Skript zur Vorlesung
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Organische Chemie I<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 1
Organisatorisches<br />
• Kontakt: Felix H. Schacher (Jun.‐Prof.)<br />
IOMC, Lessingstr. 8, Raum 122<br />
Email: felix.schacher@uni‐jena.de<br />
• Termine: <strong>Vorlesung</strong>: Freitag 12‐14 Uhr<br />
Hörsaal, Humboldtstraße 8<br />
Seminar: Dienstag 14‐16 Uhr SR 3<br />
Donnerstag 14‐16 Uhr SR 2<br />
(jeweils Humboldtstraße 8)<br />
Klausur: 30.08.2013 08‐10 Uhr<br />
Nachklausur – 02.10.2012 10‐12 Uhr<br />
(jeweils HS, Humboldtstraße 8)<br />
• <strong>Skript</strong>: http://www.uni‐jena.de/Lehre_page_163713.html<br />
Organische Chemie I (Lehramt) (C‐LA‐I)<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 2
Organisatorisches ‐ Termine<br />
12.04.2013 Einleitung<br />
19.04.2013 Alkane I<br />
26.04.2013 Alkane II Gäste<br />
03.05.2013 Halogenalkane<br />
10.05.2013 entfällt<br />
17.05.2013 Stereoisomerie<br />
24.05.2013 entfällt<br />
31.05.2013 Alkene<br />
07.06.2013 Alkine<br />
14.06.2013 Aromaten I<br />
21.06.2013 Aromaten II<br />
28.06.2012 Alkohole Dies academicus bis 13:00<br />
05.07.2012 Ether<br />
12.07.2012 Amine<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 3
Bücher<br />
Vollhardt<br />
89,90 €<br />
Wollrab<br />
59,95 €<br />
Winter<br />
19,95 €<br />
Hart<br />
55,00 €<br />
Latscha<br />
34,95 €<br />
Brückner<br />
75,00 €<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 4
Begriff: Organische Chemie<br />
18. Jahrhundert: Isolierung von Reinstoffen<br />
1769: Weinsäure<br />
1773: Harnstoff<br />
1806: erstmalig „Organische Chemie“ für Stoffe aus Organismen<br />
Jakob Berzelius („vis vitalis“)<br />
1828: Synthese von Harnstoff aus Ammoniumcyanat<br />
Friedrich Wöhler<br />
„Paragdigmenwechsel“<br />
1800‐1882<br />
http://wikipedia.org<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 5
Begriff: Organische Chemie + Jena<br />
Friedlieb Ferdinand Runge<br />
Studium Medizin + Chemie (u.a. Jena)<br />
Promotion 1819 (Jena)<br />
Beschreibung von:<br />
1794‐1867<br />
Phenol<br />
Bakelit<br />
Anilin<br />
Koffein<br />
http://wikipedia.org<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 6
Organische Chemie heute<br />
„Verbindungen, die Kohlenstoff enthalten“<br />
Medikamente<br />
Lebensmittel‐<br />
Zusatzstoffe<br />
Kunststoffe<br />
Farbstoffe<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 7
Periodensystem der Elemente<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 8
Chemische Bindung<br />
Atombindung<br />
Das bindende Elektronenpaar<br />
ist nicht gleichmäßig zwischen<br />
den Atomen verteilt<br />
unsymmetrische Bindung<br />
ein Dipol liegt vor<br />
Unpolar<br />
ΔEN = 0<br />
Polar<br />
ΔEN = 0 ... 1,7<br />
Die Bindungspolarisation wird<br />
durch δ+ und δ‐ symbolisiert<br />
(Partialladungen).<br />
Beispiele<br />
• Wasserstoff<br />
EN=2,1<br />
• Methan<br />
H<br />
EN=2,1<br />
H<br />
C<br />
H<br />
H<br />
EN=2,5<br />
• Sauerstoff<br />
EN=3,5<br />
• Chlormethan<br />
H<br />
EN=3,0<br />
H<br />
C<br />
Cl<br />
H<br />
EN=2,5<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 9
Darstellung organischer Moleküle<br />
• Die Summenformel gibt die Anzahl der verschiedenen Atome im Molekül an.<br />
• Die Strukturformel gibt an, wie die Atome miteinander verbunden sind.<br />
LEWIS‐Formeln (Valenzstrichformeln)<br />
Schreibweise <strong>zur</strong> Darstellung organischer Moleküle.<br />
Regeln zum Aufstellen von LEWIS‐Formeln:<br />
1. Zeichnen des Molekülgerüstes<br />
2. Ermittlung der Anzahl der Valenzelektronen<br />
3. Aufteilen der Bindungselektronen(‐paare) nach Oktettregel<br />
4. Ermitteln der Formalladungen<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 10
Darstellung organischer Moleküle<br />
Summen‐<br />
Formel<br />
LEWIS‐Formel<br />
(Valenzstrich‐Formel)<br />
Skelett‐Formel<br />
Name<br />
Methan<br />
Ethen<br />
Protonierter<br />
Acetaldehyd<br />
n‐Propanol<br />
typische Elemente<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 11
Weitere Begriffe<br />
• Struktur ... jegliche Ordnung (Organisation) von Teilchen, z.B. Atomen<br />
Moleküle ... sind aus Atomen aufgebaut<br />
Verbindung ... besteht aus der gleichen Sorte von Molekülen<br />
• Formel ... beschreibt die Zusammensetzung nach Art und Anzahl der Atome im<br />
Molekül (Summenformel) bzw. gibt an, wie die Atome im Molekül<br />
untereinander verbunden sind (Strukturformel bzw. Konstitutionsformel)<br />
Skelettformel ... verkürzte Darstellung organischer Moleküle<br />
• Konstitutionsisomere ... besitzen die gleiche Summenformel, aber unterschiedliche<br />
Strukturformeln<br />
Beispiel:<br />
C 2 H 6 O<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 12
Molekülorbitale<br />
a) ‐Orbitale<br />
Durch „Endüberlappung“ zweier einfach besetzter Atomorbitale.<br />
Die Elektronendichte ist auf der Kernverbindungsachse lokalisiert.<br />
‐Bindung<br />
H–H H–C C–C C–Cl<br />
b) ‐Orbitale<br />
Durch seitliche Überlappung<br />
zweier einfach besetzter Atomorbitale.<br />
Die Elektronendichte ist<br />
ober‐ und unterhalb der<br />
Kernverbindungsachse lokalisiert.<br />
‐Bindung<br />
Pearson Studium, P. Bruice, Organische Chemie, 5. Aufl., 2007<br />
C=C<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 13
Hybridisierung<br />
• Kohlenstoff besitzt im Grundzustand die Elektronenkonfiguration<br />
1s 2 , 2s 2 , 2p 2 .<br />
• Von den 4 Valenzelektronen liegen 2 als Elektronenpaar<br />
(2s 2 ) und 2 frei (ungepaart, 2p 2 ) vor.<br />
Theoretisch wäre Kohlenstoff zweibindig –<br />
mit einem Bindungswinkel von 90°...<br />
Oktettregel könnte nicht erfüllt werden!<br />
Experimentell: Kohlenstoff ist vierbindig! (z. B. Methan, Bindungswinkel = 109°)<br />
Methan: Stab‐, Kugel‐Stab‐ und Kalottenmodell<br />
Lösung: HYBRIDISIERUNG<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 14
Hybridisierung<br />
a) sp 3 ‐Orbitale<br />
Durch Hybridisierung eines s‐ und dreier p‐Orbitale entstehen vier<br />
sp 3 ‐Hybridorbitale.<br />
Ein sp 3 ‐Orbital ist energieärmer als ein p‐Orbital, aber energiereicher<br />
als ein s‐Orbital.<br />
Hybridorbitale gleicher Art sind entartet (energetisch gleichartig)!<br />
Pearson Studium, P. Bruice, Organische Chemie, 5. Aufl., 2007<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 15
Hybridisierung<br />
b) sp 2 ‐Orbitale<br />
Durch Hybridisierung eines s‐<br />
und zweier p‐Orbitale entstehen<br />
drei sp 2 ‐Hybridorbitale.<br />
c) sp‐Orbitale<br />
Durch Hybridisierung eines s‐<br />
und eines p‐Orbitales entstehen<br />
zwei sp‐Hybridorbitale.<br />
Pearson Studium, P. Bruice, Organische Chemie, 5. Aufl., 2007<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 16
Hybridisierung – Bindungsmodelle<br />
Kohlenstoff : Einfachbindung<br />
154 pm<br />
Ethan (C 2 H 6 )<br />
Kohlenstoff: Doppelbindung<br />
Ethen (C 2 H 4 )<br />
134 pm<br />
Breitmaier/Jung, Organische Chemie, 4. Auflage 2001<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 17
Hybridisierung<br />
Kohlenstoff : Dreifachbindung<br />
• Überlappung zweier sp‐Hybridorbitale und zweimal zwei p‐Orbitalen.<br />
Ethin (C 2 H 2 )<br />
120 pm<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 18
Hybridisierung<br />
Zusammenfassung: Bindungstypen zwischen Kohlenstoffatomen<br />
Bindung<br />
Bindende Orbitale sp 3 sp 2 , p z sp, p y , p z<br />
Bindungstyp + z + y + z<br />
Winkel zw. den Bindungen 109,5° 120° 180°<br />
Bindungslängen [pm] 154 134 120<br />
Bindungsenergie [kJ*mol ‐1 ] 331 620 812<br />
freie Drehbarkeit um C‐C ja nein nein<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 19
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 20
Mesomerie<br />
Der Begriff Mesomerie (Resonanz) wird angewendet, wenn eine<br />
chemische Struktur (Molekül, Übergangszustand) nicht durch eine einzige<br />
Valenzstrichformel (LEWIS‐Formel) –in diesem Falle auch Grenzformel<br />
oder Grenzstruktur genannt – befriedigend beschrieben werden kann.<br />
• Es existieren zwei oder mehrere Strukturen eines Moleküls oder Ions mit identischer<br />
Atom‐, aber unterschiedlicher Elektronenanordnung (NICHT Struktur).<br />
• Der verwendete Mesomeriepfeil (↔) ist KEIN Gleichgewichtspfeil ( )!<br />
Mesomere Grenzstrukturen stehen in keinem chemischen Gleichgewichtsverhältnis.<br />
RESONANZSTRUKTUREN MÜSSEN GÜLTIGE LEWIS‐STRUKTUREN SEIN!<br />
Beispiel:<br />
! Da Resonanzformeln hypothetischer Natur sind, lassen sich die<br />
ihnen entsprechenden Spezies weder beobachten noch isolieren!<br />
2-<br />
O<br />
O<br />
O<br />
Resonanzhybrid<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 21
Mesomerie<br />
Regeln für Resonanzformeln bei Nicht‐Equivalenten Grenzformen:<br />
1. Größtmögliche Anzahl von Elektronenoktetts<br />
2. Negative Ladungen am Atom mit der größten, positive<br />
Ladungen am Atom mit der geringsten EN<br />
3. Möglichst geringe Ladungstrennung<br />
4. Oktettregel kann Ladungstrennung erzwingen<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 22
Klassifizierung organischer Verbindungen<br />
a) Nach dem MOLEKÜLGERÜST (acyclisch, carbocyclisch, heterocyclisch).<br />
b) Nach FUNKTIONELLEN GRUPPEN.<br />
Funktionelle Gruppen (FG) sind Atome oder Gruppen von Atomen, die das<br />
chemische Verhalten organischer Verbindungen prägen und bei chemischen<br />
Umsetzungen (Reaktionen) eine Schlüsselfunktion einnehmen.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 23
Klassifizierung organischer Verbindungen<br />
• Funktionelle Gruppen, die Teil des Grundgerüstes sind:<br />
Verbindungsklasse<br />
Struktur<br />
Konkretes<br />
Beispiel<br />
Name<br />
Alkan CH 3 ‐CH 3 Ethan<br />
Alken CH 2 =CH 2 Ethylen<br />
Alkin HCCH Acetylen<br />
Aren<br />
Toluen<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 24
Klassifizierung organischer Verbindungen<br />
• Funktionelle Gruppen, die Sauerstoff oder Stickstoff enthalten:<br />
Verbindungsklasse Struktur Konkretes Beispiel Name<br />
Alkohole CH 3 CH 2 OH Ethanol<br />
C OH<br />
primäre Amine CH 3 CH 2 NH 2 Ethylamin<br />
C NH 2<br />
Ether CH 3 CH 2 OCH 2 CH 3 Diethylether<br />
C O C<br />
O<br />
C H<br />
Aldehyde CH 2 =O Formaldehyd<br />
Ketone<br />
O<br />
C<br />
O<br />
H 3 C C CH 3<br />
Aceton<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 25
Klassifizierung organischer Verbindungen<br />
• Funktionelle Gruppen, die Sauerstoff und / oder Stickstoff enthalten:<br />
Verbindungsklasse Struktur Konkretes Beispiel Name<br />
Carbonsäure<br />
O<br />
C OH<br />
O<br />
H 3 C C OH<br />
Essigsäure<br />
Carbonsäureester<br />
O<br />
C O<br />
C<br />
O<br />
H 3 C C O<br />
CH 2 CH 3<br />
Ethylacetat<br />
primäres<br />
Carbonsäureamid<br />
O<br />
C NH 2<br />
O<br />
H C NH 2<br />
Formamid<br />
Carbonsäurechlorid<br />
O<br />
C Cl<br />
O<br />
H 3 C C Cl<br />
Acetylchlorid<br />
Nitril<br />
C N<br />
H 2 C<br />
C<br />
C N<br />
Acrylnitril<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 26
Oxidationsstufen<br />
Regeln <strong>zur</strong> Bestimmung der Oxidationszahlen:<br />
1) Die Bindungselektronen eines jeden Atoms werden dem<br />
elektronegativeren Bindungspartner zugeordnet.<br />
2) Besitzen beide Bindungspartner die gleiche Elektronegativität, so<br />
werden jedem die Hälfte der Bindungselektronen zugeordnet. Damit<br />
erhalten die Atome einer C‐C‐Bindung immer den Wert Null (0).<br />
3) Anschließend wird die Ladung des betreffenden Atoms ermittelt. Sie<br />
wird als Oxidationszahl mit römischen Ziffern angegeben; negative<br />
Oxidationszahlen erhalten ein Minus‐Vorzeichen, positive ein Plus‐<br />
Vorzeichen.<br />
4) Hilfsregel: Fluor hat immer –I, Sauerstoff –II und Wasserstoff +I<br />
Wichtige Elektronegativitätswerte:<br />
C: 2.5 H: 2.1 O: 3.5 N: 3.0 Cl: 3.0<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 27
Reaktionen, Kinetik, Thermodynamik<br />
Organisch‐Chemische Reaktionen können meist einem von<br />
sieben Hauptreaktionstypen zugeordnet werden:<br />
• ADDITION<br />
• ELIMINIERUNG<br />
• SUBSTITUTION<br />
A + B C<br />
C A + B<br />
A‐B + C A‐C + B<br />
• KONDENSATION A + B C + D D ... kleines Molekül (H 2 O o. HX)<br />
• UMLAGERUNG<br />
• ISOMERISIERUNG<br />
• REDOXREAKTION<br />
A B<br />
A B<br />
A B<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 28
Reaktionsmechanismus<br />
Als Reaktionsmechanismus bezeichnet man die genaue Abfolge aller<br />
Elementarschritte innerhalb einer chemischen Reaktion, d.h. die Abfolge in der bei<br />
der Umwandlung des Eduktes in das Produkt Bindungen gebrochen und neu geknüpft werden.<br />
Beispiel:<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 29
Reaktive Zwischenstufen<br />
• In der organischen Chemie treten häufig reaktive Zwischenstufen auf.<br />
• Diese sind i.d.R. nicht isolierbar, jedoch nachweisbar (Spektroskopie).<br />
• Reaktive Zwischenstufen können zu ungewünschten Nebenreaktionen führen.<br />
Häufige reaktive Zwischenstufen:<br />
a) Carbokationen z.B. R 3 C +<br />
b) Carbanionen z.B. R 3 C: ‐<br />
c) Radikale z.B. •CR 3<br />
d) Carbene z.B. :CR 2<br />
e) Radikal‐Ionen z.B. (R 2 C=O•) ‐<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 30
Reaktive Zwischenstufen<br />
Hybridisierung reaktiver Zwischenstufen:<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 31
Carbokationen (Carbeniumionen)<br />
• Carbeniumionen besitzen an einem C‐Atom eine positive Ladung (R 3 C + )<br />
(6 statt 8 Valenzelektronen).<br />
• Trigonale, planare Struktur (sp 2 ‐hybridisiertes Kation).<br />
• Stabilisierung durch +I‐Effekt von Alkylgruppen (Elektronen‐Donoren), Hyperkonjugation<br />
(Delokalisierung von Bindungselektronen) und mesomere Effekte.<br />
• Carbokationen werden gebildet durch:<br />
• S N 1‐Reaktionen<br />
• Zerfall von Diazonium‐Ionen<br />
• Addition eines Protons an z.B. Alkene<br />
• Folgereaktionen von Carbokationen:<br />
• Reaktionen mit einem Nucleophil (S N 1)<br />
• Abspaltung eines Protons (E1)<br />
• Umlagerungen<br />
• Anlagerung an eine Mehrfachbindung<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 32
Carbokationen (Carbeniumionen)<br />
Hyperkonjugation<br />
STABILITÄT von Carbokationen:<br />
methyl < primär primär >> sekundär > tertiär > allyl > benzyl<br />
Volhardt/Schore, Organische Chemie, 4. Auflage, 2006<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 33
Carbanionen<br />
• Carbanionen besitzen an einem C‐Atom eine negative Ladung (R 3 C: ‐ )(Elektronenoktett).<br />
• Tetraedrische Struktur (sp 3 ‐hybridisiertes Anion).<br />
• Carbanionen werden gebildet durch:<br />
• Deprotonierung (Verhalten als Säure) durch starke Basen<br />
(z.B. BuLi, NaNH 2 )<br />
• Entfernung einer positiven Abgangsgruppe (z.B. R‐Li)<br />
• Folgereaktionen von Carbanionen:<br />
• Abspaltung einer negativen Abgangsgruppe (z.B. X ‐ )<br />
Bildung von Mehrfachbindungen (E1)<br />
• Reaktion mit einem Elektrophil<br />
STABILITÄT von Carbanionen:<br />
methyl > primär > sekundär > tertiär<br />
ACIDITÄT von Kohlenwasserstoffen:<br />
Alkane < Alkene < Alkine<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 34
Radikale<br />
• Radikale sind Teilchen mit einem oder mehreren ungepaarten Elektronen (•CR 3 ).<br />
• Fast planare Struktur.<br />
• Stabilisierung durch +I‐Effekt, Hyperkonjugation (Alkylradikale) und Mesomerie (Allyl‐,<br />
Benzyl‐ und Phenylradikale).<br />
• Schwächere Stabilisierung durch Alkylsubstituenten als bei Carbeniumionen.<br />
• Radikale werden gebildet durch homolytische Spaltung von C‐H‐, C‐C‐ oder C‐X‐Bindungen.<br />
Hyperkonjugation<br />
STABILITÄT von Radikalen:<br />
methyl < primär < sekundär < tertiär<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 35
Carbene<br />
• Carbene sind Teilchen mit einem neutralen, zweibindigen C‐Atom (:CR 2 )<br />
(Elektronensextett).<br />
• Zwei elektronische Zustände sind möglich:<br />
Singulett‐ und Triplett‐Carben‐Struktur.<br />
Beispiel: Carben (Methylen) aus<br />
Diazomethan.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 36
Radikalionen<br />
• Bei vielen Verbindungen ist es möglich, unter hochenergetischen Bedingungen ein<br />
Elektron zu entfernen bzw. hinzuzufügen.<br />
Beispiel: Alkenradikal‐Kation<br />
Beispiel: Ketylradikal‐Anion<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 37
2. Alkane<br />
2.1. Allgemeines<br />
2.2. Nomenklatur + Konstitutionsisomerie<br />
2.3. Konformationsisomerie<br />
2.4. Industrielle Bedeutung<br />
2.5. Synthetische Darstellung<br />
2.6. Reaktionen der Alkane<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 1
2.1. Allgemeines<br />
• Kohlenwasserstoffe bestehen nur aus den Elementen Kohlenstoff und Wasserstoff.<br />
Alkane sind Kohlenwasserstoffe, die nur Einfachbindungen enthalten<br />
(gesättigte KW).<br />
• C‐Atome in Alkanen sind sp 3 ‐hybridisiert.<br />
Hybridisierung<br />
Einteilung:<br />
Alkane<br />
geradkettig<br />
verzweigt<br />
• Alkane besitzen die allgemeine Summelformel:<br />
C n H 2n+2<br />
• Die homologe Reihe der Alkane ergibt sich ausgehend von Methan (CH 4 ) durch<br />
den Einschub von CH 2 ‐Gruppen.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 2
2.1. Allgemeines<br />
n<br />
Name<br />
Summenformel<br />
(C n H 2n+2 )<br />
Kurzschreibweise<br />
(kondensierte Formel)<br />
Smp.<br />
(°C)<br />
1 Methan CH4 CH4 ‐184 ‐164<br />
2 Ethan C2H6 CH3‐CH3 ‐183 ‐ 95<br />
3 Propan C3H8 CH3‐CH2‐CH3 ‐190 ‐ 45<br />
4 n‐Butan C4H10 CH3‐CH2‐CH2‐CH3 ‐135 ‐ 0,5<br />
Sdp.<br />
(°C)<br />
gasförmig<br />
5 n‐Pentan C5H12 CH3‐(CH2)3‐CH3 ‐131 + 36<br />
6 n‐Hexan C6H14 CH3‐(CH2)4‐CH3 ‐ 94 + 69<br />
7 n‐Heptan C7H16 CH3‐(CH2)5‐CH3 ‐ 90 + 98<br />
8 n‐Octan C8H18 CH3‐(CH2)6‐CH3 ‐ 57 +126<br />
9 n‐Nonan C9H20 CH3‐(CH2)7‐CH3 ‐ 54 +150<br />
10 n‐Decan C10H22 CH3‐(CH2)8‐CH3 ‐ 32 +173<br />
11 n‐Undecan C11H24 CH3‐(CH2)9‐CH3 ‐ 26 +196<br />
flüssig<br />
12 n‐Dodecan C12H26 CH3‐(CH2)10‐CH3 ‐ 12 +216<br />
15 n‐Pentadecan C15H32 CH3‐(CH2)13‐CH3 +10 +270<br />
18 n‐Octadecan C18H38 CH3‐(CH2)16‐CH3 +28 +308<br />
20 n‐Eicosan C20H42 CH3‐(CH2)18‐CH3 +37 ‐<br />
30 n‐Triacontan C30H62 CH3‐(CH2)28‐CH3 +66 ‐<br />
fest<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 3
2.1. Allgemeines<br />
Kettenlänge und physikalische Eigenschaften<br />
• Mit zunehmender Kettenlänge steigen die Siedepunkte (steigende Van‐der‐Waals‐<br />
Wechselwirkungen).<br />
• Verzweigte Alkane besitzen einen geringeren Siedepunkt als unverzweigte gleicher<br />
C‐Anzahl (geringere Kontaktfläche).<br />
• Mit zunehmender Kettenlänge steigen ebenso (fast immer) die Schmelzpunkte.<br />
• Die Schmelzpunkte der (benachbarten) geradzahligen Alkane liegen leicht über den<br />
der ungeradzahligen Alkane (weniger dichte Packung).<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 4
2.2. Nomenklatur + Konstitutionsisomerie<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 5
2.2.1. Konstitutionsisomerie<br />
• Ab Butan (C 4 H 10 ) sind mehrere Strukturen = Konstitutionsisomere möglich.<br />
Konstitutionsisomere besitzen die gleiche Summenformel, jedoch<br />
unterschiedliche Atomverknüpfungen. Sie unterscheiden sich in ihren<br />
physikalischen Eigenschaften.<br />
Beispiel:<br />
C 4 H 10<br />
n‐Butan<br />
Isobutan oder<br />
Methylpropan<br />
C 5 H 12<br />
n‐Pentan Isopentan Neopentan<br />
• C 4 H 10 1 Stellungsisomer; C 10 H 22 75 Isomere; C 15 H 32 4347 Isomere.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 6
2.2.2. Nomenklatur<br />
Primäre, sekundäre, tertiäre und quartäre Kohlenstoffatome<br />
Ebenso existieren<br />
primäre, sekundäre<br />
und tertiäre<br />
Wasserstoffatome!<br />
Trivialnamen für verzweigte Alkane<br />
CH 3<br />
H 3 C C<br />
H<br />
CH 3<br />
H 3 C C CH 2<br />
H<br />
H<br />
H 3 C C<br />
CH 2 CH 3<br />
H 3 C<br />
CH 3<br />
C<br />
CH 3<br />
Isopropyl-<br />
tert.-Butyl-<br />
sek.-Butyl-<br />
Isobutyl-<br />
CH 3<br />
H 3 C C CH 2<br />
H<br />
CH 2<br />
H 3 C<br />
CH 3<br />
C CH 2<br />
CH 3<br />
Isopentyl-<br />
Neopentyl-<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 7
2.2.2. Nomenklatur<br />
Nomenklatur von Alkanen –Beispiel 1<br />
Regeln (unverzweigte Seitenketten)<br />
1) Benennung und Nummerierung der längsten Kohlenstoffkette (Hauptkette),<br />
wobei die Durchnummerierung an dem Kettenende beginnt, so dass die Stellungen<br />
der Seitenketten möglichst kleine Zahlen erhalten. Tridecan<br />
2) Seitenketten (Substituenten) benennen, alphabetisch ordnen und dem<br />
Stammnamen voranstellen; anstatt der Endung „–an“wird die Endung „–yl“<br />
verwendet. Ethyl, Methyl, Propyl<br />
3) Anzahl der gleichen Seitenketten ermitteln und mit griechischem Zahlwort<br />
dem betreffenden Seitenkettennamen voranstellen. Ethyl, Dimethyl, Propyl<br />
(haben keinen Einfluss auf die alphabetische Reihenfolge)<br />
4) Nummer, die die Stellung der Seitenkette bezeichnet, festlegen. 4‐Ethyl<br />
ERGEBNIS: 4‐Ethyl‐8,8‐dimethyl‐5‐propyl‐tridecan<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 8
2.2.2. Nomenklatur<br />
Nomenklatur von Alkanen –Beispiel 2<br />
Regeln (verzweigte Seitenketten)<br />
1) Hauptkette Heptan<br />
2) Angabe der Seitenkettenverknüpfung 4‐(<br />
3) Zahl des Kohlenstoffs angeben, an dem sich die Verzweigung in der Seitenkette<br />
befindet. 4‐(1‐<br />
4) Den Namen des Alkylrests in der Verzweigung der Seitenkette benennen .<br />
4‐(1‐Methyl<br />
5) Die vermeintliche Haupkette in der Seitekette ebenfalls als Alkylrest anfügen.<br />
4‐(1‐Methylethyl)<br />
ERGEBNIS: 4‐(1‐Methylethyl)heptan<br />
Trivialname: 4‐Isopropylheptan<br />
Merke: Systematische Namen werden nach IUPAC bevorzugt!<br />
Zu einer Struktur können mehrere Namen existieren, zu einem Namen jedoch immer nur eine Struktur!<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 9
2.3. Konformationsisomerie<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 10
2.3. Konformationsisomerie<br />
Konformationsisomere – Rotamere –sind Stereoisomere, die sich schon<br />
durch die Drehung von Einfachbindungen ineinander überführen lassen.<br />
Beispiel: Ethan<br />
Darstellung:<br />
Newman‐Projektion<br />
s. auch: Keilstrich‐ und Sägebock‐Projektion<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 11
2.3. Konformationsisomerie<br />
Beispiel: Ethan<br />
• Rotation entlang C‐C‐Bindung.<br />
• Gestaffelte und verdeckte<br />
Konformation.<br />
verdeckte Konformation<br />
gestaffelte Konformation<br />
Energie‐Diagramm:<br />
• Übergangszustände (TS)<br />
• Aktivierungsenergie gering (12 kJ/mol)<br />
Rotation läuft sehr schnell ab bei Raumtemperatur (RT).<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 12
2.3. Konformationsisomerie<br />
Beispiel: n‐Butan<br />
• Betrachtung entlang C 2 ‐C 3 ‐Achse.<br />
• Mehrere gestaffelte und verdeckte Konformationen.<br />
verdeckte Konformationen<br />
gestaffelte Konformationen<br />
Energie‐Diagramm:<br />
anti<br />
gauche<br />
gauche<br />
anti<br />
‐ gauche‐WW<br />
• Anti‐Konformer am stabilsten, gauche‐Konformationen ungünstiger (4 kJ/mol).<br />
• Rotation durch die größeren Methylgruppen erschwert (gegenüber Ethan).<br />
• In Lösung bei 25°C (RT): 80 % anti‐ und 20 % gauche Konformation.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 13
2.4. Industrielle Bedeutung<br />
• Aus Erdgas (vorwiegend C 1 bis C 4 ‐Alkane) und Erdöl (vorwiegend höhere Alkane).<br />
• Isomerenfreie Gewinnung nur für kurzkettige Alkane (< C5).<br />
• Langkettige Alkane erfordern synthetische Herstellung.<br />
• Thermisches „Cracken“ (trockene Destillation, Pyrolyse):<br />
• Bei 470‐510 °C und 20‐50 bar radikalische Spaltung von Bindungen.<br />
• Spaltprodukte: Alkane und Alkene<br />
Verwendung:<br />
Raffinerie Leuna<br />
Fraktion Siedebereich (°C) C n Verwendung<br />
Gasfraktion < 40 C 1 ‐C 6 Treibstoff, Heizgas<br />
(Erdgas), Treibgas<br />
Petrolether 30‐60 C 5 ‐C 6 Lösungsmittel, Benzin<br />
Ligroin 60‐100 C 6 ‐C 7 Kfz‐Benzin<br />
Gasolin 40‐200 C 5 ‐C 10 Kfz‐Benzin<br />
Kerosin 180‐230 C 11 ‐C 12 Düsentreibstoff<br />
Gasöl (Heizöl) 230‐300 C 13 ‐C 17 Diesel<br />
Schmieröle 300‐400 C 20 ‐C 30 Schmierstoffe<br />
Paraffinwachs 400‐500 C 20 ‐C 30 Vaseline<br />
Asphalt > 500 Polycyclen Teer<br />
http://www.greenpeace.de/typo3temp/GB/c6ecc16801.jpg<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 14
2.4. Industrielle Bedeutung<br />
• Aus Kohle: „Kohleverflüssigung“ (BERGIUS‐Verfahren, katalytische Hydrierung)<br />
Leuna‐Werke: 1936‐1940… Wasserstoff / Katalysator / 450 bar<br />
• FISCHER‐TROPSCH‐Verfahren: Synthesegas (aus Kohlevergasung) wird katalytisch<br />
zu Kohlenwasserstoffen (Benzin, Diesel, Heizöl, Aromaten) und Wasser umgesetzt.<br />
(2n+1) H 2 + n CO C n H 2n+2 + n H 2 O<br />
Synthetisches Benzin<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 15
2.5. Synthetische Darstellung<br />
• Katalytische Hydrierung von Alkenen:<br />
• Reduktion von Halogenalkanen (Alkylhalogeniden) durch:<br />
• Hydrolyse von GRIGNARD‐Verbindungen:<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 16
2.5. Synthetische Darstellung<br />
• Umsetzung mit Zink und Säure:<br />
• Umsetzung mit Metallhydriden:<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 17
2.5. Synthetische Darstellung<br />
• Alkylierung metallorganischer Verbindungen:<br />
• WURTZ‐Synthese:<br />
• Alkylierung von GRIGNARD‐Verbindungen:<br />
• Zur Darstellung unsymmetrischer Alkane.<br />
• KOLBE‐Elektrolyse:<br />
• Natrium‐, Kalium‐ und Calciumsalze von Carbonsäuren<br />
Oxidation Decarboxylierung Dimerisierung<br />
Carboxylat Carboxyradikal Alkylradikal Alkan<br />
Salz einer Carbonsäure<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 18
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 19
2.6. Reaktionen der Alkane<br />
• Allgemein sind Alkane wenig reaktiv! keine funktionellen Gruppen<br />
• Keine Reaktion mit Mineralsäuren, Basen, Oxidations‐ und Reduktionsmitteln.<br />
• Bei höheren Temperaturen Oxidation und Halogenierung möglich!<br />
Trivialname Paraffin –lat. parum affinis = wenig geneigt<br />
Beispiel Erdöl: Moleküle liegen seit Millionen Jahren chemisch unverändert vor.<br />
Alkane gehen Redoxreaktionen ein (besonders mit Sauerstoff und Halogenen),<br />
da der Kohlenstoff in stark reduziertem Zustand vorliegt .<br />
(z.B.: Methan –Oxidationszahl C = ‐IV)<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 20
2.6.1. Oxidationen<br />
a) Vollständige Oxidation (Verbrennung)<br />
• Exotherme Reaktion mit radikalischem Kettenmechanismus.<br />
• Verbrennungsenthalpie Δ H ~ ∑ Bindungsenergien (Edukte) – ∑ Bindungsenergien<br />
(Produkte)<br />
CH 4 + 2 O 2 CO 2<br />
+<br />
2<br />
H 2 O<br />
Δ H = ‐883 kJ/mol<br />
2 C 2 H 6 + 7 O 2<br />
4 CO 2<br />
+ 6<br />
H 2 O<br />
Δ H = ‐1542 kJ/mol<br />
• Bindungsenergien: C‐H 413 kJ/mol<br />
(Dissoziationsenergien) O‐O 498 kJ/mol<br />
muss aufgewendet werden<br />
C=O<br />
O‐H<br />
803 kJ/mol<br />
463 kJ/mol<br />
wird frei<br />
Beispiel : Δ H Methan (theor.) = 4 • 413 + 2 • 498 –2 • 803 –4 • 463 = ‐810 kJ/mol<br />
• Jede CH 2 ‐Gruppe steuert etwa 650 kJ/mol <strong>zur</strong> totalen Verbrennungsenergie bei.<br />
• Verbrennungswärmen für viele organische Verbindungen experimentell ermittelt<br />
( Kalorimetrie) und tabelliert.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 21
2.6.1. Oxidationen<br />
b) Partielle Oxidation<br />
• Unvollständige Verbrennung (bei Sauerstoffmangel) unter Bildung von Alkenen,<br />
Alkinen oder Kohlenstoff:<br />
• Dehydrierung bei Sauerstoffmangel.<br />
• Katalytische Oxidation durch Wasser:<br />
c) Autoxidation<br />
• n‐Alkane neigen kaum <strong>zur</strong> Autoxidation.<br />
• Antioxidantien (Inhibitoren) verhindern Autoxidation verzweigter Alkane.<br />
• Antioxidantien: HI, Phenole, aromatische Amine, Organoschwefelverbindungen.<br />
Methylpropan<br />
tert‐Butylhydroperoxid<br />
Radikalstabilität<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 22
2.6.2. Halogenierungen<br />
d) Photohalogenierung<br />
• Aktivierung durch Licht (hν) und Temperatur (> 300°C), Peroxide als Initiatoren.<br />
Beispiel:<br />
Radikalischer Prozess<br />
• Mehrfache Halogenierung möglich (z.B. CH 3 Cl, CH 2 Cl 2 , CHCl 3 , CCl 4 )<br />
Reaktivität: F 2 >> Cl 2 > Br 2 >>> I 2<br />
• FCKW ... Fluorchlorkohlenwasserstoffe<br />
• Früher: Verwendung als Kühlflüssigkeit.<br />
• Katalytische Zersetzung von Ozon in der Ozonschicht heute: verboten<br />
• Chlorierung bei moderaten Temperaturen (< 100°C) möglich:<br />
Sulfurylchlorid<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 23
2.6.2. Halogenierungen<br />
e) Photosulfochlorierung<br />
• Reaktion mit Schwefeldioxid und Chlor in Gegenwart von Basen.<br />
Alkansulfonsäurechlorid<br />
Alkansulfonsäure<br />
• Langkettige Alkansulfonsäuren (z.B. C 18 ) als Waschmittel (Detergentien) wichtig .<br />
• Einsatz als (Natrium)Salz (anionisches Tensid).<br />
hydrophob<br />
Alkylkette<br />
Sulfonat<br />
hydrophil<br />
• Unter drastischen Bedingungen möglich.<br />
http://www.tgs‐chemie.de/waschm2.gif<br />
Nitroalkan<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 24<br />
http://p3.focus.de/img/gen/V/d/HBVdtUxz_Pxgen_r_311xA.jpg
2.6.3. Radikalische Substitution<br />
Herstellung von Halogenalkanen<br />
• Wichtigste Methode <strong>zur</strong> Synthese von Halogenalkanen.<br />
Beispiel:<br />
Herstellung von Radikalen:<br />
Homolytische Bindungsspaltung<br />
• thermische Spaltung<br />
• photochemische Bindungsspaltung (Voraussetzung: Absorption von Strahlung)<br />
• Verbindungen mit niedriger Bindungsdissoziationsenergie werden oft als<br />
INITIATOREN (Radikalstarter) eingesetzt.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 25
2.6.3. Radikalische Substitution ‐ Mechanismus<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 26
2.6.3. Radikalische Substitution<br />
Energetischer Reaktionsverlauf<br />
Geschwindigkeitsbestimmender<br />
Schritt<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 27
2.6.4. Reaktionsenthalpie<br />
H R = zugeführte Energie ‐ freigesetzte Energie<br />
= H° (aufgebrochene Bindungen) ‐ H° (neugebildete Bindungen)<br />
Negativer Wert = exothermer Prozess, positiver Wert = endothermer Prozess<br />
Hilfsmittel:<br />
Bindungsdissoziationsenthalpien in kJ/mol (A‐B → A . + B . ) (C‐H, C‐X = Methan)<br />
F‐F 159,0<br />
Cl‐Cl 242,4<br />
Br‐Br 192,5<br />
C‐C<br />
154 pm<br />
C=C<br />
134 pm<br />
CC<br />
121 pm<br />
346 C‐F 460 H‐F 565<br />
602 C‐Cl 356 H‐Cl 431<br />
836 C‐Br 297 H‐Br 364<br />
I‐I 150,5 C‐H 440 C‐I 239 H‐I 297<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 28
2.6.4. Reaktionsenthalpie<br />
Reaktivitätsvergleich zwischen den Halogenen<br />
Enthalpien der Kettenfortpflanzungsschritte<br />
bei der Halogenierung von Methan (kJ/mol)<br />
F Cl Br I<br />
-125,4<br />
+8,4<br />
+75,2<br />
+142,1<br />
-305,1<br />
-112,9<br />
-104,5<br />
-87,8<br />
-426 -104,1 -28,5 +54,5<br />
Fluor ist am reaktivsten.<br />
Die radikalische Iodierung von Methan ist endotherm.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 29
2.6.5. Selektivität<br />
• Bei der Bildung der Produkte spielen statistische und thermodynamische Faktoren eine<br />
Rolle.<br />
• Erwartetes Verhältnis: 3 : 1<br />
• Erwartetes Verhältnis der Reaktivität<br />
der C‐H‐Bindungen: weniger reaktiv : reaktiver<br />
• Experimentelles Verhältnis bei 25°C: 43 : 57<br />
• Experimentelles Verhältnis bei 600°C: 3 : 1<br />
• RELATIVE REAKTIVITÄT: 1 : 4<br />
Radikalstabilität tertiär > sekundär > primär 5 : 4 : 1<br />
Zunahme der Radikalstabilität, Abnahme der C‐H‐Bindungsstärke<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 30
2.6.5. Selektivität<br />
Wasserstoffabspaltung durch ein Chloratom an einem sekundären C‐Atom ist<br />
stärker exotherm und erfolgt schneller als an einem primären C‐Atom!<br />
‐ 20.9 kJ/mol<br />
‐ 35.6 kJ/mol<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 31
2.6.5. Selektivität + Reaktivität<br />
• Selektivität bei der Halogenierung von Alkanen FLUOR vs. BROM<br />
RCH 2 -H R 2 CH-H R 3 C-H<br />
F-Radikal (25 °C, Gas) 1 1,2 1,4<br />
Cl-Radikal (25 °C, Gas) 1 4 5<br />
Br-Radikal (98 °C, Gas) 1 250 6300<br />
Br-Radikal (150 °C, Gas) 1 80 1700<br />
Bei chemischen Reaktionen sind immer Reaktivität UND Selektivität zu betrachten!<br />
Volhardt/Schore, Organische Chemie, 4. Auflage, 2006<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 32
3. Cycloalkane<br />
• Cycloalkane enthalten eine oder mehrere gesättigte, ringförmige Kohlenstoffketten.<br />
Einteilung:<br />
Cycloalkane<br />
Cycloaliphaten<br />
(Alicyclen, Carbocyclen)<br />
Polycyclen<br />
• Cycloaliphaten (Alicyclen, Carbocyclen):<br />
• besitzen unsubstituiert die allgemeine Summenformel:<br />
• werden wie die entsprechenden Alkane,<br />
jedoch mit der Vorsilbe Cyclo‐,benannt (homologe Reihe).<br />
C n H 2n<br />
Cyclohexan = wichtige Struktureinheit in der organischen Chemie!<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 1
Cycloalkane<br />
• Beispiele für die Nomenklatur substituierter Cycloalkane:<br />
CH 3 CH2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 H 5 C 2 CH 3<br />
Methylcyclohexan 1-Cyclobutylpentan 1-Ethyl-3-methylcyclopentan<br />
• Polycyclen :<br />
• werden nach ihrer Verknüpfungsart unterteilt:<br />
c ‐ Brückenkopfatome<br />
• können mehrere verbundene Ringe enthalten (Bicyclo‐, Tricyclo‐, ...)<br />
• Benennung: ‐ Anzahl der Ring‐C‐Atome (Stammalkan)<br />
‐ Anzahl der C‐Atome zwischen den Brückenkopfatomen<br />
‐ beginnend mit der Nummerierung der längsten Brücke<br />
2<br />
1<br />
Bicyclo[4.1.0]heptan<br />
Bicyclo[4.4.0]decan<br />
Decalin<br />
5 6<br />
Bicyclo[4.2.0]octan<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 2
Eigenschaften<br />
• Vergleich offenkettiger und cyclischer Alkane:<br />
T in °C<br />
150<br />
100<br />
50<br />
Siedepunkt<br />
Cycloalkane<br />
offenkettige Alkane<br />
0<br />
-50<br />
2 4 6 8 Schmelzpunkt<br />
-100<br />
-150<br />
-200<br />
C-Zahl<br />
Offenkettige und cyclische Alkane weisen grundsätzlich ähnliche physikalische<br />
Eigenschaften auf!<br />
Cycloalkane besitzen höhere Dichten, Schmelz‐ und Siedepunkte.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 3
Ringspannung<br />
• Offenkettige Alkane in gestaffelter Konformation besitzen optimale (spannungsfreie)<br />
Bindungswinkel (Tetraederwinkel = 109°).<br />
Beispiel: Ethan<br />
• Die Konformation kleiner Ringe wird durch die RINGSPANNUNG beinflusst!<br />
• Winkelspannung (BAEYER‐Spannung): Abweichung vom Tetraederwinkel.<br />
• Ekliptische Spannung (PITZER‐Spannung): WW benachbarter H‐Atome an<br />
kleinen Ringen (bis 5‐Ring)<br />
• Transannulare Spannung (PRELOG‐Spannung): WW nicht benachbarter<br />
H‐Atome in großen Ringen (7‐ bis 12‐Ring)<br />
Beispiele:<br />
Energetisch ungünstige Konformation(en)<br />
Ringspannung 6‐Ring < 5‐Ring < 4‐Ring < 3‐Ring<br />
Die Ringspannung bedingt die gegebenenfalls abweichende<br />
Reaktivität gegenüber offenkettigen Alkanen.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 4
Ringspannung + Verbrennungswärme<br />
• Bei der Verbrennung von Cycloalkanen wird mehr Wärme frei als theoretisch erwartet<br />
Indiz auf Ringspannung!<br />
• Offenkettige Alkane: ΔH verb ~ n • ‐658 kJ/mol<br />
RINGSPANNUNG: Differenz zwischen theoretischer und experimenteller<br />
Verbrennungswärme.<br />
kleine Ringe<br />
„normale“ Ringe<br />
mittlere Ringe<br />
große Ringe<br />
C‐Zahl<br />
(n)<br />
ΔH verb<br />
(kJ/mol)<br />
Ringspannung<br />
(kJ/mol)<br />
Spannung pro CH 2<br />
‐<br />
Gruppe(kJ/mol)<br />
3 ‐2090 115 39<br />
4 ‐2742 110 28<br />
5 ‐3317 27 5<br />
6 ‐3948 0.5 0<br />
7 ‐4632 27 4<br />
8 ‐5305 42 5<br />
9 ‐5975 54 6<br />
10 ‐6630 50 5<br />
11 ‐7281 44 4<br />
12 ‐7905 10 1<br />
14 ‐9210 1 0<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 5
Cyclopropan<br />
Struktur<br />
Orbitaldarstellung<br />
schlechtere<br />
Überlappung<br />
„Bananen‐Bindung“<br />
• Elektronendichte liegt nicht auf der “Trimethylenradikal”<br />
Kernverbindungsachse.<br />
• Geringere Molekülorbital‐Überlappung<br />
• Dissoziationsenergie C‐C: 272 kJ/mol (Ethan: 377 kJ/mol)<br />
Cyclopropan<br />
Erhöhte Reaktivität der gespannten C‐C‐Bindung!<br />
Ringöffnungs‐Reaktionen:<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 6
Cyclopropan<br />
Ausgewählte Dreiring‐Synthesen<br />
[2+1] Cycloaddition von Carbenen an C‐C‐Mehrfachbindungen<br />
• Stereospezifische Reaktion.<br />
• Relative Konfiguration am C bleibt erhalten.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 7
Cyclobutan<br />
Struktur<br />
• Besitzt ebenfalls<br />
gebogene Bindungen,<br />
jedoch mit geringerer<br />
Ringspannung als im<br />
Cyclopropan.<br />
•Verringerung der Ringspannung<br />
(ekliptische Spannung)<br />
durch „Hochklappen“ einer Ecke.<br />
• Sehr schnelles Umklappen zwischen<br />
den nichtplanaren Strukturen.<br />
• Dissoziationsenergie C‐C: 264 kJ/mol<br />
Erhöhte Reaktivität der gespannten C‐C‐Bindung!<br />
(aber weniger reaktiv als Cyclopropan)<br />
Ringöffnungs‐Reaktionen:<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 8<br />
*Bei disubstituierten Cycloalkanen.
Cyclobutan<br />
Ausgewählte Vierring‐Synthesen<br />
[2+2] Cycloaddition<br />
• PHOTOcycloaddition von Alkenen.<br />
• Mit elektronenziehenden Substituenten auch thermisch möglich.<br />
C<br />
C<br />
C<br />
C<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 9
Cyclopentan<br />
• C‐C‐Bindungswinkel im Cyclopentan<br />
nahezu ideal.<br />
• 5‐Ring jedoch nicht planar, da 10<br />
ungünstige ekliptische WW.<br />
• Ring faltet sich (Erhöhung der<br />
Winkelspannung), aber energetisch<br />
günstiger.<br />
Struktur<br />
• Zwei gefaltete Strukturen: Envelope‐ (Briefumschlag‐) und Halbsesselform.<br />
geringer Energieunterschied,<br />
kleine Aktivierungsenergie<br />
• Cyclopentan‐Molekül ist wenig gespannt und lässt sich nicht durch Erhitzen<br />
zerstören oder zu Pentan hydrieren.<br />
• Disubstituierte Cyclopentane zeigen cis/trans‐Isomerie.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 10
Cyclopentan<br />
Ausgewählte Fünfring‐Synthesen<br />
DIECKMANN‐Esterkondensation<br />
• Reaktion von Adipinsäurediethylester in Gegenwart von Basen.<br />
Doppelte Alkylierung von Malonsäurediestern<br />
• Siehe Cyclopropan!<br />
• Umsetzung mit 1,5‐Dihalogenalkanen.<br />
Ringerweiterungen oder Ringverengungen<br />
• Z.B. Ringöffung von Vinylcyclopropanen.<br />
Lithiumalkoholate<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 11
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 12
Cyclohexan<br />
Ebene Struktur<br />
(hypothetisch)<br />
VS.<br />
Sessel‐<br />
Konformation<br />
• Alle C‐Atome in einer Ebene.<br />
• C‐C‐Bindungswinkel: 120°<br />
(6‐fache Winkelspannung)<br />
• 12 ekliptisch stehende Wasserstoffatome.<br />
• C‐Atome 1 und 4 entgegengesetzt aus der<br />
Ebene geklappt ( Sessel)<br />
• Nahezu ideale Bindungswinkel.<br />
• Gestaffelte Stellung der Wasserstoffatome.<br />
Frei von Winkel‐ und ekliptischer Spannung –<br />
In Übereinstimmung mit der Verbrennungswärme!<br />
Cyclohexan ist so inert wie ein normales Alkan!<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 13
Cyclohexan<br />
NEWMAN‐Projektion<br />
Gestaffelte<br />
Stellung der<br />
H‐Atome.<br />
Weitere Konformationen des Cyclohexanrings<br />
Energie<br />
• Neben der Sesselform existieren noch<br />
mehrere energetisch ungünstigere<br />
Konformationen.<br />
• Sessel (1)<br />
• Twist‐Formen (3) (5)<br />
• Wanne (4)<br />
• Halbsessel (2)<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 14<br />
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Cyclohexane_universe.png
Cyclohexan<br />
Wannen‐Konformation des Cyclohexans<br />
• C‐Atome 1 und 4 ragen<br />
auf der selben Seite aus<br />
der Ebene.<br />
• 27,2 kJ/mol<br />
energiereicher als die<br />
Sesselform.<br />
• Sehr geringer Abstand<br />
zwischen Wasserstoffen<br />
an C1 und C4 <br />
transannulare Spannung.<br />
transannulare Spannung<br />
Twist‐Konformation des Cyclohexans<br />
• Verdrillung der beweglichen Wannenform führt zu etwas<br />
stabilerer Konformation (6,3 kJ/mol).<br />
• Weniger WW zwischen den inneren Wasserstoffatomen.<br />
Halbsessel‐Konformation des Cyclohexans<br />
• Energiereichste Konformation des Cyclohexans.<br />
• Als Übergangszustand beim Umklappen aus der Sesselform.<br />
• Aktivierungsenergie: 45,2 kJ/mol.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 15
Cyclohexan<br />
Konformationsanalyse des Cyclohexans<br />
Cyclohexan liegt hauptsächlich in der Sesselform und nur sehr wenig in der Twistform vor.<br />
Wannenform und Halbsesselform sind nicht isolierbare Übergangsstrukturen.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 16
Axiale + Äquatoriale Substituenten<br />
‐ Axial = parallel <strong>zur</strong> Drehachse<br />
‐ Äquatorial = senkrecht <strong>zur</strong> Drehachse<br />
‐ Mono‐substituierte Cyclohexane: 1 Isomer (Axial / Äquatorial)<br />
‐ Di‐substituierte Cyclohexane: cis/trans‐Isomerie<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 17<br />
http://www.chemieseite.de/organisch/img/cyclohexan3d.png
Axiale + Äquatoriale Substituenten<br />
Y – Substituent<br />
Y steht anti<br />
Y steht gauche<br />
Große Substituenten bevorzugen äquatoriale Position!<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 18
Cis/Trans<br />
• Cis/trans‐Isomere sind Stereoisomere (geometrische Isomere), die sich in ihrer relativen<br />
Konfiguration unterscheiden.<br />
• Sie besitzen die gleiche Reihenfolge von Atomen und Bindungen (= gleiche Konstitution).<br />
• Die räumliche Anordnung der gebundenen Atome und Gruppen unterscheidet sich jedoch!<br />
Bindungen müssen aufgebrochen und neu formiert werden, um die beiden Isomere<br />
ineinander zu überführen (im Gegensatz <strong>zur</strong> Konformation).<br />
Substituenten liegen auf der gleichen Seite der Referenzebene = cis = Z.<br />
Substituenten liegen auf gegenüberliegenden Seiten der Referenzebene = trans = E.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 19
Synthese<br />
Ausgewählte Sechsring‐Synthesen<br />
[4+2] Cycloadditon – DIELS‐ALDER‐Reaktion<br />
• Vielseitig anwendbare Addition eines (elektronenarmen) Alkens (Dienophil)<br />
an ein (elektronenreiches) 1,3‐Dien unter Bildung eines Cyclohexens (Addukt).<br />
• Reaktion läuft unter Konfigurationserhalt (cis cis, trans trans) ab.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 20
Vorkommen + Verwendung<br />
Früher: Verwendung als Narkosegas (Gemisch mit Sauerstoff).<br />
Nur Verwendung von Cyclobutanon (Ringsynthesen) und<br />
Cyclobuten (Polymerisationen)<br />
Gewinnung aus Erdöl, Verwendung als Lösungsmittel.<br />
Gewinnung aus Erdöl (meist Benzen), Verwendung als<br />
Lösungsmittel und als Ausgangsstoff für viele organische Synthesen.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 21
Vorkommen + Verwendung<br />
Campher ‐ Lokalanästhetikum<br />
Menthol – ätherische Öle<br />
Gonan – Grundgerüst der Steroide<br />
Me<br />
OH<br />
H<br />
H H<br />
HO<br />
Estradiol – weibliches Sexualhormon<br />
Cholesterol ‐ Lipid<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 22
4. Stereoisomerie<br />
! Diastereomer<br />
hier: allg. alle<br />
Stereosiomere,<br />
die keine<br />
Enantiomere sind!<br />
http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Isomerism‐ball‐de.svg<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 1
3. Stereoisomerie<br />
… andere Darstellungsmöglichkeit:<br />
ISOMERE<br />
Konstitutionsisomere<br />
Stereoisomere<br />
Konfigurationsisomer<br />
Strukturisomere<br />
Stellungsisomere<br />
cis/trans‐<br />
Isomere<br />
(∏‐Diastereomere)<br />
Enantiomere*<br />
Diastereomere #<br />
Konformere<br />
(Rotamere)<br />
*Bedingung: Vorhandensein eines asymmetrischen Zentrums (chirales C‐Atom).<br />
#<br />
Diastereomer hier: Molekül mit mehreren asymmetrischen Zentren<br />
(auch: chirales Diastereomer).<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 2
3. Stereoisomerie<br />
… noch eine andere Darstellungsmöglichkeit:<br />
Kategorie Variante Gemeinsamkeiten Unterschiede<br />
Überführung durch<br />
Lösen von Bindg.<br />
Konstitutionsisomere Summenformel Struktur Ja<br />
Stereoisomere<br />
Konfigurationsisomere<br />
Diastereomere<br />
Enantiomere<br />
Summenformel<br />
+<br />
Struktur<br />
Räumliche<br />
Anordnung<br />
Räumliche<br />
Anordnung, aber<br />
wie Bild u.<br />
Spiegelbild<br />
Ja<br />
Ja<br />
Konformere<br />
Räumliche Stellung<br />
Nein<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 3
Isomerie ‐ Begriffe<br />
Konstitutionsisomerie<br />
Konstitutionsisomere besitzen die selbe Summenformel aber<br />
unterscheiden sich in ihrer Konstitution (= Verknüpfung der Atome<br />
untereinander, verschiedene Konnektivität).<br />
Beispiele:<br />
OH<br />
1‐Propanol<br />
2‐Propanol<br />
Methyl‐ethylether<br />
Siedepunkt:<br />
97 °C<br />
82 °C<br />
8 °C<br />
Oxidation:<br />
zum Aldehyd<br />
zum Keton<br />
keine Reaktion<br />
Konstitutionsisomere besitzen unterschiedliche physikalische<br />
und chemische Eigenschaften!<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 4
Isomerie ‐ Begriffe<br />
Tautomerie<br />
Tautomere sind Isomere, die durch Wanderung einzelner Atome<br />
oder Atomgruppen schnell ineinander übergehen. Sie stehen in<br />
einem chemischen Gleichgewicht zueinander.<br />
• Eine Isolierung der Tautomere ist oft nicht möglich (schnelles Gleichgewicht).<br />
• Wandernde Gruppe häufig ein Proton (Prototropie) oder einwertige Anionen (Cl ‐ , OH ‐ ,<br />
AcO ‐ ; Anionotropie).<br />
• Zwischen den Tautomeren steht ein (Reaktions)doppelpfeil! (Nicht mit Mesomerie<br />
verwechseln!)<br />
Keto‐Enol‐Tautomerie<br />
Oxo‐Cyclo‐Tautomerie<br />
• Weitere Formen: u.a. Keto‐Endiol‐, Imin‐Enamin‐, Lactam‐Lactim‐Tautomerie.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 5
Isomerie ‐ Begriffe<br />
Stereoisomerie<br />
Stereoisomere besitzen die gleiche Summenformel und<br />
Konnektivität, unterscheiden sich jedoch in der räumlichen<br />
Anordnung der Substituenten.<br />
A) Konformationsisomere<br />
• Durch Drehung um Einfachbindungen ineinander überführbar.<br />
• Rotationsbarriere (ausreichend hohe E A ) führt zu Konformeren (Rotameren).<br />
B) Konfigurationsisomere<br />
• Räumliche Anordnung der Atome lässt sich NICHT durch Rotation um<br />
Einfachbindungen ineinander umwandeln!<br />
• Einteilung in Enantiomere und (chirale) Diastereomere.<br />
• (cis/trans‐Isomere zählen ebenfalls zu den Konfigurationsisomeren).<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 6
Isomerie ‐ Begriffe<br />
Begriffe und Merksätze<br />
Enantiomere sind Stereoisomere, die sich zueinander wie Bild und<br />
Spiegelbild verhalten. Sie haben die gleichen physikalischen und<br />
chemischen Eigenschaften (Schmelzpunkte, Siedepunkte, etc.). Sie<br />
unterscheiden sich nur in ihrer Wechselwirkung mit polarisiertem<br />
Licht ( optische Aktivität)<br />
Diastereomere sind Stereoisomere, die sich nicht wie Bild und<br />
Spiegelbild verhalten. Sie haben unterschiedliche chemische und<br />
physikalische Eigenschaften.<br />
Es gilt:<br />
1. Zwei Stereoisomere können nicht gleichzeitig enantiomer und diastereomer<br />
zueinander sein.<br />
2. Von einem bestimmten Molekül existieren immer nur zwei Enantiomere; es kann<br />
aber mehrere Diastereomere geben.<br />
3. Konfigurationsisomere treten immer bei Molekülen mit mindestens einem<br />
Chiralitätselement auf.<br />
4. Bei Verbindungen mit n Chiralitätselementen existieren insgesamt 2 n Stereoisomere.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 7
Chiralität<br />
Jedes Objekt, das nicht mit seinem Spiegelbild <strong>zur</strong> Deckung gebracht<br />
werden kann ist chiral!<br />
(Ein achirales Objekt hat ein kongruentes Spiegelbild.)<br />
• Es existieren verschiedene Chiralitätselemente (‐arten):<br />
• Chiralitätszentren (chirale C‐Atome)<br />
• Chiralitätsachsen oder Helices<br />
• Chiralitätsebenen<br />
i Louis Pasteur und<br />
die Weinsäurekristalle.<br />
s. auch: http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/12/oc/vlu_organik/stereochemie/weitere_chiralitaetselem.vlu.html<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 8
Chiralität<br />
Beispiel:<br />
Paare von Molekülen, die sich zueinander spiegelbildlich verhalten,<br />
bezeichnet man als ENANTIOMERE.<br />
Ein 1:1 Gemisch beider Enantiomere bezeichnet man als RACEMAT<br />
oder racemisches Gemisch.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 9
Symmetrie<br />
• Um eindeutig festzulegen, ob ein Molekül chiral ist oder nicht, muss die Symmetrie<br />
des Moleküls betrachtet werden!<br />
Symmetriebetrachtungen dienen der Beschreibung der Chiralität!<br />
• Eine Symmetrieoperation bringt ein Molekül mit sich selbst <strong>zur</strong> Deckung.<br />
• Ein Symmetrieelement ist der geometrische Ort an dem die Symmetrieoperation<br />
durchgeführt wird.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 10
Symmetrie<br />
Spiegelebene<br />
Drehachse<br />
H 2 O<br />
Inversionszentrum<br />
Benzol<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 11
Chiralitätszentrum<br />
• Besitzt das betrachtete Molekül eine Symmetrieebene oder ein Symmetriezentrum?<br />
chiral<br />
Chiralitätszentrum<br />
achiral<br />
Besitzt das Molekül weder eine<br />
Symmetrieebene noch ein<br />
Symmetriezentrum, so ist es chiral!<br />
Es besitzt ein Chiralitätszentrum, das chirale<br />
C‐Atom!<br />
Merke:<br />
Ein asymmetrischer/chiraler<br />
Kohlenstoff trägt vier verschiedene<br />
Substituenten!<br />
Er wird mit einem * markiert.<br />
sp 2 ‐ und sp‐hybridisierte Kohlenstoffe sind keine asymmetrischen Kohlenstoffe!<br />
12
Optische Aktivität<br />
• Enantiomere besitzen gleiche Schmelzpunkte, Siedepunkte und Dichten (allg. gleiche<br />
physikalische Eigenschaften), unterscheiden sich jedoch in ihrer Wechselwirkung mit<br />
linear polarisiertem Licht.<br />
Trifft linear polarisiertes Licht auf eine Probe eines (reinen)<br />
Enantiomers, wird dessen Schwingungsebene um einen gewissen<br />
Betrag in eine Richtung (im oder gegen den Uhrzeigersinn) gedreht.<br />
Das andere Enantiomer dreht die Schwingungsebene genau um den<br />
selben Betrag in die entgegengesetzte Richtung.<br />
Aufbau und Wirkungsweise eines Polarimeters:<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 13
Optische Aktivität<br />
a) Drehung im Uhrzeigersinn = rechtsdrehend = (+)‐Enantiomer<br />
b) Drehung entgegen Uhrzeigersinn = linksdrehend = (‐)‐Enantiomer<br />
Messung der optischen Drehung:<br />
[α] = spezifische Drehung<br />
l = Länge der Kuvette<br />
α = Drehwinkel<br />
c = Konzentration der Lösung<br />
T = Temperatur [K]<br />
λ = Wellenlänge des einfallenden Lichts<br />
• Aus dem Drehwinkel einer Mischung beider Enantiomere kann man die<br />
optische Reinheit bestimmen:<br />
• Eine 1:1‐Mischung beider Enantiomere (Racemat) besitzt einen Drehwinkel von 0.<br />
Es ist optisch inaktiv!<br />
Enantiomeren‐Überschuss:<br />
(enantiomeric excess)<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 14
Nomenklatur<br />
• Verwendete Schreibweisen:<br />
• Tetraeder‐Schreibweise<br />
• Keil‐Schreibweise<br />
• FISCHER‐Projektion<br />
• Nomenklaturen:<br />
• D,L‐Nomenklatur (Zucker, Aminosäuren)<br />
RELATIVE Konfiguration<br />
(bezieht sich nur auf die Konfiguration eines asymmetrischen C‐Atoms)<br />
• R,S‐Nomenklatur (Regeln von CAHN, INGOLD und PRELOG CIP‐Regeln)<br />
ABSOLUTE Konfiguration<br />
Absolute Konfiguration kann für jedes asymmetrische C‐Atom bestimmt<br />
werden.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 15
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 16
Nomenklatur<br />
D,L‐Nomenklatur und FISCHER‐Projektion<br />
• Zur Beschreibung der relativen Konfiguration von optisch aktiven Zuckern.<br />
D,L‐Nomenklatur (älteres System)<br />
• Glycerinaldehyd ist der einfachste chirale Zucker.<br />
• 1 asymmetrisches Zentrum 2 Stereoisoemere (Enantiomere)<br />
• Rechtsdrehende Form wurde willkürlich D‐Form genannt,<br />
die linksdrehende heisst L‐Form.<br />
Emil FISCHER<br />
(1852‐1919)<br />
Fischer-Projektion<br />
Keilstrichformel<br />
Fischer-Projektion<br />
Keilstrichformel<br />
H<br />
CHO<br />
OH<br />
CH 2 OH<br />
H<br />
CHO<br />
OH<br />
CH 2 OH<br />
HO<br />
CHO<br />
H<br />
CH 2 OH<br />
HO<br />
CHO<br />
H<br />
CH 2 OH<br />
(R)-(+)-Glycerinaldehyd<br />
[D-(+)-Glycerinaldehyd]<br />
(S)-(+)-Glycerinaldehyd<br />
[L-(+)-Glycerinaldehyd]<br />
• Alle Verbindungen die mit (nicht konfigurationsverändernden) chemischen Reaktionen<br />
in D‐Glycerinaldehyd überführt werden konnten, wurden auch D genannt.<br />
• D und L haben nichts mit der Drehrichtung (+,‐) des polarisierten Lichts zu tun!<br />
17
Nomenklatur<br />
Bestimmung der Zugehörigkeit <strong>zur</strong> D‐ oder L‐Reihe bei Zuckern<br />
vertikale Anordnung der Kohlenstoffkette<br />
am höchsten oxidierte Gruppe steht oben<br />
Bezugssubstanz ist Glycerinaldehyd<br />
Betrachtung der absoluten Konfiguration des am weitesten von der C=O‐Gruppe<br />
entfernt stehenden asymmetrischen C‐Atoms der Zuckerkette:<br />
D‐Form (wie bei D‐Glycerinaldehyd) = OH rechts<br />
L‐Form (wie bei L‐Glycerinaldehyd) = OH links<br />
!Bei Molekülen mit mehreren Stereozentren (= mehrere Stereoisomere – Enantiomere<br />
und Diastereomere) können die einzelnen chiralen C‐Atome nicht nacheinander mit D<br />
oder L benannt werden! Diastereomere erhalten so einzelne Namen!<br />
Beispiel:<br />
!Hexosen besitzen 4 chirale C‐Atome und somit 16 Stereoisomere,<br />
d.h. 8 Enantiomerpaare!<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 18
Absolute Konfiguration<br />
CAHN‐INGOLD‐PRELOG‐Konvention (R,S‐System)<br />
• Bestimmung der absoluten Konfiguration anhand der R,S‐Sequenzregeln:<br />
1. Auffinden der Stereozentren<br />
2. Festlegung der Priorität (Prioritätenreihenfolge der Substituenten, a>b>c>d):<br />
1. Anhand der Ordnungszahl (höhere Ordnungszahl → höhere Priorität)<br />
z. B. I > Br > Cl > S > F > O > N > C > H<br />
2. Bei gleicher Ordnungszahl anhand der Atommasse (→ Isotope)<br />
z. B. T > D > H<br />
3. Bei gleicher Ordnungszahl und Masse anhand der daran gebundenen Atome bzw.<br />
Atomgruppen (2., 3. usw. Sphäre)<br />
• Doppel‐ bzw. Dreifachbindungen zählen als zwei bzw. drei Bindungen<br />
• stereochemische Unterschiede: Z vor E (cis vor trans) und R vor S.<br />
• Rekursives Bestimmen der Prioritäten bis zum Unterschied<br />
3. Darstellung und Bestimmung<br />
• Betrachtung entlang der Achse C‐d<br />
(niedrigste Priorität nach “hinten”)<br />
• Drehrichtung im Uhrzeigersinn → R<br />
• Drehrichtung entgegen Uhrzeigersinn → S<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 19
Absolute Konfiguration<br />
FISCHER‐Projektion und CIP<br />
Kohlenstoffkette wird vertikal geschrieben.<br />
Kohlenstoff mit der höchsten Oxidationszahl wird nach oben geschrieben<br />
(siehe Kohlehydrate und Aminosäuren).<br />
Vertikale Bindungen weisen vom Betrachter weg.<br />
Horizontale Bindungen sind auf den Betrachter gerichtet.<br />
FISCHER‐Projektion bei einem Stereozentrum:<br />
• Drehung um 180° (360°, …) ergibt dasselbe Molekül,<br />
• Drehung um 90° (270°, …) ergibt das zugehörige Enantiomer!<br />
• Eine (drei, fünf, …) Vertauschung(en) von je zwei Substituenten ergibt das Enantiomer!<br />
• Zwei (vier, sechs, …) Vertauschungen von je zwei Substituenten ergeben dasselbe Molekül.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 20
Absolute Konfiguration<br />
FISCHER‐Projektion und doppelter Substituententausch<br />
• Bestimmung der absoluten Konfiguration aus einer FISCHER‐Projektion:<br />
Bestimmung der Reihenfolge der Substituenten (Sequenzregel) a,b,c,d<br />
Austauschen zweier Substituenten, so dass der Substituent mit niedrigster Priorität<br />
(d) oben steht.<br />
Vertauschen eines beliebigen anderen Paares (damit die Konfiguration wieder die<br />
ursprüngliche wird).<br />
a, b, c – im Uhrzeigersinn = R<br />
a, b, c – entgegen Uhrzeigersinn = S<br />
Beispiel:<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 21
Mehrere Stereozentren<br />
• Für n Stereozentren ergeben sich 2 n Stereoisomere.<br />
Beispiel: 2‐Brom‐3‐chlorbutan<br />
• n =2 4 Stereosiomere (RR, RS, SR, SS)<br />
• Jedes Stereoisomer ist das Enantiomer EINES der drei anderen (sein Spiegelbild) und<br />
gleichzeitig das Diastereomer der beiden übrigen.<br />
Zwei Verbindungen sind nur dann Enantiomere, wenn sie an ALLEN<br />
Stereozentren entgegengesetzte Konfiguration haben!<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 22
Mesoverbindungen<br />
• Bei 2 identisch substituierten Chiralitätszentren gibt es nur drei Stereoisomere!<br />
Beispiel: 2,3‐Dibrombutan<br />
• SS und RR sind Enantiomere und somit auch chiral (optisch aktiv).<br />
• SR und RS sind KEINE Enantiomere, da es eine Spiegelebene gibt!<br />
SR und RS sind identisch = achirales meso‐Diastereomer (optisch inaktiv).<br />
Meso‐Verbindungen besitzen eine Spiegelebene, die das eine<br />
Chiralitätszentrum auf das andere abbildet!<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 23
Mesoverbindungen<br />
Beispiel: Weinsäure<br />
Spiegelebene<br />
(2S,3S)‐Weinsäure<br />
D‐(‐)‐Weinsäure<br />
(2R,3R)‐Weinsäure<br />
L‐(+)‐Weinsäure<br />
meso‐Weinsäure<br />
(achiral)<br />
Mehrere Stereozentren – Mesoverbindungen – cyclische Stereosiomere<br />
Beispiel: 1,2‐Dibromcyclobutan<br />
• RR und SS sind Enantiomere<br />
(chiral, optisch aktiv).<br />
• RS = SR (identisch) Spiegelebene<br />
meso‐Form<br />
(achiral, optisch inaktiv).<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 24
Stereochemie bei Reaktionen<br />
Beispiel: radikalische Bromierung von Butan<br />
h<br />
Br 2<br />
Br<br />
+<br />
Br<br />
*<br />
Substitution an C2 ergibt<br />
neues Stereozentrum!<br />
• Das Ersetzen des einen H an C2<br />
gegen Brom ergibt das eine<br />
Enantiomer, der Austausch des<br />
anderen H dessen Spiegelbild.<br />
Die Wasserstoffe an C2 sind ein<br />
enantiotop! (Die Umgebung des<br />
einen H ist genau das Spiegelbild der<br />
Umgebung des anderen).<br />
Racemische Mischung der Produkte!<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 25
Stereochemie bei Reaktionen<br />
Beispiel: radikalische Chlorierung von (S)‐2‐Brombutan<br />
Br<br />
* Cl<br />
(S)<br />
*<br />
2<br />
Substitution an C3 ergibt<br />
zweites Stereozentrum!<br />
h<br />
Br<br />
*<br />
Cl<br />
+ ...<br />
• Das Ersetzen der beiden H von C3<br />
gegen Chlor ergibt die beiden<br />
Diastereomere des 2‐Brom‐3‐<br />
chlorbutans in ungleichen Mengen<br />
aufgrund der Chiralität von C2.<br />
Die Wasserstoffe an C3 sind<br />
diastereotop! (Bei ihrer Substitution<br />
werden Diastereomere gebildet.)<br />
Die Reaktion ist stereoselektiv –<br />
ein Stereoisomer wird bevorzugt!<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 26
Racemat‐Trennung<br />
• Wechselwirkung des Racemats<br />
von X mit enantiomerenreinem Y S<br />
ergibt Diastereomere (Salze,<br />
Amide, …)!<br />
• Diese kann man aufgrund ihrer<br />
unterschiedlichen (physikalischen<br />
und chemischen) Eigenschaften<br />
trennen!<br />
• Abschließend wird Y wieder<br />
abgespalten und die reinen<br />
Enantiomere von X erhalten!<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 27
Chirale Naturstoffe<br />
• In der Natur durch Biosynthese gebildet.<br />
• In der Regel enantiomerenrein!<br />
• Die Gesamtheit chiraler Naturstoffe wird als „chiral pool“ bezeichnet.<br />
Terpene<br />
Alkaloide<br />
HO<br />
Steroide<br />
O<br />
H<br />
O<br />
N<br />
H<br />
O<br />
Kohlenhydrate<br />
H<br />
H<br />
HO<br />
HO<br />
Diosgenin<br />
Menthol<br />
Morphin<br />
Aminosäuren … Bausteine der Peptide und Proteine<br />
Glucose<br />
Alanin<br />
Organische OC I Lehramt Chemie I ‐F. Lehramt H. Schacher ‐ Dr. Walter<br />
28
R ≠ S<br />
• Trotz (fast) identischer physikalischer und chemischer Eigenschaften können Enantiomere<br />
bei der Wechselwirkung mit einem Substrat sehr unterschiedliches Verhalten zeigen:<br />
• Unterschiedlicher Geruch.<br />
• Unterschiedlicher Geschmack.<br />
• Unterschiedliche pharmakologische, biologische Wirkung.<br />
Rezeptor‐Wirkung eines Enzyms<br />
• Substrat passt in die spezifische Bindungsstelle<br />
des Enzyms (Reaktion läuft ab).<br />
SCHLÜSSEL‐SCHLOSS‐PRINZIP<br />
• Substrat passt nicht in die spezifische<br />
Bindungsstelle des Enzyms. Keine Reaktion!<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 29
R ≠ S<br />
Beispiel: Terpene<br />
Beispiel: Ibuprofen<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 30
R ≠ S<br />
Beispiel: Contergan<br />
Wirkstoff<br />
(S)‐Thalidomid<br />
•Teratogen<br />
(Missbildungen)<br />
(R)‐Thalidomid<br />
• Schlafmittel<br />
• Zwischen 1957‐1961 als Schlafmittel an Schwangere verschrieben.<br />
• Über 9000 Kinder mit Missbildungen geboren.<br />
• Ab 1962 verboten.<br />
• In vivo Umwandlung der Enantiomeren ineinander.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 31
Zusammenfassung<br />
Begriffe:<br />
Konstitution<br />
Tautomerie<br />
Stereoisomere<br />
Konformation<br />
Konfiguration<br />
Grundlagen:<br />
Chiralität<br />
Symmetrie<br />
Enantiomere<br />
Diastereomere<br />
Meso‐Verbindungen<br />
Racemat<br />
FISCHER‐Projektion<br />
CIP‐Projektion<br />
Prochiralität (Enantio‐ und<br />
Diastereotopie)<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 32
5. Halogenalkane<br />
• Halogenalkane gehören <strong>zur</strong> Gruppe der Halogenkohlenwasserstoffe (neben<br />
Halogenalkenen und Halogenaromaten).<br />
In Halogenkohlenwasserstoffen ist mindenstens ein Wasserstoffatom durch<br />
ein Halogenatom X (X = F, Cl, Br, I) ersetzt (= funktionelle Gruppe).<br />
• C‐Atome in Halogenalkanen sind sp 3 ‐hybridisiert.<br />
Einteilung:<br />
Halogenalkane<br />
Alkylierungsgrad<br />
Halogenierungsgrad<br />
RCH 2 ‐X primär<br />
R 2 CH‐X sekundär<br />
R 3 C‐X tertiär<br />
vgl. primäre – tertiäre H‐Atome<br />
mono‐, di‐, tri‐, tetra‐, (per‐)substiuiert<br />
Beispiel: chlorierte Methane<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 1
Allgemeines<br />
Bindung und physikalisch‐chemische Eigenschaften<br />
• Aufgrund der polaren C‐X‐Bindung unterscheiden sich Alkane und Halogenalkane<br />
beträchtlich in ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften.<br />
• C‐X‐Bindung:<br />
• C‐X‐Bindungsstärke nimmt mit zunehmender Größe von X ab.<br />
Größere (diffusere) Orbitale führen zu geringerer Überlappung der<br />
Atomorbitale schwächere Bindung!<br />
Wdh. Elektronegativität<br />
• X – höhere Elektronegativität zieht stärker am gemeinsamen Bindungselektronenpaar<br />
polare Atombindung Dipol (resultierendes Dipolmoment)<br />
Bindung<br />
Bindungslänge Bindungsstärke Dipolmoment<br />
[pm]<br />
[kJ/mol]<br />
[D]<br />
δ + δ ‐ C-I 213.9 239 1.29<br />
C-F 138.5 460 1.51<br />
C-Cl 178.4 356 1.56<br />
C-Br 192.9 297 1.48<br />
C-C 154 346 -<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 2
Allgemeines –Atomradien [pm]<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 3
Allgemeines – Siedepunkte<br />
• Konsequenzen – physikalische Eigenschaften:<br />
• Siedepunkte liegen höher als die der entsprechenden Alkane.<br />
Dipol‐Dipol‐WW in flüssiger Phase!<br />
• Siedepunkte steigen mit zunehmender Halogengröße!<br />
Größere molare Masse und stärkere LONDON‐WW (VAN‐DER‐WAALS‐WW)<br />
(höhere Polarisierbarkeit).<br />
δ + δ ‐<br />
••••••<br />
δ + δ ‐<br />
X =<br />
R<br />
H F Cl Br I<br />
CH 3 -161,7 -78,4 -24,2 3,6 42,4<br />
CH 3 CH 2 -88,8 -37,7 12,3 38,4 72,3<br />
CH 3 (CH 2 ) 2 -42,1 -2,5 46,6 71,0 102,5<br />
CH 3 (CH 2 ) 3 -0,5 32,5 78,4 101,6 130,5<br />
CH 3 (CH 2 ) 4 36,1 62,8 107,8 129,6 157,0<br />
CH 3 (CH 2 ) 7 125,7 142,0 182,0 200,3 225,5<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 4
Allgemeines – Eigenschaften<br />
• Konsequenzen – chemische Eigenschaften:<br />
• Positiv polarisiertes Kohlenstoffatom kann durch Anionen oder<br />
elektronenreiche Spezies angegriffen werden.<br />
• Negativ polarisiertes Halogenatom kann durch Kationen oder<br />
elektronenarme Teilchen angegriffen werden. Nucleophile Substitution<br />
Zusammenfassung des Einflusses der Halogengröße:<br />
In der Reihe F, Cl, Br, I (zunehmend diffusere Orbitale) gilt:<br />
1) Stärke der C‐X‐Bindung nimmt ab.<br />
2) Länge der C‐X‐Bindung nimmt zu.<br />
3) Für gleiche Reste R steigen die Siedepunkte.<br />
4) LONDON‐WW gewinnen an Bedeutung.<br />
5) Polarisierbarkeit des Moleküls nimmt zu.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 5
Nomenklatur<br />
• Halogenalkane werden als R‐X abgekürzt (vgl. R‐H für Alkane)<br />
IUPAC: Halogenatome werden wie Alkylgruppen (Substituenten des<br />
Alkangerüstes) behandelt!<br />
• Regeln:1) Längste Alkylkette so nummerieren, dass Substituenten möglichst<br />
niedrige Nummern erhalten.<br />
2) Substituenten werden alphabetisch geordnet.<br />
• Verbreitete (alte) Bezeichnung als Alkylhalogenide!<br />
CH 3 I<br />
Iodmethan<br />
Methyliodid<br />
F<br />
Fluorcyclohexan<br />
Cyclohexylfluorid<br />
CH 3<br />
H 3 C C Br<br />
CH 3<br />
2-Brom-2-methylpropan<br />
tert-Butylbromid<br />
I<br />
H CH 3 2<br />
C C CH 3<br />
H<br />
1-Iod-2-methylpropan<br />
I<br />
C CH 3<br />
H<br />
(1-Iodethyl)cyclooctan<br />
• Trivialnamen für viele halogenhaltige Lösungsmittel:<br />
• Methylenchlorid, Chloroform, Tetrachlorkohlenstoff, ...<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 6
Wichtige Synthesen<br />
• Wichtige Synthesemethoden sind:<br />
a) Radikalische Halogenierung von Alkanen<br />
b) Addition von Halogenwasserstoff an Alkene<br />
c) Addition von Halogenen an Alkene<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 7
d) Addition von Halogenen und Halogenwasserstoff an Diene<br />
e) Addition von Halogenen und Halogenwasserstoff an Alkine<br />
f) Dehydrohalogenierung<br />
g) Radikalische Bromierung in Allylstellung<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 8
Halogenierung von Alkanen<br />
Herstellung von Fluor‐ und Iodalkanen:<br />
• Keine direkte Herstellung durch radikalische Halogenierung von Alkanen!<br />
• Reaktion mit F 2 ist stark exotherm!<br />
• F 2 ist extrem korrodierend und reaktiv.<br />
• Fluorierung mittels anorganischer Fluorverbindungen:<br />
Halogenaustausch:<br />
C n H 2n+2<br />
CoF 3<br />
-HF,CoF 2<br />
C n F 2n+2<br />
• perfluoriert bei<br />
Überschuss an<br />
Fluorierungsmittel<br />
(s. Teflon)<br />
• Iodierungen mit I 2 sind endotherm.<br />
• Einführung von Iod durch Reaktion von Halogenalkanen mit Alkalimetalliodid:<br />
FINKELSTEIN‐Reaktion:<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 9
Nukleophile Substitution<br />
Zwei Mechanismen:<br />
• S N 1 (nucleophile Substitution erster Ordnung)<br />
• S N 2 (nucleophile Substitution zweiter Ordnung)<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 10
Nukleophile Substitution<br />
Wichtige Einflussfaktoren:<br />
• Abgangsgruppe<br />
• Lösungsmittel<br />
• Struktur des Substrats<br />
• Nucleophilie<br />
Nucleophilie hängt von verschiedenen Faktoren ab:<br />
• Ladung<br />
• Basizität<br />
• Lösungsmittel<br />
• Polarisierbarkeit<br />
• Substituenten<br />
? Läuft eine nucleophile Substitution nach einem<br />
Mechanismus erster oder zweiter Ordnung ab?<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 11
Verschiedene Nukleophile<br />
Nucleophil (Nu ‐ )<br />
Produkt (R‐Nu)<br />
Formel Name Formel Name<br />
Sauerstoff HO ‐ Hydroxid R‐OH Alkohol<br />
RO ‐ Alkoxid R‐OR Ether<br />
HOH Wasser<br />
+<br />
R‐OH 2 Alkyloxoniumion<br />
→ R‐OH + H +<br />
R‐OH Alkohol R‐OHR +<br />
→ R‐OR + H +<br />
Stickstoff NH 3 Ammoniak R‐NH 3<br />
+<br />
→ R‐NH 2 + H +<br />
R‐NH 2 primäres Amin R‐NH 2 R +<br />
→ R‐NHR + H +<br />
Dialkyloxoniumion<br />
Alkylammonium‐ion<br />
Dialkylammoniumion<br />
Schwefel HS ‐ Hydrogensulfidion R‐SH Thiol<br />
R‐S ‐ Mercaptidion R‐S‐R Thioether (Sulfid)<br />
Halogen I ‐ Iodid R‐I Alkyliodid<br />
Kohlenstoff<br />
‐ CN Cyanid R‐CN Nitril<br />
‐<br />
R Carbanion R‐R‘ Alkan<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 12
Mechanismus S N 2<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 13
Mechanismus S N 2<br />
Energieprofil des S N 2‐Mechanismus<br />
sp 2 ‐hybridisiertes C‐Atom<br />
sp 3 ‐hybridisiertes C‐Atom<br />
sp 3 ‐hybridisiertes C‐Atom<br />
S N 2 = konzertierter, einstufiger Prozess<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 14
S N 2 – Sterische Aspekte<br />
• Alkylierungsgrad des elektrophilen Kohlenstoffs:<br />
Substrateinfluss<br />
Relative S N 2‐Reaktitvität:<br />
CH 3 > C primär > C sekundär >> C tertiär<br />
schnell langsam sehr langsam keine Reaktion<br />
hier: Halogenmethan > prim. Halogenalkan > sek. Halogenalkan >> tert. Halogenalkan<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 15
S N 2 – Sterische Aspekte<br />
• Verzweigungsgrad des benachbarten Kohlenstoffs:<br />
Substrateinfluss<br />
Relative S N 2‐Reaktitvität des substituierten Kohlenstoffs:<br />
Ethyl > Isopropyl > tert‐Butyl<br />
schnell langsam sehr langsam<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 16
S N 2 – Stereochemie<br />
RÜCKSEITENANGRIFF!<br />
Inversion der Konfiguration am stereogenen Kohlenstoff!<br />
„Walden‐Umkehr“<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 17
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 18
Mechanismus S N 1<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 19
Mechanismus S N 1<br />
Energieprofil des S N 1‐Mechanismus<br />
geschwindigkeitsbestimmend<br />
produktbestimmend<br />
S N 1 = zweistufiger Prozess<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 20
S N 1 ‐ Stereochemie<br />
Nucleophil kann von beiden Seiten angreifen RACEMISIERUNG!<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 21
Eliminierung<br />
Allgemeiner Typus:<br />
C A + B<br />
• Abspaltung zweier Atome oder Gruppen aus einem Molekül (ohne dass andere<br />
Gruppen an ihre Stelle treten) ELIMINIERUNGSREAKTION.<br />
• 1,1‐ oder α‐Eliminierung: beide Gruppen vom selben Atom abgespalten (selten).<br />
• 1,2‐ oder β‐Eliminierung: Gruppen stammen von benachbarten Atomen.<br />
• Ohne Teilnahme anderer Reaktionspartner, in der Regel thermisch (z.B. Esterpyrolyse):<br />
H C C X C C + HX<br />
• Unter Einfluss von Basen oder Lösungsmittel‐Molekülen:<br />
• Kann als Konkurrenzreaktion<br />
<strong>zur</strong> nucleophilen Substitution<br />
auftreten:<br />
Nucleophil fungiert als Base!<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 22
Eliminierungs‐Typen<br />
α‐Eliminierung<br />
β‐Eliminierung<br />
• Eliminierungen lassen sich in mono‐ und bimolekular unterteilen (E1 und E2).<br />
• E1:<br />
• zweistufiger Mechanismus, C α ‐X‐Bindung wird zuerst gelöst<br />
• kationische Zwischenstufe (Carbokation)<br />
• E1cb:<br />
• zweistufiger Mechanismus, C β ‐H‐Bindung wird zuerst gelöst<br />
• anionische Zwischenstufe (Carbanion)<br />
• E2:<br />
• einstufiger, konzertierter Mechanismus, beide Bindungen werden<br />
gleichzeitig gelöst<br />
• keine ionischen Zwischenstufen<br />
H C C X<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 23
Mechanismus E1<br />
Reaktion:<br />
H 2 O<br />
(CH 3 ) 3 COH + HBr<br />
Konkurrenz<br />
S N 1/E1<br />
geschwindigkeitsbestimmend<br />
Mechanismus E2<br />
Reaktion:<br />
(Konkurrenz<br />
S N 2/E2)<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 24
Regioselektivität<br />
• Bei unsymmetrisch substituierten Halogenalkanen kann es zwei möglich Produkte geben:<br />
• SAYTZEFF‐Produkt<br />
höher substituierte Doppelbindung (thermodynamisch kontrolliertes Produkt)<br />
bei sterisch wenig anspruchsvollen Basen und hohen Temperaturen<br />
• HOFMANN‐Produkt<br />
niedriger substituierte Doppelbindung (kinetisch kontrolliertes Produkt)<br />
bei sterisch anspruchsvollen Basen (und elektronegativen Abgangsgruppen)<br />
Beispiel: ungehinderte Base (z.B. Natriumethanolat)<br />
höher substituierter („wasserstoffärmerer“)<br />
Kohlenstoff kann leichter deprotoniert werden<br />
Bildung der internen Doppelbindung bevorzugt<br />
= SAYTZEFF‐Produkt<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 25
Regioselektivität<br />
Beispiel: sterisch anspruchsvolle Base (z.B. Kalium‐tert‐butanolat)<br />
niedriger substituierter („wasserstoffreicherer“) Kohlenstoff kann leichter<br />
deprotoniert werden (leichter für sperrige Base erreichbar)<br />
Bildung der terminalen Doppelbindung bevorzugt = Hoffman‐Produkt<br />
Vergleich: Natriumethanolat Kalium‐tert‐butanolat<br />
Organische Chemie, 4. Auflage, K.P.C, Vollhardt, N.E. Schore<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 26
Regioselektivität<br />
Zusatz‐Beispiel: Produktverteilung bei verschiedenen Abgangsgruppen<br />
Stark elektronegative Abgangsgruppen können <strong>zur</strong> bevorzugten Bildung des<br />
HOFMANN‐Produktes führen.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 27<br />
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/53/Hofmann‐Saytzeff.png
S N vs. E<br />
S N 2, S N 1<br />
-<br />
B:<br />
E1, E2<br />
H<br />
E1, E2<br />
C<br />
C<br />
-<br />
: Nu<br />
L<br />
S N 2, S N 1, E1, E2<br />
Die vier durch Pfeile angedeutenden Reaktionsmöglichkeiten laufen<br />
mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ab.<br />
Wichtigste Einflussfaktoren:<br />
• Nucleophilie / Basenstärke<br />
• Abgangsgruppe<br />
• Lösungsmittel<br />
• Struktur des Substrats<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 28
S N vs. E<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 29
S N 1 vs. S N 2<br />
R‐X + Nu ‐ → R‐Nu + X ‐<br />
R S N 1 S N 2<br />
CH 3<br />
in Lösung nicht beobachtet häufig: rasche Reaktion mit guten<br />
Nucleophilen in aprotischen<br />
Lösungsmitteln und guten<br />
Abgangsgruppen<br />
primär in Lösung nicht beobachtet häufig: rasche Reaktion mit guten<br />
Nucleophilen und guten<br />
Abgangsgruppen: langsam, wenn<br />
Verzweigung an C‐2 von R vorhanden<br />
sekundär<br />
relativ langsam: am besten in polaren, protischen Medien<br />
mit guten Abgangsgruppen und sperrigen Substituenten<br />
relativ langsam: am besten mit guten<br />
Nucleophilen in aprotischen Medien<br />
tertiär<br />
Nucleophilie<br />
Lösungsmittel<br />
häufig: besonders rasch in polaren protischen<br />
Lösungsmitteln und bei sterisch gehinderten R mit guten<br />
Abgangsgruppen<br />
Reaktionsgeschwindigkeit unabhängig von der<br />
Nucleophilkonzentration; Mechanismus für neutrale<br />
Nucleophile wahrscheinlicher<br />
Da die Zwischenstufen Ionen sind, wird die Reaktion durch<br />
polare protische Lösungsmittel beschleunigt<br />
extrem langsam<br />
Reaktionsgeschwindigkeit abhängig<br />
von der Nucleophilkonzentration;<br />
anionische Nucleophile begünstigen den<br />
Mechanismus<br />
Reaktion wird durch polare protische<br />
Lösungsmittel verzögert und durch<br />
polare aprotische Lösungsmittel<br />
beschleunigt<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 30
Nukleophile II<br />
Beurteilung der relativen Stärke oder Schwäche von Nucleophilen<br />
• Anionen sind nucleophiler (bessere Elektronendonoren) als die zugehörigen neutralen<br />
Moleküle HO ‐ > H 2 O, RS ‐ > RSH; RO ‐ > ROH<br />
• Weiter unten im Periodensystem stehende Elemente neigen zu stärkerer Nucleophilie als<br />
die in der gleichen Gruppe darüber befindlichen Elemente HS ‐ > HO ‐ ; I ‐ > Br ‐ > Cl ‐ > F ‐<br />
• Elemente derselben Periode sind in der Regel um so schwächer nucleophil, je elektronegativer<br />
sie sind R 3 C ‐ > R 2 N ‐ > RO ‐ > F ‐ ; H 3 N > H 2 O > HF<br />
MERKE:<br />
Die Nucleophilie wird vom Lösungsmittel (protisch polar oder aprotisch polar) beeinflusst!<br />
Einfluss der Abgangsgruppen<br />
• Gruppen mit gutem Austrittsvermögen (= gute Stabilisierung der negativen Ladung)<br />
reagieren schneller I ‐ > Br ‐ > Cl ‐ > F ‐ (S N 2).<br />
• Das Austrittsvermögen korreliert mit der Basenstärke:<br />
• Je schwächer X ‐ basisch ist, desto besser fungiert es als Abgangsgruppe!<br />
• Bei S N 1 zeigen bessere Abgangsgruppen höhere Solvolysegeschwindigkeiten und somit<br />
eine schnellere Substitution X = ‐ OSO 2 R > I ‐ > Br ‐ ~ OH 2+ > Cl ‐ .<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 31
Basenstärke / Nebenreaktionen<br />
Basenstärke des Nucleophils<br />
Schwache Basen<br />
H 2 O, ROH (nur mit S N 1‐Substraten), PR 3 ,<br />
Halogenide, RS ‐ , N ‐ 3 , NC ‐ , RCOO ‐<br />
Substitution wahrscheinlicher<br />
Starke Basen<br />
HO ‐ , RO ‐ , H 2 N ‐ , R 2 N ‐<br />
Eliminierung wahrscheinlicher<br />
Sterische Hinderung am reagierenden Kohlenstoff<br />
Sterisch ungehindert<br />
Primäre Halogenalkane<br />
Substitution wahrscheinlicher<br />
Sterisch gehindert<br />
Verzweigte primäre, sekundäre, tertiäre<br />
Halogenalkane<br />
Eliminierung wahrscheinlicher<br />
Sterische Hinderung am stark basischen Nucleophil<br />
Sterisch ungehindert<br />
HO ‐ , CH 3 O ‐ , CH 3 CH 2 O ‐ , H 2 N ‐<br />
Substitution möglich<br />
Sterisch gehindert<br />
(CH 3 ) 3 CO ‐ , [CH(CH 3 ) 2 ] 2 N ‐<br />
Eliminierung stark bevorzugt<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 32
Nukleophil‐Typen<br />
Typ des Nucleophils<br />
Typ des<br />
Halogenalkans<br />
Schwaches<br />
Nucleophil<br />
(z.B. H 2 O)<br />
Schwach basisches,<br />
starkes Nucleophil<br />
(z.B. I ‐ )<br />
Stark basisches,<br />
ungehindertes<br />
Nucleophil<br />
(z.B. CH 3 O ‐ )<br />
Stark basisches,<br />
gehindertes<br />
Nucleophil<br />
(z.B. (CH 3 ) 3 CO ‐ )<br />
Methyl keine Reaktion S N 2 S N 2 S N 2<br />
primär<br />
ungehindert<br />
verzweigt<br />
keine Reaktion<br />
keine Reaktion<br />
S N 2<br />
S N 2<br />
S N 2<br />
E2<br />
E2<br />
E2<br />
sekundär langsame S N 1,E1 S N 2 E2 E2<br />
tertiär S N 1,E1 S N 1,E1 E2 E2<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 33
Weitere Reaktionen<br />
GRIGNARD‐Reaktion<br />
• Halogenalkane und ‐aromaten können mit Magnesium eine<br />
metallorganische Verbindung eingehen GRIGNARD‐Verbindung.<br />
• Bei dieser Metallierung erfolgt eine UMPOLUNG des elektrophilen<br />
Kohlenstoffes in einen nucleophilen Kohlenstoff.<br />
F. A. V. GRIGNARD<br />
1871 – 1935<br />
Nobelpreis 1912<br />
2 R X + 2 Mg 2 R Mg X<br />
R Mg R + MgX 2<br />
SCHLENK‐Gleichgewicht<br />
• Vielfältige Folgechemie, besonders C‐C‐Bindungsknüpfungen!<br />
• Kopplung eines elektrophilen und eines nucleophilen Kohlenstoffs:<br />
Beispiel:<br />
siehe auch: WURTZ‐Reaktion<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 34
Weitere Reaktionen<br />
• Synthetische Vielfalt der GRIGNARD‐Reaktion:<br />
.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 35
Verwendung und Umwelt<br />
• Lösungsmittel besonders: CH 2 Cl 2 , CHCl 3 , ClCH 2 ‐CH 2 Cl, Cl 2 CH‐CH 2 Cl)<br />
• In der Industrie als Fett‐ und Harzlöser; im Labor als (nichtbrennbares)<br />
Reaktionsmedium.<br />
• Kältemittel FCKWs, FKWs, ClKWs mittlerweile weitgehend verboten<br />
• Feuerlöschmittel Halone, z.B. Halon 1301 = CBrF 3 (Flugzeuge und Militär)<br />
• Brandschutzmittel BrKWs<br />
• PVC (Polyvinylchlorid) Fenster, Bodenbeläge, Rohre, Kabelisolierungen, Schallplatten<br />
• Teflon (Polytetrafluorethen) Beschichtungen (beständig gegen aggressive<br />
Chemikalien und Hitze)<br />
• Pestizide ClKWs DDT (Dichlordiphenyltrichlorethan) (verboten).<br />
• Treibgas CCl 3 F, CCl 2 F 2<br />
• Ausgangsstoff für viele Verbindungen (organische Synthesechemie).<br />
Umweltproblematik:<br />
• Sehr langsame Zersetzung vieler Halogenkohlenwasserstoffe.<br />
• Halogenkohlenwasserstoffe, besonders FCKWs zerstören die Ozonschicht.<br />
• Halogenierte Lösungsmittel sind bei dauerhafter Exposition gesundheitsschädlich.<br />
• Beim Verbrennen von PVC entseht HCl, bei Kabelbränden können hochgiftige,<br />
carcinogene polykondensierte Aromaten entstehen.<br />
• DDT ist krebserregend.<br />
• ...<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 36
6. Alkene<br />
• Alkene (früher: Olefine, Ethylene) gehören <strong>zur</strong> Gruppe der ungesättigten Kohlenwasserstoffe.<br />
Sie besitzen (mindestens) eine Doppelbindung.<br />
• Einfache Alkene besitzen die Summenformel:<br />
C n H 2n<br />
homologe Reihe<br />
• Alkene von C2 (Ethen) bis C4 (Buten) sind gasförmig, von C5 (Penten) bis C15<br />
(Pentadecen) flüssig und ab C16 (Hexadecen) fest.<br />
• Sind mehrere Doppelbindungen im Molekül vorhanden, spricht man von Dienen,<br />
Trienen, ..., Polyenen. Diese Doppelbindungen können isoliert, konjugiert oder kumuliert<br />
zueinander angeordnet sein.<br />
• Neben Konstitutionsisomeren können auch cis/trans‐Isomere (Z/E‐Isomere) auftreten<br />
(C‐C‐Doppelbindung ist nicht frei drehbar).<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 1
Struktur + Geometrie<br />
• Die Doppelbindung besitzt eine planare Struktur.<br />
• C‐C‐Abstand ist kürzer als bei einer C‐C‐Einfachbindung.<br />
• Die Kohlenstoffe der Doppelbindung sind sp 2 ‐hybridisiert.<br />
VSEPR‐Theorie<br />
• Die Doppelbindung besteht aus einer ‐Bindung (2 x sp 2 ‐Orbitale) und einer ‐Bindung<br />
(2 x 2p‐Orbitale)<br />
• Schwache ‐Bindung verursacht hohe Reaktivität der Alkene, besonders bei<br />
elektrophilen Additionen.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 2
Nomenklatur und E/Z‐Isomerie<br />
• Nomenklatur nach IUPAC:<br />
• Nomenklatur erfolgt analog zu der der Alkane, jedoch Endung –en.<br />
• Stellung der Doppelbindung wird durch eine Zahl angegeben (vor dem Suffix oder<br />
vor der Hauptkette (But‐1‐en oder 1‐Buten).<br />
• C‐Kette so nummerieren, dass das C‐Atom, von der die Doppelbindung ausgeht,<br />
eine möglichst niedrige Zahl erhält (Doppelbindung hat bei gleicher Position eine<br />
höhere Priorität als eine Dreifachbindung).<br />
• Alkenylgruppen:<br />
Beispiel:<br />
• Methylen‐<br />
3‐Methylencyclohexen<br />
• Ethenyl‐<br />
(Vinyl‐)<br />
Vinylchlorid<br />
• 2‐Propenyl‐<br />
(Allyl‐)<br />
Allylalkohol<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 3
Nomenklatur und E/Z‐Isomerie<br />
Beispiele:<br />
Ethen<br />
Propen<br />
H H<br />
C C<br />
H CH 3<br />
E/Z‐Isomere<br />
Buten<br />
1‐Buten<br />
2‐Methylpropen<br />
Isobuten<br />
trans‐2‐Buten<br />
(E)‐Buten<br />
Konstitutionsisomere<br />
cis‐2‐Buten<br />
(Z)‐Buten<br />
Penten<br />
1‐Penten<br />
trans‐2‐Penten<br />
cis‐2‐Penten<br />
4
Nomenklatur und E/Z‐Isomerie<br />
Rotationsbarrieren<br />
ca. 14 kJ/mol<br />
C‐C eingeschränkt 70‐90 kJ/mol<br />
C=C ca. 270 kJ/mol<br />
E/Z‐Isomerie<br />
C‐C<br />
• Konfigurationsisomerie bei Doppelbindungen.<br />
• Lassen sich bei Raumtemperatur nicht ineinander überführen.<br />
• Ursache: Keine freie Rotation um C‐C‐Doppelbindungen.<br />
• Betrachtung der relativen Konfiguration der Substituenten mit höchster Priortät:<br />
• Substituenten<br />
höchster Ordnung<br />
stehen auf<br />
entgegengesetzten<br />
Seiten der<br />
Doppelbindung.<br />
= Entgegen<br />
Beispiel: 2‐Buten<br />
2 Isomere<br />
E‐Isomer Z‐Isomer<br />
(trans‐Isomer) (cis‐Isomer)<br />
• Substituenten<br />
höchster Ordnung<br />
stehen auf<br />
der gleichen Seite<br />
der Doppelbindung.<br />
= Zusammen<br />
MERKE:<br />
E‐Isomer<br />
stabiler als<br />
Z‐Isomer!<br />
5
Synthesen <strong>zur</strong> Herstellung<br />
• Wichtige Synthesemethoden sind:<br />
a) Pyrolytische Spaltung von Alkanen (thermisches Cracken)<br />
b) Partielle Hydrierung von Alkinen<br />
c) β‐Eliminierung<br />
• aus Alkoholen (Dehydrierung)<br />
• aus Halogenalkanen (Dehydrohalogenierung)<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 6
d) Dehalogenierung von 1,2‐Dihalogenalkanen<br />
e) Reduktive Kupplung von Carbonyl‐Verbindungen (McMurry)<br />
f) Carbonyl‐Alkenylierungen (Carbonyl‐Olefinierungen)<br />
• mit C‐H‐aciden Methylengruppen (KNOEVENAGEL)<br />
• mit P‐CH‐Gruppen (WITTIG Reaktion)<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 7
Reaktionen<br />
Bindungsverhältnisse:<br />
• Addition von<br />
• Wasserstoff<br />
•Boran<br />
•Halogen<br />
• Halogenwasserstoff, Wasser<br />
→ elektrophile Addition<br />
→ radikalische Addition und Substitution<br />
• Formaldehyd (PRINS‐Reaktion)<br />
• ‐Bindungen energiereicher als<br />
‐Bindungen, daher höhere<br />
Reaktivität<br />
• Geringere sterische Hinderung<br />
der planaren C‐Atome<br />
• Hohe Elektronendichte<br />
ober‐/unterhalb der C‐C‐<br />
Doppelbindung erleichtert<br />
elektrophile Reaktionsschritte<br />
• Oxidationen<br />
• Dihydroxylierung (Z‐ und E‐Produkte)<br />
•Ozonolyse<br />
Mehrere Doppelbindungen:<br />
• DIELS‐ALDER‐Reaktion<br />
• En‐Reaktion<br />
• [2+2]‐Cycloaddition<br />
• Polymerisation (ggf. Dimerisierung, Oligomerisierung)<br />
Sonstige Reaktionen<br />
• HECK‐Reaktion<br />
• GRUBBS‐Olefin‐Metathese<br />
8
Katalytische Hydrierung<br />
• Addition von Wasserstoff an eine C‐C‐Doppelbindung in Gegenwart eines Katalysators.<br />
a) Heterogene katalytische Hydrierung<br />
Allgemeine Reaktionsgleichung<br />
Katalysator = fest bzw. ungelöst<br />
Reaktanden = gasförmig oder flüssig<br />
heterogenes (mehrphasiges) System<br />
Aktivierung des H 2 an der Katalysator‐Oberfläche (LINDLAR)<br />
syn‐Addition<br />
Metallhydrid‐<br />
Spezies<br />
Cycl. Übergangszustand<br />
Syn‐Additionsprodukt<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 9
Katalytische Hydrierung<br />
b) Homogene katalytische Hydrierung<br />
Allgemeine Reaktionsgleichung<br />
Katalysator und Reaktanden sind beide gelöst.<br />
homogenes (einphasiges) System<br />
WILKINSON‐Katalysator<br />
[RhCl(PPh 3 ) 3 ]<br />
http://en.wikipedia.org/wiki/Wilkinson's_catalyst<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 10
Hydroborierung / Oxidation<br />
Allgemeine Reaktionsgleichung<br />
1. Addition von Boranen (Borwasserstoffverbindungen) an C‐C‐Doppelbindungen:<br />
H<br />
BH 3<br />
3 C C<br />
B<br />
H<br />
H<br />
H<br />
C C<br />
• Addition erfolgt von der gleichen Seite<br />
• nucleophile Addition des Bors an sterisch weniger gehindertes C<br />
3<br />
B<br />
syn‐Addition<br />
2. Oxidative Spaltung der Bor‐Kohlenstoff‐Bindung mit H 2 O 2 im Basischen und<br />
anschlieβende Hydrolyse:<br />
H 2 O 2 +OH -<br />
H 2 O+HOO - Hydroperoxid-Ion<br />
H<br />
C C<br />
3<br />
B<br />
+ 3 HOO-<br />
-3OH -<br />
H<br />
C C<br />
O<br />
B<br />
3<br />
3H 2 O<br />
3<br />
H C C OH + B(OH) 3<br />
Trialkylboran<br />
Borsäureester<br />
Alkohol<br />
→ ergibt anti‐MARKOWNIKOFF‐Produkt<br />
→ geeignet <strong>zur</strong> Herstellung primärer und sekundärer Alkohole<br />
Borsäure<br />
11
Halogenierung<br />
Synthesemethoden Halogenalkane<br />
• Stellt eine Nachweisreaktion für Doppelbindungen dar (z.B. Entfärben von Brom).<br />
• Elektrophile Addition.<br />
Allgemeine Reaktionsgleichung<br />
Beispiel:<br />
Teilschritt des Mechanismus<br />
cyclisches<br />
Bromonium‐Ion<br />
• Stereospezifischer Angriff des Bromids erfolgt von der dem Brom gegenüberliegenden Seite!<br />
http://netexperimente.de/chemie/68.html<br />
anti‐Addition<br />
12
Halogenierung<br />
Folgechemie der Bromonium‐Ionen<br />
• Unter Bestimmten Bedingungen ist der Angriff anderer Nucleophile auf das cyclische<br />
Bromonium‐Ion möglich.<br />
Beispiel:<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 13
Halogenierung<br />
• Spezialfall: Bei erhöhten Temperaturen kann eine radikalische Addition erfolgen, beim<br />
Auftreten stabilisierter Radikale (besonders Allyl‐ und Benzylradikale) können zusätzlich<br />
Substitutionsprodukte gebildet werden.<br />
Radikalische Addition vs. radikalische Substitution:<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 14
Addition von Halogenwasserstoff<br />
Allgemeine Reaktionsgleichung<br />
Synthesemethoden Halogenalkane<br />
• Mechanismus der Addition von HX an Alkene bestimmt die Regioselektivität!<br />
• Häufigster Mechanismus: Elektrophile Addition.<br />
Elektrophile Addition von HX:<br />
• Addition via intermediärem Carbeniumion (zweistufiger Mechanismus)<br />
• Ergibt das höher substituierte Halogenalkan (MARKOWNIKOV‐Produkt).<br />
• Reaktivitätsabstufung anhand der Stabilität des intermediär gebildeten<br />
Carbokations (mesomere, induktive Effekte):<br />
Allyl, Benzyl > tertiär > sekundär > primär<br />
• Nebenreaktionen: Eliminierungen, Umlagerungen<br />
(X = Cl, Br, I)<br />
Eliminierung, WAGNER‐MEERWEIN‐Umlagerung 15
Addition von Halogenwasserstoff<br />
Radikalische Addition von HX:<br />
(X = Cl, Br)<br />
• Addition via intermediärem Radikal.<br />
• Bei (licht)induzierter Bildung von Halogenradikalen.<br />
• Ergibt das niedriger substituierte Halogenalkan (anti‐MARKOWNIKOV).<br />
• Nebenreaktion: radikalische Substitution.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 16
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 17
Weitere elektrophile Additionen<br />
Hydratisierung<br />
• Säurekatalysierte Addition von Wasser an Alkene.<br />
PRINS‐Reaktion<br />
• Elektrophile Addition des protonierten Formaldehyds an Alkene führt zu 1,3‐Diolen.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 18
Oxidationen<br />
Synthese von 1,2‐Diolen<br />
• Oxidation von Alkenen mit Osmiumtetroxid und anschließende Hydrolyse ergibt<br />
stereospezifisch syn‐Diole ((Z)‐Diole, cis‐Diole).<br />
OsO 4<br />
O O<br />
Os<br />
O O<br />
H 2 O<br />
-H 2 OsO 4<br />
syn-Diol / cis-Diol<br />
OH<br />
OH<br />
• Die Epoxidierung von Alkenen und anschließende Ringöffung der Oxirane ergibt<br />
stereospezifisch anti‐Diole ((E)‐Diole, trans‐Diole).<br />
1.Schritt: Epoxidierung<br />
2. Schritt: säurekatalysierte Ringöffnung<br />
O<br />
H +<br />
+<br />
O H<br />
H 2 O<br />
-H +<br />
OH<br />
OH<br />
anti-Diol<br />
trans-Diol<br />
19
Oxidationen<br />
Oxidation mit Kaliumpermanganat<br />
• Oxidation von Alkenen in Wasser oder Ethanol mit Kaliumpermanganat führt zu<br />
vicinalen syn‐Diolen.<br />
• Nachweisreaktion für Alkene (BAEYER‐Probe).<br />
• Geringere Ausbeuten im Vergleich <strong>zur</strong> Oxidation mit OsO 4 .<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 20
Oxidationen<br />
Ozonolyse<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 21
[4+2] Cycloaddition – Diels‐Alder<br />
• Additionsreaktion zwischen einem 1,3‐Dien und einem Alken (Dienophil).<br />
• Methode <strong>zur</strong> Synthese von einfach ungesättigten 6‐Ringen.<br />
• 3 ‐Bindungen werden zu 2 ‐Bindungen und einer ‐Bindung umgewandelt.<br />
• Ein‐Schritt‐Reaktion Konzertierte Reaktion.<br />
Pericyclische Reaktion<br />
• Cyclische, delokalisierte Übergangsstruktur.<br />
• [4+2]‐Cycloaddition bedeutet, dass 4‐Elektronen des Diens mit 2‐Elektronen<br />
des Dienophils reagieren.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 22
[4+2] Cycloaddition – Diels‐Alder<br />
Reaktionspartner der DIELS‐ALDER‐Reaktion<br />
• konjugierte Diene<br />
→ Elektronenreiche Nucleophile<br />
→ Elektronendonoren (Alkyl‐, Alkoxygrupppen) erhöhen die<br />
Reaktivität<br />
→ cis‐Form muss vorliegen (cisoid)<br />
• Dienophile<br />
→ Elektronenarme Elektrophile<br />
→ Elektronenakzeptoren erhöhen die Reakvität<br />
DIELS‐ALDER‐Reaktion mit normalem Elektronenbedarf<br />
Manche DIELS‐ALDER‐Reaktionen sind reversibel; die Spaltung in Dien und<br />
Dienophil (Rückreaktion) nennt man Retro‐DIELS‐ALDER‐Reaktion.<br />
23
[4+2] Cycloaddition – Diels‐Alder<br />
Übergangszustand der DIELS‐ALDER‐Reaktion<br />
Übergangsstruktur der DA‐Reaktion ‐ Reaktionsmechanismus<br />
Die DA‐Reaktion hat eine mesomerstabilisierte, Benzen‐artige Übergangsstruktur. Diese<br />
besondere Stabilisierung führt zu einer niedrigen Aktivierungsenergie. Solche Reaktionen<br />
laufen sehr schnell ab, ohne die sonst üblichen Polymerisationsreaktionen zu begünstigen.<br />
Grenzorbital‐Theorie (FMO‐Theorie) <strong>zur</strong> Beschreibung der DA‐Reaktion<br />
Wechselwirkung des HOMO<br />
Grenzorbitaltheorie<br />
Dien<br />
(highest occupied molecular orbital)<br />
und LUMO Dienophil<br />
(lowest unoccupied molecular orbital)<br />
ermöglicht Reaktion!<br />
24
[4+2] Cycloaddition – Diels‐Alder<br />
Inverser Elektronenbedarf: Elektronenziehende Gruppen am Dien,<br />
elektronenschiebende Gruppen am Dienophil.<br />
25
Stereochemie<br />
syn‐Addition<br />
• Die DIELS‐ALDER‐Cycloaddition ist eine stereospezifische syn‐Addition.<br />
• Die Stereochemie der Edukte wird auf das Produkt übertragen!<br />
WOODWARD‐HOFMANN‐Regeln<br />
Beispiele:<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 26
Polymerisation<br />
• Die energiereichen Alkene können in einer Kettenreaktion mit sich selbst reagieren und<br />
lange kettenförmige Moleküle (Makromoleküle / Polymere) bilden.<br />
• Die Kettenreaktion kann über radikalische, anionische, kationische oder komplex‐gebundene<br />
Zwischenstufen ablaufen (abhängig von den Reaktionsbedingungen).<br />
Beispiel: Polymerisation von Ethen zu Polyethen (Polyethylen, PE)<br />
• Viele verschiedene Ethenderivate (bzw. Alkene) werden industriell polymerisiert, z.B.:<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 27
Weitere Reaktionen<br />
• HECK‐Reaktion<br />
Palladium‐katalysierte Kopplung eines Halogenalkans, ‐alkens oder ‐aromaten<br />
mit einem Alken.<br />
• Olefin‐Metathese (GRUBBS)<br />
• En‐Reaktion<br />
Alken mit allylständigem H (En) reagiert mit Molekül mit Mehrfachbindung (Enophil).<br />
Mechanismus formal analog <strong>zur</strong> DIELS‐ALDER‐Reaktion.<br />
• [2+2]‐Cycloaddition<br />
Lichtinduzierte cyclische Dimerisierung von Alkenen.<br />
Bildung substituierter Cyclobutane<br />
C C<br />
+<br />
h<br />
C C<br />
28
Verwendung + Umwelt<br />
Einige natürlich vorkommende Alkene<br />
Polymerisation<br />
α‐Linolensäure (Omega‐3‐Fettsäure)<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 29
Verwendung + Umwelt<br />
Verwendung einiger Alkene<br />
• Ethen: Weltproduktion ca. 20 Mio Tonnen / a<br />
WACKER‐Prozess<br />
• für Produktion von: Polyethylen, Dichlorethan (für PVC), Ethylenoxid, Polystryrol<br />
• umfangreiche Ethenfolgechemie, u.a.: Isopren, Ethanal, 2‐Chlorethanol uvm.<br />
• Reifegas für unreife Früchte (Ethen = Phytomon (Pflanzenhormon))<br />
• Propen:<br />
• Gas für Brennschneiden<br />
• umfangreiche Folgechemie, u.a.: Aceton, Propenal, Acrylsäure, Polypropylen uvm.<br />
• 1,3‐Butadien:<br />
• Herstellung von Synthesekautschuk (BuNa) , ABS‐Kunststoff<br />
• ...<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 30
7. Alkine<br />
• Alkine (früher: Acetylene) gehören <strong>zur</strong> Gruppe der ungesättigten Kohlenwasserstoffe.<br />
Sie besitzen (mindestens) eine Dreifachbindung.<br />
• Einfache Alkine besitzen die Summenformel:<br />
C n H 2n‐2<br />
homologe Reihe<br />
• Alkene von C2 (Ethin) bis C4 (1‐Butin) sind gasförmig, ab 2‐Butin bzw. C5 (Pentin)<br />
flüssig.<br />
• Sind mehrere Dreifachbindungen im Molekül vorhanden, spricht man von Diinen,<br />
Triinen, ..., Polyinen. Diese Dreifachbindungen können isoliert oder konjugiert zueinander<br />
angeordnet sein.<br />
• Ab C4 existieren Konstitutionsisomere.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 1
Struktur und Geometrie<br />
• Die Dreifachbindung besitzt eine lineare Struktur.<br />
VSEPR‐Theorie<br />
• C‐C‐Abstand ist kürzer als bei einer C‐C‐Einfach‐ und Doppelbindung.<br />
• Die Kohlenstoffe der Doppelbindung sind sp‐hybridisiert. C‐H‐Abstand ebenfalls kurz.<br />
• Die Dreifachbindung besteht aus einer ‐Bindung (2 x sp‐Orbitale) und zwei ‐Bindungen<br />
(4 x 2p‐Orbitale)<br />
• Die beiden ‐Bindungen stehen senkrecht zueinander und ergeben eine zylindrische<br />
Elektronenverteilung um die Kernverbindungsachse.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 2
Reaktivität und Acidität<br />
Bindungsenergien der C‐C‐Bindungen:<br />
Bindungsenergie:<br />
• Dreifachbindung besitzt<br />
höchste Bindungsenergie.<br />
• ABER:<br />
• Bildung von Ethin aus den<br />
Elementen ist stark endotherm (+227 kJ/mol).<br />
Ethin zerfällt unter Druck oder in Gegenwart von Cu explosionsartig in<br />
Kohlenstoff und Wasserstoff.<br />
• Relativ schwache ‐Bindungen können leicht aufgebrochen werden.<br />
Hohe Reaktivität besonders ggü. Elektrophilen (Addition, Polymerisation, usw.).<br />
• Verbrennung von Ethin ist sehr exotherm (‐1327 kJ/mol).<br />
Acidität:<br />
• C‐H‐Bindung besitzt hohen s‐Charakter Elektronendichte am C höher.<br />
Terminale Alkine sind durch starke Basen deprotonierbar.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 3
Reaktivität und Acidität<br />
Stabilität –internes vs. terminales Alkin:<br />
• Vergleich der Hydierungswärmen:<br />
Beispiel: Hydrierung von Ethin<br />
Erste ‐Bindung hat einen höheren Energiegehalt.<br />
Beispiel: Hydrierung von 1‐Butin und 2‐Butin<br />
Interne Alkine sind stabiler als terminale Alkine! Hyperkonjugation<br />
Basenkatalysierte Isomerisierung von terminalen in interne Alkine möglich!<br />
Cycloalkine weisen zusätzlich eine Ringspannung auf:<br />
• Cycloheptin (130 kJ/mol), Cyclooctin (87 kJ/mol), Cyclononin (69 kJ/mol).<br />
4
Isomerisierung von Alkenen<br />
Durch katalytische Mengen Säure (H + ) können weniger stabile Alkene in stabilere Isomere<br />
umgewandelt werden:<br />
Besonders bei höheren Temperaturen ( > 50 °C)<br />
Kann z.B. bei der säurekatalysierten Dehydratisierung von Alkoholen beobachtet<br />
werden: gebildete terminale Alkene (kinetisches Produkt) können im Sauren und bei<br />
höheren Temperaturen in interne Alkene (thermodynamisches Produkt) umgewandelt<br />
werden.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 5
Isomerisierung von Alkinen<br />
• Durch katalytische Mengen Base können weniger stabile Alkine in stabilere Isomere<br />
umgewandelt werden.<br />
• Diese Isomerisierung läuft über ein neues Isomer als Zwischenstufe, das ALLEN.<br />
Besonders bei hohenTemperaturen ( > 100 °C), mit mäßig starken Basen (KOH,<br />
Alkoholate)<br />
Die mittelstarke Base deprotoniert in geringem Maße das terminale Alkin an C3, es<br />
folgt Reprotonierung an C1 zum Allen. Dieses Allen kann wieder an C3 deprotoniert<br />
werden, die folgende Reprotonierung an C1 führt zum stabileren internen Alkin.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 6
Nomenklatur<br />
• Nomenklatur nach IUPAC:<br />
• Nomenklatur erfolgt analog zu der der Alkane, jedoch Endung –in.<br />
• Stellung der Dreifachbindung wird durch eine Zahl angegeben (vor dem Suffix oder<br />
vor der Hauptkette (But‐1‐in oder 1‐Butin).<br />
• C‐Kette so nummerieren, dass das C‐Atom, von der die Dreifachbindung ausgeht,<br />
eine möglichst niedrige Zahl erhält.<br />
• Die Nummerierung der Doppelbindung hat bei gleicher Position eine höhere<br />
Priorität als eine Dreifachbindung, bei unterschiedlicher Position hat die<br />
Dreifachbindung Vorrang!<br />
Priorität der Wortendungen funktioneller Gruppen:<br />
C=O > OH > NH 2 > Dreifachbindung = Doppelbindung<br />
• Alkinylgruppen:<br />
• Ethinyl‐<br />
Beispiel:<br />
(E)‐1,2‐Diethinylcyclohexen<br />
• 2‐Propinyl‐<br />
(Propargyl‐)<br />
2‐Propin‐1‐ol<br />
Propargylalkohol<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 7
Synthesen <strong>zur</strong> Herstellung<br />
• Wichtige Synthesemethoden sind:<br />
a) Hydrolyse von Calciumcarbid<br />
b) Partielle Oxidation von Methan<br />
c) Hochtemperaturpyrolyse (HTP) von Alkanen<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 8
d) β‐Eliminierung<br />
• aus Dihalogenalkanen (doppelte Dehydrohalogenierung)<br />
• aus Tetrahalogenalkanen (doppelte Dehalogenierung)<br />
e) Alkylierung von Alkinyl‐Anionen<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 9
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 10
Reaktionen<br />
Bindungsverhältnisse:<br />
Hydrierung<br />
Hydroborierung<br />
Reduktion zu (E)‐Alkenen<br />
• ‐Bindungen energiereicher als<br />
‐Bindungen, daher höhere<br />
Reaktivität.<br />
• Geringere sterische Hinderung<br />
der planaren C‐Atome.<br />
• Hohe Elektronendichte<br />
um die C‐C‐Achse erleichtert<br />
elektrophile Reaktionsschritte.<br />
• Starker s‐Charakter der C‐H‐<br />
Bindung macht H‐Atome acid.<br />
Addition<br />
• Halogenierung (X 2 )<br />
• Hydrohalogenierung (HX)<br />
• Hydratisierung (H 2 O)<br />
• Hydrocyanierung (HCN)<br />
Dimerisierungen und Cyclisierungen<br />
GLASER‐Kupplung und<br />
SONOGASHIRA‐Reaktion<br />
Oxidation<br />
Alkinylierung von Carbonylen<br />
Polymerisation<br />
siehe auch Synthesen und Reaktionen der Alkene<br />
http://www.chemgapedia.de/.../ungesaettigte_kohlenwasserstoffe/monoene_monoine/alkine/bauprinzip_ethin.gif<br />
11
Heterogene katalytische Hydrierung<br />
• Addition von Wasserstoff an eine C‐C‐Dreifachbindung in Gegenwart eines Katalysators.<br />
• Mit Pt oder Pd und Wasserstoff erfolgt vollständige Hydrierung zum Alkan.<br />
H<br />
R 2<br />
2H 2<br />
H<br />
R 1 R 2<br />
R 1<br />
Katalysator<br />
(Ni, Pd, Pt, ...)<br />
• Mit dem LINDLAR‐Katalysator (Palladium auf Holzkohle (Pd/C), vergiftet mit BaSO 4 )<br />
können Alkine selektiv zu Z‐Alkenen hydriert werden.<br />
H<br />
H<br />
Mechanismus der syn‐Addition von Wasserstoff an Alkine:<br />
syn‐Addition<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 12
Hydroborierung<br />
syn‐Addition<br />
Allgemeine Reaktionsgleichung<br />
der Hydroborierung / Hydrolyse<br />
1. Addition von Boranen (Borwasserstoffverbindungen) an C‐C‐Dreifachbindungen:<br />
• Addition erfolgt von der gleichen Seite<br />
• nucleophile Addition des Bors an sterisch weniger gehindertes C<br />
2. Umwandlung des Alkenylborans:<br />
• Saure Hydrolyse ergibt<br />
Z‐Alkene.<br />
• Oxidation führt zu<br />
Enolen, die sich in ihre<br />
tautomeren Aldehyde bzw.<br />
Ketone umlagern.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 13
Reduktion zu E‐Alkenen<br />
Allgemeine Reaktionsgleichung<br />
Mechanismus:<br />
• Schrittweise Reduktion<br />
(Ein‐Elektronen‐Übertragung durch<br />
Natrium) und Protonierung<br />
(durch NH 3 ).<br />
• Prozess wird zweimal durchlaufen<br />
bis zum E‐Alken.<br />
• Intermediäres Radikal (nach<br />
erster Reduktion und Protonierung)<br />
richtet sich „trans“ aus (geringere<br />
sterische Hinderung).<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 14
Elektrophile Addition<br />
Hydrohalogenierung<br />
R<br />
C C<br />
R'<br />
industriell wichtig:<br />
Vinylchlorid für PVC<br />
Halogenierung<br />
+H + R R'<br />
H<br />
+<br />
Alkenyl-Kation<br />
+HCl<br />
+X -<br />
Cl<br />
R<br />
H<br />
R'<br />
X<br />
Halogenalken<br />
"Vinylhalogen"<br />
+HX<br />
R<br />
anti‐Addition<br />
H<br />
H<br />
X<br />
X<br />
R'<br />
1,1-Dihalogenalkan<br />
• Addition von HX erfolgt nach Markovnikovregeln und meist anti.<br />
• Weiterreaktion zum geminalen Dihalogenalkan möglich.<br />
! Bei hohen Temperaturen kann es zu einer radikalischen Addition kommen (anti‐Markovnikov)!<br />
• Addition von X 2 erfolgt meist anti.<br />
• Weiterreaktion zum Tetrahalogenalkan möglich.<br />
• Addition an Doppelbindung erfolgt bevorzugt gegenüber der Dreifachbindung:<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 15
Elektrophile Addition<br />
Alkine vs. Alkene<br />
• Elektrophile Addition an ein Alkin ist exothermer als die Addition an ein Alken.<br />
• ABER: Alkene sind reaktiver gegenüber Elektrophilen!<br />
Ursache:<br />
• Das intermediär entstehende Vinylkation ist instabiler als das Alkylkation.<br />
Die elektrophile Addition an eine Dreifachbindung verläuft langsamer als die an<br />
eine Doppelbindung –sie ist kinetisch gehemmt (höhere Aktivierungsenergie).<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 16
Elektrophile Addition<br />
Hydratisierung<br />
• Addition von H 2 O im Sauren unter Hg‐Katalyse erfolgt nach Markovnikovregeln und<br />
ergibt Enole, die sich schnell in ihre tautomeren Aldehyde (mit Acetylen) bzw. Ketone<br />
umlagern.<br />
R<br />
R<br />
C C<br />
R'<br />
+H 2 O<br />
HgSO 4<br />
H 2 SO 4<br />
H OH<br />
Vinylalkohol<br />
(Enol)<br />
• Unsymmetrische Alkine ergeben Produktgemische!<br />
Hydrocyanierung<br />
• Addition von HCN („Blausäure“) an Alkine.<br />
• Bildet mit Ethin Acrylnitril (für die Polyacrylnitril‐Herstellung).<br />
R<br />
R'<br />
H<br />
R'<br />
C C<br />
H O<br />
SPEZIALFALL: Nucleophile Addition von Alkoholat‐Ionen<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 17
Alkinylierung von Alkinen<br />
siehe: Synthese von Alkinen<br />
• Alkinyl‐Anionen sind nucleophil und können positivierte Kohlenstoffe angreifen.<br />
• Bei der Reaktion mit einem primären Alkylhalogenid erfolgt eine Alkylierung des Alkins.<br />
• Synthetisch wertvoll für die Synthese verschiedener interner Alkine.<br />
Einschränkung:<br />
• Reaktion verläuft nur glatt mit primären Alkylhalogeniden (X = Cl, Br).<br />
• Alkinylanionen können als Nucleophil „oder aber“ als Base auftreten.<br />
• Sekundäre und tertiäre Alkylhalogenide können durch die Acetylid‐Anionen<br />
deprotoniert werden Dehydrohalogenierung zum Alken!<br />
siehe Eliminierung bei Halogenalkanen<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 18
Dimerisierung + Cyclisierung<br />
Auch bei Alkenen möglich!<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 19
Glaser / Sonogashira<br />
GLASER‐Kupplung<br />
• Endständige (terminale) Alkine ergeben konjugierte Dreifachbindungen.<br />
• Intermediär deprotoniertes Alkin wird reduziert, gefolgt von Dimerisierung zweier<br />
Radikale.<br />
• Zur Synthese gröβerer Kohlenstoffringe geeignet.<br />
SONOGASHIRA‐Reaktion<br />
• Reaktion eines Alkyl‐ oder Arylhalogenids mit einem terminalen Alkin unter<br />
Palladium‐ und Kupferkatalyse unter basischen Bedingungen.<br />
Alkylierung bzw. Arylierung von Alkinen.<br />
Palladiumkatalysierte Kreuzkupplung<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 20
Oxidation<br />
• Starke Oxidationsmittel (O 3 oder KMnO 4 ) spalten interne Alkine in zwei Carbonsäuren:<br />
• Terminale Alkine werden zu einer Carbonsäure und CO 2 bzw. Ameisensäure oxidiert:<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 21
Weitere Reaktionen<br />
Alkinylierung von Carbonylverbindungen<br />
• Deprotoniertes terminales Alkin greift nucleophil Carbonyl‐Kohlenstoff von<br />
Aldehyden oder Ketonen an.<br />
• Hydrolyse ergibt Alkinole.<br />
Polymerisation<br />
n<br />
HC CH<br />
Kat.<br />
C<br />
H C H n<br />
Polyethin<br />
(Polyacetylen)<br />
• Ethin kann zu Polyethin (Polyacetylen) polymerisiert werden.<br />
• Polyethin gehört <strong>zur</strong> Gruppe der konjugierten Polymere.<br />
• Durch Dotierung mit Oxidationsmitteln (z.B. Chlor, Brom oder Iod) wird Polyethin<br />
elektrisch leitfähig Verwendung z.B. in Polymerbatterien.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 22
Verwendung und Umwelt<br />
Ethin:<br />
• Wichtiges Ausgangsprodukt in der chemischen Industrie<br />
(Produktion ca. 150.000 t/a).<br />
• Umfangreiche Folgechemie REPPE‐Chemie (BASF)<br />
• Zum Acetylenschweißen<br />
(T > 2500°C)<br />
• Polymerisation.<br />
Propin:<br />
• Synthese von Vinyl‐verbindungen ( Polymere).<br />
• Als Schweiß‐ / Schneidgas.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 23
REPPE ‐ Chemie<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 24
Verwendung und Umwelt<br />
Einige natürlich vorkommende Alkine / physiologisch aktive Alkine:<br />
Ichthyothereol<br />
Hautabsonderungen des Pfeilgift‐Frosches<br />
krampfauslösend<br />
Capillin<br />
Fungizid<br />
OH<br />
3‐Methyl‐1‐pentin‐3‐ol<br />
Schlafmittel<br />
H<br />
H 3 CO<br />
H<br />
H<br />
Mestranol<br />
Verhütungsmittel<br />
(Norquen®, Ovastol®)<br />
Parsalmid<br />
Schmerzmittel<br />
(Parsal®, Sinovial®)<br />
Pargylin<br />
gegen Bluthochdruck<br />
(Eudatin®, Supirdyl®)<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 25
8. Aromaten<br />
• Aromatische Moleküle besitzten mindestens ein planares Ringsystem, welches<br />
in konjugierten Doppelbindungen, freien Elektronenpaaren und/oder<br />
unbesetzten p‐Orbitalen 4n+2 delokalisierte –Elektronen enthält (HÜCKEL‐Regel).<br />
• Der Begriff Aromat stammt von den ersten isolierten Vetretern dieser Klasse, welche<br />
einen aromatischen Geruch aufwiesen.<br />
• Historische Wandlung des Begriffes „aromatisch“:<br />
Benzen als einfachster Vertreter<br />
Maier, Chemie in unserer Zeit 1975, Nr. 5, Seite 131<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 1
Benzen – Struktur und Bindung<br />
• Benzen (historisch Benzol) besitzt die Summenformel C 6 H 6 , es bildet<br />
eine cyclische Struktur aus 6 CH‐Einheiten.<br />
• Die Kohlenstoffe sind sp 2 ‐hybridisiert.<br />
• Die insgesamt 6 verleibenden p–Elektronen bilden –Bindungen.<br />
‐Bindungsgerüst<br />
Valenzstrichformeln des Benzens:<br />
‐Elektronensextett<br />
• Benzen kann durch zwei Grenzformeln beschrieben werden, die wahren<br />
Mesomerie<br />
Bindungsverhältnisse liegen zwischen den beitragenden Grenzformeln.<br />
• Das Elektronensextett (p‐Elektronen) ist delokalisiert und resonanzstabilisiert!<br />
Resonanz<br />
• Übliche Darstellungsweise:<br />
• INFO: Benzen farblose Flüssigkeit (Siedepunkt: 80 °C), krebserregend<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 2<br />
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c9/Stamps_of_Germany_(BRD)_1964%2C_MiNr_440.jpg
Benzen – Struktur und Bindung<br />
Bindungen und Orbitale<br />
• Benzen besitzt identische C‐C‐ bzw‐ C‐H‐Bindungsabstände.<br />
• Es ist planar.<br />
• Die C‐Atome sind sp 2 ‐hybridisiert.<br />
• Die delokalisierten p‐Elektronen bilden ein ringförmige<br />
Elektronenwolke ober‐ und unterhalb der Molekülebene<br />
Sie entsteht aus der Überlappung von 6 p‐Orbitalen!<br />
(Benzen‐ Bindung, ‐Elektronensextett)<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 3
Aromatizität<br />
Vergleich der Hydrierungswärmen:<br />
Gleichmäßige Zunahme<br />
der Hydrierungswärme<br />
„pro Doppelbindung“.<br />
Geringere Hydrierungswärme<br />
als erwartert.<br />
Benzen ist durch eine RESONANZENERGIE (124 kJ/mol) stabilisiert!<br />
Benzen ist chemisch deutlich stabiler als Alkene (z.B. keine Addition an Doppelbindung)!<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 4
Aromatizität<br />
Besetzung der Molekülorbitale<br />
• Jedes System hat 6 p‐Elektronen, die sich auf drei bindende MO verteilen.<br />
• Im Benzen sind zwei besetzte MO von niedrigerer Energie als im 1,3,5‐Hexatrien.<br />
‐System des Benzen ist stabiler!<br />
5
Hückel‐Regel<br />
Kriterien für die Aromatiziät –HÜCKEL Regel<br />
HÜCKEL‐Regel:<br />
Ringverbindungen, deren Gerüstatome sich durch sp 2 ‐Hybridisierung<br />
beschreiben lassen, ingesamt 4n+2 Elektronen beitragen sowie eben<br />
(planar) angeordnet sind, zeigen eine besondere thermodynamische Stabilität<br />
– sie haben aromatischen Charakter.<br />
4 Kriterien:<br />
• cyclisch<br />
• sp 2 ‐Hybridisierung<br />
• Hückel‐Regel (Anzahl der –Elektronen, ungerade Anzahl von –Elektronenpaaren)<br />
• planar<br />
• (Ringstrom)<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 6
Beispiele<br />
FROST‐MUSULIN‐Diagramm:<br />
aromatisch<br />
aromatisch<br />
nicht‐aromatisch<br />
aromatisch<br />
aromatisch<br />
aromatisch aromatisch nicht‐aromatisch<br />
HÜCKEL‐Regel gilt auch für Ionen:<br />
Cyclopentadienyl‐Anion C 5 H 5‐ und<br />
Cycloheptatrienyl‐Kation C 7 H 7<br />
+<br />
sind aromatisch!<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 7
Nomenklatur<br />
• Nomenklatur für Benzenderivate:<br />
• Auflistung der Substituenten (Reste) + Endung ‐benzen (‐benzol).<br />
• Disubstituierte Benzene relative Positionsbezeichnung<br />
(ortho = 1,2, meta = 1,3, para = 1,4):<br />
Beispiele:<br />
• Mehrfach substituierte Benzene absolute Positionsbestimmung nach IUPAC mit<br />
kleinstmöglichen Positionsnummern.<br />
• TRIVIALNAMEN!<br />
• Aromaten als Substituten: Phenyl‐, Benzyl, p‐Tolyl‐ usw.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 8
Nomenklatur<br />
Weitere Beispiele:<br />
Br<br />
Br<br />
NO 2<br />
NO 2<br />
NH 2<br />
NH 2<br />
1,2-Dibrombenzen<br />
o-Dibrombenzen<br />
1,3-Dinitrobenzen<br />
m-Dinitrobenzen<br />
1,4-Diaminobenzen<br />
p-Phenylendiamin<br />
O 2 N<br />
Br<br />
Br<br />
O 2 N<br />
Cl<br />
Br<br />
CN<br />
NH 2<br />
1,2-Dibrom-<br />
3-nitrobenzen<br />
1-Brom-2-chlor-<br />
3-nitrobenzen<br />
2-Amino-4-isopropyl-benzonitril<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 9
Nomenklatur<br />
Weitere Beispiele ‐ Trivialnamen:<br />
Weitere Beispiele – mehrkernige benzoide Kohlenwasserstoffe:<br />
Weitere Beispiele – Heteroaromaten:<br />
10
Vorkommen + Synthesen<br />
Vorkommen<br />
• Aromaten entstehen bei der Verkokung von Steinkohle (Steinkohlenteer).<br />
• Aromatische Verbindungen sind Bestandteil des Erdöls (Benzen, Naphthalen, Toluen).<br />
Synthesemethoden:<br />
• Überführung von n‐Hexan bzw. n‐Heptan in Benzen bzw. Toulen:<br />
• Dehydrierung:<br />
… je nach Reaktionsbedingungen erfolgt die Dehydrierung<br />
zum Aromat bzw. die Hydrierung zum gesättigten<br />
Cycloalkan<br />
• Cyclisierungen<br />
• Reaktionen des Benzens Ermöglichen Zugang zu vielen Benzenderivaten!<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 11
Reaktionen<br />
Bindungsverhältnisse:<br />
Elektrophile aromatische Substiution<br />
Zweitsubstition (Substituenteneinfluss)<br />
• Nitrierung<br />
• Sulfonierung<br />
• Halogenierung<br />
• FRIEDEL‐CRAFTS‐Alkylierung<br />
• FRIEDEL‐CRAFTS‐Acylierung<br />
• VILSMEIER‐Reaktion<br />
• SANDMEYER‐Reaktion<br />
• Delokalisierte Elektronen<br />
(Elektronensextett) Elektronenwolke<br />
unter‐ und oberhalb der Molekülebene.<br />
Geringerer Doppelbindungscharakter als in<br />
Alkenen (Resonanzenergie).<br />
Hohe Elektronendichte an den<br />
Kohlenstoffatomen.<br />
Keine Addition bevorzugt, sondern Angriff<br />
von Elektrophilen!<br />
http://www.ipf.uni‐stuttgart.de/lehre/online‐skript/molekuel/benzol.gif<br />
Nucleophile aromatische Substition<br />
Oxidation<br />
Reduktion<br />
Chemie der Substituenten<br />
bzw. Seitenketten<br />
Palladiumkatalysierte Kreuzkupplungen<br />
12<br />
Reaktionen der polycylischen Aromaten
Elektrophile aromatische Substitution<br />
Nitrierung + HNO 3<br />
NO 2<br />
+ H 2 O<br />
Sulfonierung + H 2 SO 4<br />
SO 3 H<br />
+ H 2 O<br />
X<br />
(FeX 3 )<br />
Halogenierung + X 2<br />
+ HX<br />
Friedel-Crafts-<br />
Alkylierung<br />
+ R-Cl<br />
(AlCl 3 )<br />
R<br />
+ HCl<br />
O<br />
Friedel-Crafts-<br />
O (AlCl 3 )<br />
R<br />
Acylierung + + HCl<br />
R Cl<br />
Austausch eines Wasserstoffatoms gegen einen Substituenten!<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 13
Elektrophile aromatische Substitution<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 14
Energieprofil<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 15
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 16
Elektrophile<br />
Aromat wird von einem Elektrophil angegriffen!<br />
Z.T. Generierung der reaktiven Spezies (des Elektrophils) notwendig!<br />
Nitrierung:<br />
• aus ‘Nitriersäure’ (Salpeter‐ und Schwefelsäure):<br />
O H +<br />
HO N + O - (H 2 SO 4 )<br />
HNO 3<br />
H<br />
H<br />
O +<br />
N + O<br />
O -<br />
-H 2 O<br />
N + O<br />
O -<br />
O<br />
N +<br />
O<br />
NO 2<br />
+<br />
Nitronium-Ion<br />
(Nitryl-Ion)<br />
• aus Nitronium‐Salzen:<br />
Nitronium‐perchlorat [NO 2 ] + [ClO 4 ] ‐<br />
Nitronium‐tetrafluoroborat [NO 2 ] + [BF 4 ] ‐<br />
Sulfonierung:<br />
• aus Oleum (Schwefeltrioxid SO 3 in Schwefelsäure H 2 SO 4 gelöst)<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 17
Substituenteneinfluss<br />
Zweitsubstitution → Einfluss auf Reaktivität und Position durch den ersten Substituenten<br />
X<br />
X<br />
ipso<br />
+ E<br />
o<br />
m<br />
p<br />
Einflussmöglichkeiten<br />
1) Induktiver Effekt (+I/‐I) (über die ‐Bindungen)<br />
2) Mesomerer Effekt (+M/‐M) (über das ‐Elektronensystem, auch Resonanzeffekt)<br />
3) Kooperative Effekte (in der Regel treten diese Effekte nicht getrennt voneinander<br />
auf, sondern gekoppelt)<br />
4) Sterische Effekte bei der Substitution<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 18
Substituenteneinfluss<br />
I‐Effekt<br />
• Der induktive Effekt ergibt sich aus der elektronenschiebenden (+I‐Effekt bei<br />
Elektronendonoren) bzw. elektronenziehenden (‐I‐Effekt bei Elektronenakzeptoren)<br />
Natur des Substituenten Y.<br />
M‐Effekt<br />
• Der Substituent X hat ein freies Elektronenpaar, das <strong>zur</strong> Mesomerie (→ Grenzformeln)<br />
beiträgt. Dieser +M‐Effekt erhöht die Elektronendichte am Aromaten und die<br />
elektrophile Zweitsubstitution wird daher begünstigt (aktivierende Wirkung).<br />
• Der Substituent Y hat eine Doppel‐ bzw. Dreifachbindung. Dieser ‐M‐Effekt erniedrigt<br />
die Elektronendichte, die elektrophile Zweitsubstitution wird daher gehemmt<br />
(desaktivierende Wirkung).<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 19
Substituenten 1.Ordnung<br />
Substituenten, die positive Effekte auf das aromatische System ausüben, d.h.<br />
die Elektronendichte im Ring erhöhen, dirigieren in die ortho/para‐Position und werden<br />
als Substituenten erster Ordnung bezeichnet!<br />
Effekte Substituentengruppe Name<br />
ortho-/para-dirigierend<br />
+M/‐I ‐NH 2 , ‐NHR, ‐NR 2 Amino‐<br />
+M/‐I<br />
+I<br />
‐I/+M<br />
(I‐Effekt stärker)<br />
‐R, ‐ Ar,<br />
‐CH=CHR<br />
‐F, ‐Cl, ‐Br, ‐I<br />
+M/‐I ‐OH, ‐OR Hydroxy‐, Alkoxy‐<br />
Acetylamino‐<br />
Acetyloxy‐<br />
Alkyl‐, Aryl‐, Alkenyl‐<br />
Halogen‐<br />
aktivierend<br />
desakti‐<br />
vierend<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 20
Substituenten 2.Ordnung<br />
Substituenten, die negative Effekte auf das aromatische System ausüben, d.h.<br />
die Elektronendichte im Ring erniedrigen, dirigieren in die meta‐Position und werden als<br />
Substituenten zweiter Ordnung bezeichnet!<br />
Effekte Substituentengruppe Name<br />
meta-dirigierend<br />
-M/-I<br />
-M/-I<br />
Alkanoyl- , Formyl-<br />
Aminocarbonyl-,<br />
Alkoxycarbonyl-,<br />
Carboxy,<br />
-M/-I<br />
-M/-I<br />
-SO 3 H<br />
Sulfonsäure<br />
-M/-I -CN Cyano-<br />
Ammonium-<br />
desaktivierend<br />
-M/-I -NO 2 Nitro-<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 21
Einteilung<br />
MERKE: Sind schon zwei oder mehr Substituenten vorhanden, beeinflussen alle die<br />
Geschwindigkeit und Regioselektivität der folgenden Substitution!<br />
Breitmaier/Jung, Organische Chemie, 5. Auflage, 2005<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 22
Nitrierung<br />
Einführung der Nitrogruppe in einen Aromaten<br />
• Zur Nitrierung verwendet man Nitriersäure (eine Mischung aus konz. HNO 3 und konz.<br />
H 2 SO 4 ) oder rauchende Salpetersäure.<br />
• Nitrierendes Agens ist das Nitryl‐ (bzw. Nitronium‐)Kation NO 2+ .<br />
• Reaktivität (Konzentration) des Nitrylkations hängt von der Lage des<br />
Gleichgewichts ab.<br />
• Je stärker die protonierende Säure, desto höher die Konzentration von NO 2+ .<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 23
Nitrierung<br />
Beispiel:<br />
CH 3<br />
68%ige HNO 3<br />
konz. H 2 SO 4<br />
CH 3<br />
NO 2<br />
CH 3<br />
NO<br />
konz. HNO 2<br />
3<br />
konz. H 2 SO 4<br />
o-Produkt wird bevorzugt (65 %)<br />
NO 2<br />
rauchend. HNO 3<br />
konz. H 2 SO 4 (Oleum)<br />
O 2 N<br />
CH 3<br />
NO 2<br />
2-Methyl-1,3,5-trinitrobenzen<br />
(Trinitrotoluen)<br />
NO 2<br />
• Die Ausbeute und Reaktionsgeschwindigkeit der weiteren Nitrierungen<br />
nimmt stark ab, da die Nitrogruppen desaktivierend wirken!<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 24
Nitrierung<br />
Resonanzformeln nach ortho‐, para‐ und meta‐Angriff auf Anilin<br />
stark stabilisiertes Kation<br />
stark stabilisiertes Kation<br />
• Aminogruppe (schwacher ‐I‐, starker +M‐Effekt) wirkt aktivierend und dirigiert die<br />
Nitrogruppe in die ortho‐ und para‐Postion.<br />
25
Nitrierung<br />
Resonanzformeln nach ortho‐, para‐ und meta‐Angriff auf Nitrobenzen<br />
stark<br />
destabilisiertes<br />
Kation<br />
stark<br />
destabilisiertes<br />
Kation<br />
weniger stark<br />
destabilisiertes<br />
Kation<br />
• Nitrogruppe ( ‐I‐ und ‐M‐Effekt) wirkt desaktivierend und dirigiert die Nitrogruppe in<br />
die meta‐Position.<br />
26
Nitrierung<br />
Resonanzformeln nach ortho‐, para‐ und meta‐Angriff auf Chlorbenzen<br />
• Halogene (starker ‐I‐, schwacher +M‐Effekt) wirken desaktivierend aber dirigieren die<br />
Nitrogruppe durch den +M‐Effekt in die ortho‐ und para‐Postion.<br />
27
Sulfonierung<br />
Einführung der Sulfogruppe in einen Aromaten<br />
• Als elekrophiles Agens wird das freie Schwefeltrioxid (SO 3 ) bzw. das HSO 3+ ‐Kation<br />
angenommen.<br />
• Gebräuchliche Sulfonierungsmittel sind 70‐ bis 100%ige Schwefelsäure und Oleum mit<br />
verschiedenem SO 3 ‐Gehalt.<br />
• Hydrolyse der Sulfonsäure gelingt je nach ihrer Stabilität schon mit Wasser oder mit<br />
Schwefelsäure (Katalysator); besonders bei erhöhter Temperatur.<br />
• Durch starke Salpetersäure lässt sich die Sulfonsäuregruppe verdrängen<br />
Ipso‐Substitution<br />
• Die SO 3 H‐Gruppe wird oft als Schutzgruppe verwendet.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 28
Halogenierung<br />
Ersatz eines Wasserstoffatoms durch ein Halogen<br />
• Reaktivität: F >>> Cl > Br > I<br />
• Direkte Fluorierung ist nicht möglich Abbau des Aromatens.<br />
Ausweg: SCHIEMANN‐Reaktion (SANDMEYER‐ähnliche Reaktion)<br />
• In unpolaren Lösungsmitteln reagieren Chlor, Brom und Iod sehr langsam<br />
Verwendung eines stark polaren Lösungsmittels und einer<br />
LEWIS‐Säure als Katalysator (AlCl 3 , FeCl 3 oder metallisches Eisen).<br />
• Durch die LEWIS‐Säure wird das Halogen polarisiert und damit aktiviert:<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 29
Halogenierung<br />
! Bei Alkylaromaten kann eine radikalische Substitution der Seitenketten als<br />
Konkurrenzreaktion auftreten!<br />
Merkhilfe: Siedehitze, Sonnenlicht → Seitenkette (SSS)<br />
Kälte, Katalysator → Kern (KKK)<br />
• I 2 ist ein schwaches Elektrophil.<br />
• Verwendung von I 2 bzw. I‐Cl mit Ag‐Salzen (AgI oder AgNO 3 ) <strong>zur</strong> direkten Iodierung.<br />
• Ausweg: über SANDMEYER‐ähnliche Reaktion.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 30
Friedel‐Crafts‐Alkylierung<br />
Alkylierung von Aromaten<br />
• Alkylierungsmittel: Alkylhalogenide (in Gegenwart katalytischer Mengen an LEWIS‐<br />
Säure), Alkylsulfonate, Alkohole sowie Olefine.<br />
• Reaktivität R‐X: R‐F > R‐Cl > R‐Br, R‐I<br />
• Reaktivität LEWIS‐Säure: AlBr 3 > AlCl 3 > FeCl 3 > SbCl 5 > BF 3<br />
Aktivierung des Alkylierungsmittels:<br />
• Wie die Sulfonierung ist auch die FRIEDEL‐CRAFTS‐ALKYLIERUNG eine reversible<br />
Substitution (Substitutionsregeln gelten nur unter kinetischer Kontrolle).<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 31
Friedel‐Crafts‐Acylierung<br />
Synthese aromatischer Ketone<br />
• Acylierungsmittel: Säurehalogenide und Säureanhydride (in Gegenwart<br />
stöchiometrischer Mengen an LEWIS‐Säure (AlCl 3 ))<br />
Das gebildete Keton bindet ein volles Äquivalent an LEWIS‐Säure.<br />
Zersetzung des Keton‐LEWIS‐Säure‐Komplexes durch Hydrolyse (H 2 O).<br />
Aktivierung des Acylierungsmittels:<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 32
Friedel‐Crafts‐Acylierung<br />
Komplexbildung der LEWIS‐Säure mit dem gebildeten Keton und anschließende Hydrolyse:<br />
• Keine Mehrfachacylierungen, da desaktivierender Substituent eingeführt wird!<br />
Spezialfall: Einführung der Formylgruppe (‐CHO)<br />
• Formylchlorid ist instabil, kann nur in‐situ gebildet werden.<br />
• Reaktion gelingt durch Umsetzung von Aromaten mit HCl und CO unter hohem<br />
Druck in Anwesenheit von AlCl 3 /CuCl .<br />
HCl + CO<br />
Synthese aromatischer Aldehyde<br />
O AlCl<br />
H 3 C 3 , CuCl<br />
+<br />
H Cl<br />
Toluol Formylchlorid<br />
O<br />
H 3 C<br />
H<br />
p-Tolylaldehyd<br />
• Alternativen: GATTERMANN‐KOCH‐Synthese oder VILSMEYER‐Synthese<br />
33
Friedel‐Crafts‐Acylierung<br />
FRIEDEL‐CRAFTS‐Acylierung mit anschließender Reduktion<br />
• Reaktionssequenz aus FRIEDEL‐CRAFTS‐Acylierung und anschließender Reduktion<br />
der Ketogruppe liefert Alkylaromaten:<br />
• Besonders geeignet für lineare Alkylsubstituenten.<br />
• Keine Mehrfachreaktion wie bei der FRIEDEL‐CRAFTS‐Alkylierung!<br />
• Reduktion auch mit der CLEMMENSEN‐Reduktion möglich.<br />
WOLFF‐KISHNER‐Reduktion<br />
CLEMMENSEN‐Reduktion<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 34
Vilsmeyer‐Formylierung<br />
Formylierung aktivierter Aromaten<br />
• Phenole, Aniline, elektronenreiche Heteroaromaten<br />
• Formylierungsmittel: N,N‐Dimethylformamid oder N‐Methylformanilid in Gegenwart<br />
von Phosphoroxychlorid (POCl 3 ).<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 35
Sandmeyer‐Reaktion<br />
Substitution einer AMINOgruppe in aromatischen Verbindungen über deren<br />
DIAZONIUMSALZ durch ein anderes Nucleophil (F ‐ , Cl ‐ , Br ‐ , I ‐ , CN ‐ , RS ‐ , HO ‐ , RO ‐ ,HSO 3‐ ).<br />
• Reaktion verläuft in zwei Schritten:<br />
1) Diazotierung der Aminogruppe<br />
2) Einführung des Nucleophils<br />
NH 2<br />
N 2 + X -<br />
X<br />
1) HX, NaNO 2 ,0°C<br />
2) CuX, 60-100°C<br />
R<br />
R<br />
• Einführung von Chlor, Brom und Cyanid erfolgt in Gegenwart von Cu(I)‐Salzen als<br />
Katalysator (eigentliche SANDMEYER‐Reaktion).<br />
• SANDMEYER‐ähnliche Reaktionen benötigen oft keinen Katalysator.<br />
• Synthetische Bedeutung: Möglichkeit Substituenten einzuführen, die durch direkte<br />
Substitution gar nicht oder nicht an der gewünschten Stelle eingeführt werden können.<br />
• Mögliche Nebenreaktionen: Bildung von Phenolen, Diarylen oder Azoverbindungen.<br />
R<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 36
Sandmeyer‐Reaktion<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 37
Sandmeyer‐Reaktion<br />
Beispiele:<br />
+Cl;Cu<br />
-N 2<br />
R<br />
Cl<br />
SANDMEYER‐<br />
Reaktion<br />
R<br />
N N<br />
+Br;Cu<br />
-N 2<br />
+I;Cu<br />
-N 2<br />
R<br />
R<br />
Br<br />
I<br />
auch ohne Cu + möglich, z.B. mit KI<br />
+CN;Cu<br />
-N 2<br />
R<br />
CN<br />
SANDMEYERähnliche<br />
Reaktionen<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 38
Eine kurze Hommage an die Sandmeyer – Reaktion<br />
NH 2<br />
N 2 + X -<br />
X<br />
1) HX, NaNO 2 ,0°C<br />
2) CuX, 60-100°C<br />
R<br />
R<br />
Entdeckung ca. 1880 durch T. Sandmeyer<br />
R<br />
Iod‐Aromaten:<br />
‐ Bis ca. 1950 fast exklusiv durch Sandmeyer<br />
‐ Auch heute durchgeführt wenn lediglich ein Isomer gewünscht ist<br />
‐ Pd‐katalysierte Kreuzkupplungen<br />
Fluor‐Aromaten:<br />
‐ Milde Methode verglichen mit Halogenaustausch/org. Fluorierungsmitteln<br />
‐ Produkte werden genutzt für:<br />
‐ Röntgenmarkierung ( 18 F, Halbwertszeit 110 min)<br />
‐ Pharma‐Produkte (Lipophilie, Bio‐Verfügbarkeit, Halbwertszeit im Körper)<br />
‐ Supramolekulare Chemie Wasserstoffbrückenbindungen<br />
Zusätzlich: Exklusive Substitutionsmuster durch Sandmeyer<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 39
Azo‐Kupplung<br />
INFO: AZOFARBSTOFFE<br />
• Aryldiazonium‐Salze sind schwache Elektrophile und können mit stark aktivierten<br />
Aromaten (Phenole, sekundäre und tertiäre Amine) reagieren.<br />
• Reaktion erfolgt meist selektiv in der para‐Position des aktivierten Aromaten.<br />
• Produkte der Azokupplung werden als Farbstoffe verwendet.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 40
Reaktionsstrategien<br />
• Bei der Syntheseplanung für die Herstellung mehrfach substituierter Aromaten müssen<br />
die dirigierenden Effekte und Reaktivitäten der verschiedenen Substituenten<br />
berücksichtigt werden.<br />
!Alle Substituenten haben Einfluss auf die Position und Ausbeuten bei folgenden Substitutionen!<br />
RETROSYNTHETISCHE ANALYSE zum Planen einer mehrstufigen chemischen Reaktion.<br />
Retrosynthese‐<br />
Beispiel:<br />
Pfeil<br />
Vorschlag 1:<br />
Br<br />
Br<br />
Br Br<br />
2 /FeBr 3<br />
+<br />
Br 2 /FeBr 3<br />
NO 2<br />
NO 2<br />
Br<br />
Br 2 ist ortho- und<br />
para-dirigierend!<br />
Br<br />
Vorschlag 2:<br />
HNO 3 /H 2 SO 4<br />
NO 2<br />
HNO 3 /H 2 SO 4<br />
H 2 ,Pd<br />
NH 2<br />
NH 2<br />
1. NaNO 2 ,H + ,H 2 O<br />
2. CuBr, 100°C<br />
Br<br />
Nitrogruppe ist meta-dirigierend und kann <strong>zur</strong><br />
Aminof unktion reduziert werden. Eine anschließende<br />
SANDMEYER-Reaktion lief ert das meta-Dibromid!<br />
OC Br I Lehramt ‐ F. H. Schacher 41
Reaktionsstrategien<br />
Weitere Beispiele:<br />
COOH<br />
COOH<br />
Br<br />
NO 2<br />
COOH<br />
HNO 3 /H 2 SO 4<br />
COOH<br />
COOH<br />
Br 2 /FeBr 3<br />
NO 2 Br NO 2<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 42
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 43
Nukleophile aromatische Substitution<br />
Benzene, die elektronenziehende Substituenten (NO 2 , CN, COOH, CRO) besitzen,<br />
können nucleophile Substitutionen (mit ‐ OR, ‐ OH, ‐ NH 2 , ...) eingehen, wenn sich in orthooder<br />
para‐Stellung zu den starken Elektronenakzeptoren eine gute Abgangsgruppe (z.B.<br />
ein Halogen) befindet.<br />
Je mehr elektronenziehende Substituenten (in o‐ bzw. p‐Stellung <strong>zur</strong> Abgangsgruppe)<br />
vorhanden sind, desto einfacher die Substitution.<br />
Die nucleophile aromatische Substitution kann nach einem Additions‐Eliminierungs‐<br />
Mechanismus oder einem Eliminierungs‐Additions‐Mechanismus ablaufen.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 44
Nukleophile aromatische Substitution<br />
a) Additions‐Eliminierungs‐Mechanismus:<br />
MEISENHEIMER‐Komplex<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 45
Nukleophile aromatische Substitution<br />
b) Eliminierungs‐Additions‐Mechanismus:<br />
• Mit sehr starken Basen (NaNH 2 oder NaOH‐Lösung bei 150 °C) reagieren Halogenbenzene<br />
(mit α‐H‐Atom) auch ohne elektronenziehende Substituenten.<br />
• Das angreifende Anion fungiert hier als Base (nicht als Nucleophil)!<br />
• Eintritt der neuen Gruppe in ipso‐ und ortho‐Position!<br />
• Dehydrobenzene (Arine) als Zwischenstufen!<br />
(Nachweis der Zwischenstufen durch Abfangen in einer DIELS‐ALDER‐Reaktion.)<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 46
Arin‐Struktur<br />
Struktur des Dehydrobenzens (Arins):<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 47<br />
Organische Chemie, 4. Auflage, K.P.C, Vollhardt, N.E. Schore
Reaktivität der Benzylgruppe<br />
Benzylische Zwischenstufen (Ph‐CH 2 ) sind mesomeriestabilisiert (resonanzstabilisiert) (als<br />
Radikal, Kation und Anion).<br />
• Die entsprechenden Benzylverbindungen (z.B. Benzylhalogenide, Toluen usw.) sind<br />
daher reaktiver als ihre Alkylanaloga!<br />
Mesomeriestabilisierung des Benzylradikals:<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 48
Reaktivität der Benzylgruppe<br />
Wdh.: KKK vs. SSS<br />
Beispiel: Halogenierung der Seitenkette<br />
• Bei hohen Temperaturen und/oder Lichteinstrahlung können Alkylaromaten radikalisch<br />
in der Seitenkette halogeniert werden (Nebenreaktion <strong>zur</strong> elektrophilen Halogenierung<br />
am Kern)!<br />
Br<br />
Br<br />
+<br />
Br<br />
Br 2 ,FeBr 3<br />
elektrophil<br />
Br 2 ,h oder Wärme<br />
radikalisch<br />
Bei Toluen über ein Benzylradikal.<br />
Mesomeriestabilisierung des Benzyl‐Kations:<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 49
Oxidation<br />
Verbrennung:<br />
• Viele Aromaten sind brennbar und sind an einer rußenden Flamme zu erkennen<br />
(unvollständige Verbrennung, hoher Kohlenstoffgehalt).<br />
Ozonolyse:<br />
• Unter drastischen Bedingungen (hohe Temperatur und Druck) kann eine Ringspaltung<br />
erfolgen Spaltung in 1,2‐Dicarbonyle.<br />
• Keine Regioselektivität bei der Spaltung substituierter Benzene:<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 50
Oxidation<br />
Vollständige Oxidation der Seitenketten<br />
• Starke Oxidationsmittel oxidieren Alkylseitengruppen <strong>zur</strong> Carbonsäure.<br />
• Alkylgruppen mit mehr als zwei C‐Atomen werden nach C1 abgespalten!<br />
• Im basischen Milieu bilden sich Carboxylate (Benzoate, Terephthalate usw.), Zugabe von<br />
Säure ergibt die freien Carbonsäuren.<br />
CH 3 1. KMnO4 ,OH - ,<br />
2. H + /H 2 O<br />
COOH<br />
1. KMnO 4 ,OH - ,<br />
2. H + /H 2 O<br />
CO 2 H<br />
Benzoesäure<br />
CO 2 H<br />
1,4-Benzendicarbonsäure<br />
Terephthalsäure<br />
• Arylaldehyde aus Alkylaromaten sind durch vorsichtige Oxidation mit MnO 2 oder<br />
Cerammoniumnitrat zugänglich (Praxis: Formylierungen!).<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 51
Reduktion<br />
Vollständige katalytische Hydrierung<br />
• Rückreaktion der Dehydrierung von Cyclohexan. Als Katalysatoren dienen Ni oder Pt.<br />
Partielle Hydrierung ‐ BIRCH‐Reduktion<br />
• Reduktion durch doppelte Ein‐Elektronen‐Übertragung (durch Natrium) und Protonierung<br />
(durch ROH). Bildung von Cyclohexa‐1,4‐dienen!<br />
Solvatisierte Elektronen<br />
• Regioselektivität:<br />
• Elektronenschiebende Substituenten verbleiben an der Doppelbindung.<br />
• Elektronenziehende Substituenten befinden sich danach zw. den Doppelbindungen.<br />
• Auch für polycyclische Aromaten geeignet.<br />
• Halogene, Nitro‐ und Cyanogruppen werden im Allgemeinen mitreduziert.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 52
Reduktion<br />
Beispiele:<br />
Na, fl. NH 3<br />
EtOH<br />
85 %<br />
OMe<br />
Li, fl. NH 3<br />
EtOH<br />
OMe<br />
84 %<br />
COOH<br />
1. Na, fl. NH 3 ,EtOH<br />
2. H + /H 2 O<br />
COOH<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 53
Polycyclische Aromaten<br />
6.4.6.1 Resonanzenergien<br />
Benzen<br />
Naphthalen<br />
Ring<br />
Mesomerieenergie<br />
kJ/mol<br />
pro Benzeneinheit<br />
Benzen 151 151<br />
Naphthalen 256 128<br />
Anthracen 360 120<br />
Phenanthren 416 138<br />
Tetracen 545 136<br />
Chrysen 563 141<br />
Anthracen<br />
• Benzen am stabilsten!<br />
• Polycyclische Aromaten: geringere Stabilisierung pro<br />
Ringeinheit .<br />
→ Erhöhte Reaktivität der polycyclischen Aromaten!<br />
Phenanthren<br />
Beispiel: Hydrierung der zentralen Ringeinheit<br />
Tetracen<br />
Chrysen<br />
Resonanzenergien:<br />
Anthracen Chrysen<br />
Ausgangsstoffe 360 563<br />
Reaktionsprodukte 2*151 2*256<br />
Differenz 58 41<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 54
Naphthalen<br />
Resonanzformeln:<br />
nach Vollhardt<br />
nach Breitmaier<br />
→ aromatisches “Subsystem”<br />
Struktur:<br />
Bindungsverhältnisse:<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 55
Sulfonierung<br />
• Infolge der Reversibilität der Sulfonierung kann der Ort der eintretenden Sulfo‐Gruppe in<br />
den Aromaten über die Reaktionsbedingungen bestimmt werden.<br />
Beispiel: Sulfonierung von Naphthalin<br />
H<br />
SO 3 H<br />
H 2 SO 4<br />
H 2 SO 4<br />
SO 3 H<br />
80 °C<br />
160 °C<br />
1-Naphthalinsulfonsäure<br />
-Produkt<br />
2-Naphthalinsulfonsäure<br />
-Produkt<br />
Kinetisch kontrolliertes vs. thermodynamisch kontrolliertes Produkt!<br />
kinetisches vs. thermodynamisches Produkt<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 56
Verwendung + Umwelt<br />
• Benzen und seine Derivate sind wichtige Chemikalien, die weite Anwendung in<br />
der Industrie finden, z.B.:<br />
• Benzen: Ausgangsprodukt für Derivate, (Lösungsmittel)<br />
• Toluen, Xylen, Mesitylen: Lösungsmittel<br />
• Phenole: Phenolharze (Bakelit), (Antiseptika), Farbstoffe<br />
• Anilin: Farbstoffe<br />
Azofarbstoffe<br />
• Anisol: Lösungsmittel, Synthese von Arzneimitteln und Riechstoffen (Parfüm)<br />
• Styren: Polymere (Polystyren, ABS‐Kunststoffe)<br />
• Halogenbenzene: Lösungsmittel<br />
• Trinitrotoluen: Sprengstoff<br />
• Arzneimittel, Aromastoffe (Benzaldehyd, Zimtaldehyd, Vanillin, Anisaldehyd)<br />
• ...<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 57
Verwendung + Umwelt<br />
Einige natürlich vorkommende Aromaten / physiologisch aktive Aromaten:<br />
MeO<br />
MeO<br />
OMe<br />
O<br />
NH 2<br />
Meskalin<br />
aus Kakteen extrahiert<br />
halluzinogene Wirkung<br />
HO<br />
HO<br />
O<br />
N<br />
COOH<br />
O<br />
Acetylsalicylsäure<br />
Schmerzmittel<br />
Morphin<br />
Hauptbestandteil des Opiums<br />
Starkes Schmerzmittel<br />
O<br />
CH 3<br />
CHO<br />
OH<br />
O CH 3<br />
Vanillin<br />
Aromastoff<br />
N<br />
N<br />
Diazepam, Valium<br />
Schlafmittel, Behandlung<br />
von Angstzuständen<br />
Nikotin<br />
Hauptalkaloid<br />
der Tabakpflanze<br />
Indigo<br />
Farbstoff<br />
Benzo[a]pyren<br />
Steinkohleteer, verbranntes Grillgut<br />
krebserregend<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 58
9. Alkohole<br />
R 2<br />
R 1<br />
• Als ALKOHOLE (Alkanole) bezeichnet man organische Verbindungen, die<br />
mindestens eine Hydroxygruppe (‐OH) (als Gruppe höchster Priorität)<br />
besitzen.<br />
• Bei den Resten R handelt es sich um ALKYLGRUPPEN!<br />
• In Alkoholen ist die Hydroxygruppe an ein sp 3 ‐C‐Atom gebunden.<br />
• Aromatische Alkohole werden als PHENOLE bezeichnet.<br />
• In Phenolen und (meist instabilen) Enolen ist die Hydroxygruppe an ein sp 2 ‐C‐Atom<br />
gebunden.<br />
R 3<br />
OH<br />
R 1 ,R 2 ,R 3 = H oder Alkyl<br />
• Alkohole können als Derivate des Wassers betrachtet werden, bei<br />
denen ein Wasserstoff durch einen Alkylrest ausgetauscht wurde:<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 1
Allgemeines<br />
• Die einwertigen Alkanole bilden die homologe Reihe: C n H 2n+2 O<br />
• Unverzweigte Alkohole sind von C1 (Methanol) bis C11 (Undecanol) flüssig,<br />
längerkettige Alkohole sind fest.<br />
• Ab C3 existieren Konstitutionsisomere (Propan‐1‐ol, Propan‐2‐ol (Isopropanol)).<br />
Einteilung der Alkanole:<br />
a) Alkylierungsgrad: primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole<br />
b) Anzahl der Hydroxygruppen: (Mono‐), Di‐, Tri‐, ... , Polyalkohole (Polyole).<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 2
Struktur, Bindung, Eigenschaften<br />
C‐OH‐Bindung<br />
• polar (Dipolmoment), etwas stärker (435 kJ/mol) als eine C‐H‐ Bindung (410 kJ/mol)<br />
Struktur und Orbitale<br />
resultierendes Diplomoment<br />
• C‐O‐H Bindung ist gewinkelt (ca. 110° in Alkoholen).<br />
• Alkohole können (wie Wasser) Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden (ca. 21 kJ/mol).<br />
höhere Siedepunkte der Alkohole ggü. Alkanen und Halogenalkanen.<br />
• Alkohole gehören zu den protischen Lösungsmitteln.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 3
Struktur, Bindung, Eigenschaften<br />
Wasserstoffbrückenbindung<br />
Löslichkeit in Wasser<br />
• OH‐Gruppe ist polar und hydrophil.<br />
• Alkylgruppe ist unpolar und hydrophob.<br />
C1 –C3 Alkohole sind sehr gut wasserlöslich<br />
(polarer Charakter überwiegt).<br />
C4 –C5 Alkohole sind mäßig wasserlöslich.<br />
C6 und größere Alkohole sind nicht wasserlöslich<br />
(unpolarer Charakter überwiegt).<br />
Vergleich der Siedepunkte<br />
Alkan Kp* Halogenalkan Kp* Alkohol Kp*<br />
Methan ‐161 Chlormethan ‐24 Methanol 65<br />
Ethan ‐89 Chlorethan 12 Ethanol 78<br />
Propan ‐45 Chlorpropan 16 Propanol 97<br />
Butan ‐0,5 Chlorbutan 78 Butanol 118<br />
Pentan 36 Chlorpentan 108 Pentanol 128<br />
Polarität und<br />
Wasserstoffbrückenbindungen<br />
verursachen<br />
hohe Siedepunkte der<br />
Alkohole!<br />
*Kochpunkt in °C<br />
http://www2.chemie.uni‐erlangen.de/projects/vsc/chemie‐mediziner‐neu/funktgruppen/bilder/alkohole2.gif<br />
4
Alkohole als Säuren + Basen<br />
• Alkohole können durch starke Basen deprotoniert und durch starke Säuren protoniert<br />
werden sie sind Säure‐Base‐AMPHOTERE!<br />
Beispiele:<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 5
Alkohole als Säuren + Basen<br />
Übersicht pK a ‐Werte einiger Alkohole und Phenole<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 6<br />
aus: Script Organische Chemie I, Prof. T. Rödel, FH Merseburg
Alkohole als Säuren + Basen<br />
Einfluss auf die Säurestärke von Alkoholen:<br />
•Die Acidität von Alkoholen nimmt in der Reihe von Methanol über primäre, sekundäre<br />
und tertiäre Alkohole ab (pK a steigt).<br />
Acidität: Methanol > prim‐ ROH > sek. ROH > tert. ROH<br />
Ursache: Zunehmende sterische Hinderung verhindert Solvatation der Alkoxid‐<br />
Ionen und Ausbildung von Wasserstoffbrücken.<br />
Anionen sind mit zunehmender sterischer Hinderung weniger stabilisiert!<br />
• Elektronenziehende Substituenten stabilisieren die negative Ladung des Alkoxid‐Ions<br />
(induktiver Effekt). Der Effekt nimmt mit zunehmenden Abstand ab.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 7
Nomenklatur + wichtige Vertreter<br />
• Nomenklatur für Alkanole:<br />
• Name des Alkans plus Endung ‐ol.<br />
• Position der Hydroxygruppe vor dem Alkanstamm oder vor der Endung<br />
(z.B. 2‐Propanol oder Propan‐2‐ol).<br />
• Cyclische Alkanone erhalten zusätzlich die Vorsilbe Cyclo‐.<br />
• Position der Substituenten möglichst niedrig!<br />
• TRIVIALNAMEN!<br />
Beispiele:<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 8
Synthesen<br />
• Wichtige Synthesemethoden sind:<br />
a) Technische Alkoholsynthesen (Methanol und Ethanol)<br />
siehe auch Reaktionen der erwähnten Stoffklassen<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 9
Synthesen<br />
b) Alkoholische Gärung<br />
• Biochemischer Prozess, bei dem Kohlenhydrate (hauptsächlich Glucose) zu Ethanol<br />
und Kohlendioxid abgebaut werden.<br />
• Spaltung der Kohlenhydrate erfolgt durch Enzyme, die zum Beispiel in Hefe<br />
enthalten sind.<br />
• Hauptsächlich <strong>zur</strong><br />
Gewinnung von<br />
Trinkalkohol und<br />
Bioethanol.<br />
• Maximaler<br />
Alkoholgehalt durch<br />
Gärung ca. 20 %.<br />
• Anreicherung des<br />
Alkohols durch<br />
Destillation.<br />
Typische Alkoholgehalte<br />
•Brot: bis 0,3 % Vol.<br />
•Apfelsaft: bis 0,4 % Vol.<br />
• alkoholfreies Bier: bis 0,5 % Vol.<br />
• Sauerkraut: 0,5 % Vol.<br />
• Traubensaft: bis 0,6 % Vol.<br />
• reife Banane: bis 1 % Vol. (durchschnittlich 3 ml)<br />
•reiferKefir: bis ca. 1% Vol.<br />
•Bier<br />
•Leichtbiere: 1–3,5 % Vol.<br />
•Vollbiere: ca. 3–5 %, meist um 5% Vol.<br />
•Starkbiere: 6–12 % Vol.<br />
•Weine: 7–14 %, Vol. Apfelwein: ca. 5,5–7 % Vol.<br />
•Liköre: ca. 15–75 % Vol., meist unter 30 % Vol.<br />
•Spirituosen: ca. 30–80 % Vol., meist ca. 40 % Vol.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 10
Synthesen<br />
c) Hydratisierung von Alkenen<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 11
Synthesen<br />
d) Hydroborierung / Oxidation<br />
• Addition von Boranen (Borwasserstoffen) an eine Doppelbindung gefolgt von Oxidation<br />
mit H 2 O 2 liefert Alkohole nach anti‐MARKOVNIKOV‐Regioselektivität.<br />
• syn‐Addition, Bor‐Atom an das sterisch weniger gehinderte C‐Atom<br />
• Häufig verwendet für die Synthese von primären und sekundären „anti‐MARKOVNIKOV“‐<br />
Alkoholen (Bildung des niedriger substituierten Alkohols).<br />
• Höhere Selektivität der Hydroborierung mit sperrigen Alkylboranen.<br />
Reaktionen der Alkene<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 12
Synthesen<br />
e) Reduktion von Carbonylen<br />
f) Alkylierung von Carbonylen (Grignard)<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 13
Synthesen<br />
g) Nucleophile Substitution an Halogenalkanen<br />
• Nucleophile Substitution (mit ‐ OH) an geeigneten<br />
Halogenalkanen (primär und sekundär) führt zu Alkoholen.<br />
• Geeignet für die Synthese „komplizierter“ Alkoholstrukturen –zuerst Halogenieren,<br />
dann Substitution zum Alkohol.<br />
Beispiel: Br +OH - OH<br />
-Br -<br />
Benzylbromid<br />
Benzylalkohol<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 14
Synthesen<br />
h) Synthese von Diolen<br />
• Oxidation von Alkenen mit Osmiumtetroxid und anschließende<br />
Hydrolyse ergibt stereospezifisch syn‐Diole ((Z)‐Diole, cis‐Diole).<br />
• Oxidation von Alkenen in Wasser oder Ethanol mit<br />
Kaliumpermanganat führt zu vicinalen syn‐Diolen.<br />
• Nachweisreaktion für Alkene (BAEYER‐Probe).<br />
• Geringere Ausbeuten im Vergleich <strong>zur</strong> Oxidation<br />
mit OsO 4 .<br />
• Die säurekatalysierte Ringöffung der Oxirane ergibt<br />
stereospezifisch anti‐Diole ((E)‐Diole, trans‐Diole).<br />
(technische Synthese von Ethan‐1,2‐diol (Ethylenglykol))<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 15
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 16
Reaktionen<br />
Säure‐Base‐Amphoter<br />
• Polare C‐OH‐Bindung: Partiell positives<br />
Kohlenstoffatom, partiell negatives<br />
Sauerstoffatom.<br />
• Amphoterer Charakter ermöglicht Bildung<br />
von Alkyloxonium‐ und Alkoxid‐Ionen.<br />
• Vielfältige Folgechemie an diesen<br />
Zwischenstufen.<br />
• Oxidierbarkeit des Alkohol‐C‐Atoms.<br />
Substitution der OH Gruppe<br />
(durch Halogenide)<br />
Dehydratisierung<br />
!Umlagerungen!<br />
Veresterung<br />
Veretherung (WILLIAMSON)<br />
Oxidation<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 17
Reaktionen<br />
Wichtige Reaktionen der Alkohole ‐ Übersicht I:<br />
Alkene<br />
C C<br />
Aldehyde<br />
O<br />
C C<br />
H<br />
Alkylhalogenide<br />
C<br />
X<br />
R OH<br />
Ketone<br />
O<br />
C C<br />
C<br />
Ester<br />
O<br />
C C<br />
O C<br />
Ether<br />
C O C<br />
Carbonsäuren<br />
O<br />
C C<br />
O H<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 18
Reaktionen<br />
Wichtige Reaktionen der Alkohole ‐ Übersicht II:<br />
+ Folgechemie<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 19
Nukleophile Substitution (Halogenide)<br />
Substitution mit Halogenwasserstoff (X = (Cl), Br, I)<br />
• Alkyloxonium‐Ionen von primären Alkoholen lassen sich durch Nucleophile ersetzen<br />
(S N 2‐Mechanismus).<br />
• Sekundäre und tertiäre Alkyloxonium‐Ionen bilden leicht Carbenium‐Ionen.<br />
(Stabilität der gebildeten Carbenium‐Ionen: Allyl, Benzyl > tert. > sek. >> prim.)<br />
• Die Carbeniumionen reagieren nach S N 1‐ (z.B. Halogenierung) oder E1‐Mechanismen<br />
(s. Dehydratisierung) weiter.<br />
• Nebenreaktionen: Eliminierungen, Umlagerungen<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 20
Nukleophile Substitution (Halogenide)<br />
Substitution mit Phosphortrihalogenid (PBr 3 , PI 3 , (PCl 3 ))<br />
• Alkohole bilden mit PX 3 zunächst einen anorganischen Phosphorester (gute AG), dann<br />
folgt die Substitution mit X ‐ .<br />
• Geeignet <strong>zur</strong> Umwandlung von primären, sekundären und tertitären Alkoholen in ihre<br />
Bromide und Iodide.<br />
• Triebkraft: Oxophilie des Phosphors.<br />
Substitution mit Thionylchlorid (SOCl 2 )<br />
• Chloralkane sind aus Alkoholen durch Erhitzen mit Thionylchlorid zugänglich.<br />
• Gasförmige Nebenprodukte!<br />
• Triebkraft: Oxophilie des Schwefels.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 21
Dehydratisierung<br />
• Erhitzen von (sekundären und tertiären) Alkoholen mit Mineralsäuren führt <strong>zur</strong> Bildung<br />
von Alkenen (säurekatalysierte Dehydratisierung).<br />
• Verläuft über Carbenium‐Zwischenstufen (E1‐Mechanismus).<br />
• Häufig Verwendung von Säuren, deren Anionen (konjugierte Basen) keine Nucleophile<br />
sind (H 2 SO 4 , H 3 PO 4 ).<br />
• Unsymmetrische Alkohole ergeben Produktgemische.<br />
• Zur Dehydratisierung tertiärer Alkohole wird auch Phosphoroxychlorid verwendet:<br />
• Carbenium‐Ionen können Umlagerungsreaktionen eingehen.<br />
• Weitere mögliche Nebenreaktion: Polymerisation der Alkene (im Sauren).<br />
22
Umlagerung von Carbeniumionen<br />
• Carbeniumionen können Umlagerungsreaktionen eingehen. Dabei werden stabilere<br />
Carbeniumionen gebildet (z.B. sekundäres C + in tertiäres C + ) .<br />
a) 1,2‐Hydridverschiebung<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 23
Umlagerung von Carbeniumionen<br />
b) 1,2‐Alkylverschiebung – WAGNER‐MEERWEIN‐Umlagerung<br />
OH<br />
Beispiel:<br />
H +<br />
1,2-Alkylverschiebung<br />
+ UMLAGERUNG<br />
+<br />
-H 2 O<br />
sekundäres C + tertiäres C +<br />
(stabiler)<br />
Cl -<br />
Cl<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 24
Veresterung<br />
• Die Umsetzung von Alkoholen mit Carbonsäuren führt zu Carbonsäureestern<br />
(Carboxylaten, Alkanoaten). Meist säurekatalysiert (Mineralsäure).<br />
• Formal wird der Wasserstoff der Carbonsäure durch einen Alkylrest (bzw. Arylrest)<br />
ersetzt.<br />
R<br />
O<br />
OH<br />
Carbonsäure<br />
Veresterung O<br />
+ HO R'<br />
+ H 2 O<br />
Verseifung<br />
R O R'<br />
Alkohol Carbonsäureester Wasser<br />
Wichtigste Reaktion der Alkohole!<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 25
Veresterung ‐ Beispiele<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 26
Veretherung<br />
• Die Deprotonierung von Alkoholen bzw. Phenolen durch starke Basen (Na, NaNH 2 )<br />
liefert Alkoxid‐Ionen (Alkoholate) bzw. Phenolate. Diese können mit Halogenalkanen zu<br />
Ethern umgesetzt werden (WILLIAMSON‐Ethersynthese).<br />
• Alternative: Alkohole in Gegenwart von „nichtnucleophilen“ Säuren erhitzen:<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 27
Oxidation<br />
Übersicht:<br />
primärer Alkohol<br />
sekundärer Alkohol<br />
tertiärer Alkohol<br />
R<br />
R<br />
R<br />
H<br />
C<br />
H<br />
H<br />
C<br />
R'<br />
R"<br />
C<br />
R'<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
[O]<br />
[O]<br />
[O]<br />
H<br />
C O<br />
R<br />
Aldehyd<br />
R<br />
C O<br />
R'<br />
Keton<br />
keine Reaktion<br />
• Oxidationsmittel: CrO 3 , Na 2 Cr 2 O 7 in H 2 SO 4 /H 2 O<br />
• Die Oxidation von primären Alkoholen ist nur schwer auf der Stufe der Aldehyde zu<br />
stoppen meist Weiteroxidation zu Carbonsäuren (im Wässrigen)!<br />
[O]<br />
HO<br />
C O<br />
R<br />
Carbonsäure<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 28
Oxidation<br />
Selektive Oxidation primärer Alkohole zu Aldehyden:<br />
a) mit Pyridiniumchlorchromat (PCC) in organischen LM (wasserfrei!)<br />
b) mittels SWERN‐Oxidation<br />
• Milde Oxidation von primären und sekundären Alkoholen OHNE Chrom!<br />
• Primäre Alkohle werden nicht zu Carbonsäuren weiteroxidiert!<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 29
Phenole (Carbolsäuren)<br />
• Als PHENOLE bezeichnet man aromatische Alkohole –sie tragen mindestens eine<br />
Hydroxygruppe am aromatischen Ring.<br />
• In Phenolen ist die Hydroxygruppe an ein sp 2 ‐C‐Atom gebunden.<br />
• Phenole sind i.d.R. Feststoffe.<br />
• Die OH‐Gruppe (+M, ‐I) ist ein aktivierender, ortho‐ und para‐dirigierender Substituent.<br />
7.5.1 Keto‐ und Enolform des Phenols<br />
• Durch die Resonanzenergie des Aromaten ist die Enolform stabiler!<br />
7.5.2 Phenole sind Säure‐Base‐Amphotere<br />
• Phenole können von starken Säuren protoniert und von (starken) Basen deprotoniert<br />
werden!<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 30
Phenole (Carbolsäuren)<br />
• Phenole (pK a = 8‐10) sind deutlich saurer als Alkohole (pK a = 15‐18)!<br />
Das Phenolat‐Anion ist mesomeriestabilisiert:<br />
Die negative Ladung kann über das gesamte aromatische System delokalisiert<br />
werden!<br />
• Phenole sind deutlich schwächer basisch als Alkohole (Phenyloxomium‐Ionen sind<br />
stärker sauer (pK a = ‐7) als Alkyloxonium‐Ionen (pK a = ‐2 ‐ ‐4)).<br />
• Elektronenziehende Substituenten können sich an der Resonanz beteiligen und<br />
stabilisieren das Phenolat‐Ion zusätzlich stärkere Acidität des Phenols.<br />
• Elektronenschiebende Substituenten verringern die Acidität.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 31
Phenolsynthesen<br />
a) HOCK‐Phenolsynthese –Cumol‐Hydroperoxid‐Verfahren<br />
b) Nucleophile aromatische ipso‐Substitution<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 32
Phenolsynthesen<br />
c) Verkochen von Aryldiazoniumsalzen<br />
d) Direkte nucleophile aromatische Hydroxylierung<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 33
Reaktionen<br />
a) Veretherung – WILLIAMSON‐Ethersynthese<br />
A<br />
l<br />
k<br />
o<br />
h<br />
o<br />
l<br />
c<br />
h<br />
e<br />
m<br />
i<br />
e<br />
OH<br />
Cl<br />
b) Veresterung<br />
Br<br />
NaOH, H 2 O<br />
O<br />
Cl<br />
63 %<br />
1. Deprotonierung des Phenols<br />
2. Nucleophile Substitution des<br />
primären Alkylhalogenids<br />
mit aktivierten Carbonsäuren<br />
(z.B. Carbonsäurechloriden)<br />
c) Elektrophile Substitutionen am Phenol<br />
• Nitrierung, Halogenierung, FRIEDEL‐CRAFTS‐Reaktionen usw. möglich!<br />
s. Aromatenchemie<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 34
Reaktionen<br />
d) KOLBE‐Reaktion ‐ Salicylsäuresynthese<br />
• 1. Deprotonierung des Phenols ‐ 2. Angriff auf CO 2 ‐ 3. Freisetzen der Säure.<br />
• Vorstufe der Acetylsalicylsäure.<br />
e) CLAISEN‐Umlagerung von Allylphenylethern<br />
• Thermische Isomerisierung, konzertierte Reaktion, Verschieben von 6 Elektronen.<br />
•Verlustdes aromatischen Ringsystems im Übergangszustand.<br />
•Keto‐Enol Tautomerisierung als letzter Reaktionsteil Rearomatisierung!<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 35
Reaktionen<br />
f) Oxidation zu Chinonen<br />
Reaktionen der Hydrochinone (Auswahl):<br />
Hydrohalogenierung<br />
DIELS‐ALDER‐<br />
Reaktion<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 36
Alkohole in der Industrie<br />
• Methanol und Ethanol sind wichtige C1‐ bzw. C2‐Bausteine und finden<br />
Anwendung in vielen chemischen Herstellungsverfahren.<br />
• Methanol: Synthese Formaldehyd und Essigsäure, Lösungsmittel, Brennstoff.<br />
Sehr giftig!<br />
50 Mio. Tonnen<br />
• Ethanol: Trinkalkohol, Brennstoff (Bioethanol, E85), Desinfektionsmittel,<br />
Ausgangstoff für viele Chemikalien<br />
36 Mrd. Liter (40% Getränke / Chemie – 60% Treibstoff)<br />
(90% davon USA + Brasilien)<br />
• 2‐Propanol (Isopropanol): Lösungs‐ und Reinigungsmittel, Desinfektionsmittel<br />
(toxisch, wird aber nicht über die Haut absorbiert).<br />
• Ethan‐1,2‐diol (Ethylenglykol): Frostschutzmittel<br />
• Phenol: früher Antiseptikum, Arzneimittelsynthesen, Phenolharze<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 37
10. Ether<br />
•Ether sind organische Verbindungen mit einer Sauerstoffbrücke (als funktionelle<br />
Gruppe) zwischen zwei Alkyl‐, Aryl‐ oder Alkenylresten.<br />
• Ether besitzen die allgemeine Summenformel: C n H 2n+2 O<br />
Struktur, Orbitale und Eigenschaften<br />
• C‐O‐C‐Bindung ist gewinkelt (112°) und polar (hohe Elektronegativität des Sauerstoffs).<br />
Die Länge der C‐O‐Bindung beträgt ca. 143 pm.<br />
• Ether sind meist reaktionsträge und chemisch inert (Ausnahme: kleine cyclische Ether).<br />
•Ether können keine Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden. Ihre Siedepunkte liegen<br />
deutlich unter denen von Alkoholen vergleichbarer Molmasse.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 1
Nomenklatur + wichtige Vertreter<br />
Offenkettige Ether<br />
• IUPAC: Bezeichnung als Alkoxyalkane. Der größere Teil ist der Alkanstamm.<br />
• Aromatische Ether: Endung Benzen, Alkylrest als Alkoxysubstituent.<br />
• TRIVIALNAMEN: Bennen der beiden Alkyl‐ bzw. Arylreste plus Endung Ether.<br />
siehe Heterocyclen / Heteroaromaten<br />
Cyclische Ether<br />
• IUPAC: Oxacycloalkane (gehören zu den Heterocyclen)<br />
• TRIVIALNAMEN<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 2
Nomenklatur + wichtige Vertreter<br />
Cyclische Polyether ‐ Kronenether<br />
• IUPAC: A‐Krone‐B A‐ Anzahl der Ringatome, B‐Anzahl der Sauerstoffatome<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 3
Synthesen<br />
• Wichtige Synthesemethoden sind:<br />
a) WILLIAMSON‐Ethersynthese<br />
b) Säurekatalysierte Kondensation von Alkoholen<br />
c) Elektrophile Addtion von Alkoholen an Alkene<br />
d) Epoxidsynthesen<br />
e) Synthese von THF und Dioxan<br />
a) WILLIAMSON‐Ethersynthese<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 4
Synthesen<br />
b) Säurekatalysierte Kondensation von Alkoholen<br />
• Behandlung von (meist primären) Alkoholen mit „nicht nucleophilen“, starken Säuren<br />
(z.B. H 2 SO 4 ) führt <strong>zur</strong> Bildung von Ethern (S N 2‐Reaktion).<br />
Allgemeine Reaktionsgleichung:<br />
• Für symmetrische Ether geignet. Reaktion ist reversibel (Etherspaltung)!<br />
• Nebenreaktion: Eliminierung (bei noch höheren Temperaturen).<br />
5
Synthesen<br />
c) Elektrophile Addition von Alkoholen an Alkene<br />
• Alkene können im Sauren protoniert werden. Die gebildeten Carbeniumionen können<br />
vom Alkohol angegriffen werden. Deprotonierung liefert den Ether.<br />
Allgemeine Reaktionsgleichung:<br />
6
Synthesen<br />
d) Epoxidsynthesen<br />
Technische Synthese von Epoxiden: Katalytische Oxidation von Alkenen<br />
Synthetisch bedeutend (z.B. im Labor): Oxidation von Alkenen mit Peroxysäuren<br />
• Epoxide sind Vorstufen vieler Synthesen umfangreiche Folgechemie.<br />
7
Synthesen<br />
e) Synthese von Tetrahydrofuran und 1,4‐Dioxan<br />
• Tetrahydrofuran (THF) und 1,4‐Dioxan sind wichtige (inerte) Lösungsmittel.<br />
THF:<br />
1,4‐Dioxan:<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 8
Reaktionen<br />
• Ether sind allgemein sehr reaktionsträge<br />
Bildung von Oxoniumionen<br />
• Etherspaltung mit starken Säuren:<br />
• Bildung Dialkyloxoniumion<br />
(mit starken Säuren(HX, H 2 SO 4 )).<br />
• Abspaltung eines Alkoholmoleküls.<br />
• Abfangen des Carbenium‐Ions<br />
durch X ‐ (Nucelophil).<br />
Autoxidation von Ethern<br />
• Ether bilden beim Stehen an Licht und<br />
Luft explosive Peroxide.<br />
! Peroxide können sich im Destillationsrückstand<br />
von Ethern ansammeln!<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 9
Reaktionen<br />
Ringspaltung von Epoxiden<br />
• Protonierung von Epoxiden + Reaktion mit einem Nucleophil führt zu einer Ringöffnung<br />
Vielfältige Folgechemie!<br />
• In Abwesenheit anderer Nucleophile wird der protonierte Epoxid‐Ring von einem<br />
zweiten Epoxid‐Ring angegriffen Ringöffnungspolymerisation.<br />
Bildung von Polyethylenoxid / Polyethylenglykol:<br />
10
Ether als Schutzgruppen<br />
• Die reversible Umwandlung von Alkoholen in Ether ermöglicht das Schützen der<br />
OH‐Gruppe während einer chemischen Reaktion.<br />
Anforderungen an eine<br />
Schutzgruppe:<br />
• billiges Reagenz<br />
• gut und selektiv<br />
anzubringen<br />
• stabil unter den<br />
gewählten<br />
Reaktionsbedingungen<br />
• leicht und spezifisch<br />
abspaltbar<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 11
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 12
11. Amine<br />
• Als AMINE bezeichnet man organische Derivate des Ammoniaks (NH 3 ), bei denen ein<br />
oder mehrere Wasserstoffatome durch Alkyl‐ oder Arylgruppen ersetzt sind.<br />
• Die Einführung eines vierten (Alkyl)substituenten führt zu quartären Ammoniumverbindungen.<br />
Einteilung: Alkylierungsgrad/Arylierungsgrad des Stickstoffs<br />
Struktur und Orbitale<br />
• Alkanamine besitzen<br />
eine tetraedrische<br />
Struktur.<br />
• Der Stickstoff ist sp 3 ‐<br />
hybridisiert.<br />
• Freies Elektronenpaar<br />
bildet Spitze des<br />
Tetraeders.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 13
Allgemeines<br />
Amin‐Inversion<br />
• Die Konfiguration der tetraedrisch angeordneten Substituenten<br />
am Stickstoff ist nicht stabil.<br />
• Umklappen der Substituenten bei Raumtemperatur möglich<br />
(Aktivierungsenergie ca. 20‐30 kJ/mol).<br />
Chirale Amine können nicht enantiomerenrein isoliert werden.<br />
Stickstoffatom im<br />
Übergangszustand<br />
sp 2 ‐hybridisiert.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 14
Allgemeines<br />
Amine als Säuren<br />
• Amine sind sehr schwache Säuren (pK a = 35).<br />
• Nur sehr starke Basen (Butyllithium, Na) können Amine deprotonieren:<br />
N<br />
H<br />
Diisopropylamin<br />
+BuLi<br />
-BuH<br />
Dialkylamid<br />
• Diese Alkylamide sind selbst starke Basen, sie deprotonieren z.B. Alkohole.<br />
N<br />
Li<br />
Lithiumdiisopropylamin<br />
LDA<br />
starke Base<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 15
Allgemeines<br />
Abstufung der Basizität von Alkylaminen:<br />
wasserfrei: NH 3 < primär < sekundär < tertiär<br />
• Ursache: +I‐Effekt der Alkylsubstituenten<br />
(Elektronendichte am Stickstoff steigt Basizität steigt)<br />
wässr. Medium: NH 3 < tertiär < primär < sekundär<br />
• Ursache: +I‐Effekt und Hydratisierung.<br />
(Solvatisierung stabilisiert positive Ladung am Stickstoff,<br />
ist jedoch bei tertiären Aminen sterisch gehindert.)<br />
Basenstärke: Alkylamin > Arylamin<br />
• Ursache: In aromatischen Aminen nimmt das freie Elektronenpaar des Stickstoffs an<br />
der Resonanz im aromatischen Ring teil.<br />
(Elektronendichte am Stickstoff sinkt geringere Basizität).<br />
Aromatische Amine:<br />
• Elektronenschiebende Substituenten erhöhen die Basizität.<br />
• Elektronenziehende Substituenten verringern die Basizität.<br />
• Ursache: Elektronenschiebende Substituenten stabilisieren die positive Ladung und<br />
erhöhen so die Basenstärke des aromatische Amins.<br />
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/ab/Amines_basicity_German.svg<br />
16
Nomenklatur + wichtige Vertreter<br />
• (Substituierte) Amine als funktionelle Gruppe anführen – Aminoalkane.<br />
• Befinden sich Substituenten am Stickstoff, werden diese als N‐Alkyl‐ benannt.<br />
NH 2 NH N<br />
2-Amino-<br />
4-methylhexan<br />
2-(N-Methylamino)-<br />
4-methylhexan<br />
2-(N,N-Dimethylamino)-<br />
4-methylhexan<br />
• Häufiger: Betrachtung als Alkanamin, ‐diamin, ‐triamin usw. (IUPAC):<br />
• Aromatische Amine werden als Benzenamine bezeichnet (auch: Trivialnamen).<br />
• TRIVIALNAMEN (oft als Alkylamine benannt)!<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 17
Synthesen<br />
• Wichtige Synthesemethoden sind:<br />
a) Alkylierung<br />
von Ammoniak und Aminen<br />
von Kalium‐Phthalimid (GABRIEL‐Synthese)<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 18
Synthesen<br />
b) Addition von Ammoniak und Aminen<br />
an Doppelbindungen<br />
an Epoxide (Oxirane)<br />
c) Reduktion von Nitroverbindungen<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 19
Reaktionen<br />
Bindungsverhältnisse:<br />
Bildung von Ammoniumsalzen<br />
N‐Alkylierung<br />
HOFMANN‐Eliminierung<br />
N‐Oxidation<br />
N‐Halogenierung<br />
N‐Acetylierung<br />
• Freies Elektronenpaar am Stickstoff:<br />
Basischer Charakter und Reaktion als<br />
Nucleophil.<br />
• Oxidierbarkeit des Stickstoffs.<br />
• Umwandlung des Amins in Diazonium‐Ionen<br />
ermöglicht vielfältige Folgechemie.<br />
Elektrophile Substitution von<br />
aromatischen Aminen (SANDMEYER)<br />
Azokupplung (AZOFARBSTOFFE).<br />
siehe Aromatenchemie<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 20
Bildung von Ammoniumsalzen<br />
a) Vollständige Protonierung von Aminen durch starke Säuren:<br />
Beispiel: Reaktion mit Pikrinsäure<br />
R<br />
R<br />
N<br />
R<br />
+ HO<br />
O 2 N<br />
O 2 N<br />
NO 2<br />
EtOH<br />
R<br />
R<br />
NH +<br />
R<br />
- O<br />
O 2 N<br />
O 2 N<br />
NO 2<br />
Amin Pikrinsäure Trialkylammoniumpikrat<br />
• Nachweisreaktion für Amine!<br />
• Pikrate sind schwerlöslich in Ethanol.<br />
• Identifizierung anhand der charakteristischen Schmelzpunkte.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 21
Bildung von Ammoniumsalzen<br />
b) Alkylierung:<br />
Reaktionssequenz:<br />
• S N 2‐Mechanismus.<br />
• Steuerung kompliziert, Mehrfach‐Alkylierung möglich.<br />
• Quarternisierung bzw. “erschöpfende Methylierung” (“Peralkylierung”) führt <strong>zur</strong><br />
Bildung von Tetraalkylammoniumsalzen.<br />
Reaktionen von Ammoniumsalzen:<br />
• Deprotonierung durch Basen (auβer Tetraalkylammoniumsalze)<br />
Freisetzung des Amins.<br />
• HOFMANN‐Eliminierung.<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 22
Bildung von Ammoniumsalzen<br />
c) HOFMANN‐Eliminierung:<br />
• Thermische Zersetzung von Tetraalkylammonium‐hydroxid‐Salzen unter Bildung eines<br />
Alkens und eines tertiären Amins.<br />
• Erschöpfende Methylierung, anschließend Eliminierung nach E 2 Mechanismus.<br />
• Die Base (OH ‐ ) abstrahiert das sterisch weniger gehinderte Proton.<br />
HOFMANN‐Produkt ist daher das weniger substituierte Alken!<br />
• Identifizierung von Aminen (z.B. Alkaloiden) möglich!<br />
23<br />
HOFMANN vs. SAYTZEFF‐Produkt
N‐Oxidation<br />
Oxidationsmittel:<br />
• Wasserstoffperoxid H 2 O 2<br />
• Peroxycarbonsäuren R‐CO 3 H<br />
Beispiel:<br />
Folgereaktionen von N‐Oxiden:<br />
• Hydroxylaminbildung:<br />
• Bildung von Nitroalkanen:<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 24
N‐Halogenierung<br />
Reaktionsgleichung:<br />
Folgereaktion:<br />
Cl<br />
R N<br />
Cl<br />
HCl, H 2 O<br />
R NH 3<br />
+<br />
Cl - + Cl 2<br />
• Saure Hydrolyse führt <strong>zur</strong> Freisetzung von Halogen.<br />
• N‐Halogene sind sehr reaktionsfreudig!<br />
explosionsartige Zersetzung<br />
N‐Fluoramine als Raketentreibstoff<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 25
N‐Acetylierung (Carbonsäureamide)<br />
Allgemeine Reaktionsgleichung:<br />
siehe Carbonsäurederivate<br />
• Tertiäre Amine reagieren nicht, da kein HX gebildet werden kann!<br />
HINSBERG‐Trennung von primären/sekundären und tertiären Aminen.<br />
Ähnliche Reaktion:<br />
siehe HINSBERG‐Trennung<br />
OC I Lehramt ‐ F. H. Schacher 26