. Die Skala ist bis auf ö = 20 erweitert, um das Signal des Säure-Protons bei d = 11.83 zeigen zu können. Die Methylenwasserstoffatome an C2 absorbieren bei höherer Frequenz als Triplett (ö = 2.25, J = 7 Hz), danach folgt das Multiplett der vier Wasserstoffatome der nächsten beiden Methylengruppen. Das Signal der Methylgruppe erscheint als verzerrtes Triplett bei höchstem Feld (8 = 0.90, J = 6 Hz).

Start of sweep 1800 Hz

Para > igsng 1500

1200

900

End of sweep 600

300

0

349

(CH3)4Si

l

IH

CH3CH>CH>CH>COH

2H

4H]

|

ö

898

|

Resonanzformeln k 3)

; 1

C VER

| R

EEE

OH

0:

C VESENSSE

R

2

'

R

NMR- und IR-Spektroskopie von Carbonsäuren

Die dritte Resonanzformel erklärt den

C Ne

TOH

19.3

bei Carbonsäuren

im Vergleich zu Aldehyden und Ketonen geringeren entschirmenden Effekt des

OH

Carbonyl-Kohlenstoffatoms.

L

Übung 19-2 Eine übelriechende Carbonsäure mit dem Sdp. 164°C gab die folgenden NMR-Daten: IH-NMR (CCh) 8. = 1.00 (t, J = 7.4 Hz, 3H), 1.65 (sex, J = 7.5 Hz, 2 H), 2.31

(EREEA

THIZE DIE) Eunduld68r (sr

LEN SE-NMR(CS))

0, = 18.4,.18:5, 363 rund

179.6. Ordnen Sie eine Konstitution zu.

Die Carboxygruppe zeigt zwei wichtige IR-Banden Die Carboxygruppe setzt sich aus einer Carbonylgruppe und einem daran gebundenen Hydroxysubstituenten zusammen. Daher sind beide charakteristischen Valenzschwingungen im Infrarot-Spektrum zu erkennen (Abb. 19-3). Die O—H-Bindung verursacht eine breitere Bande bei niedrigerer Wellenzahl (2500-3300 cm"') als bei den Alkoholen, was an den starken Wasserstoffbrücken liegt. Das IR-Spektrum von Propansäure ist in Abb. 19-3 gezeigt. Wir fassen zusammen: Die NMR-Signale der Carbonsäuren zeigen stark entschirmte Säure-Protonen und Carbonyl-Kohlenstoffatome sowie mäßig entschirmte Kerne in Nachbarschaft zur funktionellen Gruppe. Das Infrarot-Spektrum hat charakteristische Banden bei etwa 3000 (O—H, breit) und 1710 (C=O) cm’.

100 Kir

.&

3

%

ne

|

=2

|I

=

m)

H—-CH;CHCO—H 4 0 4000

3500

3000

2500

N 2000

1500 Wellenzahl

1000

600 cm!

»

"Abb. 19-3 IR-Spektrum von Propansäure: Von valenz = 3000 cm”.1 Ve-o Yalenz — ALS Sigg:1 Die Banden dieser Valenzschwingungen sind wegen der Wasserstoffbrücken-Bindung breit.

899

19 Carbonsäuren

19.4 Acıdität und Basizität von Carbonsäuren

Wie die Alkohole (Abschn. 8.3) zeigen Carbonsäuren saures und basisches Verhalten: Die Deprotonierung zu Carboxylat-Ionen ist relativ einfach, die Protonierung schwieriger.

Carbonsäuren Carbonsäuren

sind relativ starke Säuren

haben

wesentlich

niedrigere

obwohl das saure Wasserstoffatom gruppe stammt. Carbonsäuren

pK,-Werte

als Alkohole,

in beiden Fällen aus der Hydroxy-

dissoziieren leicht

l.. Re l.. x RCOH + H5Ö =— RCO:” + HÖH; +

K, = 10°-10° pK, > 45

Warum dissoziieren Carbonsäuren stärker als Alkohole? Der Unterschied liegt in der Carbonylgruppe, an die der Hydroxysubstituent gebunden ist. Das positiv polarisierte Kohlenstoffatom übt einen induktiven elektronenziehenden Effekt auf die benachbarten Gruppen aus und, was noch wichtiger ist, ermöglicht eine Resonanzstabilisierung des resultierenden Carboxylat-Ions. Diese Effekte sind dieselben wie bei den Aldehyden und Ketonen, in denen die Carbonylgruppe acidifizierend auf die Protonen der benachbarten C—H-Einheiten wirkt und die gebildeten Enolat-Ionen resonanzstabilisiert (s. Abschn. 18.1).

Resonanz in Carboxylat- und Enolat-Ionen (B = Base) Carboxylat-Ion: ARE

0):

In.

Bi: + RCOH

n. O:

Di

——BHT

Re:

| .|

>

pR=45

RC=O

Enolat-Ion:

ei:

BD

0:

|

B:” + R'CCH->R == BH + |R’C-ZCHR «> R’C=CHR

pK, = 19-21

Anders als bei den Enolaten sind die beiden Resonanzformeln in den Carboxylat-Ionen äquivalent (Abschn. 1.7). Hieraus ergibt sich, daß die Carboxylate symmetrisch gebaut sind, mit gleichen Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungslängen (126 pm), die zwischen denen einer KohlenstoffSauerstoff-Doppelbindung und -Einfachbindung (134 pm) in den entsprechenden Säuren liegen (Abb. 19-1). Man kann die CarboxylatIonen

als Sauerstoff-Analoga

des Allyl-Anions

auffassen,

das ebenfalls

über äquivalente Resonanzformeln beschrieben wird (Abschn. 14.1).

900

Elektronenziehende der Carbonsäuren

Substituenten

erhöhen

die Säurestärke

19.4

Acidität und Basizität von Carbonsäuren

Wie bei den Alkoholen, Aldehyden und Ketonen erhöhen elektronenziehende Substituenten in Nachbarschaft zur Carboxygruppe deren Acidität. Die pX,-Werte einiger Carbonsäuren sind in Tabelle 19-3 aufgeführt. Sind mehrere elektronenziehende Substituenten im Molekül vorhanden,

können

Carbonsäuren

die

Stärke

von

Mineralsäuren

haben.

Der induktive Effekt ist weitaus weniger ausgeprägt, wenn sich der Substituent in einiger Entfernung von der funktionellen Gruppe befindet. Übung 19-3 Ordnen Sie die Säuren der folgenden Gruppen nach abnehmender Acidität:

ir

(a) CH;CH,COOH

CH3CHCOOH

|

(b)

E

CH; CHCH>ZCOOH F

COOH

CH3CBr;COOH

CH3CHCH>COOH COOH

COOH

(c)

F Die Dicarbonsäuren haben zwei pK,-Werte, für jede der beiden funk-

tionellen Gruppen einen. Bei der Ethandisäure (Oxalsäure) und der Propandisäure (Malonsäure) ist der erste pK, weitaus kleiner als der zweite. Dies kommt durch den wechselseitigen elektronenziehenden Effekt der beiden Carboxygruppen zustande. Bei den höheren Dicarbonsäuren sind beide pK, sehr ähnlich, da die Carboxygruppen weiter voneinander entfernt sind und sich nicht mehr beeinflussen. Wegen der relativ großen Acidität der Carbonsäuren kann man die entsprechenden Salze, die Carboxylate leicht durch Behandeln der Säure

mit

einer

Base,

wie

z.B.

NaOH,

erhalten.

Der

systematische

Name der Salze setzt sich dann aus dem Namen des Kations und. dem des Stammalkans durch Anhängen der Silbe -oat anstelle von -säure zusammen. HCOO Na’ heißt daher Natriummethanoat (Natriumformiat,

die

Trivialnamen

der

Säure-Anionen

leiten

sich

häufig

von

der lateinischen Bezeichnung der Säuren ab: in diesem Falle Acidum formicum = Ameisensäure); CH;COO’Li" bezeichnet man als Lithium-

Tabelle 19-3 pK,-Werte einiger Carbon- und Mineralsäuren Verbindung

pK,

Verbindung

CH;COOH ‚CICH,COOH CLCHCOOH ChCCOOH F;CCOOH

4.76 2.87 1723 0.65 0.23

CH;CH;CH;COOH CH;CH,CHCICOOH CH;CHEICH,COOH CICH;,CH>CH,COOH

HOOCCOOH HOOCCH,COOH

1.23, 4.19 2.83,.9,09

HNO; HCl

-1.3 —2.2

HOOCCH3;CH>COOH

4.16, 5.61

H,SO,

-5.2 (erster pK,)

HOOC(CH3,);,COOH

4.43, 5.41 H,O CH;OH

17 19)

H;PO,

PK,

4.82 2.89 4.06 4.52 2.15 (erster pK,)

901

19

Carbonsäuren

ethanoat (-acetat) etc. Carboxylatsalze sind weitaus besser wasserlöslich als die entsprechenden Säuren, da das geladene Anion leicht solvatisiert wird. Bildung von Carboxylatsalzen

CH;

CH,

CH3CCH,CH;COOH

NaOH, H30

2————

CC EN

CH;

EEUN

real

Na

+ HOH

CH;

4,4-Dimethylpentansäure (etwas wasserlöslich)

Natrium-4,4-dimethylpentanoat (wasserlöslich)

Carbonsäuren können am Carbonyl-Sauerstoffatom protoniert werden Im Prinzip können beide Sauerstoffatome der Carboxygruppe an ihren freien Elektronenpaaren protoniert werden, ebenso wie Alkohole durch starke Säuren zu Alkyloxonium-Ionen protoniert werden (s. Abschn. 8.3). Welches Sauerstoffatom ist stärker basisch und bildet daher die Bindung zu einem Proton aus? Nach allem, was wir wissen, ist es das Carbonyl-Sauerstoffatom. Warum? Diese Frage können wir durch die Betrachtung der Resonanzformeln beantworten. Durch Protonierung der Hydroxygruppe entsteht ein Alkyloxonium-Ion, für das man nur eine Resonanzformel schreiben kann, bei der Protonierung am Carbonyl-Sauerstoffatom sind drei Resonanzformeln möglich, dieses Ion ist also resonanzstabilisiert. Protonierung einer Carbonsäure RE

v

A R

FE

A

EEE,

nicht beobachtet

OH

R

PERERE

% ae H

| 0%

Ru

en ar +

rt

A

„H

® se

Kz=10"°

5

„AH

:O

er EL NöH

—

:

G

v4 ENEN NoH

—

}

BA Non

pK, = -6 Dennoch ist die Protonierung sehr erschwert, wie die große Säurestärke der konjugierten Säure (pK, = -6) zeigt. Sie ist schwieriger als die eines Alkohols (pK, des Alkyloxonium-Ions = -3), was zeigt, daß die Elektronendichte am Carbonyl-Sauerstoffatom geringer ist. Wir werden jedoch sehen, daß diese Protonierung bei vielen Reaktionen der Carbonsäuren und ihrer Derivate eine wichtige Rolle spielt. | Übung 19-4 | Eine farblose

Flüssigkeit ergab eine Elementaranalyse mit folgenden Werten: C, 25.41%, H, 3.18%; Cl, 37.53%. Die spektroskopischen Daten waren folgende: | IH-NMR (CD;COCD,) ö = 10.35 (s, 1 H) und 5.36 (s, 2 H); "C-NMR (CS,) = ı 173.8 und 41.3; IR (reine Phase)

3080 und

1728 cm.

Welche

Konstitution

hat die

Verbindung? Übung 19-5 Der pK, von protoniertem Propanon (Aceton) ist -7.2, der von protonierter Essigsäure 6.1. Geben Sie eine Erklärung.

902

E

Kasten 19-1

Seifen aus langkettigen Carboxylaten

Na

EOOT

kohlenwasserstoffähnliches

Na

Inneres

+

Pa

Na”

coo Na

Die Natriumbonsäuren

und Kaliumsalze

haben

die

+

langkettiger Car-

interessante

Eigenschaft,

sich in wäßriger Lösung zu kugelförmigen Aggregaten zusammenzuballen, die Micellen genannt werden. In diesen Aggregaten versuchen alle hydrophoben Alkylketten der Säuren, denselben Raum

zu

besetzen,

da sie sich wegen

ul

der Lon-

don-Kräfte gegenseitig anziehen und da sie den Kontakt zu polarem Wasser so weit wie möglich zu vermeiden suchen. Somit bilden die vom Wasser solvatisierten „Kopfgruppen“ der Carboxylate einen kugelförmigen Wall um das kohlenwasserstoffähnliche Zentrum herum. Weil diese Carboxylat-Salze außerdem Filme auf wäßrigen Oberflächen bilden, wirken sie als Seifen. Die hydrophilen, geladenen Carboxylatgruppen stecken im Wasser, während die Alkylketten sich zu einer hydrophoben Schicht zusammenlagern. Diese Struktur verringert die Oberflächenspannung des Wassers und ermöglicht es ihm so, Textilien und andere Stoffe zu durchdringen. Auch das für Seifen typische Schäumen entsteht so. Die Reinigung wird dadurch erreicht, daß normalerweise wasserunlösliche Stoffe (Öle, Fette) sich im kohlenwasserstoffartigen Inneren der

coo. Na

+

vorkommen, zu Problemen. Detergenzien aus Alkansulfonaten RSO; Na’ oder Alkylsulfaten ROSO;-Na* haben diesen Nachteil nicht, aber sie führten zur ernsten Verschmutzung von Seen und

Flüssen,

weil

die ersten

Vertreter

derartige

Detergenzien aufgrund von Verzweigungen in der Alkylkette nicht biologisch abbaubar waren. Die Mikroorganismen, die bei der üblichen Abwasserbehandlung eingesetzt werden, können nur unverzweigte Ketten aufbrechen. Bestimmte Steroide, die zu den Gallensäuren zählen, wie die Cholsäure (Abschn. 4.7), sind

ebenfalls oberflächenaktiv und haben detergenzienartige Eigenschaften. Diese Substanzen kommen im Gallengang vor und werden in den oberen Darmtrakt freigesetzt, wo sie wasserunlösliche Fette durch die Bildung von Micellen emulgieren. Wasserlösliche Enzyme können dann die dispergierten Fettmoleküle verdauen.

Micellen lösen. Die langkettigen Carboxylat-Seifen führen durch die Bildung flockiger Niederschläge mit

Ionen wie Mg’* und Ca?', die in hartem Wasser

Zusammenfassend

läßt sich sagen,

daß Carbonsäuren

deshalb

sauer

reagieren, weil bei ihrer Deprotonierung resonanzstabilisierte Anionen entstehen. Elektronenziehende Gruppen erhöhen die Acidität, obwohl dieser Einfluß sehr schnell mit steigendem Abstand von der Carboxygruppe abnimmt. Die Protonierung ist schwierig, aber möglich und erfolgt am Carbonyl-Sauerstoffatom. Hierbei entsteht ein resonanzstabilisiertes Kation.

903

1 SCsrhonssuren

19.5 Die Synthese von Carbonsäuren in der Industrie Carbonsäuren sind wertvolle Reagenzien und synthetische Vorstufen. Die beiden einfachsten Säuren werden im großen Maßstab von der chemischen Industrie produziert. Ameisensäure wird am einfachsten durch Reaktion von pulverisiertem Natriumhydroxid mit Kohlenmonoxid unter Druck hergestellt. Die Umsetzung verläuft über einen nucleophilen Angriff und eine anschließende Protonierung.

Synthese von Ameisensäure NaOH

+

CO

150°C, 700-800-kPa

————

HCOO"Na*

H',H,O

—-—>

2 HCOOH

Ethansäure (Essigsäure, acidum aceticum) bildet sich auf natürlichem Wege bei der enzymatischen Oxidation des durch Gärung entstandenen Ethanols. Die Essigsäure und ihr Anhydrid sind sehr wichtige Industriechemikalien, die zur Produktion von Monomeren für die Polymerisation, z.B. Ethenylacetat (Vinylacetat, Abschn. 12.15 u. 13.11), sowie als Grundstoffe bei der Synthese von Pharmaka, Farbstoffen und Pestiziden verwendet werden. Über drei wichtige industrielle Syntheseverfahren werden jährlich ca. 290000 Tonnen allein in der Bundesrepublik Deutschland erzeugt. Dies sind: die Ethen-Oxidation über Acetaldehyd (s. Abschn. 12.15); die Luftoxidation von Butan und die Carbonylierung von Methanol. Diese Reaktionen verlaufen über komplexe Mechanismen. Essigsäure durch Oxidation von Ethen

CH,=CH,

O,, H,O, PdC1y/CuCl;-Katalyse

O,,Co”-Katalyse

ne Wacker-Verfahren

=CHLCHE) 7 eG

BE

Essigsäure durch Oxidation von Butan

CH;CH,CH,CHk

O,,Co’-Katalyse, 1500-2000 kPa, 180°C

————— — ———— > CH, COOH

Essigsäure durch Carbonylierung von Methanol COOH

on

CO, Rh':-Katalyse, L,, a

COOH 1,4-Benzol-

dicarbonsäure (Terephthalsäure)

RL 1

CH,COOH

Monsanto-Verfahren

k

Zwei in großem Maßstab chemisch produzierte Dicarbonsäuren sind die Hexandisäure (Adipinsäure), die bei der Herstellung von Nylon eingesetzt

wird

(s.

Abschn.

21.13),

und

1,4-Benzoldicarbonsäure

(Terephthalsäure), deren polymere Ester mit Diolen zu Kunststoffplatten und -filmen sowie Getränkeflaschen verarbeitet werden.

19.6 Methoden zur Erzeugung der Carboxygruppe Die Oxidation primärer Alkohole und Aldehyde zu Carbonsäuren durch wäßriges Cr(VI) wurde bereits beschrieben (Abschn. 8.6 u. 17.4). In diesem Abschnitt werden zwei weitere dazu geeignete Reagenzien vorgestellt und die Oxidation von Alkenen zu Carbonsäuren diskutiert. Es ist auch möglich, die Carboxyfunktion durch die Addition eines Kohlenstoffatoms in ein Molekül einzuführen. Diese Umsetzung kann auf zwei Wegen erreicht werden: der Carboxylierung metallorganischer Reagenzien und der Hydrolyse von Nitrilen.

904

Weitere Methoden zur anderer Stelle besprochen:

1

Herstellung

von

Carbonsäuren

werden

an

19.6

Methoden zur Erzeugung der Carboxygruppe

Hydrolyse anderer Carbonsäure-Derivate (Kap. 20)

| RCX + HOH —> RCOOH + HX 2

Benzilsäure-Umlagerung (Abschn. 23.4)

In.

Resch 20, 3

H R

|

RCCOOH OH

Malonester- und verwandte Estersynthesen (Abschn. 23.2)

Su

COOR’

EN COOR’

|. Ho-

ao.

-2RO

H R

N,

COOH

HH

COOH

se

N COOH NR

H

r

4

Friedel-Crafts-Alkanoylierung mit Anhydriden (Abschn. 15.4)

5

Oxidation der Seitenketten von Aromaten (Abschn. 22.2)

ER CH5R

COOH KMnO,, HO

6

Kolbe-Reaktion (Abschn. 22.6)

OH

OH I. HO”

COOH

2.H*, H,O ic 0) Tereaen.: ee

7

Aminosäuresynthesen (Kap. 26) >

Bei der Oxidation von Alkenen mit Permanganat entstehen Carbonsäuren Behandelt man Alkene mit basischem Kaliumpermanganat, kann die Doppelbindung vollständig oxidativ gespalten werden, wobei Carbonsäuren entstehen. (Unter neutralen Bedingungen bleibt die Reaktion auf der Stufe der vicinalen Diole stehen; s. Abschn. 12.10). Solche Oxi‘ dationen verlaufen am besten bei endständigen Alkenen. So entsteht z.B. aus 3,7-Dimethyl-l-octen 2,6-Dimethylheptansäure (und CO;). Man erhält also aus einem endständigen Alken eine Carbonsäure mit einer um ein Kohlenstoffatom

CH3

CH3

CH;CHCH>CH>CH>CHCH=CH>

kürzeren Kette. KMnO,, NaHCO,, Propanon (Aceton), 7°C

CH; CH3CHCH>CH>CH>CHCOOH + CO; 2,6-Dimethylheptansäure

905

19 Carbonsäuren

Oxidation von primären Alkoholen und von Aldehyden zu Carbonsäuren Primäre Alkohole lassen sich zu Aldehyden oxidieren, die dann sehr leicht weiter zu den entsprechenden Carbonsäuren oxidiert werden können (Abschn. 8.6 und 17.4).

R CH; OH

il

Oxidation

RCH

Als Oxidationsmittel kann man andere Reagenzien verwenden.

j

Oxidation

CrO;,

RCOH

KMnO,,

Salpetersäure

CH;CH;

oder

CH>CH;

CH4(CHZS3CHCH,OH

a

9. TeeR, I,

CH SCHCOGH 74%

2-Ethyl-1-hexanol

2-Ethylhexansäure

Salpetersäure, HNO;, ist eines der billigsten starken Oxidationsmittel. Ihre oxidierende Wirkung kommt durch die leichte Reduzierbarkeit zu NO; zustande:

| 2 HNO;

+

2°C

CICH;CHZCH

|

—

CICH>CH>COH

+ 2 NO; + H,O

79% 3-Chlorpropanal

3-Chlorpropansäure

In Gegenwart von Vanadiumpentoxid kann Salpetersäure sogar sekundäre Alkohole und Ketone unter gleichzeitiger Spaltung von C—C-Bindungen oxidieren. H

OH

CO;H

CO,H

V30s, 60°C 50% HNO;, meer

a

Tg

5

a

60% Hexandisäure

Cyclohexanol

(Adipinsäure)

Die Haloform-Reaktion ergibt Carbonsäuren durch Abbau von Ketonen Die Haloform-Reaktion (Abschn. für synthetische Zwecke benutzt.

18.3, Kasten

18-1) wird gelegentlich

ar,

En

ua,

CH3

oc

+

CHI;

CH3 84%

4-Methyl-4-phenyl-

3-Methyl-3-phenyl-

Triiodmethan

2-pentanon

butansäure

(Iodoform)

Übung 19-6 Welche Produkte erhält man bei der Salpetersäure-Oxidation von (a) Pentanal, (b) 1,6-Hexandiol und (c) 4-(Hydroxymethyl)cyclohexancarbaldehyd?

906

Metallorganische Verbindungen reagieren mit Kohlendioxid zu Carbonsäuren Kohlendioxid

kann

man

als „Diketon“

19.6

des Kohlenstoffs

ansehen.

Methoden zur Erzeugung der Carboxygruppe

Als

solches wird es von metallorganischen Reagenzien ebenso angegriffen wie Aldehyde und Ketone. Es entsteht dabei ein Carboxylat, aus dem man nach wäßrıger Aufarbeitung und Ansäuern die Säure erhält. Carboxylierung von organometallischen Verbindungen en

:0:

5 _Mod'xX+ _ rei 5,0:

RLi+ CO, —

+

O:MgX

Ref" \

HU, HOH , RCOOH - XMgOH

0:

RCOO"Li*

>

*_ HOH

—>

RCOOH

Da man metallorganische Reagenzien aus den entsprechenden Halogenalkanen synthetisieren kann, läßt sich auf diese Weise die homologe Säure mit einer um ein Kohlenstoffatom verlängerten Kette darstellen: RX — RCOOH.

cı

MeCl

|

CH3CH>CHCH3 +Mg —>

= CH3CH>CHCHz

COOH

1. CO, ‚H,0 #22,

3 CH3CH>CHCH3 86%

er

2-Chlorbutan

2-Methylbutansäure

1. CH,CH,CH,CH,Li, THF, Hexan, — 30°C 2. CO,, 0°C

CH,C=cH

3. H*, H,O

Be

CH3C=CCOOH 98%

Propin

2-Butinsäure

Nitrile hydrolysieren zu Carbonsäuren Ein weiteres Verfahren zur Darstellung der nächsthöheren Carbonsäure aus einem Halogenalkan läuft über die Hydrolyse eines intermediären Nitrils. Erinnern wir uns daran (Abschn. 6.3), daß das Cyanid-Ion ein gutes Nucleophil ist, das man zur Synthese von Nitrilen verwenden kann. Das Nitril reagiert mit heißer wäßriger Säure oder Base zu der entsprechenden Säure und Ammoniak.

Carbonsäuren aus Halogenalkanen über Nitrile 1. OH” 2. H*, H,O

RX—> RC=N———

RCOOH + NH;

Den Mechanismus dieser Reaktion wollen wir in Abschnitt 20.8 diskutieren. Obwohl dieses Verfahren auf den ersten Blick keinen Vorteil gegenüber Grignard-Reaktionen bietet, ist es in Wahrheit eine wertvolle Ergänzung. So brauchen Hydroxy- und Carboxygruppen im Molekül nicht geschützt zu werden. Die Hydrolyse der Nitrilgruppe eines Cyanhydrins, das durch die Addition von HCN an einen Aldehyd oder ein Keton dargestellt worden ist (Abschn. 17.11), ist ein allgemein anwendbares Verfahren zur Darstellung von 2-Hydroxycarbonsäuren. 907

19

Carbonsäuren

1. KOH, CH,CH;OH, H,O, 31h, A 2. HCI, H,O CH;(CH,),

5 CN

no

ERWICHTTTIG.

CH;,(CH »)i 5 COOH

79% Heptadecansäure

Heptadecannitril 1. Nacn, Na,C0, 2. NaOH, 60- 70°C 3. HCl, H,O

E

HOOCCH,COOH

CICH.,.COOH ——

80% Propandisäure (Malonsäure)

Chloressigsäure

CH>COOH

CH>CN fa

H>SO4, H50, 15 min, A

Men rultente. Meise De Piel u

f rs {

_Ä

NO,

NO, 95%

(4-Nitropheny])-

(4-Nitrophenyb)-

acetonitril

essigsäure

OH

OH

H—C— COOH

CHO 12h HCl, H50, I SS HEEEETEN ae

H,O > NaHSO3, NaCN, : \

46% 2-Hydroxy-2-phenylacetonitril (Mandelsäurenitril)

Benzaldehyd

2-Hydroxy-2-phenylessigsäure (Mandelsäure)

© Übung 19-7

ee 9-5

Wie würden Sie bei den folgenden Beispielen das erste Molekül führen? (Es ist jedesmal mehr als ein Schritt erforderlich):

CHO

HOCHCOOH

Br

ao

OCH3

OCH3

in das zweite über-

H;C,

COOH

Fassen wir zusammen: Es gibt mehrere Methoden zur Herstellung von Carbonsäuren über Oxidation, Carboxylierung und Hydrolyse geeigneter Vorstufen. So kann man beispielsweise Alkene, sekundäre Alkohole und Ketone oxidativ spalten, und primäre Alkohole und Aldehyde zu Carbonsäuren oxidieren. Bei der Haloform-Reaktion wird ein. Kohlenstoffatom der Kette abgespalten, und es entsteht die Säure des nächstniederen Homologen, während die Carboxylierung metallorganischer Verbindungen oder die Hydrolyse von Nitrilen die Säure des nächsthöheren Homologen ergibt.

908

19.7 Substitution am CarboxyKohlenstoffatom: Der AdditionsEliminierungs-Mechanismus

19.7 Substitution am Carboxy-Kohlenstoffatom: Der Additions-EliminierungsMechanismus

Neben ihren Säure-Base-Eigenschaften reagieren Carbonsäuren an der Carbonylgruppe ähnlich wie Aldehyde und Ketone (Abschn. 17.5); das Carbonyl-Kohlenstoffatom wird von Nucleophilen angegriffen, das Sauerstoffatom ist der Angriffspunkt von Elektrophilen, die benachbarten Wasserstoffatome reagieren sauer und sind enolisierbar. Ein .nucleophiler Angriff auf die Carboxygruppe verläuft jedoch anders als bei Aldehyden und Ketonen. Der Hydroxysubstituent (er selbst oder eine modifizierte Form) fungiert als Abgangsgruppe, wodurch neue Carbonylderivate entstehen.

Das Carbonyl-Kohlenstoffatom wird von Nucleophilen angegriffen Carbonyl-Kohlenstoffatome sind elektrophil und können von Nucleophilen angegriffen werden. Eine derartige Reaktivität beobachtet man bei den Carbonsäuren und den Carbonsäure-Derivaten, die die allgemeine Formel RCOL haben (L steht für Abgangsgruppe).

Carbonsäure-Derivat

Carbonsäure-Derivate

a

RCX Alkanoyl-

RCOCR Anhydride

a

Kae |

RCOR’ Ester

RCNR> Amide

halogenide

Im Gegensatz zu den Additionsprodukten der Aldehyde und Ketone (Abschn. 17.5 bis 17.7) kann das Zwischenprodukt, das beim Angriff des Nucleophils auf das Carboxyl-Kohlenstoffatom gebildet wird, durch Abspaltung einer Abgangsgruppe zerfallen. Im Ergebnis wird die Abgangsgruppe durch das Nucleophil substituiert, man nennt diesen Ablauf Additions-Eliminierungs-Reaktion. Bei dieser Reaktion entsteht im ersten Schritt aus dem sp*-hybridisierten Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe ein sp’-hybridisiertes mit tetraedrischer Umgebung (im Gegensatz zu Ausgangsverbindung und Produkt). Man bezeichnet es daher als tetraedrisches Zwischenprodukt.”

Nucleophile Substitution durch Additions-Eliminierungs-Reaktion

ER R

+ L

Carbonsäurederivat

HN

=

>

RC |

Nu tetraedrisches Zwischenprodukt

l

=

_C R

Nu

Substitutionsprodukt

Einen Spezialfall einer Additions-Eliminierungs-Reaktion haben wir schon in Abschnitt 18.3 beschrieben. Im letzten Schritt der HaloformReaktion reagierte das Hydroxid-Ion als Nucleophil, die Abgangsgruppe war ein Trihalogenmethyl-Anion, :CX;. Substitution durch den Additions-Eliminierungs-Mechanismus ist der wichtigste Weg zur Darstellung von Carbonsäure-Derivaten und zu

Zur Erinnerung: Nucleophile - rot Elektophile — blau Abgangsgruppen — grün

909

19

Carbonsäuren

16) | ihrer gegenseitigen Umwandlung, d.h. RCL> RCL.. Im verbleibenden Teil dieses Abschnitts sowie den folgenden wird beschrieben, wie diese Derivate aus Carbonsäuren dargestellt werden, und in Kapitel 20 werden ihre Eigenschaften und ihre Chemie untersucht.

Additions-Eliminierungs-Reaktionen werden von Säuren und Basen katalysiert Additions-Eliminierungs-Reaktionen können säurekatalysiert ablaufen. Die Säure hat zwei Funktionen: Erstens protoniert sie das CarbonylSauerstoffatom und aktiviert so die Carbonylgruppe für einen nucleophilen Angriff (Abschn. 17.5) und zweitens erleichtert die Protonierung von L die Eliminierung durch die Erzeugung einer besseren Abgangsgruppe (vgl. Abschn. 6.7 u. 9.2).

Säurekatalysierte Additions-Eliminierungs-Reaktion Schritt 1 Protonierung

H

de

cy:

nl a Schritt

E34

Br

2% N:

2 Addition-Eliminierung

H

Pr

:Os

Be

:O

’

IN R

|

+

+:

a

:

b

=

R—C—

| "Nu—H

MA

:O =

R—C-— LH Re

Nu

H

:O

u

==

u

WG:

u

Schritt 3_ Deprotonierung

Bei der basekatalysierten Additions-Eliminierungs-Reaktion sorgt die Base (mit :B bezeichnet) für eine maximale Konzentration des negativ geladenen (deprotonierten) Nucleophils (wie OH , RO” und RS’), das die angreifende Spezies ist. Basekatalysierte Additions-Eliminierungs-Reaktion (B = Base)

Schritt

1 Deprotonierung von NuH

Nu--H + :B=—

":Nu + BH

RI 2%

Schritt 2_ Addition-Eliminierung Te

3GC

:OX

TrNR Ne

ER

910

au

ie BC x

R

\ Pa

+ Nu

:L :

Schritt

3

Rückgewinnung des Katalysators N Sr

Ze

19.8 Carbonsäure-Derivate: Alkanoyl-(Acyl-)halogenide und Anhydride

tUH-r.:B

(als andere Möglichkeit kann :L” als Base in Schritt 1 reagieren.)

Die Substitution wird bei Carbonsäuren

erschwert durch die

schlechte Abgangsgruppe und das saure Proton Sehen wir uns jetzt an, wie der allgemeine Additions-Eliminierungs-Prozeß auf die Umwandlung von Carbonsäuren in ihre Derivate angewendet werden kann. Zwei Probleme sind sofort offensichtlich. Erstens ist das Hydroxid-Ion eine sehr schlechte Abgangsgruppe, und zweitens ist das Hydroxy-Proton sauer, während die meisten Nucleophile Basen sind. Der nucleophile Angriff kann daher von einer Säure-Base-Reaktion gestört werden. Konkurrenzreaktionen einer Carbonsäure mit einem Nucleophil ..

a

KB NN

(0:

I. ee wi

reversible

Nu

nucleophile

Nu :=

| Nu” le z NEN reversible

a

b

R

DH

Säure-Base-

Addition

Reaktion

(Weg a)

(Weg b)

AN

ge|

sh

+ NuH

O:

Wenn ein Nucleophil sehr basisch ist, wie z.B. ein Alkoxid, wird die nahezu irreversible Bildung des Carboxylat-Ions den Angriff auf das Carbonyl-Kohlenstoffatom stören. Ist das Nucleophil jedoch weniger basisch, wird die Carboxylat-Bildung reversibel und die nucleophile Addition konkurrenzfähig. Ein typisches Beispiel einer Additions-Eliminierungs-Reaktion von Carbonsäuren ist die Veresterung, die als Kondensation eines Alkohols und einer Carbonsäure zu einem Ester und Wasser definiert ist. Das Nucleophil, ein Alkohol, ist eine schwache Base, und Säure ist vorhanden, um die Carbonylgruppe für die Addition

zu aktivieren und um die Carboxy-OH-Gruppe in eine bessere Abgangsgruppe zu überführen. In den folgenden Abschnitten werden diese und andere Carboxy-Substitutionen detailliert untersucht, und es wird gezeigt, wie die Probleme beim Additions- und beim Eliminierungsschritt beseitigt werden können. Wir fassen zusammen: Der nucleophile Angriff auf die Carbonylgruppe von Carbonsäure-Derivaten ist der entscheidende Schritt bei der Substitution nach dem Additions-Eliminierungs-Mechanismus. Man beobachtet entweder Säure- oder Basekatalyse. Im Fall von Carbonsäuren wird der Prozeß erschwert durch die schlechte Abgangsgruppe (Hydroxid) und die konkurrierende Deprotonierung der Säure durch das als Base reagierende Nucleophil. Bei weniger basischen Nucleophilen kann Addition eintreten.

Veresterung RCOOH

+ R’OH

H*| RCOOR’ + H,O

19.8 Carbonsäure-Derivate: Alkanoyl(Acyl-)halogenide und Anhydride Mit diesem Abschnitt beginnen wir die Diskussion der Darstellung von Carbonsäure-Derivaten. Die Substitution der Hydroxygruppe in RCOOH durch ein Halogenid führt zu Alkanoyl-(Acyl-)halogeniden, und der Ersatz durch Alkanoat (RCOO)') liefert Anhydride. Beide Prozesse erfordern zuerst die Überführung der Hydroxygruppe in eine bessere Abgangsgruppe.

91

19

Carbonsäuren

\

RCX

Alkanoyl-

(Acyl-) halogenid

Alkanoyl-(Acyl-)halogenide werden mit anorganischen Säurehalogeniden erhalten Der Hydroxysubstituent ist nicht nur bei Sy2-, sondern auch bei Additions-Eliminierungs-Reaktionen eine schlechte Abgangsgruppe. Um ihn in einem

Alkohol

zu ersetzen,

muß

man

ihn zunächst

in eine bessere

Abgangsgruppe, wie einen anorganischen Ester überführen (s. Abschn. 9.4). Ähnlich geht man vor, um die Hydroxygruppe einer Carbonsäure durch Halogen zu ersetzen. So ergibt z.B. die Reaktion einer Carbonsäure mit SOC, PCI; oder PBr; die entsprechenden Alkanoyl(Acyl-)halogenide (Diese Reaktionen versagen bei Ameisensäure, HCOOH,

denn

Formylchlorid,

HCOCI,

und

Formylbromid,

HCOBr,

sind instabil):

5 iisgee

|

CHSCH,CH,CoH -CPELRÜKNP CH.CH>CH,CCI + O=S=0 + HCI 85% Butansäure

CH3

Butanovylchlorid

16)

BrCH>CHCH>CH>COH

CH3

-&ls,

16)

BrCH,CHCH>CH2CCI

+ OPCIz + HCI

70% 5-Brom-4-methylpentansäure

5-Brom-4-methylpentanoylchlorid

[6)

|

|

COH

3 es

CBr

en, 3 ET,

+ H3PO;3

90%

Die Mechanismen, nach denen diese Reaktionen verlaufen, entsprechen den bei den Alkoholen beschriebenen. Zunächst wird ein anorganisches Derivat der Säure gebildet. Der neue Substituent ist eine gute Abgangsgruppe und zieht außerdem Elektronendichte vom CarbonylKohlenstoffatom ab. Hierdurch wird der nucleophile Angriff auf das Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe sehr erleichtert, das im ersten Schritt freigesetzte Proton katalysiert diese Reaktion.

Mechanismus der Bildung eines Alkynoylbromids mit Phosphortribromid (PBr;) Schritt

1 Aktivierung

|

|

RCOPBrz +H" +Br

RCOH + Br—PBr, — Schritte

I

2 und

3

Addition und Eliminierung

RCOPBr, + H* + Br” —

x

2

H

an Br

912

4

—>

RCBr

Alkanoylbromid

+ HOPBr

Mechanismus der Bildung eines Alkanoyl-(Acyl-)chlorids mit Thionylchlorid (SOCI,)

.

19.8 Carbonsäure-Derivate: Alkanoyl-(Acyl-)halogenide und Anhydride

Schritt

1 Aktivierung ”

Ye

©

+

AR

S

# ar

RT SSH 52

:O: el

eB, _——

C EN

OSCI:

RT

Ne:

+ HC: r

el»

elektronen-

ziehend

Schritt

2

Addition

un:

oO:

RÜ

Mose Da | a

a ne

Un

‘öscı:

Ye

:O,

Fe

R’

EN FE | 1

Ban R—C—OSCl: :öO

en

\\öscı:

:O:

‚ci

tetraedrisches Zwischenprodukt

Schritt 3 _Eliminierung H :6%)

Ka ae a

Or

ne

{er

—

scı:

Ü

nt

et

er

|

Ken

+t0=S-0+

Eu

H'+ :Cl:

Säuren reagieren mit Alkanoylhalogeniden zu Anhydriden

I

\

Phosgen, CICCI, das zweifache Säurechlorid der Kohlensäure,

N) (H,CO,), oder Oxalylchlorid, CIC—CCl,

HOCOH

das sich von der Ethandisäure

(Oxalsäure) ableitet, lassen sich ebenfalls zur Darstellung von Alkanoylchloriden anderer Carbonsäuren

benutzen.

Der erste Schritt bei diesen

Transformationen ist die Bildung eines instabilen Carbonsäureanhydrids, das zu dem entsprechenden Produkt zerfällt.

oO |

RCOCR’ Carbonsäure-

anhydrid

Alkanoylchloride über Anhydride

|

I

„RCOH

+

\l

FR

cl

ua

RCOH

00 |

+

—-> 200)

|

RCCI

cı

Phosgen

6 |

RCOCCI

CIC—CCl

ein Anhydrid

Ha”

Oxalylchlorid

000 I 1 I

RCOC—CCI

—>

|

RCCI

+ CO; + CO

ein Anhydrid

Mit anderen Alkanoylchloriden als Phosgen und Oxalylchlorid bilden die Carbonsäuren stabile Anhydride.

| | | CHsCH>CH>COH + CICCH>CH>CH3 —>

I I CH3CH>CH>COCCH>CH>CH3 + HCl 85%

Butansäure

Butanoylchlorid

Butansäureanhydrid

913

CH3CH>CH>COO .c£

F Na*

O

| CH;CCI

|

I 1 CH3CH>CH>COCCH3 ein „gemischtes‘ Anhydrid

Durch Reaktion eines Alkanoylhalogenids mit einem Carboxylatsalz entsteht, wie am Rand gezeigt, das Anhydrid unter neutralen Bedingungen. Wie aus dem Namen ersichtlich, leiten sich die Anhydride der Carbonsäuren formal von diesen durch Abspaltung von Wasser ab. Tatsächlich kann man sie so auch durch thermische Dehydratisierung darstellen, obwohl dieses Verfahren normalerweise keine besonders effektive Methode zur Darstellung von Anhydriden aus zwei Säuremoleküilen ist. Bei Dicarbonsäuren ist andererseits auf diese Weise leicht eine intramolekulare Wasserspaltung zu den cyclischen Anhydriden möglich, wenn dabei ein fünf- oder sechsgliedriger Ring entsteht.

+

NaCl

Bildung cyclischer Anhydride

|

Das;

H5C |

7

: 300°C nung

HaC\

HC
COCH;

+H;0

85% Essigsäure

Lösungsmittel

Methylacetat (Essigsäuremethylester)

Die Umkehrung der Veresterung ist die Esterhydrolyse. Diese Reaktion wird unter denselben Bedingungen wie die Veresterung durchgeführt, nur daß man zur Verschiebung des Gleichgewichts einen Überschuß an Wasser verwendet und in einem mit Wasser mischbaren Lösungsmittel arbeitet. CH3

BE RCISOCDOCH-EH,

oO

Fe

CH3 Ethyl-2,2-dimethylhexanoat

CH3 ein

ck

+ CH;CH>0H

CH3 85% 2,2-Dimethylhexansäure Übung 19-10 Welche Produkte entstehen bei der säurekatalysierten Hydrolyse der folgenden Ester?

(6)

(a) CH,(CH,),C=CCH;CH;COOCH(CH3), (© encicnemooc(

|

(b) RE

We en O

CH;

915

19

Die Veresterung verläuft über eine säurekatalysierte Additions-Eliminierungs-Reaktion

Carbonsäuren

Die Veresterung einer Carbonsäure mit Methanol läßt sich verfolgen, wenn man das Sauerstoffatom des Alkohols mit dem Isotop !'®O markiert. Aufgrund der Markierung kann man zwischen zwei möglichen Mechanismen unterscheiden, '®O kann entweder im Ester oder im gebildeten Wasser erscheinen.

Zwei mögliche Produkte der Veresterung mit markiertem Methanol

Der markierte Sauerstoff erscheint im Ester:

| H RCOH + H®OCH; = Der markierte

| RC3OCH3 + H,O

+

Sauerstoff erscheint im Wasser:

|

.

l

RCOH + H'SOCHz =

RCOCH; + H>'80

nicht beobachtet

Wie das Experiment zeigt, verläuft Weg; das Sauerstoffatom des Alkohols baut. Diese und andere Beobachtungen Mechanismus für die säurekatalysierte rung, die Hydrolyse, vorzuschlagen:

die Reaktion nach dem ersten wird in das Estermolekül eingehaben dazu geführt, folgenden Veresterung und deren Umkeh-

Mechanismus der säurekatalysierten Veresterung und der Esterhydrolyse Schritt

1 Protonierung der Carboxygruppe

Tr\

BR

=

+"

a

©

NR

ni

:O

|

Ar

:O

|,

O—H

Pe

|

R’ ( O—H

R‘

Yon

Dihydroxycarbenium-lon

Schritt

il

-

2 Angriff durch Methanol H

Pr

ae

+CH0H 3 ..

—=

H

5

R pr e Ö..

RT Nu

«

u

+H

z

H

RR ———— e Ö..

SH

&

x

Ri

y“

1

Sy

H;C tetraedrisches

Zwischenprodukt

916

Schritt 3_ Wasserabspaltung

19.9

Carbonsäure-Derivate: Ester

Zuerst entsteht durch die Protonierung der Säure ein delokalisiertes Dihydroxycarbenium-Ion (Schritt 1). Hierdurch wird ein nucleophiler Angriff des Methanols auf das Carbonyl-Kohlenstoffatom ermöglicht. Durch Abspaltung eines Protons aus dem ersten Addukt entsteht das tetraedrische Zwischenprodukt der nucleophilen Addition (Schritt 2). Diese Spezies stellt den entscheidenden Punkt des gesamten Reaktionsweges dar, denn sie kann säurekatalysiert in Vorwärts- und Rückrichtung zerfallen. Im letzteren Fall leitet die Protonierung am MethoxySauerstoffatom die Abspaltung von Methanol über die umgekehrte Reaktionsfolge der Schritte 1 und 2 ein. Die Protonierung an einem der beiden Hydroxy-Sauerstoffatome führt jedoch zu einer Abspaltung von Wasser und dem Esterprodukt (Schritt 3). Dieser Mechanismus erklärt gut, warum Säurekatalyse erforderlich ist, und warum das '®OIsotop im Ester erscheint. Übung 19-11 Die unvollständige Hydrolyse von Methylacetat (Essigsäuremethylester) mit H,O ergibt teilweise markiertes Ausgangsmaterial, RR Erklären Sie, warum. 150

Hydroxysäuren können durch intramolekulare Veresterung zu Lactonen reagieren Behandelt man Hydroxysäuren mit katalytischen Mengen Mineralsäuren, können intramolekulare Ester gebildet werden. Cyclische Ester bezeichnet man als Lactone (s. Abschn. 20.4). Die Bildung von Lactonen ist nur bei fünf- und sechsgliedrigen Ringen und bei großen Ringen, in denen Ringspannung und transannulare Wechselwirkungen vernachlässigbar sind, begünstigt (s. Abschn. 4.2). Bildung von Lactonen

fo) HOCH>CH>CH>CH,COOH 29a — 0_ 10%

+ 0 90%

CHCHCH,CH;COOH Fre OH 5%

+ H50

CH, 95%

917

19

Carbonsäuren

Übung 19-12 Erklären Sie das folgende Ergebnis über einen Mechanismus: >

HO

H

1

R

ae

HCCH

?+ 0

CH,COOH

0

Veresterungen von Carbonsäuren können auch über andere Mechanismen verlaufen Neben der säurekatalysierten Veresterung können Carbonsäuren auch über andere Reaktionen in Ester überführt werden. Zwei besonders wichtige sind die nucleophile Substitution von Halogenalkanen mit Carboxylat-Ionen und die Bildung von Methylestern durch Reaktion von Carbonsäuren

mit Diazomethan,

CH,N;.

Die erste der beiden Reaktionen haben wir bereits bei den Synthesen von Alkoholen beschrieben (Abschn. 7.8). Carboxylat-Ionen sind Nucleophile,

die Ester über Sn2-Reaktionen

bilden, insbesondere

die Substrate primäre Halogenalkane sind. So reagiert Iodbutan Natriumacetat zu Butylacetat (Essigsäurebutylester).

CH3CH>CH>CH7I

+

wenn

mit

| Hsc92H, 100s ©, CH3CH>CH>CH30CCH; + Na’

|

CH3CO”Na*

95% Natriumacetat

Diese

Methode

Butylacetat Essigsäurebutylester

läßt

sich

auch

zur

Darstellung

makrocyclischer

Lactone verwenden.

n

BrCHz(CH3)gCOOH Kacn DnE2 I, 89%

| Übung 19-13 Schlagen Sie eine Synthese von Lacton B aus A vor. Überführen Sie dazu den Bromsubstituenten (reaktiver) in eine Carboxygruppe.

OÖ SWEET

e1

BE

2

A

O B

Übung 19-14 Erklären Sie die folgenden stereochemischen Ergebnisse:

H (a)

Sean

n

2 ch

H

RU RO au 3 an + HOCH”. Sense,

CH,CH,

H

(b) CH5COO Su +4 Brent RU D ==—

CH3

918

CH;

CH>CH3 16)

H

E CH;COC-._ 2CH; N CH; +1 D

Die zweite Veresterungsmethode wird nur in kleinem Maßstab zur Überführung einer Säure in den entsprechenden Methylester verwendet. Man benötigt dazu Diazomethan, CH>N; (s. Abschn. 21.11), eine hochreaktive und toxische Verbindung. Das Gleichgewicht dieser Umsetzung wird durch die Bildung von gasförmigem Stickstoff nach rechts verschoben.

19.10

Carbonsäure-Derivate: Amide

80% 2-Butinsäure

Methyl-2-butinoat

Lassen Sie uns zusammenfassen: Carbonsäuren reagieren mit Alkoholen zu Estern, wenn eine katalytische Menge einer anorganischen Säure im Reaktionsgemisch vorhanden ist. Diese Reaktion ist nur leicht exotherm, und das Gleichgewicht läßt sich durch geeignete Wahl der Reaktionsbedingungen in beide Richtungen verschieben. Die Umkehrung der Veresterung ist die Esterhydrolyse. Der Mechanismus der Veresterung verläuft über eine säurekatalysierte Addition von Alkohol an die Carbonylgruppe, darauf folgt eine säurekatalysierte Dehydratisierung. Eine intramolekulare Veresterung ergibt Lactone, deren Bildung nur dann begünstigt ist, wenn fünf- oder sechsgliedrige Ringe entstehen. Ester lassen sich auch über andere Mechanismen aus Carbonsäuren darstellen. Beispiele hierfür sind die Reaktion von Carboxylat-Ionen mit (primären) Halogenalkanen, und, zur Darstellung von Methylalkanoaten, von Carbonsäuren mit Diazomethan.

19.10 Carbonsäure-Derivate: Amide In diesem Abschnitt zeigen wir, daß die Carbonylfunktion der Carbonsäuren auch von Aminen angegriffen werden kann, wodurch eine weitere

Klasse

von

Derivaten,

die

Carbonsäureamide,

entsteht.

Diese

Reaktion verläuft wieder nach dem Additions-Eliminierungs-Mechanismus, ist aber erschwert durch eine konkurrierende Deprotonierung.

| RCNR3 Carbonsäureamid

Amine reagieren gegenüber Carbonsäuren als Basen und als Nucleophile Da Stickstoff nicht so elektronegativ wie Sauerstoff ist, sind Amine nucleophiler und basischer als Alkohole (s. Kap. 21), und sie können auf beide Arten mit Carbonsäuren reagieren. Gibt man eine Säure und ein Amih zusammen,

bildet sich sofort das Ammoniumsalz.

Ammoniumsalze

aus Carbonsäuren

“

u ix

BSP

TE

ER

ae

NH3

Ammoniak

—

RCO :

+

HNH3

Ammoniumalkanoat

Die Salzbildung ist beim Erhitzen reversibel, dabei läuft ein langsamer, aber thermodynamisch günstigerer Prozeß, bei dem das Stickstoffatom das Carbonyl-Kohlenstoffatom angreift, ab. Eine Additions-Eliminierungs-Reaktion führt zu einem Amid*, in dem NR; die OH-Gruppe ersetzt hat.

* Denken Sie daran, die Bezeichnung Carbonsäureamide nicht mit den Salzen von Aminen, auch Amide genannt, zu verwechseln (z.B. Lithiumamid, LiNH;,, etc.).

919

19 Carbonsäuren

Mechanismus der Amidbildung

|

B e

R

0:

+:NH3 == R—C—OH ———

PT

|

OH

:0:

:OX

:0:7

:O:

°*

R-C-0H, =

„Protonen-

+NH -

| “2

übertragung

1C

H0:+

NH2

R

ER

NH,

Amid

Bildung eines Amids aus einem Amin und einer Carbonsäure

|

155°C

CH3CH>CH>CN

et

+ (CH3);NH

CH;CH,>CH>COOH

(CH3);

+ HOH

84% N,N-Dimethylbutanamid

Die Amidbildung ist reversibel. Beim Behandeln von Amiden mit heißer, basischer oder saurer wäßriger Lösung gewinnt man die Carbonsäuren und Amine wieder zurück.

Dicarbonsäuren reagieren mit Aminen zu Imiden Dicarbonsäuren

können

zweimal

mit

dem

Stickstoffatom

des Ammo-

niaks oder von primären Aminen reagieren. Hierbei entstehen Imide, die Stickstoffanaloga der cyclischen Anhydride. (0)

|

© CH

;

COOH

CH>COOH

Sn

CH>COO

|

"NH,"

CH>COO "NH;

290 °C

A

H>C

:NH + 2H>0 + NH3

HC

Butandisäure

Nc

| oO 83% Butanimid (Suceinimid)

Sie werden sich sicher an die Verwendung von N-Halogenbutanimiden bei Halogenierungen erinnern (Abschn. 3.8 u. 14.2).

Aminosäuren cyclisieren zu Lactamen Entsprechend den Hydroxysäuren cyclisieren auch einige Aminosäuren zu den entsprechenden cyclischen Amiden, den Lactamen (vgl. Abschn. 20.6, Kasten 20-2).

\

|

O H } HOH

HalNCHSCH,CH,CO" =— H,NCH3CH>CH,COH —> H

86% Lactam

Übung 19-15 Formulieren Sie einen detaillierten Mechanismus ! Butandisäure und Ammoniak.

920

für die Bildung von Butanimid

aus

Wir können also zusammenfassen: Carbonsäuren reagieren mit Aminen nach einem ähnlichen Mechanismus zu Amiden, wie sie mit Alko-

19.11 Reaktionen von Carbonsäuren mit Organo-

holen zu Estern reagieren, mit dem Unterschied, daß zunächst Ammo-

lithiumverbindungen und

Lithiumaluminiumhydrid: Nucleophiler Angriff auf die Carboxygruppe

niumsalze gebildet werden. Amine greifen auch Dicarbonsäuren unter Bildung von Imiden, den Stickstoffanaloga der cyclischen Carbonsäureanhydride, an. Die Aminogruppe von Aminosäuren kann mit der Carboxygruppe desselben Moleküls zu intramolekularen Amiden, den Lactamen,

reagieren.

19.11 Reaktionen von Carbonsäuren mit Organolıthiumverbindungen und Lithiumaluminiumhydrid: Nucleophiler Angriff auf die Carboxygruppe Dieser Abschnitt zeigt, daß Carboxygruppen, auch wenn sie durch ihre negative Ladung desaktiviert sind, doch von starken Nucleophilen, wie Organolithium-Reagenzien und Lithiumaluminiumhydrid, angegriffen werden können. Bei diesen Umsetzungen entstehen Ketone bzw. Alkohole.

Organolithium-Reagenzien reagieren mit Carboxylat-Ionen zu Ketonen Obwohl ein nucleophiler Angriff auf ein negativ geladenes Teilchen schwierig ist, können sich Organolithium-Verbindungen an die Carbonylgruppe eines Carboxylat-Ions addieren. So entsteht bei der Behandlung eines Carboxylatsalzes mit Methyllithium ein Zwischenprodukt, das das Dianion eines geminalen Diols ist. Bei der wäßrigen Aufarbeitung bildet sich zunächst das Keton-Hydrat (Abschn. 17.6), das sofort zum Keton dehydratisiert. T

= Ei

ae: 4"

O0:

OH Li'

CH>—C—OH

F

HN, WO, | 210n 7

CHaLi, THF

j CH>CCH3

nn

CH3

- H50

Lithium-

76%

cyclohexyl-

1-Cyclohexyl2-propanon

acetat B

Diese Reaktion ist eine sehr nützliche, allgemein anwendbare Synthesemethode für Methylketone. Der Einfachheit halber geht man von einer Carbonsäure aus und gibt zwei Äquivalente Methyllithium hinzu. Das erste Äquivalent reagiert mit dem sauren Proton zu Methan und dem Lithiumcarboxylat. Das zweite Äquivalent greift dann das Salz an, und es entsteht beim Aufarbeiten das Methylketon. Stufenweise Methylketon-Synthese

CHs

CH>=CHCCOOH erg CH;

CH;

I. CHzLi, THF

CH>=CHCCOO"Li* 2, CH;

a"

CH>=CHC—CCH; HC 55%

2,2-Dimethyl3-butensäure

3,3-Dimethyl4-penten-2-on

921

19

Carbonsäuren

Andere Alkyllithium-Reagenzien reagieren wie Methyllithium zu den entsprechenden Ketonen. i Übung 19-16

N

Beim

\ steht

Behandeln von Butyllithium mit Kohlendioxid bei erhöhten Temperaturen nach der wäßrigen Aufarbeitung 5-Nonanon. Geben Sie eine Erklärung.

ent-

Bei der Reduktion von Carbonsäuren mit Lithiumaluminiumhydrid entstehen Alkohole Ein anderes sehr starkes Nucleophil ist Lithiumaluminiumhydrid. Dieses Reagenz reduziert Carbonsäuren bis hin zu den entsprechenden Alkoholen, die man nach wäßrıger Aufarbeitung erhält: 13 LiAIH,, THF

RCOOH

0,

RCH-OH

Beispiel:

l. LIAIH,, THF

2. H*, 0

COOH

CH>OH 65%

Im ersten Schritt dieser Umsetzung entsteht das Lithiumsalz der Säure, und es entwickelt sich gasförmiger Wasserstoff. Danach reduziert ein weiteres Äquivalent Hydrid durch Addition die Carbonylfunktion, wobei vermutlich ein durch Aluminium komplexiertes Dianion eines geminalen Diols entsteht. Ein weiteres Äquivalent Hydrid ersetzt einen der sauerstoffhaltigen Substituenten, beim Aufarbeiten des entstandenen

Alkoxids in Säuren entsteht der Alkohol. Vermutlicher Mechanismus

der Reduktion von Carbonsäuren

durch Lithiumaluminiumhydrid Schritt

1

Salzbildung

|

RCOH + LiAIH, —> Schritt

2

|

RCO”Li" + H—H

+ AlH3

Hydrid-Addition

ING

|

RCO’Li* + LiAIH, —

I

ie

H Schritt

3 Substitution durch Hydrid

YNq

23

RS

H Schritt

H

I

re

4 HAlNigeee RS Li* +

OAL

H

4 Hydrolyse

RCH,O”Li* #2, RCH,OH + Li*OH 922

Übung 19-17 Schlagen Sie Syntheseschemata zur Darstellung der Verbindung B aus der Verbindung A

vor: (a) A: CH3CH3;>CH3CN,

(b) A:

B: CH;CH3;CH3;CH30H;

>-cH;Co0H,

B:

19.12 Substitution in Nachbarstellung zur Carboxygruppe: Die Hell-Volhard-ZelinskyReaktion

>-CH;CD;0H.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß sich Organolithium-Reagenzien und Lithiumaluminiumhydrid aufgrund ihres stark nucleophilen Charakters an die Carbonylgruppe von Carboxylaten addieren können. Alkyllithiumverbindungen überführen die Carboxyfunktion in die Carbonylgruppe eines Ketons, Lithiumaluminiumhydrid reduziert Carbonsäuren zu Alkoholen.

19.12 Substitution in Nachbarstellung zur Carboxygruppe: Die Hell-Volhard-Zelinsky-Reaktion Wie andere Carbonylverbindungen bilden auch Carbonsäuren (als Carboxylate) Enolat-Ionen, die nucleophile Substitutionen eingehen können. Enole sind auch Zwischenprodukte bei der Bromierung des der Carboxygruppe benachbarten Kohlenstoffatoms.

Die Wasserstoffatome in Nachbarschaft zur Carbonylgruppe von Carbonsäuren sind acıde Die Carbonylgruppe von Aldehyden und Ketonen übt eine acidifizierende Wirkung auf die benachbarten Wasserstoffatome aus (Abschn. 18.1). Dies gilt auch für Carbonsäuren (und ihre Derivate, s. Kap. 20). Beim Behandeln mit Base bilden sie zunächst Carboxylate. In Anwesenheit eines weiteren Äquivalents einer starken Base wie Lithiumdiisopropylamid (LDA) und eines stark polaren aprotischen Cosolvens wie Hexamethylphosphorsäuretriamid, HMPT (Abschn. 6.9, Tabelle 6-4), können sie nochmals deprotoniert werden. Hierbei entsteht ein Carbonsäure-Dianion,

das ein außerordentlich

starkes Nucleo-

phil ist.

Bildung des Dianions der Nonansäure R

(0)

CHS(CHDSCH—C”

%

R :

CH3(CH>)gCH>COOH Nonansäure

2 LDA, THF, HMPT, 25°C,III 30 min DD = 2 (CH,CHINH


)gCH — N;

10T

CH3

|

+2 Lı

a

Ö:

Wh

|

CH3(CH,)g,

CH=C

Not

Nonansäure-Dianion

923

19 Carbonsäuren

Es zeigt dieselben nucleophilen Reaktionen wie die anderen EnolatIonen (Abschn. 18.1 u. 18.5) - also Alkylierung, Öffnung von Oxacyclopropan-Ringen und Aldolkondensation.

Alkylierung des Dianions der Nonansäure

3: a7, CH3(CHDJSCHC

j

CH3CH>CH>CH>»Br (1 Äquivalent), 0-25°C u re

0:7 Er

Ö:

02

CH,(CHIsCHe“ Su| ar CHsCH>CH,CH, 9° Li

CH3(CH SCH” ® CHsCH,CH,CH, OH 97% 2-Butylnonansäure

Da die Dianionen stark basisch sind, verläuft die Alkylierung nur bei primären Halogenalkanen glatt. Oxacyclopropane werden in einer für Sn2-Reaktionen typischen Weise geöffnet, wobei 4-Hydroxycarbonsäuren entstehen. Durch Aldolkondensation erhält man 3-Hydroxycarbonsäuren. Nucleophile Reaktionen des Dianions der 2-Methylpropansäure ++

o

0

OÖ

Re Li

Don

3

2 LDA, THF, HMPT, 50°C, 2 h

sz

..

Ns: CH

CH; 2-Methylpropansäure

Ba

PR

Li

a

' (20

1.CHSCH>ECHJCHA

2.H°, H,O

2.H*, 50 OH

ne

HC CH;

Te

CH;CH, CH3

91% eine 4-Hydroxycarbonsäure

eine 3-Hydroxycarbonsäure

| 1. Br(CH))sBr, 0-40°C 2.H',H,0

CH3 ee

CH; meh

Hz

CH3

62%

2,2,8,8-Tetramethylnonandisäure

U Übung 19-18 Schlagen Sie für die folgenden Verbindungen ausgehend von Essigsäure Synthesen vor:

(a) HOCH,;CH,CH;COOB;

924

OH | (b) (CH3),;CCH;COOH;

Bromierung von Carbonsäuren: Die Hell-Volhard-Zelinsky-Reaktion

19.12

Wie Aldehyde und Ketone können auch Carbonsäuren an dem der Carbonylgruppe benachbarten Kohlenstoffatom bromiert werden. Im Gegensatz zu Aldehyden und Ketonen ist bei den Carbonsäuren jedoch ein besonderes Reagenz, Phosphor, erforderlich. Unter den Reaktionsbedingungen setzt sich Phosphor rasch mit dem zugegebenen Brom zu dem Initiator, PBr;, um. (Eine andere Möglichkeit ist es, PBr; direkt einzusetzen.) Mit diesem Initiator verläuft die Bromierung von Carbonsäuren nach der Hell-Volhard-Zelinsky*-Reaktion.

Substitution in Nachbar-

stellung zur Carboxygruppe: Die Hell-Volhard-ZelinskyReaktion

Hell-Volhard-Zelinsky-Reaktion Br

im

|

E — ZeR,

CH3CH>CH>CH>COOH

CH5CH3CHZCHCOOH + HBr 80% 2-Brompentansäure

Beim Mechanismus dieser Reaktion tritt intermediär ein Alkanyolbromid auf, das durch Reaktion von PBr; mit der Carbonsäure entstanden

ist (s. Abschn. 19.8). Dieses Derivat enolisiert bei Säurekatalyse außerordentlich rasch. Das Enol wird dann zu dem 2-Bromalkanoylbromid bromiert, das dann eine Austauschreaktion

mit der noch unveränderten

Säure eingeht. Dabei entstehen die Bromsäure und ein weiteres Molekül Alkanoylbromid, welches erneut in den Reaktionscyclus eintritt.

Mechanismus der Hell-Volhard-Zelinsky-Reaktion Schritt

1

Bildung des Alkanoylbromids

| 3 RCH,COH + PBzs —

| 3RCHsCBr

+ H3PO;

Alkanoylbromid

Schritt

2_ Enolisierung |

OH

RCH-CBr ER

RCH=C Br

Enol Schritt 3° Bromierung „a

RCH=C’”

b

|

—#L, RCHCBr + HBr nr

‚Schritt 4

Austausch

|

An

|

+ RCH,COH

Br

*

1

Carl M. Hell, 1849-1926,

==

|

Be

|

+ RCH,>CBr

Br

Professor an der Universität Stuttgart; Jacob Volhard,

1834-

1910, Professor an der Universität Halle; Nicolai D. Zelinsky, 1861-1953, Professor an der Universität Moskau.

925

19

Carbonsäuren

Übung 19-19

O

Oo

Die Hell-Volhard-Zelinsky-Reaktionerfordert PBr;, da RCOH im Gegensatz zu RCBr nicht enolisiert. Erklären Sie, warum das so ist, und geben Sie detaillierte Mechanismen für die Schritte 2 und 3 dieser Reaktion an. (Hinweis: Siehe Abschnitt 18.2 für Schritt 2 und Abschnitt 18.3 für Schritt 3.)

Die über die Hell-Volhard-Zelinsky-Reaktion gebildete Bromcarbonsäure kann in Verbindungen mit anderen funktionellen Gruppen überführt werden. So entsteht beim Behandeln mit wäßriger Base die 2-Hydroxysäure, durch Reaktion mit einem Amin eine Aminosäure (s. Kap. 26). Die Substitution des Bromatoms durch Cyanid ergibt eine 2-Cyanocarbonsäure, die dann zur Dicarbonsäure hydrolysiert werden kann.

Synthese von Carbonsäuren mit weiteren funktionellen Gruppen über 2-Bromcarbonsäuren

|

ar 35T

CH;

CHSHCHAHCHOR

CH3

CH3CHCH>CHCOOH

>

Br

|

OH 72%

2-Brom-4-methylpentansäure

2-Hydroxy-4-methylpentansäure

A

NH>

CHCHCOOH

2HH, a,

CHSCHCOOH

23 IS, Ei Te

56% 2-Aminopropansäure (Alanin)

2-Brompropansäure

{iR H2O, HOT

BrCHCOOH we Bromessigsäure

—-

j

2. H”, H,O

z

Propandisäure (Malonsäure)

Br>, Spur PCh,

CHICHSICOON en

Br

NH3,

H20,

CHa(CHz);CHCOOH ee 86%

Hexansäure

1

"> NCCH3COO"Na* =——-> HOCCHCOH =

2-Bromhexansäure

NH,

CHS(CH,),ÖHCOOH 64% 2-Aminohexansäure (Norleucin)

Fassen wir zusammen: Die 2-Position von Carboxylatsalzen ist leicht sauer und läßt sich mit LDA in Gegenwart von HMPT zu den entsprechenden Dianionen deprotonieren. Das gebildete Enolat-Kohlenstoffatom ist nucleophil und kann genau wie die gewöhnlichen Enolate alkyliert werden. Mit katalytischen Mengen Phosphor lassen sich Carbonsäuren an C2 bromieren (Hell-Volhard-Zelinsky-Reaktion). Bei dieser Reaktion entstehen 2-Bromalkanoylbromide als Zwischenstufen.

926

19.13 Decarboxylierung von Carbonsäuren durch Ein-ElektronenÜbertragung: Die Hunsdiecker-Reaktion

19.13 Decarboxylierung von Carbonsäuren durch Ein-Elektronen-Übertragung: Die Hunsdiecker-Reaktion

Wir beschließen unsere Untersuchung der Reaktionen von Carbonsäuren mit der Oxidation des Carboxylat-Ions. Bei der Ein-Elektronen-Oxidation von Carboxylat-Ionen entsteht ein sehr instabiles RCOO--Radikal, das sich unter Abgabe von Kohlendioxid zersetzt. Das entstandene Radikal reagiert dann weiter, indem es dimerisiert oder ein geeignetes Atom aus einem Molekül der Umgebung abspaltet. Das Ergebnis der Reaktion ist die Decarboxylierung der Carbonsäure und die Bildung eines Alkan- oder Alkenderivats.

Erzeugung und Zerfall eines RCOO--Radikals =

FR

R

v ;

O7

See

S-

Kr

R

Kar

6)

0=c=0

Bei der Kolbe“-Elektrolyse wird das Elektron durch anodische Oxidation abgespalten. Die entstandenen Radikale dimerisieren zu einem Alkan.

CH,CH,CH,CH,C00" Na* —— CH,CH,CH,CH,CO0- — CO, + CH,CH,CH,CH, anodische Oxidation

2 CH,CH,CH,CH


)}oCOOH =

2

Br—Br, >

KOH,

H>0

CC

en

CH;(CH>)oBr 67%

Dodecansäure

Der Mechanismus mit, RCOOBTr,

1-Bromundecan

dieser Reaktion

läuft über ein Alkanoylhypobro-

das zu dem RCOO--Radikal zerfällt. Nach der Decarbo-

xylierung spaltet das Alkylradikal ein Bromatom aus einem weiteren Molekül Hypobromit ab. Es entsteht das Bromalkan und ein weiteres RCOO--Radikal, das erneut in den Reaktionscyclus eintritt. Mechanismus

Schritt

der Hunsdiecker-Reaktion

1 Bildung des Hypobromits

In

RCO: Ag Schritt 2

l..

RCOBr

Br—Br

—

Bildung des RCOO--Radikals :O:

un

RCO-+Br: Schritt

3

—

|

RCO + :Br-

Zerfall des RCOO--Radikals

DR R+CO- — Schritt

+ AgBr

A h R-+ 0=Cc=0

4 Bildung des Halogenalkans und RCOO-

s I.. R- + RCOBr —> RBr + RCOWeitere Beispiele von Decarboxylierungen finden sich im enzymatischen Abbau von 2-Oxopropansäure (Brenztraubensäure) und bei den Reaktionen der 3-Ketocarbonsäuren (s. Kap. 23).

ee

(a) CH;CH>CHBr;

(b) CH;COOH.

) Übung 19-21 n Was sind die Produkte der Hunsdiecker-Reaktion MM butansäure und (c) Benzoesäure?

von

(a) Pentansäure,

(b) 2-Ethyl-

Wir fassen zusammen: Die Oxidation eines Silbercarboxylats durch ein Halogen führt zu einem instabilen RCOO--Radikal, das sich unter Bildung von Kohlendioxid und einem Alkylradikal zersetzt. Letzteres reagiert mit dem Halogen zu dem entsprechenden Halogenalkan.

928

19.14 Biologische Aktivität von

19.14

Biologische Aktivität von Carbonsäuren

Carbonsäuren Betrachtet man die Vielfalt der Reaktionen der Carbonsäuren, so verwundert es nicht, daß sie nicht nur im Labor, sondern auch in der

Natur sehr wichtige synthetische Zwischenstufen sind. In diesem Abschnitt werden wir einen Blick auf die enorme Vielfalt natürlich vorkommender Carbonsäuren in Bezug auf Struktur und Funktion werfen. Die Diskussion der Aminosäuren wird zurückgestellt und in Kapitel 26 behandelt. Wie die Tabelle 19-1 zeigt, treten sogar die einfachsten Carbonsäuren häufig in der Natur auf. Ameisensäure findet man nicht nur in Ameisen, wo sie als Alarmpheromon wirkt, sondern auch in Pflanzen. So ist sie mit für den brennenden Schmerz verantwortlich, den man beim Berühren einer Brennessel verspürt. Essigsäure bildet sich bei der SEHEN Oxidation des durch Gärung

entstandenen

Ethanols.

Die

auf diese

Weise

aus

Apfelwein,

Wein oder Malzextrakten gebildete verdünnte (ca. 4-12%) wäßrige Lösung nennt man Essig. Louis Pasteur stellte 1864 fest, daß an diesem uralten Prozeß Bakterien beteiligt sind.

Kasten 19-3

trans-konjugierte Fettsäuren und Ihre Gesundheit Über 90%

der Doppelbindungen, die in natürlich

vorkommende

Fettsäuren

enthalten

sind,

haben

cis-Konfiguration. Dies zeigt sich im niedrigeren Schmelzpunkt von Pflanzenölen, im Vergleich zum Schmelzpunkt der gesättigten Fettsäuren (s. Abschn. 11.3). Setzt man Pflanzenöl den Bedingungen der katalytischen Hydrierung aus, so erhält man feste Margarine. Während dieser Umsetzung werden aber nicht alle Doppelbindungen hydriert; ein signifikanter Anteil der Doppelbindungen wird durch den Katalysator zur entsprechenden trans-Doppelbindung isomerisiert, so daß Doppelbindungen im festen Endprodukt enthalten bleiben. Zum Beispiel enthält synthetische harte Margarine 35% gesättigte Fettsäuren (saturated fatty acids; SFAs) und 12% trans-konjugierte Fettsäuren (frans fatty acids, TFAs). Zum Vergleich: natürliche Butter enthält über 50% SFAs, aber nur 3-4% TFAs, weiche Margarine hingegen, die den Bedingungen der katalytischen Hydrierung über einen kürzeren Zeitraum ausgesetzt wurde, enthält 15% gesättigte Säuren und

5% TFAs. Hat der Genuß von TFAs einen Einfluß auf unsere Gesundheit? Lange Zeit wurde vermutet, daß die TFAs nicht in derselben Weise wie die entsprechenden cis-Verbindungen den menschlichen Stoffwechsel durchlaufen. Tatsächlich wurde

diese Vermutung in den 60er und 70er Jahren durch Studien bestätigt, die zeigten, daß die durch Nahrung aufgenommen TFAs den LipidMetabolismus stark beeinflussen. Der alarmierendste

Befund

membran proteinen proteins,

war,

daß TFAs

sich in der Zell-

ansammeln und die Menge an Lipogeringer Dichte (low density lipoLDLs,

umgangssprachlich:

„schlechtes

Cholesterin“) im Blutkreislauf erhöhen, während gleichzeitig die Menge der Lipoproteine hoher Dichte (high density lipoproteins, HDLs, umgangssprachlich: „gutes Cholesterin“) gesenkt wird. Folgestudien haben sich auf einen möglichen Zusammenhang zwischen den durch die Nahrung aufgenommenen TFAs und einem erhöhten Herzinfarktrisiko — und neuerdings Brustkrebs — konzentriert. Sie führten zu keinem einfach interpretierbaren Ergebnis, da Lebensmittel mit TFAs stets auch gesättigte Fettsäuren enthalten. Die zur Zeit vorherrschende Meinung ist, daß sich TFAs und SFAs in ihren Gesamtauswirkungen auf die Gesundheit ähnlich verhalten. Weil TFAs nur einen kleinen Bestandteil der typischen Ernährung ausmachen, empfiehlt der amerikanische Cardiologen-Verband, den Anteil an Fett in der täglichen Nahrung, auf etwa 30% der Gesamtkalorienmenge zu begrenzen.

929

19

Fettsäuren leiten sich aus der Kupplung von Essigsäuremolekülen ab

Carbonsäuren

Essigsäure zeigt vielfältige biologische Aktivitäten. Sie wirkt als Pheromon zur Verteidigung in einigen Ameisenarten und Skorpionen, aber sie ist auch der wesentliche Baustein bei der Biosynthese von mehr Naturstoffen als jede andere Vorstufe. Beispielsweise bildet sich 3Methyl-3-butenylpyrophosphat, der entscheidende Baustein beim Aufbau der Terpene (Abschn. 14.10), durch die enzymatische Umwandlung von drei Molekülen CH;COOH zu einer Zwischenstufe, die Mevalonsäure genannt wird. Weitere Reaktionen bauen dieses Molekül zu der

C;-Einheit (Isoprenbaustein) des Produkts ab.

CH,—COOH 3 CH} —COOH

Enzym

|

PRSCHH—COH

+ Enzym

00 en > CH3—C

CH3 —CH30H

72

De

CH» —CH30—P—O—P—OH OH

Mevalonsäure

OH

3-Methyl-3-butenylpyrophosphat

Eine direktere Form der Mehrfachkupplung von Essigsäuremolekülen findet man bei der Biosynthese von Fettsäuren. Diese Verbindungsklasse hat ihren Namen von ihrem Ursprung, den natürlichen Fetten, erhalten, die Ester langkettiger Carbonsäuren sind (s. Abschn. 20.4). Durch Hydrolyse oder Verseifung (die Bezeichnung kommt daher, daß die dabei gebildeten Salze Seifen sind) entstehen die entsprechenden Fettsäuren. Die wichtigsten Fettsäuren -— z.B. Hexadecansäure (Palmitinsäure) und cis-9-Octadecensäure (Ölsäure) — enthalten zwischen zwölf und zweiundzwanzig Kohlenstoffatomen und können ungesättigt sein. Fettsäuren

CHa(CHd7,

(CH>);COOH

CH;(CH3>) „COOH H

H

Hexadecansäure

cis-9-Octadecensäure

(Palmitinsäure)

(Olsäure)

In Übereinstimmung mit ihrer biosynthetischen Herkunft enthalten die Fettsäuren meist eine geradzahlige Kohlenstoffkette. Die Beziehung ist durch ein sehr elegantes Experiment, in dem man einfach !*C-markierte Essigsäure an einige Organismen verfütterte, aufgeklärt worden. Man fand, daß in den gebildeten Fettsäuren nur jedes zweite Kohlenstoffatom radioaktiv markiert war: CH; '*COOH

Organismus

—_——

CH3'*CH,CH; '*CH,CH; ''CH,CH; ''CH,CH3 '*CH,CH3 '’CH;CH; '*CH,CH» '*COOH markierte Hexandecansäure (Palmitinsäure)

Den Ablauf dieser Polymerisation kann man sich systematisch folgendermaßen vorstellen. Zunächst wird die Essigsäure durch Bildung eines reaktiven Esters (Acetyl-Coenzym A) mit der Mercaptogruppe von Coenzym A (abgekürzt HSCoA, s. Abb. 19-4), einem wichtigen Bindeglied bei biologischen Reaktionen, aktiviert. Dieser Thioester wird dann mit Hilfe eines Enzyms, der sogenannten Acetyl-CoA -Carboxylase, zu Malonyl-Coezym A carboxyliert. Nun kommt ein neues Enzymsystem, die Fettsäure-Synthetase, zur Wirkung, das die Kettenverlänge-

930

Mercaptogruppe

ıO

OEH2CHS

ıO

H ee || Hl ||

>

(6)

Kr |

HS—CH>—CH>—N

HO CH;

N

0

| |

H H

H

0 08 0-09 | 1)

| Pantothensäureteil

CHsCSCoA + HOH

Coenzym A

AcetylCoenzym A

Schritt 2_ Carboxylierung OÖ

|

CH3CSCoA

+ CO;

Acetyl-CoA-Carboxylase

Il

1

HOCCH>CSCoA

Malonyl-CoA

Schritt

3 Transfer von Alkanoylgruppen

o ER

+

Hs

Protein | u

o | CH3Cs-FProtein ]+ HSCoA

Acyl-Carrier-Protein

o 0 DR HOCCH3CSCoA +

0.4.0 = N HS-F Protein] RR. HOCCH3CS- Protein |+ HSCoA Acyl-Carrier-Protein

931

19

Carbonsäuren

Schritt

4 Kupplung

0

0

e

AR,

CH3CS-FProtein] —- Protein

rs

| | CH3CCH;CS

-C0O;

3-Oxobutansäurethioester

Schritt

5

Reduktion

) Dat pr, We S CH3OCH3CS+ Protein] 22,

| CHSCHSCH3CS-

r Protein

ein Butansäurethioester

weitere Schritte Hydrolyse

Wiederholung

der

Schritte

1 bis

5, anschließend

16)

EN CH3CH>CHJCS-

1 Protein |

H,>0

“

>

h

CH3(CH2)„ COOH

1

+ HS-

Bun

langkettige Fettsäure

Alle Schritte unterliegen einer sorgfältigen energetischen Kontrolle und die bei den Reaktionen freiwerdenden Wärmebeträge werden gewöhnlich zum „Treiben“ anderer Prozesse benutzt. Das ganze System muß sehr selektiv sein, denn das Enzym Fettsäure-Synthetase baut die ganze sechzehn Kohlenstoffatome lange Kette der Hexadecan- (Palmitin-)säure in einer Reaktionsfolge auf — ohne daß Zwischenprodukte freigesetzt werden — bis das Endprodukt fertig ist. Obwohl die Struktur des

„Fließbands“

nicht

genau

bekannt

ist, nimmt

man

an,

daß

das

Enzym aus einem Cluster mehrerer Proteine mit einer molaren Masse von etwa 2300000 besteht.

Arachidonsäure ist eine biologisch wichtige ungesättigte Fettsäure Eine wichtige natürlich vorkommende langkettige Carbonsäure ist die Arachidonsäure. Diese Substanz scheint die biologische Vorstufe einer Fülle von wichtigen chemischen Substanzen im menschlichen Körper, wie den Prostaglandinen (Abschn. 18.11, Kästen 11-1 u. 18-5), Thromboxanen, Prostacyclinen und Leukotrienen zu sein. Jede dieser Verbindungen übt wichtige biologische Funktionen aus. Einige der Prostaglandine sind zum Beispiel verantwortlich für die Entzündung des Gewebes bei rheumatischer Arthritis. Das SalicylsäureDerivat Aspirin kann solche Symptome bekämpfen, indem es die Umwandlung von Arachidonsäure in die Prostaglandine unterdrückt. Andere entzündungshemmende Wirkstoffe wie die Corticosteroide (Abschn. 4.7) wirken durch Unterbindung der Biosynthese von Arachidonsäure selbst.

? CH3CO

COOH

Acetylsalicylsäure (Aspirin)

i Übung 19-22 l

932

Finden Sie das Arachidonsäuregerüst in den vier angegebenen Derivaten.

19.14

Biologische Aktivität von Carbonsäuren

Arachidonsäure

Prostaglandin F,, (löst Wehen, Fehlgeburten und Menstruation aus)

COONa

HO

TRY

T

F

OH

Thromboxan A,

Prostacyelin I,, Natriumsalz

(bewirkt die Kontraktion der glatten Muskulatur und die Blutgerinnung)

(stärkster natürlicher Inhibitor der Blutgerinnung; gefäßerweiternd, wird bei Bypass-Operationen am Herzen, bei Nierenpatienten usw. eingesetzt)

OH

OH

TI

COOH

N

Leukotrien B, {wichtiger chemotaktischer Faktor; bewirkt z.B. Zellwanderungen)

Auch in der Natur werden komplexe polycyclische Carbonsäuren gebildet Neben den natürlich vorkommenden langkettigen Carbonsäuren sind außerdem in vielen Naturstoffen Carboxygruppen als Substituenten in komplizierteren Molekülgerüsten enthalten. In biologischer Umgebung hat die Carboxygruppe wahrscheinlich die Funktion, die Wasserlöslichkeit zu

erhöhen,

Salzbildung

oder

Ionentransport

zu

erleichtern

und

micellenartige Zusammenballungen zu ermöglichen. Die Gibellerinsäure gehört zu einer Gruppe von pflanzlichen Wuchsstoffen, die durch Fermentation

Lysergsäure Extrakten,

entstehen.

ist ein Hauptprodukt

einer

Pilzart,

die parasitär

der Hydrolyse auf Grasarten,

von

Mutterkorn-

unter

anderem

auch Roggen, lebt. Viele Derivate der Lysergsäure zeigen eine ausgeprägte psychotomimetische Wirkung. Im Mittelalter sind bei Tausenden von Menschen nach dem Genuß von mit Mutterkorn verunreinigtem

HOOC CH3

CH3 COOH Penicilline

(R steht für unter-

Gibberellinsäure

Lysergsäure

schiedliche Gruppen)

933

19

Roggenbrot bestimmte Vergiftungserscheinungen wie Halluzinationen, Krämpfe, Delirium, epileptische Erscheinungen und Tod aufgetreten. Das synthetische Lysergsäurediethylamid (LSD) ist eines der stärksten bekannten Halluzinogene. Die wirksame orale Dosis beträgt beim Menschen nur etwa 0.05 mg. Die Penicilline sind Antibiotika, die sich von 2Aminosäuren ableiten (s. Abschn. 20.6, Kasten 20-2). In diesem Abschnitt haben wir also einige Beispiele aus der strukturellen Vielfalt der Carbonsäuren, insbesondere von solchen, die in lebenden Organismen vorkommen, kennengelernt und etwas über ihre biologische Funktion erfahren.

Carbonsäuren

Verständnisübung Lactone, deren Ringe mehr als sechs Atome aufweisen, können synthetisiert werden, wenn die Ringspannung und die transannularen Wechselwirkungen minimiert werden (Abschn. 4.2-4.5 u. 9.6). Eine der wichtigsten kommerziellen Moschusduftstoffe ist das Dilacton Ethylenbrassylat, dessen Synthese wir nun besprechen. Sie beginnt mit der säurekatalysierten

Reaktion

die zur Verbindung

zwischen

Tridecansäure

A mit der Summenformel

und

1,2-Ethandiol,

C,sH>sO;

führt.

Unter

den Bildungsbedingungen polymerisiert A, während starkes Erhitzen die Polymerisation rückgängig macht und A wieder freisetzt. Von hier aus wird in einer langsameren Reaktion der gesuchte Makrocyclus erhalten. Während der Reaktion wird der Makrocyclus kontinuierlich durch Destillation aus der Reaktionsmischung entfernt, um das Gleichgewicht in die gewünschte Richtung zu verschieben. Industrielle Synthese eines makrocyclischen Moschusduftstoffes Ö

Ö

\

N

HO

OH Tridecansäure (Brassylsäure)

RER OÖ

a

l

|

er ruhtRn

ei

—|CI(CH, „)}|COCH; CH, Ol

Polymer

1,2-Ethandiol (Ethylenglycol)

zz

C,5H3s05

A

Fr —

De

Machen Sie einen Vorschlag für die Konstitution von A!

Lösung Welche Informationen über die gesuchte Verbindung liegen vor? Wir kennen die Summenformel, die Konstitutionen der beiden direkten Vorstufen und die zweier Folgeprodukte. Jeder dieser Hinweise kann für die Lösung wichtig sein. Das Polymer zum Beispiel besteht aus sich wiederholenden Monomereinheiten, die ein Ethylenglycol-Ester der Brassylsäure enthalten, in denen lediglich die OH-Gruppe der Carboxylgruppe auf der linken Seite sowie das H-Atom der Hydroxygruppe auf 934

der rechten Seite fehlen. Und tatsächlich lautet die Zusammensetzung der Monomereinheit

Verständnisübung

C)sH>sO,, was der Struktur A minus einem Was-

sermolekül entspricht. Wir erhalten die Formel A, indem wir die Konstitution der Monomereinheit formulieren und die fehlenden Fragmente hinzufügen.

o l

N H Rs

er

er

2

I=

o EEE

Pr N

IE En

‚OH

Ethylenglycolmonoester der Brassylsäure (A)

Einen anderen Zugang zu A erhalten wir, indem wir die Ausgangsverbindungen näher betrachten. Die Summe ihrer Summenformeln lautet C,;H300,;. Dies entspricht A + H,O. Die Produkte der Reaktion von Brassylsäure mit Ethylenglycol sind A und ein Molekül Wasser, was bei einer Veresterung zu erwarten ist. b Schlagen Sie einen sinnvollen Mechanismus für die Bildung des Polymers und die Bildung des Makrocyclus ausgehend von A vor.

Lösung Beide Reaktionen sind Veresterungen. Die Polymerbildung beginnt mit einer Esterbildung zwischen der Carboxylgruppe und der Hydroxygruppe zweier Moleküle A. Die Reaktion folgt dem allgemeinen säurekatalysierten Additions-Eliminierungs-Mechanismus (Abschn. 19.9), wie in der Reaktionsgleichung angegeben. Beachten Sie: Um mechanistische Fragestellungen zu beantworten, sollten Sie ausschließlich die Chemikalien verwenden, die in der Reaktion angegeben sind. Die mechanistische Abfolge kann direkt aus dem Textbeispiel übernommen werden: 1. Protonierung

2. 3. 4. 5.

des Carbonylsauerstoffatoms,

das im nächsten

Schritt

angegriffen wird. Nucleophiler Angriff einer Alkoholfunktion unter Bildung eines tetraedrischen Zwischenproduktes. Protonierung einer Hydroxygruppe des teraedrischen Intermediats, Bildung besserer Abgangsgruppe (OH versus H,O). Eliminierung von Wasser. Deprotonierung der Carbonylgruppe und Rückgewinnung des Katalysators. {ar

ie

(

T

Br. EEE

«OH

RD:

ELBE

Ne

a

O

N

1

OR

T

Te

|

..

Von

pH"

0

o

HO :OH >

ER

TET

O7

U

PETE

EEE

BT

na0;

No”

ner

SR

‚OH

tetraedrisches Zwischenprodukt

ji

HO’ | Re

16)

er 0

HO OH;

o

{3

ee,

Rsan

en

ne

20,

OH

935

19 Carbonsäuren

a 10 | H \

N no

Der

N

+

De:

oe

MeRe

Mala

- H' |

oO

O

|

OÖ

A S ae

Rn

OÖ

4

=

TE

oz

JH

Das Produkt dieser Reaktion ist ein Dimer. Wird diese Reaktionsfolge mehrfach durchgeführt, so erhält man den beobachteten Polyester. Die umgekehrte Reihenfolge der Reaktionsschritte wird beim Erhitzen des Polymers durchlaufen, wenn das Polymer zum Monoester A zersetzt wird. Betrachten wir nun den Mechanismus für die Bildung des makrocyclischen Lactons. Wir erkennen, daß es sich bei der Ringschlußreaktion um eine intramolekulare Reaktion handeln muß (vgl. Abschn. 9.6 u. 17.7). Wir können exakt die gleichen Reaktionsschritte wie bei der Polymerisation formulieren, mit der Ausnahme, daß die freie Hydroxygruppe am einen Ende des Moleküls A die Carbonylgruppe am anderen Ende angreift.

a OH (6)

Erythromyecin A

936

Tacrolimus

(FK-506)

O

H+

Die Herstellung makrocyclischer Lactone ist von großem Interesse für die pharmazeutische Industrie, da diese funktionelle Gruppe Bestandteil vieler medizinisch wertvoller Verbindungen ist. Beispiele hierfür sind Erythromycin A, ein vielfältig angewandtes Makrolid-Antibioticum, und Tacrolimus

(FK-506),

die Abstoßungsreaktionen unterdrücken kann.

ein hochwirksames

Immunsupressivum,

bei Transplantationen

menschlicher

Neue Reaktionen

das

Organe

Neue Reaktionen 1

Acidität von Carbonsäuren (Abschn. 19.4)

”

Er

DE

R

resonanzstabilisiertes

' Carboxylat-Ion

Re

210, 107. DK, 245

Salzbildung:

RCOOH 2

+ NaOH — > RCOONa*

+ H,O

Basizität von Carbonsäuren (Abschn. 19.4)

Ö:

GG

R—C

N

OH

OH

R

+ HH"

on

07

==

|R—C

SE

O—H

y“

R—C

Se

+0—H

resonanzstabilisierte

protonierte Carbonsäure

Darstellung von Carbonsäuren %

3

Ameisensäure (Abschn. 19.5) A, 700-800 kPa CO + NaOH m

4

+ H+,E0O HCOO’Na” — —

HCOOH

Essigsäure (Abschn. 19.5)

Ethen-Oxidation:

CH>=CH,

O,, H>0, PdCh/CuCl;-Katalyse ———

705

CH;CHO

O,, Co°+-Katalyse

, CH,COOH

Butan-Oxidation: CH

CHEEIEEH:

O,, Co°+-Katalyse, A, Druck

CH,COOH

Carbonylierung von Methanol:

CH,OH

CO, Rh’+-Katalyse, I,, A, Druck

————

CH,COOH 937

19 Carbonsäuren

5

Oxidation primärer Alkohole, Aldehyde und Ketone (Abschn. 19.6)

RCH,OH

Oxidationsmittel

RCOOH

Oxidationsmittel: CrO;, KMnO,, HNO;

RCHO

Xdtionsmittel, RCOOH

Oxidationsmittel:

OÖ | s 50% HNO;,A, VO; RCCH>R" ——

CrO;, KMnO,,

H>O;, HNO,

Ag*,

RCOOHZER’COOH

Haloform-Reaktion:

1.%,, HO-

ROCH, 25 6

Carboxylierung metallorganischer Reagenzien (Abschn. 19.6) RMsX

+ CO, —>

RLi 7

RCOOH + HCx;

RCOO’Mg

x+

_HW BO

RCOOH

3C0,;-»RCOO LH II

Hydrolyse von Nitrilen (Abschn. En

RCOOH

19.6)

H>0, A, H* oder OH

RCOOH

+ NH;

Reaktionen von Carbonsäuren

8

Nucleophiler Angriff auf die Carbonylgruppe (Abschn. 19.7)

Basekatalysierte Additions-Eliminierungs-Reaktion:

\

RCOH

+ Nu

——uR-— Addition

in

C—OH

22 7

|

Eliminierung

\

RCNBEIHO

Nu tetraedrisches Zwischenprodukt

Säurekatalysierte Additions-Eliminierungs-Reaktion: 2

30 | RCOH

H* ==

OH

| RCOH

:NuH

| R—C—OH

- H*+

*NuH on

OH | er

OH H* ———

Nu

to

ie: va

- H50

ara

| RCNu

Nu

H

tetraedrisches

Zwischenprodukt

Derivate von Carbonsäuren

9

Alkanoylhalogenide (Abschn. 19.8)

RCOOH

+ SOCh —

I RCCI

+ SO, + HC

Alkanoylchlorid

938

oO -H*

| RCNu

Ir

RCOOH

+ PC, —

Neue Reaktionen

RCC

+ O=PCL

+ HCl

16) I

3 RCOOH + PBr; —

3 RCBr + H,PO, Alkanoylbromid

o l REChF

RCOOHEr CoC RCOOH

10

OÖ I + EIC—CEIL—

| RCC

CO,

FG

+ CO2F+7CO

+ HC

Carbonsäureanhydride (Abschn. 19.8)

| RCEOOHERCEL >

en REOER + HCl Anhydrid

RCOO’Na*

7 + R’'CCI

7 | RCOCR’

—o

+ NaCl

gemischtes Anhydrid

Cyclische Anhydride: LD COOH

(CH),

G

—g? CH.

©

A

COOH

€ [6) geht am besten bei fünf- und sechsgliedrigen Ringen

11

Ester (Abschn. 19.9)

Säurekatalysierte Veresterung:

RCO,H

OÖ I RCOR’

+

+ R’OH

+ H,O

NSS

Cyclische Ester (Lactone):

H'

(CH3)„

=

A

o

(CH3)„

COOH

+ O0

ve ee K> 1 bei fünf- und sechsgliedrigen Ringen

N

No Lacton

EB eeleophile Substitution durch Carboxylat-Ionen:

RCO; Na’ + RX —

RCO,;R’ + NaX

Veresterung mit Diazomethan:

939

19

Carbonsäuren

12

Amide (Abschn. 19.10)

j1

RCOOH + R'NH, — > RCNHR’ + H,O Imide:

C

COOH

NR’ + 2H30

+ R'NH2 > (CH)n

(CH>),

(0)

L

c

COOH

N

No

Cyclische Amide

(Lactame):

CH;

CH>NH;

LO

NH

2. (CH),

(CH,)n

c

COOH

N

No Lactam

13

Reduktion mit metallorganischen Reagenzien (Abschn. 19.11) 12.RL:

in

RCOOH= I 14

RCHR:

Reduktion mit Lithiumaluminiumhydrid (Abschn. 19.11) 1. LIAIHy

RCOOH

DIESER Zur ©

RCH,OH

15 Bildung und Reaktionen von Dianionen der Carbonsäuren (Abschn. 19.12)

Li HRHMPT

RCHZCOOH.

o

_=._/

=

> RCHCT

OacE ii 2

>.

1. R’X 2.H*, H,O

RCHC Sag ur

R'

RCHCOOH

O:

A

we

röne?

1. 1C-CH,

..

DR

N

£

20,

Sg

R

2

RCHC

CH,CH,OH

RCHCOOH in

El ZU,

HOCR RCHCOOH

O7 16

Bromierung: Hell-Volhard-Zelinsky-Reaktion (Abschn. 19.12) Br

RCH,COOH

940

is Mengen 8 RCHCOOH | Br>, katalytische

17

Substitutionsreaktionen an 2-Bromcarbonsäuren (Abschn. 19.12) Br '

Neue Reaktionen

OH

| RCHCOOH

RCHCOEH 32,

Ye

Br

RCHCOOH Ns,

RCHCOOH

Br

FEN

RCHCOOH

NaCN, NaOH

———

RCHCOO’Na"

3

COOH |

1. H50,HO-

2.H+,,0

RCHCOOH

Decarboxylierung von Carbonsäuren

18

Kolbe-Elektrolyse (Abschn. 19.13) RCOO’Na*

19

Zr,

(Anode)

BCOO: Bw

ZUR—-R

Hunsdiecker-Reaktion (Abschn. 19.13)

RCOO Ag*

Er. RCOR’

RBr + CO, + AgBr

1

RCH;OH

RCH

co

CH;

=CH;

CH,CH;CH;CH;

CH,OH

RMegBr

CO, Rh’,

CO;

30-40 atım,

Oxidationsmittel H*oder "OH, H,O

K:Cr:On,

H*, ‚H2 0

BESOS ENGEN, Ag, Our",O,-Rh’*t, KO, HNO,,

2.H*, O0ei a

l. OÖ, H:O, PdCh, CuCh 2,0, C0’'

O,,Co’*, 15-20 atm, 180°C

Produkt:

Produkt:

Produkt: ®

HCOH

CH;COH

CH,COH

1. NaOH

180°C

Brı)

anderes Produkt:

Produkt

\ CHCOH

17-14, 19-5, 19-6, 24-4, 24-9

8-5, 19-9, 20-1, 20-4

19-6, 20-8, 26-2

20-1, 20-6, 26-5

ie

te Sn

HCOH + ik i H*oder "OH,

H*oder OH,

H,O

H,O

RC=N

?

RCCI

H*oder”OH, H:O

00 N RCOCR

H'oderOH, H;0, A

R'

KMnO,, "OH, A |

R

"

HI, H>O

O

OH

H,, Pd-C

| KochR,

u 5

"HIveT

RR: J

„a

Bi +

5 INCH

199,3 | ö

"ld OO

908

+H

HO-

1|li B5 OÖ HOIHDU O0 oO ‚A HO, HO'HIA Jia ‚IIOIU &HIOI4 „a agD=xX) -OIU

R:

NER TEE}

oO

L-97. '9-97

'OL-61 97

LUG MIDZWIEL DEEETERTITESIOTER

[6)

dag

ensqns

ILL RRTER SAETE

+H 'HO,A

942

(0)

BaDE

aensang Carbonsäuren 19

‘+1 "OH

HOOIFHIA

HO

Wichtige Konzepte

5

1 Carbonsäuren werden nach der IUPACNomenklatur als Alkansäuren bezeichnet. Das Carbonyl-Kohlenstoffatom erhält immer die Nummer 1, die anderen Kohlenstoffatome in der längsten Kette, die die Carboxygruppe enthält, werden dann fortlaufend durchnumeriert, die anderen

Ketten als Substituenten behandelt. Dicarbonsäuren nennt man Alkandisäuren. Cyclische und aromatische Verbindungen heißen Cycloalkancarbonsäuren bzw. Benzoesäuren. Dabei erhält das Kohlenstoffatom im Ring, an das die Carboxygruppe gebunden ist, die Nummer

1.

2 Die Carboxygruppe ist annähernd trigonal eben gebaut. Außer in sehr verdünnten Lösungen bilden Carbonsäuren Dimere über Wasserstoffbrücken.

3 Das 'H-NMR-Signal des sauren Protons der Carbonsäure ist aufgrund der Wasserstoffbrücken relativ

weit

zu

das Ausmaß schiedlich (ö6 stoffatom ist aufgrund der gruppe nicht Ketonen. Die

niedrigem

Feld

hin

verschoben,

der Verschiebung ist aber unter= 10-13). Das Carbonyl-Kohlenauch relativ stark entschirmt, aber Resonanzbeteiligung der Hydroxyso stark wie bei Aldehyden und Carboxygruppe führt zu zwei wich-

tigen Infrarotbanden,

Die Carbonylgruppe

Nucleophile,

eine bei 1710 cm"

für die

C=O-Bindung und eine sehr breite bei etwa 3000

cm für die O—H-Gruppe.

wodurch

in Carbonsäuren zunächst

ein

addiert instabiles

tetraedrisches Zwischenprodukt entsteht. Dieses Zwischenprodukt kann durch Eliminierung der Hydroxygruppe zerfallen, wobei ein Carbonsäurederivat entsteht. 6 Alkanoylhalogenide bilden sich beim Angriff anorganischer Halogenide (SOC, PClI;, PBr;) auf die Carboxygruppe. Alkanoylchloride lassen sich auch durch Behandlung von Carbonsäuren mit Phosgen oder Oxalylchlorid darstellen. Bei diesen Prozessen bilden sich intermediär instabile gemischte Carbonsäureanhydride, die sich unter Freisetzung von CO, bzw. CO, und CO (bei Oxalylchlorid) zu den entsprechenden Produkten zersetzen.

7 Der Mechanismus der säurekatalysierten Veresterung läßt sich mit markiertem Sauerstoff prüfen. Es zeigt sich, daß die Alkoxygruppe des Esters aus dem Alkohol stammt. 8 Organolithium-Reagenzien und Lithiumaluminiumhydrid sind so ausgeprägt nucleophil, daß sie sich an die Carbonylgruppe von CarboxylatIonen addieren. Über diese Prozesse ist die Synthese von Ketonen und die Reduktion von Carbonsäuren zu primären Alkoholen möglich.

9 Die 2-Position von Dianionen der Carbonsäuren reagiert in Sn2-Reaktionen genau wie die entsprechende Position von Enolaten.

Aufgaben 1 Benennen Sie (IUPAC- oder Chemical Abstracts-System) oder zeichnen Sie die Konstitutionsformeln der folgenden Verbindungen.

CH;

Cl

cı

(a) CH;CHCH>CHCO;H

(f)

c=C

72

H

CO;H

HO;C

(b) CHsCH,CHCO>H COOH

H,C=CH

CH3

HO

H;C

(c)

Br

(8)

Bee (CH3),CH

CO,H

OH o-Orsellinsäure

(d) [ -encon

Son

.-OH CO,H

Jo:

COOH COOH

Phthalsäure

943

e

(

COOH

4-Aminobutansäure

(auch

als

„GABA“,

y-Aminobuttersäure

bekannt, diese Verbindung spielt bei biochemischen Gehirn eine wichtige Rolle) (j)

Prozessen

im

meso-2,3-Dimethylbutandisäure

(k) 2-Oxopropansäure (Brenztraubensäure)

CHO

()

trans-2-Formylcyclohexancarbonsäure

(m) (Z)-3-Phenyl-2-butensäure (n)

u e

CH>OH

CH;

1,5-Naphthalindicarbonsäure

2 Ordnen Sie die am Rand gezeigten Moleküle (1) nach abnehmenden Siedepunkten und (2) nach abnehmender Löslichkeit in Wasser. Erläutern Sie Ihre Antworten. 3 Ordnen Sie die Verbindungen abnehmender Acidität.

|

(a) CH3CH>CO;H, CH3CCH>zOH, (b) BrCH>CO;H, CICHzCO>H,

in den

folgenden

Gruppen

nach

CH3CH>CH>OH

FCH3CO;H

Cl

el

|

|

(©) CH3CHCH;CO>H, CICH>CH;CH>CO>H, CH3CH>CHCO>H (d)

CF3CO;H,

CBr3CO;H,

(CH3)3CCO,H

NO, (e) (jean. 00 4

con 0

«(a) Eine unbekannte

-coon cno-{

)-coon

Verbindung A hat die Summenformel

C-H»O,

und das Infrarotspektrum A. Zu welcher Verbindungsklasse gehört sie, (b) Benutzen Sie die übrigen Spektren (NMR-B und F; IR-D, E und F) sowie die spektroskopischen und chemischen Informationen aus der angegebenen Reaktionssequenz, um die Identität von A und der anderen Verbindungen B bis F zu bestimmen. Verweise auf die entsprechenden Abschnitte vorangegangener Kapitel sind zusätzlich angegeben. Versuchen Sie aber zunächst, die Frage ohne zusätzliche Hilfe zu beantworten. 100

S B=

3

2

„ed un

N

Rz

‚N

=

|

2 =

ı

5

0 4000

944

| N

3000

IR-A

|

| 3500

. Do | 3000

2500

|

N

2000

1500

Wellenzahl # in cm!

1000

600

(c) Eine weitere Verbindung G hat die Formel Cz3H,4O, und die mit

Aufgaben

G bezeichneten. NMR- und IR-Spektren. Schlagen Sie eine Konstitu‚tion für diese Verbindung vor. (d) Verbindung G kann leicht aus B erhalten werden.

Schlagen Sie eine effiziente Synthese dafür vor. (e) Geben Sie eine Reaktionssequenz für die Umwandlung von C nach A an, die vollständig von der unter (b) angegebenen verschieden ist. (f) Stellen Sie zum Schluß ein Syntheseschema für die Umwandlung von A in B auf, also eine Umkehrung der Synthese aus (b).

as)

5.0

4.5

4.0

3.3

3.0

2.3

2.0

159

300-MHz-"H-NMR-Spektrum ö NMR-B

l. Hg(OCCH3),,

‚CeHio r

Abschn.

B

BC-NMR:5=

H,O

oe

2. NaBHy

rO,,

CH ,0

12.7

C

22.1

BC-NMR: 6 = 24.4

24.5

25.9

126.2

H,SO,,

Propanon (Aceton), 0°C

euere Abschn. 8.6

339

IH-NMR-B

69.5

CH>=P(C6H 2=P(CeHs)3 _ CH»

GH1O D

BC-NMR:5 =

Abschn.

23.8 26.5

17.12

E

IR-E

1. BH3, THF ‚H,O 202 | CH,O

2.HO

Abschn.

12.8

F

N 2,Cr207, O-, H>0, Hz H,SO REN Abschn.

8.6

IR-F !IH-NMR-F

40.4 208.5 IR-D

945

19

Carbonsäuren

100

2 ‚8

32

en 7

iS

InoO 3 m

@

17135 Ar

0 4000

3500

3000

IR-D

2500

{ 2000

1500

1000

600

Wellenzahl # in cm"

100

IS ‘=

& "=®

3072

7

_—n

Ks)

=

=

A

1649

888

Y 4000

3500

3000

IR-E

2500

2000

1500

1000

600 cm

Wellenzahl ® in cm’!

100

x

S

5 2

=

2

:S

=

=

je!

A

1035

3328

0 4000

IR-F

946

3500

3000

2500

2000

Wellenzahl » in cm’!

1500

TE —>

1000

600 cm

4

-1

Aufgaben

4.0

3.0

4.0

3.0

0.0

2.0

1.0

0.0

300-MHz-"H-NMR-Spektrum ö

NMR-G

Geben Sie die Produkte für die folgenden Reaktionen an.

(a) (CH3)3CH>zCH3zCO>H

(o)

10

300-MHz-"H-NMR-Spektrum ö

NMR-F

5

2.0

COOH

+ SOC

+ CH3CH>0H

——>

— ——

(b) (CH3)aCH2CH>COzH

(d) CH30

Sr er

+ CH3COBr ——>

COOH + NH, —

(e) Produkt von (d), stark erhitzt

(f) Phthalsäure (Aufgabe Ih), stark erhitzt 947

19 Carbonsäuren

100 -—

Q A=)

ie

|

2

\

eg

}

= 3

5

|

&

| IE, TeRE 4000

| 8

|

3500

ee

3000

IR-G

6

a

2500

ru

2000

EEE

1500

1000

600

Wellenzahl # incm"'

Geben Sie geeignete Reagenzien für die folgenden Umsetzungen an.

@. (CH,),CHCH,CHO > (CH,),CHCH,CO,H

(b)

[ -en-cn, —

[om

See Br

OH (d)

OH

ee

———

CH;CHCH>CH>CO>H

CO>H (d

()

CO>H

H3C

_CH3CH;CHCH;

——

(CH3)3CCO;H ——>

OO

CH;

CH3CH;CH—COC—CHCH;>CH3

(CH3)3CCO2C(CH3)3 CHO

| NCH;

NHCH;

(h) [>-erc0;# —

>-emBr

7 Schlagen Sie Synthesen für die folgenden Carbonsäuren vor, bei denen mindestens eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung gebildet wird.

on (a)

CH;CH>CH>CH>CH>CH>CO>H

(b)

CH;CHCH>CO>H

CH (ec)

RT

CH; 8

948

(a) Schreiben Sie einen Mechanismus für die Veresterung von Propansäure mit '"®O-markiertem Ethanol. In welchem Produkt findet sich das markierte Sauerstoffatom?

(b) Bei der säurekatalysierten Hydrolyse eines unmarkierten

Esters

Aufgaben

mit !®O-markiertem Wasser (H}°O) findet sich in beiden Sauerstoffatomen der entstandenen Carbonsäure !'®O. Wie läßt sich das mechanistisch erklären? Hinweis: Benutzen Sie Schritte im Mechanismus reversibel sind.

9 Geben Sie die Produkte folgenden Reagenzien an.

der Reaktion

die

von

Tatsache,

Propansäure

(a) SOCI, (b) PBr; (c) CH,CH,COBr + Pyridin

(h) Produkt von Teil g, stark erhitzt () LiAIH,

(e) CH,N,

6)

(d) (CH,),CHOH + HCl

(D KOH, CH,CH;I, DMSO

|

daß

alle

mit den

Li

(k) 2 LDA in HMPT (I) Produkt von Teil k

(8) (Yen

+ CH,—CHCH,Cl

10 Geben Sie die Produkte der Reaktion von Cyclopentancarbonsäure mit den Reagenzien aus Aufgabe 9 an. 11

Entwickeln Sie eine Synthese von Hexansäure aus Pentansäure.

12 Geben Sie Reagenzien und Reaktionsbedingungen Hilfe sich 2-Methylbutansäure mit guter Ausbeute in

an, mit deren

(a) das entsprechende Alkanoyl-(Acyl-)chlorid (b) den entsprechenden Methylester (ec) den entsprechenden 2-Butylester

(d) das gemischte Anhydrid mit Essigsäure (e) das N-Methylamid H;C

()

O

I

(2)

CHSCH>CHCCH3

CH3CH>SCHCH>OH

Br

(h)

CH;

|

ua

con

(i)

Sa

CH;

überführen

|

()

H,CCH,CHCH;

CH;

CH;

läßt.

13 Zeigen Sie, wie man die Hell-Volhard-Zelinsky-Reaktion zur Synthese der folgenden Verbindungen verwenden kann, wenn man in jedem Fall von einer einfachen Monocarbonsäure ausgeht. Geben Sie bei einem Ihrer Synthesewege detailliert den Mechanismus aller Reaktionsschritte an. (a)

a

NH>

(d)

HO,>CCH>SSCH>CO>H

()

(CH3CH>),NCH>CO>,H -+

(b)

Ü

Y-cnco

|

CO,H

(f)

a

Br

CH3

CH3

(©

Bu

| ECHCSCHECH OH 949

19

Carbonsäuren

14 Obwohl die Hell-Volhard-Zelinsky-Reaktion ursprünglich auf die Darstellung von Bromcarbonsäuren begrenzt ist, können die analogen Chlor- und Iodverbindungen durch Modifikationen der Reaktion erhalten werden. So können die Alkanoylchloride in ihre a-Chlor- oder oBrom-Derivate durch die Reaktion mit N-Chlorbutanimid bzw. N-Brombutanimid (N-Chlor- bzw. N-Bromsuccinimid, NCS und NBS, siehe Abschn. 3.8 und 14.2) umgewandelt werden. Die Reaktion mit D, liefert die a-Iodverbindungen. Schlagen Sie Mechanismen für diese Reaktionen vor. NCS, HCl, SOCI>, 70°

C6HsCH,CH,COCI

NBS, HBr, SOCI), 70°

I

I,, HI, SOCI,, 85°

C6HSCH,CHCICOCI 84% C6HsCH,CHBrCOCI 71% C6HSCH,CHICOCI 75%

15 Geben Sie einen Mechanismus für die gegenseitige Umwandlung von Alkanoylbromid und Carbonsäure an, wie sie im 4. Schritt der Hell-Volhard-Zelinsky-Reaktion abläuft. (Hinweis: Vergleichen Sie Mechanismen aus Abschnitt 19.8). 16 Die Hunsdiecker-Decarboxylierung ist eine der Methoden der Wahl zur Synthese der Bromcyclopropane. Erklären Sie, warum das so ist, indem Sie die Probleme, die bei anderen Methoden zur Synthese von Halogenderivaten des Cyclopropans auftauchen, beschreiben.

CH3CNH> Acetamid

> y-Butyrolacton

17 Hat Ihrer Meinung nach Acetamid im Vergleich zu Essigsäure eine größere oder geringere Acidität? Wo würden Sie die von Propanon (Aceton) einordnen? An welcher Stelle wird Acetamid durch sehr starke Säuren protoniert? 18 Beim Versuch einer CrO--Oxidation von 1,4-Butandiol zu Butandisäure entsteht ein beträchtlicher Anteil von „y-Butyrolacton“. Geben Sie eine mechanistische Erklärung.

19 Formulieren Sie die detaillierten Mechanismen der folgenden Substitutionsreaktionen nach den allgemeinen Schemata aus Abschn. 19.7. Beachten Sie: Hierbei handelt es sich um Reaktionen, die wir genauer in Kap. 20 betrachten wollen. Schlagen Sie sie aber bitte nicht dort nach.

/

ei

(a)

F

(ib)

CH;CNH>

I

ase

Ndaı + CH3CH>OH a

|

SSäure

+ H50 ——

CH>COH

'

\l

oe

COCH>CH;3

#%

+ NH,

20 Schlagen Sie Formeln für die einzelnen Produkte auf dem folgenden Syntheseweg vor.

950

Aufgaben

H

45H, N

HS

.

2. (CH3))—CHCH3Br

3.H",

a

H,O

HOCH>CH>0H,

H}

ropanon

a

(Aceton

C,4H,,0 ——————— > C6H 260; ————— I H

OÖ j

H

IR: 1670 cm

IR: 1675 und 1745 cm!

IR: 1745 cm!

2. NaBHy ee Cj3H2004 ———

C 14H 1803

J

atalytısche MMengen H*,A ; katalytische

K

IR: 1715 und 3000 cm"!

> C}1Hı60> L

IR: 1715, 3000 und 3350 cm!

IR: 1770 cm !

21 Syn2-Reaktionen einfacher Carboxylat-Ionen mit Halogenalkanen in wäßriger Lösung verlaufen im allgemeinen mit sehr geringer Ausbeute. (a) Erklären Sie, warum das so ist. (b) In Abschnitt 19.9 ist die Reaktion von 1-Iodbutan mit Natrium-

acetat in Essigsäure gezeigt. Warum ist Essigsäure für diese Reaktion ein besseres Lösungsmittel als Wasser? (c) Die Reaktion

von

1-Iodbutan

mit Natriumdodecanoat

verläuft

in wäßriger Lösung überraschend glatt, weitaus besser als die Reaktion mit Natriumacetat (s. die folgende Gleichung). Erklären Sie diese Beobachtung. (Hinweis: Natriumdodecanoat ist eine Seife und bildet in Wasser Micellen. Siehe Kasten 19-1.)

l CH;CH;CH;CH; I+ CH;(CH;)10CO> Na* 2°, CH,(CH,)„COCH,CH;CH;CH; 22

(a) Diazomethan, CH;>N,, wird allgemein als Resonanzhybrid zweier Lewis-Formeln dargestellt. Vergleichen Sie beide. (b) Schlagen Sie einen Mechanismus für die Bildung eines Methylesters aus Diazomethan und einer Carbonsäure vor.

23

Die „Iridoide“ sind eine Klasse von Monoterpenen

mit starker und

breiter biologischer Aktivität. Zu ihnen gehören Insektizide und tierische Lockstoffe. Im folgenden ist eine Synthese von Neonepetalacton, eines der Nepetalactone, das in Katzenminze enthalten ist, angegeben. Benutzen Sie die angegebene Information zur Ableitung der weggelassenen Formeln.

Cı0,, H,SO,, 0°C

CHO

Base

>

C10H1602

nt

m

M IR:

890, 1645, 1725 (sehr stark),

und 2705 cm”!

l. Diisoamylboran

C10H 1402

CH3>N>

C} ıH1602

us

, H,O;

reed

oO

N IR:

2.HO

890, 1630,

IR:

1640, 1720, und 3000 (sehr breit)

890, 1630, 1640, und 1720 cm!

cm“!

H*, H,0, A

ChEnOsane77 P IR:

1630, 1720,

und 3335 cm!

CjoH 1402 Neonepetalacton IR: 1645 und 1710 cm”!

UVA... = 241 nm

951

19

24 Formulieren Sie zwei mögliche Mechanismen für die folgende Reaktion. Hinweis: Beachten Sie die beiden möglichen Stellen im Molekül, an denen eine Protonierung erfolgen kann, und welche mechanistischen Konsequenzen sich hieraus ergeben.

Carbonsäuren

Be, OH

Entwickeln

COOH

os

Sie ein Markierungsexperiment

Hilfe Sie zwischen den beiden Mechanismen

& | )

mit Isotopen,

mit dessen

unterscheiden können.

25 Schlagen Sie eine kurze Synthese für 2-Butinsäure, CH;-C=CCO,H, ausgehend von Propin vor. (Hinweis: siehe Abschn. 13.2.) 26 Die Benzolringe vieler Verbindungen in der Natur werden auf einem Weg ähnlich dem der Biosynthese der Fettsäuren gebildet. Auch hier werden Acetyleinheiten gekuppelt, aber die Ketonfunktionen werden nicht reduziert. Das Ergebnis ist ein Polyketidthioester, dessen Ringbildung durch intramolekulare Aldolkondensation erfolgt.

TR RL

RA

CH3CCH>CCH5CCH>C— St Protein | Polyketidthioester

o-Orsellinsäure (die Struktur ist in Aufgabe 1 angegeben) ist ein Derivat der Salicylsäure, die in der Biosynthese aus dem angegebenen Polyketidthioester gebildet wird. Erläutern Sie, wie diese Umsetzung ablaufen kann. Der letzte Schritt ist die Hydrolyse des Thioesters zur freien Carbonsäure.

Gruppenübung 27 In Abschnitt 19.9 haben Sie gelernt, daß 4- und 5-Hydroxycarbonsäuren unter Säurekatalyse intramolekular verestert werden können, wobei in guten Ausbeuten die entsprechenden Lactone entstehen. Betrachten Sie die folgenden zwei Beispiele für Lactonisierungen. Teilen Sie in Ihrer Gruppe die Analyse der Reaktionssequenzen auf. Erarbeiten Sie einen

sinnvollen

Mechanismus,

der insbesondere

die Produkt-

verteilung berücksichtigt. Treffen Sie sich nachher wieder, um einander Ihre Ergebnisse vorzustellen.

ı/

?

2

OH

1 Bi, CHLCH DNS

Ö |

H', H,O

BL

_OH

OH (zwei Diastereomere)

952

#',H0

H;C

Be

07

Ö

OÖ

NOT

ee

(eis- und frans-Isomere)

Derivate von Carbonsäuren und Massenspektrometrie

Im vorangegangenen Kapitel wurde gezeigt, wie Chemiker die vier wichtigsten Carbonsäure-Derivate, die Halogenide, die Anhydride, die Ester und die Amide, darstellen. In diesem Kapitel behandeln wir die Chemie dieser Verbindungen mit besonderem Gewicht auf nucleophilen Substitutionen und Umwandlungen der funktionellen Gruppen ineinander. Jedes Derivat hat einen Substituenten, L, der Abgangsgruppe in einer Substitutionsreaktion sein kann. Wir wissen bereits, daß beispiels-

I weise die Substitution des Halogenids in RCX durch ein Carboxylat-Ion zu einem Anhydrid führt. Wir beginnen mit dem Vergleich der Strukturen, Eigenschaften und relativen Reaktivitäten. Danach werden wir die Chemie der Verbindungen untersuchen. Halogenide und Anhydride sind wertvolle Reagenzien bei der Synthese anderer Carbonylverbindungen, während Ester und Amide eine außerordentlich große Bedeutung in der Natur besitzen. Zu den Estern gehören beispielsweise viele häufig vorkommende Geschmacksstoffe, Wachse, Fette und Öle, zu den Amiden Harnstoff und Penicillin. Auch die Alkannitrile, RC=N, werden hier behandelt,

denn sie gehen ähnliche Reaktionen wie die Carbonsäure-Derivate ein. Am Schluß des Kapitels wird eine weitere physikalische Methode eingeführt, die für organische Chemiker von großer Bedeutung ist — die Massenspektrometrie.

-

l „N R

L 6)

Lex, OCR, OR, NR, cha Derivate

20.1 Relative Reaktivitäten, Strukturen

und Spektren der Carbonsäure-Derivate Carbonsäure-Derivate gehen mit Nucleophilen wie Wasser, metallorganischen Verbindungen und reduzierenden Hydrid-Reagenzien Substitutionsreaktionen ein. Diese Umsetzungen verlaufen nach dem uns bereits bekannten Additions-Eliminierungs-Mechanismus (8. Abschn. 19.7).

953

20 Derivate von Carbonsäuren und Massenspektrometrie

Additions-Eliminierungs-Reaktionen an Carbonsäurederivaten . &:)

: ö Fr

:O:

[


RCOCR

Alkenoylhalogenid

Anhydrid

>

VRCOR'

>.

Ester

Be

RENR> Amid

Beispiele: Ö

|

RCX +HOH O0

1 I

RCOCR

2

RCOR’+ 6)

+HOH

re

HOH

| RCNR', + HOH

und

20°C

——RCOOH

+ HX

schnell

20°C

——

langsam

RCOOH

+ RCOOH

eines ra nee Erhitzen ertorderlic

er

—

Anwesenheit eines Katalysators und längeres Erhitzen erforderlich

er extrem oe #75 langsam

Wie für die Carbonsäuren

$

RCOOH + R’OH

RCOOH + HNR;

selbst, lassen sich auch für ihre Derivate

Resonanzformeln mit Beteiligung des freien Elektronenpaars (der freien Elektronenpaare) des Substituenten schreiben. Resonanz bei Carbonsäurederivaten

Die rechts gezeichnete dipolare Resonanzformel ist besonders wichtig, wenn L für NR; steht, da Stickstoff das am wenigsten elektronegative Element in dieser Reihe ist. Weil der Beitrag dieser Resonanzformel die positive Partialladung am Carbonyl-Kohlenstoffatom verringert (Abschn. 19.3), ist es nicht verwunderlich, daß die Amide die unreaktivsten Carbonsäure-Derivate sind. In den Estern ist die Bedeutung der Resonanz aufgrund der größeren Elektronegativität des Sauerstoffs

954

abgeschwächt,

so daß ihre Reaktivität im Vergleich zu den Amiden

ent-

sprechend größer ist. Anhydride sind reaktiver als Ester, da die freien Elektronenpaare am mittleren Sauerstoffatom auf zwei Carbonylgruppen aufgeteilt sind. Schließlich hat die Resonanz bei den’ Alkanoyl(Acyl-)chloriden und -bromiden aus zwei Gründen die geringste Bedeutung: Die Halogene sind sehr elektronegativ, und ihre größeren p-Orbitale können nur relativ schlecht mit den 2p-Orbitalen am Carbonyl-Kohlenstoffatom überlappen.

20.1

Relative Reaktivitäten,

Strukturen und Spektren der Carbonsäure-Derivate

Je stärker die Resonanz, desto kürzer die C—L-Bindung Das Ausmaß

der Resonanz läßt sich auch an den Strukturparametern

der Carbonsäure-Derivate

erkennen,

insbesondere,

wenn

man

die reak-

tivsten (Alkanoyl- bzw. Acylhalogenide) mit den am wenigsten reaktiven Systemen (Estern und Amiden) vergleicht. Bei diesen ist die C—LBindung bereits deutlich kürzer als eine normale C—L-Einfachbindung (s. Tab. 20-1). Die Beteiligung der dipolaren Resonanzformel ist bei den Amiden groß genug, um die Konformation der Amidbindung recht starr zu machen. Diese Starrheit läßt sich aus den NMR-Spektren der Amide

erkennen.

So

findet

man

z.B.

beim

N,N-Dimethylformamid

zwei Singuletts für beide Methylgruppen, die sich aus der Langsamkeit der Rotation um die C—N-Bindung im Vergleich zur NMR-Zeitskala ergeben. Die Rotationsbarriere (E, = 88 kJ/mol) kommt durch die Stärke der n-Bindung zwischen dem Carbonyl-Kohlenstoff und dem Stickstoff zustande.

Tabelle 20-1 C—L-Bindungslängen fachbindungen

l

in RCL im Vergleich zu Bindungslängen von R—L-Ein-

O

|

IE,

Bindungslänge im pm bei RCL

Bindungslänge im pm bei R—L

el OCH; NH,

179 136 136

178 143 147

Verlangsamte Rotation im N,N-Dimethylformamid H;C 3

H;C

O NN ö e

”

r

H;C Rotation

Bi

H

ö

Ö a

Ro

EZ

Dr

E, = 88 kJ/mol

Übung 20-1 Die Methylgruppe im !'H-NMR-Spektrum von 1-Acetyl-2-phenylhydrazid (s. Rand), ergibt bei Raumtemperatur zwei Singuletts bei ö = 2.02 und 2.10. Beim Erhitzen im Probenröhrchen auf 100°C gibt dieselbe Verbindung nur ein Signal in diesem Bereich.

In

CH,CNHNHC,H;

Wie läßt sich das erklären?

Das Ausmaß der Resonanz in Carbonsäure-Derivaten läßt sich auch mit Hilfe der Infrarot-Spektroskopie zeigen. Mit zunehmender Beteiligung der dipolaren Formel am Resonanzhybrid wird die C=O-Bindung geschwächt, und die Carbonyl-Valenzschwingung erscheint bei niedrigerer Wellenzahl (s. Tab. 20-2). Dagegen läßt sich bei den chemischen Verschiebungen der CarbonylKohlenstoffatome von Carbonsäure-Derivaten im "C-NMR-Spektrum kein ähnlicher Trend erkennen - alle Signale liegen bei ö = 170 (s. Abschn. 19.3). 955

20

Derivate von

Carbonsäuren und Massenspektrometrie

Tabelle 20-2 Wellenzahlen

der Carbonyl-Valenzschwingungen

von Carbonsäure-Derivaten

ne IE,

v._,/em"!

cl

2 OCR

RE,

Ve em

1790-1815

OR

1735-1750

1740-17909

NR}

1650-1690

1800-1850

” Aufgrund von Schwingungskopplung werden bei Anhydriden zwei Banden beobachtet, die durch asymmetrische und symmetrische Valenzschwingungen zustandekommen.

Chemische Verschiebungen des Carbonyl-Kohlenstoffatoms

im PC-NMR-Spektrum von Carbonsäuren-Derivaten

| II CH£CI CH£LOCCH; ö= 170.3 166.9

| CH£OH 177.2

| CH£OCH; 170.7

| CH£NH> 172.6

Carbonsäure-Derivate zeigen basisches und saures Verhalten Das Ausmaß der Resonanz bei Carbonsäure-Derivaten erkennt man auch an ihrer Basizität (Protonierung am Carbonyl-Sauerstoff) und Acidität (Enolatbildung). In allen Fällen erfordert die Protonierung starke Säuren, aber sie wird erleichtert, wenn die Beteiligung der Gruppe L am Resonanzhybrid zunimmt. Protonierung eines Carbonsäure-Derivates

L

&

ER

RN

"5:

» Io

.

®

RN

“

>

De

Rh

u

A

Be

niC

RN die protonierte Spezies wird durch eine relativ starke Beteiligung dieser Grenzformel am Resonanzhybrid stabilisiert

] Übung 20-2 Erklären !

Sie über

Resonanzformeln,

warum

Acetylchlorid

eine schwächere

Base

als

Acetamid ist.

Aus ähnlichen Gründen nimmt die Acidität der Wasserstoffatome in Nachbarschaft zur Carbonylgruppe in dieser Reihe ab. Die Acidität eines Ketons liegt zwischen der eines Alkanoylchlorids und der eines Esters. Acidität der a-Wasserstoffatome von Carbonsäure-Derivaten im Vergleich mit Propanon (Aceton)

| | | | CH3CCI < CH5CCH3 < CH3COCH; < CH3CN(CH») pk, =16 = 20 = 25 = 30 956

Kasten 20-1 Spektroskopische Charakterisierung des Lactonrings in Manoalid Die Identifizierung des Lactonrings in dem entzündungshemmenden Naturstoff Manoalid, das aus Meeresschwämmen isoliert werden kann (Kasten 10-2), beruht vorwiegend auf der IRund UV-Spektroskopie.

Valenzschwingung von Vc-o (Abschn. 17.3) erhöht. Der hier beobachtete Wert liegt in dem Bereich, den man für y-Butyrolacton und seine Derivate beobachtet. Das UV-Spektrum legt nahe, daß der Lactonring von Manoalid ungesättigt ist. Gesättigte Ester haben normalerweise X„.,-Werte zwischen 200 und 210 nm, aber die Konjugation mit einer

Doppelbindung

verschiebt

diese

Bande

in den

Bereich 215-250 nm (s. Abschn. 14.11). Der Amax-Wert für Manoalid ist 227 nm. Die Vermutung, daß ein a,b-ungesättigter fünfgliedriger Lactonring mit einem Alkylsubstituenten an C3 und einer Hydroxygruppe an C4 vorliegt, wird gestützt durch den Vergleich mit einfacheren Lactonen wie dem unten angegebenen,

Manoalid

Das Signal bei ö = 172.3 im "’C-NMR-Spektrum zeigt an, daß ein Carbonsäure-Derivat vorliegt, aber nicht, welcher Typ. Im IR-Spektrum findet man eine Carbonyl-Valenzschwingung bei 1765 cm, einem Wert, der für eine Estergruppe größer als gewöhnlich ist. Erinnern wir uns, daß der Einbau einer Carbonylgruppe in einen Ring mit weniger als sechs Atomen den Wert der

das eine IR-Bande bei 1760 cm’ hat. O oO

Re OH

Übung 20-3

") Gibt es eine Reaktion aus den vorangegangenen Kapiteln, die die relativ hohe Acidität Bl des a-Wasserstoffatoms in Alkanoyl-(Acyl-)halogeniden ausnutzt?

Fassen

wir zusammen:

Das

Ausmaß

der

Resonanzbeteiligung

freien Elektronenpaars (der freien Elektronenpaare)

1

RCL,

und

damit

die relative

Reaktivität

des

der Gruppe L in

des entsprechenden

Derivats

bei nucleophilen Additions-Eliminierungs-Reaktionen, wird durch die Elektronegativität dieser Gruppe bestimmt. Dieser Einfluß läßt sich sowohl aus Strukturdaten und spektroskopischen Messungen als auch an der relativen Acidität und Basizität der a-Wasserstoffatome und des Carbonyl-Sauerstoffatoms

erkennen.

j CH,CCI Kerchlord j

CH;

CH;CHCH3;CBr

20, 2-Die Chemie der, Alkanoylhalogenide ?

?

3-Methylbutanoylbromid

OÖ

OÖ I

Die Namen der Alkanoylhalogenide (Acylhalogenide), RCX, leiten sich von denen der entsprechenden Alkansäuren ab, deren Derivat sie sind. Wie die Chemical Abstracts benutzen wir für die Methanoyl- und Ethanoylhalogenide die Trivialnamen Formyl- bzw. Acetylhalogenide (nach den englischen Säurenamen formic acid bzw. acetic acid). Die Halogenide der Cycloalkancarbonsäuren heißen Cycloalkancarbonylhalogenide. Alkanoylhalogenide gehen Additions-Eliminierungs-Reaktionen ein, bei denen die Abgangsgruppe Halogenid durch ein Nucleophil ersetzt wird.

F Pentanoylfluorid

G ei

Cyelohexancarbonylfluorid

20 Derivate von Carbonsäuren und Massen-

| RCX

spektrometrie

H—H, Katalysator

(6) | RCH HX

HOH

LiAKOR)=H

6) | RCH LiX + AKOR);

O

| RCR’ +

+

LiX

[6

I

0

0

RCNHR’

+

I RCOR’ -

N I RCOCR' e

RCOH

HX

HX

HX

HX

+ CuxX

I +

bzw. MgX, Abb. 20-1 Nucleophile Additions-Eliminierungs-Reaktionen bei Alkanoylhalogeniden.

Additions-Eliminierungs-Reaktion von Alkanoylhalogeniden :O:

G: f RCX:+:Nu”

EL

:O:

—

GL. RS

Io

A.

RCNu +:X:

Nu

Bei dem Nucleophil kann es sich um Wasser (dann entsteht die entsprechende Carbonsäure), ein Carboxylat-Ion (es entsteht ein Anhydrid), einen Alkohol (Reaktion zum Ester), ein Amin (Reaktion zum Amid) oder metallorganische Reagenzien handeln (Reaktion zum Keton). Außerdem können mit Hydriden oder Wasserstoff (am Katalysator) Aldehyde erhalten werden. Wegen dieser Fülle von Reaktionsmöglichkeiten sind Alkanoylhalogenide wichtige synthetische Zwischenstufen. Die meisten anderen Carbonsäure-Derivate gehen ähnliche Reaktionen ein (s. Abb. 20.1). Lassen Sie uns nun diese Umsetzungen im einzelnen betrachten (mit Ausnahme der Bildung von Anhydriden, die wir in Abschnitt 19.8 besprochen haben). Bei den Beispielen beschränken wir uns auf Alkanoylchloride, die am einfachsten zugänglich sind, aber diese Reaktionen lassen sich in der Regel auch mit den anderen Alkanoylhalogeniden durchführen.

Wasser hydrolysiert Alkanoylchloride zu Carbonsäuren Alkanoylchloride reagieren oft außerordentlich heftig mit Wasser zu den entsprechenden Carbonsäuren. Diese Umsetzung verläuft über eine Variante des allgemeinen Additions-Eliminierungs-Mechanismus. Mechanismus der Hydrolyse von Alkanoylchloriden

CH ae: Propanoylchlorid r

HOH

ET CH;CH3>

Be in 2

Cl:

2

3

_ cl:

(

2

:OH, +

|

CH;CH>COH 100% Propansäure _

HCl

958

TC

A

,H-—

oa we

CHsCHz +0\

H

CH;CH;CÖH +H”

Alkohole reagieren mit Alkanoylchloriden zu Estern

20.2 Die Chemie der Alkanoylhalogenide

Die Reaktion von Alkanoylchloriden mit Alkoholen läuft über einen recht ähnlichen Mechanismus wie die mit Wasser und ist eine sehr gute Möglichkeit zur Darstellung von Estern. Meist gibt man eine Base zur Neutralisation des als Nebenprodukt entstehenden Chlorwasserstoffs hinzu. Da man die Alkanoylchloride leicht aus den entsprechenden Carbonsäuren erhält (Abschn. 19.8), ist der Reaktionsweg RCOOH —— RCOCI —> RCOOR?’ eine gute Veresterungsmethode, bei der man das Problem der Gleichgewichtseinstellung bei der säurekatalysierten Esterbildung vermeidet (s. Abschn. 19.9). Als Basen können Alkalihydroxide, Pyridin oder Amine verwendet werden.

Estersynthese aus Carbonsäuren über Alkanoylchloride

1

I

1

RCOH 9%, rccı — HCI

FH— HClBee, RCor'

Beispiele:

| CHz3CCI + HOCH;CH;CH, #3

| ; „CH,COCHSCH>CH3 + HN(CH>CH3)3CI” 75%

Acetylchlorid

Propanol

Propylacetat

Triethylammoniumchlorid

N - Ho] =.Be > < 5

pe

R cı

55%

H Pyridiniumhydrochlorid

7 Übung 20-4 | Säuren dehydratisiert. Schlagen Sie eine Synthese von 1,1-Dimethylethylacetat säure-tert-butylester) aus Essigsäure vor.

(Essig-

6) \ CH3

ZEN,

OC(CH3)3

1,1-Dimethylethylacetat (tert-Butylacetat)

Amine reagieren mit Alkanoylchloriden zu Amiden Sekundäre und primäre Amine sowie Ammoniak setzen sich mit Alkanoylchloriden zu Amiden um. Das entstandene HCl wird wiederum durch zugesetzte Base (die ein Überschuß Amin sein kann) neutralisiert. H;C

O

H;C

CH;CHCCI

+ NH3s

2%

CHSCHCNHR

Überschuß 2-Methylpropanoylchlorid

BIS

cHert,

+ NHLCI”

70% 2-Methylpropanamid

oO |

O

oO F2CHND

Benzol, 5°C

„———

I

CH;=CHCNHCH3

+

%

CH3NH3Cl

“=

68% Propenoylchlorid

N-Methylpropenamid

959

20 Derivate von Carbonsäuren und Massen-

spektrometrie

Diese Umsetzung verläuft nach einer einfachen Modifizierung Mechanismus, den wir für die Reaktion von Alkanoylchloriden Wasser oder Alkoholen beschrieben haben.

des mit

Mechanismus der Amidbildung aus Alkanoylchloriden

Ä

NR’:

Im

letzten

Daraus

I»

R—C-El:

IC

ee

|ne PAS

Reaktionsschritt

1®

Ha

ae Rt NH

keine Amide

H*

ein Proton

ab.

|

gibt das Stickstoffatom

folgt, daß tertiäre Amine

R’+

a

bilden können,

sie rea-

gieren zu Alkanoylammoniumsalzen. Diese Salze sind gegenüber Nucleophilen genauso reaktiv wie Alkanoylhalogenide, da das tertiäre Amin eine ausgezeichnete Abgangsgruppe ist.

Bildung und Reaktivität von Alkanoylammoniumsalzen [6

| RCCI + (CHz)3„N: —

+ REN(CH3),CI

ME

l RCNu + HN(CHZ)CH

Alkanoylammoniumchlorid

© Übung 20-5 Bei

den Darstellungen einiger Amide muß ein Alkanoylhalogenid mit einem teuren pri-

mären oder sekundären

")

Amin umgesetzt werden, so daß es sich von selbst verbietet, das

Amin als Base zur Neutralisierung des Halogenwasserstoffs # man das Problem lösen?

zu verwenden.

Wie kann

Umsetzung von Alkanoylchloriden mit metallorganischen Reagenzien: Synthese von Ketonen Grignard- und andere metallorganischen Reagenzien greifen die Carbonylgruppe von Alkanoylhalogeniden unter Bildung der entsprechenden Ketone an. Das Alkanoylhalogenid ist viel reaktiver als das gebildete Keton, so daß eine weitere Umsetzung des Ketons in den entsprechenden Alkohol verhindert werden kann. Bei den Grignard-Verbindungen wird die Selektivität dadurch verbessert, daß man die Reaktion bei nied-

rigen Temperaturen durchführt und das Grignard-Reagenz nur in Knapp stöchiometrischer Menge einsetzt. |

1: THF, — 78°C

CHsCH>CH>CCI + CHs(CH,)MeBr

|

———— 2 > CH;CH>CH;C(CH>)sCH3 + ClMgBr 95%

Butanoylchlorid

4-Decanon

Weniger reaktive metallorganische Verbindungen greifen Ketone unter normalen Bedingungen nicht an und können daher eingesetzt werden, ohne

daß man

befürchten

muß,

Alkohole

als Nebenprodukte

zu

bekommen. Beispiele hierfür sind Cuprat-Reagenzien, die aus Alkyllithium-Verbindungen und Kupferiodid, wie in Abschn. 8.7 beschrieben, erhältlich sind. I60

Sr Nccı 2

sr CCH=CI(CH3) + [(CH3),C=CH])CuLi —>

2

20.2 Die Chemie der Alkanoylhalogenide

+ LiCl + CuCl 70%

Bei der Reduktion von Alkanoylchloriden entstehen Aldehyde Es gibt zwei Möglichkeiten, Alkanoylchloride in Aldehyde zu überführen: die Reduktion durch Hydrid oder die katalytische Hydrierung. Da die normalerweise verwendeten reduzierenden Hydride wie Natriumborhydrid oder Lithiumaluminiumhydrid Aldehyde in Alkohole überführen, muß man ihre Reaktivität verringern, um eine Weiterreaktion zu verhindern. Durch Umsetzung von LiAIH, mit drei Äquivalenten 2-Methyl-

2-propanol (tert-Butylalkohol, s. Abschn.

8.6) entsteht Lithiumtri(tert-

butoxy)aluminiumhydrid. Bei dieser Vorbehandlung werden drei der reaktiven Hydridliganden durch andere Gruppen ersetzt. Der eine verbleibende ist nucleophil genug, um ein Alkanoylhalogenid anzugreifen, aber nicht den entstehenden Aldehyd. Reduktion durch modifiziertes Lithiumaluminiumhydrid Herstellung des Reagenzes:

LiAIH4 + 3(CH3, COH —

LIAI[OC(CH,),),H

+ 3H—H

Lithiumtri(teri-butoxy)-

aluminiumhydrid

Reduktion: 1. Lösungsmittel Ether

I RCCI1+

2. H*, H,O LiAI[OC(CH3)3]3H

——

| RCH+

LiCl+

Al[OC(CH3)3]3

Beispiele:

|

HC R

1. LiAIIOC(CH,),]sH, THF, —78°C 2. H*, H,O

H

090

PREEREEE EEE BEENEEEE* BEE SEE

42%

O

1. LiAIIOCICH,).]s H, (CH3OCH,CH,),O, —78°C 2. H*,H,O > CH;CH=CHCCI——————

CH5CH=CHCH 48%

2-Butenoylchlorid

2-Butenal

Bei der Reaktion mit katalytisch aktiviertem Wasserstoff wird die Carbonyl-Chlor-Bindung reduktiv geöffnet, es entstehen der entsprechende Aldehyd und Chlorwasserstoff. Eine Hydrierung mit gleichzeitigem Bindungsbruch bezeichnet man auch als Hydrogenolyse. Die Hydrierung von Alkanoylchloriden nennt man nach ihrem Entdecker Rosenmund*-Reduktion. Bei dieser Reduktion wird ein besonderer Katalysator verwendet, Palladium auf Bariumsulfat, den man mit Zusät-

*

Karl W. Rosenmund,

1884-1964, Professor an der Universität Kiel.

961

20

Derivate von

Carbonsäuren und Massen-

spektrometrie

zen

wie

Chinolin

teilweise

vergiftet,

um

die Metalloberfläche

in eine

weniger aktive Form zu überführen (ähnliche wie die Lindlar-Katalysa-

toren, s. Abschn. 13.7).

|

os

\

CH, CCl

H-H,Pd/BaSO,/Chinolin a

ir

CH,CH + HC

TEEN,

71% ) Übung 20-6 ") Wie würden Sie die synthetisieren?

folgenden

Verbindungen

aus

Butanoylchlorid

(Butyrylchlorid)

| I | | (a) CH3CH3CH>COH; (b) CH3CH>CH>COCCH;; (6) anencmco

);

hi | l | @ (& CH3CH>CH>CN(CH3)2: (6) CH3CHSCH>CCH>CH3; (f) CHSCH>CH>CH.

Lassen Sie uns zusammenfassen: Alkanoylchloride (Acylchloride) werden von einer Reihe von Reagenzien nucleophil angegriffen, wobei nach dem Additions-Eliminierungs-Mechanismus andere Carbonsäurederivate, Ketone und Aldehyde entstehen. Aldehyde lassen sich aus Alkanoylchloriden auch durch Hydrierung, wie bei der RosenmundReduktion, darstellen. Aufgrund ihrer Reaktivität sind Alkanoylhalogenide wichtige Zwischenstufen bei der Synthese anderer Carbonylverbindungen.

2 SD Chemie der Carbonsäureanhydride OÖ Carbonsäureanhydride,

RCOCR.

erhalten

ihren Namen

einfach

durch

Anhängen von anhydrid an den Namen der Säure (oder die Namen beider Säuren bei gemischten Anhydriden). Diese Methode ist auch auf cyclische Derivate anwendbar. o

o

I I

CH,COCCH; Essigsäureanhydrid (Acetanhydrid)

I II CH,;COCCH;CH;

a WSsıgs rt ans = 5 kridtr (ein gemischtes Anhydrid) 962

o 2-Butendisäureanhydrid (Maleinsäureanhydrid)

Ö

OÖ

oO

o Pentandisäureanhydrid (Glutarsäureanhydrid)

o 1,2-Benzoldicarbonsäureanhydrid (Phthalsäureanhydrid)

Die Reaktionen der Carbonsäureanhydride verlaufen — . wenn auch . . . weniger heftig — analog zu denen der Alkanoylhalogenide. Die Abgangsgruppe ist ein Carboxylat-Ion anstelle eines Halogenid-Ions.

Nucleophile Additions-Eliminierungs-Reaktion an Anhydriden

SE RCZO—ER el

eh | H:NuH ET; —0—CR

Oo:

:OXx

O

Terence] RC—NuH + T:OCR

Oo:

ge "NuH

y>

—

0%

| ® RCNu + HOCR

—

O

Beispiele: 00

|

N CH;COH

CH3COCCH3

———

|

+ HOCCH3 100%

Essigsäure-(Acet-Janhydrid

Essigsäure

I I

!

|

|

CH3CH>COCCH>CH, -BH, CH,CH,COCHz + HOCCH>CH3 83% Propansäureanhydrid

Tec C—0—C

Methylpropanoat

er

I

CH,CHNH

er

—

Propansäure

Ö

\CNHCH(CH3),

HOC +

73% Cyelohexancarbonsäureanhydrid

N-(1-Methylethyl)eyclohexancarboxamid

Cycelohexancarbonsäure

Abgesehen von den Hydrolysereaktionen ist die als Nebenprodukt entstehende Carbonsäure normalerweise unerwünscht und wird durch Aufarbeitung mit wäßriger Base entfernt. Cyclische Anhydride gehen ähnliche nucleophile Additions-Eliminierungs-Reaktionen ein, die zur Ringöffnung führen.

Nucleophile Ringöffnung von cyclischen Anhydriden

-

9

OÖ

| | |HOCCHSCH,COG H; 96%

OÖ Butandisäure-(Bernsteinsäure-Janhydrid

p

H;C

oO

N

2 NH

is

NHL

e

ICHasA)

a

hass

CH3 Ö

85%

3,3-Dimethylpentandisäureanhydrid

W Übung 20-7 "

Beim

Behandeln

mit Ammoniak

von

Butandisäureanhydrid

(Succinanhydrid,

Bernsteinsäureanhydrid)

bei erhöhten Temperaturen entsteht eine Verbindung C,AHsNO;,. Welche

Konstitution hat sie?

Übung 20-8 Formulieren Sie den Mechanismus der Reaktion von Essigsäure-(Acet-)anhydrid Methanol in Gegenwart von Schwefelsäure oder Natriummethoxid.

mit

963

20 Derivate von Carbonsäuren und Massen-

Ketene als Vorstufen für Anhydride

spektrometrie

Carbonsäureanhydride lassen sich nicht nur durch Reaktion von Alkanoylhalogeniden mit Carbonsäuren oder Carboxylaten (s. Abschn. 19.8), sondern auch aus Ketenen darstellen. Keten selbst, CH,=C=O, kann man als ein Sauerstoffanalogon des Allens, CH,=C=CH; (s. Abschn. 13.4, Abb. 13-8) oder als das Methylenanalogon von Kohlendioxid,

O=C=O,

auffassen.

Beim

Behandeln

von

Keten

mit Essig-

säure entsteht Essigsäureanhydrid (Acetanhydrid).

| Keten

II

Essigsäure

Essigsäureanhydrid

Dieses Verfahren wird kommerziell zur Herstellung eines großen Teils des Bedarfs an Essigsäureanhydrid (Acetanhydrid) der Bundesrepublik Deutschland benutzt (1992 wurden 170000 Tonnen hergestellt). Keten selbst erzeugt man in großem Maßstab durch Hochtemperatur-Pyrolyse von Propanon (Aceton). Bei dieser Reaktion entsteht Methan als zweites Produkt.

| ß CHSCCH, 5

0

cu Hab Keten

Allgemeine Darstellungsverfahren für substituierte Ketene basieren auf der Dehydrohalogenierung von Alkanoylhalogeniden oder der Dehalogenierung von 2-Halogenalkanoylhalogeniden. Die letztgenannten Ausgangsverbindungen lassen sich glatt durch die Hell-VolhardZelinsky-Reaktion (s. Abschn. 19.12) mit einer stöchiometrischen Menge PBr; darstellen. Darstellungsverfahren für Ketene

| ; + ? RCH,CCI NER: , RCH—=C—=O + HN(CH;CH3);Cl | Sa

—2 , RCH=C=O

+ BrZnBr

Br

Reaktionen der Ketene

En

1

CHCOH 2

> 7

c—=o

£E,

EN R

R'

PrL

0 RrÜOH

NE CHCNHR” R’

964

R

R

er CHCOCR”

a,

1

CHCOR”

Wegen ihres elektrophilen Carbonyl-Kohlenstoffatoms sind Ketene sehr reaktiv, sie ähneln in ihrem chemischen Verhalten den Alkanoylhalogeniden. So reagieren sie mit Wasser zu Carbonsäuren, mit Alkoholen zu Estern,

mit Aminen

zu Amiden,

und, wie wir gesehen

haben,

20.4 Die Chemie der Ester

mit

Carbonsäuren zu Anhydriden. Zusammenfassend läßt sich sagen, daß man Anhydride aus Alkanoylhalogeniden oder Ketenen durch Behandeln mit einer Carbonsäure erhält. Diese Verbindungen reagieren mit Nucleophilen in derselben Weise wie Alkanoylhalogenide, nur daß die Abgangsgruppe eine Carbonsäure oder ein Carboxylat ist. Cyclische Anhydride ergeben Derivate von Dicarbonsäuren.

20.4 Die Chemie der Ester OÖ

| Wie in Abschnitt 19.9 erwähnt, stellen die Ester, RCOR’, die wichtigste Klasse der Carbonsäure-Derivate dar. In der Natur sind sie außerordentlich weit verbreitet. Viele haben charakteristische, angenehme

Gerüche

und

sind

wichtige

Bestandteile

natürlicher

und

künstlicher

Fruchtaromen.

Ester sind Alkanoate Ester werden als Alkyl- bzw. Arylalkanoate bezeichnet. Als Substituent OÖ nennt man die Estergruppe, _CoR”, Alkoxycarbonyl. Ein cyclischer Ester wird Lacton genannt (ein Trivialname, Abschn. 19.9) und würde systematisch als Oxa-2-cycloalkanon (Abschn. 25.1) bezeichnet. In Abhängigkeit von der Ringgröße setzt man a, ß, y, ö usw. voran.

||

nI

1

in

CH;COCH;

CH;CH;COCH;CH;

CH3COCH;CH,CHCH;

Methylacetat

Ethylpropanoat (Propionsäureethylester)

3-Vethylbutylacetat (Essigsäureisopentylester) (Bestandteil des Bananenaromas)

>

il

ee

NO“

COCH;

oO

NH,

2-Methylpropylpropanoat

3-Methylbutylpentanoat

(Propionsäureisobutylester)

(Valeriansäureisopethylester)

(Anthranilsäuremethylester)

(Bestandteil des Rumaromas)

(Bestandteil des Apfelaromas)

(Bestandteil des Traubenaromas)

Oo

|

B

|

a

a

lau 9)

oO

ß-Propiolacton (diese Verbindung ist ein

Methyl 2-aminobenzoat

B

ii

H;C Be

(0)

R

y-Butyrolacton (besser: Oxa-2-cyclopentanon)

O

16)

y-Valerolacton (besser: 5-Methyl-2-oxacyclopentanon)

Carcinogen und würde

systematisch Oxa-2-cyclobutanon heißen; s. Abschn. 25.1)

Übung 20-9 Benennen Sie die folgenden Ester:

|

O |

OÖ |

965

20 Derivate von Carbonsäuren und Massen-

spektrometrie

Ester mit kleinerer molarer Masse, wie Ethylacetat (Essigsäureethyl-

ester, Sdp. 77°C) und Butylacetat (Essigsäurebutylester,

Sdp. 127°C)

finden als Lösungsmittel Verwendung. Höhere nichtflüchtige Ester benutzt man als Weichmacher (s. Abschn. 12.14) für steife Polymere -— z.B. bei flexiblen Rohrsystemen, Kautschukröhren und Polstermaterialien. Die Ester zeigen eine ausgedehnte Carbonylchemie, aber sie haben im Vergleich zu Alkanoylhalogeniden oder Carbonsäureanhydriden eine geringere Reaktivität. In diesem Abschnitt wollen wir die Umsetzungen der Ester mit einer Vielzahl nucleophiler Reagenzien diskutieren.

Ester hydrolysieren zu Carbonsäuren Im Gegensatz zu den Alkanoylhalogeniden und den Carbonsäureanhydriden reagieren Ester in Abwesenheit eines Katalysators nicht mit Wasser und Alkoholen. Erhitzt man Ester mit einem Überschuß von Wasser in Gegenwart von Mineralsäuren, so hydrolysieren sie. Der Mechanismus dieser Reaktion ist die Umkehrung der säurekatalysierten Veresterung (Abschn. 19.9). M) Übung 20-10 —

| Formulieren HM rolacton.

Sie einen Mechanismus

für die säurekatalysierte

Hydrolyse

von y-Buty-

—_— —_

Die Esterhydrolyse kann auch mit starken Basen durchgeführt werden, sie verläuft dann über einen Additions-Eliminierungs-Mechanismus (Abschn. 19.7 u. 20.1). Die Base (B) überführt das schwache Nucleophil Wasser in das negativ geladene und stärker nucleophile Hydroxid-Ion. B: +H-OH

—

-:OH+B-—H

Häufig wird die Esterhydrolyse direkt mit Hydroxid als Base in mindestens stöchiometrischer Menge durchgeführt. Mechanismus der baseinduzierten Esterhydrolyse :0:) [3 + Z:ÖH s zer

«6: zum

R Be \ OCHa N I :OH

alt ee

me “

:

ÖCH “

3—

IE |

RCO:”

+ HÖCH3

Carboxylatlon

Im Gegensatz zu der säurekatalysierten Hydrolyse ist diese Reaktion kein Gleichgewichtsprozeß. Der letzte Schritt, in dem die Säure in das Carboxylat-Ion überführt wird, ist praktisch irreversibel. Daraus folgt, daß man zumindest stöchiometrische Mengen Hydroxid einsetzen muß (häufig nimmt man sogar einen Überschuß).

re

CH-CHCHLOCH,

1. KOH, H50, CH3OH,A

ar

CH

0

CH;CHCH£OH

+ CH3OH

100% Methyl-3-methylbutanoat

3-Methylbutansäure

\ Übung 20-11 Formulieren Sie einen Mechanismus für die basische Hydrolyse von y-Butyrolacton.

966

Umesterung findet bei der Reaktion mit Alkoholen statt

20.4 Die Chemie der Ester

Die säurebezeichnet rung eines freie Säure

Reaktionsschema einer Umesterung

Esters in einen anderen ermöglicht, ohne daß man über die gehen muß. Die Umesterung ist eine Gleichgewichtsreak-

tion.

das

Um

oder basekatalysierte Umsetzung von Alkoholen mit Estern man als Umesterung. Hierdurch wird die direkte Überfüh-

Gleichgewicht

zu

verschieben,

einen hohen Überschuß an Alkohol, Alkohol gleich als Lösungsmittel.

nimmt

man

gewöhnlich

gelegentlich verwendet

man

o | RCOR'+R’OH

den

are | Rene O

>

|

Cı7H35s COCH>CH3 + CH30H

N

— 27 73,

(C,7H3sCOCH;s

+ CHSCH,OH

R COR”+ R’OH

90% Ethyloctadecanoat

Lösungsmittel

Methyloctadecanoat

Lactone werden durch Umesterung zu Hydroxyestern geöffnet: ®

2

+

+ BrCH>CH>CH>0H —!> HO

1

nA

16)

Br

80% -Butyrolacton

3-Brompropanol

3-Brompropyl-4-hydroxybutanoat

Die Mechanismen der Umesterung durch Säure oder Base ergeben sich als folgerichtige Erweiterung der Mechanismen der jeweiligen Hydrolyse zur Carbonsäure. Die säurekatalysierte Umesterung beginnt also mit der Protonierung des Carbonyl-Sauerstoffatoms, gefolgt von einem nucleophilen Angriff des Alkohols auf das Carbonyl-Kohlenstoffatom. In basischem Milieu wird dagegen zuerst der Alkohol deprotoniert und dann das entstandene Alkoxid-Ion an die Carbonylgruppe des Esters addiert.

Übung 20-12

(0)

Formulieren Sie die Mechanismen für die säure- und die basenkatalysierte Umesterung von y-Butyrolacton mit 3-Brompropanol.

o

A Übung 20-13 ß-Propiolacton A (s. Randspalte) reagiert mit Methanol im Basischen wie erwartet zu Methyl-3-hydroxypropanoat B. Im Sauren entsteht jedoch 3-Methoxypropansäure C.

Können Sie Mechanismen formulieren, die diesen Unterschied erklären?

7

HOCHSCHSCOCH3 B

Amine überführen Ester in Amide

| CH30CH>CH;COH

Amine sind nucleophiler als Alkohole und setzen Ester leicht zu Amiden um. Dabei ist kein Katalysator erforderlich, aber es muß erhitzt werden. Auch diese Reaktion verläuft über einen Additions-Eliminierungs-Mechanismus.

C

Amidbildung aus Methylestern

| H RCOCH3 + RINH —

| RCNHR’ + CH30H 967

20 Derivate von

Beispiel:

Carbonsäuren und Massenspektrometrie

| H % CH3(CH2);CH=CH(CH>3)JCOCH3z + CHz(CH3),NH US, Methyl-9-octadecenoat

I-Dodecanamin

| CH3(CH32);CH=CH(CH3>);-CNH(CH3)| ıCH3

+ CH30H

N-Dodecyl-9-octadecenamid

Übung 20-14

0

Formulieren Sie einen Mechanismus für die Bildung von Acetamid, CH;CNH3>, aus Methylacetat (Essigsäuremethylester) und Ammoniak.

Grignard-Reagenzien überführen Ester in Alkohole Ester reagieren mit zwei Äquivalenten Grignard-Reagenz zu Alkoholen (Abschn. 8.8). Auf diese Weise entstehen aus gewöhnlichen Estern tertiäre, aus Ameisensäureestern

sekundäre

Alkohole.

Alkohole aus Estern und Grignard-Verbindungen

|

RK (CH3CH2,O

CH3CH3COCH>CH3 + 2 CH3CH>CH;MeBr A —

OH

CH3CH>CCH>CH;CH3

CH3CH3

CH>CH>CH3 69% Ethylpropanoat

4-Ethyl-4-heptanol

Propylmagnesiumbromid

l. (CH3CH3)20

7

+ 2 CH3CH>CH>CH»MgBr

HCOCHE

OH

HECHSCH ZH CH>CH>CH;CH3

Methylformiat

85%

(Ameisensäuremethylester)

5-Nonanol

Butylmagnesiumbromid

Die Reaktion beginnt wahrscheinlich mit der Addition der metallorganischen Verbindung an die Carbonylfunktion, wobei das Magnesiumsalz eines Halbacetals entsteht (s. Abschn. 17.7). Bei Raumtemperatur erfolgt dann rasche Eliminierung zu einem intermediären Keton [oder Mechanismus der Alkoholsynthese aus Estern und Grignard-Verbindungen O

O—MeBr

|

N R

c

+ RMgBr —

J

R—C-[ÖcH;

OCH;

T

OMeBr

Sr

R

R’MgBr

R’

(Reaktion kann an dieser Stelle

nicht gestoppt werden)

968

—

= CH3OMgBr

R’

RC—R'

| R’

OH H’, H,O

R—C—R'

R'

Aldehyd, wenn man Formiate (Ameisensäureester) verwendet]. Die entstandene Carbonylgruppe addiert dann sofort ein zweites Äquivalent Grignard-Reagenz, denn sie ist reaktiver als die Alkoxycarbonylgruppe des Edukts. Nach saurer Aufarbeitung erhält man den entsprechenden Alkohol.

20.4

Die Chemie der Ester

Übung 20-15

Schlagen Sie, ausgehend von Methylbenzoat (am Rand gezeigt) und Brombenzol, eine N

Synthese von Triphenylmethanol, (C5Hs);COH, vor.

Die

Reaktion

der

oO | ROCOR,

Dialkylcarbonate,

den

Diestern

1

C,HsCOCH;

der

I Kohlensäure, HOCOH, ist ein Spezialfall der Umsetzungen mit Grignard-Verbindungen. Sie ergeben tertiäre Alkohole, in denen drei Alkylgruppen durch die metallorganische Verbindung eingeführt wurden. In diesem Fall fungieren beide Alkoxysubstituenten als Abgangsgruppen.

|

OH

|; De

CH30COCH;

+ 3 CH3CH>MgBr BE

|

g

CH3CH,—C—-CH;CH3 CH>CH3 85%

Dimethylcarbonat

Ethylmagnesium-

3-Ethyl-3-pentanol

bromid

Dialkylcarbonate lassen sich aus Phosgen und Alkoholen darstellen.

| CICCI + 2CH;0H —

| CH30COCH;

Phosgen

+2HCI

Dimethylcarbonat

Ester werden durch Hydrid-Reagenzien zu Alkoholen oder Aldehyden reduziert Die Reduktion von Estern zu Alkoholen durch Lithiumaluminiumhydrid haben wir bereits erwähnt (s. Abschn. 8.6). Bei diesem Prozeß sind 0.5 Äquivalente LiAIH, erforderlich, da pro Esterfunktion nur zwei Wasserstoffatome benötigt werden: 7

1. LiAIH, (0.5 Äquivalente), (CH,CH,),O 2°H",H.0

[_Nenoenscn, ng

Sagen 7

3

[_Jenaon

2

CH3

CH3 90%

Verwendet man ein milderes Reduktionsmittel, bleibt die Reaktion auf der Stufe des Aldehyds stehen. Ein Beispiel hierfür ist die Umsetzung mit Bis(2-methylpropyl)aluminiumhydrid bei niedrigen Temperaturen in Toluol.

H;C

O

CH3

| \

CH;CHCOCH;CH; Ethyl-2-methylpropanoat

|

+

(CH3CHCH3>)>AlH Bis(2-methylpropyl)Jaluminiumhydrid

1. Toluol, —60°C 2. H, H,O

CH3

FT eacHOn

CH;CHCHO

3

2-Methylpropanal

2

(Diisobutylaluminiumhydrid)

969

20 Derivate von

Mit Bis(2-methylpropyl)aluminiumhydrid

läuft nur der erste Additi-

Carbonsäuren und Massen-

onsschritt der Reaktion ab. Nach saurer Aufarbeitung der gebildeten

spektrometrie

Alkoxyaluminium-Verbindung entsteht das Halbacetal des Aldehyds, das rasch zum Produkt zerfällt. Diese Methode ist selbst bei komplizierten Molekülen erfolgreich. Mechanismus der Reduktion mit Bis(2-methylpropyl)aluminiumhydrid (Diisobutylaluminiumhydrid)

1

OAIR35

RCOCHZ + RZAIH —>

OH

7

R--C--OcH, #320, Rp OcH |

— HOAIRZ

H

es —

FNEICHSOH

EcH

H Halbacetal

Beispiel:

ge

CH30

(CH3CHCH,)»AIH, Toluol, —60 °C CH30

y

=

CH>CO>CH>CH3

83%

CH;CHO

Ester bilden alkylierbare Enolate Die Acidität eines a-Wasserstoffatoms ist bei Estern groß genug, um beim Behandeln mit starker Base bei niedrigen Temperaturen zur Bildung von Ester-Enolaten zu führen. Ester-Enolate reagieren wie die Enolate von Ketonen, sie gehen Alkylierungen, Offnungsreaktionen von Oxacyclopropanen und Aldoladditionen ein.

£

CH3CO;CH>CHz PR, = 25

ON

PL FRET,

cc OCH>CH3 Enolat-Ion des Ethylacetats (Essigsäureethylester)

CH3=CHCH3Br, HMPT ER:

a | H3C—-CH3, HMPT

1

2

CH3=CHCH>CH>COCH>CH3

Li" TOCH3CH>CH>3COCH>5CH3

97% Ethyl-4-pentenoat

>

Li* TOCH>CHz

a

Oo

I. (CH3)3;CCHO 2.H*, H5O H;C

OH

OÖ

CH3C—C—CH>COCH>CH3 HC 3

H

97%

Ethyl-3-hydroxy-4,4dimethylpentanoat

® ee ? 55% y-Butyrolacton

Der pK, von Estern ist um fünf Einheiten größer als der von Aldehyden und Ketonen. Ester-Enolate sind also basischer als die Enolate von Ketonen. Sie zeigen daher die typischen Nebenreaktionen starker 970

Basen:

E2-Prozesse

(insbesondere

bei sekundären,

tertiären

und

ver-

20.4

Die Chemie der Ester

zweigten Halogeniden) und Deprotonierungen. Übung 20-16 Erklären Sie, warum das Enolat-Ion des Ethylacetats (Essigsäureethylester) cyclopropan zu y-Butyrolacton reagiert.

Ester-Enolate greifen nicht nur die Carbonylgruppe und Ketonen,

sondern

auch die von Estern

mit Oxa-

von Aldehyden

an. Bei dieser Umsetzung,

die als Claisen*-Kondensation (s. Abschn. 23.1) bekannt ist, reagiert das Enolat-Ion über einen Additions-Eliminierungs-Mechanismus mit der

Esterfunktion,

wobei

ein 3-Ketoester

entsteht.

Das

Enolat

muß

nicht in stöchiometrischen Konzentrationen vorliegen, es genügt, wie bei der Aldolkondensation, eine Gleichgewichtskonzentration (s. Abschn. 18.5).

7

(6)

| 5 CH.COCHICHZ + CHRCOCHLCH, Sa

‚ae

BAR A RI De ER CHLOE,, CH3ÜCH>COCH;CH3 — CH3CH,OH 75%

Ethyl-3-oxobutanoat

Die Pyrolyse von Estern ergibt Alkene Ester sind thermisch recht stabil. Erhitzt man sie jedoch auf Temperaturen über 300°C, zersetzen sie sich in die entsprechende Carbonsäure und ein Alken. Die Reaktion verläuft konzertiert über einen sechsgliedrigen cyclischen Übergangszustand. In dem Moment, in dem das Carbonyl-Sauerstoffatom mit der Abspaltung eines ß-Wasserstoffatoms beginnt, fängt die Sauerstoff-Kohlenstoff-Bindung der Alkoxygruppe an, aufzubrechen. Bei dieser Umsetzung werden drei Elektronenpaare verschoben, ähnlich wie bei der Diels-Alder- und der retro-Diels-AlderReaktion (s. Abschn. 14.8):

Esterpyrolyse

(6)

| RCOCHJ;CH;R’ |

| RCOH + CHa=CHR’

Mechanismus der Esterpyrolyse

R

OR

HC

o

rs H

;

R'H r

R

07°

a20

>

|H2Cı, ..H

B

R

o HC,

;

RH

&

o

|

H

SHR'

sechsgliedriger eyclischer Übergangszustand mit Verschiebung von sechs Elektronen

Das Wasserstoffatom und die Estergruppe treten der sich entwickelnden r-Bindung aus dem Molekül bezeichnet man als syn-Eliminierung im Gegensatz gangszustand der meisten E2-Reaktionen (Abschn. auch sechs Elektronen verschoben werden, die »cyclisch angeordnet sind.

auf derselben Seite aus. Diesen Prozeß zu dem anti-Über7.7), bei dem zwar Atome aber nicht

Übung 20-17 Geben Sie an, welche Produkte bei der Reaktion von Methylcyclohexancarboxylat mit den folgenden Verbindungen oder unter den folgenden Bedingungen entstehen. (Wenn nötig, nach erfolgter wäßriger Aufarbeitung): (a) H*, H,O; (b) OH’, H,O; (ce) CH;CH;07”, CH;CH;0H; (d) NH;,; (e) 2 CH3MsBr, (f) LiAIH;; (g) 1. LDA, 2 CH;l; 2 (h) 300°C.

CO;CH;

Methyleyclohexancarboxylat

* Ludwig Claisen, 1851-1930, Professor an der Universität Berlin.

971

Fassen wir zusammen: Die Chemie der Ester ist stark von der Carbonylfunktion geprägt. Mit wäßriger Säure oder Base hydrolysieren sie zu den entsprechenden Carbonsäuren oder Carboxylaten, mit Alkoholen erfolgt eine Umesterung, mit Aminen reagieren sie bei erhöhten Temperaturen zu Amiden. 1 mol Ester kann 2 mol Grignard-Reagenz addieren, wobei tertiäre Alkohole [oder sekundäre Alkohole bei den Formiaten (Ameisensäureestern)] entstehen. Lithiumaluminiumhydrid reduziert Ester bis zum Alkohol, verwendet man Bis(2-methylpropyl)aluminiumhydrid (Diisobutylaluminiumhydrid), bleibt die Reaktion auf der Stufe des Aldehyds stehen. Mit LDA entstehen Ester-Enolate, die sich durch Elektrophile alkylieren lassen. Erhitzt man schließlich Ester auf über 300°C, pyrolysieren sie in einem konzertierten Eliminierungsprozeß zu Alkenen und Carbonsäuren.

20 Derivate von Carbonsäuren und Massen-

spektrometrie

2URSF Ester ın der Natur: Wachse, Fette, Ole und Lipide Ester langkettiger Carbonsäuren und Alkohole sind die Hauptbestandteile der tierischen und pflanzlichen Wachse.

| CH,(CH,),CO(CH,)„CH3 n = 24, 26, m = 29, 31

en Hexadecylhexadecanoat

Bienenwachs

(Cetylpalmitat) (Wachs aus dem Walrat)

CH>OH

Die pflanzlichen und tierischen Öle und Fette sind Triester des 1,2,3-

Propantriol (Glycerin) (s. Abschn. bezeichnet sie auch als Triglyceride.

CHOH

19.14) und

der Fettsäuren.

Man

Zwischen Fetten und Ölen besteht chemisch kein Unterschied, Fette

CH>OH

sind nur bei Raumtemperatur fest. Öle enthalten gewöhnlich einen höheren Anteil von ungesättigten Fettsäuren. Sie lassen sich durch katalytische Hydrierung in feste Fette überführen. Alle Margarinesorten werden auf diese Weise hergestellt. Ein Zuviel an gesättigten Fetten in der Nahrung kann zu Arteriosklerose (Versteifen der Arterienwände) führen. Aus gesundheitlichen Gründen werden daher pflanzliche Öle, die stark ungesättigt sind, immer beliebter. Biologisch dienen Fette als Energiequellen, sie werden bis zu CO, und Wasser abgebaut. Wachse und Fette gehören zu den Lipiden. Dies sind wasserunlösliche Biomoleküle, die sehr gut in organischen Lösungsmitteln wie Chloro-

1,2,3-Propantriol (Glycerin)

\ CH,OCR

\ HCOCR’

form

löslich sind.

Sie dienen

als „Brennstoff“

und

Energiedepot

und

sind Bestandteile biologischer Membranen. Eine wichtige Klasse von Membranlipiden sind die Phospholipide, Di- und Triester, in denen Alkohole mit Carbonsäuren und Phosphorsäure verestert sind. In den Phosphoglyceriden ist ein Molekül Glycerin mit zwei Fettsäure-

| CH,OCR” 1,2,3- Propantrioltriester (Triglycerid)

Hexadecansäure- (Palmitinsäure-) Einheit en

| O

ee

|

O

H,C--O-—C—R

u

cis

IR Si

|

CH,OCI(CH3) 4CH3

CH3(CH3)7JCH=CH(CH3),COCH

©

—

H5,C—0—P-—-OR" z

|

5”

ein Phosphoglycerid

972

+

cis-9-Octadecensäure(Ölsäure-)Einheit

CH>OPO(CH3>)>N(CH3)3 NE,

O7

Palmitoyloleylphosphatidylcholin

Cholin-Einheit

molekülen

in

estert,

die

an

Nachbarstellung noch

ein

sowie

weiterer

einer

Phosphat-Einheit

Alkoholstubstituent,

[HOCH3;CH;N(CH;);|'HO”, gebunden ist.

wie

verCholin

20.5

Ester in der Natur:

Wachse, Fette, Ole und Lipide

|

Da in diesen Molekülen zwei lange hydrophobe Fettsäureketten und eine polare .Kopfgruppe (der Phosphat-Cholin-Substituent) enthalten sind, können sie in wäßriger Lösung Micellen bilden (s. Abschn. 19.4, Kasten 19-1). In den Micellen ist die Phosphat-Einheit von Wasser solvatisiert, die Esterketten liegen im hydrophoben Inneren der Micelle (s. Abb. 20-2A). Phosphoglyceride können sich auch noch auf eine andere Weise anordnen:

Sie bilden eine Schicht, die wie ein Molekül

dick ist und in

der immer 2 Lipid-Moleküle einander gegenüber liegen. Man bezeichnet sie als Lipid-Doppelschicht (Abb. 20-2B). Diese Eigenschaft ist sehr bemerkenswert, denn die Größe von Micellen ist gewöhnlich begrenzt (Durchmesser < 20000 pm), Doppelschichten können 1 mm Länge erreichen.

Sie sind daher die idealen Bausteine für Zellmembranen,

die

als durchlässige Barrieren zur Regulierung des Molekültransports in und aus der Zelle fungieren. Lipid-Doppelschichten sind relativ stabile Molekülanordnungen. Die Kräfte, die zu ihrer Bildung führen, sind ähnlich denen, die in Micellen wirken: London-Wechselwirkungen zwischen den hydrophoben

Alkanketten,

Coulomb-

und Solvatations-Kräfte

zwi-

schen den polaren Kopfgruppen und zwischen ihnen und Wasser. Fassen wir zusammen: Ester werden Alkyl- bzw. Arylalkanoate genannt. Viele haben angenehme Gerüche und kommen in der Natur als Duftstoffe, Wachse,

Öle oder Fette vor.

bis zu

110° pm

|

20 000 pm

A

B polare Kopfgruppen

12

ne

ge

|

H-C—CH—-CH>

|

10]

Leer

|

|

ee

ken unpolare Schwanzgruppen

ie

—- OCH5CH>N(CH3);

OÖ

Abb. 20-2 Phospholipide sind substituierte Ester, die ein wesentlicher Bestandteil der Zellmembranstruktur sind. Diese Moleküle lagern sich zu einer Micelle zusammen (A) oder zu einer Lipid-Doppelschicht (B).

(©) Die polaren Kopf- und die unpolaren Schwanzgruppen sind die treibende Kraft bei der Aggregatbildung (aus: Lubert Stryer, Biochemistry, Freeman

W. H.

and Company,

3. Aufl.,

Copyright © 1975, 1981, 1988).

973

20 Derivate von Carbonsäuren und Massen-

20.6 Amide: Die reaktionsträgsten

spektrometrie

Carbonsäure-Derivate Von

allen Carbonsäure-Derivaten

(6) | RCNR},

sind die Amide,

am

wenig-

sten anfällig für einen nucleophilen Angriff. Nach einer kurzen Einführung in die Nomenklatur der Amide wollen wir uns in diesem Abschnitt mit ihren Reaktionen befassen.

Aliphatische Amide werden als Alkanamide, aromatische als Arenamide und cyclische als Lactame bezeichnet Amide bezeichnet man als Alkan- bzw. Arenamide, bei den Trivialnamen wird an den lateinischen Wortstamm der entsprechenden Säure das Suffix -amid angehängt. In cyclischen Systemen wird die Endung -carbonsäure durch -carboxamid ersetzt. Substituenten am Stickstoffatom werden — entsprechend ihrer Anzahl - durch das Präfix N- oder N,N- gekennzeichnet: Es gibt also primäre, sekundäre und tertiäre Amide.

\

HCNH3

?

Br

CH3CNHCH3

|

..

©

N u

6) |

Ö Formamid

N-Nlethylacetamid

(primäres Amid)

(sekundäres Amid)

4-Brom-N-ethyl-N-methylpentanamid (tertiäres

Cyclohexancarboxamid

Amid)

Es gibt auch einige Amidderivate der Kohlensäure, H,CO; (s. Abschn. 20.4): die Harnstoffe, Carbamidsäuren und Carbamidsäureester (Urethane).

6) | “ av“ IR’ Se: ein Harnstoff

6) | \ a H

OH

eine Carbamidsäure

6) | \ Di OR’ H ein Carbamidsäureester (Urethan)

Cyclische Amide nennt man Lactame (s. Abschn. 19.10; ein systematischer Name wäre 2-Azacycloalkanon, s. Abschn. 25.1). Die Nomenklaturregeln für Lactame entsprechen denen für Lactone. Die Penicilline sind anellierte B-Lactame. O

@

> N

H

y-Butyrolactam (systematischer Name: Aza-2-cyclopentanon)

| „

ie

ee) ?

ö-Valerolactam (systematischer Name: Aza-2-cyclohexanon)

16]

I RCNHx 5

la BoS

Jun y

Ü CH3

H

CO,H

Penicillin (ein /-Lactam-Derivat)

Amide sind auch in der Biochemie von großer Bedeutung: Amidgruppen verbinden die Aminosäureeinheiten, aus denen die Proteine (Biopolymere) aufgebaut sind (Kap. 26). Viele einfachere Amide haben unterschiedliche biologische Aktivität. Beispielsweise bindet Anandamid, das Amid aus Arachidonsäure (Abschn. 19.13) und 2-Aminoethanol, im Gehirn an denselben Rezeptor wie Tetrahydrocannabinol (Abschn. 974

9.11), der aktive

Bestandteil

des Marihuana.

Anandamid

wurde

aus

20.6 Amide: Die reaktionsträgsten Carbonsäure-Derivate

Schokolade isoliert, so daß Leute, die von sich sagen, „Ich bin süchtig nach Schokolade“, wohl wissen, wovon sie sprechen.

) \

RE Anandamid

Die Amidhydrolyse erfordert starkes Erhitzen in konzentrierter Säure oder Base Die Amide sind aufgrund der besonderen Fähigkeit des freien Elektronenpaars am Stickstoffatom, mit der Carbonylgruppe in Resonanz zu treten (s. Abschn. 20.1), die reaktionsträgsten Carbonsäure-Derivate. Daher sind für nucleophile Additions-Eliminierungs-Reaktionen an Amiden recht drastische Bedingungen erforderlich. So erfolgt eine Hydrolyse beispielsweise nur bei langem Erhitzen in stark saurer oder basischer wäßriger Lösung. Bei der sauren Hydrolyse wird das Amin in Form des entsprechenden Ammoniumsalzes freigesetzt. Saure Hydrolyse eines Amids

Ed

en

CH3CH>CHCH> NH,

29: 42.222, CHSCH5CHCH>COH + (NH42S04 88%

3-Methylpentanamid

3-Methylpentansäure

Mechanismus der Amidhydrolyse durch wäßrige Säure

Fr: R

| DEN

NH

+ H' a

R

1 In

H

NH

5 + H,Ö H3Ö

:

H

7

| ar

pn m

Ir;

H

| Se a H* 2

H>O

H

H 3

H n 9% =

?

RN 2 Be

—

CC

i = NÖH

#15 >

nn i

"N

Bei der basischen Hydrolyse entstehen zunächst das Carboxylatsalz ‚und das Amin. Nach Aufarbeitung im Sauren bildet sich die Säure. Basische Hydrolyse eines Amids

IE l.. ie HO: ", H,O, A H',H30 CH3CH>CH>CNHCHz; ==> CH3CH>CH;CO: " + CH3NH, ——2

| ..

+

CH;CH;CH>COH + CH3NH; 87%

N-NMethylbutanamid

Butansäure

975

Kasten ‚20-2

Penicillin, ein Antibiotikum mit einem

ß-Lactamring Die Entdeckung des Penicillins als äußerst wirksames Breitband-Antibiotikum war einer der Meilensteine in der medizinischen Chemie. Wie bei vielen dieser Entdeckungen hat der Zufall eine entscheidende Rolle gespielt. Im Jahre 1928 bemerkte der englische Bakteriologe Alexander Fleming*, daß einige Staphylokokken-Kulturen, die er auf einem Labortisch abgestellt hatte, von Pilzsporen aus der Laborluft kontaminiert waren. An einigen Stellen war ein grüner Rasen von

bindungen. Das Enzym Transpeptidase, das eine zentrale Verknüpfungsreaktion bei der Biosynthese der Zellwände von Bakterien katalysiert, akzeptiert Penicillin als Substrat. Das Penicillin alkanoyliert (acyliert) dann ein nucleophiles Sauerstoffatom des Enzyms, wodurch dieses seine Wirksamkeit verliert. Der Aufbau der Zellwände wird gestoppt, der Organismus stirbt. Diese Reaktion ist die Umkehrung der Amidbildung aus Estern (s. Abschn. 20.4). Wirkung von Penicillin

|cC=oO

Schimmelpilzen, Penicillinum notatum, gewachsen, und die Staphylokokken-Kulturen in der Nähe dieses Pilzes waren zerstört. Die Substanz,

die diese antıbiotische Wirkung zeigte, nannte man Penicillin, bis zu ihrer Reinisolierung vergingen aber noch etwa zehn Jahre. Später synthetisierte man eine Reihe verschiedener Penicıilline, die sich in der Gruppe R unterscheiden. In Penicillin G ist eine ‚Phenylmethyl- (Benzyl-, C,HsCH3>-)Gruppe an die Amidfunktion gebunden, Ampicillin hat einen Phenyl(amino)methyl(C,H;CHNH;3>-)Substit uenten. In struktureller und biologischer Verwandschaft zu den Penicillinen stehen die Cephalosporine, wichtige Antibiotika, die häufig gegen Erreger wirksam sind, bei denen die Penicilline keine Wirkung zeigen.

Bee

ER NH;

o | 1 CH>OCCH3

ne

COOH Cephalosporin C

Der gespannte ß-Lactamring ist für die antibiotische Wirkung dieser Verbindungen verantwortlich. Da die Spannung bei der Ringöffnung verschwindet, sind ß-Lactame im Vergleich zu gewöhnlichen Amiden ungewöhnlich reaktive Ver-

HN

Ba

Transpeptidase + Penicillin —

H

|...

H—C—C

CH; FCH;

Aa HN—CHCOO” | 6) inaktiviertes

Enzym

Einige Bakterien sind gegenüber Penicillin resistent, da sie ein Enzym, die Penicillinase, produzieren, das den ß-Lactamring hydrolysiert, bevor er sich an die Transpeptidase binden kann. Die Geschwindigkeit dieser Hydrolyse hängt von der Struktur des ß-Lactams ab. Cephalosporine werden von der Penicillinase nicht angegriffen. Trotzdem sind aufgrund des ständigen Auftauchens neuer, gegen Antibiotika resistenter Bakterien stämme, das durch die häufig unverantwortliche Verordnung von Penicillin und anderer Antibiotika gefördert wurde, intensive Anstrengungen zur Entdeckung neuer, aktiverer und selektiver Systeme erforderlich.

*

Sir Alexander Fleming, Surgeons, England.

1881-1955,

Royal

College

of

Mechanismus der basischen Hydrolyse von Amiden

0Dr

ne :O:

”

a

Le

Ähnliche Reaktionen wobei Ester entstehen.

976

Ja

ei

lassen

:0:

lee

sich auch

mit Alkoholen

=

=

durchführen,

6) \ CNHCH,

1COCH>CH3

es

CH3CH>OH, HCl

+ CH3NH3+CI”

85%

i

Cyclohexancarbonsäureethylester

N-Methyleyclohexancarboxamid

Amide können zu Aminen oder zu Aldehyden reduziert werden Anders

als die Carbonsäuren

Lithiumaluminiumhydrid

und

Ester

reagieren

die Amide

mit

nicht zu Alkoholen, sondern zu Aminen.

Die Reduktion eines Amids zu einem Amin

|

1. LIAIH4, (CH3CH2)20

(CH), CHCH>CH>CN(CHSCH3) 20 >

(CH), CHCH>CH;C H3N(CH>CH3), 85% N,N-Diethyl-4-methylpentanamin

N ,N-Diethyl-4-methylpentanamid

H3C,_/

\

PA di»

Der

ENH

AS

I. LiAIH4, (CHACH>,O OÖ

2.H,

VH

H;C

H>0

3

H.C a

N H

H

y,y-Dimethyl-y-lactam

80%

(Systematischer Name: 3,3-Dimethyl-2-azacyclopentanon)

2,2-Dimethylazacyclopentan (2,2-Dimethylpyrrolidin)

Mechanismus

verläuft zunächst

über eine Hydrid-Addition,

auf

die eine Aluminat-Eliminierung folgt. Das entstandene /minium-Ion (s. Abschn. 17.9) wird dann durch einen zweiten Hydrid-Angriff reduziert. Mechanismus der Amid-Reduktion durch Hydrid Al

|

RONR’,

Nimmt der

Amide

_LIAIHg _ R—

man auf

Ü INR',

modifizierte der

Stufe

3

Fr

Hydrid-Reagenzien, des

Aldehyds

>

{ Ye

RCH

stehen;

LiAIH4

RCH

bleibt die Reduktion vermutlich

entsteht

dabei intermediär das Halbaminal (s. Abschn. 17.9). Solche Reaktionen „verlaufen im allgemeinen

am

besten bei den N,N-Dialkylalkanamiden.

Häufig benutzte Hydride sind Bis(2-methylpropyl)aluminiumhydrid (Diisobutylaluminiumhydrid) und Lithiumtrialkoxyaluminiumhydride.

CHS(CHJ3CN(CH3, N,N-Dimethylpentanamid

1 (CH3CH2»0 3-2, CH,(CHSICHO 92% l. (CH3CHCH3RAIN,

Pentanal

977

Mechanismus der Reduktion von Amiden zu Aldehyden

OAIR}

=

RCN(CH3)2a >

5

N

2

HAIR

RCN(CH3), #20 RCNICH3)) 0 — HOAIR3 | - HN(CH3)> H

RCH + HoN(CH3) =

H Halbaminal

Übung 20-18 Beim Behandeln von Amid A mit LiAIH, und anschließender saurer Aufarbeitung ent, steht B. Erklären Sie! (Hinweis: Lesen Sie Abschn. 17.8 und 17.9 noch einmal).

Ö/

\Ö

LiAlH4, (CH3CH2)20 , _H7 “ , H30

N 12

NH3 Se

H;C A

B

Wir fassen zusammen: Carbonsäureamide werden Alkan- bzw. Arenamide oder, wenn sie cyclisch sind, Lactame genannt. Mit Säure oder Basen kann man sie zu den Carbonsäuren hydrolysieren, und man kann sie mit Lithiumaluminiumhydrid zu Aminen reduzieren. Die Reduktion mit Bis(2-methylpropyl)aluminiumhydrid (Diisobutylaluminiumhydrid) endet beim Aldehyd.

20.7 Amidate und ihre Halogenierung: Die Hofmann-Umlagerung Die Wasserstoffatome am Kohlenstoffatom und am Stickstoffatom neben der Carbonylgruppe des Amids sind sauer. Die Abstraktion des NH-Wasserstoffatoms (pK, = 15) führt zu einem Amidat-Ion. Das CHProton ist mit einem pK,-Wert von etwa 30 (Abschn. 20.1) weniger

sauer, so daß die zu einem Amidenolat-Ion am a-Kohlenstoffatom schwieriger ist.

En RCHCNH,

l.. RCH,CNH)

+ H* Ss

Amidenolat-Ion

pk,=30

pKı=15

führende

==

Deprotonierung

‚ RCH,CNH” + H* Amidat-Ion

Das Wasserstoffatom am Kohlenstoff kann daher praktisch nur bei tertiären Amiden abgespalten werden, denn bei denen ist das Stickstoffatom blockiert. Das bei der Deprotonierung eines primären Amids gebildete AmidatIon ist ein synthetisch wertvolles Nucleophil. In diesem Abschnitt wollen wir uns auf eine seiner Reaktionen konzentrieren: die Hofmann-Umlagerung. Übung 20-19 Der pK, von

1,2-Benzoldicarboximid,

(Phthalimid, A) ist 8.3, also beträchtlich kleiner

als der von Benzolcarboxamid, (Benzamid, B). Warum?

OÖ NH

978

OÖ NH3

In Gegenwart von Base läuft an primären Amiden eine besondere Halogenierungsreaktion, die Hofmann“-Umlagerung, ab, bei der die Carbonylgruppe aus dem Molekül abgespalten wird, und ein primäres Amin mit einem Kohlenstoff weniger in der Kette entsteht.

20.7

Amidate und ihre Halogenierung: Die Hofmann-Umlagerung

Hofmann-Umlagerung

N RCNH,

3 a 20H, 0, RNH, + O=C=0O

Beispiel:

CH3(CH>)6CH>CONH,

Fe NaOH N2OR, CHZ(CHJ)KCH>NH, + O=C=O

Nonanamid

Octanamin

Die Hofmann-Umlagerung beginnt mit der Bildung eines AmidatIons, gefolgt von einer a-Halogenierung; sie verläuft also zunächst sehr ähnlich wie die basenkatalysierte Halogenierung der Aldehyde und Ketone (s. Abschn. 18.3). Danach wird das zweite Proton mit Hilfe eines zweiten Moleküls Base abgespalten. Es entsteht ein N-HalogenAmidat, das spontan ein Halogenid-Ion eliminiert. Das Ergebnis beider Schritte ist eine ungewöhnliche a-Eliminierung von HX: Proton und Abgangsgruppe waren an dasselbe Atom gebunden. Das gebildete Teilchen enthält ein Stickstoffatom, das nur von einem umgeben ist, also einen Elektronenmangel aufweist.

Elektronensextett

Solche Verbindungen nennt man Nitrene, in Analogie zu den Carbenen, :CR; (s. Abschn. 21.11). Bei der Hofmann-Umlagerung tritt ein Acylnitren als reaktive Zwischenstufe auf. Das Acylnitren stabilisiert sich durch 1,2-Verschiebung der Alkylgruppe zu einem Isocyanat. Diese Umlagerung ähnelt den 1,2-Verschiebungen von Alkylsubstituenten in Carbenium-Ionen: In beiden Fällen bewegt sich die wandernde Gruppe mit ihrem Elektronenpaar zum Ort des Elektronenmangels. Isocyanate, R—-N=C=O, lassen sich als Stickstoffanaloga der Ketene, R,L=C=O (Abschn. 20.3), oder des Kohlendioxids, O=C=O, auffassen. Genau

wie in den Ketenen ist das sp-hybridisierte Carbonyl-Kohlenstoffatom stark elektrophil. Im wäßrigen Medium, in dem man normalerweise bei Hofmann-Umlagerungen arbeitet, entsteht bei der Wasseranlagerung an das Isocyanat eine Carbamidsäure. Carbamidsäuren sind instabil und zersetzen sich zu Kohlendioxid und dem entsprechenden Amin. Mechanismus der Hofmann-Umlagerung

Schritt 1 Amidat-Bildung HER

Rue, + 7:04 —

Re. + HÖH

Schritt 2 Halogenierung

Ren - + :X(x: >> Re +:X: k x: Schritt 3

Bildung des N-Halogen-Amidats

03

RCNH + =:ÖH — REN: + HÖH ‘ x’

N-Halogenamidat

* Es handelt sich um Prof. August W. v. Hofmann, nach dem auch die Hofmann-Regel bei E2-Eliminierungen benannt wurde (Abschn.

11.8).

979

20 Derivate von

Schritt

4 Halogenid-Eliminierung

Carbonsäuren und Massenspektrometrie

Os

er

Ib

kr

+:X7

RCN

Te

Acylnitren

Schritt

5 Umlagerung :0O:

|

Isocyanat

Ähnlich wie: De

—>

ee

BETRETEN

R Schritt

R

6 Hydrolyse zur Carbamidsäure und Zersetzung 2chs

..

N

..

N=Cc=0 —&, =

.

'N—C-OH —

..

A

RNH> + CO;

..

Carbamidsäure

Man führt die Hofmann-Umlagerung im allgemeinen durch, indem man das Amid zu einer kalten wäßrigen Hypohalogenitlösung gibt (sie entsteht bei der Reaktion X; + OH” —o HOX + X”), und dann das Reaktionsgemisch erhitzt. 16)

| CNH3> Sr

NH> +

.Ns0Br

IC, —

oh

+ 0=C=0O

—- NaBr

65% Cyclohexancarboxamid

Natriumhypobromit

Cyclohexanamin

In einigen Fällen verändert man das Verfahren, indem man in einem Alkohol, wie Methanol, als Lösungsmittel arbeitet. Dann entsteht bei

der Addition des Alkohols an das intermediäre Isocyanat ein Carbamidsäureester (Urethan), der unter den Reaktionsbedingungen stabil ist und isoliert werden kann. Bei der darauffolgenden Hydrolyse des Esters erfolgt Decarboxylierung, und es entsteht das gewünschte Amin. Bildung von Carbamidsäureestern bei der Hofmann-Umlagerung OÖ

| Br,, 2 CH,O"Na*, CH,OH CH(CH>)59CHZ NH, - 2 NaBr, — 2 CH3OH

CHZ(CH2sCHN=C—=O

CH;OH

10)

|

CHz(CH>)39CH-NHÜOCH; eo, CHz(CH>)>,CH>NH> + CO> Carbamidsäureester

:

100% Gesamtausbeute

(Urethan)

Übung 20-20 Formulieren Sie einen detaillierten Mechanismus für die Addition von Wasser an ein Isocyanat und für die Decarboxylierung der entstandenen Carbamidsäure.

980

Kasten 20-3

Methylisocyanat und die Bhopal-Tragödie

| OCNHCH3

OH

Methylisocyanat

1-Naphthalinol (1-Naphthol)

Die Reaktion von Methylisocyanat mit verschiedenen Alkoholen und Aminen wird industriell zur Produktion einer Reihe starker Herbizide und Insektizide eingesetzt. Der Verbrauch von Methylisocyanat in den USA wird auf etwa 15000 t im Jahr geschätzt. Ende 1984 ist in der indischen Stadt Bhopal eine große Menge dieser Substanz, die dort zur Produktion des Insektizids Sevin eingesetzt wurde, freigeworden und hat zum Tod von mehr als 2000 Menschen geführt. Mindestens 300 000 Menschen sind dabei mit Methylisocyanat in Kontakt gekommen. Diese Katastrophe, der bisher schlimmste Unfall in der Geschichte der chemi-

1-Naphthyl-N-methylcarbamat (Sevin, ein Insektizid)

schen Industrie, hat zu einer Neufestlegung der Sicherheitsbestimmungen zur Handhabung großer Mengen toxischer Chemikalien geführt. Für die Toxizität der Isocyanate ist deren schnelle Reaktion mit nucleophilen Angriffstellen in Biomolekülen verantwortlich. Der unterschiedslose Angriff auf die Hydroxy-, Aminound Thiolgruppen, beispielsweise in Peptiden und Proteinen, inaktiviert deren biologische Funktion. Weitere Substanzen, die von einem nucleophilen

Angriff verändert werden, sind kleine Moleküle, die bei der Übertragung von Nervenimpulsen notwendig sind, und verschiedene andere Regulationssysteme in der Zelle.

Übung 20-21

COOCH3

Schlagen Sie eine Reaktionsfolge vor, über die Sie Ester A (s. Rand) in Amin B überführen.

A

Wir fassen zusammen: Carbonsäureamide bezeichnet man systematisch als Alkanamide, cylische Amide nennt man Lactame. Sie lassen sich durch saure oder basische Katalyse zu Carbonsäuren hydrolysieren, durch Lithiumaluminiumhydrid zu den Aminen reduzieren. Bei Verwendung modifizierter Hydride bleibt die Reduktion der Amide auf der Stufe des Aldehyds stehen. Beim Behandeln mit Base wird das Stickstoffatom,

oder,

bei

den

tertiäiren

Amiden,

das

!

| “ NH, B

a-Kohlenstoffatom

deprotoniert. Dabei entstehen die entsprechenden Amidate bzw. Enolat-Ionen. In der Hofmann-Umlagerung reagieren Amide mit Halogenen im Basischen zu Aminen mit einer um ein Kohlenstoffatom kürzeren Alkylkette. Die Reaktion verläuft über eine Alkylverschiebung, bei der ein Acylnitren in ein Isocyanat überführt wird.

20.8 Eine besondere Klasse von Carbonsäure-Derivaten: Nitrile Nitrlle, RC=N,

rechnet man zu den Derivaten der Carbonsäuren, weil

der Kohlenstoff in den Nitrilen in derselben Oxidationsstufe wie in der Carboxylgruppe vorliegt, und weil sich Nitrile leicht in andere Derivate von Carbonsäuren überführen oder aus ihnen darstellen lassen. In diesem Abschnitt besprechen wir die Nomenklaturregeln für Nitrile, Struktur und Bindung der Nitrilgruppe und einige ihrer charakteristischen Eigenschaften. Dann vergleichen wir die Chemie der Nitrile mit der anderer Carbonsäure-Derivate.

981

CH;C =N

Die Namen

Ethannitril (Acetonitril)

entsprechenden Alkane ab

CH;CH,C=N

der Nitrile leiten sich von denen der

Systematisch bezeichnet man diese Verbindungsklasse als Alkannitrile. Bei den Trivialnamen wird meistens an den englischen oder lateinischen Wortstamm der Säure die Endung -onitril angehängt. Die Kette wird

Propannitril (Propionitril)

wie bei den Carbonsäuren numeriert. Ganz ähnlich werden die Dinitrile,

CH;

|

3-Methylbutannitril

die sich von den Diacarbonsäuren — CN wird cyano genannt, und Cycloalkancarbonitrile bezeichnet.

u CH,C=N |

4

CH,C=N

Benzeonitril

Butandinitril {Bernsteinsäurenitril)

ableiten, benannt. Der Substituent die Cyanocycloalkane werden als

C=N

S

6

5 Cyelohexancarbonitril

N=CCH,COCH;CH3 Ethylcyanoacetat

Die C = N-Bindung in Nitrilen ähnelt der in Alkinen

C = C-Bindung

In den Nitrilen sind beide Atome der funktionellen Gruppe sp-hybridisiert, das freie Elektronenpaar am Stickstoffatom besetzt das sp-Hybridorbital, das vom Rest des Moleküls weg gerichtet ist. Hybridisierung und Struktur der Nitrilgruppe sind der der Alkine sehr ähnlich (s. Abb. 20-3; siehe auch Abb. 13-1 und 13-2). Im Infrarot-Spektrum absorbiert die C = N-Valenzschwingung bei etwa 2250 cm, liegt also in demselben Bereich wie die C=C-Absorption. Das 'H-NMR-Spektrum der Nitrile zeigt, daß die Protonen in Nachbarschaft zur Nitrilgruppe etwa ebenso stark entschirmt wie die anderer Carbonsäure- und Alkinderivate sind (s. Tab. 20.3). Die "C-NMR-Absorption des Nitril-Kohlenstoffatoms liegt aufgrund der größeren Elektronegativität des Stickstoffs im Vergleich zum Kohlenstoff bei niedrigerem Feld (d = 112-126) als die von Alkinen (ö = 65-85).

) "

Ubung 20-22 1,3-Dibrompropan wird mit Natriumeyanid in Dimethylsulfoxid-d,; behandelt und die Reaktion "’C-NMR-spektroskopisch verfolgt. Nach einigen Minuten erscheinen vier neue Peaks, von denen einer im Vergleich zu den anderen stark nach niedrigem Feld =) verschoben ist (d = 117.6). Danach bilden sich drei weitere Peaks, die bei ö = 119.1, ri 22.6 und 17.6 liegen. Die Signale des Ausgangsmaterials und des Zwischenprodukts verschwinden allmählich. Geben Sie hierfür eine Erklärung.

Tabelle 20-3 Chemische

Verschie-

bungen in 'H-NMR-Spektren substitutierter Methane

Cp-Ch9

109,5°

CH3X

109.5 pm

x

Öch:

—H

0.23

de] -OH

6) 3.06

en:

-COOH -CONH; -C=N -E=SCH

982

%

2

109.1°

3.39 A

2.18 2.08 2.02 1.98 1.80

sp-Hybrid

CN

H

B

r-Bindung

Abb. 20-3 (A) Das Molekülorbital-Bild der Nitrilgruppe zeigt die sp-Hybridisierung beider Atome der C=N-Gruppe. (B) Die molekulare Struktur von Acetonitril ist ähnlich derjenigen des entsprechenden Alkins.

Nitrile reagieren basisch und sauer

20.8 Eine besondere Klasse von Carbonsäure-Derivaten:

Nitrile

Die elektronenziehende Kraft des Stickstoffs in der Nitrilgruppe sich über eine dipolare Resonanzformel darstellen: IR—C=#N:

-—

läßt

R—C=N nl

Das freie Elektronenpaar am Stickstoffatom macht die Nitrilfunktion leicht basisch, das Stickstoffatom kann also ebenso wie das CarbonylSauerstoffatom der Carbonsäuren (s. Abschn. 19.4) ein Proton addieren. Im Vergleich zu einem Imin oder Amin wird das sp-hybridisierte Nitrilsystem jedoch weitaus weniger leicht protoniert. Basizität des freien Elektronenpaars am Stickstoff in den verschiedenen Hybridisierungen

Fr:

R

R\ R > N: > R—C=En:

R

R

sp”

sp

sp

Es sei daran erinnert, daß die elektronenziehende Kraft eines Atoms von der sp’- über die sp’- zur sp-Hybridisierung zunimmt (s. Abschn. 13.2). Daher ist das protonierte Nitril, auch wenn es durch Resonanz stabilisiert ist, weitaus saurer als z.B. das Ammonium-Ion, wie man an den pK,-Werten erkennen Ammoniak

kann.

ist weitaus basischer als ein Alkannitril

R—C=N:+H'

„

RN

_— [R—C=NH

STE L

.—. R—C—NH|

PK, = -10

N ee

AR

Nitrile, die Wasserstoffatome in Nachbarschaft zu der Cyanogruppe enthalten, reagieren außerdem sauer, ihre pK,-Werte liegen in der Größenordnung von denen der Ester. Die negative Ladung der entstanden@n Anionen kann delokalisiert werden.

RCHIC=N: + :B° — [REH—c=N: «> RCH=c—N: |+ BH pK,=25 Wie bei den anderen Carbonsäure-Derivaten lassen sich auch bei den .Nitrilen diese durch Deprotonierung entstandenen Anionen alkylieren.

Alkylierung von Nitrilen

CH;CHCH:CN Butannitril

1, LDA, (CH,CH»)0 - LiBr

CH nz

CHSCH>CHCN 75% 2-Ethylbutannitril

983

20 Derivate von

Nitrile hydrolysieren zu Carbonsäuren

Carbonsäuren und Massenspektrometrie

Wie bereits im Abschnitt 19.6 erwähnt, werden Nitrile durch wäßrige Säure oder Base zu den entsprechenden Carbonsäuren hydrolysiert. Der Mechanismus dieser Reaktionen läuft intermediär über das Amid und schließt Additions-Eliminierungs-Schritte ein. Bei der säurekatalysierten Umsetzung folgt nach der Protonierung am Stickstoff ein nucleophiler Angriff durch Wasser. Durch Abgabe eines Protons entsteht ein neutrales Zwischenprodukt, ein Tautomer des Amids. Durch Umlagerung bildet sich hieraus das Amid, das sich dann, wie in Abschnitt 20.6 beschrieben, weiter hydrolysieren läßt. Mechanismus der säurekatalysierten Hydrolyse von Nitrilen

+

IR-C=N—H —

R—C=N:

NH

£

=

N

R” NöH

ar H*

Ka

—

50 BAR

—_

&

—— Ee)

| |

-— H*

C

FIN

—

+ H*

H}

Kr;

N,

INH, Ze

..

+ H,O

RC—N—H]

\

en ..

-

Ron +

*

Hu?

HT,

en

0,

ER,

RCOOH ++NH4*

4 No:

AmidTautomer

Bei der basenkatalysierten Hydrolyse der Nitrile entsteht das Anion des Amid-Tautomers durch direkten Angriff des Hydroxids. Nachfolgende Protonierung und Protonenverschiebung ergibt das Amid, das mit weiterer Base, wie in Abschnitt 20.6 dargestellt, hydrolysiert. Mechanismus der basenkatalysierten Hydrolyse von Nitrilen N re

a /

N c

= :ÖH

_HOH |

1

nr Nön :

1) ce

H

— HÖH

4 St ae N

|

von

"+ non

NH,

|

ER

+

Re":OH

a

—.-—/RCOH

eu

S

Für die Hydrolyse der Nitrile sind normalerweise energische Bedingungen — konzentrierte Säure oder Base bei hohen Temperaturen — erforderlich.

N=OCH uC=N 9.9,

HO0CCH,)4COOH 97%

Hexandinitril

Hexandisäure

(Adiponitril)

(Adipinsäure)

KOH, H50, A, HOCH>CH>OCH>CH>OH OH, HEISS I2ET, H;C

984

Metallorganische Reagenzien greifen Nitrile unter Bildung von Ketonen an

20.8 Eine besondere Klasse von Carbonsäure-Derivaten: Nitrile

Starke Nucleophile, wie metallorganische Reagenzien, addieren sich an Nitrile, wobei die Anionen von Iminen entstehen.

Bei saurer Aufarbei-

tung erhält man das neutrale Imin, das rasch zum wird (s. Abschn. 17.9).

Keton hydrolysiert

Ketonsynthese aus Nitrilen

I (CC

R-C=N+RM— R

RK

j" sl

H*, HOH

He

ENOR

RK

SR

R

|

H*', H,O

ante

R

+ NH

N

.

R

Beispiele: CH3

| CHCHZCN

De

‘H,

a

"HoLi, (CH5CH7)20. Heptan

U ER 3 H* I

a

1

Fee

H;C

76% E CHz(CH>);CH-MgBr,

CH3CN

H’,

aD

THF

H,O

CH3C(CH>)4CH3

44%

Ethannitril (Acetonitril)

2-Heptanon

Die Reduktion von Nitrilen durch Hydrid-Reagenzien führt zu Aldehyden und Aminen Hydrid-Reagenzien können ebenfalls als Nucleophil am Nitril-Kohlenstoffatom reagieren. Wie organometallische Verbindungen addieren sich modifizierte Lithiumaluminiumhydride, z.B. LiIAIH(OCH3;CH;);, unter Bildung

der Imin-Anionen,

nur

einmal

an Nitrile,

die vermutlich

mit

Aluminium komplexiert sind. Bei der wäßrigen Aufarbeitung entstehen dann die Aldehyde. n

Aldehydsynthese aus Nitrilen

Li?

5

N—AI”(OCH;CH3)3 R—C=N + LiAIH(OCH;CH3); —

R—c?

N

ai 2

H

R

VE

H

Beispiel:

oj

1. LIAIH(OCHSCH3)3, (CH3CH3)20

CH;CH,CH,C=N Butannitril

#280.

BO

CH;CH>CH>CH 9% Butanal

Ein weiteres Reagenz, das Nitrile zu Aldehyden reduziert, ist Bis(2methylpropyl)aluminiumhydrid [Diisobutylaluminiumhydrid].

985

20 Derivate von

TER.

Carbonsäuren und Massenspektrometrie

o

Ö

"Hz 1. SR 2.H', H,O

2

AIH

6)

CN

“g H

85%

Beim Behandeln von Nitrilen mit starken Hydrid-Reduktionsmitteln erfolgt eine zweifache Hydrid-Addition, man erhält nach der wäßrigen Aufarbeitung Amine. Am besten ist hierfür Lithiumaluminiumhydrid geeignet:

1. LiAIHy

CH>CH>CH,CN 20,

CH,CH;CH;CH>NH; 86%

Butannitril

Butanamin

Übung 20-23 ,

") ©

Bei der Reduktion eines Nitrils durch LiAIH, zu einem Amin werden vier Wasserstoffatome an die C—N-Dreifachbindung addiert; zwei entstammen dem Reduktionsmittel, zwei dem Wasser bei der wäßrigen Aufarbeitung. Formulieren Sie einen Mechanismus

für diese Reaktion.

Genau wie die Dreifachbindung in den Alkinen (s. Abschn. 13.7) wird auch die Nitrilgruppe durch katalytisch aktivierten Wasserstoff hydriert. Das Ergebnis der Reaktion ist dasselbe wie bei der Reduktion durch Lithiumaluminiumhydrid: es entsteht ein Amin. Alle vier Wasserstoffatome entstammen dem Wasserstoffgas.

CH,CH,CH,C=N

H,, PtO,, CH,CH,OH, CHCI; EEE

CH,CH,CH, CH,NH, 96%

Butannitril

CH,(CH,),OCH,CH,C=N

Butanamin

H, , Rh-Al,O, NH,, CH,CH,OH

CH,(CH),OCHCHCH.NB, e

3-Hexoxypropannitril

0

3-Hexoxypropanamin

| Übung 20-24 Wie würden Sie die folgenden Verbindungen aus Pentannitril darstellen?

CH3

O

(a) CH3CH>CH>CHEN; (b) CHz(CH>)zCOOB; (c) CHz(CH>)3COCH;3; 6) |

6) |

(d) CHz3(CH3)3C(CH>)3CH3; (e) CH3(CH3)3CH; (f) CH3(CH>)3CD>ND>. Wir wollen zusammenfassen: Nitrile bezeichnet man systematisch als Alkannitrile. Beide Atome der C—N-Dreifachbindung sind sp-hybridisiert, das freie Elektronenpaar

am Stickstoff besetzt das sp-Orbital, das

nicht an der Bindung beteiligt ist. Die Nitril-Valenzschwingung absorbiert bei 2250 cm", die "C-NMR-Absorption liegt bei etwa ö = 120.

986

Das Elektronenpaar am Stickstoffatom ist nur äußerst schwach basisch, im Gegensatz dazu sind die Wasserstoffatome in Nachbarschaft zu der funktionellen Gruppe etwa ebenso sauer wie bei den Estern. Bei der säure- oder basenkatalysierten Hydrolyse der Nitrile entstehen Carbonsäuren, organometallische Reagenzien (RLi, RMgBr) addieren sich an die Nitrilgruppe, bei der Hydrolyse der Additionsprodukte bilden sich Ketone. Mit modifizierten Hydrid-Reagenzien erhält man nach Addition und Hydrolyse Aldehyde, mit LiAIH, oder katalytisch aktiviertem Wasserstoff wird die Nitrilfunktion in das entsprechende Amin überführt.

20.9

Bestimmung der molaren Masse organischer Verbindungen: Massenspektrometrie

20.9 Bestimmung der molaren Masse organischer Verbindungen: Massenspektrometrie In diesem Abschnitt wird eine letzte wichtige physikalische Methode eingeführt, die organische Chemiker zur Charakterisierung organischer Moleküle

anwenden:

die Massenspektrometrie,

mit der die Molmassen

bestimmt werden können. Der Abschnitt beginnt mit der Beschreibung eines Massenspektrometers und der physikalischen Grundlagen, auf denen diese Meßmethode beruht. Organische Moleküle fragmentieren unter den zur Messung der Molekülmasse erforderlichen Bedingungen, so

daß

die Aufnahme

zu

einem

charakteristischen

Muster

führt,

das

man Massenspektrum nennt.

Im Massenspektrometer werden Molekül-Ionen anhand ihrer Masse unterschieden Die Massenspektrometrie ist keine spektroskopische Methode, da ihr nicht die Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit Atomen oder Molekülen zugrundeliegt (s. Abschn. 10.2). Ein Massenspektrum kommt vielmehr dadurch zustande, daß geladene Teilchen beim Gang durch ein Magnetfeld von der geraden Bahn abgelenkt werden. Je leichter ein Teilchen und je höher es geladen ist, desto größer ist seine Ablenkung. Das Ausmaß der Ablenkung von der geraden Bahn ist daher abhängig vom Quotienten m/z (Masse/Ladung) des Teilchens. Da, wie wir im folgenden sehen werden, organische Moleküle oder Molekülbruchstücke meist nur einfach positiv ionisiert werden, die Ladung z also gleich der Elementarladung e ist, kann man vereinfacht sagen, daß die Ionen anhand ihrer unterschiedlichen Masse getrennt werden (s. Abb. 20-4). Ein Massenspektrum läßt sich also auch zur Bestimmung der molaren Masse einer Verbindung verwenden. Lassen Sie uns nun kurz die Funktion eines Massenspektrometers beschreiben. Als erstes wird die Probe in die Verdampfungskammer gegeben und verdampft (wenn es sich nicht bereits um ein Gas handelt). Durch eine feine Düse oder ähnliches kann dann eine kleine Menge der Substanz in die Hochvakuumkammer des Spektrometers gelangen. Hier leitet man die neutralen Moleküle (M) durch einen Elektronenstrahl, „der im allgemeinen auf 70 eV (etwa 6700 kJ/mol) beschleunigt ist. Beim Auftreffen der Elektronen wird den Molekülen so viel Energie übertragen, daß einige von ihnen ein Elektron ausstoßen können. Es bildet sich ein Radikal-Kation (M*'), das sogenannte Molekül-Ion.

Ionisierung eines Moleküls durch Elektronenstoß

M neutrales Molekül

+

e(MeV)—

M*''

ionisierende Strahlung

Radikal-Kation (Molekül-Ion)

+ 2e

987

20 Derivate von Carbonsäuren und Massen-

spektrometrie

70-eV Kathode (Elektronengenerator)

Beschleunigungsplatten

y

Einlaßdüse (leak) ins

*

Feldstärke B (*)

‚|ı | en HM M — &—— IMMM M MN! u M |M M| | 11| VerdampfungsOÖ kammer

nn

+

„M*M"M"M"M

’mr

N

|

MUMii

R

Magnet

Massenspektrometer

E

Bars

Probeneinlaß

(unter Vakuum)

Kollektorspalt

Anode Kollektor

E E" = | Verstärker

Schreiber

=

|

T 2 = 5

B 0200

Abb. 20-4 Schematische Zeichnung eines Massenspektrometers.

40

60

80

Molekülmasse der Ionen (als m/z)

Spektrum

Die meisten organischen Moleküle werden, wie gesagt, nur einfach ionisiert. Als geladene Teilchen werden sie nun in einem elektrischen Feld beschleunigt. Das beschleunigte M" -Ion gelangt daraufhin in ein Magnetfeld, wo es in eine Kreisbahn abgelenkt wird, deren Radius vom Quotienten m/z und der Stärke des Feldes abhängt. Die Stärke des Magnetfelds läßt sich nun so verändern, daß jeweils nur Ionen einer bestimmten Masse (genauer: mit einem bestimmten m/z-Verhältnis) durch den Kollektorspalt gelangen können. Dieses Ereignis wird elektronisch in ein Signal umgewandelt, das als Peak aufgezeichnet wird.

Verändert

man

kontinuierlich

die Feldstärke,

erhält man

für ein

Gemisch von Verbindungen eine Reihe von Peaks, jeden auf der Stelle des Spektrums,

Molekülmassen organischer Moleküle CH4 m/z =

16

CH30H miz = 32

die für eine bestimmte

molare

Masse

charakteristisch

ist. Neutrale Moleküle werden nicht beschleunigt oder abgelenkt und verbleiben daher im Spektrometer, woraus sie schließlich durch Abpumpen entfernt werden. In einem Massenspektrum trägt man den m/z-Wert (Abszisse) gegen die Peakhöhe (Ordinate) auf, die ein Maß für die relative Häufigkeit von Ionen mit dieser molaren Masse ist. Die Häufigkeit wird dabei auf den größten Peak im Spektrum, den sogenannten Basis-Peak, bezogen, dessen relative Häufigkeit gleich 100 gesetzt wird. Übung 20-25

CH>COCH;3 mi 1A

Drei unbekannte Verbindungen, die nur C, H und O enthalten, ergeben im Massenspektrum folgende Molekül-Peaks: (a) m/z = 46; (b) m/z = 30; (c) m/z = 56. Zeichnen Sie so viele dazu passende Formeln wie möglich.

Molekül-Ionen gehen Fragmentierungsreaktionen ein Aus der Massenspektrometrie lassen sich nicht nur Informationen über das Molekül-Ion,

sondern,

da dieses

außerdem

geht, auch über die darin enthaltenen

988

Fragmentierungen

Struktureinheiten

erhalten.

ein-

Da

Tabelliertes Spektrum

miz

relative Häufigkeit in %

17

ie

16

(M + 1)*

100.0 (Basis-Peak)

15 14 13 12

50

Molekül- oder Fragment-Ion

Häufigkeit relative

M" (Molekül-Ion)

85.0 9.2 3.9 1.0

(M-1)* (M -2)* (M -3)* (M-49*

Abb. 20-5 Das Massenspektrum von Methan. Rechts ist das Spektrum gezeigt, wie es tatsächlich aufgezeichnet wird, links ist es in Tabellenform angegeben. Die relativen Intensitäten der einzelnen Peaks sind auf den größten Peak (Basis-Peak) bezogen. Beim Methan kommt der Basis-Peak bei m/z = 16 durch das Molekül-Ion zustande. Fragmentierungen führen zu den Peaks mit niedrigerer Masse.

die Energie des ionisierenden Elektronenstrahls bei weitem größer ist, als die zum Aufbrechen einer typischen organischen Bindung benötigte, brechen einige der ionisierten Moleküle in praktisch alle möglichen Paare von Bruchstücken

Fragmentierung von Methan im Massenspektrometer

auseinander, wodurch eine Reihe von weiteren

Peaks im Massenspektrum auftreten, die alle eine geringere haben als das Molekül-Ion, von dem sie sich ableiten. Das dabei tene Spektrum bezeichnet man dann als massenspektrometrisches mentierungsmuster. So enthält das Massenspektrum des Methans beispielsweise

Masse erhalFrag-

neben dem Peak des Molekül-Ions Linien für CH3*, CH», CH’ und C* (s. Abb. 20-5). Diese können als Radikal-Kationen oder CarbeniumIonen, je nach Art der Fragmentierung (die wir hier untersuchen wollen) vorliegen. Die relative Häufigkeit Spezies, die durch die Peakhöhe gegeben ist, läßt auf die tigkeit ihrer Bildung schließen. Wie man sehen kann, C-—H-Bindung recht leicht geöffnet, der Peak bei m/z 85% der Häufigkeit des Molekül-Ions. Das Aufbrechen oder vier C—H-Bindungen ist schwieriger, die relative entsprechenden Ionen ist geringer.

nicht genauer der einzelnen relative Leichwird die erste = 15 erreicht von zwei, drei Häufigkeit der

CH4 CH> &

+-

++

(Radikal-)

+»

CH; CH

=

-

Kationen mit

Kationen mit

gerader

ungerader

Elektronenzahl

Elektronenzahl

Aus Massenspektren läßt sich die Isotopenverteilung der Elemente erkennen Betrachtet

man

das Massenspektrum

des Methans

genauer,

sieht man

einen kleinen Peak (1.1%) bei m/z = 17, den (M + 1)' -Peak. Wie ist es möglich, daß es Molekül-Ionen gibt, deren molare Masse um eins größer ist? Dies liegt daran, daß Kohlenstoff nicht isotopenrein ist.

Etwa 1.1% des natürlich vorkommenden Kohlenstoffs liegt als '"’C-Isotop vor (s. Tab. 10-1), wodurch der zusätzliche Peak zustandekommt. Im Massenspektrum von Ethan ist die Höhe des (M + 1)" -Peaks (m/z = 31) etwa 2.2% der Intensität des Molekül-Ion-Peaks. Die Ursache -für diesen

Befund

ist statistischer

Natur:

Die

Wahrscheinlichkeit,

ein

SC-Atom in einer Verbindung mit zwei Kohlenstoffatomen zu finden, ist doppelt so hoch wie die für ein C,-Molekül. Der Anteil für C;-Verbindungen wäre dreimal so groß, usw. Ein Massenspektrum des C;3-Steroids Östron (s. Abschn. 4.7) ist in Abbildung 20-6 zu sehen. Die Höhe

des (M + 1)" -Peaks ist 18 x 1.1% der Höhe des M*-Peaks. Eine einfache Faustregel für organische Verbindungen, die keine Elemente enthalten, die nicht isotopenrein sind, lautet: Der (M+1)*-Peak hat eine Höhe von n X 1.1% bezogen auf den M*' -Peak, wobei n für die Anzahl der Kohlenstoffatome im Molekül steht.

989

100 -

nk

Basis-Peak

RP

.

=

zZ 50 © =

55

37

83 ee

=

4

|

„, 35

30

N 85

er sa

47

&

97

|

na

|||

40

9 |

60

.

93

105

2

|||

|

75

130

95

80

100

120

140

m/z Abb. 20-6 Massenspektrum Kohlenstoffatome,

(Fortsetzung auf der folgenden Seite) des weiblichen Sexualhormons Östron. Das Molekül enthält 18

die Höhe des (M + 1)" -Peaks

sollte daher etwa 18% der Intensität des M''-Peaks betragen. Dies stimmt gut

mit dem tatsächlich gefundenen Wert überein. Auffällig ist das extensive und komplexe Fragmentierungsmuster. liegt bei m/z = 44.

Der Basis-Peak

Auch vom Wasserstoff gibt es ein natürlich vorkommendes Isotop mit größerer molarer Masse, das Deuterium. Da die natürliche Isotopenhäufigkeit des Deuteriums aber nur 0.015% beträgt, vernachlässigt man Deuterium in den Massenspektren im allgemeinen. Andere Elemente,

die häufig

in organischen

Molekülen

auftreten,

wie

Stickstoff

(0.36% PN), Sauerstoff (vernachlässigbar wenig '’O; 0.204% '°O) und Schwefel (0.76% *S; 4.22% °*S; vernachlässigbare Mengen °°S) haben jedoch einen höheren Anteil von Isotopen mit größerer molarer Masse, so daß in den Massenspektren

von

Verbindungen,

die diese Elemente

enthalten, auch Molekül-Peaks mit höherem m/z-Wert gefunden werden. Die Spektren werden daher komplizierter und erfordern eine genaue statistische Analyse. Die zu erwartende Peakverteilung bei vielen Isotopenkombinationen ist in Tabellen aufgeführt. Halogenhaltige Verbindungen ergeben auch zusätzliche IsotopenPeaks. Während Fluor und lod isotopenrein sind, liegen Chlor

(75.53% Cl; 24.47% °’Cl) und Brom (50.54% ”Br; 49.46% °'Br) als Mischungen zweier Isotope vor. Bei Brom sind beide Isotope etwa gleich häufig, bei Chlor beträgt die Häufigkeit des selteneren Isotops immerhin noch 24.47%. Hierdurch kommt es zur Bildung charakteristischer Molekül-Ionen. So beträgt z.B. die molare Masse von 1-Brompro-

5EVE)

z

=m

50

=

l24(C3H7® 1 Br)

=

122(C3H7"®Br)

8

Abb. 20-7 Massenspektrum von l-Brompropan. Man beachte die annähernd gleiche Höhe der Peaks bei m/z = 122 und 124 aufgrund der fast gleichen Häufigkeit der

beiden Brom-Isotope.

I

0 9

=;

AD

Ro

”

miz

10

120

Mt'=62%

[50 Häufigkeit relative

(M + 1)**

= 12.9% 160

180

200

220

240

260

280

m/z Abb. 20-6 (Fortsetzung)

pan, wenn man sie aus der mittleren Atommasse der Elemente berechnet, 123. Im Massenspektrum findet man jedoch keinen Peak an dieser Stelle (s. Abb. 20-7). Des Rätsels Lösung ergibt sich aus der tatsächlichen Isotopenverteilung in diesem Molekül, es liegt etwa ein 1:1

Gemisch aus CH;CH;CH/’Br

und CH,CH>CH3'Br vor. Daher treten

im Massenspektrum zwei Molekül-Ionen etwa gleicher Häufigkeit bei m/z = 122 und m/z = 124 auf. Entsprechend zeigen auch die Spektren der Monochloralkane zwei Molekül-Ionen, deren molare Masse um

zwei unterschiedlich ist, nämlich für R’°Cl und R?’CI, die aber in diesem Fall aufgrund der unterschiedlichen Häufigkeit beider Isotope im Verhältnis 3:1 vorliegen. Das Auftreten solcher Peaks ist ein deutlicher Hinweis für das Vorliegen von Chlor oder Brom im Molekül. Übung 20-26 Welches

Peak-Muster

erwarten Sie für das Molekül-Ion

von Dibrommethan?

} Übung 20-27 Verbindungen ohne ungepaarte Elektronen, die C, H und O enthalten, haben gerade molare Massen, Verbindungen, in denen C, H, O und eine ungerade Anzahl von NAtomen enthalten sind, ungerade molare Massen. Bei gerader Anzahl von N-Atomen findet man aber wieder eine gerade Masse. Geben Sie eine Erklärung.

Wir fassen zusammen: Moleküle können durch einen Elektronenstrahl ionisiert werden. Die dabei gebildeten Radikal-Kationen können in einem elektrischen Feld beschleunigt werden und dann durch ihre unterschiedlichen Ablenkungen in einem Magnetfeld aufgetrennt werden. In den Massenspektrometern wird dieses Verfahren zur Bestimmung der Massen von Molekülen ausgenutzt. Das Molekül-Ion wird gewöhnlich von weniger schweren Fragmenten und Isotopen-,Satelliten“ „begleitet, die durch weniger häufige Isotope entstehen. In einigen Fällen, so etwa bei Cl und Br, gibt es mehr als ein Isotop mit größerer Häufigkeit.

991

20.10 Die Fragmentierungsmuster organischer Moleküle

20 Derivate von Carbonsäuren und Massen-

spektrometrie

Unter Elektronenbeschuß fragmentieren die Moleküle zuerst an den schwächeren Bindungen und danach an den stärkeren. Die entstehenden Fragmente können selbst weiter in kleinere Bruchstücke zerfallen. Die Detektion dieses Fragmentierungsmusters durch das Massenspektrometer liefert Hinweise auf die Struktur des Ausgangsmoleküls.

Die Fragmentierung ist wahrscheinlicher an einem höher substituierten Zentrum Die unterschiedliche Neigung der Bindungen zur Dissoziation läßt sich aus den Massenspektren der isomeren Kohlenwasserstoffe Pentan, 2Methylbutan und 2,2-Dimethylpropan (Abb. 20-8, 20-9 und 20-10) ablesen. In jedem Fall ist der Molekül-Peak relativ klein, da die Fragmentierungen schnell und extensiv verlaufen. Die Fragmentierungsmuster der drei Verbindungen sind jedoch sehr unterschiedlich. Im Massenspektrum des Pentans (Abb. 20-8; s. Rand) ist eine Reihe von Peaks zu erkennen, die durch mehr oder weniger zufällige Brüche von C—C-Bindungen entstanden sind, wobei geladene C,-, Cz-, C- und C,-Bruchstücke

Fragmentierte Ionen

CH3

+

aus Pentan en

miz = 15

(M-2)", ete.]

miz = 43

CH3-CH>-CH>-CH>-CH> me

C>Hs

= N

+

C4Hog

miz = 29

gebildet

werden (Radikal-Kationen oder Carbenium-Ionen).* Neben dem Molekül-Peak findet man also eine Linie bei m/z = 57 (M-CH;)", darauf folgen Peaks, die die sukzessive Abspaltung von CH>-Einheiten anzeigen: m/z = 43 (M-CH3;CH;)* und m/z = 29 (M-CH;,CH>CH?)*. Diese Fragment-Peaks sind von Gruppen kleinerer Linien umgeben, die sich aus der Abspaltung derselben Bruchstücke vom "’C-(M + 1)*-Ion und von Wasserstoffatomen ergeben [(M-1)*,

+

m/z = 57

a

Das Massenspektrum von 2-Methylbutan (s. Abb. 20-9) zeigt ein ähnliches Fragmentierungsmuster wie das des Pentans: die relativen Intensitäten der Peaks sind jedoch unterschiedlich. Man findet einen größeren (M-1)*-Peak bei m/z = 71 und starke (M-Alkyl)'-Signale bei m/z = 57 und 43. Sie ergeben sich aus der relativen Stabilität der Kationen, die durch bevorzugte Fragmentierung am höhersubstituierten tertiären Kohlenstoffatom entstanden sind.

Bevorzugte Fragmentierung von 2-Methylbutan ne

CH;z a

HC

!

|

1

C4-CHSCHs

N

Hs

een

Pisa

CH3 m/z = 57

Dieser Effekt wird deutlicher (s. Abb. Methylradikals vom Kation als Basis-Peak

H

miz = 43

mi=7

m/z = 72

HCC

im Massenspektrum von 2,2-Dimethylpropan noch 20-10). Hier entsteht durch Abspaltung eines Molekül-Ion das 1,1-Dimethylethyl-(tert-Butyl)bei m/z = 57. Diese Fragmentierung verläuft so

leicht, daß das Molekül-Ion kaum sichtbar ist. Im Spektrum finden sich . auch Peaks bei m/z = 41 und 29, obwohl das Molekül nicht direkt in

Bruchstücke

mit dieser

molaren

Masse

aufbrechen

kann.

Fragment-

* Diese Gleichung ist weder von der Masse noch von der Ladung her abgeglichen. Alle in dieser und in folgenden Gleichungen. der Massenspektrometrie aufgeführten FragmentIonen können Kationen oder Radikal-Kationen sein, sind aber der Einfachheit halber nur als Kationen dargestellt.

20.10 Die Fragmentierungsmuster organischer Moleküle

{M = CH,CH3) 43

100

CH3CH>CH>CH>CH3

50

(CH>CHY* relative Häufigkeit Abb. 20-8 Massenspektrum von Pentan. Die C—C-Bindungen sind weitgehend unselektiv gebrochen worden.

0

0

20

40

60

80

100

120

miz

100

CH;

en

H;C——C-=CH,CHz H 97,

50 29

relative Häufigkeit

Abb. 20-9 Massenspektrum von 2-Methylbutan. Die Peaks bei m/z = 43 und 57 stammen von den bevorzugten Fragmentierungen an C2, bei denen sekundäre

n 72M* 15

0 0

20

40

T

ni 7

60

80

Tee

©

100

Carbenium-Ionen

entstehen.

120

miz

1004”

2

CH; H3>C— C——-CH3z CH,

50 9

41

Abb. 20-10 Massenspektrum von 2,2-Dimethylpropan. Nur ein sehr schwacher Peak des Molekül-Ions ist zu erkennen, da die Fragmentierung zu tertiären Kationen

Häufigkeit relative

15

7M+'

0

T 0

20

40

60

To

Ta 80

cr

af: 100

begünstigt ist.

120

miz

993

20 Derivate von Carbonsäuren und Massen-

56 (M — H0)"

spektrometrie

H 3 ‘3

Abb. 20-11 Massenspektrum von l-Butanol. Der Peak des MolekülIons bei m/z = 74 ist klein, da das Molekül-Ion rasch unter Wasserabspaltung in das Ion mit m/z = 56 übergeht. Andere Fragment-Ionen sind wahrscheinlich Propyl (m/z = 43), Allyl (2-Propenyl) (m/z = 41) und Hydroxymethyl

CH3CH>CHCH>OH

18

1a.

E 3 B

73 (M — H)"

74 M''

(m/z = 31).

miz

Ionen dieses Typs sind gewöhnlich das Ergebnis komplexer Strukturumlagerungen, von denen einige wie die Carbenium-Ionen-Umlagerungen, die wir in Abschn. 9.3 behandelt haben, verlaufen.

Fragmentierungen erleichtern die Bestimmung funktioneller Gruppen Besonders leichte Fragmentierungen an relativ schwachen Bindungen findet man auch in den Massenspektren der Halogenalkane. Das fragmentierte Ion (M-X)* ist in diesen Spektren häufig der Basis-Peak. Ein ähnliches Verhalten kann man auch bei den Massenspektren der Alkohole beobachten. Hier findet man, aufgrund der Eliminierung von Wasser, für (M-H,O)' einen starken Peak bei 18 Masseneinheiten unterhalb des Molekül-Ions (Abb. 20-11). Die Bindungen zur C-OHGruppe werden durch die sogenannte a-Spaltung ebenfalls leicht gebrochen, wobei ein resonanzstabilisiertes Hydroxycarbenium-Ion gebildet wird. N\+ KARR

NG

erC—OH OH

+

„F —0OH

Der starke Peak bei m/z = 31 im Massenspektrum von 1-Butanol stammt von dem Hydroxymethyl-Kation, "CH,OH, das durch a-Spaltung gebildet wird.

Alkohol-Fragmentierung durch Dehydratisierung und a-Spaltung

HO

H

ne

id —>

[RCH=CHR'J"" +H,>0

H M* _ 7

2 HO | 6 W CHAR’ 994

-H»

# HO | C ZEN R . CHsR'

(M - 18)** —R’CH>

F

10

|

C

R

ER

H

Übung 20-28 Versuchen

Sie, das Aussehen

des Massenspektrums

von

3-Methyl-3-heptanol

voraus-

20.10 Die Fragmentierungsmuster organischer Moleküle

zusagen.

Das Fragmentierungsmuster von Carbonylverbindungen ist ebenfalls sehr charakteristisch. Lassen Sie uns als Beispiel die isomeren Ketone 2-Pentanon, 3-Pentanon und 3-Methyl-2-butanon betrachten. Ihre Massenspektren (s. Abb. 20-12) zeigen deutliche und sauber getrennte Fragment-Ionen. Beim Zerfall einer Carbonylverbindung erfolgt zunächst eine a-Spaltung. Bei diesem Prozeß wird eine der beiden Alkylbindungen zur Carbonylfunktion aufgebrochen, wobei das entsprechende Acylium-Kation und ein Alkylradikal entsteht.

R-C=06

.

IR-c=6 : AcyliumKation

a-Spaltung von Carbonylverbindungen .

.

] +»

Spaltung „Re:

PEIER

+ R’* + R* + :0=CR'

Das Acylium-Ion (s. Randspalte) bildet sich aufgrund seiner Resonanzstabilisierung recht leicht. Die entstandenen Fragment-Ionen sind für die Strukturbestimmung sehr wertvoll, da man aus ihnen die ungefähre Zusammensetzung der beiden Alkylgruppen eines Ketons ablesen kann. So läßt sich 2-Pentanon leicht von 3-Pentanon unterscheiden: bei der a-Spaltung von 2-Pentanon werden zwei Acylium-Ionen bei m/z = 43 bzw. 71 gebildet, bei 3-Pentanon aber nur eines bei m/z = 57. (Der Peak bei m/z = 29 im Massenspektrum von letzterem wird teils von

CH;CH3, teils von HC=O", CH,CH,C=O'*, verursacht.)

gebildet durch

Austritt von

C,H, aus

a-Spaltung bei 2-Pentanon :O:

R

:O==CCH>CH>CH3

«—

|

H3C-+C--CH>CH>CH;

m/z = 71

+

—>

CH35c=0O:

miz = 86

miz = 43

2-Pentanon

a-Spaltung bei 3-Pentanon :O: +

CH;CH>7—C—CH>CH; miz = 86

—>

CH>CH>C=

O0:

miz = 57

3-Pentanon

Kann man 2-Pentanon auch von 3-Methyl-2-butanon unterscheiden? Nicht anhand der a-Spaltung - in beiden Molekülen sind die Substituentengruppen CH; und C,H; enthalten. Vergleicht man jedoch die Massenspektren beider Verbindungen (Abb. 20-12 A und C), erkennt man beim 2-Pentanon einen weiteren Peak bei m/z = 58, der den Verlust „eines Molekülfragments der molaren Masse 28 anzeigt. Dieses Bruchstück fehlt in den Spektren der beiden anderen Isomeren. Es ist charakteristisch für das Vorhandensein von Wasserstoffatomen in y-Stellung zur Carbonylgruppe. Verbindungen mit dieser strukturellen Eigenheit und einer Kette, die beweglich genug ist, daß das y-Wasserstoffatom nahe genug an das Carbonyl-Sauerstoffatom herankommt, gehen eine Spaltung über die McLafferty-Umlagerung“ ein. Im Laufe dieser Reaktion

= F.W. McLafferty, geb. 1923, Professor an der Cornell University, Ithaca, New York.

995

20 Derivate von Carbonsäuren und Massenspektrometrie

(CHC=0%)' 43

100

=

OÖ

3

|

®)

3

=

on

Ei

\r

H3CCH>CH>CH3

TER

3 ©

N CH;

=

(CHSCH>CH,C=0:)"

58

|

0

20

40

86M""

60

N

sc

100

120

miz

(HC=0:)* (CH3CH>) 29 |

100

(CHSCH,C=0:) 57

5 a

(6)

je}

N

E TU. so

CH3CH>CCH>CH3

oO

= .

2

0

20

40

60

B

80

100

120

miz

100

3

(CH3CHCH3)"

E)

(CH3C=0:)"

>}

43

IS |

CH3CCHCH3

CH3

RP} >

2

3 Abb. 20-12 Massenspektren von (A) 2-Pentanon mit zwei Peaks durch «-Spaltung und einem durch McLafferty-Umlagerung, (B) 3-Pentanon mit einer einzigen a-Spaltung aufgrund der Symmetrie und (C) 3-Methyl-2-butanon mit zwei a-Spaltungen.

996

2

0 C

20

40

60

80 miz

10.120

spaltet sich das Molekül-Ion des ursprünglichen Ketons in einem unimolekularen Prozeß in zwei Bruchstücke (ein neutrales Fragment, das sich aber auch im Massenspektrometer ionisieren läßt und dann einen Peak gibt, sowie in ein Radikal-Kation).

Der Mechanismus

20.10 Die Fragmentierungsmuster organischer Moleküle

dieses Prozesses

entspricht dem der Esterpyrolyse (s. Abschn. 20.4). Vergleich zwischen Esterpyrolyse und McLafferty-Umlagerung Esterpyrolyse:

H RHC') \o

"e.

„

8

MEN, O R

OH |

RCH

1

eu ji 112

Alken

Oi

Va

SR

’

Carbonsäure

McLafferty-Umlagerung:

a

H

RHC') (0

|

ß U

ei

|

—

ur

CH;

OH

RCH

1, + H,

*

J

A H>C

KR |

R'

&

Im Gegensatz zur Esterpyrolyse entsteht bei der McLafferty-Umlagerung keine Carbonsäure, sondern ein Keton in der Enolform. Enthält das Molekül-Ion keine y-Wasserstoffatome, ist die McLafferty-Umlagerung nicht möglich: +«

ran a&

——>

keine McLafferty-Umlagerung

——

keine McLafferty-Umlagerung

ß

m/z = 86 +.

aber:

CH;3CCH(CH3)3 N > miz = 86 0

:

| CCH3CCH5CH;CH ‚cc ne 2„CH2

++

on

A

— > |H;C = EN

St + CH,==CH; CH; |

miz = 86

miz = 58

Übung 20-29 ‚© ME

Wie können Sie anhand eines Massenspektrums zwischen (a) 3-Methyl-2-pentanon und 4-Methyl-2-pentanon und (b) 2-Ethyleyclohexanon und 3-Ethyleyclohexanon unterscheiden?

Ähnliche Umlagerungen sowie o-Spaltungen beobachtet man auch im Massenspektrum von Aldehyden und Carbonsäure-Derivaten. | Übung 20-30 Wie kommen die gekennzeichneten Peaks in den Massenspektren von Pentanal, Pentansäure und Methylpentanoat, die in den Abbildungen 20-13, 20-14 und 20-15 gezeigt sind, ı zustande?

997

20

Derivate von

Carbonsäuren und Massenspektrometrie

100 &

er

e|

Rn

16) &D De

=

an

a

CH3CH>CH>CH>CHO

DEE)

© >

7

©

—

S

57

—|

+.

Abb. 20-13 Massenspektrum von Pentanal.

| 0

nes u

' 0

20

40

60

80

oo 100

120

miz

100 —

“

&

CH3CH>CH>CH>COOH

| inoO

|

relative Häufigkeit Abb. 20-14 Massenspektrum von Pentansäure.

0

Are Se

2 20

| 40

60

|

80

a

100

120

miz

100 1

a

7

>

IV) en

oO

CH3CH>CH>CH>COCH3z

7

o3

—ı

=

N

50

Evan

8

® Abb. 20-15 Massenspektrum von Methylpentanoat.

74 | 0

116 M'*

— 0

20

40

60

80

miz

998

85

100

120

Fassen wir noch einmal zusammen: Aus dem Fragmentierungsmuster im Massenspektrum ergeben sich wichtige Hinweise auf die Konstitution einer Verbindung. So spalten sich z.B. die Radikal-Kationen von Alkanen

so,

daß

die

stabilsten

positiv

geladenen

Bruchstücke

20.11 Hochauflösende Massenspektrometrie

entstehen,

Halogenalkane fragmentieren durch Aufbrechen der Kohlenstoff-Halogen-Bindung. Alkohole dehydratisieren rasch, Ketone gehen a-Spaltungen und McLafferty-Umlagerungen ein.

20.11 Hochauflösende Massenspektrometrie Betrachten wir einmal Substanzen mit den folgenden Summenformeln: C-H,4, CH 10, C5H£O> und CsH,oN>. Sie alle haben dieselbe ganzzahlige molare Masse, d.h. gerundet zur nächsten ganzen Zahl würde man das Molekül-Ion bei m/z = 98 erwarten. Die Atommassen der Elemente setzen sich jedoch aus den Massen ihrer natürlich vorkommenden Isotope zusammen, die nicht ganzzahlig sind. Wenn wir folglich die Atommassen der häufigsten Isotope von C, H, O und N (Tabelle 20-4) benutzen, um jeweils die exakte molare Masse für die obigen Summenformeln zu berechnen, so erkennen wir signifikante Abweichungen.

Exakte molare Massen von vier Verbindungen mit m/z = 98 CH34

98.1096

GH,O

CH6O;

98.0732

98.0368

CsHjoN3

98.0845

Können wir mit Hilfe der Massenspektrometrie diese Verbindungen unterscheiden? Ja, wir können. Moderne hochauflösende Massenspektrometer sind in der Lage, zwischen Ionen zu unterscheiden, deren Masse sich nur um wenige Tausendstel einer Masseneinheit unterscheidet. Somit kann man die exakte Masse jedes Molekül- oder FragmentIons messen. Durch Vergleich dieses experimentell bestimmten Wertes mit dem für jede Verbindung derselben ganzzahligen Masse berechneten können wir dem unbekannten Ion eine Summenformel zuordnen. Moderne hochauflösende Geräte haben Computerprogramme für den Vergleich der exakten Masse mit den möglichen Formeln. Aus diesem Grunde ist die hochauflösende Massenspektrometrie heute die am häufigsten verwendete Methode zur Bestimmung der Summenformeln unbekannter Verbindungen. N Übung 20-31 Finden Sie die Summenformeln zu den gegebenen exakten Massen. (a) m/z = 112.0888: CsHı«, CH 1,0, oder C,H3O;; (b) m/z = 86.1096: C,Hı4, C4HsO;, oder C4H,oN>:

Tabelle 20-4 Exakte Massen einiger häufiger Isotope Isotop

Masse

'H 2 4N 150 2 = ie PBr SIBr

1.00783 12.00000 14.0031 15.9949 31.9721 34.9689 36.9659 78.9183 80.9163

999

Kasten 20-4

Der Beitrag der Massenspektrometrie zur Charakterisierung von Manoalid

Für die Vervollständigung der Konstitutionsaufklärung von Manoalid (Kasten 10-2 und 20-1) war es notwendig, die Information aus verschiedenen Quellen, einschließlich der Massenspektrometrie, in Einklang zu bringen. Der Peak des Molekül- Ions war zu schwach für eine exakte Massenbestimmung mit den Instrumenten Ende der 70er Jahre (heute existiert diese Einschränkung nicht mehr). Man fand jedoch einen starken Peak bei M-18, entsprechend einer Wasserabspaltung, mit exakt m/z = 398.2459. Die zu dieser Masse passende Zusammensetzung ist CsH3,0, (m/z = 398.2457), so daß man für Manoalid selbst die Summenformel C5sH3,O; erhält. Der Basis-Peak bei m/z = 137 wurde durch Analogie zu ähnlichen Verbindungen als das C,Hı,-Fragment identi-

fiıziert, das bei der Spaltung C—C-Bindung entsteht.

BG

cH:

einer

allylıschen

CH,"

CHz CjoHı7

+

Mit NMR-spektroskopischen und massenspekKtrometrischen Daten konnte außerdem eine acyclische C;H;3-(Isopren-) Einheit (s. Abschn. 14.10)

identifiziert

werden.

Das

verbleibende

Fragment wurde wie folgt bestimmt: Selektiver Schutz einer OH-Gruppe gefolgt von einer PCCOxidation der anderen (Abschn. 8.6), führt zu einem Produkt mit neuen Banden im IR-Spektrum bei 1725 cm! und im: UV-Spektrum bei Anax = 211 nm. Nur ein a,ß-ungesättigter, sechsgliedriger Lactonring ist mit diesen Daten vereinbar, so daß das letzte Stück dieses Puzzles als ein ungesättigtes cyclisches Halbacetal identifiziert ist (siehe unten). Der mögliche therapeutische Wert von Manoalid ergibt sich aus einer seltenen Art biologischer Aktivität: Es ist eine von nur ganz wenigen nichtsteroiden Substanzen, die die Freisetzung von Arachidonsäure hemmen (Abschn. 19.14). Manoalid inaktiviert das Enzym, das die Arachidonsäure aus dem Phospholipid-Ester (Abschn. 20.5) abspaltet, als der es durch die Zellmembranen transportiert wird. Wie bereits diskutiert, ist die Arachidonsäure die biochemische Vorstufe sowohl der Prostaglandine, die an Entzündungen beteiligt sind, als auch der Leukotriene, deren Überproduktion im Zusammenhang mit der unkontrollierten Zellteilung steht. Wenn diese Substanzen im Überschuß in den oberen Schichten der Haut vorhanden sind, führen sie zu Abnormitäten wie Schuppenflechte. Andere nichtsteroide entzündungshemmende Wirkstoffe wie Aspirin sind effektiv als Prostaglandin-, aber nicht als Leukotrien-Hemmer. Manoalid unterdrückt die Biosynthese der Prostaglandine und der Leukotriene, indem es die Freisetzung von Arachidonsäure blockiert, ohne zu den unerwünschten Nebenwirkungen zu führen, die sich bei der Behandlung mit Steroiden häufig einstellen.

1. (CH3CO)20, Pyridin

2. ZEREE PCC, CHC,

5

OH C0Hı7

Manoalid

IR 1725 cm

1

UV Amax 21l nm

1000

Verständnisübung

Verständnisübung

Cloven ist ein Sesquiterpen, das durch säurekatalysierte Umlagerung von Caryophylien (Aufgabe 30, Kapitel 12 — Nelkenduftstoff) entsteht. Die folgenden Umwandlungessequenz ist Teil der Totalsynthese von Cloven, bei der die Reagenzien nicht genannt sind. Geben Sie sinnvolle Reagenzien und Reaktionsbedingungen für jede Umsetzung an. Einige erfordern mehr als einen Reaktionsschritt. In einigen Fällen werden Sie in früheren Kapiteln nachschlagen müssen, insbesondere in den Kapiteln 17-19.

i.

o

Cloven

H OÖ

(a)

COOCH,

OH

OO

—>

®

—

o

OH

(c)

ar

o

IR

COOH

d

>

e

N COOCH,

— (£

OÖ

%

COOH

0)

(h)

(@

>

=

Lösung Wir gehen wir an dieses Problem heran? Wir können mit der Charakterisierung jeder einzelnen Umwandlung beginnen: Was genau hat sich verändert? Mit dieser Information können wir anschließend auf uns bekannte

Reaktionen

zurückgreifen

und bestimmen,

ob ein oder meh-

rere Reaktionsschritte für diesen Prozeß notwendig sind. Lassen uns die im Reaktionsschema angegebenen Reihenfolge einhalten:

Sie

a Ein Molekül, das eine Methoxycarbonyl- und eine Hydroxygruppe enthält, wird in einen cyclischen Ester — ein Lacton — umgewandelt. Eine Umwandlung eines Esters in einen anderen wäre eine Umesterung (Abschn.

20.4),

eine

reversible

Reaktion,

die sowohl

säure-

als auch

basekatalysiert ablaufen kann. Wie kann das Gleichgewicht in die gewünschte Richtung verschoben werden? Beachten Sie, daß Methanol das Nebenprodukt dieser Reaktion ist. Es kann aufgrund seines geringen Siedepunkts (65°C, s. Tab. 8-1) durch Erhitzen kontinuierlich aus der Reaktionsmischung „kat. H*“ einsetzen. -b

Das

Lacton

wird

entfernt werden.

in diesem

Schritt

Deshalb können wir für „(a)“

in ein

Diol

überführt.

Dies

könnte in zwei Schritten erreicht werden: Die Hydrolyse des Lactons würde zu einer Hydroxycarbonsäure führen (Abschn. 20.4), die durch Zugabe von LiAIH, schrittweise zum Diol reduziert werden könnte (Abschn. 19.11). Einfacher ist jedoch die direkte Reduktion des Lactons mit LiAIH,

zum

Diol.

Beachten

Sie, daß in dieser

Reaktion

Alkoxide

erhalten werden, die eine saure wäßrige Aufarbeitung erfordern (Abschn. 20.4). Wir können für (b) einsetzen: 1. LiAIH,, Diethylether (ein typisches Lösungsmittel für Reduktionen mit LithiumaluminiumhyIHREN AERO

1001

20 Derivate von Carbonsäuren und Massen-

spektrometrie

ce Über diesen Schritt müssen wir ein bißchen mehr nachdenken. Wir beginnen mit zwei Hydroxygruppen und wollen nur eine oxidieren. Üblicherweise werden für Oxidation von Alkoholen zu Ketonen Chrom(VI)-Reagenzien verwendet. Das ist hier nicht möglich, da Chrom(VI) nicht zwischen den beiden Alkoholfunktionen unterscheidet. Betrachten wir die beiden Alkoholgruppen etwas genauer, so werden wir feststellen, daß die OH-Gruppe, die sich direkt am Ring befindet, allylisch ist. Allylische Alkohole können in Gegenwart anderer Alkohole mit MnO, selektiv zu a,ß-ungesättigten Ketonen oxidiert werden (Abschn. 17.4 u. 18.9). Also ist (c): MnO,, Propanon (Aceton).

d Nun kehren wir zu einer einfacheren Chemie zurück. Wir wollen einen primären Alkohol zu einer Carbonsäure oxidieren. Dies kann durch jede Chrom(VI)-Verbindung in Wasser erfolgen, beispielsweise K,Cr;0, in wäßriıger Schwefelsäure. Damit ist (d): K,Cr,O-, H>SO,, H>O.

e Die Änderung von zwei funktionellen Gruppen ist hier offensichtlich: Die Enon-C=C-Doppelbindung wird reduziert und die Säurefunktion verestert. Wir kennen bereits einige Reduktionen von a,ß-ungesättigten Ketonen zu den entsprechenden gesättigten Ketonen (Abschn. 18.9). In unserem Fall ist die einfachste Methode die katalytische Hydrierung (die Reduktion mit einem Alkalimetall in NH; ist nicht notwendig, da hier die Selektivität keine Rolle spielt). Die Bildung des Methylesters kann auf verschiedenen Wegen erfolgen (Abschn. 19.8, 19.9, 20.2): Über das Alkanoylchlorid (zugänglich mit SOC) und Methanol,

durch

direkte

säurekatalysierte

Veresterung

mit

Methanol

oder durch Umsetzung mit Diazomethan (CH>N;). Im Labormaßstab läßt sich am einfachsten die letztgenannte Reaktion durchführen. Müssen die beiden genannten Reaktionsschritte in einer bestimmten Reihenfolge durchgeführt werden? Weder die Säure- noch die Esterfunktion ist reaktiv gegenüber den Bedingungen der katalytischen Hydrierung. Veresterungen können in der Gegenwart von a,ß-ungesättigten Ketonen ebenso wie gesättigten Ketonen durchgeführt werden. Deshalb lautet die Antwort nein. Für (e) können wir also formulieren: 1. H,, Pd-C, Ethanol; 2. CH,N;, Diethylether.

f Hier liegen zwei bemerkenswerte Umwandlungen vor: Die Carbonylfunktion wird als ein cyclisches Acetal geschützt und die Esterfunktion wieder in die Säuregruppe überführt. Es stellt sich nun die Frage, warum die Säurefunktion zunächst verestert wurde. Wahrscheinlich versuchten die mit diesem Projekt befaßten Chemiker, direkt das cyclische Acetal an dem Molekül zu bilden, das die freie Carbonylgruppe trägt und stießen dabei auf Probleme. Das Schützen einer Carbonylfunktion erfordert Säurekatalyse und 1,2-Ethandiol (Ethylenglycol, Abschn. 17.8). Vermutlich konnte als Nebenreaktion die Bildung des Esters zwischen der COOH-Funktion und 1,2-Ethandiol beobachtet werden. Durch die Veresterung der Säurefunktion vor der Acetalisierung kann das Problem jedenfalls umgangen werden. Daher steht hier für (f):

1. HOCH,CH,OH,

H*; 2. OH’,

H,O

(basische Esterhydrolyse

zur

Vermeidung der Hydrolyse der Acetaleinheit).

g Die Carbonylgruppe am Ring wird entschützt und die Säuregruppe in ein Keton überführt. Hier wird zum ersten Mal in dieser Synthese eine neue C—C-Bindung geknüpft. Diese neue Bindung wird zwischen dem Kohlenstoffatom der ehemaligen Carboxylgruppe und einer Ethyleinheit ausgebildet. Für diesen Schritt wird vermutlich eine metallorganische Verbindung verwendet, weshalb auch die Carbonylfunktion als Acetal geschützt wurde (siehe f). Welche Derivate von Carbonsäuren lassen sich in Ketone überführen? Alkanoylchloride (Abschn. 20.2) und Nitrile (Abschn. 20.8). Da Sie noch nicht gelernt haben, wie man eine Carbonsäure in ein Nitril überführt, wählen wir folgende Reaktionssequenz für (g): 1. SOCh (Bildung des Alkanoylchlorids); 1002

2. (CH,;CH>),CuLi, Diethylether (Überführung des Alkanoylchlorids in die Ketoverbindung); 3. H*, H,O (Entschützen der Ringcarbonylfunktion, Abschn.

Analyse von Schritt (h), Aldolkondensation

17.8). O

h Hier wird durch eine neue Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung neuer Ring gebildet. Betrachten wir das Kohlenstoffgrundgerüst

a

ein vor

und nach diesem Schritt, um zu erkennen, welche Kohlenstoffatome ver-

OÖ

knüpft werden (siehe Rand): Es handelt sich um das Ringcarbonyl-Kohlenstoffatom und die CH,-Gruppe der Ethylgruppe, die zur Carbonylgruppe in der Seitenkette a-ständig ist. Hier liegt also eine intramolekulare Aldolkondensation vor (Abschn. 18-7), die durch wäßrıge Basen katalysiert wird. Somit lautet der letzte Schritt dieser Totalsynthese, (h): OH’, H,O.

Neue Reaktionen 1 Reihenfolge der Reaktivität von Carbonsäure-Derivaten (Abschn. 20.1) OÖ

00

| RCX

=

Alkanoylhalogenid

OÖ

[| TREDCR

I

Anhydrid

ns

ROHR Ester

|

>

RCNH> Amid

Ester und Amide erfordern Säure- und Basekatalyse für die Reaktion mit schwachen Nucleophilen.

2

Basizität des Carbonyl-Sauerstoffatoms (Abschn. 20.1) H

ER

:O:

2

+07

Si

RZ Se

H

3

arg

5

H

5

Di

En SS

B

Ca

ER

L = Abgangsgruppe Die Basizität nimmt mit steigender Beteiligung der Grenzformel C am Resonanzhybrid zu.

3

Enolat-Bildung (Abschn. 20.1)

"ir

%(Ol

Be RCH>

er ‚Le

RCH—C }

A

\

>

2

RCH-C

8

B

t

:0:7

RehC Il:

c

1%

Die Acidität des neutralen Teilchens nimmt allgemein mit abnehmender Beteiligung der Resonanzformel C am Anion zu.

Reaktionen von Alkanoylhalogeniden (Acylhalogeniden)

4

Mit Wasser (Abschn. 20.2)

| RCX

BO >

| "RCOH.

+ HX

Carbonsäure

1003

20 Derivate von

5

Carbonsäuren und Massenspektrometrie

Mit Carbonsäuren (Abschn. 19.8 u. 20.2)

| || RCX + R'COZH —> RCOCR' + HX Carbonsäureanhydrid

6

Mit Alkoholen (Abschn. 20.2)

1

RCX + R’OH

|

=>

RCOR’

+

Ester

HX (neutralisiert mit Pyridin, Triethylamin oder anderer Base)

7

Mit Aminen (Abschn. 20.2) O RCX + R'NH> —>

RCNHR’ Amid

+

HX (neutralisiert mit Pyridin, Triethylamin, Überschuß R’'NH, oder anderer Base)

8

Mit metallorganischen Reagenzien (Abschn. 20.2) 7

l. R'’>CuLi

7

ROX BI

ROHR EX

TiX

Keton

9

Mit Wasserstoff (Rosenmund-Reduktion)

(Abschn. 20.2)

OÖ

\

Pd/BaSO,, Chinolin

RCX

10

+H5, ——

|

7

RCH Aldehyd

RC

IR

+HX

Mit Hydriden (Abschn. 20.2) O

ROX SO

ANORCECHERE

Aldehyd 11 Dehydrohalogenierung von Alkanoylhalogeniden zu Ketenen (Abschn. 20.3)

|

RCH,CX CHCH3 N ,RCH=C=O + (CH,CH,),NHX“ Keten

12 Dehalogenierung von Halogenalkanoylhalogeniden zu Ketenen (Abschn. 20.3)

j

RCHCX — > RCH=C=0O + ZnX,

X

1004

13

Reaktionen von Ketenen (Abschn. 20.3)

Neue Reaktionen

Carbonsäure

Ist

©)

N

ae Carbonsäureanhydrid

c=c=oO

14

Großtechnische Ketensynthese (Abschn. 20.3)

O

|

f

CH-CCH, II,

ey =c=0+CcH

15 Großtechnische Essigsäureanhydrid-(Acetanhydrid-)Synthese (Abschn. 20.3)

\1

CH,=C=0O + CH;COH —> CH3COCCH; Reaktionen von Carbonsäureanhydriden 16

Mit Wasser (Abschn. 20.3)

REOCRE

LOS

|

>ZZPERCOH Carbonsäure

17

Mit Alkoholen (Abschn. 20.3)

I

RCOCR + ROH

|

—> RCOR’ + RCOH Ester

18

Mit Aminen (Abschn. 20.3)

||

RCOCR

+ R'NH2 —>

RCNHR’

|

+ RCOH

Amid

1005

20

Derivate von

Carbonsäuren

spektrometrie

Reaktionen

von Estern

und Massen-

19 Mit Wasser (Esterhydrolyse) (Abschn. Säurekatalyse:

19.9 u. 20.4)

are

1

RCORZ+F H,O 2, 2

RcoH

rich

Carbonsäure

Basekatalyse: OÖ r

RCOR’

==

+

H,O

OH

\

5°

RCO

1 Äquivalent

20

=

D

TSRUOH

Carboxylat-Ion

Mit Alkoholen (Umesterung) und Aminen (Abschn. 20.4)

(6)

OÖ

|

RCOR’ + R’OH

H* oder "OR”

—

RR

\

CORT

FROH

Ester

UL UNE+ R’OH RCOR’ + RYNH, %, N RONHR” Amid

21

Mit metallorganischen Reagenzien (Abschn. 20.4)

(6)

OH

RCOR,

> 0

Se

ROH

Rı

tertiärer Alkohol

Methylformiat (Ameisensäuremethylester):

12

HOOCHSF

OH |

R

EHE

rc

Re

Zer.on

R !

sekundärer Alkohol

Dimethylcarbonat: OH |

S 3

CHSOCOCHI

EI

EOS rnw

CE R’

tertärer Alkohol

22

Mit Hydriden (Abschn. 20.4)

II

1. LiAIH«

RCoR' 24-820, RCH,OH N RCOR'

1006

T°

1. (CH3CHCH>)pAIH 2. HF, H>O

6| RCH

ILL

23

Als Enolate (nach saurer Aufarbeitung erhaltene Produkte)

Neue

Reaktionen

(Abschn. 20.4) oO

ar

| RCH>COR’ PA

| |RCH—COR’ RCH=COR’ Esterenolat-Ion

R’CHO

o IN

ne

R’X

R"

R’CHCHCOR’

RCHCOR’

OH

(0)

R

O + R’OH

24

Claisen-Kondensation (Abschn. 20.4)

6) l

2. = 3 ae 2

PRCH.COCH,CHE

f ’

o

CH3CH>OH 3 2

0

|

ab

|

— CH;CCH;COCH>CH3 + CHz3CH,OH T pk,=11

25

Esterpyrolyse (Abschn. 20.4)

| RCOCH>CH>R’

16)

300 °C syn-Eliminierung

| RCOH + CH>=CHR’

Reaktionen von Amiden

26

Mit Wasser (Abschn. 20.6) (0) |

HI

RENHR

FO.

A

27

|

ar

RCOHZEF

RIND

Carbonsäure

OÖ

| r RCNHR’ I 1,0. OA 27

(©)

| RCOT +R'NH,

Mit Hydriden (Abschn. 20.6)

1. LiAIH4 4 RCNHR’ 242.360, RCH,NH} Amin

Hz

N

I. (CHSCHCH»)AIH

RENBRZ 9 I

II

5

SBCH Aldehyd

1

RONHRT

1. LIAKOCH>CH )3H

350

RCH Aldehyd 1007

20 Derivate von

28

Carbonsäuren und Massenspektrometrie

Als Enolate und Amidate (Abschn. 20.7) VS . O0: 0: We , Base | RCHENRZ ——ZRCH—EC

NR>

pK, = 30

Amidenolat-Ion

a

R'’X

——o

RCHCNR3

PA, =15

j

z

IR

Srass BEER

29

" \ |

ie

NR

> Er

Amidat-Ion

R

Hofmann-Umlagerung (Abschn. 20.7)

I

RONH>

RNH> + CO;

€ U), 75 S(e Br>,7 NaOH, H50,

Amin

\

RCNH>

\

_Br2, NaOCH;, CH3OH |

RNHCOCH3;

_NaOH, H5O _ RNH3>

+ CO,

Amin

Carbamidsäureester (Urethan)

Reaktionen von Nitrilen

30

Protonierung (Abschn. 20.8)

R-C=N: + H* —

[R-C=N—H R-C=N—H] pK, = -10

31

Deprotonierung (Abschn. 20.8) R'

RCHLC=N:.+:B PK, = 25 32

On

—[R-CH

en:

35

es

’

Rn Tan

A

RCOH

Ro eoNn.g

Mit Wasser (Abschn. 20.8) RC=N

+ H>O

H*

x

oder HO’,

3

A

|

RCNH>

H"

:

oder HO’,

:

Amid

33

Carbonsäure

Mit metallorganischen Reagenzien (Abschn. 20.8) Ir R’MeX or R'Li

Rc=n

24-30

RCR’ Keton

34

Mit Hydriden (Abschn. 20.8) e LiAIH,

Rc=N 242.0, RCH,NH; Amin

1. LiAIH(OCH>CH3)3

ROSEN.

ZH 0

Fr

o|

ARCH Aldehyd

CH; | I. (CHsCHCH»)»AIH

Rc=N

420

oO l

RCH Aldehyd

1008

|

35

Katalytische Hydrierung (Abschn. 20.8)

Wichtige Konzepte

Rc=N #2 "92, RCH,NH, Amin

Fragmentierung im Massenspektrometer

(Alle Fragmente sein.)

36

können

Kationen,

Radikal-Kationen

oder

Radikale

Alkane (Abschn. 20.10) +

[RCH>CH>R]* "—>

RCH>* + RCHCH>R + RCH>CH>* +R" +H*

R

%%

RC H

— > RC" +R,CH’ + R* +H*

R 37

Halogenalkane (Abschn. 20.10)

R—X]"" —RUH+X” 38

Alkohole (Abschn. 20.10)

2250 39 Carbonylverbindungen (Abschn. 20.10) Spaltung: +

RCR’

—ZRC=O:+R"”

ERT +:0=CR’

McLafferty-Umlagerung: OH

+

| FOREN

+ °®

— > RCH=CH; + |CH,=C

0:

R’

Wichtige Konzepte

läuft, daß im NMR unterschiedliche Signale für an das Stickstoffatom gebundene Protonen (oder für die Protonen von an das Stickstoffatom gebundenen Alkylgruppe) gefunden werden.

1 Die elektrophile Reaktivität des CarbonylKohlenstoffatoms in den Derivaten von Carbonsäuren wird durch Substituenten mit ausgeprägten Elektronendonator-Eigenschaften geschwächt. Dieser Effekt, der sich mit Hilfe der IR-Spektro-

2 Carbonsäure-Derivate bezeichnet man, je nach der gebundenen funktionellen Gruppe, systematisch als Alkanoylhalogenide, Alkylalka-

skopie

noate, Alkanamide oder Alkannitrile.

nachweisen

läßt,

ist

nicht

nur

für

die

Abnahme der Reaktivität gegenüber Nucleophilen und

Säuren,

sondern

auch

für die in der Reihe

Alkanoylhalogenide — Anhydride — Ester Amide steigende Basizität verantwortlich. Die Wirkung als Elektronendonator ist beim Stickstoffatom in den Amiden so ausgeprägt, daß die Drehung um die Amidbindung so langsam ver-

3 Mit Hilfe der Carbonyl-Valenzschwingungen in den IR-Spektren können die CarbonsäureDerivate unterschieden werden: Alkanoylchloride

absorbieren bei 1790-1815 cm, Anhydride bei 1740-1790 und 1800-1850 cm,

Ester bei 1735-

1750 cm”! und Amide bei 1650-1690 cm’.

1009

4 Alle Derivate der Carbonsäuren hydrolysieren mit Wasser (häufig unter saurer oder basischer Katalyse) zu den entsprechenden Carbonsäuren; mit Alkoholen reagieren sie zu Estern, mit Aminen zu Amiden. Mit Grignard- und anderen organometallischen Reagenzien bilden sie Ketone, Ester können weiter bis zu den entsprechenden Alkoholen reagieren. Durch Reduktion mit katalytisch aktiviertem Wasserstoff oder mit Hydriden entstehen Produkte in unterschiedlichen Oxidationsstufen: Aldehyde, Alkohole oder Amine.

Atome der Gruppe sind sp-hybridisiert, wodurch das einsame Elektronenpaar am Stickstoffatom großenteils seine Basizität einbüßt. Die IRValenzschwingung erscheint bei etwa 2250 cm’, Die Wasserstoffatome in Nachbarschaft zu der Cyanogruppe sind acid und im 'H-NMR entschirmt. Die '’C-NMR-Absorption der Nitrilkohlenstoffatome liegt aufgrund der Elektronegativität des Stickstoffs bei relativ niedrigem Feld (6 = 112-116). 8 In der Massenspektrometrie werden Moleküle ionisiert und die entstandenen Ionen im Magnetfeld aufgrund ihres m/z-Verhältnisses getrennt. Da der ionisierende Strahl eine hohe Energie hat, fragmentieren die ionisierten Moleküle in

5 Langkettige Ester sind die Bestandteile der tierischen und pflanzlichen Wachse. Triester des Glycerins sind die Bausteine der natürlichen Öle und Fette. Bei ihrer Hydrolyse bilden sich Seifen. Triglyceride, die Phosphorsäureester-Untereinheiten enthalten, gehören zu der Klasse der Phospholipide. Da sie aus einer hochpolaren Kopfgruppe und einem hydrophoben Schwanz bestehen, bilden sie Micellen und Lipid-Doppelschichten.

kleinere

Bruchstücke,

die

ebenfalls

im

Massen-

spektrometer getrennt und als Peaks aufgezeichnet werden. Das Vorhandensein bestimmter Elemente (wie Cl, Br) läßt sich aus den charakteristischen Isotopen-Peaks im Spektrum erkennen. Aus den Signalen der Fragment-Ionen im Massenspektrum kann man die Konstitution eines Moleküls ableiten.

6 Durch Umesterung läßt sich ein Ester in einen anderen überführen.

9 Hochaufgelöste massenspektrometrische Daten ermöglichen die Bestimmung der Summenformel aus exakten Massenwerten.

7 Die funktionelle Gruppe der Nitrile weist einige Ähnlichkeiten zu der der Alkine auf. Beide

Aufgaben 1 Benennen Sie (nach dem IUPAC-System) bzw. Konstitutionsformeln der folgenden Verbindungen.

26,

(a) (CH2),CHCHaKN

(ec)

CF3COCCF3

\

O

00

|

Sie die

00 | Il

cocı CH3

zeichnen

(d) ( Y-tobenen,

(e) (CH3)3CCOCH>CHz

(f) en)

(g) Propylbutanoat (j) N,N-Dimethylbenzamid

(h) Butylpropanoat

(i)

2-Chlorethylbenzoat

(k) 2-Methylhexannitril

(1)

Cyclopentancarbonitril

2 Erklären Sie die relative Reihenfolge der Acidität von CarbonsäureDerivaten (s. Abschn. 20.1) mit Hilfe von Resonanzformeln. 3

Geben Sie bei den folgenden Paaren von Molekülen an, bei welchem

von beiden die angegebene Eigenschaft stärker ausgeprägt ist. (a) Länge der C—X-Bindung: Acetylfluorid oder Acetylchlorid. (b) Acidität der halbfett gedruckten Wasserstoffatome: CH;(COCH;),

oder

CH;,(COOCH;)..

(c) Reaktivität gegenüber einem zugegebenen Nucleophil: ein Amid, OÖ l I z.B. CH;CN(CH;), oder ein Imid, z.B. en

CH;

1010

(d) hohe Wellenzahl der Carbonyl-Valenzschwingung trum: Ethylacetat oder Ethenylacetat.

im IR-Spek-

Aufgaben

4 Welche(s) Produkt(e) entsteht (entstehen) bei den folgenden Reaktionen?

?

NH3> un

(a) CH3CCI + 2 Pa:

|

CuLi + CH3CH3CH3CHaCHRCCI >

(b) 2

1:PloliKe)

TAr IC, (© Hic-&_dcı HANOCCHYS1H |

H;C

|

Ö

0

CH>—CCl

2( J-CH2OH, N

(d) |

ne Ö OCHz H;C H,, Pd/BaSO,, Chinolin ,

(e)

H3C

m

) 5

«(a) Schlagen sie Mechanismen für (1) die Bildung von Methylketen, CH;CH=C=O, aus Propanoylchlorid und N(CH;CH;); und (2) die Reaktion von Methylketen mit Wasser vor. (b) Welche Faktoren könnten bestimmen, ob ein Alkanoylhalogenid mit einem tertiären Amin zu einem Alkanoylammoniumhalogenid (s. Abschn. 20.2) oder zu einem Keten reagiert (Abschn. 20.3)?

6 Welche(s) Produkt(e) entsteht (entstehen) Ihrer Meinung nach bei der Reaktion von Acetanhydrid mit den folgenden Reagenzien? Nehmen Sie in jedem Fall an, daß das Reagenz in großem Überschuß vorliegt.

(a) (CH); CHOH ‘(c) “2

(b) NH3 THF; dann H*, H,O

(d) LiAIH,, (CH;CH3),0; dann H*, H,O

7 Schreiben Sie das Produkt (die Produkte) der Reaktion von Butandisäureanhydrid (Bernsteinsäureanhydrid, Succinanhydrid) mit den Reagenzien aus Aufgabe 6 auf.

8 Geben Sie die Produkte der Reaktionen von Methylpentanoat mit den folgenden Verbindungen an. 1011

20 Derivate von

(a) NaOH, H,O, Erwärmen; dann H*, H,O

Carbonsäuren und Massen-

(b) (CH;);‚CHCH;>CH3;OH (Überschuß), H*

spektrometrie

(©) (CH,CH;);NH, Erwärmen

(d) CH,Mgl (Überschuß), (CH,CH;),O; dann H*, H,O

(e) LiAIH,, (CH,CH3>);O; dann H*, H,O

(f) [(CH;);CHCH;)AIH, H>0O

Toluol,

niedrige

Temperatur;

dann

H',

9 Geben Sie die Produkte der Reaktion von y-Valerolacton (5-Methyloxa-2-cyclopentanon, Abschn. 20.4) mit den Reagenzien aus Aufgabe 8 an. 10

Zeichnen Sie die Formeln der folgenden Verbindungen. (a) ß-Buty-

rolacton, (b) ß-Valerolacton,

(ce) ö-Valerolacton,

(d) B-Propiolactam,

(e)

a-Methyl-ö-valerolactam und (f) N-Methyl-y-butyrolactam.

11 Formulieren Sie einen detaillierten Mechanismus für die säurekatalysierte Umesterung von Ethyl-2-methylpropanoat (Isobuttersäureethylester) in den entsprechenden Methylester. Ihr Mechanismus sollte deutlich die katalytische Rolle des Protons erkennen lassen. 12

Geben Sie die jeweiligen Produkte der folgenden Reaktionen an. COOCH3 _1. KOH, H50; 2. H”, H:0 ,

(a)

COOCH3 erERe

_(CH»CHNH,, CHzOH, A|

I»

(b)

CH;CH, OÖ (cl)

|

CH3COCH3

x

MeBr

+ Überschuß

O (d)

\

CH3OCOCH3z

.

+ Überschuß

>

l. (CH3CH>)20, 20°C

5 HMO

nr

ee

I (CH3CH;)20, 20 2 2IEIRASO

Meß u

1. LDA, THF, — 78°C

oO 2.CH5 CH», HMPT

CHE

.H*,

(©) (a

BO

Ba ne COOCH>CH3

COOCH3 (f)

CH3 | |, (CHZCHCH>)>AIH, Toluol, —60 °C

2.H", 0

R

13 Eine sehr nützliche Methode zur Darstellung bestimmter Typen von Diolen benutzt die Reaktion von „Bis-Grignard-Verbindungen“ mit einem Lacton:

1012

o

Aufgaben

I. BrMgCH>CH>CH>CHMgBr 2. HS LO

Ö

OH

OH

(a) Formulieren Sie einen Mechanismus für diese Umsetzung. (b) Zeigen Sie, wie Sie diese allgemeine Methode zur Synthese der

Diole (i) und (ii) einsetzen würden.

H;C

CH+

OH

OH

OH

OH

i

ii

14

Formulieren Sie einen Mechanismus für die Bildung von Acetamid, OÖ I CH;CNH;, aus Methylacetat und Ammoniak.

15 Geben Sie die Produkte der Reaktionen von Pentanamid und N,NDimethylpentanamid jeweils mit den Reagenzien aus Aufgabe 8 (a, e, f) an. 16 Welche Reagenzien wären erforderlich, um die folgenden Umsetzungen durchzuführen? (a) Cyclohexancarbonylchlorid — Butanoylcyclohexan, (b) (Z)-2-Butendisäure-(Maleinsäure-Janhydrid — (Z)-Buten-1,4-diol, (ec) 3-Methylbutanoylbromid — 3-Methylbutanal, (d) Benzamid

> 1-Phenylmethanamin,

(e) Propannitril —

3-Hexanon,

(D Methylpropanoat — 4-Ethyl-4-heptanon. 17 Beim Behandeln mit starker Base und nachfolgender Protonierung erfolgt bei den Verbindungen (i) und (ii) eine cis-trans-Isomerisierung, bei Verbindung (iii) jedoch nicht. Geben Sie eine Erklärung. Ser

Sa

COOCH3 i

aß

CON(CH 3)» ii

pen

CONH3> iii

18 .2-Aminobenzoesäure (Anthranilsäure) wird aus 1,2-Benzoldicarbonsäureanhydrid (Phthalsäureanhydrid) über die beiden angegebenen Reaktionen dargestellt. Erklären Sie die Mechanismen. O o

O N

OÖ

300°C

NH

1. NaOH, Bra, 80°C DRHIH 2 H* OMU

Sa

OÖ

1,2-Benzoldicarbonsäure-

1,2-Benzoldicarboximid

2-Aminobenzoesäure

anhydrid

(Phthalimid)

(Anthranilsäure)

(Phthalsäureanhydrid)

19 Zeigen Sie, wie Sie Chlorpheniramin, ein stark wirksames Antihistaminikum, aus der Carbonsäure (i) oder (ii), die im folgenden gezeigt sind, darstellen würden. Benutzen Sie in beiden Synthesen unterschiedliche Carbonsäureamide.

1013

\ IN

@l

&

de

In

N

N

CHCH>COOH

rE

Cl

N

CHCH>CH>COOH

el

\ ii

i

el. N CHCH>CH>N(CH3)J>

& Chlorpheniramin

20 Die Carbonyl-Valenzschwingung der Ester liegt im Infrarot-Spektrum bei etwa 1740 cm”, bei den Lactonen ist die entsprechende Bande hingegen stark von der Ringgröße abhängig. Am Rand sind drei Beispiele von Lactonen gezeigt. Wie erklären Sie sich die jeweilige Lage der IR-Banden dieser Kleinring-Lactone?

O

O

21

Nach Beendigung einer Reaktion steht jeder Chemiker und selbst-

verständlich auch jede Chemikerin OÖ

(6)

Do

1735 cm

! 1770 cm

af

O

1

vor dem Problem,

die Glasgeräte zu

säubern. Da im Kolben verbliebene Reste der Verbindungen giftig, explosiv oder sonstwie gefährlich sein, oder andere unangenehme Eigenschaften haben können, sollte man vor dem Abwasch erst einmal nachdenken, welche chemischen Vorgänge man damit vielleicht auslöst. Stellen Sie sich vor, Sie haben gerade eine Synthese von Hexanoylchlorid durchgeführt, um vielleicht Reaktion b von Aufgabe 4 durchzuführen. Nun müssen Sie zunächst die mit dem Alkanoylhalogenid verschmutzten Glasgeräte säubern. Hexanoylchlorid und Hexansäure haben beide einen widerlichen Geruch.

1840 cm!

(a) Wäre es eine gute Idee, die Glasgeräte mit Wasser und Seife zu reinigen? Erläutern Sie Ihre Antwort. (b) Schlagen Sie eine angenehmere Alternative vor. Gehen Sie dabei von der Chemie der Alkanoylhalogenide und den physikalischen Eigenschaften (insbesondere dem Geruch) der anderen Carbonsäure-Derivate aus.

22 Zeigen Sie, wie Sie die folgende Umsetzung durchführen würden, in der die Estergruppe an der linken unteren Seite des Moleküls in einen Alkohol überführt wird, der Ester an der oberen Seite aber erhalten bleibt. (Hinweis: Versuchen Sie keine Esterhydrolyse. Sehen Sie sich genau an, wie die Estergruppen an das Steroid gebunden sind und gehen Sie von einem Ansatz über eine Umesterung aus.)

23 Die Abspaltung der C17-Seitenkette bestimmter Steroide ist ein entscheidender Schritt bei der Synthese einer Reihe von Hormonen, wie Testosteron, aus Steroiden der leichter zugänglichen Pregnan-Familie:

H; OH

Pregnan-3«-ol-20-on

1014

Testosteron

Wie würden Sie die am Rande gezeigte, vergleichbare Umsetzung von Acetylcyclopentan in Cyclopentanol durchführen? Beachten Sie, daß Sie bei diesem und den folgenden synthetischen Problemen Reaktionen aus verschiedenen Gebieten der Chemie der Carbonylgruppe benutzen müssen (Kapitel 17-20).

HsC\

O0

OH

S

24 Schlagen Sie eine Synthesefolge für die Überführung der am Rand dargestellten Carbonsäure (i) in das natürlich vorkommende Sesquiterpen a-Curcumen vor.

en

25 Zeigen Sie, wie sich die folgenden Moleküle durch Claisen-Kondensation darstellen lassen.

CO,HI

(a) CE

Oo

Ike]

|

RLOGIREN

CH;

(6) 'CEH-CH-CCHCEHS>

CH;

x CH,

K

CO>CH>CH3

CH; (6) \

(o)

SCCH,CHICHY,

OÖ

(@

OÖ

hr OCH>CH3

a-Lurcumen

(CH3),„ CHCHCO>CH>CH3

26 Erwarten Sie, daß eine Claisen-Kondensation zwischen dem EnolatIon eines Esters und der Carbonylgruppe eines anderen Esters (gekreuzte Claisen-Kondensation) im allgemeinen mit guten Ausbeuten verläuft? Erläutern Sie Ihre Antwort.

6) |

|

CH,O"Na*, CH,OH

BEECHSCOCH SECHS COCHSEI er

CHICHSCEHSCOCH;

=

27 Schlagen Sie ein Syntheseschema für die Überführung des Lactons A in das Amin B, einer Vorstufe zu dem natürlich vorkommenden Monoterpen C, vor.

CH:

EB. ee > 15C9 HO

CH;

EG CH; — HC HO

Si

N(CHz), A

28

B

C

Schlagen Sie eine Synthese von ß-Selinen, das zu einer weitverbrei-

teten Familie von Sesquiterpenen gehört, vor, wenn Ihnen als Ausgangs„verbindung der dargestellte Alkohol zur Verfügung steht. Als eine Zwischenstufe Ihrer Synthese sollte ein Nitril auftreten. CH;

CHE u

—

H>C

H

OH

H>C

H

CH>

CH;

ß-Selinen

1015

20 Derivate von Carbonsäuren und Massen-

spektrometrie

29 Zeichnen Sie die Formel des Produkts der ersten der folgenden Reaktionen und schlagen Sie dann einen Syntheseweg vor, über den es schließlich in das als letztes gezeichnete methylsubstituierte Keton überführt wird. Diese Reaktion ist ein Beispiel für eine gebräuchliche Methode zur Einführung „angularer Methylgruppen“ bei Steroidsynthesen. Beachten Sie, daß Sie die Carbonylgruppe schützen müssen. CH3

oO

Bender f

C,ıHısNO

ES we

IR: 1715, 2250 cm“

H

OÖ

11

1

30 Ordnen Sie im Massenspektrum von 1-Brompropan so viele Peaks wie Sie können zu (s. Abb. 20-7). 31

In der folgenden Tabelle sind ausgewählte Daten der Massenspek-

tren der gen Sie nen für schwach

drei isomeren Alkohole der Formel C;H,,O aufgeführt. Schlaaufgrund der Lage der Peaks und deren Intensität Konstitutiodie drei Isomere vor. Ein Strich bedeutet, daß der Peak sehr oder nicht vorhanden ist.

Relative Peak-Intensitäten miz

88 87 73 70 59 55 45 42

M* (M-1)* (M - 15)* (M - 18)* (M - 29)* (M - 15 - 18)* (M - 43)" M - 18 - 28)"

Isomer A

Isomer B

Isomer C

2 38 60 5 100

22 7 3 17 100 4

_ = 55 3 100 33 10 6

32 Im folgenden sind die spektroskopischen und analytischen Eigenschaften zweier unbekannter Verbindungen gegeben. Schlagen Sie für jede Verbindung eine Formel vor.

(a) Analyse: 74.94% C, 12.58% H (Rest O).

IH-NMR: ö = 0.90 (t,-3. H), 1:.0-1.6 (m, '8 H), 2.05, 3a

DAS

2

IR 171S)en UV: Anax (€) = 280(15) nm.

MS: m/z des Molekül-Ions ist 128; Intensität des (M + 1)*-Peak ist 9% vom M*-Peak; wichtige Fragmente bei: m/z = 113 (M-15)*, m/z = 85 (M-43)*, m/z = 71 (M-57)*, m/z = 58 (M-70)* (zweitgrößter Peak) und m/z = 43 (M-79)* (Basis-Peak). (b) Analyse: 88.16%

C, 11.84%

H.

IH-NMR: s. Spektrum B. BC-NMR

(nicht entkoppelt): ö = 20.5 (q), 23.8 (q), 30.6 (t), 30.9

(0), 41.2 (d), 120.8 (d), 132.2 (s) und 149.7 (8).

IR: wichtige Banden bei 3060 (mittelstark), 3010 (mittelstark), 1680 (schwach), 1646 (mittelstark) und 880 (sehr stark) cm’. UV: Amax g 200 nm.

MS: m/z des Molekül-Ions ist 136; Intensität des (M + 1)*-Peaks ist 11% des M*'-Peaks; wichtige Fragmente liegen bei m/z = 121 (M-15)*, m/z = 95 (M-41)*, m/z = 68 (M-68)* (Basis-Peak) und m/z = 41 (M-95)*. 33

Unten

sind die spektroskopischen

Derivate angegeben. Bestimmen N, Cl und Br enthalten können,

NMR:

1016

Spektrum

Daten

für zwei

Carbonsäure-

Sie diese Verbindungen, die C, H, O, aber keine anderen Elemente. (a) 'H-

C (ein Signal wurde

verstärkt,

um

alle Multiplett-

ei

ar

un

Be

r

£

Maine

Aufgaben

|j \ } :

; ;

=

;\ {j

_

FR

-

“

#

nt

| ;

H

|

j

} ig e:

4

14 H Hi } i KT u0 nn

! A

3

— un $ TERN ERLNNERNK. RNENEENEE

2

=

-Z “a[7o = [7= o

== E

_

a © Im

unbekannten Verbindung C miz

Intensität relativ

zum Basis-Peak (%)

NMR-C

29

12 26 100 66 34

1017

20 Derivate von

Peaks erkennen zu lassen), IR: 1728 cm, hochaufgelöstes Massenspek-

Carbonsäuren und Massenspektrometrie

trum: m/z für das Molekül-Ion ist 116.0837. Siehe Tabelle (Rand) für wichtige MS-Fragmentierungs-Peaks. (b) 'H-NMR: Spektrum D, IR: 1739 cm’, hochaufgelöstes Massenspektrum: Das intakte Molekül liefert zwei Peaks mit etwa gleicher Intensität bei m/z = 179.9786 und 181.9766, siehe Tabelle (Rand) für wichtige MS-Fragmentierungs-Peaks.

Massenspektrum der unbekannten Verbindung D mIz

Intensität relativ

zum Basis-Peak (%)

182 180 109 107 101 29

1018

13 13 78 an 3 100

P

4

5 NMR-D

2

3 ö

1

0

Gruppenübung

Aufgaben

34 Friedel-Crafts-Alkanoylierungen werden am besten mit Alkanoylhalogeniden durchgeführt, obwohl andere Carbonsäurederivate wie Anhydride oder Ester dieselbe Reaktivität zeigen. Diese Reagenzien haben entscheidende Nachteile, die Thema dieser Übung sind. Bevor Sie beginnen, diskutieren Sie in Ihrer Gruppe den Mechanismus der Bildung von Acylium-Ionen aus Alkanoylhalogeniden und Carbonsäureanhydriden (s. Abschn. 15.14). Dann teilen Sie Ihre Gruppe in zwei Teams auf und analysieren Sie die Ergebnisse der folgenden zwei

Reaktionen. Überprüfen Sie anhand der NMR-Daten, ob Sie die Produkte richtig zugeordnet haben. Hinweis: D wird aus C gebildet.

zZ

x

) AICI, Hr an se ——> A (CsHz0) + B (C10H 120) O OÖ AlCl

Ö) % Pueı

——

A(CsHs0O) + C (CzH)0) + D (CH 120)

Verbindung A: 'H-NMR: ö = 2.60 (s, 3H), 7.40-7.50 (m, 2H), 7.50-7.60 (m, 1H), 7.90-8.00 (m, 2H). Verbindung B: 'H-NMR: ö = 2.22 (d, 6H), 3.55 (sep, 1H), 7.40-7.50 (m, 2H), 7.50-7.60 (m, 1H), 7.90-8.00 (m, 2H). Verbindung (aseSEl):.

C: IH-NMR:

8 =

2.20 (t,x3H), 2364. (q, 2H),77.10-7.30

Verbindung D: "H-NMR: d = 1.25 (t; 3H), 2.70 (q, 2H), 3.57.6, 3H), 1220 (4,2H); 270 (d, ZH): Treffen Sie sich wieder und besprechen Sie Ihre Lösungen. Gehen Sie dabei

insbesondere

auf die Probleme

ein, die sich ergeben,

wenn

die

oben genannten Reagenzien verwendet werden. Abschließend betrachten Sie die folgende Reaktionssequenz und entwickeln Sie einen Reaktionsmechanismus. Formulieren Sie auch die Strukturen der einzelnen Zwischenprodukte!

(0)

en +

AICI, WET

Zn(Hg), HCl, A ONE

CHR

SOCı, ZIEHE

AICI, >

(0)

1019

er.

ri

AT

IEL

ANA

ETON.,

ihre 5 a

ra

An see en > ee leiden; ae le Er rear] EN van re ENDEN mai Br

yfH dt Lan)

GUTE

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UFER

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2

auıEk N Me

ir

Ian;

ESITLTTESGO IHA2O

$

79148

Amine und ihre Derivate Stickstoffhaltige funktionelle Gruppen

Die Erdatmosphäre besteht zu etwa einem Fünftel aus Sauerstoff und nahezu vier Fünfteln aus Stickstoff. Die Bedeutung von Sauerstoff ist uns vollkommen klar: Wir benötigen ihn zum atmen, und er ist Teil einer Vielzahl von Stoffklassen wie Wasser, Alkoholen, Ethern und zahl-

reichen anderen organischen und anorganischen Verbindungen. Aber wie steht es mit der Bedeutung von Stickstoff? Im Gegensatz zum Sauerstoff, O,, der letztlich die erforderliche reaktive Verbindung für biologische Oxidationen ist, verhält sich Stickstoff, N, relativ inert. In seiner reduzierten Form, als Ammoniak, NH;, oder dessen organischen Derivaten, den Aminen, spielt er eine Rolle, die der des Sauerstoffs in

nichts nachsteht. Amine und andere stickstoffhaltige organische Verbindungen gehören zu den in der Natur am häufigsten vorkommenden organischen Molekülen. Als Bestandteile der Aminosäuren, Peptide, Proteine und Alkaloide spielen sie eine entscheidende Rolle in der Biochemie. Viele, wie die Neurotransmitter, besitzen eine starke physiologische Aktivität; mit ihnen verwandte Verbindungen werden in der Medizin als schleimhautabschwellende

Mittel,

Anästhetika,

Sedativa

und

Stimulantien

(s. Kasten 21-1) verwendet. In vielerlei Hinsicht gleicht das chemische Verhalten der Amine dem der Alkohole und Ether (Kap. 8 u. 9). So sind z.B. alle Amine basisch (obwohl primäre und sekundäre in Gegenwart starker Basen auch ein Proton

abgeben

können),

sie bilden

Wasserstoffbrücken,

und

in Sub-

stitutionsreaktionen reagieren sie als Nucleophile. Es gibt jedoch einige Unterschiede, da Stickstoff weniger elektronegativ als Sauerstoff ist. Deshalb sind primäre und sekundäre Amine schwächer sauer und bilden „schwächere Wasserstoffbrücken als Alkohole und Ether, sind jedoch stärker basisch und stärker nucleophil als diese. Dieses Kapitel behandelt zunächst die Nomenklatur der Amine und fährt dann mit einer Diskussion der physikalischen, chemischen und physiologischen Eigenschaften dieser Verbindungsklasse fort.

1021

21 Amine Derivate

und ihre

21.1 Nomenklatur der Amine Amine sind Derivate des Ammoniaks,

bei dem ein bis drei Wasserstoff-

atome durch Alkyl- oder Arylgruppen ersetzt wurden. Entsprechend gibt es primäre Amine (ein H ersetzt), sekundäre (2 H ersetzt) und tertiäre Amine (3 H ersetzt). Die Beziehung der Amine zu Ammoniak ist deshalb dieselbe wie die der Alkohole und Ether zu Wasser. Wie auch bei anderen funktionellen Gruppen, wird man durch die Vielzahl von Trivialnamen in der Literatur verwirrt. Am besten jedoch benennt man aliphatische Amine nach dem Chemical-Abstracts-System, d.h. man betrachtet sie als Alkanamine, bei denen dem Namen des Alkans das Wort „amin“ angefügt wird. Die Stellung der funktionellen Gruppe wird durch die Numerierung des daran gebundenen Kohlenstoffatoms angegeben, wie bei den Alkoholen (Abschn. 8.1). CH3

sekundäres Amin

R

Ne/

R"

NR'|

tertiäres Amin

H>N

CH3NH,

CH3CHCH3»NH,

Methanamin

2-Methyl-I-propanamin

H

Palin (R)-trans-3-Penten-2-amin

Verbindungen mit zwei Aminfunktionen bezeichnet man als Diamine, als Beispiel seien 1,4-Butandiamin und 1,5-Pentandiamin genannt. Da sie Bestandteile des Gestanks von verwesendem Fisch und verfaulendem Fleisch sind, hat man

ihnen treffende Trivialnamen,

Putrescin (von lat.:

putrescere = verfaulen) oder Cadaverin, gegeben.

EN

Bed

NH;

Ti

DEN

1,4-Butandiamin (Putresein)

el

TOR.

NH}

1.5-Pentandiamin (Cadaverin)

Die aromatischen Amine oder Aniline nennt man Benzolamine (Abschn. 15.1). Bei den sekundären und tertiären Aminen wird der längste Alkylsubstituent am Stickstoffatom als namensbildender Stamm des Alkanamins genommen, die anderen an das Stickstoffatom gebundenen Gruppen werden durch ein ihrem Namen vorangesetztes Nbezeichnet und dem Stammnamen vorangestellt.

ie Ryr

J

Benzolamin (Anilin)

CH;3NCH;>CH; N-Methylethanamin

CH3NCH>CH3>CH3 N,N"Dimethyl-1-propanamin

Daneben gibt es eine weitere Möglichkeit, Amine zu benennen. Dabei wird die funktionelle, Amino genannte Gruppe, als Substituent des Alkanstamms angesehen. Nach derselben Betrachtungsweise wären Alkohole als Hydroxyalkane zu bezeichnen. H;C

CH3CH;NH; Aminoethan

H

(CH3)a NCHZCH>CH3

FCH>CH>CHNCH>CH3

N ,N-Dimethylaminopropan

3-(Ethylamino)-1-fluorbutan

Viele Trivialnamen beruhen auf der Bezeichnung Alkylamin (siehe Rand), wie wir es von der (älteren) Benennung der Alkanole als Alkylalkohole her kennen.

1022

Kasten 21-1

Physiologisch aktive Amine und Gewichtskontrolle Zahlreiche physiologisch aktive Verbindungen verdanken ihre Wirkung ihren Aminogruppen. Einige Beispiele sind gut bekannte Medikamente und illegale Drogen wie Adrenalin, Benzedrex, Urotropin, Amphetamin, Mescalin und Prozac. Ein häufig auftretender Baustein in vielen (aber nicht in allen) dieser Verbindungen ist die 2Phenylethanamin-Einheit (ß-Phenylethylamin-Einheit). In der 2-Phenylethanamin-Substruktur ist ein Stickstoffatom über eine zweiatomige Kohlen-

stoffkette mit einem Benzolring verknüpft (grün hervorgehoben). Es scheint, daß dieses Strukturelement wichtig ist für die Bindung der Wirkstoffe an die aktiven Stellen der Gehirnrezeptoren, die für die Neutrotransmitter-Funktion bestimmter Nerven verantwortlich sind. Diese kontrollieren einerseits den Appetit und die Muskelaktivität, andererseits (daher das Suchtpotential) bewirken sie euphorische Stimmungen.

HNCH;

‚NHCH;

aka. CH;

HO“ Epinephrin (Adrenalin)

(adrenergisches Stimulanz)

Propylhexedrin (Benzedrex)

|

N_-N IN

|

Hexamethylentetramin (Urotropin)

(zum Abschwellen der Nasenschleimhäute)

(antibakterieller Wirkstoff)

% TUT

—CH;

H

CH;O

CH;CH;NH;

f

CH,CH3;NH;

CH;O OCH; Amphetamin (Antidepressiva, stimuliert das zentrale Nervensystem, Das N-Methylderivat ist eine gefährliche Droge mit hohem Suchtpotential, bekannt als Speed.)

Mescalin (Halluzinogen)

Das Problem des selektiven Angriffs auf diese Rezeptoren spielt eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von Medikamenten mit Molecular Modeling, die helfen, das Gewicht zu kontrollieren und Fettleibigkeit zu bekämpfen. Obwohl die Wirkung zahlreicher Diätpillen auf einem anorektischen (appetitunterdrückenden) Effekt beruht, bewirken neuere Produkte wie Sibutramin (in den USA 1998 zugelassen), die keine stimulierenden Nebenwirkungen zeigen, eine Erhöhung des Sättigungsgefühls. In anderen Worten: Man wird zwar hungrig, ist aber schneller und länger satt. Eine andere Möglichkeit der Gewichtskontrolle beruht auf der Beschleunigung des Stoffwechsels (und damit eine Erhöhung der Körpertemperatur). Dies kann einfach durch Sport oder Bewegung erreicht werden. Andere, weniger akzeptable Alternativen sind thermogene Wirkstoffe. Coffein ist eine solche Verbindung, jedoch beschleunigt

Coffein

den

Stoffwechsel

nur

2-Phenylethanamin (#-Phenethylamin)

danach senkt es den Metabolismus über den anfänglichen Zustand hinaus. Eine Alternative könnte CL 316243 sein (wie zahlreiche andere Verbindungen in der Pharmaforschung nur über ihre Nummer bekannt), die momentan getestet wird. Während thermogene Wirkstoffe helfen, das Körpergewicht zu kontrollieren, indem sie „Fett verbrennen“, wird das exakte Gegenteil -— Hemmung der Kalorienaufnahme durch Absenken der Stoffwechselgeschwindigkeit — durch eine andere Wirkstoffklasse erreicht. Ein Beispiel ist Orlistat, das den enzymatischen Abbau von Fett im Verdauungstrakt verzögert, d.h. die Nahrung wird unverdaut ausgeschieden. Alternativ wird ein völlig unverdauliches Fett namens Olestra, das auf einem Saccharosepolyester (Kap. 24) basiert, insbesondere in Snack-Produkten wie Kartoffelchips eingesetzt.

kurz,

1023

Kasten 21-1 (Fortsetzung)

CH;

HO N

(CH3); CH;

H

>>.

sen

ee

a, N

0 Na’ OC

CO-Na*

1

da

es

so

scheint,

als würde

sie

nur

O

CH;

CL 316243

Orlistat

Sie mögen bei der Forschung nach solchen Produkten nach der ethischen Vertretbarkeit fragen,

H;C

2®

(6) Sibutramin

CHk(CH»)s

H

wie cardiovasculäre oder Atmungsprobleme, hoher Blutdruck, Diabetis und einige Krebsarten ausgelöst werden können, was die Lebenserwartung mindert. Es scheint so, daß diese Probleme hauptsächlich aus einer Stoffwechselveranlagung resultieren (vielleicht besteht auch ein genetischer Einfluß) und nicht anders zu kontrollieren sind.

die

„Unersättlichen“ oder die „Modebewußten“ in ihrer Suche nach dem perfekten Körper unterstützen. Dem ist jedoch nicht so. Vergessen Sie nicht, daß Fettleibigkeit eine der größten Gefahren für die Gesundheit ist, da dadurch chronische Leiden

L

o

Oo

(CH3;)„CH3z

NE

%

CHs(CH),

Ne Eon, [6)

CH;(CH;3),

Re Dem CH;

Ei

Ye

nn Olestra

CH; NH, Methyl amin

CH3)3 en

Übung 21-1 Benennen amin.

Sie die folgenden Moleküle, einmal als Alkanamin, zum zweiten als Alkyl-

NICH»);

N

Trimethyl amin

u 2

(a) CH3CHCH>CH3;

non)

(b)

CH3

; (ec) BrCH>CH>CH>CH>CHNEH;3.

Übung 21-2 Zeichnen Sie die Konstitutionsformeln der folgenden Verbindungen (der Trivialname ist

Benzyl cyclohexylmethylamin

in Klammern angegeben): (a) 2-Propinamin (Propargylamin); (b) (N-2-Propenyl)phenylmethanamin (N-Allylbenzylamin); (c) N-Methyl-1,1-dimethylethanamin methylamin); (d) N,2-Dimethyl-2-propanamin (tert-Butylmethylamin).

(tert-Butyl-

Wir halten fest: Es gibt verschiedene Systeme, die Namen der Amine zu bilden. Nach Chemical Abstracts benennt man sie als Alkanamine und Benzolamine. Alternativ kann man sie als Aminoalkan, Anilin und

Alkylamin bezeichnen.

1024

21.2 Strukturelle und physikalische Eigenschaften der Amine

21.2

Strukturelle und

physikalische Eigenschaften der Amine

Lassen Sie uns als nächstes einige der strukturellen und physikalischen Eigenschaften einfacher Amine betrachten. Amine weisen eine tetraedrische Geometrie um das Heteroatom auf. Die Anordnung ist jedoch nicht starr, da ein rascher Isomerisierungsprozeß, Inversion genannt, abläuft. In diesem Abschnitt werden wir auch die Polarität von Aminen und ihre Fähigkeit zur Ausbildung von Wasserstoffbrücken-Bindungen mit den entsprechenden Eigenschaften der Alkohole vergleichen.

freies Elektronenpaar

Sy /

147 pm

Alkanamine sind tetraedrisch aufgebaut Das Stickstoffatom in Aminen ist sp’-hybridisiert (s. Abschn. 1.5, Abb. 1-18) und bildet deshalb einen nahezu regulären Tetraeder. Die Substituenten nehmen drei der Tetraederecken ein; in die vierte weist das freie Elektronenpaar des Stickstoffatoms. Das Stickstoffatom und seine drei Substituenten nehmen eine demnach pyramidale Struktur ein. In Abb. 21-1 ist die Struktur von Methanamin (Methylamin) dargestellt.

Be

> CH3

112.9° Abb. 21-1 Methanamin (Methylamin) hat eine nahezu tetraedrische Struktur.

|) Übung 21-3 "\

Wenn Sie Abbildung 21-1 genau betrachten, werden Sie feststellen, daß die Bindungen zum Stickstoffatom in Methanamin (Methylamin) etwas länger sind als die entsprechenll den Bindungen zum Sauerstoff in Methanol. Wie können Sie dies erklären?

Aufgrund

der tetraedrischen

Anordnung

um

das Stickstoffatom

in

einem Amin ist dieses chiral, wenn es drei verschiedene Substituenten trägt, wobei das freie Elektronenpaar als vierter Substituent zählt.

Bild und Spiegelbild einer solchen Verbindung sind nicht miteinander zur Deckung zu bringen. Es verhält sich also wie ein Kohlenstoffatom als Chiralitätszentrum (Abschn. 5.1). Dies sehen wir am Beispiel des einfachen, chiralen Alkanamins N-Methylethanamin (Ethylmethylamin).

Bild und Spiegelbild von N-Methylethanamin (Ethylmethylamin)

)

|

„4a

H>3CH>C

>

CH>CH3

|

4

H3C

| Spiegelebene

Die Konfiguration am Stickstoffatom ist jedoch nicht stabil, da eine rasche Isomerisierung durch Inversion stattfindet. In mancher Hinsicht gleicht diese Umwandlung der Inversion am Kohlenstoffatom während einer Sn2-Reaktion von Halogenalkanen. Für die Inversion von Aminen ist jedoch die Gegenwart eines anderen Reagenzes nicht erforderlich. Man kann sich vorstellen, daß das Aminmolekül einen Übergangszustand durchläuft, in dem das Stickstoffatom sp--hybridisiert ist, wie in

Abb. 21-2. Für diese Bewegung muß in einfachen Aminen eine Energiebarriere von

weniger

als 30 kJ/mol

überwunden

werden,

wie man

mit

spektroskopische Methoden herausfand. Es ist deshalb nicht möglich, ein enantiomerenreines, einfaches di- oder trialkyliertes Amin bei Raumtemperatur

zu erhalten, da es sofort racemisiert.

1025

21 Amine Derivate

und ihre

CH3CH>

CH>CH3

= HsC

|#

CH>CH3

-H CH3

H CH;

Abb. 21-2 Durch Inversion am Stickstoffatom werden die beiden Enantiomere von NMethylethanamin rasch ineinander umgewandelt. Die Verbindung zeigt daher keine optische Aktivität.

Übung 21-4 —

|a Die Methylen-Wasserstoffatome

in N-Methylethanamin (Ethylmethylamin) sind diastereotop (siehe Abschn. 10.5). Erwarten Sie bei Raumtemperatur zwei verschiedene Absorptionen im 'H-NMR-Spektrum?

Amine bilden schwächere Wasserstoffbrücken Alkohole

aus als

Die besondere Fähigkeit der Alkohole, Wasserstoffbrücken auszubilden, ist für ihre hohen

Siedepunkte

verantwortlich

(Abschn.

8.2, Abb.

8-2,

Tab. 8-1). Die gleichen Eigenschaften erwarten wir bei den Aminen und finden dies in Tab. 21-1 bestätigt. Amine bilden jedoch schwächere Wasserstoffbrücken als Alkohole*, ihre Siedepunkte sind niedriger, und sie lösen sich schlechter in Wasser. Die Siedepunkte der Amine liegen im allgemeinen zwischen denen der entsprechenden Alkane und Alkohole.

Einfache

Amine

sind in Wasser

und Alkoholen

löslich, da sie zu

diesen Lösungsmitteln Wasserstoffbrücken ausbilden können. Wenn der hydrophobe Teil eines Amins sechs Kohlenstoffatome übersteigt, nimmt die Wasserlöslichkeit stark ab; längerkettige Amine sind nahezu vollkommen unlöslich in Wasser. Lassen Sie uns zusammenfassen: Amine nehmen in etwa eine tetraedrische Struktur ein, in der das einsame Elektronenpaar eine Tetraederecke besetzt. Amine können im Prinzip als Enantiomere auftreten, sind aber aufgrund der schnellen Inversion des Stickstoffs schwierig in enantiomerenreiner Form zu erhalten. Die Siedepunkte der Amine liegen höher als die von Alkanen vergleichbarer Größe, sie sind aber wegen schwächerer Wasserstoffbrückenbindungen niedriger als die der analogen Alkohole. Ihre Wasserlöslichkeit liegt zwischen der vergleichbarer Alkane und Alkohole. Tabelle 21-1 Vergleich der physikalischen Eigenschaften von Aminen, Alkoholen und Alkanen Verbindung

Schmelzpunkt

Siedepunkt

CO)

CO

CHy CH3NH> CH;0OH

-182.5 - 93.5 - 97.5

-161.7 - 6.3 65.0

CH3CH>CH>CH3>NH3> (CH3)2NH (CH3)3N

— 49.1 93 -117.2

71.8 7.4 2.9

CH3CH3 CH3CH;NH3 CH3CH>0OH

-183.3 Z -114.1

- 88.6 16.6 78.5

CH3CH;CH3 CH3CH>CH3>NH3 CH3CH>CH>0H

-187.7

N

(CH3CH;)2NH (CH3CH3;)3N (CH3CH>CH3;)2NH 3

— 48 -114.7 - 40 - 94

56.3 89.3 110 155

NH3 Oo

- 71.7 0

— 33.4 100

— 8 -126.2

47.8 97.4

*

1026

Verbindung

N

Schmelzpunkt

Siedepunkt

9)

CO)

Beachten Sie, daß zwar alle Amine bei einer Wasserstoffbrücken-Bindung als Protonenakzeptor wirken, daß jedoch nur primäre und sekundäre Amine auch als Protonendonor fungieren, da tertiäre Amine kein solches Proton haben.

der 21.3 Spektroskopie Aminogruppe

21.3 Spektroskopie der Aminogruppe Primäre

und

erkennen,

wo

sekundäre die

Amine

geben

charakteristische

sich in ihren

breite

Bande

IR-Spektren

der

N—H

zu

Valenz-

schwingung zwischen 3300 und 3500 cm’ auftritt. Primäre Amine zeigen in diesem Bereich zwei starke Signale, während man bei sekundären Aminen nur eine sehr schwache Bande findet. Primäre Amine zeigen auch eine Bande im Bereich um 1600 cm’, die durch eine Deformationsschwingung der NH,-Gruppe (scissoring) zustandekommt (Abschn. 11.5, Abb. 11-13). Tertiäre

Amine

absorbieren

in diesem

Bereich

nicht,

direkt Stickstoff-gebundenes Wasserstoffatom tragen. sehen Sie das Infrarot-Spektrum von Cyclohexanamin.

da

In

sie kein

Abb.

21-3

100

2 sg 5

|

|

Br

I

I

|

7

Rise}

w=

\

=5

||

|

H

H

3358

|

32833

||

|

|

\

|

|

\

|

|

i

re 4000 3500

3000

|

\

|

\

|

|

|

|

ee

2500

|

|

el: rrekkanirheewheieh 2000

|

Nadine: 1500

MER

KERN 1000

600 cm

2

Wellenzahl Abb. 21-3 Infrarot-Spektrum von Cyclohexanamin. Die Aminogruppe führt zu zwei starken Banden zwischen 3250 cm "' und 3500 cm!, die charakteristisch für die N—H-Streckschwingung einer primären Aminogruppe sind. Auffällig ist auch die breite Bande nahe 1600 cm!, die durch Deformationsschwingungen der N—-H-Bindungen zustandekommt.

Auch die Kernresonanz-Spektroskopie zeigt die Gegenwart einer Aminogruppe. Wie das OH-Signal von Alkoholen, kann auch die Resonanz eines Amin-Wasserstoffatoms fast überall im normalen Wasserstoffbereich (manchmal verbreitert) auftreten. Die chemische Verschiebung hängt hier in hohem Maße von der Geschwindigkeit des Protonenaustausches mit Wasser und vom Ausmaß der WasserstoffbrückenBindung ab. Abb. 21-4 zeigt das 'H-NMR-Spektrum von Azacyclohexan (Piperidin), einem cyclischen sekundären Amin. Das Signal des Wasser„stoffatoms des Amins erscheint bei ö = 1.29, zwei weitere Signalgruppen findet man bei ö = 1.52 und 2.73. Die Absorption bei höchster Frequenz kann den dem Stickstoffatom benachbarten Wasserstoffatomen zugeordnet werden, die aufgrund der Nähe des elektronegativen Stickstoffatoms entschirmt sein müssen. Übung 21-5 Glauben

Sie,

daß

die

Wasserstoffatome

neben

dem

Heteroatom

in

einem

Amin

RCH;,NH;, mehr oder weniger entschirmt sind als die entsprechenden Wasserstoffatome in einem Alkohol RCH,OH? Begründen Sie Ihre Meinung.

1027

Start — |i

of sweep DT

900 Hz I

End of sweep

ei: ;;

750

|

ı

—————

©EEE

Abb. 21-4 90 MHz 'H-NMR-Spektrum von Azacyclohexan (Piperidin). Wie die OH-Signale von Alkoholen kann auch der AminNH-Peak nahezu überall im normalen Bereich der Wasserstoff-Absorption erscheinen. In diesem Fall ist ö = 1.29, und die NHAbsorption ist scharf, da in einem wasserfreien Lösungsmittel gemessen wurde.

Bei

"C-NMR-Spektren

ist eine

ähnliche

Tendenz

festzustellen:

Signale von Kohlenstoffatomen, die direkt an das Stickstoffatom gebunden sind, erscheinen bei erheblich höherer Frequenz als die von Kohlenstoffatomen in Alkanen. Aber auch hier ist, wie in den Protonenspektren (Übung 21-5), der entschirmende Effekt des Stickstoffs weniger ausgeprägt als der des Sauerstoffs.

BC-Verschiebungen einiger Amine 25.5

23.6

25.1

25.7

s)

21,2

verglichen mit

47.5

N

n

(6)

H (CH3CH3)2NH

15,4

44.2

Pe

|

CH3NCH(CH3)» 33.6

509

22.6

2.8 68.0

50.4

36.7

NH>

HR NCH3CH3CH;CH:CH;NH, 22

34

3.1

Die Isotope "N und '°®N kann man NMR-spektroskopisch

direkt

beobachten (siehe Tab. 10-1). Dieses Verfahren gewinnt bei der Strukturaufklärung stickstoffhaltiger Verbindungen zunehmend an Bedeutung; dieses Thema soll jedoch speziellen Lehrbüchern überlassen bleiben. Auch mit der Massenspektrometrie kann man die Gegenwart von Stickstoff in einer organischen Verbindung feststellen. Während Kohlenstoff vierwertig ist, ist Stickstoff dreiwertig. Aufgrund dessen und aufgrund seiner geraden Atommasse (14) haben Moleküle, die ein Stick-

1028

21.3

(M - CH)"

Spektroskopie der Aminogruppe

100 -

(CH3CH3)3N

Abb. 21-5 Massenspektrum von N,N-Diethylethanamin (Triethylamin), in dem der Peak des Mole-

kül-Ions bei m/z = 101 zu erken-

Häufigkeit Relative

0

20

40

60

80

100

120

nen ist. Im allgemeinen haben Moleküle, die ein Stickstoffatom enthalten, eine ungeradzahlige molare Masse. Der Basispeak entsteht durch Abspaltung einer Methylgruppe, wodurch ein Iminium-lon mit m/z = 86 entsteht.

miz

stoffatom (oder eine ungerade Anzahl von Stickstoffatomen) enthalten, eine ungerade molare Masse (siehe Übung 20-27). Beispielsweise zeigt das Massenspektrum von N,N-Diethylethanamin (Triethylamin) den Peak des Molekül-Ions bei m/z = 101 (Abb. 21-5). Der Basis-Peak bei m/z = 86 wird durch den Verlust einer Methylgruppe verursacht. Solch eine Fragmentierung ist deshalb bevorzugt, da sie zu dem resonanzstabilisierten Iminium-Ion führt.

Fragmentierung von N,N-Diethylethanamin im Massenspektrometer

[CCHsCH2)2NCH,-H-CH3]

""

mg

CH3

+

LCHSCHJSN-ICH,*

N,N-Diethylethanamin (Triethylamin)

—

(CH3CH3>);N=CH;3]

Ein Iminium-Ion miz = 86

nz = 101

Oft bricht die C—C-Bindung neben dem Stickstoffatom so leicht, daß das Molekül-Ion nicht beobachtet werden kann. Im Massenspektrum von 1l-Hexanamin, einem Isomer von N,N-Diethylethanamin, ist beispielsweise das Signal des Molekül-Ions (m/z = 101) kaum sichtbar; der höchste Peak entspricht dem Methyleniminium-Bruchstück [CH5=NH3]" (m/z = 30; Abb. 21-6).

100-

(CH3= NH5) " 30

CH3(CH3)sNH3 50

Häufigkeit Relative

0

20

40

60

miz

80

100

120

Abb. 21-6 Massenspektrum von I-Hexanamin. Das Signal des Molekül-Ions ist kaum erkennbar, während das des resonanzstabilisierten Methyleniminium-Ions der Basis-Peak ist.

1029

21 Amine und ihre

Derivate

Wir

halten

fest:

Die

IR-Valenzschwingung

der

N—H-Bindung

erscheint in einem Bereich zwischen 3300 und 3500 cm’, die chemische

Gil CHz3CCH>NHCHJ>CH; CH; N-Ethyl-2,2-dimethylpropanamin

Verschiebung des an das Stickstoffatom gebundenen Wasserstoffatoms kann variieren. Durch die elektronenziehende Wirkung des Stickstoffatoms werden benachbarte Kohlenstoff- und Wasserstoffatome entschirmt, jedoch in geringerem Ausmaß als in Alkoholen und Ethern. Die Massenspektren einfacher Alkanamine mit nur einem Stickstoffatom im Molekül haben einen ungeradzahligen Peak des Molekül-Ions, da Stickstoff dreiwertig ist. Die Fragmentierung erfolgt meist so, daß das resonanzstabilisierte Iminium-Ion entsteht. ) Übung 21-6 ")

Welche Signale würden Sie in den Spektren (IR, NMR, m/z) von N-Ethyl-2,2-dimethylpropanamin erwarten?

21.4 Acıdität und Basızität von Aminen Amine sind, wie Alkohole (Abschn. 8.3), sauer und basisch. Da Stickstoff jedoch weniger elektronegativ ist als Sauerstoff, sind Amine ungefähr um 20 Größenordnungen weniger sauer als vergleichbare Alkohole. Andererseits wird das freie Elektronenpaar leicht protoniert, so daß Amine gute Basen sind. Acidität und Basizität von Aminen

Das Amin wirkt als Säure ..

a

Ky

+ ":B=—=

..

RNH

+

HB

H

Das Amin wirkt als Base H

x

RNH; + HA Amine Amine

sind sehr schwache

Ku

I+

RNH, + ":A

Säuren

sind schwächer sauer als Alkohole,

dafür kennen wir bereits ein

Beispiel: Mit Amid-Ionen, R,N , kann man Alkohole deprotonieren (Abschn. 8.3 u. 9.1). Das Gleichgewicht dieser Protonenübertragung liegt auf der Seite des Alkoxid-Ions, wobei die Gleichgewichtskonstante

ungefähr 10° beträgt. Dieser hohe Wert kommt durch die starke Basizität des Amids zustande, diese wiederum spiegelt sich wider in der geringen Bereitschaft von Aminen, ein Proton abzugeben. Der pK,-Wert von Ammoniak und Alkanaminen beträgt ungefähr 35. Acidität von Aminen _

o.

Er

EN =

RNH + H,O == |

&

RNH + H50H

[RNH][H>OH]

K, = —— IRNH]

H

Ami (schwache Share)

1030

+

|

Amid-Ic (starke Base)

pK, = 35

2

Für die Deprotonierung von Aminen sind überaus starke Basen nötig, z.B. Alkyllithium-Verbindungen. Lithiumdiisopropylamid (LDA), eine sterisch stark gehinderte Base, die wir von manchen bimolekularen Eliminierungen her kennen (Abschn. 7.8), stellt man im Labor durch Umsetzung von N-(1-Methylethyl)-2-propanamin (Diisopropylamin) mit Butyllithium her.

21.4

Acidität und Basizität von Aminen

Herstellung von LDA CH;

CH3

CH3

2

CH3CHNHCHCH3

CH3CH;CH3>CH3Li

en

— CHSCHSCHSCH,H

(CH3CH)z N Li

N-(1-Methylethyl)-

Lithium-

2-propanamin (Diisopropylamin)

diisopropylamid, LDA

Eine alternative Möglichkeit, Amid-Ionen darzustellen, ist die Umset-

zung von Aminen mit Alkalimetallen. Diese lösen sich, wenn auch recht langsam, in Aminen, dabei entwickelt sich Wasserstoff, und es entstehen

Aminsalze (Amide). So erhält man z.B. Natriumamid durch Auflösen von metallischem Natrium in flüssigem Ammoniak in Gegenwart katalytischer Mengen Fe°*, das den Elektronen-Transfer erleichtert. In Abwesenheit eines solchen Katalysators löst sich Natrium einfach in Ammoniak

auf, wodurch

eine

stark

reduzierend

wirkende

Lösung

entsteht

(Abschn. 13.7). Herstellung von Natriumamid

2 Na

Amine

N ee

NaNH,

sınd mittelstarke Basen

Amine deprotonieren Wasser in geringem Ausmaß, so daß Ammoniumund

Hydroxid-Ionen

entstehen.

Amine

sind

also,

wie

erwartet,

viel

stärker basisch als Alkohole. Das quantitative Maß der Basenstärke, der pK,-Wert (siehe Abschn. 2.9), beträgt bei Aminen ungefähr 4. H

Be RNH, + HOH

aut + HO:” = RNH,

Amin

Alkylammonium-Ion

H

+

5.

[RNHZIIHÖ:) Ku ee

10

,

IRNR;]

Pk = 4 Alkanamine

sind etwas

stärker

basisch

als Ammoniak,

aber schwä-

cher basisch als das Hydroxid-Ion (pK, = -1.7). pK,)-Werte einer Reihe einfacher Amine NH3

pKyp = 4.76

CH;NH>

(CH3)>;NH

3.38

3,27

(CH3)3N

4.21

Die Protonierung von Aminen ergibt Ammoniumsalze. Je nach Anzahl der Substituenten am Stickstoffatom erhält man primäre, sekundäre und tertiäire Ammoniumsalze. Es gibt auch quartäre Ammoniumsalze, diese kann man durch Alkylierung tertiärer Amine herstellen.

1031

21

RNHR + H'ICT —>

Amine und ihre

RNH3 "Cl

Derivate

Primäres Ammoniumchlorid

RNES TR

RoNH, *C1” Sekundäres Ammoniumchlorid

RsN:

+ H'TT

.—

R3NH *I° Tertiäres Ammoniumiodid

RAN

RBr

ie

R4N "Br Quartäres Ammoniumbromid

Ammoniumsalze

benennt

man,

tuenten die Endung -ammonium nachstellt. +r47 CH3NH3 Cl Methylammoniumchlorid

indem

man

den Namen

der Substi-

anfügt und den Namen des Gegenions

+7 (CH3CH>)4N I Tetraethylammonium iodid

2+ 2 [CEHSCH>N(CH3)3]o” SO4 Benzyltrimethylammoniumsulfat

Sind alle vier Substituenten verschieden, ist das Ammonium-Ion chiral. Da das ursprünglich freie Elektronenpaar nun den vierten Substituenten bindet, ist die Konfiguration quartärer Ammoniumsalze stabil, und dieses kann, wenn es chiral ist, in Enantiomere getrennt werden. Dazu kann man ein enantiomerenreines chirales Sulfonat als Gegenion (siehe Abschn. 5.8) hinzufügen und die diastereomeren Salze fraktionierend kristallisieren. Trennung eines chiralen Ammoniumsalzes = | CH5CH=CH; |

en

+

CHZNCH;CsHs

2“

H,CH=CH 2 CH»

tisch

CH3NCH>CsHs

rei

vos > = >—

Racemisches Ammoniumiodid

2. Zugabe von I” (Austausch gegen

R*SO;)

3

O;SR*

|

reiner chiraler

RER)

L

CoHs

Diastereomere eines chiralen Ammoniumsulfonats

1. Trennung durch fraktionierende

Kristallisation

er

NZ

(R* = optisch

CoHs

+

Be

Be

CH,CH=CH, ae

NI

CH,CH=CH,

+

H,C ” RCH>CsHs

a

„N Ng

CH>CgHs

Getrennte Enantiomere eines chiralen Ammoniumiodids

Übung 21-7 Bestimmen Sie die absolute Konfiguration der beiden Enantiomeren Ammoniumsalzes, deren Trennung soeben beschrieben wurde.

des

chiralen

Die freien Elektronenpaare in Arenaminen und Iminen sind für Protonierungen schlecht verfügbar Die Basizität von Aminen steht in engem Zusammenhang mit der elektronischen Umgebung des Stickstoffatoms. Beispielsweise ist Benzolamin (Anilin) bedeutend weniger basisch (pX,= 9.37) als sein gesättigtes Analogon Cyclohexylamin (pK»= 3.34) Din andere primäre Amine. Dafür gibt es zwei Gründe: Einer ist die sp--Hybridisierung des zum

1032

aromatischen System gehörenden Kohlenstoffatoms, an das die Aminogruppe gebunden ist. Dadurch wirkt es elektronenziehend (Abschn. 11.2 u.

13.2), wodurch

das freie Elektronenpaar

am

Stickstoffatom

21.4

Acidität und Basizität von Aminen

in

geringerem Ausmaß zur Verfügung steht. Der zweite Grund ist die Resonanz, durch die das freie Elektronenpaar in gewissem Maße eine Delokalisierung in das direkt benachbarte rn-System erfährt (Abschn. 16.1). Wie zu erwarten ist, beeinflußt auch die Hybridisierung des Stickstoffatoms selbst seine Fähigkeit, Protonen zu binden, beträchtlich, und

zwar in der folgenden Reihenfolge: NH; > R,C=NR’ > RC=eN. Dieses Phänomen haben wir bereits bei der Diskussion der Acidität von Alkanen, Alkenen und Alkinen (Abschn. 13.2) kennengelernt. Entsprechend weisen Imine pK,-Werte in der Größenordnung von 7 bis 9 auf, Nitrile

sind noch weniger basisch (pK, > 20).

Ammoniumsalze sind schwache Säuren Oft ist es von Nutzen, sich die Basizität einer Verbindung anhand der Stärke ihrer konjugierten Säure (Abschn. 2.9) vorzustellen. Die konjugierten Säuren der Amine sind die entsprechenden Ammonium-Ionen. Acidität von Ammonium-Ionen H

-

RNH; + 50 = H

..

K,

RNH3> + H,OH ..

=

>

x, — RNHZIEROR] _ ‚g-10 N

a

A

[RNH3>]

F

H pk, = 10

Aus dem pK,-Wert errechnet man leicht den pXK,-Wert der konjugierten Säure, da folgende Gleichung gilt: pK, + pK, = 14 (Abschn. 2.9). - PK,-Werte einer Reihe einfacher Ammoniumsalze”“ +

pk, =

+

+

+

NH,

CH3NH3

(CH3)2NH3

(CH3)3NH

9.24

10.62

10.73

9.79

Wir halten fest: Amine sind schwache Säuren und werden durch Alkyllithium-Verbindungen oder durch Alkalimetalle in Amid-Ionen überführt. Sie sind jedoch starke Basen, allerdings etwas schwächer als das Hydroxid-Ion.

Optisch aktive Amine dienen zur Enantiomerentrennung Einige in der Natur vorkommende optisch aktive Amine, insbesondere Alkaloide (Kap. 25), dienen zur Enantiomerentrennung (Abschn. 5.8 und 21.2). Sie bilden beispielsweise mit chiralen racemischen Carbonsäuren

leicht

diastereomere

Ammoniumsalze,

die

fraktionierend

kristallisiert werden können. Durch anschließende Ansäuerung wird das Amin regeneriert, und man erhält die reinen Enantiomere der Säure.

*

Leider herrscht in der Literatur oft die verwirrende Praxis, den pK,-Wert eines Ammoniumsalzes auf das neutrale Amin zu beziehen. In der Behauptung „Der pK, von Methanamin beträgt 10.62“ ist in Wirklichkeit der pK, des Methylammonium-Ions gegeben. Der pK, von Methanamin beträgt 35.

1033

Kasten 21-2

Trennung organischer Verbindungen über Säure-Base Eigenschaften Organische Verbindungen mit unterschiedlicher Säure- oder Basenstärke lassen sich häufig durch Extraktion trennen. Die Trennverfahren funktionieren am besten, wenn das Ausgangsgemisch in Wasser weitaus schlechter als in organischen Lösungsmitteln wie Hexan oder Ethoxyethan (Diethylether) löslich ist. Zunächst wird eine Lösung des Gemischs in einem dieser Lösungsmittel mit einer schwachen wäßrigen Base, wie NaHCO;, behandelt. Hierdurch wird jede eventuell in der Mischung vorliegende Säure in ihr Natriumsalz überführt. Das wasserlösliche Salz tritt aus der organischen in die wäßrige Phase über. Nach Trennung der Phasen kann die organi-

sche Säure durch Ansäuern mit einer starken Mineralsäure wie HCl wieder aus der wäßrigen Phase entfernt werden. Als nächstes wird die verbleibende organische Lösung mit Säure versetzt, wodurch jedes eventuell vorhandene Amin in das entsprechende wasserlölicheer Ammoniumsalz übergeht, das in die wäßrıge Phase übertritt. Trennung der Phasen ergibt eine organische Lösung, die nur neutrale (d.h. nur sehr schwach saure oder basische) Substanzen enthält. Das Amin wird aus der wäßrigen Lösung durch Zugabe einer starken Base wie NaOH entfernt. Ein Fließschema einer solchen Trennung ist im folgenden gezeigt.

Trennung organischer Säuren und Basen von neutralen Substanzen Gemisch aus RCO,H, R'NH3, und neutralen organischen Verbindungen in einem organischen Lösungsmittel extrahieren mit wäßriger NNHCO; organische Phase

wäßrige Phase

RCO,

11,+

R’NH;3 und neutrale Verbindungen

Na

Jansenmit HCl

RCO,H

extrahieren mit wäßriger HC] wäßrige Phase

R'NH3" CI”

organische Phase

neutrale Verbindungen

| alkalisieren mit NaOH

RNH7

21.5 Synthese von Aminen durch Alkylıerung Amine können durch Alkylierung von Stickstoffatomen synthetisiert werden. Einige dieser Verfahren nutzen eine wichtige Eigenschaft des Stickstoffatoms in vielen Verbindungen aus: es wirkt als Nucleophil.

Amine können aus anderen Aminen gebildet werden Als Nucleophile reagieren Amine mit Halogenalkanen zu Ammoniumsalzen (Abschn. 6.3). Leider bildet sich bei der Reaktion nicht nur ein Produkt, da das entstehende Ammoniumsalz normalerweise weiter alkyliert wird. Woraus ergibt sich diese Komplikation? Betrachten wir die Alkylierung von Ammoniak mit Brommethan. Wenn wir äquimolare Mengen der Ausgangssubstanzen vorlegen, entsteht als Produkt Methylammoniumbromid, das mit dem vorliegenden 1034

Ammoniak sofort ein Proton austauscht. Die geringen Mengen von Methanamin, die so entstehen, konkurrieren mit Ammoniak um das Alkylierungsreagenz. Durch weitere Methylierung entsteht ein Dimethylammoniumsalz,

das

sein

Proton

an

jede

der

beiden

21.5

Synthese von Aminen durch Alkylierung

anwesenden

Stickstoffbasen geben kann, so daß N-Methylmethanamin (Dimethylamin) entsteht. Damit haben wir ein drittes Nucleophil in unserer Reaktionsmischung, das mit Brommethan reagieren kann zu N, N-Dimethylmethanamin (Trimethylamin) und schließlich zu Tetramethylammoniumbromid, einem quartärten Ammoniumsalz. Das Endergebnis ist ein Gemisch aus Alkylammoniumsalzen und Alkanaminen. Methylierung von Ammoniak

Erste Alkylierung: Es entsteht das primäre Amin +

H3N: + CH3Br

—o

CH3NH3

Br

Methylammoniumbromid

Ha, Br +:NH; ==

CHNH:

+ HNH> Br”

..

+

Methanamin

H

Zweite Alkylierung: Es entsteht das sekundäre Amin ..

+

CH3NH3>

+ CH3zBr

—>

(CH3)>NH3

Br

Dimethylammoniumbromid ..

+

Br

Se

+:NH,

..

oder CH,NH,

+

(CH3),NH

==

+ HNH3

be

Br

oder

un

N-Methylmethanamin H

*

Br

H

(Dimethylamin)

Dritte Alkylierung: Es entsteht das tertiäre Amin .. (CH3);NH

+ + CH;Br

er

(CH;)3NH

Br

Trimethylammoniumbromid

(CH3)3NH

Br

+ Amin

—

(CH3)3N :

+ Amin-Hydrobromid

N,N-Dimethylmethanamin (Trimethylamin)

Vierte Alkylierung: Es entsteht das quartäre Ammoniumsalz (CH3)3N:

T CH»Br

_—>o

(CH3)4N *Br

Tetramethylammoniumbromid

Durch einen großen Überschuß von Ammoniak oder eines anderen Ausgangsamins läßt sich der Anteil der mehrfach alkylierten Produkte zurückdrängen, aber auch dann erhält man oft nur mäßige Ausbeuten. (CH3CH>CH3>)»NH Überschuß N-Propylpropanamin (Dipropylamin)

+ CH>CH,I

—

(CH>3CH>CH3),NCH>CH;

+ (CH>CH>CH>)NHSI

40% N,N-Ethylpropylpropanamin (Ethyldipropylamin)

Daß man bei der Behandlung von Halogenalkanen mit Ammoniak oder Aminen ein Produktgemisch erhält, ist ein entscheidender Nachteil, der die synthetische Verwendbarkeit der direkten Alkylierung stark einschränkt. Daher werden häufig indirekte Alkylierungsverfahren angewandt. 1035

21

Amine

U Übung 21-8

und ihre

Derivate

©) Benzolamin (Anilin) kann, wie auch andere Amine, durch (Chlormethyl)benzol (BenÖ zylchlorid, C,HsCH;Cl) benzyliert werden. Während jedoch Alkanamine bereits bei \ | Raumtemperatur reagieren, sind für diese Umsetzung Temperaturen zwischen 90 und

=

95°C nötig. Erklären Sie dies (Hinweis: siehe Abschn.

16.3 u. 21.4).

Die indirekte Alkylierung liefert bessere Ergebnisse Um die Alkylierung von Aminen kontrolliert durchzuführen, ist ein Stickstoff-Nucleophil notwendig, das nur einmal reagiert. Durch das Cyanid-Ion z.B. wird ein Halogenalkan in ein Nitril umgewandelt, das daraufhin zum entsprechenden Amin reduziert werden kann (Abschn. 20.8). Mit dieser Reaktion erhält man ein Amin mit einer Kohlenstoffatom verlängerten Alkylkette: RX — RCH3;NH,..

um

ein

Umwandlung eines Halogenalkans in das homologe Amin durch Substitution mit Cyanid und anschließender Reduktion RX+"CN—Rc=N+X LiAIH, oder H,, Metallkatalysator

RC=N

m

00

RCH>»N H>

>

Ein Beispiel: Br(CHz)sBr

+ NaCN

DMSO —

H,, Raney-Ni, 10 MPa — +

NC(CH3)sCN

—2NaBr

H>NCH3;(CH>)sCH>NH>

93%

1,8-Dibromoctan

80%

Decandinitril

1,10-Decandiamin

Um eine Aminogruppe einzuführen, ohne gleichzeitig die Kohlenstoffkette zu verlängern, braucht man ein modifiziertes StickstoffNucleophil, das nach der ersten Alkylierung unreaktiv sein muß. Solch ein Nucleophil ist das Azid-Ion, N; , das mit Halogenalkanen zu Alkylaziden reagiert, die wiederum durch katalytische Hydrierung (Pd/C) oder mit Lithiumaluminiumhydrid zu den entsprechenden primären Aminen reduziert werden.

R-N; Alkylazid

Umsetzung mit Azid und anschließende Reduktion Sp

2 Na* N”

:

CH;CH,OH

’

— Na*Br” Sy2-Reaktion l. LiAIH4, (CH3CH3),0

+

wg

KR. H*

FREENET

91%

89% 3-Cyclopentylpropanamin

3-Cyelopentylpropylazid

Eine

weitere

Halogenalkan

Variante

dieser

mit Nitrit zum

das z.B mit Eisen zum

Amin

indirekten

Methode

entsprechenden reduziert werden

besteht

Nitroalkan

darin, ein

umzusetzen,

kann.

Darstellung eines Amins durch Bildung eines Nitroalkans und Reduktion ii

nn

CHz(CH>)s CHCH3 rn mr 2-Bromoctan

NH;

HT, CH,(CH2)s CHCH3 Fu CHz(CH,)s CHCH, F850e 58% 2-Nitrooctan

90%

2-Octanamin

Diese Sequenz erinnert an die aromatische Nitrierung mit anschließender Reduktion zum Arenamin (Anilin, Abschn. 16.5), Nitroarene entstehen jedoch durch elektrophile, nicht durch nucleophile Nitrierung. 1036

Arenamine

21.5

(Aniline) aus Aromaten

CH3

CH3

3

NO,

HNO, H3S04 - 24,0

NH»

H>, Ni, A

NO;

NH37

87% Methylbenzol (Toluol)

Synthese von Aminen durch Alkylierung

75% 4-Methyl-1,3-benzoldiamin (2,4-Diaminotoluol)

1-Methyl-2,4-dinitrobenzol (2,4-Dinitrotoluol)

Übung 21-9 Nitromethan hat einen ungewöhnlich niedrigen pX,-Wert von ungefähr 10 (dies wird bei der Synthese alkylierter Derivate und der entsprechenden Amine ausgenutzt). Wie erklären Sie sich diesen Wert?

Ein nichtreduktiver Zugang zu primären Aminen geht von dem Anion von 1,2-Benzoldicarboximid (Phthalimid) aus, dem cyclischen Imid der 1,2-Benzoldicarbonsäure (Phthalsäure). Dieses Verfahren ist als Gabriel-Synthese“ bekannt. Da das Stickstoffatom in 1,2-Benzoldicarboximid (Phthalimid) von zwei Carbonylfunktionen flankiert ist, ist die NH-Gruppe ungewöhnlich acide (pK, = 8.3), stärker als ein gewöhnliches Amid (pXK, = 15, siehe Übung 20-19). Sie wird deshalb bereits von einer so milden Base wie dem Carbonat-Ion deprotoniert; das entstehende Anion wird in guter Ausbeute alkyliert. Durch saure Hydrolyse setzt man das Amin anschließend

als Ammoniumsalz

frei. Behandelt

man

dieses mit Base,

erhält man das freie Amin. Gabriel-Synthese eines primären Amins

)

Oo OH

:NH3, 300° _

OH

= or

KCO;, 0,

f

5

100°C

Ö 97% 1,2-Benzoldicarboximid (Phthalimid)

OÖ

NCH,C=CH

DMF,

Te —KBr

16) 1,2-Benzoldicarbonsäure (Phthalsäure)

HC=CCH»Br ,

.-K*

Ö

#250« H20, 120°C

a6 u HC==CCH

NH

>

NaOH, H,O

93% N-2-Propinyl-1,2-benzoldicarboximid > (N-Pro Iphthalimid) Re

.. HC=CCH3> NH>

a

73% 2-Propinamin (Propargylamin)

wird bei wäßriger Aufarbeitung entfernt

* Siegmund Gabriel, 1851-1924, Professor an der Universität Berlin.

1037

21 Amine Derivate

und ihre

Übung 21-10 Ein N-Alkyl-1,2-benzoldicarboximid (N-Alkylphthalimid) wird häufig mit Base oder mit Hydrazin, H;NNH;,, gespalten. Dabei erhält man das 1,2-Benzoldicarboxylat A bzw. das Hydrazid B. Beschreiben Sie die Mechanismen beider Umwandlungen.

o

COO”

x Ex

\coo-

NH 2

er

2

NH

1%

A 0

(0)

B

6)

Übung 21-1

Wie würden Sie die Gabriel-Methode bei der Synthese folgender Amine einsetzen? (a) Hexanamin; (b) 3-Methylpentanamin; (c) Cyclohexanamin; (d) H;NCH;COOH, der ) Aminosäure Glycin. (Hinweis: Bei der letzten Synthese muß die Carboxylgruppe als , Ester geschützt werden; wissen Sie, warum?) Betrachten Sie noch einmal die vier Syn| thesen: Wo würde die Umsetzung mit Azid mit nachfolgender Reduktion gleichgute, = bessere oder schlechtere Ergebnisse liefern?

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß Amine aus Ammoniak oder anderen Aminen durch einfache Alkylierung dargestellt werden können, allerdings mit schlechten Ausbeuten. Man verwendet besser indirekte Methoden, die die Nitril- und die Azidgruppe benutzen, oder geschützte Systeme wie 1,2-Benzoldicarboximid (Phthalimid) in der Gabriel-Synthese.

21.6 Synthese von Aminen durch reduktive Aminierung Ein weiteres Syntheseverfahren für Amine, die reduktive Aminierung, beginnt mit der Kondensation von Aminen mit Carbonylverbindungen zu Iminen (Abschn. 17.9). Wie die Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindung in Aldehyden und Ketonen läßt sich die Kohlenstoff-StickstoffDoppelbindung in den Iminen durch katalytische Hydrierung oder Hydrid-Reagenzien reduzieren. Als Ausgangsverbindungen für reduktive Aminierungen kann man Aldehyde und Ketone einsetzen.

Reduktive Aminierung eines Ketons

ar C=0

+H,R

R' R

R'

Nov 2

R| — Reduktion

R’—C—NHR | H

für den Erfolg dieser Reaktion

der Reduktionsmittel,

+ H:0

X

R”

R’

Ausschlaggebend

Be. C=N

—— Kondensation

ist die Selektivität

katalytisch aktivierter Wasserstoff oder Natrium-

cyanoborhydrid, Na'BH;CN. Unter den gewählten Reaktionsbedingungen reagieren beide mit der Imin-Doppelbindung rascher als mit der Carbonyl-Doppelbindung. Diese Reaktion führt man gewöhnlich durch, indem man

die Carbonyl-Komponente

und das Amin zusammen

mit dem Reduktionsmittel vorlegt, wobei sich ein vorgelagertes Gleichgewicht zwischen Carbonylverbindung und Amin einerseits und dem Imin und Wasser andererseits ausbildet.

1038

Aminsynthese durch reduktive Aminierung

Ü| )-cmo + NH,

H,O - —

cum

U

H

Ha, Ni, CH3CH>OH, 70°C,o

9 MPa

H

Bo “© CHNH

+M

89% Benzolcarbaldehyd

nicht isoliert

Phenylmethanamin

(Benzaldehyd)

(Benzylamin)

+ No

—

PT

H

2oO

S

‚NH,

H

NH

7

en

= ai 2-3 NaBH;CN, CHsCH3OH, pH =

+ H,O

61% Cyclohexanon

nicht isoliert

Cyclohexanamin

Natriumeyanoborhydrid stellt man her, indem man Natriumborhydrid, NaBH,, mit Cyanwasserstoff umsetzt. Die elektronenziehende Cyanogruppe beeinträchtigt die Fähigkeit des Borhydrid-Ions, H auf die zu reduzierende Gruppe zu übertragen. Deshalb wirkt Cyanoborhydrid als Reduktionsmittel selektiver. Im Gegensatz zu Borhydrid ist es in protischen sauren Medien (pH = 2-3) auch relativ stabil, so daß es für reduktive Aminierungen das Mittel der Wahl ist. Die reduktive Aminierung von Formaldehyd (Methanal) bietet einen bequemen Zugang zur Methylierung eines sekundären Amins. Primäre Amine werden mit dieser Methode zweifach methyliert.

[UJyanct H

+ CH

BHFN CHROH

[UJyancas HCH3 100%

N-(Phenylmethyl)eyclopentanamin (Benzyleyclopentylamin)

N-Methyl-N-(phenylmethyl)cyclopentanamin (Benzyleyclopentylmethylamin)

H

(CH3)3; CCH,NH,

|

(CH3)3,CCH>NCCH>)2

+2 CH,=0O NeBHEN, CHLOH ,

84% 2,2-Dimethylpropanamin

N,N,2,2-Tetramethylpropanamin

Reduktive Aminierung mit sekundären Aminen führt zu den entsprechenden N, N-Dialkylamino-Derivaten. H

16) Ä H3C

H;C

€

N(CH3)2

(CH2)NH, NaBH-CN, CHzOH H;C

BOSCH;

CH3

89%

Übung 21-12 Reduktive Aminierung mit einem sekundären Amin verläuft über ein intermediäres Iminium-Ion. Beschreiben Sie den Mechanismus dieser Reaktion.

kunde en.CE)

Übung 21-13

, Erklären Sie die folgende Reaktion anhand des Mechanismus.

. CH,OH, \ N HÜCH>CH>CHCH>CH;CH -N2BHSEN 35%

1039

21 Amine und ihre Derivate

In einer der reduktiven Aminierung verwandten Reaktion werden Oxime (die durch Kondensation von Carbonylverbindungen mit Hydroxylamin entstehen, Abschn. 17.9), mit Lithiumaluminiumhydrid zu primären Aminen reduziert. Im allgemeinen isoliert man das Oxim vor der Reduktion.

Darstellung von Aminen aus Oximen ÖH O l. LiAIHa, (CH3CH5)30

NH>OH

2.4°,40.

EINEN ALLEN

ne ee ae en

- H,0

85%

Durch Verwendung des milderen Reduktionsmittels Natriumcyanoborhydrid ist es möglich, das intermediär gebildete Hydroxylamin zu isolieren. Bildung von Hydroxylaminen aus Oximen se N

HNOH

NaBH3CN, CH3COOH 81%

Wir fassen zusammen: die reduktive Aminierung ergibt Alkanamine durch reduktive Kondensation von Aminen mit Aldehyden und Ketonen.

21.7 Synthese von Aminen aus Carbonsäure-Derivaten Carbonsäureamide sind vielseitige Vorstufen für Amine (Abschn. 20.6). Wir wissen, daß Amide leicht durch Reaktion von Alkanoylhalogeniden mit Aminen entstehen, und daß Amidat-Ionen leicht alkyliert werden. Durch Reduktion mit Lithiumaluminiumhydrid werden sie in die zugehörigen Amine umgewandelt.

Anwendung von Amiden in der Amin-Synthese

|

2

RCCI +H3NR’

e

=> RCNHR’

Base

|

—

H

|=

> RCNR’ Na"

R’X

1

RC ww

LiAIH4, (CH3CH>);0 R'

RC H>N ’

Amidat-lon

Primäre Amide werden durch Oxidation mit Brom oder Chlor in Gegenwart von Natriumhydroxid in Amine umgewandelt. Diese Reaktion ist uns als Hofmann-Umlagerung (Abschn. 20.7) bekannt. Erinnern Sie sich, daß die Carbonylgruppe dabei als CO, entfernt wird, so daß das entstandene Amin ein Kohlenstoffatom weniger als das Edukt enthält. 1040

Darstellung von Aminen durch Hofmann-Umlagerung

21.7

Synthese von Aminen

aus Carbonsäure-Derivaten

0 | RCNH, Ba N:OH MO, RNH, + 0=C=O In ähnlichen Umsetzungen geht man von einem Alkanoylhalogenid (Curtius“-Umlagerung) oder von einer Carbonsäure (Schmidt“*-Umlagerung) aus, die in beiden Fällen mit Natriumazid reagieren. Bei der Curtius-Umlagerung verdrängt das Azid-Ion zunächst das Halogenid durch einen Additions-Eliminierungs-Mechanismus. Das resultierende Alkanoylaziıd spaltet Stickstoff ab, wobei intermediär ein Acylnitren

entsteht,

das

als

Umlagerung postuliert wird. entsteht ein Isocyanat, das hydrolysiert wird.

Zwischenstufe

auch

bei

der

Hofmann-

Durch die Wanderung der Alkylgruppe in Gegenwart von Wasser zum Amin

Mechanismus der Curtius-Umlagerung Ö

\

j

|! +7. CHCls RECIENaUN: |cr

rau

nen RO-NLNEN:

>

Alkanoylazid

|

RCN:

—mlagerung

RN=C—=0 2%, RNH, +0—=C=0O

Acylnitren

Eine einmalige Besonderheit der Curtius-Umlagerung ist, daß sie in inerten Lösungsmitteln wie Methannitril (Acetonitril) auf der Stufe des Isocyanats angehalten werden kann:

PR

N NN

An

oOa

Na*N3”, CH,CN, 82°C ”

= Na, — NaCl

LG

N=C=0

16) 84%

Die Schmidt-Umlagerung verläuft über dieselben Stufen, nur geht man hier von einer Carbonsäure aus und hat unter den gegebenen Reaktionsbedingungen keine Möglichkeit, das intermediär gebildete Isocyanat zu isolieren. Die Additions-Eliminierungs-Reaktion, durch die das Alkanoylazid entsteht, wird durch Schwefelsäure katalysiert. Diese wird durch die basische Aufarbeitung neutralisiert. Amin-Synthese durch Schmidt-Umlagerung

CHz(CH3) COOH

1. Na'N;3 , H3S04. Cole

2

. NaOH, H,O

CH3(CH)ısCH3NH; 96%

Octadecansäure

Heptadecanamin

Übung 21-14 Schlagen Sie verschiedene Methoden vor, N-Methylhexanamin Möglichkeiten) und aus N-Hexylmethanamid herzustellen.

* **

aus Hexanamin

(zwei

Theodor Curtius, 1857-1928, Professor an der Universität Heidelberg. Dr. Karl F. Schmidt, 1887-1971, Knoll AG, Ludwigshafen.

1041

21 Amine und ihre Derivate

Zusammengefaßt läßt sich sagen, daß Amide durch Behandeln mit Lithiumaluminiumhydrid zu Aminen reduziert werden. Bei der Hofmann-Umlagerung entstehen unter Abspaltung des Kohlenstoffatoms der Carboxylgruppe aus Amiden Amine.

21.8 Quartäre Ammoniumsalze:

Hofmann-Eliminierung Die Alkylierung von tertiären Aminen mit Halogenalkanen ergibt quar-

täre Ammoniumsalze (Abschn. 21.5). Diese reaktiven Spezies gehen beim Erhitzen mit einer Base unter Eliminierung eines Protons in Alkene und tertiäre Amine über. Diese Umsetzung, die sogenannte Hofmann“-Eliminierung, hat eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Struktur von natürlich vorkommenden Aminen gespielt. Durch nucleophilen Angriff eines Amins auf ein Halogenalkan entsteht ein Ammonium-Ion. Bei einem quartären Ion ist keine weitere Alkylierung möglich, da keine substituierbaren Protonen mehr vorhanden sind. Dennoch sind quartäre Ammoniumsalze instabil, besonders in Gegenwart starker Basen, da sie eine bimolekulare Eliminierung eingehen können, die zur Ausbildung eines Alkens führt. Dabei greift die Base das zum Stickstoff ß-ständige Wasserstoffatom an, und das neutrale Trialkylamin tritt zusammen mit seinem Elektronenpaar aus.

Bimolekulare Eliminierung von quartären Ammonium-Ionen $

NR3

N

3

a

Se

EEUMEETDTEREN

8

EIER

Alken

:ÖH

Bei der Durchführung der Hofmann-Eliminierung wird das Amin zunächst mit einem Überschuß Iodmethan vollständig methyliert (erschöpfende Methylierung) und dann mit feuchtem Silberoxid (einer Quelle von OH ) behandelt, um das Ammoniumhydroxid zu erzeugen. Durch Erhitzen erfolgt der Abbau dieses Salzes zum Alken. Der Vorteil von Iodmethan gegenüber anderen Halogenalkanen liegt auf der Hand: von einem Alkyltrimethylammonium-Salz erhält man nur ein einziges Eliminierungsprodukt. Hofmann-Eliminierung von Butanamin CH3CH>3CH>CH3>NH> Butanamin

Überschuß CH;I,K,CO,, H,O

+

CH3CH>CH>CH»N(CH3); 1 Be ren Butyltrimethylammoniumiodid

'

HO”

CH3CH>CHCH3>N(CH3)3 > CH5CH3CH=CHz + N(CH3)3 + HOH Butyltrimethylammonium-

1-Buten

hydroxid

* August W. von Hofmann, der auch die Hofmann-Regel für E2-Reaktionen (Abschn. 11.8) und die Hofmann-Umlagerung (Abschn. 20.7) entdeckte.

1042

aufstellte

21.9

Übung 21-15 Welche Alkene können durch Hofmann-Eliminierung (Ethylpropylamin) und (b) 2-Butanamin entstehen?

von

(a) N-Ethylpropanamin

Mannich-Reaktion:

Die Alkylierung von Enolen durch Iminium-Ionen

Die Hofmann-Eliminierung wurde zur Strukturaufklärung von sticKstoffhaltigen Naturstoffen (Alkaloiden, Abschn. 25.8) eingesetzt. Vor allem dann, wenn das Stickstoffatom Teil eines Ringsystems ist, Kann durch wiederholte Hofmann-Eliminierung die Lage des Heteroatoms genau zurückverfolgt werden. 1. CHal 2, Ag>0,

3. A

1. CH3l H;0

2

R

|

Ag20,

3. A

H,O

CET + N(CH3)3

(CH3)2

CH3

N-Methylazacycloheptan

N ,N-Dimethyl-5-hexenamin

1,5-Hexadien

Übung 21-16 Warum wird erschöpfende Methylierung und nicht beispielsweise Ethylierung bei den ) Hofmann-Eliminierungen zur Strukturaufklärung benutzt? (Hinweis: Gibt es vielleicht © andere Eliminierungsmöglichkeiten?)

) Übung 21-17 ‚ Ein unbekanntes

Amin

der Summenformel

C-H,;N

zeigt im BC-NMR-Spektrum

nur

‚ drei Linien bei ö = 21.0, 26.8 und 47.8. Durch dreimalige Hofmann-Eliminierung entsteht 3-Ethenyl-1,4-pentadien (Trivinylmethan) und Isomere davon mit anderer Stellung | der Doppelbindung (die als Nebenprodukte durch basenkatalysierte Isomerisierung " entstanden). Welche Konstitution hat das unbekannte Amin?

Fassen wir zusammen: Quartäre Ammoniumsalze, die durch Alkylierung von Aminen dargestellt werden, gehen in Gegenwart von Basen bimolekulare Eliminierungen zu Alkenen ein.

21.9 Mannich-Reaktion: Die Alkylierung von Enolen durch Iminium-Ionen Durch Kondensation von Methanal (Formaldehyd) mit Ammoniak, primären oder sekundären Aminen entstehen Iminium-Ionen, die genügend elektrophil sind, um mit enolisierbaren Aldehyden und Ketonen zu reagieren. Der Vorgang, der hier abläuft, gleicht der Aldolkondensation (Abschn. 18.5). In diesem Fall greift das Enol eine Kohlenstoff-Stickstoff-Doppelbindung anstelle einer Carbonylgruppe an. Diese Reaktion ist als Mannich“-Reaktion bekannt; sie führt zu den entsprechenden ß-N-Methylaminocarbonyl-Verbindungen. Dabei wird gewöhnlich die enolisierbare Carbonylverbindung in Gegenwart von Methanal (Formaldehyd), des Amins und HCl erhitzt. Das Produkt entsteht als Hydrochlorid. Das freie Amin (die Mannich-Base) erhält man durch Behandlung mit Base.

*

Carl

Mannich,

1877-1947,

Professor

an

den

Universitäten

Berlin

und

Frankfurt

am

Main.

1043

21 Amine und ihre Derivate

Mannich-Reaktion

CH;

1. HCl, CH3CH;OH, A

CH;CHCH=O + CH5=0 + CH3NH,

no

40:30

(CH3)JCCHZNHCH3 70% 2-Methyl-(2-N-methylaminomethyl)propanal

2-Methylpropanal

Mannich-Base

16) CH>N(CH 3)>C1” 1,

+ CH3=0 + (CH):NH

CH

„OH, A

K 85% Salz der Mannich-Base

Mechanismus der Mannich-Reaktion

Schritt

1 Bildung des Iminium-Ions

CH,=0.+ (CH, .NH,CH. > Schritt 2_ Enolisierung

:O:

CH,—=N(CH.);CI + EBO HO:

ei = Schritt

3 Bildung der C—-C-Bindung x HO: aa

i

CH»N(CH3)}

CH> N (CH3)> ArER

Schritt

4

Bildung des Salzes als Hydrochlorid H

ler

iz

IR

CH,N(CHZ)JCI”

CH,N(CH»)>

\ Salz der Mannich-Base

Ein Beispiel der Mannich-Reaktion zur Synthese von Naturstoffen ist im folgenden gezeigt. In diesem Beispiel wird ein Ring durch Kondensation des Amins mit einer Aldehydgruppe gebildet. Als nächstes erfolgt Mannich-Reaktion des gebildeten Iminiumsalzes mit dem Enol des anderen Aldehyds. Das Produkt besitzt die Grundstruktur des Retronecins, eines Alkaloids, das in vielen Sträuchern vorkommt und für Weide-

vieh leberschädigend ist. Mannich-Reaktion in der Synthese

CHO\ N H

1044

#o

CHO

CHO

CHO

| N =

HO,

p

>

RAN, N

52%

CH>OH

N N Retronecin

0 Übung 21-18 | Schreiben Sie die Produkte der folgenden Mannich-Reaktionen

=

auf. (a) Ammoniak

+

Formaldehyd + Cyclopentanon; (b) 1-Hexanamin + Formaldehyd + 2-Methylpropanal; (ce) N-Methylmethanamin + Formaldehyd + Propanon; (d) Cyclohexylamin + Formaldehyd + Cyclohexanon.

21.10 Oxidation und Nitrosierung von Aminen: Aminoxide, N-Nitrosamine und Diazonium-Ionen

Übung 21-19 ß-Dialkylaminoalkohole und deren Ester sind wichtige Lokalanästhetika. Schlagen Sie eine Synthese des Anästhetikums Tutocain-Hydrochlorid, ausgehend von 2-Butanon, vor.

H>N

\

EN y

OÖ

-

en H;C

pair, cl

3

CH3

Tutocain-Hydrochlorid

Fassen wir zusammen: Die Kondensation von Formaldehyd mit Aminen ergibt Iminium-Ionen, die elektrophil sind und die Enolformen von Aldehyden und Ketonen angreifen können (Mannich-Reaktion). Als Produkte entstehen ß-Aminocarbonylverbindungen.

21.10 Oxidation und Nitrosierung von Aminen: Aminoxide, N-Nitrosamine und Diazonıum-Ionen Amine werden leicht von Oxidationsmitteln angegriffen, wobei aus primären und sekundären Aminen meist komplexe Produktgemische entstehen. Die Oxidation tertiärer Amine mit wäßrigem Wasserstoffperoxid oder mit Peroxycarbonsäuren (Abschn. 12.9) führt zu den entsprechenden Aminoxiden.

(CHz)3N: + 30% H,0,

HH HMO, (CHa)3N—O:” 95% Trimethylaminoxid B \Sr

|

35% H30,, H,O

Sa

CH;

== .

CHSCHNICH)

98%

Bei Temperaturen über 100°C zerfällt ein Aminoxid mit einem ßständigen Wasserstoff zu einem N,N-Dialkylhydroxylamin und einem Alken.

0: |

o

CHsCHN(CH3), "> CeHsSCH=CH, + (CH3))NOH

8

H

98%

2

Ethenylbenzol

N,N-Dimethyl-

(Styrol)

hydroxylamin

1045

21 Amine Derivate

und ihre

Dieser Vorgang die Esterpyrolyse peraturen und ist Dabei findet eine zustand statt.

ist als Cope*-Eliminierung bekannt und erinnert an (Abschn. 20.5), verläuft aber bei niedrigeren Temdeshalb für die Synthese von Alkenen nützlicher. syn-Eliminierung über einen cyclischen Übergangs-

syn-Eliminierung von Aminoxiden

DALE H

EREmHE,

(CH3)2N

(CH32NS

“

ee es

|

I

‚C=C

‚c—cC,

nr

:

(CH3)3NOH n

x

nn

=

c=C/

Übung 21-20 Zeichnen Sie das Diastereomer von Verbindung A (siehe Rand), aus dem durch CopeEliminierung Verbindung B, ((E)-1-Methyl-1-propenyl)benzol, entsteht.

‘037

C4HsSCH—CHN(CH3)> | Sr

Übung 21-21

CH-CHE

Schildern Sie eine kurze Synthese (nicht mehr als fünf Schritte) von Methylencyclohexan, A (siehe unten), aus Cyclohexancarbonsäure, wobei im letzten Schritt eine Cope-Eliminierung stattfinden soll.

COOH ---3

Bei der Reaktion von Aminen mit Salpetriger Säure findet ein nucleophiler Angriff auf das intermediär gebildete Nitrosyl-Kation, NO", statt, oder mit anderen Worten: dieses Nitrosyl-Kation greift elektrophil an. Welches Produkt entsteht, hängt in starkem Maße davon ab, ob ein Alkanamin oder ein Benzolamin (Anilin) vorliegt, und ob es tertiär, sekundär oder primär ist. Aufgrund ihrer besonderen Struktur und des daraus resultierenden Verhaltens werden aromatische Amine in Kap. 22 gesondert behandelt. Dieser Abschnitt beschreibt nur einfache Alkanamine. Salpetrige Säure wird gewöhnlich in situ durch Behandlung von Natriumnitrit mit verdünnter Salzsäure hergestellt. Dabei liegt sie im Gleichgewicht mit dem Nitrosyl-Kation vor. (Vergleichen Sie mit der Herstellung des Nitronium-Kations aus Salpetersäure, Abschn. 15.11). Mechanismus der Bildung des Nitrosyl-Kations aus Salpetriger Säure Schritt

1

Bildung der Salpetrigen Säure

Nat ON

br Natriumnitrit

HL, NÖ

ET

..

.

Salpetrige Säure

Schritt 2_ Protonierung

*

1046

Arthur ©. Boston.

Cope,

1909-1966,

Professor

am

Massachusetts

Institute

of Technology,

Schritt

3 Wasserabspaltung

21.10

Oxidation und

Nitrosierung von Aminen: H

Aminoxide, N-Nitrosamine

SEN Be * ; [5 :N=0:| + HÖ ir) 7 Diiage s Deere RW 29

und Diazonium-Ionen .

3

H

*

Nitrosyl-Kation

Das elektrophile Nitrosyl-Kation N-Nitrosammoniumsalzen an.

greift Amine

a

unter

Bildung

von

= N-Nitrosammoniumsalz

Der weitere Verlauf der Reaktion hängt von der Anzahl der Wasserstoffatome am Stickstoff ab. Tertiäre N-Nitrosammoniumsalze sind bei niedrigen Temperaturen stabil, zerfallen jedoch beim Erhitzen, wobei Produktmischungen entstehen. Sekundäre N-Nitrosammoniumsalze werden einfach deprotoniert, wobei hauptsächlich die relativ stabilen N-Nitrosamine entstehen.

NaNO,, HCI, H;0, 0°C (CH3)2

(CH

eng

NH

NEN

EIER

»„ N—-N=O

Gis

H;C N

N=0

N

ee rg

R,„N—N=O N-Nitrosamin

H;C 88-90% N-Nitrosodimethylamin

Die aus primären Aminen ursprünglich gebildeten Monoalkyl-NNitrosamine sind instabil und zerfallen rasch zu komplexen Produktmischungen. Für diese Labilität ist das verbleibende Proton am Stickstoffatom verantwortlich. Durch eine Reihe von Wasserstoffverschiebungen lagern sich diese Verbindungen zunächst zu den entsprechenden Diazohydroxiden um. Durch Protonierung und anschließende Wasserabspaltung entstehen die hochreaktiven Diazonium-Ionen. Diese verlieren leicht Stickstoff und bilden Carbenium-Ionen. Diese wiederum können sich umlagern, ein Proton abgeben oder ein Nucleophil abfangen (Abschn. 9.3), so daß man gewöhnlich eine große Vielfalt von Produkten erhält.

Mechanismus des Zerfalls primärer N-Nitrosamine Schritt R

1

ee rna N—N

Isomerisierung zum Diazohydroxid KIN

a

0

IR

ur

H

Neon u Pa

N

+

ws

R

BR

8

H

Schritt

ER N=N—OH

Yo

..

+

+ Hu?

H

Fe

R—N=N—OH

..-

Diazohydroxid

2 Wasserabspaltung zum Diazonium-Ion

R—N=N—OH

—=

R-N=N-OR,

„Oo

+

R—N=N:

H,O Diazonium-Kation

Schritt 3 _ Stickstoffabspaltung zum Carbenium-Ion

RON=N: er R* —>

Produktgemische

2382

1047

Kasten 21-3

N-Nitrosodialkanamine sind cancerogen Von N-Nitrosodialkanaminen ist bekannt, daß sie bei verschiedenen Tierarten Krebs auslösen können, und sie stehen im Verdacht, auch für Menschen cancerogen zu wirken, obwohl es dafür noch keine direkten Beweise gibt. Die meisten Nitrosamine scheinen Leberkrebs hervorzurufen, es gibt jedoch einige, deren cancerogenes Potential sehr Organ-spezifisch zu sein scheint (Blase,

Lunge, Speiseröhre, Nasenhöhlen usw.). Die cancerogene Wirkung ist noch nicht aufgeklärt, man glaubt jedoch, daß anfangs durch enzymatische Oxidation einer der a-Positionen letztlich ein monoalkyliertes N-Nitrosamin entsteht. Diese Verbindung zerfällt zu einem CarbeniumIon, das als starkes Elektrophil vermutlich die Basen in der DNA angreift. Diese Schädigung des Genoms löst die Entartung zur Krebszelle aus. Nitrosamine fand man in den verschiedensten Arten von gepökeltem Fleisch, z.B. in geräuchertem Fisch, Brühwürstchen (N-Nitrosodimethylamin) und gebratenem Speck [N-Nitrosoazacyclopentan (N-Nitrosopyrrolidin)]. Pökeln ist ein Verfahren, das über Jahrhunderte zur Konservierung von Fleisch angewendet wurde. Anfangs wurde das

Fleisch

mit

Natriumchlorid

eingesalzt,

wodurch direkt oder indirekt (durch eintretende Trocknung) das Bakterienwachstum unterbunden wurde. Um die Jahrhundertwende fand man heraus, daß die Verwendung von Natriumnitrat neben der konservierenden Wirkung auch den wünschenswerten Nebeneffekt einer appetitanregenden Rosafärbung und einer Verstärkung des Fleischgeschmacks hat. Man stellte dann später fest, daß Natriumnitrit, aus Natriumnitrat durch

N

| NO N-Nitrosoazacyclopentan (N-Nitrosopyrrolidin)

die Wirkung von Bakterien während der Verarbeitung entsteht, die eigentlich wirksame Verbindung ist. So wird heute Natriumnitrit zum Pökeln verwendet. Es verhindert das Wachstum von Bakterien, die Botulismus (Lebensmittelvergiftung) verursachen, verzögert die Verderblichkeit und unangenehme Gerüche während der Lagerung und erhält den Geschmack hinzugefügter Gewürze sowie bei geräuchertem Fleisch den dafür charakteristischen rauchigen Geschmack. Natriumnitrid

mit

roten von

entwickelt

dem

Stickstoffmonoxid,

Eisenzentrum

Komplex

bildet.

Myoglobin

stische Farbe,

von

NO,

Myoglobin

das

einen

(Der Sauerstoffkomplex

gibt dem

Blut seine charakteri-

s. Abschn.

26.8). Der Nitritgehalt

von Lebensmitteln unterliegt strenger Kontrolle (< 200 ppm), da es selbst giftig ist (die tödliche Dosis liegt bei 22-23 mg/kg Körpergewicht) und es im Magen vorhandene natürliche Amine in Nitrosamine umwandeln kann. Um diese Zahlen richtig beurteilen

zu

können,

muß

man

wissen,

daß weniger als 10% unserer durchschnittlichen Nitrat- bzw. Nitritaufnahme aus gepökeltem Fleisch stammen. Das meiste stammt aus natürlichen Quellen, nämlich Gemüse wie Spinat, rote Beete, Rettich, Sellerie und Kohlarten.

Übung 21-22 Folgendes Ergebnis wurde im Jahre 1991 veröffentlicht:

75D

CH3CH>CH,—C\Du

NH,

NaNo,

Ha,O

DEN

SC—CHSCH>CH3

HO 100%

Reines R-Enantiomer

Reines S-Enantiomer

Was läßt sich aus dieser Beobachtung für die Brauchbarkeit des oben gezeigten Mechanismus für Diazonium-Ionen mit primären Gruppen R schließen?

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß tertiäre Amine mit H,O, zu Aminoxiden reagieren, die Cope-Eliminierungen eingehen können. Salpetrige Säure greift Amine unter N-Nitrosierung an. Sekundäre Amine ergeben N-Nitrosamine, stark cancerogene Verbindungen. N-Nitrosamine, die sich von primären Aminen ableiten, zersetzen sich unter Bildung von Carbenium-Ionen, die weiter zu einer Fülle von Produkten reagieren.

1048

x 21.11 Diazomethan, Carbene und Cyclopropan-Synthesen

Diazomethan, Carbene ee ainta

21.11

Das Nitrosyl-Kation greift auch das Stickstoffatom von N-Methylamiden an. Die Produkte,

N-Methyl-N-nitrosamide,

sind Vorstufen

für wichtige

synthetische Zwischenprodukte. Nitrosierung eines N-Methylamids

| No" RCNHCH; ——>

\ NO Ein N-Methyl-N-nitrosamid

Behandlung von N-Methyl-N-nitrosamiden mit Basen ergibt Diazomethan N-Methyl-N-nitrosamide sind Vorstufen von Diazomethan, einer wichtigen synthetischen Zwischenstufe (Abschn. 19.9). Behandelt man z.B. N-Methyl-N-nitrosoharnstoff in Ether mit 40 %iger wäßriger KOH bei 0°C, erhält man eine gelbe Lösung von Diazomethan.

Bildung von Diazomethan

l

N

CH3NCNH>

AR

_KOH, H30, (CH3CH3)»0, 0 C _ CH,=N=N

u

*

NH3

+ K>CO3

+

H>0

N=O N-Methyl-N-nitrosoharnstoff

Diazomethan

Bei dieser Reaktion wird vermutlich zunächst ein Hydroxid-Ion addiert. Durch Eliminierung eines Diazoxid-Ions entsteht intermediär Diazohydroxid, das unter den stark basischen Bedingungen Wasser eliminiert unter Ausbildung von Diazomethan.

Mechanismus der Bildung von Diazomethan aus N-Methyl-N-Nitrosoharnstoff Schritt

1 Addition von Hydroxid

2

On

cal \für /:0n EN ze

oF

N:

of

N: :OH

‚Schritt 2_ Eliminierung

Ode

[J CH3N—C—NH,— 4 IdOn “)

:O:

CH3N=N—0:”

+

|. HÖCNH;

|HOH

|

CH3N=NÖH + ":ÖH

CO>+ HNH,

Diazohydroxid

1049

Schritt 3 Wasserabspaltung ER

us

Bieten + ZOH —— H

Be,

=

un. sel

RL

#6

——_, "ICHI-NEN: CH,=N=N 2

RR

—

”

— HOH

:OH

Diazomethan ist äußerst giftig und im Gaszustand (Sdp. —24°C) und in konzentrierter Lösung hochexplosiv. Deshalb läßt man es sofort nach seiner Entstehung weiterreagieren. Reste von Diazomethan zerstört man, indem man Ethansäure (Essigsäure) hinzufügt, wobei sich der Methylester bildet. Allgemein wird Diazomethan zur Synthese von Methylestern aus Carbonsäuren verwendet. Diese Methode ist sehr mild und ermöglicht die Veresterung von Molekülen mit säure- und basenempfindlichen Gruppen, wie in folgendem Beispiel gezeigt wird.

oO

I

Me

) I N: SCHa Hagen SEE, a

|

uncoc( Ö

)

)

I

ncoc( Ö 75%

)

Je nachdem, wieviele Äquivalente des Reagenzes vorliegen, entstehen durch Angriff von Diazomethan auf Alkanoylchloride zwei verschiedene Produkte. Ein Aquivalent Diazomethan erzeugt ein Chlormethylketon:

| CH;3CH>)>0, 5°C CH3CH>CCI + CHaN> Sr,

GECH.CCHA

TE

|

50% 1-Chlor-2-butanon

Das Kohlenstoffatom von Diazomethan greift dabei die Carbonylgruppe nucleophil an. Durch Eliminierung von Chlorid entsteht ein Diazonium-Ion. Schließlich wird die Abgangsgruppe N, durch das Halogenid nucleophil verdrängt.

Mechanismus der Bildung von Chlormethylketonen aus Alkanoylchloriden und Diazomethan: Schritt

1 Nucleophile Addition

(:0:

CHA E

Schritt

3

2

:0:7

OR I*

FH .

Sr

N N

=N:

2

|

PET

N=N

=N:

2 Eliminierung von Chlorid 0%:

Kali

Be

Sees

Bau

=

CH;CH,CCH,—N=N:

1»

2 + :Cl:

Ein Diazonium-Ion

3 Verdrängung von Stickstoff durch Chlorid

| + N CH5CH,CCH-N=N: +:©1:” — 1050

3

:Cl :

:0:7

Schritt

a,aecH

N: CH3CH3CCHZCI: + :N=N:

Arbeitet

man

mit zwei Äquivalenten

Diazomethan,

wird die Zwi-

21.11

schenstufe, das Diazonium-Ion, abgefangen und zu einem a-Diazoketon

Diazomethan, Carbene

und Cyclopropan-Synthesen

deprotoniert. Durch die die Carbonylgruppe einbeziehenden Resonanzeffekte sind a-Diazoketone stabiler als Diazoalkane, und man kann sie isolieren und lagern. (Vgl. die Stabilität entsprechender Keton-Ylide aufgrund ähnlicher Resonanz,

Abschn.

18.8).

Bildung eines a-Diazoketons durch Reaktion von Alkanoylchloriden mit Diazomethan

CH5CH,C—CHIN-EN-

H-CHN=N+

CH5CHzCCHZ-N=EN: + CI” + 7:CH N=N: —

et

CH;CH,C-H—N=N:

Be

CH3CI+ N;

|

|

CH;CH,C=CH—N=N

|

Ein «-Diazoketon

Diazomethan

bildet Methylen, das Alkene in

Cyclopropane überführt Unter Einwirkung von Licht, Wärme tallischem

Kupfer

spaltet

oder katalytisch wirkendem

Diazomethan

N, unter

Bildung

der

me-

R;C:

hoch-

Carben

reaktiven Spezies Methylen H,C:, dem einfachsten Carben, ab.

s.

t

Ne

hv oder A oder Cu

ne

+ :N=N:

HC: Methylen

Carbene sind elektrophil und werden von Alkenen abgefangen, wobei, meist auf stereospezifische Weise, Cyclopropane entstehen. Carben-Addition an Doppelbindungen H

N; er}+ CH», N> ger

Ba

" Ng

+

N5

40% Bicyclo[4.1.0]heptan

CH>CH; Sırrı

CH

H

SICH

CH>CH3

CH

+ Na H

50%-70% cis-Diethyleyclopropan

1051

21 Amine Derivate

und ihre

©. Übung 21-23 Bestrahlt man die Diazoverbindung A in Heptan bei -78°C, erhält man einen Kohlen| wasserstoff C,H,, der drei Signale im 'H-NMR und zwei Signale im '""C-NMR, alle in | der aliphatischen Region, zeigt. Schlagen Sie für dieses Molekül eine Konstitution vor.

CH,=CHCH,CH=N=N: Übung 21-24 Durch welche | überführen:

Syntheseverfahren

könnte

man

Hexansäure

in folgende

Verbindungen

(a) 1-Chlor-2-heptanon

6) |

(b) CH3(CH3)4CCHN3 (c) CH3(CH>)4C

Halogenierte Carbene und Carbenoide ergeben ebenfalls Cyclopropane Cyclopropane können auch aus halogenierten Carbenen synthetisiert werden, die aus Halogenmethanen dargestellt werden können. Behandelt man z.B. Trichlormethan (Chloroform) mit starken Basen, findet eine ungewöhnliche a-Eliminierung statt, bei der das Proton und die Abgangsgruppe von demselben Kohlenstoff abgespalten werden, wobei Dichlorcarben entsteht. Auf ähnliche Weise entsteht durch Einwirkung von Butyllithium auf Dichlormethan (Methylenchlorid) Chlorcarben. Eine

weitere

Quelle

für das Carben

Methylen

ist Diiodmethan,

wenn

es mit Zinkpulver (das meist mit Kupfer aktiviert ist, „Zink-KupferPaar“) umgesetzt wird. Diese Mischung nennt man Simmons-SmithReagenz“. Carbene können normalerweise nur als reaktive Zwischenstufen erzeugt werden; sie werden gewöhnlich rasch durch Alkene abgefangen, wobei Cyclopropane entstehen. Bildung von Dichlorcarben aus Chloroform und Reaktion mit Cyclohexen

HCC, + (CH3);00” — (CH2)3COH nn

“

—TTL

":CCh

—

:CCh

+cl

LCON

.

cı

Dichlorcarben

CCh +

:CCh

°"H

rum. < -=

“H

59%

Bildung von Chlorcarben aus Dichlormethan und Reaktion mit 2-Methylpropen

H

RT

H

CH

MH

| + Hocı

CH

— CH3CH>CH>CH>H

(1

HCCI

ae c.

—CHCHLCHzCHzLi

- LiCl

H’

\CH3

H

CH;

Simmons-Smith-Reagenz zur Synthese von Cyclopropanen *

Dr. Howard

(1929-1997) Smith, geb. de Nemours Wilmington,

1052

E. Simmons

und Dr. Ronald D. 1930, E.I. du Pont and Company, Delaware.

H

CH3

Be

H;C

9

#6 x

H

+

H

Zn-Cu, u, ((CHsCHZ)20 3 2)2

CHa,

— Metalliodid

CH»

N

N

Om!

u

H,

z "CH3

”

Ein eindrucksvolles Beispiel für die Nützlichkeit des Simmons-SmithReagenz in der Naturstoffsynthese ist das sehr ungewöhnliche, stark wirksame Fungizid FR-900848, das 1990 bei der Fermentation von Strep-

toverticillium fervens gefunden Sein bemerkenswertestes

und

1996 erstmals

Strukturelement

synthetisiert wurde.

ist der Fettsäurerest, der fünf

Cyclopropanringe enthält, von denen vier einander direkt benachbart sind, und die durch die Simmons-Smith-Cyclopropanierung erzeugt wurden.

FR-900848

Wir fassen zusammen: N-Methylnitrosamide spalten bei der Behandlung mit Hydroxid Diazomethan ab. Diazomethan ist ein wertvolles Reagenz zur Methylierung von Carbonsäuren und dient als Methylenquelle zur Bildung von Cyclopropanen aus Alkenen. Halogenierte Carbene, die durch Dehydrohalogenierung von Halogenmethanen entstehen, und das Simmons-Smith-Reagenz (ein Carbenoid, das sich bei der Reaktion von Diiodmethan mit Zink/Kupfer-Paar bildet) überführen ebenfalls Alkene in Cyclopropane.

21.12

Quartäre Ammoniumsalze

als

Phasentransfer-Katalysatoren Quartäre Ammoniumsalze mit hydrophoben Alkylsubstituenten können eine Reaktion zwischen Reaktanten vermitteln, die in unmischbaren Lösungsmitteln gelöst sind — meist Wasser und einem organischen Lösungsmittel. Diese Wirkung bezeichnet man als Phasentransfer-KataIyse, da sie eine Spezies durch die Phasengrenze zur anderen Spezies transportieren. Oft

taucht

bei

der

Planung

einer

Reaktion

das

Problem

auf,

ein

Lösungsmittel für Reagenzien mit verschiedenen Löslichkeitseigenschaften zu finden. Ein gutes Beispiel dafür ist die Sn2-Reaktion, bei der eine organische Verbindung, z.B. ein Halogenalkan, meist mit einem anorganischen Reagenz, einem Salz, reagiert. Salze sind in den meisten organischen Lösungsmitteln unlöslich, Wasser jedoch eignet sich nicht zur Lösung von Halogenalkanen. Deshalb benutzt man oft Alkohole bei diesen Reaktionen, da sie sowohl polar als auch protisch sind und beide Reagenzien gut solvatisieren. Eine Alternative ist die Verwendung eines Phasentransfer-Katalysators, der dieses Problem umgeht, indem er den Durchgang der Reaktionspartner zwischen den unlöslichen Phasen ermöglicht. Mit katalytischen Mengen eines quartären Ammoniumsalzes (z.B. ein Tetrabutylammonium-, Hexadecyltrimethylammonium- oder Benzyltriethylammoniumhalogenid) können die beiden Reaktanden durch die Phasengrenze hindurch zueinander gelangen. Wenn man beispielsweise die Umsetzung eines langkettigen primären Alkylhalogenids mit Natriumcyanid betrachtet, so findet in einem Lösungsmittel wie Decan meist keine Reaktion statt. In Gegenwart eines geeigneten Phasentransfer-Katalysators beobachtet man jedoch häufig eine glatt ablaufende Reaktion zum Nitril.

21.12

Quartäre Ammoniumsalze als Phasentransfer-

Katalysatoren

Organische Phase

R4N’CN”

+R’Cl =RıN"

CI”

+R’CN Phasengrenze

Wäßrige Phase RAN'YCN”

+Na’ CI” =

R4N" CI”

+Na'CcN”

Abb. 21-7 Phasentransfer-Katalyse bei der Sy2-Reaktion eines Chloralkans mit Cyanid.

Die Reaktion findet statt, da das quartäre Ammonium-Ion aufgrund seiner hydrophoben Substituenten und seines polaren Endes sowohl in der wäßrigen als auch in der organischen Phase löslich ist. Beim Eintritt in die organische Phase trägt es jedesmal ein Chlorid oder ein Cyanid als Gegenion. Chlorid führt zu keiner sichtbaren Reaktion, Cyanid tauscht rasch gegen Chlorid aus. Das resultierende quartäre Ammoniumchlorid kehrt in die wäßrige Phase zurück, wo es wiederum sein Gegenion gegen Cyanid austauscht und so weiter (Abb. 21-7). Das quartäre Ammonium-lon wirkt also als shuttle, der Cyanıd in die organische Phase und Chlorid in die wäßrige Phase transportiert. PhasentransferKatalyse wird bei einer Vielzahl von organischen Reaktionen angewendet, wodurch

diese

oft deutlich

beschleunigt

werden,

und

Selektivität

und Ausbeute steigen. Diese Technik bleibt nicht nur auf Sy2-Reaktionen beschränkt, sondern wird u.a. auch bei Carben-Additionen,

Oxida-

tionen und Reduktionen angewandt.

Phasentransfer-Katalyse zwischen wäßrigen und organischen Phasen Ethersynthese: CH>Cl

CH;CH>CH>CH>0H + CT

x

CH>OCH>CH>CH>CH3

(CH3CH>CH>CH>)4N HSO4

ee

, 35°C, 1.5 h

Tr

(I 92%

en

Nitril-Alkylierung:

|

HCN

Me

i

(R=Octy), + CHal + NaOH -RNICHZCHY5Br” — Nal, - HOH 66% Carben-Addition:

CHCh

+

Cl

CeHSCHSNICHCH,),CI” ,NaOH

=

- NaCl, - HOH

ei |

N cl 70%

Oxidation:

+ KMnO,

NaOH _ , NaOH , CHZCH3)3C1 _CsHsCHZNICH3)3Cl

OH

50% Reduktion:

o DR

OH + NaBH; RaN’XT , KA H

100%

1054

in der Amine Nylon 21.13Industrie:

21.13 Amine in der Industrie: Nylon Neben ihrer Bedeutung in der Medizin (Kasten 21-1) und für die Trennung von Enantiomeren (Abschn. 21.4) finden die Amine zahlreiche Anwendungen in der Industrie. Eines der wichtigsten technisch hergestellten Amine ist 1,6-Hexandiamin (Hexamethylendiamin, HMDA). Diese Verbindung wird zusammen mit Hexandisäure (Adipinsäure) copolymerisiert. Durch diesen Prozeß entsteht

Nylon

66, aus dem

wiederum

Strumpfwaren,

Seile, Schnüre,

Gerätschaften sowie Textilfasern im Umfang von Millionen Tonnen hergestellt werden. Polykondensation von Adipinsäure mit HMDA ? OÖ Ö I I HOC(CH>),COH

R

Aare H>N(CH3>)&NH>

>

O

ne Ve OC(CH>),CO HanCCHNI

290°C, 18MPa Ho Polymerisation

H Hexandisäure (Adipinsäure)

1,6-Hexandiamin (Hexamethylendiamin)

H

Doppelsalz

O

O

\

|

6)

\

2

|

— |NH(CH>)ENHCICH>),CNH(CHZ)ENHCICH )4C In — Nylon 66

Nylon 66 ist ein Polyamid, das durch Kondensation der Säure mit dem Diamin unter Druck entsteht. Die starke Nachfrage nach Nylon stimulierte die Entwicklung mehrerer einfallsreicher preiswerter Synthesen der monomeren Vorstufen. Diese wollen wir als Beispiel einer technischen Entwicklung ausführlicher betrachten. Ursprünglich wurde das Diamin von DuPont aus Hexandisäure (Adipinsäure) hergestellt, die wiederum aus Benzol gewonnen wurde. Dabei wurde Benzol zunächst zu Cyclohexan hydriert, dieses wurde anschließend mit Luft zu einer Mischung von Cyclohexanon und Cyclohexanol oxidiert. Durch oxidative Ringspaltung kam man zu der gewünschten Säure.

Herstellung von Hexandisäure (Adipinsäure) aus Benzol e

H>, Pt-AlsO;, 200°C, 3.7 MPa

e>

O,, Co?*-Katalysator

OH OÖ

Sala

2 2

O

ie NOCICHS).COH Hexandisäure

(Adipinsäure)

Durch Ammoniak wurde die Disäure in Hexandinitril (Adiponitril) umgewandelt. Durch katalytische Hydrierung erhielt man schließlich das Diamin.

|

|

HOC(CH,)4COH a. 5

Sr

Ne GC.EN IE er Hexandinitril (Adiponitril)

SNCH,.NHS 1,6-Hexandiamin (Hexamethylendiamin)

1055

21 Amine Derivate

und ihre

Dieses Verfahren konnte (wiederum von du Pont) verbessert werden, als man

erkannte, daß 1,3-Butadien den Ausgangsstoff für eine kürzere

Synthese von Hexandinitril bilden konnte. Durch Chlorierung von Butadien erhielt man eine Mischung aus 1,2- und 1,4-Dichlorbuten (Abschn. 14.6). Diese Mischung ließ sich mit Natriumcyanid in Gegenwart von Kupfercyanid direkt in das Dinitril überführen. Das gewünschte Produkt erhielt man dann durch selektive Hydrierung. Synthese von Hexandinitril (Adiponitril) aus 1,3-Butadien

| A CHZ,=CH—CH=CH, IE,

cı

| CICH,CH=CHCH3CI + CICH,CHCH—=CH;

CuCN, NaCN

—

- NaC)]

NOCH,CH=CHCH,CN — ZT, NOICHZ)4CN Mitte

der sechziger Jahre

entwickelte

Monsanto

ein Verfahren,

das

zwar von teureren Substanzen ausging, jedoch mit einem einzigen Schritt auskam: die elektrolytische Hydrodimerisierung von Propennitril (Acrylnitril).

Elektrolytische Hydrodimerisierung von Propenmnitril (Acrylnitril)

CH,=CHC=N —E CH, —EH—C=N > Propennitril (Acrylnitril)

CH

Radikal-Anion

le en —.

Radikal

H>—CH,—C=N CHSCHC=EN )N=-CCH,CH>CH;CHC=N — > NCICHJJ4CN Anion

Man nimmt an, daß bei diesem Prozeß Propennitril, wie gezeigt, kathodisch zum Radikal-Anion reduziert wird; durch Protonierung entsteht daraufhin ein Radikal, das auf der Elektrodenoberfläche rasch zum Anion weiterreduziert wird. Diese Spezies greift vorhandenes Ausgangsmaterial wie bei der Michael-Reaktion (Abschn. 18.12) an, wobei durch Protonierung das Dinitril entsteht. Mit der Erstellung einer neuen Synthese reagierte Du Pont auf Monsantos Herausforderung. Sie ging wiederum von 1,3-Butadien aus, kam jedoch ohne Chlor aus und vermied Probleme des Umweltschutzes, die bei der Entsorgung von Kupfersalzen auftreten. Anstelle von Natriumcyanid gebrauchte man die billigere Blausäure, HCN. Rein gedanklich war dies die einfachste Methode: Zwei Moleküle Cyanwasserstoff wurden direkt regioselektiv an Butadien addiert. Dabei ist ein Übergangsmetall als Katalysator notwendig, z.B. Eisen, Cobalt oder Nickel. Gewöhnlich sind auch Lewis-Säuren und Phosphane, meist Triphenylphosphan, P(C,H;);, nötig. Addition von Cyanwasserstoff an 1,3-Butadien

ICH, =CHEH- CH, sr 2HEN Fr

NOCH )ch

In diesem Abschnitt sahen wir, daß Amine und ihre Salze als Arznei-

mittel, zur Trennung von Enantiomeren, ren und, am Beispiel verwendet werden.

1056

von

als Phasentransfer-Katalysato-

1,6-Hexandiamin,

als Industriechemikalien

Verständnisübung

Verständnisübung Entwickeln Sie auf der Basis der Synthesemethoden zur Darstellung von Aminen, die Sie in diesem Kapitel kennengelernt haben, eine retrosynthetische Analyse von Prozac mit 4-Trifluormethylphenol und Benzol als Ausgangsverbindungen. OH

oz |

Sn

I’

>

>

I

FC Br

H NCH,

O2 |

CF;

| a [6

|

Prozac IR,S-N-Methyl-3-(4-trifluorphenoxy)-3-phenyl-I-propanamin]

Lösung Wie für jedes Syntheseproblem gibt es auch hier mehrere mögliche Lösungen. Die gegebenen Ausgangsverbindungen, die Erfordernisse von Konvergenz und Praktikabilität verringern jedoch die Zahl der Möglichkeiten. Es ist klar, daß die 4-Trifluorphenoxy-Gruppe am besten durch eine Williamson-Ethersynthese mit einem geeigneten benzylischen Halogenid eingeführt wird (Abschn. 9.6), z.B. von Verbindung A (Abschn. 15.1 u. 22.1) mit unserer Ausgangsverbindung 4-Trifluormethylphenol. Retrosynthetischer Schritt zu A

2

ni

H

o

NCH;

0.

FE,

H

x

NCH;

+

FC

A

Die Aufgabe vereinfacht sich hierdurch auf folgendes Problem: Wie läßt sich A aus der zweiten Ausgangsverbindung, Benzol, und geeigneten anderen Bausteinen herstellen? Der beste Weg, um eine Alkylseitenkette

an

einen

Aromaten.

zu

binden,

ist

die

Friedel-Crafts-

Alkanoylierung (Abschn. 15.14). Diese Reaktion würde darüber hinaus eine Carbonylfunktion liefern, wie in Verbindung B, die dann leicht in Verbindung A umgewandelt werden kann [durch Reduktion zum Alkohol (Abschn. 8.6) und Umwandlung der Hydroxyfunktion in eine bessere Abgangsgruppe X (Kap. 9)]. Auf dem Papier erscheint CI(O)CCH;CH>NHCH; als attraktives Alkanoylierungsreagenz. Jedoch würden die beiden funktionellen Gruppen miteinander reagieren: entweder intermolekular zu Polyamid (s. Abschn. 21.12) oder intramolekular unter Bildung eines ß-Lactams (Abschn. 20.6). Dieses Problem kann durch die Verwendung einer Abgangsgruppe anstelle der Aminofunktion umgangen werden. Letztere kann durch eine der in Abschnitt 21.5 dargestellten Methoden eingeführt werden. Retrosynthese von A O Oo X ee

>

()tah

B

1057

21 Amine Derivate

und ihre

Die Verwendung einer Cyanogruppe als Baustein (Abschn. 21.5) eröffnet einen weiteren Weg für einen retrosynthetischen Bindungsbruch in B (und damit auch A) über Verbindung C. Retrosynthese von B

6) >

X

CN

+

==

|

=»

B

oO -CN

I

C

D

Die benötigte Verbindung D könnte aus Ethanoylbenzol (Acetylbenzol, Azetophenon) hervorgegangen sein (erhältlich durch FriedelCrafts-Alkanoylierung von Benzol), gefolgt von einer säurekatalysierten Halogenierung des Ketons (Absch. 18.3). Die Reduktion der Nitrilgruppe in Verbindung C könnte bei gleichzeitiger Umwandlung der Carbonylgruppe zu einem primären Amin führen, das der Verbindung A ähnelt, und zwar zu der Verbindung E. Die N-Methylierung kann bequem durch reduktive Aminierung erreicht werden (obwohl, wie wir in Kapitel 22 sehen werden, die benzylische Position gegenüber den verwendeten reduzierenden Bedingungen empfindlich ist). Retrosynthese von E

OH CN

o NH;

E

Phenyloxacyclo-

propan

Das Intermediat E kann auch über einen anderen Weg synthetisiert werden, in dem das Cyanid die weniger gehinderte Seite von Phenyloxacyclopropan nucleophil angreift. Letzteres kann durch Epoxidierung von Phenylethen (Styrol) dargestellt werden (Abschn. 12.9), und Phenylethen wiederum durch Reduktion-Dehydrierung aus Ethanoylbenzol. Betrachten

wir die in den Abschnitten

21.5 bis 21.8 beschriebenen

Synthesemethoden, so können wir noch weitere Strategien zur Darstellung von Prozac erarbeiten, aber dabei handelt es sich nur um Varianten des hier formulierten Schemas. Nur die Mannich-Reaktion (Abschn. 21.9) bietet eine grundsätzliche Alternative, die zu einem Derivat von B führt, bei dem die intakte Aminofunktion bereits vorhanden ist. Tatsächlich ist das die kommerzielle Route, wie sie von Eli Lilly beschritten

wird, um Prozac zu synthetisieren. Retro-Mannich-Reaktion von

O

O

NCH;

1058

B (X=CH;NH)

Neue Reaktionen 1

Neue Reaktionen

Acidität von Aminen, Bildung von Amiden (Abschn. 21.4)

RNH, + H,O —RNH + H,O

= 10%

R,NH + CH,CH,CH,CH,Li—= RN Li* + CHsCH;CH>CH3 Lithiumdialkylamid 2 NH,

2

+2

Na

Katalyt. Mengen Fe?"

h) NaNH,

a H,

Basizität von Aminen (Abschn. 21.4)

RNH,

+H,O—RNH,+0OH”

Ky, = 1025

RNH,

+H,O==RNH, +H,0*

K,= 10"

Salzbildung:

RNH,

+HCI—>

RNH;CI

Ein Alkylammoniumchlorid gilt allgemein für primäre, sekundäre und tertiäre Amine

Darstellung von Aminen

3

Durch Alkylierung (Abschn. 21.5) R’

&

I+

RNH>

+ R’X

—o

RNH>

Xu

gilt allgemein für primäre, sekundäre und tertiäre Amine

Nachteil: Mehrfachalkylierung R’

+

RNESRT EHRT R ist beschränkt Alkylgruppen

4

auf Methylgruppen

> sowie

ER

RNR 3X primäre

und

sekundäre

Primäre Amine aus Nitrilen (Abschn. 21.5) RX

2% CN”

R ist beschränkt Alkylgruppen 5

>

rn

RCN

LiAIH, oder NER

auf Methylgruppen

sowie

RCH,NH,

primäre

und

sekundäre

und

sekundäre

Primäre Amine aus Aziden (Abschn. 21.5) SR) LiAIH, RX + N; Z> RN, RNH,

R ist beschränkt Alkylgruppen

auf Methylgruppen

sowie

primäre

1059

21 Amine und ihre

6

Derivate

Primäre Amine aus Nitroverbindungen (Abschn. 21.5)

Nitroalkane:

RX + NO,” >

RNO; „FeuEe50.,. HT RN,

Nitroarene: R

R

_HNO3, H2S04 | era > y,

H>, Ni, A

NO,

7

NH>

Primäre Amine durch Gabriel-Synthese (Abschn. 21.5)

6) l. KzCO3 BZIRR RX

l. H5SO,4, H>0, 2. NaOH

NR

120°C

— 758

Ö R ist beschränkt Alkylgruppen 8

auf Methylgruppen

sowie

primäre

und

sekundäre

Amine durch reduktive Aminierung (Abschn. 21.6)

| RER’

NH> NH3,

NaBH;CN

NOLRIR

H

Reduktive Methylierung mit Methanal (Formaldehyd):

R,NH + CH,=O 9

NaBH,CN

=

R,NCH,

Primäre Amine und Hydroxylamine aus Oximen (Abschn. 21.6)

|

RER"

Da

ROH

ale

RER’ =

LAIHs 5 RCR'

xım

H

| NaBH3CN

Amin

Esıok RCHR' Hydroxylamin

10

Amine aus Amiden (Abschn.21.7)

| Ron

R’ R’

1060

Re

HA,

RCH>N R"

1

Hofmann-Umlagerung (Abschn. 21.7)

Neue

Reaktionen

KONG SI OD EIS RNE,H CO, 12

Curtius-Umlagerung (Abschn. 21.7) oO

|

RC

13

PNA Na ea NACH INg

N

CO 20, RNH> + CO,

Schmidt-Umlagerung (Abschn. 21.7) N

1. Na'N3 , H,SO,

Bcopı So

RN

CH

Reaktionen der Amine

14

Hofmann-Eliminierung (Abschn. 21.8)

Ber ErENn

een

RCHCHSNCCH.),TS

Ag,O, H,O

—_—— —Agl

RCH,CH,N(CH,), "OH —> RCH=CH, + N(CH,); + H,O 15

Mannich-Reaktion (Abschn. 21.9) OÖ ||

IaHel ı

RCCH>R' + CH5=0O+ (CHs)JNH

#0

RCCHR’

CH,>N(CH3), 16

Synthese von Aminoxiden (Abschn. 21.10)

RNSHHLO, > RN. 0:7 17 _ Cope-Eliminierung (Abschn. 21.10) +

SO-N(CH3); RCH>CHR' 18

-> RCH=CHR’ + (CHz)-JNOH

Nitrosierung von Aminen (Abschn. 21.10)

Tertiäre Amine:

RN

FR NENOXtertiäres N-Nitrosammoniumsalz

Sekundäre

Amine:

N R'

NaNO,, H

R +

re

R’ N-Nitrosamin

1061

21 Amine und ihre Derivate

Primäre Amine:

RNH, ISA

19

SRN-NOH >

RN; ve R' — > Produktgemisch

Diazomethan (Abschn. 21.11)

| CHZNER

A

gr Nenn:

TH

N=O Reaktionen von Diazomethan:

6) |

| RCOH

+ CH>N>

2

RCOCH3

+ N

6) ae AN

CHsNs

[et

1 Äquivalent

ARCEN

Car

Chlormethylketon

6) Bin Tec

a

2 Äquivalente N R

+CHN

- + HAN

a-Diazoketon hv oder A oder Cu

—

R' RFSR:

Andere

Carben-Quellen: Base

CH,CI»:CHCl Zn/Cu

20

Phasentransfer-Katalyse (Abschn. 21.12)

RX +:Nu7 = 21

RNu+X

Synthese von Nylon 66 (Abschn. 21.13)

I. HOC(CH>)4COH

Hexandisäure (Adipinsäure)

ar

H>N(CH3>)6NH>

ao

1,6-Hexandiamin (Hexamethylen-

ar

NH(CH>)&NHC(CH>)4C

;

Nylon 66

diamin)

22

Synthese von Hexandisäure (Abschn. 21.13) 1. H,, Pt/Al,O;, 200°C, 3.7 MPa

2. O,, Co°* als Kat.

CH 1062

er

22 N0OGCH

COOH

Anm

23

Synthese von 1,6-Hexandiamin (Abschn. 21.13)

Wichtige Konzepte

Aus Hexandisäure: 1. NH3, A 2. H,, Ni, 130°C, 14.7 MPa

HOOC(CH,),COOH

» H,N(CH,);NH;,

Aus 1,3-Butadien: 1. Cl, 2. CuCN, NaCN

CH,=CH-CH=CH,

3. H,, Katalysator

H,N(CH,)NH,

1. HCN, Katalysator 2. H,, Katalysator

Aus Propennitril:

ICH, SCH

CeN 2 Dre,

UN

SuNe(cH,),cNE>

Wichtige Konzepte

2 .NCCH,).NH,

werden

Wasserstoff-

der Iminium-Ionen

1 Wie Ether und Alkohole als Derivate von Wasser betrachtet werden, kann man auch Amine von Ammoniak herleiten.

2 Chemical Abstracts benennt Amine als Alkanamine (und Benzolamine), Alkylsubstituenten am Stickstoffatom werden als N-Alkylgruppen bezeichnet. Ein anderes System beruht auf der Bezeichnung

Aminoalkan,

während

Trivialnamen

sich von Alkylaminen herleiten.

3

Das Stickstoffatom in Aminen

ist sp’-hybri-

disiert, wobei das freie Elektronenpaar den Platz eines Substituenten einnimmt. Diese Tetraederstruktur unterliegt einer raschen Inversion durch einen planaren Übergangszustand. Wird das freie Elektronenpaar jedoch zur Bindung eines vierten Substituenten benutzt, wird die Tetraeder-Struktur eingefroren,

und die Verbindung

und

Kohlenstoffatome

schirmt. Im Massenspektrum

kann, sofern

sie chiral ist, in Enantiomere getrennt werden.

4 Das freie Elektronenpaar des Stickstoffatoms ist weniger fest gebunden als freie Elektronenpaare von Sauerstoff in Ether und Alkoholen, da „Stickstoff weniger elektronegativ ist als Sauerstoff. Dies äußert sich in geringerer Fähigkeit zur Wasserstoffbrücken-Bindung, höherer Basizität und Nucleophilie und geringerer Acidität. 5 Mit Hilfe der Infrarot-Spektroskopie kann man primäre und sekundäre Amine unterscheiden. Im Kernresonanz-Spektrum kann man die Gegenwart eines Stickstoff-gebundenen Wasserstoffs feststellen; durch die Nähe des Stickstoffs

ent-

sind die Fragmente

charakteristisch.

6 Indirekte Methoden wie die Umsetzung mit Azid oder Cyanid, die reduktive Aminierung oder die Gabriel-Synthese sind der direkten Alkylierung von Ammoniak zur Synthese von Aminen überlegen.

7 Die NR;-Gruppe eines quartären Amins R’—HR; ist eine gute Abgangsgruppe bei E2Reaktionen, z.B. bei der Hofmann-Eliminierung. 8 Die Cope-Eliminierung eines Aminoxids verläuft über einen cyclischen UÜbergangszustand zu einem Alken und Alkylhydroxylamin. 9 Aufgrund elektrophilen

ihrer Nucleophilie greifen Amine Kohlenstoff, z.B. in Halogenalka-

nen, Aldehyden und Ketonen,

Carbonsäuren

und

deren Derivaten an. Der Angriff erfolgt auch auf elektrophilen Sauerstoff, z..B. bei Wasserstoffperoxid und Peroxycarbonsäuren und auf Stickstoff, z.B. beim Nitrosyl-Kation.

10 Carbene und Carbenoide sind nützliche Zwischenprodukte für die Synthese von Cyclopropanen aus Alkenen. 11 Die Wirkungsweise eines PhasentransferKatalysators beruht auf seiner Fähigkeit, sich zwischen einer wäßrigen und einer organischen Phase rasch bewegen zu können. Den Anionen, an

die

er

bindet,

wird

es

‚dadurch

möglich,

in

beide Phasen zu gelangen, wo sie als Nucleophil, Base oder Redox-Reagenz reagieren.

1063

ZHNA

DnPOId

i

HO098

v'oH xHO®N HIvrı HIVrT op „NH

|

salapur

NPOIA

(u

:PnPOIg

OH ‘+H

saloapur

Kıy=y

m

| (ur

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GH

NOH

GH

bi

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HHIVrI

Sy: IDH

CH 29p0 IN 94 IDH

TONA

Fe N=J4

ÖNa

1064

(ouT

J9po

“HN Jay

er

ayaıs yruydsqy

N:a. «UHN 51.7

U9UTUIy

3un][3JSs.19H uoA ’

21 Amine und ihre Derivate

£.

a

es

=

Be N

B

N=I=N

»

a

ee x

RK, 4

U .

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6)

\ | |

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NHN

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1065

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ö

A

N aunsang HN

| TIER TOTERWIE ITIRESG

Wichtige Konzepte

„NN

21 Amine Derivate

und ihre

Aufgaben 1

Geben Sie für die folgenden Amine mindestens zwei Namen an. CH>CH>

(e)

(CH3)3N

(a) CH3CH>CH>CHNH3>

2

er

(b)

(f)

CH;CCH>CH>N(CH3)>

CHNHCH3 H;C

CH3

cı

(d) ( 2 Zeichnen passen:

CH3

|

(8)

| )Nameisenemencc

(h)

(CH3CH>)JNCH>,CH=CH37

nemencn, Sie die

Konstitutionsformeln,

auf die folgende

Namen

(a) N, N-Dimethyl-3-cyclohexenamin (b) N-Ethyl-2-phenylethylamin (c) 2-Aminoethanol (d) m-Chloranilin 3

Von

Abschn.

21.2 wissen

Sıe, daß die Inversion

am

Stickstoffatom

unter Umhybridisierung verläuft. (a) Wie groß ist ungefähr der Energieunterschied zwischen sp’-hybridisiertem Stickstoffatom (pyramidal) und sp’-hybridisiertem Stickstoffatom (trigonal planar) in Ammoniak und einfachen Aminen? (b) Betrachten

Sie das Stickstoffatom

und

das Kohlenstoffatom

in

folgenden Spezies: Methyl-Kation, Methylradikal und MethylAnion. Vergleichen Sie die stabilsten Strukturen und die Hybridisierung bei jeder dieser Verbindungen. Halten Sie sich an Grundprinzipien von Orbitalenergien und Bindungsstärken, um Ähnlichkeiten und Unterschiede zu erklären. 4 Benutzen Sie die folgenden Daten der NMR-Spektroskopie und Massenspektrometrie, um die Konstitutionen folgender beider unbekannter Verbindungen aufzuklären. Verbindung A: !IH-NMR ö = 0.92 (t, J = 6 Hz, 3 H), 1.32 (breit, s, 12 H), 2.28 (breit, s, 2 H) und 2.69 (t, J = 7 Hz, 2 H). Massenspektrum: m/z (relative Intensität) = 129 (0.6) und 30 (100). Verbindung B: 'H-NMR 8 = 1.00 (s, 9 H), 1.17 (s, 6 H), 1.28 (s, 2 H) und 1.42 (s, 2 H). Massenspektrum m/z (relative Intensität) = 129 (0.05), 114 (3), 72 (4) und 58 (100). 5 Nachstehend finden Sie spektroskopische Daten ("’C-NMR und IR) verschiedener isomerer Amine der Summenformel C,H}sN. Schlagen Sie für jede Verbindung eine Konstitution vor.

(a) ®C-NMR: ö = 23.7 (g) und 45.3 (d) IR: v =3300 cm’ (b) "C-NMR: ö = 12.6 (q) und 46.9 (t) IR: keine Banden

1066

im Bereich von 3300-3500 em’!

(c) PC-NMR: IR? vi 3280’ (d)-GENMR 42.7 (0) IR: v = 3280 (e) ®C-NMR:

ö = 12.0 (q), 23.9 (t) und 52.3 (t) cm 8. = 14:24 9)} 23.240), 27.1 (0), 32301), 34.6: (t).und

Aufgaben

und 3365 cm" ö = 25.6 (q), 38.7 (q) und 53.2 (s)

IR: keine Absorption zwischen 3300-3500 cm” 6 Für zwei Verbindungen aus Aufgabe 5 finden Sie die folgenden massenspektrometrischen Daten. Ordnen Sie diese der passenden Verbindung zu.

(a) m/z (relative Intensität) = 101 (8), 86 (11), 72 (79), 58 (10), 44 (40) und 30 (100). (b) m/z (relative Intensität) = 101 (3), 86 (30), 58 (14) und 44 (100). 7 Ist eine Verbindung mit einem hohen pK,-Wert eine stärkere oder eine schwächere Base als eine Verbindung mit einem niedrigen pK»? Antworten Sie, indem Sie ein allgemeines Säure/Base-Gleichgewicht aufstellen. 8 Welche Ergebnisse erwarten Sie, wenn Sie die folgenden Verbindungen hinsichtlich (i) ihrer Basizität und (ii) ihrer Acidität mit einfachen primären Aminen vergleichen? (a) Carboxamide, z.B. CH;CONH; (b) Imide, z.B. CH;CONHCOCH; (ec) Enamine, z.B. CH,=CHN(CH;), (d) Benzolamine,

z.B.

9 Verschiedene stickstoffhaltige funktionelle Gruppen sind erheblich stärker basisch als gewöhnliche Amingruppen. Zu diesen gehört die Amidingruppe, die in DBN und DBU, zwei bei organischen Reaktionen häufig verwendeten Basen, vorkommt.

Z C Bin

N

N

N

N—

N

| Amidingruppe

-

1,5-Diazabicyclo[4.3.0]non-5-en (DBN)

1,8-Diazabicyclo[5.4.0]Jundec-7-en (DBU)

I Guanidin, H;NCNB; ist ein weiteres Beispiel einer ungewöhnlich starken organischen Base. (a) Bei welchem

Stickstoffatom dieser Basen erwarten Sie am ehe-

sten Protonierung? Wie erklärt sich die gesteigerte Basizität dieser Systeme im Vergleich zu einfachen Aminen? (b) Von welchen organischen Stammverbindungen dine bzw. Guanidin ab?

leiten sich Ami-

10 Nachstehend sehen Sie verschiedene Vorschläge zur Synthese von Aminen. Geben Sie für jedes Beispiel an, ob die Reaktion (i) gut oder (ii) schlecht geht oder (iii) überhaupt nicht stattfindet. Geben Sie in den

Fällen,

in denen

die

Reaktion

nicht

glatt verläuft,

die

Gründe

dafür an. 1067

21 Amine Derivate

und ihre

1. KCN

(a)

CHSCH,CH;CH,CH1

CH.CH, CE. CHENEB

1. NaNz (b) (CH-SCCH I

(e)

ws

CONH>

RT CHI CHE,

Bra, NaOH, H20 , Aa.

a

_CH3NE, _ we

a

(d)

N K’, DMF

16)

ı

H

2 BO, DH

(e)

CH>Br

CH>NH3>

ee CH;

Eh;

cocı a

(f)

[wo

(g

(h)

Di

l. (CH3)3CNH3

NaBH;CN m _2.

U )-cmnncchon

NH

NEHSCH,CHSCHO au Br

1. HNO3, H2SO4

(i)

EU Fe, SR H> ESRE

NH>

Ö)

1. NaH : 2. CHal ii) LiAIHs 3. \

1 Schlagen Sie für jede Methode aus Aufgabe 10, die weniger gute Ergebnisse liefert, eine Alternative vor. Beginnen Sie dabei mit derselben Ausgangssubstanz oder mit einer Substanz ähnlicher Struktur und Funktionalität.

12 In den letzten Jahren hat Pseudoephedrin allmählich Phenylpropanolamin als bevorzugtes freiverkäufliches Schnupfenmittel verdrängt. 1

Ye

“= en Phenylpropanolamin

1068

ia

“= N: Pseudoephedrin

Stellen Sie sich vor, Sie seien Leiter eines größeren pharmazeutischen Labors, das auf einem großen Lager von Phenylpropanolamin sitzt und bekommen vom Vorstand des Unternehmens den Auftrag, von nun ab nur noch Pseudoephedrin herzustellen. Erwägen und analysieren Sie alle Optionen und machen Sie einen Vorschlag für die beste Lösung, mit der Sie diese Aufgabe angehen können.

Aufgaben

13 Apetenil, ein Appetitzügler, hat die am Rand gezeigte Konstitutionsformel. Ist es ein primäres, sekundäres oder tertiäres Amin? Suchen Sie eine effiziente Synthese von Apetenil aus jeder der folgenden Ausgangssubstanzen. Versuchen Sie, verschiedenartige Methoden auszunutzen.

H SH CH;CH 2UH3

|

|

anna Apetenil

(a)

CsH5CH>COCH;3

ne

Br

(

CsH5CHZCHCOOH

(b) C&HsCH,CHCH; 14

Zeichnen

Sie die Konstitutionsformeln

der Amine,

die durch Hof-

mann-Eliminierung aus den folgenden Aminen entstehen Können. Falls bei einer Verbindung mehr als ein Eliminierungscyclus möglich ist, geben Sie die Produkte jedes Cyclus an. H;C_

Ir

5

et H;C

NH

ee SL)

d

N

N

CH;

=

15 Die Reaktion des tertiären Amins Tropinon mit (Brommethyl)benzol (Benzylbromid) ergibt nicht eines, sondern zwei quartäre Ammoniumsalze A und B. NCH3

+ ( Y-aiir — !

5

o

A

aR

[CısH20NO] "Br"

Tropinon

(C3H 13NO)

Die Verbindungen A und B sind Stereoisomere, die durch Basen ineinander umgewandelt werden; d.h. durch Behandlung eines reinen Isomers mit Base entsteht eine Gleichgewichtsmischung der beiden

Isomere. (a) Welche Konstitutionen haben A und B? (b) In welcher Beziehung stehen die Stereoisomere?

(ec) Nach welchem Mechanismus könnte sich das Gleichgewicht einstellen? 16 Der Versuch, eine Hofmann-Eliminierung mit einem Amin, das am ß-Kohlenstoff eine Hydroxygruppe trägt, durchzuführen, führt zu einem Oxacyclopropan anstelle eines Alkens.

1069

21 Amine und ihre Derivate

1. Überschuß CH;l r RO, H,O

a

Fo

ER

— nn —nC0-7CHr

H>C—CH3>

((CH)3N

(a) Stellen Sie für diese Umwandlung einen sinnvollen Mechanismus auf. (b) Pseudoephedrin (s. Aufgabe 12) und Ephedrin sind zwei nahe verwandte Naturstoffe, wie schon aus der Ähnlichkeit der Namen hervorgeht. In der Tat sind sie Stereoisomere. Leiten Sie aufgrund der folgenden Reaktionen die relative Konfiguration von Ephedrin und Pseudoephedrin her.

Hal G820, H,O

ee b>n

Ephedrin

——

=>

CHRI 2. AO, H,O 3:

Bseudoephedrin.f

rungen

17 Wie könnte man die folgenden Verbindungen nach Mannich oder ähnlichen Verfahren synthetisieren? (Hinweis: Arbeiten Sie retrosynthetisch, identifizieren Sie die durch eine Mannich-Reaktion geknüpften Bindungen.) (a)

CH3COCH>CH>N(CH>CH3)>2

N(CH3)2 (b)

OÖ

(0

_CH3CH>CH>COCHCH3N(CH3),

(d)

oe _CH3COCH>CH>NCH>CH>COCH3

() )

_(CH3CH>)JNCH>CH»NO; H3C—CH—CN

CM,

NH> 18 Tropinon (Aufgabe 15) wurde erstmals von Sir Robert Robinson (der die Robinson-Anellierung entdeckte, Abschn. 18.12) im Jahr 1917 durch folgende Reaktion hergestellt: H

H>C

N

hi

C=O

H

e

N

„o=0 H

Welcher Mechanismus liegt dieser Reaktion zugrunde?

1070

NCH3 |

19 Mit welchen Synthesemethoden würden Sie die folgende Umwandlung durchführen? Kombinieren Sie dazu Reaktionen aus den Abschnit-

Aufgaben

ten 21.8 und 21.9. OÖ

Di

—

20 Welche Produkte Reaktionen? (@)

H5C Zr

(eventuell mehrere)

erwarten

Sie bei folgenden

% NH 2

NaNO;, HCl

(b)

[

\ NaNO,, HCI, 0°C N H

‚0°C ORENGHICOOCH.CH, a, (d)

(e) (f)

&

Produkt von Teil c —_—

CuSO4, A

[_)-encoc

1 Äquivalent CH,N,

U)

2. CuSO,,A

>

1. 2 Äquivalente CH,N,

CHSCOCI

> CgH100 ein Keton

21 Was entsteht Ihrer Meinung Reaktionen?

nach als Produkt

bei den folgenden

(a) (E)-2-Penten + CHCI, -KOCICH2)3. (CH2)5COH , (b) 1-Methylcyclohexen + CH,I, (c) Propen + CH,N, _W A,

_Z1:Cu, (CH3CH3)20|

(e) (E)-1,3-Pentadien + 2 CH,I,

_Zn-Cu, (CH3CH3)20

(d) (Z)-1,2-Diphenylethen + CHBr, _KOC(CH3)3, (CH3)3COH |

22 Die reduktive Aminierung eines Überschusses an Formaldehyd mit einem primären Amin ergibt ein dimethyliertes tertiäres Amin (s. das unten angegebene Beispiel). Geben Sie eine Erklärung.

(CHSISCCHIND,

ir 2:CH,Oo NEIREN, COM, j

2,2-Dimethylpropanamin

(CHS)3CCH,N(CH3), 84%

N,N ,2,2-Tetramethylpropanamin

23 Verschiedene natürliche Aminosäuren werden enzymatisch aus 2-Ketocarbonsäuren hergestellt, wobei ein bestimmtes Coenzym namens Pyridoxamin eine Rolle spielt. Zeigen Sie mit Pfeilen die Elektronenbewegung bei jedem Schritt des folgenden Synthese-Schemas von Phenylalanın aus Phenylbrenztraubensäure.

1071

nee I

CH;N= N

HOCH>

HOCH; Be

ee

OH Sat)

De

Phenylbrenztraubensäure

nl)

CO;H

CO;H

H

N—CH

HOCH>

I

OH

|

_——

H,O

—2

N

Ld

>)

CH3

CHO HOCH3>h

OÖH

x

NH, | ar

N

Ld

CH>CHCO;H

CH;

Pyridoxal

Phenylalanin

24 Leiten Sie aufgrund folgender Information die Konstitution von Coniin ab, einem Amin des giftigen, seit Jahrtausenden berüchtigten Schierlings. IR :,3330 em > H-NMR: 5 = 0.91 (t, J = 7 Hz, 3 H), 1.33 (s, 1 H), 152 (m 08 2.79 (2 =.6.52,2 Hund. RHZH), Massenspektrum: Molekül-Ion m/z = 127; weitere: m/z = 84 (100) und 56 (20).

..

1. CH3I

1. CH;I

2. Ag;0,H,0

2. Ag,0, H,O

3,A

symÄ

Coniin ————>

25

Pethidin,

die

R

Mischung aus drei ————

(CH,);N + Mischung

Verbindungen

aus 1,4-Octadien und 1,5-Octadien

analgetisch

wirksame

Substanz

von

Dolantin,

wird

nacheinander zweimal erschöpfend einer Hofmann-Eliminierung unterworfen, anschließend einer Ozonolyse mit dem folgenden Ergebnis:

i. CH3l

1. CHal

2. Aga ‚o, H>0

2. Ag20, H>zO

Hl EIHNoye era

Tenor

mern

Pethidin

1.03

2. Zn, H,O (CH3)3N + C1aH1ı602 ————>2CH;0 +

en% OHC

@

%

REN

OHCCH3> 1072

CO;CH>CH3

CH>CHO

CO;CH>CH3

CHO

(a) Schlagen Sie anhand dieser Information eine Konstitution für Pethidin vor. (b) Entwerfen Sie eine Synthese für Pethidin, die von Ethylphenylethanoat und cis-1,4-Dibrom-2-buten ausgeht. (Hinweis: Stellen Sie zunächst den Dialdehyd-Ester her, der am Rand gezeigt ist und wandeln sie diesen in Pethidin um).

26 Skytanthin ist ein Monoterpen-Alkaloid schaften:

mit den folgenden Eigen-

Aufgaben

Analyse: C\,H3ıN. IH-NMR: zwei CH;-Dubletts (J = 7 Hz) bei ö = 1.20 und 1.33; ein CH;-Singulett bei ö = 2.32; weitere breite Signale bei ö = 1.3—2.7.

IR: keine Banden = 3100 cm

cl

\E CH3l 2

BETA

Skytanthin

Ag20,

l: H>0

1. O3

—-——

2. Zn, H,O

CiaHs3N

#25

cCH=0+

2. KOH, H,O

C,HNO

2-2

A

B

IR: d = 1646 cm!

IR: 9 = 1715 cm ! vorsichtige Oxidation

CHSCOOH FF CSH.NO

CO3H

C

>

o

CH;

IR: D = 3620 cm!

CH>N(CH 3), IR: d = 1745 cm”

Leiten Sie anhand dieser Daten die Konstitutionen und der Abbauprodukte A, Bund C ab.

von Skytanthin

27 In der Natur entstehen viele Alkaloide aus einer Vorstufe namens Norlaudanosolin, diese wiederum entsteht wahrscheinlich durch Kon-

densation eines Amins (i) mit einem Aldehyd (ii): OÖ

|

HO

CH>CH>NH3>

HO Sin

el HO

CH>CH

el: HO

HO m

©

——

NH

s

Alkaloide

HO

i

ii

OH

|

OH

Norlaudanosolin

Formulieren Sie einen Mechanismus für diese Umwandlung. Beachten Sie, daß dabei eine C—C-Bindung geknüpft wird. Haben Sie in diesem Kapitel eine Reaktion kennengelernt, die mit dieser C—C-Bindungsbildung verwandt ist?

28 Am Ende der meisten Aminsynthesen muß das Produkt von verschiedenen organischen und anorganischen Reagenzien, Nebenprodukten und Verunreinigungen getrennt werden. Im nachstehenden Schema finden Sie eine Übersicht einer typischen Aufarbeitung: 1. Neutralisation

Extraktion mit

Verunreinigtes Amin

in

wäßrige Phase

A

mit NaOH 2. Extraktion mit organischem Solvens

wäßrige Phase

verdünnter wäßriger HCl

‚organischem

Solvens

organische

nn

organische

Pur

Nehmen Sie an, daß das Rohprodukt sowohl anorganische (wasserlösliche) und organische (wasserunlösliche) Verunreinigungen enthält und erklären Sie daraufhin den Zweck jedes Schritts des Schemas und identifizieren Sie die Substanzen,

die bei den einzelnen Schritten mit A, B,

C und D markiert sind. (Hinweis: Welchen Effekt hat die Reaktion von HCl mit einem typischen Amin auf dessen Wasserlöslichkeit?)

1073

21 Amine Derivate

und ihre

29 Die Reaktionen der Nitroalkan-Anionen (siehe Übung 21-9) gleichen denen der Enolate: Alkylierung und Kondensation. Welche Produkte erwarten Sie bei den nachstehenden Reaktionsfolgen? l. NaNO,, DMF 2. NaOCH3

(a). CHSCH,CH:CHEBE ee 1. CHsCHO, NaOH

MICHENS Cl

1. NaNO>, DMF (c)

2. CHa—=CHCOCH3,

I

NaOH

30 Beschreiben Sie den Ablauf der Phasentransfer-Katalyse bei der Addition von Dichlorcarben an Cyclohexen mit einem Diagramm ähnlich wie in Abb. 21-7. (Hinweis: Welches Anion wird von dem quartären Ammonium-Kation aus der wäßrigen in die organische Phase gebracht?)

Gruppenübung 31 Quartäre Ammoniumsalze katalysieren Reaktionen von Verbindungen, die in zwei nicht mischbaren Phasen gelöst sind. Man nennt dieses Verfahren Phasen-Transfer-Katalyse. Erhitzt man beispielsweise eine Mischung von I-Chloroctan, in Decan gelöst, mit einer wäßrigen Natriumeyanid-Lösung, so findet man keine Anzeichen für die Bildung des Sn2-Produktes Nonannitril. Fügt man jedoch kleine Mengen von (Phenylmethyl)triethyjlammoniumchlorid hinzu, so erfolgt eine schnelle quantitative Umsetzung. N nn

Ä ne

CH,(CH,);Cl + Na*"CN 1-Chloroctan

N

ee

——

CH,(CH»),;CN

100%

{Phenylmethyl)triethylammoniumchlorid

+ Na*Cl7

Nonannitril

Diskutieren Sie in Ihrer Gruppe die folgende Fragen: a) Wie ist die Löslichkeit des Katalysators in den zwei Lösungsmitteln? b) Warum verläuft die Sy2-Reaktion ohne Katalysator so langsam? c) Wodurch erleichtert das Ammoniumsalz

1074

die Reaktion?

Chemie der Substituenten

am Benzolring

Vor einiger Zeit noch wurde Benzol häufig als Lösungsmittelin der organischen Chemie verwendet, bis sich herausstellte, daß es Krebserregend ist. Seither wird anstatt von Benzol Methylbenzol (Toluol) benutzt, das ähnliche Lösungsmitteleigenschaften hat, jedoch nicht krebserregend ist. Warum nicht? Dies resultiert aus der vergleichsweise hohen Reaktivität der benzylischen Wasserstoffatome, wodurch Toluol im Körper recht schnell abgebaut und ausgeschieden wird. Demgegenüber verbleibt Benzol einige Tage im Fettgewebe und anderen Geweben des Körpers. Offenbar aktiviert der Benzolring, obwohl er selbst durch die Aromatizität stabil ist, benachbarte Bindungen, oder allgemeiner gesagt, der Benzolring beeinflußt die Chemie seiner Substituenten. Das kann nicht allzu sehr

überraschen,

denn

dieser

Befund

ergänzt,

was

wir in Kapitel

16

gelernt haben. Dort haben die Substituenten die Chemie am Benzolring beeinflußt, hier werden wir den Einfluß des Benzolrings auf die Substituenten kennenlernen. Wie beeinflußt nun der Benzolring das Verhalten benachbarter reaktiver Zentren? In diesem Kapitel befassen wir uns mit dem Effekt, den der Ring auf die Reaktivität von Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Stickstoffsubstituenten ausübt. Wir werden sehen, daß diese

Verbindungen durch Wechselwirkung des Rings mit den Substituenten resonanzstabilisiert sind. Nachdem wir die besondere Reaktivität von arylsubstituierten (benzylischen) Kohlenstoffatomen diskutiert haben, betrachten wir die Darstellung und die Reaktionen der Phenole und Benzolamine (Aniline). Diese Verbindungen sind in der Natur weit verbreitet und werden in der Synthese als Vorstufen von Substanzen wie Aspirin, Farbstoffen und Vitaminen eingesetzt.

1075

22

22.1 Reaktivität des Phenylmethyl(Benzyl-) Kohlenstoffatoms: Resonanzstabilisierung der Benzylgruppe

Chemie der Substituenten

am Benzolring

an \

2

Die Phenylmethylgruppe oder Benzylgruppe, C,HsCH3», kann als Benzolring angesehen werden, dessen r-System mit einem weiteren p-Orbital überlappt. Diese Wechselwirkung, die als benzylische Resonanz

7=09

bezeichnet

wird,

stabilisiert

benachbarte

radikalische,

kationische

und

anionische Zentren, ähnlich wie 2-Propenyl-(Allyl-)Zwischenstufen durch Überlappung einer r-Bindung mit einem dritten p-Orbital stabilisiert werden (Abschn. 14.1).

das Phenylmethyl(Benzyl-)system

Benzylradikale sind reaktive Zwischenstufen bei der Halogenierung von Alkylbenzolen Läßt man

Chlor oder Brom

auf Benzol einwirken, beobachtet man nor-

malerweise keine Reaktion, wenn man nicht eine Lewis-Säure hinzugibt. Die Lewis-Säure katalysiert die Halogenierung des Rings (s. Abschn. 15310): Br

das 2-Propenyl(Allyl-)system z

.

keine Reaktion

Br—Br

X

Br—Br, FeBr;

——— *

Cd

nn ES

—

HBr

Se

Gibt man im Gegensatz dazu Methylbenzol (Toluol) und Chlor oder Brom zusammen, erhält man sogar in Abwesenheit eines Katalysators (obwohl Wärme oder Belichtung die Reaktion erleichtern) halogenierte Produkte. Analysiert man diese Produkte, stellt man fest, daß die Reaktion an der Methylgruppe, nicht am aromatischen Ring, abläuft. Bei einem Überschuß Halogen kann es zur Mehrfachsubstitution kommen.

CH>H

es +

CH>»Br

Brz

ee —

+

HBr

(Brommethyl)benzol

Ein hv, 0)

Ch, hv

hv Ch,

u

Ha -_ Cl

a

(Chlormethyl)benzol

CCh

CHCI

CH>Cl

CH3

eJ

- HCI

(Dichlormethyl)benzol

(Trichlormethyl)benzol

Bei diesen Prozessen entsteht bei der Substitution jedes Wasserstoffatoms jeweils ein Äquivalent Halogenwasserstoff. Ebenso wie die Halogenierung der Alkane (Abschn. 3.4 bis 3.6) und die Halogenierung der Alkene in Allylstellung (Abschn. 14.2) läuft auch der Mechanismus der Halogenierung der Benzylgruppe über radikalische Zwischenstufen.

1076

Mechanismus der Halogenierung von Methylbenzol (Toluol)

22.1

Reaktivität des Phenyl-

methyl-(Benzyl-)

Kohlenstoff-

atoms: Resonanzstabilisierung der Benzylgruppe

Schritt 1 Dissoziation des Halogens A oder hv EN.

Schritt 2

Bildung des Benzylradikals

:CH; —

+ HX Benzylradikal

Schritt

3 Halogenierung des Benzylradikals

Im ersten Schritt (der durch Wärme oder Licht induziert wird) dissoziiert das Halogenmolekül in zwei Halogenatome. Eines von beiden abstrahiert dann ein Wasserstoffatom der Benzylgruppe, wodurch ein Benzylradikal entsteht. Dieses Zwischenprodukt reagiert dann mit einem weiteren Halogenmolekül zum Produkt (Halogenmethyl)benzol (Benzylhalogenid) und einem Halogenatom, das erneut in den Reaktionscyclus eintritt. Die Halogenierung in Benzylstellung erfolgt deshalb so leicht, weil

die benzylische C—H-Bindung relativ schwach ist: DH" = 364 kJ/mol, was nahezu dem Wert einer allyliischen C—H-Bindung entspricht. Diese Bindung

ist deshalb

schwach,

weil

nach

dem

Bindungsbruch

das

r-

System des Benzols mit dem benachbarten radikalischen Zentrum in Resonanz treten kann. Genau wie beim Allylradikal läßt sich dieser Effekt auf verschiedene

Weise

darstellen,

z.B.

über Resonanzformeln,

gepunktete Linien, die das Ausmaß der Delokalisierung zeigen sollen, oder anhand der Atomorbitale (s. Abb. 22-1). CH3>-

CH»

CH»

“= en = ai© a

CH»

)

Ar

Wenn Sie die verschiedenen Resonanzformeln des als Zwischenprodukt entstehenden Benzylradikals betrachten, werden Sie sich vielleicht fragen, warum der Angriff des Halogens nur an der Benzylstellung und nicht auch an der ortho- und para-Position erfolgt. Die Antwort ist ein-

Abb. 22-1 Das benzoide n-System des Phenylmethyl- (Benzyl-) Radikals tritt in Resonanz mit dem benachbarten Zentrum.

radikalischen

Das Ausmaß

der

Delokalisierung läßt sich darstellen (A) durch Resonanzformeln, (B) durch gepunktete Linien oder (©) durch Orbitale.

1077

22

fach: Durch Reaktion an jedem anderen als dem Kohlenstoffatom der Benzylgruppe würde der aromatische Charakter des Benzolrings aufgehoben, der Übergangszustand einer solchen Reaktion wäre energetisch sehr ungünstig.

Chemie der Substituenten

am Benzolring

Übung 22-1

Zeichnen Sie die Konstitutionsformeln aller unten angegebenen Verbindungen und geben Sie an, an welchen Stellen eine Halogenierung beim Erhitzen in Gegenwart von Br, am wahrscheinlichsten ist. Ordnen Sie die Verbindungen dann nach abnehmender Reaktivität gegenüber Bromierungen. (a) Ethylbenzol; (b) 1,2-Diphenylethan; (c) 1,2| Diphenylpropan; (d) Diphenylmethan; (e) 1-Methylethylbenzol.

© Übung 22-2 h) N-Brombutanimid (N-Bromsuceinimid, NBS) wird häufig für Bromierungen in BenzylI stellung verwendet (genau wie für Bromierungen in Allylstellung, s. Abschn. 14.2). I | Die beiden im folgenden gezeigten Bromierungen wurden mit diesem Reagenz durchge“ führt. Erklären Sie, wie die unterschiedliche Geschwindigkeit zustandekommt.

Hinweis:

| Der Grund hierfür liegt nicht in der Struktur des Reagenzes, sondern in der des radika-

"2 lischen Zwischenprodukts.

Mi

(ee)

oo... en) schnell

+ HBr

1,2-Diphenylethan

Mc

ci

1

Jocnr

NBS, hv — 23 langsam

Ce

Mc)

CH»

[2.2]Paracyclophan

Die positive Ladung von Benzyl-Kationen ist delokalisiert Aufgrund der Resonanzstabilisierung zeigen auch (Halogenmethyl)benzole (Benzylhalogenide) und Phenylmethylsulfonate eine erhöhte Reaktivität. So reagiert z.B. das 4-Methylbenzolsulfonat von Phenylmethanol (Benzylalkohol) weitaus rascher mit Ethanol als das entsprechende Ethylsulfonat.

6) | CHCH>08 | OÖ

| CHz + CH3CH>5OH —&> CH3CH>OCH>CH3 + HO3S

CH;

Ethyl-4-methylbenzolsulfonat

(ein einfaches primäres Tosylat)

(can “

o |

CH; + CH3CH;0H —&> IN

|

1078

ö =

Ö

Phenylmethyl4-methylbenzolsulfonat (ein Benzyltosylat)

CH;

CH>OCH>CH3 + HO3S

ren

(Ethoxymethyl)benzol ka:kı

=

[00:1

Kasten 22-1

Das Triphenylmethylradikal: Ein stabiles Radikal Sind weitere Wasserstoffatome der Benzylgruppe durch Phenylreste ersetzt, erhöht dies die Stabilität der entsprechenden Radikale. Das Triphenylmethylradikal ist so stabil, daß es sogar bei Raumtemperatur in Lösung im Gleichgewicht mit einem, allerdings in großem Überschuß vorhandenen, Dimer vorliegt. Dieses Dimer ist nicht (wie Sie vielleicht erwartet haben) Hexaphenylethan,

sondern ein Molekül, in dem eine Triphenylmethylgruppe an die para-Position eines der Phenylsubstituenten der anderen Gruppe gebunden ist. Dieses unerwartete Ergebnis läßt sich über sterische Hinderung erklären: In Hexaphenylethan ist die Häufung von Gruppen an der neu gebildeten Bindung weitaus größer als bei dem alternativen Molekül. Um dies zu umgehen, wird sogar der Verlust der Aromatizität eines Benzolrings in Kauf genommen.

en. . eu

HH

HsC6 CeHs

H Hs5Ce

H5sCge—C—C—CoHs

HsC, CoH le

De

Hexaphenylethan

“

N

CoHs

\

EN

u

98% er

Übung 22-3 Schlagen Sie eine spektrokopische Methode vor, mit deren Hilfe man zwischen beiden vorgeschlagenen Konstitutionen des Triphenylmethyl-Dimers unterscheiden kann. Welches Ergebnis würde man in beiden Fällen erhalten?

Der Grund für die unterschiedlichen Geschwindigkeiten ist, daß die Reaktionen nach unterschiedlichen Mechanismen verlaufen. Ethyl-4methylbenzolsulfonat kann keine Syl-Reaktionen eingehen, es reagiert mit Ethanol über einen Sn2-Prozeß. Diese Umsetzung verläuft langsam, da Alkohole relativ schwache Nucleophile sind. Das Phenylmethylderivat kann demgegenüber ein delokalisiertes Carbenium-Ion bilden und so nach einem Sn1-Mechanismus reagieren.

Mechanismus der unimolekularen benzylischen nucleophilen Substitution

reer

A

Fe +

CH,

CH;

CH, +

—

a

or

+

CH,CH;OH

————

A.

Produkt

= CH;O

CH;0O:

CH;O

\

benzylisches Carbenium-lon

1079

7° H,C

TE 148 pm

143 pm

140 pm

137 pm

Abb. 22-2 Struktur des 2-Phenyl2-propyl-Kations.

Einige benzylische Carbenium-Ionen sind hinreichend stabil, so daß man sie isolierne kann. Beispielsweise konnte 1997 eine Kristallstrukturanalyse des 2-Phenyl-2-propyl-Kations (mit SbF, als Gegenion) erhalten werden, nach der die Phenyl-C-Bindung eine Länge von 141 pm aufweist. Dieser Wert liegt zwischen der einer normalen Einfachbindung (154 pm) und der einer normalen Doppelbindung (133 pm). Daneben wurde eine planare Anordnung aller sp’-hybridisierten Kohlenstoffatome gefunden, wie es einem delokalisierten benzylischen System entspricht (Abb. 22-2). U Übung 22-4 Welches der beiden Chloride solvolysiert schneller: (Chlormethyl)benzol, chlorid, C;HsCH;Cl), oder Chlordiphenylmethan, (C,Hs),CHCI? Erklären

(BenzylSie Ihre

© Antwort. Übung 22-5

=

Phenylmethanol (Benzylalkohol) reagiert in Gegenwart von HCl weitaus schneller zu Chlormethylbenzol (Benzylchlorid) als Ethanol bei einer entsprechenden Umsetzung zu Chlorethan reagiert. Warum?

CH> Br

+7CN. (Brommethyl)benzol

CH>CN

+ Br

81% Phenylethannitril

(Benzylbromid)

(= 10° mal schneller als Sy2-Reaktionen an primären Bromalkanen)

Die Resonanz im Benzyl-Kation erhöht auch die Geschwindigkeit von bimolekularen Substitutionen am Kohlenstoffatom der Benzylgruppe; solche Reaktionen verlaufen etwa doppelt so schnell wie die Sy2-Reaktionen primärer Halogenalkane. Der Übergangszustand wird durch die Überlappung der Benzolorbitale mit den benachbarten p-Orbitalen stabilisiert (s. Abb. 22-3).

u

Abb. 22-3 Bei benzylischen Kohlenstoffatomen überlappt das n-System des Benzols mit den Orbitalen des Sy2-Übergangszustands. Der Übergangszustand wird daher stabilisiert, die Barriere der Aktivierungsenergie bei Sy2-Reaktionen von (Halogenmethyl)benzolen wird erniedrigt.

Die Resonanz im Benzyl-Anion macht benzylische Wasserstoffatome

relativ sauer

Auch eine negative Ladung in Nachbarstellung zu einem Benzolring wird ähnlich wie das entsprechende Radikal oder Kation durch Resonanz stabilisiert.

1080

Resonanz im Benzyl-Anion

[":CHz

CH»

22.2 Oxidation und Reduktion von Benzol und seinen Derivaten

CH,

® -O vnFe Die Acidität von Methylbenzol (Toluol; pX, = 41) ist daher weitaus größer als die von Ethan (pX, 50) und mit der von Propen (pK, = 40) vergleichbar. Ebenso wie sich Propen zum resonanzstabilisierten Allyl-Anion (s. Abschn. 14.4) deprotonieren läßt, kann auch Methylbenzol (Toluol) durch Butyllithium deprotoniert werden. Die entsprechende Grignard-Verbindung läßt sich auf die bekannte Weise aus einem (Halogenmethyl)benzol und Magnesium darstellen.

Deprotonierung von Methylbenzol CH3

CH;Li

+ CHZCHCH,CH;Lj

r

I3)»NCHo 7 R „CHD2NCHICHINICHY.,

a,

THE,

THF,

A

+ CH3CH>CH;CH>H

Methylbenzol (Toluol)

Phenylmethyllithium (Benzyllithium)

Übung 22-6 Welches der Moleküle ist jeweils reaktiver gegenüber den gezeigten warum? (a) (C5H5);CH> oder C,HsCH; mit CH3CH,CH3>CH3;Li;

CH;>Br

(b)

Reagenzien

CH>Cl

oder

und

CH>OH

CH>OH

mit Na0OCH, in CH;,OH ; (c)

mit HCI

oder

Ex

OCH; Fassen wir zusammen:

OCH; Benzylradikale,

NO, -Kationen

und -Anionen

wer-

den durch Resonanz mit dem Benzolring stabilisiert. Hierdurch werden die radikalische Halogenierung, Syl- und Sy2-Reaktionen und die Bildung von Benzyl-Anionen erleichtert.

22.2 Oxıdatıon und Reduktion von Benzol und seinen Derivaten Aufgrund seines aromatischen Charakters ist der Benzolring relativ reaktionsträge. Trotzdem lassen sich an ihm bestimmte Umsetzungen durchführen — insbesondere elektrophile aromatische Substitutionen (s. Kap. 15 u. 16) und (unter besonderen Bedingungen) sogar katalytische Hydrierungen (s. Abschn. 15.2). In diesem Abschnitt beschreiben wir, wie bestimmte andere Reagenzien den Benzolkern und seine Substituenten oxidieren und reduzieren. 1081

22

Chemie der Substituenten

am Benzolring

Ozonolyse des Benzolrings Ozon spaltet Alkene an der Doppelbindung (s. Abschn. 12.11). Ist Ozon als Reagenz stark genug, um auch den Benzolring auf dieselbe Weise anzugreifen? Diese Frage können wir mit ja beantworten. Beim Behandeln von Benzol mit Ozon und daran anschließender reduktiver Aufarbeitung entsteht Ethandial (Glyoxal). Läßt man 1,2-Dimethylbenzol (o-Xylol) mit Ozon reagieren, erhält man ein statistisches Gemisch aus allen prinzipiell möglichen Oxidationsprodukten, woraus man schließen kann, daß alle Doppelbindungen im aromatischen Ring etwa gleich reaktiv sind. Ozonolyse des Benzolrings 00

>

|

as

||

= H28,

3 HCCH

d

Ethandial (Glyoxal)

N

-CH3 1.0;

1

Ze, re

CH;

1

CHCCcH,

+:

2,3-Butandion

CHOCH

I

+

2-Oxopropanal

one Ethandial

>

(Glyoxal)

I

:

2

;

3

Ein-Elektronen-Reduktion von Benzol: Eine Synthese von 1,4-Cyclohexadien Die katalytische Hydrierung von Benzol läßt sich nicht anhalten, bevor alle drei Doppelbindungen reduziert sind. Eine selektive Reduktion ist jedoch über Ein-Elektronen-Übertragungen möglich. Beispiele für derartige Umsetzungen sind die Überführung von Alkinen in frans-Alkene durch Natrium in flüssigem Ammoniak (s. Abschn. 13.7), die Umwandlung von a,ß-ungesättigten Carbonylverbindungen in ihre gesättigten Analoga (s. Abschn. 18.9), die Pinakol-Kupplung (s. Abschn. 17.10), die elektrolytische Hydrodimerisierung von Propennitril (Abschn. 21.13) und die Acyloin-Kondensation (s. Abschn. 23.5). Löst man entsprechend Benzol in einem Gemisch aus flüssigem Ammoniak und Ethanol und gibt ein Alkalimetall hinzu, erhält man 1,4-Cyclohexadien als Produkt. Diese Reaktion bezeichnet man als Birch*-Reduktion. Birch-Reduktion

(J

Na, fl. NH3,

von Benzol

CH,;CH,ON

H 1,4-Cyclohexadien

Mechanismus der Birch-Reduktion Schritt 1 Ein-Elektronen-Übertragung

= *

Arthur J. Birch, geb. 1915, Professor an der Cambridge University, England.

1082

mn

a

D-1

-

Benzol-Radikalanion

|)

Schritt 2 _ Protonierung

H + CHSCH;OH —>

,H

HH

® .

22.2 Oxidation und Reduktion von Benzol und seinen Derivaten

HH > 0) + CH;CH,O”

Cyclohexadienylradikal

Schritt

3 Zweite Ein-Elektronen-Übertragung

Cyclohexadienyl-Anion

Schritt

4 Zweite Protonierung

1,3-Cyclohexadien

1,4-Cyclohexadien

Der Mechanismus der Birch-Reduktion beginnt mit der Übertragung eines

Elektrons

auf Benzol,

wobei

ein Radikal-Anion

entsteht.

Durch

Ethanol wird dann diese Spezies zu einem Cyclohexadienylradikal protoniert, an dem eine zweite Ein-Elektronen-Übertragung erfolgt. Das entstandene Cyclohexadienyl-Anion wird dann erneut protoniert. Interessanterweise bildet sich bei dieser Protonierung ausschließlich das 1,4Cyclohexadien und nicht das thermodynamisch stabilere konjugierte 1,3-Cyclohexadien. Die Richtung der Birch-Reduktion kann durch Substituenten Kontrolliert werden. Elektronendonoren sind im Produkt gewöhnlich an die Alken-Kohlenstoffatome, Elektronenakzeptoren an die gesättigten Koh-

Si

CH3

CH;

Na, fl. NH,, CH,CH,OH

CH>CH3

CH>CH3 85% 1-Ethyl-2-methyl-

1-Ethyl-2-methylbenzol

1,4-cyclohexadien

OCH3

OCH3

Li, fl. NH,, CH,CH,OH >

84% Methoxybenzol

1-Methoxy-1,4-cyclohexadien

(Anisol) COOH

COOH

1. Na, fl. NH,, CH,CH,OH 2. H*, H,O

Benzolcarbonsäure (Benzoesäure)

2,5-Cyclohexadiencarbonsäure

1083

22 Chemie der Substituenten

am Benzolring

lenstoffatome der Produkte gebunden. Dies gilt jedoch nur für Substi-

tuenten, die unter den Reaktionsbedingungen stabil sind. Alkine, Carbonylgruppen, Ester und andere leicht reduzierbare daher nicht im Molekül vorhanden sein.

Gruppen

dürfen

Übung 22-7 Welche Produkte entstehen bei der Birch-Reduktion der folgenden Substrate:

(a) Methylbenzol (Toluol); (b) 2-Methylbenzolcarbonsäure (o-Methylbenzoesäure);

(e)

1] Übung 22-8 in Eine wichtige Umsetzung

bei der Synthese von Steroidhormonen

ist die Überführung

" des Östronderivats A in das Enon B. Schlagen Sie hierfür eine Reaktionsfolge vor.

H,c

H

PH

Ei H

Die Oxidation substituierter Benzole ergibt Ketone und Carbonsäuren Methylbenzole lassen sich durch Reagenzien wie KMnO,, Na5Cr,0- und

HNO;

zu

den

entsprechenden

Benzolcarbonsäuren

(Benzoesäuren)

oxidieren.

Oxidation des Benzyl-Kohlenstoffatoms von Methylbenzolen CH3

COOH I. KMnO,

2. H*, 50

HOT, A

100% Methylbenzol (Toluol)

Benzolcarbonsäure (Benzoesäure)

CH3

COOH

CH>CC];

CH;CClz Na,Cr,0,, H2SO4, CH3COOH

cı

cı 93%

4-Chlor-2-(2,2,2-trichlor-

4-Chlor-2-(2,2,2-trichlor-

ethyl)-1-methylbenzol

ethyl)benzolcarbonsäure

COOH

CH; NO,

NO,

15% HNO; ‚H,O, 190°C, 5h

F 4-Fluor-1-methyl-2-nitrobenzol

1084

F 69% 4-Fluor-2-nitrobenzolcarbonsäure

komplexen

22.2 Oxidation und

Mechanismus; man nimmt an, daß intermediär Benzyl-Kationen entstehen. Längere Seitenketten werden oxidativ an der Benzylstellung

Diese

Oxidationen

verlaufen

offensichtlich

nach

einem

Reduktion von Benzol und seinen Derivaten

abgespalten.

CH;CH;CH;CH3

1. KMnO,, HO”, A

COOH

2. H*, MO

H;C

HOOC 80% 1-Butyl-4-methylbenzol

1,4-Benzoldicarbonsäure (Terephthalsäure)

In der Industrie verwendet man Sauerstoff (weil er billig ist) als Oxidationsmittel zur Herstellung von Benzolcarbonsäuren (Benzoesäuren) in großem Maßstab. Für diesen Zweck sind spezielle Katalysatoren entwickelt worden. So läßt sich z.B. Benzolcarbonsäure (Benzoesäure) aus Methylbenzol (Toluol) und Sauerstoff in Gegenwart eines gemischten Cobalt-Mangan-Ethanoat-(-Acetat-)Katalysators herstellen. 1,2-Benzoldicarbonsäure-(Phthalsäure-Janhydrid erhält man aus 1,2-Dimethylbenzol (o-Xylol) durch Gasphasenoxidation mit Luft und Vanadinpentoxid (Dieser Katalysator findet auch Verwendung bei der Oxidation von Cyclohexanol zu Hexandisäure).

CH3

| CH3

CL

COOH

f

| O2, Co(OCCH3),, Mn(OCCH3), A

+ H50

&

O2 O, V>0s, 350-400°C V205, 350-400°C|

o

CH3

+3 H,0

\ OÖ 1,2-Benzoldicarbonsäureanhydrid

7 di

Sr:

(Phthalsäureanhydrid)

Die besondere Reaktivität der Benzylposition zeigt sich auch an den milden Bedingungen, unter denen die Oxidation von Benzylalkoholen zu den entsprechenden Carbonylverbindungen abläuft. Mit MnO, beispielsweise verlaufen diese Oxidationen selektiv in Gegenwart anderer (nichtbenzylischer) Hydroxygruppen. (Es sei daran erinnert, daß man MnO,; zur Überführung von Allylalkoholen in a,ß-ungesättigte Aldehyde und Ketone verwendet; s. Abschn. 18.8).

N

HOCHCH>CH>OH 2 CH30

>} ’

OCH3

MnO;, Propanon (Aceton), 25°C, 5 h

CCH>CH>OH

|

|

hi

Tetralin are Kr

:

OH

13 en

SER: u |

CH;0

OCH; 9, %

“ Auch Kohlenwasserstoffe können zu benzylischen Ketonen oxidiert werden. Ein Beispiel dafür ist die Oxidation von Tetralin zu Tetralon, die über das nicht isolierte Tetralol verläuft.

71% 1-Tetralon 1085

22

Chemie der Substituenten

am Benzolring

Benzylether werden hydrogenolytisch gespalten Benzylalkohole und -ether lassen sich auch katalytisch hydrieren. Bei dieser Reaktion wird die Bindung zwischen dem Benzyl-Kohlenstoffatom und dem Sauerstoffatom gebrochen, es handelt sich dabei also um eine Hydrogenolyse (s. Abschn. 20.2).

CH>OR CH>H H», Pd/C, 25°C

„Ha. Pdyc, 25°C

+

HOR

Diese Reaktion ist bei gewöhnlichen Alkoholen und Ethern nicht möglich. Da er sich unter neutralen Bedingungen entfernen läßt, ist der Benzylsubstituent eine wertvolle Schutzgruppe für Hydroxyfunktionen. Folgendes Schema zeigt die Verwendung dieser Schutzgruppe in der Synthese einer Verbindung aus einer Klasse der etherischen Öle, der Eudesmane. Mitglieder dieser Verbindungsklasse haben Bedeutung in der Medizin und als Duftstoffe in der Parfümerie. Da die Hydrogenolyse des Phenylmethyl-(Benzyl-)ethers im letzten Schritt unter neutralen Bedingungen erfolgt, wird die tertiäre Alkoholfunktion nicht angegriffen. Ein tert-Butylether wäre als Schutzgruppe ungeeignet, da die Spaltung der Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindung eine starke Säure erfordern würde (Abschn. 9.8), die zur Dehydratisierung führen kann (Abschn. 9.2). Übung 22-9 ") Formulieren Sie Syntheseschemata terialien in die gezeigten Produkte.

für die Überführung

der folgenden

Ausgangsma-

(CH3),COH (a) a I Arc

0

m

en

Be nie

HIGH. Te

>

CH; >

(6)

H3C

N

A H;C

Ö

CH3

ee 0 CH3

O (6)

(6)

Um noch einmal zusammenzufassen: Der Benzolring und die daran gebundenen Substituenten können selektiv oxidiert und reduziert werden. Ozon oxidiert den Ring, Natrium in flüssigem Ammoniak reduziert ihn. Die Oxidation der Benzylstellung von Alkylgruppen erfolgt in Gegenwart von Permanganat, Chromat oder Salpetersäure; Benzylalkohole werden durch Mangandioxid in die entsprechenden Ketone überführt. Bei industriellen Oxidationen mit Sauerstoff benutzt man spezielle Katalysatoren (Co, Mn, V). Auf diese Weise wird Benzolcarbonsäure (Benzoesäure) aus Methylbenzol (Toluol) und 1,2-Benzoldicarbonsäure(Phthalsäure-Janhydrid aus 1,2-Dimethylbenzol (o-Xylol) hergestellt. Die Benzyletherfunktion läßt sich hydrogenolytisch spalten, die Benzylgruppe ist also eine gute Schutzgruppe für die Hydroxyfunktion von Alkoholen.

1086

Benzylischer Schutz einer OH-Gruppe in einer komplizierten Synthese

22.3 Namen und Eigenschaften der Phenole

HO

CH,

1. NaH, THF

ee

KA 2 Br

OÖ %

!

H

eeder OH-Gruppe

©

enshnei Entsc der Carbonylgruppe

Bee 80% (R = C,H,CH,)

RO

1c%

CH,CH=P(CyH 3),

1. BH,, THF

2. Oxidation (zum Alkohol) 3. Oxidation (zum Keton)

DMSO

Wittig-Reaktion

CHCH;

H

HydroborierungOxidation

94% (Mischung aus E- und Z-Isomer)

HO

Tr

a WR:

R CH;Li ıR

(CH,CH,),0 OT) 2. H,O

H,, Pd-C, CH,CH;OH

Eintschützen von OR

Bl

H

OH

OR

98%

98%

99%

H

ne u

22.3 Namen und Eigenschaften der Phenole Verbindungen mit Hydroxygruppen am Benzolring bezeichnet man als Phenole (s. Abschn. 15.1). Ungewöhnlich an diesen Verbindungen ist ihre Enolstruktur. Wie Sie wissen, sind Enole im allgemeinen nicht stabil: aufgrund der relativ starken Carbonylbindung tautomerisieren sie leicht zu den entsprechenden Ketonen. In den Phenolen ist jedoch die Enolform energetisch günstiger als die Ketoform, da so der aromatische Charakter des Benzolrings erhalten bleibt.

Keto- und Enolform

des Phenols

OH H x

2,4-Cyclohexadienon

H Wr

Phenol

Phenole und ihre Ether sind in der Natur ubiquitär, einige Derivate finden Anwendung in der Medizin und als Herbizide, andere sind wichtige Industriechemikalien. In diesem Abschnitt wollen wir uns zunächst mit der Namensgebung der Phenole befassen. Dann beschreiben wir einen wichtigen Unterschied zwischen den Phenolen und den Alkanolen — die höhere

Acidität der Phenole,

die sich aus der Nachbarschaft

des

aromatischen Rings ergibt. 1087

Phenole sind Hydroxyarene Phenol selbst war früher unter dem Namen Carbolsäure bekannt. Es kristallisiert in farblosen Nadeln (Smp. 41°C), hat einen charakteristischen Geruch und ist etwas wasserlöslich. Wäßrige Lösungen von Phenol (oder seiner methylsubstituierten Derivate) werden als Desinfektionsmittel verwendet, hauptsächlich benutzt man es jedoch zur Herstellung von Polymeren (Phenolharze, s. Abschn. 22.6). Die gesamte Phenolproduktion in der Bundesrepublik Deutschland belief sich im Jahre 1993 auf 550000t. Bisphenol A ist ein wichtiges Monomer bei der Synthese von Epoxidharzen (s. Kasten 9-5) sowie von Polycarbonaten, Materialien mit vielfältigen Anwendungen in der Produktion widerstandsfähiger Kunststoffprodukte, Lebensmittelverpackungen, zahnmedizinisch wichtiger Kunststoffe und Innenbeschichtungen von Getränkedosen. Berichte über ein Auswaschen von Bisphenol A aus derartigen Produkten haben in Verbindung mit seiner Östron-ähnlichen Wirkung auf Mäuse zu erheblichen Anstrengungen zur Erforschung seiner Gefährlichkeit für die menschlicher Gesundheit geführt. Reines Phenol verursacht starke Hautverätzungen und ist giftig; es wird von Todesfällen berichtet, die bereits nach der Aufnahme von 1 g Phenol eintraten. Durch Absorption über die Haut kann es zu ernsthaften Vergiftungen kommen. Substituierte Phenole benennt man entsprechend dem System, das wir in Abschn. 15.1 beschrieben haben. Bei der Benennung substituierter Benzole hat die Carboxy- und die Carbonylgruppe eine höhere Priorität als die Hydroxygruppe. Phenylether bezeichnet man als Alkoxybenzole, die C;,HsO-Gruppe als Substituenten nennt man Phenoxy. Von vielen Phenolderivaten sind die Trivialnamen verbreitet.

Bisphenol A

OH =

OH

J>

OH

COOH

|

nn

”

Bn

OH

”

%zn

©

OH

|

4

N

LE

CH;

N

|

NO,

NT

N

OH

\ IS 5

Cl

4-Methylphenol (p-Cresol)

4-Chlor3-nitrophenol

£

OH

OH 3-Hydroxybenzolcarbonsäure (m-Hydroxybenzolsäure)

1,4-Benzoldiol (Hydroquinon)

1,2,3-Benzoltriol (Pyrogallol)

Viele Beispiele wichtiger Phenolderivate, insbesondere solche mit physiologischer Aktivität, wurden an vielen Stellen in diesem Buch erwähnt. Es ist sehr wahrscheinlich, daß Sie die folgenden Verbindungen bereits zu sich genommen haben, ohne zu wissen, daß es sich um Phenolderivate handelt. Resveratrol wird aus Trauben gewonnen, Epigallocatechin-3-gallat aus grünem Tee, und beiden wird eine vorbeugende Wirkung gegen Krebs zugeschrieben. Capsaicin ist die aktive Komponente von Pfeffer, beispielsweise von Cayenne-Pfeffer.

HO’

OH S

r H;C

DD HO

HO

Ke)

>

OH

NY

H

OH

OH Epigallocatechin-I-gallat

1088

Phenole sind ungewöhnlich sauer

22.3 Namen und Eigenschaften der Phenole

Die pK,-Werte der Phenole liegen im Bereich von 8 bis 10. Obwohl sie weniger sauer sind als Carbonsäure (pK, = 3-5), sind sie doch stärker sauer als Alkanole (pK, = 16-18). Der Grund hierfür liegt in der Resonanz: Die negative Ladung in der konjugierten Base, dem Phenoxid-Ion (Phenolat-Ion), wird aufgrund der Delokalisierung über den aromatischen Ring stabilisiert. Acidität von Phenol

Die Acidität dieses Systems läßt sich stark durch Ringsubstituenten, die sich an der Resonanz beteiligen können, beeinflussen. So beträgt z.B. der pK, von 4-Nitrophenol 7.15.

:OH

pk, = 7.15 Das 2-Isomer hat eine vergleichbare Säurestärke (pK, = 7.22), während eine Nitrogruppe an C3 einen pK, von 8.39 ergibt. Bei mehreren Nitrosubstituenten am Ring wird die Acidität von Carbonsäuren oder sogar Mineralsäuren erreicht. Elektronenliefernde Substituenten haben den gegenteiligen Effekt.

Base NO;

2,4-Dinitrophenol pK,= 4.09

NO,

2,4,6-Trinitrophenol (Pikrinsäure) pK, = 0.25

en (p-Kresol) pK, = 10.26

Wie wir in Abschnitt 22.5 zeigen werden, reagiert das Sauerstoffatom im Phenol und dessen Ethern auch schwach basisch, Phenylether lassen sich nach erfolgter Protonierung spalten. \Übung 22-10

Warum

ist 3-Nitrophenol

(m-Nitrophenol)

weniger

sauer

als die

beiden

anderen

Isomere, aber saurer als Phenol selbst?

Ubung 22Ordnen Sie nach steigender Säurestärke: Phenol, A; 3,4-Dimethylphenol, B; 3-Hydroxybenzolcarbonsäure (m-Hydroxybenzoesäure), C; p-(Fluormethyl)phenol, D.

1089

22 Chemie der Substituenten am Benzolring

Fassen wir zusammen: Phenole liegen aufgrund der aromatischen Stabilisierung in der Enolform vor. Sie werden nach den in Abschnitt 15.1 vorgestellten Nomenklaturregeln für aromatische Verbindungen benannt. Diejenigen Derivate, die auch Carboxy- oder Sulfonsäuregruppen enthalten, bezeichnet man als Hydroxybenzoesäuren oder Hydroxybenzolsulfonsäuren. Phenole reagieren sauer, weil die entsprechenden Anıonen resonanzstabilisiert sind.

22.4 Darstellung von Phenolen: Nucleophile aromatische Substitution Phenole werden, durch den aromatischen Ring bedingt, völlig anders als gewöhnliche Alkohole synthetisiert. Die direkte elektrophile Addition einer Hydroxygruppe an Arene ist schwierig, da es kaum Reagenzien gibt, die eine elektrophile Hydroxygruppe, wie HO*, erzeugen. Stattdessen stellt man Phenole durch nucleophilen Austausch einer AbgangsNucleophile aromatische ipso-Substitution cl NO,

0”.

NO, Beispiele:

[ei NO,

NO, Na,CO;,

HOH,

100°C

&

NO;

a

NaCl

NO, 90%

1-Chlor-2,4dinitrobenzol

2,4-Dinitrophenol

@|

NH> NO,

NO,

A

+ NH,CI

NO,

NO, 85% 2,4-Dinitrobenzolamin

(2,4-Dinitroanilin)

cl

DE

Nr

Re NO,

-

NO;

or NO;

74% 1-Methoxy-2,4-dinitrobenzol (2,4-Dinitroanisol)

1090

a

gruppe vom Arenring durch Hydroxid, HO , dar. In diesem Abschnitt untersuchen wir die unterschiedlichen Möglichkeiten, diese Umsetzung durchzuführen.

22.4 Darstellung von Phenolen: Nucleophile

aromatische Substitution

Die nucleophile aromatische Substitution kann nach einem Additions-Eliminierungs-Mechanismus erfolgen Beim Behandeln von 1-Chlor-2,4-dinitrobenzol mit Hydroxid wird das Halogenatom durch das Nucleophil ausgetauscht, wobei das entsprechende substituierte Phenol entsteht. Andere Nucleophile, wie Ammoniak, können entsprechend eingesetzt werden, wobei Benzolamine gebil-

det werden. Solche Reaktionen, bei denen andere Gruppen als Wasserstoff am aromatischen Ring ersetzt werden, bezeichnet man als ipsoSubstitutionen (lat. ipso, auf sich selbst). Die Produkte dieser Reaktionen treten als Zwischenprodukte bei der Synthese wichtiger Farbstoffe auf. Diese Reaktion nennt man nucleophile aromatische Substitution. Sie gelingt nur dann, wenn mindestens ein stark elektronenziehender Substituent, am besten jedoch mehrere, im Ring ortho oder para zur Abgangsgruppe vorhanden ist. Ihre Wirkung besteht darin, die Elektronendichte des Benzolrings herabzusetzen, also den Angriff des Nucleophils zu erleichtern und das intermediäre Hexadienyl-Anion durch Resonanz zu stabilisieren. Im Gegensatz zur Sy2-Reaktion der Halogenalkane läuft die Substitution hier nach einem zweistufigen Mechanismus ab, einer Additions-Eliminierungs-Reaktion, die dem Mechanismus der nucleophilen Substitution

von

Carbonsäure-Derivaten

(Abschn.

19.7,

Kap.

20)

ähnlich ist. Mechanismus der nucleophilen aromatischen Substitution Schritt

1

Addition

Schritt

2_ Eliminierung (nur eine Resonanzformel ist gezeigt)

:O:

Nu, „cu |

Nu

:O:

7

+

NO,

1091

22

Chemie der Substituenten

am Benzolring

Im ersten Schritt entsteht durch ipso-Angriff des Nucleophils ein Anion mit stark delokalisierter Ladung, das mit mehreren Resonanzformeln beschrieben werden kann. Bei dieser Zwischenstufe ist es wichtig, daß die elektronenziehenden Gruppen die negative Ladung mit übernehmen können. Wenn eine solche Delokalisierung unmöglich ist, z.B. in 1-Chlor-3,5-dinitrobenzol, wo diese Gruppen meta-ständig sind, findet

unter den hier herrschenden Bedingungen keine ipso-Substitution statt.

Cl

O,N

Nu

eh

Cl

=

NO,

Nu

O,;N

v

NO,

=

O;N

Im zweiten Schritt wird die Abgangsgruppe abgespalten, wobei der aromatische Ring regeneriert wird. Man kann leicht vorhersagen, daß die Reaktivität der Halogenarene bei der nucleophilen Substitution mit zunehmender Nucleophilie des Reagenzes steigt, sowie mit der Anzahl der

elektronenziehenden

Substituenten

des

Rings,

besonders

wenn

diese sich in ortho- und para-Stellung befinden. Übung 22-12 Welche

®

Produkte

NaOCHR; in CH;OH

bilden

sich

bei

der

Reaktion

von

1-Chlor-2,4-dinitrobenzol

mit

beim Kochen unter Rückfluß?

Ein weiteres Beispiel der nucleophilen aromatischen Substitution ist die Überführung von Arensulfonsäuren in Phenole beim Erhitzen in geschmolzenem NaOH. Früher wurde Phenol selbst auf diese Weise hergestellt. Bei dieser Reaktion entsteht zunächst das Phenolat, das man anschließend mit HCl behandelt. Direkte nucleophile aromatische Hydroxylierung

SO; Na*

&

O’Na"

+2 NaOH 5,

+ N23503 + H5O Natriumphenoxid

Übung 22-13 Schildern Sie den Mechanismus der folgenden Umwandlung. Nehmen Sie an, daß der erste Schritt geschwindigkeitsbestimmend ist. Zeichnen Sie den Verlauf der potentiellen Energie während der Reaktion. NO,

3

o pen,

H;C

son

H;C

SO,”

NO, Halogenarene können über Benz-in-Zwischenstufen reagieren Halogenarene gehen keine einfachen Sy2- oder Snl-Reaktionen ein. Bei

sehr hoher Temperatur und unter hohem Druck findet jedoch nucleophile Substitution statt. Bei der Reaktion in heißer Natronlauge mit anschließender neutralisierender Aufarbeitung geht Chlorbenzol in Phenol über.

1092

\

oO,

22.4 Darstellung von Phenolen: Nucleophile

Wi

1. NaOH, H2O, 340°C, 15 MPa

m Chlorbenzol

Durch

Phenol

eine ähnliche

(Anilin).

aromatische Substitution

| + NaCl

Reaktion

mit Kaliumamid

entsteht

Benzolamin

NH»

1. KNH,, fl. NH, |

2.H”, H,O

Te

En

+ KCI

Benzolamin (Anilin)

Man könnte annehmen,

daß hier ein ähnlicher Mechanismus

abläuft

wie bei der Substitution von Halogenalkanen. Führt man jedoch die letztgenannte Reaktion mit radioaktiv markiertem Chlorbenzol durch (’C bei C1), erhält man ein seltsames Ergebnis: nur die Hälfte des Produkts enthält den Substituenten am markierten Kohlenstoffatom. Bei der anderen Hälfte sitzt die Aminogruppe am benachbarten Kohlenstoffatom.

KNH,, 1. NH,

4

— KCı

—_

Ar Y

„NH

SM.

50% Chlorbenzol-7- °C

Benzolamin-1-"'C

Benzolamin-2-"°C

Die Reaktion substituierter Halogenbenzole mit starken Basen führt zu einem ähnlichen Ergebnis. Beispielsweise entstehen aus 1-Halogen2-methylbenzolen ortho- und meta-substituierte Produkte. 1-Halogen-4methylbenzole werden in meta- und para-Stellung substituiert.

CH;

CH3

Dal |

NaNH>;

fl. NH,

+

— Nacı

|

|

NH> Verhältnis:

45

;

55 66%

:

NH» 0

CH3

NaNH,, fl. NH, |

— NaCl

cl Verhältnis:

1093

Kasten 22-2

Chlorphenole sind stark toxische Verbindungen

Die direkte nucleophile Substitution von Chlorid in Chlorarenen ermöglicht die Synthese einer Reihe von Herbiziden, Pestiziden und Bakteriziden. So entsteht z.B. bei der Hydroxylierung von 1,2,4,5-Tetrachlorbenzol 2,4,5-Trichlorphenol (2,4,5-TCP), ein Zwischenprodukt bei der Synthese von 2,4,5-Trichlorphenoxyethansäure (2,4,5-T).

Cl cl

1

|

Nu

CI 1. NaoH, 150°c 2.H*, H,O

Cl

OH

cl

cl

— NaCl

cl

Diese

Säure

ist ein stark wirksames

Herbizid,

das häufig zur Beseitigung von Unterholz verwendet wird. Ein 1:1-Gemisch des Butylesters von 2,4,5-T und seinem 2,4-Dichloranalogon (2,4-D) wurde in riesigen Mengen (mehr als 40 Millionen L in den Jahren 1965 bis 1970) während des Vietnamkriegs als Entlaubungsmittel (Code-Name: Agent Orange) eingesetzt.

cl

OCH>COOH

CICH>COOH, NaOH, H30, A — NaCl Cl

Cl 85%

2,4,5-Trichlorphenoxyethansäure (2,4,5-Trichlorphenoxyessigsäure, 2,4,5-T)

2,4,5-Trichlorphenol (2,4,5-TCP)

Diese Verbindungen sind giftige Reizstoffe. 2,4,5-T hat eine traurige Berühmtheit aufgrund einer noch weitaus toxischeren Verunreinigung, die in kleinen Mengen während der Herstellung entsteht, erlangt: 2,3,7,8-Tetrachlordibenzo-pdioxin

(TCDD,

oder

vereinfacht

man Be ‚eigt hat, entsteht

Dioxin

Dioxin).

beim

Wie

Erhitzen

von 2,4,5-T auf 500 °C bis 600°C, bei der Herstellung von 2,4,5-T muß die Reaktionstemperatur daher außerordentlich sorgfältig kontrolliert werden. Dioxin läßt sich auch direkt aus 2,4,5-Trichlorphenol durch Kupplung über doppelte Dehydrochlorierung herstellen. Die Toxizität von Dioxin (gemessen an der letalen Dosis bei Versuchstieren, in mol/kg Körpergewicht) ist etwa 500 mal größer als die von Strychnin und mehr als 100000 mal größer als die von Natriumeyanid. Es wirkt embryotoxisch, teratogen (verursacht Mißbildungen beim Fetus)

und wird als krebserregende Substanz beim Menschen eingestuft. In subletalen Konzentrationen verursacht es starke Hautausschläge und schwere Hautschäden (Chlorakne). Im Jahre 1976 wurde durch eine außer Kontrolle geratene Reaktion in einer chemischen Fabrik in Seveso eine Wolke von überhitztem 2,4,5-Trichlorphenol, das mit Dioxin kontaminiert war, freigesetzt. Man schätzt, daß etwa 60 kg dieser Substanz verdampften und in die Umgebung gelangten. Viele Tiere fanden dabei den Tod, und eine große Zahl von Menschen erlitten schwere Hautverletzungen. Weitere Beispiele für chlorierte Phenole mit physiologischer Wirkung sind Pentachlorphenol, ein Fungizid, und Hexachlorophen (Gebrauchsname),

ein

Hautdesinfektionsmittel,

0.5 mol/ L K,‚C0;, Cu- ‚Pulver, 240 - 250°C 7 —2 KC, -H,0

Bosad Be

fetrachlordibenzo-p-dioxin

(Dioxin)

OH

OH cı

Cl

Cl

cı Cl

2,3,4,5,6-Pentachlorphenol

(Pentachlorphenol, ein Fungizid)

1094

das

früher

als Zusatz in Seifen und anderen Toilettenartikeln enthalten war. Es wurde verboten, als man entdeckte, daß es Hirnschädigungen verursacht.

Cl

OH CH>

%

GC cı

ei

Hexachlorophen (ein Hautdesinfektionsmittel)

Aus 1-Halogen-3-methylbenzolen hingegen erhält man alle möglichen Produkte.

22.4 Darstellung von Phenolen: Nucleophile aromatische Substitution

CH;

— NaCl

N

cı 56

22

Verhältnis:

61% Bei diesen Verbindungen scheint also eine direkte Substitution ausgeschlossen. Wie lautet nun die Lösung dieses Rätsels? Die Antwort ergibt sich, wenn

man

in Betracht zieht, daß das eintretende Nucleophil nur in

ipso- oder in ortho-Stellung zur Abgangsgruppe auftaucht. Dieser Befund und andere Beobachtungen kann man mit einer anfänglichen basen-induzierten Eliminierung von HX aus dem Benzolring erklären. Dieser Vorgang erinnert an die Dehydrohalogenierung von Halogenalkenen zu Alkinen (Abschn. 13.5). Im vorliegenden Fall entsteht durch die schrittweise Elıminierung über ein intermediäres PhenylAnion ein stark gespanntes, hochreaktives Arin namens Benz-in, oder 1,2-Dehydrobenzol. Mechanismus der nucleophilen Substitution einfacher Halogenarene Schritt

1

Eliminierung

— HNH,

Se

re

Phenyl-Anion

Schritt

2

D

SS

D

H

Benz-in (Reaktive Zwischenstufe)

Addition

y

NH

|| __ NH ® N

a

>

ID

Z:NH>

Da

HCNH,

Ya

—NH7

N

?

af

?

41

5

NH>

Benz-in ist deshalb so reaktiv, da Alkine eine lineare Struktur einnehmen müssen, damit eine gute Überlappung der sp-Hybridorbitale, die die Dreifachbindung aufbauen, stattfinden kann (Abschn. 13.2). Bei dem cyclischen Benz-in ist das nicht möglich, es ist deshalb nur kurzlebig und wird von dem nächstbesten Nucleophil, das vorhanden ist, abgefangen. In Ammoniak als Lösungsmittel entsteht deshalb Benzolamin (Anilin). Da die beiden an der Dreifachbindung beteiligten Atome gleich reaktiv sind, kann das Nucleophil an beiden gleichermaßen angreifen. So erhält man aus markiertem Chlorbenzol und den (Halogen)methylbenzolen die beobachteten Produkte. ) Übung 22-14 un 1-Chlor-4-methylbenzol (p-Chlortoluol) ist kein gutes Ausgangsmaterial, wenn man 4) Methylphenol (p-Cresol) durch direkte Reaktion mit heißer NaOH darstellen will, da ein Gemisch aus zwei Produkten entsteht. Warum bilden sich zwei Produkte? Welche sind es? Schlagen Sie eine Synthese, ausgehend vom Methylbenzol (Toluol), vor.

1095

Abb. 22-4 Das Orbitalbild von Benz-in zeigt, daß sich die sechs

Schlechte Überlappung

aromatischen r-Elektronen in

Orbitalen befinden, die senkrecht

zu den beiden zusätzlichen Hybri-

140.5 pm er

dorbitalen stehen, die die ver-

drehte Dreifachbindung bilden. Die Überlappung zwischen diesen beiden Orbitalen ist nur gering und Benz-in ist daher äußerst reaktiv. Seine Molekülstruktur ist aufgrund der Dreifachbindung gegenüber der hexagonalen Symmetrie stark

134.4 pm

138.7 pm 141.1 pm

Übung 22-15 Wie kommt die Regioselektivität der folgenden Reaktion zustande? (Hinweis: Berücksichtigen Sie den Einfluß der Methoxygruppe auf die Selektivität des Angriffs des Amid-Ions auf Benz-in.

VEIZEITt.

Br

NH»

OCH3

H>N

OCH3

KNH,, fl. NH,

OCH3

Mr

—KBr

viel

wenig

Benz-in ist ein gespanntes Cycloalkin Matrixerzeugung, von Benz-in, einer reaktiven Zwischenstufe

16)

> |

*

Ö 1,2-Benzoldicarbonylperoxid (Phthaloylperoxid) Im 8”K

Obwohl Benz-in zu reaktiv ist, um isoliert und gelagert werden zu können, läßt es sich spektroskopisch unter besonderen Bedingungen beobachten. Bei der Photolyse von 1,2-Benzoldicarbonyl-(Phthaloyl-)peroxid bei 8K (-265°C) in gefrorenem Argon (Smp. = -189°C) entsteht eine Spezies, deren IR- und UV-Spektren sich Benz-in zuordnen lassen. Benz-in bildet sich offenbar durch Abspaltung zweier Moleküle CO, aus dem Benzoldicarbonylperoxid. Obwohl Benz-in in der Strukturformel als Cycloalkin dargestellt wird (Abb. 22-4), zeigt seine Dreifachbindung eine IR-Streckschwingung bei 1846 cm’. Dieser Wert liegt zwischen dem einer normalen Doppel- und einer Dreifachbindung. Die Bindung ist aufgrund einer schlechten Überlappung der Orbitale sehr schwach. Der normalerweise symmetrische Benzolring ist durch die Einführung der gespannten Dreifachbindung ebenfalls verdreht und destabilisiert.

|+ 2C0, Phenole sind aus Arendiazoniumsalzen

erhältlich

Im Laboratorium stellt man Phenole im allgemeinen über Arendiazoniumsalze, ArN,'X", dar. Erinnern wir uns daran, daß primäre Alkanamine am Stickstoff nitrosiert werden können, daß sich aber die entstan-

denen Primärprodukte zu instabilen Diazoniumsalzen umlagern - sie bilden unter Abgabe von Stickstoff Carbenium-Ionen (s. Abschn. 21.10). Im Gegensatz dazu reagieren Benzolamine (Aniline) mit kalter Salpetriger Säure zu den relativ stabilen Diazoniumsalzen. Diese Reaktion bezeichnet man als Diazotierung. Diazotierung

NH,

R (iM N

R Arendiazonium-lon

1096

Die Reaktionen dieser Salze wollen wir ausführlicher in Abschn. 22.10 behandeln. Für die Synthese von Phenolen ist wichtig, daß Diazo-

niumsalze beim Erhitzen unter Bildung reaktiver Aryl-Kationen Stickstoff abspalten. Diese reagieren mit Wasser zu den gewünschten Phe-

22.4 Darstellung von Phenolen: Nucleophile aromatische Substitution

nolen. Übung 22-16 Entwickeln Sie eine Synthese von (4-Phenylmethyl)phenol

(p-Benzylphenol) ausgehend

von Benzol.

Zersetzung von Arendiazoniumsalzen

OH A

HOH

_——

———

- N

- H*

Aryl-Kation

Kasten 22-3

Wirtschaftliche Aspekte der industriellen Phenolsynthese: Das Cumolhydroperoxid- Verfahren OH

CH3;CH=CH; +

) | is; + 0 — CH;CCH; + | Y

Ein weiteres industrielles Herstellungsverfahren von Phenol macht die wirtschaftlichen Anforderungen, die an jeden Prozeß von kommerzieller Bedeutung gestellt werden, deutlich. In diesem Verfahren, dem Cumolhydroperoxid-Verfahren (s. oben gezeigtes Reaktionsschema), werden Benzol und Propen durch Luft über eine Reihe von Stufen zu Phenol und Propanon (Aceton) oxidiert. |

Obwohl

das Ziel dieses

Verfahrens

H:7

ist,

Phenol zu synthetisieren, hängt seine Wirtschaftlichkeit vom Verkaufspotential des als Nebenprodukt entstehenden Ketons ab. Die Synthese verläuft über mehrere Einzelreaktionen. In der ersten Stufe wird Benzol durch Friedel-Crafts-Alkylierung mit Propen unter sauren Bedingungen in 1-Methylethylbenzol (Isopropylbenzol, Cumol) überführt (Abschn. 15.12). In der zweiten Reaktion (unten gezeigt) wird das Alkylbenzol durch Luft radikalisch zum entsprechenden Hydroperoxid oxidiert. Diese Umsetzung verläuft sehr glatt, weil das tertiäre Benzylradikal recht stabil ist und leicht eine Radikalkettenreaktion initiiert. Im dritten und letzten Schritt wird das Hydroperoxid mit verdünnter Säure behandelt, und die beiden Produkte Phenol

und Propanon (Aceton) katalysierte Umlagerung.

entstehen

durch

säure-

CH(CH3)>

+ CHSCH=CH, —

|

G N

|

O, Initiator

1-Methylethylbenzol (Isopropylbenzol oder Cumol)

CH;3

| CHC—-0-0-—H

OH OÖ 10% H2SO4, H30, ET A Ar Ze LI

+

S | CH,CCH;

1-Methyl-1-phenylethylhydroperoxid (Cumolhydroperoxid)

1097

22

Chemie der Substituenten

am Benzolring

Fassen wir zusammen: Wenn ein Benzolring genügend stark elektronenziehende Substituenten und eine Abgangsgruppe trägt, kann er nucleophile Additionsreaktionen eingehen. Als Zwischenprodukt entsteht ein Anion mit delokalisierter Ladung, das dann die Abgangsgruppe abspaltet (nucleophile aromatische ipso-Substitution). Phenole entstehen, wenn das Nucleophil ein Hydroxid-Ion ist. Ist Ammoniak das Nucleophil, erhält man Benzolamine (Aniline), im Falle von Alkoxiden Alkoxybenzole. Sehr starke Basen sind in der Lage, HX aus Halogenarenen zu eliminieren, wobei die reaktive Zwischenstufe Benz-in entsteht. Benz-in wird sofort von Nucleophilen unter Bildung von Substitutionsprodukten angegriffen. Schließlich lassen sich Phenole durch Zersetzung von Arendiazonium-Salzen in wäßriger Lösung darstellen.

22.5 Die Alkoholchemie der Phenole In diesem Abschnitt sehen wir, daß die phenolische Hydroxygruppe einige der Reaktionen von Alkoholen (Kap. 9), wie Protonierung, Williamson-Ethersynthese und Veresterungen, eingehen kann.

Das Sauerstoffatom der Phenole ist nur schwach basisch Phenole (und deren Ester) lassen sich durch starke Säuren zu den entsprechenden Phenyloxonium-Ionen protonieren. Die Hydroxygruppe zeigt also, genau wie bei den Alkoholen, amphoteren Charakter (8. Abschn. 8.3). Allerdings ist die Basizität der Phenole noch weniger ausgeprägt als die der Alkanole, da die freien Elektronenpaare des Sauerstoffatoms über den aromatischen Ring delokalisiert sind (s. Abschn. 16.3). Die pK,-Werte der Phenyloxonium-Ionen sind daher kleiner als die der Alkoxonium-Ionen. pK,-Werte von Methyl- und Phenyloxonium-Ionen u

Pi

OÖ A

er

od

:OH

fi

x

H

pk, = -22

pk, = 6.7

Anders als sekundäre und tertiäre Oxonium-Ionen, die sich von Alkoholen ableiten, dissoziieren Phenyloxonium-Ionen nicht unter Bildung von Phenyl-Kationen, da der Energieinhalt dieser Ionen sehr groß wäre (s. Abschn. 22.10). Protonierte Alkoxybenzole werden in Gegenwart von Nucleophilen wie Br oder I (z.B. aus HBr oder HI) zu Phenolen und den entsprechenden Halogenalkanen gespalten.

COOH

COOH

OCH3

OH 0%

1098

3-Methoxybenzolcarbonsäure

3-Hydroxybenzolcarbonsäure

(m-Methoxybenzoesäure)

(m-Hydroxybenzoesäure)

' Kasten 22-4 Aspirin, ein Phenylalkanoat mit physiologischer Wirkung

Im Jahr 1997 wurde der 100. Geburtstag der Synthese des Essigsäureesters von 2-Hydroxybenzoesäure (Salicylsäure) gefeiert: 2-Acetyloxybenzoesäure, besser bekannt als Aspirin (s. Abschn. 19.13). Aspirin war das erste Medikament, das

fiebersenkendes und entzündungshemmendes Medikament verschrieben. Ihr bitterer Geschmack und ihre Nebeneffekte, beispielsweise Reizungen im Mundraum und Magenbluten, beschleunigten die Suche nach geeigneteren Derivaten und führte

klinisch

schließlich zur Entdeckung von Aspirin. Im Körper ist Aspirin die Stufe von Salicylsäure, die das Enzym Cyclooxygenase irreversibel inhibiert. Dieses Enzym bewirkt die Bildung von Prostaglandinen (s. Kasten 11-1 u. Abschn.

getestet

wurde,

bevor

es

1899

auf den

Markt kam. Mehr als 100 Milliarden Aspirintabletten wurden auf der ganzen Welt gegen Kopfschmerzen,

rheumatische

Beschwerden,

zur

Fieberunterdrückung und zur Behandlung von Gicht und Arthritis genommen. Allein in den USA werden jährlich 10000 Tonnen produziert. Salicylsäure (auch Spirsäure genannt, daher auch der Name „Aspirin“ [,„a“ für Acetyl-]), extrahiert aus der Spierstaude, Blüten der echten Kamille und der Borke der Weide, wurde bereits

seit Urzeiten (s. Anfang dieses Kapitels) gegen Schmerzen, Fieber und Schwellungen verwendet. Die Säure wurde erstmals 1829 isoliert und anschließend im Labor synthetisiert. Im 19. Jahrhundert wurde Salicylsäure schließlich in großem Maßstab produziert und als Schmerzmittel sowie

19.13), die ihrerseits Entzündungen und Schmerzen verursachen. Thromboxan A,, ein weiteres

dieser Verbindungen ist für die Aggregation von Blutplättchen bei Verletzungen notwendig. Dieser Prozeß ist jedoch innerhalb von Arterien unerwünscht, da er dort zu Schlaganfällen und Herzinfarkten führen kann, wenn sich ein Pfropfen

bildet. Tatsächlich zeigten Untersuchungen in den achtziger

daß

Aspirin

das

Risiko

von

COOH 1 OCCH3

COOH

OH

Jahren,

Herzinfarkten bei Männern um fast 50% reduziert und die Sterberate während eines Anfalls um etwa 23%.

11

CH,3COCCH3, H*’,A — CH3COOH

2-Hydroxybenzolcarbonsäure (o-Hydroxybenzoesäure

säure (o-Acetoxybenzoesäure,

Salicylsäure)

Acetylsalicylsäure, Aspirin)

2-Ethanoyloxybenzolcarbon-

Viele weitere mögliche Anwendungen von Aspirin werden derzeit untersucht, zum Beispiel die Behandlung von Beschwerden während der Schwangerschaft, virale Entzündungen bei AIDSPatienten, Demenz, Alzheimer-Erkrankung und Krebs. Trotz seiner Popularität kann Aspirin einige ernstzunehmende Nebenwirkungen haben: es ist giftig für die Leber, verlängert die Blutung und verursacht Magenbeschwerden. Es steht

unter Verdacht, das Reye-Syndrom zu verursachen, ein Zustand, der normalerweise zu einem tödlichem Hirnschaden führt. Wegen einiger dieser Nachteile gibt es Medikamente, die mit Aspirin

konkurrieren,

insbesondere

auf

dem

Schmerzmittel-Markt: zum Beispiel Naproxen, Ibuprofen und Acetaminophen (s. Anfang Kap.

16). Paracetamol wird aus 4-Aminophenol durch Acteylierung dargestellt.

OH

00 I | CH,3COCCH3 ,CH3COOH — CH3COOH

NH>

a Ö

4-Aminophenol (p-Aminophenol)

N-(4-Hydroxyphenyl)ethanamid [N-(p-Hydroxyphenyl)acetamid, Paracetamol]

1099

22 Chemie der Substituenten

Dieselbe Reaktion ist auch mit einigen Lewis-Säuren möglich.

am Benzolring

00 LJ

OCH;

00

95

|

I

1. AlCIz, HCI, Nitrobenzol (Lösungsmittel)

24", 50

Ber

N

©:

ea

H

u

+ 2 CH;Cl

OHF

60% M

Übung 22-17

Warum entsteht bei der Spaltung eines Alkoxybenzols durch Säure nicht das Halogen\ benzol und das Alkanol?

Alkoxybenzole werden durch Williamson-Ethersynthese dargestellt Das Phenoxid-Ion ist ein gutes Nucleophil; es substituiert die Abgangsgruppe der Halogenalkane und Alkylsulfonate, wobei Alkoxybenzole entstehen. Diese Reaktionen lassen sich sogar in Gegenwart von Alkanolen selektiv durchführen, da sich beide Hydroxyfunktionen stark in ihrer Acidität unterscheiden.

OH

OCH>CH>CH3 + CHOHCH

BE

— NaBr, — HOH

ei

cl

63% 3-Chlorphenol

1-Chlor-3-propoxybenzol

(m-Chlorphenol)

(m-Chlorphenylpropylether)

OH

OCH3 + (CH2),250,

NaOH

— Na>S04,

— HOH

CH;OH

CH>OH

40% (4-Hydroxymethyl)phenol [(»-Hydroxymethyl)phenol]

4-Methoxyphenylmethanol (p-Methoxybenzylalkohol)

Veresterung ergibt Phenylalkanoate Für die Veresterung der Phenole sind im allgemeinen aktivierte Carbonsäure-Derivate, wie Alkanoylhalogenide oder Carbonsäureanhydride erforderlich,

da die Reaktion

mit der Carbonsäure

selbst (unter Säure-

katalyse, s. Abschn. 19.9) in diesem Falle endotherm ist.

OH

|

|

CH3 4-Methylphenol (p-Kresol)

1100

OCCH3>CH3 NaOH, H,O

|

—

CH3 Propanoylchlorid

4-Methylphenylpropanoat (Propionsäure-p-methylphenylester)

22.6

7 Übung 22-18 Erklären

Sie, warum

bei der Synthese von Paracetamol

das Amid

und nicht der Ester

Elektrophile Substitution an Phenolen

entsteht.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß das Sauerstoffatom in Phenolen und Alkoxybenzolen protoniert werden kann, obwohl es weniger basisch als das Sauerstoffatom von Alkanolen und Alkoxyalkanen ist. Protonierte Phenole und ihre Derivate ionisieren nicht unter Bildung von Phenyl-Kationen, aber die Ether können von HX zu Phenolen und Halogenalkanen gespalten werden. Alkoxybenzole werden durch Williamson-Ethersynthese dargestellt, Arylalkanoate durch Alkanoylierung.

22.6 Elektrophile Substitution an Phenolen Der aromatische Ring der Phenole ist aktiviert, und wird daher rasch in

ortho- und para-Stellung elektrophil substituiert (s. Abschn. 16.1 u. 16.3). So erfolgt die Nitrierung sogar mit verdünnter wäßriger Salpetersäure.

OH

OH

OH NO,

HNO, CHC};, 15°C _ |

&

NO; 26%

61%

2-Nitrophenol (o-Nitrophenol)

4-Nitrophenol (»-Nitrophenol)

Bei der Friedel-Crafts-Alkanoylierung werden

stets Ester als Nebenprodukte

(-Acylierung)

von

Phenolen

gebildet, es ist daher besser, die

Phenole vorher durch Ethergruppen zu schützen.

OCH; +

|

CH>CCl

AlClz,

CSa

Sm?= Far

=

Be

0%

CH;

70% Methoxybenzol (Anisol)

1-(4-Methoxyphenyl)ethanon (p-Methoxyacetophenon)

Phenole werden derart rasch halogeniert, daß kein Katalysator benö-

tigt wird, und man erhält häufig Mehrfachhalogenierungen (Abschn. 16.3 u. 16.4). Wie unten gezeigt, erfolgt in wäßriger Lösung bei 20°C Trihalogenierung, bei niedrigeren Temperaturen und Verwendung eines weniger polaren Lösungsmittels läßt sich die Reaktion jedoch so steuern, daß nur das Monohalogenierungsprodukt erhalten wird.

1101

Halogenierung in Wasser bei 20°C OH

Halogenierung in CHCI; bei 0°C OH

OH

OH

Br

BEBr

£ Br-Br, 2 20% 3 H2O, 20°C

Br

1) CHCI;, 0°C

aber

-3Hbı

— HBr Br i

CH 7

CH 2

100% Phenol

80%

2,4,6-Tribromphenol

4-Methylphenol

2-Brom-4-methylphenol

(p-Kresol)

Die elektrophile Substitution in para-Stellung ist häufig aus sterischen Gründen bevorzugt. Normalerweise erhält man jedoch Gemische aus ortho- und para-substituierten Produkten, deren Zusammensetzung stark von den Reagenzien und den Reaktionsbedingungen abhängt. Übung 22-19 Bei der Friedel-Crafts-Methylierung von Methoxybenzol

(Anisol) mit Chlormethan in

| Gegenwart von AlCl; erhält man ein Produktgemisch ortho:para im Verhältnis 2:1. u" Beim Behandeln von Methoxybenzol mit 2-Chlor-2-methylpropan (tert-Butylchlorid) "| entsteht unter denselben Bedingungen nur 1-Methoxy-4-(1,1-dimethylethyl)benzol (p-

© tert-Butylanisol). Erklären Sie, warum.

Unter basischen Bedingungen lassen sich an Phenolen sogar mit sehr schwachen Elektrophilen elektrophile Substitutionen durchführen. Die Reaktionen laufen über intermediäre Phenoxid-Ionen. Eine technisch wichtige Anwendung ist die Reaktion mit Methanal (Formaldehyd), die ortho- und para-Hydroxymethylierung ergibt. Mechanistisch kann man diese

Prozesse

als Enolat-Kondensationen

ansehen,

ähnlich wie die Aldolkondensationen (s. Abschn.

sie verlaufen

sehr

18.5).

Hydroxymethylierung von Phenol

D- 2e

+ HOH HS, OH

H CH>0 2

FEN +

|

Er

Die zunächst gebildeten Aldolprodukte sind instabil, sie dehydratisieren beim Erhitzen, wobei reaktive Zwischenverbindungen, sogenannte Chinomethane,

entstehen:

OH

6) CH,OH _HO

N A,

H0H _

HO_ ‚A, ‚A

”

roh -

CH,0OH o-Chinomethan

CH p-Chinomethan

Diese sind a,ß-ungesättigte Carbonylverbindungen und können mit überschüssigen Phenoxid-Ionen in einer Michael-Addition (s. Abschn. 18.12) reagieren. Die gebildeten Phenole lassen sich erneut hydroxyme-

1102

thylieren, und der gesamte Prozeß beginnt von vorn. Schließlich entsteht ein komplexes Phenol-Formaldehyd-Polykondensat, ein sogenanntes Phenolharz (z.B. Bakelit). Hauptsächlich verwendet man diese Harze für die Sperrholzfabrikation, für Isoliermaterialien, für ‚Laminate (Mehrschichtsysteme) und als Bindemittel für Gußformen.

22.6

Elektrophile Substitution an Phenolen

Synthese von Phenolharzen co

[6]

CH

—

cd

0°

16) H

CH;

OH |

OH a

| G,=0

H

DT

CH,OH OH

OH CH;

—

——

Polymer + nH,O

OH

Bei der Kolbe“-Reaktion greift das Phenoxid-Ion ein Molekül Kohlendioxid an, wobei das Salz der 2-Hydroxybenzolcarbonsäure (o-Hydroxybenzoesäure), Salicylsäure (Vorstufe zum Aspirin, s. Kasten 22-4), gebildet wird: OH

OH

COO”K* ” CO,

KHCO;,

H;O, Druck

Übung 22-20 Formulieren Sie einen Mechanismus für die Kolbe-Synthese. >

Übung 22-21 Hexachlorophen (s. Kasten 22-2) wird in einer einstufigen Synthese aus 2,4,5-Trichlorphenol und Methanal (Formaldehyd) in Gegenwart von Schwefelsäure hergestellt. Wie verläuft die Reaktion? (Hinweis: Formulieren Sie eine säurekatalysierte Hydroxymethylierung als ersten Schritt).

Zusammengefaßt

gilt, daß am

Benzolring

der Phenole

elektrophile

aromatische Substitutionen leicht ablaufen, insbesondere unter basischen

Bedingungen. bonieren.

*

Hermann

Phenoxid-Ionen

Kolbe,

lassen sich hydroxymethylieren

und car-

1818-1884, Professor an der Universität Leipzig.

1103

22.7 Claisen- und Cope-Umlagerung

22 Chemie der Substituenten am Benzolring

Bei 200°C geht 2-Propenyloxybenzol (Allylphenylether) eine ungewöhnliche

Reaktion

ein, die

einer

elektrophilen

Substitution

ähnelt,

aber

nach einem anderen Mechanismus verläuft: Die Ausgangsverbindung lagert sich zu 2-(2-Propenyl)phenol (o-Allylphenol) um.

o

2

CH;CH=CH3 OH H

CH,CH=CH;

75% 2-Propenyloxybenzol (Allylphenylether)

2-(2-Propenyl)phenol (o-Allyiphenol)

Diese Umsetzung, die sogenannte Claisen*-Umlagerung, ist ein weiteres Beispiel für eine konzertierte Reaktion mit einem Übergangszustand, in dem sechs Elektronen verschoben werden. Zunächst entsteht dabei ein hochenergetisches Isomer, 6-(2-Propenyl)-2,4-cyclohexadienon, das dann zum Endprodukt enolisiert.

* Ludwig Claisen, nach dem auch die Claisen-Kondensation benannt ist (s. Abschn. 20.5

8 23),10).

Kasten 22-5

Exotische entartete Cope-Umlagerungen

Bicyclo[5.1.0]octa-2,5-dien geht eine ungewöhnliche entartete Cope-Umlagerung ein. Bei 180 °C geht dieses Molekül in eine identische Struktur

2,5-dien ableitet, indem die Kohlenstoffatome 5 und 8 über eine Ethenbrücke verbunden sind. Dieses Molekül kann mehr als 1.2 Millionen ent-

über, in der aber andere Atome als im Ausgangsmolekül miteinander verbunden sind (wie wir mit Hilfe der Numerierung der Kohlenstoffatome

artete Cope-Umlagerungen eingehen, von denen hier nur zwei gezeigt sind. (Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde von der Numerierung nach den IUPAC-Regeln abgewichen.) Jede beliebige Kombination von drei benachbarten Kohlenstoffatomen kann zu jedem Zeitpunkt das Gerüst des Cyclopropanrings bilden. Die entartete Umlagerung im Bullvalen ist schnell in der NMR-Zeitskala. Bei 100 °C findet man nur

gezeigt haben). 2

eine Bicyclo[5.1.0]octa-2,5-dien

Ein

noch

faszinierenderes

Molekül

ist Bull-

valen, das sich strukturell von Bicyclo[5.1.0]octa8

9 10

Cope-Umlagerung an den Kohlenstoffen OT

Cope-Umlagerung an den Kohlenstoffen 2, 3, 4,8, 9, 10 mn

Bullvalen

1104

Wasserstoffresonanz,

da

alle

Positionen

schnell äquilibrieren. Bei -25°C zeigt das Spektrum jedoch zwei Absorptionen, eine im Alken(6H) und eine im gesättigten Bereich (4H), wie man es auch für eine eingefrorene Struktur erwarten würde.

9.10

Mechanismus der Claisen-Umlagerung

22.7

Claisen- und CopeUmlagerung

OH

6-(2-Propenyl)2,4-cyclohexadienon

Bei dem nichtaromatischen 1-Ethenoxy-2-propen (Allylvinylether) bleibt die Claisen-Umlagerung auf der ersten Stufe stehen, da die Carbonylgruppe in diesem Molekül stabil ist. Man bezeichnet diese Reaktion als aliphatische Claisen-Umlagerung.

Aliphatische Claisen-Umlagerung CH>=CH3

RE

CH „=C H

RER

a

n

255°C

0)

ie

.

al

NScH-ch,

O=CH 50%

1-Ethenoxy-2-propen

4-Pentenal

(Allylvinylether)

Eine gerung.

analoge

Reaktion

an

1,5-Dienen

nennt

man

Cope*-Umla-

Cope-Umlagerung

HsC,

N

HsC,

178 °C

a 72%

3-Phenyl-1,5-hexadien

trans-1-Phenyl-1,5-hexadien

Übung 22-22 Entwickeln Sie ein Experiment, mit dessen Hilfe Sie die entartete Cope-Umlagerung im 1,5-Hexadien nachweisen

könnten.

| Übung 22-23 Erklären’Sie die folgende Umsetzung mechanistisch.

HO

—

ner Na*OH-, H,O

OHC

Fassen wir zusammen: 3-Propenyloxybenzol lagert sich über einen elektrophilen Mechanismus, bei dem sechs Elektronen verschoben werden (Claisen-Umlagerung), zu 2-(2-Propenyl)phenol (o-Allylphenol) um. Ähnliche Reaktionen gehen aliphatische ungesättigte Ether (aliphatische Claisen-Umlagerung) und Kohlenwasserstoffe, die 1,5-DienEinheiten enthalten, ein (Cope-Umlagerung).

* Arthur C. Cope, Boston.

1909-1966,

Professor

am

Massachusetts

Institute

of Technology,

1105

22

Chemie der Substituenten

am Benzolring

22.8 Oxidation der Phenole: Cyclohexandiendione (Benzochinone) Phenole lassen sich zu Carbonylverbindungen oxidieren. Anders als bei der Oxidation

der Alkanole

läßt sich ein Monoketon

nicht isolieren,

die Reaktion läuft bis zur Stufe der Cyclohexadiendione (Benzochinone). In diesem Abschnitt beschäftigen wir uns mit der Chemie dieser neuen Verbindungsklasse.

Cyclohexadiendione (Benzochinone) und Benzoldiole (Hydrochinone) bilden Redoxpaare 1,2- und 1,4-Benzoldiole (Brenzcatechine und Hydrochinone) lassen sich durch eine Reihe von Oxidationsmitteln, wie Natriumdichromat oder Silberoxid, zu den entsprechenden Diketonen oxidieren. Aus 1,2-Ben-

zoldiol (Brenzcatechin) erhält man so das 3,5-Cyclohexadien-1,2-dion (o-Benzochinon), aus 1,4-Benzoldiol das 2,5-Cyclohexadien-1,4-dion (pBenzochinon). Sind die entstandenen Dione reaktiv, sind die Ausbeuten gering. Ein Beispiel hierfür ist das 1,2-Dion, das sich unter den Reaktionsbedingungen teilweise zersetzt. OH

6) A 0,

(CH=3CH5>)>0

Een

OH

N

(0)

geringe Ausbeute 1,2-Benzoldiol

3,5-Cyclohexadien-1,2-dion

(Brenzcatechin)

(o-Benzochinon)

OH

O

Fr

Na>Cr504, H3S04

|

|

IS

OH

Ö 92%

1,4-Benzoldiol (Hydrochinon)

2,5-Cyclohexadien-1,4-dion (»-Benzochinon)

Sogar Phenole mit nur einer Hydroxygruppe können zu solchen Dionen oxidiert werden. Das zweite Sauerstoffatom wird dann an C4 (para-Stellung) in den Ring eingeführt. Ein Reagenz, das für diese Reaktion besonders geeignet ist, ist Kaliumnitrosodisulfonat, eine radikalische

Spezies, die auch als Fremysches“

Salz bekannt

dieses stabile, wasserlösliche Salz durch Oxidation xylamindisulfonat mit Kaliumpermanganat dar.

ist. Man

SO; K* HON(SO;

Na’),

°——

ir SO, 67%

*

1106

stellt

von Natriumhydro-

K*

Natriumhydroxylamin-

Kaliumnitrosodisulfonat

disulfonat

(Fremysches Salz)

Edmond Fremy, 1814-1894, Professor an der Ecole Polytechnique, Paris.

Oxidation von Phenolen durch das Fremysche Salz

22.8 Oxidation der Phenole: Cyclohexandiendione

H

o

(Benzochinone)

CH3

CH3

OS

-ON(SOzK),

|

|

E Ö 82% 2-Methylphenol

2-Methyl-2,5-cyclohexadien-

(0o-Kresol)

1,4-dion (o-Toluchion)

Der Redoxprozeß,

der 1,4-Benzoldiol (Hydrochinon)

und 2,5-Cyclo-

hexadien-1,4-dion (p-Benzochinon) ineinander überführt, kann als Folge

von Protonen- und Elektronenübertragungen aufgefaßt werden. Bei der zunächst erfolgenden Deprotonierung entsteht ein Phenoxid-Ion, das durch Ein-Elektronen-Oxidation in ein Phenoxy-Radikal überführt wird. Dissoziation der zweiten OH-Gruppe ergibt ein Semichinon-Radikalanion, eine zweite Ein-Elektronen-Oxidation führt zum Benzochinon.

Alle Zwischenprodukte sind resonanzstabilisiert (zwei Resonanzformeln für das Semichinon sind gezeigt). Wie wir in Abschnitt 22.9 sehen werden, treten ähnliche Redoxprozesse häufig in der Natur auf.

Redox-Gleichgewicht zwischen 2,5-Cyclohexadien-1,4-dion (p-Benzochinon) und 1,4-Benzoldiol (Hydrochinon)

OH

N

)—

Pr

8)H

|

O-

0°

IN

A

EZ

ae E

O-

or |

N

u

OH

OH

PhenoxidIon

PhenoxyRadikal

|

Br

oO

|

En |

a

nn

ee

O,-

[6)

SemichinonRadikalanion

Übung 22-24 Zeichnen

Sie

mindestens

zwei

weitere

Resonanzformeln

für das

Phenoxid-Ion,

das

\" Phenoxy-Radikal und das oben gezeigte Semichinon-Radikalanion.

Die Enon-Einheiten der 2,5-Cyclohexadien-1,4-dione (p-Benzochinone) gehen konjugierte Additionen und Diels-Alder-Additionen ein 2,5-Cyclohexadien-1,4-dione (p-Benzochinone) reagieren bei konjugierten Additionen (s. Abschn. 18.10) wie a,ß-ungesättigte Ketone. So addieren sie z.B. Chlorwasserstoff zu einem intermediären Hydroxydienon, das zu dem aromatischen 2-Chlor-1,4-benzoldiol enolisiert. OH

+ HCI —

©

OH

H

Re

Ncı Ö 2,5-Cyclohexadien-1,4-dion

6-Chlor-4-hydroxy-

(p-Benzochinon)

2,4-cyclohexadienon

cı OH 2-Chlor-1,4-benzoldiol

1107

22 Chemie der Substituenten

am Benzolring

Die

Doppelbindung

Abschn.

geht auch

Cycloadditionen

an

Diene

ein (s.

14.8). Das Primäraddukt an 1,3-Butadien tautomerisiert beim

Erhitzen mit Säure zum aromatischen System.

o

’@

OH

Y +

CoHs, 20°C, 48h

gg

U

HCI, A

ZI, I 5

|

Endet Br

|

H 6

OH 88% Gesamtausbeute

OÖ

E R ee)— CH»CH>OH, 100°C, 5 h 22T

Überschuß

80% Bis-endo-Addukt

Diels-Alder-Additionen an cyclische Diene folgen der endo-Regel, wie am Beispiel der doppelten Addition an 1,3-Cyclohexadien gezeigt wird.

© Übung 22-25 Erklären Sie das folgende Reaktionsergebnis über einen Mechanismus.

Oo H;C

O CH3

H;C

CH3

CH;CH>O Na" , CH3;CH>OH

——>

CH5O

OCH;

CH;CH>O

OCH>CH

Fassen wir zusammen: Phenole lassen sich zu den entsprechenden Dionen (Benzochinonen) oxidieren. Die Dione stehen im reversiblen Redoxgleichgewicht mit den Diolen und gehen konjugierte Additionen und Diels-Alder-Additionen an die Doppelbindungen ein.

22.9 Oxıdatıons-Reduktions-Prozesse ın der Natur In diesem Abschnitt beschreiben wir einige natürlich vorkommende chemische

Prozesse,

an denen

Cyclohexadien-1,4-dione

1,4-Benzoldiole

(p-Benzochinone)

(p-Hydrochinone)

beteiligt

sind.

und 2,5-

Wir

unter-

suchen als erstes die biochemische Reduktion von O,. Sauerstoff ist an Reaktionen beteiligt, bei denen Biomoleküle zerstört werden. Natürlich vorkommende Antioxidantien inhibieren diese Umsetzungen. Der Abschnitt schließt mit einer Diskussion der Eigenschaften synthetischer Konservierungsstoffe.

1108

Ubichinone bewirken die biologische Reduktion von toll

22.9 Oxidations-Reduktions-

zu Wasser

Prozesse in der Natur

In der Natur tritt das Benzochinon-Hydrochinon-Redoxpaar in reversiblen Oxidationsreaktionen auf. Diese Prozesse sind Teil der komplizierten Kaskade

von Reaktionen,

an denen der Sauerstoff in biochemi-

schen Abbauprozessen beteiligt ist. Eine wichtige Gruppe von Verbindungen, die diesen Zweck erfüllen, sind die Ubichinone (der Name soll die ubiquitäre Verbreitung dieser Substanzen in der Natur verdeutlichen), die auch insgesamt als Coenzym Q (CoQ oder einfach Q) bezeichnet werden. Die Ubichinone sind substituierte 2,5-Cyclohexandien-1,4-dion-(p-Benzochinon-)Derivate, die eine Seitenkette tragen, die aus 2-Methylbutadien-Einheiten (Isopren-Einheiten, Abschn. 4.7 u. 14.10) aufgebaut ist. Ein NADH-abhängiges Enzymsystem (Abschn. 25.6) überführt CoQ in seine reduzierte Form (OH;).

CH;O

(CH;CH=CCH>)„H

Enzym,

CH;O

(CH;CH=CCH3>),H

Reduktionsmittel

CH;0

CH3

CH;0

OÖ

CH3

OH

Ubichinone (n = 6, 8, 10) (Coenzym Q)

OH;

ist an

einer

Serie

von

Redoxreaktionen

mit

elektronenüber-

tragenden eisenhaltigen Proteinen (Cytochrome genannt) beteiligt. Die

Reduktion von Fe’* zu Fe’* in Cytochrom b durch QH, beginnt mit einer Folge von Elektronenübertragungen, an denen sechs verschiedene Proteine beteiligt sind. Das Ergebnis der Reaktionskette ist die Reduktion von O, zu Wasser

unter Aufnahme

von vier Elektronen

und vier

Protonen.

Os BAHEr + dere ho FO Phenolderivate

schützen Zellmembranen

vor oxidativer

Schädigung Die biochemische Umsetzung von Sauerstoff zu Wasser läuft über mehrere Zwischenstufen wie Superoxid, O, , dem Produkt der Ein-Elektro-

nen-Reduktion des Sauerstoffs und des Hydroxy-Radikals, -OH, das durch Spaltung von H,O, entsteht. Beide sind hochreaktive Spezies, die biologisch wichtige organische Moleküle zerstören. Ein Beispiel ist das unten gezeigte Phosphoglycerid, ein Bestandteil der Zellmembranen, das sich von der ungesättigten Fettsäure cis,cis-Octadeca-9,12-diensäure (Linolsäure) ableitet. Startreaktion

R

CH3(CH3)4 EEE R

Hu, H

c ee

1 O

_CH30—C(CH3) 14CH3

CH>(CH,)gCO—CH ee

0”

>

R

r R' EN Ps Ru.’

|

R’

RELIHRUEELJR

CH2OTTFOCHE) NICH) 37" R R’

a

R’

Pentadienylradikal

1109

22 Chemie der Substituenten

am Benzolring

Die doppelt allylständigen

Wasserstoffatome

von Radikalen wie -OH abgespalten (Kap. 14).

an C11 werden

leicht

Fortpflanzungsschritt 1 R

M

R'

ee

3

R

ne > Ni

R'

16]

|

OPeroxyradikal

Das resonanzstabilisierte Pentadienylradikal rekombiniert im ersten von zwei Kettenfortpflanzungsschritten schnell mit O,. Die Reaktion erfolgt entweder an C9 oder an C13, was zu zwei Peroxyradikalen mit konjugierten Diensystemen führt. Fortpflanzungsschritt 2

R

Dur au

Hı SH

RER

NER

ce

R'

ar

R

Re

Ni

Ne

Sa

R

t

(6)

(6)

| 0:

OH Lipidhydroperoxid

Im zweiten Fortpflanzungsschritt spaltet diese Spezies ein Wasserstoffatom von einem zweiten Molekül Lipid ab, wobei ein neues DienylRadikal und ein Molekül Lipidhydroperoxid entstehen. Das DienylAnion kann dann erneut in Fortpflanzungsschritt 1 eintreten. Auf diese Weise können eine große Anzahl von Lipidmoleküle als Folge einer einzigen Startreaktion oxidiert werden. Zahlreiche Studien haben gezeigt, daß Lipidhydroperoxide und in noch stärkerem Maße ihre Zersetzungsprodukte toxisch sind. So entsteht beispielsweise durch Abspaltung von -OH durch Öffnen der relativ schwachen O—O-Bindung ein Alkoxy-Radikal, das sich unter Aufbrechen einer benachbarten C—C-Bindung (ß-Spaltung) zersetzen kann. Hierbei bildet sich ein ungesättigter Aldehyd. ß-Spaltung eines Lipid-Alkoxyradikals

R

! R’ N

R —-

+-OH

u

R

NK

oO

en OÖ»

H NN (6)

ÖR Alkoxyradikal

HO

CHz3(CH>)4 A

H [

trans-4-Hydroxy-2-nonenal

OÖ (6) ERBE H

H Propandial (Malondialdehyd)

1110

Über ähnliche, aber komplexere Mechanismen zersetzen sich bestimmte Lipidhydroperoxide zu ungesättigten Hydroxyaldehyden, wie trans-4-Hydroxy-2-nonenal und dem Dialdehyd Propandial (Malondialdehyd). Derartige Moleküle sind teilweise für den Geruch von ranzigem Fett verantwortlich. Sowohl Propandial als auch die a,ß-ungesättigten Aldehyde sind extrem toxisch, weil sie die Proteine, die sich in unmittelbarer£ Nachbar| schaft zur Zellmembran befinden, rasch angreifen. So können z.B. Diale und Enale mit nucleophilen Amino- und Mercaptogruppen, die sich an zwei Stellen desselben Proteinmoleküls oder an unterschiedlichen Molekülen befinden, reagieren, wodurch es zu Vernetzungen kommt (Abschn. 14.10). Durch Vernetzungen wird die biologische Funktionsfähigkeit der Proteinmoleküle extrem eingeschränkt (Kap. 26).

Vernetzung von Proteinen über Reaktionen mit ungesättigten Aldehyden Protein, —S

Protein) —SH

Man

nimmt

an,

6)

Protein, —S

N—Protein,

Protein„- NH,

_—

R

daß

Prozesse

Te

H wie

diese

r

an

—

der

R

Entstehung

H

von

Emphysemen, Arteriosklerose (die letztendlich bestimmte Herzerkrankungen und Schlaganfälle auslösen kann), einigen chronischen Entzündungs- und Autoimmunerkrankungen, Krebs und wahrscheinlich am Prozeß des Alterns beteiligt sind. Gibt die Natur den biologischen Systemen die Möglichkeit, sich vor solchen Schädigungen zu schützen? Eine Vielzahl natürlich vorkommender Antioxidantien-Systeme schützt die Lipidmoleküle der Zellmembranen vor oxidativer Zerstörung. Das wichtigste ist Vitamin E, ein Reduktionsmittel,

dessen

Molekül

eine lange

Kohlenwasserstoffkette

CH3 HO CH3

CH3

Vitamin E («-Tocopherol)

enthält

(s. Aufgabe 13 von Kap. 2), wodurch es lipidlöslich wird. Das Molekül des Vitamin E enthält eine dem 1,4-Benzoldiol (Abschn. 22.8) ähnliche Struktur. Das entsprechende Phenoxid-Ion ist ein ausgezeichneter Elektronendonor. Die schützenden Eigenschaften des Vitamin E beruhen auf

seiner

Fähigkeit,

die

Kettenreaktion

der

Lipid-Oxidation

DEHER

CH3 R = verzweigte C4H33-Kette

durch

Reduktion radikalischer Zwischenprodukte zu unterbrechen. Reaktion von Vitamin E mit Lipidhydroperoxid und Alkoxy-Radikalen

CH; HO

CH3

S Le

CH

N/Ng

o

CH3

R

a

Lipid—- Ooder Lipid—O—0O-

—

CH;

Vitamin E

Lipidradikale

CH; "oO

Epd-O CH; +

,yu*

Lipid-OH

“

oder

Lipid—O—OH

Lipid—O— O0

DER

CH3

oder

CH3 a-Tocopheroxyradikal

Bei diesem Prozeß werden Lipidradikale reduziert und protoniert. Vitamin E wird zu einem a-Tocopheroxy-Radikal oxidiert, das aufgrund extensiver Delokalisierung und der sterischen Hinderung der Methylsubstituenten relativ reaktionsträge ist. Vitamin E wird an der Membranoberfläche durch Reaktion mit wasserlöslichen Reduktionsmitteln wie Vitamin C regeneriert. Regenerierung von Vitamin E durch Vitamin C

OH 2 H

CH3 0

d

0)

0

ik

H

CH>OH Vitamin C

OH

N

Ogf/N

FH

CH3 HO

CH;

DER CH3

CH3

a el

I

Hy

a CH3

HO

H

|

CH,>OH Semidehydroascorbinsäure

22 Chemie der Substituenten am Benzolring

Das Oxidationsprodukt des Vitamin C zerfällt schließlich zu niedermolekularen wasserlöslichen Verbindungen, die vom Körper ausgeschieden werden. Übung 22-26

Vitamin C ist ein effizientes Antioxidans, da das entstehende Oxidationsprodukt resonanzstabilisiert ist. Geben Sie eine weitere Resonanzformel für diese Spezies an.

Benzochinone verbrauchen Glutathion, ein intrazelluläres Reduktionsmittel Praktisch

alle lebenden

Zellen

enthalten

die Substanz

Glutathion,

Peptid, das eine Mercaptogruppe enthält (s. Abschn. 9.11 u. 26.4). Mercaptogruppe hat die Funktion, Disulfid-Brücken der Proteine SH-Gruppen zu reduzieren und das Eisen im Hämoglobin auf Oxidationsstufe +2 zu halten (Abschn. 26.8). Glutathion ist auch der

Reduktion

von

Oxidationsmitteln

wie

Wasserstoffperoxid,.

ein

Die zu der an

H,O>,

die in der Zelle vorliegen können, beteiligt.

N

coo”

O

HSCH;,

O

|

H;NCHCH>CH>—C—NHCH—C—NHCH>COOH Glutathion

Glutathion wird hierbei in ein Disulfid (Abschn. 9.10) überführt, aber durch eine enzymgesteuerte Reaktion zurückgebildet.

2 Glutathion— SH + H,O, Mtatlion-Peroxidase „, y,O + Glutathion—SS Glutathion Glutathion-Reduktasen

Cyclohexadiendione (Benzochinone) und verwandte Verbindungen reagieren in der Leber irreversibel mit Glutathion durch Konjugat-Addition. Ist die Zerstörung des Glutathion extensiv, sterben Leberzellen ab. Paracetamol ist ein Beispiel für eine Verbindung, die in hohen Dosen lebertoxisch wirkt. Cytochrom P-450, ein Redox-Enzymsystem in der Leber, oxidiert Paracetamol zu einem Iminderivat eines Cyclohexadiendions, das Glutathion verbraucht. Vitamin C ist in der Lage, das Oxidationsprodukt wieder zu reduzieren. OH

OH

Pie nr -

Giutsthon-SH ee A ,|

Vitamin C

CH, 2-(1,1-Dimethylethyl)4-methoxyphenol (BHA)

HNOCH;

N

S—Glutathion

ala

HN

To

Porsesiamol

Synthetische Analoga des Vitamin E sind Konservierungsstoffe Synthetische Phenolderivate sind als Antioxidantien und Konservierungsstoffe in der Lebensmittelindustrie weitverbreitet. Zwei der 2,6-Bis(1,1-dimethylethyl)-

4-methylphenol (BHT)

bekanntesten

sind

2-(1,1-Dimethylethyl)-4-methoxyphenol

(butyliertes

Hydroxyanisol oder BHA) und 2,6-Bis(1,1-dimethylethyl)-4-methylphenol (butyliertes Hydroxytoluol oder BHT). Die Zugabe von BHA

zu Butter verlängert deren Lagerungsfähigkeit beispielsweise von Monaten auf Jahre. BHA und BHT haben dieselbe Wirkung wie Vitamin E, sie reduzieren Sauerstoff-Radikale und unterbrechen die Kettenreaktion von Oxidationsprozessen. Fassen

wir zusammen:

Radikale,

die sich vom

Sauerstoff

ableiten,

können Radikalkettenreaktionen an Lipiden initiieren, wobei toxische Zersetzungsprodukte entstehen. Vitamin E ist ein natürlich vorkommendes Phenolderivat,

das als Antioxidans

wirkt und so diese Prozesse

an

den Membranlipiden inhibiert. Vitamin C und Glutathion sind biologische Reduktionsmittel, die in den intra- und extrazellulären Flüssigkeiten vorkommen. Hohe Konzentrationen von Cyclohexadiendionen (Benzochinonen) können über den Verbrauch von Glutathion zum Zelltod führen, Vitamin C kann die Zelle durch Reduktion des Benzochinon

schützen. Synthetische Konservierungsstoffe haben eine ähnliche Molekülstruktur wie Vitamin E und wirken daher auch als Antioxidantien.

22.10 Arendiazonıumsalze In den letzten beiden Abschnitten dieses Kapitels schließen wir die Behandlung der Chemie funktioneller Gruppen, die durch Konjugation mit einem Benzolring modifiziert werden, ab. Wir konzentrieren uns nun auf Stickstoffsubstituenten und beschreiben die Chemie der Arendiazoniumsalze. Wie in Abschn. 22.4 erwähnt, entstehen diese Salze, die man zur Darstellung von Phenolen verwenden kann, durch

N-Nitrosierung von primären Benzolaminen (Anilinen). Arendiazoniumsalze sind resonanzstabilisiert und werden über den Austausch des Stickstoffs durch ein geeignetes Nucleophil in Halogenarene, Arencarbonitrile und andere aromatische Verbindungen überführt.

Arendiazonıumsalze

sind resonanzstabilisiert

Der Grund für die relative Stabilität der Arendiazoniumsalze liegt in ihrer Möglichkeit zur Resonanz und in der hohen Energie der ArylKationen, die bei der Abgabe von Stickstoff entstehen. Eines der Elektronenpaare des aromatischen n-Systems kann über die funktionelle Gruppe delokalisiert werden, es lassen sich Resonanzformeln mit Ladungstrennung schreiben, die eine Doppelbindung zwischen dem Benzolring und dem gebundenen Stickstoffatom enthalten. Dies ist im folgenden für das Benzoldiazonium-Kation gezeigt. Resonanz im Benzoldiazonium-Kation

Diese Salze spalten erst bei erhöhten Temperaturen Stickstoff zu den sehr reaktiven Phenyl-Kationen ab. In wäßriger Lösung erhält man so die Phenole (s. Abschn. 22.4). Warum ist das Phenyl-Kation so reaktiv? Schließlich ist es doch ein Carbenium-Ion, das Teil eines Benzolrings ist. Sollte es nicht, ebenso wie das Benzyl-Kation,

wie man

resonanzstabilisiert

sein? Die Antwort

aus der Darstellung des Molekülorbitals

ist nein,

des Phenyl-Kations

22.10

Arendiazoniumsalze

Abb. 22-5 Orbitalbild des PhenylKations. Sein leeres sp’-Orbital ist senkrecht zur Ebene der sechs aromatischen r-Elektronen angeordnet. Die positive Ladung kann daher nicht durch Resonanz stabilisiert werden.

p-Orbitale

leeres sp?-Orbital

erkennen kann (s. Abb. 22-5). Das leere Orbital mit der positiven Ladung ist eines der sp’-Hybridorbitale, die senkrecht zu dem n-System, das für die aromatische Resonanzstabilisierung sorgt, stehen. Dieses Orbital kann also nicht mit den r-Bindungen überlappen und die positive Ladung nicht delokalisiert werden.

Arendiazonıumsalze lassen sich in andere substituierte Benzole überführen Zersetzt man Arendiazoniumsalze in Gegenwart anderer Nucleophile als Wasser, reagieren diese mit dem intermediären Phenyl-Kation. So erhält man lodarene aus den entsprechenden Arenaminen (Anilinen) durch Diazotierung in Gegenwart von HI.

5

L IS

_CHO

16)

moon mn,

NH3>

Versucht

man,

andere

Q

T

T Halogenarene

|

Be

+

53%

auf diese

Weise

zu

erhalten,

erhält man häufig aufgrund von Nebenreaktionen Produktgemische. Eine Lösung dieses Problems ist die Sandmeyer“-Reaktion, in der ausgenutzt wird, daß der Austausch des Stickstoffsubstituenten gegen Halogen in Gegenwart von Kupfer(I)-salzen beträchtlich erleichtert wird. Der genaue Mechanismus dieser Zersetzungsreaktion ist nicht bekannt, man nimmt aber an, daß er über radikalische Zwischenstufen läuft. Sandmeyer-Reaktion CH3

CH3

NH

CH3

N, CI”

cl + N,

Cucl, 60°C

HCI, NaNO,, 0°C

/

79% Gesamtausbeute 1-Chlor-2-methylbenzol

2-Methylbenzolamin (o-Methylanilin)

(o-Chlortoluol)

B

cl

I. HBr, NaNO, 0°C 2. CuBr, 100°C

cl

/NNH,

Br 73%

2-Chlorbenzolamin (o-Chloranilin)

1-Brom-2-chlorbenzol (o-Bromchlorbenzol)

* Dr. Traugott Sandmeyer, 1854-1922, in Firma Geigy, Basel.

Auch bei der Darstellung aromatischer Nitrile aus Arenaminen (Anilinen) arbeitet man unter Katalyse von Kupfer(I)-Ionen. Zu diesem Zweck gibt man Kupfer(I)-cyanid, CuCN, in Gegenwart eines Überschusses an Kaliumcyanid zu einer Lösung des Diazoniumsalzes.

22.10

Arendiazoniumsalze

C H-je} 2

1. HCI,

Ä

NaNO;,

0°C

2. CuCN, KCN, 50°C

>

u

NH> 70% 4-Methylbenzolnitril (p-Tolunitril)

Durch thermische Zersetzung der Diazoniumtetrafluoroborate lassen sich die entsprechenden Fluorarene darstellen. Diese Umsetzung bezeichnet

man

als Schiemann”-Reaktion,

sie verläuft

ohne

Zugabe

eines Katalysators. Diese Reaktion ist deshalb wichtig, weil die direkte elektrophile Fluorierung von Benzol mit Fluor aufgrund des stark exothermen Charakters schwierig unter Kontrolle zu halten ist.

EN

&

COOH

COOH

COOH

Ns Ci7

|

BA

N,* BR

„HBE, |

Er

Eu

=

nie

feat

cr

+ Na + BF;

REN 78%

Diazoniumtetralluoroborat

2-Fluorbenzolcarbonsäure (o-Fluorbenzoesäure)

Die Diazoniumgruppe läßt sich auch reduktiv durch Reduktionsmittel entfernen. Über die Reaktionsfolge Diazotierung-Reduktion kann man die Aminogruppe in Arenaminen (Anilinen) durch Wasserstoff ersetzen. Als Reduktionsmittel verwendet man unter anderem wäßrıge hypophosphorige Säure, H;PO,, und Natriumborhydrid in nichtwäßrigen Lösungsmitteln. Man benutzt dieses Verfahren, um Arene mit einem bestimmten Substitutionsmuster zu synthetisieren. Hierbei dient die Aminogruppe als dirigierender Substituent und wird dann im letzten Syntheseschritt entfernt. CH

In

85% 1-Brom-3-methylbenzol (m-Bromtoluol)

Sehen wir uns z.B. die Synthese von 1,3-Dibrombenzol (m-Dibrombenzol) an. Die direkte elektrophile Bromierung ist für diesen Zweck ungeeignet; nachdem das erste Bromatom eingeführt wurde, greift das zweite in ortho- oder para-Stellung an. Was man braucht, ist ein metadirigierender Substituent, der dann schließlich in Brom überführt wird.

*

Günther Schiemann,

1899-1969, Professor an der Technischen Universität Hannover.

1115

22

Chemie der Substituenten

am Benzolring

Ein solcher Substituent ist die Nitrogruppe. Durch zweifache Nitrierung von Benzol erhält man 1,3-Dinitrobenzol (m-Dinitrobenzol). Reduktion ergibt das Benzoldiamin, das dann in das Dihalogenderivat überführt wird. NO,

&

HNO;, H5SO4, A

cr

I

Hy, NER Pd

Peisleiehhebee LEER rec 2

ee

ı

NO NH>

Br

I. NaNO>, H*, H>O 2. CuBr, 100°C

NH»

Br

| Übung 22-27 ı Schlagen Sie eine Synthese für 1,3,5-Tribrombenzol aus Benzol vor.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß Arendiazoniumsalze, die aufgrund von Resonanz stabiler als Alkyldiazoniumsalze sind, Ausgangsmaterialien nicht nur für Phenole, sondern auch für Halogenarene, Arennitrile und reduzierte Aromaten sind. Der Stickstoff wird als NGas abgespalten. Als Zwischenprodukte können Aryl-Kationen entstehen, die aufgrund fehlender elektronischer Stabilisierung hochreaktiv sind. Die Reaktion kann aber auch nach anderen, komplizierteren Mechanismen verlaufen. Diese Reaktionen der Arendiazoniumsalze eröffnen eine Fülle von Möglichkeiten zur regioselektiven Darstellung substituierter Benzole.

22.11 Elektrophile Substitution durch Arendiazoniumsalze: Azokupplung Aufgrund ihrer positiven Ladung haben Arendiazoniumsalze elektrophilen Charakter. Diese Ladung ist jedoch delokalisiert, und die Salze sind daher nicht besonders reaktiv. Trotzdem lassen sich mit ihnen elektrophile aromatische Substitutionen an aktivierten Aromaten, wie Phenol oder Benzolamin (Anilin) durchführen. Diesen Reaktionstyp bezeichnet man als Azokupplung; es entstehen dabei stark farbige Verbindungen, von denen viele als Farbstoffe (Azofarbstoffe) verwendet werden. So ergibt die Reaktion von N,N-Dimethylbenzolamin (N, N-Dimethylanilin) mit Benzoldiazoniumchlorid den leuchtend gelben Farbstoff Buttergelb,

der früher

als Lebensmittelfarbstoff

verwendet

wurde,

zwischen jedoch als cancerogen gilt. Azokupplung

Q

Na

Hd?

NCCH»

,,, wa

nen

4-Dimethylaminoazobenzol (p-Dimethylaminoazobenzol, Buttergelb)

in-

Einige Azofarbstoffe

werden

als Säure-Base-Indikatoren

verwendet,

22.11

Elektrophile Substitu-

da sie ihre Farbe ändern, wenn sie protoniert werden. So ist Buttergelb

tion durch Arendiazoniums-

im pH-Bereich = 3 rot, bei pH = 4 gelb. Bei niedrigem pH wird

alze: Azokupplung

das Farbstoffmolekül an der Azofunktion (nicht an der Dimethylaminogruppe) protoniert, da das entsprechende Kation resonanzstabilisiert ist.

rot

Die in der Textilfärberei verwendeten Farbstoffe enthalten normalerweise Sulfonsäuregruppen, die die Wasserlöslichkeit erhöhen und aufgrund derer sich das Farbstoffmolekül über Ionenbindungen an die polaren Gruppen des Polymergerüsts der Faser anlagern kann.

Industriefarbstoffe

(CH3);N 3)

Sr

—

N

N Bee BEN

SO, "Na* Methylorange pH =3.1, rot

pH = 4.4, gelb

SO, Nat N

:

—-

un Kongorot

N

N

N—/

pH = 3.0, blauviolett pH = 5.0, rot

Geben Sie die Produkte der Azokupplung von Benzoldiazoniumchlorid mit folgenden Molekülen an: (a) Methoxybenzol; (b) 1-Chlor-3-methoxybenzol; (c) 1-(Dimethyl| amino)-4-methylbenzol.

Lassen Sie uns zusammenfassen: Arendiazoniumsalze greifen aktivierte Benzolringe unter Azokupplung an. Hierbei entstehen Azobenzole, die häufig stark farbig sind.

22

Chemie der Substituenten

am Benzolring

Verständnisübung 5-Amino-2,4-dihydroxybenzoesäure (A) ist eine wichtige Zwischenstufe bei der Darstellung zahlreicher Naturstoffe, die medizinisch wirksam sind (s. Abschn. 22.3). Schlagen Sie eine Synthese ausgehend von Methylbenzol (Toluol) vor.

5. CH;

COOH HO NH, OH A

Lösung Diese Aufgabe läßt sich vollständig mit den in Kapitel 16 gelernten Regeln zur Regioselektivität der elektrophilen Zweitsubstitution lösen, nur daß sie jetzt mehrfach angewendet werden müssen. Der Schlüssel ist auch hier die dirigierende Wirkung der Substituenten (ortho, meta, para, Abschn. 16.2) und ihre Umwandlung (Abschn. 16.5). Die retrosynthetische Analyse von A weist einen C,-Substituenten (die Carboxygruppe) auf, der durch einfache Oxidation aus der Ausgangsverbindung zugänglich ist (Abschn. 22.2). Im Edukt ist die Methylgruppe ortho- und para-dirigierend, was folgenden Syntheseweg für die Einführung der beiden Hydroxygruppen in B nahelegt (Retrosynthese 1): Nitrierung-Reduktion-Diazotierung-Hydrolyse (Abschn. 22.4 u. 22.10). In Verbindung A ist der Kohlenstoffsubstituent meta-dirigierend. Dies könnte für eine Aminierung an C3 (durch eine Nitrierung gefolgt von einer Reduktion) genutzt werden. In der Retrosynthese 2 ist dies für die Verbindung C gezeigt. Retrosynthese 1

COOH

COOH

CH;

O,N

CH;

O,;N

==>

=>

NO,

ae

NO,

B

Retrosynthese 2

A

sı.-0,-0-0 Die Frage ist nun, ob B und C geeignete Vorstufen für Verbindung A sind. Die Antwort lautet ja. Die Nitrierung der Verbindung B sollte mit der gewünschten Selektivität (C3 im Produkt, ortho und para zu den beiden Hydroxysubstituenten) ablaufen. Dies würde das Stickstoffatom an der gewünschten Position in A einführen. Ein elektrophiler Angriff zwischen den beiden Hydroxygruppen erscheint aufgrund sterischer Hin-

derung ungünstig (Abschn. Aminfunktion,

16.5). Im Falle der Verbindung € sollte die

Neue

Reaktionen

insbesondere wenn sie als Amid geschützt wird, die elek-

trophile Substitution in Richtung des weniger gehinderten ortho-Kohlenstoffatoms und in Richtung der para-Position dirigieren. Auch hier wird das gewünschte Substitutionsmuster erhalten. Die beiden Syntheseschemata können wie folgt formuliert werden: Synthese 1 CH;

u

CH;

ON

nr = ki

HNO, H,$O,

N

ch

N

eh

|

=

Na,Cr;0,, H*, H,O

H,, Ni

NO, COOH H;N 5

COOH 1. NaNO,, HCI

er

HO

2.H,0, A

1. HNO;, H;SO, 2.H,,Ni =

4

j

A

&

NH,

OH

Synthese 2 Neue

COOH

COOH

CH; Na;Cn07, H*, H,O

ll

Reaktionen

HNO;, H5SO,

00

H,,Ni

—

-—— >

NO,

COOH

3

COOH

ae

1.H*,H,0

2.H,Ni 3. NaNO,, HCl

0;N

2, HNO;, H,SO,

OÖ

|

NH, NO,

Neue

NCCH; H

Reaktionen

Resonanz im Benzylsystem

1

Radikalische Halogenierung (Abschn. 22.1)

RCH;

RCHX

=

RCH: + HX

RCH

über

Benzylradikal

2

Solvolyse (Abschn. 22.2)

RCHOSO>R

RCHOR’ IREOH

>

e

F RCH*

+ RSO3H

RCH

über IM

SE

Benzyl-Kation

4.H,0, A

IR

22 Chemie der Substituenten

3

am Benzolring

(Benzylalkohol) (Abschn. 22.1)

(Halogenmethyl)benzole

(Benzylhalogenide)

Se CH>OH

4

aus

Phenylmethanol

CET

Sn2-Reaktionen an (Halogenmethyl)benzolen (Abschn. 22.1)

0, CH>X

CH>Nu

über delokalisierten Übergangszustand

5

Deprotonierung des Benzyl-Kohlenstoffatoms (Abschn. 22.1) 35

CH>Li

Es J

ale

> —

5

+ RH

FE pK, =

41

Phenylmethyllithium (Benzyllithium)

Oxidation und Reduktion des aromatischen Rings 6

Ozonolyse (Abschn. 22.2) He . O3

00

he2. (CH3)>S

15

2.(CHDS,

3 ul

00

00

I

IR ECRZ

7

00

Il

Il

ZRECHESHIEEE

Birch-Reduktion (Abschn. 22.2)

= Na, fl. NH,, CH,CH,OH

© —>

Regioselektivität:

CL

R

Na, fl. NH,, CH,CH,OH

OL

R

R

R = Alkyl OR

OR

ei Na, fl. NH,, CH;CH,OH | COOH

COOH

1. Na, fl. NH,, CH,CH,OH 2. H*, H,O R

1120

R

Oxidations- und Reduktionsreaktionen

8

an Seitenketten von Aromaten

Oxidation (Abschn. 22.2) RCH3

COOH

1. KMnO,, OH”, A 2. H*, 0 >

Benzylalkohole:

Ra RCHOH on

9

NO 5

MnO,

———

Reduktion (Abschn. 22.2)

CH;

CH-OR H,, Pd/C

C,H,CH, ist eine Schutzgruppe

für ROH

Phenole und ipso-Substitution

10

Acidität (Abschn. 22.3) OH

:O:°

OÖ

Bi

11

Nucleophile aromatische Substitution (Abschn. 22.4)

a

Cl

NO en

Nu

=;

NO>

Nu

NO;

NO,

en

NO;

cr

NO,

Nucleophiler Angriff an der ipso-Position

12

Aromatische

Substitution über Benz-in-Zwischenstufen

(Abschn. 22.4) Cl

NaNH,, fl. NH,

be

a

N |

NH3

—,

— NaCl

Nucleophiler Angriff an der ipso- oder ortho-Position

NH3>

Neue

Reaktionen

22 Chemie der Substituenten

13

am Benzolring

(Abschn. 22.4)

Darstellung durch nucleophile aromatische Substitution

37

OH l. NaOH, A 2. 2. H,O HE _

14

Ik NaOH, A 2. 2.H* H,O,

Cumolhydroperoxid-Verfahren (Abschn. 22.4)

H; SS

se

vr Bo

&

CHSCH=CH3, H .d

15

©,

&

10% H2SO4 , N.

Hydrolyse von Arendiazoniumsalzen (Abschn. 22.4) NH3>

_H20,A|en

| ee NaNO,, H*,0°C BenzoldiazoniumKation

Reaktionen von Phenolen und Alkoxybenzolen

16

Etherspaltung (Abschn. 22.5)

OR

OH

OH l. AlClz, HCl

HBr, A

17

RBr

OT

Etherbildung (Abschn. 22.5) OR

OH

+RXx NaOH, 0

Alkoxybenzol

18

Veresterung (Abschn. 22.5)

nf er als Ds 7

1122

+ RCI

19

Elektrophile aromatische Substitution (Abschn. 22.5)

OCH3

OCH3

Neue

Reaktionen

OCH3 E

+E?* —

+

ei

E 20

Phenolharze (Abschn. 22.6) OH

OH

CH>OH + CH,—O

0

21

NH

HO 0 OH

OH

OH

TG NaOH | ©

»

1,8

——

Polymer

Kolbe-Reaktion (Abschn. 22.6) OH

OH

I. NaOH + CO,

22

—

2.H*, ——

COOH H,O 2

Claisen-Umlagerung (Abschn. 22.7)

SIEHER.3S

Aromatische Claisen-Umlagerung:

DI

ON

A

OH

DD

Aliphatische Claisen-Umlagerung:

1123

22 Chemie der Substituenten

24

Oxidation (Abschn. 22.8)

am Benzolring OH

OÖ Na>Cr507, H*

* ON(SO3)>Ka

OH

© 2,5-Cyclohexadien1,4-dion (p-Benzochinon)

25 Konjugierte Additionen chinone) (Abschn. 22.8)

an 2,5-Cyclohexadien-1,4-dione

Oo

(p-Benzo-

OH

+ HEI

—>

Cl OÖ

OH

26 Diels-Alder-Cycloadditionen an 2,5-Cyclohexadien-1,4-dione (p-Benzochinone) (Abschn. 22.8)

(6)

0 y +

R

—

=

ö 27

Peroxidation von Lipiden (Abschn. 22.9)

ne

O,, Radikalkettenreaktion

En

nn

OOH_

H

H

H

über Fragmentierung zu Alkoxyradikalen mit nachfolgender ß-Spaltung

{ Toxische

R

ı

H

IE

HO

oder

E

ur =

ec

N R

R

O-

ns

CH3

OH

308

RR oO

R

Vitamin E

H\ „IOH

C Ex

(oder BHA oder BHT)

R

so

CH3 CH3

as

oder

CH3 ——>

CH3 R’

R wie

Substanzen

4-Hydroxy-2-alkenale

EN R’

H

1124

oNH

oO

CH3

H CH3 R’

R

29

Vitamin C als Antioxidans (Abschn. 22.9)

Neue

OH

”Q

OH

ei

16)

H-—-0 HO

Reaktionen

on?

_e,

H-—0O

|

HO

CH>OH

H

CH>OH Semidehydroascorbinsäure

Arendiazoniumsalze

30

Resonanz n

E

I,

|

N

N’

>

31

2

|

Sandmeyer-Reaktionen (Abschn. 22.10)

Nox CuX, A

X=Cl, Br, I, CN 32

Schiemann-Reaktion (Abschn. 22.10)

N>"BFi ®

33

Ban

F A

a

©

Ar N» ar BF3

Reduktion (Abschn. 22.10)

N"

H H,PO, oder ZOLEER

34

EN,

Azokupplung (Abschn. 22.11)

\, N

OH

Azo-Verbindung

1125

Wichtige Konzepte 1 Die Bildung von Benzylradikalen, -Kationen und -Anıonen wird durch Resonanz der gebildeten Zentren mit dem r-System des Benzols erleichtert. Syn2-Reaktionen am Kohlenstoff der Benzylgruppe verlaufen aufgrund der Resonanzmöglichkeit im Übergangszustand besonders rasch.

5 Phenole sind aromatische Enole, sie zeigen Reaktionen, die charakteristisch für die Hydroxyfunktion und für aromatische Ringe sind.

2 Das aromatische n-System von Benzolderivaten kann durch Ozonolyse oder Birch-Reduktion zerstört werden.

7 Vitamin E und Phenolderivate BHA

6 Cyclohexandiendione und Benzoldiole treten im Laboratorium und in der Natur als Redoxpaare bei Redoxreaktionen auf. die mehrfachsubstituierten und BHT wirken als Inhibi-

toren der Radikalketten-Oxidation Vitamin

3 Die Geschwindigkeit der nucleophilen aromatischen ipso-Substitution nimmt mit steigender Nucleophilie der angreifenden Spezies und der Anzahl von. elektronenziehenden Gruppen am Ring zu, insbesondere, wenn sie ortho und para zum Ort des Angriffs stehen.

C ist ebenfalls

von

Lipiden.

ein Antioxidans,

das in

der Lage ist, Vitamin E an der Oberfläche Zellmembranen zu regenerieren.

von

8 Arendiazonium-lIonen sind resonanzstabilisiert, aus ihnen können jedoch reaktive ArylKationen entstehen, in denen die positive Ladung nicht in den aromatischen Ring hinein delokalisiert werden kann.

4 Benz-in wird durch die Spannung destabilisiert, die die beiden sp-hybridisierten Kohlenstoffatome, zwischen ‚denen die Dreifachbindung besteht, bewirken.

9 Die Aminogruppe läßt sich zur Steuerung von elektrophilen aromatischen Zweit- und Drittsubstitutionen benutzen, nach der Reaktion kann sie dann durch Diazotierung und Reduktion entfernt werden.

Aufgaben 1 Welche Hauptprodukte folgenden Reaktionen?

entstehen

Ihrer

Meinung

nach

bei

den

CH>CH3 Cl» (1 Äquivalent), hv

(a)

—

NBS (I Äquivalent), hv 2

(b) H3;C

CH>CH>CH>CH3

(c)

Br, (1 Äquivalent), A 1000200035

_—eN

H;C

2 Verdeutlichen Sie durch Zeichnen von Resonanzformeln, warum die Anlagerung eines Halogenatoms an die para-Stellung eines Benzylradikals ungünstiger als die Anlagerung an die Benzylstellung ist.

3 Welche Produkte Reaktionssequenzen?

1126

entstehen

bei

den

folgenden

Reaktionen

oder

Aufgaben Y-Cihlr 20,

Bremen

(a)

A,

CH;Cl 1. KCN, DMSO 2. H*, H,0, A

l. CH3CH>CH>CH;Li,

2. CEHsCHO 3.H*, H,0, A

(CH3)aNCH>3CH>N(CH3)3

4 Der Kohlenwasserstoff mit dem Trivialnamen Fluoren (s. Randspalte) ist, genau wie Triphenylmethan, sauer genug (pK, = 23), um als Indikator für Deprotonierungsreaktionen von Verbindungen mit größerer Acidität verwendet zu werden. Welche(s) Wasserstoffatom(e) ist (sind) am stärksten acide? Erklären Sie die relative Stabilität der konjugierten Base anhand von Resonanzformeln.

el, Fluoren

5 Entwickeln Sie eine einfache, praktische und effiziente Synthese für die folgenden Verbindungen. Gehen Sie dabei von Benzol oder Methylbenzol aus. Nehmen Sie an, daß sich das para-Isomer (aber nicht das ortho-Isomer) vollständig aus Gemischen von ortho- und para-Substitutionsprodukten abtrennen läßt.

CH>CH>»Br

CONH3>

oO

COOH Br

(a)

(b)

(ce) &

©

Br

(d) COOCH3

Cl

6 Welches Hauptprodukt (welche Hauptprodukte) erwarten Sie bei jeder der folgenden Reaktionen? Beschreiben Sie jeweils den Mechanismus, nach dem die Reaktion abläuft.

Cl

Dr “8

Cl NO,

NHSNH;

©

NO>

|

KOH, H50, A

CH3

Cl

CH3

eı1 (b)

NaOCH3, CH3OH |

O,N

NO;

(d)

_LiN(CH>CH3)>, (CH3CH>)-NH

Br

7 Nachstehend finden Sie ein Schema der Synthese von Propalin, einem Herbizid. Fügen Sie die fehlenden Reagenzien oder Zwischenstufen ein. Wie lautet der IUPAC-Name von Propalin? (Hinweis: Achten Sie genau auf den Namen der Stammverbindung).

1127

22

Chemie der Substituenten

am Benzolring

em (a) 2 Stufen

Stufen, ©) 2

©,

(q)

-(CHSCHLCHy>NH

COOH

O;N

NO,

O,N

NO;

(e) 3-4 Stufen nr ——

COOH

CH3 Propalin

OCH;COOH Cl

8

In Abschn. 22.4 erfahren Sie einiges über die Herbizide 2,4-D und

2,4,5-T. Die letztgenannte Verbindung ist in Verruf gekommen,

da sie

in der Industrie aus 2,4,5-Trichlorphenol hergestellt wird, das unter Ein-

€ | 245-T

wirkung von Base teilweise zu dem extrem giftigen und berüchtigten TCDD (2,3,7,8-Tetrachlordibenzo[b,e][1,4]dioxin, oder kurz Dioxin) umgewandelt wird. Überlegen Sie sich für diese Reaktion einen sinnvollen Mechanismus.

TFT cı

OH

0

cı

cl

cl

Cl

cl

6)

cl

cl

oO

je

Cl TCDD (Dioxin)

9 Formulieren Sie, ausgehend von Benzolamin (Anilin), eine Synthese für Aklomid, das in der Veterinärmedizin zur Behandlung einiger exotischer Pilz- und Protozoen-Infektionen eingesetzt wird. Wie in Aufgabe 7 finden Sie bereits einige Zwischenstufen, um Ihnen das Syntheseschema kurz zu umreißen. Fügen Sie die fehlenden Zwischenstufen ein; jede davon kann bis zu drei Folgereaktionen erfordern. Geben Sie am Schluß den IUPAC-Namen von Aklomid an.

een

CONH> Aklomid

10 Nach welchem Mechanismus läuft folgende Umwandlung ab? (Hinweis: Man braucht zwei Aquivalente Butyllithium.)

a L. CH3CH>CH3>CH3Li

2. H,C=O DI 3.H*

ne

ENOLIRE CH>CH>CH;CH3

1128

11 Welche Produkte bilden sich Ihrer Meinung nach bei den folgenden Reaktionen und Reaktionssequenzen?

_Na, Na, NH3,

CH CH3CH,OH 3CH>OH

Na>Cr207,

(b)

Ei

Aufgaben

|

H>SO,,

CH3COOH

>

1. MnO,, Propanon (Aceton) 2. KOH, H>0, A

la

11SO;, H5SO4 2. HNO3,

H3SO4

3: NaOH, NaOH, AA

12 Ordnen dität.

5

Sie die folgenden Verbindungen

nach abnehmender

Aci-

(a) CH;OH (b) CH;COOH

BB o-.0 SO;H

OCH;

13 Entwerfen Sie eine Synthese für die folgenden Phenole. Nehmen Sie als Ausgangsverbindung jeder Synthese entweder Benzol oder ein beliebiges monosubstituiertes Benzol. >»

OH

(a)

(c) Die drei Benzoldiole

CH; OH OH

Br

e-

Cl Br

NO»

(d)

(b)

N

NO,

14 Schlagen Sie, ausgehend von Benzol, Synthesen für die folgenden Phenolderivate vor.

1129

22

Chemie der Substituenten

am Benzolring

OCH>COOH

ca

OÖ AD

:

er

3

COOH (e)

Cl das Herbicid 2,4-D

Br

NHCOCH3

Dibromaspirin eine Substanz, die möglicherweise zur Behandlung der Sichelzellenanämie geeignet ist

(b)

OCH3>CH3 Phenacetin

15

Benennen Sie die im folgenden gezeigten Verbindungen.

OH

OH

G

HO

(a)

(b)

(©)

OH ©

Br

SO;H CH,OH

OH

O (®)

(d)

8

(e)

SCHz OÖ

16

Welche

Produkte

entstehen

bei den gezeigten Folgen von

Reak-

tionen? OH

OH

l. 2 CH,—=CHCH3Br, NaOH u Ey er a

A

(a)

H;C

CH3 - ON(SO3K)>

(e)

OH

OÖ CH3

a

CHsCH5SH, (Zwei Möglichkeiten)

0) 1. A 2. O;,dann Zn, H*

6)

3. NaOH, H>0, A

(b)

oO

0.

One I Äquivalent

el

Ö

o

OH

Cl

(4)

u

OH

cı

ir(7 en

(h

Überschuß

\

(0)

1130

17 In der Kinderheilkunde hat Paracetamol gegenüber Aspirin den Vorteil, daß flüssige Darreichungsformen von Paracetamol (genau gesagt, Paracetamol in mit Geschmacksstoffen versehenem Wasser) stabil sind, vergleichbare Aspirinlösungen nicht. Warum?

Aufgaben

18 Photographischer Schwarzweißfilm enthält feine Kristalle aus Silberbromid. Bei der Belichtung wird das Silberbromid photoaktiviert. In dieser Form wird es rasch von einem Reduktionsmittel, dem sogenannten Entwickler, in schwarze metallische Silberpartikel überführt. Ein Beispiel für einen Entwickler ist 4-(N-Methylamino)phenol (Metol). Nach Belichtung und Entwicklung wird der Film mit einem Fixiermittel, wie Ammoniumthiosulfat, gewaschen, das das nicht reduzierte Silberbromid herauslöst. Geben Sie die Konstitution von Metol und die seines Oxidationsprodukts, das bei der Reaktion mit Silberbromid entsteht, an. [Hinweis: Die Oxidation von Metol verläuft sehr ähnlich zu der von 1,4Benzoldiol (Hydrochinon)]. 19 Die biochemische Oxidation aromatischer Ringe wird durch eine Gruppe von Enzymen aus der Leber, den sogenannten Aryl-Hydroxylasen, katalysiert. Ein Teil dieses chemischen Prozesses ist die Überführung toxischer aromatischer Kohlenwasserstoffe wie Benzol in wasserlösliche Phenole, die leicht ausgeschieden werden können. Die Hauptaufgabe dieses Enzyms ist jedoch, die Synthese biologisch wichtiger Verbindungen, wie der Aminosäure Tyrosin, zu ermöglichen.

NH

NH>

CH>CHCOOH

CH>CHCOOH O,, Hydroxylase S

OH Phenylalanin

Tyrosin

(a) Welche der folgenden Möglichkeiten erscheint Ihnen aufgrund Ihrer Kenntnisse in organischer Chemie am wahrscheinlichsten? (i) Das Sauerstoffatom wird durch elektrophile Substitution im Ring eingeführt. (ii) Die Einführung des Sauerstoffatoms erfolgt durch radikalischen Angriff. (iii) Das Sauerstoffatom wird durch nucleophilen Angriff auf den ‚Ring eingeführt.

(b) Man nimmt allgemein an, daß die Hydroxylierung von Arenen über Oxacyclopropan-Zwischenstufen erfolgt. Einen Hinweis hierfür gibt die folgende Beobachtung: Wenn die Stelle des Moleküls, die hydroxyliert werden soll, am Anfang mit Deuterium markiert wurde,

ist in einem

beträchtlichen

Teil der Produkte

rıum enthalten, das anscheinend zur ortho-Position führten Hydroxylgruppe gewandert ist:

Oz iyemlarn

über

noch Deute-

der neueinge-

als Zwischenstufe p

H

1131

22

Schlagen Sie einen plausiblen Mechanismus für die Bildung des Oxacyclopropan-Zwischenproduktes und seine weitere Umsetzung in das Produkt vor. Gehen Sie davon aus, daß katalytische Mengen Säure und Base zur Verfügung stehen. Übrigens: Bei Personen, die an der Erbkrankheit Phenylketonurie leiden, funktioniert das hier beschriebene Hydroxylase-Enzymsystem nicht. Stattdessen wird Phenylalanin im Gehirn in 2-Phenyl2-oxopropansäure (Phenylbrenztraubensäure) überführt. Dies ist die Umkehrung des Prozesses, den wir in Aufgabe 23 von Kap. 21 gezeigt haben. Eine erhöhte Konzentration dieser Verbindung im Gehirn kann zu schweren Entwicklungsstörungen führen. Personen mit Phenylketonurie (dies läßt sich bereits bei der Geburt bestimmen) müssen daher eine phenylalaninarme Diät einhalten.

Chemie der Substituenten

am Benzolring

20 Cope-Umlagerungen werden häufig bei Ringvergrößerungsreaktionen eingesetzt. Setzen Sie im folgenden Schema, in dem der Aufbau eines Zehnrings skizziert ist, die fehlenden Reagenzien und Produkte ein.

OÖ

ne070, 20H

(b)

(a)

0-2

(Od)

Überschuß erschuß CrO, Cr (Pyridin) yridin z

Z

OÖ

21 Geben Sie einen vollständigen Mechanismus für die Diazotierung von Benzolamin (Anilin) in Gegenwart von HCl und NaNO, und einen plausiblen Mechanismus (der auf dem basiert, was wir in Abschn. 22.10 behandelt haben) für dessen Überführung in lIodbenzol beim Behandeln mit einer wäßrigen Lösung von lodid-Ionen (z.B. einer

K'I-Lösung) an. 22 Entwerfen Sie eine Synthese für die folgenden Fangen Sie bei jeder Synthese mit Benzol an. OH

Benzolderivate.

COOH Br

(d)

Br

(8)

Br

CN

Br OH

COOH (h)

(e)

(b)

COOH

ON I

OH

cl Br

(c)

(f) Cl NO,

1132

Cl Br

No

23

Geben

Sie

die

wahrscheinlichste

Konstitution

der

Produkte

der

Aufgaben

folgenden Reaktionssequenzen an.

NH>

1. NaNO,, HCl, 5°C IM

(a)

an

—>

gelber Farbstoff

SO;H l. NaNO,, HC1, 5°C

ee

(b)

> Metanilgelb

SO;H Nehmen Sie bei der folgenden Reaktion an, daß die elektrophile Substitution überwiegend am aktivierten Ring erfolgt.

NH>

1. NaNO;, HCl, 5°C ss

(c)

nn

| —

Orange I

SO;H 24 Geben Sie die Ausgangsmaterialien und Reagenzien an, die Sie zur Synthese der drei im folgenden aufgeführten Verbindungen brauchen.

(a) Methylorange (s. Abschn. 22.11) (b) Kongorot (c) Prontosil, er

SO-NH; ,

NH> das mikrobiell in Sulfanilamid un

somit ‚ überführt wird.

Die zufällige Entdeckung der antibakteriellen Eigenschaften von Prontosil in den dreißiger Jahren führte indirekt zur Entwicklung der Sulfonamid-Antibiotika in den vierziger Jahren. 25

(a) Welches ist die Schlüsselreaktion der Inhibierung der Fettoxida-

tion durch den Konservierungsstoff BHT? (b) Das Ausmaß, in dem Fettoxidation im Körper abläuft, läßt sich durch Messung der mit der Atemluft ausgeatmeten Menge an Pentan abschätzen. Mit zunehmender Menge an Vitamin E in der Nahrung nimmt die Menge an ausgeatmetem Pentan ab. Untersuchen Sie die Prozesse in Abschn. 22.9 und geben Sie an, bei welchem Pentan gebildet werden könnte. Sie müssen von den spezifischen Reaktionen, die in Abschn. 22.9 gezeigt sind,

etwas extrapolieren. 26

Die Urushiole

sind Reizmittel,

die im Giftefeu

und der Gifteiche

enthalten sind und bei der Berührung dieser Pflanzen zu Hautausschlägen und Juckreiz führen. Benutzen Sie die folgenden Informationen, um die Konstitution von Urushiol I (©, H3,O;) und II (C,,H;40O;), den beiden Hauptvertretern dieser Familie von unangenehmen Verbindungen, aufzuklären.

1133

22

Chemie der Substituenten

am Benzolring

Urushiol ı

2 #4&SCHSCHzOH \ jrushiol I :

Urushiol

LL.OSSCH,Ch

Überschuß CH;I, NaOH IH—— — 22 —— > C53H3805 Dimethylurushiol II

2. Zn, H,O

CH3CH>CH>CH>CH>CH>CHO

+ Cj6H5403

Aldehyd A Synthese von Aldehyd A OCH3

l. H,, Pd, CH3;CH,OH

1. SO4, H,504 2. HNOz, 43504 ,C_y,NSo,

ke # „H50, A

CH-NO,

B

2. NaNO,, H*, H,O 3. H,O, A

C

1. CO,, Druck, KHCO;, H,O 2. NaOH, CH;I C-H.0,

34H. ,2,0

1. LIAIH,, (CH,CH;);O 2.H%H,O EsH1004

D

3. MnO,, Propanon (Aceton)

E ils C,H5CH,0O(CH3,),CH

=P(C,H;5)3

2. Überschuß H,, Pd-C, CH;CH,OH

» Aldensai

CoH1g0, 3 2CC, CHiCh, F

27 Ist die Stelle im Molekül, an der die Reaktion bei der von Noradrenalin aus Dopamin erfolgt (s. Kap. 5, Aufgabe klang mit den in diesem Kapitel dargestellten Grundlagen? facher oder schwerer, diese Umsetzung nichtenzymatisch ren? Geben Sie eine Erklärung. 28

Biosynthese 27), in EinWäre es eindurchzufüh-

(a) Ist es möglich, allein über eine Ozonolyse zwischen den drei Isomeren von Dimethylbenzol (Xylol) zu unterscheiden? Geben Sie die entsprechenden Reaktionen an. (b) Bei der Ozonolyse entstehen aus dem unbekannten

Kohlenwas-

serstoff A die beiden gezeigten Produkte in äquimolaren Mengen. Formulieren Sie eine Struktur für Kohlenwasserstoff A, die im Ein-

klang mit dem Ergebnis ist.

‚0

7 u >

. O3

AI

1,2-Cyclobutandion

29

HECCH-.CH CH 2,5-Dioxohexandial

(a) Schlagen Sie einen Mechanismus für die Spaltung eines Alkoxyarens (z.B. Methoxybenzol) durch AlC]; vor. (b) Ein verwandter Prozeß ist die Reaktion eines Arylesters (z.B. eines Phenylalkanoats) mit AlCl;, bei der man Alkanoylphenole erhält:

OCCH;

OH AlCIz

N CCH3

OH en

797

1134

CCH3

Nach welchem Mechanismus läuft Ihrer Meinung nach diese Reaktion, die sogenannte Fries-Verschiebung, ab? (ec) Wie

läßt sich die Fries-Verschiebung

bei der Synthese

von

OH

2-

CCH3

Ethanoyl-4-methylphenol einsetzen?

30

Eine

Labormethode

(Übungsaufgabe

zur

Synthese

der Aminosäure

Phenylalanin

19) benutzt das Reagenz Phthalimidomalonester,

der

wie gezeigt dargestellt wird.

CHz 2-Ethanoyl4-methylphenol

O NK’

OÖ + BrCH(COOCH>CH3)

N—CH(COOCH3>CH3)>

—>

OÖ Kaliumphthalimid

Phthalimidomalonester

Diethyl2-brompropandioat (Brommalonsäureethylester)

Schlagen Sie eine Synthese von Phenylalanın aus diesem Reagenz und entweder Benzol oder Methylbenzol (Toluol) vor. Hinweis: Nehmen Sie Abschn. 23.2 zur Hilfe. 31

Ein verbreiteter natürlicher Aromastoff A mit der Formel C,,H1sOs

läßt sich mit verdünnter wäßriger Säure in ein Äquivalent D-Glucose (vgl. Kap. 24) und ein Äquivalent einer Verbindung B mit der Formel C;H,O, hydrolysieren. Das 'H-NMR-Spektrum dieser Verbindung ist im folgenden gezeigt, außerdem sind noch die folgenden spektroskopischen Daten bekannt: IR: 4 = 3160, 1663, 853, 807 cm’. FE-NMR 29-56:0°(9)7 109:5°(4)114384(d)} 127.4.(0)7 129.5:6),.147,3 (8)..152.33(8) und 191.3 .(d).

Beim Behandeln

von B mit Ag;O

Formel

die sich außerdem

C;H;O,,

erhält man

Verbindung

auf folgendem

Weg

C mit der aus

Benzol-

carbonsäure (Benzoesäure) synthetisieren läßt. 1135

COOH

1.50%. 115502 2. KOH, A 3. CHzI, NaOH nn

1. HNO;, H>SO,, A CEO;

Konz. H,SO,, A*

D

CsHsSGF

ZAHN,

H2OFA

E

Mn

GERNOME F

1. NaNO,, H", H30, 0°C

OENOr

c

G

(a) Identifizieren Sie die Struktur der Verbindungen B bis G.

(b) Behandelt man A mit einem Überschuß (CH;),SO, und NaOH vor der sauren Hydrolyse, erhält man als Produkte B und den 2,3,4,6-Tetramethylether der D-Glucose. Formulieren Sie eine vernünftige Konstitutionsformel für Verbindung A.

Gruppenübung 32 Betrachten Sie zunächst in ihrem Team gemeinsam das folgende Schema, in dem einige Syntheseschritte der Totalsynthese von Taxodon (D), einem potentiellen Medikament gegen Krebs, gezeigt sind. Teilen Sie ihr Team in zwei Gruppen auf: Die erste sollte die geeigneten Bedingungen für den Reduktionsschritt A erarbeiten, die zweite Gruppe sollte mit Hilfe der gegebenen spektroskopischen Daten Struktur B entwickeln! O

16)

l

OCCH,

H', Toluol, A

_—)

B

'H-NMR-Spektrum: ö=5.99 (dd, IH). 6.50 (d, IH) ppm; IR-Spektrum: 5 = 1720 cm’; Massenspetrum: m/z 384 (M).

Kommen Sie anschließend wieder zusammen und diskutieren Sie Ihre Ergebnisse. Erarbeiten Sie gemeinsam die Konstitution des fehlenden Zwischenprodukts C und die von Taxodon (D). Nehmen Sie dafür die gegebenen spektroskopischen Daten zur Hilfe.

N

COOH

-OH, H,O

—

Taxodon

'H-NMR-Spektrum:

'H-NMR-Spektrum:

ö=3.51 (dd; IH),

ö=6.55 (d, IH),

3.85 (d, IH):

6.81 (s, IH), keine weiteren olefinischen oder aromatischen Protonen;

ae, m/z 400 (M’).

IR-Spektrum: 5 = 3610, 3500, 1628 cm"; UV-Spektrum: Anıx (£) = 316 (20,000) nm;

Massenspektrum: m/z 316 (M').

Schlagen Sie einen Mechanismus für die Bildung von D aus C vor. Hinweis: Nach der Esterhydrolyse kann eines der Phenolat-Sauerstoffatome mit seinem freien Elektronenpaar mit dem Benzylring in Resonanz treten. Dadurch wird eine Reaktion an der para-Position ermöglicht. Das Produkt enthält eine Carbonylgruppe in ihrer Enol-Form. Nehmen Sie zur Interpretation der spektroskopischen Daten Abschnitt 17.3: zur Hıilie, * substituiert para zur stärksten aktivierenden Gruppe.

1136

Dicarbonylverbindungen

Eigenschaften und chemische Reaktivität von organischen Molekülen werden weitgehend von den enthaltenen funktionellen Gruppen bestimmt. Was geschieht eigentlich, wenn sich zwei unterschiedliche Funktionen

in demselben

Molekül

befinden?

Wie

Sie gesehen

haben,

können beide Einheiten in vielen Fällen unabhängig voneinander reagieren, jede entsprechend ihren eigenen charakteristischen Eigenschaften. So läßt sich z.B. 5-Hexensäure mit einer Base deprotonieren (wie andere Carbonsäuren auch) oder in Gegenwart eines Katalysators hydrieren (wie ein Alken). O |

Ben,

OH

H>, Pt

—

Hexansäure

|

mn

TH

NaOH

are

5-Hexensäure

er

|

Na

N

Natrium-5-hexenoat

In anderen Reaktionen wird dagegen das für eine funktionelle Gruppe typische chemische Verhalten drastisch durch die Gegenwart einer anderen Gruppe verändert. Dieses Verhalten ist dann besonders wahrscheinlich, wenn die beiden Gruppen benachbart sind. In a,ß-ungesättigten Carbonylverbindungen kann beispielsweise über eine 1,4-Addition eine nucleophile Addition an die C—-C-Doppelbindung stattfinden (s. Abschn. 18.9 bis 18.12).

| I

CH;CH=CHCH 2-Butenal

NC H O KCN,

H'

——>

| CH;CHCHCH 2-Methyl-4-oxobutannitril (3-Cyanobutanal)

Im Gegensatz dazu gehen vergleichbare nichtkonjugierte Verbindungen eine 1,2-Addition an die C—O-Funktion ein (Kap. 17), während die C—-C-Doppelbindung normalerweise immun gegenüber einem nucleophilen Angriff ist.

1137

23

Dicarbonylverbindungen

CH3CH5,

[6)

CH>CH>

OH

H,C=CCH;CH;CCH; EN, H,C=CCH;CHz CH CN 5-Ethyl-5-hexen-2-on

5-Ethyl-2-hydroxy2-methyl-5-hexennitril

Dieses Kapitel hat Moleküle mit zwei Carbonylgruppen, die Dicarbonylverbindungen, zum Thema. Viele dieser Verbindungen haben Trivialnamen,

bei denen griechische Buchstaben

den Carbonylgruppen aneinandergrenzen mehrere Atome getrennt sind.

IR)

0

|

II

HC—CH

0

ob die bei-

ein oder

00

|)

c—=c

Ethandial

Il

kennzeichnen,

oder ob sie durch

HOC—COH

Diphenylethandion

Ethandisäure

(Glyoxal)

(Benzil)

(Oxalsäure)

(eine a-Dicarbonyl-

(eine a-Dicarbonyl-

(eine a-Dicarbonyl-

verbindung)

verbindung)

verbindung)

I

I

1

a.

HOCCH>COH

|

|

CH3CCH;CCH3

CH3CCH;>COCH3

CH3CCH>CH>CH

2,4-Pentandion

Methyl-3-oxobutanoat

Propandisäure

4-Oxopentanal

(Acetylaceton)

(Methylacetoacetat)

(Malonsäure)

(eine y-Dicarbonyl-

(eine 8-Dicarbonyl-

(eine 8-Dicarbonyl-

(eine B-Dicarbonyl-

verbindung)

verbindung)

verbindung)

verbindung)

Wenn die beiden Carbonylfunktionen durch mehr als ein Kohlenstoffatom getrennt sind, wie bei 4-Oxopentanal, kann ihre Chemie unabhängig sein. So ergibt die Reduktion dieser Verbindung das Diol, bei der Kondensation mit 2,4-Dinitrophenylhydrazin entsteht ein Dihydrazon, und durch Oxidation mit Silberoxid läßt sich die Ketosäure darstellen.

Die Chemie von 4-Oxopentanal

O0

ON

OH

H

'

CH;CHCH,CH;CHOH N 1,4-Pentandiol

ar

u

NO,

N

cH,CCH.CH.CHO

NO

CH5CCHSCHCH—N,

4-Oxopentanal

NH

|Asr0

NO,

j

CH3CCH>CH>COOH 4-Oxopentansäure

Außerdem

NO,

können beide Carbonylgruppen

auch miteinander reagie-

ren, wie in intramolekularen Aldolkondensationen.

16)

| |. CHsCCH;CH,CH FB, 4-Oxopentanal

1138

+ H50 2-Cyclopentenon

Die a- und ß-difunktionellen Systeme zeigen dagegen ein neues Verhalten. Wir beginnen mit einer Beschreibung der Claisen-Kondensation, einem Syntheseweg zu den vielseitigen und für die Synthese wichtigen ßDicarbonylverbindungen. Wir werden dann a-Dicarbonylverbindungen und deren Darstellung aus «-Hydroxycarbonyl-Vorstufen diskutieren.

23.1

ß-Dicarbonylverbindungen: Die Claisen-Kondensation

23.1 ß-Dicarbonylverbindungen: Die Claisen-Kondensation Esterenolate reagieren mit Estergruppen in Additions-EliminierungsReaktionen zu ß-Ketoestern. Diese als Claisen-Kondensation® bekannte Reaktion ist das Esteranalogon der Aldolkondensation (Abschn. 18.5).

Claisen-Kondensationen

führen zu

ß-Dicarbonylverbindungen Ethylacetat reagiert mit stöchiometrischen Mengen Natriumethoxid Ethyl-3-oxobutanoat (Ethylacetacetat, Acetessigester).

zu

Claisen-Kondensation von Ethylacetat

| l CHSCOCH>CH3 + CH,COCH;CH,

ne | 3 OCH2eia, CHSCHROH , 1, CCH-COCH,CH; — CH;CH»OH en

75%

Ethylacetat

Ethyl-3-oxobutanoat (Ethylacetacetat)

Die Claisen-Kondensation beginnt mit der Bildung eines EsterenolatIons. Durch eine Additions-Eliminierungs-Reaktion an die Carbonylgruppe eines anderen Estermoleküls entsteht ein 3-Ketoester. Diese Schritte sind reversibel, und der gesamte Vorgang ist bis zu dieser Stufe endotherm. Besonders ungünstig ist die Deprotonierung des Esters (pK, > 25) durch Ethoxid (pK, von Ethanol = 15.9). Das Gleichgewicht ist trotzdem zum Produkt verschoben, da die Base den 3-Ketoester (pK, > 11) an C2 praktisch irreversibel deprotoniert. Bei der Aufarbeitung mit wäßriger Säure wird die konjugierte Base des Produkts protoniert, womit der Prozeß abgeschlossen ist. Mechanismus

der Claisen-Kondensation

Schritt 1 Bildung des Esterenolats

| CH3COCH;CH; Schritt

2

® | 0: Na* "OCH:CH; 2? — > nat cm el OCH>CH3

O8 + CH3CH>OH

OCH>CH3

Nucleophile Addition

2)

N

CH3COCH;>CH3 + Z:CH>COCH;CH3 —

dar

CHs—C—OCH>CH3 ei

4

16) * Zu Ludwig Claisen siehe Abschn. 20.5 sowie die Claisen-Umlagerung, Abschn. 22.7.

1139

23

Dicarbonylverbindungen

Schritt

3 _Eliminierung 25

|

CHSCLOCH;CH;

==

Kin

n

CH,;CCH>COCH;CH3

+

:OCH>CH3

Di 3-Ketoester

Schritt 4 Deprotonierung

SO. > CH3CCH>COCH>CH3 + " :OCH>CH,— sauer, pK, = 11

[6)

(6:

G)

a CH5C-£CH—COCH;CH; «—> CH5C=CHI-COCH;CH, + Schritt

1

:0:7

|

| | CH3C-CH=COCH;CH;| + CH3CH>OH

5 Protonierung bei der wäßrigen Aufarbeitung [6) >

I

|

CH-CCHCOCH;CH, 20,

|

CELCCH,COCH:CHE

Zur Vermeidung einer Umesterung sollten sich das Alkoxid und der Ester von demselben Alkohol ableiten. Übung 23-1 Geben Sie die Produkte der Claisen-Kondensation von (a) Ethylpropanoat, (b) Ethyl3-methylbutanoat und (c) Ethylpentanoat an. Die Base sei jeweils Natriumethoxid, das Lösungsmittel Ethanol.

Wasserstoffatome zwischen zwei Carbonylgruppen sind sauer Warum ist die Deprotonierung eines 3-Ketoesters so begünstigt? Durch die Resonanzstabilisierung des korrespondierenden Anions wird die Acidität der Wasserstoffatome zwischen zwei Carbonylgruppen stark verstärkt. In Tabelle 23-1 sind die pK,-Werte verschiedener ß-Dicarbonylverbindungen und verwandter Verbindungen wie Methylcyanoacetat und Propandinitril (Malonsäuredinitril) aufgeführt. Tabelle 21-1 pK,-Werte von ß-Dicarbonyl- und verwandten Verbindungen Name

Struktur

&

2,4-Pentandion

PK,

O

OÖ

|

|

(Acetylaceton)

CH;CCH,CCH;

Methyl-2-cyanoacetat

NCCH,.COCH;

9

I Ethyl-3-oxobutanoat

I

oO I

(Acetessigester)

CH;CCH-LCOCH;CH;

Propandinitril (Malonsäuredinitril)

NCCH,CN

Diethylpropandioat

CH;CH;OCCH,COCH;CH;

(Malonester)

1140

OÖ

9

11

13

Il

13

Die Bedeutung des letzten Deprotonierungsschritts der Claisen-Kon-

23.1 ß-Dicarbonyl-

densation zeigt sich an den Fällen, in denen der Ester nur ein a-Wasser-

verbindungen:

stoffatom trägt. Das Produkt der Reaktion wäre ein 2,2-disubstituierter

Die Claisen-Kondensation

3-Ketoester,

der

kein

a-Proton,

das

zur

Verschiebung

des

Gleich-

gewichts erforderlich ist, enthält. Man beobachtet in diesen Fällen kein Claisen-Kondensationsprodukt.

Ein Beispiel für das Versagen einer Claisen-Kondensation

)

I

9.:CHs 0

CH,CH,O”Na*, CH,CH,OH

2 (CH3)2„CHCOCH>CH3

te

==

+ CH;CH,OH

CH3 Ethyl-2-methylpropanoat

Daß erklären

sich

dieser

läßt,

Ethyl-2,2,4-trimethyl-3-oxopentanoat

Befund

kann

man

über durch

eine

ungünstige

Behandeln

eines

Gleichgewichtslage 2,2-disubstituierten

3-Ketoesters mit Base zeigen: es läuft eine Retro-Claisen-Kondensation ab, die über einen Mechanismus verläuft, der genau die Umkehrung der Hinreaktion ist. Retro-Claisen-Kondensation

(20: CH; :O: CH;CH,0:°

Sr

ne

a

Ort

ne:

eg.

(CH>,CHE—ZCZTCOCH;CH;

CH,

(CH3),

CH;CH;0: .Ö .

Hb«

as

CHCOCH;CH;

Mr

CH;CH;ÖH

(CH3),C=COCH;CH;

———.—

CH 30%

CH;

wi (CH),

eg.

=

CHCOCH;CH;

u

CH;5CH;0:

U Übung 23-2

"| Erklären Sie die folgende Beobachtung: 0

2 N

CH

1. CH30 Na*, CH3OH

ei

1 EIS

7

LECH,EDOEN, 72. (CH,):CHCOOCH,

CH3

Claisen-Kondensationen

zwischen zwei verschiedenen

Estern

Gekreuzte Claisen-Kondensationen ergeben häufig, ebenso wie gekreuzte Aldolreaktionen (s. Abschn. 18.6), Produktgemische. Eine selektive gekreuzte Kondensation ist jedoch möglich, wenn einer der beiden Reaktionspartner keine a-Wasserstoffatome hat, wie z.B. Ethylformiat (Ameisensäureethylester) oder Ethylbenzoat (Benzoesäureethylester).

Selektive gekreuzte Claisen-Kondensation I

_DCH;CH;

o ?

+

CHSCHRCOCHSCH,

1. CH,CH;O=Na*, CH,CH;OH

2.H*, H,O

———

U

|

|

|

a

ee,

CH; PA

Ethylbenzonat

71% Ethyl-2-methyl-3-oxo3-phenylpropanoat

1141

23

Dicarbonylverbindungen

Übung 23-3 Geben Sie alle Produkte der Claisen-Kondensation an, die bei der Behandlung einer Mischung von Ethylacetat und Ethylpropanoat mit Natriumethoxid in Ethanol gebildet werden.

Die intramolekulare und die doppelte Claisen-Kondensation führen zu cyclischen Verbindungen Die intramolekulare Version der Claisen-Kondensation bezeichnet man als Dieckmann”“-Kondensation, hierbei entstehen cyclische 3-Ketoester. Wie erwartet (s. Abschn. 9.6) verläuft sie am besten, wenn dabei fünfoder sechsgliedrige Ringe entstehen.

OÖ

I

l

CH3CH5OCCH;CH;CH>CHJCH,;COCH>CH,;

1. CH,CH;O"Na*, CH,CH,OH 2.H*, H,O

CO,CH;CH;

—

Diethylheptandioat

60% Ethyl-2-oxocyclohexancarboxylat

Cyclische Verbindungen lassen sich auch durch doppelte Claisen-Kondensation mit Diestern wie Diethylethandioat (Oxalsäurediethylester) erhalten. Hierbei erfolgt im ersten Schritt eine intermolekulare, im zweiten Schritt eine intramolekulare Kondensation. [6)

CH;CH;0;C 1. CH,CH,O

M

|

|

[6)

Nat,

ee:

|

2,H*, H,O

CH;CH,OCCOCH;CH; + CH;CH,;OCCH>CH>CH,COCH,CH, ——

CO,CH,CH; 30% Er

Diethylpentandioat

Diethylethandioat (Diethyloxalat)

a Diethyl-4,5-dioxo1,3-cyclopentandicarboxylat

7) Übung 23-4 vn Formulieren

Sie

einen

Mechanismus

für

die

Reaktion

von

Diethylethandioat

mit

" Diethylpentandioat.

9

Übung 23-5 Nach welchem Mechanismus verläuft Ihrer Meinung nach die folgende Reaktion?

(0)

CO,CHJCH3

1% CHsCH,0 "Na", CH3CH>OH

+ CHzCO;CH,CHz

a a0

2

5,

CO,CH,CH3

CO,CH;>CH3 Ö

Diethyl-1,2-benzoldicarboxylat (Phthalsäurediethylester)

60% -80%

Ketone gehen gekreuzte Claisen-Kondensationen ein Auch Ketone können an Claisen-Kondensationen teilnehmen. Da sie saurer als Ester sind, werden sie deprotoniert, bevor der Ester eine Möglichkeit hat, mit sich selbst zu kondensieren. Als Produkte dieser

Reaktion

*

1142

können

Walter Dieckmann,

(nach saurer Aufarbeitung)

ß-Diketone,

1869-1925, Professor an der Universität München.

ß-Ketoalde-

| Kasten 23-1 Die Claisen-Kondensation

in der Biochemie

0

| CH3CSCoA

AN

Malonyl-CoA

Acetyl-Coenzym A

Die Methylengruppe in der carboxylierten Verbindung ist wesentlich reaktiver als die Methylgruppe in den Acetylthioestern und kann eine Reihe von Claisen-ähnlichen Kondensationen eingehen. Auch wenn diese Reaktionen unter Enzymkatalyse ablaufen, kann man sie in vereinfachter Form, wie hier angegeben, schreiben.

Die Kupplungsreaktionen, mit denen die Fettsäureketten aus den Thioestern von Coenzym A (Abschn. 19.14) gebildet werden, sind Varianten der Claisen-Kondensation. Bei. der Carboxylierung von Acetyl-CoA zu Malonyl-CoA (siehe oben) wird das Kohlenstoffatom von CO, anstelle der Estercarbonylgruppe nucleophil angegriffen.

S6)

oO

re CH3

| RS_

(d -0,

N

(®

40

RS_

CH3 CH SR an?

BL

I

l

6)

2

SE

CH

Ha

C

£

SR

a

0

I 1 HOCCH,CSCHA

M|

-®

er

HR

_CH3

:

]

|

H

0

oO (RSH = Acyl-Carrier-Protein, siehe Abschn.

19.14)

hyde und andere ß-Dicarbonylverbindungen entstehen. Die Reaktion läßt sich mit einer Fülle von Ketonen und Estern sowohl inter- als auch intramolekular durchführen. Häufig verbessert sich die Ausbeute, wenn man

stärkere Basen als Alkoxid-Ionen

| CH3COCH>CH3 16)

16) + CH3CCHz;

verwendet.

a —————

16) CH3CCH>CCH3 85%

16)

10)

CH;

1. (C,H,),C0”K*, 1,2-Dimethylbenzol (o-Xylol), A 2. H*, H,O

CO:CH3

o 100% 1,3-Cyelohexandion

Methyl-5-oxohexanoat

Während Carbonate zu 3-Ketoestern reagieren, miaten (Ameisensäureestern) 3-Ketoaldehyde.

entstehen

01 CH

0 |

+ HCOCH3>CH3

mit For-

I. CH3CH>O”Na*, CH3CH,OH 2. H*, H,O

75% Ethylformiat (Ameisensäureethylester)

2-Methanoylcyclohexanon (2-Formylcyclohexanon)

Bei diesen Reaktionen entstehen zunächst Ketoenolate.

1143

23 Dicarbonylverbindungen

Mechanismus

Schritt

der Claisen-Kondensation

mit Ketonen

1 Deprotonierung des Ketons

(6) | CH3SCCHz

x CH;CH5O Na’, CH3CH5OH Fe reversibel

CH, =

Ya

O

EEE Na

+ CH,;CH,OH

N

CH3

Schritt

2 Nucleophile Additions-Eliminierungs-Reaktion

O |

CH3GOCH3>CH3 + CH, >C

(9° , N

OD ER.

=

reversibel

CH;

CH,CCH;CCH; + 2 2,4-Pentandion

e

OCH>CH;

(Acetylaceton)

Schritt

3 Deprotonierug des ß-Diketons

I

1

CHICCHOCH;

4

Ca? Ne, verschiebt das Gleichgewicht

NO

|

HC

o©

|

CHOCH, + CH CH

H

Die retrosynthetische Analyse verdeutlicht den synthetischen Nutzen der Claisen-Kondensation

u

Di

2-Benzoylcyclohexanon

1144

Wir haben inzwischen verschiedene Arten der Claisen-Kondensation kennengelernt und könnten uns nun fragen, wie diese Reaktion synthetisch genutzt werden kann. Wir haben drei Informationen, die uns bei der Beantwortung dieser Frage helfen: (1) Claisen-Kondensationen liefern immer 1,3-Dicarbonylverbindungen; (2) einer der Reaktionspartner muß ein Ester sein, der seine Alkoxygruppe während der Reaktion verliert; (3) der andere Reaktionspartner (die „Quelle“ des nucleophilen Enolat-Ions) muß zwei acide Wasserstoffatome an einem a-Kohlenstoffatom tragen. Zusätzlich wissen wir, daß in einer gekreuzten ClaisenKondensation einer der Reaktionspartner (immer der Ester) keine Selbstkondensation eingehen können sollte (d.h. er sollte keine a-Wasserstoffatome besitzen). Wenn wir die Struktur einer Zielverbindung kennen und feststellen wollen, ob sie durch eine Claisen-Kondensation hergestellt werden kann (und falls ja, wie?), müssen wir dieses Problem unter Beachtung der oben genannten Punkte retrosynthetisch analysieren. Betrachten wir beispielsweise 2-Benzoylcyclohexanon und überlegen, ob es durch eine Claisen-Kondensation zugänglich ist. Es handelt sich um eine 1,3-Dicarbonylverbindung und erfüllt somit die erste Voraussetzung. Welche Bindungen werden durch eine ClaisenKondensation geknüpft? Wenn wir alle Beispiele dieses Abschnitts betrachten, sehen wir, daß die neue Bindung im Produkt immer eine der Carbonylgruppen der 1,3-Dicarbonylfunktionen mit dem Kohlenstoffatom zwischen ihnen verbindet. Unser Molekül enthält zwei solcher Bindungen (a und b). Wenn wir unsere Analyse in der Art fortführen, daß wir jeweils diese Bindungen brechen, müssen wir auch Punkt 2 berücksichtigen: Die Carbonylgruppe, an der die neue C-C-Bindung gebildet wird, ist eine Esterfunktion. Arbeiten wir „rückwärts“, müssen wir uns vorstellen, daß eine Alkoxygruppe an diese Carbonylfunktion gebunden wird:

Bindung spalten oO

oO

\

OR

OR hier wieder

|

-

O

oO

einführen GN |

AN

Bindung spalten OR hier wieder „_ nführen

b

RO

|

Der Bruch der Bindung a führt zu einem Ketoester, der intramolekular eine Claisen-Kondensation eingehen würde, der Bruch von b zum Cyclohexanon und einem Benzoesäureester. Beide Kondensationen sind denkbar. Die zweite Möglichkeit findet jedoch bevorzugt statt, da sich das Zielmolekül aus kleineren Bausteinen zusammensetzt. OÖ

OÖ

OÖ

OÖ

1. CH;CH;O Na’,

CH,CH>OH

CH;CH>0

2.H', H,O

—

Mi Übung 23-6 Schlagen Sie Synthesen der folgenden Moleküle über Claisen- oder Dieckmann-Konden, sationen vor.

Om

6)

|

ECOSCHLCH,

CCO>CH>CH3 (©

(a)

oO

Iı

DESC

CHzCCH,CH

(b)

l

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß Claisen-Kondensationen endotherm sind und nur dann ablaufen, wenn man stöchiometrische Mengen

einer Base zugibt, die stark genug ist, um den entstandenen 3-Ketoester zu deprotonieren. Gekreuzte Claisen-Kondensationen zwischen zwei Estern

sind

nur

dann

selektiv,

keine a-Wasserstoffatome Claisen-Kondensationen sind.

wenn

enthält.

eine

der

Mit Ketonen

beiden

Komponenten

lassen sich gekreuzte

ebenfalls durchführen, weil sie saurer als Ester

23.2 B-Dicarbonylverbindungen als synthetische Zwischenstufen Nachdem

wir gesehen haben, wie man

stellt, wollen wir untersuchen,

wie man

ß-Dicarbonylverbindungen

dar-

sie in der Synthese verwenden

kann. In diesem Abschnitt zeigen wir, daß sich die entsprechenden Anionen leicht alkylieren lassen, und daß 3-Ketoester zu den entsprechenden Säuren hydrolysiert werden, aus denen durch Decarboxylierung Ketone oder neue Carbonsäuren entstehen können. Diese Umsetzungen eröffnen eine Vielfalt von synthetischen Wegen zu Molekülen mit anderen funktionellen Gruppen.

Anionen von ß-Dicarbonylverbindungen sind nucleophil Die ungewöhnliche Acidität von ß-Ketocarbonylverbindungen läßt sich synthetisch nutzen, da man die durch Deprotonierung erhaltenen Anio-

1145

23 Dicarbonylverbindungen

nen zu substituierten Derivaten alkylieren kann. So läßt sich z.B. Ethyl3-oxobutanoat (Acetessigsäureethylester) leicht in die entsprechenden alkylierten Verbindungen überführen.

Alkylierungen von ß-Ketoestern 1. K TOC(CH3)3, N

I 1 en H

(CH3)3COH

1. Na OCHsCH;3, CH3CH>0H

, Ms ae —=— ————

De Da coe

O CH3 O Pa HT

1 Aa CH;CCHCOCH>CH3 070

—Nal

CH;

RE

CH»

65%

77% Ethyl-3-oxobutanoat

Ethyl-2-methyl-

Ethyl-2-methyl-

3-oxobutanoat

2-(phenylmethyl)3-oxobutanoat

Andere ß-Dicarbonylverbindungen gehen ähnliche Reaktionen ein:

Onecnccn,

K5CO;z, CH3l, Propanon (Aceton), A

— KH00,

7

I

I

CH3CCHCCH3

|

H

CH3z 77%

2,4-Pentandion

16) |

i

H

3-Methyl-2,4-pentandion

1. CH,CH,O"Na*' REN

— CH3CH>OH — NaBr

80% Ethyl-2-oxocyclohexancarboxylat

Ethyl-1-butyl-2-oxocyelohexancarboxylat

1. CH,CH,O”Na*’ 7

1

rt

hr

CH>CH5OCCHCOCH;,CH, |

a=

H

—

CH;CH>OCCHCOCH>CH3

CHBrB

CH3CH>CH|

we NaBr

CH;

84%

Diethylpropandioat

Diethyl-2-(1-methylpropyl)propandioat

Übung 23-7 ") Wie würden

Sie 2,2-Dimethyl-1,3-cyclohexandion

aus Methyl-5-oxohexanoat

syntheti-

2 sieren? n Übung 23-8 ii Erklären Sie den folgenden Befund: (0) »

CH;

R

| Ba(OH)z, 0 „H,O, HOOC(CHSACCH SCH;

=o® Hinweis: Betrachten Sie anstelle der Deprotonierung Angriff von OH auf eine der Carbonylgruppen.

1146

78% an Position 2 den nucleophilen

3-Ketosäuren decarboxylieren leicht

23.2 ß-Dicarbonylverbindungen als synthetische Zwischenstufen

Die synthetische Bedeutung der Alkylierungsreaktionen von 3-Ketoestern liegt darin, daß sie nach erfolgter Hydrolyse leicht decarboxylieren, wobei neue Ketone und Carbonsäuren

entstehen.

Decarboxylierung von 3-Ketosäuren

|

RCCHCOCH3CH;3 |

\

I

RCCHCON

Hydrolyse

R'

I

—

RÜCHR" + CO;

R' 3-Ketosäure

|

CH;CH,OCCHCOCH;CH;

I

I

HOCCHCOH

———

|

Keton

Hydrolyse

R

l

N

RCHCOH

I

KOCH

H

R Dicarbonsäure

Carbonsäure

Beispiele: |

j

1. NaOH, H,O

|

2. H,80,, H;0, 100°C

ERCCHCOCHEH,

en, — CH,CH;OH

(CH,),CH;

>

re

2

60% 2-Heptanon

Ethyl-2-buthyl-3-oxobutanoat

CH; I | CH;CH,OCCHCOCH;CH3

H,S0,, H;0, A ne

|

=

|

CHCH,CHCHCOOH

CH,CH;OH

CH,CH,CH

n

H

CH;

65% 3-Mlethylpentansäure

Diethyl-2-(1-methylpropy!)propandioat

Der Decarboxylierungsschritt verläuft über einen konzertierten Mechanismus und schließt einen cyclischen Übergangszustand ein, der etwas an den der Esterpyrolyse (s. Abschn. 20.5) oder den der McLafferty-Umlagerung (s. Abschn. 20.10) erinnert. Mechanismus der Decarboxylierung von 3-Ketosäuren

x n 60:

ku

cl

De © No:

HR N

Id

OH

Ce

sel

:O:

Ncm

|

Nur die freie Carbonsäure gibt leicht CO, ab. Wenn der Ester unter basischen Bedingungen hydrolysiert wird, neutralisiert man gewöhnlich das entstandene Carboxylatsalz mit Säure, um eine nachfolgende Decarboxylierung zu ermöglichen. Die Decarboxylierung substituierter Propandisäuren (Malonsäuren) erfolgt nach demselben Mechanismus. Übung 23-9 Formulieren Sie einen genauen Mechanismus CH;CH(COOH), (Methylmalonsäure).

für

Decarboxylierung

von

1147

23 Dicarbonylverbindungen

Die Acetessigester-Synthese führt zu Methylketonen Die Kombination einer Alkylierung, gefolgt von einer Esterhydrolyse und schließlich einer Decarboxylierung, ermöglicht es, Ethyl-3-oxobutanoat (Ethylacetacetat, Acetessigester) in 3-substituierte oder 3,3-disubstituierte Methylketone zu überführen. Diese Reaktionssequenz nennt man Acetessigester-Synthese.

A.cetessigester-Synthese oO

124

O

OÖ

I

CH3CCH2COCH;>CH3

---->

ee

'

CH3C—C—COCH>CH3

Ethyl-3-oxobutanoat

----?

CH>CCH

x

3,3-disubstitutiertes

Methylketon

Methylketone mit einem oder zwei Substituenten an C3 können nach diesem Schema dargestellt werden. Synthesen substituierter Methylketone

l

I

1. NaAOCH;CH,, CH,CH,OH

CH3CCH,COCH;CH;

2. CHCH,CH,CH,Br ee

Il

re

1. NaOH, H,O 2.H:SO,, H;O, 100°C

1

I

HCOCH3;CH;

CH;CC H, = CH,CH;CH3;CH;

CH>CH>CH;CH; 72%

60% 2-Heptanon

1. KOC(CH3);, (CH,),COH 2. CH,CH;CH;CH?I

1. KOH,

le I ı

EILTOERED: CH;CH>CH;CH,

H;0, 100°C

O CH,;C —

CH,CH,CH;CH; CH— CH,CH;CH3;CH;

CH,CH,CH;CH; 80%

64% 3-Butyl-2-heptanon

Übung 23-10 Schlagen Sie Synthesen für die folgenden Ketone vor und gehen Sie dabei von Ethyl3-oxobutanoat (Ethylacetacetat) aus. (a) 2-Hexanon, (b) 2-Octanon, (c) 3-Ethyl-2pentanon und (d) 4-Phenyl-2-butanon.

Mit der Malonester-Synthese erhält man Carbonsäuren Diethylpropandioat (Malonsäureester) ist ein gutes Ausgangsmaterial zur Darstellung 2-substituierter oder 2,2-disubstituierter Carbonsäuren in einem Verfahren, das man Malonester-Synthese nennt. Malonester-Synthese

De

CH3CH>OCCH>COCH>CH3 ----> Te

| R’

|

----3 H—C—-COOH

R’ 2,2-disubstitutierte Carbonsäure

1148

Genau wie bei der Ketondarstellung über Acetessigester kann man

mit der Malonester-Synthese Carbonsäuren

mit einem oder mit zwei

23.2 ß-Dicarbonyl-

verbindungen als synthetische

Substituenten an C2 erhalten.

Zwischenstufen

Synthese einer 2-substituierten Carbonsäure 1: NaOCH3>CH;3,

i ? CH3CH>OCCHCOCH.CH,

E

CH3CH>0H

CH3 3«ol.110,Ci.Ch0N 80°C — 2508 #20, IT ____, CHa3(CH2)9—CH—COOH 74%

Diethyl-2-methylpropandioat (Diethylmethylmalonat)

2-Methyldodecansäure

Übung 23-11

2

(a) Welche Konstitutionen haben die Produkte der ersten drei Schritte in der oben angegebenen Synthese von 2-Methyldodecansäure? (b) Schlagen Sie eine Synthese für das Edukt dieser Synthese, Diethyl-2-methylpropandioat, vor.

Die Regeln und Grenzen von Sn2-Reaktionen gelten natürlich auch für die Alkylierungsschritte dieser Synthesen. Tertiäre Halogenalkane ergeben mit den Anionen von ß-Dicarbonylverbindungen daher hauptsächlich Eliminierungsprodukte. Man kann die Anionen jedoch mit guten Ausbeuten mit Alkanoylhalogeniden, a-Bromestern, a-Bromketonen und Oxacyclopropanen umsetzen. Übung 23-12 Die erste Verbindung in den folgenden Teilen der Aufgabe wird nacheinander mit der gezeigten Reihe von Reagenzien behandelt; geben Sie die Endprodukte der Synthese"

folgen an:

(a) CH,CH,0,C(CH,)sCO,CH,CH;: (1) NaOCH,CH,, (2) CH,(CH,),I, (3) NaOH, (4) H*, H,0, A. (b) CH,;CH,0,CCH,C0,CH,CH;: (1) NAOCH,CH,, 0) CH;L @) KOH, (4) H*, H,O, A. (6) O

|

| () CH,CCHCO,CH;: (1) NaH, C;H,, (2) CH,CCA, 6) H*, H,0, A; |

CH3

16)

|

| (d) CH,CCH,CO,CH;CH;: (1) NAOCH,CH,, (2) BrFCH,CO,CH,CH,, (3) NaOH, (4) H*, H,O, A;

() CH,CH,CH(CO,CH CH ,),: (1) NAOCH,CH,, () BrCH,CO,CH,CH,, 6) H*, H,O, A. 0. O | M (#) CH,CCH,CO,CH,CH;: (1) NaAOCH,CH,, (2) BrCH,CCH,, 8) H*, H,O, A. Übung 23-13 Schlagen Sie eine Synthese von Cyclohexancarbonsäure aus Diethylpropandioat (Malonester), CH,(CO,CH;CH;), und 1-Brom-5-chlorpentan, Br(CH3,);Cl vor. Hinweis:

Nehmen Sie Übung 23-2 zur Hilfe.

Übung 23-14 Formulieren Sie einen Mechanismus für die folgende Umsetzung:

1. NaOH, H,O, 0°C

R

FHRCHLOALcCHh, I

OuLro me

O

60% 2-Acetyl-y-butyrolacton

1149

23 Dicarbonylverbindungen

Fassen wir zusammen: ß-Dicarbonylverbindungen wie Acetessigester (Ethyl-3-oxobutanoat) und Malonester (Diethylpropandioat) sind vielseitig verwendbare Bausteine für die Synthese komplexerer Moleküle. Aufgrund ihrer relativ großen Acidität bilden sie leicht die entsprechenden Anionen,

die sich für nucleophile

an einer

Substitutionsreaktionen

Fülle von Substraten verwenden lassen. Bei ihrer Hydrolyse entstehen instabile 3-Ketosäuren, die beim Erhitzen decarboxylieren.

23.3 Weitere Reaktionen von

ß-Dicarbonyl-Anionen: Die Knoevenagel-Kondensation und die Michael-Addition Die stabilisierten Anionen, die sich von ß-Dicarbonyl- und ähnlichen Verbindungen ableiten (s. Tab. 23-1), greifen, genau wie andere Enolat-Ionen auch, Carbonylverbindungen nucleophil an. Bei dieser Umsetzung,

die

man

als Knoevenagel“-Kondensation

Aldolkondensationsprodukte. Ketonen

erfolgt

Bei

1,4-Addition,

bezeichnet,

a,ß-ungesättigten

diese

Reaktion,

die

entstehen

Aldehyden

und

Michael-Addition,

haben wir bereits in Abschnitt 18.12 kennengelernt. Bei der Knoevenagel-Kondensation wird die ß-Dicarbonylverbindung mit einer katalytischen Menge einer schwachen Amin-Base, wie N-Ethylethanamin (Diethylamin) in Gegenwart eines Aldehyds oder Ketons behandelt, mit dem sie zu dem Aldolkondensationsprodukt reagiert.

Knoevenagel-Kondensation

CO;CH>CH3

T

CH3CH>CH>CH;CH + H>

CO,CH>CH3

(CH3CH3)2NH,

+ H50

‚A 2 , CH,(CH,);CH= He — CO,CH>CH3

CO;CH;CH3

80% Ethyl-2-ethoxycarbonyl2-heptenoat

Pentanal

Die Knoevenagel-Kondensation läßt sich mit Tabelle 23-1 gezeigten Verbindungen durchführen.

einer

Reihe

der

in

(a) Cyclohexanon + N=CCH,C=N (b) CH,CH,CH,CHO + N=CCH,CO0,CH3;CH;;

ll (©) CH—=O

ch CoHSCCH>CCEHs;

OÖ

| (d) CEHsCHO + CH3CCH>CO>CHJCH3. Übung 23-16 n Der Mechanismus der Knoevenagel-Kondensation © sation. Formulieren Sie ihn.

*

1150

Emil Knoevenagel,

ist analog dem der Aldol-Konden-

1865-1921, Professor an der Universität Heidelberg.

Die Reaktion stabilisierter Anionen aus ß-Dicarbonylverbindungen oder analogen Verbindungen (s. Tab. 23-1) mit a,ß-ungesättigten Carbonylverbindungen führt zu 1,4-Additionen. Diese Umsetzung, ein Beispiel für die Michael-Addition (Abschn. 18.12), erfordert nur katalytische Mengen Base und findet mit a,ß-ungesättigten Ketonen, Aldehyden, Nitrilen und Carbonsäure-Derivaten statt, die man zusammenfassend als Michael-Akzeptoren bezeichnet.

23.3

Weitere Reaktionen von ß-Dicarbonyl-Anionen: Die Knoevenagel-Kondensation und die Michael-Addition

Michael-Addition o

katalytische Mengen CH;CH;O"Na*,

| CH3;(CO;CHJ>CH3),

a5

Diethylpropandioat

Er,

(CH;CH,0;C),CH

(Methylvinylketon)

Warum

gehen

und

stabilisierte

keine

Anionen

1,2-Additionen

sie sind reversibel

—CH;CH3;CCH;

71% Diethyl-2-(3-oxobutyl)propandioat

(Michael-Acceptor)

Additionen aber

Gen

3-Buten-2-on

(Diethylmalonat)

statt,

J

CH;CH;OH, -10 — 25°C

CH,=CHCCH;

mit

ein?

bei relativ

Michael-Akzeptoren

Letztere

stabilen

finden

anionischen

1,4-

durchaus Nucleo-

philen, da energiereiche Alkoxid-Zwischenstufen gebildet werden. Die konjugierte Addition ist thermodynamisch begünstigt, denn es wird ein resonanzstabilisiertes Enolat-Ion gebildet. | Übung 23-17 Stellen Sie einen genauen Mechanismus für die oben angegebene Michael-Addition auf. | Warum werden nur katalytische Mengen der Base benötigt? Übung 23-18 Welche Produkte entstehen bei den eckigen Klammern angegeben]?

folgenden

(a)

+ CH5—=CHCH

| 0)

(©)

CH3CH>CH(CO;:CH>CH3)2

oO

Michael-Additionen

[die Base

ist in

[CH,CH,O Na];

6) + CH,=CHC=N [CH,O Nat];

H;C

CO;CH;CH3

+ CH;CH=CHCO;CH;CH; [CH;CH,0°K*].

Übung 23-19 Erklären Sie die folgende Beobachtung:

CN

NC

o

)

) ten

en

=Na*, CH,OH

81% Hinweis: Beachten Sie die Protonenübertragung im ersten Michael-Addukt.

Eine wertvolle synthetische Anwendung der Michael-Addition von Anionen der ß-Ketoester an a,ß-ungesättigte Ketone ist im folgenden gezeigt. Hierbei wird ein Diketon gebildet, bei dem das Enolat der einen Ketofunktion mit der anderen Carbonylgruppe durch Aldolkondensation einen sechsgliedrigen Ring bilden kann. Wie in Abschnitt

1151

23

Dicarbonylverbindungen

18.12 erwähnt, nennt man die Synthese sechsgliedriger Ringe durch eine Michael-Addition, gefolgt von einer Aldolkondensation, RobinsonAnellierung. OÖ

COSCHJCHE " Be

ae

CH-CHFOTZNa”, CH,CH,OH

CO,CH3»CH;

70% U Übung 23-20 al)

“Ü Formulieren Sie einen genauen Mechanismus für die vorstehende Umsetzung.

Lassen Sie uns zusammenfassen: ß-Dicarbonyl-Anionen gehen, genau wie normale Enolat-Ionen, Aldolkondensationen (Knoevenagel-Kondensation) und Michael-Additionen an ungesättigten Carbonylverbindungen ein. Additionen eines ß-Ketoesters an Enone liefern Diketone, aus denen durch intramolekulare Aldolkondensation sechsgliedrige Ringe

erhalten werden können (Robinson-Anellierung).

23.4 a-Dicarbonylverbindungen und die Synthese von a-Hydroxyketonen: Acyloinkondensation, Benzoinkondensation und Acylanion-Äquivalente In diesem Abschnitt werden die Darstellung und die Reaktionen von aDicarbonylverbindungen diskutiert. Bei diesen Molekülen beeinflussen sich die C=O-Gruppen gegenseitig stark in ihrer Reaktivität. Außerdem werden wir Methoden zur Darstellung von a-Hydroxyketonen kennenlernen, die unter anderem zur Darstellung von a-Dicarbonylverbindungen wichtig sind.

a-Diketone und a-Ketoaldehyde werden durch Oxidation von a-Hydroxycarbonylverbindungen dargestellt a-Diketone und a-Ketoaldehyde stellt man häufig durch Oxidation von a-Hydroxycarbonylverbindungen dar. Wegen der Empfindlichkeit der Produkte sind besondere Reagenzien und Reaktionsbedingungen erforderlich,

um

eine

Weiteroxidation

zu

Carbonsäuren

unter

Aufspaltung

von C—C-Bindungen zu verhindern (s. Abschn. 19.6). Ein relativ einfaches Reagenz ist KMnO, in Essigsäureanhydrid (Acetanhydrid) als Lösungsmittel, das a-Hydroxyketone mit relativ wenig Weiteroxidation als Nebenreaktion in die gewünschten Produkte überführt. Ein Beispiel hierfür ist die Oxidation von 2-Hydroxy-1,2-diphenylethanon (Benzoin) zu Diphenylethandion (Benzil). nn

OO

KMnO,, CHCoccH, (Lösungsmittel), 5°C

I

I

m 73%

1152

2-Hydroxy-1,2-diphenylethanon

Diphenylethandion

(Benzoin)

(Benzil)

Ein milderes Oxidationsmittel ist Kupfer(II)acetat in wäßriger Essigsäure. Der Mechanismus dieser Reaktion ist recht komplex und scheint die Übertragung von Elektronen auf das Metall einzuschließen.

DE

Re

AR

Cu(OCCH3)

Acylanion-Äquivalente

„ 50% CH3COOH, Hz0, CH30H, 75°C

OH

75%

2-Hydroxycyclononanon

1,2-Cyclononandion

a-Dicarbonylverbindungen sind ungewöhnlich reaktiv Die Reaktivität von a-Dicarbonylverbindungen ergibt sich aus der Nachbarschaft der beiden Carbonyl-Doppelbindungen, wodurch sich die beiden funktionellen Gruppen gegenseitig für einen nucleophilen Angriff aktivieren. Aktivierung von Dicarbonylverbindungen

II

Cc—C RK

xR

—

N C—tC at R

=r0::0:”

:0::0:°

:0::0:

:0::0:

LT,

—— R

R

a

I]

C—

R

R

Y

R

Stellen des nucleophilen Angriffs

So bildet z.B. Ethandial (Glyoxal) rasch das Hydrat, und im Gegensatz zu gewöhnlichen Aldehyden und Ketonen ist es sehr schwer, diese Verbindung vollständig zu dehydratisieren. Beim Behandeln mit Natriumhydroxid wird eine Umlagerung induziert, bei der das Natriumsalz der Hydroxyessigsäure (Glycolsäure) entsteht:

ee HCCH Ethandial (Glyoxal)

H

O

en HOCHCO Na Natriumhydroxyacetat (Natriumsalz der Glycolsäure)

Diese Reaktion läuft bei allen a-Dicarbonylverbindungen, wie oKetoaldehyden und a-Diketonen ab. Sie trägt den Namen BenzilsäureUmlagerung, weil Diphenylethandion (Benzil) unter diesen Bedingungen in Diphenylhydroxyessigsäure (Benzilsäure) überführt wird.

Benzilsäure-Umlagerung

DD I |

®

no:

cc

(I

L

ji

(0-0: K* KOH, H>0, CH3CH>0OH, 100°C

95% Diphenylethandion (Benzil)

23.4 a-Dicarbonylverbindungen und die Synthese von a-Hydroxyketonen: Acyloinkondensation, Benzoinkondensation und

Kaliumdiphenylhydroxyacetat (Kaliumsalz der Benzilsäure)

23 Dicarbonylverbindungen

Wie geht diese Umlagerung vonstatten? Der Mechanismus der Benzilsäure-Umlagerung beginnt mit der nucleophilen Addition eines Hydroxid-Ions an eines der aktivierten Carbonyl-Kohlenstoffatome. Danach lagert sich das Molekül durch Wanderung des Substituenten am Alkoxid-Kohlenstoff zur benachbarten Carbonylfunktion um. Die Gruppe wandert mit ihrem Elektronenpaar, das sie auf die benachbarte Carbonyl-Doppelbindung überträgt.

Mechanismus der Benzilsäure-Umlagerung Schritt

1 Addition des Hydroxid-Ions

|

u

RC-CR + :ÖH — HÖC—CR R Schritt

2 _Umlagerung

= :0:) HOC—CR I? R

—>

ii Sn HOC—CR | R

Schritt 3 Protonenübertragung ..

..

en n

Tr steh

HOC-R — R

ER R

Der zweite Schritt bei der Benzilsäure-Umlagerung ist im Prinzip reversibel. Thermodynamisch ist er jedoch in der angegebenen Richtung begünstigt, weil die gebildete Carbonsäurefunktion aufgrund von Resonanz eine größere Stabilität aufweist als die anfänglich vorhandene einfache Carbonylgruppe (s. Abschn. 19.3). Eine Protonenübertragung beendet die Reaktionsfolge. Bei cyclischen a-Diketonen führt diese Umlagerung zur Verkleinerung des Ringes.

Benzilsäure-Umlagerung von 1,2-Cyclohexandion

0

NaOH, H}0, 250°C

= OH

o

r

H*, H,O

[X

COOH OH

(6) G

80%

1,2-Cyclohexandion

1-Hydroxycyclopentancarbonsäure

Übung 23-21 Geben

Sie die Produkte

der Benzilsäure-Umlagerung

für die folgenden Verbindungen

an.

O

) 2,3-Butandion

1154

(b) Cycloheptan-1,2-dion

(ec)

6)

a8.

Übung 23-22

23.4

Erklären Sie die folgende Umlagerung mechanistisch. Hinweis: Beginnen Ringerweiterung wie gezeigt mit dem freien Elektronenpaar am Stickstoff.

«@

Sie die

a-Dicarbonylver-

bindungen und die Synthese von a-Hydroxyketonen: Acyloinkondensation,

o

Benzoinkondensation und

|

CH;

CHEN Se A

an)

Acylanion-A quivalente

NHCH;

Acyloinkondensation von Estern Die a-Hydroxyketone Acyloin-Kondensation dieser

Prozeß

keine

(auch als Acyloine bezeichnet) sind leicht durch von Estern zugänglich. Genau genommen ist Kondensation,

sondern

vielmehr

eine

reduktive

Dimerisierung, ähnlich der Pinakol-Reaktion (s. Abschn. 17.10). Erhitzt man Ester mit metallischem Natrium in Ethoxyethan (Diethylether) oder Benzol (anschließend wäßrige Aufarbeitung), erfolgt eine reduktive Kupplung, bei der das entsprechende a-Hydroxyketon entsteht.

Acyloin-,Kondensation“

00

I. Na, (CH3CH32)>0

2RCEHO

R

2.

82,.250 2

RCHCR

+ 2 R'ÜH

Acyloin

:

1. Na, (CH3CH3)20

> CHSCHSCHSCOCHSCH,

| CHACHSCHLCCHCHLCHLCH, + 2 CH;CH>OH OH 80%

Ethylbutanoat

5-Hydroxy-4-octanon

Diese Reaktion verläuft vermutlich ähnlich wie die Pinakol-Kupplung. Als erstes wird der Ester durch Übertragung eines Elektrons des Metalls in das Radikal-Anıon

überführt.

Vielleicht wird dieses Elektron

direkt

dem positiv polarisierten Carbonyl-Kohlenstoffatom übertragen. Das entstandene Radikal-Anion dimerisiert zum Dianion des entsprechenden Diols. Mechanismus der Acyloin-,„Kondensation“

:O:

|

RCOR’

Na* :Ö:7

a

a

RC—CHR Endiol

Acyloin

1155

23 Dicarbonylverbindungen

Bei der Pinakol-Kupplung bleibt die Reaktion auf dieser Stufe stehen, bei der Acyloin-Kondensation kann das Dianion zwei Alkoxid-Ionen unter Bildung eines a-Diketons abspalten. Nach weiterer Reduktion durch Übertragung zweier Elektronen bildet sich ein Endiolat. Die wäßrıge Aufarbeitung ergibt dann über die Zwischenstufe des Endiols das aHydroxyketon. Wenn diese Folge von Schritten auch plausibel erscheint, ist der tatsächliche Mechanismus der Reaktion vermutlich komplizierter, da gelegentlich auch andere Produkte auftreten. Läßt man Dicarbonsäureester unter den Bedingungen einer Acyloinkondensation reagieren, entstehen cyclische a-Hydroxyketone. Dieser Prozeß ist eine der wichtigsten allgemein anwendbaren Ringschlußreaktionen, über die sich sowohl kleine gespannte wie große Ringe darstellen lassen.

Intramolekulare Acyloin-Kondensation OÖ

Q - Ei i

(CH3CH2)20, — I.. Na,Na, NHz, 78° —78°C NH3, (CH3CH2)0,

sc! |

3 N

COCH3

l;

H:C ||

2 CH,

8

OH

(6) 70% 8-Hydroxy-1,6-dimethylbicyclo[4.2.0]7-octanon

Dimethyl-cis-1,2-dimethyleyclohexan-1,2-dicarboxylat

l

|

CHOOSE

NEICH

O

8 Na, Methylbenzol (Toluol)

SF

OH 57% 2-Hydroxycyclohexanon

Dimethylhexandioat

Alken-, Alkin- und Ethergruppen werden unter den Reaktionsbedingungen nicht angegriffen:

1 CH;3OC(CH>3),C=C(CH>)4COCH3

&

73% 2-Hydroxy-7-cyclododecinon

Dimethyl-6-dodecindioat

Übung 23-23 Schlagen Sie eine Synthese der folgenden Moleküle aus geeigneten Diestern vor:

6) | | (a)

OH

CH3CH>CH>C—CCH>CH;CH3

OH

o 1156

CH;O

Kasten 23-2

Die Synthese von Catenanen durch Acyloin-Kondensation Über eine intramolekulare Acyloin-Kondensation hat man den ersten Vertreter einer ungewöhnlichen Klasse

von

Verbindungen,

den

en

Catenanen

(catena, latein.: Kette) dargestellt. Ein Catenan ist eine Verbindung aus zwei Ringen, die wie die Glieder einer Kette ineinandergreifen. Ungewöhnlich

ist, daß

keine

kovalente

Bindung

vor-

handen ist, die die beiden Ringe zusammenhält. Ein Catenan,

ein Catenan

das aus zwei Ringen mit 34 Koh-

lenstoffatomen besteht, hat man folgendermaßen dargestellt: Zunächst ergab die cyclisierende Acyloin-Kondensation von Diethyltetratriacontandioat das cyclische Hydroxyketon, das dann durch eine Clemmensen-Reduktion (s. Abschn. 16.5) zu

dem entsprechenden Cycloalkan reduziert wurde. Diese Reduktion wurde mit Deuteriumchlorid durchgeführt, um das Molekül zu markieren (etwa fünf D-Atome pro Molekül). Die Acyloinkondensation des ursprünglichen Diesters wurde dann erneut, diesmal in Gegenwart

des deuterier-

ten Makrocycloalkans, durchgeführt.

6) Ten

(CH,)30

RR

PN

RR,

(Hd

CH; NUV

Con

RR

CH,

en

Zu-Hg, DO au

(CaH3Ds)

(CHd)a0

H

Diethyltetratriacontandioat

Pentadeuteriocyclotetratriacontan

Bei dieser Reaktion entstand hauptsächlich das gewöhnliche Kondensationsprodukt, aber auch ein neues Material, das, wie durch IR-Spektroskopie nachgewiesen, Deuterium enthielt (Vc_p = 2105, 2160 und 2200 cm }). Die neue Verbin-

dung war das Catenan, das sich durch Durchwinden der Diester-Kette durch den großen Cycloalkanring vor der zweiten Cyclisierung gebildet hatte.

Daß beide Ringe tatsächlich die beschriebene Struktur einnahmen, wurde durch oxidative Spaltung der Hydroxyketon-Funktion nachgewiesen, bei der nicht deuterierte Tetratriacontandisäure entstand und das intakte deuterierte Cycloalkan C,HaD; freigesetzt wurde. sprachlich von dem Gemisch der verketteten

Um das Catenan der nicht miteinan-

Ringe zu unterscheiden,

für dieses die Bezeichnung geschaffen.

topologisches

hat man

Isomer

(CH3)30

Set

CH: ?

(C4H3 Ds)”

COCHJCH;

ih

5

232

(C4H3 Be

|cm,cH,0C

N

1% -2%

Fi 6

Catenan

a-Hydroxyketone aus Aldehyden: Benzoin-Kondensation

und verwandte

Reaktionen

Eine zweite Möglichkeit zur Darstellung von a-Hydroxyketonen ist die Dimerisierung von Aldehyden in Gegenwart eines geeigneten Katalysators. So ergibt z.B. die Behandlung von Benzolcarbaldehyd (Benzaldehyd) mit einer katalytischen Menge Natriumcyanid in wäßrigem Ethanol in hoher Ausbeute 2-Hydroxy-1,2-diphenylethanon.

1157

Katalytische Dimensionierung von Aldehyden

O |

zu @-Hydroxyketonen

CHO

«

|

C—CH

Na*CN”, CH,CH,OH, H,O

|

RCH+HCR

95%,

| Katalysator

O

I

OH |

De

ee

OH

RC—CR

Der Trivialname des Produkts lautet Benzoin, die Reaktion ist als

\

Benzoin-Kondensation bekannt (obwohl es sich nach der Definition aus Abschnitt 17.9 nicht um eine Kondensation im engeren Sinne handelt).

Mechanismus

Schritt

der Benzoin-Kondensation

1 Bildung des Cyanhydrins

CN:

|

CEHSsCH

+\SCN:

=>

Sue

(0:

CN:

H

|

m

oT

0:7

:OH Cyanhydrin

Schritt

2_Deprotonierung an der Benzyl-Position CN

CN

"OH

12

=

C5H5—C:

OH

+ HOH

OH Benzyl-Anion (ein maskiertes BenzoylAnion)

Schritt 3 Nucleophiler Protonierung

CEHs—C:=—_

+ HCCEHs

EN OH Schritt

CN OH

OH H

CEH5C—— CCoHs

|

OH

HOH

=——

und

| E CeH5C—CC,Hs5 + HO

|

H

OHH

4 Deprotonierung und Abspaltung des Cyanid-Ions „CN OH

OH

ee

=

Aldehyd

CN D.

Ri ö 3

:0:)

CN

Angriff auf den ursprünglichen

else -GCells + HOH —— Cs

OH

|

Per FEN

O0: H Verwendet man Cyanid-Ionen als Katalysator, stehen immer einige Moleküle des aromatischen Aldehyds im Gleichgewicht mit dem entsprechenden Cyanhydrin (s. Abschn. 17.11). Obwohl das Cyanhydrin in Gegenwart von Base leichter an der Hydroxygruppe deprotoniert wird (der erste Schritt der Rückreaktion zum Aldehyd), ist die Benzyl-Position acid genug (s. Abschn. 22.1), daß hin und wieder durch Abspaltung eines Protons das Benzyl-Anion entsteht. Diese Deprotonierung ist nur möglich, weil das resultierende Anion durch Resonanz mit dem Benzolring und der gebundenen Nitrilfunktion (s. Abschn. 20.8) stabilisiert ist. Der nucleophile Angriff dieser reaktiven Spezies (die als maskiertes Benzoyl-Anion wirkt) auf den ursprünglichen Aldehyd ergibt nach erfolgter Protonierung ein Hydroxycyanhydrin als Zwischenprodukt, das dann durch Abspaltung von HCN in das Produkt übergeht.

1158

] Übung 23-24 "| Formulieren Sie alle möglichen Resonanzformeln Benzaldehyd-Cyanhydrin ableitet.

für das Benzyl-Anion, das sich vom

Der Mechanismus dieser Aldehyd-Dimerisierung könnte im Prinzip auch über die Deprotonierung eines Aldehyds zu einem Benzoyl- oder Alkanoyl-Anion als Zwischenstufe laufen, das sich dann nucleophil an die Carbonylgruppe eines zweiten Aldehydmoleküls addiert.

23.4 a-Dicarbonylverbindungen und die Synthese von a-Hydroxyketonen: Acyloinkondensation, Benzoinkondensation und Acylanion-Ä quivalente

Plausibler (aber falscher) Mechanismus der Bildung eines a-Hydroxyketons aus Aldehyden

0: B

RCH

——

0:

0:

|

HCR

0: ii

RC:7 = 2 RC

|

9: OÖ

CHR —EL

RC--CHR

Unglücklicherweise können Alkanoyl-Anionen nicht ohne weiteres für synthetische Zwecke erzeugt werden. Daher wurden spezielle Nucleophile entwickelt, die man Alkanoyl- (Acyl-)Äquivalente oder maskierte Alkanoyl- (Acyl-)Anionen nennt. Diese Verbindungen enthalten negativ geladene Kohlenstoffatome, die Additionsreaktionen eingehen und in einem späteren Schritt in Carbonylgruppen überführt werden können. In diesem Abschnitt werden zwei derartige Reagenzien vorgestellt und ihre Anwendung in der Synthese aufgezeigt. \ Übung 23-25 "| Warum werden Alkanoyl-Anionen nicht bei der Reaktion einer Base mit einem AldeI hyd gebildet? (Hinweis: Vgl. Abschn. 17.5 und 18.1.)

—— I

Cyclische Dithioacetale sind Vorstufen für maskierte Alkanoyl-Anionen Behandelt man Dimethoxymethan dehyds) in Gegenwart von Säure Umacetalisierung

zu

(das Dimethylacetal des Formalmit 1,3-Propandithiol, findet eine

1,3-Dithiacyclohexan

(1,3-Dithian),

einem

cyecli-

schen Dithioacetal des Formaldehyds (s. Abschn. 17.7), statt. 2 HSCH>CH>CH32SH +

HaC(OCH,),

BF;, (CHsCH>),0, CHCIz, A HacH2n, ra CHE 2,

ge nn &

+ 2 CH3OH

H2 77%-84% 1,3-Propan-

Dimethoxymethan

dithiol

1,3-Dithiacyclohexan

(1,3-Dithian)

] Übung 23-26 IN

) Formulieren Sie einen plausiblen Mechanismus für die säurekatalysierte Umacetalisierung von Dimethoxymethan zu 1,3-Dithiacyclohexan.

Die Wasserstoffatome der Methylengruppe zwischen den beiden Schwefelatomen sind relativ acide, der pX, an dieser Stelle beträgt 31.1. Dieser Wert ist klein genug, daß starke Basen wie Butyllithium

Deprotonierung von 1,3-Dithiacyclohexan

En Ss „u Tachnchaln, THE, DL

x

=

th

ng

HH

H |

+ CH3CH>CH>CH,

Be H 1159

Kasten 23-3

2-Oxopropansäure (Brenztraubensäure), eine natürliche a-Ketosäure

|

CH>SCCI + Na”

|

CN ——

Konz. HCI, °C

CH3CCN 95%

— Na

ET

RE

2-Oxopropannitril

16]

|

CH3CCOOH 100% 2-Oxopropansäure (Brenztraubensäure)

2-Oxopropansäure (Brenztraubensäure) ist eine aKetosäure. Sie kann durch Hydrolyse von 2-Oxopropamnitril hergestellt werden, das seinerseits bei der Reaktion von Ethanoylchlorid (Acetylchlorid) mit Natriumeyanid entsteht [diese Reaktion ist ein weiteres Beispiel dafür, wie die Umkehr der Polarität einer funktionellen Gruppe (Umpolung) synthetisch genutzt werden kann]. Die erforderliche Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung wird durch den Angriff des nucleophilen Cyanid-Kohlenstoffatoms auf das elektrophile Kohlenstoffatom des Alkanoylchlorids gebildet. Die nachfolgende Hydrolyse führt dann zur Ketosäure, in der zwei elektrophile Kohlenstoffatome direkt miteinander verbunden sind. Das CyanidIon, "C=N, dient also als Syntheseäquivalent

Unter nichtoxidativen (anaeroben oder sauerstoffarmen) Bedingungen, wie sie auch in Muskeln bei ungewöhnlichen Belastungen gefunden werden, führt ein alternativer Weg zur Bildung des energiereichen ATP: Brenztraubensäure wird mit Hilfe des Enzyms Milchsäure-Dehydrogenase zu (S)-(+)-2-Hydroxypropansäure (Milchsäure) reduziert. Eine übermäßige Ablagerung von Milchsäure im Muskelgewebe führt zu Erschöpfung und Krämpfen. Die Milchsäure wird durch langsame Diffusion ins Blut und, nachdem der Sauerstoffmangel behoben ist, durch die enzymatisch katalysierte Umwandlung in Brenztraubensäure aus dem Muskel entfernt. Sauerstoffmangel ist auch der Grund für das schwere Atmen während und nach körperlicher Anstrengung.

des nicht existenten „COOH“-Anions.

Brenztraubensäure ist sehr wichtig im Stoffwechsel. Sie ist ein Endprodukt im biochemischen Abbau von Glucose (Kap. 24) und wird, nach der Abgabe eines Moleküls CO;, in Acetyl-CoA umgewandelt (Abschn. 19.13), die Anfangsverbindung für den Eintritt in den Tricarbonsäurezyklus (TCA),

auch unter dem

Namen

Citronen-

säurezyklus oder Krebs“-Zyklus bekannt. Im Citronensäurezyklus reagiert Acetyl-CoA mit 2-Oxobutandisäure (Oxalessigsäure) unter Bildung von Citronensäure. In jedem Zyklus werden über eine Reihe von Zwischenstufen unter Rückbildung von Oxalessigsäure zwei Kohlenstoffatome der Citronensäure unter Bildung von Oxalessigsäure zu CO, oxidiert, wobei in einem gekoppelten Prozeß ein Molekül Adenosintriphosphat (ATP), die Hauptenergiequelle der Zelle, entsteht. Der Citronensäurezyklus erzeugt in höheren Organismen zwei Drittel der aus der Nahrung stammenden Energie.

*

Sir Hans Adolf Krebs (1900-1981), Universität Nobelpreis 1953 (Physiologie oder Medizin).

Oxford,

Gleich nach dem Überqueren der Ziellinie zeigte sich bei der Gewinnerin des New York-Marathons 1996 sowohl die Wirkung von Sauerstoffmangel als auch von Milchsäure-Ablagerungen in ihren Muskeln.

Milchsäure-

ee

H,C—CO,H

0=0-00, Sets 10-C-co;H CH ‚CDSCoN, g

H;C—CO;,H

1160

a

«

H,C—CO,H

2-Oxobutandisäure

Citronen-

(Oxalessigsäure)

säure

|

CH;CCOOoH

Dehydrogenase

HO

Ha \

——

C—-COOH

H;C (S)-(+)-2-Hydroxy-

propansäure (Milchsäure)

die

können.

23.4 a-Dicarbonylver-

Der Grund für die Acidität dieses Protons liegt in der Polarisierbarkeit des Schwefels, wodurch eine benachbarte negative Ladung stabilisiert

Verbindung

zum

entsprechenden

Anion

deprotonieren

bindungen und die Synthese von a-Hydroxyketonen:

werden kann.

Acyloinkondensation,

Auch andere Aldehyde als Formaldehyd lassen sich in Thioacetale

ee

überführen, aus denen nach Deprotonierung dann die entsprechenden 2-Alkyl-1,3-dithiacyclohexan-Anionen entstehen.

8

HS(CH>)3SH,

CH;3CH,CHCHO

- 10

BF3

N

|

CHs3CH>CH>CH;Li,

ung lan an

THF

— CH3CH3CH>CH>H

Er H

a

Sen

2°

__CHCH;CH3

CH3CHCH>CH3

CH3 76%

2-Methylbutanal

2-(1-Methylpropyl)-

1,3-dithiacyelohexan

Diese Anionen können von einer Reihe von Reagenzien, z.B. primären und sekundären Halogenalkanen, Aldehyden und Ketonen oder Oxacyclopropanen alkyliert werden. Das elektrophile Carbonyl-Kohlenstoffatom ist also durch Umpolung im Thioacetal nucleophil geworden. Alkylierung eines 1,3-Dithiacyclohexan-Anions

N

R

S

BR

Beispiele:

IR g

+ Euch .+

I

IE, ea H°

+ Lil

CHCH;CH3 |

CH3 53%

2-(1-Methylpropyl)1,3-dithiacyclohexan

91% 2-(1-Hydroxyphenylmethyl)1,3-dithiacyclohexan

H’

"CH,CHJOH 75%

2-(2-Hydroxyethyl)1,3-dithiacyclohexan

1161

23 Dicarbonylverbindungen

Die Thioacetal-Funktion wird dann durch Quecksilbersalze zu der entsprechenden Carbonylverbindung hydrolysiert (s. Abschn. 17.8). Die gesamte Reaktionsfolge — Thioacetalisierung, Bildung des Anions, Alkylierung, Hydrolyse - stellt also eine allgemeine Ketonsynthese aus Aldehyden dar.

Hydrolyse von 1,3-Dithianen O De

HgCl,, HgO, Lösungsmittel Alkohol, H,O

u

S R

R’

Beispiel:

a

Ch, HOCHCHZOCHZCH,OCH,CHZOH. HgO, KO,90°C,y„ECHCHSCH,

3 PIEECHs

|

CH3

H;C%

CH;

3%

2-Methyl-2-(1-methylpropyl)-

3-Methyl-2-pentanon

1,3-dithiacyclohexan

Die gesamte Reaktionsfolge ermöglicht die Darstellung von 1-Acetyl2-cyclohexen-1l-ol aus Ethanal in vier Schritten.

1. CH,CH;CH;CH;Li, THF

2.

BE

5 CH,;CHO

N

4

S

N

De

SH, Ss

Ss

m

Ho,

OH'

HeCl,, a

R

93%

70%

ar

OH

H;C

CH,;CN

H;C

ee

H

HC

S

l-Acetyl2-cyclohexen-1-ol

In dieser Synthese wurde das elektrophile Carbonyl-Kohlenstoffatom des Ethanals in ein nucleophiles Atom umgewandelt, das negativ geladene C2-Atom des 1,3-Dithiacyclohexan-Anions. Nachdem letzteres an die Ketogruppe von 2-Cyclohexenon addiert wurde, regeneriert die Hydrolyse des Thioacetals die ursprüngliche elektrophile Carbonylgruppe. Derartige Umpolungen erweitern das Repertoire der Syntheseplanung beträchtlich. Ähnliches haben wir schon bei der Umwandlung von Halogenalkanen in Grignard-Reagenzien kennengelernt (s. Abschn. SEN‘ U Übung 23-27 ") @

®

Schlagen Sie eine Synthese für 2-Hydroxy-2,4-dimethyl-3-pentanon vor. Gehen Sie dabei von einfachen Aldehyden und Ketonen sowie einem 1,3-Dithian-Anion aus.

Thiazolium-Ionen katalysieren die Aldehydkupplung

Thiazol

R vd l.»

Maskierte Alkanoyl-Anionen können durch die Reaktion von Aldehyden mit Thiazoliumsalzen auch katalytisch erzeugt werden. Diese Salze leiten sich von Thiazolen durch Alkylierung am Stickstoffatom ab.

S

Thiazol

ar

stoff enthält.

Thiazoliumsalz 1162

x”

ist eine heteroaromatische

Thiazoliumsalze

Verbindung,

haben

die Schwefel und Stick-

eine ungewöhnliche

Eigenschaft:

ein relativ saures Wasserstoffatom zwischen zwei Heteroatomen (an C2).

Thiazolium-Kationen reagieren sauer

{ N BR

7

„AR

R

2

=:ÖH m =

IR N / Do:

/ BE nn

za

N

“

ee

/ :- |+ HOH

RZ

Acylanion-Äquivalente

S.

“. keine Ladungstrennung

pK, = 10

23.4 a-Dicarbonylverbindungen und die Synthese von a-Hydroxyketonen: Acyloinkondensation, Benzoinkondensation und

u

In Gegenwart von Thiazoliumsalzen werden Aldehyde in a-Hydroxyketone überführt. Ein Beispiel hierfür ist die Reaktion zweier Moleküle Butanal zu 5-Hydroxy-4-octanon. Der Katalysator ist N-Dodecylthiazoliumbromid mit einem langkettigen Alkylsubstituenten zur Verbesserung der Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln. N _(CH3), CH

o

er.cH.cH

ER

9 m

ee

FEREIECHLC- CHCH.CH,CH, 76%

Butanal

5-Hydroxy-d-octanon

Der Mechanismus dieser Reaktion beginnt mit der reversiblen Addition der Position C2 des deprotonierten Thiazoliumsalzes an die Carbonylfunktion eines Aldehydmoleküls.

Mechanismus

der durch Thiazolium-Ionen

katalysierten Aldehydkupplung

Schritt

1 Deprotonierung des Thiazolium-Ions

ee [N R

I

Schritt

—:OH

R + HOH

2 Nucleophiler Angriff des Katalysators am Aldehyd OR

R

Be

:6:)

NG

BEL

ee R

N 26: "Sa

HOH

ji

Schritt 3 Bildung des maskierten Alkanoyl-Anions

47 R

Ri

N.

ee

“

itr

H

PK, = 17-18

|

ja

R* R

’R

MH

JA

er \ ct:

S. e

R'

FE

ge IR

neS

A

TOR

| + HOH

us!d

keine Ladungs-

trennung maskiertes Alkanoyl-Anion

1163

23 Dicarbonylverbindungen

Schritt

R Td, N H UN Per +

ige

-

p

4 Nucleophiler Angriff auf den ursprünglichen Aldehyd

eo:

+

1

H

NN

Schritt

N [\

=

eo

R

S

R

( S

R OH |

2 :0: |

R'

H

/C—CR

OH ei

a.

l

oe

+. 708

5 Freisetzung des a-Hydroxyketons R

+

N

I

+

OH OH

OKen

el

N :0: OH

e

—— [er —R’ +HOH

N De

+ H0 + 2.8 =—R’ CR

R\o.H

Der in Schritt 2 entstandene Alkohol ist dadurch bemerkenswert, daß

in ihm die Thiazolium-Einheit als Substituent enthalten ist. Dieser Substituent übt induktiv und über Resonanz einen stark elektronenziehenden Effekt aus und erhöht die Acidität des benachbarten Protons außerordentlich. Bei der Deprotonierung entsteht ein maskiertes AlkanoylAnion, das ungewöhnlich stabil ist, denn es läßt sich durch mehrere Resonanzformeln, eine davon ohne Ladungstrennung, beschreiben. Durch nucleophilen Angriff dieses Anions auf ein weiteres Molekül Aldehyd und darauffolgende Abspaltung der Thiazoliumgruppe wird das a-Hydroxyketon freigesetzt. Thiazoliumsalze wirken also bei dieser Reaktion als Katalysatoren in derselben Weise wie Cyanid-Ionen. In beiden Fällen liegt der entscheidende Punkt darin, den Aldehyd in ein Produkt zu überführen, das leichter als dieser ein Proton am Kohlenstoffatom abgibt, um das entsprechende maskierte Alkanoyl-Anion zu bilden. Der Vergleich der Thiazoliummethode zur Synthese von a-Hydroxyketonen mit dem Einsatz von Dithian-Anionen ist instruktiv. Thiazoliumsalze haben den Vorteil, daß nur katalytische Mengen benötigt werden, aber ihr Einsatz ist begrenzt auf die Synthese von Molekülen OSOH 1] der Form R-C—-CH-—.R mit zwei identischen Gruppen R. Die Dithianmethode kann daher zur Darstellung einer erheblich größeren Vielfalt substituierter a-Hydroxyketone eingesetzt werden.

Übung 23-28 Welche der folgenden Verbindungen können mit Hilfe von Thiazoliumsalz-Katalysatoren dargestellt werden und welche können nur mit der 1,3-Dithianmethode erhalten wer" den? Schlagen Sie von mindestens zwei dieser Substanzen Synthesen vor, je eine mit \ jeder Methode.

O OH | (a) CH,CHJ—C—CH—CH>CHz O

OH

(d) uk) 1164

' Be (b) CH3(CHa)a„—C—CH—CH>CHz; O

IA

OH

(e) (CH3),CH—C—CH—CH(CH3)>

D 2 (0) CH,CHaCH CC EHRE CH3 ,. .CHa

| Kasten 23-4 \ Thiamin: ein natürlich vorkommendes, katalytisch wirkendes Thiazoliumsalz

Die katalytische Wirkung von Thiazoliumsalzen bei der Dimerisierung von Aldehyden hat in der Natur eine Entsprechung: die Wirkung von Thiamin oder Vitamin B;. Thiamin ist, in Form seines Pyrophosphats, ein Coenzym für einige biochemische Umsetzungen, z.B. der Transketolase-Reaktion und der Decarboxylierung von 2-Oxopropansäure (Brenztraubensäure) zu Acetaldehyd. Bei diesem Prozeß treten Zwischenprodukte desselben Typs wie bei der durch Thiazoliumsalze katalysierten Synthese von a-Hydroxyketonen auf. Das aktive Zentrum des Enzyms Transketolase enthält ein Thiaminpyrophosphat (TPP), mit dessen Hilfe es Aldehyd-Einheiten von einem Donator-Zucker auf einen Akzeptor unter Bildung eines neues Zuckers übertragen kann (s. Kap. 24). Das deprotonierte Thiazoliumsalz greift zunächst den Donatorzucker (Xylulose) an einer Carbonylfunktion an, wobei eine Additionsverbindung entsteht. Dieser Schritt verläuft in völliger Analogie zu der Addition an Aldehyde.

NH» CH, E

H;C

N

CH3

S

CH>CH>0A

Thiamin A=H

Thiaminpyrophosphat

(TPP)

A

I

1

ÖH

OH

202009

Da der Donator-Zucker in Nachbarstellung zum Zentrum der Reaktion eine Hydroxygruppe enthält, kann die Additionsverbindung durch Umkehrung des Additionsprozesses zu einem Aldehyd (Glycerinaldehyd) und einer neuen Thiamin-Zwischenstufe zerfallen. An dieser erfolgt dann der nächste Reaktionsschritt.

Transketolase-katalysierte Biosynthese von Fructose aus Erythrose mit Thiaminpyrophosphat

CH,OH |

(Hydroxymethyl)carbonylgruppe

|

C=O

a |

HC

2

CHO |

R0O—-C-—H

H-C--OH

H—C-OH

e

u

H—C--OH

CH;OH Xylulose (Donator-Zucker)

|

R' c=c {. \

(Thiazolium-lon von TPP).

RR

CHOH

|

a

Ka H—C-OH

wen

2

H— En

CH;OH

Erythrose

ne

en

CH;OH

Glyceraldehyd

Fructose (neuer Zucker)

Aktivierung des Zuckers R'

H;C

nn

c=C

HO

Be No - an RC| C-CHOH /.

H

l .)

R'

Ro. Rt

-C-CH,OH H

Deprotoniertes Thiaminpyrophosphat

Pi

OH

Adkditionsverbindung

DonatorZucker

Abspaltung des ursprünglichen Aldehyds

H

N

C=

RN:

HONC“

R"

9;

5

11 CH,OH Hae.OH

ER

FH;C 8 Pi | c=C

RN

ORTS

H5C,

PER

& HO

Da CH,OH 1165

Kasten 23-4 (Fortsetzung) Einbau des neuen Aldehyds BC

Co

„ı

FE

Cc=C

AB

BC

WEN2

ERICH

RN

T

HO

=C

NT

HO

PR / CH,OH

==

°C

„R

\

ua

a

R”"—C—C—CHOH | OH

==

R”—C—C—CH;0H H I

+

TPP

neuer Zucker

ou. Br

Nr

Be

|

N

re

ei

CH,

2-Oxopropanoat (Pyruvat)

=0.

Bi: =G

y

Sf

VOR

1, CH

N

|

N

er H0—c2c”

q

IE:

Di

|

CH3

Thiamin — Teil der PyruvatDehydrogenase

_— pr

Additionsverbindung

R

HO\ Piz

HC In diesem nächsten Schritt erfolgt der Angriff auf einen anderen Aldehyd unter Bildung einer neuen Additionsverbindung. Der Katalysator dissoziiert dann als Thiaminpyrophosphat ab, ein neues Zuckermolekül (Fructose) ist entstanden. Die Pyruvat-Dehydrogenase katalysiert die Decarboxylierung von 2-Oxopropansäure (Brenztraubensäure, Salze Pyruvate). Am aktiven Zentrum dieses Enzyms findet sich ebenfalls eine

CH

Rp AR

N

NS,

R

er

Ns

Ho _ N —

Men

HC

N

CH3

+ CO

Sa

Thiamin-Einheit, die sich nucleophil an die Ketofunktion im 2-Oxopropanoat-(Pyruvat-)Ion addieren kann. Diese Addition löst die Eliminierung von Kohlendioxid aus. Das entstandene Produkt wird daraufhin zu dem Acetylderivat oxidiert und die Acetylgruppe schließlich auf Coenzym A übertragen, wobei Acetyl-CoA entsteht (s. Abschn. 19.14, Abb. 19-5).

Wir fassen zusammen: Die Oxidation von a-Hydroxyketonen liefert a-Diketone. Die a-Diketofunktion ist reaktiver als eine isolierte Carbonylgruppe. Sie wird leicht hydratisiert, und unter Baseneinwirkung läuft die Benzilsäure-Umlagerung ab. a-Hydroxyketone können durch Acyloin- und Benzoinkondensation sowie durch Addition maskierter Alkanoyl-(Acyl-)Anionen an Aldehyde und Ketone dargestellt werden. Die Umwandlung von Aldehyden in die Anionen der entsprechenden 1,3Dithiacyclohexane (1,3-Dithiane) ist ein Beispiel für das Prinzip der Umpolung. Indem das elektrophile Kohlenstoffatom zu einem nucleophilen Zentrum wird, wird die Addition an einen Aldehyd oder ein Keton ermöglicht. Thiazolium-Ionen katalysieren die Dimerisierung von Aldehyden ebenfalls durch die Umwandlung des Carbonyl-Kohlenstoffatoms in ein nucleophiles Atom.

1166

Verständnisübung

Verständnisübung

Schlagen sie eine Synthese der Ketone a und b vor. Verwenden Sie hierzu Reaktionen, die Sie in diesem Kapitel kennengelernt haben. Sie können für die Synthese jeden organischen Baustein verwenden, solange er nicht mehr als sechs Kohlenstoffatome enthält. Sie dürfen jedes anorganische Reagenz verwenden. a (eine Zwischenstufe in der Synthese von Linalool, genutzten Parfum-Essenz - s. Kap. 13, Aufgabe 19)

einer

N

häufig

Lösung Wie beginnen wir? Betrachten wir zunächst das Zielmolekül.

Es ist ein

2-Alkanon, also ein Methylketon. Zur Darstellung Können wir eine Acet-

essigester-Synthese verwenden, die wir in Abschnitt 22.3 gelernt haben. Beachten Sie, daß durch die Verwendung von Acetessigester zwei VETschiedene Ketone (RCH,COCH; und RR’CHCOCH;) zugänglich sind, je nachdem ob der ursprüngliche Ester einmal oder zweimal alkylıert wird. Das gesuchte Produkt entspricht der ersten dieser beiden allgemeinen Formeln. Beginnen wir nun mit der dementsprechenden retrosynthetischen Analyse. Die zu brechende Bindung ist die zwischen der Gruppe R und C3, o-ständig zur Ketofunktion.

Se

I

DRSF

uk pi

6)

ee |

O

Rn

4

Be

&

In

®

\Bindungsbruch

—

CO,CH;CH;

Nachdem wir nun die allgemeine Strategie entwickelt haben, werden wir das Syntheseschema im Detail formulieren: In unsere Synthese müssen wir einen ß-Ketoester alkylieren. Wir wissen, daß die Alkylierung eines Enolates im allgemeinen einem Sy2-Mechanismus folgt. Ist unser gewähltes Substrat dafür geeignet? Die Abgangsgruppe Cl ist an ein primäres Kohlenstoffatom gebunden, das zugleich allylısch ist. Daher sollte dieses Substrat sehr gut nach einem Sy2-Mechanismus reagieren (s. Abschn.

entsprechend werden,

0;

6.10, 7.9 u. 14.3). Die Synthese unseres Zielmoleküls

der Synthese von 2-Heptanon

wobei l1-Brombutan

”

_ NaOCH;CH,, CH,CH,OH ——

CO,CH,CH;

nn

(Abschn.

kann

23.2) formuliert

durch Allylchlorid ersetzt wird:

O

ee On

cı

a.

1. NaOH, H,O 2. HSO,, H,O, A

—

(6) «

CO,CH;CH;

b (eine Zwischenstufe in der Synthese des Sexuallockstoff des Borkenkäfers /ps confusus)

AL

Lösung Wir erkennen sofort, daß hier kein Methylketon vorliegt und daß eine Acetessigester-Synthese hier nicht in Frage kommt. In früheren Kapiteln haben wir Ketone durch die Addition von metallorganischen Reagenzien an Aldehyde, gefolgt von einer Oxidation, dargestellt (s. Abschn. 8.9). Verfahren wir nach dieser Route, so ergeben sich die folgenden zwei Synthesemöglichkeiten:

1167

6)

OH a

men

U

IL.

b

_—

BD

=,

OÖ

Beide Synthesewege würden zwar zu dem gewünschten Ergebnis führen, sind aber auf unsere Aufgabe nicht anwendbar, da wir die Einschränkung haben, daß zur Herstellung der gesuchten Ketone eine Reaktion aus Kapitel 23 verwendet werden muß. Wir wissen bereits, daß die Verwendung von Acetessigester keinen Erfolg verspricht, aber wir haben in diesem Kapitel noch eine andere Methode zur Synthese von Ketonen kennengelernt: Die Verwendung von Acylanion-Äquivalenten, die wir z.B. in Abschnitt 23.4 für die Synthese von a-Hydroxyketonen eingesetzt haben. Können einfache Ketone und Aldehyde auch auf diesem Wege entstehen? Die Antwort lautet ja: durch einfache Alkylierung mit RX, gefolgt von der Hydrolyse. Also ist

||

Pe

>. Y

Sa; °

6)

"

es

das synthetische Äquivalent von

H°

E \ Nr

H

f

ir

a

tund”

125

SI,

)

"

S ist das synthetische Äquivalent von J Er R

R

Betrachten wir die Aufgabe retrosynthetisch, indem wir die beiden „strategischen Bindungen“ im disubstituierten Dithiacyclohexan identifizieren. Die entsprechenden monosubstituierten Dithiacyclohexane sind aus den entsprechenden Aldehyden durch Thioacetalisierung zugänglich (Abschn. 17.8).

a

a

Rn

+ EAU

ee

|

el

Ma

u

A

\

\ a A

# 5.

O

x lee

ie

ü es

Wir müssen uns nun, vor der endgültigen Antwort, entscheiden, ob die Spaltung von a oder b besser ist. Dazu sind vor allen Dingen zwei Überlegungen wichtig: 1) Wie leicht läßt sich die betreffende Bindung bilden? 2) Größe, Struktur und Komplexität der Ausgangsverbindungen. Bindung a wird durch eine Sy2-Reaktion an einem verzweigten Halogenalkan gebildet. Dies ist gerade mit stark basischen Nucleophilen, und Dithiacyclohexane haben pX,-Werte um 30, ungünstig (s. Absch. 7.9). Die Bildung der Bindung 5b verläuft über ein primäres, allylisches Substrat, d.h. dieser Weg ist die deutlich bessere Alternative. Hierbei werden zwei mittelgroße Bausteine (jedes enthält fünf Kohlenstoffatome) miteinander verknüpft. Das Syntheseschema sieht daher folgendermaßen aus:

1168

1. CH;CH,CH;CH;Li

H

H

H,O,

Pa, S

HsCl,,

CaCO, eh ie

S

0

ei

Neue

Reaktionen

zB al.ı am nn

EN g an

I CHCI,, HCI ae

Ban

Neue

ez

Reaktionen

Synthesen von ß-Dicarbonylverbindungen 1

Claisen- und Retro-Claisen-Kondensationen (Abschn. 23.1) 0

D

O

Endotherme

RO’Na* 2 CH3COR

CH;CCH,COR

Reaktion;

überschüssige Base verschiebt Gleichgewicht zum Anion des Produkts

+ ROH

sauer

2

Dieckmann-Kondensation

(Abschn. 23.1) OÖ

V C

CO;zR

(CH)

Gb),

Ve rR + ROH

RO’Na*

CH>CO;R 3

Doppelte Claisen-Kondensation (Abschn. 23.1)

ar

(

RO,C

00

||

a

IKROCCOR

+2 ROH

CO;zR RO;C

4

Synthese von ß-Diketonen (Abschn. 23.1) ni

|

RCOR’

+ CH;CCH;

RO’Na*

———>

|

RCCH;CCH3

E

;

+ R’OH

Intramolekular:

ni CCH3 (CH>),

L

Zu

Cıb),

5

aCH, @

CO;R

oO

/

ROH

5

Synthese von 3-Ketoestern (Abschn. 23.1)

|

RCCH3

ee] ———> RCCH>COR’

+ R’OCOR’

|

+ R’OH

1169

23 Dicarbonylverbindungen

6

Synthese von 3-Ketoaldehyden (Abschn. 23.1)

| Ron RCCH3 + HCOR’ ————

1 RCCH;CH + R’OH

3-Ketoester als Synthesebausteine 7

Alkylierung von Enolaten (Abschn. 23.2)

m 1. RO”Na* 1 | 5 RCCH,CH; REF 5 cu R'

8

Decarboxylierung von 3-Ketosäuren (Abschn. 23.2)

|

O

RCCH>COR’

oT

hate] ae

Tyrr

OÖ

(8 Ep 9)

RR

RCECHSCOT

Fe]

A

——ZRECHSCOH Fr’

9

) \

a

RCCH3 2

Acetessigestersynthesen (Abschn. 23.2) l. NaOR’

2. RX

o

3. HO-

RCCH,COR

ZH AR MECHR"

R’ = Alkyl, Alkanoyl (Acyl), CH,COR”, R’X = Oxacyclopropan

10

|

CH,CR”

Malonestersynthesen (Abschn. 23.2) l. NaOR

1

IN

ROCEELCOR

2. R’X 3. HO°

ARE ——

BA ö —ERICTRCOH oO

OÖ

R’ = Alkyl, Alkanoyl (Acyl), CH,dor”, CH,ER" R’X = Oxacyclopropan

11.

Knoevenagel-Kondensation (Abschn. 23.3)

OR’

\ RCH + H5C x

„COR' NE

RCH=C

CO;R' 12

250

CO,R’

Michael-Addition (Abschn. 23.3)

0 CH5>=CHER

CO,CH3

0 CH,O”Na"

HIH5€

Si T

CO>CHz

ZERCELEI CH CO;>CH3

CO,CH3

Michael-Akzeptor

a-Dicarbonyl- und a-Hydroxycarbonylverbindungen

13

Darstellung von a-Diketonen (Abschn. 23.4)

I KMnO4, CH3COCCH3 OH O

SEHEN

|

H

1170

?

oder Cu(OCCH )),, CH,COOH

AI

Im

14

Benzilsäure-Umlagerung (Abschn. 23.4)

I | Ro

Neue

Reaktionen

| \ CO Na*

er

OH

15

Acyloin-Kondensation (Abschn. 23.5) OH, IK Na, (CH3CH3>)20

I RCOR ZH

O

|

90 un, ROpcR + 2R'OH

Intramolekulare Variante |

7

ROCTFZ-GOR

Il. Na,

(CH3CH3>)20

2. H", H5O

27

—

Ir C

OH

+ 2 ROH

SH

16

Benzoin-Kondensation (Abschn. 23.5)

j

ne

CH

C—C

katalytische Mengen NaCN

2

|

2

H

17 1,3-Dithiacyclohexan-(Dithian-)Anionen valente (Abschn. 23.5)

als Alkanoyl-(Acyl-)Äqui-

Al

1

R—C:”

|

R—C:

Syntheseäquivalent von

A A = elektronenziehende,

in

Konjugation tretende oder polarisierbare Gruppe

1,3-Dithiacyclohexane (1,3-Dithiane): 1. CH3CH>CH>CH3Li 2. RX Een

S SO S

1. CH3CH>CH>CH3Li DIRR

S

Da

N HgCl,. HgO, CHZON , RER’

S

S

S

ya

1. CH3CH>CH>CH3Li

en

I

OH O

2. RCR%

es FE

|

3. HgCl>, HgO

>

O ZEN I. HH,C—CH3

RC-CH

\

16) |

SS

18 Katalyse durch Thiazoliumsalze (Abschn. 23.5)

bei der Kupplung von Aldehyden R. „(CH3)11CH3

7 2 RCH

ON katalytische Mengen

S

Br

OH

T

Nor

H

171

Wichtige Konzepte 1 Das Gleichgewicht der Claisen-Kondensation wird durch die Bildung eines stabilen Anions der ß-Dicarbonylverbindung in Richtung der Produkte verschoben.

2 Die Wasserstoffatome am Kohlenstoffatom zwischen den beiden Carbonylgruppen einer ßDicarbonylverbindung reagieren aufgrund des induktiven elektronenziehenden Effekts der beiden benachbarten Carbonylfunktionen und der Resonanzstabilisierung des durch Deprotonierung entstandenen Anions sauer. 3

Gekreuzte

Claisen-Kondensationen

zwischen

Estern sind gewöhnlich nicht selektiv. Mit einigen Substraten wie nicht-enolisierbaren Estern oder mit Ketonen oder bei intramolekularer Claisen-

Kondensation

erreicht man jedoch Produktselek-

zu guten Ausgangsverbindungen für die Synthese von substituierten Ketonen und Säuren.

5 a-Dicarbonylverbindungen sind besonders reaktiv und gehen unter basischen Bedingungen Benzilsäure-Umlagerungen ein. Sie werden durch Oxidation von a-Hydroxycarbonylverbindungen erzeugt, die ihrerseits durch Acyloin- oder Benzoin-Kondensation erhältlich sind. 6 Da Alkanoyl-(Acyl-)Anionen nicht direkt durch Deprotonierung von Aldehyden erhältlich sind, muß man sie als maskierte reaktive Zwischenstufen intermediär einsetzen, oder sie in

Verbindungen überführen, die in der gewünschten Weise reagieren, und aus denen man die Carbonylfunktion nach der Reaktion wieder zurückgewinnen kann.

tıvıtät.

4 3-Ketosäuren sind instabil, sie decarboxylieren in einem konzertierten Prozeß über einen sechs-

gliedrigen cyclischen Eigenschaft und die

Übergangszustand. Diese nucleophile Aktivität des

Anions von 3-Ketoestern

machen

die 3-Ketoester

7 Thiamin (Vitamin B,) katalysiert in der Natur Reaktionen, die analog zu der Kupplung von Alkanalen zu -Hydroxycarbonylverbindungen unter Thiazolium-Ionen-Katalyse oder zu der durch Cyanid-Ionen katalysierten Kupplung aromatischer Aldehyde verlaufen.

Aufgaben 1 Versucht man, an der einen funktionellen Gruppe einer bifunktionellen Verbindung eine anscheinend ganz normale Reaktion durchzuführen, kann es sein, daß diese, weil die zweite

Gruppe

stört, nicht stattfindet

oder völlig anders verläuft, als man sich das vorgestellt hat. Geben Sie bei den folgenden Reaktionsgleichungen an, welche der Reaktionen vermutlich wie dargestellt abläuft. In den anderen Fällen erläutern Sie, was Ihrer Meinung nach stattdessen passiert. Br

(a)

EN

(0)

aB2s Be OÖ

O

Br „KEN, ae

(b)

6) Be

LiAIH4

es

/

CH>OH

COOH

n

1172

Be.

E

Be.

16)

O

(e)

—

H

N f)

Aufgaben

COOH

H

1. SOCh

0

N

oO

2. (CH3)zCHOH

BR

2 Welche Produkte entstehen bei der Reaktion der folgenden Moleküle (oder Kombinationen von Molekülen) mit NaOCH;CH; in

CH;CH;OH? (a)

CH,CH,CH,COOCH;CH;, wi

(b)

()

CeHsCO,CH,CH; + CH3CH,CH,CO,CH;CH;

CO,>CH>CH3z (h)

+ CH3CHzOCCH>CH>COCH3CH3

_CsHsCHZCHCOOCH>CH3

CO,CH>CH3

1 1

CH5CO,CHJCH;

7

N (d)

CsHsCH,CO,CH;CH; + HCO,CH;CH;,

CesHSCHCH>COOCH>CH3 no

(d

()

CH3CH>3OC(CH3)4COCH>CH3

(i)

+ CH3CH,0C—COCH;>CH3

@: CH>CO;CH3>CH3

(d

_CH3CHzZOCCH(CH3>)4COCH>CH3

CH,

3 Die folgende gekreuzte Claisen-Kondensation geht am besten, wenn eine der beiden Ausgangsverbindungen in großem Überschuß vorliegt.

O

| | CH3CH>COCHz + (CH3), CHCOCH3

ELCH

NaOCH3 B CH30H

|| EDER: eh;

Von welcher der beiden Verbindungen würden Sie einen Überschuß einsetzen? Warum? Welche Konkurrenzreaktion gewinnt an Bedeutung, wenn die Reaktionspartner in vergleichbarer Menge vorliegen? 4 Schlagen Sie Synthesen der folgenden ß-Dicarbonylverbindungen über Claisen- oder Dieckmann-Kondensationen vor.

(a)

1 l [_)-enoeneocnen,

e

IR 3

Q

H3C

|

(b)

II

GEHTUCDEREH:

(d

CO>CH>CH3

(h)

5

CO,CH>CH3

02070 I |

7 1 CCHJCCH; En

@

_HC--CCH>COCH>CH3

CoHs ©) _CeHSCCH>CCEHs

6) H;C (ec)

CO>CH>CH3 (e)

CH3CH>OCCH>COCH;CH3

1173

5 |

|

HCCH>CH

Propandial

Glauben Sie, daß man Propandial leicht durch einfache Claisen-Kon-

densation darstellen kann? Wenn ja, warum,

wenn

nein, warum

nicht?

6 Wie würden Sie die folgenden Ketone über Acetessigestersynthesen darstellen?

(a)

I

OÖ

CH3CCH>CH>CHCH;

(c)

Ä_) (b)

a

LH

(d)

CH3CCHCH>CH;

o

CHLOOHRGFE 6)

7 Wie würden Sıe die folgenden vier Verbindungen über Malonestersynthesen darstellen?

COOH CH>CHCHSCH:CH>CH,;

©

(a)

(b)

(d)

H35C—COOH

S el

H>C—COOH 8

COOH

(s. Übung 23-14)

Synthetisieren Sie die folgenden Verbindungen unter Benutzung der

in Abschnitt 23.3 beschriebenen Methoden

und, falls erforderlich, noch

anderer Reaktionen. In jedem Fall sollte eine Ihrer Ausgangsverbindungen ein Aldehyd oder Keton, eine andere eine ß-Dicarbonylverbindung sein.

CO>CH>CH; (a)

6

| (d)

CO>CH>CH3

OR.

0)

(6)

CH(CO-CH>CH3)» O

H;C

(©

6)

CN

X H;C

IN

6)

N)

BR

CO>CH>CH3 (Hinweis: Bei der Synthese muß ein Decarboxylierungsschritt erfolgen.)

9

Zeichnen Sie detailliert den Mechanismus der Michael-Addition von

Malonester an 3-Buten-2-on in Gegenwart von Ethoxid auf. Kennzeichnen Sie alle reversiblen Schritte. Ist die Gesamtreaktion exo- oder endotherm? Erklären Sie, warum nur eine katalytische Menge Base erforderlich ist.

1174

10 Entwerfen Sie anhand der in diesem Kapitel beschriebenen Methoden Mehrstufensynthesen für die folgenden Moleküle. Alle Kohlenstoffatome in Ihrem Endprodukt sollten aus den angegebenen Bausteinen stammen.

Aufgaben

6)

(a)

‚ aus CH3CO>CH>CH; und CH;COCH—=CH> CH3 O

\ ,„ aus

(b)

und

CH>(CO>CH>CH3)a

CH3l,

CH;CCH=CHh>

[6

O

(c)

| ‚aus

CH3l,

und

CH>(CO;>CH>CH3)>

BrCH>CCH3

O

Hinweis für Teil b und e: Machen Sie zunächst

OÖ

er bzw. OÖ

(0)

11 Geben Sie die Produkte der Reaktionen folgender Aldehyde katalytischen Mengen N-Dodecylthiazoliumbromid an. (a) (CH;);CHCHO, (d) C,H;sCH>CHO.

12

(b) C,H5;CHO,

;

©

mit

(ce) Cyclohexancarbaldehyd und

Welche Produkte haben die folgenden Reaktionen?

(a) CH,CHO + HS(CH,),SH

(b) Produkt von (a) + CH;CH>CH>CH;Li 5

Was wird bei der Reaktion der in (b) gebildeten Substanz mit den Aldehyden aus Aufgabe 11 mit nachfolgender Hydrolyse in Gegenwart von HgCl, gebildet? 13

Welche Verbindungen resultieren aus der Behandlung der einzelnen

1

Produkte aus Aufgabe 11 mit Kupferacetat, Cu(OCCH;),, in wäßriger Essigsäure? Und was wird bei der anschließenden Reaktion mit heißer konzentrierter wäßriger KOH gebildet? 14

(a) Identifizieren

Sie

die

unbekannte

Verbindung

A,

die

aus

frischer ungeschlagener Sahne isoliert wird, und die Verbindung B, die für die charakteristische gelbe Farbe und den typischen Buttergeruch von Butter verantwortlich ist. Hier sind einige Daten:

A: MS mi/z (relative Häufigkeit) = 88 (Molekül-Ion, schwach), 45 (100) und 43 (80). BENMRO= 136.(d, = 7 Hz, 3H), 2.18 (s,3H), 373° (breit s, 1H), 4.22 (4, J = 7Hz, 1H). IR v = 1718 und 3430 cm’. B: MS m/z (relative Häufigkeit = 86 (17) und 43 (100).

IH-NMR ö = 2.29 (s).

IR v = 1708 cm’.

1175

23

Dicarbonylverbindungen

(b) Zu welchem Reaktionstyp gehört die Überführung von A in B? Erscheint es Ihnen plausibel, daß diese Reaktion bei der Herstellung von Butter aus Sahne ablaufen kann? Erklären Sie Ihre Antwort. (ec) Entwickeln Sie Laborsynthesen von A und B. Gehen Sie dabei nur von Verbindungen mit zwei Kohlenstoffatomen aus. (d) Ein Absorptionsmaximum im UV-Spektrum von A liegt bei 271 nm, das von B bei 290 nm. (Die Verschiebung der Absorption in den violetten Bereich ist die Ursache für die gelbe Farbe von B.) Wie kommt diese Verschiebung zustande? 15

Geben

mischen

Sie alle elementaren

Gleichungen

an,

Reaktionsschritte

die bei der

Reaktion

in Form

einer

Base,

von

che-

wie

dem

Ethoxid-Ion, und einer Carbonylverbindung, wie Acetaldehyd, ablaufen können. Erläutern Sie, warum das Carbonyl-Kohlenstoffatom bei diesen Reaktionen nicht in nennenswertem Umfang deprotoniert wird. 16 Nootkaton wird in Grapefruits gefunden. Vervollständigen das folgende Reaktionsschema zur Darstellung von Nootkaton 4-(1-Methylethenyl)cyclohexanon.

fe)

Sie aus

CHz 0|0

02.20

E — ”

Ic

R

ch

al

te, H;C

Hz

COM

H3C3

CH>

oO och.

Q CH, CH;

CH 2 GH:

nn

(0) Nootkaton

17

Die folgenden Ketone lassen sich nicht über die Acetessigestersyn-

these selbst (warum nicht?), sondern über eine Variante dieser Synthese

darstellen. In dieser Variante synthetisiert man zunächst (über Claisen-

| I Kondensation) einen geeigneten 3-Ketoester, RCCH,COCH;CH;, dessen Gruppe R in der Keton-Endstufe erscheint. Synthetisieren Sie die folgenden Ketone. Geben Sie bei jedem Keton auch die Struktur und die Darstellung des benötigten 3-Ketoesters an.

| (a)

CH3CH>CCH3>CH3

(b)

Üy-eenemeneen,

|

CH3 O CH>,CH=CH3 >

(benutzen Sie eine Dieckmann-K.ondensation.)

Y

C&H5CH> 16) (benutzen Sie eine doppelte Claisen-Kondensation.)

(d)

(0) CsH5CH>

1176

18 Einige der wichtigsten Synthesebausteine sind sehr einfache Moleküle. Obwohl man Cyclopentanon oder Cyclohexanon auch ohne Schwierigkeiten kaufen kann, ist es doch interessant zu sehen, wie man sie aus noch einfacheren Molekülen darstellen kann. Im folgenden sind mögliche analytische Zerlegungsreaktionen der beiden Ketone gezeigt. Entwerfen Sie anhand dieser Reaktionen Synthesen für beide Ketone aus den gezeigten Ausgangsmaterialien. (6)

Aufgaben

OÖ

O

N

_—

l

N

BrCH>CCH; => CH5CCH;

—> HOCHSCHLCCH, —

+

OÖ

Cyclopentanon

| HCCH>COCH>CH3

0

=>

CH;COCH>CH3

oO

O

oO

|

=>

=>

HCCH>CH>CH>CCH3

=>

Cyclohexanon

|

us

HCCH>COCH>CH; =>

CH3COCH>CH3

19 Im folgenden ist der synthetische Aufbau des Steroidgerüsts (Teil einer Totalsynthese des Hormons Ostron) gezeigt. Formulieren Sie die Mechanismen aller gezeigten Schritte.

CH3 O

OÖ

KOH, CH3OH, A

u

CH30

CH30 Hinweis: Ähnliche Prozesse wie sie im zweiten Schritt der Reaktion ablaufen, haben wir in Aufgabe 11 von Kapitel 18 vorgestellt. 20 Geben Sie kurze Synthesen für die folgenden Moleküle aus den angegebenen Ausgangsverbindungen über Benzilsäure-Umlagerungen an. OH (a)

(N):

|

CCOOH, ausgehend von

cc)

COOH

OH (b)

CaHs—CH— COOH,

ausgehend von C;H,;CHO

Di (

_CeHsCH>—C—COOH,

ausgehend von C;H,CHO

CoHs 1177

23 Dicarbonylverbindungen

21 Schlagen Sie eine einfache Synthese für die folgenden Moleküle unter Benutzung der in Abschnitt 23.5 beschriebenen Methoden (z.B. Umpolung) vor. je 7 (a)

HO

CH3—CHCHCCH3>CeHs

(d

CH3

_CH3CHCHCHO

(b)

16) 22 Sie sollen das Keton Mittel eine zentrale Rolle Aldehyd (i), das Lacton zur Verfügung. Wie gehen

(iii), das bei der Synthese einiger Antitumorgespielt hat, synthetisieren. Ihnen steht der (ii) und alles, was Sie sonst noch brauchen, Sie vor? (0)

CHO 2

?

“

OÖ

\

2

Ss (0)

i

ii

iii

23 Harnstoff reagiert mit Diphenylethandion (Benzil) in Gegenwart von NaOH und Hitze zu Dilantin, einem wertvollen Medikament mit antiepileptischer und krampflösender Wirkung. Schlagen Sie einen Mechanismus für die Umwandlung vor. (Hinweis: Fangen Sie mit der Kondensation einer Aminogruppe des Harnstoffs mit einer Carbonylgruppe des Dions an, und beginnen Sie mit einer zweiten derartigen Kondensation.) Welcher Reaktion aus diesem Kapitel ähnelt dieser Prozeß mechanistisch?

H-N

Colls, Y C

EN

|

CoHs

IN

N

ji NaOH, H,O, CH3CH>OH

OL re, 0 Sa

H

Coll;

“

0

HN

Ö

Diphenylethandion

Dilantin

Harnstoff

(Benzil)

24 Das Sesquiterpen Maaliol läßt sich aus dem Alken (i) über die Zwischenstufe des Hydroxyketons (ii) darstellen. Schlagen Sie eine Folge von Syntheseschritten vor, mit deren Hilfe (i) in (ii) und dann (ii) in Maaliol überführt wird. CH3

i

25

Am

Rand

ii

ist die Strukturformel

Maaliol

von

Germacran,

einem

natürlich

vorkommenden Cyclodecanderivat, dargestellt. Schlagen Sie eine kurze Synthese von Germacran, ausgehend von einem geeigneten acyclischen Germacran

1178

Diester, vor.

26

Welche Produkte entstehen bei den folgenden Reaktionen?

CH3 (a)

(0-Xylol)

2. H*, H,O

|

a

ee

ei

(b)

1. Na, 1,2-Dimethylbenzol

CH3

|

(CH3)JCHCHO

Aufgaben

z

seite FE. A S. N" (CH3) 1CH3Br

>

1. SOCh

2. NaCN

COOH Ben

DE

(©

6) I NaOH, A

a)

2. H?, H,O

27 Bei der Reaktion von Diphenylethandion (Benzil) mit 4-Methoxyphenylmagnesiumchlorid entsteht hauptsächlich das unten gezeigte aHydroxyketon. Erklären Sie dieses Ergebnis mechanistisch. Meinen Sie, daß thermodynamische Gründe bei der Bildung des Produkts eine Rolle spielen?

)

O

| CCH;

Be

N:

7

Meer

+. CH;0

|

OH

as

20

Diphenylethandion

CeHs

(Benzil)

28 Welche Klasse von Verbindungen erhält man beim Behandeln des Aniıons eines substituierten Malonesters mit einem Alkanoyl- (Acyl-) halogenid und anschließender saurer Hydrolyse und Erhitzen? 1. NaH, CsHs 2. R’COCI 3. H*, H50, A

Rercolaremn, se

Zeigen Sie dies für R= C,H;CH; und R’ = (CH;);C. Geben Sie an, welche Teile des Endprodukts welcher Ausgangsverbindung entstammen (eine verwandte Reaktion findet sich in Übung 23-12c).

29 Wie lassen sich die in diesem Kapitel vorgestellten Methoden Synthese von (a) 1,4-Dicarbonsäuren (b) 4-Ketosäuren (c) 1,4-Diketonen

zur

(d) 1,5-Dicarbonsäuren (e) 5-Ketosäuren ($) 1,5-Diketonen

verwenden? Formulieren Sie entweder geben Sie passende Beispiele an.

allgemeine

Gleichungen

oder

30 Die Knoevenagel-Kondensation in Verbindung mit einer Decarboxylierung ist eine einfache Methode zur Darstellung a,ß-ungesättigter Säuren, Aldehyde, Ketone und Nitrile. Zeigen Sie, wie Sie mit dieser Methode Benzolcarbaldehyd (Benzaldehyd) in die folgenden Moleküle überführen würden. Benutzen Sie in jedem Beispiel eine andere Knoevenagel-Kondensation.

(a)

(

-en-encont Zimtsäure

(b)

(

-en=cncno Zimtaldehyd

(©)

( )-cu=cic=n Zimtsäurenitril

1179

23

Dicarbonylverbindungen

Gruppenübung 31 Teilen Sie ıhr Team in zwei Gruppen auf, um eine mechanistische Analyse der folgenden Reaktionssequenzen vorzunehmen (’C entspricht hier dem Kohlenstoffisotop 13).

|

1. 2. 3. 4.

|

NaH CH;CH;CH;CH;Li CH3I OH, H,O

5.H", H,0, A

(a) IBSCH,CCH,COCH;CH;

I

ed

CH; !3CH,CCH;

l. CH;CH;O ,CH;CH;OH

2. (CH,);CC1 |

l

3. "OH, H,O

O

4.H*, H,0, A

|

CH;

CH; Treffen Sie sich danach wieder und diskutieren Sie Ihre Ergebnisse. Gehen Sie für Aufgabenteil (a) insbesondere auf die Position der BC-Markierung ein, erläutern Sie für (b), warum die Alkylierungsreaktion fehlschlägt. Erarbeiten sie dann alle gemeinsam den Mechanismus der folgenden Umsetzung (Hinweis: Für den ersten Schritt werden mindestens drei

Äquivalente KNH; benötigt.)!

#

|

BG

m

1180

= 4.

\H

16)

1.K' "NH, fl.NH; oO

2.H', H,O(Aufarbeiten)

ee

Kohlenhydrate Polyfunktionelle Naturstoffe

Wenn Sie ein Stück Brot in den Mund nehmen,

spüren Sie nach einigen

Minuten einen ausgeprägt süßen Gschmack, als ob Zucker hinzugefügt worden sei. In einem bestimmten Sinn ist das tatsächlich der Fall: Die im Speichel enthaltenen Säuren und Enzyme haben die Stärke des Brotes in ihre Bausteine,

Glucose-Moleküle,

gespalten.

Sıe alle kennen

Glucose als Traubenzucker. Die polymere Stärke und die monomere Glucose sind Beispiele für Kohlenhydrate. Die Klasse der Kohlenhydrate spielt in der Natur eine außerordentlich wichtige Rolle. So bilden sie die Gerüststoffe aller pflanzlichen Zellwände und wirken außerdem als chemisches Energiespeichersystem: sie werden zu Wasser, Kohlendioxid und Wärme (oder einer anderen Form von Energie) abgebaut und sind daher eine der wichtigsten Nahrungsquellen. Außerdem werden Fette (s. Abschn. 19.14 und 20.4) und Nucleinsäuren (s. Abschn. 26.9) aus Kohlenhydrat-Bausteinen aufgebaut. Cellulose, Stärke und gewöhnlicher Haushaltszucker sind Kohlenhydrate. Genau wie die Glucose, C,(H,O),, haben auch viele der einfachen Baueinheiten komplizierterer Kohlenhydrate die allgemeine Formel C,(H>O),. Wir werden zunächst die Konstitution und Nomenklatur der einfachsten Kohlenhydrate,

der Zucker, kennenlernen.

Danach diskutieren wir

die Chemie der Zucker, die von dem gleichzeitigen Vorliegen von Carbonyl- und Hydroxyfunktionen an Kohlenstoffketten unterschiedlicher Länge bestimmt wird. Als nächstes werden einige Methoden zur Synthese und Analyse von Zuckern vorgestellt, Verfahren, mit denen Ketten verlängert und abgebaut werden können. Zum Schluß beschreiben wir verschiedene in der Natur vorkommende Typen von Kohlenhydraten.

1181

24

Kohlenhydrate

24.1 Die Namen und Formeln

der Kohlenhydrate Die einfachsten Kohlenhydrate sind die Zucker oder Saccharide. Mit wachsender Kettenlänge enthalten Zucker eine steigende Anzahl asymmetrischer

Kohlenstoffatome,

was

zu einer Fülle

von

Diastereomeren

führt. Zu unserem Glück kommt in der Natur hauptsächlich nur eine der möglichen Reihen von Enantiomeren vor. Da Zucker Polyhydroxycarbonylverbindungen sind, bilden sie cyclische Halbacetale, was die strukturelle und chemische Vielfalt dieser Verbindungsklasse noch erhöht.

Zucker unterteilt man

aa H-32-—-OH CH;OH 2,3-Dihydroxypropanal (Glycerinaldehyd) eine Aldotriose

in Aldosen und Ketosen

Die Klasse der Kohlenhydrate teilt man nach Anzahl der Monomereinheiten im Molekül in Unterklassen ein. Besteht das Molekül nur aus einer Monomereinheit, spricht man von einem Monosaccharid, ein Dimer

ist ein Disaccharid,

ein Trimer

ein

Trisaccharid.

Als

nächste

Gruppen folgen die Oligo- und schließlich die Polysaccharide (saccharum, latein.: Zucker). Ein Monosaccharid ist ein Aldehyd oder Keton mit mindestens zwei Hydroxygruppen. Die beiden einfachsten Vertreter dieser Verbindungsklasse sind daher 2,3-Dihydroxypropanal (Glycerinaldehyd) und 1,3-Dihydroxypropanon (1,3-Dihydroxyaceton).

CH,OH c=0 | CH>OH 1,3-Dihydroxypropanon (1,3-Dihydroxyaceton) eine Ketotriose

CHO u

CH; OH

ae

c=oO

RI=-c—H

HOUR

CHO

H—=G=9H

Htr=QH

HC

OH

B--E0H

HC

H-=2=0H

H-C=0H

CH30H

CH>0H

Glucose

Fructose eine Ketohexose

eine Aldohexose

CH30OH Ribose eine Aldopentose

Zucker mit einer Aldehydgruppe bezeichnet man als Aldosen, solche mit einer Ketogruppe als Ketosen. Aufgrund ihrer Kettenlänge teilt man Zucker in Triosen (3 Kohlenstoffatome), Tetrosen (4 Kohlenstoftatome), Pentosen (5 Kohlenstoffatome), Hexosen (6 Kohlenstoffatome) usw. ein. 2,3-Dihydroxypropanal (Glycerinaldehyd) ist also eine Aldotriose, 1,3-Dihydroxypropanon eine Ketotriose. Glucose,

auch als Dextrose,

Blutzucker oder Traubenzucker

bezeich-

net (glykys, griech: süß) ist ein Pentahydroxyhexanal und gehört daher zur Klasse der Aldohexosen. Glucose kommt in der Natur in vielen Früchten und Pflanzen vor und in Konzentrationen von 0.08% bis 0.1% im menschlichen Blut. Eine zur Glucose isomere Ketohexose ist die Fructose, der süßeste natürlich vorkommende Zucker (einige synthetische Zucker sind noch süßer), die ebenfalls in vielen Früchten und im Honig auftritt. Ein weiterer wichtiger natürlicher Zucker ist die Aldopentose Ribose, eines der Bauelemente der Ribonucleinsäuren (s. Abschn. 26.9). Die Summenformel aller dieser Zucker lautet C,(H,O),, entspricht also formal einem hydratisierten Kohlenstoff. Dies ist einer der Gründe

dafür, daß man

dungsklasse als Kohlenhydrate bezeichnet.

1182

die Vertreter dieser Verbin-

24.1

Übung 24-1

Die Namen

CHO CHO

CH>OH

HOCH (b)

HCOH

(a)

HCOH

c=oO (c)

HOCH HCOH

CH>0OH

CH>OH

Erythrose

und Formeln

der Kohlenhydrate

Zu welcher Klasse von Zuckern gehören die folgenden Monosaccharide?

Lyxose

HOCH HCOH CH>OH Xylulose

Ein Disaccharid entsteht aus zwei Monosacchariden durch Knüpfung einer Ether-(normalerweise Acetal-)Brücke (Abschn. 17.7). Bei der Hydrolyse bilden sich die beiden Monosaccharid-Einheiten wieder zurück. Durch Knüpfung einer Etherbindung zwischen einem Monound einem Disaccharid entsteht ein Trisaccharid und durch fortlaufende Wiederholung dieses Prozesses bildet sich schließlich ein natürliches Polymer (Polysaccharid). Die Grundgerüste der Cellulose und der Stärke bestehen aus solchen Kohlenhydrat-Polymeren (s. Abschn. 24.12).

Die meisten Zucker sind chiral und optisch aktiv Mit Ausnahme von 1,3-Dihydroxypropanon enthalten alle bisher betrachteten Zucker Stereozentren. Der einfachste chirale Zucker ist 2,3Dihydroxypropanal (Glycerinaldehyd) mit einem asymmetrischen Kohlenstoffatom. Wie aus der Fischer-Projektion des Moleküls zu erkennen ist, hat das rechtsdrehende Enantiomer dieser Verbindung R-, das linksdrehende S-Konfiguration. Fischer-Projektionen werden außerordentlich häufig zur Darstellung von Zuckern benutzt. Falls Ihnen die Regeln zur Konstruktion und Handhabung dieser Projektionen nicht mehr gegenwärtig sind, sollten Sie in Abschn. 5.4 nachschlagen. Fischer-Projektion der beiden Enantiomeren des 2,3-Dihydroxypropanals (Glycerinaldehyd)

CHO

CHO H

OH

ist identisch mit

H=—C—OH

CH;OH

CH;OH (R)-(+)-2,3-Dihydroxypropanal

» [D-(+)-Glycerinaldehyd]

[5 “= +8.7

CHO

CHO ist identisch mit

Du

HO=—C — H

CH>OH

CH;OH (S)-(- )-2,3-Dihydroxypropanal

(L-(—)-Glycerinaldehyd]

[]25°° = --8.7°

Obwohl die R,S-Nomenklatur zur Benennung der Zucker völlig ausreicht, ist allgemein ein älteres Nomenklatursystem üblich. Dieses System wurde entwickelt, bevor man die absolute Konfiguration der Zucker bestimmen konnte. Hierbei wird die Konfiguration eines Zukkers mit der der beiden Enantiomere des 2,3-Dihydroxypropanals (Glycerinaldehyds) in Beziehung gesetzt. Anstelle der Buchstaben R und $ verwendet man die Vorsätze D für das (+)-Enantiomer des Glycerinaldehyds und ı für das (—)-Enantiomer (s. Abschn. 5.3). Diejenigen Monosaccharide, bei denen das Chiralitätszentrum, das am weitesten von der Aldehyd- oder Ketogruppe entfernt ist, dieselbe absolute Konfiguration wie D-(+)-2,3-Dihydroxypropanal [p-(+)-Glycerinaldehyd] hat, bezeichnet man als D-, diejenigen mit der umgekehrten Konfiguration als L-Zucker. Zwei Diasteromere, die sich nur in der Konfiguration eines Stereozentrums unterscheiden, nennt man Epimere.

1183

24

Bestimmung der Zugehörigkeit zur D- oder ı-Reihe

Kohlenhydrate

CHO H

HO

CH>OH OH

OÖ

H

H

OH

H

OH

H

OH

H

H

HO

H

am weitesten von der AR Carbonyl gruppe ei fermoss CH „OH

Chiralitätszentrum

CH5OH

eine D-Aldose

eine L-Ketose

Die D,r-Nomenklatur teilt die Familie der Zucker in zwei Reihen. Mit Zunahme der Anzahl der Chiralitätszentren steigt auch die Zahl der Stereoisomeren an. So hat die Aldotetrose 2,3,4-Trihydroxybutanal zwei Chiralitätszentren und kann daher in vier Stereoisomeren auftreten: als zwei Diasteromere, die jeweils ein Enantiomerenpaar bilden. Wie bei vielen Naturstoffen sind für diese Diasteromere Trivialnamen gebräuchlich, die in der Literatur auch fast ausschließlich benutzt werden. Der Hauptgrund liegt darin, daß die systematischen Namen wegen der Komplexität der Moleküle sehr lang und unhandlich sind. In diesem Kapitel

weichen

wir

daher

von

dem

gewohnten

Verfahren

ab,

allen

Molekülen systematische Namen zu geben. Das Isomer von 2,3,4-Trihydroxybutanal mit 2R,3R-Konfiguration bzw. 28,3S-Konfiguration nennt man Erythrose, ihr Diastereomer Threose. Sowohl Erythrose wie Threose treten als Enantiomerenpaar auf, von denen das eine Enantiomer zur D-, das andere zur L-Reihe gehört. Das Vorzeichen der optischen Drehung steht wiederum in keiner Beziehung zu der Konfigurationsbezeichnung D bzw. L (genau wie bei der R,S-Nomenklatur, s. Abschn. 5.3). So ist z.B. p-Glycerinaldehyd rechtsdrehend, p-Erythrose linksdrehend. Die diastereomeren 2,3,4-Trihydroxybutanale:

cHotn&

CHO

Ron RL _OH

! Ho-tH | HO—I—H

CH>OH

|

2R,3R

Fe

CH>OH

Erythrose und Threose

Ho

Ho-SI un H-&-—OH CHOH

25,35

25,3R

L-(+)-Erythrose

D-(—)-Threose

CHO

mtl |HO—+—H |

CH>OH

2R,3S

|L-(+)-Threose

Spiegel-

Spiegel-

ebene

ebene

Eine Aldopentose hat drei Chiralitätszentren und kommt daher in 23 = 8 Stereoisomeren vor. In der Gruppe der Aldohexosen sind bereits 2° = 16 solcher Isomere möglich. Warum benutzt man dann überhaupt die D,L-Nomenklatur, wo sie doch nur die absolute Konfiguration eines Chiralitätszentrums angibt? Der Grund ist sicher der, daß fast alle natürlich vorkommenden Zucker zur p-Reihe gehören. Offensichtlich hat sich die Natur beim Aufbau der Struktur der Zuckermoleküle für das eine Ende der Kette nur eine Konfiguration „ausgesucht“. Ein weiteres Beispiel für eine solche Selektivität sind die Aminosäuren (s. Kap. 26). In Abb. 24-1 ist die Reihe der D-Aldosen bis zu den Aldohexosen mit Angabe des Drehsinns und des Trivialnamens der einzelnen Verbindungen gezeigt. Alle Verbindungen haben wir in der Fischer-Projektion dargestellt.

1184

24.1

CHO

Die Namen und Formeln der Kohlenhydrate

on CH>0H

D-(+)-Glycerinaldehyd CHO

CHO OH

H

H

OH

H H

OH

CH>0OH

CH>0H

D-(—)-Erythrose

D-(—)-Threose

CHO H

CHO OH

cCHO H

H

OH

H

OH

OH

H

OH

CH>0H

CHO

CHO H

H

OH

H

OH

H

OH

OH

OH

H

OH

OH

OH

H

OH

H

CHO

H

H H

OH

OH

H

OH

CH>0H

CH>0H D-(—-)-Lyxose

CH30H

CH>0H

CH,>0H

CH>0H

D-(+)-Allose

D-(+)-Altrose

D-(+)-Glucose

D-(+)-Mannose

CHO OH

H

OH

H

H

OH

CHO H

H

H H

OH

D-(+)-Xylose

H

H

H H

CHO

OH

H

H

H H

D-(—)-Arabinose

CHO H

OH

H

CH>OH

D-(—)-Ribose

CHO

H

H

H

H

OH

CH>0OH

CH>0OH

D-(—)-Gulose

H

OH

D-(—)-Idose

Um die Sache eindeutig zu machen, werden die Fischer-Projektionen nach einem bestimmten Standard gezeichnet: die Kohlenstoffkette wird senkrecht angeordnet und die Aldehydgruppe kommt an das obere Ende der Formel. In Abb. 24-2 ist die analoge Reihe der Ketosen gezeigt.

H

CHO OH

H

H

H

OH CH;0H

D-(+)-Galactose

H H

OH CH>0H

D-(+)-Talose

Abb. 24-1 Die D-Aldosen (bis zu den Aldohexosen), das Vorzeichen

ihres optischen Drehwerts und ihre Trivialnamen.

CH>0H 16) CH>OH 1,3-Dihydroxypropanon

CH>0H 16) OH CH>OH D-(—)-Erythrulose

CH,;OH

CH>OH

16) H

10)

OH

H

OH

H H

CH>0H

CH>0H

D-(+)-Xylulose

o-(+)-Ribulose

CH;OH

CH;0H

o

CH,>OH

16) OH

H

OH

10)

H

OH

OH

OH

OH

CH>OH

CH>0H

D-(+)-Psicose

D-(—)-Fructose

CH;>0H

H H

16]

OH H

H

OH

H

OH

CH>OH

CH>0H

D-(+)-Sorbose

D-(—)-Tagatose

Abb. 24-2.Die D-Ketosen (bis zu den Ketohexosen), das Vorzeichen

ihres optischen Drehwerts und ihre Trivialnamen.

1185

24

Kohlenhydrate

Übung 24-2 (a) Wie lauten die systematischen Namen für (a) D-(—)-Ribose und (b) D-(+)-Glucose? Denken Sie daran, die absolute Konfiguration an jedem Chiralitätszentrum zu be-

| stimmen. | Übung 24-3 u Zeichnen Sie die Keilstrichformel des Zuckers A als Fischer-Projektion und finden Sie | anhand Abb. 24-1 den Trivialnamen der Verbindung.

Ho, HOH>C

HH 2

H“

OH OH

sCHO

A

Wir fassen zusammen: Die einfachsten Kohlenhydrate sind die Zucker, Polyhydroxyaldehyde (Aldosen) und -ketone (Ketosen). Sie gehören der pD-Reihe an, wenn das am weitesten von der Carbonylgruppe entfernte Stereozentrum R-Konfiguration, zur L-Reihe, wenn dieses Stereozentrum S-Konfiguration hat. Die meisten natürlich vorkommenden Zucker gehören zur D-Reihe.

24.2 Konformationen und cyclische Formen von Zuckern Bis jetzt haben wir die Konstitutionen der Monosaccharide in der abstrakten Form von Fischer-Projektionen dargestellt. Keilstrichformeln sind realistischer. Allerdings müssen wir sehr vorsichtig sein, wenn wir eine Fischer-Projektion in die richtige Keilstrichformel (und umgekehrt) überführen wollen. Die richtige Vorgehensweise zeigen wir in diesem Abschnitt. Danach untersuchen wir die cyclischen Isomere, die in Lösungen einfacher Zucker vorliegen.

Fischer-Projektionen zeigen vollständig ekliptische Konformationen Erinnern wir uns daran (s. Abschn. 5.4), daß die Fischer-Projektion das Molekül in einer vollständig ekliptischen Konformation zeigt. Fischer-Projektion und Keilstrichformel der D-(+)-Glucose CHO H

CHO OR

H

H

H

H H=-

| HO

H

H

OH

2 er OH

H

3“ ’Cc--

OH

OH

4 Cu

OH

H

OH

H

on

on

KErDH

CH-OH

Me

” —oH „OH

nn

4

Br

Ho”!

H: 4

HH

180°

6

HO_NS5

H

CHO

Drehung von

H

C-3

pP

oO Fi

N

nd C-5

x

C

a

Mes \

(>23

OH

I}

HO

CHO Nr

H

$CH>OH

Fischer-

Keilstrichformel

Keilstrichformel

Projektion

der vollständig

der lade

kliptisch a ee

»:staffelten Konlormadi

Wenn

Sie ein Molekülmodell

zur Hand

nehmen,

können

Sie sehen,

daß die vollständig ekliptische Form ungefähr einen Halbkreis bildet. Die Gruppen auf der rechten Seite der Kohlenstoffkette in der

1186

ursprünglichen Fischer-Projektion zeigen in der Keilstrichformel nach unten. Dreht man zwei durch ein C-Atom voneinander getrennte innere Kohlenstoffatome (in unserem Beispiel C3 und C5) um 180°, erhält man die vollständig gestaffelte Konformation.

Zucker bilden intramolekulare

24.2 Konformationen und cyclische Formen von Zuckern

Halbacetale

Zucker sind Hydroxycarbonylverbindungen, die intramolekulare Halbacetale ausbilden sollten (s. Abschn. 17.7). Tatsächlich liegen Glucose und die anderen Hexosen und Pentosen in einem Gleichgewicht zwischen der offenkettigen und der cyclischen Halbacetalform vor, wobei die zweite stark überwiegt. Obwohl sich prinzipiell jede der fünf Hydroxygruppen an die Carbonylgruppe des Aldehyds addieren könnte, ist die Bildung eines Sechsrings normalerweise bevorzugt, wenngleich teilweise auch Fünfringe gebildet werden. Um einen Zucker in cyclischer Form richtig abzubilden, muß man eine Keilstrichformel der vollständig ekliptischen Struktur zeichnen, bei der sich die C2—C3-Bindung oberhalb der Papierebene befindet, wie unten links gezeigt. Danach dreht man C5 so lange, bis dessen Hydroxygruppe in eine Position Kommt, in der sie durch Addition an das Aldehydkohlenstoffatom C1 einen sechsgliedrigen Halbacetalring ausbilden kann. Entsprechend erhält man einen Fünfring durch Drehen an CA4, bis dessen Hydroxygruppe in einer sterisch geeigneten Position ist, sich an C1 zu addieren. Dieses Verfahren läßt sich für alle Zucker der DReihe anwenden. Cyclische Halbacetalbildung bei der Glucose

HIN:

CH5OH

356

HO---C—CH>OH

tet

SR

Drehung von C5

N

um 120°um

H---C—OH

Horn

eh

ss —c4

Fe a

H

CHO

Te er EN Bi ee

OH

H

CH>0OH

”

OH

D-(+)-Glucose

|

-

RE

Ian

en

7 N OH

$on

N "1

|3

N, E Yon d/

neues

1

OH

neues Chiralitätszentrum

_ Chiralitätszentrum

D-(+)-Glucofuranose

-(+)-Glucopyranose )

(weniger stabil)

(stabile r) Gruppen auf der rec 'hten Seite der ursprünglichen Fisc her-Projektion

(eingekreist) zeigen in der cyclischen Halbacetalform nach unten

Übung 24-4 Zeichnen

Sie die Fischer-Projektion von L-(—)-Glucose

und beschreiben Sie, wie man

sie in die entsprechende sechsgliedrige cyclische Halbacetalform überführen kann.

Das so entstandene Halbacetal bezeichnet man als Pyranose, dieser Name leitet sich von Pyran, einem sechsgliedrigen cyclischen Ether, ab (s. Abschn. 9.6 u. 25.1). Zucker, die als Fünfring vorliegen, nennt man Furanosen nach dem sauerstoffhaltigen Fünfring Furan. Im Gegensatz

Q

zur Glucose, die fast ausschließlich in der Pyranoseform vorliegt, findet

man bei der Fructose ein Gleichgewichtsgemisch nose und Fructofuranose im Verhältnis 70:30.

zwischen

FructopyraPyran

Furan

1187

24 Kohlenhydrate

Bildung des cyclischen Halbacetals bei der Fructose

A

O—H

ech 7° OH

CHOR |

Se

= Be

A.

Te

je 2

xae 1 von |

1

RR

N

neues Chiralitäts-

H _ zentrum

oh

30% D-(— )-Fructofuranose

CH,OH

a a T

neues Chiralitäts-

H

zentrum

70% D-( — )-Fructopyranose

Betrachtet man die Konstitutionen der Furanosen und Pyranosen genauer, so sieht man, daß das Carbonyl-Kohlenstoffatom bei der Cyeclisierung in ein neues Chiralitätszentrum überführt wird. Bei der Halbacetalbildung entstehen also zwei neue Verbindungen, zwei Diastereomere, die sich in der Konfiguration des Acetalkohlenstoffatoms unterscheiden. Hat dieses S-Konfiguration, bezeichnet man den Zucker als a-Form, hat

es R-Konfiguration, spricht man von einer ß-Form. Da sich diese Art der Diastereomerenbildung nur bei den Zuckern findet, hat man diesen Isomeren einen besonderen Namen gegeben: Anomere. Das neue Chiralitätszentrum nennt man das anomere Kohlenstoffatom. Übung 24-5 Die beiden Anomere o- und ß-D-Glucopyranose sollten bei der Halbacetalbildung zu gleichen Anteilen entstehen, weil sie Enantiomere sind. Ist diese Aussage richtig oder ee E _I falsch? Begründen Sie Ihre Antwort.

Fischer-, Haworth- und Sesselprojektionen helfen bei der Abbildung cyclischer Zucker Wie läßt sich die Konfiguration der cyclischen Form von Zuckern am besten darstellen? Eine Möglichkeit ist, die Fischer-Projektion beizuFischer-Projektion der Glucopyranosen

N

NcCH

H

OH

In der Fischer-Projektion der

o-Form steht die OH-Gruppe des anomeren Kohlenstoffatoms rechts. In der Fischer-Projektion der B-Form steht die OH-Gruppe des anomeren

on

Kohlenstoff-

HO--C--H

Cyelisierung

HO

|

TIERE.

R

H OH

10

OH

CH,>OH

CH>0H

&-D-(+)-Glucopyranose

Smp. 146 °C

1188

CH>0H

B-D-(+)-Glucopyranose

Smp. 150°C

behalten und die durch den Ringschluß entstandenen neuen Bindungen einfach durch verlängerte Linien zu zeichnen. Haworth* entwickelte eine Projektion, aus der sich die dreidimensionale Struktur des Zuckermoleküls besser erkennen läßt. Der cyclische Ether wird hierbei in der Strichschreibweise als Fünf- oder Sechseck gezeichnet, das anomere Kohlenstoffatom steht rechts, das Ether-Sauerstoffatom an der oberen Seite des Moleküls. Die Substituenten, die ober- bzw. unterhalb der Ringebene liegen, werden durch senkrechte Linien mit dem Grundgerüst verbunden.

24.2 Konformationen und cyclische Formen von Zuckern

Haworth-Projektionen

HOCH;

OH

OH

H

a-D-(-)-Erythrofuranose

Die

OH

OH-Gruppe

am

anomeren

Haworth-Projektion oben.

beim

a-Anomer

"!

H

a-D-(+)-Glucopyranose

Übung 24-6 Zeichnen Sie Formeln von (a) a-D-Fructofuranose, Arabinopyranose.

OH

B-D-(+)-Glucopyranose

Kohlenstoffatom nach unten,

Substituenten auf der rechten Seite der Fischer-Projektion zeigen in der Haworth-Projektion nach unten.

beim

zeigt

in

ß-Anomer

der nach

(b) ß-D-Glucofuranose und (c) B-D-

Haworth-Projektionen werden bis heute in der Zuckerchemie außerordentlich häufig benutzt, wir wollen aber, da wir schon einiges über Konformationen wissen (s. Abschn. 4.3 u. 4.4), die cyclischen Formen der Zucker als Briefumschlag- (bei den Furanosen) oder Sesselkonformationen (bei den Pyranosen) zeichnen. Wie in der Haworth-Projektion steht das Ether-Sauerstoffatom normalerweise oben rechts, das anomere Kohlenstoffatom an der rechten Ecke des Briefumschlags oder Sessels. Konformationen der ß-D-Glucofuranose, der a-D- und der

B-D-Glucopyranose

CH>OH |

H

H

HOCH

CH,>0H

H

H

OH

H

\

H

OH

H

On

H

H

ß-D-Glucofuranose

Ho

H El —

om

ÖH B-n-Glucopyranose

a-D-Glucopyranose

Obwohl es Ausnahmen gibt, nehmen die meisten Aldohexosen diejenige Sesselkonformation ein, bei der die relativ sperrige Hydroxymethylgruppe an C5 äquatorial steht. Bei der Glucose bedeutet das, daß in der a-Form vier der fünf Substituenten äquatorial stehen, in der ß-Form stehen alle Substituenten äquatorial. Dieses stabile Konformer ist nur bei der Glucose

(s. Abb. stehen.

24-1)

muß

möglich,

bei den anderen

zwangsläufig

* Sir Walter Norman Haworth, preis für Chemie 1937.

1883-1950,

mindestens

sieben

Aldohexosen

ein Substituent

University of Birmingham,

England,

axial

Nobel-

1189

24

Kohlenhydrate

Übung 24-7

Berechnen Sie mit Hilfe der Werte aus Tabelle 4-3 den Unterschied der freien Enthalpie zwischen dem all-äquatorialen Konformer der «-D-Glucopyranose und demjenigen, das hieraus durch Umklappen des Ringes entsteht (Nehmen Sie an, daß AGky,oH = AGkn,

7.1 kJ/mol) und behandeln Sie das Ring-Sauerstoffatom wie eine Methylengruppe).

Zusammengefaßt ergibt sich, daß Hexosen und Pentosen als fünfoder sechsgliedrige cyclische Halbacetale vorliegen können. Die Strukturen äquilibrieren rasch über die offenkettige Form des Polyhydroxyaldehyds oder -ketons miteinander, das Gleichgewicht liegt meistens auf der Seite des Sechsrings (Pyranoserings).

24.3 Anomere einfacher Zucker: Mutarotation der Glucose Glucose fällt bei Raumtemperatur aus konzentrierten Lösungen aus und bildet Kristalle, die bei 146°C schmelzen. Wie die Röntgenstrukturanalyse der Kristalle zeigt, bestehen sie ausschließlich aus a-D-(+)-Glucopyranose (Abb. 24-3). Löst man kristalline a-D-(+)-Glucopyranose in Wasser

und

mißt

sofort

den

optischen

Drehwert,

erhält

man

einen

Wert [a]5 ° = +112°. Seltsamerweise nimmt dieser Wert mit der Zeit bis auf +52.7° ab und bleibt dann konstant. Diese Änderung läßt sich durch Zugabe von Säure oder Base beschleunigen. Offenbar hat irgendeine chemische Veränderung stattgefunden, aufgrund derer sich die ursprüngliche spezifische Drehung der Probe geändert hat. In der Tat stellt sich in Lösung sehr schnell ein Gleichgewicht zwischen der a-Pyranose und einer kleinen Menge des offenkettigen Aldehyds ein (dieser Prozeß wird durch Säuren und Basen katalysiert, s. Abschn. 17.7), der dann selbst eine reversible Ringschlußreaktion zum ßB-Anomer

eingeht.

Gleichgewicht zwischen der offenkettigen Form und den Pyranoseformen bei der Glucose CHO H

HL

—— 0 N

HO———H

\

Ri"

H* oder HO°

be

HOA_—

_ OH

OH

H

1%

H* oder HO°

H——OH

=

e) |

RE

H—-0H

H

CH>OH @-D-(+)-Glucopyranose

[o] DBD

= +112°

Aldehydform 0.003%

B-D-(+)-Glucopyranose [2° = +18.7°

63.6%

36.4%

Die spezifische Drehung der ß-Form ist weitaus kleiner (+ 18.7°) als die des a-Anomers;

der beobachtete

Drehwert

der Lösung nimmt

also

ab. Entsprechend steigt die spezifische Drehung einer Lösung des reinen ß-Anomers [Smp. 150°C, erhältlich durch Kristallisation von Glucose aus Ethansäure (Essigsäure)] stetig von +18.7° bis zu dem Endwert +52.7° an. An diesem Punkt ist ein Gleichgewicht erreicht, in dem zu 36.4% Stoffmengenanteil das «-Anomer und 63.6% das ß-Anomer vorliegt. Die Änderung der optischen Drehung bei der Einstellung des Gleichgewichts zwischen einem Zucker und seinem Anomer bezeichnet man als Mutarotation

11%

(mutare, latein.: verändern, verwandeln).

110.2 pm 142.5 pm

N‘

24.4

N

Ss

di:

CH=

113.8°

S—a x 7

Polyfunktionelle Chemie der Zucker:

142.7 pm

Oxidation zu

Carbonsäuren

142.6

giosen

Sn

152.5 pm N Sn 110.6°

a

0__

F

96.9 pm

Abb. 24-3 Struktur von -D-( + )-Glucopyranose mit einigen ausgewählten Bindungslängen und -winkeln.

Die gegenseitige Umwandlung der a- und ß-Anomere ist eine Eigenschaft aller Zucker, die als cyclische Halbacetale vorliegen können. Übung 24-8 , Ein alternativer Mechanismus für die Mutarotation läuft nicht über die Zwischenstufe | des Aldehyds, sondern über Oxonium-Ionen. Formulieren Sie ihn. Übung 24-9 Berechnen Sie das Gleichgewichtsverhältnis von a- und ß-Glucopyranose, das im Text angegeben ist, aus der spezifischen Drehung der reinen Anomere und der gemessenen spezifischen Drehung im Gleichgewicht der Mutarotation.

Übung 24-10 Berechnen Sie anhand von Tab. 4-3 den Energieunterschied zwischen a- und ß-Gluco") pyranose bei Raumtemperatur (25°C). Dann berechnen Sie ihn aufgrund des Gleichgewichtsverhältnisses.

CH>OH

er

CH>OH

K

OH

36.4 %

63.6 %

0-D-Glucopyranose

ß-D-Glucopyranose

Zusammengefaßt läßt sich feststellen, daß das Kohlenstoffatom der (Halb)acetalgruppe (das anomere Kohlenstoffatom) zwei Konfigurationen, a und ß, haben kann. In Lösung stehen «- und ß-Form miteinander im Gleichgewicht. Die Gleichgewichtseinstellung läßt sich verfolgen, wenn man ein reines Anomer löst und die Änderung der spezifischen Drehung verfolgt. Dieses Phänomen bezeichnet man als Mutarotation.

24.4 Polyfunktionelle Chemie der Zucker: Oxıdatıon zu Carbonsäuren Einfache Zucker können in Form verschiedenster Isomere auftreten: als offenkettige Carbonylverbindung und als a- und ß-Anomere von Ringverbindungen unterschiedlicher Größe. Da alle Isomere schnell mitein“ ander äquilibrieren, bestimmt die relative Geschwindigkeit der Reaktion der einzelnen Isomeren mit einem Reagenz die bei einer Umsetzung resultierende Produktverteilung. Wir können die Reaktionen von Zuckern in zwei Gruppen unterteilen, in solche, bei denen der Zucker aus der offenkettigen Form reagiert und solche, die an einer der Ringformen ablaufen. Manchmal treten jedoch beide Typen von Reaktionen miteinander in Konkurrenz. In diesem Abschnitt beschreiben wir Reaktionen von Aldosen mit Oxidationsmitteln, die hauptsächlich die offenkettige Form angreifen. 1191

24 Kohlenhydrate

Fehlingsche Lösung und Tollens-Reagenz weisen reduzierende Zucker nach Die offenkettigen Monosaccharide reagieren in der für polyfunktionelle Verbindungen typischen Weise. So enthalten Aldosen die oxidierbare Aldehydgruppe und geben daher mit den klassischen Oxidationstests wie Fehlingsche Lösung oder Tollens-Reagenz eine positive Reaktion (s. Abschn. 17.14). Der a-Hydroxysubstituent in den Ketosen wird ebenfalls von diesen Reagenzien oxidiert.

Ergebnis der Umsetzung von Fehlingscher Lösung und Tollens-Reagenz mit Aldosen und Ketosen CHO H HO

COOH OH H

H HO

blauer Cu®* Komplex, HO“, H,O (Fehling-Lösung)

OH

CuO

+

ziegelroter

OH

OH

Niederschlag

H

H

OH

H

OH

CH>OH

CH>0H

D-Glucose

D-Gluconsäure

(eine Aldonsäure)

In

00 I| Auge

Ag’, NH{ "OH, H,O

CHE, eine Ketose

Kuno Silberspiegel

eine a&-Dicarbonylverbindung

Bei diesen Reaktionen werden die Aldosen in Aldonsäuren, die Ketosen in a-Dicarbonylverbindungen überführt. Zucker, bei denen diese Tests positiv verlaufen, bezeichnet man als reduzierende Zucker.

Die Oxidation von Aldosen kann Mono- oder Dicarbonsäuren ergeben Aldonsäuren lassen sich in präparativem Maßstab durch Oxidation der Aldosen mit Brom in gepufferter wäßriger Lösung (pH = 5-6) darstellen. So erhält man aus D-Mannose auf diese Weise D-Mannonsäure. Darstellung einer Aldonsäure CHO

COOH

HO

H

HO

H Br, , H,O

HO—

H

HO

H

H

DET er

oh

OH

H

OH

H

OH

CH,OH D-Mannose

CH>0OH 75% D-Mannonsäure

Beim Abdampfen des Lösungsmittels aus der wäßrigen Lösung einer Aldonsäure bildet sich spontan das y-Lacton (s. Abschn. 20.5).

1192

Dehydratisierung einer Aldonsäure zu einem Aldonolacton

24.5 Oxidative Spaltung von Zuckern

Ö

3

Re

HO

H

HO

H

|

HO—C—H_O

OÖ

oder

H OH

CH;OH

CH>OH

z

p-Mannonsäure

83% p-Mannono-y-lacton

Übung 24-11

CHO

Man kann einen Mechanismus für die Überführung von Mannose in Mannono-y-lacton durch direkte Oxidation der ß-Mannopyranose formulieren. Welche Gruppe müßte dann oxidiert werden, und welches Zwischenprodukt entsteht zunächst? (Hinweis: Wiederholen Sie die Reaktionen der cyclischen Halbacetale aus Abschn. 17.8 und die Umesterungen aus Abschn. 20.5).

HO

H

OH

Unter energischeren Bedingungen wird neben der Aldehydgruppe auch die primäre Alkoholfunktion oxidiert. Die entstandene Dicarbonsäure nennt man Aldarsäure oder Zuckersäure. Diese Oxidation

H

OH

läßt sich mit warmer

verdünnter

wäßriger

(s. Abschn. 19.6). Am Rand ist dies am D-Mannose zu D-Mannarsäure gezeigt.

Salpetersäure

HO

CH,;OH

durchführen

Beispiel der Oxidation

H "u esr

5. Mannose

von

ee), Pe

Übung 24-12

COOH

Die beiden Zucker pD-Allose und D-Glucose (s. Abb. 24-1) unterscheiden sich nur in der Konfiguration an C3 voneinander. Wenn Sie von beiden eine Probe haben und nicht wissen,

welcher

welcher

ist, Ihnen

fügung stehen, wie könnten die Oxidationsprodukte.

aber

ein

Polarimeter

und

Sie die beiden unterscheiden?

Salpetersäure

Hinweis:

zur

Formulieren

HO

Ver-

Sie

s

Zusammengefaßt gilt, daß das chemische Verhalten der Zucker im großen und ganzen dem entspricht, das man für Carbonylverbindungen mit mehreren Hydroxysubstituenten erwarten würde. Bei der Oxidation der Aldehydgruppe der Aldosen (mit Br,) entstehen Aldonsäuren, mit einem stärkeren Oxidationsmittel (HNO;) erhält man Aldarsäuren.

H |

HO

H

H——

OH

H

OH

COOH 44% p-Mannarsäure

24.5 Oxıdative Spaltung von Zuckern Die Oxidationsmethoden für Zucker, die wir bisher beschrieben haben, ändern das Kohlenstoffgerüst des betreffenden Moleküls nicht. Ein Reagenz,

das

zum

Aufbrechen

von

Periodsäure, HIO,. Diese Verbindung Carbonylverbindungen ab.

C—C-Bindungen

führt,

ist die

baut vicinale Diole oxidativ zu

Oxidative Spaltung von vicinalen Diolen durch Periodsäure

|

OH

HN.

”H

CH

HIO, , H5O

(

CH Ö 71%

cis-1,2-Cyelohexandiol

Hexandial

1193

24

Kohlenhydrate

Der Mechanismus der Umsetzung verläuft über einen cyclischen Periodsäureester, der über einen aromatischen Sechs-Elektronen-Übergangszustand zerfällt. Mechanismus der Periodsäurespaltung von vicinalen Diolen

|

ne gG

|

ae I=0

+ Ho, —— "

-1m0

A

—2

Q

|

\ “

\c=0+ HIO

;

cyclischer Periodsäureester

Da in den meisten Zuckern mehrere Paare von vicinalen Diolen enthalten sind, können bei der Oxidation mit HIO, komplexe Produktgemische entstehen. Gibt man genügend Oxidationsmittel hinzu, wird die Kette bis zu Ein-Kohlenstoff-Verbindungen vollständig abgebaut. Dieses Verfahren hat man zur Konstitutionsaufklärung von Zuckern verwendet. So entstehen z.B. beim Behandeln von Glucose mit fünf Äquivalenten HIO, fünf Äquivalente Methansäure (Ameisensäure) und ein Äquivalent Methanal (Formaldehyd). Beim entsprechenden Abbau der isomeren Fructose wird die gleiche Menge Oxidationsmittel verbraucht, als Produkte entstehen aber drei Äquivalente der Säure, zwei Äquivalente Aldehyd und ein Äquivalent Kohlendioxid. Abbau

von Zuckern mit Periodsäure

CHO H

CH;OH

OH

16)

HO

OÖ

F

OH

H——OH c H>0H

5 HIO4 oo

5 HCOH &

OÖ

+

| HCH

HO r

2a OH

von C6

von Ci

H

bis C5

hm

——

3 HCOH von C3 bis

OH CH>OH

D-Glucose

| + 2 HCH von C1 und C6

+ CO, von C2

5

D-Fructose

Wie läßt sich das erklären? Zunächst können im Laufe der Reaktion unterschiedliche Typen von oxidierbaren Kohlenstoff-Einheiten entstehen. Eine endständige Hydroxymethylgruppe in Nachbarstellung zu einem anderen hydroxylierten Kohlenstoffatom (diese Anordnung findet sich immer an einem Ende der Kette eines Monosaccharids) kann zu Methanal (Formaldehyd) und der um ein Kohlenstoffatom kürzeren Aldose oxidiert werden:

Hs CH>OH de

H

ZEN

Gl

Die Oxidationsprodukte eines Zuckers mit einer endständigen Aldehydgruppe (die in einer Aldose oder in einem Zwischenprodukt der Oxidation vorliegt) ergeben sich aus der entsprechenden hydratisierten Form, dem geminalen Diol, mit dem die Aldehydgruppe im Gleichgewicht steht (s. Abschn. 17.4 u. 17.5). Bei der oxidativen Spaltung entstehen Methansäure (Ameisensäure) und eine neue, um ein Kohlenstoffatom kürzere Aldose. 1194

24.5

Au

ac

\

aa

d

BIN

OH

HIO,,

Me

0

Oxidative Spaltung von Zuckern

"“ No

|

OH

Schließlich ergibt eine terminale Hydroxymethylgruppe mit einer dazu benachbarten Carbonylfunktion (wie in der Fructose) bei der oxidativen Spaltung Methanal (Formaldehyd) und eine Carbonsäure. Auch diese Reaktion verläuft über das geminale Diol.

H H

en

C=0

On

OH +

HO—C--OH

CH>OH

CH>OH

Jc-0

H

C H07 ‘oO

Enthält die entstandene Säure eine a-Hydroxygruppe, entstehen bei weiterer Oxidation Kohlendioxid und ein Aldehyd, der weiter abgebaut werden

kann.

HIO4 H—C—OH — CC Ho gt )

+0=(=

Hieraus ergibt sich, daß (1) zur Spaltung jeder C—C-Bindung im Zucker ein Molekül HIO, verbraucht wird; (2) jede Aldehyd-Einheit über das geminale Diol ein Äquivalent Methansäure (Ameisensäure) ergibt und (3) die primäre Hydroxyfunktion zu Methanal (Formaldehyd), die Carbonylfunktion der Ketosen zu CO, oxidiert wird. Die

Anzahl

der

Äquivalente

Periodsäure,

die

verbraucht

werden,

hängt von der Molekülgröße ab, aus dem Verhältnis der Oxidationsprodukte kann man auf die Zahl und die Anordnung der Hydroxy- und

Carbonylgruppen schließen. | Übung 24-13 Geben Sie die Produkte (und ihr Mengenverhältnis) an, die beim Behandeln der folgenden Verbindungen mit HIO, entstehen, falls überhaupt eine Reaktion stattfindet: (a) 1,2-Ethandiol (Ethylenglycol); (b) 1,2-Propandiol; (c) 1,2,3-Propantriol; (d) 1,3-Propandiol; (e) 2,4-Dihydroxy-3,3-dimethyleyclobutanon; (f) D-Threose.

U Übung 24-14 Könnte man die folgenden Zucker über einen Abbau mit HIO, unterscheiden? Erklären Sie Ihre Antwort.

(Entnehmen

Sie die Formeln den Abb. 24-1 und 24-2.) (a) D-Arabi-

nose und D-Glucose; (b) D-Erythrose und D-Erythrulose; (c) D-Glucose und D-Mannose.

Fassen wir zusammen: Bei der oxidativen Spaltung mit Periodsäure wird das Grundgerüst der Zucker zu Ameisensäure, Formaldehyd und CO, abgebaut. Das Mengenverhältnis, in dem diese Produkte gebildet werden, hängt von der Konstitution des Zuckers ab. 1195

zur Eollealiydiete

24.6 Reduktion von Monosacchariden zu Alditolen Aldosen und Ketosen lassen sich durch dieselben Reduktionsmittel reduzieren, die auch Aldehyde und Ketone in Alkohole überführen. Die entstandenen Polyhydroxyverbindungen bezeichnet man als Alditole. So ergibt z.B. D-Glucose beim Behandeln mit Natriumborhydrid p-Glucitol (andere Bezeichnungen sind D-Glucit, D-Sorbitol, D-Sorbit). Das Hydrid-Reagenz fängt die im Gleichgewicht vorliegende kleine Menge der offenkettigen Form des Zuckers ab, wodurch das Gleichgewicht von der cyclischen Halbacetalform zum Produkt hin verschoben wird.

Darstellung eines Alditols CHO

CHOH

HOF

NN

_g

H

en

rn

RER

er

OH | H

HCHOH

OH

HO

H

H NaBH,, CH3OH

H

HO

H

H—t--OH

H

OH

H

H

OH

Po CH>OH

CH>OH

D-Glucose

D-Glucitol (»-Sorbitol)

Viele Alditole kommen in der Natur vor. D-Glucitol findet man in rotem Seetang in Konzentrationen bis zu 14%, außerdem in vielen Beeren

(nicht

aber

in Weinbeeren),

und Äpfeln. Technisch

stellt man

in Kirschen,

Pflaumen,

Birnen

es durch Hochdruckhydrierung

von

Glucose oder durch elektrochemische Reduktion her. ] Übung 24-15 (a) Bei der Reduktion der p-Ribose mit Natriumborhydrid entsteht ein Produkt, das nicht optisch aktiv ist. Geben Sie hierfür eine Erklärung. (b) Bei einer ähnlichen Reduktion der D-Fructose bilden sich zwei optisch aktive Produkte. Warum?

Fassen wir zusammen: Bei der Reduktion der Carbonylfunktion der Aldosen und Ketosen (z.B. durch NaBH,) entstehen Alditole.

Kasten 24-1

Glucitol (Sorbit) als Süßstoff

D-Glucitol (D-Sorbit) hat etwa 60% von

normalem

Haushaltszucker

der Süßkraft

(Saccharose,

s.

Abschn. 24.11) und wird häufig zum Süßen von Bonbons und Kaugummi verwendet. Sie werden vielleicht überrascht sein, daß diese Verbindung kein kalorienarmer Süßstoff ist. Tatsächlich ist der physiologische Brennwert von Glucitol etwa so groß wie der von Saccharose! Der Vorteil von Glucitol liegt darin, daß die Bakterien, die für die

Entstehung

von

Karies

verantwortlich

sind,

nicht in der Lage sind, Glucitol zu metabolisieren. Außerdem entsteht beim Abbau von Glucitol im

1196

Körper hauptsächlich CO,. Daher enthalten diätetische Lebensmittel für Diabetiker häufig Glucitol anstelle von Saccharose, die zu Glucose metabolisiert wird. Weitere Anwendungen dieser Substanz nutzen die Eigenschaften ihrer wässerigen Lösungen aus. Hochkonzentrierte Glucitol-Lösungen sind viskos, haben niedrige Erstarrungspunkte und halten die Feuchtigkeit. Sie werden daher in Frostschutzmitteln eingesetzt. Glucitol wird auch zur Verbesserung der Fließ- und Trockeneigenschaften von

Tinten und Druckfarben verwendet.

24.7 Kondensationsreaktionen von Carbonylgruppen mit Aminderivaten

24.7

Kondensationsreaktionen

von Carbonylgruppen mit Aminderivaten

Wie erwartet, reagiert die Carbonylfunktion der Aldosen und Ketosen mit Aminderivaten (s. Abschn. 17.9). So erhält man durch Behandlung von D-Mannose mit Phenylhydrazin das entsprechende D-Mannose-Phenylhydrazon. Überraschenderweise bleibt die Reaktion nicht auf dieser Stufe stehen, sondern läuft weiter, wenn man zwei weitere Äquivalente Phenylhydrazin hinzugibt. Als Endprodukt entsteht ein Di-Phenylhydrazon, ein Phenylosazon. Außerdem entstehen pro Formelumsatz je ein Äquivalent Benzolamin (Anilin), Ammoniak und Wasser. Bildung von Phenylhydrazonen und Phenylosazonen

H

NLH

(6) H

HO

H CoHsNHNH,),

CH5CH3OH, BEER

HO FI

H

- #30

OH

N—NHC,H6445

NW4

HO

2 C6HsNHNHS, CH3CH>0H, A

0

3%

HO

- H,O

CH>OH 95%

75%

ein Phenylosazon

b-Mannose-

p-Mannose

H OH

H

CH;>OH

CH,OH

\

LH,

OH

NH, i

H

N—NHC;H6F15

en

a

— C6HsNH37,

H

OH

H

Phenylhydrazon

Obwohl der genaue Mechanismus der Osazonbildung noch nicht vollständig aufgeklärt ist, ist im folgenden Schema ein möglicher Reaktions-

weg gezeigt. Wenn sie erst einmal gebildet sind, reagieren die Osazone auch mit einem UÜberschuß Phenylhydrazin nicht weiter, sondern sind unter den Reaktionsbedingungen stabil. Mechanismus der Phenylosazon-Bildung

ua

H—-C--OH

CHN-NHCHH;

CH—N—NHCSH;>

N

}

jtür a

CH=N—NHC5H;

CH=NH

C

=

EEE

—CoHsNHE

N—NHCEH 5

- H50

RT No

ee R

C6HSNHNH; |

N

Rl- NoH

2

a

Dr

|

CH=N—NHC,H5

C R

CHHSNHNH>

N—NHC,Hs

eg.

H>NH

En

ee

N

R

N—NHCSH3

Historisch bedeutete die Entdeckung der Osazonbildung einen entscheidenden Schritt bei der Entwicklung der praktischen Zuckerchemie. Zucker kristallisieren nämlich, wie viele andere Polyhydroxyverbindungen auch, aus Sirupen außerordentlich schlecht aus. Ihre Osazone bilden andererseits sehr leicht gelbe Kristalle mit scharfem Schmelzpunkt, wodurch die Isolierung und Charakterisierung vieler Zucker vereinfacht wird, insbesondere, wenn sie als Gemisch vorliegen oder sonstwie verunreinigt sind. 1197

24

Kohlenhydrate

Ü Übung 24-16 '

Vergleichen Sie die Formeln der Phenylosazone von D-Glucose, D-Mannose und p-Fructose. Fällt Ihnen irgendetwas auf?

Kurz zusammengefaßt: Ein Äquivalent Phenylhydrazin überführt einen Zucker in das entsprechende Phenylhydrazon. Ein Überschuß an Phenylhydrazin oxidiert das zum Phenylhydrazon benachbarte Kohlenstoffatom, wobei ein Osazon entsteht.

24.8 Bildung von Estern und Ethern: Glycoside Aufgrund ihrer vielen Hydroxygruppen können Zucker in unterschiedliche Alkoholderivate überführt werden. In diesem Abschnitt untersuchen wir die Bildung einfacher Ester und Ether von Monosacchariden und von Reaktionen,

die selektiv am anomeren

Kohlenstoffatom

ablaufen.

Zucker lassen sich verestern und methylieren Die Ester der Monosaccharide werden nach Standardmethoden dargestellt (s. Abschn. 19.9, 20.2 u. 20.3). Ein Überschuß Reagenz verestert alle Hydroxygruppen, einschließlich der Halbacetalfunktion. Acetanhydrid reagiert z.B. mit B-D-Glucopyranose zum Pentaacetat. Vollständige Veresterung der Glucose CH;0OH HO |

|

OH + 5 CH.COCCH,

HO

idin,

0°C,

24h

Fa — 5 CH;COOH

ß-D-Glucopyranose

| CH>OCCH;

| CH;CO CH;CO

o OCCH3

on

OÖ

O=C

CH;

4

91% ß-D-Glucopyranose-Pentaethanoat

Unter den Bedingungen einer Williamson-Ethersynthese wird entsprechend eine vollständige Methylierung erreicht (s. Abschn. 9.6). Vollständige Methylierung einer Pyranose

4 CH;O bocı,NaOH

CHOsON TUT — 4 HOH

)

OCH3

OCH; 70% ß-p-Ribopyranose

1198

ß-p-Ribopyranose-Tetramethylether

Die Acetalfunktion läßt sich dann selektiv zum Halbacetal hydrolysieren (s. Abschn. 17.7).

24.8 Bildung von Estern und Ethern: Glycoside

Selektive Hydrolyse eines Acetals in Gegenwart von Ethergruppen

Ö

CH3O

2

OCH3

OCH;

O

8% Hcı, non, a, CH30 iamen

+ CH;OH

OCH;

H

ÖCH;

OCH;

OH

67% p-Ribopyranose-Trimethylether Gemisch aus d- und ß-Form

Das Umgekehrte ist ebenfalls möglich; man kann die Halbacetal-Einheit selektiv in das Acetal überführen. So entstehen beim Behandeln von D-Glucose mit saurer methanolischer Lösung beide Methylacetale. Zuckeracetale bezeichnet man als Glycoside, Glucose bildet also Glucoside. Selektive Darstellung eines Glycosids (Zuckeracetals)

CHOR

_o

ur

_CH3ON, 0.25% HC, H3O | — HOH

HO

OH

OH

&- oder ß-D-Glucopyranose

CH>OH

CH>OH Me

EN,

NER

een

Smp. 166 °C, [a]

Da

das

anomere

Kohlenstoffatom

in den

DENE

"= +158°

Glycosiden

weT,ranosid

Smp. 105°C, [a2° = —33°

blockiert

ist,

zeigen sie in Abwesenheit von Säure keine Mutarotation, der Test mit Fehlingscher Lösung und Tollens-Reagenz fällt negativ aus (sie sind nicht reduzierende Zucker), und sie sind indifferent gegenüber Reagenzien, die Carbonylgruppen angreifen. Bei Synthesen und Konstitutionsaufklärungen ist es oft sehr wichtig, die Halbacetalgruppe auf diese Weise als Acetal zu schützen (s. Übung 24-19).

Übung 24-17 Unabhängig davon, ob man von a- oder ß-D-Glucose ausgeht, erhält man bei der Methylierung mit saurer Methanollösung stets ein Gemisch der beiden Glucoside in demselben Stoffmengenverhältnis. Warum?

Übung 24-18 Zeichnen Sie die Struktur von Methyl-a-D-arabinofuranosid. |

Übung 24-19

|

r

SS:

RT

Methyl-a-D-glucopyranosid verbraucht bei der oxidativen Spaltung zwei Aquivalente HIO,, und es entsteht jeweils ein Äquivalent Methansäure (Ameisensäure) und Dialdehyd A (s. Rand). Ein unbekanntes Aldopentomethylfuranosid reagiert mit einem Äquivalent HIO, zu A. Es entsteht keine Methansäure (Ameisensäure). Schlagen Sie eine Konstitution für die unbekannte Verbindung vor. Gibt es mehr als eine Lösung?

HOH>C

Ö

a OLC—E

H

„H

% ez=CHo | OCH3

A

1199

Kasten 24-2

!SF-Markierte Glucose als Radiotracer: Visualisierung des menschlichen Gehirns

6) |

|

HO 1. K"F 2. HCI, H,O

ca,LoON N ON 00H; Ö

|

HO

en

\ Di

Sl)

=

HOoN_—T N OH ISR

ß-»-Mannopyranose1,3,4,6-tetraacetat-2-triflat

2-Desoxy-2-]| "°F ]flour-D-glucose (nur das B-Anomer ist dargestellt)

(Tf = Triflourmethansulfonyl-Gruppe, CF,SO,)

[F]fluor-D-glucose

([F]FDG).

Die

Synthese

Positronenemissionstomographie (PET) ist eine wirkungsvolle Methode in der Medizin, um den Transport chemischer Substanzen durch die Organe des Körpers zu studieren. Biochemisch aktive Substanzen werden mit radioaktiven Isotopen gewöhnlich vorkommender Elemente, die unter Positronenemission zerfallen, markiert. Der

[F]FDG wird wie Glucose in die Zellen transportiert, kann aber vom Körper nicht abgebaut

PET-Scanner

werden

detektiert

die Photonen,

Positron-Elektron-Paarvernichtung

die infolge

auftreten.

Die

im allgemeinen dafür genutzten Isotope (''C, "N, 5O und "®F) haben eine vergleichsweise kurze Halbwertszeit, und die Photonenabstrahlung ist selbst bei geringer Konzentration leicht detektierbar. Daher ist diese Methode sehr empfindlich, und die Strahlungsdosis, der der Körper ausgesetzt wird, kann sehr gering gehalten werden.

Das Isotop '"F kann leicht aus H,'°O dargestellt werden, hat die längste und passendste Halbwertszeit dieser Gruppe (110 min) und zerfällt mit der geringsten Energieabgabe zu !®O. Es ist daher das Isotop der Wahl für viele medizinische Anwendungen. Das am häufigsten genutzte Radiotracer-Molekül für PET-Scan-Studien ist 2-Desoxy-2-

erfolgt durch die Umwandlung der 2-Hydroxygruppe der entsprechend geschützten D-Mannose in eine gute Abgangsgruppe und anschließende

Sy2-Reaktion

mit

einem

["®F]Fluorid-Ion.

und verbleibt so, „gefangen“, bis der ISE_

Zerfall einsetzt. Durch die Einführung kleiner Mengen ["®F]FDG in den Körper kann Glucose in den Zellen, in denen sie abgebaut werden sollte, mit Hilfe der PET-Technik lokalisiert werden. Falschfarben-Darstellungen veranschaulichen

die Regionen mit einem niedrigem Glucosemetabolismus in blau, solche mit hohem Glucoseumsatz in rot und weiß. Die drei unten gezeigten PET-Scans zeigen den relativen Glucoseumsatz im Gehirn eines gesunden Erwachsenen (links) und eines Erwachsenen mit gemäßigter (Mitte) und schwerer (rechts) Alzheimer-Krankheit. Die letzten beiden Bilder verdeutlichen die Degeneration von neuralem Gewebe bei fortschreitender Krankheit.

PET-Darstellungen der 'F-markierten 2-Desoxy-2-fluor-D-glucose im Gehirn eines gesunden Erwachsenen (links) und eines Erwachsenen mit moderater (Mitte) und schwerer (rechts) Alzheimer-Krankheit.

Benachbarte Hydroxygruppen von Zuckern können cyclische Ether und Ester bilden Die Nachbarstellung von Hydroxygruppen in den Zuckern ermöglicht die Bildung cyclischer Ether und Esterderivate. So ist es z.B. möglich, fünf- oder sechsgliedrige cyclische Zuckeracetale aus den vicinalen Hydroxygruppen und auch den ß-Dioleinheiten durch Behandeln mit Carbonylverbindungen (s. Abschn. 17.8) und cyclische Carbonate durch Umsetzung mit Phosgen, COC] (s. Abschn. 20.5), zu synthetisieren.

1200

Bildung cyclischer Acetale und Carbonate aus vicinalen Diolen

H,C

Ne4

24.8 Bildung von Estern und Ethern: Glycoside

:EDICHs

KohN

ee

Pen

H'

Ir TE: 25 ar CH;CCH;

—_—

Fi

ere

ax H>0

Propanon-(Aceton-) Acetal

OÖ

N

OH OH — Cl |

ie ?

1 +

|

N Cl

—

“Oo

—(.-[-

+2HCl

Cl

cyclisches Carbonat

Diese Umsetzungen verlaufen am besten, wenn beide Hydroxygruppen cis-ständig sind, da auf diese Weise ein relativ wenig gespannter Ring entsteht. So wird z.B. ß-D-Arabinopyranose mit einem Überschuß von Propanon (Aceton) in Gegenwart von Säure in das Diacetal überführt. HO

ar

OÖ ON

on _CH3COCHA,

H H'

wer

OH PERTTReT - Er DRREIE

Ha, Rz

H>O Foot

HO

H

ß-p-Arabinpyranose

PPERERESE

RER.

Monoacetal

2xCH; er

O

CH; ß-D-ArabinopyranoseDiacetal

Will man an einer bestimmten Alkoholgruppe eines Zuckers eine selektive Umsetzung, wie die Oxidation zur Carbonylverbindung, die Überführung in eine Abgangsgruppe oder eine Eliminierung durchführen, überführt man häufig vorher die übrigen Hydroxygruppen in cyclische Acetale oder Ester, um sie vor dem Angriff des Reagenzes zu schützen. Übung 24-20 Schlagen sie eine brauchbare D-Galactose vor.

HO Synthese

für die Darstellung

von

Verbindung

A aus

Lassen Sie uns zusammenfassen: Die verschiedenen Hydroxygruppen der Zucker lassen sich verestern oder verethern. Die Halbacetalfunktion kann selektiv als Acetal, auch Glycosid genannt, geschützt werden. Schließlich können die verschiedenen Dioleinheiten des Zuckergerüsts bei geeigneter sterischer Anordnung zu cyclischen Acetalen verknüpft werden.

CH>Br

HO

o

OH

1201

24

Kohlenhydrate

24.9 Stufenweiser Auf- und Abbau von Zuckern Durch Kettenverlängerungs- und Verkürzungsreaktionen lassen sich längere Zucker in kürzere und umgekehrt überführen. Diese Umsetzungen kann man auch dazu benutzen, die Strukturen verschiedener Zucker miteinander zu korrelieren. Dieses Verfahren hat Emil Fischer angewendet, um die relative Konfiguration aller Chiralitätszentren der Aldosen aus Abb. 24-1 zu bestimmen.

Kettenverlängerung: Kiliani-Fischer-Synthese In der (modifizierten) Kiliani-Fischer“-Synthese der Zucker wird eine Aldose zunächst mit HCN behandelt, wobei das entsprechende Cyanhydrin entsteht (s. Abschn. 17.11). Da bei dieser Umsetzung ein neues Chiralitätszentrum entsteht, bilden sich zwei Diastereomere.

nung *

der Diastereomeren

Heinrich Kiliani, s. Abschn. 5.4.

1855-1945,

und

partieller

Professor

an

der

Reduktion Universität

Nach Tren-

der Nitrilgruppe

Freiburg;

Emil

Fischer

Kasten 24-3

Biosynthese von Zuckern

In der Natur entstehen die Kohlenhydrate hauptsächlich über eine als Photosynthese bezeichnete Folge von Reaktionen. Bei diesem Prozeß wird Sonnenlicht von den Chlorophyli-Molekülen grüner Pflanzen absorbiert, und die dabei gewonnene photochemische Energie zur Überführung von Kohlendioxid und Wasser in Sauerstoff und Glucose verwendet. Photosynthese von Glucose in grünen Pflanzen

6CO,+6H,0

Sonnenlicht, Chlorophyll beim Abbau freiwerdende Energie

C,(H,0); + 6 O; Glucose

Der detaillierte Mechanismus dieser Umsetzung ist kompliziert und verläuft über viele Stufen. Im

ersten Schritt erfolgt die Absorption eines Lichtquants durch das ausgedehnte n-System (s. Kap. 14) des Chlorophylis. Der Mechanismus des enzymatischen Abbaus der Kohlenhydrate war und ist immer noch Gegenstand intensiver Forschungen. Der Kreislauf der Photosynthese und des Kohlenhydratabbaus ist ein schönes Beispiel dafür, wie die Natur ihre Resourcen immer wieder verwendet. Als erstes werden

ser frei, wobei

Kohlendioxid

und Sonnen-

etwa

dieselbe

Menge

Sauerstoff,

die ursprünglich frei wurde, verbraucht wird.

Chlorophyll A

1202

Wasser,

energie in chemische Energie und Sauerstoff umgewandelt. Braucht der Organismus etwas von der gespeicherten Energie, setzt er diese durch Überführung der Kohlenhydrate in CO, und Was-

durch katalytische Hydrierung in saurer wäßriger Lösung erhält man die Aldehydgruppen der Zucker mit der um ein Kohlenstoffatom verlängerten Kette. Die erhaltenen Diastereomere, die sich nur in der Konfiguration an C2 unterscheiden, bezeichnet man als Epimere. (Zuweilen werden auch diastereomere Monosaccharide, die sich in der Könfiguration an einem anderen C-Atom unterscheiden, als Epimere bezeichnet. Dann setzt man jedoch gewöhnlich die Nummer des betreffenden Kohlenstoffatoms voraus und spricht von einem 3-Epimer, usw.) Bei dieser Hydrierung verwendet man einen modifizierten Palladiumkatalysator (ähnlich dem Lindlar-Katalysator, s. Abschn. 13.7) an dem das Nitril selektiv zum Imin reduziert wird. Bei Verwendung eines anderen Katalysators würde die Reduktion bis hin zum Amin erfolgen (s. Abschn. 20.8 u. 21.6).

24.9

Stufenweiser Auf- und Abbau von Zuckern

Kiliani-Fischer-Synthese von Zuckern Schritt

1

Bildung des Cyanhydrins neues Chiralitätszentrum

HC=O H—-0H HO H

mn Non H H HO—+—H #5 u—-0H+ u OH HO H Ho H zwei neue diastereomere Nitrile

Schritt 2 gezeigt)

Reduktion

und

Hydrolyse

(es ist nur

C=N

Diastereomer

HC=NH

OH OH

ein

H; , Pd/BaSO,, H",+ H,O, 400 kPa

H

OH

H

OH

HC=O H a H2

x

H

= NH3H

—H

HO

H Imin

HO Zucker mit verlängerter Kette

Übung 24-21 =

Welche Produkte entstehen bei der Kiliani-Fischer-Kettenverlängerung von (a) D-Erythrose und (b) D-Arabinose?

Kettenverkürzung: Wohl- und Ruff-Abbau Ebenso wie es über die Kiliani-Fischer-Synthese möglich ist, die Kette eines Zuckers um jeweils ein Kohlenstoffatom zu verlängern, läßt sich ein Zucker über dazu komplementäre Strategien Stück für Stück . abbauen. Diese Umsetzungen bezeichnet man als Wohl*- und Ruff“*Abbau. Bei beiden Verfahren wird die Carbonylgruppe einer Aldose abgespalten und gleichzeitig das zur ihr benachbarte Kohlenstoffatom zur Aldehydfunktion des neuen Zuckers oxidiert. Der Wohl-Abbau ist im Prinzip die Umkehrung der Kiliani-FischerSynthese. Die Aldehydgruppe der Aldose wird hierbei zunächst durch

* **

Alfred Wohl, 1863-1933, Professor an der Universität Danzig. Otto Ruff, 1871-1939, Professor an der Universität Danzig.

1203

24

Kohlenhydrate

Kondensation mit Hydroxylamin in ein Oxim überführt. Die anschließende vollständige Veresterung mit Ethansäureanhydrid (Acetanhydrid) ergibt als Zwischenprodukt ein Polyethanoyl-Derivat. Wohl-Abbau

von p-Gulose

|

bN

HO=O

HC=N—OH

H

OH

H

OH

H

OH

H

OH

| 6 CH3C OCCH3

-

H

—- 6 CHxCOH

H50

H

OH

—

CH3COOH

—OH

|

CH>ÖOH

CH>OH

CH>0OCCH;

69% D-Gulose

D-Gulose-Oxim

D-Gulose-OximHexaethanoat

C=N OÖ

|

H

==N

OCCH3

OH

| H

OCCH3

OÖ

- 5 CH»COOCH;

|

CH;CC

H

m

H

OH

CH3OH, CH3O”Na* H

—H H

OCCH;

OH

CH>,0OH

[6] CH,OCCH3

D-Xylose-CyanhydrinPentaacetat

D-XyloseCyanhydrin

Diese Verbindung ist instabil und eliminiert Ethansäure (Essigsäure) unter Bildung des entsprechenden Nitrils. Die Estergruppen lassen sich dann durch Umesterung mit Natriummethoxid entfernen; unter diesen Bedingungen zerfällt das entstandene freie Cyanhydrin spontan in den um ein Kohlenstoffatom kürzeren Zucker. Der Ruff-Abbau verläuft anders — bei ihm handelt es sich um ein oxidatives Decarboxylierungsverfahren. Zunächst oxidiert man den Zucker unter Standardbedingungen zur Aldonsäure. Die Umsetzung mit Wasserstoffperoxid in Gegenwart von Eisen(IIl)-Ionen führt dann zur Abspaltung der Carboxygruppe und zur Oxidation des neuen endständigen Kohlenstoffatoms zur nächstniederen Aldose. Der Mechanismus dieser Decarboxylierung ähnelt dem in Abschn. 19.13 beschriebenen. Wegen der Empfindlichkeit der Produkte gegenüber den Reaktionsbedingungen sind die Ausbeuten bei beiden Abbaureaktionen ziemlich gering. Dennoch haben sie bei der Strukturaufklärung der Zucker eine wichtige Rolle gespielt. Als erster führte Emil Fischer solche Studien zur Bestimmung der relativen Konfiguration der Monosaccharide durch 1204

(der Fischersche Konfigurationsbeweis). Im nächsten Abschnitt wollen wir uns etwas genauer mit den logischen Grundlagen, die hinter Fischers Lösungsansatz stehen, befassen.

Ruff-Abbau von Zuckern

HC=O H

-—-OH

ı Der Ruff-Abbau zweier D-Pentosen mit gleicher Anzahl von Kohlenstoffatomen A und ı B ergibt zwei neue Zucker C und D. Bei der Oxidation von C mit HNO; entsteht neso-2,3-Dihydroxybutandisäure (Weinsäure), bei der von D eine optisch aktive Säure. Bei der Oxidation von A oder B mit HNO; Identifizieren Sie A, B, Cund D.

bilden

sich optisch aktive

-Aldarsäuren.

| Br,,

Wir fassen zusammen: Man kann Zucker aus anderen Zuckern durch stufenweise Ein-Kohlenstoff-Kettenverlängerung (Kiliani-Fischer-Synthese) oder -verkürzung (Wohl- und Ruff-Abbau) darstellen.

24.10 Relative Konfiguration der Aldosen: Eine Übung zur Strukturbestimmung Stellen Sie sich vor, jemand stellt vierzehn hin, und in jedem dieser Gläschen

Präparategläschen

H>0

COOH

Immun

9

|

Fe?*, 4:03

14,0

HC=O vor Sie

befindet sich eine der Tetrosen,

Pen-

tosen und Hexosen aus Abb. 24-1. Wie würden Sie die Identität jeder Verbindung bestimmen? Vor dieser Aufgabe stand Fischer Ende des neunzehnten Jahrhunderts, als den Chemikern noch keine modernen Spektrometer zur Verfügung standen. Fischer zeigte, wie sich dieses Problem ohne spektroskopische Methoden allein durch eine Kombination von chemischen Reaktionen und die logische Interpretation ihrer Ergebnisse lösen läßt. Er mußte nur eine Annahme machen: er ordnete willkürlich dem rechtsdrehenden 2,3-Dihydroxypropanal (Glycerinaldehyd) die D-Konfiguration (und nicht die seines Spiegelbilds) zu. Diese Annahme läßt sich nur mit Hilfe der Röntgenstrukturanalyse beweisen, und dies gelang 1950, lange nach Fischers Tod, tatsächlich. [Die Röntgenstrukturanalyse wurde allerdings nicht am (R)-2,3-Dihydroxypropanal (p-Glycerinaldehyd) selbst, sondern an der optisch aktiven 2,3-Dihydroxybutandisäure (Weinsäure) durchgeführt, mit der der Aldehyd über die D-Threose korreliert werden kann.]| Fischer postulierte einfach, daß (+)-2,3-Dihydroxypropanal [(+)-Glycerinaldehyd] diese Konfiguration besäße und hatte glücklicherweise recht, andernfalls müßte man heutzutage alle Verbindungen aus Abb. 24-1 spiegelverkehrt zeichnen. Damals war es jedoch viel wichtiger, die relative Konfiguration an allen Chiralitätszentren zu bestimmen und jedem einzelnen Zucker eine nur für ihn gültige Sequenz dieser Zentren im Kohlenstoffgerüst zuzuordnen.

an

Die Konfigurationen der Aldosen mit vier oder fünf Kohlenstoffatomen lassen sich mit Hilfe der optischen Aktivität der entsprechenden Aldarsäuren bestimmen Da wir die richtige Konfiguration von (R)-2,3-Dihydroxypropanal (nGlycerinaldehyd) kennen, sind wir nun in der Lage, die Konfigurationen aller höheren D-Aldosen eindeutig zu beweisen. (Nehmen Sie, falls nötig, Abb. 24-1 zur Hilfe, wenn Sie der Beweisführung folgen.) Zunächst führen wir am D-Glycerinaldehyd eine Kiliani-Fischer-Kettenverlängerung durch, wobei zwei neue isomere Zucker entstehen. Nach Trennung und Oxidation mit Salpetersäure erhält man aus dem einen Produkt meso-2,3-Dihydroxybutansäure (meso-Weinsäure), aus dem anderen eine optisch aktive Säure. Beim ersten Isomer muß es sich 1205

CHO

daher um o-Erythrose, beim zweiten um D-Threose handeln. Beachten Sie, daß die absolute Konfiguration am vorletzten Kohlenstoffatom in beiden Zuckern und im Ausgangsmaterial, dem (R)-2,3-Dihydroxypropanal (D-Glycerinaldehyd) dieselbe ist. Dies gilt, wie wir wissen, für alle D-Zucker. Beide Zucker unterscheiden sich in ihrer Konfiguration

R

A u5 H—l-oH

CH,OH

an C2, sind also Epimere. D-Erythrose hat 2R-, D-Threose 25-Konfigu-

D-Erythrose

ration.

|HNO,

Nehmen

DIESE TTOEHBRNTO

wir nun D-Erythrose

CHO

HA

da wir

CHO

OH

——H

HO

als neue Ausgangsverbindung,

ihre Struktur kennen, und verlängern wir die Kette weiter.

OH

OH

CH;OH

CH>OH o-Erythrose

D-Threose |HNO, (5,5)-Weinsäure

| Kiliani-Fischer-Synthese

„S)-

COOH

CHO

OH H

|

OH

HNO,

OH

CHO

H

-OH

H

OH

H

OH

OH

H

OH

H

COOH

—

CH>OH

meso-Form

pD-Ribose

H

COOH H

HOHNO;

CH>OH

H

Hr

OH

H

OH COOH

p-Arabinose

optisch aktiv

Wieder erhalten wir zwei neue Zucker (das konnten wir auch erwarten, da wir wiederum ein neues Chiralitätszentrum eingeführt haben), zwei Pentosen. Wir kennen ihre Konfiguration aus C3 und C4 (sie entspricht der an C2 und C3 im Ausgangsmaterial), aber nicht die an C2. Bei der Oxidation entstehen wieder eine optisch inaktive und eine optisch aktive Dicarbonsäure. Die erste Pentose muß daher die Struktur der D-Ribose, die zweite die der D-Arabinose

haben.

Über eine sehr ähnliche Kette von Überlegungen kann man die Struktur der D-Xylose (die zu einer meso-Disäure oxidiert wird) und der D-Lyxose (die bei der Oxidation eine optisch aktive Disäure ergibt) festlegen. Diese leiten sich synthetisch von der p-Threose ab, deren Struktur wir ganz am Anfang bestimmt haben. COOH H>

HO

COOH

OH

H

H

CHO

„HNO;

HO

_HNO; |

OH COOH

meso-Form

CH>0OH D-Xylose

CH>OH D-Lyxose

Br ber

Symmetrieeigenschaften bestimmen auch die Konfigurationen der Aldosen mit sechs Kohlenstoffatomen Wir kennen nun die Konfigurationen der vier Aldopentosen und können an jeder eine Kettenverlängerung durchführen. Dabei erhalten wir vier Paare von Aldohexosen, wobei sich jedes Paar von den anderen durch

1206

die Folge der Chiralitätszentren

an C3, C4 und C5 unterscheidet.

Die

beiden zu einem Paar gehörigen Verbindungen sind nur in ihrer Konfiguration an C2 unterschiedlich. Die Bestimmung der Konfigurationen der vier Zucker, die sich von der D-Ribose und der D-Lyxose ableiten, erreicht man wieder durch Oxidation zur entsprechenden Aldarsäure. D-Allose und D-Galactose ergeben optisch inaktive Oxidationsprodukte, im Gegensatz zu ihren Gegenstücken D-Altrose und D-Talose, die zu optisch aktiven Dicarbonsäuren oxidiert werden.

24.10 Relative Konfiguration der Aldosen: Eine Übung zur Strukturbestimmung

CHO

H

HO-

H—

HO-

H—-

H | CH>0H

CH>0OH

CH>OH

CH>OH

D-Allose

D-Galactose

p-Altrose

o-Talose

(aus D-Ribose)

(aus D-Lyxose)

(aus D-Ribose)

(aus D-Lyxose)

(beide werden zu meso-Dicarbonsäuren oxidiert)

CHO

(beide werden zu optisch aktiven Dicarbonsäuren oxidiert)

CHO

H-—oHy

ae

HO

HO—

HNO;

COOH

COOH

777—

_c00 H

COOH

Enantiomere alle optisch aktiv

Die Aufklärung der Konfigurationen der vier verbleibenden Zukker läßt sich nicht über den bisher verwendeten Ansatz durchführen, da alle vier bei der Oxidation optisch aktive Dicarbonsäuren ergeben. Man findet aber, daß die Carbonsäuren,

und

3 ableiten,

Enantiomere

Dies ist nur dann möglich, wenn

oder D-Gulose nachprüfen.

haben.

sind —

die sich von den Zuckern

also Spiegelbilder

1

voneinander.

1 und 3 die Strukturen von p-Glucose

Sie können

dies anhand

von

Molekülmodellen

1207

24

Kohlenhydrate

SOOH.

H

HS,

H

HO

COOH }

| HO \

H

|

H-

|

H

Hs

H

His), COOH

H

|

)H H

HO

I l

HNO 7

H COOH

Spiegelebene

Wir müssen jetzt nur noch eine logische Überlegung anstellen: D-Arabinose wird über die Kiliani-Fischer-Synthese in zwei neue Zucker, l und 2 überführt, D-Xylose ergibt 3 und 4. Mit diesen Ergebnissen können wir alle Konfigurationszuordnungen treffen. Zucker 1 muß die Konfiguration der D-Glucose besitzen, Zucker 3 die der D-Gulose. Zucker 2 muß dann die der D-Mannose, Zucker 4 die der D-Idose zugeordnet werden. Ü Übung 24-23 In der vorhergehenden Diskussion haben wir die Konfigurationen der D-Ribose und der D-Arabinose aufgrund der Tatsache bestimmt, daß bei der Oxidation der ersteren Ver-

bindung eine meso-Dicarbonsäure, ©

bei der Oxidation der zweiten ein optisch aktives

Isomer entsteht. Könnten Sie dieselbe Zuordnung auch anhand der '""’C-NMR-Spektro-

@ skopie treffen?

Fassen wir zusammen: Ein Zucker läßt sich aus einem anderen durch stufenweise Kettenverlängerung oder -verkürzung darstellen. Mit Hilfe dieser Verfahren und den Symmetrieeigenschaften der verschiedenen Aldarsäuren lassen sich die Konfigurationen der Aldosen bestimmen.

24.11 Komplexe Zucker in der Natur: Disaccharide Ein beträchtlicher Anteil der natürlich vorkommenden Zucker tritt in dimerer, trimerer, höher oligomerer (zwischen zwei und zehn Zuckereinheiten) und polymerer Form auf. Dabei müssen die beteiligten Zukkereinheiten nicht identisch sein. Unser gewöhnlicher Haushaltszucker ist in diesem Sinne ein Dimer.

Saccharose ist ein Disaccharid, das sich von der Glucose und der Fructose ableitet Der Zucker, der uns allen am vertrautesten ist, ist der gewöhnliche Haushaltszucker, die Saccharose (Rohrzucker, engl. sucrose). Der ProKopf-Zuckerverbrauch in Deutschland lag im Jahre 1991 bei etwa 35 kg. Saccharose gehört zu den wenigen natürlichen chemischen Substanzen, die wir in unveränderter Form zu uns nehmen (andere Beispiele sind Wasser und Natriumchlorid). Man gewinnt Saccharose aus Zuckerrohr und Zuckerrüben, worin sie relativ stark angereichert ist (etwa 14-20% Massenanteil). In geringeren Konzentrationen kommt sie auch in vielen anderen Pflanzen vor. Die Weltproduktion von Rohzucker lag 1992 bei etwa 124 x 10° t/a, und es gibt einige Länder (z.B. Kuba), deren gesamte Wirtschaft vom Weltmarktpreis des Rohzuckers abhängig 1st.

Wir haben die Saccharose in diesem Kapitel bisher nicht besprochen, da sie kein einfaches

1208

Monosaccharid,

sondern

ein Disaccharid

ist, das

aus zwei Einheiten besteht: aus Glucose und Fructose. Die Konstitution der Saccharose läßt sich aus ihrem chemischen Verhalten ableiten: im Sauren hydrolysiert sie zu Glucose und Fructose; sie ist ein nichtreduzierender Zucker; sie bildet kein Osazon und man beobachtet keine Mutarotation. Aus diesen Befunden kann man schließen, daß die beiden Monosaccharid-Einheiten über eine Acetalbrücke zwischen den beiden anomeren Kohlenstoffatomen miteinander verbunden sind; auf diese

24.11

Komplexe Natur

Weise schützen sich die beiden cyclischen Halbacetalgruppen gegenseitig. Diese Hypothese wurde durch Röntgenstrukturanalyse bewiesen: Saccharose ist ein Disaccharid, in dem die a-D-Pyranoseform der Glucose mit ß-D-Fructofuranose auf die beschriebene Weise verknüpft ist. CH>0OH

HO

6)

CH>OH ‚OH 70

HO HO

oder

H

OH

OH

OH

CH>OH OH

CH>OH

CH>OH

H

Saccharose (a-D-Glucopyranosyl-ß-D-fructofuranosid)

Wir zeigen zwei Abbildungsmöglichkeiten des Moleküls. Links sind beide cyclischen Halbacetale in der üblichen Weise gezeichnet: das anomere Kohlenstoffatom rechts, das Acetal-Sauerstoffatom oben. Rechts ist eine andere Struktur, bei der die sterischen Wechselwirkungen günstiger sind, gezeigt, ein Rotamer, in dem beide Zuckereinheiten voneinander fort weisen. Die spezifische Drehung der Saccharose beträgt +66.5°. Beim Behandeln mit verdünnter Säure nimmt der Drehwert kontinuierlich bis zu einem Endwert von -20.0° ab. Denselben Effekt beobachtet man, wenn man eine Saccharoselösung mit dem Enzym /Invertase versetzt. Man bezeichnet

dieses

Phänomen

als

Rohrzucker-Inversion,

und

es

läuft

nach einem ähnlichen Mechanismus wie die Mutarotation der Monosaccharide ab. Der Gesamtprozeß besteht aus drei einzelnen Reaktionen: der Hydrolyse des Disaccharids in die beiden Monosaccharide a-D-Glucopyranose und ß-D-Fructofuranose; der Mutarotation der a-D-GlucopyRohrzucker-Inversion

CH-OH 5

HO

0

j HO

H

OH _o

OH

H*, 4,0

OH

OH

= CH;>0OH

oder Invertase —

CH,OH

OH

H

18%

Saccharose

CH>OH

a-D-Glucopyranose

HO Hal

16)

OH

CH>0OH 32% P-D-Glucopyranose

HO

16% ß-D-Fructofuranose

OH CH>OH

OH 34% B-D-Fructopyranose

1209

24 ‚ AMEER

ranose bis zum Gleichgewicht mit der ß-Form und der Mutarotation der ß-D-Fructofuranose zu der etwas stabileren ß-D-Fructopyranose. Da der spezifische Drehwert der Fructose (-92°) negativer ist als der Drehwert der Glucose (+52.7°) positiv, ist die Drehung des entstandenen Gemischs insgesamt negativ. Das Vorzeichen des Drehwertes der Ausgangslösung ist also umgedreht (invertiert) worden. , Übung 24-24 )

Geben Sie die Produkte der Reaktionen (falls es überhaupt welche gibt) von Saccharose mit (a) einem Überschuß (CH3);SO, und NaOH; (b) 1. H*, H,O, 2. NaBH, und (ec)

Ü NH,OH an.

In der Saccharose sind die anomeren Kohlenstoffatome beider Monosaccharid-Einheiten über eine Acetalbrücke miteinander verbunden. Im Prinzip sollte es möglich sein, auch mit anderen Hydroxygruppen Acetale auszubilden. Tatsächlich ist die Maltose (Malzzucker), die man in SO %iger Ausbeute beim enzymatischen Abbau (durch Amylase) von Stärke (die wir noch später in diesem Abschnitt besprechen) erhält, ein Dimer der Glucose, in der das Sauerstoffatom der Halbacetalgruppe des einen Glucosemoleküls (in der Form des «-Anomeren) an C4 des zweiten Moleküls gebunden ist.

CH:OH _o ER N

ß-Maltose (a-D-Glucopyranosylß-D-glucopyranose)

Bei dieser Anordnung behält eine der beiden Glucose-Einheiten ihre ungeschützte ‚Halbacetalstruktur und zeigt daher auch die charakteristische Chemie dieser Gruppe. So ist Maltose z.B. ein reduzierender Zucker, bildet Osazone und zeigt Mutarotation. Durch wäßrige Säure oder das Enzym Maltase wird Maltose zu zwei Molekülen Glucose hydrolysiert. Maltose ist etwa ein Drittel so süß wie Saccharose.

U Übung 24-25 ") Welches Produkt entsteht zunächst, wenn ß-Maltose (a) mit Br, oxidiert; (b) mit zwei Äquivalenten Hydrazin umgesetzt; (c) Bedingungen, die Mutarotation bewirken, ausgesetzt wird.

Ein weiteres häufig vorkommendes Disaccharid ist die Cellobiose, die man durch Hydrolyse von Cellulose (die wir später in diesem Kapitel behandeln) erhält. Ihre chemischen Eigenschaften sind mit denen der Maltose fast identisch, und dasselbe gilt auch für die Struktur: Der ein-

se

CH:OH__o

i

HO

CHOH OH

H

HO

ß-Cellobiose, B-D-Glucopyranosyl-ß-D-glucopyranose

1210

_g ON

OH

Kasten 24-4

Zucker-Ersatz aus Kohlenhydraten

alon H HO H

CH,OH

OH H OH CH,OH

H

Boy IN. 0H

Q OH

CH,OH OH

CH,OH

Xylitol

Lactitol

Trotz des kommerziellen Erfolgs der synthetischen Süßstoffe Saccharin (Kasten 1-1) und Aspartam (Abschn. 26.4) können diese Substanzen Zucker in Produkten wie Schokolade nicht vollständig ersetzen, da sich ihre physikalischen Eigenschaften von denen der Saccharose zu sehr unterscheiden. Aus diesem Grund setzt man Konfekt mit Süßstoff weitere Stoffe zu, um die charakteristischen Zuckereigenschaften zu erhalten. Alditole wie D-Glucitol (D-Sorbitol) werden allgemein zu diesem Zweck verwendet (vgl. Kasten 24-1. Die Herstellung von kalorienarmer Schokolade ist eine ungewöhnliche Herausforderung. Ein Großteil des hohen Kaloriengehaltes ist auf Fett zurückzuführen. Verwendet man weniger Fett, so nimmt der „Schmilzt-auf-der-Zunge“-Charakter

von Schokolade

OH

TERN

H

OH

ab und das Produkt

ist weniger

attraktiv. Zuckerersatz, der sich aus kalorienarmen Alditolen, Alditol-Derivaten und weiteren

synthetischen Kohlenhydraten zusammensetzt, führt schon eher zum Ziel. Xylitol, einer der süßesten Alditole, kann sehr leicht in Schokolade eingebunden werden, hat aber zwei Nachteile: Es hat eine endotherme Lösungsenthalpie und sorgt damit

für einen

„Abkühlungseffekt

im

Mund

-

daher ist es nur für Mint-Schokolade geeignet. Darüber hinaus stört Xylitol das osmotische Gleichgewicht im Darm, d.h. es wirkt wie ein Abführmittel — für Schokoladen-Liebhaber nicht gerade eine erwünschte Eigenschaft. Eine kommerziell akzeptable Lösung ist die Kombination von Lactitol, das weniger süß ist als Xylitol, aber auch weniger negative Eigenschaften aufweist,

und

Polydextrose,

ein mäßig

süßes,

aber

sehr kalorienarmes synthetisches Polymer aus Glucopyranose-Einheiten, die statistisch über o- und ß-1,2-, 1,3-, 1,4- und 1,6-Glycosidbindungen vernetzt sind.

zige Unterschied zwischen beiden Zuckern liegt in der unterschiedlichen Stereochemie

der Acetalbrücke,

beide

Zucker

sind ß- und nicht a-ver-

knüpft. Durch wäßrige Säure läßt sich Cellobiose ebenso wie Maltose in zwei Glucosemoleküle spalten. Für die enzymatische Hydrolyse ist jedoch ein anderes Enzym, die B-Glucosidase, erforderlich, die spezifisch nur die ßB-Acetalbrücke angreift. Im Gegensatz dazu ist die Maltase nur für a-Acetal-Einheiten, wie sie in der Maltose auftreten, spezifisch. Das nach der Saccharose häufigste natürliche Disaccharid ist die Lactose (Milchzucker). Sie wird in der Muttermilch der meisten Säugetiere, auch des Menschen, gefunden (etwa 5%ige Lösung) und macht mehr als ein besteht

Drittel der Trockensubstanz aus. Das Molekül aus einer Galactose- und einer Glucoseeinheit,

der Lactose die als ß-D-

Galactopyranosyl-D-gluc opyranosid miteinander verbunden sind. Beim Auskristallisieren aus Wasser bildet sich nur das &-Anomer.

CH>0H

HO

16)

OH OH

kristalline a-Lactose, B-D-Galactopyranosyla-D-glucopyranose

1211

24

Kohlenhydrate

Wir fassen zusammen: Saccharose ist ein Disaccharid, das durch Verknüpfung von a-D-Glucopyranose und ß-D-Fructopyranose über ihre anomeren Zentren entsteht. Bei der Hydrolyse der Saccharose in ihre Komponenten ändert sich das Vorzeichen der optischen Drehung der Lösung (Inversion). Das Disaccharid Maltose ist ein Dimer der Glucose, in dem die beiden Monosaccharid-Einheiten über eine Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindung zwischen dem a-anomeren Kohlenstoffatom des einen Glucosemoleküls und C4 des anderen Moleküls verbunden sind. Cellobiose ist nahezu identisch mit Maltose, es hat nur ß-Konfiguration am Kohlenstoffatom der Acetalgruppe. Lactose unterscheidet sich von Cellobiose darin, daß hier eine ß-D-Galactose-Einheit an die Glucose gebunden ist.

24.12 Polysaccharide und andere Zucker in der Natur Polysaccharide sind die Polymere der Monosaccharide. Die im Prinzip mögliche strukturelle Vielfalt ist vergleichbar mit der der Polymere von Alkenen (Abschn. 12.13 u. 12.14), insbesondere in Bezug auf Veränderung der Kettenlänge und Grad und Art der Verzweigung. Die Natur ist beim Bau solcher Polymere jedoch bemerkenswert konservativ. Die drei häufigsten natürlichen Polysaccharide, Cellulose, Stärke und Glycogen leiten sich alle von demselben Monomer, der Glucose, ab.

Cellulose und Stärke sind Polymere Die Cellulose ist ein 1,4-verknüpftes Poly-ß-D-glucopyranosid, das aus etwa 3000 Monomereinheiten aufgebaut ist und eine molare Masse von etwa 500000 g/mol hat. Im Cellulosemolekül sind die Monomereinheiten größtenteils linear angeordnet.

C-4

HH

H

AkOH 0

CH>OH

ß

NN

HO H

C-1

H

H

Cellulose

Die einzelnen Cellulosestränge neigen dazu, sich parallel zueinander auszurichten und sind durch eine große Zahl von Wasserstoffbrücken miteinander verbunden. Aufgrund dieser vielen Wasserstoffbrücken hat Cellulose eine sehr starre Struktur und dient daher auch als Gerüstsubstanz der pflanzlichen Zellwände. Alle pflanzliche Materie besteht zu einem großen Anteil aus Cellulose. Baumwollfasern, auch Filterpapier, sind fast reine

Cellulose,

in Holz

und

Stroh

ist sie zu etwa

50%

ent-

halten. Wie Röntgenstrukturuntersuchungen ergeben, besteht die Cellulosekette aus sich wiederholenden Einheiten von 1030 pm und nicht 510 pm Länge, was der Länge einer Glucose-Einheit entspräche. Dies läßt sich dadurch erklären, daß jede zweite Glucose-Einheit um 180° im Verhältnis zu der vorhergehenden gedreht ist. Cellulose läßt sich daher am besten als Polycellobiose beschreiben. In dieser Anordnung sind Wasserstoffbrücken an beiden Seiten der Cellulosekette möglich, wodurch die lineare Ausrichtung und Steifheit noch erhöht wird (s. Abb. 24-4). 1212

CHOH _o en —

6)

zn:

—_—0O

ER

EB

ee

OS

N

Abb. 24-4 Mögliche Wasserstoffbrücken-Bindungen zwischen zwei Cellulosesträngen. Diese Bindungen können sich sowohl innerhalb desselben Strangs wie

N

auch zwischen

zwei verschiedenen

ausbilden.

Einige Derivate der Cellulose sind von wirtschaftlichem Interesse. Bei der Überführung der freien Hydroxygruppen mit Salpetersäure in Salpetersäureester entsteht Nitrocellulose. Bei hohem Nitratgehalt ist das Material explosiv und wird in rauchschwachen Schießpulvern verwendet. Ein geringerer Nitratgehalt ergibt ein Polymer, das einer der ersten Kunststoffe war, Celluloid. Lange Zeit fand Nitrocellulose eine breite Anwendung in der Photo- und Filmindustrie. Da es aber leicht entflammbar ist und sich allmählich zersetzt, wird es heutzutage nur noch selten verwendet.

CH:OH HNO;, H3S$O4, 30 min, 25 °C HO

|

OH

- 3 4,0

On

O;NO

H

H

In

n

Cellulose

Nitrocellulose

Die Cellulose, die in fast allen Lösungsmitteln unlöslich ist, Kann in eine lösliche Form überführt werden, indem man die Hydroxygruppen mit Schwefelkohlenstoff, dem Schwefelanalogon des CO,, umsetzt. Die dabei entstandene funktionelle Gruppe ist die Xanthogenatgruppe. Bei der nachfolgenden Behandlung mit Säure läßt sich das unlösliche Polymer

wiedergewinnen.

Diesen

Prozeß

kann

man

so steuern,

daß dabei

Fasern (Viskose, Rayon) oder Folien (Cellophan) entstehen. ge Cellulose — wasserunlöslich

CS, HO”, H30 OH

H*, H50

Cellulose — 0—C

Pi

S

nn

+ HOH

$

Cellulosexanthogenat wasserlöslich

Anders als bei der Cellulose sind in der Stärke die einzelnen GlucoseEinheiten a-verknüpft. Die Stärke ist das Reservekohlenhydrat der Pflanzen und läßt sich durch wäßrige Säure genau wie Cellulose in Glucose spalten. Die Hauptstärkequellen sind Kartoffeln, Mais, Weizen und Reis. In heißem Wasser quellen die Stärkekörner auf und ermöglichen so die Trennung der Stärke in ihre beiden Hauptbestandteile Amylose (=20%) und Amylopektin (>80 %). Es gibt auch Stärken, die fast ausschließlich aus Amylose oder Amylopektin bestehen. Beide Formen sind in heißem Wasser löslich, die erstere aber schlechter in kaltem Was-

ser. Die Amylose enthält einige hundert Glucose-Einheiten im Molekül (molare Masse 150 000-600 000 g/mol). Ihre Struktur unterscheidet sich 1213

24

Kohlenhydrate

von der der Cellulose, auch wenn beide Polymere Aufgrund der unterschiedlichen Konfiguration am stoffatom nimmt das Amylosemolekül bevorzugt Konformation (Helixstruktur) ein (nicht die gerade Formel gezeigt ist). Im Gegensatz zur Cellulose ist tose-Einheiten aufgebaut.

unverzweigt sind. anomeren Kohleneine spiralförmige Kette, die in der Amylose aus Mal-

H y CH:5OH

o

MaltoseEinheit

Amylose

Im Unterschied zur Amylose ist das löslichere Amylopektin verzweigt, die Verzweigungspunkte liegen hauptsächlich an C6 und treten etwa an jeder zwanzigsten bis fünfundzwanzigsten Glucose-Einheit auf. Die molare Masse des Amylopektins reicht von 200000 bis über 1 Million g/mol.

H

_ CHOH

HO

_og H

HO

DO

0

Verzweigungspunkt

HO

Amylopectin

Glycogen: eine Energiequelle Ein anderes Polysaccharid mit einer sehr ähnlichen Struktur wie das Amylopektin, aber einem höheren Verzweigungsgrad (eine Verzweigung auf zehn Glucose-Einheiten) und viel größerer molarer Masse (bis zu 100 Millionen g/mol) ist Glycogen. Diese Verbindung ist von großer biologischer Bedeutung, da sie eines der wichtigsten Polysaccharide zur Energiespeicherung bei Menschen und Tieren ist und als sofort verfügbares Glucosedepot zwischen den Mahlzeiten und bei anstrengender körperlicher Tätigkeit dient. Glycogen ist besonders in der Leber und 1214

24.12 Polysaccharide und andere Zucker in der Natur

Phosphorylase (acht &-D-Glucopyranosyl-1-

phosphate werden abgespalten)

| Transferase

oo...-.-

Be

as

|

| a-1,6-Glucosidase (eine Glucose-Einheit wird abgespalten)

10

so...‘ im ruhenden

Skelettmuskel

relativ

2

stark

Il

angereichert.

Die

Art

Abb. 24-5 Einzelne Stufen des Abbaus einer Glycogen-Seitenkette. Zunächst entfernt die Phosphorylase schrittweise die GlucoseEinheiten 1 bis 5 und 15 bis 17. Das Enzym befindet sich nun vier Zucker-Einheiten entfernt vom nächsten Verzweigungspunkt (10). Die Transferase bewegt die Einheiten 6 bis 8 in einem Block und hängt sie an Einheit 14 an. Ein drittes Enzym, «&-1,6-Glucosidase baut die Verzweigung an GlucoseEinheit 10 ab, indem es Glucose 9 entfernt. Es ist eine unverzweigte Kette entstanden, die die Phosphorylase weiter abbauen kann.

und

Weise, in der die Zelle diesen Energiespeicher benutzt, ist wirklich faszi-

nierend. Ein spezielles Enzym, die Phosphorylase, baut als erstes das Glycogen bis zu einem Derivat der Glucose, dem a-D-Glucopyranosyl-1-phosphat, ab. Dieser Abbau beginnt an einer der nichtreduzierenden endständigen Zuckergruppen des Glycogenmoleküls und verläuft stufenweise — immer ein Glucosemolekül nach dem anderen. Da Glycogen so stark verzweigt ist, hat das Molekül

viele

Endgruppen,

die das Enzym

„abknabbern“

kann, wodurch sichergestellt ist, daß zu Zeiten eines hohen Energieverbrauchs schnell eine ausreichende Menge Glucose zur Verfügung steht. Die Phosphorylase ist nicht in der Lage, a-1,6-glycosidische Bindungen zu spalten. Sobald sich das Enzym einem solchen Verzweigungspunkt nähert (genaugenommen, sobald es eine endständige Gruppe : erreicht, die vier Einheiten von diesem Punkt entfernt ist), hört es auf (s. Abb. 24-5). In diesem Stadium kommt ein anderes Enzym ins Spiel, die Transferase, die Blöcke von drei endständigen Glucosylresten von einem Zweig zum anderen verschieben kann. Es verbleibt ein einziger Glucosesubstituent am Verzweigungspunkt. Nun ist ein drittes Enzym erforderlich,

das dieses letzte Hindernis

entfernt

und damit

eine neue

Kette eröffnet. Dieses Enzym ist spezifisch für den Bindungstyp, der gespalten werden soll: es ist die a-1,6-Glucosidase. Nachdem dieses Enzym seine Aufgabe verrichtet hat, kann die Phosphorylase mit dem Abbau der Glucosekette fortfahren, bis sie den nächsten Verzweigungspunkt erreicht, usw. Die Glucose, die aus dem Glycogen freigesetzt wurde, wird über einen

komplizierten

Reaktionsweg,

der

Glycolyse,

an

der

mehrere

Enzyme beteiligt sind, in 2-Oxopropansäure (Brenztraubensäure) überführt. Die Säure reagiert dann, in Abhängigkeit von der Art des Organismus und den Bedingungen, zu verschiedenen Produkten weiter. 1215

nichtreduzierendes Ende

ns

CHOH0

HO

H

CH,OH

_o

nichtreduzierendes Ende

H

Glycogen

=

ia

CH,OH i

HO

OÖ

o—

H3PO,, | renmonont

HO

HO

5

2

CH,>OH

HO

HO

H

&-D-Glucopyranosyl-

CH

1-phosphat

r Ö

Ö n

HO

H

ai

CH:OH HO

_o OH

_—H

0— Oxidation

CO

» H>O

CHO h

H———-OH HO ——

H

H——OH

H—-——-OH CH>OH Glucose

1216

Glycalyse

arlends

2-Oxopropansäure (Brenztraubensäure)

i Reduktion

|

CH,CCOOH

ik

2-Hydroxypropansäure (Milchsäure)

er

CH;CH,>OH

h

In aerober (sauerstoffreicher) Umgebung entstehen durch weitere Oxidation CO, und H,O mit maximalem Energiegewinn. Bei schlechter Sauerstoffversorgung, wie z.B. im aktiv kontrahierenden Muskel oder bei der Sauerkrautherstellung, entsteht durch unvollständige Reduktion die 2-Hydroxypropansäure (Milchsäure). Einige anaerobe Organismen wie Hefe überführen 2-Oxopropansäure (Brenztraubensäure) in Ethanol. Die drei Polysaccharide Cellulose, Stärke und Glycogen nennt man auch Glucane, weil sie fast ausschließlich aus Glucosemolekülen aufgebaut sind. Bei einigen Organismen ist das als Energiedepot dienende Polysaccharid aus anderen Zuckereinheiten aufgebaut. So ist /nulin, das Reservekohlenhydrat

in den Wurzeln

der Korbblütler,

24.12

Polysaccharide und

andere Zucker in der Natur

ein Fructan,

da bei der Hydrolyse dieses Polysaccharids hauptsächlich Fructose entsteht. Inulin läßt sich aus den Wurzelknollen von Dahlien und Topinambur isolieren. Andere natürliche Polysaccharide, die nicht aus GlucoseEinheiten aufgebaut sind, sind die Xylane, Mannane und Galactane.

Modifizierte Zucker können

Stickstoff enthalten

Viele der natürlich vorkommenden Zucker haben eine modifizierte Struktur oder sind an ein anderes organisches Molekül gebunden. Es gibt eine große Klasse von Zuckern, in denen mindestens eine der Hydroxygruppen durch eine Aminfunktion ersetzt ist. Sie heißen Glycosylamine, wenn das Stickstoffatom an das anomere Kohlenstoffatom gebunden ist, und Aminodesoxyzucker, wenn es ein Sauerstoffatom an einer anderen Stelle im Mülekül ersetzt.

CH:OH

ne HO

_o

OH

P-D-Glucopyranosylamin (ein Glycosylamin)

CH>OH

HOF Ih HO

eh EEENas

OH

ß-D-Glucosamin oder 2-Amino-2-desoxy-D-glucopyranose (ein Aminodesoxyzucker)

Glycosylamine findet man in einer anderen Klasse von biologisch wichtigen Polymeren: den Nucleinsäuren (s. Abschn. 26.9). Sie enthalten den genetischen Code und sind verantwortlich für die Biosynthese der Proteine. Die Monomereinheiten der Ribonucleinsäure sind die Nucleotide, substituierte Glycosylamine. Ein Beispiel ist Uridinphosphat. HOCH»

|

Hioro

O

OHN—

N

er

NH

Ö

OH Uridinphosphat

Das

Chitinmolekül

ist ein Polymer

aus

Chitin ist zusammen mit Calciumcarbonat zer von Krebsen und Hummern.

ß-D-Glucosamin-Einheiten. die Gerüstsubstanz

der Pan-

1217

16) ai

CH;CNH

CH>OH r

O

0

CH>OH

lH

Ö

HO

CH;3CNH

|

0

H

@)

n

ie

ale

HO

CH;CNH |

OH

Chitin

Wenn ein Zucker über sein anomeres Kohlenstoffatom an die Hydroxygruppe eines anderen komplexen Rests gebunden ist, bezeichnet man ihn als Glycon. Der Rest des Moleküls (oder das Produkt, das man nach hydrolytischer Abspaltung der Zuckereinheit erhält) ist das Aglycon. Beispiel für solche Moleküle sind Amygdalin und Adriamyecin. Amygdalin (Handelsname Laetrile®) ist ein Derivat des ß-1,6-Glycosids Gentiobiose und wird aus Aprikosenkernen isoliert.

CHOHog

HO

R HO

a

OH

yprsen |

CH,

HO

GentiobioseEinheit

ar

OH

o

NCH—CoH CN

Amygdalin

Laetrile hatte für kurze Zeit eine gewisse zweifelhafte Berühmtheit wegen seiner kontrovers diskutierten Verwendung in der Krebstherapie erlangt. Seine Befürworter behaupteten, daß das Molekül mit dem Enzym ß-Glucosidase in Wechselwirkung tritt und Cyanid-Ionen freisetzt, die die Krebszellen zerstören. Gesunde Zellen seien angeblich in der Lage, Cyanid- zu Cyanat-Ionen zu desaktivieren. Aufgrund dieser Behauptungen verlangten viele Patienten, insbesondere solche, bei denen die konventionelle Therapie versagt hatte, mit Laetrile behandelt zu werden. Die Heilwirkung von Laetrile wurde in der medizinischen Fachwelt diskutiert und das National Institute of Health führte eine Studie durch, die die Unwirksamkeit dieses Medikaments ergab. Adriamycin ist ein Vertreter der Familie der Anthracyclin-Antibiotika. Adriamycin und sein Desoxy-Analogon Daunomycin haben sich als außerordentlich wirksam bei der Behandlung einer Fülle von verschiedenen Krebsarten erwiesen und bilden jetzt die Grundlage einer kombinierten Krebstherapie. Das Aglycon dieses Systems ist ein lineares tetracyclisches Grundgerüst mit einer Anthrachinon-Einheit (s. Abschn. 15.6). Den Aminozucker bezeichnet man als Daunosamin. Eine ungewöhnliche Gruppe von Antibiotika, die AminoglycosidAntibiotika, besteht fast ausschließlich aus Oligosaccharid-Einheiten. Von besonderer therapeutischer Bedeutung, z.B. bei der Behandlung der Tuberkulose, ist Streptomycin, das 1944 aus Kulturen des Schimmel-

pilzes Streptomyces griseus isoliert wurde. Das Molekül besteht aus drei Untereinheiten, von denen zwei Zucker .

sind: der Furanose Streptose und dem Glucosederivat 2-Desoxy-2methylamino-r-glucose (einer der seltenen natürlich vorkommenden L-Zucker). Die dritte Untereinheit ist ein sechsfach substituiertes Cyclohexan. 1218

24.12 Polysaccharide und andere Zucker in der Natur

substitutiertes Anthrachinon (eEEEBEREEDEENEEEEE En EEBSERERNEEBBEN.,

O

OH

OÖ

Aglycon

!

Zucker Daunosamin

HO Adriamyein (R = OH) Daunomyein (R=H)

1 ee

are -Einheit

Streptidin-Einheit

2-Desoxy-2-methylaminoL-glucose-Einheit

HO Streptomyein

Zusammenfassend können wir sagen, daß Saccharose ein Disaccharid ist, das sich von der a-D-Glucopyranose und der ß-D-Fructofuranose durch Verknüpfung der anomeren Zentren ableitet. Bei der Hydrolyse dieses Dimers ändert der Drehwert sein Vorzeichen (Rohrzucker-Inversion), da die Verbindung hierdurch in die beiden Monomereinheiten zerlegt wird, die Mutarotation zeigen. Das Disaccharıd Maltose ist ein Dimer der Glucose, in dem beide Komponenten über eine KohlenstoffSauerstoff-Bindung zwischen dem a-anomeren Kohlenstoffatom des einen Glucosemoleküls und C4 des zweiten verknüpft sind. Die Struktur der Cellobiose

ist mit der der Maltose

fast identisch,

mit dem

Unter-

schied, daß das Kohlenstoffatom der Acetalgruppe ß-Konfiguration hat. In der Läactose ist ß-D-Galactose mit Glucose in derselben Weise wie in der Cellobiose verknüpft. Die Polysaccharide Cellulose, Stärke und Glycogen sind alle Polyglucoside. Die Cellulose ist aus sich wiederholenden dimeren Cellobiose-Einheiten aufgebaut, Stärke ist hingegen eine Poly-

maltose. Das Molekül des Amylopektins, einer der beiden Stärkekomponenten, ist in relativ regelmäßigen Abständen verzweigt. Hierdurch wird, ebenso wie beim Glycogen, der enzymatische Abbau recht kompliziert. Beim Metabolismus dieser Polymere entsteht zunächst monomere “Glucose, die dann zu 2-Oxopropansäure (Brenztraubensäure) oxidiert wird. Je nach Art des Organismus und der physiologischen Bedingungen kann das Molekül dann weiter zu CO, und H,O oxidiert oder zu 2Hydroxypropansäure (Milchsäure) bzw. Ethanol reduziert werden. Schließlich kommen viele Zucker in der Natur in modifizierter Form oder auch als Anhängsel an andere Strukturen vor. Beispiele hierfür sind Aminozucker, Glycosylamine, Amygdalin und Adriamycın. Die Aminoglycosid-Antibiotika sind aus Zucker- und carbocyclischen Einheiten aufgebaut. 1219

24

Kohlenhydrate

Verständnisübung Rutinose ist ein Zucker und Bestandteil zahlreicher Bioflavonoide. Bioflavonoide finden sich in einigen Pflanzen, die signifikant therapeutischen Nutzen haben. Sie erhalten die cardiovasculare Stabilität im allgemeinen und die Stärke der Blutgefäße im besonderen. Rutin ist ein Bioflavonoid, das Rutinose enthält und in Buchweizen und Eukalyptus vorkommt. Ein weiteres Beispiel ist Hesperidin, das man aus den Schalen von Zitronen und Orangen isolieren kann. Jedes Bioflavonoid enthält eine Rutinoseeinheit, die an ein tricyclisches Aglycon gebunden ist (s. Abschn. 24.12).

OH OCH; Datz

Bi LT AR

O—- Rutinose

OHTZO

OH Rutin

O0

Hesperidin

Nutzen Sie die folgenden nose zu ermitteln:

Informationen,

um

die Struktur für Ruti-

a Rutinose ist ein reduzierender Zucker, der nach saurer Hydrolyse ein Äquivalent D-Glucose und ein Äquivalent Zucker A, mit der Summenformel C,H »O; liefert. A reagiert mit vier Äquivalenten HIO, zu vier Aquivalenten Ameisensäure und einem Äquivalent Acetaldehyd. Was können wir hieraus für Zucker A folgern?

Lösung Welche Informationen können wir dem oxidativen Abbau mit HIO, ent-

nehmen? Jedes Äquivalent HIO, spaltet eine Bindung zwischen zwei Kohlenstoffatomen, die eine Sauerstoffunktionalität aufweisen. Wie wir in Abschnitt 24.5 gelernt haben, wird ein Äquivalent Ameisensäure entweder aus einem Aldehyd oder einem sekundären Alkohol gebildet. Acetaldehyd ist ein ungewöhnliches Oxidationsprodukt. Es legt den Schluß nahe, daß hier ein terminaler Methylsubstituent mit einem sekundären Alkohol verknüpft war. Eine logische Rekonstruktion des Zuckers A liefert folgendes Ergebnis: HCOOH

er

HCOOH

CHOH

HCOOH

L-(—)-Mannose I. HSCH,CH:SH, Zach,

2. 3. 4. 5.

Raney-Ni O,, Pt* A (- H,O) [[CHY),CHCH;])AIH

Zucker A

1220

Wie wir sehen,

menformel

=>

CHOH

HCOOH

CHOH

m.

or

CH;

CH;

hat der resultierende

Zucker

A tatsächlich die Sum-

C,H >0:.

b Zucker A läßt sich, wie am Rand gezeigt, aus L-(-)-Mannose darstellen. Schritt 3 (durch einen Stern markiert) ist eine besondere Reaktion, die einen primären Alkohol in eine Carbonsäure überführt. Was erfahren wir aus dieser Synthesequenz über die Konfiguration der Stereozentren im Zucker A?

Lösung

Verständnisübung

Wir analysieren jeden Schritt der Reaktionssequenz an der offenkettigen Struktur des Zuckers A:

CHO H

| OH

| H—t-OH

OH yscH,cH,sH, Zul, een

|

Ho

CH; Raney Ni

OH

Me

L

H—-OH

HO——H

H

OH

H

OH

HO——H

|

HO——H

CH,OH

Thioacetal

I

OH

|

OH HO—— H HO | H CO,H H—

|

- H,O

Zucker A Aldonsäure

Zucker A Alditol

CH;

_—>

H-

h

on

CH,OH

CH;>OH L-Mannose

OÖ, Pt

CH;

H—7—-OH

|(CH ), CHCH, ,AIH

aa

—D1

H

OH

H——OH

HO——H

| |

HO—+—H

HOz-—H

|

HO——H

|

|

en

CHO

DL

(0)

Zucker A

Zucker A

Aldonolacton

Zucker A ist 6-Desoxy-L-mannose. ce Rutinose läßt sich mit einem Überschuß an Dimethylsulfat vollständig zu einem heptamethylierten Derivat methylieren (Abschn. 24.8). Durch

schrittweise

milde,

saure

Hydrolyse

wird

ein Äquivalent

2.3,4-

Tri-O-methyl-p-glucose und ein 2,3,4-Tri-O-methyl-Derivat des Zuckers A erhalten. Welche möglichen Strukturen von Rutinose stehen mit diesem Ergebnis in Einklang?

Lösung Die Reaktion mit Dimethylsulfat überführt alle freien OH-Gruppen in OCH;-Funktionen (Abschn. 24.8). Daraus können wir folgern, daß Rutinose sieben Hydroxygruppen und (mindestens) ein cyclisches Halbacetal enthält, da Rutinose ein reduzierender Zucker ist (Abschn. 24.4). Däraus ergibt sich, daß beide Monosaccharid-Einheiten von Rutinose in cyclischer Form vorliegen. Warum? Die offenkettigen Formen der Glucose und des Zuckers A enthalten insgesamt neun Hydroxygruppen. Rutinose enthält hingegen nur sieben. Zwei der Hydroxygruppen müssen also eine Etherbrücke (wie in Maltose, Cellobiose und Lactose; Abschn. 24.5) ausbilden, um die beiden Zucker miteinander zu verbinden. . Die saure Hydrolyse der heptamethylierten Rutinosen liefert zwei trimethylierte Monosaccharide. Die Säure spaltet die Etherbrücke zwischen den beiden monomeren Zuckereinheiten (Abschn. 24.11). Aber wo ist die siebte Methylgruppe? Sie muß an eine Hydroxyfunktion eines Halbacetals gebunden gewesen sein. Durch diese Bindung wurde ein gemischtes Acetal gebildet, das durch Säure viel leichter gespalten werden kann als ein Methylether (Abschn. 24.8). Die sechs verbleibenden Methylgruppen müssen an die Hydroxygruppen an C2, C3 und C4 der beiden resultierenden Monosaccharide gebunden sein, da sie nicht Bestandteil der Etherbrücke der beiden Zucker oder der Halbacetale 1221

24

Kohlenhydrate

sein können. Nur die Sauerstoffatome die durch Dimethylsulfat nicht methyliert wurden, können Teil dieser Fragmente der Rutinose sein. Wir können aus unseren Ergebnissen folgern, daß die Sauerstoffatome an C5 in beiden methylierten Monosaccharid-Produkten Bestandteil von Pyranringen (sechs Ringglieder) sind. Würden Furanosen vorliegen, so wären die Sauerstoffatome an C4 nicht methyliert worden. Wir sind nun fast fertig. Es verbleiben drei Hydroxygruppen, um die Bindung zwischen den Zuckerbausteinen zu bilden: die Halbacetal-OHGruppe an Cl des Zuckers A und entweder die C1-Halbacetal-OHGruppe oder die primäre OH-Gruppe an C6 der Glucose. Demnach ergibt sich:

|

|

O

l

'CHOH

„| H—-

HOCH

SR

mögliche Stellen für

H—7—-OH

glycosidische Verknüpfung

4|

HO

HO——H aan u

|

rl

_

mw

3|

H

4)

0

Bu

5| rg}

| H bar 35,

6|

6|

CH;

CH,OH

6-Desoxy-L-mannopyranose Zucker A

D-Glucopyranose

Tatsächlich haben wir schon die richtige Antwort: Rutinose ist ein reduzierender Zucker und muß deshalb mindestens eine Halbacetalfunktion aufweisen. Damit diese Bedingung erfüllt ist, gibt es nur eine sinnvolle Verknüpfungsmöglichkeit, und zwar zwischen der OH-Gruppe an Cl im Zucker A und der primären Alkoholfunktion an C6 der Glucopyranose. Wir fassen unsere Überlegungen zusammen, indem wir die Struktur der Rutinose sowohl in der Harworth-Projektion als auch in der Sesselkonformation wiedergeben (beachten Sie, daß die Konfiguration an Cl des Zuckers A nicht definiert ist). In den folgenden drei

H>C HO

;

2

HO

Sasrelen

HO

Z

oO oH

Rutinose

4 HO

H OH 3

H

1

H

OH

2

OH

Zeichnungen befindet sich die Glucopyranoseeinheit immer unterhalb der Ebene des Zuckers A. Da A ein L-Zucker ist, muß man sehr vorsichtig sein, um die absolute Konfiguration richtig wiederzugeben. Hierzu gehen wir einen anologen Weg wie bei den D-Zuckern: Wir plazieren die Etherbrücke im Hintergrund und drehen die Fischer-Projektion um 90° im Uhrzeigersinn, so daß die Gruppen, die in der ursprünglichen Fischer-Projektion rechts waren, jetzt nach unten weisen, und die links standen nun nach oben weisen. Die Bezeichnungen D und L geben die Konfiguration an C5 an. Während der Substituent C6 in einem pD-Zucker nach oben weist, folgt bei einer Inversion an C5, daß dieser nun nach unten weist. Man

1222

erhält die beiden Formeln,

die unten ange-

geben sind. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Fischer-Projektion des L-Zuckers gegen den Uhrzeigersinn zu drehen. In diesem Fall erhält man die ganz rechts gezeigte Formel. Beachten Sie, daß die C6Methylgruppe nach oben zeigt, das anomere Kohlenstoffatom (C1) links ist und die Formel des Zuckers A um eine Achse senkrecht zur Papierebene relativ zu den Zeichnungen rechts um 180° gedreht ist. Bauen Sie die Molekülmodelle!

Neue 1

Neue

Reaktionen

Reaktionen

Cyclische Halbacetalbildung bei Zuckern (Abschn. 24.2) CHO

H

OH

HO

H

CH>OH

HO

a

&

H,O

OH

HO

OH

OH

OH

a- und B-Glucopyranosen

CH>OH

2

Mutarotation (Abschn. 24.3)

CHO CH>,0H 2

HO

oO

H H50

DI

OH

HO

H

H

3

CH>0H

HO

CH,OH

Gleichgewicht [a]3?°

oO

OH

OH

a-Anomer

11

MO

B-Anomer

= +52.7°

5

= +18.7°

Oxidation (Abschn. 24.4)

Tests auf reduzierende Zucker:

CHO

COOH Cu?*, OH, H,O (Fehling-Lösung) oder Ag’, NH,OH, H,O (Tollens-Reagenz)


OH

oder

Ag Silberspiegel

CH,>OH

1223

24 Kohlenhydrate

Synthese von Aldonsäuren:

|

COOH

u!

„Bra, H3O _

RU - H,O

[6)

H CH>OH

CH>OH

CH>0H

Aldonsäure

y-Lacton

Synthese von Aldarsäuren:

COOH

_HNO;„ BT H>0

CH>0H

COOH Aldarsäure

4

Di-y-lacton

Zuckerabbau (Abschn. 24.5)

\ OH

|

|

#2, 2cC=0

—C—OH

|

|

\ OH

|

|

9, CO + HCOOH

c=o

|

H

H

C=0O

uo,.

CH>OH | Brenn

a

+ CH,O

OH |

a 0,

COOH 5

|

C=O

ı +C0,

H

Reduktion (Abschn. 24.6)

CHO

CH>OH NaBH4

H

OH CH,;OH

1224

H

OH CH;0H

6

Hydrazone und Osazone (Abschn. 24.7)

Neue

C6HsNHNH3, Äquivalent PA chLRANLLIB LPT 1Ren Kst

H

OH

Reaktionen

+ H,O

H

OH

CH;OH

CH>0H Phenylhydrazon

| HC=N—NHC,H5

CHO H

OH

C=N—NHCsHs

3 C6HSNHNH> H

OH

+ C6Hs5NH> + NH3 + 2 H5O H

CH;0OH

OH

CH;OH Osazon

7

Ester (Abschn. 24.8) O

En

CHzOH

ee|

_g

CH>OCR

_o

5 RCOCKR, Pyridin

HO

OH

+ 5 RCOOH RCO

OH

a- und ßB-Anomere

8

| OCR

a- und B-Anomere

Gilycoside (Abschn. 24.8)

CHOH

HO

_o

CH,0H, H*

———— H;0, H

HO

OH

CHOH

HO

_o + H,O

HO

OH

OH

a- und B-Anomere

9

CR u

|

OCH3

a- und B-Anomere

Ether (Abschn. 24.8) CH>OH

HO

we

5 (CH>)»SO,, Na® OH

nn

H

Ing Na>SO4

”

OH

OH

a- und B-Anomere

a- und B-Anomere

1225

24 Kohlenhydrate

10 R

Cyclische Acetale (Abschn. 24.8) R

Be...

T

CHSCCH;, H“ nn

OH

OH OH

11

= mo

H

Cyclische Carbonate (Abschn. 24.8)

R

R

„ae COCh OH

-2

HCI

OH

OH

12

H

Kiliani-Fischer-Synthese (Abschn. 24.9) CN CHO

H—C=OH

HUN

H

CHO

|

H—UC-—08

3

H>. Pd/BaSO,,

H', H,O

OH

H

CH>OH

OH

CH>OH

Zucker

CH>OH

Cyanhydrin

Zucker mit verlängerter

C-Kette

13 CHO

Wohl-Abbau (Abschn. 24.9)

CH=NOH

—OH

H NH>OH

‘OH Re

—

CH>OH

0

H

N

OCCH3

CHCOCCH;

oO

—

H>0

OH

N=—=6&

H

CH ONa, CH3OH

—

I

OH

H

CH>0H

CHO — CH3COO Na’

OCCH3

= NaCN

H

CHOFCHs

OH

CH>OH

|

|

Ö Zucker

Oxim

14

geschütztes

Zucker mit verkürzter

Cyanhydrin

C-Kette

Ruff-Abbau (Abschn. 24.9) CHO H

COOH OH

H

OH

Br>, H>0O

——

H

OH CH>OH

1226

CHO Fe’t,

H>0>

- CO

H

OH CH>OH

H

OH CH>OH

Wichtige Konzepte

Wichtige Konzepte

1 Kohlenhydrate sind natürlich vorkommende Polyhydroxycarbonylverbindungen, die als Monomere,

Dimere,

Oligomere

und

Polymere

auftre-

che Oxidation zu den Aldarsäuren, die oxidative Spaltung von vicinalen Diol-Einheiten, die Reduktion

zu

Alditolen,

Kondensationen,

Ver-

ten können.

esterungen und Acetalbildung.

2 Monosaccharide bezeichnet man als Aldosen, wenn sie eine Aldehydgruppe, und als Ketosen, wenn sie eine Ketogruppe enthalten. Die Kettenlänge gibt man durch die Vorsilben tri-, tetr-, pent-, hex- usw. an.

8 Zucker, die Halbacetalfunktionen enthalten, nennt man reduzierende Zucker, da sie Fehlingsche Lösung und Tollens-Reagenz rasch reduzieren. Zucker, in denen sich nur Acetalgruppen befinden, sind nichtreduzierend.

3

9 Die Synthese höherer Zucker basiert auf der Kiliani-Fischer-Kettenverlängerung, wobei das neue Kohlenstoffatom über ein Cyanid-Ion eingeführt wird. Zucker mit kürzerer Kette erhält man

Die

allermeisten

natürlichen

Kohlenhydrate

gehören zur D-Reihe; das bedeutet, daß das Chiralitätszentrum, das am weitesten von der Carbo-

nylgruppe entfernt ist, dieselbe Konfiguration wie das

chirale

Kohlenstoffatom

des

(R)-(+)-2,3-

Dihydroxypropanals [D-(+)-Glycerinaldehyd] hat. 4 Bei den Kohlenhydraten liegt die offenkettige Form mit freier Carbonylgruppe im Gleichgewicht mit der entsprechenden fünfgliedrigen (Furanose) oder sechsgliedrigen (Pyranose) cyclischen Halbacetalform

vor.

Das neue

Chiralitätszentrum,

das

bei der Cyclisierung entsteht, nennt man das anomere Kohlenstoffatom und man bezeichnet die beiden Anomere als & und ß. 5 Haworth-Projektionen von D-Zuckern zeigen den cyclischen Ether als Fünf- oder Sechseck, das anomere Kohlenstoffatom befindet sich auf der rechten Seite, das Ether-Sauerstoffatom in der oberen Hälfte (beim Fünfring an der Spitze) des Fünf- oder Sechsecks. Die Substituenten, die sich ober- oder unterhalb der Ringebene befinden, sind über vertikale Linien mit der Grundstruktur verbunden. Die untere Bindung im Ring (zwischen C2 und C3) steht oberhalb, die Ring-Bindungen,

die das Sauerstoffatom

enthalten,

stehen

unterhalb der Papierebene. Beim o-Anomer weist die OH-Gruppe an anomeren Kohlenstofffatom nach unten, beim B-Anomer nach oben.

6 Löst man ein reines Anomer eines Zuckers in einem Lösungsmittel, ändert sich die optische Drehung so lange, bis es zur Gleichgewichtseinstellung mit dem anderen Anomer gekommen ist. Diesen Vorgang bezeichnet man als Mutarotation. 7 Die Monosaccharide zeigen alle für Carbonyl-, Alkohol- und Halbacetalgruppen typischen Reaktionen. Hierzu gehört die Oxidation des Aldehyds zur Carboxyfunktion

der Aldonsäure,

die zweifa-

über den Wohl-

oder

Ruff-Abbau,

endständiger Kohlenstoff entweder Ion oder als CO, abgespalten wird.

bei denen

ein

als Cyanid-

10 Der Fischersche Konfigurationsbeweis nutzt die Methoden der Kettenverlängerung und des Kettenabbaus sowie die Symmetrieeigenschaften der Aldarsäuren zur Bestimmung der Konfigurationen der Aldosen aus. 11 Über Kettenverlängerungs- und Verkürzungsreaktionen und anhand der Symmetrie-Eigenschaften der Aldarsäuren lassen sich strukturelle Korrelationen in der Reihe der Aldosen aufstellen.

12 Di- und höhere Saccharide entstehen durch Etherbildung zwischen Monosacchariden, an der Etherbrücke ist normalerweise mindestens eine Hydroxygruppe eines anomeren Kohlenstoffatoms beteiligt. 13 Die Änderung des Drehwerts der Saccharose (Rohrzucker-Inversion), die man in wäßrigen Säurelösungen beobachtet, ergibt sich aus der Einstellung des Gleichgewichts zwischen dem Ausgangszucker und den verschiedenen cyclischen und anomeren Formen der beiden Monomer-Bausteine.

14 Viele Zucker enthalten ein modifiziertes Grundgerüst. Hydroxygruppen können durch Aminogruppen ersetzt sein, an das anomere Kohlenstoffatom können Substituenten unterschiedlicher Größe und Komplexität (Aglycone) gebunden sein, im Grundgerüst eines Zuckers können Sauerstoffatome fehlen, und der Zucker kann LKonfiguration haben (selten).

1227

24

Kohlenhydrate

Aufgaben 1. Die Bezeichnung D und L bezieht sich bei Zuckern auf die Konfiguration des am weitesten von der Carbonylgruppe entfernten Chiralitätszentrum. Ändert man die Konfiguration an diesem Zentrum bei der p-Ribose (s. Abb. 24-1) von D nach ı, erhält man dann als Produkt L-Ribose? Wenn nicht, welches Produkt ergibt sich? In welcher Beziehung steht es zur D-Ribose (um was für einen Typ von Isomeren handelt es sich)? 2 Zu welcher Klasse von Zuckern gehören die saccharide? Welche sind D-, welche sind L-Zucker?

H

OH

H

OH

OH

H

OH

HO

CH>OH

HO

H

HO

HO

—H

H

OH

H

OH

HOCH>

Mono-

CH>OH

(c)

CHO

(b)

CHO

(a)

folgenden

[6)

CH;

H

CH>OH (+)-Apiose

(-)-Rhamnose

(+)-Mannoheptulose

3 Zeichnen Sie offenkettige (Fischer-Projektion) Strukturen von L-(+)Ribose und L-(-)-Glucose (s. Übung 24-2). Wie heißen diese Zucker systematisch? 4 Identifizieren Sie die folgenden Zucker, die durch unkonventionell gezeichnete Fischer-Projektionen dargestellt sind. Hinweis: bei der Überführung in „normalere“ Darstellungen darf die Konfiguration an keinem Chiralitätszentrum verändert werden.

(b)

H

(a)

co

noch,

CH-OH o

HO

CH>OH H

H

HO

H

HOCH»

OH

OH

H

OH

HO

H CHO

CHO

H

H

HOCH» OH

H

(e)

HO

(d)

OHC

OH

H

OH

HOCH>

OH H

5 Zeichnen Sie die folgenden Zucker als offenkettige Fischer-Projektionen und geben Sie deren Trivialnamen an.

1228

N

(a)

OHC

N

OH

ei Be Be De oo

ex N cH;0H

(ec)

I

6

Aufgaben

OH

H 0

al

HO

OÖ H H NNERWRHO A

OH

Oo

H

CH,OH

CH>0OH

HO

HOCH> e

(b)

‚OH

o

OH (d)

216

CH>OH

H

OH

Zeichnen Sie für die folgenden Zucker (i) alle möglichen cyclischen

Strukturen,

benutzen

Sie

dabei

entweder

Haworth-

oder

Konforma-

tionsformeln, (ii) geben Sie an, welche Strukturen Pyranosen, Furanosen sind und (iii) zeichnen Sie a- und B-Anomere.

(a) (-)-Threose (b) (-)-Allose (ec) (-)-Ribulose 7 Zeigen Warum?

einige

welche

(d) (+)-Sorbose (e) (+)-Mannoheptulose (Aufgabe 2).

der

Zucker

8 Zeichnen Sie die stabilste der Pyranoseform. (a) a-D-Arabinose (b) B-D-Galactose

aus

Aufgabe

Konformation

5 keine

Mutarotation?

der folgenden

Zucker

in

(ec) B-D-Mannose (d) a-D-Idose.

9 Welche Produkte entstehen Ihrer Meinung nach, wenn die folgenden Zucker mit (i) Br, H,O; (ii) HNO;, H,O, 60°C; (iii) NaBH, und (iv) mit einem Überschuß C,HsSNHNH3», CH,CH>OH, Sie die Trivialnamen aller Produkte an. (a) D-(-)-Threose (b) D-(+)-Xylose

A, reagieren? Geben

(ec) D-(+)-Galactose.

10 Zeichnen Sie die Fischer-Projektion einer Aldohexose, die dasselbe Osazon wie (a) D-(-)-Idose und (b) L-(-)-Altrose ergibt.

11

(a) Welche der Aldopentosen (s. Abb. 24-1) ergeben bei der Reduktion mit NaBH, optisch aktive Alditole? (b) Erklären Sie am Beispiel der pD-Fructose die Ergebnisse der NaBH;-Reduktion einer Ketose. Ist die Situation komplizierter als bei der Reduktion einer Aldose? Geben Sie eine Erklärung.

12 Welche der folgenden Glucosen und Glucosederivate zeigen Mutarotation? (a) «-D-Glucopyranose. (b) Methyl-a-D-glucopyranosid.

(ce) Methyl-2,3,4,6-tetra-O-methyl-a-D-glucopyranosid Tetramethylether an C2, C3, C4 und C6). (d) 2,3,4,6-Tetra-O-methyl-a-D-glucopyranose. (e) a-D-Glucopyranose-1,2-monopropanon-Acetal. 13

(a) Warum

nose

läßt sich das Sauerstoffatom

soviel leichter methylieren

(also

der

an C1 bei einer Aldopyra-

als die anderen

Sauerstoffatome

im Molekül?

1229

24

Kohlenhydrate

(b) Warum kann die Methylethergruppe an Cl bei einer vollständig methylierten Aldopyranose weitaus leichter als die anderen Methyletherfunktionen hydrolysiert werden? (c) Welches Produkt (welche Produkte) entstehen bei der folgenden Reaktion? CH;0H, 0.25% HCI, E

pD-Fructose

2

H50

14 Zwei der vier Aldopentosen bilden beim Behandeln mit einem Überschuß saurem Propanon (Aceton) spontan Diacetale, die anderen beiden nur Monoacetale.

Erklären Sie, warum.

15 Dn-Sedoheptulose ist ein Zucker, der bei einem Abbaucyclus (dem Pentose-Oxidations-Cyclus) im Körper eine Rolle spielt. In diesem Cyclus wird Glucose in 2,3-Dihydroxypropanal (Glycerinaldehyd) und drei Aquivalente CO, überführt. Bestimmen Sie die Identität der DSedoheptulose aufgrund der folgenden Informationen.

|

(i) D-Sedoheptulose HI! _ ,4 HCOH (ii) D-Sedoheptulose een

Ruff-Abbau

(iii) Aldoheptose

A———>

(iv) Aldohexose B ern,

(v) Aldohexose

Ruff-Abbau

B———>

+ 2HCH

+ CO»

Osazon, identisch mit dem aus Aldoheptose A gebildeten Osazon.

Aldohexose B optisch aktives Produkt

D-Ribose

16 Sie führen eine Kiliani-Fischer-Synthese an n-Talose durch. Wie viele Produkte entstehen? Zeichnen Sie ihre Formel(n). Gibt das Produkt (geben die Produkte) beim Behandeln mit warmer HNO; optisch aktive oder inaktive Dicarbonsäuren?

17 Schreiben Sie einen plausiblen Mechanismus lierungsschritt beim Ruff-Abbau. 18

für den Decarboxy-

(a) Formulieren Sie einen detaillierten Mechanismus für die Isomerısierung von ß-D-Fructofuranose, die durch Hydrolyse von Saccharose entsteht, in das Gleichgewichtsgemisch der ß-Pyranoseund ß-Furanoseformen. (b) Obwohl Fructose in Oligo- und Polysacchariden gewöhnlich als Furanose vorliegt, nimmt sie in reiner kristalliner Form die B-Pyranoseform ein. Zeichnen Sie ß-D-Fructopyranose in der stabilsten Konformation. In Wasser besteht das Gleichgewichtsgemisch bei

20°C aus 80% Pyranose und 20% Furanose. (c) Wie groß ist der Unterschied der freien Enthalpie zwischen Pyranose- und Furanoseform bei dieser Temperatur? (d) Reine ß-D-Fructopyranose hat einen spezifischen Drehwert

[5

= —132°.

Das Gleichgewichtsgemisch Pyranose-Furanose

ein [a] “ = —92°. Berechnen Sie [a]

für reine ß-D-Fructofura-

nose. 19 Geben Sie an, ob die folgenden zierend oder nichtreduzierend sind.

(a) D-Glycerinaldehyd. (b) D-Arabinose.

1230

Zucker

und Zuckerderivate

redu-

(ec) B-D-Arabinopyranose-3,4-propanon-Monoacetal.

COOH

(d) B-D-Arabinopyranose-Propanon-Diacetal. (e) D-Ribulose. (f) D-Galactose.

HO

(g) Methyl-B-D-galactopyranosid.

H

(h) B-D-Galacturonsäure. (i) ß-Cellobiose.

OÖ H Be H

(j) a-Lactose.

>H

H

H

OH

ß-D-Galacturonsäure

20 Zeigt oa-Lactose Mutarotation? anhand von Konstitutionsformeln.

Veranschaulichen

Sie den Prozeß

21 Trehalose, Sophorose und Turanose sind Disaccharide. Trehalose findet man in den Kokons einiger Insekten, Sophorose tritt in einigen Bohnenarten auf und Turanose ist ein Inhaltsstoff von Honigsorten, die Bienen, die mit Kiefernsaft gefüttert werden, produzieren. Im folgenden sind einige Formeln gezeigt. Suchen Sie hieraus aufgrund der darauf folgenden Informationen (i, ii, iii) die richtigen Formeln der drei Disaccharide heraus.

(a)

HO

BOEHSHL.A.

(b)

HOCH»

HO

HO

HO o

HOCH>

HO

O

6H

HO

OH

HO

CH-OH OH

()

HO

CHOH

_ og

HOCH>

o

0 no

(d)

OH

OH

OH

HOCH» >HO

nn

OH

Q OH

a:

OH OH CH>OH o

(i) Turanose und Sophorose sind reduzierende, Trehalose ist ein nichtreduzierender Zucker. (ii) Bei der Hydrolyse eines Moleküls Sophorose oder Trehalose entstehen zwei Moleküle Aldose, bei der Trehalose entsteht ein Molekül

Aldose, ein Molekül Ketose. (iii) Die beiden Aldosen, aus denen Anomere voneinander.

Sophorose

aufgebaut

ist, sind

1231

CH>0H

22

(a) Ein Gemisch von (R)-2,3-Dihydroxypropanal (D-Glycerinaldehyd) und 1,3-Dihydroxypropanon (1,3-Dihydroxyaceton) gibt beim Behandeln mit wäßriger NaOH rasch ein Gemisch dreier Zucker:

OÖ H

OH

HOCH>

OH

D-Fructose,

D-Sorbose

und

racemischer

Dendroketose

(am

Rand

ist nur ein Enantiomer gezeigt.) Erklären Sie dieses Ergebnis mit einem detaillierten Mechanismus. (b) Das gleiche Produktgemisch erhält man auch, wenn man den Aldehyd oder das Keton allein mit Base behandelt. Wie ist das zu erklären? Hinweis: Sehen Sie sich genau die Zwischenprodukte in Ihrem Mechanismus für Teil a an.

CH>0OH Dendroketose

23 Schreiben Sie die fehlenden Reagenzien und Strukturen von a bis g auf oder zeichnen Sie sie. Was ist der Trivialname von g?

(a) D-(H)-Xyiose 0) Ders D-Xylonsäure

HH NOS

Methyl-

Br,, NaOH

CO, .+.C,H, NO; = NHs HiCaEen

(e)

D-xylonat

0)

(8)

Bei der gezeigten Reaktionsfolge (dem Weerman-Abbau) entsteht dasselbe Endprodukt wie bei welchen in diesem Kapitel beschriebenen Verfahren?

24 Der Fischersche Konfigurationsbeweis war in Wahrheit experimentell viel schwieriger durchzuführen, als in Abschn. 24.10 dargestellt ist. So waren Glucose, Mannose und Arabinose die einzigen Zucker, die Fischer ohne Schwierigkeiten aus natürlichen Quellen erhalten konnte. (Erythrose und Threose waren damals überhaupt noch nicht bekannt.) Für seinen genialen Lösungsweg brauchte er Gulose, damit er den entscheidenden Vergleich der Dicarbonsäuren, den wir am Ende des Abschnitts beschrieben haben, anstellen konnte. Leider tritt Gulose nicht in der Natur auf, Fischer mußte sie synthetisieren. Seine Synthese, ausgehend von Glucose, war schwierig, da er an entscheidender Stelle ein problematisches Produktgemisch erhielt. Heutzutage ist Gulose z.B. über die folgende Synthese zugänglich. Zeichnen Sie die fehlenden Reagenzien und Strukturen a bis g oder schreiben Sie sie auf. Beachten Sie die Anweisungen und Hilfestellungen in Klammern. O,, Pt

Ze

(b)

D-(+ )-Glucose 22),

Methyl-D-glucosid (beide Isomere, zeichnen Sie nur eines)

H*, H,O

—

td

NaBH,

Fee

D-Glucuronsäure (Zeichnen Sie nur die offenkettige Form)

H,O+

(eine spezielle Reaktion, die nur den primären Alkohol an C6 in eine Carbonsäure oxidiert)

(©) Methyl-pglucurunosid

A

>

Gulonsäure

Na/Hg

©

en

(8)

Gulonolacton

(reduziert Lactone zu Aldehyden)

Gulose (Zeichnen Sie nur die offenkettige Form)

Ist die Gulose, die Fischer aus D-Glucose synthetisiert hat, ein L- oder ! ein D-Zucker? (Seien Sie vorsichtig, Fischer selbst hat sich zunächst vertan, was jahrelang zur allgemeinen Verwirrung führte.)

1232

25 Rutinose ist ein reduzierender Zucker, der Bestandteil einiger Bioflavonoide, einer Gruppe von Verbindungen, die in vielen Pflanzen vorkommt,

ist. Sie sind von

therapeutischem

Interesse,

da sie die Stärke

der Wände der Blutgefäße aufrechterhalten. Ein Rutinose enthaltendes Bioflavonoid ist Hesperidin, das in Zitronen und Orangen auftritt. Bei saurer Hydrolyse ergibt ein Molekül Rutinose je ein Molekül Glucose und ein Molekül Zucker C, der die Formel C,H,,O; hat. Zucker C reagiert mit vier Äquivalenten HIO, zu drei Äquivalenten Methansäure und jeweils einem Äquivalent Methanal und Ethanal. Zucker C läßt sich wie am Rand gezeigt synthetisieren.

L-(—)-Mannose I. HSCH>CH>SH, ZnCh

2. Raney Ni

(Abschn. 12.2)

3%

Br>,

H>0

Zucker C

(a) Welche Konstitution hat Zucker C?

Bei der vollständigen Methylierung der Rutinose (mit einem Überschuß Dimethylsulfat) und anschließender saurer Hydrolyse erhält man ein Äquivalent Methyl-2,3,4-tri-O-methyl-D-glucosid und ein Äquivalent des 2,3,4-Tri-O-methyl-Derivats des Zuckers C. (b) Welche Konstitution (welche Konstitutionen) den mit diesen Daten in Einklang stehen?

von

Rutinose

wür-

26 Vitamin € (Ascorbinsäure, Abschn. 22.9) findet sich fast im gesamten Pflanzen- und Tierreich. (Nach Linus Pauling synthetisiert eine Bergziege 12 bis 14 g davon pro Tag.) Tiere produzieren Vitamin C in der Leber aus D-Glucose über eine vierstufige Synthese: D-Glucose —— p-Glucuronsäure (s. Aufgabe 24) —> D-Glucuronsäure-y-lacton —— L-Gulonsäure-y-lacton — Vitamin C.

CH>0H Er

NÖ

C=H

| ER:

axC a.

ist identisch mit

se

N 030)

EO-=C—R

c=oO

CH>0H Vitamin

Das Enzym,

C

das die letzte Oxidation

Gulonolacton-Oxidase,

OH |

katalysiert, die sogenannte

fehlt beim Menschen,

L-

einigen Affenarten, Meer-

schweinchen und Vögeln. Der Grund hierfür ist möglicherweise ein defektes Gen, das bei einer Mutation, die vielleicht vor 60 Millionen Jahren stattgefunden hat, entstanden ist. Daher müssen wir Menschen Vitamin C mit der Nahrung zu uns nehmen. Dabei kann es sich entweder um Vitamin C aus natürlichen Quellen oder um synthetisches handeln. Tatsächlich ist die Ascorbinsäure in fast allen Vitaminpräparaten synthetisch hergestellt. Eine Zusammenfassung einer der wichtigsten kommerziellen Synthesen ist im folgenden gezeigt. Schreiben oder zeichnen Sie die fehlenden Reagenzien und Produkte.

1233

mikrobielle Oxidation an C5 (durch Acetobacter suboxydans)

—

D-Glucose 8, D-Glucitol

(b) L-Sorbose

—

CH,

>

(d) —

(e) L-Sorbofuranose

zwei Stufen

(offenkettig)

H5C-

CH3

CH>OH Er Er Hse

ac: Er |

a

g OH

BR

COOH

CH-H l H—C | OH

—

Viiaumıe

animieren,

darüber

w

ar.

2-Keto-1.-gulonsäure

Ketoform des Vitamin C

Gruppenübung 27

Diese

Aufgabe

nachzudenken,

wie

soll Sie und Sie unter

Ihr Team

Zuhilfenahme

dazu

einiger zusätzlicher

Infor-

mationen die Struktur eines einfachen Disaccharids entwickeln können. Betrachten Sie D-Lactose (Abschn. 24.11) und nehmen Sie an, daß Ihnen die Struktur unbekannt ist. Sie wissen, daß es sich um ein Disaccharid handelt, das eine B-Verknüpfung zu einem anomeren Kohlenstoffatom an nur an einem der beiden Zucker aufweist. Desweiteren sind Ihnen die Struktur aller Aldohexosen (Tabelle 24-1) und aller Methylether bekannt. Beschäftigen Sie sich entweder in kleinen Gruppen oder im gesamten Team mit folgenden Fragen, bevor Sie eine Diskussion beginnen: l. Unter milden sauren Bedingungen wird ihr „unbekannter“ Zucker zu D-Galactose und D-Glucose hydrolysiert. Welche Informationen können Sie aus diesem Ergebnis erhalten? 2. Schlagen Sie ein Experiment vor, mit dem Sie zeigen können, daß die

beiden Zucker nicht über ihre anomeren Zentren verknüpft sind! 3. Schlagen Sie ein Experiment vor, das Ihnen sagt, welcher der beiden Zucker eine verknüpfende Acetalgruppe enthält, um den anderen zu binden (Hinweis:

Die Chemie

funktionalisierter Monosaccharide,

wie

sie in diesem Kapitel vorgestellt wurde, ist auch auf höhere Zucker anwendbar,

siehe Abschnitt 24.4).

4. Entwickeln Sie unter Zuhilfenahme der Strukturen der möglichen Methylether der beiden Monosaccharide ein Experiment, durch das Sie herausfinden können, welche (nichtanomeren) Hydroxygruppen an der Bindung der Zuckerbausteine beteiligt sind. 5. Kann man mit diesem Ansatz zwischen einer Furanose und einer Pyranose als der zur Mutarotation befähigten Komponente des Disachcharides unterscheiden?

1234

Heterocyclen Heteroatome in cyclischen organischen Verbindungen

Werfen Sie einen Blick auf die Liste der zehn wichtigsten verschreibungspflichtigen Medikamente (Tab. 25-1). Was haben sie alle gemeinsam? Neben einer gewissen Anzahl von Heteroatomen enthalten alle mindestens einen Ring. Außer in zwei Fällen (Fluoxetin und Diclofenac) sind diese Ringe nicht ausschließlich aus Kohlenstoffatomen im Sinne von Carbocyclen (vgl. Kap. 4) aufgebaut, sondern auch aus Heteroatomen wie Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel; daher werden sie als Hete-

rocyclen bezeichnet. Am häufigsten findet man Stickstoff oder Sauerstoff oder beide gemeinsam in heterocyclischen Systemen. Einige dieser Verbindungen sind uns schon bei der Besprechung der cyclischen Ether, z.B. der Oxacyclopentane (Tetrahydrofuran) und Kronenether (s. Abschn. 9.6), der cyclischen Acetale (s. Abschn. 17.8 und 24.2), der cyclischen Dicarbonsäure-Derivate (Abschn. 19.8 bis 19.10 u. 20.3 bis 20.6), der Halonium-Ionen (Abschn. 12.5) und der 1,3-Dithiacyclohexane (Dithiane, Abschn. 23.5) begegnet. Man hat geschätzt, daß mehr als 65% aller auf dem Gebiet der Chemie publizierten Arbeiten auf irgendeine Weise etwas mit heterocyclischen Systemen zu tun haben. Über die Hälfte aller Naturstoffe sind Heterocyclen, und heterocyclische Ringe sind in außerordentlich vielen pharmakölogisch wirksamen Molekülen enthalten. In einigen früheren Kapiteln haben wir schon Vertreter dieser Naturstoffklassen kennengelernt: cyclische Ether (Abschn. 9.6), Acetale (Abschn. 17.8, 23.4 u. 24.8), Carbonsäurederivate (Kap. 19 u. 20) und Amine (Kap. 21). Die Basen der DNA, deren Abfolge die Erbinformation speichert, sind Heterocyclen (Abschn. 26.9), ebenso mehrere Vitamine wie B, (Thiamin, Kasten 23-5), B, (Riboflavin, Kasten 25-5), B, (Pyridoxin), der spektakuläre Komplex BJ,, und die Vitamine C und E (Abschn. 22.9). Die Konstitutionsformeln der Vitamine B, und B,, sowie einige weitere Beispiele heterocyclischer Systeme und ihre vielfältigen Anwendungen sind im folgenden zusammengefaßt:

1235

25

Heterocyclen

H

OH HOCH,

CH;

| CH;

N

"CH;

Hoch,“

R=

N

N

OH

en H

OH H

N

Pyridoxin, Vitamin B; (Enzym-Cofaktor mit

CH;

vielen Funktionen)

CH;

Vitamin

CH \ 3 N

cl

HO

o

—N

f -

N,

Bi

(Cobalamin) (katalysiert biologische Umlagerungen und Methylierungen)

NH3

\

A

5

u

N“

bh

—

Zidovudin

Diazepam (Valium)

Tacrin (Cognex)

(antivirales AIDS-Medikament.

(Beruhigungsmittel)

(wird bei der AlzheimerKrankheit eingesetzt)

siehe Kasten 26-4)

HC

CH;

ei

R

N OH N

ana

sn

6)

Ss. Terfenadin (Seldane), R= CH; Fexofenadin (Allegra), R= COOH (Antihistaminicum, Allergie-Medikament Terfenadin wurde 1998 zugunsten von Fexofenadin vom Markt genommen; hat vermutlich Nebenwirkungen)

»

CH;

Ethidimuron (Totalherbizid, tötet alle Pflanzen, beeinträchtigt Photosynthese)

RE

ATIN N

CH,

8-Methylpyrrolo|1,2-a]-pyrazin (von gebratenem Fleisch)

NHCH;

Bu

EN

©

NN

CH=CH

H

H

SOHH

HO,S

Diaminostilbendisulfonsäure-Aufheller (optischer Aufheller, der Leinen, Papier und Kunststoffen zugesetzt wird. Luminesziert blaues Licht, so daß Eindruck eines intensiven Weiß entsteht)

Tabelle 25-1 Die zehn wichtigsten verschreibungspflichtigen Medikamente weltweit (aus H.-J. Quadbeck-Seeger, G. Knaus, U. Siemeling: Chemierekorde,

H;C\_

I. Ranitidin (Zantac)

Par

\

N

Se

CH;

Menschen,

En

N

ar

Märkte,

Moleküle,

H

H

N

N

s

|

WILEY-VCH,

R. Faust,

1997).

H e- N

CH;

N

7:

f

N—\

/

NO, Antiulcerativum

ch,

NL ER Omeprazol

CH

o—cH 3

(Prilosec)

a

3

Antiulcerativum

Oo OH

3. Amoxicillin

CH;

(Amoxil,

H

CH,

E ah

Trimox)

BR 4. Nifedipin (Oxcord, Antibiotieum

,

Procardia XL)

0

oO

nn

Antihypertensivum

Och,

;

5. Enalapril

|

(Vasotec)

U I

6. Fluoxetin (Prozac) Antidepressivum

7. Diltiazem

ci

(Cardizem, Tiazac)

8. Diclofenac (Catallam, Voltaren)

COOH N

Antiphlogisticum

N

FERCH, Antihypertensivum

a

oO

10. Simvastatin (Sivastın,

Io

9, Bar (Capoteh)

2 Se | |

L

‚Oo

Ba 1%) 4

Zocor)

CH;

N

N

H;C“

Antihypertensivum

Lipidsenker

In diesem Kapitel beschreiben wir die Nomenklatur, Synthesen und Reaktionen einiger gesättigter und aromatischer heterocyclischer Verbindungen, wobei wir mit den kleinsten Systemen, den Heterocyclopropanen, beginnen und dann zu den größeren Heterocyclen übergehen. Ein Teil dieser Chemie

ist nicht neu, sondern

entspricht Umsetzungen,

die wir bereits bei den Carbocyclen besprochen haben. Andererseits bewirkt die Anwesenheit eines Heteroatoms jedoch auch eine spezielle Reaktivität, aufgrund derer sich einige heterocyclische Verbindungen in ihrem chemischen Verhalten von ihren carbocyclischen Analoga unterscheiden. 1237

Rune

25.1 Die Nomenklatur der Heterocyclen Wie bei allen anderen Verbindungsklassen, die wir in diesem Buch beschrieben haben, gibt es auch bei den Heterocyclen viele Verbindungen, für die auch heute noch Trivialnamen gebräuchlich sind. Dazu kommt noch, daß es mehrere Nomenklatursysteme für Heterocyclen gibt, die nebeneinander verwendet werden. Diese muß man einerseits kennen, andererseits läßt sich nicht jedes auf alle Moleküle anwenden,

und teilweise sind sie nicht eindeutig. In diesem Kapitel verwenden wir das einfachste

System,

das die Heterocyclen

so behandelt,

als ob sie

sich von den entsprechenden Carbocyclen ableiten. Das Vorhandensein und die Art des Heteroatoms werden dann durch einen Namensvorsatz angegeben: Aza- für Stickstoff, oxa- für Sauerstoff, thia- für Schwefel, phospha- für Phosphor usw. Den geläufigsten zweiten Namen haben wir dahinter in Klammern angegeben. Der Ort von möglichen Substitutenten wird durch Numerierung der Ringatome, vom Heteroatom ausgehend, gekennzeichnet.

\7Ö Oxacyelopropan (Oxiran, Ethylenoxid)

U l NH

2: 0°

CH;

1S

N-Methyl azacyclopropan (N-Methylaziridin)

m

CH;CH»

2

we N

|

3-Ethylazacyclobutan

R

(2,2-Dimethylthietan)

x 2,

S

trans-3,4-Dibrom oxacyclopentan

Azacyclopentan

(trans-3,4-Dibromtetrahydrofuran)

(Pyrrolidin)

3

6

E

S

2

] 0)

Thiacyelopentan

5

CH;

5

(Tetrahydrothiophen)

Oxacyclobutan (Oxetan)

\2

Br

2 Ba o

2,2-Dimethylthiacyclobutan

(3-Ethylazetidin)

2-Fluor thiacyclopropan (2-Fluorthiiran)

Br s

H;C“ ; CH;

[}O

N H

S

3-Methyloxacyclohexan

Azacyclohexan

3-Cyclopropylthiacyclohexan

(3-Methyltetrahydropyran)

(Piperidin)

(3-Cyclopropyltetrahydrothiopyran)

Obwohl man die ungesättigten Heterocyclen im Prinzip auch nach diesem System benennen könnte (Furan z.B. würde 1-Oxa-2,4-cyclopentadien und Pyridin Azabenzol, oder besser Aza-1,3,5-cyclohexatrien heißen), haben sich die Trivialnamen dermaßen eingebürgert, daß wir sie hier auch benutzen werden.

4

3

4

3

d

\,

d

Pyrrol

3

4

\,; Rn \,

Furan

Thiophen

>>

3

5

5

\,

35

4

als

Dr

BERN

7

Indol

Chinolin

Pyridin

3

4

NH3

4

NZ

| N> & Sy Adenin

(s. Abschn. 26.9) Übung 25-1 Benennen oder zeichnen Sie die folgenden Verbindungen: (a) trans-2,4-Dimethyloxacyclopentan (frans-2,4-Dimethyltetrahydrofuran); (b) N-Ethylazacyclopropan;

Br

EN (c) OsN 1238

IN

No;

S N

25.2 Nichtaromatische Heterocyclen

25.2 Nichtaromatische Heterocyclen Wie bereits die umfangreiche Chemie der Oxacyclopropane (Abschn. 9.9) gezeigt hat, ist in drei- oder viergliedrigen Heterocyclen aufgrund der Ringspannung eine leichte nucleophile Ringöffnung möglich. Im Gegensatz dazu sind die größeren, spannungsfreien Moleküle verhältnismäßig inert.

Darstellungsmöglichkeiten für Heterocyclopropane Azacyclopropane (Aziridine) lassen sich durch direkte Addition von Nitrenen (s. Abschn. 20.7), den Stickstoff-Analoga der Carbene (s. Abschn. 21.11), an Alkene darstellen. So bildet sich aus Ethylazidocarboxylat (Azidokohlensäureethylester) bei Belichtung oder Erhitzen ein reaktives Nitren, das von einem Alken abgefangen werden kann, wobei die entsprechenden Azacyclopropane in mäßigen Ausbeuten entstehen. r

+

..

|

IN=N—N--COCH>CH; —

..

+

..

?

|

a :N=N:

+

Pe

r

1

ıv oder >: N= I NJCOCH;CH; |..,

":N=N=N—COCH;CH,

6)

5

®&

:N—COCH3;CH3

Terug

ein Nitren

N—CO;CH>CH3

?

50%

Bessere Ausbeuten lassen sich erzielen, wenn man das Azid zunächst in einer 1,3-dipolaren Cycloaddition mit der Doppelbindung reagieren läßt. Die Reaktion verläuft analog zu der Primärozonidbildung durch Addition von Ozon an Alkene (s. Abschn. 12.11). Die erhaltenen Produkte, die Triazoline, sind jedoch stabiler. x dlt:

I DI

hv, Propanon (Aceton) ,

x

Pentan, Re

|

INGE

\

|

N“

CO,CH>CH3 94%

N:

| CO,CH>CH3

ein Triazolin

NCO;CH;CH3 + :N=N: 95% Die meisten Synthesen von Azacyclopropanen (Aziridinen) verwenden Ringschlußreaktionen. So addiert sich z.B. Iodisocyanat, ein elektrophiles Reagenz mit einem positiv polarisierten Iodatom (I'NCO’; s. Abschn. 12.6), unter Bildung des Iodisocyanat-Derivats an Doppelbindungen. Isocyanate treten auch intermediär bei der Hofmann-Umlagerung auf, wo sie sich sofort mit Alkohol zu den entsprechenden Carbamidsäureestern umsetzen. In unserem Falle erhält man das gewünschte Zwischenprodukt durch Behandeln mit Methanol. Das relativ saure Amid-

1239

|Ne

_(CH;CH3)O |

50% NaOH, H,O, rue, BEER, u.

_CH3OH ,

IN=C=O

Oncoch,

trans-2-lodcyclohexyl-

lodisocyanat

ERROR

isocyanat

1

I

in

® ip kan, —

[| Ditoon,

SELTEN

DR

!NH + CO,

TECHOH

80% ein N-Methoxycarbonyl-

Amidat-Ion

90%

azacyclopropan

Proton (pX, = 15) dieses Moleküls läßt sich durch Basen abspalten, und das Amidat-Ion geht eine intramolekulare Sy2-Reaktion ein, bei der ein N-Methoxycarbonylazacyclopropan entsteht. Durch basische Hydrolyse bei leicht erhöhten Temperaturen wird die Carboxygruppe abgespalten (s. Abschn. 20.7), und man erhält das freie cyclische Amin.

Übung 25-2 Azacyclopropane (Aziridine) kann man auch aus Oxacyclopropanen über die Folge (1) RNH;3, (2) HCl, (3) Base herstellen. Wie läuft diese Reaktionssequenz ab?

Intramolekulare Sy2-Reaktionen lassen sich auch zur Darstellung von Oxacyclopropanen (auch Epoxide genannt) aus vicinalen Chloralkoholen verwenden (s. Abschn. 9.6). Ein alternativer Weg zur Darstellung von Oxacyclopropanen geht über die Oxidation von Alkenen mit Peroxycarbonsäuren (s. Abschn. 12.9). Es sei daran erinnert, daß diese Reaktion über einen elektrophilen Mechanismus läuft. Darstellung von Oxacyclopropanen aus Alkenen

Sei O— ON

rc NN N

I/

C

I,| erernger |

EN

SoH

C

IN

Hieraus ergibt sich, daß Doppelbindungen, an die elektronenziehende Gruppen gebunden sind (z.B. a,ß-ungesättigte Carbonylverbindungen), unter diesen Bedingungen nur sehr zögernd reagieren. Sie lassen sich jedoch durch einen nucleophilen Sauerstofflieferanten zu den entsprechenden Oxacyclopropanen oxidieren. Behandelt man a,ß-ungesättigte Aldehyde oder Ketone mit basischem Wasserstoffperoxid, findet eine Michael-Addition (s. Abschn. 18.12) statt, bei der das HydroperoxidIon als Nucleophil reagiert. Bildung eines Oxacyclopropans aus Propenal mit basischem Wasserstoffperoxid

Br0% #20; NaOH, | CH,OH HRC=CHCH

Ic

OÖ

SR. CHCH

85% Propenal

1240

2-Formyloxacyclopropan

25.2

Mechanismus:

:03)

We

CH>=SCH-CH a

EHE

Iıchael-

Addition

|

R

uirar

H

N” rer

PT:

[00:7 er

2

HC—CH—C\

H

u

Nichtaromatische Heterocyclen

HOT

10%

[ran xT

H-C——CHCH + :0H 2 A E

n Beim

Behandeln

von

cis- oder

trans-3-Penten-2-on

mit basischem

H,O,

erhält

dasselbe Produktgemisch aus cis- und trans-2-Acetyl-3-methyloxacyclopropan. sich das mechanistisch erklären?

man

Wie läßt

Thiacyclopropane (Thiirane) synthetisiert man am besten aus den leicht zugänglichen Oxacyclopropanen. Ein Reagenz, mit dem man die Sauerstoff- direkt in die Schwefelverbindung überführen kann, ist Kaliumthiocyanat, K'SCN. Die Umsetzung ist stereospezifisch und verläuft unter Inversion an beiden reagierenden Kohlenstoffatomen.

Direkte Überführung eines Oxacyclopropans in ein Thiacyclopropan

COOH

[ ] D s FE Be

S un

=

‚ CoHg, NaHCO;

COOH

. N

3=

DESCH

ER

_KISCNT, D xnco”

r

ER e

HD

56% (Gesamtausbeute)

cı

trans-2,3-Dideuteriothiacyclopropan

. Der Mechanismus der Reaktion beginnt mit einer nucleophilen Öffnung des Oxacyclopropanrings. Das so gebildete Alkoxid-Ion addiert sich dann an die Nitrilgruppe zu einem intermediären heterocyclischen Anion. Mechanismus r

IND N

‚Orsip ER

=D

\

PS ENE erste

H

Inversion

D

Hr

HH

D

ERS : H

— Rotation

"8:

N

2, D

vH

D

\\

Nee

ie

47

2

N

\

en

H

ER

EN

Thiocyanat-Ion

N)

.

IR

= ISIN :

ars

1 EEE

2

&\ {e

.O*

BEI

EI

D

A D

H

Rotation

H

D

u

3%

H, EEE.

S:

"2°

zweite

Inversion

‚D 2°

%

—H+ \ /

Ei :0—Cc=N: %

Cyanat-Ion

25 Heterocyclen

Die Ringöffnung in entgegengesetzter Richtung und eine darauffolgende intramolekulare Substitution der Cyanatfunktion ergibt als Endprodukt das Thiacyclopropan.

Ss Übung 25-4 A

©

Schlagen Sie eine Synthese für Verbindung A (s. Randspalte) aus Cyclohexan vor.

Die Ringspannung macht Heterocyclopropane reaktiv Da die Ringspannung bei der nucleophilen Ringöffnung aufgehoben wird, sind Heterocyclopropane recht reaktiv. Unter basischen Bedingungen tritt das Nucleophil am Kohlenstoffatom mit den wenigsten Substituenten ein, und es kommt zur Inversion der Konfiguration (s. Abschn. 9.9).

o

IN.

he

+ CH07 EM,

CeHs 2-Phenyloxacyclopropan

CHCHCH,OCHE 85% 2-Methoxy-1-phenylethanol

TH>CH3

an

HNCH;CH; H

H3C- Ne: H

70% CH;CH3NH, H;O, |

OH

ce

120°C, 16 Tage

H;C /

H

NHCH;CH3 55%

N-Ethyl-(25,3S)-trans-2,3dimethylazacyclopropan

meso-N,N’-Diethyl-2,3-butandiamin

\\ H- Fr -CH; H;C

I. LiAID4 ZH ,HO

SH CH3 H ie H

H

CH3

D 35%

(2R ,3R)-trans-2,3-Dimethyl-

(2R,3S)-3-Deuterio-2-butan-

thiacyclopropan

thiol

Übung 25-5 Beim Behandeln von Verbindung A aus Übung 25-4 mit HCl erhält man als Produkt ein Thiol. Zeichnen Sie die Konstitutionsformel des entstandenen Moleküls einschließlich der relativen Konfiguration.

| Übung 25-6 Erklären Sie das folgende Ergebnis über einen Mechanismus. eine durch die Lewis-Säure katalysierte Ringöffnung.

Hinweis: Versuchen Sie

H

Be MsBr,, (CH3CH5)20,

oO

100%

| Übung 25-7 (2-Chlormethyl)oxacyclopropan reagiert mit Hydrogensulfid-Ionen 3-ol. Formulieren Sie einen Mechanismus für diese Umsetzung.

1242

zu Thiacyclobutan-

Darstellung vier- und fünfgliedriger Heterocycloalkane

25.2 Nichtaromatische

Heterocyclen

Obwohl Ringschlußreaktionen zu Vierring-Heterocycloalkanen über intramolekulare Sy2-Reaktionen relativ langsam verlaufen, erhält man doch in einer Reihe von Fällen brauchbare Ausbeuten.

|

H

| |

HOSOCH-CH,CH,NC(CH3), Ed, — ] — K)S0,4, — 2HOH

NC(CH3)s

47%

ö

N-(1,1-Dimethylethyl)azacyclobutan

HO

CH;CH;CI Nah,

(CH3CH;)z0 Are R

— NaCl

- H—H 55%

Vierring-Heterocyclen erhält man auch durch direkte [2 + 2]-Cycloadditionen geeigneter Doppelbindungen. Diese Reaktionen lassen sich photochemisch bzw. durch spezielle Katalysatoren induzieren, oder man setzt reaktive Substrate, wie Chlorsulfonylisocyanat (CSI), ein. [2+2]-Cycloadditionen bei der Synthese von Heterocyclobutanen

\

%

ce NCH,

BC

ER

hy,

CH,

,

3-10%

ee

CH;

HsC+—

CsHs CH; 93%

3,3-Dimethyl-2,2-diphenyloxacyclobutan

CR

er

o | | 16) 88% Oxa-2-cyclobutanon

Keten

(ß-Propiolacton)

CH3

OÖ

ie

Bl

H;C i

|

+ CISN=C=0

\

=

(CH,CH,),0, 20°C

Se

———

CISON-

e:

oO

70%. Chlorsulfonylisocyanat (CSI)

N-Chlorsulfonyl-4,4-dimethylaza-2-cyclobutanon (N-Chlorsulfonyl-3,3-dimethyl-B-propiolactam)

) Übung 25-8 \ Die eben beschriebenen Cycloadditionen an Keten laufen vermutlich U Zwischenstufen. Formulieren sie entsprechende Mechanismen.

über dipolare

Heterocycloalkane mit fünfgliedrigen (und größeren) Ringen werden meist durch intramolekulare Sy2-Reaktion dargestellt. Eine Alternative ist die katalytische Hydrierung der entsprechenden ungesättigten Verbindungen, falls sie leicht zugänglich sind. Pyrrole überführt man auf diese Weise in Azacyclopentane und Furane in Oxacyclopentane. Thiophen läßt sich schwieriger reduzieren, weil Schwefel ein Katalysatorgift ist. Mit einer größeren Menge Katalysator erhält man jedoch Thiacyclopentan in guten Ausbeuten.

1243

25

Heterocyclen

EN

„Ha, Pt,CH3CO;H „

LU

N

|

CO;CH3

CO;CH3 95%

N-Methoxycarbonylpyrrol

=

N-Methoxycarbonylazacyclopentan (N-Methoxycarbonylpyrrolidin)

H,, Raney-Ni, CH,CH,OH, 160°C, 60 bar —

&E

———

100% Oxacyclopentan (Tetrahydrofuran)

Furan

=

H>, Pd/C (2 Äquivalente)

.

71% Thiacyclopentan (Tetrahydrothiophen)

Thiophen

Kasten 25-1

Azacyclopropen-Antibiotika

CH3(CH3) 12

N

ln

2

CH3(CH3)12 H

COOCH3 Dysidazirin

H

ei

NH

3“ > "CH>OH

H OH

p-Sphingosin

In den Meeren gibt es reichhaltige Vorkommen biologisch hochaktiver Substanzen. Eine. der ungewöhnlichsten wurde 1988 in Schwämmen des Südpazifiks entdeckt: Dysidazirin, ein Naturstoff mit einem Azacyclopropenring. Diese Verbindung wirkt toxisch gegenüber einigen Arten von Krebszellen und verhindert das Wachstum von gramnegativen Bakterien. Es ist nicht bekannt, wie Dysidazirin in der Natur synthetisiert wird, aber eine mögliche Vorstufe ist der Aminoalkohol D-Sphingosin, ein Bestandteil der Zellmembran. Die enzymatische Oxidation der sekundären Alkoholgruppe an C3 von D-Sphingosin in eine Ketofunktion wäre ein erster plausibler Schritt bei der Umwandlung zu Dysidazirin. Eine intramolekulare Iminbildung

zwischen den Carbonyl- und den Aminogruppen würde dann zu dem dreigliedrigen heterocyclischen Ring führen. Den Abschluß der Synthese könnten schließlich eine Oxidation und Veresterung an Cl bilden. Auch wenn man den Mechanismus der antibiotischen Wirkung von Dysidazirin bisher nicht kennt, so wird die chemische Reaktivität seiner C=N-Doppelbindung durch die Spannung des Dreirings stark erhöht. Nucleophile greifen schnell an C3 an und über eine konjugierte Addition auch an C5. Auch die Ringöffnung findet schon unter milden Bedingungen statt: Bei katalytischer Hydrierung erhält man ein Gemisch der entsprechenden Azacyclopropan- und acyclischen Aminoester.

CHz3(CH;) 12

NH

--H COOCH3

CH3(CH)) 3CcHz)ı2._

an

H,, kat. PtO,, CH;Ch

| a

a

ee

COOCH3

COOCHz +

CHz3(CH3;)2

COOCH3 NH>

| Kasten 252 Taxol und Krebs

C6HSCONH

CH3COO

O

CH

N

leiterkrebs zugelassen. In sehr begrenztem Umfang kann es aus natürlichen Quellen gewonnen

Bl;

werden,

0=

|

OH

9

re ı

OCOCH3

OCOCsHs Taxol

Taxol ist ein außerordentlich vielversprechender, natürlich vorkommender Antikrebswirkstoff. Ausgedehnte klinische Untersuchungen haben seine Wirksamkeit gegen Leukämie und verschiedene andere

Tumorarten,

darunter

auch

denn es ist zu etwa 0.02%

in der Rinde

des Stammes einer Eibenart enthalten. Große Anstrengungen werden daher unternommen, um Synthesen dieser Substanz zu entwickeln. Anfang 1994 wurden von zwei amerikanischen Arbeitsgruppen die ersten Totalsynthesen des Taxols publiziert. Taxol enthält einen Oxacyclobutanring, dessen Rolle bei der Wirkung gegen Krebs aber noch unklar ist. Daneben sind noch verschiedene andere Reaktionszentren wie die Allylestergruppe an C13 im Molekül vorhanden. Die Hydrolyse der vier Estergruppen verringert stark die Wirksamkeit gegen Krebs, ein deutlicher Hinweis auf die Bedeutung dieser Gruppen für den Wirkmechanismus.

mindestens

eine Form von Lungenkrebs, gezeigt. In den USA wurde Taxol für die Behandlung von Ei-

B Kasten 25-3 Nicotin und Krebs

ex I

N

|

No"

Ringöffnung und Oxidation nr s 3

—

du 3

Nicotin

4-(N-Methyl-N-nitrosamino)4-(3-pyridyl)butanal

4-(N-Methyl-N-nitrosamino)1-(3-pyridyl)-1-butanon

Der ‘Mechanismus, nach dem die Umwandlung von Nicotin aus dem’Zigarettenrauch in stark cancerogene Verbindungen abläuft, wird immer besser verstanden. Der Anfangsschritt scheint eine N-Nitrosierung des Stickstoffatoms im Azacyclopentan (Pyrrolidin) zu sein. Die anschließende Oxidation und Ringöffnung führt zu einem Gemisch zweier N-Nitrosodialkanamine (N-Nitrosamine, vgl. Kasten 21-3), die beide starke Cancerogene sind.

Durch Protonierung des Sauerstoffatoms einer Nitrosogruppe werden diese Verbindungen reaktive Alkylierungsmittel, die Methylgruppen auf nucleophile Zentren in Biomolekülen wie DNA übertragen können (siehe unten). Das zurückbleibende Diazohydroxid zersetzt sich über ein Diazonium-Ion

in ein Carbenium-Ion,

das weiteren

molekularen Schaden verursachen kann (Abschn. 21.10).

“

L NV

oO

OH GL N

u*

N

se

OH

oa 3

Nu: (in DNA)

—

R

N

CH3

IR

Pt

CH3

R

IHN

N

|

[23

R

F

N

+ Nu—CH;

1245

25

Heterocyclen

Heterocyclobutane sind als gespannte Systeme reaktiv, Heterocyclopentane sind reaktionsträge Die Reaktivität der Vier- und Fünfring-Heterocycloalkane entspricht den Erwartungen: Nur die gespannten Vierringe sind reaktiv, und ihre Reaktionen verlaufen gewöhnlich unter Ringöffnung. Ein Beispiel hierfür ist die Reaktion von Oxacyclobutan mit Methanamin (Methylamin).

OÖ + CH3NH>

150°C

> CH3NH(CH,)3OH 45% N-Methyl-3-amino1-propanol

Übung 25-9 Beim Behandeln von Thiacyclobutan mit Chlor in CHCh bei -70°C erhält man CICH>CH>CH>SCl in 30% Ausbeute. Schlagen Sie einen Mechanismus für diese Reaktion vor. Hinweis:

Das Schwefelatom

in Sulfiden ist nucleophil (s. Abschn.

9.9).

Übung 25-10 2-Methyloxacyclobutan reagiert mit Chlorwasserstoff zu zwei Produkten. ihre Konstitutionsformeln.

Zeichnen Sie

Die nahezu spannungsfreien Heterocyclopentane sind relativ inert. Erinnern wir uns daran, daß man Oxacyclopentan (Tetrahydrofuran, THF) als Lösungsmittel benutzt. Aza- und Thiacyclopentane reagieren so, wie man es für Amine und Thiole erwarten würde (s. Abschn. 9.9, 17.9, 18.40: 21.8). Übung 25-11 Beim Behandeln von Azacyclopentan (Pyrrolidin) mit Natriumnitrit in Essigsäure erhält man eine Flüssigkeit vom Sdp. 99-100°C (20 kPa) und der Summenformel C,H3N>O. Schlagen Sie eine Konstitution für diese Verbindung vor.

Fassen wir zusammen: Die vier- und fünfgliedrigen Heterocycloalkane lassen sich durch intramolekulare Sy2-Reaktionen und (dies gilt für die Vierringe) durch [2+ 2]-Cyeloaddition darstellen. Wie man erwarten kann, gehen die gespannten Vierring-Heterocyclokalkane leichter als die Fünfringe nucleophile Ringöffnungsreaktionen ein.

25.3 Struktur und Eigenschaften aromatischer Heterocyclopentadiene Pyrrol, Furan und Thiophen sind 1-Hetero-2,4-cyclopentadiene mit einer Butadieneinheit, die jeweils durch ein Heteroatom mit freien Elektronenpaaren verbrückt ist. Diese Systeme enthalten sechs delokalisierte n-Elektronen und sind aromatisch. In diesem Abschnitt werden die Strukturen dieser Verbindungen und die Methoden zu ihrer Darstellung diskutiert. Aromatische Heterocyclopentadiene

BERTER N|

Oa

2S

H Pyrrol

1246

Furan

Thiophen

Pyrrol, Furan und Thiophen enthalten N ; delokalisierte freie Elektronenpaare

25.3 Struktur und Hole dnpenlaniene

Eigenschaften aromatischer

Die Elektronenstruktur der drei Heterocyclen Pyrrol, Furan und Thiophen ist ähnlich der des Cyclopentadienyl-Anions (s. Abschn. 15.8). Das Cyclopentadienyl-Anion kann man als Butadien mit einem negativ geladenen Kohlenstoffatom als Brücke ansehen, dessen Elektronenpaar über die anderen vier Kohlenstoffatome delokalisiert ist. In den entsprechenden Heterocyclen befindet sich ein neutrales Atom mit einem bzw. zwei freien Elektronenpaaren an dieser Stelle. Eines dieser Paare ist ebenfalls über den Ring delokalisiert, wodurch der Fünfring insgesamt 6 r-Elektronen erhält. Um eine maximale Überlappung zu erreichen, sind die Heteroatome sp’-hybridisiert (s. Abb. 25-1), und das an der Delokalisierung beteiligte Elektronenpaar befindet sich im verbleibenden p-Orbital. In Pyrrol mit einem freien Elektronenpaar ist an das sp’-hybridisierte Stickstoffatom noch ein Wasserstoffatom gebunden, das in der horizontalen Spiegelebene des Moleküls liegt. Bei Furan und Thiophen befindet sich das zweite freie Elektronenpaar in einem der sp’-Hybridorbitale in derselben Ebene und kann daher nicht an der Überlappung teilnehmen. Eine ähnliche Anordnung findet sich auch im Phenyl-Anion (s. Abschn. 22.4) oder dem Phenyl-Kation (bei dem dieses Orbital leer ist; s. Abschn. 22.10, Abb. 22-4). Die Delokalisierung des freien Elektronenpaars in den 1-Hetero-2,4cyclopentadienen läßt sich auch über Resonanzformeln mit Ladungstrennung beschreiben. Dies ist im folgenden am Pyrrol gezeigt.

IN ve C| H Cyclopentadienyl-Anion

Resonanzformeln des Pyrrols

&-2-5-8-9 an

ne

EA

N

N

N+

N*

H

H

H

H

N

N*

H

Wie man sieht, gibt es vier dipolare Resonanzformeln, in denen sich die positive Ladung an dem Heteroatom und die negative Ladung an einem jeweils anderen Kohlenstoffatom befindet. Diesem Bild kann man

entnehmen,

daß das Heteroatom

relativ elektronenarm,

die Koh-

lenstoffatome relativ elektronenreich sein sollten. Tatsächlich wird dies durch das Reaktionsverhalten dieser Verbindungen bestätigt. )Übung 25-12 Azacyclopentan und Pyrrol sind beide polar, aber ihre Dipolmomentvektoren zeigen in \ entgegengesetzte Richtungen. In welche? Begründen Sie Ihre Antwort. Ö

sp?-Hybridorbital

Pyrrol

p-Orbital

Furan (X = O) Thiophen (X = S)

p-Orbital

Abb. 25-1 Darstellung der Molekülorbitale von Pyrrol, Furan (X=O) und Thiophen (X=S). Das Heteroatom ist jeweils sp’-hybridisiert und trägt ein delokalisiertes freies Elektronenpaar.

1247

25 Heterocyclen

Pyrrole, Furane und Thiophene können aus y-Dicarbonylverbindungen dargestellt werden Bei den Synthesen der Heterocyclopentadiene werden eine Reihe unterschiedlicher Cyclisierungsstrategien benutzt. Eine allgemeine Methode ist die Paal-Knorr“-Synthese (für Pyrrole) mit ihren verschiedenen Varianten (für die anderen Heterocyclen). Man erhält die Zielverbindung durch Behandeln einer enolisierbaren y-Dicarbonylverbindung mit einem Amin (bei den Pyrrolen), mit P,O; (Furane) oder P,S; (Thiophene). Cyclisierung einer y-Dicarbonylverbindung zum 1-Hetero-2,4-cyclopentadien De

EN

\ WO |

Ba“

R’NH,, P,O,, oder P,S,

R yooH

UN

R

R

Saas

X = NR’,O, oderS

Beispiele:

|

CH3COOH,

CH;CCH>CH>CCH

3 Ss (CH3»CHNH>

nl

A, 17h

Er

u

ES Be

|

(CH3)>CH 70% N-1-Methylethyl2,5-dimethylpyrrol

0

CeHs CoHs

P,O„,150°C

CCH>CH>CCH3

P,S;, 140-150°C

ee

erh er ern

HG

AN

A

S

N

CH3

60% 2,5-Dimethylthiophen

MM Übung 25-13 ) Nach der folgenden Reaktionsgleichung läuft eine andere Pyrrolsynthese u lieren Sie einen Mechanismus für diese Umsetzung.

OÖ

(6)

| 'CH 3 en

21173 2 CH>CH3

H;C

+ CH 3%a 2 CO>CH>CH 1121113 ER CH;CH>0;C” 2

NH>

j ÄN \

ab. Formu-

CO>CH>CH; cH;

H

Ethyl-2-amino3-oxobutanoat

Ethyl-3-oxobutanoat

Diethyl-3,5-dimethylpyrrol2,4-dicarboxylat

Fassen wir zusammen: Pyrrol, Furan und Thiophen enthalten delokalisierte aromatische n-Systeme ähnlich dem des CyclopentadienylAnions. Eine allgemeine Darstellungsmethode für 1-Hetero-2,4-cyclopentadiene beruht auf der Cyclisierung enolisierbarer 1,4-Dicarbonylverbindungen.

* Karl Paal, 1860-1935, Professor an der Universität Erlangen; Ludwig Knorr, 1859-1921, Professor an der Universität Jena.

1248

25.4 Reaktionen der aromatischen

25.4

Reaktionen der aromatischen Heterocyclopentadiene

Heterocyclopentadiene Die Reaktivität von Pyrrol, Furan, Thiophen und ihrer Derivate läßt

sich weitgehend aus ihrer Aromatizität erklären und damit auf die Benzolchemie zurückführen. In diesem Abschnitt werden einige Reaktionen dieser Verbindungen beschrieben, vor allem die elektrophile aromatische Substitution, und es wird Indol vorgestellt, ein benzokondensiertes

Analogon des Pyrrols.

Aromatische Heterocyclopentadiene gehen elektrophile aromatische Substitutionsreaktionen ein Wie man es für aromatische Systeme erwarten kann, gehen 1-Hetero2,4-cyclopentadiene elektrophile aromatische Substitutionsreaktionen ein. Dabei kann der Angriff an zwei möglichen Stellen erfolgen: an C2 und an C3. Welche ist reaktiver? Eine Antwort läßt sich auf die gleiche Weise finden, auf die wir die Regioselektivität der elektrophilen aromatischen Substitution an substituierten Benzolen (s. Kap. 16) vorhergesagt haben: durch Abzählen aller möglichen Resonanzformeln für beide Positionen des Angriffs.

Resonanzformeln für den elektrophilen Angriff auf C2 und C3 bei aromatischen Heterocyclopentadienen

Angriff an C2:

n

Nex

a

ER

be el x Eeh

ER)

Angriff an C3:

H

E

!

\

E’

Kell

l

leck

H

.E %

LE

NL

|

Beide Übergangszustände werden aufgrund der Resonanzbeteiligung des Heteroatoms stabilisiert, für den des Angriffs an C2 läßt sich jedoch eine

Resonanzformel

mehr

formulieren,

eine

Substitution

wird

also

bevorzugt an dieser Position erfolgen. Tatsächlich wird diese Selektivität auch allgemein beobachtet. Da aber auch C3 für einen elektrophilen Angriff aktiviert ist, können, je nach den Bedingungen, nach Art des Substrats und des Elektrophils, Produktgemische entstehen. Die relative nucleophile Reaktivität der drei Heterocyclen nimmt in der Reihenfolge Pyrrol > Furan > Thiophen (> Benzol) ab.

;Übung 25-14 Bei der Monobromierung von Thiophen-3-carbonsäure erhält man nur ein Produkt. Wie ist seine Konstitution, und warum

erhält man nur ein Produkt?

25 Heterocyclen

Elektrophile aromatische Substitution an Pyrrol, Furan und Thiophen

Fe UN, 0% N

"=

oo” „COOH

H 3% 2-Nitropyrrol

acc, [0)

=% 3-Nitropyrrol

O\

ge HCI

6)

Cl

64% 2-Chlorfuran

ld

= Hcı

H;C

s

a O

64% 2-Acetyl5-methylthiophen

Da das freie Elektronenpaar am Stickstoffatom in die Konjugation eingebunden ist, ist die Basizität von Pyrrol außerordentlich gering. Nur mit sehr starken Säuren gelingt eine Protonierung, aber nicht am Stickstoff, sondern an C2.

Protonierung von Pyrrol

a" ! \ le > en

N

NH

H

H

pR,= —4.4

” Übung 25-15 I Warum EB atom?

wird Pyrrol an einem

a-Kohlenstoffatom

1-Hetero-2,4-cyclopentadiene

protoniert

und nicht am

Stickstoff-

können

Ringöffnungs- und Cycloadditionsreaktionen eingehen Furane sind maskierte y-Dicarbonylverbindungen, die sich unter milden Bedingungen hydrolysieren lassen. Diese Reaktion kann man als Umkehrung der Paal-Knorr-Synthese ansehen. Pyrrole polymerisieren unter diesen Bedingungen, Thiophen ist stabil.

Hydrolyse eines Furans zur y-Dicarbonylverbindung

N

10)

CH;

CH;COOH,

H3SO,, H>0, A

—[1 [21 [005

CH3CCH>CH;CCH3 90% 2,5-Hexandion

1250

Mechanismus

25.4

Reaktionen der aromatischen

Heterocyclopentadiene

H

IN ee ECHO

a

N\

HÖR

H H

a: — ad—CH;

H;C

H;C 93

OH

Pat

Gt

H=02 :0O: aa H;C i

CH;

\

fl

.

—— 5

H;C 2

0%

Pyrrol geht ähnliche Ringöffnungsreaktionen in Gegenwart von Hydroxylamin-Hydrochlorid ein, wobei das Dioxim (s. Abschn. 17.9) des Butandials entsteht.

Da H3NOHCI” ER 29 ©, HON=CHCH>CH>CH—=NOH N

h

80%

H

ButandialDioxim

Bei der durch Raney-Nickel katalysierten reduktiven Entschwefelung (s. Abschn. 17.8) von Thiophenderivaten bilden sich die schwefelfreien acyclischen gesättigten Verbindungen.

eek

A

2

2, CH3(CH7)3 CH(OCH>CH3)

Ss

50%

Thiophen läßt sich am Schwefelatom mit Peroxycarbonsäuren zu hochreaktiven Thiophensulfoxidund Thiophensulfon-Zwischenprodukten öxidieren, die miteinander in einer Diels-Alder-Cycloaddition reagieren. Diese Umsetzung verläuft allerdings mit niedrigen Ausbeuten. (0)

N

> l

ns

\

30% 30%

H,0;, CH;,COOH, CH,COOR, _

Te 23

7Tr Tage

\

\ un

/

Ö Thiophensulfoxid

|

> Thiophensulfon (nicht isolierbar)

S BR Q o 15% 0

Auch die anderen Cycloadditionen ein, hindeutet.

aromatischen Heterocyclen gehen Diels-Alderwas auf einen Dien-Charakter des n-Systems

1251

25

Heterocyclen

[6]

en Ka

Nr

„(CHaCH20, 25°C

un

OÖ

95%

90%

endo-Addukt kinetisches

exo-Addukt thermodynamisches Produkt

Produkt

Übung 25-16 Erklären Sie das folgende Ergebnis.

CO;CH3 a U

CH30,C ©

cosch, +]C

200°C, Ih

CO:CH3 N \

COSCH;

CO;CH3 40% Trimethyl-

N,3,4-pyrroltricarboxylat

Bei dieser Reaktion wird auch noch ein anderes Produkt gebildet. Welches”?

H>N H E4

en \ N H Tryptophan

CO;H

Indol, ein Benzpyrrol Indol ist das wichtigste benzanellierte Derivat der 1-Hetero-2,4-cyclopentadıiene. Das Indolsystem ist Bestandteil vieler Naturstoffe, wie zum Beispiel der Aminosäure Tryptophan (Abschn. 26.1). Indol steht in derselben Beziehung zu Pyrrol wie Naphthalin zu Benzol. Der elektronenliefernde Effekt des Pyrolringes läßt sich an den Resonanzformeln erkennen. Resonanz in Indol

Sr ee St

RM

Int

\

\

H

H Indol

Indole werden im allgemeinen durch die Fischersche* Indolsynthese dargestellt. Bei diesem Verfahren wird ein Arylhydrazon eines Aldehyds oder Ketons (s. Abschn. 17.9) mit Polyphosphorsäure (PPA), einer anderen anorganischen Säure oder einer Lewis-Säure behandelt; hierdurch kommt es durch Abspaltung von Ammoniak unter gleichzeitiger Ringschlußreaktion zum gewünschten Heterocyclus.

*

1252

Professor Emil Fischer, s. Abschn.

5.4

Fischersche Indolsynthese

25.4

Reaktionen der

aromatischen Heterocyclopentadiene H

e

| N NC—R+ NH;

CH man |

R

H

Beispiele: H;C 7 a: ee |

PPA, 100°C EN,

N

nN |

\

CH3

CH3

73% N-Methyl-2-phenylindol

CH>CH>CH3 | H,C et

CH>CH>CH3

CH3

\

CuCl, 200-250°C

|

RENH,

(&H3

NN | H

H 31% 2-Methyl-3-propylindol

Der Mechanismus der Fischerschen Indolsynthese beginnt wahrscheinlich mit einer säurekatalysierten Umlagerung des Arylhydrazons aus der Imin- in die Enaminform (s. Abschn. 17.9). Die beiden basischen Stickstoffatome werden vermutlich in dem stark sauren

Milieu

protoniert.

Hierdurch

entsteht

ein

aktiviertes

System,

das eine Art „Diaza-Cope“-Umlagerung eingeht (s. Abschn. 22.7), an der eine der aromatischen r-Bindungen und die Doppelbindung des Enamins beteiligt sind. Bei der darauffolgenden Deprotonierung bildet sich ein Benzolamin (Anilin), das die Iminiumgruppe in der Seitenkette nucleophil angreift. Nach diesem Ringschluß erfolgt die Abspaltung von Ammoniak und eines Protons zum aromatischen Indolsystem. W Übung 25-17 Welche „Produkte entstehen bei der Behandlung der folgenden Arylhydrazone mit Säure: (a) 2-Methyleyclohexanon-Phenylhydrazon; (b) 1-Phenyl-2-propanon-Phenylhydrazon (zwei Produkte); (c) 2-Oxopropansäure-Phenylhydrazon (BrenztraubensäurePhenylhydrazon).

Übung 25-18 Erklären Sie das folgende Ergebnis:

CH(CH3), >

3%

CH;

H3C 1: ZuCh

2.H", 2. H*

O0,

N

CH;

N H

jÜbung 25-19 An welcher Position wird eine elektrophile aromatische Substituition am Indol bevorzugt erfolgen? Erklären Sie Ihre Wahl.

1253

25

Heterocyclen

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß Pyrrol, Furan und Thiophen delokalisierte aromatische -Systeme enthalten, die dem im Cyclopentadienyl-Anion entsprechen. Eine allgemeine Methode zur Darstellung von 1-Hetero-2,4-cyclopentadienen basiert auf der Cyclisierung enolisierbarer 1,4-Dicarbonylverbindungen. Durch Beteiligung des freien Elektronenpaars des Heteroatoms am Resonanzhybrid wird die Elektronendichte an den Ring-Kohlenstoffatomen vergrößert, und diese Systeme gehen daher leichter als Benzol elektrophile aromatische Substitutionsreaktionen ein. Der elektrophile Angriff an C2 ist häufig begünstigt, aber Substitution an C3 wird, je nach den Bedingungen, nach Art des Substrats und des Elektrophils, auch beobachtet. Einige Ringe lassen sich durch Hydrolyse oder reduktive Entschwefelung (bei den Thiophenen) öffnen. Die Dien-Einheit ist reaktiv genug, um Diels-Alder-Reaktionen einzugehen. Indol ist ein Benzpyrrol mit einem delokalisierten r-System. Indole stellt man durch Behandeln von Arylhydrazonen mit Säure dar. Dies führt im Endeffekt zum Ringschluß und zur Abspaltung eines Moleküls Ammoniak (Fischersche Indol-Synthese).

25.5 Struktur und Darstellung von Pyridin, einem Azabenzol —

N

4

Pyridin

Pyridin kann man als Azabenzol auffassen, d.h. als Benzolderivat, bei dem eine CH-Einheit durch ein sp*-hybridisiertes Stickstoffatom ersetzt ist. Der Pyridinring ist daher aromatisch, wenn auch die elektronische Struktur stark durch das elektronegative Stickstoffatom beeinflußt wird. In diesem Abschnitt werden die Struktur, die Spektroskopie und die Darstellung dieses Azabenzols diskutiert.

Pyridin ist ein cyclisches aromatisches Imin Pyridin enthält genau wie die Imine ein sp’-hybridisiertes Stickstoffatom (s.. Abschn. 17.9). Im Gegensatz zu Pyrrol wird nur ein Elektron des Stickstoffatoms zur Vervollständigung des 6n-Systems benötigt, das freie Elektronenpaar verbleibt daher am Stickstoffatom und befindet sich in einem der sp’-Orbitale in der Molekülebene (s. Abb. 25-2). Die Situation entspricht also der des Phenyl-Anions. In Pyridin gibt das Heteroatom daher nicht überschüssige Elektronendichte an den Rest des Moleküls ab, sondern es passiert genau das Gegenteil: Weil Stickstoff elektronegativer als Kohlenstoff ist, zieht er induktiv und über Resonanz Elektronendichte aus dem Ring heraus.

Ir

Abb. 25-2 Molekülorbital-Darstellung von Pyridin. Das freie Elektronenpaar am Stickstoffatom befindet sich in einem sp?-hybridisierten Orbital und ist nicht Teil des aromatischen r-Systems.

1254

p-Orbital

sp?-Orbital

Resonanz in Pyridin

25.5 Struktur und Darstellung von Pyridin, einem Azabenzol

:

H

2

PasNE

N

A

2, ki

ge

ni Übung 25-20 Azacyclohexan (Piperidin) ist ein polares Molekül. In welche Richtung weist sein Dipol, momentvektor? Beantworten Sie diese Frage auch für Pyridin und begründen Sie Ihre | Antwort.

Die aromatische Delokalisation der n-Elektronen im Pyridin läßt sich am Vorhandensein eines Ringstroms 'H-NMR-spektroskopisch erkennen. Die elektronenziehende Eigenschaft des Stickstoffatoms erkennt man an der größeren chemischen Verschiebung (stärkere Entschirmung) der Wasserstoffatome

an C2 und C4, was man

aufgrund der Resonanz-

formeln auch erwarten sollte. Chemische Verschiebungen in den 'H-NMR-Spektren von Pyridin und Benzol

Ä

I

Bi

Pyridin ist eine schwache Base H 7.06

a

S

>

N

h

H 8.50

|

7.27

d

Da das freie Elektronenpaar am Stickstoffatom nicht an der Konjugation teilnimmt (wie im Pyrrol, Übung 25-15), reagiert Pyridin als schwache Base. (Bei zahlreichen organischen Umsetzungen wird es auch als solche eingesetzt.) Im Vergleich zu den Alkanaminen (pK, von Ammoniumsalzen

|

Sy / | H

10), hat das Pyridinium-Ion einen kleinen pK,-Wert, da das

Pyridinium-Ion

Stickstoffatom sp*- und nicht sp’-hybridisiert ist (s. Abschn. 11.2).

PK. = 5.29

Pyridin ist der einfachste Vertreter der Reihe der Azabenzole. Einige seiner höheren Aza-Analoga sind im folgenden gezeigt. Sie verhalten sich ähnlich wie Pyridin, zeigen aber immer stärker den Effekt der Aza-Substitution — vor allem eine zunehmende Verarmung an Elektronen. Winzige Mengen verschiedener 1,4-Diazabenzol-(Pyrazin-)Derivate verursachen die charakteristischen Gerüche vieler Gemüsesorten. Ein Tropfen 2-Methoxy-3-(1-methylethyl)-1,4-diazabenzol (2-Isopropyl-3methoxypyrazin) in einem Schwimmbad wäre mehr als ausreichend, um das gesamte Bad nach rohen Kartoffeln riechen zu lassen.

Fr

ee)

ich.rc)

Nu

N

N

„N

N „N

N

1,2-Diazabenzol

1,3-Diazabenzol

1,4-Diazabenzol

1,2,3-Triazabenzol

1,2,4-Triazabenzol

(Pyridazin)

(Pyrimidin)

(Pyrazin)

(1,2,3-Triazin)

(1,2,4-Triazin)

Fe

ar

er LG

1,3,5-Triazabenzol (1,3,5-Triazin)

1,2,4,5-Tetraazabenzol (1,2,4,5-Tetrazin)

Por rn

2-Methoxy-3-(1-methylethyl)1,4-diazabenzol

2-Methoxy-3-(2-methylpropyl)1,4-diazabenzol

(Kartoffeln)

(Paprika)

1255

25

Pyridine lassen sich durch Kondensationsreaktionen darstellen

Heterocyclen

Pyridin selbst und die einfachen Alkylpyridine erhält man aus dem Steinkohlenteer. Viele der mehrfach substituierten Pyridine werden dann durch elektrophile und nucleophile Substitution der einfacheren Derivate dargestellt. Pyridine kann man auch durch Kondensationsreaktionen acyclischer Ausgangsmaterialien, wie Carbonylverbindungen und Ammoniak, darstellen. Die Methode mit dem größten Anwendungsbereich ist die Hantzsch*-Pyridin-Synthese. Bei dieser Reaktion setzen sich zwei Moleküle einer ß-Dicarbonylverbindung und je ein Molekül Aldehyd und Ammoniak miteinander über mehrere Stufen zu einem substituierten Dihydropyridin um, das leicht durch Salpetersäure zum aromatischen System oxidiert wird. Ist die B-Dicarbonylverbindung ein 3-Ketoester, erhält man als Produkt einen 3,5-Pyridindicarbonsäureester. Nach der Hydrolyse und der anschließenden Pyrolyse des Calciumsalzes der Säure erfolgt Decarboxylierung. Wahrscheinlich reagiert dabei der Aldehyd (in diesem Beispiel Formaldehyd) in einer Knoevenagel-Kondensation (s. Abschn. 23.3) mit dem 3-Ketoester. Gleichzeitig setzt sich ein zweites Molekül des Esters mit dem Ammoniak um, wobei das Enamin in Gleichgewichtskonzentrationen entsteht (s. Abschn. 17.9). Das Enamin reagiert dann mit dem aktivierten Produkt der Knoevenagel-Kondensation in einer Michael-Addition.

Hantzsch-Synthese von 2,6-Dimethylpyridin 10)

|

CH;

nn

HC N 0% N CH;

H CO;CH;CH3

LH

1}. KOH, H,O 2. Ca0, A

Sg

H3C

i

89% Diethyl-1,4-dihydro-2,6-dimethyl3,5-pyridindicarboxylat

H 7

HNO3, H2504

CH

ur

NH3

CH35CH3O:C_

| | he

- 3H,0

®

CO,CH;>CH3

CH3CH;0;C

En

c

,H

H

CO,CH>CH3

CH3CH30;C

iz

CH;

CH>CH>0H,

| 2a

CaCO3z

bo

HC

ON

CH;

65% 65% Diethyl-2,6-dimethyl-3,5-

2,6-Dimethylpyridin

pyridindicarboxylat

Im gebildeten dipolaren Zwischenprodukt erfolgt eine Protonenverschiebung zu einem intermediären Keto-Enamin, das leicht eine intramolekulare Kondensation eingeht. Das so gebildete 3,4-DihydropyridinDerivat ist weniger stabil als das entsprechende 1,4-Dihydro-Isomer und lagert sich daher durch eine einfache Protonenverschiebung zu diesem um.

* Arthur Hantzsch, 1857-1935, Professor an der Universität Leipzig.

1256

) Übung 25-21

25.6

Reaktionen des Pyridins

Welche Ausgangsmaterialien würden Sie für die Hantzsch-Synthese der folgenden Pyridine einsetzen?

C(CH3)3

N

CH;

ı)

N

1 (a) CH3CH>0;C )

NO; CN

a IS

HC

N

Wir fassen zusammen:

z U

IS H;C

ne

= N

|

©

CH3

CH;CH;

=

N

CH;CH3

CH Pyridine sind aromatisch, aber elektronenarm.

Aufgrund des freien Elektronenpaars am Stickstoffatom ist der Heterocyclus schwach basisch. Pyridine können durch Kondensation einer ßDicarbonylverbindung mit Ammoniak und einem Aldehyd dargestellt werden.

25.6 Reaktionen des Pyridins Die Reaktivität des Pyridins erklärt sich aus seiner doppelten Natur als Aromat und als cyclisches Imin. Sowohl elektrophile als auch nucleophile Substitution kann unter Bildung vielfältiger Derivate ablaufen.

Pyridine gehen elektrophile aromatische Substitutionen nur unter extremen Bedingungen ein Da der Pyridinring elektronenarm ist, lassen sich elektrophile aromatische Substitutionen an diesem System nur unter großen Schwierigkeiten durchführen, und die Reaktionen verlaufen um Größenordnungen langsamer als bei Benzol.

Elektrophile aromatische Substitution an Pyridin NO, NaNO;, rauchende H,SO,, 300°C =

|

—H,0

I

4.5% 3-Nitropyridin

fd

Il

| Br—Br, H2SO4, SOz

NS

— HBr

|

Br

I

N

N 86% 3-Brompyridin

Übung 25-22 Erklären erfolgt.

Sie,

warum

die

elektrophile

aromatische

Substitution

am

Pyridin

an

C3

Bei aktivierenden Substituenten sind mildere Reaktionsbedingungen möglich, oder die Reaktion verläuft mit besseren Ausbeuten. 1257

25

Heterocyclen |

H;C

N

KNO;, rauchende H,SO,, 100°C

N

—H,0

CH3

H;C

Nu

N

CH3

81%

2,6-Dimethylpyridin

2,6-Dimethyl-3-nitropyridin

er | SR

N”

Br

Br—Br, CH3COOH, 20°C

ar

— HBr

"NHp

NN

NH3>

0% 2-Amino-5-brompyridin

2-Aminopyridin

Pyridin geht nucleophile Substitutionen ein Da der Pyridinring relativ elektronenarm ist, lassen sich an ihm nucleophile Substitutionen weitaus leichter als an Benzol durchführen (8. Abschn. 22.4). Der Angriff erfolgt bevorzugt an C2 und C4, weil sich hierbei Übergangszustände ergeben, bei denen die negative Ladung am Stickstoffatom liegt. Um besser verstehen zu können, wie nucleophile Substitutionen am Pyridinring ablaufen, ist es eine gute Hilfe, das System als cyclisches Imin anzusehen. Ein Angriff an C2 entspricht einer

1,2-Addition

an die Iminfunktion,

und einen Angriff an C4 kann

man als konjugierte Addition an ein a,ß-ungesättigtes System auffassen.

Resonanzformeln der Übergangszustände bei einem nucleophilen Angriff auf Pyridin an C2, C3 und C4 Angriff an C2:

Angriff an C3:

En Pa 9 Br Nu

N

N

or

Nu

au

N“

—

a

N

Nu

-

Angriff an C4:

Ein Beispiel einer nucleophilen Substitution am Pyridin ist die Tschitschibabin*-Reaktion, bei der der Heterocyclus durch Behandeln mit Natriumamid in flüssigem Ammoniak in 2-Aminopyridin überführt

*

1258

Alexei E. Tschitschibabin,

1871-1945,

Professor an der Universität Moskau.

wird. Vor der sauren Aufarbeitung entsteht dabei das resonanzstabilisierte 2-Pyridinamid-Ion. Im Gegensatz zur elektrophilen Substitution, bei der eine Deprotonierung erfolgt, wird hierbei ein Hydrid-Ion abgespalten.

25.60

Reaktionen des Pyridins

Die Tschitschibabin-Reaktion

1. NaNH,, fl. NH, 2. H*, H,O

| us

N

L 70% 2-Aminopyridin

Mechanismus

ART er

NH

a

SS ir sg

N

Bun ..

NH

=.

Ne EL

N

IL

NH

.. en L

NN-

NH

a

2-Pyridinamid-Ion

Bei der Behandlung von Pyridinen mit Grignard- oder OrganolithiumReagenzien laufen mit der Tschitschibabin-Reaktion verwandte Reaktionen ab. er

N

|

Methylbenzol (Toluol), 110°C, $h

Kan N

Eee

LG

ae;

N

Li

N

Pa

49% 2-Phenylpyridin >

Bei den meisten nucleophilen Substitutionen an Pyridinen treten Halogenide als Austrittsgruppen auf, wobei die 2- und 4-Halogenpyridine besonders reaktiv sind. [e

> E

CH30

Na* CH,O", CH30H Cl =

—

Na

7

N

N 73% 4-Methoxypyridin

Übung 25-23 Die Reaktionsgeschwindigkeiten von 2-, 3- und 4-Chlorpyridin mit Natriummethoxid in Methanol stehen im Verhältnis 3000:1:81000 zueinander.

Wie läßt sich das erklären?

1259

Kasten 25-4

Pyridiniumsalze in der Natur: Nicotinamid-adenin-dinucleotid reaktive Position in

16)

Nicotinamid

|

Reduktion von NAD*

Ribose

Pyrophosphat

Nicotinamid-adenin-dinucleotid

Ein komplexes Derivat des Pyridinium-Ions, Nicotinamid-adenin-dinucleotid (NAD), ist ein wichtiges biologisches Oxidationsmittel. Seine Struktur setzt sich aus einem Pyridinring [abgeleitet von der Pyridin-3-carbonsäure (Nicotinsäure)], zwei Molekülen Ribose (s. Abschn. 24.1), die über eine Pyrophosphat-Brücke verknüpft sind, und der Base Adenin (s. Abschn. 26.9) zusammen. Die meisten Organismen erhalten ihre Energie durch Oxidation (Abgabe von Elektronen) von als Brennstoff verwendeten Molekülen, wie Glucose oder Fettsäuren, wobei das eigentliche Oxidans (Elektronenakzeptor) der Sauerstoff ist, der zu Wasser reagiert. Solche biologischen Oxidationen verlaufen über eine Kaskade von Elektronen-

übertragungsreaktionen, für die das intermediäre Auftreten bestimmter Redox-Reagenzien erfor-

derlich ist. Ein solches Molekül ist NAD".

Oxidation von Alkoholen durch NAD*

1260

Bei

der Oxidation eines Substrats wird der Pyridiniumring im NAD" selbst in einer Zwei-Elektronen-Reduktion reduziert, bei der simultan eine Protonierung erfolgt. NAD" ist der Elektronenakzeptor bei vielen biologischen Oxidationen von Alkoholen zu Aldehyden (z.B. der Überführung von Vitamin A in Retinal, s. Abschn. 18.9). Diese Reaktion kann man als Hydridübertragung von dem Kohlenstoffatom, an das die Alkoholgruppe gebunden ist, auf das Pyridiniumsystem auffassen. Dabei wird gleichzeitig die Alkoholgruppe deprotoniert.

Die Totalsynthese von Nicotin: Eine Übung in Heterocyclenchemie

25.6 Reaktionen des Pyridins

Nicotin ist ein einfaches Pyridinderivat, an dessen Synthese man einige der Prinzipien der Heterocyclenchemie verdeutlichen kann. Die erste Totalsynthese dieser Verbindung gelang im Jahre 1928. Als Ausgangsverbindung verwendete man Eithyl-3-pyridincarboxylat (Nicotinsäureethylester), das in einer Claisen-Kondensation (s. Abschn. 23.1) mit NMethyl-y-butyrolactam (N-Methylpyrrolidinon) umgesetzt wurde. Nach saurer Hydrolyse des Lactamrings erhielt man die 3-Ketocarbonsäure, die, wie erwartet, decarboxylierte (s. Abschn. 23.2). Das entstandene Keton wurde durch katalytische Hydrierung reduziert und der Alkohol mit Iodwasserstoff zum entsprechenden Iodid umgesetzt. Bei Behandlung mit verdünnter Base erfolgte dann Ringschluß zu racemischem Nicotin. Totalsynthese von Nicotin

\

OÖ

L

af

OCH>CH3 z

|

i

H

Sy

Ö

CH3CH,O

Na”, CaHe, A

N

—- CH3CH3OH

N

konz. HCl, 130°C rare ns

| N

8

o

CH3

CH3 70%

Ethyl-3-pyridin-

N-Methyl-

carboxylat (Ethyl-P-nicotinat)

y-butyrolactam (N-Methylpyrrolidinon)

ing +

16)

OÖ

CH; H

ES

N

CO,H

NHCH;

a

N

2

N

u - CO,, —

H,, Pd/C, H,O, 24h —

H z

u

mn

nn

—

N

38% 3-[4-(N-Methylamino)butanoyljpyridin

OH

ee 2

I NHCH3

H

NHCH3

Hi, 100°C,4h — OH

N

N

KHOK2CO:, HHO Kı

-

. H30, 4, 24h -

N

I

N CH3

31% bezogen auf 3-[4-(N-Methylamino)butanoyljpyridin (R,S)-Nicotin

Wir fassen zusammen: Pyridine zeigen langsame elektrophile aromatische Substitution vorzugsweise an C3. Die nucleophile Substitution erfolgt leichter, wobei Hydrid oder eine andere Abgangsgruppe an C2 oder C4 austritt.

1261

5

6 7

4

25.7 Chinolin und Isochinolin:

4

N

8a

8

Die Benzpyridine

3 7

2

1

Benzol läßt sich auf zwei verschiedene Arten an den Pyridinring kondensieren, wodurch sich die beiden Azanaphthaline Chinolin und Isochinolin* ergeben. Beide Verbindungen sind Flüssigkeiten mit hohen Siedepunkten. Viele ihrer Derivate finden sich in der Natur oder sind auf der Suche nach pharmakologisch aktiven Substanzen synthetisiert worden. Wie Pyridin sind auch Chinolin und Isochinolin leicht aus dem Steinkohlenteer zugänglich. Substituierte Derivate erhält man über Kondensationsreaktionen.

Chinolin 5

4

4

’ Em N N 8

l

5|

Isochinolin

Darstellung von Chinolinen und Isochinolinen Chinolinderivate lassen sich mit Hilfe der Friedländer”*-Synthese darstellen, bei der ein 2-Aminobenzolcarbaldehyd und ein enolisierbares Carbonylderivat miteinander umgesetzt werden.

Friedländer-Synthese von Chinolinen

CHO

CH3

| wa H

7 NH3>

H,O, NaOH, 40-50°C = rn

u o)

0)

N 85%

2-Aminobenzolcarbaldehyd

Acetaldehyd

H

|

Chinolin

CO,CH;CH3

—

hr

2 nn

NaOH, H>0, A

C

CH30

NH,

CO,CH>CH 2 aa

— 2H,0

07 N we

OCH3

Fr

a

CH;O

CO,CH3CH3

OCH3 65%

Diethyl-2-0xobutandioat

2-Amino-3,4-dimethoxybenzolcarbaldehyd

Diethyl-7,8-dimethoxychinolin2,3-dicarboxylat

U Übung 25-24 =

Formulieren Sie einen Mechanismus für die Friedländer-Synthese.

Das Isochinolinsystem erhält man über die Bischler-Napieralski””*Synthese, in der ein intramolekularer Cyclisierungsschritt vom FriedelCrafts-Typ erfolgt. Bei dieser Synthese wird das Amid eines 2-Phenylethanamins (ß-Phenylethylamin) mit Phosphorpentoxid oder einem ähnlichen Dehydratisierungsmittel behandelt, wobei ein 3,4-Dihydroisochinolin entsteht. Dieses Produkt läßt sich dann zum vollständig aromatischen System dehydrieren.

= xx

***

1262

Nach unserer systematischen Heterocyclen-Nomenklatur sollten diese beiden Verbindungen I-Azanaphthalin und 2-Azanaphthalin heißen. Paul Friedländer, 1857-1923, Professor an der Technischen Universität Darmstadt. A, Bischler und B. Napieralski veröffentlichten ihre Synthese im Jahre 1893 an der Universität Zürich.

Bischler-Napieralski-Synthese von 1-Phenylisochinolin H

H

H

POCI,, P,O;, 1,2-Dimethylbenzol (o-Xylol), A, Ih

H

Pd, 200 °C

N

De

- HB} CsHs

CeHs

CoHs

100%

90%

1-Phenyl-3,4-dihydroisochinolin

1-Phenylisochinolin

Übung 25-25 Formulieren Sie einen Mechanismus für die Bischler-Napieralski-Synthese von I-Phenyl3,4-dihydroisochinolin.

Reaktionen der Chinoline und Isochinoline: Elektrophile greifen den Benzolring, Nucleophile den Pyridinring an Da Pyridin im Vergleich zu Benzol ein elektronenarmer Aromat ist, erfolgen elektrophile Substitutionen am Chinolin und Isochinolin am Benzolring. Genau wie bei Naphthalin findet die Substitution bevorzugt an den Kohlenstoffatomen in Nachbarstellung zu dem Da Ring statt.

>

H,SO,, SO,, rauchende HNO, , 15-20 20°C, % 5h Sh,

e

—-H,0

N 35%

Fi%

5-Nitrochinolin

8-Nitrochinolin

NOr

N] 42504, HNO, 0°C,30min

Gr

>

72%

8%

5-Nitroisochinolin

8-Nitroisochinolin

Im Gegensatz dazu greifen Nucleophile den elektronenarmen Pyridinring an. Diese Reaktionen verlaufen analog zu den entsprechenden Umsetzungen am Pyridin. Tschitschibabin-Reaktion

Sy N

an Chinolin und Isochinolin

1. Ba(NH,),. fl. NH,, 20°C, 20 Tage

Hr H,O

j

Da

L

N

L

NH3>

80% 2-Aminochinolin

COOH

mr

COOH 1. KNH,,

fl. NH

2. CH,COOH

2.

—eeee

N

N NH7 71% 1-Aminoisochinolin4-carbonsäure

1263

Kasten 25-5

Natürliches Vorkommen von 1,3,5,8-Tetraazanaphthalin (Pteridin)

H;N

Das 1,3,5,8-Tetraazanaphthalin- (Pteridin-) Ringsystem findet sich in einer Reihe von interessanten Naturprodukten. Xanthopterin und Leucopterin sind z.B. in den Flügeln von Schmetterlingen enthalten. OH

a

a

3

CrN“

OH

en

N

Xanthopterin (gelbes Pigment aus den Flügeln des Zitronenfalters)

Folsäure Biomolekül,

Leucopterin (farbloses Flügelpigment des Kohlweißling)

(s. Abschn. das

sich

15.11) ist ein wichtiges aus

einem

1,3,5,8-Tetra-

|

min

1,3,5,8-Tetraazanaphthalin-Teil

(5)-2-Aminopentansäure-

4-Aminobenzolcarbonsäure-Teil

(Glutaminsäure-)Teil

Folsäure X =OH,R=H) Methotrexat (X = NH,,R = CH3)

OH OH

| 6) H CH>CHRCOH IE. C-N—CHCOH

=

| ai R NS | CH,—N

OH

N

H>N

N__N

azanaphthalin- (Pteridin-)ring, 4-Aminobenzolcarbonsäure und (S)-2-Aminopentandisäure (Glutaminsäure) (s. Abschn. 26.1) zusammensetzt. Säugetiere müssen diese Substanz mit der Nahrung aufnehmen. Tetrahydrofolsäure wirkt als biologischer Überträger von Ein-Kohlenstoff-Einheiten. Der reaktive Teil des Moleküls befindet sich an den Stickstoffatomen N5 und N10.

Tetrahydrofolsäure als Überträger von Ein-Kohlenstoff-Einheiten

a

.

a

__HOCH;CHCOOH _, HSNCH>COOH _

--H;0 0

NICH, OH

H

CH,

In

OH

He N

"7 Rn N

N-5,N-10-Methylentetrahydrofolat

NADH-

su

- NAD*

I“

Reduktion

OH

in un

N-5-Methyltetrahydrofolat

Ein Derivat der Folsäure, Methotrexat, besitzt mit ihr genügend strukturelle Ähnlichkeit, daß es einige der Reaktionen der Folsäure eingehen kann. Diese Verbindung wirkt auch als Inhibitor bei einigen Zellteilungsprozessen, die durch Folsäure gesteuert werden. Daher ist es ein wichtiges Medikament bei der Chemotherapie von Krebs. Da sich Krebszellen weitaus schneller teilen als normale

Zellen,

werden

sie durch

diese

Verbin-

dung am stärksten an der Zellteilung gestört. Riboflavin (Vitamin B>) ist ein benzanelliertes Analogon des 1,3,5,8-Tetraazanaphthalins (Pteridin), an das eine Ribose-Einheit gebunden ist. Man findet es in tierischem und pflanzlichem Gewebe.

1264

CH>OH HO—C—H HO—C—H

Ribose

onen

in

H;C

H;C

E

L

“

(0)

L

NH OÖ

Riboflavin

(Vitamin B>)

Übung 25-26 Chinolin und Isochinolin reagieren mit metallorganischen Reagenzien auf dieselbe Weise wie Pyridin (s. Abschn. 25.6). Welche Produkte entstehen, wenn beide mit 2-Propenylmagnesiumbromid reagieren?

L E

1,4-Diazanaphthalin

Am Rand und nachfolgend Naphthalins dargestellt.

=»

„ZN

1,2-Diazanaphthalin (Cinnolin)

sind

einige

höhere

Aza-Analoga

(Chinoxalin)

des

IN

37

AN

2,3-Diazanaphthalin (Phthalazin)

N

63

|

| NS

N

1,3,8-Triazanaphthalin

(Pyrido[2,3-d]pyrimidin)

e

=

1,3-Diazanaphthalin (Chinazolin)

Fassen wir zusammen: Die Azanaphthaline Chinolin und Isochinolin kann man als Benzpyridine ansehen. Sie lassen sich durch Kondensationsreaktionen (Friedländer- und Bischler-Napieralski-Synthese) synthetisieren, bei denen der Heterocyclus an einen bereits bestehenden substituierten Benzolring kondensiert wird. Elektrophile greifen den Benzolring der Azanaphthaline, Nucleophile den Pyridinring an.

1,3,5,8-Tetraazanaphthalin (Pteridin)

25.8 Alkaloide: Physiologisch wirksame Heterocyclen ın der Natur Alkaloide sind natürliche stickstoffhaltige Verbindungen, in Pflanzen auftreten. Der Name

die vor allem

leitet sich davon ab, daß alle Alkaloide

charakteristische basische (alkali-ähnliche) Eigenschaften zeigen, die durch das freie Elektronenpaar am Stickstoffatom zustandekommen. Eine Reihe von Alkaloiden haben wir schon in früheren Abschnitten dieses Buches vorgestellt. Viele Alkaloide sind von außerordentlich starker pharmakologischer Wirkung. Eines der am stärksten wirksamen und am meisten mißbrauchten Alkaloide ist Heroin, das Acetylderivat des Morphins (s. Abschn. 9.10). Morphin und verwandte Alkaloide sind für die physiologische Wirkung des Schlafmohns verantwortlich. Die Gefährlichkeit dieser Drogen liegt darin, daß sie zu physischer und psychischer Abhängigkeit führen.

Morphin

Heroin

Chinin

Chinin, das aus der Chinarinde isoliert wird (in Konzentrationen von 8%), ist das am längsten bekannte wirksame Malariamittel. Der Name Malaria leitet sich von den italienischen Worten malo, schlecht, und aria, Luft, ab, weil man früher glaubte, daß diese Krankheit durch gif-

1265

25

Heterocyclen

tige Sumpfgase verursacht wird. Ein Malariaanfall beginnt mit einem Frösteln, das von einem Fieberschub begleitet oder gefolgt wird, und endet mit einem Schweißausbruch. Derartige Anfälle können sich in regelmäßigen Abständen wiederholen. Der Erreger der Malaria ist ein Protozoen-Parasit

(Plasmodium-Art),

ten weiblichen Anopheles-Mücke Menschen

der durch den Stich einer infizier-

übertragen

sind von dieser Krankheit

wird.

Mehrere

Millionen

betroffen, die auch für ein Viertel

der Todesfälle afrikanischer Kinder im Alter zwischen einem und fünf Jahren verantwortlich ist. Strychnin und Brucin sind die tödlichen Ingredienzien vieler Kriminalromane (die letale Dosis bei Tieren ist etwa 5-10 mg/kg).

Strychnin

Brucin

Die Wirkungsweise von Nicotin (vgl. Abschn. 25.6) ist komplex: Sein Genuß kann sowohl stimulierende als auch beruhigende Wirkung haben, es kann die Stimmung, den Appetit und die Wahrnehmung beeinträchtigen. Noch stärker stimulierend als Nicotin wirken Coffein und Theobromin, die in Kaffee, Tee und Kakao (Schokolade) enthalten sind. Das wohl gefährlichste Stimulans ist Cocain, das aus den Blättern der Coca-Busches gewonnen wird, der vor allem in Südamerika für den illegalen Drogenhandel kultiviert wird. Cocain wird als wasserlösliches Hydrochlorid gehandelt (,„Straßencocain“), das über die Nasenschleimhäute, oral oder intravenös konsumiert wird. Die Droge hat schwerwiegende Nebenwirkungen wie Durchblutungsstörungen im Gehirn, Atemlähmung,

Herzattacken,

Paranoia

und

Depressionen.

1996

mußten

in

den USA etwa eine halbe Million Menschen Notfallbehandlungen wegen Cocainmißbrauchs in Anspruch nehmen. Dennoch hat Cocain auch gute Seiten, es dient als ein wirksames Anästeticum bei Operationen am Auge.

HC R h

?

Na

R ©®

DR a

I

Nicotin

INES |

CH;

ER

CO,CH; --H

J

CH;

Coffein (R = CH;)

o

l

P=OC-

H Cocain

Theobromin (R = H)

1,2,3,4-Tetrahydroisochinolin

1266

Das Isochinolin- und das 1,2,3,4-Tetrahydroisochinolin-System findet man in vielen Alkaloiden, und Derivate dieser Systeme zeigen physiologische Wirkung, z.B. als Halluzinogene, als Beruhigungs- und Anregungsmittel und als blutdrucksenkende Mittel. Zusammengefaßt gilt, daß viele natürliche stickstoffhaltige Verbindungen Alkaloide sind, die in den verschiedensten Bereichen physiologische Wirksamkeit zeigen.

Kasten 25-6 Natur ist nicht immer grün: natürliche Pestizide Viele Leute glauben, daß jede synthetische Verbindung irgendwie suspekt und schlecht ist, während alle natürlich vorkommenden Chemikalien gutartig sind. Ames”® und einige andere Wissenschaftler

machten

darauf

aufmerksam,

daß

hier

ein Mißverständnis vorliegt. Obwohl wir schon gelernt haben, daß zahlreiche industriell gefertigte Chemikalien stark toxisch sind und schädliche Auswirkungen

auf

die

Umwelt

haben

können,

wurden dennoch die meisten dieser Verbindungen sinnvoll genutzt. Andererseits unterscheiden sich natürlich vorkommende Chemikalien nicht von den synthetisch produzierten. Die Natur hat ein eigenes sehr effizientes Laboratorium, das Millionen unterschiedlicher Verbindungen produziert, von denen viele sehr toxisch sind, beispielsweise einige Alkaloide, die in Pflanzen gefunden werden. Deshalb vergiften sich insbesondere Kinder (manchmal tödlich) durch Essen von pflanzlichem Material. Mögliche Gefahrenquellen sind das Essen grüner Kartoffeln (durch Sonnenlicht wird der Toxingehalt erhöht), trinken von Kräutertees, der Verzehr giftiger Pilze und ähnliches. Abraham Lincolns Mutter starb nach dem Verzehr der Milch einer Kuh, die Blätter der giftigen Snakeroot-Pflanze (eupatorium rugosum) gefressen hatte. Was für einen Sinn haben diese Verbindungen für das pflanzliche Leben? Pflanzen können nicht vor Raubtieren oder angreifenden Organismen wie Pilzen,

Insekten,

Tieren

und

Menschen

flie-

ordnungen über den Werten, in denen wasserschädigende Stoffe (z.B. chlorierte Kohlenwasserstoffe) und andere synthetische Schadstoffe (z.B. Dioxin, s. Kasten 22-2) üblicherweise gemessen werden. Wenige dieser pflanzlichen Toxine wurden auf ihre

Carcinogenität

hin

untersucht.

Von

denen,

die an Versuchstieren getestet wurden, war ungefähr die Hälfte so carcinogen wie entsprechende synthetische Verbindungen. Tabelle 25-2 zeigt hierfür einige Beispiele, daneben werden die Konzentration und das Vorkommen in typischen Nahrungsmitteln angegeben. Warum wurden wir nicht durch diese Gifte ausgerottet? Ein Grund ist, daß wir nur sehr geringen Mengen dieser Giftstoffe ausgesetzt sind. Ein wichtigerer Grund ist, daß wir, ähnlich den Pflan-

zen, ein Verteidigungssystem gegenüber diesen Gefahren entwickelt haben. Dies besteht aus folgenden Bestandteilen: Unsere erste Verteidigungslinie ist die Oberflächenschicht unseres Mundes, unserer Speiseröhre, unserer Därme, unserer Haut, unseres Magens und unserer Lun-

gen. Sie wird alle paar Tage als „Kanonenfutter“ verworfen. Zusätzlich verfügen wir noch über entgiftende Mechanismen, die zahlreiche aufgenommene Giftstoffe in nichtgiftige Substanzen überführen. Wir scheiden viele Schadstoffe aus, bevor

kann

sie

uns

schaden

sich selbst

können,

reparieren,

keit, „widerliche‘“

Substanzen

und

unsere

DNA

unsere

Fähig-

zu riechen

und

zu

hen. Sie haben auch keine Organe, die zur Selbstverteidigung eingesetzt werden könnten. Sie entwickelten deshalb ein Aufgebot an chemischen

schmecken (z.B. der bittere Geschmack von Alkaloiden, verdorbener Nahrung, saurer Milch,

Waffen,

Warnsignal.

den

natürlichen

Pestiziden,

die

eine

effektive Verteidigung ermöglichen. Zehntausende dieser Chemikalien sind bekannt. Jeder amerikanische Bürger konsumiert pro Tag ca. 1.5 g dieser natürlichen Pestizide in Form von Gemüse,

Eier,

die nach

Schwefel

riechen),

Abschließend

dient

läßt sich

uns

sagen,

als

daß

jeder selbst entscheiden muß, was er ißt, aber ein

alter Leitsatz gilt immer noch: Man vermeide jedes Übermaß und ernähre sich abwechslungsreich.

Obst, Tee, Kaffee und so weiter —

10.000 mal mehr als durch synthetische Pestizide aufgenommen wird. Die Konzentration dieser natürlichen Pestizide liegt im Bereich einiger ppm (part per million) und damit um Größen-

*

Prof. Bruce N. Ames, fornia in Berkeley.

geboren

1928, ;

University

of Cali-

1267

25

Heterocyclen

Tabelle 25-2 Careinogene natürliche Pflanzenpestizide Verbindung

Pflanzliche Nahrung (Konzentration in ppm)

HO

Äpfel, Karotte, Sellerie, Beeren, Salat, Kartoffeln (50-200); Basilikum, Dill, Salbei, Thymian und weitere

\

COOH

Kräuter (> 1000); Kaffee (geröstete Bohnen, 1800)

HO Koffeinsäure N=C=S EG Allylisothiocyanat (Abschn. 14.3)

Kopfsalat (35-590); Blumenkohl (12-66), Rosenkohl (110-1560); brauner Senf (16.000-72.000); Meerrettich (4500)

CH;

Orangensaft (31); schwarzer Pfeffer (8000)

H (R)-Limonen

?

Basilikum (82); Jasmintee (230); Honig (15)

| Y-emocen Benzylacetat

Verständnisübung Wir haben gesehen, daß Heterocyclopentadiene (Abschn. 25.3) und Pyridin (Abschn. 25.5) heteroaromatische Verbindungen sind, die durch Kondensationsreaktionen zwischen Carbonylfunktionen und geeigneten Heterofunktionen synthetisiert werden können.

a Formulieren Sie einen plausiblen Mechanismus für den ersten Schritt der Hantzsch-Synthese von 2,6-Dimethylpyridin (Abschn. 25.5)!

1

CH, CH3CH;0;C

CH,

|

HC

% u. HE Oro NH;

EoH EDZIBCcH:

|

CH,CH;0;C

— SCH,

a:

LLC 5

CO,CH;CH;

Ba sENd H

ch

|

Lösung Wenn wir uns die Reaktionsgleichung genau ansehen, stellen wir fest, daß Ammoniak vermutlich mit zwei Ketocarbonyl-Kohlenstoffatomen reagiert hat, offenbar unter Iminbildung gefolgt von einer Umlagerung zum Enamin (Abschn. 17.9), während die Formaldehydeinheit Bindungen zu den aciden Positionen im 3-Oxobutanoat (Abschn. 23.2) ausgebildet hat. Dies erfolgte wohl über eine Aldol-Kondensation (Abschn. 18.5). Wir wollen den Mechanismus nun schrittweise formulieren.

Schritt

1 Aldol-Kondensation von Formaldehyd mit 3-Oxobutanoat |

H,C=O

ar

Verständnisübung

CO,CH,CH;

CH;CCH,CO>CH;CH;

2

H,C=C

ei

H,O

CCH; | Ö

Michael-Acceptor

Schritt

2

Enaminbildung aus Ammoniak mit 3-Oxobutanoat

j

Nö Enamin

Wir sehen, daß man durch ..den ersten Schritt einen Michael-Akzeptor erhält, während der zweite Schritt zu einem Enamin führt. Diese beiden

Komponenten können im Sinne einer Michael-Addition tralen Oxoenamin reagieren. Schritt

3

CH;CH;0,;C._

Michael-Addition

SE

HC”

_H

HCS

Ar "NH,

0%

zu einen neu-

des Enamins

CO,CH;CH;

%

CH;

H oe

/ BERNIEL

CO,CH,CH; \ CH

CH,CH;0;C Seen

ae we

De

N:0 Do 7

y -O0,CH;CH;

/ SL ZecH, NH, O

Oxoenamin

Die erhaltene Verbindung kann nun eine intramolekulare Iminkondensation eingehen, was zu einem 3,4-Dihydropyridin führt, das anschließend zum stabileren 1,4-Dihydropyridin tautomerisiert (Abschn. 13.8 0. 25-41).

Schritt 4

Intramolekulare Iminbildung und Tautomerisierung

CH;CH3>0;C

H;CH CO,CH;>CH;

j

mei/L

N O

CHCH50;C ei

7-cH

H

|

BCE

CO,CH;CH,;

N

ke

_ >

ch

B, Oxoenamin

Diethyl-3,4-dihydro-2,6-dimethyl3,5-pyridindicarboxylat

CH;CH>0;€C

He

DL N H

CO,CH>CH;3

ch

Diethyl-1,4-dihydro-2,6dimethyl-3,5-pyridindicarboxylat

b Erarbeiten Sie auf der Basis der Ergebnisse von a und Übung 25-13 retrosynthetische Reaktionen (Retrokondensation) für Indol, Chinolin und 1,4-Diazanaphthalin (Chinoxalin) ausgebend von ortho-substituierten Benzolderivaten.

1269

25 Heterocyclen

Lösung

Sie können Indol als ein benzanelliertes Enamin betrachten. Die Enaminfunktion wird retrosynthetisch zu einer enolisierbaren Carbonylfunktion und einem Amin geöffnet (Abschn. 17.9). ee

=

ec

rY „H

—

ü

N

H

H:

Indol

Chinolin läßt sich vereinfacht als benzanelliertes a,ß-ungesättigtes Imin betrachten. Der stickstoffhaltige Heterocyclus ist retrosythetisch mit einem Amin und einer a,ß-ungesättigten Carbonylverbindung (Abschn. 17.9), die in einer Aldolkondensation (Abschn. 18.5) zugänglich ist, verknüpft. (6) —

H

N

==)

N

NH»

Chinolin

1,4-Diazanaphthalin (Chinoxalin) läßt sich retrosynthetisch an den beiden Iminfunktionen durch zu Ethandion (Glyoxal) und 1,2-Benzoldiamin hydrolysieren. ’F

En

ne

Ta

SE

SR

Ra

00

NH-

ER

Ns

Er

7

ER

r

IR

HCCH

+

|l

"NH ;

1,4-Diazanaphthalin (Chinoxalin)

Neue 1

Reaktionen

Synthese von Azacyclopropanen (Aziridinen) (Abschn. 25.2)

H Ss a z C

|

O

R-

|

hv oderA

>

+ N3COCH>CH; — —

€

R-“

BZ >

R

SZ

H

.

NG

C

R

2

|

ES

+ N=C=0

1270

c

&

A

—o

C

RT NH

N

n

R

|> NCO

un

TN I

R5

CO,CH;CH3

I R JH

H Ex

R.In

BIER

NCO;CH;CH3

R

H

H

N |

BZ

NCOCH;CH3 + Nz

|

|

NCOCH.CHz + N> H

RgI H CH3OH

>

C

DZ

1 EN,

RT H HNCOCH3

50% NaOH

2 —

H

en

|

KOH, A

>

———>

NCOCH;

Ro

Reaktionen

Di

\

je

—

NCOH

Ri

+ CO,

NH

Rs

H

2

Neue

H

H

o

H

H

Synthese von Oxacyclopropanen (Abschn. 25.2)

RUHR

"

| + RCOOH —

IR R ’

o

(0)

|

oO

| + RCOH

Re

R”

R

R’

Aus a,ß-ungesättigten Carbonylverbindungen:

)

er

2

H50,, HOT on

H;C

6)

Oo ie) u H;C 3

?

CH3z :

® me

3

Synthese von Thiacyclopropanen (Thiiranen) (Abschn. 25.2) 6)

S

En R

4

H

H

R’

Reaktionen von Heterocyclopropanen (Abschn. 25.2) 1. ":Nu oder HNu

er

se

VEN 5

_KSCN | :

X

allen

Nu(H)

Synthese von Heterocyclobutanen (Abschn. 25.2)

wen. X

oO

erRT

Nun >

I

2

ER DR

CH»

+

I:at

BZ m

a R

R

RR :

R CH,—=O

N

nn

R'

RL

6)

Ps

CH,=C=O

R’' ©

C1SO,N Ar

—

CISO-N=C—=O 6

Ringöffnung von Heterocyclobutanen (Abschn. 25.2) : Nu

ce]

— am

x Weniger reaktiv als Heterocyclopropane

1271

25 Heterocyclen

7

Synthese von Heterocyclopentanen (Abschn. 25.2) |H

_H,, 2% Katalysator

[

\

X

8

Paal-Knorr-Synthese von 1-Hetero-2,4-cyclopentadienen (Abschn. 25.3)

Kerne. Yes

eo 3

So

9

eu

Reaktionen von 1-Hetero-2,4-cyclopentadienen (Abschn. 25.4)

Elektrophile Substitution:

-Q Haupt-

produkt

relative Geschwindigkeit

Ringöffnung: 8 8

o CH3 OÖ

Cycloaddition:

1272

endo-Addukt

exo-Addukt

kinetisches

thermodynamisches

Produkt

Produkt

3

10

Fischersche Indolsynthese (Abschn. 25.4)

Neue

R'

er

R'’CH>

m !

PA, 100 °C en

N

N“

N

|

R

11

Reaktionen

N

R’ + NH; R

Hantzsch-Pyridin-Synthese (Abschn. 25.5) OÖ

ROC

R’CHO

OÖ

7 Ua:

x CH;

HC

Be

a

Bee

nv

RO,C

CO;R HNO

ee R’

R”

as

N

R”

R”

H

NH3 R’

R'

RO,C

COzR A N

R”

12

| KoH 2. CaO, A

ee N

R”’

I

R”

N

R’

Reaktionen von Pyridin

JeQ

Protonierung (Abschn. 25.5):

N +

PK, = 5.29 Pyridinium-Ion

Elektrophile Substitution (Abschn. 25.6):

H

ee N

Ta N

“

er

R

N

|

u

Büse

-H

I

E

N

Nucleophile Substitution (Abschn. 25.6):

|

|

Di

N

NaNH,, fl. NH,

GERT

jr

n

-s N

RLi

" I

NH»

j

ee -H

HMO.

et)

|

(N

N”

/

|

"NH;

N

INT

metallorganisches

|

Reagenz

& N

x

R

u

A

au

| IS

|

N

> |

TE REST

Tschitschibabin-Reaktion

N

er

ln

+ X” N

Halogenpyridin

1273

25

Heterocyclen

13

Friedländer-Chinolin-Synthese (Abschn. 25.7)

©

% +

NH 14

%

HC

|

C

SR — N

a

—

R'

Bischler-Napieralski-Synthese von Isochinolinen (Abschn. 25.7)

een

_POCh;, P50s,A, 0

15

_Pbd, 200 200°C °C _

Reaktionen von Chinolinen und Isochinolinen (Abschn. 25.7)

Elektrophile Substitution:

v

v

EI

TED

NL

ea N

!

t

Nucleophile Substitution:

RE

N”

=“

er

N

!

Wichtige Konzepte 1 Man kann indem man die

Heterocycloalkane Nomenklatur der

benennen, Cycloalkane

benutzt, und das Vorhandensein eines Heteroatoms durch den Vorsatz aza- für Stickstoff, oxa-

für Sauerstoff, thia- für Schwefel usw. angibt. Daneben gibt es noch Namen, die sich aus anderen Nomenklatursystemen ergeben, und die Trivialnamen, besondere

die auch häufig in der Literatur, insfür die aromatischen Heterocyclen,

benutzt werden.

2 Die gespannten drei- und viergliedrigen Heterocycloalkane reagieren mit Nucleophilen rasch unter Ringöffnung.

3 Pyrrol, Furan und Thiophen sind aromatisch und haben eine ähnliche Anordnung von sechs rElektronen wie das Cyclopentadienyl-Anion. Das Heteroatom ist sp-hybridisiert, und das p-Orbital steuert seine zwei Elektronen zum r-System bei. Daraus ergibt sich, daß die Dien-Einheit elektronenreich ist und rasch elektrophile aromatische Substitutionen eingeht. Außerdem können die Heteroatome auf die für sie typische Weise reagieren. So läßt sich das Stickstoffatom in Pyrrol nitrosieren, das Schwefelatom in Thiophen oxidieren. 1274

4 Durch Ersatz einer (oder mehrerer) CH-Einheiten im Benzol durch ein sp’-hybridisiertes Stickstoffatom erhält man formal Pyridin (und die anderen Azabenzole). Das p-Orbital des Heteroatoms gibt ein Elektron in das r-System, das freie Elektronenpaar verbleibt in einem sp*Hybridorbital in der Molekülebene. Azabenzole sind elektronenarm, da das elektronegative Stickstoffatom über Induktion und Resonanz Elektronendichte aus dem Ring abzieht. Elektrophile aromatische Substitutionen an Azabenzolen verlaufen nur sehr langsam. Andererseits ist die nucleophile aromatische Substitution erleichtert. Beispiele hierfür sind die Tschitschibabin-Reaktion, Substitutionen durch organometallische Reagenzien in Nachbarstellung zum Stickstoffatom und bei den Halogenpyridinen der Austausch von Halogenid-Ionen gegen Nucleophile. 5 Die Azanaphthaline (Benzpyridine) Chinolin und Isochinolin enthalten einen elektronenarmen Pyridinring, an dem ein nucleophiler Angriff erfolgen kann, und einen relativ elektronenreichen Benzolring, an dem elektrophile aromatische Substitutionen ablaufen können. Diese erfolgen gewöhnlich an den zum Heterocyclus benachbarten Positionen.

Aufgaben 1

Aufgaben

Benennen oder zeichnen Sie die folgenden Verbindungen.

(a) cis-2,3-Diphenyloxacyclopropan (b) 3-Azacyclobutanon (ce) 1,3-Oxathiacyclopentan

(d) 2-Butanoyl-1,3-dithiacyclohexan

(e) ee

|

CH;3

2 Welche(s) Produkt(e) entsteht (entstehen) Ihrer Meinung nach bei den folgenden Reaktionssequenzen?

H

CH;

28

va

H;C

INCO

H

1. CH,OH 2. NaOH, H,O 3. KOH, A

(b) Produkt von Teil

a ——

3,

(ec) ww.

(Hinweis: Zeichnen Sie eine Lewis-Formel von IN;.) 1. LiAIH,

(d) Produkt von Teil c EI

3 Welche sequenzen?

Produkte H

| Sr

(a)

Q

erwarten

(Hinweis: Abschn. 21.5)

Sie

für

die

1. LiAIH4, (CH3CH>)20 Pa HSO Ken

nn.

nn

folgenden

(b)

H

CH3

(e)

OÖ

Reaktions-

NaOCH>CH3, CH3CH>OH, A

N

>

*

NS

CH,

verd. HCI, H,O

CH3 CH3

4 Die Penicilline sind eine Klasse von Antibiotika mit zwei heterocyclichen Ringen, die den Aufbau der Zellwände der Bakterien stören. Diese Störung kommt dadurch zustande, daß das Penicillin mit einer Aminogruppe eines Proteins, das Löcher, die bei Aufbau der Zellwand entstehen,

schließt,

in Wechselwirkung

tritt. Das

Zellinnere

läuft aus,

und der Organismus stirbt. (a) Welches Produkt entsteht Ihrer Meinung nach bei der Reaktion

von Penicillin G mit der Aminogruppe eines Proteins (ProteinNH3)? Hinweis: Suchen Sie zuerst die elektrophilste Stelle im Penicillinmolekül. 1275

25

Heterocyclen

| CsHsCH>CNH

S

CH;

N

Ö

ten N) ein „Penicilloyl“-Protein-Derivat

CH3 COOH

Penicillin G

(b) Penicillin-resistente Bakterien scheiden ein Enzym (Penicillinase) aus, das die Hydrolyse des Antibiotikums schneller katalysiert, als dieses die Zellwand-Proteine angreifen kann. Schlagen Sie eine Konstitution für das Produkt der Hydrolysereaktion vor, und versuchen Sie, zu erklären, warum die antibiotischen Eigenschaften von Penicillin bei der Hydrolyse zerstört werden. PR

H,O, Penicillinase

Penicillin

G— —5 =

oder

=

Penicillinsäure

(Hydrolyseprodukt, keine antibiotische Aktivität)

5

Schlagen Sie Mechanismen für die folgenden Umsetzungen vor. 1. SnCl, (eine Lewis-Säure), CH,Cl,

2.H*, H,O

(a)

>

0

|

CH>OH

l. CH3CH>CH>CH3Li,

BF3 * O(CH3CH3)>, THF

+

ZAHHRO

(b)

2 N

zu

GC:

(©)

CH

OH

NeB% „ \

H

Teer:

H CHz

1? |

MeBr>, CH3COCCH

— 232, CH3CO| (Hinweis: Abschn. 15.14)

a

q

Ö

HC

Br

H

6 Ordnen Sie die folgenden Verbindungen nach zunehmender zität: Wasser, Hydroxid, Pyridin, Pyrrol, Ammoniak.

Basi-

7 Die folgenden Heterocyclen enthalten mehr als ein Heteroatom. Geben Sie bei jedem Molekül den Typ der Orbitale an, in denen sich die freien Elektronenpaare der Heteroatome befinden und entscheiden Sie, ob das Molekül aromatisch ist.

000 N

N

Imidazol

Thiazol

\

H Pyrazol

Erwarten Sie, daß einer dieser Pyrrol ist? 8

Heterocyclen

Isoxazol

eine stärkere

Base

Geben Sie die Produkte der folgenden Reaktionen an. 0) OÖ (b)

CH3NH3 (a)

1276

Ö

P>O5 ’ A

als

9 1-Hetero-2,4-cyclopentadiene lassen sich durch Kondensation einer a-Dicarbonylverbindung und bestimmten, Heteroatomen enthaltenden Diestern, darstellen. Schlagen Sie einen Mechanismus für die folgende Pyrrolsynthese vor.

Wie

würden

Sie

CsHs

HsCe

| | | CHTEECEEHÄHLCHLOCEHHNCHFCOEH, | CH FAT) H;C

or enoll A, CH300C”

Aufgaben

IN \y”| "COOCH3 =o

H;C

2,5-Thiophendicarbonsäure

über

einen

ähnlichen

Ansatz synthetisieren? 10

Welches

Hauptprodukt

den folgenden

Reaktionen?

(welche Hauptprodukte) Erklären

Sie, warum

erwarten

Sie bei

Sie meinen,

daß die

Substitution gerade an der von Ihnen gekennzeichneten Position erfolgt.

Br

COOCH3

OÖ

(b) UN CH; S

a (d)

HNO;, H3SO,

U -m2'C17, NaoH, H>0 \

/

N

CH3CHCH3, > AlClz

H

———

| Ö

S

11

Brz

= (e)

ei

“© en

| A Br

Welche Produkte entstehen bei den folgenden Reaktionen?

HC

N

ol)

Ya

am

=

KSH, CH30H, A

N (a)

zo

|

Br

rauchende H,SO,, UBER

1. C,H,COCI, SnCl,

—

(d)

f

\

2. Raney-Ni, A

x

S O O (b)

(e)

\

ERS

O

Au

| (CH3)3CLi, A

4, Druck

\ |

N

OÖ

12 Schlagen Sie Synthesen für die folgenden substituierten Heterocyclen vor. Benutzen Sie Synthesesequenzen aus diesem Kapitel.

(a)

IN Ochs

(b) HC

N

CH;

Dee

r

ne,

Be.

(AN

| N

CeHs

a

(4) CH; IN S

13 Chelidonsäure, ein Derivat des 4-Oxacyclohexanons (Trivialname yPyron) findet sich in zahlreichen Pflanzen und läßt sich aus Propanon (Aceton) und Diethylethandioat (Oxalsäurediethylester) synthetisieren. Formulieren Sie einen Mechanismus für diese Umsetzung. 1277

25

Heterocyclen

OÖ OO

1. NAOCH>CH3, CH3CH>OH

| + CH>CHJ0OCCOCH.CH, I 2.HCi,A CH3CCH3 ne

1 HOOC

nd OÖ

COOH

Chelidonsäure

14 Reserpin ist ein natürlich vorkommendes Indol-Alkaloid, das als starkes Beruhigungs- und blutdrucksenkendes Mittel wirkt. Viele derartige Verbindungen haben eine charakteristische Konstitution: Ein Stickstoffatom an einer Verknüpfungsstelle zweier Ringe, das durch zwei Kohlenstoffatome von einem zweiten Stickstoffatom getrennt ist.

Reserpin

Eine Reihe von Verbindungen, in denen sich diese Struktureinheit ebenfalls findet, sind synthetisiert worden und wirken ebenfalls blutdrucksenkend und blutgerinnungshemmend. Eine der Synthesen ist im folgenden gezeigt. Benennen oder zeichnen Sie die fehlenden Reagenzien und Produkte a bis ce. H

7

|

SN7

(a)

CO,CHICH;

z

H en

N? H

"CO;CHıCH3

Tee

Br

A

LiAIH4

— CsHı4Na)O >

(b)

CgHı6Na

(©

15 Schlagen Sie, ausgehend von Benzolamin (Anilin) und Pyridin, eine Synthese für das Sulfonamid Sulfapyridin vor:

oO

NER. ya u

-NH; OÖ

Sulfapyridin

DR, H

Indol

3 N

H

Benzimidazol

n“ N Di > Se N H Purin 1278

16 Derivate des Benzimidazols haben eine ähnliche biologische Aktivität wie Indole und Purine (ein Beispiel eines Purins ist Adenin, s. Abschn. 25.1). Benzimidazole stellt man allgemein aus Benzol-1,2diaminen dar. Entwerfen Sie eine kurze Synthese von 2-Methylbenzi-

x -Oce

midazol aus Benzol-1,2-diamin. NH»

N

NH>

5

Benzol-1,2-diamin

2-Methylbenzimidazol

17 Benzol-1,2-diamin (s. Aufgabe 16) ist auch die geeignete Vorstufe für die Synthese von Chinoxalinderivaten. Schlagen Sie eine einfache Methode zur Überführung von Benzol-1,2-diamin in 2,3-Dimethylchinoxalin vor. Diese Verbindung ist eine Vorstufe von Mediquox, einem Medikament zur Behandlung von Erkrankungen der Atemwege bei Geflügel.

Aufgaben

|

”

"N.

Bra

_CH,OH

I

Rs

N

CH3

2,3-Dimethylchinoxalin

=.

Mediquox

18 Die Darzens-Kondensation ist eine der älteren Methoden (1904) zur Synthese von Dreiring-Heterocyclen. Im allgemeinen wird dabei ein 2-Halogenester mit einem Carbonylderivat in Gegenwart von Base umgesetzt. Die folgenden Beispiele der Darzens-Kondensation zeigen, wie man sie zur Synthese von Oxacyclopropanen und Azacyclopropanen verwenden kann. Schlagen Sie einen plausiblen Mechanismus für diese Reaktionen vor. Cl

|

(a) CsH5CHO

Ar C;H5CHCOOCH>CH3

OÖ

KOCH. (CHIACO ,yy.C, Ze

as

BIGHLGH-NEIHH- EICH,COOcH,cH; OROTDEH > Sb EB , I N

ZEN

CsHsSCH—CHCOOCH5CH; 19 Entwickeln Sie eine Synthese für jede der folgenden heterocyclischen Verbindungen. Bauen Sie in jedem Fall den heterocyclischen Ring aus geeigneten, nicht heterocyclischen Vorstufen.

win

Tess

CH3

EN

GBRGiLCcH-

CH)

o

(b)

NCOOCH3

A

20 Intramolekulare Versionen von [2+2]-Cycloadditionen werden häufig zur Darstellung polycyclischer Verbindungen, den Heterocyclobutane enthalten, benutzt. Unter photochemischen Bedingungen cyclisiert 5-Hexen-2-on zu einem isomeren Produkt, das die folgenden IH-NMR-Daten zeigt. Schlagen Sie eine Formel für das Produkt vor.

\

CH3CCH>CH;CH=CH> 5-Hexen-2-on

">

—>

I!H-NMR: 8 = 1.35 (s, 3 H), 2.29 (m, 4H), 2.85 (m, 1 H), 4.39 (d von d, 1H), und 4.81 (d vond, 1H)

Br

H3C 21

(a) Die am Rand gezeigte Verbindung mit dem Trivialnamen 1,3Dibrom-5,5-dimethylhydantoin ist gut als Quelle von elektrophilem Brom (Br') für Additionsreaktionen geeignet. Geben Sie einen systematischen Namen für diese heterocyclische Verbindung an.

\ Be

H;C

| o

x Br

1279

25

Heterocyclen

(b) Ein noch bemerkenswerterer Heterocyclus (ii) wird nach der folgenden Reaktionssequenz dargestellt. Leiten sie aufgrund der gegebenen Informationen Konstitutionen für i und ii ab, und benen-

nen Sie die letztere Verbindung. H;C

C

N

CH3z 1,3-Dibrom-5,5-dimethylhydantoin, 98% H,O

e=Cc

CH;

Ag*

” CeH,sBrO& HısBrO,

Q PN TOCCH3

——— TgBr, cH,coonSe 0.1202

i

ii

Heterocyclus ii ist eine gelbe, kristalline Verbindung mit süßlichem Geruch, die sich bei vorsichtigem Erwärmen in zwei Moleküle Propanon (Aceton) zersetzt, von denen eines im angeregten n — n*-Zustand entsteht (s. Abschn. 14.11 u. 17.3). Dieses in einem angeregten Elektronenzustand befindliche Produkt zeigt Chemolumineszenz.

6) \

6) \

Sr

6) \

Ser

ii —> CH3CCHz3 + |CH3CCH3| —

hv + 2 CHsCCH3

Heterocyclen mit ähnlicher Konstitution wie ii sind für die Chemolumineszenz einer Reihe von Lebewesen verantwortlich (z.B. der Feuerfliege und einige Tiefseefische); sie dienen auch als Energiequelle für kommerzielle Chemolumineszenzprodukte.

22 Azacyclohexane (Piperidine) lassen sich durch Reaktion von Ammoniak mit gekreuzt-konjugierten Dienonen (Ketone, die an beiden Seiten in Konjugation mit Doppelbindungen stehen) synthetisieren. Schlagen Sie einen Mechanismus für die folgende Synthese von 2,2,6,6Tetramethylazacyclohexan-4-on vor.

fe) | (CH3)a„L=CHCCH=C(CH3)2

NH, ——>

H;C

CH;

ERS 23 Verbindung A, CyH5O, zeigt das 'H-NMR-Spektrum A. Beim Behandeln mit konzentrierter wäßriger HCl geht sie fast augenblicklich in eine Verbindung B mit dem Spektrum B über. Für die integrierten Intensitäten der Signale im Spektrum B ergibt sich etwa folgendes: ö = 7.1—7.4 (5H), 4.8 (1H), 4.2 (2H) und 3.8 (2H). Welche Konstitution hat Verbindung A und welches Produkt erhält man beim Behandeln mit wäßriger Säure”? 24 Heterocyclus C, CsH,O, besitzt das 'H-NMR-Spektrum C und wird von H,/Raney-Nickel in D überführt. Identifizieren Sie die Verbindun-

gen C und D. Beachten Sie: Die Kopplungskonstanten in den Spektren der Verbindungen aus dieser und der nächsten Aufgabe sind recht klein, man kann sie daher nicht so gut wie die am Benzolring zur Konstitutionsbestimmung heranziehen. 25 Die kommerzielle Synthese eines bestimmten wichtigen Heterocyclenderivats erfordert das Behandeln eines Gemisches von Aldopentosen (aus Maiskolben, Stroh usw.) mit heißer Säure unter dehydratisierenden Bedingungen. Das Produkt E hat das 'H-NMR-Spektrum E, zeigt eine starke IR-Bande bei 1670 cm” und wird in nahezu quantitativer Ausbeute gebildet. Identifizieren Sie E und formulieren Sie einen Mechanismus für seine Bildung. Aldopentosen EN C;H40, E

1280

Verbindung E ist ein wichtiges Ausgangsmaterial für Synthesen. In der folgenden Reaktionssequenz wird es in Furethonium überführt, das große Bedeutung bei der Behandlung des grünen Stars hat. Welche Konstitution hat Furethonium?

Aufgaben

1. NH,, NaBH,CN 2. Überschuß CH3I

= 7, 7

7

6

5

4


R 2

_Überschuß LiAIH,, (CH,CH,),0, A,

N

N H

10

'

Aral

De:

on

LiAIHy

@=

N H

9

8

7

6

5

r

4

3

2

1

0

ö

27 Im folgenden ist eine schnelle Synthese für einen der Heterocyclen aus diesem Kapitel gezeigt. Zeichnen Sie die Formel des Produkts, mit

dem abgebildeten 'H-NMR-Spekrum F.

1. O3 A Sa

ag

28 Schlagen Sie für jeden der folgenden substituierten Heterocyclen eine Synthese vor. Verwenden Sie dafür Synthesesequenzen aus diesem Kapitel.

I

H;C x

SSLCCH,

(a) er: N”

(b)

a

(© CH;

| HC

SS

N

En;

} \ N

H

CH;

(d) nuCcH;

CH; x 1283

25 Heterocyclen

Gruppenübung 29 In dieser Aufgabe werden Sie literaturbekannte Synthesen von Indolderivaten kennenlernen. Ihre Aufgabe ist es, jeweils einen plausiblen Mechanismus zu erarbeiten. Teilen Sie hierzu Ihr Team in zwei gleichstarke Gruppen auf. Jede Gruppe sollte sich auf eine Synthese konzentrieren. Fischer-Indolsynthese von 2-Phenylindol

2-Phenylindol

In dieser Synthese wird ein Hydrazon eines enolisierbaren Aldehyds oder Ketons in Gegenwart einer starken Säure erhitzt. Dabei entsteht die Indolgrundstruktur durch eine Ringschlußreaktion unter Freisetzung von Ammoniak. [Hinweis: Der Reaktionsmechanismus verläuft über drei Schritte: (1) Imin-Enamin-Tautomerisierung (s. Abschn. 17.9), (2) elektocyclischer Ringschluß („Diaza-Cope-Umlagerung“, s. Abschn. 22.9), (3) eine weitere Imin-Enamin-Tautomerisierung (hier Benzolamin), (4) Ringschlußreaktion zum Heterocyclus und (5) Eliminierung von NR;.]

Reissert-Indolsynthese von Ethylindol-2-carboxylat

Ca CH;

NO,

2-Methylnitrobenzol (o-Nitrotoluol)

a,

K’’OCH:CH;

So

|

NO;

Ö

ER

ein 2-Oxopropanoat

(ein Pyruvatester)

H>, Pı

a SI,

| '-C0;CH;CH; N H Ethylindol-2-carboxylat

In dieser Reaktionssequenz wird 2-Methylnitrobenzol

(o-Nitrotoluol)

zunächst in ein 2-Oxopropanoat (s. Kasten 23-3) überführt. Durch Reduktion wird das gesuchte Indol erhalten. [Hinweis: (1) Die NitroGruppe ist notwendig für den Erfolg des ersten Reaktionsschritts. Warum? Erinnert Sie dieser Schritt an eine andere Reaktion? Wenn ja, an welche? (2) Welche funktionelle Gruppe ist das Ziel des Reduktionsschritts (s. Abschn. 16.5)? (3) Der Ringschluß verläuft über eine Kondensationsreaktion.]

1284

Aminosäuren, Peptide und Proteine Stickstoffhaltige natürliche Monomere und Polymere

Zu Beginn dieses Buches wurde die organische Chemie als die Chemie von

Verbindungen,

die

Kohlenstoff

enthalten,

bezeichnet.

Später

er-

kannten wir, daß organische Verbindungen die Bausteine des Lebens bilden. Und in der Tat beruht eine historische Definition der organischen Chemie

auch

auf der belebten

Natur.

Was

ist Leben,

und

wie

kann

man es aus der Sicht der organischen Chemie untersuchen? Eine Definition bezeichnet es als einen Zustand der Materie, der durch Wachstum,

Stoffwechsel, Reproduktion und Evolution charakterisiert ist. Die zugrundeliegenden Prozesse sind chemischer Natur, und die Forschung hofft, deren Komplexität durch die Untersuchung einzelner Reaktionen oder Reaktionsfolgen

entschlüsseln

zu können.

Das „Ganze“

ist jedoch

viel komplexer als die Summe der einzelnen Vorgänge, die miteinander durch mehrere Rückkopplungen in einer Weise wechselwirken, die auf deterministische Weise, also in dem Sinne, daß jeder Effekt eine einzelne, bestimmte Ursache hat, kaum aufzuklären sein wird. Dieses

letzte Kapitel soll einen Eindruck von dieser Komplexität vermitteln, indem nacheinander Aminosäuren und ihre Polymere, die Polypeptide - insbesondere große natürliche Polypeptide, die Proteine genannt werden — und dann ihr biologischer Ursprung, die DNA, besprochen

werden. Proteine erfüllen in biologischen Systemen die unterschiedlichsten Funktionen. So wirken sie z.B. bei vielen chemischen Reaktionen in der Natur als Katalysatoren (Enzyme). Die katalysierten Reaktionen reichen in ihrer Komplexität von der einfachen Hydratisierung von Kohlendioxid bis zur Replikation eines ganzen Chromosoms. Enzyme können bestimmte Reaktionen mehrere millionenfach beschleunigen. Proteine dienen auch als Transport- und Speichersysteme. So erfolgt der Transport des Sauerstoffs durch das Protein Hämoglobin, Eisen wird von Transferrin im Blut transportiert und in der Leber durch Ferritin gespeichert. Proteine spielen eine entscheidende Rolle bei koordinierten Bewegungen, wie der Kontraktion von Muskeln. Sie wirken als mechanische Stütze für Haut und Knochen, sind als Antikörper verantwortlich für unseren Immunschutz, erzeugen und übertragen Nervenreize (Rhodopsin z.B. ist das Photorezeptor-Protein in den Stäbchenzellen der Netzhaut, s. Kasten 18-4, Abschn. 18.9) und steuern das Wachstum und die Differenzierung — das bedeutet, sie kontrollieren, wieviel

1285

26 Aminosäuren, Peptide und Proteine

und welcher Teil des genetischen Codes, der in der DNA gespeichert ist, zu einem bestimmten Zeitpunkt genutzt wird. Dieses Kapitel beginnt mit den Konstitutionen und der Darstellung der

20

am

häufigsten

vorkommenden

Aminosäuren,

den

Bausteinen

der Proteine. Wir zeigen dann, wie Aminosäuren durch Peptidbindungen in den dreidimensionalen Strukturen des Hämoglobins und anderer Polypeptide verknüpft werden. Einige Proteine bestehen aus tausenden von

Aminosäuren,

aber wir werden

sehen, daß man

die Aminosäure-

sequenz in vielen Polypeptiden bestimmen kann, und zeigen, wie sich diese Moleküle im Laboratorium synthetisieren lassen. Am Schluß diskutieren wir, wie andere Polymere,

die Nucleinsäuren DNA

und RNA,

die Proteinsynthese in der Natur steuern.

26.1 Konstitutionen und Eigenschaften der Aminosäuren Aminosäuren sind Carbonsäuren, die eine Aminogruppe im Molekül enthalten. Am häufigsten in der Natur sind die 2-Aminosäuren oder aAminosäuren mit der allgemeinen Formel RCH(NH3,)COOH, d.h. die Aminofunktion

befindet

sich

an

C2,

dem

a«a-Kohlenstoffatom.

Die

Gruppe R kann ein Alkyl- oder Arylrest sein, sie kann Hydroxy-, Amino-, Mercapto-, Sulfid- und Carboxygruppen enthalten. Da sie Amino- und Carboxyfunktionen enthalten, reagieren Aminosäuren sowohl sauer als auch basisch.

Das Stereozentrum der häufig vorkommenden Aminosäuren hat S-Konfiguration Obwohl es mehr als fünfhundert natürlich vorkommende Aminosäuren gibt, bestehen die Proteine aller Organismen, von den Bakterien bis zum Menschen,

zum

überwiegenden Teil aus nur zwanzig verschiedenen

Aminosäuren. Der erwachsene Mensch kann acht von diesen nicht selbst synthetisieren. Diese acht, die sogenannten essentiellen Aminosäuren, müssen wir mit der Nahrung zu uns nehmen (s. Tab. 26-1, Fußnote a). Bei den zwanzig in der Natur verbreitetsten Aminosäuren befindet sich die Aminogruppe an C2, dem «a-Kohlenstoffatom. Aminosäuren lassen sich als Keilstrichformel oder als Fischer-Projektionen zeichnen. Möglichkeiten zur Darstellung der Formeln von (2S)-Aminosäuren und ihre Beziehung zu den L-Zuckern C2 oder a-Kohlenstoff

H>N R’ H

COOH „xcoon H,N=C—H

R

COOH H

H>N

CHO HO

R

H

CH>OH

S.(L)

(5)-2,3-Dihydroxypropanal (L-Glycerinaldehyd)

Keilstrichformeln

In allen Aminosäuren

Fischer-Projektionen

außer Glycin ist C2 ein Chiralitätszentrum,

das

normalerweise S-Konfiguration besitzt. Genau wie bei den Zuckern (s. Abschn. 24.1), verwendet die ältere Nomenklatur die Vorsätze Dund L-, wodurch alle (25)-Aminosäuren vom ($)-2,3-Dihydroxypropanal (ı-Glycerinaldehyd) abgeleitet werden.

1286

COOH H>N u Tabelle 26-1 Die wichtigsten natürlich vorkommenden

(2S)-Aminosäuren

R

R

Name

Drei-Buchstaben-Code

pK, der COOH-Gruppe

pK, der "NH3-Gruppe

pK, der sauren Funktion im R

—H

Glyein

Gly

2.4

9.8

-

-

Aminosäuren ohne polare Gruppen: —CH3

Alanin

Ala

2.4

9.9

—CH(CH3)»

Valin®

Val

23

97

=

—

Leucin®

Leu

DRS

9,7

—

Isoleucin®

Ile

283

9.7

=

Phenylalanin”

Phe

2.6

9.2

-

Prolin

Pro

2.0

10.6

-

CH>CH(CH3)»

en

(5)

CH3

—CH>CeHs COOH? HN

H

Lem,

Aminosäuren mit Hydroxygruppen:

—CH>OH le

({R)

Serin

Ser

DD

9.4

=

Threonin"

Thr

2

9.1

-

Tyrosin

Tyr

22

9.1

10.1

CH;

=Cch>

/

\

OH

Aminosäuren mit weiteren Aminogruppen:

I

—CH>CNH3>

Aspargin

Asn

2.0

8.8

-

—CH>CH>CNH3>

Glutamin

GIn

22.

9.1

=

—(CH3)4NH>3 NH

Lysin?

Lys

22)

9.2

10.8°

—(CH32)3NHCNR;,

Arginin

Arg

1

9.0

132

Tryptophan'

Trp

2.4

9.4

=

Histidin

His

1.8

9.2

—CHh; @

N y—H;C

NH // Y

|

6.1°

Aminosäuren mit Mercapto- oder Sulfidgruppen:

=-CH2SH

Cystein“

Cys

1.9

10.3

— CH5CH3SCH3

Methionin®

Met

2.2

9.3

8.4

Asp Glu

2.0 DT

10.0

3.9

10.0

4.3

-

Aminosäuren mit Carboxygruppen:

— CH>zCOOH — CH>CH>COOH

Asparaginsäure Glutamonsäure

® essentielle Aminosäuren. ° vollständige Formel. ° pK, der konjugierten Säure. weil der CH,SH-Substituent eine höhere Priorität als die COOH-Gruppe hat.

° Das Stereozentrum hat R-Konfiguration,

1287

26 Aminosäuren, Peptide

Die Trivialnamen

ihre pK,-Werte

und Proteine

sind

und Formeln

in Tab.

der wichtigsten Aminosäuren

26-1

Zur

angegeben.

sowie

Abkürzung

der

Namen wird allgemein ein Drei-Buchstaben-Code verwendet, der, wie wir sehen werden (s. Abschn. 26.4), die Beschreibung von Peptiden sehr vereinfacht. Wie wir bereits bei der Diskussion der natürlichen D-Zucker betont haben (s. Abschn. 24.1), bedeutet die Tatsache, daß ein Molekül zur L-Reihe gehört, nicht, daß es notwendigerweise linksdrehend ist. Wäh-

rend Leucin linksdrehend ist ((a]5 ° =

([]5“

=

+11.9)

die

+8.5), Valin (fa ° = des

Schwingungsebene

—10.8), drehen z.B. Alanin

+13.9) und Isoleucin (fa]$ ° = linear

polarisierten

Lichts

nach

rechts. U Übung 26-1 Geben Sie die systematischen Namen von Alanin, Valin, Leucin, Isoleucin, Phenylala“ nin, Serin, Tyrosin, Lysin, Cystein, Methionin, Asparaginsäure und Glutaminsäure an.

© Übung 26-2 u Zeichnen Sie die Keilstrichformeln von (S)-Alanin, (S)-Phenylalanin, (R)-Phenylalanin @ und (S)-Prolin.

Aminosäuren reagieren sauer und basisch: Zwitterionen COOH . R

———

COO

+ HN H

H

R

en

Da sie Carboxy- und Aminogruppen enthalten, ist es nicht überraschend, daß Aminosäuren amphoter sind (s. Abschn. 8.3), also sauer und basisch reagieren können. Ein Ammonium-lIon (pX, = 10-11) ist deutlich weniger sauer als eine Carbonsäure (pK, = 2-5); Aminosäuren liegen daher tatsächlich als zwitterionische Ammoniumcarboxylate vor. Die stark polare Natur dieser Struktur ermöglicht es, dad Aminosäuren besonders stabile Kristallgitter ausbilden. Daher sind viele von ihnen nahezu unlöslich und schmelzen nicht, sondern zersetzen sich beim Erhitzen. In wäßriger Lösung bilden sich unterschiedliche Säure-Base-Gleichgewichte unter Beteiligung der funktionellen Gruppen aus. Betrachten wir z.B. die einfachste Aminosäure, Glycin. In Abhängigkeit vom pHWert der Lösung kann Glycin hauptsächlich als diprotoniertes Kation (pH < 1), als monoprotoniertes Zwitterion (pH = 6) oder als deprotoniertes 2-Aminocarboxylat-Ion vorliegen (pH > 13).

HaNCH2COOH H

—

H;NCHzC0O0”

—

H3NCH>COO”

H

Überwiegt

Überwiegt

Überwiegt

beipH 13

In Tab. 26-1 sind die pK,-Werte für die entsprechenden Gleichgewichte aufgeführt. Der erste pK,-Wert (2.4 für Glycin) gilt für das Gleichgewicht

H,NCH,COOH + H,O = H,NCH,COO- + H,ÖH pk,=2.4

K,

_ [H»NCH,C00 -][H,OH] :

=

10° 2.4

[H,NCH,COOH]

Wie Sie sehen können, ist dieser pX,-Wert um mehr als zwei Einheiten kleiner als der einer gewöhnlichen Carbonsäure [pK,(CH;COOH) = 4.74]. Dieser Unterschied ergibt sich aus dem elektronenziehenden Effekt der protonierten Aminogruppe. Der zweite pK,-Wert (9.8) ist für den zweiten Deprotonierungsschritt charakteristisch: 1288

H,NCH,COO- + H,O —H,NCH,COO- + H,ÖH

26.1

Aminosäuren

PK, = 9.8

K,

Konstitutionen

"und Eigenschaften der

_ [H3NCH,COO][H,OH]

=

10° 9.8

[H,NCH,COO]

Am isoelektrischen Punkt sind die Ladungen neutralisiert Es ist wichtig zu wissen, bei welchem pH-Wert die Konzentration der neutralen zwitterionischen Form am größten ist. Das muß an dem Punkt sein, an dem die Deprotonierungsreaktion dieser Spezies im Gleichgewicht mit der Protonierungsreaktion steht, und daher [H;NCH,COOH] = [H;NCH,COO] ist. Um den pH-Wert an diesem Punkt zu berechnen, lösen wir die Gleichungen des Massenwirkungsgesetzes fürden ersten und zweiten Deprotonierungsschritt jeweils nach [H;NCH,COO]

auf:

erster Schritt

[H,NCH,COOH] x 10”2-*

[H,NCH,COO ] =

[H,OH]

zweiter Schritt

[H,NCH,COO

[H,NCH,COO"][H,OH]

] =

1098

wir erhalten also:

O _ [H3,NCH,COOH] x 107 |[H,ÖH] [HNCH,CO [1,0H]

10-8

und

Mess, Wadix [H,NCH,COOH] 2

[H,NCH,COO]

Da [H,NCH,COOH] = [H,NCH,COO], folgt: [H,ÖH] = 1076-1; also pH=6.1. Diesen Punkt bezeichnet man

auch als isoelektrischen

Punkt (p/), da

die Zahl der positiv geladenen Aminosäuremoleküle gleich der Zahl der negativ geladenen ist, und daher keine Wanderung der Aminosäure in einem von außen angelegten elektrischen Feld beobachtet wird. Wie man leicht nachprüfen kann, ist der isoelektrische Punkt der Mittelwert der beiden pK,-Werte der Säure.

_ PKcoon + PRxnsı p/ a

Die

Situation

wird

etwas

”

komplizierter,

wenn

die

Seitenkette

der

Aminosäure eine weitere saure oder basische Funktion enthält. In Tabelle 26-1 finden sich hierfür sieben Beispiele. Das erste ist Tyrosin mit einem sauren 4-Hydroxyphenylmethyl-Substituenten, der einen für Phenole typischen pK,-Wert von 10.1 hat (s. Abschn. 22.3). 1289

26

Aminosäuren, Peptide

Zuordnung der pA,-Werte in ausgewählten Aminosäuren auf die einzelnen Gruppen

und Proteine

2.2

COOH

HH>N 9.1

COOH

H

HH>N

CH;

“

2:2

COOH

H

ai

CH;

CH»

9.0

CH»

CH, CH>

|

CH3

2

"NH3>H

HN=t

N 10.1

1.8

HH-JN—t—H

CH>

OH

he

H

NH,

10.8

13.2 Tyrosin

Lysin

Arginin

In diesen Fällen ist der isoelektrische Punkt der Mittelwert der pK;Werte der beiden Gleichgewichte, an denen die ladungsneutralisierte Form der Aminosäure beteiligt ist. Tyrosin kann beispielsweise, in Abhängigkeit vom pH-Wert, eine der folgenden vier Konstitutionen in wäßriger Lösung einnehmen.

Konstitutionen von Tyrosin bei unterschiedlichen pH-Werten

COOH H3N—-H CH,

coo” H3N—H-H pkı=22

CH>>

HO_

9.1

PK, Ho

H*

CH,

ladungsneutralisiertes

coo” HJN—-H PX = 10, 1

CH3

H oO

fi

H*

OH Monokation

coo” H-JN—-H

Hr

OH Monoanion

03 Dianion

Zwitterion

n

H>NCNH> Guanidin

Für den isoelektrischen Punkt ergibt sich: p/ = (2.2+9.1)/2 = 5.7. Lysin enthält eine weitere Aminogruppe, die im stark sauren Milieu ebenfalls protoniert werden kann, wodurch ein Dikation entsteht. Bei Erhöhung des pH-Wertes gibt zunächst die Carboxygruppe ein Proton ab, danach wird das Stickstoffatom an C2 deprotoniert, und erst dann die Aminogruppe der Seitenkette. Der isoelektrische Punkt ist dann der Mittelwert der beiden letzteren pK,-Werte, p/ = 10. Arginin enthält einen Substituenten, den wir noch nicht kennen, die relativ basische Guanidinogruppe (pX, der konjugierten Säure = 13), abgeleitet vom Molekül Guanidin. U "

Übung 26-3 Guanidin findet sich in Rübensaft, in Pilzen, Maiskeimen, den Hülsen des Reiskorns, in Miesmuscheln und Regenwürmern. Die Basizität dieser Verbindung kommt aufgrund der Bildung einer stark resonanzstabilisierten protonierten Form zustande. Zeichnen Sie die Resonanzformeln! Hinweis: Wiederholen Sie Abschn. 19.4.

Histidin enthält einen weiteren neuen Substituenten, ein Imidazol. Die Imidazole gehören zur Gruppe der Diheterocyclopentadiene. Andere Beispiele sind Oxazol, Thiazol und Pyrazol. In diesen Ringen, die alle aromatischen Charakter haben, befindet sich das freie Elektronenpaar des einen Stickstoffatoms wie beim Pyridin in einem sp--Hybrid-

1290

orbital, das des anderen N-Atoms (oder Heteroatoms) befindet sich im p-Orbital und ist an der Resonanz beteiligt.

26.1

Konstitutionen

und Eigenschaften der Aminosäuren

cooH—!

8

N

CH

9.2

& )

N

&

UN ö

UN S

/

”N

Oxazol

Thiazol

Pyrazol

H

HN? N kn

N

N”

N"

un

Ha

Imidazol

+

N 6.1 „27 H

Histidin

Kasten 26-1

Arginin und Stickstoffmonoxid in der Biochemie und der Medizin EUR, cc

NH3" n

107 StickstoffmonoxidSynth

00C--(CH,),NHÜNN, ea

u

00C—-(CH>)3NHÜNHOH a, | n2 H

L-Arginin

ne

Bi:

NH3*

N°-Hydroxy-L-Arginin

NH3"

NH2"

00

CHIN,

H

H

|

5

NH3* H,O

(CH,);„N=C=NH| ——>

NO — > [H-N=0] + | "oc

|

H

N°.Oxo-L-arginin

H- + -N=0O Ende der achtziger und Anfang der neunziger Jahre machten Naturwissenschaftler eine Reihe aufregender Entdeckungen: Das einfache, aber

hochreaktive und extrem toxische Molekül Stickstoffmonoxid :'N=O: wird in einer Vielzahl von unterschiedlichen Zellen von Säugetieren, einschließlich des Menschen, synthetisiert und hat einige wichtige biologische Funktionen. Makrophagen (Zellen, die mit dem Immunsystem des Körpers in Verbindung stehen) zerstören Bakterien und Tumorzellen,

indem sie sie Stickstoffmonoxid

aussetzen, das durch enzymkatalysierte Oxidation von Arginin, wie oben gezeigt, synthetisiert wird. Stickstoffmonoxid wird von Zellen der inneren Wand der Blutgefäße freigesetzt und bewirkt die Relaxation benachbarter Muskelfasern. Diese im Jahre 1987 gemachte Entdeckung erklärt, warum Nitroglycerin und andere organische Nitrate so wirksam bei der Behandlung der Angina pectoris und von Herzanfällen sind. Damit war ein fast hundert Jahre altes Rätsel gelöst: Diese Substanzen werden zu NO metabolisiert, das gefäßerweiternd wirkt. Neuere Studien zeigen, daß Stickstoffmonoxid als Neurotransmitter im Gehirn eine Rolle spielt, vielleicht ist es sogar eine Schlüsselsubstanz für alle Gedächtnisvorgänge! Paradoxerweise ist NO auch ein starkes Nervengift, dessen unkontrollierte Freisetzung möglicherweise für die extensive Zerstörung von Zellen bei

ren

NH3 006

0

(CH), NHÜNH, H L-Citrallin

Schlaganfällen und bei Gehirnerkrankungen wie der Alzheimer-Krankheit und der Huntingtonschen Chorea (einer Form des Veitstanzes) verantwortlich ist. Tatsächlich bewirkt die Verabreichung von N--Nitro-L-arginin (eines Inhibitors der NO-Synthese) nach Auslösen eines Schlaganfalls bei Mäusen eine starke Reduzierung der neuronalen Schädigungen. Derartige Studien sind von großem Interesse bei der Suche nach wirksamen Therapien für diese Erkrankungen. Für ihre Untersuchungen über NO als Signalmolekül im cardiovascularen System wurden Furchgott”, Ignarro* und Murad* mit dem Nobelpreis geehrt.

NH—NO,

NH"

"oc (CH>)„NHCNH> H N°-Nitro-L-arginin

* Robert F. Furchgott, geb. 1916, State University of New York, New York; Louis J. Ignarro, geb. 1941, University of California at Los Angeles; Ferid Murad, geb. 1936, University of Texas, Houston; Nobelpreis für Medizin 1998.

1291

26 Aminosäuren, Peptide und Proteine

Übung 26-4 @

Zeichnen Sie ein Orbitalbild vom Imidazol (nehmen Sie Abb. 25-1 als Modell).

Der Imidazolkern ist relativ basisch, da bei der Protonierung eine resonanzstabilisierte Spezies entsteht, die sich durch zwei äquivalente Resonanzformeln beschreiben läßt.

3-7

Resonanz im protonierten Imidazol

N‘

rY

re

H

H

pk, = 7.0

Diese Resonanzstabilisierung ist vergleichbar mit der in Amiden (. Abschn. 20.1). Imidazol ist bei physiologischem pH in beträchtlichem Ausmaß protoniert und kann daher am aktiven Zentrum einer Reihe von Enzymen als Protonenakzeptor und -donator wirken. Die Aminosäure Cystein enthält einen Mercaptosubstituenten. Erinnern wir uns daran, daß, abgesehen von ihrem sauren Charakter, Thiole unter milden Bedingungen zu Disulfiden oxidiert werden können (Ss. Abschn. 9.9). In der Natur sind eine Reihe von Enzymen in der Lage, die Mercaptogruppen der Cysteinmoleküle in den Proteinen und Peptiden oxidativ zu kuppeln, was zu einer reversiblen Verknüpfung von Peptidsträngen führt. Asparaginsäure und Glutaminsäure sind Aminodicarbonsäuren. Bei physiologischem pH sind beide Carboxygruppen deprotoniert, die Moleküle liegen in Form der zwitterionischen Anionen Aspartat und Glutamat vor. Mononatriumglutamat wird in vielen Nahrungsmitteln als Geschmacksverstärker verwendet. Zusammengefaßt können wir sagen, daß es zwanzig wichtige Aminosäuren (18 25-Aminosäuren, das 2R-konfigurierte Cystein und das achirale Glycin) gibt, die üblicherweise mit ihren Trivialnamen benannt werden. Wenn das Molekül nicht noch weitere saure oder basische Gruppen enthält, wird sein Säure-Base-Verhalten durch zwei pä&K,-Werte bestimmt, der niedrigere von beiden ist charakteristisch für die Deprotonierungsreaktion der Carboxygruppe. Am isolektrischen Punkt, dem Mittelwert der beiden pK,-Werte, beobachtet man in einem äußeren elektrischen Feld keine Wanderung der Aminosäuremoleküle. Einige Aminosäuren enthalten außerdem noch weitere saure oder basische Funktionen, wie Hydroxy-, Amino-, Guanidino-, Imidazolyl-, Mercaptound Carboxygruppen.

26.2 Synthese von Aminosäuren: Eine Kombination aus Amin- und Carbonsäurechemie Mit der Chemie der Amine haben wir uns in Kapitel 21, mit der der Carbonsäuren und ihrer Derivate in den Kapiteln 19 und 20 befaßt. In diesem Abschnitt wollen wir unser Wissen aus diesen Kapiteln zusammenfassen und zur Darstellung von 2-Aminosäuren benutzen. Optisch aktive Aminosäuren erhält man durch Racematspaltung oder durch biologische Methoden.

1292

Hell-Volhard-Zelinsky-Bromierung mit anschließender Aminierung überführt Carbonsäuren in 2-Aminosäuren

26.2

Synthese von Amino-

säuren: Eine Kombination aus Amin- und Carbonsäurechemie

Wie läßt sich ein 2-Aminosubstituent am schnellsten in ein Carbonsäuremolekül einführen? Im Abschn. 19.12 haben wir gezeigt, daß man eine neue funktionelle Gruppe am a-Kohlenstoffatom einer Säure am einfachsten über eine Hell-Volhard-Zelinsky-Bromierung bekommt. Danach läßt sich das Bromatom im Produkt durch ein Nucleophil wie Ammoniak substituieren. Auf diese Weise erhält man racemisches Alanin aus Propansäure in zwei Schritten mit insgesamt 45% Ausbeute. M

CH3ZCHLOOH

"NH3

Br—Br, katalytische Mengen PBr

————— — HBr

NH3, H,O, 25°C, 4 Ta

73° cH,CHCOOH

—e

80%

Propansäure

mn

— HBr

CH;CHCOO 56%

2-Brompropansäure

(R,S)-Alanin

Leider sind bei diesem Reaktionsweg die Ausbeuten oft recht gering. Besser ist es, die Aminogruppe über eine Gabriel-Synthese einzuführen (s. Abschn. 21.5).

Aminosäuren

lassen sich über eine modifizierte

Gabriel-Synthese darstellen Bei der Gabriel-Synthese von Aminen wird das Anion des 1,2-Benzoldicarboximids (Phthalimid) N-alkyliert und das entstandene Produkt mit Säure zum Amin und 1,2-Benzoldicarbonsäure (Phthalsäure) hydrolysiert (vgl. Abschn. 21.5). Verwendet man im ersten Reaktionsschritt Diethyl-2-brompropandioat (2-Brommalonester, leicht darstellbar durch Bromierung von Diethylpropandioat, als Alkylierungsmittel), kann man das Produkt hydrolysieren und dann mit Säure decarboxylieren (s. Abschn. 23.2). Im nächsten Hydrolyseschritt wird dann die Aminosäure freigesetzt. Das kann milder auch durch eine Hydrazinolyse erfolgen.

Gabriel-Synthese von Glycin

TODCILEH; Oder

BE RTEFH,

HCBr

H*, H30, A

a

KBr

- 2 CH3CH;OH

COOCH ‚CH a

NC00CH „CH3 a

Diethyl-2-brompropandioat

Kalium-1,2-Benzoldicarboximid

(2-Brommalonester)

(Kaliumphthalimid)

COOH

fe a

OÖ

\

COOH

H*, H,O - CO,

PZ

COOH

EN "COOH

H3NCH,COO 85% Glyein

Ein Vorteil dieser Methode liegt darin, daß sich das zunächst gebildete 2-substituierte Propandioat (ein substituierter Malonester) seinerseits noch alkylieren läßt, was die Darstellung einer Fülle substituierter Aminosäuren ermöglicht.

1293

26 Aminosäuren, Peptide und Proteine

p

1. CH5CHz;O”Na*

2URX

N—CH(CO,CH.CH,), 0.2,

+

NH3

RCHcoos

16) " Übung 26-5 "

Entwickeln Sie Gabriel-Synthesen von Methionin, Asparaginsäure und Glutaminsäure.

Bei einer Variante der Gabriel-Synthese 2-aminopropandioat (Acetamidomalonester) eingesetzt.

wird Diethyl-N-ethanoylanstelle des Imidderivats

"NH3

|

‚CH,=

CHENHCH(COSCHSCH

+, 50, .

—>

E22.2, HOCHCHCOO

I

65% Diethyl-N-ethanoyl-2-aminopropandioat

Serin

(Acetamidomalonester)

Aminosäuren werden aus Aldehyden durch Strecker-Synthese dargestellt Die Strecker“-Synthese Variante der Reaktion (s. Abschn. 17.11).

benutzt in ihrem entscheidenden Schritt eine von Aldehyden und HCN zu Cyanhydrinen

1

RCH

+ HCN

=

ji

R—C—CN H Cyanhydrin

Führt man dieselbe Reaktion in Gegenwart von Ammoniak durch, addiert sich das intermediäre Imin an Cyanwasserstoff, wodurch das entsprechende 2-Aminonitril entsteht. Bei der nachfolgenden sauren oder basischen Hydrolyse erhält man die gewünschte Aminosäure in racemischer Form. Strecker-Synthese von Alanin

NH

CH>CH

ee er vr.

Ethanal (Acetaldehyd)

Imin

in

HaC—-CN

*NH3

#7. #20, CH,CHCOO”

H

55%

2-Aminopropannitril

Alanin

Übung 26-6 | Wie würden Sie Glycin und Methionin über eine Strecker-Synthese darstellen?

Fassen wir die men: Racemische Bromcarbonsäure, Strecker-Synthese, mit nachfolgender

*

1294

Darstellungsmöglichkeiten für Aminosäuren zusamAminosäuren erhält man durch Aminierung von 2durch Gabriel-Synthese von Aminen und über die die über eine Imin-Variante der Cyanhydrinsynthese Hydrolyse verläuft.

Adolf Strecker, 1822-1871,

Professor an der Universität Würzburg.

26.3 Synthese enantiomerenreiner Aminosäuren

26.3

Synthese enantiomerenreiner Aminosäuren

Bei allen bisher besprochenen Methoden entstehen die Aminosäuren als Racemate. Für viele synthetische Zwecke — insbesondere bei Peptidund Proteinsynthesen — werden jedoch enantiomerenreine Verbindungen mit S-Konfiguration benötigt. Daher muß man entweder die erhaltenen Racemate spalten (s. Abschn. 5.8) oder enantioselektive Reaktionen entwickeln, bei denen nur das gewünschte S-Enantiomer entsteht. Eine einfache Methode zur Racematspaltung verläuft über die Trennung von diastereomeren Salzen der beiden Enantiomere. Hierbei geht man so vor, daß die Aminogruppe zunächst als Amid geschützt und dann das erhaltene Produkt mit einem optisch aktiven Amin (s. Abschn. 21.4) wie dem Alkaloid Brucin (s. Abschn. 25.8) umgesetzt wird. Die beiden erhaltenen Diastereomere lassen sich dann durch fraktionierende Kristallisation trennen. Leider ist diese Methode in der Praxis oft recht mühselig, und die Ausbeuten sind häufig gering.

Spaltung von racemischem Valin

|

"NH3 (CH3)„CHCHCOO

HNCH +

HCOOH

HCHCOOH (CH3,C80%

—uzau?

Aminogruppe

(R,S)-Valin

+ HOH

(R,S)-N-Methanoylvalin ICR,S)-N-Formyivalin] Brucin (abgekürzt B), CH,OH, 0°C

oO

IR

COO” *BH

HB" "O0OC

H

HL

CH(CH3)3

(CH3);HC

TG

OÖ

| RENGH H

Trennung durch fraktionierende Kristallisation

NaOH,

NaOH, H>0, 0°C

H>0, 0°C

Entfernung von Brucin und Hydrolyse des Amids

coo” H3N——H CH(CH3)> 70%

”00C H

NH3

(CH3),HC 70%

(S)-Valin

(R)-Valin

Die Alternative ist, das Chiralitätszentrum an C2 gleich enantioselektiv zu bilden, wie es die Natur

bei der Biosynthese

von

Aminosäuren

macht. So überführt das Enzym Glutamat-Dehydrogenase die prochirale Carbonylgruppe der 2-Oxopentandisäure durch eine biologische reduktive Aminierung (chemische reduktive Aminierungen s. Abschn. 21.6) in den Aminosubstituenten der (S)-Glutaminsäure. Als Reduktionsmittel wirkt NADH

(Kasten 25-4, Abschn.

25.6).

1295

|

"NH3

HOOCCH>CH>CCOOH 2-Oxopentandisäure

+ NH3 + H"

+

NADH, Glutamat-Dehydrogenase

1.20.0005 —— rn

HOOCCH>CH;>CHCOO (S)-Glutaminsäure

+ H,O

(S)-Glutaminsäure ist die direkte Vorstufe in der Biosynthese von Glutamin, Prolin und Arginin. Außerdem wirkt sie zusammen mit dem Enzym Transaminase als Aminierungsmittel für andere 2-Oxosäuren, wodurch andere Aminosäuren zugänglich werden.

"NH3

6)

|

N

|

aa

_

Transaminase

+ R’CCOO

"NH3

| e RCCOO + H—C—COO |

R

'

Bei der chemischen Synthese wird die katalytische Wirkung von Enzymen bei der Darstellung optisch reiner Aminosäuren ausgenutzt. Diese Methode bezeichnet man als kinetische Racematspaltung. Bei diesem Prozeß ist es dem Enzym aufgrund seiner eigenen Chiralität möglich, immer nur eines von beiden Enantiomeren auszusuchen, das dann in ein anderes Produkt überführt wird. Das verbleibende Enantiomer läßt sich dann aus dem Gemisch abtrennen. Ein Beispiel für dieses Prinzip ist die enzymatische kinetische Spaltung von racemischem Alanin durch die Schweinenieren-Acylase I. Dieses Enzym katalysiert ausschließlich bei N-alkanoylierten (25)-Aminosäuren die Hydrolyse von Amidbindungen. In der Praxis wird die racemische Säure zunächst mit Ethansäureanhydrid (Acetanhydrid) ethanoyliert (acetyliert) und das entstandene N-Ethanoylalanin (N-Acetylalanin) danach zusammen mit dem Enzym in wäßrige Lösung gegeben.

Kasten 26-2

Synthese von optisch reinen Aminosäuren Die katalytische asymmetrische Hydrierung (Kasten 12-1, Abschn. 12.2) ist eine von vielen Methoden, die zur Darstellung optisch reiner Aminosäuren entwickelt wurden. Eine andere Möglichkeit ist die Alkylierung von Glycin in Gegenwart optisch aktiver Basen. Optisch reines D-(4-Chlorphenyl)alanin wurde mit Hilfe des natürlich vorkommenden Alkaloids Chinchonin nach dem unten gezeigten Schema synthetisiert. Für den ersten Reaktionsschritt, der in einer heftig gerührten Dichlormethan-Wasser-Mischung durchgeführt wird, ist nur eine katalytische Menge der Alkaloidbase erforderlich. Während

der Alkylierung, die in der CH-Ch--Phase abläuft, wird die Base in ihre konjugierte Säure überführt, die als Ion vorliegt und in die wäßrige Phase wandert. Das in der wäßrigen Phase gelöste NaOH regeneriert das neutrale Alkaloid, das wieder in die CH,Ch--Phase zurückkehrt, wo es die Alkylie-

rung eines weiteren Substratmoleküls bewirkt und so weiter. Dieser Reaktionscyclus ist ein Beispiel für eine Phasentransfer-Katalyse (s. Abschn. 21.12). Die Alkylierung ergibt ein optisch angereichertes Zwischenprodukt, aus dem das reine Hauptenantiomer vom restlichen racemischen Material durch Umkristallisation abgetrennt wird. Cinchonin, NaOH,

(C6H 5 )y)C=N—

CH5—COOC(CH3)3

ze BrCH> {ja

H,O, CH,Cl,

1,1-DimethylethylN-(diphenylmethyliden)glycinat (CoH5)2aC=N

San

H

COOC(CH3)3 cl

95% Ausbeute; 82% R, 18% S

coo 1. Umkristallisieren

2. H,0*, A — ==

4%AL

cl

100% optisch rein (R)(4-Chlorphenyl)alanin

1296

Biologische kinetische Spaltung von racemischem Alanin

26.4 Peptide und Proteine: Oligomere und Polymere von Aminosäuren

"NH

3

1

Eee

EURE = COOH

IRA on (RS)-N-Ethanoylalanin

CH,3COCCH;,

BECHCSO (R,S)-Alanin

3

1. Schweinenieren-Acylase, pH = 7.0-7.2, 38°C, 24 h

ET

Be BET coo

COOH

De ze + 4 —nucch, CH; (S)-Alanin

(fällt aus)

Chur

©

(R)-N-Ethanoyl alanin (bleibt in Lösung)

Bei Zugabe von Ethanol zu dem Gemisch kristallisiert die natürliche (S)-Aminosäure aus, das löslichere (R)-N-Ethanoylalanin reagiert nicht und verbleibt in der Mutterlauge. Dieses Verfahren ist sehr effektiv, zur Spaltung von 600 g Aminosäure benötigt man nur 150 mg des Enzyms. Zur Darstellung kleiner Mengen enantiomerenreiner Produkte kann man racemische Aminosäuren einer spezifischen enzymatischen Oxidation unterwerfen. Bei diesem Verfahren wird das eine Enantiomer zerstört, das andere bleibt erhalten. Auf diese Weise erhält man mit Klapperschlangengift, das L-Aminosäure-Oxidase enthält, die reine R-Form, während die Behandlung mit D-Aminosäure-Oxidase aus den Nieren das reine S-Enantiomer ergibt. Für Reaktionen in großem Maßstab ist diese Methode nicht geeignet, da sich eines der beiden Enantiomere nicht zurückgewinnen läßt. Wenn das in einer kinetischen Racematspaltung nicht umgesetzte Enantiomer (50% des eingesetzen Racemates) schnell racemisieren kann, erhält man erneut ein Racemat, das wiederum kinetisch gespalten werden kann. Dieser Vorgang, den man als dynamische kinetische Racematspaltung bezeichnet, ermöglicht quantitative Ausbeuten. Fassen wir zusammen: Enantiomerenreine Aminosäuren kann man durch Racematspaltung oder mit Hilfe biologischer Methoden, insbesondere durch die biologische kinetische Racematspaltung, erhalten. Dabei reagiert das Enzym aufgrund seiner eigenen Chiralität weit überwiegend mit nur einem Enantiomeren.

26.4 Peptide und Proteine: Oligomere und Polymere von Aminosäuren .

Aminosäuren sind biologisch außerordentlich vielseitige Verbindungen, weil sie polymerisieren können. In diesem Abschnitt beschreiben wir die Struktur und die Eigenschaften von Polypeptid-Ketten. Durch dreidimensionale Verdrehung und Faltung dieser Ketten entstehen die biologisch hoch aktiven Proteine.

Aminosäuren bilden Peptidbindungen Die Monomereinheit der Polypeptide ist eine Aminosäure). Das Polymer entsteht dadurch, Carbonsäurefunktion der einen Aminosäure einer anderen reagiert, deren Carboxygruppe Aminfunktion der nächsten reagieren kann. So Amiden (s. Abschn. 20.6). Die Amidbindung, säuren verknüpft werden, bezeichnet man auch

2-Aminosäure (oder odaß immer jeweils eine mit der Aminogruppe dann wiederum mit der entsteht eine Kette von durch die zwei Aminoals Peptidbindung. 1297

R Oo

26 Aminosäuren, Peptide und Proteine

AM ?n a

Kin bwl

RO Kl

_— ee

2-Aminosäure (a-Aminosäure)

er

+ 2n H>O

Polyaminosäure (Polypeptid)

Die Oligomere, die durch die Verknüpfung von Aminosäuren entstehen, nennt man Peptide. So ergeben beispielsweise zwei Aminosäuren ein Dipeptid, drei ein Tripeptid usw. Die einzelnen Aminosäuren werden durch ihre Reste am Peptidgrundgerüst charakterisiert. In einigen Proteinen sind zwei oder mehr Polypeptidketten durch Disulfidbrücken miteinander verknüpft (Abschn. 9.10 u. 26.1). Für die Struktur der Polypeptide ist eines besonders wichtig: Die Peptidbindung ist bei Raumtemperatur ziemlich starr und als Folge der Delokalisierung des freien Elektronenpaares am Stickstoffatom auf die Carbonylgruppe planar (Abschn. 20.1). Fast immer ist das N-H-Wasserstoffatom trans zum Carbonylsauerstoffatom angeordnet. Die Rotation um die C-N-Bindung ist wegen ihres partiellen Doppelbindungscharakters langsam. Dieser wird auch an der kleinen Bindungslänge deutlich, die mit 132 pm zwischen der einer reinen C-N-Einfachbindung (147 pm, Abb. 21-1) und der einer C-N-Doppelbindung (127 pm) liegt. Die den Amidfunktionen benachbarten Bindungen können jedoch frei rotieren. Deshalb sind Polypeptide zwar relativ starr, jedoch beweglich genug, um verschiedene Konformationen einzunehmen. Sie können sich beispielsweise auf unterschiedliche Weise falten. Die meisten biologischen Wirkungen sind auf solche Faltungen zurückzuführen, gerade Ketten sind meist wenig aktiv.

Durch Resonanz induzierte Planarität der Peptidbindung

I5inm

124nm

RER, 132 nm

1

146 nm

?}

er

AN

w

Sc

|

R

H

en

Ne

|

IN

[6]

RH

ner

| H

l oO

Polypeptide werden durch ihre Aminosäuresequenz charakterisiert Beim Zeichnen einer Polypeptidkette schreibt man das Amino-Ende an die linke, das Carboxy-Ende an die rechte Seite der Kette. Dabei geht man üblicherweise von einer S-Konfiguration der C2-Stereozentren aus. Zeichnen der Struktur eines Tripeptids

a

ER

HaN—C-C men H

H:

H

mm

Aminosäure 1

HosH A

Aminosäure 2

T——Z

Aminosäure 3

Die Kette, die die Amid-(Peptid-)Bindungen enthält, bezeichnet man als Hauptkette, die Substituenten R, R’ usw. sind die Seitenketten. Die einzelnen

Aminosäure-Einheiten,

aus

denen

das Peptid

aufgebaut

ist,

sind die sogenannten Reste. In einigen Proteinen sind zwei oder mehrere Polypeptidketten durch Disulfidbrücken (s. Abschn. 9.9 u. 26.1) oder Wasserstoffbrücken miteinander verbunden. 1298

Die Namensgebung bei den Peptiden ist ganz einfach. Man beginnt an dem Ende mit der freien Aminosäure und hängt dann die Bezeichnungen für die einzelnen Reste einfach aneinander, bis man beim Rest mit der endständigen Carboxygruppe angekommen ist. Da man bei diesem Verfahren sehr schnell zu endlos langen Namen kommt, benutzt man für längere Peptide in die Tab. 26-1 aufgeführten Abkürzungen.

26.4 Peptide und Proteine: Oligomere und Polymere von

Aminosäuren

(CH3)>z CH

?

CH3

CH;

+

O

CsHsCH>

+

N

ar

CH, O

a

+

H3NCH>—C—NHCHCOO"

H3NCH—C—NHCH>COO”

H3NCH—C—NHCH—C—-NHCHCOO”

Glycylalanin Gly-Ala

Alanylglyein Ala-Gly

Phenylalanylieucylthreonin Phe-Leu-Thr

Lassen Sie uns einige Beispiele von Peptiden und deren strukturelle Vielfalt betrachten. Aspartam, ein Dipeptidester, ist ein kalorienarmer künstlicher Süßstoff. In der Drei-Buchstaben-Schreibweise wird die endständige Estergruppe durch -OCH; angegeben. Glutathion, ein Tripeptid, findet sich in allen lebenden

Zellen,

in besonders

hohen

Konzen-

trationen in der Augenlinse. Dieses Molekül ist deshalb ungewöhnlich, weil hier der Glutaminsäurerest über die y-Carboxygruppe (als y-Glu gekennzeichnet) an den Rest des Peptids gebunden ist. coo”

ei q

CHsCH, o

H;NCH—C —NH—CH—COCH3 Aspartylphenylalaninmethylester Asp-Phe-OCH;, (Aspartam)

co0”

O _ HSCH,

O

HSNCHCH>CHH—C —NHCH—C—NHCH>COOH y-Glutamylcysteinylglycin

Val

y-Glu-Cys-Gly (Glutathion)

(R)-Phe

[

\

Pro

Glutathion wirkt als biologisches Reduktionsmittel, indem es selbst rasch an der Mercapto-Einheit des Cysteins zum dimeren Disulfid oxidiert wird. Gramicidin S ist ein cyclisches Peptid-Antibiotikum, das sich aus zwei identischen Pentapeptiden zusammensetzt, die Kopf an Schwanz verbunden sind. In diesem Molekül ist Phenylalanin in der RKonfiguration

und eine seltene Aminosäure,

ER N) HsC,

(6)

0:

Ornithin,

enthalten

[Orn,

a

/

” Val

(R)-Phe

Leu

—_—-Orn

Gramicidin $

SEHH H

H (CH,);9

|

Gramicidin 5 (Keilstrichformel)

1299

Kasten 26-3

Glutathion und die Toxizität von Methylisocyanat: Die Tragödie von Bhopal

Untersuchungen von Opfern der Bhopal-Tragödie (Kasten 20-3, Abschn. 20.7) zeigten, daß viele von ihnen starke Schädigungen an inneren Geweben und Organen aufwiesen, was für eine Exposition gegenüber Methylisocyanat charakteristisch ist. Dieser Befund kam unerwartet, da Methylisocyanat so reaktiv ist, daß eigentlich keine chemisch unveränderten Moleküle über die Lungen und den Kreislauf in innere Teile des Körpers, wie dıe Leber, gelangen sollten. Die Lösung für dieses Rätsel wurde im Jahre 1992 gefunden, als man entdeckte, daß Glutathion, das unter anderem die Aufgabe hat, Zellen

a

u,

N N

+

soon+

vor der Schädigung durch toxische Substanzen zu schützen (s. Abschn. 22.9), in der Lage ist, Methylisocyanat im Körper zu transportieren und überall freizusetzen. Diese heimtückische Wirkung rührt daher, daß Methylisocyanat in der Lage ist, reversibel mit den Mercaptogruppen des Peptids zu reagieren (s. unten). Zwischenprodukte wie S-(N-Methylcarbamoyl)glutathion werden zur Zeit dahingehend untersucht, ob sie möglicherweise ebenfalls als Überträger der toxischen Wirkung anderer kleiner stickstoffhaltiger organischer Moleküle auftreten.

CH;ZN=C=0

==

OO.

Be.

Methylisocyanat

Glutathion

OÖ

Ti

Ss

OÖ

N

H

H

+

A,

wi

Coo”

H

CN

eoon

0

S(N-Methylcarbamoyl)glutathion

ein niederes Homologes (eine CH>-Gruppe weniger) des Lysins.] In der Kurzdarstellung, in der Gramicidin S gezeigt ist, ist die Richtung, in der die Aminosäuren miteinander verknüpft sind (Amino- zu Carboxyrichtung) durch Pfeile angezeigt. Obwohl Kurzdarstellungen praktisch sind, lassen sich an ihnen keine nicht-kovalenten Wechselwirkungen in den Peptiden erkennen. In der Keilstrichformel von Gramicidin S sind einige wichtige Wasserstoffbrükken zu erkennen, die entscheidend an der stereochemischen Starrheit des Ringes beteiligt sind. Ein zweiter Faktor, der eine gewisse Starrheit des Moleküls bewirkt, ist die stark dipolare Natur der Amidgruppe (s. Abschn. 20.1), wodurch die Rotationsbarriere um die relativ kurze Carbonyl-Stickstoff-Bindung recht groß wird. Eine kompliziertere Aminosäuresequenz findet sich im Proteinhormon Insulin (s. Abb. 26-1), das als Medikament in der Diabetestherapie eingesetzt wird, da es den Glucoseabbau reguliert. Ss

S

A-Kette

|

|

Gly-Ile-Val-Glu-GiIn-Cys-Cys-Ala-Ser-Val-Cys-Ser-Leu-Tyr- GESEENONFESE TRIER

ö

5

er

10

15

x

| S

B-Kette

Phe-Val-Asn-GiIn- ee 5

|

S

S

-Ser- His-Leu-Val-Glu-Ala- Leu-Tyr-Leu-Val-Cys-Gly-Giu-Arg-Gly-Phe-Phe-Tyr-Thr-Pro-Lyss@lt 10

\5

Abb. 26-1 Aminosäuresequenz von Rinderinsulin. Das Amino-Ende liegt in beiden Ketten

links.

1300

26.4 Peptide und Proteine: Oligomere und Polymere von Aminosäuren

Abb. 26-2 Dreidimensionale Struktur des Insulins. von

Die Reste

Kette A sind blau, die von

Kette B grün gezeichnet. Die Disulfidbrücken sind rot markiert. (Nach Biochemistry, 3d ed. von Lubert Stryer. W.H. Freeman and Company, Copyright © 1975,

1988.)

Insulin ist aus zwei Peptidketten A und B aufgebaut, die aus insgesamt 51 Aminosäureresten bestehen. Diese Ketten sind über zwei Disulfidbrücken miteinander verbunden, eine weitere Disulfidbrücke befindet

sich zwischen den Cysteinresten an den Positionen 6 und 11 der AKette, wodurch sie in eine schleifenförmige Struktur gezwungen wird. Beide Ketten sind so zusammengefaltet, daß die sterischen Wechselwirkungen möglichst klein, die elektrostatischen und van-der-Waals-Anziehungskräfte möglichst groß sind. Aufgrund dieser Kräfte ergibt sich eine ziemlich dichte dreidimensionale Struktur (s. Abb. 26-2). Da man bei den meisten synthetischen Verfahren zur Darstellung von Insulin nur geringe Ausbeuten erhält, wird bis heute der größte Teil dieses Proteins aus der Bauchspeicheldrüse von Schlachttieren gewonnen. Seit kurzer Zeit ist auch ein Insulinpräparat im Handel, das mit Hilfe der Gentechnologie erzeugt wurde. In riesigen Tanks wird mit Hilfe von

Bakterien,

die das Gen

des Humaninsulins

enthalten,

bereits

so

viel Insulin produziert, daß damit Tausende von Diabetikern überall in der Welt behandelt werden können. Übung 26-7 Vasopressin, auch als antidiuretisches Hormon bekannt, kontrolliert die Wasserausscheidung im Körper. Zeichnen Sie die Konstitutionsformel des Moleküls. Beachten Sie, daß sich eine intramolekulare Disulfidbrücke zwischen den beiden Cystein-Einheiten befindet.

Re

eh

Cys-Tyr-Phe-Gln-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly-NH> Vasopressin

Proteine bilden Faltblatt- und Helixstrukturen: Sekundär- und Tertiärstrukturen Wie Insulin bilden auch andere Polypeptidketten wohldefinierte, dreidimensionale Strukturen. Während die Aminosäuresequenz der Kette die Primärstruktur festlegt, bezeichnet man das Faltungsmuster als Sekundärstruktur. Die Sekundärstruktur kommt teilweise durch Disulfidbrükken, hauptsächlich jedoch aufgrund der Starrheit der Amidbindung und der Maximierung der Wasserstoffbrücken und anderen nichtkovalenten Bindungen entlang der Kette(n) zustande. Zwei mögliche Anordnungen sind die Faltblattstruktur, oder B-Konfiguration, und die a-Helix. 1301

Abb. 26-3 A. Die Faltblatt- oder ß-Konfiguration, die über Wasserstoffbrücken (gepunktete Linien) zwischen zwei Polypeptidsträngen fixiert wird. (Nach „Proteins“ von Paul Doty, Scientific American, September 1957, Copyright © 1957, Scientific American Inc.) B. Die farbigen Peptidbindungen legen die einzelnen Ebenen fest, die Seitenketten R liegen abwechselnd ober- und unterhalb der Blattebenen. Die gepunkteten Linien zeigen Wasserstoffbrücken zu einer Nachbarkette oder zu Wasser.

670 pm

In der Faltblattstruktur (s. Abb. 26-3) sind zwei Ketten so angeordnet, daß jeweils die Aminogruppe einer Peptidbindung gegenüber der Carbonylgruppe einer anderen liegt, so daß sich zwischen beiden Gruppen Wasserstoffbrücken ausbilden können. Solche Bindungen sind auch innerhalb derselben Kette möglich, wenn sie schleifenförmig angeordnet ist. Sind viele derartige Bindungen in einem System enthalten, kann es recht starr werden. In der ß-Konfiguration stehen benachbarte Ebenen, die durch die drei Atome (C, OÖ, N) der Amidbindungen festgelegt werden, in einem

bestimmten

Winkel

zueinander,

wodurch

die Faltblatt-

struktur entsteht. Die a-Helix (Abb. 26-4) ermöglicht intramolekulare Wasserstoffbrükken zwischen nahe beieinanderliegenden Aminosäuren in der Kette. Auf jeder Windung der Helix befinden sich 3.6 Aminosäuren, zwei äquivalente Punkte an aufeinanderfolgenden Windungen sind etwa 540 pm voneinander entfernt. Abb. 26-4 Die a-Helix, in der die Polymerkette als rechtsgängige Schraube angeordnet ist, die durch intramolekulare Wasserstoffbrücken starr in Form gehalten wird. (Nach „Proteins“ von Paul Doty, Scientific American, September 1957, Copyright © 1957, Scientific American Inc.)

TE un 540 pm

1302

Nicht alle Polypeptide bilden solche idealisierten Strukturen. Einige (oder Teile von ihnen) zeigen auch zufällige ungeordnete Strukturen, die manchmal im Gleichgewicht mit einer oder beiden der geordneteren Alternativen stehen. Derartige Gleichgewichte können stark vom pH der umgebenden Lösung abhängen. Bildet sich entlang einer Kette ein Zuviel von Ladungen gleichen Vorzeichens aus, erzwingt die gegenseitige Abstoßung eine ungeordnetere Orientierung. Außerdem kann das sperrige Prolin — hier ist das Amid-Stickstoffatom Teil des Substituentenrings — einen Knick oder eine Ecke in einer a-Helix bewirken. Durch weiteres Falten, Verknäulen (engl.: coiling) und andere Aggregate von Polypeptiden entsteht deren Tertiärstruktur. Eine Reihe verschiedener Kräfte, die sich aus Art und Struktur der Gruppe R ergeben, sind an der Stabilisierung dieser Moleküle beteiligt. Zu ihnen gehören Disulfidbrücken,

Wasserstoffbrücken,

London-Kräfte

und

26.4 Peptide und Proteine: Oligomere und Polymere von Aminosäuren

elektrostati-

sche Anziehungs- und Abstoßungskräfte. Außerdem spielen auch Micellen-Effekte (s. Abschn. 20.4) eine Rolle: Das Polymer nimmt eine Struktur an, bei der die polaren Gruppen nach außen in die wäßrige Umgebung ragen und sich die hydrophoben Gruppen (z.B. Alkyl und Phenyl) im Inneren der Micelle befinden. Stark gefaltet sind die globulären Proteine, von denen viele für den chemischen Transport und die Katalyse verantwortlich sind (z.B. Myoglobin und Hämoglobin, s. Abschn. 26.8). Bei den Faserproteinen wie Myosin (in den Muskeln) und a-Keratin (in Haaren, Nägeln und Wolle) sind mehrere a-Helices so umeinander

gewunden,

daß

dadurch

eine

Überhelix

entsteht,

eine

Struktur, die aus einer helixförmigen Polypeptidkette aufgebaut ist (s. Abb. 26-5). Die Tertiärstruktur eines Proteins ist deshalb wichtig, weil hierdurch eine Tasche

oder aktive Stelle im Molekül

entstehen

kann, in die nur

ein bestimmtes Substrat des Proteins hineinpaßt. Bei den Enzymen erleichtert diese Struktureigenschaft die Komplexierung des Substrats, die Aktivierung und die Umsatzgeschwindigkeit. Bei anderen Proteinen kann sich hier ein Molekül

anlagern,

das einfach an eine andere

transportiert werden soll. Die Tertiärstruktur von Enzymen und Trägerproteinen teine, die andere

Moleküle

von

einem

Platz zu einem

Stelle

(carrier, Pro-

anderen

beför-

dern) erzeugt im Regelfall dreidimensionale Taschen, die aktive Zentren genannt werden. Die Form und die Größe der aktiven Zentren sorgen für eine hohe Substratspezifität. Als Substrat wird das Molekül bezeichnet, an dem das Protein seine Funktion ausführt.

In der inneren Ober-

fläche der Taschen sind die Seitenketten der polaren Aminosäuren so angeordnet, daß die funktionellen Gruppen des Substrats mit Hilfe von Wasserstoffbrückenbindung oder ionischen Wechselwirkungen angezogen und festgehalten werden können. In Enzymen ordnet das aktive Zentrum die funktionellen Gruppen und zusätzliche Moleküleso an, daß die Reaktion mit dem Substrat erleichtert wird. Ein Beispiel dafür ist das aktive Zentrum von Chymotrypsin, ein Enzym äus dem Verdauungsapparat von Säugetieren, das für den Abbau der eiweißhaltigen Nahrung sorgt. Chymotrypsin bewirkt, daß Peptidbindungen bei Körpertemperatur und physiologischem pH-Wert hydrolysiert werden können. Wie Sie sich erinnern werden, erfordert die Amidhydrolyse normalerweise weitaus drastischere Reaktionsbedingungen (Abschn. 20.6). Darüber hinaus erkennt das Enzym sogar bestimmte Peptidbindungen, die gezielt gespalten werden können, zum Beispiel das Carboxyl-Ende von Phenylalaninresten (Abschn. 26.5, Tab. 26.2). Wie ist dies zu erklären? Sie sehen in der schematischen Darstellung den aktiven Teil des großen Moleküls (Größe ca. 51 x 40 x 40 nm). Das Enzym hat vier wichtige, eng beieinander liegende Teile, die alle zusammenarbeiten, um die Hydrolysereaktion zu erleichtern: eine hydrophobe Tasche, die Reste von Asparaginsäure, Histidin und Serin. Die hydrophobe Tasche (Abschn. 8.2) sorgt für die notwendige enge Bindung des zu „verdauenden“ Polypeptids, indem es den hydrophoben Phenylsubstituenten eines der Phenylalaninreste anzieht. Die drei Aminosäurereste

r 2000 pm

Abb. 26-5 Idealisiertes Bild einer Superhelix, einer aufgewickelten Spirale.

1303

Peptidhydrolyse am aktiven Zentrum von Chymotrypsin

Hydrophobe Tasche

Substratpeptidspaltung -H,N nn

Substrat-

peptid

Chymotrypsinkette

Ester-

hydrolyse

kooperieren in einer Protonentransfer-Sequenz, um unter Freisetzung der Aminogruppe des nun gespaltenen Polypeptids die nucleophile Additions-Eliminierungs-Reaktion (Abschn. 19.7 u. 20.6) der SerinHydroxygruppe mit der Carbonylfunktion von Phe zu bewirken. Der verbleibende Teil des Substrates wird über eine Esterbindung an das Enzym gebunden, wo es mit einem Wassermolekül unter Esterhydrolyse (Abschn. 20.5) reagiert. Diese Reaktion verläuft wiederum über eine Tandem-Protonentransfersequenz, ähnlich der Peptidhydrolyse. Nachdem die Bindung zum Enzym gelöst ist, kann das Substrat das unveränderte aktive Zentrum des Chymotrypsins verlassen, um so Platz für ein weiteres Polypeptid zu schaffen. Bei der Denaturierung, d.h. der Zerstörung der Tertiärstruktur eines Proteins, fällt dieses gewöhnlich aus der Lösung aus und verliert jede katalytische Wirkung. Eine Denaturierung erfolgt, wenn das Protein starker Hitze oder extremen pH-Werten ausgesetzt wird. Denken Sie nur

einmal

daran,

was

mit klarem

Eiweiß

passiert,

wenn

man

es in

eine heiße Bratpfanne gibt, oder wie Milch aussieht, wenn man sie in Tee mit Zitrone gießt. Einige Moleküle wie Hämoglobin (s. Abschn. 26.8) besitzen auch eine Quartärstruktur, in der zwei oder mehrere

Aminosäureketten, jede

mit ihrer eigenen Tertiärstruktur, miteinander eine wohldefinierte größere Anordnung bilden. Lassen Sie uns zusammenfassen: Polypeptide sind Polymere von Aminosäuren, die durch Amidbindungen miteinander verknüpft sind. Ihre

1304

Aminosäuresequenz

läßt sich mit Hilfe einer Kurzschreibweise,

in der

die dreibuchstabigen Abkürzungen, die in Tab. 26-1 gezeigt sind, verwendet werden, darstellen. Polypeptide können cyclisch und auch über Disulfid- und Wasserstoffbrücken verbunden sein. Die Sequenz der Aminosäuren ist die Primärstruktur eines Polypeptids, durch Falten entsteht die Sekundärstruktur

und durch weiteres

Falten, Verknäueln

26.5 Bestimmung der Primärstruktur von Polypeptiden: Sequenzanalyse

und

Aggregieren die Tertiärstruktur.

26.5 Bestimmung der Primärstruktur von Polypeptiden: Sequenzanalyse Die biologische Funktion von Polypeptiden resultiert aus einer bestimmten dreidimensionalen Struktur und einer bestimmten Anordnung der funktionellen Gruppen, die ihrerseits eine bestimmte Aminosäuresequenz

voraussetzt.

Ein „falscher“

Rest in einem

ansonsten

normalen

Protein kann seine Eigenschaften vollkommen ändern. Beispielsweise ist die Sichelzellenanämie, eine potentiell tödliche Erbkrankheit, die Folge der Veränderung nur einer Aminosäure im Hämoglobin (Abschn. 26.8). Ende der fünfziger und Anfang der sechziger Jahre wurde entdeckt, daß diese Sequenzen genetisch in der DNA, dem Molekül, in dem die Erbsubstanz enthalten ist, festgelegt sind (s. Abschn. 26.9). Die Identifizierung der Primärstruktur der Polypeptide, die sogenannte Sequenzanalyse, erhebt gleichzeitig die Frage, wie das genetische Material in der DNA gespeichert ist, und wie es weitergegeben wird. Kennt man die Aminosäuresequenz eines Proteins, ist sein Wirkungsmechanismus leichter zu verstehen. Die Funktion eines Proteins kann durch Veränderung einer einzigen Aminosäure innerhalb einer Sequenz total geändert werden. So entsteht z.B. die Sichelzellenanämie, eine unter Umständen tödliche Erbkrankheit, dadurch, daß eine einzige Aminosäure im Protein Hämoglobin (s. Abschn. 26.8) verändert ist. Die Sequenzanalyse spielt auch eine wichtige Rolle bei der Aufklärung der Evolution. So haben im allgemeinen bei verwandten Spezies Proteine mit ähnlicher Wirkung auch eine ähnliche Aminosäuresequenz. Die Enge der Verwandtschaft läßt sich dann durch Bestimmung der Primärstruktur ermitteln. In diesem Abschnitt zeigen wir, wie man

dies mit chemischen

Mit-

teln in Verbindung mit analytischen Methoden tun kann.

Im ersten Schritt werden die Disulfidbrücken aufgebrochen und die Einzelketten gereinigt ' Viele Polypeptide bestehen aus zwei oder mehr Ketten, die durch Disulfidbrücken miteinander verbunden sind. Im ersten Schritt bei der Analyse solcher Strukturen bricht man diese Bindungen auf und trennt die entstandenen Untereinheiten. Dies läßt sich z.B. durch Oxidation der Disulfidbrücke zu Sulfonsäuren mit Peroxymethansäure (Peroxyameisensäure) erreichen.

N taten A-Kette rw

Pe! A-Kette

SO:H

HO3S B-Kette Fe

RR B-Kette

1305

26 Aminosäuren, Peptide und Proteine

Der folgende Reinigungsschritt ist ein schwieriges Problem und kann viele Stunden in Anspruch nehmen. Es gibt einige Methoden, mit denen sich Polypeptide aufgrund ihrer Größe, der Löslichkeit in einem bestimmten Lösungsmittel, der Ladung bzw. der Fähigkeit, sich an einen Träger zu binden, trennen lassen. In der Dialyse wird das Polypeptid von kleineren Molekülbruchstükken über eine Filtration durch eine semipermeable Membran abgetrennt. Eine zweite Methode, die, Gelpermeations-Chromatographie, benutzt ein aus winzigen Kügelchen bestehendes Kohlenhydratpolymer, das sich in einer Trennsäule befindet. Kleinere Moleküle diffundieren im allgemeinen leichter in die Kügelchen hinein und verweilen eine längere Zeit auf der Säule als größere, sie werden daher langsamer eluiert. Bei der /onenaustausch-Chromatographie trennt ein geladener Träger Moleküle aufgrund der Zahl der auf ihnen befindlichen Ladungen. So bindet eine Säule, auf der sich Carboxylatgruppen befinden, positiv geladene (z.B. an der Aminfunktion protonierte) Polypeptide, aber keine neutralen oder negativen Spezies. Eine Trennung läßt sich über eine Änderung des pH-Werts des Laufmittels erreichen. Hierdurch wird letztendlich die Anzahl der Ladungen auf dem Träger und auf den zu trennenden Polypeptiden bestimmt. Dieses Prinzip wird auch in der Elektrophorese angewendet. Hierbei mißt man die Beweglichkeit eines Polypeptids im elektrischen Feld. Ein Fleck des zu trennenden Gemisches wird auf ein Stück Filterpapier aufgetragen, das mit einer gepufferten wäßrigen Lösung befeuchtet ist und an dem zwei Elektroden angebracht sind. Legt man Spannung an, bewegen sich positiv geladene Teilchen zur Kathode, negativ geladene zur Anode. Die Geschwindigkeit v jedes wandernden Teilchens ist proportional zur Feldstärke E und der Ladung z des Moleküls (diese hängt wiederum vom pH ab) und umgekehrt proportional einer Konstante f, die von der äußeren Gestalt des Teilchens abhängt, dem sogenannten Reibungswiderstand. vv =

Ez

—

f

Die Trennwirkung dieser Methode ist außerordentlich. Mehr als tausend verschiedene Proteine einer Bakterienspezies sind so in einem einzigen Experiment getrennt worden. Die Affinitätschromatographie benutzt schließlich die Tendenz von Polypeptiden, sich über Wasserstoffbrücken und andere Anziehungskräfte schwach an bestimmte Träger zu binden. Peptide unterschiedlicher Größe

und Gestalt haben auf einer Säule, in der sich ein solcher

Träger befindet, verschiedene Retentionszeiten. Nachdem man die einzelnen Polypeptidstränge, die beim Aufbrechen der Disulfidbrücken entstanden sind, gereinigt hat, erfolgt im nächsten Schritt der Strukturanalyse die qualitative und quantitative Bestimmung der enthaltenen Aminosäuren.

Im zweiten Schritt bestimmt man, welche Aminosäuren

vorliegen Um zu bestimmen, welche Aminosäuren und wieviel von jeder im Polypeptid vorhanden sind, wird die gesamte Kette durch Hydrolyse der Amidbindungen (HCl, 6 mol/L, 110°C, 24h) zum Gemisch der freien Aminosäuren abgebaut. Das Gemisch wird dann in einem automatischen Aminosäure-Analysator getrennt. Dieses Gerät besteht aus einer Ionenaustauschersäule, die mit einem negativ geladenen Träger, der gewöhnlich Carboxylat- oder Sulfonat-Ionen enthält, gepackt ist. Als Laufmittel verwendet man eine leicht saure Lösung. Je nach ihrer Konstitution werden die Aminosäuren zu größerem oder geringerem Teil protoniert und daher mehr oder weniger stark vom Träger festgehalten, sie werden also getrennt. Eine noch bessere Auftrennung erreicht man,

1306

Threonin

Methionin Histidin

Asparaginsäure

=

Isoleucin

Valin

Sen Glutaminä SaULs

3 E

Glyein

Alanin

Phenylalanin

Lysin NH3

Leucin

|

a

Arginin

Tyrosin

an

B=)


COO” +

Alan

o | CH,0CCI

ne Glyein

o | \ -CH-OCNHCH>COOH

| Non, — NaCl - HOH

80%

Phenylmethylchlormethanoat (Chlorameisensäurebenzylester)

Phenylmethoxycarbonylglyein (Carbobenzoxyelycin, Cbz-Gly)

Die Schutzgruppe wird durch Hydrogenolyse abgespalten (s. Abschn. 22.2), wobei zunächst die Carbamidsäure als reaktive Zwischenstufe (s. Abschn. 20.7) entsteht. Diese decarboxyliert sofort unter Freisetzung der Aminfunktion.

Abspaltung der Amino-Schutzgruppe in Glycin

CHZH N

IN

|

|

CH>OCNHCH,COOH P4C, u |

|

+

+ HOCNHCH,COOH Carbamidsäurefunktion

>

—> CO; +H3 NCH,COO 95%

Eine weitere Schutzgruppe für die Aminfunktion ist die 1,1-Dimethylethoxycarbonyl- (tert-Butoxycarbonyl-, Boc-)Gruppe, die durch Reaktion mit Bis(1,1-dimethylethyl)dicarbonat (Di-tert-Butyldicarbonat) eingeführt wird. Schutz der Aminogruppe in Aminosäuren als Boc-Derivat R

|

I I

RE

H;NCHCOO” + (CH3),COCOCOCICH3),; 23T — (CH3CH2)3N __, (CH,);COCNHCHCOOH = C03,7 (CH3)5COH Bis(1,1-dimethylethyl)j dicarbonat

(Di-tert-butyldicarbonat)

70-100%

1,1-Dimethylethoxycarbonylaminosäure

(tert-Butoxycarbonylaminosäure, Boc-Aminosäure)

1311

26 Aminosäuren, Peptide und Proteine

Eine Deblockierung erreicht man in diesem Falle durch Behandeln mit Säure unter so milden Bedingungen, daß die anderen Peptidbindungen nicht angegriffen werden. Abspaltung der Boc-Gruppe

(CH3)3 COCNHCHCOOH

ee Cl

oder CF,COOH,

25°C

R H,NCHCOO & |

®

+ CO, + CH

CE

U Übung 26-11 Der Mechanismus der Abspaltung der Boc-Gruppe verläuft anders als der normaler ‚ Esterhydrolysen (s. Abschn. 20.5); in diesem Falle entsteht intermediär das 1,1-Dimethylethyl- (tert-Butyl-) Kation. Formulieren Sie diesen Mechanismus.

Die endständige Carboxygruppe einer Aminosäure wird durch Bildung eines einfachen Esters, wie eines Methyl- oder Eithylesters, geschützt. Die Deblockierung erreicht man durch Behandeln mit Base; diese Reaktion verläuft selektiv, weil Ester gegenüber Nucleophilen reaktiver als Amide sind. Phenylmethylalkanoate lassen sich durch Hydrogenolyse unter neutralen Bedingungen spalten. Nachdem

wir nun gesehen haben, wie sich beide Enden einer Amino-

säure schützen lassen, ist es auch klar, wie man eine selektive Peptidsynthese durchführen kann: Man kuppelt eine an der Aminogruppe geschützte mit einer an der Carboxygruppe geschützten Einheit.

Zur Ausbildung einer Peptidbindung muß die Carboxygruppe aktiviert werden Da die Schutzgruppen säuren- und basenlabil sind, muß die Peptidbindung unter den mildesten Bedingungen, die möglich sind, geknüpft werden. Zur Aktivierung der Carboxygruppe benutzt man spezielle Reagenzien. Das Reagenz mit dem größten Anwendungsbereich ist wohl Dicyclohexylcarbodiimid (DCC). Die elektrophile Reaktivität dieses Reagenzes entspricht etwa der von Keten (s. Abschn. 20.3) oder eines Isocyanats, es wird im Endeffekt zu N,N’-Dicyclohexylharnstoff hydratisiert. Knüpfung von Peptidbindungen mit Hilfe von Dicyclohexylcarbodiimid (DCC)

RCOOH

+ R'N

Pa

——

ae

Vi

RCNHR'

+ O=C

N

Er,

= Dieyclohexylcarbodiimid (DCC)

I San, ER RC EL N H

Ein O-Acylisoharnstoff 1312

N,N’-Dieyclohexylharnstoff

DCC hat die Aufgabe, die Carbonylgruppe der Säure gegenüber einem nucleophilen Angriff des Amins zu aktivieren. Die Aktivierung beruht auf der Bildung eines O-Acylisoharnstoffs, in dem die Carbonylgruppe eine ähnliche Reaktivität wie in einem Anhydrid besitzt (vgl. Abschn. 20.3). Mit diesem Wissen kehren wir nun wieder zum Problem der Synthese von Glycylalanin zurück. Dieses Problem lösen wir, indem wir aminoge-

schütztes Glycin an einen Alanylester in Gegenwart von DCC addieren. Vom erhaltenen Produkt spalten wir die Schutzgruppen ab und erhalten das gewünschte Dipeptid.

26.7 Die MerrifieldFestphasen-Peptidsynthese

Darstellung von Gly-Ala ?

H;C

(CH3)3, COCNHCH>COOH

O DOC

—>

+ H3NCHCOCH>CEHs

Boc-Gly

Ala-OCH3C;Hs

OHsC

j

1,0

1.H%,

O

2. H,, Pd/C

ee

(CH3)3, COCNHCH>CNHCHCOCH3>CEHs

KenDe

Boc-Gly-Ala-OCH;CsHs

O0.

SCHa3

HANCH>CNHCHCOO” + C6HsCH3 + CO2 + CHa

=C(CH3),

Gly-Ala

Will

man

ein

höheres

Peptid

darstellen,

muß

nur

das

eine

Ende

deblockiert werden. Danach erfolgt eine zweite Kupplung, usw. Übung 26-12 | Wie würden Sie Leu-Ala-Val aus seinen Aminosäurebestandteilen synthetisieren ?

Fassen wir zusammen: lung

einer

Aminosäure

Polypeptide werden mit

einer

weiteren

durch mehrfache Aminosäure,

Kupp-

deren

Car-

boxyende geschützt ist, dargestellt. Typische Schutzgruppen sind leicht spaltbare Ester- und ähnliche Funktionen. Die Kupplung erfolgt unter milden Bedingungen mit Dicyclohexylcarbodiimid als wasserentziehendem Mittel.

26.7 Die MerrifieldFestphasen-Peptidsynthese Ein genialer Syntheseweg für Polypeptide ist von Merrifield® entwickelt worden. Dabei erfolgt die Verknüpfung der Aminosäuren an Polystyrol als festem Träger. Dieses Verfahren bezeichnet man als FestphasenSynthese. Polystyrol-Kügelchen quellen, obwohl sie unlöslich sind, in bestimmten organischen Lösungsmitteln wie Dichlormethan beträchtlich auf. Durch dieses Aufquellen wird es Reagenzien erleichtert, sich in die Polymermätrix hinein- und aus ihr hinauszubewegen. So lassen sich ihre Phenylringe durch elektrophile aromatische Substitution funktionalisieren. Elektrophile Chlormethylierung von Polystyrol

}-CH,—CH—CH>—CH—

$-CH;—CH—CH3—CH—L „EICHZOCHSCH;, CICH3OCH>CH3, SnCla _

ENT =

nn

CH;Cl Polystyrol

*

Robert

B. Merrifield,

Polystyrol mit eingeführten funktionellen Gruppen

geb.

1921, Professor

an der Rockefeller

University,

New

York,

Nobelpreis für Chemie 1984.

1313

26 Aminosäuren, Peptide und Proteine

Bei Festphasen-Polypeptidsynthesen wird Polystrol zu 1-10% chlormethyliert. Durch diesen geringen Substitutionsgrad wird sichergestellt, daß die Reaktionszentren auf der Oberfläche der Kügelchen nicht untereinander reagieren. U

Übung 26-13 Formulieren Sie einen plausiblen Mechanismus ringe in Polystyrol.

Eine Dipeptidsynthese dermaßen ab:

für die Chlormethylierung der Penzel

an chlormethyliertem Polystyrol läuft folgen-

Festphasen-Synthese eines Dipeptids

Be (CH3),COCNHCHCOO” + CICH3 1. Anknüpfung der geschützten Aminosäure

FON. Polystyrolkette

ci” >

1

(CH3)3;COCN IR

H>

Polystyrolkette

2. Deblockierung des Amino-Endes

ei CH;Ch

an

Polystyrolkette

3. Kupplung an geschützte

zweite Aminosäure

(CH „,co0 NHC HCOOH, DCC

ll

nn

ER (CH3)3 COCNHCHC ae 4. Deblockierung des Amino-Endes

ER

Ara

H>NCHCN ie 5. Abspaltung des Dipeptids vom Polymer

RO

a

SSR

NE

H;NCHCNHCHCOO” Dipeptid

Polystyrolkette

CH,Ch

Polystyrolkette

H> t je

E

+ FCH3

FIN

Polystyrolkette

=

Zunächst wird eine an der Aminogruppe geschützte Aminosäure an der Polystyrol-Matrix durch nucleophile Substitution des Chlorids der Benzylgruppe durch die Carboxylatgruppe verankert. Nach der Deblokkierung erfolgt dann die Kupplung mit einer zweiten an der Aminogruppe geschützten Aminosäure. Durch erneute Deblockierung und darauffolgende Abspaltung des Dipeptids von der Matrix durch Behandeln mit Fluorwasserstoff wird dann die Sequenz vervollständigt. Der große Vorteil der Festphasen-Methode liegt darin, daß sich die Produkte sehr einfach isolieren lassen. Da alle Zwischenstufen fest an das Polymer gebunden sind, kann man sie durch einfaches Filtrieren und Waschen reinigen. Natürlich braucht man auch nicht auf der Stufe

1314

des Dipeptids aufzuhören. Durch Wiederholung der Deblockierungsund Kupplungsschritte erhält man immer länger werdende Peptide. Merrifield hat eine Maschine entwickelt, die die einzelnen Reaktionsschritte automatisch durchführt, jeder Cyclus nimmt nur einige Stunden in Anspruch. Auf diese Weise wurde die erste Totalsynthese des Proteins Insulin erreicht. Zur Verknüpfung der einundfünfzig Aminosäuren beider Ketten waren mehr als 5000 verschiedene Arbeitsgänge erforderlich, aber dank des automatisierten Verfahrens dauerte dies nur einige Tage. Die automatisierte Proteinsynthese eröffnet aufregende Möglichkeiten. Einmal läßt sie sich dazu verwenden, die Struktur von Polypeptiden, die durch Kettenabbau und Sequenzbestimmung analysiert wurden, abzusichern. Zweitens kann man mit ihrer Hilfe auch nicht natürlich vorkommende Proteine darstellen, die möglicherweise aktiver und spezifischer als die natürlichen sind. Diese Proteine Könnten sich vielleicht als außerordentlich wertvoll bei der Behandlung bestimmter Krankheiten oder zur Aufklärung des Zusammenhangs zwischen chemischer Struktur und biologischer Wirkung erweisen. Zusammengefaßt gilt, daß die Festphasen-Synthese ein automatisiertes Verfahren ist, in dem eine an der Carboxygruppe verankerte Peptidkette aus an der Aminogruppe geschützten Monomeren über Kupplungs-Deblockierungs-Cyclen aufgebaut wird.

26.8 Polypeptide in der Natur: Sauerstofftransport durch die Proteine Myoglobin und Hämoglobin

26.8 Polypeptide in der Natur: Sauerstofftransport durch die Proteine Myoglobin und Hämoglobin In diesem Abschnitt befassen wir uns mit zwei natürlichen Polypeptiden, die bei den Wirbeltieren als Sauerstoffträger wirken: den Proteinen Myoglobin und Hämoglobin. Myoglobin findet sich in den Muskeln, wo es Sauerstoff speichert und bei Bedarf freisetzt. Hämoglobin ist in den roten Blutzellen enthalten und für den Sauerstofftransport verantwortlich. Ohne Hämoglobin könnte das Blut nur einen Bruchteil (etwa 2%) des vom Körper benötigten Sauerstoffs absorbieren. Wie ist Sauerstoff an diese Proteine gebunden? Das Geheimnis für die Fähigkeit von Myoglobin und Hämoglobin, als Sauerstoffträger fungieren zu können, liegt darin, daß in beiden Molekülen eine bestimmte Einheit, eine sogenannte Häm-Gruppe, enthalten ist. Die Häm-Gruppe ist kein Polypeptid, sondern ein cyclischer organischer Ligand (ein Porphyrin), der aus vier miteinander verbundenen, substituierten PyrrolEinheiten

aufgebaut ist, in deren Zentrum

(s. Abb. 26-7). Dieser Komplex Farbe des Blutes verantwortlich.

befindet

a:

coO

ist rot und für die charakteristische

sich ein Eisenatom

CH | 2

CH

ee

Abb. « 26-7 istdas einfach 26-7 Porphin Porphin ıst das einfachste

As

H,C=

aromatischen Ring mit 18 delokalisierten n-Elektronen. Die Häm-

Gruppe bindet den Sauerstoff. Die als Pfeile gezeichneten Bindungen zum Eisen sind dative Bindungen.

Porphin

N H

CH»

Fi

SEN u eh

te

Di

SETS

Er BR C=N NE

\ we

H

a

HC

Porphyrin. Das System bildet einen

e

Br! CH>

|

C

BEN

/ CH3

|

eH

I: CH Th

ale.

C

z

HC=CH;>

Häm

1315

N —=

x

c — ig

2

x

/}

CHCH —

f

Yı a

C H

N

CH> Häm

Häm-Ebene Be

A

Abb. 26-8 A. Schematische Darstellung des aktiven Zentrums im Myoglobin. B. Schematische Darstellung der Tertiärstruktur von Myoglobin und seinem Häm. C. Sekundär- und Tertiärstruktur von Myoglobin. (Nach „The Hemoglobin Molecule“ von M.F. Perutz, Scientific American, November 1964, Copyright © 1964, Scientific American, 'Inc.)

Das Eisenatom im Häm ist an vier Stickstoffatome gebunden, kann aber noch zwei Liganden ober- und unterhalb der Ebene des Porphyrinrings anlagern. Im Myoglobin ist eine dieser Gruppen der Imidazolring einer Histidin-Einheit,

die an eines der a-Helix-Segmente

des Proteins

gebunden ist (s. Abb. 26-8A). Der andere Ligand bestimmt die Funktion des Proteins, es ist der Sauerstoff. Dicht bei dem sauerstoffbindenden Zentrum befindet sich ein Imidazolring einer zweiten Histidin-Einheit, der offensichtlich diese Stelle am Häm durch sterische Hinderung schützt. So wird z.B. Kohlenmonoxid, das sich ebenfalls an das Eisenatom der Häm-Gruppe binden und so den Sauerstofftransport blockieren kann, durch diese zweite Imidazolgruppe daran gehindert, sich so fest, wie es normalerweise der Fall wäre, an die Häm-Einheit zu binden.

Bei einer einen

(noch nicht tödlichen)

Patienten

also reinen

Kohlenmonoxidvergiftung

Sauerstoff

einatmen

lassen,

muß

der dann

man das

Kohlenmonoxid wieder aus den Bindungen im Myoglobin verdrängt. Die beiden Imidazolsubstituenten in Nachbarschaft des Eisenatoms der Häm-Gruppe liegen aufgrund des einzigartigen Faltungsmusters des Proteins eng beieinander. Der Rest der Polypeptidkette dient als Hülle, die das aktive Zentrum vor unerwünschten Eindringlingen abschirmt und die Kinetik seiner Wirkung kontrolliert (s. Abb. 26-8B u. C). Myoglobin und Hämoglobin sind exzellente Beispiele für die vier verschiedenen Strukturstufen von Proteinen. Die Primärstruktur des Myoglobins besteht aus 153 Aminosäureresten mit bekannter Sequenz. Myoglobin ist in acht Segmente mit o-Helixstruktur unterteilt, die seine Sekundärstruktur bestimmen. Das längste dieser Segmente besteht aus 23 Resten.

Die

Tertiärstruktur

hat

die Ecken

und

Knicke,

die Myo-

globin seine charakteristische Gestalt geben. Hämosglobin enthält vier Proteinketten: zwei a-Ketten mit jeweils 141 Resten und zwei ß-Ketten mit jeweils 146 Resten. Jede Kette hat ihre eigene Häm-Gruppe und eine dem Myoglobin ähnliche Tertiärstruktur. Obwohl die Wechselwirkungen zwischen beiden a-Ketten bzw. beiden ß-Ketten gering sind, bestehen doch viele Kontaktstellen zwischen ihnen. Außerdem ist a, dicht an ß, angelagert, dasselbe gilt auch für & und ß,. Durch diese Wechselwirkungen kommt die Quartärstruktur des Hämoglobins zustande (s. Abb. 26-9). Die Faltung des Hämoglobin- und Myoglobinmoleküls ist bei den verschiedenen

lebenden

Organismen

sehr ähnlich,

auch

wenn

sie sich in

ihrer Aminosäuresequenz unterscheiden. Hieraus kann man schließen, daß in dieser bestimmten Tertiärstruktur eine optimale Anordnung um die Häm-Gruppe erreicht wird. Hierdurch wird es dem Häm ermöglicht, Sauerstoff in der Lunge aufzunehmen, ihn während des Transports sicher zu binden und dann am Ort, an dem er gebraucht wird, freizusetzen.

1316

26.9

Die Biosynthese der

Proteine: Nucleinsäuren

Abb. 26-9 Die Quartärstruktur des Hämoglobins. Jede a- und ß-Kette hat ihre eigene Häm- Gruppe. (Nach R.E. Dickerson und Gruppe

I. Geis, 1969, The Structure and Action of Proteins, BenjaminCummings, S. 56, Copyright © 1969, Irving Geis.)

26.9 Die Biosynthese der Proteine: Nucleinsäuren Wie baut die Natur Aminosäuren zu Proteinen zusammen? Die Antwort auf diese Frage ergibt sich aus einer der aufregendsten Entdeckungen der Naturwissenschaften,

der Natur und Wirkungsweise

des genetischen

Codes. Die gesamte Erbinformation ist in den Desoxyribonucleinsäuren (DNA) enthalten. Die Übersetzung dieser Information in die Synthese der vielen Enzyme, die für die Zellfunktionen erforderlich sind, wird von den Ribonucleinsäuren (RNA) durchgeführt. Neben den Kohlen-

hydraten und Polypeptiden sind die Nucleinsäuren der dritte Haupttyp von biologischen Polymeren. Ihre Monomereinheiten bezeichnet man als Nucleotide. Genau wie die Aminosäuren in einer Polypeptidkette haben auch die Nucleotide charakteristische Struktureigenschaften. Sie enthalten anstelle der Amino- und der Carboxygruppe, die über einen unterschiedlich substituierten Kohlenstoff miteinander verbunden sind, eine Phosphatgruppe, die über eine Zucker-Einheit N-glycosidisch mit einem Stickstoff-Heterocyclus, der DNA- oder RNA-Base, verknüpft ist. Im letzten Abschnitt dieses Buches wollen wir einen Eindruck von der Struktur und Wirkung dieser biologischen Polymere gewinnen.

Vier Heterocyclen definieren die Konstitution der Nucleinsäuren Im Vergleich zu der strukturellen Vielfalt anderer Naturstoffe sind DNA und RNA einfach aufgebaut. Alle Bausteine der Nucleinsäuren haben mehrere funktionelle Gruppen, und es ist eines der Wunder der Natur, daß die Evolution einige wenige spezifische Strukturkombinationen selektiert hat. Nucleinsäuren sind Polymere, in denen Zucker-Einheiten,

an die noch verschiedene Basen gebunden sind, über Phosphat-Einheiten miteinander verknüpft sind (s. Abb. 26-10).

Abb. 26-10 Ausschnitt

aus einer

DNA-Kette.

1317

26 Aminosäuren, Peptide und Proteine

In der DNA besteht der Zuckeranteil aus 2-Desoxyribose, und man findet nur vier verschiedene Basen: Cytosin (C), Thymin (T), Adenin (A) und Guanin (G). Der für die RNA charakteristische Zucker ist die Ribose, und auch in der RNA sind vier Basen enthalten, Thymin ist aber durch Uraeil (U) ersetzt.

Formal läßt sich das Nucleotid zusammenbauen, indem zunächst die Hydroxygruppe an Cl des Zuckers durch eine der Stickstoffbasen ersetzt wird. Die entstandene Moleküleinheit ist ein Nucleosid. Als zweites wird dann ein Phosphatrest an C5 des Zuckers eingeführt. Da in der DNA und der RNA jeweils vier verschiedene Basen enthalten sind, gibt es auch jeweils vier Nucleotide.

Zucker und Basen der Nucleinsäuren

HOCH,

_O

H HO

H

OH

2-Desoxyribose

6)

NH; "SN

ho CUytosin (C)

H;C

’

|

OH

Ribose

NH,

NH

a

Sale

6;

/

aa

Thymin (T)

o

Ü |

NH

|

ai

NT

Adenin (A)

o

IN” INHR

NH

A

NEO

Guanin (G)

Uracil (U)

Die vier Nucleotide der DNA

(6) 68

oO

HoroCH, ON

nn

OH OH 2-Desoxyadenylsäure

2-Desoxyguanidylsäure

BAT NH>

16]

H;C

H,O3POCH,

_O

ee

H 2-Desoxycytidylsäure

1318

H>z03POCH;

_O

H

N”

OH 2-Desoxythymidylsäure

Oo

26.9

Die vier Nucleotide der RNA

Die Biosynthese der

Proteine: Nucleinsäuren

NH,

OÖ

H>O3POCH>

OH

Ga

e

N

O

N

OH

OH

Adenylsäure

2

N

10)

H>03POCH37

10)

OH

n?

NH>

OH

Guanidylsäure

OÖ

=

er

NH>

H>O3POCH>

JH

uk

OH

OH

Cytidylsäure

N

10)

H>03POCH3;

H

OÖ

OH

Uridylsäure

Die in Abb. 26-10 gezeigte Polymerkette läßt sich dann leicht durch wiederholtes Knüpfen von Phosphatester-Brücken von C5’ (das 5’-Ende genannt) der Zucker-Einheit des einen Nucleotids zu C3’ (dem 3’Ende) des Zuckers eines anderen aufbauen. In diesem Polymer spielen die Basen dieselbe Rolle wie der 2-Substituent in den Aminosäuren der Polypeptide: ihre Sequenz kann von einer Nucleinsäure zur anderen unterschiedlich sein. Diese Basensequenz hat eine fundamentale biologische Bedeutung.

Kasten 26-4

Synthetische Nucleinbasen und Nucleoside in der Medizin

Die

zentrale

Ö

HO__—o

5-Fluoruracil (Fluracil)

9-[(2-Hydroxyethoxy)methyliguanosin (Aciclovir)

Rolle,

die

der

Nucleinsäuren-Re-

plikation in der Biologie zukommt, wird in der Medizin ausgenutzt. Viele hundert synthetisch modifizierte Nucleinbasen und Nucleoside sind dargestellt und ihre Wirkung auf die Nucleinsäuresynthese untersucht worden.

Zu denen, die kli-

nisch angewendet werden, gehören 5-Fluoruracil (Fluracil), ein Krebstherapeutikum, 9-[(2-Hydroxyethoxy)methyljguanosin (Aciclovir), das gegen zwei Stämme des Herpes simplex-Virus wirkt,

Nz‘ 3’-Azido-3'-desoxythymidin (Zidovudin oder AZT)

und 3’-Azido-3’-desoxythymidin (Zidovudin oder AZT), das gegen das AIDS-Virus eingesetzt wird. Substanzen wie diese stören möglicherweise die Nucleinsäure-Replikation, weil sie starke Ähnlichkeit mit den richtigen Bausteinen der Nucleinsäuren aufweisen. Die Enzyme, die an der Replikation beteiligt sind, bauen fälschlicherweise das Arzneimolekül

in die Nucleinsäure

ein, was

zum

Abbruch der Synthese des biologischen Polymers führt.

1319

Nucleinsäuren liegen als Doppelhelix vor

26 Aminosäuren, Peptide und Proteine

Nucleinsäuren können außerordentlich lange Ketten bilden, deren molare Massen in den Milliarden liegen. Wie die Proteine können sie Sekundär- und Tertiärstrukturen einnehmen. Im Jahre 1953 stellten Watson und Crick* ihre berühmte Hypothese auf, daß DNA eine Doppelhelix-Struktur, die aus zwei Strängen mit komplementärer Basensequenz besteht, einnimmt. Die entscheidende Information, aufgrund derer diese Hypothese entwickelt wurde, war die, daß in der DNA der verschiedensten Organismen das Verhältnis Adenin zu Thymin sowie Guanin zu Cytosin stets eins zu eins war. Dies führte zu der Annahme, daß zwei DNA-Ketten durch Wasserstoffbrücken so zusammengehalten werden, daß Adenin und Guanin in der einen Kette immer Thymin und Cytosin in der anderen gegenüberstehen (s. Abb. 26-11). Wenn ein Ausschnitt aus dem einen DNA-Strang die Sequenz A—-G-C-T-A-C-G-A-T-Chat, ist dieses Segment über Wasserstoffbrücken an einen Strang mit der komplementären Sequenz — T-C-G-A-T-G-C-T-A-G-— gebunden. rer EUREN

Io

a

N

en Et

NE,

S,

N Hr

e:

CH3

ih

H O-- H—N

ei N

A

S EN

2

Sal.

Adenin-Thymin

R

N—H-

N

A

\ 2

N—H- --O H

&

Zucker

Guanin-Cytosin

Abb. 26-11 Wasserstoffbrücken zwischen den komplementären Basenpaaren Adenin-Thymin und Guanin-Cytosin. Die beiden Komponenten jedes Paars liegen immer in gleichen Mengen vor.

Aufgrund anderer struktureller Gegebenheiten ist die Anordnung, in der die Wasserstoffbrücken maximal ausgebildet sind und die sterische Abstoßung minimiert ist, die Doppelhelix (s. Abb. 26-12).

Die DNA repliziert sich durch Aufwinden der Doppelhelix und Zusammenbau neuer komplementärer Stränge Die Basensequenz in den Nucleinsäuren kann unbegrenzt variieren. Watson und Crick postulierten, daß die spezifische Basensequenz einer bestimmten

DNA

alle Informationen,

die für die Teilung

einer

Zelle

sowie für das Wachstum und die Entwicklung des gesamten Organismus erforderlich sind, enthält. Außerdem entwickelten sie aufgrund der exakten Komplementarität der Doppelhelix-Struktur ein Modell, wie sich die DNA repliziert (verdoppelt) und den genetischen Code weitergibt. In diesem Mechanismus wirkt jeder der beiden DNA-Stränge als Matrix. Die Doppelhelix windet sich von einem Ende her teilweise auf, und Enzyme beginnen daraufhin, den neuen DNA-Strang durch Kopplung von Nucleotiden aufzubauen. Der neue Strang erhält dann eine Sequenz, die komplementär zu der in der Matrix ist, so daß sich wie-

* James D. Watson, geb. 1928, Professor an der Harvard University, Nobelpreis 1962 (Medizin); Francis H.F.C. Crick, geb. 1916, Professor an der Universität Cambridge, Nobelpreis 1962 (Medizin).

1320

Zucker

atom

„e

B

A

Phosphor-

Abb. 26-12 A. Die beiden Nucleinsäurestränge einer DNA-Doppelhelix werden durch Wasserstoffbrücken zwischen den zueinander komplementären Basen zusammengehalten. Beide Ketten laufen in entgegengesetzter Richtung und alle Basen befinden sich im Inneren der Doppelhelix. Der Durchmesser der Helix beträgt 2000 pm, die Basen auf den komplementären Strängen sind 340 pm voneinander entfernt, die Windungen wiederholen sich nach etwa 10 Basenpaaren oder 3400 pm entlang der Achse. B. Kalottenmodell der DNA-Doppelhelix (grüne und rote Stränge) C. Einer der Stränge einer DNA-Doppelhelix, in Richtung der Molekülachse. Die Farben in A und B entsprechen denen in Abb. 26.10. (Nach Biochemistry, 4d ed. von Lubert Stryer. W.H. Freeman and Company, Copyright © 1975, 1981, 1988, 1995.)

derum jeweils C und G und A und T gegenüberstehen (s. Abb. 26-13). So entstehen schließlich aus dem Original zwei vollständige, neue Doppelhelices. Diese Replikation umfaßt das gesamte genetische Material eines Menschen, das Genom - etwa drei Milliarden Basenpaare! Zusammengefaßt stellen wir fest, daß die Nucleinsäuren DNA und RNA Polymere sind. Die zugrundeliegenden Monomereinheiten bezeichnet man als Nucleotide. Jedes der beiden Polymere ist aus vier verschiedenen

Nucleotiden

aufgebaut,

die sich nur in der Struktur

der

Base unterscheiden: Cytosin (C), Thymin (T), Adenin (A) und Guanin (G) sind in der DNA

enthalten; RNA

enthält die Basen Cytosin, Uracil

(U), Adenin und Guanin. Die beiden Nucleinsäuren unterscheiden sich auch in ihrer Zucker-Einheit: Desoxyribose ist der Zuckerbaustein der DNA, während RNA Ribose enthält. Die DNA-Replikation und die RNA-Synthese an der DNA wird durch den komplementären Charakter der Basenpaare A-T, G-C und A-U erleichtert. Die Doppelhelix windet sich teilweise auf und wirkt als Matrix für die Replikation. neuer

Nucleinsäurestrang

aufgerundene Doppelhelix rn

alte DNA

Abb. 26-13 Modell der DNA-Replikation. Die Doppelhelix windet sich zuerst zu zwei Einzelsträngen auf, von denen jeder als Matrix zum Aufbau der komplementären Nucleinsäuresequenz dient.

neuer Nucleinsäurestrang

1321

26 Aminosäuren, Peptide und Proteine

26.10 Proteinsynthese über die RNA Der Mechanismus der vollständigen DNA-Replikation wird von der Natur und von Chemikern genutzt, um für unterschiedliche Zwecke Kopien des gentischen Codes oder Teile davon zu erzeugen. In der Natur ist der Aufbau der RNA der wichtigste Prozeß dieser Art, der als Transskription bezeichnet wird. Durch ihn werden Teile der DNA transskribiert, die für die Proteinsynthese in den Zellen wichtigen Informationen enthalten (Gene). Der Prozeß, durch den die transskribierte Information entschlüsselt wird und nach dem die Proteine synthetisiert werden, heißt Translation. Die drei wichtigsten Faktoren in der Proteinssynthese sind die Messenger-RNA (mRNA, sorgt für die DNATransskription), die Transfer-RNA (tRNA, „Versorgungseinheit“ zur Beschaffung der benötigten Aminosäuren) und der Katalysator, der die Bildung der Amidbindung ermöglicht, das Ribosom. Die Proteinsynthese beginnt mit der mRNA, einer Transskription eines Teils der einsträngigen, aufgewundenen DNA (Abb. 26-14). Ihre Kette ıst viel klürzer als die der DNA, und sie bleibt nicht an die DNA gebunden, sondern wird nach erfolgter Synthese abgespalten.

DNA

Ä

EE

Te

U—l—6—AUÜ-6 —

71-6

mRNA

Abb. 26-14 Vereinfachtes

Bild der Synthese

der Messenger-RNA

(unten)

an der DNA-

Matrix (oben).

Die mRNA ist die Matrix, die für die richtige Aminosäurensequenz in den Proteinen verantwortlich ist. Jede Sequenz von drei Basen steht als Code für eine bestimmte Aminosäure (s. Tab. 26-3) und wird daher Codon genannt. Durch einfache Permutation dieser Drei-Basen-Codes mit insgesamt vier Basen ergibt 4° = 64 mögliche unterschiedliche Sequenzen. Dies ist mehr als genug, da für die Proteinsynthese nur zwanzig verschiedene Aminosäuren gebraucht werden. Das mag nach Verschwendung aussehen, man muß aber berücksichtigen, daß die nächstniedrige Alternative, ein Zwei-Basen-Code, nur 4° = 16 Kombinationen ergäbe, und das wäre wiederum zu wenig. Die Codons überlappen nicht, anders gesagt, die drei Basen, die eine Aminosäure spezifizieren, sind nicht Teil eines anderen vorausgehenden oder folgenden Codons. Außerdem wird die Basensequenz „in einem weg“ gelesen, ein Codon folgt sofort auf das nächste, ohne daß sie durch genetische „Kommas“ oder „Trennstriche“ getrennt sind. Die Natur benutzt auch tatsächlich alle 64 Codons, von denen allerdings einige dieselbe Aminosäure spezifizieren (s. Tab. 26-3). Nur Tryptophan und Methionin werden durch einen einzigen Drei-Basen-Code charakterisiert. Einige Codons wirken als Signale zum Start oder zur Beendigung der Synthese einer Polypeptidkette. Wie Sie sehen, ist das. InitiatorCodon (AUG) auch das Codon für Methionin. Erscheint dieses Codon, nachdem eine Kette initiiert wurde, beginnt die Produktion von Methionin. Die vollständige Basensequenz der DNA einer Zelle definiert ihren genetischen Code. Mutationen in der Basensequenz der DNA können durch physikalische (Strahlung) oder chemische (Carcinogene: s. z.B. Abschn. 16.8) Einflüsse ausgelöst werden. Bei Mutationen kann entweder eine Base durch eine andere ersetzt oder eine oder mehrere Basen angefügt bzw. zerstört werden. Hierin liegt der potentielle Wert von mehreren Codons für dieselbe Aminosäure. Würde z.B. die Sequenz CCG (Prolin) in die Sequenz CCC mutiert, würde Prolin trotzdem normal synthetisiert.

1322

Tabelle 26-3 Drei-Basen-Codes der häufigsten Aminosäuren in der Proteinsynthese

26.10

Amino-

Basen-

| Amino-

Basen-

Amino-

Basen-

säure

sequenz

säure

sequenz

säure

sequenz

Ala (A)

GCA GES GCG GCU

His (H)

CAC CAU

Ser (S)

Ile (I)

AUA AUC AUU

AGC AGU UCA UCG UCC

Arg (R)

AGA AGG

CGA

en)

UCU

un

Thr (T)

ACA

CGC CGG CGU

CUG CUU UUA

Asn (N)

AAC

UUG

Trp (W)

UGG

on GAC

Lys (K)

AAA AAG

Tyr (Y)

Asp (D)

UAC UAU

—

Met (M)

AUG

Val (V)

GUA

Phe (F)

UUU

GUC

UUC

GUU

Cys (C)

UGC

UGU

ACC ACG ACU

GUG

a

re

ua CCC

Ketteninitiati etteninitiation

Glu (E)

GAA

CCG

Kettenbeendigung

GAG

Ee

Gly(G)

BD)

Proteinsynthese über die RNA

AUG UGA UAA

'GGA

UNS

GGC GGG GGU

Übung 26-14 Es ist die folgende produziert?

Denken

RNA-Sequenz Sie daran,

gegeben.

daß

die

Welche

Kette

ein

Aminosäuresequenz initiierendes

und

wird daraus

ein beendendes

Codon haben muß. Was würde passieren, wenn das erste U der Kette durch Strahlung zerstört würde?

G-6-A=-U-G6-A=-A-6G6-U-A-U-G6-C-A-U-C-A U-6-C-U-U-A-A-G-C-U-A-G-C-A-A-—U

Mit der Kopie des erforderlichen Codons werden die Proteine entlang dem mRNA-Templat mit Unterstützung durch einen Satz anderer wichtiger Nucleinsäuren, den tRNAs, aufgebaut. Diese Moleküle sind vergleichsweise klein und enthalten zwischen 70 und 90 Nucleotide. Jede tRNA ist spezifisch so aufgebaut, daß sie eine bestimmte der 20 Aminosäuren zum Aufbau des Proteins zur mRNA transportieren kann. Die in der mRNA codierte Aminosäuresequenz wird Codon für Codon anhand der komplementären Basensequenz aus drei Basen auf der tRNA abgelesen und wird als Anticodon bezeichnet. Mit anderen Worten werden die tRNAs, die jede ihre spezifische Aminosäure

tragen,

in der richtigen Reihenfolge entlang des mRNA-Stranges aufgereiht. An ‚diesem Punkt bewirken katalytische Ribosomen (sehr große Enzyme), die ihre eigene RNA enthalten, die Bildung der Peptidbindung (Abb. 26-15). Beim Längerwerden beginnt die Proteinkette ihre charakteristische Sekundär-

und Tertiärstruktur zu entwickeln

(a-Helix, Faltblatt,

usw.). Dies wird von Enzymen unterstützt, die die nötigen Disulfidbrükken ausbilden. All das geschieht mit bemerkenswerter Geschwindigkeit. Man schätzt, daß die Biosynthese eines Proteins, das aus etwa 150 Ami-

nosäureresten besteht, weniger als eine Minute in Anspruch nimmt. Eindeutig ist die Natur, zumindest in diesem Bereich, den synthetischen organischen Chemikern haushoch überlegen. 1323

26 Aminosäuren, Peptide und Proteine

wm

G-G—

A—G—C—A—A—A—C

G-C=U

c-6-U

j O=C

Abb. 26-15 Darstellung der Biosynthese des Tripeptides Gly-Ala-

UÜ-U—G

ji O=C

Asn. Die tRNAs, die ihre spezifi-

\ Ver

H,NCH

H,NCH

|

|

CH;

sche Aminosäure tragen, reihen ihre Anticodons entlang den Codons der mRNA auf, bevor ribosomale Enzyme die Amidbindungen bilden.

tRNAs (mit Anticodons)

oO=C

ee

H,NCH,

mRNA -Kette (mit Codons)

Durch tRNAs herangeführte Aminosäuren

nr a NH;

Gly

Ala

Asn

Fassen wir zusammen: Die RNA ist verantwortlich für die Biosynthese der Proteine. Jede Drei-Basen-Sequenz, ein Codon, spezifiziert eine bestimmte Aminosäure. Codons überlappen nicht, und dieselbe Aminosäure kann durch mehrere Codons spezifiziert werden.

26.11 DNA-Sequenzierung und -Synthese: Ecksteine der Gentechnologie In der Molekularbiologie findet derzeit aufgrund unserer Möglichkeiten, den genetischen Code von Organismen zu entziffern, zu reproduzieren und zu verändern, eine Art von Revolution statt. Einzelne Gene oder andere DNA-Sequenzen eines Genoms können vervielfältigt (geklont) werden, oft in großem Maßstab. Gene höherer Organismen können in niedrigere Organismen eingeführt werden, um dort Proteinsynthesen zu starten,

oder

so

modifiziert

werden,

daß

sie „unnatürliche“

Proteine

produzieren. Einige modifizierte Gene konnten bereits in ihren ursprünglichen Organismus erfolgreich wieder eingepflanzt werden, wo sie physiologische und biochemische Veränderungen bewirken. Viele dieser Entwicklungen wurden erst infolge neuartiger Entwicklungen in der Biochemie möglich, wie die Entdeckung von Enzymen, die DNA und RNA selektiv spalten, verbinden oder replizieren können. Restriktionsenzyme, zum Beispiel, zerschneiden lange Moleküle in kurze Fragmente definierter Länge, die dann wiederum von DNA-Ligasen zu neuen DNAs verbunden werden können (rekombinante DNA-Technologie). Polymerasen katalysieren die DNA-Replikation, und ausgewählte DNA-Sequenzen können durch die Polymerase-Kettenreaktion in großem Maßstab hergestellt werden. Diese Liste kann noch lange weitergeführt werden, doch damit würden wir den Rahmen der organischen Chemie verlassen. Die Basis für diese Entdeckungen war die Kenntnis der Primärstruktur von Nucleinsäuren und die Entwicklung von Methoden zu ihrer Synthese.

DNA-Sequenzierung ahmt das Prinzip der Polypeptidsequenzierung nach Die DNA kann sowohl enzymatisch als auch chemisch sequenziert werden. In Analogie zur Proteinanalyse (Abschn. 26.5) wird die sperrige DNA-Kette zunächst an bestimmten Punkten von Enzymen, den sogenannten Restriktions-Endonucleasen, gespalten. Mehr als 200 verschiedene Restriktionsenzyme sind bekannt, und mit ihrer Hilfe hat man Zugang zu einer Vielzahl von überlappenden Sequenzen. Die so erhalte-

1324

nen DNA-Stücke phat-Enden

Abbau,

werden nun (wiederum enzymatisch)

gekennzeichnet,

sondern

mit einer

nicht

chemisch,

radioaktiven

Dies wird nicht zur Strukturbestimmung

wie

an den 5-Phos-

etwa

beim

26.11

DNA-Sequenzierung und -Synthese: Ecksteine der Gentechnologie

Edman-

Phosphor(”P)-Markierung.

gemacht,

sondern

zur analy-

tischen Detektion im nächsten Schritt. Dieser Schritt besteht darin, daß

die reinen markierten Fragmente in verschiedenen Experimenten mit Reagenzien behandelt werden, die die Kette ausschließlich neben spezifischen Basen (z.B. nur an der 5’-Seite von A, G, T oder C) spalten.

Danach werden die Produkte chromatographisch über radioaktive Detektion (mit Hilfe photographischer Filme) analysiert. Die Muster der so hergestellten und identifizierten Produkte lassen auf die Basensequenz schließen. Diese Methode ist zum Teil automatisiert und so effizient, daß an einem Tag tausende von Basenpaaren identifiziert werden können. In Verbindung mit anderen, biologischen Sequenzierungsstrategien, ist die DNA-Sequenzierung die Methode der Wahl für die Strukturaufklärung von codierten Proteinen (Abschn. 26.5). 1990 startete das „U.S.

Human

Genome

Project“, ein internationales

Programm

zur Bestimmung der Sequenz der drei Milliarden Basen der menschlichen DNA, um so die dazugehörigen ca. 80.000 Gene zu identifizieren. Anfangs für nur 15 Jahre geplant, hofft man nun auf die Beendigung der Untersuchung kurz nach der Jahrtausendwende. Neben der Arbeit an menschlicher DNA wird auch das Genom vieler anderer Organismen untersucht. Einige spektakuläre Meilensteine sind erfolgreiche Sequenzierung

des

ersten

vollständigen

nichtviralen

Genoms

(1,8 Millionen

Basenpaare, 1743 Gene) — das des Bakteriums Haemophilus influenzae - im Jahre 1995, gefolgt von der des menschlichen Darmbakteriums Escherichia coli und dem Verursacher der Lyme-Arthritis Borrelia burgdorferi, beide im Jahre 1997.

Die DNA-Synthese wird automatisiert Sie können ein bestimmtes Oligonucleotid heute bestellen und erhalten es morgen. Der Grund für diese Effizienz liegt in der Nutzung der automatisierten Nucleotidkupplung mit Hilfe sogenannter DNA-Synthesizer, die nach demselben Prinzip arbeiten wie die Merrifield-Polypeptidsynthese (Abschn. 26.5): Anknüpfung der wachsenden Kette an einen festen Träger und Verwendung geschützter Nucleotidbausteine. Die Basen Cytosin, Adenin und Guanin müssen an der Aminofunktion durch Überführung in Amide geschützt werden. Dies ist bei Thymin nicht notwendig. Geschützte DNA-Basen

(Ausnahme Thymin)

os

HN Oo &R

©

„ho

m

= H;C

@I

ya

el,

SL 8 ar “z

Cytosin (C)

Thymin (T)

Adenin (A)

Guanin (G)

Der Zuckerteil wird an C5 als Dimethoxytritylether [Di(4-methoxyphenyl)phenylmethylether, DMT], blockiert, der durch schwache Säuren in einem Syl-Mechanismus (Kap. 22, Abschn. 22.1) wieder gespalten wird, ähnlich den 1,1-Dimethylethylethern (tert-Butylether, Abschn. 9.8, Kasten 9-4). Um das erste so geschützte Nucleotid auf dem festen Träger zu verankern, wird das C4-OH mit einem Diester verbunden. Dabei wird in der Oligonucleotidsynthese als Träger nicht — wie bei der Merrifield-Synthese — Polystyrol, sondern Oberflächen-aktiviertes

1325

26 Aminosäuren, Peptide

Kieselgel

und Proteine

„Angelhaken“

(Silica, SiO,) verwendet,

das einen Aminosubstituenten

als

trägt. Die Kupplung zum Ankernucleotid erfolgt also

über eine Amidbildung. Verankern des geschützten Nucleotids an SiO,

DMT—0—CH,0

„ce

0“

f

Venen ;

zen

no,

05

CH,CH,CNHICH.): BO

2.

(6) erstes an Kieselgel gebundenes Nucleotid

DMT = CH,O

\

Dimethoxytritylether [Dit4-methoxyphenyl)phenylmethyljether

OR \ RO“ NR”,

Wenn sich das erste Nucleotid in der richtigen Position befindet, können wir das zweite hinzufügen. Zu diesem Zweck wird der Verknüpfungspunkt, das C5-OH, sauer entschützt. Die anschließende Addition eines 3-OH-aktivierten Nucleotids führt zur Kupplung. Die aktivierende Gruppe ist ein ungewöhnliches Phosphoramidit [enthält P(III)], das, wie wir gleich sehen werden, auch als maskiertes Phosphat [P(V)] für das endgültige Dinucleotid dient und gegenüber der nucleophilen Substitution instabil ist, ähnlich PBr; (Abschn. 9.4 u. 19.8). Die Substitutions-

ein Phosphoramidit

OR | En

Ra

OR:

reaktion findet basekatalysiert statt und produziert ein Phosphitderivat;

ein Phosphit

Dinucleotidsynthese: Entschützen, Kupplung und Oxidation geschützte

HÖCH>

geschüztes an SiO, ge-D

bundenes

_ CHCHCO:H, CH;Ch —

ee

—

Oo

geschützte

ollar

Base |

i

“a

I

H

N=CCH;CH,0° (SNICH(CH))]

>

Nucleotid

geschützte DMTOC

H,

OÖ

Base

2

H

1, H:O, THF, o

H

2,6-Dimethylpyridin

BL 2 0“ N=CCH;CH,0

geschützte Base |

eG3 H

o= BL

NCCH,CH,O A

geschützte

OCH IA: H

O

H

0” TCHCLENHLCH))—8IO,

O

H

ri TCHSCHZENHICH), 802] Ö

1326

die Base ist der aromatische Heterocyclus Tetrazol, ein Tetrazacyclopentadien, das mit Pyrrol (Abschn. 25.3) und Imidazol (Abschn. 26.1) vergleichbar ist. Schließlich wird das Phosphoratom mit Iod zur PhosphatOxidationsstufe oxidiert. Diese Folge aus (1) DMT-Hydrolyse, (2) Kupplung und (3) Oxidation kann im Synthesizer vielfach wiederholt werden, bis schließlich das gewünschte Oligonucleotid in seiner geschützten immobilisierten Form zusammengesetzt

ist. Der letzte Schritt besteht darin, das Produkt

.»

k

7.

-basisch

Tetrazol

vom

Träger Kielselgel abzuspalten und den DMT-geschützten endständigen Zucker, alle Basen und die Phosphatgruppe zu entschützen, ohne dabei eine der anderen Gruppen abzuspalten. Bemerkenswerterweise Kann all dies zugleich mit wäßriger Ammoniaklösung erreicht werden, wie im folgenden Schema für das Dinucleotid des vorherigen Schemas gezeigt wird. Freisetzen des Dinucleotids durch Abspaltung vom Träger und Entschützung geschützte Base 2

‘NH, H,O

—DMTOH, —CH,;=CHCN z

| O=P\, HO

/

@

ee

N

Die Polymerase-Kettenreaktion (polymerase chain reaction, PCR) vervielfältigt DNA Das Klonen als Vervielfältigungmethode individueller Gene zur Untersuchung ihrer Sequenz, Information und Regulierung, revolutionierte die Molekularbiologie in den siebziger Jahren. Beim Klonen benötigt man lebende Zellen, um die eingefügte DNA vervielfältigen zu können. Mullis® entdeckte jedoch ein Verfahren, mit dem man millionenfach die in-vitro-Reproduktion von DNA-Segmenten ohne lebende Zellen durchführen konnte: die Polymerase-Kettenreaktion (polymerase chain reaction, PCR). Dies war ein großer Fortschritt. Der Schlüssel zu dieser Reaktion ist die Fähigkeit einiger DNA-kopierender Enzyme, Temperaturen von bis zu 95°C ohne Schaden zu überstehen. Das Enzym, das zuerst für die PCR genutzt wurde, war Tag-Polymerase. Dieses wurde in einem

Bakterium,

Thermus

aquaticus,

in einer

heißen

Quelle

im

Yellowstone National Park gefunden. Polymerasen sind Enzyme, die die DNA nach dem Trennen der Einzelstränge kopieren (Abb. 26-13). Zu diesem Zweck benötigen sie einen Vorrat an den vier Nucleotiden und eine kurze

Nucleotidsequenz,

um

die Reaktion

zu starten.

In der

Natur wird diese Aufgabe von einem Primaseenzym übernommen, und die ganze Sequenz hinter diesem Starter (Aimer) wird repliziert (in Form des komplementären Strangs, Abschn. 26.9). In der PCR ist dieser Starter ein kurzer Oligonucleotid-Strang (20 Basen), der komplementär zu einem Ausschnitt der zu kopierenden DNA ist.

* Dr. Kary B. Mullis (geb. 1945), La Jolla, Kalifornien, USA, Nobelpreis 1993 für Chemie.

1327

26 Aminosäuren, Peptide und Proteine

In der Praxis wird die PCR analog zur schematischen Darstellung in Abbildung 26-16 durchgeführt. Der Reaktionkolben wird mit der zu kopierenden doppelsträngigen DNA, den vier Nucleotiden, dem Starter und der Tag-Polymerase befüllt. Im ersten Schritt wird die Mischung auf ca. 90-95 °C erhitzt, um die DNA in ihre beiden Stränge zu spalten. Anschließend wird auf 54°C abgekühlt, damit sich die Starter an die individuellen DNA-Moleküle anlagern können. Die Temperatur wird danach auf 72°C erhöht, optimale Bedingungen für die Tag-Polymerase, um vom Starter entlang des DNA-Strangs bis zu dessen Ende Nucleotide anzufügen und so eine komplementäre Kopie des Templats herzustellen. Dies alles dauert nur wenige Minuten und kann in Temperaturgesteuerten Gefäßen automatisiert und mehrfach wiederholt werden. Da die Produkte jedes Kreislaufes in ihre Einzelstränge zerlegt werden und so als zusätzliche Template fungieren können, erhöht sich die Menge der pro Zeitspanne produzierten DNA exponentiell: Nach n Cyclen ist die Anzahl der DNA 2”!. Zum Beispiel erhält man nach 20 Cyclen (weniger als drei Stunden) etwa eine Million, nach 32 etwa eine Milliarde DNA.

DNA-Zielsequenz

—

N EEE

EEE

un

x

5 Trennen der Stränge durch Erhitzen auf 95°C

ee Bra euere

are wesen DB een; oo Anknüpfen der Starter (Primers) durch De auf 54°C

TEEN Starter R

b

s 3 RENTE:

|

(EEE 5' d’ IN REISE

ö

b'

DNA-Synthese durch Verlängerung der Starter bei 72°C

Abb. 26-16 Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR). Ein Cyclus besteht aus drei Teilschritten: Trennung der DNA-Stränge, Befestigung des Starters und Verlängerung des Starters durch DNA-Synthese. Die Reaktionen werden in einem geschlossenen Reaktionsgefäß durchgeführt. Der Cyclus wird durch Temperaturänderungen angetrieben. Die Sequenzen des einen Strangs der DNA werden mit abcde bezeichnet, die des komplementären Strangs mit abede. Die Starter sind in blau und die neugeknüpften DNAs, die sich an die Starter anknüpfen, in der jeweils zum alten Strang komplementären Farbe (rot oder grün) angegeben. (Quelle: L. Stryer, Biochemistry, 4". W. H. Freeman, Copyright © 1975, 1981, 1988, 1995.)

1328

In der Praxis gibt es zahlreiche Anwendungen für diese Technik. In der medizinischen Diagnostik können Bakterien und Viren (auch HIV) durch spezifische Starter leicht detektiert werden. Die Früherkennung von Krebs wird durch die Entdeckung von Mutationen in wachstumskontrollierenden Genen möglich. In der Gerichtsmedizin wird PCR zur Identifizierung von Blut, Speichel und anderen biologischen, vom Täter eines Verbrechens zurückgelassenen Hinweisen angewendet. Vaterschaft und Abstammung können ebenfalls zweifelsfrei bewiesen werden. In der Evolutionsforschung ist es möglich, urzeitliche DNA zu vervielfältigen oder sogar zu rekonstruieren, indem isolierte Fragmente erweitert und vervollständigt werden. So konnten beispielsweise einige Gene einer 2400 Jahre alten ägyptischen Mumie dechiffriert werden. Noch beeindruckender ist die Entdeckung eines Gens für ribosomale RNA durch

Verständnisübung

Rekonstruktion der DNA einer 30 Millionen Jahre alten, in Bernstein konservierten Termite mit Hilfe von PCR, wodurch ein Einblick in die

Evolution dieser Spezies erhalten werden konnte. PCR senschaftliche Basis für Michael Crichtons Dino Park ein Roman, in dem Dinosaurier aus ihrer alten DNA Sicherlich haben viele von Ihnen den Film gesehen! nächstes?

ist also die wis(Jurassic Park), geklont werden. Was kommt als

Verständnisübung Aspartam (NutraSweet) Asp-Phe-OCH; scheint eine einfach zu synthetisierende

Verbindung

zu sein.

Das

dem

nicht so ist, schen

Sie, wenn

Sie verschiedene Synthesewege, ausgehend von Aspartansäure (Asp) und Phenylalanın (Phe), formulieren. Analysieren Sie dieses Problem und geben Sie mögliche Synthesewege zur Darstellung der gesuchten Verbindung an.

OHNH

pm

2

erSUBHN een

0

H CH;

Aspartam

Lösung Eine einfache retrosynthetische Analyse zerlegt das Molekül in zwei Aminosäurekomponenten: Asp und Phe-OCH; (zugänglich durch Methylveresterung von Phe), die durch DCC (Absch. 20.6) gekuppelt werden können. Es gibt jedoch ein Problem, denn Asp hat eine zusätzliche ß-Cafboxygruppe, die die Reaktion stören könnte. Wir stehen daher vor der Aufgabe, selektiv carboxygeschützte Asp herzustellen. Man könnte die beiden folgenden Strategien anwenden: A selektive Einführung einer Schutzgruppe für das Asp-Grundgerüst oder, falls A versagt, B eine Totalsynthese eines geeigneten Derivats von Asp, das aus einfacheren Ausgangsverbindungen synthetisiert werden kann, so daß die Verwendung von Asp umgangen werden kann. Die folgenden literaturbekannten Synthesewege konzentrieren sich auf eine praktische Lösung unseres Problems aus der Literatur, obwohl Sie möglicherweise noch bessere Alternativen finden könnten. A

Selektive Einführung einer Schutzgruppe für das Asp-Grundgerüst

Sind um die gruppe gelernt,

die zwei Carboxygruppen chemisch hinreichend unterschiedlich, Untersuchung des selektiven Schützens einer Carboxyschutzzu rechtfertigen? Die Antwort lautet: ja, vielleicht. Wir haben daß der pK,-Wert einer Carbonsäure durch einen a-Aminosub1329

26 Aminosäuren, Peptide und Proteine

stituenten um ca. 2 erhöht wird (Abschn. 26.1). Für Aspartam lauten die pK,-Werte: pK, (a-COOH) = 1.9 ; pK, (ß-COOH) = 3.7 (s. Tab. 26-1).

Auf den

ersten

Blick

erscheint

es sinnvoll,

durch

genaue

Kon-

trolle des pH-Wertes eine selektive Ammoniumsalzbildung an der a-Carboxyfunktion mit anschließender Thermolyse (Abschnitt 19.10) zu versuchen. Das Problem besteht darin, daß unter thermischen Bedingungen der relativ langsamen Amidbildung ein Protonenaustausch stattfindet. Es ist besser, auf die unterschiedliche Reaktivität der beiden Carboxygruppen für eine Derivatisierung nach einem Additions-EliminierungsMechanismus zu hoffen. Der elektronenziehende Effekt der «-Aminogruppe sollte sich in einer erhöhten Elektrophilie des benachbarten Carbonyl-Kohlenstoffatoms (s. Abschn. 17.6, 19.4 u. 20.1) äußern. Daraus ergibt sich, daß eine entsprechende Esterfunktion leichter basisch verseift werden kann. In der Tat konnte dieser Syntheseweg erfolgreich mit N-Cbz geschütztem (Phenylmethyl)diester von Asp (zugänglich durch Standardmethoden; s. Abschn. 26.6) wie unten gezeigt durchgeführt werden.

| NE

H

N

N Re 4

oO

H>0O, Aceton

NCbz

x

, (6)a,

(Propanon), LiOH, 0°C

C 6Hs

=

\

ee ET

NCbz

H

BE

=

OH

Ö

Ö 67%

Cbz-Asp-(OCH;C,H3);

Das Produkt wurde mit Phe-OCH; und DCC gekuppelt und anschließend durch katalytische Hydrierung (s. Abschn. 26.6) zu Aspartam entschützt. Eine vereinfachte Synthese hängt davon ab, wie gut die difunktionelle Verbindung in Form eines cyclischen Derivats geschützt werden kann. Beispielsweise werden 1,2-Diole als cyclische Acetale maskiert (Abschn. 24.8), Hydroxysäuren als Lactone (Abschn. 19.9), Aminosäuren als Lactame (Abschn. 19.10) und Dicarbonsäuren als Anhydride (Abschn. 19.8). Die letzten zwei Möglichkeiten verdienten Beachtung bezüglich der Aspartam-Synthese. Die direkte Lactambildung kann jedoch aufgrund der Ringspannung schnell ausgeschlossen werden (obwohl ß-Lactame bereits in der Aspartam-Darstellung genutzt wurden). Dieses Problem kann durch Dehydrierung zum fünfgliedrigen cyclischen Anhydrid umgangen werden. Da Anhydride aktivierte Carbonsäure-Derivate sind (Abschn. 20.3), kann der Asp-Anhydrid auch ohne DCC direkt an das Phe-OCH; gekuppelt werden. Der nucleophile Angriff auf die Aminofunktion von Phe-OCH; erfolgt bevorzugt — aber nicht vollständig — an der gewünschten Position: in 19% Ausbeute wird das Produkt einer Peptidbildung an der ß-Carboxylgruppe des Asp erhalten.

0

H>N

Raul OH OH

Tel je?

_ 1#,cH.CoccH, —_ 5 — CH,COOH

6)

N

/ \

o

O

Phe-OCH;

—————>

Fa!

Aspartam

(0) 93%

61%

Asp-Anhydrid

B Totalsynthese eines Asp-Derivates Carboxyfunktionen

mit chemisch

unterschiedlichen

Ein alternativer Zugang zu A beginnt mit dem Aufbau des AspGrundgerüstes über die in Abschnitt 26.2 gelernten Methoden, so daß selektiv ein monogeschütztes Carboxyderivat erhalten wird. Es gibt zahlreiche Strategien zur Lösung dieses Problems, aber bei genauerem Hin-

1330

sehen werden Sie erkennen, daß es nicht einfach ist, eine geeignete geschützte ßB-Carboxygruppe zu finden, die während der Umsetzung am a-Aminosäureteil nicht entschützt wird. In der folgenden Gabriel-Synthese wurde dies durch die Einführung des relativ unproblematischen 2-Propenylsubstituenten verwirklicht, aus dem durch oxidative Spaltung (Absch. 12.10 u. 24.5) schließlich die freie ß-Carbonsäurefunktion vorgeht. ni

CH.CH,OH ie

a rl

I NECHereHtEs

,

Reaktionen

her-

1)

1. CH.CH:O ,

(

$

Neue

.

a

|

"i

H', H;0, A

|_N-reoczeng,

EIN 2

N

>

acHecH,

(6)

[6] H-N

a

l. Cbz (schützen) 2. Phe-OCH;, DCC

H

}

3. oxidative Spaltung

a

en

\

ASDATANI

( [6

Neue 1

Reaktionen

Acidität von Aminosäuren (Abschn. 26.1) R

R

3]

|

H;NCHCOOH PK, > 2-3

H;NCHCOO pK, = 9-10

PKcoon 5+ PKnn,

Isoelektrischer Punkt p/ =

2

Der relativ basische Guanidinosubstituent in Arginin (Abschn. 26.1) ..

+

Ni er RHNT

®

..

hs + HH’ =

“

er RHNT

NH,

©

..

NH> 2

PLEN,

@

EN RHN

Nm

ee PAR

Nin,

C

VEN RHR?

NH>

pK, = 13 3

Die Basizität von Imidazol in Histidin (Abschn. 26.1)

H

H EN

H

a,

Ben

pK, = 7.0

Darstellung von Aminosäuren 4 Hell-Volhard-Zelinsky-Bromierung mit nachfolgender Aminierung (Abschn. 26.2) +

1. Br,, katal. Menge PBr,

RCH>COOH

2. NH, ——

NH3

0 RCHCOO

1331

26 Aminosäuren, Peptide

5

Gabriel-Synthese (Abschn. 26.2)

und Proteine

O „dc

=

T

nn

Q

1. RO”

NH,

2: RX

NK" + BrCH(CO>CHy)a > _

NCH(CO;CH3); 3;H-H20.2, R’CHEO®=

KBr

'6)

OÖ

Variante:

j

1. NaOH, R’X

CH3CNHCH(CO;R), 6

ee

HL H20: A, R’CHCOO”

Strecker-Synthese (Abschn. 26.2)

NH> RCH BER N, RCHeN BO I 7

NH3 RO HC007

Enzymatische kinetische Racematspaltung (Abschn. 26.3)

N

+

NH3

RCHCOO

T

en

a je

-

HNCCH3

Schweinenieren-

RCHCOOH

— ER,

coo

%

HsN

COOH

weh

NHCCH3

3

(S)-Aminosäure

unverändertes

(R)-Enantiomer

Sequenzanalyse von Polypeptiden 8

Spaltung von Disulfidbrücken (Abschn. 26.5)

-:HCO3H ren S S

9

NO:

Amino-Ende eines Peptids

1332

6 mol/L HCI, 110°C, 24h

> Aminosäuren

Sanger-Abbau (Abschn. 26.5)

a

O,N 6B* ni neH

SO;H

Hydrolyse (Abschn. 26.5)

Peptid

10

SO;H

NO,

en

Be HF

EN

R

|

NHCHCO>H + Aminosäuren

11

Edman-Abbau (Abschn. 26.5) R O

m

Ai

N=C=S + HNCHI—N—— —

ei

Neue

S

= arY

ODER

Reaktionen

rn

OÖ Phenylthiohydantoin

kürzeres Polypeptid

Darstellung von Polypeptiden 12

Schutzgruppen (Abschn. 26.6)

Oo

)

NH; RCHCOO

ae

| CsH5CH>0OCCI

+

NaOH \ | OOH Drereircnng C;H5CH>OCNHCHC

H,, Pd/C Ehtbidekieräng

Cbz-geschützte Aminosäure

Phenylmethylchlormethanoat (Chlorameisensäurebenzylester)

+

NH3 + CgHsCH3

RCHCOO

\1

+

(ni

RCHCOO” +

(CHZ3COCOCOCICH),

s

ie

x

FD,

(CH3),COCNHCHCOOH

+ CO>

13037120)

—epieekienme

Boc-geschützte Aminosäure

Bis(1,1-Dimethylethyl)-dicarbonat (Di-tert-butyldicarbonat)

I

RCHCOO” + CO, + CH>=C(CH3)>

13 Knüpfen von Peptidbindungen mit Dicyclohexylcarbodiimid (Abschn. 26.6) Cbz-Gly

fr Ala-CH>CeHs

An CeHı ıN=C=NCHH

| Fe

DCC

OÖ ar CeHı ıNHCNHCEH),

Cbz-Gly-Ala-CH>CeHs

l

.

14

Merrifield-Festphasen-Synthese (Abschn. 26.7)

R CICH>OCH>CH3, 2 2UHz, SnCl onUl4

Ole CH3CH5OH

BI-CHRCI

3 in coCnmEncoo.

23H64,50

(P) = Polystyrol

Ri OZER

|

(PJ-CH>0C—CHNH,

|

1. (CH3), COCNHCHCOOH, DCC

2.H", H50

OÖ

l

|

HF — (P}-CH5>0C—CHNHC—CHNH, —— RO

R

+ | (P}-CH>F + H3NCHCNHCHCOO 1333

Wichtige Konzepte

Analyse der Bruchstücke.

1 Polypeptide sind Polymere von Aminosäuren, die durch Amidbindungen verknüpft sind. Die meisten natürlichen Polypeptide bestehen aus nur 18 verschiedenen (2S)-Aminosäuren, dem 2Rkonfigurierten Cystein und dem achiralen Glycin. Für alle diese Aminosäuren werden im chemischen Sprachgebrauch Trivialnamen und DreiBuchstaben-Abkürzungen verwendet.

7 Bei der Peptidsynthese werden endgruppengeschützte Aminosäuren mit Dicyclohexylcarbodiimid gekoppelt. Das Produkt läßt sich an einem von beiden Enden selektiv entblockieren und die Kette weiter verlängern. Benutzt man feste Träger, wie in der Merrifield-Synthese, kann man das Verfahren automatisieren.

2 Aminosäuren sind amphoter, protonieren und deprotonieren.

sie lassen

sich

Aminosäuren eines

auch

racemischen

durch Gemischs

kinetische mit

von

En-

Zentrum,

das

elektrostatischen

und

London-Kräften ab. 5 Aminosäuren werden hauptsächlich aufgrund ihrer pH-abhängigen Fähigkeit, sich an feste Träger zu binden, getrennt.

Bei

der

Sequenzanalyse

benutzt

man

eine

Kombination

von

Kettenabbau

und

nachfolgender

Polypeptiden aus

Häm,

umhüllt.

Das

Häm

enthält ein Eisenatom,

das Sauerstoff reversibel

bindet,

Sauerstoffaufnahme,

wodurch

die

der

-transport und die -abgabe ermöglicht werden.

9

Die Nucleinsäuren sind Biopolymere, in denen

Zucker-Einheiten,

4 Polypeptide können sehr unterschiedliche Strukturen einnehmen, sie können linear oder cyclisch sein, Ketten können über Disulfidbrücken verbunden sein, Faltblattstrukturen, a-Helix oder Überhelixstrukturen annehmen oder eine ungeordnete Konformation haben. Dies hängt von der Molekülgröße, der Zusammensetzung, von Was-

6

Polypeptid-

Spaltung

Hilfe

zymen erhalten.

serstoffbrücken-Bindungen,

kürzeren

8 Die Proteine Myoglobin und Hämoglobin sind Polypeptide, in denen die Aminosäurenkette das aktive

3 Neben der fraktionierenden Kristallisation von Diastereomeren kann man enantiomerenreine

erhaltenen

selektivem

Aminosäuren-

an

die eine

Stickstoffbase

N-

glycosidisch gebunden ist, über Phosphatbrücken miteinander verknüpft sind. In der DNA und der RNA sind nur jeweils vier verschiedene Basen und ein Zucker enthalten. Da sich zwischen den Basen Adenin-Thymin, Guanin-Cytosin und Adenin-Uracil besonders begünstigte Wasserstoffbrükken ausbilden können, kann eine Nucleinsäure eine dimere Helixstruktur annehmen, bei der die Basensequenz auf beiden Strängen komplementär ist. Bei der Replikation der DNA und der RNASynthese an der DNA windet sich diese Anordnung auf und wirkt als Matrix. Für die Proteinsynthese ist jede Aminosäure durch drei aufeinanderfolgende RNA-Basen, das sogenannte Codon, spezifiziert. So läßt sich die Basensequenz (der genetische Code) in einem RNA-Strang in eine spezifische Aminosäurensequenz eines Proteins übersetzen.

Aufgaben 1 Zeichnen Sie stereochemisch richtige Formeln für Isoleucin und Threonin (s. Tab. 26-1). Wie würde der systematische Name von Threonin lauten?

2 Bei Aminosäuren bezeichnet man Diastereomere mit der Abkürzung allo. Zeichnen Sie Allo-L-Isoleucin und geben Sie der Verbindung einen systematischen Namen. 3 Zeichnen Sie die Konstitution, die jede der folgenden Aminosäuren in wäßriger Lösung beim angegebenen pH haben würde. Berechnen Sie für jede Aminosäure den isoelektrischen Punkt. (a) Alanin bei pH = 1, 7 und 12. (b) Serin bei pH = 1, 7 und 12. (c) Tyrosin bei pH = 1, 7, 9.5 und 12.

(d) Histidin beipH = 1,5, 7 und 12. (e) Cystein bei pH = 1, 7, 9 und 12. (f) Asparaginsäure bei pH = 1, 3, 7 und 12.

(g) Arginin bei pH = 1,7, 12 und 14.

1334

4 Teilen Sie die Aminosäuren in Aufgabe 3 danach ein, ob sie bei pH = 7 (a) positiv geladen, (b) neutral oder (c) negativ geladen sind.

Aufgaben

5 Schlagen Sie eine vernünftige Synthese für die folgenden Aminosäuren in racemischer Form vor. Benutzen Sie dazu entweder ‘eine der Methoden aus Abschn. 26.2 oder einen von Ihnen entwickelten Syntheseweg. (a) Valin. (b) Leucin. (c) Prolin.

6

(d) Threonin. (e) Lysin.

(a) Wie verläuft die Strecker-Synthese von Phenylalanin? Ist das Produkt chiral? Zeigt es optische Aktivität? (b) Verwendet man in der Strecker-Synthese von Phenylalanın anstelle von NH; ein optisch aktives Amin, erhält man überwiegend ein Enantiomer als Produkt Bestimmen Sie in den folgenden Strukturen die absolute Konfiguration an jedem Chiralitätszentrum und erklären Sie, warum man bei Verwendung eines chiralen Amins im Endprodukt ein Stereoisomer bevorzugt erhält.

Oma a Na oe ı k

z

PRNY

NBene

findet

dieser

Prozeß

nur

statt,

wenn

Knoblauchzellen

zerstört

werden. Schlagen Sie eine vernünftige Synthese für die Aminosäure Alliin vor. Hinweis: Fangen Sie mit der Entwicklung einer Synthese für eine Aminosäure

aus Tab.

NH3

Ba

7 Der antibakterielle Wirkstoff im Knoblauch, das Allicin (s. Aufgabe 36 von Kap. 9), wird aus der seltenen Aminosäure Alliin mit Hilfe des Enzyms Allinase synthetisiert. Da Allinase ein extrazelluläres Enzym ist,

er

26-1 an, die strukturell

mit Allıin ver-

O

NH;

| H>C=CHCH>SCH>CHCOO Alliin

wandt ist. 8 Entwerfen Sie ein Verfahren zur Trennung eines Gemisches der vier Stereoisomeren des Isoleucins in seine vier Bestandteile: (+)-Isoleuein, (—)-Isoleucin, (+)-Alloisoleucin und (—)-Alloisoleucin (s. Aufgabe 2). Benutzen Sie die Eigenschaft von Alloisoleucin, in 80 %igem Ethanol bei allen Temperaturen wesentlich besser löslich als Isoleucin zu sein.

9 Identifizieren Sie die folgenden Verbindungen als Dipetid, Tripeptid usw. und markieren Sie alle Peptidbindungen. ak

7

I

7

HSCH3>

+

GREEN

CH ZC ZN ZCH—CZNBZEH ZEO07 HOCH;

j

O

CH>zCOO

+

(b) H3N—CH—C-—-NH—CH—COO

N

CH..0,.:CH.CH

a

„0 Ai,

on,oO

E

CH;(CH3)3NH3

+ Me | (d H3N—CH—C—NH—CH—C—N—CH—C—NH—CH—COO

1335

26 Aminosäuren, Peptide und Proteine

OH

CH, O

6)

?

CH> O

CH>CH(CH3)»

+ \ (d) HEHN—CH—C—NH—CH5—C—NH—CH>—C—NH—CH—C—NH—CH—COO”

10 Schreiben Sie die Peptidformeln aus Aufgabe 9 mit Hilfe der DreiBuchstaben-Abkürzungen für Aminosäuren in Kurzschreibweise. 11 Welche der Aminosäuren aus Aufgabe 3 und der Peptide aus Aufgabe 9 wandern in einem Elektrophoreseapparat bei pH = 7 (a) zur Anode

oder (b) zur Kathode?

12 Seide nimmt eine ß-Faltblattstruktur ein, deren Polypeptidketten aus der sich wiederholenden Aminosäurensequenz Gly-Ser-Gly-AlaGly-Ala bestehen. Welche Eigenschaften der Aminosäureseitenketten begünstigen offensichtlich die ß-Faltblattstruktur? Können Sie das aus der Abbildung 26-3 erklären? 13

Wieviele Abschnitte mit a-Helixstruktur können Sie in der Struktur

von Myoglobin erkennen (s. Abb. 26-8C). Prolinreste befinden sich im Myoglobin an den Positionen 37, 88, 100 und 120. Welchen Einfluß üben diese Proline auf die Tertiärstruktur des Moleküls aus?

14 78 der 153 Aminosäuren im Myoglobin enthalten polare Seitenketten (z.B. Arg, Asn, Asp, Gln, Glu, His, Lys, Ser, Thr, Trp und Tyr). Wenn Myoglobin seine natürliche gefaltete Konformation einnimmt, zeigen 76 dieser 78 polaren Seitenketten (alle außer den zwei Histidinen) nach außen von der Oberfläche weg. Im Inneren des Myoglobins befinden sich nur Gly, Val, Leu, Ala, Ile, Phe, Pro und Met. Wie erklären Sie sich das’

15

Erklären Sie die folgenden drei Beobachtungen. (a) Seide ist wie die meisten Polypeptide mit Faltblattstruktur wasserunlöslich. (b) Globuläre Proteine wie Myoglobin lösen sich im allgemeinen leicht in Wasser. (c) Wird die Tertiärstruktur eines globulären Proteins zerstört (Denaturierung), fällt es aus wäßriger Lösung aus.

16 Beschreiben Sie mit eigenen Worten, wie die Forscher, die die Aminosäuren-Analyse von Vasopressin (Übung 26-7) durchgeführt haben, wohl vorgegangen sind.

17 Welche Aufgabe 9?

Produkte

entstehen

beim

Sanger-Abbau

der Peptide aus

18 Was erhält man bei der Reaktion von Gramicidin S mit 1-Fluor2,4-nitrobenzol (Sangers Reagenz)? Mit Phenylisothiocyanat (EdmanAbbau)?

19 Das Polypeptid Bradykinin ist ein Gewebehormon, das im Körper schmerzauslösend wirkt. Beim Behandeln von Bradykinin mit 1-Fluor2,4-dinitrobenzol und nachfolgender vollständiger saurer Hydrolyse entsteht N-(2,4-Dinitrophenyl)arginin zusammen mit freiem Arg, Gly, Phe, Pro und Ser. Bei der unvollständigen sauren Hydrolyse werden die Bradykininmoleküle in eine Reihe von Peptidbruchstücken gespalten, unter denen sich Arg—Pro— Pro—Gly, Phe—Arg, Ser—Pro—Phe und Gly—

Phe—Ser befinden. Bei vollständiger Hydrolyse und nachfolgender Aminosäuren-Analyse erhält man ein Verhältnis Pro:Phe:Arg:Gly: Ser = 3:2:2:1:1. Leiten Sie die Aminosäurensequenz von Bradykinin ab.

Aufgaben

20 Somatostatin ist ein Polypeptidhormon, das mehrere Funktionen, wie z.B. die Regulierung der Insulinausscheidung durch die Bauchspeicheldrüse hat. Es wird daher zur Behandlung einiger Arten von Diabetes eingesetzt. Somatostatin enthält eine Disulfidbrücke, nach deren Öffnen mit HCO,;H man nur eine einzige Polypeptidkette erhält. (a) Was können Sie daraus entnehmen?

Beim Behandeln dieser Polypeptidkette mit Trypsin ergeben sich die folgenden drei Peptide: Ala—Gly—Cys(SO;H)—Lys, Thr—Phe—Thr—Ser—Cys(SO;H) und Asn—Phe—Phe-—-Trp— Lys. (b) Was sagt das über die Konstitution von Somatostatin

aus?

Bei der Hydrolyse des Polypeptids mit Chrymotrypsin erhält man Lys— Thr—Phe, Thr—Ser—Cys(SO;H), Ala—Gly— Cys(SO;H) — Lys— Asn—Phe, freies Phe und freies Trp. (ce) Schreiben Sie die vollständige Aminosäurensequenz von Somatostatin auf.

21 Die Aminosäurensequenz von Met-Enkephalin, einem Peptid aus dem Gehirn, das eine starke opiatähnliche biologische Wirkung zeigt, ist Tyr—Gly—Gly—Phe—Met. Welche Produkte erhält man bei einem stufenweisen Edman-Abbau von Met-Enkephalin? Das Peptid, das in Teil d von Aufgabe: 9 gezeigt ist, ist Leu-Enkephalin, ein Verwandter des Met-Enkephalins mit ähnlichen Eigenschaften. Wie unterscheidet sich das Ergebnis eines Edman-Abbaus von Leu-Enkephalin von dem von Met-Enkephalin?

22 Das Hypophysenhormon Corticotropin wirkt stimulierend auf die Nebennierenrinde. Leiten Sie seine Primärstruktur aufgrund der folgenden Information ab. (a) Bei der Hydrolyse mit Chymotrypsin entstehen sechs Peptide: Arg—Irp, Ser—Tyr, Pro— Leu— Glu—Phe, Ser—Met—-Glu—His— Phe, ı Pro-Asp-Ala- Gly-Glu-Asp—-GlIn—Ser— Ala-Glu Ala—Phe und Gly—Lys— Pro— Val-Gly—Lys—Lys— Arg— Arg— Pro— Val—Lys— Val—Tyr. (b) Bei der Hydrolyse mit Trypsin erhält man freies Lysin, freies Arginin und die folgenden fünf Peptide: Trp—Gly—Lys, Pro— Val—Lys, Pro— Val—-Gly—Lys, Ser— Tyr—Ser— Met— Glu— His— Phe— Argund Val Tyr— Pro— Asp- Ala— Gly—Glu Asp—-GlIn—Ser— Ala—- Glu— Ala—Phe—Pro—Leu—-Glu—Phe. 23 Glucägon ist ein Hormon der Bauchspeicheldrüse, das eine entgegengesetzte Wirkung wie Insulin hat, es erhöht den Glucosespiegel im Blut. Glucagon besteht aus einer Polypeptidkette mit 29 AminosäureEinheiten. Beim Behandeln von Glucagon mit Thermolysin entstehen vier Bruchstücke, das Tripeptid Val-GlIn—Tyr, das Tetrapeptid Leu—Met— Asn—Thr, ein Peptid A mit neun Aminosäuren und ein Peptid B mit 13 Aminosäuren. Beim Sanger-Abbau von A erhält man N-(2,4-Dinitrophenyl)leucin, beim Sanger-Abbau von B N-(2,4-Dinitrophenyl)histidin. Peptid A wird von Chymotrypsin nicht gespalten, beim Behandeln mit Clostripain ergeben sich jedoch die Bruchstücke Leu— Asp—Ser—Arg, Ala—GIn— Asp—Phe und ein freies Arg. Peptid B wird von Chymotrypsin in Ser—Lys—Tyr, Thr—Ser— Asp—Tyr und His—Ser— GlIn— Gly— Thr—Phe gespalten. (a) Wieviel wissen Sie in diesem

Stadium

sicher über die Struktur

von Glucagon? Welche Unsicherheiten bestehen noch?

1337

26 Aminosäuren, Peptide und Proteine

(b) Bei der Hydrolyse des intakten Glucagonmoleküls mit Trypsin erhält man unter anderem das Peptid Tyr—Leu— Asp—Ser— Are. Hilft Ihnen das weiter? (ce) Bei der Chymotrypsin—Hydrolyse des intakten Hormons entsteht unter anderem Leu—Met—Asn—Thr, dasselbe Tetrapeptid wie beim Behandeln mit Thermolysin. Können Sie jetzt das gesamte Molekül zusammenbauen?

24 Schlagen Sie eine Synthese für Leu-Enkephalin gabe 9) aus seinen Aminosäurebestandteilen vor.

(Teil d von Auf-

25 Im folgenden ist das Molekül des Thyrotropin-Releasing-Hormons (TRH) gezeigt. Dieses Hormon wird vom Hypothalamus ausgeschieden und bewirkt die Freisetzung von Tyrotropin durch die Hypophyse, das dann wiederum die Schilddrüse stimuliert, Die Schilddrüse produziert Hormone wie Tyroxin, die allgemein regulierend auf den Metabolismus wirken. OÖ

7TNH

unsCH» @

N

”

CH, O

CH} CH:

O

CH,

CH,O

ee) re HN—CH—-C—NH—CH—C—N—CH—=CeNF N

Pyroglutaminsäure

In

N

Histidin

Prolinamid

Bei der ersten Isolierung von TRH mußten vier Tonnen Hypothalamusgewebe verarbeitet werden, aus denen dann I mg des Hormons gewonnen wurden. Wie man wohl nicht erst betonen muß, ist es ein bißchen bequemer, TRH im Labor zu synthetisieren, als es aus natürlichen Quellen zu extrahieren. Entwerfen Sie eine Synthese von TRH aus Glu, His und Pro. Beachten Sie, daß Pyroglutaminsäure nur das Lactam von Glu ist und sich leicht durch Erhitzen von Glu auf Temperaturen zwischen 135 und 140°C gewinnen läßt. 26 Betrachten Sie die Synthese von Aspartam (s. Abschn. 26.4). Enthält einer der Aminosäure-Bausteine ein Strukturelement, das die Synthese schwierig gestalten könnte? Welche anderen Aminosäuren enthalten Gruppen, die bei der Synthese von Peptiden, in denen sie enthalten sind, Probleme machen können? 27

«(a) Die abgebildeten

Formeln

26.9) zeigen nur die stabilsten

der vier DNA-Basen Tautomere.

Zeichnen

(s. Abschn. Sie ein oder

mehrere alternative Tautomere für jeden dieser Heterocyclen (Näheres über Tautomerie steht in Abschn. 13.8 und 18.2). (b) In bestimmten Fällen kann die Anwesenheit einer kleinen Menge eines der weniger stabilen Tautomere in der DNA zu Fehlern bei der Replikation oder der m-RNA-Synthese aufgrund falscher Basenpaarung führen. Ein Beispiel ist das Imin-Tautomer des Adenins, das sich mit Cytosin anstatt mit Thymin paart. Zeichnen Sie eine mögliche Struktur für das über Wasserstoffbrücken gebundene Basenpaar (s. Abb. 26-11). (ec) Leiten

Sie mit Hilfe von

Tab.

26-3 eine mögliche

Aminosäu-

rensequenz für eine mRNA ab, die den Code für die fünf Aminosäuren des Met-Enkephalins enthält, ab (s. Aufgabe 21). Wenn sich die falsche Basenpaarung an der ersten möglichen Stelle der Synthese dieser mRNA-Sequenz ereignen würde, welche Konsequenz hätte dies auf die Aminosäuresequenz des Peptids? (Lassen Sie das Initiations-Codon außer acht.) 28 Faktor VIII ist eines der Proteine, die an der Blutgerinnung beteiligt sind. Ein Defekt in dem Gen, dessen DNA-Sequenz den Code für Faktor VIII enthält, ist für die klassische Hämophilie (Bluterkrankheit) 1338

verantwortlich. Faktor VIII besteht aus 2332 Aminosäuren. Nucleotide werden zur Codierung seiner Synthese gebraucht’

Wieviele

Aufgaben

29 Hydroxyprolin (Hyp) ist wie viele andere Aminosäuren, die nicht „offiziell“ als essentiell eingestuft sind, doch eine biologisch sehr wichtige Verbindung. Hydroxyprolin macht etwa 14% des Aminosäurengehalts des Proteins Collagen aus. Collagen ist der Hauptbestandteil der Haut und des Bindegewebes. Es ist auch, zusammen mit anorganischen Verbindungen, in Nägeln, Knochen und Zähnen enthalten. (a) Der systematische Name von Hydroxyprolin ist (25,4R)-4Hydroxyazacyclopentan-2-carbonsäure. Zeichnen Sie eine Konstitutionsformel dieser Aminosäure mit richtiger Stereochemie. (b) Hydroxyprolin wird im Körper in peptidgebundener Form aus peptidgebundenem Prolin und O, synthetisiert. Dieser Prozeß ist enzymkatalysiert und erfordert die Gegenwart von Vitamin C. In Abwesenheit von Vitamin C bildet sich nur ein defektes, Hyp-armes Collagen. Vitamin C-Mangel verursacht Skorbut, eine Mangelerkrankung, die durch Hautbluten und geschwollenes, blutendes Zahnfleisch charakterisiert ist. Identifizieren Sie in der folgenden Reaktionssequenz, einer effizienten Laboratoriumssynthese von Hydroxyprolin, die Reagenzien (1) und (ii), und formulieren Sie einen detaillierten Mechanismus für die mit einem Stern markierten Schritte. 16) (0) CICHSCH—CH; Fir i g

(0) N-CH;CHdi RSCH»

y* H>C Na"A "CH(COOCH>CH3)» 2

(0)

16)

COOCH3>CH3

SO,Ch

nn DERSO (6)

O

cl COOCH3>CH3

NCH>

jjx ——>

Hydroxyprolin

04556 Ö

(ce) Gelatine, ein teilweise hydrolysiertes Collagen, ist reich an Hydroxyprolin und wird daher häufig zur Behandlung von splitternden oder brüchigen Nägeln verordnet. Wie die meisten Proteine wird Gelatine jedoch im Magen und im Dünndarm vor der Absorption fast vollständig in ihre Aminosäurenbestandteile aufgebrochen. Ist das freie Hydroxyprolin, das so in den Blutkreislauf gelangt, von irgendeinem Nutzen für die Synthese von Collagen im Körper? Hinweis: Ist in Tab. 26-3 ein Drei-Basen-Code für Hydroxyprolin enthalten?

30 einen

Sichelzellenanämie einzigen

Fehler

ist eine oft tödliche im DNA-Gen,

Erbkrankheit,

das die ß-Kette

die durch

des Hämoglobin

codiert, verursacht wird. Die richtige Nucleinsäurensequenz (von der mRNA-Matrix gelesen) fängt mit AUGGUGCACCUGACUCCUGAG-GAGAAG ...an. (a) Übersetzen Sie dies in die entsprechende Aminosäurensequenz des Proteins. (b) Die Mutation, aufgrund derer die Sichelzellenanämie zustande-

kommt,

ergibt sich durch

Ersetzen

des fettgedruckten

A in der

1339

26 Aminosäuren, Peptide und Proteine

vorhergehenden Sequenz durch U. Welche Konsequenz für die entsprechende Aminosäurensequenz hat dieser Fehler? (ce) Durch diese Sequenzänderung verändern sich die Eigenschaften des Hämoglobinmoleküls — insbesondere seine Polarität und Gestalt. Schlagen Sie Gründe für beide Effekte vor. (Entnehmen Sıe die Strukturen der Aminosäuren Tab. 26-1 und die Struktur von Myoglobin, die ähnlich wie die von Hämoglobin ist, Abb. 26-8C. Beachten Sie den Ort der einzelnen Aminosäuren innerhalb der Tertiärstruktur des Proteins.)

Gruppenübung 31 Aminosäuren können als enantiomerenreine Ausgangsverbindungen für organische Synthesen genutzt werden. Das Schema I gibt den ersten Schritt für eine Reaktionssequenz zur Darstellung reiner ß-Aminosäuren, wie sie beispielsweise in der Seitenkette des Taxols (s. Abschn. 4.7) auftreten, wieder. Schema II zeigt einen Ester dieser Aminosäure, aus dem ein ungewöhnliches heterocyclisches Dipeptid, wie er in Studien von Polypeptidkonformationen verwendet wird, hergestellt wird.

Schema I

Synthese eines enantiomerenreinen Reagenzes Oo

_?

Sn

Ne

N

O2 a

rn

0

CO,”K+

VOCH,

I. NaHCO,. CI”

Ban

2.H', H,O

ehe esse

A

——

B

Lo CH

Kaliumsalz von

CH :N;0,” Kt

Asparagin

sechsgliedriger Stickstoff-

N:O3

Heterocyclus

Betrachten Sie die folgenden Fragen:

l. Es gibt zwei Diastereomere von A, die in einem Verhältnis von 90:10 gebildet werden. Das Hauptisomer ist dasjenige, das die stabilere Sesselkonformation einnehmen kann. Stehen die beiden Substituenten am Ring cis oder trans zueinander? Geben Sie an, ob die Positionen äquatorial oder axial sind. 2. Welches Stickstoffatom ist nucleophil und führt zum Carbamidsäureester (Abschn. 20.6) B? Schema II

Synthese eines ungewöhnlichen heterocyclischen Dipeptids OÖ

| gr

Ö

af 80Skgms

1,1-Dimethylethyk(tert-butyl)ester von Asparagin

N

(6) ÖLIN an ER ER cı

LEN

o

Ri ” a

Fmoc-Aminosäure-

SR H

&

äkmwa

hir ca chlorid

2

3 war

CısH2oN:O5 acyclische Verbindung

ne

Die Fmoc-Schutzgruppe (im Kasten hervorgehoben) wird anstelle der Ihnen vertrauten Schutzgruppen Cbz oder Boc genutzt, da das Aminosäurechlorid zur Bildung der neuen Amidbindung notwendig ist. Weder Cbz noch die Boc sind unter diesen Bedingungen stabil. Betrachten Sie die folgenden Fragen:

RH

Fluorenylmethyloxycarbonyl(Fmoc)aminosäurechlorid

1. Welche funktionelle Gruppe wird an € gebildet”? 2. Wo ist die Peptidbindung in D? Markieren Sie sie! Treffen Sie sich wieder und diskutieren

Sie die Antworten

zu den Fra-

gen zu dem jeweiligen Schema sowie die Strukturen für A-D.

1340

Lösungen zu den Ubungen

Kapitel 1

1-6

1-1

CH;

:c :Cl:

:F:

:Cl:

: F:Si:F:

CC: en:

H

_

:Bril:

oder

CH;

H: e: H

H Te :H H

einsames Blektronenpaar

kein Oktett

H: P :H

:ch: E

:N:Cı:

HINCH

:0:H

oder

:C:

1-2

H + H:C:O:H LISEI

201:

trigonal, sp? hybridisiert, Elektronenmangelverbindung wie BH;.

. 7:C:HCH

IC:EN:

CO :Cl:

1-3

SD -

alle äußeren Orbitale vollständig gefüllt.

i

1-7

H

HP,O-+H

SC$O

H

1-4

tetraedrisch sp? hybridisiert,

er

I+>Br

H

RN

en

y

2

HP$,C-H

H

HPC»$CI

\

$ (15)°(2s)’(2p)'@s)?@3p)"

s»ypo

v

“

S

P (1)(25)’2pP)S)’Gp)’ 1-8 1-5 Das MO-Diagramm sieht ähnlich aus wie das des H,-Moleküls (s. Abb. 1-8 und 1-9). Da sich nur ein Elektron im antibinden-

Es sollte nahezu trigonal sein (wenn man das freie Elektronenpaar mitzählt), mit identischen N—O-Bindungslängen und jeweils einer halben negativen Ladung auf jeden Sauerstoff-

den, aber zwei Elektronen

atom.

im bindenden

MO

befinden,

resul-

tiert eine Bindung. -

N N

ARE

Ho)

e

.L

ö N

He le Bern ER

N

STAR ON

7

|. 2

He;

v2

£

a

OÖ Se

: O0

N?

O:

a

7—

He

1-9 (a)

%

e

ch

st

a

ER

|

Lösungen zu den Übungen

1341

Die linke Struktur ist bevorzugt, da die Ladungen gleichmäßiger verteilt sind, und die negative Ladung sich auf dem relativ elektronegativen Sauerstoffatom befindet.

2-2 CH;

CH;

CH;CHCH>CHJ>CH;

2

up CH3

Isohexan

Die linke Struktur ist bevorzugt, da das Stickstoffatom in der rechten kein Elektronenoktett hat.

Neopentan

2-3 CH3

1-10

Sec

a

C,H,,0,, Molekülmasse

prim

6C: 72.067 12 H: 12.096 6 O: 95.996 gesamt:

AUC:

“tert 2-4 Erklärt sich von selbst.

180.159

_——

7

H

2-5

x 100 = 40.0

180.159

1:

12.096 Tr 180.159

OH

Hl

CH;

De

NNTET

HC 2-Methylbutan

95.996 NER 180.159

H

2,3-Dimethylbutan

2-6 Das Energiediagramm ist auf der nächsten Seite abgebildet. In diesem Beispiel ist die Energiedifferenz zwischen beiden gestaf-

1-1

felten Konformationen recht klein.

ih i

'

m

H

’ Ba

ok

era HHH

H

H

K = 0.216; anti:gauche = 82:18

3.8= -RT In K = -3.10 kJ/mol ° In K bei 100°C TEEN ER ı

|

K = 0.294; anti:gauche = 77:23 2-8

H Butan

2-7 3.8 = -2.48 kJ/mol - In K bei 25°C

AG

Isobutan

AH? - TAS = 93.8 kJ/mol - (298 K x 139.4 JK' mol!) = 52.3 kJ/mol

Kapitel 2

Bei höheren Temperaturen ist AG” weniger positiv und wird schließlich negativ. Der Nullpunkt AG” = 0, d.h. AH? =

2-1

TAS°, wird bei 400°C erreicht.

er

Far

NM

a

Dabei wurden

Temperatur-

abhängigkeiten von Enthalpie und Entropie nicht berücksichtigt.

2-9

AG" = AH - AS? = -64.9 kJ/mol - (298 K x - 130 IK! mol!)

= -26.2 kJ/mol

CH; CH;

(b) höhere Homologe

CH; ie

CH,

CH3CH CHCH;

Die Entropie ist negativ, da bei dieser Reaktion zwei Moleküle in eines umgewandelt werden.

In

CH; CH>CH>CCH; En

2-10 Bei einer Reaktion zweiter Ordnung gilt: Geschwindigkeit = k[A][B]. Bei 50% Umsatz ergibt sich: Geschwindigkeit = k(1/2) [A](1/2) [B] = 1/4 der Ausgangsgeschwindigkeit.

ee IM

niedere Homologe

an CH;

ei, 13422

2-11

CH3CH>CH;CH3

Lösungen zu den Übungen

(a) +25.9 kJ/mol

(b) AG” = 64.9 kJ/mol - (0.773 x 131) kJ/mol = -36.4 kJ/mol

CH3 CH3

CH3 H3C

H CH3

H3C

CH3

H

CH3

H

CH3

H

CH3

CH3

H

H

H;C

CH;

H

CH3

H

H

CH3

CH3

CH3

Alte PAIR tE Bi DIA N

0

60°

7

120°

Bei diesen hohen Temperaturen wird AH” vom Entropieterm überkompensiert, so daß das Dissoziationsgleichgewicht folglich auf der Seite des Ethens und HCl liegt.

|

ler

180°

|

240°

300°

360°

Mechanismus:

Kettenstart:

C,—>2:Cl-

AH®= +243 kJ/mol

hv

2-12 k=

10e>8-1-33

=

03%

Kettenfortpflanzung:

10? gl

CH,CH, +:Cl- —> CH,CH,- + HCl: AH°® = —21 kJ/mol

2-13

CH3CH;- + Cl, —> CH,CH,Cl:+:Clpk,=14—-pXK,

I

Bram

GE

MESO,RANERON

24

23

21

19

197,

AH® = —92 kJ/mol

1CH;SO;: 152

WR 10.8

BRIEOO-ELCN

..CHLS , EH,07

:HO°

HLNT

CH

93

4

—17

—21

=-36

4.8

—1.5

Kapitel3

:C +20" Cl, AH® = — 243 kJ/mol CH,CH,- + :C1+.—> CH;CH;Cl: AH® = — 335 kJ/mol CH;CH;: + *CH,CH, — CH,CH,CH;CH, AH® = —343 kJ/mol

3-1 \ Br Eine einfache Antwort wäre, daß die Stärke einer Bindung nicht nur von der Größe und der Energie der beteiligten Orbitale, sondern auch von Coulombschen Wechselwirkungen abhängt. Geht man von N oder O nach F, steigt die Kernladung an, die Elektronen in der Bindung zu CH, werden stärker angezogen. Die Polarität der Bindung nimmt zu.

3-2

3-4 CH, + Ch +

Bn —

CH;Cl + CH, + Ch + Br + HCl

Cl, ist reaktiver als Br».

3-5

zuerst: CH3-C(CH3)3 als zweites: CH3$-CH3

DH° = 352 kJ/mol DH° = 377 kJ/mol

CHLCH.CH,CHLL F CL

i

CH,CH,CH;CH;Cl + CH,CH,CHCH; + HCI

3-3 GEL CHL HH. Ch > CHECH;CI F HCI AH"

Kettenabbruch:

= 410 kJ/mol + 243 kJ/mol — 335 kJ/mol — 431 kJ/mol = -113 kJ/mol

Produktverhältnis primär/sekundär: (6 x 1):(4 x 4) = 6:16 = 3:8. Anders gesagt, 2-Chlorbutan : 1-Chlorbutan = 8:3.

Lösungen zu den Übungen

1343

3-6

Kettenfortpflanzung:

TECheH

CICH>

HE

H

€] NR

A

H3C

+ R’

10)

B

IBemsH

NH

H

ESCEzZEH

@l

O Ra:

Cl Cl C

D

10) NE

ER@lr:

(0)

E

N’ OÖ

Kettenabbruch (nur eine Abbruchreaktion gezeigt): 3 primäre Wasserstoffe,

3 Typen von 4,4 bzw. 2 sekundären

Wasserstoffen, 1 tertiärer ARBEC DIE:

A:B:!CE:DIE

= Ex

Wasserstoff.

TH:

Relative

x 5):&a XANAX

4395 162168 Dieses Problem ist in Wirklichkeit

noch

Anteile

A:2

komplizierter,

SE

von

R + I —

x A) da cis-

ne

Ö

und frans-Isomere entstehen (s. Abschn. 4.1).

O

3-7

CHLCH,CH; Ä

(a)

Initiator

RH + SO,CL, ——>

T

RCI1 + SO, + HCl

möglicher Mechanismus: Kettenstart: Init- + SO,Cl, —> Init-Cl + - SO,CI

Es entsteht ein Gemisch, da die Chlorierung am primären und sekundären Kohlenstoffatom erfolgen kann (s. Pfeile).

%

Kettenfortpflanzung:

“SO,Cl + RH —

N

R’ + HSO:CI J HCI + SO,

Irre

——(CH3)3;ECH5€l

CH;

R“ + SO,Ch ——> REIF ASÖ;Cl

Nur ein Typ von C—H-Bindungen,

man sollte eine gute Pro-

duktselektivität erhalten. Kettenabbruch (nur eine Abbruchreaktion ist gezeigt):

Re212-S0,CE

ee

> RSO,EI

Eine andere Möglichkeit wäre, daß bei einem zweiten Startschritt Cl- entsteht:

ISOrEH

0 Dieselbe Situation wie beim 2,2-Dimethylpropan.

Die weiteren Fortpflanzungsschritte würden dann genauso verlaufen wie mit Cl, als Chlorierungsmittel. Diese Möglichkeit ist aber unwahrscheinlich, da die Selektivität bei Chlorierungen mit SO,Cl, anders als bei Chlorierungen mit Cl, ist. Die Reaktion muß also über einen anderen Cyclus verlaufen.

(b)

10)

OÖ

Ne + Ru ar,

NH + RCI

Gemisch

aus verschiedenen

Produkten.

3-9 Ö

Kettenstart: Init- +

10)

Oo

(6) N— Cl —>

Init-Cl +

OÖ

1344

Lösungen zu den Übungen

N-

(6)

Bei dieser Isomerisierung des Butans wechselt ein sekundäres Wasserstoffatom mit einer terminalen Methylgruppe seine Position.

En

m

CH3CHCH>-+-CH3

Folglich: AH" = (Summe der Stärken der gebrochenen Bindungen) —- (Summe der Stärken der gebildeten Bindungen)

(395.7 + 364) kJ/mol — (360 + 410) kJ/mol II -10.3 kJ/mol

trans-1-Brom4-Methyleyclohexan

3-10

3 C+3 H, —>

CH3

Cyclopropan AH? = +53.2 kJ/mol

Cyclopropan +4.5 0, —3CO,+3

trans-l-Brom3-methyleyclohexan

H,O

AH? (3 CO,)= —1182.0 kJ AH° (3 H,0)= -857.9 kJ —2039.9 kJ

Br

AH%,.., (Cyclopropan) = — 2039.9 kJ/mol— (+ 53.2 kJ/mol)

cis-1-Brom4-methylcyclohexan

= — 2093.1 kJ/mol 4-3

3-1 Die Verbrennung

der Butane liefert vier Moleküle CO, und fünf Moleküle H,O (im Standardzustand: flüssig). Dafür erhalten wir: AH? = -[(4 x 394.0) + (5 x 286.0)] k/mol = -3006 kJ/mol. Zieht man von diesem Wert die entsprechenden AMY.» für die Butane ab, erhält man die entsprechenden Bildungs-

enthalpien.

(Man beachte,

daß die letzte signifikante

3-12 (a) CH, > :CH; + :H, AH” = 440 kJ/mol. Mit der in der Aufgabe angegebenen Formel erhalten wir 440 = (218.1 + x) kJ/mol — (— 74.9) k)/mol und damit x = 147 kJ/mol = CH;).

kJ/mol (das ist DH° von CH,Br), so daß AH,(CH;Br) = (147 + 96.5) kJ/mol - 297 kJ/mol = - 53.5 kJ/mol. Für CH; + Br;

Wege ch,

trans

cis

Das cis-Isomer hat die (um etwa 4 kJ/mol) größere Verbren-

nungsenthalpie.

4-4

AG" (gauche-verdecktes ebenen

Butan)

Cyclohexanmolekül

„Butansegmente“.

= 6x

(b) AH; für Br - = %DH” (Br;) = 96.5 kJ/mol. AH, für CH,Br wird aus -CH; + -Br > CH3;Br erhalten mit AH’ = - 297

N CH3

Ziffer

der mit Tabelle 3-7 berechneten Werte aufgrund von Rundungen von den Zahlen in Abb. 3-14 teilweise abweicht.)

AH,(-

H;C Ä

Also

=

15.1 kJ/mol.

ergeben

gilt AG"

sich

Bei einem

sechs

(Sessel-ebenes

ekliptische Cyclohexan)

15.1 kl/mol = 90.4 kJ/mol.

4-5

— CH;Br + Br- gilt AH” = (- 53.5 + 96.5) kV/mol - 147

H H

kJ/mol = - 104 kJ/mol. Die Übereinstimmung mit dem Wert aus Tab. 3-6 ist ausgezeichnet, wenn auch ein wenig zufällig, wie eine genauere Behandlung des Problems zeigen würde.

ist

Kin.

I56le

HH

Cyclopentan

Cyclobutan

(Ha

(M)2 Cyclopropan

Kapitel 4 Die

entsprechenden und 0°.

41

C-H-Torsionswinkel

sind etwa

40°, 20°

Aspekte der Ringspannung und Konformationsanalyse werden

in den Abschn. 4.2 bis 4.5 besprochen. Cycloalkane sind weniger flexibel als offenkettige Alkane,

4-6

ihre Konformation ist stärker fixiert. Cyclopropan muß eben sein, und alle Wasserstoffe müssen verdeckt stehen. Bei den höheren Cycloalkanen nimmt die Flexibilität zu, die H-Atome können gestaffelte Konformationen einnehmen, bei den noch größeren Ringen können die C-Atome des Ringes anti zueinander stehen.

AG’ =-RTinK

FAG, RT K=e

_ 7.1 kJ/mol —2.48 kJ/mol

K=e Vel.: K = 5/95 = 0.053

4-2

HC,

= 0.057

H 4-7

trans-1-Brom-2methylcyclohexan

cis-1-Brom3-methyleyclohexan

(a) AG” = Energiedifferenz zwischen axialer Methyl- und Ethylgruppe: 7.33 kV/mol-7.12 kJ/mol also etwa 0.2 kJ/mol; der Unterschied ist sehr gering. (b) 7.33 kJ/mol + 7.12 kJ/mol = 14.45 kJ/mol. (e)s. Teil a.

Lösungen zu den Übungen

1345

4-8 Nach abnehmender Stabilität geordnet:

H3;C >

H3C

N

äquatorial,

keine zusätzliche Spannung

1

H

gauche

>

ekliptische Spannung

CH,

Eu

H H

H

Umklappen des Ringes im cis-Bicyclo[4.4.0]decan 4-11

>

cn

en

a

ekliptische Spannung, 1,3-diaxiale und

gauche-Spannung

all-äquatorial

4-9

(a)

H

CH

er

H

H CH3

as CH

3

beide axial-äquatorial

Sesquiterpen

(b)

Monoterpen

H

CH;

4-13

CH3z

5

H

H CH 3

Diäquatorial

Chrysanthemumsäure: Alken, Carbonsäure, Ester. Grandisol: Alken, Alkohol.

Menthol: Alkohol. Campher: Keton.

Diaxial

ß-Cadinen: Alken.

(e)

H ®

CH

Kapitel 5

3

CH;

H

H

CH; Diäquatorial

(d)

5-1

CH; Diaxial

Cyclopropylcyclopentan

H

CH; Beide H

H

Kohlenwasserstoffe

Cyclobutylcyclobutan haben

dieselbe

Summenformel:

CsH,4: Sie sind also Konstitutionsisomere.

CH3

5-2

beide axial-äquatorial

Es gibt mehrere

Wannen-

und Twistformen

von Methyleyclo-

hexan, von denen einige gezeigt sind:

4-10 trans-Bicyclo[4.4.0]decan ist recht starr. Umklappen von einer Sesselkonformation

Ein vollständiges in die andere ist

\

7 SCH;

n

H;C 7

nicht möglich. Beim cis-Isomer lassen sich axiale und äquato-

riale Positionen andererseits Ringe ineinander überführen.

durch Umklappen der beiden Die Energiebarriere für diesen

Austausch ist klein (E,= 59 kJ/mol). Da eine der C—C-Bindungen, mit denen die Ringe verknüpft sind, immer axial

Dad

>

stehen muß, ist das cis-Isomer um 8 kJ/mol instabiler als das trans-Isomer (aus Messungen der Verbrennungsenthalpie).

1346

Lösungen zu den Übungen

CH;

5-3

Alle sind chiral, 2-Methylbutadien achiral.

Anzahl

der

(Isopren) selbst ist jedoch

Chiralitätszentren:

2; Grandisol, 2; Menthol, 3; Campher, sterin, 8; Cholsäure,

Chrysanthemumsäure 2; ß-Cadinen, 3; Chole-

11; Cortison, 6; Testosteron, 6; Östradiol,

5; Progesteron, 6; Norethinodrel,

5; Mestranol, 5.

5-9 (-)-2-Brombutan: R (+)-2-Brombutan: $ (+)-2-Aminopropansäure: $ (-)-2-Hydroxypropansäure: R

5.10 H

5-4

CH;

C

Br

C

C

Ne

„NG

a7 NOCH, CH3

CH;CH3

2

CH=CH,

SH

(Zeichnung von Marie Sat.)

CH>CH3 Br

5-5

H

H

NH,

CH3 A Hz

ebene

u

CH;

achiral

10—4—c00n

COOH

CH3

Rn „CH 3 —

|EB,

Spiegel-

H

chiral

CH

H z

HsC

achiral

CH>CH3 cl

CH;

ec

H3C7” achiral

=

6.65

H ‚CH

H;C, ‚Cl

ı

ao

H

1202

5-13

5-7 Opt. Reinheit (%)

Verhältnis (+/-)

Opt. Rotation (°)

75

87.5/12.5

17.325

50

75/25

11.550

23

62.5/37.5

3.1

AR ER Sn CH, b

Ta

5-8

a)

C=CH

669

Das Enantiomer der natürlichen Saccharose hat [a] = -66.5.

()

CH,

5-12

a

(b)

ein =c—

F

achiral

5-6

@)2

Br

= cH,Br> - CC; 22 CH;CH, =— CH; CH; CH3 | | { ) > —CHCH; > —CH,CHCH3 CH; CH; --CICH3)3 > —CHCH>CHz > —CH,CHCH3 > —CH,CH>CH>CH3 Br cl | | tie, = CHcHe = -CH,CH,Br= -CH,CH,

E

d

da

re

Im) a

ee

b R

@

CH; a In

d

—coon DR“

AR a

H

C

“

s Lösungen zu den Übungen

1347

5-14

5-19 CH3

Spiegelebene

b

‚Bra H—C

d

N

ei

j

DB

D

Ce

cr

meso

Ce

(©)

‚Br b

BET d

AN

“me

a chiral

\

a

(d)

Di

DBS

]

\

e@

\

@l

meso

chiral

\

(e)

CH; « H—C d | "COOH

en

(f)

cl

DB

=Cı

cl

cl

meso

Legt man den Substituenten mit der niedrigsten Priorität (d) an das obere Ende einer Fischerprojektion, so liegt er hinter der Papierebene, wie es für die Zuordnung des absoluten Konfiguration mit dem Drehsinn erforderlich ist.

chiral j

EUR

5-15

ac

ci

cl

meso

CO,H

chiral

CO,H

Bone

H>,N—

B.C——7—H

H

H:->

CH>CH3

CH3 CH>CH3

Isoleucin

I I I I

Alloisoleucin

Sie sind Diastereomere.

1: (25, 35)-2-Fluor-3-methylpentan. 2: (2R, 38)-2-Fluor-3-methylpentan.

Q

Cl

3: (2R, 3R)-2-Fluor-3-methylpentan.

5-21

4: (28, 38)-2-Fluor-3-methylpentan. l und 2 sind Diastereomere; | und 3 sind Enantiomere; | und 4 sind identisch; 2, 3 und 4 sind Diastereomere; 3 und 4 sind Enantiomere.

Bei fast jeder Halogenierung an C2 entsteht ein Racemat. Die Ausnahme

ist die

Dibrombutan die beiden

bildet.

Bromierung,

Diastereomere

CH;

CH3 H

Br

H

Br

H

H

@]

cl

H

H

cl

H

B

H

R

IR

H

CH3z

Angriff an Cl:

CH>Br

Br

H H

CH3

Einschließlich der vier Spiegelbildisomere ergeben zueinander diastereomere Enantiomerenpaare.

CH3

sich vier

(R)-1,2-Dibrompentan chiral, optisch aktiv

5-18

Angriff an C2:

CH;

CH;

CH3

Hz

Br

Br

H

H

Br

H

H

Cl

H

(ei

[0

H

cl

H

Br

H

Br

Br

Br

CH;

nr

1348

g

H

CH3

CH3

Eilkhomers Lösungen zu den Übungen

me

sich

achirales

CH3 2,2-Dibrompentan achiral

2,2-

an C3 erhält man

eine meso-Form

5-22

CH3

Br

CH3

der

des 2,3-Dibrombutans,

das eine, das 2R,3S-Diastereomer

CH;3

bei

Bei der Bromierung

von ist.

denen

Angriff an C3:

CH;

CH;

(d)

H

Br

H

Br

H

Br

Br

H

H

H

H

H

CH

|

>

(28,35)-2,3Dibrompentan

CH;

6-3

(a) CH;I + :N(CH3)3 (b) Es gibt zwei Möglichkeiten

CH;

CH3S:” + CHzCH>l:

oder

H

Br

H

Br

H

H

H

H

6-4

H

Br

Br

H

@)

HF

":ÖH

—

0

(b)

EN "ET BB

—>

"BE

()

H3N:

CH;

CH;

Dibrompentan

Dibrompentan

achiral, meso, optisch inaktiv

chiral, optisch aktiv

Diastereomere, zu ungleichen Anteilen gebildet

Angriff an C5:

‘Br:

CH;

chiral, optisch chiral, optisch aktiv aktiv Diastereomere, entstehen in ungleichen Anteilen

Angriff an C4:

I

6

u

CH3

(25,3R)-2,3Dibrompentan

: Br E

CH3 (e)

CH;

?

CH3CH>CH>CH3>AsCH3

TEN

S%

[ci

(d) Na*:ÖCHH

—

CHal: + CHsCH3S:”

"NH

H-S—H

:C

—>

CHÖH

Nat :SH

AL

CH3 (e)

H

Br

H

H

H

H

(CH3),0

TH

BSH, BOZEH-ON

HD

H,O:

—z>

(CH3),0

H,0:*

N 7:OH

—>m,0:

6-5 Mechanismen

1 und 3: Sauerstoff ist Nucleophil, Kohlenstoff Elektrophil. Mechanismus 2: Die C-C-Doppelbindung ist Nucleophil, das Proton Elektrophil. Mechanismus 2: Eine Dissoziation, bei der keine externen Nucleophile oder Elektrophile dargestellt sind, das Kohlenstoffatom ist jedoch anfangs elektrophil und wird es mit der Abspaltung des Chlorid-Ions immer mehr.

CH>Br (S)-1,4-Dibrompentan chiral, optisch aktiv

Kapitel 6 6-1

6-6

CH>CHjl

CH3

>

en CICCH3

CH,

6-7

CHI + ":N=N=N:7 — k=3x

CH3CH>CH>CH>CHCH>CH>3CH>CH>CH3 Beachten

Sie

die

Ähnlichkeit

dieser

6-(2-Chlor-2,3,3-trimethylbutyl)undecan. unterschiedlich benannt?

Struktur

Warum

mit

der wird

von sie

(b) CH5CH3CH>CH>ÖCH>CH;

Ha

1E%

ER Er c—Br:

fl

BE

..

:

+1

107%10* = 3 x 10% mol! 1s"

6-8 Vorderseitenangriff

..

N=N—=N:

(a) Geschwindigkeit = K[CH3I][N3] = (3 x 10%) x (2 x 10°) =6x 10 mol! s" (b) 1.2 x 10° mol I! Ss (©) 2.7 x 10° mol I! s’

62 (a) CHSCH>CH>CHII:

(c) CH3CH>CH>CH>,N=N=N

CH

Er

CH>CH3

H3C IN

—o

a8 CIE

le R:Br:

vl

CH>CH3

Lösungen zu den Übungen

1349

6-13

Rückseitenangriff

H3C\

Hs

TEN a 2, C .

Be:

—

:I-C

vl

..

GHSCHS

l

CH;

+ Br: °Y

CH3CH>

CH3

Br

H

H

Der CN

6-9

Überschuß

cl CH,CHz

(a)

Cl

H

Na

SH

ANA CC

H CH;

+:N(CH3)3 —>

wi

Propanon

era, CH;

H + Br 2S,3R

CH

Alle vier Verbindungen sind Diastereomere ihrer Pendants auf Seite 219.

r (CH3)3N, H

I

1 CH;

CHACHE 2R,3R

Bu

H || (e)

NC 25,48

Bo,

Br

DIESEN

H + Brose

1 CH;

CH>CH>CH>CH 3

(b)

AH

CH;

CH-CH3

H

CN

2R,AR

SH-—

CH>CH>CH>CH3 H

H

6-14 I ist eine bessere Abgangsgruppe

als Cl’. Als Produkt ent-

steht deshalb CI(CH3,),SeCH;.

+K° SeCH; — H CH3

6-15 ie CH3Se

H

&

BR

OH

OÖ

H CH;

CH3SO;,Cl

Nal

- HCl

- CH,SO,Na

—

CH;

6-10 CH3

I

CH3

H

Br

H

I zeBr

H

Br

NC

H

CH;

NC

CH;

6-16 ss

CH;

meso

5

meso

CH;

Os

CH; TREE 2 Ts

H50/

zul

I trans

CN

6-17

eis

(a) CH,;S°

6-1

LH

b Hl

ji 23,000

(b) CH,;NH°

(ce) HSe’

(b) CH;CH3Se”

(c) H,O

6-18

CH,CH3 e 0 CH>CH; H-I-=-1 +CcH3CO—ocHzCO-4—H +7 (CH>)4CHa (CH>)aCH;

CH,CH3 Br{4—-H

0 CH3CH> O +CH3CO” —> H—4—-0CCH3

6-19

(a) CH,SeH

(b) (CH,),PH

(a) CH;S’

(b) (CH;);NH

6-21

(CH>)4CH3

(CH>)4CH3 6-12 (S)-2-Iodoctan

(a) P(CH3);

6-20

|"

1350

CH;

Die reaktiven Substrate sind (a) |

(R)-2-Iodoctan, d.h. Racemisierung.

Lösungen zu den Übungen

und (b) CH;CH>CH»Br

Br

6-22

HzC

7-7

Br

Br

Br

(CH JsCBL = — (CH=),C CH3CH3>OH.

0

| sıı

El

3 E%

ZEN

(CH3)3COCH3>CH3

Kapitel 7

G

CH;

(CH3)3COH

+

7-1

H'

Verbindung A ist ein 2,2-Dialkyl-1-halogenpropan-Derivat (Neopentylhalogenid). Der die potentielle Abgangsgruppe tragende primäre Kohlenstoff ist stark gehindert, deshalb also sehr unreaktiv gegenüber jeglicher Substitution. Verbindung B ist ein 1,1-Dialkyl-1-halogenethan-Derivat (tert-Alkylhalogenid) und erliegt der Solvolyse.

CH;

ER

ae

je

H'

7-8

Br

OH Ho

A

7-2 Sn2

Gebrochene Bindungen: 281 + 498 = 779 kJ/mol Geknüpfte Bindungen: 389 + 364 = 753 kJ/mol AH°=

Demnach

+ 26 kJ/mol

sollte die Reaktion

noch statt, da ein Überschuß

endotherm

sein. Sie findet den-

von Wasser

vorliegt und bei der

Solvatation der Produkte Energie frei wird.

—

E2 nicht

7-10 I ist eine bessere selektiv eliminiert.

7-3

er

7-9 CH,=CH;; lich.

Sr

+Br

—

E2

möglich;

CH,=C(CH;3),;

Abgangsgruppe;

7-1

HI

E2 nicht

wird

deshalb

mög-

regio-

Br

Br achiral

R

..

(CH3)3C

Br

Anti

H

S Das

Molekül

Ion.

Durch

dissoziiert

in das

Rekombination

achirale

entsteht

tertiäre

eine

1:1

Br

Carbenium-

Mischung

von

(CH3)3C

R- und $-Produkt.

In beiden Fällen bevorzugt die 1,1-Dimethylethyl-Gruppe die äquatoriale Stellung. Daher steht im cis-Isomer die Abgangsgruppe anti zu zwei Wasserstoffatomen. Im trans-Isomer nimmt Brom zwangsläufig eine äquatoriale Stellung ein ohne anti-ständige Wasserstoffatome. Damit Eliminierung stattfinden

7-4

re Am

,

ie

+

a

Planar

kann, muß

wofür

H,O —

das Molekül

zunächst

ungefähr 23 kJ/mol

seine Konformation

aufgebracht

werden

ändern,

müssen

(Tab.

4.3).

je

7-12 (a) N(CH;,),, stärker basisch, schwächer nucleophil

CH; (b) (CHz3CH)>N „die stärker gehinderte Base

7-5

(c) Cl”, stärker basisch, schwächer nucleophil |

Propanon

+

score (0)

(CH3)3C Br

e

m

+ CH3SO3 cl

si

VAN

(CH3)3CBr

7-13 Eliminierungen sind meist durch die Entropie begünstigt, und

der Entropieterm

in AG’ = AH" - TAS” ist temperaturab-

hängig.

(CH3)3CCl1

7-6 (a) Es handelt sich um eine Sy2-Reaktion mit Inversion.

(b) In einem schwach nucleophilen protischen Solvens findet hauptsächlich Solvolyse über ein intermediäres achirales Carbenium-Ion statt.

7-14 (a) Beim

zweiten

Beispiel erhält man

mehr

E2-Produkt,

weil

eine stärkere Base vorhanden ist. (b) Beim ersten Beispiel erhält man das E2-Produkt, hauptsächlich deshalb, weil eine starke, gehinderte Base vorhanden ıst.

Lösungen zu den Übungen

1351

Kapitel 8

8-10

OÖ

8-1

(a)

OH

N

ul er

HO CH;

+ NaBHy

(d)

+ NaBHy

(ce)

Br

(c) (CH,),CCH,OH

OÖ

CHO

x

+ NaBH4

(b)

+ NaBHy

CH3(CH>,)gCHO

OÖ 8-2 (a) 4-Methyl-2-pentanol; (b) cis-4-Ethyleyclohexanol;

8-1

OH

(ce) 3-Brom-2-chlor-1-butanol. (a)

8-3 Alle die Basen, deren konjugierte Säuren einen pK,-Wert > 15.5 haben, d.h. CH;CH;CH>CH;Li, LDA und KH.

CH3CH>CHCH(CH

» [I

CH>OH Sn aRe

8-4 OH

OH

OH

OH

(e)

3) 2 St Na,Cr507

a

CH;CH>

CH;

+ Na2Cn07

Cl
CHı=0

(CH), CHMgBr — > (CH,),CHCH,OH 8-14

8-7 Der erste Schritt ist eine Sy2-Reaktion, die zu Inversion führt. Beim zweiten Schritt bleibt das Chiralitätszentrum unverändert.

Daher entsteht (S)-2-Butanol.

\ (a) CH3CH>CH>MeBr

(0)

8-8

Ho, H (a)

(b)

tz CH;CH

H Ho

RER

(b) m

+ (CH3)3CLi

Se rg

\

ou CH3CH>CHCH>CHz

(c)

CH;COCH3

+2

CH;MsBr

6) H ‚CH3 (c)

H ‚CHa

ee

(d) CHSCH,CH-CHSLIF H,C CH,

+

HO H

8-15

H OH

(a) Produkt: CICH>CH>CH>C(CH3)2

8-9

ÖCH>CH3

weniger gehindert

\

:

Ba

(b) Produkt:

R OH

H

R

n

5

H

H gehindert

1352

über Sl

Lösungen zu den Übungen

CH;Cl CH>=CHCH>C(CH3)>3

über E2 (gehinderte Base)

Das zweite Chloratom ist in einer Neopentylposition.

9-3

(ce) Produkt:

HO CH;

il

H>0°)CH;

CH3

or

(CH3)2CCHzCH>CHO

E20 2

Die zweite Hydroxygruppe ist tertiär.

Cl

8-16 Der gewünschte Alkohol ist tertiär und kann daher einfach aus 4-EthylInonan mit 1. Br,, hv, 2. Hydrolyse (Syl) dargestellt werden. Der eingesetzte Kohlenwasserstoff ist allerdings selbst komplex und würde eine aufwendige Synthese erfordern. Die Retrosynthese mit der C—O-Bindungsspaltung ist also wenig geeignet.

CH;

B.

so,

(a) Das tertiäre Carbenium-Ion wird entweder vom Nucleophil (CI’) abgefangen oder reagiert nach El. (SO ist ein schwaches Nucleophil).

8-17

OH

9-4 CH;

MeBr ——

h

CH;

OH

OH>

“

H'

2

r

120: |

Dee

oO =

a

H3C_

oe

‚Br:

EB.:Br:

)

OH =

Z

H

en

#.BiMe

nm

(0) 8-18

sekundäres

tertiäres

Carbenium-Ion

Carbenium-lon

9-5

(a) OCH3

CH, 22, CH3Br 8, CH3MgBr

(b) CH:CH,

Cl

CHSROLER, l. NaOH

l. CH3a=O

DEBEE

2ERCE

CH-=0O

CH;

_CH;CHO

9-6

CH;

CH3CHO

l. CH3MgBr 2. Na5Cr207

———

|

CH3CCH3

CH 3MgBr

m

(CH3)3COH

€l

CH3 ie]

H

|

H-Verschiebung

CHECHLECH,

Ser

Seen,

H

————

ee

H H sekundäres

Carbenium-Ion

Kapitel 9 CH3 |“

9-1

CH,OH + CN” pK, = 15.5 Antwort:

zweite H-Verschiebung

CH3CCHCH3>CH3 K=10"°°?

==

| H

CH. O0Z+-.HCN

pk,=9.2

>

sekundäres Carbenium-Ion

nein

CH3

|

9-2

CH3CCHSCH;CH3

CH3OH

ar

CH3O

tertiäres Carbenium-Ion

9-7

w

CH3CCH>CH>CH3

OÖ

90% Cyclohexanon

Lösungen zu den Übungen

1353

9-8

9-15

CH3

CH3 HS

CH;

11

CH;

H-Verschiebung

— H50

-H*

NaOH schnell

OHEH

+

OH

meso

(IR, 2R)-2-Bromcyclopentanol

Der nucleophile Sauerstoff und die Abgangsgruppe stehen trans

9-9 (GES),

CCH=CER

und

(anti).

(CH3;);C=C(CH;),

Re 9-10

“ Ss:

HO

ia

keine Epoxid-Bildung; relativ langsame E2 und S,2-Reaktion

_—— =

R

pl

(15, 2R)-2-Bromcyclopentanol HO

HO+

;

|

Hier sind Nucleophil und Abgangsgruppe cis (syn.).

Ö 9-1

HÖCH>CH>CH>CH,>ÖH + H* —

Es

OH +

CH3

un

_CH3SO;CI„ ana —

TI — CH3SO4Na

COR;

SCH 7,

IDe =.

CH;

60

® n

H

iu

9-12

(a) P, L; (b) HCl; (ec) PBr;

[

CH;

\+ H*

Ö

9-13 (a)

1" CH;CH3I

23 CH,CH,O

7 CH;CH,

CH, CHLOTNa",

Na*' ar CH;CH3;CH3;CH;3l

(b)

CHE |

O Na’

2

a

CH3CCH>CH>CH>CH>0OH

(b)

Am besten

+ CH3l

I Die Alternative,

CH3O

Na* ge

hat den Nachteil konkurrierender E2.

| :OH sr

(ec)

€H5

2,2%

Ha 2 ch oO

=

+ H50

Tem

58

O Na’

+

CH;

|, CH;

‚CHE

£

CH3CH>CH3>Br

(d) Na Ber [6)

O°Na”

(0) ..

udn; fee Ö:

&.

+H"

che

+ CH3CH>0SO,CHz

Br)

=

=

(CHIC

160

+ H

CH;

9-17 (a) Dieser Ether wird am besten durch Solvolyse synthetisiert:

CH;

|

a

CH;

|

Sr na CH3

H Solvens

DR nn

CH;

Se CH;

H

2-Methyl2-(1-methylethoxy)butan

1354

Lösungen zu den Übungen

Die Alternative, ergeben:

eine

würde

Eliminierung 1.

0 en

Sy2-Reaktion,

n Tr use

CH3

BrCH,CH,CH,0OH

==

(CH,)»COH, H*

2 Mg 3: D; oO 4. H*, H50

—— =>

DCH,CH,CH,OH

H 9-21

CH3

CH;CH=CH> + GE

CH ae,

CH;

Br

ergibt nur Produkt

ergibt Gemisch

(b) Am besten benutzt man eine Syn2-Reaktion mit einem Halo-

genmethan, da ein solches Alkylierungsmittel keine Eliminierung eingehen kann. Die Alternative, eine nucleophile Substitution eines 1-Halogen-2,2-dimethylpropans ist normalerweise zu langsam.

1

9-22 (CH3z )3CLi

.

O

Sir 2 \

9-23

ln

(a) (©) (d) (e)

ICcHsCl >

CH 3

Cis CH3CCH>0OCH3

(CH,),COH _ (b) CH;CH>CHJCH;C(CH,); OH CH,SCH,C(CH;);OH HOCH,C(CH,)OCH>CH; HOCH,C(CH,),Br

Ar El 9-24

CH;

6)

1-Methoxy-2,2-dimethylpropan (a)

on

MN

+

HS

ed

a

57

CH;

CH3CCH>Br + CH;,O °——

HT, MO,

langsam, unwahrscheinlich

el

sOCh

HO

CH; 9-18 (b) Intramolekulare Bildung des Sulfoniumsalzes:

CH.OCH.

241.

>2CH.T + 1,0

Mechanismus:

>,

CH30CH3 38 HI: =—— H a 2% £H= 0 =eH;

CH30H + Hl: ==

De: :I:

CH;

CH30CH3

2

CH;

: BB CH3l: + HOCH;

——

CH: CICHZCHISE. | I Ocm +

H ®

..

—> CICH>CH>SCH>CH,Nu"

{

CH30H + :I:

Kapitel 10

TEN >,

10-1

CHal: Ir H>0

SH:

g

nn CH;

CH;(CH>J)ACHOH

„N + HT —

cl

+ :I: „

9-19 ”® “

OLE

CH,

Nucleophile greifen unter Ringöffnung an:

H

—-0—-H

CHo— Cl -—

BL

CICH>CH>SCH;

H

N I:

@-

SR 9.0

a

.CHS

> 10-2

DHK, = 243 kJ/mol. AE = 120 000 /X (AE in kJ/mol, X in nm). % =

120000/AE

=

490 nm,

im Bereich

des ultravioletten

und

sichtbaren Lichtes. MEETS

H,0./

EN

I

I-——

10-3 öd = 261/300 = 0.87, 8 = 861/300 = 2.87, 8 = 957/300 = 3.19;

DENN

H,O

+1

I

bei 90 MHz bungen Öd.

erhält

man

die gleichen

chemischen

Lösungen zu den Übungen

Verschie-

1355

10-4 In beiden Fällen treten die Methyl-Wasserstoffatome bei höherem Feld (niedrigerer Frequenz) in Resonanz. In CICH,OCH; sind die Methylen-Wasserstoffatome wegen des verstärkten elektronenziehenden Effektes der beiden Heteroatome ziemlich entschirmt. In CH3OCH,CH,OCH; liegt der Unterschied darin, daß es sich um primäre und sekundäre Wasserstoffatome handelt.

10-5

(a)

nT

CH3

(b) CH3ZOCH>CH>OCH>CH>0CH3

a

BC

3 Signale

CH;

äquivalenten Methylgruppen zuzuordnen. Die Aufspaltung zum Dublett erfolgt durch das benachbarte tertiäre Wasserstoffatom. Das Dublett bei niedrigstem Feld (höchster Frequenz) (J = 6 Hz) der relativen Intensität 2 wird durch die beiden Wasserstoffatome der Chlormethylgruppe hervorgerufen, die mit dem benachbarten tertiären Wasserstoffatom koppeln. Demnach koppelt das tertiäre Wasserstoffatom gleichzeitig mit den entsprechenden Kopplungskonstanten mit sechs Methyl- und zwei Methylenprotonen. Das so gebildete Multiplett sollte ein Septett von Tripletts oder ein Triplett von Septetts sein: Maximal sind 21 Linien möglich. Da jedoch die Kopplungskonstanten zu den beiden

beobachtet Linien.

1 Signal

(c)

10-9 Das bei höchstem Feld bzw. tiefster Frequenz zu beobachtende Dublett (J = 6.5 Hz) der relativen Intensität 6 ist den beiden

Sätzen

äquivalenter

(entsprechend

Protonen

ähnlich

der (N+ 1)-Regel)

nur

sind,

neun

10-10

%

(a) Quintett

(quin);

Triplett

von

Tripletts

(tt); (b) Quintett

(quin); Dublett von Quartetts (dq, oder Quartett von Dubletts, qd, was dasselbe ist); (c) Sextett (sex); Dublett von Quintetts

H>C—CH> 1 Signal

(dquin); (d) Octett (oct); Triplett von Tripletts von Quartetts (ttq); (e) Nonett (non); Triplett von Septetts (tsep).

10-6

(a) Keine.

(b)

10-11

|

8 = 12.7 (t), 26.1 (tq), 35.4 (t)

Ws

—

N

H;C—CH>

—CH>—

Unieltasael

H

q

(c)

man

tq

Br

t

10-12

7

(a) 3; (b) 3; (e) 7; (d) 2.

10-13

aber nicht an C-7

(a) Drei Linien, eine davon bei relativ hohem Feld (CH;). Das

10-7

ZA

Ch, hv ——

x

cı

Si; = cis

zeigt Signale für eine CH;- und zwei CH-

(b) Drei Linien,

kein CH;-Signal.

Das

DEPT-Spektrum

zeigt

Signale für zwei CH,- und eine CH-Gruppe.

er

ai N

C Ina:

Cl

DEPT-Spektrum Gruppen.

Kapitel 11

€

11-1

trans

(a) 2,3-Dimethyl-2-hepten

1,1-Dichlorcyclopropan

zeigt nur ein Signal, wogegen

cis-1,2-

(b) 3-Bromeyclopenten

Dichlorcyclopropan drei Signale zeigt (die beiden den Chloratomen benachbarten Wasserstoffatome an Cl und C2 sind äquivalent, die an C3 diastereotop). Im Unterschied dazu sind die

11-2

Wasserstoffatome an C3 im trans-Isomer nicht diastereotop, wie man durch eine Rotation um 180° um die zweizählige

(b) trans-3-Hepten

(a) cis-1,2-Dichlorethen

Drehachse des Moleküls zeigen kann:

11-3 (a) (E)-1,2-Dideuterio-1-propen

jaly

(b) (Z)-2-Fluor-3-methoxy-2-penten (e) (E)-2-Chlor-2-penten

Ja!

XCH cl

H

180°-Rotation

,H

cı

—,

11-4 Cl

(a)

(b)

OH

Daher zeigt das Spektrum dieser Verbindung nur zwei Signale.

10-8 Die folgenden Werte für ö wurden in CCl, gemessen: (a) ö = 3.38 (q, J = 7.1 Hz, 4 H) und 1.12 (t, J = 7.1 Hz, 6H) (b) ö = 3.53 (t, J = 6.2 Hz, 4 H) und 2.34 (quin, J = 6.2 Hz, 2H) (©) 8 = 3198, IH), 1748 (4, 7= 0: 7EI, DIE) AATSFEEN):

1356

Bl) und 3771. (4, 7 =

Lösungen zu den Übungen

11-5 (a)

HZ)

aan See

(b)

und 0.90 (t, J = 6.7 Hz, 3 H)

(d)d8 = 5.586, 2 = 7.Hz,

OH

(1-Methylethenyl)cyclopenten

penten

oder

(1-Methylvinyl)cyclo-

\

CH>5>=CHLi

iF

+ CH3CCH; —>

„normalen“ tetrasubstituierten Doppelbindung (= -113 kJ/ mol) von AH" der Umwandlung von A nach B subtrahiert:

159 kJ/mol.

Dee

CH3

11-14

(CH3),C=CHCH;3

Die Reaktion von Ethenyllithium (Vinyllithium) mit Carbonylverbindungen verläuft ähnlich denen anderer metallorganischer Alkyllithiumverbindungen.

B

11-15

H‚CH

H

11-7 Das Brücken-Wasserstoffatom an C7 im ersten Isomer liegt in dem Bereich, der durch die Doppelbindung abgeschirmt wird.

(CH;),‚CHCH=CH;

A

ar

H cr

,

Base

RN

D oder

Br

ss

11-8 H;C

c=C

1.88

N

Deut

De

ar

wer

E

ea

Rt:

H_

H;C ._ ICH __H

H=I2 25:81

ZOG

De

cis (Z)

(0)

6.95

4.13

1.24

Die trans-Kopplungskonstante beträgt 16.0 Hz. Die Kopplungen zur Methylgruppe an der Doppelbindung stehen in Einklang mit den Werten aus Tab. 11-1.

H

HcH Se

2

Base

DS H;C

oder

u

RS 11-9

H Alken A:

H B:

Z

c=C

Dreze Wr

H

en

N

H,C”"

CH3

Z

2

CH3

CH; 11-10 H;;. Hy; Hau Hy: Hz:

trans (E)

CH3CH>CH=CH>

2 Cl

(a) (b) (ec) (d) (e)

rc erh

CH,

= = = = =

12, 20, 17, 19, 8,

Grad Grad Grad Grad Grad

der der der der der

Ungesättigtheit Ungesättigtheit =| Ungesättigtheit Il Ungesättigtheit Ungesättigtheit = ovurn

Man beachte, daß im ersten Fall ein Isomerenpaar gebildet wird, dessen Konfiguration der des Isomerenpaares im zweiten Fall entgegengesetzt ist. Inwieweit deuteriumhaltige Produkte dominieren, hängt in beiden Fällen vom DeuteriumIsotopieeffekt ab. Die erhaltenen E- und Z-Isomeren von 2-Deuterio-2-buten sind jedoch in jedem Fall isotopenrein. Es wird kein protisches 2-Buten mit derselben Konfiguration gebildet. Die protischen 2-Butene sind auch isotopenrein, sie enthalten kein Deuterium.

11-16 Erste Reaktion:

H;C

1-1

BANN Eine andere Möglichkeit für (c) wäre

.cb H

Be

(c)

| -

EReCcch, ee HHH

ml

ee

CH>CH;

ne Diese Verbindung sollte jedoch für die Methylgruppe ein deut-

liches Triplettsignal als Teil des Hochfeld-Multipletts zeigen.

ge!

EB


CH3

w

CH>CH;

H3C

j

CH>»=CH> + HO—OH

H;C

> H

er

H

-H

+H'!

272 tetrasubstituiertes Alken, am stabilsten

HSSH 2x (=385)

214

Daraus ergibt sich AH" = -284 kJ/mol. Obwohl es sich um eine stark exotherme Reaktion handelt, ist ein Katalysator erforderlich (s. z.B. Abschn.

11-18

12.10).

12-2 H;C

CH3CH>0OCH>CH3

= D

>) CH>C

\S

CH>CH3

N

Pas

H3C

H>-OCH>CH „OCH>CH3

>

D

CH3>CH3

Da

wc [aD

HOSO;

——— — RS)

H

VL SER

H

>

N

HC

H

PP:

Ne D

£/R

5

"CH>CH3

D

racemisch

CH,=CH2

Ei CH;CH>0OH

12-3

C(CH3)3 Das

Ethanol

kann

nach

dem

früher beschriebenen

Mechanis-

mus dehydratisiert werden.

gehindert durch die 1,1-Dimethylethyl-Gruppe

H

a)

11-19 Die Bildung von A erfolgt durch eine säurekatalysierte Umlagerung, nicht durch eine Oxidation.

1358

Lösungen zu den Übungen

H

ss weniger gehindert

12-4

12-8

CH>CH>

»

H,, Kataly-

.c—C

zn

HS

H;C

CH;CH> „er

CH3

CHICH3)2

en

CH; kein Chiralitätszentrum

12-5

(a)

+ H* - H*

CH>CH3 H 3C

e

(b)

Fe Br

(c)

= ”

var + H+

(CH3)aCCH>CH3

Tetrasubstituiertes Alken. am stabilsten

Br

12-9

Br

F

+

CH>=CH>

292 CH3

|

CH>—CH>

ar

158

2 x (= 448) kJ/mol

CH;

AH° = — 469 kJ/mol

eis und trans

2 12-6

CH>z=CH>

+

DD.

I—-I

—o

CH,

151

CH;

2 x (= 222) kJ/mol AH° = — 21 kJ/mol

12-10

„/ Br

Br>

H”

E

ei

N Br*

E:

HBr

>

Zu

Br

Br

Reaktionskoordinate ——

12-7 Die Protonierung des 1,1-Dimethylethyl-Kations_ (tert-ButylKations) ist reversibel. Mit D" erfolgt ein schneller Austausch aller Wasserstoffatome gegen Deuterium. 4

m

+

+

—DCH.CH 5 —

CH>=C(CH3)>

=D

DCH—C(CH;)

D>C=C(CH3)2

se pl

+ D*

- D*

De

=

D;C

C=CH3

sr

"

D,CHC(CH3) a—= +H

N

+

D;CC(CH3)a ——=

=

+D

a

+H

h

USW. ----->

H;C

(IR2R)-trans-1,2-NMibromceyclohexan

en (CD3)3C

R

D>0 7,

(CD3)3COD

a)

Die anti-Addition Konformationen

als erster

Reaktionsschritt

führt bei beiden

zum trans-diaxialen Konformer.

Lösungen zu den Übungen

1359

12-11 (a) Es wird nur ein Diastereomer gebildet (als Racemat): Er

EN ee

Ch}, H50

4

H

| HgOCCH3 —

HOCH;

CH;

CH>OH

a

H m

H;C°

N

+ Enantiomer

H

HgOCCH3

OH

0

CH>CH;

N SL

cı

DIN:

H

re

H

HLH HO

CHSCH3

Produkt

12-15

HH

R

Non

(a) CH,CH,CH,OH (b) H S

BrOH

Bee DI ENGE H3C D

CH>CH3

no H;C' 4 cl

NaBH,, HO”

——

CH>0OH

(b) Es werden zwei Isomere gebildet, von jedem aber nur ein Diastereomer (racemisch):

H;C

H

+ Enantiomer

+ Enantiomer

12-16

(a)

12-12

(a)

ad CH3CHCH3>Cl

(b)

“OH

“

OH H;C

ZER

+ Enantiomer

Br

Bi

Br

H,C

+ Enantiomer

(beide Enantiomere)

Br

H3C

H yD - Br

OH

OH 12-17

HC

on,

ei MCPBA

er

CH;Li_ R

H*, + H,O

+ alle Enantiomeren

ISCH3

12-13

H

IE

H;C

H

12-18

Brs, CH3OH

(a)

CH>CH3

N

HO

cis-2-Penten

Br

ZEHLCH, ER

+ Enantiomer

H’

H;C

OCH3

je

OH

+ Enantiomer

H

OH + Enantiomer

"OH

70% Die Öffnung des Bromonium-Ions kann auch zur Bildung von (3R,2R)- und (35,285)-3-Brom-2-methoxypentan führen. 12-14 Der Mercurierung folgt ein intramolekularer Abfang Mercurinium-Ions durch eine der Hydroxygruppen.

1360

Lösungen zu den Übungen

(ec)

des

ER

4u,

© SG

H

/»CH>CH3

>

Don

+ Enantiomer

12-19

12-23

H;C

CH3z ei

H

Kettenstart:

/

AR

H,O,, kat. 0s0O,

(CoH5)2PH

H

a,

(CoH5)2P*

+ H-»

Kettenüberträger

HO

OH Dos

% cH

r2

a

ee;

HCl

HO das gleiche h

3

.

wie

Kettenwachstum:

HcH, Di

H

ekliptisch

CH3(CH>)5CH=CH>

C/

3 E

gr (CH s5)>P *

OH

Sm.

CH3(CH3)5sCHCH>P(CeEH

z )2

stabileres Radikal

gestaffelt meso

CH3(CH3)5CHCH>P(CeH

5), Ei (C6H5)>2PH

>

CH3(CH>)5CH3CH>P(CeHs)2 + (CoHs)>P * H;C

H

er H

EN

H,O,, kat. OsO, 12-24 Hierbei

CH3z

Ki

HCl

C

H

HO %

das gleiche

we

HA

ge

handelt es sich um ein irreguläres Copolymer, das beide Monomere in zufälliger Anzahl, jedoch regioselektiv entlang der Kette enthält. Schlagen Sie einen Mechanismus zu seiner Bildung vor!

H;CH

57

fer Sr

\

H

ekliptisch

|

= en cl

gestaffelt

(RR), (5,5)

( ST In” cl

Kapitel 13

12-20

13-1

(a)

C12H20

RTLEN

s.ıor=7r%

1-Hexin

2-Hexin

on

12-21 O

4

OÖ

Hsca_

3-Hexin

(a)

+ CH,=0O

(b)

4-Methyl-1-pentin

+ CH,z=0O

CHO

H3C

Oo

H

ee

(R)-3-Methyl-1-pentin

(0)

12-22 Lassen Sie sich nicht dadurch verwirren, daß dieselbe Verbin-

(S)-3-Methyl-1-pentin

— = .CH,

(CH3);.— =

4-Methyl-2-pentin

3,3-Dimethyl-1-butin

(b) (R)-3-Methyl-1-penten-4-in.

OÖ

()= dung unterschiedlich gezeichnet wurde:

dasselbe wie CE)

0) Daher ist die Ausgangsver-

ist

OH on

=

3-Butin-1-ol

IC

==

(R)-3-Butin-2-ol

($)-3-Butin-2-ol

—R

=

OH bindung KE

H

m

2-Butin-1-ol

—OH

“

1-Butin-1-ol (Diese Verbindung ist außerordentlich instabil und existiert nicht in Lösung)

Lösungen zu den Übungen

1361

13-2

13-10

Nur diejenigen Basen werden Ethin (pK, = 25) deprotonieren, bei denen der pA, der konjugierten Säure höher ist als der von Ethin: (CH,);COH, pK, > 18, daher ist (CH,);CO” zu

(a)

schwach;

LDA

ist jedoch

geeignet,

‚denn

HC=CLi

CH3CH>CH>»Br

[(CH3);CH])NH,

I. CH3CH>CH>CH;Li

PK, = 40.

HC==CCH;>CH;CH,

13-3

Br

ABa

CHa3

N Rh

%

—-SHRCHzcH OH |

CH3CH>zCHC=CCH>CH>CH3

H (b)

"

/

I. CH3CH>MgBr

|

CH CH. ce

Dublett von Septetts oder Septett von Dubletts

in

13-4

AG’ = -RTin K = 15.8 kl/mol. H 13-5 Reihenfolge der Acidität:

13-11

CH,CH=C=CH; < CH;CH;C=CH Beide Deprotonierungen führen zu demselben Anion. Da 1,2Butadien stabiler ist als 1-Butin, wird es schneller deprotoniert. Zeichnen Sie ein Energie-Diagramm!

cH3

13-6 Ja. Es gibt keine Symmetrieelemente wie Spiegelebene oder Inversionszentrum, die zu einer achiralen Verbindung führen

(6)

(6)

würden.

13-7

13-12

Die Ausgangsstoffe können jeweils sein

Be

Or

Sr

CH-CH,=CH

acider, und Br

a

direkt benachbarten Wasserstoffatome

sind

ist eine bessere Abgangsgruppe als F.

),C=C(CH3)4,C=C

13-9 H

H\

H

H3C

CH3

Br

cis-2-Buten

B

Re

Br>

nn

2

CH

na

8

H;C

4.20

ZEH

ne)

NH

SEN

— HBr

S 2

B: l. Br

N

a

trans-2-Buten

2

_ Na fl.NH, 5

H’, H50

13-14 Die Protonierung führt zur Bildung eines durch das Bromatom stabilisierten Kations:

H SCH

e

3

H;C

C=C

ga:

R

ey

CH;

(Z)-2-Brom-2-buten

tee c=C ns

H;C

C=C

r

\ H;C

ja

A

Fe

CH3(CH>)„CH=CH(CH3>)4C=CH 75%

Rotation

(2R,3R)- und (25,3S)-2,3-Dibrombutan

Br.\

1362

Ho_

13-13 In Gegenwart von Natriumamid wird die terminale Alkingruppe deprotoniert. Dadurch wird eine Elektronenübertragung zu einer negativ geladenen Alkinylgruppe nicht begünstigt.

CHRCH,)CE=UCH ea

Br

H

Li

24 0 3. H», Lindlar-Kat.

Ze

13-8 Die dem Fluoratom

F

l. CH3CH>CH>CH3

(CH3)sCH3

Br

H;C

Sn Ü=C 7

ZA

N

H

CH;

(E)-2-Brom-2-buten

Lösungen zu den Übungen

He :Br

He *Br: ——

ee

+

H

H

13-19

13-15

ER:

Sr IS 35 Br CHSG=CEH I, CH,CH=CCH, >

I —

CH;3CH=C

I

+4/

% N

Br

OH CH;

CH;

Br:

CH;CH,C

>

ie a

Va

Br

|

r

Zn:

Ra

Br:

Br

CH3CH3C\|

CH;

13-16

CHSCH>C=CH 2;

N: BR CH,CH, ca

13-20 1 ers

1. CHZCH>CH>CHJLi 16)

N

Che] DE cr

OH Hs, Pd/C

een

HO

OH

HO(CH>)gOH 13-21

13-17

\|

(a) CHHCHO

\

(b) CHzCCH3

I. Diisoamylboran 2. CH3zCOOD

CH3(CH>)3C=CH

en

(ec) CH3CH>CCH3

H

CHz3(CH>)3 @=@

2 EN

D

Ir CH3CH»MeBr

l

CH;z(CH>)3;C=CH

CH3CH,CCH;

(d)

i (e)

4

CHa(CH>)3 c=Cc

i

H 13-22

O

an

2. DO 3. Diisoamylboran 4. CH3COOH

(a) CH,CHO

An En

(©)

(b) CH,CH;CHO

CH;CH,CH,CHO

oO 13-23

13-18

(CHS),C@=CH

o |

BeccH,

|

Eh,

l. LiC=CH

>

MD

ic=C—-COH

13-24

H*, H0, Hg?" =

>

1. Bra 2. LDA

CH;

I. Dicyclohexylboran 2. H>02, HO

Le

Zn

Or CH CH»C--COH CH;

| > (CH3)3CCH>CH

1. Li 2. Cul 3. CH3CH3CH2CHII |

Siehe Aufgabe 13-9

ur = Lösungen zu den Übungen

1363

14-4

HO

- Cl

OH

H

|

CHsCHCH=CH,

H

H

H

H

=: y

HsCl

a

+ H,O + Br”

CH3CHCH=CH3

‘ CH3CH=CHCH3'|

BO

H

Body

Kinetische

N H

|

— HgCh,

H

HsCl

re H

Thermodynamische

99

2ZCH H

Kontrolle

Br

N

CH3CHCH=CH;

CH3CH—=CHCH3>Br

+

+

H>0

H,O

13-26

CH;

14-5

CH;

| RC=CCH>NCH>

—>

kESCH> CH,

|

RC=CCH;N\ |

..

RL

SCH,CH,—Cl —

CH

J

CH;

Chlorid ist ein besseres Nucleophil das Acetat-Ion. Das intermediär daher zunächst von Cl” in einem gen, so daß sich das Lösungsmittel

als Essigsäure und auch als gebildete Allyl-Kation wird reversiblen Prozeß abgefanam Ende durchsetzen kann.

14-6

RC=CCH3NCH>CH;Nu

Kapitel 14 CH3z 14-1

+ RCOO

LE

I

EN 14-7

O

+N

MsBr

HO

HO ze

H

1. O3

2. (CH3)2S

oO

14-2

14-8 (a) 5-Brom-1,3-cycloheptadien (b) (E)-2,3-Dimethyl-1,3-pentadien

(a)

(b)

CH;

Br

(©)

#

CH; Br

Eine Bromierung

an der primären

allylischen Position ist zu

langsam.

14-9 Eine interne trans-Doppelbindung ist um etwa 11.3 kJ/mol stabiler als eine terminale Doppelbindung (s. Abb. 11-12). Dieser Energieunterschied summiert sich mit der zu erwar-

14-3

tenden

Das intermediäre Allyl-Kation ist achiral.

dem beobachteten Wert nahekommt.

1364

Lösungen zu den Übungen

Resonanzenergie

von

14.7 kJ/mol zu 26.0 kJ/mol, was

14-10 Der Effekt der beiden Doppelbindungen auf die doppelt ally-

14-13

lische Methylgruppe ist in etwa additiv. Man kann DH” der

a

rl,

zentralen Methylengruppe grob abschätzen indem man von DH" einer sekundären C—H-Bindung (397.8 kJ/mol) den doppelten Wert der allylischen Stabilisierung subtrahiert (in diesem Fall weniger als erwartet, etwa 2 x 50 kJ/mol).

H

ec CH—CH—CH HC

DH° = 297 kJ/mol

Q

CH,

ar lB40)

14-11

(a)

CH; |

_PBrz _

Dan

>

CH;

je

Bakainiein

Ve

-w+

Ta |

CH3 H;C

N dr Pa

met

(b)

TeBr.n

CH; N

Sch;

Br

Bra, hv

CH;O Na"

— HBr

— CH=OH, —

NaBr

14-14 (b) Elektronenreich, da Alkylgruppen Elektronendonatoren sind. (ce), (d) Elektronenarm, da die Carbonylgruppe elektronenziehend durch Resonanz ist, während die Fluoralkylgruppe induktiv elektronenziehend ist. (a),

NBS Fr HBr

14-15

(CH3);CO”K*, (CH3)3COH — (CH3)3COH,

— KBr

H

Br

HC

Ca.

TR, 0 807 5

14-12

%

(a)

Das gleiche Produkt für beide Additionsarten

\“

DEN

CH3

17

ä

CH3

H H N, ee H,C=C „ ne OCH3 O-CH3

Br D

H,C—C

.—

D Br

(b)

Es

Sowohl cis als auch trans

Br

14-16

NC

e ae

HX addiert an unsubstituierte Cycloalka-1,3-diene in 1,2- und 1,4-Reaktion unter Bildung desselben Produkts.

CN

CN

CN >

I NC

CN

CN CN

Lösungen zu den Übungen

1365

NC_ 5

2

CN a

Net

14-20 Das erste

CN CN CN CN

—/

CN

Produkt ist das Resultat zweite das einer endo-Addition.

einer

exo-Addition,

das

Bauen Sie ein Molekülmodell

dieses Produktes!

= ar er

NC

CN

CN CN CN

——

NC

CN

CN 14-21 Diese Reaktion wird addition bezeichnet.

14-17 H3C

CN

EG

n CN

3C

CH;

H>C

9

[°

oder

ZZ

F

ee

als

Domino-Diels-Alder-Cyclo-

B

är AR

Ss

auch

FR

CH;

14-18 Wegen sterischer Hinderung kann das cis-trans-Isomer nicht die s-cis-Konformation einnehmen.

H en

ers

N

CH; sterisch gehindert

14-19 ()

CH;

CO;CH;

CH;3

Mu CO,CH;

CH; (b)

2 =

CH;

CH3

o

+

A

SEO

De (0)

a

fl

6)

CO,CH3

CO;CH3

(c)

a CH30;C

CO>CH3

CO;>CH3

[

ji

H

CO;CH3

1366

Lösungen zu den Übungen

CO;CH3 rn

15-6

14-23 Conrotatorisch.

unsymmetrisch

mit

neun

substituierte

die meisten

nen.)

Durch

zeigt

Symmetrie

15-7

berechnet 222 nm

(CH3)>CH

{%

(gemessen

1,2,4-Trimethylbenzol

"'C-NMR-Signale.

wird diese Anzahl auf sechs für 1,2,3- und auf drei für 1,3,5Trimethylbenzol reduziert.

14-24

Amax = 217 nm

Das

222.5 nm)

CH3

berechnet 237 nm (gemessen 241.5 nm) 15-8 H;C

Kapitel 15

CH3

15-1 (a) 1-Chlor-4-nitrobenzol (p-Chlornitrobenzol) (b) 1-Deuterio-2-methylbenzol (o-Deuteriotoluol) (ec) 2,4-Dinitrophenol

NO,

15-2 Im CHCH>CH>CH3

CH=CH>

(a)

>

II

(b) Br

NO,

CH; O-N

CeHs (d) 9-Bromphenanthren (e) 5-Nitro-2-naphthalinsulfonsäure

NO, 15-9

(e)

HO

nn

OH

NO, 15-3 (a) 1,3-Dichlorbenzol (m-Dichlorbenzol) (b) 2-Fluorbenzolamin (o-Fluoranilin) (ce) 1-Brom-4-fluorbenzol (p-Bromfluorbenzol)

15-4 1,2-Dichlorbenzol:

:

See

=

Cl

Cl

cl

Cl

1,2,4-Trichlorbenzol:

Cl

Cl und

cl

Cl

15-5 In B ist die cyclische Anordnung der sechs n-Elektronen und damit die Aromatizität verlorengegangen. Die Ringöffnung ist daher endotherm.

15-10

1 79367 a BIER nl

—

Maximal sind zwei vollständig aromatische Benzolringe (Kekule-Strukturen) möglich, diese finden sich in drei der vier möglichen Resonanzstrukturen (der ersten, dritten und vierten).

Lösungen zu den Übungen

1367

15-11

15-13

oO NaBH4, CH3CH>OH

ag

OÖ

OH

IH-NMR: 3 Signale BC-NMR: 4 Signale

BF; — [HOBF3]

15-14 Dies ist eine ungewöhnliche Diels-Alder-Reaktion, bei der ein Molekül als Dien und ein zweites als Dienophil reagiert.

OH ns

ZB

NaBH4, CH3CH>OH

+hrH

OH

Tue

—F —

Anthracen

H>0

exo-Produkt

endo-Produkt

OH 15-15 Nein. Cyclooctatetraen hat lokalisierte Doppelbindungen. Verschiebung

von

Isomerisierung 15-12

Doppelbindungen

und

nicht

in

eine

führt

Die geometrischer

zu

Resonanzformel,

wie

für

1,2-Dimethyleyclooctatetraen gezeigt. CH3

O =

H;C

?

H5E@

H3C

—

»

Zee

H3C

u

H;C

(0) 15-16 [6)

5

O CH;

H;C

(6) STA

ni H3C

Fee

CH3

—

(0)

—— endo-

mar.her,

thermischer RingSchluß eines

c

Diels-AlderCycloaddition

1,3,5-Hexatriens

A

B

O H;C

CH3 1-2

CeoHsMeBr

2. NaBH4, BF;

15-17

Der Ringstromeffekt entschirmt die äußeren zwölf Protonen, aber schirmt die inneren sechs ab.

CH3

H;C O

15-18

CeHs

H;C

CH3

H;C

CH; CeHs

1368

Lösungen zu den Übungen

Ja, die acht Protonen

in der n-Peripherie werden

die Brückenwasserstoffe werden abgeschirmt.

15-19 (a), (ec), (d) aromatisch; (b) nicht aromatisch.

entschirmt,

15-20

15-26

(a)

HF, SbFs, SO,>CIF, SO>F>5, = 12°C,

H

H 5 =5.69 H ö = 9.58

28=:8322 H 5= 9.42

Die Zuordnung der NMR-Signale basiert auf dem Betrag der Ladungen auf den einzelnen Kohlenstoffatomen des Hexadienyl-Kations, wie man sie aufgrund von Resonanzformeln erwartet.

(b) 15-27

SO3H

HO5S.

H +

(a)

ee

——

038

H

H Te —

+

SO3

15-21 (a), (b) aromatisch;

(e) nicht aromatisch.

m =

15-22 Das Dianion bildet ein aromatisches System von zehn n-Elek-

=

€ .

:0: |

a

tronen, aber Pentalen selbst hat 4nr-Elektronen.

_

H*-Verschiebung

»:»

ER

us

"OB;

:OH

15-23 Durch

elektrophilen Angriff an C1 entsteht eine Resonanzformel mit einem Cycloheptatrienyl-Kation. Entsprechend bildet sich beim nucleophilen Angriff an C4 ein Zwischenprodukt mit einem Cyclopentadienyl-Anion.

15-28 (CH3)3CC1

(CIS5C - = Alchn

+ Alllz —>

1,1-Dimethylethyl(tert-Butyl-) Kation

H 15-24 Nach Tab. 12-1 verlaufen elektrophile Additionen an Alkene exotherm, wobei bis zu 113 kJ/mol frei werden. Bei Additionen

(EH3),C"

a

ee

Ö) —

+

an Benzol würden dagegen ungefähr 124 kJ/mol an Resonanzenergie verlorengehen, deshalb sind sie thermodynamisch nicht möglich.

H

SCHI

Ach —>

ers

15-25

H £

zen

N

C(CH3)3 + HCI

+ AlClz

D D

D+ rn

— —ele

D

D

D

D

—

15-29 D

M = 84 g/mol

In dem Dihalogenalkan wird Fluor leıchter durch eine FriedelCrafts-Alkylierung substituiert, wobei (3-Brompropyl)benzol entsteht.

Lösungen zu den Übungen

1369

15-30

Kapitel 16 MarkovnikovAddition

GLCH= GR + HH,

16-1 D, B, A, C. Dem

anellierten Ring D kann man die Wirkung von zwei Alkylsubstituenten zuschreiben.

—

16-2 “

CH(CH

CH;CHCH,

+ H?

5-5-5-8

15-31 H3C

CH3

H;C

CH;

1,2,4,5-Tetramethylbenzol (Duren)

Das freie Elektronenpaar des Stickstoffatoms in Benzolamin (Anilin) tritt in Resonanz mit dem Benzolring und steht daher für Protonierung weniger zur Verfügung.

15-32 H

16-3

II

CH=CH5CHCH>ZCI + AlC, —

Aktiviert:

B, C

16-4

+

CH3CH>CHCH3

A, D Desaktiviert:

+ AlCy4

5

(a) .ö-

ER

0

u

Sr0

en

CHCH>CH; +H

15-33 de

:C=0: ae

—

"

c=0:

H

e=6:|

Formyl-Kation

a Ar

+ H—C=0

Be

..

—

——>SelC,

—

H;c © Die Nitrogruppe desaktiviert induktiv (positive Ladung auf Stickstoff) und durch Resonanz mit dem Ring. Der letztgenannte Beitrag ist gering, da er die Resonanz in der Nitrogruppe selbst stört, die der im Allylsystem ähnelt:

(6)

|

CH + H*

ö:

H;C Rt

5:

0:7

R— ”

No:

(b) In C,H;NR; wirkt die positive geladene Ammoniumgruppe stark elektronenziehend. Das freie Elektronenpaar der ursprünglichen Aminogruppe bindet einen Alkylsubstituenten.

1370

Lösungen zu den Übungen

()

I

us

ee

O=S—OH

OCH;

: OCH3

OCH;

=:0—S—OH +

+

ERS >

a IE

E

—.

+

H

para-Angriff:

O=$—OH 5

-

Benzolsulfonsäure

ist durch

Resonanz

:OCH3

:OÖCH;

:OCH3

etc.

= desaktiviert,

wie

6

Bö

auch

Benzolcarbonsäure (Benzoesäure). (d)

+OCH;

:ÖCH3

desaktvierter Ring

L

16-8 Das freie Elektronenpaar tritt in Resonanz

zur Amidbindung

und ist deshalb dem Ring weniger verfügbar.

Kun Ring

J

j 5 nor HN— ae

Man beachte, daß in Phenylbenzol (IUPAC-Name: Biphenyl) aufgrund von Resonanzformeln deutlich wird, daß der eine Ring in dem Maße aktiviert wird, wie der andere desaktiviert wird. Der Endeffekt sollte gleich Null sein. Dies stimmt jedoch nicht: die hohe Anzahl der r-Elektronen machen das System elektronenreicher als Benzol, daher wirkt Phenyl schwach aktivierend. 16-5 D>B>A>,C

HN— Mine

Benzolamin (Anilin) ist in starker Säure vollständig protoniert. Das freie Elektronenpaar tritt nicht mehr in Resonanz mit dem Ring. Der Ammoniumsubstituent ist ein schwacher Desaktivator und dirigiert nach meta.

:NH>

FNH3

16-6 Methylbenzol (Toluol) ist aktiviert und reagiert deshalb mit dem Elektrophil, bevor dieses den desaktivierten Ring von (Trifluormethyl)benzol angreifen kann.

; + H* —

cn} pK, = 4.60 Benzolammonium-Ion

(Anilinium-Ion) 16-7

16-10 Nitrogruppe an

ortho-Angriff:

:OCH; >

(a) C3 (= C6) und C4 (= C5) (b) C4 (= C6) und C5 (ec) Überwiegend C4 mit etwas C2, da C2 zwar doppelt aktiviert, aber sterisch gehindert ist.

OCH3 Er

ri

E BZ

O2 EG20-0)

Hr > +

are: :OCH;

meta-Angriff:

:OCH;

:OCH;

16-11 OH

+ÖCHs

OH + (CH3);COH Rn

(CH3)5C

CICH=);

CH; CH; 16-12 Nitrogruppe an (a) C3 und C4; (b) C5; (ce) hauptsächlich

C2, wenig C3, da

die Nitrogruppe stärker desaktiviert als die Estergruppe; (d) hauptsächlich C4, da NO, nach mieta dirigiert und Br nach ortho, para, aus sterischen Gründen wird C6 nur wenig substituiert.

Lösungen zu den Übungen

1371

16-13

16-20

(a) C3 und C5, (b) C4 und C6; (ce) C4 und C6.

NH,

16-14

(aus Übung 16-17) #2, 1. CH3COCI, AlCI; 2. HCI, Zn(Hg)

1. HNO; 2. H>, Ni _—1

A

SOzH

NH, Br

NO, Br

16-15 Nein, denn das Stickstoffatom wird nur in ortho- und paraPosition zum Bromatom eingeführt.

1. ann H50

2. CF3COsH

Br

Br

—— 22,

$O,H

16-16

SO;H

16-21 (a) an C4; (b). an C5 und C$; (ec) an C8.

ICHNO, Ho SO; er 2.SO3 oder 2. HNO-, H

16-22

NO, SO3H Fe, HCl

E

_—

3

i

NH,

H

16-23 16-17

NH>, 1. HNO-, H*

NO, 1. HSO, konz.

2. H,, Ni

2. CF3CO;H

Die Antwort ergibt sich aus den jeweiligen Sätzen von Resonanzformeln für die jeweils durch Protonierung gebildeten Kationen; die wichtigsten sind hier gezeigt, wir empfehlen Ihnen jedoch, als zusätzliche Übung alle zu zeichnen.

a

HH

SO3H 16-18

+

Es kommt

(6)

+

Cl

dann darauf an, für jeden der Fälle die Anzahl

an

Resonanzformeln zu bestimmen, die intakte Benzolringe enthalten. Sie werden erkennen, daß zwischen der Protonierung an C9 (durch die zwei separierte Benzolkerne entstehen) und

AlCız

der an C1 oder C2 wesentliche

Unterschiede

bestehen,

durch

Direkte Friedel-Crafts-Alkylierung von Benzol mit 1-Chlor-2methylpropan liefert (1,1-Dimethylethyl)benzol (tert-Butylbenzol) durch Umlagerung des Kohlenstoffelektrophils (s.

die Naphthalin-Systeme entstehen („weniger aromatisch“ als zwei Benzolringe, vgl. Abschn. 15.6). Die hier gezeigte Formel von [C9-H]" hat bereits vier benzoide Resonanzformeln, ohne daß die positive Ladung in die benachbarten Benzolringe bewegt werden muß. Wenn man dies tut, bleibt immer einer der Benzolringe unangetastet (wodurch es möglich ist, für jede neue Position der positiven Ladung zwei Resonanzformeln zu schreiben). Ein Angriff an C1 oder C2 liefert viel weniger benzoide Resonanzformeln. Die gegenüber C2 bevorzugte Protonierung an C1 läßt sich‘auf entsprechende Weise erklären, wie es in diesem Abschnitt für Naphthalin getan wurde (betrachten

Abschn.

Sie Anthracen als ein Benzol[b]naphthalin).

[6)

HCI, Zn(Hg), A

A

15.13).

16-19

BE

NH> 1. HNO;, H*

2. H,, Ni

a

oO

l en

CH3;CCI (2 Äquiv.), AICI;

ea

An C1:

a

HH

|

HNCCH3 z

+

HCI, Zn(Hg)

Br, H

An ©2:

1372

Lösungen zu den Übungen

=

oe

zZ esretel

Kapitel 17

17-7 1.203 2. CH3SCH3

17-1

a

(a) 2-Cyclohexenon

(b) (E)-4-Methyl-4-hexenal I. HSCH>3CH>SH 2. % RaneyNi Ni

(d)

G er

(e)

|

3

Zr

17-8 Der Mechanismus

der Imidazolidinbildung Bildung von Acetalen formulierten.

'

17-2

CH3CCH>CH>CCH3

|

ähnelt dem für die

e

x

Ar

CsHSNHCH>CH>NHCEHs

>—%

o

17-3

ol

= CNCH,CH-NHCEHS

I

H

ZH

ee

a

ea

J= 7.7 Hz

Jtrans =

16.1

Fr

Hz

CoHs

|

hv

CH;C=CCH

2. Mg

8

N—CH>

ne | n

et

z Sn

(6) ie Br>,

Se

H

o R R ge

MgBr

0

Co aHs

en

me

CeHs

17-9

10)

N

N

Ncc=cH,

N HOCC=CCH3

N

H

ı

(c)

MnO>

—

N

1-Cyclohexyl-1-propinylketon

17-10

1. SOCI,

17-5

(a)

EOOH en,

CHE | ELECCH,

| = CECCH = ELECEENH

O H>NNH;,,

KOH,

A 2

a

N

(b)

NHCeHs

Are

3

0

GH ces

I&205H

17-11 l. O3 u

Eeten-en,

CH3CCH; + H>0

|

17-6

CH;CH>CH

HOCH>CH>OH,

|

Schutz

CH3C(CH3)4aBr

;

>

er

CH3CCH;3,

TiCl3,

Li

CH;3CH>CH=C(CH3)>

H" >

17-12

A

/

\

1. Mg

+ CHz=P(CsHs)3

(a)

IR

CH3C(CH3>)4Br

O0 0

CH3C(CH>)4CH,OH

Br

(b)

2H „or,

Peblockierung CH„C(CH>)4CH>OH

nacheinander behandelt mit (1) P(C;H5)>, (2) CH,CH;CH;CH;Li,

und

(3) CH; =0O

B

Lösungen zu den Übungen

1373

17-13 oO

1. Ho Br

oO

NH

H

2

17-17

+

2. P(CoHs)3

(6)

14

BREI

2

CH>CCH3 2 SEE IE enla

BEN

e

|

_2: BuC=CHEHO |

a

CEH5 —N=NE

.

:OXx

1

:öR

|)

CHzCCH>CH>CH=CHCH=CH;

b

'|

CH3C—CH2--N=N

3

:

u

17-14

as .

)

O3

2% (CH 3)>S

1

N

HC(CH>)4CH

CH>—=P(CeHs)z3

>

(b) _

—

Ta

N CHO

P(CeHs)3

ar3%

CH;

ae

| CH3CCH>CH3

CH>3—=CH(CH>)4CH—=CH>

:

2

CH3

(a)

n

ee

:O:

N„CB

+ N»

H;C

17-18 (a)

I

CH>=CHCH,CH>OCCH; oO

o

(b)

|

(c) (CH;);COCCH;, CH;

6) 17-15

(a)

Kapitel 18

0

+ CH3CH=S(CH3)»

18-1

N

(a) CH,—=C

z S

CH3z

| CH3CH>CH

H 0”

(c) CH=C\_ + CH>a=S(CH3)3

+ CH>=S(CH3)>

2 N H

2 nn

(d) CH3CH,CH=C CH3

0”

(c)

(b) CH3ZCH=C

a

(6) (b)

A

CH>CH>CH3

ns 18-2 (6) (a)

OSi(CH3)3 (b)

18-3 6= 3.9]

OH

BL

H

H

2

> CHR—CH, + H

7

440H%

Js Im

= =

6.27

ö = 4.13

OH 1.12

6.5Hz 1.8 Hz

Zwei der Alkenyl-Wasserstoffatome treten bei ungewöhnlich hohem Feld (niedriger Frequenz) in Resonanz. Dieses Phänomen beobachtet man allgemein in den NMR-Spektren von Enolen und ihren Derivaten. Können Sie das erklären? (Hinweis: Zeichnen Sie die dipolare Resonanzformel von Ethenol.)

1374

Lösungen zu den Übungen

18-4 O

D

(a)

(6)

|

(b)

D

(CH,)3CCH

(CH2)3Br

Kein Wasserstoffatom für die Enolisierung vorhanden

D

D

D.

Kon, 10, A

.D

OÖ

|

CHO

(d) D

(CH3),CCCD;

(0)

D

6%

15%

13%

D

18-5

\

}

H ö \. Br,

N CCH5>Bı

_CCH3

Br

COCH3

(6)

|

(

}

COCH3

H>0, H*, Hg?*

de

CO,>H I. LDA

I. HO , Br) 2. H*, H3O,

+ CHBr,

DR CH

;CH>Br

18-6 ee

:Ö

©:

er :Ö

Cl

Ch, HO

Ei:

[

.

FG

:Ö

r__

‚9: R En

KOT

18-10

cos.

en, SE

4

Re CH3:O:

HÖCCHSOCHETECH —

Oe>

CH3 OR

en

E ölenlendene EN 18-11

CH3

O0: ‚|

u

CH3:O |

er

j

RR IE HC E50

2.H'.

enH>O

2

2

> B

CH; 02%

ROScn

CH-.:0:

18-12

Gun + HCCI;

I

if (a) CH3CHZCCHCHO

CH;

(b) CH3CH>CHzCCHCHO

|

HCH>CH3

HCH3

18-7 0)

(6)

ENDE

OH O >CCHCH (C) C4HsCH | HCeHs

7?

A

Ne

2

(0)

OH (d) C6HsCH2CHZCCHCHO HCH>CeHs

18-13

ns >

(b)

Da Benzaldehyd keine enolisierbaren Wasserstoffatome hat, ist Er nur E2

Sn2

E2

die

Reaktion

gekreuzte

mit

sich

Aldoladdition

selbst

unmöglich.

(Abschn.

18.6)

Dagegen mit

ist eine

enolisierbaren

Carbonylverbindungen möglich.

Lösungen zu den Übungen

1375

18-14

geeignetes Proton verfügbar ist). Die vierte Möglichkeit ist die einfachste.

(a)

ne

(b)

CHz CH3CH>3CH,CH=CCHO

(ce)

a

(d)

a

O

(0)

130, 20°C| CH3 _KOR,

CH>CH3 CeHs

2-(3-Oxobutyl)cyclohexanon

GIHCHH>

0

18-15

0

HO

o

A

1

on

HC

90%

HO

CH=CHCH

I

(@)|

+ H,O

(b) wz

18-18

nv (c)

6)

6)

CH5>=CHCH=CCHO

In (a) und (c) erfolgt die Kondensation wegen des ausgedehn-

HO_

(@)

H>, Pd C,

—


CO;, 100°C

(a)

(b)

An

H

CH: CCH;

(ec) ©€ en

(b)

(c)

(6) (0)

CoHs 18-19 CH3

(d)

CHICH,CHO oT

I

'

l. Ha, Pd/C

2. LiAIH4 > CH3CH;CH=CHCH ——

=

CH3CH>CH>CH>CH>OH

18-17 COCH3 18-20

AR

\

5

OS

ch, OH

En else HO ;

—

CH3 :O:

Diese

nicht. derum

1376

drei

Verbindungen

bilden

sich aufgrund

der Spannung

unmöglich,

wie-

Außerdem ist die Dehydratisierung aufgrund der Spannung (oder, im ersten Fall, da kein

Lösungen zu den Übungen

+ ET 5

an:

3

18-21

18-24 +

so):

OH

\ Bat

N

=

I,

aan;

:0:

H>-C=CHI-CCH,) >

H>C=CHCCH3;

(a)

OH Zu H,C—CH=C _—> E =) H-N4+ CH Nm,

)

CH>CH>CCH,

|

O| | CH3C=CH> + CHH=CHCCH; #

biemo:s

(6)

|

+ CH>=CHCCH3

in. HN—NH>

INS

5

.ö:

O5 >

8

—

2%

())

|

C4HsSCH=CCHz + CH>=CHCCH;

NH; CHE ..

Tas

CH3

HN—NH en ..

0

..

..

..

Kapitel

Ein alternativer Mechanismus besteht in der Bildung eines Hydrazons, gefolgt von einer intramolekularen 1,4-Addition der sekundären Aminogruppe. Formulieren Sie ihn!

19

194 (a) 5-Brom-3-chlorheptansäure (b) 4-Oxacyclohexancarbonsäure (ec) 3-Methoxy-4-nitrobenzoesäure

18-22

Br

o

o

CH;

a

HOOCCHSCH2CH2CCOOH

()

Br

CH3

=

COOH

CH; (

(b)

O

OH

O

| | CH3CHCH,CH-COH

i (f)

+ (CH>=CHCH>CH>)-CuLi —

nn FG C(CH3)3

0)

oO 10)

E®)

2. (CH»»S

B

m

H NaOH

19.2

Ho

CH3;CH;CH,;COOH Butansäure (Buttersäure)

OÖ

19-3

(a) CH3CBr,COOH > CH3CHBrCOOH > CH3CH>COOH Br

i

18-23 _

(b)

FE

N

Nce

A

CH3CHCH>COOH > CH3CHCH>COOH

|

(©)

yecen

N

O:

ELCH —@

278:

Hydrolyse

COOH

COOH

COOH

=

>

19-4

MT

oO |

CH3

CICH;COH OÖ:

OÖ 19-5

Für protoniertes Propanon (Aceton) lassen sich weniger Resonanzformen formulieren:

Lösungen zu den Übungen

1377

+9 2

o

|

CHSCCH; + HB" ==

.

‚28

ROM =

m

}

9 S

oT 5

|CHKCCH ee > CH3CCH3

6)

|

CH>COH

i

+ H* —

2

(a) CH,(CH,);C=CCH>CH>CO;H + (CH3);CHOH +9

a

u

CH3;C—OH

“

——>CH;C—OH

——

H

CH,C—=O

(oder CH;CH=CH;3) 0 \

(b) CH3C(CH>)sOH

+

|

+

com RR

19-6 (a)

CHz3(CH3)3COOH

(b)

CH3COOH CH3CH>CHCH>OH CH;

HOOC(CH>)4COOH 19-11 Das tetraedrische

Zwischenprodukt, das nach der Wasseranlagerung an den Ester entstanden ist, enthält zwei äquivalente Hydroxygruppen. Die Bildung ist reversibel, die Rückreaktion, bei der Wasser eliminiert und der Ester zurückgebildet wird, kann mit gleicher Wahrscheinlichkeit über die markierte oder unmarkierte Spezies verlaufen.

COOH (©)

COOH

OPEL

19-7

I

SSH

CNTOHLE

SEO:

KT Soch,

H;C

Be

Br

Ms

H;C

COOH

PAGD>

—

————

IR

H

|

+

AU IER ( 0c,

Eliminierung

IBO—H

H

3. H*, H,O

HBr

(b)

0%

a

8H+

DE

H

EN

H

en

G

(0) |

+ H*

eure

l

N

BL

c

ei

(e)

18

I

CN

ee

COOH

H

Tetraedrisches Zwischenprodukt,

2!H*. 0

beide OH-Gruppen äquivalent

Pe

us

Hg

OCH3

SET:

en

Sn?

>

O\

—

OCH3

OCH3

NEL

ch

eD

R\ vo — H*, Eliminierung,,

19-8

Rue

|

I. CH;CCI

+ Na”

u!

Och

H*, Addition

18

1

markierter Ester

N

19-12

+ CICCH>CH3

HO

H

HO

H

H*

CH,CHCOH

+ SOCI,Eodee®@] oder 2

19-9

COOH

+

DHL

„

On

{

S

CH,COOH

#

Halbacetal

HO

OH

\

Ga

Lösungen zu den Übungen

Eıne

o

(s. Abschn. 17.7)

Ö

1378

&

intramolekulares

Die Reaktion verläuft autokatalytisch.

©

+ E50

H

OCCH>CH3

;

2. CH;CO”Na*

n

OH

o H

CH>COOH

a

OH

H", Lactonbildung

=

> Se +10 6)

19-17 (a) 1. H*, ELO, 2. LiAIH,, 3. H*, 9,0; (b)LIAID,, 2. H*, H,O.

19-13

cı

Pt

Ben = Br

19-18 cı

Dre

H*, H,O, Hydrolyse

c=

el

ERORS

en CHCOOH >>

OÖ

cl

Pen

NaOH, A

j

A

o A+ ucZ ICH, (b) ARCHE

EN.

COMME 0°

2

a

OÖ 19-14

(a) Bei der Hydrolyse des Esters wird die Konfiguration am Chiralitätszentrum nicht verändert. (b) Bei der Sy2-Reaktion mit Carboxylat-Ionen kommt es zur Konfigurationsumkehr am Chiralitätszentrum.

abe

@) (©)

A + CHzCOCHz

19-19 no

| 2. RCH>CBr + H’ ==

H

| RCH3CBr

19-15 (0)

O

ON

f O7NH4 ee Fe_4

—

OH

OH ar gl

O "NH,

OÖ

Br

0

OÖ

——>

ed

HO_

He;

NH»

NEE

OH

O’NH,

(0)

A

l

RCHCBr+H" +Br | Br

O

o

Die Enolisierung des Säurebromids verläuft schneller als die der Carbonsäure, da die Deprotonierung von C-2 durch die Elektronegativität von Br begünstigt wird.

OÖ

NH,2

— NH3

ONH,

+NB

— >

"

Br—Br

Be 7 H>0

O NH,

(0)

RCHCBr + Br’

Br

NEL _— End

19-20

(oH (a)

CHE EeER@EL ECO OR CH

w

&

I. AgNO,, KOH

| ‚2. Bra CH;CH-CHCOOH =—2——

CH;

| CH3CH>CHBr

1. AgNO,, KOH (b)

CH3CHZCH>COOH

2.

u

Bra

ee I. (CH3),CO K'

EISCHLCH.B aBe er Tr CH.COOH

19-16

BROH EIKE. 2>

19-21

O

|

CH3CH>CH>CH>CO Li

+

CH3CH>CH>CH>Li

u

CIEEH EILEHm CO...

(a)

N

CH3CH>CH3>CH3>Br

(b)

CH3CH>CHBICH>CH3

S BI

CH;CH>CH>CH> (CH3CH>CH>CH>),

C=O

19-22 Selbsterklärend.

Lösungen zu den Übungen

1379

Kapitel 20 OH 20-1 Bei Raumtemperatur ist die Drehung um die Amidbindung langsam in der NMR-Zeitskala, man beobachtet zwei verschiedene Rotamere:

Oo

|

A H;C

ann

|

=

ER

Y

H;C

Br

| (b) CH;CO’Na’ ;

(a) H,O

20-7

[6)

NHCeHs

Butanimid (Succinimid)

Beim Erwärmen stellt sich das Gleichgewicht so rasch ein, daß man im NMR nicht mehr zwischen zwei verschiedenen Spezies unterscheiden kann.

20-2

NH ; s. Abschn. 19.10

OÖ 20-8 Säurekatalyse:

O:

Kar

CH;C OCCH3 Fe

re) =

:O

|

a H3C

a

:O

I

nö: 0:

|

ar cl: H3C

cı

A

N H3C

- Hr

a

el:>

7

..|

+ H°

CH3COCCH;

Er

HOT

:OCH3 CH3

am Resonanzhybrid

H

R

Re

Su CE

NH>

CH3C-CÖ-CCHs —

H

F 5

I

| 40 (&

Fo

Hi

..||

geringe Beteiligung

|

H

N

Elm H3C cl

H;C

;

(d) (CH,),NH; (e) CH,CH,MeBr, — 78°C; (N LiAI[OC(CH,),],H.

\

H

(0

os

:OCH3

ach

Ile \. CH3CÖCHz + CH3COH

Base, katalyse“ erforderlich):

(hierfür

ist allerdings

Äquivalent

Base

CH,OH + :B" —— BH + CH,0:7 19.12,

Schritt

2 der

Hell-Volhard-Zelinsky-

030

P

CHSCO GEH, + :ÖCH; BER

20-4

SOCI, CH3COOH ZE,

| cH,Cccı ESCHER EBIN , O

|

So:el

@r,@— O—-CCH3

U

=

20-5

20-9

Stellen Sie zuerst das Alkanoyltriethylammonium-Salz mit N,N-Diethylethanamin (Triethylamin) her, und geben Sie dann das teurere Amin zu.

(a) Propylpropanoat (b) Dimethylbutandioat (c) Methylpropenoat (Methylacrylat)

Lösungen zu den Übungen

99I-

l.

CH3COCH; n5 CH3CO:

:OCH3

CH3COC(CH3)3 + (CH3CH>)3NHCI

1380

ein

20-10 H

7

+

OÖ

ed

ET

H"

:O:

-

=

0)

IEN + H50

20%

z

70

Br

-H*

+H

on

CH3COCH;

es

—

+ !NH3

— CH3C—OCH,—

>

1 NH3

HO:) :OH

a

+

Qt

©:

u

mL

=]!

—> CH3CNH3 + CH3ÖH

+

:NH> ..

ÖH

zT

Tor

ö

H

+ H+

HO*'

e

OH

:O: 4-Hydroxybutansäure

20-15

CeHsBr ME, C.HsMgBr

20-11

nn

GB:

HO:

0:

—

!

I

C4HsCOCHz + 2CKHsMgBr —

#0 Be: On

HO

0,

(C4Hs)3COH

—

S

20-16 Dies zunächst

OH

a

gebildete

Alkoxid

geht

eine

intramolekulare

Umesterung ein:

——

3078

LT

HO

5

Et

Ö:7

20:

“:OCH>CH>CH>COCH>CH; —

20-12

Säurekatalyse:

Wie

in

Übung

20-10,

aber

mit

:o) (JOCH;CH;

BrCH;CH;CH;OR statt H,O als Nucleophil im zweiten Schritt. Basenkatalyse: Wie in Übung 20-10, aber mit BrCH;CH;CH3;0O statt OH als Nucleophil im ersten Schritt.

:O: ——

e

+

CH5CH30:”

20-13 Basisches Methanol:

un. te

20-17

a;

0%

LEERE.

CH,OH | =

CO,CH>CH;3

CO>H

HOE

ie

CH;O

Die,

I0)8

Mit Methanol im Sauren am ß-Kohlenstoff ab:

Ö: SR

N

läuft statt dessen eine Sy2-Reaktion

CH

CNH3

ee

CH>OH

H' We 187

10F

r

EDER CR.c 008

re

H;C,

CH3ÖCH>CH>COOH

H

(g)

‚COsCH; (h) keine Reaktion

Diese Reaktion ist typisch für gespannte Lactone.

Lösungen zu den Übungen

1381

20-18

Air

In Abschn. 21.7 sehen wir, daß es möglich ist, die Carbonsäure direkt in das Amin zu Zwischenstufe entsteht.

55

überführen,

ohne

daß

das Amid

als

20-22 SO%

BrcH,@inchHaßr >

./

©

\ N

(@%

EN

ve

r

\

EI)

OH

BrCH>CH>CH>C=N

— EN > NECHS>CH>CH>CN

Eu

117.6

1192]

22.6

17,6

und 3 weitere Signale

20-23

H,

Die genauen Einzelheiten des Mechanismus der Reaktion sind nicht bekannt. Ein möglicher Mechanismus ist:

H | HO

eo

"AIH3Li” 2

-H*

Ya H

Se

A/NEN

RE

N

LiAIH,

\

R HO:

REN

..

N

Li*H3Al

20-19

c.

„OH

(08

0:

ıN:!

—o

(a) 1. LDA, 2. CH,I; b) 1. H,O, HO’, 2. USB (6) 1. H*, CH,OH, 2.H*, H,O; (d) CH,CH,CH,CH,MeBr, CH; | 2.H*, H,O; (e) 1.(CH;CHCH>)AlH, 2. H*, H,O; (f) D,, Pt.

OS Dr

:O:

Y

:O:

N:

20-25

20-20

(a) (b)

4 H,O, 25

OÖ: ne +

SZ

) Er

x ©

Z

02

Ne

IRN@

=

©:

H L RNT-C dt nz

ar

oe RNH,

“© 36 + O=C=O

0:7

O (c) 1

0-0,

‚ O=C=Cc=O0,

|

CH;

, CHH=CHCH, HC=CCH>0H, CH3C=COH, o

HC=COCH;,

) N,

2: m

OH AN

20-26 CH»Br;: m/z =

172, 174, 176; Intensitätsverhältnis 1:2:1.

20-27

20-21

;

CH5—=0;

zweifache H *-Verschiebung

OH3>

H

CH30CH;, CH5CH,OH,

©:

OH3

6) | HCOH:

"O0: —

COOH

1. SOCK,

_H*,50,4,

UN ,

CNH>

NH> Be

Br>. HO Ze

1382

Rene

20-24

AUS

COOCH3

9

H

0%

RN=C

AIHSLI"

N

Die negative Ladung kann über zwei Carbonylgruppen delokalisiert werden.

..

H

OH. + Ri)

..

Ric

LiAIH,

Lösungen zu den Übungen

z

Bei den meisten Elementen, die in organischen Verbindungen vorkommen, wie C, H und O, sind die Masse (des häufigsten Isotops) und die Valenz entweder beide gerade oder beide ungerade. Stickstoff ist eine wichtige Ausnahme: Die Atommasse ist 14, die Valenz ist 3. Dieses Phänomen hat zur Formulierung der Stickstoffregel geführt, die dieser Übung zugrunde liegt.

20-28 Massenspektrum von 3-Methyl-3-heptanol.

73

100

Kapitel 21 21-1

®

(a) 2-Butanamin, sec-Butylamin

| [e/0}

(b) N,N-Dimethylbenzolamin,

5 2 3

43)

27

55

101

212

ie

= 2©

CH>NHCH>CH=CH>

115 0

20

40

En | 80

60

100

120

miz

(a) HC=CCH,NH;,; (ec) (CH,)„CNHCH;,

(b)

(d) wie e

Die wichtigsten primären Fragmente kommen durch Aufbrechen der zur Hydroxygruppe «a-ständigen Bindungen zustande. Warum? Überlegen Sie, wie stark diese sind und wie die Elektronenstruktur des resultierenden Radikal-Kations aussieht. (Zeichnen Sie Resonanzformeln.) Fragmentieren diese Kationen durch Abspaltung von Wasser”?

20-29

21-3 Das schwächer elektronegative Stickstoffatom — verglichen mit Sauerstoff — bewirkt diffusere Orbitale und daher längere Bindungen zu anderen Atomen.

21-4

(a) Beide zeigen dasselbe «a-Fragmentierungsmuster, unterschiedliche McLafferty-Umlagerungen:

r

H

jeno

HO

N

|

|

Be

rch

Ser

miz =

|

Nein. Inversion führt zur raschen Gleichgewichtseinstellung zwischen den verschiedenen Umgebungen.

21-5 Weniger, da Stickstoff schwächer elektronegativ als Sauerstoff

Ss

CH

72

ist. (Tab. 10-2 und 10-3 zeigen den Effekt der Elektronegativität von Substituenten auf die chemische Verschiebung).

+

CHau miz =

€= EHCH;

EE@

ZIG

I

aber

” N

(CR3

0) H;C

N, N-Dimethylanilin

(ce) 6-Brom-2-hexanamin, 5-Brom-2-methylpentylamin

[CH,—=CH3] "

100

miz = 28

(b) Beide zeigen dasselbe a-Fragmentierungsmuster, aber nur 2-Ethyleyclohexanon hat einen für die McLafferty-Umlagerung notwendigen y-Wasserstoff:

H >’

21-6 IR: IH-NMR:

Mil

SC-NMR:

Massen-

20-30

Pentanal:

m/z = 57, CH,CH,CH,CH, (a-Spaltung)

Bande bei

3400 cm’!

1

8,3

sekundäres Amin, daher eine schwache

spektrum:

s der 1,1-Dimethylethyl-(tert-Butyl-)Gruppe bei hohem Feld s der dieser benachbarten Methylengruppe bei d=2.7 q der zweiten Methylen-Einheit nahe zum ersten t der einzigen Methylgruppe bei hohem Feld, am nächsten zum 1,1-Dimethylethyl-(tert-Butyl-)Signal fünf Signale, zwei davon bei niedrigem Feld, ca. d = 45-50 mi/z = 115 (M'), 100 [(CH;);CCH,NH = CH3] und 58 (CH, = NHCH3CH;)". In diesem Fall können durch Fragmentierung zwei verschiedene IminiumIonen entstehen.

OH m/z = 44,

21-7

H,C=C

H R

(McLafferty-Umlagerung)

OH Pentansäure:

m/z = 60, H,C=C OH

Das Enantiomer

links ist S, das andere R.

21-8 Wie in Abschn. 16.3 erwähnt, tritt das freie Elektronenpaar des Stickstoffatoms in Resonanz mit dem Benzolring. Dieses Stickstoffatom ist daher weniger nucleophil als in einem Alkanamin.

(McLafferty-Umlagerung)

21-9

Methylpentanoat: m/z = 57, CH;CH,CH,CH, (a-Spaltung) m/z = 85, CH,CH,CH,CH,C=O (a-Spaltung) OH

m/z = 174, HzC=C OCH3

Das Nitromethan-Anion

ist resonanzstabilisiert.

CEINO SE Be pk, = 10.21 [

®

©:

OF

4 ss

E POTBBEN GG NE,

m

BEZIRK

=

0: =

(McLafferty-Umlagerung) Nitromethan-Anion

20-31 (a)

CH ,O

(b) CoHıu

Es kann alkyliert werden und Aldolreaktionen eingehen.

Lösungen zu den Übungen

1383

21-10

Für (d) erfordert der Reduktionsschritt katalytische Hydrierung, da LiAIH, auch die Esterfunktion angreifen würde.

21-12

Br I NR

HO:

M

ÖH> ai

Be

en

R—C—N(CH3),

=>

ZR—@ N (GERE

R’

+ H»JNNH,

R'’

R

——————

Da

RR

aBH3CN NICH3),RT,

AdditionEliminierung

:O:

Sr

|

|

ei‘ u :NR

H

..

NHR

H

:O:

we: R—C—N(CH3)

I.

CNHNH 2

en CNHR

R’

EEE

36

intramolekulare Addition-

€) |

Eliminierung

21-13 Nicht alle Zwischenstufen sind gezeigt.

H>

_NaBH3CN \ on =

21-11

L N

_NaBH;CN

_

nz 35% 21-14

()

H>0

1.

A+CH3(CH,)sBr;

2. H*, H>0; 3: HO”,

(a)

my

one

IE CH3l

Überschuß

NG.

ae

DSH H5O:

b) Nm;

+ CH2=0 + NaBH3CN (6)

3. HO ,H,O (c) zn

+ LiAIHy

Br

()

1.A+

‚2. H',H,0;

(d)

1. A+ BrCH2CO2CH;CH3;

3. HO , H,O

2. H*, H,O

Der Schutz der Carboxygruppe ist notwendig, um zu verhindern, daß das acide Proton mit A reagiert (siehe auch Abschn. 26.2). Die

1384

Azidmethode

sollte bei (a)-(c)

Lösungen zu den Übungen

gut funktionieren.

21-15 (a) CH;CH=CH;, und CH,=CH;; (b) CH3CH;CH=CH;, und CH;CH=CHCRBR; (cis und trans). Interessanterweise überwiegt in beiden Fällen das terminale Alken. Diese Reaktion ist gemäß der Hofmann-Regel (Abschn. 11.8) kinetisch kontrolliert. Der Angriff der Base erfolgt bevorzugt am besser zugänglichen Ende der raumerfüllenden quartären Ammoniumgruppe.

21-16

21-21

Die Ethylgruppe kann als Ethen mittels der Hofmann-Eliminie-

\CN(CH3)»

rung abgegeben werden [siehe Übung 21-15(a)]. Allgemein ist jeder Alkylsubstituent mit Wasserstoffatomen in ß-Stellung zum quartären Stickstoffatom zu dieser Eliminierung fähig.

CO,H

Die Methylgruppe hat diese Möglichkeit nicht.

l. SOC

_2. (CH3)2NH )

J

ZEINIBE

89%

21-17

I. CHsl De

AO,

N(CH3)»

1. CHal H>0

. Ag20,

H,O

m

u

en

Rn

88%

1. CHal 2. AO, 50

Doppelbindungsisomer |

I. H>O»

3, A

88%

21-22

als Nebenprodukt

Nucleophile

(CH3)2N

Substitution

von

durch einen Sy2-Mechanismus

—

N, in RNJ

mit Wasser

erfolgt

mit Inversion.

—>

21-23

| +

Hy

CH; H

21-18 OÖ

H

H H

Bicyclo[1.1.0]butan

CH,3CCHO

(b)

NH:

(a)

CH,NH(CH3)sCH3 21-24

(©)

:

ee

en

S

SR

(a) 1. SOCH, 2. CH,N, (1 Äquivalent) (b) 1. SOCH, 2. CH,N; (2 Äquivalente)

(ec) 1. SOCH, 2. CH,N, (2 Äquivalente)

H

||, CusO,, A 21-19

D an

1. H* SH05 + CH,=0O + (CH3)2aNH KO,

1. NaBH4

OÖ

|

}

2. od

-

Kapitel 22

9

ca

22-1

x

\

N(CH3)>

\

O no, ne

ot

3

N(CH3)>

21-20

H3C

CH3

CH

c _c—H

H

2

Tutocain-Hydrochlorid

ie ! () 27

() ER

Be

Ha

a :Ö

Rangfolge der Reaktivität: (d) > (e) > (a),(b),(C)

Lösungen zu den Übungen

1385

22-2 Aus Molekülmodellen ist ersichtlich, daß die Orbitale des Benzylradikals, das sich vom [2.2]Paracyclophan ableitet, aus sterischen Gründen nicht in größerem Ausmaß mit den Orbitalen des angrenzenden Benzolrings überlappen können.

22-9 (a) 1. NBS, 2. Mg, 3. (CH,),CO, 4. H*, H,O; (b) 1. KMnO,, 2. LiAIH,, 3. NaOH, CH3I, 4. Hs, Pd/C; (91.:xKMn0,,%.H+, 350,3, E20). 22-10

22-3 Das "C-NMR-Spektrum von Hexaphenylethan sollte fünf Linien enthalten, das des beobachteten Dimers zeigt 14 Linien.

22-4 (C;H5),;CHCI

solvolysiert schneller,

da die zusätzliche

Die Nitrogruppe wirkt in allen Positionen aufgrund tiven Effekts elektronenziehend, begünstigt also die eines Protons. Sie kann aber die negative Ladung nur dann über Resonanz stabilisieren, wenn sie an gebunden ist.

ihres indukAbspaltung des Anions C2 oder C4

Phenyl-

gruppe für eine zusätzliche Resonanzstabilisierung des intermediären Carbenium-Ions sorgt. Unter Syl-Bedingungen ist dieses Molekül noch reaktiver als 2-Chlor-2-methylpropan (tert-Butyl-

22-11

BAD

chlorid). 22-12

22-5

OCH; EN

A

NO,

eiT

CoHsCH,OH > —

CoHsCHZ —> CoHsCH,CI 112

(Sn1-Mechanismus) NO,

Ethanol muß über einen Sy2-Mechanismus reagieren, bei dem das Chlorid-Ion die protonierte Hydroxygruppe angreift. Selbst wenn die Umsetzung von Phenylmethanol über diesen Reaktionsweg verliefe, würde sie doch schneller als die des Ethanols verlaufen, da die Ladung im Übergangszustand delokalisiert werden kann.

22-13

22-6

H;C

OÖ: en

langsam

-

en

SO3 NO>

(a) (C;Hs);CH3,, da das entsprechende Anion besser resonanzstabilisiert ist. (b) 4-CH;OC,H,CH3Br, da es eine bessere Abgangsgruppe enthält. x (ec) C;,H;CH,OH, da das entsprechende Phenylmethyl-(Benzyl-)Kation nicht durch die zusätzliche Nitrogruppe destabilisiert ist (zeichnen Sie Resonanzformeln).

A

schnell

—

H;C

22-7 Zwischenstufe B

COOH

CH3 (a) 8;

CH; (b)

(e)

..

NO,

0 H;C

so;

22-8 C

Na, fl. NH,, CH,CH,OH,

CH3O E

I

H*, 50

wa,

A

22-14

H', H5O

—

Cl (0)

HO

— H

(0)

1386

Lösungen zu den Übungen

Q

CH;

B

CH;

+

22-19

OH OH Je

CH;

CH;

CH;

H>2SO4,

Die 1,1-Dimethylethyl-(tert-Butyl-)gruppe ist weitaus größer als die Methylgruppe, sie greift daher bevorzugt an C4 an.

22-20

CH;

CH3

SO;

NaOH,

a

iR

A

OH

SO3;H

CO,

OH

22-15 22-21

Br

ÖCH3

OH

Z :NH>

ZEN

cı

=>

Br

x + CH,—ÖH —>

g

BEN

ÖCH:;

SROCH-

N

Cl

!NH>

Cl

Durch Addition von Amid an die erste Zwischenstufe Benz-in entsteht ein Intermediat, das durch die induktiv elektronenabziehende Methoxygruppe stabilisiert wird; es entsteht daher regioselektiv. Durch Protonierung entsteht das Hauptprodukt. Man beachte, daß in diesem System Resonanz nicht möglich ist, da das reaktive Elektronenpaar sich in einem sp’-Orbital rechtwinklig zum r-System befindet.

cı

+OH

H

OH

cı

CH>ÖH

CH,ÖH ——>

e

@|

|

@l

el

@l

Fax OH

22-16

N

cı

«OH VEN,

| €

ee cl eu; Fıha

l. CoHsCCl, 2. Zn(Hg),

AlCIz

I. HNO3,

HCl

CH>

@]

H3SO4

Cl

2. H>, Ni

:OH

:ÖH

Cl

Cl

NH» @lEEl

cl IE NaNO,>,

CH»

cl Hexachlorophen

H' ‚H50

PAR

22-22

St *

o

D

=

sm.D

DEBER 22-17

Ein solcher Prozeß würde den nucleophilen Angriff eines Halogenid-Ions am Benzolring. erfordern, eine solche Umsetzung findet nicht statt.

22-18 Amine sind nucleophiler als Alkohole; diese Regel gilt auch für Benzolamine (Aniline) im Vergleich zu Phenolen.

___PD D

D

we

2 D

Diese Reaktion läßt sich mit Hilfe der 'H-NMR-Spektroskopie verfolgen. Man sieht das Erscheinen der Signale der endständigen Alkenyl-Wasserstoffatome und die Abnahme der Intensität der Peaks, die sich den gesättigten Positionen zuordnen lassen.

Lösungen zu den Übungen

1387

22-23

HO

O8

—

H;C

OT NaOH

- 0

CH; nochmals dieselbe Reaktionsfolge

DIG

CH;O

OCH;CH3 O0:

——

oO:

OHC

H5O ar

H;C

=

= HO

EN

is

CH3

—_—

CH3CH>O

ÖCHJCH;

Die Cope-Umlagerung ist in diesem Fall besonders schnell, da die negative Ladung im Enolat delokalisiert ist. Diese Reaktion wird auch als anionische Oxy-Cope-Umlagerung bezeichnet.

0%

22-26

22-27

:O:

:O:

:O:

:

NH> 1. HNO3, H>SO4 Ö) 2. Ho, Ni

OH

:OH

:OH

3 Bra, H5O

OH

NH> OÖ

Or

:O:

oO

Or

KOT

0:

Or

Br

]

Br

|. NaNO,, H

2. HzPO>

Br

Br

Br

22-28

(0)

:O-

:0:°

O2. OCH3

—

L

-O

O

:O:

etc.

:O:

|

OCH3

IR

22-25 Dieser Austausch verläuft über zwei aufeinanderfolgende Additions-Eliminierungs-Cyclen.

& CH;

H;C OCH>CH3

CH3O (ec)

30:

:ö a

HIC

CH;

..

Löcn,

CH3O

:OCH>CH3 FO

1388

Lösungen zu den Übungen

=

CH30:”

N(CH3)>

Br

Kapitel 23 23-1

(a)

ul |

(a)

CH,CH,CCHÜOCHzCH;

CH;

1. CH,CH,0”, 2. H*, H,O

|

(b) CH3CCH3 + HCO,CH,CH, 1. CH,CH,0”, 2. H*, H,O 6)

weis

(b) CH3CHCH>CCHCOCHJCH3 (CH3)>CH

oO

(©)

I

+ CH,CH;0,CC0,CH,CH;

| + CH3CHZOCOCH>CH3

© |

CH3(CH>)3C°CHCOCH>CH3

1. NaH, 2. H*, H,O 6)

(CH3)2CH3

(d)

Fre TEA CO;CH;CH; 1. CH;CH,O°, 2. H*, H,O

23-2 Das Ausgangsmaterial geht eine retro-Claisen-Kondensation ein. Das auf diese Weise gebildete Methylacetat (Essigsäuremethylester) reagiert dann in einer normalen Claisen-Kondensation.

0

1. (C,H,),CO°K*

|

23-3

OÖ

1. CH5;CH>O”Na*,

OÖ

CH3CH>COCH>CH3

+ CH3COCH3>CH 3

o

2.4*, 0

OÖ

OÖ

er

| ji

z

s. Abschn. 23.1

CH3CH>OH

|

|

DH

CH3CCH>CH>CH>CO>CH3

2 NaOCH3, CHal, CH5OH ,

|

CH3CH>CCHCOCH>CH3 + CH3CH3CCH>COCH>CH3

100%

|

CH3

Q | “r CH3ÖCHCOCHSCH; + CH3CCH>COCH;CH3 CH3 Hl

ZEicH

80% 2,2-Dimethyl-1,3-cyclohexandion

23-4 Der Mechanismus ist verkürzt dargestellt, nur die wichtigsten Schritte sind gezeigt.

0

CH>CH>0>C(CH,)5COCH;CH;

i

CH3CH50>CCH>CHZCHCO,CHZCH, —ISROCCOCHhch:, — CH3CH>O 00

I

Ss CH;3CH>0>5CCH>

— 29, —CH3CH>0H

I

CCOCH>CH3 CH>5CHCOZCH>CH3

CH;3CH>0CC

CHSCH>0°

———>

—CH3CH>0H

ee

CH3CH>0>5CCHCH>CH>CHCO>CH>CH3

I EEG

=

CH=CH>0

(6) CH;CH>0>€

OÖ

23-5 Auch diesen Mechanismus

haben wir verkürzt.

CO>CH>CH3

(0) OBERST OCHSCH, +7: (0)

CH>C9>CH>CH3

=, MH"

— CHICHO

OÖ

OÖ

=

CHCO>CH>CH3

OCH>CH3

CO,CH>CH3 2

TCHsCcH0

OÖ

Ö)

Lösungen zu den Übungen

1389

I. NaAOCHJCH3

—C(CH>)3COOH

Il

(o anne) 23-9

CH; 2-Methyl-I-phenyl1,3-butandion

(d) Diese Reaktionsfolge gilt allgemein für 2-Halogenester:

l. CH3CH>O "Na"

C

+ CO,

CH3CCH>COCH>CH;

2. BrCH>CO>CH>CHz

>

B NaOH

CH3CCHCOCHSCH, —: EHLCOCHACH, 23-10

H*, H50, A

OÖ

(a) 1. NaAOCH;CH;, 2. CH;CH,CH»Br, 3. NaOH, 4.H*",H:0,A4; (b) 1. NaOCH;CH;, 2. CH,(CH;),Br, 3. NaOH, 4. H*, H,O, A; (2) 1.2 NaOCH;CH;, 2.2 CH;CH;Br, 3. NaOH, 4.H*,H;0,A; (d) 1. NaAOCH;CH,, > CHLCH;CH, 3: NaOH ZH OA

|

|

CH>CCH>CH>COH 4-Oxopentansäure

Nur die zur Ketogruppe ß-ständige Carboxygruppe kann decarboxyliert werden.

(a)

1. CH3CH5OOCCHCOOCH.CH3, CH3

Se HOCCHCH>COH

CH3CH> 2-Ethylbutandisäure

(CH3)9CH3

2. CH3CH>00CCCOOCH;, |

CH3 (CH3)9CH3

3.K

O00CCOO=K? |

CH;

139

Lösungen zu den Übungen

Durch starkes Erhitzen läßt sich dieses Produkt zum Anhydrid dehydratisieren (s. Abschn. 19.8).

| | ($) CH3CCH>CH>CCH3 2,5-Hexandion

23-13

(d) CH,CH>OH,

—

AP Br(CH>)sCl

CH>(CO>CH>CH3)»

CH3CH>O Na*

NaBr

(

| „CH

>

ee

i

a

GICHECCO-CHL EHI |

. 95% Ne "O>CH>CH3

u,

— CH3CH>OH

CO,CH>CH3 23-16

CAı

A = aktivierende Gruppe

N

CO>CH>CH3

Ber

N

‚Se

Fer

ACH,A+R,NH

en

|

ACHA+R,NH,

— NaCl 4

CO>CH>CH3

AR

CO>CH>CH3 a

“ R'CR”[+

1. KON, CHACH>OH nt OA !

“

ACHA =

|

R’ je NM,

CO>CH>CH;

ACHA H

:ÖH

COOH

R’CR’

DE ..

+ R:NH

>

!

IN

ACHA

+ R3NH, —o

nn

A

Cyclohexancarbonsäure

A

23-14 I. NaOH, H>0, 0°C

%2

ER 2 Au

IL CEILCOCH.CH,

">

Rn

R

>

A

et

+ H,O

EN

6) |-

ni

A

B Er

CH3CCHCO>SCH>CH, —> HC

4

23-17

CH,

” :CH(CO,CH;CH3)> + CHz0,C);CHCH,CH,CCH3 + ":CH(CO2CH>CH3)2

:

23-15 All

a

O

sind

in der

Literatur

beschrieben,

Das Enolat des Produkts regeneriert das Enolat des eingesetzten Malonesters.

angegebenen Ausbeuten sind die Literaturausbeuten.

NC

23-18

CN

CH3CH>

(a)

‚ 80%

(a)

N (b) CH;CH>CH,CH=C CO,CH>CH3

(CH3CH>0>C)>CCH>CH>CH,

6)

„74%

(b)

56%

e

, 98% SCols OÖ

(c) H5@

40%

CH>CH>CN o

ıCCeHs (-.H5C=C

(6)

CH CHCH>CO>CHSCH 3 ‚66% CO>CH>CH3

Lösungen zu den Übungen

1391

23-19

23-22 Ir ar CH,

nr ®

LEHcn =

%

An

CH;

©

CH3

CH; n

NC

CN

23-23 OÖ

16)

O

(0)

(a) CH,;CH,CH,CO;CH;, 1. Na, 2. Cu?*

CH>—=CHCN 2 zweite MichaelAddition

CO>CH;3 (b)

CO,CH3

+ Na

23-20

COJCH3

Erster Schritt: Michael-Addition

6)

FuNa

(e)

CO-CH;CH;

CH>CO>CH;

7 + CH,=CHCCH; —

CH.OT

H3C

O

23-24

OÖ

CO>CH>CH3

N HO

Ss3

®

HG

N:

1 HO

S©

CN

Zweiter Schritt: Aldol-Kondensation

H5CCH3>CH3

=4

CN

HO

> c.

CN

CO,CH3>CH3

N

23-21 HO,_

Ir (a)

hen

_COOH

HO

E7

0G

Di

(b)

CH3

HO_

_,COOH

23-25 Nucleophile addieren an die Carbonylgruppe; Basen deprotonieren die a-Position.

1392

Lösungen zu den Übungen

Kapitel 24

23-26

24-1

4

CE RNE

CH3ÖCH>ÖCH: —— CH; (0)Ö-LCH>-ZOCH; |

>

— CH3ÖH

H

(a) Aldotetrose;

(b) Aldopentose;

(ce) Ketopentose.

24-2 (a) (2R, 3R, AR)-2,3,4,5-Tetrahydroxypentanal

ZRHX HSCCH»3SH S CHZOZC 2 Fr en

(b) (2R, 385, 4R, SR)-2,3,4,5,6-Pentahydroxyhexanal

24-3 CHO

CH3ÖCH>S(CH,)3SH ">

HO

au

CHÄÖZCH>TSICH».SH

— CHzOH

(CH3)3SH

an

N

H

OH

24-4

HO

CHO H

1. CH3CH>CH>CH3Li 2a S

HO

HN Ba

2

a

23-27

ae

OH

CH;0OH D-(-)-Arabinose CHI,

S

H a

H

N

H

eo

I

En

H CH>0OH

en H OH

OH

1. CH3CH>CH>CH5Li

H

?

2. CHzCCHz S

x

Ho

H

Be

icon

S CH(CH3)»

var

H

|

OR

He?*, H,0 Ss

(CH2)2C”

OH

S

'CHICH»),

.

OH

L-(-)Glucose

24-5 Falsch. Sie sollten in ungleichen Mengen entstehen, da es sich um zwei Diastereomere handelt. Tatsächlich ist das Verhältnis a zu ß 36:64. Entsprechend liegen im Gleichgewicht in wäßriger Lösung 3% a-D- und 57% ß-D-Fructopyranose, 9% 0-D- und 3%

23-28 (a

24-6 CH;CH,CHO

1,3-Dithian

und

_O

(a)

CH>OH

oH/ OH

OH

1. CH;CH3>CH3>CH;3Li,

3, CH,CHLCHLCHLLi,

2% CH;(CH3);Br,

CH>OH

5. Hg”', H,O

4. CH;CH,CHO,

(2)

HOCH,

+ Thiazolium-Ion-Katalysator oder 1,3-

Dithian und 1. CH,CH>CH;CH;Li, 2 CH;CH3Br, 3>SCH.CH,CH,CHLLI, 4.CH;CH,CHO, 530% E50 (b)

B-D-Fructofuranose vor.

1,3-Dithian und 1. CH,CH>CH;CHJLi, 2. CH,CH,CHCH,, 3. CH,CHCH,CHLLi,

HO—@—H

(b)

o

OH

OH

R

Br

H

OÖ |

4. CH,;CCH;CH;, (d)

C,H;CHO

(e)

(CH3), CHCHO

53 482..H,0

OH

+ Thiazolium-Ion-Katalysator

+ Thiazolium-Ion-Katalysator oder

1,3-Dithian und 1. CH;CH>CHJCH;Li, 2; (CH;),CHBr,

4. (CH,);CHCHO,

3. CH;CH;,CH3;CH3„Li,

5.Het,.H,0

(e)

OH, R

HO

H OH

Lösungen zu den Übungen

1393

24-7 Vier axiale OH-Gruppen, 4 x 3.94 kJV/mol, eine axiale CH;OH-Gruppe, 1 x 7.12 kJ/mol; AG = 22.88 kJ/mol. Die Konzentration nachlässigen.

dieses Konformers

in Lösung ist daher zu ver-

COOH

HO——H HO—ZEH Bon

24-8 Es

sind

nur

das

anomere

C-Atom

und

die

Nachbaratome

-

D-Mannono-y-lacton + H,O

Hl

gezeigt.

CH>0H D-Mannonsäure

24-12 Bei der Oxidation der p-Glucose sollte eine optisch aktive Aldarsäure entstehen, bei der Oxidation von D-Allose geht die optische Aktivität verloren. Dies ergibt sich daraus, daß nach der Oxidation an jedem Ende vorhanden ist.

+ H50 0

der Kette derselbe Substituent

COOH H

eben

Ho

COOH

OH

H

H

Bol

Bon HB

OH

ne oH

Ola!

COOH

24-9 Reine «-Form +112°; reine ß-Form, +18.7° (Aa = 93.3°). Nach Einstellung des Gleichgewichts an = +52.7°. Stoffmengenanteil von a: (52.7°-18.7°)/93.3° = 0.364. Der Stoffmengenanteil

COOH

D-Glucarsäure

pD-Allarsäure

optisch aktiv

meso, nicht optisch aktiv

ß:a = 0.636/

Hierdurch ändert sich die Symmetrie des Moleküls. p-Allarsäure hat eine Spiegelebene, ist daher eine meso-Verbindung und optisch inaktiv. (Hieraus folgt auch, daß D-Allarsäure iden-

AG" (geschätzt) = -3.94 kJ/mol (eine axiale OH-Gruppe); AG”

optisch aktiv. Andere einfache Aldosen, die sich in meso-Aldarsäuren überführen lassen, sind p-Erythrose, D-Ribose, D-Xylose und

von ß ist daher 0.636. Das Stoffmengenverhältnis 0.364 = 1.75:1.

tisch mit L-Allarsäure

24-10 = -RT Ink = -8.314 IK! 1.38 kJ/mol

mol!

x 298K In (63.6/36.4) = -

Der Unterschied zwischen beiden Werten zustande, daß der Sechsring ein cyclischer Cyclohexan) ist.

kommt dadurch Ether (und kein

ist.) D-Glutarsäure

ist andererseits

noch

p-Galactose (s. Abb. 24-1).

24-13 (a) 2

CH,=0O;

+HCOOH;

(b)

(d) keine

CO,; &) 3 HCOOH

CH;CH=O+CH,=0; Reaktion;

(co)

CHH=O

(e) OHCC(CH;)CHO

+

+ CH,=O.

24-11 Durch

Oxidation

ton, das dann

des anomeren

durch

C-Atoms

eine intramolekulare

entsteht

das ö-Lac-

Umesterung

CH>OH 2

HO

Öö

(ce) D-Glucose oder D-Mannose

Br>, H>0

HO

OH

+ CH>O

(a) Ribitol

ist eine

meso-Verbindung

(b) p-Mannitol

(haupt-

sächlich) und D-Glueitol.

ß-D-Mannopyranose

Ö OH

H>0

HO (0) p-Mannono-ö-lacton

1394

> 5 HCO,H

24-15

H

CH;0OH 2

24-14

(b) D-Erythrose >3 HCO,;,H + CH,O p-Erythrulose > HCO,H + 2 CH;,0 + CO;

OH

HO

zum

(a) D-Arabinose > 4 HCO,H + CH>O D-Glucose > 5 HCO,H + CH)5O

y-Lacton isomerisiert, das stabiler ist.

Lösungen zu den Übungen

24-16 Alle sind identisch.

24-17 Der Mechanismus der Acetalbildung verläuft in beiden Fällen über dasselbe Kation als Zwischenstufe:

j

(b)

CH>0H

H

CH>OH

OH

HO

H

HO

H

HO

H

+

0:0)

We

HO

DS

H——

H

H———OH

OH CH>0OH

HO

L

H——-OH

en:

OH

CH>OH

(c) keine Reaktion.

24-18

HOCH,

-Ö HO

24-25 (a)

OCH3

CH>OH

HO

OH

S

HO

24-19

H

OH

Dieselbe Struktur wie die in Übung 24-18, oder ihre Diastereomere an C2 und C3.

2

0)

CH,OH

op COOH

24-20

HO

HO CH>0H

(b)

oO H*, CH3COCH3

HO

OH

OH

HO

HO

H

H

OH

OH

e

o

CH>OH

_oy

C—

reaktiv

HO

"NNHC5Hs

NNHCSHs

OÖ

CH>OH

H c

oO IE PBrz

5

2. H*, H,O o

R:

H

(e) CH>OH

HO

2

>

HO

24-21

(a) D-Ribose und D-Arabinose (b) D-Glucose und D-Mannose

24-22 A, D-Arabinose; B, D-Lyxose; C, D-Erythrose; D, D-Threose.

«a-Maltose

24-23

Im

"®C-NMR

Arabinarsäure

der Ribarsäure

würden

nur drei, in dem

der

fünf Linien auftreten.

Kapitel 25

24-24

25-1

(a)

nl]

CH30

CH5O

H;C”,

CH30CH>

CH>0CH3

ER

SZ | CH>CH3

o

(ce) 2,6-Dinitropyridin (d) 4-Bromindol

Lösungen zu den Übungen

1395

25-7

€ u

HÖ:

/N +{RNH, —

—

un

N

Base

RR N

HCI

E

+ !SH —

CH5—CH |

|

Hs?

>CH,

Additi

Ne (a) CH=C-O

A

CEH-CCH=C

+Cle

Cl

O'

— ZnCh — 7

CH,

r

|

Ö:

eo

SEE

Ch

rn

Ze ZnCh

oO:

(b) |

H;C

Ringschluß _—

N De

H;C

10:

cn.

CISO,—N=C—=O ’

109it

j

S

(CH3,C\

H;C CH» |

durch die freie Drehbarkeit des Zwischenprodukts wird die stereochemische Information eliminiert

H;C

c

ISSN OÖ

| CH3CH—CHCCH3 + N

5%

R: ":ÖH

N

No

CISO;

0)

25-9

..

(X

BROE

cis und trans

Bi:

—

+ cl

“

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ca (CH))38

—

cl

25-4 Re

a, a:

CH,=Ö

nöd:

.

OH

25-8

Michael-

Di

HO

=

x

25-3

CHLEHCH® ce

—H>02

1. Bra, hv

I. RCO3H

2. KÜTOC(CH3)3

2. K*"SCN

N

25-10 CH;

i

25-5

CH3

SHel-

> | ) . +a7

es H

—

„Cl HCI

B

ot

dl

SH

cl

CH3CHCH>CH>OH

57% 25-11

|

+ CH3CHCH>CH3>Cl

u N

OÖ ES

OH

ir MeBr>

NO

>

25-12 +

Sn

H E

5

MeBr,

—

m

|

1

H

Stickstoff ist elektronegativer als Kohlenstoff

1396

Lösungen zu den Übungen

aus Resonanzgründen ist das Molekül jetzt in entgegengesetzter Richtung polarisiert

25-13

H;C

6)

A

CH3CH>0>C

io ü

” OR

NH3

ec” C

u

a De:

a-Ketoamin

_CO>CH:CH3

HsC__ _O

CO>CH3CH3

- 30

Me I ei >

era

nm

ß-Ketoester H5C_

H;C

_CO>CH>CH3

C—=C

CH3CH>0:C_ /

\

na

_

H

IN

Ben CH3CH>0;C

er

N H

CH3

N

CO,>CH>CH3

}

25-14

[

COOH N ..

Br

Br

S

cooH

COOH

COOH

En

Brdinas

His

..

Bro

vie

A u

29

HIESS

HenaS

FROH

|] BES

+

durch den Angriff an C5 wird verhindert, daß die positive Ladung nach C3 verschoben wird

&

69%

25-15 Durch Protonierung am a-Kohlenstoffatom wird ein Kation erzeugt, das mit drei Resonanzformeln beschrieben werden kann. Durch Protonierung am Stickstoffatom wird ein Ammonium-Ion gebildet, für das keine Resonanzstabilisierung möglich ist.

25-16 CO;CH3

COsCH3

» >

Z:

NCO>CH3

Te

|

/

CO;CH3

CH30;C

2 en

Retro-Diels-Alder- aan

/

NR

Reaktion

CO>CH;

CO;>CH3

CO;CH3 25-17

(a)

>

N

_H2SOs ,

N

CH3

N

N“

\

H

H

CoHs H;C

R

oe

(b)

ni

N

(e)

H;C

N

N“ “

\

H

a

COOH

PCI;

Far“

CoHs

N

\

ü

|

- CID-+

PpA en

H

2-Methyl-

2-(Phenylmethy))-

3-phenylindol

indol

\

COOH

N H

2-Indolcarbonsäure

Lösungen zu den Übungen

1397

25-18

25-21

|

CH(CH3),

Be

(a)

CH3CCH>CO>CH>CH3

- NH3 5

NO,

en der Fischer-Indolsynthese

CHO

| CH3CCH>CN; H3C

H;C

CH3

6) \

f

KR OS NH

= NH3

(b)

CH3CCH>CN, NH3, (CH3)3CCHO;

(c)

CH3CH>CCH>CO>CH3>CH

\

H

\

H;C

HC

3,

NH3,

CH>CHO.

nn H

Y

—

25-22 C3 ist die am wenigsten desaktivierte Ringposition. Bei Angriff auf C2 oder C4 entstehen intermediär Kationen, für die sich Resonanzstrukturen mit der positiven Ladung am elektronegativen Stickstoff zeichnen lassen.

N+

\

H

=

N

|

Angriff an C3

TE

—

N E

4

CH;

H;C

N

mE

— NN5

CH;

E —

+

N“

+

NZ

N

H

| I

AngriffanC2

—_——

N“

25-19

N Ri

\

Aue)

x

na

|

E

>

NH

N %

nn E

>

E

I

N

NR

H

H

’

\

+

H

EoH

"

H

| —

Angriff an C4 ——

N’

E

nur beim Angriff an C3 entsteht eine Iminium-Resonanzformel,

bei der die Aromatizität des Benzolrings erhalten bleibt

E

H

E

H

25-23 Beim Angriff an C2 oder C4 entstehen stärker resonanzstabi-

25-20

Wegen der Elektronegativität des Stickstoffs zeigt der Vektor des Dipolmoments in beiden Verbindungen in Richtung des Heteroatoms. Das Dipolmoment von Pyridin ist größer als das des Azacyclohexans (Piperidin), weil der Stickstoff im Pyridin sp’-hybridisiert ist (über den Einfluß der Hybridisierung auf die Stärke der elektronenziehenden Wirkung s. Abschn. 5):

1398

H

D-0-02

|

Lösungen zu den Übungen

lisierte Anionen gezeigt):

2-Chlorpyridin,

(nur die wichtigsten Resonanzstrukturen

C CH30

sind

cı

cı

as

3-Chlorpyridin,

en

.

{

ao

NZ

Sy

25-26

x Al

u

Bez

i

l. (CH3CH3>)20,

MeBr

18 h, A 2. NH,CI

N.

I el

OCH3

Ne

4-Chlorpyridin,

n

56% 2-(2-Propenyl)chinolin

Ss

l. (CH3CH3>)20, 18 h, A

MsBr

>. nu.cı

N

25-24 Abgekürzter Mechanismus:

57% 1-(2-Propenyl)isochinolin.

Kapitel 26 26-1 (25)-Aminopropansäure; (2S)-Amino-3-methylbutansäure; (28)-Amino-4-methylpentansäure; (2S5)-Amino-3-methylpentansäure; (2$)-Amino-3-phenylpropansäure; (2S)-Amino-3-hydroxypropansäure; (2S)-Amino-3-(4-hydroxyphenyl)propansäure;

(25,6)-Diaminohexansäure;

(2R)-Amino-3-mercaptopropan-

säure; (28)-Amino-4-(methylthio)butansäure; (25)-Aminobutandisäure; (25)-Aminopentandisäure.

26-2

HoN

25-25

.C-COOH

Abgekürzter Mechanismus:

C

„C--COOH

Hacıt

H N

HN,

H>N

a

POCI,

| Ö

H+

= CI

Ei

HsCo=€

L

CoHsHzC 5 H

N

N

_C—COOH

\ „C-COOH

CH>CsHs

N:

V

H

26-3

Open,

|

\

*NH>

6 ENG

e@

N

NH>

80

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NH,

Ne

ENGE

5

$ NH;

pK, =

»/

NH»

H>N

Ne NH3

13

26-4

Bas c ne

4

7

(0)

N

N

@

BES

A I

|

“NH

HsCe

Om

- HOPCI I z

N:

BED

CeHs

oO

Lösungen zu den Übungen

1399

26-5 Im folgenden sind die Literaturausbeuten angegeben.

A NH;

CICH>CH>SCH; _ _H", H50, A

CHASCH>CH>CHCO, 85% Methionin

OÖ

+

NH3 CICH,COOCH>CH, „ _H ", H50, A

N—C(CO>CH>CH 3), —-

| > HOOCCH>CHCO,” 33%

(6)

Asparaginsäure

a NH; CH>=CHCOOCH>CH;

H", H>0, A

—

> HOOCH>CH „CHCO> 7

Michael-Addition

75% Glutaminsäure 26-6

Diese Synthesen finden sich in der Literatur:

CH,—O

NH4*

+-

"CN, H>SO,

. BaO, H50, A

HSNCHSCN

4 HANCH>COO”

2-Aminoethannitril

42% Glyein

O|

O

CH3SH + CH,=CHCH ——>

I. Na’

CHSSCHSCH:CH

ıchae

Additiön

R

"NH3

CN, (NHy)>COz

— —ı

|

> CH3SCH>CH>CHCOO”

84%

58%

3-(Methylthio)propanal

Methionin

26-7

OH

NH>

>

CH N +

H3NCHC—NHCH—C HC

NH;

c=O

NH>

ar

CH>

C=O

NH

OR OÖ: 1 .CHI:G

CH2IG

— NHCH—C—NHCH—C—NHCH— S

C

N MW Ba

S

CN

N

(CH>)3 Q

—EH—ECNHCH

N

C—NHCH>CNH3>

CH>

26-8

Bei der Hydrolyse der A-Kette entsteht jeweils ein Äquivalent Gly, Ile und Ala, jeweils zwei Äquivalente Val, Glu, Gin, Ser, Leu, Tyr und Asn, sowie vier Äquivalente Cys. 26 -y

S

| HN

S 2

Pal

CeHsN=C=S Sa)

NEO +

|

H;NCH>CONH>




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8

“/

CsHsN OS3925ö

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H *-Verschiebung

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CoHsN

Ale

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H>N

NCH>CONH> H,

H' az

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CH>

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u

S

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CeHs

Ar

| 1400

Lösungen zu den Übungen

|

S

H *-Verschiebung

Don.

Sei

Can“ u

S

Si 12

m

N“

pn + NH

a:

26-10 Es handelt sich um die A-Kette des Insulins.

26-11

Pi OBER

'o

R

OH R

ade (CH3), COCNHCHCOOH —— (CH3)3;C-{ON-CNHCHCOOH —= (CH3);C" + O=CNHCHCOOH —— a

Da

H'

R +

H;NCHCOO

+ CO, + CH>=C(CH3)»

26-12

1 1.

Ala+

(CH3)z, COCOCOC(CH

3) 3 ——

+

Boc-Ala

CO,

(CH3)3COH

a

H' 2. Val+ CH,;,OH —>

Val-OCH;, + H,O DCC 3. Boc-Ala + Val-OCH, —> Boc—-Ala— Val—OCH, H' 4. Boc—Ala—Val-OCH;, > Ala— Val-OCH, + CO, + CH, =C(CH 3),

5. Leu + (CH3)z, COCOCOC(CH3);

—>

Boc-Leu + COz + (CH3)3;COH

DCC 6. Boc—-Leu + Ala— Val-OCH, —> Boc—Leu—-Ala— Val-OCH; 1. H*,H,0 2. HO 1,0 1. Boce- Leu-Ala-Val-OCH, —— —

Teau-Ala— Val

26-13 Polystyrol

SnClz EN

r

u

ech, — 0 CH, CH, Zr

5

CH>Cl + CH3CH>OSnCl;z

H en

i\

CH>Cl 26-14 Vor der Mutation: Lys- Tyr-

Ala-Ser-Cys-Leu-Syr

Nach der Mutation: His-HisAla Alle Nucleotide vor dem Initiator-Codon

und

nach

dem

Terminator-Codon werden nicht berücksichtigt.

Lösungen zu den Übungen

1401

f

tb

Re:

n# neu f

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I

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ee

I

ro

ET

ö

A

KR

ib

id

Sachregister

A Abfangreaktion 535 Abgangsgruppe 209, 215, 220 ff, 909 — Basenstärke 222 - RO-Gruppe 223 — Wasser

222, 334

Acetessigester

Abhängigkeit — physische und psychische

ABS

1265

647

Abschirmung 399, 568 absolute Konfiguration 170ff — anomale Dispersion 171 — chemische Korrelation 171 - D-(+)-Glycerinaldehyd 172 — D-Konfiguration 172 — L-Konfiguration 172 — relative Konfiguration 170 — Röntgenstrukturanalyse 171 — R-S-Sequenzregeln 170ff Absorption 389, 426 Abspaltung der Boc-Gruppe 1312 Abwasserbehandlung 903 Acceptor 737

Acetal-Hydrolyse Acetalbildung — Mechanismus.

798f 799

Acetaldehyd 47, 307, 527, 584, 594, 782, 797, 904, 1165 - Aldolkondensation 854 — Cyanhydrin 811 - industrielle Darstellung 539 — Molekülstruktur 785 — Siedepunkt 785 Acetale 797ff — cyclische 800 —- Darstellung 799 — Schutzgrupppe 800 — selektive Hydrolyse in Gegenwart von Ethergruppen 1199 Acetamid 950, 968 Acetamidomalonester 1293 (Z)-2-Acetamido-3-phenylpropensäure

505

Acetaminophen 720, 737 Acetanhydrid 962 Acetat — Darstellung 293 Acetat-Ion — Resonanzformeln 75 1139, 1148

— pK,-Wert 1140 — Synthese 1148 Acetessigsäureethylester 1146 acetic acid 894 Aceton 47, 227, 565, 782, 797, 801, 809, 1097 — Acetale 801 - Aldolbildung 857 — Bromierung 848ff — Elektronenübergänge 788 — Hochtemperatur-Pyrolyse 964 — Hydrazon 805 - industrielle Darstellung 790 — Siedepunkt 785 Acetonitril 49, 227, 801, 982, 985 —- molekulare Struktur 982 Acetophenon

674, 718, 720, 783, 788,

849 o-Acetoxybenzoesäure 1099 Acetyl-CoA siehe Acetyl-Coenzym A Acetyl-CoA-Carboxylase 930 Acetyl-Coenzym A 930, 1143, 1166 Acetyl-Gruppe 783 Acetylaceton 845, 1138, 1144 — pK,-Wert 1140

2-Acetyl-w-butyrolacton 1149 Acetylchlorid 957, 1159 Acetylen 9, 46, 563ff Acetylen-Brenner 570 Acetylendicarbonsäuredimethylester

099.039 Acetylhalogenide 957 1-Acetyl-2-methyleyclopenten 860 2-Acetyl-l-methyleyclopropanol 860 2-Acetyl-5-methylthiophen 1250 (S)-N-Acetylphenylalanin 505 1-Acetyl-2-phenylhydrazid

— IH-NMR-Spektrum

955

2-Acetylsalicylsäure 737 — Acetylierung von 2-Hydroxybenzolcarbonsäure 1099 Acetylthioester 1143 Achilles-Sehne 856 achirale Lösungsmittel (NMRSpektroskopie) 407 achirale Moleküle 163 acidifizierende Wirkung 923 Acidität - Alkane 566 - Alkene 566 - Alkine 566 — Carbonsäure 900 — Cyanwasserstoff 72f — Halogenwasserstoff 73 — Methan 73£ — Methanol 73f —- Propen 614 - Schwefelsäure 73ff - Thiole 364 — Wasser 72ff Aciditätskonstante 73f Acidose 367 Acidum aceticum 904 Acidum formicum 901 Aconitsäure ..497 Acrolein 634f Acrylamid 593 Acrylnitril 536, 537, 594, 667, 927 — elektrolytsche Hydrodimerisierung 1056 Acrylsäure 593, 894 Acrylsäuremethylester 635 Acyclovir 1319 Acyl-Anionen 1160ff — maskierte 1160ff

Acyl-Äquivalente Acyl-Carrier-Protein

1160ff 931, 1143

Acylchlorid 789, 912f Acyl-Gruppe 783 Acylhalogenide 911ff, 955, 957 o-Acylisoharnstoff

1312

Sachregister

1403

Acylium-Ion 995 — aus Carbonsäureanhydriden 719 Acylium-Kation 995 Acylnitren 979f Acyloine 1155 ff Acyloin-Kondensation 1155ff — cyclisierende 1156 — intramolekulare 1156 — Mechanismus 1155 Adams, R. 501 Adams-Katalysator 501

1,2-Addition 1,4-Addition 1,6-Addition

629, 868 ff 628ff, 868 ff, 1150 631

Addition — radikalische siehe radikalische Addition — elektrophile siehe elektrophile Addition Additions-Eliminierungs-Mechanismus

I09EL, 919, 1O91F Additions-Eliminierungs-Reaktion 909ff, 954, 1139

— Basekatalyse 910 — Haloform-Reaktion 909 —- Konkurrenzreaktionen 911 — Säurekatalyse 910 — Veresterung 910 Additionsmechanismen — Carbonylgruppe 793 Additionsreaktionen SOVEE, 579 — anti-Addition S10ff, 588

- elektrophile S82ff — Reaktionsenthalpie

500 — Regioselektivität S82f — Stereochemie S82f —- syn-Addition 502, 519 ff, 588 — thermodynamische Aspekte S00ff endo-Addukt 638 exo-Addukt 638 Adenin 1238, 1260 Adenosintriphosphat 1159 S-Adenosylhomocystein 246, 385 S-Adenosylmethionin 245, 384 Adipinsäure 895, 904, 906, 984, 1055 — aus Benzol 1055 — Copolymerisation mit 1,6-Hexandiamin 1055 Adipinsäuredinitril 927, 984

Adiponitril

927, 984

— aus 1,3-Butadien 1056 Adrenalin 197, 246, 1023 Adriamicin 645 Adriamyein 1218f —- Aglycon 1218 — Struktur 1219

Advil Affe

737 45ff

Affinitätschromatographie - zur Trennung von Polypeptiden 1306 Africanon 156 Agent Orange 1094 Aggregation von Blutplättchen 463 Aglycon 1218

AIBN 108 AIDS — Medikament - Virus

1236

1319

Aklomid 1128 aktivierende Substituenten 738, 741 Aktivierungsbarriere 621 Aktivierungsenergie 93, 406 — Reaktionsgeschwindigkeit 69f — Rotationsprozeß 62 Aktivierungsparameter 406 Aktivkohle 501, 579

1404

Sachregister

Alan 297 Alanin 164, 926

— Mechanismus 855 — stickstoffanaloge 859

—- (R,S)-Alanin 1293 — biologische kinetische Spaltung von

Aldoladdukt

racemischem A.

1297

— Darstellung durch Hell-VolhardZelinsky-Bromierung mit anschließender Aminierung 1293 — Darstellung durch Strecker-Synthese

1294 — Drei-Buchstaben-Code

1287

- pK, der NH3'-Gruppe

1287 1287

542, 929

Aldarsäure 1193, 1205 Aldehyde 3, 47f, 295 ff, 306f, 588, 781ff, 894, 969, 1157 — Acidität 842 — Alkylierung 851ff — Basizität 795 — charakteristische Valenzschwingungen 466 — chemische Nachweise 819 — chemische Verschiebung 401, 430 — BC-NMR-Spektren 786f — Darstellung

588ff, 789 ff, 961, 969,

985 — Elektronenspektren — —

— —

788 Elektronenübergänge 788 Entschirmung 898 Fehling-Nachweis 819 Halogenierung 847

— !H-NMR-Spektren — Herstellung

- - Übersicht

854ff, 868, 872,

924, 1150 - enzymkatalysierte —i/Esters970 — Ester-Enolate

786

828f

856

970

—-ıintramolekulare

- pK, der COOH-Gruppe Alanylglycin 1299 Alarmpheromon

854ff

Aldolase 859 Aldolkondensation

859ff, 873, 1138

— Mechanismus 855 Aldolreaktion 1139 —- retro 857 Aldonolacton 1221 Aldonsäure 1221 — Darstellung 1192 — Dehydratisierung zu einem Aldonolacton 1193 Aldopentosen 1280 Aldosen — relative Konfiguration 1205 ff — optische Aktivität 1205 pD-Aldosen 1184 — Drehwert 1185

— Übersicht

1185

D-Allose 1207 — Fischer-Projektion 1185 aliphatische Verbindungen Alkalihydroxid 333 Alkalimetalle

Alkaloide

333, 809, 866

526, 1265 f, 1267

Alkanale 782ff Alkanamide 974 Alkanamine 1021f

Alkandiol

352

Alkandisäuren

895

— Hydrid-Reduktion 297ff — Infrarotspektroskopie 787

Alkane 2, 45ff, 87 ff — Acidität 566

— IR-Banden

— — — —

— — — — — —

— — Übersicht — — — — —

466

konjugierte 864ff Konstitutionsformeln 784 Laborsynthese 790 nichtkonjugierte 864ff Nomenklatur 782 physikalische Daten 785 Reaktionen

830f

reaktive Positionen 793 Reaktivität 793 Reduktion 295ff Resonanzformeln 898 Siedepunkte 785 spektroskopische Eigenschaften

786 ff — Tollens-Nachweis 819 - ungesättigte 794 - a,ß-ungesättigte S4lff, 854, 862,

865, 868, 871, 1150 — - 1,2-Addition 868 — - 1,4-Addition 868 — - a,ß-Dialkylierung 871 — - Darstellung 861f — - Eigenschaften 864ff — — Grignard-Reagenzien 871 — - Hydratisierung 868 — - Hydrierung 865 — - konjugierte Additionen 868, 872ff — - Reaktionen 865ff — - Resonanzstabilisierung 864 Aldehydkupplung 1163

Alder, K. 633 Alditol 1196, 1211, 1221 Aldol 854 Aldoladdition 854ff — Enzyme 859 - gekreuzte 858f

46

Bindungswinkel 56f C-C-Bindungslänge 56f C-H-Bindungslänge 56f charakteristische Valenzschwingungen 466 Dichte 57ff IR-Banden 466 Löslichkeit in Wasser 287 physikalische Eigenschaften 56ff polyeyclische 49, 141ff - anellierte Ringe 142 - Brückenkopfsubstituenten 142 — kondensierte Ringe 142 Reaktionen 87ff Schmelzpunkt 57ff Siedepunkt 57ff systematische Nomenklatur 51ff Verbrennung 87, 112ff Verbrennungsenthalpie 113

— — — — — — — — — — — — — — Alkanmnitrile 981ff — Basizität 983 — IR-Spektrum 982 - Nomenklatur 982 Alkanoate 343ff Alkanol 284ff — primäres 285 — sekundäres 285 - tertiäres 285 2-Alkanole 849 Alkanone 783ff Alkanoyl-Anionen 1160ff — maskierte 1160, 1163

Alkanoyl-Äquivalente

1160

Alkanoyl-Gruppe 783 Alkanoyl-Ylide 862 Alkanoylammoniumchlorid 960 Alkanoylammoniumsalz 960 Alkanoylbromid 912f, 925, 955

Alkanoylchlorid 789, 912£, 955 — Hydrierung 961 — Reduktion 961 Alkanoylhalogenide 894, 909, 911 ff, 954, 957 ff, 1149 — Additions-EliminierungsReaktionen 957ff — Estersynthese 959 — Hydrolyse 959 — Nomenklatur 957 Alkanoylhypobromit 928 Alkansulfonate 903 Alkanthiolat 364 Alkene 3, 46, 259ff, 449 ff, 633, 1240 — achirale 505

— Acidität

566

— — —

Addition von Radikalen Bildungswärmen 471f Bindungsstärken 455f Brom-Addition 510 charakteristische Valenzschwingungen 466 — chemische Verschiebung — Cope-Eliminierung 475 — Darstellung

529ff

430

474ff, 482£, 591, 735f,

809f — Deformationsschwingungen 468 — Dehydratisierung von Alkoholen 474, 479 ff — anti-Dihydroxylierung 524 — Dimerisierung

— — — — — — — — —

Dipolmoment 457 elektronenarme 633 Eliminierung 259£f, 474ff Entschirmung 458f Ester-Pyrolyse 475 gesättigt 449 Gleichgewichtseinstellung 509 Halogenierung 510ff Herstellung

— — Übersicht — — — — — — —

532ff

487

hochsubstituierte 473 Hofmann-Eliminierung 475 Hydrierung 471££, SOL ff Hydrierungswärmen 471ff — nichtkonjugierter A. 625 Hydroborierung S519ff Hyperkonjugation 473

—- interne

— — — —

IR-Banden 466 cis-Isomere 473 - Darstellung 579f, 588f trans-Isomere 473, 580 f Kondensation von Carbonylgruppen 474° — Kopplungskonstanten 461 — — — —

532, 592

NMR-Spektroskopie 458ff Nomenklatur 450 Oligomerisierung 532ff Oxidation 905

— Oxymercurierung-Demercurierung

S16ff — physikalische Eigenschaften — Polarisierung 457 — Polymerisation

—- Protonierung

532ff

499ff

— — Übersicht

550f

-— Reduktion von Alkinen — relative Stabilität

474

471ff, 473

— reversible Protonierung 508f — Stereochemie 451 — stereospezifische BromierungDehydrobromierung 576 — sterische Wechselwirkung 473

450 451f

- terminale 450, 476 — thermodynamische Stabilität 472 — Trivialnamen 450 — umgelagerte Carbenium-Ionen 340f — ungesättigt 449 Alkenin 564 trans-Alkenol 582 Alkenoxid 348 Alkenyl-Alkyl-Bindung 456 Alkenyl-Anion 580f Alkenyl-Kation 583 — cyclisches 586 — Molekülorbital-Schema 590 Alkenyl-Wasserstoffatome 567 Alkenylamine 806 Alkenylboran 589 Alkenylhalogenide 576f — Reaktivität 590 Alkenylmetall-Verbindungen 591 Alkenylradikal 580f Alkinamine 595 Alkine 3, 46, 48, 563ff, 639 — Abschirmung 568

— Acidität

566

— Additionsreaktionen 579 — Anti-Markovnikov-Addition 792 — Anti-Markovnikov-Hydratisierung 792 — Bindung 565 — C=C-Valenzschwingung 569f — charakteristische Valenzschwingungen 466 — chemische Verschiebung 401, 430, 567 - cyclische 571

- PC-NMR-Spektren — — — — — — — —— — —— — — — — — — — — — — — — — — — —

— Base

290, 331

— Bindungslängen

286

— Bindungswinkel 286 — charakteristische Valenzschwingungen 466 — chemische Verschiebung 401, 430 — Darstellung 294ff, 306ff, 520f, 794, 922, 968 j — Deprotonierung 331 — Dipolmoment 286 — Eliminierungsreaktion 331, 334 ff — geschützte Form 361 — — —— —— — —

IR-Banden 466 Löslichkeit in Wasser 287 NMR-Spektren 426 Nomenklatur 284 Oxidation 295, 299 ff, 331 physikalische Eigenschaften 287 pK,-Werte 289 primäre 285 primäre Dehydratisierung 482f

- — Übersicht 580f

584, 791f

563f

Oxidation 586f physiologisch aktive 595 ff Polarisierung 565 Polymerisation 565, 586 Reaktionen - Übersicht 603 474, 579 ff

reversible Deprotonierung Siedepunkte 565 Spektroskopie 567 ff Spin-Spin-Kopplung 568 Stabilität 570ff Strukturaufklärung 569

— terminale 564, 571, 583 l-Alkine 566, 572 2-Alkine 572f Alkinol 582, 595 Alkinyl-Anion 566, 815 — Alkylierung 577ff Alkinyl-Gruppe 564 Alkinyl-Wasserstoffatome 567 Alkohol-Dehydrogenase 295, 329 Alkohol-Fragmentierung 994 Alkohol-Oxidation 790 f, I06f Alkoholdehydratisierung 335 Alkohole 47f, 2831f, 331ff, 894, 927, 958, 959, 959, 965 — Addition 797 — allgemeine Darstellungswege 314 - amphotere 290

— protonierte 290 — Protonierung 331 — Reaktionen 331ff

Hydrierung 571, 579f Hydroborierung 579 Hydroborierung-Oxidation 589, 792 Hydrohalogenierung 582f Hyperkonjugation 571 interne 564, 571, 583 IR-Banden 466, 569 f Isomere 571ff Isomerisierung S71ff katalytische Hydrierung 579f Kopplungskonstante 568 Markovnikov-Hydratisierung 792 natürlich vorkommende 595 ff NMR-Signale 567ff

— Reduktion

— — — — — —

569

Darstellung 574ff, 577 ff Deprotonierung S566f Dipolmoment 565 doppelte Eliminierung 574ff Eigenschaften 565 Ein-Elektronen-Reduktionen Energieinhalt 570f Fernkopplung 567ff Hybridisierung 565f

— Nomenklatur 456ff

506

— Reaktionen

— E,Z-System

— Hydratisierung

450, 475f

—- Monomer*

— Summenformel

573

376

— Reaktionswege 331 — Redox-Beziehung 294 ff — regioselektive Synthese 520 — Säurestärke 289 — Schmelzpunkte 287 — sekundäre 285, 334f — selektive Oxidation 791 — Siedepunkte 287 - stereospezifische Synthese 520 - sterische Hinderung 289f — Struktur 286 - technische Darstellung 291ff - tertiäre 285, 334f - a,ß-ungesättigte 841ff — Veresterung 915 — Wasserstoffbrücken-Bindung 287 alkoholische Hydroxy-Wasserstoffatome — chemische Verschiebung 401 Alkoholismus 367 Alkoholoxidation 299 ff, 314 Alkoholsynthese 292f, 306 ff, 507 ff, 968 - Aldehyde 306f - Ester 3071 - Hydrolyse 293 - Ketone 306f — metallorganische Reagenzien 306 ff — nucleophile Substitution 292 - Solvolyse 292f — Stereoselektivität 292 — Übersicht 321 Alkoholtest ‚301 Alkoholyse 248 — Alkylsulfonate 357

Sachregister

1405

— Ether

357

— Halogenalkane 357 Alkoxid-Ion 795, 967

Alkoxide 289, 291, 332tt — Darstellung 332 Alkoxyalkane 34818 Alkoxyaluminium-Verbindung

970

Alkoxyarene 351 Alkoxybenzole 1098ff — Spaltung zu Phenolen 1098 — Williamson-Ethersynthese 1100 Alkoxycarbonyleruppe 965 Alkoxyradikale 5297, 535 Alkyl-Kation 77 Alkyl-Metall-Bindung 304f

Alkyl-Wanderung

520f

Alkylacetat — Darstellung 293 Alkylacetylene 563 Alkylalkanoate 965 Alkylazide 1036 Alkylbenzole — Darstellung 809

— Halogenierung

1076

— Protiodealkylierung 758 — -— Mechanismus 759 — Stärke der benzylischen C-H-Bindung 1076 Alkylboran S19ff — Oxidation 520 Alkyleuprate 591

— chemische Verschiebung Allylalkohole 791f

Alkyleruppen 633 - NMR-Aufspaltungsmuster 419 — Wanderung 341 Alkylhalogenid 206 alkylierende Reagenzien 867 Alkylierung — 1,3-Dithiacyelohexan-Anion 1161 — Alkinyl-Anionen 577 C-Alkylierung 843 — Carbonsäure-Dianion 924 — doppelte 851 — einfache 851 - Ester 970 — Ester-Enolate 970 Alkylierungsmittel 1245 — carcinogene 767 Alkylierungsreagenzien 871 Alkylierungsvermögen 595 Alkylkupfer-Reagenz 320 Alkyllithium-Reagenzien — Reaktionen

— - Übersicht

322

Alkyllithium-Verbindungen 566, 578, 789

Alkylverschiebung 341 Alkylwanderung 3411, 818, 979 all-Sessel-Cyclodecan 157 all-trans-1,2,3,4,5,6-Hexachlorceyelohexan 151, 264 all-zrans-Retinal S62f Allegra 1236 Allene 573t, 964 — Chiralität 573f — Deprotonierung-Reprotonierung S73f — Struktur 574 Allergie-Medikament 1236 Allicin 370, 385, 469 Allüin 1335 Allinase 1335 Allinase-Enzym 370 Allyl 452, 6l4ff, 734 Allyl-Anion 808, 900 — Stabilisierung 615f Allyl-Kation 614, 620, 629 o-Allylphenol - aus Allylphenylether 1104 Allyl-System 6l4ff — Elektronendichteverteilung 616 - Grenzformeln 615 — Molekülorbitale 615f — resonanzstabilisiert 615t Allyl-Wasserstoffatom

302 ff, 537,

— Reaktionsapparatur 303 — Struktur 302f Alkylmagnesium-Verbindungen 302 ff Alkyloxonium-lonen 250f, 288, 291,

— Oxidation

862

N-Allylbenzylamin

Allylchlorid

1022

619

— Hydrolyse 620 Allylestergruppe 1245 Allylhalogenid 577, 620ff — heterolytische Dissoziation — Hydrolyse 620

— Syl-Reaktion

Allylstellung

360

— Darstellung 3347 — Ringöffnung 360 Alkylphosphate 343 Alkylpyridine 1256 Alkylquecksilberacetat 516 Alkylradikale 90ff, 539, 928, 995 - Hybridisierung 90E — Stabilität 89f — Struktur Sf Alkylsulfate 903 Alkylsulfonate 221, 346f — Alkoholyse 357 Alkylthio-Gruppe 364 Alkylthioalkan 364 Alkyltriphenylphosphoniumsalz 812

1406

Sachregister

620

1200, 1236

894, 929

904

895 31 969, 1143

Ameisensäureethylester 1142, 1143 Ameisensäuremethylester 308

Amidbildung — Mechanismus

1028f

— charakteristische Valenzschwingungen 466 — Darstellung 985f - Derivate 1022ff

1027ff

542

960, 967 920

Amidbindung 955 Amide 49, 789, 894, 909, 919 ff, 953 Ef, 958, 965, 974 ff

1064

IR-Banden 466 Massenspektren 1028f Nitrosierung 1045 ff Nucleophilie 919 Oxidation 1045 ff physikalische Eigenschaften

— pK,-Wert

1030

— pKy-Wert

1030

933ff

— Protonierung 1031f — racemische 191

— — Spaltung 191f — — mit salpetriger Säure — Reaktionen

— - Übersicht

897

Amerikanische Küchenschabe Ames, B.N. 1267 Amid-Tautomer 984 Amidat-lIon 1040 Amidate 978tf

— Basizität 919, 1030 ff — Benennung 1022ff — - Alkanamine 1022f — - Alkylamine 1022 — -— Benzolamine 1022 — — Hydroxyalkane 1022 -- primäre 1022 — - sekundäre 1022 ---tertiäre 1022 — Bildung von Wasserstoffbrücken

— — — — ——

47, 51, 366, 383, 782,

— Molekülstruktur — Resonanzformeln Ameisensäureester

401

Amine 3, 48f, 586, S03ff, 867, 894, 919tf, 927, 958, 959, 965, 967, 979, 1021 ff — Acidität 1030 ff — Alkanamine 1021f

— - Übersicht

615

— industrielle Synthese

869

— — chemische Verschiebung des Amin-Wasserstoffatoms 1027 — Herstellung

843 894, 929

Ameisensäure

Amin-Wasserstoffatome — chemische Verschiebung

— !H-NMR-Spektren

— Bromierung 618 — Chlorierung 619 — Halogenierung 618 D-Altrose 1207 — Fischer-Projektion 1185 Aluminiumoxid 479 ambident Ameisen

Halogenierung 979 Hydrid-Addition 977 Hydrolyse 975ff NMR-Spektrum 955 Nomenklatur 974 — Reduktion 977 — — Mechanismus 978 Amidenolat-Ion 978 Amidhydrolyse 975ff — basische — - Mechanismus 976 Amidingruppe 1067 Amin-Kondensationsreaktionen

1025

620f

Alzheimer-Krankheit

— — — —

— SC-NMR-Spektren

allylisches Kohlenstoffatom — chemische Verschiebung 430 Allylisothiocyanat 1268 Allyllithium-Reagenzien 623f Allylmetall-Verbindungen 623f Allylradikal — Stabilisierung 615f

— !'H-NMR-Spektrum — eyclisches

401

— Additions-EliminierungsReaktionen 975 - cyclische 920, 974 — Darstellung 959, 967 — Deprotonierung 978

1046

1065

— strukturelle Eigenschaften 933ff — Synthese — - aus Carbonsäureamiden 1040 — -— - Curtius-Umlagerung 1041 — — - Hofmann-Umlagerung 1041 — — - Schmidt-Umlagerung 1041 — - aus Oximen 1040 —- durch Alkylierung 1034ff — - durch indirekte Alkylierung 1036ff - - eines Halogenalkans 1036 — — Methylierung von Ammoniak 1035 — - - Produktgemisch 1035 — - reduktive Aminierung 1038ff — - - eines Ketons. 1038f Aminoalkohol 1244 2-Aminobenzoesäure 1013

4-Aminobenzoesäure — Verwendung in Sonnenceremes 681 2-Aminobenzolcarbaldehyd 1262 4-Aminobenzolcarbonsäure 1264 3-Aminobenzolsulfonsäure 755 2-Amino-5-brompyridin 1258 1-Amino-2-butanol 812 4-Aminobutansäure 944 y-Aminobuttersäure

944

2-Aminocarbonsäure 806 (S)-2-Aminocarbonsäuren 293 2-Aminochinolin 1263 l-Aminocyclopropan-carbonsäure 2-Amino-2-desoxy-D-glucopyranose 1217 Aminodesoxyzucker 1217

156

— pK,-Wert

2-Amino-3,4-dimethoxybenzol-

carbaldehyd 1262 Aminoethan 1022 Aminoglycosid-Antibiotika 1218f — Streptomycin 1218f Aminogruppe — spektroskopischer Nachweis 1025 ff — Oxidation 754

— Überführbarkeit in Nitrogruppe

754

2-Aminohexansäure 926 1-Aminoisochinolin-4-carbonsäure 1263 (S)-2-Aminopentandisäure 1264 p-Aminophenol 1099 2-Aminopropansäure 164, 926 2-Aminopyridin 1258 Aminosäure-Analysator 1306f Aminosäure-Oxidase 1297 — charakteristisches Chromatogramm 1306 f Aminosäuremetabolismus 806 Aminosäuren

806, 920, 926, 1285 ff,

1298 — Eigenschaften

1286ff

— — — —

essentielle 1286f isoelektrischer Punkt 1289 - Bestimmung 1289 Konfiguration des Stereozentrums 1286 — optisch aktive 505 — Säure-Base-Gleichgewicht 1288 — Schutz der Aminogruppe als Boc-Derivat 1311 — Struktur 1286ff — Trennung mit einem AminosäureAnalysator 1307 — Wanderung im elektrischen Feld

1289 — Zwitterionen 2-Aminosäuren

- Darstellung

—- von Polypeptiden 1298 Aminoxide — Cope-Eliminierung 1046 — - cyclischer Übergangszustand 1046 —- syn-Eliminierung 1046 — Zerfall 1046 Ammoniak 74, 566, S03ff, 866, 920 — Basizität 983 — Bindung 25 — flüssiger 578 — Siedetemperatur 575 Ammonium-Ionen — Acidität 1033

1288 934, 1298

1188 ff

— Darstellung aus Aldehyden durch Strecker-Synthese 1294 — Darstellung der Strukturen von (2S)Aminosäuren 1286 — Darstellung über modifizierte Gabriel-Synthese 1293 — Synthese von enantiomerenreinen Aminosäuren 1295 ff - - durch Alkylierung von Glyein in Basen — — - optisch aktive 1296 — — durch spezifische enzymatische D-Aminosäure-Oxidase 1297 — - über die Trennung von diastereomeren Salzen 1295 (2S)-Aminosäuren — Strukturen 1287 — Trivialnamen 1287 Aminosäuresequenz

1033

Ammoniumalkanoat 920 Ammoniumcarboxylat — zwitterionisch 1288 Ammoniumchlorid —- primäres 1032 — quartäres 1032 — sekundäres 1032 - tertiäres 1032 Ammoniumsalz 919 — chirales 1032 — - Trennung 1032 Amoxicillin 1237 Amoxil 1237 Amphetamin 596, 891, 1023 amphoter 290 Ampicillin 976 Amygdalin 1218 Amylase 1210 Analgetikum 895 angeregter Zustand 389, 650 Angina pectoris 368 Angiocarcinom 537 angulare Methylegruppen 1016 Anhydride 49, 894, 909, 913ff, 954, 958, 962 ff — Additions-Eliminierungs-Reaktion 963 — cyclische 914, 963 — gemischte 914 —- nucleophile Ringöffnung 963 Anilin 674, 745tf, 754, 1022, 1253 — aus Chlorbenzol 1092f Anionen — stabilisierte 1150 anionische Polymerisation 534, 537f Anisalkohol 776 Anisol 51, 674, 758 Annulene 587

- [6]Annulen - [8]Annulen - [16]Annulen

702 702 705

— — aromatisches Dianion — — aromatisches Dikation

705 705

- [18]Annulen 702f - [30]Annulen 703 — 1,3,5,7,9,11,13,17-Cyelooctadecanonaen 702 Anode

987

Anopheles-Mücke

109, 1265

— — doppelte Diels-Alder-Cycloaddition 693 — thermodynamische Stabilität 692 9,10-Anthracendion 693 9,10-Anthrachinon 693 Anthranilsäure 1013 Anthranilsäuremethylester 965 Anthron — Tautomerisierung zu 9-Anthracenol 693 Anti-Baby-Pille 148 anti-Markovnikov-Addition 520, 588 ff anti-Markovnikov-Hydrohalogenierung 521 anti-Markovnikov-Produkte 529 ff antiangiogene Wirkstoffe 526 Antibiotika 505, 645, 934, 1237, 1244, 1275 — Resistenz 976 Antidepressivum 1237 Antihistaminikum 1013, 1236 Antihypertensivum 1237 Antihypertonikum 191 Antikrebswirkstoff 1245 Antiphlogistikum 191, 1237 Antitumor-Antibiotika 294 Antitumor-Wirkstoffe 596 Antiulcerativum 1237 Aonidiella aurantii 486 Apetenil 1069 Apfelaroma 965 Äpfelsäure 329, 497 Apfelwein 929 Aphiden 542 (+)-Apiose

1228

Appetit 1023 aprotische Lösungsmittel 227f äquivalente Kerne 417 B-D-Arabinopyranose 1189 — Reaktion zum Diacetal 1201 ß-D-Arabinopyranose-Diacetal —- Bildung 1201 ß-D-Arabinopyranose-Monoacetal — Bildung 1201 D-(-)-Arabinose 201, 1206 — Fischer-Projektion 1185 — Kiliani-Fischer-Kettenverlängerung 1203 Arachidonsäure 932f, 1000 — Biosynthese 932 Arenamine — Basizität 1032f - Protonierung 1032f Arendiazoniumsalze 1096, 1113ff — Resonanzstabilisierung 1113f — Zersetzung 1097 - - in Gegenwart anderer Nucleophile als Wasser 1114f Arennitrile — elektronenabziehende Wirkung durch Resonanz 740 Arensulfonsäuren - elektronenabziehende Wirkung durch Resonanz 740 Arginin 1291 - Drei-Buchstaben-Code 1287 — Guanidinogruppe 1291

anorektischer Effekt 1023 anorganische Ester 343ff, 520 Anregung 389, Anregung650 Anregungsenergie 653 Antagonist 596 Antarktis 110

- pK, der COOH-Gruppe

Anthracen

- pK, der NH;'-Gruppe

692f, 763

-- pK, der konjugierten Säure

1291

1287

1287

— Reaktion mit 2-Buten-1,4-disäurean-

- pK, der sauren Funktion inR 1287 — Zuordnung der pK,-Werte auf die

hydrid (Maleinsäureanhydrid) 696 — Reaktivität des mittleren Rings 696 — Resonanz : 692 — Synthese 692f

einzelnen Gruppen Argon-Konfiguration Arin - 1,2-Dehydrobenzol

— Numerierungssystem

688

1290f 6 1095f

Sachregister

1407

Aroma Aromat

781

— Energieniveau-Diagramm

— Gestalt

— chemische Verschiebung 430 aromatische Carbonylverbindungen — elektronenabziehende Wirkung durch Resonanz 740 aromatische Dianionen und Dikationen 7048 aromatische Ether 351 aromatische Stabilisierung siehe Resonanzenergie aromatische Verbindungen 46, 48, 672f aromatische Wasserstoffatome — chemische Verschiebung 401 aromatischer Übergangszustand 680 — Addition von Permanganat an Alkene 680 — Addition von Osmiumtetroxid an Alkene 680 — Diels-Alder-Reaktion 680 - Ozonolyse 680 — Reaktionen 680 Aromatizität 67Lff Arrhenius, S. 71 Arrhenius-Gleichung — Aktivierungsenergie 71 — maximale Geschwindigkeitskonstante 71 — Messung 71 Arteriosklerose 972 Arthritis 433, 932 4-Aryl-4-butansäure 691 Aryl-Kation 1097 Arylhydrazon 1252f Arylketone 792 4-Aryloxobutansäure 691 Arzneimittel —-chirale 191 —- racemische Gemische 191 Ascorbinsäure 197, 802, 1233 Asp-Anhydrid 1330 Asparagin 1340 — Drei-Buchstaben-Code 1287 —- pK, der COOH-Gruppe 1287

- pK, der NH; '-Gruppe Asparaginsäure — Drei-Buchstaben-Code — Gabriel-Synthese 1293 - pK, der COOH-Gruppe

— pK, der NH; '-Gruppe

Sachregister

13

Aufheller - optischer 1236 Auflösung 394 Aufspaltungsmuster — nichtäquivalente Nachbarn 423 — Verzerrung 420 Auge 863 Außer-Phase-Überlappung 454f Austauschreaktion 925 Austrittsvermögen 220f Autoreifen 667 aza1238 Azabenzol 1238 2-Azacycloalkanone 974 Azacyclohexan 1238

1028f

1254

Aza-2-cyclohexanon 974 Aza-1,3,5-cyclohexatrien

1287 1287

1287 1287

1238 Azacyclopentan 852, 1238, 1245, 1246 — Dipolmoment 1247 Aza-2-cyclopentanon 974 Azacyclopropane 1239 — Darstellung 1279 Azacyclopropen-Antibiotika 1244 Azanaphthaline 1261 Azid 1239 3'-Azido-3’-desoxythymidin 1319 Azidokohlensäureethylester 1239 2,2°-Azodi(2-methylpropamnitril) 108 Azin 805 Aziridine 1239 Azofarbstoffe — als Säure-Base-Indikatoren 1117 Azokupplung 1116f — elektrophile Substitution durch Arendiazoniumsalze 1116f AZT 1236 Azulen — Elektronenspektren 653 — Extinktionskoeffizient 652 — Amax- Wert 652 — UV-VIS-Spektrum 653

B Badische BASF

Anilin- und Sodafabriken, 593, 815

Baeyer, A.v. 818 Baeyer-Villiger-Oxidation 818f — Übergangszustand 818 — Wanderungsneigung 818 Bakterien 355, 1275 — Penicillin-resistente Baldrianwurzeln 894 Bananenaroma 965 Bariumsulfat 961 Barrelen 51 Base 72ff

— konjugierte 74 — sterisch gehinderte

267, 475f Basekatalyse 844 Basenpaare — komplementäre 1320 — — Wasserstoffbrücken 1320 Basenstärke 72ff, 265 —-Nucleophil 268 Basis-Peak 988

Basislinie

ATP 384, 1159 Aufbauprinzip 16f, 616

— Dipolmoment

Aspartam 505, 1211, 1329 — Drei-Buchstaben-Code 1299 — künstlicher Süßstoff 1299 Aspartat 1292 Aspartylphenylalaninmethylester 1299 Asphalt 94 Aspirin 463, 737, 932, 1000, 1099 Asthma 872 asymmetrische Hydrierung 505 asymmetrisches Atom 164 asymmetrisches Kohlenstoffatom 164 ataktisches Polymer 538 ätherische Öle 668 Atmung 872 Atombombe 747 Atommodell — quantenmechanisches 12 Atomorbitale 12ff — Aufbauprinzip 16 - Außer-Phase-Überlappung 13 — Elektronenkonfiguration 16 — - abgeschlossene 17 — - von Kohlenstoff 16f

1408

In-Phase-Überlappung p-Orbitale 14 3p-Orbital 16 - Darstellung 15 —-Symmetrie 14 1s-Orbital 14 - Symmetrie 14 2s-Orbital 14 - Darstellung 14 - Symmetrie 14 3s-Orbital 10 Überlappung 18ff

- !IH-NMR-Spektrum

1287

—- pK, der sauren Funktion inR

— — — — — — — — — — -

16

13

1276

390, 409

Basizität 72ff — Carbonsäure 900 — Nucleophilie 224 Basizitätskonstante 73f Basketan 51 Batterien — elektrische 747 — wiederaufladbare 586 Baumwollkapselkäfer 542 Baumwollkapselwurm 542 9-BBN 561 Behälter 536 Beizen 369

bending

465

Benihibaum 548 Benolamin 1022 Benzalanin 805 Benzaldehyd 82, 674, 782, 805, 908, 1039, 1157 Benzamid 978

Benzanellierung

763

Benzedrex 1023 Benzil 1138, 1152 Benzilsäure 1153

Benzilsäure-Umlagerung — 2,3-Butandion

905, 1153

1154

— Cycloheptan-1,2-dion

1154

— Mechanismus 1154f Benzimidazol 1278 Benz-in 1095f

—- IR-Spektrum 1096 — Matrixerzeugung 1096 — - aus 1,2-Benzoldiolylperoxid — Orbitalbild

1096

1096

— UV-Spektrum 1096 — verdrehte Dreifachbindung

1096

Benzin 46, 367 Benzochinone 1106ff

- und Benzoldiole als Redoxpaare 1106 f o-Benzochinon — aus Brenzcatechin

1106

p-Benzochinon 1106ff — Redoxgleichgewicht 1107 Benzocyclobuten 641, 680 Benzoesäureethylester 1142 Benzoesäuren

674, 894, 1084

— elektrophile Nitrierung 748 — Resonanzformeln nach elektrophilem Angriff 748 — Oxidation von substistuierten Benzolen — — Sauerstoff als Oxidationsmittel 1085 benzoide Kohlenwasserstoffe

— carcinogene — mehrkernige

766 687ff

Benzoin 1152, 1158 Benzoin-Kondensation 1157f — Mechanismus 1158 benzokondensiert 1252 Benzol 46, 594, 671ff, 675 ff, 764ff

— aromatische Stabilisierung — Aromatizität 675ff — Benzvalen 671

— Bindungswinkel

676

677f

1082f

— Birch-Reduktion 1083 — — Anisol

— — — — — — — — —

— — — — — — — — —

Benzocyclobuten 1083 Benzoesäure 1083 Benzolcarbonsäure 1083 1-Ethyl-2-methylbenzol 1083 1082 Mechanismus 0-Methylbenzoesäure 1083 1083 Methoxybenzol 1083 Methylbenzol 1083 2-Methylbenzolcarbonsäure — — Toluol 1083 — Bromierung 708 ff

— C-Spektrum — — — —

687

Chlorierung 709 709 — Energiebilanz Claus-Benzol 671 Delokalisierungsenergie Dewar-Benzol 671

— Ein-Elektronen-Reduktion

678 1082 f

1082 — — Mechanismus 653 — Elektronenspektren — elektronische Struktur des

Benzolring 675f 709 — — Energiebilanz — Fluorierung 709f — — Energiebilanz 709f

— !H-NMR-Spektrum —

— — — — — — — — — — — — —

— —

—

682 — Abschirmung von Kernen über dem Ring 683 — Entschirmung von Wasserstoffatomen 682 682 f - Ringstrom Halogenierung 708 EL — elektrophiler Angriff durch aktiviertes Brom 708 Ef — Lewis-Säuren als Katalysator 708 EL Hydrierungswärme 677£ — Abschätzung 677f hydroaromatische Verbindungen 765 — Dehydrierung 765 765 - - Darstellung von Naphthalin - Oxidation 765 industrielle Herstellung 764f Infrarot-Spektrum 681 f -— C-C-Valenzschwingung des aromatischen Rings 68lf -— C-H-Deformationsschwingung out of plane 681f — Phenyl-Wasserstoff68lf Valenzschwingung lodierung 709f 709£ — Energiebilanz

— Kekule6-Struktur

671

— — — —

Sulfonierung 711 - Mechanismus 711 — Reversibilität 711 — — präparative Nutzung 711 systematische Nomenklatur 673f

—-

Arene

- - Arylgruppe

— — disubstituierte Benzolderivate —- —- - meta 673 — - - ortho 673 --- para 673 — — mehrfach substituierte Benzole

— - Phenylgruppe 674 — — Phenylmethyl(Benzyl)gruppe — UV/VIS-Spektrum 680f

— elektrophile Bromierung

764

673

674

745

— induktive und Resonanzeffekte — Resonanzformeln nach elektro-

739

746

Benzolamin-1-"C

1093

Benzolamin-2-"C

1093

Benzolcarbaldehyd

674, 782, 805,

1039, 1157 Benzolcarbonsäure (Benzoesäure)

674, 747f — elektronenabziehende Wirkung durch Resonanz 740f Benzolcarboxamid 978 Benzolderivate 706ff, 737 ff — elektrophiler Angriff 737ff

— !H-NMR-Spektrum

682f

— — Abschirmung von Kernen über dem Ring 683 — — Entschirmung von Wasserstoffatomen außerhalb der r-Allylprotonen — —- — chemische Verschiebung 682 — - Ringstrom 682f — Infrarot-Spektrum 681f — - C-C-Valenzschwingung des aromatischen Rings 681f — -— C-H-Deformationsschwingung out of plane 681 — — Phenyl-WasserstoffValenzschwingung 681f

1037 — elektrophile Nitrierung

- Orbitalbild der Bindung 676 — Platforming 764 — Reaktionen - — Übersicht ART — Reaktivität 632 — Resonanzenergie 675 ff — Resonanzformeln 632, 671f — spektroskopische Eigenschaften 680 — Steam-Cracking 764 — Struktur 676f

673

— — elektronische Struktur 680f — Vorkommen 764 — Benzol und Derivate 1081 ff — — Oxidation und Reduktion 1081 ff — - Ozonolyse 1082 Benzol-1,2-diamin 835, 1278 1082 Benzol-Radikalanion 674, 745 ff, 754, Benzolamin (Anilin) 102254253 — aus Chlorbenzol 1092 ff

philem Angriff

727

Benzoldiazonium-Kation

— Resonanzstabilisierung 1,2-Benzoldicarbonsäure

1113

1113f (Phthalsäure)

752

1,2-Benzoldicarbonsäure-(Phthal-

säure-)Anhydrid 692, 962, 1013 — aus 1,2-Dimethylbenzol 1085 — — Vanadiumpentoxid als Katalysator 1085 — Synthese 1085 1,3-Benzoldicarbonsäure (Isophthalsäure)

— elektrophile Nitrierung

752

1,4-Benzoldicarbonsäure 904 Benzoldicarboximid 1293 1,2-Benzoldicarboximid 978, 1013 —- pK,-Wert

1037

1,4-Benzoldiol

1088

1,4-Benzoldiradikal

Benzolring

737f£

738

— Desaktivierung durch Resonanz

— - 1,3,5-Hexatrien

— Oktanzahlen

738 ff — Alkylgruppen

674

— Übersicht

678

T3S EL —- Alkylgruppen — — dirigierender induktiver Effekt

674

671 — Ladenburg-Prisman - n-Molekülorbitale 678 ff — — eyclische’ Überlappung 678 — — entartete Orbitale 679

- Nitrierung 710 — - Aktivierung von Salpetersäure 710 durch Schwefelsäure — — Mechanismus 711 710 — — Nitronium-Ion

— Aktivierung und Desaktivierung

645

740f — dirigierende Wirkung von Substituenten, die in Resonanz treten 745ff —- Gruppen, die aufgrund von Resonanz elektronenziehend wirken 747 ff — - Desaktivierung 747 — - dirigierender Effekt 747 — Halogensubstituenten 739f, 749 — - Desaktivierung 749 — - dirigierender Effekt 749 -- induktive Effekte 739f

— - Resonanzeffekte 739f — induktiv elektronenziehende Gruppen 743f — — Desaktivierung durch 743 — — dirigierender Effekt 743f —- induktive Aktivierung und Desaktivierung 738ff -- durch Alkylgruppen 738f — Resonanzaktivierung durch Aminound Hydroxygruppen 739 Benzolsulfonsäuren — Anwendungen 712 — aromatische Tenside 2 Benzolsulfonylchlorid — Darstellung 712 Benzoltriol 1088 Benzonitril 982 Benzophenon 782 Benzoyl-Anion 1158 2-Benzoylbenzoesäure 692 2-Benzoylceyclohexanon 1144

Benz[a]pyren — Cancerogenität 766 — enzymatische Überführung in das eigentliche Cancerogen 767 767 — — krebsauslösendes Ereignis 767 Benz[a]pyrenoxacyclopropan Benzpyridine 1261 Benzpyrrol 1252 Benzyl-Anion 1158 — Resonanz 1080f Benzyl-Kation — Delokalisierung der positiven Ladung — - Stabilisierung des Übergangszustands der Sn2-Reaktion durch

Resonanz 1078f — Delokalisierung der positiven Ladung 1078f Benzyl-Position 1158 Benzyl-Radikal — Molekülorbitale 1077 Benzyl-Wasserstoffatom — chemische Verschiebung 401 Benzylacetat 1268 Benzylalkohole 675 — Carbonylverbindungen 1085 — - MnO, als Oxidationsmittel 1085 — Oxidation 1085 Benzylamin 1039 Benzylchlorid — Solvolyse 1080 Benzyleyclohexylmethylamin 1024 Benzyleyclopentylamin 1039 Benzyleyclopentylmethylamin 1039 Benzylether — hydrogenolytische Spaltung 1086 Benzyllithium 1081 Benzylpenicillin 4

Sachregister

1409

Benzylprotonen — chemische Verschiebung Benzylradikal — Bildung 1076 — Delokalisierung 1076

— Halogenierung

682

1077

Benzylsubstituent — als Schutzgruppe für Hydroxyfunktionen 1086f Benzyltriethylammoniumhalogenid 1053 Benzyltrimethylammoniumsulfat 1032 Bergamotte 548, 609 Bergbau 747 Bergman, R.G. 645 Bergman-Reaktion 645 Bernstein 895 Bernsteinsäure 895, 914 Bernsteinsäureanhydrid 914, 963 Bernsteinsäurenitril 982 Beruhigungsmittel 1236, 1278 Berylliumhydrid 10, 565 Beschleunigungsplatten 987 Betain 814 cis-trans-Beziehung disubstituierter Cyclohexane 153 BHA 1112 Bhopal-Tragödie 981, 1300 BET 1112,,752 bicyclische Alkane 49 Bicyclo[1.1.0]butan 143f cis-Bieyclo[1.1.0]butan 143 cis-Bicyclo[4.4.0]-decadien-Derivat 639 Bieyclo[4.4.0]Jdecan 143 cis-Bicyclo[4.4.0]decan 143 trans-Bicyclo[4.4.0]decan 143, 157 Bicyclo[2.2.1]heptan 143 Bicyclo[4.1.0]heptan — Synthese 1051 Bicyclo[5.1.0]octa-2,5-dien 1104 Bicyclo[2.2.2]octan 49 cis-Bieyclo[4.2.0]octan 143 Bienenwachs 972 Bildungsenthalpie — Alkane 114 — Butan (Gas) 114 — Cyelopropan 116 — Elemente 114 — Ethan (Gas)

— — — — — —

114

Ethen (Gas) 114 Ethin (Gas) 114 Kohlendioxid (Gas) 114 Kohlenstoff (Diamant) 114 Methan (Gas) 114 2-Methylpropan (Isobutan) (Gas)

114 — Pentan (Flüssigkeit) — Pentan (Gas) 114

114

- Propan (Gas) 114 — Verbindungen 114 Bildungswärmen 471 bimolekulare Eliminierung 262ff, 274 — E2-Reaktion 262 ff - Kinetik 262 bimolekulare nucleophile Substitution 215ff — Stereochemie 216ff bimolekulare Substitution 274 bimolekularer Prozeß 215 Bimsstein 565 Bindung

— — — -

C-H-Bindungen - Dissoziationsenergien dative kovalente 7 polare 26

1410

Sachregister

614

— polare kovalente 26ff n-Bindung 19f, 453ff — Bindungsstärke 453ff — Delokalisation 630ff — Doppel- und Dreifachbindungen — elektrophiler Angriff 504ff — Energieneveaus 455 — Molekülorbital 453 — MO-Schema 453ff — nucleophiler Charakter S04ff

- Orbital-Überlappung — relative Reaktivität:

- Stärke

Bohrsches Atommodell Boltzmann,

20

455

Boran-THF-Addukt 519 Boranat 11 Borkenkäfer 543, 1165 Bortribromid 715 Botulismus 1048

Bradykinin 1336f Brassylsäure 935 Brechungsindex 388 Breitband-Antibiotikum Breitband-Entkopplung

87f

Brenztraubensäure

1165

Brom-Addition 510f Bromaceton 848 Bromalkane 344f, 927

— chemische Verschiebung 401, 430 —- primäre 334 — relative Reaktivität gegenüber Wasser

248

2-Bromalkanoylbromid Bromalkansynthese

533

925

— Mechanismus 344f Bromalken 583 1-Bromalkene 588 Bromalkohol 513

Bromalkohol-Kupplung Bromalkoxid

352

352

Bis-Grignard-Verbindungen 1012f Bisabolen 668 Bischler, A. 1262 Bischler-Napieralski-Synthese 1262

Bromalkoxyalkanol o-Brombenzaldehyd

352 782

o-Brombenzoesäure Brombenzol

782

Bis(1,1-dimethylethyl)dicarbonat 1311 2,6-Bis(1,1-dimethylethyl)4-methylphenol 1112 Bis(1,2-dimethylpropyl)boran 561 1,4-Bis(1-methylethyl)benzol 716f Bis(2-methylpropyl)aluminiumhydrid

- Bildung

Bleitetraethyl 117 Blockierung siehe Schutzgruppe Blutalkoholkonzentration 301

Blutdruck 463, 872 Blutdrucksenkung 1278 Bluterkrankheit 1338f Blutgefäße 526 Blutgerinnung 933 Blutplättchen 872 Bluttransport 526 Blutzucker siehe Glucose Boc-Aminosäure 1311 Boc-Gruppe - Schutzgruppe für die Aminfunktion 1311 — Abspaltung 1312 Bohr, N. 5

121

329, 928, 944,

SIE 2AG — Decarboxylierung Brom 925, 927 .- Isotope 990

365

biologische Wirksamkeit 540f Biolumineszenz 355 biomimetische Alken-Cyclisierung Biosynthese 930f — Fettsäuren 930f Birch, A.J. 1082

976 429 ff

Brennessel 929 Brennspiritus 46 Brennwert — Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe

88

969,.977,.985 Bisphenol A 362 Blattkäfer 542 Bleiacetat 579f bleifreies Benzin 117

561

10, 297, 519

Boran-Alken-Komplex 519 Boran-Reagenzien 588

— Propan 88 - 2,2,3,3-Tetramethylbutan 90 Bindungslänge 206 — C-C-Bindung 676 — CH;-X-Bindung 206 Bindungsstärke 88ff — CH;-X-Bindung 206 Bindungswinkel - Alkohole 286 bioaktive Verbindungen 542 biologische Abbaubarkeit 534 biologische Katalysatoren 526 biologische Kriegsführung 365 biologische Oxidation 295 biologische Reduktion 295

biologische Waffen

Boltzmann-Verteilung 62 Bomben 747 Bombykol 815 Bor-Wasserstoff-Bindung 519f Boran

617

— Methan 88 — 2-Methylpropan

5

62

9-Borabicyclo[3. 3. 1]jnonan

579ff

o-Bindung 19f, 453 — Bindungsstärke 453ff — Kohlenstoff-KohlenstoffEinfachbindungen 20 — Orbital-Überlappung 454 Bindungsdissoziation 87 Bindungsdissoziationsenergie

L.

708f

— !IH-NMR-Spektrum

684

- induktive Effekte 740 — Resonanzeffekte 740 3-Brombenzolamin 755 l1-Brombutan 211, 334, 529 f 2-Brombutan 210

- Chlorierung an C3

178

— racemisches 185 (S)-2-Brombutan 185ff, 216

-

Chlorierung Chlorierung Chlorierung Chlorierung Chlorierung

an an an an

185ff Cl C2 C3 C4

— Racemat 187 N-Brombutanimid

186f 187 187f 186ff

1078, 618

- Bromierungsmittel 4-Brom-I-butanol

(E)-2-Brom-2-buten (Z)-2-Brom-2-buten

109 356

576 576

1-Brom-2-chlorbenzol — aus 2-Chlorbenzolamin 1114 o-Bromchlorbenzol — aus o-Chloranilin 1114 2-Brom-2-chlorbutan 187 2-Brom-3-chlorbutan 178

(S)-3-Brom-I-chlorbutan

186f

trans-l-Brom-2-chlorcyclobutan 127 cis-|-Brom-3-chloreyclobutan 127 trans-\-Brom-2-chloreyclopentan 513 1-Brom-2-chloreyclopentancarbonsäure 895 Bromchlorfluormethan — Symmetrieebene 164 Bromchlorid — Additionsprodukt an 2-Methylpropen

516 Bromchlormethan —- Symmetrieebene 165 (2R, 4R)-2-Brom-4-chlorpentan

183,

219 Bromeyanid —- Additionsprodukt an 2-Methylpropen

516 Bromeyclohexan 210 3-Bromcyclohexen 618 (IR, 2R)-2-Bromeyclopentanol 354 trans-2-Bromeyclopentanol 285, 513 10-Brom-1-decanol 582 (Z)-1-Brom-1,2-difluoroethen

452

1-Brom-2,3-dimethylbenzol 2-Brom-2,3-dimethylbutan

673

316

Bromessigsäure 926 a-Bromester 1149 Bromethan

— BC-NMR-Spektrum

1-Brom-3-methylpentan 293 2-Brom-3-methylpentan 478 5-Brom-4-methylpentanoylchlorid 912 2-Brom-4-methylpentansäure 926 5-Brom-4-methylpentansäure 912 2-Brom-4-methylphenol

751, 1102

1-Brom-2-methylpropan 106 2-Brom-2-methylpropan 106, 205, 251, 2392728335, 205L 1-Brom-2-methyl-1-propanol 514 2-Brom-2-methyl-1-propanol 514 1-Bromnaphthalin 759f m-Bromnitrobenzol 673 1-Brom-3-nitrobenzol 673 3-Bromnitrobenzol 755 1-Bromnonan 305 2-Bromoctan 219, 1036 (R)-2-Bromoctan 218 1-Brom-2-octen 619 3-Brom-l-octen 619 Bromonium-Ion Silff

- nucleophile Öffnung

341

1-Brom-2,2-dimethylpropan

(R)-3-Brom-3-methylhexan 252 - Hydrolyse 252 1-Brom-2-methylpentan 521

428f

m-Bromtoluol 741, 1115 o-Bromtoluol 741 p-Bromtoluol 741 1-Bromundecan 928

Bromketon

Bromwasserstoff

315 — Grignard-Verbindung a-Bromketone 1149 2-Brommalonester 1293 Brommalonsäureethylester 1135

Bronsted 72 Brown, H.C. 519 Brucin 1295 Brustkrebs 929 Buckminsterfulleren 494 - Fullerene 699f - - Bildung 699f — — Einschluß von Metallatomen und Metallionen 699f — Synthese 699f

Brommethan

210

trans-\-Brom-2-methoxycyclohexan

514 (Brommethyl)benzol .— Synthese 1076

1080

_1-Brom-3-methylbenzol

1115 741 2-Brom-1-methylbenzol 3-Brom-1l-methylbenzol 741 4-Brom-I-methylbenzol 741 2-(Brommethyl)-1,3-butadien 2-Brom-2-methylbutan

Buckyball

336, 342, 475

2-Brom-3-methylbutan 336 (Brommethyl)cyclohexan 127£ cis-L-Brom-2-methyleyclohexan 127£ 1-Brom-l-methylcyclohexan 127f, 338

meso-2,3-Butandiol 2,3-Butandion

524 524 524

— aus o-Xylol

1082 895, 914, 920 691, 91 4, 963 Butandisäureanhydrid Butanimid 61 9, 920 Butandisäure

Butannitril 1-Butanol

983, 985f 334

994 — Massenspektrum 287 — Schmelzpunkt 287 — Siedepunkt Butanoylchlorid

912, 914, 960

Butansäure 894, 897, 912, Butansäureanh ydrid 914 1-Buten 471f , 1042

— Epoxidierung 2-Buten

914

523

575

cis-2-Buten 4°51, 471£, 576 — Epoxidierung 523 456 — Schmelzpunkt trans-2-Buten 451, 471, 576 — Epoxidierung 523 — Schmelzpunkt 456 369 trans-2-Buten-1-thiol 3-Butenal

74, 529f

699f

494

625ff, 632f, 640 f, 680 627

— Extinktionskoeffizient

1251 1251 Butandial-Dioxim 1,4-Butandiamin 1022 927, 982 Butandinitril 2,3-Butandiol 339

2-Butenal

Bullvalen - NMR 1104 BUNAS 646 Butadien 592

1,3-Butadien

Butandial

864, 869, 961, 1137 864 trans-2-Butenal 854

618, 1078

in der Natur

— Bindungslängen

— radikalische Bromierung an C2 185 — Schmelzpunkt 456 Butanal 785, 985, 1163 - industrielle Darstellung 790 Butanamid 49 Butanamin 986, 1042 1026 — Schmelzpunkt — Siedepunkt 1026

Butanon 47,2 339, 785 2-Butanon 3271, 818

423

674

N-Bromsuccinimid

— Vorkommen

1165

675

— Massenspektrum 990 — Umlagerung 717 2-Brompropan 265ff 3-Brompropanol 967 Brompropanon 848 2-Brompropansäure 894, 926, 1293 1-Brom-2-propen 624 2-Brompropen 588 a-Brompropionsäure 894 3-Brompropyl-4-hydroxybutanoat 967 3-Brompyridin 1257 Bromsäure 925 m-Bromstyrol

Butan 48, 49, 52, 94 904 — Luftoxidation

(25,35)-2,3-Butandiol

— !H-NMR-Spektrum 417 1-Bromethen 591 1-Brom-3-ethenylbenzol 674 5-Brom-3-ethinylcycloheptanon 783 2-Brom-3-ethyl-2-methylpentan 338 1-Brom-3-fluorpropan 715 6-Brom-1,2-hexandiol 801 2-Bromhexansäure 926 trans-\-Brom-1l-hexen 588 4-Brom-2-hexin 564 Bromhydrin 513 2-Bromhydroperoxid 355 Bromierung 510ff, 631 — Allylstellung 618 — Carbonsäuren 925 — Methylketon — — Mechanismus 850 500 — Reaktionsenthalpie — Stereochemie S10ff — stereospezifische 511 —- von Alkanen 106ff 106f — - relative Reaktivität — - Selektivität 105ff Bromierung-Dehydrobromierung 575 — Konfiguration 576f — Regioselektivität 577

— !IH-NMR-Spektrum

Hydrierungwärme 626 Molekülorbitale 628 Polymerisation 645f Protonierung 629 Resonanzenergie 626 Struktur 626f max Wert 652

(2R,3R)-2,3-Butandiol

512

- Öffnung 512 - regioselektive Öffnung 514f (Z)-4-Brom-1,3-pentadien 625 2-Brompentan 504 — Konformationen 477 3-Brompentan 344 2-Brompentansäure 925 (Z)-2-Brom-2-penten 591 9-Bromphenanthren 696 trans-1-(4-Bromphenyl)2methylcyclohexan 1-Brompropan

— — — — — — —

652

895 cis-2-Butendisä ure 895 trans-2-Butendisäure 635, 962 2-Butendisäure anhydrid 2-Buten-1-ol 620 3-Buten-2-ol 620 869, 873, 886 3-Buten-2-on

788 — Elektronenübergänge 2-Butenoylchlo rid 961 369 trans-2-Butenylmethyldisulfid 1-Butin 565 48, 564, 565, 575, 577 2-Butin (-)-(S)-3-Butin-2-amin 192 (+)-(R)-3-Butin-2-amin

192

3-Butin-2-amin

— Racematspaltung mit (+)-2,3-Dihydroxybutandisäure 192 — racemisches 2-Butin-1,4-dio 195593 3-Butin-1-ol 578 907, 919 2-Butinsäure 582 1-Butinyllithium 351 1-Butoxybutan

Sachregister

192

141

tert-Butoxycarbonyl — Schutzgruppe für die Aminfunktion 1311 Butter 894 Buttergelb 1116 Buttergeruch 1175 Buttersäure 894 Butylacetat 918, 966 tert-Butylacetat Butylalkohol

959

— Schmelzpunkt 287 — Siedepunkt 287 tert-Butylalkohol 285 — Schmelzpunkt 287 — Siedepunkt 287 tert-Butylbenzol 673, 715 tert-Butylbromid 106, 206, 272 tert-Butylchlorid 714 2-Butylcyclohexanon 853 tert-Butylether 356, 361, 582 tert-Butylfluorid 106 tert-Butylgruppe 532 3-Butyl-2-heptanon 1148 5-Butyl-6-heptensäure 895

butyliertes Hydroxyanisol siehe 2-(1,1Dimethylethyl)-4-methoxyphenol butyliertes Hydroxytoluol siehe 2,6Bis(1,1-dimethylethyl)-4-methylphenol tert-Butyl-Kation 250, 256, 260f, 357, 992

Butylkautschuk 667 Butyllithium 303, 308, 332, 623, 813 tert-Butyllithium 303 Butylmagnesiumbromid 307 tert-Butylmethylamin 1022 l-Butyl-4-methylbenzol — Oxidation 1085 cis-3-Butyl-2-methyleyclohexanon 871 tert-Butylmethylether 121 m-(tert-Butyl)nitrobenzgl o-(tert-Butyl)nitrobenzol

757 757

p-(tert-Butyl)nitrobenzol 757 2-Butylnonansäure 924 sec-Butyl-Substituent 52 tert-Butyl-Substituent 52 Butyltrimethylammoniumhydroxid 1042 Butyltrimethylammoniumiodid 1042 Butyraldehyd 785 y-Butyrolactam 974 y-Butyrolacton

950, 957, 965, 967, 971

— basische Hydrolyse 966 — Umesterung 967 Bypass-Operation 933

C Cadaverin 1022 C-Alkylierung 843 C-C-Bindungslänge 676 C-H-Bindungen —- Dissoziationsenergien 614 C-H-Valenzschwingung 466 C-N-Valenzschwingung 982 C=O-Valenzschwingung 899 Cadine 668 ß-Cadine — Bicyclo[4.4.0]-(Decalin)-Derivat

145 CahnaRsss 171 Calciumcarbid 592 Calciumcarbonat 579f Calciumhydroxid 592 Calciumoxid 592

1412

Sachregister

Calicheamicin 596, 645 Camphen 561 Campher 561, 649 - Bieyclo[2.2.1]system 146 — Biosynthese 649 cancerogen 1245 Cannabis 369 Cantharidin 155 Capillin 595 Capoten 1237 Capronsäure 894 Capsaicin 1088 Captopril 1237 cis-Caran 503 Carbaldehyde 782

Carbanion 304, 537, 623 Carben-Addition — Doppelbindungen 1051

- cyclische 963 — gemischte 962 —- nucleophile Ringöffnung 963 Carbonsäurechlorid 912f Carbonsäureester 343, 536 Carbonsäuren 49, 789, 893 ff, 894, 965 — 2,2-disubstituierte 1148 — Acidität 900 — Basizität 900 — biologische Aktivität 929ff — Bromierung 925 - BC-NMR-Spektrum 897f — charakteristische Valenzschwingungen 466 — chemische Verschiebung 897f — Darstellung 904, 984, 1147 — Decarboxylierung 927f - Deprotonierung 900ff — Dimere 896

Carbenium-Ion

- Ein-Elektronen-Übertragung

Carbamidsäure 974, 979£ Carbamidsäureester 974, 980, 1240

250, 334 ff, 504 ff,

532f, 585, 988 — achirales 252 — — — —— —— — — —-

Alkylverschiebung 341 Cyclobutyl 279 Cyclohexyl 279 Cyclopropyl 279 Deprotonierung 259f Dissoziation zum 250 El-Produkte 340f Energieinhalt 256ff Hyperkonjugation 256f planares 252

— primäres

- Stabilität

— - Übersicht

256ff

— Umlagerung 336ff, 994 Carbobenzoxyglycin 1311 Carbocyclen 125, 1235 Carbolsäure siehe Phenole Carbonat-Ion — Struktur 28f Carbonate 1143 Carbonsäure — Protonierung 902 Carbonsäure-Derivate 909ff, 953 ff

— Acidität 956 — Acylhalogenide

911ff — Additions-Eliminierungs-Reaktionen

954 - Alkannitrile 982ff —- Alkanoylhalogenide 911ff - Amide 919ff, 974ff — Basizität 956 — Bindungslänge 955 — BC-NMR-Spektrum 956 — Carbonyl-Valenzschwingungen 955 - Enolatbildung 956 - Ester 915ff, 965ff — Hydrolyse 905 — IR-Spektroskopie 955 —- NMR-Spektrum 955 — Protonierung 956 — relative Reaktivität 953ff — Resonanz 954 — Struktur 953 ff — Substitutionsreaktionen 953 — o-Wasserstoffatome 956 Carbonsäure-Dianion 923f - Alkylierung 923 Carbonsäureamide 919ff Carbonsäureanhydride 913f, 962 ff — Additions-Eliminierungs-Reaktion 963

941

— industrielle Synthese — IR-Spektroskopie

— — — — — —

506

— relative Stabilität 256 — resonanzstabilisiertes 799, 865 — sekundäres 506

927f

— Entschirmung 897 — Flüchtigkeit 897 — Herstellung 904 466, 897ff

Kaliumsalze 903 langkettige 972 Natriumsalze 903 NMR-Spektroskopie 897 ff Nomenklatur 894 Oxidation von substistuierten Benzolen 1084f

— physikalische Eigenschaften — — — —

896f

pK,-Werte 900 ff polycyclische 933 Protonierung 900ff Reaktionen

— - Übersicht

942

- Reduktion 922f — Resonanzformeln 899 — Säurestärke 900 ff — Schmelzpunkte 896f - Siedepunkte 896f — Silbersalz, 927 - Struktur 896f — Trivialnamen 894 —- Veresterung 915 — Wasserstoffbrücken 897 Carbonyl-Chlor-Bindung 961 Carbonyl-Kohlenstoff — Entschirmung 898 — Resonanzformeln 898 Carbonyl-Kohlenstoffatome — chemische Verschiebung

955f

Carbonyl-Sauerstoffatom 868 Carbonyl-Valenzschwingungen 955f, 1014 Carbonyl-Ylide 862 Carbonylgruppe 633, 781 ff, 923 - Additionen 794 - Additionsmechanismen 793 — Basizität 795 — Bindung 784f — Bindungsstärke 785 - Bindungswinkel 784 — C=O-Valenzschwingungen 787 — Desoxidierung 806f - Dipolmoment 785 — Entschützen 1087

— !H-NMR-Spektren - Hydrierung

786

794

— Infrarotspektroskopie 787 - ionische Additionen 794 — katalytische Hydrierung 793

— nucleophile AdditionProtonierung 795 — Orbitalbild 784 — Polarisierung 297, 785 — reaktive Positionen 793 — Reaktivität 784, 793, 797 — Reduktion 807 — Resonanzformel 785 — Schutzgruppe 799 — selektive Reduktion 865f — Struktur 784f Carbonylhydrat 796 Carbonylierung 904 Carbonylkupplung 809 Carbonyloxid 528 Carbonylverbindungen

— Wasserstoffbrücken Cellulosexanthogenat Celsius, A.

— — — — — — —

Chemical Abstracts

294ff, 339£,

527, 855

797

- a,ß-ungesättigte 868, 1151, 1240

855, 861f, 864f,

— — Hydratisierung 868f Carboxamid 974 Carboxygruppe 893ff — Infrarot-Spektrum 899 — Molekülstruktur 895f — Substitution 909ff Carboxylat-Ionen 900ff, 918, 927, 958 — Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungslänge 900 — Resonanzstabilisierung 900f Carboxylat-Salze 903 Carboxylate 343ff, 901, 923

Carboxylatgruppe — nucleophiler Angriff

921 Carboxylierung — metallorganische Verbindungen Carcinogene

Cardizem

560, 1001 155

CAT 404 Cataflam 1237 Catenane 1157 Cayenne-Pfeffer

1088 Cellobiose —- durch Hydrolyse von Cellulose — ß-D-GlucopyranosylB-D-glucopyranose 1210 - Hydrolyse durch ß-Glucosidase — Struktur .1210 Cellophan 1213

Celluloid Cellulose

1213 1212 ff

— 1,4-verknüpftes PolyB-D-glucopyranosid

1212

— Ketone

1210

1211

1212

— Struktur 1218 — Vorkommen 1217

Chlor 208 - Isotope 990 Chlorakne 1094 Chloral 109 Chloralkane 345 — chemische Verschiebung 401, 430 —- primäre 334 Chloralkohol 513 Chlorameisensäurebenzylester 1311 9-Chloranthracen 696 Chlorbenzol 721, 1093 — elektrophile Nitrierung 749 - induktive Effekte 740 — Resonanzeffekte 740

Chlorbenzol-1-*C

646

(S)-2-Chlorbutan 434 4-Chlorbutanal 782 N-Chlorbutanimid — Chlorierungsmittel 107f 1-Chlor-2-buten 620, 628 3-Chlor-1-buten 620, 628 ö-Chlorbutylalkohol 285 Chlorcarben — aus Dichlormethan 1052 — Reaktion mit 2-Methylpropen

1052

422

cis-3-Chlorcyclobutanol Chlorcyclohexan 294 Chloreyclopentan 107

3-Chlorcyclopenten Chlordan 208

401, 430

402

365

1264

Chinarinde 1265 Chinazolin 1265 Chinin 1265 Chinolin 579f, 962, 1238, 1262, 1270 — Darstellung 1262 — Reaktionen 1263 — Tschitschibabin-Reaktion 1263 o-Chinomethan 1102 Chinoxalin 1265, 1270

165

284

624

1-Chlor-2,4-dinitrobenzol — Additions-EliminierungsMechanismus 1090ff — ipso-Substitution 1090ff Chlordiphenylmethan - Solvolyse 1080 Chloressigsäure 908 Chlorethan 47, 101, 231£, 405 - enantiotope Wasserstoffatome — Schmelzpunkt 287 — Siedepunkt 287 Chlorethen 457, 536, 539, 594 - Produktion 540 (Z)-5-Chlor-3-ethyl-4-hexen-2-ol 1-Chlor-2-fluorpropan 407 2-Chlorfuran 1250 Chlorierung 539 - Allylstellung 619 —— — —

192

— asymmetrisches Atom 164 — Bild-Spiegelbild-Beziehung

1093

2-Chlor-1,3-butadien 2-Chlorbutan 907

- !H-NMR-Spektrum

konzentrationsabhängige 402f primäre Alkyl-Gruppe 401, 430 quartäre Alkyl-Gruppe 430 sekundäre Alkyl-Gruppe 401, 430

Chemotherapie

164

1217%:

2-Chlor-1-(2-chlorethoxy)ethan

401, 430

chirale Chromatographie chirale Moleküle 163ff — achirale Moleküle 163

— molare Masse 1212 — Struktur 1212

— Vorkommen

Chloralkan 401, 430 Definition 400 Elektronegativität 401 entschirmender Effekt 401 Ether 401, 430 gemittelte 426 interne Alkene 401 Iodalkan 401

— Tabelle 401, 430 —- terminale Alkene 401 — Wasserstoffbrücken-Bindung chemische Waffen 365 Chemisches Waffenabkommen Chemolumineszenz 355, 1280 chemotaktischer Faktor 933

333

Castoramin

401, 430

- tertiäre Alkyl-Gruppe

164, 199

Caryophyllen

Cäsium

652

403f

573f

— Sulfoxide 366 Chiralitätszentrum

Chin

- chemische Äquivalenz 403 - BC-NMR-Spektrum 430 — — — — — -

164

Stereozentrum 164 Symmetrie 164ff Symmetrieebene 165 Symmetriezentrum 165

Chiralität 466

—- Alkohol 401, 430 — alkoholische HydroxyWasserstoffatome 401f — Allyl-Wasserstoffatom 401 — allylisches Kohlenstoffatom 430 — Amin-Wasserstoffatome 401f — Aromat 430 — aromatische Wasserstoffatome 401 — Benzyl-Wasserstoffatom 401 - Bromalkan 401, 430

— — — —

1245, 965

1237

ß-Carotin 631 — Extinktionskoeffizient — Amax Wert 652 Carvon

907

— — — —

chemische Bindung S5ff - ionische 5 — kovalente 5 chemische Kinetik 66ff chemische Kriegsführung 365 chemische Nachweise 819 chemische Reaktionen — Einführung von Chiralität 185ff — Stereochemie 185ff chemische Thermodynamik 66 chemische Verschiebung 398 ff —- Aldehyde 401, 430 - Alken 430 — Alkine

— Redox-Beziehung 294ff — Reduktion 295ff — a-Spaltung 995

— Chiralitätszentrum 164 — Helicene 164 —- ohne Chiralitätszentrum

— Spiegelbild 163 — Spiegelebene 163

782

chemische Äquivalenz

Deprotonierung 842 a,ß-Dialkylierung 131, 871 Elektronenspektren 788 Elektronenübergänge 788 enolisierbare 846 Fragmentierungsmuster 995 Isomerisierung 864 Nomenklatur 782 Pinakol-Umlagerung 342

— Reaktivität

67

Cephalosporine 976 Cetylpalmitat 972 CECII0 CFC-11 110 CFC-12 110 CFC-113 110 Chamaecynon 548, 609 charakteristische Wellenzahlen Chelidonsäure 1278

578, 584f, 781ff, 927, 1138 — Darstellung

1212, 1213 1213

— — — —

407

452

von Alkanen ' - relative Reaktivität 107 - Bildung von Chlormethan 97 - Geschwindigkeit der Kettenfortpflanzung 98 - Kettenabbruchsreaktionen 98f — Kettenfortpflanzungsschritte 98 - Kettenstart 96 - Mechanismus 95ff

Sachregister

1413

— — Radikalkettenmechanismus

— — Selektivität

98

99

Chlor(methoxy)methan

395, 410f

395, 410f

(Chlormethyl)benzol - Solvolyse 1080 — Synthese 1076 l-Chlor-2-methylbenzol — aus 2-Methylbenzolamin 1114 l-Chlor-2-methylbutan 104 1-Chlor-3-methylbutan 104 2-Chlor-2-methylbutan 104 2-Chlor-3-methylbutan 104 1-Chlor-3-methyl-2-buten 623 3-Chlor-3-methyl-l-buten 622 2-Chlor-2-methyleyclohexanon 848 l-Chlor-2-methyleyclohexen — Chlor-Addition 510 — Chlorierung 510 4-Chlor-6-methyl-3-heptanon 783 3-Chlor-3-methylhexan 261 — Eliminierung 261 Chlormethylierung 1313 Chlormethylmethylether 395 2-(Chlormethyl)oxacyclopropan 1242 2-Chlor-4-methylpentan 338 3-Chlor-3-methylpentan 294 1-Chlor-2-methylpropan 104 2-Chlor-2-methylpropan 104, 261, 715 l-Chlor-2-methyl-4-propyleyclopentan 126 Chlormonoxid 111 1-Chlor-2-nitrobenzol 749 1-Chlor-3-nitrobenzol 749 l-Chlor-4-nitrobenzol 749 m-Chlornitrobenzol 749 o-Chlornitrobenzol 749 p-Chlornitrobenzol 749 4-Chlor-3-nitrophenol 1088 I-Chloroetan 1074 Chloroform 95, 206, 531, 972 Chloronium-Ion 513

Chlorophyll a - Struktur 1202 l-Chlorpentan — !H-NMR-Spektrum 442f 4-Chlor-eis-2-penten 451 meta-Chlorperbenzoesäure 522 Chlorpheniramin 200, 1013 Chlorphenole — Toxizität 1094 (R)-(4-Chlorphenyl)alanin 1296 m-Chlorphenylpropylether — aus m-Chlorphenol 1100 l-Chlorpropan 102, 231f, 409, 431 2-Chlorpropan 102 — Schmelzpunkt 287 — Siedepunkt 287 3-Chlorpropanol 906 3-Chlorpropansäure 906 3-Chlorpropen 614, 619 3-Chlor-1-propen — delokalisierter Übergangszustand 622 — Sy2-Reaktion

622

cis-3-Chlorpropensäure

1414

Sachregister

460

trans-3-Chlorpropensäure

— — Übergangszustand 97f — — Wasserstoffabspaltung 96 Chlorierungsmittel 346 Chlormethan 47, 95, 210, 231f — Entschirmung 402 — Schmelzpunkt 287 — Siedepunkt 287 l-Chlor-4-methoxybenzol 769 5-Chlor-2-methoxy-1,3-benzoldiamin 768

— !H-NMR-Spektrum

— !H-NMR-Spektrum — !'H-NMR-Spektrum

460

I-Chlor-3-propoxybenzol — aus 3-Chlorphenol 1100 N-Chlorsulfonyl-3, 3-dimethylß-propiolactam 1243 N-Chlorsulfonyl-4, 4-dimethylaza2-ceyclobutanon 1243 Chlorsulfonylisocyanat 1243 o-Chlortoluol — aus o-Methylanilin . 1114 4-Chlor-2-(2,2,2-trichlorethyl)-1-methylbenzol

— Oxidation

1084

4-Chlor-2-(2,2,2-trichlorethyl)benzolcarbonsäure — Synthese 1084 Chlortrimethylsilan 305 6-(2-Chlor-2,3,3-trimethylbutyl)undecan 206

Chlorwasserstoff

72, 74, 594

Chlor-Wasserstoff-Bindung

530

Cholanthren

— Careinogenität 3-Cholesten Cholesterin

766

838 83, 147f, 369, 483, 533,

838, 929 Cholesterinspiegel 370 Cholesterylbenzoat 446 Cholin 972 Cholsäure 148f, 903 Choristoneura fumiferana

Chrom(VI)

582

299 ff

Chrom(II)oxid

291

Chrom-Reagenzien 299 ff Chromatographie 388 - chirale 192 Chromsäure 300, 343 Chromsäureester 300, 343 Chromtrioxid 299f Chrysanthemumsäure 145f trans-Chrysanthemumsäure 146 trans-Chrysanthemumsäureester Chrysanthenon 82

146

C-H-Valenzschwingungen 466 Chymotrypsin - zur Spaltung von Polypeptiden — — Spezifität 1309 Cinchona 526 Cineol 83 Cinnolin 1265 cis 451 Citronensäure 197, 497 Citronensäurecyclus 497, 1159 CL 316243 1023f£ Claisen, L. 971, 1104 Claisen-Kondensation 971, 1139 £f, 1259 - Biochemie 1143 - doppelte 1142 — gekreuzte 1015, 1141 - intramolekulare 1142 — Mechanismus 1139f — Versagen 1141 Claisen-Umlagerung 1104ff — aliphatische 1105 - Allylphenylether 1105 — Mechanismus 1105 Claus, A.C.L. 671 Clemmensen, E.C. 756 Clemmensen-Reduktion 756f, 807f —- Synthese von Alkylbenzolen ohne Umlagerung 755f Clostripain — zur Spaltung von Polypeptiden

— Spezifität1309 Cloven 1001 C-N-Valenzschwingung 982 Cobalamin 1236 Cobalt-Katalysator 790 Cocain 1266 Codon 1322f Coenzym 328, 1165 Coenzym A 930ff Coenzym Q 1109 Coffein 208, 1023, 1266 Cognex 1236 Collagen 856 Collagenfasern 856 Computerized Axial Tomography 404 Computertomographie 404 Conchona-Ligand 526 conrotatorisch auswärts 642 conrotatorisch inwärts 642 conrotatorische Ringöffnung 641ff Contergan 191 Cope, A.C. 1046, 1105 Cope-Eliminierung 475 Cope-Umlagerung - entartete 1104 — - Bieyclo[5.1.0]octa-2,5-dien 1104 — - Bullvalen 1104 Copolymer 667 Copolymerisation 537, 646 Coprostanol 838 CoQ siehe Coenzym Q CoreyE. 1203129528 Corticosteroide 932 Corticosteron 157 Corticotropin 1337 Cortison 148, 281 Cosolvens 293, 578, 923 Coulombsche Anziehungskräfte 58 Crack-Prozesse 539 Cracken 87, 92ff, 474 Crafts, J.M. 713 Grick) E.H2EI@221320 Crotonaldehyd 854 GrutzenseR Sl) CSI 1243 Cuban 4,51, 144 Cubancarbonsäure 144 Cumol 1097 Cumolhydroperoxid 1097 — Verfahren 790, 1097 Cuprat 305, 320 — 1,4-Additionen 870 Cuprat-Reagenzien 590ff, 960 Cuprat-Synthese 305, 591 a-Curcumen 1015 GurlaRYE2 7699 Curtius, T. 1041 Curtius-Umlagerung 1041 — Mechanismus 1041 — - Acylnitren 1041 — - Alkanoylazid 1041 CW-Geräte 396 Cyanessigsäureethylester 982 Cyanhydrid 908 Cyanhydrin 811f, 1158, 1203 — Darstellung aus Aldehyden

durch Strecker-Synthese 1294 Cyanhydrinbildung — Mechanismus 811 Cyanid 869, 926 Cyanid-Ion 811, 907 a-Cyanoacrylsäuremethylester 537 3-Cyanobutanal 1137 2-Cyanocarbonsäure 926 ß-Cyanocarbonylverbindungen 869f 2-Cyano-2-propylradikal 108

Cyanwasserstoff 594, 736, SILE, 8S69f — Addition an 1,3-Butadien 1056 cyclische Alkane siehe Cycloalkane 125 cyclische Ether 352 ff — Bildungsgeschwindigkeit 353 — Darstellung 352 ceyelische Polyene 697 ff — Hückel-Regel 697 ff cyclische Polyether 349 cyclische Verbindungen — Darstellung 859

eyclischer Übergangszustand

971, 1147

eyclisches Bromonium-lon SILff -— Abfang S13f — nucleophiler Abfang S13f Cyclisierung 585f, 1157 Cyclisierungsstrategie 1248 Cyeloaddition 63211, 1239 — Heterocyelopentadiene 1249 ff — Lichteinwirkung 639 — photochemische 639 — Zusammenfassung 657

[?+2]-Cycloaddition |4+2]-Cycloaddition

1243, 639 633

endo-Cyeloaddition 6371 Cycloalkancarbonitrile 982 Cycloalkancarbonsäuren 894 Cycloalkancarbonylhalogenide 957 Cycloalkane 45, 48, 125 ff — disubstituierte 220 — ekliptische Spannung 130 — gauche-Wechselwirkung 130

- große Ringe

130

— höhere 140f — — ekliptische Stellung von Wasserstoffatomen 140f — — gauche-Wechselwirkungen 140 — — Winkelspannung 140f — kleine Ringe 130 — London-Kräfte 128 — mittlere Ringe 130 — Nomenklatur 126f —- normale Ringe 130 — physikalische Eigenschaften 128 — Ringspannung 128 ff — Struktur 128ff — transannulare Spannung 130 — Verbrennungsenthalpie 129f

— Winkelspannung

130

Cyeloalkanole 284 Cycloalkanone 783 Cycloalkene 810 irans-Cycloalkene 451 — Spannung 473 Cycloalkine 571

Cycloalkylrädikale

127

1,3-Cyclobutadien 697 ff — Darstellung 698 — Hückel-Regel 697f — Nichtaromatizität 697 — Reaktionen 698 — Reaktivität 697 Cyclobutan 49, 126 — Bindungslängen 131 — Bindungswinkel 131 — Dissoziationsenergie 132 — Konformation 131 — Molekülmodell 131 — physikalische Eigenschaften 128 — Ringöffnungsreaktionen 132 — Struktur 131 — Winkelspannung I31f 1,2-Cyclobutandion 1134 Cyclobutanol 298 — Pyrolyse 845

Cyclobutanon 298, 788 Cyelobuten 641, 680

Cyclobutenring 640 Cyclobutyleyclohexan 126 3-Cyclobutyl-3-octanol 314 Cyclodecan 157 — anti-Konformationen 141 — transannulare Wechselwirkungen

Cyclohexane — disubstituierte — substituierte

— - freie Enthalpiedifferenz

141

trans-Cyclodecen 451 Cyelodecein 571 Cyelododecan — physikalische Eigenschaften

128 1,4-Cycloheptadien 625 Cycloheptan — physikalische Eigenschaften 128 — Sessel-Cycloheptan 141 — Twist-Cyeloheptan 141 Cycloheptin 571 Cyclohexadien 643 1,3-Cyelohexadien 1083, 625, 640 f — Extinktionskoeffizient 652 — Hydrierungswärme 677 —AmaxWert

220

652

1,4-Cyclohexadien 639 — Synthese 10821 2,5-Cyclohexadien-1,4-dion — 1,4-Benzoldiol (Hydrochinon) 1107 — — Redoxgleichgewicht 1107 — aus 1,4-Benzoldiol 1106 — Diels-Alder-Additionen 1107f — - endo-Regel 1107£ — konjugierte Additionen 1107 3,5-Cyelohexadien-1,2-dion — aus 1,2-Benzoldiol 1106 2,5-Cyclohexadiencarbonsäure — Synthese 1083 2,4-Cyclohexadienon 1087 Cyelohexadienyl-Anion 1082 Cyclohexadienyl-Kation 706 f Cyclohexadienylradikal 1082 Cyclohexan 46, 126, 132 ff, 405 — äquatoriale Wasserstoffatome 135 — axiale Wasserstoffatome 135 — Bindungslängen 133 — Bindungswinkel 133 — Bootform 134 — Konformationsumwandlung 136 — Molekülmodell 133 — Newman-Projektion 133 — physikalische Eigenschaften 128 — Ringspannung 133f — Sesselkonformation 133 — substituierte 136 ff — transannulare Spannung 134 — Twistform 134 — Umklappen des Ringes 136 — Verbrennungsenthalpie 133 — Wannenform 134 — Zeichnen von Sesselkonformationen 135 Cyclohexanamin 980 — IR-Spektrum 1027 — Synthese 1039 Cyclohexancarbaldehyd 783 — Semicarbazon 805 Cyclohexancarbonitril 982 Cyclohexancarbonsäure 963 Cyclohexancarbonsäureanhydrid 963 Cyclohexancarbonsäureethylester 977 Cyclohexancarbonylchlorid 957 Cyclohexancarboxamid 974, 980 Cyclohexandiendione 1106 ff 1,2-Cyelohexandiol 340 1,4-Cyelohexandiol 299 1,2-Cyclohexandion 1154 1,3-Cyclohexandion 1143

zwischen axialem und äquatorialem Isomer 138 Cyclohexanol 284, 346, 906 — IR-Spektrum 468f Cyclohexanon 1039

- PC-NMR-Spektrum

786

— Cyanhydrin 811 — Enolat-Ion 842f 2-Cyclohexenon 864, 871 3-Cyclohexanon 864 Cyelohexanthiol 364 Cyclohexatrien 631f Cyclohexen 633 — anti-Bromierung 510 —- Bromierung 510f — elektrophile Addition 504 — Hydrierungswärme 677 — Hydroborierung-Halogenierung 2-Cyclohexyl-2-butanol 330 l-Cyclohexyl-2-propanon 921 Cyclohexyl-l-propinylketon 792 Cyclohexyl-4-methylbenzolsulfonat

521

346 Cyclohexylbenzol 715 Cyelohexylfluorid 206 Cyclohexyltosylat 346 1, 2-Cyelononandion 1153 Cyclononatetraenyl-Anion 704 Cyclononin 571 Cyclooctan — Kronenform 141 — physikalische Eigenschaften 128 — Wannen-Sessel-Form 141 Cyclooctatetraen — aromatisches Dikation 705 — Bindungslängen 701 — Bindungswinkel 701

— !IH-NMR-Spektrum — — — — —

Molekülstruktur Nichtaromatizität Reaktionen 701 Siedepunkt 700 Synthese 701

701 701 700f

1,3,5,7-Cyclooctatetraen

trans-Cycloocten 473 — Racemisierung 473 Cyelooctin 571 Cyclooligomerisierung

594

594

Cyclopentadecan — physikalische Eigenschaften 1,3-Cycelopentadien 635, 637 — Extinktionskoeffizient 652 — pK,-Wert 703 — Säurekonstante 703 — Amax Wert

128

652

Cyelopentadienyl-Anion 1247 Cyelopentadienyl-Kation 704 Cyclopentan — Bindungslängen 132 — Bindungswinkel 132 — Chlorierung 107 — „envelope“(Briefumschlag)form 132 — „Halbsessel“form 132 —- Konformationen 132 — Molekülmodell 132 — physikalische Eigenschaften 128

Cyclopentanon 788, S6l l-Cyclopentencarbaldehyd 860 2-Cyclopentenon 861, 1138 2-Cyclopentenylmagnesiumchlorid

Cyclopentoxyheptadecan Cyclopentyl-Kation

624

351

Sachregister

1415

— Isotopenmarkierung

339

Cycelopentylmethanol 299 Cyclopentylpropanamın — Synthese 1036 3-Cyclopentylpropylazid 1036

[10]Cyelophan

- IH-NMR-Spektrum

683

Cyclopropan 126 — Bindungslängen 130 — Bindungswinkel 130 — Dissoziationsenergie 131 — Molekülmodell 130 — Molekülorbitale 130 — physikalische Eigenschaften 128 — Ringöffnungsreaktionen 131 — Struktur 130 — Synthese A1051f — - aus Carbenoiden 1052 — - aus halogenierten Carbenen 1052 — - durch Carben-Addition an Doppelbindungen 1051 — - Simmons-Smith-Reagenz 1052 Cyclopropenyl 734 Cyelopropenyl-Kation 704 3-Cyelopropyltetrahydrothiopyran 1238 3-Cyclopropylthiacyclohexan 1238 Cystein 82 — Drei-Buchstaben-Code 1287 — (R)-Konfiguration

1287

- pK, der COOH-Gruppe

- pK, der NH;'-Gruppe

1287

,1287

- pK, der sauren Funktion in R

1287 Cytochrom 295, 1109 Cytochrom P-540 1112

D Darm 903 Darzens-Kondensation 1279 dative kovalente Bindung 304 Daunomyein 1218f - Aglycon 1218 - Formel 1219 DBN 1067 DBU 1067 DDT 109, 208, 721 de Broglie 12 — Wellenlänge 12 Decachlorbiphenyl 208 Decalin 142f cis-Decalin 143 — Sesselkonformation 143 trans-Decalin 143 Decan 52 1,10-Decandiamin — Synthese 1036 Decandinitril 1036 4-Decanon 960 Decarboxylierung 790, 927£, 981, 1147, 1256 — Carbonsäuren 927f — Mechanismus 1147 5-Decen 810 Deckelschildlaus 542 465, 468 Deformationsschwingung (R,R)-Degphos 505 (S,S)-Degphos 505 Dehnung 395, 425

Dehydratisierung 479ff — Alkohol 335 — bimolekulare 482 — Carbenium-Ionen 480 — Cyclohexanol 335

1416

Sachregister

— — — — — -

Reaktionsentropie 480 säurekatalysierte 593 thermodynamische Kontrolle 4 sl Umlagerung 480 unimolekulare 480f von Alkoholen 479 ff — — Mechanismus 483 1,2-Dehydrobenzol 1095 Dehydrobromierung 475 — stereoselektive 477 Dehydrochlorierung 539 Dehydrohalogenierung 474ff, 575, 862

— doppelte 574f Dehydromatricariaester 595 Dekontamination 208 Delirium 934 Delokalisierung 613ff, 630 ff Delokalisierungsenergie siehe Resonanzenergie Demercurierung 517 Denaturierung 367 Dendrobates 595 Dendroketose 1232 Deprotonierung 259f — allylische 623f — Carbenium-Ion 259 DEPT 90, 135, 431 desaktivierende Substituenten 73 8, 741 790, 849 Desinfektionsmittel Desinfizieren 369 Desoxidierung S06f 2-Desoxy-2-[F]fluor-D-glucose 1200 Desoxigenierung 809 6-Desoxy-L-mannopyranose 1222 2-Desoxy-2-methylamino-L-glucose 1219 Desoxyribonucleinsäuren 1317ff — Adenin 1317f - Cytosin 1317f — 2-Desoxyribose 1318 — Guanin 1317f — Mutationen in der Basensequenz 1322 — Replikation 1320f — Thymin 1317f Destillation 388 Destillationsbenzin 94 Detektor 390 Detergenzien 903 Deuterierung 502 cis-L-Deuterio-1,3-butadien 627 1242 (2R,38)-3-Deuterio-2-butanthiol Deuteriochlorfluormethan 394 Deuteriochloroform 396 I-Deuteriocyclohexan 305 l-Deuteriopropenylradikal 617 Deuterium-Isotopeneffekt 263 Deuteriumsaustausch — Basekatalyse 846 — Säurekatalyse 846 Dewar,J. 671 Dewar-Benzol 670 Dextromethorphan 203 Dextrose siehe Glucose DGEBA siehe Bisphenol A Diagnostik — medizinische 388, 404 Dialkylcadmium 320 Dialkylcarbonate 969 1,1-Dialkylethene 468 Dialkylierung 851 a,ß-Dialkylierung 871f Dialkyloxonium-Ion 223 Dialkylsulfid 364

Dialyse — zur Trennung von Polypeptiden Diaminoalkin

1306

596

Diaminodiphenylsulfon

370

Diaminostilbendisulfonsäure - Aufheller 1236 Diaminotoluol

— Synthese 1037 Dianion 809, 921, 923f, 1155 Diastereomere

162, 178, 179f£, 187£,

219£, 451

meso-Diastereomere 181f \ diastereotope Orbitallappen 188 diastereotope Wasserstoffatome 187,

407 Diätpillen 1023 Diaza-Cope-Umlagerung 1,2-Diazabenzol 1255 1,3-Diazabenzol 1255 1,4-Diazabenzol 1255

1253

1,5-Diazabicyclo[4.3.0]non-5-en 1067 1,8-Diazabieyclo[5.4.0]undec-7-en 1067

1,2-Diazanaphthalin 1,3-Diazanaphthalin 1,4-Diazanaphthalin

1265 1265 1265, 1270

2,3-Diazanaphthalin

1265

Diazepam 1236 Diazohydroxid 1047, 1049, 1245 Diazomethan 790, 817, 918f, 1049ff — aus N-Methyl-N-Nitrosoharnstoff —— Mechanismus 1049f — Carcinogenität 767 — durch Behandlung von N-MethylN-nitrosamiden mit Basen 1049 — Explosivität 1050

- Giftigkeit

1050

— Resonanzformeln 31 — Siedepunkt 1050 — zur Synthese von a-Diazoketonen — — Mechanismus 1051 - zur Synthese von Chlormethylketonen —- Mechanismus 1050

— zur Synthese von Diazoketonen 1051 — zur Synthese von Methylestern aus Carbonsäuren 1050 Diazonium-Ion 1047 Diazonium-Kation 1047 Diazoniumgruppe — reduktive Entfernung 1115 Diazotierung 1096

Dibenzoylperoxid 108 Diboran 519 Dibromaspirin 1130 1,2-Dibrombenzol 749 1,3-Dibrombenzol 749 - Synthese 1116 1,4-Dibrombenzol 749 m-Dibrombenzol 749 o-Dibrombenzol 749 p-Dibrombenzol 749 2,2-Dibrombutan 583 2,3-Dibrombutan — Steroisomere 181f (2R,3R)-2,3-Dibrombutan 511 (28,38)-2,3-Dibrombutan 511, 576 meso-2,3-Dibrombutan 511 1,4-Dibrom-2-buten 629 3,4-Dibrom-I-buten 629 Dibromcarbonylverbindung 867 trans-1,2-Dibromeyclohexan 510 9,10-Dibrom-9, 10-dihydrophenanthren 696 1,3-Dibrom-5,5-dimethylhydantoin 1279 1,2-Dibromethan 117

1,6-Dibrom-2,4-hexadien 3,6-Dibrom-1,4-hexadien

631 631

5,6-Dibrom-1,3-hexadien

631

1,2-Dibromhexan

Diels-Alder-Cycloaddition

632ff, 1251

Diels-Alder-Cycloaddukt Diels-Alder-Reaktion

510, 572

634 632ff, 659

2,2-Dibromhexandisäure

895

— Dien-Charakter 1251 — Diene (Tab. ) 635

(E)-2,3-Dibrom-3-hexen

584

— Dienophile (Tab. ) 635

1,8-Dibromoctan

1036

3,4-Dibrom-2-pentanon 1,2-Dibrompropan 588

867

trans-3,4-Dibromtetrahydrofuran

1238

Di-tert-butyl-dicarbonat 1311 2,6-Di-tert-butyl-4-methylphenol Dibutylether 349 Dicarbonsäuren

752

920, 926

1052

1,1-Dichlor-2,2-diethoxyethan

— !H-NMR-Spektrum

412

412

9,10-Dichlor-9,10-dihydroanthracen 696 Dichlormethan 95 — Symmetriebene 165 1,2-Dichlormethan

1076

1,1-Dichlor-3-methylbutan (2R,4R)-2,4-Dichlorpentan

575 183

meso-2,4-Dichlorpentan 183 2,4-Dichlorphenoxyethansäure — Toxizität 1094 2,2-Dichlor-I-phenylethanon 849 1,3-Dichlor-1,2-propadien 574 1,1-Dichlorpropan 409 1,2-Dichlorpropan 409

1,3-Dichlorpropan 409 Dichromat 299£ Dichte — Abhängigkeit von der Molekülgröße 57 Diclofenac 1237

cis-1,2-Dicyanoethen

— Übergangszustand

635f

624ff, 635

— bieyclische 640 — elektronenreiche 633 — konjugierte 624ff — nichtkonjugierte 624 Dienol 865 Dienolat-Ion 865 Dienone — gekreuzt-konjugierte 1280 Dienophil 635 Dieselkraftstoff 47 Dieselöl 94 Diester 1142 trans-1,2-Diethinylcyclohexan 564 trans-1,2-Diethenylceyclopropan 452 Diethyl-1,2-benzoldicarboxylat 1142 Diethyl-2-brompropandioat 1135, 1293 meso-N,N -Diethyl-2,3-butandiamin

1242 cis-Diethyleyclopropan — Synthese 1051 Diethyl-1,4-dihydro-2,6-dimethyl-3,5pyridindicarboxylat 1256, 1269 Diethyl-3,4-dihydro-2,6-dimethyl-3,5pyridindicarboxylat 1269 4,5-Diethyl-3,6-dimethyldecan 55

Diethyl-2,6-dimethyl-3,5-pyridindicarboxylat 1256 Diethyl-3,5-dimethylpyrrol-2 ,4-

117

(Dichlormethyl)-benzol — Synthese

endo-Regel 637f konzertierte Natur 634ff Stereochemie 636ff Stereospezifität 635 Synthesen 634

Diene

— Säurestärke 901 ß-Dicarbonyl-Anionen 1150ff Dicarbonylverbindungen 1137ff oa-Dicarbonylverbindungen 1138, 1152ff ß-Dicarbonylverbindungen 1138£f, 1256 — Alkylierung 1145f — Anionen 1145f y-Dicarbonylverbindungen 1248f —- Cyeclisierung 1248 — maskierte 1250 1,2-Dichlorbenzol 673 o-Dichlorbenzol 673, 749 (E)-1,2-Dichlor-I-buten 584 Dichlorcarben — aus Chloroform 1052 — Reaktion mit Cyclohexen

— — — — —

1293 Diethyl-2-methylpropandioat 1149 Diethyl-2-(1-methylpropyl)propandioat

1146, 1147 Diethyl-2-oxobutandioat 1262 Diethyl-2-(3-oxobutyl)propandioat

1151 Diethylamin 1150 — Schmelzpunkt 1026 - Siedepunkt 1026 Diethylenglycol 808

635

N,N-Diethylethanamin

Dicyclohexylboran 588 Dicyclohexylcarbodiimid 1312 — Aktivierung der Carboxygruppe von Aminosäuren gegenüber nucleophilem Angriff 1312 N,N“-Dicyclohexylharnstoff 1312 meso-2,3-Dideuteriobutan 502 (2R,3R)-2,3-Dideuteriobutan 502 (25,35)-2,3-Dideuteriobutan 502 cis-1,2-Dideuteriocyclohexanol

dicarboxylat 1248 Diethyl-4,5-dioxo-1,3-cyclopentandicarboxylat 1142 Diethyl-N-ethanoyl-2-aminopropandioat

521

cis-Dideuterioethen — thermische Isomerisierung 455f trans-2,3-Dideuteriothiacyclopropan 1241 Di(1,2-dimethylpropyl)boran 588 Dieckmann, W. 1142 Dieckmann-Kondensation 1142 Dielektrizitätskonstante 228 Diels, ©. 633

859 2,3-Dihydroxybutandisäure 184 (+)-(R,R)-2,3-Dihydroxybutandisäure — Racematspaltung 191 Dihydroxycarbenium-Ion 916 Dihydroxylierung 810 — anti-Dihydroxylierung 524 — enantioselektive 526 — syn-Dihydroxylierung 524f — — katalytische 525 2,3-Dihydroxypropanal 82, 172 - Aldotriose 1182 — Fischer-Projektion der beiden Enantiomeren 1183 (R)-2,3-Dihydroxypropanal — postulierte Konfiguration 1205 2,3-Dihydroxypropanal-3phosphat 859 1,3-Dihydroxypropanon — Fischer-Projektion 1185 — Ketotriose 1182 1,3-Dihydroxypropanonmonophosphat 859

Diine

586f

1,6-Diiodhexan 223, 334 Diisoamylboran 588 Diisobutylaluminiumhydrid

ni, 88) Diisopropylamin Diisopropylether

346

1029

302ff, 348f, 369

Diethylheptandioat 1142 Diethylketon 782 Diethylmethylmalonat 1149 N,N-Diethyl-4-methylpentanamid 977 N,N-Diethyl-4-methylpentanamin 977 Diethylpentandioat 1142 Diethylpropandioat 1148 — pK,-Wert 1140 Diethyltetratriacontandioat 1157 o-difunktionelle Systeme 1139ff ß-difunktionelle Systeme 1139ff difunktionelle Verbindungen S86l Diglycidether von Bisphenol A 362 Dihalogenalkan 574ff

789, 969,

267, 1031 356

Diketoester 839 oa-Diketone 1152 ff —- cyclische 1154 ß-Diketone 845, 1142f Dilantin 1178 Dilthiazem 1237 Dimer 532, 896 Dimerisierung 532, 927 —- von 2-Methylpropen — Mechanismus 532 1,2-Dimethoxyethan 348, 399, 410f

— !IH-NMR-Spektrum

— Massenspektrum 1029f — — Fragmentierung 1029 — - Peak des Molekül-Ions Diethylethandioat 1142 Diethylether

— geminales 574ff, 583 — vicinales 574ff, 583f Dihalogenide S10ff — vicinale 510 9,10-Dihydroanthracen 696 7,8-Dihydrobenz[a]pyren-trans7,8-diol 767 3,4-Dihydroisochinolin 1262 9,10-Dihydrophenanthren 696 trans-4a,4b-Dihydrophenanthren 694 Dihydropyridin 1256 1,3-Dihydroxyaceton 1182 1,3-Dihydroxyaceton-Monophosphat

399, 410f

Dimethoxymethan 1160 [Di(4-methoxyphenyl)phenylmethyl]ether 1326 Dimethoxytritylether 1326 Dimethylacetal 1160 Dimethylacetylen 564 1,1-Dimethylallen 573f Dimethylamin 48, 1036ff — pKy-Wert

1031

— Schmelzpunkt 1026 — Siedepunkt 1026 4-Dimethylaminoazobenzol 1116 4-(N, N-Dimethylamino)benzolcarbaldehyd — NMR-Spektrum 6841 —-- Kopplungskonstante 684f — - Spektrum erster Ordnung 6841 N,N-Dimethylaminopropan 1022 Dimethylammoniumbromid 1035 2,2-Dimethylazaeyclopentan 977 3,3-Dimethyl-2-azacyclopentanon 977

Sachregister

1417

Dimethylazodicarboxylat

666

7,12-Dimethylbenz[a]anthracen — Carcinogenität 766 Dimethylbenzole (Xylole) — elektrophiler Angriff 751 1,2-Dimethylbenzol (o-Xylol) 674 — C-H-Deformationsschwingung out of plane 682 — Umlagerung zu 1,3-Dimethylbenzol

759

1311 1,1-Dimethylethyl-Gruppe 1,1-Dimethylethyl-Kation 2601433174,992

— !IH-NMR-Spektrum

461f

Dimethyl-eis-2-butendioat 635, 636 Dimethyl-trans-2-butendioat 635 DD ‚2-Dimethyl-3-butensäurs 921 [9>}‚3-Dimethyl-1-butin 567, 575 — !IH-NMR-Spektrum 567 Dimethylbutindioat 635, 639 Dimethylcarbonat 969 2,3-Dimethylchinoxalin 835, 1279 cis-3,4-Dimethyleyclobuten 641 trans-3,4-Dimethyleyclobuten 641 Dimethyl-1,4-cyclohexadien-1,2dicarboxylat 639 cis-5,6-Dimethyl-1,3-cyclohexadien 643 1,1-Dimethyleyclohexan — Konformation 138 1,2-Dimethyleyclohexan - Konformation 139f trans-\,2-Dimethylcyclohexan — 1,3-diaxiale Wechselwirkungen 139f — Konformerengleichgewicht 139f — Newman-Projektion 139 1,3-Dimethyleyclohexan - Konformation 139 1,4-Dimethyleyclohexan - Konformation 138f cis-1,4-Dimethyleyclohexan — Konformation 138 trans-1,4-Dimethyleyclohexan —- Konformerengleichgewicht 138f 2,2-Dimethyl-1,3-cyclohexandion 1146 2,2-Dimethylcyclohexanon 867 Dimethyl-cis-4-cyclohexen-1,2dicarboxylat 636 Dimethyl-trans-4-cyclohexen-1,2dicarboxylat 636 2,2-Dimethyleyclopentanon 783 cis-L,2-Dimethyleyclopropan 127 trans-1,2-Dimethyleyelopropan 127 cis-9,10-Dimethyldecalin 155 Dimethyl-eis-1,2-dimethyleyclohexan1,2-dicarboxylat 1156 3,3-Dimethyl-2,2-diphenyloxacylobutan

1243 Dimethyl-6-dodeeindioat 1156 1,2-Dimethylencyclohexan 635 Dimethylether 286, 348

Sachregister

532 250, 256,

1243 4-(1,1-Dimethylethyl)benzoesäure

895

673, 715

— Protiodealkylierung 758 — — Mechanismus 759 (1,1-Dimethylethyl)cyclohexan — 1,3-diaxiale Wechselwirkung 138 - Fixierung der Konformation 138 — gauche-Wechselwirkung 139 (1,1-Dimethylethyl)heptylsulfid 364 2-(1,1-Dimethylethyl)4-methoxy-

phenol

1112

cis-L-(1,1-Dimethylethyl)2-methylcyclohexan —- Konformerengleichgewicht 140 l-(1,1-Dimethylethyl)-2-nitrobenzol

757 1-(1,1-Dimethylethyl)-3-nitrobenzol 757 l-(1,1-Dimethylethyl)-4-nitrobenzol 757 Dimethylethylradikal — Hyperkonjugation 91 l,1-Dimethylethylacetat 959 Di(1-methylethyl)cadmium 305 trans-3,6-Dimethyl-1,3-cyclohexadien 643 trans-9,10-Dimethyldecalin 155 1,1-Dimethylethyl-N(diphenylmethyliden)glycinat 1296 1,1-Dimethylethylether 357, 361

— Schutzgruppen 315f l,1-Dimethylethyllithium 303 N,N-Dimethylformamid 227, 955 Dimethylfumarat 635 2,2-Dimethyl-l-halogenpropane 316 4,6-Dimethylheptanal 782 2,6-Dimethylheptansäure 905 2,5-Dimethyl-2,4-hexadien — Amax Wert

652

— Extinktionskoeffizient 652 Dimethylhexandioat 1156 2,2-Dimethylhexansäure 915 N,N-Dimethyl-5-hexenamin 1043 N,N-Dimethylhydroxylamin 1045 Dimethylketon 782 y,y-Dimethyl-y-lactam 977 Dimethylmaleat 635 N,N-Dimethylmethanamid 227

N,N-Dimethylmethanamin 49, 1035 2,6-Dimethyl-3-nitropyridin 1258 2,3-Dimethylnonanal 871 2,7-Dimethyl-4-octanon2,7-Dimethyl4-octin 598 3,7-Dimethyl-l-octen 905 2,2-Dimethyloxacyclopropan - Ringöffnung 360 cis-2,3-Dimethyloxacyclopropan 523 trans-2,3-Dimethyloxacyclopropan 523

N,N-Dimethylpentanamid

2,2-Dimethylpropanamin 1039, 1071 N,N-Dimethyl-I-propanamin 1022 N,2-Dimethyl-2-propanamin 1022 2,2-Dimethyl-I-propanol 285, 342, 399f, 409f

— !IH-NMR-Spektrum

N-(1,1-Dimethylethyl)azacyclobutan

(1,1-Dimethylethyl)benzol

— — Mechanismus 759 EN‚3>-Dimethylbenzol (m-Xylol) — Infrarotspektrum 682 m ‚4-Dimethylbenzol (p-Xylol) — C-H-Deformationsschwingung out of plane 682 ‚>-Dimethyl-1,3-butadien 634, 635 ‚3>-Dimethylbutan 55 ‚-Dimethylbutanal 853 ‚>-Dimethylbutanal 340 Z_yNDDND ',N-Dimethylbutanamid 920 ‚3>-Dimethyl-1,2-butandiol 340 ‚>-Dimethylbutan-2,3-diol 342, 809 ‚>-Dimethylbutannitril 228 ‚>-Dimethyl-l-butanol 308, 316 ‚3>-Dimethyl-2-butanol 341 ‚>-Dimethyl-2-butanon 342 DIDI DD ‚3-Dimethyl-I-buten 461, 575

1418

l,1-Dimethylethoxycarbonyl — Schutzgruppe für die Aminfunktion

977

2,3-Dimethylpentansäure 894 4,4-Dimethylpentansäure 902 3,3-Dimethylpentandisäureanhydrid 963

2,4-Dimethyl-3-penten-2-ol

870

3,3-Dimethyl-4-penten-2-on Dimethylpropan 51 2,2-Dimethylpropan — Massenspektrum 992f

921

399, 410£

— Schmelzpunkt 287 — Siedepunkt 287 (1,2-Dimethylpropyl)boran 561 2,2-Dimethylpropyl-4methylbenzolsulfonat 228 2,6-Dimethylpyridin 1256, 1258 2,2-Dimethylpyrrolidin 977 Dimethylsulfat 221, 369, 527, 792, 816 Dimethylsulfon 366 Dimethylsulfoxid 227 2,2-Dimethylthiacyclobutan 1238 (2R,3R)-trans-2,3-Dimethylthiacyclopropan 1242 2,2-Dimethylthiethan 1238 2,5-Dimethylthiophen 1248 Dimethylurushiol II 1134 a,ß-Dimethylvaleriansäure 894 2,4-Dinitroanilin — Synthese 1090 2,4-Dinitroanisol 686 — Synthese 1090 1,2-Dinitrobenzol (o-Dinitrobenzol) — Synthese 755 2,4-Dinitrobenzolamin

- Synthese 1090 1,5-Dinitronaphthalin 1,8-Dinitronaphthalin 2,4-Dinitrophenol

762 762

— pK,-Wert 1089 — Synthese 1090 2,4-Dinitrophenylhydrazin

2,4-Dinitrophenylhydrazon 2,4-Dinitrotoluol 1037 Dinucleotidsynthese 1326 Diole - anti-Diole 522ff — Darstellung 1012f - geminale 796, 921 - syn-Diole S24ff — vicinale 809 l,1-Diole 791 1,2-Diole 339 Diosgenin 125 1,2-Dioxacyclobutan 355 1,4-Dioxacyclohexan 348 1,4-Dioxan 348 1,2-Dioxetan 355 Dioxim 1251 Dioxin 1094, 1128 2,5-Dioxohexandial 1134 Dipeptid 1298 1,2-Diphenylethan — Bromierungen

805 805f, 825

1078

Diphenylethandion 1138, 1152 cis-1,2-Diphenylethen 694 Diphenylhydroxyessigsäure 1153 Dipol 26 Dipol-Dipol-Wechselwirkung 58, 207 dipolare Resonanzformel 954

Dipolmoment

207, 228, 286, 1144

—- Alkohole 286 - Debye 26 — Methanol 286

—- SI-Einheit 26 — Wasser 286 Dipropylamin 1035 — Schmelzpunkt 1026 - Siedepunkt 1026 Diradikal-Charakter 571f Disaccharide 1208ff

Disproportionierung 535, 578 disrotatorische Ringöffnung 643f Dissoziation 900 — Bronsted-Säure 76 Dissoziationsenergie 88 — C-H-Bindungen 614 Dissoziationsenergieen von C-CBindungen 565 disubstituierte Benzole - elektrophiler Angriff 751ff — — Additivität von Substituenteneffekten 751ff — — - aktivierende Substituenten 751f disubstituierte Cyclohexane 137ff

- Konformation

137ff

Disulfidbrücke 366 —- Oxidation mit Peroxymethansäure 1305 Disulfide 366 Diterpene 145 — bieyclische 649 1,3-Dithiacyclohexan

1160f

— Acidität 1160f — Deprotonierung 1160f — Anion — - Alkylierung 1161 1,3-Dithian 1160f — Acidität 1160 — Deprotonierung 1160f — Hydrolyse 1162 Dithioacetale 1161f —- cyclische

1325

D-NMR _ 431 Dodecahedran Dodecan 52

144

Donor

968 1163

737

203

— enzymkatälytische Oxidation zu (-)-Noradrenalin 189 Doppelbindung 7, 9, 453 — alternierende 624 — Bindungsstärke 453ff

— Elektronenspektren 653 — Epoxidierung 522 ff — Hydroborierung

- isolierte — konjugierte

— Nachweis

588ff

El-Reaktion 259ff — 2-Chlor-2-methylpropan 261 — Geschwindigkeit 261 — Molekülorbital-Schema 260 — unimolekulare Eliminierung 259ff E2-Reaktion 262ff — 2-Chlor-2-methylpropan 262 — Diasteromere 427 — anti-Eliminierung 263 - Kinetik 262 — Konkurrenz

— — —

mit Sn2-Reaktion

S19ff

624

510

— nucleophiler Charakter 510f — partieller Doppelbindungscharakter 476 — Planarität 455f — relative Stabilität 471ff — thermodynamische Stabilität

trans-Doppelbindung 477 Doppelbindungs-Isomere 450 Doppelbindungshomologe 630

471ff

26

Elektronenakzeptoren 6, 633, 738 Elektronenanregung 389 Elektronendelokalisation 615 Elektronendichte 582 Elektronendichteverteilung 616 Elektronendonoren 6, 580f, 738 Elektronenenergien 5 — Quantelung 5 Elektronengenerator 987 Elektronenoktett 6 Elektronenpaare —- freie 8 — Verschiebung 211 Elektronensextett 250 Elektronenspektren 650ff Elektronenspin 16 Elektronenstrahl 987 Elektronenübergänge 650f Elektronenübertragungsmechanismus 871 Elektronenübertragungsreaktionen 1260 elektronisch angeregter Zustand 650 elektronischer Grundzustand 650 Elektrophil 209, 250 elektrophile Addition S04ff, 582 tf — Halogenwasserstoffe 504 — Konkurrenzreaktion 513 — Regioselektivität 505 — Verallgemeinerung S13ff elektrophile aromatische Nitrosierung 780 elektrophile aromatische Substitution 706ff — dirigierende Wirkung von Substi-

tuenten, Übersicht

264

750

- Orbitalbild des Zwischenprodukts

6

707 — Reaktionsprofil 707 elektrophile Hydratisierung 507ff elektrophile Nitrosierung 780 elektrophile Protonierung-Addition

1308 399

795

Eicosan 52 Eigendissoziation 72ff Eigendissoziationskonstante von Wasser 72ff Eileiterkrebs 1245 Ein-Elektronen-Oxidation 927 Ein-Elektronen-Oxidationsmittel Ein-Elektronen-Reduktion

628

265 ff

Orbitalbild 264 Reaktivitätsreihe 263 Regioselektivität 475f Stereospezifität 477ff

Edelgaskonfiguration Edman, P. 1307 Edman-Abbau 1308 — Phenylisothiocyanat

elektrochemische Zelle 927 elektrocyclische Reaktionen 640ff — konzertierte 641ff — photochemische 642f — Stereospezifität 641ff — Zusammenfassung 657 Elektrodenpotential 927 elektromagnetische Strahlung — Spektrum 390 Elektronegativität 30, 954f — Tabelle 27 Elektronenaffinität — Tabelle 27

— Verbiegung 571f — zylindrische Gestalt 565 Dreihalskolben 303 Dreikomponenten-Copolymer 647 Dreiring-Heterocyclen 1279 Drogen 1265 Drüsen 872 du Pont 1056 Dublett 412f Duftstoffe 973 Durchlässigkeit 467 Duren 729 dynamische kinetische Racematspaltung 1297 Dysidazirin 1244

effektive Feldstärke Eibe 146, 1245

197

Dopamin

1323

— radikalische Addition 588 — Spin-Spin-Kopplung 568f — Stabilität 570ff

— Übergangszustand

1-Dodecanamin 968 Dodecansäure 928 N-Dodecyl-9-octadecenamid N-Dodecylthiazoliumbromid

Dolantin

Dotierung 586 Drehachse 403 Drehwinkel 61ff Drei-Basen-Codes — der häufigsten Aminosäuren Dreifachbindung 7, 9, 563 ff — anti-Markovnikov-Addition — Carbenium-Ionen 585 — Elektronendichte 582

584

E

1161f

DMF 227 DMSO 227 DMT 1326 DNA 645, 1317 — Basen 1317 — — geschützte 1325 — Doppelhelix — — Durchmesser 1321 — — Entfernung der Basen auf den komplementären Strängen 1321 — Ligasen : 1324 — Sequenzierung 1324 — Synthese — — automatisiert

Doppelbindungsverschiebung doppelte Eliminierung 574ff

586

580f, 809

Ein-Elektronen-Übertragung 866 Einfachbindung — kovalente 7, 9 einfache Reaktionen - Kinetik 66ff — Thermodynamik 66ff Einlaßdüse 987 Eisen 754 Eisensulfat 537 ekliptische Konformation 479

Elastizität 646 Elastol 536 elektrochemische Reaktionen

elektrophiler Angriff - auf Phenanthren 763 - konjugierte Diene 628ff — Regioselektivität 763 Elektrophorese — zur Trennung von Polypeptiden 1306 Elementaranalyse 32, 388 — Bestimmung des Chlorgehalts 32 — Bestimmung des Sauerstoffgehalts

— — -

53 C-H-Analysator

32 Methan 32 Methanthiol 32 Propan 32 — Stickstoffbestimmung 32 — Tetrachlormethan 32 elementarer Phosphor 345

Eli Lilly 927

1058

Eliminierung 2,3, 259 ff, 474ff — o-Eliminierung 979, 1052

Sachregister

1419

— — — — — — — — — —

anti-Eliminierung 263f, 478ff, 576 - Halogenalkane 263f doppelte 574ff Hofmann-Regel 477 Konkurrenz mit Substitution 265 — Produktverteilung 265ff Reaktionsgeschwindigkeit 259 Saytzev-Regel 476 sterisch gehinderte Base 476 syn-Eliminierung 478, 576, 971

— Übergangszustand

476

— Zusammenfassung 656 Emission 389 Empfindlichkeit 417 empirische Formel - Stoffmengenverhältnis 32 Enalapril 1237 Enale 794 — Reduktion 866 Enamide 505 Enamine 806, 852f, 859, 1256 — Alkylierung 852 — Michael-Addition 874 —- Resonanz 852 Enantiomer 162, 163, 166 — Racematspaltung manuell 190 — Racematspaltung über Diastereomerengemisch 191f - Synthese 218f — Trennung 190ff Enantiomerentrennung — durch optisch aktive Amine 1033 Enantiomerenüberschuß 170 enantioselektive Dihydroxylierung 526 — katalytische 526 enantiotope Wasserstoffatome 185 — Methylengruppe 407 Endiin 645 Endiin-Gruppe 596 Endiol 1155 Endiolat 1155 endoplasmatisches Retikulum 891 endotherme Reaktion 68 Energieabsorption 392 Energiequelle 592 Enin 815 Enol-Tautomer 843 ff Enolase 383 Enolat-Ionen

841ff, 860, 871

— Darstellung 842 — konjugierte Additionen 872ff — Michael-Addition 8721f — Resonanz 900 Enolatbildung 956 Enolate 970f - Alkylierung 851ff — Darstellung 842 — Ester 970 — Resonanzhybrid 842 Enolatradikal-Ion 866

Enole

584, 841 ff, 868

— Zusammensetzung Erdölfraktionen 46

Erdölraffination

844 845 Enolisierung 847, 848 Enone 794, 841ff — bieyclische 860 — Cyanwasserstoff-Addition —- cyclische 860 - Hydrierung 794 — konjugierte 868

Erythrose

1185

596, 645

Essig 893 Essigsäure

47, 74, 293, 594, 782, 893, 894, 929 Acidität 747 biologische Aktivität 930 industrielle Synthese 904 Kupplung 930f

Ethannitril

904, 962, 963

Essigsäurebutylester 918, 966 Essigsäureethylester 307f, 966 — Enolat-Ion 970 Essigsäureisopentylester 965 Essigsäuremethylester 49, 915

— Carbonyl-Valenzschwingungen

1014

844,

49, 227, 985

Ethanol 47, 292, 482 — industrielle Darstellung 539 — Konzentration in Atemluft 301 — letale Konzentration 367 — Metabolismus 367 — pharmakologische Wirkung 367 — Produktion 540 — Schmelzpunkt 287 - Siedepunkt 287 — Verdampfungsenthalpie 113 — Verwendung 367 Ethanolyse 248 (R)-N-Ethanoylalanin 1297 (R,S)-N-Ethanoylalanin 1297 2-Ethanoyl-4-methylphenol 1135 1099 2-Ethanoyloxybenzolcarbonsäure Ethansäure

798

578

47, 894

Ethanthiol 48, 369, 531 Ethen 7,9, 46, 453ff, 482, 536, 592, 633 — Acidität 457 -— Bindung 453 — Bindungswinkel 453 — Extinktionskoeffizient 652

962

904

Sachregister

1,2-Ethandiamin

1,2-Ethandiol 285, 291, 368, 800, 934 — technische Herstellung 291 Ethandisäure 895, 913, 1138 — Säurestärke 901

1203

Enthenylacetat

1026

— Siedepunkt 1026 Ethandial 1138, 1153 - aus Benzol 1082 — aus o-Xylol 1082

1165, 1183, 1184

Enthalpiebilanz

339

101

— Schmelzpunkt 287 — Siedepunkt 287 Ethanal 47, 782 Ethanamin

— Schmelzpunkt

— Alkoholsynthese 307f - Alkylierungen 970 - anorganische 343ff, 912

1420

— — Kettenfortpflanzungsschritte

Ester 49, 343ff, 789, 894, 909, 915tf, 953ff, 958, 965ff, 1139ff, 1155 — Aldolkondensation 970

866 861

entartete Umlagerungen Enthalpiebeitrag 860

Kohlenstoff-Bindung 24 — Monochlorierung 101

93ff

D-(-)-Erythrulose - Fischer-Projektion Escherichia coli 496

— — —

959

Ethan 46, 50, 52 — Ausbildung der Kohlenstoff-

— und Threose — - Diastereomere 1184 D-(-)-Erythrose 1206 — Fischer-Projektion 1185 — Kiliani-Fischer-Kettenverlängerung

Esperamicin

— charakteristische Valenzschwingungen 466 - cyclische 818, 917 — Darstellung 959 — Deprotonierung 1139 — Enolate 970 — Hydrolyse 966 — IR-Banden 466 — Nomenklatur 965 — organische 343ff — Pyrolyse 971 — Reaktionen 966 ff — Reaktivität 966 — Reduktion 969 — Umesterung 967 — a,ß-ungesättigter 931 Ester-Enolate 970ff, 1139 — Aldolreakion 970 — Alkylierungen 970 Esterhydrolyse 293, 344, 915 ff, 966 — Mechanismus 916 Esterpyrolyse 475, 997 - cyclischer Übergangszustand 971 Estersynthese

Erdölreserven 592 Erdrauch 895 Eremanthin 155 Ergosterin 644 Emst, RER, 397 o-D-(-)-Erythrofuranose 1189 — Haworth-Projektion 1188 Erythromycin A 936

Essigsäureanhydrid

870

630

93ff

- Produktion 540 - Propansäure-Anhydrid

—- Darstellung — konjugierte

— Reduktion Enongruppe

Entkopplung 426 Entropie 67ff, 353, 798 Entropieänderung 68 Entropieverlust 860 Entschirmung 399 Entschwefelung 807 — reduktive 801, 1251 Entzündungen 872, 1000 Entzündungsreaktionen 463 Environmental Protection Agency Enzyme 526, 859 — Cofaktor 1236 — Spezifität der Hydrolyse 1309 Enzymkatalyse 1143 Ephedrin 1070 Epiandrosteron 147 Epigallocatechin-3-gallat 1088 epileptische Erscheinungen 934 Epimere 1183, 1202 Epinephrin 385 Epoxid-Hydratase 766 Epoxide 348, 522ff, 1249 — Darstellung 522ff Epoxidharz — Härten 362 Epoxidierung — Mechanismus 523 Erblindung 367 Erdgas 46, 94 Erdgasverbrauch 87 Erdmagnetfeld 394 Erdöl 46, 87, 92tf, 539

— Amax- Wert

652

— Hydratisierung 292 — Molekülorbital 453 — Molekülstruktur 453 - Oxidation 904 Ethenol 539, 844f — Darstellung 844

— Molekülstruktur Ethenyl 452

845

Ethenyl-Anion 457 Ethenyl-Kation — Molekülorbital-Schema 590 Ethenylacetat 539 — Produktion 540 Ethenylbenzol 536, 647, 667, 674, 1045 — Produktion 540 1-Ethenyl-3-ethinyl-5-ethylbenzol 673 Ethenyllithium

457, 591

Ethenylmagnesiumbromid 3-Ethenyl-1,4-pentadien

591 1044

Ether 47f, 223, 283, 347 ff, 483 — aromatische 351 — Bildung 354ff — charakteristische Valenzschwingungen 466 — chemische Verschiebung 401, 430 — cyclische 800 — Darstellung 351, 518 — gemischte 356f —- IR-Banden 466 — Nomenklatur 348 - Peroxide 357 — physikalische Eigenschaften 348f — sekundäre 357f — symmetrische 354 - tertiäre 357f Etherhydroperoxid 357 Etherperoxid 357 Etherspaltung 223 Ethidimuron 1236 Ethin 9, 46, 563 ff, 584 — Additionsreaktionen 594 — Bildungsenthalpie 570

— Deprotonierung — — — — —

566f

Energieinhalt 592 Hybridisierung 565 Hydrierung 571 Hydrierungswärme 571 industrielles Ausgangsprodukt

592

— Kohlenstoff-KohlenstoffBindungslänge 565 — Molekülorbital 566 — Molekülstruktur 566 — pK,-Wert 566 — Polymerisation 586 — Produktion 592 — Verbrennung 571 Ethinyl 564 Ethinyl-Anion 566 1-Ethinyleyclohexanol 586 Ethinylketone 595 Ethinyllithium 578

17-Ethinylöstradiol

hexennitril

596

Ethinylöstrogene 596 Ethoxyborhydrid 298 Ethoxyethan 47, 302 ff, 348f, 369 2-Ethoxy-3-ethyl-2-methylpentan 338 trans-5-Ethoxy-1,3-hexadien

630

cis-L-Ethoxy-2-methoxycyclopentan

348 2-Ethoxy-2-methylpropan 348, 356 2-Ethoxynaphthalin 351 2-Ethoxypropan 351 3-(Ethylamino)-1-fluorbutan 1022 Ethyl-Anion 457 9-Ethylanthracen

Ethylacetat

692

308, 344, 818, 966, 1139

Ethylacetacetat

1139, 1148

Ethylacrylat 634 Ethylalkohol — Schmelzpunkt 287 — Siedepunkt 287

Ethyl-2-amino-3-oxobutanoat 1248 Ethylammoniumiodid 210 3-Ethylazacyclobutan 1238 3-Ethylazetidin 1238 2-Ethylbutannitril 983 Ethylazidocarboxylat 1239 Ethylbenzoat 1142 Ethylbenzol 714 Ethylbutanoat 1155 Ethyl-I-buten 814 Ethyl-2-butenoat 463 Ethyl-2-butyl-3-oxobutanoat 1147 Ethyl-1-butyl-2-oxocyclohexancarboxylat 1146 Ethylchlorid 47 Ethylerotonat 463 Ethylceyanoacetat 982 3-Ethylcyclohexanon 871 l-Ethyleyclopentanol 284 N-Ethyl-(28,3S)-trans-2,3-dimethylazacyclopropan 1242 Ethyl-2,2-dimethylhexanoat 915 N-Ethyl-2,2-dimethylpropanamin 1030 4-Ethyl-3,4-dimethyl-5-(1-methylethyl)octan 78 Ethyldipropylamin 1035 Ethylen 7, 9, 46, 450 Ethylenbrassylat 934 l-Ethylendioxy-3-iodpropan 800 Ethylenglycol 285, 368, 934 — industrielle Darstellung 539 — Produktion 540 — technische Herstellung 291 Ethylenoxid 291, 353, 369, 1238 — Hydrolyse 368 — industrielle Darstellung 539 — Produktion 540 N-Ethylethanamin 1150 Ethyl-2-ethoxycarbonyl-2-heptenoat 1150 Ethylformiat 1142, 1143 Ethyl-trans,trans-2,4-hexadienoat 659 2-Ethyl-I-hexanol 906 2-Ethylhexansäure 906 5-Ethyl-5-hexen-2-on 1138 Ethyl-3-hydroxy-4,4-dimethylpentanoat 970 5-Ethyl-2-hydroxy-2-methyl-5-

1138

Ethyl-4-methylbenzolsulfonat 1078 Ethylindol-2-carboxylat 1284 Ethylmethansulfonat — Carcinogenität 767 1-Ethyl-2-methyl-1,4-cyclohexadien — Synthese 1083 cis-L-Ethyl-2-methyleyclohexan 502 l-Ethyl-2-methylcyclohexen 502 Ethylmethylether 48, 348f

L-Ethyl-4-(1-methylethyl)benzol

673

— pK,-Wert 1140 Ethyl-3-oxopropanoat 1142 Ethyl-10-oxodecanoat 815 3-Ethyl-3-pentanol 969 Ethyl-4-pentenoat 970 4-Ethylphenol 1088 2-Ethyl-5-phenyl-2,4-pentadienal 858 Ethylpropanoat 965 Ethylpropenoat 634 N,N-Ethylpropylpropanamin 1035 Ethylpropylsulfid 531 4-(1-Ethylpropyl)-2,3,5-trimethylnonan 55 Ethyl-3-pyridincarboxylat 1261 Ethylradikal 88 — Hyperkonjugation 91 4-Ethyl-2,2,7-trimethyloctan 55 Ethyl-2,2,4-trimethyl-3-oxopentanoat

1141 (S)-3-Ethyl-2,2,4-trimethylpentan

EU-Weine - Überschußproduktion Eucalyptol 559 Eucalyptusöl 559 Eudesman

292

123, 1086f

Eudesmane — Synthese 1086 Eudesmol 155 exotherm 95 exotherme Reaktion Explosivstoffe 747 Extinktion 651ff Extinktionskoeffizient

68

652

F Fahrzeuge 534 Faktor VIII 1338f Falschfarben-Darstellungen 1200 Faltblattstruktur —- Fixierung über Wasserstoffbrücken 1302 Faltblattstruktur 1301f Faraday, M. 671 Farbcodes 247

Farbigkeit 651 Farbstoff 631, 904, 1116f Farnesol 549, 611, 648, 668 Farnesylpyrophosphat 648 Faserprotein 856 trans fatty acids 929

FCKW

110

- Abbau 112 — Ersatzstoffe

[FFIFDG

112

1200

Ethyl-2-methyl-2-(phenylmethyl)-3oxobutanoat 1146 Ethyl-2-methylpropanoat 969, 1140 Ethylmethylsulfid 364

Federmodell 465 Fehlgeburt 933 Behline, HE@Ev. 5819 Fehling-Nachweis 819 Fehlingsche Lösung — Umsetzung mit Aldosen und Ketosen 1192 feinverteiltes Metall — auf Trägermaterial 296 Feld-sweep-Verfahren 396f

4-Ethyl-4-nonanol 313f — retrosynthetische Analyse 313 Ethyloctadecanoat 967 Ethyloxacyclopropan 522 Ethyl-2-oxocyclohexancarboxylat

Fermentation 368, 933 Fernkopplung 568 Festphasen-Synthese 1313 — automatisierte Proteinsynthese

Ethylmethylketon 47, 782, 785 Ethyl-2-methyl-3-oxobutanoat 1146 Ethyl-2-methyl-3-0x0-3phenylpropanoat 1142 3-Ethyl-2-methylpentan 55

Feldstärke

1142,

1146 Ethyl-3-oxobutanoat

1248

971, 1139, 1146,

174

Ethylsorbat 659 Ethylsubstituent 54

393

1845 — eines Dipeptids - Vorteile 1314

1314

Sachregister

1421

Bette.90549304953972 Fettgewebe 368 Fettmoleküle 903 Fettsäure-Synthetase 931f Fettsäuren 368, 929, 930£, 972, 1260 — Biosynthese 930f — gesättigte 929 — trans-konjugierte 929 — ungesättigte 932 Feuerfliege 355, 1280 Feuerwerkskörper 561 Fexofenadin 1236 FH, 384 Fieber 872 Fingerabdruck 464 fingerprint-Bereich 466, 899 Firnis 368 Bische” "355 kisehen Er 175 Fischer-Projektion 175ff, 1188 — absolute Konfiguration 176 — Drehung 176 — Methode zur Konfigurationsbestimmung 177 - Überführung einer Keilstrichformel 179 — Überführung einer NewmanProjektion 179 — Vertauschung von Substituenten 176f Fischer-Tropsch-Reaktion 291 Fischersche Indolsynthesd 1252 Fischerscher Konfigurationsbeweis

1205 FK-506

Fleming, A.

570

976

Fluorwasserstoff

26, 74, 111f

Fluorwasserstoffsäure

— Acidität

747

Fluoxetin

1237

1319

Flüssiggas 94 Fmoc-Schutzgruppe 1340 follikelstimulierendes Hormon 149 Folsäure 1264 Food and Drug Administration 630 meso-Form 181f — cis-1,2-Dibromeyclobutan 183 — trans-1,2-Dibromeyclobutan 183

Sachregister

790

4-Formyleyclohexancarbonsäure 2-Formyleyclohexanon 1143

Formyl-Gruppe 783 Formyl-Wasserstoffatom

1240

Fourier-Transform-NMR

428

— -Spektrometer

FR-900848

783

786

Formylbromid 912 Formylchlorid 912 Formylhalogenide 957 2-Formyloxacyclopropan (R,S)-Formylvalin 1295 Fortpflanzung 872 Fourier, Baron J. 397 395f

110 437

Frequenz 389ff, 465 Eriedel, € 745 Friedel-Crafts-Acylierung 793 Friedel-Crafts-Alkanoylierung 717ff,

791 ff, 809, 905 — Acylium-Kationen als Zwischenstufe 719 — Benzol 717 — — mit Acetylchlorid 718 — Clemmensen-Reduktion des Produkts 720 —- Komplexbildung der Lewis-Säure mit Alkanoylhaolgeniden 719

— Komplexbildung der Lewis-Säure mit Carbonsäureanhydriden 131, 719 — Komplexbildung der Lewis-Säure mit 1-Phenylalkanonen 719 - mit Alkanoylhalogeniden 718 — mit Carbonsäureanhydriden 719 — wäßrige Aufarbeitung 719 — Wolff-Kishner-Reduktion des Produkts 720f Friedel-Crafts-Alkylierung 713ff — freie Carbenium-Ionen 715 - Grenzen 716f - intramolekulare 715 — Lewis-Säure als Katalysator 713 — Mehrfachalkylierung 716 - mit Alkenen 715 — mit Alkoholen 715 - mit primären Haligenalkanen — Mechanismus 714f - mit primären Haligenalkanen 714f — mit sekundären Halogeniden 715 — mit tertiären Halogeniden 715

— Nebenreaktionen 716 — Reaktivität der Halogenalkane 713 — Umlagerung von Carbenium-Ionen 716 Friedländer, P. 1262 1262

D-(-)-Fructose — Fischer-Projektion

FSH

1053

Friedländer-Synthese

Frischhaltefolie 537 Frostschutzmittel 368 Fruchtaromen 965 Fruchtreifungshormon 450 o-D-Fructofuranose 1189, 1209 ß-D-Fructofuranose 1209 Fructose 859, 1165 — cyclische Halbacetalbildung 1188 — D-(-)-Fructofuranose 1188 - D-(-)-Fructopyranose 1188 — Gleichgewicht zwischen Fructopyranose und Fructofuranose 131, 1187f — Süßkraft 1182 Fructose-1,6-diphosphat 859 D-Fructose — Abbau mit Periodsäure 1194 1185

früher Übergangszustand

Fragmentierungen 988 Fragmentierungsmuster 992ff Fragmentierungsreaktion 988 freie Bildungsenthalpie 481 Freies Elektronenpaar 8, 76 Freiheitsgrade 798 Bremy, Er 1106 Fremysches Salz 1106 Freon-11

Flieder 482, 668 Fluorbenzol 673 - induktive Effekte 740 — Resonanzeffekte 740 Fluorchlorkohlenwasserstoffe 110 Fluoreyclohexan 205 Fluoren 1127 FluorenylmethyloxycarbonylSchutzgruppe 1340 Fluoreszenz 650 Fluorierung von Alkanen — relative Reaktivität 106f — Selektivität 105ff Fluormethan 26 4-Fluor-1-methyl-2-nitrobenzol —- Oxidation 1084 3-Fluor-l1-methyleyclopenten 451 1-Fluor-2-methylpropan 106 2-Fluor-2-methylpropan 106 4-Fluor-2-nitrobenzolcarbonsäure — Synthese 1084 2-Fluorbenzolcarbonsäure — aus 2-Aminobenzoesäure 1115 2-Fluorthiacyclopropan 1238 2-Fluorthiiran 1238 5-Fluoruracil 1319

1422

593, 782, 797, 1039 — Halbacetal 798 — industrielle Darstellung — protonierter 10 — Siedepunkt 785 Formalin 790 Formamid 227, 974 Formiate 969, 1143

Freon 936f

Flammentemperatur

Fluracil

— cyclische Verbindungen 183 — meso-2,4-Dichlorpentan 183 Formaldehyd 9, 47, 295, 307, 367,

100, 106

149

Bullen #RaB= 700 Co-Fulleren 494 Fulven 635 Fumaria officinalis 895 Fumarsäure 497, 895 Fumarsäuredimethylester Fünfringe 860

Fungizid

635

595, 630

Funktionalisierung 87 funktionelle Gruppen 47ff, 781, 894 — Einführung durch katalytische Oxidation 116 — enzymatische Aktivierung 116 — Reaktivität 2

Furan 1187, 1238, 1244, 1246ff - Darstellung 1144f — Demaskierung 1250 — Dien-Charakter 1251 — Eigenschaften 1246 ff — elektrophile aromatische Substitution 1250 — Hydrolyse 1250 — Molekülorbital 1247 — Reaktionen 1249 — Reaktivität 1249

— Ringöffnung

1250

- Struktur 1246 ff Furethonium 1281 Fusidinsäure 157 Fußball 494

G GABA

siehe y-Aminobuttersäure

Gabriel, S. 1037 Gabriel-Synthese - primäres Amin 1037 Galactane 1217 D-(+)-Galactose 1207 - Fischer-Projektion 1185 B-D-Galacturonsäure

1231

Gallengang 903 Gallensäure 148, 903 Gallensteine 148 Gammexan 150 Gartenschläuche 537 gasohol 368 Gasöl 94 Gasphasen-Chlorierung 619 Geburtenkontrolle — „Pille“ 149 Gehirn 1200 Gehirn-Laser-Operation 404 Gehirnrezeptoren 1023

Gehirntumor 404 Gelpermeations-Chromatographie — zur Trennung von Polypeptiden geminale Kopplung 414, 459 f geminales Diol 796 genetischer Code

1306

1320ff, 1322f

Genipin 155 Genom — Sequenzierung eines nichtviralen 1325 Gentechnologie 1324 Geraniol

— Vorkommen

1196

1196

B-D-Glucofuranose

1189

— Sesselprojektion 1189 Glucopyranosen 1188ff, 1222 ß-D-Glucopyranose-Pentaethanoat ß-D-(+)-Glucopyranose — Bindungslängen 1191

- Bindungswinkel

1189, 1209

1191

— Fischer-Projektion 1188 — Haworth-Projektion 1188 — Schmelzpunkt 1188 — Sesselprojektion 1189 — spezifische Drehung 1190 — Struktur 1191 B-D-Glucopyranosylamin 1217 B-D-Glucosamin 1217 Glucose 368, 1196, 1260

— Abbau mit Periodsäure

Aldehydform 798 Anomere 1190f cyclische Halbacetalbildung 1187 D-(+)-Glucofuranose 1187 D-(+)-Glucopyranose 1187 Fischer-Projektion 1185f Gleichgewicht zwischen der offenkettigen und den Pyranoseformen 1190f — Halbacetalform 798 — Keilstrichformel 1186

— '$F-Markierung

155, 497, 648

Geranylpyrophosphat 648, 649 Gerberei 48 Germacran 1178 Germanicol 890 Gerüstumlagerung 480f Gesamtausbeute 315 gesättigt 449 gesättigte Fettsäuren 929 gesättigte Kohlenwasserstoffe 45ff ° Geschirr 536 Geschmacksstoffe 953 Geschmacksverstärkung 1048 Geschwindigkeiten — Nitrierung von Benzolderivaten 738 geschwindigkeitsbestimmender Schritt 249, 255 Geschwindigkeitsgesetz — nucleophile Substitution 214 — zweiter Ordnung 214 Geschwindigkeitskonstante — Reaktion erster Ordnung 70f — zweiter Ordnung 70f Geschwüre 872 gestaffelte Konformation 479 Gesundheit 929 Getreide 630 Gewürznelke 560 Gibbs, J.W. 67 Gibbssche freie StandardReaktionsenthalpie 67ff Gibellerinsäure 933 Gleichgewichtseinstellung 620 Gleichgewichtskonstante 73£ Gleichgewichtszustand 66f — Gleichgewichtskonstante 67 globuläre Proteine — Faltung 1303 Glucagon 1337f Glucane siehe Glycogen D-Glucit 1196 D-Glucitol 1196, 1211 —- Anwendungen 1196 — Süßkraft 1196 — Süßstoff 1196

— technische Herstellung

— — — — — — —

1194

— Vorkommen 1214 Glycoldimethylether 348 Glycolsäure 1153 Glycolvergiftung 367 Glycolyse 1215 Glycon 1218 Glycosylamine 1217 Glycylalanin 1299 Glyme 348 Glyoxal 1138, 1153 — aus Benzol 1082 - aus. o-Xylol 1082 Golfkrieg-Syndom 365 Goodyear, C. 647 Grad der Ungesättigtheit 470ff Gramieidin S 505 — Keilstrichformel 1299 — Kurzdarstellung 1299 gramnegativ 1244 Grandisol 542 —- Cyclobutanring 145f Grapefruit 1176 Grenzformeln siehe Resonanzformeln Grignard, V. 302

1200

— Metabolismus 383 — Mutarotation 1190ff — Pentahydroxyhexanal 1182 — Reaktion mit Fehlingscher Lösung 1192

— Reduktion zu D-Glucitol 1196 — Röntgenstrukturanalyse 1190 — vollständige Veresterung 1198 — Vorkommen 1182 Glucosemetabolismus 1200 Glucoseumsatz 1200 Glucosid 1199 o-1,6-Glucosidase 1215 D-Glucuronsäure 1232 Glühwürmchen 355 Glutamat 1292 — -Dehydrogenase 1295 Glutamin — Drei-Buchstaben-Code 1287 - pK, der "NH;-Gruppe 1287 - pK, der COOH-Gruppe 1287 Glutaminsäure 1264 — Drei-Buchstaben-Code 1287 — Gabriel-Synthese 1293

- pK, der "NH;-Gruppe - pK, der COOH-Gruppe

Grignard-Reagenzien

794, 968 — 1,2-Addition — 1,4-Addition

— Übersicht

1287 1287

(S)-Glutaminsäure — aus 2-Oxopentandisäure 1296 — - mit Glutamat-Dehydrogenase 1296 y-Glutamyleysteinylglycin 1299 Glutarsäure 895 Glutarsäureanhydrid 962 Glutathion 1299 — Drei-Buchstaben-Code 1299 —- Reduktion von Oxidationsmitteln 1112 Gly-Ala — Darstellung 1313 Glyceraldehyd 1165 Glycerin

p-Glycerinaldehyd

82, 172, 1182

1205

- pK, der COOH-Gruppe — Schutz der Aminogruppe — Strecker-Synthese 1294 Glycogen 1214ff

Guanidin

1067, 1291

D-(-)-Gulose

1204

— Fischer-Projektion 1185 D-Gulose-Oxim 1105, 1204 — Hexaethanoat 1204 Gummi 646 Gurken 883 Guttapercha 648

H

Halbacetale

Halluzinationen

1287 1287 1311

— Abbau durch o-1,6-Glucosidase

72ff

797ff, 968, 970

— cyclische 798 -— intramolekulare Bildung 798 Halbaminale 803ff, 977f — Dehydratisierung 803 Halbwertszeit 844, 847, 1200

D-(+)-Glycerinaldehyd 1183 — Fischer-Projektion 1185 L-(-)-Glycerinaldehyd 1183 Glycerinaldehyd-3-phosphat 859 Glycin 1293 — Abspaltung der Amino-Schutzgruppe 1313 — Achiralität 1286 — Darstellung über modifizierte Gabriel-Synthese 1293 — Drei-Buchstaben-Code 1287 -pK, 1288

- pK, der "NH3-Gruppe

322

Grignard-Reaktion —- Kohlendioxid 907 Grignard-Verbindungen 302ff, 310£ —- Bromketon 315 — dative kovalente Bindung 303f — Ketonsynthese 960 — Lewis-Säure-Base-Reaktion 304 — Reaktionsapparatur 303 — Reaktionsapparatur 303 Grundzustand 345, 650

H,O'-Konzentration

285, 368, 972

Glycerinaldehyd

871 871

— Reaktionen

1287

—- pK, der sauren Funktion inR

566, 578, 623f,

1215

— Abbau durch Phosphorylase 1215 — Abbau durch Transferase 1215 — molare Masse 1214

367, 934

Halluzinogene 1266 Haloform 849 Haloform-Reaktion 849, 906 Halogen-Addition 510ff N-Halogen-Amidat 979 Halogenalkane 47f, 205tf, 269 ff, 591629078928 — Dissoziation 77 - Alkoholyse 357 — Chiralitätszentrum 216f —- Darstellung S504ff — Löslichkeit 287 — nucleophile Substitution 918 - optische Aktivität 218f - primäre 209f, 269 — Schmelzpunkt 287

Sachregister

1423

— sekundäre 209f, 270, 578 — Siedepunkt 287 — Synthese 344f - tertiäre

Harnstoff

209f, 271, 578

2-Halogenalkanoylhalogenide Halogenalkene 575f, 582f 2-Halogenalkohol 514 Halogenaren 1095 Halogenarene

964

— nucleophile aromatische Substitution 1090ff — — über Benz-in-Zwischenstufen

1092ff Halogenbenzole — Bindungsstärken 709 — Orbitalbild 740 — Resonanzformeln nach elektrophilem Angriff 749f N-Halogenbutanimid 920 (S)-2-Halogencarbonsäureester 293 Halogencycloalkane — Ringgröße 234ff Halogencyclobutane 235 Halogencyclohexane 235 Halogencyclopentane 235 Halogencyclopropane 235 1-Halogen-2,2-dimethylpropan 234f Halogene — elektrophile Addition S10ff Halogenether — vieinaler 514 Halogenierung 87, 510ff, 618f — Aldehyde 847 — Allylstellung 618 — doppelte Dehydrohalogenierung ST74ff — Ketone 847 — Produktgemische 619 — radikalische 618 — von Methan 95ff, 99ff — - Bromierung 99ff — — Enthalpien der Kettenfortpflanzungsschritte 99 — - Fluorierung 99ff — — Thermodynamik und Kinetik des zweiten Kettenfortpflanzungsschritts 100f a-Halogenierung 848ff, 979 — Basekatalyse 850 — Säurekatalyse 848 Halogenmethane 231f — Bindungslängen 206 — Bindungsstärken 206 — Siedepunkte 207 1-Halogen-2-methylpropan 234f 2-Halogen-2-methylpronan — Verhältnis von Sy1- zu El-Produkt

bei der Hydrolyse 261 Halogenwasserstoff 73f, 504 — elektrophile Addition 504 Halonium-Ion S512ff - regioselektive Öffnung 514f Halothan 437 Hame7295 153158 Hammond, G.S. 100 Hammond-Postulat 100 Hämoglobin 1315 ff — aktives Zentrum 1316 — Primärstruktur 1316f — Quartärstruktur 1316f — Sauerstofftransport 1315f — Tertiärstruktur 1316f Hämophilie 1338f Händigkeit 164 Hantzsch, A. 1256 Hantzsch-Pyridin-Synthese 1256f

1424

Sachregister

953, 974, 1178

Harnstoffsynthese — Wöhlersche 3 Härten 362 Hauptenergiequellen Hauptkette 55 Haut 856 Hautpilz 595 Haworth, W.N.

94

1189

Haworth-Projektion

1189

HERE 112 HERE-37 EP HCFC-141b 112 HCFC-142b 112 HGECD2TID HDL siehe highest density lipoprotein Heisenbergsche Unschärferelation

Heizöl

12

46

Helicene — Hexahelicen 695 — Struktur 695

— Phenanthrol[3,4-c]phenanthrenspezifischer Drehwert 695 — Phenanthrol[3,4-c]phenanthren Heliotridan 83 Helium-Konfiguration Helixstruktur 1214

695

6

1,2,3,4,5,6-Hexachlorcyclohexan

— Synthese 1041 Heptadecannitril 908 Heptadecansäure 908 cis-1,4-Heptadien 625 cis-2-trans-4-Heptadien Heptadienyliodid 561

923f£f,

625

Heptan 52, 95, 579 Heptanal 806, 856, 862 Heptanal-Oxim 804 806, 985, 1147f

4-Heptanon 806 trans-3-Hepten 580 3-Heptin 579 6-Heptin-2-ol 585 Herbizid 208, 981 Heroin 369, 1265 Herpes simplex-Virus Herbizid 1130 Herstellung von — Aldehyden

— - Übersicht

1319

828f 1064

— Carbonsäuren — - Übersicht 941 — Ketonen

— - Übersicht

828f

Herz 872 Herzinfarktrisiko 929 Hesperidin 1220 Hess, GE.115 Heßscher Satz 115 Heteroatom 348 Heterocyclen

Hexachlorophen — Toxizität 1094 Hexadecan 52 Hexadecansäure

932, 972

— markierte 930 Hexadecylhexadecanoat 972 1-Hexadecylhexadecanoat 328 Hexadecyltrimethylammoniumhalogenid 1053 Hexadeuterioaceton 396 Hexadeuteriobenzol 396 Hexadeuteriopropanon 396 1,5-Hexadien 575, 625, 1043 cis,trans-2,4-Hexadien

1235ff, 348

— nichtaromatische 1239ff — Nomenklatur 1238 Heterocyclenchemie 1259 Heterocyclobutan 1243 1-Hetero-2,4-cyclopentadien 1246 ff — Darstellung 1276 Heterocyclopentadiene 1246ff — aromatische 1246ff — Cyceloaddition 1250ff

637, 641

trans,trans-2,4-Hexadien

635, 637, 641

trans,trans-2,4-Hexadienol 630, 658 trans,trans-2,4-Hexadiensäure 630 1,5-Hexadiin 575

Hexahydroindan

— Aminen

— - Übersicht

150,

264

Elella@3ME995 Hell-Volhard-Zelinsky-Reaktion 964 Hemiacetale 797ff Heptadecan 52 Heptadecanamin

2-Heptanon

— Dien-Charakter 1251 — Eigenschaften 1246ff — elektrophile aromatische Substitution 1250 — Reaktionen 1249 — Reaktivität 1249 — Regioselektivität 1249 — relative nucleophile Reaktivität 1249 — Resonanzformeln für den elektrophilen Angriff 1249 - Ringöffnung 1250ff — Struktur 1246ff Heterocyclopentane 1244f Heterocyclopropane 1239ff, 1242 — Darstellung 1239 — nucleophile Ringöffnung 1242 — Ringspannung 1242 heterogener Katalysator 296 heterolytische Dissoziation — tertiäres Halogenalkan 252 heterolytische Spaltung 88 heteronucleare Korrelation 431 Hevea-Kautschuk 647 y-Hexachlorcyclohexan 150 — Sesselkonformation 151

155

Hexamethylendiamin 1055 Hexamethylentetramin 1023 Hexamethylphosphorsäuretriamid 331,923 Hexan 52 - IR-Spektrum 467 — Molekülmodell 56 — Schmelzpunkt 456 1-Hexanamin — Massenspektrum 1029 1,6-Hexandial

227,

860

1,6-Hexandiamin - aus Adipinsäure 1055 — aus Hexandinitril 1055 Hexandinitril 984 — aus Adipinsäure 1055 - durch Addition von Cyanwasserstoff an 1,3-Butadien

1,6-Hexandiol 2,5-Hexandion Hexandisäure 1-Hexanol

1056

334 860, 1250 895, 904, 906, 984, 1055

308, 360

3-Hexanol-Synthese — retrosynthetische Analyse Hexansäure 894, 926 1,3,5-Hexatrien 630f, 643

— UV/VIS-Spektrum 681 cis-1,3,5-Hexatrien 640f trans-1,3,5-Hexatrien

— Extinktionskoeffizient

652

313

— Amax Wert

Homologisierung — doppelte 310£f homolytische Spaltung 88 homonucleare Korrelation 431

652

1-Hexen 467f —- Brom-Addition 510 — Bromierung 510 — IR-Spektrum 468 3-Hexen-1,5-diin 645 3-Hexen-l-in 564 cis-2-Hexen — Schmelzpunkt 456 cis-3-Hexen 589 — Schmelzpunkt 456 cis-3-Hexen-1-ol 580 trans-2-Hexen — Schmelzpunkt 456 trans-3-Hexen — Schmelzpunkt 456 2-Hexenal 883 5-Hexensäure 1137 1-Hexin 572f, 588 — basekatalysierte Isomerisierung 571 2-Hexin 572 3-Hexin

Hooke,

Hundepfeife

584, 589

5-Hexin-2-ol 364 1-Hexinyllithium 800 3-Hexoxypropanamin 986 3-Hexoxypropannitril 986 Hexylresorcin 729 HEGZ12 HFC-134a 112 high density lipoprotein 929 highest occupied molecular orbital (HOMO) 653ff Hiroshima 747 Histidin 244, 383 — Drei-Buchstaben-Code 1287 — Imidazolsubstituent 1291

- pK, der "NH3;-Gruppe

1287

- pK, der COOH-Gruppe 1287 —- pK, der sauren Funktion in R 1287 — Zuordnung der pK,-Werte auf die einzelnen Gruppen 1291 HMDA siehe Hexamethylendiamin HMPT siehe Hexamethylphosphorsäuretriamid

hochauflösende NMR-Spektroskopie 394 ff Hochtemperatur-Pyrolyse 964 Hochvakuumkammer 987 Hoffmann, R. 644 Hofmann, A.W. von

477, 979, 1042

1042

— zur Strukturaufklärung von stickstoffhaltigen Naturstoffen 1043 Hofmann-Regel 477

Hofmann-Umlagerung 978ff, 1240 — Mechanismus 979f höhere Alkane — Chlorierung 101ff — relative Reaktivität 101ff — Selektivität 101ff höhere Cycloalkane siehe Cycloalkane, hoherese hohes Feld 399 Holzgeist 46 HOMO siehe highest occupied molecular orbital Homocystein 245, 384 Homologe

50, 564

homologe Alkane 50 homologe Reihe 50

465

437

Hundsche Regel — entartete Orbitale 16 Hundsche Regel 16 Hunsdiecker, H. 927 Hunsdiecker-Reaktion 927f O-H-Valenzschwingung 468f, 899 Hyalophora cecropia L. 517 Hybridisierung 21f£ — Ammoniak 25 — Berylliumatom 21 - Boratom 22f - freie Elektronenpaare 25

- sp-Hybridorbitale

22ff

— - trigonale Anordnung

- sp’-Hybridorbitale

23

23ff

— — Tetraederwinkel 23 — Linearkombination von Atomorbitalen 21ff — Methan 23 — Methyl-Kation 23 — Wasser 25 Hybridorbitale — Berylliumhydrid 21 - sp-Hybridorbitale 22, 453 ff — 180-Winkel 21 Hydrate 796 Hydratisierung — basekatalysierte 796 — elektrophile 507ff

— Reaktionsenthalpie - reversibel 796

Hofmann-Eliminierung 475, 1042f — Butanamin 1042 — erschöpfende Methylierung 1042 — N-Methylazacycloheptan 1044 — quartäre Ammoniumsalze

— - bimolekulare Eliminierung

R.

Hookesches Gesetz 465 hormonähnliche Substanzen 463 HSCoA siehe Coenzym A HückelyEr1697 Hückel-Regel 701 — Cycloheptatrienyl-Kation 704 — —- Aromatizität 704 — Cyclopentadienyl-Anion 703f — - Aromatizität 703f — geladene Moleküle 703 Hühner 835 Humaninsulin 1301 — Gentechnologie 1301

500

— säurekatalysierte 796 Hydratisierungs-DehydratisierungsGleichgewicht 508f Hydrazid 1038 Hydrazin 805, 808, 1038 Hydrazinhydrat 808 Hydrazone 807 Hydrid-Addition 922 Hydrid-Anion 6 Hydrid-Reagenzien 794, 969, 985 Hydrid-Reduktion - Aldehyde 297£f — Ketone 297ff — Mechanismus 299 — Stereoselektivität 298 hydridübertragende Reagenzien 297ff Hydridverschiebung 336f Hydrierte Chlorfluorkohlenwasserstoffe 112 Hydrierte Fluorkohlenwasserstoffe 112 Hydrierung

— — — — —

296, 571, 579£

asymmetrische 505 der Doppelbindung 471ff katalytische S5O1ff, 754, 929, 12431 Reaktionsenthalpie 500 stereospezifische 502

- a,ß-ungesättigte Carbonylverbindungen 865 Hydrierungswärme 471ff, 501, 571 — konjugierte Diene 626 Hydro-Crack-Prozeß 94 Hydroborierung S519ff, 579, 1087 — Halogenierung 521 — Hydrolyse 589 — Mechanismus 519 — 4-Methyl-1-penten 520 —- Oxidation 520, 589 — Regioselektivität

520, 588f

Hydroborierungsreagenzien Hydrobromierung 530 — radikalische 530 Hydrochinon 1088, 1106 Hydrochlorid 804 Hydrochlorierung — Energiediagramm 507

— Reaktionsenthalpie

561

500

Hydrodimerisierung 927 Hydroforming 95 Hydroformylierung 790 Hydrogenolyse 961 Hydrogensulfat-Ion 75 Hydrogensulfid 11 Hydrohalogenierung S504ff, 582f

Hydrolyse

247ff, 922

— Alkoholsynthese Hydronium-Ion

293 7, 10, 72, 212, 250

Hydroperoxid-Ion 520 Hydroperoxide 357 Hydroperoxygruppe 818 hydrophil 287 hydrophob 287 Hydroxid-Ion 72 Hydroxyaldehyde 798 Hydroxyalkannitril 811 Hydroxyalkoxid 796 Hydroxyamine 812 2-Hydroxybenzoesäure 895 m-Hydroxybenzoesäure 1088 — aus m-Methoxybenzoesäure 1098 o-Hydroxybenzoesäure 895, 1099 2-Hydroxybenzolcarbonsäure 1099 3-Hydroxybenzolcarbonsäure 1088 — aus 3-Methoxybenzolcarbonsäure 1098 3-Hydroxybutanal 854, 858 2-Hydroxybutannitril 812 Hydroxy-Carbenium-Ion 898 (R)-2-Hydroxycarbonsäuren 293 2-Hydroxycarbonsäuren 812, 908 3-Hydroxycarbonsäuren 924 4-Hydroxycarbonsäuren 924 a-Hydroxycarbonylverbindungen

1152ff 4-Hydroxy-2-butanon 869 Hydroxycarbenium-Ion 339f, 342,

898, 994 — Deprotonierung

339f

Hydroxycarbonyl-Derivat 893 oa-Hydroxycarbonylverbindung SS54ff Hydroxycyanhydrin 1158 2-Hydroxy-7-cyclododeeinon 1156 1-Hydroxycyclohexancarbonnitril

sıl 2-Hydroxycyclohexanon 2-Hydroxycyclononanon

1156 1153

8-Hydroxy-1,6-dimethylbicyclo[4.2.0]octan-7-on 1156 2-Hydroxy-1,2-diphenylethanon

1152,

SEE Hydroxyessigsäure 1153 9-[(2-Hydroxyethoxy)methyl]guanosin

1319

Sachregister

1425

2-(2-Hydroxyethyl)-1,3-dithiacyclohexan 1161 Hydroxyester 967 Hydroxyformaldehyd 896 Hydroxygruppe 2836, 331 ff -— amphotere

- pK, der protonierten Form 1292 — Resonanz im protonierten Imidazol

1292 Imide

(R)-2-lodbutan

Imin — aromatisches

290

— nucleophile Substitution - Schutzgruppe 361

920

221f

— cyclisches

1254

1254, 1258

— Protonierung

- Synthese 1040 - - aus Oximen 1040

— Hydrolyse 853 Immunsupressivum 937 In-Phase-Überlappung 454

N°-Hydroxy-L-arginin

1291

Hydroxylase 157 Hydroxylierung — direkte aromatische 1092 4-Hydroxy-3-methoxybenzolcarbaldehyd 674, 783 Hydroxymethyl-Kation 994 3-Hydroxy-2-methylbutanal 858 6-Hydroxy-6-methyl-2-heptanon 508 Hydroxymethylierung 1102 7-Hydroxy-7-methyl-4-octen-2-on 783 3-Hydroxy-2-methylpentanal 858 4-Hydroxy-4-methyl-2-pentanon 857 2-Hydroxy-4-methylpentansäure 926 trans-4-Hydroxy-2-nonenal — durch Zersetzung von Lipidhydroperoxiden 1110 (Z)-4-Hydroxypent-3-en-2-on 845 3-Hydroxypentanal 858 5-Hydroxypentanal 798 4-Hydroxypentansäure 895 N-(p-Hydroxyphenyl)acetamid 737 - aus 4-Aminophenol 1099 2-Hydroxy-2-phenylacetonitril 823 2-Hydroxy-2-phenylessigsäure 908 N-(4-Hydroxyphenyl)ethanamid 1099 2-(1-Hydroxyphenylmethyl)-1,3dithiacyelohexan 1161 (R)-2-Hydroxy-3-phenylpropansäure 293 Hydroxyprolin 1339 2-Hydroxypropannitril 811 2-Hydroxypropansäure 164, 1159,

1032f 803, 977, 1029 f 859

Indianer 595 Indol 1238, 1252ff, 1270 — Resonanz 1252 Indol-Alkaloid 1278 Induktionsstrom 459 induktiver Effekt 27, 290, 633, 738, 900 Industrie-Ethanol 292 Industriechemikalien 790 Industriefarbstoffe 1117 Infrarot — fernes 390 — nahes 390

— -Spektroskopie siehe IR-Spektroskopie — -Strahlung 390 infrarotes Licht

Ingold, C.

— B-Kette

1308

1309

— — selektive Hydrolyse durch Trypsin Integration

— Fischer-Projektion Imidazol 1276 — Orbitalbild 1291

1426

1185

Sachregister

— !H-NMR-Spektrum

418

o-lodtoluol 674 lodwasserstoff 74 Ionen 88 Ionenaustausch-Chromatographie — zur Trennung von Polypeptiden 1307

Applied Chemistry

51

450, 509

401

217

1209

lod-Kohlenstoff-Bindung Iodalkane

Ipomeamaron 155 Ipsdienol 543 IR-Absorptionsbanden — Carboxygruppe 899 IR-Bereich 464 IR-Spektrometer 390 IR-Spektroskopie

408 ff

— Intensitätsverhältnis 408f Intensitäsverhältnis 415f Intermediat 5 International Union of Pure and

530

211, 345

— chemische Verschiebung

— primäre

D-(-)-Idose

849

— Tabelle 27 lonisierungspotential 26 IP siehe Ionisierungspotential

517

Insektizid 108, 150, 208, 517, 951, 981 Insertionen 538 Insulin — A-Kette 1308 — — Edman-Abbau 1309

Invertase lod 345

470

— -Reaktion 2-Iodpropan

— Metamorphose

- der Konfiguration — doppelte 219

Identifizierung von Verbindungen —- Grad der Ungesättigtheit 470 — Ungesättigtheit 470

849, 906

849

Ionisierung 988 Ionisierungspotential

interner Standard 400 intramolekulare Aldolkondensation s5yff Inulin — Fructan 1217 — Vorkommen 1217 invasiv 404 Inversion 1242, 216f

Ibuprofen 729, 737 Ichthyotherol 595

lodoform

— -Probe

219 219

Ionenbindung 5f Ionenpaare 228 Ionentransport 933

— chemische Verschiebung

— Carbenium-lon 256f Hypnotica 367 Hypobromit 928 Hypohalogenit 980 hypothetisches Cyclohexatrien — Hydrierungswärme 677 Hystrionicotoxin 595

(S)-2-Iodoctan (S)-3-Iodoctan

Ionenaustauscher

—- - Sanger-Abbau

334

lodbenzol

— BC-NMR-Daten - induktive Effekte

1240

Iodmethan 205 — relativen Reaktionsgeschwindigkeiten verschiedener Nucleophile 230 l-Iod-2-methylbenzol 674 l-Iod-I-methyleyclohexan 505f l-Iod-2-methylpropan 206, 210 Iodmonochlorid 26

Initiator — Radikalreaktionen 108 Initiator-Codon 1322 Insekten-Pheromone S541ff Insektenlarven

interne Alkene

633

504, 521

trans-2-lodeyclohexylisocyanat Iodethan 48, 210 (1-Iodethyl)cyclooctan 206 Iodisocyanat 1239f

1306

464

171

1309

1216

Hydroxyprotonen 426 2-Hydroxysäure 926 Hydroxysäuren 917f 3-Hydroxy-2,2,4-trimethylpentanal 855 Hydroxyverbindungen 283ff Hyperkonjugation 90ff, 256, 473, 571,

174, 294

Iodeyclohexan

— Dithianmethode 1164 - Thiazoliummethode 1163 Hydroxylamin 804

Iminium-Ion Iminiumsalz

740 158f

2-Iodbutan 210, 216 Iodchlorid —- Additionsprodukt an 2-Methylpropen 516

Iminderivate 806 Imine 803ff, 927, 985 — Basizität 1032f

Hydroxyketone 798 a-Hydroxyketone 1152f, 1157f

— Resonanzeffekte Iodbenzoldichlorid l-Iodbutan 918

687 740

401

464ff

464ff, 955, 957

— Carbonsäure-Derivate 954 — Carbensäuren 897 ff — Carbonylgruppe 787 —- Fingerabdruck 464 — Identifizierung von funktionellen Gruppen 464ff — Molekülschwingungen 464 - terminale Alkine 569f IR-Spektrum 465ff — Banden 466 — trans-Doppelbindung 468 — Durchlässigkeit 467 — Feinstruktur 466 — Interpretation 466 — Thiole 469 Iridoide 951 Isoalkan 51 Isobornylacetat 561 Isobutan 49 Isobutyl-Substituent 52 Isobutylbromid 106 Isobutylen 536 Isobutylfluorid 106 Isocaryophylien 560 Isochinolin 1262 - Darstellung 1262 — Reaktionen 1263

— Tschitschibabin-Reaktion Isocitronensäure 498 Isocyanat 979f, 1240

Isolatoren

1263

208

Isoleuein 83 — Drei-Buchstaben-Code - pK, der COOH-Gruppe

1287 1287

- pK, der "NH;-Gruppe

1287

Isomere 162 cis-Isomer 127 trans-Isomer 127 cis-trans-Isomere 451 isomere Brommethylceyclohexane 127f Isomerisierung 509, 640, 847 — Mechanismus 573 —- von ß,y-ungesättigten Carbonylverbindungen — — Mechanismus 864f cis-trans-Isomerisierung

455f, 617, 627

— Aktivierungsenergie 455f Isopentan 51 Isopentenylpyrophosphat 647 Isopren

145, 645, 651f

Isopren-Baustein

Isopreneinheit

930

648ff

Isopropyl-Kation 506 Isopropyl-Substituent 52 Isopropylalkohol 48, 285, 368 — Schmelzpunkt 287 — Siedepunkt 287 Isopropylbenzol 716, 1097 Isopropylchlorid — Schmelzpunkt 287 — Siedepunkt 287 2-Isopropyl-3-methoxypyrazin 1255 Isopropyltosylat 222 isotaktisches Polymer 538 Isoterpinolen 482 Isotop

427, 989, 1200

PC-Isotop 989 O-Isotop 916 Isotopen-Peaks 989f Isotopeneffekt 263 Isotopenexperiment 263 isotopenrein 989f Isoxazol 1276 IUPAC 51 TIUPAC-Regeln

— Zeichnen 34 KekuleE 732 21155672 Kekule-Formeln 11 Kelvin, Lord

Japankäfer 541 Jasminextrakt 580 Johnston, H.D. 110 517, 560

798 1243

3-Ketoester

517

B-Ketoester

Kalium

390

333

Kalium-1,2-benzoldicarboximid 1293 Kalium-tert-butoxid 267, 332, 475,

.

566, 808 Kaliumdiphenylhydroxyacetat Kaliumhydrid 332f Kaliumnitrosodisulfonat — Oxidation von Phenolen Kaliumpermanganat

Kaliumphthalimid Kaliumthiocyanat Kalkstein 592 Kampfstoffe 365 Karotten

631

1153

1106

349, 905

1135, 1293 1241

971, 1139ff, 1142, 1256

— cyclische 1046 — Deprotonierung

K

kalibriertes Papier

67

Kelvin 67 Kernresonanz-Spektroskopie siehe NMR-Spektroskopie Kernspin 391ff — - Tomographie 404 Kerosin 46, 94

— Darstellungsverfahren 964 Keto-Enamin 1256 Keto-Enol-Gleichgewicht 843 ff Keto-Enol-Tautomerisierung 866 Keto-Tautomer 843 a-Ketoaldehyde 1152ff ß-Ketoaldehyde 1142f 3-Ketoaldehyde 1143 3-Ketocarbonsäure 1261, 928 ß-Ketocarbonylverbindungen 1145f Ketoenolate 1143

51

Juvenilhormon-Analoges

- Ethan 35 — Ethanol 35 — Methan 35

Ketale Ketem Ketene

J

Juvenilhormon

Kartoffel 1255 Kartoffelchips 1023 Käse 897 Kassettenrecorder 288 Katalysator 501 — biologischer 526 -chiraler 191 — heterogener 296 — Oberfläche 501 — Wirkungsweise 93 Katalysatorgift 1244 Katalyse — heterogene 501 — homogene 501 katalytische Crackverfahren 94 katalytische Dihydroxylierung - enantioselektive 526 katalytische Hydrierung 296, 501 ff, 327, 9198,.6298,, 754.793 15,20293961 Kathode 987 kationische Polymerisation 534 Katzenminze 951 Kautschuk 645ff — synthetischer 646f Kautschukröhren 966 Keilstrichformeln 34f - ($)-2-Brombutan 176 — Dimethylether 35

1140

1139

786f 786

— a,ß-ungesättigte S41ff, 862, 865, 868, 1150, 1240 — - 1,2-Addition 868 — — 1,4-Addition 868 — - a,ß-Dialkylierung 871 — - Darstellung S61lf — - Eigenschaften 864 ff — - Grignard-Reagenzien

— — — — — — — — —

- Hydratisierung 868 - Hydrierung . 865 - konjugierte Additionen 868 — konjugierte Additionen 872ff - Reaktionen 865 - Resonanzstabilisierung 864 a-Halogenierung 848 ff Acidität 842 Aldoladdition 857 Alkylierung 851ff Basizität 795 charakteristische Valenzschwingungen 466 chemische Verschiebung 401f, 430 cyclische 818 Darstellung 588ff, 789 ff, 960, 1147, 1162 - aus Nitrilen 985 Elektronenspektren 788 Elektronenübergänge 788 Entschirmung 898 gekreuzte Claisen-Kondensation 1142f Halogenierung 847ff

— Herstellung

— - Übersicht — — — — — — — — — — —

871

828f

Hydrid-Reduktion 297 ff Infrarotspektroskopie 787 IR-Banden 466 Isomerisierung 847 konjugierte 864 ff Konstitutionsformeln 784 Laborsynthese 790 nichtkonjugierte 864 1f Nomenklatur 782 physikalische Daten 785 Reaktionen

— — Übersicht

830f

— — — — — —

reaktive Positionen 793 Reaktivität 793 Racemisierung 847 Reduktion 295 ff Resonanzformeln 898 Siedepunkte 785 spektroskopische Eigenschaften 786 ff — Stereoisomerisierung 846 — ungesättigte 794 3-Ketosäuren 790, 1147 — Decarboxylierung 1147 — — Mechanismus 1147 Ketose — Reaktion mit Tollens-Reagenz 1192 D-Ketose — Drehwert 1185

— Übersicht L-Ketose o-Ketten

- Alkylierung 1146 Ketoform 843 2-Keto-r-gulonsäure 1234 Keton-Abbau 906 Keton-Hydrat 921 Ketone 3, 49, 295, 299 ff, 306f, 584, 781tff, 894, 921, 927, 958, 968

— BC-NMR-Spektren - !H-NMR-Spektren

— — — — — — — — — —— —

1185

1184 1316

ß-Ketten 1316 Kettenmechanismus

654 — radikalischer 618f Kettenstart 619 Kettenüberträger 531 Kettenverkürzung 928 Kettenverlängerung 907, 931 Kettenverzweigung 535 Kettenwachstum 619 Kharasch, M.S. 529 Kiliani, H. 1202 Kiliani-Fischer-Synthese 1202, 1206 — Kettenverlängerung von Zuckern 1202 f Kinetik 262, 620f — bimolekulare Eliminierung 262 ff — E2-Reaktion 262 ff

Sachregister

1427

— nucleophile Substitution 214 kinetisch kontrollierte Reaktion kinetische Kontrolle 481, 620f

66

kinetische Reaktionskontrolle 629 Kippschwingung 465 Kishner, N.M. 807 Klapperschlangengift 1297 Klebstoffe 362 Kleidung 536 Kleinring-Lactone 1014 Klopfen 117 Knoblauch 370, 469 Knoblauchgeruch 370 Knochen 856 Knoevenagel, E. 1150 Knoevenagel-Kondensation 1150, 1256 Knorpel . 856 Knorr, L. 1248 Knotenebene 14, 454£, 616, 627f Knotenzahl 627f Koaleszenz siehe Aktivierungsenergie Koffeinsäure 1268 Kofferfisch 350 Kohle 291, 592 — Modell der Struktur 765 — Struktur 764 Kohlendioxid 208, 907, 927 — Dipolmoment 27 Kohlenhydrate 1181ff — Disaccharide 1182f — Monosaccharide 1182f) — Namen und Formeln 1181ff — Oligosaccharide 1182f — Polysaccharide 1182 — Saccharide 1182ff — Trisaccharide 1182f — Zucker 1181ff Kohlenmonoxid 10, 592, 593 — reduktive Kopplung 291f — Resonanzformeln 31 Kohlensäure 913 — Amidderivate 974 Kohlensäurediester 969 Kohlenstoff — — Halogen-Bindung 206f — —- Ketten 450 — — Kohlenstoff-Bindung — Bildung 590 — — Kohlenstoff-Bindungslänge 565 — - Kohlenstoff-Doppelbindung 449ff — - Darstellung 813f, 855, 862 — - Kohlenstoff-Dreifachbindung 563 ff — - Kohlenstoff-Kopplungen 428f — - Lithium-Bindung 304 — - Magnesium-Bindung 304 — - Metall-Bindung 304 — —- NMR-Spektroskopie 427ff — — Phosphor-Doppelbindung 812

— — Sauerstoff-Bindungslänge — - Sauerstoff-Doppelbindung 793, 803ff — - Additionen 794

901 781,

— -— Bindungsstärke 785 -- ionische Additionen 794 — — katalytische Hydrierung 793 — - Polarisierung 785 — - reaktive Positionen 793 o-Kohlenstoffatom 841 B-Kohlenstoffatom 873 Kohlenwasserstoff-Substituenten 47 Kohlenwasserstoffe 2 - Darstellung 807 — gespannte 143f Kohlevergasung 292 Koks 592

1428

Sachregister

Kolbe, H. 927, 1103 Kolbe-Elektrolyse 927 Kolbe-Reaktion 905

Kopf-Schwanz-Struktur Kopfgruppe 903

Kolbe-Synthese — Salicylsäure 1103 Kollektor 987 Kollektorspalt 987 kombinatorische Chemie 540f Kommunikation 542 komplexes Multiplett 422 Kondensation 804, 854 Konfiguration 170ff — E-Konfiguration 451f Konformationen 58f, 5Yff, 63ff - anti-Anordnung 64 — Butan 64

—- coplanare 626f - eclipsed 59 — gestaffelte

59

- anti-Konformer 64, 478f — gauche-Konformer 64 —- schiefe 60 — skew 60 — staggered 60 — verdeckte 60 gauche-Konformation 626f s-cis-Konformation 626f s-trans-Konformation 626f Konformationsanalyse 60 — qualitative Voraussagen 64 Konformationsisomer 60 Konformationsisomerie 66ff - Kinetik 66 — Thermodynamik 66 Konformer 60f Kongorot 1117 Konjugation — ausgedehnte 630ff — Ausmaß 653 konjugierte Additionen 868ff — Sauerstoff-Nucleophil 868 — Stickstoff-Nucleophil 868 konjugierte Base 74 konjugierte Diene 624ff — elektrophiler Angriff 628ff — Hydrierungswärme 626 —- Polymerisation 645 ff — Resonanzenergie 626 konjugierte Doppelbindung — selektive Reduktion 866 konjugierte Säure 74 konjugierte Systeme

651

Konkurrenzexperiment 231 Konservierungsstoffe — 2,6-Bis-(1,1-dimethylethyl)-4methylphenol 1112 — 2-(1,1-Dimethylethyl)-4methoxyphenol 1112 — synthetische Analoga des Vitamin E 1112f Konstitution — Dimethylether 33 — - dreidimensionales Kugel-StabModell 34 — Ethanol 33 — — dreidimensionales Kugel-StabModell 34 Konstitutionsisomere

— Butan

Kopplung — geminale

412ff 414 — nichtäquivalente Nachbarn — vicinale 414 1,3-Kopplung 414 1,4-Kopplung 461

S®C-H-Kopplungen

34, 161

— Ethanol 34, 161 — Methoxymethan 137 — 2-Methylpropan 161 Konzentration von Reaktanden — Reaktionsgeschwindigkeit 70 konzertierte Reaktion 634

423

428f

Kopplungskonstante

414, 418

- PC-NMR-Spektrum

429

Kosmetika 368 Kossel, W. 5 kovalente Bindung 6f Kraftkonstante 465 Kraftstoff 291 Kraftstoffadditive 117, 368 Krämpfe 595, 934 Krankenhausgeruch 849 Krebs 404, 595f, 1245 Krebs, H.A. 1159 Krebs-Cyclus 1159 Krebs-Tumore 404, 645 Krebszellen 1264 Kreisbewegung der Elektronen 459 Kreislauf 872 o-Kresol — Oxidation 1107 p-Kresol Kriegsführung — biologische 365 — chemische 365 Kriminalromane 1266

[18]Krone-6

349

Kronenether 349 Kroto, H.W. 699 Kryptand 350

Kryptat 350 Kühlmittel 47, 110 Kunstleder

537

Kunststoffe

208, 534

Kupfer 570 Kupfer(I)-chlorid 587 Kupfer(II)-acetat 1153 Kupfer(II)-Ionen 819 Kupferchlorid 539 Kupferiodid 591 Kupfersalze 586f Kupplung 809 - Essigsäure 930 —- oxidative 587 — reduktive 1155 - terminale Alkine

Kupplungsreaktionen Kurzstrukturformeln

586f 591, 1143

— Aceton 35 — Acetylen 35

— Ameisensäure — Carbonat-Ion — Ethanol 35 - Ethylen 35

Küvette Kwell

35 35

652 150

L

50, 161

161

— Dimethylether

536

Lack 368 Lactame 920, 974 ß-Lactame

974

Lactat-Dehydrogenase Lactone

917f, 965, 967

— makrocyclische 918 Lactonring 957 — a,ß-ungesättigter 1000

329

Lactose

— ß-D-Galactopyranosyl-a-Dglucopyranose 1211 — Struktur. 1211 — Vorkommen 1211 Ladenburg, A. 671 Ladungsdichte 226 Laetrile siehe Amygdalin Lanosterin 533 Latex 667 Lavendel 219 LDA siehe Lysergsäurediethylamid LDL siche low density lipoprotein LerBel,J.A, 184 Lebensmittelkonservierungsmittel 752 Lebensmittelvergiftung 1048 Leber 387, 891 Leberkrebs 537, 1048 Leberschäden 367 Lederindustrie 747 leichtes Heizöl 94 Leitfähigkeit 586 BenzuEIKEIE398 Lenzsche Regel 398 Lepra 370 Leucin 83 — Drei-Buchstaben-Code 1287 - pK, der COOH-Gruppe 1287

- pK, der

"NH;-Gruppe

1287

Leukämie 1245 Leukopterin 1264 Leukotrien B,

933

Leukotriene 932, 1000 Lewis, G.N. 5 Lewis-Basen 76ff, 781 Lewis-Formeln 7, 615 — ladungsgetrennte 10 Lewis-Säure 76ff, 801 — —- Base-Addukt 519 — — Base-Komplex 519 — - Base-Reaktion 76 — —- Base-Reaktionen 304 — — Katalysator 479 LH 149 Lichtbogen — elektrischer 592 Lichteinwirkung 639 Lichtgeschwindigkeit 390 Lichtrezeptorzellen 863 Ligroin 94 Limonen 83, 200, 431, 482, 560, 667 -NMR_ 431 (R)-Limonen 1268 Linalool 547, 609 Lindan 150, 208 Lindlar, H.H.M. 579

Lindlar-Katalysator Lipid-Doppelschicht Lipide 972£ Lipidhydroperoxid Lipidsenker 1237 Lipoprotein 929 Lithium 302ff

579f, 815 973

1110

591 „Lithiumalkoxyaluminiumhydrid

Amax-Wert

299

Lithiumaluminiumdeuterid 359 Lithiumaluminiumhydrid 297£f, 311, 359, 809, 921 ff, 969 — elektronische Struktur 298 - modifiziertes 961, 985 Lithiumeyclohexylacetat 921 Lithiumdialkylceuprat 320, 592 Lithiumdiethenylcuprat 591 Lithiumdiisopropylamid 267, 332, 566, 842, 923

Malonester

977

653

Lockpheromon 542 Lockstoffe 543, 951 lokales Magnetfeld 398 London, F. 58 London-Kräfte 58f, 207, 903 — geradkettige Alkane 57ff — Reichweite 58 — Stärke 58 — verzweigte Alkane 58 London-Wechselwirkung 973 Lösungsmittel 632, 782, 790, 972, 1246 — deuterierte 396 Lösungsmitteleinfluß — Snl-Reaktion

253ff

- unimolekulare nucleophile Substitution 253 ff low density lipoprotein 929 lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) 653f Lowry 72 Luciferase 355 Luciferin 355 Luftoxidation 904 Lumineszenz 1236 LUMO siehe lowest unoccupied molecular orbital Lungenkrebs 1245 luteinisierendes Hormon siehe LH luteotropes Hormon 149 Lynestrenol — Struktur 43 Lysergsäure 933f Lysergsäurediethylamid 934 Lysin 859 — Drei-Buchstaben-Code 1287 - pK, der COOH-Gruppe 1287

- pK, der "NH;-Gruppe 1287 —- pK, der sauren Funktion in R 1287 — Zuordnung der pX,-Werte auf die einzelnen Gruppen 1290f

M Maaliol 1178 Magnesium 302 ff, 809 Magnesiummonoperoxyphthalat Magnet 987

522

396

Magnetfeld 392, 988 — externes 413 — lokales 413 Magnetic Resonance Imaging magnetisches Moment 391 Maiskolben 1280

Maiszünzler 542 Majoran 560 Makrocyclen 587 Makrocycloalkan 1157 Makrolid-Antibiotikum 937 Malaria 1265, 1266 Malariaerreger 109 Malariamittel 1265 Malat-Dehydrogenase 329 Maleinsäure 895

— pK,-Wert 1140 Malonestersynthese 905, 1148f Malonsäure 895, 908, 926, 1148f — Säurestärke 901 Malonsäuredinitril — pK,-Wert 1140 Malonsäuren 1138 Malonyl-Coenzym A 930, 1143 Maltase 1210 Maltose — chemische Eigenschaften 1210 — durch enzymatischen Abbau von Stärke 1210 — a-D-Glucopyranosyl-B-Dglucopyranose 1210 — Hydrolyse durch Maltase 1210 — Struktur 1210 — Süßkraft 1210 Malzextrakt 929 Malzzucker siehe Maltose Mandelsäure 908 Mandelsäurenitril 908 Mangandioxid 524, 791, 862 Mannane 1217 p-Mannarsäure 1193 Mannich, C. 1044 Mannich-Reaktion 1044ff — Mannich-Base 1044 — Mechanismus 1044 — zur Synthese von Naturstoffen 1044 (+)-Mannoheptulose 1228 Mannono-y-lacton 1193 D-Mannonsäure — Dehydratisierung zu D-Mannonoy-lacton

1193

B-D-Mannopyranose-1,3,4,6-tetraacetat2-triflat 1200 D-Mannose 1192 - Fischer-Projektion 1185 — Oxidation zu D-Mannonsäure 1192 — Phenylhydrazon 1197 — — Phenylosazonbildung 1197 r-Mannose 1221 —- Thioacetal 1221 Manoalid 957

— BC-NMR-Spektrum

—— Reste 856 D-(-)-Lyxose 1183

— supraleitender

Lithium-bis(trans-Ll-propenyl)cuprat

Maleinsäureanhydrid 635, 962 Maleinsäuredimethylester 635

— Herstellung 1031 Lithiumdimethylcuprat 306 Lithiumdiorganocuprat 601 Lithiumethanoat 901 Lithiumtetraalkoxyaluminat 298 Lithiumtri(iert-butoxy)aluminiumhydrid 961 Lithiumtrialkoxyaluminiumhydrid

388, 404

433

— Charakterisierung 1000 — Massenspektrometrie 1000 — NMR-Daten 433 Margarine 929, 972 Marihuana 369 - medizinische Anwendung 369 Markovnikov, V. V. 506 Markovnikov-Addition 514, 628f Markovnikov-Hydratisierung 792 Markovnikov:Regel 505ff, 509, 515, 582f Maskierung siehe Schutzgruppe Masse — exakte molare 999 Massenspektrometer 987 — hochauflösende 999 — schematische Zeichnung 988 Massenspektrometrie 389, 987 1f — Carbenium-Ionen-Umlagerungen 994 — Fragmentierung 992{f — hochauflösende 999 — a-Spaltung 994f — Strukturumlagerungen 994 massenspektrometrisches Fragmentierungsmuster

989

Sachregister

1429

Massenspektrum 987 — 1-Butanol 994 — Methan 989 Matricarianol 83 McLatfterty, F.W. 995 McLatferty-Umlagerung 995 ff McMurry, J.E. 810 McMurry-Reaktion 810 MCPBA 522 mechanischer Rührer 303 Mechanismus — Bromierung — — Methylketon 850 — Dehydratisierung primärer Alkohole 483

Methan 7, 46, 50, 52, 94, 95 ff — - Derivate

— LiAIH,-Reduktion — NaBH;,-Reduktion

— pK,-Wert

299 299

— unimolekulare Dehydratisierung 480 — unimolekulare nucleophile Substitution 249 ff mechanistische Überlegungen 309 Medikamente — verschreibungspflichtige 1237 Mediquox 835, 1278f Meeresschwämme 957 mehrkernige aromatische Kohlenwasserstoffe 766 — Carcinogenität 766f — Krebs 766f mehrkernige benzoide Kohlenwasserstoffe 687ff, 764 — Acene 687 — aus Kohle 764 — durch fraktionierende Destillation von Steinkohlenteer 764 — Numerierungssystem 688 mehrkernige polyeyclische aromatische Kohlenwasserstoffe 687ff mehrkernige polyeyclische benzoide Kohlenwasserstoffe 687ff Membran 972 Menstruation 933 Menthan 123 Menthol — Cyclohexanderivat 145f Mercaptane 48, 363 Mercapto-Gruppe 363, 930 Mercurierung 516 Mercurinium-Ion 518 Merrifield, R.B. 1313 Merrifield-Festphasen-Peptidsynthese 1313ff Mescalin 1023 Mesitylen 674 Mesomerie siehe Resonanz Messenger-RNA 1322 Meßfehler 410 Meßstrahl 390 Mestranol 149 Mesylat 221 Mesylat-Ion 221 Mesylchlorid 221 Metabolismus 1023 — Ethanol 367 metallkatalysierte Polymerisation 534, 538 metallorganische Reagenzien 302 1f, 958, 985 — Ketonsynthese 960 — 1,2-Additionen 870 — 1,4-Additionen 870 — Alkoholsynthese 306 ff metallorganische Verbindungen 907 — Carboxylierung 907 Metanilsäure 755 Met-Enkephalin 1337

1430

Sachregister

- - !H-NMR-Spektrum 982 — Halogenierung 95ff — Massenspektrum 989 — Schmelzpunkt 287 — Siedepunkt 287 — Symmetriebene 165 1,6-Methano[ lO]Jannulen 703 2-Methanoyleyclohexanon 1143 (R,S)-N-Methanoylvalin 1295 Methanal 47, 782 — reduktive Aminierung 1039 Methanamid 227 Methanamin 48, 1022, 1035, 1244 1031

— Schmelzpunkt 1026 — Siedepunkt 1026 — Struktur 1025 Methanol 47, 210, 283, 288, 289 f — Carbonylierung 904 — Dipolmoment 286 — Giftwirkung 367 — industrielle Darstellung 367 — Schmelzpunkt 287 — Siedepunkt 287 — technische Herstellung 291 — Verwendung 367 Methanolvergiftung 367 Methanolyse

248

Methansäure 47, 894 Methansulfonat 221 Methansulfonat-Ion 75, 221 Methansulfonsäure 74, 365 Methansulfonylchlorid 221, 346 Methanthiol 48, 74, 364 Methanthiolat-Ion 10, 364 Methionin 245, 384 — Drei-Buchstaben-Code 1287 — Gabriel-Synthese 1293 - pK, der COOH-Gruppe 1287 - pK, der "NH;-Gruppe 1287 — Strecker-Synthese 1294 Methotrexat 1264 Methoxid 289, 332 Methoxybenzol (Anisol) 674, 758 — elektrophile Nitrierung 746 l-Methoxybutan 579 3-Methoxybutanal 869 4-Methoxy-1-butin 579 N-Methoxycarbonylazacyclopentan

1244 N-Methoxycarbonylazacyclopropan

1240 N-Methoxycarbonylpyrrol 1244 N-Methoxycarbonylpyrrolidin 1244 l-Methoxy-1,4-cyclohexadienSynthese 1083 1-Methoxy-2,4-dinitrobenzol — NMR-Spektrum 686 — - Kopplungskonstante 686 — — Spektrum erster Ordnung 686 — Synthese 1090 Methoxyethan 48, 3481, 634 2-Methoxyhexan 518 Methoxymethan 47, 210, 283, 286 2-Methoxy-3-(1-methylethyl)-1,4diazabenzol 1255 2-Methoxy-2-methylpropan 259 2-Methoxy-3-(2-methylpropyl)-1,4diazabenzol 1255 2-Methoxy-2-methyl-l-propanol 360 2-[2-(6-Methoxynaphthyl)]propansäure 737 l-Methoxy-2-nitrobenzol 746 l-Methoxy-3-nitrobenzol 746

l-Methoxy-4-nitrobenzol 746 2-Methoxy-l-phenylethanol 1242 l-(4-Methoxyphenyl)ethanon 1101 4-Methoxyphenylmethanol 765f — aus (4-Hydroxymethyl)phenol 1100 (S)-1-Methoxy-2-propanol 359 3-Methoxypropen 614 4-Methoxypyridin 1259 Methyl-Anion 10 Methylacetacetat 1138 Methylacetat 915, 965 N-Methylacetamid 974 Methylacrylat 593 Methylalkohol 285 — Schmelzpunkt 287 — Siedepunkt 287 Methylamin 48, 1024, 1244 Methyl-2-aminobenzoat 965 N-Methyl-3-amino-l-propanol 1246 N-Methylamid - Nitrosierung 1049 N-Methylamethanamid 227 3-[4-(N-Methylamino)butanoyl]pyridin 1261 Methylammoniumbromid 1035 Methylammoniumchlorid 1032 5-Methyl-FH, 244f, 384 Methyl-Substituent 53 N-Methylathanamin — diastereotope Protonen 1026 N-Methylazacycloheptan 1043 N-Methylazacyclopropan 1238 2-Methylbenzimidazol 1278 Methylbenzol (Toluol) 46, 48, 95, 674, 1037 — Acidität 1081

— BC-NMR-Spektrum

687

— — — — — — -

Deprotonierung 1081 elektrophile Bromierung 741 elektrophile Nitrierung 742 elektrophile Sulfonierung 742 Halogenierung 1076 Mechanismus 1077f induktive Aktivierung des Benzolrings 738 —-NMR-Spektrum 684f —- Kopplungskonstante 684f — - Spektrum erster Ordnung 684f — Oxidation 1084 — Resonanzformeln nach elektrophilem Angriff 742 1-Methyl-1,3-benzoldiamin 1037 4-Methylbenzolnitril 1115 4-Methylbenzolsulfonat 221, 267, 585 2-Methylbenzolsulfonsäure 742 3-Methylbenzolsulfonsäure 742 4-Methylbenzolsulfonsäure 742 4-Methylbenzolsulfonylchlorid 222, 346 4-Methyl-2,6-bis(1,1-dimethylethyl) phenol 752 2-Methyl-1,3-butadien 145, 645, 646, 648, 651 - Extinktionskoeffizient 652 — UV-Spektrum 651 —Amax-Wert 652 - Einheit 648ff 3-Methyl-1,2-butadien 573 Methylbutan 50, 55 2-Methylbutan — Chlorierung

104

— Massenspektrum — - Fragmentierung N-Methylbutanamid 3-Methylbutannitril 3-Methyl-2-butanol

992 992 975 210 307, 336

3-Methyl-2-butanon — Massenspektrum 995f 3-Methylbutanoylbromid 957 2-Methylbutansäure 907 3-Methylbutansäure 966 2-Methyl-I-butanthiol 364 3-Methyl-1-butanthiol 369 2-Methyl-I-buten 475 2-Methyl-2-buten 475 3-Methyl-2-butenal 865 2-Methyl-3-buten-2-ol 591 3-Methyl-2-buten-Il-ol 865 3-Methyl-3-buten-1l-ol 647 3-Methyl-2-butenylacetat 623 3-Methyl-3-butenylpyrophosphat 930 3-Methylbutenylpyrophosphat 647 3-Methyl-1-butin 573, 575 Methyl-2-butinoat 919

3-Methylbutylacetat 82, 965 (1-Methylbutyl)benzol 675 3-Methylbutylpentanoat 965 N-Methyl-y-butyrolactam 1261 (S)-(N-Methylcarbamoyl)glutathion

1300 Methylchlorid

47

— Schmelzpunkt 287 — Siedepunkt 287 Methyl-2-cyanoacetat — pK,-Wert 1140 Methyl-2-eyanopropenoat 537 Methylceyclohexan 105, 162 — 1,3-diaxiale Wechselwirkungen

— PC-NMR-Spektrum

136f

430

—- Konformerenverhältnis 136f —- NMR-Spektrum 421 Methyl-2-cycloheptenon 860 2-Methyl-2,5-cyclohexadien-1,4-dion 1107 N-Methyleyclohexancarboxamid 977 Methyleyelohexancarboxylat 971 1-Methyleyclohexanol 336, 505 f 2-Methylceyclohexanol 338 4-Methyleyclohexanol 341 trans-2-Methylceyclohexanol 523 2-Methyl-2-cyclohexanon 867 2-Methylcyclohexanon 848 3-Methyleyclohexanon 585 2-Methylcyclohexanthiol 531 1-Methylceyclohexen 341, 496 — elektrophile Hydratisierung 508f — Ozonolyse-Reduktion 527ff 3-Methyleyclohexen 451 1-Methyleyclopentanol 517 3-Methyl-2-cyclopentenon 860 Methyleyclopropan 126, 408

1-Methyleyclopropan 496 N-Methyl-L>1-dimethylethanamin 1022 1-Methyl-2,4-dinitrobenzol 1036, 1037 2-Methyldodecansäure 1149 Methylen 1052 - aus Diazomethan 1051 — Carben 1051 — Fragmente 454f — Transfer-Reagenz 816 Methylenchlorid 95, 206 Methylencyclohexan 496, 813 5-Methylen-1,3-cyclopentadien 635 Methyleneyclopropan 496 N-5,N-10-Methylentetrahydrofolat 1264 Methylester 919 N-Methylethanamin 1022 — Chiralität 1025 — - Isomerisierung durch Inversion 1025 f — — - Energiebarriere 1025 Methylethanoat 49 2-(1-Methylethoxy)propan 357

1-Methylethylbenzol 716, 1097 1-Methylethyl-(Isopropyl-)Kation 717 1-Methylethyl-(Isopropyl-)Radikal 102 1-Methylethyl-Kation 506 N-(1-Methylethyl)cyclohexancarbox-

amid

963

N-1-Methylethyl-2,5-dimethylpyrrol

1248 4-(1-Methylethyl)heptan 55 1-Methylethylmagnesiumbromid 307 1-Methylethylmagnesiumiodid 302 1-Methylethyl-4-methylbenzolsulfonat 222 N-(1-Methylethyl)-1-methyl-ethanamin 267 N-(1-Methylethyl)-2-propanamin 1031 1-Methylethylradikal — Hyperkonjugation 91 N-Methylformamid 227 Methylformiat 308 Methyl-ß-D-glucopyranosid — Drehwert 1199 — Schmelzpunkt 1199 — selektive Darstellung 1199 3-Methyl-3-heptanol — Massenspektrum 995 2-Methyl-l-hepten 624 3-Methyl-3-hepten 813 6-Methylhept-5-en-2-on — elektrophile Hydratisierung 508 2-Methylhexan 502 2-Methyl-2-hexanol 307 (R)-3-Methyl-3-hexanol 252

(S)-3-Methyl-3-hexanol 2-Methyl-2-hexen 2-Methyl-3-hexen

252, 285

502 451

(E)-3-Methyl-2-hexensäure 897 Methyl-2-hydroxybenzolcarboxylat 674 Methylierungsreagenz 221 Methyliodid 206 Methylisocyanat 981 — Toxizität 1300 — Transport durch Glutathion im Körper 1300 Methyl-Kation 256 Methylketone 584f, 849, 921, 1148 — Bromierung 850 Methyllithium 304, 921 Methylmethacrylat 536 N-Methylmethanamin 48, 1035 2-Methyl-(2-N-methylaminomethyl)propanal 1044 4-Methyl-4-(methylamino)-2-pentanon 869 Methyl-3-methylbutanoat 966 1-Methyl-4-(1-methylethyl)benzol 765 1-Methyl-4-(1-methylethyl)-1,4-cyelohexadien 765 5-Methyl-2-(1-methylethyl)-1-cyclohexanol 447 5-Methyl-2-(1-methylethyl)phenol 674 Methyl-2-methylpropenoat 536 2-Methyl-2-(1-methylpropyl)-1, 3dithiacyclohexan 1162 1-Methyl-2-nitrobenzol 742 1-Methyl-3-nitrobenzol 742 1-Methyl-4-nitrobenzol 742 2-Methylnitrobenzol 1284 4-(N-Methyl-N-nitrosamino)-4-(3-

pyridyl)butanal 1245 4-(N-Methyl-N-nitrosamino)-1-(3-pyridyl)-I-butanon 1245 N-Methyl-N-nitrosoharnstoff 1049 2-Methyl-2-nonenal 871 Methyloctadecanoat 967

Methylorange 1117 5-Methyl-2-oxacyclopentanon 3-Methyloxacyclohexan 1238 Methyl-9-octadecenoat 968

965

(R)-2-Methyloxacyclopropan 434 (5)-2-Methyloxacyclopropan 359 2-Methyl-4-oxobutannitril 1137 Methyl-3-oxobutanoat 1138 Methyl-5-oxohexanoat 1143 3-Methylpentan 304, 407f 3-Methylpentanamid 975 3-Methyl-2,4-pentandion 1146 Methylpentanoat — Massenspektrum 998 2-Methyl-3-pentanol 338, 852 3-Methyl-3-pentanol 308 4-Methyl-2-pentanol 299, 340f 2-Methyl-2-pentanol 338, 340f, 484 f 3-Methyl-I-pentanol 293 4-Methyl-I-pentanol 335, 520 3-Methyl-2-pentanon 1162 3-Methylpentansäure 975, 1147 2-Methyl-1-penten — Hydroborierung-Halogenierung 521 2-Methyl-2-penten 340f, 591 3-Methyl-I-penten 451 3-Methyl-2-penten 478 (Z)-3-Methyl-2-penten 527 ff - Ozonolyse-Reduktion 4-Methyl-Il-penten 520 2-Methyl-2-penten-4-inal 792 2-Methyl-penten-4-in-1-ol 792 2-Methyl-4-penten-2-ol 624 4-Methyl-3-penten-2-on 869f 3-Methyl-1-pentin-3-0l 596 3-Methylpentylacetat 293 3-Methylpentylmagnesiumbromid 304 4-Methylphenol 751, 1088 — Halogenierung 1102 2-Methylphenol

—- Oxidation

1107

4-Methylphenol — pK,-Wert 1089 3-Methyl-3-phenylbutansäure 906 1-Methyl-I-phenylethylhydroperoxid

1097 N-Methyl-2-phenylindol 1253 N-Methyl-N-(phenylmethyl)cyclopentanamin — Synthese 1039 4-Methyl-4-phenyl-2-pentanon 906 4-Methylphenylpropanoat — aus 4-Methylphenol 1100 2-Methyl-I-phenyl-I-propanon 851 2-Methylpropan 49 — Bromierung 106 — Fluorierung 106 2-Methylpropanal 853, 855, 969, 1044 Methylpropanamid 959 2-Methyl-I-propanamin 1022 Methylpropanoat 963 284, 307, 346 2-Methyl-1-propanol 2-Methyl-2-propanol 2516920790332,

3 — Schmelzpunkt 287 — Siedepunkt 287 2-Methylpropanoylchlorid 959 2-Methylpropansäure 924 2-Methylpropen 48, 259, 356, 532, 536 - elektrophile Hydratisierung S08f — Mechanismus der Hydratisierung 508 - Oligomerisierung 534 — Polymerisation

534

N-Methylpropenamid 959 Methylpropenoat 593, 635

Sachregister

1431

(1-Methylpropyl)benzol 715 2-(1-Methylpropyl)-1,3-dithiacyclohexan 1161 2-(2-Methylpropyl)-1,3-dithiacyclohexan-Änion 1165 5-Methyl-3-propyl-lI-hexanol 284 2-Methylpropylmesylat 346 2-Methylpropylmethansulfonat 346

2-[4-(2-Methylpropyl)phenyl|propansäure

737

2-Methylpropylpropanoat 965 2-Methyl-3-propylindol 1253 N-Methylpyrrolidinon 1259 8-Methylpyrrolo[1,2-a]pyrazin 1236 Methylradikal — Umhybridisierung am Kohlenstoff 96

Methylradikal 10, 88, 992 Methylsalicylat 674 Methylselenylchlorid 553 Methylsulfat 221 Methylsulfat-Ion 221 N-5-Methyltetrahydrofolat 1264 5-Methyltetrahydrofolsäure 244 3-Methyltetrahydropyran 1238 (Methylthio)eyclohexan 210 R,S-N-Methyl-3-(4-trifluorphenoxy)3-phenyl-I-propanamin 1057

2-Methyl-1,3,5-trinitrobenzol 675, 747 Methylvinylketon 1151 Methylvinylsulfon 634 Methylwanderung 342 Mevalonsäure 930 Micellen 903, 933, 973 Michael, A. 872 Michael-Addition 872ff, 1150f, 1256 — a,ß-ungesättigte 1240 Michael-Akzeptor 873, 1150f Mikrowellen 389, 391 Milchprodukte 894 Milchsäure 164, 329, 497, 1159, 1216 Milchsäure-Dehydrogenase 1159 Milchzucker siehe Lactose Mineralsäuren — pK,-Werte

901

MMPP 522 MO siehe Molekülorbital molare Konzentration 652 Molecular Modeling 1023 Molekül-Ion 987ff Moleküle — mit drei Chiralitätszentren 180f — mit mehreren Chiralitätszentren 178ff — mit zwei Chiralitätszentren 178f Molekülmasse 987 Molekülorbital 453ff — antibindendes 18f, 454f, 627f — bindendes 18f, 454f, 627f — Energiediagramm 19 — Ethin 566 — höchstes besetztes 653 — niedrigstes unbesetztes 653 n*-Molekülorbital 455 o-Molekülorbital 453ff o*-Molekülorbital 454 Molekülschwingungen 464ff — Anregung 389 — Federmodell 465 — Kopplung 465 Molekülsymmetrie 164ff Molina, M. 110 Molozonid 528 Monensin 350 Mono-Oxygenase 116, 158

1432

Sachregister

Monoalkylierung 578 monochromatische Strahlung 168 Monohalogenierung 850 Monomere 532 — natürliche 1285 Mononatriumglutamat — als Geschmacksverstärker 1292 (S)-Mononatriumglutamat 200 Monosaccharide 1196 — Reduktion zu Alditolen 1196 Monoterpen 145, 648, 951 Monsanto 1056

— - Grignard-Addition 691 — - säurekatalysierte Dehydratisierung 691 — UV-Spektrum 689 Naphthalinverbindung 737 l-Naphthalinol (1-Naphthol) 981 — elektrophile Nitrierung 762

— -Verfahren

1-Naphthyl-N-methylcarbamat 981 Napieralski,B. 1262 Naprosyn 737 Naproxen 737 (R)-Naproxen 191 Narkosemittel 369 narkotische Analgetika 202f Natrimacetat 918 Natrium: 333 Natrium-4,4-dimethylpentanoat 902 Natriumaluminiumsilikate 93 Natriumamid 289, 332f, 566, 578, 1258 — Herstellung 1031 Natriumborat 520 Natriumborhydrid 297f£, 517f, 961 — elektronische Struktur 298 Natriumeyanoborhydrid 1038f Natriumformiat 901 Natriumhydrid 332, 813 Natriumhydrogen(S)-glutamat — Geschmacksverstärker 200 Natriumhydroxyacetat 1153 Natriumhypobromit 980 Natriummetall 580f Natriummethanoat 901 Natriummethoxid 72, 289 Natriumphenoxid 1092 Natta, G. 538 Naturkautschuk 645, 647 natürliche Häufigkeit 393 Naturstoffe 595, 1145 ff — carbocyclische 145ff — cyclische 144 NBS 618 NCS siehe N-Chlorbutanimid Nebenniere 791 Nebennierenrindenhormon — Cortison 148 Nebenwirkungen 1000 Neoalkan 52 Neohexan S1f Neon-Konfiguration 6f Neonepetalacton 951 Neopentan 50 Neopentyl-Substituent 52 Neopentylalkohol 285, 342f — Schmelzpunkt 287 — Siedepunkt 287 Neopentylhalogenide 316 Neopren 646 Nerolin II 351 Nerven 872 Nervengift 350 Netzhaut 863 Neurotransmitter 1023 Newman, M.S. 60 Newman-Projektionen 60 - Ethan 60 nichtäquivalente Kerne 412, 418 nichtäquivalente Nachbarn 423 nicht invasive Methode 404 Nickel 501 — auf Trägermaterial 296

904

Morphin 369, 1265 Morphin-Alkaloide 202

Morphinan 203 Moschusduftstoff

934ff

Mottenkugeln 561 MRI 387f, 404 mRNA siehe Messenger-RNA MSA 635 Mullis, K.R. 1327

Multipletts 412, 418 Multiplizität 412 Muskel-Kontraktion 933 Muskelaktivität 1023 Muskeldystrophie 433 Muskelenzym 1159 Mutterkorn 933 Myoglobin 1048, 1315 ff — Kohlenmonoxidvergiftung 1316 — Primärstruktur 1316f — Sauerstofftransport 1316f — schematische Darstellung der Tertiärstruktur 1316f — schematische Darstellung des aktiven Zentrums 1316f — Sekundärstruktur 1316f Myrcen 561 miz 987

N Nachbarkern 413 Nachtblindheit 863 Nachweise — chemische 819 NAD siehe Nicotinamid-adenindinucleotid

NAD*' 295 NADH siehe Nicotinamid-adenindinucleotid Naphtha 94 Naphthacen 688, 692 Naphthalin 688 ff — Aromatizität 688ff — BC-NMR-Spektrum 690 — elektrophile Bromierung 759f — elektrophile Substitutionen 759ff — - Angriff an Cl 760 —- Angriff an C2 760 — - elektrophile Sulfonierung 759ff - Geruch 688 — NMR-Spektrum 690f — - Kopplungskonstanten 690 — Numerierungssystem 688 — Orbitalbild 689 — Resonanzformeln 689 — Röntgenstrukturanalyse 690 — — Bindungswinkel 690 — - C-C-Bindungslängen 690 — Synthese 691f — — 1,7-Dialkylnaphthalin 691 — — Clemmensen-Reduktion 691 — — Fridel-Crafts-Alkanoylierung 691

2-Naphthalinol 351 1-Naphthalinsulfonsäure 2-Naphthalinsulfonsäure Naphthol 351 I-Naphthol 981

761 761

Nickeltetracarbonyl

593

Nicotin 1245, 1261, 1266 — racemisches 1261

— Totalsynthese 1261 (R,S)-Nicotin 1261 Nicotinamid-adenin-dinucleotid 328f, 1260 — Oxidation von Alkoholen durch 1260 — Reduktion 1260 Nicotinsäure 1260 Nicotinsäureethylester 1261 Nieren 387, 872 Nieren-Sekretion 404

Nifedipin

1237

Nikotinamidadenindinucleotid Nitrene 979£, 1239

295

Nitrierung monosubstituierter Benzole — relative Geschwindigkeiten und bevorzugte Orientierung 750 Nitrierung von Benzolderivaten

— Regioselektivität 750 — relative Geschwindigkeiten

738, 750 Nitrile 49, 633, 789, 811, 894, 981 ff - Alkylierung 983 — charakteristische Valenzschwingungen 466

— dipolare Resonanzformel - Hydrolyse 907, 984f — IR-Banden

983

466

— IR-Spektrum

982

— molekulare Struktur - NMR 982 — Nomenklatur 982

982

537, 812, 982

Nitritgehalt in Lebensmitteln m-Nitroacetanilid o-Nitroacetanilid

745 745

p-Nitroacetanilid

745

m-Nitroanisol o-Nitroanisol

746 746

p-Nitroaanisol

746

1048

Nitroarene

— elektronenabziehende Wirkung durch Resonanz

740

N’-Nitro-L-arginin — biochemische Wirkung

1291

m-Nitrobenzoesäure o-Nitrobenzoesäure

748 748

p-Nitrobenzoesäure

748

Nitrobenzol 673, 754 2-Nitrobenzolamin (o-Nitroanilin) — Synthese 758 2-Nitrobenzolcarbonsäure 748 3-Nitrobenzölcarbonsäure 748 4-Nitrobenzolcarbonsäure 748 3-Nitro-1,2-benzoldicarbonsäure 4-Nitro-1,2-benzoldicarbonsäure 4-Nitro-1,3-benzoldicarbonsäure 5-Nitro-1,3-benzoldicarbonsäure Nitrocellulose 1213

752 752 752 752

— Herstellung aus Cellulose 1213 — Verwendung als Schießpulver 1213 5-Nitrochinolin

— zur Behandlung der Angina pectoris 1291

Nitrogruppe — Überführbarkeit in Aminogruppe 754 5-Nitroisochinolin 8-Nitroisochinolin

4-Nitroisophthalsäure

1263 1263

752

762

— pK,-Wert 1089 4-Nitrophenol 1101 —- pK,-Wert

1089

o-Nitrophenol 1101 p-Nitrophenol 1101 (4-Nitrophenyl)acetonitril °908 (4-Nitrophenyl)essigsäure 908 N-(2-Nitrophenyl)ethanamid 745 N-(3-Nitrophenyl)ethanamid 745 N-(4-Nitrophenyl)ethanamid

745

3-Nitrophthalsäure 752 4-Nitrophthalsäure 752 3-Nitropyridin 1257 2-Nitropyrrol 1250 3-Nitropyrrol 1250 Nitrosamine 1048 N-Nitrosamine 1245 — aus sekundären Nitrosammoniumsalzen 1047 N-Nitrosammoniumsalz 1047

1245

— Chiralitätszentrum

407

—

463

403f

391 1f

hochauflösende 394 ff höherer Ordnung 420 Hydroxyprotonen 426 Integration 408TE Intensitätsverhältnis 415 Isomere 409f konformationelle Isomerisierung 406 Kopplung 412ff 1,4-Kopplung 461 Molekülsymmetrie 403 nichtäquivalente Kerne 412 nicht-erster Ordnung 420 Peakfläche 409 Rotation 405 Signalintensität 408f Singulett 412 Spin-Spin-Aufspaltung 412

— Spin-Spin-Kopplung

- Kopplung 459f - Kopplungskonstanten 461 - vicinale Kopplungskonstante 459f Alkenyl-Wasserstoffatome 458f Alkohole 426 Allylkopplung 461 Aufspaltung 413 Carbonsäuren 897 ff

- chemische Äquivalenz

-

427ff

Alkene 463f Alkenyl-Kohlenstoffatome 463 Alkine 569 Allyl-Substiuenten 463 chemische Verschiebung 430 Integration 430 Kopplungskonstante 429, 463 Peakflächen 430 Computeranalyse 420 diastereotope Wasserstoffatome 407 enantiotope Wasserstoffatome 407 Energieunterschied 413 erster Ordnung 420 Fernkopplung 461 Fourier-Transform-NMR 428 geminale Kopplung 459f

IH-NMR-Spektroskopie — — — — — — —

— — — —

N-Nitrosodimethylamin 1047 — Cancerogenität 1048 N-Nitrosopyrrolidin 1048 p-Nitrostyrol 675 Nitroso-Substituent 780 Nitrosubstituent 633 Nitrosyl-Kation 10, 1047 — Mechanismus der Bildung aus salpetriger Säure 1046f m-Nitrotoluol 742 o-Nitrotoluol 742, 1284 p-Nitrotoluol 742 Nitroverbindungen 927 NMR-aktive Kerne 393 NMR-Aktivität 393 NMR-Aufspaltungsmuster 419 NMR-Imaging 404 NMR-Phase 431 NMR-Probenröhrcehen 396 NMR-Signale 394 —-Alkine 567ff — entkoppelte 426 NMR-Spektren - Alkohole 426 NMR-Spektrometer 395f, 426 NMR-Spektroskopie 387 ff — achirale Lösungsmittel 407 — Alkene 4581 — — — — —— — —

— — — — —— — — — — — — —

|

— - PC-NMR-Spektroskopie

1263

8-Nitrochinolin 1263 Nitroglycerin 368, 747

C-NMR-Spektroskopie

— pK,-Wert 1089 3-Nitrophenol

Nitrosierung — elektrophile 780 N-Nitrosierung 1245 N-Nitrosoazacyclopentan — Cancerogenität 1048 N-Nitrosodialkanamine — Cancerogenität 1048

— Protonierung 983 — Reduktion 985f

Nitrilgruppe

5-Nitroisophthalsäure 752 2-Nitro-I-naphthalinol 762 4-Nitro-I-naphthalinol 762 2-Nitro-I-naphthol 762 4-Nitro-I-naphthol 762 N-(1-Nitro-2-naphthyl)ethanamid 2-Nitrooctan 1036 2-Nitrophenol 1101

412

— Vinyl-Wasserstoffatome 458f NMR-Spektrum 349ff Dehnung 395 — Vereinfachung 422 NMR-Zeitskala 405f, 426, 459, 955 Nomenklatur verzweigter Alkane — Regeln 53ff Nonadecan 52 2,4-Nonadienal 883 trans-2-cis-6-Nonadien-l-ol 580 Nonan 52 Nonannitril 1074 2-Nonenal 883 irans-2-Nonenal 862 4-Noninal 800 4-Noninal-1,1-Ethandiol-Acetal 800 Nootkaton 1176 Noradrenalin 246 (-)-Noradrenalin 203 Norbornadien 639 Norbornan 142 Norepinephrin 385 Norethynodrel’ 820 Noretynodrel 149 Norlaudanosolin 1073 Normalbenzin 117 Normalisierung 410 nucelophile Ringöffnung 359 nuclear magnetic resonance 389 Nucleinbasen 1317 ff — synthetische 1319 Nucleinsäuren 1317 ff — Doppelhelix 1320 Nucleophil 208ff — Basenstärke 267f - sterisch gehindert 267 C;-Nucleophile 623f nucleophile Addition-Protonierung 795

Sachregister

1433

nucleophile aromatische Substitution 1090ff — Additions-EliminierungsMechanismus 1091ff — 1-Chlor-2,4-dinitrobenzol 1090ff — Mechanismus 1091f nucleophile Ringöffnung 359 nucleophile Stärke 224 nucleophile Substitution 208ff

— 2,2,4-Trimethylpentan-Bleitetraethyl 117

trans, trans-1,3,5,7-Octatetraen — Extinktionskoeffizient 652

1-Octen Octenon

619 547

— unimolekularer Mechanismus 1079 — Vorderseitenangriff

Ölsäure

Alkylierung 209 benzylische 1079 bimolekular 215 Geschwindigkeitsgesetz

- Kinetik — — — — — — —

214

214

konzertiert 215 Reaktionsgeschwindigkeit 214 Reaktivität von R-X 258 Reversibilität 229f Rückseitenangriff 215 Substitutionsgeschwindigkeit 214 Substratstruktur 231ff

215

— Ladung

— Snl-Reaktion

228f

— Solvatation 225 - Solvolyse 254f — sterische Hinderung

Nucleoside

OPP

254f

229

1317 ff

— synthetische 1319 Nucleotide 1317ff — Adenylsäure 1319 - Cytidylsäure 1319 — 2-Desoxyadenylsäure 1318 — 2-Desoxycyridylsäure 1318 — 2-Desoxyguanidylsäure 1318 — 2-Desoxythymidylsäure 1318 — Guanidylsäure 1319 — Struktur 1317 — Uridylsäure 1319

Nylon 66, 904, 1055

"®O-Isotop

468f, 899

916

O-Protonierung 843 O-Silylierung 843

972

648

167ff 170 169

593, 1244, 1246 Oxa-2-cyclopentanon 965 Oxacyclopropane 291, 308, 348, 353, 358 ff, 369, 522ff, 540, 578, 816f, 924, 970, 1149, 1238 — Alkyllithium-Verbindungen 360 - Darstellung 514, 522£f, 1279 —- Grignard-Reagenzien 360 - Hydrolyse 368, 524 - industrielle Darstellung 540 — Mechanismus der Bildung 523 — Methanolyse 360 — NMR-Signale 405

- nucleophile Öffnung

1242

— Produktion 540 — Reaktion - - mit Alkyllithium-Verbindungen

360 - — mit basischem Wasserstoffperoxid 1240 — relative Geschwindigkeiten der Bildung 524 - Ringöffnung 358ff, 360 ff, 524 Oxalessigsäure 329 Oxalsäure 895, 913, 1138 — Säurestärke 901 Oxalsäurediethylester 1142 Oxalylchlorid 913 Oxaphosphetan

167

1238

294, 302, 348, 353,

Oxaphosphacyclobutan

— Saccharose 169 - spezifische Drehung 168f optische Isomere siehe Enantiomer

Oxazol Oxcord

814

814

1291 1237

Oxetan 1238 Oxidase 766 oxidate Spaltung

optischer Aufheller 1236 Orangenblütenessenz 351 Orangenblütenöl 547 Orangenöl 482

905 Oxidation 294ff, 299 ff, 1087 - Alkene 905 - Alkohole 299f, 906

Orbital 453f — antibindendes 454f —- bindendes 454f

- anodische 927 - enzymatische 157f, 929 —- Osmiumtetroxid S24ff — Permanganat 524ff - von Alkylboranen — — Mechanismus S520f - biologische 295 Oxidations-Reduktions-Beziehung

396

Orbital-Überlappung

396

- n-Bindung 453ff - o-Bindung 453f Ordnung 68 Ordnungszustand 68 organische Chemie

Sachregister

Oxacyclopentan

Opsin 863 optisch aktive Katalysatoren 191 optisch aktives Hilfsreagens 190 optische Aktivität 166ff — Analysator 168 — (+)-Enantiomer 167 —- (-)-Enantiomer 167 — Haushaltszucker 169 - linear polarisiertes Licht 167 — linksdrehendes Enantiomer 167 — Natrium-D-Lampe 168 - Nicolsches Prisma 167 — optisch inaktives Molekül 167

Octadeuteriotetrahydrofuran

1434

1277

1-Oxa-2,4-cyclopentadien

536

Oberflächenspannung 903 Octadecan 52 Octadecansäure 1041 cis-9-Octadecensäure 930 Octadeuteriooxacyclopentan 1,7-Octadiin - IR-Spektrum 570 Octan 52 — IH-NMR-Spektrum 421 n-Octan 421 2-Octanamin — Synthese 1036 2,7-Octandion 860 Octanitrocuban 144 3-Octanol 219 2-Octanthiol 218 (S)-2-Octanthiol 219 Octanzahl 95 — Heptan 117 - Isooctan 117 — 2,2,4-Trimethylpentan 117

965, 1243

223, 348, 353, 358

4-Oxacyclohexanon

- Polarimeter 168 — Racemisierung 169 — rechtsdrehendes Enantiomer

o O-H-Valenzschwingung

Oxacyclohexan

99Of

348, 353, 1238, 1244

Oxa-2-cyclobutanon

536

- optische Drehung - optische Reinheit — optische Rotation

943, 952

Osmiumtetroxid 524ff Östron 839, 1177 — Fragmentierungsmuster — Massenspektrum 990f Ovalicin 526 Oxacycloalkan 348 Oxa-2-cycloalkanon 965 Oxacyclobutan

930, 972

Ölverschmutzungen Omeprazol 1237

224

— Polarisierbarkeit

3-Octen-2-on 3-Octin-2-ol

Ölteppich

Nucleophilie 224ff, 255, 578 — Basizität 225

o-Orsellinsäure

— max Wert 652 cis, cis, trans-2,4,6-Octatrien 643 trans, cis, trans-2,4,6-Octatrien 643

883 791 3-Octin-2-on 791 3-Octylacetat 219 OH-Gruppe - Entblockierung 1087 — Schutz 1087 Oktett-Erweiterung 11 Oktettregel 6 Olah, G.A. 710 Öle 449, 903, 953 — katalytische Hydrierung Olestra 1023f Oligomer 532 Oligomerisierung 532f

s.a. Syl-Reaktion; Sy2-Reaktion

— — —

Orgelpfeife 437 Orlistat 1023f Orlon 534, 536

- Überblick

454f, 478f

2

organische Ester 343ff organische Moleküle - Formeln 31ff - Struktur 31ff — Zusammensetzung 31ff organische Verbindungen — Trennung über Säure-BaseEigenschaften 1034 Organocuprate S91f, 871 Organolithiumverbindungen 921ff —- 1,2-Additionen

870

294ff Oxidations-Reduktions-Prozesse — natürliche 1108ff Oxidationsmittel — biologisches 1260 oxidative Hydrolyse 525 oxidative Spaltung 527 Oxim 804, 866, 1040 Oxiran 291, 348, 353, 368f, 1238 3-Oxobutanal 783, 839 2-Oxobutandisäure 329 3-Oxobutansäurethioester 931 2-(3-Oxobutyl)cyclohexanon 860

2-Oxocarbonsäure Oxoenamin 1269

6-Oxoheptanal

806

527

Oxonium-Ion

223, 250f, 357

— Resonanzformel 898 4-Oxopentanal 1138 4-Oxopentansäure 1138 2-Oxopropanal — aus o-Xylol 1082 2-Oxopropannitril 1159 2-Oxopropanoat 1284 2-Oxopropansäure 329, 928, 944, 11591216 —- Brenztraubensäure 329 5-Oxo-4-propylhexansäure 895 Oxy-Cope-Umlagerung 1106 Oxymercurierung S16ff Oxymercurierung-Demercurierung S16ff — Mechanismus 518 Ozon 109 —- Gesamtkonzentration 111f Ozonid 527 Ozonkonzentration 110 Ozonloch 111 Ozonolyse 527ff, 791f — Mechanismus 528 — Reduktion 527ff Ozonschicht 109ff

625

Paal, K. 1248 Paal-Knorr-Synthese

1248

Paclitaxel

146

Palladium

471, 501, 579, 961

- auf Aktivkohle 539 - auf Trägermaterial 296 Palladium(II)-Katalysator 539 Palmitinsäure 932, 972 — markierte 930 Palmioyloleylphosphatidylcholin

625

Pentadienyl-Kation

631

Pentadienylradikal 631 Pentahydroxyaldehyd 798 Pentalen 705 Pentan 50, 52 — IR-Spektrum 467 — Massenspektrum 993 — Schmelzpunkt 456 Pentanal 298, 785, 810, 977, 1150 — Massenspektrum 998 1,5-Pentandiamin 1022 1,4-Pentandiol

1138

1,5-Pentandiol 356 2,4-Pentandion 845, 1138, 1144, 1146 — pK,-Wert 1140 Pentandisäure 895 Pentandisäureanhydrid 962 Pentanisomer 50 1-Pentanol

288, 298, 307

— Schmelzpunkt 287 — Siedepunkt 287 2-Pentanol 284 3-Pentanol 344 2-Pentanon 783, 785 — Massenspektrum 995f — McLafferty-Umlagerung — a-Spaltung 995

Paracetamol

1112

[2,2]Paracyclophan — Bromierungen 1078 Paraffin 47 Paraffinwachse 94 parallele Synthese 540f Parkinson-Krankheit 596 Partialladung 207 Pascal, B. 416 Pascalsches Dreieck 417 Pasteur, L.

184, 929

Pauli-Prinzip 16f Pauling, L. 18 PCB 208 B@@z2300 BER EISZTHE Pd/C 501 Peak 390, 988 Peakfläche 409 Pendelschwingung 465 . Penicillin 540f, 933£, 953, 1275f

_ Penicillin-Analoga

540f

Penicillin G 976, 1276 Penicillinase 976, 1276

Penicillinsäure 1276 Penicillium notatum 976 Pentachlorphenol — Toxizität 1094 2,3,4,5,6-Pentachlorphenol

— Toxizität Pentadecan

1094 52

995ff

49, 707, 852

— IR-Spektrum 788 — Massenspektrum 995f — a-Spaltung 995 Pentanoylfluorid 957 Pentansäure 894, 897 - IH-NMR-Spektrum 898 — Massenspektrum 998 3-Pentanthiol 364 Penten 456 1-Penten 461 — elektrophile Addition 504

— !IH-NMR-Spektrum 1255

652

trans-1,3-Pentadien

3-Pentanon

P

972 Paprika

1,4-Pentadien

— Extinktionskoeffizient — Amax Wert 652

461f

trans-2-Penten — elektrophile Addition 506 — Schmelzpunkt 456 cis-2-Penten — Schmelzpunkt 456 4-Pentenal — aus 1-Ethoxy-2-propen 1105 3-Penten-2-amin 1022 1-Penten-4-in 564 2-Penten-4-in-1-ol 791 2-Penten-4-insäure 791 3-Penten-2-on 867 trans-3-(4-Pentenyl)cyclooctanol (Z)-2-Pentenyl-2-Äithium 591 1-Pentin 568

- !H-NMR-Spektrum

Periplanon-B 542 Permanganat 524f Peroxide 357, 529 Peroxycarbonsäuren 522ff, 586, 818, 1240 Peroxyethansäure 522 Peroxyradikal 1109f Pestizide 208, 904, 1267 — natürliche 1267f PET 1200 Pethidin 197, 1072 Petrolether 94 Petrolkoks 95 Pfefferminzöl 219 Pfeile — gebogene 212 Pfeilgift 595 Pflanzenöl 929 PG siehe Prostaglandine PGE> 463 PGF>. 872 pH-Wert ° 73f Pharmaka 904 pharmakologische Wirkung 1265 Phase 12, 454f - außer 13° -in 13 Phasentransfer-Katalysatoren 1053f — quartäre Ammoniumsalze 1053f Phasentransfer-Katalyse 1053f, 1296 — Carben-Addition 1054 — Ethersynthese 1054 — Nitril-Alkylierung 1054 - Oxidation 1054 — Reduktion 1054 Phenacetin 1130 Phenanthren 692f, 763 — elektrophiler Angriff 763 — Numerierungssystem 688 — photochemische [?2+2]Cycloadditionen 697 — Reaktivität des mittleren Rings 696f — Resonanz 692 - Synthese 693f — - aus 1,2-Diarylethen (Stilbenen) 694 — - doppelte Diels-Alder-Cycloaddition 693 — — über photochemischen conrotatorischen elektrocyclischen Ringschluß 694 — thermodynamische Stabilität 692 ß-Phenethylamin 1023 Phenol 674, 745 ff, 1093 — Blockierung des Sauerstoffatoms 758

— BC-NMR-Daten 452

569

1-Pentinyleyclohexan 578 Pentylalkohol — Schmelzpunkt 287 — Siedepunkt 287 (Z)-2-Pentyl-2-nonenal 856 Pepsin — zur Spaltung von Polypeptiden 1309 — - Spezifität 1309 Peptidbindung 1297 Peptide 1285ff — Disulfidbrücken 366 — Namensgebung 1298 — Thiol-Disulfid-Redoxreaktion 366 Peressigsäure 522 pericyclische Reaktion 640 — Zusammenfassung 655, 657

687

— elektrophile Bromierung 745 —- induktive und Resonanzeffekte 739 Phenole 1097 — Acidität 1089f - Alkoholchemie 1098 ff - aus Arendiazoniumsalzen 1096f —- aus Arensulfonsäuren 1092 - aus Chlorbenzol 1090 — Basizität des Sauerstoffatoms 1098 — Darstellung 1090 ff — Eigenschaften 1087ff — elektrophile Substitution 1101ff — Anisol 1101 — Methoxybenzol 1101 - Friedel-Crafts-Acylierung 1101 — Friedel-Crafts-Alkanoylierung 1101 - Geruch 1088 - Giftigkeit 1088 — Hydroxymethylierung 1102 — - Chinomethane 1102

Sachregister

1435

— — — — — — —

Keto- und Enolform 1087 Mehrfachhalogenierungen 1101f Namen 1087f Nitrierung 1101 Oxidation 1106

Phenyl-Kation — Orbitalbild

— Schmelzpunkt 1088 — ipso-Substitution 1090 ff — Veresterung 1100 — Verwendung 1088 — Williamson-Ethersynthese 1100 Phenolharze 790, 1088 — (Phenol-Formaldehyd-)Polykondensate 1103

— pK,-Werte

— Synthese 1103 Phenolsynthese 1097

N-Phenylacetamid

(Acetanilid)

— elektrophile Nitrierung Phenylalanin 1072, 1131 — Drei-Buchstaben-Code - pK, der COOH-Gruppe

745

- pK, der'NH3>-Gruppe

1287

1097

758

1287 1287

788, 849

Sachregister

1259

Phenylquecksilberethanoat Phenylradikal 108 Phenylthiohydantoin

735

— von Glycin abgeleitetes

1309

— von Isoleucin abgeleitetes Pheromone S41ff, 815, 930

Phenylethen 646 ß-Phenylethylamin 1262 2-Penylethylamin-Einheit 1023 trans-\-Phenyl-1,5-hexadien — aus 3-Phenyl-1,5-hexadien 1105 Phenylhydrazin 805 Phenylhydrazon — Bildung 1197 — zur Isolierung und Charakterisierung von Zuckern 1197 2-Phenylindol-Fischer-Indolsynthese 1284 l-Phenylisochinolin 1263 Phenylketon 782 Phenylketonurie 1132 Phenyllithium 733 Phenylmagnesiumbromid 733 Phenylmagnesiumchlorid 733 Phenylmethanamin 1039 Phenylmethanol 675 2-(Phenylmethanoyl)benzocarbonsäure 692 Phenylmethoxycarbonylglyein 1311 Phenylmethoxycarbonylgruppe . 1311 Phenylmethyl-(Benzyl-)Gruppe 1076ff — Resonanzstabilisierung 1076f Phenylmethylchlormethanoat 1311 N-(Phenylmethyl)eyclopentanamin

1436

1098

Phenyl-2-oxopropansäure 1132 Phenylphenon 782 Phenylpropanolamin 1068 l-Phenyl-I-propanon 720

2-Phenylpyridin

(S)-Phenylalanin-Derivat 505 Phenylbrenztraubensäure 1072, 1132 3-Phenyl-2-butanon 847 4-Phenylbutansäure 675 4-Phenylbut-3-en-2-0on 867 1-Phenyl-3,4-dihydroisochinolin 1263 1-Phenylethanamin 202 2-Phenylethanamin 1023, 1262 2-Phenylethanamin-Einheit 1023 Phenylethannitril 1080 l-Phenylethanon 674, 719, 720, 783,

1039

Piperidin 1028, 1238 — Dipolmoment 1255

Phenylmethyl-4-methylbenzolsulfonat — Ethanolyse 1078 Phenylmethyllithium 1081 Phenylmethyl-Radikal — Molekülorbitale 1077 (Phenylmethyl)triethylammoniumchlorid 1074 Phenylosazon — Bildung 1197 — — Mechanisum 1197 2-Phenyloxacyclopropan 1242 Phenyloxonium-Ionen

pK,-Werte 1089f Reaktion mit Methanal (Formaldehyd) 1102f

— Cumolhydroperoxid-Verfahren - Aceton . 1097 — - Einzelreaktionen 1097 — — Phenol 1097 — - Propanon 1097 Phenoxid-Ion 1107 Phenoxy-Radikal 1107 Phenoxygruppe 1088 Phenyl-Anion 1095, 1247 Phenyl-Kation 1247 — Orbitalbild 1114

1247 1114

1309

Phosgen 913f, 969 phospha1238 Phosphanligand 505 Phosphit 1326 2-Phosphoenolbrenztraubensäure 383 Phosphoglycerid 368, 972, 1109 2-Phosphoglycerinsäure 383 Phospholipid-Ester 1000 Phospholipide 972 Phosphoniumsalze 812 Phosphor 345, 925 Phosphor-Ylide S12ff Phosphoramidit 1326 Phosphoran 812 Phosphoreszenz 650 phosphorige Säure 344 Phosphoroxichlorid 345 Phosphorpentachlorid 345 Phosphorsäure 11, 290, 343, 479 Phosphorsäureester 343, 368 Phosphortribromid 344, 912f Phosphortrichlorid 11 Phosphortriiodid 345 Phosphorylase 1215 Photosynthese 1236 — Glucose 1202 Phthalazin 1265 Phthalimid 978, 1013 Phthalimidomalonester 1135 Phthalsäure 943, 1037 Phthalsäureanhydrid 692, 962, 1013 — Synthese 1085 Phthalsäurediethylester 1142 physikalische Eigenschaften von Aminen, Alkoholen und Alkanen — Vergleich 1025 Pikrinsäure 747 — Acidität 747 — durch Nitrierung von Phenol 747 — pK,-Wert

1089

„Pille“ siehe Anti-Baby-Pille Pilzgeschmack 883 Pinakol 342, 809 Pinakol-Kupplung 809 Pinakol-Reaktion 809, 866 Pinakol-Umlagerung 342 Pinen 561 a-Pinen 156, 667 Pinienöl 482

— !H-NMR-Spektrum

pK,-Wert

1028

73%, 289ff

—- Ammoniak 74 — Bromwasserstoff 74 — Carbonsäuren 901 — Chlorwasserstoff 74 — Cyanwasserstoff 74 — Essigsäure 74 — Fluorwasserstoff 74 — Hydronium-Ion 74 — lodwasserstoff 74 — Methan 74 — Methanol 74 — Methansulfonsäure 74 — Methanthiol 74 — Mineralsäuren 901 — Schwefelsäure 74 — Wasser 74 pK»-Wert 74 Plancksche Konstante 12, 389 Plancksches Wirkungsquantum

12,

389 Plankton 355 Plasmodium-Art 1265 Plastikabdeckungen 537 Platforming 95

Platin

471, 501, 579f

— auf Trägermaterial Platonische Körper — Dodecaeder 144 — Hexaeder 144 — Tetraeder 144

296

— Würfel 144 Plexiglas 534, 536 Pökeln 1048 polare Additionsreaktionen — Zusammenfassung 655f polare aprotische Lösungsmittel polare kovalente Bindung — Fluormethan 26

227

— Fluorwasserstoff 26 — Iodmonochlorid 26 polare Reaktionen — Zusammenfassung 655f polarisierbare Reagenzien 515f Polarisierbarkeit 207, 228ff -Brom 512 polarisierte Reagenzien S15f Polarisierung 515 Polarität 207 Polstermaterialien 966 Polyacetylen 586 Polyacrylnitril 537 Polyaminosäure 1298 (Z)-1,4-Polybutadien 646 cis-Polybutadien 646 trans-Polybutadien 646 Poly(chlorethen) 536f Polychlorethylen 208 polychlorierte Biphenyle 208 Polyeyclen 874 polyeyclische Alkane siehe Alkane, polyeyclische Polydextrose 1211 Polyene 640 Polyethenylbenzol 780 Poly(ethenylethen) 645 Polyether 349f Polyethin 586 Polyethylen 534f Polyisobutylen 536

Polyisopren 646f (E)-Polyisopren 648 Polyketidthioester 952

Polymer

532

— ataktisches 538, 646 — isotaktisches 538, 646 — natürliches 1285 — syndiotaktisches 538, 646 — Synthese S34ff — vernetztes 646 Polymerase 1324 Polymerase-Kettenreaktion 1324,

1327 £f polymerer Träger 540 Polymerisation 532ff, 572, 586, 629,

645ff — anionische 534, 537f — kationische 534 — Kettenverzweigung 535 — metallkatalysierte 534 — metallkatalysierte 538 — radikalische 534 — säurekatalysierte 534 — Ziegler-Natta-P. 538 Polymerketten 536 (E)-Poly-2-methylbutadien 648 (Z)-Poly(2-methyl-1,3-butadien) Poly-2-methylpropen 534, 536

647

Polypeptide 1285ff, 1297f, 1305 — Primärstruktur 1305 — — Bestimmung durch Sequenzanalyse 1305 ff — — Bestimmung durch Sequenzanalyse —-- erster Schritt 1305 — — — zweiter Schritt 1306f — — - dritter Schritt 1307 ff — - - Öffnen von langen Ketten an — Synthese 1310ff Polypeptidketten 856, 1297 ff

—- Reste 1298 — Seitenketten 1298 — Zeichnen der Struktur 1298 Polypropennitril 537 Polysaccharide 1212ff Polystyrol 534, 536, 780 — elektrophile Chlormethylierung 1313 — Festphasen-Polypeptidsynthese 1313ff Poly(vinylchlorid) 208, 534, 536f Poly(vinylethylen) 645f Porphin 1315 meta-Position 738 ortho-Position 738 para-Position 738 Positron-Elektron-Paarvernichtung 1200 Positronenemissionstomographie 1200 potentielle Energie 6lff — Diagramme 6lff Pregnan-3u-ol-20-on 1014 Prelog, V. 171 Prelog-Djerassi-Lacton 51 Prilosec 1237 primäre Alkyl-Gruppe — chemische Verschiebung 402, 430 primäre Amine — IR-Spektren 1025f — -— Deformationschwingung der j NH>-Gruppe 1027 “—- N-H-Valenzschwingung 1025 primäre Halogenalkane 269f — Reaktivität 269 primäre N-Nitrosamine — Zerfall 1047 — —- Mechanismus 1047 primärer Alkohol 285, 482f, 794 — Darstellung 307 — Dehydratisierung 482f — Oxidation 295, 300

primäres Kohlenstoffatom 53 Primärozonid 528 Primärozonidbildung 1239 Primärstruktur 1301 Prinzip der ersten unterschiedlichen Stelle 55 Priorität — Alkyleruppen 173 — Butylgruppe 173 — tert-Butylgruppe 173 — 1,1-Dimethylethylgruppe 173 — Doppel- und Dreifachbindungen 174 — Ethylgruppe 173 — Isopropylegruppe 173 — Isotope 173 — Methylgruppe 173 — 1-Methylethylgruppe 173 — 2-Methylpropylgruppe 173 — Ordnungszahl 173 — Verzweigungspunkt in einer Substituentenkette 174 Procardia XL 1237 cis-Produkt 477 endo-Produkt 638 produktbestimmender Schritt 255 Produktverteilung 254f, 265 ff, 481 — Snl-Reaktion

Progesteron Prolin

254f

157

— Drei-Buchstaben-Code

1287

- pK, der COOH-Gruppe

—- pK, der "NH;-Gruppe

1287

Prontosil 1133 Propalin 1128 Propan 46, 52, 94, 131 — Chlorierung 102f — Newman-Projektionen — Schmelzpunkt 287 — Siedepunkt 287 Propanal

1287

63

49, 300, 782

— Cyanhydrin

812

— !H-NMR-Spektrum

786

— Siedepunkt 785 Propanamin — Schmelzpunkt 1025 — Siedepunkt 1025 Propandial (Malondialdehyd) — durch Zersetzung von Lipidhydroperoxiden 1110 Propandinitril — pK,-Wert 1140

Propandisäure 1147f

895, 908, 926, 1138,

— Säurestärke 901 1,3-Propandithiol 1161

1-Propanol 284, 300, 482 — Schmelzpunkt 287 — Siedepunkt 287 2-Propanol 48, 284, 307, 356, 368 — Schmelzpunkt 287 — Siedepunkt 287 (S)-Propanolol 191 Propanon

47, 227, 307, 801, 809, 1097

— Aldolbildung 857 — Bromierung 848ff — Elektronenübergänge 788 — Hochtemperatur-Pyrolyse 964 — industrielle Darstellung 790 — Siedepunkt 785 Propanon-Acetale 801 Propanon-Aceton-Enolat-Ion 842 Propanon-Hydrazon 805 Propanoylchlorid 958 Propansäure

49, 300, 894, 958, 963,

1293 — Infrarot-Spektrum

899

Propansäureanhydrid 2-Propanthiol 364 1,2,3-Propantriol 285, Propargylalkohol 564, Propargylamin 1024 — Synthese 1037 Propargylcyclopropan N-Propargylphthalimid

49, 963

368, 972 593

564 1037

[2.2.2]Propellan 40 Propen 46, 131, 456, 482, 592, 619, 790 — Acidität 614 — C-H-Bindungsstärke 614 — pK,-Wert 614 Propenal 634f, 1240 Propenamid 593 Propennitril 536, 537, 594, 667, 927 — elektrolytische Hydrodimerisierung

1056 2-Propenol 845 Propenoylchlorid

959

Propensäure 593, 894 2-Propen-1-thiol 469 cis-|-Propenyl 452 2-Propenyl 734 2-Propenyl-Anion 614 2-Propenyl-Kation 29, 614 2-Propenyl-System 614ff 6-(2-Propenyl)-2,4-cyclohexandienon

1105 2-(2-Propenyl)cyclohexanon 843 2-Propenyldisulfid 469 2-Propenyllithium 623 2-(2-Propenyl)phenol — aus 2-Propenyloxybenzol 1104 (N-2-Propenyl)-phenylmethanamin

1022 Propin 35, 46, 565, 907 Propin-Dianion 35 — Orbitalbild 37f Propinal 783 2-Propinamin 1022, 1037 2-Propin-l-ol 564, 593 2-Propinyl 564 N-2-Propinyl-1,2-benzoldicarboximid

1037 2-Propinyleyclopropan 564 ß-Propiolacton 965 - Carcinogenität 767 Propionaldehyd 785 Propionitril 982 Propionsäure 894 Propionsäureethylester 965 Propionsäureisobutylester 965 Propionsäure-p-methylphenylester — aus p-Kresol

1100

Propiophenon 720 1-Propyl-Kation 506 Propylacetat 959 Propylacetylen 564 Propylalkohol — Schmelzpunkt 287 — Siedepunkt 287 Propylen 450 2-Propylenradikal 614 Propylmesylat 221 Propylmethansulfonat 221 N-Propylpropanamin 1035 Propylradikal 102 Prostacyclin I» 933 Prostacycline 932 Prostaglandin F,,

933

Prostaglandin-Synthese 872 Prostaglandine 463, 872, 932, 1000 Proteine 1285, 1297ff - coiling 1303

Sachregister

1437

— Disulfidbrücken 366 — Faltblattstruktur 1301 — Faserproteine 1303 — - a-Keratin 1303 — - Myosin 1303 — globuläre 1303 —- Faltung 1302f — a-Helix 1301f — - intramolekulare Wasserstoffbrücken 1302 — - Struktur 1301ff — ß-Konfiguration 1301f — Micellen-Effekte 1303 — Sekundärstruktur 1301 — Tertiärstruktur 1303 — Thiol-Disulfid-Redoxreaktion 366 — über Reaktionen mit ungesättigten Aldehyden 1111 — Überhelix 1303f — - idealisiertes Bild 1303 — Verknäulen 1303 Proteinhohlraum 863 Proteinsequenzierung 1310 protische Lösungsmittel 227£ Proton 6 Protonen-Akzeptor 72f£ Protonen-Donator 72ff Protonen-Kernresonanz 391ff Protonen-Relaxationszeiten 404 Protonenaustausch 426f Protonenverschiebung 1256 o-Protonierung 843 Provitamin D, 644 Prozac 1023, 1057, 1237 Pseudoephedrin 1068 Pseudoguajan 123 D-(+)-Psicose — Fischer-Projektion 1185 psychomotorische Störungen 367

psychotomimetische Wirkung Pteridin 1264, 1265 Pulssequenz 431

933

Purin 1278 push-pull-Substitution 634 Putrescin ° 1022 BVEZ220875368 Pyran 1187 Pyranose 1187 Pyrazin 1255 Pyrazol 1276, 1291 Pyren — Numerierungssystem 688 Pyrethrum 145 Pyridazin 1255 Pyridin 292, 300, 346, 959, 1238, 1254ff — Basizität 1255 - Dipolmoment 1254f — elektrophile aromatische Substitutionen 1257 — Entschirmung 1255 - !H-NMR-Spektroskopie 1255 — Molekülorbital 1254 — nucleophile Substitutionen 1258 — Reaktionen 1257ff — Resonanz 1255 — Struktur 1254f Pyridinamid-Ion 1258 Pyridin-3-carbonsäure 1260 3,5-Pyridindicarbonsäureester 1256 Pyridinium-Ion 1255 Pyridiniumchlorchromat 300, 791 Pyridiniumhydrochlorid 346, 959 Pyridiniumsalze 1260

Pyrido[2,3-d]pyrimidin Pyridoxal 806, 1072

1438

Sachregister

1265

Pyridoxamin 806, 1072 Pyridoxin 1236 Pyrimidin 1255 Pyrolyse 92ff, 539, 844f, 971 — Hexange92 — Produktverteilung 92 y-Pyron 1277 Pyrophosphat 1165 Pyrophosphat-Brücke 1260 Pyrophosphorsäure 647 Pyrrol 1238, 1246 ff — Basizität 1250 — Darstellung 1247f — Dien-Charakter 1251 - Dipolmoment 1247 — Eigenschaften 1246ff — elektrophile aromatische Substitution 1250 — Molekülorbital 1247 - Protonierung 1250 — Reaktionen 1249 — Reaktivität 1249 — Resonanzformeln 1247 — Ringöffnung 1250 — Struktur 1246ff Pyrrolidin 852, 1238, 1245, 1246 Pyrrolsynthese 1248, 1276 Pyruvat-Dehydrogenase 1165

radikalische Addition 529ff, 588 — Zusammenfassung 655 radikalische Halogenierung 107 ff - synthetische Bedeutung 107ff radıkalische Hydrobromierung — Mechanismus 530 radikalische Reaktionen 654f radikalische Polymerisation 534f —- von Ethen — — Mechanismus 535 — — Verzweigung 535 radikalische Substitution — Zusammenfassung 655 Radikalketten-Reaktion 529ff Radikalkettenmechanismus 98 Radikalkombinationen 530 Radikalstarter 107f Radiofrequenz-Signal 429 Radiofrequenzsender 396 Radiotracer 1200 Radiotracer-Molekül 1200 Radiowellen 389, 391ff

Pyruvatester

Q siehe Coenzym Q

Rayon 1213 Reaktant 4 Reaktion — Triebkraft 67 Reaktionen — von Aldehyden

OR;

— - Übersicht

— Redoxreaktionen 1109 Quadricyclan 639 Quantelung 6 Quanten 389 Quantenmechanik 12 quartäre Alkyl-Gruppe — chemische Verschiebung 430 quartäres Kohlenstoffatom 53 Quartärstruktur — Hämoglobin 1304 Quartett 413, 416 — von Tripletts 424 Quecksilber-Ionen 584, 792 Quecksilber-Reagenz 516f Quecksilberacetat S516ff

- von Alkinen

1284

0

Quecksilberchlorid

801

Quecksilbersalze — Additionsprodukt an 2-Methylpropen 516

R

Ra-Ni 501 Racemat 163 Racematspaltung — dynamische kinetische

- Flußschema 190, 192 — kinetische 1295 racemisches Gemisch 163 Racemisierung 252f Rachitis 644 Radikal 645 Radikal-Anion 809, 1155 Radikal-Kation 987ff Radikaladditionen 530ff - regioselektive 529 ff Radikale 88, 927 — Rekombination 92 - Spaltung 92 — Wasserstoffabspaltungen

1297

Raney, M.

501

Raney-Nickel 501, 801 Rangfolge 894 Ranitidin 1237 Rapid-Scan-Technik 464 Ratten 856

— — Übersicht

830f

603

- von Aminen 1065 — von Carbonsäuren

— - Übersicht

942

— von Ketonen

— - Übersicht 830f Reaktionsapparatur

303 - Alkyllithium-Verbindungen 303 - Alkylmagnesium-Verbindungen 303 - Grignard-Verbindungen 303 Reaktionsenthalpie - freie 798 Reaktionsentropie 480 Reaktionsgeschwindigkeit 70f — nucleophile Substitution 214 Reaktionskontrolle 620f Reaktionsmechanismen — Zusammenfassung 654ff Reaktionsmechanismus 4,5, 87 Reaktionszeit 620f Reaktivität — kinetische 100 - relative 100 —- thermodynamische 100 Redox-Beziehung

—- Alkohole 295 — Carbonylverbindungen Redox-Reagenzien

295

1260

Redoxreaktion - organische 927

Reduktion 295ff, 807f - Alkine 519 — biologische 295 — Carbonsäuren 922f — konjugierte 865 Reduktionsmittel 580 reduktive Dimerisierung 1155 reduktive Kopplung 291f

reduktive Kupplung 92

reduzierende Zucker

649, 1155 1192

Referenzstrahl 390 Reformat 95 Reformatbenzin 95 Reforming 95 endo-Regel 637f, 659 (N+1)-Regel 416f — Modifikation 423 Regioisomer 477 regioselektive Ringöffnung 359 Regioselektivität 475, 505 ff, 588f, 737 — elektrophile Addition 505

— des elektrophilen Angriffes

763

Reinigungsmittel 450 Reissert-Indolsynthese 1284 Rekombinante DNA-Techniken rekombinante DNA-Technologie relative Geschwindigkeiten

1310 1324

— Nitrierung von Benzolderivaten relative Konfiguration 170 - D-(+)-Glycerinaldehyd 172 - ı-Glycerinaldehyd 172 relative Reaktivität 230 — primäre Wasserstoffatome 103 — sekundäre Wasserstoffatome 103 — tertiäre Wasserstoffatome 103f Relaxation 393 Remsen, I. 4 Reprotonierung 481, 573 Reserpin 1278 Resonanz 392 — allylische 615 — benzylische 1076 Resonanzeffekte 738 Resonanzenergie 626 Resonanzformeln 28ff — Allyl-System 615 — Ameisensäure 31 — Carbonat-Ion 28 — Diazomethan 31 — Enolat-Ion 30 — Kohlenmonoxid 31 — Ladungstrennung 31 — Ladungsverteilung 30 — Lewis-Formel 28 — nichtäquivalente 30 — Nitrosyl-Kation 30 — Resonanzhybrid 29ff — - Acetat-Ion 29 — - Allyl-Katon 29 Resonanzfrequenz 398 Resonanzstabilisierung — a,ß-ungesättigte Carbonylverbindungen 864 Restriktions-Endonucleasen 1324 Restriktionsenzyme 1324 Resveratrol 1088 Retention » 216, 520 — der Konfiguration 219 Retinal 1260 cis-Retinal 863 trans-Retinal 863 Retinal-Isomerase 863 Retinalsystem 863 Retinol 863 Retinol-Dehydrogenase 863 _ Retro-Aldoladdition 857 “Retro-Claisen-Kondensation 1141 Retronecin 1044 retrosynthetische Analyse 312£f — 4-Ethyl-4-nonanol 313 — 3-Hexanol-Synthese 313 reversible Deprotonierung 481 reversible Protonierung 509 RF-Detektor 396 (-)-Rhamnose 1228 Rheuma 932

738

Rhiziniusöl 806 Rhodium-Katalysator

291, 505, 790

Rhodopsin 863 Riboflavin 1264 Ribonucleinsäuren 1317ff - Adenin 1318f - Cytosin 1318f - Guanin 1318f — Proteinsynthese 1322f - Ribose 1318f — Uracil 1318f B-D-Ribopyranose — vollständige Methylierung 1198 B-D-Ribopyranose-Tetramethylether - Bildung 1198 Ribose 1182, 1260, 1264 D-Ribose 1206 D-(-)-Ribose - Fischer-Projektion 1185 D-(+)-Ribulose — Fischer-Projektion 1185 Rinderinsulin —- Aminosäuresequenz 1300 —- Disulfidbrücken 1300f — dreidimensionale Struktur 1301 Ringether — gespannte 308 Ringöffnung 1250, 358ff, 976 — conrotatorische 641 — 2,2-Dimethyloxacyclopropan 360

— disrotatorische 643f -Furan 1250 —- Inversion 359 — Oxacyclopropan 358 ff - Pyrrol 1250 — regioselektive 359 — säurekatalysierte 360 ff — Thiophen 1250 Ringschluß 642 — conrotatorischer 642f — disrotatorischer 643f — photochemischer 643f — thermischer 643 Ringschlußreaktion 353, 640, 1241, 1255 Ringspannung 129ff, 640, 917, 1242 Ringsysteme — bieyclische 142f — Nomenklatur 142f Ringverkleinerung 1154 RNA 1317 RNA-Base 1317 Robinson, R. 874 Robinson-Anellierung 872ff, 1152 rocking 465 Roggen 933 Roggenbrot 934 Rohöl — Destillation 93 — - Produktverteilung 94 Rohre 536 Rohrsysteme 972 Rohrzucker siehe Saccharose Röntgenstrahlung 389f Röntgenstrukturanalyse 34 Rosenextrakt 580 Rosenmund, K.W. 961 Rosenmund-Reduktion 961 Rotamer 60f — Butan 64ff - Ethan 61ff - Propan 63 Rotation 59f, 389f —- Anregung 389

— Einfachbindung 59ff — - Drehbarkeit 59f

— Energiediagramm

63ff

— Rotationsbarriere

59

gauche — anti-Rotation Rotationsbarriere

Rotationssymmetrie Rowland, S.F. Rückflußkühler

69

626f, 955

405

110 303

Rückseitenangriff

216ff

Rückstandsöle 94 Ruff, ©. 1203 Ruff-Abbau 1203ff Rumaroma 965

Ruthenium-Katalysator

291

Rutin 1220 Rutinose 1222 Rutinose 1233

Ss Saccharin 4, 1211 Saccharose 1208f — 0-D-Glucopyranosyl-B-Dfructofuranosid 1209 — Hydrolyse durch Invertase 1209 — Pro-Kopf-Zuckerverbrauch 1209 — Rohrzucker-Inversion 1209 — — Mechanismus 1210 — spezifische Drehung 1209 — Struktur 1209 — Weltproduktion von Rohrzucker 1209 Saccharosepolyester 1023 Salicylsäure 895, 932, 1099 Salpetersäure 10, 75, 906 Salpetersäureester 368 Salzbildung 933 Sandmeyer, T.

1114

Sandmeyer-Reaktion 1114f Sanger, F. 1307 Sanger-Abbau 1307f — 1-Fluor-2,4-dinitrobenzol 1307 Sassafras 547 Sättigungsgefühl 1023 saturated fatty acids 929 Sauerstoff — biochemische Umsetzung zu Wasser 1109 — - Hydroxy-Radikal 1109 — — — Zerstörung biologisch wichtiger organischer Moleküle 1109f — - Superoxid 1109 — — - Zerstörung biologisch wichtiger organischer Moleküle 1109 Sauerstoff-Kohlenstoff-Bindung 971 Sauerstoff-Nucleophilie 228f Säure 72ff, 290 — konjugierte 74 Säure-Base-Reaktion 910 Säurehalogenide 912 Säurekatalyse 844 säurekatalysierte Dehydratisierung — thermodynamische Kontrolle 509 säurekatalysierte Dehydratisierung 479ff säurekatalysierte Polymerisation 534 Säurestärke 289ff —- Carbonsäure 900 Saytzev, A.M. 476 Saytzev-Regel 476 Schädlingsbekämpfung 543 Schäumen 903 Schiemann, G. 1115 Schiemann-Reaktion 1115 Schiff, H. 803 Schiffsche Base 8O3ff

Sachregister

1439

Schimmelpilze 976 Schlafmittel 596 Schlafmohn 1265 Schläuche 667 Schleimhaut-Reizstoff 595 Schmelzpunkt 58, 388, 806 — Abhängigkeit von der Molekülgröße 57ff — Carbonsäuren 896 Schmetterlinge 1264 Schmidt, K.F. 1041 Schmidt-Umlagerung 1041 Schmieröl 46, 94 Schockwelle 144 Schokolade 1211 Schrödinger-Gleichungen 12 Schulter 651 Schuppenflechte 1000 Schutzgruppen 802 — Abspaltung 316 — Acetale 799 — Alkohol 356f — tert-Butylether 356f, 361 - Carbonylgruppe 799 — 1,1-Dimethlethylether

315f, 357,

361 — Ester 361 — Hydroxygruppe 356 — Hydroxygruppe 361 Schutzgruppenchemie 1310 — Synthese von Polypeptiden

Schwamm

13410

433, 1244

Schwanzsehne schwarzer Tee Schwefel

856

Sehvorgang

863

Seide — ß-Faltblattstruktur Seidenmotte 517

1336

Seidenspinner-Raupe

815

sekundäre Alkyl-Gruppe — chemische Verschiebung

402, 430

sekundäre Amine

—- IR-Spektren 1025f — — N-H-Valenzschwingung 1025 sekundäre Halogenalkane 270 — bimolekulare Substitution — Reaktivität 270 — unimolekulare Substitution sekundärer Alkohol

— Darstellung

257f 257f

257ff 285, 480, 794

307

— Oxidation 295, 300 sekundäres Kohlenstoffatom Sekundärstruktur 1301 Sekundenkleber 537 Seldane 1236 endo-Selektivität 638 ß-Seline 1015 Semicarbazid 805

1440

Serin 1294 — Darstellung über Diethyl-Nethanoyl-2-aminopropandioat (Acetamidomalonester) 1293 — Drei-Buchstaben-Code 1287 - pK, der COOH-Gruppe 1287

- pK, der "NH3-Gruppe Sesquiterpen

Sachregister

53

—- intramolekulare

1287

— Mechanismus

145, 560, 648

- Polarisierbarkeit 228f — primäre Halogenalkane 232ff — Reaktionsgeschwindigkeiten -- relative 203, 228 — — verzweigte Bromalkane mit

- Östradiol 148 - Östrogene 148 — - Östradiol 148

Iodid 232f — Reaktivität — - anti-Konformation

148f 148

— — — — — —

526

Sibutramin 1023f Sichelzellenanämie 1305, 1339 Siedepunkt 58f — Abhängigkeit von der Molekülgröße 57ff — Carbonsäuren 896 Signalaufspaltung 413 — Verzerrung 420 Signalintensität 408f Silberbromid 927 Silberspiegel 819 o-Silylierung 843 H.E.

— Übergangszustand

540f

Smalley, R.E. 699 Smith, R.D. 1052 Snl-Reaktion 250ff, 269 ff, 620 — Abgangsgruppe 254 — Allylhalogenide 620f — Bedingungen 257f — geschwindigkeitsbestimmender Schritt22251,0255 — konkurrierende Nucleophile 255 — Lösungsmitteleinfluß 253f — Nucleophilie 254f — polarer Übergangszustand

- produktbestimmender Schritt

- sterische Hinderung 203 Reaktivitätsreihe 233f sekundäre Halogenalkane 203 Solvenseffekt 226ff Stereochemie 216ff stereospezifisch 217 sterische Hinderung 231ff

- tertiäre Halogenalkane

1052

Simmons-Smith-Reagenz —- Carbenoide 1052 simultane parallene Synthese simultane Synthese 540f Simvastatin 1237 Sinensal 561 Singulett 412 Sivastin 1237 Skorpion 930

232

— — gauche-Konformation 232 — - Kettenverlängerung 231f

— Progestine 148 — Schwangerschaftshormon 148 — — Progesteron 148 — Testosteron 148 Sexuallockstoff 815, 1165 Sexualpheromon 542, 543, 582 SEA 929 Sharpless, K.B.

352, 1243

269ff

— Molekülorbitale 217 — polare aprotische Lösungsmittel

Sesterterpen 433 Sevin 981 Sexualhormone — Androgene 148f — — Testosteron 148

Simmons,

Seifen 368, 482, 903, 930 Seitenketten-Oxidation 905

sekundäre Systeme

spezifischen Stellen 1309 — zweiter Schritt 1306f Sequenzregeln 172ff, 451 R-S-Sequenzregeln — Priorität 171ff — R-Konfiguration 171 — S-Konfiguration 171

— Progesteron

647, 1244

- Produktverteilung 254f — relative Geschwindigkeit 254ff — Umlagerung 336ff — Wasserstoffverschiebung 336 ff Sn2-Reaktion 215ff, 622, 918 — Abgangsgruppe 224 — Bedingungen 257f — Chlormethan 232f — 2-Chlor-2-methylpropan 232f — 2-Chlorpropan 232f — Cycloalkane 235 — - Ringgröße 235 — Cyclohexane 235 - Diastereomere 219f — Enantiomere 218f — Fluoralkane 190 — Halogencyclobutane 235 — Halogencyclohexane 235 — Halogencyclopentane 235 — Halogencyclopropane 235

1107 1111

- Öffnen von langen Ketten an

— „Pille“

856 369

Schwefel-Betain 816f Schwefel-Nucleophil 211 Schwefel-Nucleophilie 228f Schwefel-Ylide 816f Schwefelbrücken 647 Schwefeldioxid 630 Schwefelsäure 11, 290, 479 Schweinenieren-Acylase I 1297 Schweiß 897 Schweißen 570 Schwingungen 390 Schwingungsanregung 464f Sechsringe 860 Sehnen

Semicarbazon 805f Semichinon-Radikalanion Semidehydroascorbinsäure Senfgas 365 Sequenzanalyse 1305 ff — erster Schritt 1305f — dritter Schritt 1307 ff

253f

255

203

217f

Snakeroot-Pflanze 1267 Snoutan 51 Solvatation 225f Solvathülle 226 Solvenseffekt 227f Solvenshülle 226 Solvolyse 247ff — Alkoholsynthese 293 — 2-Brom-2-methylpropan 247 — tert-Butylbromid 247 — Geschwindigkeitsgesetz erster Ordnung 249 — Mechanismus 250ff — Nucleophilie 254f - Reversibilität 251 - Stereochemie 252 - tertiäre Halogenalkane 247ff —- Umkehrung 335 Solvolysegeschwindigkeit 254 Somatostatin 1337 Sondheimer, F. 587, 701 Sonnenenergie 639 Sophorose 1231 Sorbinsäure 630 p-Sorbit 1196 p-Sorbitol 1196, 1211 Sorbose 802 D-(+)-Sorbose — Fischer-Projektion 1185 a-Spaltung 994f ß-Spaltung 1110 Spannungsenergie 571, 639 später Übergangszustand 100, 106

227

Spektrensammlungen 464 Spektrometer 390 Spektroskopie 34, 388ff — Alkine 567ff —- Grundlagen 389ff Spektrum 390f — Dehnung 425 Spektrum höherer Ordnung 420f spezifisch substituierte Benzole 754ff — Synthesestrategien 754ff spezifische Drehung - (+)-Alanin 169 —- (+)-2-Aminopropansäure 169 - (+)-2-Brombutan 169

— Definition 217 Stereospezifität 478f Stereozentrum 164 sterisch gehinderte Base 476 sterisch gehinderte Nucleophile 267ff sterische Behinderung 231ff sterische Hinderung 63, 203 ff, 267, 270, 289f — Nucleophilie 229 Steroid 791 Steroid-L1ß-Hydroxylase 157 Steroid-Dien — Extinktionskoeffizient 652

—- (-)-2-Brombutan 169 — (-)-2-Hydroxypropansäure — (-)-Milchsäure 169

Steroid-Synthese 533 Steroid-Tetraen — Extinktionskoeffizient 652 — Amax-Wert 652 Steroid-Trien — Extinktionskoeffizient 652 —Amax-Wert 652 Steroide 125, 147ff, 649 — angulare Methylgruppe 147 — Bezeichnung der Ringe 147 — Cortison 281 —-syn-Dihydroxylierung 525 — Hormone 147 — Numerierung der Kohlenstoffatome 147 — Struktur 147ff — a-Substituenten 147

169

D-Sphingosin 1244 Spiegelebene 405 Spiegelsymmetrie 405 Spina 391f

Spin ß 391f Spin-Spin-Aufspaltung 412ff — Temperaturabhängigkeit 426f Spin-Spin-Kopplung 412ff, 568 Spinkombinationen 415 Spinumkehr 392 Spiritus 47 Sprengstoff 368, 144 Squalen 533, 649 Squalenoxid 533 Stabilität — Carbenium-Ion 256 ff — sterische Einflüsse 256ff Stammalkan 53 Stammkohlenwasserstoff 53 Standardbildungsenthalpie — Alkane -H: 114 -0O114

114

Standardreaktionsenthalpie Standardreaktionsentropie Staphylokokken 976 Stärke

67ff 67ff

368

— Amylopektin

1213

— - molare Masse 1214 — - Struktur 1214 — — Wasserlöslichkeit 1213

— Amylose

1213

—- molare Masse 1213 — - Struktur 1214 — — Wasserlöslichkeit 1213 Steinkohlenteer 1256, 1262

gauche-Stellung

626f

meso-Stereoisomer 167 Stereoisomere 161ff, 179, 451 — 2-Brom-3-chlorbutan 179 — Diastereomere 179ff — - cyclische 180

— cis-L,3-Dimethylcyelopentan 162 — trans-1,3-Dimethyleyclopentan 161 — — — —

cis-Isomer 127 cis-trans-Isomere 162 trans-Isomer 127 Konformere 162

— Synthese

218

" Stereoisomerie 2, 161 ff Stereoisomerisierung 846f stereoselektiv — Definition 217 Stereoselektivität

— Alkoholsynthese — enantioselektiv

— Enzyme

292 189

189

trans-Stereoselektivität

stereospezifisch

217

478

— AmaxWert

652

— ß-Substituenten

147

Steroidgerüst 1177 Steroidhormone 147ff, 361 Steroidsynthese 874ff Stickstoff 7 — Basizität 983 Stickstoffabspaltung 808 Stickstoffdioxid 110 Stickstoffmonoxid 10, 1048 — biochemische Wirkung 1291 cis-Stilben 694 Stimulation der Muskeln 463 Stinktier 369 Stork, (G4872 Strahlungsabsorption 390 Strahlungsdosis 1200 strategische Zerlegung 312 Stratosphäre 109 Strecker, A. 1294 Strecker-Synthese 1188 Streckschwingung 465 Streichhölzer 747 Streptomyces 350 Streptomyein — Struktur 1219 Streptose 1219 Streptoverticillium fervens 1053 stretching 465 Stroh 1280 Struktur — Methanol 286 — Methoxymethan 286 — Wasser 286 Strukturaufklärung 387, 409 f, 433 Strukturen und Formeln 34f — Zeichnen 34 Strukturisomere 34, 162 Strukturumlagerungen 994 Strychnin 1266 Stufenhöhe 410 Styrol 536, 646, 667, 674, 780, 1045 — Produktion 540 Substituenten 53, 54 — aktivierende 738 - am Benzolring 1075ff

— desaktivierende 738 — dirigierende Wirkung bei elektrophiler aromatischer Substitution

— - Übersicht

750

— elektronenliefernde 633 substituierte Benzole — Synthesestrategien — - reversible Sulfonierung zum Schutz der para-Stellung 757f — — Schutzgruppen 758 substituierte Cyclobutadiene — Reaktivität 698 substituierte Naphthaline 761f — elektrophiler Angriff 761 ff Substitution — Additions-EliminierungsReaktion 909 — elektrophile aromatische 1257 — Konkurrenz mit Eliminierung 265ff — - Produktverteilung 265 ff - nucleophile

909, 1258

— radikalische — — Zusammenfassung 655 ipso-Substitution — elektrophile 758f Substitutionsgeschwindigkeit — nucleophile Substitution 214 Substitutionsreaktion 2,3, 95 Substitutionsreaktionen — Zusammenfassung 656 Substrat 4, 209 Succinanhydrid siehe ButandisäureAnhydrid Succinimid 920 Sucrose siehe Saccharose Sulfadiazin 370, 712 Sulfalen 712 Sulfamethoxazol 712 Sulfanilamid 1133 Sulfapyridin 1278 Sulfensäure 370 Sulfenylchloride — Additionsprodukt an 2-Methylpropen 516 Sulfide 364ff, 927 — Abgangsgruppe 365 Sulfit 630 Sulfolan 227 Sulfonamide 370, 1278 — antibakterielle Wirkung 712 - durch Reaktion von Sulfonylchloriden mit Aminen 712 — Wirkungsweise 712 Sulfonate 347 Sulfone 366, 927 Sulfonium-Ionen 365 Sulfoniumsalz 365, 816 Sulfonsäure 343, 365 Sulfonsäureester 343, 351 Sulfonylchloride 221f, 346f, 366 Sulfoxide 366, 927 Sulfurylchlorid — Chlorierungsmittel 107 Summenformel 33, 999 supraleitender Magnet 396 Süßstoff 1196, 1211 Symmetrieebene 165 Symmetrieelemente 403 Symmetriezentrum 165 syndiotaktisches Polymer 538 Synergismus 543 Synthese 3 Synthesegas 291, 790 Syntheseplanung — Fehlerquellen 314ff Synthesestrategie 309ff, S40f

Sachregister

1441

synthetische Stoffe E,Z-System

n-System

— — — —

— ——

536

2,3,7,8-Tetrachlordibenzo-p-dioxin — Toxizität 1094 Tetrachlorkohlenstoff 95, 206 Tetrachlormethan 95 - Dipolmoment 27 1,1,1,3-Tetrachlor-3-methylbutan 531 Tetracyanoethen 635, 637 Tetradecan 52 trans-l1-Tetradecen-1l-ol 582 cis-3-Tetradecenylacetat 542

451

615ff

Aktivierungsenergie ausgedehntes 653 cyclisches 632 Elektronenspin 653

631

T Tacrin 1236 Tacrolimus 936 Tag-Polymerase 1328 D-(-)-Tagatose-Fischer-Projektion D-(+)-Talose

— Fischer-Projektion Tartrate 191f Tautomere

1185

584

Tautomerisierung 584, 843 Taxodon 1136 Taxol 146, 1245, 1340 Taxonomie 145 taxus brevifolia 146 MEAN 159) TCDD 1128 TCNE 635 technische Alkoholsynthese Teer 94

Terpene

450, 476, 509

145f, 547, 645, 648, 930

— Isopren-Einheiten 145f Terpentin 503 a-Terpinen 482 y-Terpinen 482 a-Terpineol 446, 482, 559 Terpinolen 482 tertiäre Alkyl-Gruppe — chemische Verschiebung 402, 430 tertiäre Amine — IR-Spektren 1027 tertiäre Halogenalkane 247ff, 271 — Darstellung 334 — Dissoziation 250 — Reaktivität 271 tertiärer Alkohol 285, 480, 794 — Darstellung 307 — Oxidation 301 tertiäres Kohlenstoffatom 53 Tertiärstruktur 1303 — Denaturierung 1304 Tesla 393 Testosteron 361, 1014 Tetra(2-propenyl)zinn 623 Tetraalkylsilan 320 Tetraallylzinn

623

1,2,4,5-Tetraazabenzol

1255

1,3,5,8-Tetraazanaphthalin 1264, 1265 3,3,4,4-Tetrabromhexan 584 Tetrabutylammoniumhalogenid 1053 Tetrabutylzinn 623 Tetracen 688, 692 — Numerierungssystem 688 1,1,2,2-Tetrachlorbutan 584

1442

Sachregister

trans-2,2,5,5- Tetramethyl-3-hexen

- pK, der 'NH3-Gruppe

D-(-)-Threose 1184, 1195, 1206 - Fischer-Projektion 1185

1032

294, 302, 348, 353,

1,2,3,4-Tetrahydroisochinolin

— chemische Verschiebung 402 terminale Alkine — IR-Spektroskopie 569f — oxidative Kupplung 586f — reversible Deprotonierung 573f terminale Doppelbindung 472 Termiten 542 Terpen-Alkohol 482

1241,

- !H-NMR-Spektrum

909,

593, 1244, 1246

291 ff

Thiirane

1163

587 N,N,N', N'-Tetramethylethan-1,2-diamin 623 N,N,N', N'-Tetramethyl-1,2-ethandiamin 578, 623 Tetramethylethylendiamin 623

Tetrahydrofuran

1236

terminale Alkene

916 Tetraethenylzinn 457 Tetraethylammoniumiodid Tetrafluorethen 536 Tetrahalogenalkane S83f£ Tetrahedran 144

Tetrahydrocannabinol 369 Tetrahydrofolsäure 244, 383, 1264

Teflon 534, 537 Temperatur 620f Terephthalsäure 904 Terfenadin

543

tetraedrisches Zwischenprodukt

1185

Thiazolium-Ionen 1163f — katalysierte Aldehydkupplung Thiazoliumsalz 1162f

Thioacetal-Entschwefelung 808 Thioacetalbildung 807f Thioacetale — cyclische 801 Thiocyanat-Ion 1241 Thioester 930 Thioether 364 Thiol-Disulfid-Redoxreaktion 366 Thiole 48, 363ff , 469, 801, 894 — Acidität 364 - Alkylierung 364 —- Siedepunkte 364 Thiolen — Wasserstoffbrücken 364 —- erweiterte Valenzschalen 365 Thionylchlorid 346, 912f Thiophen 1238, 1244, 1246ff — Darstellung 1247f — Dien-Charakter 1251 — Eigenschaften 1246 ff — elektrophile aromatische Substitution 1250 — Molekülorbital 1247 — Oxidation 1251 — Reaktionen 1249 — Reaktivität 1249 — Ringöffnung 1250 - Struktur 1246 ff — Thiophen-3-carbonsäure — Monobromierung 1249 Thomson, W. 67 Threonin — Drei-Buchstaben-Code 1287 - pK, der COOH-Gruppe 1287

trans-3-Tetradecenylacetat 11-Tetradecin-1-ol 582

1207

Thiaminpyrophosphat 1165 Thiazol 1162f, 1276, 1291

1266

Tetrahydropyran 223, 348, 353, 358 Tetrahydrothiophen 1238, 1244 Tetrakis(1,1-dimethylethyl)-tetrahedran — Ringspannung 144 Tetramethylammoniumbromid 1035 2,2,3,3-Tetramethylbutan 59 — NMR-Signale 405 3,3,4,4-Tetramethyl-1,2-dioxacyclobutan 333 N,N,N‘N'-Tetramethylethandiamin

458

2,2,8,8-Tetramethylnonandisäure

924

Tetramethylphosphoniumbromid N,N 2,2-Tetramethylpropanamin — Synthese 1039 Tetramethylsilan 400f Tetranitrocuban 144 Tetravinylzinn 457

210 1071

1,2,4,5-Tetrazin

1255

Tetrazol 1327 Tetrodotoxin 350 TEA 929 Theobromin 1266 Theorie erster Ordnung 420 thermische cis-trans-Isomerisierung 455f thermodynamisch kontrollierte Reaktion 66, 629 thermodynamische Kontrolle 481, S09f, 620f thermodynamische Stabilität - Alkene 471ff - Doppelbindung 471ff thermodynamisches Gleichgewicht 481f thermogene Wirkstoffe 1023 Thermolysin — zur Spaltung von Polypeptiden 1309 — — Spezifität: 1309 THF siehe Tetrahydrofuran thia1238 Thiacyclobutan-3-ol 1242 Thiacyclopentan

1238, 1244, 1246

Thiacyclopropan Thiamin 1165

1241

Thromboxan

A,

1287

933

Thromboxane 932 Thymian-Aroma

— Aromastoff 674 Thymidin-Dimer 156 Thymol 674 Thyrotropin-Releasing-Hormon — Konstitutionsformel

1338

Tiazac 1237 Tiefseefische

1280 Tierzucht 872 Titantetrachlorid 538 Titantrichlorid 809 TMEDA siehe N,N, N‘, N'-Tetramethyl1,2-ethandiamin TNT siehe 2,4,6-Trinitrotoluol

a-Tocopherol 1111 a-Tocopheroxyradikal Tollens, B.

1111

819

Tollens-Nachweis 819 Tollens-Reagenz - Umsetzung mit Aldosen und Ketosen

1192 o-Toluchinon

1107

Toluol siehe auch Methylbenzol

48, 95

— BC-NMR-Daten - Oxidation

m-Toluolsulfonsäure o-Toluolsulfonsäure p-Toluolsulfonsäure Tomaten 883

Tomographie

687

1084

404

742 742 742

46,

Tomographie siehe Kernspin-Tomographie topologisches Isomer 1157 Torsionsschwingung 465 Tosylat

221

Totalherbizid

1236

Totalsynthese 309 Toxine — pflanzliche 1267 Toxizität 981

TPP siehe Thiaminpyrophosphat Träger 540 Tragetaschen 536 trans 451 Transaminase 1295 transannulare Spannung 354 transannulare Wechselwirkung 917 Transfer-Ribonucleinsäuren 1322 Transferase 1215 Transketolase-Reaktion 1165 Transmetallierung 305, 457, 623 Transpeptidase 976 Transplantation 937 Traubenaroma 965 Traubenwickler 541 Traubenzucker siehe Glucose Trehalose 1231 Treibstoff 367 Tremorin 596 — Antagonist 596 TRH 1338 Trialkylaluminium 320, 538 Trialkylborane 519ff

1255 1255

1,2,5-Iriazin

1255

Triazolin

Troposphäre

Trimethylamin

— Strukturen bei unterschiedlichen pH-Werten 1291 — Zuordnung der pK,-Werte auf die einzelnen Gruppen 1290f

49, 1024, 1035

— pK,-Wert 1031 — Schmelzpunkt 1026 - Siedepunkt 1026 Trimethylaminoxid 1045 Trimethylammoniumbromid 1,2,3-Trimethylbenzol 1,2,4-Trimethylbenzol 1,3,5-Trimethylbenzol

1,2,3-Triazabenzol 1255 1,2,4-Triazabenzol 1255 1,2,5-Triazabenzol 1255 1,3,8-Triazanaphthalin 1265

1,2,3-Triazin 1,2,4-Triazin

Trifluormethansulfonat 221 Trifluormethansulfonyl-Gruppe 1200 (Trifluormethyl)benzol — elektrophile Nitrierung 743f — induktive Desaktivierung des Benzolrings 739 — Resonanzformel nach elektrophilem Angriff 743f Trifluormethylgruppe 633 4-Trifluormethylphernol 1057 Trifluorperessigsäure 754 Triglyceride 368, 972 Trihalogenmethan 849 Trihalogenmethyl-Anion 909 Trihalogenmethylketone 849 2,3,4-Trihydroxybutanal 1184 Triiodmethan 849, 906 Trimer 532 Trimethylaluminium 305

2,2,4-Trimethyl-2-penten 532 2,2,4-Trimethyl-2-pentenal 858 2,2,5-Trimethyl-1-phenyl-4-hexen-

o—

n > n*-Übergang n — 0*-Übergang n > n*-Übergang

Übergangszustand

Trimethylsulfonium-Ion Trimethylsulfoniumiodid Trimox 1237

244, 384 365, 816

673

1,2,4-Trichlorbenzol 680 1,1,1-Trichlor-2,2-bis(4-chlorphenyl)

- Äquivalent

510

747

1089 675, 747

747

— Standard 747 Tripeptid 1298 Triphenylen — Numerierungssystem 688 Triphenylmethyl — Dimer 1079 — Hexaphenylethan 1079 — stabile Radikale 1079 Triphenylphosphan 812

2,4,5-Trichlorphenol — Toxizität 1094 2,4,5-Trichlorphenoxyethansäure — Toxizität 1094 1,1,2-Trichlorpropan 425

Triphenylphosphanoxid Triplett 413, 415

— !H-NMR-Spektrum

425

tricyclische Systeme Tridecan 52

688ff

— Siedepunkt 1026 1,2,3-Tris(1,1-dimethylethyl)cyclobutadien

Tridecandisäure

424

— Schmelzpunkt

1026

—-!H-NMR-Spektrum

934

Trien 632 Triethylaluminium 538 Triethylamin 346, 1029 — Massenspektrum 1029 — Schmelzpunkt 1026 “ - Siedepunkt 1026 Triethylammoniumchlorid Triethylenglycol 808 Triflat 221

— von Quartetts Tripropylamin

813f

säuren

Tropftrichter 303 Tropinon 1069 Tropocollagen 856

176

651

538

698

1056

6lff, 69, 217f, 251

- anti-Übergangszustand 576 — cyclischer 1147 — diastereomerer 188 — enantiomerer 186 endo-Übergangszustand 660 exo-Übergangszustand 659 Ubichinone 1109 Ultraviolett — extremes 390 — - Spektroskopie 389, 650 tf ultraviolettes Licht 390 Umacetalisierung 1160 Umesterung 967, 1140 Umhybridisierung 91 Umkristallisation 388 Umlagerung 336ft, 480, 520 — Alkylverschiebung 341 —- Carbenium-Ionen 336ff - Cyclopentyl-Kation 339 — 2,2-Dimethyl-I-propanol 342 - entartete 339 —-Neopentylalkohol 342f

— Übergangszustand

Trisulfidgruppe 596 Triterpen 890 Trivialnamen 51 Trivinylmethan 1043 tRNA siehe Transfer-Ribonuclein959

1325

651, 788 651 651, 788

Übergangsmetallkatalysator

851

2,4,6-Trinitrophenol 747 — durch Nitrierung von Phenol

531

o*-Übergang

Übergangsmetall

1252

ethan 109 ; Trichlordeuteriomethan 396 Trichlorethylen 450 Trichlormethan 95, 531 (Trichlormethyl)benzol — Synthese 1076 1,1,2-Trichler-2-methyleyclohexan

Project

303

Überführung in Fischer-Projektionen

1,2,3-Tri-tert-butyleyclobutadien 698 Triearbonsäurecyclus 1159 2,2,2-Trichloracetaldehyd 109, 721, 798

1,1,1-Trichlornonan

U.S. Human Genome

- (R)-2-Brombutan

2,4,6-Trinitrotoluol

1287

U

3,5,10-Trimethyldodecan 55 2,2,5-Trimethyl-3-hexanol 284 2,2,4-Trimethylpentan 65 2,2,4-Trimethyl-I-penten 532

— pK,-Wert

1287

—- pK, der sauren Funktion in R

Überdruckventil

1,2,4-Trinitrobenzol

1309

1035

775 775 674, 775

Trimethyl-N,3,4-pyrroltricarboxylat

1239

- pK, der "NH>-Gruppe

Trimethylen-Diradikal — Molekülorbital 130

l-on

2,4,6-Tribromanilin 745 2,4,6-Tribrombenzolamin 745 2,4,6-Tribromphenol 674, 745, 1102

109

Trypsin — zur Spaltung von Polypeptiden — — Spezifität 1309 Tryptophan — Drei-Buchstaben-Code 1287 Tschitschibabin, A.E. 1258 Tschitschibabin-Reaktion 1258f Turanose 1231 Tutocain-Hydrochlorid 1045 twist 465 Twistan 123 twisted 473 Tylenol 737 Tyrosin 1131 — Drei-Buchstaben-Code 1287 - pK, der COOH-Gruppe 1287

337

— 1,2-Verschiebung 338 — Wagner-Meerwein-U. 338 — Wasserstoffverschiebung 336 ff Umpolung 304, 1161 Umweltverschmutzung 534 Undecan 52, 306 ungesättigt 449 a,ß-ungesättigte Aldehyde - Hydratisierung 131;869 ungesättigte Alkohole 794 a,ß-ungesättigte Carbonylverbindungen — Cyanwasserstoff-Addition 870 a,ß-ungesättigte Ketone — Hydratisierung 869 ungesättigte Kohlenwasserstoffe 46

Sachregister

1443

Ungesättigtheit 470£ unimolekulare — Dehydratisierung 480 - Eliminierung 259ff, 274 — - El-Reaktion 259ff — nucleophile Substitution 249ff — — Abgangsgruppe 253f — - Geschwindigkeit 253ff — — Lösungsmitteleinflüsse 253ff — — Mechanismus 249ff - - polarer Übergangszustand 253 — —- Stereochemie 252 — Substitution 274 Unordnung 68 unverzweigte Alkane 49ff —- Dichte 52 — Namen 52 — physikalische Eigenschaften 52 — Schmelzpunkt 52 — Siedepunkt 52 Urethane 974, 980 Uridinphosphat 1217 Urotropin 1023 Urushiole — Urushiol I 1133 — Urushiol II 1133 UV-Spektroskopie 650ff, 957 UV-Strahlung 109 UV-VIS-Spektrometer 390, 651 UV-VIS-Spektroskopie 650ff

V Vakuum-Pyrolyse 844 Vakuum-Ultraviolett-Bereich 650 Vakuumpumpen 651 Valenzschwingung 465 — asymmetrische 465 — symmetrische 465 C-H-Valenzschwingung 466 C-N-Valenzschwingung 982 Valeriansäure 894 Valeriansäureisopentylester 965 ö-Valerolactam 974 y-Valerolacton 965 Valin 83 - Drei-Buchstaben-Code 1287 — enantiomerenrein durch Racematspaltung 1295 - pK, der COOH-Gruppe 1287 - pK, der "NH3;-Gruppe 1287 Valium 1236 van der Waals, J.D. 57 van't Hoff, J.H. 184 van-der-Waals-Kräfte 57f

Vanadiumpentoxid Vanillin 51, 197

906

— Aromastoff 674 Vasopressin 1301 Vasotec 1237 Veilchen 580 Verbindungen - Carboxylierung 907 meso-Verbindung 181ff, 219 - 2,3-Dibrombutan 181f — Spiegelebene 182 Verbindungsbibliothek 540 Verbrennungsenthalpie — Butan 113 — Cyclohexan 113 - Ethan 113 - Ethanol 113 - Hexan 113 -isomerer Alkane 114 — Methan 113

1444

Sachregister

— 2-Methylpropan 113 —- Pentan 113 - Propan 113 — Rohrzucker 113 — Saccharose 113 — von flüssigem Ethanol 113 —- von gasförmigem Ethanol 113 Verbrennungswärme 570 Verdampfungskammer 989 Verdauung 872 Verdünnungsprinzip 352f Veresterung 344, 915ff — Additions-EliminierungsReaktion 910 — intramolekulare 917 — Mechanismus 916 — säurekatalysierte 916f Vernetzung 362, 646 Verpackungsmaterial 536 Verschalungen 536 Verschieben von Elektronenpaaren — Darstellung durch gebogene Pfeile 28 1,2-Verschiebung 338, 979 Verschmutzung 903 Verseifung 930 Verstärkung 417 Verteidigungsgift 595 Verteidigungspheromon 542 verzweigte Alkane 50 verzweigte Alkylgruppen 52f — Trivialnamen 52 Verzweigung 535 vicinale Diole 342 — oxidative Spaltung durch Periodsäure 1193f — — Mechanismus 1194 vicinale Kopplung 414 vicinale Kopplungskonstante 459f Videorecorder 288 Vier-Zentren-Übergangszustand 519 Vierring-Heterocyclen 1243 Vierringe 639 Villiger, V. 818 Vinyl 452 Vinyl-Anion 457 3-Vinyleyclohexanon 871 Vinyl-Kation — Molekülorbital-Schema 590 Vinyl-Kunststoffe 536 Vinyl-Wasserstoffatome — Acidität 457 Vinyl-Wasserstoffatome 457f Vinylacetat 539, 594, 904 — Produktion 540 Vinylalkohol 539, 844f — Molekülstruktur 845 Vinylbromid 591 Vinylchlorid 457, 536, 539, 594 — Produktion 540 Vinylhalogenide 576f Vinyllithium 457 Vinyloge 630 VIS-Spektroskopie 650ff Viskose 1213 Visualisierung 1200 Vitamin A 155, 631f, 862f, 1260 Vitamin A, Vitamin B, Vitamin Bu»

815 1165 1236

Vitamin Bs Vitamin B, Vitamin C

1264 1236 1233

- Ketoform

1234

- Struktur — Synthese

1111 802

Vitamin D, 644 Vitamin D, 83 Vitamin E 83

— Reaktion mit Alkoxy-Radikalen 1111 — Reaktion mit Lipidhydroperoxid 1111 — Regenerierung durch Vitamin C 1111 Vogelbeeren 630 Volhard, J.

925

Voltaren 1237 Vorderseitenangriff Vulkanisation 647

216ff

W Wacholder 668 Wachse 94, 953, 972 Wacker-Prozeß 539 Wacker-Verfahren 904 Waffen

— biologische — chemische

365 365

wagging 465 Wagner-Meerwein-Umlagerung 338 Walrat

972

Wärmetönung Wasser

471

72ff, 222

— Dipolmoment

286

Wasserdichtemuster Wasserstoff 332

404

— Bindungsdissoziationsenergie 297 — Deuterium-Austausch

— — Basekatalyse 846 — — Säurekatalyse 846 — Schwefel-Bindung 364 Wasserstoffatome

— chemisch äquivalente — nichtäquivalente 412 a-Wasserstoffatome

400

841, 1142

— Carbonsäure-Derivate Wasserstoffbombe 747

956

Wasserstoffbrücken-Bindung

227,

227f, 896 — Alkohole 287 —- intramolekulare 845 — Thiole 364 Wasserstoffmolekül

- Bindung 18f Wasserstoffperoxid 520 Wasserstoffverschiebung — Mechanismus Watson, J.D.

336ff, 481

337 1320

Wechselwirkung — antibindende 454f — bindende 454f

gauche-Wechselwirkungen

477

Wehen 463, 872, 933 Weichmacher 537, 966 Weide 895 Wein 630, 929

Weinherstellung

630

Weinsäure — Monokaliumsalz

184

- optische Drehung — Stereoisomere — Traubensäure

184

184 184

— — gemischtes Natrium-AmmoniumSalz 184 — meso-Weinsäure 184 — Weinstein 184 Weiteroxidation 791

Welle-Teilchen-Dualismus Wellenfunktionen 13

Wellengleichungen Wellenlänge 390

D-Xylose-Cyanhydrin 1204 D-Xylose-Cyanhydrin-Pentaacetat

12

1204

12

Xylulose

Wellenmechanik 12 Wellenzahl 389f, 464 Wickler 542 Wieland-Miescher-Keton Williamson, A.W. 351

1165, 1183

D-(+)-Xylulose — Fischer-Projektion 51

Williamson-Ethersynthese — stereospezifische 354 Williamson-Synthese

Y 210, 351ff Yamswurzel Ylen 813

Ylide

125

.812f

—- intramolekulare 352 Willstätter, R. 700

— Bildung

Wintergrün-Öl

— stabilisierte

— Aromastoff 674 Wirbelsäule 387 Wirksamkeit

— biologische

Wittig, G. 812 Wittig-Reaktion — Mechanismus

— ß-Form

349f

812ff, 862, 1087 814

Wittig-Synthese — a,ß-ungesättigter Aldehyd

862

Wohl, A. 1203 Wohl-Abbau 1204 —- D-Gulose 1204 3

Wolff, L. 807 Wolff-Kishner-Reduktion 807ff — Mechanismus der Stickstoff-

abspaltung

808 R.B.

644

Woodward-Hoffmann-Regeln Wuchsstoffe

862

Z

— antiangiogene 526 Wirt-Gast-Beziehung

Woodward,

813

S40f

Wirkstoffe

Wöhler, F.

1185

Zucker — Abbau mit Periodsäure 1194 — Aktivierung durch Thiamin 1165 — Aldosen 1182f —- Anomere 1188 — anomeres Kohlenstoffatom 1188 — Ausbildung intramolekularer Halbacetale 1187 — Bestimmung der Zugehörigkeit zur D- oder ı-Reihe 1184 — Bildung cyclische Carbonate 1201 — Bildung cyclischer Acetale 1200ff — - als Schutzgruppe 1200 f — Biosynthese 859, 1202 — chirale Aktivität 1183 —- cyclische Formen 1186 —- Ersatz 1211 - a-Form 1188

933

644

Z-Konfiguration 451f Zähne 856 Zantac 1237 Zeder 668 Zeichnung dreidimensionaler Strukturen - (S)-2-Brombutan 176 Zelinsky, N.D. 925 Zellmembran 368, 973, 1000, 1244 Zellteilung 1000, 1264 Zellwand 1275f Zellwanderung 933 Zeolith A 93 Zeolithe 93, 367 Zerstörungskraft 747 Zidovudin 1236, 1319 Ziegengeruch 894 Ziegler, K., 538 Ziegler-Natta-Katalysator 646 Ziegler-Natta-Polymerisation 538 Zigarettenrauch

x

Zimt

Xanthogenatgruppe Xanthopterin 1264 Xylane 1217 Xylitol 1211 o-Xylol 674 D-(+)-Xylose

1213

— Fischer-Projektion

1185

1245

547

Zimtaldehyd 1179 Zimtsäure 1179 Zimtsäurenitril 1179

Zink

5271

Zink-Kupfer-Paar 809 Zinkamalgam 754 Zitronenöl 482 20002 1237

1188

— — — — — —

Furanose 1187 Glycosid 1198 - selektive Darstellung 1199 Haworth-Projektion 1188f Hexosen 1182 Ketosen 1182f Kondensationsreaktionen von Carbonylgruppen mit Aminderivaten 1197 — Konformationen 1186 ff — nicht reduzierende 1199 - optische Aktivität 1183 — Oxidation zu Carbonsäuren L191 ff — oxidative Spaltung 1193 ff — Pentosen 1182f — Sesselprojektion 1188 — stufenweiser Auf- und Abbau 1202 ff — Tetrosen 1182 — Triosen 1182 — Überführung einer Fischer-Projektion in die richtige Keilstrichformel 1186 Zuckerfermentation 292 Zuckersäure 1193 Zündkapseln 144 Zwei-Elektronen-Reduktion 1260 zweidimensionale NMR-Spektroskopie 431 Zwiebeln 370 ö zwischenmolekulare Kräfte 57f Zwischenprodukt 5 - tetraedrisches 916

Sachregister

1445

-.

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"zeLE 1y

#

Pr D

2,

a

A:

us B

ra

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KB:

N 5;ide N .

“

Ire

I v

B

BÄLk

Zugriff auf die verschiedenen Stoffklassen Stoffklasse

Funktionelle

Alkane

u

Eigenschaften

Gruppe

Darstellung

2 Reaktionen . no

in Abschnitt

in Abschnitt

in Abschnitt

2,427,

3.34 8:75,12,

3.4-3.9

er Ba

ea = |

A

oA.

,

"1327213310, 17,10

| Halogenalkane

.

eK

6.2

|

3.43.8, 9.2,

142,193

6.3-7.9,85, 8 0

8.8, 13.10. 14.> 15.12

| Alkohole

= |

ı 0

Ether

| | — C—-0-—-C-— |

Thiole

—(C—S—H

8.2.83

8.4-8.9, 9.8, 12.4, 12.7, 12.8, 12.10.52 EL,

8.3,8.6,9 192 7 7 75 17.171,17, 82

20.5,'24.6

20.2.2035. 242 24.9, 24.8

9,5

96.9.7127. 2245

9.8, 9.9, 252 25.4

9.9

9.9, 26.5

9,9,.26,5

| |

Alkene

C=C

a2

yes:

14.11

11, 1313

Aromaten

—C=C—H

W

m

“

eu

ı

17.12

13.12.00

00203

13.2-134

1339. 18.6

13.6-13.11

1327952 7773

15.9-16.6, 22.4-22.11, 25.2, 23.9

22.2228 2, 10, 254,256

|

Alkine

7.6-7.8,92,97,

29.3, 2

111.8, 119,137,

15.9-16. fe

Rot = nucleophiles oder basisches Atom; blau = elektrophiles oder saures Atom; grün = potentielle Abgangsgruppe

Stoffklasse

Funktionelle Gruppe

|

Eigenschaften in Abschnitt

Darstellung "in Abschnitt

Reaktionen in Abschnitt

a2 23.1, 23.4

718.6, 12.11,138, 113.9, 15.14, 17.4, 20.2, 20.5, 20.8,

Waren Bas ı ezaeı

Ho

Aldehyde und Ketone | |

a

IA |

5 n0 | Be

ue

|

|

22.2, 232,22,

We

23.3

24.4-24.7, 24.9

19.5, 19.6, 20.2, 20.5, 20.6, 20.8, 23.2,,24.4, 26.2

a7 19T, BG 206

20.1

19.8

15.14, 20.2

20:1

119.8

15.14, 20.3

10)

Carbonsäuren

|

=C-0-—H |

2

9827517

Ö

| CK

Alkanoylhalogenide

N Anhydride

O \

—C-0—C—

Br

|

Ester

0

|

— C—-Cc—o-—c-— | |

20.1, 20.4

7.8, 9.4, 17.13, 19.9, 20.2, 22.5

Wenaı

>

OÖ

‚u

Amide

= C—-N-H

20, 1,:20.6

19.10, 20.2, 20.5

Wen

Nitrile

—C=N

20.8 u

17.115 20.8 22.10, 24.9

20,8, 20.2

aa

16.5, 20.6, 20.8, 21.5-21.7, 26.2

|

; Amine

| ON N

|

Mena 22.10. 022 11, 26.1, 206.5,:20.6

K. P. C. VOLLHARDT, N. E. SCHORE

ORGANISCHE Dritte Auflage

Der Lehrbuchklassiker in der Organischen Chemie: Jetzt endlich in der dritten Auflage! Gründlich

überarbeitet

und

aktualisiert,

noch

moderner

und

übersichtlicher,

noch

akzentuierter und klarer - so präsentiert sich die Neuauflage des Lehrbuches, das bereits in den ersten beiden Auflagen zum erfolgreichsten Lehrbuch der Organischen Chemie im deutschen Sprachraum wurde. Neu ist der Bezug des Lehrstoffes zum Alltag am Beginn eines jeden Kapitels, wodurch dessen Bedeutung sofort in einen größeren Zusammenhang gestellt wird. Neu ist der Fokus auf Struktur und Funktion, der sich als roter Faden durch das Buch zieht und so das Verständnis der

Eigenschaften organischer Verbindungen erleichtert. Neu ist außerdem, daß der Inhalt um einige Themen wie die biologische und industrielle Chemie oder die Problematik des stratosphärischen Ozons erweitert wurde. Neu sind auch didaktisch geschickt präsentierte Verständnisübungen sowie Übersichtsschemata zur Chemie der Stoffklassen, die den Studierenden die Möglichkeit geben, ihren Wissensstand zu überprüfen und Techniken der Problemlösung zu erlernen. Mehr denn je erweist sich der neue Vollhardt/Schore auch in der dritten Auflage als

gelungene Kombination aus erstklassiger Forschung und erstklassiger Lehre! Aus Rezensionen:

"Ohne Abstriche kann es unseren Studenten bis zum Vordiplom empfohlen werden... und Spaß

macht es auch noch."

Chemie in unserer Zeit

"Hervorragender Gesamteindruck: Der Inhalt erfüllt sämtliche Forderungen an eine zeitgemäße Präsentation des Fachgebiets. Die perfekte Gestaltung bereitet dem Leser über den didaktischen Wert hinaus einen ästhetischen Genuß ."

Nachrichten aus Chemie, Technik und Laboratorium

"Prädikat ausgezeichnet für den didaktischen Wert." Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht "Fast möchte man sagen, es muß eine Freude sein, aus diesem Buch zu lernen!"

Praxis der Naturwissenschaften- Chemie "Mit diesem Buch ist ein großer Wurf gelungen."

Chemietechnik

IS II 9 |35272298198

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