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Vorlesung Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität Prof. Dr. Thomas Lindel, www.oc.tu-bs.de/lindel TU Braunschweig Literatur: K. P. C. Vollhardt, N. E. Schore, "Organische Chemie", Wiley-VCH, 4. Aufl., Weinheim 2005; ISBN: 978-3-527- 31380-8 R. Brückner, "Reaktionsmechanismen", Springer Verlag, 3. Aufl., korr. Nachdruck, Heidelberg 2007; ISBN: 978-3- 8274-1579-0 L. Kürti, B. Czakó, "Strategic Applications of Named Reactions in Organic Synthesis", 1. Aufl., Elsevier 2005; ISBN: 978-0-12-369483-6 1

Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

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Vorlesung

Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität Prof. Dr. Thomas Lindel, www.oc.tu-bs.de/lindel TU Braunschweig

Literatur:

K. P. C. Vollhardt, N. E. Schore, "Organische Chemie", Wiley-VCH, 4. Aufl., Weinheim 2005; ISBN: 978-3-527-31380-8

R. Brückner, "Reaktionsmechanismen", Springer Verlag, 3. Aufl., korr. Nachdruck, Heidelberg 2007; ISBN: 978-3-8274-1579-0

L. Kürti, B. Czakó, "Strategic Applications of Named Reactions in Organic Synthesis", 1. Aufl., Elsevier 2005; ISBN: 978-0-12-369483-6

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Grundlagen

Anwendungen

Materialien Wirkstoffe

Prozesse

Kapitel

A. Struktur und Geometrie

B. Einfache Kohlenwasserstoffe

C. Stereochemie und Nomenklatur

D. Radikalische Reaktionen der Alkane

E. Nukleophile Substitution und Eliminierung

F. Reaktionen der Alkene

G. Alkine

H. Aromaten

J. Alkohole, Aldehyde und Ketone

K. Carbonsäurederivate

L. Aminosäuren und Naturstoffe

Inhalt OC-1

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Grundlagen

Anwendungen

Materialien Wirkstoffe

Prozesse

Kapitel

M. Nukleophiler Kohlenstoff

N. Umlagerungen

P. Cycloadditionen

Q. Aromaten II

R. Oxidation und Reduktion

Inhalt OC-2

Die Fähigkeit zur gezielten

Veränderung von Molekülen ist die

Domäne der Organischen Chemie

und liefert den Schlüssel zur Welt

der Wirkstoffe und Materialien.

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Anwendung von Enaminen als C-Nukleophile (Stork-Enamin-Reaktion):

M. Nukleophiler Kohlenstoff

Wie stellt man eigentlich das Enamin her?

Enamin-Tautomer auch bevorzugt nach der Umsetzung β-Ketocarbonylverbindungen.

N

O

R

O N

O

ClH3O+

R O

Cl

R

OO

N

O

H H

+ +

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Claisen-Kondensation (Ludwig Claisen, 1887) zweier enolisierbarer Ester:

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate

Stöchiometrische Mengen Alkoholat nötig, da das Produkt azider ist als die Edukt-Ester;

Bildung des Enolats Triebkraft der anderenfalls endergonischen Reaktion. Deshalb mind. 2 -Wasserstoffe im Edukt nötig, da sonst kein Produkt-Enolat möglich.

Die alkoholische Base muss der Alkoholkomponente des Esters entsprechen. Warum?

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Gekreuzte Claisen-Kondensation: ein nicht-enolisierbarer Ester

Dieckmann-Kondensation (1894):

intramolekulare Claisen-Kondensation zu Ringen, wenn jene nahezu ungespannt (5, 6)

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate

Strukturen von Adipin- und Pimelinsäure?

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Anionen in Wasser besser stabilisiert als im unpolareren DMSO (Wasser 78.5 vs. DMSO46.7), besonders wenn durch H-Brücken stabilisierbar (=> pKa-Werte in DMSO größer); CH-Aciditäten in Wasser und DMSO ähnlicher.

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate

pKa-Werte, auch CH-acider Verbindungen

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DMSO (pKa 35.1) bei kleinen Aciditäten geeigneter als Wasser (pKa 15.5)

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate

in DMSO

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Meldrum-Säure: pKa 4.97 (H2O, vgl. Dimethylmalonat pKa 13)

Grund: σCH-Orbital der -CH-Bindung hyperkonjugiert mit π*

CO -Orbital

Synthese durch Kondensation von Malonsäure und Aceton in Ac2O/H2SO4

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate

HN NH

O OH H

O

Barbitursäure: pKa 4.0

(A. v. Baeyer 1864)

Grund: weiträumig delokalisiertes Anion

Synthese aus Malonsäurediethylester und Harnstoff in Anwesenheit von NaOEt.

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Piperidin (oder auch Pyridin, Prolin) wirkt als nukleophiler Katalysator.

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate

Knoevenagel-Kondensation stark CH-acider Verbindungen mit Aldehyden oder Ketonen

eine Thiobarbitursäure

EWG: "electron withdrawing group"

EtOH, Piperidin

Emil Knoevenagel(1865-1921)

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Knoevenagel-Kondensation: organokatalysiert

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate

Katalysezyklen sind für allekatalysierten Reaktionenformulierbar und erfassenden Weg des Katalysatorsbis zu seiner Rückbildung.Edukte und Produkte derstöchiometrischen Reaktiontreten ein bzw. aus.

List, Angew. Chem. Int. Ed.2010, 1730

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Knoevenagel-Kondensation

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate

2,7-Dichlor-9H-fluoren

OO

O

OO

O

O

Na, EtOH40 °C, 12 h, 50 %

Knoevenagel-Michael-Kombination: möglicher Mechanismus?

Trivialnamen der Edukte?

Warum nicht NaOH als Base?

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Knoevenagel-Doebner-Kondensation: Malonsäure statt Malonester => Decarboxylierung

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate

ein Zimtsäurederivat

über:

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-Deprotonierung, wenn keine β-Ketogruppe (o. ä.): z. B. mit LDA [pKa von HN(iPr)2 ca. 35; in situ-Deprotonierung mit nBuLi (pKa > 40)]:

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate

-Deprotonierung, wenn kein -Proton:

ein Silylenolether

ein Silylvinylketenacetal

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Kinetische und thermodynamische Kontrolle

höher subst. DB im "thermodyn. Enolat";

hier auch: konjugiert

Ireland-Modell:

energieärmerer ÜZ zum "kinetischen Enolat"

Diastereoselektive Deprotonierung "trans" zur äquatorial positionierten Phenylgruppe wg. günstigerer C-H/*C=O-Überlappung

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate

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Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate

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Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Temperatur

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate

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Carbonylolefinierung mit Phosphor-Yliden (1953)

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.2. Wittig-Reaktion

P O

+

Triphenylphosphanoxid (Bildung ist Triebkraft der Wittig-Reaktion)

Ylid: Zwitterion mit anionischem Kohlenstoff

Georg Wittig (1897-1987)

1932-37 Prof. TH Braunschweig

Nobelpreis Chemie 1979

zusammen mit wem?

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Allgemeiner Mechanismus der salzfreien Wittig-Reaktion

3

4

2

1

1

2

3

43

+

1 2

3 4+

Oxaphosphetan I

Ph3

4

2

1

Ph

Pseudorotation

Oxaphosphetan II

3

4

21

Phvia

apikal/äquatorial

syn-Cycloreversion

via ÜZ1

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.2. Wittig-Reaktion

ÜZ1: entscheidend für die Stereoselektivität

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M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.2. Wittig-Reaktion

Mechanismus der salzfreien Wittig-Reaktion

Quantenchemische Berechnung der Reaktion des Ylids Me3PCH2 mit Formaldehyd.

Über den Kontaktkomplex TS1 bildet sich in einer konzertierten Reaktion das intermediäre Oxaphosphetan OP1 mit trigonal-bipyramidal koordiniertem Phosphor, dem Sauerstoff in der apikalen und dem Ylid-Kohlenstoff in äquatorialer Position. Es folgt Pseudorotation zum intermediären Oxaphosphetan OP2 mit dem Sauerstoff nun in äquatorialer und dem Ylid-Kohlenstoff in apikaler Position. Oxaphosphetan OP2 fragmentiert zunächst an der C-P-Bindung (TS2) zu Me3PO und Ethen. aus: JACS 2006, 2394

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M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.2. Wittig-Reaktion

Stereoselektive Bildung disubstituierter Alkene:

Z-Konfiguration (>90%), wenn nicht stabilisiertes Ylid

E/Z-Gemisch, wenn semistabilisiertes Ylid

E-Konfiguration (>90%), wenn stabilisiertes Ylid

n. stabilisiertes Ylid

zum E-Alken zum Z-Alken

Horner-Wadsworth-Emmons, Wittig

Schlosser-Wittig

Still-Gennari, Ando

Wittig

stabilisiertes Ylid

Bei Einbezug der Horner-Varianten (Einsatz deprotonierter Alkylphosphonate) alle Kombinationen möglich:

zur Darst. nötige Base (z. B.)

KHMDS, NaHMDS

KOtBu

NaOH

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Günstigste Übergangszustände der Oxaphosphetan-Bildung für stabilisierte Ylide (oben) und nicht stabilisierte (unten)

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.2. Wittig-Reaktion

minimiertes Dipolmoment

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aus: JACS 2006, 2394

Grund der E/Z-Selektivität:

Verschiedene ÜZ vor dem ersten Oxaphosphetan-Intermediat für Alkyl- und EWG-Substituenten.

Im Fall eines nicht-stabilisierten Ylids ist ein stark gewinkelter ÜZ am günstigsten, der zum cis-substituierten Oxaphosphetan führt, im Fall eines stabilisierten Ylids ein weniger und in der entgegengesetzten Richtung gewinkelter ÜZ zum trans-substituierten Oxaphosphetan.

by 15 kJ/mol

by 20 kJ/mol

to Z to E

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.2. Wittig-Reaktion

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M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.2. Wittig-Reaktion

Schlosser-Variante zur Synthese von (E)-Alkenen ausgehend von nicht stabilisierten Yliden

Verwendung von BuLi zur Darstellung des Ylids oder Zusatz von LiX verhindernOxaphosphetan-Bildung und führen zum Betain. sBuLi oder PhLi deprotonieren das β-Oxyylid zum konfigurationslabilen Carbanion, welches von der Gegenseite zum thermo-dynamisch günstigeren Oxaphosphetan protoniert wird.

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M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.2. Wittig-Reaktion

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Still-Gennari-OlefinierungHWE-Olefinierung

aus: Brückner,

Reaktionsmechanismen

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.2. Wittig-Reaktion

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Horner-Wadsworth-Emmons-Reaktion zu E-Alkenen mit -Phosphonoacetaten

Zur Darstellung des -Diethylphosphonoacetats: Arbusov-Reaktion

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.2. Wittig-Reaktion

BrOCH3

O

POCH3

O

POEt

EtO OEt EtOEtO

O

Br

POCH3

O

EtOEtO

O

- EtBr

LDA, -HNiPr2

POCH3

O

EtOEtO

O

Li+

H

OOCH3

O

- Li+ (EtO)2PO2wasserlöslich

als Basen auch NaOMe, NaH, BuLi möglich

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Allgemeiner Mechanismus der Horner-Wadsworth-Emmons-Reaktion

(aus: J. Org. Chem. 1999, 5845)

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.2. Wittig-Reaktion

E bevorzugt

trans günstiger

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Mechanismus der Horner-Wadsworth-Emmons-Reaktion (Ando, JOC 1999, 6815)

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.2. Wittig-Reaktion

Freie Enthalpie in Me2O

2.2 kcal/mol günstiger

=> 97.5 (E):2.5 (Z, 298 K, Arrhenius-Gl.)

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Still-Gennari-Variante (1983) der HWE-Reaktion zu (Z)-Alkenen ausgehend von partiell fluorierten Phosphonaten und KHMDS/18-Krone-6

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.2. Wittig-Reaktion

Ando-Variante der HWE-Reaktion zu (Z)-Alkenen: -Diphenoxyphosphoryl-Substitution

CO2Et(EtO)2PO

CO2EtCl2PO

CO2Et(PhO)2PO

CO2EtZ:E 9:1

(i) Triton B, MeOH(ii) PhCHO

PCl5, 75 °CPhOH,NEt3, PhH

Triton B = BnNMe3+ OH-

NaH auch möglich

Ethyl 2-(diphenoxyphosphoryl)acetat

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Anhang Mitsunobu-Reaktion (keine Wittig-Reaktion): ebenfalls Triebkraft Ph3PO-Bildung

SN2-Inversion

aus: Chem. Unserer Zeit 2010, 44, 40-48

(a) O. Mitsunobu, M. Yamada, Bull. Chem. Soc. Jpn. 1967, 40, 2380–2382; (b) O. Mitsunobu, M. Eguchi, Bull. Chem. Soc. Jpn. 1971, 44, 3427–3430.

TPP: Triphenylphosphan

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.2. Wittig-Reaktion

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Victor Grignard(1871-1935, Nobelpreis 1912)

H3C Br

ENC 2.55 ENBr 2.96

H3C Mg

ENC 2.55 ENMg 1.31

BrMg-Späne

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.3. Grignard-Reaktion

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Mg-Späne Mg-Späne + THF + Spuren Iod Erhitzen nach Addition des Bromoalkans

Nach Abkühlung auf 0 °C + Carbonylverbindung bei 0°C Aufarbeitung fehlt noch.

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.3. Grignard-Reaktion

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Test des Standardlösungsmittels THF auf Trockenheit:

aus: Brückner, Reaktionsmechanismen

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.4. Organolithium-Verbindungen

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Bildungsmechanismus einer Grignard-Verbindung (Oxidationsstufe des Kohlenstoffs in MeMgI?):

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.3. Grignard-Reaktion

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Tieftemperatur-1H-NMR-Spektrum der Methylwasserstoffe von (a) MgMeBr(diglyme), (b) MgMeBr(NEt3), (c) MgMeBr(thf), (d) MgMe2 in THF-d8(0.04 M).

aus: Youssef et al., J. Organomet. Chem. 2005, 1178.

Schlenk-Gleichgewicht in Lösung:

MgMe2MeMgBrMeMgBrMeMgBr

TemperaturSynthese von MgMe2: Fällung aus Lösung von MeMgBr in Et2O durch Zugabe von Dioxan bei -40°C, 1 d

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.3. Grignard-Reaktion

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Kristallstruktur von [MgMeBr(thf)(tmeda)] J. Organomet. Chem. 2005, 1178.

Einige Mg-organische Verbindungen wurden kristallisiert (Bsp.)

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.3. Grignard-Reaktion

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Wichtige Reaktionen von Grignard-Verbindungen RMgX weniger basisch als RLi

=>

Bildung von Grignard-Reagenzien durch Deprotonierung nur bei aciden Verbindungen möglich, z. B. terminalen Alkinen.

Reaktion und Bildung

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.3. Grignard-Reaktion

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Grignard-Reaktionen mit Aldehyden und Ketonen (selektiv bei -20 °C)

Grignard-Reagenzien können auch Epoxide öffnen, auf der sterisch ungehinderteren Seite.

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.3. Grignard-Reaktion

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Unter 0 °C reagieren nur Aldehyde und einige Ketone mit Grignard-Reagenzien.

=> Ester-, Nitril- oder Amid-funktionalisierte Grignard-Reagenzien stabil bei -20 °C.

iPrMgBr wird zur Synthese C(sp2)-Mg-Verbindungen gegenüber Mg bevorzugt.

aus: Knochel et al., ACIE 2003, 4302.

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.3. Grignard-Reaktion

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Page 41: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

ACIE 2003, 4302.

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.3. Grignard-Reaktion

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Reaktionen von Grignard-Verbindungen durch Übergangsmetalle katalysierbar,

z. B. Corriu-Kumada-Kreuzkupplung (1972)

dppe: 1,2-Bis(diphenylphosphino)ethan

Industrie:

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.3. Grignard-Reaktion

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Reformatzky-Reaktion: analog zur Grignard-Reaktion mit Zn statt Mg

Unterschied: Ester reagieren mit Organozink-Verbindungen auch bei Raumtemperatur nicht.

=> Hydroxyalkylierung von Estern mit Aldehyden bei Raumtemp. möglich

Aus -Bromessigsäureethylester bzw. tert.-butylester gebildete Reformatzky-Reagenzien in THF: Dimere im Kristall

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.3. Grignard-Reaktion

Organometallics 1984, 3,1403

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Methyllithium "CH3Li"; erste Darstellung durch Schlenk (1917).

in Diethylether: [CH3Li]4in Benzol: [CH3Li]6

Synthese (Radikalische Reaktion, wie?):

2 Li + MeCl (in Et2O)→ MeLi + LiCl (Niederschlag, abtrennbar)

Karl Ziegler (1898-1973)

Nobelpreis 1963

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.4. Organolithium-Verbindungen

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n-Butyllithium ist das wichtigste Organolithium-Reagenz (> 1000 t/a)

Umsetzung mit Diisopropylamin zu LDA

pKa-Werte in THF:

45 (Alkane), 35 (Diisopropylamin), 26 (Hexamethyldisilazan), 19 (HOtBu).

in Ethern: [nBuLi]4

Lösungen von n-BuLi in Hexan

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.4. Organolithium-Verbindungen

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Deprotonierung von PhH durch nBuLi:

thermodynamisch möglich, aber kinetisch gehindert.

Zusatz von TMEDA bricht den nBuLi-Cluster => schnellere Reaktion

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.4. Organolithium-Verbindungen

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Temp./Ether-Kombinationen mit HWZ der Organolithium-Spezies > 100 h.

MeLi

PhLi

nBuLi

sBuLi

tBuLi

Et2O THF DME

50

25

0

-25

-50

0

-25

-50

-75

-100

-50

-100

-125

-150

in °C

Deprotonierung von Ethern in -Position, deshalb nBuLi in THF meist bei -78 °C:

O

nBuLi

O- BuH Li OLi

+

kommerzielle nBuLi-Lösungen in Hexan-Gemischen oder Toluol, nicht in THF.

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.4. Organolithium-Verbindungen

47

Page 48: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.4. Organolithium-Verbindungen

48

Page 49: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

(i) BuLi oder tBuLi, THF, -70 °C

(ii) 10-15 °C, 90 min(iii) -70 °C, Aldehyd

R

OR = HR = MeR= OMeR=Cl

(iv) O2

CO2EtN

N

NN

OH

(i) BuLi oder tBuLi, THF, -70 °C

(ii) 10-15 °C, 90 min

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.4. Organolithium-Verbindungen

Halogen/Metall-Austausch schneller als Deprotonierung

49

Page 50: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

Halogen/Metall-Austausch schneller als Deprotonierung

Br

Li+

Li

Br+THF, -78 °C

Problem: n-BuLi reagiert mit n-BuBr

deshalb: oft Einsatz von t-BuLi (2 Äquiv., VORSICHT, entzündet sich spontan an Luft!)

flüchtig

M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.4. Organolithium-Verbindungen

50

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Umlagerungen: Reaktionen, bei denen ein Substituent an ein anderes Atom wandert

[n,m]-Nomenklatur: ausgehend von der gelösten Bindung (beidseitig Position 1) werden

die Atome nach beiden Seiten fortlaufend nummeriert, wobei n und m angeben, zwischen

welchen Atomen im Produkt die neue Bindung ausgebildet wird,

z. B. [1,2]-Umlagerung (Shift):

N. Umlagerungen - N.1. Umlagerungen an Carbonylverbindungen

51

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Beckmann-Umlagerung: Oxim zum Säureamid

N. Umlagerungen - N.1. Umlagerungen an Carbonylverbindungen

Es wandert der zur OX-Abgangsgruppe anti-ständige Rest. Wasserstoffe wandern nie.

z. B.

Ernst Otto Beckmann (1853-1923)

Imidocarbonsäure-Tautomer des Amids

52

Page 53: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

Beckmann-Umlagerung: Oxim zum Säureamid

Polyamid 6 ("Nylon 6", "Perlon", "Dederon"); Struktur von Nylon 6,6?

NOH

NH

Okat. konz.H2SO4,

H2NO

OH

HN

O

OHH2NO

NHO

n-mal

HN

O

OHNH

O

H2NO

n

kat. H2O,

-Caprolactam, lagerfähigCyclohexanonoxim

N. Umlagerungen - N.1. Umlagerungen an Carbonylverbindungen

53

Page 54: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

Beckmann-Umlagerung

N. Umlagerungen - N.1. Umlagerungen an Carbonylverbindungen

pTsCl, NEt3, kat. DMAP,DCM, 3 h, rf

OTIPS

H

HMeO OMe

NHO

74% OTIPS

H

H

HN

O

MeO OMe

O NOH

NH

O

NH2OH-HCl,NaOH

95%

N

N

N

Cl

ClCl

kat.

kat. ZnCl2, MeCN

Cyanurchlorid

90%

54

Page 55: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

Isocyanat

Wanderung einer Alkylgruppe vom Carbonyl-C zum elektronenarmen N

N. Umlagerungen - N.1. Umlagerungen an Carbonylverbindungen

Hofmann-U.

(v. Säureamid)

Lossen-U.

(v. Hydroxamsäure)

Curtius-U.

(v. Säureazid) R N

ON

N

R NH2

O

R NH

OOH

R N

O

RN

CO

HOBr

NaOH

-Eliminierung von HBr

1) Ac2O

2) DBU

oder h

Retention der Konfiguration des wandernden Zentrums!

Wanderung desto schneller, je elektronenreicher die wandernde Gruppe.

Nitren-Intermediat nicht immer gesichert.

55

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Genauerer Mechanismus der Hofmann-Umlagerung: anionisch

N. Umlagerungen - N.1. Umlagerungen an Carbonylverbindungen

Lossen-Umlagerung analog mit Acetat statt Bromid

S. M. Mandel, M. S. Platz, Org. Lett. 2005, 7, 5385

56

Page 57: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

N. Umlagerungen - N.1. Umlagerungen an Carbonylverbindungen

H2N OHO

NHO

O

(i) Br2, NaOMe, MeOH, -78 °C, 1 h

(ii) 65°C, 1 h

1) Ac2O, Pyridin2) DBU, THF-H2O, rf

N

N

HN

O O

OHN

N

H2NO

Diphenylphosphorylazid

Hofmann-U.

(v. Säureamid)

Lossen-U.

(v. Hydroxamsäure)

Curtius-U.

(v. Säureazid)

57

Page 58: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

N. Umlagerungen - N.1. Umlagerungen an Carbonylverbindungen

Hofmann-Umlagerung

initiiert durch verschiedene Oxidanzien

O

NH2

O

N Cl

H

HO

NH

N Cl

H

H

OtBuO

Pb(OAc)4,tBuOH, 50 °C

70%

58

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N. Umlagerungen - N.1. Umlagerungen an Carbonylverbindungen

Curtius/Schmidt-Umlagerung

Org. Lett. 2004, 6, 213

Synlett 2012, 2627

Boc2NO

OMeOH

OO Cl

O, NEt3, THF, -10 °C

2) NaN3, H2O, -10 °C, 90 min3) PhMe, rf, 2 h

1)

Boc2NO

OMe

NCO

85%

59

Page 60: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

N. Umlagerungen - N.1. Umlagerungen an Carbonylverbindungen

Wolff-Umlagerung: -Diazocarbonylverbindung zum Keten

R

OH

NN

CHR

O

CCO

H

R

Verläuft über Oxiren-Zwischenstufe.

-Diazoketon synthetisierbar z. B. aus dem Säureanhydrid mit TMSCHN2 oder aus dem Keton z. B. durch i) Base, ii) TosN3 unter Bildung von TosNH2.

Schlüsselschritt der Arndt-Eistert-Homologisierung von Carbonsäuren, z. B.:

- N2 Keten

Wolff-UmlagerungAg(I) oder h

BocHNO

OHBocHN

ON

NBocHN OH

H O

1) NEt32) ClCO2Et3) CH2N2 CF3CO2Ag, NEt3

H2O

Boc-Phe-OH-Aminosäure

Boc- -Phe-OH-Aminosäure

[1,2], Retention

60

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Baeyer-Villiger-Oxidation:

Ozonolyse/reduktive Aufarbeitung des Silylenolethers (unten) zum regioisomeren Lacton

Es wandert der elektronenreichere Rest unter Retention der Konfiguration aus antiperiplanarer Position.

Menthon

aus: Brückner, Reaktionsmechanismen

N. Umlagerungen - N.1. Umlagerungen an Carbonylverbindungen

61

Page 62: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

Meng-Yang Chang et al., TETL 2006, 47, 4865-4870

H2NOH O

OHTsHNOBn

OH

TsHNOBn

OH

O

OH

(ii) Na, NH3(l),-78 °C, 1 h;-30 °C, 1 h

NaIO4, RuCl3-xH2O,CCl4/H2O, rt, 6 h

34% (2 Stufen)

O

N

O

Ts OBn

(i) ÜberschussMeMgBr

OBn

N

O

Ts

Statin

mCPBA, NaHCO3,DCM, rt, 4 h

OHN

TBSO

Ts

78%

ON

TBSO

Ts OH

N

TBSO

Ts

OBn

N

TBSO

Ts OBn

N

HO

Ts

DMSO, (COCl)2,-78 °C; NEt3

AllylMgBr,THF, -78 °C

NaH, BnBr,THF, rt

TBAF, THF

PCC, Celite

24% (5 Stufen)(ii) 2 M HCl

Hauptprod.

N. Umlagerungen - N.1. Umlagerungen an Carbonylverbindungen

62

Page 63: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

Baeyer-Villiger-Oxidation

N. Umlagerungen - N.1. Umlagerungen an Carbonylverbindungen

HO

TFAA-H2O2 (4 eq), DCM, 0 °C, 3 h

H

O

HOH

OO

H

OTFA

OH

O

OO

O? ?

Dakin-Reaktion

Wanderungstendenz:

tert. Alkyl > sec. Alkyl > Ph, Bn > prim. Alkyl > Methyl

63

Page 64: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

Pinakol-Kupplung:

"Pinakol"

aus: Brückner, Reaktionsmechanismen

N. Umlagerungen - N.2. Umlagerungen an Carbokationen

OPinakol-Uml.:

Mech.?

Pinakol-Umlagerung "Pinakolon"

64

Page 65: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

Wagner-Meerwein-1,2-Umlagerung von "Camphenhydrochlorid" zu Isoborneyl-2-chlorid

Cl ClAlCl3

Cl AlCl3

-AlCl3

Isoborneyl-2-chlorid

Hans Meerwein (1879-1965)

DFT-Berechnung: Smith, JOC 2004, 4843.

N. Umlagerungen - N.2. Umlagerungen an Carbokationen

Nicht-klassisches Carboniumion: 2-Elektronen-3-Zentrenbindung

postuliert durch Winstein, Beweis durch Olah

Cl

65

Page 66: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

-Pinen

Wagner-Meerwein

Uml.

(-)-Campher (2-Bornanon)Isoborneol

Carbeniumion Nicht-klassisches Carboniumion

Von -Pinen zu Campher (2-Bornanon):

N. Umlagerungen - N.2. Umlagerungen an Carbokationen

66

Page 67: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

Von p-Menthan abgeleitete monoterpenoide Gerüste

p-Menthan

Caran

Pinan

Bornan= Camphan

Norcaradien

Norpinan

Norbornen

Thujan

aber: Camphen

Cinnamomum

camphora

N. Umlagerungen - N.2. Umlagerungen an Carbokationen

67

Page 68: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

O OS-(+)-Carvon, Kümmelgeruch, aus Kümmelöl (85 %), Dillöl (60 %).

R-(–)-Carvon, Krauseminzegeruch, aus Krauseminzeöl (70 %).

Wichtigster Nebenbestandteil in Kümmelöl: R-(+)-Limonen.

R-(+)-Limonen, Orangengeruch, aus Öl von Citrusfrüchten, industriell wichtigstes Monoterpen.

S-(–)-Limonen, Terpentingeruch, aus Tannenöl.

Racemat z. B. aus Zanthoxylum piperitum

Sdp. 175 °C

Sdp. 230 °C

N. Umlagerungen - N.2. Umlagerungen an Carbokationen

68

Page 69: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

Claisen-Umlagerung (= Oxa-Cope-Umlagerung, 1912):

Cope-Umlagerung (nur C in den -Systemen)

H ca. 140 kJ/mol

Sessel-ÜZ

Oxy-Cope-Umlagerung:

Triebkraft zum Aldehyd;

Beschleunigung bei Zusatz von KH, da stabileres Enolat gebildet wird.

N. Umlagerungen - N.3. Cope- und Claisen-Umlagerungen

69

Page 70: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

N. Umlagerungen - N.3. Cope- und Claisen-Umlagerungen

Inaktiviertes Pheromon Ectocarpen aus Braunalgen

H

H

HWZ 20 min

aktives Pheromon

Boland et al.,

Angew. Chem. 1995

Industrielle Synthese von Citral (BASF):

CHO

OH

+ O- H2O

O O[3,3] [3,3]

Claisen Cope

Ein Beispiel aus der Naturstoffchemie:

70

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[4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion)

O

O

+O

O

O

O

Dien Dienophil endo-Cycloaddukt, kinetisch bevorzugt

exo-Cycloaddukt, thermodyn. stabiler

Als Folge der Stabilisierung d. endo-ÜZ durch Orbital-WW entsteht bevorzugt das endo-Produkt (Alder-Regel).

Kurt Alder (1902-1958)

Otto Diels (1876-1954)

P. Cycloadditionen - P.1. [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion)

Nobelpreis für Chemie 1950

71

Page 72: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

Als Folge der Stabilisierung d. aromatischen endo-ÜZ durch sekundäre Orbital-WW entsteht bevorzugt das endo-Produkt.

Dimerisierung von Cyclopentadien:

P. Cycloadditionen - P.1. [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion)

endo-ÜZ um 14.2 kJ/mol stabiler als exo-ÜZ

72

Page 73: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

Als Folge der Stabilisierung d. endo-ÜZ durch sekundäre Orbital-WW entsteht bevorzugt das endo-Produkt.

endo- und exo-ÜZ bei der Dimerisierung von Cyclopentadien:

um 14.2 kJ/mol stabiler als:

Schleyer, Houk, Herges, et al., J. Comput. Chem. 2007, 28, 344-361.

P. Cycloadditionen - P.1. [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion)

73

Page 74: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

Diels-Alder-Reaktionen: endo-selektiv

OEtCHO

H

H

OEt

H

OH

Ursache:

sekundäre MO-WW

endo-Produkt

H-Atome einzeichnen!

P. Cycloadditionen - P.1. [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion)

74

Page 75: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

LUMO +4

LUMO +5

LUMO +3

LUMO +2

LUMO +1

HOMO -5HOMO -4

HOMO -3

HOMO -1

HOMO -2

E

quantenmechanische Rechnung: 6-31G** (Spartan-Programm)

(niedriger liegende 1s Kohlenstoff-Rumpforbitale weggelassen)

HOMO

LUMO

P. Cycloadditionen - P.1. [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion)

MOe von Ethen (nur bis HOMO besetzt)

75

Page 76: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

Ethen: 2x 2s(C), 6x 2p(C), 4x 1s(H) => 12 Valenz-AOe => 12 MOe (7 davon gezeigt);

2x4 + 4x1 = 12 Valenzelektronen zu verteilen, idealerweise in 6 MOen.

HOMO

LUMO

E

quantenmechanische Rechnung: 6-31G** (Spartan-Programm)

(niedriger liegende 1s Kohlenstoff-Rumpforbitale weggelassen)

...

...unbesetzt

LUMO: lowest unoccupied molecular orbital

HOMO: highest occupied molecular orbital

P. Cycloadditionen - P.1. [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion)

76

Page 77: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

Orbitalkoeffizienten ci,n der AOe φi: Anteil der Beteiligung am MO n:

ci,n2: relative Elektronendichte

(wenn besetzt) am Kern i im MO n.

Die Summen der Quadrate der O.-k. sind in "waagerechter und in senkrechter Richtung" = 1. Q: bei Ethen?Woodward, Hoffmann, Angew. Chem. 1969, 797.

Meist werden nur die den -Grenzorbitalen zugrundeliegenden p-AOe angegeben.m C2

a

s

a

s

s

a

s

a

a: antisymmetrisch, s: symmetrisch bzgl. der Symmetrieelemente m (Spiegelebene) bzw. C2 (Drehachse).

HOMO

LUMOi=1

i<=Atomzahl

n = ci,n i

P. Cycloadditionen - P.1. [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion)

1,3-Butadien 77

Page 78: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

Diels-Alder-Reaktionen: stereospezifisch

P. Cycloadditionen - P.1. [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion)

78

Page 79: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

Diels-Alder-Reaktionen: stereospezifisch

P. Cycloadditionen - P.1. [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion)

79

Page 80: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

Reagierende HOMOs (highest occupied molecular orbitals) und LUMOs (lowest unoccupied molecular orbitals) haben dieselbe Symmetrie.

– 1327 kJ/mol– 1306 kJ/mol

dargestellt:

Atomorbitale, aus denen durch Linearkombination die Molekülorbitale erhalten werden.

berechnete Molekülorbitale (hier HOMO und LUMO)

Phasen beider Enden entsprechen jeweils der der zugrundeliegenden Atomorbitale

Beide Überlappungen wirken beschleunigend, da im ÜZ für beide Paare jeweils bindende und antibindende MOs resultieren, von denen nur die energetisch minimalen bindenden besetzt sind.

P. Cycloadditionen - P.1. [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion)

80

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Diels-Alder-Reaktionen:

3 Grundtypen

Die minimale LUMO/HOMO-Differenz liefert die größte Absenkung der ÜZ-Energie, also die schnellste Reaktion, und bestimmt somit Klassifizierung und Reaktionsverlauf.

BeideHOMO/LUMO-Überlappungen wirken beschleunigend.

OEtCHO

am ungünstigsten

185 °C, 80 bar, 1.5 d

P. Cycloadditionen - P.1. [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion)

81

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Dien:

Elektronenschiebende Gruppe in 1-Stellung: größerer O.-k. in 4-Stellung

Elektronenschiebende Gruppe in 2-Stellung: größerer O.-k. in 1-Stellung

Dienophil: kleinerer O.-k. in Nachbarschaft der elektronenziehenden Gruppe

+

cisoid

EDGEWG

EDGEWG

+

cisoid

EWG

EDG

EWG

EDG

Hauptprodukt

Hauptprodukt

P. Cycloadditionen - P.1. [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion)

Regioselektivität der nicht-neutralen DAR: folgt meist „+ mit -, - mit +“

82

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Lewis-Säuren katalysieren die DAR durch Absenkung des LUMOs des Dienophils:

+MeO2C

+

25 °C, 41 d 70 3010-20 °C, 1 mol% AlCl3, 3 h: 95 5

::

CO2Me

CO2Me

P. Cycloadditionen - P.1. [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion)

Regeln zur Diels-Alder-Reaktion

DARen desto leichter, je elektronisch unterschiedlicher Dien und Dienophil.

DARen sind stereospezifisch (Geometrie der Doppelbindungen wird ins Produkt übertragen).

Regioselektivität: den Orbitalkoeffizienten der HOMOs und LUMOs folgend.

Endo-Addukte bevorzugt.

O

MeO

Cl3Alvia

83

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Ozonolyse

"Primärozonid"

"Sekundärozonid"

Elektronen: [4+2]

Atome: [3+2]

1,3-Dipol vom Allyl-Anion-Typ, gewinkelt

"Dipolarophil"

reduktive Aufarbeitung mit PPh3

P. Cycloadditionen - P.2. 1,3-dipolare Cycloaddition

84

Page 85: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

*

n

MOs

P. Cycloadditionen - P.2. 1,3-dipolare Cycloaddition

HH

H

H

H

HH

H

H

H

HH

H

H

H

2 e– 3 e– 4 e–

Basis-AOs

Allyl

85

Page 86: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

P. Cycloadditionen - P.2. 1,3-dipolare Cycloaddition

NNCH2N2

normale 1,3-dipolare CA

1-Pyrazolin

86

Page 87: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

OH

O

OCH3

O

NNCH2N2nicht nur Veresterung!

P. Cycloadditionen - P.2. 1,3-dipolare Cycloaddition

Sichere Darstellung von Diazomethan (niemals aufkonzentrieren, explosiv!):

SN

O O

NH

O

"Diazald"

NN

OS

OO

H1,3-Versch.

O H

NN

- OTos

SN

O O

NH

OHO

OH

- OTos NN

H

O

NN

H

HO

H2O, -OH-

O H

HO

H

2 mögliche Mechanismen

87

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Huisgen-Reaktion

Cu(I)-Katalyse (Meldal, Sharpless, 2002):

schneller, regioselektiv zum 1,4-disubst. Triazol, bioorthogonale "Click-Chemie"

Cu(I) in situ aus Cu(II) und Ascorbat

P. Cycloadditionen - P.2. 1,3-dipolare Cycloaddition

Rolf Huisgen(geb. 1920)

98 °C, 18 h

88

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O

HO

HO

O

OH

OH

L(+)-Ascorbinsäure (Vitamin C)eine vinyloge Carbonsäure (pKa 4.25)

O

O

O

O

OH

OH

Oxidation

EndiolAscorbinsäure

Mangel führt zu Skorbut als Folge von Kollagenschäden, da Vitamin C Cofaktor bei der Hydroxylierung von Lysin und Prolin.

P. Cycloadditionen - P.2. 1,3-dipolare Cycloaddition

Sanddorn: 2-8 g Ascorbinsäure pro kg

Vogelbeere 1 g/kg, Orange 500 mg/kg, Apfel 100 mg/kg

89

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[2+2]

h

HOMOd. angeregten Zustands

LUMO d. Grundzustands

P. Cycloadditionen - P.3. [2+2]-Cycloaddition

90

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P. Cycloadditionen - P.3. [2+2]-Cycloaddition

Aus der Coca-Pflanze

N

H

CO2Me

H

O

O

N

H

CO2Me

H

O

ON

H

MeO2C

H

O

Oh

-Truxillin"Cinnamoylcocain"Cocain: Benzoyl statt Cinnamoyl

2

HO

O

OH

O

-Truxillsäure

OH

O

-Truxinsäure

O

HOOH

O

Zimtsäure

91

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Photoschädigung der DNA

OP

OO

O

O

N

HN

O

O

O

O

N

NH

O

O

O dR

N

HN

O

O

dR

N

NH

O

OHH

dR

N

HN

O

O

dR

N

NH

O

OHH

trans-syn-

Pyrimidin-Dimer

cis-syn-

Pyrimidin-Dimer

h•+

dR

N

HN

O

O

dRN

N OOH

h•

dR

N

HN

O

O

dRN

HN O

O

(6-4)-Photoaddukt

dR

N

HN

O

O

dRN

N OOH

analog Dewarbenzol

>300 nm

P. Cycloadditionen - P.3. [2+2]-Cycloaddition

92

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NC

NC

O ONC

NC

h+

Paterno-Büchi-Reaktion

aliphatische Ketone: nahezu stereospezifisch

aromatische Ketone: diastereomere Produkte über 1,4-Diradikal-Intermediate, deren relative Stabilität auch die Regioselektivität bestimmt.

H3C

H3C Ph Ph

O+

O

PhPh

H3C

H3C

O

PhPh

H3C

H3C

O

PhPh

H3C

H3C

+h

P. Cycloadditionen - P.3. [2+2]-Cycloaddition

OOO

CCH2

OCCH2

EtO

OOEtOH

-+

DiketenKeten

OH

OPyrolyse

oder

Cl

O Et3NAcetessigester

Sonderfall Keten: [2+2]-Cycloaddition auch thermisch

93

Page 94: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

Grund: Beide HOMO/LUMO-WW sind stabilisierend

besonders leicht: elektronenarmes Keten+ elektronenreiches Alken ("Ketenophil")

Keten reagiert schnell,

anders als normale Olefine,

unter therm. Bed.

P. Cycloadditionen - P.3. [2+2]-Cycloaddition

–1387 kJ/mol –1538 kJ/mol

94

Page 95: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

Hückel-Regel (1931): Planare Verbindungen mit zyklisch konjugierten Doppelbindungs-systemen und (4n+2) π -Elektronen ("Aromaten", n ≥ 0) sind besonders stabil, z. B.:

2 6 10

2

TropyliumCyclopropylium Cyclooctadienid-Dianion

Cyclopentadienid

Q. Aromaten II - Q.1. Carbozyklen

10

Naphthalin Azulen: blau

160 kJ/mol stabiler

langsam

Dipolmoment 0.8 Debye

95

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Experiment zur Quantifizierung der Mesomeriestabilisierung von Benzol: Hydrierung!Wäre Benzol ein nicht-aromatisches 1,3,5-Cyclohexatrien, würde mehr Energie frei.

www.chemgapedia.de

Q. Aromaten II - Q.1. Carbozyklen

96

Page 97: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

Wiederholung aus OC-1: Was passiert bei der Reaktion von Benzol und Brom?

Br

Br

Br

Br2, FeBr3

stattdessen:

Elektrophile aromatische Substitution (SEAr)

Formulieren Sie den über den Wheland-Komplex verlaufenden Mechanismus!

Wäre Benzol ein normales Alken, so fände elektrophile Addition statt. Benzol ist aber kein normales Alken.

und: z. B. keine Epoxidierung von Benzol mit mCPBA

Q. Aromaten II - Q.1. Carbozyklen

97

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Mesomere (M) und induktive (I) Effekte dirigieren die Zweitsubstitution (s. Vorl. OC-1).

aus: Brückner, Reaktionsmechanismen

Q. Aromaten II - Q.1. Carbozyklen

98

Page 99: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

Geschwindigkeit und Regioselektivität der Zweit-SEAr

X XNO2

X

NO2

X

NO2

+ +

ortho meta para

- H2O

HNO3-H2SO4

OH

X =

CH3

H

CH2Cl

Propionyl

NO2

40%

58

32

24

5

2

4

16

72

93

58

38

52

4

2

1000

Geschw.

25

1

0.7

0.004

0.00000006

Q. Aromaten II - Q.1. Carbozyklen

99

Page 100: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

ArH +

Wichtige SEAr-Reaktionen: Kurzübersicht

Q. Aromaten II - Q.1. Carbozyklen

100

Page 101: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

Q. Aromaten II - Q.1. Carbozyklen

ArH +

Wichtige SEAr-Reaktionen: Kurzübersicht

101

Page 102: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

Vilsmeier-Haack-Formylierung (1925)

N,N-DimethylchloriminiumIminiumsalz

aus: Brückner, Reaktionsmechanismen

Q. Aromaten II - Q.1. Carbozyklen

102

Page 103: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

Q. Aromaten II - Q.1. Carbozyklen

Wichtige SEAr-Reaktionen: Kurzübersicht

Hydroxyalkylierung

103

Page 104: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

Hydroxyalkylierung von N,N-Dimethylanilin: Kristallviolett

N N

N

OH

N

N

O

N

POCl3 HCl- H2O

N

N

Cl

X

X=NMe2Kristallviolett

X=HMalachitgrün

CPh3+ Cl-

Gram-positiver Bacillus subtilis (1. Kristallviolett, 2. KI3-Lsg; charge transfer-Komplex, aus der Murein-Zellwand nicht mit EtOH eluierbar).

Q. Aromaten II - Q.1. Carbozyklen

104

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Mannich-Reaktion

Iminium-Ion

Aldehyd ohne -H (nicht enolisierbar, hier: Formaldehyd)

2. Schritt:

β-Aminocarbonylverbindung

"Mannich-Base"

Q. Aromaten II - Q.1. Carbozyklen

105

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Mannich-Reaktion

NHBoc

O

NH

OCl

O

N

NO

Cl

H

N

NO

Cl

H

TFA-DCM (1:1)

81%

M. A. Toczko, C. H. Heathcock, J. Org. Chem. 2000, 65, 2642-2645.

auch intramolekular, z. B.

Mechanismus?

Was ist Gramin?

Q. Aromaten II - Q.1. Carbozyklen

106

Page 107: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

Mechanismus der normalen Reimer-Tiemann-Reaktion mit Dichlorcarben als Elektrophil

Q. Aromaten II - Q.1. Carbozyklen

107

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elektronenreicher 6-Aromat Pyrrol elektronenarmer 6-Aromat Pyridin

Q. Aromaten II - Q.2. Heterozyklen

N

108

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NH

N

NH

O

S

N

S

6-Überschuss-Aromaten

Resonanzstab. [kJ/mol] / Bindungsl.-ausgleich [%]

113 /

53

180 /

82

146 /

85

175 /

79

167/

79

Bird, TETH 1996, 9945; 1997, 13111.

193 /

100

-MO-Energieniveauschema von Furan

"Coulombintegral " (Bindung eines Elektrons in ein lokalisiertes 2p-AO)

E

bindend

antibindend

HOMO

LUMO

Q. Aromaten II - Q.2. Heterozyklen

Entartung der -MOe gegenüber Cyclopentadienid aufgehoben, da keine C5-Achse;

Kreise geben Größe und Vorzeichen der Orbitalkoeffizienten der in die Linearkombination

eingehenden Atomorbitale an; kein Kreis: Orbitalkoeffizient 0.

109

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Elektrophile aromatische Substitution an Furan und Pyrrol

Furan reagiert 1011-mal schneller als Benzol, Pyrrol 105-mal schneller als Furan.

Grund: -Komplex bei Pyrrol durch Carbenium-Iminium-Mesomerie stabilisierter als bei Furan, resultierend auch in kleinerer Aktivierungsenthalpie H seiner Bildung ausgehend vom -Komplex.

Q. Aromaten II - Q.2. Heterozyklen

110

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Elektrophile aromatische Substitution an Furan und Pyrrol

Regioselektivität d. SEAr zugunsten der 2-Position, da

a) HOMO-Koeffizient (Nukleophilie) in der 2- größer als in der 3-Position

b) -Komplex stabiler ("eine mesomere Grenzform mehr")

Q. Aromaten II - Q.2. Heterozyklen

111

Page 112: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

Elektrophile Substitution an Pyrrol

2-Halopyrrol durch Reaktion m. NCS bzw. NBS;

2,3,4,5-Tetrahalopyrrol d. R. m. SO2Cl2, NaOCl bzw. Br2;

2-Nitropyrrol d. R. m. HNO3/Ac2O bei -10 °C; ebenso b. Diazotierung, Formylierung, Acylierung, Michael-R.;

Acylierung der 3-Position: vorher N-sulfonylieren (1. NaH, 2. PhSO2Cl, 3. RCOCl/(AlCl3), 4. NaOH);

Lithiierung der 2-Position: vorher N-methylieren (1. NaH, 2. MeI, 3. BuLi, 4. z. B. CO2 zum Li-Salz).

Q. Aromaten II - Q.2. Heterozyklen

112

Page 113: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

NH

NH

NH

RN N

HR

ein Pyrrolyl(pyrrol-2-yliden)methan

orange für R=Me

RCHO/H+ FeCl3- 2 H•

biologisch wichtig: Tetrapyrrole

Bilirubin:

Abbauprodukt des Blutfarbstoffs in der Galle

(lat. "bilis" Galle; "ruber" rot)

Biliverdin (ital./span. "verde" grün)FeCl3- 2 H•HN

O

NH

NH

NH

OHO2C CO2H

H H

Reaktion von Pyrrol mit Aldehyden

Q. Aromaten II - Q.2. Heterozyklen

113

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N

N N

N

CO2HHO2C

FeIII

Cl

Hämin aus Hämoglobin,

erhalten durch Abspaltung vom Proteinteil und Fällung mit NaCl.

N

N N

N

R

PhytylO2C

Mg

OCO2Me

3

Phytyl =

Herbst: Chlorophylle werden als Stickstoffquelle abgebaut, Carotinoide/Anthocyan-Farbstoffe (Flavylium) werden sichtbar.

Q. Aromaten II - Q.2. Heterozyklen

114

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Paal-Knorr

2 Komponenten

Hantzsch

3 Komponenten aus -Keto-Verb.

und Amin

(-Aminoacrylsäureester)

Knorr

2 Komponenten

(COX)

erzeugt aus Keton: 1) RONO, 2) H2

Pyrrol: 3 der wichtigen Synthesestrategien (es gibt noch mehr)

Retrosynthese

Q. Aromaten II - Q.2. Heterozyklen

115

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Paal-Knorr-Synthese: 1,4-Diketon + (RNH2 oder NH3), s. auch Paal-Knorr-Furan-Synthese

Hantzsch-Synthese: -Halocarbonylverb. + -Dicarbonylverb. + (RNH2 oder NH3),

s. auch Feist-Bénary-Furan-S.

Knorr-Synthese

Q. Aromaten II - Q.2. Heterozyklen

R2 O

R1 NH2

- 2 H2O+X = O,

aber auch "X = H2"R3 R4

XO

NH

R3R1

R2X

R4

116

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Bufotenin Psilocin

Phosphors.-ester: PsilocybinPsilocybin, Psilocin: Indol-Alkaloide aus dem mexikan. Rauschpilz "Teonanácatl" ("Gottesfleisch"), halluzinogen; die orale Aufnahme ruft Farbvisionen, ein Gefühl der Bewußtseinserweiterung, auch der Persönlichkeitsspaltung und eine stark erhöhte Lichtempfindlichkeit hervor. Ca. 1 % der Wirkung von LSD. Mechanismus: 5-Hydroxytryptamin(=Serotonin)-Rezeptor-Agonisten (Drug and Alcohol Dependence 1998, 189).

NH

CO2H

NH2

proteinogene Aminosäure

L-Tryptophan (Trp, W)

NH

NH2

HO

Neurotransmitter Serotonin

Q. Aromaten II - Q.2. Heterozyklen

Indol

117

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Aus der Purpurschnecke

Hexaplex trunculus

6,6'-Dibromindigo

6-Bromindirubin-3'-oxim

(zur Konservierung von Stammzellen)Indigo-gefärbtes Tuch aus Westafrika

Q. Aromaten II - Q.2. Heterozyklen

Oxidation von Indol mit Luftsauerstoff führt auch zu Indigo, bis Indoxyl allerdings synthetisch kaum nutzbar (jedoch danach)

118

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Q. Aromaten II - Q.2. Heterozyklen

Adolf von Baeyer (1835-1917)

Indigo-Synthese nach Adolf von Baeyer

119

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Fischer-Indolsynthese (Emil Fischer, 1883/4)

(Lewis)-Säure

N

NCbz

Übungsbeispiele:

NH

O

NH

CO2EtCl

1852-1919

Q. Aromaten II - Q.2. Heterozyklen

120

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O CHO

Furfural

Pentosen

(z. B. aus Kleie, lat. "furfur")

H2SO4

Sdp. 162 °C, "nachwachsender Rohstoff"

O

Cu, Chinolin

- CO- 3 H2O

- Furan-2-carbonsäure aus C6-Zucker-Disäuren (z. B. Galaktarsäure);

- 5-(Hydroxymethyl)-2-furaldehyd aus Saccharose (Molisch-Probe).

OSH

O

2-Furylmethanthiol

(im Kaffee-Aroma (neben anderen Furanen),

Geruchsschwelle 5 ppb)

Rosenfuran

(Duftstoff des Rosenöls),

monoterpenoid

Furan-haltige Naturstoffe:

Furan

Q. Aromaten II - Q.2. Heterozyklen

121

Page 122: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

a) Paal-Knorr-Synthese

O

R2

R1

R3

R4R1 R4

O

O

R2

R3

kat. Säure über -Hydroxydihydrofuran

1,4-Diketonz. B.

O

Br

O

OBr

kat. p-TsOHBenzol, 80 °C,

12 h, 70 %ebenso:

O SiR3R3SiSiR3

O

O

R3Sikat. p-TsOH

60-70 %

O NR2R1

aus -Ketoamiden:

Furan

Q. Aromaten II - Q.2. Heterozyklen

122

Page 123: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

b) Feist-Bénary-Synthese

R2O

R1

XR3 R4

OOBase

über -Hydroxydihydrofuran

+

z. B.

-Ketoester-Halocarbonylverb.

H

OCl

O

OOEtO

OCH3

OPyridin, rt, 5 d

O

O OCH3

O

OEt

O

Cl

+

+

O

OCH3OO

EtOKOH

reaktiver

O R4R2

R1O

R3

Q. Aromaten II - Q.2. Heterozyklen

123

Page 124: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

O O Li O

O

O O

Brn-BuLi

H2O, H+ OH-

ein 1,4-Diketon(Z)-Jasmon, ein Cyclopentenon

"an Sellerie erinnernder Jasmingeruch"

-Lithiierung, Hydrolyse

Furan

Q. Aromaten II - Q.2. Heterozyklen

124

Page 125: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

N

N

N

O

Benennen Sie die Heterozyklen:

Q. Aromaten II - Q.2. Heterozyklen

-MOe des Pyridins

Entartung der -MOe gegenüber Benzol aufgehoben, da keine C6-Achse

125

Page 126: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

SEAr schwierig;

regioselektiv i. d. 3/5-Position; nur dann weist keine mesomere Grenzformel des kationischen -Komplexes eine Nitrenium-Teilstruktur auf.

Q. Aromaten II - Q.2. Heterozyklen

126

Page 127: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

SEAr unter drastischen Bedingungen:

Nitrierung in HNO3/H2SO4 bei 300 °C mit 15 % Ausb. an 3-Nitropyridin;

aber: 70 % mit N2O5 in SO2.

3-Sulfonierung in Oleum/kat. Hg(II) bei 250 °C (70 %).

3-Halogenierung mit Cl2 oder Br2 ab 200 °C.

Q. Aromaten II - Q.2. Heterozyklen

127

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Pyridin-N-Oxid: andere Reaktivität

SEAr und SNAr in der 2- und 4-Position.

Zugang durch Oxidation von Pyridin mit Persäuren, Deoxygenierung mit Phosphanen.

Q. Aromaten II - Q.2. Heterozyklen

128

Page 129: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

Pyridin-N-Oxid: andere Reaktivität

"N-Oxid-Trick": leichter Zugang zur 4-Nitropyridin und Folgeprodukten

Q. Aromaten II - Q.2. Heterozyklen

129

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SNAr: bevorz. i. d. 2/4-Position.

Additions/Eliminierungs-Mech. bei unsubst. Pyridinen:

X = Halogen, H;

Nu = NH2¯, OH¯, OR¯, SR¯ , RM, H¯.

z. B.:

Tschitschibabin-ReaktionToluol

Eliminierungs/Additions-Mech. bei 3-Chlorpyridinen:

Q. Aromaten II - Q.2. Heterozyklen

130

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Hydrolyse von Pyridinium-Ionen:

SNAr ca. 106-fach schneller bei Pyridinium-Salzen: warum?

Reduktion v. N-Alkylpyridiniumsalzen zu N-Alkyldihydro- u. -tetrahydropyridinen mit NaBH4.

Q. Aromaten II - Q.2. Heterozyklen

131

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Birch-Reduktion von Pyridin mit Na in protischem Medium:

Einzel-Elektronen-Transfer über das Radikal-Anion, gefolgt von 1,2-oder 1,4-Addition eines Protons und folgend eines Elektrons.

Q. Aromaten II - Q.2. Heterozyklen

132

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vgl. Birch-Reduktion zu 1,4-Cyclohexadienen:

aus: Brückner, Reaktionsmechanismen

Q. Aromaten II - Q.2. Heterozyklen

133

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Nukleophiler Katalysator 4-Dimethylaminopyridin (Steglichs Reagenz)

DMAP: W. Steglich, G. Höfle, Angew. Chem. 1969, 1001.

Verbindung 3: M. R. Heinrich, H. S. Klisa, H. Mayr, W. Steglich, H. Zipse, Angew. Chem. 2003, 4975.

Q. Aromaten II - Q.2. Heterozyklen

Formulieren Sie dies als Katalysezyklus!

134

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Hantzsch-(Dihydro)pyridin-Synthese (1882): 4-Komponentenreaktion

Q. Aromaten II - Q.2. Heterozyklen

135

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Hantzsch-Dihydropyridin-Synthese (1882): 4-Komponentenreaktion

mehrere Synthesewege möglich ! NH

MeO2C CO2MeNO2Nifedipin: Ca2+-Kanal-Antagonist

(gegen Bluthochdruck, Bayer AG)

Q. Aromaten II - Q.2. Heterozyklen

136

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Oxidation mit "NAD+" (bzw. Reduktion mit "NADH/H+")

X = H:

Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid ("NAD+")

X = OPO3H–: ("NADP+")

RN

NH2

O

HH

+ H+, + 2 e–

Hydrid-Donor"NADH" bzw. "NADPH"

- H–+ H–

N

OH

O

Nicotinsäure Nicotin

Q. Aromaten II - Q.2. Heterozyklen

137

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Pyridin-Alkaloide, z. B.:

N

NCH3

Nicotin

Hauptalkaloid der Tabakpflanze

Nicotiana tabacum

Epibatidin

NCl NH

H

wird von südamerikanischen Pfeilgiftfröschen mit der Nahrung aufgenommen. 200-fach analgetische Wirkung von Morphin, allerdings als Acetylcholin-Agonist auf die Nicotin-Rezeptoren. Isolierung 1992 durch Daly et al., Synthese z. B. durch Corey et al. (1993).

wirkt als Acetylcholin-Agonist, also als Neurotransmitter, auf die Nicotin-Rezeptoren. Tödliche Dosis: 100 mg für den Menschen.

außerdem: Piperidin-Alk. Coniin aus dem Schierling (s. Sokrates)

Q. Aromaten II - Q.2. Heterozyklen

138

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Luche-Reduktion: Carbonyl-Sauerstoff von Ketonen basischer als der von Aldehyden (wg. des doppelten +I-Effekts der flankierenden Alkylgruppen).

auch: 1,2-Reduktion von ,β-unges. Ketonen.

Carbonyl-Kohlenstoff von Aldehyden ist reaktiver als der von Ketonen.

NaBH4

NaBH4 wird in Wasser nur langsam zersetzt und eignet sich für nur wasserlösliche Substrate.

NaB(OMe)3H bildet sich aus NaBH4/MeOH und ist aktiver.

Informieren Sie sich über Superhydrid und L-Selectrid!

R. Oxidation und Reduktion - R.2. Reduktion

1 Äquiv.

1 Äquiv.

139

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Amid-Reduktion:

,β-unges. Ester -> Allylalkohole

Alle Hydride von LiAlH4 stehen zur Reduktion zur Verfügung.

regioselektiver Angriff von Hydrid an der sterisch weniger gehinderten Epoxid-Seite

R. Oxidation und Reduktion - R.2. Reduktion

140

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LiAlH4

Bei Amiden greift der Sauerstoff am Aluminium an, resultierend in der Reduktion zum Amin und nicht zum Alkohol.

R. Oxidation und Reduktion - R.2. Reduktion

X=NH: Imin

141

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Transfer-Hydrierungen

a) mit Alkoholen: Meerwein-Ponndorf-Verley-Reduktion

(Rückreaktion der Oppenauer-Oxidation)

z. B.:

R. Oxidation und Reduktion - R.2. Reduktion

142

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c) mit Ameisensäure: Reduktive Aminierung nach Leuckart-Wallach

O

H

HNR2

R2

R1

via

OR1

O

R2

RNH

R+

R1

N

R2

RRHCO2H

160 °C- CO2

b) mit Aldehyden: Cannizzaro-Disproportionierung

z. B.: O O OK

HO

+

41 % 38 %

KOH2100 °C, 5 min

über

R. Oxidation und Reduktion - R.2. Reduktion

143

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Oxidation: allgemeiner Mechanismus

m, n: Oxidationsstufen. Wenn Y einfach an das Oxidationsmittel Ox gebunden, dann Freisetzung von HY.

prim. Alkohol

gem. Diol

sek. Alkohol

Aldehyd

Carbonsäure

Keton

R XH

OH

Y Oxn

R XH

OOx+nY

H

R X

OOxn-2Y

H

+ + H+

Ladung

Ladung-1

m m+2

H2O

z. B.:

R XH

OH

O CrVIO

OH

R XH

OCrVIO

OH

R X

O+

OH

- H2O

O

CrIVOH

OH

OCr3+

grün

R. Oxidation und Reduktion - R.1. Oxidation

144

Page 145: Organische Chemie 2: Struktur und Reaktivität · Kinetische und thermodynamische Kontrolle: Beispiel Enolat-Bildung M. Nukleophiler Kohlenstoff - M.1. Enolate. Kinetische und thermodynamische

Ley-Oxidation:

kat. nPr4N RuVIIO4 (Tetra-n-propylammoniumperruthenat, TPAP), stöch. NMO.

R1 R2

OHH

R1 R2

OnPr4N+

RuO4- (5 mol-%),

NMO (1.5 Äquiv.),

DCM-MeCN (9:1), Mol.-sieb, rt

N

O

O

N-Methylmorpholin-N-oxid

CrO3-verd. H2SO4 od. HOAc in Aceton (Jones-Oxidation, "sledge hammer method")

CrO3·2 Pyr in DCM (wasserfr. => Ox. nur zum Aldehyd, "Collins-Reag.")

Pyridiniumchlorochromat (PCC, schwach sauer), Pyridiniumdichromat (PDC, neutral)

- f. prim. od. sek. Alkohole; - milder als RuVIIIO4, löslich in org. LM; - auch andere Oxidationstufen von Ru sind beteiligt.

CrO3Cl–

R. Oxidation und Reduktion - R.1. Oxidation

Erinnerung an die Swern-Oxidation und ihren Mechanismus (OC1)? 145

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Dess-Martin-Oxidation

CO2H

I IO

O

OHOI

O

O

AcOOAc

OAc

KBrO3 Ac2O

IO

O

AcOO

OAc

R2R1

H- HOAcR1 R2

OH

OAc

- HOAcR1 R2

O

IO

O

OAc

o-Iodbenzoesäure IBXDess-Martin-Periodinan (DMP)

R. Oxidation und Reduktion - R.1. Oxidation

- gelingt auch mit IBX, was allerdings nur in DMSO löslich ist

146

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Lindgren-Pinnick-Oxidation: Aldehyd zur Carbonsäure mit Natriumchlorit (NaClO2):

H

OR

OClO

HO

R

OClO

NaNa

O

OHR + NaOCl

alternativer HOCl-Fänger (Zusatz v. z. B. 10 Äquiv.):

ClHO

HOCl

stark oxidierend, kann durch H2O2 zu Chlorit reoxidiert werden (Reaktion?)

R. Oxidation und Reduktion - R.1. Oxidation

147

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R

O

R

O

I

II

R O

O

Na

O HNa

R O

HO

Na

CI3

I

II

I

IIR OH

OKI3

H

+

+

Na

Carbonsäuren auch aus Methylketonen zugänglich:

Iodoformprobe auf Methylketone (Haloform-Reaktion)

gelb, fest

Auch mit Cl2, Br2 ausführbar; Erweiterung: Trichlormethylketone als aktivierte Carbonsäure.

R. Oxidation und Reduktion - R.1. Oxidation

148

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Modul "Organische Chemie": Übungsaufgaben

MeO

MeO2C

I O

VinylMgBr, [nBu3PCuI]4,THF, HMPA, -45 °C tort, 3 h, 54%

O

MeO

MeO2C

MeO2C

pTsOH, Glykol,PhMe, Rf, 3 h O

OO

O

(i) BH3-THF(ii) H2O2, NaOH, H2O,THF, 0 to 50 °C, 3 h

MeO2C

O

OO

O

OH MsCl, NEt3, Et2O,0 °C to Rt, 3 h

MeO2C

O

OO

O

OMs

Danishefsky et al., J. Am. Chem. Soc. 1981, 4136: Synthese des Naturstoffs Quadron 149

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Modul "Organische Chemie": Übungsaufgaben

O

O

MeO2C

BrLiBr, Aceton, Rf, 6 h NaOMe, MeOH, 0 °C,2 h, 47% (2 Schritte)

Br

MeO2C

O

OTBS

OtBu, TiCl4, DCM, -78°C to Rt, 40 min

Br

MeO2C

O

H

CO2(H, tBu)

HCl, H2O, Dioxan,Rf, 90 min Br

O

H

CO2H

CH2N2, DCM,74% (3 Stufen)

Danishefsky et al., J. Am. Chem. Soc. 1981, 4136: Synthese des Naturstoffs Quadron 150

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Modul "Organische Chemie": Übungsaufgaben

Danishefsky et al., J. Am. Chem. Soc. 1981, 4136: Synthese des Naturstoffs Quadron 151

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Modul "Organische Chemie": Übungsaufgaben

Danishefsky et al., J. Am. Chem. Soc. 1981, 4136: Synthese des Naturstoffs Quadron

H

CO2H

O

KOH, MeOH, Rf,90 min, quant

PhSeCl, EtOAc, Rt, 3 h

H

CO2H

O

PhSe H2O2, Pyridin, DCM,78% (2 Stufen)

CO2H

O

(i) LDA; (ii) H2CO, THF,-23 °C, 80 min, 60%

CO2H

O

HO

H2, Pd/C,MeOH, Rt, 1 h

152

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Modul "Organische Chemie": Übungsaufgaben

Danishefsky et al., J. Am. Chem. Soc. 1981, 4136: Synthese des Naturstoffs Quadron

ein Sesquiterpenoid

Man verfasse eine Tabelle, aus der hervorgeht, welche funktionellen Gruppen mit den Reagenzien nicht reagieren.

153

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-1.014

-0.782

-0.643

-0.562-0.506

-0.307

+0.243

+0.587+0.621+0.640

+0.846+0.892

0

LUMO

Grenzorbitale

DF, 4

HGC

*

BE, 3

A

2

1 http://csi.chemie.tu-darmstadt.de/ak/immel

H

H

H

He1

e2

e3

HOMO

LUMO: lowest unoccupied molecular orbital

HOMO: highest occupied molecular orbital

Grenzorbitale, reaktivitätsbestimmend!

Beide können SOMOs sein (singly occupied MOs).

Energie der MOs:

E.-Diff. zw. - und *-MOs

> E.-Diff. zw. - und *-MOs

E. der MOs steigt mit steigender Zahl von Knotenflächen.

Für weitere Reihung Rechnung nötig.

Anhang: MO-Diagramme

154

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www.ch.ic.ac.uk/vchemlib/course/mo_theory/main.html

bindend

antibindend

E

Benzol: LCAO zu -MOen (dargestellte Resonanzenergiedifferenzen nicht exakt)

entartet

entartet

Anhang: MO-Diagramme

155

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www.ch.ic.ac.uk/vchemlib/course/mo_theory/main.html

Cyclopentadienid: LCAO zu -MOen (dargest. Resonanzenergiedifferenzen nicht exakt)

entartet

entartet

antibindend

bindend

E

Anhang: MO-Diagramme

156

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Frost-Musulin-Diagramm zur Konstruktion der MO-Energieniveaus: Carbozyklischen Aromaten "auf die Spitze stellen", Atome auf Kreis mit dem Radius 2 (: Resonanzintegral, im Diagramm auch Einheit der Resonanzenergie E) zeichnen.

E []

E []

2 antibindende MOe

3 antibindende MOe

3 bindende MOe

3 bindende MOe

Cyclo-pentadienid

Benzol

E(k) = 2 cos(2k/n) mit k = 0, 1, ..., n1 (Hückel, 1931)

J. Chem. Phys. 1953, 51, 572-573

Anhang: MO-Diagramme

157

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Basis der Frost-Musulin-Diagramme

Resonanzenergien der MOe carbozyklischer -Systeme:

E(k) = 2 cos(2k/n) mit k = 0, 1, ..., n1 (Hückel, 1931)

n=6:

E(k) = 2 cos(k/3)

eingesetzt:

E(0) = 2 cos(0) = 2

E(1) = E(5) =

E(2) = E(4) = +

E(3) = 2 cos() = +2

Resonanzintegral : Maß für die Stärke bindender Wechselwirkung zweier AOe; negativ bei konstruktiver Überlappung

n=5:

E(k) = 2 cos(2k/5)

eingesetzt:

E(0) = 2 cos(0) = 2

E(1) = E(4) = 2 cos(2/5) = 0.618

E(2) = E(3) = 2 cos(4/5) = +1.618

Anhang: MO-Diagramme

158

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By the way: Frost-Musulin-Diagramm unter Annahme von n+2 virtuellen Atomen auch konstruierbar für offenkettige Kohlenstoffsysteme mit n Atomen:

E(k) = 2 cos[(k+1)/(n+1)] mit k = 0, 1, ..., n-1

Allyl (-kation, -radikal oder -anion)

1,3-Butadien

J. Chem. Phys. 1953, 51, 572-573

Anhang: MO-Diagramme

159

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HOMO

LUMOLUMO

HOMO

Korrelationsdiagramm der Diels-Alder-Reaktion Butadien + Ethen

1, 2

1*, 2

*

*

Anhang: MO-Diagramme

160

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Definition der Gibbs-Energie: G = H ‒ TS

Gibbs-Helmholtz-Gleichung: ∆G = ∆H ‒ T·∆S

Reaktionsenthalpie ∆rH: Reaktionswärme bei konstantem Druck∆rH < 0: Reaktion exotherm

Reaktionsentropie ∆rS: Änderung des Ordnungszustands ∆rS > 0: Zahl der Teilchen nimmt zu (z. B.)

Freie Reaktionsenthalpie ∆rG(T): Reaktion immer exergonisch (∆rG(T) < 0), wenn ∆rH < 0 und ∆rS > 0.

Josiah Willard Gibbs (1839-1903)

Hermann von Helmholtz (1821-1894)

Anhang

161

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Anhang: Definition ∆rG

: LaufzahlVeränderung um d bedeutet, dass ad Mole A und bd Mole B zu cdMolen C und dd Molen D reagiert haben.

∆rG ist definiert als partielle Ableitung der Freien Enthalpie G nach der Laufzahl wenn p, T konstant.

∆rG < 0: Reaktion exergonisch (von links nach rechts) ∆rG > 0: Reaktion endergonisch (von rechts nach links)∆rG = 0: Reaktion im Gleichgewicht

aus: "Atkins"dnJ = Jdmit und

Chemisches Potential J= partielle molare Freie EnthalpieJ: Stöchiometrischer Faktor aus

Reaktionsgleichung (für Edukte negativ, für Produkte positiv)

162

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Anhang: Stöchiometrische Faktoren als Exponenten in der Gleichgewichtskonstante

aus: "Atkins"

Ideale Gasmischung A, B, C, D:

∆rG0 = (c∆fGC,0 + d∆fGD,0) ‒ (a∆fGA,0 + b∆fGB,0)

Die Molare Freie Standardreaktionsenthalpie ∆rG0 ist die Differenz der stöchiometrisch gewichteten Summe der Molaren Freien Standardbildungsenthalpien ∆fG0 der Produkte, minus der der Edukte.

∆rG = c(∆fGC,0 + RT ln pC) + d(∆fGD,0 + RT ln pD) ‒ a(∆fGA,0 + RT ln pA) ‒ b(∆fGB,0 + RT ln pB)

= ∆rG0 + RT(c ln pC + d ln pD ‒ a ln pA ‒ b ln pB)

= ∆rG0 + RT(ln pCc + ln pD

d ‒ ln pAa ‒ ln pB

b)

= ∆rG0 + RT ln (pCcpD

d /pAapB

b) = ∆rG0 + RT ln Q

pA: Partialdruck der Komponente A, usw.

∆rG zu Reaktionsbeginn 0

im Gleichgewicht: ∆rG = 0 und Reaktionsquotient Q= Gleichgewichtskonstante Kp

163

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Anhang

Freie Enthalpie (= Gibbs-Energie) im idealen Einkomponenten-Gas:

G = H - TS = U + pV - TS

=> [mit dU = dq + dw = TdS - pdV (Def. Entropie, Volumenarbeit)]

dG = TdS - pdV + Vdp + pdV - (TdS + SdT) = Vdp - SdT

Änderung der Freien Enthalpie im idealen Gas veränderlicher Zusammensetzung:

dG = Vdp - SdT + (idni)

bei konst. Temperatur und konst. Gesamtdruck (dp, dT = 0):

dG = (idni), wobei jeweils Partialdruck-abh. ist!

164

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Molares Volumen Vm = V/n = dV/dn = RT/p

Molare Freie Enthalpie Gm = G/n = dG/dn

Teilung durch n (= 1. Ableitung nach n wg. V = Vmn und G = Gmn):

Änderung von G bei Druckerhöhung im Einkomponentengas (T konstant):

G: Freie Enthalpie pi: Anfangsdruckpf: Enddruck V: Volumen

Anhang: ∆rG bei einem Gas

165