Organische Chemie [3. Auflage] 3527298193

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

ORGANISCHE Dritte Auflage

Übersetzungsherausgeber: H. Butenschön

®WILEY-VCH

Periodensystem der Elemente 1 1.00794

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

1

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K. Peter C. Vollhardt Neil E. Schore

Organische Chemie

WWILEY-VCH

Lehrbucher von WILEY-VCH

einfach gut!

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

1998, ISBN 3-527-29217-9

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

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

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

1997, ISBN 3-527-29250-0

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

1994, ISBN 3-527-29249-7

B. König, H. Butenschön

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

-

K. Peter C. Vollhardt Neil E. Schore

Organische Chemie Dritte Auflage

Übersetzung herausgegeben von Holger Butenschön

Übersetzt von

Barbara Elvers, Arne Lüchow, Andrea Kohlmann und Robert Pfeifer

®WILEY-VCH

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

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

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

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

. Auflage 1988 . Auflage 1995

. Auflage 2000

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

Science Photo Library, Photo Researchers

. 236:

Chad Slattery, Los Angeles, USA

. 365:

Eric Bouvet, Gamma

. 370:

Riccardo Marcialis, Photo Researchers

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387:

Geoff Tompkinson,

404:

Plailly, Eurelios (links) und Paul Shambroom

Science Photo Library, Photo Researchers

(rechts), Science Photo Library, Photo Researchers

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

Die Deutsche

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Ein Titeldatensatz für diese Publikation ist bei Die Deutsche

Bibliothek erhältlich

ISBN 3-527-29819-3

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

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

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Vorworte des Herausgebers zur zweiten und dritten deutschen Auflage

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Struktur. und Bindung organischer’Moleküle

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

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

88 90 92 95 99 101 105 107

Inhaltsverzeichnis

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3.9 3.10

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

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4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7

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

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Inhaltsverzeichnis

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205 205 206 208 211 214 216 218 220 224

28 236 238 239

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

KONG |CHWERHE IB

RR

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ILRIETDN EHE TREND. RR

a

rl

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

Weitere Reaktionen der Alkohole und die Chemie der Ether

.......

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

10

NMR-Spektroskopie zur-Strukturaufklärung

10.1 10.2 10.3 10.4

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

10.5 10.6 107 10.8 10.9

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ner

11

Alkenerundalnttarot-SpektrosKoplehn

KIT 102 11:3 11.4 11:5 11.6

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

NE

Inhaltsverzeichnis

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

387 388 389 391 398 403 408

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

IX

29

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

479 484 486 489 490

12

Die-Reaktionen: der: Alkene

ai 122 23

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

499 500 501

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

..:.PRRIE Sir mE EN

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

13

Alkmern

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

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

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

14

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

613

14.1

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

14.2 14.3

14.4 14.5 14.6 14.7 14.8

X

re

Inhaltsverzeichnis

RE

ER Hr

ae

Be

Che

614 618

620 623 624 628 630 632

14.9 14.10 14.11 14.12

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

640 645 650 654 658 660 662 663

15

Die besondere Stabilität des cyclischen Elektronensextetts

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

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

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

.........

16

Rlektrophiler#AneritraufBenzolderivatene

16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 16.6 10-7.

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

16.8

17

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

Aldehyderund#Retone "Die: Carbonyleruppemma

2a 2. ME 2 EEE

rl

FIN.

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

Inhaltsverzeichnis

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

XI

18

Enöle’und Bnone

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

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

TAI.

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OECD BEEN MAIER

19

Carbonsäuren-

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

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

19,12 1913 19.14

73

IV

EHA

TEDS DENT

EEE

LER

TEE

20

Derivate von Carbonsäuren und Massenspektrometrie

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

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

Xu

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

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

sn

een

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

Inhaltsverzeichnis

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

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

21

Ammestindälre: Dervater

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

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

21.11 2142 21.13

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

1045 1049 1053 1055 1057 1059 1063 1066

22

Chemierden substituenten.am,;DBenzoliine

1075

22.1

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

Ammoxıde,.N-Nitrosamine

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

2

3.

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23

DIET DONYISSLDINdUNDEN

23 232 25

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

23.4

BNeIegReakHOnenyer

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

Nr

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Kohlenhydrates

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

Inhaltsverzeichnis

1021 1022 1025 1027 1030 1034 1038 1040 1042 1043

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

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

XI

212

25

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

Heterocyclen

en: 27.20

02

EEE

RSHEEOFER

1033

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

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

26

1285

Amımesauten,.Peptiderund- Brote

RR

ne

I

na

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1212 1220 1223 1227 1228

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26.1 26.2 26.3 26.4 26.5 26.6 26.2 26.3

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

Lösunsenzusden Übungen Sachregister

XIV

Inhaltsverzeichnis

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Vorwort zur amerikanischen

Ausgabe

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

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

glauben,

ist, wenn

daß

man

Wortschatz

die organische

sie als eine

und

Sprache

die Mechanismen

Begriff des Mechanismus

Chemie ansieht:

am Die

einfachsten

erlernbar

Reaktionen

die Grammatik.

Wir

sind der

führen

den

bereits in Kapitel 3 ein, diskutieren die Reak-

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

kurzen

Einleitung,

dann

werden

Nomenklatur,

Bindung

und

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

Vorwort zur amerikanischen Ausgabe

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

und, soweit erforderlich,

an den betreffenden

Stellen

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

XVI

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

Vorwort zur amerikanischen Ausgabe

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

ist auch der Fokus

auf Struktur und Funktion,

der sich als

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

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

so daß die Erläuterungen

zu den Säure-

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

tivität der aromatischen

Verbindungen

tionen hat, während weiterführende

auf die Reak-

und die Selektivität der Reak-

Themen

aus diesem

Gebiet in den

Kapiteln 22 und 25 behandelt werden.

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

sie auch mit Interesse

Fußnoten

geben wir Hinweise

allein lesen können,

zu den Chemikern,

und in zahlreichen

deren Namen

mit

XV

Vorwort zur amerikanischen Ausgabe

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

bezeichnet

werden,

und

der

Kasten

26-4

über

AZT,

ein

Medikament für die HIV-Therapie.

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

umreißt,

und endet fast immer

mit einer Zusam-

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

sind, findet

man

überall

Querverweise.

Die

entscheidenden

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

und sie werden

in die Lage versetzt,

ihre Rolle unter den

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

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

verwendet,

wenn

die Studenten

über

Vorwort zur amerikanischen Ausgabe

hinreichende

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

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

XIX

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9

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

immer auf bekanntem

Stoff aufbaut.

Wir meinen,

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

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

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

umgebenden Welt der Chemie gelangen.

Der Aufbau

des Lehrbuchs

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

Jedes Kapitel beginnt mit einem kurzen einleiterrden Absatz,

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

Wir leben Farbtönen keit vieler sichtbaren

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

bindungen resultiert daraus, daß ihre Molekülstrukturen

mehrere r-Bin-

dungen enthalten.

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

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

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

XXI

Zur schnellen Orientierung hat jede Reaktion eine Überschrift bekommen.

Diazotierung

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e NaNO,, H*, H,0, 0°C

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In die Kapitel sind Übungen eingebaut, mit denen die neuen

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

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

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

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

Fassen wir zusammen: Das Vorliegen bestimmter funktioneller Gruppen

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

Am Ende jedes Abschnitts werden die Hauptpunkte zusammengefaßt.

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

Kasten 11-2

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

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

C-H-Alkenyl-Bande

bei 3070 cm”!. Das Thiol

hat aber zusätzlich eine Absorptionsbande für die

S-H-Gruppe

bei 2535 cm!. Das Zersetzungs-

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

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

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

An die Studenten

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

CH

neo.

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

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

Kettenstart

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

im Abschnitt 3.4 vorgestellten Kettenfortpflanzungsschritte, in

XXI

An die Studenten

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

Neue Reaktionen Additionen (Abschn. 12.1) Ä

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Hiydrohalogenierung (Abschn. 12.3)

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

XXIV

5

Man kann sich Peroxycarbonsäuren so vorstel-

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

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

Sechs-Elektronen-Übergangszustände

unter

dung vieinaler syrı-Diole als Endprodukte.

Bil-

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

An die Studenten

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

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

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CH;C==CCH,

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2-Butin

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

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

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— CH3CC=CH CH;

3,3-Dimethyl-1-butin

Substituenten werden mit denselben Farben wie die entsprechenden Teile des VerbindungsBr

a

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

CH3CH>CH,Br.

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

1,1-Dimethylethylradikal (tert-Buty!)

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

Priorität,

durch

die Farben

Rot,

Blau,

Grün und Schwarz hervorgehoben.

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

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

dritte niedrigste

— grün — schwarz

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

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

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

©:0-@-€8 bindendes MO

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

8:0 —®

©

Knotenebene

antibindendes MO

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

18

1.4 Bindung durch Über-

antibindendes MO

H>

Abb.

1-9 Schematische

lappung von Atomorbitalen: Molekülorbitale

I} bindendes MO

Darstellung

der Kombination

von

zwei A. einfach

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

(wie im H3,)

zu zwei Molekülorbitalen

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

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

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

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

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

3s-Orbital.

Dies ist leicht zu verstehen, wenn

man

sich die

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

1 Struktur und Bindung organischer Moleküle Is

1s

2p

Is

2p

2p

2p

2p

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

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

in dem

es ober-

und

unterhalb

dieser

Achse

lokalisiert

ist

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

r-Bindungsanteil (Kapitel 11 und 13).

| Zeichnen

Sie ein Molekülorbital-

und Energieaufspaltungsdiagramm

der Bindung im

He; -Molekül. Ist es energetisch begünstigt?

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

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

Durch Linearkombination

von Atomorbitalen

eines Atoms

entstehen Hybridorbitale: Berylliumhydrid

1.5 Bindungen in komplizierten Molekülen: Hybridorbitale

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

mit zwei Elektronen

im 1s- und

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

-hsze

4

Energie

—

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

nicht

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

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

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

1s-Orbital des einen Wasserstoffatoms,

die andere

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

die Vor-

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

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

21

1 Struktur und Bindung organischer Moleküle

sp-Hybridisierung führt zu linearen Strukturen Ebenso durch

wie

sich

Atomorbitale

Linearkombination

verschiedener

in Molekülorbitale

Atome

mathematisch

überführen

lassen,

kann

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

Hybride,

die sogenannten sp-Orbitale,

die 50%

s- und 50%

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

Vorderlappen

Hinterlappen

f

Hybridisierung

—

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

Bindung

| 2

Berylliumhydrid

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

können

wir für Boran,

BH,,

Aluminiumtrimethyl,

Al(CH3;);,

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

Vorderlappen sp?

Vast

:

\

Hinterlappen

Hybridisierung —

120°

Borhydrid

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

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

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

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

doppelt besetzte sp’—p-Molekülorbitale. Das

BH;-Molekül

ist mit dem

Methyl-Kation,

CH3,

isoelektronisch,

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

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

Kohlenstoff hat die Elektro-

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

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

Methan

23

1 Struktur und Bindung organischer Moleküle

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

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

statt. Jedes Wasserstoffatom

im Methan

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

gebunden sein können, zustande.

1-16 Ausbildung der KohlenstoffKohlenstoff-Bindung im Ethan

durch Überlappung zweier sp’-Orbitale.

Ethan

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

2p-Orbital

z-Bindung

sp-Orbital Ethen

z-Bindung

z-Bindung

o-Bindung Ethin

Hybridorbitale können freie Elektronenpaare enthalten: Ammoniak und Wasser

1.5 Bindungen in komplizierten Molekülen: Hybridorbitale

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

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

untereinander,

der Winkel

zwischen

den

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

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

Realität

in den

Atomen

(„erst promoviert

der Kohlenstoff

ein

Elektron, danach hybridisiert er sich“) entsprechen. =

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

TUT

freies Elektronenpaar im

sp3-Orbital

freie Elektronen- —__, paare

\

104.5° Ammoniak

Wasser

25

TE

role

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

die ein Maß

dafür

ist, wie stark ein Atom

die bindenden

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

Polare Bindungen 54

43

A3’:B?

Be weniger elektronegativ

Obwohl

ein Dipol d ee o)

DR

ö’H:F:5

5°31:C1257

stärker elektronegativ

Fluorwasserstoff

Iodmonochlorid

H H:C:F:° H

das Molekül

Fluormethan

als ganzes nach außen hin neutral bleibt, besitzt

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

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

beträgt 5.8 x

10°” Cm,

das von

HCI

ist kleiner

(warum?),

es

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

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

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

Igva2

H He Li Be B C N oO F Ne

1315 2374 519 896 800 1089 1403 1315 1683 2085

2,102

5255 7302 1758 2428 2353

Element

ih, 102

Na Mg Al Si IE S Cl Br I

498 188 578 787 1013 1001 1256 1143 1009

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

Elektronenaffinität* in kJ/mol

H C O F cl Br I

9 —105 —142 —335 —348 —322 —297

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

Be 1.6

B 2.0

@& 2.6

N 3.0

oO 3.4

F 4.0

. Na 0.9

Mg 18

Al 1.6

Si 1.9

P DD

S 2.6

cl 32

K

Br

0.8

3.0

pn

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

Moleküle können polare Bindungen enthalten und trotzdem kein Dipolmoment haben DIOR

° 0::C::O [ ö @l:

See

Sl

221520:

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

27

1 Struktur und Bindung organischer Moleküle

; | RE

0 i ER ; OA .O, | B

er =0%

| BR } O5: 208 j c br:

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

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

lassen,

auch

wenn

jedem

Chemiker

bewußt

ist, daß sich hieraus

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

Darstellung des Verschiebens von Elektronenpaaren durch gebogene Pfeile

0:

-:0:

A| h eo oo

A

=

—

B

2:0:

e ®

Wie sieht nun die wahre Struktur des Carbonat-Ions

aus?

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

28

daß die wahre Struktur des Moleküls

in der Mitte zwischen

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

drei Resonanzformeln

A, B und

C, die man

auch

als Grenz-

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

bedeutet

das, daß es drei „Eltern“

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

& =)

O3

hat (A, B und C), die

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

H

le

|

Bet

9 O:

H—C—-C

nn

H

H

£ OÖ

SH = O—C

-

„.(DR

HL

OÖ

ON

E—E H

oder» .O .

H

3—

OÖ

Acetat-Ion (Ethanoat-Ion)

H

N

H

Er

LEER

H

Te

H Son

Fe

H

CR

H

H

H oder

er H

EA

H

Ct

H

kr €H H

Allyl-Kation (2-Propenyl-Kation)

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

freien Elektronenpaares am Stickstoffatom!)

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

29

1 Struktur und Bindung organischer Moleküle

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

Die beiden nichtäquivalenten Resonanzformeln des Enolat-Ions H

H

Hass

Bir

H

ET

H

H

RE

20%

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

3%)

ne SEE HO

Formaldehyd

u Iin=0: en stärkere

Beteiligung am Resonanzhybrid

ER N geringere Beteiligung am Resonanzhybrid

Eine derartige Erweiterung

:07 O2: n

3:

OH Be

HO

en 5

r OH

Schwefelsäure

erfordert, daß wir unsere

Begriffe von

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

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

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

30

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

1.3 Zusammensetzung, Struktur und Formeln organischer Moleküle

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

: fe)Sg

Iialı He

font

C=9=H

—>

HCZO-H geringere Beteiligung

stärkere U Beteiligung

-

Ameisensäure

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

H

u

Ec=0;

geringere Beteiligung

H

:’C=0O |

ee EZSNEN:

N

stärkere Beteiligung

|

stärkere Beteiligung

Az

So

Kohlenmonoxid

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

ne

Be

E-N=N: geringere Beteiligung

Diazomethan

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

(b) NO”.

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

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

Molekülen

verschafft

haben,

wollen

wir

sehen,

auf

welche

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

damit,

wie sich eine bekannte

Molekülstruktur

mit Hilfe

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

31

1 Struktur und Bindung organischer Moleküle

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

Substanz,

in der alle Elemente,

die bestimmt

werden

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

CH74:87%,0E12313%

Methan

CEh

C 7.81%; Cl 2.19%

Tetrachlormethan

CH,SH = CH,S

C 24.97%; H 8.38%; S 66.65 %

Methanthiol CH;CH3;CH;

=

C,H;

C Sl

o: H

18.29

%

Propan

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

daß uns jemand eine Probe eines unbekannten

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

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

= 6.25 mmol

und

1 m(H>0O) = n(H>0O) — 5 n(H) = MO)

=

225 mg IB.chnel =-12.5 12.5 mmol

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

Masse

der Probe), liegen keine weiteren

Elemente

vor, es

ergibt sich die empirische Formel CH;. Die tatsächliche Zusammenset32

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

CH,, z.B.

OH;,

GH);

sein. Die Summenformel

muß

mit

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

1.83 Zusammensetzung, Struktur und Formeln

organischer Moleküle

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

sind nicht

nachzuweisen,

die Masse

des enthaltenen

Sauer-

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

32.2420 12 g/mol

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

13.0877 34878 1 g/mol 16 g/mol

4.35 mol:13 mol:2.175 mol

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

nur

ganze

Atome

enthalten,

teilen

wir durch

den

kleinsten

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

ist, gibt es

Dimethylether, CH;OCH;,

zwei

Verbindungen

mit

diesen

Formeln:

und Ethanol, CH;CH>OH.

Ü Übung 1-10 Berechnen

Sie

das

Massenverhältnis

von

Kohlenstoff

und

Wasserstoff

in

Glucose

(s. Kap. 24).

Wie‘ ermittelt man

nun die Identität und die Konstitution

einer Verbindung? Ethanol und Dimethyl-

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

nicht

vollkommen

korrekt,

hier von

der

Struktur

zu

ether: zwei Isomere

HH

sprechen,

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

ER

a

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

HH

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

Ethanol

Eine

Möglichkeit,

zwischen

beiden

zu

unterscheiden,

ergibt sich auf-

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

Brechungsindex,

Dichte und so weiter.

(Sdp. 78.5°C) H

H

ee

So ist Ethanol

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

H

H

Dimethylether

(Sdp. —23°C)

33

1 Struktur und Bindung organischer Moleküle

von Wasserstoff und Natriumethoxid, dungen,

die

dieselbe

empirische

Dimethylether ist inert. Verbin-

Formel

besitzen,

sich

aber

in der

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

CyH)jo-

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

Zeichnen

von Strukturen und Formeln

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

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

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

34

Ethanol

Dimethylether

H

H

\ !

\ /

RS Er EN B7

ee

Hl

H

3

De

HH

Bee

So “

20

OH

Re

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

2c—H

Hi

Hp

a

2

c

B

A

H

. H

H

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

C. Ethan; D. Ethanol

und E. Dimethylether.

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

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

Beispiele von Kurzstrukturformeln

je

H—C—C—ÖH HH

entspricht CHSCHOH

ne CC, Ethen

Ethanol

a

H—C=C—Hentsprichtt

HC=CH

non H

Ethin

Cl... _

02,0,

Carbonat-Ion

utspricht CH2==CH;

|

Fand entspricht

I

CH3CCH;

H Aceton

entspricht

COs

Bo

entspricht

5

HCOH

Ameisensäure

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

35

1 Struktur und Bindung organischer Moleküle

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

ee

|

starke

Bas

2-

HEN

H Propin

Man

kann

zwei

Propin-Dianion

Resonanzformeln

schreiben,

die

der

Oktettregel

genügen.

a

Zeichnen Sie beide Formeln und kennzeichnen Sie die wichtigere!

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

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

stehen

2H 3r@

= =

D»xXT Elektron 3x4 Elektronen

= =

2-Elektronen 12 Elektronen

Ladung

=

-2

=

2 Elektronen

=

16 Elektronen

Summe

zur Verfügung?

Antwort

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

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

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

36

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

Verständnisübung

beginnen wieder rechts und erkennen schnell, daß die Wasserstoffatome

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

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

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

also insgesamt 5 Elektronen,

eines mehr als im freien Koh-

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

hat also eine Elektronenzahl

von 4 und ist demnach

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

Schritt zu.

5 Wir wenden

Kann

man

31a NOREE

uns nun der Frage nach den Resonanzformeln

Elektronenpaare

Oktettregel entsprechende

so verschieben,

Lewis-Formeln

daß

sich andere,

ergeben? Antwort

der

(Abschn.

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

= TORE

H

As

QEH


EICHErEe:H

Ra:

Nr

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

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

H H-Ö=C CH = H

H :c=C-C—H

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

Problem

konfrontiert,

sollte man

sich zunächst

die nötige

Zeit

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

b

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

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

Lösung

1 Struktur und Bindung organischer Moleküle

Sie können

das Orbital-Bild

recht einfach konstruieren,

indem

Sie die

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

kombinieren.

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

Wichtige Konzepte 1 Die organische Kohlenstoffs.

Chemie

ist die Chemie

des

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

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

gewichtetes Mittel (Hybrid) aus allen Lewis-For5

Unter

Kern

und

dem

Atomrumpf

die inneren

versteht

Elektronen,

man

die nicht

den an

Bindungen beteiligt sind.

meln beschreiben.

meln

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

Ion

oder

Molekül

in der

braucht (positives Vorzeichen) (negatives Vorzeichen).

38

Gasphase

oder

frei

Sind die Resonanzformeln

zur

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

besten

erfüllen und die relativen Elek-

tronegativitäten der Atome berücksichtigen, größten Beitrag zum Resonanzhybrid.

den

ver-

wird

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

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

ein Elektron

an diesem Punkt zu finden.

12

s-Orbitale

Gestalt,

haben

p-Orbitale

eine

sehen

kugelsymmetrische

wie

zwei

sich

berüh-

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

14

Bei der Überlappung von zwei Atomorbita-

len entsteht ein Molekülorbital.

Hat die Wellen-

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

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

funktion der miteinander überlappenden Orbitale

nen

dasselbe Vorzeichen, entsteht ein bindendes Orbi-

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

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

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

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

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

Atome,

die Summenformel

die Anzahl

der

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

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

(a) CIF

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

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

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

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

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

Resonanzformeln.

Identifizieren

Sie

diese

Moleküle,

und

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

39

1 Struktur und Bindung organischer Moleküle

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

(a) OCN° (b) CH,CHNH

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

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

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

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

(a) HOCH,

(b) H-COH

(©) :CH,

(d) NH,OH

CH;

H

(Ö) CH;—CH,=CH

(e) CH,—CH,-CH,

H

(h)

H,C=CH>

(i)

(8) MER.

H

Juno ul

ae

oo

() C=0=0O

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

(b) Bestimmen

Sie mit Hilfe der Regeln aus Abschn.

1.7 bei allen

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

beeinflußt

der Unterschied

der Reso-

in der Elektronegativität

zwi-

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

6

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

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

an H>C

“

en

CH,

oder

€

RA

* D ICH;

120° [2.2.2.]Propellan

40

160.pm ON _155 pm

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

Aufgaben

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

(a) CH;Cl

(6)

(b) CH;OH

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

H

(lineare Struktur) Ö

(d

®

|

BE 9

|

ER

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

(6)

a H

|

BIC

H

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

hängt von der Stabilität ihrer

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

Ordnen Sie sie nach zunehmender Säurestärke.

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

nicht

100%

ergibt, nehmen

Sie an, daß es sich beim

Rest

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

Überführen Sie die folgenden Kurzstrukturformeln in Strichformeln

(a) CH,CN (b)

(d) CHBrCHBr; HN

O

le (©) CH;CHOHCH;CH;

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

4

1 Struktur und Bindung organischer Moleküle

12

Überführen

Sie die folgenden

Keilstrichformeln

in Kurzstruktur-

formeln.

NE:

(b)

a u 2

Be

..

H

(©

H\_

>

NH>

3709:

HL

Mn

cr

i

MW

a: Br

13 Überführen formeln.

Sie die folgenden

Kurzstrukturformeln

in Keilstrich-

a

H—C—N—C—H

Me FH

2

Eh Ho

®)

A

CN Are [a2 0)

Js

NH ”

HH

up: H

=

Dr

el

H

H (

2

O—H

H—S—C—

H

Be Eiyın

nn

HR

REN

0)

SR

H\

pi ii c=C

RE T H

H

6)

ah 14

c—H

Überführen Sie die folgenden Formeln in Keilstrichformeln.

(b) CHCH,

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

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

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

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

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

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

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

42

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

Bestandteil

4

H

einiger oraler

Aufgaben

CH

C

HRS CH Be

ie

CH

me Ir

Ze, wer

2

Se

CH

2%

=

Se

CH a

ae

CH, EN CH; Sch Sch; Lynestrenol

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

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

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

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

Je mehr

Sie

sich

der

Terminologie

des

Lernstoffs

bedienen,

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

eigenen Kopf durchdenken

würden.

„Ihr wißt schon, was ich

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

Indem

Sie von anderen

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

Betrachten Sie die folgende Reaktion: H OÖ

10) CH;CH>CH>CCH3

ar HCN

m

CH;CH>CH>CCH3

& N A

(a) Zeichnen

Sie

diese

B

Kurzformeln

als Lewis-Formeln.

Welche

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

43

1 Struktur und Bindung organischer Moleküle

(ec) Betrachten

Sie

die

Verbindungen

der

Reaktion

unter

dem

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

Reaktion

ist in Wirklichkeit

ein Zweistufenprozeß:

dem

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

Alkane: Moleküle ohne

funktionelle Gruppen

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

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

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

enthalten,

wie Methan,

Ethan

und Propan,

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

2 Alkane: Moleküle ohne funktionelle Gruppen

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

Ne ER

CH4

CH SCHI

Methan

Ethan

ES

ICH

CH,

ne Ch, H, Cyclohexan

Propan

Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene und Alkine

H CH,=CH>

u

a

HOCH

CH; —C=CH

Ethin (Acetylen)

Propin

CH3 Ethen (Ethylen)

Propen

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

Aromatische Verbindungen

H

4 ® ena

Be Ei

A

WRITER

H

H

=

L C EnFRE a

Be

er

’

H

H

Benzol

Methylbenzol

H

Nu

(Toluol)

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

gen. 46

Schmieröle,

Paraffine und andere nützliche Verbindun-

Viele funktionelle Gruppen enthalten polare Bindungen

2.1

Funktionelle Gruppen: Zentren der Reaktivität

Polare

Bindungen

bestimmen

das Verhalten

erinnere sich, daß die Polarität ihre Ursache

vieler Stoffklassen. in den Unterschieden

Man der

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

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

benutzt, um

den Kohlenwasserstoff-Teil

des

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

Halogenalkane CH;Cl

Alkohole

CH;CH;Cl

Chlormethan Chlorethan (Methylchlorid) (Ethylchlorid) (Alkylierungsmittel)

CH;0OH

CH;CH;,0OH

Methanol (Holzgeist)

Ethanol („Normaler“ Alkohol, Spiritus)

Ether

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

Ethoxyethan (Diethylether) (Inhalationsanästheticum)

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

Aldehyde

Ketone

\ HCH

CH; CH

oder

CH;CHO

CH;CCH3

CH;CH>CCH3

Methanal

Ethanal

Propanon

Butanon

(Formaldehyd)

(Acetaldehyd)

(Aceton)

(Ethylmethylketon)

(Desinfektionsmittel)

(Hypnoticum)

(häufig verwendete Lösemittel)

Carbonsäuren

|

HCOH oder HCOOH Methansäure (Ameisensäure) (stark reizend)

|

CH;COH oder

CH3 COOH

Ethansäure (Essigsäure) (Bestandteil des Essigs)

47

Tabelle 2-1 Häufig vorkommende funktionelle Gruppen Verbindungsklasse

allgemeine Formel

Alkane

R—H

funktionelle Gruppe

keine

Beispiel

CH;CH,CH3,CH, Butan

Halogenalkane

RNAX

= BCl, Br,D)

ex

CH,CH,- 1 Iodethan

Alkohole

R—OH

|

=z0H

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

Ether

CH3CH>— O—CH3

—0-

OR

R

Methoxyethan (Ethylmethylether)

Thiole

RsSH

— SH

CH3CH>— SH

Ethanthiol

Alkene

(H)R

Eeu

N

7

\

a)

ER

a

R(H)

CH3

a7

2-Methylpropen (ER

C=Z@ZEREN

ne =C—

CH3 C=CCH3

Alkine

i 2-Butin

_ (H)R

aromatische Verbindungen

C

| R(H)

N

vr 34 ee (H)R

|

VE

a

(6

(@

SEN

1

se

C

C

R(H)

Be nr HC

Ne

CH

H

R(H)

Methylbenzol (Toluol)

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

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

Amine

Thiol

H CH3NH3 Methanamin

ee

oder (CH3)>;NH

N-Methylmethanamin

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

CH3SH Methanthiol (scheiden wir nach dem Verzehr von

Spargel aus)

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

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

Tabelle 2-1 (Fortsetzung) Verbindungsklasse

allgemeine Formel

funktionelle Gruppe

OÖ

O

|

Aldehyde

Beispiel

RA

=

|

|

e—H

CH3CH>CH Propanal

[0]

Ketone

O

|

|

R—C—R'

|

——

CH3CH>CCH>CH3 3-Pentanon

Carbonsäuren

|

KALN-R

—C—-OH

CH3CH>COH Propansäure

Ö Anhydride

(6)

|

R—-C—O

|

CR

(H)

—_

|

|

oe

CH3CH>COCCH>CH3 Propansäureanhydrid

E

n

l

(HR-C-O—R’

FE

|

ga

CH3COCH3 Methylethanoat (Essigsäuremethylester)

Amide

(6) RC

|

Nitrile

I NER

SH)

|

er

CH3CH>CH>CNH>

R” (H)

Butanamid

RNEeN

—C=N

CH3C=N Ethannitril (Acetonitril)

Amine

# me

R—N—R’

(CH3)3N

IR

N,N-Dimethylmethanamı

(Trimethylamin)

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

Kohlenwasserstoffe,

die nur

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

unverzweigtes Alkan

Cycloalkan

bieyclisches Alkan CH;

CHz | BACH

CH3

CH>—CH>—CH>—CH 3 ee PA LRART)

3

CH;—C—H Sa |

CH; Butan, C,H,o

2-Methylpropan, ers C,H,o

CH,—CH 2773, |

|

2

CH>—CH3>

Cyclobutan, C,H;

BL

a

Ion,

we HL. CH»

Bicyclo[2.2.2Jjoctan, C,H,,

sobutan

49

2 Alkane: Moleküle ohne funktionelle Gruppen

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

C.Han+2

CH; — (CH;)„.ı—H

H-(CH;)„—H

(diese Formel gilt für alle Typen von nichtcyclischen Alkanen)

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

die sich auf diese Weise

eins aus dem

anderen

allein durch

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

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

Hexane,

C,H},

neun

Heptane,

C,H,.,

und

achtzehn

Octane,

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

CH3 CH; —CH,

CH; —CH; —CH;

CH3

CH = cheat

Ba.

=3

IE}

C,H», +> Isomere

n

Pentan

Methylbutan

Dimethylpropan (Neopentan)

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

Kohlenstoffatome kJ DDHkr mo

oo m UuPpPODDND NA

\o

50

9 18 35 75 4347 366319

stoffatomen

n

untereinander und mit 2n + 2 umgebenden Wasser-

zu verbinden,

mit der Größe

von

n außerordentlich

stark

an.

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

2.3 Die systematische Nomenklatur der Alkane

2.3

Die systematische

Nomenklatur der Alkane

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

Schmelzpunkt,

chemische

Reaktionen)

in einem

organischen

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

Verbindungen,

die jedes Jahr entdeckt

wurden,

immer

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

andere nach dem Ort, an dem sie entdeckt

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

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

1.1), ein würfelförmiger

Kohlenwasserstoff,

„Basketan“,

ein

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

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

liegt in den

Händen

der

„International

Union

of Pure

and

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

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

aber

alle

enden

auf

-an.

Es

ist sehr

wichtig,

Tabelle

2-3

im

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

Primäre Alkylgruppen

CH3— Methyl

(Ha

CH5— Ethyl

CH

CH,

CH

=

Propyl

sl

2 Alkane: Moleküle ohne

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

funktionelle Gruppen n

Name

Formel

Sdp. G

Smp. ne

Dichte bei 20°C in g/ml

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

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

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

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

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

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

14

Tetradecan

CH;(CH3>) CH;

25397

5.9

0.7628

15 16 17 18 19 20

Pentadecan Hexadecan Heptadecan Octadecan Nonadecan Eicosan

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

270.6 287 301.8 316.1 329.7 343

10 18.2 22 28.2 32 36.8

0.7685 0.7733 0.7780 0.7768 0.7855 0.7886

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

CH;

CH3

|

| rn) (GHI);-FCH3

re

(CH)

Hl

CH;

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

‘ein Neoalkan

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

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

Tabelle 2-4 Verzweigte Alkylgruppen abgeleitet von

Bezeichnung

1-Methylethyl

Propan

sekundär

2-Methylpropyl

2-Methylpropan (Isobutan)

primär

sec-Butyl

1-Methylpropyl

Butan

sekundär

tert-Butyl

1,1-Dimethylethyl

2-Methylpropan

tertiär

Trivialname

Struktur

systematischer Name

Isopropyl

CH; — C— CH, — Isobutyl

| H

H | Parer

ie CH;

©

cH,

—

EC —

|

(Isobutan)

CH;

ja CH, — Y—CH>— Neopentyl CH;

52

2,2-Dimethylpropyl

2,2-Dimethylpropan (Neopentan)

primär

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

2.3

Die systematische

Nomenklatur der Alkane

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

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

AN

CH3

_ tertiär

De y

sekundär

a

primär

=)

Übung 2-3 Kennzeichnen

©

2-Methylpentan (Isohexan).

Sie

die

primären,

sekundären

und

tertiären

Wasserstoffatome

im

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

sein können,

daß schwer

herauszufinden

ist, welche

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

Methyl

ch;

CHSCH>CH

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

CH>CH

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

CH>CH3>CH>CH3

CH;CHCH>CH>CHCH

„CH3

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

CH3

ee, CH „CH;

CH3

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

53

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

2 Alkane: Moleküle ohne

funktionelle Gruppen

nahme von Wasserstoff natürlich —, bezeichnet man als Substituenten.

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

CH;

CH;

wer

nichtt

CH3

CH3CHCHCHCHCH3>CH3

I

CH3

wir uns

1%

u

5

CH3

CH3

4 Substituenten ein Heptan

Bevor

CH;

3 Substituenten ein Heptan

mit Regel 2 befassen,

wollen

wir eine weitere,

noch

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

| ein Methylbutan

De x

OBER

ein Methylhexan

>. “

Ethyl

ASWETST.

u

ein Ethylmethyldecan

ein Ethylmethyloctan

Bei der folgenden Diskussion verwenden wir beide Formeltypen.

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

Kette

des

Substituenten,

danach

benennen

wir

alle

gebundenen

Gruppen und gehen darauf zu Regel 3 über. Regel

3 Numerieren

Sie die Kohlenstoffatome

der längsten Kette von

dem Ende her, das einem Substituenten am nächsten ist.

ge

CH3CHCH3>CH3 |

23

l

h

4

hicht! 47 Ba n2 er]

nicht 12H

BA

7 BR

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

Der Substituent, dessen Anfangsbuchstabe eher im Alphabet kommt, ist

an das Kohlenstoffatom mit der niedrigeren Nummer gebunden.

CH;CH3»

2.3

Die systematische

Nomenklatur der Alkane

CH3

| CH3CH>CHCH>CH>CHCH;CH3 1

2

RrASzmeser,

8

17

15

13

11

Ethyl vor Methyl

9

7

Butyl vor Propyl

In einer Seitenkette

ıst das Kohlenstoffatom

mit der Nummer

eins

immer dasjenige, das an die Hauptkette gebunden ist. 9

8

7

6

5

4

3

2

l

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

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

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

ar

CH3

CH;CHCHCH3

na

|

CH; 2,3-Dimethylbutan

CH;

CH3

|

|

|

22.118

Th 1008

8

TOR 7

CH>CH; er

CH3 3- Ethyl-2-methylpentan

wa

3

4,5-Diethyl-3,6-dimethyldecan

substituierten Kohlenstoffatome

ET

6

Methylbutan

Bezifferung der

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

Bey

CH;CHCH>CH3

7

es

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

CH3

CHz

6

Fund 9 erh) 1

3,5,10-Trimethyldodecan

3,3

und 10 (richtig; 5 kleiner

u

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

benutzen.

Um

Zweifelsfälle

komplizierteren Substituentennamen ben.

auszuschließen,

werden

gewöhnlich in Klammern

diese

angege-

55

2 Alkane: Moleküle ohne funktionelle Gruppen

die komplexe Alkylgruppe

CH3

der erste Substituent

ist mit Kohlenstoff 1 an das Stammalkan gebunden \

es

2

an Position 2 legt die Numerierung fest

|

CH;CH

|

3

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

|

x 9)

Die längste Kette mit der größten Zahl von Substituenten

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

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

der eben behandelten acht verzweigten Alkane auf, schließen

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

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

2.4 Struktur und physikalische Eigenschaften der Alkane Wie sehen nun

die dreidimensionalen

Strukturen

der Alkane

aus, und

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

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

56

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

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

dadurch

zustande,

von Kohlenstoffatomen

daß

im Molekül

die Alkane

mit ungerader

Anzahl

einen etwas niedrigeren Schmelz-

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

ter gepackt sind. Auf der anderen Dichte gleichmäßig zu.

Seite nehmen

die Werte

für die

jehisd.

Ehıe

Abb. 2-2 Keilstrichformeln

der

Alkane Methan bis Pentan.

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

in Temperatur °C

Tuw/3 3.07 ur Pq ya

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

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

die

wiederum

Coulombscher

Natur

sind,

an

(s.

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

*

Johannes

D.

van

der

Waals

(1837-1923),

Professor

an

der

Universität

Amsterdam

(Niederlande), Nobelpreis für Physik 1910.

Ss

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

(-acetat).

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

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

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

Moleküls

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

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

und Verbindungen?

Die Antwort ist, daß man Ener-

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

verantwortlich

sind,

überwunden

werden.

In einer

ionischen

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

58

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

Beispielsweise schmilzt 2,2,3,3-Tetramethylbutan

wegen seiner

2.5

Rotation um

Einfachbindungen: Konformationen

2,2,3,3-Tetramethylbutan

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

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

In diesem Abschnitt wollen wir die Kräfte, die inner-

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

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

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

aneinander

vorbei

zu

bewegen,

die Rotationsbarriere,

12.6

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

59

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

N

H

cHc-H ee

Hd

Sa

H

H

H

> 2 er

ee) I

A

H

j

B

C

zweiten liegt. Der zweite Extremfall

ergibt sich aus dem

A

2

Q

ersten, indem

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

Formen

des Ethans

(und, wie wir sehen,

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

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

indem

Sie das Molekül

„aus der Papierebene

drehen“

und

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

Konformationen

besser

sichtbar

zu machen,

zeichnet

man

etwas aus der genauen verdeckten Position herausgedreht.

Blick-

H

Dig het

H IN

ZI —>

NT

H

strichformel (A) in eine NewmanProjektion (C).

SR

IR

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

HomuSE

lenstoffatoms um jeweils 60° über.

*

H

H

— H C

B HH

H

=

H

H

De

A H

60

—

HH

Abb. 2-6 Überführung einer Keil-

H

H

H

H

60°

ee

H

eg

na

NOBRSLL,

H

H

H

H gestaffelt

verdeckt

H gestaffelt

(staggered)

(eclipsed)

(staggered)

Professor Melvin S. Newman,

1908-1993, Ohio State University (USA).

sie

2.6 Diagramme der potentiellen Energie Wie bereits erwähnt,

die Methylgruppen

ist etwa

12.6 kJ/mol an Energie erforderlich,

im Ethan zu drehen.

Wie kann man

2.6 Diagramme der potentiellen Energie

um

sich das er-

klären?

Die Rotamere des Ethans haben

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

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

Maxima können als Übergangs-

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

HH

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

HH

E, = 12.6 kJ/mol

0

60

120

180

240

300

360

Drehwinkel in °

61

2 Alkane: Moleküle ohne funktionelle Gruppen

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

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

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

stellen

sie die Maxima

im Energiediagramm

dar.

Diese

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

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

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

„freie Drehbarkeit“

der Ethanmoleküle.

Bei höheren Tempera-

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

Fe

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

der Anzahl Moleküle E

kinetische Energie (Geschwindigkeit der Moleküle) —> *

62

Ludwig Boltzmann,

1844-1906, Professor an der Universität Wien.

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

2.7

Rotation in substituierten Ethanen

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

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

daß zwei Teile des Moleküls

den gleichen

Raumbe-

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

H CH3

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

H CH3

H CH3

E, = 14.2 kJ/mol

HzC H

H

H

H

H

H

H { 0

60

je 120

ER 180

Be 240

_

Abe

L

300

360

Drehwinkel in °

63

I

H CH3

H;C

CH3

HC en ee

he

Btc,

H

gauche

anti

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

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

Übergangszustand,

ie

der gesamte

Effekt

beim

Einführen

einer Methyl-

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

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

betrachten,

sehen Sie, daß es bei diesem Mole-

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

Um

dieses

Konformer

vom

anderen

zu unterscheiden,

bezeichnet

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

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

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

betei-

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

2.7

H CHa

Rotation in substituierten Ethanen

H CH3

E,, = 15.9 kJ/mol

0

60

120

180

300

360

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

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

H H

CH;

CH, Beh N ET

Hs

1 EN H

ch,

CH;

CH ch: San er CH;

„drei gauche-Wechselwirkungen: weniger stabil

zwei gauche-Wechselwirkungen: stabiler

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

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

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

2,2,4-Trimethylpentan

nn

u

H;C

CH3

H

H H

weniger stabil

SE, a

ER

65

2 Alkane: Moleküle ohne funktionelle Gruppen

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

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

Reaktionen.

Diese sind ein Maß

dafür, wo sich

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

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

als kinetisch

kontrolliert

Reaktionen,

deren

Aktivierungs-

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

Gleichgewichte werden durch die Thermodynamik chemischer Umsetzungen bestimmt Alle chemischen

Reaktionen

sind reversibel, und Reaktanten

und Pro-

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

von

Reaktanten

und

Produkten

nicht

mehr

ändern,

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

66

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

2.8

Kinetik und

Thermodynamik der Konformationsisomerie und einfacher Reaktionen

Typische chemische Gleichgewichte

K

2

A=B K

[B]

= m

[Al

Auh CıD

R=-

[C] ID] [A] IB]

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

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

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

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

bei 25°C

und bei

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

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

Josiah Willard Gibbs,

1839-1903,

Professor an der Yale University,

New

Haven,

Con-

necticut, USA.

**

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

Uppsala, benannt.

67

2 Alkane: Moleküle ohne funktionelle Gruppen

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

0.01 0.10 0.33 l 2 3 4 5 10 100

1000 10.000

A=B; K = [BJ[A]

ng (— =:=) 100

nA (- 7 =) 100

AG? (a)

0.99 9.1 25 50 67 75 80 83 90.9

99.0 90.9 75 50 33 25 20 17 9.1

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

99.0

0.99

— 11.43

99.9 99.99

0.1 0.01

=D — 22.86

Pe; bei255@

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

/Summe Bindungsenergien \ _ AH® neu geknüpfter Bindungen )

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

Aufbrechen

der

alten

erforderlich,

bekommt

AH”

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

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

CH, + 2 0, — > CO, + 2 H,O(fl)

AH” = —892 kJ/mol

Dieser Prozeß ist deshalb exotherm, weil die Bindungsstärken

in den

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

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

Ethen (Ethylen)

68

Propen

AH?

|

AS’

= +139.4

+93.8 KJ/mol JK mol

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

2.8

Kinetik und

Thermodynamik der Konformationsisomerie und einfacher Reaktionen

Übung 2-8

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

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

CH,=CH, + HCI—

CH;CH;Cl

AH” |= -64.9 kJ/mol ASP = -130 YK-mol

Übung 2-9

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

warum

bei einer Reaktion,

bei der sich zwei Moleküle

zu einem

vereini-

gen, die Entropieänderung stark negativ ist.

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

damit

es zum

Bindungsbruch

kommt.

Der

Punkt,

an

dem

die

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

69

E, ist groß

E, ist klein

gauche-Butan

AH® = 3.8 kJ/mol

AH°® = — 892 kJ/mol

anti-Butan

CO, +2 H0 Reaktionskoordinate

Reaktionskoordinate B

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

Die Konzentration

von Reaktanten

kann

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

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

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

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

©

Übung 2-10

" | = ©

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

2.8

Kinetik und

Thermodynamik der Konformationsisomerie und einfacher Reaktionen

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

ABER,

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

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

+ HCI (die

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

Übung 2-12

©

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

JK mol).

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

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

Svante

Arrhenius,

1859-1927,

Professor

am

Technischen

Institut in Stockholm.

Nobel-

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

71

2 Alkane: Moleküle ohne

funktionelle Gruppen

Hiermit ist unsere kurze Wiederholung der einfachen thermodynami-

nach denen organische Prozesse

schen und kinetischen Beziehungen,

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

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

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

von

der Konzentration

der Reaktanten,

der Aktivie-

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

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

Die Stärken von Säuren und Basen werden durch

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

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

Na’CH;O”,

ist ein Beispiel

für eine Base. H

CHz0:"Na* + HOH —= CHzOH + Na* + ":ÖH

CHE HOME H HydroniumIon

HydroxidIon

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

72

Ei H,O

——

H;0*

+

OH °

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

RA

2.9 Säuren und Basen: Ein kurzer Rückblick

H.O2] OH] > 10, mol,

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

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

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

+

H,O

K =

H;07

+

A”

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

[H30* ][A]

x = HAIIR;0]

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

in eine

neue

Konstante

K,, die Aciditätskonstante,

Kı = K[H5O] = E,.07133] BA

miteinbezo-

moVL

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

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

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

der konstanten

H,O-Konzentration

En OH-][HA] TE Re

in die Kon-

molL

73

2 Alkane: Moleküle ohne funktionelle Gruppen

Tabelle 2-6 pK,-Werte häufig vorkommender

Säuren bei 25°C

Name

Säure

pK,

Iodwasserstoff Bromwasserstoff Chlorwasserstoff Schwefelsäure

HI HBr HCl H,SO,

—i) a) nl, 72.

Hydronium-Ion

H;O*

le

Methansulfonsäure Fluorwasserstoff

CH;SO;H HF

—

Essigsäure

CH;COOH

Cyanwasserstoff Methanthiol Methanol

HCN CH3;SH CH;OH

Wasser

H,O

Ammoniak Methan

NH; CHy

a

2, 3.2

4.7 O2 10.0 153 1SW7.

35 -50

Erste Dissoziationsstufe

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

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

tion miteinander verknüpft:

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

14

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

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

Wir können

die relative Stärke von Säuren und Basen

vorhersagen Gibt es nun Strukturmerkmale,

die es erlauben, zumindest qualitativ die

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

Dies

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

2.9 Säuren und Basen: Ein kurzer Rückblick

Resonanz erhöht die Acidität von

Essigsäure

CHHO—H+H,0 =

CH;—0:” + H;0*

schwächere Säure

stärkere Base

= N.

‘ 1.

CH;C—O—H +H,0. =

a ?:

|CH5C—0:7 CHsC=0O| + H,0*

stärkere Säure

schwächere Base

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

sich bei diesen

Verbindungen

„valenzerweiterte“

Lewis-Formeln

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

ei

ee ..

2

..

”

one

..

os

..

:O0:

..

KOST

Äen

we I

..

..

20%

..

:O:

Hydrogensulfat-Ion

:0:°

303

ae: Con

on

O8

I

h

wer Be

20:7

:0:

R

aar::

_— nn

0:

>

etc.

:O:

Methansulfonat-Ion

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

Wasser

ist das

bekannteste

Beispiel

für ein solches

Verhalten,

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

a

150

NO;

Ir H350*

Salpetersäure als Base H,SO, zn HNO;

—

HSO,

I HNO;

*

75

2 Alkane: Moleküle ohne funktionelle Gruppen

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

Lewis-Säuren

+ CHEGCO>HZ—

Brise:

und Lewis-Basen

CH;CO,H;,*

bilden Addukte

mit einem

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

H(X) |

H*

H(R) |

B—H(X)

MgX2, AIX,, viele

"C—H(R)

| H(X)

Übergangsmetall-

halogenide

H(R) Lewis-Basen

=:ÖHR)

:0—HR)

:S—HR)

H(R)

H(R)

H(R) :N—HR) H(R)

H(R) :P—H@) H(R)

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

ehr

ic

H* + t0—H — cl

CH;

st en + a Cl

\

| MER

H—-0—H Bayer:

—o

oe CI—AlI—N-CH;z

CH EN

PB N Aa CH,CH;

CO

|

SCHE ..

2, PISpHElCH,cH, F CH;CH;

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

HC A —H'+!A

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

76

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

CH;

Seureja 169

ee

Verständnisübung

CH;

iR

|

us Man

CH;

CH3

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

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

gl

CH;

H

CH,

nee “+ N

CH;

&uH

un]

? =

H.

CH;

CH.

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

Verständnisübung Betrachten Sie das am Rand gezeigte Molekül.

a

Benennen Sie es entsprechend der IUPAC-Nomenklatur.

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

2 Alkane: Moleküle ohne funktionelle Gruppen

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

4

Schreiben

Sie den

Namen

des Alkans,

indem

Sie zunächst

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

vorhanden

ist; diese Vorsilbe wird daher bei der Ordnung

der

Substituenten nicht berücksichtigt!)

2

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

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

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

richtet sich auf die C6-C7-Bindung:

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

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

OH

darin, daß wir nicht die genaue

Differenz

zwischen

Energiema-

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

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

Alkohol I

des Kohlenstoffatoms,

an dem die OH-Gruppe

gebunden ist (primär,

sekundär, tertiär). Charakterisieren Sie die dargestellten Alkohole!

Lösung Im Alkohol

OH Alkohol 2

78

gebunden.

1 ist die OH-Gruppe

Alkohol

an ein primäres

1 ist somit ein primärer Alkohol.

Kohlenstoffatom

Analog ergibt

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

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

Verständnisübung

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

OH

07

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

Alkohol 1

+

konjugierte Base von Alkohol2

(stärkere Säure)

Das

(stärkere Base)

Gleichgewicht

schwächeren

konjugierte Base von Alkohol 1

=

liegt auf der rechten

Säure-Base-Paars.

Erinnern

+

(schwächere Base)

Seite,

auf der Seite

(schwächere Säure)

des

wir uns, daß für eine thermo-

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

der TUPAC-

Nomenklatur.

(b)

CHACHSCHCH,

@)

CH;

HI

d

CH>

CH3CHCH>CH>CCH>CH>CH>CH3

CH

N

CH,

(0)

|

CHACHAÜCHACH;

CH3CHCH;

CH3

DE

CHAeH

Par CH e 02

CH;

0-01,CH5CH,CHLCH:

CH> CH2 CH; CH;

CH;

CH—CH3

(e)

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

3)»

CH; a

(f)

(8)

>

a

(h)

a

N

a

ee

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

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

nicht, finden Sie den richtigen Namen

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

des Moleküls.

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

Zeichnen und benennen Sie alle möglichen Isomere der Formel CH3,

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

und tertiären

Kohlen-

(a) Ethan

(ce) 2-Methylbutan

(b) Pentan

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

81

2 Alkane: Moleküle ohne

7

funktionelle Gruppen

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

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

(a)

CH;

CHz (b)

(d)

EN CH,—CH3

en.

CH3

(e)

CH3>—CH—-CH>— (©) CH5

CH3—CH3>

CHE

CH;

en

en

CH

CH

ER

BARREE SS) (K)

MET

CH;—CH3> ade

ee

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

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

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

für die folgenden

Moleküle

in der

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

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

C3— C4-Bindung.

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

in Teil (b) und geben Sie an, welche

die

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

4

OÖ

Pe

|

. En

O CH3

N

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

|

a OH 2,3-Dihydroxypropanal (Glycerinaldehyd)

En

In

NH;

HC

CH

| ne

eG H

Benzaldehyd (in Fruchtkernen und -steinen)

82

ae

O Cystein (in Proteinen)

C——CH—C

al Y OÖ

PEN CH

4

Chrysanthenon (in Chrysanthemen)

zen

N

CH;

1 Ze

CH3 / CH;

|

_CH

a CH

CH

At

ee ” ü

ch

Aufgaben

N "Sch |

CH

CH;

a CH | €N

CH

CH VRR >

ch,

De

CH \

CHE

I CH»

noch

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

Cineol

Limonen

Heliotridan

Matricarianol

(aus Eukalyptus)

(in Zitronen)

(ein Alkaloid)

(aus Kamillen)

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

sch a a adenOU ı CH;

B|a

CH; |

CH

SEEN ee

a

Nr

l

aan

ensge a CHs-

|

|

|

Es

Br” |

CH>

nn

wi |

N!

NH>—CH—CO>H

NH>—CH—CO;H

Valin (eine Aminosäure)

Leuein (eine andere Aminosäure)

KERRRSTE

|

Le)

ı CH3

|

CH; ı

CH

Pa

Bee

|

Bi

NH; —CH—CO;H

E

Isoleucin (noch eine Aminosäure)

EE

=

ee N. ı HC

gr CH; |

]

CH;||

CH>

|CH>—-CH

| |

|

CH; !

a ee

J

Cholesterin (ein Steroid)

HO

BITTE

ao

engear

1 |

|

we

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

Vitamin E

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

AS"

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

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

83

2 Alkane: Moleküle ohne

15

funktionelle Gruppen

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

Der Kohlenwasserstoff Propen

(CH; —CH=CH;,) kann auf zwei ver-

Br

Br

— CE

—er

|

(i)

(i)

CH;

—CH==CH3>

rn Br> Sec

CH3>—CH=CH> + Br, —

@HE

ze,

202 + HBr

Br

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

Bindung

durchschnittliche Stärke in kJ/mol

ee CE

348 611

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

CH

415

tur (25°C) und bei 600°C.

ER a

n nn

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

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

16

Berechnen Sie mit Hilfe der Arrhenius-Gleichung, welchen Einfluß

eine Temperaturerhöhung

um

10K, 30K und 50K

auf K hat, wenn

die

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

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

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

(a) CN

(b) CH,OH

(0) (CH),CH*

(d) MeBr,

(e) CH;BH;

(N

CH;S

Gruppenübung

Aufgaben

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

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

als auch von der Iodid-Ionen-Konzentration ab.

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

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

Sie beide

Reaktionen

unter Verwendung

der Kurz-

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

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

Reaktionsverläufen,

welcher

am

besten

den experi-

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

85

-

u =

Be

a

{

BE

eh a»

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To

Die Reaktionen der Alkane Bindungsdissoziationsenergien, radikalische Halogenierung und relative Reaktivität

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

von

Wasser

und unter Luftausschluß

entstanden,

ein Pro-

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

kleinerer

molarer

Masse

—

Methan,

Ethan,

Propan

und

Butan

-

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

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

3 Die Reaktionen der Alkane

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

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

H-+H-——H-H

AH” = —435 kJ/mol

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

H-H—>H-+H-

Homolytische Spaltung

A—B

|

A-++B Radikale

Ch. Chloratom

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

N Ha

AH®= DH® = 435 kJ/mol

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

'

NET

«DM

-

Ionen

©—H

Methylradikal

+

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

H;C I -

H Ethylradikal

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

B A

H

F

cl

Br

I

OH

NH;

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

435 440 410 410 395.7 389

565 460 448 448 444 460

431 356 335 339 339 339

364 297 285 285 285 280

297 239 222 222 222 218

498 389 385 381 385 389

448 335 322 326° 389 389

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

88

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

3.1

Die Stärke der Bindungen in Alkanen: Radikale

Übung 3-1 Berechnen

Sie die Bindungsstärken

von

CH;—F,

CH;—OH

und CH;—NH,.

Warum

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

Die Stabilität der entstehenden Radikale bestimmt die

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

C-H-Bindung be ist

nn

CH,—

CH; +H-

R-H—>R-+H:

ieichter

DH? =440 kJ/mol

Roprimär

: DH = 410 kJ/mol

R sekundär : DH® = 395.7 kJ/mol

zu

R tertär

brechen

: DH? = 389 kJ/mol

Er

ee

eD1lde-

A stabuler

Tabelle 3-2 Dissoziationsenergien einiger Alkane

Verbindung

DH® kJ/mol

Verbindung

DH" kJ/mol

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

440 410 410 410 395.7 389

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

377 360 364 343 360 352

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

301

Vgl. Fußnote von Tab. 3-1

89

H- + CH>CHJCHR;

3 Die Reaktionen der Alkane

14.6 kKJ/mol H- + CH3CHCHR>

6.3 KJ/mol

409.6 kJ/mol

H- + CH3CH3CR,

395.0 kJ/mol 388.7 kJ/mol

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

eh

und tertiären Radika-

Ro

ee

H

len des Alkans CH;CH>CHR..

CHE

H

H

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

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

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

4 In welcher w propan?

Reihenfolge

brechen

die C—C-Bindungen

in Ethan

und

2,2-Dimethyl-

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

3.2 Struktur von Alkylradıkalen: Hyperkonjugation Um

die Frage, warum

sind, beantworten

zu

einige Typen von Radikalen stabiler als andere können,

müssen

wir uns

als erstes

die Struktur

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

%

7

H5 EC,

—;

e =

H

re

Ca—Hı5

nicht

a

H nahezu eben

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

Ethylradikal

1-Methylethylradikal

1,1-Dimethylethylradikal

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

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

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

Energieänderung: +AE |AE

ME

DER mama:

ie p-Orbital

| AE Energieänderung: —2AE

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

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

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

2

3

4

C-2-, C-3-Spaltung

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

CH3+

+

»CH>CH>CH>CH3>CH3

CH3CH3> : + - CH3zCH>CH>CH3

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

“r -CH>CH>CH3

Beispiele für Rekombination von Radikalen:

CHz-

at -CH;CH3

Se

CH>CH>CH3

Propan

CH3CH>CH>CH3>CH; » +

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

Beispiele für Wasserstoffabspaltungen:

| CH3CH3 - + CH3SCH—CHz

ER rsgagser

CH>CH3

Ethan

IE CH;CH=CH;

Propen

H

|

CH;CH; * + CH5CH>CH; * —>

H

|

CH>=Ch;

Ethen

92

+ CH;CH>CH>

Propan

. Kasten 3-1

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

chemische

Gleichgewicht

erreicht

wird,

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

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

Abb. 3-5 Unterschied

Reaktionskoordinate

——— >

in der Akti-

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

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

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

Dodecan Zeolith

482°C | 2 min

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

drei bis sechs Kohlenstoffatomen.

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

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

93

Tabelle 3-3 Produktverteilung bei einer typischen Rohöldestillation

3 Die Reaktionen der Alkane

Menge (in %

Sdp.

Kohlenstoff-

Volumenanteil

ne

atome

400

>Cs

Rückständsöle, Paraffinwachse,

Asphalt (Teer) *

Hiermit

bezeichnet

man

direkt

aus

Erdöl

destilliertes

Benzin,

das nicht vorbehandelt

wurde.

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

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

Kasten 3-2

Erdöl und quellen

Benzin

sind

unsere

Hauptenergie-

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

belief sich

1993

auf 24.0

x

10° t,

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

94

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

andererseits

Wasserkraft,

Solar- und

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

die der von von Ab-

sator vergiften können, in leicht abtrennbares Ammoniak, Schwefelwasserstoff,

H,S, überführt.

Das Cracken

NH;, und

des Rückstands

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

20%

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

der

Heptan

Öle mit

Pr/SiO,/Al,O, 500 °C

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

ara

CH; H

H +4H,

H

H

H Mäbsibewol (Toluol)

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

tivität

Pyrolyse-

und

Verbrennungsreaktionen

eingehen.

In

Reak-

diesem

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

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

Chlor reagiert mit Methan zu Chlormethan Gibt

man

Methan

und

Chlorgas

im

Dunkeln

bei Raumtemperatur

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

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

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

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

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

geprägt exotherm. Chlorierung von Methan

CH;

—H

Aoderir er a + :CH-Cl: Fa pr

2389 DH?° (in kl/mol)

224

CH;

.. =. C1: = H—Cl: ? }

3553 Chlormethan

=

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

— (438.9 kJ/mol + 242.2 kJ/mol)

— (353.3 kJ/mol + 430.5 kJ/mol)

= — 104.5 kJ/mol

95

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

3 Die Reaktionen der Alkane

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

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

Kettenfortpflanzung:

Abbruchreaktionen:

de

CH,+ :CI-— CHz-+ HÜ:

:Cl-+ :C-— Cl,

CH» + Cl, — CH£I:+:Cl-

:&-+ CH,— CH;Öl:

ach

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

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

Bindung

innerhalb

der

Reaktionspartner,

die

Cl—ClI-Bin-

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

|

Schritt

1

Kettenstart A bzw. Av

:C1-Cl:

Te

2 :Cl -

AH° = + DH°(Ch) = + 242.4 kJ/mol

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

Schritt

2_ Wasserstoffabspaltung H

Ei

HH

J

438.9

\

H

n

Pe 430.5

RK

=

AH° = DH°(CH;-H)

-DH°CH-CN)

= + 8.4 kJ/mol

Methylradikal

DH?® (in kJ/mol)

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

HH

N

E, = 16.7 kJ/mol

zur Wachsen des Hinterlappens

Ausgangsverbindungen

Übergangszustand

Methviradikal

Chlorwasserstoff

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

[H3C ++H---C1]#

E, = +16.7 kJ/mol

-CHz + HCl: AH® = +8.4 kJ/mol

Bindungen im Übergangszustand sind durch gepunktete Linien gezeichnet.

ee Reaktionskoordinate

——

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

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

Schritt

3 Bildung von Chlormethan H

RR

BT

Ba

H

ERER er :CI—Cl:

ipl

|

——

PO

242.4

3 Pe eh .C:

j

355.3

DH? (in kJ/mol)

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

AH®

=

— 112.9 k/mol

3 Die Reaktionen der Alkane

aus einem

Chlormolekül

ab, wobei

Chlormethan

CH rdeie

mechanismus:

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

Kettenstart:

2:X-

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

Kettenfortpflanzung:

:X- + RH —R-

+ HX:

Koh:

4X:

RX:

Kettenabbruch:

> X

R- + :X- — RerzRe

stark begünstigt, „treibt“ die Reaktion

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

Radikalketten-

ne

Chlor-

FHge Sr eHa terre

weniger begünstigt

X —

und ein neues

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

RX

—>R

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

Ist eine

Kettenreaktion

einmal

gestartet,

kann

sie über

tausende

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

E, = 16.7 kJ/mol

ICHz-ChH-- Ct

E, < 4.2 kK)/mol

CH3(+ HCI:)

CHHtEcE

AH® = +8.4 kJ/mol

(+ Ch)

AH° = —112.9kJ/mol

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

CH3CI + HCI +:Cl-

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

98

Reaktionskoordinate ——>

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

(Methylenchlorid,

3.5 Andere radikalische Halogenierungen von Methan

Chlo-

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

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

dadurch

lösen,

daß man

die Reaktion

mit einem

hohen

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

erreicht Produktselektivität.

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

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

DEI Co)Anklimole,

Ch

Br,

15478724249

I,

102371505

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

—125.4 kJ/mol

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

dann schon deutlich endotherm.

Für die

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

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

F

cı

Br

X + CH — EEE

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

295.9, TR

40.1401 87.8

CH4 + X? —

CH3X: + HX:

Se

+54.3

430.5

-104.5

I

99

Kasten 3-3

Frühe und späte Übergangszustände

bedeutet, er liegt auf der Reaktionskoordinate in

In einigen Fällen läßt sich die relative Leichtig-

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

Abbildung keit, mit der eine Reaktion

abläuft, durch Unter-

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

das Methanmole-

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

3-9 weiter

* George S. Hammond, town University.

links.

Frühe

Übergangs-

geb. 1921, Professor an der George-

später Übergangszustand

früher Übergangszustand

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

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

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

freien

Reaktionsenthalpie,

AG’),

von

der

kinetischen

Reaktivität,

die sich aus der Aktivierungsenergie ergibt, unterscheiden.

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

100

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

3.6

Die Chlorierung höherer

Alkane: Relative Reaktivität und Selektivität

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

Gleichgewicht nicht auf die Seite der Produkte verschiebt. ]

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

Fassen wir zusammen: ren mit Methan

mit

einer

äquimolaren

Die Halogene mit Ausnahme von lod reagie-

(und, wie wir sehen werden,

auch mit anderen

Alka-

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

ähnlich ist, meist für einen endother-

men oder leicht exothermen Prozeß typisch.

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

+

A oder hv

Ch ——0

CH;CH3>Cl

+ HCl

AH®

= -113 kl/mol

Chlorethan

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

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

101

3 Die Reaktionen der Alkane

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

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

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

CErCHÄALch Ze ARdBcHe Propan

I E*

1-Chlorpropan

CHscHeR, 2-Chlorpropan

6 primäre H (blau)

2 sekundäre H (rot)

erwartetes statistisches Verhältnis

j (56)

N

erwartetes Verhältnis der Reaktivität

der C—H-Bindungen

weniger reaktiv

:

experimentelles Verhältnis bei 25°C

43

et!

3

Ba:

experimentellesVerhältnis bei 600 °C

reaktiver

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

CH,CH,CH; + :CI-— CH,CH,CH,: +HC: :

AH°= — 21 kJ/mol

Propylradikal

CH,CH,CH; + :Cl-—> CH,CHCH, + HÜ:

AH°= —35.6 kJ/mol

1-Methylethyl(Isopropyl-)radikal

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

102

3.6 Die Chlorierung höherer Alkane: Relative Reaktivität und Selektivität

CH/CHSCH3+ Cl’

AH® = —20.9 kJ/mol Te

CH3CH>CH3>

se:

(CH3)2CH°

Reaktionskoordinate

+

HCl

+ HCI

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

—>

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

Radikals,

X-, der Stärke der entstehenden

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

=

hältnis ergibt sich bei 25°C?

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

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

103

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

3 Die Reaktionen der Alkane

Die Chlorierung von 2-Methylpropan CH;

4

en

CH3

HS

CH3

er

CH;

+

CH,—C-G

CH3

CH;

1-Chlor-2-methylpropan (Isobutylchlorid)

erwartetes statistisches Verhältnis

9

erwartetes Reaktivitätsverhältnis der C—H-Bindungen

weniger

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

;

1

:

reaktiver

reaktiv

experimentelles Verhältnis (25°C)

64

3

experimentelles Verhältnis (600 °C)

80

920

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

= 64/9:36/1

=

1:5.1; diese Selektivität wird wiederum

bei

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

Die Chlorierung von 2-Methylbutan

Ch, + Ge

|

-ncı | hr

De

|

CH3

|

+ Zn

CH; H aa

H 1-Chlor-2-methylbutan

3

ee

me a

re! 14%

36%

1-Chlor-3-methylbutan

2-Chlor-3-methylbutan

CH;

|

Ösen ET

cı 23% 2-Chlor-2-methylbutan

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

relative Reaktivität:

3.7 Die Selektivität der Halogenierung von Alkanen mit Fluor und Brom

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

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

3

clohexan bei 25°C an.

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

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

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

aus Tabelle

3-4 ersichtlich,

ist das Fluoratom

in der Reihe

der

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

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

CHENBSE, CH; +

a

(CHY)JCHCH>*

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

(CH3)3C * +HF

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

Energien der beiden frühen Über-

0000000

Reaktionskoordinate

E,-Werte sind etwa null). Hieraus

resultiert eine geringe Selektivität.

105

3 Die Reaktionen

Fluorierung von 2-Methylpropan

der Alkane

F, + (CH):CH

—

(CH3)3CF

2

2

ze

+ HF

CH; 306%

14% 2-Fluor-2-methylpropan

1-Fluor-2-methylpropan

(tert-Butylfluorid)

(Isobutylfluorid)

Relative Reaktivität, tertiär :primär=1.4:

1 (bei 25°C)

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

(>6000 :1!).

Bromierung von 2-Methylpropan

Bi PICHJSCHEI

(CH3)3CBr

je

+

Sr"

+ HBr

CH;

>99%

CHCH>

+ HBr

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

E

(CH3)3C * +HBr

Wasserstoffatoms aus 2-Methyl-

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

die erhöhte Produktselektivität.

106

CH;CHCH;3 + :Br° | E CH; DEEEE

EL EEE

EEE

ERBEN SEEN

Reaktionskoordinate

3.8

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

FCl: ClBrBr-

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

CH-H

RCH-H

R;CH-H

RCH

0.5 £ 4 2 0.002

1 n 1 1 1

12 4 2.0 250 so

1.4 5 43:0 6300 1700

Synthetische Bedeutung der radikalischen Halogenierung

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

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

korrosiv,

und, was

wahrscheinlich

noch schlimmer

ist, recht

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

lassen

sich

radikalische

Iodierungen

nicht

durchführen,

weil

sie

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

+ Ch — Cyclopentan

+ HCI Chlor cyclopentan

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

| O Sulfurylchlorid

(Sdp. 69°C)

N-Chlorbutanimid (N-Chlorsuceinimid, NCS)

(Smp. 148°C)

Der Radikal-Initiator spielt bei diesen Chlorierungen

die Rolle des Lichts. 107

Kasten 3-4

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

Initiatoren von Radikalreaktionen

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

DEREK

er CH3

u

HC

eh.

en

CH;

+ :N=N:

2-Cyano-2-propylradikal

OÖ

OÖ

Kagr

LO

e0970-€

bei die

GER

2,2’-Azodi(2-methylpropannitril)

OÖ

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

G>597

"-:Q ro

Dibenzoylperoxid

Phenylradikal

Beispiele: Chlorierung mit Sulfurylchlorid Cl

+ S0,CH,

Radikal-Initiator

+ SO, + HCI 57% Chlorcyclohexan

Chlorierung mit RH

+

NCI CA

Radikal-Initiator

NCS RCI +

NH

OÖ Butanimid (Succinimid)

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

Im Labor verwendet

man bevorzugt Brom

als Halogenierungsmittel

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

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

durch Behandeln mit Chlor. Hierbei ent-

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

108

" Kasten 3-5. Chlorierung, Chloral und DDT

Sch | cl RC-+:C

sphärische Ozonschicht

Chloratome reagieren mit Ozon nach dem Mechanismus einer radikalischen Kettenreaktion.

Kettenfortpflanzungsschritte:

:Cl-+03 —

-CI0+0,

-CI0 +0 —

9,+:Cl-

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

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

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

konnte erstmals beobachtet werden.

Die Ozonmenge

nörd-

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

um

1-3%

führt. Eine Konsequenz

hieraus war, daß viele

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

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

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

3 Die Reaktionen der Alkane

Die Welt auf der Suche nach geeigneten FCKW-Ersatzstoffen

FCKW-Ersatzstoffe

CH;FCH; HFC-134a

CHCIF, HCFC-22

GHCHCE, HCFC-123

CH;CCLF HCFC-141b

CH;CCIF, HCFC-142b

'

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

3.10 Verbrennung und die relativen Stabilitäten der Alkane Wir

wollen

kurz

zusammenfassen,

was

wir

in diesem

Kapitel

bisher

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

112

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

Name

CH, Gas

Methan

—891.0

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

Ethan Propan

—1560.9 ZDDDIEG

CH;(CH3),CH;

(Gas)

Butan

—2878.1

2-Methylpropan Pentan Pentan

—2869.8 —3538.8 —3512.0

CH;(CH3),CH; (Flüssigkeit)

Hexan

—4166.1

Cyclohexan

392238

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

Ethanol Ethanol

—1408.5 —1367.9

C,H»O,,

Rohrzucker (Saccharose)

—5644.1

(Feststoff)

Verbrennung und

DAN

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

(Flüssigkeit)

3.10

die relativen Stabilitäten der Alkane

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

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

Br

1) OÖ; =

2n

CO;

+@n=2)

H,O

AH

BR;C-CH;

H;C+ + :!I- —

(Eihan)

CHjl

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

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

CHI DH°:

118

239

HER 297

He 440

HT 150

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

Wichtige Konzepte

zugeordnet werden können.

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

=

— 143 kJ/mol

Kettenfortpflanzungsschritt

(iv): AH”

=

DH?

(CH;-I)

—

DH°

(I-D) =

+89 kJ/mol

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

Bindung in Ethan.

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

einer Binbezeichnet DH". Bei Radikale.

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

R

Ey Hay en

primär

ab, da die Stabilität

sekundär

von

steigt von

I, bis F, an, in derselben

Reihenfolge

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

R

| | CH3>—H > RCH,—H >R— Mr > R—C—H

Methyl (am stärksten)

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

tertiär (am schwächsten)

Alkylradikalen

in der

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

Übergangszustände.

Reihe R

R

| - CH3

ar F

CH3

CH3

got

(c) Me

CH3

(d) CH

2

Ca,

ey ayiggeeidlänn,

CH;z

CH, ech; an

ei

CH3 (e)

+ Br AS

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

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

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

Aufgaben

CH3

(a) 1

)-cicnn

(b)

Menthan

CH;

CH(CH3)2

Pseudoguajan

CH3

(c)

(d) (CH3),CH CH; Eudesman

Twistan

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

OH (a) Berechnen

>

HX.X

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

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

Sie

Ihre

AH°"-Werte

Mechanismus

(s. Tab.

Mechanismus

eine echte Alternative

mit: denen

3-4). Meinen

des

anerkannten

Sie, daß der hypothetische für den etablierten

darstellt?

(Hinweis: Berücksichtigen Sie die Aktivierungsenergien.) 20

Gibt man zu einer Halogenierungsreaktion bestimmte Stoffe, soge-

nannte

Radikalinhibitoren,

hinzu, kommt

die Reaktion

zum

Stillstand.

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

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

Übergangszustand würden

Sie als „früh“, welchen

als

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

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

mit Propan überein?

Tabelle 3-8

AH? Spezies

(kJ/mol)

cl clO

+121 +138

oO

2251

& @

0 + 142

123

3 Die Reaktionen der Alkane

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

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

Gruppenübung 24

(a) Nennen Sie die IUPAC-Namen

aller Isomere, die Sie in Übung

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

Sie für jedes Isomer,

das Sie gezeichnet

und benannt

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

Sie unter

Verwendung

von

Tabelle

3-5, welches

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

124

zur klein-

Cyclische Alkane

Wenn Sie von Steroiden hören oder lesen, kommen

Ihnen wahrscheinlich

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

CH;

Diosgenin

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

4 Cyclische Alkane

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

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

CH>

en,

IN

CH>z—-CH> Cyclopropan CH>—CH3>

ec,

Cyclobutan

rn CH>

CH» CH>

CH> Cyclohexan

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

-) "

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

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

Er

H

CH>—CH>

. EN CH» j

Br

Dr

SE

rg

CH>CH3

CHCH,

1-Ethyl-I-methyleyclobutan

Methyleyclopropan

Tl CH H;C—CH CH>

CH» CH CH>CH>CH3

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

126

Cyclobutylcyclohexan

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

4.1 Namen und physikalische Eigenschaften der Cycloalkane

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

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

CH3

CH3

57 oder

CH3

H

Swz

CH;

oder Daws CH3

cis-1,2-Dimethyleyclopropan

trans-1,2-Dimethyleyclopropan

ei .

(@

oder

er

cl =

Br

cl oder

Br

eis-1-Brom-3-chloreyclobutan

Bar Br

trans-1-Brom-2-chloreyclobutan

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

(s. Abschn.

1.8 u. 2.2) unterscheiden,

bei denen

die Reihenfolge

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

der übrigen

fünf isomeren

Brommethylcyclohexane

und

127

BrCH3

4 Cyeclische Alkane

H;3C

jr

Br

H5C'Hvu

Rt =H

(Brommethyl)-

1-Brom-l-methyF-

cis-1-Brom-2-

eyclohexan

cyclohexan

methyleyclohexan

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

die in den starreren und symme-

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

ein einziger Substituent

enthalten,

bezeichnet

man

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

Cyclopropan Cyclobutan

Cyclopentan Cyclohexan Cycloheptan Cyclooctan Cyclododecan Cyclopentadecan *

Sdp. =

Smp. se

2, =190r5

12726 — 50.0

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

939 6.6 —120 14.3 64 66

Dichte bei 20°C in g/mL

0.720

0.7457 0.7786 0.8098 0.8349 0.861 0.860

Sublimationspunkt.

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

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

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

in den kleineren

4.2 Ringspannung und die Struktur der Cycloalkane

Ringen die Ver-

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

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

inhalt

beispielsweise

aus

der

WVerbrennungsenthalpie

(s. Tab.

3-6)

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

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

CH;CH3>CH; (Gas)

-2217.9

CH;CH>CH;CH;

(Gas)

-—2873.3

CH;(CH3);CH;

(Gas)

—3532.9

\ 655.4 kJ/mol } 659.6 kJ/mol

Das Inkrement für jede zusätzliche CH>-Gruppe beträgt etwa 656.3 kJ/mol. Bildet man den Mittelwert über eine große Zahl von Alkanen, läßt sich der Wert auf 657.9 kJ/mol verbessern. Was sagt uns das über die Cycloalkane? Da Cycloalkane die empirische Formel (CH,), haben, sollte ihre Verbrennungsenthalpie näherungsweise n X —657.9 kJ/mol betragen. Vergleicht man diese Werte aber mit den tatsächlich gemessenen (Tab. 4-2, Spalte 2), stellt man fest, daß die gemessenen Werte größer sind. So sollte AH \,.., von CycloTabelle 4:2 Berechnete und experimentell bestimmte Verbrennungsenthalpien einiger Cycloalkane

Ringgröße

AHN,.,, (berechnet)

AMY, (gemessen)

gesamte Ring-

Spannung pro

(&)

kJ/mol

kJ/mol

spannung in kJ/mol

CH3-Gruppe in kJ/mol

3

—1973.8

—2089.2

115.4

38.5

4

—y68487

.

—2741.7

110.0

DS

5

—3289.6

—3316.8

DI

6 7 8 9) 10

—3947.5 —4605.5 —5263.4 5921 —6579.2

—3948.0 —4632.3 —52053 ZEN) —6629.5

0.5 26.8 41.9 54.0 50.3

=() 3.8 3.2 6.0 5.0

11

PN

—7281.6

44.5

4.0

12 14

—7895.0 —9210.8

79052) 9208

10.2 0.0

0.8 0.0

5.4

Die berechneten Zahlen ergeben sich aus dem Wert —657.9 kJ/mol pro CH>,-Gruppe

129

4 Cyclische Alkane

propan

etwa

—-1973.8 kJ/mol betragen, experimentell findet man

aber

—2089.2 kJ/mol. Der Unterschied

zwischen dem erwarteten und dem beobachteten Wert beträgt 115.4 kJ/mol und kommt aufgrund einer Eigenschaft des Cyclopropans, die Sie schon beim Zusammenbauen des Modells bemerkt haben, zustande: der Ringspannung. Die Spannung pro CH>Gruppe beträgt in dieser Verbindung 38.5 kJ/mol. Eine ähnliche Rechnung für Cyclobutan (s. Tab. 4-2) ergibt eine Ringspannung von 110.0 kJ/mol, 27.5 kJ/mol für jede CH,-Gruppe. Beim Cyclopentan ist dieser Effekt weitaus schwächer, die gesamte Ringspannung beträgt nur 27.2 kJ/mol, der Cyclohexanring ist fast spannungsfrei. Bei den darauffolgenden Homologen treten jedoch wieder beträchtliche Spannungen auf. Nur die sehr großen Ringe haben spannungsfreie Strukturen. Aufgrund dieser Beobachtungen haben die organischen Chemiker die Cycloalkane grob in vier Gruppen eingeteilt: kleine Ringe (Cyclopropan, Cyclobutan) normale Ringe (Cyclopentan, Cyclohexan, Cycloheptan) mittlere Ringe (acht bis zwölf Ringglieder) PUOVDrDeH große Ringe (dreizehn und mehr Ringglieder) Aufgrund welcher Faktoren kommt nun die Spannung in einem Ring zustande? Diese Faktoren sind: (1) die Winkelspannung, die Energie, die zur Veränderung der Tetraederwinkel für den Ringschluß erforderlich ist; (2) die ekliptische Spannung, die sich aus der ekliptischen Stellung von Wasserstoffatomen ergibt; (3) gauche-Wechselwirkungen, wie im Butan (s. Abschn. 2.5); und (4) die transannulare Spannung, die durch gegenseitige sterische Hinderung von Wasserstoffatomen, die auf entgegengesetzten Seiten des Ringes gebunden sind, entsteht (trans,

R 115°

HH

lateinisch: jenseits; anulus, lateinisch: Ring).

4 y2

IL = Se Re: «

Spannung prägt die Strukturen und Konformationen der kleineren Cycloalkane

>

H

H

ee 2

Die Struktur des kleinsten Cycloalkans, Cyclopropan, ist in Abbildung 4-1 gezeigt. Cyclopropan besitzt die Gestalt eines ebenen gleichseitigen

Dreiecks, die C-C—C-Winkel betragen daher 60°, was eine beträchtli-

Abb. 4-1 Cyclopropan:

che

(A) Molekülmodell; (B) Bindungslängen und -winkel.

stehen alle Wasserstoffatome eclipsed zueinander. Wie aus Tabelle 4-2 ersichtlich, ergibt sich hieraus eine Bildungsenthalpie, die weitaus positi-

Abweichung

vom

Tetraederwinkel

bedeutet

(109.5°).

Außerdem

Winkel zwischen den Orbitalen

Abb. 4-2 Darstellung der Molekülorbitale (A) des TrimethylenDiradikals und (B) der gebogenen Bindungen im Cyclopropan. Es sind nur die Hybridorbitale, die an der Ausbildung von C—C-Bindungen beteiligt sind, eingezeichnet.

Beachten Sie den Winkel von 104° zwischen den Orbitalen des Cyclo-

propans.

130

ver als die der anderen Cycloalkane ist. Anders gesagt, Cyclopropan ist weitaus instabiler, als man es für ein Molekül mit drei Methylengruppen erwarten sollte. Wie ist es überhaupt möglich, daß zwischen drei vermutlich tetraedrischen Kohlenstoffatomen eine derart verformte Bindung aufrechterhalten werden kann? Das Problem ist vielleicht am besten in Abb. 4-2 dargestellt, in der die Bindung im spannungsfreien „offenen Cyclopropan“, dem Trimethylen-Diradikal, CH-CH;CH;, mit der in der geschlossenen Form verglichen wird. Sie können daraus erkennen, daß die beiden Enden des Trimethylen-Diradikals nicht weit genug „reichen“, als daß es ohne „Verbiegen“ der beiden bereits vorhandenen Bindungen zum Ringschluß kommt. Sind jedoch alle drei C—C-Bindungen gebogen (Orbitalwinkel 104°, s. Abb. 4-2B), ist die Überlappung groß genug, um zu einer Bindung zu führen. Eine Folge dieser Bindungsstruktur ist, daß die C—C-Bindungen im Cyclopropan relativ schwach sind. Die zum Öffnen des Rings benötigte Energie beträgt 272 kJ/mol. Dieser Wert ist aufgrund der Aufhebung der Ringspannung sehr klein (es sei daran erinnert, daß die Dissoziationsenergie der C—C-Bindung im Ethan 377 kJ/mol beträgt). Aus diesem Grund geht Cyclopropan einige ungewöhnliche Reaktionen ein. So lagert es sich z.B. beim Erhitzen in Propen um und reagiert mit Wasserstoff in Gegenwart eines Palladiumkatalysators zu Propan:

:

NICH,

CHCH,

AHV

4.2 Ringspannung und die Struktur der Cycloalkane

2233. 1 kKl/mol

Propen

oe

rer eiyaundE GEBeH;CcH,

PUAHN=I157A1k)/mel

Propan Übung 4-3 N trans-1,2-Dimethyleyclopropan ist stabiler als cis-1,2-Dimethylcyclopropan. Warum? "ı Erklären Sie ihre Antwort anhand einer Zeichnung. Bei der Verbrennung welches Iso| mers wird mehr Wärme frei?

Die Struktur von nicht eben, sondern

Cyclobutan

(s. Abb.

4-3) zeigt, daß das Molekül

gefaltet ist: Der eine Teil des Moleküls

ist um

26°

aus der Ebene gedreht. Die nichtplanare Struktur des Ringes ist jedoch nicht sehr starr. Das Molekül klappt schnell von einer gefalteten Konformation in die andere.

En

H

H

DSH

N schnelles Umklappen

H Im Molekülmodell

rings aus der Ebene

H wird deutlich, warum

H

das Herausdrehen

begünstigt ist: Die Spannung,

ekliptisch stehenden Wasserstoffatome

H

des Vier-

die durch die acht

entsteht, wird hierdurch teilweise

verringert. Außerdem hat das Molekül eine beträchtlich geringere Win-

um 26° aus der

Ebene gefaltet

H

110.9 pm

Abb. 4-3 Cyclobutan: (A) Molekülmodell; (B) Bindungslängen und -winkel.

131

4 Cyeclische Alkane

Abb. 4-4 Cyclopentan: (A) Molekülmodell;

(B) Bindungslängen und -winkel.

A

B

kelspannung als Cyclopropan, obwohl eine maximale Überlappung wiederum nur über gebogene Bindungen zu erreichen ist. Die Dissoziationsenergie der C—C-Bindung ist im Cyclobutan ebenfalls niedrig (etwa 264 kJ/mol), da mit der Ringöffnung eine Aufhebung der Spannung und die Ausbildung von neuen Bindungen mit größerer Überlappung verbunden ist. Cyclobutan ist weniger reaktiv als Cyclopropan, geht aber ähnliche Ringöffnungsreaktionen ein. ®

500 °C

2 CH>z=CH3> Ethen

ne

a

H,

Pd-Katalysator

CH3CH>CH>CH3

Butan

Man könnte erwarten, daß Cyclopentan eben gebaut ist, da die Winkel in einem regelmäßigen Fünfeck 108° betragen, also nahezu dem Tetraederwinkel entsprechen. Eine solche planare Anordnung wäre jedoch mit zehn ungünstigen ekliptischen H—H-Wechselwirkungen verbunden.

Dies wird, wie aus Abbildung 4-4 ersichtlich, durch Falten des

Ringes umgangen. Das Falten verringert zwar die ekliptischen Wechselwirkungen, vergrößert aber die Winkelspannung. Die Konformation mit der geringsten Energie ist ein Kompromiß, in dem die Energie des Systems minimiert ist. Das Cyclopentanmolekül kann zwei gefaltete Strukturen einnehmen, die „envelope“-(Briefumschlag) und die

A-I-=

„Halbsessel“konformation.

Briefumschlag

Halbsessel

Der Energieunterschied zwischen beiden Konformationen ist gering und die Aktivierungsenergie der Umlagerung klein. Insgesamt ist das Cyclopentanmolekül relativ wenig gespannt, und es läßt sich weder durch einfaches Erhitzen zerstören noch zu Pentan hydrieren.

4.3 Cyclohexan, ein spannungsfreies Cycloalkan Der Cyclohexanring ist eine der am häufigsten vorkommenden und wichtigsten Struktureinheiten in der organischen Chemie. Substituierte Cyclohexanderivate finden sich in vielen Naturprodukten (s. Abschn. 4.7), und ein Verständnis der konformellen Beweglichkeit des Cyclohexanrings ist sehr wichtig für die organische Chemie. Tabelle 4-2 zeigt, daß Cyclohexan deshalb ungewöhnlich ist, weil es fast frei von Winkelund ekliptischer Spannung ist. Warum?

132

Die Sesselkonformation des Cyclohexans ist nahezu spannungsfrei

4.3 Cyclohexan, ein spannungsfreies Cycloalkan

Ein hypothetisches, ebenes Cyclohexan enthielte zwölf ekliptische H—H-Wechselwirkungen und eine sechsfache Winkelspannung. Die Spannung würde sich daraus ergeben, daß ein regelmäßiges Sechseck 120 °-Bindungswinkel erfordern würde. Es gibt jedoch eine nahezu spannungsfreie Konformation des Cyclohexan, die sich dadurch ergibt, daß man die Kohlenstoffatome 1 und 4 in entgegengesetzter Richtung aus der Ebene bewegt (s. Abb. 4-5). Diese Struktur bezeichnet man als Sesselkonformation des Cyclohexans (sie hat gewisse Ähnlichkeit mit einem Sessel). In dieser Konformation stehen alle Wasserstoffatome gestaffelt und alle Bindungswinkel sind nahezu tetraedrisch. Wie aus Tabelle 4-2 ersichtlich, entspricht der berechnete Wert von AH \,..» (-3954.0 kJ/mol) für ein spannungsfreies Cyclohexan fast dem experimentell bestimmten (-3954.4 kJ/mol).

ebenes Cyclohexan

Sessel-Cyclohexan

(Bindungswinkel 120°C, 12 ekliptische Wasserstoffatome)

(nahezu tetraedrische Bindungswinkel; keine ekliptischen Wasserstoffatome)

Abb. 4-5 A. Überführung des hypothetischen ebenen Cyclohexans in die Sesselkonformation; B. Bindungslängen und -winkel; C. Molekülmodell.

Um die im weiteren gemachten Aussagen besser nachprüfen zu können, nehmen Sie am besten ein Molekülmodell des Cyclohexans zu Hilfe. Wenn Sie das Modell entlang irgendeiner beliebigen C—C-Bindung betrachten, sehen Sie, daß alle Substituenten gestaffelt angeordnet sind. Dies läßt sich auch aus der Newman-Projektion entnehmen (Abb. 4-6). Aufgrund der fehlenden Spannung ist Cyclohexan so inert wie ein normales Alkan. Übung 4-4

In Abbildung 2-12 ist der Energieunterschied zwischen gauche- und verdecktem Butan angegeben. Berechnen Sie die Energiedifferenz zwischen der ebenen und der Sesselkonformätion

von

Cyclohexan

unter

der Annahme,

daß für eine verdeckte

Stellung der

C—C-Bindungen im Cyclohexan ein ähnlicher Energiebetrag erforderlich ist (vernachlässigen Sie die Winkelspannung).

Übung 4-5 Zeichnen Sie Newman-Projektionen der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen im Cyclopropan, Cyclobutan und Cyclopentan in deren stabilsten Konformationen. Nehmen Sie Ihr Modell aus Übung 4-1 zur Hilfe und betrachten Sie Abbildung 4-6. Wie groß sind bei allen drei Ringen in etwa die Torsionswinkel zwischen den C—H-Bindungen?

Tabelle 4-2 können wir entnehmen, daß Cyclohexan nicht völlig spannungsfrei ist, sondern etwa 0.4 kJ/mol Spannung im Ring verbleibt. Wie kommt sie zustande? Die Antwort findet man am leichtesten, wenn man

die Newman-Projektion der Sesselkonformation des Cyclohexans in Abbildung 4-6 betrachtet: Alle Methylengruppen sind als gauche-Substituenten der benachbarten C—C-Bindung anzusehen. Ein anti-Konformer ist in einem Sechsring nicht möglich.

gauche-Wechselwirkung

Abb. 4-6 Newman-Projektion entlang einer der C—C-Bindungen in der Sesselkonformation von Cyclohexan. Beachten Sie die gestaffelte Anordnung aller Substituenten und die gauche- Methylengruppen.

133

Cyclohexan kann auch weniger stabile Konformationen einnehmen

4 Cyclische Alkane

Es gibt noch weitere, weniger stabile Konformationen des Cyclohexans, deren Energieunterschied zur Sesselform allerdings nicht allzu groß ist. Eine von ihnen ist die Wannenform oder Bootform, in der die Kohlenstoffatome 1 und 4 in derselben Richtung aus der Ebene ragen (s. Abb. 4-7). Sie ist um 27.2 kJ/mol energiereicher als die Sesselform. Dies ergibt sich aus der ekliptischen Stellung von acht Wasserstoffatomen und der sterischen Hinderung zweier nach innen stehender Wasserstoffatome in der Wannenkonformation. Der Abstand zwischen beiden Wasserstoffatomen beträgt nur 183 pm und ist damit klein genug, um eine Abstoßungsenergie von etwa 12.6 kJ/mol zu bewirken. Dieser Effekt ist ein Beispiel für transannulare Spannung. Sterische Abstoßung

ekliptische Stellung

ebenes Cvclohexan

Wannen-Cvelohexan

Abb. 4-7 Überführung des hypothetischen, ebenen Cyclohexans in die Wannenform. Beachten Sie die nichtbindende Wechselwirkung zwischen den inneren Wasserstoffatomen an C1 und C4 und die verdeckte

Twistform

| H

H

H

H

Abb. 4-8 Überführung der Wannenform des Cyclohexans in eine Twistform.

Abb. 4-9 Änderung der potentiellen Energie des Cyclohexans in Abhängigkeit von der Konformation. Die Sesselkonformation ist die stabilste; die beiden Twistformen, die um 20.9 kJ/mol energiereicher sind, können jedoch leicht erreicht werden. Die Twistformen wandeln sich leicht über einen Wannen-Übergangszustand ineinander um.

134

Stellung der Wasserstoffe

an den Kohlenstoffatomen

C2, C3, C5

und C6.

Die Wannenform des Cyclohexans ist recht beweglich. Verdrillt man eine der C—C-Bindungen des Ringes relativ zu der benachbarten, stabilisiert sich die Konformation etwas, weil die sterische Abstoßung zwischen den inneren Wasserstoffatomen vermindert wird. Diese neue Konformation bezeichnet man als Twistform oder verdrehte Form (s. Abb. 4-8), sie ist um etwa 6.3 kJ/mol stabiler als die Wannenform. Wie nebenstehend gezeigt, gibt es zwei Twistformen, die sich leicht ineinander überführen lassen. Der Übergangszustand zwischen beiden ist die Wannenform (prüfen Sie das anhand Ihres Modells nach). Die Wannen-

Twistformen 20.9 kJ/mol

ER;

Sessel

Reaktionskoordinate der Konformationsänderung

form stellt also kein isolierbares Konformer, sondern einen höherenergetischen Übergangszustand dar. Die Twistform liegt in sehr geringen Mengen vor, die Sesselform ist das Hauptkonformer (s. Abb. 4-9), das von der Twistform durch eine Energiebarriere von 45.2 kJ/mol getrennt ist. Wie wir im folgenden sehen, gibt es auch zwei miteinander im Gleichgewicht stehende Sesselkonformere des Cyclohexans.

4.3 Cyclohexan, ein spannungsfreies Cycloalkan

Cyclohexan hat axiale und äquatoriale Wasserstoffatome Wenn Sie die Sesselkonformation des Cyclohexans betrachten, sehen Sie, daß es im Molekül zwei unterschiedliche Typen von Wasserstoffatomen gibt. Sechs Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen stehen parallel zu der Drehachse des Molekül (s. Abb. 4-10), man bezeichnet sie als axial,

die anderen

sechs

stehen

etwa

senkrecht

zu

dieser

Achse,

die

äquatorialen“ Wasserstoffatome. Molekülachse SE

axiale Positionen

a

i äquatoriale

axiale (a) und äquatoriale (e)

Positionen

Positionen

Abb. 4-10 Axiale und äquatoriale Positionen in der Sesselkonforma-

tion des Cyclohexans.

Als Äquatorebene ist eine Ebene definiert, die senkrecht auf der Rotationsachse eines sich drehenden Körpers steht und von beiden Polen gleichweit entfernt ist, wie der Äquator der Erde. Die äquatorialen H-Atome des Cyclohexans stehen dementsprechend

in der Äquatorebene.

| Kasten 4-1

Regeln zum Zeichnen von Sesselkonformationen des Cyclohexans Das Zeichnen von richtigen Sesselkonformationen ist eine große Hilfe beim Verständnis der Chemie von Sechsringen. Dazu können folgende Regeln dienen: 1

Zeichnen

Sie den

Sessel

so, daß

C2 und

C3

3 Zeichnen Sie die beiden äquatorialen Bindungen an Cl und C4 in einem kleinen Winkel zur Horizontalen. Die Bindung an Cl zeigt nach oben, die an C4 zeigt nach unten. Beide sind parallel zu der Bindung zwischen C2 und C3 (bzw. C5 und C6). parallel

rechts von C5 und C6 stehen. Die Spitze an C1 zeigt nach links unten, die Spitze an C4 nach rechts oben. parallel EN

2 1

2

4

parallel

a

Zeichnen Sie alle axialen Bindungen als senk-

“ rechte Linien, die an Cl, C3 und C5 nach unten, an C2, C4 und C6 nach oben weisen.

4 die C5 an

Diese Regel ist die schwierigste: Zeichen Sie fehlenden äquatorialen Bindungen an C2, C3, und C6. Die Bindungen an C2 und C5 sowie C3 und C6 müssen parallel zueinander stehen. arallel

5

5

8

en

2

parallel 1 57

?

en parallel

3

135

4 Cyclische Alkane

Beim Umklappen der Konformation werden aus axialen Wasserstoffatomen äquatoriale und umgekehrt Cyclohexan

ist kein starres Gebilde.

die andere über, wodurch

Eine Sesselkonformation

geht in

axiale und äquatoriale Wasserstoffatome

ihre

Positionen tauschen, d.h. daß beim Umklappen des Ringes alle axialen Wasserstoffatome zu äquatorialen und umgekehrt (s. Abb. 4-11) werden. Die Aktivierungsenergie für diesen Prozeß beträgt 45.2 kJ/mol. Wie

Abb. 4-11 Umklappen des Sessels beim Cyclohexan. Bei dem Vorgang, der bei Raumtemperatur schnell ist, bewegt sich ein Ende des Moleküls (grün) nach oben, während sein Gegenstück am anderen Ende (auch grün) sich nach unten bewegt. Alle Gruppen in ursprünglich axialer Position (rot in der linken Formel) werden äquatorial und die ursprünglich äquatorialen (blau) werden axial.

wir bereits

in Abschnitt

2.5 bis 2.7 festgestellt

haben,

ist dieser

Wert klein genug, daß sich die beiden Sesselformen bei Raumtemperatur außerordentlich schnell ineinander umlagern (etwa 100000 mal pro Sekunde). Um die Abschnitte 4.2 und 4.3 noch einmal zusammenzufassen: Bei den Cycloalkanen ergibt sich der Unterschied zwischen berechneter und gemessener Bildungsenthalpie aus der Winkel-, der ekliptischen, der gauche- und der transannularen Spannung. Aufgrund der starken Ringspannung sind die Cycloalkane mit kleinen Ringen chemisch reaktiv und gehen leicht Ringöffnungsreaktionen ein. Cyclohexan ist, von gauche-Wechselwirkungen abgesehen, nahezu spannungsfrei. Die Cyclohexan-Konformation mit der niedrigsten Energie ist die Sesselkonformation, daneben gibt es noch einige höherenergetische Konformationen, insbesondere die Wannen- und die Twistformen. Das Umklappen von einer Sesselform in die andere geschieht bei Raumtemperatur sehr rasch. Bei diesem Prozeß tauschen äquatoriale und axiale Wasserstoffatome ihre Positionen.

E, = 45.2 kJ/mol STITITITTT—

4.4 Substituierte Cyclohexane Wir wollen nun unsere Kenntnis der Konformationsanalyse auf die substituierten Cyclohexane anwenden. Beginnen wir mit dem einfachsten Alkylcyclohexan, Methylcyclohexan.

Axiale und äquatoriale Methylcyclohexane haben nicht denselben Energieinhalt In Methylcyclohexan kann die Methylgruppe entweder eine äquatoriale oder eine axiale Position einnehmen: H

H

1,3-diaxiale Wechselwirkungen weniger stabil

stabiler

Verhältnis 95:5

136

H

H

4.4

anti-Konformation

H

H

gauche-Konformation

Substituierte

Cyclohexane

H

Y äquatorial

Yaxial

BE

Y;

; X EN L j Abb. 4-12 Newman-Projektionen

H

CH3=:

H

H

H Y anti

H

CH>

H

H

H Y gauche

eines substituierten Cyclohexans.

Die Konformation mit axialem Y ist wegen der 1,3-diaxialen

Wechselwirkung weniger stabil.

Sind beide Formen äquivalent? Offensichtlich nicht. Beim äquatorialen Konformer ragt die Methylgruppe in den Raumbereich, in dem sich keine anderen Teile des Moleküls befinden, während im axialen Konformer der Methylsubstituent gauche zu zwei C—C-Bindungen und sehr nahe bei zwei axialen Wasserstoffatomen auf derselben Seite des Ringes steht. Der Abstand zu diesen Wasserstoffatomen ist klein genug (etwa 270 pm), um sterische Abstoßungen zu erzeugen, ein weiteres Beispiel für transannulare Spannung. Da dieser Effekt durch axiale Substituenten an Kohlenstoffatomen, die eine 1,3-Beziehung zueinander haben (in der Zeichnung

1,3 und 1,3’), zustande kommt,

bezeichnet man ihn als 1,3-

diaxiale Wechselwirkung. Beide Sesselformen von Methylcyclohexan stehen miteinander im Gleichgewicht. Das äquatoriale Konformer ist um 7.1 kJ/mol stabiler und ist bei 25°C im Verhältnis 95:5 begünstigt. Mit Hilfe der Gleichung AG’ = -RTIn K(T = 298.15 K, K = 5/95) erhalten wir für den Unterschied der freien Standardenthalpie zwischen beiden Konformeren: AG” = 7.1 kJ/mol. Die Aktivierungsenergie für das Umklappen des Sessels ist von ähnlicher Größe wie die beim Cyclohexan selbst (etwa 46 kJ/mol), das Konformerengleichgewicht stellt sich bei Raumtemperatur rasch ein. Die ungünstigen gauche- und 1,3-diaxialen Wechselwirkungen bei axialer Substitution sind leicht aus der Newman-Projektion der C—CBindung des Ringes, an der sich der Substituent befindet, zu erkennen.

Im Gegensatz dazu steht der Substituent im äquatorialen Konformer anti zu C3 und C5 (s. Abb. 4-12) und entfernt von den axialen Wasserstoffatomen. Übung 4-6 "" Berechnen Sie X für das Gleichgewicht zwischen äquatorialem und axialem MethyleyIn clohexan bei 298 K aus dem AG°-Wert von 7.1 kJ/mol. (Hilfe: Wenn In X = x, dann BistK= e*.) Wie gut stimmt Ihr Wert mit dem hier angegebenen Konformerenverhältnis

E von 95:5 überein?

:

Die Differenz der freien Enthalpie, AG°, zwischen

dem

axialen und

dem äquatorialen Isomer ist bei vielen monosubstituierten Cyclohexanen gemessen worden, einige der Werte sind in Tabelle 4-3 angegeben. In vielen Fällen (aber nicht in allen) nimmt der Energieunterschied zwischen beiden Formen mit der Größe des Substituenten zu. Dies ist eine direkte Folge der zunehmenden gauche- und 1,3-diaxialen Wechselwirkung, die besonders ausgeprägt im (1,1-Dimethylethyl)cyclohexan (tertButylcyclohexan) ist. Der Energieunterschied ist hier so groß (etwa 21 kJ/mol), daß nur ein geringer Anteil (ca. 0.01%) des axialen Isomers in Lösung vorliegt. Der tert-Butyl-Substituent fixiert die Konformation.

137

4 Cyclische Alkane

Tabelle 4-3 Unterschiede in der freien Enthalpie zwischen axialen und äquatorialen Konformeren des Cyclohexans (bei allen Beispielen ist die äquatoriale Form stabiler)

Substituent

AG°

Substutuent

AG®

kJ/mol -H

kJ/mol

0

F

1.05

CH,CH, (CH,),CH

Te,

7.33 9.21

Cl

2.18

(CH;);C

=21

HO

3.94

5.90

CH;O

3.14

5.40

H;N

5.86

CH;

Br I

2.30 1.93

(©)

| HOZ@ (0)

CH,O—C

I

Die Sesselkonformation mit einer größeren Anzahl äquatorialer Gruppen ist normalerweise stabiler Um vorhersagen zu können, welches das stabilere Konformer eines höhersubstituierten Cyclohexanderivats ist, müssen wir den kumulativen Effekt unterschiedlicher Substituenten in axialer oder äquatorialer Position berücksichtigen. Bei disubstituierten Cyclohexanen ist allgemein die Konformation mit der größten Zahl von äquatorialen Substituenten die bevorzugte. Lassen Sie uns einige einfache Beispiele betrachten. Es gibt verschiedene isomere Dimethylcyclohexane. Im 1,1-Dimethylcyclohexan steht immer eine Methylgruppe äquatorial, die andere axial. Beide Sesselformen sind identisch, daher ist AG” für das Umklappen der Konformation null.

CH; CH

ana

AG° = 0 kJ/mol CH; Ha

eine CH;-Gruppe axial,

eine CH;-Gruppe

eine äquatorial

axial, eine äquatorial

Bei den 1,2-, 1,3- und 1,4-Dimethylcyclohexanen gibt es cis- und trans-Isomere mit unterschiedlicher Konformation. So liegt im cis-1,4Dimethylcyclohexan in beiden Sesselformen ein axialer und ein äquatorialer Substituent vor, beide besitzen dieselbe Energie. = 0 kJ/mol

Die Bindungen zu beiden Methylgruppen zeigen nach unten, sie sind cis-ständig.

Wr

ig

ein Substituent axial, einer äquatorial

ein Substituent axial, einer äquatorial

Das trans-Isomer kann hingegen in zwei unterschiedlichen Sesselkonformationen, einer mit zwei axialen (diaxial) und einer mit zwei äquatorialen (diäquatorial) Methylgruppen vorliegen. Bei

der

Spannung

diaxialen

bei beiden

Anordnung

ist die gauche-

Substituenten

etwa

und

die

1,3-diaxiale

gleich groß. Sie sind daher

etwa zweimal so stark (AG” = +14.2 kJ/mol) wie das axiale Monome138

H

CH3z CH3

AG® = +14.2 kJ/mol

H

Die Bindung zu der einen Methylgruppe zeigt nach oben, die zu der anderen nach unten.

Beide Methylgruppen stehen

H;C

H ps

E

DR

trans zueinander, unabhängig von der Konformation.

CH33

diäquatoriale Methylgruppen

diaxiale Methylgruppen

stabiler

weniger stabil: + 14.2 kJ/mol

trans-1,4-Dimethylcyclohexan

thyleyclohexan im Vergleich zum stabileren Konformer destabilisiert. Hieraus läßt sich schließen, daß sich die Substituenteneffekte aus Tabelle 4-3 in etwa additiv verhalten und daß man sie zur Berechnung der AG"-Werte von Sessel-Sessel-Gleichgewichten bei einer Reihe von substituierten Cyclohexanen benutzen kann. Beispielsweise beträgt AG” (diaxial — diäquatorial) für trans-1-Fluor4-methylcyclohexan —8.19 kJ/mol [ — ( 7.14 kJ/mol für CH; +1.05 kJ/ mol für F)]. Demgegenüber konkurrieren die beiden Substituenten im cis-L-Fluor-2-methylcyclohexan um die äquatoriale Position, AG” beträgt hier —6.09 kJ/mol [| — (7.14 kJ/mol — 1.05 kJ/mol), so daß die größere Methylgruppe und nicht der kleinere Fluorsubstituent bevorzugt äquatorial angeordnet ist. CH;

F

AG? = — 6.09 kJ/mol

H —=

FE

CH; H

große Gruppe axial,

kleine Gruppe axial,

kleine Gruppe äquatorial, große Gruppe äquatorial, weniger stabil stabiler cis-1-Fluor-4-methylcyclohexan

Übung 4-7 Berechnen Sie AG für das Gleichgewicht zwischen den beiden Sesselkonformeren von: (a) 1-Ethyl-1-methyleyclohexan; (b) cis-1-Ethyl-4-methyleyclohexan; (c) trans-1-Ethyl-4methylcyclohexan.

Übung 4-8 Welche der vier Wannenkonformationen | warum?

von

Methylcyclohexan

ist die stabilste und

IN Übung 4-9 \ Zeichnen Sie beide Sesselkonformationen für die folgenden Verbindungen: (a) cis-1,2Dimethylcyclohexan; (b) trans-1,2-Dimethyleyclohexan; (c) cis-1,3-Dimethylcyclohexan; (d) trans-1,3-Dimethylceyclohexan. Welche von diesen haben gleichviele axiale und äqua\ toriale Substituenten? Welche liegen als Gleichgewichtsgemische diaxialer und diäquato-

| rialer Formen vor?

Beim trans-1,2-Dimethylcyclohexan ist das diäquatoriale Konformer um etwa 8.4 kJ/mol stabiler als das diaxiale (s. Abb. 4-13). Vielleicht 1,3-diaxiale en.

H >

a>

gauche-

H

n

H

|

CH

H

Abb. 4-13 Konformere

RN

B

RE

cH> Wechselwirkung

=

ı

N

zn

ECH;

H) 1,3-diaxiale

Wechselwirkungen

H

Wechsel-

wirkungen

des tran: S-

1,2-Dimethyleyclohexans. Die Newman-Projektion zeigt eine gauche-Wechselwirkung zwischen den beiden Methylgruppen im diäquatorialen Isomer, im diaxialen Isomer treten die erwarteten

gauche- und 1,3-diaxialen Wechselwirkungen auf (insgesamt vier,

die nicht alle eingezeichnet sind).

139

4 Cyclische Alkane

haben Sie erwartet, daß der Unterschied etwas größer ist, wenn man berücksichtigt, daß das äquatoriale Isomer im Monomethylcyclohexan um 7.1 kJ/mol stabiler als das axiale ist. Mit zwei Methylgruppen im Molekül sollte sich der Unterschied in etwa verdoppelt haben. Der Hauptgrund für diese Abweichung vom erwarteten Wert liegt darin, daß das diäquatoriale Konformer eine zusätzliche Methyl-Methylgauche-Wechselwirkung enthält (s. Abb. 4-13), wodurch dessen Grundzustand im Verhältnis zur diaxialen Form angehoben wird.

H RS

H

AG? = + 8.4 kJ/mol

CH3

en

diäquatorial

CH;

se

diaxial trans-1,2-Dimethylcyclohexan

Bei den cis-1,2-disubstituierten Cyclohexanen steht immer ein Substituent axial, der andere äquatorial. Das Überwiegen des einen Konformers über das andere hängt dann davon ab, mit welcher Wahrscheinlichkeit jeder Substituent eine äquatoriale oder axiale Stellung einnimmt. So zwingt beispielsweise die 1,1-Dimethylethyl-(fert-Butyl)-Gruppe im cis-1-(1,1-Dimethylethyl)-2-methylcyclohexan aufgrund ihrer Größe die Methylgruppe in die axiale Position. N

CH3 cCH;3

CH3

u

CH

3

dx ch, H CH

CH 3 H das Gleichgewicht liegt auf der rechten Seite

Wenn

Sie so nacheinander

alle 1,2-, 1,3- und 1,4-Isomere in cis- und

trans-Konfiguration untersuchen, erkennen Sie zwei allgemeine Gesetzmäßigkeiten: (1) bei den cis-1,2-, trans-1,3- und cis-1,4-disubstituierten Cyclohexanen

nimmt

immer

ein Substituent

die axiale, der andere

die

äquatoriale Position ein. (2) Die trans-1,2-, cis-1,3- und frans-1,4-disubstituierten Cyclohexane liegen als miteinander im Gleichgewicht stehende Paare von diaxialen und diäquatorialen Konformeren vor. Fassen wir zusammen: Mit Hilfe der Konformationsanalyse von Cyclohexan ist es uns möglich, die relative Stabilität seiner verschiedenen Konformere vorauszusagen und sogar die Energiedifferenzen zwischen zwei Sesselkonformationen zu berechnen. Sperrige Substituenten, insbesondere eine 1,1-Dimethylethylgruppe, neigen dazu, das SesselSessel-Gleichgewicht auf der Seite zu fixieren, in der sie selbst eine äquatoriale Stellung einnehmen. Gelten ähnliche Beziehungen auch für die größeren Cycloalkane?

4.5 Höhere Cycloalkane Aus Tabelle 4-2 ist ersichtlich, daß die Spannung in größeren Ringen als dem Cyclohexan wieder zunimmt. Diese Spannung ergibt sich aus einer Kombination von Winkelspannung, ekliptischer Stellung von Wasserstoffatomen, gauche-Wechselwirkungen und Abstoßung von H-Atomen 140

an gegenüberliegenden Seiten des Ringes. Die einzelnen Moleküle nehmen dann Konformationen an, in denen diese Spannung, so gut es geht, minimiert wird. Dies ergibt häufig mehrere geometrische Anordnungen von sehr ähnlicher Energie. Die folgenden Diskussionen lassen sich am besten mit Hilfe von Molekülmodellen nachvollziehen. Cycloheptan kann man sich als ein Cyclohexan in der Sesselform vorstellen, in dem eine Spitze um eine CH>-Gruppe erweitert ist (s. Abb. 4-14). Dies ist jedoch nicht die stabilste

Konformation,

da die Wasser-

stoffatome an C4 und C5 vollständig verdeckt stehen. Durch eine leichte Verdrehung um diese C—C-Bindung entsteht eine günstigere Anord-

Sessel-Cycloheptan

nung, „Twist-Cycloheptan“.

Cyclooctan liegt überwiegend in einer Wannen-Sessel-Konformation, in geringerem Maße in der Kronenform (die Struktur ähnelt einer Krone) vor:

Twist-Cycloheptan

Sessel

Wannen-Sessel-Form

Kronenform

Abb. 4-14 Zwei Konformationen

Der Cyclodecanring ist groß genug, um einige anti-Konformationen zu ermöglichen. Trotzdem ist das Molekül, teilweise aufgrund von transannularen Wechselwirkungen zwischen Wasserstoffatomen, nicht spannungsfrei.

transannulare Wechselwirkungen

© |

des Cycloheptans. Die obere leitet sich vom Sessel-Cyclohexan durch Einschub von Kohlenstoffatom C5 ab. Durch Verdrillen wird die

ekliptische Spannung an C4 und C5 etwas verkleinert.

ee anti-Konforma

Cyclodecan

Praktisch spannungsfreie Konformationen sind nur bei den Cycloalkanen mit großen Ringen, wie dem Cyclotetradecan, möglich (s. Tab. 4-2). In diesen Ringen nimmt die Kohlenstoffkette eine sehr ähnliche Struktur wie in den offenkettigen Alkanen an (s. Abschn. 2-4). Alle Wasserstoffatome sind gestaffelt angeordnet und nehmen anti-Konformationen ein.‘Aber auch in diesen Systemen ist mit der Einführung eines Substituenten ein unterschiedliches Ausmaß von Ringspannung verbunden. Die meisten cyclischen Moleküle, die wir in diesem Buch beschreiben, sind nicht spannungsfrei.

4.6 Polycyclische Alkane Die bisher betrachteten Cycloalkane enthalten alle nur einen Ring, man bezeichnet sie daher als monocyclische Alkane. In den komplexeren Strukturen — den bi-, tri-, tetra- und den höheren polycyclischen Kohlenwasserstoffen — haben zwei oder mehr Ringe Kohlenstoffatome gemeinsam. Wir werden im folgenden sehen, welche strukturelle Vielfalt in diesen Molekülen möglich ist. Viele von ihnen, die Alkyl- oder funktionelle Gruppen enthalten, kommen in der Natur vor.

14

4 Cyclische Alkane

Polycyclische Alkane können kondensierte oder überbrückte Ringe enthalten Molekülmodelle polycyclischer Alkane lassen sich leicht konstruieren, indem man die Kohlenstoffatome zweier Alkylsubstituenten in einem monocyclischen Alkan miteinander verbindet. Entfernt man z.B. aus den beiden endständigen Methylgruppen im 1,2-Diethylcyclohexan jeweils einen Wasserstoff und knüpft eine neue C—C-Bindung, entsteht ein neues Molekül mit dem Trivialnamen Decalin. Im Decalinmolekül teilen zwei Cyclohexanringe zwei Kohlenstoffatome miteinander, beide Ringe sind kondensiert oder anelliert. Gruppen, die an BrückenkopfKohlenstoffatome gebunden sind, heißen Brückenkopfsubstituenten. Pr

CH,

Brückenkopf-C-Atom

Fa

——

CH3

Na

Brückenkopf-C-Atom Decalin

Wenn wir eine solche Verknüpfung bei einem Molekülmodell von cis1,3-Dimethylcyclopentan vornehmen, erhalten wir ein anderes Grundgerüst, das des Norbornans: CH3

=

Brückenkopf-C-Atom

-2H >

identisch mit

\

N

Norbornan

CH3

Brückenkopf-C-Atom

Diese Verbindungen sind Beispiele für überbrückte bicyclische Ringsysteme. Sie sind dadurch charakterisiert, daß zwei nicht benachbarte Kohlenstoffatome, die Brückenkopfatome, von zwei Ringen geteilt werden. Brückenkopf-Kohlenstoffatom

RR

SCH

C 2% H Brückenkopf-Kohlenstoffatom

allgemeiner Aufbau überbrückter bicyclischer Ringsysteme

Bicyclische Verbindungen werden systematisch als Derivate des Cycloalkans mit derselben Zahl von Ringkohlenstoffatomen bezeichnet. Der Name des Alkans erhält den Vorsatz bicyclo. Decalin ist dann ein Bicyclodecan. Die Anzahl der Glieder der Brücke (Anzahl der Kohlenstoffatome) zwischen beiden Brückenköpfen ist in der Reihenfolge abnehmender Größe durch Zahlen in eckigen Klammern zwischen dem Vorsatz bicyclo- und dem Namen des Alkans angegeben. So ist z.B. Norbornan ein bicyclisches Heptan mit zwei zweigliedrigen und einer 142

4.6

H

H

H

H

H

Be.

Bar H äquatoriale

H C—C-Bindungen

axiale

C—-C-Bindungen

frans-Bicyclo[4.4.0]decan (trans-Decalin)

äquatoriale

C—C-Bindungen

cis-Bicyclo[4.4.0]decan (cis-Decalin)

Polycyclische Alkane

Abb. 4-15 Übliche Darstellung und Sesselkonformation von fransund cis-Bicyclo[4.4.0]decan (trans- und cis-Decalin). Das transIsomer hat nur äquatoriale Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen an der Verknüpfungssteile der beiden Ringe, während das cis-Isomer zwei äquatoriale (grün) und zwei axiale C—C-Bindungen (rot), jeweils eine in jedem Ring, besitzt.

eingliedrigen Brücke. Der systematische Name lautet daher: Bicyclo[2.2.1]heptan. Decalin ist ein etwas anderer Fall. Hier ist eine der Brücken einfach eine Bindung ohne Atome, eine „nullgliedrige“ Brücke. Der IUPAC-Name ist daher Bicyclo[4.4.0]decan. Weitere Beispiele bicyclischer Kohlenwasserstoffe sind cis-Bicyclo[1.1.0]butan und cis-Bicyclo[4.2.0]octan. Bei der Numerierung des bicyclischen Gerüsts beginnt man bei einem der Bückenkopf-Kohlenstoffatome, geht über die längste Brücke zum zweiten Brückenkopf, geht zurück über die zweitlängste Brücke zum ersten Brückenkopf-Kohlenstoff und beendet die Numerierung über die verbleibende Brücke.

nullgliedrige Brücke

3 H Bicyclo[2.2.1]heptan

Bicyclo[4.4.0]decan

(Norbornan)

(Decalin)

eis-Bieyclo| 1.1.0]butan

cis-Bicyclo|4.2.0Joctan

Bicycloalkane können cis- oder trans-verknüpft sein. Manchmal ist die trans-Verknüpfung, wie im Norbornan oder im cis-Bieylo[1.1.0]butan, sterisch.nicht möglich. Beim Bicyclo[4.4.O]decan gibt es dagegen beide Isomere (s. Abb. 4-15). Übung 4-10 Bauen Sie Molekülmodelle

von cis- und trans-Bicyclo[4.4.0]decan.

Was läßt sich über

die Beweglichkeit der Konformationen sagen?

» Gespannte Kohlenwasserstoffe: Wo ist die Grenze? Die Suche nach den Grenzen der Spannung in der Bindung von Kohlenwasserstoffen ist ein faszinierendes Forschungsgebiet, aus dem bereits eine Reihe von exotischen Molekülen hervorgegangen ist. Es ist wirklich erstaunlich, wie stark die Winkel am gesättigten Kohlenstoffatom verdreht werden können. Sie haben ja bereits Modelle von Molekülen gebaut,

die sich nur mit Mühe

spiel in der Serie

clo[1.1.0]butan,

konstruieren

der bicyclischen

dessen

ließen.

Ein extremes

Kohlenwasserstoffe

Spannungsenergie

auf 278

Bei-

ist das Bicy-

kJ/mol

geschätzt 143

4 Cyeclische Alkane

wird. Wenn man bedenkt, daß die Bildungsenthalpie dieses Moleküls +217.3 kJ/mol beträgt, ist es bemerkenswert, daß das Molekül über-

C(CH3)3

(CH3)3C —

>

GiCH3)3

C(CH3)3

haupt existiert. Eine Reihe von Verbindungen, die die Aufmerksamkeit der synthetisch orientierten Chemiker besonders erregt, hat ein Kohlenstoffgerüst, dessen Geometrie den Platonischen Körpern entspricht: dem Tetraeder (Tetrahedran), dem Hexaeder (Cuban) und dem pentagonalen Dodecaeder (Dodecahedran). Als erste dieser Strukturen wurde im Jahre 1964 der Hexaeder synthetisiert, ein würfelförmiger Kohlenwasserstoff der Formel

Tetrakis(1,1-dimethylethyl)-

C;Hg.

lateinischen

tetrahedran

Nach

cubus

dem

englischen Wort für Würfel, cube, bzw. dem

erhielt

die Verbindung

auch

ihren

Namen,

Cuban.

Die experimentell gemessene Spannungsenergie (657 kJ/mol) ist etwa gleich der gesamten Spannung von sechs Cyclobutanringen. Obwohl Tetrahedran selbst unbekannt ist, wurde ein Tetra(1,1-dimethylethyl)Derivat im Jahre 1978 synthetisiert. Trotz der geschätzten Ringspannung von etwa 540 bis 574 kJ/mol ist die Verbindung stabil und schmilzt erst bei 135°C. Im Jahre 1982 gelang es, Dodecahedran zu synthetisieren. Die Synthese verläuft über 23 Stufen, mit einem einfachen Cyclopentanderivat als Ausgangsverbindung. Im letzten Syntheseschritt wurden 1.5 mg der reinen Verbindung erhalten. Die Ausbeute war dennoch ausreichend, um das Molekül vollständig charakterisieren zu können. Der Schmelzpunkt von 430°C liegt für einen Czy-Kohlenwasserstoff außerordentlich hoch und bestätigt die hohe Symmetrie der Verbindung. Eicosan als Vergleich schmilzt bei 36.8°C (s. Tab. 2-5). Zusammenfassend können wir sagen, daß Kohlenstoffatome in cyclischen Verbindungen einen hohen Anteil von Spannung im Vergleich zu anderen Kohlenstoffatomen tolerieren können. Diese Fähigkeit hat die Darstellung einer Reihe von cyclischen Molekülen ermöglicht, in denen die Geometrie am Kohlenstoffatom stark von der Tetraederstruktur abweicht.

(Tetra-tert-butyltetrahedran)

>

Tetrahedran

a Cuban

I Dodecahedran

Kasten 4-2

Cuban-Derivate können als Sprengstoffe eingesetzt werden Die Synthese von Cuban und seiner Derivate wurde zum Kilogramm-Maßstab ausgebaut, da man ihre potentiellen Anwendungen als Sprengstoffe und als hochenergetische Treibstoffe erkannt hatte. Die wichtigste Funktionalisierung von Cuban ist in diesem Zusammenhang die radikalische Chlorcarbonylierung, ausgehend von der kommerziell erhältlichen Cubancarbonsäure zum „tetraedrisch“ tetrasubstituierten Cuban, das in den starken Sprengstoff Tetranitrocuban umgewandelt werden kann.

freigesetzt, wodurch eine (üblicherweise zerstörerische) Schockwelle im umgebenden Medium entsteht. Diese Reaktion kann mechanisch durch Reibung, durch Wärme (z.B. Funken) oder durch die Schockwelle einer anderen Explosion (Zündkapseln) ausgelöst werden.

O,N

O;N NO,

NO,

O,N

NO,

ON

O;N

| ES =

N

-

SCHON

\

Cubancarbonsäure

(COCH,,

O;N

NO,

Octanitrocuban

In

Zu

HCI, - CO;

Zweifellos trägt die Ringspannung zur thermi-

CIOC

schen

„tetraedrisches“

seine Summenformel C;H,N4O, legt die Bildung gasförmiger Reaktionsprodukte nahe (z.B. 8 CO + 22 N, + 2 H,, um nur ein hypothetisches Resultat zu nennen). ÖOctanitrocuban, vermutlich das Nitrocubanderivat mit der größten Sprengkraft, wurde bislang nicht hergestellt.

Cubanderivat

Sprengstoffe sind Verbindungen, die sich sehr schnell zersetzen. Dabei wird sehr viel Wärme und eine erhebliche Menge gasförmiger Produkte

IH

NO,

Tetranitrocuban

-NO;

Labilität

von

Tetranitrocuban

bei,

und

4.7 Carbocyclische Naturstoffe

4.7

Carbocyeclische Naturstoffe

Lassen Sie uns nun einen kurzen Blick auf die Vielfalt der cyclischen Moleküle, die in der Natur gebildet werden, die cyclischen Naturstoffe, werfen. Naturstoffe sind organische Verbindungen, die von lebenden Organismen produziert werden. Einige dieser Verbindungen sind extrem einfach,

wie

das Methan,

andere

haben

sehr

komplexe

Strukturen.

Die

Naturwissenschaftler haben versucht, die Fülle der Naturstoffe auf verschiedene Weise zu klassifizieren. Im allgemeinen wendet man vier Schemata an, in denen diese Verbindungen nach (1) chemischer Struktur, (2) physiologischer Wirkung, (3) Organismus- oder Pflanzenspezifität (Taxonomie) und (4) biochemischer Herkunft geordnet werden. Es gibt viele Gründe, warum organische Chemiker an Naturstoffen interessiert sind. Viele dieser Verbindungen sind wichtige Arzneigrundstoffe, andere

wirken

als Farb-

oder

Aromastoffe,

und

wieder

andere

sind wichtige Rohprodukte. Untersuchungen von Tiersekreten ergeben Informationen darüber, in welcher Weise Tiere chemische Stoffe zur Markierung von Pfaden, zur Abwehr von Feinden oder als Sexuallockstoff verwenden. Die Erforschung der biochemischen Abbauwege, über die ein Organismus eine Verbindung metabolisiert, ermöglicht eine Einsicht in die Vorgänge im Körper. Dieser Abschnitt befaßt sich mit zwei Naturstoffklassen, den Terpenen und Steroiden, die aus obigen Gründen immer eine wichtige Rolle in der organischen Chemie gespielt haben.

Pflanzen bilden Terpene aus Isopren-Einheiten Die meisten von Ihnen haben schon den oft sehr intensiven Geruch von frisch zerriebenen Blättern gerochen. Durch das Zerreiben wird ein Gemisch aus recht flüchtigen Substanzen mit normalerweise fünfzehn oder zwanzig Kohlenstoffatomen pro Molekül freigesetzt, die Terpene. Man verwendet diese Verbindungen als Aromastoffe für Lebensmittel (Nelken- und Pfefferminzextrakte), in Parfums (Rosen, Lavendel, Sandelholz) und als Lösungsmittel (Terpentin). Die Biosynthese der Terpene geschieht in der Pflanze durch Verknüpfung mindestens zweier Moleküleinheiten mit fünf Kohlenstoffatomen. Die Konstitution dieser Einheiten entspricht der von 2-Methyl-1,3-butadien (Isopren), man bezeichnet sie daher als „Isopren-Einheiten“. Je nachdem, wie viele Isopren-Einheiten in einem Molekül enthalten sind, unterteilt man die Terpene in Mono- (C,o), Sesqui- (Cj;) und Diterpene(CH). (In den im folgenden dargestellten Terpenen sind die IsoprenEinheiten farbig herausgehoben.) >

In 2-Methyl-1,3-butadien (Isopren)

£ Isopren-Einheit in Terpenen (einige enthalten Doppelbindungen)

Die Chrysanthemumsäure ist ein monocyclisches Terpen, das einen »Dreiring enthält. Sie tritt in Form ihrer Ester in den Blüten von Pyrethrum (Chrysanthemum cinerariae-folium) auf. Die Ester sind natürliche Insektizide, wobei die cis-Isomere gewöhnlich aktiver als die irans-Verbindungen sind. In Grandisol, dem Sexuallockstoff des männlichen Baumwollrüsselkäfers (Anthonomus grandis), liegt ein Cyclobutanring vor. Menthol (Pfefferminzöl) ist ein Beispiel eines natürlich vorkommenden Cyclohexanderivats, während Campher (aus dem Campherbaum) und ß-Cadinen (aus Wacholder und Zeder) einfache bicyclische Terpene sind, ersteres ist ein Bicyclo[2.2.1]system, das zweite ein Bicyclo[4.4.0](Decalin)-Derivat.

145

4 Cyclische Alkane

oO

OR

CH,

>

H;C, S

Te

Da

)

EN

e

Ka

le

trans-Chrysanthemumsäure (R=H)

Grandisol

trans-Chrysantemumsäureester (R # H)

H;C

CH3 _CH3

CH3

er.

H;C H

1

CH(CH3)>

Re

ß-Cadinen

Campher

Menthol

Taxol (Paclitaxel) ist ein komplexes, hochfunktionalisiertes Diterpen, das 1962 aus der Rinde der Pazifischen Eibe taxus brevifolia im Rahmen eines Forschungsprogramms des National Cancer Institutes (USA) zur Identifizierung von Naturstoffen mit Antitumor-Wirkung isoliert wurde. Taxol erwies sich als die wohl interessanteste von über 100000 Verbindungen, die aus über 35000 pflanzlichen Spezies isoliert wurden. Es ist heute in der klinischen Anwendung eines der besten Hilfsmittel im Kampf gegen das Wachstum bösartiger Tumore beim Menschen. Da man zur Behandlung eines einzigen Patienten die Rinde von sechs Pazifischen Eiben benötigt, werden intensive Anstrengungen unternommen, die Effizienz der Gewinnung, die Zugänglichkeit sowie die Ausbeuten zu verbessern. Bei diesen Bemühungen spielen Synthesechemiker eine wichtige Rolle, denen es im Jahr 1994 erstmals gelang, Taxol in einer Totalsynthese herzustellen.

u. HO o

\ Ö

Taxol

Übung 4-12 | Die Formeln zweier Terpene, die Insekten zu ihrer Verteidigung versprühen, sind in der Randspalte gezeigt. Geben Sie an, ob es sich um Mono-, Sesqui- oder Diterpene han| delt. Zeigen Sie bei beiden Verbindungen die einzelnen Isopren-Einheiten.

| Übung 4-13 | Geben Sie an, welche funktionellen Gruppen in den in diesem Abschnitt gezeigten Terpenen vorliegen.

146

Steroide: Tetracyclische Naturstoffe mit starker physiologischer Wirkung Steroide

kommen

4.7

Carbocyelische Naturstoffe

häufig in der Natur vor, und viele dieser Verbindun-

gen haben physiologische Aktivität. Eine Reihe von Steroiden wirken als Hormone, so wird im menschlichen Körper z.B. die geschlechtliche Reifung und die Fruchtbarkeit durch Steroidhormone gesteuert. Daher werden in der Medizin viele, häufig synthetisch hergestellte Steroide, in der Krebstherapie, bei der Behandlung von Arthritis oder Allergien und bei der Empfängnisverhütung eingesetzt. In den Steroiden sind drei Cyclohexanringe in der Sesselform aneinander kondensiert und meist /rans-verknüpft, entsprechend der Struktur von frans-Decalin. Der vierte Ring ist ein Cyclopentan, alle vier zusammen ergeben die charakteristische Steroidstruktur. Man bezeichnet die vier Ringe als A, B, C und D, und die Kohlenstoffatome werden nach einem bestimmten, für die Steroide spezifischen Schema numeriert. In vielen Steroiden sind an C1O und C13 Methylgruppen, an C3 und C17 Sauerstoffatome gebunden. Teilweise findet sich an C17 auch eine längere Seitenkette. Die frans-Verknüpfung der Ringe ermöglicht eine weitgehend spannungsfreie All-Sessel-Konformation, in der die Methylgruppen und Wasserstoffatome an den Verbindungsstellen der Ringe axiale Positionen einnehmen.

trans-

7

Trans-

ae

u Verknüpfung trans-

Verknüpfung

Steroid-Grundgerüst (R = H, Epiandrosteron)

IN

IN

a

&

@

Epiandrosteron

Gruppen, :bezeichnet

die man

oberhalb

der

Ebene

als ß-Substituenten,

des

unterhalb

Steroidmoleküls der Ebene

stehen,

befindliche

Gruppen als a-Substituenten. In der obigen Formel ist also eine 3ßOR-Gruppe, ein 5a-H, eine 10ßB-CH;-Gruppe etc. enthalten. Die axialen CH;-Gruppen bezeichnet man auch als angulare Methylgruppen, da sie stark aus dem übrigen Molekülgerüst herausragen (angulus, lateinisch: im Winkel; an einer scharfen Ecke).

Cholesterin (engl.: cholesterol) gehört zu den am weitesten verbreiteten Steroiden. Es kommt in fast allen tierischen und menschlichen Geweben

vor, insbesondere

im Gehirn

und im Rückenmark.

Im Rük-

kenmark von Rindern ist es sogar so konzentriert, daß es hieraus kom-

147

4 Cyclische Alkane

merziell durch einfache Extraktion gewonnen Erwachsenen

enthält

200

wird. Der Körper eines

bis 300 g Cholesterin,

Gallensteine

können

völlig daraus bestehen. Dieses Steroid ist vermutlich für einige Kreislauferkrankungen verantwortlich, da es sich an den Arterienwänden absetzt, was zu Arteriosklerose und Herzerkrankungen führt. Seine biologische Funktion im Körper ist noch nicht vollständig geklärt, man weiß aber, daß es eine Vorstufe der Steroidhormone und der Gallensäuren ist. Die Gallensäuren werden in der Leber gebildet und sind Teil eines Sekretgemischs, das im Zwölffingerdarm zur Emulgierung, Verdauung und Absorption der Fette dient. Ein Beispiel ist die Cholsäure. CH3

CH;

Cholsäure

Cholesterin

Cortison

Cortison, das eine breite Anwendung bei der Behandlung rheumatischer Erkrankungen findet, ist eines der Nebennierenrindenhormone. Diese Hormone sind an der Regulierung des Elektrolyt- und Wasserhaushalts und am Protein- und Kohlenhydrat-Metabolismus beteiligt. Die Sexualhormone lassen sich in drei Gruppen aufteilen: (1) die männlichen Sexualhormone oder Androgene; (2) die weiblichen Sexual-

hormone oder Östrogene, und (3) die Schwangerschaftshormone oder Progestine. Testosteron

ist das wichtigste männliche Sexualhormon. Es wird von den Hoden produziert und ist auch für die sekundären männlichen Geschlechtsmerkmale wie tiefe Stimme, Bartwuchs und allgemeine physische Konstitution verantwortlich. Das weibliche Sexualhormon ist das Östradiol. Es wurde erstmals durch Extraktion von etwa vier Tonnen Schweineovarien gewonnen, wobei nur einige Milligramm reines Steroid isoliert wurden. Östradiol ist für die Entwicklung der sekundären weiblichen Geschlechtsmerkmale verantwortlich und ist an der Regulierung des weiblichen Menstruationscyclus beteiligt. Ein Beispiel eines Schwangerschaftshormons ist Progesteron, das dafür sorgt, daß der Uterus für die Einnistung der befruchteten Eizelle bereit ist.

\

cH.OH

EIS

H HO Testosteron

cu. (Ce

H O

Östradiol

Progesteron

Die strukturellen Ähnlichkeiten der Steroidhormone sind bemerkenswert, wenn man ihre völlig unterschiedliche Wirkungsweise berücksichtigt. Steroide sind die Wirkstoffe der „Anti-Baby-Pille“, die aufgrund der Kontrolle des weiblichen Menstruationscyclus und des Eisprungs als Empfängnisverhütungsmittel wirkt. Nach heutigen Schätzungen ist die Anti-Baby-Pille für 50 bis 60 Millionen Frauen weltweit das Verhütungsmittel Nummer 1. Wir fassen noch einmal zusammen: Es gibt eine außerordentliche Vielfalt von Naturstoffen, die sich in ihrer Struktur und Wirkungsweise stark unterscheiden. Als Beispiele von Naturstoffen haben wir die Ter148

Kasten 4-3 Geburtenkontrolle: Von der „Pille“ zu RU-486

Der Menstruationscyclus wird von drei Proteinhormonen der Hypophyse kontrolliert. Das follikelstimulierende Hormon (FSH) induziert das Reifen

der

Eizelle,

das

luteinisierende

Hormon

(LH) den Eisprung. Das dritte Hypophysenhormon (luteotropes Hormon) induziert die Bildung eines Ovariengewebes, des Gelbkörpers (corpus luteum). Mit Beginn des Cyclus und der Initiation der Eireifung produziert das die Eizelle umgebende Gewebe zunehmende Mengen von Östrogenen. Ist eine bestimmte im

Blut

erreicht,

hört

Östrogenkonzentration

die FSH-Produktion

auf.

In diesem Stadium erfolgt als Antwort auf LH der Eisprung. LH bewirkt zum Zeitpunkt der Ovulation ebenfalls die Bildung des Gelbkörpers, der mit der Produktion steigender Mengen von Progesteron beginnt. Dieses Hormon unterdrückt jeden weiteren Eisprung durch Stoppen der LHProduktion.

Wird

die

Eizelle

nicht

befruchtet,

werden Gelbkörper und Ei ausgestoßen (Menstruation). Eine Schwangerschaft führt andererseits zur Zunahme der Östrogen- und Progesteronproduktion, um die Sekretion von Hypophysenhormonen und damit eine erneute Ovulation zu verhindern. Die Anti-Baby-Pille besteht aus einer Mischung synthetischer stark wirksamer Östrogen- und Progesteronderivate (wirksamer als die natürlichen Hormone),

die, wenn sie wäh-

rend des überwiegenden Teils des Menstruationscyclus eingenommen werden, die Eireifung und den Eisprung verhindern, da sie die FSH- und LH-Produktion stoppen. Dem weiblichen Körper wird eine Schwangerschaft vorgetäuscht. Eine der im Handel befindlichen Pillen enthält eine Kombination aus 0.05 mg Mestranol und 1 mg Norethynodrel. Andere Präparate bestehen aus ähnlichen Verbindungen mit geringen strukturellen Änderungen.

en

Mestranol

RU-486 ist ein synthetisches Steroid, das die Wirkung des Progesterons blockiert. Die befruchtete Eizelle kann sich nicht einnisten, weil die dafür notwendige Vorbereitung des Endometriums verhindert wird. seit 1988 als RU-486 ist in Frankreich „Morgen-danach“ Pille eingeführt.

pene und die Steroide betrachtet. In den folgenden Kapiteln zeigen wir häufig anhand von Naturstoffen die Chemie bestimmter funktioneller Gruppen, demonstrieren an ihnen Synthesestrategien oder die Wirkungsweise eines Reagenzes und ziehen sie zur Darstellung dreidimen„sionaler Wechselbeziehungen und als Beispiele für medizinische Anwendungen heran. Einige Naturstoffklassen werden wir genauer diskutieren: die Fette (Abschn. 19.12 und 20.4), die Kohlenhydrate (Kapitel 24), die Alkaloide (Abschn. 25.7) und die Amino- und Nucleinsäuren (Kap. 26).

149

4 Cyclische Alkane

Verständnisübung a Von Isomere. formeln!

1,2,3,4,5,6-Hexachlorcyclohexan gibt es mehrere _ cis-transZeichnen Sie alle Isomere unter Zuhilfenahme der Keilstrich-

Lösung Bevor Sie jetzt aufs Geratewohl ziellos probieren, versuchen Sie es mit einer etwas systematischeren Methode. Beginnen Sie zunächst mit dem einfachsten Fall: Alle Chloratome sind cis angeordnet (nur Keilstriche benutzen). Betrachten Sie nun die verschiedenen Permutationen, die Sie erhalten, wenn Sie eine zunehmende Anzahl von Substituenten trans anordnen (keilförmige durch gestrichelte Linien ersetzen). Sie können mit dem Zeichnen aufhören, sobald wir das Stadium „drei Chloratome oben, drei Chloratome unten“ erreicht haben, da „zwei oben,

vier unten“ „vier oben, zwei unten“ etc. entspricht. Die ersten beiden Fälle, „sechs oben“ (A) und „fünf oben, eins unten“ (B), unterscheiden sich von den anderen Fällen, da es jeweils nur eine Struktur gibt, die

diese Bedingung erfüllt:

cl elseraı

cl Bel

Eiazci

AC1

Meine!

eiIzti

2°C

cl

cl

B

C

Cl D

E

Nun sehen wir uns die „vier oben, zwei unten“-Isomere an. Es gibt drei Möglichkeiten, zwei Chloratome nach „unten“ zu zeichnen: in

1,2- (C), 1,3- (D) und 1,4-Position (E). (1,5 und 1,3 bzw. 1,2 und 1,6 sind identisch. Schließlich führt uns der selbe Gedankengang zur Erkenntnis, daß „drei oben, drei unten“ ebenfalls zu drei unterschiedlichen Konfigurationsisomeren führt, nämlich 1,2,3 (F), 1,2,4 (G) und KSaaEh:

Cl Cl

b Das sogenannte y-Isomer ist ein Insektizid Kwell) mit der folgenden Konfiguration:

(Lindan,

Gammexan,

y-Hexachlorcyclohexan

Zeichnen Sie die zwei Sesselkonformationen dieser Verbindung. Welche ist stabiler?

150

Lösung

Verständnisübung

Beachten Sie, daß das y-Isomer unserer Konfiguration E aus Aufgabenteil a) entspricht. Sie müssen nur die ebene Cyclohexan-Keilstrichformel in die Sesseldarstellung überführen; betrachten Sie dazu Abbildung 4-10. Achten Sie dabei auf die alternierende Anordnung der Mitglieder der beiden Wasserstoff-Gruppen (axial oder äquatoriale) relativ zueinander. Während wir uns um den Ring herum bewegen, können wir sehen, daß benachbarte

Wasserstoffatome

(z.B. solche

in „1,2“-Position)

aus

derselben Gruppe immer trans zueinander stehen. Analog ist die „1,3“Anordnung immer cis, während die als „1,4“ beschreibbare wiederum trans ist. Und natürlich gilt im Umkehrschluß für die cis zueinander stehenden direkten Nachbarn (,„1,2“) einer Keilstrich-Zeichnung, daß einer

der beiden Substituenten axial und der andere äquatorial in den beiden Sesselkonformationen des Moleküls angeordet ist. Sind sie trans, werden sie in der einen Darstellung als diäquatorial, in der anderen als diaxial erscheinen.

Diese

Zuordnung

ändert

sich für die „1,3“-Anordnung:

cis

resultiert in einem diäquatorial-diaxialen Paar in der Sesselkonformation, aus frans hingegen das axial-äquatoriale bzw. äquatorial-axiale Paar und so weiter. Tabelle 4-4 faßt diese Beziehungen zusammen. Die beiden Sesselkonformationen von y-Hexachlorcyclohexan sehen also folgendermaßen aus: Cl

cl

|

cl

Cl ei

|

Cl ——

AG° = 0 kJ/mol

cl

cl Cl

Cl

Beide Strukturen haben drei axiale Chlorsubstituenten, ist identisch.

ihre Energie

ce Für welches Isomer erwarten Sie die größte Energiedifferenz zwischen den beiden Cyclohexan-Sesselkonformationen?

Lösung Den größten Wert für AG° für das Umklappen der Sesselkonformationen ist für das all-axial-Hexachlorcyclohexan zu erwarten. Nimmt man Tabelle 4-4 und Abbildung 4-10 zu Hilfe, so erkennt man sofort, daß dies nur für das all-trans-Isomer zutrifft. Tabelle 4-3 gibt den AG”-Wert (äquatorial-axial) für Cl mit 2.2 kJ/mol an. Daher ist AG° in unserem Beispiel.6 x 2.2 kJ/mol = 13.2 kJ/mol.

cl

cl

cl cl

cl =_

cl

AG? = + 13.2 kJ/mol

(6) cl cl

cl

all-trans-Hexachlorhexan

Beachten Sie, daß dieser Wert nur geschätzt ist. Dabei werden beispielsweise die sechs Cl-Cl-gauche-Wechselwirkungen in der all-äquatorialen Konformation nicht berücksichtigt, die die Energiedifferenz zwischen den beiden Konformeren verringert. Aber ebenso werden die sechs 1,3-diaxialen Wechselwirkungen in der all-axialen Sesselkonformation vernachlässigt, die diesem Effekt entgegenwirken würden.

151

4 Cyclische Alkane

Tabelle 4-4 cis-trans-Beziehung zweier Substituenten in den beiden Sesselkonformationen disubstituierter Cyclohexanderivate

cis-1,2 trans-1,2 cis-1,3

axial-äquatorial axial-axial axial-axial

äquatorial-axial äquatorial-äquatorial äquatorial-äquatorial

trans-1,3 cis-1,4 trans-1,4

axial-äquatorial axial-äquatorial axial-axial

äquatorial-axial äquatorial-axial äquatorial-äquatorial

Wichtige Konzepte 1 Die Nomenklatur der Cycloalkane leitet sich von der der offenkettigen Verbindungen ab. 2

Alle

disubstituierten

Cycloalkane

außer

den

1,1-disubstituierten können als zwei verschiedene Isomere auftreten: Befinden sich beide Substituenten auf derselben Seite des Moleküls, stehen

sie cis; befinden Seiten,

stehen

sie sich auf entgegengesetzten

sie trans.

cis- und

trans-Isomere

sind Stereoisomere — Verbindungen, bei denen die Konnektivität der Atome (Konstitution) identisch ist, die sich aber in der räumlichen

9

Bei den monosubstituierten Cyclohexanderiva-

ten ist AG” für das Gleichgewicht zwischen beiden Sesselkonformationen substituentenabhängig. Axiale Substituenten sind 1,3-diaxialen Wechselwirkungen ausgesetzt. 10 Bei den höher substituierten Cyclohexanderivaten verhalten sich die Effekte der Substituenten häufig additiv, die sperrigsten Substituenten nehmen mit größter Wahrscheinlichkeit äquatoriale Positionen ein. f

Anord-

nung der Atome unterscheiden.

11 Völlig spannungsfreie Cycloalkane liegen bei den sehr großen Ringen vor, die leicht eine all-

3 Einige Cycloalkane sind gespannt. Verdrehung der Bindungen an tetraedrischen Kohlenstoffatomen führt zu Winkelspannung. Ekliptische Spannung resultiert aus dem Unvermögen einer Struktur, gestaffelte Konformationen an C—C-Bindungen einzunehmen. Sterische Abstoßung zwischen

anti-Konformation

Atomen,

die

sich

auf

unterschiedlichen

Seiten

des Rings befinden, führt zu transannularer Spannung.

denen ten.

keine

annehmen

transannularen

können,

Spannungen

und

in

auftre-

12 Bicycloalkane enthalten zwei BrückenkopfKohlenstoffatome, die beiden Ringen gemeinsam sind. Die Verknüpfung kann cis oder trans sein.

13 Naturstoffe werden allgemein Struktur, physiologischer Wirkung,

nach ihrer Taxonomie

4 Die Winkelspannung wird in den kleinen Cycloalkanen großenteils durch Ausbildung gebogener Bindungen ausgeglichen.

oder nach ihrem biochemischem Ursprung eingeteilt. Beispiele für die letztgenannte Klasse sind

5 Winkel-, ekliptische und andere Spannungen werden in größeren Cycloalkanen als dem Cyclopropan (das naturgemäß eben sein muß) durch Abweichungen von einer ebenen Anordnung verringert.

14 Terpene bestehen aus Isopren-Einheiten mit fünf Kohlenstoffatomen.

6 Die Ringspannung in den kleineren hat Ringöffnungsreaktionen zur Folge.

ten stehen oberhalb tuenten darunter.

7

Ringen

Durch Herausbewegen aus der Ebene ergeben

sich bewegliche

Konformere,

wie die Sessel-, die

Wannen- und die Twistform des Cyclohexans. Sessel-Cyclohexan ist nahezu spannungsfrei. 8 In der Sesselform des Cyclohexans lassen sich zwei Typen von Wasserstoffatomen, die axialen und die äquatorialen, unterscheiden. Sie gehen bei Raumtemperatur rasch durch „Umklappen“ des Sessels ineinander über. Die Aktivierungsenergie für diesen Prozeß beträgt 45.2 kJ/mol.

152

die Terpene, für die erste die Steroide.

15 Steroide enthalten drei trans-verknüpfte Cyclohexanringe (A, B, C-Ringe), die an den Cyclopentanring D gebunden sind. ß-Substituender Molekülebene,

a-Substi-

16 Eine wichtige Klasse von Steroiden bilden die Sexualhormone, die eine Reihe von physiologischen Funktionen, einschließlich der Regulierung der Fruchtbarkeit, haben.

Aufgaben 1

Aufgaben

Zeichnen Sie für die Formel C;H;o so viele Formeln mit,einem Ring

wie möglich und benennen Sie sie. 2 Benennen klatur.

Sie die folgenden

Moleküle

nach

der IUPAC-NomenH

(a)

\

N

(d)

(8) en

CH3

H

er H

Br

(b)

ran

(e)

H Br &)

CH,

Br

[Hs CH3

(ec) H

(f)

H

Br

3 Die folgenden kinetischen Daten für die radikalische Chlorierung einiger Cycloalkane zeigen, daß die C—H-Bindungen im Cyclopropan und, in geringerem Ausmaß, auch im Cyclobutan, ungewöhnlich sind. (a) Was können Sie aus diesen Daten über (i) die Stärke der C—HBindung im Cyclopropan und (ii) über die Stabilität des Cyclopropylradikals sagen? (b) Finden

Sie

einen

Grund

für

die

Stabilitätseigenschaften

des

Cyclopropylradikals. (Hinweis: Vergleichen Sie die Winkelspannung im Cyclopropylradikal mit der von Cyclopropan selbst.) (ec) Unter den beschriebenen experimentellen Bedingungen besitzt 2,2-Dimethyleyclopropan pro Wasserstoffatom gegenüber Cl- eine relative Reaktivität von 0.6. Geben Sie aufgrund dieser Information das Hauptprodukt der Halogenierung in den beiden folgenden Reaktionen an:

H,C'

CH, i

4

H Ch, hv MT —

Relative Reaktivität pro Wasserstoffatom gegenüber Cl: e bezogen auf Reaktivität von Cyclohexan = 1.0? Cycloalkan

Reaktivität

Cyclopentan Cyclobutan Cyclopropan

0.9 0.7 0.1

%

Bedingungen: 68°C, hv, CCl, als Lösungsmittel

ICH; £

Ch, hv

eo

Schätzen Sie mit Hilfe der Daten aus Tabellen 3-2 und 4-2 DH

für

eine C—C-Bindung in: (a) Cyclopropan (b) Cyclobutan

(ce) Cyclopentan (d) Cyclohexan

»5 Zeichnen Sie die folgenden Cyclobutane in ihren beiden gefalteten Konformationen (Abb. 4-3). Wenn sich die beiden Konformere in ihrer Energie unterscheiden, identifizieren Sie das stabilere und geben Sie die Form(en) von Spannung an, die die Energie des weniger stabilen erhöhen. (Hinweis: Die axialen und äquatorialen Positionen in gefaltetem Cyclobutan sind ähnlich wie im Sessel-Cyclohexan.) (a) Methylcyclobutan (b) cis-1,2-Dimethyleyclobutan

(d) cis-1,3-Dimethylcyclobutan (e) trans-1,3-Dimethyleyclobutan

(ec) trans-1,2-Dimethyleyclobutan

153

4 Cyclische Alkane

Was ist stabiler: cis- oder trans-1,2-Dimethylcyclobutan; cis- oder trans1,3-Dimethylcyclobutan?

6

Schätzen Sie AH” für das Gleichgewicht ebenes Cyclopentan =

Briefumschlag-Cyclopentan ab. Berücksichtigen Sie nur Unterschiede in der ekliptischen Spannung.

7 Geben Sie für jedes der folgenden Cyclohexanderivate an, (1) ob das Molekül ein cis- oder trans-Isomer ist und (2) ob die angegebene die stabilste Konformation ist. Wenn Sie die zweite Frage mit „nein“ beantworten, klappen Sie den Ring um und zeichnen Sie die stabilste Konformation. CH3

(c) @ o%

(b)

NOCH;

(d) HO CH(CH3)>

CHz F

CH;CH;

|

(e)

Re

Tann

OÖ

QN &

OH

(f)

NH>

Be

(i) Br

Cl

() (8) CH;

OCH3

CH(CH3)»

8 Zeichnen Sie die stabilste Konformation der folgenden substituierten Cyclohexane. Klappen Sie dann den Ring um und zeichnen Sie das nächststabilere Konformer. i (a) Cyclohexanol

(b) (ec) (d) (e)

trans-3-Methylcyclohexanol cis-1-(1-Methylethyl)-2-methyleyclohexan cis-l-Ethyl-2-methoxycyclohexan trans-1-(1,1-Dimethylethyl)-4-chlorcyclohexan

9 Schätzen Sie für jedes Molekül aus Aufgabe 8 die Energiedifferenz zwischen der stabilsten und der nächststabileren Konformation ab. Berechnen Sie das ungefähre Verhältnis beider Konformere bei 300 K.

10 Welche ist die stabilste der vier Wannenformen hexan und warum? 154

von Methyleyclo-

11 Die stabilste Konformation des trans-1,3-Bis-(1,1-dimethylethyl)cyclohexans ist kein Sessel. Welche Konformation würden Sie für dieses Molekül erwarten? Geben Sie eine Erklärung.

Aufgaben

12 Der bicyclische Kohlenwasserstoff, der durch Anellierung eines Cyclohexan- und eines Cyclopentanrings entsteht, wird als Hexahydroindan bezeichnet. Zeichnen Sie unter Zuhilfenahme der Formeln von cisund frans-Decalin (Abb. 4-15) die Formeln von cis- und trans-Hexahydroindan, die jeden Ring in seiner stabilsten Konformation zeigen.

, Hexahydroindan

13 Wenn Sie sich die Strukturen von cis- und frans-Decalın in Abb. 4-15 ansehen, welche, meinen Sie, ist stabiler? Beantworten Sie dieselbe

Frage für die unten gezeigten cis- und trans-dimethylsubstituierten Decaline.

ch;

CH3

Ei,

CH3

cis-9,10-Dimethyldecalin

trans-9,10-Dimethyldecalin

14 Geben Sie bei jedem der folgenden Moleküle an, ob es sich um ein Monoterpen, ein Sesquiterpen oder ein Diterpen handelt (es sind die Trivialnamen angegeben). H;C (a)

CO,CH3 Tan

nn (e)

H;C

CH;

CH>OH

o

HOCH;

Geraniol

OH

Genipin

CH;

CH3

(b)

v HOCH»

Castoramin 0

Eremanthin

OÖ

OÖ

CH3

(8)

5

CH;

CH»

Ä

CH; ‚0

CH;

(0

OH

Eudesmol

oO

HC

Cantharidin

CH CH3 OIebekl

CH; 3 CH

m

d

CH3 &

CH3

3

CHL,OH

Sn

CH3

OÖ Ipomeamaron

Vitamin A

155

4 Cyclische Alkane

15 Suchen Sie die 2-Methyl-1,3-butadien-(Isopren-)Einheiten Naturstoffmolekülen aus Aufgabe 14.

in allen

16 Umranden und benennen Sie alle funktionellen Gruppen in allen in Abschnitt 4.7 dargestellten Steroiden. Kennzeichnen Sie polarisierte Bindungen mit positiven und negativen Partialladungen (8° und ö"). 17 Im folgenden sind noch einige Beispiele von natürlich vorkommenden Molekülen mit gespannten Ringen dargestellt. H;N 2

COOH

H3C SCNCH,

1-Aminocyclopropancarbonsäure

L

(natürliches Vorkommen in Pflanzen, spielt eine Rolle beim Reifwerden von Früchten und beim Laubabwurf im Herbst)

CH3

«-Pinen j aus dem Terpentin

O-CERERCHO

Africanon

HO

OH

(ebenfalls ein ae isoliert SD)

Thymidin-Dimer

(bildet sich in der DNA nach Bestrahlung mit UV-Licht)

(a) Geben Sie an, bei welchen der angegebenen Formeln es sich um Terpene handelt (falls welche darunter sind). Suchen Sie die 2Methyl-1,3-butadien-Einheiten in jeder Struktur und geben Sie an, ob es sich um Mono-, Sesqui- oder Diterpene handelt. (b) Wie lauten die IJUPAC-Namen

der bicyclischen Alkane i und ii,

von denen sich Pinen und Africanon ableiten?

Zn.

18 Wenn Cyclobutan eben gebaut wäre, betrügen alle C-C—-C-Bindungswinkel exakt 90°, und man könnte zur Beschreibung dieser Bindung reine p-Orbitale heranziehen. Wie wären dann die Kohlenstoffatome hybridisiert, damit alle C—H-Bindungen äquivalent sein könnten? Wie groß würde der Winkel zwischen beiden C—H-Bindungen sein? Welche Befunde über die Struktur des Cyclobutanmoleküls widersprechen dieser Hypothese? 19

Vergleichen Sie die Struktur von Cyclodecan in der All-Sessel-Kon-

formation (im folgenden gezeigt) mit der von trans-Bicyclo[4.4.0]decan (trans-Decalin). Erklären Sie, warum die All-Sessel-Konformation stark gespannt ist und trans-Bicyclo[4.4.0]decan dennoch ein nahezu spannungsfreies Molekül ist. Bauen Sie Molekülmodelle.

156

>

e

z

All-Sessel-Cyclodecan

20

Fusidinsäure

Aufgaben

trans-Bicyclo[4.4.0]decan

ist ein steroidähnliches

mikrobielles

Produkt,

das ein

extrem wirksames Antibiotikum mit einem breiten Spektrum biologischer Aktivität darstellt. Die Gestalt des Moleküls ist ausgesprochen ungewöhnlich (s. unten) und hat wichtige Anhaltspunkte bei der Erforschung der Steroidsynthese in der Natur gegeben.

Fusidinsäure

(a) Lokalisieren Sie alle Ringe in der Fusidinsäure und beschreiben

Sie ihre Konformation. (b) Geben Sie die Verknüpfungsart der Ringe (cis oder trans) an. (ec) Geben Sie an, welche der an den Ring gebundenen Gruppen 0-, welche ß-Substituenten sind.

(d) Beschreiben Sie genau, in welcher Weise sich dieses Molekül von den typischen Steroiden in Struktur und Stereochemie unterscheidet. Um Ihnen bei der Beantwortung dieser Fragen zu helfen, sind die Kohlenstoffatome des Molekülgerüsts numeriert. 21

Die enzymatische

Abschn.

3.4) ist eine

Oxidation vereinfachte

von Cyclohexan Version

zu Cyclohexanol

der Reaktion,

(Ss.

die bei der

Produktion der Nebennierenrindenhormone abläuft. Bei der Biosynthese von Corticosteron aus Progesteron (s. Abschn. 4.7) laufen zwei derartige Oxidationen nacheinander ab:

CH, Steroid-21-Hydroxylase, 0;

OÖ Progesteron Steroid-11 ß-Hydroxylase, O,

Corticosteron

157

4 Cyclische Alkane

Man nimmt an, daß die Hydroxylasen (oder Mono-Oxygenasen) in diesen Reaktionen als komplexe Sauerstoffatom-Donoren fungieren. Für diese Reaktion ist ein Zweischritt-Mechanismus vorgeschlagen, der im folgenden am Beispiel des Cyclohexans dargestellt ist. OH

E% + O (atomar)

an, ©:

SOEI er

Berechnen Sie AH für jeden Schritt und für die Gesamtreaktion. Benutzen Sie hierfür die Daten aus Tab. 3-5 und die folgenden AHVWerte: Cyclohexan, —123.5 kJ/mol; Cyclohexanol, —286.4 kJ/mol; Cyclohexylradikal, +62.8 kJ/mol; HO-, +39.4 kJ/mol. 22

Iodbenzoldichlorid,

das bei der Reaktion von Iodbenzol und Chlor

entsteht, ist wie Sulfurylchlorid und NCS (Abschn. 3.8) ein Reagenz zur Chlorierung von C—H-Bindungen in Alkanen. Chlorierungen mit Iodbenzoldichlorid

können

durch

Licht initiiert werden,

und man

muß

keinen chemischen Radikal-Initiator hinzugeben.

Oram O%

Cl

Cl

Iodbenzoldichlorid

(a) Schlagen Sie einen Radikalkettenmechanismus

für die Chlorie-

rung eines Alkans RH durch Iodbenzoldichlorid vor. Die Gleichungen der Gesamt- und der Startreaktion sind im folgenden angegeben.

RS 2

ROH

HR

@z

Kettenstart:

„a 4

Av, ( -i-e tg

a (b) Die radikalische Chlorierung typischer Steroide durch Iodbenzoldichlorid gibt hauptsächlich drei isomere Monochlorierungsprodukte. Sagen Sie aufgrund von Reaktivitätsbetrachtungen (tertiär, sekundär, primär) und sterischen Einflüssen (die vielleicht den Angriff eines Reagenzes auf eine C—H-Bindung, die sonst reaktiv wäre, verhindern können) voraus, an welchen drei Stellen im Mole-

kül die Chlorierung am günstigsten erfolgt. Nehmen Sie entweder ein Modell zur Hilfe, oder analysieren Sie sorgfältig die Abbildungen des Steroidgerüsts in Abschn. 4.7.

an 2

in Hauptprodukte: 3 Monochlorsteroide

23 Wie Sie Aufgabe 21 entnehmen können, sind die enzymatischen Reaktionen, mit deren Hilfe funktionelle Gruppen in das Steroidgerüst eingeführt werden, hochselektiv, ganz anders als die Chlorierung im Labor, die wir in Aufgabe 22 beschrieben haben. Dennoch läßt sich

158

durch eine geschickte Abänderung dieser Reaktion die Selektivität der Natur im Labor teilweise nachahmen. Zwei Beispiele hierfür sind im folgenden dargestellt.

Aufgaben

CH;

(a)

eo

H

Cl}, hv

er

H

Versuchen Sie, die Ergebnisse beider Reaktionen zu erklären. Bauen Sie ein Modell des Additionsprodukts von Cl, (vgl. Ubungsaufgabe 22), um beide Systeme analysieren zu können.

Gruppenübung 24

Betrachten Sie die folgenden Verbindungen: O

[6) H,, Katalysator

mn) 2 z - +

22 --

A

B

Konformationsanalysen zeigen, daß zwar die Verbindung A in einer Sesselkonformation vorliegt, aber nicht B.

(a) Fertigen Sie ein Modell von A an. Zeichnen Sie die Sesselkonformation und bezeichnen Sie die Substituenten mit äquatorial und axial. Markieren Sie die stabilste Konformation. (Bedenke Sie, daß das Carbonyl-Kohlenstoffatom sp?-hybridisiert ist und somit das gebundene Sauerstoffatom weder axial noch äquatorial sein kann. Lassen Sie sich dadurch nicht verwirren!) (b) Fertigen Sie ein Modell von B an. Beziehen Sie sowohl transan-

nulare als auch gauche-Wechselwirkungen in Ihre Untersuchung der beiden Sesselkonformationen mit ein. Diskutieren Sie die sterischen Probleme dieser Konformationen im Vergleich zu denen von A. Verdeutlichen Sie Ihre Kernaussagen mit Hilfe von Newman-Projektionen. Schlagen Sie eine sterisch weniger gehinderte Kontformation für B vor.

159

=;

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PaTRm ARner Er

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Y

ruhe

Fe

Se

-

-

=

si En

ua a

Stereoisomerie

Haben

Sie je morgens in den Spiegel geschaut und gedacht:

„Das bin

nicht ich!“ - Sie hatten recht! Das, was Sie sahen, waren nicht Sie, son-

dern Ihr Spiegelbild, das mit Ihnen nicht identisch ist. Bild und Spiegelbild sind nicht deckungsgleich! Sie können sich dies klarmachen, indem Sie versuchen, Ihrem Spiegelbild die Hand zu schütteln: Wenn Sie ihm die rechte Hand reichen, wird Ihr Spiegelbild seine linke Hand reichen. Wir werden sehen, daß auch bei vielen Molekülen Bild und Spiegelbild nicht deckungsgleich und daher auch nicht identisch sind. Wie können wir derartige Moleküle systematisch einordnen? In den vorhergehenden Kapiteln haben wir zwei Arten von Isomerie kennengelernt, die Konstitutionsisomerie (auch Strukturisomerie genannt) und die Stereoisomerie. Konstitutionsisomere sind Verbindungen mit derselben Summenformel, die sich in der Reihenfolge der aneinander gebundenen Atome unterscheiden. Konstitutionsisomere CH3 ;=

C4H jo

CH3CH>CH3>CH3

Butan

C5HgO

a

CH; 2-Methylpropan

CH;CH>OH

CH3OCH3

Ethanol

Methoxymethan (Dimethylether)

‘ Übung 5-1 Sind Cyclopropylcyclopentan und Cyclobutylceyclobutan Isomere?

Mit

dem

Begriff

Stereoisomere

bezeichnet

man

Isomere,

deren

Atome in derselben Reihenfolge aneinander gebunden sind, die sich aber in deren räumlichen Anordnung unterscheiden. Beispiele für Stereoisomere sind die relativ stabilen cis-trans-Isomere und die schnell äquilibrierenden Konformere (Abschn. 4.1).

161

5 Stereoisomerie

Enantiomere Bild und Spiegelbild sind nicht ineinander überführbar: Abschnitt 5.1

1

ee l Br cı

In diesem Kapitel stellen wir einen dritten Typ von Stereoisomeren vor, der sich aus der „Händigkeit“ bestimmter Moleküle ergibt: die „Spiegelbildisomere“. Wir werden sehen, daß es Strukturen gibt, die

sich nicht mit ihrem Spiegelbild zur Deckung bringen lassen, genauso wie Ihre linke Hand nicht deckungsgleich mit Ihrer rechten ist. Beide Strukturen sind daher verschiedene Objekte, sie können unterschiedliche Eigenschaften besitzen und auf andere Weise reagieren. Sie können auch einen vollkommen unterschiedlichen Geruch und verschiedene biologische Eigenschaften haben.

Stereoisomere

CH; H

H

cis-1,3-Dimethylcyclopentan

CH3 H

CH; anti-Rotamer des Butans

CH, H;C

trans-1,3-Dimethyleyclopentan

Han, CH3

CH; H

H

H H

gauche-Rotamer des Butans

äquatoriales Konformer des Methylcyclohexans

Übung 5-2 Zeichnen Sie weitere Stereoisomere des Methylcyclohexans.

162

H

axiales Konformer des Methyleyclohexans

CH3

j

5.1 Chirale Moleküle

5.1

Chirale Moleküle

Wie kann es Moleküle geben, die sich mit ihrem Spiegelbild nicht zur Deckung bringen lassen? Lassen Sie uns die radikalische Bromierung von Butan betrachten. Die Reaktion läuft hauptsächlich an einem der sekundären

Kohlenstoffatome

ab, es entsteht 2-Brombutan.

Ein Mole-

külmodell der Ausgangsverbindung zeigt, daß zwei anscheinend äquivalente Wasserstoffatome an diesem Kohlenstoffatom substituierbar sind, wodurch nur ein „mögliches“ 2-Brombutan entsteht (s. Abb. 5-1). Ist das wirklich wahr?

H;C

H;C

HS

Rn

ue Bra, 25 hv

\

5

B/N

\

HZ/N

ne Hab

Abb. 5-1 Durch Substitution eines der sekundären Formen

Ge

\

‘CH;

zwei stereoisomere

„Br

NcSBr

—HBr

Ban

H;C

‚H

Hohe

Wasserstoffatome

des Butans erhält man

des 2-Brombutans.

Chirale Moleküle können nicht mit ihren Spiegelbildern zur Deckung gebracht werden Betrachten

wir die beiden

2-Brombutane,

die sich durch

Substitution

eines der beiden Methylen-Wasserstoffatome ergeben, genauer, stellen wir fest, daß sich beide Strukturen nicht zur Deckung‘ bringen lassen und daher nicht identisch sind. Beide Moleküle stehen zueinander wie Objekt und Spiegelbild. Wollte man eines in das andere überführen, müßte man Bindungen aufbrechen und neu knüpfen. Paare von Molekülen, die sich zueinander

spiegelbildlich

verhalten,

bezeichnet

man

als

Enantiomere (enantios, griechisch: entgegengesetzt). Diese Verbindungen besitzen keine Symmetrieebene und kein Symmetriezentrum, sie sind chiral. In unserem Beispiel, der Bromierung von Butan, wird ein 1:1Gemisch von Enantiomeren gebildet. Ein solches Gemisch bezeichnet man als Racemat oder racemisches Gemisch. Im Gegensatz zu den chiralen Molekülen bezeichnet man Strukturen, die sich mit ihrem Spiegelbild zur Deckung bringen lassen, als achiral. Beispiele chiraler und achiraler Moleküle sind im folgenden dargestellt (die ersten beiden chiralen Strukturen stellen Enantiomerenpaare dar). Pe

CH;

HE

HaGauı;H (arees

|

Brac

n

|

Kr ZÜNS

„c EN chiral

|

Br

chiral

CLi.

Br

chiral

en H

HK

|

>

Br

chiral

Spiegelebene

Be ne Mean

KON

I

chiral

Spiegelebene

ex I

'

Gsdnlinglac Zac

\

H

achiral

(Si =

ne

\

CH3

achiral

ne {

CH;CH,

@% >

\xH

OCH3

chiral

163

"Kasten 5-1 Chirale Naturstoffe

CH;

|

|

er

x

ee

7 V>co0H

7 \ COOH

2-Aminopropansäure (Alanin)

2-Hydroxypropansäure (Milchsäure)

Hz (

x

RECH>

2

2-Methyl-5-(1-methylethenyl)-2-cyclohexenon (Carvon)

Von vielen chiralen Naturstoffen kommt in der Natur nur eines von beiden Enantiomeren vor, von einigen beide. So ist z.B. natürliches Alanin (systematischer Name: 2-Aminopropansäure)

zwei getrennte und unterschiedliche Substituenten an, sind an das gekennzeichnete Kohlenstoffatom vier verschiedene Gruppen gebunden. Sie sind

eine weitverbreitete Aminosäure,

trum beginnend, die Folge der Atome und Bindungen im Ring im Uhrzeigersinn eine andere als gegen den Uhrzeigersinn ist. Carvon tritt in der Natur in beiden enantiomeren Formen auf. Der charakteristische Geruch von Kümmel und Dillsamen kommt durch das gezeigte, das Aroma der Krauseminze (spearmint) durch das andere Isomer zustande.

die nur in einer

Form gefunden wird. Milchsäure (2-Hydroxypropansäure) tritt im Blut und in der Zellflüssigkeit als eines von beiden Enantiomeren, in saurer Milch und einigen Früchten und Pflanzen als Racemat auf. Ein interessanter Fall ist Carvon [2-Methyl-5-(1-methylethenyl)-2-cyclohexenon],

das

ein

Chiralitätszentrum

Sechsring enthält. Sieht man

A |

1

a

are

A |

We Se Spiegelebene

(C* = Chiralitätszentrum durch

in einem

deshalb unterschiedlich, weil, vom

Chiralitätszen-

den Ring selbst als

Alle gezeigten chiralen Moleküle enthalten ein Atom, an das vier verschiedene Substituenten gebunden sind. Man bezeichnet es als asymmetrisches Atom (z.B. asymmetrisches Kohlenstoffatom), Stereozentrum oder Chiralitätszentrum. Zentren dieser Art werden häufig mit einem Stern gekennzeichnet. Moleküle mit einem Chiralitätszentrum sind immer chiral. Wie wir in Abschnitt 5.5 sehen werden, gilt dies nicht notwendigerweise auch für Strukturen mit mehr als einem dieser Zentren.

asymmetrisches C-Atom

|

Übung 5-3 Welche der Naturstoffe aus Abschnitt 4-7 sind chiral, welche achiral? Geben Sie in allen Fällen die Anzahl der Chiralitätszentren an.

Anhand der Molekülsymmetrie können chirale Strukturen von achiralen unterschieden werden Das

Wort

„Hand“

chiral leitet sich von dem oder

„Händigkeit“

bedeutet.

griechischen Wort Ein

Paar

cheir ab, das

menschliche

Hände

steht zueinander in der Bild-Spiegelbild-Beziehung, die für Enantiomere typisch ist (s. Abb. 5-2). Zu den vielen chiralen Objekten, mit denen wir tagtäglich zu tun haben, gehören Schuhe, Ohren, Schrauben und Wendeltreppen. Sie können als ein Extremfall nur in einer enantiomeren Form

vorliegen,

wie z.B.

eine

Sammlung

linker

Schuhe,

im anderen

Extrem als Racemate, wie Schuhpaare im Karton. Auf der anderen Seite gibt es auch viele achirale Gegenstände wie Bälle, gewöhnliche Wassergläser, Hämmer und Nägel. Viele chirale Objekte, wie beispielsweise Wendeltreppen, haben keine Chiralitätszentren. Dies gilt auch für viele chirale Moleküle. Es sei noch einmal daran erinnert, daß das einzige Kriterium für Chiralität ist, daß sich Objekt und Spiegelbild nicht zur Deckung bringen lassen. Unter den vielen chiralen Molekülen ohne Chiralitätszentrum sind diejenigen mit spiral- oder helixförmiger Struktur (helix, griechisch: Spirale), wie die Helicene (Kapitel 15, Kasten 15-1) besonders faszinierend.

164

5.1

linke Hand

rechte Hand

Spiegel

Chirale Moleküle

linke und rechte Hand lassen sich nicht

zur Deckung bringen Abb. 5-2 Linke und rechte Hand als Modell für eine enantiomere Beziehung. Wie diese Spiegelbilder können auch chirale Moleküle nicht mit ihrem Enantiomeren zur Deckung gebracht werden.

A

B

[6

D

Abb. 5-3 Beispiele für Symmetrieebenen A) in Methan (nur eine ist gezeigt), B) in Dichlormethan und C) in Bromchlormethan. Bromchlorfluormethan (D) hat keine Spiegelebene.

Wie Sie sicher schon festgestellt haben, ist es nicht immer einfach zu sehen, ob ein Molekül

chiral ist oder nicht. Absolut narrensicher ist es,

Modelle des Moleküls und seines Spiegelbilds zu bauen und zu prüfen, ob man sie zur Deckung bringen kann. Leider erfordert dieses Verfahren sehr viel Zeit. Glücklicherweise gibt es zwei Hilfen, mit denen man schnell feststellen kann, ob ein Molekül

chiral ist oder nicht. Sie basie-

ren auf den Symmetrieeigenschaften des Moleküls. Durch bestimmte Symmetrieoperationen, die man nehmen

am Molekül

kann, bleiben dessen Struktur und die Position der Atome

vorim

Raum unverändert. Wir brauchen hier nur zwei zu berücksichtigen: Die Einführung einer Symmetrieebene oder eines Symmetriezentrums. Eine Symmetrieebene (intramolekulare Spiegelebene) schneidet das Molekül derart, daß der Teil der Struktur, der auf der einen Seite der Ebene liegt, das Spiegelbild des Teils auf der anderen Seite ist. So hat beispielsweise Methan sechs Symmetrieebenen, Dichlormethan (Methyl»enchlorid) zwei, Bromchlormethan eine und Bromchlorfluormethan keine (s. Abb. 5-3, für das Methanmolekül ist nur eine Symmetrieebene dargestellt). Ein Symmetriezentrum ist ein Punkt in einem Molekül, der jede Gerade, die durch ihn gezeichnet wird, in zwei gleichgroße Gruppen von Punkten auf jeder Seite mit derselben Umgebung teilt. Es kann immer

nur einen solchen

Punkt geben. Das Molekül,

das in Abbildung

5-4 dargestellt ist, besitzt ein solches Symmetriezentrum. Es gibt weitaus weniger Strukturen mit einem Symmetriezentrum als mit einer Symmetrieebene.

CH,CH;

H CHz

CH3 H CH>CH;

H

Symmetriezentrum

Abb. 5-4 Molekül mit einem Symmetriezentrum. Die farbig gezeichneten Gruppen befinden sich auf verschiedenen Geraden durch das Symmetriezentrum in derselben Umgebung.

165

5

Stereoisomerie

Um

ein chirales Molekül von einem achiralen zu unterscheiden, müs-

sen wir uns nur merken, daß chirale Moleküle weder ein Symmetriezentrum noch eine Symmetrieebene enthalten dürfen. Liegt eines von beiden Symmetrieelementen im Molekül vor, ist es achiral. So sind die Moleküle A, B und C in Abb. 5-3 eindeutig achiral, weil sie Symmetrieebe-

nen besitzen. Im Beispiel aus Abb. 5-4 fehlt eine solche Ebene, das Molekül ist aber aufgrund des Vorhandenseins eines Symmetriezentrums achiral. Bei den meisten Molekülen in diesem Buch können Sie schon, indem Sie nach einer Symmetrieebene suchen, feststellen, ob das Mole-

kül chiral ist oder nicht. Unsere Definition der Achiralität von Molekülen geht stillschweigend von einem bestimmten Verständnis ihrer Struktur aus: Man geht dabei üblicherweise von dem aus, was direkt beobachtbar, besser noch bei Raumtemperatur als Verbindung stabil und isolierbar ist. Wie wir in den Kapiteln 2 und 4 gelernt haben, können solche Verbindungen jedoch als Rotamere oder Konformationsisomere vorliegen, die sich in schnellen Gleichgewichtsreaktionen ineinander umwandeln. Solche Prozesse können Verbindungen, die schnell — etwa über ein achirales Intermediat oder einen achiralen Übergangszustand - zwischen enantiomeren Formen äquilibrieren, als achiral erscheinen lassen. Zum Beispiel wird Butan als achiral angesehen, obgleich seine gauche-Konformation zweifelsfrei chiral ist, denn die Rotation um die Bindung C2—C3 führt zur enantiomeren gauche-Konformation. In ähnlicher Weise betrachtet man cis-1,2-Dimethylcyclohexan als achiral, da sich die beiden enantiomeren Konformationen durch rasche Äquilibrierung der beiden Sessel-Konformationen schnell ineinander umwandeln (vgl. auch Abschn. 5.6). Solchen Molekülen spricht man eine zeitlich gemittelte „Symmmetrie“ zu. Die meisten in diesem Buch behandelten chiralen Moleküle verdanken ihre Chiralität einem fixen Stereozentrum, beispielsweise einem asymmetrischen Kohlenstoffatom. Fassen

wir

zusammen:

Chirale

Moleküle

sind

Stereoisomere,

bei

denen Bild- und Spiegelbild nicht deckungsgleich sind. Man bezeichnet die beiden Isomere als Enantiomere. In vielen chiralen organischen Molekülen

ist ein Chiralitätszentrum

enthalten,

in anderen

nicht.

Ein

chirales Molekül besitzt weder eine Symmetrieebene noch ein Symmetriezentrum. © Übung 5-4 [2 Zeichnen Sie die folgenden achiralen Gegenstände aus dem täglichen Leben und geben Sie bei jedem die Symmetrieebene(n) an: ein Ball, ein gewöhnliches Wasserglas, ein "

Hammer,

ein Stuhl, ein Koffer, eine Zahnbürste.

© Übung 5-5 @

Schreiben Sie die Strukturen aller Dimethyleyclobutane auf. Geben Sie an, welche chiral sind. Zeigen Sie bei den achiralen Dimethylcyclobutanen die Symmetrieebenen.

5.2 Optische Aktivität Wenn Sie daran denken, wie ähnlich Enantiomere einander sind (alle Bindungen sind identisch, ihr Energieinhalt ist daher derselbe), werden Sie sich fragen, wie es überhaupt möglich ist, das eine Enantiomer vom anderen

zu

unterscheiden.

Dies

ist in der Tat sehr schwierig,

da die

Enantiomere in den meisten physikalischen Eigenschaften übereinstimmen. Eine bemerkenswerte Ausnahme ist die Wechselwirkung mit einer bestimmten Art von Licht. Erinnern Sie sich an unser erstes Beispiel chiraler Moleküle, die beiden Enantiomeren von 2-Brombutan, und nehmen Sie an, Sie hätten

jedes Enantiomer in reiner Form isoliert. Vergleicht man die physikalischen Eigenschaften wie Schmelzpunkt, Siedepunkt und Dichte miteinander, stellt man keinen Unterschied fest. Schickt man jedoch einen 166

Ausbreitungsrichtung ‚des Lichts

5.2

Optische Aktivität

A

elektrischer Feldvektor

magnetischer Feldvektor

C B

Strahl von linear polarisiertem Licht (wir erklären gleich, was das ist) durch eine Probe eines der beiden Enantiomere, wird die Schwingungsebene des einfallenden Lichtes um einen bestimmten Betrag in eine Richtung gedreht (entweder im oder gegen den Uhrzeigersinn). Wiederholt man dasselbe Experiment mit dem anderen Enantiomer, wird die Schwingungsebene um genau denselben Betrag, nur in die andere Richtung, gedreht. Ein Enantiomer, das die Ebene des polarisierten Lichts im Uhrzeigersinn dreht, bezeichnet man als rechtsdrehend und nennt es willkürlich (+)-Enantiomer. Entsprechend ist das andere Enantiomer, das die Ebene gegen den Uhrzeigersinn dreht, das linksdrehende oder das (-)-Enantiomer. Aufgrund dieser besonderen Wechselwirkung mit dem Licht nennt man Enantiomere häufig optische Isomere und das beobachtete Phänomen optische Aktivität.

Abb. 5-5 Darstellung elektromagenetischer Wellen. A. Ein elektrischer Feldvektor und der dazu senkrechte magnetische Feldvektor. In dieser Darstellung steht die Ausbreitungsrichtung des Lichts senkrecht auf der Papierebene, die Feldvektoren stehen in der Ebene. B. Bei gewöhnlichem Licht weisen die Feldvektoren in alle Richtungen. C. Eine andere Ansicht von Teil A, in der sich das Licht von der

linken zur rechten Seite des Papiers ausbreitet. Teil A und € gelten auch für linear polarisiertes Licht.

Die Messung der optischen Drehung Was ist nun linear polarisiertes Licht, und wie mißt man die Drehung der Schwingungsebene? Gewöhnliches Licht kann man als elektromagnetische Wellenbewegung beschreiben, deren elektrische und magnetische Feldvektoren im rechten Winkel zueinander und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes schwingen (s. Abb. 5-5). Dabei können die Feldvektoren in alle Richtungen des Raumes weisen. Beim linear polarisierten Licht ist das anders, alle elektrischen Feldvektoren liegen in einer Ebene. Gewöhnliches Licht wird linear polarisiert, wenn es durch ein Nicolsches Prisma geleitet wird, das alle der unzähligen Schwingungsebenen bis auf eine absorbiert, so daß nur Licht mit einer einzigen Schwingungsebene durchgelassen wird. Der entstehende Lichtstrahl ist linear polarisiert (s. Abb. 5-5). Bewegt sich Licht durch ein Molekül, treten die Elektronen der verschiedenen Bindungen und in der Umgebung der Kerne in Wechselwirkung mit dem elektrischen Feld des Lichtstrahls. Ist das Licht linear polarisiert, kann der elektrische Feldvektor seine Richtung in Abhängigkeit von der Probe verändern oder beibehalten.

Enthält die Probe

achirale Moleküle,

bleibt die

Richtung dieselbe, die Probe ist optisch inaktiv. Sie ist deshalb inaktiv, weil in diesen Strukturen eine Spiegelebene oder ein Symmetriezentrum enthalten ist. Grob vereinfacht kann man sagen, daß aufgrund dieser Symmetrie jeder Effekt, den der eine Teil des Moleküls (oder vielmehr die Elektronen) auf das Licht hat, vom spiegelbildlichen Teil aufgehoben wird. Schickt man andererseits einen Strahl linear polarisierten Lichts ° durch eine chirale Substanz, ist die Wechselwirkung des elektrischen Feldes mit der „linken“ Hälfte des Moleküls anders als mit der „rechten“ (s. Abb. 5-6), und beide heben sich nicht gegenseitig auf. In

Lösung können die chiralen Moleküle viele verschiedene räumliche Orientierungen besitzen, das Licht geht also in allen möglichen Winkeln durch sie hindurch. Hieraus ergeben sich sehr unterschiedliche Drehungen der Polarisationsebene. Die gemessene Drehung ist eine makroskopische Eigenschaft — die Summe über alle Rotationen durch die einzelnen Moleküle. Man bezeichnet dies als optische Drehung, und eine Probe, die Anlaß zu einer optischen Drehung gibt, als optisch aktiv. 167

5

Stereoisomerie

elektrischer Feldvektor

H

a

| sr

Lichtstrahl

Br /A CH3 I durch die Asymmetrie am Chiralitätszentrum wird die Schwingungsebene gedreht

Abb. 5-6 Ungleichmäßige Wechselwirkung des schwingenden elektrischen Felds von linear polarisiertem Licht mit einem chiralen Molekül. „Links ist nicht gleich rechts“, hieraus folgt eine Drehung der Polarisationsebene, und man sagt, das Molekül ist optisch aktiv.

_

en

7"

ER

Natriumlampe

>

Nicolsches

linear

Prisma

polarisiertes Licht

Meßzelle

Schwingungs-

Analysator

ebene ist gedreht

Abb. 5-7 Ein Polarimeter, das zur Messung von optischen Drehungen verwendet wird. Wenn der Analysator so gedreht wird, daß der durchgelassene Strahl die maximale Intensität hat, ist seine Polarisationsebene identisch mit der des Lichtes, das durch die Küvette mit der Probe gegangen ist.

Der Apparat, mit dem man optische Drehungen mißt, ist ein Polarimeter (s. Abb. 5-7). Als Lichtquelle wird meist eine monochromatische (nur eine Wellenlänge emittierende) Natrium-D-Lampe (X = 589 nm) verwendet. Als erstes wird das Licht durch ein Nicolsches Prisma linear polarisiert. Dann geht der Strahl durch die Meßzelle mit der Probe. Die Drehung der Schwingungsebene wird anschließend mit Hilfe eines zweiten Nicolschen Prismas, des Analysators, nachgewiesen. In der Praxis geschieht dies einfach, indem der Analysator so lange gedreht wird, bis der durchgelassene Lichtstrahl dem Auge des Beobachters maximal hell erscheint. Der am Analysator abgelesene Drehwinkel ist die beobachtete optische Drehung, a, der Probe. Der Wert hängt ab von der Konzentration und Struktur des optisch aktiven Moleküls, der Länge der Meßzelle,

der Wellenlänge

des Lichts, dem

Lösungsmittel

und der

Temperatur. Um Zweifelsfälle auszuschließen, haben sich die Chemiker auf einen Standardwert von a, die spezifische Drehung, [a], geeinigt. Diese Größe (die unabhängig vom Lösungsmittel ist) ist definiert als:

a

[c), rn

[al = spezifische Drehung 0 = Temperatur in °C

168

%

= Wellenlänge des einfallenden Lichts; für die Natrium-D-Lampe einfach durch „D“ gekennzeichnet

a

= beobachtete optische Drehung in °

! c

= Länge der Küvette (Meßzelle) in dm (meist 1 dm lang) = Konzentration in g/mL (Lösung) oder Dichte in g/mL (reine flüssige Phase)

5.2

Tabelle 5-1 Spezifische Drehung [a]%° einiger chiraler Moleküle

w „CH3

\H;CH;

/NH H;C

CH;

(— )-2-Brombutan

j|

FE

“

Br

(+)-2-Brombutan

j

+8.5

HN 4 N

+ 23.1

er

— 23.1

fe

H/N B

Optische Aktivität

em

CH, COOH

HOOC

(+)-2-Aminopropansäure [(+)-Alanin]

/ \OH

— 3.8

CH;

(— )-2-Hydroxypropansäure [(—-)-Milchsäure]

Bei den Halogenalkanen in reiner Phase, bei den Säuren in wäßriger Lösung gemessen.

Übung 5-6 Eine Lösung von 1 g Haushaltszucker (die natürlich vorkommende Form der Saccharose) in 10 mL wäßriger Lösung in einer 10-cm-Küvette zeigt einen Drehwert von

+6.65°. Berechnen Sie [a]. Können Sie hieraus Rückschlüsse auf [a] des anderen, linksdrehenden Enantiomers der Saccharose ziehen?

Die spezifische Drehung einer optisch aktiven Verbindung ist eine physikalische Konstante, die für diese Substanz charakteristisch ist, ebenso wie der Schmelzpunkt, der Siedepunkt und die Dichte. Die spezifischen Drehungen einiger Substanzen sind in Tab. 5-1 angegeben.

Aus der optischen Rotation Kann man auf die Zusammensetzung eines Enantiomerengemischs schließen Wie bereits erwähnt, drehen Enantiomere die Schwingungsebene des linear polarisierten Lichts um denselben Betrag, nur in entgegengesetzte Richtungen. Das (—)-Enantiomer von 2-Brombutan dreht die Ebene um 23.1 gegen den Uhrzeigersinn, das Spiegelbild (+)-2-Brombutan also um 23.1 im Uhrzeigersinn. Hieraus folgt, daß die optische Drehung eines Racemats

null ist, es ist optisch inaktiv.

Wenn ein Enantiomer über einen chemischen Prozeß mit seinem Spiegelbild ins Gleichgewicht kommt, spricht man von Racemisierung: das Enantiomer racemisiert. Man hat z.B. gefunden, daß optisch aktive Säuren, wie (+)-Alanin (Tabelle 5-1), nur sehr langsam racemisieren, hierdurch nimmt die optische Aktivität ab. Es läßt sich auch die optische Aktivität eines Enantiomerengemisches bestimmen,

aber nur dann, wenn

beide Enantiomeren

in unterschiedli-

chen Anteilen vorliegen. Aus dem gemessenen Drehwert kann die Zusammensetzung eines solchen Gemischs bestimmt werden. Wenn beispielsweise die Lösung von (+)-Alanin, das aus einem Fossil gewonnen wurde, ein [a] von nur +4.25 zeigt (d.h. den halben Wert des reinen Enantiomers),

kann

man

daraus

ableiten,

daß 50%

der Probe

reines

(+)-Enantiomer ist und die anderen 50 % racemisch sind. Da der racemische Anteil aus gleichen Mengen von (+)- und (-)»Enantiomer besteht, setzt sich die Probe aus 75% (+) und 25% (-—) zusammen.

ist dasselbe wie

u) 3 Teile (+) 1 Teil (—)

»]

j

50% Racemat

Der beobachtete Drehwert ist 50% des Drehwertes des reinen (+ )-Enantiomers

169

5

Stereoisomerie

Die 25% (-)-Enantiomer heben die Rotation einer gleichen Menge (+)-Enantiomer auf. Man sagt, das Gemisch ist 50% optisch rein. Die beobachtete optische Rotation beträgt die Hälfte der Rotation des reinen rechtsdrehenden Enantiomers. Ein Gemisch dieser Zusammensetzung bezeichnet man als 50% optisch rein. Man spricht auch von 50% Enantiomerenüberschuß (ee, englisch: enantiomeric excess). Der beobachtete spezifische Drehwert ist nur die Hälfte des Maximalwerts.

optische Reinheit in % =

[[e](beobachtet

|

[o]

’ .100|

= Enantiomerenüberschuß (ee)

Die präzise Definition des Enantiomerenüberschusses lautet: Enantiomerenüberschuß

(% ee) = (Molenbruch Überschußenantiomer — Molenbruch Unterschußenantiomer - 100

Übung 5-7 =-

Wie groß ist die optische Rotation einer Probe von (+)-2-Brombutan, das 75% optisch

, rein ist? Zu welchen Anteilen liegen (+)- und (—)-Enantiomer in der Probe vor? Beant© worten Sie dieselben Fragen für Proben, die 50% bzw. 25% optisch rein sind. ——

Zusammengefaßt können wir sagen, daß sich zwei Enantiomere aufgrund ihrer optischen Aktivität unterscheiden lassen — also aufgrund ihrer Wechselwirkung mit linear polarisiertem Licht, die man in einem Polarimeter messen kann. Beide Enantiomere drehen die Schwingungsebene des linear polarisierten Lichts um denselben Betrag, das eine im Uhrzeigersinn (rechtsdrehend), das andere entgegen dem Uhrzeigersinn (linksdrehend). Die spezifische Drehung [a] ist eine physikalische Konstante, die nur bei chiralen Verbindungen gefunden wird. Die Umwandlung von Enantiomeren ineinander führt zur Racemisierung und zum Verlust der optischen Aktivität.

5.3 Absolute Konfiguration: Die R-S-Sequenzregeln Wie können wir die Struktur eines reinen Enantiomers bestimmen? Und, wenn wir die Antwort wissen, gibt es eine Möglichkeit, wie man ein Enantiomer eindeutig benennen und es von seinem Spiegelbild unterscheiden kann?

Die absolute Konfiguration steht in keiner Beziehung zum Vorzeichen der optischen Drehung und kann durch Röntgenstrukturanalyse bestimmt werden Wie können wir die Molekülstruktur eines reinen Enantiomers einer chiralen Verbindung ermitteln? Die relative Anordnung der Atome zueinander, die relative Konfiguration, ist bei beiden Enantiomeren gerade umgekehrt, aber welches ist welches? Wie wir bereits gesehen haben, sind alle physikalischen Eigenschaften mit Ausnahme der optischen Drehung bei beiden Enantiomeren identisch. Besteht nun eine Beziehung zwischen dem Vorzeichen der optischen Drehung und der tatsächlichen räumlichen Anordnung der Substituenten, der absoluten Konfiguration? Ist es möglich, die Struktur eines Enantiomers durch Messen des spezifischen Drehwerts zu bestimmen? Die Antwort auf beide Fragen lautet leider nein. Es besteht keine eindeutige Beziehung zwischen dem Vorzeichen des Drehwerts und der Struktur eines Enantiomers (außer der, daß das Vorzeichen entgegengesetzt zu dem des Spiegelbilds sein muß). 170

Aus welchen Gründen Brombutan

konnten wir dann einem Stereoisomeren von 2-

ein positives,

dem

anderen

ein negatives

Vorzeichen

von

5.3

Absolute Konfiguration: Die R-S-Sequenzregeln

[a] zuordnen (s. Tab. 5-1)? Diese Zuordnung war nur aufgrund zusätzlicher Informationen über die Struktur möglich. Solche Informationen ergeben sich aus einer bestimmten Form der Röntgenstrukturanalyse (unter Ausnutzung der sogenannten anomalen Dispersion), mit deren Hilfe man direkt die dreidimensionale Anordnung der Atome in einem Molekül erkennen kann. Die absolute Konfiguration eines Enantiomers läßt sich auch durch chemische Korrelation mit einer anderen Struktur, deren absolute Konfiguration durch Röntgenstrukturanalyse ermittelt wurde, ableiten.

Benennung von Enantiomeren: Die absolute Konfiguration wird durch R und $ angegeben Um

Enantiomere

eindeutig zu benennen,

brauchen

wir ein System, mit

dessen Hilfe wir die absolute Konfiguration des Moleküls angeben können, eine Art „linke Hand“

vs. „rechte Hand“

Nomenklatur.

Ein sol-

ches System ist von drei Chemikern entwickelt worden, von R. S. Cahn und C. Ingold aus London und von V. Prelog aus Zürich.” Obwohl die drei auch Nomenklaturregeln für chirale Moleküle ohne Chiralitätszentrum formuliert haben, beschränken wir uns im folgenden auf die Regeln, die für Stereoisomere mit asymmetrischen Kohlenstoffatomen entwickelt wurden, weil diese in der organischen Chemie am häufigsten sind. Der erste Schritt bei der Bestimmung der Chiralität an einem solchen Kohlenstoffatom besteht darin, alle vier Substituenten nach abnehmender Priorität als a, b, c und d zu ordnen. Die Priorität

wird mit Hilfe von Sequenzregeln, die wir gleich besprechen, bestimmt. Substituent a hat dann die höchste, b die zweithöchste,

c die dritte und

d die geringste Priorität. Als nächstes dreht man das Molekül so (in Gedanken, auf dem Papier oder unter Verwendung eines Molekülmodells), daß der Substituent mit der geringsten Priorität am weitesten vom Betrachter entfernt ist (s. Abb. 5-8). Danach ergeben sich zwei (und nur zwei) mögliche Anordnungen für die übrigen Substituenten. Bewegt man sich, um von a über b nach c zu gelangen, entgegen dem Uhrzeigersinn, besitzt das Chiralitätszentrum die Konfiguration $ (sinister, lateinisch: links). Bewegt man sich im anderen Fall im Uhrzeigersinn, ist die Konfiguration R (rectus, lateinisch: rechts). Das Symbol R oder 5 wird in Klammern vor den Namen der chiralen Verbindung gesetzt, wie (R)-2-Brombutan und (S)-2,3-Dihydroxypropanal. Racemische Gemische kennzeichnet man durch (R,S) wie im (R,S)-Bromchlorfluormethan. Das Vorzeichen der Drehung der Ebene des linear polarisierten Lichts kann man noch dazuschreiben (das ist aber für die eindeutige Kennzeichnung nicht erforderlich), wie in (S)-(+)-2-Brombutan und (R)-(+)-2,3 Dihydroxypropanal. Wir wollen noch einmal daran erinnern, daß eine einfache Korrelation der Symbole R und 5 mit dem Drehsinn nicht existiert.

/

a

cl \\c AB

f

a

al\b

b a

c

*

|

5

£ a

c

Y .S

a N,

S

R

Abb. 5-8 Bestimmung der R- oder S-Konfiguration an einem tetraedrischen Chiralitätszentrum. Bei vielen der Strukturzeichnungen in diesem Kapitel verwenden wir dasselbe Farbschema zur Angabe der Priorität der Substituenten — in abnehmender Reihenfolge: rot, blau, grün, schwarz.

Dr. Robert S. Cahn, 1899-1981, Fellow am Royal Institute of Chemistry, London; Christopher Ingold, 1893-1970, Professor am University College, London; Vladimir Prelog, 1906-1998,

Professor an der ETH

Zürich, Nobelpreis für Chemie

1975.

171

Kasten 5-2

Absolute Konfiguration: Eine historische Betrachtung Vor der Entdeckung der Röntgenstrukturanalyse war die absolute Konfiguration chiraler Moleküle unbekannt. Um wenigstens ein einheitliches System von relativen Konfigurationen zu schaffen, wurden willkürlich beiden Enantiomeren von 2,3Dihydroxypropanal (Glycerinaldehyd), einer synthetisch außerordentlich wichtigen Substanz, die sich in eine Fülle anderer chiraler Moleküle überführen läßt, Konfigurationen zugeordnet.

H I | R TE OH CH>OH

a] ua

verwechselt

ange-

werden,

schreibt man das Vorzeichen des Drehsinns (+ oder —) in Klammern hinter die Angabe der Konfiguration und vor den Namen der Verbindung. Alle chiralen Verbindungen, die durch chemische Prozesse mit D-(+)-Glycerinaldehyd korreliert werden konnten — das bedeutet, daß man sie mit Hilfe von chemischen

Reaktionen,

wurde.

Die

ursprünglich

vom

Bezeichnung

lateinischen

„p“

Wort

„dexter“ für rechts ab, bezieht sich aber nicht auf

das Vorzeichen der Drehung des linear polarisierten Lichts, sondern auf die relative Anordnung der

Substituenten,

die

willkürlich

wie

unten

gezeigt, geschrieben wurde.

!

c_ı\ /R=CH

[&]52%.

87

CH>OH

[L-(— )-Glycerinaldehyd]

und L, die, wie wir noch einmal betonen möchten, diesem

sich

L-(—)-2,3-Dihydroxypropanal

die Konfiguration und nicht den Drehsinn mit

bezeichnet

leitet

HO

Entsprechend bezeichnete man das linksdrehende Isomer als L-Glycerinaldehyd (rL von lateinisch: /aevus, links). Damit die Buchstaben D

nicht

dehyd

= +8.7

D-(+)-2,3-Dihydroxypropanal [o-(+)-Glycerinaldehyd]

ben,

Man postulierte, daß das rechtsdrehende Enantiomer eine Struktur besäße, die mit D-Glycerinal-

die die Konfi-

guration des chiralen Kohlenstoffatoms nicht ver-

ändern, in rechtsdrehenden Glycerinaldehyd überführen konnte — wurde die D-Konfiguration zugeordnet, ihren Spiegelbildisomeren die L-Konfiguration. Beispiele für Moleküle mit D- und L-Konfiguration sind unten abgebildet. Erst im Jahre 1951 gelang es mit Hilfe der Röntgenstrukturanalyse, die absolute Konfiguration des D-Glycerinaldehyds zu bestimmen. Dabei stellte es sich heraus, daß die tatsächliche Konfiguration zufällig mit der willkürlich angenommenen übereinstimmte. Die

D,L-Nomenklatur

wird noch

bei den Zuk-

kern (Kap. 24) und den Aminosäuren verwendet.

(Kap. 26)

ı-Konfiguration

D-Konfiguration

H

| 0 a CH;0OH

H

| em

\COCH3 Ho / \CH;SH

Ermittlung der Priorität von Substituenten: Die Sequenzregeln Mit Hilfe der Sequenzregeln können wir die Prioritäten tuenten an einem Chiralitätszentrum bestimmen.

der Substi-

Regel 1_ Wir betrachten zunächst die Atome, die direkt an das Chiralitätszentrum gebunden sind. Ein Substituentenatom mit höherer Ordnungszahl hat eine höhere Priorität als eines mit einer niedrigeren Ord172

nungszahl. Der Substituent mit der niedrigsten Priorität ist folglich der Wasserstoff. Im Falle von Isotopen erhält das Isotop mit der größeren Atommasse die höhere Priorität.

0Z1

7

d oze

02 53

)

al »B

ist identisch mit

12

dH—C.

\ Br b

CH3 c

u

>

CHare

nz

(R)-1-Brom-

OZ = Ordnungszahl

1-iodethan

Regel 2 Besitzen zwei Substituenten dieselbe Priorität, wenn man die direkt an das Chiralitätszentrum gebundenen Atome betrachtet, führt man dieselbe Einstufung entlang beider Ketten so lange weiter, bis in beiden Ketten ein Unterschied in der Priorität auftritt. Ein Ethylsubstituent hat z.B. eine höhere Priorität als eine Methylgruppe. Warum? Beide Gruppen sind über ein Kohlenstoffatom an das Chiralitätszentrum gebunden, unterscheiden sich also dort nicht in ihrer Priorität.

Entfernt

man

sich nun vom

Zentrum,

sieht man,

daß an das

Kohlenstoffatom der Methylgruppe nur Wasserstoffatome, an das der Ethylgruppe zwei Wasserstoffatome und ein Kohlenstoffatom gebunden sind (höhere Priorität). H

|

—C—H

Heer

hat eine niedrigere Priorität as

—C—C—H

H

HH

Methyl

Ethyl

Auf der anderen Seite hat die 1-Methylethylgruppe eine höhere Rangordnung als die Ethylgruppe, da an das erste Kohlenstoffatom der Ethylgruppe nur ein Kohlenstoffatom, an das der 1-Methylethylgruppe aber zwei gebunden sind. Entsprechend hat die 2-Methylpropyl- eine höhere Priorität als die Butyl- aber eine niedrigere als die 1,1-Dimethylethylgruppe. CH;

H a

hat eine niedrigere Priorität als Ba

H

H

Ethyl

H’H

1-Methylethyl (Isopropyl)

H

|

—C—C—CH>CH;

hat eine niedrigere Priorität als

HH

—C—C—CH3 HH

Butyl

H

CH3

2-Methylpropyl

CH;

—C—C—CH; Der 2-Methylpropyl

hat eine niedrigere Priorität als

CH3 |

ECH3 1,1-Dimethylethyl (tert-Butyl)

5.3

Absolute Konfiguration: Die R-S-Sequenzregeln

5 Stereoisomerie

Denken wir daran, daß die Priorität an der ersten unterschiedlichen Stelle bei sonst ähnlichen Substituentenketten bestimmt wird. Ist dieser Punkt erreicht, ist die Struktur des Rests der Kette irrelevant:

H

CH3

—C—CH;OH

hat eine niedrigere Priorität als

h

—C—CH;z

h

’

CH3

ieh CH>CH>CClI;

hat eine niedrigere Priorität als

iR CH3

H

H

Erreichen Sie in einer Substituentenkette einen Verzweigungspunkt, wählen Sie den Zweig mit höherer Priorität. Haben zwei Substituenten ähnliche Verzweigungen, gehen Sie so weit, bis Sie eine unterschiedliche Stelle gefunden haben:

CH>CH>CH3 —C-—-CH3—SH

CH,CH,CH, hat eine niedrigere Priorität als

H

7

Eror

Se

Fr

H

Unterschiedliche Stelle Beispiele:

Ia

C(CH3)3 a

&

|

2 \ CH2CH3 b

BR

er ah

CH3 c

a

&

CH(CH3)2 b

(R)-2-Iodbutan

(S)-3-Ethyl-2,2,4-trimethylpentan

Regel 3 Doppel- und Dreifachbindungen werden wie gesättigte Verbindungen behandelt, wie im folgenden gezeigt: Die roten Atome, die an die

H

Gruppen auf der rechten Seite der

H N

Darstellung gebunden sind, sind

ui

z

nicht wirklich vorhanden! Sie sind nur hinzugefügt, damit allen Gruppen auf der linken Seite eine relative Priorität zugeordnet wer-

Fa

HH 3

Se

wird angesehen als R

|

ER \ j

ee | |

den kann.

HR

wird angesehen als

ae ER

|

ch

wird angesehen als

E

a

= Oo H

CH=CH;3 b

OH a

|

dH

onen R

. (&

| ?

dH

ARyCHb .CH.OHe

O —

ll 0

BERE = wird angesehen als

R

OH

Beispiele sind in der Randspalte gezeigt. 174

er |

Mi

Übung 5-8

5.4

Fischer-Projektionen

Zeichnen Sie die Formeln der folgenden Substituenten und ordnen Sie sie innerhalb jeder Gruppe nach abnehmender Priorität. (a) Methyl, Brommethyl, Trichlormethyl, Ethyl: (b) 2-Methylpropyl (Isobutyl), 1-Methylethyl (Isopropyl), Cyclohexyl; (c) Butyl, 1-Methylpropyl (sec-Butyl), 2-Methylpropyl (Isobutyl), 1,1-Dimethylethyl (tert-Butyl); (d) Ethyl, 1-Chlorethyl, 1-Bromethyl, 2-Bromethyl.

i Übung 5-9 Bestimmen Sie die absolute Konfiguration der Moleküle aus Tab. 5-1.

©

Übung 5-10 Zeichnen

Sie ein Enantiomer

(geben

Sie an,

welches)

von:

2-Chlorbutan,

2-Chlor-2-

fluorbutan und von (HC=C)(CH;=CH)C(Br)(CH;).

Um die räumliche Struktur von Stereoisomeren richtig bestimmen zu können,

müssen

Sie

ein

dreidimensionales

„Sehen“

oder

„sterisches

Sehgefühl“ entwickeln. Bei den Strukturen, die wir zur Veranschaulichung der Prioritätsregeln benutzt haben, lag immer der Substituent mit der niedrigsten Priorität links vom chiralen Kohlenstoffatom in der Papierebene, der Rest des Moleküls rechts davon, mit der oberen rechten Gruppe ebenfalls in der Papierebene. Dies ist jedoch nicht die einzige Möglichkeit zur Zeichnung dreidimensionaler Strukturen, andere sind ebenso richtig. Betrachten Sie als Beispiel einige der Darstellungen von (S)-2-Brombutan. In jeder ist das Molekül einfach aus einem anderen Blickwinkel gezeigt. Sechs Möglichkeiten zur Zeichnung von (S)-2-Brombutan Be

re

\CH3

CH>CH;

ie

Neht, Br#/_"CH>CH; CH;

H

Br-C-CH; CH>CH3

'

H3C--C--Br l CH>CH;

N

C—H CH3CHz 4 CH

_CH3CH>—C—CH3

Lassen Sie uns zusammenfassen: Zur Bestimmung der absoluten Konfiguration kann man das Vorzeichen der optischen Drehung nicht heranziehen. Stattdessen muß man besondere Verfahren der Röntgenbeugung (oder chemische Korrelationen) benutzen. Die absolute Konfiguration des chiralen Moleküls läßt sich mit Hilfe der Sequenzregeln, aufgrund derer wir die Substituenten nach abnehmender Priorität ordnen können,

als R oder $ angeben. Dreht man die Strukturen so, daß die Gruppe mit der geringsten Priorität nach hinten weist, können die übrigen Substituenten entweder im (R) oder entgegen dem Uhrzeigersinn (S) angeordnet sein.

5.4 Fischer-Projektionen Eine Fischer*-Projektion ist eine Standardmethode zur zweidimensionalen Abbildung tetraedrischer Kohlenstoffatome und ihrer Substituenten. In dieser Darstellungsmethode wird das Molekül als Kreuz mit dem asymmetrischen Kohlenstoffatom im Schnittpunkt der beiden Achsen gezeichnet. Die waagerechten Linien stellen Bindungen dar, die auf den Betrachter zu gerichtet sind, senkrechte Linien weisen von ihm weg. Um von Keilstrichformeln leichter zu Fischer-Projektionen zu gelangen, zeichnet man sie in derselben Anordnung. Dies ist im folgenden für 2-Brombutan gezeigt.

*

Emil Fischer,

1852-1919,

Professor an der Universität Berlin, Nobelpreis für Chemie

1902.

175

5 Stereoisomerie

Überführung von Keilstrichformeln in Fischer-Projektionen am Beispiel der beiden Enantiomere

H Br

von 2-Brombutan

H

C—CH;CH;

H

eich,

CH;

CH5SCH5—

CH;

Keilstrichformel

H

C—Br

Ci

CH;

FischerProjektion

CH;

Keilstrichformel

(R)-2-Brombutan

FischerProjektion

(S)-2-Brombutan

Da man ein Molekül durch mehrere Keilstrichformeln darstellen kann, gibt es auch mehrere korrekte Fischer-Projektionen für ein chirales Molekül. Zwei weitere Projektionen des (R)-2-Brombutans CH;

CH;

|

H-CCH;CH, —> H4-cnch, Br Br

CH-C-Br —> Br CH;CH; CH-CH;

Drehung einer Fischer-Projektion kann, muß aber nicht,

die absolute Konfiguration ändern Da die Fischer-Projektionen Abbildungen dreidimensionaler Objekte in die Ebene darstellen, müssen wir sehr vorsichtig sein, wenn wir irgendwelche Manipulationen an ihnen vornehmen. Drehen wir z.B. eine solche Projektion um 90° in der Ebene, erhalten wir die Struktur des Spie-

gelbildisomers. Daraus folgt, daß man bei Drehung um 180° wieder zur Struktur des ursprünglichen Enantiomers zurückkommt. Dies können Sie leicht nachvollziehen,

indem

Sie die Keilstrichformeln

drehen, oder

indem Sie ein Molekülmodell zur Hilfe nehmen. Br Drehung um 90°

Br

onen, Bene, H;C

Br AL,

H

CH;

h

:

ist identischmit

H;3C = C —H

CH>CH; R

CH>CH;

S H

S

CH3

a

Drehung um 180°

ONCH

—

CH3

Br

CH,

CH>CH3

MI:

:

h

ist identisch mit

Br®-C—CH>CH; :

H

Ss

H 5

Ss

| Übung 5-11 ©

Zeichnen Sie Fischer-Projektionen für alle Moleküle aus den Übungen 5-9 und 5-10.

Die Vertauschung von Substituenten in einer FischerProjektion ändert auch die absolute Konfiguration Genau wie bei den Keilstrichformeln gibt es auch mehrere Fischer-Projektionen für dasselbe Enantiomer, was zu Verwirrung führen kann. Wie können wir schnell feststellen, ob zwei Fischer-Projektionen dasselbe Enantiomer oder Bild und Spiegelbild abbilden? Wir müssen eine Methode zur Überführung einer Fischer-Projektion in eine andere entwickeln,

bei

der wir genau

wissen,

wann

die

absolute

Konfiguration

unverändert bleibt und wann wir die umgekehrte Konfiguration bekommen.

176

Es zeigt sich,

daß

man

dies

am

einfachsten

durchführen

kann,

wenn man Substituenten die Plätze tauschen läßt. Wie Sie leicht anhand von Molekülmodellen nachprüfen können, überführt jeder einfache Platztausch ein Enantiomer in sein Spiegelbild. Bei zweimaligem Platztausch (es können jedesmal andere Substituenten sein) erhält man wieder die ursprüngliche absolute Konfiguration.

5.4

Fischer-Projektionen

Änderungen der absoluten Konfiguration beim Vertauschen von Substituenten in Fischer-Projektionen CH3

Br

air

CH>CH3

uU Bt, a—t-cm, ...

CH>CH3

am

CH>CH3

s

Br

R

s

(der Doppelpfeil bedeutet, daß zwei Gruppen ihre Plätze tauschen)

Jetzt ist es sehr einfach festzustellen,

ob zwei verschiedene

Fischer-

Projektionen dieselbe oder unterschiedliche Konfigurationen darstellen. Muß man eine gerade Zahl von Substituentenvertauschungen vornehmen, um von der einen in die andere Struktur zu gelangen, sind die Strukturen identisch. Bei einer ungeraden Zahl von Vertauschungen verhalten sich die Strukturen wie Bild und Spiegelbild. Betrachten Sie beispielsweise die beiden Fischer-Projektionen A und B. Stellen Sie Moleküle mit derselben Konfiguration dar? Die Antwort ist leicht gefunden. Wir überführen A durch zweimaligen Austausch in B,A ist gleich B. Cl

H

Castle

ach

CH>CH3

ISCH

SE

cl

CH>CH3

CH;CH3

A

B

Übung 5-12

") ©

Zeichnen Sie die Keilstrichformeln, die den oben gezeigten Fischer-Projektionen A und B entsprechen. Ist es möglich, A durch Drehung um eine Einfachbindung in B zu überführen? Wenn ja, geben Sie die Bindung an und um welchen Winkel gedreht werden muß. Verwenden Sie Modelle, wenn nötig.

Eine einfache Methode zur Konfigurationsbestimmung mit Hilfe von Fischer-Projektionen Obwohl eigentlich

man

bei der

immer

Behandlung

dreidimensionale

von

stereochemischen

Modelle

zur

Hand

Problemen

nehmen

muß,

kann man auch anhand einer Fischer-Projektion die absolute Konfiguration bestimmen, ohne sie in ein Molekülmodell zu überführen. Zeichnen Sie zu diesem Zweck eine beliebige Fischer-Projektion des Moleküls. Bestimmen Sie dann die Reihenfolge der Substituenten nach der Sequenzregel. Tauschen Sie schließlich zwei Gruppen des Moleküls so aus, daß der Substituent mit niedrigster Priorität oben steht, danach vertauschen Sie irgendein anderes Paar (damit die absolute Konfiguration wieder die ursprüngliche wird). Nun können sie sehen, daß die drei

d

Zar

d

ne

d

d

Bun

Ber

d

a2

d

Be

G

b

a

c

b

a

R

R

R

5

5

5

177

5

Stereoisomerie

Gruppen a, b und c entweder im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn angeordnet sind, was dann einer R- oder S-Konfiguration entspricht. Ü

Übung 5-13 | Welche absolute Konfiguration besitzen die folgenden Moleküle?

Br

ei!

CH3

ae u:

Br

CH;

I

H>N

ou EusO

7 Übung 5-14 | \ | " ', un

Überführen Sie die Fischer-Projektionen aus Übung 5-13 in Keilstrichformeln und bestimmen Sie die absoluten Konfigurationen der Moleküle nach dem in Abschnitt 5-3 beschriebenen Verfahren. Wenn die Gruppe mit der niedrigsten Priorität an der Spitze der Fischer-Projektion ist, liegt sie vor oder hinter der Papierebene? Kann man hieraus ableiten, warum das gezeigte Verfahren zur Bestimmung von Konfigurationen aus Fischer-Projektionen zu richtigen Ergebnissen führt?

Zusammenfassend können wir sagen, daß sich chirale Moleküle sehr einfach durch Fischer-Projektionen abbilden lassen. Durch ungeradzahliges Vertauschen von Substituenten wird die absolute Konfiguration umgekehrt, ist die Anzahl der Vertauschungen gerade, bleibt die ursprüngliche Konfiguration erhalten. Schreibt man in der Fischer-Projektion den Substituenten mit geringster Priorität an die Spitze des Moleküls, läßt sich die absolute Konfiguration leicht bestimmen.

5.5 Moleküle mit mehreren Chiralıtätszentren: Diastereomere Mit Molekülen, die mehrere asymmetrische Kohlenstoffatome enthalten, wollen wir uns in diesem Abschnitt befassen. Da an jedem Zentrum die Konfiguration entweder R oder $ sein kann, ist eine Vielzahl verschiedener Strukturen möglich, die alle Isomere sind.

Zwei Chiralitätszentren können vier Stereoisomere

ergeben: Die Chlorierung von 2-Brombutan an C3 In Abschnitt 5.1 haben wir gesehen, wie durch radikalische Monohalogenierung von Butan ein asymmetrisches Kohlenstoffatom entsteht. Lassen Sie uns nun die Chlorierung von 2-Brombutan zu (neben anderen Produkten) 2-Brom-3-chlorbutan betrachten. Unser Ausgangsmaterial liegt als Racemat, als äquimolares Gemisch der R- und S-Isomere vor. Durch Einführung eines Chloratoms an C3 entsteht ein neues Chiralitätszentrum im Molekül. Dieses Zentrum kann entweder R- oder SKonfiguration haben, die sich mit Hilfe derselben Sequenzregeln, die wir bei Molekülen mit einem derartigen Zentrum entwickelt haben, bestimmen läßt. H * |

CH; no Br 2-Brombutan ein Chiralitätszentrum

178

\ Ch, h

DL

Sn

*

*

CH; oc Bush 2-Brom-3-chlorbutan zwei Chiralitätszentren

Spiegelebene

A SE

a HQ

H3C

|

a

Rz NBr

|

ei Br Are

a

H3C

CH; a

ri

CH3

CH;

\

‘B

r

0)

Hm

"a

Br

Br’/2

H

cl RZH

ex

CH3

.

%

Tr |

B

s

mowzBt H

e

H Ne

|

CH3

|

/u°H

(2R,3R)-2-Brom-3-chlorbutan

Diasteromere

|

|

Se

BR

Ba

Br H a3

$

\

CH3

’

CH:

Br

|

(25,38)-2-Brom-3-chlorbutan

ch URS

R

CH3

Enantiomere

|

|

r

.

@

|

CH;

H

(25,3R)-2-Brom-3-chlorbutan

NE

Se

CH;

ng gl H

Au

B

4

ng

iR.

er

3

ch;

CH3

(2R,3S)-2-Brom-3-chlorbutan

Abb. 5-9 Die vier Stereoisomere von 2-Brom-3-chlorbutan. Jedes ist das Enantiomer eines der drei anderen (sein Spiegelbild) und gleichzeitig das Diastereomer der beiden übrigen. So ist z.B. das 2R,3R-Isomer das Enantiomer des 2$,35-Moleküls und das Diastereomer der 2$,3R- und 2R,3$-Strukturen. Zwei Verbindungen sind nur dann Enantiomere, wenn sie an allen Stereozentren entgegengesetzte Konfiguration haben.

Wie viele Stereoisomere sind bei 2-Brom-3-chlorbutan möglich? Diese Frage läßt sich durch eine einfache Permutationsübung beantworten: Jedes Chiralitätszentrum kann entweder die Konfiguration R oder $ besitzen,

es gibt also die möglichen

Kombinationen

RR,

RS, SR

und

SS. Dies ergibt vier Stereoisomere (Abb. 5-9). Da alle horizontalen Linien in Fischer-Projektionen Bindungen darstellen, die auf den Betrachter hin gerichtet sind, zeigen Fischer-Projektionen das Molekül in ekliptischer Konformation. Daher besteht der erste Schritt beim Überführen einer Newman-Projektion oder einer Keilstrichformel eines Moleküls in eine Fischer-Projektion immer darin, das Molekül so zu drehen, daß man das ekliptische Rotamer erhält. Beim Bestimmen der Konfiguration betrachtet man jedes Chiralitätszentrum für sich und die Gruppe, die das andere Chiralitätszentrum enthält, als normalen Substituenten (Abb. 5-10). Betrachten wir die Konfigurationen der vier Stereoisomeren von 2Brom-3-chlorbutan genauer, so sehen wir, daß wir zwei Paare von Verbindungen haben: ein R,R/S,S-Paar und ein R,S/S,R-Paar. Die beiden

Moleküle eines Paars sind Spiegelbilder voneinander und daher Enantiomere. Andererseits ist jedes Molekül des einen Paars von keinem der beiden Moleküle des anderen das Spiegelbild: beide Enantiomerenpaare sind zueinander nicht enantiomer.

Stereoisomere,

die sich nicht wie Bild

und Spiegelbild verhalten, sind Diastereomere (dia, griechisch: jenseits). CH; als tetrasubstituiertes H

Be

|

Br

Methan zeichnen

N

FRAGE: R oder 5?

er

CH3

——

CHBrCH3

Ül

H

zweifacher Austausch

H

CHBrCH;

H;C

=:

S S

ANTWORT: das Zentrum hat $S-Konfiguration

Abb. 5-10 Bestimmung

der absoluten

Konfiguration

an C3 in 2-Brom-3-chlorbutan.

Wir

sehen die Gruppe, die das Chiralitätszentrum C2 enthält, nur als einen der vier Substituenten an. Prioritäten (auch in Farbe angegeben) werden wie üblich bestimmt (Cl > CHBrCH; > CH; > H). Hieraus folgt die Darstellung in der Mitte der Abbildung. Nach zweimaligem

Austauschen kommt das Wasserstoffatom mit der niedrigsten Priorität an die Spitze der Fischer-Projektion, wodurch die Zuordnung erleichtert wird.

179

5 Stereoisomerie

CH-CH H 3

2a

CH;

Im Gegensatz zu Enantiomeren sind Diastereomere, weil sie sich nicht wie Bild und Spiegelbild verhalten, voneinander unterscheidbare Moleküle mit unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften. Sie lassen sich durch fraktionierte Destillation oder Kristallisation oder 5 5 . : chromatographisch trennen. Sie haben verschiedene Schmelz- und Sie-

NH> & y OH

depunkte und Dichten, genau wie Strukturisomere. sie einen unterschiedlichen spezifischen Drehwert.

Bo: H

NH

Außerdem

haben

Übung 5-15

CH3 \ 2 CHıCH N CO,H az H Alloisoleucin

Die beiden Aminosäuren Isoleucin und Alloisoleucin sind am Rand in gestaffelten Konformationen gezeigt. Überführen Sie beide in Fischer-Projektionen. (Denken Sie daran, daß Fischer-Projektionen die Moleküle in ekliptischer Konformation zeigen.) Sind die \ beiden Moleküle Enantiomere oder Diastereomere?

7) Übung 5-16 In welcher stereochemischen Beziehung (identisch, Enantiomere, hen die folgenden vier Moleküle? Bestimmen Sie die absolute jeden Chiralitätszentrums.

CH;

H

H

F

H

CH>CH;

CH;

HC

F

H

CH-CH;

CH;

H

F

H

CHSsCH;

H

CH; 1

Diastereomere) steKonfiguration eines

Ä

2

HC

CH>CH3

F

H

CH;

CH;

3

4

cis- und tfrans-Isomere sind cyclische Diastereomere Es ist hilfreich, die Stereoisomeren

eines cyclischen

Analogons,

von 2-Brom-3-chlorbutan

1-Brom-2-chlorcyclobutan,

mit denen

zu vergleichen

(Abb. 5-11). In beiden Fällen gibt es vier Stereoisomere:

R,R, S,S, R,S

und S,R. In der cyclischen Verbindung läßt sich die stereoisomere Beziehung des ersten zu dem zweiten Enantiomerenpaar leicht erkennen: eines hat cis-, das andere trans-Konfiguration. cis- und frans-Isomere in Cycloalkanen (Abschn. 4-1) sind also auch Diastereomere.

uabr R

Spiegelebene

|

Sa

H

so umklappen, daß HBr

l

Cl

Lk

Ss

j

H

R

Ben

i

el

S

|

cı P' ae | |

>

R

|

H

| N

Br oc 5

ER cin

H nach hinten

drehen

zeigt

CIHCN. CH,

NIS

x

UN 2

Br H Cl ist Rkonfiguriert

He

CI H C2 istRB

konfiguriert

Abb. 5-11 (A) Diastereomere Beziehung zwischen cis- und trans-1-Brom-2-chloreyclobutan. (B) Stereochemische Bestimmung des R,R-Isomers. Denken Sie daran, daß die Priorität der Gruppen an jedem Chiralitätszentrum durch die Farbe gekennzeichnet wird: Rot > blau > grün > schwarz.

Mehr als zwei Chiralitätszentren: Noch mehr Stereoisomere Welche strukturelle Vielfalt können wir bei einer Verbindung mit drei Chiralitätszentren erwarten? Dieses Problem können wir wieder durch Permutieren der verschiedenen Möglichkeiten lösen. Kennzeichnen wir

180

die drei Zentren nacheinander als entweder R oder S, ergibt sich die folgende Sequenz:

5.6 meso-Verbindungen

RRR RRS RSR SRR RSS SRS SSR SSS, also insgesamt acht Stereoisomere. Enantiomerenpaaren ordnen:

Bild Spiegelbild

Sie lassen sich zu folgenden

vier

RRR RRS RSS SRS SSS SSR SRR RSR

Allgemein gilt, daß eine Verbindung mit n Chiralitätszentren maximal 2" Stereoisomere haben kann. Daher kann eine Verbindung mit drei asymmetrischen Kohlenstoffatomen maximal in acht Stereoisomeren, bei vier asymmetrischen Kohlenstoffatomen in maximal sechzehn, bei fünf in 32 Stereoisomeren auftreten. Bei größeren Systemen ergeben sich phantastische strukturelle Möglichkeiten. Übung 5-17 Zeichnen Sie alle Stereoisomere von 2-Brom-3-chlor-4-fluorpentan.

Fassen wir zusammen: Hat ein Molekül mehr als ein Chiralitätszentrum, führt dies zu Diastereomeren. Dies sind Stereoisomere, die sich

zueinander nicht wie Bild und Spiegelbild verhalten. Bei den cyclischen Verbindungen sind cis- und frans-Isomere Diastereomere. Enthält ein Molekül n asymmetrische

Kohlenstoffatome,

sind maximal

2" Stereoiso-

mere möglich.

3.6 meso-Verbindungen Wir haben gesehen, daß das Molekül 2-Brom-3-chlorbutan zwei verschiedene Chiralitätszentren, jedes mit einem anderen Halogensubstituenten,

enthält.

Wie

viele

Stereoisomere

kann

man

erwarten,

wenn

beide Chiralitätszentren identisch substituiert sind?

Bei zwei gleich substituierten Chiralitätszentren gibt es nur drei Stereoisomere Wir

betrachten

2,3-Dibrombutan,

von 2-Brombutan chlorbutan

müssen

das

dargestellt werden wir vier

durch

kann.

Konfigurationen

den verschiedenen Permutationen ben (s. Abb. 5-12).

radikalische

Genau

Bromierung

wie bei 2-Brom-3-

betrachten,

die sich

der R- und S-Konfigurationen

aus

erge-

Beim ersten Paar von Stereoisomeren, mit R,R- und $,$-Konfiguration, läßt sich klar erkennen, daß es sich um ein Enantiomerenpaar han-

delt. Betrachtet man das zweite Paar jedoch genauer, sieht man, daß sich Bild ($,R) und Spiegelbild (R,S) durch eine Drehung der FischerProjektion um 180° zur Deckung bringen lassen. Beide Moleküle sind .daher identisch. Das $,R-Isomer von 2,3-Dibrombutan ist achiral und nicht optisch aktiv, obwohl es zwei Chiralitätszentren enthält. Die Iden-

|

Eee, Br

er

La

sch Bi

H

2,3-Dibrombutan ein Chiralitätszentrum

zwei Chiralitätszentren

181

5 Stereoisomerie

Spiegelebene

CH;

|

CH;

s

R

H

Br

a

Enantiomere

rl

Br

|

H

Hal

) CH3

CH;

Diastereomere

Chan

UM

CHE

j

s

R

H

Br

Enantiomere?

HB

Abb. 5-12 Die stereochemische

Beziehung der Stereoisomere des

nein! identisch!

CH;

2,.3-Dibrombutans.

Br

H

1 Do BrteH CH;

tität beider Strukturen läßt sich schnell an Molekülmodellen nachprüfen. Eine Verbindung,

die zwei (oder, wie wir sehen werden,

auch mehr als

zwei) Chiralitätszentren enthält, aber deckungsgleich mit ihrem Spiegelbild

ist,

bezeichnet

man

als

meso-Verbindung

(mesos,

griechisch:

Mitte). Alle meso-Verbindungen besitzen eine Symmetrieebene, die das eine Chiralitätszentrum (oder mehrere von ihnen) auf das andere abbildet.

So ist z.B.

in 2,3-Dibrombutan

das 2R-Zentrum

das Spiegelbild

des 35-Zentrums. Dies läßt sich am besten in einer dreidimensionalen Abbildung der ekliptischen Konformation erkennen (s. Abb. 5-13). Das Vorliegen einer Symmetrieebene in irgendeiner energetisch zugänglichen Konformation eines Moleküls (Abschn. 2-5 und 2-7) reicht aus, um

es achiral zu machen.

Hieraus folgt, daß 2,3-Dibrombutan

nur

in drei verschiedenen Stereoisomeren vorkommt: einem Paar von (notwendigerweise chiralen) Enantiomeren und einem achiralen meso-Diastereomer. meso-Diastereomere können bei Molekülen mit mehr als zwei Chiralitätszentren

auftreten,

Beispiele

sind 2,3,4-Tribrompentan

und 2,3,4,5-

Tetrabromhexan. meso-Verbindungen mit mehreren Chiralitätszentren

ü

Br H

Br——H Br

H BriBr } Bryj |H Br

H

CH;

Spiegelebene

Spiegelebene

Übung 5-18 Zeichnen Sie alle Stereoisomere von 2,4-Dibrom-3-chlorpentan.

H;C

\

>

/»Br

Drehung

H;C

Br,/R CN ra H CH3 gestaffelt ei

Br’/

A

ekliptisch

Abb. 5-13 meso-2,3-Dibrombutan enthält eine Symmetrieebene, wenn es in die gezeigte, ekliptische Konformation gedreht wird. Ein Molekül mit mehr als einem Chiralitätszentrum ist eine achirale meso-Form, solange es in irgendeiner leicht zugänglichen Konformation eine Symmetrieebene enthält, meso-Stereoisomere besitzen identisch substituierte Chiralitätszentren.

182

5.6 meso-Verbindungen

Es ist nicht erforderlich, daß die Chiralitätszentren bei Diastereomeren direkt benachbart sind Bis jetzt hat sich unsere Diskussion in diesem Abschnitt auf Verbindungen beschränkt, bei denen zwei asymmetrische Kohlenstoffatome direkt nebeneinander liegen. Dieselbe stereochemische Beziehung gilt jedoch auch für Systeme, bei denen derartige Zentren durch ein oder mehrere Atome getrennt sind. Sind beide Chiralitätszentren unterschiedlich substituiert, gibt es prinzipiell vier Stereoisomere,

bei gleichem

Substituti-

onsmuster nur drei: zwei Enantiomere und eine meso-Verbindung. Beispiele hierfür sind 2-Brom-4-chlorpentan und 2,4-Dichlorpentan. Das erste Beispiel hat vier, das andere drei Stereoisomere (es ist nur jeweils ein Enantiomer von jedem Diastereomer abgebildet). Er

N

Ai

POEZCHFEN H;C

d

\ CH;

Br

Di

LE H3C

Cl

(2R,4S)-2-Brom-4-chlorpentan

ee

d

ER \ cı

Br

CH;

(2R,4R)-2-Brom-4-chlorpentan

Spiegelebene

|

H

|

H

H

ala.

n

|

ea

EN

RT

CH

H;C

Eide

ei

meso-2,4-Dichlorpentan

ne

H

Recı

CH;

(2R,4R)-2,4-Dichlorpentan

meso-Formen können auch bei cyclischen Verbindungen auftreten Es ist wieder recht lehrreich, die Stereochemie

in 2,3-Dibrombutan

mit

der in einem analogen cyclischen Molekül, dem 1,2-Dibromcyclobutan, zu vergleichen.

Wie Sie sehen können,

tritt frans-1,2-Dibromeyclobutan

als Enantiomerenpaar auf (R,R und $,5) und ist daher optisch aktiv. Das cis-Isomer besitzt hingegen eine Symmetrieebene, ist also eine meso-Verbindung, achiral und optisch inaktiv (s. Abb. 5-14). Wir haben den Ring planar gezeichnet, um die Spiegelsymmetrie besser zeigen zu können, obwohl wir aus Kapitel 4 wissen, daß die Ringe von Cycloalkanen mit vier oder mehr Kohlenstoffatomen nicht planar sind. Führt diese Vereinfachung trotzdem zu richtigen Ergebnissen? Im allgemeinen ja, weil diese Verbindungen, ebenso wie ihre acyclischen Analoga, bereits bei Raumtemperatur eine Vielzahl von Konformationen-einnehmen können (Abschn. 4-2 bis 4-4). Zumindest eine dieser Konformationen wird die notwendige Symmetrieebene enthalten, aufgrund derer alle cis-disubstituierten Cycloalkane mit identisch konstituierten Stereozentren achiral sind. Einfach gesagt, zum Auffinden einer Symmetrieebene können cyclische Moleküle im allgemeinen so behandelt werden, als ob sie planar wären.

Bein

H

|

EBt

| R

|

H 5

|

R

HensH Br

Ä

S Br Abb. 5-14 Das trans-Isomer von

Spiegelebene

Symmetrieebene 1R,2$ ist identisch mit 1$,2R

1,2-Dibromeyclobutan ist chiral, das cis-Isomer ist eine meso-Form

und optisch inaktiv.

183

Kasten 5-3 Die Stereoisomere

der Weinsäure

liche Weinsäure

Weinsäure (systematischer Name: 2,3-Dihydroxybutandisäure) ist eine natürlich vorkommende Dicarbonsäure,

die

zwei

Chiralitätszentren

mit

identischem Substitutionsmuster enthält. Sie kommt daher einmal als Enantiomerenpaar mit identischen physikalischen Eigenschaften (abgesehen von der entgegengesetzten Drehung der Schwingungsebene des linear polarisierten Lichts), zum anderen als achirale meso-Verbindung mit davon unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften vor. Das rechtsdrehende Enantiomer der Weinsäure ist in der Natur weit verbreitet, es kommt in vielen

Früchten vor (Fruchtsäure). Das Monokaliumsalz ist der sogenannte Weinstein, der bei der Fermentation des Traubensaftes ausfällt, und dessen Kri-

stalle man häufig als Bodensatz in Weinflaschen findet. Linksdrehende Weinsäure kommt selten vor.

Das

Racemat

bezeichnet

man,

wie

bereits

erwähnt, als Traubensäure. Ebenso wie das linksdrehende Enantiomer wird auch die meso-Weinsäure in der Natur nur selten angetroffen. Die Weinsäure hat in der Geschichte eine wichtige Rolle gespielt, denn sie war die erste chirale Verbindung, die in ihre Enantiomeren zerlegt werden konnte. Dies geschah im Jahre 1848, lange

bevor

man

erkannte,

daß

die

Bindungen

des Kohlenstoffs in organischen Molekülen in die Ecken eines Tetraeders gerichtet sind. Um das Jahr 1848 herum war gezeigt worden, daß natür-

COOH Hl 29H HO- 1 COOH (+)-Weinsäure [a]2°°° = +12.0 Smp. 168-170°C Dichte d = 1.7598 g/mL

rechtsdrehend

ist, und auch das

Racemat Traubensäure war bekannt. Der französische Chemiker Louis Pasteur* erhielt zu dieser Zeit eine Probe des gemischten Natrium-Ammonium-Salzes der Traubensäure und stellte fest, daß zwei Typen von Kristallen vorlagen: der eine Typ war das Spiegelbild des anderen. Anders gesagt, die Kristalle waren chiral. Louis Pasteur trennte

beide

Kristallarten

manuell

voneinander,

löste sie in Wasser und bestimmte ihre optische Drehung. Er fand, daß die eine Kristallsorte das reine Salz der (+)-Weinsäure, die andere die reine linksdrehende Form war. Es ist bemerkenswert, daß die Chiralität der einzelnen Moleküle in diesem Fall eine Chiralität des gesamten Kristalls,

also

eine

makroskopische

Eigenschaft,

bewirkt. Pasteur folgerte aus seinen Beobachtungen, daß die Moleküle selbst chiral sein müssen. Aufgrund dieser und anderer Befunde postulierten im Jahre 1874 van’t Hoff und Le Bel** unabhängig voneinander, daß die Bindungen am gesättigten Kohlenstoff tetraedrisch — und nicht beispielsweise planar-quadratisch — angeordnet sind. (Warum ist die Vorstellung eines planaren Kohlenstoffs unvereinbar mit der eines Chiralitätszentrums?) *

Louis

®*

Paris. Jacobus

Pasteur,

1822-1895,

H. van’t Hoff,

Professor

1852-1911,

an

der

Sorbonne,

Professor an der Uni-

versität Amsterdam, Nobelpreis für Chemie 1901, Dr. Joseph A. Le Bel, 1847-1930, Dissertation Sorbonne, Paris.

COOH

HO us H 2/2 OH COOH (—)-Weinsäure [a] = 12.0 Smp. 168 — 170°C

= 1.7598 g/mL

COOH

Berg H Ss OH COOH meso-Weinsäure

2:10 Smp. 146-148°C d = 1.6666 g/mL

Übung 5-19 Zeichnen Sie jedes der folgenden Moleküle, wobei Sie den Ring planar darstellen. Welche sind chiral? Welche sind meso-Formen? Zeichnen Sie bei jeder meso-Form die Symmetrieebene ein. (a) cis-1,2-Dichlorcyclopentan; (b) dessen trans-Isomer; (c) cis-1,3Dichloreyclopentan; (d) dessen trans-Isomer; (e) cis-1,2-Dichlorcyclohexan; (f) dessen

trans-Isomer; (g) cis-1,3-Dichlorcyclohexan; (h) dessen trans-Isomer.

Übung 5-20 Zeichnen Sie für jedes meso-Stereoisomer Symmetrieebene

aus Übung 5-19 die Konformation,

die die

enthält. Sehen Sie in den Abschnitten 4-2 und 4-3 nach, welche Kon-

formationen energetisch günstig sind.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß Moleküle mit zwei oder mehr identisch substituierten Stereozentren als meso-Stereoisomere vorliegen können. meso-Formen lassen sich mit ihrem Spiegelbild zur Deckung bringen und sind daher achıral.

184

5.7 Stereochemie bei chemischen Reaktionen

5.7 Stereochemie bei chemischen Reaktionen

In diesem Abschnitt wollen wir detailliert beschreiben, wie aufgrund einer chemischen Reaktion Chiralität in ein Molekül eingeführt wird. Insbesondere befassen wir uns genauer damit, warum bei der Überführung von achiralem Butan in chirales 2-Brombutan ein Racemat erhalten wird. Wir sehen auch, daß ein bereits im Molekül vorhandenes Chiralitätszentrum die Stereochemie einer Reaktion, die zur Einführung eines

zweiten führt, in gewissem Ausmaß kontrolliert. Beginnen wir mit einer erneuten Betrachtung der radikalischen Bromierung von Butan.

Der radikalische Mechanismus

erklärt, warum

die

Bromierung von Butan ein Racemat ergibt Durch radikalische Bromierung von Butan an C2 entsteht ein chirales Molekül (s. Abschn. 5-1). Dies geschieht, weil eines der Methylen-Wasserstoffatome durch einen neuen Substituenten ersetzt wird und wir ein Kohlenstoffatom mit vier verschiedenen Substituenten erhalten. Es gibt zwei von diesen Wasserstoffatomen, der Austausch des einen gegen Brom ergibt das eine Enantiomer, der Austausch des anderen dessen Spiegelbild. Ein solches Paar von Wasserstoffatomen bezeichnet man als enantiotop, da die Umgebung des einen genau das Spiegelbild der Umgebung des anderen ist. Da beide Wasserstoffatome bei dieser Reaktion chemisch äquivalent sind, werden

sie von

einem

Bromatom

mit derselben

Geschwindigkeit

abgespalten. Betrachtet man jedoch den Mechanismus der radikalischen Halogenierung (Abschn. 3.6 und 3.7) sieht man, daß bei diesem Schritt kein neues

Chiralitätszentrum

entsteht, da das Produkt dieses Schrittes

ein planares und daher achirales Radikal ist. Das radikalische Zentrum hat ebenfalls zwei enantiotope Stellen, an denen die Reaktion abläuft — die beiden Lappen des p-Orbitals (s. Abb. 5-15). Da beide Lappen in gleichem Maße für einen Angriff des Broms geeignet sind, führt diese Reaktion zu racemischem 2-Brombutan. Wie Sie aus der Abbildung erkennen können, stehen die beiden Übergangszustände, die zu den entsprechenden Enantiomeren führen, spiegelbildlich zueinander. Sie sind enantiomer und daher energetisch äquivalent. Die Geschwindigkeit der Bildung des R- und S-Produkts ist gleich, es entsteht ein Racemat. Allgemein gilt, daß bei der Bildung chiraler Verbindungen, (z.B. 2-Brombutan) aus achiralen Reaktanten (z.B. Butan und Brom) Racemate entstehen. Oder, anders gesagt, optisch inaktive Reaktionspartner ergeben optisch inaktive Produkte.”

Die Anwesenheit eines Chiralitätszentrums beeinflußt das Ergebnis der Reaktion: Chlorierung von (S)-2-Brombutan Nachdem wir nun verstanden haben, warum bei der Halogenierung eines achiralen Moleküls ein racemisches Halogenid entsteht, können wir uns fragen: Welche Produkte sind bei der Halogenierung eines chiraJen und optisch reinen Moleküls zu erwarten? Betrachten wir z.B. die radikalische Chlorierung des S-Enantiomers von 2-Brombutan. In Abschnitt 5.5 hatten wir vereinfachend angenommen, daß der Angriff nur an C3 erfolgt, in Wirklichkeit gibt es aber eine Reihe von Möglichkeiten: die beiden endständigen Methylgruppen, das einzelne Wasserstoffatome an C2 und beide Wasserstoffatome an C3. Lassen Sie uns jeden einzelnen Reaktionsweg untersuchen. * Wie wir später sehen, ist es möglich, optisch aktive Produkte aus optisch inaktiven Ausgangsmaterialien darzustellen, wenn man optisch aktive Hilfsreagenzien benutzt.

185

ER

CH3

HN enantiotope Wasserstoffatome

CH,CH3

(S)-2-Brombutan

—HBr | Br-

enantiotoper

«TU

_

Orbitallappen

CH3

Spiegelebene

NW 1,CH; enantiotoper Orbitallappen (beide Lappen sind äquivalent)

H

27 CH3

N es CH5CH; Br a

Br:

Abb. 5-15 Bildung von racemischem 2-Brombutan aus Butan durch radikalische Bromierung an C2. Die Abspaltung eines von beiden Methylen-Wasserstoffatomen ergibt ein achirales Radikal. Der Angriff von Brom auf dieses Radikal ist von oben ebenso wahrscheinlich wie von unten, als Produkt entsteht ein racemisches Gemisch.

(R)-2-Brombutan

enantiomere Übergangszustände

Die Chlorierung an C1 ist leicht zu überblicken, sie verläuft über das primäre Radikal, und es entsteht 2-Brom-1-chlorbutan als Produkt. Die Chlorierung am C4-Zentrum ergibt entsprechend 3-Brom-I-chlorbutan. Hier bezeichnet man nun das ursprüngliche C4 als Cl, um die niedrigst mögliche Numerierung zu ermöglichen. Die entstandene Verbindung ist optisch aktiv, da das ursprüngliche Chiralitätszentrum noch vorhanden ist. Dennoch hat die Überführung der Methyl- in eine ChlormethylChlorierung von (S)-2-Brombutan an C1 oder C4 Denken Sie daran, daß die Priorität einer Gruppe durch die Farbgebung gekennzeichnet wird: höchste

Priorität — rot

zweithöchste

— blau

dritte niedrigste

— grün

186

— schwarz

H

Cl, hv

CIH-C \ be> HCl „-C2 / Nr

H

CH;CH>

33 ie Nr CH3CH>

4

4

3

3

Cl, hv

aHCI

H

age 3 - nn NBr CICH>CH» 1

2R

2S

35

Optisch aktiv

Optisch aktiv

Optisch aktiv

gruppe etwas Wichtiges bewirkt: Die Reihenfolge der Prioritäten an C2 hat sich verändert. Obwohl das Chiralitätszentrum selbst nicht an der Reaktion teilgenommen und kein Platztausch von Substituenten stattgefunden hat, hat sich seine absolute Konfiguration von $S in R geändert. Diese Änderung haben wir durch die Farbgebung deutlich gemacht, die Sequenzfolge läuft von rot (höchste Priorität) über blau zu grün. Was passiert bei einer Halogenierung an C2, dem Chiralitätszentrum? Das Produkt der Chlorierung von (S)-2-Brombutan an C2 ist 2-Brom-2chlorbutan. Die Reaktion läuft am Chiralitätszentrum ab, aber das Molekül bleibt chiral, auch wenn sich das Substitutionsmuster verändert hat. Versucht man jedoch den Drehwert des Produkts zu bestimmen, findet man keine optische Aktivität: Die Halogenierung am Chiralitätszentrum ergibt ein racemisches Gemisch. Wie läßt sich das erklären? Es entsteht ein Racemat, weil sich bei der Wasserstoffabspaltung an

5.7

Stereochemie

bei

chemischen Reaktionen

C2 ein planares und achiırales Radikal bildet.

H | 10% SE

en

£ H;C\ 3 Rh

elle —HCI

CH;CH

Pr 25

cı |

Ch

H3C/

CH

N)

sc

+ CHSCHS

ee achiral

7 |

nn

cı

50%

25

50%

2R

Optisch aktiv

Der Angriff des Chloratoms kann von beiden Seiten aus erfolgen und verläuft wie bei der Bromierung von Butan über enantiomere Übergangszustände gleicher Energie (s. Abb. 5-15). Die Bildungsgeschwindigkeit von (S)- und (R)-2-Brom-2-chlorbutan ist gleich, es entsteht das Racemat. Diese Reaktion ist ein Beispiel für einen Prozeß, bei dem aus einer optisch aktiven Verbindung ein optisch inaktives Produkt wird. | Übung 5-21 hi Bei welchen anderen Halogenierungen von (S)-2-Brombutan entstehen optisch inaktive

|

Produkte?

Bei der Chlorierung von (S)-2-Brombutan an C3 entsteht ein zweites Chiralitätszentrum, es kommt zur Bildung von Diastereomeren. Die Substitution des linken Wasserstoffatoms an C3 in der unteren Zeichnung ergibt (25,38)-2-Brom-3-chlorbutan, die des rechten das Diastereomer (25,3R)-2-Brom-3-chlorbutan. Da beide Wasserstoffatome an C3 nicht

äquivalent

sind,

bezeichnet

man

sie als diastereotop,

weil

bei

ihrer Substitution Diastereomere gebildet werden. Chlorierung von (S)-2-Brombutan an C3 lx

|ir

H

lb,

H

ee” 4 au

Si

aktiv

hv hv _

4CH3

25,3R Optisch aktiv

4CH3

25,35 Optisch aktiv

(ungleiche Mengen)

Die Chlorierung an C2 ergibt ein 1:1-Gemisch von Enantiomeren. Entsteht bei der Reaktion an C3 ebenfalls ein äquimolares Gemisch von Diastereomeren? Die Antwort ist nein. Dieser Befund läßt sich leicht durch Betrachtung der beiden Übergangszustände, die zu den Produkten führen, erklären (s. Abb. 5-16). Durch Abspaltung eines der beiden diastereotopen Protonen entsteht ein angenähert planares radikalisches Zentrum

an C3. Im Gegensatz zu dem Radikal, das bei der Chlo-

187

Br

Ch

H

N

a 2

ZEN &u

H3C

DE

ER

=

diastereotope

Br

Wasserstoffatome

Cl

AN 2.83 Hi

(S)-2-Brombutan

TEN

= var

(25,38)-2-Brom-3-chlorbutan

R CH3

H

zer

25% diastereotoper Ar Orbitallappen

SS

Br

H;C

U H

PA

Ch

NNcH,

| 5 diastereotoper Orbitallappen

(beide Lappen sind nicht äquivalent)

Br

7 CH; 3

Dee E77

Es

c’4 H

\cl +

Cl (28,3R)-2-Brom-3-chlorbutan

75% Abb. 5-16 Die Chlorierung von (S)-2-Brombutan an C3 ergibt die beiden Diastereomere

des 2-Brom-

3-chlorbutans in ungleichen Mengen aufgrund der Chiralität an C2.

. diastereomere Übergangszustände von unterschiedlicher Energie

rierung an C2 gebildet wird, stehen hier die beiden Seiten nicht spiegelbildlich zueinander: sie sind nicht enantiotop. Der Grund hierfür liegt in der Erhaltung der Chiralität des Moleküls bei der reagierenden Spezies, wodurch beide Lappen des p-Orbitals nicht äquivalent bleiben (unabhängig von der Konformation des Moleküls). Beide Seiten des Radikals sind diastereotop. Welche Konsequenzen ergeben sich nun hieraus? Wenn beide Seiten des Radikals, wie man vermuten

kann, mit unterschiedlicher Geschwin-

digkeit angegriffen werden, sollten beide Diastereomere in unterschiedlichem Ausmaß gebildet werden, was auch zutrifft. Die beiden Übergangszustände stehen nicht spiegelbildlich zueinander und sind nicht deckungsgleich, sie sind Diastereomere. Sie haben daher unterschiedliche Energien und stellen verschiedene Reaktionswege dar.

188

Ü

Übung 5-22 | Zeichnen Sie die Formeln der Produkte der Monobromierung von (S)-2-Brompentan an jedem Kohlenstoff. Benennen Sie sie und geben Sie an, ob sie chiral oder achiral sind, ob sie in gleicher oder ungleicher Menge gebildet werden und welche von ihnen optisch \ aktiv sind.

5.7 Stereochemie bei chemischen Reaktionen

Stereoselektivität: Die Bevorzugung eines Stereoisomers Die Beobachtung, daß beide Diastereomere bei der Chlorierung von 2-Brombutan an C3 in unterschiedliichem Ausmaß gebildet werden, zeigt, daß das Vorhanden- oder Nichtvorhandensein von Symmetrie im Molekül in einem gewissen Ausmaß das stereochemische Ergebnis der Reaktion beeinflussen oder sogar kontrollieren kann. Eine Reaktion, bei der überwiegend (oder ausschließlich) eines von mehreren möglichen Stereoisomeren gebildet wird, bezeichnet man als stereoselektiv. So ist z.B. die Chlorierung von (S)-2-Brombutan an C3 stereoselektiv, oder noch genauer, diastereoselektiv, da die Produkte Diastereomere sind. Die entsprechende Chlorierung an C2 ist andererseits nicht stereoselektiv (genauer gesagt, nicht enantioselektiv, da Enantiomere gebildet werden), da ein Racemat entsteht. Wieviel Stereoselektivität ist möglich? Die Antwort hängt stark vom Substrat, der betrachteten Reaktion und den Reaktionsbedingungen ab. In der Natur sind die Enzyme in der Lage, mit hoher Stereoselektivität achirale in chirale Moleküle zu überführen. Dies können sie deshalb, weil Enzyme selbst chiral sind und daher achirale Materialien in solche überführen, die mit ihrer eigenen Chiralität im Einklang stehen. Ein Beispiel ist die enzymkatalysierte Oxidation von Dopamin zu (-)Noradrenalin, die detailliert in Übungsaufgabe 27 am Ende dieses Kapitels besprochen wird. Die chirale Reaktionsumgebung, die das Enzym schafft, ergibt 100% Stereoselektivität zugunsten des gezeigten Enantiomers. Die Situation ist vergleichbar mit dem Verformen von flexiblen achiralen Objekten mit den Händen. Wenn Sie beispielsweise ein Stück Ton

fest in Ihrer

linken

Hand

zusammendrücken,

erhalten

Sie eine

Form, die das Spiegelbild der Form ist, die Sie mit Ihrer rechten Hand erhalten. HO\ HO

CH>CH>NH>

HO

Dopamin B-Monooxygenase, O, De eg

HO

e H @

N

CH>NH> HO

Dopamin

(-)-Noradrenalin

>

Es ergibt sich also folgendes: Chemische Reaktionen können, wie wir am Beispiel der radikalischen Halogenierung gezeigt haben, stereoselektiv oder nicht stereoselektiv sein. Bei achiralen Ausgangsstoffen wie Butan entsteht ein racemisches Produkt (bei Butan durch Bromierung an C2). Die beiden enantiotopen Wasserstoffatome an den Methylenkohlenstoffatomen des Butans sind in gleichem Maße substituierbar, der Halogenierungsschritt im Mechanismus der radikalischen Bromierung verläuft über zwei enantiomere Übergangszustände gleicher Energie. Entsprechend ergibt die Halogenierung eines enantiomerenreinen chiralen 2-Brombutans am Chiralitätszentrum ebenfalls ein racemisches Produkt, da das Zwischenprodukt ein achirales Radikal ist. Andererseits

ist bei der Bildung eines neuen Chiralitätszentrums Diastereoselektivität möglich, da aufgrund der chiralen Umgebung, die im Molekül erhalten bleibt, der Angriff auf das radikalische Zwischenprodukt von Zwei unter-

schiedlichen Seiten her erfolgen kann. Beide UÜbergangszustände sind Diastereomere und haben unterschiedliche Energien, die Produkte bilden sich daher mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten.

189

5

5.8 Trennung von Enantiomeren

Stereoisomerie

Obwohl

wir

bereits

wiederholt

die

physikalischen

und

chemischen

Besonderheiten von Enantiomeren besprochen haben, haben wir uns noch keine Gedanken darüber gemacht, wie man sie chemisch rein gewinnen kann. Wie wir wissen, entsteht bei der Bildung einer chiralen

Verbindung aus achiralen Ausgangsstoffen ein racemisches Gemisch, und es erhebt sich nun die Frage, wie man reine Enantiomere einer chiralen Verbindung erhält. Eine mögliche Methode ist die, vom Racemat auszugehen und die Enantiomeren voneinander zu trennen. Diesen Prozeß bezeichnet man als Racematspaltung. Wie wir bereits bei der Weinsäure erwähnt haben (Kasten 5-4), kristallisieren Enantiomere gelegentlich in spiegelbildlichen Kristallstrukturen aus, die man manuell und nach Augenschein trennen kann. Dieser Prozeß ist jedoch zeitraubend und daher nur bei kleinen Ansätzen anwendbar. Außerdem gelingt es nur in den seltensten Fällen, Racemate in spiegelbildliche Kristallformen zu zerlegen. Besser ist es, sich die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften von Diastereomeren zunutze zu machen. Wenn wir eine Reaktion finden können, bei der durch Zugabe des reinen Enantiomers einer chiralen Verbindung ein Racemat in ein Diastereomerengemisch überführt wird, müßte sich die R-Form des ursprünglichen Enantiomerengemischs von der S-Form durch fraktionierende Kristallisation, Destillation oder Chromatographie trennen lassen. So ergäbe beispielsweise die Reaktion des Racemats Xrs (in dem X; und X, die beiden Enantiomere sind) mit einer optisch aktiven Verbindung Y; (wir haben ihr völlig willkürlich S-Konfiguration gegeben, das Spiegelbild würde genausogut gehen) zwei optisch aktive Diastereomere, XxYs und X;Y;, die sich durch Standardverfahren trennen lassen (s. Abb. 5-17). Wenn sich die Bindung zwischen beiden Teilen des Moleküls leicht aufbrechen läßt, können Xr und X, aus den Diastereomeren als reine Enantiomere gewonnen werden. Außerdem läßt sich so möglicherweise das optisch aktive Hilfsreagens zurückerhalten und bei anderen Racematspaltungen wiederverwenden.

|Ys

Trennung der Diastereomeren

Spaltung |

Spaltung |

Abb. 5-17 Flußschema für die

Trennung (Spaltung) zweier Enantiomere. In diesem Verfahren werden die Enantiomere durch

Trennung und Zurückgewinnung von Y;

Trennung und Zurückgewinnung von Ys

Reaktion mit einem optisch reinen Reagenz in trennbare mere überführt.

1%

Diastereo-

XR

rein

rein

Kasten 5-4

Die meisten synthetischen chiralen Arzneimittel sind als racemische Gemische im Handel

EN N

O

Nahezu 90% aller synthetischen chiralen Substanzen, die heutzutage in der Medizin verwendet werden, werden als racemische Gemische herge-

stellt. Warum? Ein Grund ist, daß die Spaltung solcher Racemate die Entwicklungskosten dieser Arnzeimittel stark erhöhen würde. Glücklicherweise haben in vielen Fällen beide Enantiomere vergleichbare Aktivität oder das „falsche“ Spiegelbildisomer ist biologisch inaktiv. Eine schreckliche Ausnahme ist der Fall des Sedativums Contergan, das im Jahre 1960 als racemisches Gemisch verkauft und schwangeren Frauen verordnet wurde. Contergan führte zu schweren Mißbildungen bei Hunderten von Säuglingen. In diesem

Falle

scheint

das „falsche“

Enantiomer

für

diese Tragödie verantwortlich zu sein. Neueste Fortschritte in der synthetischen organischen Chemie beginnen, die Situation zu ändern. H,, chiraler

u

Katalysator

De

H H

H

N

KR

GE

»

HR

R

oo

N

Contergan

oO

Zu Anfang der neunziger Jahre sind industriell verwendbare Methoden entwickelt worden, mit denen achirale Alkene in reine Enantiomere chiraler Additionsprodukte (Kap. 12) mit Hilfe von optisch aktiven Katalysatoren überführt werden konnten. Wie das Enzym bei der Oxidation von Dopamin (Abschn. 5-7) erzeugen diese Katalysatoren eine chirale Umgebung um das reagierende Molekül, was zu einer hohen Stereoselektivität führt. Wie unten gezeigt, Können mit diesen Verfahren Arzneimittel wie das antiphlogistisch wirkende Naproxen und das Antihypertonikum Propranolol in hoher Enantiomerenreinheit gewonnen werden.

> % HC HO,C

|

R

OCH3 (R)-Naproxen

R’ R"’OOH,

CH3),CHNH (CH3)2CHNH, ‚ OH H,C—C,

o

chiraler

N

Katalysator

EN

—R’OH

“ H

*

er

H

R’

cm, -o

N

©

R

(S)-Propranolol

(C* = ein neues Chiralitätszentrum)

Was wir also brauchen, ist eine leicht erhältliche, enantiomerenreine Verbindung, die sich mit den Molekülen des Racemats in einer reversi-

blen Reaktion verknüpfen läßt. Häufig werden Naturstoffe für diesen Zweck verwendet, da eine Reihe von optisch reinen Molekülen in der Natur vorkommen. Ein Beispiel ist (+)-(R,R)-2,3-Dihydroxybutandisäure |(+)-(R,R)-Weinsäure]. Eine häufig angewandte (und leicht reversible) Reaktion zur Racematspaltung ist die Salzbildung zwischen Säuren und Basen. So wirkt z.B. (+)-Weinsäure sehr gut bei der Spaltung racemischer

Amine.

In Abb.

5-18 sehen Sie, wie 3-Butin-2-amin

auf diese

Weise in die Enantiomere zerlegt wird. Man behandelt das Racemat zunächst mit (+)-Weinsäure, wobei die beiden diastereomeren Tartrate (Salze der Weinsäure,

lateinisch: acidum tartaricum, bezeichnet

man

als

Tartrate) entstehen. Das rechtsdrehende Isomer kristallisiert beim Stehenlassen aus und kann von der Mutterlauge mit dem linksdrehenden Tartrat abfiltriert werden. Beim Behandeln des (+)-Salzes mit wässeriger Carbonatlösung wird das Amin, (+)-(R)-3-Butin-2-amin, freigesetzt, das man mit Ether extrahieren und durch Destillation reinigen kann. Das Kaliumtartrat verbleibt in der wäßrigen Phase. Durch entsprechendes Behandeln der Mutterlauge erhält man das (—)-(S)-Enantiomer (augenscheinlich weniger rein, da die optische Drehung etwas geringer ist).

191

5

NH>

Stereoisomerie

CH;CHC=CH racemisches (R,S)-3-Butin-2-amin (+)-Weinsäure H,O, mehrere Tage

OLONT

H +

HO

H

coOO

CH3

i

COOH

HO

H COOH

(+ )-Tartratsalz

(—)-Tartratsalz

[02° = +24.4 Kristallisiert aus der Lösung aus

2° = —24.4 verbleibt in der Mutterlauge

un

Ix.c0, H>0

IR2c0, H,O

H

H -e=c

CH3

47% (+)-(R)-3-Butin-2-amin

et Abb. 5-18 Racematspaltung von 3-Butin-2-amin mit (+)-2,3-Dihydroxybutandisäure

H Ss

}

R

= +53.2

Sdp. 82-84°C

[(+)-Weinsäure].

C

II a

nich C

|| ®

5%

(-)-(S)-3-Butin-2-amin

[a = 52.7 Sdp. 82-84 °C

In diesem Beispiel haben wir das reine Enantiomer einer Säure zur Spaltung eines racemischen Amins verwendet. Das Umgekehrte ist auch möglich: Die Spaltung einer racemischen Säure mit einem enantiomerenreinen Amin. Neben den beschriebenen gibt es noch viele Möglichkeiten, wie man die Bildung von Diastereomeren zur Racematspaltung benutzen kann. Ein sehr bequemer Weg zur Racematspaltung ist die sogenannte chirale Chromatographie. Das Prinzip ist dasselbe wie das in Abbildung 5-18 dargestellte, jedoch ist das chirale Hilfreagenz (beispielsweise (+)Weinsäure oder irgendeine andere geeignete, preiswerte, optisch aktive Verbindung) auf einem festen Träger (z.B. Kielselgel, SiO,, oder Aluminimoxid, Al,»O,;) immobilisiert. Dieses Material wird in ein Rohr, die „Säule“, gefüllt, das lang sein kann. Eine Lösung des Racemates wird dann durch die Säule geschickt, die einzelnen Enantiomere werden reversibel, aber unterschiedlich fest (die Wechselwirkung ist diastereomer) an das chirale Material gebunden und somit von der Säule unterschiedlich lange zurückgehalten (Retentionszeit). Daher werden die Enantiomere die Säule zu verschiedenen Zeiten verlassen und können daher getrennt am Säulenende aufgefangen werden.

Verständnisübung In chemischen Reaktionen ist selektive Hauptziel des Synthesechemikers. Wir eine solche Selektivität bis zu einem Halogenierungen erreichen kann: In haben wir die Abhängigkeit von dem

192

Herstellung eines Produkts ein haben bereits gelernt, wie man gewissen Grad in radikalischen den Abschnitten 3.6 und 3.7 zu ersetzenden Wasserstoffatom

(z. B. primär vs. sekundär vs. tertiär) diskutiert und in Abschnitt 5.7 den Bezug zur Stereochemie. Sie haben sicherlich bemerkt, daß aufgrund der hohen Reaktivität des Radikals und der Planarität des radikalischen Alkylintermediates radikalische Halogenierungen häufig nicht besonders selektiv sind, und deshalb eine Syntheseplanung alle denkbaren Produkte berücksichtigen muß. Betrachten wir noch einmal das SteroidGrundgerüst (Abschn. 4.7): Alle Wasserstoffatome könnten grundsätzlich durch ein Halogenatom ersetzt werden.

Verständnisübung

CH;

Aufgrund

der großen

viele Wissenschaftler

biologischen

versucht,

Bedeutung

diese Verbindungen

der Steroide,

haben

selektiv zu funktio-

nalisieren. Durch geschickte Wahl der Reaktionsbedingungen und mit Hilfe von spezieller Halogenierungsreagenzien gelang es, die Reaktionssteuerung so zu verfeinern, daß der Angriff des Halogens nicht nur selektiv am tertiären Kohlenstoffatom stattfindet, sondern spezifisch an C5, C9 oder C14. Die folgende Aufgabe illustriert die Art der Untersuchungen, die an einem weniger komplexen Cyclohexan-Fragment des Steroid-Grundgerüstes unternommen wurde. Wieviele Produkte erhält man bei der radikalischen Monobromierung von (S)-1-Brom-2,2-dimethylcyclohexan an Cl und C3? Zeichnen sie die Struktur der Ausgangsverbindung. Benennen Sie die resultierenden Dibromdimethylcyclohexanderivate und bestimmen Sie, welche chiral und welche achiral sind. Überlegen Sie welche der möglichen Produkte in äquimolaren Anteilen gebildet werden, welche nicht, und welche Pro-

dukte optisch aktiv sind.

Lösung Wir beginnen mit dem Zeichnen der Struktur der Ausgangsverbindung ohne die Stereochemie zu berücksichtigen (A). H;C

CH;

EN

N

Br.

ER

CH;

ne

A

B

C

4E9 CH; Be

D

Wir bestimmen mit Hilfe der Sequenzregeln (B, s. Abschn. 5.3) die Priorität der Substituenten am Chiralitätszentrum C1. Es ergeben sich zwei Enantiomere (C und D). Zur Bestimmung der absoluten Konfiguration drehen wir das Molekül „vor unserem geistigen Auge“ so, daß der Substituent mit der niedrigsten Priorität (Wasserstoff) soweit wie möglich von uns entfernt ist. Zum besseren Verständnis: Stellen Sie sich vor, Sie wären um den Faktor 10" auf Molekülgröße geschrumpft und stehen auf dem betreffenden Stereozentrum. Die C-H-Bindung zeigt von Ihnen weg. Die drei verbleibenden Substituenten umgeben Sie entweder im Uhrzeigersinn (R) oder gegen den Uhrzeigersinn ($): D ist hier also die Stuktur des S-Enantiomers. Nun können wir Brom an Cl oder C3 einführen. Dabei ist es wichtig, sich den Mechanismus der radikalischen Halogenierung zu vergegenwärtigen. Das intermediär gebildete, planare Alkylradikal - C1 (E) oder C3 193

Br

Spiegel- !ebene

E

F

G

H

I

(F) -— kann vom Halogeatom an beiden enantiotopen Seiten des p-Orbitals angegriffen werden (Abschn. 3.4). Da das Molekül E symmetrisch ist, ist der Angriff von beiden Seiten des Moleküls gleich wahrscheinlich. Würde die Halogenierung mit F, oder Ch, durchgeführt, bliebe C1 das Stereozentrum, R- und S-Enantiomere würden in äquimolaren Mengen gebildet werden (Abschnitt 5.7, Abbildung 5-15). In diesem Fall jedoch führt die Bromierung zum Verlust der Chiralität: Verbindung G, 1,1-Dibrom-2,2-dimethylcyclohexan, ist achiral und somit optisch inaktiv. Wenden wir uns F zu: Da hier das ursprüngliche Stereozentrum (c1 in D) erhalten

bleibt, sind die beiden

Seiten des Radikals

nicht mehr

spiegelbildlich zueinander, sie sind nicht enantiotop. Die beiden Diastereomere H und I werden mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und somit in ungleichen Mengen gebildet (Abschn. 5.7, Abb. 5-16). In Verbindung H, cis-1,3-Dibrom-2,2-dimethylcyclohexan, ist das zweite Bromatom so eingeführt worden, daß eine Spiegelebene resultiert. H ist eine meso-Verbindung, achiral und somit nicht optisch aktiv (Abschn. 5.6). Anders ausgedrückt: Die absolute Konfiguration von Cl in D hier: 5 — wird durch die Einführung seines “Spiegelbildes“ an C3 hier: R — ausgelöscht. Die beiden Stereoisomere werden ununterscheidbar, da (15,3R)-H identisch ist mit (1R,3$)-H. (Sie können das ganz einfach überprüfen, indem Sie das Molekül H um die Spiegelebene drehen.) Im

Gegensatz

dazu

enthält

I, (15,35)-1,3-Dibrom-2,2-dimethylcyclo-

hexan, keine Symmetrieebene: Das Molekül ist chiral, enantiomerenrein und optisch aktiv. In anderen Worten: Die Reaktion läßt die stereochemische

Information

von

gebildet, das mit seinem (Abschn. 5.5).

Wichtige Konzepte

Cl

unberührt,

es

(1R,3R)-Spiegelbild

sind Stereoisomere,

wird

nur

ein

Enantiomer

nicht deckungsgleich

bei denen

ist

sich das eine zum

anderen wie Bild zu Spiegelbild verhält. 1 Isomere haben dieselbe Summenformel, sind aber verschiedene Verbindungen. Strukturisomere unterscheiden sich in der Reihenfolge, in der die einzelnen Atome aneinander gebunden sind. Bei den Stereoisomeren ist die Reihenfolge dieselbe, die dreidimensionale Anordnung der Atome aber unterschiedlich. Zu den Stereoisomeren gehören cis- und frans-Isomere sowie Enantio- und Diastereomere.

5

3 Ein Kohlenstoffatom, an das vier verschiedene Substituenten gebunden sind (ein asymmetrisches Kohlenstoffatom), ist ein Beispiel für ein Chirali-

ein Molekül

chiral

ist, darf es weder

6 Diastereomere sind Stereoisomere, die sich nicht wie Objekt und Spiegelbild zueinander verhalten. cis- und trans-Isomere cyclischer Verbindungen sind Spezialfälle von Diastereomeren. 7

2 Ein Objekt, das sich nicht mit seinem Spiegelbild zur Deckung bringen läßt, ist chiral.

Damit

eine Symmetrieebene noch ein Symmetriezentrum haben.

Bei zwei Chiralitätszentren im Molekül gibt es

maximal vier Stereoisomere — zwei enantiomere Paare von Diastereomeren. Ein Molekül mit n Chiralitätszentren kann maximal in 2” Stereoiso-

meren auftreten. Besitzt das Molekül einige Symmetrieelemente, ist die Zahl der Stereoisomeren kleiner. Ein Molekül, das neben Chiralitätszen-

tätszentrum.

tren auch eine Spiegelebene enthält, ist identisch mit seinem Spiegelbild (achiral) und wird als

4 Enthält ein Molekül ein Chiralitätszentrum, tritt es als Enantiomerenpaar auf. Enantiomere

meso-Form

194

bezeichnet.

Dabei

reicht

das Vorlie-

gen einer Spiegelebene in irgendeiner beliebigen

energetisch zugänglichen Konformation das Molekül achiral zu machen.

aus, um

8 Die meisten physikalischen Eigenschaften von Enantiomeren sind gleich. Die Ausnahme ist ihre Wechselwirkung mit linear polarisiertem Licht: das eine Enantiomer dreht die Schwingungsebene um

einen

bestimmten

Betrag

nach

rechts,

das

andere um denselben Betrag nach links. Dieses Phänomen bezeichnet man als optische Aktivität. Das Ausmaß der Drehung der Ebene des linear polarisierten Lichts wird in Grad gemessen und durch die spezifische Drehung [a] angegeben. Ein Racemat hat den Drehwert null. Die optische Reinheit einer chiralen Verbindung ist gegeben durch Al/pe

% optische Reinheit = \an

11 Die chemische Einführung von Chiralität in eine achirale Verbindung durch radikalische Halogenierung führt über enantiomere Übergangszustände zu einem Racemat, da beide enantiotopen Seiten des ebenen Radikals mit gleicher Geschwindigkeit und Wahrscheinlichkeit angegriffen werden.

am

9 Die absolute Konfiguration eines Chiralitätszentrums wird mit Hilfe der Sequenzregeln von Cahn, Ingold und Prelog als R oder $ bestimmt. 10 Fischer-Projektionen benutzt man zur vereinfachten Darstellung von Stereoformeln und zur Bestimmung der absoluten Konfiguration.

12 Die radikalische Halogenierung eines chiralen Moleküls mit einem Chiralitätszentrum ergibt ein Racemat, wenn die Reaktion an diesem Zentrum abläuft. Sind zwei diastereotope Wasserstoffatome an der Reaktion beteiligt, entstehen zwei Diastereomere in ungleichem Mengenverhältnis über diastereomere Übergangszustände. 13 Von Stereoselektivität spricht man, wenn bevorzugt eines von mehreren möglichen Stereoisomeren gebildet wird. 14 Die Trennung von Enantiomeren bezeichnet man als Racematspaltung. Eine Racematspaltung läßt sich am

besten

durchführen,

indem

man

das

Racemat mit dem reinen Enantiomer einer chiralen Hilfsverbindung reagieren läßt, wobei trennbare Diastereomere entstehen. Durch Abspaltung der chiralen Hilfsverbindung lassen sich beide Enantiomere rein erhalten. Daneben können Enantiomere durch chirale Chromatographie an einem chiralen Trägermaterial getrennt werden.

Aufgaben 1 Geben Sie an, ob die folgenden Dinge aus dem täglichen Leben chiral oder achiral sind. Nehmen Sie in jedem Fall an, daß das Objekt in seiner einfachsten Form, ohne Verzierungen oder aufgeklebte Etiketten, Preisschilder etc. vorliegt. (a) (b) (ce) (d) (e) (f)

eine Leiter eine Tür ein Propeller ein Kühlschrank die Erde ein Fußball

(g) ein Tennisschläger (h) ein Fausthandschuh

(i) ein glattes Stück Papier (j) eine Gabel (k) ein Löffel (l) ein Messer

2 In jedem Teil dieser Frage werden zwei Objekte oder Paare von Objekten beschrieben. Geben Sie so genau wie möglich an, welche Beziehungen zwischen ihnen bestehen. Benutzen Sie hierfür die Terminologie dieses Kapitels: spezifizieren Sie also, ob die Gegenstände identisch, enantiomer, diastereomer etc. sind.

(a) Ein deutsches Spielzeugauto im Vergleich zu einem englischen (gleiche Farbe und Typ, aber Steuerrad auf der anderen Seite). (b) Zwei linke Schuhe im Vergleich zu zwei rechten Schuhen (gleiche Farbe, Größe und Form). (c) Ein Paar Schlittschuhe im Vergleich zu zwei linken Schlittschuhen

(gleiche Farbe, Größe und Form). (d) Ein rechter Handschuh auf einem linken Handschuh (Handfläche

auf Handfläche) im Vergleich zu einem linken Handschuh auf einem rechten, wobei die Handfläche

des linken auf dem Handrücken

des

rechten Handschuhs liegt (gleiche Farbe, Größe und Schnitt).

195

5 Stereoisomerie

3 Geben Sie bei den folgenden Molekülpaaren an, ob die einzelnen Teile (1) Stereoisomere (2) Konstitutionsisomere oder (3) identisch sind. Kennzeichnen Sie die Stereoisomere, die sich durch Drehung um Bindungen leicht ineinander überführen lassen.

a

(a)

u

re

und CH3CH>CHCH>CH3

Be

we

. =

3%

(d)

HN Ve

(e)

e

v OCH 3

H;C 3

Id

Ncı

A

vv B OCH 3

Sur

H

Cl

ER

und

cı

H cl

©

DE H

und ein H

H

\ on H H CH

(8)

CH,

Cl| (h)

und

zn

|

Be

\ De

und

:

2

CH;CHCH3>CHCH3

Br

4

Welche der folgenden Verbindungen sind chiral? (a) 2-Methylheptan (b) 3-Methylheptan (ce) 4-Methylheptan

(N 1,3-Dibrompropan (g) Ethen, HC = CH, (h) Ethin, HC=CH

(d) 1,1-Dibrompropan (e) 1,2-Dibrompropan

(i) Benzol An

(Beachten Sie: Genau wie im Ethen sind im Benzol alle Kohlenstoffatome sp--hybridisiert, das Molekül ist daher planar.) 196

(j) Adrenalin

r

CH

HO

CHCH>NHCH3

HO

Aufgaben

(k) Vanillin

HO

CH;O

(I) Citronensäure

Or=2r0H

1

N L

&

07 NOH

(m) Ascorbinsäure

(n) p-Menthan-1,8-diol

HOCH;

HOCH> HOCH H

HO

_O

[6)

e

OH

H3C—C—0OH CH3

(0) Pethidin (Dolantin)

CE

OCH3>CH;

5 Welche der folgenden Cyclohexanderivate sind chiral? Bei der Bestimmung der Konfiguration einer cyclischen Verbindung kann man den Ring vereinfacht als planar ansehen. CH;

CH; CH3

” @)

(c)

SCH CH;

CH;

„CH3

(b)

(d)

Se

197

5 Stereoisomerie

6 Welche der folgenden Cyclohexanderivate sind chiral? Wie in Aufgabe 5 können Sie den Ring als planar ansehen. oO

OÖ

H;C

CH3

(a)

CH3

(c) H;C oO

OÖ

oO

oO

se

CH3

CH3

(d) H;C’ Ö

7

(6)

Entscheiden Sie für jedes der folgenden Paare von Verbindungen, ob

es sich um Konstitutionsisomere, identische Moleküle handelt. CH;

und

(a) IE

Enantiomere,

CH;

CH;

ee

(b) Ey

und

(e) Er (@]

=

H

CH,

Ar

(d) Fin

2

cl

we

oO

Asa H

F 24

und

CH

cl

:

Cl

Cl

F

cl

cl

2] (j)

und

i

ar

Fa

u

x Fa

CH, und

CH; f

Bi

und

”

CH;

N:

cl

F

oder um

F

CHF Ei

CH;

a

un

cl

cl

Cl

a

Diastereomere

@

cı (k)

al

wi (m)

cl und

+

ae

198

un

H Br A

BG

0)

ee

cl

H Br

H

ar

cl H

Br

.

H c

oc:

(n)

H

Br H

Br

m

a

CI H

H &i

und

is

H Br

De

Br H

und

Jon

8 Identifizieren Sie bei den folgenden Formeln (1) alle Strukturisomeren, die ein oder mehrere Chiralitätszentren enthalten, (2) geben Sie für jedes die Anzahl der Stereoisomeren an und (3) zeichnen und benennen Sie in jedem Fall mindestens ein Stereoisomer.

Aufgaben

(a) CH%

(b) CsHıs (ec) CsH,o, mit einem Ring

9 Markieren Sie die Chiralitätszentren der chiralen Moleküle aus Aufgabe 4. Zeichnen Sie alle Stereoisomeren und bestimmen Sie die absolute Konfiguration an jedem Chiralitätszentrum. 10 Die beiden Isomere von Carvon [systematischer Name: 2-Methyl-5(1-methylethenyl)-2-cyclohexanon] (s. Abschn. 5.1) sind im folgenden gezeichnet. Welches ist das R-, welches das S-Isomer?

CH;

CH, O

O

a

0

un

B:

en

el or

eH

(+)-Carvon

(—)-Carvon

(in Kümmelsamen)

(aus der Krauseminze)

11 Zeichnen Sie die Strukturformeln der folgenden Moleküle. Prüfen Sie, ob Ihre Strukturformeln deutlich die Konfiguration an jedem Chiralitätszentrum zeigen.

(a) (b) (ec) (d) (e) ()

(R)-3-Brom-3-methylhexan (1 S, 2 S)-1-Chlor-1-trifluormethyl-2-methylcyclobutan (3 R, 5 S)-3,5-Dimethylheptan

(2 R, 3 S)-2-Brom-3-methylpentan (S)-1,1,2-Trimethyleyclopropan (1 R,2R,3 S)-1,2-Dichlor-3-ethylcyclohexan.

12 Nehmen Sie bei den folgenden Fragen an, daß alle Messungen in 1 dm-Polarimeterküvetten durchgeführt werden. (a) Eine Lösung von 0.4 g von optisch aktivem 2-Butanol in 10 mL Wasser zeigt eine optische Drehung von —0.56°. Wie groß ist die spezifische Drehung? (b) Die spezifische Drehung von Saccharose (gewöhnlicher Haushaltszucker) beträgt [a] ° = +66.4. Welchen Drehwert hat eine Lösung von 3 g Saccharose in 10 mL Wasser? (c) Eine Lösung von reinem (S)-2-Brombutan in Ethanol hat ein «& von 57.3°. Wenn [a] von (S)-2-Brombutan 23.1 ist, wie groß ist dann die Konzentration der Lösung?

13

Natürliches Adrenalin, [a]5 ° = -50, wird in der Medizin verwen-

det. Sein Enantiomer ist medizinisch wertlos, und, nicht nur das, außer-

dem giftig. Stellen Sie sich Lösung, die 1 g Adrenalin optische Reinheit aber nicht Polarimeter (1 dm-Küvette) optische Reinheit hat die Adrenalin abzugeben?

vor, Sie sind Apotheker und erhalten eine in 20 mL Flüssigkeit enthalten soll, deren angegeben ist. Sie geben die Lösung in ein und lesen am Analysator —2.5° ab. Welche Probe? Können Sie es verantworten, das

199

5 Stereoisomerie

14

Natriumhydrogen-(S)-glutamat

[(S)-Mononatriumglutamat],

[a]°

= +24 wird in der Lebensmittelindustrie als Geschmacksverstärker verwendet. Die Kurzstrukturformel der Verbindung ist im folgenden angegeben.

O

NH,

HOC—CHCH>CH;CO Nat (a) Zeichnen

Sie die

Struktur

des

S-Enantiomers

von

Monona-

triumglutamat. (b) Eine käufliche Probe der Verbindung hat einen spezifischen Drehwert [a] ° von +8. Wie groß ist die optische Reinheit? Wie groß sind die Prozentanteile des S- und des R-Enantiomers in der Mischung? (ec) Beantworten Sie dieselben Fragen für eine Probe mit

(oJ ©= +16.

15 Markieren Sie bei den folgenden Molekülen (1) alle Chiralitätszentren, (2) geben Sie an, ob sie R- oder S-Konfiguration haben, und (3) zeichnen Sie ein eindeutiges Bild der entsprechenden Enantiomere.

0

H (a)

OH

Ze HS’ SG

OH

CH, © |

6)

(8)

CH,

|

U

N

F

{

"CICH;CH,N(CH 2CH3N(CH3)3

Ka

RL

=

H

Ben

CH,CH>OCH;CH3 cl Chlorpheniramin

CH3

cl

HEN (© H

(Antihistaminikum)

2a Die Kohlenstoffatome in Benzol- oder benzolähnlichen Ringen werden ebenso wie die in Alkenen behandelt

Fa N :

Hl e1 (d)

OH

(s. Regel 3 der Prioritätsregeln, Abschn. 5.3).

Br

CH;

H

(e)

RG

(6)

HC

CH;

(h) H

EN

H

BE CH3 Limonen

(aus Bäumen, Früchten usw.)

16 Geben Sie bei den folgenden Paaren von Formeln an, ob die zwei Moleküle identisch sind oder Enantiomere.

N

(a) 200

und

Br Cl

ls

CH>CH3

Ä

FAN Bt CH;CH3>

Cl

CH;

iR Cl

5

und

Aufgaben

az Se

Br

CH; o

OCH;

an

und

BC—-Ch

OCH;

cl

H HN=-C—CO;H

()

NH» und onen.

CH(CH3),

17

Bestimmen

Sie an

allen

CO,H

Chiralıtätszentren

in den

Molekülen

aus

Aufgabe 16 die absolute Konfiguration. 18 Zeichnen Sie die folgenden Moleküle in der Fischer-Projektion und bestimmen Sie dann, ob die Chiralitätszentren R- oder S-Konfiguration haben.

G (a)

na

:

(b)

cl

H>N

an

OHC

(©)

CH,

CO,H

CH;

H,C

CR

a

Sn

HY

ca

CH;

HO

OH

er

m

COOH

B a N

CH

OH 19 Die am Rand abgebildete Verbindung ist ein Zucker, die (—)-Arabinose. Ihr spezifischer Drehwert ist — 105. (a) Zeichnen Sie ein Enantiomer von (—)-Arabinose. (b) Gibt es noch andere Enantiomere? (ec) Zeichnen Sie ein Diastereomer der (—)-Arabinose.

(d) (e) (die (f)

Gibt es noch andere Diastereomere der (—)-Arabinose’? Sagen Sie, wenn möglich, die spezifische Drehung der Struktur, Sie in Teil a gezeichnet haben, voraus. Sagen Sie, wenn möglich, die spezifische Drehung der Struktur,

H

OH H—1-OH CH>0OH (-)-Arabinose

die sie in Teil e gezeichnet haben, voraus.

(g) Gibt es optisch inaktive Diastereomere der (—)-Arabinose? Wenn ja, zeichnen Sie eines. 20 Geben Sie den vollständigen JUPAC-Namen der folgenden Verbindung an. (Vergessen Sie nicht die Angabe der absoluten Konfiguration.)

GHLCH; Be a cl di> CH>CH>Cl

CsH H,0Cl 0Cla

Bei der Reaktion dieser Verbindung mit 1 mol Ch in Gegenwart von Licht bilden sich mehrere Isomere der Formel C;H,Ch. Geben Sie bei jedem möglichen Konstitutionsisomer an:

201

5

Stereoisomerie

(1) Wie viele Stereoisomere entstehen?

(2) Wenn mehr als eines gebildet wird, entstehen sie in gleicher oder ungleicher Menge? (3) Geben

Sie

die

absolute

Konfiguration

aller

Chiralitätszentren

in

jedem möglichen Stereoisomer bei (a) Chlorierung an C3 (b) Chlorierung an C4 (ce) Chlorierung an C5 an.

21 Bei der Monochlorierung von Methyleyclopentan können mehrere Produkte entstehen. Betrachten Sie die Monochlorierung von Methyleyclopentan an Cl, C2 und C3 und beantworten Sie die gleichen Fragen wie in Aufgabe 20. 22

Zeichnen Sie alle möglichen Produkte der Chlorierung von (S)-1-

Brom-2,2-dimethylceyclobutan.

Geben

Sie an, ob sie chiral oder achiral

sind, ob sie in gleichen oder unterschiedlichen Mengen gebildet werden und welche optisch aktiv sind.

DR C,HsCHCH3

23 Beschreiben Sie, wie man racemisches 1-Phenylethanamin über eine reversible Überführung in Diastereomere in Enantiomere spalten kann.

24 Zeichnen Sie ein Flußdiagramm für die Spaltung von racemischer 2-Hydroxypropansäure (Milchsäure) mit (S)-1-Phenylethanamin (die Formel können Sıe der UÜbungsaufgabe 23 entnehmen). 25

Wie

viele verschiedene

stereoisomere

Produkte

entstehen

bei der

Monobromierung von (a) racemischem trans-1,2-Dimethylcyclohexan? (b) reinem (R, R)-1,2-Dimethylcyclohexan? (c) Geben

Sie bei Ihren Antworten

zu Teil a und b an, ob Sie die

verschiedenen Produkte im gleichen oder unterschiedlichen Stoffmengenverhältnis erwarten. Inwieweit können die Produkte aufgrund unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften (z.B. Löslichkeit, Siedepunkt, etc.) getrennt werden? 26 Bauen Sie ein Modell von cis-1,2-Dimethylcyclohexan in seiner stabilsten Konformation. Wäre das Molekül chiral, wenn es starr an diese Konformation gebunden wäre? (Prüfen Sie Ihre Antwort, indem Sie ein Modell des Spiegelbilds bauen und probieren, ob Sie beide zur Dekkung bringen.) Klappen Sie den Ring des Modells um. In welcher stereochemischen Beziehung stehen die ursprüngliche Konformation und die nach dem Umklappen? Vergleichen Sie Ihre Ergebnisse bei der Beantwortung dieser Frage mit Ihrer Antwort auf Übungsaufgabe 6, Teil a.

27

Morphinan ist die Stammverbindung einer großen Klasse von chira-

len Molekülen,

die als Morphin-Alkaloide

bekannt

sind. Interessanter-

weise haben die (+) und (-)-Enantiomere der Verbindungen dieser Familie recht unterschiedliche physiologische Eigenschaften. Die (—)Verbindungen, wie Morphinan sind „narkotische Analgetika“ (Schmerzmittel), die (+)-Verbindungen „Antitussiva“ (Hustenmittel). Eines der einfachsten und bekanntesten Mitglieder der zweiten Gruppe ist Dextromethorphan. (a) Lokalisieren

und

identifizieren

Sie

alle

Chiralitätszentren

in

Dextromethorpan. (b) Zeichnen Sie das Enantiomer von Dextromethorphan. (ec) Bestimmen Sie die absolute Konfiguration aller Chiralitätszentren in Dextromethorphan so gut Sie können (das ist nicht einfach). 202

Aufgaben

Morphinan

Dextromethorphan

28 Die enzymatische Einführung einer funktionellen Gruppe in ein biologisch wichtiges Molekül ist nicht nur spezifisch in Bezug auf den Ort der Reaktion im Molekül (s. Kap. 4, Übungsaufgabe 21), sondern gewöhnlich auch bezüglich der Stereochemie. Bei der Biosynthese von Adrenalin muß zunächst eine Hydroxygruppe spezifisch eingeführt werden, so daß aus dem achiralen Substrat Dopamin (-)-Noradrenalin wird. (Die letzten Stufen der Synthese von Adrenalin stellen wir in Aufgabe 26 von Kap. 6 vor.) Nur das (—-)-Enantiomer ist physiologisch in der gewünschten Weise wirksam, die Synthese muß daher äußerst stereoselektiv verlaufen.

HO

ı

EFSCHLNEN

|

Dopamin-Hydroxylase, O,

Ho, ,H € Se

HO

NH» 2

HO

2

HO Dopamin

(—-)-Noradrenalin

(a) Hat (—-)-Noradrenalin R- oder $-Konfiguration? (b) Wie bezeichnet man die beiden Wasserstoffatome am Methylenkohlenstoffatom von Dopamin, an denen die Reaktion stattfindet? (c) Nehmen

Sie an, die Reaktion verläuft nicht in Gegenwart eines

Enzyms. Wären die beiden Übergangszustände der radikalischen Oxidation, die zu (+) bzw. (—-)-Noradrenalin führen, von gleicher oder unterschiedlicher Energie? Mit welchem Ausdruck bezeichnet man die Beziehung zwischen diesen Übergangszuständen? (d) Beschreiben Sie mit Ihren eigenen Worten, wie das Enzym die Energie des Übergangszustands beeinflussen muß, damit die Bildung des (—-)-Enantiomers begünstigt ist. Muß das Enzym unbedingt chiral sein?

Gruppenübung 29 Untersuchungen haben gezeigt, daß ein Isomer der Verbindung A ein effektives Mittel gegen bestimmte Arten von neurodegenerativen Funktionsstörungen ist. Beachten Sie, daß A die als B dargestellte Decalin-Grundstruktur enthält. Das Stickstoffatom kann hier vereinfacht wie ein Kohlenstoffatom behandelt werden. 8a

HO;P

:

da

N

CO,H

A

(a) Benutzen

Sie Ihren Molekülbaukasten,

B

um die Brückenstruktur

genauer zu untersuchen. Bauen Sie sowohl die cis- als auch die trans-Verknüpfung. Sie sollten vier verschiedene Modelle erhalten. Geben Sie die stereochemischen Beziehungen (identisch, diastereomer oder enantiomer) zwischen ihnen an. Zeichnen Sie die Stereoisomere und bestimmen Sie die R- bzw. S-Konfiguration der Chiralitätszentren an der Ringverknüpfung.

203

5 Stereoisomerie

(b) Obwohl die trans-Verknüpfung energetisch bevorzugt ist, zeigt nur das cis-verknüpfte Isomer biologische Aktivität. Bauen Sie ein Molekülmodell, in dem die Ringe cis-verknüpft sind. Behalten Sie das Stereozentrum C3, wie in Abbildung A gezeigt, bei und variieren Sie lediglich die stereochemische Anordnung an C6. Sie sollten wieder vier verschiedene Modelle erhalten. Zeichnen Sie diese Modelle. Überzeugen Sie sich, daß keine Struktur ein Enantiomere

ist, indem Sie die R- und S-Konfiguration aller vier Stereozentren in jeder der Verbindungen bestimmen. (ec) Das Stereoisomer von A mit der größten biologischen Aktivität

ist cis-verknüpft und die Substituenten an C3 und C6 stehen beide äquatorial. Welches der von Ihnen gezeichneten Stereoisomere erfüllt diese Voraussetzungen? Identifizieren Sie es, indem Sie die absoluten Konfigarationen von C3, C4a, C6 und C8a bestimmen.

204

Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane Bimolekulare nucleophile Substitution

Nachdem wir in Kapitel 3 die Darstellung der Halogenalkane durch radikalische Halogenierung von Alkanen ausführlich besprochen haben und in Kapitel 5 auf die stereochemischen Konsequenzen dieser Reaktion eingegangen sind, wollen wir uns nun mit der Chemie der Halogenalkane befassen. Das Kennzeichen der Halogenalkane ist die polarisierte Kohlenstoff-Halogen-Bindung, das Reaktionszentrum, das das Reaktionsverhalten dieser Stoffklasse bestimmt. In diesem Kapitel führen wir einen neuen

Mechanismus

ein, der die Kinetik einer für Halo-

genalkane typischen Reaktion erklären kann. Und wir zeigen auch, wie verschiedene Lösungsmittel diese Reaktion beeinflussen können. Zunächst wollen wir aber mit der Nomenklatur dieser Stoffklasse beginnen.

6.1 Nomenklatur der Halogenalkane Ähnlich wie Alkane‘mit R-H werden Halogenalkane mit R—X abgekürzt, wobei X für ein Halogen steht. In der systematischen IUPAC-Nomenklatur gilt das Halogenatom als Substituent

des Alkangerüsts;

der halogenierte

Kohlenwasserstoff

wird

als Halogenalkan benannt.

n

CH; I

CH3I Iodmethan

—Br

CH; Fluorcyclohexan

2-Brom-2-methylpropan

Die längste fortlaufende Alkankette wird so numeriert, daß Substituenten möglichst niedrige Nummern erhalten. Wie gewöhnlich ordnet man Substituenten alphabetisch.

205

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

CH3 | CH>CCH3 CH3

I

|

|

ICH>CCH3

'

CCH3

H

H

1-Iod-2- methylpropan

CICCH3

|

|

CH3CH>CH>CH>CH>CHCH;>CH;CH>CH3>CH3

(1-Iodethyl)cyclooctan

6-(2-Chlor-2,3,3-trimethylbutyl)undecan

Für die Halogenalkane ist auch die ältere Bezeichnung Alkylhalogenide gebräuchlich. Die drei Verbindungen oben werden also auch als Methyliodid, Cyclohexylfluorid bzw. tert-Butylbromid bezeichnet. Einige chlorierte Lösungsmittel haben Trivialnamen, z. B. Tetrachlorkohlenstoff CCl,, Chloroform CHC]; und Methylenchlorid CH>Ch. Übung 6-1 Zeichnen Sie die Konstitutionsformeln Ze E 2,2,3-trimethyldecan.

—— —

von (2-Iodethyl)ceyclooctan und 5-Butyl-3-chlor-

Wir halten fest: Halogenalkane werden nach denselben Regeln wie Alkane benannt (Abschn. 2.3), dabei hat das Halogen den gleichen Rang wie eine Alkylgruppe.

6.2 Physikalische Eigenschaften der Halogenalkane Halogenalkane unterscheiden sich in ihren physikalischen Eigenschaften beträchtlich von den entsprechenden Alkanen. Bindungsstärken, Bindungslängen, Dipolmomente und Siedepunkte werden stark von den unterschiedlichen Größen der Halogenatome und von der Polarität der Kohlenstoff-Halogen-Bindung beeinflußt.

SAZO Sa

sp’

p

Abb. 6-1 Bindung zwischen einem aliphatischen Kohlenstoffatom und einem Halogen. Für X=Cl, Br oder I ist das p-Orbital erheblich größer als hier gezeigt.

Die C—X-Bindungsstärke nimmt mit zunehmender Größe von X ab Die Bindung zwischen einem Kohlenstoffatom und einem Halogenatom

kommt hauptsächlich durch die Überlappung eines sp’-Hybridorbitals des Kohlenstoffs mit einem fast reinen p-Orbital des Halogenatoms (Abb. 6-1) zustande. Da in der Gruppe von Fluor zu lod die Größe des p-Orbitals zunimmt, wird die Elektronenwolke um das Halogenatom diffuser; das Orbital kann nicht mehr so gut mit dem Kohlenstofforbital überlappen. Als Folge davon wird die C—X-Bindung schwächer. So nehmen erwartungsgemäß die C—X-Bindungsstärken in den Halogenmethanen CH;X in dem Maße ab, wie die Länge der C—X-Bindung zunimmt (Tab. 6-1).

Tabelle 6-1 Bindungslängen und Bindungsstärken in CH3X

206

Halogenmethan

Bindungslänge in pm

Bindungsstärke in kJ/mol

CH3;F CH;Cl CH3Br CH;l

138.5 178.4 192.9 329

461 356 297 239

Die C—X-Bindung ist polar Eine charakteristische Eigenschaft der Halogenalkane ist die polare Natur der C—X-Bindung, da Halogene elektronegativer als Kohlenstoff sind (Abschn. 1.6, Tab. 1-3). Dies führt zu einer ungleichmäßigen Elektronendichteverteilung entlang der Bindung zugunsten des Halogenatoms, das dadurch eine negative Partialladung (ö ) erhält, während das Kohlenstoffatom eine positive Partialladung (d°) trägt. Das daraus resultierende Dipolmoment (Abschn. 1.3) beeinflußt das chemische Verhalten der Halogenalkane beträchtlich. Wir werden z.B. sehen, daß Anionen und andere elektronenreiche Spezies das positiv polarisierte Kohlenstoffatom angreifen können. Kationen und andere elektronenarme Teilchen dagegen greifen das Halogenatom an.

6.2 Physikalische Eigenschaften der Halogenalkane

Polarer Charakter der

C—X-Bindung dt

ö

Das 4,

Siedepunkte und Polarisierbarkeit Beeinflußt der polare Charakter der C—X-Bindung andere physikalische Eigenschaften der Halogenalkane? Ja, die Siedepunkte von Halogenalkanen liegen im allgemeinen höher als die der entsprechenden Alkane (Tab. 6-2), was hauptsächlich auf die Dipolstruktur der Halogenalkane zurückzuführen ist, die zu Dipol-Dipol-Wechselwirkungen in flüssiger Phase führt. Außerdem nehmen die Siedepunkte mit steigender Größe des Halogenatoms zu. Dies wird durch die größere molare Masse und die stärkeren London-Kräfte (Abschn. 2.4) bedingt. Wir erinnern uns, daß London-Kräfte hauptsächlich auf gegenseitige Wechselwirkung der Elektronen zwischen Molekülen zurückzuführen sind. Bei Molekülen, die schwerere

Atome

der höheren

Perioden

enthalten,

sind die Kräfte

naturgemäß stärker ausgeprägt, da die Elektronen von den Kernen weniger stark angezogen werden. Dieses Phänomen ist als Polarisierbarkeit des Atoms meßbar. Die Polarisierbarkeit (im Gegensatz zur Polarität) ist, einfach ausgedrückt, ein Maß für die Fähigkeit der Elektronenhülle eines Kerns, auf die Änderungen eines elektrischen Feldes mit einer Deformierung zu reagieren. Je größer die Polarisierbarkeit eines Atoms ist, desto stärker unterliegt es den London-Kräften. Dipol-DipolWechselwirkung \Ö on

N 6 NE

CR

Cc—X

4

74

Wir merken uns: Die zunehmend diffuse Natur der Halogenorbitale in der Reihe F, Cl, Br, I wirkt sich in mehrfacher Hinsicht aus: (1) Die Stärke der C—X-Bindung nimmt ab. (2) Die C—X-Bindung wird länger. (3) Für gleiche Reste R steigen die Siedepunkte. (4) London-Kräfte gewinnen an Bedeutung. (5) Die Polarisierbarkeit des Moleküls nimmt zu. Am Beispiel der nucleophilen Substitution werden wir sehen, wie stark diese Effekte das chemische Verhalten von Halogenalkanen beeinflussen.

Tabelle 6-2 Siedepunkte von Halogenalkanen (R-X) R

Siedepunkt in °C

x = CH; CH;CH; CH;(CH3), CH;(CH3;); CH;(CH3); CH;(CH3)7

H

R

cl

Br

I

1087 — 88.8 —40] =.0:5 36.1 125.7

— 78.4 ae. 5 32.5 62.8 142.0

—24.2 12.3 46.6 78.4 107.8 182.0

3.6 38.4 71.0 101.6 129.6 200.3

42.4 1223 102.5 130.5 157.0 DES

207

Kasten 6-1

Halogenierte organische Verbindungen und Umweltschutz Heutzutage werden mehr als fünfzehntausend halogenierte organische Verbindungen für kommerzielle Anwendungen produziert. Vergleicht man die industriellen Anwendungen von Chlor, wird bei der Herstellung von Kunststoffen, die Polychlorethylen enthalten (Polyvinylchlorid, PVC, Abschn. 12.14), die größte Menge Chlor eingesetzt. Mehr als sechs Millionen Tonnen auf PVC basierenden Materials werden jährlich in den Vereinigten Staaten produziert. Andere wichtige Anwendungen von chlorierten Verbindungen

cl

cl

Kaffeebohnen

zu

extrahieren,

wofür

man

zuvor

Dichlormethan verwendet hat. Durch kontrollierte Verbrennung kann man Abfall, der halogenierte Kohlenwasserstoffe enthält, mit nur geringem Schaden für die Umwelt entsorgen. Das größte Problem, die Dekontamination von ver-

Cl

cl

/B Cl

cl

Cl Chlordan

cı cl

sind Lösungsmittel, industrielle Schmiermittel und Isolatoren, Herbizide, Pestizide und Insekti-

zide. Einige dieser Substanzen sind nicht oder nur schwer im der Natur abbaubar und verursachen zahlreiche gesundheitliche Schäden bei Mensch und Tier. Insektizide wie DDT (Kasten 3-5), Chlordan und Hexachlorcyclohexanderivate wie Lindan, schädigen sogar das Erbgut. Diese gegenüber Umwelteinflüssen sehr beständigen Substanzen können in der Natur noch heute in signifikanten Mengen nachgewiesen werden, obwohl ihre Verwendung in den frühen 70er Jahren verboten wurde. Eine ähnliche Gefahrenquelle sind PCBs (polychlorierte Biphenyle), die als flüssiges Isoliermaterial für elektrische Übertragungsgeräte seit den frühen 20er Jahren bis zu ihrem Verbot im Jahr 1976 eingesetzt wurden. Sie sind ein Hauptverschmutzer in der Region der Großen Seen in den USA. Zahlreiche Lösungsansätze für das Problem der Nutzung und Entsorgung von chlorierten organischen Verbindungen wurden entwickelt. Beispielsweise kann Kohlendioxid unter leicht erhöhtem Druck und Temperatur verflüssigt werden. Somit kann man Kohlendioxid nutzen, um Coffein aus

@l

za cı Lindan

@l

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

Decachlorbiphenyl

seuchtem Gelände, hat man durch zahlreiche neue Technologien in den Griff bekommen. Zur biologischen Dekontamination werden bei den Böden Mikroorganismen eingesetzt, die sich von chlorierten organischen Substanzen ernähren. Schon in den frühen 90er Jahren hatten exotische anaerobe Organismen, die im Bereich des oberen Hudson River natürlich vorkommen, den Hauptteil des Chlors der in den Flußsedimenten abgelagerten PCBs beseitigt, indem sie diese Moleküle in Substanzen umwandelten, die von gewöhnlichen aeroben Organismen leicht abbaubar waren. Inwiefern menschliche Anstrengungen bei der biologischen Dekontamination in großem Maßstab erfolgreich sein werden, ist eine Frage, die zur Zeit nicht beantwortet werden kann (s. auch Kästen 6-2 und 22-2).

6.3 Nucleophile Substitution Halogenalkane

reagieren

Elektronenpaar

aufweisen,

oft mit Verbindungen, meist mit einem Anion

die ein ungepaartes wie lodid, I , oder

einem neutralen Teilchen wie Ammoniak :NH;. Solche Reagenzien können das Halogenalkan angreifen und den Halogensubstituenten ersetzen, ein Vorgang, der als nucleophile Substitution bezeichnet wird. Auf diesem Wege sind zahlreiche Verbindungsklassen zugänglich, wobei diese Reaktionen meist in Lösung durchgeführt werden. Solche Reaktionen treten auch in der Natur oft auf, ihr Ablauf kann sowohl im kleinen

als auch im industriellen Maßstab gut kontrolliert werden.

208

Dieser Abschnitt beschreibt, wie es zu einer solchen Reaktion kommt

und welche Moleküle daran beteiligt sind. In vielen der folgenden Gleichungen und Mechanismen werden Nucleophile rot, Elektrophile blau und Abgangsgruppen grün dargestellt, wie im oben gezeigten Schema.

Nucleophile greifen elektrophile Zentren an Wie bereits erwähnt, erzeugt die Polarität der Kohlenstoff-Halogen-Bindung eine positive Partialladung an dem Kohlenstoffatom, wodurch dieses elektrophil wird. Seine Reaktivität richtet sich auf elektronenreiche Spezies (elektrophil = elektronenliebend, vom griechischen philos, liebend). Umgekehrt nennt man elektronenreiche Verbindungen, die mit elektrophilen Zentren reagieren, Nucleophile, Nu („kernliebend“). Charakteristisch für Nucleophile ist eine negative Ladung, freie Elektronenpaare oder beides. Am Anfang dieses Abschnitts wurde gezeigt, daß ein negativ geladenes Nucleophil mit einem Halogenalkan unter Substitution des Halogen-Anions zu einem neutralen Substitutionsprodukt reagiert. Ein neutrales Nucleophil erzeugt ein positiv geladenes Produkt. In beiden Fällen wird ein negativ geladenes Halogenid-Ion, X”, verdrängt. Die aus der Ausgangsverbindung austretende Gruppe nennt man Abgangsgruppe. Der Begriff Substrat (substratus, lateinisch: der Unterworfene) wird für die organische Ausgangsverbindung - hier das Halogenalkan — verwendet, die mit dem Nucleophil reagiert. ö

Nuss Nucleophil

Na Nucleophil

8

Re X

2,

R—Nu+

Elektrophil

RE

u

Elektrophil

x: Abgangsgruppe

one Abgangsgruppe

Beachten Sie, daß die zwei Gleichungen, die die nucleophile Substitu-

tion eines Halogenalkans beschreiben, mit Ausnahme der Ladungen völlig identisch sind. In der ersten Gleichung ist die Gesamtladung Null, da auf jeder Seite eine negative Ladung steht. In der zweiten Gleichung haben wir auf der linken Seite zwei neutrale Verbindungen, auf der . rechten Seite wird die positive Ladung des substituierten Produkts durch die negative Ladung der Abgangsgruppe ausgeglichen. Der Ausdruck nucleophile Substitution könnte nahelegen, daß das Nucleophil die angreifende Spezies ist. In gewissem Sinne trifft diese Bezeichnung nicht exakt zu, da die Reaktivität zwischen Nucleophil und Elektrophil gegenseitig ist. So kann man nucleophile Substitution ebensogut als elektrophilen Angriff der Alkylgruppe ansehen; man sagt, das Halogenalkan alkyliert das Nucleophil.

Die nucleophile Substitution ist sehr variationsreich Tabelle 6-3 zeigt uns einige typische Nucleophile und ihre Reaktionen mit verschiedenen Halogenalkanen. Im allgemeinen ist es stets die gleiche Reaktion zwischen Nucleophil und Substrat. In diesen Beispielen finden wir jedoch nur primäre und sekundäre Halogenalkane als Substrate. Dies aus gutem Grund, denn tertiäre Halogenalkane — obwohl sie unter gewissen Voraussetzungen ähnlich reagieren — verhalten sich gegenüber den aufgeführten Nucleophilen anders und werden deshalb in Kapitel 7 getrennt behandelt. Auch sekundäre Halogenalkane können mit Nucleophilen anders als unter Substitution reagieren (Kap. 7). Die „reinste“ nucleophile Substitution erhält man mit primären Halogenalkanen.

6.3 Nucleophile Substitution

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

Tabelle 6-3 Beispiele nucleophiler Substitutionen Substrat

1

Nucleophil

CH3Cl

7 NO

Produkt

az

CH30H

Chlormethan

2

CH3CH3l

+ CH;0°

>,

CH3CH>0CH3

j

a

22.1197

"SFr?

ee

Br

Br

|

Sa

2-Iodbutan

+ N=C

|

Fu

ee

CH;

Te

CH3

1-Iod-2-methyl-

3-Methylbutan-

propan

nitril

Br

anf:

SCH3

+. CH35”

..—

Bromcyclohexan

6

+

I

2-Brombutan

5

Fur

Methoxyethan

|

4

AnGı a

Methanol

Iodethan

3

Abgangsgruppe

CH;CH3l

fun

+ Br

(Methylthio)cyclohexan

+ :NH3

|

—

CH3CH>NH

|

Kt

H Iodethan

Ethylammoniumiodid

a +

Farbcode für nucleophile Substitutionen: Nucleophile — rot Elektrophile — blau Abgangsgruppen — grün

7

CHszBr

äh

:P(CH3)3

SER

ri

>. :eBr

CH3 Brommethan

Tetramethylphosphonium-

bromid

Wir wollen diese Umwandlungen näher betrachten. In Reaktion I verdrängt ein Hydroxid-Ion das Chlorid von Chlormethan, und es bildet sich Methanol. Dies ist ein allgemeiner Syntheseweg, um ein Halogenalkan in einen Alkohol zu überführen. Normalerweise verwendet der organische Chemiker dazu Alkalimetallhydroxide, z.B. Natrium- oder Kaliumhydroxid. Reaktion 2 stellt eine Variante dar. Hier reagiert das Methoxid-Ion mit Iodethan zu Methoxyethan, ein Beispiel für die Williamson-Ethersynthese (Abschn. 9.6). In den Reaktionen 1 und 2 wird das Halogenalkan von einem negativ geladenen, nucleophilen Sauerstoffatom angegriffen. Wie Reaktion 3 zeigt, kann das Halogenid-Ion nicht nur als Abgangsgruppe, sondern auch als Nucleophil fungieren. Die umgekehrte Reaktion (die Substitution von lodid in 2-Iodbutan durch Bromid) ist ebenfalls möglich. Auf diese Weise besteht in Reaktion 3 ein Gleichgewicht zwischen den verschiedenen Halogenalkanen. Die Verwendung von Propanon (Aceton) als Lösungsmittel steigert die Ausbeute

an 2-Iodbutan, weil es Natrium-

iodid gut löst, während das Produkt Natriumbromid (oder Natriumchlorid bei Verwendung von Chloralkanen) in diesem Solvens unlöslich ist. Da eines der Produkte ausfällt, verschiebt sich das Gleichgewicht der Reaktion zur rechten Seite. Auch mit einem Überschuß Natriumiodid ließe sich das erreichen.

210

Diese Methode ist für die Darstellung von Iodalkanen geeignet, denn anders als Brom und Chlor reagiert Iod nicht direkt mit Alkanen zu Iodalkanen (Abschn. 3.5). Die Beispiele zeigen auch, wie man die Lage des Gleichgewichts durch die Wahl der Reaktionsbedingungen häufig so beeinflussen kann, daß man hohe Ausbeuten des gewünschten Produkts erhält. Reaktion 4 verwendet ein Kohlenstoffatom als Nucleophil in Form von Cyanid (z.B. Natriumceyanid, Na"CN°). Hier entsteht eine neue Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung, eine wichtige Methode zur Verlängerung der Kohlenstoffkette. Reaktion 5 verläuft analog zu Reaktion 2 mit einem Schwefel-Nucleophil anstelle des nucleophilen Sauerstoffatoms und zeigt, daß Nucleophile aus derselben Gruppe im Periodensystem ähnlich reagieren und zu analogen Produkten führen, wie es auch in den Reaktionen 6 und 7 der Fall ist. In diesen beiden Reaktionen sind die Nucleophile neutral, und der Austritt der negativ geladenen Abgangsgruppe führt hier jeweils zu kationischen Spezies, einem Ammonium- bzw. einem Phosphoniumsalz. Alle in Tabelle 6-3 gezeigten Nucleophile sind ziemlich reaktiv, jedoch nicht alle aus demselben Grund. Einige sind reaktiv, weil sie starke Basen sind (OH , CH;O). Bei anderen muß die Nucleophilie auf andere Eigenschaften zurückzuführen sein, denn sie sind schwache Basen (I ). Es ist bemerkenswert, daß in allen Fällen ein HalogenidIon als Abgangsgruppe fungiert. Die Halogenide unterscheiden sich insofern von den übrigen Nucleophilen in Tabelle 6-3, als sie sowohl als Nucleophil als auch als Abgangsgruppe reagieren können. Die Gleichgewichte der Reaktionen liegen jeweils auf der Seite der Produkt. Auf diese Aspekte werden wir in den Abschnitten 6.8 und 6.9 genauer eingehen. Zunächst wollen wir uns jedoch dem Mechanismus der nucleophilen Substitution zuwenden.

6.4

Reaktionsmechanismen

mit polaren Gruppen: Verschieben von Elektronenpaaren

U Übung 6-2 ©

Welche Substitutionsprodukte entstehen bei der Reaktion von

1-Brombutan mit:

(a) 15°; (b) CH3CH2O :”; (c) Na?;(d) :As(CH3)3; (6) (CH3)2Se? Übung 6-3 Schlagen Sie Ausgangsmaterialien Kal

vor für die Darstellung

von:

(a) (CH;),N'I ; (b)

CH;SCH3>CH..

Wir fassen zusammen: Die nucleophile Substitution ist eine typische Reaktion primärer und sekundärer Halogenalkane, wobei das Halogenid als Abgangsgruppe austritt. Verschiedene Arten von Nucleophilen können an der Reaktion teilnehmen. >

6.4 Reaktionsmechanismen mit polaren Gruppen: Verschieben von Elektronenpaaren Bei der radikalische Halogenierung in Kapitel 3 haben wir gelernt, daß es sehr hilfreich ist den Mechanismus einer Reaktion zu kennen, um die experimentellen Beobachtungen zu verstehen. Dies gilt auch für die nucleophile Substitution und für jede andere Reaktion, die wir noch kennenlernen werden. Die nucleophile Substitution ist ein Beispiel für eine polare Reaktion, denn geladene Teilchen und polarisierte Bindungen treten im Rotationsverlauf auf. Erinnern wir uns (Kap. 2), daß man die elektrostatischen Wechselwirkungen kennen muß, um den Reaktionsablauf nachvollziehen zu können. Gegensätzliche elektrische 211

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

Ladungen ziehen sich an — Nucleophile werden von Elektrophilen angezogen — und dieses einfache Prinzip reicht tatsächlich aus, um die Mechanismen von polaren organischen Reaktionen zu verstehen. In diesem Abschnitt werden wir das Konzept der Verschiebung von Elektronen, das wir zuerst im Zusammenhang mit Säure-Base-Reaktionen (Abschn. 2.9) besprochen haben, erweitern. Die übliche Methode, den Mechanismus polarer Reaktionen darzustellen, ist das Verschieben von Elektronen von elektronenreichen zu elektronenarmen Teilchen. In den folgenden Abschnitten werden wir dieses Prinzip gezielt auf die nucleophile Substitution anwenden.

Gebogene Pfeile geben die Richtung der Elektronenverschiebung an Wir haben in Abschnitt 2.9 gelernt, daß Säure-Base-Reaktionen die Verschiebung von Elektronen erfordern. Betrachten wir kurz die BrgnstedLowry-Reaktion in der die Säure HCl ein Proton auf ein Molekül Wasser überträgt: HCI + H3HO —IN IE H30* + CI”

In dieser Reaktion bildet ein vormals freies Elektronenpaar des Sauerstoffatoms von Wasser eine Bindung zu einem Proton aus. Dabei entsteht ein Hydronium-Ion (H3O°). Analog wurde das Bindungselektronenpaar des HCI-Moleküls auf das Chloratom übertragen, wodurch es in ein negativ geladenes Chlorid-Ion überführt wurde: Beschreibung einer Bronsted-Lowry-Reaktion durch gebogene Pfeile H

REN

H—-O—-H+HTGCI

=

|

IH-O—H|

+

+Cl

Beachten Sie, daß der Pfeil am freien Elektronenpaar des Sauerstoffatoms beginnt und am Wasserstoffatom des HCI-Moleküls endet. Dies bedeutet nicht, daß das freie Elektronenpaar komplett vom Sauerstoffatom auf das Wasserstoffatom übertragen wird, sondern daß ein gemeinsames Elektronenpaar gebildet wird. Im Gegensatz dazu bedeutet der Pfeil, der an der H-Cl-Bindung beginnt und auf das Chloratom zeigt, daß diese Bindung gebrochen wird. Dieses Elektronenpaar wird vollständig auf das Chloratom übertragen, wobei ein negativ geladenes Chlorid-Ion entsteht. M

Übung 6-4 |

I)

Benutzen Sie gebogene Pfeile, um die Elektronenverschiebung in den folgenden SäureBase-Reaktionen

zu beschreiben.

a) Wasserstoff-Ion

+ Hydroxid-Ion, b) Fluorid-Ion

+

IM Bortrifluorid (BF,), c) Ammoniak + Chlorwasserstoff, d) Schwefelwasserstoff + Natri| ummethanolat (NaOCH,), e) Dimethyloxonium-Ion ((CH,),OH*) + Wasser), f) Autoprotolyse-Reaktion von Wasser zu Hydronium-Ion und Hydroxid-Ion.

Wie steht es mit Mechanismen in der Organischen Chemie? Wir werden sehen, daß sie in vielen Aspekten den Säure-Base-Reaktionen ähneln. Wie wir in Abschnitt 6.3 gelernt haben, entspricht ein Nucleo-

phil einer Lewis-Base, die ein Elektrophil (kein Wasserstoffatom) angreift. Elektrophile und Lewis-Säuren hängen ebenfalls miteinander zusammen, wenngleich auf eine andere Art und Weise: Lewis-Säuren sind Elektrophile, denen noch zwei Elektronen zur Edelgaskonfiguration fehlen. Betrachten wir ein Kohlenstoffatom in einem Halogenalkan, so sehen wir, daß es eine gefüllte äußere Schale hat, aber dennoch aufgrund der partiellen positiven Ladung elektrophil ist. Die nucleophile 212

Substitution ist nur eine von vielen Reaktionstypen, bei denen Elektrophile und Nucleophile miteinander reagieren. Einige Beispiele sind hier dargestellt, wobei die gebogenen Pfeile die jeweilige Elektronenverschie-

6.4

Reaktionsmechanismen

mit polaren Gruppen: Verschieben von

bung angeben:

ERS

H-0:7+ CC

ae

Peunake

|

————> — 7

vergleichbar mit

—C-OH +CI7 ) Bıpnsted-Säure-Base-

|

Reaktionen

|

RE

cTe |

ne a

N

a en

y“

Se

9“

N

Umkehrung einer

ig |

nn

sleonhile Additi

a

EN

Hr

Elektronenpaaren

na ile Bun

Additic nn

FEW Sadie-BaseReaktion

nur „eine Bindung” der

v

Kohlenstoff-SauerstoffDoppelbindung wird

l

gebrochen

n

a

S4 Cat

2

1.

“

die Kohlenstoff-KohlenstoffDoppelbindung verhält sich

|

wie eine Lewis-Base

Das erste und das dritte Beispiel zeigen eine charakteristische Eigenschaft von Elektronenverschiebungen: Wenn ein Elektronenpaar zu einem Atom

wandert, so muß dieses Atom

sozusagen

„Platz haben, an

dem dieses Elektron untergebracht werden kann“. Bei nucleophilen Substitutionen hat das Kohlenstoffatom des Halogenalkans zu Beginn eine gefüllte äußere Schale. Ein weiteres Elektronenpaar kann nur hinzugefügt werden, wenn das Bindungselektronenpaar der KohlenstoffHalogen-Bindung entfernt wird. Die Verschiebung der beiden Elektronenpaare kann als eine simultane Bewegung angesehen werden: Sobald ein Elektronenpaar an das Atom mit der abgeschlossenen Schale bindet, muß sich das andere davon lösen, ansonst würde die Oktettregel verletzt

werden. Wenn Sie die Elektronenverschiebung mit Hilfe der gebogenen Pfeile beschreiben, so ist es unerläßlich, stets die Regeln zum Zeichnen der Lewis-Strukturen zu beachten. Verwendet man gebogene Pfeile, um das Umklappen von Elektronenpaaren zu beschreiben, stellt man fest, das es einfacher ist, die richtige Struktur zu zeichnen, da alle Elek-

tronen zu ihrem richtigen Zielort bewegt werden. Es gibt natürlich noch weitere Reaktionstypen, doch überraschenderweise nicht sehr viele. Eine der wichtigsten Schlußfolgerungen der mechanistischen Untersuchungen von Prozessen in der organischen Chemie

ist, daß

die meisten

polaren

Reaktionen

sehr

ähnlich

ablaufen,

unabhängig von den betrachteten Atomen und Bindungen. Übung 6-5 Bestimmen Sie das elektrophile und nucleophile Reaktionszentrum ı gezeigten Reaktionsmechanismen.

in den vier oben

| Übung 6-6 | Benutzen Sie gebogene Pfeile, um die Elektronenverschiebung in den folgenden Reaktio| nen zu beschreiben. (Diese Reaktionen werden in Kapitel 6 u. 7 detailliert besprochen.) %

(a) —C*

\

+

Wir haben

CI? —

|

—C—Cl

|

also in diesem

HOT

Abschnitt

>

\+

H |

N

1.

|

2

Fee — —5H0"F

L=C

gelernt, daß wir mit Hilfe von

gebogenen Pfeilen den Mechanismus einer Reaktion sowie die Verschiebung von Elektronen während einer Reaktion gut beschreiben Können. Dabei wandern Elektronen vom nucleophilen bzw. Lewis-basischen Atom zum elektrophilen bzw. Lewis-sauren Atom. Nähert sich ein Elektronenpaar einem Atom mit gefüllter Valenzelektronenschale, so muß von diesem Atom ein Elektronenpaar entfernt werden, damit die Oktettregel nicht verletzt wird.

213

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

6.5 Ein erster Blick auf den Mechanismus der Substitution: Die Kinetik An diesem Punkt ergeben sich etliche Fragen: Welche Kinetik liegt der Reaktion zugrunde? Ist sie 1. Ordnung, 2. Ordnung (Abschn. 2.8) oder komplizierter? Was geschieht mit optisch aktiven Halogenalkanen? Gibt es andere Abgangsgruppen? Lassen sich aus der Art der Abgangsgruppe oder des Nucleophils, aus der räumlichen Umgebung des Substrats oder des Lösungsmittels Vorhersagen über relative Substitutionsgeschwindigkeiten treffen? Im restlichen Kapitel soll auf jede einzelne dieser Fragen eingegangen werden. In diesem Abschnitt wird uns eine Untersuchung der Kinetik der Reaktion

weiterhelfen,

mögliche

Mechanismen

auszuschließen

und

den wahrscheinlichsten Reaktionsverlauf aufzuzeigen. Als Beispiel soll uns die Reaktion von Chlormethan mit Natriumhydroxid in Wasser dienen.

CH;CI + NaOH |m0, IN CH:OH + NaCl

Wärmezufuhr (ausgedrückt durch den Großbuchstaben Delta, A) erhöht sicher die Ausbeute an Methanol und Natriumchlorid, doch sagt das nichts aus über die Art, wie die Ausgangssubstanzen in die Produkte umgewandelt werden. Eines der besten Mittel zur Untersuchung von Reaktionsmechanismen ist die Messung der Kinetik einer Reaktion (Abschn. 2.8). Vergleicht man die Geschwindigkeiten der Produktbildung bei unterschiedlichen Anfangskonzentrationen der Ausgangsverbindungen, so kann man ein Geschwindigkeitsgesetz für die betreffende Reaktion formulieren.

rıment über die Reaktion

Lassen Sie uns überlegen, was dieses Expe-

von Chlormethan

mit Natriumhydroxid

aus-

sagt.

Die Reaktion von Chlormethan mit Natriumhydroxid ist bimolekular Man kann die Reaktionsgeschwindigkeit messen, indem man entweder das Verschwinden eines Reaktanten oder das Entstehen eines Produkts verfolgt. Wenn wir diese Methode auf die Reaktion von Chlormethan mit Natriumhydroxid anwenden, finden wir, daß die Reaktionsgeschwindigkeit von den Anfangskonzentrationen beider Reaktanten abhängig ist. Die Verdopplung der Konzentration des Hydroxids führt zu einer Verdopplung der Reaktionsgeschwindigkeit, und zu demselben Ergebnis führt bei konstanter Hydroxidkonzentration auch die Verdopplung der Chlormethan-Konzentration. Die Verdopplung beider Ausgangskonzentrationen erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit um den Faktor 4. Diese Ergebnisse stehen in Einklang mit einem Geschwindigkeitsgesetz zweiter Ordnung (Abschn. 2.8):

Geschwindigkeit = k[CH;C1][ OH] mol/(L s) Alle Beispiele in Tabelle 6-3 folgen dieser Kinetik zweiter Ordnung, d.h. ihre Reaktionsgeschwindigkeiten sind proportional zu den Konzentrationen sowohl des Substrats als auch des Nucleophils.

214

Übung 6-7 Die kinetische Analyse der Reaktion in einer Lösung, die 0.01 M Natriumazid (Na'N;) und 0.01 M Iodmethan enthält, bei 0°C führt zu dem Schluß, daß das Iodid-Ion mit der

6.5 Ein erster Blick auf den Mechanismus der Substitution: Die Kinetik

Geschwindigkeit 3.0 x 10 "" mol/(L s) gebildet wird. Geben Sie die Formel des gebildeten organischen Produkts an und berechnen Sie die Geschwindigkeitskonstante k. Wie groß wäre die Bildungsgeschwindigkeit für I bei den folgenden Anfangskonzentrationen der Reaktanten? (a) [NaN;] = 0.02 M, [CH3I] = 0.01 M. (b) [NaN;] = 0.02 M,

[CH;1I] = 0.02 M. (c) [NaN;] = 0.03 M, [CH;I] = 0.03 M.

Die bimolekulare nucleophile Substitution ist ein konzertierter, einstufiger Prozeß Welcher Reaktionsmechanismus steht im Einklang mit einem Geschwindigkeitsgesetz zweiter Ordnung? Die einfachste Möglichkeit ist ein einstufiger Prozeß beider Reaktanten, eine sogenannte bimolekulare Reaktion: Das Nucleophil greift das Halogenalkan unter gleichzeitigem Austritt der Abgangsgruppe an. Die Bindungsbildung erfolgt dabei zu derselben Zeit wie der Bindungsbruch. Einen Prozeß, bei dem zwei Ereignisse gleichzeitig ablaufen, nennt man konzertiert. Dieser konzertierte Prozeß wird allgemein als bimolekulare nucleophile Substitution bezeichnet und mit Sn2 (S für Substitution, N für nucleophil und 2 für bimolekular) abgekürzt. Für diese konzertierte Verdrängungsreaktion kann man sich zwei alternative Abläufe vorstellen. Nähert sich das Nucleophil dem Substrat von der Seite der Abgangsgruppe her und verdrängt diese, spricht man von einem Vorderseitenangriff (Abb. 6-2). Die andere Möglichkeit ist der Rückseitenangriff, bei dem sich das Nucleophil dem Kohlenstoffatom von der entgegengesetzten Seite her nähert (Abb. 6-3). In beiden Abbildungen markieren wir die Verschiebung der Elektronenpaare mit Pfeilen. Ein Elektronenpaar des negativ geladenen Hydroxid-Sauerstoffatoms wird zum Kohlenstoffatom hin verschoben, so daß sich eine C—O-Bindung bildet. Das Elektronenpaar der C—Cl-Bindung wird zum Chlor bewegt, und dieses wird als CI abgespalten. In beiden Fällen ist die negative Ladung im Übergangszustand auf das Sauerstoffatom und das Chloratom verteilt.

Mit dem Symbol * wird ein Übergangszustand, ein sehr kurzlebiger und nicht isolierbarer Zustand, gekennzeichnet (siehe die Abschitte 2.6 und

3.4)

| Übung 6-8 Zeichnen Sie den hypothetischen Vorderseitenangriff und den Rückseitenangriff für den Verdrängungsmechanismus einer Sn2-Reaktion von Natriumiodid mit 2-Brombutan (Tab. 6-3). Geben Sie die Elektronenpaarverschiebung wie in den Abbildungen 6-2 und 6-3 mit Pfeilen an.

BR Eo

gr

Fr

1:

Kesı

s-|*

1

H

ö

H H7

"Cl:

r C—OH+ ..

:Cli” ..

H

Abb. 6-2 Nucleophiler Vorderseitenangriff. Die punktierten Linien deuten das gleichzeitige (konzertierte) Bilden der neuen Bindung zu OH und das Lösen der Bindung zu Cl an. Beachten Sie in der ersten Formel die Pfeile, die die Verschiebung der Elektronen verdeutlichen. Auf diese Weise läßt sich der Weg der Elektronen während einer Reaktion verfolgen. Im vorliegenden Fall schließt das Elektronenpaar des Hydroxid-Ions eine Bindung zu Kohlenstoff, während die Abgangsgruppe beim Austritt die Elektronen der Bindung zwischen Kohlenstoff und Chlor mitnimmt.

: N

BE ET E : Eu

x HO Sersklse Cs cl:

Mar

ARD:

HO=C

1H

+ :Cl:”

Abb. 6-3 Nucleophiler Rückseitenangriff. Das Nucleophil greift von der Seite an, die der Abgangsgruppe gegenüber liegt.

215

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die Reaktion von Hydroxid mit Chlormethan zu Methanol und Chlorid ebenso wie ähnliche Umsetzungen vieler anderer Nucleophile mit Halogenalkanen Beispiele für einen

bimolekularen

Prozeß

sind, der als Sy2-Reaktion

wird. Zwei einstufige Mechanismen oder

von

der Rückseite

bezeichnet

— der Angriff von der Vorderseite

— sind für diese

Reaktion

denkbar,

die beide

konzertiert verlaufen und die experimentell beobachtete Reaktionsordnung erklären können. Wie können diese beiden Mechanismen unterschieden werden? Die Antwort zu dieser Frage liefert uns ein Gebiet, das wir ausführlich im letzten Kapitel behandelt haben: die Stereochemie.

6.6 Vorderseiten- oder Rückseitenangriff? Die Stereochemie der Sy2-Reaktion Wenn man die räumliche Anordnung der Atome in den Abb. 6-2 und 6-3 miteinander vergleicht, stellt man fest, daß beim Vorderseitenangriff die Wasserstoffatome

unverändert

links vom

Kohlenstoffatom

bleiben,

während sie beim Rückseitenangriff nach rechts „umklappen“. Die beiden resultierenden Methanolstrukturen verhalten sich wie Bild und Spiegelbild, allerdings sind beim achiralen Methanolmolekül beide Strukturen natürlich deckungsgleich und folglich ununterscheidbar. Wenn nun das elektrophile Kohlenstoffatom des Halogenalkans ein Chiralitätszentrum ist, sieht das vollkommen

anders aus.

Die Sy2-Reaktion ist stereospezifisch Betrachten wir einmal die Reaktion von (S)-2-Brombutan mit Iodid. Der Vorderseitenangriff sollte zu 2-Iodbutan mit derselben Konfiguration wie der Ausgangsstoff führen, beim Rückseitenangriff erwarten wir das Produkt mit umgekehrter Konfiguration.

Stereochemie des Vorderseitenangriffs

H „C—Br x 2

a? -

H EGE

[2

H;C° Ä CH3CH3>

x

S

13

H sera

ri

H;C’/ CH3CH3

2

in

’

H;C° j CH>CH3>

Br

N)

si

Er

N)

Chiral und optisch aktiv

Vorderseitenangriff

Chiral und optisch aktiv: Retention

Stereochemie des Rückseitenangriffs

H

H

„C —Br H3C"/ CH;CH3>

1

=

|

2 ee IN

CH3 CH;CH3

5 Chiral und optisch aktiv

216

#

HM Pi

i=C\ \ CH;

+ Br

CH>CH3

R Rückseitenangriff

Chiral und optisch aktiv: Inversion

Kasten 62 Stereospezifische und stereoselektive Reaktionen Die bimolekulare Substitution eines Halogenalkans, bei der ein Stereoisomer (in der Umwandlung von 2-Brombutan zu 2-Iodbutan entweder das R- oder das S-Enantiomer der Ausgangssubstanz) vollständig in ein Produkt mit definierter Konfiguration umgewandelt wird, ist ein Beispiel einer stereospezifischen Reaktion. Dieser Ausdruck ist hier dem allgemeineren Begriff stereoselektiv (Abschn. 5.7) vorzuziehen. Stereoselektiv ist ein Prozeß, bei dem unabhängig von der Konfiguration des Ausgangsmaterials von verschiede-

nen möglichen Stereoisomeren eines bevorzugt gebildet wird. Eine stereospezifische Reaktion ist stets auch stereoselektiv, aber nicht umgekehrt. Leider werden diese Begriffe in der chemischen Literatur oft verwechselt und ungenau angewendet. Manchmal werden Reaktionen unkorrekt als stereoselektiv bezeichnet, die nach unserer Definition teilweise stereospezifisch sind, während „stereospezifisch“ für Reaktionen mit quantitativer Selektivität verwendet wird. In diesem Buch werden wir die Begriffe streng nach obiger Definition verwenden.

Was wird nun beobachtet? Man findet als Produkt der Umsetzung von ($5)-2-Brombutan mit Iodid nur (R)-2-Iodbutan: Diese Reaktion verläuft wie auch alle anderen Sy2-Reaktionen unter Inversion der Kon-

figuration. Eine Umsetzung, bei der ein reines Stereoisomer als Ausgangsstoff zu einem reinen Stereoisomer als Produkt reagiert, wird als stereospezifisch bezeichnet. Die Sn2-Reaktion ist daher ein stereospezifischer Prozeß, der unter Rückseitenangriff zu einer Inversion der Konfiguration am Reaktionszentrum führt. Übung 6-9 Geben Sie die Produkte folgender Sy2-Reaktionen an. (a) (R)-3-Chlorheptan + Na'SH‘, (b) (S)-2-Bromoctan + N(CH;);, (c) (3R,4R)-4-Iod-3-methyloctan +

K*'SeCH;.

U Übung 6-10 Zeichnen Sie die Formeln der Produkte der Sy2-Reaktion von Cyanid mit: (a) meso-2,4-

Dibrompentan (zweifache Sy2-Reaktion) und (b) trans-L-Iod-4-methyleyclohexan.

Molekülorbitale im Übergangszustand der Sy2-Reaktion Der Übergangszustand der Sy2-Reaktion läßt sich mit Begriffen der Molekülorbital-Theorie beschreiben, wie uns Abbildung 6-4 zeigt. Sobald sich das Nucleophil dem hinteren Lappen des sp’-Hybridorbitals nähert,

mit

dem

das Halogenatom

an

das Kohlenstoffatom

gebunden

ist, wird das Molekül planar, das Kohlenstoffatom rehybridisiert zu sp”. >

Se) N Abb. 6-4 Molekülorbitale während

einer Sn2-Reaktion. Der Vorgang der Inversion erinnert an das

sp?-hybridisiertes Kohlenstoffatom

Umklappen eines Schirms bei Sturm.

217

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

Abb. 6-5 Die Veränderung der potentiellen Energie während einer Sn2-Reaktion.

Die Reaktion

erfolgt in einem Schritt, wobei nur ein Übergangszustand durchlaufen wird.

Reaktionskoordinate ——>

Die negative Ladung ist jetzt nicht mehr ausschließlich auf dem Nucleophil lokalisiert, sondern teilweise auch auf der Abgangsgruppe. Im weiteren Verlauf der Reaktion, wenn sich die Produkte bilden, wird die Inversion vollständig, das Kohlenstoffatom nimmt wieder die tetraedrische sp’-Konfiguration an, und aus der Abgangsgruppe wird ein Anion, das die volle negative Ladung trägt. Abbildung 6-5 zeigt den Reaktionsverlauf der Sy2-Reaktion;

im Dia-

gramm ist die potentielle Energie gegen die Reaktionskoordinate aufgetragen.

6.7 Die Folgen der Inversion bei Sn2-Reaktionen Was sind die Folgen der Inversion der Konfiguration bei der Sn2-Reaktion? Da die Reaktion stereospezifisch ist, kann sie für die gezielte Synthese bestimmter Stereoisomere ausgenutzt werden.

Mit der Sy2-Reaktion können reine Enantiomere

synthetisiert werden Betrachten wir die Umwandlung von 2-Bromoctan in 2-Octanthiol durch Reaktion mit Hydrogensulfid: Setzen wir optisch reines R-Bromid ein, so erhalten wir das S-Thiol als einziges Produkt. Das R-Enantiomer entsteht nicht.

Inversion der Konfiguration einer optisch reinen Verbindung bei einer Sy2-Reaktion Farbcode für die Prioritäten (s. Abschn. 5-3): höchste - rot zweithöchste — blau dritthöchste — grün

niedrigste — schwarz

218

N

H

HSer

CH;(CH,)4CH;

Tu x

CH;

I ne

A

H

+ Br

"CH,(CH,)4CH CH; ( 2)a 3

(R)-2-Bromoctan

(S)-2-Octanthiol

[a] = -34.6

[@]

= +36.4

R

Wie aber können wir (R )-2-Bromoctan in das R-Thiol überführen? Eine Möglichkeit besteht darin, zwei aufeinanderfolgende Sy2-Reaktionen durchzuführen, von denen jede mit Inversion am Chiralitätszentrum einhergeht. Eine erste Sy2-Reaktion, z.B. mit lIodid, erzeugt (S$)-2Iodoctan unter Konfigurationsumkehr. Eine darauffolgende Substitution des Iodids durch das HS -Ion liefert das R-Thiol. Durch doppelte Inversion erhalten wir das gewünschte Resultat, die Beibehaltung der Konfiguration, die als Retention der Konfiguration bezeichnet wird.

6.7 Die Folgen der Inversion bei Sy2-Reaktionen

Rentention durch doppelte Inversion

H

H

nt

®

72 = \ nn „C—SH \SCHS(CH2)ACHz; = 1 CH3(CHR)4CHzA

CH3

CH3

CH3(CH2J4CHz “4

$

CH3

(R)-2-Bromoctan

(S)-2-Iodoctan

(R)-2-Octanthiol

[a] = -34.6

[@] = +46.3

[@] = -36.4

Übung 6-11 Wie wir bei Carvon gesehen haben (Kap. 5, Aufgabe

mere

manchmal

im Geruch

oder Geschmack.

10), unterscheiden sich Enantio-

3-Octanol

und einige seiner Derivate

sind Beispiele dafür: Die rechtsdrehenden Verbindungen findet man im natürlichen

4

Pfefferminzöl, die linksdrehenden Gegenstücke tragen zum Geruch von Lavendel bei. Zeigen Sie, wie man optisch reine Proben beider Enantiomere von 3-Octylacetat ausgehend von (S)-3-Iodoctan erhalten kann.

oO

|

OCCH3

CH3CH>CHCH>CH>CH>CH>CH3 3-Octylacetat

Übung 6-12 Erklären Sie, warum die optische Aktivität von (S)-2-Iodoctan bei der Behandlung mit " Natriumiodid verschwindet.

Die Sn2-Reaktion bei Diastereomeren führt zu Diastereomeren Bis jetzt traten in unseren Beispielen von Sy2-Reaktionen nur Moleküle mit einem

Chiralitätszentrum

auf. Was

aber,

wenn

Moleküle

mehrere

solcher Zentren haben? Die Reaktionen dieser Moleküle lassen sich im

allgemeinen vorhersagen:

An allen primären und sekundären

Kohlen-

stoffatomen, die mit einem Nucleophil reagieren, — und nur an diesen — findet Inversion statt. Beachten Sie, daß bei der Reaktion von (25,4R)-

2-Brom-4-chlorpentan

mit einem Überschuß

an Cyanid ein meso-Pro-

dukt entsteht!

H

2

a

©“ CH3CH>

Br

ge

H

2

I

2

mavatlipe:

CH>CH>

H

CH3

CH3

25,3R

2R,3R

CH3z

CH3

Br

H

NC

ir, SCREEN

H

H+Br”

+cl

Überschuß

‚|

2S,4R

NC

H

2R,4S: meso

219

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

Übung 6-13 Viele organische Chemiker benutzen oft zur Vorhersage der Stereochemie die Regel Diastereomere reagieren zu Diastereomeren“. Ersetzen Sie die Ausgangsverbindungen in den beiden letzten Beispielen durch eines ihrer Diastereomere und zeichnen Sie das Produkt der Sy2-Substitution mit dem angegebenen Nucleophil. Stehen die resultierenden Produkte in Einklang mit dieser Regel?

Durch die Inversion der Konfiguration am Reaktionszentrum in disubstituierten Cyclohexanen oder anderen Cycloalkanen ändern Substituenten ihre Stellung von cis nach trans oder von trans nach cis. H Br

I Nal, Propanon (Aceton)

zu

—-

Hi CH,

H@ CH;

cis

trans

+ NaBr

Wir fassen zusammen: Die Inversion der Konfiguration bei Sy2-Reaktionen hat veschiedene Auswirkungen auf die Stereochemie. Die optische Aktivität bleibt erhalten, solange nicht Abgangsgruppe und Nucleophil identisch sind oder meso-Verbindungen entstehen. Bei cyclischen Systemen werden cis- und frans-Stereoisomere ineinander umgewandelt. Bei Halogencyclopropanen verhindert ein stark gespannter Übergangszustand mögliche Substitutionsreaktionen.

6.8 Die Abgangsgruppe beeinflußt die Geschwindigkeit der Sn2-Reaktion Die relative Leichtigkeit von Sn2-Substitutionen hängt von mehreren Faktoren ab: von der Abgangsgruppe, der relativen Reaktivität des Nucleophils und von der Struktur der Alkylgruppe im Substrat. Einen genaueren Einblick in den Mechanismus gewinnen wir, wenn wir systematisch die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von den einzelnen Faktoren messen. Wir wollen mit der Abgangsgruppe beginnen: Gibt

es hier Strukturmerkmale,

die uns

zumindest

qualitativ erlauben

vorherzusagen, ob eine Abgangsgruppe „gut“ oder „schlecht“ ist?

Das Austrittsvermögen korreliert mit der Basenstärke Die Abgangsgruppe in einer nucleophilen Substitution ist häufig negativ geladen. Daher läßt sich die relative Leichtigkeit, mit der sie substituiert wird, ihr Austrittsvermögen, mit ihrer Fähigkeit, eine negative Ladung zu stabilisieren, korrelieren. Wir erinnern uns, daß die Abgangsgruppe im Übergangszustand der Reaktion einen Teil der negativen Ladung übernimmt (Abb. 6-4). Bei den Halogenen nimmt das Austrittsvermögen von Fluor zu lod hin zu. Iodid ist daher eine „gute“ Abgangsgruppe; Fluorid dagegen reagiert so „schlecht“, daß Sy2-Substitutionen bei Fluoralkanen selten beobachtet werden. Austrittsvermögen IS

BET

CP

Übung 6-14 Welches Produkt entsteht bei der Reaktion von |

220

valent Natriummethylselenid (Na*CH;Se”)?

TE

1-Chlor-6-iodhexan

mit einem Äqui-

Ob Halogenide gute oder schlechte Abgangsgruppen sind, sollte demnach von ihrer Basenstärke abhängen: je schwächer basisch X” ist, d.h. je stärker die konjugierte Säure HX ist, desto besser fungiert X” als Abgangsgruppe. Ein Vergleich der pK,-Werte (Tab. 2-6 u. 6-4) und experımentelle Befunde bestätigen das: HF ist deutlich die schwächste Säure, HCl ist stärker, am stärksten sind HBr und HI. Will man schnell abschätzen, ob eine Säure stark ist oder nicht, findet man hierzu die Kriterien in Abschnitt 2.9. Halogenide sind jedoch nicht die einzigen Substituenten, die in Sy2Reaktionen durch Nucleophile verdrängt werden können. In Tabelle 2-6 sind auch die pK,-Werte anderer starker Säuren aufgeführt, deren konjugierte (schwache) Basen gute Abgangsgruppen in Sn2-Reaktionen sind. Typische Beispiele dafür sind Schwefelderivate des Typs ROSO3 und RSO; , wie das Methylsulfat-Ion CH;OSO; und verschiedene Sulfonate. Ihre konjugierten Säuren sind sehr stark, vergleichbar mit Methansulfonsäure und Schwefelsäure, hauptsächlich aufgrund der Resonanzstabilisierung der entsprechenden Anionen. Alkylsulfate und Sulfonate treten so häufig als Abgangsgruppen auf, daß Trivialnamen wie Mesylat, Triflat und Tosylat ihren festen Platz in der chemischen Literatur behaupten.

6.3 Die Abgangsgruppe beeinflußt die Geschwindigkeit der Sn2-Reaktion

Gute Abgangsgruppen

I.

a:

SO re

un on

See:

OR

erhältliche

:O:

>

CH;

:

a

:

:O:

flüssige Dimethylsulfat,

R

20: 4-Methylbenzolsulfonat-Ion (p-Toluolsulfonat-Ion, Tosylat-Ion)

Trifluormethansulfonat-Ion (Triflat-Ion)

Methansulfonat-Ion (Mesylat-Ion)

im Handel

ne

:O:

:O:

Methylsulfat-Ion

Das

(

OR

(CH3;)-SO,,

wird

z.B. oft als Methylierungsreagenz verwendet, da es gegenüber Sauerstoff- und Stickstoff-Nucleophilen sehr reaktiv ist. Das Nucleophil greift am elektrophilen Methyl-Kohlenstoffatom an, während Methylsulfat als Abgangsgruppe das Molekül verläßt. Man sagt, das Nucleophil wird methyliert.

aa CHSCH50:”

(ig ou

|

> Hz C— Fan

Ethanol

ee

ne

CH;CH>OCH3 +

aMe:

I

Nre Tabelle 6-4 Abgangsgruppen und ihre Basenstärke

Abgangsgruppe

Methylsulfat

NIEREN

56

CH=CH>NH> + On

|neICH;

Abgangsgruppe

jr +

20, CH,CH>NH> +

PS

|

os

Alkylsulfonate wie Mesylate oder Tosylate kann man leicht aus den entsprechenden Sulfonylchloriden und Alkoholen darstellen. Diese Reaktion wird in Abschnitt 9.4 ausführlicher besprochen.

CH3CH>CH>OH +

CHH-S—C1lı Methansulfonylchlorid (Mesylchlorid)

2 2—>

ECKE

6) | CH + HCI

O Propylmethansulfonat (Propylmesylat)

K,

gute Abgangsgruppen (schwächere Basen) 17 631052

HSO, Br’ €lg H,O CH,SOz

1.0 x A 63.% 20x 6.3 x

10° 10727 10=1° 10-16

schlechte Abgangsgruppen (stärkere Basen)

F’ EHEE€95 NC° CH;S” €HR,07 HO7 HN’ H;C°

1610 0 19 2 0) > 10222102: 32 50 1.0 x 10° —1.0 x 10°

221

6 Eigenschaften und

Cl

Reaktionen

der Halogenalkane ae

0=S—=O

|

ve us

Frch

7

ano

CH3

CH3

Yen

+ HG

16)

CH3 4-Methylbenzolsulfonylchlorid

1-Methylethyl-4-methylbenzol-

(»-Toluolsulfonylchlorid)

sulfonat (Isopropyltosylat)

Die Produkte lassen sich in einer glatten Reaktion mit vielen verschiedenen Nucleophilen umsetzen. OÖ

16)

|

Se

|

ARE

El

>

CH;3CH> CH3> 1 +

Ö

a

H |

o | Y

90% “

CHz+:CHsCH>S

f

aan

.

so; °

ein,

ce

CH3

85%

CH;

Werden die hier gezeigten Reaktionen nacheinander durchgeführt, so stellen sie eine brauchbare Methode dar, um Alkohole in neue Derivate umzuwandeln, in denen die Hydroxygruppe durch ein Nucleophil ersetzt ist. Dies ist umso wichtiger, als Wasser, im Gegensatz zu Halogenwasserstoffen und Sulfonsäuren, einen sehr hohen pK, hat und deshalb Hydroxid eine äußerst schlechte Abgangsgruppe ist. Durch die Überführung in ein Sulfonat dagegen wird die Darstellung vieler Produkte über nucleophile Substitutionen möglich. Aus Tabelle 6-4 könnte man vorhersagen, daß CH;CO; ,CN, CH;S", OH und NH; zunehmend schlechtere Abgangsgruppen sind. Qualitativ trifft das auch zu. In der Praxis tritt keine dieser Verbindungen als Abgangsgruppe auf. Hier liegt jedoch nur eine vereinfachte Korrelation vor! Die Daten aus Tabelle 6-4 erlauben keine quantitativen Vorhersagen über die relativen Substitutionsgeschwindigkeiten bei Alkylgruppen mit verschiedenen Abgangsgruppen. Übung 6-15 A Welches Produkt entsteht bei dieser Reaktionsfolge?

OH CH3SO;Cl

>

Nal

>

CH; Wasser als Abgangsgruppe Wie bereits erwähnt, wird OH durch die Überführung in ein Sulfonat zu einer guten Abgangsgruppe. Noch einfacher läßt sich das durch Protonierung erreichen. Durch Protonierung des Sauerstoffatoms erhält man ein Oxonium-lon. Indem die ursprünglich neutrale OH-Gruppe ein Proton bindet, erhält das Sauerstoffatom eine positive Ladung. Aus der schlechten Abgangsgruppe OH wird eine gute Abgangsgruppe, nämlich Wasser. Wasser ist eine schwache Base, wie der sehr niedrige pK,-Wert (-1.7) ihrer konjugierten Säure, des Hydronium-Ions H,O", zeigt.

pK,(H30*) =.14 — pK,(H;0) = 14 - 15.7 = -1,7 222

Die nucleophile Substitution von H;O kann durch die konjugierte Base der Säure erfolgen, mit der anfangs protoniert wurde.

a

El

BON

HBr >

6.3 Die Abgangsgruppe beeinflußt die Geschwindigkeit der Sy2-Reaktion

H

Br

Br —>o

R—Br+

H,O

H

Auf diese Weise erhält man durch Umsetzung verschiedener Alkohole mit konzentrierten Halogenwasserstoffsäuren die entsprechenden Halogenalkane in guten Ausbeuten. Beispiele:

CH,(CH,),„CH;OH + HBr — CH,(CH,),„CH;Br + H,O 1-Dodecanol

1-Bromdodecan

1,6-Hexandiol

1,6-Diiodhexan

Genauso kann die RO-Gruppe in Ethern ROR durch sehr starke Säuren protoniert werden und so eine gute Abgangsgruppe bilden. Der Mechanismus dieser Reaktion ist der gleiche wie bei Alkoholen.

CH;CH>OCH>CH3 Ethoxyethan jr

Mechanismus: [Beachten Sie, daß hier die Farbe funktionelle Bedeutung hat: Aus dem Nucleophil (rot) wird eine Abgangsgruppe (grün).] ..

>

./

CH3>CH3>Br Bromethan +

H

CH>CH>0OH

CH;CH5ÖCHJCH; == CH3CHH— 04

Ethanol

CH>CH; Dialkyloxonium-Ion

Br

Era

+ CH5CH,

ers

H

ir

OT

—> CHsCHaBr + HOCHSCH> CH;CH;

Der entstehende Alkohol kann erneut reagieren und ein weiteres Bromalkan erzeugen. In Kapitel 9 werden die Reaktionen von Alkoholen und Ethern in Gegenwart von Säuren ausführlich besprochen. Übung 6-16

Die Reaktion von Oxacyclohexan (Tetrahydropyran) mit HI ergibt 1,5-Diiodpentan. „ Nach welchem Mechanismus verläuft die Reaktion? (Schreiben Sie Gleichungen mit Pfeilen für Elektronenverschiebungen.)

en Oxacyclohexan (Tetrahydropyran)

Wir halten fest: Das Austrittsvermögen einer Abgangsgruppe ist in etwa proportional der Stärke ihrer konjugierten Säure. Beides hängt von der Fähigkeit ab, eine negative Ladung zu stabilisieren. Dieser Abschnitt gab einen kurzen Rückblick auf die Gleichungen, die pK, und pK, korrelieren (pK, + pK, = 14). Die Säurestärke (und damit das Austrittsvermögen der konjugierten Base) ist abhängig von der Dissoziationsenergie DH° von HA, der Elektronegativität von A und von Resonanzeffekten. Neben den Halogeniden (Cl, Br" und I’) spielen vor allem Sulfonate (z.B. Methyl- oder 4-Methylbenzolsulfonate, Tosylate) als gute Abgangsgruppen eine wichtige Rolle bei chemischen Synthesen. Die Umwandlung eines Alkohols in das entsprechende Sulfonat und dessen darauffolgende Substitution ist eine Methode, um OH in einer zweistufigen Reaktion zu substituieren. Auch über die Protonierung durch eine starke Säure wird OH zu einer guten Abgangsgruppe. Dadurch läßt sich manchmal

OH durch Br oder I ersetzen; eine analoge

Methode kann auch zur Etherspaltung eingesetzt werden.

223

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

6.9 Einfluß der Nucleophilie auf die Sn2-Reaktion Nun wollen wir verschiedene Nucleophile untersuchen und ihre relative nucleophile Stärke, ihre Nucleophilie, diskutieren. Wir werden sehen, daß Nucleophilie von einer Reihe von Faktoren abhängt: von der Ladung,

der

Basizität,

dem

Lösungsmittel,

der

Polarisierbarkeit

und

den Substituenten. Aus einer Reihe vergleichender Experimente geht die Bedeutung dieser Faktoren und ihr Verhältnis zueinander hervor.

Eine negative Ladung erhöht die Nucleophilie Beeinflußt eine veränderte Ladung am nucleophilen Atom die Reaktivität? Die folgenden Experimente geben darauf Antwort: Experiment 1 CH;Cl + HO° CH;Cl + H,O

—o —>

CH;OH +Cl CH;0OH,* + CI

schnell sehr langsam

Experiment 2 CH;Cl

nr HN

CH;Cl + HN

rt,

CH;NH3,

—>

CHsNH3* + CI”

miele

sehr schnell

langsamer

Ergebnis: Von zwei Nucleophilen mit dem gleichen reaktiven Atom ist dasjenige mit einer negativen Ladung das stärkere Nucleophil. Anders ausgedrückt, die Base ist stets stärker nucleophil als ihre konjugierte Säure. Dies ist in der Tat einleuchtend. Da ein nucleophiler Angriff zu einer Bindung mit einem elektrophilen Kohlenstoffatom führt, muß die Reaktion umso schneller sein, je elektronenreicher (negativer) die angreifende Spezies ist. M) Übung 6-17 Welches Nucleophil der folgenden Paare ist das jeweils # CH3S’; (b) CH;NH oder CH;NH;3; (c) HSe” oder H;Se.

reaktivere:

(a) CH3S

oder

Die Nucleophilie nimmt im Periodensystem nach rechts hin ab In den Experimenten 1 und 2 werden Nucleophile mit dem gleichen nucleophilen Atom verglichen (z.B. Sauerstoff in H,O mit OH‘, Stickstoff in NH; mit NH3>). Was aber, wenn Nucleophile eine ähnliche Struktur, aber verschiedene

nucleophile Atome

haben?

Wir wollen nun

die Elemente in einer Periode des Periodensystems untersuchen. Experiment 3 CH;CH;»Br + HHN —> CH;CH;»Br + HHO —>

CH;CH,NH3;* + Br” CH;CH>»0H3,* + Br”

schnell sehr langsam

Experiment 4 CH;CH>Br + HHN CH;CH;Br + HO°

—— -——

CH;CH;NH3 CH;CH;OH

+ Br + Br

sehr schnell langsamer

Experiment 5 CH,CH,Br CH,CH

224

‚Br

+ +

CH4S7 ir

7 arena

CH,CH,SCH; CH,CH,Cl

+

Tr Br

Bra

schnell sehr langsam

Ergebnis: Auch die Basizität scheint mit der Nucleophilie zu korrelie-

6.9 Einfluß der Nucleophilie

ren: Die stärker basische Spezies ist offensichtlich auch das reaktivere

auf die Sn2-Reaktion

Nucleophil. Im Periodensystem nimmt daher die Nucleophilie von links nach rechts ab. Die wichtigsten Verbindungen der Elemente der ersten Periode lassen sich nach ihrer Nucleophilie ungefähr so ordnen: NE5GR@ > OH=

> NEE > E7 > H,O

Daraus sehen wir auch, daß eine negative Ladung mehr wiegt als die Stellung im Periodensystem (z.B. OH” > NH;; F’ > H,O). Hier spiegelt sich die relativ stärkere Basizität der Verbindungen wider. Übung 6-18 Mi

Welche der folgenden Verbindungen ist das stärkere S(CH3)s; (b) CH;3CH3Se” oder Br’; (c) H,O oder HF.

Nucleophil:

(a) P(CH3;);

oder

Welcher Zusammenhang besteht zwischen Basizität und Nucleophilie? Auf den ersten Blick erwartet man, daß Basizität und Nucleophilie sich in etwa entsprechen. Beachten Sie jedoch folgende Überlegungen: Basizität (wie auch Acidität) messen ein thermodynamisches Phänomen, nämlich das Gleichgewicht zwischen einer Base und ihrer konjugierten Säure in Wasser:

K AN2E50O==>AH

#'0H:

K = Gleichgewichtskonstante

Nucleophilie dagegen ist ein Maß für einen kinetischen Vorgang, der Geschwindigkeit der Reaktion eines Nucleophils mit einem Elektrophil: No

HRXTE SINER

X

k = Geschwindigkeitskonstante

Es ist interessant, daß trotz dieser grundlegenden Unterschiede von Basizität und Nucleophilie ein so guter Zusammenhang besteht, zumindest bei den bisher behandelten Beispielen.

Solvatation beeinträchtigt die Nucleophilie Wenn ein allgemeiner Zusammenhang zwischen Nucleophilie und Basizität besteht, sollte die Nucleophilie der Elemente in einer Gruppe des Periodensystems von oben nach unten hin abnehmen, da die Basizität in ähnlicher Weise geringer wird (Abschn. 6.7). Mit einer weiteren Testreihe wollen wir diese Vorhersage überprüfen. ns

Experiment 6

a

|

| Free 6) )

+ CI OH,

CHSCH,CH;CI + "OsSCH;

+Br HH,

CH;CH>CH.Br + "Oz3SCHz _ schneller

| CHACH.CH,OSCH, +

08,H CH;CHSCHJI + ”O3SCHz

langsam

"am schnellsten

16) 225

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

Experiment 7

CH>CH,CH;Br + CH;0- > CH;CH>CH3»Br + CH;S”

CH;OH

———>

CH,CH>CH,OCH; + Br”

nichtsch

CH;>CH;CH3SCH; + Br”

sehr schnell

Experiment 8

CH5E-HN(CH,J SEAN CHIHT>

schnell

CHST > PERF

schneller

FIR

Ergebnis: Innerhalb einer Gruppe nimmt die Nucleophilie nach unten hin zu, während man aufgrund der Basızität der eingesetzten Nucleophile gerade das Gegenteil erwartet. Schwefel-Nucleophile sind reaktiver als Sauerstoff-Nucleophile, aber weniger reaktiv als entsprechende Selen-Verbindungen. Das gleiche gilt für Phosphor-Nucleophile verglichen mit Stickstoff-Nucleophilen. Wie läßt sich das erklären? In der nun folgenden Diskussion unterscheiden wir zwischen neutralen und geladenen Nucleophilen. Für die zunehmende Nucleophilie negativ geladener Nucleophile innerhalb einer Gruppe von oben nach unten scheinen im wesentlichen Solvenseffekte verantwortlich zu sein. Beim Lösen einer Festsubstanz werden die intermolekularen Kräfte, die sie im festen Zustand zusammenhalten (Abschn. 2.4), durch Mole-

kül-Solvens-Wechselwirkungen abgelöst. Dieses Phänomen bezeichnet man als Solvatation. Ein Molekül in Lösung ist von einer Solvathülle umgeben, d.h. es wird von Lösungsmittelmolekülen solvatisiert. Salze gehen nur in sehr polaren Solventien, wie Wasser und Alkoholen, in Lösung. Wie wirken sich Solvatationseffekte

auf die Stärke eines Nucleophils,

seine Nucleophilie, aus? Generell wird die Nucleophilie durch Solvatation geschwächt, denn die Solvathülle, die sich um das Nucleophil bildet, behindert den nucleophilen Angriff auf das Elektrophil. Hınzu kommt, daß kleinere Ionen stärker solvatisiert sind als große, da sie eine höhere Ladungsdichte aufweisen. Abbildung 6-6 illustriert diesen Effekt für Methanol als Lösungsmittel. Das kleinere Fluorid-Ion ist viel stärker solvatisiert als das größere lodid-Ion. Trifft dies für alle Lösungsmittel zu?

A

B

Abb. 6-6 Vereinfachte schematische Darstellung der unterschiedlichen Solvatation von (A) einem kleinen Anion (F‘) und (B) einem großen Anion (1). Die dichtere Solvenshülle um das kleinere F* beeinträchtigt seine Fähigkeit zur Teilnahme an nucleophilen Substitutionen.

226

Protische und aprotische Lösungsmittel: die Wirkung von Wasserstoffbrücken-Bindungen

6.9

Einfluß der Nucleophilie auf die Sy2-Reaktion

In einigen polaren Lösungsmitteln wie Methanol, Ethanol und Wasser ist ein Wasserstoffatom an ein elektronegatives Atom Y gebunden.

Hier liegt also eine stark polarisierte H’ — Y? -Bindung vor. Wegen des protonenähnlichen Charakters des Wasserstoffatoms nennt man das Lösungsmittel protisch. Protische Lösungsmittel werden oft bei nucleophilen Substitutionen eingesetzt, sie solvatisieren Salze besonders gut, weil das kleine, positiv polarisierte Wasserstoffatom gut mit dem Anion des Salzes in Wechselwirkung treten kann. Diese Wechselwirkung nennt man Wasserstoffbrücken-Bindung, sie wird in Abschnitt 8.2 ausführlicher besprochen. Polare Lösungsmittel, in denen kein positiv polarisiertes Wasserstofffatom auftritt, nennt man aprotisch. Auch aprotische Lösungsmittel wie Propanon (Aceton) sind bei Syn2Reaktionen sehr nützlich. Da in diesen Medien keine Wasserstoffbrükken gebildet werden, ist das Nucleophil hier sehr viel weniger fest solvatisiert, es liegt sozusagen fast „nackt“ vor. Dadurch ist seine Reaktivität oft drastisch gesteigert. Die Umsetzung von Brommethan mit Kaliumiodid zu Iodmethan verläuft zum Beispiel in Propanon (Aceton) ungefähr 500mal schneller als in Methanol. In Tabelle 6-5 sind verschiedene polare aprotische Lösungsmittel zusammengestellt. Sie zeichnen sich aus durch Abwesenheit von positiv

Tabelle 6-5 Polare aprotische Lösungsmittel Name

Formel

Propanon

Siedepunkt in °C

|

Dielektrizitäts-

Dipolmoment (zw) in

konstante

(sem

56.5

20.70

9,6

CH5C=N

81.8

37.5

13.1

a) HCN(CH;3)3)2

39,9 39.9

36. 36.71

& 12.9

22

2.9

111.0

12.4

46.6;

3; 13.0

30

14.4

43.3

16.0

(Aceton)

CH;CCH3

EN (Acetonnitril) N, N-Dimethylmethanamid N Dimethyl.

kP; (13 (1.3 kPa)

formamid, DMF)

6) | HCNCH;

N-Methylmethanamid* (N-Methylformamid)

>

2

na

H

Methanamid*

|

rad)

HCNH3

Dimethylsulfoxid

|

(DMSO)

CH3SCH3

Hexamethylphosphorsäure-

| FAR

mid

Ba

TEREE)

(CH3);N

|

N(CH3)»

N

IIE@777KP3)

ä

P kPa) B 87 (2.7

i

100 (0.8 kPa)

N

(HMPT)

(CH3),

Sulfolan

>

283

HAN

(6) # No * noch schwach protisch

227

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

Tabelle 6-6 Relative Sy2-Reaktionsgeschwindigkeiten von Iodmethan mit dem Chlorid-Ion in verschiedenen Lösungsmitteln CH;I au all

Lösungsmittel et

CH,OH 1

een!

HCONH; 12.5

CH;CI

Te

HCONHCH,; 45.3

HCON(CH3»)» 1200 000

polarisierten Wasserstoffatomen, die an Wasserstoffbrücken teilnehmen könnten, durch hohe Dipolmomente und hohe Dielektrizitätskonstanten. Die Dipolmomente polarer Moleküle wurden bereits in Abschnitt 1.6 diskutiert. Die Dielektrizitätskonstante eines Lösungsmittels ist ein Maß für seine Fähigkeit, ein positiv geladenes Ion M* von dessen Gegenion X” zu trennen. In unpolaren Lösungsmitteln neigen Salze, auch wenn sie sich darin lösen, zur Ausbildung von Ionenpaaren M'X” und komplexeren Aggregaten, die in Sy2-Reaktionen nur mäßig reaktiv sind. Mit diesem Verhalten läßt sich erklären, weshalb nucleophile Substitutionen in Lösungsmitteln mit hoher Dielektrizitätskonstante rascher verlaufen. Die Bedeutung von Solvenseffekten bei diesen Reaktionen wird

deutlich,

wenn

man

die

Geschwindigkeit

der

Substitution

von

Iodid in Iodmethan durch Chlorid in verschiedenen Lösungsmitteln vergleicht. Testet man Methanol (protisch), Methanamid (Formamid, schwach protisch), N-Methylmethanamid (N-Methylformamid, sehr schwach protisch), und

N,N-Dimethylmethanamid (N,N-Dimethylforma-

mid, DMF, aprotisch), erhält man die unterschiedlichsten Ergebnisse (8. Tab. 6-6). Die Reaktion verläuft in DMF mehr als eine Million mal schneller als in Methanol. Solvenseffekte bewirken auch, daß sogar Dimethylpropylderivate in einem polaren aprotischen Lösungsmittel bereitwillig in einer Sy2-Reaktion reagieren: OÖ

(CH3)3CCH30S

|

.

ee

N

Er

2,2-Dimethylpropyl4-methylbenzolsulfonat

90%

3,3-Dimethylbutannitril

Wie stark sich Solvenseffekte

auf die relative Reaktivität auswirken,

zeigt sich auch in einem weiteren Befund. Wir wissen, daß kleine Ionen in protischen Lösungsmitteln stärker solvatisiert sind als große. Dies erklärt, weshalb die Nucleophilie der Halogenide in der Gruppe nach unten hin zunimmt. In aprotischen Lösungsmitteln, in denen Solvatation nicht mehr die überragende Rolle spielt, sollte sich diese Reihenfolge ändern. Tatsächlich nimmt in DMF die Nucleophilie in der Reihe Cl’ > Br” > I’ ab, was nun auch mit der Abstufung der Basizitäten übereinstimmt. In Propanon (Aceton) gilt dieselbe Reihenfolge wie in Alkoholen, die Unterschiede in der Reaktivität sind jedoch geringer.

Zunehmende Polarisierbarkeit erhöht die Nucleophilie Die hier beschriebenen Solvenseffekte sollten nur bei geladenen Nucleophilen stark ausgeprägt sein. Dennoch nimmt die Nucleophilie auch ungeladener Nucleophile in der Gruppe nach unten hin zu, z.B. H,Se > HS > H,O und PH; > NH;. Für die beobachteten Anderungen der Nucleophilie muß es daher noch einen anderen Grund geben. Beziehen wir deshalb die Polarisierbarkeit des Nucleophils in unsere. Überlegungen mit ein. Die Elektronenhüllen von schweren Elementen sind

größer,

diffuser

und

leichter

polarisierbar.

Diese

bessere

„Verschiebbarkeit“ erlaubt eine wirksamere Überlappung im Übergangszustand mit dem langsam zu sp’ rehybridisierenden Orbital, das 228

Sp-Orbital, zum elektrophilen Kohlenstoff hin polarisiert

2p-Orbital, u kaum polarisiert

hinterer Lappen

A

des sp°’-Hybridorbitals

B

Abb. 6-7 Vergleich von I" und F’ während einer Syn2-Reaktion: (A) Orbital von Iodid ist zum elektrophilen Kohlenstoff ausgerichtet. (B) baren Punkt auf der Reaktionskoordinate besteht hier eine geringere schlecht polarisierbaren 2p-Orbitals von Fluorid mit dem elektrophilen

Das polarisierte 5pAn einem vergleichWechselwirkung des Kohlenstoff im Ver-

gleich zu (A).

an die Abgangsgruppe gebunden war (Abb. 6-4). Aus dem gleichen Grund sind größere Elemente schwächer basisch als kleinere, da sie schlechter mit dem 1s-Orbital von Wasserstoff überlappen können. In Abbildung 6-7 wird die unterschiedliche Reaktivität von Iodid und Fluorid in Sy2-Reaktionen deutlich. 0 Übung 6-19 Welche oder

Verbindung

ist stärker nucleophil:

(a) CH;SH

oder CH;3SeH;

(b) (CH;);NH

(CH3;);PH?

Sterisch gehinderte Nucleophile reagieren schlecht Wir sahen, daß eine feste Solvathülle das Nucleophil in seiner Reaktivität beeinträchtigt. Auch raumerfüllende Substituenten im Molekül selbst stellen solche sterischen Hindernisse dar. Ihren Einfluß auf die Reaktionsgeschwindigkeit zeigt Experiment 9. Experiment 9

CHaL-HCH307.——. CH30CH, + 7 CH, CH3l

CH, —> CHzOCCH3 + I”

CH;

schnell langsamer

CH;

Ergebnis: Sterisch’ gehinderte Nucleophile reagieren langsamer.

U Übung 6-20 "

Welches der beiden Nucleophile (a) oder (b) reagiert rascher mit Brommethan?

(a) CH3S oder u,

Fe

(b) (CHz)-NH oder (CH3CH)>NH.

CHz

Nucleophile Substitutionen können reversibel sein Die Halogenid-Ionen Cl, Br” und I sind sowohl gute Nucleophile als auch gute Abgangsgruppen, daher sind Sy2-Reaktionen auch reversibel. In solchen Fällen muß experimentell ermittelt werden, auf welcher Seite des Reaktionspfeiles das Gleichgewicht liegt. Bindungsstärken 229

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

alleine sind zur Bestimmung der thermodynamischen Gleichgewichtslage nicht ausreichend, da diese Berechnungen die Solvatationsenergien nicht berücksichtigen. Sie sehen, die Bestimmung der Gleichgewichtslage ist eine komplexe Aufgabe. Zum Beispiel sind in Propanon (Aceton) die Reaktionen zwischen Lithiumchlorid und primären Brom- und Iodalkanen reversibel, und das Gleichgewicht liegt auf der Seite der Chloralkane.

CH;CH>CH;CH3>I + LiC]

Propanon (Aceton)

=

CH;CH;CH;CH3;Cl + Lil

Das Ergebnis steht mit den relativen Bindungsstärken in Produkten und Ausgangsmaterialien in Einklang (DH°c.cı = 335 kJ/mol gegenüber DH’. = 222 kJ/mol). Man kann das Gleichgewicht jedoch durch einen einfachen Trick auf die andere Seite hin verschieben: Während alle Lithiumhalogenide in Aceton gut löslich sind, nimmt die Löslichkeit der Natriumhalogenide in der Reihenfolge Nal > NaBr > NaCl drastisch ab; letzteres ist in Aceton nahezu unlöslich. In der Tat wird das Gleichgewicht der Reaktion zwischen Nal und einem primären oder sekundären Chloralkan in Aceton vollständig auf die Seite des Iodalkans verschoben (im Gegesatz zur gerade angesprochenen Reaktion), da NaCl aus der Reaktionslösung ausfällt und somit dem Gleichgewicht entzogen wird. Propanon

CH3;CH>,CH>CH;C1 + Nal

(Aceton)

=

CH;CH;CH;CH)I + NaCl unlöslich in Propanon

Die Gleichgewichtslage von Reaktion 3 in Tabelle 6-3 kann in derselben Weise beeinflußt werden. Wenn das Nucleophil in einer Sy2-Reaktion jedoch eine starke Base ist (z.B. OH oder CH;O°, vgl. Tab. 2-6), ist es keine gute Abgangsgruppe. In solchen Fällen ist die Gleichgewichtskonstante sehr groß, so daß die Substitutionsreaktion nahezu irreversibel ist (Tab. 6-3, Reaktionen 1 und 2). Nucleophilie hängt also von einer ganzen Reihe von Faktoren ab. Sie nimmt im Periodensystem von rechts nach links und von oben nach unten hin sowie mit zunehmender negativer Ladung zu. In Tabelle 6-7 werden die Reaktivitäten verschiedener Nucleophile mit der Reaktivität von Methanol (willkürlich 1 gesetzt) verglichen. Hier sehen Sie die Ergebnisse dieses Abschnitts bestätigt. Tabelle 6-7 Relative Reaktionsgeschwindigkeiten verschiedener Nucleophile mit Iodmethan Nucleophil

Relative Geschwindigkeit

CH;OH NO; FT

1 2 500

SO

3160 10)

en cr CH;CH>SCH;CH; NH;

230

20 000 23500 219000 316000

Nucleophil

CH;SCH; N; Br”

Relative Geschwindigkeit

347000 603000 617000

CH;O°

1950 000

CH;SeCH;

2090. 000

ENT (CH3CH3)3As I HS7

5010000 7940000 26 300. 000 100 000.000

6.10 Der Einfluß der Substratstruktur auf dıe Geschwindigkeit der nucleophilen Substitution

6.10 Der Einfluß der Substratstruktur auf die Geschwindigkeit der nucleophilen Substitution

Beeinträchtigt die Struktur des Substrats, besonders in der Nähe des Reaktionszentrums, die Geschwindigkeit des nucleophilen Angriffs? Wie in den vorhergehenden Abschnitten können wir Reaktivitäten in etwa abschätzen, indem wir die Reaktionsgeschwindigkeiten verschiedener Halogenalkane mit passenden Nucleophilen miteinander vergleichen. Aussagen über relative Reaktivitäten erhält man am einfachsten durch ein Konkurrenzexperiment. In einem solchen Test wird ein äquimolares Gemisch von zwei Substraten, deren Reaktivität wir vergleichen wollen, mit einem Unterschuß (i.allg. 0.05-0.1 Moläquivalente) des Reagenzes umgesetzt. Das Mengenverhältnis der beiden möglichen Produkte gibt uns unmittelbar Aufschluß über die relativen Geschwindigkeiten,

mit

denen

die

beiden

Substrate

um

das

Nucleophil

konkurriert

haben.

Kettenverlängerung um ein oder zwei Kohlenstoffatome verringert die Sn2-Reaktivität Zuerst wollen wir untersuchen, ob das Hinzufügen von Methylengruppen zu einem Halogenmethan dessen Sy2-Substitutionsgeschwindigkeit beeinflußt. Zu diesem Zweck starten wir ein Konkurrenzexperiment, in dem eine 1:1-Mischung von Chlormethan und Chlorethan mit einer kleinen Menge lodid umgesetzt wird. Experiment 10 CH;C1 + CH5CH;CI| Verhältnis

T —

|CH3l + CH>CHJI | + eingesetzte Chloralkane

kleine

1

1

+

Menge

Verhältnis

80

1

Aus dem Experiment geht hervor, daß Chlormethan ungefähr achtzig Mal schneller als Chlorethan mit Iodid reagiert. Wird dieser Unterschied durch eine weitere Methylengruppe noch größer? Ein ähnliches Experiment mit Chlormethan und 1-Chlorpropan als Konkurrenten soll uns darüber Auskunft geben. Experiment 11 CH;C1 + CH;CH;CH;CI

+ 7 —

Verhältnis

kleine

1

1

Menge

|CH3I + CH>5CH;CHJI | + eingesetzte Chloralkane Verhältnis

150

il

Wie man sieht, wird die Reaktivität des Chloralkans durch die Verlän-

gerung der Alkylkette fast um den Faktor zwei erniedrigt. Dieses Ergebnis kann durch ein unabhängiges Kontrollexperiment bestätigt werden. Man findet nämlich, daß Chlorethan etwa doppelt so reaktiv wie 1-Chlorpropan ist. Diese Tendenz setzt sich jedoch nicht fort! Alle höheren Halogenalkane zeigen etwa die gleiche Reaktivität gegenüber Nucleophilen. Gibt es nun eine Erklärung für die bei diesen Experimenten gemachten Beobachtungen? Man findet eine Erklärung des Phänomens, wenn man überlegt, wie sich das Nucleophil dem Elektrophil nähert (Abb. 6-8). Die Reaktion verläuft etwa so wie die von Chlormethan mit dem Hydroxid-Ion (Abb. 6-4 und 6-8A). Das Nucleophil wird auf seinem Weg nicht be-

231

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

H

Ne H Methyl kaum sterisch gehindert

Propyl (Konformation

[6

1, anti)

(Methylgruppe behindert den Angriff des Nucleophils erheblich)

Abb. 6-8 Sy2-Angriff eines Nucleophils Nu” auf (A) ein Halogenmethan, (B) ein Halogenethan und (C) drei verschiedene Konformationen eines 1-Halogenpropans. Die schattierten Gebiete heben die sterische Wechselwirkung mit dem Nucleophil hervor. Der Einfachheit halber sind die Partialladungen weggelassen (s. Abb. 6-3).

Ethyl Ein Wasserstoffatom behindert die Annäherung des Nucleophils

Propyl (Konformation 2)

Propyl (Konformation 3)

(Hinderung durch ein

wie in Konformation 2

Wasserstoffatom wie in Ethyl;

CH; steht gauche zur Abgangsgruppe X)

hindert. Ersetzt man jedoch im Halogenmethan ein Wasserstoffatom durch eine Methylgruppe, so stören die zusätzlichen Wasserstoffatome wegen ihrer räumlichen Ausdehnung den Angriff des Nucleophils (Abb. 6-8B). Dadurch wird die Reaktivität im Vergleich zur analogen Reaktion mit einem Halogenmethan erheblich herabgesetzt (um den Faktor 80 in Experiment 1). Bei den 1-Halogenpropanen mit einer weiteren Methylgruppe in der Nähe des Reaktionszentrums ist die Reaktivität jedoch nur wenig vermindert, weil das Molekül eine von zwei möglichen gestaffelten Konformationen (2 und 3 in Abb. 6-8C) annehmen kann, in denen die zusätzliche Methylgruppe außerhalb des Angriffsweges des Nucleophils liegt. Diese beiden für die nucleophile Substitution so günstigen Konformationen sind jedoch relativ energiereiche Rotamere, weil die Methylgruppe gauche zum Halogenatom steht. Andererseits würde in der energieärmsten und damit stabilsten anti-Konformation 1 die Methylgruppe genau im Angriffsweg des Nucleophils liegen und damit die Reaktion verhindern. Deshalb muß ein Molekül der Konformation 1 zuerst eine energiereichere gauche-Form (2 oder 3) durchlaufen, um zu einer Sy2-Reaktion fähig zu sein. Dieser geringe Energieaufwand führt dazu, daß sich die Reaktionsgeschwindigkeit im Vergleich zu einem Halogenethan weiter verringert. Eine weitere Kettenverlängerung bringt keinen zusätzlichen Nachteil, da die neuen Kohlenstoffatome immer Bestandteil eines energiearmen Konformers sein können, das den Angriff des Nucleophils nicht beeinträchtigt.

Verzweigungen am reaktiven Kohlenstoffatom erniedrigen die Geschwindigkeit der nucleophilen Substitution Bei Sy2-Reaktionen ruft der Ersatz eines Wasserstoffatoms in einem Halogenmethan durch eine Methylgruppe eine deutliche sterische Hinderung hervor (Abb. 6-8B). Was geschieht nun, wenn man der Reihe nach alle drei Wasserstoffatome durch Methylgruppen ersetzt? Mit anderen Worten, wie unterschiedlich sind die Reaktivitäten von Halogenme-

232

Abb. 6-9 Sterische Auswirkungen von Verzweigungen am reaktiven Kohlenstoffatom bei Sy2-Reak-

tionen. Angriff eines Nucleophils auf (A) ein Halogenmethan, (B) ein Halogenethan, (C) ein 2-Halogenpropan und (D) ein 2-Halogen-2-methylpropan. Die zunehmende sterische Hinderung verhindert schließlich den Angriff des Nucleophils auf das elektrophile Kohlenstoffatom (s. auch

Abb. 6-8).

1,1-Dimethylethyl

1-Methylethyl C

D

thanen, primären, sekundären und tertiären Halogeniden bei der bimo-

Tabelle 6-8 Relative Sy2-Reak-

lekularen nucleophilen Substitution? Konkurrenzexperimente, wie wir sie bereits am Beispiel der Chloralkane kennengelernt haben, zeigen, daß die Reaktivität rasch mit zunehmender Substitution abnimmt (Tab. 6-8). Die sukzessive Einführung von Alkylgruppen hat also einen kumulativen Effekt auf die sterische Hinderung der Substitution (Abb. 6-9). Die Daten der Tabelle 6-8 gelten ausschließlich für einen bimolekularen Mechanismus. Tertiäre (und manche sekundäre) Halogenide können aber auch nach anderen Mechanismen reagieren (Kap. 7).

tionsgeschwindigkeiten verzweigter Bromalkane mit lodid

Übung 6-21 Welche relativen Geschwindigkeiten erwarten Sie für die Sy2-Reaktionen der folgenden Substratpaare mit Cyanid-Ionen?

Br

(a)

CH;

und

Br

:

(b) es,

[

CB

r

und

Bromalkan

Geschwindigkeit

CH,Br

145

CH;CH,Br @}3

1

CH.CHBr

0.0078

RE

|

CH;CBr

vernachlässigbar

CH,

CH;>CH>CH3>Br.

CH; Verzweigungen in der Nachbarschaft des reagierenden Kohlenstoffatoms verlangsamen die Sy2-Reaktion Wir können uns nun eine Reihe von Experimenten überlegen, um die Wirkung mehrerer Substituenten am Kohlenstoffatom neben dem elektrophilen Reaktionszentrum zu untersuchen. Die Reaktivitäten verschie“ dener Bromalkane relativ zu Bromethan (willkürlich 1 gesetzt) sind in der Tabelle 6-9 dargestellt. Die Tabelle enthält außerdem zwei Verbindungen, bei denen die Verzweigung noch weiter vom Brom-substituierten Kohlenstoffatom entfernt ist. Man bemerkt eine drastische Verminderung der Reaktivität bei den höher substituierten 1-Brompropanen: 1-Brom-2-methylpropan reagiert mit Iodid in einer Sn2-Reaktion um zwei Größenordnungen langsamer als 1-Brompropan. 1-Brom-2,2-dimethylpropan reagiert so langsam, daß man es als inert betrachten kann. Also gilt folgende Reaktivitätsreihe:

233

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

Tabelle 6-9 Relative Reaktivität verzweigter Bromalkane mit Iodid

Bromalkan

Relative Geschwindigkeit

Bromalkan

H

Relative Geschwindigkeit

CH3

Ber

1

j

Ba

1.3200

CH,

H

CH3

CH;CCH»Br

0.8

Eher

H

=

CH;

CH;

CH;CCH3Br

0.003

Re

0.03

a,

H

1

It

CH3

CH,CCH»Br

13210,°

CH3

Methyl- > Ethyl- > Propyl- > 2-Methylpropyl- > 2,2-DimethylpropylIst die Verzweigungsstelle allerdings noch weiter vom Brom-substituierten Kohlenstoffatom

entfernt, so wird der retardierende

Einfluß der

Substituenten wieder wesentlich geringer (vgl. die rechte Spalte von Tabelle 6-9). Wie kann man das verstehen? Erinnern Sie sich, daß aus sterischen Gründen Halogenpropane weniger reaktiv sind als Halogenethane (Abb. 6-8). Ähnlich lassen sich die Reaktionen der Tabelle 6-9 bildlich darstellen (Abb. 6-10). Ein 1-Halogen-2-methylpropan kann nur eine Konformation annehmen, bei der ein Angriff des Nucleophils von der Rückseite möglich ist (Abb. 6-10C). Bei dieser Konformation stehen zwei Methylgruppen gauche zum Halogenatom, was mit starker sterischer Spannung verbunden ist, bei 1-Halogenpropan dagegen nur eine. 1-Halogen-2-methylpropan bildet deshalb ein größeres sterisches Hindernis, deshalb sind 1-Halogen-2,2-dimethylpropane für einen Rückseitenangriff fast völlig unzugänglich (Abb. 6-10E und F). | Übung 6-22 ‚ Bestimmen Sie die Reihenfolge der Sy2-Reaktivität von

en, J Be

und

Br

Halogencycloalkane: Die Ringgröße beeinflußt die Geschwindigkeit der Sy2-Reaktion Sy2-Reaktionen an Halogencycloalkanen weisen beträchtliche Unterschiede in der Reaktionsgeschwindigkeit auf, die von der Ringgröße abhängen. Die stark gespannten Halogencyclopropane z.B. sind völlig unreaktiv,

was

sich mit der Struktur

des Übergangszustandes

erklären

läßt. Wie wir in Abbildung 6-4 gesehen haben, ist das Kohlenstoffatom, an dem die Substitution stattfindet, im Übergangszustand sp -hybridisiert, wobei der normale Bindungswinkel 120° betragen müßte. Der Cyclopropanring läßt sich aber kaum über 60° hinaus verzerren (Abb. 234

D

F

E

Abb. 6-10 Sterische Hinderung bei einer Sy2-Reaktion von 1-Halogen-2-methylpropanen (A bis D) und 1-Halogen-2,2- dimethylpropanen (E und F). Bei einem 1-Halogen-2-methylpropan behindern in den Konformationen A und B Methylgruppen die Annäherung des Nucleophils; nucleophile Substitution ist nur bei Konformation C möglich, hier stellen jedoch die beiden gauche-stehenden Methylgruppen ein erhebliches Hindernis dar (Teil D zeigt eine Newman-Projektion dieser Konformation). Bei 1-Halogen-2,2-dimethylpropanen schirmen in jeder Konformation Methylgruppen die Rückseite des Halogen-substituierten Kohlenstoffatoms vor dem Nucleophil ab, wie in E und F gezeigt wird.

4-1). Der Übergangszustand würde also unter zusätzlicher starker Spannung stehen (Abb. 6-11). Damit wird die Reaktion praktisch unmöglich. Ähnliches gilt für die relativ geringe Reaktivität von Halogencyclobutanen, obwohl diese — wenn auch zögernd — Sy2-Reaktionen eingehen. Substitutionen bei Halogencyclopentanen verlaufen ähnlich rasch wie bei deren alicyclischen Analoga, z.B. 2-Halogenpentanen. Halogencyclohexane jedoch reagieren langsamer, obwohl man bei ihnen eine bereitwillige sp’-Hybridisierung am reaktiven Kohlenstoffatom erwartet. Es scheint, daß hier sterische Gründe vorliegen: Der Angriff des Nucleophils ist bei äquatorialer Stellung der Abgangsgruppe behindert, die axiale Stellung der Abgangsgruppe ist für deren Austritt sterisch ungünstig (Abb. 6-12).

A

Abb. 6-11 Hypothetischer Übergangszustand während einer Sn2-Reaktion eines Halogencyclo-

propans.

B

Abb. 6-12 A. Ein Nucleophil nähert sich dem äquatorialen Halogenid X. Die sterische Behinderung durch die beiden axialen Wasserstoffatome an C3 und C5 ist offensichtlich. B. Substitution eines axialen Halogenids X. Der Austritt ist sterisch behindert.

235

Kasten 6-3

Das Dilemma mit dem Brommethan: Vielseitig verwendbar aber auch sehr giftig

Brommethan (CH;Br) kann sehr einfach und preiswert synthetisiert werden, deshalb wird es häufig in vielen Bereichen eingesetzt. Brommethan wird beispielsweise zum Ausräuchern von Insekten an großen Lagerplätzen wie Warenlager und Güterwagons,

verwendet.

Es ist ferner wirk-

sam bei Insektenbefall im Boden sowie in der Umgebung einer großen Zahl von Nutzpflanzen wie Kartoffeln und Tomaten. Seine Nützlichkeit

tionen ein, schädigt dies das Lungengewebe, führt zu Lungenödemen und zum Tod. Die maximale Arbeitsplatzkonzentration (MAK-Wert) für Brommethandampf in einer gut belüfteten Umgebung beträgt 20 ppm. Wie bei vielen nützlichen Substanzen, die in großen Mengen eingesetzt werden, bedeutet die Toxizität von Brommethan ein Dilemma, das uns zur außerordentlich verant-

wortungsvollen Kontrolle seiner Anwendungen zwingt. Nützlichkeit und Sicherheit sind oft schwer miteinander vereinbar, und die Kosten für Mensch, Umwelt und Wirtschaft müssen äußerst

vorsichtig gegeneinander abgewogen werden.

resultiert aus der hohen Toxizität und Sy2-Reaktivität. Lebenswichtige Prozesse hängen häufig von

Molekülen wie Amine (-NH, und verwandte Funktionen) und Thiolen (-SH) ab, die nucleophile Gruppen enthalten. Die biochemischen Funktionen ihrer Substituenten sind sehr zahlreich und vielfältig, und sie spielen eine wichtige Rolle für das Überleben vieler Organismen. Sehr reaktive Elektrophile wie Brommethan schädigen stark

die

biochemischen

Prozesse,

in

dem

sie

über einen Sn2-Mechanismus diese nucleophilen Moleküle alkylieren, (hier: methylieren; siehe nachfolgenden Mechanismus). In einigen dieser Reaktionen wird HBr als Nebenprodukt gebildet, wodurch die Gefahr von Brommethan für Lebewesen verstärkt wird. Die Toxizität von Brommethan ist nicht nur auf Insekten beschränkt. Beim Menschen können durch den Kontakt zahlreiche Gesundheitsprobleme verursacht werden: Der direkte Kontakt führt zu Hautverätzungen; Langzeitschäden werden an Niere, Leber und dem zentralen Nerven-

Rn

CH;

Lie

Frank

„Brommethan-Unterschied“ rechte ist mit Brommethan

handelten Feld geschädigt.

system beobachtet. Atmet man große Konzentra-

=

Pflanzenpathologe

ers

em Br —> R-S:-H + Br —

gewachsen,

Westerlund anhand

demonstriert

zweier

Erdbeeren:

den Die

behandelt, die linke, in einem unbe-

ist infolge

Verticilliumpilz-Befall

di

R—S—CH; + HBr

Zusammenfassend kann man sagen, daß die Struktur des Alkylteils von Halogenalkanen einen ausgeprägten Effekt auf den nucleophilen Angriff haben kann. Konkurrenzexperimente haben gezeigt, daß die einfache Kettenverlängerung nur geringen Einfluß auf die Geschwindigkeit von Sy2-Reaktionen hat, Verzweigungen jedoch zu einer starken sterischen Hinderung und damit zu einer Verlangsamung der Reaktion führen.

Verständnisübung a Formulieren Sie einen Mechanismus und geben Sie das Endprodukt der Reaktion zwischen Natriumethanolat, NaOCH,CH;, und Bromethan, CH,CH3>Br, in Ethanol, CH;CH;>OH, an.

236

Lösung

Verständnisübung

Der Mechanismus ist ein konzertierter Rückseitenangriff. Das Nucleophil greift dabei das Substrat an, das die Abgangsgruppe trägt (Sn2Reaktion, Abschnitt 6.6). Wir beginnen mit der Identifizierung einer jeden der Komponenten. Das nucleophile Atom ist das negativ geladene Sauerstoffatom im Ethanolat, CH;CH,O . Der Angriff erfolgt an demjenigen Kohlenstoffatom im Substratmolekül CH;CH3»Br, an das die Abgangsgruppe Br” gebunden ist. H;C CHCHO

DER H

%

CH;CH;0—CH;CH;

ar lie

H Man erhält als Produkt ein Bromid-Ion H;CCH;0OCH3CH;.

und den Ether Ethoxyethan,

b Wie würde diese Reaktion beeinflußt werden, falls folgende derungen durchgeführt würden: 1. Verwendung von Fluorethan anstatt Bromethan. 2. Verwendung von Brommethan anstatt Bromethan. 3. Verwendung von Natriumethanthiolat, NaSCH,CH;,

Än-

anstatt Natrium-

ethanolat. 4. Verwendung von Dimethylformamid (DMF) anstatt Ethanol.

Lösung 1. Wie wir Tabelle 6-4 entnehmen können, ist Fluorid die stärkere Base als

Bromid und deshalb eine schlechtere Abgangsgruppe. Die Reaktion würde zwar mit Fluorethan weiterhin stattfinden, jedoch sehr viel langsamer. (Die Reaktionsgeschwindigkeit wird um den Faktor 10°? verlangsamt.) 2. Brommethan ist sterisch weniger gehindert als Bromethan, so daß die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht wird (Abschnitt 6.10). Als Produkt würde man anstelle von Diethylether hier Methoxyethan, CH;OCH;CH;, erhalten. 3. Sowohl das Ethanolat als auch das Thiolat sind negativ geladen. Das Sauerstoffatom im Ethanolat ist stärker basisch als das Schwefelatom im Thiolat (s. Tab. 6-4). Jedoch ist Schwefel stärker polarisierbar und wird nicht so stark durch Wasserstoffbrückenbindungen im Ethanol solvatisiert.

Wir wissen,

daß starke Basen

gute Nucleophile

sind, aber

in diesem Fall geben Polarsierbarkeit und geringere Solvatation des größeren Atoms der selben Gruppe des Periodensystems (s. Abschn. 6.9) und nicht die Basenstärke den Ausschlag: Ethanthiolat reagiert hundertmal: schneller als Ethanolat. Man erhält als Produkt das Sulfid CH;CH3SCH3>CH;, (Abschn. 9.10). 4. Wird anstelle eines protischen, Wasserstoffbrückenbindungen bildenden Lösungsmittels ein polares aprotisches verwendet, so wird die Reaktion enorm beschleunigt, da das negativ geladene Sauerstoffatom weniger solvatisiert wird.

ce

Welche

nismus

mit

in Ethanol Antwort!

der folgenden

Moleküle

ausreichender

reagieren?

Welche

Nr) En (iv)

OH

werden

Geschwindigkeit

nicht?

>

W ee

nach mit

einem

Sy2-Mecha-

Natriumazid,

Begründen

Sie

jeweils

NaN;,

Ihre

(ii) er Br cı (wi) “CN 237

Lösung

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

Unter welchen Vorraussetzungen findet eine Sy2-Reaktion statt? Wir benötigen ein starkes Nucleophil, ein geeignetes Substrat und eine gute Abgangsgruppe. In allen Beispielen ist uns das Nucleophil bereits vorgegeben. Daher lenken wir unsere Aufmerksamkeit auf die anderen beiden Bestandteile. Die Verbindungen (i), (iv) und (vi) haben schlechte Abgangsgruppen: NH, , OH und CN sind zu basisch um eine gute Abgangsgruppe zu sein (s. Tab. 6-4). Diese Verbindungen können keine Syn2-Reaktion eingehen. Substrat (ii) enthält zwar eine gute Abgangsgruppe, aber das Reaktionszentrum ist ein tertiäres Kohlenstoffatom, das nicht nach einem Sn2-Mechanismus reagieren kann. Die verbleibenden Substrate (iii) und (v) sind beide primäre Halogenalkane mit guten Abgangsgruppen und ohne Verzweigung am reaktiven Kohlenstoffatom (Abschn. 6.10). Sie werden sehr schnell nach einem Sy2Mechanismus reagieren.

Wichtige Konzepte 1 Verbindungen, die aus einer Alkylgruppe und einem Halogenatom aufgebaut sind, bezeichnet man nach der IUPAC-Systematik als Halogenalkane, trıvial als Alkylhalogenide, wobei das Halogen und die Alkylgruppe gleichrangig sind. 2 Die physikalischen Eigenschaften der Halogenalkane sind weitgehend von der Polarität der C—X-Bindung und der Polarisierbarkeit des Halogens X geprägt.

3 Eine Verbindung reagiert als Nucleophil, wenn sie mit freien Elektronenpaaren ein positiv geladenes,

Proton einem

elektrophiles

ist) angreift. Austausch

von

Reaktionszentrum

Führt

diese

Substituenten,

8 Das Austrittsvermögen ist in etwa der Stärke der konjugierten Säure proportional. Chlorid, Bromid,

Iodid, Sulfonate und Wasser sind beson-

ders gute Abgangsgruppen. Hydroxid selbst ist eine schlechte Abgangsgruppe, durch die Reaktion mit Sulfonylchloriden oder durch Protonierung wird es in eine gute Abgangsgruppe überführt.

(das kein

Reaktion

zu

spricht man

von einer nucleophilen Substitution. Die durch das Nucleophil verdrängte Gruppe ist die Abgangsgruppe. 4 Die Reaktion von Nucleophilen mit primären (und den meisten sekundären) Halogenalkanen folgt einer Kinetik zweiter Ordnung, dies deutet auf einen bimolekularen Mechanismus.

5 Die bimolekulare nucleophile Substitution (Sn2) ist stereospezifisch und verläuft unter Inversion der Konfiguration am Reaktionszentrum.

6 Mit Hilfe von Orbitalen läßt sich der Übergangszustand der Sn2-Reaktion folgendermaßen beschreiben: Das Kohlenstoffatom, an dem die Reaktion stattfindet, ist sp’-hybridisiert, zum eintretenden Nucleophil wird eine Bindung aufgebaut, während gleichzeitig die Bindung zur Abgangsgruppe gelöst wird. Nucleophil und Abgangsgruppe tragen Partialladungen.

238

7 Bei gespannten Halogencycloalkanen finden Sn2-Reaktionen entweder gar nicht (z.B. bei Dreiringen) oder wegen der damit verbundenen Winkelspannung nur sehr schwer statt.

9 Die Nucleophilie steigt mit zunehmender negativer Ladung, im Periodensystem nach links und nach unten hin und in polaren aprotischen Lösungsmitteln. 10 Verzweigungen am Reaktionszentrum oder an dem diesem benachbarten Kohlenstoffatom verlangsamen die bimolekulare Substitution. Tertiäre Halogenide gehen keine Sn2-Substitutionen ein. Ihre Reaktionen werden in Kapitel 7 besprochen. 1-Halogen-2,2-dimethylpropane sind normalerweise gegenüber Nucleophilen inert.

11 Polare aprotische Lösungsmittel beschleunigen die Sy2-Reaktion; (a) indem hier „nackte“ Nucleophile ohne feste, durch Wasserstoffbrücken gebundene Solvathüllen vorliegen; (b) da sie aufgrund ihres Dipolmoments polare Moleküle gut lösen und (c) da sie aufgrund ihrer hohen Dielektrizitätskonstante die Entstehung von Ionenpaaren verhindern.

Aufgaben

ee

1 Benennen Sie folgende Verbindungen Nomenklatur.

(a)

CHSCHJCI

(d)

(b)

BrCH>CH>Br

(e)

(©

Gum

neu

CH,CH; 2

(f)

nach dem IUPAC-System

der

(CH3)3CCH>I

wo CHBrz

Zeichnen Sie die Konstitutionsformeln folgender Moleküle: (a) 3-Ethyl-2-iodpentan (b) 3-Brom-1,1-dichlorbutan (e) cis-1-(Brommethyl)-2-(2-chlorethyl)cyclobutan

(d) (Trichlormethyl)cyclopropan (e) 1,2,3-Trichlor-2-methylpropan 3 Zeichnen und benennen Formel C;H,BrCÜl.

Sie alle möglichen

Strukturisomere

der

4 Zeichnen und Formel CH Br.

Sie

Strukturisomere

der

benennen

alle

möglichen

5 Kennzeichnen Sie bei jedem Isomer der Aufgaben 3 und 4 die Chiralitätszentren, und geben Sie die Gesamtanzahl der Stereoisomeren an, die für diese Konstitution existieren. 6 Bezeichnen Sie bei den Reaktionen der Tabelle 6-3 (1) das Nucleophil, (2) dessen nucleophiles Atom (zeichnen Sie zuerst dessen LewisFormel), (3) das elektrophile Atom des organischen Substrats und (4) die Abgangsgruppe. 7 Für eines der Nucleophile aus Aufgabe 6 gibt es eine weitere LewisFormel. (a) Welches

Nucleophil

ist das?

Zeichnen

Sie die zweite

mögliche

Formel (sie ist eine alternative Resonanzformel). (b) Zeigt diese zweite Resonanzformel die Gegenwart eines weiteren nucleophilen Atoms? Wenn das der Fall ist, schreiben Sie die betreffende Reaktion in Aufgabe 6 um, indem Sie das neue nucleophile Atom angreifen lassen. Zeichnen Sie für das Produkt eine korrekte Lewis-Formel. 8 Inder nachstehenden Tabelle finden Sie die Geschwindigkeit der folgenden Reaktion bei verschiedenen Konzentrationen der Reaktanten:

GELCHEKSENN CHLSCN I KCl _ [CHzC1] in mol/L

[KSCN] in mol/L

0.1

0.1

0.2

0.1

0.2

0.3

0.4

0.4

Geschwindigkeit in mol/(L s)

22x10,

(a) Berechnen Sie die Geschwindigkeitskonstante dieser Reaktion. (b) Fügen Sie die fehlenden Werte der Reaktionsgeschwindigkeiten ein.

239

6 Eigenschaften und

9

Reaktionen der Halogenalkane

stitutionen an. angegeben.

Geben Sie das Produkt jeder der nachfolgenden bimolekularen SubDas

Lösungsmittel

dem

Reaktionspfeil

opnon een)

(a) CHSCH>CH>Br + Na't

(b) (CHS),CHCHSTFNa

ist jeweils über

cn 2m

(©) :CHsI + Na ÖGH(CH,), CSeEEBZ (0) CHSCHSBr + Nas SCH,CH, ol (e) [_J-ancı PCHLCHSSECH,CH,

ru

rung

(f) (CH3);CHOSO,CH3 + N(CH,), #220 , 10 Bestimmen Sie die Konfigurationen (R oder $) der Ausgangssubstanzen und der Produkte der folgenden Sx2-Reaktionen. Welche Produkte sind optisch aktiv? (a)

H

CH;

(©)

eG

Br

+ "OCCH3

CH>CH;3 (b)

el

m.

cl

H

H

Br

(d)

ä

:Cı

O

| + TOCCH3

HO

11 Welches Produkt (welche Produkte) entstehen bei der Reaktion von 1-Brompropan mit den folgenden Reagenzien? Findet in jedem Fall eine Reaktion statt? (a) H,O

(fh) HC

(b) H,SO,

() KOH

(d) Csl (e) NaCl

(g) (CH3),S

(h) NH,

GC, () KF

12 Geben Sie für die Produkte folgender Reaktionen - sofern sie stattfinden — passende Kurzstrukturformeln.

(). ®&)

CH,CH,OH

CH,CH,CH,CH,Br +K+0H —

5

DMF

CH,CH.I+K’C —

©

CH,OH ©: CH;CI + Lit-OCH,cH, HE,

()

(CH,),CHCH3Br + Cs’

0

, ©. »CH,CH,.CHLCIFRISEN > Hu. LCH,.CH,EHALI ER (@ -CH.CH.CH.oHT KL I,

®

Aufgaben

Na ters a

(ICH

_CH,CH,OCH;CH, + NatOH- =, OÖ

| "GBEHTERroccH, DE

N 13

Wie können die folgenden Umwandlungen ermöglicht werden?

OSO,CH3

N3

CH3

(a) (R)-CH3CHCH,CHz3 —> (S)-CH3CHCHJCH3

Er,

es

CN H

CH30 CH3

H

H

H

H

CH;

er

Hi:

14 Ordnen Sie die Miglieder der folgenden Gruppen (1) nach ihrer Basizität, (2) ihrer Nucleophilie und (3) ihrem Austrittsvermögen. Erklären Sie kurz ihre Reihenfolge:

(a) H;O, OH”, CH,;CO; (b) Br, Ch, F,T () NHz, NH;, PHz

(d) OCN”, SCN(e) Ba, OH. SICH Sr (D H,O, HS, NH;

15 Welches Produkt (welche Produkte) entstehen bei folgenden Reaktionen? Findet in jedem Fall eine Reaktion statt? (a)

(Di

CH3CH>CH>CH3

_CH3OH |

en Na’cı”

CHLCHLEI+ emorNa+ Br

H

H3C

N

(ce)

ia

Propanon (Aceton)

H

H3C H

n ’ (d) =

At Na'SCHz

HZ CH3CH;

Propanon

( A ceton)

CH3

OH

()

CGHLCHCH, + NaICcN > OH

)

en

»HcNIe >

OH (@) a

SHpr => N

(h) ch

„B CH,OH

IIKHSENn )-socncinci | Sn oO 3

241

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

)

CHICHNE, FT Nat

()

CHI+ NAT NB

(k)

en

Produkt von Teil j+ weiteres CH,I —>

I

®

N

Se

EN

I Nenn.

(m) HO

OCH3

CH;

| (n) CH3CHCH3Br +

_CH3CH2OH|

P

16 Nachdem Sie Kapitel 3 und 6 durchgearbeitet haben, suchen Sie das bestmögliche Verfahren, um die nachstehend aufgeführten Verbindungen zu synthetisieren. Verwenden Sie Propan als organische Ausgangsverbindung und nach Bedarf beliebig andere Reagenzien. Hinweis: Aufgrund

dessen,

was

Sie in Abschnitt

3.6 gelernt

haben,

werden

Sie

für a, ce und e keine besonders elegante Lösungen finden, es gibt jedoch ein allgemeines Verfahren, das in diesen Fällen das beste ist.

(a) 1-Chlorpropan (b) 2-Chlorpropan (ec) 1-Brompropan

(d) 2-Brompropan (e) 1-Iodpropan (f) 2-Iodpropan

17 Schlagen Sie vier Syntheseverfahren für trans-1-Methyl-2-(methylthio)ceyclohexan (siehe unten) vor. Gehen Sie dabei von den nachstehenden Ausgangsverbindungen aus. 3

CH3 (a) cis-1-Chlor-2-methyleyclohexan (b) trans-1-Chlor-2-methylcyclohexan (c) cis-2-Methylcyclohexanol

(d) trans-2-Methylcyclohexanol

18 Ordnen Sie die Verbindungen folgender Gruppen nach zunehmender Sy2-Reaktivität. (a)

CH;CH3Br,

CH3Br,

(b) (CH3)-CHCH>CH>CI, ()

CH3CH>CI,

CHsCH;jl,

(d) (CH3CH>)CHCH>Br,

(CH3)2CHBr.

(CH3)JCHCH;CI, (ya

EIDEIBEIDEHEN, (ash

242

(CH3),CHCI.

(CH3);CHCH>Br.

19 Wie wirken sich die nachstehend aufgeführten Änderungen auf die Reaktionsgeschwindigkeit aus?

Aufgaben

CHHOKS CEO I. CHKOCHSI HE (a) Ändern des Substrats: CH3I statt CH,Cl

(b) Ändern des Nucleophils: CH,S” statt CH,O° (c) Ändern des Substrats: (CH,),CHCI statt CH;Cl (d) Ändern des Lösungsmittels: (CH;),SO statt CH;OH

20 Die folgende Tabelle gibt die relativen Geschwindigkeiten der Reaktionen von CH;lI mit drei verschiedenen Nucleophilen in zwei verschiedenen Lösungsmitteln wieder. Nucleophil

‚

CE Br NCSe

k,eı. ;,CH;OH

kycı. , DMF

1 20 4x

1.2.x°10° 0,x.10° GEN:

10°

Was sagen diese Ergebnisse über die relative Reaktivität von Nucleophilen unter verschiedenen Bedingungen aus? 21 Ringe kann man durch intramolekulare Sy2-Reaktionen herstellen. Geben Sie für die nachstehenden Reaktionen den jeweiligen Mechanismus in allen Einzelschritten an.

I)

()

I HE, + NaOH HOCH5CH3CH>CHRC

(b)

HSCH>CH;>Br + NaOH H3CH2OH | WW

(c)

Br CH>CH>CH>CH>CH>Br

+ NaOH

CH30H

&

(0)

(d)

BrCH,CH>CH>CH>CH>Br + NHz _CH3CHzOH| ©

N H

22 Die nachstehend aufgeführten Beispiele von bimolekularen nucleophilen Substitutionen sind alle gleichermaßen thermodynamisch begünstigt. Dennoch reagieren die cyclischen Substrate sehr langsam verglichen mit der acyclischen Verbindung. Wie erklären Sie sich das? o

Reaktion 1

Br

ee

H

Reaktion

e.

+Nar

'

Di

occH

a

2

H

una

1

OCccH,

OCCH3z

ME,

Na Br

H

3

FC

N @HBr.E. NA?

H;C

+ Na*Br

H

Br

Reaktion

3

HC

OccH, MR

1 CHOCCH3 + Na*’Br

HC 243

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

23 Der nucleophile Angriff auf Halogencyclohexane ist etwas erschwert im Vergleich zu dem Angriff auf sekundäre acyclische Halogenalkane, obwohl in diesem Fall die Winkelspannung kein wichtiger Grund

dafür

sein

kann.

Versuchen

Sie,

das

anhand

eines

Molekül-

modells zu erklären (Hinweis: Siehe Kap. 4 und Abschn. 6.9). 24 Die so kompliziert scheinende Verbindung 5-Methyltetrahydrofolsäure (abgekürzt 5-Methyl-FH,) entsteht auf biologischem Wege durch verschiedene mehrstufige Reaktionen, durch die Kohlenstoffatome in verschiedenen einfachen Molekülen wie Ameisensäure oder der Aminosäure Histidin in Methylgruppen umgewandelt werden: O

Hbon Vier Sy fen

Ameisensäure

NH>

H;N__N |

Se

6) N nl

N

5

N

OH

+

"CH>NH

(0)

|

CNHCHCH;CH>COH

OÖ Sy ie.

5-Methyltetrahydrofolsäure

Histidin

(5-Methyl-FH,)

Der einfachste Weg zur Darstellung von 5-Methyltetrahydrofolsäure geht von Tetrahydrofolsäure (FH,) und dem Trimethylsulfonium-Ion aus. Diese Reaktion findet in bodenlebenden Mikroorganismen statt.

“

jeEee, ae —

H

N H;C

—; % CH;

|

ol R

+ CH3—S—CHz + H*

CHNH--

CH3

Trimethylsulfonium-Ion

5-Methyl-FH4

(a) Erscheint es Ihnen sinnvoll, für diese Reaktion einen nucleophi-

len Substitutionsmechanismus anzunehmen? Schreiben Sie den Mechanismus nieder, deuten Sie die Elektronenverschiebungen mit Pfeilen an. (b) Kennzeichnen Sie das Nucleophil, das nucleophile und das elektrophile Atom und die Abgangsgruppe. (c) Verhalten sich die Gruppen, die Sie so gekennzeichnet haben, bei dieser Reaktion gemäß den Sachverhalten aus den Abschnitten 6.7 bis 6.9? Hilft es Ihnen weiter, wenn

Sie wissen, daß eine Spe-

zies wie H,3S' eine sehr starke Säure ist (z.B. hat CH,SH7 pK, von ungefähr -7)?

einen

25 Biologische Systeme gebrauchen 4-Methyl-FH, (Aufgabe 24), um Methylgruppen auf einfache Moleküle zu übertragen. Das vielleicht bekannteste Beispiel in diesem Zusammenhang ist die Darstellung der Aminosäure Methionin aus Homocystein:

Ni XaR

en

oc

Aufgaben

x

ICH>CH>SH

Air a

N

hr

CHNH--

HB

CH,CH>SCHS

@

5-Methyl-FHy

ee

FH,

Methionin

Beantworten Sie für diese Reaktion dieselben Fragen, die in Aufgabe 24 gestellt wurden. FH, hat für die Abspaltung des eingekreisten Wasserstoffatoms als Proton einen pK,-Wert von 5. Ist dieser Wert mit den Erfordernissen Ihres Mechanismus vereinbar? In der Tat benötigen Methyl-Transferreaktionen mit 5-Methyl-FH, eine Protonenquelle. Wiederholen Sie den Abschnitt 6.7, besonders den Unterabschnitt „Wasser als Abgangsgruppe“. Was können Sie daraufhin über die Rolle des Protons in der obigen Reaktion aussagen?

26 Der Körper baut Adrenalin in einem Zweistufenprozeß auf, bei dem eine Methylgruppe von Methionin (Aufgabe 25) auf Noradrenalin übertragen wird (siehe die nachstehenden Reaktionen 1 und 2). (a) Erklären

Sıe die mechanistischen

Einzelheiten

dieser Reaktio-

nen. Welche Rolle hat die Verbindung ATP dabei inne? (b) Glauben Sie, daß Methionin Erklären Sie Ihre Antwort. (c) Wie könnte man Adrenalin stellen? Reaktion

direkt mit Noradrenalin aus

Noradrenalin

im

reagiert?

Labor

her-

1

f HO HO HO h | | | HZ "—CH;CH, SCH; + HO—P—-0—P—0—P--0— CH; HOC | | \ | 6 Ö O

R Y N € | a N NN“

OÖ

OH Methionin

OH ATP

NH>

Ne

os

CH

HY/ TEI5CH5 HOC

I

3

€

SCH;

N

!

+

OH S-Adenosylmethionin

HaP3010

OH (Triphosphat)

245

6 Eigenschaften und Reaktionen der Halogenalkane

Reaktion

2

HO

HO S-Adenosylmethionin

+

H x

LT

Br

RR CH>NH3

HO Noradrenalin

EL

NH,

N

NH3

Ss CH, oO HI SCHSCH, HOC | ) Da

OR

HO\

seen

TR

‚H

+H CH>NHCH3

ar,

TOH

S-Adenosylhomocystein

Adrenalin

Gruppenübung Die Verbindungen A - H sind isomere Bromalkane mit der Summenformel C,H,,Br. Zeichnen Sie alle Konstitutionsisomere. Finden Sie alle Stereozentren, aber warten Sie mit der Zuordnung der absoluten Konfiguration, bis Sie Ihre Analyse beendet haben. Unter Berücksichtigung der unten angegebenen Informationen ordnen Sie A - H den Isomeren zu. Teilen Sie die Aufgaben untereinander auf. Diskutieren Sie Ihre Ergebnisse miteinander. Dann sollten sie die Konfiguration unter Verwendung von Keilstrichformeln angeben. e Die Umsetzung von A - G mit NaCN in DMF folgt einem Geschwindigkeitsgesetz zweiter Ordnung. Für die relativen Reaktionsgeschwindigkeiten ergibt sich folgender Trend: AeaTBEI@EFIDE7ER IR> >>

e Verbindung

H reagiert unter

den oben

angegebenen

Bedingungen

nicht nach einem Sy2-Mechanismus e Verbindungen C, D und F sind optisch aktiv. Sie haben jeweils SKonfiguration an ihren Stereozentren. Substitutionen an D und F mit NaCN in DMF führen zu einer Inversion der Konfiguration, während die Umsetzung von C unter diesen Bedingungen unter Retention der

Konfiguration verläuft.

Weitere Reaktionen der

Halogenalkane Unimolekulare Substitution und Eliminierungen

Schon in Kapitel 6 wurde erwähnt, daß vor allem sekundäre und tertiäre Halogenalkane in Gegenwart von Nucleophilen auch andere als Sx2Reaktionen eingehen können. In diesem Kapitel werden wir sehen, daß die bimolekulare Substitution nur eine von vier möglichen Reaktionen ist. Die drei anderen sind die unimolekulare Substitution und zwei Arten von Eliminierungen, bei denen unter Austritt von Halogenwasserstoff eine Doppelbindung gebildet wird.

7.1 Solvolyse tertiärer und sekundärer Halogenalkane Wir haben bereits gelernt, daß Sy2-Reaktionen bei sekundären und tertiären Halogenalkanen drastisch verlangsamt sind. So reagieren Brommethan und Bromethan in einer Sn2-Reaktion mit Iodid in Propanon (Aceton) mäßig schnell, 2-Brompropan reagiert langsamer und 2-Brom2-methylpropan sehr langsam. Das gilt jedoch nur für eine bimolekulare Substitution. Sekundäre und tertiäre Halogenide können auch nach einem

anderen

Mechanismus

substituiert

werden,

der in einer glatten

Reaktion auch mit schwachen Nucleophilen zu den entsprechenden Substitutionsprodukten führt. Wenn beispielsweise 2-Brom-2-methylpropan (tert-Butylbromid) in wäßrigem Propanon (Aceton) gelöst wird, reagiert es schnell zu Hydrolyse, ein Beispiel für Solvolyse CH; |

CHzCBr | CH3

CH3

+H—OH

Propanon (Aceton)

== relativ schnell

cH,COH + HBr z | CH;

2-Brom-2-methylpropan

2-Methyl-2-propanol

(tert-Butylbromid)

(tert-Butanol)

Nucleophil — rot Elektrophil — blau Abgangsgruppe — grün

247

7 Weitere Reaktionen der

Halogenalkane

Primäre Halogenalkane und Halogenmethan: unreaktiv bei der Solvolyse CH;Br CH;CH;Br CH;CH;CH;Br Praktisch keine Reaktion mit H,O bei Raumtemperatur

2-Methyl-2-propanol (tert-Butanol) und Bromwasserstoff. Das Nucleophil ist hier Wasser, obwohl es nur ein schwaches Nucleophil ist. Eine Reaktion, bei der ein Substrat mit einem Solvensmolekül unter Substitution reagiert, nennt man Solvolyse. Ist das Lösungsmittel Wasser, spricht man von Hydrolyse. 2-Brompropan wird analog, aber sehr viel langsamer hydrolysiert, während 1-Brompropan, Bromethan und Brommethan unter diesen Bedingungen nahezu inert sind. CH3

CHz Propanon (Aceton)

CH3CBr

+H-0OH —

|

CHzCOH

relativ langsam

H

H

2-Brompropan (Isopropylbromid)

2-Propanol (Isopropanol)

Ist das Lösungsmittel ein Alkohol, so spricht man oder genauer von Methanolyse, Ethanolyse usw.

ai

Gr 2-Chlor2-methylpropan

von Alkoholyse,

He

+CH;OH —

CHAOCH;

CH;

Tabelle 7-1 Relative Reaktivitäten verschiedener Bromalkane gegenüber Wasser

+HBr

|

+ HCI

CH; Solvens

2-Methoxy2-methylpropan

Tabelle 7-1 zeigt die relativen Geschwindigkeiten der Reaktionen von 2-Brompropan und 2-Brom-2-methylpropan mit Wasser zu den entsprechenden Alkoholen und ım Vergleich dazu die entsprechenden Hydrolysegeschwindigkeiten ihrer unverzweigten Analoga. Eine Sy2-Reaktion führt zwar zu den gleichen Produkten, die Reaktivitäten sind jedoch genau entgegengesetzt: Primäre Halogenalkane reagieren sehr langsam

Bromalkane

Relative Geschwindigkeit

CH;Br

1

mit

CH;CH3;Br

1

(CH3);CBr

1.2.x10-

Verbindungen reagieren ungefähr eine Million mal schneller als primäre. All das spricht stark dafür, daß die Solvolyse tertiärer Halogenalkane nach einem anderen Mechanismus als eine bimolekulare Substitution

(CH,,CHBr

12

Wasser,

verläuft. Um

sekundäre

Halogenide

sind

etwas

reaktiver,

und

tertiäre

diese Reaktion in ihren Einzelheiten zu verstehen, können

wir uns der gleichen Mittel bedienen, mit denen wir den Mechanismus der Sy2-Reaktion aufgeklärt haben: der Kinetik, der Stereochemie und den Einflüssen der Substratstruktur und des Lösungsmittels auf die Reaktionsgeschwindigkeit. Übung 7-1 “ Während die Verbindung A in Ethanol völlig stabil ist, wird B rasch zu einer anderen Verbindung umgewandelt. Wie erklären Sie das? H>C

CH>Br

H;C

Br

7.2 Unimolekulare nucleophile Substitution In

diesem

Abschnitt

werden

wir

einen

weiteren

7.2

Mechanismus

nucleophilen Substitution kennenlernen. Die Merkmale tion wollen wir hier nochmals kurz zusammenfassen: Kinetik zweiter Ordnung, verläuft stereospezifisch, und des Substrats nimmt in der Reihe tertiär < sekundär < Gegensatz dazu verläuft die Solvolyse nach einer Kinetik und

ist nicht stereospezifisch.

Für

sie gilt, wie

Unimolekulare

nucleophile Substitution

der

der Sy2-Reaksie folgt einer die Reaktivität primär zu. Im erster Ordnung

bereits

erwähnt,

eine

genau entgegengesetzte Reaktivitätsreihe. Wir wollen sehen, wie diese Beobachtungen mit einem Mechanismus in Einklang gebracht werden können.

Die Solvolyse folgt einer Kinetik erster Ordnung Übereinstimmend mit einem bimolekularen Übergangszustand des geschwindigkeitsbestimmenden Schritts ist die Geschwindigkeit einer Sn2-Reaktion der Konzentration beider Reaktanten — Halogenalkan und .Nucleophil — proportional. Dagegen ergeben kinetische Untersuchungen der Reaktion von 2-Brom-2-methylpropan mit Wasser, daß die Geschwindigkeit der Hydrolyse nur zur Konzentration des eingesetzten Bromids proportional ist.

Geschwindigkeit = k [(CH;);CBr] moV/(L s) Was kann man aus dieser Beobachtung schließen? Das Halogenalkan muß erstens einen Reaktionsschritt ohne Beteiligung weiterer Reaktanten ausführen, bevor weitere Schritte folgen. Da das Endprodukt eine Hydroxygruppe enthält, muß zweitens Wasser (oder allgemeiner: ein Nucleophil) an der Reaktion beteiligt sein, aber ohne Beeinflussung der Reaktionsgeschwindigkeit. Dieses Verhalten kann nur erklärt werden, wenn

man

annimmt,

daß alle Schritte, die dem ersten Reaktionsschritt

des Halogenids folgen, im Vergleich dazu sehr schnell sind. Mit anderen Worten: Beobachtet wird die Reaktionsgeschwindigkeit des langsamsten Reaktionsschritts, des geschwindigkeitsbestimmenden Schritts. Nur die am Übergangszustand dieses Schritts beteiligten Moleküle gehen in das Geschwindigkeitsgesetz mit ein, in diesem Fall also nur das eingesetzte Halogenalkan. Betrachten Sie den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt als „Flaschenhals“!

Stellen Sie sich einen Wasserschlauch

vor, an dem

Sie

mehrere Klammern angebracht haben, um die Strömung zu regulieren (Abb. 7-1). Sie sehen, daß die Geschwindigkeit, mit der das Wasser am Ende herausspritzt, am Ort der stärksten Verengung kontrolliert wird. Wenn Sie die Flußrichtung umkehren (um die Rückreaktion zu veranschaulichen), müßte wieder diese engste Stelle passiert werden. Genauso liegt der Fall bei einer mehrstufigen Reaktion. Verengung

ohh;

Strömung

__ RU BI TR

m>—

Strömung

geschwindigkeitsbestimmend

Abb. 7-1 Die Geschwindigkeit, mit der Wasser durch einen Schlauch fließt, wird von der stärksten Verengung bestimmt: Die Strömungsgeschwindigkeit an verschiedenen Stellen ist mit k,, k, und k; bezeichnet. Nach Passieren der engsten und damit geschwindigkeitsbestim-

menden Verengung bleibt die Geschwindigkeit k; konstant.

249

7 Weitere Reaktionen der

Halogenalkane

Der Mechanismus der Solvolyse verläuft über die Bildung von Carbenium-Ionen Der Mechanismus der Hydrolyse von 2-Brom-2-methylpropan wird unimolekulare nucleophile Substitution genannt, abgekürzt mit S\l. Die Zahl 1 zeigt an, daß nur ein Molekül, hier das Halogenalkan, am geschwindigkeitsbestimmenden Schritt beteiligt ist, so daß die Reaktionsgeschwindigkeit nicht von der Konzentration des Nucleophils abhängt. Im einzelnen umfaßt der Mechanismus drei Schritte. Schritt 1 Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist die Dissoziation des Halogenalkans zu einem Alkyl-Kation und zum Bromid-Ion. Schritt

1

Dissoziation zum Carbenium-Ion

nn

geschwindigkeits-

ar

CH,C-Br

u

d

BANSEITOR

r

a

CH3

+

Br

CH3 1,1-DimethylethylKation (tert-Butyl-Kation)

Diese Reaktion ist ein Beispiel für eine heterolytische Bindungsspaltung. Das Kohlenwasserstoff-Produkt besitzt ein positiv geladenes Kohlenstoffatom, das drei Bindungen und nur ein Elektronensextett aufweist. Eine solche Spezies wird Carbenium-Ion genannt. Schritt 2 Das im ersten Schritt gebildete 1,1-Dimethylethyl-Kation (tert-Butyl-Kation) ist ein starkes Elektrophil und wird sofort von den es umgebenden Wassermolekülen abgefangen. Diesen Vorgang kann man als nucleophilen Angriff eines Lösungsmittelmoleküls auf das elektronenarme Kohlenstoffatom auffassen.

Schritt

2 _Nucleophiler Angriff durch Wasser

CH3

H

|

1% 3%;

Altes 52ur

CH;

CH schnell

|

y n£

=—— CH;C—0:

H

cn,’

H

ein Alkyloxonium-Ion

Das entstandene Alkyloxonium-Ion ist die konjugierte Säure eines Alkohols - in diesem Fall des 2-Methyl-2-propanols, dem Endprodukt der Reaktion. Schritt

RL

H Alkyloxonium-Ion

3 Alle Alkyloxonium-Ionen

Hydronium-Ion

sind starke Säuren, wie auch das

H;O", die Stammverbindung

Schritt

3 Deprotonierung

CH;

CH3

| ni Su

en

S

RE

Alkyloxonium-Ion (stark sauer)

=>

+H,0...

ll

250

in dieser Serie, und wer-

den schnell durch das umgebende Wasser deprotoniert, so daß schließlich ein Alkohol gebildet wird.

..

schnell

==

| ..

Bo OH ..

CH3 2-Methyl-2-propanol

F

+ HOH3>

Übergangszustand des geschwindigkeitsbestimmenden Schritts

E 5

(CH3)3C Br + HOH

CH;OH + Cl

a H 3)3 CO H (CH ee

(CH3)3COH

Sushi

3

Be

Reaktionskoordinate —>

Reaktionskoordinate —>

B ;

Abb. 7-2 Diagramm der potentiellen Energie für (A) die Sy2-Reaktion von Chlormethan mit Hydroxid und (B) die S\l-Hydrolyse

von 2-Brom-2-methylpropan. Während der Sn2-Prozeß in einem Schritt abläuft, besteht der Syl-Mechanismus aus drei unterscheidbaren Ereignissen: der geschwindigkeitsbestimmenden Dissoziation des Halogenalkans in ein Halogenid-Ion und ein CarbeniumIon, dem nucleophilen Angriff von Wasser auf letzteres unter Bildung eines Alkyloxonium-Ions und schließlich der Abgabe eines Protons, die zum Endprodukt führt.

In Abb. 7-2 sind die Veränderungen der potentiellen Energie für die Sn2-Reaktion von Chlormethan mit Hydroxid und für die Syl-Reaktion

von 2-Brom-2-methylpropan mit Wasser graphisch dargestellt. Die Sy1-Reaktion weist drei Übergangszustände auf, einen für jeden Reaktionsschritt. Der erste Schritt hat die größte Aktivierungsenergie — ist also geschwindigkeitsbestimmend -, da er eine Trennung entgegengesetzt geladener Teilchen erfordert. Übung 7-2 Berechnen Sie mit Hilfe der in Tabelle 3-1 aufgeführten Bindungsstärken die AH’-Werte für die Hydrolyse von 2-Brom-2-methylpropan zu 2-Methyl-2-propanol und Bromwasserstoff.

Die Solvolyse ist reversibel Alle drei Schritte der Solvolyse sind reversibel. Die drei Gleichgewichte werden auf die Seite der Produkte verschoben, weil diese von geringerer Energie als die Substrate und damit thermodynamisch bevorzugt sind. Durch einen großen Überschuß an Bromwasserstoff läßt sich diese Situation jedoch umkehren. Zum Beispiel kann man 2-Brom-2-methylpropan leicht herstellen, indem man eine Lösung von 2-Methyl-2-propanol in konzentriertem wäßrigem Bromwasserstoff in einem Scheidetrichter schüttelt. Das Produkt scheidet sich als wasserunlösliche Phase ab.

(CH3);COH + HBr—— (CH3),CBr + H,O Überschuß

Beachten Sie, daß hier ein völlig anderer Mechanismus vorliegt als bei der auf den ersten Blick ähnlich aussehenden Bildung von primären Halogenalkanen aus primären Alkoholen in Gegenwart konzentrierter Halogenwasserstoffe (Abschn. 6.7). Bei der Reaktion tertiärer Alkohole entstehen

Carbenium-Ionen

als

Zwischenstufen,

während

eine

Sx2-

Reaktion über ein intermediäres Oxonium-Ion verläuft. 251

7 Weitere Reaktionen der

Halogenalkane

Zusammenfassend stellen wir fest, daß die Kinetik der HalogenalkanSolvolyse einen Mechanismus nahelegt, bei dem als erster und geschwindigkeitsbestimmender Schritt durch heterolytische Dissoziation ein Carbenium-Ion gebildet wird. Können wir diesen hypothetischen Mechanismus durch weitere experimentelle Beobachtungen untermauern?

7.3 Stereochemische Konsequenzen der Syl-Reaktion Der vorgeschlagene Mechanismus für die unimolekulare nucleophile Substitution bestimmt aufgrund der Struktur des intermediären Carbenium-Ions die Konfiguration des Produkts. Um die ElektronenabstoBung zu verringern, nehmen die drei Bindungen des positiv geladenen Kohlenstoffatoms eine trigonal-planare Anordnung an, das Ergebnis einer sp’-Hybridisierung (Abschn. 1.3 und 1.8). Damit ist ein solches Intermediat zwangsläufig achiral. Setzt man ein optisch aktives tertiäres Halogenalkan ein, sollte man daher racemische Syl-Produkte erhalten, da das Nucleophil das Carbenium-Ion von beiden Seiten angreifen kann (Abb. 7-3). Tatsächlich kann man dies bei vielen Solvolysereaktionen beobachten, was als starkes Argument für ein symmetrisches, achirales Intermediat zu werten ist.

Übung 7-3 (R)-3-Brom-3-methylhexan (Aceton). Weshalb?

verliert

seine optische

Aktivität

beim

Lösen in Propanon

| Übung 7-4 Die Hydrolyse von A führt zu zwei verschiedenen Alkoholen. Weshalb?

HC

el

OH

BE\$ CH,CH3,CH3

CH; Viehansenkeg

3

& H,O

CH; Re DR —Br+|

CH3CH,CHz ""d

CH —

3-methylhexan

CH;CH3

P_-CH,CH>CH3 DV CH,CH;

CH;CH, (R)-3-Brom-

‚

(R)-3-Methyl3-hexanol

-HBr

H50

REG planar , achiral

CH

CH;CH;

s \ /-amenen, | OH (S)-3-Methyl-

3-hexanol Racemat

Abb. 7-3 Hydrolyse von (R)-3-Brom-3-methylhexan. Durch heterolytische Dissoziation entsteht ein planares, achirales Carbenium-Ion, das mit einem Wassermolekül zum racemischen Alkohol reagiert.

252

Kasten 7-1

Unvollständige Racemisierungen in

das Molekül,

Snl-Reaktionen

zu bilden. Eine Konsequenz denz,

in

um

der

ein sekundäres

Nähe

des

Carbenium-Ion

hieraus ist die TenKations

zu

bleiben,

Zahlreiche Solvolysereaktionen optisch reiner Verbindungen, in denen die Abgangsgruppe sich an einem Stereozentrum befindet, liefern racemische Mischungen. Doch häufig werden auch Aus-

wodurch eine Seite partiell gegenüber nucleophilen Angriffen geschützt ist. Der Angriff auf der anderen Seite des Carbenium-Ions ist nicht gehin-

nahmen

dukts erhalten wird. Im Gegensatz dazu ist das Halogen in der Brom-substituierten Verbindung eine sehr gute Abgangsgruppe, die somit keine Seite des entstehenden Carbokations abschirmt. Man beobachtet stattdessen die Bildung eines vollständig racemischen Gemisches. Interessanterweise kann dieses Ergebnis auch ohne anspruchsvolle Laborausrüstung (zumindest qualitativ) überprüft werden: Die beiden enantiomeren 1-Phenylethanole riechen unterschiedlich. Starten wir mit dem (R)-Chlorid, so erhalten wir eine Mischung, die einen Überschuß des (S)Alkohols enthält. Ihr Geruch unterscheidet sich von der Produktmischung, die durch die Hydro-

hiervon

beobachtet.

Man

ungleiche Mengen des R- und einer S„l-Reaktion entstehen. Hauptenantiomer

ist jeweils

findet,

daß

S-Produktes in Das gebildete

das,

in

dem

eine

Inversion des reaktiven Zentrums des Substrates stattgefunden hat. Dieses Phänomen wird unter anderem bei der Hydrolyse von optisch reinen (1-Chlorethyl)benzol beobachtet, im Gegensatz zu optisch reinem (1-Bromethyl)benzol. Die Bromsubstituierte Verbindung reagiert mit Wasser unter Bildung von racemischem 1-Phenylethanol. Das Chlor-Analogon hingegen reagiert unter 1520% Überschuß zu dem Alkohol-Enantiomer mit invertierter Konfiguration am Reaktionszentrum. Wie kann man dieses Ergebnis erklären? Ein Chlorid-Ion ist eine gute, wenn auch keine sehr gute Abgangsgruppe. Sie verläßt nur zögerlich

nt

dert, so daß ein Überschuß

lyse des

erhalten

wird,

in der

die Überschußkomponente

Pro-

der

erhalten

H +

CH;

CH;

Ss

R

50% 41%

50% 59%

5 wenn X =Br: wenn X=Cl:

(S)-Chlorids

(R)-Alkohol wird.

des invertierten

racemisch Überschuß an invertiertem Produkt

7.4 Einflüsse des Lösungsmittels, der Abgangsgruppe und des Nucleophils auf die unimolekulare Substitution Wie bei den Sy2-Reaktionen hat die Änderung des Lösungsmittels, der Abgangsgruppe und des Nucleophils einen tiefgreifenden Einfluß auf die unimolekulare

Substitution.

Polare Lösungsmittel beschleunigen die Syl-Reaktion Die heterolytische Spaltung einer C—X-Bindung im geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Syl-Reaktion verläuft über einen stark polaren Übergangszustand (Abb. 7-4) zu zwei Ionen. Im Gegensatz dazu nimmt A

+ | ) /\ C

Abb. 7-4 Die jeweiligen Übergangszustände für die Syl- und die Sn2-Reaktion erklären, warum erstere durch polare Lösungsmittel stark beschleunigt wird. Die heterolytische Dissoziation erfordert eine Ladungstrennung, ein Prozeß, der durch polare Solvatation unterstützt wird.

253

7

Weitere Reaktionen der

Halogenalkane

im Übergangszustand einer typischen Sy2-Reaktion (Abb. 7-4) die Ladungsdichte auf dem eintretenden Nucleophil in dem Maße ab, wie sie auf der Abgangsgruppe wächst. Ladungen werden nicht erzeugt, sondern vielmehr lediglich umverteilt. Aufgrund des stark polaren Übergangszustandes wird die Sxl-Reaktion mit zunehmender Polarität des Lösungsmittels schneller. Besonders auffällig ist dieser Effekt, wenn man von einem aprotischen zu einem protischen Solvens wechselt. Die Hydrolyse von 2-Brom-2-methylpropan verläuft z.B. in reinem Wasser viel schneller als in einer 9: 1-Mischung aus Propanon (Aceton) und Wasser. Die Wirkung des protischen Solvens besteht in der Stabilisierung des Übergangszustands in Abbildung 7-4 durch die Ausbildung von Wasserstoffbrücken. Wir erinnern uns, daß im Gegensatz dazu eine Sy2-Reaktion durch polare aprotische Lösungsmittel beschleunigt wird. Hier beeinflußt das Solvens jedoch die Reaktivität des Nucleophils und nicht die des Substrats. Einfluß des Lösungsmittels auf die Geschwindigkeit einer S\1-Reaktion Relative

Geschwindigkeit:

(CH3),;CBr (CH3),CBr

100% H5O

(CH3;),COH + HBr

90% Propanon( Aceton), 10% H3O

(CH3);COH

400 000 ET,

1

Gute Abgangsgruppen beschleunigen die Syl-Reaktion Da die Abgangsgruppe im geschwindigkeitsbestimmenden Schritt das Molekül verläßt, übt ihr Austrittsvermögen einen großen Einfluß auf die Reaktionsgeschwindigkeit aus. Deshalb werden tertiäre Iodalkane rascher hydrolysiert als tertiäre Bromide, diese wiederum schneller als Chloride. Besonders leicht dissoziieren Sulfonate. Relative Solvolysegeschwindigkeit von RX (R = tertiäre Alkylgruppe)

X OSOR

IT. Bro

rd

Die Stärke des Nucleophils beeinflußt die Produktverteilung, nicht die Geschwindigkeit der Reaktion Wird die Reaktionsgeschwindigkeit der Solvolyse durch einen Wechsel des Nucleophils beeinflußt? Die Antwort ist nein. Wir erinnern uns, daß eine Syn2-Reaktion mit zunehmender Nucleophilie der angreifenden Spezies beschleunigt wird. Am geschwindigkeitsbestimmenden Schritt einer Snl-Reaktion ist das Nucleophil jedoch nicht beteiligt, und demnach sollte es auf die Reaktionsgeschwindigkeit, d.h. auf die Konzentrationsabnahme des tertiären Halogenalkans, keinen Einfluß haben. Wenn jedoch zwei oder mehr verschiedene Nucleophile um das intermediär gebildete Carbenium-Ion konkurrieren, sollten deren relative Stärke und Konzentration die Produktverteilung bestimmen. Ein Beispiel: Die Solvolyse von 0.1 mol/L 2-Chlor-2-methylpropan in Methanol ergibt 2-Methoxy-2-methylpropan mit einer Geschwindigkeitskonstanten k,. In Gegenwart einer äquivalenten Menge Natriumazid jedoch wird mit gleicher Geschwindigkeit 1,1-Dimethylethylazid (tertButylazid) gebildet. In diesem Fall gewinnt Azid, N; (Tab. 6-5), als das stärkere Nucleophil. Obwohl die Konzentration der Ausgangsverbindung 2-Chlor-2-methylpropan mit k, abnimmt (ungeachtet welches Produkt entsteht), bestimmt die relative Stärke der konkurrierenden Nucleophile die Geschwindigkeit, mit der die möglichen Produkte entstehen, d.h. das Produkt des stärkeren Nucleophils entsteht rascher (kemon ist viel kleiner als ky,): 254

Konkurrierende Nucleophile bei der Sy1-Reaktion

(CH3)3COCH3 + HCI &

(CH3)3 CC1

2-Methoxy-

a

7.4 Einflüsse des Lösungsmittels, der Abgangsgruppe und des Nucleophils auf die unimolekulare Substitution

2-methylpropan

+

EIsOB

+

k

:

geschwindigkeits-

+

bestimmend

332

"

‚

-

Produkt-

5 Dr bestimmend

cı

rg

+ NaCl

(CH3)3CN3

Sa

1,1-Dimethylethylazid (tert-Butylazid)

Übung 7-5 , Eine Lösung von 2-Methyl-2-propylmethansulfonat in Propanon (Aceton) | Überschuß an Natriumchlorid ünd Natriumbromid liefert ausschließlich methylpropan. Warum?

mit einem 2-Brom-2-

Daher ist es sinnvoll, zwischen zwei Übergangszuständen zu unterscheiden: dem des geschwindigkeitsbestimmenden und dem des produktbestimmenden Schritts (Abb. 7-5). Ungeachtet der Anzahl der Übergangszustände und Zwischenstufen einer Reaktion bestimmt der energiereichste Übergangszustand die Geschwindigkeit; die relativen Energien der darauffolgenden Übergangszustände bestimmen jedoch die Produktverteilung. In diesem Abschnitt haben wir uns verschiedener Hilfsmittel bedient,

um den Mechanismus der Reaktion zwischen tertiären Halogenalkanen und bestimmten Nucleophilen aufzuklären: der Kinetik, der Stereochemie, des Einflusses des Lösungsmittels, des Austrittsvermögens der Abgangsgruppe und der Stärke des Nucleophils. Die Ergebnisse zeigen, daß zu Beginn der Reaktion eine geschwindigkeitsbestimmende Dissoziation des Substrats als entscheidender mechanistischer Schritt stattfindet. Als nächstes erheben sich die Fragen, weshalb tertiäre Halogenide nach Sl reagieren, während primäre Systeme Sn2-Reaktionen eingehen, und wie sekundäre Halogenalkane sich in dieses Bild einfügen. Übergangszustände der produkt-

Übergangszustand des geschwin-

bestimmenden Schritte

digkeitsbestimmenden Schritts

fürNulsr

RE

RX

+Nul: ” + Nu:

für Nu:

RNu!

+ X”

RNu2 +X7 Reaktionskoordinate

—>

Abb. 7-5 Die unterschiedlichen Übergangszustände des geschwindigkeitsbestimmenden und des produktbestimmenden Schritts bei der Syl-Reaktion eines tertiären Halogenalkans in Gegenwart zweier konkurrierender Nucleophile. E, bezeichnet die Aktivierungsenergie der Reaktion. Die Produktverteilung wird von den unterschiedlichen Energien der beiden produktbestimmenden Übergangszustände kontrolliert.

255

7 Weitere Reaktionen der

Halogenalkane

7.5 Der Einfluß der Substratstruktur auf

die Geschwindigkeit der Sy1-Reaktion: Die Stabilität von Carbenium-Ionen In diesem

Abschnitt werden

wir sehen, daß der Grad der Substitution

des reaktiven Kohlenstoffatoms im wesentlichen bestimmt, ob Halogenalkane (und ähnliche Derivate) mit Nucleophilen bevorzugt nach Syl oder nach SZ reagieren. Je höher substituiert ein Kohlenstoffatom ist, desto leichter bildet es ein Carbenium-Ion. Aus diesem Grund reagieren tertiäre Halogenalkane, deren sterischer Raumanspruch eine Sy2-Reaktion verhindert, nach dem Sl-Mechanismus und primäre Halogenalkane nach Sy2; bei sekundären Verbindungen können beide Mechanismen auftreten, je nach den vorliegenden Reaktionsbedingungen.

Die Stabilität von Carbenium-Ionen

nimmt in der Reihe

primär < sekundär < tertiär zu Wir wissen nun, daß von den zwei möglichen Substitutionsmechanismen primäre Halogenalkane

direkt, d.h. in einem konzertierten Schritt, sub-

stituiert werden, während sekundäre und tertiäre Systeme mit zunehmendem sterischem Anspruch bevorzugt Carbenium-Ionen bilden. Warum entstehen Carbenium-Ionen nicht aus primären Halogenalkanen? Der Grund dafür liegt in dem relativ hohen Energieinhalt primärer Carbenium-Ionen, die deshalb in Lösung unter den Bedingungen einer Snl-Reaktion nicht entstehen. Messungen in der Gasphase zeigten, daß die Stabilität von Carbenium-Ionen mit zunehmender Alkylsubstitution zunimmt. Relative Stabilität von Carbenium-Ionen +:

+

CH3CH>CH>CHz < CH3CH>CHCHz < (CH3)zC primär




—= zz.

(b)

HEN-

An

:

Propanon om)

H

H

x

|

L’5H

|

R

+ CH30OH —

;

CN

0 OCH; R+Ss

Im Gegensatz zu Sy2-Reaktionen sind Sl-Reaktionen für die Synthese nur von begrenztem Wert, vor allem aufgrund der Komplexität der Chemie der Carbenium-Ionen. Wie wir in Abschnitt 9.3 noch sehen werden, neigen diese zu Umlagerungen, wobei komplizierte Produktgemische entstehen. Eine weitere Reaktion der Carbenium-Ionen wird in Abschnitt 7.6 beschrieben: die Bildung einer Doppelbindung nach Abgabe eines Protons. Wir fassen wie folgt zusammen: Die Reaktion tertiärer Halogenalkane mit Nucleophilen erfolgt nicht über einen Sy2-Mechanismus, da sie zu stark sterisch gehindert sind. Sie bilden jedoch leicht tertiäre Carbenium-Ionen, die durch Hyperkonjugation stabilisiert sind. Anschließend werden diese durch ein Nucleophil abgefangen, z.B. durch ein Lösungsmittelmolekül (Solvolyse), und es entsteht das Produkt einer nucleophilen Substitution. Primäre Halogenalkane reagieren nicht auf diese Weise — ein primäres Kation ist zu energiereich, um in Lösung zu entstehen. Das reaktive Kohlenstoffatom ist sterisch nicht gehindert, und die Reaktion erfolgt durch einen Sy2-Prozeß. Bei sekundären Systemen beeinflussen die Natur der Abgangsgruppe, das Lösungsmittel, das Nucleophil und die Struktur des Substrats den Mechanismus der nucleophilen Substitution.

258

7.6 Unimolekulare Eliminierung: El

7.6 Unimolekulare Eliminierung: Ei

Wir haben gelernt, daß Carbenium-Ionen schnell von Nucleophilen durch einen Angriff am positiv geladenen Kohlenstoffatom abgefangen werden. Das ist jedoch nicht ihre einzige Reaktionsweise. Eine Alternative ist die Deprotonierung, die zu einer neuen Verbindungsklasse führt, den Alkenen. Die Gesamtreaktion eines verzweigten Halogenalkans ist dann der Austritt von HX unter Bildung einer Doppelbindung. Der allgemeine Begriff für einen derartigen Prozeß ist Eliminierung, abgekürzt mit E. Eliminierung

as

cc“ 3

Wr

on

FR

BEN

Sc=c Bi +H-B+X7 N

Eliminierungen können nach verschiedenen Mechanismen ablaufen. Wir wollen nun den bei der Solvolyse stattfindenden kennenlernen. Wenn 2-Brom-2-methylpropan in Methanol gelöst wird, verschwindet es schnell. Wie erwartet, entsteht als Hauptprodukt 2-Methoxy-2-methylpropan durch Methanolyse. Bei genauer Analyse findet man jedoch auch signifikante Mengen eines weiteren Produkts, 2-Methylpropen, das durch Eliminierung gebildet wird.

RG

(CH3)3C Br

CH;

H>:C—C

2-Brom-

+ Br” CH3z

2-methyl-

propan

El

Sn! \ CH3OH

nn ee

20%

+ H’ + Br

CH;

2-Methylpropen

(CH3)3

COCH3

+ H*

+Br

80% 2-Methoxy2-methylpropan

Es muß folglich noch einen neuen Mechanismus in Konkurrenz zur Solvolyse geben, nach dem sich tertiäre Halogenide umsetzen können. Aber welchen? Ein weiteres Mal wollen wir die kinetische Analyse zu Hilfe nehmen. Das Ergebnis ist: Die Reaktionsgeschwindigkeit der Alken-Bildung hängt nur von der Konzentration des eingesetzten Halogenids ab, d.h. die Reaktion ist erster Ordnung. Eliminierungen dieses Typs sind unimolekular und werden als El bezeichnet. Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt in der EI-Reaktion ist derselbe wie in der SyIReaktion: die Dissoziation zu einem Carbenium-lon. Dieses Zwischenprodukt kann dann, statt durch Einfang eines Nucleophils, entlang eines zweiten Reaktionspfads weiterreagieren und unter Abgabe eines Protons von einem Kohlenstoffatom, das dem positiv geladenen Atom benachbart ist, ein Alken bilden.

Auf welche Weise wird das Proton abgegeben? In der Abbildung 7-8 ist die Abspaltung des Protons ausführlich dargestellt. Erinnern wir uns, daß ein substituiertes Carbenium-Ion durch Hyperkonjugation mit benachbarten C—H-Bindungen stabilisiert wird. Dabei wird Elektronendichte aus diesen Bindungen in das leere p-Orbital übertragen, wodurch die Bindungen geschwächt werden (Abb. 7-8A). Außerdem verursacht der elektronenziehende Effekt des positiv geladenen Kohlenstoffatoms

259

7 Weitere Reaktionen der

eine

Halogenalkane

eine positive Partialladung erhält. Dieses Wasserstoffatom kann nun als

Polarisierung

der

C—H-Bindung,

Proton abgegeben werden, z.B. an Fall als Base wirkt. Durch die Abspaltung des Protons eine Doppelbindung enthält. Dieser Hilfe eines Orbitalschemas (Abb. Schema (Abb. 7-8C) dargestellt,

wodurch

das

Wasserstoffatom

das Lösungsmittel,

das in diesem

entsteht ein neutrales Molekül, das Vorgang wird in Abbildung 7-8 mit 7-8B) und mit einem einfacheren das zeigt, wie die Elektronen

„wandern“.

In allen Darstellungen von Mechanismen in diesem Buch wird die Abspaltung eines Protons als Dissoziation dargestellt, gemeint ist jedoch immer die Abstraktion durch eine Base. Jedes Wasserstoffatom in der Nachbarschaft des Reaktionszentrums kann in einer El-Reaktion abgespalten werden. Das 1,1-DimethylethylKation (tert-Butyl-Kation) hat neun solcher Wasserstoffatome, die alle ö

Ve H

3%

ser

ME

Geschwächte Bindung

+

ie un

Are‘ ziehend

H

A

HaC..N 1,9

5

RR

|

N

H3C

\

II

De

ET o

Rehybridisierendes Kohlenstoffatom

p-Orbitale

Carbenium-Ion

Übergangszustand

Alken

HÖCH3 He Te

Be De

BB

+

OCH3

Abb. 7-8 A Das 1,1-Dimethylethyl-Kation (tert-Butyl-Kation). Die elektronenabziehende positive Ladung schwächt die C—H-Bindung, das an der Hyperkonjugation beteiligte Wasserstoffatom nimmt eine positive Partialladung an. B Protonübertragung des 1,1-Dimethylethyl-Kations an das Solvens (Methanol) als Molekülorbital-Schema. Das elektronenreiche Sauerstoffatom von Methanol nähert sich dem aktivierten Wasserstoffatom. Im Übergangszustand ist die Bindung zwischen dem Sauerstoffatom zu diesem Wasserstoffatom schon teilweise geschlossen, seine Bindung zum Kohlenstoffatom ist teilweise gelöst. Das ursprünglich sp°hybridisierte Orbital, das das Wasserstoffatom band, rehybridisiert zu sp’. Das Proton tritt aus und hinterläßt ein Elektronenpaar, das sich über die p-Orbitale verteilt und die neue Doppelbindung herstellt. C Derselbe Vorgang dargestellt mit Pfeilen, die die Elektronen-,wanderung“

verdeutlichen.

gleich reaktiv

Produkt,

7.6 Unimolekulare

unabhängig davon, welches Proton abgespalten wird. Andere Substrate

sind.

In diesem

Fall entsteht immer

dasselbe

Eliminierung: El

können mehr als ein Produkt liefern. Ein Beispiel ist 3-Chlor-3-methylhexan,

das zu sechs verschiedenen

Reaktionsprodukten

führt, darunter

fünf isomeren Alkenen. Die Reaktionswege, die zu diesen Produkten führen, werden ausführlich in Kapitel 11 besprochen.

CH;

CH;

CH3CH>CHZCCH:CH;

CH30H, A

CH;

|

|

— 7, > CHSCHSCHSOCH:CH3 +

N

BR

A

3-Chlor-3-methylhexan

CH3CH>CH;

S\1-Produkt

CH3 =

N

C=C

Ei

fi

CH3CH;CH3>

H

CH3

CH3

+

CH,CHICIE,

H

Ei

CH; C=C

Y

CH3

u

Ey

Ei

CH>CH,

CH;CH3

u nu

CH>;CH;

„EB: GE

CH;CH;

Ei

CH;CH3 El

Die relativen Geschwindigkeiten von Sy1- und El-Reaktionen Bei der Solvolyse tertiärer Halogenalkane sollte unabhängig von der Natur der Abgangsgruppe das Verhältnis von Eliminierung zu Substitution immer gleich sein, weil beide Reaktionen über die gleiche Zwischenstufe verlaufen. Das wird im großen und ganzen auch beobachtet (Tab. 7-3). Das Produktverhältnis kann durch Zusatz einer Base zugunsten der Eliminierung verschoben werden, weil die Deprotonierung des Carbenium-Ions beschleunigt wird. Gibt man zum Beispiel ein Aquivalent NaOH zu einer Lösung von 2-Chlor-2-methylpropan in wäßrigem Ethanol, so erhält man fast ausschließlich 2-Methylpropen. In diesem Fall greift das Hydroxid-Ion, das eine viel stärkere Base als Wasser oder Ethanol ist, das intermediär gebildete Carbenium-Ion rasch und ausschließlich am Wasserstoffatom an. Kompliziert wird das ganze allerdings dadurch, daß starke Basen mit Halogenalkanen auch über eine direkte Eliminierung reagieren können. Diese Reaktion wird im nächsten Abschnitt besprochen.

Tabelle 7-3 Verhältnis von SylZu El-Produkt bei der Hydrolyse Yon 2-Halogen-2-methylpropanen Be x;, (CHJ),CX Verhältnis Sul: El Cl

55

Br

95475

I

96:4

Bevorzugte E1-Reaktion von 2-Chlor-2-methylpropan in Ethanol in > Gegenwart von Hydroxid-Ionen

„eu: (CH,),CCl

URCHERERN

a 0

a

ee

schnell

Et langsam

ne H3 Cl + HOH + CH,=C

cH

3

(CH3)3COCH>CH3 + (CH,)3;COH + H* + Cl 2-Ethoxy-2-

2-Methyl-2-

methylpropan

propanol

2-Methylpropen

7] Übung 7-7 ") "

Löst man 2-Brom-2-methylpropan bei 25°C in wäßrigem Ethanol, so erhält man eine Mischung von (CH;);COCH;CH; (30%), (CH;);COH (60%) und (CH3;);C=CH; (10%). Erklären Sie diesen Befund.

261

7 Weitere Reaktionen

Halogenalkane

der

Wir fassen zusammen: Bei einer Solvolyse kann das Carbenium-Ion nicht nur durch ein Nucleophil abgefangen werden, wobei Produkte einer Snl-Reaktion entstehen, sondern auch durch Deprotonierung Produkte einer Eliminierungsreaktion ausbilden (El). In solchen Fällen dient das Nucleophil, d.h. gewöhnlich das Lösungsmittel, als Base.

7.7 Bimolekulare Eliminierung: E2 Neben

Sx2-, Snl- und El-Reaktionen

können

Halogenalkane

noch auf

eine weitere Art mit Nucleophilen reagieren: Wie bei El-Reaktionen reagiert das Nucleophil als Base und führt eine Eliminierung herbei, die jedoch nun nach einem bimolekularen Mechanismus verläuft.

Starke Basen führen zu einer bimolekularen

Eliminierung Aus dem vorangegangenen Kapitel wissen wir, daß tertiäre Halogenalkane in nicht-nucleophilen, schwach basischen Lösungsmitteln wie Wasser und Alkoholen neben Substitutionsreaktionen auch EI-Reaktionen eingehen können. Dabei kann der Anteil an E1-Produkten durch Zugabe von geringen Mengen einer Base erhöht werden. Wenn wir die Konzentration

der Base

weiter

erhöhen,

stellen wir jedoch

ab

einem gewissen Schwellenwert fest, daß die Bildungsgeschwindigkeit des Alkens nunmehr proportional zur Konzentration des Halogenids und der Base ist. Die Kinetik der Eliminierung ist zweiter Ordnung, der zugehörige Mechanismus heißt bimolekulare Eliminierung oder kurz E2.

Kinetik der E2-Reaktion von 2-Chlor-2-methylpropan

(CH3);CCl + Na+tOH- — >CH3=C(CH3), + NaCl + H,O Geschwindigkeit = k[(CH;);CCl] [OH] mol/(L s) Offensichtlich sind starke Basen in der Lage, ein dem Reaktionszentrum

benachbartes

Wasserstoffatom

anzugreifen,

bevor

sich ein Carbe-

nium-Ion ausbilden kann. Diese Reaktion ist bei allen Halogenalkanen möglich, bei sekundären und primären jedoch in Konkurrenz zu Sy2Prozessen. Konkurrenz von E2- und Sn2-Reaktion

CH,CH-CH,Br

H

Nat

20 Na CO

N

E CH, CH OCHE

cc

IBE

Ü M

Übung 7-8 Welche Produkte Ionen?

U

Übung 7-9 Reagieren

262

erwarten

die folgenden

Substrate

nach

8%

1-Methoxypropan

Propen

von Bromeyclohexan

E2, und welche

Produkte

H

H

92%

Sie bei der Reaktion

BE

mit Hydroxid-

entstehen

dabei:

Bei der E2-Reaktion

7.7 Bimolekulare Eliminierung: E2

findet eine konzertierte

anti-Eliminierung von HX statt Kinetische Untersuchungen der E2-Reaktion legen einen bimolekularen Übergangszustand nahe. Dieser ist in Abbildung 7-9 dargestellt, einmal als Bild der Elektronenverschiebungen und einmal als Orbitalbild. Er ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Proton bevorzugt in anti-Stellung zum austretenden Halogenid abgegeben wird und daß folgende Vorgänge gleichzeitig ablaufen: Bindungsbildung zwischen Hydroxid-Ion und Proton; Rehybridisierung von sp’ zu sp? und Ausbildung der Doppelbindung durch die beiden entstehenden p-Orbitale; Lösen der Bindung zwischen Kohlenstoffatom und Abgangsgruppe. Ein Vergleich mit dem Übergangszustand der El-Reaktion (Abb. 7-8) zeigt, daß beide einander sehr ähnlich sind und sich nur in der Reihenfolge der Vorgänge unterscheiden. Hier finden Proton-Abstraktion und Austritt der Abgangsgruppe gleichzeitig statt, bei der El-Reaktion greift die Base nach dem Austritt des Halogenids an. Um sich den Unterschied

der beiden

Mechanismen

klar zu verdeutlichen,

mag

es helfen,

sich die starke Base bei der E2-Reaktion als sehr „aggressiv“ vorzustellen, die das Substrat sofort angreift, ohne die Dissoziation in Carbenium-Ion und Halogenid abzuwarten.

Wie erhält man ein genaues Bild des Übergangszustands der E2-Reaktion? Um den Übergangszustand genau beschreiben zu können, wurden verschiedene Experimente durchgeführt, von denen jedes bestimmte Merkmale seiner Struktur offenlegte. Wie bereits erwähnt, zeigt uns die Kinetik deutlich, daß Halogenalkan und Base eng zusammenwirken müssen. Indem wir die Abgangsgruppe variieren, sehen wir, daß ihre Bindung zum Substrat im Übergangszustand teilweise gelöst ist. Bessere Abgangsgruppen beschleunigen die Eliminierung. Reaktivitätsreihe der E2-Reaktion

\enso-

OO

RCICHCH;CH,z #308, 22: 80° ,CHY„CH,CHCH.CHz + CH3CH=CHCH>CH3 |

‚oO,

85%

15%

Stark basische Nucleophile reagieren mit zunehmender sterischer Hinderung vermehrt unter Eliminierung Wie wir gesehen haben, kann bei starken Basen Eliminierung über den E2-Reaktionsweg auftreten. Gibt es eine einfache Möglichkeit vorherzusagen, wie groß der Anteil der Eliminierung im Vergleich zur Substitution in einer bestimmten Situation ist? Ja, wenn man noch weitere Faktoren berücksichtigt. Untersuchen wir einmal die Reaktionen der starken

Base

Natriumethoxid

mit

mehreren

Halogeniden,

indem

wir die

Produktverteilung auf Ether und Alken für jedes Beispiel feststellen.

CH;CH>CH3>»Br

CH3CH,O =Na* Na, CH3CHZOH

Ether

Alken

(Substitutionsprodukt)

(Eliminierungsprodukt)

H;C

CH3CH>CH>OCH3>CH3 +

FIR

— HBr

cC=€

sa

H

91%

N

| H

9%

E:

CH3CCH>Br —_—

HC

CH3CCH>OCH-CH, nn

en

int R CH3CH5O Na, CH3CH,OH Zotibr

H

0 H

+

| H

c=o H oa 3

40%

CH,CBr |

H

I

H

ig

Ä

m

CH3COCH>CH3

H 60%

+

a: EV

C=C

A NeH

H

3

13%

87%

Reaktionen einfacher primärer Halogenalkane mit stark basischen Nucleophilen führen überwiegend zu Sy2-Produkten. Voluminöse Substituenten am Kohlenstoffatom, das die Abgangsgruppe trägt, verlangsamen die Substitution gegenüber der Eliminierung, da eine Annäherung an das Kohlenstoffatom sterisch stärker gehindert ist als ein Angriff auf das Wasserstoffatom. Verzweigte primäre Substrate geben daher etwa gleiche Mengen an Sy2- und E2-Produkten, letzteres ist das Hauptprodukt von sekundären Halogeniden. Der Sy2-Mechanismus läuft bei tertiären Halogeniden nicht ab. Fügt man verdünnte Base hinzu, wird die Syl-Substitution unterdrückt, da das Zwischenprodukt nach dem E1-Weg abgefangen wird (Abschn. 7.6), bei höherer

266

Konzentration

einer starken

Base wird ausschließlich

der

E2-Weg

Hydroxid

beschritten.

Acetat,

sind Reagenzien

Ammoniak,

Cyanid

mit mittlerer Basenstärke,

und

wäßriges

zwischen

7.8 Konkurrenz zwischen

den

Substitution und Eliminierung

Halogeniden und den Alkoxiden. Sie reagieren mit primären und sekundären Halogenalkanen entlang des Sy2-Reaktionspfads, mit tertiären Substraten geben sie aber überwiegend E2-Produkte.

Sterisch gehinderte basische Nucleophile bevorzugen Eliminierung Die relativ ungehinderten primären Halogenalkane reagieren auch mit starken Basen wie OR” oder OH bevorzugt nach Sn2, da bei ihnen das Reaktionszentrum dem Nucleophil frei zugänglich ist. Dies ändert sich,

wenn

wir

eine

sterisch

anspruchsvolle

Base

verwenden,

deren

Angriff räumlich stark gehindert ist. Hier kann auch bei primären Verbindungen Eliminierung vorherrschen, da die Deprotonierung an der besser zugänglichen Peripherie des Moleküls erfolgt.

CH3CH>CH>CH»Br „ennco K (encon, CH;CHSCH=CH> + CHzCH>CH;CH>OC(CH3)3 85% 15% CH; CH; CB: Ch CH; Li RE, CHAECHSCH=CH, a CHACCHSCHSCHSNICHCHJ) CH3CCH>CH>CHJCI ea Sg

r

N

l

N

87%

13%

Beispiele für sterisch gehinderte Basen sind Kalium-tert-butoxid und Lithiumdiisopropylamid (LDA), die wir hier mit ihren Trivialnamen bezeichnen.” Bei Reaktionen mit diesen Basen verwendet man oft die entsprechende konjugierte Säure als Lösungsmittel, z.B. 2-Methyl2-propanol oder N-(1-Methylethyl)-1-methyl-ethanamin (Diisopropylamin). Sterisch gehinderte Basen

CH3

HC Ei uk CH3

CHsC0:7K*

|

H

Rn

ge

CH 3

lei!

Kalium-tert-butoxid

Lithiumdiisopropylamid

(LDA) Ist eine sehr gute Abgangsgruppe vorhanden, z.B. ein Sulfonat (wie in 4-Methylbenzolsulfonat), wird jedoch auch hier die Sy2-Reaktion bevorzugt:

sCiCHCh080,

| Y-Ci a -

m

-s0.n

CH3CH>CH>CH>OC(CH3)3 99%

+ CH3CH>CH=CH> 1%

Zunehmend sperrige Gruppen am Reaktionszentrum verlangsamen die Substitution und begünstigen die Eliminierung. Sekundäre und tertiäre Halogenalkane reagieren mit starken Basen daher hauptsächlich

* Die Basen R'R’N (Amide) dürfen nicht mit den gleichnamigen (Carbonsäure-) Amiden RCONR’R’ (Abschn. 19.10) verwechselt werden!

267

7 Weitere Reaktionen der Halogenalkane

unter bimolekularer Eliminierung, mit sterisch gehinderten Basen findet sogar ausschließlich Eliminierung statt. CH;

ss ö

\

H

(CH3)3;CO K*, (CHz)3COH — HBr

starken

H

N ei

RN

H

CH;

98%

Fassen wir zusammen: Die drei wichtigsten Faktoren, die die Konkurrenz von Substitution und Eliminierung beeinflussen, sind die Basizität des Nucleophils, die sterische Hinderung beim Halogenalkan und der sterische Raumanspruch am nucleophilen (basischen) Zentrum.

1. Faktor

Basenstärke des Nucleophils schwache Basen

H,O*, ROH*,

PR;, Halogenide,

starke Basen HO’, RO’, H,N’, R,N

RSTLNS A,NCY -RCOOZ Substitution wahrscheinlicher 2. Faktor

Eliminierung wahrscheinlicher

Sterische Hinderung am reagierenden Kohlenstoffatom

sterisch ungehindert

sterisch gehindert

Primäre Halogenalkane

verzweigte primäre, sekundäre, tertiäre Halogenalkane

Substitution wahrscheinlicher

Eliminierung wahrscheinlicher

3. Faktor

Sterische Hinderung am stark basischen Nucleophil

sterisch ungehindert

sterisch gehindert

HO’, CH;0”, CH;CH,0”, HN”

(CH3)3CO”, [CH(CH3), N”

Substitution möglich

Eliminierung stark bevorzugt

Für eine einfache Vorhersage nehmen wir an, daß das relative Gewicht der drei Faktoren etwa gleich ist, wenn wir das Verhältnis von Eliminierung zu Substitution abschätzen wollen. Diese Methode der Analyse ist einigermaßen verläßlich. Alle Beispiele dieses Abschnitts und der nachfolgenden Zusammenfassung stehen mit den Vorhersagen dieser Methode in Einklang. Wir empfehlen, das als Übung einmal zu überprüfen. Übung 7-12 Welches Nucleophil der folgenden Gruppen ergibt ein höheres E2/Sy2-Produktverhältnis bei der Reaktion mit 1-Brom-2-methylpropan?

1 (a) N(CH3)3, P(CH3)3; (b) NH3, (CH5CH)N’;

(c) T,CH.

] Übung 7-13 )

Wenn Substitution und Eliminierung konkurrieren, stellt man fest, daß eine Temperatur-

erhöhung immer zu einem größeren Anteil an Eliminierungsprodukten führt. So verdoppelt sich die Menge der Eliminierungsprodukte bei der Hydrolyse von 2-Brom-2-methyl| propan, wenn die Temperatur von 25°C auf 65°C erhöht wird. Bei der Reaktion von

2-Brompropan mit Ethoxid steigt der Anteil von 80% 55°C. Erklären Sie diese Befunde!

bei 25°C zu nahezu 100% bei

* Reagiert nur mit Syl-Substraten; keine Reaktion mit einfachen Halogeniden.

268

7.9 Zusammenfassung der Reaktivität von Halogenalkanen

79 Zusammenfassung der Reaktivität von Halogenalkanen

Primäre, sekundäre und tertiäre Halogenalkane können mit Nucleophilen nach verschiedenen Reaktionspfaden reagieren. In Tabelle 7-4 ist eine Zusammenfassung der jeweils wahrscheinlichen Mechanismen für die Substitution oder die Eliminierung aufgeführt.

Primäre Halogenalkane Ungehinderte primäre Alkylderivate reagieren stets nach einem bimolekularen Mechanismus, dabei entstehen überwiegend Substitutionsprodukte, außer wenn sterisch gehinderte starke Basen, z.B. Kalium-tertbutoxid, vorliegen. In diesem Fall wird die Sy2-Reaktion aus sterischen Gründen so langsam, daß der E2-Mechanismus zum Tragen kommt. Auch Verzweigungen im Substratmolekül beeinträchtigen die Substitution. Starke Nucleophile führen aber selbst in diesen Fällen hauptsächlich zu Substitutionsprodukten.

Nur starke

Basen

wie Alkoxide,

RO’,

oder Amide, R;N , bewirken hauptsächlich Eliminierung. Ausnahmen bilden 2,2-Dialkylpropyl- und ähnliche Systeme, bei denen kein Proton in der Nachbarschaft des Reaktionszentrums vorhanden und deshalb Eliminierung unmöglich ist. Auch eine Sn2-Reaktion verläuft hier sehr langsam, so daß diese Verbindungen in Gegenwart von Nucleophilen bemerkenswert inert bleiben. Die Reaktionsmöglichkeiten primärer Alkylderivate sind nachfolgend nochmals zusammengefaßt. Reaktivität primärer Halogenalkane R—X

Ungehinderte R—X. GELHCHSCHEBE

mit Nucleophilen (Basen)

Sy2 mit guten Nucleophilen:

FRONT

Propanon (Aceton)

a —

CH CHE CH CN

#1 Br

Auch mit starken Basen: CH,OH CH;CH;CH3;Br

Ar CH;0”

ne

a. CH;CH,

CH;0CH;3

b#Br

Aber E2 mit einer starken, sterisch gehinderten Base:

CH; CH;CH;CH3Br

| _ (CH;),;COH EE Eon Fe —HBr

CH;CH=CH3

CH;

Keine oder nur äußerst langsame Reaktion mit schwachen Nucleophilen (CH;OH). Tabelle 7-4 Wahrscheinliche Mechanismen, nach denen Halogenalkane mit Nucleophilen (Basen) reagieren Typ des Nucleophils (Base) schwach

stark

stark

basisches,

basisches,

basisches,

5

schwaches

starkes

ungehindertes

Typ des

Nucleophil

Nucleophil

Nucleophil

Nucleophil

gehindertes

Halogenalkans

(z.B. H,O)

(Z2B21:)

(BZCHEO)

(z.B. (CH3;);CO°)

Methyl

keine Reaktion

Sn2

Sn2

Sn2

keine Reaktion keine Reaktion

Sn2 Sn2

Sn2 E2

E2 E2

sekundär

langsame Syl, El

Sn2

E2

B2

tertiär

Sxl, El

Sul, El

E2

E2

primär ungehindert verzweigt

269

7 Weitere Reaktionen der Halogenalkane

Verzweigte R—X. Sn2 mit starken Nucleophilen als bei ungehinderten R— X): CH3

(allerdings langsamer

CH3z

|

Propanon (Aceton)

ne

ar lln

Rabe

—

H

+

Br

H

Mit starken Basen (auch mit ungehinderten) E2:

ns

CH3

Seh

+ CHICH,0" ee "z

CH3C=CH>

r

H

Mit schwachen Nucleophilen keine oder nur äußerst langsame Reaktion.

Sekundäre Halogenalkane Sekundäre Alkylderivate gehen je nach den vorherrschenden Bedingungen Eliminierung und Substitution ein, sowohl unimolekular als auch bimolekular. Starke Nucleophile begünstigen Sn2, starke Basen führen zu E2, in polaren, nicht-nucleophilen Medien entstehen hauptsächlich Snl und E1-Produkte. Nachstehend sind die Reaktionsmöglichkeiten sekundärer Verbindungen nochmals zusammengefaßt.

Reaktivität sekundärer Halogenalkane R—X Wenn X eine gute Abgangsgruppe nucleophilen Medium: Sy1 (+ El).

CH3

Ce

mit Nucleophilen (Basen)

ist, in einem

stark polaren, nicht

ir

ne ia

SO Te + CH5;CH=CH,

r

H

H Hauptprodukt

Nebenprodukt

Sn2 mit starken Nucleophilen geringer Basizität in hoher Konzentration:

CH3

Fe

CHRCHE + CH35” HbfbOH, CH,CSCH3 + Br” H

H

" E2 mit starken Basen in hoher Konzentration:

Ike + CHsCHz0”

en

H

270

CH3CH20H

> —

CHsCH=CH;

Tertiäre Halogenalkane

79 Zusammenfassung der Reaktivität von Halogen-

Tertiäre Substrate reagieren unter Eliminierung (E2) in Gegenwart kon-

alkanen

zentrierter starker Basen, in nicht-basischen Medien aber unter Substitu-

tion (Snl). Bimolekulare Substitution findet nicht statt, Eliminierung nach El tritt jedoch als Nebenreaktion von Syl auf. Die verschiedenen Reaktionen sind nachstehend zusammengefaßt:

Reaktivität tertiärer Halogenalkane R—X

mit Nucleophilen (Basen)

Wenn X eine gute Abgangsgruppe ist, ein polares Solvens vorliegt und in Abwesenheit einer Base: Sl + El 8

I

CHSCHaEBr m CH; HOH, P

=

A T

CHSCH3COH + Alkene CH;

E2 mit starken Basen in hoher Konzentration:

CH,

H

El mit schwachen Basen oder geringen Konzentrationen einer starken Base: CH3

CH3

|

CH,CH,OH, schwache Base

CHiCBn = |

— HBr

ei CH

CCH;

CH; Übung 7-14 Bei welcher der folgenden Reaktionen Weshalb?

B

entsteht ein größeres EW/E1-Produktverhältnis?

CH;

CH; H30H

(OR CH-CHSCHBE. ST,

CHSCHSCHEr

CH30 "Na", CH30H

I

Ss (b)

(CH3CH)-N m

n2 Li", (CH3CH)2NH

Propanon (Aceton) [03

——[

271

Verständnisübung

7 Weitere Reaktionen der

Halogenalkane

a 2-Brom-2-methylpropan (tert-Butylbromid) Chlorid- und Iodid-Ionen in Nitromethan.

reagiert vollständig mit

1 Geben Sie die Konstitution der beiden Substitutionsprodukte an und beschreiben Sie den Mechanismus ihrer Bildung examplarisch für ein Produkt. 2 Vergleichen sie die relativen Reaktionsgeschwindigkeiten der beiden Reaktionen unter der Annahme gleicher Konzentrationen aller Reaktanten. 3 In welcher der beiden Reaktionen wird häufiger eine Eliminierung beobachtet? Geben Sie den vollständigen Mechanismus an.

Lösung 1

Wir beginnen mit der Analyse der beteiligten Reaktionspartner und

versuchen anschließend zu bestimmen, welche Reaktion eher stattfindet.

Das Substrat ist ein Halogenalkan

mit einer guten Abgangsgruppe

an

einem tertiären Kohlenstoffatom. Nach Tabelle 7-4 ist der Sy2-Mechanismus unwahrscheinlich, aber Sy1l-, El-und E2-Mechanismen kommen

sehr wohl in Betracht. Chlorid- und Iodid-Ionen sind gute Nucleophile und schwache Basen. Dies legt den Schluß nahe, daß in erster Linie eine Substitution zu (CH3);CCl bzw. zu (CH3);CI erfolgt (Abschn. 7.8). Der Mechanismus (Sl) verläuft wie in Abschnitt 7.2 vorgestellt, mit der Ausnahme, daß im Anschluß an die heterolytische Spaltung der C-Br-Bindung unter Bildung eines Carbenium-Ions das Halogenid-Ion das Kohlenstoffatom angreift und direkt zum Produkt führt. Das sehr polare Nitromethan ist ein sehr gutes Lösungsmittel für Syl-Reaktionen (Abschn. 7.4). 2 In Abschnitt 7.4 haben wir gelernt, daß die Stärke des Nucleophils keinen Einfluß auf die Reaktionsgeschwindigkeit unimolekularer Reaktionen hat. Die Reaktionsgeschwindigkeiten sollten gleich sein, was experimentell auch bestätigt wird. 3 Zur Beantwortung dieser Teilaufgabe müssen wir etwas mehr nachdenken. Nach Tabelle 7-4 und Abschnitt 7.8 treten El- und Sy1-Reaktionen immer nebeneinander auf. Wird jedoch die Basizität des Nucleophils erhöht, so werden Eliminierungen nach dem E2-Mechanismus möglich und das Verhältnis zugunsten des Eliminierungsproduktes erhöht. Schauen wir uns die Tabellen 2-6 und 6-6 an, so sehen wir, daß

%HO

[N]

WRNz

Ka

10 10 15 20 50 50 50 50

0M 0.0.5M 0.05M 0.0.5M 0.05M 0.10M 0.20 M 0.50M

0 60 60 60 60 75 85 95

1 I 7 2, > x ä er

*

nicht schnell

272

meßbar,

Reaktion

das Chlorid-Ion basischer (und somit weniger nucleophil) als das IodidIon ist. Mit Chlorid werden mehr Eliminierungen beobachtet als mit Iodid. Die Reaktion verläuft nach dem in Abbildung 7-8 gezeigten Mechanismus, nur daß hier Chlorid als Base reagiert und ein Proton von dem Carbenium-Ionen abstrahiert.

in

ist zu

b Die nebenstehende Tabelle gibt die Ergebnisse der Reaktion wieder, die abläuft, wenn die unten gezeigte Chlorverbindung in Propanon (Aceton) in variierenden Mengen Wasser und Natriumazid gelöst wird: Dabei bedeuten % H,O den prozentualen Anteil von H,O im

Lösungsmittel, [N; ] die Natriumazid-Konzentration,

% RN; den pro-

zentualen Anteil des organischen Azids in der Produktmischung (der Rest ist der Alkohol) und k,.; die relative Geschwindigkeitskonstante der Reaktion, bezogen auf den Umsatz des Substrates. Die Ausgangskonzentration des Substrates ist jeweils 0.04 M. Beantworten Sie folgende Fragen:

N:

Hych

Jan

3

Beschreiben

und

?

in

no nk 1

Propanon

3

ne

Verständnisübung

H;O, NaN;,

Ya

anne Yu

erklären

Sie den

Einfluß,

den

en

die Variation

des

prozentualen Wasseranteils (% H;O) auf die Reaktionsgeschwinigkeit und die Produktverteilung hat. 2 Beantworten Sie die gleiche Frage für die Variation der Azid-IonenKonzentration ([N; ]). Hinweis: Die relative Geschwindigkeitskonstante würde dieselben Werte aufweisen, wenn anstelle von Azid-Ionen andere

Nucleophile, würden.

beispielsweise

Chlorid-

oder

Bromid-Ionen,

verwendet

Lösung 1 Wir beginnen, indem wir die gegebenen Reaktionsdaten analysieren. Zur Beantwortung der ersten Frage sind vor allem die Experimente 2-5 von Bedeutung. Hier wird die Konzentration des Azid-Ions konstant gehalten, aber der Wasseranteil

wird variiert. Wir sehen, daß die rela-

tive Geschwindigkeitskonstante mit steigendem Wasseranteil wächst, aber die Produktverteilung konstant bleibt (60% RN;, 40% ROH). Diese beiden Beobachtungen legen den Schluß nahe, daß durch die Erhöhung des Wasseranteils lediglich das Lösungsmittel polarer wird und der erste Reaktionsschritt,

die Ionisierung des Substrats,

schneller

erfolgt. Selbst wenn der Anteil an Wasser nur 10% beträgt, so liegt es doch in so großem Überschuß vor, daß die gebildeten CarbeniumIonen sehr schnell vom Wasser abgefangen werden, insbesondere im Vergleich mit der Geschwindigkeit, mit der Azid-Ionen dieselbe Reaktion eingehen. 2 Betrachten wir zunächst die Experimente 1 und 2. Durch den Zusatz von Natriumazid wird k,., um 50% erhöht. Ohne zusätzliche Informationen könnten wir annehmen, daß dies die Konsequenz eines Sy2-Mechanismus ist. Wäre das der Fall, so müßten andere Nucleophile die Reaktionsgeschwindigkeit in einer unterschiedlichen Weise beeinflussen. Wir wissen aber, daß die Zugabe stärkerer Nucleophile wie Br und CI’ zum gleichen Effekt führt. Dieses Ergebnis steht in Einklang mit einem Snt-Mechanismus, bei dem zugesetzte Ionen die Reaktionsgeschwindigkeit nur

in der Weise

erhöhen,

daß

die Polarität

des Lösungsmittels,

und damit auch die Geschwindigkeit des Dissoziationsschrittes, erhöht wird (Abschn. 7.4). Den Experimenten 5-8 können wir entnehmen, daß die Erhöhung des Anteils der Azid-Ionen die Produktverteilung beeinflußt. In hohen Konzentrationen ist das Azid-Ion ein stärkeres Nucleophil als Wasser und geht somit eher eine Reaktion mit dem intermediären Carbenium-lIon ein.

273

7

Weitere Reaktionen

Neue Reaktionen

der

Halogenalkane

1

Bimolekulare Substitution Sy2 (Abschn. 6.3 bis 6.10, 7.5)

Nur primäre und sekundäre Substrate H;C

E

CH3

Betas N

H%

CH;CH3

H>CH3

Direkter Rückseitenangriff mit 100%

2

+

\°“H

Inversion der Konfiguration

Unimolekulare Substitution Syl (Abschn. 7.1 bis 7.5)

Nur sekundäre und tertiäre Substrate CH3

CH3

CHSCHa BE en

CH3

HCl

—#DE

CH3

un GEBEN

CH3

CH3

Über Carbenium-Ion:

Chirale Systeme bilden Racemate

3

Unimolekulare Eliminierung El (Abschn. 7.6)

Nur sekundäre und tertiäre Substrate

CH3 CH3C

CH CCI

Chs

HBu H

A

CH;C

—

en

>H

u

CH3 CHSC——C H|

pa;

H;C +

CH3 + BH

C=C

ee: 3

Über Carbenium-Ion

4

Bimolekulare Eliminierung E2 (Abschn. 7.7)

CH,CHSCHST E33: eH,cHEcH #BH Fe Gleichzeitige Eliminierung von Abgangsgruppe und benachbartem Proton

Wichtige Konzepte 1 Die unimolekulare Substitution verläuft bei sekundären Halogenalkanen langsam und bei tertiären schnell. Ist das Lösungsmittel gleichzeitig das Nucleophil, so wird der Vorgang Solvolyse genannt.

5

Eliminierung

zu Alkenen

Base begünstigt die Eliminierung. 6

2 Der langsamste, d.h. der geschwindigkeitsbestimmende Schritt bei der unimolekularen Substitution ist die heterolytische Spaltung der C—XBindung, wobei ein Carbenium-Ion gebildet wird. Der Zusatz starker Nucleophile ändert das Produkt, nicht aber die Reaktionsgeschwindigkeit.

Die unimolekulare

ist die Nebenreaktion der Substitution bei sekundären und tertiären Substraten. Der Zusatz einer

Bei einer hohen

Konzentration

einer starken

Base kann bimolekulare Eliminierung eintreten. Der Austritt der Abgangsgruppe findet gleichzeitig mit der Abstraktion eines Wasserstoffatoms an einem benachbarten Kohlenstoffatom durch eine Base statt. Dieser Mechanismus erfordert eine anti-Konformation von Wasserstoffatom und

Abgangsgruppe. 3 Carbenium-Ionen werden durch Hyperkonjugation stabilisiert, folglich sind tertiäre Carbenium-Ionen stabiler als sekundäre. Primäre und Methyl-Kationen werden in Lösung nicht gebildet. 4

Die

unimolekulare

Substitution

an

einem

asymmetrischen Kohlenstoffatom führt häufig zur Racemisierung.

274

7 Substitution wird begünstigt durch sterisch ungehinderte Substrate und kleine, nur schwach basische Nucleophile. 8 Eliminierung wird begünstigt durch sterisch gehinderte Substrate und räumlich anspruchsvolle, stärker basische Nucleophile.

Auf g ab en

1

Welche

Aufgaben

Hauptprodukte

entstehen

bei

folgenden

Solvolysereak-

tionen?

ne

a

(d)

aecHicenr Fo

CH;

CH3

CH;

Br (b)

N CH3COH

i

=

|

(CH3)>CCH>CH3

Seh

(e)

m

=. CH 3 ec | CH;

CH>CH>

H

CH:

Cl

©)

_CH3OH |

(©)

OD

Chsccı CH;

2 Welche beiden Substitutionsprodukte nebenstehender Reaktion?

entstehen

überwiegend

bei

(a) Erklären Sie die Mechanismen, die zu den einzelnen Produkten führen. (b) Unterbricht man die Reaktion vorzeitig, so findet man ein /somer der Ausgangsverbindung in der Reaktionsmischung. Welche Struktur hat es und wie ist es entstanden?

3

CH;OH

———

€ CH>H

Welche beiden Hauptprodukte entstehen bei folgender Substitutions-

reaktion?

OSO,CH3 H;C

CeHs

CH3CH>OH

>

H;C

CeHs H

4 Wie würde sich das Hinzufügen der folgenden Substanzen Solvolysereaktion in Aufgabe 1 auswirken?

(a) H,O

(d) NaN,

(b) HS

(e) Propanon (Aceton)

(©) KI

(HD CH;CH>OCH3CH;

5 Ordnen Stabilität.

Sie

die

folgenden

Carbenium-Ionen

nach

bei der

abnehmender

+

275

7 Weitere Reaktionen der

6

Halogenalkane

mender Solvolysegeschwindigkeit in wäßrigem Propanon (Aceton).

Ordnen Sie die Verbindungen

der folgenden Gruppen nach abneh-

regen.

(a) CHZCHCH;CH;CI,

SIERT

6) \

San

a: a Cl

Cl

OCCH3

Cl

HO

Br

Cl

CH;

Cl

7 Welche Produkte entstehen bei folgenden Substitutionsreaktionen? Verlaufen sie nach Sl oder Sy2? Stellen Sie die einzelnen Schritte vollständig dar, verwenden Sie Pfeile, um die Elektronenverschiebungen und Bindungsänderungen deutlich zu machen.

(a) (CH,),CHOSO,CF,

CH,CH,OH

—

CH3 (b)

‚konz. HCI, H,O

(c) CH,CH,CH,CH,Br

(C,H )3P, DMSO

—

(d) CHLCH,CHEICH.CH;

en,

Se

8 Geben Sie die Produkte der gezeigten Substitutionsreaktionen an. Welche dieser Umsetzungen sollte schneller in polaren aprotischen Lösungsmitteln (wie Propanon oder DMSO) als in polaren protischen (wie Wasser oder Methanol) ablaufen? Begründen Sie Ihre Antwort anhand des zu erwartenden Mechanismus.

(a) CH,CH,CH;,Br + Na* "CN —

(b) (CH,),CHCH;I + NatN5 — (c) (CH;);CBr

jr HSCH3;CH;

m?

(d) (CH,),CHOSO,CH; + HOCH(CH,), — 9 Schlagen Sie eine Synthese von von (R )-2-Chlorbutan vor.

(R )-CH;CHN;CH;CH;

ausgehend

10 Geben Sie die absolute Konfiguration der Produkte für die beiden folgenden Substitutionsreaktionen von (S)-2-Brombutan an.

ESECERCELCHBICH,

o I

o |

(S)-CH3CH>CHBrCH; BSP

NTER

11 Welche El-Produkte können bei den Reaktionen der Aufgaben 1, 2 und 3 entstehen?

276

12 Welche Produkte entstehen bei folgenden Eliminierungen? Geben Sie für jede Reaktion an, ob sie hauptsächlich nach EI oder E2 verläuft und beschreiben Sie sämtliche mechanistischen Schritte wie in Aufgabe 7. konz. H,SO,, A

_—

0

(a)

(CH3)3COH

(b)

KCHSCHECHSCHSCH-

(e)

(ef)

Br

EHI

Überschuß KOH, CH,CH,OH,

CH3

Nachstehend

PRINT

cl

(d)

13

Aufgaben

sehen

Sie

drei

NaOCH3, CH3OH

a I

Reaktionen

von

2-Chlor-2-methyl-

propan:

DicH)cca en, I (3)

(CH3),CCI

CH;O-K*, CH,OH

(a) Geben Sie das Hauptprodukt jeder Reaktion an. (b) Vergleichen Sie die Geschwindigkeiten der drei Reaktionen, setzen Sie dabei identische Substratkonzentration und Polarität des Mediums voraus. Welche Mechanismen liegen vor? (e) Zeichnen Sie für jede Reaktion ein Diagramm des qualitativen Verlaufs der potentiellen Energie. 14

Geben

Sie bei folgenden Reaktionen

an, ob sie stattfinden, welche

Produkte hauptsächlich entstehen und nach welchem (Sul, Sn2, El oder E2) die Reaktionen ablaufen.

a)

px

EHa@l

Mechanismus

Br

KOCI(CH»)3, (CHz)3COH |

(f)

H

e@

H;C N 7

1 Nal, Propanon (Aceton)

CH>CH3

„F (b)

CHCH;CH;

CH3CHCH;>CH3

KBr, Propanon (Aceton) —

(@) ax

OH

KOH, CH3CH>OH

H

©

Inc

CH>CHz Br ON H

(h)

a

Überschuß KCN,

)-Cichchher een

OSO, (d)

NaNH,, fl. NH,

di Ce—

(e)

NaOCH>CH3, CH3CH>OH CH3CH;OH | (CHz)-CHCH>CH>CH3>Br _NaOCH;CH3,

CH;

|

NaSH, CH,OH

(R)-CH3CH>CHCH3

Beeich.,con

an konz.

HCI, H, 277

7 Weitere Reaktionen der

Br

Halogenalkane

(k)

(CH,).CCI

| (m) . (CH), CCHCH, ru

NaNH,,fl.NH,

CH:CH, 1 _CH3OH |

()

|

Gekane

15 Betrachten Sie die folgende Reaktion. Wird sie unter Substitution oder unter Eliminierung verlaufen? Welche Faktoren bestimmen den wahrscheinlichsten Mechanismus? Geben Sie die erwarteten Produkte an. (Hinweis: Zeichnen Sie das Substrat in der Sessel-Konformation.)

CH3 Cl NaOCH>CH3, CH3CH3OH

'CH3 CH3CHCH3 16 Tragen Sie das Hauptprodukt oder die Hauptprodukte der Reaktion zwischen den Halogenalkanen und den angegebenen Reagenzien in die Tabelle ein. Halogenalkan

Reagenz

H,O

NaSCH;

NaOCH;

KOC(CH;3);

CH;Cl

Ben

et

TEEN

ee

CH;CH;Cl

ET

N

BRRERE

BELN

(CH3),CHCl (CH;),CCl

2

17 Geben Sie für jedes Produkt, das Sie in die Tabelle in Aufgabe 16 eingetragen haben, den Mechanismus an, nach dem es entstanden ist (Snl,

Sn2,

El

oder

B2):

18 Geben Sie für jede der folgenden Gleichungen an, ob die Reaktion rasch, träge oder überhaupt nicht vonstatten geht. Bei Reaktionen, die anders als aufgeführt verlaufen, geben Sie das tatsächliche Reaktionsprodukt an. (a)

CH=CH>CHCH;

NaOH, Propanon (Aceton)

GR

Br

OH

CH3

| (b) CHSCHCH;CI > H (c)

Cl

CH3

| CH3CHCH>OCH3 H,

er

HCN,

CH3OH

CN

“=

CH3 (d)

|

CH3—C—CH;CH>;CH>5 CHR OH

CH3SO-0 278

(CH3CH>)>0

—

CH3

CH3

o

CH3 CH3l (e)

©

CH3 CH>SCH3 NaSCH3,

Aufgaben

CH30H

(ICH.EILCHEBr > ICH CHSCH,N, (e)

(CH,),CCI

Nal, Propanon REN

(CH3,);CI

CH;3I (h) (CH,CH,),0 3 (CH,CH,),ÖCH; + I”

6) CHIT->» CH,OCH, CH;0H

= Zar errcHh-ch

Geeukerierenicer

gs

CH; (k) CH,CHCH;CH,CI

() (CH,CH,);COCH,

N2OCHCH, SHRetBOH, CH,CHCH=CH; NaBr, CH,OH

u —

(CH,CH,),CBr

19 Entwerfen Sie Synthesen für die nachfolgend aufgeführten Verbindungen, ausgehend von den angegebenen Substanzen. Wählen Sie nach Belieben die Lösungsmittel oder zusätzliche Reagenzien. In manchen Fällen werden Sie stets Produktgemische erhalten, geben Sie dann die Reagenzien und die Bedingungen an, die zu einer maximalen Ausbeute des erwünschten Produkts führen (vgl. Aufgabe 16 in Kap. 6). I

(a) (b) (c) (d) (e)

DL

CHSCHZCHCH5, aus Butan CH,CH,CH3;CHj3I, aus Butan (CH.),COCH,, aus Methan und 2-Methylpropan Cyclohexen, aus Cyclohexan Cyclohexanol, aus Cyclohexan

Kohn aus HOCH,CH,CH,CH,OH.

en (8) CO

aus 1,3-Dibrompropan.

20 2-Brom-2-phenylpropan (siehe Rand) wird nach einem unimolekularen Mechanismus streng nach erster Ordnung hydrolysiert. Bei einer Konzentration [RBr] = 0.1 mol//L in 9:1 Propanon/Wasser mißt man eine Reaktionsgeschwindigkeit von 2 x 10° mol/(L s).

ne

Ne.

>

u CH

(a) Errechnen Sie daraus die Geschwindigkeitskonstante k. Welches Produkt entsteht? (b) In Gegenwart von 0.1 mol/L LiCl wird die Reaktion schneller,

4 x 10°* mol/(L s), obwohl sie weiterhin genau nach erster Ordnung verläuft. Berechnen Sie die neue Geschwindigkeitskontante kı;cı und erklären Sie die Wirkung von LiCl. (ec) Wenn anstelle von LiCl 0.1 moVL LiBr vorliegen, sinkt die Reak-

tionsgeschwindigkeit auf 1.6 x 10°* mol/(L s). Wie erklären Sie sich das? Beschreiben Sie die Reaktion mit chemischen Gleichungen! 21 Die nachfolgend dargestellten cyclischen Carbenium-Ionen sind von unterschiedlicher Stabilität. Schlagen Sie eine Stabilitätsreihe vor und begründen Sie diese.

Are]

Cyclopropyl

Cyclobutyl

Cyclohexyl

279

7 Weitere Reaktionen der

Halogenalkane

22 Ordnen Sie nachstehenden Reaktionen das passende Reaktionsprofil (s.u.) zu. Zeichnen Sie die Übergangszustände, Zwischenstufen oder Produkte, die auf den Energiekurven mit einem Großbuchstaben bezeichnet sind. (a) (CH;);CCl

=

(C,H; )3P rd

(b) (CH3;),;CHI + KBr — (c) (CH;);COH

+

HBr

>

(d) CH,CH,Br + NaOCH;CH, > (1)

(2)

A

@

E

E D B Reaktionskoordinate —o

Reaktionskoordinate —>

(3)

(4)

E G E

E

F H

Reaktionskoordinate —>

Reaktionskoordinate —>

23 Welches ist das wahrscheinlichste Produkt der Reaktion von 4-Chlor-4-methyl-I-pentanol in neutralem, polaren Lösungsmittel? Die Summenformel des Produkts lautet C,H,,O.

Cs

| (CH»),CCH;CH;CH;OH —

HCI + ?

Dieselbe Verbindung in basischer Lösung ergibt ein Produkt mit derselben Summenformel C,H],O, das aber eine völlig andere Struktur hat. Welches Produkt entsteht, und wie erklären Sie die unterschiedlichen Ergebnisse?

24 Die nachstehend gezeigte Reaktion kann sowohl nach El als auch nach E2 verlaufen. CH;

re

|

CH;

_NaOCH;,CH5OH |GEHLCH=C(CEHL I HIGH CH: CE «

CH;

Die Geschwindigkeitskonstante für El lautet kg; = 1.4 x 10°* s', die Geschwindigkeitskonstante für E2 lautet kp = 1.9 x 10°* L/(mol s); die Halogenalkan-Konzentration beträgt 0.02 moVL. 280

(a) Welcher Eliminierungsmechanismus herrscht vor bei einer Konzentration von NaOCH; von 0.5 mol/L?

(b) Welcher

Eliminierungsmechanismus

überwiegt

bei

Aufgaben

einer

NaOCH;-Konzentration von 2.0 mol/L? (ce) Bei welcher Konzentration der Base reagiert das Substrat genau zu 50% nach E1 und zu 50% nach E2?

25 Schüttelt man 2-Methyl-2-propanol mit konzentriertem wäßrigen HBr, bildet sich schnell 2-Brom-2-methylpropan (siehe Rand) in einer Umkehrung der Sn1-Hydrolyse (Abschn. 7.1). Schlagen Sie einen detaillierten Mechanismus für diese Reaktion vor.

(CH;);COH ee { (CH;);CBr

26 Ein sekundäres Halogenalkan reagiert mit jedem der unten aufgeführten Nucleophile in einem polaren protischen Solvens (die pK,Werte der konjugierten Säuren der Nucleophile sind in Klammern angegeben). Geben Sie für jede Reaktion das Hauptprodukt und den vorliegenden Mechanismus an.

(a) N; (4.6) (b) NH (35)

(DEF (3.2) (9) CHsO” (9.9)

() NH, 95) (d) HSe” (3.7) (e) H” (38)

(PH; (-12) () NH>OH (6.0) () NCS” (-0.7)

27 Cortison ist ein Steroid, das entzündungshemmend erhält es leicht aus dem unten gezeigten Alken.

wirkt.

Man

Ye

2

CH>OH

Ge

|

CH3

en

az

OÖ

CH3

HO= Alken

Cortison

Nachstehend sind drei chlorierte Verbindungen gezeigt. Zwei davon ergeben mit einer Base unter E2-Eliminierung gute Ausbeuten des oben gezeigten Alkens. Mit welcher Verbindung ist das nicht möglich und weshalb? Welches Produkt erhält man in diesem Fall durch eine E2-Eliminierung?

A

B

C

28 Das Ringsystem von trans-Bicyclo[4.4.0]decan-Derivaten ist als Teil von Steroidgerüsten von besonderem Interesse. Fertigen Sie sich Modelle der am Rand gezeigten bromierten Systeme an, und beantworten Sie mit deren Hilfe folgende Fragen:

281

(a) Eines der am Rand gezeigten Moleküle reagiert in einer E2Reaktion mit NaAOCH3>CH; in CH;CH,OH wesentlich schneller als das andere. Welches Molekül ist das und weshalb? (b) Deuteriert man das Kohlenstoffatom neben dem bromsubstituierten Kohlenstoffatom, erhält man folgendes Ergebnis:

CH3z

CH; Br

CH3 NaOCH>CH3, CH3CH>OH

(D vollständig erhalten)

>

CH;

i

CH;

CH;

ji)

NaOCH;CH3, CHsCH;OH „ De

(D vollständig

|

|

az is ee CH3

H

abgespalten)

CH;

Geben Sie bei jeder Reaktion an, ob syn- oder anti-Eliminierung vorliegt. Zeichnen Sie jeweils die Konformation, die das Molekül vor der Eliminierung annehmen muß. Kann Ihnen das helfen, die Frage a zu lösen? Auf welche Weise? (ec) Finden Sie bei jeder der in b beschriebenen Reaktionen einen Deuterium-Isotopeneffekt? Erklären Sie ihre Antwort!

Gruppenübung 29 Betrachten wir den allgemeinen Mechanismus und Eliminierungsreaktion eines Bromalkans. R—Br

mr

R—Nu

Wie wird der Reaktionsmechanismus flußt, wenn

die Struktur des Substrates

einer Substitutions-

+ Alken

und die Produktbildung beeinund die Reaktionsbedingungen

verändert werden? Um die Einzelheiten der bimolekularen und unimolekularen Substitutions- und Eliminierungsreaktionen detaillierter zu betrachten,

sehen

Sie sich die Umsetzungen

der Bromalkane

A bis D

unter den Bedingungen a) bis e) an. Teilen Sie die Aufgabe unter sich so auf, daß jeder von Ihnen sich mit der Frage nach Reaktionsmechanismen und qualitativer Produktverteilung auseinandersetzen muß. Besprechen Sie Ihre Ergebnisse und kommen Sie zu einem Konsens. Wenn Sie Ihrer Gruppe einen Reaktionsmechanismus erläutern, benutzen Sie zur Darstellung gebogene Pfeile um die Verschiebung der Elektronen darzustellen. Geben Sie die absoluten Konfigurationen der Substrate und Produkte mit R und $ an.

D

D

no

AM

Br

Br

Br

B

(a) NaN;, DMF

282

(b) LDA, DMF

c

(ec) NaOH, DMF

Br ni

D

(d) CH;CO "Na", CH;COH

(e) CH3;OH

Alkohole Eigenschaften der Hydroxyverbindungen, Einführung in die Synthesestrategie

Der Begriff „Alkohol“ wird, ob im erfreulichen Sinne oder nicht, meist

mit Trinkalkohol, Ethanol, in Verbindung gebracht. Die stimulierende Wirkung nach (maßvollem) Alkoholgenuß ist seit tausenden von Jahren bekannt. Das ist nicht sehr überraschend, denn Ethanol kann auf natürlichem Wege durch die Fermentation von Kohlenhydraten erzeugt wer-

den. Beispielsweise wird bei der Behandlung einer wäßrigen Zuckerlösung mit Hefe Kohlendioxid (CO) entwickelt, und es kommt dabei zur Bildung von Ethanol. Hefe-Enzyme C,H,:0%

a

u CH;CH>OH

Zucker

et

CO,

Ethanol

In diesem Kapitel wird eine Einführung in die Chemie der Alkohole gegeben. Wie wir aus Kapitel 2 wissen, enthalten Alkohole den Substituenten OH, die Hydroxy-Gruppe, und man kann sie als Derivate des Wassers ansehen, bei denen ein Wasserstoffatom durch eine Alkylgruppe ‚ersetzt ist. Der Ersatz des zweiten Wasserstoffatoms liefert einen Ether (Kapitel 9).

H=O_reet20- m, VCH Wasser

.

OSCH.

Methanol

Methoxymethan

(ein Alkohol)

(ein Ether)

Alkohole kommen in der Natur häufig und in vielfältiger Struktur vor (siehe z.B. Abschn. 4.7). Einfache Alkohole werden als Lösungsmittel benutzt, andere sind wichtig für die Synthese komplexer Moleküle. Sie sind auch ein gutes Beispiel dafür, wie die Eigenschaften und die Anwendungen organischer Verbindungen durch die funktionellen Gruppen bestimmt werden. Nach der Nomenklatur der Alkohole diskutieren wir ihre Strukturen und andere physikalische Eigenschaften im Vergleich zu den Alkanen und Halogenalkanen. Schließlich lernen wir anhand der Darstellung der Alkohole effiziente Synthesestrategien für neue organische Verbindungen kennen. 283

8 Alkohole

8.1 Nomenklatur der Alkohole Wie auch bei anderen Verbindungsklassen benutzt man für Alkohole systematische und Trivialnamen. Nach der systematischen IUPAC-Nomenklatur werden Alkohole als Alkanderivate behandelt. Dem Namen des Alkans wird die Endung -ol angehängt, aus dem Alkan wird ein Alkanol. Der einfachste Alkohol, Methanol, leitet sich von Methan ab. Ethanol ist ein Derivat des Ethans, Propanol stammt von Propan usw. Bei komplizierten verzweigten Systemen richtet sich der Name des Alkohols nach der längsten Kette, die den OH-Substituenten trägt. Diese muß nicht unbedingt die längste Kohlenstoffkette im Molekül sein.

OH ein Methylheptanol

ein Methylpropyloctanol

Um den Platz der funktionellen Gruppe im Molekül festzulegen, beginnt man mit der Zählung so, daß die OH-Gruppe eine möglichst niedrige Nummer erhält. H

u

voraleg

A

CH;3CH>CH>0OH

Wade

1-Propanol

OH 2-Propanol

H

EL

a

SE;

ernie

-

OH 2-Pentanol

Damit ist die Numerierung anderer Substituenten der Kette automatisch festgelegt. Die Namen dieser Substituenten werden dem Alkanol vorangestellt. Komplexe Alkylsubstituenten werden nach den IUPACRegeln für Kohlenwasserstoffe benannt (Abschn. 2.3). Stehen für die Benennung zwei Ketten gleicher Länge zur Auswahl, wählt man diejenige mit der größeren Anzahl von Substituenten.

6

3

l

3

4

3

HOCH>CH>CHCH>CH>CH3

CH3

2

5-Methyl-3-propyl-I-hexanol

2,2,5-Trimethyl-3-hexanol

2-Methyl-1-propanol

N

TERIETEE

.

Bet

CH;CHCH>OH :

F

CH; HO CH;

CH;

[nicht 3-(2-Methylpropyl)-1-hexanol]

Cyclische Alkohole tuenten

tragen,

zählt

heißen man

Cycloalkanole;

so, daß

das

funktionelle Gruppe bindet, die Nummer

wenn

sie weitere

Kohlenstoffatom,

Substi-

welches

die

1 erhält.

OH

HO

CH;CH;

OH 1

Cyclohexanol

1-Ethyleyclopentanol

cis3-Chlorcyclobutanol

Die OH-Gruppe als Teil eines Moleküls ist eine Hydroxygruppe. Wie Alkylsubstituenten und Halogenalkane teilen wir Alkohole in primäre, sekundäre und tertiäre Alkanole ein: 284

RCH>OH

OH

OH |

RCR’

RCR’

H

primärer Alkohol

8.2

Struktur und physikalische Eigenschaften der Alkohole

R”

sekundärer Alkohol

tertiärer Alkohol

Übung 8-1 Zeichnen Sie die Formeln folgender Alkohole: (a) (S)-3-Methyl-3-hexanol; (b) trans-2Bromeyclopentanol; (c) 2,2-Dimethyl-1-propanol (Neopentylalkohol). Übung 8-2 Benennen Sie folgende Verbindungen:

v

eg

OH

(a) CH;CHCH>CHCH,;

(b) CH;CH

han. 2

(©) CH,CHCHCH>OH

In der chemischen Umgangssprache werden Alkohole als Alkylderivate behandelt, wobei dem Namen der Alkylgruppe das Wort „Alkohol“ nachgestellt wird. In der älteren Literatur findet man solche Namen noch oft, wir sollten sie aber nicht mehr verwenden.

CH;

CH;

CH;CH

N

CH,OH

OH

Methylalkohol

Isopropylalkohol

CH; tert-Butylalkohol

Manche häufig verwendete Alkohole haben Trivialnamen:

CH>OH HCOH HOCH3;>CH>0OH Ethylenglycol (1,2-Ethandiol)

CH>0OH Glycerin (1,2,3-Propantriol)

Die Stellung eines Substituenten bezüglich der funktionellen Gruppe

dr

Bu.

wird durch einen griechischen Buchstaben angegeben. Das Kohlenstoff-

CICHZCHZCHZCHZOH

atom, das die Hydroxygruppe trägt, ist das a-Atom, das benachbarte Kohlenstoffatom heißt ß, und entsprechend wird die Kette alphabetisch weitergezählt. Wir fassen zusammen: Nach der IUPAC-Nomenklatur sind Alkohole Alkanole. Die längste Kette, die die Hydroxygruppe trägt, gibt der Verbindung den Namen. Die funktionelle Gruppe erhält eine möglichst niedrige Nummer. In Trivialnamen kennzeichnen griechische Buchstaben die Stellung weiterer Substituenten bezüglich der OH-Gruppe.

ö-Chlorbutylalkohol

:8.2 Struktur und physikalische Eigenschaften der Alkohole Die physikalischen Eigenschaften der Alkohole werden durch die Anwesenheit der funktionellen Hydroxygruppe geprägt. Die Polarität der Hydroxygruppe bewirkt die Assoziation der Alkoholmoleküle über Wasserstoffbrücken. Diese Eigenschaft spiegelt sich im Löslichkeitsverhalten und in den Siedepunkten wider.

285

8 Alkohole

Die Struktur der Alkohole ähnelt der des Wassers In Abbildung 8-1 ist gezeigt, wie stark die Struktur des Methanols der des Wassermoleküls und der des Methoxymethans (Dimethylether) ähnelt. In allen drei Molekülen ist das Sauerstoffatom annähernd sp°hybridisiert, so daß der Bindungswinkel annähernd der Tetraederwinkel ist. Die geringen Unterschiede in Bindungswinkeln und Bindungslängen sind auf sterische Effekte zurückzuführen, die beim Austausch von Was-

serstoffatomen gegen Alkylgruppen auftreten. Der Winkel R-O-—-R nimmt z.B. von 104.5° über 108.9° auf 111.7° zu, wenn man schrittweise H durch CH; ersetzt. Hauptsächlich aufgrund der höheren Elektronegativität des Sauerstoffs verglichen mit der des Kohlenstoffs ist die O—HBindung beträchtlich kürzer als die C—H-Bindung. In Einklang damit nimmt die Bindungsstärke zu: DH’(OH) = 435 kJ/mol, DH’(CH) = 410 kJ/mol. Die Elektronegativität des Sauerstoffs bewirkt eine ungleichmäßige Ladungsverteilung im Molekül, so daß ein Dipolmoment ähnlich dem in Wasser entsteht (Abschn. 1.6). Dipolmomente von Wasser und Methanol 6.0 x 10°°°Cm

Sn H

H

ER a oO

CH3

H

Dipolmoment (insgesamt)

Dipolmoment (insgesamt)

‘Oo:

Su

H 110 pm 03ma 111.7

109

o

H

HH

ins SC-=B

H

„e Wasser

Methanol

Methoxymethan

Abb. 8-1 Die Ähnlichkeit der Strukturen von Wasser, Methanol und Methoxymethan. Kohlenstoff- und Sauerstoffatom sind nahezu sp’-hybridisiert, so daß die Bindungswinkel am Sauerstoffatom annähernd Tetraederwinkel sind. Erinnern Sie sich, daß das tetraedrische Sauerstoffatom zwei freie Elektronenpaare in zwei nichtbindenden sp’-Hybridorbitalen

trägt. Dies wird in der Struktur B besonders gut sichtbar.

Wasserstoffbrücken-Bindungen erhöhen die Siedepunkte und die Löslichkeiten in Wasser Bei der Diskussion der physikalischen Eigenschaften der Halogenalkane (Abschn. 6.2) stellten wir fest, daß polare Alkylderivate generell höher sieden als die entsprechenden unpolaren Alkane. Das Dipolmoment eines Alkohols gleicht in etwa dem eines entsprechenden Halogenalkans

(z.B. CH;Cl, u = 6.5x 10° C m; CH,OH, u

57x LICH

ähnliche Korrelation von Dipolmomenten und Siedepunkten wäre daher auch bei vergleichbaren Vertretern dieser beiden Verbindungsklassen zu erwarten. Tabelle 8-1 zeigt jedoch, daß das nicht zutrifft. Tatsächlich finden wir, daß die Siedepunkte der Alkohole ungewöhnlich hoch sind, viel höher als die von Alkanen und Halogenalkanen vergleichbarer Größe. Wie läßt sich das erklären?

286

Tabelle 8-1 Physikalische Eigenschaften von Alkoholen und ausgewählten analogen Halogenalkanen und Alkanen

Verbindung

TUPAC-

Trivial-

Schmelzpunkt

Siedepunkt

Löslichkeit

Name

name

ine

In

in H,O bei 23°C

CH;OH

Methanol

CH;Cl

Chlormethan

Methylalkohol Methylchlorid

— 97.8 MU 1825 — 114.7 — 136.4 — 1833 265 805 ID — 187.7

65.0 —24.2 — ll 78.5 103 —88.6 97.4 82.4 Sl —42.1 117.3 82.2 138 114

CH;

Methan

CH;CH,OH CH;CH>Cl

Ethanol Chlorethan

CH;CH;

Ethan

CH;CH>CH>0H CH;CHOHCH;

1-Propanol 2-Propanol

CH;CHECICH3

2-Chlorpropan

CH;CH3;CH; CH;CH;,CH;>CH>,OH

Propan 1-Butanol

(CH;);COH

2-Methyl-2-propanol

CH;(CH3)4OH

1-Pentanol

(CH3;);CCH;0OH

2,2-Dimethyl-I-propanol

Ethylalkohol Ehtylchlorid

Propylalkohol Isopropylalkohol Isopropylchlorid Butylalkohol tert-Butylalkohol Pentylalkohol Neopentylalkohol

899 23 = 53

@

unbegrenzt 0.74 g/100 ml 3.5 ml (g)/100 ml unbegrenzt 0.477 g/100 ml 4.7 ml (g)/100 ml unbegrenzt unbegrenzt 0.305 g/100 ml 6.5 ml (g)/100 ml 8.0 g/100 ml unbegrenzt 2.2 g/100 ml unbegrenzt

Der Grund dafür liegt in der Ausbildung von Wasserstoffbrücken. Bei Alkoholen werden diese zwischen dem Sauerstoffatom des einen Moleküls und dem Hydroxy-Wasserstoffatom eines anderen Moleküls gebildet. Diese Wechselwirkung führt zu einem weiten Netz derart verknüptfter Moleküle (Abb. 8-2A). Obwohl eine Wasserstoffbrücken-Bindung

viel schwächer ist (DH® — 21 kJ/mol) als eine kovalente O—H-Bindung (DH” = 435 kJ/mol) — was sich auch in der relativ langen Wasserstoffbrücken-Bindung äußert (Abb. 8-2A) — erschwert jedoch die Vielzahl der vorhandenen Wasserstoffbrücken das Verlassen der flüssigen Phase. Dies führt zu verhältnismäßig hohen Siedepunkten. In Wasser ist dieser Effekt noch stärker ausgeprägt, da hier zwei Wasserstoffatome für Wasserstoffbrücken zur Verfügung stehen (Abb. 8-2B). In reinem flüssigem Wasser ist jedes Molekül im Durchschnitt an 3.4 Nachbarmoleküle durch Wasserstoffbrücken gebunden. Obwohl diese Bindungen ständig gelöst und neu geknüpft werden, besteht doch im Ganzen eine hochgeordnete Struktur. Dies erklärt auch den - bei einer molaren Masse von 18 g/mol — ungewöhnlich hohen Siedepunkt (100°C) des Wassers. Ohne diese Wasserstoffbrücken wäre Wasser unter Normalbedingungen ein Gas. Bedenkt man, daß Wasser die Grundlage des Lebens ist, kann man sich kaum vorstellen, wie die Evolution auf unserem Planeten ohne flüssiges Wasser verlaufen wäre. Die Fähigkeit zur Ausbildung von Wasserstoffbrücken ist für die gute Wasserlöslichkeit vieler Alkohole verantwortlich (Tab. 8-1). Die Löslichkeit ist um so besser, je kleiner die Alkylkette des Alkohols ist. Die unpolaren Alkane lösen sich schlecht in Wasser. Deshalb nennt man sie hydrophob (vom griechischen hydro, Wasser, und phobos, Furcht). Dagegen, kann Wasser die Hydroxygruppe und andere polare Gruppen (z.B. COOH und NH,) solvatisieren. Man nennt sie deshalb hydrophil. 96 pm

(DH® = 435 kJ/mol)

H°

ER

207 pm

(DH° = 21 kJ/mol)

Abb. 8-2 Wasserstoffbrücken-Bindungen (A) zwischen Alkoholmolekülen und (B) zwischen Alkohol- und Wassermolekülen.

287

8 Alkohole

Methanol

1-Pentanol

Abb. 8-3 Hydrophobe (grün) und hydrophile (rot) Teile von Methanol und von 1-Pentanol (Kalottenmodelle). Die polare funktionelle Gruppe bestimmt die physikalischen Eigenschaften von Methanol: Die Verbindung ist in Wasser unbegrenzt löslich, jedoch nur teilweise in Hexan. Im Unterschied dazu führt der große hydrophobe Anteil in 1-Pentanol zu einer unbegrenzten Löslichkeit in Hexan und einer verminderten Löslichkeit in Wasser

(Tab. 8-1).

Tabelle 8-1 zeigt, daß die Löslichkeit von Alkoholen in polaren Lösungsmitteln abnimmt, wenn der hydrophobe Alkylteil des Moleküls größer wird. Gleichzeitig nimmt die Löslichkeit in unpolaren Lösungsmitteln zu (Abb. 8-3). Alkohole sind beispielsweise gut geeignet, um fetthaltige Ablagerungen auf den Tonköpfen von Kassetten- oder Videorecordern zu entfernen. Durch ihre ‚„wasserähnliche“

Struktur sind die niederen Alkohole,

besonders Methanol und Ethanol, ausgezeichnete Lösungsmittel für polare Verbindungen und sogar Salze. Auch in Sn2-Reaktionen werden sie häufig verwendet (Kapitel 6). Wir fassen zusammen: Das Sauerstoffatom in Alkoholen (und Ethern) ist tetraedrisch umgeben und nahezu sp’-hybridisiert. Die kovalente O—H-Bindung ist stärker als die C—H-Bindung. Das elektronegative Sauerstoffatom bewirkt ein beachtliches Dipolmoment in Alkoholen und Ethern. Alkoholmoleküle bilden untereinander Wasserstoffbrücken. Diese sind für die relativ hohen Siedepunkte und für die gute Löslichkeit von Alkoholen in polaren Lösungsmitteln verantwortlich.

8.3 Alkohole sind Säuren und Basen Alkohole sind Säuren, sie werden durch Basen deprotoniert und bilden Alkoxidsalze (Abschn. 6.7; Tab. 6-4). In diesem Abschnitt wollen wir untersuchen, wie induktive und sterische Effekte sowie die Polarisierbar-

keit die pK,-Werte der Alkohole beeinflussen. Alkohole reagieren auch basisch, indem das freie Elektronenpaar des Sauerstoffatoms

ein Proton

bindet. Dadurch entsteht ein Alkyloxonium-Ion (Abschn. 6.7).

Die Säurestärken von Alkoholen

und Wasser sind ähnlich

Die Acidität von Alkoholen in Wasser wird durch die Gleichgewichts-

konstante K ausgedrückt (Abschn. 6.7): K

ROH

+ MO

ZRH;

0?

+ RO AlkoxidIon

Wird das Gleichgewicht in Wasser gemessen, so kann man die Konzentration von Wasser als konstant (55.5 mol/L) ansehen neue Gleichgewichtskonstante K, mit einbeziehen: 1A

R =

KIH>0]

_ [50°] [RO]

Z= ROH

und PK, =. —log K,

moVL

und

in eine

Tabelle 8-2 pK,-Werte einiger Alkohole und verwandter Verbindungen in Wasser

8.3

Verbindung

pK,

Verbindung

pK,

H,O CH;OH CH;CH;OH (CH;);CHOH (CH3);COH H;0;

15% 195 1559 17.1 18 11.64

HOCI CICH,CH,OH CF;CH,OH CF;CH;CH,0H CF;CH;CH,CH,OH

7.53 14.3 12.4 14.6 15.4

Alkohole sind Säuren und Basen

Tabelle 8-2 enthält die pK,-Werte verschiedener Alkohole und verwandter Verbindungen. Vergleicht man diese mit den Werten von Mineralsäuren

und anderen

starken

Säuren

in Tabelle

6-4, sieht man,

daß

Alkohole wie Wasser recht schwache Säuren sind. Ihre Acidität ist jedoch sehr viel größer als die von Alkanen und Halogenalkanen. Im Gegensatz zu Alkanen und Halogenalkanen reagieren Alkohole auch sauer, da das positiv polarisierte Wasserstoffatom als Proton an eine Base abgegeben werden kann. Dadurch entsteht ein negativ geladenes Alkoxid-Ion, in dem wiederum die Elektronegativität des Sauerstoffatoms die Ladung stabilisiert. Um das Gleichgewicht zwischen Alkohol und Alkoxid auf die Seite der konjugierten Base zu verschieben, muß man eine stärkere Base als das Alkoxid einsetzen; mit anderen Worten: Die Konjugierte Säure der Base muß schwächer als der Alkohol sein. Als Beispiel betrachten wir die

Reaktion

zwischen

Natriumamid,

NaNH3,,

und

Methanol,

die zu

Natriummethoxid und Ammoniak führt. K CH;0OH + NATNH, ——CH3;30O7Na* pKa

=

15.5

Natriumamid

Natriummethoxid

+ NH; pKa

=

35

Das Gleichgewicht liegt hier weit auf der rechten Seite (K- 10° > = 10'”°), da Methanol eine viel stärkere Säure ist als Ammoniak oder, anders ausgedrückt, weil das Amid-Ion eine viel stärkere Base ist als Methoxid. In Abschnitt 9.1 werden wir sehen, daß bei der Darstellung von Alkoxiden starke Basen eingesetzt werden. Bei vielen Reaktionen

genügt es, das Alkoxid während

der Reaktion

zu erzeugen, wo es dann in der Gleichgewichtskonzentration Zu diesem Zweck gibt man ein Alkalihydroxid zum Alkohol. CH;CH;0OH pK, = 15.9

+ NA*!OH"-

K =

CH3;CH>0O”"Na*

vorliegt.

+ HHO pk, = 15.7

In: Gegenwart dieser Base liegt der Alkohol etwa zur Hälfte als Alkoxid vor, wenn äquimolare Konzentrationen der Reaktionspartner eingesetzt werden. Übung 8-3 Welche der folgenden Basen ist hinreichend stark, eine praktisch vollständige Deprotonierung von Methanol zu erreichen? In Klammern sind die pK,-Werte der jeweils konjugierten Säuren angegeben,

(a) KCN (9.2); (b) CH;CH;CH;CH;Li (50); (c) CH3CO;Na (4.7); (d) LIN[CH(CH3),]; (LDA, 40); (e) KH (38); (£) CH;SNa (10).

Sterische Hinderung und induktive Effekte beeinflussen die pK,-Werte von Alkoholen Wie aus der ersten Spalte von Tabelle 8-2 ersichtlich ist, nehmen die pK,-Werte der Alkohole von Methanol zu primären, sekundären und tertiären Systemen hin zu. 289

8

pX,-Werte von Alkoholen in Lösung

Alkohole

CH;OH < primär < sekundär < tertiär stärkste Säure

schwächste Säure

Diese Reihenfolge ist darauf zurückzuführen, daß die Solvatation und die Ausbildung von Wasserstoffbrücken bei großen Molekülen sterisch gehindert sind. Da sowohl Solvatation wie auch Wasserstoffbrücken-Bindungen die negative Ladung des Sauerstoff-Ions stabilisieren, wirkt sich die Beeinträchtigung dieser Prozesse auf den pK, aus.* Die zweite Spalte in Tabelle 8-2 zeigt einen weiteren Beitrag zum pK,-Wert der Alkohole: Halogenatome im Molekül erhöhen die Säurestärke. Das Kohlenstoffatom der C—X-Bindung ist wegen der hohen Elektronegativität der Halogene positiv polarisiert (Abschn. 1.6). Die elektronenziehende Eigenschaft der Halogenatome bewirkt, daß auch die benachbarten Atome geringfügig positiv geladen werden. Diese Weiterleitung einer Ladung entlang einer Kette von Atomen wird induktiver Effekt

genannt

(Abschn.

1.6). Dieser

Effekt

ist dafür verantwortlich,

daß die negative Ladung des Alkoxid-Sauerstoffatoms durch elektrostatische Anziehung stabilisiert wird. Der induktive Effekt wächst mit der Anzahl der elektronegativen Gruppen, aber er sinkt mit zunehmender Distanz vom Sauerstoffatom. © Übung 8-4 Ordnen Sie folgende Alkohole nach zunehmender Aecidität:

OH

OH

OH

OH cl

Cl cl ©

Übung 8-5 Auf welcher Seite bei folgender Reaktion liegt das Gleichgewicht in Lösung (äquimolare Anfangskonzentrationen vorausgesetzt)?

(CH3);CO- + CHHOH —> (CH3);COH + CH30-

Durch das freie Elektronenpaar des Sauerstoffatoms reagieren Alkohole basisch Tabelle 8-3 pX,-Werte einiger protonierter Alkohole Verbindung

a) I

CH,OH; CH,CH,OH; (CH,);CHOH, (CH3),;COH>

ala N Dem D [0'e] DON

Alkohole können nicht nur als Säuren, sondern aufgrund der beiden freien Elektronenpaare am Sauerstoffatom auch als Basen reagieren. In Abschnitt 6.7 wurden Alkohole als Basen bereits erwähnt, wir erfuhren,

daß sehr starke Säuren die OH-Gruppe protonieren. Alkohole sind jedoch nur sehr schwach basisch, wie aus den niedrigen pK,-Werten ihrer (Tab.

den Alkyloxonium-Ionen, die sowohl sauer als auch

ersichtlich ist basisch wirkt,

nennt man amphoter (vom griechischen ampho, beide). Die amphotere Natur der funktionellen Hydroxygruppe prägt das chemische Verhalten der Alkohole. In stark saurer Lösung liegen sie als Alkyloxonium-Ionen vor, in neutralem Medium als Alkohole, in stark basischer Lösung als Alkoxide. Amphotere Verbindungen haben mehr als einen pK,-Wert. Diese Eigenschaft finden wir sonst nur bei einigen Mineralsäuren, z.B. Schwefelsäure und Phosphorsäure, die mehr als einmal deprotoniert werden können. Normalerweise bezieht sich der pK, eines Alkohols jedoch auf sein Gleichgewicht mit dem Alkoxid und nicht mit dem Alkyloxonium-Ion. *

2%

konjugierten Säuren, 8-3). Eine Substanz,

In der Gasphase ist aufgrund der fehlenden Solvation die Aciditätsskala gerade umgekehrt. Die Erklärung dafür ist in der Polarisierbarkeit zu suchen: Verzweigte Alkylsubstituenten stabilisieren die Ladung besser.

8.4 x 8

starke Säure

R-—O

m

IR

H

schwache Säure ROH

schwache Base

Alkyloxonium-Ion

——

mm

RO

7

und Ethen

starke Base

Alkohol

Technische Alkohol-

synthesen mit Kohlenmonoxid

Alkoxid

Wir halten fest: Alkohole sind amphoter. Das elektronegative Sauerstoffatom bewirkt ein schwach saures Verhalten. In Lösung beeinträchtigen sperrige Substituenten die Solvatation und erhöhen damit die pXK,Werte. Die entgegengesetzte Wirkung, die Stabilisierung der negativen Ladung durch die größere Polarisierbarkeit von Alkylsubstituenten kommt nur in der Gasphase zum Tragen. Elektronenziehende Substituenten in der Nähe der funktionellen Gruppe senken den pK,-Wert. Alkohole sind auch schwach basisch und können ein Proton (oder eine Lewis-Säure,

z.B.

ein

Carbenium-Ion)

binden.

Dadurch

entstehen

Alkyloxonium-Ionen.

8.4 Technische Alkoholsynthesen mit Kohlenmonoxid und Ethen Wenden wir uns nun der Darstellung der Alkohole zu. Wir beginnen in diesem Abschnitt mit wichtigen Methoden für die technische Darstellung, im nächsten Abschnitt werden dann allgemeine Laborverfahren behandelt, mit denen die Hydroxygruppe als funktionelle Gruppe in die verschiedensten organischen Moleküle eingeführt werden kann. 1993 wurden in der Bundesrepublik Deutschland über 1200000 Tonnen Methanol hergestellt. Bei diesem Verfahren wird ein Gasgemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff (Synthesegas) katalytisch unter hohem Druck umgesetzt, wobei CO zu CH;OH hydriert, d.h. reduziert wird. Der Katalysator besteht aus Kupfer, Zinkoxid und Chrom(III)oxid. Cu/ZnO/Cr,O,, 250°C, 5-10 MPa

Beim Erhitzen von Synthesegas in Gegenwart von Rhodium- oder Rutheniumkatalysatoren unter hohem Druck entsteht selektiv 1,2Ethandiol (Ethylenglycol) durch reduktive Kopplung von CO. 1,2Ethandiol spielt in der chemischen Industrie eine wichtige Rolle. Hauptsächlich wird es jedoch durch Hydrolyse des cyclischen Ethers Oxacyclopropan (Oxiran, Ethylenoxid) dargestellt (Abschn. 9.8). -:2C0

+ 3H3

Rh oder Ru, Druck, Erhitzen

jnharie

OH

OH

1,2-Ethandiol

(Ethylenglycol) Die selektive Bildung eines einzigen Produkts aus Synthesegas ist technisch besonders interessant, da Mischungen aus CO und H, durch ‚Kohlevergasung in Gegenwart von Wasser leicht herzustellen sind (ungefähre Zusammensetzung von Kohle siehe Abschn. 15.6).

Kohle

Luft, H,O, A

—

xCO +yH,

Die reichen Kohlelagerstätten der Erde bilden daher die Basis für chemische Grundstoffe und weitere wichtige Produkte, unter ihnen auch flüssige Kraftstoffe. Diese als Fischer-Tropsch-Reaktion bekannte Eisen- oder Cobalt-katalysierte Bildung von Kohlenwasserstoffen aus Synthesegas wurde um die Jahrhundertwende entdeckt und in Deutsch-

291

8

Alkohole

land in den zwanziger Jahren weiterentwickelt. Im zweiten Weltkrieg, als das Land von Ölimporten abgeschlossen war, war es mit der Fischer-Tropsch-Synthese möglich, den Energiebedarf, vor allem den Bedarf

an

flüssigen

Kraftstoffen,

aus

heimischer

Kohle

zu

decken.

Gegenwärtig ist Südafrika das einzige Land, das einen Großteil seines Treibstoffbedarfs durch die Fischer-Tropsch-Reaktion deckt. nCO

+(2n +1)H,

Co oder Fe, Druck, 200-350°C

PER Rt ne

C,Ha„n+2 + nH,O

Ethanol wird in großen Mengen durch Fermentation von Zuckern gewonnen (Kapitel 24). Für Industriezwecke stellt man es durch Phosphorsäure-katalysierte Hydratisierung von Ethen her (Abschnitt 12.15).* Insgesamt wurden in der Bundesrepublik Deutschland 1993 über 150000 Tonnen Ethanol hergestellt.

CH,;=CH; + HOH +3?9a 300€, cy,—cH, | | H OH Nach diesem Verfahren sind auch andere, einfache Alkohole

aus den

entsprechenden Alkenen zugänglich (s. Abschn. 12.4). Kompliziertere Alkohole kann man herstellen, indem man andere funktionelle Gruppen in eine Hydroxygruppe umwandelt, z.B. durch nucleophile Substitution eines Halogenalkans. Wir fassen zusammen: Die technische Synthese von Methanol und 1,2-Ethandiol verläuft über die Reduktion von Kohlenmonoxid

mit Was-

serstoff, die Synthese von Ethanol über die säurekatalysierte Hydratisierung von Ethen (Ethylen).

8.5 Alkoholsynthese durch nucleophile Substitution Im Labormaßstab können wir Alkohole aus einer Vielzahl von Ausgangsstoffen darstellen. In den Kapiteln 6 und 7 haben wir bereits eine Methode kennengelernt, durch die man funktionelle Gruppen in eine Hydroxygruppe überführt: die Hydrolyse von Alkylderivaten mit guten Abgangsgruppen nach Sx2 und Syl. Dieses Verfahren kann man jedoch nicht generell anwenden, da umgekehrt die benötigten Halogenalkane aus den entsprechenden Alkoholen gebildet werden. Auch können hier die bekannten Nebenreaktionen der nucleophilen Substitution auftreten, z.B. bimolekulare Eliminierung bei sterisch gehinderten primären und sekundären Verbindungen. Die aus tertiären Halogenalkanen gebildeten Carbenium-Ionen neigen zu El-Reaktionen oder Umlagerungen (s. Abschn. 9.2 u. 9.3). Trotzdem wird die nucleophile Substitution in einer Reihe von Alkoholsynthesen verwendet, von denen wir hier zwei zeigen wollen. Im ersten Beispiel wird die Inversion durch die Einhaltung der Sn2Bedingungen erreicht, während im zweiten Beispiel eine Solvolyse als Snl-Reaktion abläuft und die Stereoselektivität dadurch erreicht wird, daß die Oberseite des Moleküls weitaus stärker sterisch gehindert ist als die Unterseite. In beiden Substitutionsreaktionen wird ein zweites organisches Lösungsmittel (Cosolvens), hier Pyridin bzw. THF, eingesetzt, um die Löslichkeit der Subtrate zu erhöhen.

*

Anm.

d. Übers.:

In zunehmendem

Maß

wird Industrie-Ethanol

Überschußproduktion von EU-Weinen hergestellt.

292

durch

Destillation der

Kasten 31 In diesem zweiten Schritt wird die CarbonylSauerstoff-Bindung gespalten, so daß der Alkoxyrest unbeeinflußt bleibt. Diese Reaktion ist als Esterhydrolyse bekannt und wird genauer in Kapitel 20 behandelt. Diesen Weg hat man bei der Darstellung von (R)-2-Hydroxycarbonsäuren eingeschlagen, die im Gegensatz zu ihren Enantiomeren nicht in der Natur vorkommen, aber äußerst nützlich bei der Untersuchung der Enzymtätigkeit sind. Der entscheidende Schritt ist die Substitution des Halogens in einem (S)-2Halogencarbonsäureester unter Inversion. Die Ausgangsstoffe dieser Synthese werden aus den in der Natur weit verbreiteten (S)-2-Aminocarbonsäuren erhalten.

Darstellung von Alkoholen aus Acetaten Die Darstellung von Alkoholen durch die Reaktion von Halogenalkanen mit dem HydroxidIon wird durch konkurrierende Eliminierungen erschwert. Letztere kann in einigen Fällen stark zurückgedrängt werden, indem ein weniger basischer Sauerstoff-Nucleophil wie das Acetat-Ion (Abschn. 7.8) eingesetzt wird. Das dabei entstehende Alkylacetat kann dann mit wäßriger Hydroxid-Lösung zum gewünschten Alkohol umgesetzt werden.

0

Schritt

0

H-olch;

Roten;

Essigsäure

Alkylacetat

1 Acetat-Darstellung (Sy2-Reaktion)

CH;

CH;

oO

CHCH>CHCH;CHBr + CH3CO”Na* DME80’C, CH„CH,CHCH,CH>OCCH; + Na*Br” 95% 1-Brom-3-methylpentan

Schritt

3-Methylpentylacetat

2_ Umsetzung zum Alkohol (Esterhydrolyse)

je

|

CH3CH>CHCH>CH>O+-CCH, + Na* "OH

=. 1-27;

-CH3CO "Na

E

CH3CH>CHCH;CH;OH 85% 3-Methyl-1-pentanol

Darstellung eines Alkohols aus einem Ester O

OC(CH3)3

N

= ER

2“ "Cs, DMF me, Sn2

cı-H-H CH>

R-=(

[6) Q

)-

OC(CH3)3

e DE

u4oer|

CH» fe)

65%

OÖ N

Leon. 0 2 Ha, Esterhydrolyse

OH

co

H=4-0H CH>

84%

(R)-2-Hydroxy-3-phenylpropansäure

* Die Zahlen beziehen sich auf Reagenzien, die nacheinander eingesetzt werden. Die erste Reaktion ist somit die Behandlung des Substrats links des Reaktionspfeils mit den unter 1. aufgeführten Reagenzien. Das Produkt dieser Reaktion wird dann mit den unter 2. aufgeführten Reagenzien umgesetzt usw. Die letzte Reaktion liefert das rechts vom Pfeil angegebene Endprodukt.

293

Alkohole durch nucleophile Substitution

S Alkohole H;C

Ö

H 3C

H>C

Br

H ;C NaOH,

H50,

—[1

HO

OÖ

Pyridin

[5

Sn?

.n

-OH

*

HO 95%

Pyridin = 0) N

Steroid aus dem Blut der menschlichen Nabelschnur

CO,CH3 CH,CH3 HOH, THF BON, THF _

[> OH

Sn!

CH;O

Br

CHO

OH 86%

THF = [ oO

\ = Oxacyclopentan (Tetrahydrofuran)

Vorstufe in der Synthese von Antitumor-Antibiotika

| Übung 8-6 | Geben Sie eine Möglichkeit für die Umsetzung der folgenden Halogenalkane zu Alko-

h i holen an. u

(a) Bromethan, (b) Chloreyelohexan, (c) 3-Chlor-3-methylpentan.

F Übung 8-7 =

Setzt man (R)-2-Iodbutan nacheinander mit Natriumacetat und mit Hydroxid um, erhält man einen optisch aktiven Alkohol. Welche absolute Konfiguration hat er?

Wir fassen zusammen: Alkohole können aus Halogenalkanen mittels nucleophiler Substitution dargestellt werden unter der Voraussetzung, daß die Halogenalkane leicht zugänglich sind und Nebenreaktionen wie die Eliminierung unterdrückt werden können.

8.6 Die Redox-Beziehung zwischen Alkoholen und Carbonylverbindungen In diesem Abschnitt wird ein wichtiger Syntheseweg für Alkohole beschrieben: die Reduktion von Aldehyden und Ketonen. Später werden wir sehen, daß diese Verbindungen auch bei gleichzeitiger Bildung einer neuen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung zu Alkoholen umgesetzt werden können. Wegen der Vielseitigkeit von Aldehyden und Ketonen in der Synthese zeigen wir auch ihre Darstellung durch die Oxidation von Alkoholen.

Oxidation und Reduktion haben eine besondere Bedeutung in der organischen Chemie Bei anorganischen Verbindungen kann man einen Oxidations- oder Reduktionsvorgang leicht als Elektronenabgabe bzw. -aufnahme erkennen. Bei Reaktionen organischer Verbindungen ist es dagegen oft viel weniger offensichtlich, ob Elektronen aufgenommen oder abgegeben werden. Die organischen Chemiker definieren Oxidation und Reduktion daher etwas zweckmäßiger: Ein Vorgang, bei dem elektronegative Atome, wie ein Halogen oder Sauerstoff, an ein Molekül addiert oder Wasserstoff entfernt wird, wird eine Oxidation genannt. Umgekehrt 294

Schrittweise Oxidation von CH, zu CO,

+0

CH

—

—2H

CHOH

—

+0

H£=0

8.6

Die Redox-Beziehung zwischen Alkoholen und Carbonylverbindungen

|

—

—2H

HCOH

—>

CO,

wird die Entfernung von Sauerstoff oder die Addition von Wasserstoff als Reduktion definiert. Man kann dies anhand der schrittweisen Oxidation von Methan, CH,,

zu Kohlendioxid, CO,, veranschaulichen. Diese

Definition

ermöglicht

uns,

eine

Oxidation-Reduktions-Bezie-

hung (Redox-Beziehung) zwischen Alkoholen einerseits und Aldehyden und Ketonen andererseits aufzustellen: Die Addition zweier Wasserstoffatome an die Doppelbindung der Carbonylgruppe stellt eine Reduktion zu dem korrespondierenden Alkohol dar. Aldehyde führen zu primären, Ketone zu sekundären Alkoholen. Der umgekehrte Vorgang, die Entfernung von Wasserstoff in Alkoholen unter Bildung von Carbonylverbindungen y 2

ist eine Oxidation.

Kasten 8-2

Biologische Oxidation und Reduktion

der beiden Enantiomere von 1-Deuterioethanol von diesem Enzym katalysiert, so läuft er stereo-

Alkohole werden durch Stoffwechselreaktionen zu Carbonylverbindungen oxidiert. In biologischen Systemen wird Ethanol durch das kationische Oxidationsmittel Nikotinamidadenindinucleotid

spezifisch ab. NAD

(abgekürzt NAD'; Struktur s. Kap. 25) in Acetaldehyd überführt. Die Reaktion wird durch das Enzym Alkoholdehydrogenase katalysiert (dieses Enzym katalysiert auch die Rückreaktion, die Reduktion von Aldehyden und Ketonen zu Alkoholen). Wird der biologische Oxidationsprozeß

CH; SON But D

.

Alkohol-

O

dehydrogenase

l

TE NAD NAD-H

‚e srl CH;

CH;

Alkohol-

\ D

abstrahiert nur das in der

Reaktionsgleichung markierte Wasserstoffatom an C1 (s. Kasten 25-4). Andere Alkohole werden auf ähnliche Weise biochemisch oxidiert. Die relativ hohe Toxizität von Methanol beruht vor allem auf dem oxidativen Abbau zu Formaldehyd. Das Aldehyd stört ein System, das für die Übertragung von C;-Fragmenten zwischen nucleophilen Zentren in Biomolekülen verantwortlich ist.

»Df

HIST

0

Il

dehydrogenase

ee NAD-D

C

DEÖs

CH;

H

H

(R)-1-Deuterioethanol

($)-1-Deuterioethanol

Die Fähigkeit von Alkoholen enzymatisch oxidiert zu werden macht sie zu wichtigen Zwischenprodukten

im Stoffwechsel.

Eine

der wichtigsten

Funktionen des metabolischen Abbaus von Nah“rung ist deren kontrollierte „Verbrennung“, (Ss. Abschn. 3.10). Bei dieser Verbrennung wird Wärme und chemische Energie freigesetzt, die wir benötigen, damit unser Körper „funktioniert“.

Eine weitere Aufgabe ist die selektive Einführung funktioneller Gruppen, insbesondere von Hydroxyfunktionen, in nichtfunktionalisierte Moleküle oder Molekülteile, oder anders ausgedrückt, in

Alkane oder Alkylsubstituenten. zeß spielen C'ytochrom-Proteine Rolle. Diese Biomoleküle sind lebenden Zellen vorhanden. Sie etwa Zeit,

Bei diesem Prodie entscheidende in nahezu allen entwickelten sich

vor 1.5 Milliarden Jahren, also in der Pflanzen und Tiere noch

zu einer nicht als

Cytochrom-Modell

unterschiedliche Spezies existierten. 295

x

Cytochrom P-450 (s. Abschn. 22.9) nutzt O, für die direkte Hydroxylierung organischer Moleküle. In der Leber dient dieser Prozeß dem entgiftenden Abbau von körperfremden (xenobiotischen) Substanzen, beispielsweise von eingenommenen Medikamenten. Häufig ist der primäre Effekt der Hydroxylierung eine erhöhte Wasserlöslichkeit der Medikamente, wodurch die Ausscheidung des Medikaments beschleunigt und dadurch die Bildung toxischer Konzentrationen verhindert wird.

E:

Die selektive Hydroxylierung ist auch bei gezielten Steroidsynthesen wichtig (s. Abschn. 4.7). Beispielsweise wird aus Progesteron durch dreifache Hydroxylierung an C17, C21 und Cil Cortison gebildet. Nicht nur, daß die als Enzym wirkenden Proteine sehr spezifisch bestimmte Positionen stereoselektiv funktionalisieren, sie kontrolieren auch die Reihenfolge, in der diese Prozesse stattfinden. Sie können die Herkunft dieser Selektivität erahnen, wenn Sie sich das Cytochrommodell genau ansehen. oO

kaı

Das aktive Zentrum durch eine Häm-Gruppe Abschn. 26.8), und in tein-)-Strang eingebettet

ist ein Eisenatom, das fest gebunden wird (Ss. einen Polypeptid-(Proist. Das Eisenzentrum bindet O, unter Bildung einer Fe-O,-Spezies, die dann zu H,O und der Fe=O-Einheit reagiert.

Dieses Oxid reagiert als Radıkal (s. Abschn. 3.4) mit einem Alkan (R-H). Dabei entsteht ein FeOH-Intermediat und ein Alkylradikal. Dieses Radıkal spaltet die Hydroxyfunktion vom Eisenzentrum ab, wobei ein Alkohol entsteht.

2H° -H0

— ”

Fr

®:

3__ir Bo:

=

En

Es

n-.

Bo

Die sterische und elektronische Umgebung des Polypeptid-Strangs ermöglicht Substraten wie Progesteron eine Annäherung an das aktive Eisen-

zentrum nur in wenigen, sehr spezifischen Orientierungen. Dies führt dazu, daß nur bestimmte Positionen wie C17, C21 und C11 oxidiert werden.

Die Redox-Beziehung zwischen Alkoholen und Carbonylverbindungen HH

. Reduktion wm eN—AN

H

Aldehyd

Oxidation

H

Primärer Alkohol

BD mo

R'

Keton

HH

Reduktion er ———R--oO Oxidation

ir

Sekundärer Alkohol

Die Reduktion von Carbonylverbindungen kann entweder durch direkte Addition von molekularem Wasserstoff oder durch ein HydridReagenz erreicht werden.

Darstellung von Alkoholen durch katalytische Hydrierung von Aldehyden und Ketonen Die Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindung von Aldehyden und Ketonen (Abschn. 2.1) reagiert mit Wasserstoff, H,, unter Bildung von Alkoholen.

Diese Reaktion erfordert einen Katalysator und in vielen Fällen erhöhten Wasserstoffdruck. Meist verwendet man heterogene Katalysatoren (vom griechischen heteros, anderer, und genos, Art). Sie bestehen gewöhnlich aus feinverteiltem Metall, das eine große Oberfläche bietet, z.B.

Palladium,

Platin

oder

Nickel

auf

einem

Trägermaterial,

8.6

Die Redox-Beziehung zwischen Alkoholen und Carbonylverbindungen

z.B.

Kohle. Der Katalysator ist im Reaktionsmedium unlöslich und liegt darin suspendiert vor. (Im Gegensatz dazu werden lösliche Katalysatoren als homogen bezeichnet.)

Hydrierung eines Ketons

Hydrierung eines Aldehyds

CH

O0

|

CH;

|

|

H,. Pd-C

CH,CHCHCH — >

OH |

o

CHSCHCHZCH H

Ho, Pt

wo) Cyclohexanol

Cyclohexanon

3-Methyl-1-butanol

3-Methylbutanal

H

Re

Der Mechanismus dieser katalytischen Hydrierung wird am Beispiel der Alkene in Abschnitt 12.2 ausführlich erläutert. Er verläuft über atomaren

Wasserstoff, der zusammen

mit dem Substrat an die Oberflä-

che des Katalysators gebunden wird. Der Katalysator ist notwendig, da die Bindungsdissoziationsenergie von Wasserstoff mit DH” = 435 kJ/ mol zu hoch ist, als daß Wasserstoffatome auf einfachem thermischem Wege entstehen könnten. Mit dem Katalysator ist ein Reaktionsverlauf von geringerer Aktivierungsenergie möglich (s.a. Abb. 3-5 u. Kasten 3-1).

Darstellung von Alkoholen durch Reduktion der Carbonylgruppe mit Hydriden Da Sauerstoff elektronegativer als Kohlenstoff ist, sind die Elektronen in der Carbonylgruppe ungleichmäßig verteilt, das Kohlenstoffatom ist elektrophil, das Sauerstoffatom nucleophil. Die Elektronenverteilung läßt

sich

durch

polare

Resonanzformeln

Carbonyl-Kohlenstoffatom einem einem Alkoxid-Ion entspricht: Nar

ee$

ER

c=o

beschreiben,

Carbenium-Ion,

..

+

=0

in denen

das

das

Sauerstoffatom

.

0%

+

Polarisierung in einer Carbonylgruppe

Resonanzformeln einer Carbonylgruppe

Das elektrophile -Carbonyl-Kohlenstoffatom kann durch ein Äquivalent Hydrid, H, reduziert werden. Als hydridübertragende Reagenzien verwendet man Natriumborhydrid, NaBH,, und Lithiumaluminiumhydrid, LiAIH,. Hydrid-Reduktion von Aldehyden und Ketonen

Re

R

N

01823 Pag LE H

?

ER SE H

6) \

NL Npı

OH + LiAIH,

(CH,CH,),RO

_ H5O Aufarbeitung

BE,

| H

297

8 Alkohole

Diese

hydridübertragenden

Reagenzien

kann

man

sich entstanden

denken durch Reaktion eines Alkalimetallhydrids mit Boran, BH;, bzw. Alan, AIH;. Durch Addition von Hydrid, H, können die Elektro-

nenmangelverbindungen BH; bzw. AIH;, in denen Bor bzw. Aluminium sp’-hybridisiert sind, ihr Elektronenoktett vervollständigen (siehe Abb. 1-14). Im BH;-Ion und im AIH;-Ion nehmen die vier äquivalenten Wasserstoffatome die Ecken eines Tetraeders ein. Diese Moleküle haben die gleiche elektronische Struktur wie Methan oder das Ammonium-Ion NH}. H

H

Ben HEN

=.

In:B:H|

H

Nat

H

H_ An HE, H

HN Tp:ÄlsHl H

ut

Der Hydrid-Charakter des Wasserstoffatoms charakterisiert die Chemie dieser Verbindungen. Mit protischen Verbindungen wie Wasser und Alkoholen reagieren sie unter Bildung von Wasserstoff, wobei Natriumborhydrid reaktionsträger ist als Lithiumaluminiumhydrid.

NaBH, + 4 HOH — @"®®® NaOH + B(OH), + 4H-H LiAIH, + 4 CHH OH — X 3 LiAI(OCH3), + 4H-H Bei diesen Reaktionen wirkt das Hydrid-Ion als Base. Da NaBH,;, weniger reaktiv ist, kann es in Wasser und Alkohol als Lösungsmittel umgesetzt werden. Für protische Medien ist Lithiumaluminiumhydrid zu reaktiv, in diesem Fall greift man zu Ethoxyethan (Diethylether) oder anderen Ethern als Lösungsmittel. Man arbeitet die Reaktionsmischung mit wäßriger Säure auf, um einen Überschuß an Reagenz sowie eventuell gebildete Bor- oder Aluminiumsalze zu hydrolysieren.

Reduktion von Aldehyden und Ketonen mit Hydrid

O | CH-CH,CH,CH,CH

OH | e Pe GBCBOR, 7.CH,CH,CH, cn

En

H

Q 1. LiAIH4, (CH3SCH2)20

a

ee

H

OH 90%

85% 1-Pentanol

Pentanal

Cyclobutanon

Cyclobutanol

) Übung 8-8 e Geben Sie die Formeln aller Produkte der Reduktion mit NaBH, an, die Sie für die fol-

A genden Carbonylverbindungen erwarten. Denken Sie dabei an das mögliche Auftreten von Stereoisomeren.

|

ie

(a) CHZÜCHLCHLCH;

(b) CHSCHSÜCH;CH;

’LCH>CH3

(©) CISCHDEEN

H n Übung 8-9 Hydrid-Reduktionen verlaufen häufig sehr stereoselektiv, wobei das Hydrid-Ion die ste" risch weniger gehinderte Seite des Substrats angreift. Welche relative Konfiguration wird das Hauptprodukt der Hydrid-Reduktion von Verbindung A mit NaBH, haben?

Oo (CH3)2CH

298

CH(CH 3)»

Wie

wir

wissen,

vollzieht

sich

die

Hydrid-Reduktion

durch

eine

nucleophile Addition des Hydrids an das elektrophile Carbonyl-Kohlen-

stoffatom.

Setzt man

Borhydrid

in einem

protischen Solvens, z.B.

8.6 Die Redox-Beziehung

zwischen Alkoholen

und Carbonylverbindungen

Ethanol ein, überträgt das Lösungsmittel im Augenblick des Angriffs ein Proton auf das Sauerstoffatom des Substrats. Das Ethoxid-Ion verbindet sich mit der Borverbindung zu einem Ethoxyborhydrid.

Mechanismus der NaBH,-Reduktion

Na'

|

Ethanol (Solvens)

2

Na*H,BOCH3>CH;

+

aa

C=D>h-öchsch —

BR

Alkohol

Natriumethoxyborhydrid

Das Ethoxyborhydrid kann drei weitere Carbonylmoleküle reduzieren, bis alle Hydridsubstituenten verbraucht sind. Die Borverbindung wird schließlich zu Tetraethoxyborat, BÜLOCH,CH;); umgewandelt. Lithiumaluminiumhydrid ist reaktiver und sehr viel basischer als Natriumborhydrid, die Wasserstoffatome werden von Wasser und Alkoholen in oft heftiger Reaktion unter Bildung von molekularem Wasserstoff angegriffen. Reduktionen mit Lithiumaluminiumhydrid werden deshalb in aprotischen Lösungsmitteln wie Ethoxyethan (Diethylether) durchgeführt.

Reaktion von Lithiumaluminiumhydrid mit protischen Lösungsmitteln

LiAIH4 + 4 CH30H Bei der Addition oder ein Keton

von

Pl,

LiAIKOCH3)4 + 4 H—Hf

Lithiumaluminiumhydrid

entsteht zunächst

einen

Aldehyd

ein Alkoxyaluminiumhydrid,

an

das drei

weitere Hydrid-Ionen auf Carbonylgruppen überträgt, so daß schließlich vier Äquivalente Aldehyd oder Keton reduziert werden. Addition einer verdünnten Säure (wäßrige Aufarbeitung) setzt überschüssiges Reagenz um und hydrolysiert das Tetraalkoxyaluminat zum Alkohol als Produkt. Mechanismus der LiAIH,-Reduktion

8

N

ng HAIH

co —

|

analoge Reaktion mit drei weiteren

e

HC-OAlB, Bin nn

3 E=O

Lithiumalkoxyaluminiumhydrid

F |

a

TO

KL

Li"

Lithiumtetraalkoxyaluminat

Ä

|

„0H-Auferbeitung, , 4 H-C-OH + AI(OH)3 + LiOH Produkt: Alkohol

7 Übung 8-10 |

Welche Reduktionen führen zu den folgenden Alkoholen?

(a) 1-Decanol, (b) 4-Methyl-

\ 2-pentanol, (c) Cyclopentylmethanol, (d) 1,4-Cyclohexandiol.

I\

Chrom-Reagenzien oxidieren Alkohole zu Carbonylverbindungen Im letzten Abschnitt wurde die Darstellung von Alkoholen aus Aldehyden und Ketonen durch Reduktion mit Wasserstoff oder Hydriden beschrieben. Auch die umgekehrte Reaktion, die Oxidation von Alko-

299

CH3CH>CH>OH K;Cr0,

H>SO4. H50

CH;CH di H 49%

holen zu Aldehyden und Ketonen, ist möglich. Ein häufig verwendetes Reagenz zur Oxidation von Alkoholen ist Chrom(VI), ein Übergangsmetall in einer hohen Oxidationsstufe. In dieser Form sind Chromverbindungen gewöhnlich gelb bis orange. Bei der Umsetzung mit einem Alkohol wird Chrom(VI) zu tiefgrünem Chrom(IIlI) reduziert. Das Reagenz kann man als Dichromat (K;Cr;0; oder Na,Cr,O-) oder als CrO; kaufen. Die Oxidation von sekundären Alkoholen zu Ketonen wird häufig in saurer wäßriger Lösung durchgeführt.

Propanal

(Nüchtig)

Na>Cr504. H>SO4. H5O

|Weiteroxidation

”

6) |

96%

CH3CH>COH Propansäure

\

er. CrO;Ci

Unter diesen Bedingungen neigen primäre Alkohole dazu, weiter zu Carbonsäuren oxidiert zu werden, wie am Rand für 1-Propanol gezeigt ist. Für diese Reaktion gilt folgende stöchiometrische Gleichung:

Pyridiniumchlorchromat

4 H>SO,

HS

CH;CH;CH,OH

ein K,Cr>0-

Zr

1

(PCC oder pyH*CrO;,Cl”)

3 CH;CH;,CH

SF Cr,(SO,);

Sr K,SO,

+7

H,O

Bei Abwesenheit von Wasser sind die Aldehyde dagegen stabil und werden nicht weiter oxidiert. Man hat daher eine wasserfreie Form von Cr(VI) entwickelt, die durch Reaktion von CrO; mit HCl und nachfolgender Addition der organischen Base Pyridin gebildet wird und Pyridiniumchlorchromat, kurz pyH'CrO;Cl” oder einfach PCC (Rand), genannt wird. PCC gibt mit primären Alkoholen im Lösungsmittel Dichlormethan ausgezeichnete Ausbeuten an Aldehyden.

Oxidation eines primären Alkohols zu einem Aldehyd mit PCC

CH3CH>CH>CH>CH>CH>CH>CH>CH>JCH,OH

— I

CH3CH>CH>CH>CH>CH>CH>CH>CH>CH 92%

Chromsäureester sind Zwischenstufen bei der Alkoholoxidation Die Oxidation von Alkoholen mit Cr(VI) verläuft über einen Chromsäureester als Zwischenstufe,

der formal wie organische Ester aus Carbon-

säuren gebildet wird. Dabei bleibt die Oxidationstufe von Chrom halten: Chromsäureesterbildung mit einem Alkohol

..

..

|

..

RCH;OH + HÖ—Cr—ÖH

=

..

ee

| vw

vs

er-

..

+ H,O

:O: Chromsäure

Chromsäureester

Der zweite Schritt gleicht einer E2-Reaktion, wobei Wasser (oder Pyridin bei PCC) als milde Base das dem Alkohol-Sauerstoffatom benachbarte Proton entfernt. HCrO; tritt aus dem Molekül aus. Das Bindungselektronenpaar verbleibt beim Chrom, das damit seine Oxidationsstufe um zwei zu Cr(IV) verringert:

300

Aldehydbildung aus einem Chromsäureester : ..

.

N Pr

|

£

R-Cz0: |

..

PH

?

A

N

und Carbonylverbindungen N

O:

8.6 Die Redox-Beziehung zwischen Alkoholen

OH

er

..

+

=:

;

H;O

ar H;0:

IV m

"O;CrH

.

Diese Eliminierung unterscheidet sich von den bisher behandelten E2Reaktionen, da hier statt einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung eine Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindung entsteht. Die gebildete Cr(IV)-Spezies kann zu Cr(III) und Cr(V) disproportionieren oder weiter reduziert

werden,

d.h.

als Oxidationsmittel

wirken.

Am

Ende

ist

Cr(VI) vollständig zu Cr(IIl) reduziert. Die Oxidation tertiärer Alkohole mit Chromat bereitet Schwierigkeiten, da sie keine Wasserstoffatome neben der funktionellen Gruppe tragen.

|

Ä

H

0

(a) CHSCHZÜCHICH),

(b)

we

©)

(ORCHSCH, WAREN

Wir fassen zusammen: Die Reduktion von Aldehyden und Ketonen stellt einen allgemeinen Syntheseweg für primäre bzw. sekundäre Alkohole dar. Sowohl die katalytische Hydrierung als auch Hydrid-Reagenzien können dafür eingesetzt werden. Die umgekehrte Reaktion, die Oxidation von primären Alkoholen zu Aldehyden und von sekundären Alkoholen zu Ketonen wird mit Chrom(VI)-Verbindungen bewirkt. Durch den Einsatz von Pyridiniumchlorchromat (PCC) wird die Weiteroxidation der Aldehyde verhindert.

Kasten 8-3

lang der Röhre einen signifikanten von orange zu grün beobachten.

Alkotest

Der Farbwechsel von Chrom(VI) (orange) zu Chrom(Ill) (grün) in Gegenwart von Alkohol wird für die vorläufige Bestimmung der Alkoholkonzentration im Atem (und somit im Blut) alkoholisierter

Personen,

insbesondere

von

Atemluft

ebensoviel

Ethanol

enthalten

ist,

wie in 1 ml Blut. In der einfachsten Version des Tests bläst man für zehn bis zwanzig Sekunden (angezeigt durch das Aufblasen einer Plastiktüte) durch eine Röhre, die mit K,Cr,O- und H,SO, auf feingepulvertem Kieselgel (SiO,) gefüllt ist. Der Alkohol,

der sich in der Atemluft

befindet,

wird zu Essigsäure oxidert. Dabei kann man ent-

+

8H,SO,

+

3CH;CH,. OH

—>

orange

I

Autofah-

rern, genutzt (physiologische Auswirkungen von Ethanol s. Abschn. 9.10). Falls dieser Test positiv ausfällt, kann er als juristische Begründung für die Durchführung des exakten Blut- oder Urintests gelten. Die wissenschaftliche Grundlage dieser Nachweisreaktion ist die Diffusion von Blutalkohol über die Lungen in den Atem. Das Verhältnis Ethanol in der Atemluft zu Ethanol im Blut ‚beträgt etwa 2100 : 1. Das bedeutet, daß in 2100 ml

2 K,Cn0O;

Farbwechsel

2 Cr,(SO,)3

as 2 K,S0O,

ar 3 CH,;COH

+13

H,O

grün

Falls der grüne Bereich sich über einen bestimmten Bereich im Röhrchen hinaus ausdehnt (etwa die Hälfte), so ist die Blutalkoholkonzentration höher als 0.08%. Dies ist in vielen Ländern strafbar. Eine anspruchsvollere Version dieses einfachen Tests beruht auf der Bestimmung des Ausmaßes der Oxidation durch spektrophotometrische Methoden, der sogenannte Alkotest. Noch modernere Verfahren nutzen Mini-Gaschromatographen, elektrochemische Analysatoren und Infrarotspektrometer (Abschn. 11.5). Einige Leute behaupten, daß der Alkotest durch Rauchen,

das Kauen

von

Kaffeebohnen

lauchgenuß ausgetrickst Behauptungen sind falsch.

werden

oder

Knob-

kann:

Diese

301

8

Alkohole

8.7 Metallorganische Verbindungen: Reagenzien mit nucleophilen Kohlenstoffatomen Mit der Hydrid-Reduktion von Carbonylverbindungen kennen wir bereits eine effiziente Methode zur Darstellung von Alkoholen. Könnte man die Reaktion so erweitern, daß anstelle von Hydrid ein nucleophiles Kohlenstoffatom angreift, würde ein Alkohol mit einer neu geknüpften Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung entstehen. Für eine solche Reaktion brauchen wir ein Reagenz mit einem nucleophilen Kohlenstoffatom. In diesem

Abschnitt

erfahren

wir, wie man

Klasse von Verbindungen, lichen

kann.

Diese

dieses

Ziel durch

eine neue

den metallorganischen Reagenzien, verwirk-

enthalten

ein

Metallatom,

meist

Lithium

oder

Magnesium, gebunden an ein Kohlenstoffatom eines organischen Moleküls. Sie zeichnen sich durch starke Basizität und Nucleophilie aus und spielen in organischen Synthesen eine überaus wichtige Rolle.

Alkyllithium- und Alkylmagnesium-Verbindungen werden aus Halogenalkanen dargestellt Meist stellt man metallorganische Verbindungen von Lithium und Magnesium durch direkte Reaktion eines Halogenalkans mit dem in Ethoxyethan (Diethylether) oder in Oxacyclopentan (Tetrahydrofuran, THF) suspendierten Metall her. Die Reaktivität des Halogenalkans nimmt in der Reihenfolge Cl < Br < I zu; Fluoride werden normalerweise nicht verwendet. Synthese von Alkyllithium-Verbindungen

CH3Br + 2 Li

(CH3CH>)50, 0°-10°C _(CH3C

CH3Li + LiBr Methyllithium

CHzCH,CH>CH3Br + 2 Li EIS,

cH,CHSCH>CHHLi + LiBr Butyllithium

THF = [

\ = Oxacyelopentan (Tetrahydrofuran)

OÖ

Synthese von Alkylmagnesium-Verbindungen (Grignard-Verbindungen) I

\

H;C

Mel

+ Mg

THF, 20°C

Ko

\ CH;

| N

IC ı CH; 1-Methylethylmagnesiumiodid

Organomagnesium-Verbindungen, RMgX, nennt man nach ihrem Entdecker V. Grignard* auch Grignard-Verbindungen. Man kann sie aus primären, sekundären und tertiären Halogenalkanen darstellen und, wie wir in späteren Kapiteln sehen werden, auch aus Halogenalkenen und Halogenbenzolen. * Professor Francois Auguste Victor Grignard, Lyon, Nobelpreis 1912

302

1871-1935,

Professor an der Universität

trockener N,

8.7 Metallorganische Verbindungen: Reagenzien mit nucleophilen

|

Kohlenstoffatomen

Mechanischer Rührer

Überdruckventil

Tropftrichter mit Halogenalkan

Rückflußkühler

“— 10

Dreihalskolben

Abb. 8-4 Reaktionsapparatur zur Darstellung eines metallorganischen Reagenzes. Ein Halogenalkan wird zu Lithium oder Magnesium, suspendiert in Ether, zugetropft.

In Abbildung 8-4 sehen wir einen typischen Reaktionsaufbau für die Synthese dieser Verbindungen. Er besteht aus einem Dreihalskolben, einem Rührer, einem Tropftrichter und einem Rückflußkühler. Die gesamte Apparatur wird mit trockenem Stickstoff gespült. Während der Reaktion geht das suspendierte Metall langsam in Lösung. Legt man Lithium vor, fällt das Halogenid als Lithiumhalogenid aus und kann abfiltriert werden. Alkyllithium- und Grignard-Verbindungen werden normalerweise nicht isoliert, sondern in der Reaktionsmischung erzeugt und sofort mit dem Substrat umgesetzt. Verschiedene Alkyllithium-Reagenzien (Methyllithium, Butyllithium und 1,1-Dimethylethyllithium, tertButyllithium) sind als Standardlösungen käuflich. Diese Reagenzien sind sehr luft- und feuchtigkeitsempfindlich, man muß sie deshalb unter strengem Luft- und Feuchtigkeitsausschluß herstellen und handhaben. Die Strukturen von Alkyllithium-Verbindungen variieren, je nachdem, welches System vorliegt. Oft kennt man die genaue Zusammensetzung nicht, da.sie dazu neigen, zu Clustern unterschiedlicher Größe zu aggregieren. Grignard-Verbindungen unterscheiden sich in ihrer Zusammensetzung von Alkyllithium-Verbindungen. Das Halogenalkan entzieht praktisch der Metalloberfläche ein Magnesiumatom und fügt es zwischen die R—X-Bindung ein. In dem so gebildeten RMgX ist die Valenz des zweiwertigen Magnesiums abgesättigt; um sein Elektronenoktett zu vervollständigen, ist es jedoch noch an zwei Ethermoleküle koordiniert. Diese

Grignard-Verbindungen sind an Lösungsmittelmoleküle koordiniert

CH3CH>OCH>CH3 \ R—

X+ Mg _(CH5CH3»O

R—Mge—

X

T CH3CH>OCH;CH3 303

8 Alkohole

Wechselwirkung kann man als Beispiel einer typischen dativen kovalenten Bindung (Abschn. 1.2) ansehen oder als eine Lewis-Säure-BaseWechselwirkung (Abschn. 8.3). In der Konstitutionsformel einer Grignard-Verbindung führt man die koordinierten Ethermoleküle zwar nicht auf, ihre Bedeutung zeigt sich jedoch in der Tatsache, daß ein Ether bei der Darstellung vorhanden sein muß, da sonst die Reaktion sehr schlecht verläuft.

Die Alkyl-Metall-Bindung ist stark polar Die Kohlenstoff-Metall-Bindung ist zwar kovalent, jedoch durch das elektropositive Metall (Tab. 1-3) stark polarisiert. Das Metallatom bildet das positive Ende des Dipols. Der Grad der Polarität wird manchmal als „7 lonencharakter“ ausgedrückt. Die Kohlenstoff-Lithium-Bindung zum Beispiel ist zu etwa 40%, die Kohlenstoff-Magnesium-Bindung zu etwa 35% ionisch. Das chemische Verhalten solcher Verbindungen entspricht dem einer Verbindung mit einem negativ geladenen Kohlenstoffatom, einem Carbanion. Diese Eigenschaft kommt in einer Resonanzformel zum Ausdruck, in der das Kohlenstoffatom die volle negative Ladung trägt.

Die Kohlenstoff-Metall-Bindung in Alkyllithiumund Alkylmagnesium-Verbindungen

esse Ei

Ba

Be =M’

|

|

MM = Metall

|

polarisiert

ladungsgetrennt

Die Darstellung von Alkylmetall-Verbindungen aus Halogenalkanen ist ein Kunstgriff der synthetischen organischen Chemie, mit dem die Reaktivität einer Verbindung genau umgekehrt wird und den man deshalb als Umpolung bezeichnet. In einem Halogenalkan stellt das Kohlenstoffatom das elektrophile Zentrum dar. Durch die Reaktion mit

dem Metall wird die C’'—X°”-Gruppe umgewandelt in C”—M?’*, in dem das ursprüngliche Dipolmoment umgekehrt ist. Durch die Metallierung wird das elektrophile Kohlenstoffatom nucleophil und ändert dementsprechend seine Reaktivität.

Die Alkylgruppe in Alkylmetall-Verbindungen reagiert basisch Metallorganische Reagenzien müssen unter Feuchtigkeitsausschluß hergestellt werden, da sie mit Wasser meist heftig unter Bildung von Metallhydroxid und Alkan reagieren. Allein aufgrund der Ladungsverteilung läßt sich diese Reaktion vorhersagen: Der negativ polarisierte Alkylrest reagiert als Base und wird protoniert, während die Hydroxygruppe das positiv polarisierte Metall bindet. ON R-MSTORE

OSENOS +H-OH

CH3Li j + HOH

—>

HCH3

j + LiOH

100% Alkylmetall

CH3

| R—H Alkan

+ M—OH Metallhydroxid

CH3CH>CHCH>CH3MgBr 3-Methylpentylmagnesiumbromid

CH3

+ HOH

—>

CH3CH,>CHCH>CH>H

+ BrMgOH

100% 3-Methylpentan

Mit dieser Methode - obgleich sie ihre Grenzen hat — kann man einen Halogensubstituenten durch ein Wasserstoffatom ersetzen. Dasselbe läßt

304

sich auf direkterem Wege durch die Reaktion eines Halogenalkans mit dem starken Hydrid-Donor-Lithiumaluminiumhydrid in einer Sy2-Substitution des Halogens durch Hydrid erreichen.

Ki CHACHHCHET Br

(CH;CH,),O -LiBr

Tr

8.7 Metallorganische Verbindungen: Reagenzien mit nucleophilen Kohlenstoffatomen

CH;(CH>, CH; —H

1-Bromnonan

Nonan

Eine andere Möglichkeit, um etwa ein Wasserstoffisotop wie Deuterıum

in ein Molekül

einzuführen,

besteht

darin,

die metallorganische

Verbindung mit deuteriertem Wasser zu hydrolysieren. 1. Mg

2. D,O

' Wie würden Sie 1-Deuteriocyclohexan aus Cyclohexan herstellen?

Das an das Metall gebundene Kohlenstoffatom ist nucleophil Metallorganische Verbindungen mit anderen Metallen als Lithium oder Magnesium kann man durch nucleophile Reaktion von Alkyllithiumoder Grignard-Verbindungen mit Metallhalogeniden herstellen. Diese Reaktion ist Beispiel einer Transmetallierung, da sie eine organometallische Verbindung in eine andere überführt. Transmetallierung

R—M+M’X

—

R—-M’+MX

Beispiele:

3CH3MgCl

+ Sich —>

(CH3)3SiCl + 3 MgCha Chlor-

trimethylsilan

CH; 3CH;CHMgCI + CdCh —

CH} \CHSCH )Cd

+ 2 MgCh

Di-(1-methylethyl)cadmium

3CHsLi + AlCy —> (CH3)Al + 3 LiCl Trimethylaluminium

Manche dieser Reagenzien haben für die Synthese große Bedeutung, wie wir in folgenden Kapiteln noch mehrmals sehen, wenn funktionelle Gruppen ineinander umgewandelt werden. Direkte Cuprat-Synthese 2 RLi + Cul—>

R;Culi + Lil Ein Cuprat

305

8

Alkohole

Ein weiteres Beispiel, das an dieser Stelle erwähnt werden muß, ist die Bildung einer neuen C—C-Bindung bei der Reaktion von Cupraten R;CuLi und (meist) primären Halogenalkanen R’X zu einem neuen Alkan R—-R’. Cuprate erhält man durch direkte Reaktion zweier Äquivalente einer Alkyllithium-Verbindung mit einem Aquivalent Kupferiodid, Cul. Auf die Chemie der Cuprate werden wir in Abschnitt 18.11 zurückkommen.

Darstellung von Alkanen aus Cupraten und Haloganalkanen

R;CuLi

+

2R’X —0

2 R—-R’

+ LiX + Kupfersalze

(CH,),CuLi + 2 CH,(CH,),CH,L- EHb0.0S, CH Lithiumdimethylcuprat

CH.(CH,). CHIC

1-Ioddecan

90% Undecan

Diesen Abschnitt fassen wir wie folgt zusammen: Organolithiumoder Organomagnesium-Verbindungen (Grignard-Verbindungen) erhalten wir durch die Umsetzung eines Halogenalkans mit dem entsprechenden Metall in Etherlösung. Metallorganische Verbindungen enthalten, im Gegensatz zu Halogenalkanen, einen negativ polarisierten Alkylteil. Obwohl die Bindung zwischen Metall und Kohlenstoff zum großen Teil kovalent ist, reagiert das an das Metall gebundene Kohlenstoffatom wie ein Carbanion.

Es kann

ein Proton

aufnehmen,

dadurch

entsteht

ein

Alkan; Alkyllithium- und Grignard-Verbindungen reagieren mit anderen Metallhalogeniden in einer Transmetallierung, wodurch weitere Alkylmetall-Verbindungen, z.B. mit Cd oder Si entstehen. Durch die Reaktion von Cupraten R-CuLi mit Halogenalkanen werden zwei Alkylreste unter Ausbildung einer neuen C—C-Bindung verbunden. Bereits in der Einleitung zu diesem Abschnitt erwähnten wir, daß bei den interessantesten Reaktionen organischer Lithium- und MagnesiumVerbindungen durch nucleophilen Angriff des Alkylrestes auf eine Carbonylgruppe Alkohole unter Neuknüpfung einer C—C-Bindung entstehen.

Im

nächsten

Abschnitt werden

wir dieses

Thema

ausführlich

besprechen.

8.8 Metallorganische Reagenzien der Alkoholsynthese Die Nucleophilie der an ein Metall gebundenen Alkylgruppe nutzt man zur Darstellung von Alkoholen durch die Umsetzung von metallorganischen Reagenzien mit Carbonylverbindungen und bei der nucleophilen Ringöffnung gespannter cyclischer Ether.

Darstellung von Alkoholen durch Addition metallorganischer Verbindungen an die Carbonylgruppe von Aldehyden und Ketonen Metallorganische Reagenzien addieren an Aldehyde und Ketone in gleicher Weise wie Hydride unter Bildung von Alkoholen. Dabei wird im Unterschied zur Hydrid-Reduktion eine neue C—C-Bindung ausgebildet.

306

Synthese von Alkoholen durch Reaktion von Aldehyden und Ketonen mit metallorganischen Reagenzien

Au a,

R

Ins EN

:0:7M*

8.8

Metallorganische Reagenzien der Alkoholsynthese

OH H*, H,O

|. 0. R

ee

R

Die Reaktion läßt sich leichter verstehen, wenn man sich die Wande-

rung der Elektronen vergegenwärtigt. Die negativ polarisierte Alkylgruppe, genauer das nucleophile, an das Metall gebundene Kohlenstoffatom greift das Carbonyl-Kohlenstoffatom mit dem Bindungselektronenpaar nucleophil an. Das Carbonyl-Sauerstoffatom übernimmt das Metall unter Bildung eines Metallalkoxids. Durch Zugabe von verdünnter wäßriger Säure wird die Sauerstoff-Metall-Bindung hydrolysiert, so entstehen der Alkohol und ein Salz. Wie bereits erwähnt, läßt man die weite-

ren Aufarbeitungsschritte oft in der Reaktionsgleichung weg. Formaldehyd (Methanal) reagiert mit metallorganischen Reagenzien unter Bildung von primären Alkoholen:

H CH;CH>CH-CH>MsBr

+

H,c=o

-Eetino, H.O,

|

LCHSGHSCH. VOR 93%

Butylmagnesium-

Formaldehyd

H

1-Pentanol

bromid

Mit anderen Aldehyden erhält man sekundäre Alkohole: MeBr

BcHeN

7

g

Heinen

NEN.

Hal, (CHJCHECH, H 54%

1-Methylethylmagnesiumbromid

Acetaldehyd

3-Methyl2-butanol

Ketone werden in tertiäre Alkohole umgewandelt: O

FH

CH;

OCcH-Li+ CHOCcH, 5 |

THE

EN, a

EHLCHLCH.CH,C OR |

| Butyllithium

95% Propanon

CH;

2-Methyl-2-hexanol

(Aceton)

| Übung 8-13 Schlagen Sie Reaktionen vor, mit denen man 2-Propanol, (CH,);CHOH, l-propanol, (CH;),„ CHCH,OH, umwandeln kann.

in 2-Methyl-

Darstellung von Alkoholen durch Addition metallorganischer Verbindungen an Ester Die Umsetzung von Carbonsäureestern mit zwei Äquivalenten eines Alkyllithium- oder Grignard-Reagenzes führt zu tertiären (wenn R= Alkyl) oder zu sekundären Alkoholen (wenn R=H). Man nimmt an, daß bei dieser Reaktion die Alkoxygruppe des Esters verdrängt wird,

307

8 Alkohole

wobei intermediär ein Keton oder ein Aldehyd entsteht, der mit dem metallorganischen Reagenz schneller als der vorliegende Ester reagiert. Dieser Mechanismus wird in Abschnitt 20.5 ausführlich diskutiert. Alkoholsynthese aus Estern

RCOR'’

a

1}

-

ar

|

R” Li

— LiOR

2

H

. H>0

schnell

|

nicht isolierbar Ester

u

RCR"”

R"

Aldehyd oder Keton

Alkohol

Beispiele:

HCOCH;

+ 2 CH3MgBr -CH#r0 ,H,O,

ji

yccH, CH3

Methylformiat (Ameisensäure-

90% 2-Propanol

methylester)

|

OH

CH3COCH;CH3 + 2 CH5CH>MgBr #20,

#0 , CH,CCH,CH, CH>CH3 67%

Ethylacetat

3-Methyl-3-pentanol

(Essigsäureethylester)

Darstellung von Alkoholen durch Addition metallorganischer Reagenzien an gespannte cyclische Ether Grignard- und Alkyllithium-Verbindungen greifen gewöhnliche Ether nur schwer an, gespannte cyclische Ether sind jedoch ausreichend reaktiv. Wie ein Hydrid-Reagenz kann auch das nucleophile Kohlenstoffatom im Alkylmetall den Ring von Oxacyclopropan öffnen:

ZN

-

H>C—CH; + CHSCH>CH>CH>MgBr HD, #20, CH,CH>CH;CH>CH>CH>OH 62% 1-Hexanol

o + HC —CH, + (CHz),CLi #5 #8, ar!

(CH); CCH>CH>OH 72% 3,3-Dimethyl-1-butanol

U

Übung 8-14 | Schlagen Sie effiziente Synthesen für die folgenden Produkte vor. Die Ausgangssubstan-

"zen

sollten nicht mehr als vier Kohlenstoffatome pro Molekül enthalten.

en

| Mr

OH

|

C(CH3)3

(a) CH3CH>CH>CHCH;3;

(b)

OH

(c) CH3C(CH3)2; 308

(d) CH3(CHz)sOH

’

Wir

halten

addieren

fest:

an

Alkyllithium-

Aldehyde

und

und

Ketone

Alkylmagnesium-Verbindungen

unter

Bildung

von

8.9 Komplizierte Alkohole:

Alkoholen.

Eine Einführung in

Dabei knüpft die ans Metall gebundene Alkylgruppe eine neue Bindung

die Synthesestrategie

zum Carbonyl-Kohlenstoffatom. Ester addieren zwei Moleküle der metallorganischen Verbindung. Aus dreigliedrigen cyclischen Ethern entstehen Alkohole durch Ringöffnung, die Kohlenstoffkette des Produkts wird dabei um zwei Methylen-Einheiten verlängert.

8.9 Komplizierte Alkohole: Eine Einführung in die Synthesestrategie Die neuen Reaktionen, die in diesem Kapitel vorgestellt werden, sind sozusagen ein Teil des Vokabulars der organischen Chemie. Nur wenn man die Reaktionen kennt, mit denen man bestimmte Änderungen an Molekülen vornehmen kann und funktionelle Gruppen ineinander umwandeln kann, ist man in der Lage, sich in der organischen Chemie zu bewegen. Man muß sich daher mit diesen Reaktionen vertraut machen,

mit ihrer Vielfalt,

tionsbedingungen,

den

verwendeten

Reagenzien,

sofern sie für den Erfolg einer Reaktion

gebend sind, und den Grenzen

den

Reak-

ausschlag-

einer Methode.

Diese Aufgabe scheint gewaltig zu sein und sehr viel Auswendiglernen zu erfordern,

aber sie wird durch das Verständnis der Reaktionsme-

chanismen vereinfacht. Wir wissen bereits, daß die Reaktivität aus wenigen Faktoren, wie Elektronegativität, elektrostatischen Kräften oder Bindungsstärke, vorhergesagt werden kann. Wir wollen nun sehen, wie organische Chemiker deren Kenntnis nutzen, um sinnvolle Synthesestrategien zu entwickeln. Zunächst werden ein paar Beispiele angeführt, in denen wir die Reaktivität auf der Basis der Reaktionsmechanismen vorhersagen werden, um uns dann der Synthese - der Bildung von Molekülen — zuzuwenden. Wie

entwerfen

Chemiker

neue

synthetische

Methoden,

und

wie kann

das gewünschte Molekül so effizient wie möglich dargestellt werden? Diese beiden Punkte sind miteinander eng verknüpft. Der zweite ist als Totalsynthese bekannt und erfordert gewöhnlich eine Reaktionsfolge. Für diese Problemstellung werden wir auch einen Großteil der bereits behandelten Reaktionen wieder aufgreifen.

Mechanismen helfen bei der Vorhersage der Reaktionsprodukte Wir wollen uns noch einmal in Erinnerung rufen, wie wir die Produkte einer Reaktion voraussagen. Was sind die Gründe, die einen bestimmten Mechanismus ablaufen lassen? Hier sind drei Beispiele. Vorhersage einer Reaktion aufgrund mechanistischer Überlegungen

ICH.CH.CHBr

x

=

ECH,.CH,CH,Br

I, Propanon (Aceton)

» FCH,CH,CH;I

entsteht nicht

Erklärung: Bromid ist eine bessere Abgangsgruppe als Fluorid.

OCH3 un H

0® (CH3CH3)0

OMeBr

irn

———

EEE

„E & + CH3MgBr H;C

H

REN

—

227, CH,CCH3 H

entsteht nicht

309

Erklärung: Das positiv polarisierte Carbonyl-Kohlenstoffatom bildet eine Bindung zum negativ polarisierten Alkyl-Kohlenstoffatom des organometallischen Reagenzes.

85 Alkohole

CH, Fa

Andere en Bromide " |

ee

CH3Br ä) »

A

i

E

CH; Br>,

H;C_ Bra, hv

u

Ihv

c

x

SQ Br

Br

E

entsteht nicht

Erklärung: Die tertiäre C—-H-Bindung ist schwächer als die primäre oder sekundäre C—H-Bindung. Übung 8-15 "| Welche Produkte entstehen "| Mechanismen entstehen sie?

bei

den

folgenden

Reaktionen,

und

aufgrund

welcher

ji

(a) CICH;CH>CH3;C(CH3;), + CH;CH;OH — CH;CI | (b) CICH,CH,CHLC(CH;), + (CH,),CO” +K CHRLCOH, OH |

(HHOCHCHCHe Ce en

4

Neue Reaktionen ermöglichen neue Synthesewege Man kann neue Reaktionen entweder sorgfältig planen oder durch Zufall entdecken. Stellen wir uns vor, wie zwei Studenten die Reaktion eines Grignard-Reagenzes mit einem Keton zu einem Alkohol unabhängig voneinander entdeckt haben könnten. Der erste, erfahrene Student sagte aufgrund von Elektronegativitäts-Betrachtungen und der elektronischen Struktur von Ketonen vorher, daß der nucleophile Alkylrest der Grignard-Verbindung an das elektrophile Carbonyl-Kohlenstoffatom addiert. Das Ergebnis des Experiments bestätigte seine theoretische Vorhersage. Ein zweiter, unerfahrener Student versuchte vielleicht, eine besonders konzentrierte Lösung eines Grignard-Reagenz mit einem — wie er glaubte — besonders guten polaren Lösungsmittel zu verdünnen, nämlich mit Propanon (Aceton). Die einsetzende heftige Reaktion enthüllte die Reaktivität dieses Reagenz bei der Alkohol-Darstellung. Ist eine neue Reaktion erst entdeckt, ist es auch wichtig, ihre Reich-

weite und ihre Grenzen abzustecken. Zu diesem Zweck testet man verschiedene Substrate, stellt mögliche Nebenprodukte fest, unterwirft neue

funktionelle Gruppen den Reaktionsbedingungen und führt mechanistische Studien durch. Sollte sich die neue Reaktion nach diesen Untersuchungen als generell anwendbar erweisen, wird sie als neues Syntheseinstrument dem Werkzeug des organischen Chemikers beigefügt. Da eine Reaktion eine sehr spezifische Änderung in einem Molekül hervorruft, ist es von Nutzen, diese Änderung hervorzuheben.

RM Alkylgruppe +

OÖ

N

BC

CH

C,-Einheit

V R—

310

CH „—CH5—OH

Nehmen

wir als Beispiel die Addition eines Grignard-Reagenz an einen Dreiringether. Welche Strukturänderung findet bei der Umsetzung statt? Eine C,-Einheit, —CH>CH;— , wird an eine Alkylgruppe addiert. Dieses wertvolle Verfahren macht es möglich, eine Alkylkette direkt um zwei Kohlenstoffatome zu verlängern, man spricht hier auch von einer doppelten Homologisierung. Da Grignard-Verbindungen durch die Reaktion von Halogenalkanen mit Magnesium gut zugänglich sind, und auch Halogenalkane leicht aus den entsprechenden Alkoholen (z.B. durch Behandlung mit HX, Abschn. 6.7) oder aus Alkanen (durch radikalische Halogenierung, Abschn.

3.5 u. 3.6) darzustellen sind, kann man

möglichkeiten ausdenken.

sich weitere Synthese-

l. HBr

l. Bra, hv

2. Mg

2. Mg oO

AN

ROH

8.9

3. H5C—CH3 EEE ar,

FR

RCH>CH-OH

3. H,C—CH3 4. H*, H,O —— >

RH

RCH>CH-OH

Dieses Verfahren hat außerdem den Vorteil, daß am Ende der verlän-

gerten Kohlenstoffkette eine neue Hydroxygruppe entsteht, die weitere synthetische Möglichkeiten eröffnet. Man kann sie auch entfernen, wenn sie unerwünscht ist. Die Methode dazu kennen Sie bereits. So kann man z.B. den Alkohol in ein Halogenalkan umwandeln und dann mit Lithiumaluminiumhydrid reduzieren. Warum kann man die OH-Gruppe nicht direkt mit LiAIH, reduzieren? Dafür gibt es zwei Gründe: Zum einen ist die OH-Gruppe eine schlechte Abgangsgruppe, zum zweiten reagiert das Hydrid mit dem aciden Proton des Alkohols,

dadurch entstehen Alkoxide

4 RCH>CH;OH + LiAIH4 —

Komplizierte Alkohole: Eine Einführung in die Synthesestrategie

RCH>CH>OH = 10] HBr RCH>CH>

- LiBr|

Br

LiAIH, w

RCH>CH>H

und Wasserstoff.

Li[ANOCH,CH;R),] + 4H—H

Die endständige Hydroxygruppe ist für weitere Umsetzungen besonders nützlich, da man sie durch ein Bromid ersetzen kann. Als gute Abgangsgruppe erlaubt Bromid die Einführung vieler neuer funktioneller Gruppen am Ende der Kette: l. HBr

RCH>CH>OH 2 > RCH>CH>Nu

Nu= OH, OR. I, CN, SR, NH», (R’ durch Reaktion mit Cupraten usw.)

Außerdem sind Bromalkane ausgezeichnete Substrate für die Synthese organometallischer Reagenzien, die wiederum eine Vielzahl von molekularen Anderungen eingehen können: RCH,CH;,Nu

7

Nu: / DMSO

RCH.CH,Br

RCH;CH;D

Mg, (CH,CH,);O

> —

KOC(CH;); \(CH3),;COH

oT

RCH;CH,MeBr (6) I

O

l CH N

CH;C H

Ä OH RCH=CH,

RCH;CH,CH, — OH

RCELCILCCH, CH;

OH RCHLCHACCH, H

Jedes der Produkte in diesem Schema kann weiter zu einer noch komplexeren Verbindung umgesetzt werden. Sie sehen, wieviele Synthesemöglichkeiten Ihnen schon zur Verfügung stehen, obwohl Sie bisher erst wenige Reagenzien kennen. Wenn wir fragen „Wie gut ist eine Reaktion? Welche Verbindungen können wir damit herstellen?“, beschäftigen wir uns mit der Methodologie. Die Entwicklung eines neuen Syntheseverfahrens, das Auffinden der optimalen Bedingungen, das Abstecken seiner Reichweite und. Grenzen und letztlich seine Anwendung bei der Herstellung interessanter Verbindungen sind wichtige Themen synthetischer organischer Forschung. Nun wollen wir eine andere Aufgabe angehen. Unser Ziel ist es, ein ganz bestimmtes Molekül herzustellen. Wie gehen wir dabei vor? Wie finden wir die richtigen Ausgangsverbindungen? Die Aufgabe, mit der wir uns nun befassen müssen, ist die Totalsynthese einer Verbindung.

31

8

Alkohole

Organische Chemiker befassen sich mit der Synthese komplexer Moleküle aus verschiedenen Gründen. Manche Verbindungen haben wertvolle pharmakologische Eigenschaften, sind jedoch aus natürlichen Quellen nicht erhältlich. Biochemiker brauchen oft spezifisch isotopenmarkierte Verbindungen, um den Metabolismus verfolgen zu können. Physikochemiker messen an neuen Verbindungen physikalische Konstanten, spektroskopische und andere Eigenschaften und chemisches Verhalten. (Erinnern Sie sich an die gespannten Cycloalkane in Abschnitt 4.2.) Es gibt viele Gründe für die Totalsynthese organischer Moleküle. Was auch immer das Ziel sein mag, eine erfolgreiche Synthese zeichnet sich durch Kürze und hohe Gesamtausbeute aus. Die Ausgangssubstanzen sollten leicht zugänglich, möglichst käuflich und preiswert sein. In der Industrie erfordert die Umsetzung großer Chemikalienmengen eine besondere Verfahrenstechnik. Hinzu kommen Sicherheitsansprüche und Umweltanliegen, die möglichst ungiftige und leicht zu handhabende Reagenzien erfordern.

Die retrosynthetische Analyse erleichtert das Syntheseproblem Meist sind käufliche, preiswerte Substanzen einfache Verbindungen mit fünf oder weniger Kohlenstoffatomen. Deshalb steht der synthetisch orientierte Chemiker meistens vor der Aufgabe, große, komplizierte Moleküle aus einfachen kleinen Bausteinen herzustellen. Dieses Problem geht man am besten von rückwärts an, eine Arbeitsweise, die man auch retrosynthetische Analyse“ (vom lateinischen retro, umgekehrt) nennt. Dabei nimmt man sich das Zielmolekül vor. An einer Stelle, an der die Neuknüpfung zweier C—C-Bindungen möglich scheint, bricht man

diese Bindungen.

Zum Beispiel legt die retrosynthetische Analyse der Darstellung von 3-Hexanol aus zwei C;-Einheiten die Bildung aus einer organometallischen Verbindung und Propanal nahe.

Retrosynthetische Analyse der 3-Hexanol-Synthese aus zwei C,-Bausteinen OH

T

|

CH3CH7CH>CHCH>CH3

=>

+ HÜCHSCH,

CH3CH>CH;»MeBr Propylmagnesiumbromid

Propanal

Der Doppelpfeil zeigt die sogenannte strategische Zerlegung an. Die in dieser Analyse „gebrochene“ Bindung zwischen C3 und C4 kann durch eine Umsetzung gebildet werden, die wir bereits kennen: CH;CH>CH;MgBr + CH;CH;CHO. In diesem Fall ist nur eine Reaktion erforderlich,

um

die Verbindung

aufzubauen,

während

in anderen

Fällen mehrere Schritte notwendig sein können. Zwei alternative, aber weniger geeignete Retrosynthesen von 3-Hexanol sind OH CHSCH>CHZCHCHSCH,

O =>

OH

CH3CH>CH>CHCH>CH3 —2

NaBHy

[6)

TCH \CHLCH-ÜCH;CH;

a

NaOECH; + CH3CH>CH,>CHCH;CH3

Die Zielstruktur wird nicht wesentlich vereinfacht, da keine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung „gebrochen“ wird, und deshalb sind diese Retrosynthesen nicht so gut wie die erste.

*

312

Entwickelt von Elias J. Corey, geb. 1928, Professor an der Harvard University, Nobelpreis für Chemie 1990.

Retrosynthesen helfen beim Aufbau von Alkoholen

8.9

Komplizierte Alkohole: Eine Einführung in die Synthesestrategie

Wir wollen nun die retrosynthetische Analyse auf die Darstellung eines tertiären Alkohols, 4-Ethyl-4-nonanol, anwenden. In jedem Analyseschritt müssen zwei Schritte durchgeführt werden: Zuerst bestimmt man alle möglichen strategischen Zerlegungen durch „Bruch“ der Bindungen, die durch bekannte Reaktionen gebildet werden können, danach werden alle diese Zerlegungen in dem Sinne bewertet, daß die Zerlegung bestimmt wird, die die Struktur am stärksten vereinfacht. Die strategischen Bindungen in 4-Ethyl-4-nonanol sind die Bindungen nahe der funktionellen Gruppe. Es gibt drei Stellen, an denen das Molekül in einfachere Vorstufen gespalten werden kann. Spaltet man wie in Weg a die Ethylgruppe von C4 ab, so wird die Darstellung des Alkohols aus Ethylmagnesiumbromid und 4-Nonanon nahegelegt. Spaltung b führt analog zu einer Darstellung aus einer Propyl-Grignardverbindung und 3-Octanon als Vorstufen. Die Bindungsöffnung nach Weg c liefert schließlich als dritten Syntheseweg die Addition von Pentylmagnesiumbromid an 3-Hexanon. Da bei Weg c die Ausgangsfragmente mit fünf bzw. sechs Kohlenstoffatomen fast dieselbe Größe haben, ergibt die Bewertung, daß dieser Weg zu der stärksten Vereinfachung der Struktur führt. Übung 8-16 Wenden Sie die retrosynthetische Analyse auf 4-Ethyl-4-nonanol an, spalten Sie jetzt aber die Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindung. Kann man mit dieser Spaltung eine sinnvolle Synthese erhalten? Begründen Sie Ihre Antwort.

Retrosynthetischer Analyseschritt der Synthese von 4-Ethyl-4-nonanol

| CH3CH>MgBr

Va a

OH

Ethylmagnesiumbromid

b =)

+ CH3CH3+C+CH>CH;CH3

Eh CH3CH>CHZLCCH>CH>CH>CH>CH3

4-Nonanon

j CH3CH>CH»MgBr + CH3CH3ZCCH>CH>CH>CH>CH

3-Octanon

Krug yimmgmenveu:

CH3CH>CH>CHJCH3

bromid

4-Ethyl-4-nonanol c

N

l

CH3CH>CH>CH>CH>MgBr + CH3CHzCCH>CH>CH 3 Pentylmagnesium-

3-Hexanon

bromid

Können wir die Analyse mit den Fragmenten der Spaltung nach Weg c noch weiterführen? Wir können, wenn wir uns in Erinnerung rufen (Abschn. 8.6), daß Ketone durch Oxidation sekundärer Alkohole mit Cr(VI)-Reagenzien erhalten werden. Wir können daher die Darstellung von

3-Hexanon

aus

dem

korrespondierenden

Alkohol,

3-Hexanol,

in

Betracht ziehen.

1 CH;CH>CH>CCH3>CH;3

3-Hexanon

Mi =>. Na,Cn,0-

|

Ar CH;CH>CH;CHCH3>CH;

3-Hexanol

Für diesen Alkohol haben wir bereits eine effiziente Zerlegung in zwei C;-Fragmente diskutiert, so daß wir jetzt eine vollständige Synthese für 4-Ethyl-4-nonanol angeben können.

313

8

Synthese von 4-Ethyl-4-nonanol

Alkohole

Be CH;CH,CH 2

OH ;CH3CH>MsBr,

(CH3CH> JO

‚H50

——

| N2CnO7,

Propanon

H>SO,,

ee

CH;CH>CHCH3CH;>CH;

H>0

es

3-Hexanol

OÖ

|

CHLCH,CCHLGELGER

1. CH5CH,CH, CH,CH> MBBr, (CH3CH>),O

) 2 Eu BO 2.H*,

ie

EN SCHLCHEE

3-Hexanon

CHLCH,CHLCHEGHR 4-Ethyl-4-nonanol

Diese Synthese ist ein Beispiel für eine ganz allgemeine Reaktionssequenz zur Darstellung komplexer Alkohole: Zuerst wird eine Grignard- oder Organolithiumverbindung an einen Aldehyd addiert, dann wird der entstandene sekundäre Alkohol zu dem entsprechenden Keton oxidiert, und schließlich wird ein weiteres organometallisches Reagenz addiert, wobei ein tertiärer Alkohol gebildet wird. Alkoholoxidation als Syntheseschritt ”

RCH

OH

1. R'MeBr, (CH3CH>),O

2.H+,H,0

(0)

|

CrO;, 15

-

> Sn 2

ba H>0

RCR’

1. R’"MeBr, (CH3CH3),O

24,90
Re R”

im Auge behalten, daß es bei der Synthese eines im Prinzip stets mehrere Möglichkeiten gibt, dieeines passenden organometallischen Reagenzes mit Keton herzustellen.

Allgemeine Darstellungswege für Alkohole O

OH

10)

| | | RCR’ + RM &= R—C—’ => RCR” + R'M |

R’

\

|

R'CR”

+ RM

© Übung 8-17 Entwerfen Sie eine ökonomische Retrosynthese von 3-Cyclobutyl-3-octanol.

U Übung 8-18 Wie würden Sie 2-Methyl-2-propanol stoff darstellen?

aus Methan

als einzigem organischen Ausgangs-

Fehlerquellen bei der Syntheseplanung und mögliche Auswege Beim Entwurf einer Synthese muß man verschiedene Punkte beachten, wenn die Darstellung des gewünschten Moleküls in hoher Ausbeute gelingen soll. Erstens sollte man versuchen, die Anzahl der Reaktionsschritte von den Ausgangsstoffen zum Endprodukt so klein wie möglich zu halten. Dieser Punkt ist sehr wichtig, denn es kann sinnvoll sein, einen Schritt mit niedriger Ausbeute in Kauf zu nehmen, wenn dadurch die Reaktionsfolge deutlich abgekürzt werden kann. Ein Beispiel: Unter der Voraussetzung vergleichbarer Kosten für die Ausgangsmaterialien ist eine siebenstufige Synthese, bei der jeder Schritt eine Aus-

314

beute von 85% hat, weniger effizient als eine vierstufige Synthese, bei der drei Schritte mit 95% Ausbeute verlaufen und einer mit 45%. Die Gesamtausbeute der ersten Reaktionsfolge errechnet sich zu 0.85’ x 100% = 32%. Die Gesamtausbeute der zweiten Methode dagegen, die

8.9

Komplizierte Alkohole: Eine Einführung in die Synthesestrategie

drei Schritte weniger hat, beträgt 0.95° x 0.45 x 100% = 39%. In diesen Beispielen wurden alle Schritte nacheinander ausgeführt, man spricht von einer linearen Synthese. Im allgemeinen ist es jedoch besser, komplexe Syntheseziele durch zwei oder mehr parallel durchgeführte Synthesewege (bei vergleichbarere Stufenzahl) anzugehen. Diese Strategie nennt man konvergente Synthese. Wenn auch eine einfache Berechnung der Gesamtausbeute bei einer konvergenten Synthese nicht so leicht möglich ist, kann man sich doch leicht von der größeren Effizienz überzeugen, indem man die tatsächlichen Mengen an Ausgangsmaterial vergleicht, die zur Bildung einer bestimmten Menge des gewünschten Produktes erforderlich sind. Im folgenden Beispiel werden 10 g des Produktes H in drei Schritten mit jeweils 50% Ausbeute in einer linearen Synthese AB CH gebildet. Dem wird eine konvergente Synthese ausgehend von D über E sowie F über G mit ebenfalls 50% Ausbeute in jedem Schritt gegenübergestellt. Gehen wir der Einfachheit halber von gleichen Molekulargewichten aus, erfordert der erste Weg 80 g, der zweite nur 40 g an Ausgangsverbindungen. 50%

A

50%

B 40 8

80.8

ü 20 8

50%

H 108

lineare Synthese von H

D

50%

20 8 F

20 8

E

108 > 2%

G

® 108

108 konvergente Synthese von H

Zweitens darf man keine Reagenzien mit funktionellen Gruppen einsetzen, die die angestrebte Reaktion stören. So würde z.B. die Reaktion eines Hydroxyaldehyds mit einer Grignard-Verbindung zur Alkoholyse und nicht zur Ausbildung einer C—C-Bindung führen: OH

16)

OÖ

| | HOCH>CH>CH CH>CH + CH3»MgBr — | CH;

| BrMgOCH;CH>CH +CH;

Dieses Problem läßt sich umgehen, indem man mit zwei Äquivalenten des Grignard-Reagenzes arbeitet: ein Äquivalent dient zum Abfangen des aciden Protons und eines zur Reaktion mit der Carbonylgruppe. Stellen Sie niemals eine Grignard-Verbindung aus einem Bromketon her. Ein solches Reagenz ist nicht stabil und würde sogleich nach seiner Entstehung mit der Carbonylgruppe der Ausgangssubstanz reagieren.

Envereinbar

Br

= 7)

BrMg

Um störende funktionelle Gruppen unwirksam zu machen, benutzt der Chemiker sogenannte Schutzgruppen. Dabei wird eine funktionelle Gruppe reversibel in eine unreaktive Form überführt. Einen Alkohol kann man z.B. in Form des 1,1-Dimethylethylethers schützen

315

8 Alkohole

(s.a. Kasten 9-4). Der Ether wird durch Reaktion des Alkohols mit einem tertiären Halogenalkan gebildet. Durch Hydrolyse mit Säure läßt sich die Alkoholgruppe wieder regenerieren (Abspaltung der Schutz-

gruppe): ROH

CH3); un

ROC(CH,),,

Addition der Schutzgruppe

Beispiele neopentyl-ähnlicher gehinderter Halogenalkane & CH; CH:CH>CCH>Br Dr

*,Eb 0

"ROM

(Cyan)

Abspaltung der Schutzgruppe

Später werden wir weitere Methoden kennenlernen, mit denen man verschiedene funktionelle Gruppen schützen kann. Drittens sollte man alle mechanistischen und strukturellen Einschränkungen der betreffenden Reaktion berücksichtigen. So verlaufen z.B. radikalische Bromierungen selektiver als Chlorierungen. Bedenken Sie sterische Einflüsse bei nucleophilen Reaktionen; vergessen Sie nicht, daß 2,2-Dimethyl-I1-halogenpropane (Neopentylhalogenide) nur träge reagieren. Auch wenn es nicht auf den ersten Blick auffällt, haben auch andere Halogenalkane „neopentyl-ähnliche“ Struktur und reagieren ebenso schlecht. Andererseits kann man aus solchen Systemen metallorganische Reagenzien herstellen und sie so für weitere Reaktionen zugänglich machen. Überführt man z.B. 1-Brom-2,2-dimethylpropan in das Grignard-Reagenz und setzt es mit Formaldehyd (Methanal) um, erhält man den entsprechenden Alkohol.

CHz r

1.Mg

CH3 N

ee CH>Cl

(CH;);CCH3,Br

L er

1-Brom-2,2-dimethylpropan

Oft ist es schwer,

Fe‘

\

en

ker / Bi

ein tertiäres

(CH;);CCH>CH,0OH

3,3-Dimethyl-1-butanol f

Halogenid

als solches

zu

erkennen,

wenn es Teil eines komplizierteren Gerüsts ist. Bedenken Sie, daß tertiäre Halogenide nicht nach Sx2, sondern in Gegenwart von. Basen

\ /

2.CH,=O

—

unter Eliminierung reagieren. /

\ =

Br

Geschicklichkeit bei Synthesefragen erwirbt man, wie in so vielen anderen Bereichen der organischen Chemie nur durch Erfahrung. Wenn Sie die Synthese komplexer Moleküle planen, müssen sie die Reaktionen und Mechanismen vorangegangener Abschnitte wiederholen. Auf diese Weise tragen Sie Kenntnisse zusammen, die sie bei späteren Problemen anwenden können.

Verständnisübung Tertiäre

Alkohole

sind

wichtige

Additive

in Industrieprozessen,

bei

denen Lewis-saure Metallverbindungen als Katalysatoren eingesetzt werden (s. Abschn. 2.9 u. 6.4). Durch die Alkoholmoleküle entsteht um das Metallzentrum eine sterisch abschirmende und hydrophobe Umgebung (s. Abb. 8-3 u. Kasten 8-2), so daß sich die Verbindungen besser in organischen Lösungsmitteln lösen, länger katalytisch aktiv sind und selektiver bei der Substrataktivierung. Diese tertiären Alkohole werden üblicherweise mit der Synthesestrategie, die wir in Abschnitt 8.9 gelernt haben, hergestellt. Synthetisieren Sie den tertiären Alkohol A, ausgehend von Cyclohexan. Sie können beliebige Synthesebausteine verwenden, solange nicht mehr als vier Kohlenstoffatome enthalten.

316

Verständnisübung

OH

Lösung Bevor wir diese Aufgabe durch einfaches Ausprobieren zu lösen versuchen, sollten wir zuerst alle Informationen sammeln: 1) Die Ausgangsverbindung ist Cyclohexan, das zugleich ein Substituent des späteren Produktes, des tertiären Alkohols A, ist. 2) Das Produkt enthält sieben

weitere Kohlenstoffatome. Deshalb benötigen wir mehr als einen zusätzlichen Baustein, da wir ja keine weitere Verbindung mit mehr als vier Kohlenstoffatome verwenden dürfen. 3) Das Zielmolekül A ist ein tertiärer Alkohol, der über eine retrosynthetische Analyse, wie wir sie in Abschnitt 8.9 kennengelernt haben, zugänglich sein sollte (M = Metall):

Weg a erweist sich als der beste Weg: Der tertiäre Alkohol A wird in zwei etwa gleich große Fragmente B und C zerlegt. Nachdem wir erkannt haben, das die Route a die günstigste ist, müssen wir eine Möglichkeit

finden,

die beiden

Vorläufermoleküle

von

A

zu finden. Unsere Analyse muß nun die Fragmente B und C in noch kleinere Synthesebausteine zerlegen. Was sind die geeigneten Vorstufen für B und C? B sollte aus unserer Ausgangsverbindung Cyclohexan zugänglich sein. Der Vorstufe der metallorganischen Verbindung B ist ein halogeniertes Cyelohexan, das aus Cyclohexan über eine radikalische Halogenierung entsteht.

®

M

X

ER

ns

[ )+%

in zwei kleinere

Komponenten

zerlegt werden.

B

Keton

CE muß

Am

besten wäre eine Kombination eines C;- und eines C,-Fragmentes. Es ist die Lösung mit zwei Komponenten vergleichbarer Größe, die die Verwendung eines Cyclobutyl-Intermediates nahelegt. Die einzige Mög-

lichkeit zur C-C-Bindungsverknüpfung, die wir bisher kennengelernt haben, ist die Addition von metallorganischen Verbindungen an Carbonylfunktionen. Der erste retrosynthetische Schritt ausgehend von C führt zum entsprechenden Alkohol (und einem Chrom-Oxidationsmittel), die Folgeschritte zu den Ausgangssubstanzen D und E.

317

A

8 Alkohole

0

|

OH

M

Nun können wir ein detailliertes Syntheseschema von Cyclohexan, D und E formulieren:

Ra Li

1%

D

@

net a

E

unter Verwendung

en

OÖ

Verbindung A

Ze

“

-

FE

”

Br, Im

Br

Se

MeBr oO

_

u

Me;

B:

ar

er

Eine abschließende Bemerkung: In dieser und in den folgenden Übungen sollten Sie immer alle Reaktionen nicht nur vorwärts (also: Substrat + Reagenz > Produkt), sondern auch rückwärts (Produkt — Substrat + Reagenz) planen können. Die beiden Ansätze geben Antwort auf zwei unterschiedliche Fragen: 1) Welche möglichen Produkte, können aus einem Substrat und den gegebenen Reagenzien erhalten werden? 2) Welche Ausgangsverbindungen und welche Reagenzien liefern mir das vorgegebene Produkt? Die Schemata am Ende dieses Kapitels, aber auch diejenigen in den Folgekapiteln, fassen Reaktionen zusammen und illustrieren diese beiden Ansätze.

Neue Reaktionen 1

Säure-Base-Eigenschaften der Alkohole (Abschn. 8.3) H

+

H*

R6|

Base

ROH —

:B

PN

sRgrBHH

H Alkyloxonium-Ion

Alkohol

Alkoxid

Technische Alkohol-Synthesen

2

Synthesegas (Abschn. 8.4) Kong 227006,

yH;

Synthesegas

3

Darstellung von Methanol aus Synthesegas (Abschn. 8.4)

&@ 4

2.

Cu/ZnO/Cr;O;, 250 °C, 5-10 MPa ——

—

CH;OH

Fischer-Tropsch-Synthese (Abschn. 8.4) nco

Ar (2n Ar 1) H>

Co oder Fe, Druck, 200 °-350 °C nn

@/,Eb4:5

Ir nH>O

Kohlenwasserstoffe

5

Ethanol durch Hydratisierung von Ethen (Abschn. 8.4) CH;

318

—

CH;

Sr H;0O

HyPO,, 300 °C „= I

CH;CH>OH

Darstellung von Alkoholen im Labor

6

Neue

Nucleophile Substitution von Halogeniden gruppen durch Hydroxid (Abschn. 8.5)

und

anderen

Reaktionen

Abgangs-

RCH>X + HO“ ——> RCH3OH + X” N X = Halogen, Sulfonat

\

\

RCHBr+ CH:CO7

10”

— >. RCHOCCH,

|

Sn2

nme ——

|

R'’

ARCHOH

Esterhydrolyse

|

R'’

j

R'CX

R#

j

H,O, Propanon (Aceton).

R'COH

Si R”

7

R4

Katalytische Hydrierung von Aldehyden und Ketonen (Abschn. 8.6)

|

ROH

NRCH-OH

SReRz

primärer

Keton

H,,

NE

Katalysat

H Aldehyd

sekundärer

Alkohol

8

Reduktion 8.6)

von

Alkohol

Aldehyden

|

RCH PHe CHREOH,

und Ketonen

durch

Hydride

(Abschn.

1. LiAIH4, (CH3CH2)20

Rcy,oH

RER HMO 5, ı

_2.

OH |

‚H0

‚ H

Aldehyd

primärer

Keton

sekundärer

Alkohol

9

Reduktion

von

Alkohol

Carbonsäuren

und Estern

durch

Lithiumaluminium-

hydrid (Abschn. 8.8) II, LiAIHg

Recon

1

Recon

Carbonsäure

10

IR LiAIH4

Recon En N

TPOH U R’OH

Ester

Nucleophile Ringöffnung von miniumhydrid (Abschn. 8.8)

Oxacyclopropan

durch

Lithiumalu-

1. LiAIH4

H,C—CH;

2. H*,H,0

nn

CH;CH>OH

Oxidation von Alkoholen

11

Chrom(VI)-Reagenzien (Abschn. 8.6) 1

REHLOH, primärer Alkohol

PCC, CH3Cl artenzer rt, REH

Aldehyd

OH

RCHR

Na>Cr207, H2S04

sekundärer Alkohol

319

8 Alkohole

Metallorganische Reagenzien 12

Reaktion von Metallen mit Halogenalkanen (Abschn. 8.7)

RX

meer

Ber

nr

Alkyllithium-Verbindung

Rx 4 me. an

TRMeERX Grignard-Verbindung

R darf keine sauren Gruppen wie O—H wie C=O enthalten. 13

oder elektrophile Gruppen

Transmetallierung (Abschn. 8.7)

4 RMgeX + SIX,—

SiR,

+4 MsX,

Tetraalkylsilan

2 RMeX

+ Cd, —

CdR,

+2 MgX,

Dialkylcadmium

3RLi+

AI, —

R3Al

+3LixX

Trialkylaluminium

RLi + Culı —

RCu

une!

ein Alkylkupfer-Reagenz

RCu

RI

0

B,CcıB:

Lithiumdialkylcuprat (ein Cuprat)

14

Hydrolyse (Abschn. 8.7)

RLi + H,O — RMsX + D;0 —

RH + LiOH RD + Mg(OD)X

15

Alkane aus Cupraten und (primären) Halogenalkanen (Abschn. 8.7) R,CuLi + 2 R'X — 2 R-R’ + LiX + Kupfersalze

16

Alkane aus Halogenalkanen und Lithiumaluminiumhydrid (Abschn. 8.7) RX + LiAIH, — RH

17

Addition metallorganischer Verbindungen an Aldehyde und Ketone (Abschn. 8.8) RLi oder RMgX + CHy»=0O —> Formaldehyd

RCH>OH primärer Alkohol

vr

RLi oder RMgX +

R’CH

—>

a H

Aldehyd

| RLi oder RMgX + R'CR" —

sekundärer Alkohol

OH

RR: R”

Keton

tertiärer Alkohol

Aldhyd oder Keton dürfen keine Gruppen wie O—H oder weitere C=O-Gruppen enthalten, die mit metallorganischen Reagenzien reagieren.

320

ke

{6)

[6)

Et

0°

Be

>

0

ai

| OH OH

n J9po SON

|

OH ;H |

Eee!

Puydsqy

a

OHSH

| fe

) (HIOO Ef

ar

ker

[6)

HA=

1d°H

(ROHDA

HIVIT JO9po 'HEEN

Be

A Ba . (Ü) (A ))u. wa IH: O2 [e) [6)

La 120 XaWA

GODHIA

XxH UoseusdXxQ

304

UPJOYOoy[YAydıs

AOIA

|

b: =

z NET 2

| | | ıgaw,a -OH 10 ,H ‘OH "HIVIT

’HEEN 7

e

UCHIIO)EH I OXHTX

I [e)

|

= RS ee

I3sayjJuÄg UoA

HIA

-OH "OH 7

e

N a=

Oo

[e)

an

| 7OH '-OH

| Be is

|

KON ‚a

xHAa \

„eN-709°H9"I Rn vn u ER zus" on z“S ‘_OH

a

et

INS'OH

A SEN

|

‚a

‘Hal

En = Da

2

Neue Reaktionen

Ne

Sof

HT+O9 +

Te 01-05 DOkt “O)-0u7-)

E

OH

310-1 =!

7% „OH,

G

8 Alkohole

h usaIzuaseayg-pIeustıs) 3yalSs Pıuydsgqy

nn

m X ’ au

„1 9=I,8

HN’Y i N=J,4

HO

na

3

wintgpIjÄy]Y pw

0)

[8

ee

R-(0eR:

|

Ö| OA

fo")Ä

"CH’DMIHIY

_RD

322

HOda „NA HO öÖ

'CH’II=HIA

|

04

RR! AT HO,A H=IN l

QD—

Da

16)

& |

RN

UAUOHNEAN UOA

erö .n

Wichtige Konzepte 1

Alkohole

bezeichnet

Nomenklatur

man

als Alkanole.

nach

Aufgaben

der IUPAC-

6 Die Umwandlung der elektrophilen Alkylgruppe eines Halogenalkans, C’'—X°”, in sein nucleophiles Analogon in einer organometallischen Verbindung, C’—M’°*, ist ein Beispiel für Umpolung.

Die Kohlenstoffkette,

die die funktionelle Gruppe trägt, gibt der Verbindung den Namen. Alkyl- und Halogensubstituenten werden dem Namen vorangestellt. 2

Alkohole

bestehen

aus

einem

hydrophoben

7 Das Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe C=O eines Aldehyds oder eines Ketons ist elektrophil und kann daher von Nucleophilen wie dem Hydrid einer Hydridverbindung oder der Alkylgruppe einer metallorganischen Verbindung angegriffen werden. Nach der wäßrigen Aufarbeitung erhält man Alkohole als Produkte dieser Umsetzungen.

Molekülteil, der Alkankette, und einem hydrophi-

len Teil, der OH-Gruppe mit einer kurzen polaren OÖ—H-Bindung. Das positiv polarisierte Wasserstoffatom kann Wasserstoffbrücken-Bindungen eingehen. 3 Alkohole sind sowohl Säuren als auch Basen. Elektronenziehende Substituenten erhöhen die Säurestärke (und verringern die Basizität). Eine Base, deren konjugierte Säure beträchtlich schwächer ist als der Alkohol, deprotoniert diesen vollständig.

8 Gespannte cyclische Ether sind ungewöhnlich reaktiv, da durch die nucleophile Ringöffnung die Ringspannung nachläßt. 9 Die Oxidation von Alkoholen zu Aldehyden und Ketonen mittels Chrom(VI)-Verbindungen eröffnet wichtige Synthesewege, die auf nachfolgenden Reaktionen mit metallorganischen Reagenzien beruhen.

4 Ein Alkyloxonium-Ion kann als Lewis-SäureBase-Komplex zwischen einem Carbenium-Ion und einem Alkohol aufgefaßt werden. 5

Die Hydrierung von Aldehyden und Ketonen

erfordert

einen

Katalysator,

Substrat durch Adsorption aktiviert.

der Wasserstoff

10 Die retrosynthetische Analyse ist bei der Syntheseplanung komplexer organischer Moleküle sehr wertvoll, da sie die Bestimmung der strategischen Bindungen erlaubt, die in einer effizienten Reaktionssequenz geknüpft werden können.

und

an seiner Oberfläche

Aufgaben 1 Geben Sie die IJUPAC-Namen der folgenden Verbindungen an. Nennen Sie gegebenenfalls die absolute Konfiguration und geben Sie an, ob es sich um einen primären, sekundären oder tertiären Alkohol handelt. (a) (b) (d

CH3CH>CHOHCH3 CH3CHBrCH>CHOHCH>CH3 HOCH>CH(CH>CH3>CH3)>2

(gB

C(CH>OH)4 CH>0H H OH

C

OH

(ers CH>OH

AM NoH

.L

CH>CH3

a

OH CH>CH>OH EN

OH

() Och

(f) “Br

Oi0N

CH3 323

8 Alkohole

2

Zeichnen Sie die Konstitutionsformeln folgender Verbindungen.

(a) (b) (c) (d)

2-(Trimethylsilyl)ethanol 1-Methylcyclopropanol 3-(1-Methylethyl)-2-hexanol (R)-2-Pentanol

(e) 3,3-Dibromcyclohexanol

3 Ordnen Sie die Verbindungen Siedepunkten.

aus folgenden

Gruppen

nach ihren

(a) Cyclohexan, Cyclohexanol, Chlorcyclohexan (b) 2,3-Dimethyl-2-pentanol, 2-Methyl-2-hexanol, 2-Heptanol 4

Erklären

Sie die unterschiedliche

Wasserlöslichkeit

der Verbindun-

gen aus nachstehenden Gruppen. (a) Ethanol > Chlorethan > Ethan (b) Methanol > Ethanol > 1-Propanol 5

Weshalb

liegt

1,2-Ethandiol

in

viel

größerem

Ausmaß

als

1,2-

Dichlorethan in der gauche-Konformation vor? Was erwarten Sie für das Verhältnis gauche/anti bei 2-Chlorethanol? Gleicht

es mehr

dem

von

1,2-Dichlorethan

oder

mehr

dem

von

1,2-

Ethandiol?

6 Ordnen Sie die Alkohole nachstehender Gruppen nach ihrer Säurestärke in Lösung.

(a) CH,;CHCICH>OH, CH,CHBrCH;OH, CICH>CH;CH>OH (b) CH;CChLCH,OH, CCHCH>OH, (CH,);CCICH>OH (c) (CH,)-CHOH, (CR,);CHOH, (CCk);CHOH 7 Fassen Sie die Reaktionen der folgenden Alkohole in Lösung (1) als Säure und (2) als Base in Gleichungen. Vergleichen Sie jeweils die Basen- bzw. Säurestärke qualitativ mit der von Methanol.

(a) (CH,),CHOH (b) CH,.CHFCH;OH (c) CCLCH>OH

8

Der

pK,-Wert

von

CH,OH3

beträgt —2.2,

der von

CH;OH

15.5.

Errechnen Sie daraus das pH, bei dem (a) Methanol zu genau gleichen Teilen CH,ÖH, und CH;O” enthält. (b) 50% (c) 50%

CH;OH CH;OH

und 50% und 50%

CH;OH; vorliegen. CH;O” vorliegen.

9 Glauben Sie, daß Hyperkonjugation bei der Stabilisierung von Oxonium-Ionen (z.B. ROH;, R,OH'* u.a.) eine Rolle spielt? Erklären Sie ihre Antwort. 10 Betrachten Sie nachfolgende Alkoholsynthesen. Schätzen Sie ab, ob sie brauchbar (wenn der gewünschte Alkohol ausschließlich oder überwiegend entsteht), weniger brauchbar (wenn der gewünschte Alkohol nur ein Nebenprodukt ist) oder wertlos sind. |

akeskonse se (b) 324

cn0s0(

CH;CH>OH

Y-cH 9380

Ir OH

OH

I

=

(c)

Aufgaben

HO”, H0, A OH

I

| H>0, A CH3CHCH>CH>CH3 ne CH3CHCH>CH>CH3 CN OH | | CH,CHCH3 _HO_, H,O, A, CH;CHCH; HO, H50, A 1,0H GEROCH? 20 |

(d)

() (f)

=

H;C.

Br N | : 1. CH3COH

©

H3C

2. HO,H,0 ge a

(8)

OH

CH; z | 769, 8, (CH.GHEHSOH CH,CHCH;CI 0 CH3

(h)

11 Welches Hauptprodukt oder welche Hauptprodukte entstehen bei folgenden Reaktionen? (Wo es nötig ist, wird die Reaktionsmischung wäßrig aufgearbeitet.) Br

_H3PO4, 30, A _

CH3CH=CHCH3

(a)

(S)-CH(CH,)sCHCHk

(b) (2),

Produkt von Teil b

Hi

0

OSO,CH3

>

Na* "OCCH3, DMSO

NaOH, CH,OH, H,O,

O

13

CH30CCH;

6)

Dana}

O CH;

NaBH4, CH3CH>OH

(h)

m

CH;CH>

12 Auf welcher Seite liegt das nachstehend wicht? Der pK,-Wert für H, beträgt etwa 38.

Hosr0=

|

\

(8)

| | H>, Pt (d) CH3CCH>CH>CCH3 H 3CHz ” a 7 OÖ NaBH4 ‚ CH3CH>OH Ss H

>

LiAIH4, (CH3CH>)20 &

Tb

beschriebene

Gleichge-

OU:

Geben Sie die Produkte folgender Reaktionen an.

N (a)

CH;>CH

1. LiAID, 2

H,O,

as (©)

CH>—CH>

(d)

>

1. LiAIH4 + (b)

CH3CH

2.D

‚DO,

1. LiAID, 2

H,O,

1. LiAlDy 4 25H

H>0

325

8 Alkohole

14

Geben

Sie das Hauptprodukt

oder die "Hauptprodukte folgender

Reaktionen an.

@

|

Ekch.cHen cherZ, Fe

()

(W Produkt von e + Ü )-cam —

D,O a—

Produkt von

Br

Br o

@

Of

491;

_(CH5CH90

Li, (CH3CH,),0 (h)

2 mol Produkt von g +1 mol

ZnCl,

(d

Produkt von

ce——

e)

CHCHCHEI + Me

o

| CH3CCH,CH,CCH; —>

15 Welches Hauptprodukt (oder welche Hauptprodukte) entstehen bei folgenden Reaktionen (mit anschließender wäßriger Aufarbeitung)? In allen Fällen ist das Lösungsmittel Ethoxyethan (Diethylether).

| (a)

(b)

>—MeBr

|

ar EEE

|

v

CH3CHCH»MgCl + CH;CH —

2 |

() _C6HsCH>Li + CHHSCH —

(d)

CH;CHCH3

air

FE

2 CH;Mgl

)

2 CH3CH»Li + HCOCH, —>

@)

H,

|

0.08 Ne% c

MecCl

+ CH3CH>CHCH>CHz —

N

MeBr

+ C.H5COCH3

(e)

ES

OÖ

ZEN (h)

CeHsLi

hr CH>—CH>

=——.2

16 Geben Sie die zu erwartenden Hauptprodukte für die folgenden Reaktionen an. PCC ist die Abkürzung für Pyridiniumchlorchromat (Abschn. 8.6).

H2$04, H30, @ _CHSCHSCH,OH -N2C107, (b)

@ RR

326

CH>OH

=reiz, (CH3)2CHCH,OH CH 4)

(0c

PCC, CHzCH,

H5O

Be

CH,OH

Na,Cr207, 20 EZ ar 13 H5SO4, se

PCC, CH3Cla

a

OH

17 Welches sind die Hauptprodukte der folgenden Reaktionssequenzen? PCC steht für Pyridiniumchlorchromat.

Aufgaben

1. CrO3, H>zSO4, H>0

2% CH3CH2MsBr, (CH3CH3)>20

@

(CH.CHOH

1

122 1. "OH, H0 2. ECCNCH;Ch

3. J-Li, (CH3CH2)20 4: H7,,H,0

(b) CH3CH>CH>CH;CI

2

>

1. CrO3, H5SO4, H>0

2. LiAlD4, (CH3CH3>)20

„u

fe) Produkt vonp

2

1,0

Fe

18 Metallorganische Verbindungen mit stark elektropositiven Metallen sind nur schwer herzustellen, da diese Metalle Halogenalkane angreifen. So erhält man

beim

Versuch,

ein Alkylnatrium

herzustellen,

meistens

ein Alkan durch die sogenannte Wurtz-Kupplung:

2RX

+2

Na —oR-R +2 NaX

R-X

+ 2 Na —o

Einzelschritte:

R-Na

+ R-X—

R-Na

+ NaX

R-R

+ NaX

Früher diente die Wurtz-Kupplung hauptsächlich zur Darstellung von Alkanen aus zwei identischen Alkylgruppen (siehe Gl. 1 unten). Was spricht dagegen, die Wurtz-Reaktion zur Kupplung unterschiedlicher Alkylgruppen zu verwenden (Gl. 2 unten)?

SCHLEH,CH,C| + 2 Na CH;CH3;Cl

> CH,CH,CH,CH,CH,CH, HaANscia.()

ah CH;CH>CH;Cl

+2Na =

19 Die Reaktion zweier Verbindung A. Durch CH;CHO (Acetaldehyd) ter wäßriger Säure erhält C,H

s0;.

Was

sind

A

und

CH;CH>CH3>CH3;CH;

+

2 NaCl

(2)

Äquivalente Mg mit 1,4-Dibrombutan erzeugt Reaktion von A mit zwei Äquivalenten mit anschließender Aufarbeitung mit verdünnman Verbindung B mit der Zusammensetzung B?

20 Schlagen Sie möglichst effiziente Synthesen der nachstehenden einfachen Alkohole vor, gehen Sie dabei in jedem Fall von einem einfachen Alkan aus. Welche Probleme treten generell auf, wenn man Alkane einsetzt? (a) Methanol (b) Ethanol

(e) 1-Butanol (f) 2-Butanol

(ce) 1-Propanol

(g) 2-Methyl-2-propanol

(d) 2-Propanol

21 Versuchen Sie, jeden Alkohol aus Aufgabe 20 auch, sofern es möglich ist, aus (1) einem Aldehyd, (2) einem Keton und (3) einem Oxacyclopropan (einem Dreiringether) herzustellen.

327

8

22 Skizzieren Sie die jeweils beste Methode zur Darstellung der folgenden Verbindungen aus einem geeigneten Alkohol.

Alkohole

o

| C,

(a)

(d)

(b)

I

a

CH3CH>CH>CH>COOH

(e)

(c)

|

CH3CH

23 Formulieren Sie vier verschiedene Synthesen von 2-Methyl-2hexanol ausgehend von den nachstehend aufgeführten Ausgangssubstanzen. Verwenden Sie beliebig andere Reagenzien und beliebig viele Reaktionsschritte.

| (a)

CH;CCH3

6)

(b)

(c)

CH;CH>CH>CH>CO;CH3

(d)

(CH3)»CHCH>CH>Br

CHSOCHSCH;CH.CH,

24 Entwerfen Sie drei verschiedene Synthesen von 3-Octanol ausgehend von (a) einem Keton, (b) einem Aldehyd und (c) einem anderen Aldehyd als in (b). 25 Entwerfen Sie zwei oder drei mögliche Synthesen der nachstehenden Verbindungen nach den Regeln der retrosynthetischen Analyse. Verwenden

Sie dazu niedere Aldehyde,

serstoffe. Wählen Abschnitt 8.9.

Ketone, Ester oder Kohlenwas-

Sie den jeweils besten

Weg nach den Kriterien in

(a)

(d)

_

(b)

CHCHEL CHOR,

x (e)

CH;CH>

CHz(CH3) 4CO(CH3) sCH3 1-Hexadecylhexadecanoat

CsHSCH>ZCHCH3>CEH 0255 2 2364225

CH>CH>OH

26 Wachse sind natürlich vorkommende Ester (Alkylalkanoate) mit langen unverzweigten Alkylketten. Das Wachs 1-Hexadecylhexadecanoat ist ein Bestandteil des Walrats. (a) Wie würden Sie dieses Wachs durch eine Sy2-Reaktion darstellen? (b) Welche Produkte entstehen bei der Spaltung dieser Verbindung mit wäßrigem Natriumhydroxid?

27 Mit dem Niacin genannten Vitamin der B-Gruppe baut der Körper das Coenzym Nicotinamid-adenin-dinucleotid (NAD, siehe Kapitel 25) auf. Zusammen mit verschiedenen Enzymen wirkt diese Substanz in ihrer reduzierten Form (NADH) als biologischer Hydrid-Donator, der Aldehyde und Ketone zu Alkoholen reduziert nach der allgemeinen Gleichung.

en |

RCR + NADH + HF

328

Enzym ——

RCHR + NAD*

Welche reduziert:

(a)

(b)

Produkte

CH;CH

|

+

entstehen,

NADH

|

CH;CCOH

wenn

NADH

folgende

en

+

NADH

he

Lactat Dehydrogenase

ET.

2-Oxopropansäure

I "MH HOCCH;CCOH.

Aufgaben

e, Alkohol Dehydrogenas

Milchsäure

(Brenztraubensäure)

()

Verbindungen

34 NAD

aarDaiyerogenns

2-Oxobutandisäure (Oxalessigsäure)

© Apfelsäure

28 Reduktionen durch NADH (Aufgabe 27) verlaufen stereospezifisch, die Konfiguration des Produkts wird enzymatisch kontrolliert. Die gewöhnlichen Formen der Lactat- und der Malat-Dehydrogenase erzeugen ausschließlich die S-Stereoisomere von Milchsäure bzw. Äpfelsäure. Zeichnen Sie diese Stereoisomere. 29 Chemisch modifizierte Steroide gewinnen immer mehr an Bedeutung für die Medizin. Geben Sie das Produkt oder die Produkte der nachstehenden Reaktionen an. Wenn mehr als ein Stereoisomer entstehen kann, geben Sie das überwiegende Produkt an, das durch Angriff des Reagenzes von der weniger gehinderten Seite des Moleküls entsteht.

(a)

1. Überschuß CH3Mgl

2. H*, H,O

>

1. Überschuß CH;Li

(b)

>=H*, 3:0

7

CH;

2. H*,H,0

ne

329

8 Alkohole

Gruppenübung 30 Ihre Gruppe hat die Aufgabe, den tertiären Alkohol 2-Cyclohexyl2-butanol A zu synthetisieren. Ihr Labor ist mit den üblichen Lösungsmitteln, sowie organischen und anorganischen Chemikalien gut ausgerüstet. Eine Überprüfung der vorhandenen Chemikalien zeigt, daß zahlreiche Bromalkane und Alkohole vorhanden sind, die für die Synthese von A genutzt werden können. Analysieren Sie in Ihrer Gruppe den Alkohol A retrosynthetisch. Schlagen Sie vor, in welche einfache Vorstufen Sie das Molekül A zerlegen können. Überprüfen Sie anhand der unten angegebenen Chemikalienliste, welche Synthesewege möglich sind. Teilen Sie die vorgeschlagenen Synthesewege gleichmäßig untereinander auf und wägen Sie jeweils Vor- und Nachteile ab. Stellen Sie einen detaillierten Syntheseplan, basierend auf Ihrer gewählten Retrosynthese, von 2-Cyclohexyl-2-butanol A auf. Treffen Sie sich danach wieder, um ihre Synthese zu diskutieren. Wählen Sie die sinnvollste Möglichkeit aus. Ermitteln Sie unter Verwendung der angegeben Preisliste den billigsten Syntheseweg.

Zielmolekül

vorhandene Chemikalien (Preis)

OH

2-Cyclohexyl-2-butanol

A

330

2-Brombutan (€ 60/kg) Bromcyclohexan (€ 31/kg) Bromethan (€ 56/100 g) Brommethan (€ 40/100 g)

2-Butanol (€ 44/100 g) Cyclohexanol (€ 14/kg) 1-Cyclohexylethanol (€ 115/25 g) 1-Cyclohexylmethanol (€ 11/25 g) (Brommethy)cyclohexan (€ 145/100 g)

Weitere Reaktionen der Alkohole und die Chemie der Ether

Nachdem hole

wir die Eigenschaften

kennengelernt

haben,

und Darstellungsmethoden

wollen

wir

nun

weitere

der Alko-

Reaktionen

der

Hydroxygruppe mit anderen funktionellen Gruppen untersuchen. Abbildung 9-1 zeigt eine Vielzahl von Reaktionsmöglichkeiten für Alkohole. Gewöhnlich wird dabei mindestens eine der vier markierten Bindungen

|

ir Se

&

Alkoxid

| Su

Ben,

x Halogenalkane und andere Alkanderivate

ION TG dur

bir

Sr

=

|

u aure

C

H

EN

Alkene

| a,d

Oxidation

ec

Pe

en Pi

(6)

Aldehyde und Ketone

Abb. 9-1 Vier typische Reaktionswege für Alkohole. Jeweils wird mindestens eine der vier mit a-d markierten Bindungen gebrochen (die geschlängelte Linie deutet den Bindungsbruch an): (a) Deprotonierung durch eine Base, (b) Protonierung durch eine Säure und anschließende uni-oder bimolekulare Substitution, (b, c) Eliminierung und (a, d) Oxidation.

331

9 Weitere Reaktionen der Alkohole und die Chemie der Ether

a, b, c oder d gespalten; in Kapitel 8 haben wir bereits gelernt, daß bei der Oxidation zu Aldehyden oder Ketonen die Bindungen a und d gebrochen werden. Diese Reaktion kann in Verbindung mit der Addition organometallischer Reagenzien benutzt werden, um Alkohole mit großer struktureller Vielfalt darzustellen. Vor der weiteren Untersuchung der Reaktionen von Alkoholen wollen wir einen kurzen Blick auf deren Säure/Base-Eigenschaften werfen. Die Deprotonierung an der Bindung a liefert Alkoxide, die als starke Basen und als Nucleophile reagieren (Abschn. 7.8), während starke Säuren die Alkohole in Alkyloxonium-Ionen überführen (Abschn. 8.3) und so die OH-Gruppe in eine gute Abgangsgruppe umwandeln. Anschließend kann die Bindung 5b unter Substitution gebrochen werden oder gemeinsam mit Bindung c unter Eliminierung. Die CarbeniumIonen, die bei der Behandlung sekundärer oder tertiärer Alkohole mit Säure gebildet werden, zeigen, wie wir sehen werden, eine vielfältige Chemie. Nach einer Einführung in die Darstellung der Ester und ihre Anwendung bei der Synthese folgt die Chemie der Ether und der Schwefelverbindungen. Alkohole, Ether und ihre Schwefel-Analoga sind in der Natur weit verbreitet und haben zahlreiche Anwendungsgebiete in der Industrie und in der Medizin.

9,1 Reaktionen von Alkoholen

mit Basen: Die Darstellung von Alkoxiden In Abschnitt

8.3 wurde

diskutiert, daß Alkohole

sowohl

als Säuren als

auch als Basen reagieren können. In diesem Abschnitt werden die Methoden aufgeführt, mit denen Alkohole unter Bildung ihrer konjugierten Basen, den Alkoxiden (Alkanolaten), deprotoniert werden.

Für die vollständige Deprotonierung von Alkoholen sind starke Basen notwendig Um

aus einem Alkohol durch eine Deprotonierung in guter Ausbeute

ein Alkoxid

herzustellen,

ist eine stärkere Base als dieses erforderlich.

Geeignete starke Basen sind z.B. Kalium-tert-butoxid, Lithiumdiisopropylamid oder Butyllithium (siehe unten).

Drei Darstellungsweisen von Methoxid aus Methanol rer

CH;OH

+ (CH3)3CO

K = 300

K

——

CH(CH3)>

LET

CH;O”’K”

+

(CH3);COH

CH(CH3)2 3

24.5

CH=OH. + Lit "NCHICHs)2 2°— CH,O”Li* + HNCH(CH3); pK, = 15.5 DK, = 40

CHz;OH

pK, = 15.5

—

+ CH3CH>CH;CH»Li =

34,5

CH30”Li* + CH3CH>CH>CH5H

pK, = 50

Natriumamid, NaNH;, und Hydride wie z.B. Natriumhydrid, NaH, oder Kaliumhydrid, KH, sind weitere Beispiele für Basen, die Alkohole

deprotonieren können. Hydride haben den Vorteil, daß als einziges Nebenprodukt bei der Reaktion mit Alkoholen gasförmiger Wasserstoff entsteht.

332

— 1015 K=10

9.1 Reaktionen von Alkoholen mit Basen:

(CH,)„COH + Na*NH; —— (CH,),CO-Na* + NH, pK, = 18

pK, = 33

CH,CH,OH

Die Darstellung von Alkoxiden

K=10 22.1 + K'H" == CH,CH,0 °K* +H-H

pK, = 15.9

pK, = 38

Übung 9-1 Würden Sie anhand der pX,-Werte in Tabelle 6-4 Natriumeyanid zur Umwandlung von Methanol in Natriummethoxid verwenden? Begründen Sie Ihre Antwort.

Alkalimetalle reagieren mit Alkoholen zu Alkoxiden Ein weiteres, häufig angewandtes Verfahren, Alkoxide herzustellen, besteht in der Reaktion von Alkoholen mit Alkalimetallen. Diese Metalle reagieren mit Wasser in einer oft heftigen Redoxreaktion zum Alkalihydroxid und Wasserstoff. Die reaktivsten Metalle (Natrium, Kalium und Cäsium) reagieren mit Wasser an der Luft oft explosionsartig, da sich der entstehende Wasserstoff spontan entzünden und sogar detonieren kann.

2H-OH +2M-——>2M*OH° +H, (M =Li, Na,K, Cs)

Dieselbe Reaktion findet auch mit Alkoholen unter Alkoxiden statt, nur verläuft sie hier weniger heftig.

Bildung

von

Bildung von Alkoxiden aus Alkoholen und Alkalimetallen

> CH,OH #2 Li > 2 CH,O-Li* +H, 2 (CH,);,COH

5

2 K u

2 (CH3,CO°K?

+ H,

Dabei nimmt die Reaktivität der Alkohole mit zunehmendem Substitutionsgrad ab; Methanol ist also am reaktivsten, tertiäre Alkohole am

wenigsten reaktiv.

R = CH; > primär > sekundär > tertiär 2-Methyl-2-propanol reagiert so langsam, daß man damit Kaliumreste im Labor sicher vernichten kann. Wofür können wir Alkoxide verwenden? Wir haben sie bereits als nützliche Reagenzien bei organischen Synthesen kennengelernt. So erhalten wir bei der Umsetzung sterisch gehinderter Alkoxide mit Halogenalkanen Eliminierungsprodukte.

:CH;CH,CH,CH,Br 7 E95

cy CH,CH=CH, +(CH,),COH + K*Br”

Weniger stark verzweigte Alkoxide greifen primäre und sekundäre Halogenalkane in einer Sy2-Reaktion an, dadurch entstehen Ether. Dieses Verfahren wird in Abschnitt 9.6 ausführlich beschrieben. Wir fassen zusammen: Alkoxide werden bei der Umsetzung von Alkoholen mit starken Basen oder einem Alkalimetall gebildet. Wir wollen nun die Protonierung der Alkohole mit starken Säuren untersuchen.

333

9 Weitere Reaktionen der Alkohole und die Chemie der Ether

9.2 Reaktionen von Alkoholen mit starken Säuren: Alkyloxonium-Ionen in Substitutions- und Eliminierungsreaktionen von Alkoholen Wie wir gesehen haben, gelingt eine heterolytische Dissoziation der O-—H-Bindung von Alkoholen leicht mit starken Basen. Es stellt sich nun die Frage, ob auch die C—O-Bindung (b in Abb. 9-1) leicht gespalten werden kann: sie kann, aber jetzt benötigen wir Säure. Wir erinnern uns (Abschn. 2.9), daß Wasser einen hohen pK,-Wert hat, also eine schwache Säure ist. Folglich ist das Hydroxid-Ion als die zugehörige konjugierte Base eine außerordentlich schlechte Abgangsgruppe. Eine OH-Gruppe eines Alkohols kann nur dann substituiert oder eliminiert werden, wenn sie vorher in eine bessere Abgangsgruppe überführt worden ist.

Halogenalkane aus primären Alkoholen und HX: Wasser kann als Abgangsgruppe fungieren

RD

Hrn

Pi Ra H Alkyloxonium-Ion

Iodalkansynthese HO(CH3)6OH

+ 2 HI

1,6-Hexandiol

|

I(CH,)el + 2 HO 85% 1,6-Diiodhexan

Der einfachste Weg, eine Hydroxygruppe in eine gute Abgangsgruppe zu überführen, ist die Protonierung des Sauerstoffatoms unter Bildung eines Alkyloxonium-Ions. Wir erinnern uns, daß die Bindung zum Proton von einem der beiden freien Elektronenpaare gebildet wird, so daß am Sauerstoffatom eine positive Ladung entsteht (Abschn. 8.3). Die Protonierung überführt die schlechte Abgangsgruppe OH in eine gute, nämlich in neutrales Wasser. Die Alkyloxonium-Ionen primärer Alkohole können von Nucleophilen unter Substitution angegriffen werden. Setzt man beispielsweise 1-Butanol mit HBr um, so reagiert das primär entstandene Alkyloxonium-Ion mit dem Bromid-Ion unter Substitution zu 1-Brombutan. Man beachte, daß das folgende Schema systematisch farbig gestaltet worden ist. Das ursprünglich nucleophile (rote) Sauerstoffatom wird von dem elektrophilen (blauen) Proton protoniert, und es wird ein Alkyloxonium-Ion mit einem elektrophilen (blauen) Kohlenstoffatom und H,O als Abgangsgruppe (grün) gebildet. In der anschließenden Sn2-Reaktion ist das Bromid-Ion das Nucleophil. Synthese primärer Bromalkane aus einem Alkohol + a CH3CH>CH>CH>0H + HBr —> CH3CH>CH>CH>0H3> + Br —o CH3CH>CH>CH3>Br + H,O

Iodalkane können analog dargestellt werden. Primäre Chloralkane sind aber wegen der geringen Nucleophilie des Chlorid-Ions auf diesem Wege nicht zugänglich, so daß die Umwandlung eines primären Alkohols in das entsprechende Chloralkan andere Methoden erfordert (Abschn. 9.4).

Sekundäre und tertiäre Alkohole reagieren mit Säuren über Carbenium-Ionen Im Gegensatz zu den Alkyloxonium-Ionen von primären Alkoholen geben die Alkyloxonium-Ionen sekundärer und tertiärer Alkohole leicht Wasser ab und bilden das zugehörige Carbenium-Ion. Je nach den Reaktionsbedingungen folgen eine Syl-, eine El-Reaktion oder beide. Ist ein Nucleophil vorhanden, beobachtet man bevorzugt die S\l-Produkte.

334

Eine gebräuchliche Methode zur Herstellung tertiärer Halogenalkane ist daher die Mischung eines tertiären Alkohols mit einem Überschuß an

9.2 Reaktionen von Alkoholen mit starken Säuren:

konzentriertem wäßrigem Halogenwasserstoff. Nach wenigen Minuten hat sich das Produkt bei Raumtemperatur gebildet. Der Mechanismus ist die exakte Umkehrung der Solvolyse (Abschn. 7.2) und verläuft

Alkyloxonium-Ionen in Substitutions- und

Eliminierungsreaktionen

Fk ikokölen

über die Bildung eines Carbenium-Ions.

Umsetzung von 2-Methyl-2-propanol zu 2-Brom-2-methylpropan (CH3)3COH

+

HBr

7

(CH3)3CBr + H5O

Überschuß

Mechanismus der S1-Reaktion tertiärer Alkohole mit Halogenwasserstoff

NtcH—Bti.

(CH3)3C—OH

==>

pr

ICH), CO

HB

S

Er —

H}0 + (CH3);C +Br

=

H50 + (CH3)5C—Br

Sind keine guten Nucleophile vorhanden, werden bevorzugt die Produkte einer El-Reaktion erhalten (Abschn. 7.6), vor allem bei höheren Temperaturen.” Diese Reaktion ist eine Möglichkeit zur Darstellung von Alkenen (Kapitel 11), sie wird wegen der Abspaltung eines Wassermoleküls Dehydratisierung genannt (Abb. 9-1, Bruch von Bindung b und c).

Alkoholdehydratisierung über den E1-Mechanismus

OH H>S0,,130-140°C | -H>0 87% Cyclohexanol

Cyclohexen

Mechanismus der Dehydratisierung von Cyclohexanol

+

N

ale

WEN

H

5

v\_H

=

ET,

nn

30 + # er | + ei

In diesem Beispiel ist das Säure-Anion das schwache Nucleophil HSO, , und man beobachtet die Abspaltung eines Protons vom intermediären Carbenium-Ion. Die Dehydratisierung tertiärer Alkohole ist noch leichter möglich, sie geschieht häufig schon bei Raumtemperatur oder bei nur geringfügig höheren Temperaturen. Übung 9-2 Welches Produkt erwarten Sie bei der Reaktion von 4-Methyl-I-pentanol mit konzentriertem wäßrigen Iodwasserstoff? Nach welchem Mechanismus wird es gebildet?

Die Eliminierung ist bei höheren Temperaturen aufgrund ihrer relativ großen positiven Entropie (Abschn. 2.8) begünstigt, da aus einem Molekül (Alkohol) zwei Moleküle (Alken und Wasser) gebildet werden, und da der Entropieterm in der Gleichung AG? = AH° — TAS° mit steigender Temperatur zunimmt (vgl. auch Übung 7-13).

335

9 Weitere Reaktionen der Alkohole und die Chemie der Ether

Übung 9-3 Welche Produkte erwarten Sie bei der Reaktion von 1-Methyleyclohexanol mit (a) konzentrierter Salzsäure und (b) konzentrierter Schwefelsäure? Stellen Sie die Mechanismen der beiden Reaktionen einander gegenüber.

Wir fassen zusammen: Alkyloxonium-Ionen entstehen bei der Protonierung der Alkohole durch starke Säuren. Primäre AlkyloxoniumIonen sind relativ stabil, werden aber von guten Nucleophilen nach dem. Sn2-Mechanismus substituiert. Alkyloxonium-Ionen sekundärer und

tertiärer

Alkohole

bilden

Carbenium-Ionen,

die ihrerseits

unter

Substitution oder Eliminierung (Dehydratisierung) weiterreagieren.

9.3 Umlagerungen von Carbenium-Ionen Carbenium-Ionen können sich durch Alkyl- oder Hydridverschiebungen zu neuen Carbenium-Ionen umlagern. Diese reagieren in Syl- und EIReaktionen weiter, so daß man oft komplexe Mischungen erhält, wenn nicht ein Produkt thermodynamisch sehr begünstigt ist.

Hydridverschiebung führt zu neuen Syl-Produkten Normale S\1-Reaktion eines Alkohols ohne Umlagerung

> CH3CHCH3 + HBr |

Br

| CH3CHCH3 + H-OH

Setzt man 2-Propanol mit Bromwasserstoff bei tiefen Temperaturen (um Eliminierung zu verhindern)

um, erhält man,

wie erwartet, 2-Brompro-

pan. Ein höher substituierter sekundärer Alkohol, z.B. 3-Methyl-2butanol, führt unter den gleichen Reaktionsbedingungen jedoch zu einem unerwarteten Ergebnis. Das erwartete 2-Brom-3-methylbutan fällt nur in geringen Mengen an, während 2-Brom-2-methylbutan das Hauptprodukt ist. In diesem und in weiteren Reaktionsschemata verdeutlichen farbige Atome oder Atomgruppen deren Herkunft in einem Produkt. Die wandernde Gruppe oder das wandernde Atom ist fettgedruckt.

Wasserstoffverschiebung bei einer S1-Reaktion eines Alkohols mit HBr H

OH

H Br, 0°

CHIC— SCH; a. H;C

H

3-Methyl-2butanol

Er

Ei N

CHEOCH: 2 CHID-CCH, + H—OH H;C

H

H;C

| H

Nebenprodukt

Hauptprodukt

2-Brom-3methylbutan

methylbutan

2-Brom-2-

Nach welchem Mechanismus verläuft diese Umwandlung? Die Erklärung ist die Umlagerung von Carbenium-lonen durch eine Hydridverschiebung, bei der das Wasserstoffatom mit seinen beiden Elektronen zum benachbarten Kohlenstoffatom wandert. Ursprünglich entsteht durch Protonierung des Alkohols und anschließende Wasserabspaltung ein sekundäres Carbenium-Ion. Durch die Wanderung eines tertiären Wasserstoffatoms an den elektronenarmen Nachbarn entsteht ein tertiäres, stabileres Carbenium-Ion. Diese Spezies reagiert nun mit Bromid zu einem umgelagerten Sy1-Produkt. Dieser Mechanismus ist nachstehend dargestellt. Die Pfeile zeigen wiederum den Elektronenfluß. Auch in diesem und in den darauffolgenden Schemata heben wir die Reaktionszentren farbig hervor: das Elektrophil blau, das Nucleophil rot und die Abgangsgruppe grün. Deshalb können auch Atome oder Atomgruppen im Reaktionsverlauf ihre Farbe ändern.

336

Mechanismus hi

Schritt

1

N

Protonierung

Schritt

Hielogk H 0.

H :OH

en CH3C—CCH3; + H* — H;C

HsC.

ee

H;C

H

i —— Fee

HH

H;C

Carbenium-Ionen

Hydridverschiebung

H

H;C

H

H;C

H

sekundäres Kation

tertiäres Kation

(weniger stabil)

(stabiler)

Schritt

0

t nk

3

:

IN: „at CHEZICH, —> CH;C—CCH;

2 _ Abspaltung von Wasser

a

{

H

past a

H

Schritt

9.3 Umlagerungen von

R

4

Abfang durch Bromid

ae.

1. + H50

. +:Bri

a

H

HC

—

H

]

Se

H;C

H

Der Übergangszustand der beobachteten Hydridverschiebung ist in Abbildung 9-2 ausführlich dargestellt. Die Umlagerung ist wiederum ein Beispiel für einen konzertierten Prozeß, in dem das Lösen und das Neuknüpfen einer Bindung gleichzeitig stattfinden. Zu Beginn der Umlagerung besteht eine zunehmende Wechselwirkung des Wasserstoffatoms mit dem leeren p-Orbital des benachbarten positiv geladenen Kohlenstoffatoms. Im Übergangszustand rehybridisieren beide Kohlenstoffatome: das ursprünglich sp’-hybridisierte Zentrum nimmt sp?-Konfiguration an und trägt nach der Hydridverschiebung die positive Ladung. Das Wasserstoffatom wandert zusammen mit seinen Bindungselektronen, die die neue Bindung schließen, und deshalb spricht man hier manchmal

von

„Hydrid-Transfer“,

obwohl

ein freies Hydrid,

H,

nicht

auftritt. Wird die Bindung zwischen dem umgelagerten Wasserstoffatom

+

\

se

c--

H3C“

-H

Vo,

Hal,

N, sp

”

ö

H3;C a

Bi

H3C Fi

>H

H3C

CH3

Er Br

C

HzC "N

-

7

a

Nor

„3

sp-

Ark

Beide Kohlenstoflatome rehybridisieren

,H n%

ch;

R,

f>

‚m

In

DR H;C Y

B

H

En

H

p-Hinterlappen nimmt zu

\

\CH3

p-Hinterlappen nimmt ab

Abb. 9-2 Umlagerung eines Carbenium-Ions durch eine Hydridverschiebung: (A) die im Übergangszustand gelösten bzw. neu gebildeten Bindungen sind punktiert dargestellt; (B) ein Orbitalbild. Man beachte, daß das wandernde Wasserstoffatom und die positive Ladung ihre Plätze tauschen.

337

und dem ehemals positiv geladenen Kohlenstoffatom geschlossen, rehy-

9 Weitere Reaktionen der Alkohole und die Chemie der Ether

H

bridisiert dieses von sp? zu sp’. Als einfache Regel gilt, daß bei einer Wasserstoffverschiebung in einem Carbenium-Ion die positive Ladung und ein Wasserstoffatom an einem benachbarten Kohlenstoffatom ihre Plätze tauschen. Diese 1,2-Verschiebung, die auch Alkylgruppen eingehen können (siehe unten), bezeichnet man auch als Wagner-MeerweinUmlagerung. Wasserstoffverschiebungen verlaufen gewöhnlich sehr rasch und sind besonders dann bevorzugt, wenn das neue Carbenium-Ion wesentlich stabiler ist als das ursprüngliche, so wie es bei unserem Beispiel in Abbildung 9-2 der Fall ist.

OH

rs H;C

H

2-Methyl-3-pentanol

u Übung 9-4

H>SO, H>0

©

Durch Einwirkung von HBr auf 2-Methylcyclohexanol erhält man 1-Brom-1-methylU eyclohexan. Geben Sie einen Mechanismus zur Erklärung dieses Befunds an.

0°C

OHH

Umgelagerte Carbenium-Ionen können durch ein gutes Nucleophil, das in der Reaktionsmischung vorhanden ist, abgefangen werden. So erhält man durch Umsetzung von 2-Methyl-3-pentanol mit wäßrıger Schwefelsäure den umgelagerten Alkohol 2-Methyl-2-pentanol. In diesem Fall ist das Hydrogensulfat-Ion ein zu schwaches Nucleophil, das mit Wasser nicht um das intermediäre Kation konkurrieren kann.

|

ae | H;C_ H 2-Methyl-2-pentanol

J Übung 9-5 ki Welche

Hauptprodukte

entstehen

bei folgenden

Reaktionen:

(a) 2-Methyl-3-pentanol

N CH>sCH

”

\

H

a

hi)1 IN)

HC]

re

Eine Umlagerung führt nie zu primären Carbenium-Ionen, weil diese zu instabil sind. Carbenium-Ionen mit vergleichbarer Stabilität, z.B. verschiedene

sekundäre

oder

verschiedene

tertiäre

Carbenium-lonen,

liegen in einem Gleichgewicht miteinander vor. In derartigen Fällen kann ein beliebiges zugefügtes Nucleophil alle vorhandenen CarbeniumIonen abfangen, wodurch Produktgemische entstehen. OH

| ae

Br

Br

a: | Mu. alt

H

| 2 GROHE CHE

H

H

Wenn äußere Bedingungen die Dissoziation begünstigen, entstehen auch aus Halogenalkanen Carbenium-Ionen, die sich weiter umlagern können. So können z.B. bei der Ethanolyse von 2-Brom-3-ethyl-2methylpentan zwei verschiedene tertiäre Ether entstehen. Verlagerung bei der Solvolyse eines Halogenalkans

Ciao

Bd CH;C—-CCH;CH, Et , H;C

CH>CH3

H

OCH>CH3

| CH3C—CCH>CHz + CHsC—CCH>CH; + H—Br | H3C CH>CH3

2-Ethoxy-3-ethyl2-methylpentan

2-Brom-3-ethyl2-methylpentan

U

H

H;C CH>CH3 3-Ethoxy-3-ethyl2-methylpentan

Übung 9-6 Welches Ergebnis Methanol?

erhalten

Sie durch

die Reaktion

von

2-Chlor-4-methylpentan

mit

Kasten 9-1 schiedene Bromide in einem Verhältnis von 1:2:2. Der einzige Unterschied zwischen ihnen besteht in der Stellung des Bromids bezüglich des markierten Kohlenstoffatoms. Umwandlungen dieser Art, in der eine molekulare Umlagerung wieder zu dem gleichen Molekül führt, und die deshalb gewöhnlich nicht auffallen, nennt man entartete Umlagerungen (engl. degenerate).

Die entartete Umlagerung des Cyclopentyl-Kations Beim Cyclopentyl-Kation läßt sich eine besonders faszinierende Umlagerung beobachten. Hier findet eine rasche Folge von Wasserstoffverschiebungen statt, durch die alle Kohlenstoffatome

im Mit-

tel äquivalent werden. Dieses Phänomen läßt sich mit der Isotopenmarkierung eines Kohlenstoffatoms verfolgen. Setzt man einfach "’C-markiertes Cyclopentanol mit HBr um, erhält man drei verOH

Br SERHBrAMUT — HOH

a / \

- = '?C Markierung statistisches Verhältnis

Mechanismus: KOOH

Bo) H

DE \ \

H

f /

ng

H

H

Va

+H' t

N

-H,0 em

H7

H

SH

H-

RE

\

/ IE

Verschiebung ————r

+ H,O

;

Hy

H

He H

Auch \

H

pH

/

H

HM

H-

|

Verschiebung

H

nk

eic. m——z

er

\

/ )

l

H

H

EN, FE Verschiebung /

ve, en

N

——

AL

as)

Helene I

N >’

ve \ \

ne

ZH

/

Umlagerungen zu Hydroxycarbenium-Ionen Besonders bevorzugt ist die durch eine Wasserstoffverschiebung verlaufende Umlagerung zu einem Hydroxy-substituierten Carbenium-lon. Dieses Carbenium-Ion ist resonanzstabilisiert, wobei das Sauerstoffatom mit einem seiner freien Elektronenpaare an das elektronenarme Kohlenstoffatom bindet. Durch die Deprotonierung dieses Ions entsteht eine Carbonylverbindung. Hydroxycarbenium-Ionen können bei Reaktionen von 1,2-Diolen als Zwischenstufen auftreten. Behandelt "Butandiol mit Schwefelsäure, erhält man Butanon.

man

Resonanzformeln

eines

Hydroxycarbenium-Ions ]

CZ

öH | | | |

z.B. 2,3-

| C=ö—H|

)

Er

en CH; a7

HH 2,3-Butandiol

Br

i

CH3CCHCH; |

H 95% Butanon

339

9 Weitere Reaktionen

Mechanismus:

der Alkohole und die Chemie der Ether

:OH :ÖH

:ÖH :ON

CHSC—-CCH; | | HH

——

:0HCa

CH; C—CCH; Bi H

-H

—

cH,c—cH N H

+ H>0:

i

NeN

:OH CH3

rchiebung

Ei

CHC—EH AR CHSC-CH H H

a; CH3

== CHC-EH H

Erhitzt man unsymmetrische 1,2-Diole mit Säure, entsteht das stabilere Carbenium-Ion schneller und kontrolliert so die Produktbildung. Die Darstellung von 2,3-Dimethylbutanal aus 2,3-Dimethyl-1,2-butandiol ist dafür ein Beispiel.

1:

(CH)2CHÜCH,OH

|

nn

(CH)JCHEHCH

CH;

CH; 61% 2,3-Dimethylbutanal

2,3-Dimethyl-1,2-butandiol

Mechanismus: : ÖH

er

r

5

H

u ass

+H'

CH;

HC

_—

H

Eee. Rene ..

RC—C H,C

wc

+H

— RCHCH H;C

1,2-Cyclohexandiol

mit Schwefel-

N

H

.

er

.

Übung 9-7 Welches säure?

Produkt

entsteht

bei der Umsetzung

von

Auch E1-Produkte entstehen durch Umlagerungen von Carbenium-Ionen Bei erhöhter Temperatur und in Gegenwart eines relativ schwach nucleophilen Mediums entstehen aus umgelagerten Carbenium-Ionen nach einem E1-Mechanismus Alkene.. Zum Beispiel erhält man aus der Reaktion von 2-Methyl-2-pentanol mit Schwefelsäure bei 80°C und aus 4-Methyl-2-pentanol dasselbe Alken als Hauptprodukt. Bei der Umsetzung des sekundären Alkohols findet eine Wasserstoffverschiebung in dem anfänglich gebildeten Carbenium-Ion und anschließende Deprotonierung statt.

OH re:

2-Methyl-2-pentanol

HC H>S0,, 80°C

a

CHCH;

an

Hauptprodukt

2-Methyl-2-penten

ne OH H,S04, 80°C

ee

CH,

CH

4-Methyl-2-pentanol

Mechanismus: CH3

[0

4

«MH

„Verschebung

CH3C—CHUCH3 H

H

H

H;C

,H

HC

CH>CH3

H3C

|

Hr

N -

CHZECHCCH —= N

Carbenium-Ionen

” ee

+

H>0 —= + H50

CH3CCH;CCH3 + H' Hr

H

H;C

OH

9.3 Umlagerungen von 2

Ubung 9-8 Behandelt man 4-Methylcyclohexanol mit heißer Säure, erhält man 1-Methyleyclohexen. Stellen Sie für diese Reaktion einen Mechanismus auf.

CH;

Umlagerungen von Carbenium-Ionen durch Alkylverschiebung

Wanderung einer Alkylgruppe R

N

Bei Carbenium-Ionen, die kein sekundäres oder tertiäres Wasserstoffatom in Nachbarschaft zum positiv geladenen Kohlenstoffatom haben, kann eine andere Art der Umlagerung auftreten: die Alkylverschiebung. So entsteht bei der Reaktion von 3,3-Dimethyl-2-butanol

an

mit Bromwas-

Mn

serstoff in hohen Ausbeuten 2-Brom-2,3-dimethylbutan, das durch Wanj M Methylgruppe entstanden ist. ei derung g einer

H;C

CH3

Br

=

HC

HBr

'

Er 7„CC I |

CH;

n

H

u |

+

R

H;C H 94%

3,3-Dimethyl-2-butanol

2-Brom-2,3-dimethylbutan

Mechanismus:

H3C CH;

Een

Ast

+

- H50

a

.

—>+

SE

EHC-CCH, En

+

CH3

CHRC-ECH,

2

Hs

2

-n =

HC

H

HC

H

Br CH3

CHRO-ECH,

BT

H;C

H

Wie auch bei der Wasserstoffwanderung nimmt die wandernde Gruppe das Elektronenpaar mit und bindet damit an das benachbarte Carbenium-Ion. Die wandernde Alkylgruppe und die positive Ladung tauschen ihre Plätze. U

Übung 9-9

"| Bei höherer Temperatur entstehen aus 3,3-Dimethyl-2-butanol zwei El-Produkte, eines aus dem Carbenium-Ion vor der Umlagerung und das andere aus dem durch eine Alkyl"| verschiebung gebildeten Ion. Geben Sie die Konstitutionsformeln beider Eliminierungsprodukte an.

341

9 Weitere Reaktionen der Alkohole und

die Chemie der Ether

Alkylwanderung zu einem Hydroxycarbenium-Ion Behandelt man tetraalkylierte vicinale Diole mit Mineralsäure, lagern sich auch diese durch eine Alkylverschiebung um. Diese Reaktion wird nach der Verbindung Pinakol (2,3-Dimethyl-2,3-butandiol), bei der sie erstmalig entdeckt wurde, Pinakol-Umlagerung genannt. (Der Trivialname dieser Verbindung leitet sich vom griechischen pinax, Plättchen, ab und geht auf die äußere Form der Kristalle der Verbindung zurück.) Als Produkt entsteht wiederum eine Carbonylverbindung.

OH OH

HsC

CH C—CCH; H;C

He- H,O20,

0

— CH3SC—CCH; =

CH3

CH3

70% 2,3-Dimethyl-2,3-butandiol

3,3-Dimethyl-2-butanon

Mechanismus:

HO: su

H3C :OH —-

H,O

CH3>C——CCH3 + H" ————

Be: HC. Cr

+ H20

H;C

3 Cr

CH;C—CCH,

CH; H;C

CH3C—CCH3 + CH;

—

a CH;

e)

H H;C

:0O:

—— CH3C—CCH3 + H* sol: CH;

Übung 9-10 \ Behandelt man das Diol A mit wäßriger Schwefelsäure im kochenden Wasserbad, erhält )

man B in 15%

Ausbeute.

Erklären Sie den Mechanismus dieser Reaktion.

OH

H+ —

OH

we

’ 120

16) A

B

Die Umlagerung von 2,2-Dimethyl-1-propanol Obwohl primäre Carbenium-Ionen in Lösung nicht entstehen, kann man Alkyl- und Protonenverschiebungen zu primären Kohlenstoffatomen beobachten, wenn diese Abgangsgruppen tragen. 2,2-Dimethyl-1-propanol (Neopentylalkohol) ist dafür ein Beispiel. Behandelt man diese Verbindung mit einer starken Säure, lagert sich das Kohlenstoffgerüst zu einem substituierten 2-Methylbutan um, obwohl ein primäres Carbenium-Ion als Zwischenstufe nicht entstehen kann. In diesem Fall erfolgt nach der Protonierung die Abspaltung von Wasser gleichzeitig mit der Methylwanderung an das benachbarte Kohlenstoffatom. Auf diese Weise läßt sich die Bildung eines primären Carbenium-Ions vermeiden. CH 3 ee

CH3 2,2-Dimethyl-1-propanol (Neopentylalkohol)

342

ı ne

ee

CH3 2-Brom-2-methylbutan

Mechanismus:

CH3

Dt

ui

a

RR

CH3

2

B

* Br:

— H}0 "N: —

CHEZ

H a

| CH,CCH.CH;

+ :Br: — _ :Br:

CH3

CH;z

Wir halten

CH3

fest: Zusätzlich

zu „normalen“

S\l- und

CH3

El-Reaktionen

Nucleophil — rot Elektrophil — blau Abgangsgruppe — grün

können Carbenium-Ionen sich durch Wasserstoff- oder Alkylwanderung umlagern. Dabei überträgt die wandernde Gruppe ihr Bindungselektronenpaar dem benachbarten positiv geladenen Kohlenstoffatom, tauscht also den Platz mit der positiven Ladung. Die Umlagerung kann entartet sein oder zu einem stabileren Kation führen, wenn z.B. aus einem sekundären Carbenium-Ion ein tertiäres oder aus einem Alkyl-Kation ein Hydroxycarbenium-Ion entsteht. Durch die Umsetzung vicinaler Diole mit Säuren entstehen am Ende Aldehyde oder Ketone. Auch primäre Alkohole können sich umlagern, jedoch erfolgt dieser Vorgang konzertiert, nicht über ein intermediäres primäres Carbenium-Ion.

9.4 Die Bildung organischer und anorganischer Ester aus Alkoholen Eine der wichtigsten Reaktionen der Alkohole ist ihre Umwandlung in Ester. Dieser Begriff bezieht sich meist auf organische Ester, auch Carboxylate oder Alkanoate genannt (Tabelle 2-1). Formal leiten sie sich von organischen (Carbon-)Säuren durch Austausch des sauren Wasserstoffatoms gegen eine Alkylgruppe ab. Ganz analog leiten sich anorganische Ester von anorganischen Säuren ab.

\

\

a

KOHL...

BR Carbonsäure

|

„N

R

Ö

ÖH

Chromsäure

Phosphorsäure

nes

OR

Carbonsäureester (ein organischer Ester)

N

|

anOR’

ROH

Ö Sulfonsäure

|

BHO—P—- OR:

Ö Chromsäureester

\

HO--R-OH

OH

|

ge

OR’

Ö

Phosphorsäureester

Sulfonsäureester

Eopas st = Tartıge "Tassakasıt atertzieiert (anorganische

ö Ester)

Die Darstellung organischer Ester durch die Reaktion eines Halogenalkans mit einem Alkanoat-Ion wurde bereits in Abschnitt 7.8 angesprochen. Auch die Bedeutung von Chromsäureestern bei der Oxidation von Alkoholen zu Aldehyden und Ketonen wurde schon diskutiert (Abschn. 8.6). Im Organismus haben Alkylphosphate mehrere Funktionen, sie können beispielsweise die Hydroxygruppe in eine gute Abgangsgruppe umwandeln; andere Aufgaben werden in den Kapiteln 20 und 26 beschrieben. Sulfonate sind kurz als Substrate in nucleophilen Substitutionsreaktionen in Abschnitt 6.8 erwähnt worden. In diesem Abschnitt werden wir sehen, wie diese Verbindungen direkt durch Reaktion eines Alkohols mit einer Carbonsäure oder einem anorganischen Reagenz gewonnen werden können. Organische und anorganische Ester sind wichtige Zwischenprodukte in der Synthese.

343

9 Weitere Reaktionen der Alkohole und die Chemie der Ether

Alkohole reagieren mit Carbonsäuren zu organischen Estern In Gegenwart katalytischer Mengen von Mineralsäure reagieren Alkohole mit Carbonsäuren unter Bildung eines Esters und Wasser. Bei dieser Reaktion liegt zwischen Edukten und Produkten ein Gleichgewicht vor, das durch den Überschuß einer der Komponenten in die gewünschte Richtung verschoben werden kann. Verwendet man Alkohol als Lösungsmittel, verschiebt man das Gleichgewicht auf die Seite des Esters, ein Überschuß an Wasser dagegen treibt die Hydrolyse des Esters voran. Nachstehend sehen Sie Beispiele dafür. Die Bildung und die Reaktionen der Ester werden in den Kapiteln 19 udn 20 ausführlich erläutert.

Veresterung

\

CH3COH

+CH:CHÖH

Essigsäure

|

=——

CHSCOCH-CH, . ‚+ HOB

Ethanol

Ethylacetat

(Lösungsmittel)

Esterhydrolyse 16)

7

l ;

Hr

COCH; + H30 — Br

En

Überschuß

COH + CH;OH

En x

Anorganische Ester als Zwischenstufen bei der Synthese von Halogenalkanen Primäre und sekundäre Alkohole reagieren mit Phosphortribromid, einer käuflichen Verbindung, zu Bromalkanen und phosphoriger Säure. Dieses Verfahren dient generell zur Darstellung von Bromalkanen aus Alkoholen. Phosphortribromid kann alle drei Bromatome übertragen. Die treibende Kraft dieser Reaktion ist die Bildung der starken Phosphor-Sauerstoff-Doppelbindung.

Bromalkansynthese mit PBr;

CH3CH>

sie

CH3CH;

EEE

SCHEEHR Hr +

H

"H4PO3

H 47%

3-Pentanol

Phosphor-

3-Brompentan

phosphorige Säure

tribromid

Welches ist der Mechanismus dieser Reaktion? Im ersten Schritt reagieren Alkohol und die Phosphorverbindung unter Ausbildung einer Spezies, die man als protoniertes anorganisches Esterderivat der phosphorigen Säure auffassen kann: Schritt 1

h

RCH,ÖH > Pr _ Br

344

Be H

+ Br”

HOPBır;, ist eine gute Abgangsgruppe und wird durch Bromid drängt (Sy2), das im esterbildenden Schritt entsteht.

ver-

9.4 Die Bildung organischer und anorganischer Ester aus Alkoholen

Schritt 2 Br:

+ ph

——

RCH>»Br:

+ HOPBr;

H

HOPBTr; reagiert daraufhin nacheinander mit zwei weiteren Alkoholmolekülen nach dem gleichen Mechanismus wie bei dem ersten esterbildenden Schritt:

R

Br

R

Be

>

RCH,OH + HOPBr, el

+ :Br:

H

Br ..

EEE

‘Br:

BES

as Se

Br os

.

es

—>

.. |Din

RCH3»Br: + HOPOH

H

RCH3OH + (HO)aPBr — —> RCH3Br: + H3PO; Beachten Sie, daß das Gelingen dieser Umsetzung darauf beruht, daß die Hydroxygruppe zu Beginn der Reaktion in eine gute Abgangsgruppe umgewandelt

wird,

wie es auch

bei der Reaktion

von

Alkoholen

mit

Bromwasserstoff zu Bromalkanen der Fall ist. Dieses letztere Verfahren wird jedoch durch die stark sauren Reaktionsbedingungen und durch mögliche Umlagerungen kompliziert. Wollen wir anstelle eines Bromalkans das entsprechende lodalkan herstellen, erzeugen wir das dazu benötigte Phosphortriiodid, PI;, am besten in situ, da es äußerst reaktiv ist. Dazu fügen wir elementaren roten Phosphor und lIod zum Alkohol. Bei diesem Verfahren reagiert PI; sofort nach seiner Entstehung weiter. Um Alkohole in Chloralkane zu überführen, kann man auch mit Phosphorpentachlorid,

CH>OH

PCI;, arbeiten:

+ PCIls —

CH3(CH>) |4CH>OH

rt. A

CH3(CH>) 4CH3l 85% ar

H3PO3z

_ CH>CI + HCI + POCI

B

Diese Reaktion verläuft nach einem ähnlichen Mechanismus wie die Bromierung durch PBr;, nur enthält jetzt das Reagenz ein fünfbindiges Phosphoratom. Durch die Reaktion mit einem Äquivalent Alkohol entsteht anfangs Phosphoroxychlorid, POC]. Die weitere Reaktion mit zusätzlichen Alkoholmolekülen erzeugt weiteres Chloralkan und schließlich Phosphorsäure H;PO,. Mechanismus:

RCH,OH + PCI, — H* + CI” + RCH,OPC, —> HOPC1,C1— 3 RCH,OH + O=PCl,—>

RCH,OPCL, + H* + C1° RCH,CI + HOPCH O=PCI, + HCI 3 RCH,CI + O=P(OH)3 Phosphorsäure

345

9 Weitere Reaktionen

Thionylchlorid,

SOC,

ist ein

weiteres

gutes

Chlorierungsmittel.

der Alkohole und

Durch einfaches Erwärmen eines Alkohols in Gegenwart dieses Reagen-

die Chemie der Ether

zes entsteht ein Chloralkan, daneben entwickeln sich SO, und HCl.

CH,CH,CH,OH + SOCL, — CH,CH,CH,C1I+0=S=0 +HCI 91%

Die Bildung des Chloralkans aus dem Alkohol RCH,OH verläuft auch hier über einen anorganischen Ester, RCH,OSOCI, als Zwischenstufe. Das dabei freigewordene Chlorid-Ion greift den Ester nucleophil an, so entstehen das Chloralkan und je ein Molekül SO, und HCl.

Mechanismus:

| RCH>OH

(CH5CH3)3N:

a

N,N-Diethylethanamin (Triethylamin)

1

+ CISCI

“

—>

..

.

H’ + :Cl!" + CH, T0—S-zCl: —o ü Re

+

R

RCH;OSCI+H"+CI

=

:

e

F-

:CICH,zR + .O=S=O, + HCI: a 3

HC

Die Gegenwart eines Amins, das den gebildeten Chlorwasserstoff neutralisiert, verbessert den Reaktionsablauf. So kann man zum Beispiel N, N-Diethylethanamin (Triethylamin) verwenden, das unter diesen

| f

R

(CH3CH3)3 NHCI

Bedingungen das entsprechende Ammoniumchlorid bildet.

Alkylsulfonate sind vielseitige Substrate für Substitutionsreaktionen Die anorganischen Ester, die bei diesen Reaktionen auftreten, sind spezielle Beispiele für Abgangsgruppen, die sich letztlich von „SchwefelSäuren“

ableiten lassen.

Sie sind mit den Sulfonaten

verwandt,

denen

wir ın Abschnitt 6.8 begegnet sind. Dort erfuhren wir, daß man sie leicht aus den entsprechenden Sulfonylchloriden und einem Alkohol herstellen kann. Wie Thionylchlorid reagieren auch Sulfonylchloride am besten in Gegenwart eines Amins.

|

OÖ

CH;z

|

CH;CHCH>OH

+

A

|

_

N N

L

[6)

|

I

na

(0) 2-Methyl-I-propanol

CH3

:

| H;

+

er

ji cl

OÖ Pyridin

Methansulfonylchlorid

2-Methylpropylmethansulfonat

Pyridiniumhydrochlorid

Anders als die anorganischen Ester aus Phosphortribromid und Thionylchlorid sind die Alkylsulfonate häufig kristalline Feststoffe, die vor dem nächsten Reaktionsschritt isoliert und gereinigt werden können.

050: 25

Cyclohexanol

346

CH3

SO;C1

4-Methylbenzolsulfonylchlorid (p-Toluolsulfonylchlorid)

2, (CH;CH>)3N

Y-cH

a.

+ Ex (CH3CH>)3NHCI

Cyclohexyl-4-methylbenzolsulfonat (Cyclohexyltosylat)

Wir wissen, daß man vor allem primäre und sekundäre Halogenalkane gut durch Sy2-Substitution von Sulfonatgruppen durch Halogenide (Cl, Br”, IT) darstellen kann. Für die Darstellung tertiärer Halogenide ist diese Methode weniger geeignet, da hier leicht Carbenium-Ionen entstehen, die zu Eliminierungs- und Umlagerungsprodukten führen. Tertiäre Chloride und Bromide stellt man daher am besten aus den entsprechenden Alkoholen her, die man mit kaltem konzentriertem Halogenwasserstoff behandelt. Während mit Halogenwasserstoff, Phosphoroder Thionylhalogenid die Hydroxygruppe nur durch ein Halogen ersetzt werden kann, erlauben Alkylsulfonate als Zwischenprodukt die Substitution der Hydroxygruppe durch jedes gute Nucleophil.

9,5

Nomenklatur und

physikalische Eigenschaften von Ethern

Sulfonate als Zwischenprodukte bei der nucleophilen Substitution der Hydroxygruppe von Alkoholen

R-OH

— > R a

|

— > R-Nu

OÖ Substitutionsreaktionen von Alkylsulfonaten

| a

nl U

nn.

CH;>CH>CH3l

6)

ae

0-3 CH

27

4

(6)

90%

)-cH + CH5CH,5S” —

eu

O0

Lne

:

CH; 85%

| Übung 9-11 @ Welches Produkt entsteht bei der am Rand gezeigten Reaktionssequenz?

OH

0 Übung 9-12

1. CH3SO:C1

© Welche Reagenzien benötigen Sie zur Darstellung der folgenden Halogenalkane aus den =) entsprechenden Alkoholen: (a) I(CH;)sl; (b) (CH3CH3,);CCI;

2. Nal

(e)

eh

euer

Wir fassen zusammen: Die Reaktion von Alkoholen mit Carbonsäuren führt unter Wasserabspaltung zu organischen Estern. Mit anorganischen Halogeniden wie z.B. PBr;, PCls, SOCh und RSO;CI reagieren Alkohole unter Abspaltung von HX zu anorganischen Estern. Diese enthalten gute Abgangsgruppen, die leicht nucleophil substituiert werden können, z.B. durch Halogenid-Ionen zu den entsprechenden Halogenalkanen.

9.5 Nomenklatur und physikalische Eigenschaften von Ethern Ether sind in den vorangegangenen Kapiteln bereits mehrfach erwähnt worden (siehe Tab. 2-1), und es wird Zeit, diese Verbindungsklasse systematisch zu behandeln. In diesem Abschnitt werden die Nomenklaturregeln angegeben und einige der physikalischen Eigenschaften beschrieben.

347

Ether sind im IUPAC-System Alkoxyalkane

9 Weitere Reaktionen der Alkohole und die Chemie der Ether

CH30OCH>CH; Methoxyethan

CH; CH,CH.ÖCCH,

CH; 2-Ethoxy-2-methylpropan :OCH;

a JÖCHSCH3 cis-1- Ethoxy-2methoxycyclopentan

Das IUPAC-System behandelt Ether als Alkane mit einem Alkoxy-Substituenten, als Alkoxyalkane also. Der kleinere Substituent gilt als Teil der Alkoxygruppe, der größere Substituent bildet den Stamm des Moleküls. Alkoxyalkane kann man sich als Derivate von Alkoholen denken, in denen das Hydroxy-Proton durch eine Alkylgruppe ersetzt wurde. Auf dieser Betrachtungsweise basieren die Trivialnamen, die sich aus den Namen der beiden Alkylgruppen, gefolgt von dem Wort „Ether“ zusammensetzen. CH;OCH; heißt daher Dimethylether, CH;OCH3;CH; wird Ethylmethylether genannt und so weiter. Ether sind im allgemeinen recht reaktionsträge (bis auf gespannte cyclische Ether, siehe Abschn. 9.8). Deshalb verwendet man Ether (darunter auch cyclische Ether, Verbindungen mit mehreren Etherfunktionen oder Systeme mit beiden Eigenschaften) gerne als Lösungsmittel bei organischen Synthesen. Für diese häufig verwendeten Verbindungen sind deshalb Trivialnamen im Gebrauch. Ether-Lösungsmittel und ihre Namen

CH3CH>0OCH3>CH3

EN o

Ethoxyethan

1,4-Dioxacyclohexan

1,2-Dimethoxy-

Oxacyclopentan

(Diethylether)

(1,4-Dioxan)

ethan

(Tetrahydrofuran, THF)

CH3OCH>CH>0CH;

R0)

(Glycoldimethylether, Glyme)

Cyclische Ether gehören zu einer Klasse von Cycloalkanen, in denen ein oder mehrere Kohlenstoffatome durch ein Heteroatom — in diesem Fall ein Sauerstoffatom — ersetzt wurden. Ein Heteroatom kann jedes Atom außer Kohlenstoff oder Wasserstoff sein. Cyclische Verbindungen dieser Art nennt man Heterocyclen (Kap. 25). Die Benennung der cyclischen Ether kann nach verschiedenen Regeln erfolgen (Abschn. 25.1). Am einfachsten bezieht sich der Name auf das Grundgerüst des Oxacycloalkans, bei dem die Vorsilbe Oxa auf die Substitution eines Kohlenstoffatoms durch ein Sauerstoffatom hinweist. Danach heißen dreigliedrige cyclische Ether Oxacyclopropane (andere Namen dafür sind Oxirane, Epoxide oder Alkenoxide), VierringSysteme heißen Oxacyclobutane, die beiden nächsthöheren Homologen sind Oxacyclopentane (Tetrahydrofurane) und Oxacyclohexane (Tetrahydropyrane). Die Zählung beginnt beim Heteroatom, hier dem Sauerstoffatom, und wird um den Ring fortgeführt.

Die physikalischen Eigenschaften der Ether sind gekennzeichnet durch die Abwesenheit von Wasserstoffbrücken-Bindungen Die Summenformel

von einfachen Alkoxyalkanen,

C,H>„+>,0, ist iden-

tisch mit der von Alkanolen. Dennoch liegen die Siedepunkte von Ethern viel niedriger als die von isomeren Alkoholen, da bei ihnen keine Wasserstoffbrücken ausgebildet werden (Tab. 9-1). Die beiden einfachsten Mitglieder dieser Reihe sind mit Wasser mischbar, mit zunehmendem Kohlenwasserstoffanteil nimmt die Löslichkeit in Wasser jedoch ab. So ist Methoxymethan z.B. mit Wasser in jedem Verhältnis mischbar, während Ethoxyethan nur eine ungefähr 10 %ige wäßrige Lösung bildet.

348

Tabelle 9-1 Siedepunkt von Ethern und isomeren 1-Alkanolen Ether

Name

Siedepunkt

1-Alkanol

Siedepunkt

7 C CH;OCH;

Methoxymethan (Dimethylether)

CH;OCH;CH;

Methoxyethan

9.5 Nomenklatur und physikalische Eigenschaften von Ethern

INC

—y3

CH;CH>0OH

78.5

10.8

CH;CH;CH,OH

82.4

34.5

CH;(CH3,);OH

110723

CH;(CH;)-OH

194.5

(Ethylmethylether)

CH;CH;OCH;CH;

Ethoxyethan (Diethylether)

(CH;CH;CH;CH3;);O

1-Butoxybutan (Dibutylether)

142

Einige cyclische Polyether binden selektiv Kationen — die Wirt-Gast-Beziehung Es gibt gewisse cyclische Ether mit mehreren Etherfunktionen, die ungewöhnliche Lösungseigenschaften haben. Die sogenannten Kronenether sind aus 1,2-Ethandiol-Einheiten aufgebaut. Ihren Namen verdanken Sie ihrer kronenähnlichen Struktur im kristallinen Zustand, viel-

leicht auch in Lösung. Der Polyether [18]Krone-6 ist in Abbildung 9-3 dargestellt. Die Zahl 18 bezieht sich auf die Gesamtzahl der Atome im Ring, die Zahl 6 gibt die Anzahl der Sauerstoffatome an. = Sauerstoff

Abb. 9-3 Die kronenähnliche

Struktur von [18]Krone-6.

Kronenether

haben

die bemerkenswerte

Fähigkeit, stark an einfache

Kationen zu binden, so daß diese sich in organischen Lösungsmitteln lösen. Das tief violette Kaliumpermanganat z.B., das in Benzol völlig unlöslich ist, löst sich bereitwillig in diesem Solvens, wenn man

[18]Krone-6

hinzufügt.

sechs Sauerstoffatome

Der

Lösevorgang

des Kronenethers

wird

ermöglicht,

einen „Käfig“

weil

die

bilden, in dem

sie das Metall-Ion festhalten. So ist eine sehr wirkungsvolle Solvatation möglich. Auf diese Weise kann man Oxidationen mit Kaliumpermanganat in organischer Lösung durchführen. Hier finden wir ein Beispiel einer Wirt-Gast-Beziehung,

(der Kronenether

der Gast), wie sie auch der Wechselwirkung ihren Substraten zugrundeliegt.

GR

KMnO4,CgHg

ist der Wirt, das Kation

zwischen

Enzymen

Een)

u

| Pr MnO4 =

ER O

ö

(6)

Very gene [18] Krone-6

Den „Käfig“ des Kronenethers

und

ee

Oo

Klar

|

Ö

x Da

Ö

die)

Violette [K* 18-Krone-6] PermanganatLösung in Benzol

kann man so maßschneidern,

daß nur

manche Kationen selektiv gebunden werden — nämlich die, die aufgrund ihres Ionenradius am besten in den Käfig passen. Dieses Konzept konnte man durch die Herstellung polycyclischer Ether, der sogenann-

349

n-+

N

— 15)

N

FR Em OÖ

De

[6

Ö

Kryptand

Kation

Kryptat

Abb. 9-4 Ein polycyclischer Ether (Kryptand) bindet ein Kation, wobei ein Komplex (Kryptat) entsteht. Der hier dargestellte Kryptand bindet selektiv ein Kalium-Ion mit einer Bin-

dungskonstante K = 10". Die Selektivität nimmt in der Reihenfolge K* > Rb* > Na’ > Cs" > Li” ab. Das Lithium-Ion wird mit einer Bindungskonstanten von ungefähr 100 gebunden. Die Unterschiede innerhalb der Reihe der Alkalimetalle umfassen also acht Größenordnungen.

ten Kryptanden (aus dem griechischen kryptos, versteckt) nach drei Dimensionen hin ausweiten. Diese binden hochselektiv Alkali- und andere Metallionen (Abb. 9-4). Die Bedeutung dieser Verbindungsklasse wurde durch die Verleihung des Nobelpreises für Chemie

im Jahre 1987 an Cram, Lehn und Peder-

sen* gewürdigt. Kronenether und Kryptanden werden oft als Ionentransport-Reagenzien betrachtet und gehören zur Gruppe der Ionophoren (-phoros, griechisch: tragend, hier also „ionentragend“). Die Struktur dieser Verbindungen wird durch die Koordination um ein Kation gebildet. Durch diese Wechselwirkung wird die polare, hydrophile Natur des Kations durch eine hydrophobe Hülle kaschiert, so daß es sich in unpolaren Lösungsmitteln besser löst. In der Natur können Ionophore Ionen durch hydrophobe Zellmembranen transportieren. Das ionische Gleichgewicht zwischen Innen- und Außenseite einer Zelle muß sorgfältig reguliert werden, um das Überleben der Zelle zu gewährleisten. Deshalb kann jede unplanmäßige Störung dieses Gleichgewichts zum Zelltod führen. Dieses Prinzip wird in der Medizin genutzt, um Krankheitserreger mit Polyether-Antibiotika zu bekämpfen. Da der Ionentransport aber auch die Signalübertragung in den Nerven beeinflußt, sind manche natürlich vorkommende Ionophore auch tödliche Nervengifte.

HO

CH;CH; ER

CH 3 -—

& \

& H; se

0

%

Oo

an / AR EN Pe f ' [6)

CH; H

2ii =

H

OCH; CH; COOH Tetrodotoxin (Nervengift von Kofferfischen)

Monensin (Antibioticum eines Streptomyces-Stamm)

Zusammenfassend halten wir fest, daß Ether als Alkoxyalkane oder als Dialkylether bezeichnet werden können. Ether haben niedrigere Siedepunkte als vergleichbare Alkohole, da zwischen zwei Ethermolekülen keine Wasserstoffbrücken-Bindung möglich ist. Kronenether können Kationen komplexieren und dadurch deren hydrophile Eigenschaften „maskieren“. * Professor Donald J. Cram (geb. 1919), University of California at Los Angeles; Professor Jean-Marie Lehn (geb. 1939), Universität Strasbourg und College de France, Paris; Dr. Charles J. Pedersen (1904-1989), E. I. du Pont de Nemours & Company, Wilmington, Delaware.

350

9.6 Die Williamson-Ethersynthese

9.6

Die WilliamsonEthersynthese

In ihrer Eigenschaft als ausgezeichnete Nucleophile werden Alkoxide bei der gebräuchlichsten Methode zur Darstellung von Ethern eingesetzt. Sie wird in diesem Abschnitt beschrieben.

Ether können durch Sy2-Reaktionen hergestellt werden Ether stellt man am einfachsten durch die Reaktion eines Alkoxids mit einem primären Halogenalkan oder einem Sulfonsäureester unter typischen Sy2-Bedingungen her (Kap. 6). Dieses Verfahren ist als Williamson*-Ethersynthese bekannt. Das Medium, in dem diese Reaktion stattfindet, kann der Alkohol sein, von dem das Alkoxid stammt (wenn dieser preiswert ist). Genausogut oder sogar noch besser geeignet sind andere polare Lösungsmittel wie Dimethylsulfoxid (DMSO) oder Hexamethylphosphorsäuretriamid (HMPT) (Tab. 6-4). Beispiele der Williamson-Ethersynthese CH3CH3CH3CH;OH, 14 h

BECHSCHSCH,OTNat + CICH.CH-CHICH, —

ah CH;CH>CH>CH>OCH>CH>CH>CH3 + Na* CI” 60% (in Butanol) 95% (in DMSO) 1-Butoxybutan

(CH), CHO”Na* + CH3CH»Br

HMPT

» (CH3)-CHOCH;CH3 + Na*Br” 85% 2-Ethoxypropan

H

O Na*

=

H

OCH>(CH3>)

sCH3

#-CH4(CH,)1sCH;0S0.CHs >

+ Nat "0,SCH; 91% Cyclopentoxy-

Nucleophil - rot

heptadecan

4 *

Elektrophil — blau

&1: i A E Alexander W. Williamson, 1824-1904, Professor am University College, London

Abgangsgruppe — grün E

Kasten 9-2

Aromatische Ether und die Williamson-Synthese Ether mit einer aromatischen Gruppe (s. Tab. 2-1) am Sauerstoffatom können leicht mit der Williamson-Synthese dargestellt werden. Diese Alkoxyarene haben häufig angenehme Aromen.

Fe er

KOH, CH3CH>OH -H>0

Ein Beispiel: Versetzt man 2-Naphthalinol (2Naphthol) mit KOH, wird es deprotoniert, und die Addition von Bromethan führt zu 2-Ethoxynaphthalin, das meist Nerolin II genannt wird. Bei der Parfumherstellung wird es als Ersatz für Orangenblütenessenz verwendet.

“on

: e OCH>CH3 CH 3CH>Br —3

—KBr

2-Naphthalinol (2-Naphthol)

2-Ethoxynaphthalin

(ein Phenol*)

(ein Alkoxyaren)

(Nerolin II)

* vgl. Abschn. 22.3

351

9 Weitere Reaktionen

Da Alkoxide starke Basen sind, bleibt ihre Anwendung bei der Ether-

der Alkohole und

synthese auf primäre ungehinderte

die Chemie der Ether

Systeme beschränkt,

da sonst ein

erheblicher Anteil an E2-Produkt entstehen würde (Abschn. 7.8). | Übung 9-13

=

Geben Sie Williamson-Synthesen für die folgenden Ether an: (a) 1-Ethoxybutan (zwei Wege), (b) 2-Methoxypentan (gibt es hier auch zwei gute Wege?), (c) Propoxycyclohexan und (d) 1,4-Diethoxybutan.

Bildung cyclischer Ether durch intramolekulare Williamson-Synthese Die Williamson-Ethersynthese dient auch zur Herstellung cyclischer Ether, die aus Halogenalkoholen durch eine intramolekulare Sy2-Reaktion entstehen.

Darstellung cyclischer Ether

Mn: 17 SR

u

:BrZzCH;

N. HÖ:” erg schnell

Bromalkohol

:O

Sr

RiingschußB (CH2)„ ——>

2:07

=

. Br—CH>

Bromalkoxid

langsam

> (CHyn+ı Fan

„nn.

Cyelischer Ether

Dt

ae

ne

Ho Alkandiol

Bei dieser Reaktion entsteht zunächst durch rasche Protonübertragung auf die Base ein Bromalkoxid, bevor der Ringschluß zum cyclischen Ether erfolgt. Die anfangs stattfindende Deprotonierung und der darauffolgende Schritt verlaufen viel schneller als der Angriff des Hydroxids

auf das bromierte

Ende, welcher zu einem Alkandiol führen

würde. Intramolekulare Ringschlüsse muß man in verdünnter Lösung ausführen, um die Wahrscheinlichkeit

einer intermolekularen

Reaktion zu ver-

ringern. In konzentrierter Lösung kann das intermediär auftretende Bromalkoxid ein noch unverändertes Eduktmolekül angreifen und ein neues Bromalkoxyalkanol bilden. Dieses wiederum kann weiter alkyliert werden, wodurch am Ende langkettige Ether entstünden. In verdünnter Lösung ist die Geschwindigkeit der bimolekularen intermolekulare Reaktion drastisch verringert (Kap. 28). Intermolekulare Bromalkohol-Kupplung

2 Br— CH,(CH,)„— OH —— Br— CH,(CH,),— O- CH,(CH,)„— OH

etc.

ein Bromalkoxyalkanol

Durch die intramolekulare Williamson-Ethersynthese ist es möglich, cyclische Ether verschiedener Größe einschließlich kleiner Ringe herzustellen.

352

2

HOCH>CH>»Br

+ HO_

——

3

\ /

+ Br.

x HOH

9.6

Die WilliamsonEthersynthese

|

Oxacyclopropan (Oxiran, Ethylenoxid)

3 HO(CH>),CH>Br

+ HO

2——

+ Br”

2 2

+ HOH

Oxacyclobutan Ye

HO(CH>)3CH>Br

+ HO_ —o

>

No

4

5

+ Br + HOH

|

Oxacyclopentan (Tetrahydrofuran)

HOÖ(CH>)4CH>Br

+

H0O

—o

+

Br"

+

HOH

Oxacyclohexan (Tetrahydropyran)

Der blaue Punkt markiert das Kohlenstoffatom des Produkts, an dem: die nucleophile Substitution erfolgt.

Übung 9-14 Geben Sie das Produkt der Reaktion von 5-Brom-3,3-dimethyl-1-pentanol mit Hydroxid an und schlagen Sie einen Mechanismus vor.

Die Ringgröße bestimmt die Geschwindigkeit der Ringschlußreaktion Ein Vergleich der relativen Bildungsgeschwindigkeiten cyclischer Ether führt zu dem überraschenden Ergebnis, daß dreigliedrige Ringe schnell gebildet werden, fünfgliedrige nahezu ebenso schnell, aber daß sechsund viergliedrige Ringe wie auch größere Ringe deutlich langsamer gebildet werden. Welche Effekte sind die Ursache dafür? Verantwortlich für dieses Verhalten sind vor allem die Reaktionsentropie und die Ringspannung.

Relative Bildungsgeschwindigkeiten cyclischer Ether kzek>krkcokh>k

k„ = Reaktionsgeschwindigkeit,

n = Ringgröße

Die Bildung eines Oxacyclopropans aus einem 2-Bromalkohol ist durch die Reaktionsentropie begünstigt, da Nucleophil und Abgangsgruppe einander bereits so nahe wie möglich sind. Obwohl die Ringspannung in diesem Fall am größten ist, ist die Energie des Übergangszustands vergleichsweise gering, da der Entropiebeitrag eine relativ schnelle Ringbildung erlaubt. Warum werden Oxacyclobutane so viel langsamer gebildet? Der Entropiebeitrag ist hier deutlich verringert, da die beiden Reaktionszentren durch eine zusätzliche Methylengruppe getrennt sind. Die Ringspannung ist jedoch etwa die gleiche, so daß insgesamt eine sehr niedrige relative Bildungsgeschwindigkeit resultiert. Die Synthese fünfgliedriger Ringe ist wieder einfacher, denn obwohl die Reaktionszentren noch weiter voneinander getrennt sind, ist die Ringspannung stark vermindert. Geht man weiter zu den Oxacyclohexa-

353

Rn WEN

s H

H SEE = TEN

5

PER

TR ee

&

A

as Q

A Br

x

Bin

ce HEN ©

et 14 \b B

Abb. 9-5 Nur aus der anti-Konformation (A) eines 2-Bromalkoxids heraus kann ein Oxacyclopropan entstehen; bei den gauche-Konformeren (B und C) ist ein intramolekularer

Rückseitenangriff nicht möglich.

nen, so spielt die Ringspannung keine Rolle mehr, aber der Beitrag der Entropie wird ungünstiger. Dieser Trend setzt sich zu den größeren Ringen fort, wobei zusätzlich noch die transannulare Spannung sowie ekliptische und gauche-Wechselwirkungen auftreten.

Die intramolekulare Williamson-Synthese ist stereospezifisch Bei der Williamson-Ethersynthese ändert sich die Konfiguration am Kohlenstoffatom, das die Abgangsgruppe trägt. Dieser Befund steht im Einklang mit den Erfordernissen eines Sy2-Mechanismus. Das Nucleophil greift das Elektrophil auf der der Abgangsgruppe entgegengesetzten Seite an. Das Halogenalkoxid

kann nur eine Konformation

einnehmen,

bei der eine Substitution durch Rückseitenangriff möglich ist. So setzt die Bildung von Oxacyclopropan eine anti-Anordnung von Nucleophil und Abgangsgruppe voraus. Die anderen möglichen gauche-Konformationen können nicht zum Produkt führen (Abb. 9-5). Übung 9-15 (1R,2R)-2-Bromcyclopentanol reagiert mit Natriumhydroxid rasch zu einem optisch inaktiven Produkt. Das (1$,2R)-Enantiomer dagegen reagiert viel langsamer. Wie erklären Sie sich das?

Wir fassen zusammen: Ether können mit der Williamson-Synthese, einer Sn2-Reaktion eines Alkoxids mit einem Halogenalkan, dargestellt werden. Diese Reaktion läuft am besten mit primären Halogeniden oder Sulfonaten, die schlecht eliminieren. Cyclische Ether können durch die intramolekulare Version dieser Reaktion dargestellt werden. Die Bildungsgeschwindigkeiten sind in diesem Fall für drei- und fünfgliedrige Ringe am höchsten.

9.7 Ether aus Alkoholen und Mineralsäuren Die Reaktion von primären Alkoholen mit HBr oder HI führt über Oxonium-Ionen als Zwischenstufen zu den entsprechenden Halogenalkanen (Abschn. 9.2). In Gegenwart katalytischer Mengen starker, nicht-nucleophiler Säuren, z.B. Schwefelsäure, entstehen jedoch bei erhöhter Temperatur Ether. In diesem Fall ist der unprotonierte Alkohol das stärkste in der Lösung anwesende Nucleophil. Der nucleophile Angriff erfolgt nach der Protonierung eines Alkoholmoleküls und führt schließlich zur Bildung von Ether und Wasser. Mit dieser Methode können ausschließlich symmetrische Ether dargestellt werden. Synthese eines Ethers aus einem primären Alkohol und einer starken Säure

2CH.CH,OH 354

er , CHSCH;OCH:CH;

+

HOH

Mechanismus der Ethersynthese aus Alkoholen CH3CH>OH

CE

+ CH;CH3ÖH

=

CHsCH,

H

0° = H

9.7

Ether aus Alkoholen und Mineralsäuren

CH;CH>

ss CHSCH;

CH;CH>ÖH

“ H2O

HUF HU CH3CH» OÖ +

H'+

H>0

CH;CH>

- Kasten 9-3 1,2-Dioxacyclobutane können chemilumineszieren

mineszierender Organismen, von mikroskopisch kleinen Bakterien über Plankton zu Fischen. Das

Ein Spezialfall der intramolekularen WilliamsonEthersynthese findet mit einem 2-Bromhydroperoxid statt. Das Produkt dieser Reaktion ist ein 1,2-Dioxacyclobutan (1,2-Dioxetan), ein cyclisches Peroxid. Diese Spezies zeigt ein ungewöhnliches Verhalten: Sie zerfällt unter Aussendung von Licht in die entsprechenden Carbonylverbindungen (Chemilumineszenz). Bei diesem Vorgang wird die O—O-Bindung zu einem Diradikal gespalten, das zum Produkt umgewandelt wird. Der Zerfall von Dioxacyclobutanen ist vermutlich auch für manche natürliche Leuchtvorgänge (Biolumineszenz) verantwortlich, daneben gibt es jedoch weitere Mechanismen, die bei diesem Phänomen ablaufen. Beispiele landlebender biolumineszierender Arten sind die Feuerfliege, das Glühwürmchen und manche Schnellkäfer. Der Ozean jedoch beherbergt die größte Vielfalt biolu-

emittierte

Licht

dient

vielerlei

Zwecken,

unter

anderem scheint es bei der Paarung und der Geschlechtsunterscheidung, der Kommunikation, der Beutesuche und zur Abschreckung von Feinden eine Rolle zu spielen. Das Luciferin* der Feuerfliege ist ein Beispiel für eine chemolumineszierende

Substanz,

die

in

der

Natur

vor-

kommt. Die Oxidation dieser Verbindung in basischer Umgebung führt zu einem Dioxacyclobutanon

als Zwischenstufe,

das

unter

Emission

von

Licht in gleicher Weise wie 3,3,4,4-Tetramethyl1,2-dioxacyclobutan zu einem Heterocyclus und Kohlendioxid zerfällt. * Anm. d. Übers.: Luciferin ist ein Sammelbegriff für strukturell oft unterschiedliche Verbindungen, die in lebenden Organismen unter Aussendung von Licht zerfallen. Die dabei beteiligten Enzyme heißen Luciferasen.

Echt 16]

0+0

| (CH3)»C—-C(CH3)»

HO SE gs

|

H—on

Br

ein 2-Bromhydroperoxid

| C.cH

ei

H3C

d

\

CH;

CH;

A —>7?

| CH;CCH3

+ hv

:

3,3,4,4-Tetramethyl1,2-dioxacyclobutan

Propanon (Aceton)

(ein 1,2-Dioxetan)

N

N

0%

H a ase,

HO

IE

S

re

S

Luciferin der Feuerfliege

Ö

N LI

OÖ,

en

Sc

S

N Y, F

£

? 1-

IN

en S

Ö

1,2-Dioxacyclobutanon (Zwischenstufe)

Bft

+ C0O2 + hv

355

% Weitere: Reaktionen des; Alkohole- und) die. Chemie-der; Ether:

Die Bildung eines Alkens dunch Eliminienung vom Wasser (E2, vel. Abschnm. 7.77 u. 111.9)) findet: ebenfalls statt. diese Reaktiom erfordert jedoch gewöhnlich höhene: Tempenatunen (well. Abschm. 9.2): Synthese eines; Alkens; aus Alkohell und! stanker Säumme bei hohen Tempenratunem

|

CH5CHCH;OH 18T, CHRCH=CH, + HOH Ebenso) kann mam sekundäre undi tentiäne Ethen aus: sekunmdänem und

tertiärem Alkoholen: dureiı Behandlung mit: Säune herstellem. Hier bildet sich, zuerst: eim CarbeniiumIom, das vom einem weiterem Alkoholmeleküll im einer Yl+-Reaktiom angegriffem wind! (Abschm. AD). Als; Nebenreak-

tiom tritt: Hauptsächlich eine El-Reaktiom auf.

OH | + » CH,ECH, ——> (CH ,),‚CHOCH(CH,),

H

75%

2>Prepanelı

2>(1+-Methylethaxy)prapanı

+ HOH + H*

(Diisoprepylathen))

Gemischte: Etherr mitt zweii unterschiedlichem Alkylgnuppem sind! mu

schwer: zugänglich. Die: Reaktiom zweien verschiedenen Alkohele im (BESNakt Wan‘Sure führt: Be

einen Mischung den dhesimög-

remoderr en Alkylgruppe entstehem kanalim Be Säune im gutem Ausbeuten, dan sach Hier dass tentiäne» Canbenium-Iom bevonzugt bildet: und! mitt einem Moleküli des; anderem Alkohols neagient.. Dabeii erweist: ass sich alss verteilhafti, den gebildetem tent+-Butylethen;. welchen oft: dies niedrigstsiadende® Komponente: ist, denn Gleichgewicht dinelh azeatrape: Destillatiom zu entziehen. Synthese eines;gemischtem Ethers; CH; +CH,CH,QH1

15% weißrige.NeHISOH FETTE

a

CH3:

ve a CHR. 30M

2:Ethoxyr22methiplprapam

1, 1+:Dimethylethylether: (terr-Butylather)) werden mit: verdilnnten Säune

raschhhydtalysiert:. Deshalb» kann

mammittilinem die Alkolelgruppe wir-

kungsvellischützen: (Abschm.&9)). Als Beispiel betrachtem win 4-Brom-IH-

butanel dasswiinimeineGrignard+Verbindung,überführem undimit: Fonmraldekhydiumsetzem wellem. Zuvor müssem wii die Hydtexygruppe dunehh

Überführung im dem termButylether schützem. Die Abspaltung den

BrQH3CHCHHQHZOH 4-Bromniibutanahı

CHEND, BrCHICHSCHICHZOCICH,),"&> BrMECHSCHECHRCHROC(CH,);, H,Q. Addition; der. Schutzgruppe.

geschütztes d4«Brom- IHbutanel |

uQ vagre,)

22H]; WO), HOCHsCH3CHICHIGHHOCICH ,); ann.

einfschigeschütztes. 15:Pentandiah

33%

Grignard;Reagenz (vor; Bigenpretonierung: geschützt))

H@ICH3)5OH! + H,C=C N

.

a

CH,

europe 1,5:Pentandiol |

2:Methyiprepen

Schutzeruppee geschieht in werdünnter wäßriger Säure, die ınur Itettiäre Alkyleiker angreift. Das 1,1-DimethyletihyHKation ((ertBuwyHKation) zerfällt nach einem El-Mechanismus rasch zu 2.Meihyiipropen. Übung 9-16 Welche Mechanismen liegen !bei folgenden Reaktionen wor: ((a) 1..44Butandiol + IH" — Oxacyclopentan (Tetrahydrofuran); ((b) SMethyH-lS.hexandidl + IH* — 221Dimethytoxacyclohexan (2,2-Dimethyltstrahyäropyran).

Darstellung von Ethern durch Alkoholyse Wir wissen, daß tertiäre und sekundäre Biher audh durdh Allkoholyse der entsprechenden Halogenalkane oder Alkyiksulfonate entstehen (Abschn. 7.1). Dazu löst man die Ausgangssubstanz einfach iin einem Alkohol bis die S,1-Reaktion vollständig ist. Am Rand schen Sie ein Beispiel.

1-Chlor-1methyl cyelohexan

Übung 9-17

|CH}CHL,OH

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, einen Biher aus einem |Halogenalkan und @inem Alkohol zusammenzusetzen. Wie würden Sie worgdhen, wm ((a) 2!Meihyl-24(Hmethyt-

H;C_

ethoxy)butan; (b) 1-Methoxy-2,2-dimethylpropan herzustellen?

Wir fassen zusammen:

OCHLCH, + H*+ 1”

Bther kann man herstellen, indem man Allko-

hole mit Säure nach einem Sy2- oder S\1-Mechanismus umsetzt, wobei Alkyloxonium-Ionen oder Carbenium-Ionen als Zwischenstufen auftre-

86% +-EihoxyImethyleyelohexan

ten. Eine weitere Methode zur Synthese von Ethern besteht in der Alkoholyse sekundärer oder tertiärer Halogenalkane oder Allkylsulfonate.

9.8 Reaktionen der Ether Ether sind, wie wir bereits wissen, recht reaktionsträge. Binige Ether

Peroxide aus Hihern

reagieren jedoch nach einem radikalischen Mechanismus langsam mit

|

Sauerstoff zu Hydroperoxiden und Peroxiden. Peroxide sind sehr gefähr-

2 KOCH +20,

lich, da sie sich explosionsartig zersetzen können. Deshalb sollte iman mit Etherlösungen, die einige Tage der Luft ausgesetzt waren, äußerst vorsichtig sein. Auch starke Säuren greifen Ether unter Ausbildung von Alkoholen

| | 2 00

oder Halogenalkanen an. Diese Reaktionen verlaufen unter Protonierung des Sauerstoffatoms über intermediäre Oxonium-Ionen. Wegen der stark sauren Bedingungen ist dieses Verfahren jedoch nur begrenzt von Nutzen (Abschn. 9.2 u. 9.3).

Ein PiherAydiöperoxid

Ubung 9-18 }Behandelt man Methoxymethan mit heißer HI, erhält man Iodmethan. Stellen Sie einen Mechanismus auf.

|

y

KoR-0-0-boR |

Etherspaltung mit HBr

CH,CH5OCH>CH,; Ethoxyethan

—>

CH;CH»Br

+ CHACHSOH

Bromethan

Bin Eiherperoxid

Ethanol

Mechanismus

CH3CHÖCH;CH;

De

ne

==

CH;CH,—[°&

‚Br: —

CH;CH; Alkyloxonium-Ion

” CH;CH;Br

+

HOCH;CH;

9 Weitere Reaktionen der Alkohole und die Chemie der Ether

Der als Nebenprodukt gebildete Alkohol kann seinerseits von HBr angegriffen werden, so daß zusätzlich Bromalkan entsteht. Ether mit sekundären oder tertiären Alkylgruppen bilden schon mit verdünnter

Säure

intermediär

Carbenium-Ionen,

die

entweder

von

Nucleophilen abgefangen werden (Sl) oder deprotonieren (E1).

© oO

Oxacyclohexan (Tetrahydropyran)

0 Übung 9-19 Ri Bei der Reaktion von Oxacyclohexan (Tetrahydropyran, siehe Rand) mit HI wird 1,5-

@ Diiodpentan gebildet. Schlagen Sie einen Mechanismus vor. Übung 9-20 Wie könnte man folgende Umwandlung erreichen (der gestrichelte Pfeil deutet mehrere Stufen an)? BrCH>CH;,CH>OH

=)

DCHJ;CH;CH;0H

Zusammenfassend kann festgehalten werden, daß Ether durch (starke) Säuren gespalten werden. Die Protonierung eines Ethers, der primäre oder sekundäre Alkylgruppen enthält, ergibt ein Alkyloxonium-Ion, das in einer Sy2-Reaktion vom Nucleophil angegriffen wird. Carbenium-Ionen werden nach der Protonierung gebildet, wenn sekundäre oder tertiäre Alkylgruppen vorhanden sind. Die Produkte werden von Snl- und EI-Reaktionen gebildet.

9.9 Reaktionen von Oxacyclopropanen Obwohl gewöhnliche Ether relativ inert sind, wissen wir bereits, daß der

gespannte Ring von Oxacyclopropan eine Reihe von Ringöffnungsreaktionen mit Nucleophilen eingehen kann. In diesem Abschnitt werden wir Einzelheiten dieser Reaktionen erfahren.

Die nucleophile Ringöffnung von Oxacyclopropanen nach Sn2 verläuft regioselektiv und stereospezifisch Neben metallorganischen Reagenzien (Abschn. 8.8) können auch andere anionische Nucleophile den Oxacyclopropan-Ring angreifen. Der Angriff kann an jedem Kohlenstoffatom des Ethers erfolgen, da diese aufgrund der symmetrischen Struktur gleichwertig sind. Die Reaktion verläuft über einen nucleophilen Angriff, bei dem das Sauerstoffatom des Ethers als intramolekulare Abgangsgruppe fungiert.

Nucleophile Ringöffnung von Oxacyclopropan durch ein Anion

) ı new he

Ein Beispiel:

N

EN

—

ri

ER

CHz— CH; + CH3$:

> HO—CHR—CH, —Nu

.

—75 HOCHSCH3SCH;

Diese Sy2-Reaktion ist aus zwei Gründen ungewöhnlich: Zum einen sind Alkoxide als sehr schlechte Abgangsgruppen bekannt. Zum anderen wird die Abgangsgruppe bei dieser Reaktion ja nicht wirklich

358

der

9.9 Reaktionen von

Umsetzung ist die freiwerdende Ringspannung beim Öffnen des gespannten Rings. Wie erfolgt die Ringöffnung bei unsymmetrischen cyclischen Ethern? Stellen Sie sich die Reaktion von 2-Methyloxacyclopropan mit Methoxid vor. Zwei Angriffsmöglichkeiten bieten sich hier an: das primäre Kohlenstoffatom (a), wobei 1-Methoxy-2-propanol entsteht, und das methylsubstituierte sekundäre Kohlenstoffatom (b), das zu 2-Methoxy-1-propanol führt. Die Analyse der Produkte zeigt, daß ausschließlich 1Methoxy-2-propanol nach Möglichkeit (a) gebildet wurde.

„abgespalten“,

Oxacyclopropanen

i

Hg Er

sondern

OH

N:

bleibt

Teil des Moleküls.

Die

Triebkraft

o

nozcmon

H7

a

Ss

on, b

CH

ab

H

"N. Rech:

2

z

(R)-2-Methoxy-I-propanol

(S)-2-Methyloxacyclopropan

(S)-1-Methoxy-2-propanol

HO

(entsteht nicht)

Dieses Ergebnis überrascht nicht, da uns bereits bekannt ist, daß ein

nucleophiler Angriff bevorzugt an dem weniger substituierten Kohlenstoffatom erfolgt (Abschn. 6.9). Geht man von optisch reinem (S)-2Methyloxacyclopropan aus, bleibt die Konfiguration am Chiralitätszentrum erhalten, da dieses an der Reaktion nicht beteiligt ist. Die Möglichkeit (b) würde Inversion zur Folge haben. Die Regeln der nucleophilen Substitution, die anhand einfacher Alkylderivate abgeleitet wurden, gelten also auch für gespannte cyclische Ether. Man bezeichnet die nucleophile Ringöffnung substituierter Oxacyclopropane auch als regioselektiv, da von zwei möglichen, ähnlichen „Regionen“ nur eine nucleophil angegriffen wird. Die Ringöffnung ist erwartungsgemäß mit Inversion am Reaktionszentrum verbunden.

Mit Hydriden und Organometall-Verbindungen werden gespannte Ether in Alkohole umgewandelt Das hochreaktive Lithiumaluminiumhydrid kann den Oxacyclopropanring unter Bildung eines Alkohols öffnen, reagiert aber nicht mit anderen, weniger gespannten Ethern. Diese Reaktion verläuft nach einem Sn2-Mechanismus. In unsymmetrischen Molekülen greift das Hydrid folglich die weniger substituierte Seite an. Inversion bei der Ringöffnung von Oxacyclopropan OH “

x

I. LiAID, “CH3\_2- H*, H,O

CH;

H D 99,4% D und OH stehen zueinander trans, nicht cis

In diesem Beispiel dient LiAID, als Deuterierungsmittel. Übung 9-21 Welches Oxacyclopropan würde nach Behandlung mit LiAIH, und Aufarbeitung mit verdünnter Säure 3-Hexanol (Abschn. 8.9) liefern? Gibt es mehr als eine Möglichkeit?

359

9 Weitere Reaktionen der Alkohole und

Analog führen Grignard-Reagenzien und Alkyllithium-Verbindungen zu Alkoholen, bei denen die Alkylgruppe der Organometall-Verbindung

die Chemie der Ether

um zwei Kohlenstoffatome verlängert worden ist.

Ringöffnung von Oxacyclopropanen mit einem Grignard-Reagenz OÖ H>C—CH;

THF

55 CH;CH>CH>CH;MeBr

en

H", MO

Re

CH3CH>CH>CH,CH>CH>OH

62% 1-Hexanol Übung 9-22 Schlagen Sie eine effiziente Synthese von 3,3-Dimethyl-1-butanol vor, ausgehend von Verbindungen mit maximal vier Kohlenstoffatomen.

Übung 9-23 Geben Sie das Hauptprodukt der Ringöffnung von 2,2-Dimethyloxacyclopropan an bei Behandlung mit (a) LiAIH,, dann H*, H;O; (b) CH;CH,CH,MsBr, dann H*, H,O; (ce) CH;3SNa in CH;3OH; (d) verd. HCl in CH;CH;OH und (e) konz. wäßrige HBr.

Säuren katalysieren die Ringöffnung von Oxacyclopropanen Die Ringöffnung von Oxacyclopropanen wird durch Säuren katalysiert. Zu Beginn dieser Reaktion entsteht ein cyclisches Alkyloxonium-Ion, das sich durch nucleophilen Angriff öffnet.

Säurekatalysierte Ringöffnung von Oxacyclopropan

’A

CH, Ich, + CH;OH

H5SO

——— > HOCH»>CH20CH; 2-Methoxyethanol

Mechanismus

j “

FHt,CHÖN

EN

| =>

CH,—CH3>

=

CH>—CH>

T

_ eyelisches Alkyloxonium-Ion

” en

ıCH5—CH,

ir ++

HOCH OCH3

=

HOCH3>CHZOCH3

a

Ör

"q . ;*CH;

Ist diese Reaktion ebenfalls regioselektiv und stereospezifisch wie die bereits diskutierte nucleophile Ringöffnung von Oxacyclopropanen mit Anionen? Ja, aber sie läuft etwas anders ab, denn bei der säurekatalysierten Methanolyse von 2,2-Dimethyloxacyclopropan findet die Ringöffnung ausschließlich am sterisch stärker gehinderten Kohlenstoffatom statt.

Säurekatalysierte Ringöffnung von 2,2-Dimethyloxacyclopropan

0 HC,

_H2S04, CH:OH _ |'CH3

CH3 yclopropan thyloxac 2,2-Dime

HO\

CH „

‚Es OCH;

2-Methoxy-2-methyl-1-propanol

Kasten 9-4

Schutzgruppen bei der Synthese Reaktionen an R mit Grignard-Reagenzien,

H, H* ROH nz

ROC(CH3)3

Oxidationsmitteln, etc.

Addition der

geschützter

R geändert in R’

Schutzgruppe

Alkohol

Wenn eine reaktive funktionelle Gruppe eine Reaktion an einer anderen Stelle im Molekül stören kann, benutzen Chemiker Schutzgruppen, d.h. die funktionelle Gruppe wird vorübergehend durch die Addition einer Schutzgruppe in eine weniger reaktive Form überführt, so daß die gewünschte Reaktion ungestört ablaufen kann. Anschließend wird die ursprüngliche Molekülgruppe durch Abspaltung der Schutzgruppe wiederhergestellt. Eine geschützte Form eines Alkohols ist beispielsweise ein 1,1-Dimethylethylether (tert-Butylether), der leicht in einer säurekatalysierten Reaktion mit 2-Methyl-2-propanol (tertButylalkohol) (Abschn. 9.7) erhalten wird. Die so geschützte funktionelle Gruppe ist jetzt inert gegenüber Basen, Organometall-Verbindungen und Oxidations- bzw. Reduktionsmitteln. Reaktionen mit diesen Verbindungen können ohne Störung durch die Hydroxygruppe durchgeführt werden. Wie weiter unten gezeigt wird, kann die Schutzgruppe mit verdünnter wäßriger Säure wieder abgespalten werden.

HC.

r

R'OC(CH,), 20, Abspaltung der Schutzgruppe

Alkohole können auch durch Veresterung (Abschn. 9.4) geschützt werden. Bei der Synthese des Sexualhormons Testosteron (Abschn. 4.7) aus einem

Edukt,

das sich vom

9

HC H3C

— —.

1. LiAlH4, (CH3CH3)20

2.150

Schützt C3-OH

Ho’ 3

ableitet,

oO 17

(CH3)3COH, H*

H

Cholesterin

wird diese Schutzgruppentechnik angewendet. Das natürliche Vorkommen der Steroidhormone reicht bei weitem nicht für die Bedürfnisse von Medizin und Forschung aus, so daß diese Verbindungen synthetisiert werden müssen. In unserem Fall ist eine selektive Reduktion der Carbonylgruppe an C17 und eine Oxidation der Hydroxyfunktion an C3 erforderlich. Nach der Bildung des 1,1-Dimethylethylethers (tert-Butylethers) an C3 folgt die Reduktion an C17. Durch Veresterung (Abschn. 9.4) wird die neu entstandene Hydroxygruppe an C17 geschützt. Gegenüber verdünnter Säure sind Ester stabil, während tertiäre Ether hydrolysiert werden. Mit dieser Strategie kann die Hydroxygruppe an C3 freigesetzt und zu einem Keton oxidiert werden, während die Hydroxygruppe an C17 geschützt bleibt. Mit starker Säure wird das hier gezeigte Endprodukt in Testosteron überführt.

17

Je

R'OH

reduziert Carbonylgruppe an C17 zu OH

(CH3)3C0°

3

17

H3C

Veresterung

H

(CH3)3CO

Hzc

°

\

-O-

verd. H*, H,O Abspaltung an C3,

H

(CH3)3CO °

HC

„OCR 17

H3C

schützt c17-OH

PCC, CHzClz

N

‚PCR 17

Te oxidiert C3-OH

H3C

aber nicht

an C17-OH

H

I

361

Kasten 9-5

Epoxidharze: Eine wertvolle Klebstoffklasse

CH3

Die Reaktivität von Oxacyclopropanen wird bei der Entwicklung von Epoxidharzen ausgenutzt (Epoxid ist ein Trivialname für Oxacyclopropan). Ein typisches Beispiel dafür ist DGEBA (vgl. Formel). Die charakteristische Reaktion für Epoxidharze ist das sogenannte Härten beim Erhitzen oder unter Einfluß einer Reihe von Reagenzien, meist

Oxacyclopropanringe als funktionelle Gruppen. Der basenkatalysierte Härtungsprozeß beginnt mit einer Ringöffnung durch einen Hydroxidangriff unter Bildung einer Alkoxidgruppe, die ihrerseits andere Moleküle des Harzes angreift. Man nennt diesen Prozeß Vernetzung, denn bei jeder Ringöffnung entsteht eine neue Alkoxidgruppe, die eine Bindung knüpft, so daß schließlich ein Stoff mit einem sehr hohen Molekulargewicht entsteht. Dieser Vorgang ist unten schematisch dargestellt. Wenn das Härten an einem Feststoff mit Hydroxygruppen an der Oberfläche (Glas ist ein gutes Beispiel) stattfindet, wird diese kovalent

Säuren oder Basen, wobei ein extrem harter Fest-

gebunden,

stoff entsteht. Die meisten Harze enthalten zwei

starke Klebstoffe sein können.

u CHCH-O2

c

0.9

OCH 2 ee

|

:Ö

CH3 Epoxidharz DGEBA („Diglycidether von Bisphenol A“)

und

es

wird

klar,

daß

diese

Harze

Härten eines Epoxidharzes

N IE

DE:

CHX S92 |

a

ei

B

Den

Sr

_CH2 |—cHX n

|

8

B = ar Bi

Ba

Hoc

_CH,

a

SCH _CH2 RX X = Br oder I "

(Sn2-Mechanismus) ...

konz. HX

sekundärer oder tertiärer ROH ——— X = Cl, Br oder I

3

Mit Phosphor-Reagenzien (Abschn. 9.4) 3 ROH

+ PBrz

—> 3 RBr

3 ROH L- PCI SIRCI 372

RX

(Sn1-Mechanismus)

+ H;PO;

HLPO, + IEO

4 Mit Schwefel-Reagenzien (Abschn. 9.4) ROH

+ SOC,

N(CH3;CH;3);

——

Neue Reaktionen

RCI + SO, +

(CH;CH,);NH*CIROH + R’SO,CL-—— ROSO,R:

> RX ERSOS

Alkylsulfonat

Umlagerung von Carbenium-Ionen aus Alkoholen

5

Umlagerung von Carbenium-Ionen durch Wasserstoff- und Alkylverschiebung (Abschn. 9.3)

S

OH

“N

EC Wer

HT, Ne

un

ee Ber

ar N

H

H

-HYEI

N ec

SniNNu

H(R)

Nu H(R)

We. |

Slpess 6

Konzertierte )

R—C—CH;0H

Ta

Alkylverschiebung

BEN

bei primären

+

— R—C—CH5--OH:

R

——

Alkoholen

(Abschn.

N

5

C—CHaR' —>

etc.

Eliminierungsreaktionen der Alkohole

7

Dehydratisierung mit starken 92959.75.119) H

|

OH

|

0-0 |

so, Wärme

—

\

06

y4

nichtnucleophilen

Säuren

(Abschn.

erforderliche Temperatur:

+20

|

primäre ROH:

sekundäre ROH:

tertiäre ROH:

170-180° (E2-Mechanismus)

100-140° (meist EI) 25-80°

(E1-Mechanismus)

Umlagerung der Carbenium-Ionen kann auftreten.

Darstellung der Ether 8

Williamson-Synthese (Abschn. 9.6)

ROH

NaH, DMSO —

RO Nat un

ROR'’

N

R’ nur Methyl-oder primäre Alkylgruppe ROH kann primär oder sekundär sein (auch tertiär, wenn R’ = Methyl) Leichtigkeit des intramolekularen

Ringschlusses: ka > ks >k, > ky

kr > kg

(kn: Reaktionsgeschwindigkeit, n: Ringgröße)

373

9 Weitere Reaktionen der Alkohole und die Chemie der Ether

9 Mineralsäuremethode (Abschn. 9.7) Primäre Alkohole RCH;OH

H*, niedrige Temperatur . RCHÖH;

urn

RCH>OCH;R

ie

Sekundäre

Alkohole

OH

R

a

2er

R NcH-0—-cH

- 40,

70.4

nn

+ E1-Produkte R

Tertiäre Alkohole

R;COH + R'OH

NaHSO,

> H>

Suzane

Q R;C-OR’ + EI-Produkte

R’ = (hauptsächlich) primär

Reaktionen

10

der Ether

Spaltung mit Halogenwasserstoff (Abschn. 9.8) ROR

konz. HX

RX

+

ROH

konz. HX

IRX

X = Br oder I

primäres R: Sy2-Mechanismus sekundäres oder tertiäres R: Sy 1-Mechanismus

11 Nucleophile Ringöffnung der Oxacyclopropane (Abschn. 9.9, 25.2) Anionische Nucleophile OH

AR

en

RR

4", 20,

U 6) 2 NUCHJÖR

EN

Nu Beispiele für Nu: HO’, RO’, RS”

Säurekatalysierte Ringöffnung H

I: n OÖ /\DR —> HOCH3CR, A Nu Beispiele für Nu: H,O, ROH, Halogenid

12

Nucleophile Ringöffnung der Oxacyclopropane niumhydrid (Abschn. 9.9)

mit Lithiumalumi-

1. LiAIH4, (CH3CH>)20

neo 13

HB :H,0 2

pen

Nucleophile Ringöffnung der Oxacyclopropane schen Verbindungen (Abschn. 9.9)

mit metallorgani-

6) RLi oder RMeX + HC

374

CH,

THF

H,O

> 2

RcCH,CH,OH

Schwefelverbindungen 14

Neue Reaktionen

Darstellung von Thiolen und Sulfiden (Abschn. 9.10)

RX + HS’ —

RSH

Überschuß

Thiol

RSH +RX-SRSR Alkylsulfid 15

Acidität von Thiolen (Abschn. 9.10)

RSH+OH"——RS"+H,0 16

pK,(RSH)=9-12

Nucleophilie von Sulfiden (Abschn. 9.10)

REST ER X FR RX Trialkylsulfoniumsalz

17

Oxidation von Thiolen (Abschn. 9.10) RSH

KMnO,

oder H,O,

RSO,H

Alkansulfonsäure

RSH

:

I,

Li, fl. NH;

RS-SR

Dialkyldisulfid

18

Oxidation von Sulfiden (Abschn. 9.10)

RSR' 22,

]

RSR’ Chiral

Dialkylsulfoxid

WO,"

RER \

Dialkylsulfon

375

‚H

X

a

BL a.

HO

_OH

Ba

0

oseg

en,

ae:

23

un x

‚a

(OHR

PR

a0

en

w ‚W_OA

a)

xy

|

x e) KEN

=

JOPo AOI,A | HO

N

ö

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HO_

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