337 112 84MB
German Pages 1488 Year 2000
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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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
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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
Liaison
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
Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
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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,
trademarks,
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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
XXIX
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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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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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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
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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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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.
PERLE
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
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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
une ae
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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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
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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
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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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1341 1403
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
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05
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
NH,
| N.
e NaNO,, H*, H,0, 0°C
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R Arendiazonium-lon
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
N
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A! 1
B
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Hydrierung (Abschn. 12.2)
Nauiet EN /
Hy. Katalysator
H
I f a 6 ARTEN: eis-Addition
H
Elektrophile Additionen 2
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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HC==CH
CH;C==CCH,
Ethin
2-Butin
Br
RR
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
CH; EEE Be
— 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
{
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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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|
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Sn ER 57 1
Y
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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
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0
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| OH OH
n J9po SON
|
OH ;H |
Eee!
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304
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|
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HIA
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a
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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
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R-(0eR:
|
Ö| OA
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"CH’DMIHIY
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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
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8
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6-61’9-6 BoD
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II a H
|
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309,4 1 [6)
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194
° 16)
309,3 I Ö
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I
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